[發(fā)明專利]帶有帕邢堆疊的充電防護(hù)裝置

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200780042338.1
• 申請(qǐng)日: 2007-11-13
• 公開（公告）號(hào): CN101606096A
• 公開（公告）日: 2009-12-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 布賴恩·P·斯泰克;安德烈斯·費(fèi)爾南德斯;亞歷山大·P·金德沃;溫沙·E·歐文斯
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 格雷姆格拉斯網(wǎng)絡(luò)公司
• 主分類號(hào): G02B26/00
• 分類號(hào): G02B26/00;H01L27/00
• 代理公司: 北京英賽嘉華知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司
• 代理人: 余 朦;王艷春

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MEMS鏡子。

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1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簡(jiǎn)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 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。

附圖說明

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；

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；

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；

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；