CN117420672A - 具有压电致动的mems反射镜器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本公开的实施例涉及具有压电致动的MEMS反射镜器件及其制造方法。本文公开了一种微机电反射镜器件，其具有：固定结构，限定对腔进行界定的外部框架；可倾斜结构，延伸到腔中；反射表面，由可倾斜结构承载，并且在水平平面中具有主延伸部；以及致动结构，被耦合在可倾斜结构和固定结构之间。致动结构由第一致动臂对形成，使得可倾斜结构围绕平行于水平平面的第一轴旋转。致动臂借助弹性耦合元件而弹性耦合到可倾斜结构，并且各自由轴承结构和压电结构形成。每个致动臂的轴承结构由第一材料的软区域形成，并且弹性耦合元件由第二材料的轴承层形成，第二材料具有比第一材料更大的刚度。

Description

具有压电致动的MEMS反射镜器件及其制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2022年7月18日提交的意大利专利申请号102022000015055的优先权权益，其内容在法律允许的最大范围内通过引用以其整体并入于此。
技术领域
本公开涉及一种具有压电致动的MEMS(微机电系统)反射镜器件以及用于制造该MEMS反射镜器件的方法。
背景技术
MEMS反射镜器件被用于便携式装置(诸如，智能手机、平板计算机、笔记本计算机以及PDA)中以用于光学应用，从而以期望的模式引导由光源(例如，激光)生成的光辐射束。由于其尺寸小，这些器件在面积和厚度方面符合严格的空间占用要求。
例如，MEMS反射镜器件被用于微型投影仪装置(所谓的微型投影仪)中，能够从远处投影图像并且在屏幕或类似的显示器表面上生成期望的光图案。
MEMS反射镜器件通常包括可倾斜结构，可倾斜结构承载合适的材料(例如，铝或金，根据投影是可见光还是在红外线方式)的反射表面或反射镜表面。可倾斜结构可以弹性支撑在腔之上，并且由半导体主体制造，以例如利用倾斜或旋转移动而移动出主延伸平面，从而以期望的方式引导撞击光束。
可倾斜结构的旋转是借助致动系统来控制的，致动系统可以是例如静电型、电磁型或压电型。
与具有静电致动或电磁致动的器件相比，具有压电致动的MEMS反射镜器件具有利用降低的致动电压和功耗的优点。此外，它们允许提供压阻式传感器元件，压阻式传感器元件被配置为检测反射镜的驱动条件并提供反馈信号，以允许对同一驱动进行反馈控制。
通常，使用MEMS反射镜器件的应用提供沿两个轴的光束偏转，这可以通过一个被布置在另一个的下游(在光传播方向上)的两个单轴MEMS反射镜器件来实现，或者通过单个双轴MEMS反射镜器件来实现。
在双轴器件的情况下，可倾斜结构被配置为绕两个轴旋转；例如，它可以围绕具有谐振移动的第一轴旋转，以在屏幕或显示器表面上生成快速水平扫描，并以线性或准静态移动(即，以远低于谐振移动频率的频率)围绕第二轴旋转，从而生成缓慢竖直扫描。以这种方式，例如可以在同一屏幕或显示器表面上获得线或光栅扫描。
备选地，围绕第二旋转轴线的旋转也可以在谐振频率下发生，从而生成在该情况下是竖直的快速扫描，并且总体上，在屏幕或显示器表面上生成所谓的“李萨如”扫描图案。
例如在美国专利公开号2017/0155979和美国专利公开2023/0035607(对应于欧洲专利号3,712,676A1)中描述了双轴型和具有压电致动的MEMS反射镜器件的一些示例，两者的内容通过引用以其整体并入。
在各种情况下，可倾斜结构(微反射镜)由弹性结构(由也被称为“弹簧”的弹性元件形成)支撑，弹性结构将由致动系统生成的扫描移动传递到可倾斜结构并且因此，弹性变形。
通常，弹性结构和致动结构被形成在同一半导体层中，该半导体层与弹性结构和致动结构成一体地形成可倾斜结构。因此，它们的厚度等于可倾斜结构的厚度。
然而，这不是最优的，并且可能限制MEMS器件的性能。事实上，一方面期望可倾斜结构是刚性的，以在厚度方向上具有抗冲击的高鲁棒性(并且因此它通常在该方向上具有高厚度)，并且另一方面，期望弹性结构和致动器具有高致动效率，并且将致动移动有效地传递到可倾斜结构，这在很大程度上与它们的厚度相关。
此外，甚至致动结构和弹性部件的最优弹性特性也不相同：对于弹性结构，希望具有优化的刚度，以有效地传递致动、抗冲击鲁棒性并且抑制由外部激励激活的杂散模式；对于致动结构，期望具有低刚度，以改进致动效率。针对弹性结构和致动结构所表示的最优特性以不同且冲突的方式主要与相应结构的厚度相关。
因此，目前，可倾斜结构、弹性结构和致动结构的(相等)厚度是基于各种结构的刚度特性和效率之间的权衡来选择的。
在于2022年3月11日提交的意大利专利申请号102022000004745(对应于美国专利申请号18/118,333)中描述了双轴微机电反射镜器件，其内容通过引用以其整体并入本文。在该器件中，结构具有三种不同的厚度。致动结构以及与第一旋转轴线SA(形成慢速、准静态轴)相关联的弹性结构具有第一厚度，并且形成在薄的第一半导体层中，以在低工作电压下操作；可倾斜结构以及与第二旋转轴线FA相关联的弹性结构(在谐振频率下形成快速轴)具有大于第一厚度的第二厚度，并且形成在第二半导体层中，第二半导体层比第一半导体层更厚，从而具有高谐振频率。耦合框架和外部框架是使用第一和第二半导体层形成的，并且因此具有最大厚度。
虽然与先前的MEMS反射镜器件相比提供了相当大的优势，然而，在某些应用中，该方法不允许实现期望的致动效率。
实际上，形成与第一旋转轴线SA相关联的相同厚度的致动和弹性结构不允许获得该轴(此处为慢轴)的高致动效率。
发明内容
本公开的目的在于提供克服现有技术的缺点的方法。根据本公开，提供了一种如下所述的MEMS器件及其制造方法。
微机电系统(MEMS)反射镜器件包括固定结构，该固定结构形成对腔进行界定的外部框架。延伸到腔中的是可倾斜结构，其承载反射表面，反射表面主要在水平平面中延伸。致动结构被连接在可倾斜结构和固定结构之间。该致动结构包括至少一个第一致动臂对，其被设计用于促进可倾斜结构围绕平行于水平平面的第一旋转轴线的旋转。这些致动臂借助弹性耦合元件而被弹性连接到可倾斜结构。每个致动臂包括轴承结构和压电结构。每个致动臂的轴承结构包括第一材料的第一区域。弹性耦合元件包括第二材料的轴承层，第二材料的刚度高于第一材料。
第二材料可以是硅。备选地或附加地，第一材料可以是诸如干膜光致抗蚀剂的聚合物材料。
轴承结构可以包括额外的第三材料层，第三材料的刚度等于第二材料。该附加层可以被布置在第一区域之上或之下。第三材料可以是硅氧化物、硅氮化物或金属。在另一实施例中，轴承结构可以包括附加的第三材料层，第三材料的刚度大于第一材料并且低于第二材料。
器件可以被配置为使得压电结构覆盖腔，并且轴承结构覆盖压电结构，或者轴承结构覆盖腔并且压电结构覆盖轴承结构。
器件还可以包括包围可倾斜结构的内部框架。内部框架可以被刚性连接到可倾斜结构并通过弹性耦合元件而被弹性连接到至少一个第一致动臂对。
致动结构还可以包括致动臂对，其被设计为有助于可倾斜结构围绕第二旋转轴线旋转，第二旋转轴线垂直于第一旋转轴线并平行于水平平面。这些致动臂可以借助致动弹性元件而弹性连接到内部框架，每个致动臂包括轴承结构和压电结构。在这样的配置中，可倾斜结构、固定结构、致动臂的轴承结构和致动弹性元件可以均由第二材料制成。
至少一个第一致动臂对中的致动臂可以被弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架。此外，器件可以包括相对于第二旋转轴线与至少一个第一致动臂对对称布置的第二致动臂对。第二致动臂对中的致动臂可以借助弹性元件而弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的可倾斜结构。
最后，可倾斜结构可以被设计为以准静态移动围绕第一旋转轴线旋转，并且以谐振移动围绕第二旋转轴线旋转。
本公开还包含制造微机电系统(MEMS)反射镜器件的方法。该方法涉及若干组件的形成。首先，固定结构被形成，其限定外部框架并界定腔；其次，延伸到腔中的可倾斜结构被形成。第三，反射表面被形成，反射表面由可倾斜结构承载并在水平平面中具有主延伸部。最后，致动结构被形成。其可以被耦合在可倾斜结构和固定结构之间，并且被配置为使得可倾斜结构围绕平行于水平平面的第一旋转轴线旋转。
形成致动结构涉及创建至少一个第一致动臂对并形成弹性耦合元件。这些元件中的每一个将至少一个第一致动臂对的相应第一致动臂弹性耦合到可倾斜结构。至少一个第一致动臂对的形成涉及形成轴承结构和压电结构。每个致动臂的轴承结构包括第一材料的第一区域，而弹性耦合元件包括第二材料的轴承层。第二材料比第一材料具有更大的刚度。
制造方法可以包括附加步骤。例如，在具有第一面和第二面的半导体材料晶片上，压电区域和第一区域可以被形成在第一面上。晶片的半导体材料可以从第二面被部分地去除，以形成腔，并限定至少一个第一致动臂对的固定结构、可倾斜结构和弹性耦合元件。在至少一个第一致动臂对之下的半导体材料的晶片可以被完全去除。
压电结构的形成可以涉及第一电极层、压电层和第二压电层的形成和图案化。轴承结构的形成可以涉及在压电结构之上或之下形成材料(诸如聚合物材料)的第一区域。
本文还公开了微机电系统(MEMS)反射镜器件。器件包括包围腔的框架，并且在该腔内延伸反射镜元件。反射镜元件是能够旋转的，并且承载在水平平面中延伸的反射表面。器件还包括致动组件，用于在反射镜元件和框架之间建立连接。该致动组件具有至少一个致动臂对，使得反射镜元件能够围绕平行于水平平面的轴旋转。这些致动臂经由弹性耦合元件弹性连接到反射镜元件。每个致动臂包括轴承结构和压电结构。每个致动臂的轴承结构包含由第一材料制成的第一区域。弹性耦合元件包括由第二材料制成的轴承层，第二材料比第一材料更硬。
MEMS反射镜器件可以包括包围反射镜元件的内部框架。该内部框架被刚性连接到反射镜元件，并且经由弹性耦合元件弹性连接到致动臂。
致动组件可以具有另一致动臂对。这些臂有助于反射镜元件围绕平行于水平平面并垂直于第一旋转轴线的第二旋转轴线旋转。这些臂经由致动弹性元件而被弹性连接到内部框架，每个致动臂具有轴承结构和压电结构。反射镜元件、框架、臂的轴承结构和致动弹性元件均由第二材料制成。
第一致动臂对中的致动臂可以被弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的内部框架。器件还包括第二致动臂对，第二致动臂对相对于第二旋转轴线与第一致动臂对对称。第二致动臂对中的致动臂借助弹性元件而弹性连接到第一旋转轴线的相对侧上的反射镜元件。
附图说明
为了更好地理解，现在参考附图、仅通过非限制性示例的方式描述其一些实施例，在附图中：
图1是本文所公开的微机电器件的示意俯视图；
图2是类似于图1的俯视图，示出了某些截面平面；
图3是图1的微机电器件沿图2的截面线III-III截取的截面；
图4是图1的微机电器件沿图2的截面线IV-IV截取的截面；
图5是图1的微机电器件沿图2的截面线V-V截取的截面；
图6是图1的微机电器件沿图2的截面线VI-VI截取的截面；
图7是图1的微机电器件沿图1的截面线VII-VII截取的截面；
图8至图18示出了类似于图7的本文所公开的微机电器件的一半在制造过程的连续步骤中的截面；
图19是本文所公开的微机电器件的不同实施例的类似于图3的截面；以及
图20是本文所公开的微机电器件的不同实施例在放大尺度上的类似于图6的截面。
具体实施方式
以下说明指代所示的布置；因此，诸如“之上”、“之下”、“顶部”、“底部”、“右侧”、“左侧”等表述与附图有关，并且除非明确指出，否则不以限制性方式来解释。
图1示出了双轴型的微机电反射镜器件1，其使用MEMS技术制造，在下文中也被称为器件1。
器件1被形成在半导体材料(具体是硅)的管芯1’中，并且包括在管芯1’中限定的固定结构2。具体地，固定结构2形成外缘或框架2’，外缘或框架2’界定并包围腔3。
固定结构2被悬置在腔3之上，并且被弹性耦合到可倾斜结构4，可倾斜结构4具有在笛卡尔坐标系XYZ的水平平面XY中延伸的顶表面(例如，圆形或椭圆形)。可倾斜结构4被布置在此处，以围绕第一旋转轴线SA旋转，第一旋转轴线SA平行于水平平面XY的第一水平轴X；并且围绕第二旋转轴线FA旋转，第二旋转轴线FA平行于同一水平平面XY的第二水平轴Y。
例如，第一旋转轴线SA表示准静态致动的慢轴，而第二旋转轴线FA表示在谐振下致动的快轴。第一和第二旋转轴线SA、FA也表示针对器件1的第一和第二中间对称轴。
可倾斜结构4在顶部承载反射表面4’，反射表面4’限定反射镜表面，并且在水平平面XY中具有主延伸部。
固定结构2形成第一和第二支撑(或锚固)元件5A、5B，第一和第二支撑元件5A、5B沿第一旋转轴线SA纵向延伸，在其相对的两侧上从腔3内的外部框架2’朝向可倾斜结构4延伸。
微机电反射镜器件1还包括在腔3之上延伸的内部框架7。
在所示实施例和俯视图中，内部框架7具有沿第二水平轴Y的细长形状；具体地，此处，内部框架7具有大致的矩形形状，其中短边沿第一水平轴X布置，并且长边沿第二水平轴Y布置。
内部框架7内部地限定窗口8；可倾斜结构4被布置在窗口8内部，并且通过第一和第二悬置弹性元件9A、9B弹性耦合到内部框架7，第一和第二悬置弹性元件9A、9B顺应于围绕第二旋转轴线FA的扭转。
在所示实施例和图1的俯视图中，第一和第二悬置弹性元件9A、9B具有线性延伸部，线性延伸部沿第二旋转轴线FA延伸，在相对于可倾斜结构4的相对的两侧上从可倾斜结构4延伸到内部框架7的相应短边，第二旋转轴线FA平行于第二水平轴Y。
如下文详细讨论的，内部框架7被弹性耦合到第一和第二支撑元件5A、5B。
器件1还包括致动结构10，致动结构10被耦合到可倾斜结构4，并且被配置为使得其以基本解耦的方式围绕第一旋转轴线SA并且围绕第二旋转轴线FA旋转。
致动结构10通常被布置在固定结构2的内部框架7和外部框架2’之间，并且还有助于支撑在腔3上的相同内部框架7。
致动结构10包括第一致动臂对，其可以被驱动以引起可倾斜结构4围绕第一旋转轴线SA旋转(在该情况下以准静态移动)。
第一致动臂对因此在此处由第一和第二慢速致动臂12A、12B形成，第一和第二慢速致动臂12A、12B被布置在第一旋转轴线SA的彼此对称的相对侧上，并且因此布置在第一支撑元件5A的相对侧上。
在图1所示的实施例中，第一慢速致动臂对12A、12B具有大致的矩形形状，沿第一水平轴X具有较大的延伸部。
在器件1中，第一慢速致动臂12A和第二慢速致动臂12A、12B在其第一侧上被整体且直接耦合到固定结构2的外部框架2’；它们还通过第一和第二传动弹性元件14A、14B以弹性方式在自己的第二侧(与第一侧相对)上耦合到内部框架7。
每个慢速致动臂12A、12B被悬置在腔3之上，并且包括如下文更详细解释的压电结构13(在图1中用虚线表示)和轴承结构15。
具体地，并且如图7中详细所示，每个轴承结构15被耦合到外部框架2’和传动弹性元件14A、14B，并且每个压电结构13在水平平面XY中具有延伸部，延伸部略小于慢速致动臂12A、12B。
第一和第二传动弹性元件14A、14B相对于离开水平平面XY(沿竖直轴Z)的移动具有高刚度，并且顺应于针对围绕与第一旋转轴线SA平行的旋转轴线的扭转。
在图1所示的实施例中，第一和第二传动弹性元件14A、14B均为直线型，并且平行于第一水平轴X在第一慢速致动臂12A和第二慢速致动臂12A、12B与内部框架7的同一长边之间、靠近第一旋转轴线SA、与同一第一旋转轴线SA的距离减小地延伸。
作为所示备选方案，第一和第二传动弹性元件14A、14B可以是将被本领域技术人员所理解的方式的折叠型。
致动结构10还包括第二致动臂对，其也可被驱动以使得可倾斜结构4以准静态移动围绕第一旋转轴线SA旋转。
第二致动臂对在此处由第三和第四慢速致动臂12C、12D形成，第三和第四慢速致动臂12C、12D相对于第一旋转轴线SA和第二支撑元件5B被布置在相对侧上。
与第一和第二慢速致动臂12A、12B类似，第三和第四慢速致动臂12C、12D在俯视图中具有与第一水平轴X和第二支撑元件5B平行的纵向延伸部。在实践中，第二慢速致动臂对12C、12D相对于第二旋转轴线FA与第一慢速致动臂对12A、12B对称地布置。
进一步地，第二慢速致动臂对的每个慢速致动臂12C、12D在自身一侧处与固定结构2的外部框架2’整体耦合，并且在相对侧上借助第三和第四传动弹性元件14C、14D与内部框架7弹性耦合。
与第一和第二慢速致动臂12A、12B类似，并且如下文详细讨论的，第三和第四慢速致动臂12C、12D各自包括其自身的压电结构13(在图1中用虚线表示)和其自身的轴承结构15。
此外，第三和第四传动弹性元件14C、14D在所示实施例中也是直线型的，但可以形成为折叠弹簧。
如也在下文中讨论的，第一和第二慢速致动臂对的每个慢速致动臂12A至12D相对于相应的传动弹性元件14A至14D具有不同的弹性行为，具体地，它是不同的材料，以根据其相应功能来优化致动臂12A至12D和相应传动弹性元件14A至14D的弹性特性。
致动结构10还包括此处由第一和第二快速致动臂17A、17B形成的第三致动臂对，第三致动臂对可以被驱动以使得可倾斜结构4以谐振移动围绕第二旋转轴线FA旋转。
第一和第二快速致动臂17A、17B被插入在第一和第二支撑元件5A、5B与内部框架7之间。
具体地，第一和第二快速致动臂17A、17B通过第一和第二扭转弹性元件16A、16B弹性耦合到内部框架7，第一和第二扭转弹性元件16A、16B相对于离开水平平面XY(沿正交轴Z)的移动具有高刚度，并且顺应于围绕第一旋转轴线SA的扭转。
在所示实施例中，并且在俯视图中，第一和第二快速致动臂17A、17B具有大致的矩形形状，矩形形状沿第一水平轴X具有较大的延伸部。
具体地，第一和第二快速致动臂17A、17B具有与第一和第二支撑元件5A、5B(其中它们为延伸部)整体耦合的第一端部以及通过第一和第二扭转弹性元件16A、16B与内部框架7弹性耦合的第二端部。
此外，第一和第二扭转弹性元件16A、16B沿第一旋转轴线SA在第一和第二快速致动臂17A、17B的第二端部和它们在相应中心部分处耦合的内部框架7的长边之间延伸。
在所图示的实施例中，第一和第二扭转弹性元件16A、16B均为直线型；但是，它们可以是折叠型的。
与所讨论的第一致动臂对和第二致动臂对类似地，每个快速致动臂17A、17B包括轴承结构15(此处由硅制成)和相应的压电结构13。
以未图示的方式，器件1还包括由固定结构2承载在外部框架2’处的多个焊盘，多个焊盘通过电连接线而被电连接到快速致动臂17A、17B和慢速致动臂12A至12D的压电结构13，以允许通过来自同一机电器件1外部的电信号(例如，来自具有集成在其中的器件1的电子装置的偏置器件)对其进行电偏置。
如图3所示，支撑晶片(或盖)24也借助合适的键合区域25被耦合在固定结构2之下，并在可倾斜结构3之下和可倾斜结构4处具有凹槽26，以允许可倾斜结构4旋转。
如图3至图7的部分所示，在器件1中，慢速致动臂12A至12D的轴承结构15不与快速致动臂17A、17B的轴承结构15和传动弹性元件14A至14D的轴承结构15形成在同一硅层中，而是在更具弹性(具有较低的杨氏模量)的材料(特别是诸如干膜光致抗蚀剂的高分子材料)的不同层中。
具体地，参考图3，管芯1’包括：第一半导体层(此处由硅制成)，其通常由40来表示，并且形成固定结构2和支撑元件5A、5B的内部框架7的底部以及可倾斜结构4和悬置弹性元件9A、9B(另见图1)；以及第二半导体层(此处由硅制成)，其通常由41来表示，并且形成支撑元件5A、5B和固定结构2的内部框架7的顶部以及扭转弹性元件16A、16B和快速致动臂17A、17B的轴承结构15。
如图3、图4、图6和图7所示的示意图中可见，并且如下所述，半导体层40、41在慢速致动臂12A至12D处被完全去除，并且因此每个压电结构13被悬置在相应轴承结构15之下。
具体地，图4示出了穿过第三传动弹性元件14C截取的器件1的截面(但同一截面适用于其它传动弹性元件14A、14B和14D，并且因此图4和以下说明指代通用传动弹性元件14)。如前所述，传动弹性元件14在内部框架7和相应致动臂(此处整体由12表示)的轴承结构15之间延伸，并且由第二半导体层41形成(即，下层的第一半导体层40被去除)。传动弹性元件14因此具有与所使用的半导体材料(此处由硅制成)和第二半导体层41的厚度相关的弹性和鲁棒性特性。
图5示出了穿过第二扭转弹性元件16B截取的器件1的截面(但同一截面适用于第一扭转弹性元件16A并且因此图5和以下说明指代通用扭转弹性元件16)。如前所述，扭转弹性元件16在内部框架7和相应的快速致动臂(此处通常由17表示)之间延伸，并且由第二半导体层41形成。类似于传动弹性元件14，扭转弹性元件16因此具有与所使用的半导体材料(此处为硅)和第二半导体层41的厚度相关的弹性和鲁棒性特性。快速致动臂17的轴承结构15也由第二半导体层41形成，并且在此具有与相应传动弹性元件14相等的厚度。
图6示出了穿过第三慢速致动臂12C截取的器件1的截面(但同一截面适用于其它慢速致动臂12A、12B和12D并且因此图6和以下说明指代通用慢速致动臂12)。如前所述，慢速致动臂12被耦合在相应的传动弹性元件14(在图6中不可见)和外部框架2’之间，由轴承结构15和压电结构13形成。由于慢速致动臂12的材料不同于传动弹性元件14和扭转弹性元件16的半导体材料，因此它们可以以专用方式进行设计；具体地，使用聚合物材料允许基于材料的特性和对其厚度的适当选择来设置最佳刚度值。
在器件1的可能实施例中，第一半导体层40的厚度可以被包括在100μm和400μm之间，例如110μm；第二半导体层41的厚度可以被包括在10μm和50μm之间，例如30μm；而轴承结构15的厚度可以被包括在10μm和60μm之间，例如40μm。
图7未按比例示出了压电结构13的可能实现方式(一般而言，压电结构13的层比轴承结构15薄得多，并且对其刚度有很小的影响；在任何情况下，慢速致动臂12的整体刚度可以考虑整个结构，以本领域技术人员理解的方式来设计)。
压电结构13可以被提供，并且包括PZT-锆钛酸铅。
具体地，参考图7，压电结构13此处包括：
第一电介质区域50，如前面参考图1所述，第一电介质区域50在第二半导体层41之上延伸，并且在慢速致动臂12的与外部框架2’和内部框架7耦合的两侧处叠加在第二半导体层41上；
导电材料的底部电极区域51，被布置在第一电介质区域50之上；
压电区域52(例如由PZT薄膜形成)，被布置在底部电极区域51上；
导电材料的顶部电极区域53，被布置在压电区域52上(底部电极区域51、压电区域52和顶部电极区域53形成压电堆叠60)；
第二电介质区域54，被叠加在顶部电极区域53上，并且横向包围压电堆叠60；以及
第三电介质区域55，被叠加在第二电介质区域54上，并且将其包围。
第三电介质区域55被高分子材料的软区域56包围，软区域56形成轴承结构15。
第一和第二接触件57A、57B穿过第二或第三电介质区域54、55形成，并且被连接到导线(部分示出的轨道58)和器件的第一金属化层中的未示出的金属区域，如上所述地用于电极区域51、53的电连接。
如前所述，图7中可见的软区域56的端部侧被叠加在传动弹性元件14和框架2’上。
图7还示出了为了下述原因而被插入在第一和第二半导体层40、41之间的氧化物区域59。
如前述意大利专利申请号102022000004745中详细描述的，在器件1的操作期间，向第一/第三慢速致动臂12A/12C的压电结构13施加偏置电压，该偏置电压相对于第二/第四慢速致动臂12B/12D的压电结构13具有正值，导致内部框架7以及与其耦合的可倾斜结构4围绕第一旋转轴线SA沿第一方向旋转(随后是扭转弹性元件16A、16B的扭转变形)。
对应地，向第二/第四慢速致动臂12B/12D的压电结构13施加偏置电压，该偏置电压相对于第一/第三慢速致动臂12A/12C的压电结构13具有正值，导致内部框架7和可倾斜结构4在与第一方向相对的第二方向上围绕相同的第一旋转轴线SA旋转。
在围绕第一旋转轴线SA旋转期间，可倾斜结构4与内部框架7整体耦合(由于悬置弹性元件9A、9B相对于该移动的刚度)，因此随之旋转并引起反射表面4’相对于第一旋转轴线SA的期望移动。换言之，悬置弹性元件9A、9B不会因内部框架7围绕第一旋转轴线SA的旋转而发生变形。
在该步骤中，慢速致动臂12A、12B和12C、12D的轴承结构15由于与相应的传动弹性元件14相比刚度较低，可能容易变形，并且需要较低的变形力。因此，它们能够高效地生成期望的旋转移动。
相反，传动弹性元件14相对于离开水平平面XY的移动(沿正交轴z)具有高刚度。它们因此以高效率传递该旋转移动。
如前述意大利专利申请号102022000004745中所述，可倾斜结构4围绕第二旋转轴线FA的旋转通过向第一和第二快速致动臂17A、17B(当两个臂均被致动时具有相位相反的偏置)中的至少一个的压电结构13施加偏置电压而发生。该旋转通常在可倾斜结构4的谐振频率下发生。
在该情况下，实际上，通过将第一/第二快速致动臂17A、17B的压电结构13偏置而生成的沿竖直轴Z的力被传输到内部框架7，使得悬置弹性元件9A、9B发生扭转变形。
在该旋转期间，顺应于围绕平行于第一旋转轴线SA的旋转轴线的扭转的传动弹性元件14将其变形最小限度地传递到慢速致动臂12，慢速致动臂12因此实际上不受可倾斜结构2围绕第二旋转轴线FA的旋转的影响。
参考沿图1的截面平面VII-VII截取的图8至图18，器件1可以如下所述地制造。
参考图8，半导体晶片100包括半导体材料的衬底101，半导体材料此处为单晶硅，旨在形成图3至图7的第一半导体层40。
在衬底101上形成(例如，沉积)例如硅氧化物的阻挡层102。
然后，如图9所示，阻挡层102使用标准光刻步骤被图案化，以形成阻挡区域102A，尤其形成图7的氧化物区域59。
在图10中，半导体材料(此处为硅)的轴承层103旨在形成第二半导体层41，轴承层103是外延生长和平面化的。第一电介质层104、第一电极层105、压电层106和第二电极层107依次形成在轴承层103上。
在图11中，层104至107使用标准光刻步骤被图案化；具体地，此处，第二电极层107和压电层106首先以对准的方式被蚀刻；然后第一电极层105和随后的第一电介质层104被蚀刻，从而分别形成图7的顶部电极区域53、压电区域52、底部电极区域51和第一电介质区域50，从而完成压电堆叠60。
在图12中，第二电介质层被沉积并图案化，从而形成第二电介质区域54；第二电介质区域54具有开口110，开口110到达顶部电极区域53和底部电极区域51。
然后，金属连接材料(例如，铝)被沉积并图案化，形成第一接触件57A以及与其耦合的导电轨道58。
在图13中，第三电介质层被沉积并图案化，从而形成第三电介质区域55和到达导电轨道58的开口111。随后，第二接触件57B(一个可见)以与第一接触件57A相似的方式形成。压电结构13因此形成。
在图14中，反射层(例如，由铝或金制成，取决于投影是可见光还是在红外线)被沉积并图案化，以形成反射表面4’。
然后，如图15所示，聚合物层被沉积并图案化，从而形成软区域56。
随后，如图16所示，晶片100被翻转并减薄，以将衬底101的厚度减小到第一层40的期望值，例如在100与250μm之间可变。减薄可以根据任何合适的技术来执行，例如通过研磨和抛光来执行。
在图17中，晶片100以掩蔽方式，例如通过干法蚀刻(诸如DRIE-深反应离子蚀刻)从背侧蚀刻，从而去除衬底101和轴承层103两者，其中不存在阻挡区域102A，从而在慢速致动臂12A至12D(被限定)处停止在第一电介质区域50上，以便仅去除阻挡区域102A所在的衬底100。
以这种方式，由半导体层101和103两者形成的固定结构2’、内部框架7、可倾斜结构4和支撑元件5A、5B(支撑元件在图17中不可见)被限定。此外，由专用的第二半导体层41形成的传动弹性元件14A至14D、扭转弹性元件16A、16B和快速致动臂17A、17B的轴承结构17(在图17中不可见)被限定。在该步骤中，慢速致动臂12A至12D也被释放。准确地，在慢速致动臂12A至12D下方，第一和第二半导体层40、41两者被去除。
以这种方式，也形成腔3。
然后，如图18所示，通过氧化物去除蚀刻，阻挡区域102A的被暴露的位置被去除。具体地，阻挡区域102A被去除至慢速致动臂12A至12D之下。阻挡区域102A的其余部分由此形成氧化物区域59。
进一步地，被预先处理以形成凹槽26的盖晶片120被附接到第一晶片100，形成复合晶片130。
为此，例如氧化物的键合区域25可以被布置在固定结构4和盖晶片120包围凹槽26的部分之间。
在将复合晶片130切割之后，获得图1至图7的器件1。
图19示出了器件200，其中软区域56被布置在压电堆叠60的底部处。
在该情况下，制造过程在以下方面不同于图8至图18中已示出和上面描述的内容：在第二半导体层41生长之后(在图9的步骤之后)并在形成图10的堆叠层104至107之前，软区域56被沉积在第二半导体层41的正上方。
器件1、200可以被修改为包括用于调节慢速致动臂12A至12D的刚度的附加层。
例如，图20示出了器件300在软区域56之上具有附加层301。
附加层301通常是具有比软区域56的聚合物材料的刚度(杨氏模量)更大(例如，大100倍)的刚度的层，其厚度被包括在0.5和2μm之间。
例如，附加层301是选自硅氧化物、硅氮化物、金属等的材料，并且具有与聚合物材料相当的刚度或者介于软区域56的高分子材料56和传动弹性元件14A至14D的硅之间之间的刚度。
以这种方式，慢致动臂12A－12D的总刚度可以基于刚度与鲁棒性之间的最佳折衷来选择，在此也与对应的传动弹性元件14A至14D的刚度和鲁棒性无关。
如上所述，此处描述的反射镜器件允许致动臂对的弹性特性被优化，从而改进在驱动可倾斜结构4的移动时的效率。以这种方式，在相同的尺寸、几何形状和其他设计考虑下，本文描述的器件提供了可倾斜结构4(并且因此反射结构4’)的更大旋转角度，在某些情况下，增益为35％。
备选地，对于相同的旋转角度，慢速致动臂12A至12D可以更短，器件1的总尺寸减小，并且在某些情况下允许在管芯1’中的面积减少约20％。
使用本文描述的器件可获得的鲁棒性已被评估，其结果如下。
具体地，考虑鲁棒性Rshock取决于第一寄生模式(spurious mode)的频率fspur：Rshock∝fspur 2。
已验证，相对于具有硅的缓慢致动臂12A至12D的相同器件(即便被优化)，本文描述的器件提供了5％的鲁棒性改进。
最后，很明显，在不因此脱离如所附权利要求中所限定的本公开的范围的情况下，可以对如本文所述和示出的反射镜器件及其制造过程进行修改和变化。例如，所描述的不同实施例可以被组合来提供进一步的实施例。
此外，制造步骤的序列仅是例示性的，并且某些步骤可以不同于已描述的内容，在其他步骤之前或之后执行。例如，反射表面4’可以在形成压电堆叠60和/或软区域56之前或之后形成，或者甚至在键合晶片100、120之后形成。类似地，压电堆叠60和软区域56可以在键合晶片100、120之后形成。
尽管附图指代双轴反射镜器件，但本文中的原理可以应用于单轴微反射镜。
附加层303可以被布置在软区域54之上或之下。

Claims (20)

1.一种微机电系统MEMS反射镜器件，包括：
固定结构，限定对腔进行界定的外部框架；
可倾斜结构，延伸到所述腔中；
反射表面，由所述可倾斜结构承载，并且在水平平面中具有主延伸部；以及
致动结构，被耦合在所述可倾斜结构和所述固定结构之间；
其中所述致动结构包括至少一个第一致动臂对，所述至少一个第一致动臂对被配置为使得所述可倾斜结构围绕与所述水平平面平行的第一旋转轴线旋转，所述至少一个第一致动臂对中的所述致动臂借助相应的弹性耦合元件而弹性耦合到所述可倾斜结构，其中每个致动臂包括轴承结构和压电结构，
其中所述至少一个第一致动臂对中的每个致动臂的所述轴承结构包括由第一材料制成的第一区域，并且所述弹性耦合元件包括由第二材料制成的轴承层，所述第二材料具有比所述第一材料更大的刚度。
2.根据权利要求1所述的MEMS反射镜器件，其中所述第二材料包括硅。
3.根据权利要求1所述的MEMS反射镜器件，其中所述第一材料包括聚合物材料。
4.根据权利要求3所述的MEMS反射镜器件，其中所述第一材料包括干膜光致抗蚀剂。
5.根据权利要求1所述的MEMS反射镜器件，其中所述轴承结构还包括由第三材料制成的附加层，所述第三材料具有与所述第二材料相等的刚度，所述附加层被布置在所述第一区域之上或所述第一区域之下。
6.根据权利要求5所述的MEMS反射镜器件，其中所述第三材料选自由硅氧化物、硅氮化物、金属组成的组。
7.根据权利要求5所述的MEMS反射镜器件，其中所述轴承结构还包括由第三材料制成的附加层，所述第三材料具有比所述第一材料更大且比所述第二材料更低的刚度，所述附加层被布置在所述第一区域之上或所述第一区域之下。
8.根据权利要求7所述的MEMS反射镜器件，其中所述压电结构覆盖所述腔，并且所述轴承结构覆盖所述压电结构。
9.根据权利要求1所述的MEMS反射镜器件，其中所述轴承结构覆盖所述腔，并且所述压电结构覆盖所述轴承结构。
10.根据权利要求1所述的MEMS反射镜器件，还包括包围所述可倾斜结构的内部框架，所述内部框架被刚性耦合到所述可倾斜结构，并且所述内部框架借助所述弹性耦合元件而弹性耦合到所述至少一个第一致动臂对。
11.根据权利要求10所述的MEMS反射镜器件，其中所述致动结构还包括致动臂对，所述致动臂对被配置为使得所述可倾斜结构围绕第二旋转轴线旋转，所述第二旋转轴线横向于所述第一旋转轴线并且平行于所述水平平面，所述致动臂对中的所述致动臂借助相应的致动弹性元件而弹性耦合到所述内部框架，并且所述致动臂对中的所述致动臂包括相应的轴承结构和相应的压电结构；其中所述可倾斜结构、所述固定结构、所述致动臂的所述轴承结构和所述致动弹性元件为所述第二材料。
12.根据权利要求11所述的MEMS反射镜器件，其中所述至少一个第一致动臂对中的所述致动臂被弹性耦合到所述第一旋转轴线的相对侧上的所述内部框架；所述MEMS反射镜器件还包括被布置为相对于所述第二旋转轴线与所述至少一个第一致动臂对对称的第二致动臂对，所述第二致动臂对中的所述致动臂借助相应的弹性元件而弹性耦合到所述第一旋转轴线的相对侧上的所述可倾斜结构。
13.根据权利要求9所述的MEMS反射镜器件，其中所述可倾斜结构被配置为以准静态移动围绕所述第一旋转轴线旋转，并且以谐振移动围绕第二旋转轴线旋转。
14.一种制造微机电系统MEMS反射镜器件的方法，包括：
形成固定结构，所述固定结构限定对腔进行界定的外部框架；
形成延伸到所述腔中的可倾斜结构；
形成反射表面，所述反射表面由所述可倾斜结构承载，并且在水平平面中具有主延伸部；以及
形成致动结构，所述致动结构被耦合在所述可倾斜结构和所述固定结构之间，并且被配置为使得所述可倾斜结构围绕平行于所述水平平面的第一旋转轴线旋转，
其中形成所述致动结构包括形成至少一个第一致动臂对并且形成弹性耦合元件，每个弹性耦合元件将所述至少一个第一致动臂对中的相应的第一致动臂弹性耦合到所述可倾斜结构，
其中形成所述至少一个第一致动臂对包括形成轴承结构和形成压电结构，
其中所述至少一个第一致动臂对中的每个致动臂的所述轴承结构包括第一材料的第一区域，并且所述弹性耦合元件包括第二材料的轴承层，所述第二材料具有比所述第一材料更大的刚度。
15.根据权利要求14所述的方法，还包括：
在具有第一面和第二面的半导体材料的晶片上，形成在所述第一面上的压电区域和第一区域；
从所述第二面部分地去除所述晶片的所述半导体材料，以形成所述腔并且限定所述固定结构、所述可倾斜结构和所述至少一个第一致动臂对的所述弹性耦合元件，以及
完全去除所述至少一个第一致动臂对之下的所述晶片的所述半导体材料。
16.根据权利要求14所述的方法，其中形成压电结构包括形成第一电极层、压电层和第二压电层并且将所述第一电极层、所述压电层和所述第二压电层图案化，并且其中形成轴承结构包括在所述压电结构之上或所述压电结构之下形成诸如聚合物材料的材料的第一区域。
17.一种MEMS反射镜器件，包括：
框架，包含腔；
反射镜元件，延伸到所述腔中、能够旋转、在水平平面中承载反射表面；以及
致动组件，将所述反射镜元件和所述框架耦接；
所述致动组件包括至少一个致动臂对来促进所述反射镜元件围绕平行于所述水平平面的轴旋转，所述致动臂对经由弹性耦合元件而弹性耦接到所述反射镜元件，每个致动臂具有轴承结构和压电结构，每个致动臂的所述轴承结构包括第一材料的第一区域，并且所述弹性耦合元件包括第二材料的轴承层，所述第二材料比所述第一材料更硬。
18.根据权利要求17所述的MEMS反射镜器件，还包括围绕所述反射镜元件的内部框架，所述内部框架被刚性耦接到所述反射镜元件，并且经由所述弹性耦合元件而弹性耦接到所述致动臂。
19.根据权利要求18所述的MEMS反射镜器件，其中所述致动组件包括促进所述反射镜元件围绕第二旋转轴线的旋转的另一致动臂对，所述第二旋转轴线平行于所述水平平面并且垂直于第一旋转轴线，所述臂经由致动弹性元件而弹性耦接到所述内部框架，每个致动臂具有轴承结构和压电结构；所述反射镜元件、所述框架、所述臂的轴承结构和致动弹性元件为所述第二材料。
20.根据权利要求19所述的MEMS反射镜器件，其中第一致动臂对中的所述致动臂被弹性耦接到所述第一旋转轴线的相对侧上的所述内部框架；所述MEMS反射镜器件还包括相对于所述第二旋转轴线与所述第一致动臂对对称的第二致动臂对，所述第二致动臂对中的所述致动臂借助弹性元件而弹性耦接到所述第一旋转轴线的相对侧上的所述反射镜元件。
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