CN112771428A - 具有垂直铰链的mems显示装置 - Google Patents

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CN112771428A CN201980064026.3A CN201980064026A CN112771428A CN 112771428 A CN112771428 A CN 112771428A CN 201980064026 A CN201980064026 A CN 201980064026A CN 112771428 A CN112771428 A CN 112771428A
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Abstract

一种微机电系统装置，包括：基板，每个电路，止蚀层和安装在该基板上的铰链基座；以及与该电路连接的电极。铰链安装在基座上，并由掺杂半导体制成。铰链包括从基座垂直延伸的垂直支撑件，水平延伸的铰接片接触垂直支撑件。该装置还包括可移动的反射镜和反射镜通孔，该反射镜通孔将反射镜连接到铰接片。响应于在电极与反射镜之间施加电压，反射镜被静电吸引到电极上，反射镜的移动改变了铰接片与垂直支撑件之间的相对位置。止动件安装在基板上，在反射镜接触电极或止蚀层之前机械地停止反射镜移动。

Description

具有垂直铰链的MEMS显示装置
相关申请
本申请要求2018年9月29日提交的美国临时申请专利62/739,175的优先权和权益，其全部公开内容通过引用并入本文。本申请涉及美国专利7,183,618和美国专利8,331,010，其均通过引用整体并入本文。
技术领域
本公开涉及具有支撑可移动的反射镜的垂直铰链的微机电系统(MEMS)显示装置。
背景技术
在显示器中使用的MEMS装置可以具有垂直铰链以支撑反射镜在ON位置和OFF位置之间切换。具有精确定位的垂直铰链是可取的。
发明内容
MEMS装置包括：基板；安装在该基板上的电子电路；以及电连接至该电子电路的电极。MEMS装置还包括安装在基板上的止蚀层、安装在基板上的铰链基座以及安装在铰链基座上的铰链。铰链包括从铰链基座垂直延伸的垂直支撑件和与垂直支撑件接触的水平延伸的铰接片，其中铰链由掺杂半导体制成。MEMS装置还包括可移动的反射镜和反射镜通孔，该反射镜通孔将可移动的反射镜连接到铰接片。可移动的反射镜响应于在电极与可移动的反射镜之间施加电压而被静电吸引到电极上，并且可移动的反射镜的移动改变了铰接片与垂直支撑件之间的相对位置。MEMS装置包括安装在基板上的止动件，该止动件在可移动的反射镜接触电极或止蚀层之一之前机械地停止可移动的反射镜移动。掺杂半导体可以是原位非晶硅。
下面参考附图描述该实施方式的细节以及本文的教导的该实施方式和其他实施方式的变型。
附图说明
结合附图并根据以下详细描述可以更好地理解本公开。要强调的是，根据惯例，附图的各个特征未按比例绘制。相反，为了清楚起见，各种特征的尺寸被任意地扩大或缩小。
图1是根据本文教导的第一实施方式的MEMS装置的透视图。
图2是图1的MEMS装置在OFF位置的侧视图。
图3是图1的MEMS装置在ON位置的侧视图。
图4是根据本文教导的第二实施方式的MEMS装置的透视图。
图5是图4的MEMS装置在OFF位置的侧视图。
图6是根据本文教导的第三实施方式的MEMS装置的透视图。
图7是图6的MEMS装置在OFF位置的侧视图。
图8是根据本文教导的第四实施方式的MEMS装置的透视图。
图9是图8的MEMS装置在OFF位置的侧视图。
图10是根据本文教导的第五实施方式的MEMS装置的透视图。
图11是图10的MEMS装置在OFF位置的侧视图。
图12是根据本文教导的铰链的两个不同视图。
图13是根据第一变型的铰链的照片。
图14是根据第二变型的铰链的照片。
图15是根据第三变型的铰链的照片。
图16是用于解释根据本文教导的MEMS装置示例的详细构造的截面图。
详细说明
根据本文教导的MEMS装置包括垂直铰链(或简单地称为铰链)，其用于在操作期间精确地支撑在其上的反射镜。当处于OFF位置时，反射镜通常与基板的表面平行，并且倾斜直到与止动件接触(这样构成ON位置)为止。铰链是垂直铰链，其除了垂直支撑件之外还包括例如铰链支脚的组件和由掺杂非晶硅形成的一个或多个铰接片。这些组分可以同时沉积，作为掺杂半导体的单次沉积，例如原位掺杂非晶硅与磷酸盐或砷酸盐。垂直支撑件制成为孔的侧壁。止动件和铰接片之间的间隙由牺牲层的厚度确定，该牺牲层的厚度通过沉积来精确地控制。不需要蚀刻或化学机械抛光(CMP)，这使得难以精确控制厚度。由此产生的间隙可以精确控制在ON位置的反射镜的倾斜角度。此外，铰链的残余应力确定中性角，该中性角是没有电压的反射镜相对于基板表面的角度。可以基于硅沉积将残余应力从压缩状态控制到拉伸状态。因此，铰链的残余应力在此使得中性位置对应于大致平行于基板表面的OFF位置。
由于本文所述的铰链的强度，结合有这种铰链的MEMS显示装置可在操作期间承受高温。与替代的水平铰链结构相比，该铰链具有相对较小的形状因数。
参考图1至图3描述了根据本文教导的第一实施方式的MEMS装置1000。这些图仅示出了MEMS装置1000的某些组件，以免模糊铰链的细节，而且在MEMS装置1000的布置中存在许多可用的变化。参照图16描述形成MEMS装置1000的组件。
参照图16，MEMS装置301包括基板311。至少基板的表面可以包括氮化铝(AlN)、氧化铝(Al2SO3)、硅或氧化铪(HfO2)。在基板311上形成一个或多个电子电路，在该示例中，至少一个电子电路是一个或多个晶体管316、317。电介质中间层312、313、314形成在基板311上。即，电介质中间层312形成在基板311和电子电路的一部分(在此为晶体管316、317)上。电介质中间层313形成在电介质中间层312上，电介质中间层314形成在电介质中间层313上。可以结合更多或更少的电介质中间层。电介质中间层在本文中也可以称为绝缘层。
止蚀层315形成为顶层。电极321、322、323由铜(Cu)、铝(Al)、钨(W)等构成。可以通过镶嵌工艺形成电极321、322、323，以便将其埋入(例如，嵌入)在电介质中间层314中。可以同时对电极321、322、323和电介质中间层314进行CMP处理，它们在同一平面上对齐。止蚀层315形成在电极321、322、323和电介质中间层314上，并且在同一表面上进行平坦化。
MEMS装置301具有金属层336、337、338、339、340、341和电极321、322、323用于在电介质中间层312、313、314之间的电气布线。此外，MEMS装置301具有连接电气布线和电极的通孔327、328、329、330、331、332、333、334、335。更一般而言，MEMS装置301可包括一个或多个电极，其嵌入电介质中间层314中，以通过金属层和使用电介质中间层绝缘的通孔与MEMS装置301的一个或多个电子电路电连接。根据本文教导的MEMS装置的电极、金属层和通孔的数量可以基于MEMS装置301内的电子电路及其在其中的布置而变化。
如图16所示，通孔327提供从电极321穿过电介质中间层314到形成在电介质中间层313上的金属层336的导电路径。通孔328提供从形成在电介质中间层313上的金属层336穿过电介质中间层313到形成在电介质中间层312上的金属层337的导电路径。通孔329提供从形成在电介质中间层312上的金属层337穿过电介质中间层312到基板311的导电路径。通过通孔327、328、329和金属层336、337，电极321可以通过基板311、电介质中间层312和电介质中间层313上的触点电连线或电连接到电子电路。
以类似的方式，通孔330提供从嵌入电介质中间层314中的电极322穿过电介质中间层314到形成在电介质中间层313上的金属层338的导电路径。通孔331提供从形成在电介质中间层313上的金属层338穿过电介质中间层313到形成在电介质中间层312上的金属层339的导电路径。通孔332提供从形成在电介质中间层312上的金属层339穿过电介质中间层312到基板311的导电路径。通过通孔330、331、332和金属层338、339，电极322可以通过基板311、电介质中间层312和电介质中间层313上的触点电连线或电连接到电子电路。
图16中根据电极323连接到一个或多个晶体管316、317的触点示出了电极与电子电路的连接。通孔333提供从嵌入电介质中间层314中的电极323穿过电介质中间层314到形成在电介质中间层313上的金属层340的导电路径。通孔334提供从形成在电介质中间层313上的金属层340穿过电介质中间层313到形成在电介质中间层312上的金属层341的导电路径。通孔335提供从形成在电介质中间层312上的金属层341穿过电介质中间层312到安装在基板311上的一个或多个晶体管316、317的触点的导电路径。通过通孔333、334、335和金属层340、341，电极323可以通过电介质中间层312和电介质中间层313上的触点电连线或电连接到电子电路。
此外，MEMS装置301具有铰链352，该铰链352直接形成在电极322上或形成在安装在电极322上的附加导电支撑结构上，其中每个附图中示出的导电支撑件可以由与电极322相同的材料形成。MEMS装置301具有反射镜元件351，该反射镜元件351形成在铰链352的上侧。在该实施例中，反射镜元件351(本文中也称为反射镜)是可结合到MEMS装置中的可移动元件。同时，机械止动件308形成在铰链352的底部。所示的机械止动件308是由与铰链352相同的材料形成的单件，其平行于反射镜元件351的默认或未激发位置延伸，其又与基板311及其层的安装表面平行。
基板311可以由单晶硅或其他某些基板材料构成。在该示例中，晶体管316和317是互补金属氧化物半导体(CMOS)晶体管，但是其他电子电路也可以。电介质中间层312、313、314是层间绝缘膜或层，包括二氧化硅(SiO2)或另一种合适的绝缘材料。
金属层336、337、338、339、340、341由例如铝(Al)、铜(Cu)或铝铜合金(Al-Cu)制成。
电极321、322、323由钨(W)或与通孔相同的材料制成。每个通孔327、328、329、330、331、331、332、333、334、335形成为贯孔，该贯孔延伸穿过MEMS装置301的至少一个层并填充有导电材料，在此示例中为钨(W)。
铰链352是支撑反射镜元件351的可变形构件。以下将详细讨论铰链352的不同实施方式。
反射镜元件351是能够反射来自光源的光的元件。反射镜元件351可以具有由钛(Ti)、W等构成的支撑层，以及由反射率良好的材料(例如Al、金(Au)或银(Ag)或其任意组合)构成的反射镜层。
反射镜元件351静电吸引到电极323，并且铰链352由于反射镜元件351变形至ON位置而倾斜。这可能是由于形成在基板311上的电子电路(例如，晶体管316、317)或通常安装在其他位置并电耦合至MEMS装置301(例如，其迹线和/或连接件)的电压源在反射镜元件351与电极323之间施加电压而导致的。该电压引起吸引力。反射镜元件351通过与止动件308接触，可防止与止蚀层315接触。也就是说，机械止动件308安装在电极321、323上方的某一高度处，并具有某一尺寸(例如长度)，足以防止铰链352变形导致反射镜元件351倾斜以接触电极323上方的表面。例如，机械止动件308的长度允许在反射镜元件351倾斜时与反射镜元件351接触，以防止反射镜元件351与MEMS装置的其他部分接触。因此，可以防止电短路。在没有施加电压的情况下，铰链352返回到图16所示的反射镜元件351的OFF位置。
参照图1至图3，仅在MEMS装置1000的顶层示出了铰链及其与反射镜的连接的更多细节。图1仅以轮廓形式示出了这些顶层，以便更好地看到那些细节，而图2(OFF位置)和图3(ON位置)中的侧视图也仅限于这些顶层。具体地，这些图示出了铰链(包括垂直支撑件1001，铰链支脚1002和铰接片1003、1004)，反射镜通孔1005、1006，反射镜1007，止动件1008，铰链支撑件1009，止蚀层1010，电极1011、1013和通孔1012、1014。
反射镜1007可以具有与反射镜元件351相同的结构。止动件可以具有与止动件308相同的结构。止蚀层1010可以具有与止蚀层315相同的结构。电极1011可以具有与电极321相同的结构，并且电极1013可以具有与电极323相同的结构。通孔1012、1014可以具有与通孔327、333相同的结构。通孔1012、1014可以具有与通孔327、333相同的结构。通孔1012可以具有与通孔327相同的结构，并且通孔1014可以具有与通孔333相同的结构。铰链支撑件1009可以具有与安装在电极322上的附加导电支撑结构相同的结构。
反射镜通孔1005、1006和铰链支撑件1009支撑铰链。更具体地，铰链包括形成在铰链支撑件1009上的铰链支脚1002和从铰链支脚1002大体垂直延伸的垂直支撑件1001。铰接片1003从垂直支撑件1001的顶部沿与铰链支脚1002相反的方向而径向延伸。铰接片1003通过反射镜通孔1005固定到反射镜1007。铰接片1004通过反射镜通孔1006固定到反射镜1007。铰链支支脚1002、铰接片1003和铰接片1004沿着相同的径向线大致对齐(例如，居中)。以下描述铰链的一般的形成方式。
首先，例如，当电极1011、1013由W制成时，镶嵌或双镶嵌工艺比蚀刻更适合。对氧化物层进行构图和蚀刻以产生具有电极形状的孔，并且通过化学气相沉积(CVD)以沉积钨。所得表面通过CMP抛光。在采用双镶嵌工艺的情况下，也可以同时沉积由W形成的通孔1012、1014和电极1011、1013。铰链支撑件1009和止动件1008都可以通过另一双镶嵌工艺制成。随后，在止动件1008上形成铰链。在不存在止动件1008的情况下，即一个或多个止动件位于MEMS基板上的其他位置处(例如MEMS基板311)，则可以在铰链支撑件1009上形成铰链。可以参考图12至图15对此进行说明。
参照图12，在基座12005上(例如，通过CVD)沉积氧化物层12001，可以蚀刻孔，该孔的底部到达铰链基座12005的表面。当止动件位于铰链支撑件1009之外，铰链基座12005可以是止动件1008或铰链支撑件1009。期望地，该孔是方孔。通过CMP将表面平坦化。然后(例如，通过CVD)沉积非晶硅，覆盖孔的侧壁。铰链的残余应力可以通过从压缩状态到最终铰链的拉伸状态调整硅沉积(例如掺杂量)来控制。然后，涂覆光阻剂层并通过光刻法对其进行构图，以蚀刻掉孔的侧壁的三个侧面，仅留下一个侧壁，从而形成垂直支撑件1001和铰接片1003、1004。以此方式，铰链的组件(在该示例中，垂直支撑件1001，铰链支脚1002和铰接片1003、1004)同时沉积，为原位掺杂非晶硅与磷酸盐或砷酸盐的单次沉积。垂直支撑件1001的厚度可以为100A至1000A(包括100A和1000A)。垂直支撑件1001的电阻可以为5Mohm至1Gohm(包括5Mohm和1Gohm)。垂直支撑件1001的电阻的热系数可以为负，使得铰链的温度越高，铰链的电阻越低。
垂直支撑件1001的高度由孔的深度决定，孔的深度由牺牲氧化物层12001的CVD沉积确定。由于不涉及会造成深度控制困难的CMP或蚀刻，因此可以进行精确控制。精确控制垂直支撑件1001的高度控制了止动件与铰接片1004之间的间隙，该间隙确定了反射镜1007的倾斜角度。控制反射镜1007的倾斜角度很重要，因为它代表MEMS装置的ON位置，并且会影响所得的结合有MEMS装置的显示装置的外观。
在沉积和蚀刻非晶硅之后，反射镜通孔1005、1006可以由对硅铰链具有良好的粘附性的材料形成，例如W。该材料可以是或至少包括具有超过500MPa的维氏硬度的材料。可以使用镶嵌工艺。在沉积W之前，可以使用一个或多个可选的Ti和/或氮化钛(TiN)层作为阻挡金属，以帮助改善W对硅、Al或两者的粘附性。反射镜通孔1005、1006还有助于避免反射镜1007的材料(例如Al)迁移或扩散到非晶硅中。Al的迁移降低了非晶硅的强度。反射镜通孔1005、1006的垂直高度可以小于0.5微米。反射镜通孔1005、1006的横截面可以是圆形或正方形。
然后可以将铝沉积在反射镜通孔1005，1006上，并且蚀刻反射镜图案以形成反射镜1007。在去除蚀刻中使用的牺牲层之后，通过调整用于蚀刻的硅烷的流速、基板的温度或用于沉积铝的CVD室内的压力中的至少一种来使得反射镜的倾斜角在+/-0.5以内(基于与止动件的接触)。反射镜1007与止蚀层1010之间的距离可以小于3微米，其中止蚀层1010位于电极1011、1013上方。
经过这些步骤后，反射镜通孔1005、1006和反射镜1007通过导电材料电连接，使得反射镜1007与铰链之间的电阻小于10Gohm。反射镜通孔1005、1006中的一个或两个可以具有倒圆角，其转角半径小于反射镜通孔的宽度的50％。铰链基座(例如止动件1008)与铰接片(例如铰接片1003)之间的距离可以小于垂直支撑件1001与反射镜1007的边缘之间的距离的一半。
在如上所述形成的铰链中，铰链支脚到铰链基座的表面粘附力可能超过铰链在垂直方向上的剪切力。反射镜通孔到铰接片的表面的表面粘附力可能超过铰链在垂直方向上的剪切力。反射镜通孔到反射镜表面的表面粘附力可能超过铰链在垂直方向上的剪切力。邻近铰接片的垂直支撑件的表面张力和邻近铰链基座的垂直支撑件的表面张力可以相差大于1％。
如图12所示，在铰链的支脚根部12003的区域中，垂直支撑件1001的顶部或上部(即，在铰接片1004的区域中)比垂直支撑件1001的底部厚。这可以有助于避免在ON和OFF位置之间切换期间铰链的旋转中心的移位。而且，铰链的宽度使得顶部或上部比支脚根部12003周围的区域窄。这可以增加铰链的强度以及铰链(例如，铰链支脚1002)对基座12005(例如，止动件1008或铰链支撑件1009)的粘附性。虽然图12中的铰链具有较厚的上部区域和较宽的底部区域，但是根据本文中公开的铰链可仅具有这些属性之一。根据本公开的铰链可以从与铰接片相邻的顶部到与铰链基座相邻的底部逐渐变细。
图13示出了具有凹槽效果的铰链，其中铰链的底部的宽度(例如，在支脚根部12003处)大于顶部的宽度。结合上面描述的分层，图13示出了可以由光刻步骤产生的栅栏13002。当存在栅栏13002时，其可贡献铰链在垂直方向上的高度。理想地，栅栏13002的高度，或至少形成与铰链材料的残余壁邻接的部分的高度，不大于从基座12005到垂直支撑件1001的顶表面(因此为铰接片1003)测量的铰链的垂直高度的20％。
铰链构造的另一变型在图14中示出。在图14的照片中，铰链支脚1002的根部12003是圆形的。与具有基本垂直轮廓的根部(例如，如图15所示的具有尖角的根部15001)相比，圆形根部增加了铰链的强度。本公开中，增加强度意味着增加铰链可以无故障地执行的ON-OFF循环的次数。例如，在移除电压源之后铰链不再返回到OFF位置时发生故障。
不管根部的形状如何，都可以将根部15003埋入如图15所示的基座12005中。即，可以将(例如，正方形)孔蚀刻到基座12005的表面中，使得当施加非晶硅时，硅层在基座12005的表面上方。这增加了安装在基座12005的表面上的根部(例如根部15001)上方铰链的强度。在跟部15003进一步倒圆的示例中，会进一步增加铰链强度。
在根据这些变型中的任一个的使用铰链形成的MEMS装置中，止动件与反射镜的接触点可以是水平的，并且以小于止动件最长尺寸的25％的转角半径倒圆。止动件与反射镜的接触点在如图3所示的MEMS装置的侧视图中可具有小于100度的倾斜角。相对于基板的表面，铰接片1003相对于垂直支撑件1001的静止角为80度至90度(包括80度和90度)，例如如图2所示的基板311。因此，在反射镜1007相对于基板表面为水平或大致水平的情况下，处于OFF位置。
图4是根据本文教导的第二实施方式的MEMS装置4000的透视图，图5是处于OFF位置的MEMS装置4000的侧视图。MEMS装置4000的结构基本上类似于MEMS装置1000的结构。唯一的区别与电极和止蚀层有关。在MEMS装置1000中，止蚀层1010在电极1011、1013之上并与之接触。在MEMS装置4000中，止蚀层1010在电极1011、1013之下。从图5可知，电极1011、1013通过一个或多个与电介质中间层312、313、314相似的电介质中间层而与止蚀层1010隔开。该结构需要比MEMS装置1000的结构的制造过程更多的工艺步骤。然而，用于控制MEMS装置4000中的反射镜1007的移动的驱动电压可以低于MEMS装置1000中的驱动电压。
图6是根据本文教导的第三实施方式的MEMS装置6000的透视图，图7是处于OFF位置的MEMS装置6000的侧视图。MEMS装置6000的结构基本上类似于MEMS装置1000的结构。唯一的区别与铰链的结构有关。MEMS装置6000中的铰链包括两个垂直支撑件6001A、6001B，其从公共支脚1002的相对侧垂直向上延伸。垂直支撑件6001A、6001B在本文中可以称为双垂直支撑件。铰接片6003A从垂直支撑件6001A的顶部径向地延伸，铰接片6003B从垂直支撑件6001B的顶部径向地延伸。铰接片6003A、6003B沿着相同的径向线延伸，在本文中可以称为双水平凸片。反射镜1007通过反射镜通孔1006固定到铰接片6003A，反射镜1007通过反射镜通孔1005固定到铰接片6003B。
垂直铰链包括支脚1002、垂直支撑件6001A、6001B和铰接片6003A、6003B，类似于支脚1002、垂直支撑件1001和铰接片1003。即，在沉积氧化物层12001、对基座12005蚀刻孔之后，在孔、侧壁和氧化物层12001顶表面上方沉积原位掺杂非晶硅(例如，使用CVD)。之后，涂覆光阻剂层并通过光刻法对其进行构图。通过蚀刻掉侧壁的三个侧面来形成MEMS装置1000的铰链，而通过蚀刻仅孔的侧壁的相对侧来形成MEMS装置6000的铰链。随后，可以如上所述形成反射镜通孔1005、1006和反射镜1007。
MEMS装置6000的垂直铰链可以结合图12至图15描述的任何变型。铰链的这种结构及其任何变型可以与使用不同的分层布置的MEMS装置结合，例如图4和图5的MEMS装置4000。
图8是根据本文教导的第四实施方式的MEMS装置8000的透视图，图9是处于OFF位置的MEMS装置8000的侧视图。MEMS装置8000的结构基本上类似于MEMS装置1000的结构。唯一的区别与铰链的结构有关。MEMS装置8000中的铰链包括垂直支撑件8001，两个铰接片8003A、8003B从该垂直支撑件8001径向延伸。垂直支撑件8001是从基座(例如，铰链支撑件1009或止动件1008)的相对边缘之间大致等距的位置沿反射镜1007的倾斜方向垂直向上延伸的悬臂。垂直支撑件8001可以在基座上居中设置。铰接片8003A、8003B沿着相同的径向线从垂直支撑件8001延伸。这样，铰接片8003A、8003B可以称为悬臂的水平铰链。类似于铰接片6003A、6003A，铰接片8003A、8003B在本文中也可以称为双水平凸片。反射镜1007通过反射镜通孔1006固定到铰接片8003A，反射镜1007通过反射镜通孔1005固定到铰接片8003B。
铰链包括垂直支撑件8001和铰接片8003A、8003B，类似于支脚1002、垂直支撑件1001和铰接片1003。即，在沉积氧化物层12001、对基座12005蚀刻孔之后，沉积原位掺杂非晶硅(例如，使用CVD)。然而，在这种情况下，孔的直径可以小于上述铰链的孔的直径，使得整个孔被填充而不是仅填充侧壁。氧化物层12001的顶表面也被覆盖。之后，涂覆光阻剂层并通过光刻法对其进行构图。通过蚀刻掉侧壁的三个侧面来形成MEMS装置1000的铰链，而通过蚀刻孔的侧壁的两个相对侧来形成MEMS装置8000的铰链。随后，可以如上所述形成反射镜通孔1005、1006和反射镜1007。
MEMS装置8000的垂直铰链可以结合图12至图15描述的任何变型。即，例如，由于垂直支撑件8001还执行支脚1002的功能(即，将铰链固定到基座)，因此垂直支撑件8001的底部可以具有凹槽、相较于顶部加厚、修圆、埋在基座中，或这些特征的一些组合。铰链的这种结构及其任何变型可以与使用不同的分层布置的MEMS装置结合，例如图4和图5的MEMS装置4000。
图10是根据本文教导的第五实施方式的MEMS装置10000的透视图，图11是处于OFF位置的MEMS装置10000的侧视图。MEMS装置10000的结构基本上类似于MEMS装置1000的结构。唯一的区别与铰链的结构有关。MEMS装置10000中的铰链包括由水平延伸的铰接片10003间隔开的垂直支撑件10001A、10001B。垂直支撑件10001A、10000B从与基座(例如，铰链支撑件1009或止动件1008)的相对边缘大致等距的位置沿反射镜1007的倾斜方向垂直向上延伸。
反射镜1007通过单个反射镜通孔10005固定至铰接片10003，位于垂直支撑件10001A、10001B之间的中心。垂直支撑件10001A、10001B的高度和间距使其响应于反射镜1007对电极1013的静电吸引而限制了铰接片10003的变形，使得反射镜1007不接触基板的表面层(此处为止蚀层1010)。该变形引起沿铰接片10003的水平长度的扭转。因此，该铰链可以被称为水平扭转铰链。
铰链包括垂直支撑件8001和铰接片8003A、8003B，类似于支脚1002、垂直支撑件1001和铰接片1003。即，在沉积氧化物层12001、对基座12005蚀刻孔之后，沉积原位掺杂非晶硅(例如，使用CVD)。然而，在这种情况下，可以蚀刻多个孔。与图1至图3所述的孔相比，孔的直径相对较小，类似于图8和图9所述的孔。整个孔被填充而不是仅填充侧壁。氧化物层12001的顶表面也被覆盖。之后，涂覆光阻剂层并通过光刻法对其进行构图。通过蚀刻掉侧壁的三个侧面来形成MEMS装置1000的铰链，而通过蚀刻沿倾斜方向延伸的孔的侧壁的两个相对侧来形成MEMS装置8000的铰链。随后，可以如上所述形成反射镜通孔1005和反射镜1007。
MEMS装置10000的垂直铰链可以结合图12至图15描述的任何变型。即，例如，由于垂直支撑件10001A、10001B还执行支脚1002的功能(即，将铰链固定到基座)，因此垂直支撑件8001的底部可以具有凹槽、相较于顶部加厚、修圆、埋在基座中，或这些特征的一些组合。铰链的这种结构及其任何变型可以与使用不同的分层布置的MEMS装置结合，例如图4和图5的MEMS装置4000。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是应该理解，这样的公开不应该被解释为限制性的。在阅读本公开之后，各种改变和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。因此，所附权利要求书应当解释为覆盖落入其范围内的所有替换和修改。

Claims (27)

1.一种微机电系统(MEMS)装置，包括：
基板；
安装在所述基板上的电子电路；
电连接到所述电子电路的电极；
安装在所述基板上的止蚀层；
安装在所述基板上的铰链基座；
安装在所述铰链基座上的铰链，所述铰链包括：
从所述铰链基座垂直延伸的垂直支撑件；和
与所述垂直支撑件接触的水平延伸的铰接片，
其中，所述铰链由掺杂半导体制成；
可移动的反射镜，所述可移动的反射镜响应于在所述电极和所述可移动的反射镜之间施加电压而被静电吸引到所述电极上；
反射镜通孔，将所述可移动的反射镜连接到所述铰接片，其中所述可移动的反射镜响应于在所述电极和所述可移动的反射镜之间施加电压而被静电吸引到所述电极上，并且可移动的反射镜的移动改变了所述铰接片与所述垂直支撑件之间的相对位置；和
安装在所述基板上的止动件，所述止动件在所述可移动的反射镜接触所述电极或所述止蚀层之一之前机械地停止所述可移动的反射镜移动。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置，其中所述掺杂半导体是原位非晶硅。
3.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述铰链还包括与所述铰链基座接触的铰链支脚，所述铰链基座包括安装在所述基板上的铰链支撑件或安装在所述铰链支撑件上的止动件，所述铰链支脚在与所述铰接片相反的方向上水平延伸。
4.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中所述铰链还包括：
第二垂直支撑件，所述第二垂直支撑件在所述铰链支脚的相对边缘处平行于所述垂直支撑件延伸；
第二水平延伸的铰接片，所述第二水平延伸的铰接片与所述第二垂直支撑件接触，并在与所述铰接片相反的方向上延伸；和
第二反射镜通孔，将所述可移动的反射镜连接到所述第二铰接片。
5.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中至少以下之一：
所述铰链支脚的底面在所述铰链基座的顶面的下方；
所述铰链支脚的铰链根部在所述铰链支脚与所述垂直支撑件相交的侧视图中是弯曲的；或者
所述铰链支脚陷入所述止动件中。
6.根据权利要求3所述的MEMS装置，其中所述铰链支脚到所述铰链基座的表面粘附力超过所述铰链在垂直方向上的剪切力。
7.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述铰链还包括：
第二垂直支撑件，所述第二垂直支撑件平行于所述垂直支撑件延伸，其中：
所述垂直支撑件与所述第二垂直支撑件沿所述反射镜的倾斜方向与所述铰链基座的中心等距间隔；
所述铰接片在所述垂直支撑件的顶面与所述第二垂直支撑件之间延伸；并且
所述反射镜通孔位于所述铰接片的中心，使得所述铰链是水平扭转铰链。
8.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述铰接片从所述垂直支撑件的中心等距地延伸，并且所述MEMS装置还包括：
第二反射镜通孔，将所述可移动的反射镜连接到所述铰接片，其中所述反射镜通孔和所述第二反射镜通孔在所述反射镜的倾斜方向上与所述铰接片的中心等距间隔，使得所述铰链是悬臂。
9.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述垂直支撑件邻近所述铰接片的表面张力与所述垂直支撑件邻近所述铰链基座的表面张力相差大于1％。
10.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述止动件与所述反射镜的接触点是水平的，并且以小于所述止动件的最长尺寸的25％的转角半径被倒圆。
11.根据权利要求10所述的MEMS装置，其中所述止动件与所述反射镜的接触点的侧视图具有小于100度的倾斜角。
12.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔到所述铰接片的表面的表面粘附力或所述反射镜通孔到所述反射镜的表面的表面粘附力中的至少一个超过所述反射镜沿垂直方向的剪切力。
13.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔被阻挡金属密封，所述阻挡金属包括钛、氮化钛或其组合，并且所述反射镜通孔与所述反射镜通过导电材料电连接，从而使得所述反射镜与所述铰链之间的电阻小于10Gohm。
14.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔具有倒圆角，其转角半径小于所述反射镜通孔的宽度的50％。
15.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中在去除牺牲层之后，通过调节硅烷的流速、所述基板的温度或CVD室内的压力中的至少一项，使得所述反射镜的倾斜角在+/-0.5度内。
16.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述垂直支撑件的宽度和/或高度中的至少一个是从100A至1000A，或者所述垂直支撑件的电阻是5Mohm至1Gohm。
17.根据权利要求16所述的MEMS装置，其中所述垂直支撑件的电阻的热系数为负，使得所述铰链的温度越高，所述铰链的电阻越低。
18.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中相对于所述基板，所述铰接片相对于所述垂直支撑件的静止角为80度至90度。
19.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述止动件与所述铰接片之间的距离小于所述垂直支撑件与所述反射镜的边缘之间的距离的一半。
20.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述铰接片的高度超过所述垂直支撑件的宽度。
21.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述垂直支撑件包括与所述铰链基座相邻的凹槽。
22.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述垂直支撑件从与所述铰接片相邻的顶部到与所述铰链基座相邻的底部逐渐变细。
23.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述铰接片具有阻挡金属并且没有氧化层或氮化物层。
24.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔包括维氏硬度超过500MPa的至少一种材料。
25.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔的垂直高度小于0.5微米。
26.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜与所述止蚀层之间的距离小于3微米。
27.根据权利要求1或2所述的MEMS装置，其中所述反射镜通孔具有圆形水平形状或正方形水平形状。
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