具有膜的mems器件和製造方法
2023-07-17 22:13:51 2
專利名稱：具有膜的mems器件和製造方法
具有膜的MEMS器件和製造方法
背景技術：
將膜併入的MEMS器件(MEMS=微機電系統)用在多種不同的應用中。示例是麥克風、傳感器、電容器、開關以及以無源或有源方式使用柔性膜的其他類型的設備。通常，通過使用平面處理和塊微機加工技術在矽或陶瓷基板上製造MEMS器件。這樣的技術包括如物理和化學刻蝕、薄膜層澱積、形成導體線、形成通過導管(through-conduct)的步驟以及如拋光和研磨的機械方法。此外，微構造可以包括接合步驟，其中通過各種方法將兩個晶片接合在一起。具有膜的MEMS器件需要其中在膜的兩側形成自由空間的構造方法。基板側的自由空間可以例如通過刻蝕在膜下面澱積的犧牲層來形成。當如大部分膜結構的情況那樣，水平和豎直尺寸的深寬比變得過大吋，以上技術帶來了問題。這樣，犧牲層的去除變得日益困難。此外，難於實現犧牲層和永久層之間的高選擇性，潛在地對設計強加了額外的約束。 最後，當先前的層具有例如由凸起和凹陷組成的地貌時，難於產生在其上施加膜的平面區域。
發明內容
本發明的目的在於提供ー種迴避所提到的這些問題的具有膜的MEMS器件。該問題通過根據權利要求I的MEMS器件解決。在另外的權利要求中給出了本發明的另外的實施例以及用於製造微機械器件的方法。提供了ー種MEMS器件，該MEMS器件包括經微機加工的塊本體以及固定到其的膜。該膜不是澱積或濺射的，而是從平面金屬箔切割下來的。可以通過在直接位於所關注的MEMS器件的表面上面以外的任何位置進行切割來構造可用作膜的金屬箔。這意味著構造膜的エ藝完全與構造塊本體的エ藝無關。因此，在加工微構造塊本體時出現的問題對形成膜的エ藝沒有任何影響。此外，可以在ー個步驟中將膜形成為任意的ニ維形狀而不會有任何問題並且不必注意在之後的步驟中將膜安裝在其上的微機加工的塊本體的表面的地貌。膜的材料可以選自所有適當的金屬箔。因此，金屬的選擇不受如已知方法中的那樣形成刻蝕選擇性的需求的限制。不存在對金屬箔的厚度的限制並且因此不存在對膜厚度的限制。沒有任何問題地，可以使用厚度介於I和50 ym之間的厚度的金屬箔，其涵蓋了使用這樣的膜的大部分器件的需求。在一些情況下，也可以使用具有更小的厚度或者使給定範圍延伸的厚度的金屬箔。在一個實施例中，膜包括平面部件。在MEMS器件的大部分應用中，平面部件用作器件的平面電極。因此平面部件的面積對於限定MEMS器件的性質和電參數是重要的。MEMS器件的第二電極通常是固定電極並且可以集成到塊本體中或固定到塊本體。在另ー實施例中，預知從平面部件橫向延伸的懸臂。在它們的最遠端，懸臂被擴寬到懸臂墊，懸臂墊用於將懸臂固定到塊本體上的各個接觸墊。懸臂可以以任意數目存在。三個懸臂的數目足以將膜固定在相對於塊本體的表面穩定且與其平行的位置。根據微機加工器件的操作模式，懸臂的數目可以超過三個並且可以可以是四個或更大的數目。懸臂通常具有足夠小的寬度以提供充分的柔性。寬度被選擇成提供足以提供用於將膜固定在起始位置的足夠的機械強度的懸臂的橫截面積。在另ー實施例中，懸臂彎曲以在平面部件的平面上方/下方延伸。此外，懸臂可以彎曲或者在平面部件的平面中成角度，由此提供可用於補償膜在平面內的平移或者補償在橫向方向上起作用的應カ的額外的長度。懸臂可以包括筆直部分以及彎曲部分。切割エ藝用於構造單個膜並且使單個膜與大面積的金屬箔分離。可以包括平面部件的膜的整個結構、懸臂以及懸臂墊在ー個エ件中從金屬箔切割下來。在一個實施例中，膜懸在形成在塊本體上面的錨裝置之間。平面部件自身或者替選地懸臂可以固定到塊本體上的錨裝置。在該實施例中，膜可以是平坦的，沒有在平面部件的平面上方的延伸。
錨裝置處的膜的懸置包括機械固定以及電接觸。錨裝置可以由所構造的後端層形成並且在該情況下是塊本體的一部分。在所有實施例中，如果不涉及膜，則可以如同已知的MEMS或CMOS器件那樣形成MEMS器件。塊本體可以包括具有或不具有集成在半導體本體內的集成電路的半導體。在一個實施例中，塊本體可以是陶瓷本體。後端層澱積在半導體或陶瓷本體頂部，其中之ー是與膜相對布置並且用作後電極的傳導層，該後電極與膜形成的第一電極一起工作。集成電路與後電極電接觸並且通過穿過後端層的各個通過接觸件與膜電接觸。通過接觸件以外的電連接線也可以是各個電連接的一部分。塊本體包括半導體或陶瓷本體以及澱積在其上的後端層。後端層可以包括相同或不同材料的層堆疊。這些材料可以選自機械穩定層、電傳導層和電隔離層。後端層的優選層獲知自CMOS器件，例如用於電隔離並且用於形成給定三維形狀的氧化矽或氮化矽，以及包括鋁和鎢作為用於微構造エ藝的最優選的金屬的金屬層。也可以使用其他絕緣體、多晶娃和金屬。穿過後端層的通過接觸件也可以包括用於填充在隔離後端層中產生的、用於通過接觸件的孔的其他材料。鎢是用於形成通過接觸件的優選金屬，因為鎢可以澱積具有大的深寬比的孔的底部以及側壁上。在ー個具體實施例中，MEMS器件被設計成並且用作麥克風。因此膜固定到塊本體並且可以振動或者因聲音而變得偏轉。為了最佳操作，器件提供了後體積(volume)。後板被打孔以具有後板孔，以便減少膜和後板之間的阻尼。可以在塊本體中直接在後板下方形成後體積或空腔。後板孔和空腔藉助於微機加工來構造。後體積可以通過在其底部通過蓋部件封閉的穿過孔(through going hole)或凹陷來形成。在塊本體中,在直接位於後板下面以外的任何位置，如果使用了半導體塊本體，則可以集成集成電路(1C)。膜和後板可以電連接到1C，由此創建單片麥克風設計。膜和後板之間的氣隙距離可以由後端層頂部的支座(stand-off)結構限定。支座結構可以由封閉的或者部分封閉的邊緣組成，其形成後板的外緣處的支座邊緣。如果在支座邊緣中實現ー個或多個開ロ，則它們可以用作使靜壓差均衡的通風孔。通風孔也可以在月吳中構造。
一種用於製造上述MEMS器件的方法可以包括如下步驟
-提供金屬箔
-提供雷射
-利用雷射切割箔以接收膜 -提供器件的微機加工塊本體，
-將具有設計的膜的箔轉移到塊本體並且將其固定到塊本體。替選地,在雷射切除和膜與器件的接合期間，可以使用卷到卷(roll-to-roll)技術來處置箔。沿將從金屬箔切除的膜的外周引導雷射。控制裝置將控制箔表面上的雷射的掃描。 根據進行穿過箔的切割所需的單位面積的功率量(W/cm2)來選擇掃描速度。根據以後的膜處的切割外緣的期望的平滑度來選擇雷射聚焦到金屬箔上的光斑直徑。1-30 μ m的光斑直徑是適當的。優選的直徑介於5和20 μπι之間。金屬箔可以選自提供如機械強度、弾性和導電性的期望的性質的適當金屬。對於大部分應用，鋁是金屬箔的優選材料。金屬箔具有優選地介於I和20 ym之間的厚度，但是也可以使用更厚的片。微機加工塊本體優選地是半導體或陶瓷本體，其可以包括如CMOS器件的集成電路。集成電路可以提供MEMS器件的操作所需的電功能。這些功能可以包括檢測和測量如電壓、電容、電阻、電流的電參數或者各個其他電參數。此外，集成電路可以提供將施加到膜和後板的電壓。在另ー應用中，集成電路能夠提供將施加到器件的電極的頻率，這些頻率選自RF頻率或聲頻率。邏輯電路可以集成以支配或監管微機械器件的操作模式。可以包括放大器以放大如上文提到的測量參數。MEMS器件或其外圍電路的操作所需的任何其他計算操作可以在塊本體內部的IC內實現。在另ー實施例中，將膜固定到塊本體的步驟可以通過超聲接合來完成。通過該步驟，使膜與布置在塊本體的頂表面上的接觸墊電接觸。膜上的接合位置可以位於平面部件上或者從平面部件延伸的懸臂上，優選地處於懸臂最遠端處的懸臂墊處。在一個實施例中，製造MEMS器件的方法包括如下步驟 -在切割之前將箔固定並且限制到操作架
-在將箔固定到操作架時完成切割 -在操作架的幫助下將膜轉移到塊本體 -將膜固定到塊本體
-從膜釋放操作架並且由此切割膜並且使膜與未成為膜的一部分的任何剰餘的箔分離。在該實施例中，在切割之前將金屬箔固定並且限制到操作架。優選地通過在以後的步驟中允許容易地釋放膜的方式來完成固定。使用該架來處置單個膜以及在一個步驟中從金屬箔構造的膜陣列。在將箔固定到操作架時完成切割。在該步驟中，依次切割膜並且從剰餘的箔至少部分地切割膜。優選的是，剰餘的固持結構將切割的膜固定到剰餘的箔並且因此固定到操作架。這允許在操作架的幫助下容易地將膜轉移到塊本體。膜在仍連接到操作架的同時固定到塊本體。在最後的步驟中，從操作架釋放膜。該階段中仍存在的連接結構被切割或斷開，並且因此膜與並非是膜的一部分的任何剰餘的箔分離。操作架包括如玻璃或金屬的硬材料的板。該板優選地具有開ロ的陣列，每個開ロ提供了容納僅ー個膜的面積。開ロ是切ロ並且可以具有有限的深度。根據ー個實施例，微機械器件被用作並且設計成具有集成IC的微型麥克風。在該應用中，通過進入的聲音將膜激發到聲學振動。通過測量因膜的變化而改變的電參數來檢測振動。該參數可以是兩個電極之間的電壓或電容，第一電極是膜並且第二電極集成在後板中。在另ー實施例中，微機械器件被設計成並且用作可調電容器。在該應用中，膜被構造以用作可移動電極，其可以在與平面部件的表面垂直的方向上朝向集成到後板中的第二 電極以及遠離該第二電極移動。膜的移動可以由因施加到兩個電極的電壓引起的靜電カ發起。可調電容器可以被調節以具有至少兩個不同的電容，其中ー個是基本電容，其中沒有力作用在膜上。第二電容可以是其中膜已移動並且現在處於距集成在後板中的相對(counter)電極最近的位置的狀態。還可能的是，可調電容器可以被連續調節，使得兩個極端位置之間的任何位置可用於提供可調電容器的期望的電容。在膜和後板之間的塊本體中可以形成一個或多個支座結構的集合。通過增加膜和後板之間的電壓，可以使膜塌縮到不同的支座集合上，從而獲得若干個離散的電容。在另ー實施例中，器件被設計成並且用作開關。這裡，也可以使用膜的移動。在移動結束吋，進行塊本體上的接觸點處的膜之間的接觸。在所有應用中，優選的是集成在後板中的第二電極通過第二電極上的至少ー個隔離層相對膜電隔離。
在下文中，通過描述實施例和附圖更詳細地說明了本發明。附圖僅用於圖示的用途並且因此被示意性地繪製。ー些尺寸可能失真。因此，不可能直接從附圖中取得任何尺寸或尺寸的比例。圖I示出了安裝在塊本體頂部的膜的橫截面視圖，
圖2從俯視圖示出了膜，
圖3示出了穿過具有膜的器件的橫截面，
圖4示出了操作架，
圖5示出了穿過具有膜的另ー器件的示意性橫截面，
圖6以俯視圖示出了具有不同形狀的懸臂的膜。
具體實施例方式圖I示出了穿過包括塊本體BB和安裝在塊本體頂部的膜MM的MEMS器件的示意性橫截面。在圖中，塊本體BB具有平面表面，但是這對於根據本發明的器件不是必需的。膜MM是已被雷射切割成給定應用所需的期望的形狀的金屬箔。膜包括主要作為大面積部件並且與塊本體BB的表面平行布置的平面部件PM。在可以作為懸臂墊或平面部件自身的膜MM的外圍區域中，膜在膜連接點MCP處被固定到塊本體。在圖I中，膜連接點位於從塊本體BB的表面凸出的錨裝置AN頂部。其還可以處於與塊本體BB的表面相同的高度水平處。圖2示出了膜上的示意性俯視圖，其示出了膜結構的更詳細的細節。膜麗的平面部件PM在這裡被示出為圓形區域但是不限於該形狀。提供了連接到平面PM的外周的懸臂SA。這些懸臂可以被形成為帶，這些帶可以在平面部件PM的平面中和/或內彎曲。在圖2中，懸臂由三個直線部分形成，每兩個部分之間成一定角度，使得這三個部分形成了字符「z」。懸臂也可以包括沒有角的圓形部分。
懸臂SA將提供平面部件PM和用於將懸臂固定到塊本體BB的懸臂墊SP之間的柔性連接。懸臂SA還可以用作提供平面部件的柔性連接的彈簧。該彈簧可以迫使並保持平面部件PM在相對於塊本體的表面的基本位置。懸臂SA可以被製造成儘可能短，但是足夠長到提供平面部件PM的柔性但是充分的固定。每個懸臂末端處的懸臂墊SP可以是臂的擴寬部分，其具有提供允許懸臂墊SP到塊本體BB的表面，分別到各個膜連接點MCP的牢固接合エ藝的足夠面積的寬度。圖3示出了被實施為麥克風的微機加工器件。在該實施例中，塊本體包括半導體本體SB，後端層BL澱積在該半導體本體頂部以形成剛性結構。後端層BL可以是必須出現在集成於半導體本體SB中的CMOS器件頂部的層。替選地，後端層BL僅被提供用於形成適當的機械硬性結構，其可以包括導電線和區域。在半導體本體SB內，形成了集成電路1C。後端層BL主要包括如氧化物或氮化物的絕緣材料或者任何其他絕緣無機材料以及金屬的層，這些層可以通過已知方法來澱積和構造。形成穿過後端層的至少ー個通過接觸件TC，其提供從IC的端子到後端層BL頂部的表面上的接觸墊的導電連接。其他結構可以是傳導的或絕緣的，可以在後端層BL中布置和構圖。包括後端層和半導體或陶瓷本體SB的整個塊本體BB被構造成形成半導體本體SB中的凹陷。凹陷的底部由半導體或陶瓷材料形成，或者由如圖中所示從塊本體的相對側封閉或覆蓋凹陷的蓋部件LM形成。後板部分BP由許多個後端層BL形成。其數目可以小於後板部分旁邊的部分中的後端層的數目以導致後板部分的較小的厚度。後端層的頂表面中的第一凹陷的深度可以遵照在後板部分中省略的層的數目。在後板部分BP中，布置有後板孔VH，其使半導體本體中的第二凹陷與後板部分上方的自由空間連接。在後板部分中，布置有至少ー個導電層CL，其優選地位於後板的頂表面附近但是通過絕緣層相對後板部分的表面隔離。傳導層CL形成麥克風的電極並且優選地通過如導體線和通過接觸件TC的各個電連接連接到半導體本體SB中的集成電路1C。在後端層BL、後板BP、半導體本體SB中的凹陷之間形成了後體積BV，並且後體積可以在其底部由蓋部件LM封閉。切割的膜麗固定到後端層BL頂部，使得膜麗的平面部件PM布置在上方但是遠離後板部分。膜通過接合懸臂墊SP到後端層的表面上的各個金屬墊來固定。在如所示的麥克風中工作的膜MM優選地包括用於使後體積BV和平面部件PM上方的大氣之間的靜壓差均衡的通風孔。但是該開ロ可以被省略，使得在其中膜由支座結構支承的區域中執行通風。圖4示出了用於在切割期間固持金屬箔，在切割之後將切割的膜轉移到其中預先形成多個MEMS器件的晶片的操作架HF的俯視圖。操作架HF包括多個開ロ 0P，每個開ロ具有比膜直徑略大的直徑。開ロ的直徑可以是從I到3 mm。金屬箔MF可以在固定點FP處通過接合，例如在粘合劑的幫助下，可釋放地固定到操作架HF。在例如在粘合劑的幫助下將金屬箔固定到操作架時，可以完成金屬箔的雷射切害I]。如果在塊本體BB中構造匹配孔或凹陷，則通過對準突起FP便於膜到塊本體的對準。圖5示出了穿過被設計成用作開關的微機械器件的示意性橫截面。這裡再次地，MSMS器件包括塊本體BB和膜，圖中示出了膜的平面部件PM。平面部件PM通過可以由懸臂 (參見例如圖2)形成的彈簧元件SE固定到布置在塊本體BB的表面上的錨裝置AN。在塊本體BB中，使用ー個或多個傳導層形成後板BP，其電連接到布置在後板BP的底部或頂表面上的端子T2。平面部件PM連接到布置在器件的任何位置，優選地布置在錨裝置AN頂部或者塊本體BB頂部的另一端子Tl。優選地，傳導層CL和平面部件PM兩者分別通過各個接觸線和通過接觸件，電連接到塊本體BB的同一表面上的各個接觸區域。平面部件PM和傳導層CL形成可以向其施加電壓的兩個電極。靜電カ可以誘發柔性固定的平面部件PM朝向塊本體的表面的移動以及因此朝向傳導層CL的移動。當平面部件PM朝向塊本體BB移動時，平面部件上的各個接觸點CPl和塊本體的表面上的各個接觸點CP2變得接觸，因此通過提供平面部件PM和塊本體BB的表面上的另ー接觸點CP2之間的電連接以及連接到接觸點CP2的第三端子T3來閉合開關。在圖5中未示出的另ー實施例中，平面部件PM的底表面上的接觸點CPl可以與平面部件電隔離，但是電連接到(未示出)塊本體的表面或者錨裝置AN上的各個接觸墊。圖6示出了具有包括筆直部分和彎曲部分的懸臂SA的膜MM的另ー實施例。懸臂的數目不限於三個並且也可以更高或更低。根據本發明的MEMS器件不限於附圖中所示的或者結合附圖描述的任何實施例。本發明的器件可以在實際結構或者實際尺寸上偏離所描述的實施例。除了切割的膜之外，微機械器件可以是獲知自現有技術的任意器件，意味著除了膜以外的結構可以與已知器件中的結構相同。本發明由使微機械結構與切割的膜組合以導致上述優點來組成。術語和附圖標記列表 AM錨裝置
BB塊本體 BL後端層 BP後板 BV後體積 CL傳導層 CP接觸點 FP對準突起HF操作架IC集成電路MCP膜連接點麗膜OP開ロPM平面部件SA懸臂SB半導體本體 SP懸臂墊T1-T3端子TC通過接觸件TL端子線VH後板孔。
權利要求
1.一種MEMS器件，包括微機加工的塊本體(BB)和固定到所述塊本體的膜(MM)，其特徵在於，從平坦的金屬片雷射切割所述膜並且將所述膜接合到所述塊本體。
2.根據權利要求I所述的器件， 其中所述膜(MM)包括平面部件(PM)以及從所述平面部件橫向延伸的懸臂(SA)，所述懸臂終止於接合到所述塊本體(BB)的懸臂墊(SP)。
3.根據前述權利要求中任一項所述的器件，包括 -具有或不具有集成在其中的集成電路(IC)的半導體或陶瓷本體(SB)， -澱積在所述半導體本體上面的後端層(BL)的堆疊，所述塊本體由所述後端層和所述半導體本體形成， -傳導後電極(CL)，其是所述後端層之一併且與所述膜相對布置； 其中所述集成電路電連接到所述後電極並且通過穿過所述後端層的各個通過接觸件(TC)電連接到所述膜。
4.根據前述權利要求中任一項所述的器件，進一步包括 -所述後端層(BL)的堆疊的頂表面中的第一凹陷，所述膜(MM)覆蓋所述凹陷； -與所述第一凹陷對準的所述半導體本體(SB)中的第二凹陷，所述第二凹陷形成後體積(BV);以及 -微機加工後板孔(HV)，其被引導穿過所述後端層並且使所述後體積與所述後板上方的體積連接。
5.一種用於製造利用膜進行工作的MEMS器件的方法，所述方法包括步驟 -提供金屬箔 -雷射切割所述箔以產生平坦的膜(MM) -提供用於所述器件的微機加工的塊本體(BB) -將所述膜轉移到所述塊本體並且將所述膜固定到所述塊本體。
6.根據權利要求5所述的方法，其中 所述的固定步驟包括將所述膜(MM)超聲接合到布置在所述塊本體(BB)的頂表面上的接觸墊。
7.根據權利要求5或6所述的方法，其中 -在切割之前將所述箔固定並且限制到操作架(HF) -在將所述箔固定到所述操作架時完成所述切割 -在所述操作架的幫助下將所述膜(MM)轉移到所述塊本體(BB) -將所述膜固定到所述塊本體 -從所述膜釋放所述操作架並且由此切割所述膜並且使所述膜與未成為所述膜的一部分的任何剩餘的箔分離。
8.根據權利要求6或7所述的方法， 其中所述操作架(HF)包括如玻璃或金屬的硬材料的板，所述板具有開口(OP)的陣列，每個開口提供用於一個膜的面積。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，其中雷射聚焦到在所述金屬箔的表面上的1-50 u m的光斑直徑。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其中使用具有1-50u m的厚度的金屬箔。
11.根據權利要求I至4中任一項所述的器件，被設計成用作具有集成IC的微型麥克風。
12.根據權利要求I至4中任一項所述的器件，被設計成用作可調電容器。
13.根據權利要求I至4中任一項所述的器件，被設計成用作開關。
全文摘要
公開了一種MEMS器件，其包括微機加工的塊本體(BB)以及固定到塊本體的膜(MM)。優選地從平坦的金屬片用雷射切割膜並且將膜接合到塊本體。
文檔編號H04R19/00GK102834347SQ201080066397
公開日2012年12月19日 申請日期2010年4月23日 優先權日2010年4月23日
發明者D.莫滕森, M.吉內魯普 申請人:埃普科斯股份有限公司