TW202300437A - 具有降低之串擾的mems反射鏡陣列與製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明描述了具有降低的串擾的MEMS反射鏡陣列的方法、裝置和製造方法。MEMS反射鏡陣列具有複數個反射表面，其中每個反射表面具有一共振頻率，且其中相鄰的反射表面不具有相同的共振頻率。

Description

具有降低之串擾的MEMS反射鏡陣列與製造方法
本申請是有關於反射鏡陣列與製造方法，且特別是有關於MEMS反射鏡陣列與製造方法。 [相關專利參照]
本申請案主張2021年1月20日申請之標題為「具有降低之串擾的MEMS反射鏡陣列與製造方法(MEMS MIRROR ARRAYS WITH REDUCED CROSSTALK AND METHODS OF MANUFACTURE)」的美國專利臨時申請案63/139,516的優先權，該臨時申請案整體以引用的方式併入本文。
微機電系統(MEMS)和陣列可包含平行板致動器，其設計的間隙明顯大於致動器的行程範圍。當在兩個電極板之間施加電壓時，電極板之間會產生吸引力，使板旋轉。最大旋轉由兩個電極板之間的間隙決定。板之間的間隔越大，偏轉越大。因此，間隙通常比電極板的物理運動所絕對需要的大得多，因為如果電極彼此靠得太近(例如，小於間隙的約1/3)，就會達到電極可能會卡在一起的不穩定點。
由平行板致動器產生的力與(電壓/間隙) 2成比例。因此，隨著間隙的增加，電壓也隨著距離的平方而增加，以達到相同的力。隨著結構的移動，電極板不會保持相互平行，且它們之間的間隙會減小。因此，使電極板移動一定距離所需的電壓很高、為非線性、且不斷變化。大間隙的使用可能導致陣列中相鄰致動器之間的串擾。
另外，當一反射鏡被致動且一或多個相鄰反射鏡也移動時，反射鏡陣列可能遭受串擾。圖1中顯示可能發生的串擾的示例，並將在下文中討論。
需要的是減少陣列中相鄰反射鏡之間串擾的MEMS反射鏡陣列和製造陣列的方法。
揭露了減少陣列中相鄰反射鏡之間串擾的MEMS反射鏡陣列和製造方法。此外，在不改變反射鏡的正常操作的情況下，減少了陣列中相鄰反射鏡之間的耦合。
本發明的一態樣係關於MEMS陣列。MEMS陣列包含第一載台、樞轉地耦合至第一載台的第一框架、以及第一載台反射表面，其中第一載台反射表面具有第一共振頻率；第二載台、樞轉地耦合至第二載台的第二框架、以及第二載台反射表面，其中第二載台反射表面具有第二共振頻率；以及位於第一載台和第二載台下方的基底晶圓，其中第一載台在基底晶圓上與第二載台相鄰。第一載台可操作以通過一對第一載台撓曲件樞轉地耦合至第一框架，且第二載台可通過一對第二載台撓曲件樞轉地耦合到第二框架。此外，第一載台撓曲件和第二載台撓曲件可操作以繞單一軸旋轉並實質地限制繞其他軸的旋轉，此單一軸係位於第一載台撓曲件和第二載台撓曲件中的一或多個的一長度方向上。撓曲件可包含複數個扭力樑(torsion beam)。此外，在一些組態中，複數個扭力樑可定位為基本上彼此平行。在至少一些組態中，扭力樑具有一扭力樑長度，且其中複數個扭力樑沿扭力樑長度的一部分為不平行。MEMS陣列可更包含：耦合至第一載台的第一組一或多個第一載台葉片，第一組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至第一載台的第二組一或多個第一載台葉片，第二組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至第二載台的第一組一或多個第二載台葉片，第一組一或多個第二載台葉片係彼此電連接；以及耦合至第二載台的第二組一或多個第二載台葉片，第二組一或多個第二載台葉片係彼此電連接。此外，MEMS陣列可更包含：第三載台、樞轉地耦合至第三載台的第三框架、以及第三載台反射表面，其中第三載台反射表面具有一第三共振頻率，且其中第三載台位於基底晶圓上且在第一側上與第一載台相鄰以及在垂直於第一側的第二側上與第二載台相鄰。在至少一些組態中，MEMS陣列更包含：第四載台、樞轉地耦合至第四載台的第四框架、以及第四載台反射表面，其中第四載台反射表面具有第四共振頻率，且其中第四載台位於基底晶圓上且與第一載台、第二載台、和第三載台中的其中至少一者相鄰。也可設置一裝置晶圓，其藉由一接合元件固定到基底晶圓。在一些組態中，基底晶圓更包含與支撐帶接觸的支撐錨，且其中支撐錨和支撐帶之間的接觸可操作以抑制反射表面的機械運動。
本發明的另一態樣係關於用以製造一微機電(MEMS)陣列的方法。製造方法包含：在基板的第一側上形成一介電材料層；在基板的第一側上形成包含介電材料的垂直隔離溝槽；在與基板的第一側相對的基板的第二側上圖案化一遮罩層；在基板的第一側上形成通孔；金屬化基板的第一側；在基板的第一側上沉積第二金屬層，以形成反射表面；在基板的第一側上形成第二溝槽，以定義結構；深度地蝕刻基板的第二側，以形成窄葉片；在形成窄葉片後，將一基底晶圓接合到基板的第二側；以及蝕刻穿過基板的第一側上的第二溝槽，以釋放結構並提供電隔離，其中微機電陣列具有第一載台、樞轉地耦合至第一載台的第一框架、以及第一載台反射表面，其中第一載台反射表面具有第一共振頻率，以及第二載台、樞轉地耦合至第二載台的一第二框架、以及第二載台反射表面，其中第二載台反射表面具有第二共振頻率。基板可包含一矽晶圓。此外，介電材料可為二氧化矽。此外，方法可包含在金屬化基板的第一側之後形成一鈍化介電層(passivation dielectric layer)於基板的第一側上，並將一蓋晶圓(lid wafer)附接到基板的第一側。蓋晶圓也可包含玻璃。
本發明的又一態樣係關於MEMS陣列，其包含：第一載台、樞轉地耦合至第一載台的第一框架、以及第一載台反射表面；以及位於第一載台下方的基底晶圓，其中基底晶圓更包含與支撐帶接觸的支撐錨，且其中支撐錨和支撐帶之間的接觸可操作以抑制反射表面的機械運動。在一些組態中，第一載台通過一對第一載台撓曲件樞轉地耦合至第一框架。此外，第一載台撓曲件組態為繞單一軸旋轉並實質地限制繞其他軸的旋轉，該單一軸位於撓曲件的長度方向上。撓曲件也可包含複數個扭力樑，其包含基本上係彼此平行的扭力樑。此外，複數個扭力樑中的每一者都具有一扭力樑長度，且其中複數個扭力樑沿扭力樑長度的一部分為不平行。可設置耦合至第一載台的第一組一或多個第一載台葉片，第一組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至第一載台的第二組一或多個第一載台葉片，第二組一或多個第一載台葉片係彼此電連接。此外，可藉由接合元件將裝置晶圓固定到基底晶圓。 [援引併入]
本說明書中所提到的所有出版物、專利和專利申請案均通過引用併入本文，其程度與每個單獨的出版物、專利或專利申請案被具體且單獨地指出以引用的方式併入的程度相同。
US 3,493,820 A，其由Rosvold於1970年2月3日申請；
US 4,104,086 A，其由Bondur等人於1978年8月1日申請；
US 4,421,381 A，其由Ueda等人於1983年12月20日申請；
US 4,509,249 A，其由Goto等人於1985年4月9日申請；
US 4,519,128 A，其由Chesebro等人於1985年5月28日申請；
US 4,553,436 A，其由Hansson於1985年11月19日申請；
US 4,571,819 A，其由Rogers等人於1986年2月25日申請；
US 4,670,092 A，其由Motamedi於1987年6月2日申請；
US 4,688,069 A，其由Joy等人於1987年8月18日申請；
US 4,706,374 A，其由Murakami於1987年11月17日申請；
US 4,784,720 A，其由Douglas於1988年11月15日申請；
US 4,855,017 A，其由Douglas於1989年8月8日申請；
US 4,876,217 A，其由Zdebel於1989年10月24日申請；
US 5,426,070 A，其由Shaw等人於1995年6月20日申請；
US 5,536,988 A，其由Zhang等人於1996年7月16日申請；
US 5,563,343 A，其由Shaw等人於1996年10月8日申請；
US 5,610,335 A，其由Shaw等人於1997年3月11日申請；
US 5,628,917 A，其由MacDonald等人於1997年5月13日申請；
US 5,719,073 A，其由Shaw等人於1998年2月17日申請；
US 5,726,073 A，其由Zhang等人於1998年3月10日申請；
US 5,770,465 A，其由MacDonald等人於1998年10月24日申請 ；
US 5,846,849 A，其由Shaw等人於1989年12月8日申請；
US 5,847,454 A，其由Shaw等人於1998年12月8日申請；
US 5,068,203 A，其由Logsdon等人於1991年11月26日申請；
US 5,083,857 A，其由Hornbeck於1992年1月28日申請；
US 5,097,354 A，其由Goto於1992年3月17日申請；
US 5,172,262 A，其由Hornbeck於1992年12月15日申請；
US 5,198,390 A，其由MacDonald等人於1993年3月30日申請；
US 5,203,208 A，其由Bernstein於1993年4月20日申請；
US 5,226,321 A，其由Varnham等人於1993年17月13日申請；
US 5,235,187 A，其由Arney等人於1993年8月10日申請；
US 5,316,979 A，其由MacDonald等人於1994年5月31日申請；
US 5,393,375 A，其由MacDonald等人於1995年2月28日申請；
US 5,397,904 A ，其由Arney等人於1995年3月14日申請；
US 5,399,415 A，其由Chen等人於1995年3月21日申請；
US 5,427,975 A，其由Sparks等人於1995年6月27日申請；
US 5,428,259 A，其由Suzuki於1995年6月27日申請；
US 5,449,903 A，其由Arney等人於1995年9月12日申請；
US 5,454,906 A，其由Baker等人於1995年10月3日申請；
US 5,488,862 A，其由Neukermans等人於1996年2月6日申請；
US 5,501,893 A，其由Laermer等人於1996年3月26日申請；
US 5,611,888 A，其由Bosch等人於1997年3月18日申請；
US 5,611,940 A，其由Zettler於1997年3月18日申請；
US 5,629,790 A，其由Neukermans等人於1997年5月13日申請；
US 5,637,189 A，其由Peeters等人於1997年6月10日申請；
US 5,645,684 A，其由Keller於1997年7月8日申請；
US 5,673,139 A，其由Johnson於1997年9月30日申請；
US 5,703,728 A，其由Smith等人於1997年12月30日申請；
US 5,759,913 A，其由Fulford Jr等人於1998年6月2日申請；
US 5,798,557 A，其由Salatino等人於1998年8月25日申請；
US 5,804,084 A，其由Nasby等人於1998年9月8日申請；
US 5,853,959 A，其由Brand等人於1998年12月29日申請；
US 5,915,168 A，其由Salatino等人於1999年6月22日申請；
US 5,920,417 A，其由Johnson於1999年7月6日申請；
US 5,933,746 A，其由Begley等人於1999年8月3日申請；
US 5,969,848 A，其由Lee等人於1999年10月19日申請；
US 5,998,816 A，其由Nakaki等人於1999年12月7日申請；
US 5,998,906 A，其由Jerman等人於1999年12月7日申請；
US 5,999,303 A，其由Drake於1999年12月7日申請；
US 6,000,280 A，其由Miller等人於1999年12月14日申請；
US 6,020,272 A，其由Fleming於2000年2月1日申請；
US 6,044,705 A，其由Neukermans等人於2000年4月4日申請；
US 6,072,617 A，其由Henck於2000年6月6日申請；
US 6,075,639 A，其由Kino等人於2000年6月13日申請；
US 6,097,858 A，其由Laor於2000年1月8日申請；
US 6,097,859 A，其由Solgaard等人於2000年8月1日申請；
US 6,097,860 A，其由Laor於2000年8月1日申請；
US 6,101,299 A，其由Laor於2000年8月8日申請；
US 6,121,552 A，其由Brosnihan等人於2000年9月19日申請；
US 6,753,638 A，其由Adams等人於2001年2月2日申請；
US 7,098,571 A，其由Adams等人於2006年8月29日申請；
US 7,261,826 B2，其由Adams等人於2007年8月28日申請；
US 2008/190198 A1，其由Prandi等人於2008年8月14日申請；
US 2008/284028 A1，其由Greywall於2008年11月20日申請；
US 2009/196623 A1，其由Detry於2009年8月6日申請；
US 2010/263998 A1，其由Anderson等人於2010年10月21日申請；
US 2011/018095 A1，其由Booth Jr.等人於2011年1月27日申請；
US 2011/140569 A1，其由Moidu於2011年6月16日申請；
US 2012/133023 A1，其由Booth Jr.等人於2012年5月31；
US 2014/014480 A1，其由Anderson等人於2014年1月16日申請  dated 1/16/2014 by et al.;
WO 2001/057902 A2，其由Adams等人於2001年8月9日申請；
WO 1994/018697 A1，其由Shaw等人於1994年8月18日申請；
WO 1997/004283 A2，其由Miller等人於1997年2月6日申請；以及
WO 1999/036941 A2，其由Adams等人於1999年7月22日申請。
I. 微機電(MEMS)陣列
揭露了微機電(MEMS)陣列。MEMS陣列包含：第一載台(例如，載台802)、樞轉地耦合到第一載台的第一框架(例如，框架804)、以及第一載台反射表面(例如，反射鏡)，其中第一載台反射表面具有第一共振頻率(例如，共振頻率502)；第二載台、樞轉地耦合到第二載台的第二框架、以及第二載台反射表面，其中第二載台反射表面具有第二共振頻率(例如，共振頻率604)；以及位於第一載台和第二載台下方的基底晶圓(例如，矽晶圓910)，其中第一載台在基底晶圓上與第二載台相鄰。第一載台可操作以通過一對第一載台撓曲件(例如，中央撓撓曲件832、832')樞轉地耦合到第一框架，且第二載台通過一對第二載台撓曲件樞轉地耦合到第二框架。此外，第一載台撓曲件和第二載台撓曲件可操作以繞單一軸旋轉並基本上限制繞其他軸的旋轉，該單一軸係位於第一載台撓曲件和第二載台撓曲件中的一或多個的一長度方向上。撓曲件也可包含複數個扭力樑。此外，在一些組態中，複數個扭力樑可定位成基本上彼此平行。在至少一些組態中，扭力樑具有扭力樑長度，且其中複數個扭力樑沿扭力樑長度的一部分為不平行。MEMS陣列可進一步包含：耦合到第一載台的第一組一或多個第一載台葉片(例如，葉片812)，第一組一或多個第一載台葉片彼此電連接；耦合到第一載台的第二組一或多個第一載台葉片，第二組一或多個第一載台葉片彼此電連接；耦合到第二載台的第一組一或多個第二載台葉片，第一組一或多個第二載台葉片彼此電連接；耦合到第二載台的第二組一或多個第二載台葉片，第二組一或多個第二載台葉片彼此電連接。此外，MEMS陣列還可包含：第三載台、樞轉地耦合到第三載台的第三框架、以及第三載台反射表面，其中第三載台反射表面具有第三共振頻率，且其中第三載台位於基底晶圓上且在第一側上與第一載台相鄰以及在垂直於第一側的第二側上與第二載台相鄰。在至少一些組態中，MEMS陣列更包含：第四載台、樞轉地耦合到第四載台的第四框架、以及第四載台反射表面，其中第四載台反射表面具有第四共振頻率，且其中第四載台位於基底晶圓上且與第一載台、第二載台、和第三載台中的至少一個相鄰。還可提供一裝置晶圓，其藉由接合元件固定到基底晶圓。在一些組態中，基底晶圓更包含與支撐帶接觸的支撐錨，進一步地，其中支撐錨和支撐帶之間的接觸可操作以抑制反射表面的機械運動。
MEMS陣列的另一種組態，包含：第一載台、樞轉地耦合到第一載台的第一框架、以及第一載台反射表面；以及位於第一載台下方的基底晶圓，其中基底晶圓更包含與支撐帶接觸的支撐錨，且其中支撐錨和支撐帶之間的接觸可操作以抑制反射表面的機械運動。在一些組態中，第一載台通過一對第一載台撓曲件樞轉地耦合到第一框架。此外，第一載台撓曲件可組態為繞單一軸旋轉且基本上限制圍繞其他軸的旋轉，該單一軸位於撓曲件的長度方向上。撓曲件也可包含複數個扭力樑，其包含基本上彼此平行的扭力樑。此外，複數個扭力樑中的每一個都具有扭力樑長度，且其中複數個扭力樑沿著扭力樑長度的一部分為不平行。可提供與第一載台耦合的第一組一或多個第一載台葉片，第一組一或多個第一載台葉片彼此電連接；以及耦合到第一載台的第二組一或多個第一載台葉片，第二組一或多個第一載台葉片彼此電連接。此外，裝置晶圓可藉由接合元件固定到基底晶圓。
現在轉向圖1，其顯示了當施加致動電壓110時的致動電壓斜升。致動電壓110在MEMS陣列中的反射鏡上隨時間斜升，且在相鄰反射鏡中偵測到不想要的振盪120。造成相鄰反射鏡之間串擾的一個原因是用於MEMS陣列中的每一反射鏡的支撐件的機械耦合。也顯示了相鄰反射鏡上的電壓量測130。
圖2顯示了習知的MEMS反射鏡陣列200的一部分的上層視圖。MEMS反射鏡陣列200具有金屬層210、反射鏡腔212、和支撐件220。
如本技術領域中具有通常知識者將理解的，MEMS陣列200具有多個載台致動器。陣列中的每個致動器包含中央載台、可移動框架、和固定框架。固定框架可形成空腔，在空腔中設置中央載台和可移動框架。反射元件(例如反射鏡)可耦合到中央載台，並藉由第一中央載台撓曲件和第二中央載台撓曲件懸掛在可移動框架上。反射元件可用於沿不同於接收光束的光束路徑的一光束路徑來重定向光束。在中央載台上包含反射鏡的致動器也稱作反射鏡單元或帶有反射鏡的MEM致動器。
中央載台的旋轉可獨立於可移動框架的旋轉。致動器因此可允許解耦運動。舉例來說，中央載台可相對於固定框架旋轉，而可移動框架相對於固定框架保持平行和靜止。此外，可移動框架可相對於固定框架旋轉，而中央載台相對於可移動框架保持平行(和靜止)。可移動框架通過第一固定框架撓曲件和第二固定框架撓曲件耦合到固定框架。此外，舉例來說，中央載台和可移動框架可同時旋轉但彼此獨立。因此，舉例來說，中央載台、可移動框架、和固定框架在致動期間可同時不平行並相互解耦。
第一中央載台撓曲件和第二中央載台撓曲件經由第一端桿和第二端桿耦合到可移動框架。第一端桿和第二端桿又使用多個支撐構件附接到可移動框架的主體。支撐構件是提供拉緊力(tensioning force)的二氧​​化矽樑。支撐構件藉由膨脹與可移動框架、中央載台、第一端桿、第二端桿和固定框架中使用的材料系統不同的量來提供拉緊力。可將不同膨脹的材料系統放置在可移動框架中，以使第一中央撓曲件和第二中央撓曲件處於張力狀態。特別地，由作用在可移動框架以及第一和第二端桿上的連接構件所提供的膨脹在每對中央載台撓曲件和固定框架撓曲件上產生拉緊力。支撐構件用於施加張力，以最小化由於在壓縮力下撓曲件的彎曲作用而導致的位置變形的可能性。一般而言，如果任何撓曲件受到過大的壓縮力，撓曲件可能會彎曲。這樣，支撐構件可以非垂直角度耦合於可移動框架的主體與第一和第二端桿之間，以拉動中央載台撓曲件而使它們處於張力狀態。因為固定框架撓曲件垂直於中央載台撓曲件，因此支撐構件的非垂直角度的附接導致了在可移動框架的主體上的拉力，從而導致固定框架撓曲件的拉力和張緊。
支撐構件可耦合在可移動框架的主體及第一和第二端桿之間，其可定位在約45度的角度。或者，支撐構件可以小於或大於45度的角度耦合在可移動框架的主體與第一和第二端桿之間。
中央載台撓曲件允許中央載台進行樞轉。中央載台撓曲件也提供與旋轉角度成比例的一些扭轉阻力，但比所有其他方向的阻力要小得多。換言之，對中央載台在其他方向(例如，左右或繞垂直於中央載台表面的軸)上的不希望的扭轉運動來說，存在相當大的阻力。此外，中央載台撓曲件延伸到形成在中央載台中的相應槽中，以提供足夠的長度給撓曲件，以實現適當的可撓性和抗扭性。中央載台撓曲件可具有約100微米的長度、約10微米的高度、和約1微米的寬度，從而產生10:1的外觀比(aspect ratio)。這種外觀比可提供在期望運動方向上的更大順應性並提供在不期望方向上的剛度。在替代的具體實施例中，可使用其他長度、高度、寬度、和外觀比。
類似地，固定框架撓曲件能夠使可移動框架樞轉，同時對可移動框架在其他方向(例如，左右或繞垂直於可移動框架表面的軸)上的不希望的扭轉運動提供阻力。固定框架撓曲件延伸到槽中，一對相應的槽形成在可移動框架和固定框架，以為撓曲件提供足夠的長度以實現適當的可撓性和抗扭性。
中央載台撓曲件和固定框架撓曲件中的一或多個可包含一對扭力樑。扭力樑可具有一定長度，其中複數個扭力樑沿該長度為不平行。與單樑撓曲件相比，使用多個扭力樑可增加對框架或載台的不希望的扭轉運動的抵抗力。一對扭力樑可具有各種組態。扭力樑可為非平行樑，其靠近可移動框架的端部基本上為平行並由間隙隔開。扭力樑之間的間隙沿樑的長度減小，使得靠近固定框架的樑的端部比靠近活動框架的樑的端部更靠近。扭力樑相對於彼此的角度可幫助撓曲件抵抗不穩定的扭曲模式。在替代的具體實施例中，扭力樑可組態使得它們靠近固定框架的端部比它們靠近可移動框架的端部相距更遠。在又一具體實施例中，扭力樑可基本上為彼此平行，使得間隙沿著樑的長度基本上是均勻的。
圖3顯示了沿圖2中的線3-3截取的習知MEMS反射鏡陣列200的部分橫截面，其具有頂側10和底側20，其中MEMS反射鏡陣列200內的每一層具有面向頂側10的層頂表面和面向底側20的底表面。陣列具有矽晶圓310(其為用於陣列的基底晶圓)以及用作保護層的蓋晶圓350。基底晶圓310具有第一對接合元件312、312'，其為位於基底晶圓層的任一端的熔塊玻璃密封件，其將矽晶圓310接合到裝置晶圓320。接合元件312、312'在接合時可提供氣密密封。接合元件312、312'沿著反射鏡陣列的周邊定位，使得整個反射鏡陣列懸掛在矽晶圓310上方。第二對接合元件322、322'將裝置晶圓320接合到蓋晶圓350。
使用乾式蝕刻在裝置晶圓320的上表面(例如，頂側10)完成結構釋放，其穿過複數個溝槽326以懸掛反射鏡336和框架330的可移動元件。隔離縫328也藉由蝕刻正面直到蝕刻接近或剛好到達隔離縫328的底部而產生。另外，釋放蝕刻藉由例如將框架330的矽與周圍構件338、338'的矽分離來促進電隔離。通孔324用於將矽區域連接到金屬互連340。為了將反射鏡與外部環境完全密封，蓋晶圓350例如通過第二對接合元件322、322' (其為一熔塊玻璃密封)接合到裝置晶圓320。蓋晶圓350通常是玻璃的，以允許入射光在反射鏡腔332中以低損耗傳輸，從反射鏡336的上表面反射出來，並從反射鏡腔傳送出去。
圖4顯示了具有支撐錨430的熔接MEMS反射鏡陣列400的部分橫截面。MEMS反射鏡陣列400具有頂側10和底側20，其中MEMS反射鏡陣列400內的每一層都具有面向頂側10的一層頂表面和面向底側20的一底表面。支撐錨430的使用消除了或基本上消除了每一個反射鏡周圍的反射鏡串擾。支撐錨430或支撐柱是藉由在矽晶圓310中蝕刻出高度為10-100 um的柱或桿而產生的。矽晶圓310使用例如共晶接合、熱壓合接合、熔合接合、或陽極接合來接合到裝置晶圓320。在接合過程中，支撐錨430接觸支撐帶334。在一些組態中，支撐錨430接合到支撐帶334。在其他組態中，支撐錨430與支撐帶334接觸。支撐錨430和支撐帶334之間的接合或接觸抑制了反射鏡336通過其共同的錨的任何耦合機械運動。
反射鏡單元(未示出)切過反射鏡單元的四個葉片和三個懸掛部分。使用接合和拋光順序將葉片的深度調整到明顯小於普通晶圓厚度的值。由於較薄的晶圓易碎且會有很大的處理耗損，因此在製程早期使用基底晶圓來提供處理支持。在製程開始時，使用深度矽蝕刻技術將可移動葉片424圖案化並蝕刻至裝置晶圓320中。葉片溝槽426的深度是可調的且取決於設計、擺動、和致動器偏轉要求。舉例來說，葉片深度可為200 um。接者，可在遮罩層412的接合介面處將矽晶圓310熔接到裝置晶圓320。熔接製程將矽直接接合到矽或氧化矽，且需要高溫退火以形成牢固的接合。在矽晶圓310中蝕刻出凹槽，以提供空間給可移動葉片424進行旋轉。
圖5-7顯示了具有複數個反射鏡510的習知MEMS反射鏡陣列200、和MEMS反射鏡陣列400的一部分中的電流頻率分佈。可藉由增加相鄰反射鏡之間的頻率間隔來減少相鄰反射鏡之間的耦合(失諧)。MEMS反射鏡陣列200使陣列中的所有反射鏡都相同，這導致所有反射鏡以相同的頻率(f 0)502共振，如圖5所示。一個反射鏡502在共振時的運動可激發相鄰反射鏡中的共振響應。
如果相鄰的反射鏡具有不同的共振頻率，例如圖6和7中的佈局，則機械耦合將不共振且效率較低。圖6-7說明了使用三個或更多共振頻率的可能佈局。在圖6中，具有共振頻率(f 0) 502的第一反射鏡在一側與具有共振頻率(f 1) 604的反射鏡相鄰，在相對側與具有共振頻率(f 2) 606的另一反射鏡相鄰。在第一行中，共振頻率(f 2) 606與具有共振頻率(f 1) 604的反射鏡相鄰，隨後是具有共振頻率(f 0) 502的反射鏡。在第一行之下的第二行中，共振頻率(f 0) 502與具有共振頻率(f 2) 606的反射鏡相鄰，隨後是具有共振頻率(f 1) 604的反射鏡。接著，在一行內和跨行數的序列根據需求重複多次。
在圖7中，反射鏡在第一行中安排為交替排列具有共振頻率(f 3) 708的反射鏡，與相鄰的具有共振頻率(f 0) 502的反射鏡。這兩個共振頻率以交替的方式在該行上重複。第二行提供具有共振頻率(f 1) 604的反射鏡，與具有共振頻率(f 2) 606的反射鏡相鄰。第三行具有共振頻率(f 0) 502，並接著具有共振頻率(f 3) 708的反射鏡。具有重複的交替反射鏡對的這三行接著重複。得到的安排達成了與圖6中的安排相似的結果，且兩個共振頻率之間的位置距離更大。
如本技術領域中具有通常知識者將理解的，給定的一行不一定需要以特定共振頻率開始(例如，如本文所示)，且本文中的示例僅作為說明。所產生的安排導致了以下的組態：與任何其他單獨反射鏡相鄰的任何反射鏡不具有相同的共振頻率。此外，如果陣列中的反射鏡係組態為使得至少一相鄰反射鏡不共享相同的共振頻率，則可採用共振頻率的額外的行和組合，而不背離本發明的範疇。由於共振頻率與剛度和質量成比例，因此可藉由改變剛度及/或質量中的一或多個來產生具有不同頻率的反射鏡設計。保持剛度相同並僅改變質量，可在陣列中的所有反射鏡設計中保持致動特性(移動的角度與施加的電壓的關係)為一致。
圖8A-8D為具有用於圖5-7所示的佈局中的共振頻率的個別MEMS反射鏡。圖8A可被認為是具有滿載和頻率(f 0)的個別MEMS反射鏡；圖8B可被認為是具有部分負載和頻率(f 1)的個別MEMS反射鏡；圖8C可被認為是具有部分負載和頻率(f 2)的個別MEMS反射鏡；以及圖8D可被認為是具有部分負載和頻率(f 3)的個別MEMS反射鏡。如本技術領域中具有通常知識者將理解，頻率的分配(例如(f 1)、(f 2)、和(f 3))是任意的。
圖8A顯示了具有滿載和頻率(f 0)的習知個別MEMS反射鏡。在載台或框架的每一端，致動器800使用單個可移動葉片(例如圖4中的可移動葉片424)，具有兩個對應的固定葉片作為致動機構結構，以致能轉動。致動器800每個載台使用兩個這樣的致動機構結構，且每個框架使用兩個這樣的致動機構結構。提供了複數個葉片。第一葉片812耦合到中央載台802，且兩側有一對第一側翼葉片814、814'，其在第一葉片812的相對端上耦合到可移動框架804。中央載台802可樞轉地耦合到可移動框架804，使得第一葉片812組態為相對於第一側翼葉片814、814'移動。當在第一葉片812和第一側翼葉片814、814'的其中一者之間施加電位差時，在葉片之間產生吸引力，導致中央載台802樞轉。舉例來說，第一葉片812可保持在接地電位，同時將主動電壓施加到第一側翼葉片814、814'中的任一個。舉例來說，向第一側翼葉片814施加主動電壓將吸引第一葉片812，從而使中央載台802在相應方向上旋轉。類似地，向第一側翼葉片814'施加主動電壓將吸引第一葉片812，並使載台802以與第一側翼葉片814的吸引力所產生的方向相反的方向上旋轉。
第二葉片816耦合在與第一葉片812的位置相對的中央載台802的端部，具有一對第二側翼葉片818、818'，其在第二葉片816的相對端上耦合到可移動框架804。第二葉片816相對於第二側翼葉片818、818'移動。為了提供中央載台802的所需運動並抵抗不希望的旋轉，同時向第一葉片812和第二葉片816施加致動電壓。當在第二葉片816和第二側翼葉片818、818'的其中一者之間施加電位差時，在葉片之間產生吸引力，導致中央載台802以類似於前文關於第一葉片所討論的方式進行旋轉。在中央載台802的每一端上串聯使用致動機構，最小化了不想要的中央載台802的扭曲，以提供更均勻的旋轉。
類似的致動機構結構可用於可移動框架804的旋轉。舉例來說，第一側葉片822耦合到可移動框架804，且第一側翼葉片824、824'在第一側葉片822的相對端耦合到固定框架840。
可移動框架804樞轉地耦合到固定框架840，使得第一側葉片822組態為相對於第一側翼葉片824、824'移動。當在第一側葉片822和第一側翼葉片824、824'的其中一者之間施加電位差時，在葉片之間產生吸引力，導致可移動框架804以類似於前文關於中央載台802所討論的方式進行樞轉。
第二側葉片826耦合在可移動框架804的相對端上，第二側翼葉片828、828'在第二側葉片826的相對端上耦合至固定框架840。第二側葉片826相對於第二側翼葉片828、828'移動。當在第二側葉片826和第二側翼葉片828、828'的其中一者之間施加電位差時，在葉片之間產生有利於可移動框架804旋轉的吸引力。在可移動框架的每一端上使用串聯的致動機構可最小化不希望的框架扭曲，以提供更均勻的旋轉。
選擇性地，中央載台802或框架可僅在單端上具有致動機構結構。對於另一具體實施例，致動器800可具有其他致動機構結構而不脫離本發明的範圍。
在一具體實施例中，可提供複數個細長構件830(例如，細長構件830)，其耦合到中央載台802的下表面，以強化中央載台802的硬度並最小化頂表面的變形。此外，中央載台802上的細長構件830可用於移除整個裝置的蝕刻深度變化。細長構件830的結構可類似於本文所討論的葉片的結構。圖8A顯示了七個細長構件830，其中六個細長構件具有基本相同的長度並在中央載台802上偏離中心地定位，且第七個細長構件具有較短的長度並在中央載台802上居中地定位。
因為致動器800的致動機構完全位於待旋轉的中央載台802下方，所以中央載台802的頂表面區域都不需要被致動機構佔用。
對於一具體實施例，致動器800可使用半導體製造技術在晶圓級上製造，如下所述。對於這樣的具體實施例，固定框架840可由例如由矽構成的基板形成。在所有葉片由不同的控制電壓直接驅動的情況下，致動器800可使用四個電壓，加上一個接地。通過這種配置，隨著多個致動器組合形成陣列，基板上的導電路徑數量迅速變得非常大。本文討論的葉片致動器所需的低電壓可允許將控制電路製造到基板中，從而僅需要對控制信號進行佈線，而不用為每個葉片單獨佈線。這導致引線數量顯著減少。較低的電壓還可減少引線之間間隔的必要性，以避免電弧和串擾。
用於陣列中的每個致動器800的中央載台802具有可移動框架804和固定框架840。固定框架840可形成空腔，而中央載台802和可移動框架804設置在該空腔中。反射元件(例如，反射鏡)可耦合到中央載台802，並藉由第一中央載台撓曲件832和第二中央載台撓曲件832'從可移動框架804懸掛。反射元件可用於沿不同於所接收光束的光束路徑的一光束路徑來重定向光束。如上所述，包含中央載台上的反射鏡的致動器800也稱作反射鏡單元或具有反射鏡的MEM致動器。
可移動框架804通過第一固定框架撓曲件834和第二固定框架撓曲件834'接合固定框架840。此外，例如，中央載台802和可移動框架804可同時繞單一軸旋轉但彼此獨立。因此，例如，中央載台802、可移動框架804、和固定框架840在致動期間可同時不平行並相對於彼此解耦。
第一中央載台撓曲件832和第二中央載台撓曲件832'經由第一端桿和第二端桿耦合到可移動框架804。第一端桿和第二端桿又使用多個支撐構件附接到可移動框架804的主體。支撐構件為提供拉緊力的二氧化矽樑。支撐構件藉由膨脹與可移動框架804、中央載台802、第一端桿、第二端桿和固定框架840中使用的材料系統不同的量來提供拉緊力。
圖8B顯示了與圖8A相似的個別反射鏡(反射表面)，其具有部分負載和頻率(f 1)。圖8B顯示了四個細長構件830，其每一個具有基本相同的長度並在中央載台802上偏離中心地定位，使得細長構件定位在中央載台802上的正方形或矩形空間的角落中。反射表面定位在載台上(例如，第一載台、第二載台、第三載台等)。
圖8C顯示了與圖8A相似的個別反射鏡，其具有部分負載和頻率 (f 2)。圖8C顯示了三個細長構件830，其中兩個具有基本相同的長度並在中央載台802上偏離中心地定位。第三細長構件的長度小於其他兩個細長構件，且在中央載台802上居中地或基本上居中地定位。
圖8D顯示了與圖8A相似的個別反射鏡，其具有部分負載和頻率 (f 3)。圖8D在中央載台802上沒有細長構件830。
回到圖5-7，圖5中的陣列將包含複數行，其特徵在於圖8A致動器800。圖6的第一行例如有圖8C的致動器800，接著為圖8B的致動器800、及圖8A的致動器800，該序列根據需要在行中重複。第二行具有圖8A的致動器800，接著為圖8C的致動器800，然後是圖8B的致動器800，該序列根據需要在行中重複。接著，第三行將重複第一行的順序，且第四行將重複第二行的順序。圖7的第一行例如有圖8D的致動器800，接著為圖8A的致動器800，該序列根據需要在行中重複。第二行具有圖8B的致動器800，之後為圖8C的致動器800，該序列根據需要在行中重複。第三行具有圖8A的致動器800，之後為圖8D的致動器800，該序列根據需要在行中重複。其餘的行將重複第一行到第三行的順序。
可使用多種技術來製造圖8A-D中所示的致動器800。關於圖9A-K所討論的技術與圖8A中的剖面線9-9所提供的視圖相關聯。本發明的具體實施例的製造方法產生由懸臂矽樑懸掛的反射鏡平台。反射鏡部分之間或不同葉片之間的電隔離是通過使用整體式隔離段實現的，其用於機械連接但電隔離反射鏡的各個元件。
反射鏡致動器的設計參數為葉片的深度，其係垂直於旋轉軸進行量測。增加葉片深度會導致力量的增加，但需要更多的擺動空間來通過高角度的旋轉。較淺的葉片更容易適應更高的偏轉，但通常需要更多數量的葉片才能獲得相同的力。因此，有多個葉片深度供設計者使用是有利的。不同的葉片深度需要多種製程方法，如本文所述。
II. 製造方法
用於製造微機電(MEMS)陣列的方法。製造方法包含：在基板的第一側上形成一層介電材料；在基板的第一側形成包含介電材料的垂直隔離溝槽；在與基板的第一側相對的基板的第二側上圖案化遮罩層；在基板的第一側上形成通孔；金屬化基板的第一側；在基板的第一側上沉積第二金屬層，以形成反射表面；在基板的第一側上形成第二溝槽，以定義結構；深度蝕刻基板的第二面，以形成窄葉片；形成窄葉片後，將基底晶圓接合到基板的第二側；以及蝕刻穿過基板第一側上的第二溝槽，以釋放結構並提供電隔離，其中微機電陣列具有第一載台、樞轉地耦合到第一載台的第一框架、和第一載台反射表面(其中第一載台反射表面具有第一共振頻率)，以及第二載台、樞轉耦合至第二載台的第二框架、以及第二載台反射表面，其中第二載台反射表面具有第二共振頻率。基板可包含矽晶圓。此外，介電材料可為二氧化矽。另外，方法可包含以下的一或多個步驟：在對基板的第一側進行金屬化之後在基板的第一側上形成鈍化介電層、以及將蓋晶圓附接到基板的第一側。蓋晶圓也可由玻璃構成。
本發明的一具體實施例使用單一裝置晶圓，並參照圖9A-9K闡述相關的方法。
圖9A顯示了厚度範圍選擇在300-600微米(um)內的絕緣體上矽(SOI)晶圓910的橫截面。矽晶圓910具有頂側10(或裝置側或簡單的頂面)和背側或底側20。由矽晶圓910形成的MEMS反射鏡陣列900內的每一層具有朝向頂側10的一層頂表面以及朝向底側20的一底表面。左上部分902被標記。在較佳具體實施例中，埋層氧化物層912的厚度為0.5-1 um，且位於頂側10下方10-50 um。
圖9B-9E顯示了MEMS反射鏡陣列900中的矽晶圓910的左上部分902，其顯示了在矽晶圓910的頂側10上的隔離溝槽920的製造技術。隔離溝槽920垂直定位在矽晶圓基板上並填充有介電材料，其在一具體實施例中為二氧化矽。一旦被填充，隔離溝槽920在反射鏡被釋放之後提供葉片之間的電隔離。層914還保留在矽晶圓910的表面上，且在隔離溝槽填充製程之後被平坦化，以簡化後續的微影圖案化並消除表面不連續性。
如圖9B所示，矽晶圓910設置有遮罩層914。遮罩層914可為二氧化矽(例如，氧化物層)。矽晶圓910可具有任意摻雜、電阻率和晶向，因為製程僅依賴於反應離子蝕刻來雕刻和形成結構。遮罩層914在隔離溝槽刻蝕製程過程中起到了保護矽晶圓910的上表面的作用，因此其表示為一遮罩層。此遮罩層可由多種技術形成，包含矽的熱氧化或化學氣相沉積(CVD)。遮罩層914的典型厚度為0.5-1.0 um。接著，將光阻層916旋塗到矽晶圓910上，並使用標準光學微影技術進行曝光和顯影，以定義隔離溝槽920的隔離溝槽圖案。反應離子蝕刻用於將光阻圖案轉移到遮罩層914，以曝光矽晶圓910的頂表面(即，隔離溝槽920的底部922)。通常，二氧化矽遮罩在氟氯烷(Freon)氣體混合物中進行蝕刻，例如CHF 3或CF 4。使用高密度電漿反應器(例如電感耦合電漿(「ICP」)室)來實現二氧化矽蝕刻的高蝕刻速率。這些ICP室使用高功率射頻源來維持晶圓上的高密度電漿和低功率射頻偏壓，以在低離子能量下實現高蝕刻速率。對於這種硬體組態，200 nm/min的氧化物蝕刻速率和大於1:1的光阻選擇性是常見的。
如圖9C所示，通過使用高蝕刻速率、高選擇性蝕刻的矽的深度反應離子蝕刻，在矽晶圓910中形成隔離溝槽920。溝槽通常在高密度電漿中使用六氟化硫(SF 6)氣體混合物進行蝕刻，如美國專利5,501,893中所述。較佳地，控制蝕刻使得隔離溝槽920輪廓是凹入的或錐形的，其中隔離溝槽920的頂部924比隔離溝槽920的底部922窄。隔離溝槽920的錐形確保在後續處理中實現良好的電隔離。通過調整鈍化程度、或通過改變蝕刻製程期間的放電參數(功率、氣體流量、壓力)，可在反應離子蝕刻中實現輪廓的漸變。因為隔離溝槽920填充有介電材料，所以隔離溝槽920的頂部924的開口寬度通常小於2 um。隔離溝槽920的深度通常在10-50微米的範圍內。在較佳具體實施例中，隔離溝槽920在埋層氧化物層912處停止蝕刻。蝕刻隔離溝槽920的常用程序為在ICP電漿中交替蝕刻步驟(SF 6和氬氣混合物)和鈍化步驟(氟氯烷和氬氣)，在對光阻 (＞50:1)和氧化物(＞100:1)的高選擇性下實現超過2 um/min的蝕刻速率。隨著溝槽加深，蝕刻循環的功率和時間也在增加，以實現錐形輪廓。儘管溝槽幾何形狀較佳為可凹進的，但可通過微結構處理中的調整來適應任意溝槽輪廓。使用許多已知的溝槽蝕刻化學物質中的任何一種都可實現良好的隔離結果。在蝕刻矽溝槽之後，使用濕式化學或乾式灰化技術來移除光阻層916，並使用反應離子蝕刻(「RIE」)或緩衝氫氟酸來移除遮罩層914。
如圖9D所示，接著用絕緣介電材料(通常為二氧化矽)填充隔離溝槽920。填充程序導致隔離溝槽920中大部分為固體的隔離段，並用於在矽晶圓910的頂側10(頂表面)上沉積一層介電材料，並在隔離溝槽920的側壁928和底部922上沉積介電層。沉積層的厚度通常超過1 um。這種填充可通過化學氣相沉積(「CVD」)技術來完成、或較佳通過在高溫下的氧化矽來完成。在熱氧化中，晶圓暴露在溫度為900-1150º C的富氧環境中。這種氧化過程會消耗矽表面以形成二氧化矽。此過程產生的體積膨脹導致溝槽的側壁相互侵占，最終封閉溝槽開口。在CVD填充中，一些介電質沉積在壁上，但填充也發生在溝槽底部的沉積中。用TEOS或矽烷混合物在電漿增強CVD室和低壓CVD爐管中進行溝槽的CVD介電質填充已被證明。
在隔離溝槽920的填充過程中，大多數隔離溝槽輪廓通常未被完全填充，導致在隔離溝槽920中形成介面932和空隙930。空隙930中的局部應力集中可能會導致某些裝置的電氣和機械故障，但由於隔離溝槽920的封閉幾何形狀，這對於微機械裝置通常不重要。可藉由將隔離溝槽920成形為在位於隔離溝槽920的頂部924的隔離溝槽開口處比在隔離溝槽920的底部922更寬來消除介面932和空隙930。然而，良好的電隔離將需要在後續步驟中對微結構溝槽蝕刻進行額外的錐形化。隔離溝槽填充製程的另一人為構造是在遮罩層914的表面中以隔離溝槽920為中心所產生的刻痕926。此刻痕在大多數溝槽填充製程中是不可避免的，且可深至0.5微米，取決於沉積物的厚度。為了移除刻痕926，表面進行平坦化以形成平坦、或基本上平坦的表面，如圖9E所示，用於隨後的微影和沈積步驟。平坦化是通過化學機械拋光(CMP)或通過沉積黏性材料(其可為光阻劑、旋塗玻璃、或聚醯亞胺)來進行，並使材料流動以填充刻痕926，以達到光滑的效果。在黏性材料的回蝕刻期間(其為平坦化的第二步驟)，表面被均勻地蝕刻，包含已填充的刻痕。因此，藉由移除部分表面氧化層，移除了刻痕926，以形成厚度均勻的層。舉例來說，如果遮罩層914最初的厚度為2 um，則進行平坦化以移除刻痕926將留下具有小於1 um的最終厚度的遮罩層914。矽晶圓910的頂側10(上表面)沒有缺陷，且可進行接下來的微影和沈積。
圖9F顯示了具有遮罩層914和隔離溝槽920的矽晶圓910。在製造隔離溝槽920之後，使用標準的前後對準來微影地圖案化用於矽晶圓910的底側20(背側)上的葉片的遮罩層。葉片圖案972被曝光並蝕刻至遮罩層914中。遮罩層914通常為由熱生長的氧化矽和通過化學氣相沉積所沉積的氧化物的組合所構成的層。它也可由例如鋁的金屬層所構成。微影圖案藉由反應離子蝕刻轉移到遮罩層中，但矽葉片蝕刻直到製程後期才完成。在沒有蝕刻葉片的情況下，晶圓很容易通過剩餘的裝置層進行加工。葉片圖案972的背側通常與隔離溝槽920的頂側對準到幾微米之內。
接著，進行矽晶圓910的頂側10上的金屬化，如圖9G所示。為了與底下的矽晶圓910接觸，使用標準微影和反應離子蝕刻將通孔952圖案化並蝕刻至遮罩層914中。在蝕刻通孔952之後，金屬化被沉積以形成金屬層940，且被圖案化以形成經由通孔952到矽晶圓910的金屬互連956和接觸954。針對一具體實施例，金屬為鋁且使用濕式蝕刻技術進行圖案化。在具有高互連密度的反射鏡陣列中，使用乾式蝕刻或汽化金屬剝離技術對金屬進行圖案化是有利的，以實現更精細的線寬。金屬層940用於提供接合焊墊和互連，其將來自控制電路的電信號連接到每個反射鏡以控制反射鏡致動。
第二金屬層960的沉積提供反射鏡表面。這種金屬經過調整以在感興趣的光學波長下提供高反射鏡反射率，且通常使用剝離技術進行汽化和圖案化，以允許金屬化技術的更廣泛選擇。對於一具體實施例，金屬化由500 nm的鋁組成。然而，額外的金屬疊層(例如Cr/Pt/Au)可用於提高光纖常見波段的反射率。因為金屬在應力下沉積且會影響最終的反射鏡平整度，因此減少反射鏡區域中的遮罩層914的厚度是有利的。這可通過在汽化前對底層介電質進行乾式蝕刻來實現。
如圖9H所示，完成頂側處理。首先，可施加鈍化介電層(未顯示)，以在後續處理期間保護金屬化。在接合焊墊區域中移除鈍化介電層。其次，使用多個蝕刻來定義包含框架、反射鏡、和支撐件的反射鏡結構，這些蝕刻定義了將結構元件分隔開的溝槽921。蝕刻為自對準的，且通過各種金屬、介電質和矽晶圓910進行。施加進一步的毯式沉積至頂側，其使溝槽921的側壁鈍化，且為頂側的機械釋放做好準備。
如圖9I所式，背側矽蝕刻將葉片圖案972轉移到矽晶圓910基板中，以獲得葉片970。使用美國專利5,501,893中揭露的技術，使用對氧化物具有高選擇性的深度矽蝕刻來執行蝕刻。深度矽蝕刻在葉片970中實現接近垂直的輪廓，其名義上可為5-20微米寬並超過300微米深。蝕刻停止在埋層氧化物層912上，以在晶圓上提供均勻的深度，同時不穿透矽晶圓910的頂側10表面。由於蝕刻停止在埋層氧化物層912上，因此無需使用中央載台802上的細長構件830來移除裝置上的蝕刻深度變化。因此，圖8B、8C、和8D的不同圖案是可能的。所有葉片970可同時在整個反射鏡元件和反射鏡陣列中進行蝕刻。埋層氧化物層912可在此時進行蝕刻。
參考圖9J，因為裝置晶圓現在準備用於微結構釋放，裝置晶圓320變得更容易因處理衝擊或氣流而受到產量損失的影響。為了方便處理和幫助對反射鏡陣列進行氣密密封，將矽晶圓310接合到裝置晶圓320，以在釋放後保護葉片。在一具體實施例中，接合是通過使用接合元件322來完成的，例如燒結玻璃材料接合元件，其被加熱到其流動溫度並接著被冷卻。以這種方式，400℃溫度的接合元件312產生氣密密封以圍繞整個反射鏡陣列。使用接合元件322(例如燒結玻璃材料接合元件)在裝置晶圓320和矽晶圓310之間的分離允許葉片970在沒有阻抗的情況下擺動高旋轉角度。通常，所需的間隙(standoff)大於25 um。
最終結構釋放是使用二氧化矽和矽的乾式蝕刻的組合在圖9K中的晶圓頂側上完成的，其穿透溝槽921以懸掛反射鏡336和框架330的可移動元件。此外，釋放蝕刻藉由例如將框架330的矽與周圍構件338、338'和裝置晶圓320的矽分離來促進電隔離。通孔952用於將矽區域連接到金屬互連956(如圖9G所示)。為了將反射鏡與外部環境完全密封，蓋晶圓350被接合到裝置晶圓320，較佳為通過接合元件322(例如，燒結玻璃密封)。蓋晶圓350通常為玻璃，其允許入射光在反射鏡腔332中以低損耗的方式傳輸，從反射鏡336的上表面反射，並從反射鏡腔332傳輸出去。
在另一個變體中，在與裝置晶圓320接合之前，矽晶圓310塗佈有遮罩層412(如圖10A所示)。此遮罩層可由熱生長的氧化矽和通過化學氣相沉積沉積的氧化物的組合所構成。它也可由例如鋁、鍺、或金之類的金屬層構成，例如可用於共晶或熱壓接合。使用標準微影和反應離子蝕刻對遮罩層412進行圖案化(如圖10B所示)。矽蝕刻將遮罩層412的圖案轉移到矽晶圓310基板中，以獲得支撐錨430。使用美國專利5,501,893中揭露的技術，使用對氧化物具有高選擇性的深度矽蝕刻來執行蝕刻。蝕刻深度允許葉片970在沒有阻抗的情況下擺動高旋轉角度。一般來說，所需的深度大於25 um。使用例如共晶接合、熱壓接合、熔合接合、或陽極接合將矽晶圓310接合到裝置晶圓320。在接合過程中，支撐錨430接觸支撐帶334(如圖4所示)。在一些組態中，支撐錨430接合到支撐帶334。在其他組態中，支撐錨430與支撐帶334接觸。支撐錨430和支撐帶334之間的接合或接觸抑制了來自反射鏡336通過其共同錨的任何耦合機械運動。
儘管本文已經顯示和描述了本發明的較佳具體實施例，但對於本技術領域中具有通常知識者來說顯而易見的是，這些具體實施例僅作為示例提供。在不偏離本發明的情況下，本技術領域中具有通常知識者現在將想到許多變化、改變和替換。應當理解，在實施本發明時可採用本文所描述的本發明具體實施例的各種替代方案。申請專利範圍旨在定義本發明的範疇，且這些申請專利範圍及其均等的範圍內的方法和結構將由此被涵蓋。
3:線 9:線 10:頂側 20:底側 110:致動電壓 120:振盪 130:電壓量測 200:MEMS反射鏡陣列 210:金屬層 212:反射鏡腔 220:支撐件 310:矽晶圓 312:接合元件 312':接合元件 320:裝置晶圓 322:接合元件 322':接合元件 324:通孔 326:溝槽 328:隔離縫 330:框架 332:反射鏡腔 334:支撐帶 336:反射鏡 338:周圍構件 338':周圍構件 340:金屬互連 350:蓋晶圓 400:MEMS反射鏡陣列 412:遮罩層 424:可移動葉片 426:葉片溝槽 430:支撐錨 502:共振頻率 510:反射鏡 604:共振頻率 606:共振頻率 708:共振頻率 800:致動器 802:中央載台 804:移動框架 812:第一葉片 814:第一側翼葉片 814':第一側翼葉片 816:第一葉片 818:第二側翼葉片 818':第二側翼葉片 822:第一側葉片 824:第一側翼葉片 824':第一側翼葉片 826:第二側葉片 828:第二側翼葉片 828':第二側翼葉片 830:細長構件 832:中央載台撓曲件 832':中央載台撓曲件 834:固定框架撓曲件 834':固定框架撓曲件 840:固定框架 900:MEMS反射鏡陣列 902:矽晶圓的左上部分 910:矽晶圓 912:埋層氧化物層 914:遮罩層 916:光阻層 920:隔離溝槽 921:溝槽 922:底部 924:頂部 926:刻痕 928:側壁 930:空隙 932:介面 940:金屬層 952:通孔 954:接觸 956:金屬互連 960:第二金屬層 970:葉片 972:葉片圖案
在所附的申請專利範圍中具體闡述了本發明的新穎特徵。通過參考對在其中利用到本發明原理的說明性具體實施例加以闡述的以下詳細描述和附圖，將會對本發明的特徵和優點獲得更好的理解：
圖1顯示了在MEMS陣列中的反射鏡上斜升的驅動電壓和相鄰反射鏡中的不希望的振盪；
圖2顯示了反射鏡陣列的一部分；
圖3顯示了沿圖2中的線3-3所截取的習知的反射鏡陣列的橫截面；
圖4顯示了具有支撐錨的熔接反射鏡陣列的橫截面；
圖5顯示了陣列中的電流頻率分佈；
圖6顯示了陣列中的建議頻率分佈；
圖7顯示了陣列中的第二建議頻率分佈；
圖8A顯示了具有滿載和頻率(f 0)的個別反射鏡；
圖8B顯示了具有部分負載和頻率(f 1)的個別反射鏡；
圖8C顯示了具有部分負載和頻率(f 2)的個別反射鏡；
圖8D顯示了具有部分負載和頻率(f 3)的個別反射鏡；
圖9A顯示了矽晶圓的橫截面；
圖9B顯示了晶圓的一部分，其具有遮罩層、光阻層、和通往晶圓的矽表面的開口；
圖9C顯示了形成在矽晶圓中的隔離溝槽；
圖9D顯示了在矽晶圓的頂表面上以及在隔離溝槽的側壁和底部上具有介電層的晶圓的一部分；
圖9E顯示了在介電層進行平坦化之後的晶圓的一部分；
圖9F顯示了在晶圓頂部上的隔離溝槽和在晶圓底部上用於葉片的遮罩層；
圖9G顯示在晶圓頂部的金屬化；
圖9H顯示在晶圓頂部的溝槽；
圖9I顯示了由深度矽蝕刻產生的葉片；
圖9J顯示了基底晶圓，其接合至包含葉片的晶圓；
圖9K顯示了在釋放蝕刻分離了部分結構之後以及在附接蓋晶圓之後的晶圓；以及
圖10A-C顯示了在接合之前的另一變體。
400:MEMS反射鏡陣列
502:共振頻率
510:反射鏡
604:共振頻率
606:共振頻率

Claims (25)

  1. 一種微機電(MEMS)陣列，包含：一第一載台、樞轉地耦合至該第一載台的一第一框架、以及一第一載台反射表面，其中該第一載台反射表面具有一第一共振頻率；一第二載台、樞轉地耦合至該第二載台的一第二框架、以及一第二載台反射表面，其中該第二載台反射表面具有一第二共振頻率；以及一基底晶圓，其位於該第一載台和該第二載台下方，其中該第一載台在該基底晶圓上與該第二載台相鄰。
  2. 如請求項1所述之MEMS陣列，其中該第一載台通過一對第一載台撓曲件樞轉地耦合至該第一框架，且該第二載台通過一對第二載台撓曲件樞轉地耦合到該第二框架。
  3. 如請求項2所述之MEMS陣列，其中該等第一載台撓曲件和該等第二載台撓曲件組態為繞一單一軸旋轉並實質地限制繞其他軸的旋轉，該單一軸位於該等第一載台撓曲件和該等第二載台撓曲件中的一或多個的一長度方向上。
  4. 如請求項3所述之MEMS陣列，其中該等撓曲件包含複數個扭力樑。
  5. 如請求項4所述之MEMS陣列，其中該複數個扭力樑基本上為彼此平行。
  6. 如請求項4所述之MEMS陣列，其中該複數個扭力樑中的每一者都具有一扭力樑長度，且其中該複數個扭力樑沿該等扭力樑長度的一部分為不平行。
  7. 如請求項1所述之MEMS陣列，更包含：耦合至該第一載台的一第一組一或多個第一載台葉片，該第一組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至該第一載台的一第二組一或多個第一載台葉片，該第二組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至該第二載台的一第一組一或多個第二載台葉片，該第一組一或多個第二載台葉片係彼此電連接；以及耦合至該第二載台的一第二組一或多個第二載台葉片，該第二組一或多個第二載台葉片係彼此電連接。
  8. 如請求項1所述之MEMS陣列，更包含：一第三載台、樞轉地耦合至該第三載台的一第三框架、以及一第三載台反射表面，其中該第三載台反射表面具有一第三共振頻率，其中該第三載台位於該基底晶圓上，且在一第一側上與該第一載台相鄰以及在垂直於該第一側的一第二側上與該第二載台相鄰。
  9. 如請求項8所述之MEMS陣列，更包含：一第四載台、樞轉地耦合至該第四載台的一第四框架、以及一第四載台反射表面，其中該第四載台反射表面具有一第四共振頻率，其中該第四載台位於該基底晶圓上，且與該第一載台、該第二載台、和該第三載台中的其中至少一者相鄰。
  10. 如請求項1所述之MEMS陣列，更包含藉由一接合元件固定到該基底晶圓的一裝置晶圓。
  11. 如請求項1所述之MEMS陣列，其中該基底晶圓更包含與一支撐帶接觸的一支撐錨，且其中該支撐錨和該支撐帶之間的接觸可操作以抑制該反射表面的機械運動。
  12. 一種用以製造一微機電(MEMS)陣列的方法，包含：在一基板的一第一側上形成一介電材料層；在該基板的該第一側上形成包含介電材料的多個垂直隔離溝槽；在與該基板的該第一側相對的該基板的一第二側上圖案化一遮罩層；在該基板的該第一側上形成多個通孔；金屬化該基板的該第一側；在該基板的該第一側上沉積一第二金屬層，以形成一反射表面；在該基板的該第一側上形成多個第二溝槽，以定義多個結構；深度地蝕刻該基板的該第二側，以形成多個窄葉片；在形成該等窄葉片後，將一基底晶圓接合到該基板的該第二側；以及蝕刻穿過該基板的該第一側上的該等第二溝槽，以釋放該等結構並提供電隔離，其中該微機電陣列具有一第一載台、樞轉地耦合至該第一載台的一第一框架、以及一第一載台反射表面，其中該第一載台反射表面具有一第一共振頻率，以及一第二載台、樞轉地耦合至該第二載台的一第二框架、以及一第二載台反射表面，其中該第二載台反射表面具有一第二共振頻率。
  13. 如請求項12所述之方法，其中該基板包含一矽晶圓。
  14. 如請求項12所述之方法，其中該介電材料為二氧化矽。
  15. 如請求項12所述之方法，更包含在金屬化該基板的該第一側之後形成一鈍化介電層於該基板的該第一側上。
  16. 如請求項12所述之方法，更包含將一蓋晶圓附接到該基板的該第一側。
  17. 如請求項16所述之方法，其中該蓋晶圓包含玻璃。
  18. 一種微機電(MEMS)陣列，包含：一第一載台、樞轉地耦合至該第一載台的一第一框架、以及一第一載台反射表面；以及一基底晶圓，其位於該第一載台下方，其中該基底晶圓更包含與一支撐帶接觸的一支撐錨，且其中該支撐錨和該支撐帶之間的接觸可操作以抑制該反射表面的機械運動。
  19. 如請求項18所述之MEMS陣列，其中該第一載台通過一對第一載台撓曲件樞轉地耦合至該第一框架。
  20. 如請求項19所述之MEMS陣列，其中該等第一載台撓曲件組態為繞一單一軸旋轉並實質地限制繞其他軸的旋轉，該單一軸位於該等撓曲件的一長度方向上。
  21. 如請求項20所述之MEMS陣列，其中該等撓曲件包含複數個扭力樑。
  22. 如請求項21所述之MEMS陣列，其中該複數個扭力樑基本上係彼此平行。
  23. 如請求項21所述之MEMS陣列，其中該複數個扭力樑中的每一者都具有一扭力樑長度，且其中該複數個扭力樑沿該等扭力樑長度的一部分為不平行。
  24. 如請求項18所述之MEMS陣列，更包含：耦合至該第一載台的一第一組一或多個第一載台葉片，該第一組一或多個第一載台葉片係彼此電連接；以及耦合至該第一載台的一第二組一或多個第一載台葉片，該第二組一或多個第一載台葉片係彼此電連接。
  25. 如請求項18所述之MEMS陣列，更包含藉由一接合元件固定到該基底晶圓的一裝置晶圓。
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