镜子制作
在同属于Huibers的美国专利5835256和6046840中公开了MEMS 器件(例如可移动的微镜和镜子阵列)的微加工过程，每个专利的主题 以引用方式合并与此。图1至图4示出了在一个晶片衬底(如一个透 光衬底或一个包括CMOS或其他电路的衬底)上形成MEMS可移动元 件(如镜子)的类似过程。对于“透光”，其意味着该材料至少在器件 工作时可以透射光(该材料在其上面可以临时地具有一个光阻挡层， 以提高制造过程中处理衬底的能力，或具有部分的光阻挡层以降低使 用中的光散射。无论如何，对于可见光的应用来说，一部分衬底在使 用中最好透射可见光，以便光能够进入该器件，被镜子反射，并传会 到器件外。当然，并非所有的实施例都将利用透光衬底)。对于“晶片”， 其意味着任何衬底，在其上形成多个微结构或微结构阵列，并允许分 成多个芯片，每个芯片上在其上具有一个或多个微结构。尽管不是在 所有的情况下，但每个芯片常常是被单独销售和封装的一个器件或产 品。在一个较大的衬底或晶片上形成多个“产品”或芯片，与单独地 形成每个芯片相比，允许较低和较快的制造成本。当然，晶片可以是 任何尺寸或形状，但晶片最好可以是传统圆形的或基本上为圆形的晶 片(例如直径为4寸、6寸或12寸)，以允许在一个标准的晶片代工工 厂中制造。
图1A至图1E表示微机械镜子结构的制造过程。如图1所示，提 供了一个衬底，如玻璃(例如1737F)、石英、PyrexTM(派热克斯玻璃)、 蓝宝石(或者单独的硅或其上具有电路)，等等。图1A-图1E的剖面 是沿图2的线1-1截取的。因为该剖面是沿可移动元件的铰接处截取的， 因此可以提供光阻挡层12以阻挡来自铰接处反射的光(使用过程中通 过透光衬底入射的)，潜在地引起衍射并降低了对比率(如果衬底是透 明的)。
如图1B所示，沉积了一个牺牲层14，例如非晶硅。该沉积层的 厚度可以具有宽广的变化范围，这取决于可移动元件/镜子的尺寸和所 希望的倾斜角度，尽管可为从500到50000，但优选为约5000。 可替代地，牺牲层可以是聚合物或聚酰亚胺(或甚至是多晶硅，氮化 硅，二氧化硅，等等，这取决于所选择的用来抵抗蚀刻剂的材料以及 所选择的蚀刻剂)。牺牲层蚀刻之后的光刻步骤在牺牲硅上形成孔16A、 16B，其可为任何适当的尺寸，尽管优选具有从0.1到1.5um的直径， 但更优选地为约0.7±0.25um。蚀刻被执行直到玻璃/石英衬底，或者执 行到阻挡层，如果存在的话。优选地，如果蚀刻了玻璃/石英层，其量 要小于2000。
在这一点上，如图1C所示，通过化学气相沉积沉积出第一层18。 该材料优选是通过LPCVD(低压化学气相沉积)或PECVD(等离子 增强化学气相沉积)沉积的氮化硅或二氧化硅，但是，多晶硅、碳化 硅或有机化合物可以在这一点上被沉积——或铝、CoSiNx、TiSiNx、 TaSiNx和其他三元和更高元的化合物，例如同属于Reid的2001年7 月20日提交的美国专利申请09/910537和2001年6月22日提交的美 国专利申请60/300533中所提出的，这两个专利通过引用合并于此(当 然牺牲层和蚀刻剂应该与所用材料相适应)。第一层的厚度可以变化， 这取决于可移动元件的尺寸和所希望的元件硬度，但是，在一个实施 例中，该层的厚度是从100到3200，更优选地为约1100。对第一 层进行光刻和蚀刻，以便在相邻的可移动元件之间形成0.1到25um数 量级的缝隙，优选为约1到2um。
如图1D所示，沉积第二层20(“铰接”层)。对于“铰接层”，其 意味着该层定义了这样的器件的部分，其是活动的以允许该器件移动。 可以仅仅为了定义该铰接或者为了定义该铰接和其他区域(例如镜子) 而沉积出铰接层，。在任何情况下，在沉积铰接材料之前，均要去掉增 强材料。第二(铰接)层的材料可以与第一层相同(如氮化硅)或者 不同(二氧化硅、碳化硅、多晶硅，或铝、CoSiNx、TiSiNx、TaSiNx或其他三元和更高元的化合物)，可以通过与第一层一样的化学气相沉 积沉积来沉积第二层。第二/铰接层的厚度可以大于或小于第一层，这 取决于可移动元件的硬度、所希望的铰接的挠性、所使用的材料，等 等。在一个实施例中，第二层的厚度从50到2100，优选为约500 。在另一个实施例中，通过PECVD沉积第一层，通过LPCVD沉积 第二层。
同样如图1D所示，沉积了一个反射和传导层22。尽管反射/传导 材料优选为通过PVD沉积的铝，但也可以是金、铝或其他金属，或者 多于一种金属的合金。金属层的厚度可为50到2100，优选为约 500。沉积单独的反射和传导层也是可能的。可以添加一个可选的金 属钝化层(未示出)，例如通过PECVD沉积的厚度为10到1100的 二氧化硅层。然后，光刻胶在该金属层上形成图案，之后是以适当的 金属蚀刻剂对金属层进行蚀刻。在为铝层的情况下，可以利用氯(或 溴)化学特性(例如利用具有可选的优选为诸如Ar和/或He的惰性稀 释剂的Cl2和/或BCl3(或Cl2、CCl4、Br2、CBr4等等)的等离子/反应 离子蚀刻)。然后，去掉牺牲层以“释放”MEMS结构(图1E)。
在图1A至图1E所示的实施例中，第一和第二层都沉积在定义可 移动(镜子)元件的区域中，然而当不存在第一层时，第二层就沉积 在铰接区域中。利用两个以上的层来产生叠层可移动元件是可能的， 这是人们所希望的，尤其是当可移动元件的尺寸增大时，例如为了在 一个光开关中切换光束。可以提供多个层来代替图1C中的单个层18， 而且也可以提供多个层来代替层20，代替层22。或者，层20和层22 可以是单个的层，例如一个纯金属层或一个合金层或一个例如电介质 或半导体与一种金属混合的层。美国临时专利申请60/228007公开了这 些单个层或多个层所使用的一些材料(其主题通过参考合并于此)，其 可包括金属合金和电介质或者金属与氮、氧或碳(特别是过渡金属) 的化合物。
在一个实施例中，在铰接区域去除增强层，随后沉积铰接层，并 一起图案化增强层和铰接层。增强层和铰接层的这一共同的图案化可 以利用相同的蚀刻剂来进行(例如，如果这两个层的材料相同)，或者 连续地利用不同的蚀刻剂来进行。增强层和铰接层可以利用氯化学特 性或氟(或其他卤化物)化学特性来蚀刻(例如利用下列物质的等离 子/反应离子蚀刻：F2、CF4、CHF3、C3F8、CH2F2、C2F6、SF6等等， 或者更可能的是以上物质的组合或具有另外的气体，例如CF4/H2， SF6/Cl2，或利用超过一种以上的蚀刻物例如CF2Cl2，所有的可能均利 用一种或多种可选的惰性稀释剂)。当然，如果增强层和铰接层使用了 不同的材料，那么在蚀刻每层时应采用不同的蚀刻剂。可替代地，可 以在第一(增强)和/或第二(铰接)层之前沉积反射层。无论是否在 铰接材料之前或者在铰接材料和增强材料之前沉积，都最好在沉积和 图案化铰接材料之前，图案化(例如在铰接区域中被去除)该金属。
图3A至图3E表示沿不同剖切线(图4中的剖切线3-3)的同样 的过程，并示出了沉积在透光衬底10上沉积的可选的阻挡层12，随后 是牺牲层14、层18和20，以及金属层22。图1A至图1E与图3A至 图3E中的剖面分别沿图2和图4中的基本上为正方形的镜子而截取的。 但是，镜子不必为方形，而可以具有其他的可以降低衍射和增加对比 率的形状。这些镜子公开在llkov等人的美国临时专利申请60/229246 中，其主题通过引用合并于此。此外，镜子铰接可以是该临时申请所 述的扭转铰接。
还应该说明的是，由于可以使用许多其他的方法和材料，因此上 面所提到的材料和方法仅是一些示例而已。例如，本发明中可以使用 Sandia SUMMiT处理(美国Sandia国家实验室开发的超平多层MEMS 技术)(将多晶硅用于结构层)或Cronos MUMPS处理(Cronos公司 的多用户MEMS工艺)(也是将多晶硅用于结构层)。同样，一个MOSIS 处理(AMI ABN-1.5um CMOS处理)可以应用于本发明，例如，在 Mehregany et al.，Thin Solid Films，v.355-356，pp.518-524，1999中所公 开的MUSiC处理(将多晶SiC用于结构层)。同样，这里所公开的牺 牲层和蚀刻剂只是示例性的。例如，可以使用并利用HF(或HF/HCI) 来去除一个二氧化硅牺牲层，或可以利用ClF3或BrF3来去除一个硅牺 牲层。同样一个PSG牺牲层可以利用缓冲HF来去除，或者诸如聚酰 亚胺之类的有机牺牲层可以在等离子氧干法释放步骤中去除。当然蚀 刻剂和牺牲层材料应该根据所使用的结构材料来选择。同样，尽管上 文提到PVD和CVD，但可以利用其他薄膜沉积方法沉积这些层，这些 方法包括旋涂、溅射、阳极电镀、氧化、电镀和汽化。
在第一个晶片上形成如图1至图4的微结构之后，最好去除牺牲 层以释放这些微结构(本例中是微镜)。虽然释放优选在晶片级上执行， 但也可以在芯片级上执行。图1E和图3E表示在它们的释放状态下的 微结构。如图1E所示，柱2对衬底10上的释放的微结构进行支撑。
同样，尽管每个镜子的铰接可以在与上文提到的镜子元件(和/或 形成为同样的沉积步骤的一部分)相同的平面上形成，但它们也可以 在不同的平面上离开并平行于镜子元件而形成，并作为单独的处理步 骤。叠加型的铰接公开在先前提到的美国专利6046840的图11和12 中，并在Huibers等人于2000年8月3日提交的专利申请“A Deflectable Spatial Light Modulator Having Superimposed Hinge and Deflectable Element”中进行了详尽说明，其主题通过引用被合并于此。无论是否 形成如附图所示的一个牺牲层，或者用于叠加型铰接中的两个(或多 个)牺牲层，优选利用各向同性的蚀刻剂来去除这些牺牲层，这将在 下文中讨论。在上述步骤之后，这些镜子的“释放”可以立即被执行， 或在组装的地方从晶片代工工厂出货之后进行。
底板
第二或“下部”衬底(底板)芯片在芯片的顶部金属层上包括一 个巨大的电极阵列。每个电极利用静电控制微显示器的一个像素(上 部可选透光衬底上的一个微镜)。在底板表面上的每个电极上的电压决 定其相应的微显示器像素是否在光学上“开”(on)或“关”(off)，在 微显示器上形成一个可见图像。底板的细节和产生脉宽调制的灰度或 彩色图像的方法公开在Richards的美国专利申请09/564069中，其主题 通过引用被合并于此。
在一个优选实施例中，显示器像素本身是二进制的，总是全“开” 或全“关”的，因此底板的设计是纯数字的。尽管微镜可以在模拟模 式中工作，但模拟器件不是必须的。为了简化系统设计，底板的I/O和 控制逻辑运行于与标准逻辑电平如5V或3.3V兼容的电压上。为了使 可用来驱动像素的电压最大化，底板的阵列电路可由单独的电源供电， 优选以较高的电压。
底板的一个实施例可以在一个代工5V逻辑处理中制造。镜子电极 运行在0-5V，或如果可靠性允许时可以高于5V。底板也可以在较高的 电压处理中制造，例如一个代工闪存处理中利用了该处理的高电压器 件。底板也可以在具有较大几何形状的晶体管的高电压处理中被构建， 这些晶体管能够在12V或更高电压下工作。较高电压的底板能够产生 一个显著摆动的电极电压，其高于较低电压底板提供的5-7V电压，这 样促使像素更加强壮。
在数字模式中，可以设定每个电极为两个状态(on/off)之一，使 该状态持续，直到电极的这一状态再次被写入。具有每像素一个比特 的类似RAM的结构是完成该任务的一种体系结构。一个示例是基于 SRAM的像素单元。替代的公知的存储元件，例如锁存器或DRAM(旁 路晶体管正电容器(pass transistor plus capacitor))也是可能的。如果 使用动态存储元件(例如类似DRAM的单元)，所希望的是它可以被 遮蔽以不受入射光的影响，否则入射光可能引起泄漏。
灰度或全彩色图像的感觉将通过调制像素的快速开关而产生，例 如根据上述的Richards的美国专利申请09/564069号中的方法。为了对 此进行支持，最好是底板允许阵列以随机访问的方式被写入，但是比 一次一行(row-at-a-time)要细的粒度通常是不必要的。
主要是因为发热的原因，希望最小化能量消耗。降低电能的耗散 将增加光/热的能量分配，使微显示器能够承受更多高效灯泡的热量。 此外，取决于微显示器的组装方式(晶片到晶片的结合+偏移切割)， 可以优选所有的I/O焊盘全在芯片的一侧。为了使所完成的器件的成本 最小，希望最小化引脚的数量。例如，在数据总线上复用行地址或其 他不经常使用的控制信号可以用可忽略的吞吐量的损失(百分之几， 例如对于每行数据的地址信息，一个时钟周期是可接受的)来消除用 于这些功能的单独的引脚。数据总线、时钟和少量的控制信号(5或更 少)，所有这些都是必需的。
在使用中，可以利用200W或更大的弧光灯来照射芯片。其热和 光载波效应可以导致特殊的布图强度(layout efforts)，使金属层在活动 电路上尽可能的“不透明”，以反射入射光能量，使光载波和热效应最 小化。可以包括一个单片(on-chip)PN二极管以测量芯片的温度。
在一个实施例中，分辨率是XGA，1024×768像素，尽管其他分 辨率是可能的。像素间距优选为5到24um(例如14um)。电极阵列自 身的尺寸由像素间距和分辨率决定。因此一个14um XGA器件的像素 阵列将是14.336×10.752mm。
组装
完成对上部和下部衬底(晶片)的处理之后(例如下部晶片上的 电路/电极，上部晶片上的微镜)，上下晶片被结合在一起。两个衬底的 这种结合使一个衬底上的微镜被放置在靠近另一个衬底上的电极的位 置。这一布局在图5和图6中被示出，这些图将在下面进一步描述。
组装晶片和将晶片部件分离成单个的芯片的方法在某些方面与液 晶器件的组装方法相类似，Stefanov等人的、名称为“Asymmetrical Scribe and Separation Method of Manufacturing Liquid Crystal Devices on Silicon Wafers”的美国专利5963289中公开了该方法，在此通过引用 将该专利并入。许多结合方法是可能的，例如粘粘合剂结合(例如， 环氧树脂的、硅树脂的、低K材料和其他粘合剂——本文将进一步描 述)，阳极结合，压力结合(例如利用金或铟)、金属共晶结合、焊接 结合、熔化结合，或技术上已知的其他晶片结合工艺。无论上部和下 部晶片是否由相同或不同的材料制成(硅、玻璃、电介质、多层晶片 等等)，首先可以检查它们的(图7的流程图中的步骤30)可见缺陷、 划痕、颗粒等。检查之后，晶片可通过工业标准清洁方法处理(步骤 32)。这些包括在溶剂、表面活性剂溶液和/或去离子化(DI)水中的擦 洗、刷洗、或超声波清洁。
优选在这一点释放镜子(步骤34)。在应用环氧树脂或结合之前立 即进行释放是最好的(除了在释放和结合之间进行一个可选的粘附处 理)。对于硅牺牲层来说，释放可以在二氟化氙和一个可选稀释剂(如 氮和/或氦)气体中。当然，可以使用其他的蚀刻剂，包括诸如三氟化 溴和三氯化溴之类的卤间化合物。释放优选是一种自发的化学蚀刻， 这不要求等离子或其他外部能量来蚀刻硅牺牲层。蚀刻后，通过使用 抗粘附层(如自组装单层)来处理器件的剩余物以用于粘附(步骤36)。 该层优选通过将器件放置在液体或气体硅烷中来形成，液体或气体硅 烷优选为一种卤硅烷，尤其优选氯硅烷。当然，许多不同的硅烷在本 领域是已知的，它们能够为MEMS结构提供抗粘附能力，包括在 Maboudian等人的“Self Assembled Monolayers as Anti-Stiction Coatings for MEMS：Characteristics and Recent Developments”中所提出的各种三 氯硅烷，以及其他非氟化(或部分或全部氟化的)烷基三氯硅烷，优 选是那些具有至少十个碳原子的碳链的材料，优选部分或全部被氟化。 (十三氟代-1，1，2，2-四氢辛基)Gelest公司的三氯硅烷是一个示例。其 他三氯硅烷(优选被氟化)如那些具有苯基的物质或其他具有环状结 构的有机基也是可能的。本发明所使用的各种气相润滑剂描述于美国 专利6004912、6251842和5822170中，每个都通过引用合并于此。
为了把两个晶片结合在一起，隔离物被混合到密封剂材料中(步 骤38)。球体或杆形式的隔离物典型地被分配和分散到晶片之间，以提 供单元缝隙控制和镜子反射的一致性与空间。隔离物可以被分配在显 示器的垫圈区域，因此在密封分配之前被混合到垫圈密封材料中。这 可以通过常规的混合处理来实现。上部和下部晶片之间的缝隙的最终 目标优选为1到10um，尽管其他缝隙是可能的，这取决于所形成的 MEMS器件。当然这取决于被封装的MEMS结构的类型，以及其是被 表面微机械加工还是被体(bulk)微机械加工。球体或杆状可以由玻璃 或塑料制成，优选是塑性变形材料。可替代地，隔离物的柱子可以在 这些衬底中的至少一个上制成。在一个实施例中，只在阵列的一个侧 面上提供柱子/隔离物。在另一个实施例中，柱子/隔离物可以在阵列中 本身中制成。可以使用其他具有或不具有隔离物的结合剂，包括阳极 结合或利用图案化的共晶体或金属的金属压力结合。
然后，垫圈密封材料可以希望的图案分配到底部衬底上(步骤40)， 这通常是以包括利用注射器和印刷(丝网印刷、胶版印刷或辊筒印刷) 的、自动控制的液体分配器的两种工业标准方法之一来进行。当利用 注射器时，它相对于多个部分沿X-Y轴移动。注射器尖端被限制于正 好在具有垫圈材料的部分之上，通过针的正向压力对该部分施加压力。 正向压力的提供可以是通过齿轮驱动结构施力的机械柱塞，和/或通过 空气活塞和/或通过螺丝钻的使用来加压。这种分配方法提供最高的分 辨率和处理控制，但提供了较少的吞吐量。
然后，两个晶片被对齐(步骤42)--最好是在1微米之内。相对 的电极或活动观察区域的对齐要求对准相对衬底上的衬底基准。这一 工作通常是在具有镜头放大功能的视频相机的帮助下来完成。该机器 的复杂性程度从人工到具有模式识别能力的全自动。无论复杂程度如 何，它们均完成下列处理：1.在阵列中所有功能器件的外围附近和其 之外的位置上分配很少量的UV固化粘合剂；2.在设备能力范围内对 准相对衬底的基准；和3.对衬底和粘层加压，以通过剩下的结合处理 (例如内部环氧的硬化)来固定晶片到晶片的对齐。
在UV或热压力机中，通过对先前所粘结的叠层进行加压来设定 最后的缝隙(步骤44)。在UV压力机中，通常的程序是将衬底装载到 一个压力机中，此处加压压盘中的至少一个或两个是石英的，以允许 来自UV灯的UV辐射不衰减地传递到垫圈密封环氧树脂。暴露时间 和通量率是处理参数，其取决于设备和粘结材料。加热进行固化的环 氧树脂要求热压力机的顶部和底部压盘被加热。在加压压盘间所产生 的力典型地可以是许多磅。利用加热进行固化的环氧树脂的情况下， 在初始加压之后，这些阵列典型地被传送到一个多层加压夹具中，在 此它们可以继续被加压和后固化4-8小时。
一旦这些晶片已经结合在一起形成一个晶片部件，该部件可以被 分离为单个的芯片(步骤46)。硅衬底和玻璃划线器被放置在各自的衬 底上，并沿至少一个方向上是一种偏移关系。然后分离成多个单元， 结果使得每个单元在一个侧面上具有一个结合焊盘凸缘和在相对的侧 面上具有一个玻璃电接触凸缘。可以通过下面任一种方法从阵列中分 离出多个部分。当在一个划线机中使用传统固态相机来观察和对齐， 阵列(首先是玻璃)衬底的划线顺序是重要的。这一限制一直存在， 除非安装有特殊的红外线观察相机，其可以透过硅，因此允许观察前 表面的金属基准。划线工具与划线基准对齐和被处理。在玻璃中作为 结果的划出的线被用作参考标记，以对齐硅衬底划线道。这些划线道 可以与玻璃衬底划线一致或均匀地偏离。然后多个部分通过对两个衬 底上的划线进行开口而从该阵列中分离出来。利用市场上可买到的剪 切机或支点折断机自动折断。这些部分也可由手工分离。
分离也可以通过玻璃划线和硅衬底的部分切割来进行。在垫圈分 配处，切割需要一个额外的步骤。在存在高压水喷射的情况下进行切 割。填充端口区域不允许潮湿，否则将会损害MEMS结构。因此，在 垫圈分配处，一个额外的垫圈压片必须分配在晶片的周围。每个划线/ 切割道的一端最初必须保持敞开，以在对齐和加压处理过程中让空气 排出。在阵列已经被加压并且垫圈材料固化之后，利用垫圈或端密封 材料来封闭排气口。如上所述，然后玻璃被对齐和划线。晶片的切割 是从硅的底板进行的，其中切割道相对于如上所述的玻璃划线道对齐。 然后晶片被切割为其厚度的50％-90％的深度。多个部分如上所述被分 离。可替代地，在部分分离之前玻璃和硅衬底可以被部分地切割。利 用与上面所述的同样的垫圈密封机构、开口和密封处理，切割道与玻 璃衬底上的基准对准。玻璃被切割为其厚度的50％-90％的深度。如上 所述，硅衬底被切割和分离为多个部分。
如上文所描述的示例，参见图8，其中已经在晶片5上形成了45 个芯片区域。每个芯片区域3(具有一个长度A和一个高度B)包括 一个或多个(最好是释放的)微结构。在投影系统的微镜阵列的情况 下，每个芯片优选具有至少1000面可移动的镜子，更可能的是介于 100000与10000000个镜子之间(较高分辨率可以具有介于1到6百万 可移动元件)。当然，如果微结构是一个DC继电器或RF MEMS开关 (或甚至是用于一个光开关的多个镜子)，这有可能远远小于几百万个 的微结构，更可能是少于100或甚至少于10(或甚至是单个的结构)。 当然，如果在每个芯片区域只有一些微结构，则在大多数情况下这些 芯片区域自身可被制造得更小。同样，芯片区域不需要是矩形的，尽 管该形状有助于环氧树脂的沉积和切单。
如图9A所示，四个芯片区域3a到3d在晶片5上形成(在大多数 情况下，形成更多的芯片，但为了便于说明只标出了4个)。每个芯片 区域3a到3d包括已经在适当的蚀刻剂中被释放的一个或多个微结构。 如图9B所示，环氧树脂能够以小球31a到31d的形式沿芯片区域的每 侧被应用，或作为在芯片区域的每个拐角处的小球32a到32d。或者， 环氧树脂带33a和33b可以沿每个芯片的两侧应用，或单个的带34可 以基本上环绕一个整个的芯片而应用。当然，许多的其他的结构是可 能的，尽管所希望的是，芯片不全部由一个环氧垫圈围绕，因为当两 个晶片在完全或部分地环氧固化时，这将防止空气或其他气体的排出。 当然对于较高的制造量来说，最好是在全部的晶片上利用通常的环氧 树脂应用方法(图9B中的不同类型的应用是只为说明的目的)。同样， 在环氧树脂被应用的区域可首先具有沉积在该区域的一个牺牲层(由 于环氧树脂在压力下的扩大，所以最好是大于小球或环氧带的一个区 域)。牺牲材料也可以被应用到全部晶片，除了其上具有微结构的区域 之外。同样，导电的环氧树脂(或其他粘合剂)可以被使用，以使具 有电路和电极的晶片与其上具有MEMS的晶片之间实现电接触。
在图9C中，密封晶片25与具有微结构(和可选电路)的下部衬 底晶片5彼此接触。这两个晶片之间的最后的缝隙可以是允许两个晶 片结合在一起并被均匀切单的任何尺寸。因为垫圈小球在受到压力时 将扩张(因而在具有密集定位的芯片区域的一个晶片上占据有价值的 地盘(real estate))，较可取的是缝隙的尺寸大于1um，优选大于10um。 缝隙的尺寸可以通过提供微加工的隔离物或与环氧树脂(如25um隔 离物)相混合的隔离物而被调节。然而，根据微结构的类型和施加的 压力的量，隔离物可能是不必需的。
图9D示出了结合在一起第一晶片5与密封晶片25。在密封晶片 25和第一(下部)晶片5上都提供有水平和垂直划线或部分的切割线 21a和21b(未示出晶片5上的线)。优选地，两个晶片上的划线至少 在二者(水平或垂直)之一中彼此稍稍偏离。当晶片完全被切割为单 独的芯片时(见图9E)，该偏离划线或部分的切割要考虑每个芯片上的 凸缘。在芯片3c的凸缘6上的电连接4在去除密封晶片部分之前要考 虑芯片的电测试。如果芯片在微结构的电测试中失败，那么就不需要 去除密封晶片，整个芯片可以被丢弃。
再参见图5，示出了部分的已结合晶片部件芯片10的顶透视图。 当然，在图1-图5中所示出的镜子形状是示例性的，许多其他镜子结 构是可能的，如在2000年12月7日的llkov的美国专利申请09/732445 中所提出的结构，在此通过引用并入。为清楚起见，只有2×2的网格 配置中的4个像素单元54、54a、54b、54c在图5中被表示。像素单 元54、54a、54b、54c的像素间距例如为12微米。“像素间距”被定 义为相邻像素单元的相同部分之间的距离。
反射的可偏转元件(如镜子48、48a、48b和48c)，每个与各自的 像素单元54、54a、54b和54c相对应，它们被结合到在不可反射位置 的透光衬底52的下表面上。这样，在图5中镜子48、48a、48b和48c 通过透光衬底52是可见的。为清楚起见，在镜子48、48a、48b和48c 与透光衬底52之间如果存在光阻挡孔层56，它们只以虚线表示，以表 示出在下面的铰接50、50a、50b和50c。例如，分开相邻镜子的距离 可以是0.5微米或更少。
透光衬底52是由可以经受后续处理温度的材料制成。例如，透光 衬底52可以是500微米厚的4英寸石英晶片500。这些石英晶片广泛 地从例如位于USA at 960 Rincon Circle，San Jonse，Calif.95131的Hoya 公司得到。或者，衬底可以是玻璃，如Corning 1737或Corning Eagle 2000或其他适当的透光衬底。在一个优选实施例中，衬底是可以透过 可见光的，可以是显示器等级的玻璃。
从图6中可以看到，透光衬底52由隔离物44以间隔分开的关系 结合到例如一个MOS型的衬底62上。在多个微镜64的附近布置多个 电极63(镜子被简化，为了方便只示出了9个)，以使微镜发生静电偏 转。入射光束65a在其射入时将通过非偏转的镜子在相同的角度被反 射，但当被镜子反射时将被垂直地“偏转”为射出的光束65b。几千或 几百万的镜子的阵列移动和偏转光线“垂直地”到投影光学系统，以 及色彩定序器(轮或棱镜)把连续的不同颜色的光束导向到镜子，这 导致一个彩色图像投影到目标上(如投影电视，会议室投影机等等)。 在图13中示出了一种类型的投影系统的简化图，其中具有反射镜2的 光源1例如弧光灯，通过色彩定序器来引导光(例如彩色轮3，其通过 电机4围绕旋转轴7旋转)，在光进入光导管5和光学系统6之后，使 之可以入射到微镜阵列8，并由微镜阵列反射，由投影光学系统9投影 到一个目标。
上文所述的形成微镜的方法仅仅是根据本发明形成多种不同 MEMS器件(无论是否具有电组件)的许多方法的一个示例。尽管最 终MEMS器件的电组件是在单独的晶片上形成，而不是上述示例中的 微镜，但在相同的衬底上形成单片的电路和微机械结构也是可能的。 形成MEMS结构的方法可以类似于图1-图4所述的方法，如果微结构 是微镜的话(其不同之处是镜子是在形成电路和电极之后在衬底上形 成的)。或者，可以使用本领域公知的在相同衬底上形成单片的电路和 微镜的方法。
图10A和图10B表示连接在一起并且随后被切单的两个晶片。图 10A是透光封面晶片的顶视图(具有掩模区域、吸气区域、润滑区域 和压力金属结合区域)，而图10B示出了在底部半导体晶片上(连同用 于压力结合的一个金属区域)的这种单片形成的镜子阵列(例如用于 一个空间光调制器)。首先参照图10B，多个镜子阵列71a到71e是在 “底部”晶片70上(如一个硅晶片)形成。在镜子被释放之后，用于 压力结合的一个金属被用于每个镜子阵列的周围(区域73a到73e)。 当然，在晶片上可以形成更多的阵列(如图8所示)。在一个“顶部” 晶片80上(如玻璃或石英——最好是显示器等级的玻璃)形成掩模 81a-81e，它们在两个晶片被结合和切割之后将阻挡每个芯片周界区域 的可见光到达镜子阵列。也如图10A所示，具有润滑区域83a-83e，吸 气材料区域85a-85e和用于压力结合的金属区域87a-87e。如果图10B 中的晶片已经由自组装的单层或其他润滑剂处理，则如果希望的话， 在图10A的晶片上润滑剂的添加可以被略去(尽管可以提供多种润滑 剂的应用)。应用在晶片上的润滑剂如垫圈、带或滴剂可以是任何适当 的润滑剂，如各种液体或固体有机物(或混合的有机-非有机材料)，这 在美国专利5694740、5512374、6024801和5939785中被阐明，每个 专利在此通过引用并入。在一个实施例中，三氯硅烷SAM被应用到整 个晶片或至少覆盖微机械元件的大部分的晶片，硅树脂被应用到润滑 区域83a-83e。用于压力结合的金属可以是任何用于这种目的的适当的 金属，例如金或铟。(可替代地，如果使用了粘合剂，该粘合剂可以是 任何适当的粘合剂，如环氧树脂或硅树脂粘合剂，并且优选具有低气 泡的粘合剂)。当然，还存在这些元素的任何组合(或如果结合方法不 同于粘合剂结合方法的，就根本没有)。优选地，在结合之前，一个或 多个掩模、润滑剂和结合材料存在于“顶部”晶片80上。同样，润滑 剂、吸气和结合材料可以只用于顶部或底部晶片，或者这两种晶片上。 在一个替代实施例中，可以希望的是，把润滑剂和吸气剂应用到电路 和电极周围的、在两个晶片上具有结合材料的底部晶片上。当然，根 据MEMS的应用，掩模(或润滑剂或吸气剂)可以被略去(如用于非 显示的应用)。同样，带状的润滑剂、吸气剂和结合材料不需要完全包 围晶片上的“芯片区域”，但可以图9B中所示的多条点来应用。如果 结合材料不完全围绕MEMS芯片区域，那么最好在切单之前填充结合 材料“缝隙”，以在切单过程中保护MEMS器件(避免切单方法所造 成的颗粒和/或液体损害)。
也可能的是，结合多个衬底(小于单个的晶片)到另一个晶片。 在图10C和图10D所示的实施例中，衬底101a-101d是可透射可见光 的衬底，其上具有掩模81a-81d，以及润滑剂区域83a-83d、吸气材料 区域85a-85d、和结合材料区域87a-87d(如金属压力结合的金或铟)。 掩模区域最好是形成矩形区域的“画框”，以阻挡可见光的透射。该安 排是希望用于有选择地阻挡射入到在晶片上所形成的微镜阵列上的 光。在把具有掩模区域的多个衬底结合到晶片之后，晶片被切单为多 个晶片部件部分，然后是如图12所示的封装。
MEMS晶片可以是由任何适当的材料制成，这取决于器件的最后 应用，包括硅、玻璃、铝、砷化镓、等等。硅晶片能够被典型地处理 为包括电路。对于光学MEMS应用来说(如用于光开关或显示器的微 镜)，图10A中的“顶部”晶片优选是透明的，如上所述。图10A中 所示的掩模可以是吸收性的或反射性的掩模，例如由TiN、AIN或其他 氧化或氮化合物、或聚合物或其他具有足够光阻挡能力的适当材料制 成的掩模。该“顶部”晶片也可以并入其他光学元件，如镜头、UV或 其他类型的滤光器或抗反射和/或抗刮伤涂层。
然后如上所述，两个晶片被对齐、结合和固化(例如利用UV光 或加热，这取决于所使用的粘合剂类型)和被切单。图11A是图10A 中沿线11-11的一个剖面(在与图10B中的底部晶片70对齐之后)， 而图10B是在结合后的(但在切单之前)的同一个剖面。图12示出了 结合后的晶片在切单之后的已封装的晶片部件部分。如图12所示，下 部衬底94被结合到上部衬底93，下部衬底是由一个下部封装衬底90 支撑。在下部晶片部分94上的金属区域96将被电连接到封装衬底90 上的金属区域97。在该图中可以看出，不同于其他MEMS封装结构， 不需要进一步包装或封装形成于衬底93和94的晶片部件芯片，因为 MEMS元件是已经被保护在晶片部件内。同样地，包括两个芯片衬底 的芯片(例如，透光与半导体，在透光衬底上具有MEMS元件)与周 围环境密封(优选是封闭式的(气密式的))MEMS元件。微镜阵列包 括固定在第一衬底上的微镜(优选是玻璃或显示器质量的玻璃)，该衬 底被结合到一个半导体衬底上(优选是硅)，半导体衬底依次被结合到 一个下部封装衬底，下部封装衬底并不完全封装所结合的芯片衬底(因 为透光与半导体衬底已经封装了MEMS元件)，这作为对用于投影显 示的微镜阵列的标准封装是一种费用较低的替代。同样，这样的封装 安排允许提供在晶片层面上的抗粘附处理、吸气剂等等，进一步降低 了封装这一器件的费用。可替代地，可能的是，在一个完全包围的封 装内(具有透光窗口，以允许光进出该封装)完全封装这两个结合芯 片衬底。这种完全包围的封装可以是具有例如小于周围压力的一个密 封式封装。密封在一起的结合芯片衬底之间的压力可小于1atm，较适 当地是小于0.25atm，最好是小于1Torr。如果是希望很低的压力，则 小于10Torr、小于1Torr或甚至低至100mTorr的衬底之间压力被使用。 吸气剂、润滑剂等等可以分布在该包围的封装内，而不是结合的衬底 内。
优选地，结合到半导体衬底的透光衬底(或其上具有电路和电极 的其他衬底)从周围的环境中密封MEMS元件，而且优选在小于周围 环境的压力下。为了达到较低的压力，两个衬底(芯片或晶片)在低 于大气压的压力下被结合在一起，并被封闭地(气密)密封起来(如 果是在晶片级上进行的，随后对晶片进行切单)。或者两个衬底可以在 环境压力下结合，虽然不是封闭的，但随后在较低压力下进行第二次 密封，把所结合的衬底的内部从其周围环境中封闭地密封出来。在这 种方法的一个示例中，两个衬底首先利用粘合剂结合(如环氧树脂或 硅树脂)，随后焊接(这可以应用焊接或回流焊)或者如果粘合剂的密 封性能不足的话，可以利用其他的封闭密封(例如玻璃烧结密封)。也 可能的是，在低于大气压的压力下进行两次密封，或者如果不希望两 个衬底之间的区域具有一个较低的压力，可在环境压力下执行这样的 二次密封。另外，可以希望的是，无论是否是在较低的压力下进行密 封，都是使用除空气之外的某种气体密封这两个衬底，例如一种或多 种惰性气体(氮、氦等)，或者如果在封装内存在一定的湿气，抗粘附 剂的效果会更好的话，那么可以添加湿气。该封装也可希望用于电路 和MEMS元件都在同一衬底上的单片MEMS器件，以及MEMS元件 在与电路不同的衬底上形成的单片MEMS器件。
如果在释放之后，但在衬底结合之前，一种抗粘附剂分布在MEMS 元件上，那么要保护需要结合的区域(例如如果使用了一种粘合剂— —要保护那些将被施加粘合剂的区域)，随后是应用抗粘附剂，然后是 去掉保护剂或膜，再然后是应用结合剂。对应于后来施加结合剂的位 置，这样的膜可以条状或环状的形式施用，并可以是由CVD或溅射所 产生的光刻胶或非有机薄膜。在该替代中，MEMS元件可以被释放， 随后是应用一种抗粘附剂。然后，在结合剂将被施加的区域中(以任 何图案——尽管最好是在微镜阵列的周围，如果MEMS元件是阵列中 的微镜的话)，所应用的抗粘附剂(例如从氯硅烷或烷氧基硅烷中形成 的自组装的单层)将被去除。去除过程可通过下列方式实现：激光切 除(最好是在衬底之上聚焦激光)、粒子束、剥离化学物(如丙酮)的 应用或者甚至是机械去除(利用硬的或软的物体刮擦或利用抛光轮)。
本发明的方法有多种替代方案。为了结合两个晶片，环氧树脂可 以被用于上部和下部晶片上或其中之一上。在一个优选实施例中，环 氧树脂被用在晶片的周围以及完全或基本上围绕晶片上的每个芯片/阵 列。隔离物被混合到环氧树脂中，以导致在结合之后晶片之间分离预 定的量。这些隔离物把上部和下部晶片以彼此空间上分离的方式固定 一起。隔离物的作用是把上部和下部晶片固定在一起，并同时造成一 个间隔，其中可移动镜子元件可以移动。可替代地，隔离物层可包括 微加工的壁面或突出物。或者在上部和下部晶片之间可结合一个或多 个晶片，并在对应于每个镜子阵列的区域中去除(例如通过蚀刻)多 个部分(因而在阵列中提供可移动元件的偏转空间)。可以在上部和下 部晶片之间对齐和结合之前在这些中间晶片中去除那些要去除的多个 部分，或者一结合到上部或下部晶片上，就蚀刻晶片。如果隔离物是 微加工的隔离物，它们可以在下部晶片上形成，随后是邻接微加工的 隔离物的环氧树脂、聚合物或其他粘合剂的分布(如多部分的环氧树 脂，或加热或UV固化的粘合剂)。粘合剂和隔离物不需要共同定位， 而且可以沉积在下部衬底晶片上的不同区域中。可以使用压力结合材 料来替代胶合，这考虑到上部和下部晶片的结合。在下部晶片(或上 部晶片)上微加工的隔离物可由聚酰亚胺或SU-8光刻胶来制成。
代替微加工，当粘合剂被放置于下部晶片上时，隔离物可以是粘 合剂内的预定大小的球或杆。在粘合剂内提供的隔离物可由玻璃或塑 料构成，或甚至由金属构成，只要隔离物不妨碍上部晶片中的可移动 元件的静电激励。无论隔离物的类型及制作和粘合隔离物到晶片的方 法是什么，隔离物最好是从1到250微米，该尺寸很大部分地取决于 可移动镜元件的大小和偏转的预期角度。如果镜子阵列是用于投影显 示阵列或用于光开关，与上部和下部晶片的平面在方向上正交的隔离 物大小最好是从1到100微米，一些应用中，该尺寸优选为1到20微 米，或者甚至小于10微米。
无论微结构和电路是形成在相同晶片上还是形成在不同晶片上， 当微结构通过去除牺牲层而释放时，粘附力减少剂可应用于晶片上的 微结构(微镜、微继电器，等等)，以减小在接触另一层的微结构或接 触相同或相对衬底上结构时的粘结力。虽然这种粘附力减少剂是公知 的，但在本发明中该试剂优选在晶片结合之前(或在晶片结合之后但 在切割之前)应用于晶片，而不是应用于切单后的芯片或者用于该芯 片的封装。各种粘附力减少剂包括各种三氯硅烷，以及本领域公知的 用于减少微机电器件的粘附的其他硅烷和硅氧烷，如本文其他地方所 提到的。
此外，在上文提及的晶片结合之前，可将一种吸气剂或分子清除 剂应用于晶片。吸气剂可以是湿气、氢、粒子或其他吸气剂。吸气剂 应用于被释放MEMS结构周围(或在这些结构的一个阵列的周围，沿 着或临近这个阵列，例如微镜阵列的情况)的晶片，当然最好不接触 被释放结构。如果使用湿气吸气剂，则金属氧化物或沸石可以是用于 吸收和结合晶片的材料(例如，StayDry SD800，StayDry SD1000， StayDry HiCap2000——均来自Cookson电子公司)。或者，可使用一种 组合吸气剂，如一种湿气和粒子吸气剂(StayDry GA2000-2)或一种氢 和湿气吸气剂(StayDry H2-3000)。吸气剂可应用于任一晶片，并且如 果所使用的结合方法是粘合结合，则吸气剂可应用在环氧树脂小球或 条的附近，优选在环氧树脂与微结构之间，而且可在应用粘合剂之前 或之后(优选在任何粘合剂应用到晶片之前)被应用。在一个实施例 中，在任一个(或两个)衬底中形成的槽或其他腔中提供了一种吸气 剂(或者多种吸气剂，如果使用了一种以上类型的吸气剂的话)。例如， 沿着一个微镜阵列的一侧或多侧延伸的一个槽(或环绕阵列的整个周 边)可在沉积出牺牲层和薄膜之前形成(或在微镜释放之前或之后的 末尾)。这个槽(或腔)可形成在一个硅衬底中(例如，如果被形成为 上文所述的双衬底方式，则在其上具有电路和电极，或者，如果被形 成为单片，则在其上具有电路、电极和微镜)。或者，吸气剂的这个槽 或腔可形成于玻璃衬底中。也可能的是，在两个衬底中形成一个槽或 腔，在其中沉积相同或不同的吸气剂。
从上文可以看出，本发明的方法包括，制造一个MEMS器件，例 如空间光调制器，通过提供一个第一晶片，提供一个第二晶片，在第 一晶片上形成电路和多个电极，在第一或第二晶片中的任一个上形成 多个可偏转元件，对齐第一和第二晶片，把第一和第二晶片结合在一 起以形成一个晶片部件，把晶片部件分离为单独的芯片，并封装单独 的芯片。每个芯片可包括可偏转反射元件的一个阵列。反射元件对应 直视(direct-view)或投影显示器中的像素。每个芯片中的反射元件数 量是从6000到大约6百万或更多，这取决于显示器的分辨率。
在本发明的方法中，第一晶片优选是玻璃、硼硅酸盐、钢化玻璃、 石英或蓝宝石，或可以是另一种材料的透光晶片。第二晶片可以是一 种电介质或半导体晶片，例如砷化镓或硅。如上文所指出的，利用粘 合剂将第一和第二晶片结合在一起(虽然金属或阳极结合也是可能的， 这取决于MEMS结构和微加工类型)。
释放可通过提供任何合适的蚀刻剂来执行，包括来自卤间化合物、 惰性气体氟化物、气相酸，或气体溶剂的蚀刻剂。而且释放之后，优 选进行粘附处理(例如一种硅烷，如氯硅烷)。此外，可在应用粘性减 小的结合剂之前或之后，以及在应用粘合剂(如果一种粘结方法被选 择)之前或之后将吸气剂应用到晶片。优选地，从释放到结合的时间 小于12小时，并且优选小于6小时。
本发明并不必限于直视或投影显示器。本发明适用于许多中不同 类型的MEMS器件，包括压力和加速传感器、MEMS开关或在晶片上 形成或释放的其他MEMS器件。本发明也不必限于在一个晶片上形成 可释放MEMS元件和在另一晶片上形成电路。如果MEMS和电路都 以单片形式形成在相同的晶片上，则第二晶片(玻璃、硅或其他材料) 可以晶片级结合，这是接着MEMS器件释放进行的，但是先于把晶片 分成单个芯片。如果MEMS器件是微镜，由于这些元件的易碎性，这 就特别有用。
虽然本发明是针对任何MEMS器件的，但利用本发明，可使用用 于投影显示器或光开关的特殊的镜子和方法，例如在下面的专利中所 述的那些镜子和方法，1998年11月10日颁布的Huibers的美国专利 5835256；2000年4月4日颁布的Huibers的美国专利6046840；2001 年1月22日提交的True等人的美国专利申请09/767632；2000年5月 3日提交的Richards的09/564069；2000年7月17日提交的Huibers 等人的09/617149；2000年8月3日提交的Huibers等人的09/631536； 2000年7月27日提交的Huibers的09/626780；2001年5月22日提交 的Patel等人的60/293092；2000年8月11日提交的Huibers等人的 09/637479；和2000年9月8日提交的Huibers的60/231041。如果MEMS 器件是一个镜子，则可使用2000年12月7日提交的llkov等人的美国 专利申请09/732445中公开的特殊镜子形状。此外，MEMS器件并不 必是一个微镜，而是可替代为任何MEMS器件，包括上述申请所公开 的以及2000年12月13日提交的Huibers的申请60/240552中所公开 的。另外，牺牲材料和去除它们的方法可以是2001年6月15日提交 的Reid等人的美国专利申请60/298529中所公开的那些方法。最后， MEMS器件的组装和封装可以是，例如2001年3月15日提交的美国 专利申请60/276222中所公开的那些。这些专利和申请中的每一个在此 通过引用并入。
尽管根据特定实施例对本发明进行了描述。但是，熟悉本领域的 人都会意识到，根据本文所述的实施例，可以有许多变化。