用于制造MEMS微反射镜设备的工艺以及相关联设备的制作方法

本发明涉及一种用于制造mems微反射镜设备(micromirrordevice)的工艺以及相关联设备。

背景技术：

在以下本说明书中，术语“掩埋空腔”将参考半导体本体或芯片内的空白区域使用(或充满气体)，该空白区域通过采用半导体材料的多个部分与本体的两个主面间隔开。

使用半导体材料技术制造的微反射镜设备是已知的并且也被称作mems(micro-electro-mechanicalsystem，微机电系统)设备。

这些mems微反射镜设备例如在用于光学应用的便携式装置(比如，便携式计算机、膝上型电脑、笔记本计算机(包括超薄笔记本计算机)、pda、平板计算机以及智能电话)中用于以期望的形式引导光源生成的光辐射束。

就面积和厚度而言，这些mems微反射镜设备由于尺寸小而满足有关体积的严格要求。

例如，mems微反射镜设备用于能够在一定距离处投影图像或者能够生成期望的光图案的微型投影仪模块(所谓的微微投影仪)中。

mems微反射镜设备通常包括反射镜元件，该反射镜元件可移动(通常具有倾斜或旋转运动)并且能够以期望的方式引导入射光束。

例如，图1是微微投影仪9的示意图，该微微投影仪包括光源1，通常为生成由三个单色束组成的光束2的激光源)，每个基本颜色一个单色束，该单色束穿过仅示意性地展示的光学系统3，通过反射镜元件5被偏转朝向屏幕6。在所示出的示例中，反射镜元件5为二维型，被控制以便关于垂直轴线a和水平轴线b转动。反射镜元件5关于垂直轴线a的旋转生成快速水平扫描。反射镜元件5关于垂直于垂直轴线a的水平轴线b的旋转生成慢速垂直扫描(通常为锯齿型)。

在图2中展示了所获得的扫描方案并且由7标记。

在图1的系统的变体中，系统包括沿光束2的路径依次安排的并且每个都可围绕自己的轴线旋转的两个微反射镜；即，为了生成与图2的方案相同的扫描方案，一个微反射镜可围绕水平轴线b旋转并且另一个微反射镜可围绕垂直轴线a旋转。

微反射镜系统的另一个应用是3d手势识别系统。这些系统通常使用微微投影仪和图像采集设备(比如，相机)。此处的光束可能在可见范围内、在不可见范围内或在任何有用的频率处。微微投影仪可以类似于图1的微微投影仪9，并且微反射镜5所偏转的光束2用于在两个方向上对物体进行扫描。例如，微微投影仪可以将小的条带投影到物体上，物体的可能投影或凹陷区域(由于其深度)产生相机检测到的光线的变形，并且这些变形可以被连接至相机的适当电子装置检测到并用于检测第三尺寸。

在任一情况下，镜元件的旋转通常经由致动系统(当前为静电、磁或压电型)进行控制。

例如，图3至图5示出了纯静电致动的构成美国专利申请2014/0198366的主题的微机械反射镜结构10。

如下文中所解释的，微机械反射镜结构10包括第一本体11和第二本体14，例如，采用如硅等半导体材料的这两个本体经由键合层(未展示)而键合在一起。

第一本体11形成被沟槽13环绕并悬置在空腔(或者开口)15之上的可移动质量块12，该空腔形成于第二本体14中并且具有小于第二本体14的厚度的高度(沿笛卡尔参考系的轴线y)。

可移动质量块12具有中心部分12a，该中心部分例如在平面视图中(在水平面xy中)为圆形，支撑反射镜层16。反射镜层16由对待投影光辐射具有高反射率的材料(例如，铝或金)形成。此外，可移动质量块12具有支撑部分12b，这些支撑部分具有细长形状并且相对于中心部分12a沿水平面xy的轴线x在相对侧上延伸。

中心部分12a在支撑部分12b处通过扭转型弹性元件(弹簧)19耦合至相对于第二本体14固定的锚固件18，这些弹性元件使其能够旋转出水平面xy。

弹性元件19具有沿轴线x的纵向延伸部并且沿其延伸方向限定可移动质量块12的旋转轴线c。

此外，可移动质量块12的支撑部分12b承载与其刚性连接的指状可移动电极22，这些可移动电极在平面xy中在支撑部分12b的相对侧上沿轴线y并且在沟槽13内延伸。

微机械反射镜结构10进一步包括固定部分23，该固定部分在第一本体11中并且相对于第二本体14是刚性的，通过沟槽13与可移动质量块12分离。固定部分23承载固定电极24，这些固定电极也具有面向可移动电极22并与其成梳齿连接的指状构造。

第一触点焊盘25a和第二触点焊盘25b由固定部分23的对应顶表面以及锚固件18的对应顶表面承载，以便分别对固定电极24和可移动电极22的进行电气偏置。

使用时，根据所期望的用于将入射光束反射朝向微机械反射镜结构10的外部的运动，在可移动电极22与固定电极24之间施加适当的电势差引起弹性元件19的扭转以及可移动质量块12的中心部分12a(以及相关联反射镜层16)关于旋转轴线c的旋转。

如图6和图7所示出的，当前从soi(silicon-on-insulator，绝缘体上硅)衬底开始制造微机械反射镜结构10。

详细地，图6，该工艺包括将soi晶片30键合至第二本体14。soi衬底30以已知方式包括第一硅层31、绝缘层32以及第二硅层33。第一硅层32作为处理层而进行操作并且从而很厚(例如，其厚度为400μm)，并且第二硅层34(其中形成有图3的可移动质量块12)具有更小的厚度(例如，50μm)。

在将第二本体14键合至soi衬底30之前，通常对其进行机械加工。详细地且以已知方式(例如，经由深度干法蚀刻)形成图3的空腔15。此外，在第二本体14的内部和顶部形成触点区域和电连接区域(未展示)。

soi晶片30通过例如采用二氧化硅、玻璃料或者mems设备中常用的其他键合材料的粘合层36而键合至第二本体14。粘合层36的至少一部分可以属于导电型以便使得能够对图3的第一本体11中形成的区域进行电连接和偏置。

接下来，图7，soi晶片30例如经由cmp(chemicalmechanicalpolishing，化学机械抛光)被薄化以便移除第一硅层31和绝缘层32，从而形成第一本体11。然后，例如通过选择性蚀刻，第二硅层33被限定为形成可移动质量块12，包括图3的中心部分12a、支撑部分12b以及可移动电极22和固定电极23(在图7中不可见)。

然后，在第二硅层33的暴露表面上制作反射镜层16和第二触点焊盘25b。

利用这种解决方案，由于soi晶片30的第二硅层33由单晶硅组成并且由此具有高平坦性(低粗糙度)，所以其具有期望用于形成微反射镜结构的平坦性水平并且由此非常适合作为反射镜层16的基底。

所描述的工艺已经产生了好的结果但是由于soi晶片的存在而较为昂贵，该soi晶片的存在使得难以降低微机械反射镜结构10的成本以及由此其在低成本设备和装置中的使用。

技术实现要素：

因此，本发明的目的是提供一种克服了现有技术的缺点并且特别是可以以低于当前设备成本的成本进行制造的微反射镜设备。

根据本发明，如所附权利要求书中所限定的，提供了用于制造mems微反射镜设备的工艺以及相关联mems微反射镜设备。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式参照附图描述本发明的优选实施例，在附图中：

-图1是微微投影仪的示意性表示；

-图2示出了在屏幕上由图1的微微投影仪生成的图像的投影方案；

-图3是本微反射镜设备的透视图；

-图4和图5是图3的微反射镜设备的分别沿图3的线iv-iv和v-v截取的横截面；

-图6和图7是在两个随后制造步骤中的穿过图3的微反射镜设备的中间结构的横截面；

-图8是在本微反射镜设备的初始制造步骤中的穿过半导体材料晶片的横截面；

-图9a和图9b分别是在随后制造步骤中的图8的晶片的顶视平面图和横截面；

-图10a和图10b分别是本微反射镜设备的进一步制造步骤中的类似于图9a和9b的顶视平面图和横截面；

-图10c示出了图10a的在放大比例尺下的一部分；

-图11a和图11b分别是在本微反射镜设备的随后制造步骤中的在放大比例尺下的类似于图10a和图10b的一半结构的顶视平面图和横截面；

-图12至图14是在本微反射镜设备的随后制造步骤中的类似于图11b的横截面；

-图15示出了本微反射镜设备的一半的顶视平面图；

-图16a和图16b分别是本制造工艺的变体的顶视平面图和横截面；

-图17至图19是根据本制造工艺的变体的在本微反射镜设备的随后制造步骤中的在放大比例尺下的类似于图16b的横截面；

-图20a和图20b示出了在顶视平面图和横截面中的本微反射镜设备的变体的放大细节；

-图21是使用本微反射镜设备的微微投影仪的框图；

-图22和图23示出了图21的微微投影仪与便携式电子装置之间的不同耦合；以及

-图24是本微反射镜设备的不同实施例的顶视平面图。

应当注意的是，在下文中所描述的附图中，有时由于结构的对称性而仅在顶视平面图中表示了结构的一半。

具体实施方式

下面将参照对单个微反射镜设备的制造来描述本制造工艺，应当理解的是，在对晶片进行划片之前，以对本领域的技术人员来说本身已知的方式在晶片中多次重复该制造工艺。

初始地，图8，在采用单晶半导体材料(比如硅)的晶片中形成掩埋空腔。例如，为此，可以使用在ep1577656(对应于专利us8173513)中所描述的以及下文所简要概述的制造工艺。

详细地，在初始晶片100上形成抗蚀剂掩模101，该抗蚀剂掩模具有形成蜂巢状晶格的开口。使用掩模101在初始晶片100上执行各向异性蚀刻，以便形成多个沟槽102，这些沟槽彼此连通并界定多个硅柱状物103。

接下来，在移除掩模101之后，在还原性环境中执行外延生长。因此，外延层(例如，n型)生长在柱状物103的顶部，在顶部封闭沟槽102，从而形成晶片104。

然后，优选地在氢气气氛中或者可替代地在氮气气氛中执行热退火例如30分钟至1190℃。如上述专利中所讨论的，退火造成硅原子的迁移，这些硅原子趋于移动到更低能量位置中。因此，如图9b的横截面中以及利用图9a中的虚线所展示的，并且也由于柱状物103之间的短距离，这些柱状物的硅原子完全迁移，并且形成掩埋空腔106。薄硅层(例如，50μm厚)保留在掩埋空腔106上，部分地由外延生长的硅原子形成并且部分地由迁移的硅原子形成。这一层由此形成了悬置在掩埋空腔106之上的由单晶硅组成的膜105。

接下来，图10a至图10c，膜105被蚀刻以便通过形成环绕振荡质量块107、支撑臂109、弹簧部分111(在图10c的放大细节中可见)以及可移动电极和固定电极112、113(在图10c的放大细节中同样可见)的沟槽108来限定微反射镜结构。振荡质量块107、支撑臂109、弹簧部分111以及可移动电极112形成可移动质量块114。沟槽108延伸穿过膜105远达掩埋空腔106，将可移动质量块114与支撑框架115分离，支撑框架悬置在腔106之上并承载固定电极113。如下文参照图11a和图11b所详细讨论的，沟槽108具有以便在随后的氧化步骤中不被填满的尺寸和纵横比。

在对沟槽108进行蚀刻期间，也形成了多个孔118，这些孔像沟槽108一样延伸穿过膜105远达空腔106。如在图10a和图10c的顶视平面图中可见的，孔118沿封闭线(此处为矩形)彼此对准，并且在膜105的外围附近延伸。以此方式，在蚀刻步骤期间和之后，在相邻对孔118之间形成悬置桥119，这些悬置桥将膜105连接至支撑框架115并且将其悬置在空腔106之上。

作为所展示的实施例的替代性方案，可以沿未封闭的但足以环绕支撑框架115(悬置在腔106之上)并将其与衬底的其余部分分离(晶片104的支撑部分122)的线安排孔118。

如下文中所解释的，孔118具有以便在随后氧化步骤中被完全封闭的纵横比和尺寸，并且具有以便在随后氧化中引起悬置桥119的完全氧化(图11a和11b)的距离。例如，孔118可以在约0.5μm的最大距离处具有矩形或正方形区域，并且具有约0.4-0.45μm的最小尺寸(例如，在垂直于封闭线的方向上的宽度)。如下文中所讨论的，在任何情况下，孔118的尺寸并不重要。

然后，图11a和11b，将这些悬置桥119氧化，从而导致这些孔118被封闭，氧化物层116被形成在该膜105(以及因此振荡质量块107、弹簧部分111、移动电极112、固定电极113以及掩埋空腔106)的这些暴露的壁上，以及这些悬置桥119被完全氧化。如具体地可以从图11a注意到的，用120标记的绝缘区域因此被形成，并且完全围绕膜105，将其与晶片的其余部分电绝缘；在图11a中，为了说明清晰起见，未表示出弹簧部分111以及可移动电极和固定电极112、113。

应当注意的是，在此步骤中，沟槽108未被氧化物填满，因为沟槽的宽度(如以上所指示的，例如，5μm)远大于孔118的宽度(例如，0.45μm)。

然后，沉积并限定金属层(经由借助于辊子沉积的抗蚀剂层)用于在振荡质量块107和触点焊盘之上形成反射区域145，并且用于以本身已知的未展示的方式打开这些触点。

接下来，图12，在空腔106处使用干法蚀刻从后面对晶片104进行蚀刻。在此步骤中，氧化物层116作为蚀刻停止而进行操作。以这种方式，对应于干法蚀刻期间移除的硅并且对应于空腔106，在膜105的下面形成非常宽的开口121，从而使得在振荡质量块107的下面不存在可以干扰振荡质量块107的旋转的移动的区域。

接下来(图13)，通过湿法蚀刻移除氧化物层116，并且，如果设想的话，图14，通过(例如，采用二氧化硅、玻璃料或者在mems技术中常用的某种其它键合材料)键合层126可以将晶片104键合至处理晶片125(如果晶片包括导电部分)。由此获得复合晶片127。

在划片之后，由此获得微反射镜设备130(如图15中所展示的)。

因此，所完成的微反射镜设备130包括采用半导体材料的单体本体140，该单体本体在顶部和底部由这里是平坦的第一主表面和第二主表面140a、140b(图14)界定。单体本体140具有固定支撑部分122并且具有开口121，该开口从第二主表面140b延伸并且在悬置膜105的底部被界定。因此，单晶半导体材料的悬置膜105被安排在开口121与第一主表面140a之间。悬置膜105形成支撑框架115以及振荡质量块107。振荡质量块107由支撑框架115承载并且可围绕与第一主表面140a平行的轴线c旋转。反射区域145在振荡质量块107之上延伸。

图16a、图16b以及图17至图19示出了不同实施例的随后制造步骤，其中，关于沟槽108在单独的步骤中制作用于形成绝缘区域120的孔118。

详细地，根据此变体，如以上参照图8、图9a以及图9b而描绘的，初始地执行相同的工艺步骤，形成具有膜105下面的掩埋空腔106的晶片104。

接下来，图16a和图16b，膜105被蚀刻以形成孔118。而且，此处，孔118延伸穿过膜105远达空腔106并且沿靠近膜105的边界的线(此处同样是封闭的)彼此对准。而且，此处，相邻对孔118之间的悬置桥119将膜105连接至支撑框架115并保持其悬置在空腔106之上。

孔118具有类似于以上参照图10a至图10c而描述的尺寸和纵横比的尺寸和纵横比。

然后(图17)，如以上参照图10a至图10c而描述的，对悬置桥119进行热氧化。由此，形成了绝缘区域120。在此步骤中，也可以以未示出的方式将掩埋空腔106的壁氧化。

在沉积并限定金属层(以形成电连接区域和反射区域145)、打开触点、以及沉积和限定触点焊盘之后，晶片104从后面被蚀刻以形成开口121(图18)。

接下来，图19，膜105被蚀刻以形成沟槽108。因此，限定了振荡质量块107、支撑框架115、支撑臂109、弹簧部分111以及可移动电极和固定电极112、113，支撑臂109、弹簧部分111以及可移动电极和固定电极112、113在图19的横截面中可见，但是类似于图10c的同源元件。

然后，接下来是以上所描述的最终步骤，包括移除氧化物层116、可能的键合至处理晶片125、以及进行划片，以便获得图15的微反射镜设备130。

在不同实施例中，如在图20a和图20b的放大细节中所展示的，孔118在图11a、图11b或者图17的氧化步骤期间没有完全氧化，并且由此由环绕孔或者空气间隙156的氧化物部分155形成绝缘区域120。然而，在这种情况下，也是在移除氧化物层116(如在图8至图15的实施例中)之后，从悬置桥119中形成的氧化物部分确保了绝缘。

由于不再需要使用soi衬底，所以本文中所描述的工艺使得能够以相对较低的成本的方式制造微反射镜设备130。在另一方面，从被悬置在通过单片半导体材料的外延生长形成的空腔之上的膜形成悬置质量块提供了悬置质量块107的高平坦性以及低表面粗糙度。以此方式，可以获得具有高质量反射表面的镜设备。

如下文中参照图21和图22所描述的，可以在微微投影仪201中使用微反射镜设备130，微微投影仪被设计成用于在功能地耦合至便携式电子装置200。

详细地，图21的微微投影仪201包括光源202(例如，激光型)，该光源被配置成用于生成光束203；微反射镜设备130，该微反射镜设备被配置成用于接收光束203并将其引导朝向屏幕或者图像捕获模块205(在外部并被安排成距微微投影仪201一定距离)；第一驱动电路206，该第一驱动电路被配置成用于向光源202提供适当的控制信号以便根据待投影图像生成光束203的；第二驱动电路208，该第二驱动电路被配置成用于向微反射镜设备130的振荡质量块107(图15)提供旋转驱动信号；以及通信接口209，该通信接口被配置成用于从(例如，被包括在便携式装置200中的)内部或外部控制单元210中接收待生成的图像的光信息(例如，采用像素阵列的形式)。输入光信息以驱动光源202。

此外，控制单元210可以包括用于控制微反射镜设备130的镜的角位置的单元。为此，控制单元210可以通过接口209接收光电探测器(未表示在图21中)生成的信号并且相应地控制第二驱动电路208。

如图22中所展示的，相对于相关联便携式电子装置200(例如，手机或者智能手机)，微微投影仪201可以作为单独的且独立的配件被提供。在这种情况下，微微投影仪201通过适当的电连接以及机械连接元件(未详细展示)被耦合至便携式电子装置200。因此，微微投影仪201配备有自己的外壳241，该外壳具有对于来自微反射镜设备130的光束203而言透明的至少一个部分241’。微微投影仪201的外壳241可移动地拟合到便携式电子装置200的单独外壳242中。

可替代地，如图23中所展示的，微微投影仪201可以被整合到便携式电子装置200中并且可以被安排在便携式电子装置200的外壳242内。在这种情况下，便携电子装置200具有对于来自微反射镜设备130的光束203而言透明的单独部分242’。在这种情况下，微微投影仪201例如耦合至便携式电子装置200的外壳242内部的印刷电路板。

最终，清楚的是，可以对本文中所描述和展示的设备和工艺进行修改和改变，而不会由此脱离如在所附权利要求书中所限定的本发明的范围。

例如，如图24中所展示的，如果在图11和图17的氧化步骤之后，它们引起了将支撑区域122与框架区域115电分离的绝缘区域120，则相对于所展示的形状和安排，可以改变孔118的形状和安排。

此外，孔118可以具有与上述以本申请人的名义提交的专利us2008/0224242的图9b和图9c中所展示的孔的形状和位置相同的形状和位置。