在晶片衬底上沉积、释放和封装微机电器件的方法技术

本发明专利技术公开了投影系统、空间光调制器和形成ＭＥＭＳ器件的方法。该空间光调制器可以具有结合在一起的两个衬底，其中一个衬底包括一个微镜阵列。在这两个晶片上或其中之一上沉积了吸气剂材料和／或固体或液体润滑剂后，这两个衬底可以在晶片级上结合。如果需要，这两个晶片可以结合在一起，并且两个衬底之间的压力可以小于大气压。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于MEMS(微机电系统)领域，特别是属于在一个晶片上制作多个微机电器件的方法的领域。本专利技术的主题涉及在一个晶片上制造多个MEMS器件、通过去掉牺牲材料而释放该MEMS结构、将该晶片与另一晶片结合、切单(singulating)晶片部件，以及封装其上具有一个或多个MEMS器件的晶片部件部分，而不损坏其上的MEMS微结构。根据本文的实施例，可以制作多种的微机电系统(MEMS)的器件，包括加速计、DC继电器与RF开关、光交叉连接与光开关、微透镜、反射镜与分束器、滤波器、振荡器与天线系统组件、可变电容器和电感器、开关滤波器组、谐振梳状驱动器与谐振束、以及用于直接观察和投影显示的微镜阵列。 附图说明图1A至图1E是描述形成微镜的一种方法的剖面图；图2是一个微镜的顶视图，示出了用于截取图1A至图1E剖面的线1-1；图3A至图3E是描述与图1A至图1E相同方法的剖面图，但沿另一不同的剖切线；图4是一个微镜的顶视图，示出了用于截取图3A至图3E剖面的线3-3；图5是两个衬底部件的等轴视图，一个具有微镜，另一个具有电路和电极；图6是使用中的组装的器件的剖面图；图7是本专利技术的一种方法的流程图；图8是具有多个芯片区域的晶片衬底的顶视图；图9A至图9G是器件组装的逐个步骤的视图；图10A至图10B是将要结合在一起、然后切单的两个晶片的顶视图；图10C至图10D是用于结合一个晶片(10D)的透光衬底(图10A)的视图；图11A是图10A和图10B中的两个晶片对准时、但在结合之前的、沿图10的线11-11剖切的剖面图，而图11B是两个晶片结合之后、但在切单之前的相同的剖面图；图12是固定在一个封装衬底上的切单后的晶片部件芯片的等轴视图；和图13是其上具有微镜器件的投影系统的图。具体实施例方式镜子制作在同属于Huibers的美国专利5835256和6046840中公开了MEMS器件(例如可移动的微镜和镜子阵列)的微加工过程，每个专利的主题以引用方式合并与此。图1至图4示出了在一个晶片衬底(如一个透光衬底或一个包括CMOS或其他电路的衬底)上形成MEMS可移动元件(如镜子)的类似过程。对于“透光”，其意味着该材料至少在器件工作时可以透射光(该材料在其上面可以临时地具有一个光阻挡层，以提高制造过程中处理衬底的能力，或具有部分的光阻挡层以降低使用中的光散射。无论如何，对于可见光的应用来说，一部分衬底在使用中最好透射可见光，以便光能够进入该器件，被镜子反射，并传会到器件外。当然，并非所有的实施例都将利用透光衬底)。对于“晶片”，其意味着任何衬底，在其上形成多个微结构或微结构阵列，并允许分成多个芯片，每个芯片上在其上具有一个或多个微结构。尽管不是在所有的情况下，但每个芯片常常是被单独销售和封装的一个器件或产品。在一个较大的衬底或晶片上形成多个“产品”或芯片，与单独地形成每个芯片相比，允许较低和较快的制造成本。当然，晶片可以是任何尺寸或形状，但晶片最好可以是传统圆形的或基本上为圆形的晶片(例如直径为4寸、6寸或12寸)，以允许在一个标准的晶片代工工厂中制造。图1A至图1E表示微机械镜子结构的制造过程。如图1所示，提供了一个衬底，如玻璃(例如1737F)、石英、PyrexTM(派热克斯玻璃)、蓝宝石(或者单独的硅或其上具有电路)，等等。图1A-图1E的剖面是沿图2的线1-1截取的。因为该剖面是沿可移动元件的铰接处截取的，因此可以提供光阻挡层12以阻挡来自铰接处反射的光(使用过程中通过透光衬底入射的)，潜在地引起衍射并降低了对比率(如果衬底是透明的)。如图1B所示，沉积了一个牺牲层14，例如非晶硅。该沉积层的厚度可以具有宽广的变化范围，这取决于可移动元件/镜子的尺寸和所希望的倾斜角度，尽管可为从500到50000，但优选为约5000。可替代地，牺牲层可以是聚合物或聚酰亚胺(或甚至是多晶硅，氮化硅，二氧化硅，等等，这取决于所选择的用来抵抗蚀刻剂的材料以及所选择的蚀刻剂)。牺牲层蚀刻之后的光刻步骤在牺牲硅上形成孔16A、16B，其可为任何适当的尺寸，尽管优选具有从0.1到1.5um的直径，但更优选地为约0.7±0.25um。蚀刻被执行直到玻璃/石英衬底，或者执行到阻挡层，如果存在的话。优选地，如果蚀刻了玻璃/石英层，其量要小于2000。在这一点上，如图1C所示，通过化学气相沉积沉积出第一层18。该材料优选是通过LPCVD(低压化学气相沉积)或PECVD(等离子增强化学气相沉积)沉积的氮化硅或二氧化硅，但是，多晶硅、碳化硅或有机化合物可以在这一点上被沉积——或铝、CoSiNx、TiSiNx、TaSiNx和其他三元和更高元的化合物，例如同属于Reid的2001年7月20日提交的美国专利申请09/910537和2001年6月22日提交的美国专利申请60/300533中所提出的，这两个专利通过引用合并于此(当然牺牲层和蚀刻剂应该与所用材料相适应)。第一层的厚度可以变化，这取决于可移动元件的尺寸和所希望的元件硬度，但是，在一个实施例中，该层的厚度是从100到3200，更优选地为约1100。对第一层进行光刻和蚀刻，以便在相邻的可移动元件之间形成0.1到25um数量级的缝隙，优选为约1到2um。如图1D所示，沉积第二层20(“铰接”层)。对于“铰接层”，其意味着该层定义了这样的器件的部分，其是活动的以允许该器件移动。可以仅仅为了定义该铰接或者为了定义该铰接和其他区域(例如镜子)而沉积出铰接层，。在任何情况下，在沉积铰接材料之前，均要去掉增强材料。第二(铰接)层的材料可以与第一层相同(如氮化硅)或者不同(二氧化硅、碳化硅、多晶硅，或铝、CoSiNx、TiSiNx、TaSiNx或其他三元和更高元的化合物)，可以通过与第一层一样的化学气相沉积沉积来沉积第二层。第二/铰接层的厚度可以大于或小于第一层，这取决于可移动元件的硬度、所希望的铰接的挠性、所使用的材料，等等。在一个实施例中，第二层的厚度从50到2100，优选为约500。在另一个实施例中，通过PECVD沉积第一层，通过LPCVD沉积第二层。同样如图1D所示，沉积了一个反射和传导层22。尽管反射/传导材料优选为通过PVD沉积的铝，但也可以是金、铝或其他金属，或者多于一种金属的合金。金属层的厚度可为50到2100，优选为约500。沉积单独的反射和传导层也是可能的。可以添加一个可选的金属钝化层(未示出)，例如通过PECVD沉积的厚度为10到1100的二氧化硅层。然后，光刻胶在该金属层上形成图案，之后是以适当的金属蚀刻剂对金属层进行蚀刻。在为铝层的情况下，可以利用氯(或溴)化学特性(例如利用具有可选的优选为诸如Ar和/或He的惰性稀释剂的Cl2和/或BCl3(或Cl2、CCl4、Br2、CBr4等等)的等离子/反应离子蚀刻)。然后，去掉牺牲层以“释放”MEMS结构(图1E)。在图1A至图1E所示的实施例中，第一和第二层都沉积在定义可移动(镜子)元件的区域中，然而当不存在第一层时，第二层就沉积在铰接区域中。利用两个以上的层来产生叠层可移动元件是可能的，这是人们所希望的，尤其是当可移动元件的尺寸增大时，例如为了在一个光开关中切换光束。可以提供多个层来代替图1C中的单个层1本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于制造空间光调制器的方法，其包括：　　　　在第一或第二衬底上形成多个可偏转反射元件；　　　　将所述第一和第二衬底结合在一起，形成一个衬底部件；　　　　将所述衬底部件结合到一个封装衬底上，该封装衬底并不完全封装所述衬底部件，从而形成一个暴露的和被封装的衬底部件；和　　　　用引线将所述衬底部件结合到所述封装衬底。

【技术特征摘要】
US 2002-6-11 10/167,3611.一种用于制造空间光调制器的方法，其包括在第一或第二衬底上形成多个可偏转反射元件；将所述第一和第二衬底结合在一起，形成一个衬底部件；将所述衬底部件结合到一个封装衬底上，该封装衬底并不完全封装所述衬底部件，从而形成一个暴露的和被封装的衬底部件；和用引线将所述衬底部件结合到所述封装衬底。2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将所述暴露的和被封装的衬底部件置入一个投影系统。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述的反射元件对应于直视或投影显示器中的像素。4.根据权利要求3所述的方法，其中每个芯片中的反射元件的数量是从15万到大约6百万。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一衬底是一个透光衬底，或者是一个具有一层或多层的、当其被去除时成为一个透光衬底的衬底。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第一衬底是玻璃、硼硅酸盐、钢化玻璃、石英或蓝宝石。7.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二衬底是电介质或半导体衬底。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二衬底包括砷化镓或硅。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一和第二衬底利用粘合剂结合在一起。10.根据权利要求9所述的方法，其中所述结合剂是环氧树脂。11.根据权利要求10所述的方法，其中所述环氧树脂包括预定直径的球或杆。12.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底部件通过划线和折断被分离为单个芯片。13.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底部件在分离为单个芯片之前要测试其异常性。14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第一和第二衬底之间提供一个间隔衬底。15.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述第一和第二衬底结合之前，在这两个衬底或其中之一上提供微加工的隔离物。16.根据权利要求9所述的方法，其中所述粘合剂由自动控制的液体分配器通过注射器分配。17.根据权利要求9所述的方法，其中所述粘合剂由丝网印刷、胶版印刷或辊筒印刷来分配。18.根据权利要求16所述的方法，其中所述注射器为了进行分配沿X-Y坐标移动。19.根据权利要求1所述的方法，其中所述对齐包括相对衬底上的衬底基准的对准。20.根据权利要求19所述的方法，其中所述对准利用具有镜头扩大功能的视频相机来完成。21.根据权利要求7所述的方法，其中所述第二衬底是玻璃或石英衬底。22.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底的结合包括UV或用热进行固化的环氧树脂的分配。23.根据权利要求22所述的方法，其中所述结合进一步包括施加10kg的力或更多的力。24.根据权利要求1所述的方法，其中所述对齐包括把所述第一衬底上的每个可偏转元件与所述第二衬底上的至少一个电极对齐。25.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底部件的分离包括在所述第一和第二衬底上形成划线。26.根据权利要求25所述的方法，其中所述划线以在至少一个方向上的彼此偏移的关系放置。27.根据权利要求25所述的方法，其中所述分离进一步包括沿划线利用剪切机或支点折断机来折断所述衬底部件。28.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底部件的分离包括在每个衬底上部分地切割，随后沿切割线折断。29.根据权利要求1所述的方法，其中所述切割是在存在高压水喷射的情况下进行的。30.根据权利要求1所述的方法，其中所述结合包括在所述衬底的每个阵列的周围附近应用密封剂。31.根据权利要求30所述的方法，进一步包括在所述衬底中的至少一个的周围应用密封剂。32.根据权利要求1所述的方法，其中所述结合包括应用粘合剂和隔离物，该隔离物的尺寸从1到100微米。33.根据权利要求32所述的方法，其中所述隔离物的尺寸从1到20微米。34.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个可偏转元件是反射镜元件，并且是在所述第二衬底上形成的，所述第二衬底是透光衬底，至少在从其上去除了所有的表面涂层的情况下。35.根据权利要求15所述的方法，其中所述微加工隔离物包括一种有机材料。36.根据权利要求32所述的方法，其中所述隔离物是玻璃或塑料隔离物。37.根据权利要求1所述的方法，其中所述可偏转元件的形成包括表面微机械加工或体微机械加工。38.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第一衬底上形成所述多个可偏转元件。39.根据权利要求38所述的方法，其中在形成所述多个可偏转元件之前形成所述电路或多个电极，其中所述多个可偏转元件在所述第一衬底的所述多个电极的上面形成。40.根据权利要求39所述的方法，其中在所述第二衬底上形成多个光阻挡掩模。41.根据权利要求40的方法，其中当所述衬底部件被切单为衬底部件芯片时，在每个衬底部件芯片内的一个第二衬底部分上布置一个光阻挡掩模。42.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二衬底上形成所述的多个可偏转元件。43.根据权利要求42的方法，其中当所述第一和第二衬底被对齐和结合在一起时，所述第二衬底上的每个所述可偏转元件布置在所述第一衬底的相应电极的附近。44.根据权利要求1所述的方法，进一步包括封装所述的衬底部件芯片。45.根据权利要求1所述的方法，其中所述的可偏转元件是具有锯齿状或Z字形边缘的微镜。46.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将粘附力减少剂施加到一个或两个衬底上，施加时间是在这两个衬底结合之前或之后，但在该衬底部件被切单为芯片之前。47.根据权利要求1所述的方法，进一步包括将吸气剂施加到一个或两个衬底上，施加时间是在这两个衬底结合成一个衬底部件之前。48.根据权利要求47所述的方法，其中所述的吸气剂是分子、氢和/或粒子吸气剂。49.根据权利要求47所述的方法，其中所述的吸气剂是粒子和湿气吸气剂。50.根据权利要求47所述的方法，其中所述的吸气剂是能够吸收湿气。51.根据权利要求46所述的方法，其中所述的粘附力减少剂是施加到所述可偏转元件的硅烷。52.根据权利要求46所述的方法，其中所述的粘附力减少剂是氯硅烷。53.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在结合和切单所述结合衬底为多个结合衬底芯片部分之前将所述衬底对齐。54.根据权利要求53所述的方法，其中所述衬底的对齐精度是1微米或更小。55.根据权利要求2所述的方法，其中所述投影系统包括一个光源、一个色彩定序器和投影光学系统。56.一种形成微镜阵列的方法，其包括提供一个第一衬底；提供一个第二衬底；在所述第一和第二衬底上形成多个微镜元件；在低于大气压的压力下将所述第一和第二衬底结合在一起，以形成一个衬底部件；和将所述衬底部件切单为单独的芯片，每个芯片包括结合后的第一和第二衬底，其间在低于大气压的环境中具有微镜元件。57.根据权利要求56所述的方法，其中所述微镜元件是通过在牺牲层上沉积结构膜，并释放这些结构膜以去除所述牺牲层而形成的，其中所述释放包括提供一种蚀刻剂，该蚀刻剂选自卤间化合物、惰性气体氟化物、气相酸或气体溶剂。58.根据权利要求57所述的方法，其中在所述释放之后是粘附处理。59.根据权利要求58所述的方法，其中所述粘附处理包括利用硅烷的处理。60.根据权利要求58所述的方法，其中所述粘附处理之后是所述的结合。61.根据权利要求60所述的方法，其中从释放到结合的时间小于6小时。62.根据权利要求56所述的方法，其中所述第一衬底是一个透光衬底，或者是一个具有一层或多层的、当其被去除时成为一个透光衬底的衬底。63.根据权利要求62所述的方法，其中所述第一衬底是玻璃、硼硅酸盐、钢化玻璃、石英或蓝宝石。64.根据权利要求56所述的方法，其中所述第二衬底是电介质或半导体晶片。65.根据权利要求64所述的方法，其中所述第二衬底包括砷化镓或硅。66.根据权利要求65所述的方法，其中所述第一和第二衬底利用粘合剂结合在一起。67.根据权利要求66所述的方法，其中所述粘合剂是一种环氧树脂。68.根据权利要求67所述的方法，其中所述环氧树脂包括预定直径的球或杆。69.根据权利要求66所述的方法，其中所述衬底部件通过划线和折断被分离为单个芯片。70.根据权利要求56所述的方法，其中所述衬底部件在分离为单个芯片之前要测试其异常性。71.根据权利要求56所述的方法，进一步包括在所述第一和第二衬底之间提供一个间隔衬底。72.根据权利要求56所述的方法，进一步包括在所述第一和第二衬底结合之前，在这两个衬底或其中之一上提供微加工的隔离物。73.根据权利要求66所述的方法，其中所述粘合剂由自动控制的液体分配器通过一个注射器来分配。74.根据权利要求66所述的方法，其中所述粘合剂由丝网印刷、胶版印刷或辊筒印刷来分配。75.根据权利要求73所述的方法，其中所述注射器为了进行分配沿X-Y坐标移动。76.根据权利要求56所述的方法，其中所述对齐包括相对衬底上的衬底基准的对准。77.根据权利要求76所述的方法，其中所述对准利用具有镜头扩大功能的视频相机来完成。78.根据权利要求64所述的方法，其中所述第一和第二衬底的形状基本上是圆形，直径为从4到12英寸。79.根据权利要求67所述的方法，其中所述衬底的结合包括UV或用热进行固化的环氧树脂的分配。80.根据权利要求79所述的方法，其中所述结合进一步包括施加10kg的力或更大的力。81.根据权利要求56所述的方法，其中所述对齐包括把所述第一衬底上的每个可偏转元件与所述第二衬底上的至少一个电极对齐。82.根据权利要求56所述的方法，其中所述衬底部件的分离包括在所述第一和第二衬底上形成划线。83.根据权利要求25所述的方法，其中所述划线以在至少一个方向上的彼此偏移的关系放置。84.根据权利要求25所述的方法，其中所述分离进一步包括沿划线利用剪切机或支点折断机来折断所述衬底部件。85.根据权利要求56所述的方法，其中所述衬底部件的分离包括在每个衬底上部分地切割，随后沿切割线折断。86.根据权利要求56所述的方法，其中所述切割是在存在高压水喷射的情况下进行的。87.根据权利要求56所述的方法，其中所述结合包括在所述衬底的每个阵列的周围附近应用密封剂。88.根据权利要求87所述的方法，进一步包括在所述衬底中的至少一个的周围应用密封剂。89.根据权利要求56所述的方法，其中所述结合包括应用粘合剂和隔离物，该隔离物的尺寸从1到100微米。90.根据权利要求89所述的方法，其中所述隔离物的尺寸从1到20微米。91.根据权利要求90所述的方法，其中所述多个可偏转元件是反射镜元件，并且是在第二衬底上形成的，所述第二衬底是透光衬底，至少在从其上去除了所有的表面涂层的情况下。92.根据权利要求89所述的方法，其中所述微加工隔离物包括一种有机材料。93.根据权利要求89所述的方法，其中所述隔离物是玻璃或塑料隔离物。94.根据权利要求56所述的方法，其中所述微镜被提供在一个阵列中，该阵列包括100000到10000000个微镜。95.根据权利要求56所述的方法，进一步包括将所述衬底部件结合和引线结合到一个封装衬底上，该封装衬底不完全封装所述衬底部件。96.根据权利要求95所述的方法，其中不完全封装所述衬底部件的所述封装衬底固定在一个投影系统内。97.根据权利要求56所述的方法，进一步包括将粘附力减少剂施加到一个或两个衬底上，施加时间是在这两个衬底结合之前或之后，但在该衬底部件被切单为芯片之前。98.根据权利要求56所述的方法，进一步包括将吸气剂施加到一个或两个衬底上，施加时间是在这两个衬底结合成一个衬底部件之前。99.根据权利要求96所述的方法，其中所述投影系统包括一个光源、色彩定序器和投影光学系统。100.根据权利要求99所述的方法，其中所述光源是一个弧光灯。101.根据权利要求100所述的方法，其中所述色彩定序器是一个色彩轮。102.根据权利要求97所述的方法，其中所述的粘附力减少剂是施加到可偏转元件的硅烷。103.根据权利要求97所述的方法，其中所述的粘附力减少剂是氯硅烷。104.根据权利要求96所述的方法，其中在所述第二衬底上形成多个光阻挡掩模。105.根据权利要求104所述的方法，其中当所述衬底部件被切单为衬底部件芯片时，在每个衬底部件芯片内的一个第二衬底部分上布置一个光阻挡掩模。106.一种制作微镜阵列的方法，其包括提供一个第一晶片；提供一个第二晶片；在所述第一晶片上形成电路和多个电极，以形成一个电路和电极阵列；在所述第一或第二晶片上形成多个可偏转微镜元件，以形成一个微镜阵列；在形成所述多个可偏转微镜元件以及电路和电极阵列之前或之后，在所述微镜阵列和/或电路和电极阵列的附近形成一个槽或腔；将粘附力减少剂和/或吸气剂沉积到所述的槽或腔中；对齐所述第一和第二晶片；将所述第一和第二晶片结合在一起以形成一个...

【专利技术属性】
技术研发人员：S潘特尔，A赫伊伯斯，P理查兹，H史，S蒋，R小迪博，T格罗贝尔尼，D德林格尔，A孙，HN陈，
申请(专利权)人：反射公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]