-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Die vorliegende Erfindung betrifft
Mikrogelenke, die in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) und
bei der Mikrosystemtechnologie verwendet werden, und im Besonderen
eine verbesserte Mikrogelenkgestaltung und -konstruktion, die für mehr Stabilität und Stärke bei
dem Gelenkelement sorgt.
-
Die Verwendung von Mikrogelenken
ist mit der gestiegenen Verwendung und Komplexität von Flächenmikromaschinenkomponenten
und -systemen inzwischen weit verbreitet. Mikrogelenke werden typischerweise
bei der Implementierung von ebenenverschobenen oder vertikal ausgerichteten Mikrovorrichtungskonstruktionen
verwendet und normalerweise mit einem Polysilizium-Prozess hergestellt,
der wenigstens zweischichtig, typischerweise jedoch dreischichtig
ist. Ein solches, als Stapelgelenk bekanntes, Gelenk wird in 1 dargestellt, ist integral
mit dem Mikrospiegel (12) verbunden und wird zum Erreichen
von ebenenverschobener Bewegung verwendet. Der aus mehreren Schritten
bestehende Herstellprozess umfasst das Ablagern einer ersten Schicht,
die dann gemustert und geätzt
wird. Anschließend
wird eine zweite Schicht so abgelagert, gemustert und geätzt, dass
nach dem Entfernen von jeglichem Füllmaterial die erste Schicht
sich frei auf einem festgelegten Weg bewegen kann, während sie von
der zweiten Schicht an ihrem Platz gehalten wird. Diese Struktur
erzeugt ein Drehgelenk, das in MEMS oder Mikrosysteme implementiert
wird, um die für
Mikrospiegel und sonstige ebenenverschobenen Vorrichtungen erforderliche
mechanische Bewegung zu ermöglichen.
-
Zu den Nachteilen bei bestehenden
Mikrogelenkkonstruktionen gehören
Prozesskomplexität
und Herstellkosten.
-
Die Erfinder haben außerdem beobachtet, dass
die Vorrichtungsschicht von Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Scheiben dazu verwendet
wird, Mikrostrukturen wie Spiegel, Linsen und sonstige ebenenverschobene
oder vertikal ausgerichtete Vorrichtungen für integrierte MEMS und Mikrosysteme
zu bilden. So werden beispielsweise in
US 6 074 890 A Verfahren zum
Herstellen von Einkristall-Silizium-MEMS offenbart, die an einer
SOI-Scheibenstruktur
aufgehängt sind
und die Fähigkeit
ermüdungsfreien
Biegens optimieren. Das Bilden solcher Vorrichtungen erfordert die
Verwendung von Mikrogelenken, um diesen ebenenverschobenen Vorrichtungen
Drehfreiheit und mechanische Unterstützung zu bieten.
-
Es wird daher als hilfreich erachtet,
weniger komplexe und kostengünstigere
Mikrogelenke zu entwickeln, die in der Lage sind, die erforderliche
mechanische Integrität
und Stärke
zu liefern, um die ebenenverschobene Drehung oder vertikale Bewegung
von SOI-Vorrichtungsschichtstrukturen zu ermöglichen.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Bereitgestellt wird eine Mikroeinheit,
die eine Mikrovorrichtung umfasst, die auf einer Vorrichtungsschicht
eines einkristallinen Siliziumträgers
geformt ist. Auf der Vorrichtungsschicht wird eine Bandstruktur
gebildet, wobei die Bandstruktur auf eine Stärke verschwächt wird, die geringer als
die Stärke
der Mikrovorrichtung ist. Eine Verbindungsschnittstelle stellt einen
Verbindungspunkt zwischen einem ersten Ende der Mikrovorrichtung
und einem ersten Ende einer Bandstruktur bereit, wobei die Bandstruktur
und die Mikrovorrichtung als ein einziges Teil integriert werden.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 betrifft
eine Mikrospiegelvorrichtung, bei der mehrere Polysilizium-Schichten
zur Implementierung eines Mikrogelenks verwendet werden;
-
2 ist
eine isometrische Ansicht eines Bandgelenks, das an einer ebenenverschobenen Vorrichtung
nach den Lehren der vorliegenden Erfindung angebracht ist;
-
3 ist
eine Seitenansicht des Bandgelenks und der ebenenverschobenen Vorrichtung
aus 2;
-
4 legt
die Bearbeitungsschritte zur Bildung der Bandstruktur dar, die an
einer ebenenverschobenen Vorrichtung nach den Lehren der vorliegenden
Erfindung angebracht ist;
-
5 ist
eine Darstellung für
eine Konstruktion nach den Lehren der vorliegenden Erfindung; und
-
6 stellt
eine alternative Ausführung
der vorliegenden Erfindung dar, wobei die Bewegung der Mikrospiegel
durch einen aktiven Vorgang vollzogen wird.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGEN
-
Während 1 eine Mikrovorrichtung
darstellt, die ein Polysilizium-Stapelgelenk implementiert, stellen 2 und 3 eine Mikroeinheit (18) dar, die
ein nach der vorliegenden Erfindung gestaltetes Bandgelenk (20)
in einer integrierten Anordnung mit einer Mikrovorrichtung (22),
wie einem Mikrospiegel, aufweist.
-
Die Mikrovorrichtung wurde aus einer
ebenengleichen Position in einen Winkel von etwa 30° bewegt.
Die Bewegung der Mikrovorrichtung kann durch eine Vielfalt von Mechanismen
erreicht werden, darunter auch die Verwendung einer Mikrosonde oder
eines Aktuators.
-
Das Bandgelenk (20) ist
daher so konstruiert, die in 1 dargestellte
weithin verwendete Polysilizium-Stapelgelenkkonstruktion zu ersetzen.
Das Bandgelenk (20) ist eine Einkristall-Silizium-(SCS)-Komponente,
die mechanische Stabilität aufweist
und die unter Verwendung eines vereinfachten Verarbeitungsverfahrens
gestaltet wird. Daher stellt das Bandgelenk (20) der vorliegenden
Erfindung einen flexiblen Mechanismus im Gegensatz zu dem zusammengefügten Stapelgelenk
aus 1 bereit.
-
Das Bandgelenk (20) wird
aus der Vorrichtungsschicht einer Silizium-auf-Isolator-Scheibe
gebildet, die zum Ermöglichen
einer höheren
mechanischen Flexibilität
verschwächt
wurde. Diese Konstruktion erzeugt eine qualitativ hochwertige mechanische
Struktur mit ausreichender Stärke
für ihren
beabsichtigten Zweck.
-
2 und 3 unterstreichen die Flexibilität des Bandgelenks
(20). Bei dieser Ausführung
ist das Bandgelenk (20) etwa 500 nm stark, etwa 50 μm breit und
etwa 140 μm
lang. Die Mikrovorrichtung (18), die das Bandgelenk (20)
und den Spiegel (22) umfasst, wird unter Verwendung einer
Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Scheibe mit einer Vorrichtungsschichtstärke von
etwa 3 μm
und einer beerdigten Oxidschicht (BOX) von etwa 2 μm Stärke hergestellt.
-
Bei einem zum Herstellen der Mikrovorrichtung
(18) verwendeten Zweimaskenprozess wird ein zu verschwächender
Bereich zuerst lithografisch freigelegt, und umgebende Bereiche
werden geschützt, bevor
die Stärke
des freigelegten Siliziumbereichs (20) durch ein zeitgesteuertes
Nassätzen
auf 500 nm reduziert wird. Dann wird ein nachfolgender Lithographieschritt
verwendet, um die Bereiche von Gelenk (20) und Spiegel
(22) zu mustern, bei denen sämtliche zu ätzenden umgebenden Bereiche
freigelegt werden. Damit bleibt die Spiegelstruktur durch eine Oxidschicht
geschützt
und das dünne
Silizium-Bandgelenk ruht auf der BOX-Opferschicht. Nach dem Entfernen
des beerdigten Oxids unter Verwendung eines Ätzprozessschrittes mit Flusssäure (HF)
von 49% und nachfolgenden Trocknungsverfahren wird der Spiegel (22)
zum Bewegen freigegeben.
-
Wie nachfolgend eingehender beschrieben wird,
ist die vorliegende Erfindung ein Zweischrittprozess in dem Sinn,
dass bei dem ersten Schritt der Gelenkbereich (20) gemustert
und geätzt
wird. Dann wird ein zweites Verfahren zum lithografischen Definieren
und Formen des Spiegelbereichs (22) (oder einer sonstigen
ebenenverschobenen oder vertikal ausgerichteten Vorrichtung) verwendet.
Es ist selbstverständlich
möglich,
diese Prozesse umzukehren, indem zuerst der ebenenverschobene Vorrichtungsbereich
bearbeitet und dann die Bandschicht verschwächt wird. Ein Problem in dieser
Hinsicht besteht darin, dass die ebenenverschobene Vorrichtung und das
Bandgelenk sämtlich
aus derselben Materialschicht geformt werden. Der Unterschied zwischen dem
Bandgelenk und der ebenenverschobenen Vorrichtung liegt in der Geometrie
der Musterung und der physikalischen Stärke der Bereiche. Besonders
das Ätzen
des Bandgelenks (20) auf einen wesentlich schwächeren Querschnitt
als die ebenenverschobene Vorrichtung ermöglicht eine erhöhte Flexibilität des Bandgelenks.
Die Flexibilität
des Bandgelenks (20) wird durch seine nahezu S-förmige Form
dargestellt (siehe 3).
-
Die Methodologie, die das Herstellen
der Bandgelenkstruktur in demselben Material wie bei der ebenenverschobenen
Vorrichtung, wie dem Spiegel, beinhaltet, hat gegenüber bestehenden
Gelenktechnologien viele Vorteile, darunter auch einen vereinfachten
Herstellprozess. Da beispielsweise das Gelenk unter Verwendung derselben
Materialschicht wie für
die ebenenverschobene Vorrichtung hergestellt wird, gibt es keine
haftende Verbindungs- oder Haltestruktur, die zwischen dem Gelenk
und der befestigten Vorrichtung erforderlich wäre. Eine solche Konstruktion
nimmt das hohe mechanische Drehmoment und Kraftaufkommen auf, die
durch die befestigte mechanische Vorrichtung erzeugt werden, ohne die
Integrität
des Verbindungspunktes (24) zwischen der Gelenkstruktur
und der befestigten Mikrovorrichtung zu umfassen.
-
4 stellt
einen Prozessablauf bei der Herstellung eines Einkristallsilizium-Bandgelenks
nach der vorliegenden Erfindung dar. In Schritt (28) beginnt
der Prozess mit einer reinen Silizium-auf-Isolator-(SOI)-Scheibe
(30) mit einer Einkristallsilizium-Vorrichtungsschicht
(32), einer beerdigten Oxidschicht (34) und einer
Trägerschicht
(36). In einem ersten Schritt des Prozesses (38)
wird eine Photoresistschicht (40) unter Verwendung von
Standard-Lithographieprozessen auf eine Vorrichtungsschicht (32)
aufgebracht. Die Photoresistschicht (40) wird so gemustert,
dass der in das Bandgelenk zu verschwächende Bereich (42)
freigelegt wird. Bei einem nächsten
Schritt (44) erfolgt ein Nassätzprozess, wie Nassätzen mit
einer Kaliumhydroxid-(KOH)-Lösung von
45% bei 60°C.
Das Nassätzen
hat zur Folge, dass der freigelegte Bandgelenkbereich (42)
der Vorrichtungsschicht (32) auf eine Stärke von
etwa 500 nm entfernt wird.
-
In Schritt (46) wird die
zuvor aufgetragene Resistschicht (40) vor einer erneuten
Musterung zum Ätzen
der ebenenverschobenen Vorrichtung, eines Inselbereichs und einer
Ankerstruktur entfernt. Nach Entfernen der ersten Photoresistschicht
(40) wird die zweite Photoresistschicht (48) auf
die Oberfläche
von SOI (30) aufgetragen. In Schritt (50) erfolgt
ein Trockenätzprozess
an dem freigelegten Silizium der Vorrichtungsschicht (32)
zum Formen der ebenenverschobenen Vorrichtungsstruktur (52)
sowie des Inselbereichs (54) und der Ankerstruktur (56).
In Schritt (58) wurde die zweite Photoresistschicht (48)
entfernt, und es beginnt ein Ätzprozess,
um das Ätzen der
freigelegten beerdigten Oxidschicht (60) unter Verwendung
einer Flusssäure-(HF)-Lösung von
49% zu beginnen.
-
Im nächsten Schritt (62)
wird die dritte und letzte Photoresistschicht (64) auf
der SOI-Scheibe (30)
aufgebracht und gemustert. Diese letzte Photoresistschicht (64)
ist während
des Vorgangs der Freigabe des beerdigten Oxids (BOX) zu verwenden,
wobei die ebenenverschobene Vorrichtung (52) durch Ätzen des
gesamten ungeschützten
beerdigten Oxids freigegeben wird. Dieser Prozess wird abgeschlossen
in Schritt (66) dargestellt, wo sich verbleibendes Material
der beerdigten Oxidschicht (68 und 70) unter der
Inselstruktur (54) und unter dem Ankerabschnitt (56)
befindet. Wie aus Schritt (66) ersichtlich, werden eine
Trennschicht (72) und eine Trennkante (74) als
frei von Material dargestellt. Das Entfernen von Material in diesen
Bereichen gestattet die Bewegung der ebenenverschobenen Vorrichtung (52)
und des Bandgelenks (42) auf eine Weise, die der in 2 und 3 dargestellten ähnlich ist. In Schritt (66)
ist zu erkennen, dass sämtliches
verbliebenes Photoresist entfernt wird, beispielsweise durch einen trockenen
O2-Plasma-Ätzprozess.
Daher beschreibt Schritt (66) die ursprüngliche SOI-Scheibe (30)
als eine vervollständigte
Spiegel- und Gelenkstruktur.
-
Geht man weiter zu 5, ist dort eine Implementierung einer
passiven Mikrospiegeleinheit unter Verwendung der Bandgelenkmethodologie
nach der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die duale Spiegelvorrichtung
(80) verdeutlicht, dass durch die Anwendung der besprochenen
Herstellungsschritte eine SOI-Scheibe zu einer Mikrovorrichtung,
die mehrere Spiegel und Gelenke umfasst, verarbeitet werden kann.
Ein erstes Bandgelenk (82) wird so hergestellt, dass es
an einem Ende in ein Ankerteil (84) und an einem zweiten
Ende in eine bewegliche Spiegelstruktur (86) integriert
werden kann. Zuerst werden das Bandgelenk (82) und das
Ankerteil (84) an dem Verbindungspunkt (88) zusammengefügt, und
das erste Bandgelenk (82) und der Spiegel (86) werden
an dem Verbindungspunkt (90) zusammengefügt. Danach
wird ein zweites Bandgelenk (92) verbindungsfähig an dem
Spiegel (86) bei Verbindungspunkt (94) hergestellt
und weiter in den zweiten Spiegel (96) bei Verbindungspunkt
(98) integriert. Die Spiegel und Bandgelenke der Vorrichtung
(80) werden in derselben Vorrichtungsschicht einer SOI-Scheibe
hergestellt.
-
In derselben Vorrichtungsschicht
wie die Bandgelenke (88, 92) und Spiegel (86, 96)
können Schlitze
(100) geformt werden. Die Schlitze (100) werden
in einem Bereich hinter den Spiegeln außerhalb des Bereichs der Bandgelenke
geformt und so angelegt, dass sie an beiden Seiten des Spiegels (96)
entlang laufen (zur besseren Darstellung wird nur eine Seite der
Schütze
(100) gezeigt) und eine ausgeglichene Befestigung der Spiegel
(86, 96) ermöglichen.
Bei einer solchen passiven Konstruktion werden die Spiegel (86, 96)
unter Verwendung von Mikrosonden montiert und verweilen, sobald
sie an ihrem Platz sind, befestigt und ohne Hilfe. Besonders wenn
die Mikrosonde (nicht gezeigt) den Spiegel (96) aus der
Ebene bewegt, können
die Seitenkanten (102) des Spiegels (96) in irgendeinen
der Schlitze der Schlitzanordnung (100) platziert werden.
-
Nach dem Platzieren in einen Schlitz
werden der Spiegel (96) sowie der Spiegel (86)
in einer festen Position gehalten. Es ist zu bemerken, dass die Flexibilität der Bandgelenke
(82 und 92) das Biegen in entgegengesetzte Richtungen
ermöglicht.
Beispielsweise ist das Bandgelenk (82) in eine konkave Position
gebogen dargestellt, während
sich das Band (92) in einer konvexen Position befindet.
-
6 stellt
die Ausführung
einer alternativen Mikrostruktur (104) dar, die Bandgelenke
nach der vorliegenden Erfindung implementiert. Im Besonderen wird
die Bewegung von Spiegeln über
einen aktiven Vorgang erreicht, im Gegensatz zu einem passiven wie
beispielsweise das Bewegen der Spiegel durch eine Sonde. Ein steuerbares
Element, wie eine Kammantriebs-Aktuatoreinheit (106), wird über das Bandgelenk
(108) an dem Spiegel (96) angebracht. Die Kammantriebseinheit
(106) umfasst doppelkammförmig angeordnete Kammfinger
(112), ein Antriebsschiffchen (114) und Stützarme (116).
Die Spiegelwinkel werden dann durch das Anlegen einer angelegten
Spannung aus einer Spannungsquelle (nicht gezeigt) dynamisch angepasst,
was zu der Verlagerung der Kammantriebseinheit (106) und
damit auch der angebrachten Vorrichtungen führt. Es ist zu würdigen,
dass auch andere aktive Aktuatoren zum Bewegen von ebenenverschobenen
Vorrichtungen nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden können.