通孔结构及其方法

专利名称：通孔结构及其方法
技术领域：
这里描述的本发明总的涉及用于制造微型机械设备的工艺，该微型机械设备包括能够通过电极电致动和/或静电致动的可动元件。这种设备的示例是微镜和微镜的大型阵列、微型开关、振荡器、扬声器膜。特别地，本发明涉及能够实现镜子的较紧间距并提供消除操作时镜子致动中的干扰的结构的工艺的方面。其他的应用是能量产生系统，例如使用将动能转化为电能的压电材料的所谓能量收集。
背景技术：
现有技术的设备和工艺包括电线到致动结构(电极)和从致动结构(电极)的侧向布线(表面布线)。难以将这种表面排布的电线足够紧地隔开。处于多个位置的诸如镜子阵列的可偏转元件的致动通常需要电线在相邻的镜子下方排布，这不可避免地导致对不期望致动的阵列中的镜子的干扰和干涉。另外，在设置诸如镜子和镜子阵列的可偏转元件的晶片的同一侧上通常需要丝焊，这同样需要空间，并且防止尺寸的进一步减小和/或防止阵列中的镜子的较紧间距。US 2004/0009624A1 (Gormley等人)公开了一种具有镜子阵列的微型机械设备， 所述镜子阵列由穿过基底被晶片通过接线(通孔)耦合的电极致动。然而，非晶片天然材料的布线在设置镜子的相反侧上的基底的表面上。在SE_5^366(Silex Microsystems)中公开了用于致动镜子的穿过晶片的通孔的使用。

发明内容
根据本发明，提供穿过晶片的通孔，以使能够在期望的位置设置电极，用于致动目的。因此，本发明能够在镜子下方定位致动电极而不引起对阵列中其他镜子的干扰。然后， 能够在晶片的背侧上实现具有沉积材料的导线的排布。导线的排布通过在各层内设置绝缘区域而设置在晶片结构中的晶片天然材料内。因此，提供了一种分层的微型电子和/或微型机械结构，其包括至少三个交替的导电层，其中在导电层之间具有绝缘层，并且还包括第一外层中的通孔，所述通孔包括由晶片天然材料制成的穿过该层的绝缘导电连接；导电销，其延伸穿过其他层并进入第一外层中的所述通孔，以提供穿过各层的导电性；以及绝缘外壳，其围绕所述其他层中的至少一个选定层中的所述导电销，用于将所述销与所述选定层中的材料绝缘。另外，根据本发明，这些致动和布线原理用于制造具有可动元件的微型机械元件， 能够使得所述可动元件从名义或静止位置偏转到元件的一部分或整个元件在空间上移位的位置。这种元件可以实施为例如通过“铰接结构^￡一端附接于基底以使其能够偏转的镜子，或者在多个点——优选是四个点——附接于基底从而能够平移而不是偏转的镜子。这要求以平行的运动移动整个镜子平面。其他的元件是扬声器膜，其沿着外围刚性地附接于基底，并且能够引发振动。另外，用于计时目的的振荡器(如水晶)是本发明的实施例的例子。还提供了一种包括基底的微型电子和/或微型机械设备，该基底具有形成在其中的腔和设置在腔上方的至少一个可动构件，使得该可动机构能够在至少一个方向上运动， 该设备还包括用于每个可动构件的至少一个静电致动电极，用于引发所述一个或多个构件的运动，其中所述电极耦合于延伸穿过基底的通孔结构，由此电极与通孔结构之间的耦合通过根据本发明的分层的微型电子和/或微型机械结构提供。另外，如果压电材料应用在可动元件上，则能够从外部机械运动获取能量。因而， 在由压电材料制成的元件的每侧上设置彼此绝缘并通过接线连接于晶片的两个侧向布线的电极层。优选地，绝缘外壳具有使其在层内侧向延伸的几何形状，从而形成用于在层内侧向路由信号的布线结构。合适地，在所述其他层中的至少一个中，所述销不与周围材料绝缘。在一个实施例中，具有三个导电层，并且在这些层中的一个中设有绝缘外壳。在其他实施例中，具有四个导电层，并且在这些层中的两个中设有绝缘外壳。


现在将参照公开了非限制性示例的附图对本发明进行更详细的描述，在附图中图Ia示意性地示出了根据现有技术的具有可偏转镜子的设备；图Ib是现有技术的镜子设备的另一个示例；图Ic是现有技术的设备的又一个示例；图加-d示出了制造期间的开孔序列；图3a_e示出了在层中布线的实施例；图如示出了具有梳状电极致动的万向铰接部的一个实施例；图4b示出了具有组合的梳状电极和板式电极致动的万向铰接部的一个实施例；图5示出了具有使用隐藏铰接部的致动的实施例；图6示出了具有使用隐藏铰接部的致动的另一个实施例；图7示出了万向铰接结构和致动装置；图8是用于光学开关的实施例；以及图9示出了具有由压电材料制成的可动元件的实施例。
具体实施例方式这里，术语“通孔”用于任何延伸穿过晶片并且能够传递电信号的结构(其也能够称作“晶片贯通连接”)。这些“通孔”由晶片天然材料制成，即从这些通孔构成其一部分的晶片本身形成。通孔可以具有不同的横截面，即圆形、矩形、正方形或不规则的形状，尽管在大多数情况下圆形横截面是优选的。术语“通孔结构”用来意指延伸到晶片中和/或延伸穿过晶片的单片材料，以及形成穿过连接的更复杂的晶片或至少部分地延伸穿过晶片和/或仅仅穿过晶片结构中的一个层或少量若干层的连接的细节的组合。“晶片结构”用来意指结合在一起的若干晶片，或者具有把柄层(handle layer)的SOI晶片，氧化物埋层和设备层，以及形成与另一个层分离(例如，通过氧化物层)的至少一个层的多种类型的晶片的任何组合。为了本申请的目的，“激励电极”应当理解为意指已经被施加相对于地(GND)的电压以用于位于电极附近的可动元件的致动的电极。在这种激励状态下，电极变得被充电，但是实际上在电极和要致动的元件之间没有电流流动，该元件将仅仅在产生的电场中移动。通过通孔的布线现在将参照附图描述本发明的多个实施例。然而，首先将论述一些现有技术的结构。因此，在图Ia中，示例性地示出了(未按比例)现有技术的设备，即具有布线构件的镜子阵列的一个镜子结构。镜子1和2分别经由铰接结构4和5附接于支撑柱3，支撑柱3通过MEMS技术制造在基底晶片SW中。在每个镜子下方设有致动电极6、7，致动电极6、7在被激励(即通过施加高电压使电极充电)时将使镜子1、2偏转。铰接部4、5是扭转杆，即在所示的设备中， 镜子将绕沿铰接部在纸面中延伸的轴线倾斜。因此，在柱3的每侧上设有两个电极，即每对电极中的一个电极被所示的一个电极挡住不可见。在该现有技术设备中，电极通过设置在基底表面上的电线8、9被“远离”阵列布线。能够理解，来自用于镜子1的致动的电极6的导线8需要经过镜子2下方，并且当被激励时其还将在引起功能缺陷的程度上影响镜子2。图Ib所示的另一种现有技术设备使用穿过晶片SW的通孔10、11，用于激励将电极6、7连接于晶片SW的背侧上的布线导线12、13的电极。通孔10、11由非晶片天然材料制成，即在基底中已经制有孔，然后用金属或某种其他导电材料(如铝或高度掺杂的半导体)填充该孔。布线导线12、13当然邻近彼此设置，如果期望的话，适当地平行于可以设置丝焊的晶片的外周。可替代地，可以在背侧上设置双层的金属，其中在导电层之间具有绝缘层。这样，可以提供交叉型的导体，从而增加布线结构的柔性。通过电镀(或者本领域普通技术人员已知的任何其他合适的方法)触点，可以提供凸点。优选的是所谓的凸点下金属化(UBM)，其能够实现镜子部件的倒装芯片安装。例如ASIC的控制电路因此能够直接安装在镜子部件的背侧上。对于大的镜子阵列，例如>12X12，这种方案比根据现有技术的传统丝焊的成本效益大得多。倒装安装在没有通孔技术的情况下是不可能的。在图Ic中，示出了另一个现有技术的设备，其中与图la-b的设备类似，诸如镜子1 的可动元件通过铰接部4、5在3’和3”处附接于基底。致动通过延伸穿过基底晶片SW的晶片天然材料的通孔10’、11，实现。通孔10’、11，的暴露的表面E1、E2形成电极。镜子是可动元件——即能够从名义停止位置引发至少部分地移位或偏转的元件——的一个代表示例。其他的示例(将在后面描述)是振荡器、振动膜、光学开关等。本发明涉及MEMS设备，其中期望向分层结构中的期望位置处的致动电极提供包括地电势的电势。参照图3a，示意性地示出了分层结构，该分层结构包括例如硅或其他半导电或导电材料的三个(分别为第一、第二和第三)层30、31和32，并且在这些层之间穿插有第一绝缘层33和第二绝缘层34。该分层结构由已经结合在一起的两个SOI晶片适当地制成，由此第一导电层30构成把柄层，并且第二导电层31构成第一 SOI晶片的设备层。第三导电层构成第二 SOI晶片的设备层。因此，能够理解，图3a所示的结构已经通过结合两个SOI晶片以及移除第二 SOI晶片的把柄层而实现。可替代地，代替使用第二 SOI晶片，能够等同地结合第二个普通的晶片以提供第三层。在这种情况下，结合的晶片被研磨或抛光到层32的期望厚度。该工艺有时也称作 D-SOI工艺。还提供了一种延伸穿过第一导电层30的晶片天然通孔结构35、36。该通孔结构可以包括重度掺杂的Si的晶片天然通孔35，该晶片天然通孔35被绝缘外壳36围绕，以提供与周围的导电第一层30的电绝缘。晶片天然通孔可以是适当掺杂的天然晶片材料。用于制造通孔的方法本身是本发明的一部分，在此处将不论述。例如见上面提到的SE-5^366。对于这种类型的分层结构被普遍使用的MEMS应用，通常期望对选定的层施加电势，并且有时在这种层中的选定点或区域(即，致动电极)处施加。根据本发明，提供了一种根据眼前的需要调整这种电势施加的多功能方法。因此，本发明提供一种实现到分层的晶片天然结构的期望层中的电连接并同时防止到相邻层中的电耦合的方法。使用晶片天然材料具有诸多优点，将在下面进一步论述。现在参照图3b，使用如图3a所示的分层的晶片天然结构，并且在第一步骤中，穿过第三和第二导电层32、31并因此也穿过绝缘层34以及绝缘层33蚀刻出孔37，孔37短距离进入到通孔35中。孔37被掺杂的多晶硅、金属或硅化物填充，以提供导电性。本发明不将材料选择限制于多晶硅，尽管多晶硅是优选的。任何金属、硅化物或任何导电材料都可以使用。多晶硅是优选的，因为其具有与硅非常相似的热膨胀属性。膨胀属性的太大差异可能导致机械张力，该机械张力可能使镜子弯曲。用于该工艺中的后续步骤的热预算同样受到大多数金属的影响。如图北所示，如果电势施加到通孔35，则该电势将被转移到第二层 31和第三层32两者。然而，在图3c所示的本发明的第一实施例中，电势通过通孔35仅仅提供到第三导电层32中。为了实现此，第一 SOI晶片需要在被结合到第二 SOI晶片之前被处理。S卩，必须提供围绕多晶硅销将延伸穿过分层结构的第二层31处的晶片部分的绝缘外壳38。这是通过以封闭环蚀刻沟槽38到第一 SOI晶片的设备层中并向下到达氧化物埋层以及可选地利用氧化物部分地或完整地填充沟槽来实现的。另一方面，如果沟槽足够宽使得没有电击穿发生(即，电流不能够穿过沟槽)，则沟槽可以留待不变，即被空气填充。当两个SOI晶片已经结合在一起并且第二 SOI晶片的把柄层已经被去除时，执行参照图: 所讨论的程序，即穿过分层结构设置多晶硅销37，并且将获得图3c所示的结果。如果电势施加到该结构中的通孔，则电势将被转移到第三层32而不影响第二层。在另一个实施例中，如果期望选择性地提供电势给第二层31，则通过蚀刻再次形成沟槽38，但是在这种情况下，该沟槽在SOI晶片已经结合在一起并且把柄层已经从第二 SOI晶片中去除之后形成。因此，沟槽38形成在第三层32中，并且同样与图3c的实施例相似，沟槽38被至少部分地填充绝缘材料。同样在这种情况下，有可能可以留待沟槽不填充。 然后，如参照图北所公开地，穿过分层结构蚀刻孔37，并且产生的结构示出在图3d中。这里，施加的电势将仅仅被转移到第二层31中，并且第三层不受影响。在所示的实施例中，施加的电势已经示出为转移到整个层中。然而，该原理也可以用于在这些层内本地路由信号或电势。例如，如果施加的电势用于层内一个具体位置处的致动目的，则可以提供形成所涉层内的路由“通道”的绝缘沟槽，使得通孔可以位于晶片上的任何期望点并且信号可以路由到另一个点。这在图3e中示例性地示出，其中一个这种路由“通道”示意性地示出在39处，绝缘外壳用38表示。当然，如果结构中仅仅存在两个层，该方法的原理也等同地适用，对于四个或者甚至更多个层也是适用的。可偏转结构的致动在包括可偏转结构的设备中，例如投影仪、光纤开关、光学放大器、扬声器膜等中的微镜，期望的特征中的一个是能够控制结构的偏转和/或平面平行运动。下面将针对镜子进行论述，尽管如此，原理适应于任何可偏转结构，如光纤开关、光学放大器和扬声器元件等。存在多种不同的可用方式来提供期望的受控偏转。在第一位置中的必须是某种类型的“铰接部”或弹簧结构，镜子连接于该“铰接部”或弹簧结构。一个这种结构在前面关于图1示出，因此镜子经由具有较小的横截面尺寸的腿或臂附接于支撑结构，从而提供例如扭转偏转。其他类型的铰接部如弯曲或弹性元件(弹簧)也能够使用。为了将运动扩展到两个维度上的运动(绕两个垂直的轴线)，可以使用的另一种类型的铰接结构是所谓的万向结构，见图如。万向接头是允许物体绕单个轴线的旋转的枢转支撑件。一组两个万向接头(以枢轴正交的方式一个安装在另一个上)可以用来允许安装在最靠内的万向接头上的物体保持竖直而不管其支撑件的运动如何。在本文的背景中， 万向接头型结构用来通过适当的静电致动实现镜子在基本所有X-Y方向上的偏转(即，2D 致动)。静电致动能够以多种方式实现。第一种要提到的方式是使用可以称作“板式电容器致动”的，与图Ib形似。因此， 对于铰接到例如扭转臂的镜子，在镜子下方在多个点处提供了一个或多个电极，使得当电势施加到电极时，在镜子与电极之间将存在电场，导致朝电极的吸引，由此镜子将从其静止位置向电极偏转。镜子本身能够用作电极，或者可以在万向接头上提供电极元件。致动电势通过从基底的背侧延伸穿过基底的通孔结构的设置而被施加到电极。因此，将无需在与电极相同的平面中提供布线结构，该布线结构具有占据空间的缺点，并且从制造的观点来看也是非常复杂的。使用板式电容器致动的缺点在于，其需要高电压(几百伏)，并且如果镜子(或者其他元件)大，则存在电击穿的风险，因此需要大的偏转，即需要大的致动间隙。致动可以替代性地由“梳状电极结构”来提供，其克服了板式电容器致动的缺点。 这种梳状电极的不同设计的示例在图如-b中示出，其应用于可偏转微镜。在图如中，示意性地示出了包括板式电容器致动的万向接头铰接结构。因此，镜子50由框架M中的扭转构件52来承载，而框架M则由附接于周围的支撑结构58的扭转构件56承载，如图如所示。然而，代替图如中的梳状电极60c、60d，在镜子50下方以虚线分别示出了两对电极59a和59b。这些电极通过延伸穿过晶片并暴露出端面的通孔在悬挂镜子的腔的底部中设置在基底58的表面中或表面上，使得该端面构成电极。电极可以替代性地设置为应用在
9通孔的端面上的电极板。当电极59a被激励时，其将导致镜子在相对于图面朝内(在图中看到的左部)的方向上的偏转，即绕Y轴倾斜。相应地，电极59b的激励将导致在右部朝内的偏转，即同样是绕Y轴倾斜，但是沿相反的方向。显然，相对的部分将朝外偏转。在另一个垂直方向上的偏转通过激励分别来自每对电极的一个电极(即59a和 59b)来提供。因此，当致动电极的该组合被激励时，万向接头框架M将绕其扭转铰接部56 偏转，并且导致镜子相应地偏压。利用在平面内的梳状驱动致动器，可以获得小间隙上的大的动作区域，同时仍然提供大的移动/偏转的可能性。大区域和小间隙也意味着低动作电压。因此，在图4b中，示意性地示出了包括双梳状电极致动的万向接头铰接结构。因此，镜子50由万向接头框架M中的扭转构件52承载，框架M则由附接于周围的支撑结构58的扭转构件56承载。作为替代，弹簧构件可以用于承载镜子。如从图4b中能够看到的，在框架M和支撑件58上还分别设有配合的梳状结构 60a、60b，用于使镜子绕X轴倾斜，并且在镜子50和框架M上还分别设有梳状结构60c、 60d，用于使镜子绕Y轴倾斜。这样，镜子可以被致动而在两个维度上自由地移动，仅仅受到悬挂镜子的腔中的可用空间的限制。支撑件上的梳状电极(致动电极)连接于通孔结构， 该通孔结构在结构下方并且从背侧延伸穿过支撑件，和前面论述的示例中一样。万向框架 M上的梳状结构由结构中的层中的两个(其间具有绝缘层)形成，而镜子上的梳状结构由一个层形成，也就是说与镜子相同，即所述两个层中的下面一个层。万向接头梳状结构在上部中以致动电压Vaurt被激励，并且在下部连接于地电势GND，并且镜子梳状结构被接地。根据本发明，梳状结构通过扭转杆52、56内和框架M中的布线在晶片中的适当层中连接于通孔结构。这能够在图7中看到，其中在所示的实施例中，梳状结构70的下部72穿过第二层 76从图7中的顶部和“销”78耦合于通孔74。因此，如图所示，这些梳状结构设置在结构中的不同水平处，即它们形成在用于制造的SOI晶片的不同设备层中。因此，当电势施加到致动电极时，镜子上的梳状结构将被下拉，但是鉴于以交错的方式配合的梳状结构的“指部”，与电极设置在镜子下方的情况相比，偏转能够以更通用的方式设置。例如，能够使用梳状电极制造更紧凑的结构。在另一个实施例中，铰接部“隐藏”在镜子下方，这具有镜子能够非常紧密地间隔开的优点，即能够获得非常紧凑的设计。例如，这是诸如自适应光学器件的一些光学应用所需的，其中设备的尽可能多的部分应当被可动的镜子覆盖，即没有镜子的“死”表面应当具有最小的面积。另外，对于光的某些波长，镜子通常需要被涂覆适当的材料。这种反射性涂层大多数仅仅需要存在于镜子表面本身上，并且不存在于铰接部和/或万向结构上。利用隐藏的铰接部概念，整个晶片能够被涂覆。如果铰接部不被隐藏，则需要反射材料的选择性涂覆， 例如通过使用“提起(lift-off) ”、阴影掩膜、模版阴影掩膜和其他技术来涂覆，这些技术复杂的多，并且不提供同样好的效果。隐藏的铰接部示出在图5和6中，其中万向结构51设置用于实现绕两个轴线的运动。这里，镜子50设置在柱M上。致动电极55通过从通孔57在第二层中布线来提供。当然也能够提供隐藏的铰接部用于绕单个轴线的运动。
为了制造这种隐藏铰接部，工艺序列将不同于以上所述。参照图5。能够使用涉及两个SOI晶片的相同基本工艺，但是铰接部形成在第一 SOI晶片的设备层DLl中，并且镜子和承载镜子的柱形成在第二 SOI晶片的设备层DL2中。当SOI晶片在所需的结构已经形成在相应的晶片中之后已经结合在一起时，限定开口(图5中的凹部)的背侧从第一 SOI晶片的把柄层(图5中的把柄)中的背侧形成，以提供偏转期间铰接部能够移动的自由空间。可替代地，另一个SOI晶片结合于该结构，这在图6中示出。因而，其设备层(图 6中的DLl)用来提供间隔构件以使镜子能够如所期望地移动(偏转)。设备层DLO在这种情况下被蚀刻，以提供凹部，该凹部在晶片被结合时提供用于运动的空间，如图6中所示。
上述工艺同样适应于提供低电压梳状电极致动器，这些致动器以含有万向结构的双轴线镜子设计布置，尽管其不是隐藏的结构。对于梳状电极，还有另一种方法可用，见图7。为了实现此，需要在晶片已经结合在一起之后执行铰接结构下方的钻蚀。因此，铰接结构被氧化物层保护，并且应用硅蚀刻，由此材料也从铰接部下方被去除，以提供用于偏转的自由空间(Alt-I凹部)。该另一个晶片的把柄通过在其他的一个或多个晶片已经结合时进行蚀刻来去除。还能够通过从设备层DLO下方的把柄层去除附加的材料在镜子下方提供较大的凹部(Alt-2凹部)。另外，能够通过穿过DLO层的深反应离子蚀刻(DRIE)提供凹部(Alt_3凹部)。在图fe示意性示出的特定应用中，诸如镜子80的可动元件设置在基底84中的腔 82上方。在所示的实施例中，镜子80通过弹簧构件88在其拐角86处悬挂于基底。弹簧构件88仅仅示意性地在图8中用88表示。然而，在一个实施例中，其可以是图8的放大部分中所示的“蜿蜒”形。然而，可以提供某种弹簧动作或弹性的任何形状都能够使用。四个电极89设置在可动元件88的下方，但是单个电极可能就足够了。此时，如果电极被激励，则可动元件将被电极静电吸引，因此在所述腔中向内平移，即将发生平面平行移位。该应用可以用作光学放大器、相位改变器或其他自适应开关。不是严格地必须设置四个电极，可以使用从一个到多个的任何数量，只要吸引力能够被均勻地施加使得实际的平面平行移位是确定的。例如，具有对应于可动元件的表面的至少一部分(优选是大部分)的表面积的一个大电极将能起作用。电极可以通过镜子悬挂的腔的底部中的通孔的暴露表面形成，或者可以设置为通孔上的金属垫板。在上面给定的描述中，电极仅仅用于致动目的。然而，在图9所示的另一个实施例中，压电薄膜90(例如由PZT、ALN、压电聚合物以及本领域技术人员已知的其他材料制成) 沉积在示意性示出的可动元件92 (例如，隔膜)上，可动元件92悬挂在腔94上方。压电薄膜具有附接于各侧的一个电极91、93。电极使用根据本发明的分层结构分别连接于通孔 95、96。压电材料的反向效应能够用于从可用结构获取信号/能量。在该模式中，其能够用于传感器或用于能量收集应用。与同样能够使用在感测模式中的梳状驱动结构相似，需要至少两个根据本发明的单独的布线层。现在将描述用于制造上面公开的结构的方法。描述将参照镜子和镜子阵列进行。 然而，所使用的原理能够等同地应用于其他可动和可偏转元件，如前面提到的那些，即振荡器、用于扬声器的振动膜、光学开关等。制造微镜的方法在制造可偏转微镜和/或这种镜子的阵列的工艺中，在这种工艺的一个阶段中并且在制造实际的镜子结构之前，两个晶片(第一晶片和第二晶片)在受控的大气例如真空中被结合在一起。晶片中的一个(第一晶片)因此具有形成在其中的凹部，以提供最终结构中的必要空间以供可偏转镜子在偏转期间自由地移动。第二晶片(合适地，是SOI晶片) 提供凹部上方的“盖”。因此，在晶片结合在一起之后，第一晶片中的凹部将被第二晶片密封，因此形成受控大气(例如真空)腔。在后续工艺步骤中，执行第二晶片的加工以形成最终的镜子结构。 镜子结构包括相对较厚且刚性的实际镜子部分、以及铰接部分。然而，镜子可以具有不同的厚度，用于提供不同的共振频率一厚的镜子意味着大质量和低频率；薄的镜子意味着小质量和高频率。频率要求可以与平坦度要求相反。由于机械影响，较薄的镜子能够更容易地弯曲。能够制造具有刚性框架部分的镜子，剩余的区域变薄，以提供低质量和较高的刚性。同样，铰接部能够变薄到不同的程度。在一些实施例中，铰接部将基本比镜子薄，以提供铰接部如期望地工作所需的柔性。特别地，铰接部可以设置为所谓的万向结构。然而，在其他情况下，例如当期望扭转效果时，铰接部可以具有与镜子相同的厚度，但这时将具有相对较小的侧向延伸(即，在铰接部的横向方向上)。这些结构的制造通过第二晶片的适当掩膜和蚀刻进行。然而，制造镜子结构的工艺步骤在具有不同于所述腔内的压力的压力(一般要高)的大气中执行。因此，由于在“盖” 的两端将存在压力差，所以当蚀刻工艺“突破”SOI晶片以提供自由悬挂铰接镜子时，将出现突然的压力变平等。该压力变平等产生强大的力，使得用于镜子的精密的铰接结构镜子非常容易断裂，并且镜子从设备跌落出，结果收益极低。根据本发明，提供了结构的受控通风，使得压力变平等将非常顺利，并且没有强大的力施加在精密的铰接部上。根据本发明的一个实施例的方案示意性地示出在图加-d中。图加示出了具有形成在其中的凹部21的第一晶片20 (基底晶片)，其结合于SOI 晶片22，SOI晶片22包括设备层23、氧化物层M和把柄层25。在第二晶片的设备层23中， 合适地，已经形成变薄的部分23’来限定将镜子与完成的产品中的支撑结构连接的铰接部的厚度。把柄层25被去除(图2b)，并且在适当地遮蔽MV之后，执行第一蚀刻，以提供剩下的设备层23中的通风孔前体结构26。该前体结构本质上是孔或槽，其具有预定的深度，即向下延伸到设备层中。然后，提供适当的遮蔽MMH(图2c)以通过打开掩膜中的轮廓( 处)来限定镜子 27及其铰接部观结构，并且执行第二蚀刻。这在图2c中示意性地示出。因此，在蚀刻从设备层中去除轮廓沟槽四中如此多的材料以致四处的沟槽中的材料变得如此之薄而可能由于在压力通过通风孔变平等时施加的力而断裂之前，通风孔前体结构沈将打开具有受控大气(例如，真空)的腔21。蚀刻一直继续到镜子27是自由蚀刻的，即设备层被蚀刻穿过四处的轮廓沟槽。
在替代性实施例中，整个工艺可以在一个步骤中执行。这通过将通风孔前体结构 26的尺寸设置为足够大以使蚀刻将以比限定镜子的沟槽中的速率快的速率排空其中的材料，而限定镜子的沟槽中的速率将比铰接部更快地被蚀刻，与前面的实施例相似。这在图2d 中示意性地示出，其示出了比图2c中的通风孔大的通风孔26。特别地，本发明提供一种制造分层的MEMS结构的方法，该结构包括交替的导电层和绝缘层以及将电气信号或电势路由到所述结构中的选定层内的选定点或区域的电气馈通结构，所述方法包括以下步骤提供第一 SOI晶片，其具有设置在把柄层中并延伸穿过把柄层到达绝缘的氧化物埋层的通孔结构；提供第二晶片；将上述两个晶片结合在一起；使第二晶片变薄；在上述两个晶片中的任一个的设备层中生成以封闭环延伸的沟槽形式的绝缘结构，当晶片结合在一起时，封闭环内的材料至少部分地与通孔结构重合；穿过结合的晶片的设备层形成孔，所述孔向下延伸到通孔结构中；以及用导电材料(合适地为多晶硅)填充所述孔，以提供电气连接。还提供了一种制造设备的方法，该设备具有设置在所述设备中的腔上方的可动微型元件，该设备包括至少一个可动元件和用于所述元件的至少一个铰接部，以及用于引发所述微型元件的运动的致动电极，所述电极连接于根据权利要求20或21所述的方法制造的布线结构，所述方法包括以下步骤将第一晶片与第二晶片结合在一起，第一晶片具有形成在其中的凹部，用于提供使微型元件能够如期望地从静止位置偏转而不接触周围结构的足够空间，以及从第二晶片随后制造微型元件，由此在晶片之间形成封闭腔；提供掩膜结构以限定i)微型元件，以及ii)铰接结构，以受控的方式蚀刻穿过所述掩膜结构，使得通风孔在微型元件和铰接部已经完成之前打开。另外，提供了一种制造MEMS结构的方法，该结构包括交替的导电层和绝缘层以及将电气信号或电势路由到所述结构中的选定层内的选定点或区域的电气馈通结构，所述方法包括以下步骤提供第一 SOI晶片，其具有设置在把柄层中并延伸穿过把柄层到达绝缘的氧化物埋层的通孔结构；提供第二晶片；将上述两个晶片结合在一起；使第二晶片变薄； 在上述两个晶片中的任一个的设备层中生成以封闭环延伸的沟槽形式的绝缘结构，当晶片结合在一起时，封闭环内的材料至少部分地与通孔结构重合；穿过结合的晶片的设备层形成孔，所述孔向下延伸到通孔结构中；以及用导电材料(合适地为多晶硅)填充所述孔，以提供电气连接。另外，最后还提供了一种分层的MEMS结构，该结构包括交替的导电层和绝缘层， 并且还包括第一外层中的通孔结构；导电销，优选由多晶硅制成，延伸穿过其他层进入通孔结构中以提供穿过这些层的导电性；以及在所述其他层中的至少一个选定层中围绕所述导电销的绝缘外壳，以使销与大部分的所述选定层绝缘。
权利要求
1.一种分层的微型电子和/或微型机械结构，包括至少三个交替的导电层，其中在所述导电层之间具有绝缘层，并且所述结构还包括 第一外层中的通孔，所述通孔包括由晶片天然材料制成的穿过该层的绝缘导电连接； 导电销，其延伸穿过其他层并进入第一外层中的所述通孔，以提供穿过各层的导电性；以及绝缘外壳，其围绕所述其他层中的至少一个选定层中的所述导电销，用于将所述销与所述选定层中的材料绝缘。
2.根据权利要求1所述的结构，其中，所述导电销由多晶硅、掺杂硅、硅化物或金属构成。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述绝缘外壳具有使其在层内侧向延伸的几何形状，从而形成用于在层内侧向路由信号的布线结构。
4.根据权利要求1所述的结构，其中，所述销不与所述其他层中的至少一个中的周围材料绝缘。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，具有三个导电层，并且所述绝缘外壳设置在这些层中的一个中。
6.根据权利要求1所述的结构，其中，具有四个导电层，并且所述绝缘外壳设置在这些层中的两个中。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，在所述层中的一个或多个中形成有腔。
8.根据权利要求7所述的结构，其中，所述腔形成在底层中。
9.一种包括基底的微型电子和/或微型机械设备，该基底具有形成在其中的腔和设置在所述腔上方的至少一个可动构件，使得所述可动机构能够在至少一个方向上运动，所述设备还包括用于每个可动构件的至少一个静电致动电极，用于引发所述一个或多个构件的运动，其中所述电极耦合于延伸穿过所述基底的通孔结构，由此电极与通孔结构之间的耦合通过根据权利要求1至8中任一项所述的分层的微型电子和/或微型机械结构提供。
10.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述可动构件从由镜子、膜片、振荡器、微型开关、共振器和悬臂构成的组中选择。
11.根据权利要求9或10所述的设备，其中，所述可动构件被悬挂成一部分附接于所述基底，并且一部分能够在所述腔内自由地运动。
12.根据权利要求9至11中任一项所述的设备，其中，所述可动构件通过扭转臂附接于所述基底。
13.根据权利要求9至12中任一项所述的设备，其中，所述可动构件通过万向结构被悬挂。
14.根据权利要求10所述的设备，其中，所述可动构件是通过铰接结构附接于设置在所述基底上的竖直柱的镜子，并且其中在所述镜子下方设有致动电极，所述致动电极在被激励时使所述镜子偏转。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述镜子是万向结构的一部分，并且其中在所述万向结构的选定部分上和所述支撑结构上分别设有交错的梳状电极，使得当所述支撑结构上的电极被激励时，将发生所述镜子的偏转。
16.根据权利要求15所述的设备，其中，所述镜子通过铰接部附接于周围的支撑结构。
17.根据权利要求16所述的设备，其中，所述铰接部设置在所述镜子的表面下面，并且隐藏在所述镜子下方。
18.根据权利要求16所述的设备，其中，所述镜子附接于柱，所述柱附接于设置在所述镜子下方的铰接结构，使得所述镜子覆盖所述铰接结构。
19.一种制造分层的MEMS结构的方法，该结构包括交替的导电层和绝缘层以及将电气信号或电势路由到所述结构中的选定层内的选定点或区域的电气馈通结构，所述方法包括以下步骤提供第一 SOI晶片，其具有设置在把柄层中并延伸穿过所述把柄层到达绝缘的氧化物埋层的通孔结构； 提供第二晶片； 将上述两个晶片结合在一起； 使所述第二晶片变薄；在上述两个晶片中的任一个的设备层中生成以封闭环延伸的沟槽形式的绝缘结构，当晶片结合在一起时，所述封闭环内的材料至少部分地与所述通孔结构重合；穿过结合的晶片的设备层形成孔，所述孔向下延伸到所述通孔结构中，并且用导电材料填充所述孔，以提供电气连接，合适地，所述导电材料为多晶硅。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述第二晶片是SOI晶片，并且其中使所述第二晶片变薄包括去除第二 SOI晶片的把柄层。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述沟槽至少部分地被绝缘材料填充。
22.一种制造设备的方法，该设备具有设置在所述设备中的腔上方的可动微型元件，该设备包括至少一个可动元件和用于所述元件的至少一个铰接部，以及用于引发所述微型元件的运动的致动电极，所述电极连接于根据权利要求20或21所述的方法制造的布线结构， 所述方法包括以下步骤将第一晶片与第二晶片结合在一起，第一晶片具有形成在其中的凹部，用于提供使微型元件能够如期望地从静止位置偏转而不接触周围结构的足够空间，以及从第二晶片随后制造所述微型元件，由此在晶片之间形成封闭腔； 提供掩膜结构以限定 i)所述微型元件，和 )所述铰接结构，以受控的方式蚀刻穿过所述掩膜结构，使得所述通风孔在所述微型元件和铰接部已经完成之前打开。
23.根据权利要求22所述的方法，还包括提供掩膜结构以在所述第二晶片中限定通风孔，以使所述腔和周围大气之间的压力能够变平等。
24.根据权利要求22所述的方法，其中，在第一蚀刻步骤中设置所述第二晶片中的凹部形式的通风孔前体结构，并且设有制造所述镜子和铰接部的第二蚀刻步骤，使得第二蚀刻在所述镜子和铰接部已经完成之前打开所述通风孔。
25.根据权利要求22所述的方法，其中，所述通风孔前体结构制造得足够大，使得蚀刻速率比制造所述镜子和铰接结构的沟槽蚀刻速率大。
26.—种制造MEMS结构的方法，该结构包括交替的导电层和绝缘层以及将电气信号或电势路由到所述结构中的选定层内的选定点或区域的电气馈通结构，所述方法包括以下步骤提供第一 SOI晶片，其具有设置在把柄层中并延伸穿过所述把柄层到达绝缘的氧化物埋层的通孔结构；提供第二晶片；将上述两个晶片结合在一起；使所述第二晶片变薄；在上述两个晶片中的任一个的设备层中生成以封闭环延伸的沟槽形式的绝缘结构，当晶片结合在一起时，所述封闭环内的材料至少部分地与所述通孔结构重合；穿过结合的晶片的设备层形成孔，所述孔向下延伸到所述通孔结构中，并且用导电材料填充所述孔，以提供电气连接，合适地，所述导电材料为多晶硅。
27.根据权利要求沈所述的方法，其中，所述第二晶片是SOI晶片，并且其中使所述第二晶片变薄包括去除第二 SOI晶片的把柄层。
28.根据权利要求沈所述的方法，其中，所述沟槽至少部分地被绝缘材料填充。
29.一种分层的MEMS结构，该结构包括交替的导电层和绝缘层，并且还包括第一外层中的通孔结构；导电销，优选由多晶硅制成，延伸穿过其他层进入所述通孔结构中以提供穿过这些层的导电性；以及在所述其他层中的至少一个选定层中围绕所述导电销的绝缘外壳，以使所述销与大部分的所述选定层绝缘。
30.根据权利要求四所述的分层的MEMS结构，其中，所述多晶硅是掺杂的。
31.根据权利要求四所述的分层的MEMS结构，其中，所述绝缘外壳是被绝缘材料填充或不被绝缘材料填充的沟槽。
32.根据权利要求四所述的分层的MEMS结构，其中，在两个所述其他层中都设有绝缘外壳，并且其中至少一个绝缘外壳围绕层中的延伸区域，以在所述层内在一定距离上提供信号或施加的电势的路由。
全文摘要
本发明涉及一种分层的微型电子和/或微型机械结构，其包括至少三个交替的导电层，其中在导电层之间具有绝缘层。还设置有第一外层中的通孔，所述通孔包括由晶片天然材料制成的穿过该层的绝缘导电连接；导电销，其延伸穿过其他层并进入第一外层中的所述通孔，以提供穿过各层的导电性；以及绝缘外壳，其围绕所述其他层中的至少一个选定层中的所述导电销，用于将所述销与所述选定层中的材料绝缘。本发明还涉及一种微型电子和/或微型机械设备，其包括设置在腔上方的可动构件，使得该可动机构能够在至少一个方向上运动。该设备具有根据本发明的分层结构。还提供了制造这种分层的MEMS结构的方法。
文档编号B61B7/00GK102362346SQ200980157697
公开日2012年2月22日 申请日期2009年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者E·克尔维斯滕, N·斯维丁, P·阿格伦, T·埃贝福斯, T·埃里克森 申请人:西雷克斯微系统股份有限公司