具有微机电系统的半导体器件 【技术领域】
本发明涉及包括微型机械并构成微机电系统(MEMS)的半导体器件，所述微型机械例如是用于通讯、测量等的光交换器件。
背景技术
具有由微样板形成的微型机械的MEMS(微机电系统)是传统上已知的(例如参看非专利参考资料1、2和3)。图20显示了微机电系统的配置示例。图20中显示的微机电系统包括：电子元件902，该电子元件包括至少一个由微样板形成的微机电系统结构(微型机械)；产生控制信号以控制电子元件902的控制器件903；和将控制信号提供给电子元件902的控制信号线904。
控制器件903包括传输特定控制信号并控制微机电系统结构901操作的处理器905、存放处理器905的控制程序和控制程序所必须的数据的存储器906、自控制器件903外输入/输出信号的I/O 907、在处理器905传送的控制数据的基础上产生控制信号并提供给微机电系统结构901的驱动电路908、以及连接处理器905、存储器906、I/O 907和驱动电路908地数据总线909。
在图20中显示的诸如微机电系统光开关的微机电系统中，至少需要四个控制电极(未示出)在两个轴上枢轴转动微机电系统反射镜(微机电系统结构901)，控制信号必须从驱动电路908中通过四个控制信号线904提供给四个控制电极。当图20中显示的微机电系统是诸如其中100个微机电系统反射镜阵列安置的微机电系统反射镜开关元件时，就需要至少400个驱动电路908和400个控制信号线904。驱动电路一般包括将数字信号转换为模拟信号的数模转换器(DAC)、以预定放大因子放大DAC输出电压的放大器。由单个IC构成的驱动电路的安装需要许多印刷电路板。
上述现有技术如下：
“Optical Networking：MEMS Mirror Control”，ANALOG DEVICES，从因特网<http：//www.analog.com/productSelection/signalChains/communication/comms_17.html＞2002年9月18日搜索，
K.V.Madanagopal等，“Real Time Software Control of Spring SuspendedMicro-Electro-Mechanical(MEM)Devices For Precision Optical PositioningApplication”，2002年国际光学微机电2002会议，2002年8月，第41-42页。
Hirao等，“Circuit Design for High-speed MEMS Mirror Drive”，2002IEICE通讯协会会议，2002年9月11日，第445页。
如上所说明，在传统微机电系统中，即使在微电机械控制系统结构以很小的尺寸制造，控制器件也会变大。同样，许多连接微电机械控制系统结构和控制器件的控制信号线是必须的，减小微电机械控制系统的尺寸非常困难。
【发明内容】
因此，本发明的主要目标是提供能够以较小尺寸制造的微电机械控制系统。
为实现上述目标，根据本发明的一方面，提供具有微电机械控制系统的半导体器件，包括集成电路形成在其上的半导体衬底、和许多形成在半导体衬底上的单元，并包括在第一电子信号的基础上进行物理移动的可移动部件，每个单元至少包括控制电极用于为使可移动部件产生物理移动而提供控制信号、在第一电子信号的基础上将控制信号输出到控制电极的驱动电路、在来自传感器电极的信号的基础上产生对应于可移动部件的物理移动的第二电子信号的传感器电路、保存外部输入设置值的存储器、和处理器，所述处理器在存储器中保存的设置值基础上产生的第一电子信号、并在产生的第一和第二电子信号基础上控制从驱动电路的控制信号输出，由此控制可移动部件的操作，其中所述驱动电路、传感器电路、存储器和处理器由部分的集成电路构成。
采用此配置，可以在不使用大的控制器件的情况下控制用作微机电系统结构的可移动部件的运动，所述大的控制器件控制微机电系统结构并要求许多控制信号线。结果，本发明能够减小微机电系统的结构尺寸。
【附图说明】
图1是根据本发明第一实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的方框图；
图2显示的是图1中部分的方框图；
图3显示的是图1中部分的示意截面图；
图4A显示的是图1中处理器4示例的操作流程图；
图4B显示的是图2中处理器26示例的操作流程图；
图5显示的是图1中带有微机电系统的半导体器件配置示例的平面图；
图6是根据本发明第二实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的方框图；
图7显示的是图6中部分的示意截面图；
图8是根据本发明第三实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的方框图；
图9是根据本发明第三实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的平面图；
图10是根据本发明第四实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的方框图；
图11是根据本发明第四实施例中带有微机电系统的半导体器件配置示例的透视图；
图12是根据本发明第四实施例中带有微机电系统的半导体器件部分的示例的平面图；
图13A至图13O显示的是根据本发明第四实施例中带有微机电系统的半导体器件制造方法示例的剖视图；
图14A至图14D显示的是根据本发明第五实施例中带有微机电系统的半导体器件制造方法示例的剖视图；
图15A至图15D显示的是根据本发明第六实施例中带有微机电系统的半导体器件制造方法示例的剖视图；
图16A至图16N显示的是根据本发明第六实施例中带有微机电系统的半导体器件制造方法的另外一个示例的剖视图；
图17显示的是根据本发明第六实施例中带有微机电系统的半导体器件制造方法示例的图16N之后的步骤的截面图；
图18是根据本发明第七实施例中带有微机电系统的半导体器件部分配置的示例的平面图；
图19是根据本发明第七实施例中带有微机电系统的半导体器件部分配置的示例的截面图；
图20显示的是传统微机电系统配置示例的方框图。
【具体实施方式】
下面将对本发明的优选实施例参照附图进行详细说明。
[第一实施例]
下面对本发明第一实施例进行说明，图1是参照本发明第一实施例中带有微机电系统的半导体器件布置示例。图1中显示的器件由在半导体衬底1上形成一个包括微机电系统单元2、存储器3、处理器4和I/O 5的系统构成。微机电系统单元2将电子信号转变为微机电系统结构的物理移动，并将微机电系统结构的物理移动转换为电子信号。存储器3存储控制程序和控制整个系统必须的数据。处理器4根据存储在存储器3中的控制程序和数据控制整个系统。处理器4将控制数据传输到微机电系统单元2中，并从微机电系统单元2中接收操作数据。I/O 5与设置系统操作的外部设备(没有显示)交换数据。
微机电系统单元2、存储器3、处理器4和I/O 5通过形成在半导体衬底1上的数据总线6相互连接。数据总线6将控制程序、控制数据传输到微机电系统单元2，并传输来自微机电系统单元2中的操作数据。
图2显示的是图1中所示微机电系统单元2的配置示例。微机电系统单元2包括通过微样板形成的微机电系统结构20。微机电系统结构20是具有诸如开关和反射镜之类将在下面说明的可移动部件的结构。可移动部件由向控制电极21供给的电子信号移动。微机电系统单元2包括给微机电系统结构20提供控制信号(通常为几十伏至几百伏的电压)的控制电极21(21-1和21-2)、和对应从微机电系统单元2的处理器26传输的控制数据而产生控制信号并将控制信号输出到控制电极21的驱动电路22。微机电系统单元2也包括用于检测微机电系统结构20的物理移动的传感器电极23(23-1和23-2)和在来自传感器电极23的信号的基础上对应微机电系统结构20的物理移动而产生操作数据的传感器电路24(24-1和24-2)。微机电系统单元2进一步包括控制存储微机电系统单元2所必须的控制程序和数据的存储器25、以及根据存放在存储器25中的控制程序和数据控制整个微机电系统单元的处理器26，并在传输自处理器4的控制数据和传输自传感器电路24的微机电系统结构20的操作数据的基础上，计算将传输给驱动电路22的控制数据和准备传输给处理器4的操作数据。微机电系统单元2还进一步包括一个通过图1中所示的数据总线6与处理器4进行数据交换的I/O 27，以及连接驱动电路22、传感器电路24、存储器25、处理器26和I/O 27并传输控制程序、控制必须的数据、操作数据和控制数据的数据总线28。
图3显示的是微机电系统单元2的配置示例。图3说明的是微机电系统结构20是一个微机电系统反射镜的情况，即，微机电系统单元2是一种微机电系统反射镜单元。图3中的微机电系统结构20由半导体材料形成的反射镜衬底201、在反射镜衬底201上许多每个开孔中形成的并通过一个耦合部件可枢轴转动地耦合和电连接到反射镜衬底201的反射镜202、支撑反射镜衬底201以在控制电极21和传感器电极23上以一定间距布置反射镜202的支撑件203构成。反射镜202可枢轴转动地通过功能类似于扭簧的耦合部件(图3中的断开部分)耦合到反射镜衬底201。反射镜衬底201由支撑件203支撑以将反射镜衬底201从下面的控制电极21、传感器电极23及其类似分开并形成预定间隙。
反射镜202安置在反射镜衬底201的开孔区域中。尽管未显示，可移动机架介入反射镜202和反射镜衬底201之间。反射镜202通过反射镜耦合部分耦合到可移动机架，并由反射镜耦合部分枢轴转动支撑。反射镜耦合部分是诸如扭簧之类的弹簧部件。一对反射镜耦合部分安置在反射镜202的两边并将反射镜202的中央夹入其中。可移动机架通过机架耦合部分耦合到反射镜衬底201，并由机架耦合部分枢轴转动支撑。通过这种配置，穿过机架耦合部分对并和反射镜衬底201平行的轴作用和一个枢轴相同，可移动机架是可枢轴旋转的。反射镜202通过反射镜耦合部分耦合到可移动机架，并由反射镜耦合部分枢轴转动支撑。反射镜202可以作为枢轴在穿过机架耦合部分对并和可移动机架平行的轴上枢轴转动。反射镜202因此可以作为枢转轴在两个轴，即，穿过机架耦合部分对的轴和穿过反射镜耦合部分对的轴上转动。图3中显示的微机电系统结构20是一种光交换器件。
微机电系统结构20通过层间电绝缘薄膜31形成在半导体衬底1上。集成电路形成在层间电绝缘薄膜31下的半导体衬底1上。部分的集成电路包括驱动电路22、传感器电路24-1和24-2、存储器25、处理器26、I/O 27和数据总线28。
下面将参照图4A和4B的流程图通过例示说明根据第一实施例中具有微机电系统的半导体器件的操作，其中微机电系统单元2是一种微机电系统反射镜单元。图1中处理器4通过I/O 5从外部设备中接收将被控制的微机电系统单元2中反射镜202的角度设定值(步骤S1)，然后通过数据总线将代表所接受设定值的角度控制数据传输到将被控制的微机电系统单元2(步骤S2)。传输后，处理器4从处理器26等待响应(步骤S3)。
微机电系统单元2的处理器26从处理器4通过I/O 27和数据总线28接收角度控制数据(步骤S11)，然后根据存储器25中存储的控制程序的预定算法来计算控制数据(步骤S12)。在此计算中，处理器26计算施加到控制电极21-1和21-2的应用电压值以通过接收到的角度控制数据表示的角度枢轴转动反射镜202。然后，处理器26将具有计算电压值的电压控制数据通过数据总线28传输到驱动电路22(步骤S13)。
在处理器26的控制之下，驱动电路22产生对应电压控制数据的控制信号(控制电压)，并将其提供给控制电极21-1和21-2。反射镜202从驱动电路通过支撑件203和反射镜衬底201接收预定电压。当控制电压施加到控制电极21-1和21-2中，在反射镜202和控制电极21-1和21-2之间产生静电力。
比如，当用来以预定角顺时针转动反射镜202的角度设定值被设定时，处理器26通过驱动电路22将电压施加到控制电极21-1。结果，在反射镜202和控制电极21-1之间产生静电力。图3中所示反射镜202的右侧接受向下力，反射镜202以对应产生的静电力的角度顺时针转动。
当反射镜202顺时针转动时，反射镜202和传感器电极23-1之间的距离减小，反射镜202和传感器电极23-1间形成的静电电容增加。相反地，反射镜202和传感器电极23-1之间的距离增加，反射镜202和传感器电极23-1间形成的静电电容减小。
传感器电路24-1电连接到传感器电极23-1，并通过支撑件203和反射镜衬底201电连接到反射镜202。通过检测反射镜202和传感器电极23-1间的静电电容，反射镜202和传感器电极23-1间的距离得以检测，表示检测距离的操作数据(距离数据)通过数据总线28被传输到处理器26。
相似地，传感器电路24-2电连接到传感器电极23-2，并通过支撑件203和反射镜衬底201电连接到反射镜202。通过检测反射镜202和传感器电极23-2间的静电电容，反射镜202和传感器电极23-2间的距离得以检测，表示反射镜202和传感器电极23-2间的操作数据被传输到处理器26。
相应地，处理器26从传感器电路24-1和24-2接收操作数据(步骤S14)，并在接收到的操作数据的基础上计算反射镜202的转动角度(步骤S15)。处理器26将表示转动角度的操作数据(角度数据)通过数据总线28和I/O 27传输到处理器4，并比较由处理器4设置的角度设定值和计算转动角度(步骤S16)。由处理器26执行的比较可以在步骤S11中接收到的角度控制数据的基础上执行。
如果比较结果表明在预定误差范围之内角度设定值和反射镜202的转动角度彼此一致，处理器26维持输出电压控制数据。如果角度设定值和反射镜202的转动角度彼此不一致，处理器26计算并修正施加到控制电极21-1和21-2的应用电压以使角度设定值和反射镜202的转动角度彼此一致(步骤S17)。处理器26将具有计算电压值的电压控制数据传输到驱动电路22(步骤S13)。这样，微机电系统结构20得以控制。
如果在步骤S16中为“是”，处理器26将电压控制数据(应用电压)存储在存储器25中(步骤S18)，并通知处理器4改变结束(步骤S19)。
处理器26在步骤S20至S24维持和控制反射镜202的转动角度直到接收到角度控制数据(步骤S11)。在维持/控制中，处理器26从步骤S20存储在存储器25中读出电压控制数据，并将步骤21中读出的电压控制数据输出到驱动电路22。处理器26从步骤S22中的传感器电路接收操作数据，在步骤S23中接收的操作数据的基础上计算反射镜202的转动角度，并比较步骤S24中设定的角度设定值和计算转动角度。如果比较结果表明在预定误差范围之内角度设定值和反射镜202的转动角度彼此一致，处理器26维持输出电压控制数据。如果角度设定值和反射镜202的转动角度彼此不一致，处理器26前进到步骤S25以修正电压控制数据(应用电压)。
图5显示的是图1中具有微机电系统的半导体器件的配置示例。图5说明了其中微机电系统单元2是一种微机电系统反射镜单元的情况。在此情况下，图3中所示的微机电系统单元2以矩阵排列。微机电系统单元2、存储器3、处理器4和I/O 5放置在单块半导体衬底1上，并通过数据总线6连接。
如上所说明，根据第一实施例，微机电系统结构20在来自传感器电路24的操作数据的基础上进行控制，实现更高精度的控制。控制部分可以通过使用微机电系统单元2减小尺寸，所述微机电系统单元2的微机电系统结构20和控制部分(控制电极21、驱动电路22、传感器电极23、传感器电路24、存储器25、处理器26、I/O 27和数据总线28)集成制造在单块半导体衬底1上。图20中所示传统设备需要许多电子元件和控制器件间的控制信号线。在第一实施例中，微机电系统结构20和控制部件形成在单块片(半导体器件)上，这样用于连接半导体片和外部设备的信号线的数目和传统设备相比大大减小。结果，第一实施例可以大大减小微机电系统的尺寸。总体而言，由传感器电极检测的电容非常小，由于信号线的寄生电容的影响，在传感器电路没有集成时很难精确测量电容。相反地，第一实施例通过集成传感器电路而抑制寄生电容影响的同时实现精确测量，并实现诸如反射镜之类的小的移动部分的高精度移动控制。
第一实施例例示了一种具有反射镜作为小的移动部分的光交换器件，但是本发明的应用不限于此。比如，根据本发明中的具有微机电系统的半导体器件也能够应用到通过将反射镜部分替换为小天线而构成的可变指向性阵列天线中。
[第二实施例]
下面说明本发明的第二实施例。同样在第二实施例中，整个具有微机电系统的半导体器件的布置和第一实施例中的相同。图1中相同的引用数字表示相同的部件。图6显示的是根据本发明第二实施例的具有微机电系统的半导体器件的布置。此微机电系统单元和图2中不同在于微机电系统单元不包括任何处理器和存储器。
根据第二实施例中的微机电系统单元20a由下述部件构成：
1.由微样板形成的微机电系统结构20；
2.给微机电系统结构20提供控制信号(通常为几十伏电压至几百伏电压)的控制电极21(21-1和21-2)；
3.对应从微机电系统单元2a外部传输的控制数据而产生控制信号并将控制信号输出到控制电极21的驱动电路22；
4.用于检测微机电系统结构20物理移动的传感器电极23(23-1和23-2)；
5.在传感器电极23信号的基础上对应微机电系统结构20的物理移动而产生操作数据，并将操作数据传输到微机电系统单元2a外部的传感器电路24(24-1和24-2)；
6.通过数据总线6和处理器4交换数据的I/O 27；
7.连接驱动电路22、传感器电路24和I/O27并传输操作数据和控制数据的数据总线28
图7显示了微机电系统单元2a的配置示例。图7说明了其中微机电系统结构20是一种微机电系统反射镜，即，微机电系统单元2a是一种微机电系统反射镜单元的情况。图7中所示的微机电系统单元2a的配置和图3中所示相同，除了此单元中不包括任何处理器和存储器。
根据本发明中具有微机电系统的半导体器件的操作示例通过例示一种其中微机电系统单元2a是微机电系统反射镜单元的情况来进行说明。处理器4从外部设备通过I/O 5接收将被控制的微机电系统单元2a的反射镜202的角度设定值，并根据存储器3中存储的控制程序的预定算法来计算控制数据。即，处理器4计算施加到微机电系统单元2a的控制电极21-1和21-2的应用电压值以通过由接收到的角度控制数据表示的角度枢轴转动反射镜202。然后，处理器4将具有计算电压值的电压控制数据通过数据总线6传输到将被控制的微机电系统单元2a。
将被控制的微机电系统单元2a的驱动电路22通过I/O 27和数据总线28接收电压控制数据，产生对应电压控制数据的控制信号(控制电压)，并将其提供给控制电极21-1和21-2。如在第一实施例中的说明，当控制电压施加到控制电极21-1和21-2中，在反射镜202和控制电极21-1和21-2之间产生静电力。反射镜202以对应所产生的静电力的角度枢轴转动。传感器电路24-1和24-2的操作和第一实施例中的相同。
处理器4在从微机电系统单元2a的传感器电路24-1和24-2中接收的操作数据的基础上计算反射镜202的转动角度，并比较由外部设备设置的角度设定值和计算的转动角度。如果比较结果表明在预定误差范围之内角度设定值和反射镜202的转动角度彼此一致，处理器4维持输出电压控制数据。如果角度设定值和反射镜202的转动角度彼此不一致，处理器4计算施加到控制电极21-1和21-2的应用电压数值以使角度设定值和反射镜202的转动角度彼此一致。处理器4将具有计算电压值的电压控制数据传输到微机电系统单元2a。使用这种方式，微机电系统结构20得以控制。第二实施例同样可以通过使用图7中所示的微机电系统单元2a构成图5中所示的具有微机电系统的半导体器件。
如上所说明，第二实施例能够实现更高精度的控制的原因是微机电系统结构20是在来自传感器电路24的操作数据的基础上进行控制的。控制部分可以通过使用微机电系统单元2a减小尺寸，所述微机电系统单元2a的微机电系统结构20和控制部分(控制电极21、驱动电路22、传感器电极23、传感器电路24、I/O 27和数据总线28)集成制造在单块半导体衬底1上。而且，用于从外部连接到微机电系统的信号线数目和传统设备相比大大减小。大大减小微机电系统的尺寸。总体而言，由传感器电极检测的电容非常小，由于信号线的寄生电容的影响，在传感器电路没有集成时很难精确测量电容。但是，第二实施例通过集成传感器电路而信号线的抑制寄生电容影响的同时实现精确测量，并实现诸反射镜的高精度控制。
[第三实施例]
下面说明本发明的第三实施例。图8显示的是根据本发明第三实施例的具有微机电系统的半导体器件的配置。第三实施例包括：具有微机电系统的半导体器件7；存储控制程序和控制系统必须数据的存储器3；处理器4，该处理器根据存储器3中存放的控制程序和数据控制整个系统，将控制数据传输到具有微机电系统的半导体器件7，并接收来自具有微机电系统的半导体器件的操作数据；与外部设备(未示出)交换数据以设置系统操作的I/O 5；和数据总线6，其连接具有微机电系统的半导体器件7、存储器3、处理器4和I/O 5并将控制程序、控制数据、控制数据传输到具有微机电系统的半导体器件7和来自具有微机电系统的半导体器件7的操作数据。
具有微机电系统的半导体器件7通过在单块衬底上形成至少一个微机电系统单元2以及I/O 8，此微机电系统单元可以将电子信号转换为微机电系统结构的物理移动并将微机电系统结构的物理移动转换为电子信号，I/O 8用于将来自处理器4的控制数据传输到微机电系统单元2中并将来自微机电系统单元2的操作数据传输到处理器4。
存储器3、处理器4和I/O 5形成在区别于具有微机电系统的半导体器件7的半导体片上，并和具有微机电系统的半导体器件7一起安装在印刷电路板上。此时，存储器3、处理器4、和I/O 5可以形成在单块半导体片或者不同的半导体片上。微机电系统单元2可以直接连接到数据总线6而不用在具有微机电系统的半导体器件7上安装I/O 8。
图8中使用微机电系统单元2，但是第三实施例可以以图2中所示的微机电系统单元2或者以图6中所示的微机电系统单元2a实现。当微机电系统结构20是微机电系统反射镜时，第三实施例可以由图3或者图7中所示的微机电系统反射镜单元实现。此系统的操作和第一实施例中使用的微机电系统单元2相同，也和第二实施例中使用的微机电系统单元2a相同。
图9显示了图8中系统的配置示例。图9说明了其中微机电系统单元2(或者2a)是一种微机电系统反射镜单元的情况。在此情况下，具有微机电系统的半导体器件7通过如图3(或者图7)中所示在单个衬底上矩阵布置许多微机电系统反射镜单元2(或者2a)，形成在区别于具有微机电系统的半导体器件7的片上的存储器3、处理器4、和I/O 5，举例来讲，安装在印刷电路板上。具有微机电系统的半导体器件7、存储器3、处理器4、和I/O 5通过数据总线6连接在印刷电路板上。
如上所说明，根据第三实施例，微机电系统结构20在来自传感器电路24的操作数据的基础上进行控制，实现更高精度的控制。存储器3、处理器4、和I/O 5形成在区别于具有微机电系统的半导体器件7的片上，这样可以减小具有微机电系统的半导体器件7的尺寸。
通过使用由集成微机电系统结构和控制部分构成的微机电系统单元，第一至第三实施例能够提供非常紧凑的半导体器件。进一步，得以实现更高精度的控制的原因是微机电系统结构是在对应微机电系统结构的物理移动的第二电子信号的基础上进行控制的。
[第四实施例]
下面说明本发明的第四实施例。图10显示的是作为一种具有多个微机电系统单元的半导体器件布置示例的光交换器件。图11显示的是图10中光学开关设备的示意配置。图10主要说明了由作为光交换器件的组成部件的一个反射镜形成的部分(反射镜部件)。反射镜部件对应一个微机电系统单元。例如，至少一个驱动电路150和传感器电路152形成在诸如硅的半导体衬底101上。层间绝缘层102和105以及互连层104形成在半导体衬底101上。
集成电路形成在半导体衬底101的层间绝缘层之下，部分的所述集成电路形成驱动电路150和传感器电路152。除了驱动电路150和传感器电路152，存储器、处理器、I/O(都未示出)被作为部分的集成电路而布置，这和图1、2以及3中所示的带有微机电系统的半导体器件和微机电系统单元相似。
连接电极103、互连层104、层间绝缘层105、支撑件120、反射镜衬底130、反射镜131、控制电极140和传感器电极151被安置在层间绝缘层102上，该层间绝缘层具有下部集成电路。
支撑件120通过层间绝缘层105可选地形成于半导体衬底101上。支撑部分120是可导电的，并通过形成在层间绝缘层105上的通孔电连接到互连层104。支撑件120通过形成在层间绝缘层102上的连接电极103接收预定电势(例如地电势)。
反射镜衬底130通过支撑件120支撑以从层间绝缘层105的上表面分离。反射镜衬底130是可传导的，电连接到支撑件120，并在反射镜131放置的地方具有开孔区域。如图11中的透视图所示，反射镜131放置在反射镜衬底130的许多开孔区域中，每个反射镜131形成一个反射镜部件(微机电系统单元)。
图12显示的是反射镜衬底130。图12说明的是以一个反射镜131为中心的区域。可移动机架133和反射镜131放置在反射镜衬底130的开孔区域。可移动机架133通过一对机架耦合部分132与反射镜衬底130可枢轴转动地耦合。反射镜131通过一对反射镜耦合部分134可枢轴转动地耦合到可移动机架133。每个耦合部分由诸如扭簧的弹簧部件组成。
可移动机架133可以作为枢轴在通过机架耦合部分对132的轴(图12中上至下方向)转动并和反射镜衬底130平行。反射镜131能够绕作为转动轴的穿过反射镜耦合部分134并和可移动机架133平行的轴(图12中自右向左的方向)转动。结果，反射镜131能够以两个轴，即穿过机架耦合部分对132的轴和穿过反射镜耦合部分对134的轴作为转动轴枢轴转动。
反射镜131是可导电的，并通过可导电耦合部分(机架耦合部分132、反射镜耦合部分134、和可移动机架133)电连接到反射镜衬底130。反射镜131通过互连层104、支撑件120、反射镜衬底130和耦合部分接收预定电势(即地电势)。
图10和11中显示的光学开关设备包括许多以矩阵布置(集成)的反射镜部件。每个反射镜部件的控制电极140连接到驱动电路150，传感器电极151连接到传感器电路152。传感器电路152和驱动电路150通过总线连接到诸如处理器之类的集成电路(未示出)上并通过I/O以及配线222连接到垫片终端221。垫片终端221连接到外部系统以实现作为微机电系统的光交换器件的功能。
传感器电极151安置在反射镜131之下以检测转动的反射镜131的姿态。传感器电极151可选地通过层间绝缘层105形成在半导体衬底101上，并离开反射镜131预定距离安置在反射镜131下面(除了一个直接位于反射镜枢轴之下的部分)。至少一个传感器电极151安置在每个反射镜131转轴的一侧或者双侧。传感器电极151通过形成在层间绝缘层105上的通孔连接到形成在半导体衬底101上的传感器电路152、形成在层间绝缘层102中的连接电极103以及互连层104。
传感器电路是元件和互连形成在半导体衬底101上的集成电路。传感器电路152检测反射镜131的姿态，即通过检测对应反射镜131的静电电容和依赖反射镜131的转动角度而变化的传感器电极151来检测转动角度。通过传感器电路152检测并由反射镜131转动角度表示的信号反馈到驱动电路150。
控制电极140安置在反射镜131之下以控制反射镜131的姿态。控制电极140通过层间绝缘层105可选地形成在半导体衬底101上，并离开反射镜131预定距离安置在反射镜131下面(除了一个直接位于反射镜枢轴之下的部分)。至少一个控制电极140安置在每个反射镜131转轴的一侧或者双侧。控制电极140通过形成在层间绝缘层105上的通孔连接到形成在半导体衬底101上的传感器电路152，形成在层间绝缘层102中的连接电极103以及互连层104。
驱动电路150是部件和互连形成在半导体衬底101上的的集成电路。驱动电路150从传感器电路152反馈回的信号来识别反射镜131的转动角度，并对控制电极140施加电压用于控制反射镜130的枢轴转动状态(转动量)，以调整由传感器电路152检测的反射镜131的转动角度至一个合理值(比如，由外部系统设置的值)。
当驱动电路150对控制电极140施加电压以产生控制电极140和反射镜131之间的电势差。电荷被吸引到反射镜131面向控制电极140的部分。反射镜131通过作用在电荷上的静电力(库仑力)而枢轴转动。反射镜131在静电力围绕转轴的扭矩与扭簧(耦合部分)产生的反向扭矩相互平衡的位置上。
驱动电路150和传感器电路152可能作为一个反射镜部件安置。可选地，一个驱动电路150和一个传感器电路152能够同时理想地控制许多反射镜组件。它们的控制操作和图1、2和3中具有微机电系统的半导体器件的每个微机电系统的操作控制相同。
如上所说明，图10和11中所示的根据本发明中第四实施例的光学开关设备的尺寸能够得以减小并显示很高的性能，这是由于光学开关设备形成在一个与包括驱动电路和传感器电路的集成电路集成制造的衬底上。
根据本发明第四实施例的光学开关设备的制造将在下面说明。如图13A中所示，构成上所述的驱动电路150和传感器电路152的有源电路(未示出)形成在诸如硅的半导体所制的半导体衬底101上，随后形成硅氧化物层间绝缘层102。连接端口形成在层间绝缘层102中，互连层104形成并通过连接端口和连接电极103连接到下部互连上。
此结构通过已知照相平版印刷术和蚀刻形成。比如，有源电路可以由CMOS LSI工艺形成。连接电极103和互连层104可以通过形成并处理Au/Ti金属薄膜而形成。金属薄膜由大约0.1μm厚的Ti下部层和大约0.3μm厚的Au上部层形成。
金属薄膜如下形成。Au和Ti通过喷溅或者汽相沉淀形成在硅氧化物薄膜上。Au/Ti薄膜通过照相平版印刷术形成预定图案。此时，电极连接、将在下面说明的用于粘附反射镜衬底的连接部分、用于形成电线结合垫片的抗蚀图案同时形成。Au/Ti薄膜可选地用抗蚀图案作为掩模使用湿蚀刻移除，然后移除抗蚀图案以形成互连层104。互连层104具有电极互连、将在下面说明地用于连接反射镜衬底的连接部分、以及电线结合垫片(未示出)。
在这些层形成以后，形成层间绝缘层105以覆盖互连层104。层间绝缘层105可从聚酰亚胺薄膜形成，此聚酰亚胺是通过施加作为光敏有机树脂的聚苯并噁唑到几个μm厚度的薄膜制备的。层间绝缘层105可以由另外一种绝缘材料制成。
如图13B中所示，开孔105a形成在层间绝缘层105中以暴露互连层104的预定部分。当层间绝缘层105由光敏有机树脂形成时，如上所述，通过曝光和显影形成图案以打开开孔105a的区域。在图案形成后，薄膜退火并硫化以形成带有开孔105a的层间绝缘层105。
如图13C中所示，晶体层106形成以覆盖带有开孔105a的层间绝缘层105。晶体层105是诸如Ti/Cu/Ti的金属薄膜，Ti和Cu薄膜厚度大约为0.1μm。
如图13D中所示，在平部分形成薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案301。牺牲图案301可以通过使用照相平版印刷术处理诸如作为光敏有机树脂的聚苯并噁唑的薄膜形成。
例如，通过施加聚苯并噁唑而形成的聚酰亚胺薄膜通过使用光掩模的接触对准器和使用标线的分节器来进行曝光和显影，以通过照相平版印刷术打开控制电极图案、传感器电极图案、用于连接反射镜衬底的连接部分和电线结合垫片将被形成在其上的部分。光敏部分溶解在显影液中，由此形成具有所需开孔区域的牺牲图案301。
如图13E所示，第一、第二和第三Cu金属图案121、141和151a通过电镀形成并具有和暴露在第一区域(支撑件120的形成区域)、第二区域(控制电极140的形成区域)和第三区域(传感器电极151的形成区域)中的开孔部分的晶体层106的牺牲图案301相同的厚度。此时，金属图案121、141和151a以及牺牲图案的表面被制平以使彼此齐平。
如图13F中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案302通过和上述说明相同的工艺形成。第一和第二Cu金属图案122和142通过电镀形成并具有和暴露在牺牲图案302的开孔中的第一以及第二金属图案121和141上的牺牲图案302相同的厚度。在此情况下，没有开孔形成在第三金属图案151a之上的牺牲样板302中，第三金属图案151a由牺牲图案302覆盖。这只是一个例子，开孔可以形成在牺牲图案302中以进一步形成金属图案。
如图13G中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案401通过和上述说明相同的工艺形成。第一和第二Cu金属图案123和143通过电镀形成并具有和暴露在牺牲图案401的开孔中的第一以及第二金属图案122和142上的牺牲图案401相同的厚度。
如图13H所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案402通过和上述说明相同的工艺形成。第一和第二Cu金属图案124和144通过电镀形成并具有和暴露在牺牲图案402的开孔中的第一以及第二金属图案123和143上的牺牲图案402相同的厚度。
如图13I所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案403通过和上述说明相同的工艺形成。第四Cu金属图案125通过电镀形成并具有和暴露在牺牲图案第四区域(第一区域中的区域)的开孔中的第一金属图案124上的牺牲图案403相同的厚度。没有开孔形成在第二金属图案144之上的牺牲图案403中，第二金属图案144由牺牲图案403覆盖。
如图13J所示，晶体层404从包括第四金属图案125表面的牺牲图案403的表面上的Ti/Au金属薄膜形成。晶体层404由诸如厚度为0.1μm的Ti层以及形成在Ti层之上厚度为0.1μm的Au层构成。在晶体层404形成后，形成部分在第四金属图案125之上打开的抗蚀图案(牺牲图案)405。
如图13K所示，厚度大约为1μm的Au金属薄膜(第四金属图案)406通过电镀形成在暴露在抗蚀图案405的开孔中的晶体层404上。如图13L所示，抗蚀图案被移除，容纳后晶体层404通过以金属薄膜406作为掩模的进行湿蚀刻而蚀刻掉，由此形成金属图案126，如图13M所示。
牺牲图案301、302、401、402和403通过使用诸如臭氧灰化机进行灰化移除。结果，如图13N所示，金属图案121、122、123、124、125和126的结构、金属图案141、142、143和144的结构以及第三金属图案151a的结构被形成并在它们之间形成空间。
此后，晶体层106可选地以金属图案121、141和151a作为掩模通过湿蚀刻而蚀刻去除，这样形成支撑件120、控制电极140和传感器电极151，如图13O所示。通过耦合部分(机架耦合部分132、反射镜耦合部分134和可移动机架133)可转动将反射镜131安置其上的反射镜衬底130连接并固定到支撑件120，由此形成图10中所示的光交换器件。反射镜衬底130可以通过使用焊接或者各向异性可传导胶粘剂粘附到连接并固定到支撑部分120。
如上所述，根据第四实施例，作为有源电路用以驱动反射镜、检测并控制反射镜转角的驱动电路150和传感器电路152形成在半导体衬底101上。支撑件120、控制电极140和传感器电极151然后形成，如上所述。反射镜衬底130连接到支撑件120以制造光交换器件。第四实施例可以减小光交换器件的尺寸，并获得高性能光交换器件。根据第四实施例，传感器电路152在来自传感器电极151的信号的基础上检测反射镜131的转角，驱动电路150在所检测的转角的基础上控制反射镜131的转动操作。因此，反射镜131可以高精度进行控制。
[第五实施例]
下面说明本发明第五实施例。在第五实施例中，直到参照图13A至图13I的这些步骤都和第四实施例中的相同，此处的说明加以省略。在第五实施例中，牺牲图案403以和第四实施例相似的方式形成，第四金属图案125的形成厚度和牺牲图案403的厚度相同。如图14A中所示，晶体层404从包括第四金属图案125表面的牺牲图案403的表面上的Ti/Au金属薄膜形成。晶体层404由诸如厚度为0.1μm的Ti层以及形成在Ti层之上厚度为0.1μm的Au层构成。
在晶体层404形成后，形成抗蚀图案601。如图14B所示，一个1μm后的Au金属薄膜602通过电镀形成在除了抗蚀图案601的形成区域外的暴露晶体层404上。在抗蚀图案601移除后，晶体层404可选地使用金属薄膜602作为掩模移除以形成通孔，由此形成反射镜衬底130和反射镜131，如图14C所示。
反射镜131通过如同扭簧那样作用的耦合部分(机架耦合部分132、反射镜耦合部分134和可移动机架133)固定在反射镜衬底130上。耦合部分从金属薄膜602的部分和介于反射镜衬底130和反射镜131之间没有覆盖抗蚀图案601的晶体层404形成。
在以这样方式形成反射镜衬底130和反射镜131后，牺牲图案301、302、401、402和403使用诸如臭氧灰化机通过反射镜衬底130和反射镜131之间的开孔(通孔)而被灰化。晶体层106可选地使用金属图案121、141和151作为掩模移除，这样形成支撑件120、控制电极140和位于反射镜衬底130和反射镜131之下的传感器电极151，如图14D所示。反射镜131以一定间距安置在控制电极140和传感器电极151之上。
如上所述，同样在第五实施例中，作为有源电路用以驱动反射镜、检测并控制反射镜转角的驱动电路150和传感器电路152形成在半导体衬底101上。支撑件120、控制电极140和传感器电极151然后形成，如上所述。反射镜衬底130连接到支撑件120以制造光交换器件。第五实施例可以减小光交换器件的尺寸，并获得高性能光交换器件。和第四实施例相似，传感器电路152在来自传感器电极151的信号的基础上检测反射镜131的转角，驱动电路150在所检测的转角的基础上控制反射镜131的转动操作。因此，反射镜131可以高精度进行控制。
在第五实施例中，反射镜衬底130没有使用粘结形成，粘结步骤可以省略，这就具有制造上的优势。本领域普通技术人员可以轻易地知道反射镜131可以通过叠加许多能够电镀具有不同应力特性的金属层来进行制造，以控制应力防止金属反射镜的应力翘曲。
[第六实施例]
下面说明本发明第六实施例。在第六实施例中，直到参照图13A至图13I的这些步骤都和第四实施例中的相同，此处的说明加以省略。在第六实施例中，牺牲图案403以和第四实施例相似的方式形成，第四金属图案125的形成厚度和牺牲图案403的厚度相同。如图15A中所示，多晶硅薄薄膜701以厚度为1μm形成在牺牲图案403的表面，此表面包括在相对低温下使用能够沉积薄薄膜的ECR CVD的第四金属图案的表面。
在薄薄膜701形成后，形成抗蚀图案702，如图15B所示。薄薄膜701可选地从抗蚀图案702的开孔中蚀刻去除以形成通孔。抗蚀图案702被移除以形成反射镜衬底730和反射镜731，如图15C所示。
在反射镜衬底730和反射镜731形成后，牺牲图案301、302、401、402和403使用诸如臭氧灰化机通过反射镜衬底730和反射镜731之间的开孔(通孔)而被灰化。晶体层106可选地使用金属图案121、141和151a作为掩模移除，这样形成支撑件120、控制电极140和位于反射镜衬底730和反射镜731之下的传感器电极151，如图15D所示。反射镜731以一定间距安置在控制电极140和传感器电极151之上。
反射镜731通过如同扭簧那样作用的耦合部分(机架耦合部分132、反射镜耦合部分134和可移动机架133)固定在反射镜衬底730上。耦合部分由位于抗蚀图案702的开孔下反射镜衬底730和反射镜731之间的薄薄膜701的部分形成。
如上所说明，同样在第六实施例中，作为有源电路用以驱动反射镜、检测并控制反射镜转角的驱动电路150和传感器电路152形成在半导体衬底101上。支撑件120、控制电极140和传感器电极151然后形成，如上所述。反射镜衬底730连接到支撑件120以制造光交换器件。第六实施例可以减小光交换器件的尺寸，并获得高性能光交换器件。和第四实施例相似，传感器电路152在来自传感器电极151的信号的基础上检测反射镜731的转角，驱动电路150在所检测的转角的基础上控制反射镜731的转动操作。因此，反射镜731可以高精度进行控制。在第六实施例中，反射镜衬底730没有使用粘结形成，粘结步骤可以省略，这就具有制造上的优势。
第四至第六实施例中支撑件120、控制电极140和传感器电极151使用铜电镀形成，但是可以通过能够电镀的金属诸如金来电镀形成。在此情况下，晶体层由Ti/Au制造。
如上所说明，根据第四至第六实施例，驱动电路形成在半导体衬底上，包括其操作由驱动电路控制的的反射镜部件形成在驱动电路之上。这些实施例能够比现有技术更容易制造更精密的光交换器件，同时抑制集成度和产量的减小。传感电极形成在反射镜之下，传感器电路形成在半导体衬底之上。传感器电路在来自传感器电极的信号的基础上检测反射镜的转角，驱动电路在所检测的转角的基础上控制反射镜的枢轴转动操作。因此，反射镜可以高精度地进行控制。
如果传导反射镜131和控制电极140在接触时可导电，接触部分反应并结合，反射镜131和控制电极140由于反射镜131的弹力可能不能回复到原始状态。这种现象被称作粘结或者固定，并可能在驱动反射镜过程中产生问题。这种现象估计会在一种电阻焊接中发生，因为反射镜和控制电极间的接触在施加高电压时和所谓的点焊相同。
为了避免这种粘结现象，至少一个接触表面需要被制造为非导电。为此目的，比如作为绝缘体的有机薄薄膜可以作为保护性薄膜形成在控制电极上。
例如，在具有反射镜131的反射镜衬底130被安置在支撑件120上时，有机材料施加在控制电极140和支撑部分120形成在其上的层间绝缘层105上，由此形成覆盖控制电极140的绝缘体保护性薄膜。但是，有机薄膜同样通过涂层形成在支撑件120上。光敏有机薄膜必须通过已知照相平版印刷术形成并制作图案以移除不必要的部分。
对于图10中所示的复杂三位结构，照相平版印刷术使用超深曝光形成图案。覆盖控制电极140的有机薄膜的形成需要许多光掩模。由于一个较大的台阶的存在，有机薄膜不能在有机薄膜将被形成的区域中，比如控制电极之上形成，这是由于在通过施加有机材料形成薄膜过程中涂层薄膜较小的台阶覆盖造成的。
在此情况下，即使在一个复杂的三维结构中，粘结也能通过在诸如控制电极140上使用下述方法部分形成有机薄膜而得以阻止。
如图16A所示，构成上述驱动电路及其类似的有源电路(未示出)形成在诸如硅的半导体所制的半导体衬底101上，然后形成硅氧化物层间绝缘层102。连接端口形成在层间绝缘层102中，互连层104形成并通过连接端口和连接电极103连接到下部互连上。
此结构通过已知照相平版印刷术和蚀刻形成。比如，有源电路可以由CMOS LSI工艺形成。连接电极103和互连层104可以通过形成并处理Au/Ti金属薄膜而形成。金属薄膜由大约0.1μm厚的Ti下部层和大约0.3μm厚的Au上部层形成。
金属薄膜如下形成。Au和Ti通过喷溅或者汽相沉淀形成在硅氧化物薄膜上。Au/Ti薄膜通过照相平版印刷术形成预定图案。此时，电极连接、将在下面说明的用于粘附反射镜衬底的连接部分、用于形成电线结合垫片的抗蚀图案同时形成。Au/Ti薄膜可选地用抗蚀图案作为掩模使用湿蚀刻移除，然后移除抗蚀图案以形成互连层104。互连层104具有电极互连、将在下面说明地用于连接反射镜衬底的连接部分、以及电线结合垫片(未示出)。
在这些层形成以后，形成层间绝缘层105以覆盖互连层104。层间绝缘层105可从聚酰亚胺薄膜形成，此聚酰亚胺是通过施加作为光敏有机树脂的聚苯并噁唑到几个μm厚度的薄膜制备的。层间绝缘层105可以由另外一种绝缘材料制成。
如图16B中所示，开孔105a形成在层间绝缘层105中以暴露互连层104的预定部分。当层间绝缘层105由光敏有机树脂形成时，如上所述，通过曝光和显影形成图案以打开开孔105a的区域。在图案形成后，薄膜退火并硫化以形成带有开孔105a的层间绝缘层105。
如图16C中所示，比如，厚度大约为0.1μm的Ti下部晶体层106a形成以覆盖包括开孔105a内部的层间绝缘层105。而且，例如，厚度大约为0.3μm的Au上部晶体层106b形成在下部晶体层106a上。
如图16D中所示，在平部分形成薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案211。牺牲图案211具有用作下面将要说明的控制电极140而形成的金属图案141用开孔以及下面将要说明的用作传感器电极151的金属图案151a。
牺牲图案211可以通过使用照相平版印刷术处理诸如作为光敏有机树脂的聚苯并噁唑的薄膜形成。例如，通过施加聚苯并噁唑而形成的聚酰亚胺薄膜通过使用光掩模的接触对准器和使用标线的分节器来进行曝光和显影，以通过照相平版印刷术打开控制电极图案、传感器电极图案、用于连接反射镜衬底的连接部分和电线结合垫片将被形成在其上的部分。光敏部分溶解在显影液中，由此形成具有所需开孔区域的牺牲图案211。
如图16E中所示，Au金属图案121、141和151a通过电镀形成并具有和暴露在牺牲图案211的开孔部分中的上晶体层106b上牺牲图案211相同的厚度。此时，金属图案121、141和151a和牺牲图案的表面被制平以使彼此齐平。形成Au金属图案121和141的部分集成在位于下面的上部晶体层106b上。
如图16F中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案212通过和上述说明相同的工艺形成。Au金属图案122和142通过电镀形成并和暴露在牺牲图案212的开孔部分中的金属图案121和141上的牺牲图案212具有相同的厚度。此时，金属图案151a被牺牲图案212所覆盖。
如图16G中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案213通过和上述说明相同的工艺形成。Au金属图案123和143通过电镀形成并和暴露在牺牲图案213的开孔部分中的金属图案122和142上的牺牲图案212具有相同的厚度。
如图16H中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案402通过和上述说明相同的工艺形成。Au金属图案124和144通过电镀形成并和暴露在牺牲图案214的开孔部分中的金属图案123和143上的牺牲图案214具有相同的厚度。
如图16I中所示，平部分的薄膜厚度大约为17μm的牺牲图案215通过和上述说明相同的工艺形成。Au金属图案125通过电镀形成并和暴露在牺牲图案215的开孔部分中的金属图案124上的牺牲图案215具有相同的厚度。没有开孔形成在金属图案144之上的牺牲图案215中，金属图案144由牺牲图案215覆盖。
牺牲图案211、212、213、214和215通过使用诸如臭氧灰化机进行灰化移除。结果，如图16J所示，在它们之间形成金属图案121、122、123、124和125的结构、金属图案141、142、143和144的结构以及金属图案151a的结构并带有空间。
此后，Au上晶体层106b可选地以金属图案121、141和151a作为掩模通过碘-铵碘化物溶液进行湿蚀刻而蚀刻去除，并暴露如图16K中所示的第一金属图案121、141和151a之间下部晶体层106a。金属图案121、122、123、124和125构成支撑件120，金属图案141、142、143和144构成控制电极140，以及第三金属图案151a构成传感器电极151。
下部晶体层106a可选地通过氢氟酸溶液使用支撑件120、控制电极140和第三金属图案151a作为掩模进行湿蚀刻移除。结果，如图16L中所示，层间绝缘层105的上表面除了支撑件120、控制电极140和传感器电极151外都被暴露。使用这种结构，支撑件120、控制电极140和传感器电极151在层间绝缘层105上相互绝缘。
如图16M中所示，光敏树脂图案411通过诸如丝网印刷的丝网印刷术形成以覆盖控制电极140。光敏树脂图案411由诸如光敏聚苯并噁唑制造。
使用这种印刷方法来形成光敏树脂图案411将在下面简要说明。准备网板，其外表面覆盖有板薄膜，板薄膜具有对应控制电极140放置其上区域的开孔图案。网板附着在预定机架上。
对半导体衬底101和网板间的相对位置关系进行调整，这样板薄膜的开孔图案被放置在控制电极140之上，板薄膜的形成表面(外表面)面向控制电极140。在相对位置关系调整后，上述光敏聚苯并噁唑施加在网板的表面(内表面)上，其上没有形成任何板薄膜。网板和半导体衬底101以预定间距被移动相互靠近，然后固定。网板的内表面具有橡皮滚子从而可以压力滑动。
相应地，部分聚苯并噁唑穿过暴露在板薄膜的开孔中网板的网孔。覆盖半导体衬底101的控制电极140的光敏树脂图案411可以由穿过的聚苯并噁唑形成。光敏树脂图案411的薄膜厚度通过聚苯并噁唑的粘度、橡皮滚子施加的压力及其类似来进行控制。光敏树脂图案411的薄膜厚度被调整至例如大约1μm。
通过使用这样印刷方法形成的光敏树脂图案411，在没有诸如支撑件120的周边结构的影响下能够形成具有所需薄膜厚度的树脂图案。
如果板薄膜能够充分的承受住橡皮滚子的压力滑动，由光敏聚苯并噁唑制造的光敏树脂图案411能够只用板薄膜而不用任何网板网孔模版(印刷)。
包括控制电极140顶部的光敏树脂图案411的所需区域被暴露并被显影，从而形成覆盖包括控制电极140顶部的预定区域的保护薄膜412，如图16N所示。例如，如果光敏树脂图案411是负光敏性的话，图16N中所示的保护薄膜412的形成区域受照射光辐射，然后显影。通过此工艺，保护薄膜412可以形成在所需的区域中。
现有技术要求照相平版印刷术使用超深曝光以在诸如控制电极140之类的复杂三维结构上形成上述图案。
相反地，根据此生产方法，厚度大约为1μm的光敏树脂图案411通过印刷形成在控制电极140的区域中。保护薄膜412能够使用已知的照相平版印刷术制作图案。
反射镜(板状可移动部分)131通过耦合部分(没有显示)可枢轴转动安置在其上的反射镜衬底(反射镜结构)130的机架连接并固定到支撑件120上，并形成图17中所示的光交换器件。反射镜衬底130可以通过使用焊接或者各向异性可传导胶粘剂粘附而连接并固定到支撑件120。
下面说明图17中所示光交换器件。光交换器件由反射镜衬底130构成，反射镜衬底130由形成在半导体衬底101中的层间绝缘层105的可传导支撑件120支撑并具有开孔区域，还包括可转动地安置在反射镜衬底130的开孔区域中的反射镜131、控制电极140、驱动电路150、传感器电极151和用于转动反射镜131的传感器电路152。例如，支撑件120、控制电极140和传感器电极151放置在层间绝缘层105相同的平面上。支撑件120、控制电极140以及传感器电极151集成在诸如硅半导体衬底101上。驱动电路150和传感器电路152的形成部分安置在层间绝缘层102之下。控制电极140、传感器电极151以及支撑件120连接到安置在层间绝缘层105之下的互连层104。此布置和图10所示的相同。
如上所说明，根据此制造方法，控制电极140的表面由绝缘树脂所形成的保护薄膜412覆盖。这能够防止诸如控制电极140的上部分和反射镜131的下表面之间的固定。
根据此制造方法，即使形成诸如控制电极140的具有大的台阶的结构中，保护薄膜能够均匀地形成在复杂结构上，而不用使用很多光掩模以及增加工艺的数目。
在此制造方法中，光敏树脂图案使用印刷形成，并由通用照相平版印刷术形成图案至覆盖控制电极所需区域的保护薄膜中。
在安置精密控制电极和支撑件时，印刷本身就使得在控制电极部分上形成树脂图案非常困难。但是，上述说明的印刷能够在控制电极区域中以所需薄膜厚度形成图像而不影响诸如支撑件的复杂三维结构。图案可以以较小的薄膜厚度形成，并由通用照相平版印刷术制作图案。
根据此制造方法，具有所需厚度的光敏树脂图案只在靠近控制电极的区域中形成，然后使用已知的照相平版印刷术制作图案。即使在支撑件或者类似中存在较大的台阶时，也能在所需的区域中形成保护薄膜。
在上述说明中，四个分层金属图案形成控制电极，五个分层金属图案形成支撑件，这样支撑件变得比控制电极高。但是现有发明不限于此。由同样的层形成的控制电极和支撑件的金属图案部分具有相同的厚度。当支撑件的分层金属图案的数目比控制电极的至少大一层时，支撑件被设置得高于控制电极。例如，支撑件可以从两个金属分层图案形成，控制电极可以从一个金属图案形成。通过将支撑件设的更高，反射镜即使在控制电极低于反射镜时移动到支撑件上。
在上述说明的制造方法中，由模版印刷制作的树脂图案通过照相平版印刷术制作图案以形成覆盖至少控制电极顶部的保护薄膜。结果，保护薄膜可以轻易地形成在甚至是复杂三维结构中的控制电极上。在光交换器件中，诸如反射镜之类的可移动部分能够在驱动时不直接接触控制电极而连续稳定操作。
[第七实施例]
下面将参照附图对本发明第七实施例进行详细说明。和上述实施例相似，将光交换器件作为一种带有微机电系统的半导体器件来进行例示。图18显示的是参照本发明第七实施例中的光交换器件。图19显示的是图18中光交换器件的截面图。图18和图19主要说明了自作为光交换器件的主要建造单元而形成的部分(反射镜部件)。例如，至少一个驱动电路150和和传感器电路152形成在诸如硅的半导体衬底101上。诸如硅氧化物的层间绝缘层102、诸如Au/Ti的互连层10以及诸如聚酰亚胺的层间绝缘层105形成在半导体衬底101上。
诸如Cu的金属支撑件120可选地通过层间绝缘层105形成在半导体衬底101上。支撑部分120是可导电的，并通过形成在层间绝缘层105上的通孔电连接到互连层104。支撑件120通过形成在层间绝缘层102上的连接电极103接收预定电势(例如，地电势)。
反射镜衬底130通过支撑件120支撑以从层间绝缘层101的上表面分离。反射镜衬底130是可导电的，并电连接到支撑件120。并在反射镜131放置的地方具有开孔区域。图11显示的是具有许多反射镜部件的光交换器件。如图11中所示，反射镜131放置在反射镜衬底130的许多开孔区域中，每个反射镜131形成一个反射镜部件。如同18中所示，每个反射镜部件包括反射镜131、控制电极240(240a、240b、240c和240d)和传感器电极251(251a、251b、251c和251d)。
可移动机架133和反射镜131被安置在反射镜衬底130的开孔区域中，从顶部往下看，反射镜131几乎形成为圆形。可移动机架133可枢轴转动地通过一对机架耦合部分132耦合到反射镜衬底130。每个耦合部分是诸如扭簧的弹簧部件。
可移动机架133可以作为枢转轴在通过机架耦合部分对132并和反射镜衬底130平行的轴(图18中Y)枢轴转动。反射镜131能够绕作为转动轴的穿过反射镜耦合部分134并和可移动机架133平行的轴(图18中X)枢轴转动。这样，反射镜131能够作为转动轴地在两个轴，即穿过机架耦合部分对132的Y轴和穿过反射镜耦合部分对134的X轴枢轴转动。
反射镜131是可导电的，并通过可导电耦合部分(机架耦合部分132、反射镜耦合部分134、和可移动机架133)电连接到反射镜衬底130。反射镜131通过互连层104、支撑件120、反射镜衬底130和耦合部分接收预定电势(即地电势)。
同样在图11中，根据第七实施例中的光交换器件包括许多以矩阵布置(集成)的反射镜部件。每个反射镜单元的控制电极240a、240b、240c和240d连接到驱动电路150。传感器电极251a、251b、251c和251d连接到传感器电路152。传感器电路152和驱动电路150几乎和图10中所示的光交换器件相同。
在图18和19中所示的光交换器件中，诸如Cu的金属传感器电极251a、251b、251c和251d安置在反射镜131之下以检测枢轴转动的反射镜131的姿态。传感器电极251a、251b、251c和251d可选的形成在层间绝缘层105上，并离开反射镜131预定的距离安置在反射镜131下面(除了直接位于X和Y轴之下的部分)。至少一个传感器电极251安置在每个反射镜131转轴的一侧或者双侧。在第七实施例中，传感器电极251安置在每个转动轴的两侧，两个转动轴X和Y被使用，这样总共安置四个传感器电极251a、251b、251c和251d。
传感器电极251a、251b、251c和251d通过形成在层间绝缘层102上的通孔连接到形成在半导体衬底101上的传感器电路152、互连层104以及形成在层间绝缘层102中的连接电极103。
传感器电路152是部件和互连形成在半导体衬底101上的集成电路。传感器电路152检测反射镜131的姿态，即通过检测对应反射镜131和传感器电极251a、251b、251c和251d间距离的四个静电电容检测围绕作为转动轴的X轴的转动角和围绕作为转动轴的轴的转动角，这些电容依赖反射镜131的姿态而发生变化。
反射镜131任意点和面对任意点传感器电极251间感应的每单位面积上的静电电容C由下式给定
C＝ε/d …(1)
其中ε是空间的介电常数，d是反射镜131上任意点和传感器电极251间的距离。传感器电路152检测静电电容C以检测反射镜131和传感器电极251间的距离d。传感器电路152从距离d和反射镜131的转动轴的预定位置来检测反射镜131的转动角。表示由传感器电路152检测的反射镜131的转动角度信号反馈回驱动电路150。
诸如Cu的金属控制电极240a、240b、240c和240d被放置在反射镜131的下面以控制反射镜131的姿态。控制电极240a、240b、240c和240d通过层间绝缘层105可选地形成在半导体衬底101上，并离开反射镜131预定距离安置在反射镜131下面(除了直接位于轴X和Y之下的部分)。至少一个控制电极240安置在每个反射镜131转轴的一侧或者双侧。在第七实施例中，控制电极240安置在每个转动轴的两侧，两个转动轴X和Y被使用，这样总共安置四个控制电极240a、240b、240c和240d。
控制电极240a、240b、240c和240d通过形成在层间绝缘层105上的通孔连接到形成在半导体衬底101上的驱动150、互连层104以及形成在层间绝缘层102中的连接电极103。
驱动电路150是部件和互连形成在半导体衬底101上的集成电路。驱动电路150从传感器电路152反馈回的信号来识别反射镜131的枢轴转动角度，并对控制电极240a、240b、240c和240d施加用于控制反射镜130的转动状态(转动量)的电压，以调整由传感器电路152检测的反射镜131的枢轴转动角度至一个合理值(比如由外部系统设置的值)。
当驱动电路150对控制电极240a、240b、240c和240d施加电压以产生控制电极240a、240b、240c和240d和反射镜131之间的电势差。电荷被吸引到反射镜131面向控制电极240a、240b、240c和240d的部分。反射镜131通过作用在电荷上的静电力(库仑力)而转动。反射镜131在静电力围绕转轴的扭矩与扭簧(耦合部分)产生的反向扭矩相互平衡的位置上。
驱动电路150和传感器电路152可以为一个反射镜部件安置。可选地，一个驱动电路150和一个传感器电路152能够同时理想的控制许多反射镜组件。
如上所说明，根据第七实施例，传感器电路152在来自传感器电极251的信号的基础上检测反射镜131的转角，驱动电路150在所检测的转角的基础上控制反射镜131的转动操作。反射镜131可以高精度地进行控制，增加光交换器件的操作速度。
控制电极240和传感器电极251自反射镜131的中心往外布置。在第七实施例中，安置的传感器电极251比控制电极240更靠近反射镜131的中心。这种布置的效果将在下面解释。控制电极240、传感器电极251和反射镜131间的距离依赖反射镜131的枢轴转动而变化。反射镜131的周边角度变化要大于其中心。由此，控制电极240和传感器电极251的高度设置必须考虑反射镜131的转动。
在第七实施例中，传感器电极251安置在靠近反射镜131的中心，控制电极240被安置在传感器电路251的外部。传感器电极251可以被设置高于控制电极240，反射镜131和传感器电极251间的距离可以被缩短，由传感器电路152检测的静电电容C可被增加。距离d和反射镜131的转动角可以由此轻易检测。
同样在图19中所示的具有微机电系统的半导体器件中，可以通过绝缘树脂保护薄膜来防止反射镜131的粘结。在此情况下，保护薄膜形成以覆盖更靠近反射镜131的传感器电极251。当控制电极240更靠近反射镜131时，可以在控制电极240上形成保护薄膜。保护薄膜只可以网板印刷形成。例如，预定树脂图案可以通过模版印刷形成以形成覆盖至少控制电极顶部的保护薄膜。
如上所述，根据本发明，用于构成微机电系统的具有可移动部分的许多单元单片电路地安装在半导体衬底上，半导体衬底上的集成电路包括形成在其上的驱动电路、传感器电路、存储器和处理器。每个单元包括处理器、存储器、驱动电路和传感器电路。
本发明可以减小微机电系统的尺寸，这是由于不需要许多控制信号线和控制微机电系统结构的大的控制器件。