包含彈簧和懸掛在其上的元件的裝置及制造該裝置的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種MEMS結(jié)構(gòu)，其具有由不同的層構(gòu)成的疊層以及由所述疊層形成的、其厚度變化的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，并且其中從所述疊層和所述基底的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層，或者移除基底、第一蝕刻停止層和第一半導(dǎo)體層，并且本發(fā)明涉及用于制造這樣的結(jié)構(gòu)的方法。
【專利說(shuō)明】包含彈簧和懸掛在其上的元件的裝置及制造該裝置的方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種包含由疊層形成的彈簧和通過(guò)所述彈簧而被懸掛的元件的裝置，并且涉及一種通過(guò)由基底和半導(dǎo)體層構(gòu)成的疊層來(lái)制造所述裝置的方法。

【背景技術(shù)】
[0002]在絕大多數(shù)的壓電微掃描器中，微反射鏡通過(guò)由兩個(gè)電極包圍的壓電層和作用類似于彎梁的下方載體層構(gòu)成的致動(dòng)器而被驅(qū)動(dòng)。設(shè)置在微掃描器的兩個(gè)相對(duì)外側(cè)的壓電致動(dòng)器以相反的相位驅(qū)動(dòng)，從而使得設(shè)置在致動(dòng)器之間并通過(guò)部分彈簧而懸掛在致動(dòng)器處的反射鏡以由所述反射鏡、致動(dòng)器和彈簧形成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的扭振模式振動(dòng)。不同的層厚對(duì)于建立這樣的系統(tǒng)從而實(shí)現(xiàn)不同部件各自的功能來(lái)說(shuō)需要不同的層厚。
[0003]小的致動(dòng)器層厚通常被探尋以允許大的偏轉(zhuǎn)。通過(guò)恒定的力，彎梁的偏轉(zhuǎn)會(huì)隨著層厚的降低而增加。然而，致動(dòng)器通常并不會(huì)降低至低于特定的層厚，因?yàn)檫^(guò)于薄的致動(dòng)器會(huì)表現(xiàn)出非常低的共振頻率和差的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
[0004]微掃描器的反射鏡需要特定的最小厚度，從而最小化通過(guò)致動(dòng)器的動(dòng)態(tài)激勵(lì)而被激勵(lì)的反射鏡的偏轉(zhuǎn)區(qū)域的動(dòng)態(tài)變形。
[0005]懸掛反射鏡的扭力彈簧的層厚通常被非常精確地確定，從而在施加變形時(shí)將被最小化的材料應(yīng)力與所需要的高共振頻率之間尋找折衷。雖然扭力彈簧的層厚的增加期望能提高彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的共振頻率，但是在操作期間由扭力彈簧的變形而引發(fā)的材料應(yīng)力同樣會(huì)提高，其可能會(huì)導(dǎo)致微掃描器的過(guò)早損壞。
[0006]扭力彈簧和致動(dòng)器之間的加強(qiáng)彈簧為足夠厚的，從而避免在這些位置由致動(dòng)器產(chǎn)生所不期望的變形。所述的加強(qiáng)彈簧可以包括比致動(dòng)器更大的厚度。
[0007]因此，微掃描器形式的MEMS(微電子機(jī)械系統(tǒng))結(jié)構(gòu)在不同的區(qū)域理想地表現(xiàn)出相互不同的層厚，其中所述層厚不得不以高自由度被確定并以高精度實(shí)現(xiàn)。MEMS結(jié)構(gòu)的機(jī)械和動(dòng)力學(xué)特性可以通過(guò)精確地確定參數(shù)并由此特別是確定層厚而被最優(yōu)化。
[0008]用于使用壓電致動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)微掃描器的常規(guī)方法允許致動(dòng)器、加強(qiáng)彈簧和將被驅(qū)動(dòng)的微反射鏡之間的層厚差。然而，不同的層厚難于根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)，因?yàn)橹聞?dòng)器的載體層通過(guò)由所使用的涂覆工藝(例如熱氧化)所允許的限制而被限制在其最大厚度。在大多數(shù)情況中，其僅為數(shù)微米。然而，表現(xiàn)出這些層厚的致動(dòng)器并不能實(shí)現(xiàn)高共振頻率和穩(wěn)定性。此外，這種方法并未提供在致動(dòng)器和扭力彈簧之間以最優(yōu)化的厚度設(shè)置加強(qiáng)彈簧的方式，因?yàn)樵撝圃旃に噧H基于被設(shè)置在基底層上的由氧化物層隔離的硅層，并且除去相對(duì)薄的氧化物層之外，硅層的層厚確定加強(qiáng)彈簧的最大厚度。由于僅存在兩個(gè)材料層和氧化物層，所以移除單獨(dú)的材料層來(lái)實(shí)現(xiàn)不同厚度的區(qū)域僅允許有限數(shù)量的區(qū)域存在不同厚度。
[0009]這樣的工藝過(guò)程在圖9中被描述。
[0010]在圖10中所描述的另一種方法提供了在致動(dòng)器和反射鏡之間相對(duì)容易地提供層厚差的方式。將被實(shí)施為薄的致動(dòng)器以時(shí)間控制的方式通過(guò)背側(cè)蝕刻而被預(yù)蝕刻，其中，將被實(shí)施為相對(duì)較厚的反射鏡相繼地與預(yù)蝕刻致動(dòng)器一起被進(jìn)一步蝕刻。使用這種方法，致動(dòng)器的層厚就可以根據(jù)需要來(lái)調(diào)節(jié)，因?yàn)檩d體層由硅形成并由此可在蝕刻過(guò)程期間產(chǎn)生相對(duì)任意的層厚。然而，該層的橫向延伸方向的層厚精度和蝕刻邊緣角度由于在整個(gè)晶片上不均勻的蝕刻速度而難于確保。由此，這種方法僅適用于調(diào)節(jié)機(jī)械被動(dòng)區(qū)域(例如反射鏡或加強(qiáng)彈簧)的層厚。所述方法不能被用于機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(mechanically activereg1ns)，像扭力彈簧，扭力彈簧的特性(尤其是固有頻率和永久可產(chǎn)生應(yīng)力性)由于先前提到的不精確性而被層厚所影響和確定，因?yàn)楸仨毐痪_計(jì)算的扭力彈簧的層厚是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。
[0011]圖11示出用于制造靜電操作元件、例如SOI (絕緣體上硅)晶片的另一種方法，所述SOI由其間設(shè)置有功能層的兩個(gè)相等層厚的硅層構(gòu)成。所述方法包括從SOI晶片的頂側(cè)朝向SOI晶片的背側(cè)圖案化并形成這些層。然而，這種技術(shù)并不適用于壓電致動(dòng)器。用于壓電驅(qū)動(dòng)的功能層、壓電層和電極被理想地設(shè)置在最上表面上。因?yàn)閷?duì)于壓電材料來(lái)說(shuō)有利的是在未圖案化的晶片上執(zhí)行涂覆工藝，所以從設(shè)置有功能層的頂側(cè)進(jìn)行預(yù)圖案化是達(dá)不到預(yù)期目的的。
[0012]用于制造包含靜電驅(qū)動(dòng)的MEMS元件的方法的另一例子包括將圖案化的晶片與第二研磨晶片結(jié)合在一起并相繼地從主側(cè)涂覆和圖案化疊層的步驟。晶片的厚度可以通過(guò)研磨第二晶片來(lái)調(diào)節(jié)。然而，因?yàn)閴弘娭聞?dòng)器需要表現(xiàn)出數(shù)微米的層厚，所以晶片將不得不被研磨以降低至這樣的小厚度。使用這種方法，MEMS元件中的壓電致動(dòng)器僅可以以不適當(dāng)?shù)某杀緛?lái)制造。此外，調(diào)節(jié)相互結(jié)合的兩個(gè)晶片是困難的并提高了制造工藝的復(fù)雜程度。
[0013]結(jié)果，所期望的是MEMS結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件彼此表現(xiàn)出不同的厚度并可被(成本)有效地制造。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]根據(jù)一種實(shí)施方式，MEMS結(jié)構(gòu)可以具有:具有基底的疊層、第一蝕刻停止層、第一半導(dǎo)體層、第二蝕刻停止層、第二半導(dǎo)體層，它們以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地布置；形成在所述疊層內(nèi)的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)彈簧和通過(guò)所述彈簧懸掛的元件；并且其中所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)通過(guò)從所述基底背對(duì)第一蝕刻停止層的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底、同時(shí)留下(leave)第一半導(dǎo)體層，并且移除基底、第一蝕刻停止層和第一半導(dǎo)體層來(lái)改變厚度。
[0015]根據(jù)另一種實(shí)施方式，MEMS結(jié)構(gòu)可以具有:具有基底的疊層、第一蝕刻停止層、第一半導(dǎo)體層、第二蝕刻停止層、第二半導(dǎo)體層，它們以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地布置；形成在所述疊層內(nèi)的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其具有至少一個(gè)彈簧和通過(guò)所述彈簧懸掛的元件；和壓電致動(dòng)器層，其被設(shè)置在第二蝕刻停止層上，從而使得第二半導(dǎo)體層被設(shè)置在第二蝕刻停止層和壓電致動(dòng)器層之間；其中，所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)通過(guò)從所述基底背對(duì)第一蝕刻停止層的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層，并且移除基底、第一蝕刻停止層和第一半導(dǎo)體層來(lái)改變厚度，從而使得a)第一蝕刻停止層或第一半導(dǎo)體層和b)第二蝕刻停止層或第二半導(dǎo)體層形成所述疊層的背側(cè)；并且其中所述壓電致動(dòng)器層被設(shè)置在絕緣層的平坦的且未圖案化的表面上，從而使得在壓電致動(dòng)器層被設(shè)置在其中的致動(dòng)器區(qū)域中，從壓電致動(dòng)器層開始朝向疊層的背側(cè)，存在于該方向上的層被設(shè)置為在其間不存在中斷。
[0016]根據(jù)又一種實(shí)施方式，用于制造具有厚度為材料厚度的疊層的MEMS結(jié)構(gòu)的方法可以具有步驟:提供基底、第一蝕刻停止層、第一半導(dǎo)體層、第二蝕刻停止層和第二半導(dǎo)體層的疊層，它們以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地布置；使具有至少一個(gè)彈簧和通過(guò)所述彈簧懸掛的元件的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)形成在所述疊層中，并通過(guò)從所述基底背對(duì)第一蝕刻停止層的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層，并且移除基底、第一蝕刻停止層和第一半導(dǎo)體層來(lái)改變厚度。
[0017]本發(fā)明的中心思想在于，需要認(rèn)識(shí)到上述的目的可以通過(guò)形成由至少一個(gè)基底和在其間包括蝕刻停止層的兩個(gè)半導(dǎo)體層構(gòu)成的疊層，并從背側(cè)移除不同的層，由此令彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)產(chǎn)生厚度上的變化而實(shí)現(xiàn)。
[0018]根據(jù)一種實(shí)施方式，形成由一個(gè)娃層和兩個(gè)多晶娃層構(gòu)成的疊層，其中，氧化物層被設(shè)置在層之間和并且硅層用作基底。在彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的彈簧和質(zhì)量實(shí)現(xiàn)之前，壓電功能層被設(shè)置在疊層的平坦主側(cè)上，并且層厚局部變化的蝕刻停止層被實(shí)現(xiàn)。該裝置可以以高精度而被制造，從而使得例如共振頻率等參數(shù)可被精確地并且以可復(fù)制的方式調(diào)節(jié)。
[0019]其它有利的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中涉及。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0020]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式在下文將參照附圖詳細(xì)描述，其中:
[0021]圖la_b不出包含可振動(dòng)懸掛微反射鏡的MEMS結(jié)構(gòu)的俯視圖和截面圖；
[0022]圖2示出包含數(shù)層的疊層的截面圖；
[0023]圖3a_e示出設(shè)置不同的層以形成疊層的各個(gè)步驟；
[0024]圖4示出致動(dòng)器在疊層上的設(shè)置；
[0025]圖5示出從疊層的頂側(cè)局部選擇性地移除層；
[0026]圖6示出從疊層的背側(cè)局部選擇性地移除層；
[0027]圖7示出在可替換的截面上從疊層的背側(cè)局部選擇性地移除材料層；
[0028]圖8示出在另一個(gè)截面上從疊層的背側(cè)局部選擇性地移除材料層；
[0029]圖9示出現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)背側(cè)蝕刻來(lái)制造MEMS結(jié)構(gòu)的方法；
[0030]圖10示出現(xiàn)有技術(shù)中通過(guò)時(shí)間控制預(yù)蝕刻來(lái)制造MEMS結(jié)構(gòu)的替換方法；
[0031]圖11示出現(xiàn)有技術(shù)包含的制造MEMS結(jié)構(gòu)的另一種方法。

【具體實(shí)施方式】
[0032]圖1a示出包含微反射鏡49的MEMS結(jié)構(gòu)的俯視圖，所述微反射鏡49通過(guò)扭力彈簧56a-d和加強(qiáng)彈簧53a-d懸掛在致動(dòng)器48a和48b處。虛線A_A’、B-B’和C-C’說(shuō)明了用于圖1b描述MEMS結(jié)構(gòu)的安裝橫截面的截面。
[0033]圖1b的截面A-A’示出致動(dòng)器48a和48b以及加強(qiáng)彈簧53a和53c，其與致動(dòng)器48a和48b相比包含更大的厚度。對(duì)于截面B-B’來(lái)說(shuō)，圖1b示出扭力彈簧56a和56c，其與加強(qiáng)彈簧53a和53c相比包含更小的厚度。結(jié)果是扭力彈簧56a和56c與加強(qiáng)彈簧43a和54c相比更加適應(yīng)朝向由致動(dòng)器48a和48b導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)。對(duì)于截面C-C’，圖1b示出設(shè)置在致動(dòng)器48a和48b之間的微反射鏡49。扭力彈簧56a和55c以及致動(dòng)器48a和48b包含大致相同的厚度。
[0034]在截面C-C’中，圖2示出提供包含基底14的疊層12，所述基底14例如由硅層形成。在定義了基底14頂側(cè)的基底14的主側(cè)上設(shè)置第一蝕刻停止層22，在背對(duì)基底14的表面上設(shè)置第一半導(dǎo)體層24。第一半導(dǎo)體層24的背對(duì)第一蝕刻停止層22的主側(cè)覆蓋有第二蝕刻停止層26，在其背對(duì)第一半導(dǎo)體層24的主側(cè)上設(shè)置第二半導(dǎo)體層28。在定義了疊層12的頂側(cè)的、背對(duì)基底14的主側(cè)上，所提供的疊層12覆蓋有絕緣層32，例如非導(dǎo)電蝕刻層。所提供的疊層12的第一和第二半導(dǎo)體層24和28例如可以由多晶硅形成，而第一和第二蝕刻停止層22和26可以由二氧化硅構(gòu)成。絕緣層由非導(dǎo)電材料形成，防止第一電極36a和36b與第二半導(dǎo)體層28的電接觸。
[0035]第一半導(dǎo)體層24和第二半導(dǎo)體層28的厚度為彼此不同并且根據(jù)MEMS結(jié)構(gòu)的各個(gè)部件所需要的厚度進(jìn)行選擇。在隨后的蝕刻過(guò)程期間，蝕刻停止層的厚度與具有可比厚度的半導(dǎo)體層相比被相當(dāng)緩慢地蝕刻。半導(dǎo)體層的橫向掩蔽位置允許移除各個(gè)半導(dǎo)體層的未被掩模覆蓋的區(qū)域，而由所述掩模覆蓋的區(qū)域未被蝕刻，因?yàn)槲g刻過(guò)程僅非常緩慢地移除類似薄的蝕刻停止掩模。功能層可以通過(guò)使用在橫向尺寸上具有最小厚度變化的掩模來(lái)掩蔽而被相互隔離。當(dāng)移除最小厚度的蝕刻停止層的時(shí)候，所剩余的在蝕刻停止掩模的意義上來(lái)說(shuō)是殘留的軸向尺寸，能夠防止所掩蔽的區(qū)域被移除。氧化物層的掩蔽可被特別地完成、以形成類似島的蝕刻停止區(qū)域。
[0036]在其橫向方向，第一蝕刻停止層22包含區(qū)域34，沿著其橫向尺寸，第一蝕刻停止層22比疊層12的其余橫向方向上具有更大的厚度。第一蝕刻停止層22在區(qū)域34中的層厚變化被逐步地執(zhí)行。設(shè)置在第一蝕刻停止層上的第一半導(dǎo)體層24在層24的橫向尺寸上同樣具有變化的層厚，其中，第一半導(dǎo)體層24在區(qū)域34中被逐步實(shí)施為更薄，達(dá)到第一蝕刻停止層22在區(qū)域34中被實(shí)施為更厚的、以使得第一半導(dǎo)體層的背對(duì)第一蝕刻停止層22的主側(cè)被成形為平面的程度。其它的層26、28和32也包含平坦的表面。
[0037]疊層12用作對(duì)應(yīng)如下方法步驟的初始工件。各個(gè)層的一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上的連續(xù)設(shè)置在下文的圖3中示出。
[0038]圖3a的截面C-C’示出基底14的布置，以及第一蝕刻停止層22在定義了頂側(cè)的基底14的主側(cè)上的設(shè)置。使其主側(cè)與基底的頂側(cè)相對(duì)，基底14形成連續(xù)形成的疊層12的背側(cè)。
[0039]隨后，被設(shè)置以背對(duì)疊層12背側(cè)的層或疊層12的主側(cè)被稱為頂側(cè)，并且面向疊層12背側(cè)的層的主側(cè)被稱為背側(cè)。這些術(shù)語(yǔ)是為了清楚描述，不用于定義疊層或其層在空間或設(shè)置中的取向。
[0040]第一蝕刻停止層22被設(shè)置在基底上，從而使得階梯型增長(zhǎng)的層厚在區(qū)域34中實(shí)現(xiàn)，由此設(shè)置掩蔽或掩模。由此，用于后續(xù)蝕刻過(guò)程的掩模被形成。熱氧化過(guò)程例如可被用于設(shè)置第一蝕刻停止層22。
[0041]圖3b的截面C-C’示出在第一蝕刻停止層22的頂側(cè)上設(shè)置第一半導(dǎo)體層的后續(xù)步驟。設(shè)置例如可以通過(guò)外延生長(zhǎng)方法來(lái)執(zhí)行。第一蝕刻停止層22的階梯型的不均勻?qū)嵤┩ㄟ^(guò)設(shè)置第一半導(dǎo)體層而被補(bǔ)償，從而使得第一半導(dǎo)體層24的頂側(cè)被實(shí)施為平坦的。在第一半導(dǎo)體層24的區(qū)域34中，該步驟導(dǎo)致第一半導(dǎo)體層24在區(qū)域34中以比其余下的橫向延伸部分中更小的厚度而被實(shí)施。通過(guò)第一蝕刻停止層22來(lái)設(shè)置掩蔽與設(shè)置后續(xù)其它的層是不相關(guān)的，因?yàn)槠渌膶涌梢员环胖迷谄教沟谋砻嫔?。這意味著:其它的方法步驟與在將要被蝕刻的基底層或半導(dǎo)體的外部主側(cè)上需要掩蔽的現(xiàn)有方法相比被極大地簡(jiǎn)化。將要被設(shè)置的例如用于致動(dòng)器的功能層被優(yōu)選設(shè)置在平坦的晶片表面上。當(dāng)疊層的表面由于掩蔽而被實(shí)施為不均勻的時(shí)候，這就增加了設(shè)置功能層的復(fù)雜度。
[0042]圖3c的截面C-C’示出第二蝕刻停止層26在第一半導(dǎo)體層24頂側(cè)上的設(shè)置。
[0043]圖3d的截面C-C’示出第二半導(dǎo)體層28在第二蝕刻停止層26頂側(cè)上的設(shè)置。第二半導(dǎo)體層28在這里以不同于第一半導(dǎo)體層24的層厚設(shè)置，其中在原則上，可以想到對(duì)于第一半導(dǎo)體層24和第二半導(dǎo)體層28可以表現(xiàn)為相同的層厚。在設(shè)置這些層之后，基底14、第一蝕刻停止層22、第一半導(dǎo)體層24、第二蝕刻停止層26和第二半導(dǎo)體層28形成疊層12，其由如下步驟提供。
[0044]圖3e的截面C-C’示出絕緣層32在疊層12的橫向尺寸上的設(shè)置，從而允許功能層被連續(xù)地設(shè)置。
[0045]圖4的截面C-C’示出在疊層12或者絕緣層32的頂側(cè)上設(shè)置第一電極36a和36b、壓電材料38a和38b以及第二電極42a和42b的方法步驟。第一電極36a和36b、壓電材料38a和38b以及第二電極42a和42b在絕緣層32的頂側(cè)上被相繼地設(shè)置。電極36a、36b、42a和42b被設(shè)置，從而使得壓電材料38a被設(shè)置在第一電極36a和第二電極42a之間，并且壓電材料38b被設(shè)置在第一電極36b和第二電極42b之間。由此，第二電極42a和42b分別相對(duì)于第一電極36a和36b而被設(shè)置,從而使得第二電極42a和42b分別不與第一電極36a和36b相接觸，由此防止短路。此外，絕緣層32通過(guò)圖案43而被細(xì)分為數(shù)個(gè)橫向區(qū)域44a、44b、46a和46b。所述圖案43例如可以通過(guò)割斷或切割貫穿絕緣層32來(lái)完成。區(qū)域44a和44b在這里為將要被暴露的區(qū)域，而區(qū)域46a和46b被實(shí)施為致動(dòng)器區(qū)域。
[0046]絕緣層32例如通過(guò)研磨或蝕刻過(guò)程在將要被暴露的區(qū)域44a和44b以及區(qū)域34中被移除。隨后，反射層47在可移動(dòng)結(jié)構(gòu)將在稍后被實(shí)施在其上的區(qū)域34中被設(shè)置在第二半導(dǎo)體層28的頂側(cè)上。這例如可以包括鋁層或銀層，以反射入射光能，例如激光束。當(dāng)將由疊層12形成的結(jié)構(gòu)用于非光學(xué)應(yīng)用的時(shí)候，反射表面可被忽略。
[0047]圖5的截面C-C’示出在將要被暴露的區(qū)域44a和44b中從第二半導(dǎo)體層28的頂側(cè)開始，移除第二半導(dǎo)體層28、第二蝕刻停止層26和第一半導(dǎo)體層24。移除例如可以通過(guò)蝕刻過(guò)程來(lái)完成。在從所述疊層的頂側(cè)開始移除這些層之后，第一半導(dǎo)體層24、第二蝕刻停止層26、第二半導(dǎo)體層28和絕緣層32在沿著圖案43走向的橫向方向上被切斷，反射層47設(shè)置在第二半導(dǎo)體層上的區(qū)域34內(nèi)。
[0048]圖6的截面C-C’示出從所述疊層的背側(cè)開始移除基底14、第一半導(dǎo)體層24和部分第一蝕刻停止層22的步驟。在區(qū)域46a、46b、44a、44b和34的整個(gè)面積上首先移除基底14的蝕刻過(guò)程在這里可被用于移除。隨后，第一蝕刻停止層22在這些區(qū)域中被侵蝕或蝕刻掉。當(dāng)?shù)谝晃g刻停止層22在區(qū)域46a、44a、44b和46b中已經(jīng)被移除時(shí)，區(qū)域44a和44b在軸向方向上被完全暴露。在區(qū)域46a和46b中，蝕刻停止層22的不存在導(dǎo)致例如蝕刻過(guò)程等移除過(guò)程，從而繼續(xù)攻擊第一半導(dǎo)體層24。然而，由于掩蔽以及由此部分第一蝕刻停止層22存在于區(qū)域34的軸向方向上，第一半導(dǎo)體層24還從所述疊層的背側(cè)由第一蝕刻停止層22覆蓋。通過(guò)繼續(xù)蝕刻過(guò)程，第一半導(dǎo)體層在所述方法的其它過(guò)程中在區(qū)域46a和46b被移除，而第一蝕刻停止層22將部分地保留在區(qū)域34中，并且在區(qū)域34中移除第一半導(dǎo)體層24被防止。通過(guò)在致動(dòng)器區(qū)域46a和46b中部分地移除這些層，第二蝕刻停止層26、第二半導(dǎo)體層28和絕緣層32、第一電極36a和36b、壓電材料38a和38b以及第二電極42a和42b將保留在致動(dòng)器區(qū)域46a和46b的軸向方向上。
[0049]保留在區(qū)域46a和46b中的這些層形成致動(dòng)器48a和48b。由此，致動(dòng)器48a和48b被完成,從而使得在第一電極36a和36b以及第二電極42a和42b之間分別施加電壓分別導(dǎo)致壓電材料38a和38b變形。這種變形，例如壓電材料36a和36b的收縮導(dǎo)致設(shè)置在第一電極處的層的偏轉(zhuǎn)，其隨后表現(xiàn)為類似于彎梁。由此，致動(dòng)器48a和48b被支撐在外圍區(qū)域52a和52b。區(qū)域52a和52b在這里可以是初始疊層的一部分或后續(xù)設(shè)置。它們被執(zhí)行以形成通過(guò)前述方法步驟形成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的錨定點(diǎn)。在區(qū)域34的軸向方向上的殘留層形成具有偏轉(zhuǎn)層47的微反射鏡49。
[0050]圖7示出可替換的MEMS結(jié)構(gòu)10，其通過(guò)在截面A_A’中描述的方法來(lái)制造。在致動(dòng)器區(qū)域46a和46b中，基底14、第一蝕刻停止層22、第一半導(dǎo)體層24和第二蝕刻停止層26通過(guò)背側(cè)移除而被移除。在加強(qiáng)彈簧區(qū)域54a和54b中，第二蝕刻停止層26仍然存在，從而使得MEMS結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)彈簧53a和53b與致動(dòng)器48a和48b相比包含更大的厚度，同時(shí)忽略電極和壓電功能層。第二蝕刻停止層26通過(guò)局部選擇性方法在致動(dòng)器區(qū)域46a和46b中、并且在加強(qiáng)彈簧區(qū)域54a和54b之間的區(qū)域中被移除。
[0051]圖8示出MEMS結(jié)構(gòu)10在截面B-B’的截面圖，其中，扭力彈簧56a和56b在扭力彈簧區(qū)域58a和58b中被示出。在扭力彈簧區(qū)域58a和58b中，疊層的所有其它層，除了第二半導(dǎo)體層26，均被移除，其中示例性地扭力彈簧56a和56b通過(guò)從所述疊層12的背側(cè)選擇性地蝕刻來(lái)形成。
[0052]盡管在圖8中，扭力彈簧56a和56b僅通過(guò)第二半導(dǎo)體層28來(lái)形成，但是第二蝕刻停止層26、第一半導(dǎo)體層24或第一蝕刻停止層22每個(gè)均包括在疊層中設(shè)置在它們之上的各個(gè)層、以在保留的同時(shí)從所述疊層的背側(cè)移除層也是可行的。原則上，不同次序的層可在所述層的橫向尺寸上的不同位置處和所述層的不同剖面中被移除。
[0053]盡管前述實(shí)施方式中的材料層的疊層通常已經(jīng)包括第一和第二半導(dǎo)體層，但是所述疊層由在其間設(shè)置和/或不設(shè)置任何蝕刻停止層的數(shù)個(gè)半導(dǎo)體層形成也是可能的。
[0054]特別地，前述實(shí)施方式的制造方法允許制造在扭力彈簧58a和58b的區(qū)域和加強(qiáng)彈簧54a和54b的區(qū)域中包含彼此不同層厚的MEMS結(jié)構(gòu)。
[0055]該總體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性可以具體地通過(guò)實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器、加強(qiáng)彈簧、扭力彈簧和反射鏡元件的厚度而被非常良好地調(diào)節(jié)。在先描述的現(xiàn)有方法的限制可以通過(guò)如上所述的方法而被繞過(guò)。
[0056]盡管之前的實(shí)施方式通常描述制造包含可振動(dòng)懸掛反射鏡的MEMS結(jié)構(gòu)，但是其他的MEMS結(jié)構(gòu)、例如機(jī)械微動(dòng)器也可以使用所描述的方法來(lái)制造。
[0057]換句話說(shuō)，MEMS結(jié)構(gòu)的幾何構(gòu)型對(duì)于其總體性能是十分重要的。由此，依據(jù)所賦予的功能，以不同的層厚來(lái)構(gòu)造結(jié)構(gòu)的不同部件是實(shí)用的。由實(shí)施方式描述的工藝方法允許精確的定義，并且與此同時(shí)，允許在MEMS結(jié)構(gòu)中廣泛可實(shí)現(xiàn)的不同層厚的層厚范圍。
[0058]時(shí)間控制蝕刻方法并不足以在所期望的位置允許特定的層厚。對(duì)于在實(shí)施方式中所描述的工藝方法來(lái)說(shuō)，設(shè)置在基底上的雙層多晶硅層替代常規(guī)SOI晶片而被使用。用作蝕刻停止或背側(cè)蝕刻的氧化物層被設(shè)置在兩個(gè)多晶硅層之間以及多晶硅層和基底的硅層之間。晶片通過(guò)掩蔽蝕刻停止層而在背側(cè)蝕刻期間被局部地蝕刻。由此，MEMS結(jié)構(gòu)的層厚使用多晶硅層的厚度以及蝕刻停止層的厚度而被定義，從而使得在不同的橫向區(qū)域內(nèi)的層厚和這些區(qū)域的輪廓可被精確地調(diào)節(jié)。
[0059]當(dāng)設(shè)計(jì)所述結(jié)構(gòu)的時(shí)候，能夠利用數(shù)個(gè)、不同的層厚來(lái)制造MEMS結(jié)構(gòu)極高地提高了自由度。能夠掩蔽各個(gè)多晶硅和/或硅層之間的氧化物層而由此包含可變的層厚，然而，其中疊層的層的表面將包含平坦表面，這允許將壓電功能層沉積在疊層的最上層上，其極大地提高了制造工藝的質(zhì)量。
【權(quán)利要求】
1.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括: 疊層(12)，所述疊層包括基底(14)、第一蝕刻停止層(22)、第一半導(dǎo)體層(24)、第二蝕刻停止層(26)、第二半導(dǎo)體層(28)，它們以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地被布置； 在所述疊層(12)中形成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，包括至少一個(gè)彈簧(53a-d ；56a-d)和通過(guò)所述彈簧(53a_d ；56a-d)懸掛的兀件(49)； 并且其中所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)通過(guò)從基底(14)的背對(duì)第一蝕刻停止層(22)的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底(14)、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層(24)，并且移除基底(14)、第一蝕刻停止層(22)和第一半導(dǎo)體層(24)來(lái)改變厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中致動(dòng)器層(38a；38b)被設(shè)置成使得第二半導(dǎo)體層(28)被設(shè)置在第二蝕刻停止層(26)和致動(dòng)器層(38a;38b)之間并實(shí)現(xiàn)致動(dòng)器(48a ;48b)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的裝置，其中所述致動(dòng)器層(38a；38b)包括壓電材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中至少一個(gè)彈簧(53a-d;56a-d)改變其厚度從而在所述彈簧(53a_d ;56a_d)的第一部分中形成加強(qiáng)彈簧(53a_d),并且在所述彈簧(53a_d ;56a_d)的第二部分中形成彈簧(53a_d ;56a_d)的機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(56a_d),所述第一部分比所述第二部分厚、從而使得機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(56a_d)與加強(qiáng)彈簧(53a_d)相比包含較小的剛性。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中懸掛元件(49)的層厚大于其最長(zhǎng)橫向尺寸的1%。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中致動(dòng)器層(38a；38b)被設(shè)置在彈簧(53a_d ;56a_d)的機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(56a_d)或者懸掛區(qū)域(46a ;46b)中，其通過(guò)彈簧(53a_d ;56a_d)的機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(56a-d)與懸掛元件(49)相隔離，從而使得第二半導(dǎo)體層(28)被設(shè)置在第二蝕刻停止層(26)和致動(dòng)器層(38a ；38b)之間，并且致動(dòng)器層(38a ；38b)的厚度在懸掛元件(49)的厚度的1%至1000%之間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的厚度通過(guò)從基底(14)的背對(duì)第一蝕刻停止層(22)的背側(cè)開始移除疊層(12)的不同數(shù)量的層而導(dǎo)致階梯變化。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的裝置，其中至少一個(gè)彈簧(53a-d;56a-d)的機(jī)械主動(dòng)區(qū)域(56a-d)被實(shí)施為扭力彈簧。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中第一和第二半導(dǎo)體層(24；28)包含彼此不同的層厚。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的裝置，其中在不同位置中基底(14)已經(jīng)被移除、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層(24)的位置處，第一蝕刻停止層(22)存在為用于第一半導(dǎo)體層(24)的蝕刻掩模的剩余物。
11.一種微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，包括: 疊層(12)，所述疊層包括基底(14)、第一蝕刻停止層(22)、第一半導(dǎo)體層(24)、第二蝕刻停止層(26)、第二半導(dǎo)體層(28)，它們以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地被布置； 在所述疊層(12)中形成的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，包括至少一個(gè)彈簧(53a-d ；56a-d)和通過(guò)所述彈簧(53a_d ；56a-d)懸掛的兀件(49);和 壓電致動(dòng)器層(36a_b ；38a-b ;42a_b)，被設(shè)置在第二蝕刻停止層上，從而使得第二半導(dǎo)體層(28)被設(shè)置在第二蝕刻停止層(26)和壓電致動(dòng)器層(36a-b ;38a_b ;42a_b)之間；其中 所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)通過(guò)從基底(14)的背對(duì)第一蝕刻停止層(22)的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處(a)移除基底(14)、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層(24)，并且(b)移除基底(14)、第一蝕刻停止層(22)和第一半導(dǎo)體層(24)來(lái)改變厚度，從而使得a)第一蝕刻停止層(22)或第一半導(dǎo)體層(24)以及b)第二蝕刻停止層(26)或第二半導(dǎo)體層(28)形成疊層(12)的背側(cè)；并且其中 壓電致動(dòng)器層(36a-b ；38a-b ;42a_b)被設(shè)置在絕緣層(32)的平坦的、未圖案化(構(gòu)圖？)的表面上，從而使得在其中壓電致動(dòng)器層(36a_b ;38a_b ;42a_b)從壓電致動(dòng)器層(36a-b ；38a-b ;42a_b)開始朝向疊層(12)的背側(cè)而被設(shè)置的致動(dòng)器區(qū)域(46a ；46b)中，存在于該方向上的層(32 ；28 ；26 ；24 ；22)被設(shè)置為其間不存在中斷。
12.一種用于制造具有其厚度為材料厚度的疊層(12)的微電子機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的方法，包括: 提供基底(14)、第一蝕刻停止層(22)、第一半導(dǎo)體層(24)、第二蝕刻停止層(26)和第二半導(dǎo)體層(28)的疊層(12)，這些層以所提及的次序一個(gè)設(shè)置在另一個(gè)上地被布置； 通過(guò)如下實(shí)現(xiàn)在疊層(12)中形成的并且改變其厚度的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)，其中所述彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)包括至少一個(gè)彈簧(53a_d ；56a-d)和通過(guò)所述彈簧(53a_d ;56a_d)懸掛的兀件(49): 從基底(14)的背對(duì)第一蝕刻停止層(22)的背側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除基底(14)、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層(24)，并且移除基底(14)、第一蝕刻停止層(22)和第一半導(dǎo)體層(24)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括: 將壓電致動(dòng)器層(36a-b ；38a-b ;42a_b)設(shè)置在平坦的、未圖案化的絕緣層(32)上，從而使得第二半導(dǎo)體層(28)被設(shè)置在第二蝕刻停止層(26)和壓電致動(dòng)器層(36a-b ;38a_b ；42a-b)之間； 其中在實(shí)現(xiàn)其厚度變化的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)之前，實(shí)施壓電致動(dòng)器層(36a_b ；38a-b ；42a-b)的設(shè)置。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，進(jìn)一步包括: 將致動(dòng)器層(38a ；38b)設(shè)置在疊層(12)的背對(duì)基底(14)的主側(cè)上； 使用選擇性蝕刻移除基底(14)、或基底(14)和第一半導(dǎo)體層(24)，從而以包括第一或第二蝕刻停止層(22 ；26)或減去后者的第二和第一半導(dǎo)體層(24)、或者第二半導(dǎo)體層(28)的厚度實(shí)現(xiàn)至少兩個(gè)彈簧元件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14的方法，其中設(shè)置致動(dòng)器層(38a;38b)使用壓電材料來(lái)完成。
16.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其中提供疊層(12)包括: 設(shè)置第一或第二蝕刻停止層(22 ;26)，從而使得第一或第二蝕刻停止層(22 ；26)包括在疊層(12)的橫向尺寸上變化的層厚；和 設(shè)置第一或第二半導(dǎo)體層(24 ;28)，從而使得第一或第二半導(dǎo)體層(24;28)的背對(duì)基底(14)的主側(cè)形成平坦的表面。
17.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，在提供疊層(12)的步驟和實(shí)現(xiàn)彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)的步驟之間包括如下步驟: 從疊層(14)的背對(duì)基底(14)的主側(cè)開始，在橫向不同的位置處移除第二半導(dǎo)體層(28)、同時(shí)留下第一半導(dǎo)體層(24)，或者移除第二半導(dǎo)體層(28)、第二蝕刻停止層(26)和第一半導(dǎo)體層(24)。
【文檔編號(hào)】B81B7/02GK104167433SQ201410260339
【公開日】2014年11月26日 申請(qǐng)日期:2014年5月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月17日
【發(fā)明者】姍姍·顧-斯托普爾, 漢斯·約阿希姆·昆澤, 烏爾里奇·霍夫曼 申請(qǐng)人:弗勞恩霍夫應(yīng)用研究促進(jìn)協(xié)會(huì)