多级微机械结构的制作方法

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多级微机械结构的制作方法

本发明涉及微机械器件,更具体地,涉及一种如独立权利要求1的前序部分所限定的仅包括均质器件晶片材料的微机械器件层。



背景技术:

微机电系统(MEMS)器件具有受集成微电子器件控制的移动元件,并且包括在其中已经制造了一些机械器件(例如,微型传感器和微型致动器)的微小硅芯片上的微型电路系统(micro-circuitry)。这些微型传感器和微型致动器构成微机电(MEMS)器件的功能元件。MEMS器件的物理尺寸可以从低于1微米到数毫米不等。

MEMS器件将所测量的机械信号转换成电信号。MEMS传感器对机械现象进行测量,然后相关的电子器件对从传感器元件得到的信息进行处理,并借助一些决策能力引导致动器通过例如移动、定位或调整来进行响应,以由此对环境进行控制用于一些期望的结果或目的。MEMS器件由此可以包括驱动元件和感测元件二者以执行特定功能。

使用MEMS技术制造的系统的示例是压力传感器、用于测量移动物体的加速度的加速度器、微型定位器(例如,微镜、光学开关或扫描仪)、以及用于测量旋转物体的角速度的陀螺仪。

MEMS器件可能是电容性的或利用压电转换。

电容式MEMS器件中的关键元件是形成在两个电极之间的可变电容器。这些可以包括固定电极和附接至悬置的检测质量块(proof mass)的可移动电极。或者,器件可以包括两个可移动电极。惯性质量块和附接到其上的可移动电极响应于加速器中的加速度或当角速度被施加至陀螺仪时施加在惯性质量块上的科里奥利力而偏转并且用于测量该速度。偏转量可以根据电容的变化来感测,电容根据两个电极之间的间隙因偏转而产生的变化而变化。电容的变化也可以通过固定电极与可移动电极之间的交叠区域的变化来产生。在垂直移动的情况下,致动和感测通常通过梳设计来实现,其中一个梳对(comb pair)固定至基底上,并且其他梳对能够通过弹簧结构在Z方向上移动。此外,当固定梳和可移动梳具有在垂直方向上的偏移时,移动方向可以通过各种设计和测量布置以线性方式测量。

加速度计是加速度传感器。通过弹簧悬置的惯性质量块受到使惯性质量块从其初始位置偏转的加速力的作用。该偏转被转换成出现在传感器输出端的电信号。

加速度计包括惯性质量块,其一侧固定至载体,而另一侧悬置。加速度计还包括用于检测膜在加速度的作用下的运动的装置。这构成了感测加速力的传感器。

惯性传感器是一种加速度计,并且是利用表面微加工的主要商品之一。

当物体围绕轴旋转时,它们具有角速度。陀螺仪或回转仪是测量或保持旋转运动的装置。在MEMS器件中,通常使用振动作为陀螺仪的主要运动(primary motion)。在角速度的振动传感器(例如,陀螺仪)中,在传感器中感应并保持特定的已知主要运动。当质量块在一个方向上振动(被称为主要运动)并且被施加旋转角速度时,由于科里奥利力,质量块在正交方向上受力。所产生的由科里奥利力引起的物理位移可以随后从例如电容式、压电式或压阻式感测结构读取。

当使用MEMS技术来实现陀螺仪时,这些陀螺仪具有悬置在基底上方的惯性结构和相关联的电子器件,其既感测悬置的惯性结构的运动又将由所感测的运动引起的电信号传送至外部计算机。计算机对所感测的数据进行处理以计算所测量的特性。

用于使陀螺仪振动的结构例如通过以下方式形成:对半导体晶片进行蚀刻以形成在测量中用作参比的检测质量块。检测质量块通过弹簧系统(例如,弹性梁)悬置于基底。可以在同一基底上的电子驱动电路将交流驱动电流施加至使检测质量块在驱动方向上振动的驱动电极。电驱动机构使检测质量块沿着驱动轴振动,并且电极与检测质量块一起构建电容,用于探测检测质量块沿垂直于驱动轴的感测轴的运动。三轴MEMS陀螺仪可以测量围绕三个相互正交的轴的旋转,而单轴和双轴陀螺仪测量围绕这些轴中的一个轴或两个轴的旋转。

梳结构可用于传感器装置中以用于检测和/或驱动目的。梳结构也可用作用于各种目的的微机械器件中的致动器(即,梳驱动器)。梳结构通常包括至少一个定子(换言之,非移动部件)和转子(换言之,移动部件)。通常,梳结构的定子和转子包括两个或更多个所谓的梳指,其可以被描述为结构的纵向延伸部,其可以具有变化的形状、长度和宽度。在梳结构中包括这样的指的原因是用于增加彼此相互影响的电极的表面积,从而例如能够实现电极之间更大的力。施加至梳结构的电压差可以驱动微型电动机和微型定位装置,例如,如本领域人员所知的微镜、光学开关、光导、扫描仪、激光打印机、波长选择性开关、衍射光栅等。

术语管芯是指一小块半导体材料,在其上制造给定功能的电路、芯片。在制造微电子器件时,每个单独的管芯包含集成电路之一。在制造过程期间,将具有多达数千个电路的晶片切割成矩形片,每一个被称为管芯。集成电路以大批量方式在单个晶片上制造。

蚀刻是至关重要的工艺模块,并且每一个晶片在完成之前经历许多蚀刻步骤。对于许多蚀刻步骤,通过抵抗蚀刻的“掩蔽”材料来保护晶片的一部分免受蚀刻剂的影响。掩蔽材料是例如已经使用光刻法被图案化的光致抗蚀剂。图案化示出晶片的哪些部分应被蚀刻。

在各向异性蚀刻中,蚀刻速率在水平和垂直方向上是不同的。

US2006/0284514提出了一种具有垂直梳电极结构的致动器。该致动器以双侧蚀刻工艺制造,这导致在固定的梳电极中具有绝缘层。

US7088030提出了一种HARM结构,其中所形成的梳结构具有在垂直的外周壁处形成的侧向加强结构。

与现有技术有关的问题是,当梳结构并非由均质材料形成时,梳电极的精确度不是最佳的。当不同的材料具有不同的电子亲和性时,非均质材料具有静电差,并且对于梳结构可能需要一些电子偏压布置,以补偿由材料引起的梳指之间的任何不期望的电位差。即使使用不同的加工方法对梳结构中的管芯材料的不同部分或部进行处理,致使剩余的电极具有不同或变化的表面结构,仍出现类似的问题。

EP1798195提出了一种梳式电极结构,其中已经由两个不同的基底制造了两个电极。尽管两个基底可以具有相同的材料并且通过类似的工艺进行处理,但是对管芯的两个单独产生的层进行组合总是引起两个层的对准的问题,这在电极的设计中必须被考虑:所需的公差是高的,这导致繁重的设计和管芯区域的低效使用。在布置层时发生的任何未对准将导致梳电极的精确度降低。



技术实现要素:

本发明的目的是提供一种克服现有技术缺陷的方法和设备。本发明的目的通过根据权利要求1的特征部分的设备来实现。

本发明的优选实施方案在从属权利要求中公开。

本发明基于在器件晶片的单个层上产生自对准关键结构的构思。关键图案使用一个深硅蚀刻工艺穿过单个均质材料层转移至器件晶片。通过这种方式,可以创建具有均质材料的器件层结构,避免了因器件层中的材料之间的静电差而导致的对电偏压的任何需要,甚至所创建的结构的垂直表面是均匀的,从而避免了因变化的表面结构而引起的表面上的任何不期望的电现象。使用单个掩模生成关键结构,使得能够在创建侧向尺寸上实现非常高的精确度。在制造工艺中不会因多个掩模的未对准而在垂直移动结构之间产生水平位移,这是因为所有侧向尺寸由单个掩模限定。侧向精确度仅受光刻掩蔽和蚀刻工艺的精确度的限制。检测梳结构的准确尺寸使得能够进行极精确和高效的电容检测。可以以高精确度创建小且致密的梳结构。

使用能够由均质材料制成的结构的方法使得能够优化特定用途的材料。均质材料意指材料组成或结构在材料的体积内不变,但均质材料不必仅包含单一化学元素,而是可以包含多种成分的化合物或混合物。当器件层材料为均质的时,其特性可以预先专门设计和应用,以满足最佳性能所需的要求。典型的晶片材料是基于硅的,但是甚至硅晶片也可以包含另外的材料。例如,可以具体选择管芯材料中诸如氧或碳的成分含量比、掺杂水平、生长方法和晶体取向。应当理解的是,器件层应被认为是均质的,但是在器件层材料的体积内或表面处可发现少量的杂质。

关键结构的精确度通过在平坦表面上产生关键结构的图案的方法而得以改进,从而可以利用最佳精确度的图案化材料和方法。

该方法同样适用于微机械传感器装置的惯性或可移动部件以及微机械致动器结构的可移动部件。在下面的描述中,将可互换地使用可移动部件或可移动元件的通用术语以用于微机械器件中能够移动或变形的任何这样的部件、元件或结构。通常,这些元件是微机械器件的器件层的一部分。

术语“面”可以指器件晶片的面。器件晶片是单一均质材料的相对较薄且基本上平坦的晶片,其最初具有两个面,每个面在其上形成有可以执行加工步骤的平坦表面。术语表面是指器件晶片或器件层的面的顶层或顶平面。当器件晶片例如被研磨或抛光以从器件晶片的面去除材料时,器件晶片的至少一个表面可以在制造工艺期间相对于器件晶片的原始表面改变。器件层的表面是指最终的器件层的两个顶表面。器件层可以被认为具有类似于器件晶片的两个面。凹入结构是指具有凹入至器件层的相应表面下方的面的结构。凹入结构可以从器件层的一个或两个表面凹入。

该方法的一个实施方案还能够创建多层梳结构,其允许利用差分感测在z轴方向进行非常准确的全线性探测。与传统的一层或两层梳结构相比,通过引入多层(例如三层)梳结构,梳结构所需的能够完全线性探测的区域显著减小。

根据第一方面,提供了微机械器件,其包括仅包含均质器件晶片材料的器件层,所述器件层的特征在于,器件层包括具有至少一转子和至少两个定子的多级梳结构。

根据第二方面,转子和至少两个定子中的至少一些从器件层的第一表面至少部分地凹入至至少两个不同的凹入深度,并且转子和至少两个定子中的至少一些从器件层的第二表面至少部分地凹入至至少两个不同的凹入深度。

根据第三方面,转子和至少两个定子包括具有双线性响应函数的梳结构,其中由第一定子和转子形成的第一电极对的输出值的变化与由第二定子和转子形成的第二电极对的输出值的变化相反。

根据第四方面,由第一定子和转子形成的第一电极对的线性变化响应函数的区域和由第二定子和转子形成的第二电极对的线性变化响应函数的区域通过相应电极对中的相应定子和相应转子的相对厚度以及通过处于平衡位置中各个相应电极对中的定子与转子之间的垂直交叠的量来限定,其中,电极对的相对厚度和垂直交叠由结构从器件层的第一表面和/或第二表面的凹入量限定。

根据第五方面,定子中的至少之一和转子沿垂直维度在平衡位置上交叠一定量,该量小于至少一个定子的梳指的垂直厚度且小于转子的梳指的垂直厚度。

根据第六方面,与转子的凹入至器件层的至少一个表面下方的至少一个指相比,转子的中心部分更少地凹入至器件层的至少一个表面下方。

根据第七方面,与转子的凹入至器件层的至少一个表面下方的至少一个指相比,转子的中心部分更多地凹入至器件层的至少一个表面下方。

附图说明

在下文中,将结合优选实施方案参照附图更详细地描述本发明,附图中:

图1a至图1h示出了第一示例性制造工艺的步骤。

图2a至图2p示出了第一示例性制造工艺的其他步骤。

图3a至图3i示出了第一替代方案的第二示例性制造工艺的步骤。

图4a至图4d示出了第一替代方案的第二示例性制造工艺的其他步骤。

图5a至图5c示出了仅在一侧凹入的梳电极的位移的示例。

图6示出了传感器装置的部分线性响应函数。

图7a至图7c示出了关于双凹入梳的完全线性z位移测量的示例。

图8示出了传感器装置的完全线性响应函数。

图9示出了三级(多级)梳结构的示例。

图10a至图10c示出了关于多级梳使能差分探测的完全线性位移测量的示例。

图11示出了关于差分探测的多级梳结构的完全线性响应函数线性。

图12a至图12f示出了多级梳结构的示例性变化方案。

具体实施方式

“器件晶片”是指均质的半导体材料晶片,例如用于创建MEMS器件的可移动部件的硅晶片。

“器件层”是指器件晶片的形成MEMS器件的最终功能层的部分。使用蚀刻工艺制造的器件层在其初始厚度方面通常比器件晶片薄,并且其至少包括MEMS器件的可移动部件和支承结构。器件层包括延伸至器件层的整个厚度的不可移动部件,以及可以凹入至器件层的任一表面下方的可移动部件,因此其厚度小于器件层的厚度。可以例如通过在器件层的至少一个面上形成至少一个浅盆有意地将器件层的一个或更多个部分做得更薄,其中基本平坦的面位于盆的凹入的底部区域内,浅盆与器件层中的可移动部件相比相对较大。在这种情况下,浅盆的平面可以被认为是器件层的(平面)面的一部分,这是因为大的浅凹入对于光刻图案的精确度没有显著影响。

“操作晶片”是指半导体材料晶片,例如被作为刚性底层使用的硅晶片,其上附接并支承有器件层。操作晶片可以用诸如二氧化硅层的保护层覆盖。操作晶片可以被加工以包括例如用于允许用于器件层可移动结构移动的空间的凹入区域。

诸如器件晶片或操作晶片的晶片被图案化和蚀刻,以限定其半导体层中的微机械器件的结构部件。蚀刻需要掩蔽(masking),使得蚀刻仅影响器件晶片的特定区域并且掩蔽阻挡不希望进行蚀刻的区域。可以通过图案化沉积的掩蔽材料或通过在晶片上沉积图案化的掩蔽材料来进行掩蔽。

为了对沉积的掩蔽材料进行图案化,例如可以使用已知的光刻工艺(例如,光学光刻)。光刻法涉及使用光致抗蚀剂材料作为掩模,以便在晶片的表面上产生特定图案,例如用于限定晶片上微加工结构的形状。

光致抗蚀剂是一种通过将其曝光于所需图案形状的光能而可以将其加工成特定图案的光敏材料。可以通过将光致抗蚀剂材料暴露于紫外(UV)光来进行光致抗蚀剂的图案化。一旦光致抗蚀剂已被图案化,晶片将仅在特定区域被光致抗蚀剂覆盖,而晶片的其余部分未被覆盖。光刻是有用的,这是因为它可以非常快地将图案转移到晶片表面。也可以使用直写(direct-write)方法,但是比光刻慢。

利用适合于所使用的掩蔽材料的任何方法来实施掩模去除或掩模剥离。在光致抗蚀剂的情况下,可以使用液体“抗蚀剂剥离剂”,其化学改变光致抗蚀剂材料,使得其不再粘附至基底晶片。替代性地,光致抗蚀剂掩模可以通过对掩模材料进行氧化的含氧等离子体去除。这个工艺称为等离子体灰化,其类似于干法蚀刻。

图1a至图1h示出了在器件晶片(100)的第一面上执行的第一示例性制造工艺的步骤。

术语“侧向”是指结构在xy平面中(即,在由平面器件晶片(100)形成的水平平面中)的投影。术语垂直是指垂直于xy平面并且垂直于由器件晶片(100)形成的平面的z轴方向。

在最终的MEMS产品中,器件晶片(100)的此处面向上的第一面将形成器件层的底面,其面朝向器件层下方的由操作晶片形成的刚性基底层。

在图1a中,存在覆盖有保护氧化层的器件晶片(100)的截面,第一掩模(110)已被图案化在保护氧化层上。因此,保护氧化层用作第一掩蔽的光致抗蚀剂材料。在典型的硅晶片工艺中,该氧化层是硅氧化物(SiO2)层。器件晶片(100)由将成为MEMS器件的功能器件层的均质晶片材料形成。在对第一掩模(110)进行图案化之前,器件晶片(100)以及器件晶片(100)顶部上的保护氧化层或其他适用的掩蔽材料层的表面是平坦的,使得能够利用高精度光刻来创建第一掩蔽层上的图案。

第一掩模(110)已被图案化在第一掩蔽层上。图案化的第一掩模(110)的线宽(w1)限定了在材料层中待蚀刻的结构之间的侧向距离。第一掩模(110)还限定了较大结构的轮廓。在该截面中,我们可以将第一掩模(110)的图案视为氧化层的区域,此处掩蔽层已被去除并且器件晶片被暴露以用于随后的蚀刻。通过使用高精度光刻法来创建高精度第一掩模(110),可以形成典型的线宽(w1')为2μm的图案。基于设计,图案的线宽(w1')可以在1μm和8μm之间变化。应该理解,设计可以包括具有不同宽度的线。通过使用单个高精度第一掩模(110),可以高精确度地限定器件层的所有关键结构(例如垂直梳)之间的侧向距离。

图1b描述了使用如图1a所示的第一掩模(110)来蚀刻第一沟槽(200)之后的结果。这些第一沟槽(200)限定了器件层中的结构的最终侧向尺寸。第一沟槽(w1)的宽度等于所有关键结构之间(也就是将在器件层内的不同高度上创建的任何结构或具有不同厚度的结构之间)的预设水平间隙。由于蚀刻工艺的底切和/或任何其他已知的非理想性,第一掩模(110)的线宽(w1')可能与由第一沟槽(200)限定的结构的预期侧向距离(w1)稍微不同。虽然了解蚀刻工艺的可能在器件晶片的面积上变化的非理想性,但是可以设计第一掩模(110)使得第一沟槽的最终宽度(w1)足够精确。第一沟槽(200)的深度(d1')应至少等于器件层的预期最终厚度(d1),但其可以大于器件层的预期最终厚度。例如,第一沟槽的深度(d1')可以例如在约35μm与50μm之间,但是可以基于器件层设计和性能要求来选择任何其它合适的深度。

为了能够创建优质的垂直侧壁,优选使用称为深反应离子蚀刻(DRIE)的方法来蚀刻第一沟槽(200),这是因为知晓其是用于制造沟槽的垂直侧壁,使得对于所蚀刻的第一沟槽(200)而言可以保持所使用的高精度第一掩模(110)的良好精度的良好方法。DRIE是反应离子蚀刻(RIE)的特殊子类。它是一种通常用于在晶片/基底中创建深度穿透、陡峭侧部的(steep-sided)孔和沟槽的高度各向异性的蚀刻工艺。当然,RIE“深度”取决于应用。在MEMS中,DRIE通常用于从几微米到0.5mm的任何物体。在这个工艺中,实现了具有几乎垂直的侧壁的数百微米的蚀刻深度。另一种被称为“博世(Bosch)工艺”的技术是DRIE蚀刻的替选方案。在博世工艺中,两种不同的气体组合物在反应器中交替。

由于该蚀刻是在平坦的块体晶片上进行的,并且不存在关于蚀刻步骤的其它因素或特殊限制,所以该工艺可以容易地被优化以用于控制关键尺寸(即侧向距离)的变化以及用于倾斜性能,从而得到微机械器件的待创建于器件层上的所有可移动部件的精确尺寸轮廓。

当所有结构(凹入的或非凹入的)均可以在这个工艺中利用该单一的蚀刻阶段侧向限定时,所有的器件层结构均变成以高精度彼此侧向自对准,而与例如使不同的器件层结构从器件层的不同面凹入的后续步骤无关。

在图1b中可以注意到,第一掩模(110)材料层厚度在蚀刻第一沟槽期间略微减小。这是在蚀刻工艺中的正常现象,并且通过具有足够厚的第一掩模层,使得掩模材料层在整个第一蚀刻阶段中保留在第一掩模(110)中,这不会导致蚀刻图案的精确度降低。

图1c示出了制造工艺的下一步骤,其中初始的第一掩蔽层被去除。现在只有具有经蚀刻的第一沟槽(200)的单纯的(plain)器件晶片(100)。该掩模去除可以通过如前所述的合适的蚀刻工艺来实现。

图1d示出了使用沉积材料填充第一沟槽(200)的步骤。在该示例中,使用TEOS氧化物(四乙基正硅酸酯)作为填充的前驱体。TEOS是具有易于转化成二氧化硅SiO2的显著特性的化合物Si(OC2H5)4。作为填充工艺的结果,第一沟槽(200)将填充有二氧化硅SiO2。还可以使用硅烷作为二氧化硅的前驱体,并且可以通过有利于单层沉积的CVD在干式非质子条件下将硅烷施加至基底。硅烷是饱和的硅氢化合物,通式为SinH2n+2。最简单的硅烷是具有化学式SiH4的无机化合物。硅烷还可以指多种含硅化合物,例如三氯硅烷(SiHCl3)和四甲基硅烷(Si(CH3)4)。在适当的条件下,几乎所有的硅烷都可以以气相施加至基底。

TEOS氧化物填充工艺的使用创建了对所填充的第一沟槽(200)的可用最大宽度(w1)的限制因素。这是因为已经发现TEOS氧化物填充工艺可以可靠地填充在1μm至8μm范围内的间隙。已经发现,用于TEOS填充工艺的表现良好的沟槽宽度(w1)为2μm,这也实际上提供了MEMS器件的可移动部件之间的水平距离的非常适合的值。

由于目前使用的TEOS填充工艺的特性,如图1a和图1b所述产生的第一沟槽(200)的最大线宽(w1)实际上受到限制,而第一沟槽(200)待被填充以通过填充步骤使器件晶片(100)返回为刚性结构,并且使得能够再次具有平坦的第一面以用于后续加工步骤。然而,这不是问题,这是因为通过使用第一掩模和第一蚀刻来限定较大区域的轮廓,也可以精确限定较大的区域。在后续蚀刻步骤中,将去除任何较大区域中的多余材料。随着技术进步,可以允许更宽或更窄的沟槽。

为了使得能够利用如图1b所示的第一沟槽(200)的蚀刻来精确地限定器件层的所有结构,在蚀刻第一沟槽(200)期间仅蚀刻大结构的轮廓,但是较大的区域保持原样。由此,可以在已填充第一沟槽之后在刚性基底和器件晶片(100)的基本上平坦的第一表面上执行接下来的加工步骤以进行进一步加工。

在填充第一沟槽(200)期间,薄的二氧化硅SiO2层(130)构建在器件晶片(100)的顶部上。

图1e示出了在已经从器件晶片(100)的第一面去除在填充第一沟槽(200)期间构建在器件晶片(100)的第一面上的薄的硅氧化物层(130)之后的器件晶片(100)。该去除可以例如通过如前所述的蚀刻来实现。尽管在该薄二氧化硅层蚀刻步骤期间在第一沟槽(200)的顶部处的填充材料可能发生一些轻微消减(decay),但是器件晶片(100)仍然形成刚性基底用于后续加工,并且器件晶片(100)的第一面(其上露出有由经填充的第一沟槽(200)形成的图案)仍然可以被认为是基本上平坦的。

图1f示出了制造工艺的步骤,其中第一凹入掩模(120)被图案化在器件晶片(100)的第一面上。该图案化可以以如上所述的各种方式来实现。该第一凹入掩模(120)限定器件晶片(100)的对应于器件结构的区域,该器件结构的在器件晶片(100)的第一侧处的表面应该凹入器件晶片(100)的第一表面下方。这些结构也将凹入器件层的第一表面下方。该第一凹入掩模(120)的对准的精度要求由第一沟槽(200)的最小线宽(w1)限定。在示例性设计中使用的例如示例性的2μm以内的对准可以利用现代方法很好地实现。第二掩模可以包括光致抗蚀剂层。

图1g示出了第一凹入蚀刻步骤之后的器件晶片(100)。保持为暴露于蚀刻(即,没有被第一凹入掩模抗蚀剂层(120)覆盖)的器件晶片区域现在已经被蚀刻至第一凹入深度(d2),从而形成第一凹入沟槽(220)。该蚀刻可以使用DRIE蚀刻进行。第一凹入深度(d2)小于填充二氧化硅的第一沟槽(200)的第一深度(d1'),使得所创建的第一凹入沟槽(220)比第一沟槽(200)浅。在示例中,第一凹入深度(d2)可以为20μm。第二深度等于经蚀刻器件结构在器件晶片(100)的第一面下方的预期凹入深度,该器件晶片(100)的第一面也将是最终器件层的第一面。第一沟槽(200)中的填充在第一凹入蚀刻步骤期间基本上保持完整。尽管在图1g中,所有第一凹入沟槽(220)已经被蚀刻在由第一沟槽(200)限定的区域之间,但是也可以在其它位置中蚀刻其他第一凹入沟槽(220)。然而,这样的其他第一凹入沟槽(220)的对准将取决于第二掩模(120)的对准,并且因此该对准与由第一沟槽(200)限定的结构的对准相比可能较不准确。

图1h示出了在器件晶片(100)的第一面上执行的最后步骤,即去除第二掩模层(120),由此使器件晶片(100)在器件晶片(100)的第一面处露出以进行进一步处理。

现在通过将器件晶片(100)翻转,使得器件晶片的第二面在顶部而继续制造工艺。这在图2a中示出。器件晶片(100)的结构在图1h与图2a之间没有变化,仅取向改变。

图2b和图2c描述了第一示例性制造工艺的下一阶段,其中将器件晶片(100)附接至操作晶片(300)。在示例中,该附接可以通过熔融接合来实施。操作晶片(300)已经通过在操作晶片中蚀刻相对较大但较浅的腔(350)来制备,腔(350)提供用于器件晶片的可移动部件的预期垂直移动的空间。操作晶片(300)还具有悬置结构(355),其中器件晶片(100)将附接至该悬置结构(355),以将器件晶片(100)的各个附接部分悬置于固定位置。在操作晶片(300)的面上存在例如有利于熔融接合工艺的二氧化硅层(310)。器件晶片(100)的具有可移动元件的区域与操作晶片(300)中的腔(350)对准。器件晶片(100)和操作晶片(300)的对准的精确度要求可以是例如5μm,以确保操作晶片(300)中的悬置结构(355)和腔(350)可以满足其预期功能。

图2d描述了制造工艺的可选附加阶段。可以在待通过器件层创建至少一个电插入件(plug)或通孔,以允许将操作晶片(300)耦合至特定电位时使用该选项。如果要创建这样的插入件,则首先将器件晶片(100)研磨至厚度(d1+da),其比器件层的最终目标深度(d1)大(da),并且还比第一沟槽(200)的深度(d1')大。差(da)可以是例如约10μm。

图2e示出了可选的附加插入件创建工艺的结果。已经穿过整个器件晶片(100)层并且还穿过器件晶片(100)与操作晶片(300)之间的硅氧化物层(310)创建了插入件(170)。在分层硅结构中创建插入件(170)是本领域技术人员知晓的,并且在用于创建这样的插入件的步骤不构成所要求保护的发明的必要或整体部分时,省略详细描述。插入件可以例如由具有应用特定导电特性的金属或经掺杂的多晶硅制成。

图2f示出了以下步骤:将器件晶片的厚度减小至与微机械器件层的预期最终厚度(d1)相对应的厚度,该预期最终厚度小于或等于第一沟槽(200)的最小深度(d1')。该厚度减小可以在阶段2c之后的一个阶段中(例如当不需要用于创建插入件的中间步骤时)实施。减小步骤可以包括多种处理方法,例如研磨和抛光。如果已创建插入件(170),则可能需要多于一个的减小厚度的阶段。在示出于图2d和图2e中的其中至少一个插入件(170)被包括在微机械器件设计中的第一附加实施方案中,在阶段2d中有意保持完整的器件晶片(100)的剩余的过多厚度(da)现在被研磨掉和/或抛光掉,使得器件晶片(100)的厚度现在等于器件层的最终目标厚度(d1)。例如,器件晶片(100)的厚度(d1)现在可以是40μm,但是可以基于微机械器件及其器件层的设计来选择任意其它厚度。

现在露出器件晶片(100)的第二面用于加工。在抛光之后,在器件晶片(100)的第二面处露出填充的第一沟槽(200),使得在器件晶片(100)的平坦的第二面中显现侧向自对准轮廓。现在器件晶片(100)可以准备用于从第二面蚀刻。类似于在第一面上对第一掩模和第二掩模进行图案化,平坦的第二面允许在第二面上对掩模进行相当精确的图案化。然而,掩模图案化的对准无需非常精确,这是因为器件结构的侧向尺寸的所有关键对准已经由经填充的第一沟槽(200)限定。经填充的第一沟槽(200)的宽度(w1)设定了在器件晶片(100)的第二面上的后续掩模图案化步骤的对准精确度的要求。应当注意,虽然将在下文就器件晶片(100)的第二面进行讨论,但是这不是器件晶片(100)的初始的第二面,而是晶片在第二侧上(与第一面相反)的面,其通过研磨和抛光步骤2f或通过一系列研磨和抛光步骤2d至2f而创建。

在步骤2g中,在器件晶片(100)的第二面上生成新的二氧化硅SiO2层(210)。一种可能的沉积方法是热氧化,在此情况下,在所露出的硅区域上构建热SiO2掩模层,仅使经填充的第一沟槽(200)区域开放,从而为随后的光刻对准程序提供表面对比度。将利用光致抗蚀剂图案化对器件晶片(100)的第二面上的该二氧化硅层(210)进行图案化以形成第二凹入掩模(210a)。

在当前实施例中,将创建双层掩模。在该第一示例性制造工艺中,将在器件晶片(100)的第二面上使用双掩模蚀刻工艺,以用于在器件晶片(100)的第二面上执行后续蚀刻步骤,以允许蚀刻凹入至器件晶片(100)的第二面下方的不同深度的图案,并且甚至完全去除一些区域中的器件晶片。关于双掩模蚀刻工艺,参考如下工艺:在器件晶片(100)的同一表面上依次使用至少两个不同的掩蔽层,该掩蔽层用于在两个不同的阶段中执行蚀刻,以产生具有从器件晶片(100)的同一面的不同凹入量的结构。双掩模蚀刻工艺包括至少一个中间蚀刻步骤(在当前实施例中,在图2k至图2l中所示的阶段之间的蚀刻)和最终的凹入蚀刻步骤(在当前示例中,在图2m至图2n中所示的阶段之间的蚀刻),其中中间蚀刻步骤用于在最终的凹入蚀刻步骤期间被蚀刻区域的子集上。中间掩模层覆盖将于最终的凹入蚀刻步骤中被蚀刻的一些区域,但是使通过“下”掩模露出的区域的子集暴露于中间蚀刻,即,“下”掩模与相应的中间掩模在器件晶片的同一面上并定位成更靠近器件晶片(100)。在该示例性工艺中,在双掩模蚀刻工艺中使用一个中间蚀刻步骤,此方法因此得名,但是在不脱离范围的情况下,对于甚至更多的中间掩模层和中间蚀刻步骤可以使用相同的原理。如果使用不止一个中间蚀刻步骤,则可能在已经具有一些凹入区域的非平面表面上图案化至少一个中间掩模,由此对于附加的中间掩模,可能造成一些增加的不精确性。

接下来我们将描述其中使用两个不同的凹入深度(在器件晶片(100)的第二面的表面下方的第二凹入深度(d3)和第四凹入深度(d5))的双掩模蚀刻工艺。在当前示例中,第四凹入深度(d5)等于如步骤2f中使器件晶片(100)的厚度减小之后的器件晶片(100)的整个厚度,使得器件晶片(100)的厚度等于器件层的目标厚度(d1),这意味着在被蚀刻至第四凹入深度(d5)的位置中,器件晶片材料将被完全去除。由第二凹入深度(d3)限定的凹入小于器件层的厚度(d1)。例如,第二凹入深度(d3)可以等于15μm,并且第四凹入深度(d5)可以为50μm。

在另一设计中,可以不需要创建这样的双层掩模来实现从器件晶片(100)的第二面的不同蚀刻深度,而是单个蚀刻步骤将足以产生器件晶片(100)的第二面的所需凹入区域。在此情况下,可以使用步骤2g、2h、2i、2j和2n对第二面进行图案化,省略下述任意中间步骤。

在图2h中,在器件晶片(100)的第二面上对第二光致抗蚀剂掩模(240)进行图案化。该第二光致抗蚀剂掩模(240)可以由通过光刻创建并且图案化的第一光致抗蚀剂层制成。第二光致抗蚀剂掩模(240)最初限定器件晶片的对应于器件结构的所有区域,该器件结构的在器件晶片(100)的第二侧处的表面将凹入至器件层的第二表面下方(即,凹入深度d3和d5),但第二光致抗蚀剂掩模不直接用于蚀刻这些区域中的任一者。相反,第二光致抗蚀剂掩模(240)用于在二氧化硅层(310)上产生第一凹入掩模,其稍后将用于蚀刻图案。在该阶段,器件晶片(100)的第二面上的二氧化硅层(210)仍然是完整的,并且其在第四掩模(240)图案的开放区域中露出。

第二光致抗蚀剂掩模(240)的对准精度由第一沟槽(200)的最小线宽(w1)限定。在示例性设计中使用的例如示例性的2μm内的对准可以使用现代方法很好地实现。

在图2i中所示出的步骤中,二氧化硅层(210)被部分地去除,换言之,从二氧化硅层(210)的暴露于蚀刻的区域去除二氧化硅层(210),例如在其中利用第二光致抗蚀剂掩模层(240)创建的掩模具有使二氧化硅层(210)暴露于蚀刻的孔的区域中。所露出的二氧化硅层(210)的这些区域可以例如通过干法蚀刻去除。二氧化硅层(210)现在形成预期的第二凹入掩模(210a),其随后将用于蚀刻可以具有不同凹入深度(d3,d5)的凹入沟槽。现在,将凹入器件晶片(100)的第二面下方的区域中的器件晶片硅是可见的并且被露出以进行进一步加工。

在图2j所描述的步骤中,用于图案化第二凹入掩模(210a)的第二光致抗蚀剂掩模(240)被剥离,使器件晶片硅的第二凹入掩模图案(210a)露出。可以使用如前所述和/或本领域技术人员已知的适合于去除所使用的掩模材料的任何方法来实施该剥离。

在图2k中,光致抗蚀剂材料的第二中间掩模(250)被图案化在器件晶片(100)的第二面上的第二凹入掩模(210a)的顶部上。该第二中间掩模(250)限定其中将器件晶片(100)材料蚀刻至器件晶片(100)的第二面下方的第四凹入深度(d5)中的区域。可以注意到,通过第二中间掩模(250)暴露于蚀刻的区域是通过第二凹入掩模(210a)露出的区域的子集。在该示例中,该第四凹入深度(d5)等于器件层的整个深度(d1),使得在将器件晶片(100)的厚度减小为等于器件层厚度(d1)之后在这些区域中的任何剩余器件晶片材料将通过蚀刻被完全去除。通常,这些可以是一些较大的区域。待去除的区域的轮廓由第一沟槽(200)限定,使得这些区域的位置也与器件层中的所有剩余结构非常精确地对准。第二中间掩模(250)的对准精确度与由第一沟槽(200)的最小线宽(w1)限定的任何其它掩模相似。在示例性设计中使用的例如示例性的2μm内的对准可以使用现代方法很好地实现。

在图2l中,执行中间蚀刻步骤,其中器件晶片的材料被蚀刻至第一中间深度(di)的区域稍后将被进一步蚀刻至更深的深度,例如第四凹入深度(d5)。在该示例性实施方案中,首先蚀刻至中间深度(di)的这些区域中的材料随后将在随后的蚀刻阶段中通过蚀刻被完全去除。换言之,第四凹入深度(d5)等于器件层的深度(d1)。这些区域首先被蚀刻至所限定的中间深度(di),其小于器件晶片的当前厚度(d1)。在最终的器件层厚度为50μm的示例性设计中,该中间深度(di)可以等于40μm。所使用的中间深度(di)可以针对掩蔽工艺的精确度进行优化。中间蚀刻步骤越深,第二中间掩模(250)必须越厚,这是因为掩模层也受到蚀刻工艺的影响。虽然可以将掩模制得更厚,但是掩模的精确度将随着掩模光致抗蚀剂材料层的厚度而减小。因此,对掩模层厚度进行调整以使对准精确度的要求与所允许的蚀刻深度之间达到平衡。

图2m示出了在已经去除第二中间掩模(250)之后,露出图案化的第二凹入掩模(210a)(其在结合图2j描述的步骤中创建)的阶段。如上所述,可以通过本领域技术人员已知的任何方法来实现第二中间掩模(250)的去除。

图2n描述了创建至少第二凹入沟槽的第二凹入蚀刻步骤。在该步骤中,使用由硅氧化物层(210)形成的第二凹入掩模(210a)作为用于蚀刻的图案。优选地使用干蚀刻法(例如,DRIE蚀刻)进行该蚀刻阶段。在该步骤中,器件晶片(100)的与其表面在器件晶片的第二侧的器件结构相对应的区域(被称为第二凹入沟槽)凹入至器件晶片(100)的第二面下方的第二凹入深度(d3)。同时,在蚀刻第二凹入沟槽的同时,最终将第四凹入沟槽的其中器件晶片材料待凹入至器件晶片(100)的第二面下方的第四限定凹入深度(d5)的区域蚀刻至其最终深度。这是因为第二凹入掩模(210a)既露出第二凹入沟槽的区域又露出在中间蚀刻步骤期间蚀刻至所限定的中间深度(di)的已创建的第四凹入沟槽的区域。在当前的实施例中,这意味着穿过器件晶片(100)蚀刻这些区域,从而去除器件晶片(100)材料。

可以凹入至器件晶片的第二面下方的第二凹入深度(d3)的结构部件的示例为例如梳或者梳(260)的指和弹簧(270)。弹簧(例如,弹簧270)甚至可以凹入至器件晶片(100)的第一面和第二面二者的下方,使得它们将凹入至最终器件层的第一表面和第二表面二者的下方。这样的双侧凹入的弹簧可以具有低的弹簧常数,换言之,其可以被表征为相对松的弹簧。在该第三蚀刻步骤期间也可以使可移动质量块被图案化有具有第二凹入深度(d3)的凹入的沟槽(255)以用于各种目的。例如,可以在可移动质量块中创建沟槽(255),以使可移动质量块更轻,或者可以使用沟槽(255)来补偿由归因于制造工艺的非理想特性的结构不准确性而引起的可移动质量块的非理想移动。

在图2n中描述的第二凹入蚀刻步骤之后,可以在步骤2o中,连同从第一沟槽(200)去除二氧化硅沉积材料,以及从微机械器件结构的任何其它未覆盖表面去除二氧化硅涂层(例如,操作晶片(300)的腔(350)的面上的二氧化硅涂层)一起,去除形成第二凹入掩模(210a)的二氧化硅层。通过使用诸如氢氟酸(HF)蒸气或湿式HF工艺的气相或湿式蚀刻技术,可以甚至从器件晶片下方去除氧化物。该阶段的结果如图2o所示。微机械器件的所有可移动部件(不管是否凹入)现在能够按照预期的方式移动,并且由原来是单一均质器件晶片(100)的均质晶片材料制成,并且虽然可移动部件的所有垂直边缘通过第一沟槽(200)的蚀刻限定,但是不同可移动元件的垂直面的表面结构是相似的,这是因为这些表面已经在相同蚀刻步骤中创建,这种相似性进一步增强了可移动元件(例如,梳电极)之间的电场中发生的电效应的均匀性和线性。

图2p描述了第一示例性微机械器件制造工艺的最终步骤,其中将保护性盖晶片(400)放置在器件晶片(100)的顶部上,以使器件晶片(100)的可移动元件对外部世界密封。盖晶片(400)结构可以包括腔(401),以向可移动元件提供移动所需的空间。此外,盖晶片(400)可以包括盖电极(402),其可以是例如金属电极。盖电极(402)例如可用于微机械元件的驱动和检测目的。可以使用密封材料(405)(例如,玻璃)将盖晶片(400)与器件晶片(100)附接。

在第二示例性实施方案中,利用与关于图1a至图1h和图2a至图2p所述的第一示例性制造工艺相同的原理,但是进一步开发该工艺,以制造具有多级梳结构的微机械器件。现在,在器件工艺的两个面上使用双掩模蚀刻工艺,从而可以在器件层的两个面上限定不同的凹入深度。在第二示例性实施方案中执行的大多数制造步骤与第一示例性实施方案类似。因此,将简要地通过参考结合第一示例性制造工艺描述的工艺来描述第二示例性制造工艺的部分。

第二示例性制造工艺开始于如图1a所示的利用第一掩模(110)来限定结构之间的侧向距离和较大结构的轮廓。

图3a对应于图1b所示的制造工艺阶段。使用与结合图1b所述类似地图案化的第一掩模(110)来蚀刻第一沟槽(200)。这些第一沟槽(200)限定器件层中结构的最终侧向尺寸。器件晶片(100)是用第一掩模(110)覆盖的实心、均质的硅基晶片。第一沟槽具有等于或大于器件层的目标厚度(d1)的深度(d1')。

在仍未处理的器件晶片(100)的体积内已经使用线,以示出第二示例性制造工艺中的目标结构,包括多级梳结构。应当理解,虽然这些区域对应于整个制造工艺的计划结果结构的截面,但是在已经执行所述工艺之前,这些结构实际上不存在于器件晶片(100)中。仅结构的垂直边缘已被第一沟槽(200)轮廓化。在后面的制造步骤中将形成多个第一定子(510)、第二定子(511)和转子(512)。应当理解,虽然在图示中已示出,但这些结构仅仅已在侧向维度上由第一沟槽(200)轮廓化(outlined),并且其由原始的均质器件晶片(100)材料组成,但是这些目标结构将在第二示例性制造工艺期间分阶段地形成。

第二示例性制造工艺中的下一步骤对应于图1c中所示的步骤,在此去除原始的第一掩蔽层,并且接着根据图1d使用沉积材料来填充第一沟槽(200)。

为了创建具有从器件晶片(100)的第一面的变化的凹入的结构,在器件晶片(100)的第一面处通过图3b至图3i所示的步骤执行双掩模蚀刻工艺,之后将器件晶片(100)翻转为倒置并在第二面上执行其他制造步骤。

图3b示出了第二示例性制造工艺中的下一步骤。在该图中,为了清楚起见,图中已不包括目标结构的图示。在构建于器件晶片(100)的第一面上的薄硅氧化物层(130)的顶部上,对光致抗蚀剂材料的第一光致抗蚀剂掩模(340)进行图案化。该图案化可以以如上所述的各种方式来实施。该第一光致抗蚀剂掩模(340)限定器件晶片(100)的与器件结构相对应的区域,该器件结构的表面在器件晶片(100)的第一侧处应凹入至器件晶片(100)的第一表面下方的任何深度。这些结构也将凹入至器件层的第一表面下方。第一光致抗蚀剂掩模(340)的对准的精度要求由第一沟槽(200)的最小线宽(w1)限定。在示例性设计中使用的示例性的2μm内的对准可以使用现代方法很好地实现。然而,使用第一光致抗蚀剂掩模(340)对薄硅氧化物层(130)进行图案化,其随后将被用作由第一光致抗蚀剂掩模(340)限定的图案的实际凹入蚀刻掩模。可以注意到,该步骤类似于步骤2h,不同之处是现在第一光致抗蚀剂掩模(340)被图案化在器件晶片(100)的第一面上以及在TEOS填充工艺期间产生的二氧化硅层的顶部上,由此对将凹入至器件晶片(100)的第一面下方的区域进行图案化。

图3c示出了下一阶段,其中通过在由第一光致抗蚀剂掩模(340)露出的区域中从器件晶片(100)的第一面上的二氧化硅层去除材料而对在填充第一沟槽(200)期间构建在器件晶片(100)的第一面上的薄二氧化硅层(130)进行图案化。该去除可以例如通过如前所述的蚀刻来实现。可以注意到,该阶段类似于第一示例性制造工艺中的阶段2i,不同之处在于,相反地从器件晶片(100)的第一面部分地去除氧化硅层(130),所述氧化硅层(130)在与图1d相对应的阶段中的沉积层创建期间构建。

在图3d中,去除第一光致抗蚀剂掩模(340),使在结合图3c描述的步骤中创建的图案化的第一凹入掩模(130a)露出。如上所述,去除第一光致抗蚀剂掩模(340)可以通过本领域技术人员已知的任何方法来实施。可以注意到,该阶段类似于阶段2j,不同之处在于,从器件晶片(100)的第一面去除第一光致抗蚀剂掩模(340)。另一方面,使用的术语第一凹入掩模(130a)将该掩模层与第一示例性实施方案的第一凹入掩模(120)相关联,这是因为这两个掩模均用于限定待通过单一蚀刻阶段凹入在器件晶片(100)的第一面上的区域。由此,这些第一凹入掩模(120,130a)的目的是共同的,不过其可以由不同的材料组成。

图3e示出了第二示例性制造工艺中的下一步骤。对在器件晶片(100)的第一面上的第一凹入掩模(130a)的顶部上的第一中间掩模(350)(在该示例中包括光致抗蚀剂材料)进行图案化。该图案化可以以如上所述的各种方式来实施。对于第一中间掩模(350)的材料的要求是应该可以使用不会显著影响第一凹入掩模(130a)的方法来去除。该第一中间掩模(350)限定器件晶片(100)的对应于器件结构的、可称为第三凹入沟槽的区域,该器件结构的表面在器件晶片(100)的第一侧处将凹入至相对地远低于器件晶片(100)的第一表面。这些结构也将凹入至器件层的第一表面下方。例如,这样的结构可以包括第一定子(510)的凹入区域。第一中间掩模(350)还覆盖器件层(100)的第一面的由第二掩模(130a)露出的选定部分。这些区域对应于将以相对小的量凹入至器件层的第一表面下方的区域,换言之,凹入得比由第一中间掩模(350)限定的结构少。这些区域对应于第一示例性实施方案中的第一凹入沟槽(220)。例如,这样的结构可以包括转子(512)或转子的一部分。第一中间掩模(350)的对准的精度要求由第一沟槽(200)的最小线宽(w1)限定。在示例性设计中使用的示例性2μm内的对准可以使用现代方法很好地实现。再次,可以发现该阶段类似于第一示例性制造工艺的阶段2k,不同之处在于,第一中间掩模(350)被布置在器件晶片(100)的第一面上,由此限定了器件晶片(100)的第一面上的区域。

图3f描述了下一阶段,其中在器件层的第一面上执行第一中间蚀刻步骤,其中器件晶片(100)的材料被蚀刻至第一中间深度(di)的区域稍后将进一步被蚀刻至第三凹入深度(d4)。在该第二示例性实施方案中,首先被蚀刻至第一中间深度(di)的这些区域中的器件晶片(100)材料将被蚀刻至相对较深的第三凹入深度(d4),但不会如第一示例性实施方案穿过整个器件层。这些区域被蚀刻至限定的第一中间深度(di),其小于器件晶片的当前厚度并且小于器件层的预期厚度(d1)。在最终器件层厚度为35μm的水平的示例性设计中,该中间深度(di)可能等于15μm。所使用的中间深度(di)可以就掩蔽工艺的精确度进行优化。中间蚀刻步骤越深,第一中间掩模(350)必须越厚,这是因为掩模层也受到蚀刻工艺的影响。虽然可以将掩模制得更厚,但是掩模的精确度将随着掩模光致抗蚀剂材料层的厚度而减小。因此,调整第一中间掩模层(350)的厚度,以平衡对准精确度的要求和由所使用的掩模进行蚀刻的允许深度。可以注意到,图3f所示的阶段类似于早先在阶段2l中描述的阶段,不同之处在于,在器件晶片(100)的第一面上执行该中间蚀刻步骤。器件晶片(100)的不同面上的中间蚀刻阶段的深度(di,di')可以相同或可以不同。

在图3g中,去除第一中间掩模(350),使在结合图3d描述的步骤中创建的图案化的第一凹入掩模(130a)露出。如上所述,第一中间掩模(350)的去除可以通过本领域技术人员已知的任何方法来实施。再次,可以注意到,该阶段类似于阶段2m,不同之处在于,第一凹入掩模(130a)在器件晶片(100)的第一面上。

图3g还利用在器件晶片(100)的体积中标记的目标结构的标记轮廓示出了第一中间蚀刻步骤的性质。可以注意到,朝向器件晶片(100)的第一面,在第一定子(510)与转子(512)两者的顶部上仍然存在过量的器件晶片材料。将在下一蚀刻阶段(即,在器件晶片(100)的该面上的最终凹入蚀刻)蚀刻掉这种额外的材料。

图3h描述了第一凹入蚀刻步骤,以创建至少多个第一凹入沟槽,并且还增加早先凹入至第一中间深度(di)(因此其深度不对应于预期的第三凹入深度(d4))的第三凹入沟槽的凹入深度。再次,目标最终结构已经在器件晶片(100)的体积中示出,不过结构的朝向器件晶片(100)的第二面的面尚未被处理。在该步骤中,使用由沉积的硅氧化物层(130)形成的第一凹入掩模(130a)作为用于蚀刻的图案。优选使用干法蚀刻法(例如,DRIE蚀刻)进行第二凹入蚀刻阶段。在该步骤中,器件晶片(100)的对应于表面在器件晶片的第一侧的器件结构的区域(即,第一凹入沟槽)凹入至器件晶片(100)第一面下方的第一凹入深度(d2')。我们可以将其称为第一凹入沟槽,这是因为第一凹入沟槽类似于第一阶段1g中创建的第一凹入沟槽(220),因为这些凹入沟槽利用第一凹入掩模创建,并且蚀刻步骤从器件晶片(100)原始的第一面开始。在该示例性设计中,这些区域可以对应于转子(512),其第一面可以至少部分地凹入至器件晶片(100)的第一面下方例如5μm。至少部分地凹入意指一些结构可以具有凹入区域,同时相同的结构可以具有不凹入或凹入至不同深度的区域。在蚀刻第一凹入沟槽的同时,将其中器件晶片材料待凹入至器件晶片(100)的第一面下方的第三凹入深度(d4)的区域蚀刻至其最终深度。在该示例中,这些区域对应于第一定子(510),其第一面可以至少部分地凹入至第三凹入深度(d4),例如凹入至器件晶片(100)的第一面下方20μm的总深度。第三凹入深度(d4)对应于第一中间蚀刻深度(di)和第一凹入蚀刻深度(d2')之和。可以注意到,步骤3h类似于第一示例性制造工艺中的步骤2n,不同之处在于,在器件晶片(100)的第一面上执行该步骤。此外,第三预定凹入深度(d4)小于器件层的预期厚度,使得器件晶片(100)材料层保持在凹入至第三凹入深度(d4)的区域中。

图3i示出了在器件晶片(100)的第一面上执行的最终步骤,即去除第一凹入掩模(130a),从而使器件晶片(100)在器件晶片(100)的第一面处露出以进行进一步处理。现在可以看到,当从器件晶片(100)的第一面观看时,限定有三种结构:未凹入至第一面下方的结构(511),至少部分地凹入至器件晶片(100)的第一面下方的第一凹入深度(d2')的结构(512),以及至少部分地凹入至第一面下方的第三凹入深度(d4)的结构(510),其中第三凹入深度(d4)大于第一凹入深度(d2')。

制造工艺现在通过翻转器件晶片(100),使得器件晶片(100)的第二面在顶部并露出以进行处理而继续。这对应于图2a。应当理解的是,器件晶片(100)的结构与图3i所示的情况没有变化,仅仅是器件晶片(100)的取向改变。

第二示例性制造工艺的下一阶段对应于图2a至图2m中描述的阶段。可以类似于第一示例性制造工艺任选地制造任意数量的通孔或插入件。作为这些阶段的结果,器件晶片(100)被接合至操作晶片(300),并且在研磨和抛光之后,器件晶片(100)的第二面形成使器件晶片材料露出的平坦表面和由填充的第一沟槽(200)形成的图案。可以如第一示例性制造工艺中那样选择第二示例性制造工艺中的最终器件层厚度。例如,可以选择30μm的最终器件层厚度。

图4b示出了对应于图2l的第二示例性制造工艺的阶段。器件晶片(100)现在已经被附接至操作晶片(300)并被研磨和抛光至最终器件层厚度(d1)。在图4b所示的阶段中,在器件晶片(100)的第二面上现在已经执行了第二中间蚀刻步骤,其中器件晶片的材料被蚀刻至第二中间深度(di')的区域,其稍后将进一步蚀刻至第四凹入深度(d4')。可以称这些区域为第四次凹入沟槽。在利用双掩模蚀刻的第二示例性实施方案中,在与首先被蚀刻至第二中间深度(di')的第四凹入沟槽对应的这些区域中的器件晶片(100)材料将被蚀刻至相对较深的凹入深度。首先将第四凹入沟槽蚀刻至第二中间深度(di'),其小于器件晶片的当前厚度并且小于器件层的预期厚度。在最终器件层厚度为35μm的水平的示例性设计中,该第二中间深度(di')可以等于15μm。第二中间深度(di')可以等于第一中间深度(di),但是器件晶片(100)的相反面上的两个中间深度也可以彼此不同。所使用的第二中间深度(di')可以就掩蔽工艺的精确度进行优化。中间蚀刻步骤越深,光致抗蚀剂材料的相应的中间掩模(350,250)必须越厚,这是因为掩模层也受到蚀刻工艺的影响。虽然可以使掩模变得更厚,但是掩模的精确度将随着掩模光致抗蚀剂材料层的厚度而减小。因此,调整掩模层厚度以在对准的精确度和允许的蚀刻深度与使用的掩模之间达到平衡。可以注意到,图3f所示的阶段类似于先前在阶段2l中所示的阶段,不同之处在于与第一中间深度(di)分开限定的第二中间深度(di'),并且这两者根据预期的最终结构可以彼此相等或不同。再次,为了说明的目的,已经在器件晶片(100)的体积中画出线以示出最终结构的轮廓。这些在器件晶片的第一面处的结构中已经容易地限定。然而,在待凹入至器件晶片(100)的第二面下方的任何结构的顶部上仍然存在过量的器件晶片(100)材料。

图4c描述了第二凹入蚀刻步骤,以创建具有第二凹入深度(d3')的至少第二凹入沟槽。在该步骤中,使用由硅氧化物层(210)形成的第二凹入掩模(210a)作为蚀刻图案。该蚀刻阶段优选使用诸如DRIE蚀刻的干蚀刻法进行。在该步骤中,器件晶片(100)的与其在器件晶片的第二侧处的表面凹入至器件晶片(100)的第二面下方第二凹入深度(d3')的器件结构对应的区域,即第二次凹入沟槽。例如,转子(512)至少部分地凹入至第二凹入深度(d3')。在蚀刻第二凹入沟槽的同时,将器件晶片材料待凹入至器件晶片(100)的第二面下方第四凹入深度(d5')的区域(即,第四凹入沟槽)蚀刻至最后的深度。在该第二示例性制造工艺中,第四凹入深度(d5')小于器件层的预期最终厚度,使得第二定子(511)形成为至少部分地凹入至第四凹入深度(d5')。可以注意到,图4c对应于图2n,不同之处在于,由对应于图2n的第二凹入深度(d3)的第二凹入深度(d3')和对应于图2n的第四凹入深度(d5)的第四凹入深度(d5')限定的所选择的凹入量可以以不同于在图2n的示例中使用的值的方式来限定。特别地,图4c的第四限定凹入深度(d5')不等于器件层的厚度。

图4d示出了根据第二示例性制造工艺的器件晶片处理的结果。现在所有的保护和/或掩蔽氧化层已经被蚀刻掉,并且最终的器件层包括可能已经从器件层的任一面凹入变化的量的结构。然而,所有可移动结构由相同的均质器件晶片(100)材料形成,并且它们的在第一沟槽(200)的蚀刻期间在共有制造步骤中产生的侧表面结构也是均匀的。该多级梳结构中的结构的侧向对准是非常精确的,这是因为它完全由第一掩模(110)和第一沟槽(200)限定。现在可以将器件晶片布置在保护盖晶片下方,以保护器件晶片免受外部环境的影响。此外,可以如本领域技术人员已知的那样添加用于驱动和检测的任何所需的电极。

图5和图6描述了问题,图7和图8示出了通过利用图1a至图1h和图2a至图2p中描述的工艺创建的微机械器件结构实现的完全线性z位移测量的益处。

使用所述工艺创建的梳结构可以具有梳电极,其相互侧向对准非常精确,并且其相互垂直位置可以通过制造工艺来设置。我们将用包括至少一个固定的定子电极和移动的转子电极的梳电极对来描述这些益处,固定的定子电极和移动的转子电极二者由相同的均质材料晶片制成并具有相似的表面结构。然而,上述方法甚至允许创建用于梳的两个移动电极,两个移动电极均由相同的均质材料晶片制成并且具有相似的表面结构。优选地,在定子电极与转子电极之间存在预定量的垂直交叠。

在传统的MEMS梳制造工艺中,器件晶片的仅一侧可用于蚀刻。对于任何双侧处理来说,对准都是问题,因此对准已经被避免。

图5a示出了从一侧(顶部)凹入的梳结构中的z位移测量原理的示例。定子(S)现在是固定结构,而转子(R)能够在右侧所示的z轴方向上上下移动。器件层的最终厚度(d1)如图所示。在图5a中,梳处于平衡位置:如果在制造工艺期间电极中的至少之一已经凹入,但是仅从晶片的一侧凹入,则由器件晶片的表面限定的电极的下边缘垂直对准,同时电极的上边缘可以具有不同的高度。在这种情况下,转子(R)已经凹入(超过定子(S)),使得转子(R)的垂直高度小于定子(S)的垂直高度。水平虚线(E)标记处于平衡位置中的电极(S,R)的下边缘的位置,该位置等于器件层的底面。两端水平箭头示出了电极之间的水平电场线,并且弯曲的虚线箭头示出了它们之间的边缘电场。

定子(S)与转子(R)之间的电容仅当电极之间的区域发生变化时发生明显的变化。在图5b中可以看出,当转子(R)因加速度(+g)引起的影响转子(R)的向上力而向上移动时,定子(S)与转子(R)之间的交叠区域不改变。因此,电极之间的水平电场保持不变。仅可以检测到由边缘场的变化引起的一些小的电容变化,但这些不适合用于检测转子(R)的移动或位置的目的。在图5c中,转子(R)因影响其的向下力(-g)而从初始平衡位置向下移动。两个电极之间的电容现在以线性方式减小,这可以看作是水平电场线的变化。

可以看出,图5a至图5c中描述的结构不能够检测转子(R)沿z轴(上或下)在两个方向上的线性位移。

图6还示出了图5a至5c中示出的示例性传感器梳布置的响应函数。影响传感器元件尤其是其转子(R)的加速度示出在横轴上,而输出电压示出在纵轴上。该输出电压与梳电极(R,S)之间的电容成比例。传感器元件的响应功能用虚线表示。在静止(处于平衡)时,传感器元件的输出电压可以被校准,例如以示出零电压,其对应于参考图5a所标记的曲线图的原点。可以理解,该输出电压值可以自由选择,也可以偏离零。当定子(S)与转子(R)之间的交叠区域因如图5c中的负的加速度而减小时,输出电压也线性减小,即接收负的输出电压。然而,问题在于,当定子(S)和转子(R)区域完全交叠时,器件的响应函数变平:在图5b所示的情况下,即使转子(R)移动,传感器的输出电压也保持不变。应该注意的是,相同的原理也适用于驱动目的:通过将交流电压馈送至两个电极,可以调整使梳的可移动部件(转子)移动由两个电极之间的电场引起的力。当电极(S,R)已经完全交叠时改变电极(S,R)的电压不会导致其相对位置的任何显著变化。我们可以说该响应函数是部分线性的。

图7a至图7c描述了通过从器件晶片的两个面凹入的梳电极结构实现的线性z位移测量的示例。该图示可以表示双级梳电极,其中电极中的每一个均从器件层的两面凹入,或可以表示三级或多级梳电极中的一个电极对。z轴的方向在图7a的右侧示出。器件层的厚度(d1)已经在图7a中示出,其对应于上述制造工艺中描述的第一沟槽(200)的最小深度。可以注意到,两个电极(S,R)具有已经凹入至器件层的不同表面下方的水平面:定子(S)已经凹入至器件层的底面下方,并且转子(R)已经凹入至器件层的顶面下方。水平虚线(E)标记处于平衡位置的器件层的下面的位置。可以注意到,定子(S)在这里从该下面凹入,而转子(R)已经从器件层的上面凹入。两端水平箭头示出了电极之间的水平电场线,并且弯曲的虚线箭头示出了它们之间的边缘电场。

梳电极的任意两个指之间的侧向距离是w1,其由第一深沟槽限定。虽然我们已经示出了每个深沟槽具有相同宽度的示例,但是本领域技术人员理解,可以制造第一沟槽具有变化的宽度的微机械器件设计。现在,可以在该结构中构建小于电极(S,R)中的任一者的高度的预设量的交叠,使得在平衡位置中(两个电极都没有移动时),电极具有所限定的量的垂直交叠。当转子(R)因影响其的向上力(+g)而如图7b所示向上移动时,电极指之间的水平交叠区域变小,这也可以看作是水平电场线的减小,并且电容减小。转子(R)因影响其的向下力(-g)而如图7c所示向下移动,电极指之间的区域变大,这也可以看作是水平电场线的增加,并且电容增加。因此,两个方向上的位移导致电容的线性的、可测量的变化,这可以用于测量转子的位移。

平衡位置中的电极的垂直高度与垂直交叠量对于允许保留在每一电极对的线性电容变化区域中的位移量设置了限制。

图8还示出了图7a至图7c所示的多级传感器元件的响应函数的改进的线性。影响传感器元件以使转子(R)位移的加速度在横轴上示出,并且输出电压在纵轴上示出。该输出电压与梳电极(S,R)之间的电容成比例。响应函数用虚线示出。在静止(处于平衡)时,传感器元件的输出可以被校准,例如以示出零电压,其对应于参考图7a所标记的曲线图的原点。当定子(S)与转子(R)之间的交叠区域如图7b所示因正加速度+g而减小时,输出电压线性降低。响应函数上的点7b示出从图7b所示的情况接收的输出电压值。当定子(S)与转子(R)之间的交叠区域如图7c所示因负加速度-g而增加时,输出电压线性降低。可以说传感器装置的输出是完全线性的。定子(S)与转子(R)元件之间的垂直交叠限定了传感器元件的线性响应函数的范围。应该注意的是,相同的原理也适用于诸如致动器的驱动器件。通过使电极的电压可变,在电极之间引起可变电场,以引起转子部件的偏转。当电场的变化是线性的并且梳在线性操作范围内时,转子(R)的位置的变化也是完全线性的。

如图7a至图7c所示的双级梳结构使得能够仅通过一个梳结构来具备完全线性检测。这是一个重要的益处,其仅在多级梳结构的情况下可实现,该多级梳结构具有在至少两个不同指层级上的电极指,这意味着两个电极位于相对于z轴的不同层级(level)上。相对于z轴的这样的不同的指层级可以指电极的顶表面、电极的底表面或甚至电极的垂直中间层级的任何相互关系。因此,在平衡位置中,电极指的水平面处于四个不同的层级上。当处于平衡位置时,电极对的两个指(转子和定子)仅部分地与另一电极指垂直交叠。用于实现相似类型的完全差分检测的替代方案需要更复杂的梳结构,例如组合从如图5a中的两个不同的双级梳布置接收到的信号,其中梳的两个不同电极中的一个水平面在同一层级上垂直地对准。为此,图5a的双级梳布置需要布置成彼此相邻,并且两个梳的电极(定子和转子)的电位交叉连接,使得其具有相反的方向。然而,当与图7a至图7c的双级梳解决方案相比时,这样的方案对两个梳的需要使结构所需的区域大致加倍。

根据图7a至7c的布置中的电容变化的线性可以进一步通过确保梳电极由均质材料制成并且电极的表面具有相似结构来改进。电极表面具有相似结构可以通过确保彼此相互面对的电极的表面以相同工艺创建来实现。

通过电极之间的双侧凹入梳结构区域实现的线性电容变化在两个方向上变化,并且其可以被设计为针对给定的运动方向增加或减小。通过将实现的电容变化改进得更理想,提高了信号线性,从而提供改进的可移动元件性能,例如降低的偏移温度漂移、偏压稳定性、G灵敏度和较高的信号水平。较高的信号水平通过电极中较低的杂散电容和/或固定电容来实现。

线性检测的进一步改进可以通过使用利用第二示例性制造方法产生的多层梳结构来实现,该第二示例性制造方法如上所述在器件晶片的两个面处使用双掩模蚀刻工艺。

图9示出了可以使用所述的第二示例性制造方法制造的三级(多级)梳结构的示例。呈现两个相似的三级梳结构,其之间具有90°的角度旋转,以便说明结构。已经从器件层的两个面凹入的转子(512)结构被附接至具有弹簧(916)的悬置结构(915),弹簧(916)允许转子(512)在z轴方向上移动,即在垂直于由器件层形成的平面的轴的方向上移动。图9的上部示出了如从器件晶片的第二面(xy平面)的方向看的器件层的顶视图,而下部示出了器件的在xz平面中的截面,其示出了由器件晶片(100)形成的器件层、操作晶片(300)和其间的剩余二氧化硅层(310)。该图中的上部和下部的取向也使用左侧示出的坐标示出。

截面A-A'示出了转子(512)和第一定子(510)的相对垂直对准。可以看出,第一定子(510)在垂直方向上仅部分地与转子(512)交叠。因此,由第一定子(510)和转子(512)形成的定子-转子对具有如关于图5和图6所述的线性z替换检测。截面B-B'示出了转子(512)和第二定子(511)的相对垂直对准。可以看出,第二定子(511)仅在垂直方向上与转子(512)部分地交叠。因此,由第二定子(511)和转子(512)形成的定子-转子对也具有如关于图5和图6所述的线性z替换检测。但是当两个定子相互朝向转子的相反面时,电容的变化将在相反的方向上发生。该结构可以说具有三个不同的指层级,换言之,三种类型的电极(转子、第一定子、第二定子)中的每一个位于不同的水平层级上,该水平层级在z轴方向上彼此垂直地分开达非零的距离,并且与相邻电极类型仅部分地垂直交叠。可以相对于电极的顶表面、电极的底表面和电极的垂直中间层级中的任一者来识别相对于z轴的这种不同的层级,换言之,指层级。因此,在平衡位置中时,三级梳的电极指的水平面因此优选地位于至少五个、甚至六个不同的层级。当处于平衡位置时,电极对的两个指(转子和定子)仅部分地与相应的相邻电极指垂直交叠。

截面C-C'示出了定子结构(510,511)可以如何部分地凹入至器件层的任一面下方。替代性地,定子结构(510,511)可以是完全凹入的。截面D-D'示出了转子结构(512)可以如何凹入至器件层的任一面或两面下方设定的量。

图10和图11示出了三级梳结构(例如,图4d和稍后在图12a至图12f中所示的那些结构)的双线性响应函数线性。

首先查看图10a至图10c。使用与上述相同的符号,使得上定子是第一定子(510),下定子是第二定子(511)。应当理解,尽管图10a至10c示出了沿着同一垂直线设置在不同层级上的定子,但是响应函数线性度的相同原理适用于定子不垂直交叠的结构,如图4d和图12a至图12f的示例性三级梳结构所示。例如,图4d的结构可以通过从图10a至图10c所示的每个垂直对准的定子对(510,511)中去除第一定子和第二定子中之一来简单地示出,使得各个转子指(512)之间仅保留单个定子,并且第一定子(510)和第二定子(511)在梳结构中在连续的转子指(512)之间交替。转子(512)最初处于静止状态(处于平衡位置),并且两个定子的输出电压已被校准为原点(B)。已用现在垂直布置在结构中间的虚线(E)标记平衡位置。结构可以被认为是相对于E线的水平而对称的。应当注意,虽然图10a至图10c示出了第一定子(z轴方向已经标记在图10a的右侧,并且该方向共同用于图10a至10c。已经使用水平的双端箭头示出了电极之间的水平电场,并且已经利用电极之间的弯曲的、虚线的双端箭头示出在电极(510,511,512)的垂直端部处或附近的边缘电场。

在图11中,第一定子(510)的响应函数用短划线(dashed line)标记,并且第二定子(511)的响应函数用点线(dotted line)标记。当转子(512)受负加速度(-g)的影响时,转子(512)向负z轴向下移动。这导致转子(512)与第一定子(510)之间的垂直交叠区域减小,并且使转子(512)与第二定子(511)之间的垂直交叠区域增加,如图10b所示。因此,从第一定子(510)接收的输出信号将线性地减小,并且从第二定子(511)接收的输出信号将线性地增加。各个电极对(510,512;511,512)之间的电场变化可以清楚地看作是电场量(强度)的变化。在图10b中示出的位置中接收的输出电压在图11中分别用示例性点A和A'标记。当转子(512)受正加速度(+g)的影响时,转子向上移动,如图10c所示。这导致转子(512)与第一定子(510)之间的垂直交叠区域增加,并且转子(512)与第二定子(511)之间的垂直交叠的面积减小。因此,从第一定子(510)接收的输出信号将线性增加,并且从第二定子(511)接收的输出信号将线性地减小。这在图11中分别用示例性点C和C'标记。输出信号的变化可以被表征为由每个电极对之间的互电容的变化引起的,互电容的变化可以进一步被测量为输出电压的变化。由于两个电极对在加速度的两个可检测方向上产生线性变化的输出信号,所以基于两个电极对的两个完全线性响应函数接收差分输出信号。在平衡时,第一定子(510)的电容Cs1为标称值Cs1=Cs10,第二定子(511)的电容为标称值Cs2=Cs20。当不存在转子运动时,电容匹配Cs10=Cs20。当-g被施加至器件时,转子(512)向负z轴向下移动,使得下第二定子(511)与转子(512)之间的电容Cs2增加,并且上部第一定子(510)与转子(512)之间的电容Cs1减小。因此,如果ΔCs2=ΔCs1,则差分电容为ΔC=ΔCs2-ΔCs1=Cs20+ΔCs2-(Cs10-ΔCs1)=2ΔCs2

图12a至12f示出了可以使用所示的制造方法通过调整器件层的厚度和不同蚀刻阶段的深度来制造的多级梳结构的一些示例性变型。

图12a对应于根据第二示例性制造方法制造的参考结构。转子(512)结构从器件层的两个面均匀地凹入,并且定子(510,511)已经在定子指的区域中凹入。

图12b示出了参考结构的第一变型,其中转子(512)的中心部分(512a)凹入少于转子的指,或者其中转子(512)的中心部分(512a)尚未凹入至器件层的面下方。为了创建在深度上不与任何其它凹入深度中的任一者相匹配的附加凹入,可以对器件晶片(100)的每一侧执行至少一个附加的中间掩蔽和蚀刻阶段。这是关于可以如何增加转子(512)质量块使得在转子(512)中存在更多的可移动质量块的一个示例。例如,在加速度计的情况下,更多的转子质量块意味着更多的垂直位移和更宽的测量范围。替代性地,在转子的中心部分中添加的质量块可以在xy维度上从转子中心部分减小,从而使得转子结构所需的芯片面积较小,从而能够减小整个微机械器件的尺寸。

在图12c中,相比于图12a所示的设计的情况,可以使定子指(510a,511a)(定子的示例性凹入区域)在z维度上较厚,从而相比于如在截面C-C'中可以看出的非常薄的定子梳的情况,允许用于检测z轴方向的移动的较大范围。通过从任一侧蚀刻器件晶片的不同区域的凹入,第一定子指(510a)的下面已垂直地设置为与第二定子指(511a)的上面相同的层级。可以在制造工艺中通过调整不同阶段中的蚀刻深度来调整定子指(510a,511a)的凹入深度,使得不需要附加的制造步骤来实现该结构变化。此外,转子(512)中心已经连同转子指凹入一起从器件层的一个面凹入,并且转子指已经从器件层的另一面凹入超过转子中心。为了创建在深度上不与其他凹入深度中的任一者匹配的一些转子部件的这样的额外的凹入,可以执行至少一个额外的中间掩蔽和蚀刻阶段。

在图12d中,示出了如下结构:转子指(512b,512c)已经交错,使得转子指512b的上边缘与第一定子指(510a)的下边缘的下边缘处于同一层级,并且转子指512c的下边缘与第二定子指(511a)的上边缘处于同一层级。响应函数的一般形式现在是不同的:每个梳电极对具有联想到关于图6描述的响应函数的响应函数,不同之处在于,两个电极对(510a,512b;511a,512c)中的每一个具有与另一个相反的响应函数:当转子(512)向上移动时,第一电极对(510a,512b)的输出线性增长,而第二电极对(511a,512c)的输出为平坦的,反之亦然。在组合时,实现了线性输出响应函数,不过每个电极对(510a,512b;511a,512c)个别地能够检测从平衡位置在仅一个方向上的移动。

图12e示出了结构的另一变型,其中转子指交错与图12d所示的相反。转子指512b和第一定子(510a)的指的下边缘现在处于同一层级,并且转子指512c和第二定子(511)的指(511a)的上边缘处于同一层级。响应函数的一般形式现在与图12d所示的相反。每个梳电极对(510a,512b;511a,512c)具有联想到关于图6描述的响应函数的响应函数,不同之处在于,两个电极对中的每一个具有与另一个相反的响应函数:当转子(512)向上移动时,第一电极对(510a,512b)的输出是平坦的,而第二电极对(511a,512c)的输出线性地减小,反之亦然。在组合时,实现了线性输出响应功能,不过每个梳电极对(510a,512b;511a,512c)分别能够检测从平衡位置在仅一个方向上的运动。

图12f示出了转子(512a)的中心部分已经至少部分地凹入的结构的变型。为了创建在深度上不与任何其他凹入深度相匹配的一些转子部件的这样的额外的凹入,可以执行至少一个额外的中间掩蔽和蚀刻阶段。

尽管这些示例已经示出了主要用于驱动或检测垂直转子运动的结构,但是利用该方法实现的准确的侧向尺寸允许甚至创建适于驱动和/或检测在垂直维度(即,在微机械器件的xy平面中)上运动的结构。在这种情况下,电极之间的电容变化基于电极之间的距离的变化。

通过使用根据本实施方案的自对准双侧制造工艺,梳电极的设计是高度可调整的;可以利用距器件晶片的两个面的蚀刻深度来调整梳电极的垂直交叠的量,并且可以使用限定设计的侧向尺寸的单个高精度掩模来以高精度地调整梳电极之间的相对的仔细设置的侧向(水平)距离。当制造工艺可以限定非常精确的小的侧向距离时,梳电极可以被设计得非常紧密,从而节省芯片面积。

双侧凹入梳结构提供应用设计自由。关键特征之一是所创建的结构可以是质量平衡的;可以使电极的质量相等。无需出于稳定原因而在设计中添加无用(非功能性)质量,并且可以减少xy平面中的微机械器件区域。双侧凹入设计可以完全对称,这导致增加的设计缩小,从而允许较小的结构。在示例性产品中,从传统的单侧凹入结构到新的双侧凹入结构的改变可以将微机械器件元件尺寸降低至多达30%。

在单侧蚀刻工艺的情况下,使用单侧制造工艺在器件中创建从器件晶片的不同面、因此也从器件层的不同面凹入的结构相当困难。一些蚀刻方法(例如,US7214559中描述的方法)使得能够实现从下方凹入的结构,但是该工艺需要额外的沟槽,从而允许将湿式蚀刻技术用于从器件的底侧凹入的结构,这些因为这些结构被水平地蚀刻。

对于本领域技术人员明显的是,随着技术的进步,本发明的基本思想可以以各种方式实现。因此,本发明及其实施方案不限于上述示例,而是可以在权利要求的范围内变化。

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