具有悬置隔膜的压电MEMS设备及其制造过程的制作方法

本公开涉及具有悬置隔膜的压电mems设备，并且涉及其制造过程。

背景技术：

如所知，致动器是将一种类型的物理量转换为不同类型的另一物理量的设备，并且由转换导出的量通常涉及某种形式的移动或机械作用。

最近，已经提出具有微米和纳米尺寸的致动器，也分别被称为微致动器和纳致动器，其可以利用半导体技术获得，因此成本非常有限，并且属于所谓的mems(微机电系统)类型。它们可用于广泛范围的设备中，特别是在移动设备和便携式设备中。

微致动器的示例是阀门、开关、泵、线性和旋转微电机、线性定位设备、扬声器、光学设备和pmut(压电式微机械超声换能器)。

已知的微致动器基本上根据四个物理原理进行工作：

静电原理，由此利用以相反的方式充电的导体之间的吸引力；

热原理，由此利用由热膨胀或收缩引起的位移；

压电原理，由此利用由电场诱导的应变和应力引起的位移；以及

磁原理，由此利用由呈现磁特性的不同元件(诸如，永磁体、外部磁场、可磁化材料和电流导体)之间的相互作用引起的位移。

每种技术在功耗、移动的快速性、施加的力、移动幅度、移动轮廓、制造简易性、应用的电信号的幅度、稳健性和灵敏度方面都具有优点和限制，这有利于其在某些应用中的使用，而不是其它应用中，从而确定使用领域。

在下文中，考虑了通过mems技术获得的致动器设备，其根据压电原理进行操作，并且特别地能够利用tfp(薄膜压电)mems技术。

tfpmems技术当前使用单态致动模式，其中通常由布置在彼此的顶部上的至少两层形成的结构(例如，隔膜、横梁或悬臂)由于应用的应力的变化而弯曲。在该情况中，在其中一层(被称为主动层)中存在应变的受控改变，这导致在其它一层或多层(也被称为不主动的或被动的一层或多层)中的被动应变，并带有结构的随之发生的偏斜。

该技术有利地用于在应用中弯曲隔膜、横梁或悬臂，其中需要垂直移动(即，在正交于结构层的平面的方向上)，诸如，在液体喷射打印头、自聚焦系统、微型泵、微型开关、扬声器和pmut中。

例如，图1a和图1b示出悬臂横梁1，其在第一端部2处受约束并且在第二端部3处自由弯曲。这里，横梁1由堆叠层形成，该堆叠层包括例如半导体材料(例如，硅)的支撑层4、例如氧化硅(sio2)的绝缘层5、金属(例如，铂)的第一电极层6、例如pzt(pb、zr、tio2)的压电材料层7、金属(例如，铂、钌、氧化铱或钛钨合金)的第二电极层8以及例如氧化硅的钝化层。

在如图1b所示的反相偏置存在的情况下，应用的电场在横梁1中引起应变，该应变导致自由端部3向上偏斜。

图2a和图2b中图示了应用到通用光学设备的mems压电致动器的一个实施例。在这些附图中，由10指定的光学设备包括例如玻璃的可变形部或隔膜15，其通过透镜元件11(例如由高分子材料制成的)安置在支撑件12上，支撑件12例如也是玻璃的，隔膜15还承载两个压电区域13，两个压电区域13被布置为彼此相距一段距离。在不存在偏置的情况下(图2a)，隔膜15和透镜元件11具有平坦表面并且不修改横穿它们的光束16的路径。当压电区域13被偏置时，它们引起隔膜15的变形。隔膜15的中心区的变形被传递到透镜元件11，透镜元件11的顶部表面弯曲，修改透镜元件11的聚焦，从而修改光束16的路径(图2b)。因此可以修改光学设备10的光学传输的特点。

图1a、图1b、图2a和图2b中图示的压电致动器具有作为快速紧凑设备的优点；事实上，不像其它类型的致动器(诸如，电容性和/或磁致动器)，它们不要求其他结构，诸如被连接到参考电势(如在电容性致动器的情况中)或者磁铁和/或线圈(如在磁致动器的情况中)。

图3中图示了压电致动mems设备的另一实施例，并且在下文中由30指定。特别地，在平面俯视图中，图3的mems设备30具有四边形形状(例如，正方形)，其中一侧具有长度d，并且其中心o位于与笛卡尔参考系统xyz的第一轴z平行的中心轴c上。

mems设备30包括半导体材料(例如，硅)的基底32，具有第一表面32a和第二表面32b。基底32具有从第二表面32b延伸的腔体34。

详细地，腔体34被壁侧向地界定，并且被底部表面32c在顶部界定。基底部分32被界定在腔体34的底部表面32c和基底32的第一表面32a之间，形成隔膜37，因此隔膜37与基底32是单片的。在平面俯视图中，腔体34通常具有四边形形状(例如，正方形)，并且具有沿着笛卡尔参考系统xyz的第二轴x的长度l的延伸。长度l进一步小于设备的直径d。

例如氧化硅(sio2)的绝缘层39在基底32的第一表面32a之上延伸，并且例如多晶硅、氧化物或其它材料的结构层41在绝缘层39之上延伸。

压电致动器50全部沿着mems设备30的外围在结构层41上延伸，其在平面图中是环形形状的，并且由堆叠层形成。特别地，堆叠层包括第一电极60、例如pzt(pb、zr、tio2)的压电材料层61、第二电极62和钝化层63，压电材料层61在第一电极60之上延伸，第二电极在压电材料层61之上延伸，钝化层63在第二电极62之上和结构层41的暴露的表面之上延伸。金属材料(诸如，金、铝或铜)并且例如环形形状的接触电极64在钝化层63上延伸，并且竖直对齐到压电致动器50；此外，接触电极64通过接触沟槽64a电连接到第二电极62，接触沟槽64a至少部分地通过钝化层63延伸。

备选地，mems设备30可以不具有接触电极64，并且可以在结构层41的顶部上和/或在结构层41内具有电互连，以用于偏置压电致动器50。

在使用中，电势差被应用在压电致动器50的第一电极60和第二电极62之间，以便以单向的方式在向上的方向上(即，沿着第一轴z，远离腔体34)产生隔膜37的偏斜。

在存在撞击和机械应力的情况中，图1a、图1b、图2a、图2b和图3中图示的压电致动设备不会有效地阻碍移动结构(这里为隔膜37)的变形。

此外，对于mems致动器，如图3中图示的mems设备30，形状的优化可能是有限的。实际上，通过当前的过程，隔膜37使用用于形成腔体34的刻蚀过程来限定，其确定腔体34的形状。另一方面，隔膜37的最佳的形状由其功能来决定，即由在致动期间由隔膜37移动的结构(例如，泵或扬声器中的机械传动元件)。因而，很难在功能规范和当前使用的制造过程之间达到妥协。

技术实现要素：

实施例针对具有悬置隔膜的mems设备和制造过程。在一个或多个实施例中，mems设备和制造过程可以克服现有技术的一个或多个缺点。

附图说明

为了更好地理解本公开，现在参照附图，纯粹通过非限制性示例的方式，描述了其优选的实施例，其中：

图1a和图1b分别示出了在静止状态和变形状态下已知的压电致动mems致动器的简化侧向视图；

图2a和图2b分别示出了在静止状态和变形状态下在光学设备中使用的另一已知的压电致动mems致动器的简化侧向视图；

图3是已知的压电致动mems致动器的简化截面图；

图4是根据一个实施例的目前的mems设备的截面图；

图5-图11是在连续制造步骤中图4的mems设备的截面图；

图12和图13是根据制造过程的一种变型在埋置腔体的连续制造步骤中图4的mems设备的截面图；

图14和图15是根据制造过程的另一变型在埋置腔体的连续制造步骤中图4的mems设备的截面图；

图16a-图16f是在部分以重影视图并且部分被移除的情况中目前的mems设备的不同实施例的平面俯视图；以及

图17是包括图16的mems设备的电子装置的框图。

具体实施方式

图4和图16a示出压电致动mems设备70的一个实施例；特别地，在没有任何一般性损失的情况下，mems设备70是用于机械应用(诸如，阀门和活塞)或用于光学应用的致动器。

图4和图16a的mems设备70具有平行六面体形状，其在与笛卡尔参考系统xyz的第一轴x平行的方向上具有长度d，并且图4和图16a的mems设备70包括压电致动器90，其具有例如环形的形状，其中中心o位于与笛卡尔参考系统xyz的第二轴z平行的中心轴c上。

mems设备70包括主体72，具有第一表面72a和第二表面72b。主体72包括半导体材料(诸如，硅)的基底73、例如氧化硅(sio2)的绝缘层79和例如多晶硅、氧化物或与半导体技术相容的其它材料的结构层81，绝缘层79在基底73之上延伸。

基底73具有隔膜腔体74，隔膜腔体74从第二表面72b延伸并且在基底73的厚度方向上通过基底73延伸；隔膜腔体74在顶部由绝缘层79封闭，绝缘层79形成隔膜腔体74的底部表面74a。

隔膜腔体74由壁74b侧向界定，并且在平面仰视图中具有四边形形状。特别地，在图4中，隔膜腔体74具有底座，该底座具有正方形形状，其具有长度l的侧面(也参见图16a)。

环形形状的凹槽78在距绝缘层79很短的距离处在主体72内从隔膜腔体74侧向延伸。在平面仰视图中，这里凹槽78是环形形状，具有大于长度l的最大直径d′，并且同心于隔膜腔体74。半导体材料的主体72的一部分72c位于凹槽78上面。

结构层81由主体72的第一表面72a在顶部界定，并且在隔膜腔体72的底部表面72a处形成可变形部分77。当可变形部分77的高度变形发生时，位于凹槽78上面的半导体材料的主体72的部分72c能够弯折。

压电致动器90在主体72的第一表面72a上延伸，并且包括：第一电极100；例如pzt(pb、zr、tio2)的压电区域101，压电区域101在第一电极100之上延伸；和第二电极102，，第二电极102在压电区域101之上延伸。

例如氧化硅或氮化硅(si3n4)的钝化层103在第二电极102之上和其中第二电极102被暴露的第一表面72a上延伸，完全遮盖压电致动器90和结构层81。例如金属(诸如，金或铝)的接触区域104在钝化层103上延伸，并且被电耦合到偏置和控制电子装置(未示出)。特别地，接触区域104被布置为与压电致动器90垂直对齐。进一步地，接触区域104通过在钝化层103中挖出的接触沟槽104a被电耦合到第二电极102。

备选地，mems设备70可以不具有接触电极区域104，但是可以在结构层81的顶部上和/或在结构层81内具有电互连(未示出)，以用于偏置压电致动器90。

在使用中，电势差被应用在压电致动器90的第一电极100和第二电极102之间，以便以本身已知的方式在与第一轴z平行的方向上生成可变形部分77的偏斜。该偏斜使得mems设备70能够根据所需要的技术效果来操作。

例如，该偏斜使能断开或闭合(在其作为阀门的应用的情况下)或者执行竖直移动(在诸如活塞或扬声器的应用中)。

图5-图11图示根据第一实施例的图4的mems设备70的连续制造步骤。

起初，在图5中，在单晶半导体材料(诸如硅)的晶片73′中，形成埋置腔体，旨在形成沟槽78。例如，出于该目的，可以利用在欧洲专利ep1577656(对应于美国专利号8,173,513)中描述的并在下面总结的制造过程。

具体地，在图5中，利用具有蜂窝格子开口的抗蚀剂掩模(未示出)，在晶片73′的第一顶部表面73a′上执行各向异性化学刻蚀，以便形成多个沟槽120，该多个沟槽120相互通信，并界定硅的多个柱121。特别地，多个沟槽120是在其中要形成沟槽78的基底73的区中形成的。

在移除掩模(未示出)之后，在还原环境中执行外延生长。最终，外延层在晶片73′的第一顶部表面73a′上生长，在顶部处封闭沟槽120。

然后，执行热退火步骤，例如在1190℃达到30分钟，优选地在氢气或者备选地氮气氛围中。如在上面提到的专利中所讨论的，退火步骤导致硅原子的迁移，硅原子倾向于移动到低能量的位置。最终(图6)，并且还借助于柱121之间的短距离，后者的硅原子完全迁移，并且形成埋置腔体76。例如具有介于5μm和10μm之间的厚度(例如，6μm)的薄硅层保留在埋置腔体76的顶部上，并且部分由外延生长的硅原子、部分由迁移的硅原子形成。从而获得晶片73″，其具有第二顶部表面73a″和底部表面，底部表面对应于主体72的第二表面72b，因此由相同的附图标记指定。

参照图7，根据已知的技术，在晶片73″的第二顶部表面73a″上沉积绝缘层79。例如，绝缘层79具有介于0.5μm和1.5μm之间的厚度。

参照图8，在绝缘层79上沉积多晶硅或光学透明材料的结构层81。特别地，结构层81具有例如介于3μm和25μm之间的厚度，并且具有顶部表面，该顶部表面对应于主体72的第一表面72a，因此在图8中由相同的参考标号指定。

参照图9，利用已知的沉积和掩模技术，在主体72的第一表面72a上形成第一电极100。然后，利用已知的掩模和限定技术连续沉积和限定压电层和电极层，以形成压电区域101和第二电极102。

参照图10，在第二电极102上和第一表面72a上沉积钝化层103，完全遮盖结构层81和压电致动器90。然后，在钝化层103上形成接触区域104，钝化层103已经预先被刻蚀以形成孔104a。

在图11中，在晶片73″的第二表面72b上沉积和图案化掩模层125，掩模层125是利用已知的光刻和刻蚀技术(例如，各向异性化学蚀刻，诸如drie-深反应离子刻蚀)从背部刻蚀的，以形成隔膜腔体74。特别地，执行刻蚀步骤，直到到达被埋置的腔体76，进行至绝缘层79，使得隔膜腔体74同心于埋置腔体76。在实践中，隔膜腔体74彻底穿过晶片73″，并且包含被埋置的腔体76的大部分，以释放可变形部分77；最终，埋置腔体76中只有沟槽78保持单独可见。

在过程的末尾处，移除掩模层125，切割晶片73″，从而获得图4的mems设备70。

还可以以不同方式形成晶片73″的埋置腔体76。例如，图12-图13示出其中通过去除牺牲层来获得埋置腔体76的解决方案。在这些附图中，与图5-图11共同的元件通过相同的将附图标记增加200来指定。

在图12中，例如氧化硅的牺牲层被沉积在晶片273′的顶部表面273a′上，然后被图案化，以便形成牺牲区域230，牺牲区域230具有与图6的被埋置的腔体76互补的形状。特别地，牺牲区域230具有直径d′和厚度t(被限定在与第二轴z平行的方向上)的圆柱形形状。

参照图13，根据本身已知的生长技术，在牺牲层230上生长例如多晶硅的覆盖层(这里有参考标号231指定)，以获得晶片273″。

进一步的制造步骤类似于图7-图11中所描述的制造步骤。特别地，这里执行两次刻蚀，首先包括刻蚀晶片273″以形成图4的隔膜腔体74的第一部分，然后刻蚀牺牲层230，牺牲层230被移除以便获得图6的内部腔体76。然后，在覆盖层231上执行刻蚀，以便完全释放可变形部分77，从而获得图4的mems设备70。

图14-图15示出了用于形成图6的埋置腔体76(这里由附图标记378指定)的另一解决方案。特别地，在图14-图15中，与参照图5-图11所描述的元件共同的元件通过将相同的参考标号增加300来指定。

具体地，在图14中，通过本身已知的掩模和刻蚀技术，从第一晶片373′的顶部表面373a′选择性地刻蚀第一晶片373′，以便获得槽335，槽335在平面顶部视图中具有圆形形状，并且槽335的尺寸基本上等于图6的埋置腔体76中的槽。

参照图15，覆盖晶片345通过接合层340(例如，氧化物、聚合物或金属的)被接合到第一晶片373′。因此，覆盖晶片345在顶部封闭槽335，以形成与图6的被埋置的腔体76对应的被埋置的腔体376。

接下来是与参照图6-图11所描述的制造步骤类似的制造步骤。

图16a-图16f示出了图4的mems设备70的凹槽78和/或致动器90的不同的形状，不论凹槽78是根据图5-图6获得的还是通过图12-图16获得的。特别地，在图16a-图16f中，为了更加清楚地理解，已经移除了图4的钝化层103和接触电极104。

在图16a的平面俯视图中(如已述的)，压电致动器90是圆形形状的，凹槽78是环形形状的，并且隔膜腔体74是方形形状的。凹槽78和隔膜腔体74彼此同心。进一步地，凹槽78具有直径d′，直径d′小于压电致动器90的外直径(这里由dm指定)，并且近似等于隔膜腔体74的对角线。

在图16b中，压电致动器90具有全圆形形状，凹槽78也具有圆形形状，并且隔膜腔体具有正方形形状。如可以在图16b的平面俯视图中注意到的，压电致动器90具有比隔膜腔体74大的面积，并且完全围绕隔膜腔体74。该实施例可以有利地用于在使用中进行竖直移动(即，沿着第一轴z)的设备(诸如，活塞、开关、扬声器)中。

在图16c中，在平面俯视图中，压电致动器90是环形状；此外，凹槽78在这里是环形状(从环形埋置腔体76中获得)，并且隔膜腔体74是正方形形状。特别地，凹槽78具有外直径d′和内直径，外直径d′小于压电致动器90的外直径dm，并且内直径近似等于隔膜腔体74的边l。如图16a中，压电致动器90暴露下面的主体72的中心区，使得在使用中设备可以被用于诸如活塞的应用。

在图16d中，在平面俯视图中，凹槽78具有环的形状(从环形形状的埋置腔体76获得的)，隔膜腔体74具有正方形形状，并且压电致动器90是由多个致动器元件90a(在图16d中为八个)形成的，多个致动器元件90a分别具有与图4的压电致动器90的相同的层状结构。具体地，在平面俯视图中，每个致动器元件90a具有四边形形状(例如，矩形)；致动器元件90a被布置为辐射状地并且在从中心o相距统一的角距离处。例如，在考虑的实施例中，每个致动器元件90a被布置为在与相邻的致动器元件90a相距45°处。例如，该实施例可以有利地用于水平和竖直移动，例如用于补偿可能的接触问题(例如，在活塞中)或者闭合(例如，在阀门中)。

在图16e中，在平面俯视图中，凹槽78具有环的形状(从环形形状的埋置腔体76获得的)，并且压电致动器90具有全圆形形状，隔膜腔体74具有正方形形状。具体地，凹槽78具有外直径d′和内直径，外直径d′小于压电致动器90的外直径dm，内直径近似等于隔膜腔体74的边l。通过该方式，压电致动器90完全在隔膜腔体74之上延伸。图16e的实施例用于如下情况：其中在诸如阀门或活塞的应用中mems设备70被指定用于例如执行竖直移动(例如，沿第一轴z)。

在图16f中，在平面俯视图中，压电致动器90具有环的形状。隔膜腔体74是由多个腔体部78a(在图16f中为八个)形成的，多个腔体部78a被布置为在从中心o相距相同的距离处。具体地，在平面俯视图中，每个腔体部78a具有四边形形状(例如，矩形)，并且被布置为辐射状地并在与相邻的腔体部分78a相距统一的角距离处。例如，在图16f的实施例中，每个腔体部78a被布置为在与相邻的腔体部分78a相距45°处。因此，该实施例具有侧向凹槽，其可以用作例如止动器。

图17示出了使用例如图4的mems设备70的电子设备700。

除了mems设备70之外，电子设备700包括微处理器(cpu)701、存储器块702和输入/输出接口703(例如，键盘和/或显示器)，存储器块702被连接到微处理器701，输入/输出接口703也被连接到微处理器701。asic704可以被集成在mems设备70中或如图17所示被布置在mems设备70之外并且操作地耦合到mems设备70。

mems设备70经由asic704与微处理器701通信。

例如，电子设备700是移动通信设备(诸如，移动电话或智能电话)、可穿戴设备(诸如，智能手表)、pda或计算机，但是也可以是录音机、具有录音能力的音频文件播放器、电子游戏控制台等。

从前面的描述中清楚地显示了所描述的mems设备的优点。

特别地，凹槽78形成止动结构或侧向机械止动器结构，其限制可变形部分77的变形，并且因此限制在存在可能的机械冲击时可变形部分77在隔膜腔体74的方向上的偏斜。更特别地，当可变形部分77的高度变形发生时，位于凹槽78上面的半导体材料的主体72的一部分72c能够弯折。例如，在强的力被应用于在隔膜腔体74的底部表面74a处的可变形部分77的表面时，可变形部分77移动远离隔膜腔体74。类似地，凹槽78上面的半导体材料的主体72的部分72c可以与可变形部分弯折，从而吸收被应用到可变形部分77的力中的一些力。例如当mems设备70掉落，从而将可变形部分77暴露于高撞击力时，可变形部分77的高度变形可以发生。凹槽78可以是任何形状，并且可以沿着腔体的所有边或任何数量的边(包括腔体的仅一边，或者沿着腔体的相对边)延伸到主体中。最后，很明显，可以对本文中描述和说明的设备和方法进行修改和变型，而不因此偏离本公开的范围。

例如，所描述的各种实施例可以被组合以提供进一步的解决方案。特别地，压电致动器和/或隔膜腔体可以具有不同的形状，例如正多边形的形状。

进一步地，图4的mems设备70的结构层81可以是bpsg(硼磷硅酸盐玻璃)或者其它透明材料(诸如，氧化物)；此外，钝化层103可以与接触电极104同时被限定，以便暴露结构层81的中心部分。这种修改使得mems设备70能够用于例如光学应用(诸如，自动对焦)，保留了前面所列出的所有优点。

上述各种实施例可以被结合，以提供进一步的实施例。根据上述详细描述，可以对实施例进行这些或其它改变。总体上，在随附的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制到在说明书和权利要求中所公开的具体的实施例，而应该被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等同方案的全范围。相应地，权力要求不受本公开内容的限制。