專利名稱：帶有帕邢堆疊的充電防護(hù)裝置的制作方法
帶有帕邢堆疊的充電防護(hù)裝置
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置，更具體地，涉及適 用于安全地工作在高施加電壓下的MEMS4竟子。
MEMS裝置通常部分地采用公知的集成電路(IC )制造工藝形成。 一種這類裝置是適于響應(yīng)靜電驅(qū)動(dòng)而樞轉(zhuǎn)的帶有萬向架的鏡子。這種 鏡子的運(yùn)動(dòng)用于使光束改變方向。通常通過在襯底的平面表面上形成 的電極與位于該電極上方的鏡子之間的電容效應(yīng)獲得靜電驅(qū)動(dòng)。為了 獲得相對(duì)大范圍的角運(yùn)動(dòng)，鏡子以相對(duì)大的距離被懸掛在電極上方。 因此，為了產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)，相對(duì)大的電壓通常是必要的。
在實(shí)踐中，能夠施加的最大電壓受到公知的電壓擊穿效應(yīng)的限制。 例如，如果兩個(gè)扁平電極被均勻的間隙分離，則周圍氣體發(fā)生擊穿的 電壓由圖1所示的公知的帕邢曲線描述。如圖l所示，精確的曲線取 決于周圍氣體的類型，但是大體的形狀是類似的。擊穿由不受控制的 (uncontrolled)電能放電表現(xiàn)其特征，這種不受控制的電能放電能夠 對(duì)暴露于放電下的任何表面造成嚴(yán)重的物理損壞。
除了周圍氣體的擊穿，擊穿還可沿著表面發(fā)生。如果兩個(gè)導(dǎo)體由 絕緣體分離，則擊穿能夠沿著絕緣體的表面發(fā)生。與帕邢擊穿不同， 表面擊穿并非分隔間距的筒單函數(shù)，而是絕緣體的線性路徑長度的更 復(fù)雜的函數(shù)，并受到表面污染物的嚴(yán)重影響。
無論擊穿穿過氣體發(fā)生或是在表面上發(fā)生，利用靜電驅(qū)動(dòng)的 MEMS裝置的安全工作必需在低于會(huì)產(chǎn)生擊穿的電壓下進(jìn)行。這種約 束對(duì)靜電MEMS裝置(例如，上述的MEMS鏡子)的設(shè)計(jì)造成了實(shí) 際的限制。
在靜電MEMS裝置中遇到的另一個(gè)常見問題是電極與各種絕緣 表面層之間的表面電位的控制。由于沿著電極之間的電介質(zhì)表面的電 荷遷移，電介質(zhì)表面上的表面電位傾向于隨時(shí)間而漂移。這樣會(huì)引起
4有關(guān)鏡子定位的重復(fù)性方面的嚴(yán)重問題。
由于對(duì)溫度、濕度和其它環(huán)境因素敏感，這些表面的導(dǎo)電特性本 身是不穩(wěn)定的。依據(jù)不同的應(yīng)用，導(dǎo)電特性還可受到取決于時(shí)間的電
磁輻射(光)的影響，從而產(chǎn)生系統(tǒng)串?dāng)_(system crosstalk )。這些表 面的導(dǎo)電特性還受到在表面沉積和蝕刻中的雜質(zhì)、工藝步驟以及所使 用的材料的嚴(yán)重影響。所有這些因素結(jié)合起來會(huì)使得對(duì)產(chǎn)生施加在可 驅(qū)動(dòng)元件上的力和扭矩的表面電位失去控制，從而導(dǎo)致裝置不可靠和 不可控。

發(fā)明內(nèi)容
一種基于MEMS的鏡子，適于承受相對(duì)高的施加電壓，并且通過 在基于MEMS的鏡子的相鄰電極之間設(shè)置溝槽而基本上減少暴露于 不受控制的表面電位。因此，基于MEMS的鏡子避免了電壓漂移并具 有改進(jìn)的鏡子定位穩(wěn)定性。溝槽的尺寸被選擇為使得在每對(duì)相鄰的電 極之間施加的電壓處于預(yù)定的限度(例如，由帕邢曲線所確定的限度) 內(nèi)。
在一個(gè)實(shí)施方式中，電極(導(dǎo)電元件)形成于硅襯底中。絕緣層 (例如，二氧化硅)用于將電極彼此電隔離以及將電極與襯底的其余 部分電隔離。每個(gè)絕緣層在相關(guān)的溝槽上方部分地延伸。在某些實(shí)施 方式中，延伸部的高度是延伸部的寬度的2至4倍。從其相關(guān)的溝槽 的底面突出的絕緣層延伸部提供了沿著將電極彼此電隔離以及將電極 與襯底的其余部分電隔離的絕緣表面的更大路徑長度。更大的路徑長 度減少了表面擊穿效應(yīng)，從而與上述溝槽相結(jié)合以允許向電極施加相 對(duì)大的電壓。
為了減小暴露于不受控制的表面電位，絕緣層的頂面基本上相對(duì) 于電極的頂面下陷。在絕緣體上累積的所有電荷會(huì)被溝槽的導(dǎo)電側(cè)壁 所屏蔽，從而降低了裝置對(duì)絕緣體上的表面電位漂移的敏感性。
為了進(jìn)一步增加可向本發(fā)明的基于MEMS的鏡子施加的電壓范 圍，在接受該電壓的電極之間設(shè)置有多個(gè)溝槽。每個(gè)溝槽由相同的深 度和相同的寬度表現(xiàn)其特征。溝槽高度可以與溝槽寬度不同。電隔離每個(gè)電極的絕緣層從每個(gè)溝槽的底面向上延伸，并基本上從電極的頂 面下陷。電隔離每個(gè)電極的多個(gè)溝槽允許根據(jù)這種溝槽的數(shù)目將施加
的電壓級(jí)聯(lián)(cascade)至任意高的數(shù)值。


圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中已知的隨著溝槽間隙變化的擊穿電壓； 圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的基于MEMS的鏡子的橫截面
圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖2所示的基于MEMS的鏡 子的俯視圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的圖2所示的基于MEMS的鏡 子的立體圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方式的基于MEMS的鏡子的橫截 面圖6是圖4所示的基于MEMS的鏡子的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式的基于MEMS的鏡子10的橫 截面圖。如下所述，基于MEMS的鏡子10適于承受相對(duì)高的施加電 壓，并基本上減少了暴露于不受控制的表面電位，從而避免了電壓漂 移和鏡子定位的不穩(wěn)定性。
如圖2所示，電極14和16通過絕緣體20和24與襯底的其余部 分電隔離，并且通過絕緣體22彼此電隔離。在基于MEMS的鏡子IO 的示例性實(shí)施方式中，電極以及支撐鏡子34的支撐結(jié)構(gòu)30, 32由硅 形成，并因此具有匹配于電極和基底材料的熱膨脹系數(shù)。在這類實(shí)施 方式中，絕緣層20、 22和24可由二氧化硅形成。金屬墊26和28用 于向電才及14和16施加電壓。盡管未示出，^f旦是可理解類似的金屬墊 也得以形成并用于向襯底12施加電壓。
基于MEMS的鏡子10部分地由位于電極之間的溝槽以及位于電 極與襯底之間的溝槽表現(xiàn)其特征。圖2示出了位于襯底12與電極14之間的溝槽36;位于電極14與電極16之間的溝槽38;以及位于電極 16與襯底12之間的溝槽40。絕緣層20、 22和24形成為分別從溝槽 36、 38和40的底面延伸。氧化物延伸部的高度和寬度(分別表示為H 和W)被選擇為增加了沿著將電極彼此分離以及將電極與襯底的剩余 部分分離的絕緣體表面的總路徑長度。另外，下面會(huì)進(jìn)一步討論到， 每一個(gè)溝槽的寬度A以及尺寸H和W被選擇為使得能夠施加在每對(duì) 相鄰電4及之間的電壓最大。
圖1示出了對(duì)于空氣62和氮?dú)?4,隨著溝槽的寬度A變化的擊 穿電壓，通常稱為帕邢曲線。例如，當(dāng)溝槽的寬度A大致為80-90/mi 時(shí)，擊穿電壓大致為800伏。為了提供附加的工作裕度(margin),在 某些實(shí)施方式中，當(dāng)溝槽的寬度^皮選才奪為80Mm時(shí)，在每對(duì)相鄰的電 極之間施加例如為400伏的最大電壓。增加附加的裕度的另 一個(gè)原因 是圖1中的曲線假設(shè)電極的大小是無限的。真實(shí)電極的尺寸是有限的， 并且由陡沿引起的邊緣場(chǎng)與無限電極的情況相比可顯著地增加局部電 場(chǎng)。與帕邢曲線相比，這種電場(chǎng)的增加能夠降低實(shí)際的擊穿電壓值。 一種安全的經(jīng)驗(yàn)法則是在小于由帕邢曲線預(yù)測(cè)的擊穿電壓2個(gè)安全裕 度系數(shù)的電壓下工作?？梢岳斫?，可以采用不同于2的安全裕度系數(shù)。
能夠發(fā)生的另一種擊穿過程是表面擊穿。在這種情況下，擊穿沿 著絕緣體的表面發(fā)生，并且是導(dǎo)體之間的間距的、比圖1所示更復(fù)雜 的函數(shù)。通常，隨著沿著將兩個(gè)導(dǎo)體分離的絕緣體的表面的總路徑長 度增加，擊穿電壓也增加。因此，在某些實(shí)施方式中，絕緣體延伸至 溝槽的底部以上的高度H處，以增加沿著例如電極14和12之間的絕 緣體的總路徑長度。在一個(gè)實(shí)施方式中，氧化物延伸部的高度和寬度 (分別表示為H和W)被選擇為分別具有例如為20 /mi和10 /mi的數(shù) 值。襯底背部的絕緣層66防止擊穿發(fā)生在背面。
圖2示出了絕緣體20、 22和24的頂面基本上位于電極14、電極 16和坤于底12的表面下方。通過佳j立于這些表面下方的絕纟彖體凹入， 在絕緣體上隨時(shí)間累積的電荷被溝槽的導(dǎo)電側(cè)壁有效地屏蔽，從而降 低了裝置對(duì)該充電過程的敏感性(susceptibility )。通常，高寬比(B-H)/A 越大，MEMS裝置對(duì)絕緣體上的充電過程就越不敏感。在某些實(shí)施方式中，絕緣體的深度與溝槽的寬度的比，即(B-H)/A可能是2。例如， 為了在每對(duì)相鄰的電極(例如，電極14與電極16 )之間，或者襯底 與鄰近電極(例如，襯底12與電極14)之間維持400V的施加電壓， 在一個(gè)實(shí)施方式中，絕緣體的深度(B-H)被選擇為160/mi，溝槽的 寬度A被選擇為80 itrni。如果絕緣體的高度例如是20/mi，則溝槽的 深度例如是180 jurn。
圖3是基于MEMS的鏡子10的俯視圖的示例性實(shí)施方式，在圖 2中則示出了基于MEMS的鏡子10的沿著線A-A'的橫截面圖。如圖 3所示，電極14和電極16被顯示為部分地通過寬度均為A的溝槽36、 38和40彼此分離。從各個(gè)溝槽的底面突出的絕緣氧化物延伸部20、 22和24中的每一個(gè)的寬度均為W。圖2所示的橫截面圖示出了氧化 物延伸部的高度。圖4是基于MEMS的鏡子IO的立體圖。
為了進(jìn)一步增加可向本發(fā)明的基于MEMS的鏡子施加的電壓范 圍，在接收這些電壓的電極之間設(shè)置了多個(gè)溝槽。圖5是根據(jù)這些實(shí) 施方式的基于MEMS的鏡子20的橫截面圖。位于電極16與18之間 的是溝槽40，而位于電極18與襯底46之間的是溝槽44。類似地，位 于電極14與12之間的是溝槽36,而位于電極12與襯底46之間的是 溝槽46。溝槽38被設(shè)置在電極14與16之間。
圖5所示的每個(gè)溝槽由深度B和寬度A表現(xiàn)其特征。根據(jù)圖2所 示的帕邢曲線來選擇溝槽尺寸。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，為了在電 極16與襯底46之間維持800V的施加電壓，在一個(gè)實(shí)施方式中，溝 槽的深度B被選擇為180/mi,溝槽的寬度A被選擇為80/mi。在一個(gè) 實(shí)施方式中，氧化物延伸部的高度H和寬度W被選擇為分別具有例 如為20 /mi和10 /mi的數(shù)值。
圖6是基于MEMS的鏡子20的俯視圖的示例性實(shí)施方式，在圖 5中則示出了基于MEMS的鏡子20的沿著線A-A'的橫截面圖。如圖 6所示，例如，襯底46和電極16被顯示為部分地被間隙均為A的溝 槽44和40彼此分離。從各個(gè)溝槽44、 40、 38、 36和42的底面突出 的絕緣氧化物延伸部52、 24、 22、 20和50中的每一個(gè)的寬度均為W。 圖4所示的橫截面圖示出了氧化物延伸部的高度?？梢岳斫?，通過為更多的溝槽提供在這些溝槽上延伸的氧化物或其它絕緣材料，基本上 可以在電極之間施加更高的電壓。例如，通過提供三個(gè)溝槽，每個(gè)溝 槽均;故選擇為安全地支持例如400V的電壓，則能夠維持1200伏的施 力口電壓。
本發(fā)明的上述實(shí)施方式是說明性的而非限制性的。各種替代和等 效是可能的。本發(fā)明并不受位于電極之間的溝槽的高度或?qū)挾鹊南拗啤?本發(fā)明也不受從溝槽的底部突出的絕緣延伸部(例如，氧化物、氮化 物等)的高度或?qū)挾鹊南拗?。本發(fā)明不受溝槽數(shù)目的限制，也不受從 每個(gè)溝槽突出的延伸部的數(shù)目的限制。本發(fā)明不受用于形成電極的材
料的限制。本發(fā)明還可用于其它的MEMS裝置。根據(jù)本公開，其它的 增加、減少或修改是顯而易見的，并且會(huì)落在所附權(quán)利要求書的范圍 內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種靜電控制微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置，包括第一電極和第二電極，形成于襯底中；溝槽，被設(shè)置在所述第一電極與所述第二電極之間；絕緣層，形成于所述第一電極與所述第二電極之間；所述絕緣層從所述溝槽的底面突出。
2. 如權(quán)利要求1所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述溝槽 的高度大于所述溝槽的寬度。
3. 如權(quán)利要求1所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述絕緣 層從所述溝槽的底面突出的高度大于所述絕緣層的寬度。
4. 如權(quán)利要求1所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述襯底 是硅襯底。
5. 如權(quán)利要求4所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述絕緣 層是二氧化硅。
6. 如權(quán)利要求1所述的靜電控制MEMS裝置，進(jìn)一步包括 鏡子，位于所述導(dǎo)電元件的上方。
7. 如權(quán)利要求1所述的靜電控制MEMS裝置，進(jìn)一步包括 第三電極，形成于所述襯底中；第二溝槽，被設(shè)置在所述第二電極與所述第三電極之間；以及 第二絕緣層，形成于所述第二電極與所述第三電極之間；所述第 二絕緣層從所述第二溝槽的底面突出。
8. 如權(quán)利要求7所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述第一溝槽和所述第二溝槽具有相同的尺寸，所述第一溝槽和所述第二溝槽 中每一個(gè)的高度大于所述第一溝槽和所述第二溝槽中每一個(gè)的寬度。
9.如權(quán)利要求8所述的靜電控制MEMS裝置，其中，所述第一 絕緣突出部和所述第二絕緣突出部具有相同的尺寸，所述第 一突出部 和所述第二突出部中每一個(gè)的高度大于所述第一突出部和所述第二突 出部中每一個(gè)的寬度。
10. —種靜電控制微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)裝置，包括 N個(gè)電才及，形成于襯底中；M個(gè)溝槽，每個(gè)溝槽被設(shè)置在不同的一對(duì)相鄰電極之間；M個(gè)絕緣層，每個(gè)絕緣層與所述M個(gè)溝槽中不同的一個(gè)溝槽相關(guān)聯(lián)，每個(gè)絕緣層形成于不同的一對(duì)相鄰電極之間；每個(gè)絕緣層從相關(guān)聯(lián)的溝槽的底面突出；以及一個(gè)或多個(gè)鏡子，位于所述電極的下方。
全文摘要
一種基于MEMS的鏡子，在相鄰的電極之間設(shè)置有溝槽，以能夠承受相對(duì)高的施加電壓，從而基本上減少暴露于不受控制的表面電位。因而基于MEMS的鏡子避免了電壓漂移并具有改進(jìn)的鏡子定位穩(wěn)定性。溝槽的尺寸被選擇為使得在每對(duì)相鄰的電極之間的施加電壓保持在預(yù)定的限度內(nèi)。絕緣層(例如，二氧化硅)將每對(duì)相鄰的電極電隔離。每個(gè)絕緣層部分地在相關(guān)的溝槽上方延伸，并且由相同的高度和寬度尺寸表現(xiàn)其特征。
文檔編號(hào)G02B26/00GK101606096SQ200780042338
公開日2009年12月16日 申請(qǐng)日期2007年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月14日
發(fā)明者亞歷山大·P·金德沃, 安德烈斯·費(fèi)爾南德斯, 布賴恩·P·斯泰克, 溫沙·E·歐文斯 申請(qǐng)人:格雷姆格拉斯網(wǎng)絡(luò)公司