ES2314239T3 - Espejos de silicio de sustrato con bisagras inferiores. - Google Patents
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Abstract
Método de realización de un aparato MEMS, que comprende un componente de dispositivo y un componente de soporte, que comprende las etapas de: a) proporcionar un componente (400) de dispositivo que comprende silicio (415) monocristalino; b) crear al menos una bisagra (421, 422) en dicho componente (400) de dispositivo; c) construir un componente (450) de soporte que tiene una cavidad (440); d) adherir dicho componente (400) de dispositivo a dicho componente (450) de soporte, de modo que dicha al menos una bisagra (421, 422) esté dispuesta dentro de dicha cavidad (440); y e) formar en dicho componente (400) de dispositivo un elemento (410) de material base que tiene una superficie (412) de dispositivo y una superficie (411) inferior, por lo que dicha al menos una bisagra (421, 422) está acoplada a dicho elemento (410) de material base y está dispuesta por debajo de dicha superficie (411) inferior, suspendiendo de ese modo dicho elemento (410) de material base de dicho soporte (450).
Description
Espejos de silicio de sustrato con bisagras
inferiores.
Esta solicitud reivindica la prioridad de la
solicitud provisional de patente estadounidense nº 60/295.682,
presentada el 2 de junio de 2001, y la solicitud de patente
estadounidense nº 10/159.153, presentada el 31 de mayo de 2002.
Esta invención se refiere en general a sistemas
microelectromecánicos (MEMS). En particular, proporciona un método
para realizar espejos MEMS mediante una combinación de sustrato y
técnicas de micromecanizado de superficie.
Los espejos MEMS han demostrado su efectividad
en una variedad de aplicaciones, incluyendo la exploración de alta
velocidad y conmutación óptica. En tales aplicaciones, es esencial
para los espejos MEMS disponer de superficies ópticas planas, un
intervalo de giro amplio y comportamiento robusto.
Muchas aplicaciones (por ejemplo, aplicaciones
de red óptica) requieren además configurar los espejos MEMS en una
disposición muy compacta. Es deseable por tanto maximizar el
"factor de llenado óptico" de la disposición (es decir,
haciendo la superficie óptica de cada espejo constituyente lo más
grande posible), sin comprometer otras características
esenciales.
Los espejos MEMS se fabrican de forma
convencional con técnicas de micromecanizado de silicio o bien de
superficie o bien de material base. Se sabe que la micromecanizado
de material base, que normalmente produce espejos de silicio
monocristalino, tiene un número de ventajas sobre el micromecanizado
de superficie, que normalmente produce espejos de polisilicio (o
película delgada). Por ejemplo, los espejos de silicio
monocristalino producidos mediante técnicas de micromecanizado de
material base son espejos generalmente más gruesos y grandes con
superficies más lisas y menos tensión intrínseca que los espejos de
polisilicio (o película delgada). La baja tensión intrínseca y
grosor considerable dan como resultado espejos planos, mientras que
las superficies lisas reducen la dispersión luminosa. Una ventaja
inherente a las técnicas de micromecanizado de superficie es que la
suspensión de los espejos (por ejemplo, una o más bisagras de
película delgada) puede definirse mejor y por tanto hacerse más
pequeña. Esto permite que el espejo MEMS así producido tenga un
intervalo de giro amplio, por ejemplo, a voltajes de transmisión
moderados.
La patente estadounidense número 6.028.689 de
Michalicek et al. ("Michalicek et al.") da a
conocer un conjunto móvil de microespejos, accionado por un
mecanismo electrostático. El conjunto incluye un espejo soportado
por una pluralidad de brazos de flexión situados bajo el espejo. Los
brazos de flexión están montados a su vez sobre una pata de soporte.
Puesto que el conjunto dado a conocer por Michalicek et al.
está fabricado en su totalidad mediante técnicas de micromecanizado
de superficie, el "microespejo" resultante es del tipo de
polisilicio (película delgada) y por tanto está sujeto a los
inconvenientes anteriormente mencionados.
La solicitud de patente internacional número WO
01/94253 A2 de Chong et al. da a conocer un dispositivo de
espejo MEMS que tiene un espejo de silicio de material base fijado a
una estructura mediante bisagras de película delgada. Una
deficiencia notable de este sistema es evidente porque las bisagras
de película delgada se extienden desde el lado de superficie
reflectante del espejo a la estructura, restringiendo así (u
obstruyendo) la cantidad de área de superficie disponible para la
manipulación del haz óptico. Esta deficiencia da como resultado
además un factor de llenado óptico inferior en una disposición de
tales dispositivos MEMS.
Tuantranont et al. dan conocer una
disposición de espejos deflectores fabricados mediante un proceso de
polisilicio de micromecanizado de superficie (o MUMPS) en
"Bulk-Etched Micromachined and
Flip-Chip Integrated Micromirror Array for Infrared
Applications", 2000 IEEE/LEOS International Conference on Optical
MEMS, 21024, Kauai, Hawaii (agosto de 2000). En este caso, una
disposición de placas de espejo de polisilicio está adherida a otra
disposición de actuadores bimorfos térmicos mediante patas de oro
utilizando la "técnica de transferencia invertida", dando como
resultando placas de polisilicio de tipo trampolín estando
suspendida cada una por sus esquinas por actuadores bimorfos
térmicos. Además de las placas de espejo hechas de polisilicio (o
película delgada), otro inconveniente de la disposición de espejos
así construida es la falta de una estructura monolítica, que hace
que la disposición sea susceptible de desalinearse y otros efectos
externos no deseados. El documento US 2001/0019445A1 da a conocer un
método de fabricación de un microespejo GALVANO utilizando una
técnica de micromecanizado de material base que implica aplicar
ataque químico a un sustrato de material base semiconductor varias
veces para formar una configuración deseada. El documento US 5661591
da a conocer un modulador de luz espacial que incluye un espejo
soportado por bisagras de torsión que pueden funcionar para dirigir
o explorar un haz de luz. El modulador comprende una estructura
micromecánica formada utilizando un procesamiento semiconductor.
En vista de lo anterior, hay una necesidad en la
técnica de proporcionar un tipo novedoso de espejos MEMS que supere
las limitaciones de los dispositivos anteriores con una construcción
simple y robusta.
La presente invención proporciona un método de
realización de un aparato MEMS, que comprende un componente de
dispositivo y un componente de soporte, caracterizado porque
comprende las etapas de: proporcionar un componente de dispositivo
que comprende silicio monocristalino; crear al menos una bisagra en
dicho componente de dispositivo; construir un componente de soporte
que tiene una cavidad; adherir dicho componente de dispositivo a
dicho componente de soporte, de modo que dicha al menos una bisagra
esté dispuesta dentro de dicha cavidad; y formar en dicho
componente de dispositivo un elemento de material base que tiene una
superficie de dispositivo y una superficie inferior, por lo que
dicha al menos una bisagra está acoplada a dicho elemento de
material base y está dispuesta por debajo de dicha superficie
inferior, suspendiendo de ese modo dicho elemento de material base
de dicho soporte.
En la presente invención, el término "elemento
de material base" se refiere a un elemento fabricado mediante
técnicas de micromecanizado de material base conocidas en la
técnica, que normalmente comprende un material monocristalino. Un
buen ejemplo puede ser un elemento de silicio monocristalino. El
elemento de material base se caracteriza por una superficie de
"dispositivo" y una superficie "inferior" que está situada
bajo la superficie de dispositivo (mientras que el propio elemento
de material base puede asumir cualquier forma geométrica que se
considere adecuada). La superficie de "dispositivo" del
elemento de material base puede ser ópticamente reflectante.
También puede utilizarse como una "superficie de contacto" para
acoplar el elemento de material base a otros dispositivos, si se
desea en una aplicación práctica. Además, un "soporte" puede
ser una estructura o sustrato, al que se fija el elemento de
material base. Una "bisagra" (o "elemento de bisagra")
debe interpretarse de manera amplia como cualquier medio de
suspensión/acoplamiento que permita al elemento de material base
estar suspendido del soporte y proporciona además la fuerza
restauradora cuando el elemento de material base está en
movimiento. Por ejemplo, una bisagra puede ser un acoplamiento de
flexión o flexible, por ejemplo, fabricado mediante una técnica de
micromecanizado de superficie o material base conocida en la
técnica. El término "inferiores" se refiere a las bisagras
ancladas a (o debajo) de la superficie inferior del elemento de
material base y dispuestas así completamente bajo la superficie de
dispositivo. Esto permite maximizar la superficie de dispositivo del
elemento de material base y utilizar toda la superficie (por
ejemplo, para la reflexión óptica).
En una realización de un flujo de proceso según
la presente invención, se forma un componente de "dispositivo".
El componente de dispositivo, en una forma, puede proporcionarse
por una oblea de SOI
(Silicon-On-Insulation, silicio
sobre aislante), que comprende una capa de dispositivo de silicio
monocristalino y una oblea de manipulación de silicio con una capa
aislante (por ejemplo, óxido de silicio) intercalada entre ellas.
Los elementos de bisagra primero y segundo pueden fabricarse sobre
una primera superficie de la capa de silicio monocristalino, por
ejemplo, mediante técnicas de micromecanizado de superficie. Un
componente de "soporte" está configurado para contener una
cavidad, en la que al menos puede disponerse un electrodo.
Posteriormente, los componentes de soporte y dispositivo se
adhieren de tal manera que los elementos de bisagra se disponen
dentro de la cavidad. Entonces se retira la oblea de manipulación
de silicio junto con la capa aislante en el componente de
dispositivo, poniendo así al descubierto una segunda superficie de
la capa de dispositivo de silicio monocristalino. Posteriormente
puede producirse un elemento de material base en la capa de
dispositivo de silicio monocristalino mediante técnicas de
micromecanizado de material base, caracterizado por las superficies
primera y segunda. La configuración puede ser tal que los elementos
de bisagra estén anclados cada uno a la primera superficie (o
"inferior") del elemento de material base en un extremo y al
componente de soporte en el otro, permitiendo así la suspensión del
elemento de material base con los elementos de bisagra totalmente
bajo la segunda superficie (o "de dispositivo"). Una capa
reflectante puede depositarse además sobre la superficie de
dispositivo del elemento de material base, convirtiendo el aparato
así construido en un espejo MEMS.
Una ventaja de los aparatos MEMS de la presente
invención es que colocando los elementos de bisagra bajo el
elemento de material base, puede maximizarse la superficie de
dispositivo del elemento de material base y toda la superficie se
convierte en útil (por ejemplo, para manipulación del haz óptico).
Tal característica sería altamente ventajosa en la realización de
dispositivos MEMS en disposiciones, tal como una disposición de
espejos MEMS con un factor alto de llenado óptico. Además, haciendo
uso de manera ventajosa de las técnicas de micromecanizado tanto de
superficie como de material base, un espejo MEMS de la presente
invención está equipado con un espejo amplio y plano junto con
bisagras flexibles, y por tanto puede lograr un intervalo de giro
sustancial a voltajes de transmisión electrostáticos moderados. Una
ventaja adicional del aparato MEMS de la presente invención es
evidente en su estructura monolítica, haciéndolo robusto en cuanto
al comportamiento. Estas características ventajosas contrastan
notablemente con los dispositivos anteriores descritos
anteriormente.
Las características novedosas de esta invención,
así como la propia invención, se comprenderán mejor a partir de los
siguientes dibujos y la descripción detallada.
La figura 1A es una vista en sección lateral
esquemática de una primera realización de un aparato MEMS, según la
presente invención;
la figura 1B es una vista desde arriba
esquemática de una primera realización de un aparato MEMS, según la
presente invención;
la figura 2 es una vista en sección lateral
esquemática de una segunda realización de un aparato MEMS, según la
presente invención;
la figura 3 es una vista en sección lateral
esquemática de una tercera realización de un aparato MEMS, según la
presente invención; y
las figuras 4A-4F muestran un
flujo de proceso a modo ejemplo para fabricar un aparato MEMS, según
la presente invención.
Las figuras 1A-1B ilustran una
primera realización de un aparato MEMS, según la presente invención.
La figura 1A representa una vista en sección lateral esquemática de
un aparato 100 MEMS, que comprende un elemento 110 de material
base; elementos 121, 122 de bisagra primero y segundo; y un soporte
130. El elemento 110 de material base puede tener una superficie
112 de "dispositivo" (o "superior"), y una superficie 111
"inferior" que está dispuesta debajo y opuesta a la superficie
112 de dispositivo. Los elementos 121, 122 de bisagra primero y
segundo están dispuestos cada uno bajo la superficie 112 de
dispositivo. A modo de ejemplo en la realización de la figura 1A,
los elementos 121, 122 de bisagra están acoplados cada uno a la
superficie 111 inferior del elemento 110 de material base en un
extremo y al soporte 130 en el otro. De esta manera, el elemento 110
de material base está suspendido con los elementos 121, 122 de
bisagra dispuestos totalmente bajo la superficie 112 de
dispositivo.
La figura 1B muestra una vista desde arriba
esquemática del aparato 100 MEMS. A modo de ejemplo, la superficie
112 de dispositivo del elemento 110 de material base se muestra de
forma generalmente rectangular. Se apreciará que este no tiene que
ser el caso; de hecho, la superficie de dispositivo de un elemento
de material base (o el propio elemento de material base) en la
presente invención puede adoptar cualquier forma geométrica (por
ejemplo, elíptica) que se considere oportuna para una aplicación
dada.
En la realización de las figuras
1A-1B, el soporte 130 puede incluir una parte 131 de
sustrato y una cavidad 140. A modo de ejemplo, la parte 131 de
sustrato puede tener una forma generalmente rectangular. Una
pluralidad de paredes 132, 133, 134, 135 laterales puede extenderse
desde la parte 131 y formar así la cavidad 140. Como se muestra en
la figura 1A, los elementos 121, 122 de bisagra están dispuestos
dentro de la cavidad 140, y están acoplados respectivamente a las
paredes 133, 135 laterales. En la realización de las figuras
1A-1B, cada una de las paredes 132, 133, 134, 135
laterales puede incluir una parte 142, 143, 144, 145 de saliente (o
"reborde") correspondiente que sobresale hacia dentro desde la
pared lateral respectiva (véase las partes 143, 145 de saliente
mostradas en la figura 1A, por ejemplo). Además, los elementos 121,
122 de bisagra tienen una sección transversal generalmente en forma
de "C" (vista lateral), y están acoplados a las partes 143,
145 de saliente de las paredes 133, 135 laterales respectivamente.
Sin embargo, esto no debe considerarse de ninguna manera como
limitante. Por ejemplo, en realizaciones alternativas, los elementos
121, 122 de bisagra pueden adoptar cualquier otra forma o sección
transversal adecuada. También pueden acoplarse a otras partes de las
paredes 133, 135 laterales.
En la realización mostrada en las figuras
1A-1B, la cavidad 140 se muestra de forma
generalmente rectangular. Sin embargo, en realizaciones
alternativas, la cavidad 140 puede adoptar cualquier otra forma
geométrica adecuada. La cavidad 140 puede incluir al menos un
electrodo 141, que puede estar dispuesto sobre una superficie 150
inferior de la cavidad 140. El electrodo 141 está adaptado para
hacer que el elemento 110 de material base se accione de manera
conocida (por ejemplo, de manera electrostática). Además, la
superficie 112 de dispositivo del elemento 110 de material base
puede ser ópticamente reflectante, por ejemplo, puliendo y/o
depositando una película metálica sobre la superficie.
La figura 2 muestra una vista en sección lateral
esquemática de una segunda realización de un aparato MEMS. A modo
de ejemplo, el aparato 200 MEMS puede comprender un elemento 210 de
material base; elementos 221, 222 de bisagra primero y segundo; y
un soporte 230. El elemento 210 de material base puede incluir una
superficie 212 de "dispositivo" (o "superior"), y una
superficie 211 "inferior" que está dispuesta debajo y opuesta a
la superficie 212 de dispositivo. En esta realización, el elemento
210 de material base puede incluir además una parte 215 de base,
que puede extenderse hacia abajo desde la superficie 211 inferior.
Los elementos 221, 222 de bisagra primero y segundo están
dispuestos cada uno bajo la superficie 212 de dispositivo. A modo de
ejemplo, los elementos 221, 222 de bisagra primero y segundo se
muestran cada uno para acoplarse a la parte 215 de base del
elemento 110 de material base en un extremo y al soporte 130 en el
otro. De esta manera, el elemento 210 de material base está
suspendido con los elementos 221, 222 de bisagra dispuestos en su
totalidad bajo la superficie 212 de dispositivo.
En la realización de la figura 2, el soporte 230
puede incluir una parte 231 de sustrato y una cavidad 240. A modo
de ejemplo, la parte 231 de sustrato puede tener una forma
generalmente rectangular. Una pluralidad de paredes 233, 235
laterales se extienden desde la parte 231 y forman de ese modo la
cavidad 240. Los elementos 221, 222 de bisagra están dispuestos
dentro de la cavidad 240. En la presente realización, los elementos
221, 222 de bisagra pueden extenderse en una dirección generalmente
horizontal, acoplando de ese modo la parte 215 de base a las
paredes 233, 235 laterales, respectivamente. Sin embargo, esto no
debe considerarse como limitativo de ningún modo. Por ejemplo, en
realizaciones alternativas, los elementos 221, 222 de bisagra pueden
adoptar cualquier otra forma adecuada. También pueden estar situados
en otras direcciones, y/o acoplados a otras partes de las paredes
233, 235 laterales.
La cavidad 240 puede tener cualquier forma
adecuada en la realización de la figura 2. La cavidad 240 puede
incluir al menos un electrodo 241, que puede estar dispuesto sobre
una superficie 250 inferior de la cavidad 240. El electrodo 241
está adaptado para hacer que el elemento 210 de material base se
accione de manera conocida (por ejemplo, de manera electrostática).
La superficie 212 de dispositivo del elemento 210 de material base
puede asimismo ser ópticamente reflectante, por ejemplo, puliendo
y/o depositando una película metálica sobre la superficie.
La figura 3 muestra una vista en sección lateral
esquemática de una tercera realización de un aparato 300 MEMS. Con
la excepción de un elemento 310 de material base, el aparato 300
MEMS se muestra sustancialmente similar al aparato 200 MEMS, y
puede hacerse uso de la configuración general de y varios elementos
mostrados en la figura 2. Tal como se muestra en la figura 3, el
aparato 300 MEMS puede comprender un elemento 310 de material base;
los elementos 321, 322 de bisagra primero y segundo; y un soporte
330. El soporte 330 puede incluir una cavidad 340, que está formada
por al menos dos paredes 333, 335 laterales que se extienden desde
la parte 331 de sustrato. La cavidad 340 puede incluir una
superficie 350 inferior, sobre la que puede disponerse al menos un
electrodo 341.
En el aparato 300 MEMS, el elemento 310 de
material base puede incluir una superficie 312 "de dispositivo"
(o "superior"), y una superficie 311 "inferior" que está
dispuesta por debajo y opuesta a la superficie 312 de dispositivo.
A modo de ejemplo, el elemento 310 de material base incluye según se
muestra una parte 315 de base con forma generalmente de T. La parte
315 de base se extiende hacia abajo desde la superficie 311
inferior y forma cavidades laterales o "vacíos" 316, 317 en el
elemento 310 de material base. Como en la realización de la figura
2, los elementos 312, 322 de bisagra primero y segundo están
dispuestos cada uno por debajo de la superficie 311 inferior del
elemento 310 de material base. En la presente realización, los
elementos 321, 322 de bisagra se muestran cada uno acoplado a la
parte 315 de base del elemento 310 de material base dentro de los
vacíos 316, 317 respectivos sobre un extremo y a las paredes 333,
335 laterales respectivas del soporte 330 sobre el otro. De esta
manera, el elemento 310 de material base está suspendido con los
elementos 321, 322 de bisagra dispuestos completamente por debajo de
la superficie 312 de dispositivo.
En las realizaciones anteriores y en un proceso
de fabricación a modo de ejemplo descrito posteriormente, el
término "elemento de material base" (por ejemplo, el elemento
110, 210 ó 310 de material base) se refiere a un elemento fabricado
mediante técnicas de micromecanizado de material base conocidas en
la técnica, que comprende normalmente un material monocristalino.
Por ejemplo, los elementos 110, 210, 310 de material base mostrados
anteriormente pueden ser cada uno un elemento de silicio
monocristalino. El elemento de material base está caracterizado por
una superficie "de dispositivo" y una superficie
"inferior" que está situada por debajo de la superficie de
dispositivo; mientras el propio elemento de material base puede
adoptar cualquier forma geométrica que sea apropiada para una
aplicación dada. (Se apreciará que no es necesario que las
superficies de dispositivo e inferior estén opuestas entre sí, en
general.) La superficie "de dispositivo" de un elemento de
material base puede ser ópticamente reflectante. Un elemento óptico
(por ejemplo, una rejilla de difracción) puede también marcarse
sobre la misma. Adicionalmente, la superficie de dispositivo puede
usarse como una "superficie de contacto" para acoplar el
elemento de material base a otros dispositivos, si así se desea en
aplicaciones prácticas.
Además, un "soporte" (por ejemplo, el
soporte 130, 230 o 330) puede ser una estructura o sustrato, al que
el elemento de material base está fijado. Una "bisagra" (o
"elemento de bisagra") debe interpretarse ampliamente como
cualquier medio de suspensión/acoplamiento que permite suspender el
elemento de material base del soporte y proporciona además la
fuerza restauradora cuando el elemento de material base está en
movimiento (por ejemplo, debido al mecanismo de actuación provocado
por el electrodo 141 de las figuras 1A-1B). A modo
de ejemplo, el elemento de bisagra primero y segundo mostrado en
las figures 1A, 2 ó 3 puede ser un acoplamiento de flexión o
flexible, por ejemplo, fabricado mediante técnicas de
micromecanizado de superficie o de material base conocidas en la
técnica. Aunque se muestran dos elementos de bisagra en cada una de
las realizaciones anteriores, las realizaciones alternativas pueden
incluir un número menor o mayor de elementos de bisagra. El término
"debajo" se refiere a un elemento de bisagra que está anclado
a (o por debajo) de la superficie inferior del elemento de material
base y de ese modo dispuesto en su totalidad debajo de la superficie
de dispositivo. Esto permite maximizar la superficie de dispositivo
del elemento de material base y hacer toda la superficie útil (por
ejemplo, para la manipulación de haz óptico), tal como ilustran las
realizaciones anteriores.
Las figuras 4A-4F muestran una
realización a modo de ejemplo de un flujo de proceso, que puede
utilizarse para fabricar un aparato MEMS (por ejemplo, la
realización de las figuras 1A-1B) según la presente
invención. La figura 4A muestra una vista en sección lateral
esquemática de un componente 400 "de dispositivo", que en una
forma puede ser una oblea de SOI (silicio sobre aislante), que
comprende una capa 415 "de dispositivo" de silicio
monocristalino y una "oblea 417 de manipulación" de silicio con
una primera capa 416 de aislamiento (por ejemplo, óxido de silicio)
intercalada entre la misma. La capa 415 de dispositivo de silicio
monocristalino puede tener un grosor d predeterminado, que puede
ser del orden de 5 a 100 \mum. Los elementos 421, 422 de bisagra
primero y segundo están fabricados sobre una primera superficie 411
de la capa 415 de dispositivo de silicio monocristalino de una
manera conocida, por ejemplo, mediante una técnica de
micromecanizado de superficie conocida. Cada elemento de bisagra
puede ser una película delgada, compuesta por ejemplo de
polisilicio, polióxido, nitruro, nitruro de silicio, óxido de
silicio, oxinitruro de silicio, o un metal. Los elementos 423, 424
de "sacrificio" primero y segundo (que pueden estar formados de
óxido de silicio) pueden marcarse primero sobre la primera
superficie 411, antes de formar los elementos 421, 422 de bisagra
primero y segundo, respectivamente.
\newpage
La figura 4B muestra una vista en sección
lateral esquemática de un componente 450 de "soporte" que
contiene una cavidad 440 "de extremo abierto". A modo de
ejemplo, la cavidad 440 puede estar formada por una oblea 431 de
sustrato y una pluralidad de separadores 433, 435 que forman paredes
laterales de la cavidad 440. Puede haber al menos un electrodo 441
dispuesto en la cavidad 440, por ejemplo, marcado sobre la oblea 431
de sustrato a través de una segunda capa 432 de aislamiento que
puede estar hecha de óxido de silicio.
Con referencia ahora a la figura 4C, el
componente 400 de dispositivo formado en la figura 4A está adherido
con el componente 450 de soporte de la figura 4B de tal manera que
los elementos 421, 422 de bisagra primero y segundo están dispuestos
(o alojados) dentro de la cavidad 440. En la siguiente etapa del
flujo de proceso de fabricación, ilustrado en la figura 4D, se
elimina la oblea 417 de manipulación de silicio (junto con la
primera capa 416 de aislamiento), poniendo al descubierto de ese
modo una segunda superficie 412 de la capa 415 de dispositivo de
silicio monocristalino.
En la etapa posterior del flujo de proceso de
fabricación, representado en la figura 4E, un "elemento 410 de
material base" se forma en la capa 415 de dispositivo de silicio
monocristalino mediante una técnica de micromecanizado de material
base conocida (por ejemplo, un proceso DRIE, Deep Reactive Ion
Etching, ataque químico iónico reactivo profundo) conocida en la
técnica. El elemento 410 de material base formado se caracteriza
también por las superficies 411, 412 primera y segunda que se oponen
entre sí. En la siguiente etapa del flujo de proceso de fabricación,
mostrado en la figura 4F, el elemento 410 de material base se
"libera" por ejemplo, eliminando los elementos 423, 424 de
sacrificio primero y segundo. Debe observarse que el resto de la
capa 415 de dispositivo de silicio monocristalino, los separadores
433, 435, y la oblea 431 de soporte forman una estructura 430 de
soporte integrada, que puede constituir sustancialmente el soporte
130 en la realización de las figuras 1A-1B, por
ejemplo. (Los expertos en la técnica apreciarán que los elementos
423, 424 de sacrificio primero y segundo pueden eliminarse también
antes, por ejemplo, en cualquier punto del flujo de proceso de
fabricación después de la etapa de la figura 4A).
Una capa 402 reflectante (por ejemplo, una
película de oro) puede depositarse adicionalmente sobre la segunda
superficie 412 del elemento 410 de material base, convirtiendo el
aparato así construido en un espejo MEMS. Debe observarse que puesto
que los elementos 421, 422 de bisagra primero y segundo están
anclados a la primera superficie 411 (o "inferior") y de ese
modo totalmente "debajo" del elemento 410 de material base así
producido, puede maximizarse la segunda superficie 412 (o "de
dispositivo") del elemento 410 de material base y toda la
superficie se vuelve útil (por ejemplo, para reflexión óptica).
Además, estando situados en una cavidad (por ejemplo, la cavidad
440), los elementos 421, 422 de bisagra primero y segundo pueden
hacerse suficientemente largos/grandes, si así se desea en una
aplicación dada.
En el flujo de proceso anteriormente mencionado,
el uso de una oblea de SOI para el componente 400 de dispositivo de
la figura 4A tiene las ventajas de proporcionar control preciso del
grosor del elemento 410 de material base (por medio del grosor d
predeterminado de la capa de dispositivo de silicio monocristalino
de la oblea de SOI) y facilita la manipulación (debido a la oblea
de manipulación de la oblea de SOI), mientras que la capa de
aislamiento que se interpone de la oblea de SOI puede servir como un
"tope de ataque químico" conveniente (por ejemplo, cuando se
elimina la oblea de manipulación). Los elementos de bisagra pueden
fabricarse también mediante un proceso de técnica de
micromecanizado de material base (por ejemplo, SCREAM (Single
Crystal Reactive Etching and Metallization, metalización y ataque
químico reactivo monocristalino) conocido en la técnica. Se
apreciará, sin embargo, que un componente de dispositivo en la
presente invención puede estar formado de manera alternativa en una
oblea de silicio epitaxial, o una sola pieza de silicio
monocristalino, en la que los elementos de bisagra pueden fabricarse
de una manera similar a la descrita anteriormente.
El componente 450 de soporte de la figura 4B
puede asimismo fabricarse a partir de una oblea de SOI que puede
ser similar a la mostrada en la figura 4A en configuración. A modo
de ejemplo, la capa de dispositivo de silicio (por ejemplo de
50-100 \mum de grosor) de la oblea de SOI puede
usarse para formar los separadores 433, 435 junto con el electrodo
441 (por ejemplo, por medio de ataque químico), mientras que la
oblea de manipulación correspondiente puede servir como la oblea
431 de sustrato. Como alternativa, puede usarse una oblea de vidrio
para formar la oblea 431 de sustrato, sobre la que puede depositarse
el electrodo 441 (por ejemplo, mediante una técnica de
micromecanizado de superficie) y los separadores 433, 435 (por
ejemplo, fabricados de silicio) adheridos. El componente 450 de
soporte de la figura 4B puede fabricarse también a partir de una
única pieza de un material deseado (por ejemplo, una oblea de
silicio o de vidrio) usando una técnica apropiada conocida en la
técnica. Los expertos en la técnica apreciarán que un componente de
soporte en la presente invención puede estar configurado en general
de cualquier modo adecuado para una aplicación dada; lo que es
importante es que el elemento de soporte así configurado contenga
una cavidad de extremo abierto (para albergar los elementos de
bisagra), por ejemplo, de una manera tal como se ilustra con
respecto a la figura 4B.
Una característica distinta del flujo de proceso
de fabricación de las figuras 4A-4F es que el
componente 400 de dispositivo y el componente 450 de soporte están
adheridos de tal manera que los elementos de bisagra están
dispuestos dentro (o alojados en) la cavidad 440 del componente 450
de soporte (por ejemplo, véase la figura 4C anterior), permitiendo
de ese modo que los elementos de bisagra se sitúen "debajo" del
elemento de material base así producido. Un experto en la técnica
sabrá cómo aplicar un proceso adecuado conocido en la técnica que
sea efectivo para llevar a cabo la adherencia requerida (por
ejemplo, adherencia por fusión o anódica). Se apreciará que
diversos elementos en la realización de las figuras
4A-4F se muestran a modo de ejemplo para ilustrar
los principios generales de la presente invención, y por tanto no
están dibujados a escala (por ejemplo, tanto en forma geométrica
como en tamaño). A partir de la enseñanza de la presente invención,
los expertos en la técnica sabrán implementar el flujo de proceso de
fabricación de las figuras 4A-4F en una aplicación
dada, para producir aparatos MEMS adecuados según la presente
invención.
Una ventaja de los aparatos MEMS de la presente
invención es que colocando los elementos de bisagra debajo del
elemento de material base, puede maximizarse la superficie de
dispositivo del elemento de material base y toda la superficie se
vuelve útil (por ejemplo, para manipulación de haz óptico). Tal
característica sería muy ventajosa para fabricar dispositivos MEMS
en disposiciones, tal como una disposición de espejos MEMS con un
factor alto de llenado óptico. Además, utilizando ventajosamente una
combinación de técnicas de micromecanizado de superficie y de
material base, un espejo MEMS según la presente invención puede
estar equipado con un espejo grande y plano junto con bisagras
flexibles, que puede de ese modo proporcionar un intervalo de giro
sustancial a voltajes de transmisión electrostáticos moderados. Una
ventaja adicional del aparato MEMS de la presente invención es
evidente en su estructura monolítica, haciéndolo robusto en su
comportamiento. Estas características ventajosas contrastan
notablemente con los dispositivos anteriores descritos previamente.
Como tal, la presente invención puede usarse en una variedad de
aplicaciones, por ejemplo, proporcionando espejos MEMS en
disposiciones (o dispositivos de dirección de haz) para aplicaciones
de red óptica.
Los expertos en la técnica reconocerán que las
realizaciones a modo de ejemplo descritas anteriormente se
proporcionan a modo de ejemplo para ilustrar los principios
generales de la presente invención. Pueden concebirse diversos
medios y métodos en el presente documento para llevar a cabo las
funciones designadas de una manera equivalente. Además, pueden
realizarse diversos cambios, sustituciones y alternancias en el
presente documento sin apartarse de los principios y el alcance de
la invención. Por consiguiente, el alcance de la presente invención
debe determinarse por las siguientes reivindicaciones y sus
equivalentes legales.
Claims (11)
1. Método de realización de un aparato MEMS, que
comprende un componente de dispositivo y un componente de soporte,
que comprende las etapas de:
a) proporcionar un componente (400) de
dispositivo que comprende silicio (415) monocristalino;
b) crear al menos una bisagra (421, 422) en
dicho componente (400) de dispositivo;
c) construir un componente (450) de soporte que
tiene una cavidad (440);
d) adherir dicho componente (400) de dispositivo
a dicho componente (450) de soporte, de modo que dicha al menos una
bisagra (421, 422) esté dispuesta dentro de dicha cavidad (440);
y
e) formar en dicho componente (400) de
dispositivo un elemento (410) de material base que tiene una
superficie (412) de dispositivo y una superficie (411) inferior, por
lo que dicha al menos una bisagra (421, 422) está acoplada a dicho
elemento (410) de material base y está dispuesta por debajo de dicha
superficie (411) inferior, suspendiendo de ese modo dicho elemento
(410) de material base de dicho soporte (450).
2. Método según la reivindicación 1, en el que
dicho componente (400) de dispositivo comprende una oblea de silicio
sobre aislante, es decir SOI, que tiene una capa (415) de
dispositivo de silicio monocristalino y una oblea (417) de
manipulación de silicio que intercala una capa (416) de aislamiento,
teniendo dicha capa (415) de silicio monocristalino una primera
superficie (411).
3. Método según la reivindicación 2, en el que
dicha al menos una bisagra comprende elementos (421, 422) de bisagra
primero y segundo fabricados sobre dicha primera superficie (411) de
dicha capa (415) de dispositivo de silicio monocristalino mediante
una técnica de micromecánica de superficie.
4. Método según la reivindicación 2, en el que
dicha al menos una bisagra (421, 422) se crea en dicha capa (415) de
dispositivo de silicio monocristalino mediante una técnica de
micromecánica de material base.
5. Método según la reivindicación 3, en el que
dicha etapa d) incluye además eliminar dicha oblea (417) de
manipulación de silicio junto con dicha capa (416) de aislamiento,
poniendo al descubierto de ese modo una segunda superficie (412) de
dicha capa (415) de dispositivo de silicio monocristalino.
6. Método según la reivindicación 2, en el que
dicha etapa e) incluye usar una técnica de micromecánica de material
base para formar dicho elemento (410) de material base en dicha capa
(415) de dispositivo de silicio monocristalino, por lo que dichas
superficies (411, 412) primera y segunda de dicha capa (415) de
dispositivo de silicio monocristalino constituyen dichas superficies
inferior y de dispositivo de dicho elemento (410) de material
base.
7. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, que comprende además la etapa de
realizar dicha superficie (412) de dispositivo ópticamente
reflectante.
8. Método según la reivindicación 7, en el que
dicha superficie de dispositivo se hace ópticamente reflectante
depositando una capa (402) reflectante sobre la misma.
9. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho componente (400) de
dispositivo comprende una oblea de silicio epitaxial.
10. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicho componente (400) de
soporte se fabrica a partir de una oblea de SOI.
11. Método según una cualquiera de las
reivindicaciones anteriores, en el que dicha etapa c) incluye además
disponer al menos un electrodo (441) en dicha cavidad (440).
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