CN1384042A - 制作悬式微结构的方法 - Google Patents

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Abstract

在粘合基片上制作无穿孔悬式平面的方法,包括在底部基片支承面上形成电介质层,随后对电介质层连接面构图以确定凹下部分的特征。该特征被蚀刻直到凹下部分被形成,凹下部分具有深度Dw,它留下覆盖支承面电介质层的薄保护层。然后平台基片与底部基片接触,随后将这些基片退火以使连接面与平台基片安装面熔融粘合。平台基片被削磨以形成在被封闭空腔上的隔膜。隔膜被构图并蚀刻以形成许多贯穿隔膜到该空腔的沟槽且确定悬式平台及挠曲。只有确定悬式平台及挠曲所需的那部分平台基片被构图并蚀刻以致悬式平台无孔眼。因此悬式平台表面积最大。选择性蚀刻材料用于从悬式平台及挠曲下方去除留下的电介质层,使悬式平台和挠曲分离。

Description

制作悬式微结构的方法
                     发明领域
本发明一般涉及制作悬式微结构的方法，更准确地说，本发明涉及排除在悬式微结构中形成通孔因而减小悬式微结构有效表面积的需要的悬式微结构的制作方法。
                      背景技术
悬式平台在微电子制作技术的优点在能被用于形成微结构的应用中是有用的，这种微结构如加速度计、压力传感器、传动机构、射流器件、生化装置、及小型机械。微机电系统(MEMS)是能体现悬式平台的系统的一个实例。
例如，MEMS能够将微机械元件和电子元件集成在共同的基片材料如硅片上。微电子制作技术能被用于制作电子元件，例如互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。另一方面，微机械元件能使用微切削加工技术被制作，该技术使材料沉积以形成机械的及机电的器件或有选择性地蚀刻诸如硅层或氧化硅层的一个或多个材料层以形成机械的或机电的器件。
用于由单晶硅(Si)制作悬式结构的现有方法在图1a至1d中被图解说明。图1a说明包括具有借助挠曲104被悬浮的平台102的上晶片108的现有结构100。平台102包括一些孔114，它们从头到尾延伸穿过平台102。也就是说，孔114贯穿平台102。
图1b至1d是沿图1a的直线AA所取的横截面，它说明用于制作现有结构100的过程。该过程由硅在绝缘材料上的粘合晶片106开始，106包括上晶片108，它借助氧化硅(SiO2)薄层112(即电介质材料层)用化学方法被粘合到下晶片110。用于构成硅在绝缘材料上的粘合晶片106的过程在微电子技术领域中是熟知的。
其次，上晶片108的顶部表面124使用传统的光刻技术被构图，然后上晶片108被蚀刻以形成沟槽103，它确定了挠曲104和平台102以及如在图1c中所说明的孔114的有规则间距的阵列。沟槽103贯穿上晶片108。
孔114是通孔(即它们从头到尾延伸穿过平台102)并被要求容许氧化硅(SiO2)层112在接着的蚀刻步骤中将由平台108下方被除去。
在图1d中，硅在绝缘材料上的粘合晶片106被暴露在有选择性的蚀刻材料如氢氟酸(HF)之中。蚀刻材料流过孔114并溶解在平台102下方的氧化硅层112从而使平台102从氧化硅层112分离。孔114是需要的以便减小蚀刻材料的蚀刻前沿去分离平台102必须行进的距离。围绕平台102的氧化硅层112被根切长度112，它大约等于孔到孔的间距(即孔114之间的距离，见图1a)120的二分之一。
现有结构100的主要缺点是孔114减少了平台102上可利用的表面积。例如，在超高密度数据存储的应用中，平台102可能包括一或多层存储介质，它以存储介质可改变状态来存储数据。光学或电子发射装置(即激光或光子束)能被用于读取和/或写入数据到存储介质。具有孔114贯穿的平台102是不合乎需要的，因为孔114减小了适合用于存储介质的平台102的表面积。并且，用于读取或写入数据到存储介质的寻址方案必须考虑到孔114的位置会阻碍读取或写入到存储介质不存在的面积处。因为孔114仅用来使氧化硅层112便于从平台102下方除去，它们是平台102的非功能特征。因此，需要排除孔114，由于只要平台102已被形成它们便不起有益的作用。
用于由单晶硅(Si)制作悬式结构的另一种现有方法在图2a至2c中被说明。图2a说明包括具有平台202上晶片208的现有结构200，平台由挠曲204被悬浮。
图2b至2c是沿图2a的直线AA所取的横截面图，它说明用于制作现有结构200的过程。该过程由硅在绝缘材料上的粘合晶片206开始，206包括上晶片208，它借助氧化硅(SiO2)薄层212用化学方法被粘合到下晶片210。在图2b中，在将上晶片208粘合到下晶片210之前，氧化硅薄层212被构图并随后被蚀刻以形成凹下部分。在上和下晶片(206，208)相互被粘合之后凹下部分变成被封闭的腔216。
然后，在图2c中，上晶片208的顶部表面220被构图并随后被蚀刻以形成沟槽203，沟槽确定了挠曲204及平台202。沟槽203贯穿上晶片208到被封闭的空腔216。作为蚀刻的结果，下晶片210的上表面222被暴露于蚀刻材料之中并接着被蚀刻以形成浅的凹痕218，它们如在图2c中所说明的向上表面222的内部延伸。
因此，用于制作现有结构200的方法的一个缺点是制作导致对下晶片210的上表面222的损坏。在某些应用中，下晶片210可能含有被掩埋的组件，例如电极、互连结构、电路或一些对结构200的运行必需的其他元件。因此，最好在制作过程期间保护这些组件。相反，用于制作现有结构200的方法导致这些组件的损坏，因为在制作过程期间上表面222未被保护免遇蚀刻材料。
于是，对于供制作悬式微结构用的方法存在着需要，即不要求蚀刻孔从悬式微结构的下方除去材料层。
对于供制作悬式微结构用的方法还有需要，即在制作过程期间保护(即不损坏)下晶片的上表面免遇蚀刻材料，以使被掩埋在下晶片中的组件不被蚀刻材料损坏。
                      发明概述
本发明的制作悬式平台的方法满足了上述的需要。根据本发明的制作悬式平台的方法不要求在悬式平台中的蚀刻孔以除去悬式平台下方的材料层。结果，悬式平台是不穿孔的并且基本上悬式平台的全部表面积可以采用。
并且，根据本发明的制作悬式平台的方法借助在蚀刻期间用保护上表面的材料薄层覆盖上表面以防止下晶片的上表面起凹点。
概括地说，本发明体现在用于在粘合基片上制作悬式平台的方法中。粘合基片包括被粘合到底部基片上的平台基片。该方法包括在底部基片的支承面上形成电介质层然后构图并蚀刻电介质层的连接面以形成凹下部分，该部分向连接面的内部延伸。凹下部分具有预先选定的深度，它留下一薄层覆盖支承面的电介质层。然后通过迫使连接面与平台基片的安装面相接触并使底部和平台基片退火以熔融粘合连接面与安装面，底部和平台基片被相互粘合以形成粘合基片。一旦被粘合，凹下部分和安装面形成被封闭的空腔。平台基片被削薄以形成在封闭空腔上的薄隔膜(平台基片材料的)。隔膜被构图以确定平台的特征及挠曲的特征。隔膜随后被蚀刻以形成从头到尾贯穿隔膜到被封闭空腔的沟槽。沟槽确定了平台(也被叫做微结构)和一个或多个连接平台与平台基片的挠曲。最后，平台下方的电介质材料通过施加有选择性的蚀刻材料被除去。有选择性的蚀刻材料从平台下方除去基本上全部的电介质材料而基本上不根切在连接层与安装层之间的界面以使在底部基片与平台基片之间的化学粘合不被选择性蚀刻材料损坏。
本发明的一个优点是电介质材料的薄层保护支承面免于起凹点，这起因于形成确定平台及挠曲的沟槽的隔膜的蚀刻。因此，与用于制作悬式结构现有方法的凹陷相联系的问题被本发明解决。
另外，本发明排除了使平台穿孔以便为蚀刻材料提供到达平台下方电介质层通路的需要。沟槽提供了为蚀刻材料到达电介质层必要的通路。因此，本发明的平台是没有减小平台表面积的孔、孔眼等。
在本发明的一种实施例中，在形成凹下部分之前，电介质层被平面化以形成基本上平面的连接面。
在本发明的另一种实施例中，电介质层是氧化硅。
在本发明又一种实施例中，底部基片的厚度通过后部削薄底部基片的背面被减小。
在本发明的一种实施例中，选择性蚀刻材料是氢氟酸。
本发明的其他特性和优点从以下粘合附图的，通过本发明原理的实例说明的详细描述将变得显而易见。
                     附图简述
图1a是图解说明包括贯穿平台的孔的现有结构的平面图。
图1b至1d是沿图1a的直线AA所取的，图解说明用于制作图1a的现有结构过程的横截面图。
图2a是说明包括下晶片的上表面凹陷的现有结构的平面图。
图2b至2c是沿图2a的直线AA所取图解说明用于制作图2a的现有结构过程的横截面图。
图3a是图解说明根据本发明的无通孔的悬式平台的平面图。
图3b是沿图3a的直线BB所取，图解说明根据本发明的悬式平台、挠曲及无凹陷的底部基片支承面的横截面图。
图4a至4g是图解说明用于制作根据本发明的悬式平台过程的横截面。
                      详细描述
在以下的详细描述及在附图的一些图中，相同的元件用相同的参考标记来标记。
如在为了图解说明的附图中所示，本发明体现于在粘合基片上制作悬式平台的方法中，该粘合基片包括被粘合到底部基片上的平台基片。制作悬式平台的方法结果形成无穿孔的悬式平台。也就是说，悬式平台不包括减少悬式平台表面积的孔等。而且，制作悬式平台的方法保护了底部基片的支承面以使支承面不由于形成悬式平台必需的蚀刻过程而形成凹陷。
在粘合基片上制作悬式平台的方法包括被粘合到底部基片的平台基片。电介质层被形成在底部基片的支承面上，然后电介质层的连接面被构图并蚀刻以形成向连接面内部延伸的凹下部分。凹下部分具有预先选定的深度，它留下一薄层覆盖支承面的电介质层。底部和平台基片然后用化学方法被相互粘合以形成粘合基片。连接面和平台基片的安装面被迫使相接触，并且随后底部和平台基片被退火以使连接面与安装面熔融粘合。
一旦被粘合，凹下部分和安装面在其间形成被封闭的空腔。平台基片被削磨以使构成平台基片的材料在被封闭的空腔上形成隔膜。隔膜然后被构图以确定平台的特征及挠曲的特征。下一步，隔膜被蚀刻以形成从头到尾贯穿隔膜到被封闭空腔的深沟槽。沟槽确定了悬式平台(也被叫做微结构)及一个或多个使悬式平台与平台基片连接的挠曲。最后，悬式平台和挠曲下方的电介质材料通过施加选择性蚀刻材料被除去。选择性蚀刻材料基本上除去了悬式平台的挠曲下方的全部电介质材料，而基本上不根切在连接层与安装面之间的界面以致在底部基片与平台基片之间的化学粘合不被选择性蚀刻材料损坏。而且，有选择性的蚀刻材料使悬式平台及挠曲从电介质层分离。
在图3a中，系统10包括具有在其中形成的沟槽13以确定至少一个挠曲15(四个被示出)的平台基片11和借助挠曲15与平台基片11连接的悬式平台17。沟槽13延伸贯穿平台基片11到被安置在平台基片11下面的空腔(来被示出)。空腔可具有大于或等于悬式平台17和挠曲15总面积的面积19(虚线)。
不同于现有的悬式结构，本发明的悬式平台17是不穿孔的。即悬式平台17是没有贯穿悬式平台17到下面空腔的通孔、孔眼等的。因此，基本上悬式平台17的全部表面积在要求悬式平台没有表面变异如孔眼的用途中可加以使用。例如，如果悬式平台17将被用于数据存储，则要求具有作为悬式平台17的大部分表面积可用来存储数据。另一方面，孔眼等削减了可用来存储数据的表面积。例如，如果悬式平台17用供存储数据用的相变媒质覆盖，则孔眼代表不能支持相变媒质的面积。
在图3b中，系统10在沿图3a的直线BB所取的横截面图中被图解说明。空腔37被安置在悬式平台17及挠曲15的下面。如由虚线箭头19所示，空腔37可延伸超过悬式平台17及挠曲15的面积，以致空腔37具有大于或等于悬式平台17及挠曲15合并面积的面积。空腔37由底部基片21的支承面22和平台基片11的安装面24来确定。系统10包括底部基片21和电介质层23，电介质层用化学方法将底部基片21和平台基片11相互粘合以形成粘合基片25。
与现有的悬式结构相反，本发明的悬式平台17及挠曲15的制作不会导致支承面22的起凹陷，因为如将在下面被讨论，支承面22由电介质材料23的薄层来保护。
图4a至4g图解说明根据本发明的在粘合基片上制作悬式平台的方法。在图4a中，如在图3b中被图解说明的，粘合基片25能借助在底部基片21的支承面22上沉积薄的电介质层23被形成。电介质层23是电绝缘材料，最好是氧化硅(SiO2)。电介质层23能具有从约0.5μm厚的到约2.0μm厚的厚度D1。
凹下部分31通过构图和随后蚀刻电介质层23而在电介质层23中被形成。例如，光刻胶图案29能被用于确定凹下部分31而电介质层23的未被覆盖部分能暴露于蚀刻剂中，蚀刻剂溶解了电介质层23的未被覆盖部分以形成凹下部分31。蚀刻剂例如氢氟酸(HF)溶液能被用于蚀刻凹下部分31。如果电介质层23是SiO2，则HF是优选的蚀刻剂。然而，所使用的蚀刻剂并不局限于HF而其他的蚀刻剂例如CHF3或其他以氟为基的等离子蚀刻剂也可被使用。
在形成凹下部分31之前，可能最好是使电介质层23平面化以使电介质层23具有基本上平面的连接面27，如下面将被讨论的在它上面平台基片(未被示出)将被安装。作为平面化的结果，电介质层23将具有比被沉积的厚度D1小的厚度D2(见图4b)。在微电子制作技术领域中熟知的过程能被用于使电介质层23平面化。例如研磨、抛光、擦光、及化学机械平面化(CMP)能被使用。最好，CMP被用于形成基本上平面的连接面27(在下文中的连接面27)。在平面化后，电介质层23能具有从约0.5μm厚的到约2.0μm厚的厚度D2。
在图4b中，凹下部分31被蚀刻直到它具有预先选定的深度DW，它留下了覆盖支承面22的电介质层23的薄保护层32。薄保护层32应当具有厚度tP，它被选定以保护支承面22免被接着的蚀刻过程弄起凹点，如下面将参照图4f及4g被讨论的。预先选定的深度DW将根据用于电介质层23的类型、用于蚀刻凹下部分31的蚀刻材料及过程参数如蚀刻时间而变化。
例如，如果电介质层23具有从约0.5μm厚的到约2.0μm厚的厚度(D1或D2)，则预先选定的深度DW能是从约0.4μm到约1.9μm。
作为另一个例子，如果电介质层23具有等于1.8μm的厚度(D1或D2)，则预先选定的深度DW可为1.6μm而薄保护层32可为约2.0μm或更小的厚度。预先选定的深度DW应被选择以使厚度tP将足以保护支承面22免于由如下面将被讨论的完全除去电介质23的接着的蚀刻步骤引起的弄凹或损坏。一般说来，厚度tP将近似等于(D1-DW)或(D2-DW)。
在图4c中，通过促使连接面27与平台基片11的安装面24相接触，使底部基片21被粘合到平台基片11以形成粘合基片25(见图3b)。底部和平台基片(11，21)然后被加热(即退火)以使连接面27与安装面24熔融粘合。底部和平台基片(11，21)能采用在微电子技术领域中熟知的基片粘合过程被相互粘合。例如，如果底部和平台基片(11，21)由单晶硅材料制成并且电介质层23是SiO2，则底部和平台基片(11，21)能于不起化学作用的环境中在从约摄氏700度到约摄氏900度的温度下被退火以在底部和平台基片(11，21)之间形成将它们相互化学粘合的熔融SiO2层。
作为为将底部和平台基片(11，21)相互粘合在一起的结果，由凹下部分31和连接面27所确定的封闭空腔33被形成。
在图4d中，平台基片11从初始厚度T1(见图4c)被削磨到缩减的厚度T3以形成在封闭空腔33上的平台基片11的薄隔膜(在下文，隔膜和平台基片将用参考号数11表示)。在一些应用中，可能希望通过后部削磨底部基片21的背面30使底部基片21的厚度从T2(见图4c)减小到T4。取决于在平台基片11上待形成的结构类型，可能希望在平台基片11上确定并形成那些结构之前，使底部基片21变薄以便不作为削磨过程的结果损坏那些结构。最好，隔膜11的厚度是从约1.0μm到约200.0μm。其他的厚度当然是可能的并且隔膜11的厚度T3并不被限制在以上被规定的范围。如果隔膜11太薄(即＜10.0μm)，则有隔膜将容易损伤的可能性。相反，如果隔膜11太厚(即＞200μm)，则把任何结构蚀刻到隔膜11中去都变得更加困难。
削磨平台基片11和后部削磨底部基片21能采用诸如研磨、抛光、擦光、及化学机械平面化(CMP)的过程被完成。最好，CMP被用于削磨平台基片11并被用于底部基片21的后部削磨。
比约300.0μm薄的晶片可能易损坏并难以处理。因此，用于底部基片21的实际厚度可通过用于底部基片21的材料类型并通过处理及断裂的考虑被确定。而且，单晶硅(Si)晶片能被用于平台基片11。不存在对用于底部基片21或用于平台基片11的单晶硅(Si)晶片材料的优选的结晶取向。例如，具有(100)或(111)结晶取向的单晶硅(Si)晶片能被使用。
在图4e中，隔膜11的一部分被构图以确定挠曲的特征及平台的特征。例如，光刻胶图案41能被用于确定挠曲及平台的特征。
在图4f中，挠曲和平台的特征然后被蚀刻(见虚箭头49)以形成沟槽13，沟槽贯穿隔膜11到被封闭的空腔33从而形成敞口的空腔35。薄保护层32保护支承面22免遇到被用于蚀刻沟槽13的材料。如上面所提到的，本发明的一个优点是支承面22不被上述的蚀刻过程损坏以致支承面22没有凹陷等能损坏由底部基片所装有或被掩埋在其中的组件。沟槽13还确定了悬式平台17及挠曲15。
在图4g中，保持在悬式平台17及挠曲15下方(即在敞口的空腔35中)的电介质层23的任何部分都通过施加选择性蚀刻材料到粘合基片25而被除去。选择性蚀刻材料经由沟槽13进入敞口空腔35。选择性蚀刻材料具有不均匀的蚀刻速率，它被选定以与蚀刻电介质层23在接触面27与安装面24之间的界面I处相比明显较快的蚀刻速率蚀刻电介质层23下方的悬式平台17及挠曲15。因此，蚀刻在横过如由箭头XP所示敞口空腔在悬式平台17及挠曲15下方的那部分明显进行较快，以致电介质层从悬式平台17及挠曲15的下方完全被除去。相反，在界面I处蚀刻明显进行较慢以致如由箭头XI所示电介质层在界面I39处被根切极小的长度。
最好，湿的蚀刻材料如氢氟酸(HF)被用作选择性蚀刻材料，氢氟酸(HF)是各向同性的蚀刻剂，它横过敞口空腔35(见箭头XP)的有差别的蚀刻速率约10×(即约10倍)于它在界面I(见箭头XI)处的有差别的蚀刻速率。例如，以氧化硅(SiO2)用于电介质层23，有差别的蚀刻速率(采用HF蚀刻剂)使在悬式平台172.0毫米(mm)下方的电介质层23将被完全除去，而仅从界面I根切电介质层23约100微米(即XI＝100.0μm)。作为根切的结果，空腔35的面积19大于悬式平台17的面积。
因此，HF工作得很好因为它是各向同性蚀刻剂而且HF在悬式平台17及挠曲15的下方流动并除去电介质层23。最好，电介质层23由氧化硅(SiO2)制成。HF对硅(Si)也有高度选择性以致它不导致支承面22起凹陷。其他各向同性SiO2蚀刻剂能被采用。例如，气相的HF(而不是通用的HF水溶液)蚀刻剂能被采用。
虽然本发明的一些实施例已被公开并说明，但本发明并不局限于这样描述及说明的具体的型式或构造。本发明仅被权利要求限制。

Claims (12)

1.用于在粘合基片25上制作悬式平台17的方法，基片25包括被粘合到底部基片21的平台基片11，该方法包括：
在底部基片21的支承面22上形成电介质层23；
使电介质层23的连接面27构图以在其上确定凹下部分的特征；
蚀刻凹下部分的特征直到凹下部分31被形成，凹下部分31具有预先选定的深度DW，它留下覆盖支承面22的电介质层23的薄保护层32；
通过促使连接面27与平台基片11的安装面24接触并使底部及平台基片(21，11)退火以使连接面27与安装面24熔融粘合，将底部和平台基片(21，11)相互粘合；
削磨平台基片11以形成在由凹下部分31及安装面24所确定的被封闭空腔33上面的隔膜11；
使隔膜11构图以确定挠曲特征及平台的特征；
蚀刻挠曲及平台特征以形成许多贯穿隔膜11到被封闭空腔33的沟槽13并确定悬式平台17和挠曲15；以及
施加选择性蚀刻材料以从悬式平台17及挠曲15的下方除去电介质层23。
2.如在权利要求1中所述的方法，其中在使连接面27构图之前，电介质层23被平面化以形成基本上为平面的连接面27。
3.如在权利要求2中所述的方法，其中电介质层23具有从约0.50μm到约2.0μm的厚度。
4.如在权利要求3中所述的方法，其中电介质层23是氧化硅。
5.如在权利要求2中所述的方法，其中平面化通过包括研磨、抛光及化学机械平面化的组合中所选定的过程被完成。
6.如在权利要求1中所述的方法，其中平台基片11的削磨借助从包括研磨、抛光、擦光及化学机械平面化的组合中所选定的过程被完成。
7.如在权利要求1中所述的方法，其中电介质层23是氧化硅并且平台基片11是借助氧化硅熔融粘合被化学粘合到底部基片21。
8.如在权利要求7中所述的方法，其中氧化硅具有从约0.50μm到约2.0μm的厚度。
9.如在权利要求1中所述的方法又进一步包含后部削磨底部基片21的背面30以减少底部基片21的厚度T2。
10.如在权利要求9中所述的方法，其中后部削磨借助从包括擦光、抛光、研磨及化学机械平面化的组合中所选定的过程被完成。
11.如在权利要求1中所述的方法，其中选择性蚀刻材料具有不均匀的蚀刻速率，与蚀刻在连接面27与安装面24之间界面I处的电介质层23相比，在悬式平台17及挠曲15下方的电介质层23以明显较快的蚀刻速率被蚀刻。
12.如在权利要求1中所述的方法，其中平台基片11和底部基片21的任何被选定的一个或二者由单晶硅制成。
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