包含弹簧和悬挂在其上的元件的装置及制造该装置的方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种MEMS结构，其具有由不同的层构成的叠层以及由所述叠层形成的、其厚度变化的弹簧-质量系统，并且其中从所述叠层和所述基底的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下第一半导体层，或者移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层，并且本发明专利技术涉及用于制造这样的结构的方法。

【技术实现步骤摘要】
包含弹簧和悬挂在其上的元件的装置及制造该装置的方法
本专利技术涉及一种包含由叠层形成的弹簧和通过所述弹簧而被悬挂的元件的装置，并且涉及一种通过由基底和半导体层构成的叠层来制造所述装置的方法。
技术介绍
在绝大多数的压电微扫描器中，微反射镜通过由两个电极包围的压电层和作用类似于弯梁的下方载体层构成的致动器而被驱动。设置在微扫描器的两个相对外侧的压电致动器以相反的相位驱动，从而使得设置在致动器之间并通过部分弹簧而悬挂在致动器处的反射镜以由所述反射镜、致动器和弹簧形成的弹簧-质量系统的扭振模式振动。不同的层厚对于建立这样的系统从而实现不同部件各自的功能来说需要不同的层厚。小的致动器层厚通常被探寻以允许大的偏转。通过恒定的力，弯梁的偏转会随着层厚的降低而增加。然而，致动器通常并不会降低至低于特定的层厚，因为过于薄的致动器会表现出非常低的共振频率和差的结构稳定性。微扫描器的反射镜需要特定的最小厚度，从而最小化通过致动器的动态激励而被激励的反射镜的偏转区域的动态变形。悬挂反射镜的扭力弹簧的层厚通常被非常精确地确定，从而在施加变形时将被最小化的材料应力与所需要的高共振频率之间寻找折衷。虽然扭力弹簧的层厚的增加期望能提高弹簧-质量系统的共振频率，但是在操作期间由扭力弹簧的变形而引发的材料应力同样会提高，其可能会导致微扫描器的过早损坏。扭力弹簧和致动器之间的加强弹簧为足够厚的，从而避免在这些位置由致动器产生所不期望的变形。所述的加强弹簧可以包括比致动器更大的厚度。因此，微扫描器形式的MEMS(微电子机械系统)结构在不同的区域理想地表现出相互不同的层厚，其中所述层厚不得不以高自由度被确定并以高精度实现。MEMS结构的机械和动力学特性可以通过精确地确定参数并由此特别是确定层厚而被最优化。用于使用压电致动器来实现微扫描器的常规方法允许致动器、加强弹簧和将被驱动的微反射镜之间的层厚差。然而，不同的层厚难于根据需要来调节，因为致动器的载体层通过由所使用的涂覆工艺(例如热氧化)所允许的限制而被限制在其最大厚度。在大多数情况中，其仅为数微米。然而，表现出这些层厚的致动器并不能实现高共振频率和稳定性。此外，这种方法并未提供在致动器和扭力弹簧之间以最优化的厚度设置加强弹簧的方式，因为该制造工艺仅基于被设置在基底层上的由氧化物层隔离的硅层，并且除去相对薄的氧化物层之外，硅层的层厚确定加强弹簧的最大厚度。由于仅存在两个材料层和氧化物层，所以移除单独的材料层来实现不同厚度的区域仅允许有限数量的区域存在不同厚度。这样的工艺过程在图9中被描述。在图10中所描述的另一种方法提供了在致动器和反射镜之间相对容易地提供层厚差的方式。将被实施为薄的致动器以时间控制的方式通过背侧蚀刻而被预蚀刻，其中，将被实施为相对较厚的反射镜相继地与预蚀刻致动器一起被进一步蚀刻。使用这种方法，致动器的层厚就可以根据需要来调节，因为载体层由硅形成并由此可在蚀刻过程期间产生相对任意的层厚。然而，该层的横向延伸方向的层厚精度和蚀刻边缘角度由于在整个晶片上不均匀的蚀刻速度而难于确保。由此，这种方法仅适用于调节机械被动区域(例如反射镜或加强弹簧)的层厚。所述方法不能被用于机械主动区域(mechanicallyactiveregions)，像扭力弹簧，扭力弹簧的特性(尤其是固有频率和永久可产生应力性)由于先前提到的不精确性而被层厚所影响和确定，因为必须被精确计算的扭力弹簧的层厚是无法实现的。图11示出用于制造静电操作元件、例如SOI(绝缘体上硅)晶片的另一种方法，所述SOI由其间设置有功能层的两个相等层厚的硅层构成。所述方法包括从SOI晶片的顶侧朝向SOI晶片的背侧图案化并形成这些层。然而，这种技术并不适用于压电致动器。用于压电驱动的功能层、压电层和电极被理想地设置在最上表面上。因为对于压电材料来说有利的是在未图案化的晶片上执行涂覆工艺，所以从设置有功能层的顶侧进行预图案化是达不到预期目的的。用于制造包含静电驱动的MEMS元件的方法的另一例子包括将图案化的晶片与第二研磨晶片结合在一起并相继地从主侧涂覆和图案化叠层的步骤。晶片的厚度可以通过研磨第二晶片来调节。然而，因为压电致动器需要表现出数微米的层厚，所以晶片将不得不被研磨以降低至这样的小厚度。使用这种方法，MEMS元件中的压电致动器仅可以以不适当的成本来制造。此外，调节相互结合的两个晶片是困难的并提高了制造工艺的复杂程度。结果，所期望的是MEMS结构的各个部件彼此表现出不同的厚度并可被(成本)有效地制造。
技术实现思路
根据一种实施方式，MEMS结构可以具有：具有基底的叠层、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层、第二半导体层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；形成在所述叠层内的弹簧-质量系统，其具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件；并且其中所述弹簧-质量系统通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下(leave)第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度。根据另一种实施方式，MEMS结构可以具有：具有基底的叠层、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层、第二半导体层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；形成在所述叠层内的弹簧-质量系统，其具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件；和压电致动器层，其被设置在第二蚀刻停止层上，从而使得第二半导体层被设置在第二蚀刻停止层和压电致动器层之间；其中，所述弹簧-质量系统通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度，从而使得a)第一蚀刻停止层或第一半导体层和b)第二蚀刻停止层或第二半导体层形成所述叠层的背侧；并且其中所述压电致动器层被设置在绝缘层的平坦的且未图案化的表面上，从而使得在压电致动器层被设置在其中的致动器区域中，从压电致动器层开始朝向叠层的背侧，存在于该方向上的层被设置为在其间不存在中断。根据又一种实施方式，用于制造具有厚度为材料厚度的叠层的MEMS结构的方法可以具有步骤：提供基底、第一蚀刻停止层、第一半导体层、第二蚀刻停止层和第二半导体层的叠层，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地布置；使具有至少一个弹簧和通过所述弹簧悬挂的元件的弹簧-质量系统形成在所述叠层中，并通过从所述基底背对第一蚀刻停止层的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底、同时留下第一半导体层，并且移除基底、第一蚀刻停止层和第一半导体层来改变厚度。本专利技术的中心思想在于，需要认识到上述的目的可以通过形成由至少一个基底和在其间包括蚀刻停止层的两个半导体层构成的叠层，并从背侧移除不同的层，由此令弹簧-质量系统产生厚度上的变化而实现。根据一种实施方式，形成由一个硅层和两个多晶硅层构成的叠层，其中，氧化物层被设置在层之间和并且硅层用作基底。在弹簧-质量系统的弹簧和质量实现之前，压电功能层被设置在叠层的平坦主侧上，并且层厚局部变化的蚀刻停止层被实现。该装置可以以高精度而被制造，从而使得例如共振频率等参数可被精确地并且以可复制的方式调节。其它有利的实施方式在从属权利要求中涉及。附图说明本专利技术的优选实施方式在下文将参照附图详细描述，其中：图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电子机械系统结构，包括：叠层(12)，所述叠层包括基底(14)、第一蚀刻停止层(22)、第一半导体层(24)、第二蚀刻停止层(26)、第二半导体层(28)，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地被布置；在所述叠层(12)中形成的弹簧‑质量系统，包括至少一个弹簧(53a‑d；56a‑d)和通过所述弹簧(53a‑d；56a‑d)悬挂的元件(49)；并且其中所述弹簧‑质量系统通过从基底(14)的背对第一蚀刻停止层(22)的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底(14)、同时留下第一半导体层(24)，并且移除基底(14)、第一蚀刻停止层(22)和第一半导体层(24)来改变厚度。

【技术特征摘要】
2013.05.17 DE 102013209238.51.一种微电子机械系统结构，包括：叠层(12)，所述叠层包括基底(14)、第一蚀刻停止层(22)、第一半导体层(24)、第二蚀刻停止层(26)、第二半导体层(28)，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地被布置；在所述叠层(12)中形成的弹簧-质量系统，包括至少一个弹簧(53a-d；56a-d)和通过所述弹簧(53a-d；56a-d)悬挂的元件(49)；并且其中所述弹簧-质量系统通过从基底(14)的背对第一蚀刻停止层(22)的背侧开始，在横向不同的位置处移除基底(14)、同时留下第一半导体层(24)，并且移除基底(14)、第一蚀刻停止层(22)和第一半导体层(24)来改变厚度；其中至少一个弹簧(53a-d；56a-d)改变其厚度从而在所述弹簧(53a-d；56a-d)的第一部分中形成加强弹簧(53a-d)，并且在所述弹簧(53a-d；56a-d)的第二部分中形成弹簧(53a-d；56a-d)的机械主动区域(56a-d)，所述第一部分比所述第二部分厚、从而使得机械主动区域(56a-d)与加强弹簧(53a-d)相比包含较小的刚性。2.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中致动器层(38a；38b)被设置成使得第二半导体层(28)被设置在第二蚀刻停止层(26)和致动器层(38a；38b)之间并实现致动器(48a；48b)。3.根据权利要求2的微电子机械系统结构，其中所述致动器层(38a；38b)包括压电材料。4.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中悬挂元件(49)的层厚大于其最长横向尺寸的1％。5.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中致动器层(38a；38b)被设置在弹簧(53a-d；56a-d)的机械主动区域(56a-d)或者悬挂区域(46a；46b)中，其通过弹簧(53a-d；56a-d)的机械主动区域(56a-d)与悬挂元件(49)相隔离，从而使得第二半导体层(28)被设置在第二蚀刻停止层(26)和致动器层(38a；38b)之间，并且致动器层(38a；38b)的厚度在悬挂元件(49)的厚度的1％至1000％之间。6.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中所述弹簧-质量系统的厚度通过从基底(14)的背对第一蚀刻停止层(22)的背侧开始移除叠层(12)的不同数量的层而导致阶梯变化。7.根据权利要求6的微电子机械系统结构，其中至少一个弹簧(53a-d；56a-d)的机械主动区域(56a-d)被实施为扭力弹簧。8.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中第一和第二半导体层(24；28)包含彼此不同的层厚。9.根据权利要求1的微电子机械系统结构，其中在不同位置中基底(14)已经被移除、同时留下第一半导体层(24)的位置处，第一蚀刻停止层(22)存在为用于第一半导体层(24)的蚀刻掩模的剩余物。10.一种微电子机械系统结构，包括：叠层(12)，所述叠层包括基底(14)、第一蚀刻停止层(22)、第一半导体层(24)、第二蚀刻停止层(26)、第二半导体层(28)，它们以所提及的次序一个设置在另一个上地被布置；在所述叠层(12)中形成的弹簧-质量系统，包括至少一个弹簧(53a-d；56a-d)和通过所述弹簧(53a-d；56a-d)悬挂的元件(49)；和压电致动器层(36a-b；38a-b；42a-b...

【专利技术属性】
技术研发人员：姗姗·顾斯托普尔，汉斯·约阿希姆·昆泽，乌尔里奇·霍夫曼，
申请(专利权)人：弗劳恩霍夫应用研究促进协会，
类型：发明
国别省市：德国;DE