包含弹簧和悬挂在其上的元件的装置及制造该装置的方法 |
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| 申请号 | CN201410260339.5 | 申请日 | 2014-05-19 | 公开(公告)号 | CN104167433B | 公开(公告)日 | 2017-04-26 |
| 申请人 | 弗劳恩霍夫应用研究促进协会; | 发明人 | 姗姗·顾-斯托普尔; 汉斯·约阿希姆·昆泽; 乌尔里奇·霍夫曼; | ||||
| 摘要 | 本 发明 涉及一种MEMS结构，其具有由不同的层构成的叠层以及由所述叠层形成的、其厚度变化的 弹簧 ‑ 质量 系统，并且其中从所述叠层和所述基底的背侧开始，在横向不同的 位置 处移除基底、同时留下第一 半导体 层，或者移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层，并且本发明涉及用于制造这样的结构的方法。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种微电子机械系统结构，包括： |
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| 说明书全文 | 包含弹簧和悬挂在其上的元件的装置及制造该装置的方法技术领域背景技术[0002] 在绝大多数的压电微扫描器中，微反射镜通过由两个电极包围的压电层和作用类似于弯梁的下方载体层构成的致动器而被驱动。设置在微扫描器的两个相对外侧的压电致动器以相反的相位驱动，从而使得设置在致动器之间并通过部分弹簧而悬挂在致动器处的反射镜以由所述反射镜、致动器和弹簧形成的弹簧-质量系统的扭振模式振动。不同的层厚对于建立这样的系统从而实现不同部件各自的功能来说需要不同的层厚。 [0003] 小的致动器层厚通常被探寻以允许大的偏转。通过恒定的力，弯梁的偏转会随着层厚的降低而增加。然而，致动器通常并不会降低至低于特定的层厚，因为过于薄的致动器会表现出非常低的共振频率和差的结构稳定性。 [0004] 微扫描器的反射镜需要特定的最小厚度，从而最小化通过致动器的动态激励而被激励的反射镜的偏转区域的动态变形。 [0005] 悬挂反射镜的扭力弹簧的层厚通常被非常精确地确定，从而在施加变形时将被最小化的材料应力与所需要的高共振频率之间寻找折衷。虽然扭力弹簧的层厚的增加期望能提高弹簧-质量系统的共振频率，但是在操作期间由扭力弹簧的变形而引发的材料应力同样会提高，其可能会导致微扫描器的过早损坏。 [0006] 扭力弹簧和致动器之间的加强弹簧为足够厚的，从而避免在这些位置由致动器产生所不期望的变形。所述的加强弹簧可以包括比致动器更大的厚度。 [0007] 因此，微扫描器形式的MEMS(微电子机械系统)结构在不同的区域理想地表现出相互不同的层厚，其中所述层厚不得不以高自由度被确定并以高精度实现。MEMS结构的机械和动力学特性可以通过精确地确定参数并由此特别是确定层厚而被最优化。 [0008] 用于使用压电致动器来实现微扫描器的常规方法允许致动器、加强弹簧和将被驱动的微反射镜之间的层厚差。然而，不同的层厚难于根据需要来调节，因为致动器的载体层通过由所使用的涂覆工艺(例如热氧化)所允许的限制而被限制在其最大厚度。在大多数情况中，其仅为数微米。然而，表现出这些层厚的致动器并不能实现高共振频率和稳定性。此外，这种方法并未提供在致动器和扭力弹簧之间以最优化的厚度设置加强弹簧的方式，因为该制造工艺仅基于被设置在基底层上的由氧化物层隔离的硅层，并且除去相对薄的氧化物层之外，硅层的层厚确定加强弹簧的最大厚度。由于仅存在两个材料层和氧化物层，所以移除单独的材料层来实现不同厚度的区域仅允许有限数量的区域存在不同厚度。 [0009] 这样的工艺过程在图9中被描述。 [0010] 在图10中所描述的另一种方法提供了在致动器和反射镜之间相对容易地提供层厚差的方式。将被实施为薄的致动器以时间控制的方式通过背侧蚀刻而被预蚀刻，其中，将被实施为相对较厚的反射镜相继地与预蚀刻致动器一起被进一步蚀刻。使用这种方法，致动器的层厚就可以根据需要来调节，因为载体层由硅形成并由此可在蚀刻过程期间产生相对任意的层厚。然而，该层的横向延伸方向的层厚精度和蚀刻边缘角度由于在整个晶片上不均匀的蚀刻速度而难于确保。由此，这种方法仅适用于调节机械被动区域(例如反射镜或加强弹簧)的层厚。所述方法不能被用于机械主动区域(mechanically active regions)，像扭力弹簧，扭力弹簧的特性(尤其是固有频率和永久可产生应力性)由于先前提到的不精确性而被层厚所影响和确定，因为必须被精确计算的扭力弹簧的层厚是无法实现的。 [0011] 图11示出用于制造静电操作元件、例如SOI(绝缘体上硅)晶片的另一种方法，所述SOI由其间设置有功能层的两个相等层厚的硅层构成。所述方法包括从SOI晶片的顶侧朝向SOI晶片的背侧图案化并形成这些层。然而，这种技术并不适用于压电致动器。用于压电驱动的功能层、压电层和电极被理想地设置在最上表面上。因为对于压电材料来说有利的是在未图案化的晶片上执行涂覆工艺，所以从设置有功能层的顶侧进行预图案化是达不到预期目的的。 [0012] 用于制造包含静电驱动的MEMS元件的方法的另一例子包括将图案化的晶片与第二研磨晶片结合在一起并相继地从主侧涂覆和图案化叠层的步骤。晶片的厚度可以通过研磨第二晶片来调节。然而，因为压电致动器需要表现出数微米的层厚，所以晶片将不得不被研磨以降低至这样的小厚度。使用这种方法，MEMS元件中的压电致动器仅可以以不适当的成本来制造。此外，调节相互结合的两个晶片是困难的并提高了制造工艺的复杂程度。 [0013] 结果，所期望的是MEMS结构的各个部件彼此表现出不同的厚度并可被(成本)有效地制造。 发明内容[0014] 根据一种实施方式，MEMS结构可以具有：具有基底的叠层、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层、第二半导体层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；形成在所述叠层内的弹簧-质量系统，其具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件；并且其中所述弹簧-质量系统通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下(leave)第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度。 [0015] 根据另一种实施方式，MEMS结构可以具有：具有基底的叠层、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层、第二半导体层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；形成在所述叠层内的弹簧-质量系统，其具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件；和压电致动器层，其被设置在第二蚀刻停止层上，从而使得第二半导体层被设置在第二蚀刻停止层和压电致动器层之间；其中，所述弹簧-质量系统通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度，从而使得a)第一蚀刻停止层或第一半导体层和b)第二蚀刻停止层或第二半导体层形成所述叠层的背侧；并且其中所述压电致动器层被设置在绝缘层的平坦的且未图案化的表面上，从而使得在压电致动器层被设置在其中的致动器区域中，从压电致动器层开始朝向叠层的背侧，存在于该方向上的层被设置为在其间不存在中断。 [0016] 根据又一种实施方式，用于制造具有厚度为材料厚度的叠层的MEMS结构的方法可以具有步骤：提供基底、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层和第二半导体层的叠层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；使具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件的弹簧-质量系统形成在所述叠层中，并通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度。 [0017] 本发明的中心思想在于，需要认识到上述的目的可以通过形成由至少一个基底和在其间包括蚀刻停止层的两个半导体层构成的叠层，并从背侧移除不同的层，由此令弹簧-质量系统产生厚度上的变化而实现。 [0018] 根据一种实施方式，形成由一个硅层和两个多晶硅层构成的叠层，其中，氧化物层被设置在层之间和并且硅层用作基底。在弹簧-质量系统的弹簧和质量实现之前，压电功能层被设置在叠层的平坦主侧上，并且层厚局部变化的蚀刻停止层被实现。该装置可以以高精度而被制造，从而使得例如共振频率等参数可被精确地并且以可复制的方式调节。 [0020] 本发明的优选实施方式在下文将参照附图详细描述，其中： [0021] 图1A-B示出包含可振动悬挂微反射镜的MEMS结构的俯视图和截面图； [0022] 图2示出包含数层的叠层的截面图； [0023] 图3A-E示出设置不同的层以形成叠层的各个步骤； [0024] 图4示出致动器在叠层上的设置； [0025] 图5示出从叠层的顶侧局部选择性地移除层； [0026] 图6示出从叠层的背侧局部选择性地移除层； [0027] 图7示出在可替换的截面上从叠层的背侧局部选择性地移除材料层； [0028] 图8示出在另一个截面上从叠层的背侧局部选择性地移除材料层； [0029] 图9示出现有技术中通过背侧蚀刻来制造MEMS结构的方法； [0030] 图10示出现有技术中通过时间控制预蚀刻来制造MEMS结构的替换方法； [0031] 图11示出现有技术包含的制造MEMS结构的另一种方法。 具体实施方式[0032] 图1A示出包含微反射镜49的MEMS结构的俯视图，所述微反射镜49通过扭力弹簧56a-d和加强弹簧53a-d悬挂在致动器48a和48b处。虚线A-A’、B-B’和C-C’说明了用于图1B描述MEMS结构的安装横截面的截面。 [0033] 图1B的截面A-A’示出致动器48a和48b以及加强弹簧53a和53c，其与致动器48a和48b相比包含更大的厚度。对于截面B-B’来说，图1B示出扭力弹簧56a和56c，其与加强弹簧 53a和53c相比包含更小的厚度。结果是扭力弹簧56a和56c与加强弹簧43a和54c相比更加适应朝向由致动器48a和48b导致的运动。对于截面C-C’，图1B示出设置在致动器48a和48b之间的微反射镜49。扭力弹簧56a和55c以及致动器48a和48b包含大致相同的厚度。 [0034] 在截面C-C’中，图2示出提供包含基底14的叠层12，所述基底14例如由硅层形成。在定义了基底14顶侧的基底14的主侧上设置第一蚀刻停止层22，在背对基底14的表面上设置第一半导体层24。第一半导体层24的背对第一蚀刻停止层22的主侧覆盖有第二蚀刻停止层26，在其背对第一半导体层24的主侧上设置第二半导体层28。在定义了叠层12的顶侧的、背对基底14的主侧上，所提供的叠层12覆盖有绝缘层32，例如非导电蚀刻层。所提供的叠层 12的第一和第二半导体层24和28例如可以由多晶硅形成，而第一和第二蚀刻停止层22和26可以由二氧化硅构成。绝缘层由非导电材料形成，防止第一电极36a和36b与第二半导体层 28的电接触。 [0035] 第一半导体层24和第二半导体层28的厚度为彼此不同并且根据MEMS结构的各个部件所需要的厚度进行选择。在随后的蚀刻过程期间，蚀刻停止层的厚度与具有可比厚度的半导体层相比被相当缓慢地蚀刻。半导体层的横向掩蔽位置允许移除各个半导体层的未被掩模覆盖的区域，而由所述掩模覆盖的区域未被蚀刻，因为蚀刻过程仅非常缓慢地移除类似薄的蚀刻停止掩模。功能层可以通过使用在横向尺寸上具有最小厚度变化的掩模来掩蔽而被相互隔离。当移除最小厚度的蚀刻停止层的时候，所剩余的在蚀刻停止掩模的意义上来说是残留的轴向尺寸，能够防止所掩蔽的区域被移除。氧化物层的掩蔽可被特别地完成、以形成类似岛的蚀刻停止区域。 [0036] 在其横向方向，第一蚀刻停止层22包含区域34，沿着其横向尺寸，第一蚀刻停止层22比叠层12的其余横向方向上具有更大的厚度。第一蚀刻停止层22在区域34中的层厚变化被逐步地执行。设置在第一蚀刻停止层上的第一半导体层24在层24的横向尺寸上同样具有变化的层厚，其中，第一半导体层24在区域34中被逐步实施为更薄，达到第一蚀刻停止层22在区域34中被实施为更厚的、以使得第一半导体层的背对第一蚀刻停止层22的主侧被成形为平面的程度。其它的层26、28和32也包含平坦的表面。 [0037] 叠层12用作对应如下方法步骤的初始工件。各个层的一个设置在另一个上的连续设置在下文的图3中示出。 [0038] 图3A的截面C-C’示出基底14的布置，以及第一蚀刻停止层22在定义了顶侧的基底14的主侧上的设置。使其主侧与基底的顶侧相对，基底14形成连续形成的叠层12的背侧。 [0039] 随后，被设置以背对叠层12背侧的层或叠层12的主侧被称为顶侧，并且面向叠层12背侧的层的主侧被称为背侧。这些术语是为了清楚描述，不用于定义叠层或其层在空间或设置中的取向。 [0040] 第一蚀刻停止层22被设置在基底上，从而使得阶梯型增长的层厚在区域34中实现，由此设置掩蔽或掩模。由此，用于后续蚀刻过程的掩模被形成。热氧化过程例如可被用于设置第一蚀刻停止层22。 [0041] 图3B的截面C-C’示出在第一蚀刻停止层22的顶侧上设置第一半导体层的后续步骤。设置例如可以通过外延生长方法来执行。第一蚀刻停止层22的阶梯型的不均匀实施通过设置第一半导体层而被补偿，从而使得第一半导体层24的顶侧被实施为平坦的。在第一半导体层24的区域34中，该步骤导致第一半导体层24在区域34中以比其余下的横向延伸部分中更小的厚度而被实施。通过第一蚀刻停止层22来设置掩蔽与设置后续其它的层是不相关的，因为其它的层可以被放置在平坦的表面上。这意味着：其它的方法步骤与在将要被蚀刻的基底层或半导体的外部主侧上需要掩蔽的现有方法相比被极大地简化。将要被设置的例如用于致动器的功能层被优选设置在平坦的晶片表面上。当叠层的表面由于掩蔽而被实施为不均匀的时候，这就增加了设置功能层的复杂度。 [0042] 图3C的截面C-C’示出第二蚀刻停止层26在第一半导体层24顶侧上的设置。 [0043] 图3D的截面C-C’示出第二半导体层28在第二蚀刻停止层26顶侧上的设置。第二半导体层28在这里以不同于第一半导体层24的层厚设置，其中在原则上，可以想到对于第一半导体层24和第二半导体层28可以表现为相同的层厚。在设置这些层之后，基底14、第一蚀刻停止层22、第一半导体层24、第二蚀刻停止层26和第二半导体层28形成叠层12，其由如下步骤提供。 [0044] 图3E的截面C-C’示出绝缘层32在叠层12的横向尺寸上的设置，从而允许功能层被连续地设置。 [0045] 图4的截面C-C’示出在叠层12或者绝缘层32的顶侧上设置第一电极36a和36b、压电材料38a和38b以及第二电极42a和42b的方法步骤。第一电极36a和36b、压电材料38a和38b以及第二电极42a和42b在绝缘层32的顶侧上被相继地设置。电极36a、36b、42a和42b被设置，从而使得压电材料38a被设置在第一电极36a和第二电极42a之间，并且压电材料38b被设置在第一电极36b和第二电极42b之间。由此，第二电极42a和42b分别相对于第一电极 36a和36b而被设置，从而使得第二电极42a和42b分别不与第一电极36a和36b相接触，由此防止短路。此外，绝缘层32通过图案43而被细分为数个横向区域44a、44b、46a和46b。所述图案43例如可以通过割断或切割贯穿绝缘层32来完成。区域44a和44b在这里为将要被暴露的区域，而区域46a和46b被实施为致动器区域。 [0046] 绝缘层32例如通过研磨或蚀刻过程在将要被暴露的区域44a和44b以及区域34中被移除。随后，反射层47在可移动结构将在稍后被实施在其上的区域34中被设置在第二半导体层28的顶侧上。这例如可以包括铝层或银层，以反射入射光能，例如激光束。当将由叠层12形成的结构用于非光学应用的时候，反射表面可被忽略。 [0047] 图5的截面C-C’示出在将要被暴露的区域44a和44b中从第二半导体层28的顶侧开始，移除第二半导体层28、第二蚀刻停止层26和第一半导体层24。移除例如可以通过蚀刻过程来完成。在从所述叠层的顶侧开始移除这些层之后，第一半导体层24、第二蚀刻停止层26、第二半导体层28和绝缘层32在沿着图案43走向的横向方向上被切断，反射层47设置在第二半导体层上的区域34内。 [0048] 图6的截面C-C’示出从所述叠层的背侧开始移除基底14、第一半导体层24和部分第一蚀刻停止层22的步骤。在区域46a、46b、44a、44b和34的整个面积上首先移除基底14的蚀刻过程在这里可被用于移除。随后，第一蚀刻停止层22在这些区域中被侵蚀或蚀刻掉。当第一蚀刻停止层22在区域46a、44a、44b和46b中已经被移除时，区域44a和44b在轴向方向上被完全暴露。在区域46a和46b中，蚀刻停止层22的不存在导致例如蚀刻过程等移除过程，从而继续攻击第一半导体层24。然而，由于掩蔽以及由此部分第一蚀刻停止层22存在于区域34的轴向方向上，第一半导体层24还从所述叠层的背侧由第一蚀刻停止层22覆盖。通过继续蚀刻过程，第一半导体层在所述方法的其它过程中在区域46a和46b被移除，而第一蚀刻停止层22将部分地保留在区域34中，并且在区域34中移除第一半导体层24被防止。通过在致动器区域46a和46b中部分地移除这些层，第二蚀刻停止层26、第二半导体层28和绝缘层 32、第一电极36a和36b、压电材料38a和38b以及第二电极42a和42b将保留在致动器区域46a和46b的轴向方向上。 [0049] 保留在区域46a和46b中的这些层形成致动器48a和48b。由此，致动器48a和48b被完成，从而使得在第一电极36a和36b以及第二电极42a和42b之间分别施加电压分别导致压电材料38a和38b变形。这种变形，例如压电材料36a和36b的收缩导致设置在第一电极处的层的偏转，其随后表现为类似于弯梁。由此，致动器48a和48b被支撑在外围区域52a和52b。区域52a和52b在这里可以是初始叠层的一部分或后续设置。它们被执行以形成通过前述方法步骤形成的弹簧-质量系统的锚定点。在区域34的轴向方向上的残留层形成具有偏转层 47的微反射镜49。 [0050] 图7示出可替换的MEMS结构10，其通过在截面A-A’中描述的方法来制造。在致动器区域46a和46b中，基底14、第一蚀刻停止层22、第一半导体层24和第二蚀刻停止层26通过背侧移除而被移除。在加强弹簧区域54a和54b中，第二蚀刻停止层26仍然存在，从而使得MEMS结构的加强弹簧53a和53b与致动器48a和48b相比包含更大的厚度，同时忽略电极和压电功能层。第二蚀刻停止层26通过局部选择性方法在致动器区域46a和46b中、并且在加强弹簧区域54a和54b之间的区域中被移除。 [0051] 图8示出MEMS结构10在截面B-B’的截面图，其中，扭力弹簧56a和56b在扭力弹簧区域58a和58b中被示出。在扭力弹簧区域58a和58b中，叠层的所有其它层，除了第二半导体层26，均被移除，其中示例性地扭力弹簧56a和56b通过从所述叠层12的背侧选择性地蚀刻来形成。 [0052] 尽管在图8中，扭力弹簧56a和56b仅通过第二半导体层28来形成，但是第二蚀刻停止层26、第一半导体层24或第一蚀刻停止层22每个均包括在叠层中设置在它们之上的各个层、以在保留的同时从所述叠层的背侧移除层也是可行的。原则上，不同次序的层可在所述层的横向尺寸上的不同位置处和所述层的不同剖面中被移除。 [0053] 尽管前述实施方式中的材料层的叠层通常已经包括第一和第二半导体层，但是所述叠层由在其间设置和/或不设置任何蚀刻停止层的数个半导体层形成也是可能的。 [0054] 特别地，前述实施方式的制造方法允许制造在扭力弹簧58a和58b的区域和加强弹簧54a和54b的区域中包含彼此不同层厚的MEMS结构。 [0055] 该总体系统的动力学特性可以具体地通过实现致动器、加强弹簧、扭力弹簧和反射镜元件的厚度而被非常良好地调节。在先描述的现有方法的限制可以通过如上所述的方法而被绕过。 [0056] 尽管之前的实施方式通常描述制造包含可振动悬挂反射镜的MEMS结构，但是其他的MEMS结构、例如机械微动器也可以使用所描述的方法来制造。 [0057] 换句话说，MEMS结构的几何构型对于其总体性能是十分重要的。由此，依据所赋予的功能，以不同的层厚来构造结构的不同部件是实用的。由实施方式描述的工艺方法允许精确的定义，并且与此同时，允许在MEMS结构中广泛可实现的不同层厚的层厚范围。 [0058] 时间控制蚀刻方法并不足以在所期望的位置允许特定的层厚。对于在实施方式中所描述的工艺方法来说，设置在基底上的双层多晶硅层替代常规SOI晶片而被使用。用作蚀刻停止或背侧蚀刻的氧化物层被设置在两个多晶硅层之间以及多晶硅层和基底的硅层之间。晶片通过掩蔽蚀刻停止层而在背侧蚀刻期间被局部地蚀刻。由此，MEMS结构的层厚使用多晶硅层的厚度以及蚀刻停止层的厚度而被定义，从而使得在不同的横向区域内的层厚和这些区域的轮廓可被精确地调节。 [0059] 当设计所述结构的时候，能够利用数个、不同的层厚来制造MEMS结构极高地提高了自由度。能够掩蔽各个多晶硅和/或硅层之间的氧化物层而由此包含可变的层厚，然而，其中叠层的层的表面将包含平坦表面，这允许将压电功能层沉积在叠层的最上层上，其极大地提高了制造工艺的质量。 |
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