微机电反射体及用于制造微机电反射体的方法
【专利摘要】本发明涉及一种微机电反射体,其具有一个电极衬底、多个电极凹槽、至少一个扭转弹簧结构、一个载体衬底和一个反射体表面,所述电极衬底具有第一表面和与所述第一表面相对置的第二表面,在所述电极衬底的第一表面上布置有单晶硅层,所述多个电极凹槽从第二表面开设到所述电极衬底中,所述至少一个扭转弹簧结构构造在所述单晶硅层中在所述电极凹槽中的一个之上,所述载体衬底设置在所述电极衬底的第二表面上,所述反射体表面布置在所述单晶硅层上。在此,通过所述电极凹槽形成至少一个通过所述扭转弹簧结构可运动地支承在所述电极衬底中的第一电极和至少一个与所述载体衬底和所述单晶硅层机械固定地锚定的第二电极。此外,所述第一电极的和所述第二电极的电极面彼此平行地垂直于所述电极衬底的表面地布置。
【专利说明】微机电反射体及用于制造微机电反射体的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种微机电反射体和一种用于制造微机电反射体的方法,尤其是在电容式运行的微机电反射体的领域中。
【背景技术】
[0002]微型化镜用于不同的应用,例如,便携式电信设备的光学器件。这些镜——往往亦称微镜在此可以由微机电结构(MEMS,“micro-electromechanical systems” (微机电系统))制造。
[0003]这样的微镜可以基于电容式工作原理,这意味着,以电压加载两个彼此按预先确定的几何形状布置的电极元件。通过改变该电压可以感应生成这些电极相对于彼此的运动。在此,大多是这些电极中的一个固定在衬底上,而这些电极中的另外一个相对于所述衬底关于至少一个自由度可以自由运动。
[0004]在电容式微镜中,通常将所述微镜布置在衬底上并且通过一个或多个扭转轴使其从衬底平面偏转出来。在此,所述扭转可以通过垂直于衬底、彼此间隔开并且布置在微镜下方的电极激励。如果在电极之间施加控制电压,则电极之间的静电吸引力或静电排斥力将导致围绕大多置于衬底表面处的扭转轴倾斜,使得处于电极之上的并且与倾斜的电极机械耦合的微镜从所述衬底平面倾斜出来。
[0005]出版文献US 7,079,299 BI公开了一种在硅衬底中的静电梳式结构,其构造用于使布置在其之上的微镜绕扭转轴旋转。出版文献US 6,694,504 B2公开了一种用于制造微镜的方法,所述微镜的静电扭转驱动结构具有通过在硅衬底中竖直蚀刻的和彼此竖直错开的电极。
[0006]在这种微镜的制造中,在整个衬底高度上实施多次蚀刻和沉积过程。这可能导致在可能的电极几何形状选择方面的限制,这又可能引起在电极或微镜的运动自由度方面的限制。此外,沿着所述扭转轴的机械悬挂装置往往由多晶硅层结构或氧化物层结构加工,由此通过辐射而在镜表面处出现的热量可能难以导出到衬底中。
[0007]存在对以下微镜、尤其是可电容式运行的微镜的需求:所述微镜可简单地并且成本有利地制造,其机械稳健性得以改善,其几何尺寸在制造过程中尽可能灵活地实现,并且其具有改善了的导热特性。
【发明内容】
[0008]按照一个方面,本发明实现一种微机电反射体,其具有一个电极衬底、多个电极凹槽、至少一个扭转弹簧结构、一个载体衬底和一个反射体表面,所述电极衬底具有第一表面和与所述第一表面相对置的第二表面,在所述电极衬底的第一表面上布置有单晶硅层,所述多个电极凹槽从第二表面开设到所述电极衬底中,所述至少一个扭转弹簧结构构造在所述单晶硅层中在所述电极凹槽中的一个之上,所述载体衬底设置在所述电极衬底的第二表面上,所述反射体表面布置在所述单晶硅层上方。在此,通过所述电极凹槽形成至少一个通过所述扭转弹簧结构可运动地支承在所述电极衬底中的第一电极和至少一个与所述载体衬底和所述单晶硅层机械固定地锚定的第二电极。此外,所述第一电极的和所述第二电极的电极面彼此平行地垂直于所述电极衬底的表面地布置。
[0009]按照另一个方面,本发明实现一种用于制造微机电反射体的方法,所述方法具有下列步骤:穿过构造在电极衬底上的氧化物层和构造在所述氧化物层上的单晶硅层构造导电的覆镀通孔(Durchkontakt);在所述单晶娃层中构造至少一个扭转弹簧结构;在所述电极衬底的背离所述单晶硅层的表面中构造电极凹槽,以便通过所述电极凹槽形成至少一个通过所述扭转弹簧结构可运动地支承在所述电极衬底中的第一电极和至少一个与所述单晶硅层机械固定地锚定的第二电极,其中,所述第一电极的和所述第二电极的电极面彼此平行地垂直于所述电极衬底的表面地布置;在所述电极衬底的背离所述单晶硅层的表面上施加载体衬底;并且在所述单晶硅层上方施加反射体表面。
[0010]本发明的构思是,实现一种基于MEMS(微机电系统)的可电容式控制的微镜装置或反射体装置,其中,从电极衬底中蚀刻竖直的电极面,并通过单晶硅层将竖直的电极面机械锚定在衬底的镜侧的表面上。在与镜侧表面的相对置的表面上设有线路衬底(Leitungssubstrat),通过所述线路衬底可以以电压加载电极。在此,从电极衬底中一方面蚀刻固定电极,而另一方面蚀刻可相对于所述固定电极运动的电极,其中,可运动的电极机械耦合到具有进行反射的表面的载体结构上,而电极之间的静电力导致可运动的电极和载体结构绕一个处于衬底平面中的扭转轴倾斜。
[0011]所述微镜装置的一个显著的优点在于,所述电极通过所述单晶层非常稳健地悬挂在衬底中。这提高了可以用于致动所述微镜的精度。此外,单晶层的导热性显著高于例如多晶硅层或者氧化物层的导热性,使得在所述镜表面上出现的辐射热量可以显著更高效地导出到所述电极衬底或导电衬底中。
[0012]这样的微镜装置在电极彼此的间距方面可以以相应较小的尺寸设计,以便提高有效的起作用的电容式电极面积。因此,有利地产生低的构造空间要求和成本低廉的构造方式。
[0013]此外,按照根据本发明的反射体的一个实施例,所述反射体还可以具有一个构造在所述单晶层和电极衬底之间的氧化物层和至少一个穿过所述单晶层和所述氧化物层的导电的覆镀通孔,通过所述氧化物层所述第一电极与所述单晶层导电连接。这使得可运动的第一电极通过所述单晶层电连接到所述载体衬底上成为可能,而不必对所述第一电极与所述第二电极的绝缘进行折衷。
[0014]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,所述载体衬底可以通过金属键合材料与电极衬底连接。这使得载体衬底和电极衬底之间的特别稳定的导电连接成为可能。
[0015]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,可以从所述载体衬底的背离所述电极衬底的表面穿过所述载体衬底构造硅覆镀通孔直至所述金属键合材料。因此,可以有利地将载体衬底本身作为与可以在载体衬底的下侧上构造的重新布线平面的导电连接使用。
[0016]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,所述载体衬底在面向所述电极衬底的表面上具有氧化物层,所述氧化物层在所述硅覆镀通孔的区域中横向超出所述硅覆镀通孔的延伸在所述载体衬底上延伸。这显著地提高了固定的第二电极的机械稳定性。
[0017]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,所述第一电极可以圆柱形构造。这使在一个改进方案中围绕圆柱形的第一电极对称地布置的四个第二电极成为可能。因此,在正方形或矩形的反射体面的情况下,可以在固定的第二电极之间实现特别大的和稳健的导电连接面。
[0018]此外,按照根据本发明的反射体的另一个实施例,所述反射体还可以具有至少一个辅助电极,所述至少一个辅助电极通过所述电极凹槽构造在所述第二电极的背离所述第一电极的一侧上,并且所述至少一个辅助电极与所述第二电极竖直间隔开地布置。因此,用于所述第一电极的控制信号可以有利地通过所述辅助电极、就是说与电极衬底的电位无关地引导。
[0019]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,在所述单晶层上施加金属键合材料、与金属键合材料连接的隔件和布置在隔件上的镜元件,其中,在镜元件的背离隔件的一侧上施加反射面。因此,可以有利地增大所述反射面,而不必以反射体的运动自由度、也即反射体的倾斜自由度的减小为代价。
[0020]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,镜元件可以具有横向延展,所述横向延展在所述电极衬底的衬底平面中延伸超出所述扭转弹簧结构。
[0021]按照根据本发明的反射体的另一个实施例,所述载体衬底和/或所述电极衬底可以具有SOI衬底。借助这类衬底,用于所述电极电位隔离的氧化物层已经存在,从而用于反射体的加工方法有利地变得比较简单、比较短时间和较廉价。
[0022]现在由下面参照附图的描述中得出本发明的实施方式的其他的特征和优点。
【专利附图】
【附图说明】
[0023]只要是合理的,所描述的构型和扩展方案就能够任意地彼此组合。本发明的其他可能的构型、扩展方案和实现也包括本发明的之前或在下面关于实施例所描述的特征的未明确提到的组合。
[0024]附图应该传递本发明的实施方式的进一步理解。它们阐明实施方式并与描述相关联地用于阐述本发明的原理和方案。参考附图得出其他实施方式和上述优点中的许多优点。附图的元素不一定彼此按比例地示出。在下面的描述中,诸如“左”、“右”、“上”、“下”、“在上方”、“在下方”、“在旁边”、“前面”、“后面”、“竖直”、“水平”等方向说明仅仅用于说明的目的,而不是对一般性的限制。
[0025]图1以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第一中间产物的示意图;
[0026]图2以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第二中间产物的示意图;
[0027]图3以示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第三中间产物的示意图;
[0028]图4以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第四中间产物的示意图;
[0029]图5以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第五中间产物的示意图;
[0030]图6以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第六中间产物的示意图;
[0031]图7以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第七中间产物的示意图;
[0032]图8以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第八中间产物的示意图;
[0033]图9以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第九中间产物的示意图;
[0034]图10以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十中间产物的示意图;
[0035]图11以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十一中间产物的示意图;
[0036]图12以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十二中间产物的示意图;
[0037]图13以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十三中间产物的示意图;
[0038]图14以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十四中间产物的示意图;
[0039]图15以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十五中间产物的示意图;
[0040]图16以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十六中间产物的示意图;
[0041]图17以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十七中间产物的示意图;
[0042]图18以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十八中间产物的示意图;
[0043]图19以剖视图示出在根据本发明的微机电反射体的制造中的第十九中间产物的示意图;
[0044]图20以剖视图示出根据本发明的微机电反射体的示意图;
[0045]图21以剖视图示出根据本发明的微机电反射体的另一示意图;而
[0046]图22以俯视图示出图21的根据本发明的微机电反射体的示意图。
【具体实施方式】
[0047]图1以剖视图示出在微机电反射体的制造中的第一中间产物的示意图。在此,电极衬底3可以设有氧化物层2,所述氧化物层施加在电极衬底3的表面上。然后,在氧化物层2上可以施加单晶硅层I。在一个实施变型方案中,单晶硅层I可以是作为电极衬底3的(“silicon an insulator:绝缘体上娃,SOI晶片”)的绝缘体上娃晶片上的第一功能层。
[0048]如图2所示,在单晶娃层I中可以设置过孔(Vias( “vertical interconnectaccess (竖直互联通道)”)或沟槽4,其向下一直延伸到氧化物层2上。如图3所示,在过孔底部或沟槽底部4a的区域中蚀刻氧化物层2,同样直至电极衬底3上。
[0049]图4示出微机电反射体的一个中间产物的示意图。所制造的过孔或沟槽4以导电材料5填充。如果电极衬底3和单晶硅层I具有不同的掺杂类型——例如η-掺杂和P-掺杂,则材料5可以具有金属层,例如由钛和氮化钛制成的层。在此,可以沉积势垒层5,在所述势垒层上由化学气相沉积钨层。反之在电极衬底3和单晶硅层I相同的掺杂类型的情况下,由化学气相进行硅层5的沉积。在此,可以在沉积过程期间或之后掺杂硅层5。这例如可以通过以下方式进行:在一个温度步骤中在硅层5中设置电极衬底3与单晶硅层I的掺杂。
[0050]正如在图5中可以看到的那样,在平面化步骤中可以使所填充的过孔5a除去多余的金属层5,以便从电极衬底3穿过氧化物层2和单晶硅层I形成导电的覆镀通孔。
[0051]在图6示出,如何可以在两个覆镀通孔5b之间的区域中制备反射体面。在此,可以直接在单晶硅层I上沉积反射体面,例如镜金属。但是,正如图6的例子中所示的那样,也可以在两个覆镀通孔5b之间的区域中在单晶硅层I上首先构造铝层6。然后,可以将铝层6用于处在单晶硅层I上方的镜元件的构造,正如下面参照图8进一步阐述的那样。
[0052]图7示出单晶硅层I的结构化。在此,在两个覆镀通孔5b以外施加扭转弹簧结构7,所述扭转弹簧结构例如可以具有一个严重偏离I的,例如数值小于0.5或大于2的宽度对高度的截面比。因此,在相同扭转刚度的扭转弹簧结构7的情况下,可以达到改善的热传导特性。
[0053]图8示出在电极衬底3上具有氧化物层10和单晶硅层11的载体晶片9。在此,载体晶片9例如可以是SOI晶片。在晶片9上可以设置基座或者隔件12,其表面设有键合材料8。例如键合材料8可以是直接施加在隔件12上的锗层。在此,隔件12同样可以由硅制造。在此,可以已经预先结构化单晶硅层11和隔件12,以便通过在载体晶片9上侧的硅蚀刻过程和随后的各向同性氧化蚀刻来实施可运动的镜结构或反射体表面的释放(Freistellen)。如图9所示,键合材料8与键合材料6的键合产生电极衬底3和载体晶片9之间的固定键合。在铝层作为键合材料6并且锗层作为键合材料8的情况下,硅可以扩散进入铝-锗连接并且有利地提高键合的熔化温度。
[0054]在图10所示的将电极衬底3从下侧在3a区域中减薄之后,可以在电极衬底3的背侧或下侧上制备键合面14,例如,通过结构化的铝层14,正如图11示意性地示出的那样。
[0055]然后,图12示出蚀刻过程的示意图,借助蚀刻过程在电极衬底3中设置电极凹槽15。电极凹槽15尤其是直接在扭转弹簧结构7下方蚀刻的,以便从剩余的电极衬底3释放两个扭转弹簧结构7之间的中间区域。由此在电极衬底3中出现通过扭转弹簧结构7可运动地支承在电极衬底3中的竖直的第一电极。所述竖直的第一电极在表面上通过氧化物层2与电极衬底3上的单晶硅层I导电连接。
[0056]可以在电极衬底3的边缘区域中形成其他电极凹槽15,以便将与单晶硅层I机械固定地锚定的第二电极与辅助电极隔离,其中,所述辅助电极通过电极凹槽15构造在所述第二电极的背离第一电极的一侧上,并且所述辅助电极与所述第二电极竖直间隔开地布置。尤其可以在覆镀通孔5b下方布置辅助电极,以便通过所述辅助电极和覆镀通孔5b将电位引导至第一电极上。
[0057]图13示出随后将具有氧化物层17和多晶硅层18的载体衬底16施加在电极衬底3的背离单晶硅层I的表面上。例如,也可以将SOI晶片用于载体衬底16。电极衬底3和载体衬底16同样可以通过键合过程连接,其方式是,将在多晶硅层18上施加的金属化19——例如锗层19与键合面14——例如铝层14进行键合。为此可以利用金属键合方法,所述金属键合方法例如在铝-锗键合20的情况下如图14所示的那样导致硅从载体衬底16扩散进所述键合中以及由此引起熔化温度升高。因此,在再一次温度步骤中所述键合没有第二次熔化。
[0058]通过键合20的键合,尤其竖直的第二电极中的一个与载体衬底16相对于电极衬底3稳定地和不能运动地电连接与机械连接。在此,多晶硅层18可以如此结构化,使得相邻的第二电极和辅助电极彼此电隔离,并且从多晶硅层18释放在可运动的第一电极下方的区域。可选地,也可以适当地结构化氧化物层17,以便释放在电极衬底3中的可运动的第一电极以保证最大的可动性。
[0059]图15至18示出在载体衬底16中构造硅覆镀通孔22、23、24,载体衬底可以选择事先减薄。通过硅覆镀通孔22、23和24,可以将第一和第二电极的电信号从布置在载体衬底16上的娃层18穿过载体衬底16引导至载体衬底16的下侧。可以在载体衬底16的下侧上的另一氧化物层21中形成硅覆镀通孔22、23和24,然后在所述氧化物层上可以形成重新布线(Umverdrahtung)平面中的重新布线25,如图19所示。在此,可以类似出版文献DE 10 2009 045 385 Al所描述地那样进行硅覆镀通孔的施加。在此,有利的是,尤其在固定的第二电极的区域中硅层18与硅覆镀通孔24的区域重叠直至进入载体衬底16的载体衬底区域。在此,至少在一个位置上可以将重叠选择得如此大,使得氧化物层17在所述区域中也还覆盖载体衬底16。这保证所述第二电极的高机械稳定性。所述重叠也可以围绕硅覆镀通孔24四周设计得如此大,使得电极衬底3的镜侧表面相对于载体衬底16的下侧区域完全地和密封地隔离,以便最佳地保护载体衬底16的下侧上的控制电子电路。
[0060]在施加载体衬底16之后衬底堆叠或堆积足够机械稳定化,以便例如通过蚀刻过程去除载体晶片9,如图20所示。然后例如可以通过借助氟氢酸的气相蚀刻过程去除所释放的氧化物层10,以便如图21所示的那样保证在镜元件11上的尽可能清洁和光滑的镜表面,在所述镜表面上可以施加反射体表面R。
[0061]此外,图21示例性地示出可运动的第一电极M、固定的第二电极F以及在电极衬底3的外部区域中可选地存在的辅助电极C。通过在第一电极M和第二电极F之间施加电压可以实现电极M围绕平行于电极衬底3的衬底平面地和在单晶硅层I延伸的扭转轴的扭转,从而引起镜元件11或反射体表面R的相应扭转T。通过隔件12保证镜元件11尽可能大的倾斜自由度。此外,镜元件11如此设计,使得镜元件超过可运动电极的面,以便实现尽可能大的反射体表面。
[0062]图22示出在图21中的反射体沿着图21中示出的剖面线A-A的示意图。优选地,可运动的电极M可以是圆柱形的,例如,空心圆柱体元件。在此,可能有利的是,围绕所述可运动电极M的四周布置四个固定电极F。在矩形或正方形的镜元件11的情况下,可以特别节省空间地相对于镜元件11的定向旋转45°地构造固定电极F,使得在单晶硅层I和固定电极F之间在镜元件11下方实现用于固定电极F的特别大的连接面积。在此,可运动电极M和固定电极F之间的距离可以选择得尤其大于固定电极F和辅助电极C之间的距离。
[0063]借助所描述的过程顺序可以制造单个反射体以及反射体阵列。
【权利要求】
1.一种微机电反射体,其具有: 一个电极衬底(3),所述电极衬底具有第一表面和与所述第一表面相对置的第二表面,在所述电极衬底的第一表面上布置单晶硅层(I); 多个电极凹槽(15),其从第二表面开设到所述电极衬底(3)中; 至少一个扭转弹簧结构(7),其构造在所述单晶硅层(I)中在所述电极凹槽(15)中的一个之上; 一个载体衬底(16),所述载体衬底设置在所述电极衬底(3)的第二表面上;和 一个反射体表面(R),其布置在所述单晶硅层(I)上, 其中,通过所述电极凹槽(15)形成至少一个通过所述扭转弹簧结构(7)可运动地支承在所述电极衬底(3)中的第一电极(M)和至少一个与所述载体衬底(16)和所述单晶硅层(I)机械固定地锚定的第二电极(F),其中,所述第一电极(M)的和所述第二电极(F)的电极面彼此平行地垂直于所述电极衬底(3)的表面地布置。
2.根据权利要求1所述的微机电反射体,所述微机电反射体还具有 一个氧化物层(2),其构造在所述单晶层(I)和所述电极衬底(3)之间;和 至少一个穿过所述单晶层(I)和所述氧化物层(2)的导电的覆镀通孔(5b),通过所述氧化物层所述第一电极(M)与所述单晶层(I)导电连接。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的微机电反射体,其中,所述载体衬底(16)通过金属键合材料与所述电极衬底(3)连接。
4.根据权利要求3所述的微机电反射体,其中,从所述载体衬底(16)的背离所述电极衬底(3)的表面穿过所述载体衬底(16)构造硅覆镀通孔(25)直至所述金属键合材料。
5.根据权利要求4所述的微机电反射体,其中,所述载体衬底(16)在面向所述电极衬底(3)的表面上具有氧化物层(17),所述氧化物层在所述硅覆镀通孔(25)的区域中横向超出所述硅覆镀通孔(25)的延伸在所述载体衬底(16)上延伸。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的微机电反射体,其中,所述第一电极(M)圆柱形构造。
7.根据权利要求6所述的微机电反射体,其中,构造有四个第二电极(F),所述四个第二电极围绕圆柱形的第一电极(M)对称布置。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的微机电反射体,所述微机电反射体还具有:至少一个辅助电极(C),所述至少一个辅助电极通过所述电极凹槽(15)构造在所述第二电极(F)的背离所述第一电极(M)的一侧上,并且所述至少一个辅助电极与所述第二电极(F)竖直间隔开地布置。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的微机电反射体,其中,在所述单晶层(I)上施加金属键合材料(13)、与所述金属键合材料(13)连接的隔件(12)和布置在所述隔件(12)上的镜元件(11),其中,在所述镜元件(11)的背离所述隔件(12)的一侧上施加反射面(R)。
10.根据权利要求9的微机电反射体,其中,所述镜元件(11)具有横向延展,所述横向延展在所述电极衬底(3)的衬底平面中延伸超出所述扭转弹簧结构(7)。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的微机电反射体,其中,所述载体衬底(16)和/或所述电极衬底(3)具有SOI衬底。
12.一种用于制造微机电反射体的方法,所述方法具有下列步骤: 穿过构造在电极衬底(3)上的氧化物层(2)和构造在所述氧化物层(2)上的单晶硅层(I)构造导电的覆镀通孔(5b); 在所述单晶硅层(I)中构造至少一个扭转弹簧结构(X); 在所述电极衬底⑶的背离所述单晶硅层⑴的表面中构造电极凹槽(15),以便通过所述电极凹槽(15)形成至少一个通过所述扭转弹簧结构(7)可运动地支承在所述电极衬底(3)中的第一电极(M)和至少一个与所述单晶硅层(I)机械固定地锚定的第二电极(F),其中,所述第一电极(M)的和所述第二电极(F)的电极面彼此平行地垂直于所述电极衬底(3)的表面地布置; 在所述电极衬底(3)的背离所述单晶硅层(I)的表面上施加载体衬底(16);并且 在所述单晶硅层(I)上方施加反射体表面(R)。
【文档编号】B81C1/00GK104252039SQ201410457664
【公开日】2014年12月31日 申请日期:2014年6月24日 优先权日:2013年6月25日
【发明者】J·赖因穆特 申请人:罗伯特·博世有限公司