具有膜的mems器件和制造方法

专利名称：具有膜的mems器件和制造方法
具有膜的MEMS器件和制造方法
背景技术：
将膜并入的MEMS器件(MEMS=微机电系统)用在多种不同的应用中。示例是麦克风、传感器、电容器、开关以及以无源或有源方式使用柔性膜的其他类型的设备。通常，通过使用平面处理和块微机加工技术在硅或陶瓷基板上制造MEMS器件。这样的技术包括如物理和化学刻蚀、薄膜层淀积、形成导体线、形成通过导管(through-conduct)的步骤以及如抛光和研磨的机械方法。此外，微构造可以包括接合步骤，其中通过各种方法将两个晶片接合在一起。具有膜的MEMS器件需要其中在膜的两侧形成自由空间的构造方法。基板侧的自由空间可以例如通过刻蚀在膜下面淀积的牺牲层来形成。当如大部分膜结构的情况那样，水平和竖直尺寸的深宽比变得过大吋，以上技术带来了问题。这样，牺牲层的去除变得日益困难。此外，难于实现牺牲层和永久层之间的高选择性，潜在地对设计强加了额外的約束。 最后，当先前的层具有例如由凸起和凹陷组成的地貌时，难于产生在其上施加膜的平面区域。

发明内容
本发明的目的在于提供ー种回避所提到的这些问题的具有膜的MEMS器件。该问题通过根据权利要求I的MEMS器件解決。在另外的权利要求中给出了本发明的另外的实施例以及用于制造微机械器件的方法。提供了ー种MEMS器件，该MEMS器件包括经微机加工的块本体以及固定到其的膜。该膜不是淀积或溅射的，而是从平面金属箔切割下来的。可以通过在直接位于所关注的MEMS器件的表面上面以外的任何位置进行切割来构造可用作膜的金属箔。这意味着构造膜的エ艺完全与构造块本体的エ艺无关。因此，在加工微构造块本体时出现的问题对形成膜的エ艺没有任何影响。此外，可以在ー个步骤中将膜形成为任意的ニ维形状而不会有任何问题并且不必注意在之后的步骤中将膜安装在其上的微机加工的块本体的表面的地貌。膜的材料可以选自所有适当的金属箔。因此，金属的选择不受如已知方法中的那样形成刻蚀选择性的需求的限制。不存在对金属箔的厚度的限制并且因此不存在对膜厚度的限制。没有任何问题地，可以使用厚度介于I和50 ym之间的厚度的金属箔，其涵盖了使用这样的膜的大部分器件的需求。在一些情况下，也可以使用具有更小的厚度或者使给定范围延伸的厚度的金属箔。在一个实施例中，膜包括平面部件。在MEMS器件的大部分应用中，平面部件用作器件的平面电极。因此平面部件的面积对于限定MEMS器件的性质和电參数是重要的。MEMS器件的第二电极通常是固定电极并且可以集成到块本体中或固定到块本体。在另ー实施例中，预知从平面部件横向延伸的悬臂。在它们的最远端，悬臂被扩宽到悬臂垫，悬臂垫用于将悬臂固定到块本体上的各个接触垫。悬臂可以以任意数目存在。三个悬臂的数目足以将膜固定在相对于块本体的表面稳定且与其平行的位置。根据微机加工器件的操作模式，悬臂的数目可以超过三个并且可以可以是四个或更大的数目。悬臂通常具有足够小的宽度以提供充分的柔性。宽度被选择成提供足以提供用于将膜固定在起始位置的足够的机械强度的悬臂的横截面积。在另ー实施例中，悬臂弯曲以在平面部件的平面上方/下方延伸。此外，悬臂可以弯曲或者在平面部件的平面中成角度，由此提供可用于补偿膜在平面内的平移或者补偿在横向方向上起作用的应カ的额外的长度。悬臂可以包括笔直部分以及弯曲部分。切割エ艺用于构造单个膜并且使单个膜与大面积的金属箔分离。可以包括平面部件的膜的整个结构、悬臂以及悬臂垫在ー个エ件中从金属箔切割下来。在一个实施例中，膜悬在形成在块本体上面的锚装置之间。平面部件自身或者替选地悬臂可以固定到块本体上的锚装置。在该实施例中，膜可以是平坦的，没有在平面部件的平面上方的延伸。
锚装置处的膜的悬置包括机械固定以及电接触。锚装置可以由所构造的后端层形成并且在该情况下是块本体的一部分。在所有实施例中，如果不涉及膜，则可以如同已知的MEMS或CMOS器件那样形成MEMS器件。块本体可以包括具有或不具有集成在半导体本体内的集成电路的半导体。在一个实施例中，块本体可以是陶瓷本体。后端层淀积在半导体或陶瓷本体顶部，其中之ー是与膜相对布置并且用作后电极的传导层，该后电极与膜形成的第一电极一起工作。集成电路与后电极电接触并且通过穿过后端层的各个通过接触件与膜电接触。通过接触件以外的电连接线也可以是各个电连接的一部分。块本体包括半导体或陶瓷本体以及淀积在其上的后端层。后端层可以包括相同或不同材料的层堆叠。这些材料可以选自机械稳定层、电传导层和电隔离层。后端层的优选层获知自CMOS器件，例如用于电隔离并且用于形成给定三维形状的氧化硅或氮化硅，以及包括铝和钨作为用于微构造エ艺的最优选的金属的金属层。也可以使用其他绝缘体、多晶娃和金属。穿过后端层的通过接触件也可以包括用于填充在隔离后端层中产生的、用于通过接触件的孔的其他材料。钨是用于形成通过接触件的优选金属，因为钨可以淀积具有大的深宽比的孔的底部以及侧壁上。在ー个具体实施例中，MEMS器件被设计成并且用作麦克风。因此膜固定到块本体并且可以振动或者因声音而变得偏转。为了最佳操作，器件提供了后体积(volume)。后板被打孔以具有后板孔，以便減少膜和后板之间的阻尼。可以在块本体中直接在后板下方形成后体积或空腔。后板孔和空腔借助于微机加工来构造。后体积可以通过在其底部通过盖部件封闭的穿过孔(through going hole)或凹陷来形成。在块本体中,在直接位于后板下面以外的任何位置，如果使用了半导体块本体，则可以集成集成电路(1C)。膜和后板可以电连接到1C，由此创建单片麦克风设计。膜和后板之间的气隙距离可以由后端层顶部的支座(stand-off)结构限定。支座结构可以由封闭的或者部分封闭的边缘组成，其形成后板的外缘处的支座边缘。如果在支座边缘中实现ー个或多个开ロ，则它们可以用作使静压差均衡的通风孔。通风孔也可以在月吴中构造。
一种用于制造上述MEMS器件的方法可以包括如下步骤
-提供金属箔
-提供激光
-利用激光切割箔以接收膜 -提供器件的微机加工块本体，
-将具有设计的膜的箔转移到块本体并且将其固定到块本体。替选地,在激光切除和膜与器件的接合期间，可以使用卷到卷(roll-to-roll)技术来处置箔。沿将从金属箔切除的膜的外周引导激光。控制装置将控制箔表面上的激光的扫描。 根据进行穿过箔的切割所需的单位面积的功率量(W/cm2)来选择扫描速度。根据以后的膜处的切割外缘的期望的平滑度来选择激光聚焦到金属箔上的光斑直径。1-30 μ m的光斑直径是适当的。优选的直径介于5和20 μπι之间。金属箔可以选自提供如机械强度、弾性和导电性的期望的性质的适当金属。对于大部分应用，铝是金属箔的优选材料。金属箔具有优选地介于I和20 ym之间的厚度，但是也可以使用更厚的片。微机加工块本体优选地是半导体或陶瓷本体，其可以包括如CMOS器件的集成电路。集成电路可以提供MEMS器件的操作所需的电功能。这些功能可以包括检测和測量如电压、电容、电阻、电流的电參数或者各个其他电參数。此外，集成电路可以提供将施加到膜和后板的电压。在另ー应用中，集成电路能够提供将施加到器件的电极的频率，这些频率选自RF频率或声频率。逻辑电路可以集成以支配或监管微机械器件的操作模式。可以包括放大器以放大如上文提到的测量參数。MEMS器件或其外围电路的操作所需的任何其他计算操作可以在块本体内部的IC内实现。在另ー实施例中，将膜固定到块本体的步骤可以通过超声接合来完成。通过该步骤，使膜与布置在块本体的顶表面上的接触垫电接触。膜上的接合位置可以位于平面部件上或者从平面部件延伸的悬臂上，优选地处于悬臂最远端处的悬臂垫处。在一个实施例中，制造MEMS器件的方法包括如下步骤 -在切割之前将箔固定并且限制到操作架
-在将箔固定到操作架时完成切割 -在操作架的帮助下将膜转移到块本体 -将膜固定到块本体
-从膜释放操作架并且由此切割膜并且使膜与未成为膜的一部分的任何剰余的箔分离。在该实施例中，在切割之前将金属箔固定并且限制到操作架。优选地通过在以后的步骤中允许容易地释放膜的方式来完成固定。使用该架来处置单个膜以及在一个步骤中从金属箔构造的膜阵列。在将箔固定到操作架时完成切割。在该步骤中，依次切割膜并且从剰余的箔至少部分地切割膜。优选的是，剰余的固持结构将切割的膜固定到剰余的箔并且因此固定到操作架。这允许在操作架的帮助下容易地将膜转移到块本体。膜在仍连接到操作架的同时固定到块本体。在最后的步骤中，从操作架释放膜。该阶段中仍存在的连接结构被切割或断开，并且因此膜与并非是膜的一部分的任何剰余的箔分离。操作架包括如玻璃或金属的硬材料的板。该板优选地具有开ロ的阵列，每个开ロ提供了容纳仅ー个膜的面积。开ロ是切ロ并且可以具有有限的深度。根据ー个实施例，微机械器件被用作并且设计成具有集成IC的微型麦克风。在该应用中，通过进入的声音将膜激发到声学振动。通过测量因膜的变化而改变的电參数来检测振动。该參数可以是两个电极之间的电压或电容，第一电极是膜并且第二电极集成在后板中。在另ー实施例中，微机械器件被设计成并且用作可调电容器。在该应用中，膜被构造以用作可移动电极，其可以在与平面部件的表面垂直的方向上朝向集成到后板中的第二 电极以及远离该第二电极移动。膜的移动可以由因施加到两个电极的电压引起的静电カ发起。可调电容器可以被调节以具有至少两个不同的电容，其中ー个是基本电容，其中没有力作用在膜上。第二电容可以是其中膜已移动并且现在处于距集成在后板中的相对(counter)电极最近的位置的状态。还可能的是，可调电容器可以被连续调节，使得两个极端位置之间的任何位置可用于提供可调电容器的期望的电容。在膜和后板之间的块本体中可以形成一个或多个支座结构的集合。通过增加膜和后板之间的电压，可以使膜塌缩到不同的支座集合上，从而获得若干个离散的电容。在另ー实施例中，器件被设计成并且用作开关。这里，也可以使用膜的移动。在移动结束吋，进行块本体上的接触点处的膜之间的接触。在所有应用中，优选的是集成在后板中的第二电极通过第二电极上的至少ー个隔离层相对膜电隔离。


在下文中，通过描述实施例和附图更详细地说明了本发明。附图仅用于图示的用途并且因此被示意性地绘制。ー些尺寸可能失真。因此，不可能直接从附图中取得任何尺寸或尺寸的比例。图I示出了安装在块本体顶部的膜的横截面视图，
图2从俯视图示出了膜，
图3示出了穿过具有膜的器件的横截面，
图4示出了操作架，
图5示出了穿过具有膜的另ー器件的示意性横截面，
图6以俯视图示出了具有不同形状的悬臂的膜。
具体实施例方式图I示出了穿过包括块本体BB和安装在块本体顶部的膜MM的MEMS器件的示意性横截面。在图中，块本体BB具有平面表面，但是这对于根据本发明的器件不是必需的。膜MM是已被激光切割成给定应用所需的期望的形状的金属箔。膜包括主要作为大面积部件并且与块本体BB的表面平行布置的平面部件PM。在可以作为悬臂垫或平面部件自身的膜MM的外围区域中，膜在膜连接点MCP处被固定到块本体。在图I中，膜连接点位于从块本体BB的表面凸出的锚装置AN顶部。其还可以处于与块本体BB的表面相同的高度水平处。图2示出了膜上的示意性俯视图，其示出了膜结构的更详细的细节。膜丽的平面部件PM在这里被示出为圆形区域但是不限于该形状。提供了连接到平面PM的外周的悬臂SA。这些悬臂可以被形成为带，这些带可以在平面部件PM的平面中和/或内弯曲。在图2中，悬臂由三个直线部分形成，每两个部分之间成一定角度，使得这三个部分形成了字符“z”。悬臂也可以包括没有角的圆形部分。
悬臂SA将提供平面部件PM和用于将悬臂固定到块本体BB的悬臂垫SP之间的柔性连接。悬臂SA还可以用作提供平面部件的柔性连接的弹簧。该弹簧可以迫使并保持平面部件PM在相对于块本体的表面的基本位置。悬臂SA可以被制造成尽可能短，但是足够长到提供平面部件PM的柔性但是充分的固定。每个悬臂末端处的悬臂垫SP可以是臂的扩宽部分，其具有提供允许悬臂垫SP到块本体BB的表面，分别到各个膜连接点MCP的牢固接合エ艺的足够面积的宽度。图3示出了被实施为麦克风的微机加工器件。在该实施例中，块本体包括半导体本体SB，后端层BL淀积在该半导体本体顶部以形成刚性结构。后端层BL可以是必须出现在集成于半导体本体SB中的CMOS器件顶部的层。替选地，后端层BL仅被提供用于形成适当的机械硬性结构，其可以包括导电线和区域。在半导体本体SB内，形成了集成电路1C。后端层BL主要包括如氧化物或氮化物的绝缘材料或者任何其他绝缘无机材料以及金属的层，这些层可以通过已知方法来淀积和构造。形成穿过后端层的至少ー个通过接触件TC，其提供从IC的端子到后端层BL顶部的表面上的接触垫的导电连接。其他结构可以是传导的或绝缘的，可以在后端层BL中布置和构图。包括后端层和半导体或陶瓷本体SB的整个块本体BB被构造成形成半导体本体SB中的凹陷。凹陷的底部由半导体或陶瓷材料形成，或者由如图中所示从块本体的相对侧封闭或覆盖凹陷的盖部件LM形成。后板部分BP由许多个后端层BL形成。其数目可以小于后板部分旁边的部分中的后端层的数目以导致后板部分的较小的厚度。后端层的顶表面中的第一凹陷的深度可以遵照在后板部分中省略的层的数目。在后板部分BP中，布置有后板孔VH，其使半导体本体中的第二凹陷与后板部分上方的自由空间连接。在后板部分中，布置有至少ー个导电层CL，其优选地位于后板的顶表面附近但是通过绝缘层相对后板部分的表面隔离。传导层CL形成麦克风的电极并且优选地通过如导体线和通过接触件TC的各个电连接连接到半导体本体SB中的集成电路1C。在后端层BL、后板BP、半导体本体SB中的凹陷之间形成了后体积BV，并且后体积可以在其底部由盖部件LM封闭。切割的膜丽固定到后端层BL顶部，使得膜丽的平面部件PM布置在上方但是远离后板部分。膜通过接合悬臂垫SP到后端层的表面上的各个金属垫来固定。在如所示的麦克风中工作的膜MM优选地包括用于使后体积BV和平面部件PM上方的大气之间的静压差均衡的通风孔。但是该开ロ可以被省略，使得在其中膜由支座结构支承的区域中执行通风。图4示出了用于在切割期间固持金属箔，在切割之后将切割的膜转移到其中预先形成多个MEMS器件的晶片的操作架HF的俯视图。操作架HF包括多个开ロ 0P，每个开ロ具有比膜直径略大的直径。开ロ的直径可以是从I到3 mm。金属箔MF可以在固定点FP处通过接合，例如在粘合剂的帮助下，可释放地固定到操作架HF。在例如在粘合剂的帮助下将金属箔固定到操作架时，可以完成金属箔的激光切害I]。如果在块本体BB中构造匹配孔或凹陷，则通过对准突起FP便于膜到块本体的对准。图5示出了穿过被设计成用作开关的微机械器件的示意性横截面。这里再次地，MSMS器件包括块本体BB和膜，图中示出了膜的平面部件PM。平面部件PM通过可以由悬臂 (參见例如图2)形成的弹簧元件SE固定到布置在块本体BB的表面上的锚装置AN。在块本体BB中，使用ー个或多个传导层形成后板BP，其电连接到布置在后板BP的底部或顶表面上的端子T2。平面部件PM连接到布置在器件的任何位置，优选地布置在锚装置AN顶部或者块本体BB顶部的另一端子Tl。优选地，传导层CL和平面部件PM两者分别通过各个接触线和通过接触件，电连接到块本体BB的同一表面上的各个接触区域。平面部件PM和传导层CL形成可以向其施加电压的两个电极。静电カ可以诱发柔性固定的平面部件PM朝向块本体的表面的移动以及因此朝向传导层CL的移动。当平面部件PM朝向块本体BB移动时，平面部件上的各个接触点CPl和块本体的表面上的各个接触点CP2变得接触，因此通过提供平面部件PM和块本体BB的表面上的另ー接触点CP2之间的电连接以及连接到接触点CP2的第三端子T3来闭合开关。在图5中未示出的另ー实施例中，平面部件PM的底表面上的接触点CPl可以与平面部件电隔离，但是电连接到(未示出)块本体的表面或者锚装置AN上的各个接触垫。图6示出了具有包括笔直部分和弯曲部分的悬臂SA的膜MM的另ー实施例。悬臂的数目不限于三个并且也可以更高或更低。根据本发明的MEMS器件不限于附图中所示的或者结合附图描述的任何实施例。本发明的器件可以在实际结构或者实际尺寸上偏离所描述的实施例。除了切割的膜之外，微机械器件可以是获知自现有技术的任意器件，意味着除了膜以外的结构可以与已知器件中的结构相同。本发明由使微机械结构与切割的膜组合以导致上述优点来组成。术语和附图标记列表 AM锚装置
BB块本体 BL后端层 BP后板 BV后体积 CL传导层 CP接触点 FP对准突起HF操作架IC集成电路MCP膜连接点丽膜OP开ロPM平面部件SA悬臂SB半导体本体 SP悬臂垫T1-T3端子TC通过接触件TL端子线VH后板孔。
权利要求
1.一种MEMS器件，包括微机加工的块本体(BB)和固定到所述块本体的膜(MM)，其特征在于，从平坦的金属片激光切割所述膜并且将所述膜接合到所述块本体。
2.根据权利要求I所述的器件， 其中所述膜(MM)包括平面部件(PM)以及从所述平面部件横向延伸的悬臂(SA)，所述悬臂终止于接合到所述块本体(BB)的悬臂垫(SP)。
3.根据前述权利要求中任一项所述的器件，包括 -具有或不具有集成在其中的集成电路(IC)的半导体或陶瓷本体(SB)， -淀积在所述半导体本体上面的后端层(BL)的堆叠，所述块本体由所述后端层和所述半导体本体形成， -传导后电极(CL)，其是所述后端层之一并且与所述膜相对布置； 其中所述集成电路电连接到所述后电极并且通过穿过所述后端层的各个通过接触件(TC)电连接到所述膜。
4.根据前述权利要求中任一项所述的器件，进一步包括 -所述后端层(BL)的堆叠的顶表面中的第一凹陷，所述膜(MM)覆盖所述凹陷； -与所述第一凹陷对准的所述半导体本体(SB)中的第二凹陷，所述第二凹陷形成后体积(BV);以及 -微机加工后板孔(HV)，其被引导穿过所述后端层并且使所述后体积与所述后板上方的体积连接。
5.一种用于制造利用膜进行工作的MEMS器件的方法，所述方法包括步骤 -提供金属箔 -激光切割所述箔以产生平坦的膜(MM) -提供用于所述器件的微机加工的块本体(BB) -将所述膜转移到所述块本体并且将所述膜固定到所述块本体。
6.根据权利要求5所述的方法，其中 所述的固定步骤包括将所述膜(MM)超声接合到布置在所述块本体(BB)的顶表面上的接触垫。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其中 -在切割之前将所述箔固定并且限制到操作架(HF) -在将所述箔固定到所述操作架时完成所述切割 -在所述操作架的帮助下将所述膜(MM)转移到所述块本体(BB) -将所述膜固定到所述块本体 -从所述膜释放所述操作架并且由此切割所述膜并且使所述膜与未成为所述膜的一部分的任何剩余的箔分离。
8.根据权利要求6或7所述的方法， 其中所述操作架(HF)包括如玻璃或金属的硬材料的板，所述板具有开口(OP)的阵列，每个开口提供用于一个膜的面积。
9.根据权利要求6至8中任一项所述的方法，其中激光聚焦到在所述金属箔的表面上的1-50 u m的光斑直径。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的方法，其中使用具有1-50u m的厚度的金属箔。
11.根据权利要求I至4中任一项所述的器件，被设计成用作具有集成IC的微型麦克风。
12.根据权利要求I至4中任一项所述的器件，被设计成用作可调电容器。
13.根据权利要求I至4中任一项所述的器件，被设计成用作开关。
全文摘要
公开了一种MEMS器件，其包括微机加工的块本体(BB)以及固定到块本体的膜(MM)。优选地从平坦的金属片用激光切割膜并且将膜接合到块本体。
文档编号H04R19/00GK102834347SQ201080066397
公开日2012年12月19日 申请日期2010年4月23日 优先权日2010年4月23日
发明者D.莫滕森, M.吉内鲁普 申请人:埃普科斯股份有限公司