IT202000024352A1 - Dispositivo mems avente una migliorata distribuzione di stress e relativo procedimento di fabbricazione - Google Patents

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Lorenzo Vinciguerra
Roberto Carminati
Massimiliano Merli
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St Microelectronics Srl
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Description

DESCRIZIONE
del brevetto per Invenzione Industriale dal titolo:
?DISPOSITIVO MEMS AVENTE UNA MIGLIORATA DISTRIBUZIONE DI STRESS E RELATIVO PROCEDIMENTO DI FABBRICAZIONE?
La presente invenzione ? relativa ad un dispositivo MEMS avente una migliorata distribuzione di stress e al relativo procedimento di fabbricazione.
Come noto, i dispositivi elettronici di tipo MEMS (?Micro Electro Mechanical Systems?) quali attuatori e/o sensori, sono tipicamente realizzati in un substrato alloggiante una cavit?, e comprendono una struttura mobile, la quale ? sospesa sulla cavit? e vincolata ad una regione fissa tramite elementi elastici. Il substrato, la struttura mobile e gli elementi elastici possono essere monolitici, generalmente di materiale semiconduttore, ad esempio silicio.
Tali dispositivi elettronici comprendono inoltre una o pi? strutture di attuazione e/o di rilevamento, accoppiate alla struttura mobile, e un circuito elettrico di controllo, integrato nello stesso substrato o formato in un diverso substrato e accoppiato alle strutture di attuazione e/o di rilevamento, in grado di fornire segnali elettrici di pilotaggio alle strutture di attuazione e/o ricevere segnali elettrici di rilevamento dalle strutture di rilevamento.
In dettaglio, le strutture di attuazione, quando comandate dai rispettivi segnali elettrici di pilotaggio, possono causare uno spostamento, ad esempio una rotazione, della struttura mobile. Analogamente, le strutture di rilevamento sono configurate per generare rispettivi segnali elettrici, i quali sono funzione di una condizione operativa della struttura mobile, ad esempio sono funzione dell?entit? di rotazione della struttura mobile stessa.
Il circuito elettrico di controllo e le strutture di attuazione e/o di rilevamento sono generalmente collegate elettricamente tra loro tramite piste conduttive, ad esempio formate da una pila di strati conduttivi.
Le piste conduttive si estendono tipicamente sopra la regione fissa, sopra gli elementi elastici e talvolta parzialmente sopra la struttura mobile.
In uso, lo spostamento della struttura mobile causa una deformazione, ad esempio una torsione, degli elementi elastici che vincolano la struttura mobile alla regione fissa.
La deformazione degli elementi elastici genera stress meccanico negli elementi elastici stessi e nelle piste conduttive ad essi solidali.
Se lo stress meccanico ha valore elevato, ad esempio se supera la soglia di deformazione plastica dei materiali che formano le piste conduttive, le piste conduttive possono subire una delaminazione e/o rottura. Di conseguenza, il collegamento elettrico tra il circuito elettrico di controllo e le strutture di attuazione e/o di rilevamento pu? essere compromesso e il dispositivo elettronico MEMS pu? essere soggetto a malfunzionamenti o rottura.
Attualmente, sono noti dispositivi MEMS, ad esempio microspecchi, in cui le piste conduttive sono formate da un?apposita pila di materiali avente un elevato numero di strati metallici progettato in modo da avere una maggiore resistenza allo stress meccanico. Tuttavia, tale soluzione implica una elevata complessit? di progettazione e realizzazione delle piste conduttive; infatti, ad esempio, il numero e il materiale degli strati metallici va modificato in base ai requisiti di resistenza allo stress richiesti dalla specifica applicazione.
Inoltre, le piste conduttive possono essere fabbricate utilizzando processi chimico/fisici complessi in grado di evitare la formazione di strutture accidentali quali sovrattacchi indesiderati. Tuttavia, ci? comporta l?utilizzo di processi pi? complessi e costosi, con conseguente aumento di complessit? e costi di produzione del dispositivo MEMS stesso. Inoltre, tali accorgimenti possono rivelarsi non sufficienti al fine di ridurre la probabilit? di rottura delle piste conduttive in fase di utilizzo.
Inoltre, al fine di ridurre lo stress meccanico e quindi la probabilit? di rottura delle piste conduttive, sono noti microspecchi MEMS in cui l?ampiezza di rotazione della struttura mobile ? mantenuta volontariamente all?interno di un intervallo di angoli ridotto, ad esempio di qualche grado. Tuttavia, ci? non ? conseguibile in applicazioni specifiche in cui sono desiderati elevati angoli di rotazione della struttura mobile stessa.
Scopo della presente invenzione ? quello di superare gli inconvenienti della tecnica nota.
Secondo la presente invenzione vengono forniti un dispositivo MEMS e un relativo procedimento di fabbricazione come definiti nelle rivendicazioni allegate.
Per una migliore comprensione della presente invenzione ne vengono ora descritte forme di realizzazione, a puro titolo di esempio non limitativo, con riferimento ai disegni allegati, nei quali:
- la figura 1 mostra una vista dall?alto di una forma di realizzazione del presente dispositivo MEMS;
- la figura 2 mostra una sezione trasversale del dispositivo MEMS di figura 1, presa lungo la linea di sezione II-II di figura 1;
- le figure 3-11 mostrano sezioni trasversali del dispositivo MEMS delle figure 1 e 2 in fasi di fabbricazione successive, prese lungo un piano di sezione passante per l?asse di rotazione A e identificato dalla linea di sezione II-II di figura 2;
- la figura 7A mostra una vista dall'alto del dispositivo MEMS delle figure 1 e 2 nella fase di fabbricazione di figura 7;
- la figura 12 mostra una vista dall?alto di una diversa forma di realizzazione del presente dispositivo MEMS;
- la figura 13 mostra una sezione trasversale del dispositivo MEMS di figura 12, presa lungo la linea di sezione XIII-XIII di figura 12;
- la figura 14 mostra una vista prospettica del dispositivo MEMS delle figure 12 e 13;
- la figura 15 mostra una sezione trasversale del dispositivo MEMS delle figure 12-14 in una fase di fabbricazione intermedia, nello stesso piano di sezione della figura 13; e
- la figura 16 mostra una sezione trasversale di una ulteriore forma di realizzazione del presente dispositivo MEMS.
Qui di seguito viene descritto un dispositivo elettronico realizzato in tecnologia MEMS (?Micro Electro Mechanical System?), in particolare un microspecchio MEMS.
Le figure 1 e 2 mostrano un microspecchio MEMS 1 simmetrico rispetto ad un asse di rotazione A, parallelo ad un primo asse X di un sistema di riferimento cartesiano XYZ.
Il microspecchio MEMS 1 ? formato qui in una piastrina 5, la quale ? delimitata da una superficie superiore 5A e comprende una pluralit? di substrati di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, incollati (?bonded?) tra loro.
In questa forma di realizzazione, la piastrina 5 ? formata da un primo e da un secondo substrato 6,7, incollati tra loro mediante un elemento di incollaggio 8, ad esempio di ossido di silicio.
Il primo substrato 6 ha uno spessore Z1 ad esempio compreso tra 15 ?m e 400 ?m, in particolare di 65 ?m, ed ? ricoperto da uno o pi? strati isolanti, qui semplicemente indicati come strato isolante 9, il quale ? delimitato dalla superficie superiore 5A della piastrina 5. Lo strato isolante 9 ? sottile, con spessore ad esempio inferiore a 2 ?m, ed ? dunque trascurato nel seguito.
Il secondo substrato 7 ha uno spessore ad esempio compreso tra 50 ?m e 400 ?m, in particolare di 150 ?m e pu? essere incollato ad un substrato di supporto, qui non mostrato, da parte opposta rispetto al primo substrato 6.
La piastrina 5 comprende un telaio 10, circondante una cavit? passante 15, e una struttura mobile 20 sospesa nella cavit? passante 15 e accoppiata al telaio 10 tramite elementi elastici 25.
Il telaio 10 ? formato dal secondo substrato 7 e dalla porzione del primo substrato 6 ad esso incollata e sovrapposta, mentre la struttura mobile 20 e gli elementi elastici 25 sono formati da rispettive porzioni del primo substrato 6 sospese nella cavit? passante 15.
In dettaglio, il microspecchio MEMS 1 comprende due elementi elastici o molle 25, ciascuno avente qui forma di barra, estendentisi lungo l'asse di rotazione A. Ciascun elemento elastico 25 ha una prima estremit? di ancoraggio, solidale al telaio 10, ed una seconda estremit? di ancoraggio, solidale alla struttura mobile 20, e una larghezza W1, parallelamente ad un secondo asse Y del sistema di riferimento cartesiano XYZ, che nella forma di realizzazione mostrata ? costante.
Come visibile in figura 2 ed evidenziato da un tratteggio in figura 1, il microspecchio MEMS 1 comprende inoltre due cavit? sepolte 30, una per ciascun elemento elastico 25, disposte all?interno del primo substrato 6, le quali si estendono per tutta la lunghezza degli elementi elastici 25 e dividono quindi ciascun elemento elastico 25 in una prima e una seconda porzione 25A, 25B, fra loro sovrapposte.
La prima porzione 25A degli elementi elastici 25 delimita qui superiormente le cavit? sepolte 30 ed ha uno spessore compreso ad esempio tra 1 ?m e 10 ?m, in particolare di 5 ?m.
La seconda porzione 25B degli elementi elastici 25 delimita qui inferiormente le cavit? sepolte 30 ed ha uno spessore maggiore della prima porzione 25A, compreso ad esempio tra 10 ?m e 400 ?m, in particolare di 50 ?m.
In dettaglio, ciascuna cavit? sepolta 30 si estende nel primo substrato 6, a partire dalla superficie superiore 5A della piastrina 5, ad una profondit? Z2, misurata lungo un terzo asse Z del sistema di riferimento cartesiano XYZ, compresa ad esempio tra 1 ?m e 10 ?m, in particolare di 5 ?m e presenta un?altezza Z3 ad esempio compresa tra un cinquantesimo ed un quinto dello spessore Z1 del rispettivo elemento elastico 25, ad esempio compreso tra 1 ?m e 20 ?m, in particolare di 10 ?m.
In dettaglio, qui, ciascuna cavit? sepolta 30 ha, lungo il primo asse X, una lunghezza maggiore del rispettivo elemento elastico 25, in modo che ciascuna cavit? sepolta 30 si estende oltre le estremit? di ancoraggio del rispettivo elemento elastico 25. In altre parole, ciascuna cavit? sepolta 30 si estende parzialmente all?interno del telaio 10 e parzialmente all?interno della struttura mobile 20.
In questa forma di realizzazione, ciascuna cavit? sepolta 30 ha, parallelamente al secondo asse Y, un?estensione uguale alla larghezza W1 del rispettivo elemento elastico 25; in altre parole, in questa forma di realizzazione, le cavit? sepolte 30 sono comunicanti con la cavit? passante 15.
Di conseguenza, la prima e la seconda porzione 25A, 25B degli elementi elastici 25 sono meccanicamente accoppiate tra loro solamente tramite le porzioni del telaio 10 e della struttura mobile 20 adiacenti alle estremit? delle cavit? sepolte 30.
Tuttavia, ciascuna cavit? sepolta 30 pu? avere larghezza minore della larghezza W1 e/o una lunghezza minore o uguale del rispettivo elemento elastico 25, anche se questo, in alcune forme di realizzazione, pu? comportare un maggiore accoppiamento meccanico tra la prima e la seconda porzione 25A, 25B.
Il microspecchio MEMS 1 comprende inoltre una o pi? strutture di attuazione 35, piazzole di contatto (?pad?) 40 e piste conduttive 45. Le piste conduttive 45 si estendono tra, e sono in collegamento elettrico diretto con, le piazzole di contatto 40 e le strutture di attuazione 35.
Le strutture di attuazione 35, qui rappresentate solo schematicamente, possono essere ad esempio di tipo elettromagnetico, piezoelettrico o elettrostatico, sono realizzate in modo di per s? noto, e sono accoppiate alla struttura mobile 20, in modo da causarne, in uso, una rotazione intorno all'asse di rotazione A.
In questa forma di realizzazione, le strutture di attuazione 35 sono disposte sulla struttura mobile 20 stessa, sopra la superficie superiore 5A della piastrina 5.
Le piazzole di contatto 40 e le piste conduttive 45 sono utilizzate per collegare elettricamente le strutture di attuazione 35 con un circuito elettrico, qui non mostrato, in grado di fornire e/o ricevere segnali elettrici di controllo del microspecchio MEMS 1. Tale circuito elettrico pu? essere integrato nella piastrina 5 o in una piastrina separata, collegata elettricamente con la piastrina 5.
In dettaglio, nella forma di realizzazione considerata, le piste conduttive 45 sono formate, come mostrato in figura 2, da un multistrato. In particolare, qui il multistrato comprende uno strato di seme 46, ad esempio di rame, utile in fase di fabbricazione e disposto a contatto con la superficie superiore 5A della piastrina 5, e una pila di strati conduttivi 48, il cui numero, spessore e materiale possono variare in base ai requisiti della specifica applicazione, ad esempio in base al livello desiderato di resistenza allo stress o di resistenza al passaggio di corrente.
In questa forma di realizzazione, la pila di strati conduttivi 48 ? formata dalla successione di un primo strato metallico 48A, ad esempio di nichel, direttamente sovrastante lo strato di seme 46, un secondo strato metallico 48B, ad esempio di oro, al di sopra del primo strato metallico 48A, un terzo strato metallico 48C, ad esempio di nichel, al di sopra del secondo strato metallico 48B, ed un quarto strato metallico 48D, ad esempio di oro, al di sopra del terzo strato metallico 48C.
Le piste conduttive 45 si estendono, almeno in parte, sugli elementi elastici 25, in posizione contigua allo strato isolante 9 e quindi solidali alle prime porzioni 25A degli elementi elastici 25 e hanno una larghezza W2, lungo il secondo asse Y, minore della larghezza W1 degli elementi elastici 25 e quindi della larghezza delle cavit? sepolte 30.
Il microspecchio MEMS 1 comprende inoltre una regione riflettente 27, formata da uno o pi? materiali in grado di riflettere una radiazione luminosa, e disposta sulla struttura mobile 20, qui sulla superficie superiore 5A della piastrina 5.
La regione riflettente 27 pu? ad esempio essere di alluminio, se la radiazione luminosa ? nell?intervallo di frequenze del visibile, o di oro, se la radiazione luminosa ? nell?intervallo di frequenze dell?infrarosso.
In uso, quando ? desiderato ruotare la struttura mobile 20, e quindi la regione riflettente 27, ad esempio per indirizzare un fascio luminoso, un segnale elettrico viene fornito, dal circuito elettrico di controllo, alle strutture di attuazione 35, le quali, in modo di per s? noto, causano una rotazione della struttura mobile 20 intorno all?asse di rotazione A.
La rotazione della struttura mobile 20 ? accompagnata da una deformazione, in particolare una torsione, degli elementi elastici 25 attorno all?asse di rotazione A.
La torsione degli elementi elastici 25 genera uno stress meccanico elevato negli elementi elastici 25, sia al loro interno sia nelle corrispondenti estremit? di ancoraggio.
Tuttavia, la conformazione degli elementi elastici 25, in particolare la presenza delle cavit? sepolte 30 che disaccoppiano la prima porzione 25A dalla seconda porzione 25B dei rispettivi elementi elastici 25, fa s? che i valori pi? elevati di stress sono distribuiti nella seconda porzione 25B.
Infatti, come sopra descritto, dal momento che la prima e la seconda porzione 25A, 25B sono disaccoppiate meccanicamente sia lungo il primo asse X che lungo il secondo asse Y, la prima e la seconda porzione 25A, 25B di ciascun elemento elastico 25 si comportano come, rispettivamente, una prima e una seconda molla disposte in parallelo.
Inoltre, la seconda porzione 25B di ciascun elemento elastico 25 ha uno spessore maggiore della rispettiva prima porzione 25A e quindi ha una costante elastica maggiore. Di conseguenza, a parit? di deformazione (torsione), lo stress meccanico si concentra maggiormente nella seconda porzione 25B.
Quindi, la prima porzione 25A, e dunque anche la rispettiva pista conduttiva 45 ad essa solidale, ? soggetta ad uno stress meccanico inferiore. Questo fa s? che le piste conduttive 45, disposte al di sopra della prima porzione 25A, meno sollecitata, siano a loro volta soggette a stress inferiori rispetto ad un caso in cui gli elementi elastici 25 sono massicci (?solid?).
Inoltre, dal momento che le cavit? sepolte 30 si estendono oltre le estremit? di ancoraggio degli elementi elastici 25, gli elevati valori di stress che generalmente si formano in corrispondenza delle estremit? di ancoraggio si spostano all?interno del telaio 10 e della struttura mobile 20 e sono in esso distribuiti, dunque riducendo lo stress in corrispondenza dell?interfaccia con le piste conduttive 45. Inoltre la conformazione e posizione delle piste conduttive 45 sul telaio 10 e sulla struttura mobile 20 possono essere studiate in modo che esse siano lontane dai punti pi? stressati del telaio 10 e della struttura mobile 20.
Simulazioni eseguite dalla Richiedente, qui non mostrate, confermano che la soluzione descritta fa s? che lo stress meccanico nelle piste conduttive 45 rimanga al di sotto della soglia di stress, ad esempio inferiore a 200 MPa, oltre la quale si verifica una deformazione plastica degli strati di metallo che formano le piste conduttive 45.
Di conseguenza, le piste conduttive 45 sono meno soggette al rischio di delaminazione e/o rottura durante la rotazione della struttura mobile 20 e dunque il microspecchio MEMS 1 presenta affidabilit? migliorata.
Ci? permette di progettare microspecchi MEMS la cui struttura mobile 20 ? in grado di ruotare con un elevato angolo di rotazione, ad esempio con un angolo attorno all?asse di rotazione A fino a ?25?, in particolare di circa ?9?, senza il rischio di delaminazione e/o rottura delle piste conduttive 45.
Il microspecchio MEMS 1 pu? essere realizzato a partire da un corpo di lavoro 200 (destinato a formare la piastrina 5), ad esempio una fetta (?wafer?) di silicio su isolante (?Silicon-on-Insulator?, SOI), mostrato in figura 3, includente un primo strato 205 (destinato a formare il secondo substrato 7) di materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino, e uno strato strutturale 210 (destinato a formare il primo substrato 6), anch?esso di materiale semiconduttore, ad esempio silicio monocristallino, incollati tra loro mediante uno strato di incollaggio 215, ad esempio di ossido di silicio.
Il primo strato 205 ha una prima e una seconda superficie 205A, 205B e uno spessore ad esempio di 650 ?m; lo strato strutturale 210 ha una prima e una seconda superficie 210A, 210B, e uno spessore ad esempio compreso tra 15 ?m e 400 ?m, in particolare di 65 ?m.
In dettaglio, la prima superficie 205A del primo strato 205 ? incollata alla seconda superficie 210B dello strato strutturale 210.
Successivamente, figura 4, trincee di lavoro 220 sono formate in prime porzioni 217 dello strato strutturale 210. In particolare, per ciascun microspecchio 1 da realizzare, ? prevista una coppia di prime porzioni 217 separate tra loro da una seconda porzione 219 dello strato strutturale 210. In dettaglio, in ciascuna prima porzione 217, viene formato un gruppo di trincee di lavoro 220, le quali delimitano una rispettiva pluralit? di pilastri 223 di materiale semiconduttore. Le trincee di lavoro 220 sono formate ad esempio usando noti passaggi litografici e di attacco chimico selettivo a partire dalla prima superficie 210A dello strato strutturale 210.
Ad esempio, le trincee di lavoro 220 hanno ciascuna una profondit? compresa ad esempio tra 5 ?m e 20 ?m, e ciascun pilastro 223 ? posto ad una distanza compresa, ad esempio, tra 0,1 ?m e 5 ?m da un pilastro 223 adiacente.
In figura 5, mediante una fase di crescita epitassiale, uno strato epitassiale, ad esempio di spessore compreso tra 1 ?m e 10 ?m, ? cresciuto sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210 (che quindi aumenta di spessore; per semplicit? lo strato epitassiale ispessito cos? ottenuto ? indicato ancora con 210). Vengono quindi eseguite una o pi? fasi di trattamento termico (?annealing?) del corpo di lavoro 200, ad esempio in ambiente riducente, ad esempio in atmosfera di idrogeno, a temperature elevate, ad esempio superiori a 1000?C.
Come ad esempio descritto nella domanda di brevetto europea EP1577656, le una o pi? fasi di trattamento termico provocano una migrazione degli atomi di semiconduttore, qui silicio, che tendono a portarsi in una posizione di minore energia. Di conseguenza, anche grazie alla distanza ravvicinata fra la pluralit? di pilastri 223, gli atomi di semiconduttore della pluralit? di pilastri 223 migrano completamente, formando prime cavit? di lavoro 230, destinate a formare le cavit? sepolte 30. Le prime cavit? di lavoro 230 sono delimitate superiormente da uno strato di semiconduttore, costituito in parte da atomi cresciuti epitassialmente e in parte da atomi migrati, il quale forma uno strato di chiusura 225, costituente una porzione dello strato strutturale, qui ancora indicato con 210.
L?altezza delle prime cavit? di lavoro 230 (e quindi delle cavit? sepolte 30) e la profondit? nello strato strutturale 210 alla quale esse sono sepolte possono essere regolate, in fase di progettazione, modificando la profondit? delle trincee di lavoro 220 e lo spessore dello strato epitassiale sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210 e/o eseguendo un'ulteriore crescita epitassiale.
In questa forma di realizzazione, come visibile in figura 7A, le prime cavit? di lavoro 230 hanno una larghezza W3, lungo il secondo asse Y, maggiore della larghezza W1 delle cavit? sepolte 30 di figura 1, in modo da rendere pi? agevoli le fasi di fabbricazione delle cavit? sepolte 30 stesse.
Tuttavia, la larghezza W3 delle prime cavit? di lavoro 230 pu? essere uguale alla larghezza W1 delle cavit? sepolte 30 (ovvero essere uguale a quella degli elementi elastici 25).
Successivamente, nuovamente in riferimento alla figura 5, uno o pi? strati isolanti, indicati per semplicit? come strato isolante 9 in figura 1, sono depositati sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210.
In questa forma di realizzazione, sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210 sono depositati un primo strato isolante 233A, ad esempio di ossido di silicio, ed un secondo strato isolante 233B, ad esempio di nitruro di silicio.
Successivamente, figura 6, una pila di strati conduttivi 235 ? realizzata sul secondo strato isolante 233B. Gli strati conduttivi 235 comprendono qui un primo strato di seme 241, ad esempio di rame, utile per migliorare l?aderenza dei successivi strati conduttivi, ed un primo, un secondo, un terzo ed un quarto strato metallico 243A, 243B, 243C, 243D, ad esempio rispettivamente di nichel, oro, nichel e oro. Quindi, figura 7, la pila di strati conduttivi 235 ? sagomata, in modo da formare le piazzole di contatto 40 e le piste conduttive 45.
Come visibile in figura 7A in vista dall?alto, in cui il primo e il secondo strato isolante 233A, 233B sono mostrati in trasparenza per chiarezza, le piste conduttive 45 si estendono, almeno in parte, sopra le coppie di prime porzioni 217 dello strato strutturale 210; ovvero le piste conduttive 45 sono disposte ciascuna al di sopra di una rispettiva prima cavit? di lavoro 230, qui rappresentata tratteggiata.
In seguito, figura 8, vengono formate, in modo noto, le strutture di attuazione 35 e vengono effettuati attacchi chimici selettivi per rimuovere selettivamente il primo e il secondo strato isolante 233A, 233B dove si intende formare la regione riflettente 27. La regione riflettente 27 stessa ? quindi formata direttamente sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210, ad esempio tramite deposizione di uno o pi? materiali in grado di riflettere un fascio luminoso.
Successivamente, figura 9, un primo strato di maschera 240 ? depositato sulla seconda superficie 205B del primo strato 205 ed ? sagomato litograficamente in modo da formare una prima apertura 245.
Quindi, figura 10, porzioni del primo strato 205 e dello strato di incollaggio 215 vengono rimosse fino alla seconda superficie 210B dello strato strutturale 210, a partire dalla seconda superficie 205B del primo strato 205, formando una seconda cavit? di lavoro 250. Ad esempio, pu? essere eseguita una serie di attacchi chimici selettivi, utilizzando il primo strato di maschera 240.
Poi, figura 11, un secondo strato di maschera ? depositato sul corpo di lavoro 200, e definito in modo da formare una regione di maschera (qui mostrata in trasparenza) che circonda una seconda apertura 265.
La seconda apertura 265 ? affacciata allo strato strutturale 210, in posizione adiacente alle seconde porzioni 219 dello strato strutturale 210 e parzialmente sovrapposta alle prime porzioni 217, a lato delle piste conduttive 45.
In particolare, la regione di maschera, in corrispondenza delle piste conduttive 45, ha larghezza W1 lungo il secondo asse Y, in modo da coprire completamente le piste conduttive 45 e avere larghezza inferiore rispetto alla larghezza W3 delle prime cavit? di lavoro 230.
Una serie di attacchi chimici selettivi ? quindi eseguita usando la regione di maschera, attraverso la seconda apertura 265, per rimuovere il primo e il secondo strato isolante 233A, 233B e lo strato strutturale 210, fino alla seconda superficie 210B dello strato strutturale 210 stesso; ovvero fino a comunicare con la seconda cavit? di lavoro 250 e formando quindi la cavit? passante 15.
In questo modo, le prime cavit? di lavoro 230 comunicano lateralmente con la cavit? passante 15 e formano le cavit? sepolte 30.
Inoltre, le parti rimanenti delle coppie di prime porzioni 217 e della seconda porzione 219 dello strato strutturale 210 formano, rispettivamente, gli elementi elastici 25 e la struttura mobile 20.
Seguono note fasi di lavorazione quali ad esempio assottigliamento del primo strato 205, taglio (?dicing?) del corpo di lavoro 200, e incapsulamento della corrispondente piastrina (?die?), in modo da formare il microspecchio MEMS 1.
Le figure 12-14 mostrano il presente dispositivo MEMS secondo una diversa forma di realizzazione. In particolare, le figure 12-14 mostrano un microspecchio MEMS 100 avente struttura generale simile a quella del microspecchio MEMS 1 mostrato in figura 1; di conseguenza, elementi in comune sono dotati degli stessi numeri di riferimento.
In dettaglio, anche qui il microspecchio MEMS 100 ? formato nella piastrina 5 comprendente il telaio 10, il quale delimita la cavit? passante 15, e la struttura mobile 20 sospesa nella cavit? passante 15 e accoppiata al telaio 10 tramite due elementi elastici 125. Il microspecchio MEMS 100 comprende inoltre le strutture di attuazione 35, le piazzole di contatto 40 e le piste conduttive 45.
Gli elementi elastici 125 sono formati in un primo substrato 135, analogo al primo substrato 6 del microspecchio MEMS 1; uno strato isolante 139 (analogo allo strato isolante 9 di figura 2, quindi formato da uno o pi? strati isolanti) si estende sul primo substrato 135 e delimita la prima superficie 5A della piastrina 5. Gli elementi elastici 125 hanno anche qui forma di barra o asta, con larghezza W1 lungo il secondo asse Y, e sono vincolati al telaio 10 e alla struttura mobile 20 tramite rispettive estremit? di ancoraggio.
Anche qui ciascun elemento elastico 125 comprende una prima e una seconda porzione 125A, 125B, ma tali porzioni sono contigue, non separate da cavit?.
Una coppia di trincee 145 si estende, attraverso lo strato isolante 139, nel primo substrato 135, sui lati di ciascuna pista conduttiva 45, per una porzione dello spessore del primo substrato 135.
In dettaglio, ciascuna trincea 145 ? delimitata inferiormente da una parete di fondo 150 e lateralmente da una rispettiva prima e da una rispettiva seconda parete laterale 152A, 152B del primo substrato 135. Le pareti di fondo 150 e laterali 152A, 152B formano fra loro rispettivi spigoli.
In particolare, la profondit? delle trincee 145 ? minore della met? dello spessore del primo substrato 135. Ad esempio le trincee 145 possono avere profondit? compresa tra 1 ?m e 10 ?m.
Le trincee 145 delimitano quindi lateralmente la prima porzione 125A degli elementi elastici 125, le quali hanno dunque spessore inferiore alle seconde porzioni 125B.
In uso, quando la struttura mobile 20 viene attuata in rotazione, lo stress meccanico negli elementi elastici 125 si concentra maggiormente in corrispondenza delle porzioni superficiali del primo substrato 135 adiacenti agli spigoli esistenti tra la prima parete laterale 152A e la parete di fondo 150 e tra la seconda parete laterale 152B e la parete di fondo 150. Le trincee 145 costituiscono infatti delle regioni di discontinuit? negli elementi elastici 125.
La concentrazione dello stress nelle porzioni superficiali del primo substrato 135 adiacenti agli spigoli, quindi a distanza dalla pila di strati conduttivi 48, ? verificata da simulazioni eseguite dalla Richiedente, qui non mostrate.
Di conseguenza, lo stress si concentra in una zona a maggior resistenza meccanica, dato che il primo substrato 135, essendo di materiale semiconduttore quale silicio, ha una elevata resistenza allo stress (elevata soglia di deformazione plastica). Gli strati metallici che formano le piste conduttive 45 (e che hanno soglia di deformazione plastica inferiore) sono invece soggetti ad un valore ridotto di stress, ad esempio inferiore a 200 MPa, quindi subiscono uno stress che ? inferiore alla loro soglia di deformazione plastica.
Di conseguenza le piste conduttive 45 presentano minore rischio di delaminazione e/o rottura, anche a fronte di un elevato angolo di rotazione della struttura mobile 20, ad esempio fino a ?25?, in particolare di circa ?9?, rispetto all?asse di rotazione A.
Il microspecchio MEMS 100 pu? essere formato, a partire dal corpo di lavoro 200 di figura 3, in maniera simile al microspecchio MEMS 1, tranne per il fatto che non vengono realizzate le cavit? sepolte 30, ma vengono formate le trincee 145 a lato delle piste conduttive 45, come brevemente descritto qui sotto.
Il primo e il secondo strato isolante 233A, 233B, le piste conduttive 45, le piazzole di contatto 40, le strutture di attuazione 35, la regione riflettente 27 e la cavit? passante 15 sono formate in maniera analoga al microspecchio MEMS 1.
In dettaglio, figura 15, il primo e il secondo strato isolante 233A, 233B sono depositati sulla prima superficie 210A dello strato strutturale 210 e le piste conduttive 45 vengono formate come precedentemente descritto in riferimento al microspecchio MEMS 1. Successivamente, le trincee 145 sono formate rimuovendo selettivamente porzioni dello strato strutturale 210, del primo e del secondo strato isolante 233A, 233B contigue, lungo il secondo asse Y, alle piste conduttive 45 e identificate per chiarezza da un tratteggio in figura 15.
In seguito, vengono liberati gli elementi elastici 125 e la struttura mobile 20, come decritto in riferimento alla figura 11.
Qui di seguito ? descritta un?ulteriore forma di realizzazione del presente dispositivo MEMS.
In dettaglio, la figura 16 mostra un microspecchio MEMS 300, il quale, analogamente al microspecchio MEMS 1, 100, ? formato nella piastrina 5 comprendente il telaio 10 circondante una cavit? passante 15, e una struttura mobile 320 sospesa nella cavit? passante 15 e fissata al telaio 10 tramite gli elementi elastici 25, i quali sono delimitati da un tratteggio, per chiarezza, in figura 16.
Il microspecchio MEMS 300 comprende inoltre le piazzole di contatto 40, le piste conduttive 45, le strutture di attuazione 35 e la regione riflettente 27, similmente a quanto descritto riguardo al microspecchio MEMS 1, 100.
La struttura mobile 320 ? formata da una piattaforma 325, formata nel primo substrato 6, e da una o pi? strutture di irrigidimento, qui due strutture di irrigidimento 330.
Qui, le strutture di irrigidimento 330 sono formate da porzioni 7A del secondo substrato 7 incollate alla piattaforma 325 tramite porzioni 8A dell?elemento di incollaggio 8. Le strutture di irrigidimento 330 si estendono quindi, a partire dalla piattaforma 325, attraverso la cavit? passante 15.
Il microspecchio MEMS 300 comprende trincee 340 estendentisi ciascuna nella piattaforma 325, a partire da una sua superficie inferiore 325A, fino ad una rispettiva porzione superficiale 331, ai lati di ciascuna struttura di irrigidimento 330. Le trincee 340 hanno una profondit? molto inferiore allo spessore della piattaforma 325, ad esempio compresa fra 1 ?m e 50 ?m.
In uso, la struttura mobile 320 ? sottoposta a rotazione, tipicamente ad una frequenza elevata, ad esempio di alcuni kilohertz. Ci? genera stress meccanico nella struttura mobile 320 che tende a deformarsi; le strutture di irrigidimento 330 d'altra parte si oppongono a tale deformazione, causando uno stress nella zona di incollaggio delle strutture di irrigidimento 330 alla piattaforma 325.
Similmente a quanto descritto relativamente al microspecchio MEMS 100, le trincee 340 rappresentano delle discontinuit? nel primo substrato 6 che fanno s? che lo stress sia concentrato all?interno del primo substrato 6, in prossimit? della parete di fondo 331 delle trincee 340. In questo modo, i valori pi? elevati di stress si concentrano lontano dalle porzioni 8A dell?elemento di incollaggio 8, riducendo quindi il rischio che l?elevato stress causi una rottura delle porzioni 8A stesse e quindi un distaccamento delle strutture di irrigidimento 330.
Risulter? chiaro che il microspecchio MEMS 300 pu? essere fabbricato, a partire dal corpo di lavoro 200 di figura 3, in modo simile a quanto descritto relativamente alla fabbricazione del microspecchio MEMS 100.
Risulta infine chiaro che al dispositivo MEMS 1, 100, 300 e al relativo procedimento di fabbricazione qui descritti ed illustrati possono essere apportate modifiche e varianti senza per questo uscire dall?ambito protettivo della presente invenzione, come definito nelle rivendicazioni allegate.
Ad esempio, le diverse forme di realizzazione descritte possono essere combinate in modo da fornire ulteriori soluzioni.
Ad esempio, sebbene nelle figure 1 e 12, gli elementi elastici 25, 125 abbiano larghezza costante, essi possono avere anche forma diversa, ad esempio possono avere larghezza non costante, ad esempio a forma di osso di cane (?dog-bone?) o essere di tipo ripiegato (?folded?), in base ai requisiti di resistenza allo stress richiesti dalla specifica applicazione.
Ad esempio, il microspecchio MEMS 1, 100 pu? essere configurato in modo da ruotare anche attorno ad un secondo asse di rotazione, trasversale al primo asse di rotazione A.
Inoltre, il microspecchio MEMS 1, 100, 300 pu? comprendere altre strutture utili al suo funzionamento, ad esempio strutture di rilevamento quali sensori piezoresistivi, in particolare per rilevare l?ampiezza di rotazione della struttura mobile 20, 320, e le piste conduttive possono collegare elettricamente le piazzole di contatto con tali altre strutture.
Il presente dispositivo MEMS pu? essere di tipo diverso rispetto ad un microspecchio, ad esempio pu? essere un sensore di temperatura, di pressione o una microvalvola, comprendente strutture mobili e/o deformabili sospese su una cavit? passante e sottoposte, in uso, ad elevato stress e in cui le cavit? sepolte 30 o le trincee 145, 340 permettono di concentrare lo stress in corrispondenza di regioni maggiormente resistenti allo stress, come sopra descritto.
Ad esempio, le cavit? sepolte 30 possono essere formate tramite deposizione di uno strato sacrificale, ad esempio di ossido di silicio, sul quale ? poi depositato materiale semiconduttore, ad esempio silicio, e che poi pu? essere rimosso in modo da formare una cavit?.
Ad esempio, il microspecchio MEMS 300 pu? comprendere, invece delle trincee 340, cavit? sepolte, simili alle cavit? sepolte 30 descritte in riferimento al microspecchio MEMS 1, disposte nella piattaforma mobile 325 e affacciate alle strutture di irrigidimento 330.

Claims (15)

RIVENDICAZIONI
1. Dispositivo MEMS (1) comprendente:
un corpo (5) di materiale semiconduttore definente una struttura di sostegno (10);
una cavit? passante (15) nel corpo, circondata dalla struttura di sostegno;
una struttura mobile (20) sospesa nella cavit? passante; una struttura elastica (25) estendentesi nella cavit? passante fra la struttura di sostegno (10) e la struttura mobile (20), la struttura elastica comprendendo una prima porzione (25A) e una seconda porzione (25B) ed essendo soggetta, in uso, a stress meccanico;
una regione metallica (45) estendentesi sulla prima porzione (25A) della struttura elastica (25); e
una cavit? sepolta (30) nella struttura elastica;
la cavit? sepolta estendendosi fra la prima e la seconda porzione della struttura elastica.
2. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui la prima porzione (25A) della struttura elastica (25) ha uno spessore minore della seconda porzione (25B) della struttura elastica.
3. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui la prima porzione (25A) della struttura elastica (25) ha uno spessore compreso tra 1 ?m e 10 ?m e in cui la seconda porzione (25B) della struttura elastica ha uno spessore compreso tra 10 ?m e 400 ?m.
4. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l?altezza della cavit? sepolta (30) ? compresa fra un cinquantesimo ed un quinto dello spessore della struttura elastica (25).
5. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la struttura elastica ha una lunghezza lungo una prima direzione (X) e la cavit? sepolta (30) si estende per tutta la lunghezza della struttura elastica.
6. Dispositivo secondo la rivendicazione precedente, in cui la cavit? sepolta (30) si estende anche parzialmente all?interno della struttura mobile (20) e parzialmente all?interno della struttura di sostegno (10).
7. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la cavit? sepolta (30) ha una larghezza (W1), lungo una seconda direzione (Y), che ? pari alla larghezza della struttura elastica (25).
8. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-6, in cui la regione metallica (25) ha una larghezza (W2), lungo una seconda direzione (Y), che ? minore della larghezza (W1) della cavit? sepolta (30).
9. Dispositivo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, formante un microspecchio e comprendente inoltre una regione riflettente (27) disposta sulla struttura mobile (20), da parte opposta rispetto alla cavit? passante (15).
10. Procedimento di fabbricazione di un dispositivo MEMS (1), a partire da un corpo di lavoro (200) di materiale semiconduttore, comprendente:
formare una cavit? sepolta (30) nel corpo;
formare una cavit? passante (15) nel corpo di lavoro, la cavit? passante definendo una struttura di sostegno (10) circondante la cavit? passante, una struttura mobile (20) sospesa nella cavit? passante e una struttura elastica (25), estendentesi nella cavit? passante (15) fra la struttura di sostegno e la struttura mobile, la cavit? sepolta estendendosi in corrispondenza della struttura elastica e separando fra loro una prima porzione (25A) e una seconda porzione (25B) della struttura elastica; e
formare una regione metallica (45) sulla prima porzione (25A) della struttura elastica (25).
11. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui formare la cavit? sepolta (30) comprende:
scavare, a partire da una prima superficie (210A) del corpo di lavoro (200), una pluralit? di trincee (220) delimitanti pilastri di semiconduttore (223);
crescere uno strato epitassiale sulla prima superficie (210A) del corpo di lavoro (200); e
trattare termicamente il corpo di lavoro, causando una migrazione degli atomi di semiconduttore dai pilastri di semiconduttore (223) nello strato epitassiale e la formazione della cavit? sepolta (30, 230) e formando uno strato di chiusura (225).
12. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui le trincee (220) hanno una profondit? compresa tra 5 ?m e 20 ?m e in cui ciascun pilastro di semiconduttore (223) ? ad una distanza compresa tra 0,1 ?m e 5 ?m da un pilastro di semiconduttore adiacente.
13. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui formare una regione metallica (45) comprende formare almeno uno strato metallico (241, 234A-234D) sopra una prima superficie (210A) del corpo di lavoro (200), l?almeno uno strato metallico estendendosi al di sopra della cavit? sepolta (30) e avendo una larghezza minore della larghezza della cavit? sepolta (30).
14. Procedimento secondo la rivendicazione 10, in cui il corpo di lavoro (200) ? formato da uno strato strutturale (210) di un primo materiale semiconduttore e da un substrato di lavoro (205) di un secondo materiale semiconduttore, lo strato strutturale essendo delimitato da una prima superficie (210A) del corpo di lavoro e da una superficie di incollaggio (210B), opposta alla prima superficie del corpo di lavoro, il substrato di lavoro essendo incollato alla superficie di incollaggio (210B) dello strato strutturale ed essendo delimitato da una seconda superficie (205B) del corpo di lavoro, opposta alla prima superficie, in cui formare una cavit? passante comprende:
rimuovere selettivamente il substrato di lavoro (205), a partire dalla seconda superficie (205B) del corpo di lavoro (200) fino alla superficie di incollaggio (210B) dello strato strutturale (210) per formare una cavit? inferiore; e rimuovere selettivamente lo strato strutturale (210), a partire dalla prima superficie (210A) del corpo di lavoro (200), fino alla superficie di incollaggio dello strato strutturale.
15. Procedimento secondo la rivendicazione precedente, in cui rimuovere selettivamente lo strato strutturale (210) comprende:
formare una regione di maschera sulla prima superficie (210A) del corpo di lavoro (200), la regione di maschera definendo una porzione di sagomatura avente, sopra la cavit? sepolta (230), una larghezza minore della cavit? sepolta stessa e
attaccare chimicamente il corpo di lavoro (200), utilizzando la regione di maschera, in cui la porzione di sagomatura definisce la struttura elastica (25).
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