CN118284838A - 微机械部件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种微机械部件(1)和用于制备微机械部件(1)的方法。所提出的微机械部件(1)包括分层结构和至少一个压电元件(10)。压电元件(10)包含第一电极(5)和第二电极(27)，用于产生和/或检测偏转元件(16)的挠度。偏转元件(16)与支架(17)连接。微机械部件(1)的分层结构包括硅衬底(2)、导电半导体层(26)、压电层(7)和导电层膜(12)。导电半导体层(26)形成压电元件的第一电极(5)，导电层膜(12)形成压电元件的第二电极(27)，其中，导电半导体层(26)同时形成偏转元件(16)的载体层(28)。

Description

微机械部件及其制备方法

技术领域

本申请在于微系统领域。本申请涉及一种微机械部件，具体涉及一种基于压电效应的微电子机械系统(micro electro mechanical system，MEMS)部件及其制备方法。

背景技术

通常，微机械部件可以被用作诸如增强现实显示器、光检测和测距(lightdetection and ranging，LiDAR)设备或3D相机等领域中的MEMS镜扫描仪。可以在微泵和能量收集器领域中发现更多应用。

微机械部件的典型特征是其尺寸紧凑，能量需要低

MEMS镜扫描仪被配置为偏转入射光束和/或在相应的电磁波中引起相移。入射电磁波的偏转和/或相移可能是由MEMS镜扫描仪中包含的微镜的倾斜和/或旋转引起的。为了倾斜和/或旋转微镜，有各种方法来控制MEMS镜扫描仪。基于压电体变形的压电控制是非常有前途的，因为压电体可以很精确地被控制，通过将电能转化为机械偏转可以有效地产生力并因此通常具有低功耗，并且压电体可以容易地被统一集成到MEMS部件中。例如，在公开US2009/185 253A1中描述了相关的现有技术。

公开US2009/185 253A1描述了一种光学反射器，包含带有反射平面的镜、扭杆和围绕该镜的载体。对于被配置为引起扭转的压电元件，第一电极层、压电层和第二电极层被依次形成在SOI衬底的上表面上。用于第一电极层的材料为，例如，用于第一薄金属膜层的Ti和用于第二薄金属膜层的Pt。每个金属层都是通过溅射或电子束物理气相沉积技术形成的。接下来，压电层被形成在第一电极层上，例如，压电层由单个压电材料膜组成。可以使用压电材料锆钛酸铅(piezoelectric material lead zirconate titanate，PZT)作为压电层的材料。压电层的厚度一般为1-10μm。例如，压电层是通过阴极溅射形成的。

US 8 633 634 B2描述了一种微机械部件，该微机械部件被形成为弯曲谐振器并作为能量收集器。为了制备该微机械部件，首先在硅衬底上施加牺牲层，然后在牺牲层上沉积分层结构，该分层结构包括压电层和下面的功能层，该功能层形成压电层的机械载体。为了将由功能层和压电层等组成的弯曲梁暴露出来，使其可以机械地移动，需要费力去除先前施加的牺牲层。必须考虑到压电材料对各种物理过程可变因素(例如，温度、酸、碱以及氢)的灵敏度，并且必须以减少所执行的诸如额外的光刻水平以及沉积和蚀刻等的工艺步骤为目标。

现有技术中已知的许多微机械部件的缺点是，需要大量的生长、气相沉积、溅射和光刻步骤来形成各个部件，例如，偏转元件、支架、包括第一和第二电极的压电元件以及与支架和偏转元件机械连接的悬架。图2a示出了通过传统压电驱动的MEMS镜扫描仪100的具有金属第一电极20的一部分的横截面，作为微机械部件的示例性实施例。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种制造复杂度降低了的微机械部件，该微机械部件节省了资源并降低了成本。另一目的是提出一种用于制备微机械部件的相应的有利方法，其中简化了方法步骤。

该问题通过一种具有权利要求1特征的微机械部件和通过一种具有独立方法权利要求特征的用于制备微机械部件的方法来解决。发展源于从属权利要求的特征和示例性实施例。

所提出的微机械部件适用于各种各样的应用，例如，它可以被用作MEMS镜扫描仪、加速度传感器、能量收集器和压力传感器等。若需要，可以实现大的致动器和/或传感器表面，并且可以提供宽的组件横截面，如有必要，这些可以用来更好地进行散热。

所述微机械部件具有分层结构和至少一个压电元件，所述压电元件包含第一电极和第二电极，用于产生和/或检测偏转元件的挠度。所述偏转元件与支架连接。所述分层结构包括硅衬底、导电半导体层、压电层和导电层膜。所述导电半导体层形成所述压电元件的第一电极，所述导电层膜形成所述压电元件的第二电极。所述半导体层还作为所述偏转元件的载体层。

通常，微机械部件是通过将金属、半导体和/或绝缘体在衬底，特别是硅衬底或绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)衬底，上进行分层，并通过随后构造以形成偏转元件、悬架、支架和压电元件来制备的。如上所述，压电元件的第二电极由金属和/或金属合金，特别是Al、Cr、Cu、Mo、Ta、Au、Pt或Ti组成，而第一电极，也是偏转元件的载体层，由半导体材料，特别是Si组成。

导电半导体层形成第一电极和偏转元件的载体层这一事实意味着，制备微机械部件的复杂度可以被降低，因为例如可以省去用于形成第一电极的额外的沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤和电阻去除步骤。半导体材料由于其能带间隙和掺杂可能性小，可以在室温下实现高导电性，使得微机械部件可以有较低的工作电压。由于晶体场能量高，因此，半导体材料刚度也高，并且可以顺利地用作载体层。可以想到采用诸如Si、SiC、AlN、GaN、InN、AlP、GaP、InP、AlAs、GaAs、InAs等的半导体材料及相关的三元化合物半导体作为第一电极。为了高导电性，半导体材料可以是n掺杂的、p掺杂的或本征的。特别地，第一电极可以由掺杂的多晶硅组成。

以一种有利的方式，导电半导体层的厚度可以根据预定的机械参数和电子参数来调整，并且可以适应于微机械部件的所需机械行为。在制备特定的微机械部件时，有可能基于导电半导体层的厚度提前确定和指定该部件的机械行为。另一方面，通过在工艺链末端使导电半导体层变薄，随后有可能使机械性能适应应用要求。例如，通过调整导电半导体层的厚度，可以调整被形成为MEMS镜扫描仪的微机械部件的谐振频率，或者可以确定被形成梁元件的微机械部件的偏转。

在进一步的实施例中，所述导电半导体层、所述压电层(7)和所述导电层膜可以被形成在不同层平面中的层中，其中，它们具有从所述硅衬底的一侧开始的以下类型的层顺序：

·所述导电半导体层，

·所述压电层，

·所述导电层膜。

更多的半导体层、绝缘体层和/或金属层可以被插在所述层之间。因此，垂直于硅衬底平面所测量的导电半导体层与硅衬底之间的距离小于硅衬底与压电层之间的距离，而硅衬底与压电层之间的距离又小于硅衬底与导电层膜之间的距离。这样，压电层可以被有利地提供电压，以便引起压电层形状的压电变化。可替换地，可以这种方式有效地导出或施加由压电层形状的变化而产生的电压。

压电层可直接位于导电半导体层上。而且，至少在某些区域，钝化层可以被布置在压电层上。形成第二电极的导电层膜可位于钝化层上。出于稳定原因，将第二电极包裹在硬介电膜中可能是有利的。

微机械部件被形成为压电驱动的MEMS镜扫描仪是可能的。所述偏转元件可以是与所述支架连接的弹簧结构和悬挂于所述弹簧结构的镜板，其中，所述导电半导体层同时形成所述镜板和/或所述弹簧结构的载体层。为了实现有利且有效的偏转，至少在某些区域，必须暴露出弹簧结构和悬挂的镜板。通常，原则上必须使用大量的沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤和电阻去除步骤，尤其是在形成压电驱动的MEMS镜扫描仪的时候。导电半导体层还形成镜板和/或弹簧结构的载体层这一事实意味着，制备压电驱动的MEMS镜扫描仪的复杂度可以被降低。

而且，所述导电层膜可以形成所述镜板的光反射镜层。金属或金属合金特别适合作为镜板的光反射镜层，因为金属在可见的和红外光谱范围内(波长400-2000nm)内反射度高。反过来，为了进一步简化压电驱动的MEMS镜扫描仪的制备，可以减少大量制备步骤，特别是额外的沉积工艺。然而，由于稳定性和所需的电阻值，由沉积的例如厚度为例如400nm的铝的层膜形成镜板、导体轨道和键合垫的优点必须与镜板具有导体轨道和键合垫相同的厚度的缺点权衡，因为导体轨道和键合垫需要一定的厚度。这种厚度对镜板有一定不利，因为粗糙度会增加，并伴随着反射的减少，而且层应力也会增加。因此，有必要考虑是否在为导电层膜施加相对厚的金属(例如400nm的铝)后，应再次在镜板区域中去除该金属，以及是否应施加另一种非常薄的金属(例如20nm的铝)，然后使用漆掩模将其与“厚”金属同时构造。

可以规定，所述弹簧结构至少在某些区域中有所述导电半导体层、所述压电层和所述导电层膜。导电半导体层、压电层和导电层膜形成压电元件。利用导电半导体层和导电层膜，压电层可以被提供电压，以由于压电效应而引起形状变化。由于压电层与弹簧结构机械连接，因此，压电层形状的变化会导致弹簧结构偏转。弹簧结构的这种偏转又导致悬挂的镜板偏转。

在进一步的实施例中，当所述弹簧结构被偏转时，所述导电半导体层、所述压电层和所述导电层膜可位于弯曲半径小的位置处。换句话说，在弹簧结构-镜板系统的作用下，恰好由导电半导体层、压电层和导电层膜形成的压电元件位于弹簧结构上曲率小的位置处。可以通过模拟，特别是机械有限元分析来确定的弯曲半径大的区域不应该有压电元件，特别是为了防止由于材料疲劳而造成的材料缺陷引起的低电阻连接。而且，压电元件应位于机械应力行为最佳，特别是正机械应力高或负机械应力高的位置处。这样，可以使致动效率和/或检测效率最大化。而且，将支架连接到悬挂的镜板的弹簧结构可以有在静止状态下特别地沿平行于硅衬底平面的平面形成的至少一个弯曲区域。

而且，所述偏转元件可以被形成为在至少一侧上悬挂的梁元件。所述导电半导体层还形成所述梁元件的载体层。特别地，微机械部件可以被形成为能量收集器。与压电驱动的MEMS镜扫描仪相比，能量收集器的压电元件没有被致动。相反，能量收集器，特别包括其偏转元件，被设置成通过环境振动而振荡、振动和/或偏转。对环境振动不同频谱的灵敏度可以通过能量收集器的几何形状来调节。在压电元件的基础上，偏转元件的振荡、振动和/或偏转被转化为电压和/或电流。该电压现在可以被储存在合适的电路中供以后使用。然而，获得的电压经由消费者被立即使用也是有可能的。导电半导体层还形成梁元件的载体层这一事实意味着，制备的复杂度可以被降低。

而且，所述梁元件至少在某些区域中可以有所述导电半导体层、所述压电层和所述导电层膜。导电半导体层、压电层和导电层膜形成压电元件。利用导电半导体层和导电层薄膜，由压电层产生的电压可以被导出。由于压电层与梁元件机械连接，因此，梁元件的偏转会导致压电层形状的变化。这种形状的变化导致了所获得的电压。

在进一步的实施例中，所述梁元件至少在某些区域中可包括所述硅衬底，所述硅衬底以使得其形成所述梁元件的惯性质量的方式被布置。这样，可以增加梁元件的惯性质量来顺利地将环境振动转化为梁元件的振荡、振动和/或偏转。特别地，对环境振动不同频谱的灵敏度可以通过惯性质量的重量来调节。

微机械部件至少在某些区域中还可以在导电半导体层和压电层之间具有至少一个介电层。所述介电层可被形成为充当第一和第二电极的电流隔膜的绝缘体层。可以规定，绝缘体层被配置为将电流局部传导至压电层，并防止在微机械部件投入工作时，在第一电极与第二电极之间产生低电阻连接，特别是短路。介电层的典型厚度在5nm至500nm之间，特别是在10nm至150nm之间。介电层被形成为钝化层是可能的。

在其他实施例中，导电半导体层与压电层可通过覆盖整个表面的介电层分离。这样，压电层可被平坦地沉积在介电层上。这样避免了将压电层沉积在具有阶梯边缘的非平面介电层上的缺点，该缺点可能会在压电层内导致裂缝和/或晶体缺陷，例如凹坑和/或空洞，这些裂缝和/或晶体缺陷可能导致微机械部件的低电阻电连接和短路。特别地，低电阻连接是通过随后用更多的半导体层或金属层填充凹坑和/或空洞来产生的。

在其它实施例中，开口区域可被设置在介电层中。开口区域是由压电层和导电半导体层之间的直接接触来设置。开口区域的第二电极的电极面积小于开口区域的开口面积。压电层内的裂缝和/或晶体缺陷更频繁地发生在介电层开口区域的边缘区域。裂缝和/或晶体缺陷通常在垂直于硅衬底平面的方向上延伸。如果第二电极表面小于介电层的开口面积，则第二电极不直接位于第一电极开口区域的边缘区域上方。这样，可以防止材料从第二电极渗透到裂缝中。第二电极的材料渗透到裂缝中可能反而导致不希望的低电阻连接。

所述介电层的开口区域被硅填充是可能的。通常，介电层的厚度与用于填充的硅层的厚度相同。介电层中的开口通过选择性生长来填充。作为选择性生长的可替换方法，可以使用光刻工艺来实现介电层开口区域的填充。这样，压电层可被平坦地沉积。与上述类似，可以通过这种方式避免压电层内的裂缝和/或晶体缺陷，这可能会在压电层被沉积在非表面覆盖层或非平面层上时发生。在受主或施主状态的基础上，为了提高电导率，硅层还可以是掺杂的。开口可以被p掺杂硅、n掺杂硅或本征硅填充。特别地，硅可以是多晶的。而且，介电层的开口可以被其它半导体材料或金属填充。这里，高导电性有利于防止工作电压损失

介电层的层厚度可以薄于2000nm，特别是薄于1000nm，甚至更优选地薄于100nm。与下面的层相比，薄的介电层会在介电层的开口区域中产生较小的阶梯高度L。在准全覆盖层或准平面介电层上沉积压电层可能会导致压电层内的裂缝和/或晶体缺陷的密度降低。通常，裂缝形成的密度和程度，特别是空间范围，随着开口区域中介电层的阶梯高度的增加而增加。然而，如果介电层的厚度太薄，特别是薄于10nm，隧穿电流、漂移电流和/或扩散电流可能会导致漏电流或电压击穿。优选地，介电层的厚度应厚于1nm。

而且，介电层的厚度可以朝开口区域减小。这样，可以降低介电层和压电层之间过渡处的阶梯梯度和最大的阶梯高度，特别地降低到介电层单层的阶梯高度。在朝开口区域减小的介电层上沉积压电层可能反而导致压电层内的裂缝形成的密度和/或程度降低。

可以规定，所述导电半导体层由硅，特别是多晶硅组成。在其他实施例中，导电半导体层可以由单晶硅制成。而且，导电半导体层可以是掺杂的。这样，可以提高电导率，并且可以降低微机械部件的工作电压。与单晶硅相比，通过使用多晶硅可以降低制造成本。另一方面，使用单晶硅可以提高机械断裂点，从而提高微机械部件的机械鲁棒性。

而且，钝化层可以被至少部分地布置在所述压电层上。钝化层可以是绝缘的。钝化层的厚度一般在5nm到500nm之间。可以规定，钝化层在某些区域不与硅衬底平面平行，特别是覆盖例如凹坑或空洞的侧壁或由微机械部件的几何形状给出的侧壁。这样，可以防止第一电极和第二电极之间的电流接触，特别是尽管存在可能会导致低电阻连接的裂缝。太薄的钝化层可能会导致基于隧穿电流、漂移电流、扩散电流的漏电流和/或电压击穿。太厚的钝化层可能会大大增加微机械部件的工作电压。

在进一步的实施例中，至少在某些区域，金属膜可以被布置在压电层和导电层薄膜之间。特别地，金属膜的高电导率有利于避免微机械部件的高工作电压。可以规定，金属膜被设置作为用于进一步进行构造过程的掩模层。如果省略金属膜，则可以使用牺牲层作为用于进一步进行构造过程的掩模，然后将其去除。

而且，所述支架可以是所述微机械部件的芯片框架。特别地，可以规定，芯片框架包括与硅衬底平面平行的平面中的偏转元件。

本申请还涉及一种相应的有利方法。在这种用于制备微机械部件的方法中，首先在硅衬底上沉积导电半导体层。然后，在压电层上沉积所述压电层和作为第二电极的导电膜。随后，通过光刻工艺对所述硅衬底、所述导电半导体层、所述压电层和导电层膜进行掩膜处理，构造偏转元件。所述导电半导体层被用作所述压电层的第一电极，同时被用作所述偏转元件的载体层。如上，可以通过这种方式降低制备微机械部件的复杂度，因为例如可以省去用于形成第一电极的额外的沉积步骤、光刻步骤、蚀刻步骤和电阻去除步骤。

在所述压电层沉积之后，在所述压电层上沉积金薄膜是可能的。特别地，金属膜的高导电率有利于避免微机械部件的高工作电压。

而且，所述金属膜可被用作稍后构造过程，特别是压电层的构造过程的掩模。这样使得制备微机械部件变得容易，其中，通过将加工步骤(如蚀刻步骤)最小化以及使用酸、碱和高温来保护敏感的压电层。由于不需要额外的牺牲层或功能层，因此不需要花费时间去除这些层，并且降低了制备成本。这样，可以进一步降低制备微机械部件的复杂度。

然而，省去金属膜也可能是有利的。在这种情况下，在所述压电层已被沉积后，可以在所述压电层上沉积辅助层或牺牲层。该辅助层或牺牲层可被用作用于稍后构造过程的掩模。特别地，可以提供SiN硬掩模作为辅助层或牺牲层。

而且，在所述压电层已被沉积后，可在所述压电层上沉积绝缘的钝化层。钝化层的厚度一般在5nm到500nm之间。这样，可以防止第一电极和第二电极之间的电流接触。

所述硅衬底可以被形成为氧化硅衬底，特别是SOI衬底。这样可以改进工艺，特别是载体层和导电半导体层的工艺精度和/或层厚精度。

而且，所述衬底的掩膜工艺可以被设置为使所述衬底至少部分保留在所述偏转元件的区域中。这使得偏转元件变硬。特别地，这可能会导致偏转元件变形较小。可以提供硅衬底的各种结构，特别是蜂窝状结构。而且，可以改变偏转元件的整个层厚度，特别是以改变微机械部件的谐振频率。

所述的与微机械部件有关的特征相应地适用于制备微机械部件的方法。

附图说明

以下参考附图对本发明的示例性实施例，特别是以MEMS镜扫描仪和能量收集器的形式进行说明。在每种情况下，示意性地，

图1a根据示例性实施例的压电驱动的MEMS镜扫描仪的平面视图，

图1b与根据图1a的压电驱动的MEMS镜扫描仪的剖面虚线对应的横截面，

图1c根据进一步示例性实施例的具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪的平面视图，

图1d根据图1c的压电驱动的MEMS镜扫描仪的横截面，

图1e根据示例性实施例的能量收集器的平面视图，

图1f与根据图1e的能量收集器的剖面虚线对应的横截面，

图2a根据现有技术的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有金属电极的压电元件的区域内的横截面，

图2b具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有裂缝的压电元件的区域内的横截面，以说明可能的误差，

图2c没有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有裂缝的压电元件的区域内的进一步示例性实施例的横截面，以说明可能的误差，

图3a示例性实施例的具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪的弹簧结构的平面视图，以降低可能的误差的影响，

图3b与根据图3a的压电驱动的MEMS镜扫描仪的剖面虚线对应的示例性实施例的横截面，

图3c进一步示例性实施例的没有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪的弹簧结构的平面视图，以降低可能的误差的影响，

图3d与根据图3c的压电驱动的MEMS镜扫描仪的剖面虚线对应的示例性实施例的横截面，

图4具有压电元件的优选附着点的压电驱动的MEMS镜扫描仪的弹簧结构的平面视图，

图5a具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有介电层的压电元件的区域内的示例性实施例的横截面，

图5b具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有比图5a的介电层更薄的介电层的压电元件的区域内的示例性实施例的横截面，

图5c具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有朝开口区域减小的介电层的压电元件的区域内的示例性实施例的横截面，

图5d没有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有介电层的压电元件的区域内的进一步示例性实施例的横截面，

图5e没有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有比图5d的介电层更薄的介电层的压电元件的区域内的进一步示例性实施例的横截面，

图5f没有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有朝开口区域减小的介电层的压电元件的区域内的进一步示例性实施例的横截面，

图6a压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有额外的钝化层的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图6b压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有额外的钝化层和导电层膜的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图6c压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有额外的钝化层、金属膜和导电层膜的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图7a具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有全覆盖介电层的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图7b具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有全覆盖介电层的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图8a具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有介电层被填充的开口区域的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图8b没具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪在带有介电层被填充的开口区域的压电元件的区域内的进一步实施例的横截面，

图9压电驱动的MEMS镜扫描仪的进一步实施例的横截面，其中，导电层膜被用作上金属触点和镜层，

图10压电驱动的MEMS镜扫描仪的另一实施例的横截面，其中，导电层膜和金属膜被用作上金属触点，导电层膜被用作镜层，

图11a根据图1b的压电驱动的MEMS镜扫描仪的制备顺序，

图11b具有金属膜的压电驱动的MEMS镜扫描仪的制备顺序。

不同实施例的重复的和相似的特征在附图中用相同或相似的字母数字的附图标记表示。

具体实施方式

图1a示出了微机械部件1的示例性实施例的平面视图，图1b示出了其横截面视图，该微机械部件1被形成为压电驱动的MEMS镜扫描仪150。平面视图示出了带有其功能区的压电驱动的MEMS镜扫描仪150的简化布局。被特别形成为镜板30的偏转元件16具有载体层28和光反射镜层15。镜板30被机械地连接并悬挂于形成为弹簧结构11的悬架32。弹簧结构11悬挂于芯片框架形式的支架1上。镜板30和弹簧结构11都是由MEMS镜扫描仪150中的切口定义的。弹簧结构11至少部分覆盖有压电层7，特别是压电元件10，以创建驱动和/或传感区域。至少一个检测和/或驱动区域被限定。此外，支架17的一部分可以被压电层7覆盖。这使得支架17区域内的阶梯最小化，以避免低电阻连接。为了向压电层7施加电压，提供了基于导电层膜12的金属键合垫14电导线和13。在压电元件10的标记为压电区域的区域9中，导电层膜12形成压电元件10的第二电极27。与此电分离，导电层膜12还与特别是被形成为多晶硅层29的导电半导体层26接触，该导电半导体层26在压电元件10的区域9中形成压电元件10的第一电极5。然而，硅层29也可以由单晶硅形成。

而且，导电层膜12形成镜板30的光反射镜层15。

为了偏转入射光束，为金属键合垫14施加电压。施加到键合垫14的电压经由第一电极5和第二电极27以及压电元件10的致动导致压电层7压电变形。压电元件10的压电层7的变形使弹簧结构11发生偏转。弹簧结构11的多晶硅层29还形成MEMS镜扫描仪150的镜板30的载体层28。这样，镜板30与弹簧结构11机械耦合，并且弹簧结构11偏转导致镜板30偏转。根据弹簧结构11，镜板30可以以一个或两个轴旋转，从而在一个或两个维度上控制和/或检测光束。MEMS镜扫描仪的机械行为一方面由层厚度定义，另一方面由深度蚀刻产生的间隙定义。

图1b示出了图1a的横截面，以说明压电驱动的MEMS镜扫描仪150的功能区。

围绕镜板30的支架17在本案中被形成为芯片框架，其横截面中具有下钝化层3、硅衬底2、中间钝化层4、多晶硅层29和上钝化层18。MEMS镜扫描仪150没有下钝化层3是可能的。上钝化层18作为电绝缘体并在压电区域9中覆盖压电层7，压电层7被直接布置在多晶硅层29(导电半导体层26)上。硅衬底2被配置为保持支架17或芯片框架尺寸稳定。

压电元件10具有分层结构，从硅衬底2的一侧开始，由多晶硅层29、压电层7、上钝化层18和至少部分覆盖和/或部分打开的进一步导电层膜12组成。多晶硅层29在压电区域9中作为第一电极5，用于控制压电元件10和/或检测弹簧结构11和/或镜板30的偏转状态。而且，还额外设置了多晶硅层29或导电半导体层26，以形成MEMS镜扫描仪150的弹簧结构11。

为了实现弹簧结构11的弹性变形，弹簧结构11的分层结构从硅衬底2的一侧开始，包括多晶硅层29和上钝化层18。弹簧结构11具有在多晶硅层29下面的中间钝化层4也是可能的。

镜板30具有分层结构，从硅衬底2的一侧开始，由多晶硅层29、上钝化层18(在镜板30的区域内也可以被省略)和导电层膜12组成。镜板30中，多晶硅层29作为载体层28，导电层膜12作为反光镜层15。在其他实施例中，可以规定，压电元件10和镜板30具有在多晶硅层29下面的中间钝化层4。

图1c示出了压电驱动的MEMS镜扫描仪150的进一步示例性实施例的平面视图，图1d示出了其横截面视图。图1c和图1d中的示例性实施例与图1a和图1b中的示例性实施例相同，但这里设置了覆盖压电层7的金属膜8。可以规定，金属膜8被设置作为用于进一步进行构造过程的掩模层，特别是用于掩膜压电元件10。如果省略金属膜8，则可以使用牺牲层作为用于进一步进行构造过程的掩模，然后将其去除，并利用该牺牲层可以实现图1a和图1b的示例性实施例。

而且，这里，介电层6被布置在导电半导体层26或多晶硅层29上，并且在压电区域9中向导电半导体层部分打开。

图1e示出了微机械部件1的进一步示例性实施例的平面视图，图1f示出了其横截面视图，该微机械部件1被形成为能量收集器200。平面视图示出了能量收集器的简化布局。被形成为梁元件31的偏转元件16与悬架32机械连接，并且悬架32与被形成为芯片框架的支架17附接。梁元件31至少部分覆盖有压电层7，特别是压电元件10，以创建传感区域。当然，也可以在梁元件31上设置多个压电元件10。至少一个传感区域被限定。此外，支架17的一部分可以被压电层7覆盖。这使得支架17区域内的步骤最小化，以避免低电阻连接。

梁元件31和悬架32都是由能量收集器200中的间隙定义的。梁元件31可以通过振荡和/或振动，特别是环境振动，经由悬架32而被偏转。对不同频谱和/或频带的灵敏度可以通过能量收集器200的几何形状，特别是梁元件31、悬架32和支架17的空间几何形状来设置。振荡和/或振动通过压电元件10被转换为电压，压电元件10位于梁元件31上，其中，特别是压电层7的基本单元的晶格畸变被压电效应所利用。该电压经由金属键合垫14和金属电导线13被导出，并可被特别是由电容器和电阻组成的合适的电路存储和/或利用。导电层膜12至少部分覆盖压电层7。在压电元件10的区域9中，导电层膜12形成压电元件10的第二电极27。与此电分离，导电层膜12还与导电多晶硅层29接触，该导电多晶硅层29在压电元件10的区域9中形成压电元件10的第一电极5。

图1f示出了图1e的横截面，以说明能量收集器200的功能区。

横截面中，围绕能量收集器200的支架17具有下钝化层3、硅衬底2、上钝化层4、多晶硅层29和介电层6。介电层6在某些区域中打开，以允许导电层膜12和多晶硅层29之间的直接层接触。如上，介电层6作为电绝缘体，以防止低电阻连接。硅衬底2被配置为保持能量收集器200的支架17尺寸稳定。多晶硅层29作为区域9中压电元件10的第一电极5。这里，所示的介电层也可以被类似于图1b的层18的上钝化层代替，覆盖压电区域9中的第二电极27，然后压电层7与多晶硅层29接触。

压电元件10具有多晶硅层29，可选地，至少部分具有介电层6、压电层7和至少部分覆盖的进一步导电层膜12，可选地，还具有上钝化层。与MEMS镜扫描仪150相同，多晶硅层29在这里形成第一电极5和悬架32。

梁元件31包括由下钝化层3、硅衬底2、中间钝化层4、多晶硅层29和介电层6或上钝化层组成的分层结构。硅衬底2被设置作为梁元件31的惯性质量。这样，可以增加梁元件31的惯性质量来顺利地将环境振动转化为梁元件31的振荡、振动和/或偏转。特别地，对环境振动不同频谱的灵敏度可以通过惯性质量的重量来调节。然而，至少在压电元件10的区域9周围的区域内，梁元件31没有下钝化层3、硅衬底2和中间钝化层4，以实现压电层7的弹性变形。

如上所述，图2a示出了根据现有技术的具有上钝化4、多晶硅层29、传统的金属第一电极20、压电层7和第二电极27的压电驱动的MEMS镜扫描仪100的压电元件的细节，通过比较，图2b示出了根据本发明实施例的具有由多晶硅制成的第一电极5的压电驱动的MEMS镜扫描仪150。与图2a相比，图2b中没有使用金属第一电极20。由于多晶硅，特别是掺杂后的多晶硅的电导率高，因此，与图2a中所示的传统实施例相比，压电驱动的MEMS镜扫描仪150的工作电压的增加只是轻微的。省去金属第一电极20可以降低制备压电驱动的MEMS镜扫描仪的复杂度和成本。

然而，如果压电层7与多晶硅层29直接接触，如图2c所示，这会导致低电阻电连接，特别是在介电层6的开口区域21的阶梯边缘处。低电阻连接的原因是由于开口区域21中生长行为不良而造成的裂缝和/或晶体缺陷19和/或由于运行中负载高而造成的材料疲劳。以下描述了如何防止低电阻连接的实施例。

图3a示出了类似于图1a的弹簧结构11的平面视图。图3a中的平面视图示出了弹簧结构11曲率半径较小的弯曲区域和弹簧结构11曲率半径较大的相对直的区域。在优选实施例中，弹簧结构11的不同区域有不同的曲率，特别是右侧曲率和左侧曲率。弹簧结构11经由弹簧结构11的直线区域与镜板30机械连接。

在弹簧结构11偏转期间，压电元件10位于弹簧结构11上曲率小，特别是在平行于衬底平面的平面外曲率小的位置处。弹簧结构11偏转期间，弹簧结构11上曲率低的位置的特征是，这些位置在弹簧结构11运行或偏转期间表现出低变形。基于模拟，例如机械有限元分析，可以识别出运行期间弹簧结构11曲率大的区域。为了防止由于材料疲劳而造成的低电阻连接，这些区域不应包含任何压电元件10。

而且，压电元件10应位于电压行为最佳的位置处，特别是正机械电压或负机械电压高的位置处。这样，可以使致动和/或检测效率最大化。

图3b示出了MEMS镜扫描仪150的压电元件10的横截面视图。图3a中的虚线表示图3b的横截面区域。图3b中的实施例与图1d中的压电元件的实施例相似，但第二电极27的宽度d1小于介电层6的开口d2。介电层的开口d2定义了第一电极5的宽度。压电层7内的裂缝和/或晶体缺陷更频繁地发生在开口区域21的边缘区域，特别是在介电层6的阶梯边缘。裂缝和/或晶体缺陷通常在垂直于硅衬底平面的方向上延伸。由于第二电极27的宽度d1小于介电层6的开口d2，以及因此第二电极27的面积小于介电层6的开口面积，第二电极27不直接位于第一电极5开口区域的边缘区域上方。这样，可以防止第二电极27的导电层膜12渗透到裂缝中。第二电极27的导电层膜12渗透到裂缝中可能反而导致不希望的低电阻连接。

图3c示出了类似于图3a的平面视图，图3d为示出了类似于图3b的图3c的横截面视图。然而，与图1c和图1d中一样，图3c和图3d中省略了金属膜8。

与图3a和图3c中一样，图4示出了压电驱动的MEMS镜扫描仪150的具有(左)金属膜8和没有(右)金属膜8的弹簧结构11的平面视图。特别地，图4示出了压电元件10在弹簧结构11上的进一步有利位置。有利位置可以例如(如上所述)通过模拟，特别是机械有限元分析来确定。

然而，如图5a所示(以及类似地如图5d所示，但没有金属膜8)，如果第二电极27的宽度大于介电层6的开口，则必须抑制介电层6开口的阶梯边缘处的晶体缺陷。在本实施例中，晶体缺陷可能会导致低电阻电连接。如图5b所示(以及类似地如图5e所示，但没有金属膜8)，在非常薄的介电层6(例如10nm的Al₂O₃)的基础上，降低阶梯高度L可能会在介电层6的阶梯边缘处导致晶体缺陷的缺陷密度降低或空间发展降低。因此，这使得金属，特别是导电层膜12渗透到裂缝和/或晶体缺陷中的可能性最小化，这会在第二电极27和第一电极5之间导致低电阻连接。如图5c所示(以及类似地如图5f所示，但没有金属膜8)以及图1d所示，也可以通过减小朝开口区域21的介电层6的厚度来使阶梯高度L最小化。特别地，可以设置介电层6的层厚度线性或准线性减少到消失层厚度。介电层6层厚度的减小可以通过光刻构造工艺等来实现。

为了防止低电阻连接，可以提供进一步的实施例。图6a、图6b和图6c示出了与图5a类似的实施例，但在图6a、图6b和图6c中，上钝化层22，例如Al₂O₃，另外覆盖压电层7。如图6b所示，如果上钝化层22被导电层膜12覆盖，则钝化层22作为电绝缘障碍。尽管存在晶体缺陷19，但这样可以防止电流接触。图6c示出类似于图6b的实施例，但在图6c中，额外使用了金属膜8，并且在该实施例中，金属膜8的材料渗透到晶体缺陷19中。

为了防止介电层的阶梯边缘的其他选择是填充开口区域21或在介电层6中省去开口。图7a中(以及类似地在图7b中，但没有金属膜8)，至少在压电元件10的区域9中，多晶硅层29被介电层6(例如SiO₂)覆盖在其整个表面上。这意味着，介电层6没有向多晶硅层29的开口。这意味着，没有阶梯，并且压电层7可以在最佳平面度条件下生长。这样，可以抑制裂缝和/或晶体缺陷。

图8a(以及类似地图8b，但没有金属膜8)示出了，在另一实施例中，在介电层6的开口区域21中沉积或生长多晶硅23，并导致平面化。开口区域21中的多晶硅23可以特别地通过选择性生长和/或掩膜来实现。实现开口区域21中的多晶硅23的另一种方法可以是基于外延工艺和随后用于平面化的选择性、化学和机械抛光工艺生长硅。由于该平面化，可以防止形成裂缝和/或晶体缺陷，这样降低了低电阻连接的可能性。

作为上述实施例的可替换实施例，如图9所示，可以规定，压电层7比图1d的实施例中的压电层7更宽，并且至少在某些区域覆盖支架17。这使得阶梯，特别是支架17区域内的导电层膜12的阶梯最小化，以避免低电阻连接。图9中的压电层7的构造和/或掩膜可以通过牺牲层来实现，随后去除牺牲层。图10示出了具有扩展压电层7的进一步实施例，扩展压电层7至少在某些区域覆盖支架17。这里，可以使用金属膜8作为压电层7的稍后构造过程的掩模。

图11a示出了压电驱动的MEMS镜扫描仪150的示例性制备顺序。

在第一步骤1中，钝化硅衬底2，特别是结晶块硅衬底。通过湿氧化和/或干氧化制备下钝化层3和中间钝化层4。

在第二步骤2中，在中间钝化层4上沉积被掺杂的多晶硅。例如，在外延沉积系统中进行沉积过程。得到的多晶硅层29的厚度一般在1μm到300μm之间。

可替换地，当使用单晶硅时，可以使用所谓的传统可用的SOI晶圆，从而可以取代步骤2。在这个过程中，将另一个晶体硅晶圆粘合到先前施加的氧化层上，并将其削磨回到任何所需的层厚度。

随后，在步骤3中，进行压电层7的沉积，特别是物理气相沉积(physical vapourdeposition，PVD)。这里，压电层7应该具有高的压电常数和/或热电常数和/或铁电常数。陶瓷铁电体或陶瓷压电体，如氮化铝(aluminium nitride，AlN)或锆钛酸铅(lead zirconatetitanate，PZT)，特别适合于此目的。然而，诸如PVDF(polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯(CF2-CH2)n)的半结晶聚合物材料也适用。

在第4步骤中，以等离子体工艺和/或湿化学工艺构造压电层7。可以例如用磷酸AlN来湿蚀刻压电层7，干蚀刻压电层7。采用光刻掩模来构造压电层7。压电区域9定义了MEMS镜扫描仪150的压电元件10和驱动和/或传感区域。

在步骤5中，在构造的压电层7和多晶硅层29之上沉积钝化层18，其中，在通过在压电区域9的区域中的示例方式所示的随后的步骤6中构造钝化层。可以使用PECVD SiO₂作为钝化层，但也可以使用任何不导电的且还具有相对高的介电强度的材料，例如氮化硅Si₃N₄，氧化铝Al₂O₃。

在步骤7中，在构造的钝化层18上沉积导电层膜12，特别地由铝以及诸如Cu、Mo等的其他材料组成。

在步骤8中，使用干蚀刻，例如基于氯的等离子体蚀刻或基于磷酸的湿蚀刻，经由光刻掩模来构造导电层膜12。导电层膜12形成电导线13、键合垫14以及必要时的光反射镜层15。然后，使用等离子体工艺或湿化学工艺来去除光刻掩模。

如有必要，有可能引入进一步的工艺步骤来增加镜板区域的反射特性，例如通过进一步的金属化和构造步骤。

在步骤9中，使用光刻掩模，通过干蚀刻，特别是的氟基等离子体蚀刻来构造上钝化层18。

在步骤10中，利用步骤9中的光刻掩模，使用深度反应离子蚀刻(deep reactiveion etching，DRIE)来构造多晶硅层29。在另一实施例中，可以以相同的步骤或额外的工艺步骤来另外至少部分地打开中间钝化层4。然后，使用等离子体工艺或湿化学工艺来去除光刻掩模。在该步骤中，定义了机械弹簧结构11和镜板30。

在步骤11中，在某些区域中，经由光刻掩模，使用干蚀刻工艺，特别是氟基等离子体蚀刻来打开下钝化层3。

在步骤12中，使用步骤11中的现有光刻掩模或用于深度反应离子蚀刻的新光刻掩模来构造硅衬底2。

最后，在步骤13中，在某些区域中去除中间钝化层4。所产生的间隙定义了支架17、镜板30和弹簧结构11。在最后的等离子体或湿化学光刻胶去除步骤之后，就完成了压电驱动的MEMS镜扫描仪150的制备。

如有必要，可在步骤11中完全去除下钝化层3。

图11b示出了进一步示例性实施例。

步骤I对应图11a的步骤1。

在第二步骤II中，按照图11a的步骤2，在钝化层4上沉积被掺杂的多晶硅。然后对多晶硅层29进行进一步钝化，以形成介电层6。可以例如以二氧化硅的形式从气相施加介电层6。如图11a所述，这里也可以使用SOI晶圆。

在第三步骤III中，首先，使用光刻掩模和蚀刻工艺，特别是氟基等离子蚀刻和/或湿蚀刻，特别是用氢氟酸在某些区域中打开介电层6。通过等离子体工艺和/或湿化学工艺去除光刻掩模。接下来是沉积，特别是物理气相沉积(PVD)压电层7。这里，压电层7应该具有高的压电常数和/或热电常数和/或铁电常数。陶瓷铁电体或陶瓷压电体，如氮化铝(AlN)或锆钛酸铅(PZT)，特别适合于此目的。然而，诸如PVDF(聚偏氟乙烯(CF2-CH2)n)的半结晶聚合物材料也适用。在压电层7上沉积金属膜8，该金属膜8是金属的。特别地，可以提供通过物理气相沉积方式沉积的钼作为金属膜8。然而，在另一实施例中，可以使用诸如多晶硅的半导体材料代替金属膜8。

在第四步骤IV中，使用光刻掩模和蚀刻工艺来构造金属膜8。如果金属膜8由钼组成，则使用基于磷酸的湿蚀刻工艺。

在第五步骤V中，如图11a的步骤3，构造压电层7。然而，金属膜8作为用于构造压电层7的硬掩模。

步骤VI对应图11a的步骤7，步骤VII对应图11a的步骤8。

在第八步骤VIII中，使用光刻掩模，通过干蚀刻，特别是氟基等离子体蚀刻来构造介电层6。

步骤IX对应图11a的步骤10，其中，此处使用步骤VIII的光刻掩模。

步骤X、XI和XII对应图11a的步骤11、12和13。

如果不使用金属膜8，则在步骤IV中，为压电层7施加牺牲层或辅助层，而不是金属膜8。该牺牲层或辅助层作为用于压电层7构造过程的掩膜。在构造过程之后再次去除该牺牲层或辅助层，该牺牲层或辅助层例如可以对应于光刻胶。

图12a和图12b示出了图1d的可替换实施例。在这些实施例中，在偏转元件16的区域和压电区域9中，在多晶硅层29的下方留下至少一部分硅衬底2。这使得偏转元件16变硬得以实现，这可能对偏转元件16的动态变形产生影响。特别地，这可能会导致偏转元件16变形较小。可以提供硅衬底2的各种结构，特别是蜂窝状结构。而且，可以改变偏转元件16的整个层厚度，特别是以改变微机械部件的谐振频率。

附图标记列表：

Claims (26)

1.一种微机械部件(1)，所述微机械部件(1)具有分层结构和至少一个压电元件(10)，所述至少一个压电元件(10)包含第一电极(5)和第二电极(27)，用于产生和/或检测偏转元件(16)的挠度，所述偏转元件(16)与支架(17)连接，其中，所述分层结构包括硅衬底(2)、导电半导体层(26)、压电层(7)和导电层膜(12)；

其特征在于，

所述导电半导体层(26)形成所述压电元件的第一电极(5)，所述导电层膜(12)形成所述压电元件的第二电极(27)，并且其中，所述导电半导体层(26)同时形成所述偏转元件(16)的载体层(28)。

2.根据权利要求1所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述导电半导体层(26)、所述压电层(7)和所述导电层膜(12)被形成在不同层平面中的层中，其中，它们具有从所述硅衬底(2)的一侧开始的以下类型的层顺序：

·所述导电半导体层(26)，

·所述压电层(7)，

·所述导电层膜(12)，

其中，更多的半导体层、绝缘体层和/或金属层能够被插在所述层之间。

3.根据权利要求1或2中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述偏转元件(16)是与所述支架(17)连接的弹簧结构(11)和悬挂于所述弹簧结构(11)的镜板(30)，其中，所述导电半导体层(26)同时形成所述镜板和/或所述弹簧结构的载体层(28)。

4.根据权利要求3所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述导电层膜(12)还形成光反射镜层(15)的所述镜板(30)。

5.根据权利要求3或4所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述弹簧结构(11)至少在部分区域中包括所述导电半导体层(26)、所述压电层(7)和所述导电层膜(12)。

6.根据权利要求5所述的微机械部件(1)，其特征在于，当所述弹簧结构(11)从平面被偏转到静止位置时，所述弹簧结构(11)的导电半导体层(26)、压电层(7)和导电层膜(12)位于弯曲半径小的位置处。

7.根据权利要求1或2中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述偏转元件(16)被形成为在至少一侧上悬挂的梁元件(31)，其中，所述导电半导体层(26)同时形成所述梁元件(31)的载体层(28)。

8.根据权利要求7所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述梁元件(31)至少在部分区域中包括所述导电半导体层(26)、所述压电层(7)和所述导电层膜(12)。

9.根据权利要求7或8所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述梁元件(31)至少在部分区域中包括所述硅衬底(2)，所述硅衬底(2)以使得其形成所述梁元件(31)的惯性质量的方式被布置。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，钝化层(18，22)被至少部分地布置在所述压电层(7)上。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述压电层(7)被布置在所述导电半导体层(26)上。

12.根据权利要求1至10中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，至少在部分区域，介电层(6)被布置在所述导电半导体层(26)和所述压电层(7)之间。

13.根据权利要求12所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述导电半导体层(26)与所述压电层(7)通过所述介电层(6)分离，其中，所述介电层(6)被形成为完全覆盖所述半导体层(26)或被形成在对所述半导体层(26)具有开口区域(21)的区域中。

14.根据权利要求13所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述介电层(6)的所述开口区域(21)被硅填充。

15.根据权利要求1至14中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述导电半导体层(26)由硅，特别是多晶硅组成。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，至少在部分区域，金属膜(8)被布置在所述压电层(7)和所述导电层膜(12)之间。

17.根据权利要求1至16中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，所述支架(17)是所述微机械部件(1)的芯片框架。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的微机械部件(1)，其特征在于，为了稳定，介电层被施加于由所述导电层膜(12)形成的所述第二电极(27)。

19.一种用于制备微机械部件(1)的方法，所述方法有以下步骤：

·在硅衬底(2)上沉积导电半导体层(26)；

·沉积压电层(7)；

·在所述压电层(7)上沉积导电层膜(12)，作为第二电极(27)；以及

·通过光刻工艺对所述硅衬底(2)、所述导电半导体层(26)、所述压电层(7)和所述导电层膜(12)进行掩膜处理，构造偏转元件(16)，

其特征在于，

所述导电半导体层(26)被用作所述压电层(7)的第一电极(5)，同时被用作所述偏转元件(16)的载体层(28)。

20.根据权利要求19所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，在所述压电层(7)已被沉积后，在所述压电层(7)上沉积金属膜(8)。

21.根据权利要求20所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，所述金属膜(8)被用作稍后构造过程的掩模。

22.根据权利要求19所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，在所述压电层(7)已被沉积后，在所述压电层(7)上沉积辅助层或牺牲层，并被用作稍后构造过程的掩模。

23.根据权利要求22所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，所述辅助层或牺牲层被形成为SiN硬掩模。

24.根据权利要求19至23中任一项所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，在所述压电层(7)已被沉积后，在所述压电层(7)上沉积钝化层(18，22)。

25.根据权利要求19至24中任一项所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，所述硅衬底(2)被形成为氧化硅衬底。

26.根据权利要求19至25中任一项所述的用于制备微机械部件(1)的方法，其特征在于，所述衬底(2)的掩膜处理是以使所述衬底(2)至少部分保留在所述偏转元件(16)的区域中的方式执行的。