处理用于制造诸如微镜的振荡结构的晶片的方法

本申请要求于2020年1月24日提交的专利号102020000001411的意大利申请的优先权，在法律允许的最大范围内，该申请的全部内容通过引用结合于此。

技术领域

本公开涉及一种处理用于制造振荡结构的晶片的方法，特别是利用压电致动。

背景技术

已知微机械镜(或反射器)结构至少部分地由半导体材料制成并使用MEMS(微机电系统)技术获得。

MEMS反射器被配置成接收光束并以周期或准周期的方式改变其传播方向。为此目的，MEMS反射器包括由反射镜形成的移动元件，其在空间中的位置由适当的振荡控制信号电控制。

例如，美国专利申请号2011/0109951(通过引用并入)描述了一种用于控制谐振型MEMS反射器的反射镜的位置的电路，反射镜被布置成在静电型致动器的作用下绕旋转轴旋转。特别地，根据本专利申请的MEMS反射器包括由半导体材料制成的固定支撑体和通过扭转弹簧固定到固定支撑体的反射镜。

使用压电型致动器的应用也是已知的。

用于制造反射镜、扭转弹簧和致动器的一个或多个步骤证明是困难的、复杂的，并且通常涉及特别的注意，只要有利于保证这样制造的结构的残余应力减小，以便防止反射镜在其静止状态时的不期望的翘曲或变形。

此外，已知的方法设想了加工晶片/多个晶片(在所述晶片上制造反射镜)的前表面和后表面(彼此相对)的步骤，例如在前表面上形成反射器和/或压阻致动器(或其它敏感结构)，以及在后表面上形成机械增强和/或锚固结构。采取特定的预防措施(特别是使用支撑和处理晶片和/或使用相容的化学物质)，以防止在背面加工期间损坏正面的敏感结构(例如反射器/致动器)。

本领域需要一种处理用于制造振荡结构的晶片的方法，该方法将特别地克服现有技术的不期望的方面。

发明内容

本文中公开了一种处理具有彼此相对的第一侧和第二侧的晶片以用于制造振荡结构的方法，该方法包括以下步骤：a)形成第一弹性扭转元件和第二弹性扭转元件，第一弹性扭转元件和第二弹性扭转元件被约束到固定支撑体的相应部分并限定旋转轴；b)形成被插入于第一弹性扭转元件和第二弹性扭转元件之间并连接到第一弹性扭转元件和第二弹性扭转元件的移动元件，移动元件因第一可变形元件和第二可变形元件的扭转而能够围绕旋转轴旋转；以及c)通过：c1)在晶片的第一侧上生长增强层，和c2)通过移除增强层的选择性部分来图案化增强层，在移动元件处处理晶片的第一侧，以形成用于移动元件的机械增强结构。该方法还包括以下步骤：d)处理晶片的第二侧，包括在晶片的第二侧实施以下中的至少一种：化学蚀刻、金属材料的沉积和压电材料的沉积。步骤d)是在执行步骤c)之后执行的。

该方法还可以包括在执行步骤c)之后但在执行步骤d)之前将支撑结构耦合到晶片的第一侧的步骤。

为支撑结构提供凹部，并且可实施将支撑结构耦合到晶片的第一侧的步骤，使得机械增强结构被完全包含在凹部内。

步骤d)可以包括处理晶片的第二侧，包括在晶片的第二侧至少实施金属材料的沉积。可以实施金属材料的沉积以形成移动元件上的反射层和/或电触头和/或电路径。可以实施压电材料的沉积以形成压电致动器，压电致动器被配置为在使用中引起第一弹性扭转元件和第二弹性扭转元件的扭转。

该晶片可以是绝缘体上硅(SOI)晶片，该SOI晶片包括被插入于基底和结构层之间的绝缘层。该方法还可以包括在结构层上形成蚀刻停止层的步骤，在蚀刻停止层上生长增强层，以及形成机械增强结构的步骤，包括对增强层实施掩模蚀刻以用于移除增强层的选择性部分直至到达蚀刻停止层的步骤。

该方法还可包括移除增强层的选择性部分以形成至少一个流体进入通道的步骤，该至少一个流体进入通道适于设置为使凹部与凹部外部的环境流体连通。

晶片可以是包括被插入于基底和结构层之间的绝缘层的SOI晶片。处理晶片的第二侧的步骤可以包括：对基底实施减薄直至到达绝缘层的步骤；移除绝缘层的选择性部分以暴露结构层的相应表面区域；以及实施来自化学蚀刻、金属材料的沉积和压电材料的沉积中的至少一种操作。

可以实施化学蚀刻以形成振荡结构、第一弹性扭转元件、第二弹性扭转元件和移动元件的中心体。

可以实施化学蚀刻以形成被配置为实施振荡结构的静电致动的一个或多个结构。

附图说明

为了更好地理解，现在参考附图纯粹通过非限制性示例来描述某些实施例，其中：

图1示出了用于驱动振荡结构(特别是在本文中描述的MEMS反射器)的电子电路的框图；

图2以俯视图示出了本文所述的振荡结构；以及

图3至图10以横向剖视图示出了执行用于制造图2的振荡结构的一系列步骤的结果。

具体实施方式

图1示出了投影式MEMS系统20，其包括例如由多个激光二极管(LD)24形成的光源22，每个LD 24发射相应波长的电磁辐射。例如，图1中所示出的是三个LD 24(LD1，LD2，LD3)，每个LD 24(LD1，LD2，LD3)分别在红(620-750nm)、绿(495-570nm)和蓝(450-475nm)附近发射辐射。

投影式MEMS系统20还包括组合器26、MEMS设备30和屏幕32。组合器26被布置在光源22的下游，以接收由LD 24发射的电磁辐射，并形成通过组合电磁辐射而获得的单个光束OB1。此外，组合器26适于将光束OB1引导到MEMS设备30上。接着，下文更详细描述的MEMS设备30适于产生反射光束OB2并将反射光束OB2引导到屏幕32上，从而使得能够在屏幕32上形成图像。

详细地，MEMS设备30适于随时间改变反射光束OB2的轴在空间中的取向，以便周期性地扫描屏幕32的部分。特别地，反射光束OB2线性扫描屏幕32的一部分(可能是整个屏幕)。

显然，MEMS设备30可以在不同于图1所示的系统中找到应用。

图2在平面XY的俯视图中示出了MEMS设备30的实施方式。

MEMS设备30包括固定支撑体40，固定支撑体40特别是由半导体材料制成，其包括第一结构区域44和第二结构区域46。

MEMS设备30被示出在由三个轴X、Y、Z形成的正交参考系中。同样，轴H被定义为平行于参考系的Z轴。固定支撑体40限定腔52。MEMS设备30还包括移动体54，移动体54被固定到固定支撑体40的第一结构区域44和第二结构区域46，并且同样被悬挂在腔52上。

移动体54具有中心部分60，例如在平面图中(在水平面XY中)是圆形的，在该中心部分60上设置有反射元件(在下文中称为“镜面层”)65，该反射元件65包括对于要投射的光辐射具有高反射率的材料，例如金属(例如铝或金)。

移动体54还包括第一可变形元件56和第二可变形元件58(也称为“臂”)，特别是被配置为经受扭转类型的变形。

中心部分60机械地耦合到第一可变形元件56和第二可变形元件58，并通过第二可变形元件58耦合到第一结构区域44和第二结构区域46。

第一可变形元件56的第一端56a相对于第一结构区域44固定，而第二可变形元件58的第一端58a相对于第二结构区域46固定。此外，第一可变形元件56的第二端56b和第二可变形元件58的第二端58b相对于中央部分60固定在沿着轴X彼此相对的后者的相应区域中。

根据通过本公开的非限制性示例提供的实施方式，在静止条件下，第一可变形元件56和第二可变形元件58中的每一个具有平行六面体形状，其在平行于X轴的方向上的尺寸大于沿Y轴和Z轴的相应尺寸；例如，平行于X轴的尺寸至少比沿Y轴和Z轴的尺寸大五倍。在静止状态下，第一可变形元件56和第二可变形元件58中的每一个具有平行于XY平面并且沿Z轴彼此相对的两个面。同样地，移动体54(特别是中央部分60)具有平行于XY平面并且沿着Z轴彼此相对的两个面。

为了实用的目的，第一可变形元件56和第二可变形元件58分别起第一弹簧和第二弹簧的作用，因为它们中的每一个都可以经历绕轴O的扭转，并且随后返回到静止状态下假定的位置。在第一可变形元件56和第二可变形元件58的扭转过程中，其在静止状态下布置在平行于XY平面的平面中的两个面相对于静止位置移位，绕轴O旋转，并且使中心部分60和镜面层65绕轴O旋转。

根据本公开的一个方面，压电型的第一致动器70、第二致动器72、第三致动器74和第四致动器76相对于第一可变形元件56和第二可变形元件58横向布置。具体地，第一致动器70和第二致动器72在XY平面的俯视图中沿第一可变形元件56的Y轴在相对侧上延伸；第三致动器74和第四致动器76在XY平面的俯视图中沿第二可变形元件58的Y轴在相对侧上延伸。

第一致动器70和第二致动器72的各自端部相对于第一结构区域44固定，而第一致动器70和第二致动器72的其他各自端部相对于中央部分60固定。同样，第三致动器74和第四致动器76的各自端部相对于第二结构区域46固定，而第三致动器74和第四致动器76的其他各自端部相对于中央部分60固定。

在一个实施方式中，第一致动器70和第二致动器72相对于轴O且相对于第一可变形元件56相互对称，第三致动器74和第四致动器76相对于轴O且相对于第二可变形元件58相互对称。在不同的实施例中，根据特定的设计选择，致动器可以是非对称的。

每个致动器70-76包括插入在控制电极之间的压电材料的相应层，控制电极可被偏置以产生压电材料的受控变形。以图2中未示出的方式，致动器70-76被保护性和电绝缘层覆盖，保护性和电绝缘层例如是诸如氧化硅的介电材料。由于在使用中，致动器70-76具有触发和/或维持移动体54的振荡的功能，所以在一个实施方式中，它们相对于穿过移动体54的质心(即，通过轴O和H之间的交点)并且正交于轴O和H两者的轴K(平行于Y轴)对称地延伸。以这种方式，不会产生由致动器的可能的不对称性引起的不受控制的振荡。显然，在不同的实施例中并且为了满足特定的设计要求，致动器可以是非对称的。

在使用中，当通过电接触焊盘81和导电路径83将适当的控制电压施加到致动器70-76时，产生局部变形，该局部变形被直接传递到移动体54，由于仅第一可变形元件56和第二可变形元件58的扭转，使得移动体54绕轴O旋转。

根据不同的实施方式(未示出)，致动器70-76各自具有耦合到第一结构区域44或第二结构区域46的相应端部和耦合到各自的可变形元件56，58的相应第二端部，致动器70-76沿着可变形元件56，58延伸(即，致动器70-76不直接耦合到中心部分60)。操作仍然与上文所述的类似。

本公开同样适用于设置有具有除压电致动器之外的致动器的振荡结构的MEMS设备，例如，具有静电致动的结构(图中未示出)，并且因此设置有被配置为偏置以引起和/或维持振荡结构的振荡的致动器。静电致动器例如通过蚀刻步骤获得。

根据本文所述的一个方面，可以任选地在移动体54的后表面上，特别是在中心部分60的后表面上形成增强结构(从图2的视图中不能理解)。该增强结构具有例如环状形状。增强结构具有对中央部分60实施机械增强的功能，从而减少其在振荡期间的变形。

显然，机械增强结构可以具有不同于环状形状的形状；例如，它可以包括一个或多个带、或梁结构、或肋结构、或者它可以具有适于为中心部分60提供机械增强的任何其它形状。

在本公开的实施方式中，中央部分60、第一连接区域55和第二连接区域57、第一可变形元件56和第二可变形元件58以及第一结构区域44和第二结构区域46形成单个件；即，它们属于单片结构，特别是包括通过在半导体和MEMS工业中使用的微机械加工技术获得的半导体材料。

图3至图10是用于制造具有振荡结构的MEMS设备(例如图2的MEMS设备30)的步骤的示意图。图3至图10的视图是沿与图2的轴K重合的剖面线截取的横向剖视图。

参考图3，提供了例如SOI(绝缘体上的硅)类型的晶片100，其包括半导体材料(例如硅)的基底102、在基底102上延伸的例如氧化硅的绝缘层104、以及在绝缘层104上延伸的结构层106。

然后，参考图4，在结构层106上设置另一绝缘层108，例如通过热氧化形成的氧化硅。绝缘层108具有例如1米的厚度。

随后，如图5所示，通过外延生长结构层110的步骤，以及随后的平坦化(例如，通过CMP技术)，以获得沿着Z轴测量的包括在50至150米之间的最终厚度。

接着，如图6所示，形成由附图标记112表示的增强结构(这里通过示例的方式定义为“环状”，这并不意味着一般性的任何损失)，该增强结构在制造步骤结束时在中心部分60的下方延伸。通过移除结构层110的选择性部分(通过已知的光刻和蚀刻步骤)来形成环状结构112。这里，绝缘层108具有蚀刻停止层的功能。

作为对图4的步骤所描述的内容的替代，可以使用绝缘体以外的材料来形成绝缘层108，前提是结构层110可以相对于制造绝缘层108的材料被选择性地蚀刻。

如前所述，环状结构112具有为中央部分60提供机械增强，减少其在振荡期间的变形的功能，并且可以省略。

在图4所示的蚀刻工艺期间，可选地，同样在结构层110中形成一个或多个流体路径122，流体路径122被配置为将MEMS设备30外部的环境与将参照图7形成和描述的内部腔设置成流体连通(在此，特别地，考虑的流体是空气)。在图6中，流体路径122以虚线表示，只要它们可以沿着不同于所考虑的截面延伸。

作为形成环状结构112(增强结构)的步骤的替代或附加，可以在中心部分60的背面上执行其它机械加工过程，例如以获得边缘锚固区域。

然后，如图7所示，接着是将帽(cap)114相对于其容纳环状结构112的区域横向地耦合到结构层110的步骤。换句话说，帽完全围绕环状结构112。

特别地，帽114在不同于晶片100的晶片200中获得，并且帽114包括凹部116，环状结构112容纳在凹部116中。

帽114例如由半导体材料(例如硅)制成。

晶片200和晶片100例如通过玻璃料类型的接合，或通过金属接合，热压接合，共晶接合，阳极接合，通过粘合剂或胶水接合，或其它类型的接合而耦合在一起。接合层在图7中示意性地表示，并由附图标记118表示。凹部116因此形成腔52，移动体54悬挂在腔52上，如参考图2所讨论的。

在图6的步骤中形成的流体路径122具有将凹部116/腔52设置为与外部环境流体连接的功能，并且因此在凹部116和晶片100或晶片200的边缘区域之间延伸。这样，在制造步骤期间腔52的内部压力的可能变化不会对晶片100和/或晶片200造成物理损伤，只要空气通过这些流体路径122(如图7中的箭头124所示)提供了压力平衡。

接下来，如图8所示，为了减小基底102处的晶片100的厚度，执行薄化该晶片100的步骤。特别地，完全移除基底102，留下暴露的绝缘层104。例如，通过蚀刻步骤(绝缘层104在本文中具有蚀刻停止层的功能)，或者通过化学机械抛光(CMP)，或者通过适合于该目的的一些其它技术来执行基底102的移除。在基底102的移除结束时，绝缘层104或其部分保留在晶片上。在这里考虑的处理步骤是导致移除绝缘层104的情况下，实施在结构层106上形成与绝缘层104类似的另一绝缘层的步骤。

然后，如图9所示，实施包括通过在图8的步骤中暴露的绝缘层104上依次沉积第一电极层、压电层和第二电极层，从而压电层被夹在两个电极层之间来形成致动器70-76的步骤。通过光刻和蚀刻步骤，然后限定致动器70-76的期望形状(例如，如图2所示)。此外，形成电触头(例如，诸如金属的导电材料的路径)以便在使用中能够偏置致动器70-76的电极。

在图9的步骤期间，部分地移除和/或图案化绝缘层104，使得绝缘层104保持在致动器70-76的下面(以便在底部电绝缘它们)以及用于偏置致动器的导电路径的下面。替代地，如图10所示，在需要图案化结构层106以便完成MEMS设备30的形成(特别是用于提供振荡结构的结构部分的光刻限定和蚀刻步骤)的地方移除绝缘层104。

然后，还执行沉积反射材料(例如，铝或金)的步骤，以及随后的光刻和蚀刻步骤，以形成镜面层65。形成用于偏置致动器和镜面层65的焊盘(pad)81和/或导电路径83的步骤可以至少部分地同时进行。在这种情况下，导电焊盘81/路径83可以是与为镜面层65选择的材料相同的材料。可以注意到，镜面层65可以在结构层106上或者在绝缘层104上不加区别地形成。相反，导电路径83优选地形成在绝缘层104上，以便在使用期间提供电绝缘。

参考图10，结构层106被蚀刻以移除结构层106的选择性部分，以限定移动体54、第一可变形元件56和第二可变形元件58以及容纳(支撑)致动器70-76的部分的期望形状，如图2所示。结构层106的蚀刻进行，直至到达绝缘层108，并通过绝缘层108继续，从而释放MEMS结构，该MEMS结构可以根据其自身的自由度移动。帽114未被蚀刻或移除，并且用作MEMS设备的其余部分的结构支撑。凹部116具有深度和尺寸，使得例如不与在凹部116/腔52上延伸的移动体54的振荡发生机械干涉。

在一个实施方式中，MEMS设备30还包括电子控制电路(未示出)，其适于启动并随后维持移动体54的振荡。根据设计要求和规范，电子控制电路可以集成在容纳MEMS设备30的同一管芯中，或者设置在容纳MEMS设备30的管芯外部。

电子控制电路被配置为例如以电压/电流脉冲的形式产生致动器70-76的驱动电压。根据一个实施方式，使移动体54以其共振频率振荡。

此外，电子控制电路可以管理从移动体54在静止条件下静止的状态开始的移动体54的振荡的启动。

从上面所阐述的内容中，从本公开得到的优点是明显的。

特别地，所提出的制造方法设想了对硅晶片实施图案化以形成在使用中对应于微镜的背面的结构(特别是环状结构)的初始步骤，以及随后对微镜的正面实施机械加工，形成致动器和反射层，以及对各种结构部件实施光刻限定的步骤。以这种方式，在后面的处理步骤期间，在前面延伸的微镜的元件不会被损坏，具有明显的优点。

最后，清楚的是，可以对本文所描述和示出的内容进行修改和变化，而不因此脱离如所附权利要求书所限定的本公开的范围。

例如，在图1中，仅以示例的方式参考光束的反射描述了MEMS设备，因此包括至少一个反射镜。然而，MEMS设备的其他用途也是可能的。通常，MEMS设备可施加于不同的振荡系统，例如施加于用于生成时钟信号的MEMS谐振器。

此外，移动体54可以具有圆形或椭圆形，或者沿着一些其它曲线路径，或者甚至是正方形路径。

此外，根据进一步的实施方式，可以存在不同于四个的多个致动器，例如仅存在两个致动器。

此外，图1的投影式MEMS系统20除了根据本公开的任何实施方式的MEMS设备之外，还可以包括附加的MEMS设备，附加的MEMS设备被插入于MEMS设备30和屏幕32之间，并且适于接收反射光束OB2，以产生进一步反射的光束并将进一步反射的光束发送到屏幕32上。以这种方式，可以利用进一步反射的光束沿着例如彼此正交的第一方向和第二方向扫描屏幕32。

同样，MEMS设备30还可以包括例如电磁型的运动设备，该运动设备适于围绕例如平行于轴Y的另一轴来旋转中心部分60，并因此旋转镜面层65。