微机械结构及制作方法与流程

1.本发明涉及微电子器件技术领域，更具体地，涉及一种微机械结构及制作方法。


背景技术：

2.微机电系统mems(micro-electro-mechanical system)其通常包括微机械结构以实现特定的功能。mems通常均包括牺牲层和结构层，通过刻蚀牺牲层(也称释放)，使结构层的下方形成释放空腔，从而使得结构层的部分悬空形成可动结构。一般对于表面加工工艺或者是结构层与牺牲层交替堆叠等类型的释放而言，释放主要沿牺牲层平面方向腐蚀推进，为了缩短释放长度，顺利实现结构释放，通常需要在结构层上设置贯穿结构层上下表面的多个并且分散的释放窗口以供刻蚀剂进入。
3.但结构层上的释放窗口破坏了结构层的完整性，且释放窗口将释放腔体与外界相连，无法使释放腔体内保有特定的气压或气体氛围，进一步地，在结构层上下浮动时，结构层还可能与邻近的结构发生粘连，进而导致结构层无法正常移动，造成器件的失效。
4.因此，亟需设计一种微机械结构以提升结构层的完整性，并减小结构层与邻近结构发生粘附的风险。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种微机械结构及制作方法，以解决现有技术中存在的产品邻近结构粘连导致器件失效，以及无法满足特定需求等问题。提高该微机械机构的完整性、可靠性，并可使释放腔体中保有特定的气压或气体氛围，拓展了使用场景，降低了生产成本，提升了生产效率。
6.根据本发明的一方面，本发明提供一种微机械结构，其特征在于，包括：衬底；第一牺牲层，位于所述衬底上，所述第一牺牲层中形成有第一腔体；主结构层，位于所述第一牺牲层上，所述主结构层包括贯通所述主结构层上下表面的释放窗口以及位于所述释放窗口内的封堵结构；其中，所述第一腔体使所述主结构层的至少部分悬空，所述封堵结构将所述第一腔体密封。
7.优选地，所述封堵结构在所述释放窗口的至少一侧形成凸起。
8.优选地，所述释放窗口的侧壁具有预设的倾斜角度，所述释放窗口的上表面开口大于其下表面开口。
9.优选地，所述第一腔体内包括具有一定压力的气体。
10.优选地，所述衬底还包括凹坑，所述凹坑与所述第一腔体相连，以增大所述第一腔体的体积。
11.优选地，所述封堵结构具有特定的重量，所述封堵结构兼作所述主结构层的配重，通过调整所述封堵结构的重量调节所述主结构层的振动性能。
12.优选地，所述第一牺牲层的材料包括硅的氧化物或磷硅玻璃中的至少一种。
13.优选地，所述主结构层包括多晶硅、单晶硅、无定形硅、氮化硅中的至少一种。
14.优选地，所述第一腔体是通过所述主结构层上的释放窗口对所述第一牺牲层刻蚀形成，所述第一牺牲层的刻蚀工艺包括采用缓冲氧化物刻蚀剂的湿法刻蚀和采用氢氟酸的气相干法刻蚀中的至少一种。
15.优选地，所述封堵结构包括硅的氮化物，所述封堵结构通过化学气相沉积形成。
16.优选地，所述封堵结构通过等离子增强型化学气相沉积形成，所述封堵结构还包括在所述释放窗口下表面形成的凸起。
17.优选地，所述封堵结构通过低压化学气相沉积形成，所述封堵结构还包括覆盖所述第一腔体内表面的密封层。
18.优选地，所述微机械结构还包括：第二牺牲层和第一结构层，所述第二牺牲层和所述第一结构层位于所述衬底与所述主结构层之间，所述第一结构层位于所述第二牺牲层上，所述第二牺牲层中形成有第二腔体，所述第一结构层的至少部分可上下浮动。
19.优选地，所述主结构层上还形成有第三牺牲层和第二结构层，所述第三牺牲层中形成有第三腔体，所述第三腔体位于所述第二结构层与所述主结构层之间，所述第二结构层的至少部分可上下浮动。
20.优选地，所述微机械结构用于mems芯片中。
21.根据本发明的另一方面，还提供一种微机械结构的制作方法，其特征在于，包括：在衬底上形成第一牺牲层和主结构层；在主结构层上形成释放窗口，通过所述释放窗口对所述第一牺牲层进行刻蚀，使所述第一牺牲层中形成第一腔体，所述第一腔体使所述主结构层的至少部分悬空；在所述主结构层上沉积封堵材料，部分封堵材料进入所述释放窗口将所述释放窗口封堵；保留将所述释放窗口封堵的封堵结构，将其余部分的封堵材料去除；其中，所述封堵结构将所述第一腔体密封。
22.优选地，所述封堵结构在所述释放窗口的至少一侧形成凸起。
23.优选地，在所述主结构层上沉积封堵材料的步骤在特定的压力或气体氛围中进行，使得被密封的释放腔体内具有一定的压力或气体氛围。
24.优选地，所述释放窗口的侧壁具有预设的倾斜角度，所述释放窗口的上表面开口大于其下表面开口。
25.优选地，在衬底上形成第一牺牲层和主结构层之前还包括：在衬底上刻蚀形成凹坑，并在所述凹坑中沉积第一牺牲层的材料；通过所述释放窗口对所述第一牺牲层进行刻蚀时，所述凹坑中的所述第一牺牲层的材料同样被去除，通过所述凹坑增大所述第一腔体的体积。
26.优选地，在衬底上形成第一牺牲层和主结构层之前还包括：在衬底上形成第二牺牲层和第一结构层；在第一结构层上形成释放窗口，通过所述释放窗口对所述第二牺牲层进行刻蚀，使所述第二牺牲层中形成第二腔体，所述第二腔体使所述第一结构层的至少部分悬空；在衬底上形成第一牺牲层和主结构层时，所述第一牺牲层位于所述第一结构层上。
27.优选地，该方法还包括：对所述封堵结构进行处理，减小所述封堵结构顶面的面积。
28.优选地，对所述封堵结构进行处理之后还包括：在所述主结构层上形成第三牺牲层和第二结构层；在所述第二结构层上形成贯通其上下表面的释放窗口，通过所述释放窗口对所述第三牺牲层进行刻蚀形成第三腔体，所述第三腔体使所述第二结构层的至少部分
悬空，形成位于所述主结构层上的可动结构。
29.优选地，所述第一牺牲层的材料包括硅的氧化物或磷硅玻璃中的至少一种，所述主结构层包括多晶硅、单晶硅、无定形硅、氮化硅中的至少一种。
30.优选地，所述第一牺牲层的刻蚀工艺包括采用缓冲氧化物刻蚀剂的湿法刻蚀和采用氢氟酸的气相干法刻蚀中的至少一种。
31.优选地，所述封堵结构包括硅的氮化物，所述封堵材料通过化学气相沉积形成在所述主结构层。
32.优选地，所述封堵结构通过等离子增强型化学气相沉积形成，所述封堵结构还包括在所述释放窗口下表面形成的凸起。
33.优选地，所述封堵结构通过低压化学气相沉积形成，所述封堵结构还包括覆盖所述第一腔体内表面的密封层。
34.本发明实施例提供的微机械结构和制作方法，通过将释放窗口进行封堵，实现了特定范围内振动薄膜表面的完整，保证了第一腔体的密封性，使得第一腔体内可以保有一定的压力或者气体氛围，以满足特定的需求，实现特定的器件功能，进一步地，封堵释放窗口的封堵结构还可在主结构层上形成(单侧或双侧的)凸起，这种微小凸起可以防止主结构层在形变或者运动过程中与邻近结构发生粘附，避免器件因粘附而失效；进一步地，该封堵结构还具有特定的重量，可以用于作为配重调整主结构层的振动性能，该封堵结构还可包括覆盖第一腔体内表面的密封层，从而增强腔体的密封效果；第一腔体、释放窗口的尺寸均可根据实际需求进行调整，对释放窗口进行封堵后的主结构层不仅具有更好的完整性，还具有一定的防水性能。
35.本发明实施例提供的封装结构制作方法，其涉及的加工工艺成熟可靠，且简单便于实现，通过简单的处理即可使主结构层的上侧和/或下侧形成防粘附的凸起，还可通过化学气相沉积形成覆盖第一腔体内表面的密封层，增强腔体的密封效果，该制作方法不仅可以满足多种需求，其工艺简单，生产效率也较高。
附图说明
36.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚。
37.图1示出了本发明第一实施例微机械结构的示意图；
38.图2示出了本发明微机械结构的制作流程示意图；
39.图3-6示出了本发明第一实施例微机械结构的制作过程中各阶段的示意图；
40.图7示出了本发明第二实施例的微机械结构的示意图；
41.图8示出了本发明第三实施例的微机械结构制作过程中的示意图；
42.图9示出了本发明第四实施例的微机械结构制作过程中的示意图；
43.图10-13示出了本发明第五实施例微机械结构的制作过程中各阶段的示意图；
44.图14示出了本发明第六实施例微机械结构的示意图；
45.图15a-15c分别示出了本发明第七、第八、第九实施例的微机械结构的示意图。
具体实施方式
46.以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。
47.应当理解，在描述结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。
48.如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在
……
上面”或“在
……
上面并与之邻接”的表述方式。
49.在下文中描述了本发明部分实施例的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。
50.本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
51.图1示出了本发明第一实施例微机械结构的示意图，图中该微机械结构包括：衬底110、第一牺牲层120和主结构层130，其中，第一牺牲层120位于衬底110上，主结构层130位于第一牺牲层120上，第一牺牲层120包括位于主结构层130下方的第一腔体121，主结构层130上包括释放窗口131，第一腔体121通过释放窗口131与外界相连通，第一腔体121是通过释放窗口131对第一牺牲层120的刻蚀形成的。释放窗口131的侧壁为倾斜设置，使得释放窗口131的上开口尺寸大于其下开口尺寸，侧壁的倾斜角度可根据释放窗口131的尺寸等进行调整，以保证释放窗口131能被封堵结构141充分填充且无缝隙，保证封堵结构141将释放窗口131填充后第一腔体121的密闭性，封堵结构141例如只是封堵层的一部分，封堵层设置在主结构层130上，通过对封堵层进行刻蚀，保留释放窗口131区域的封堵结构141，从而实现如图1所示的结构。具体地，封堵层沉积后，对整个封堵层采用干法刻蚀，结合刻蚀终点监控，仅去除主结构层130表面的封堵层，保留释放窗口131内的封堵结构141，实现对第一腔体121的密封，改善微机械结构的完整性。
52.图2为本发明微机械结构的制作流程示意图，图3-图6示出了本发明第一实施例微机械结构的制作过程中各阶段的示意图，图7示出了本发明第二实施例的微机械结构的示意图，下面将结合图3-7对该机械结构的制作流程进行说明。
53.该微机械结构的制作流程包括以下步骤：
54.在步骤s10中：在衬底110上形成第一牺牲层120和主结构层130；该步骤与图3相对应，其中，衬底110例如采用单晶硅或多晶硅为材料，第一牺牲层120例如采用硅的氧化物或磷硅玻璃类材料，由于主结构层130中的部分区域最终作为可以自由形变的可动部件，主结构层130例如为采用多晶硅、单晶硅、无定型硅、氮化硅中的一种或多种材料构成的复合层，以增强主结构层130的力学性能，使其满足使用需求。当然地，该微机械结构也可在其他邻近结构的基础上进行制作，将衬底110替换为非牺牲层的其他邻近结构，在其他邻近结构的基础上制作该微机械结构即可。
55.在步骤s20中：在主结构层130形成释放窗口131，通过释放窗口131对第一牺牲层120进行刻蚀以在第一牺牲层120中形成第一腔体121，使主结构层130的至少部分区域悬
空；该步骤与图4相对应，释放窗口131例如贯通主结构层130的上下表面，释放窗口131的侧壁例如为倾斜设计，倾斜角度根据实际情况进行调整，主要考虑后续沉积封堵材料时，将释放窗口131填满且无缝隙，并且使释放窗口区域尽可能平整。通过释放窗口131刻蚀位于主结构层130下的第一牺牲层120，形成第一腔体121，使主结构层130的至少部分区域悬空可以自由形变，形成振膜等可动机械结构。其中，刻蚀第一牺牲层120例如选用缓冲氧化物刻蚀液进行湿法刻蚀或者采用氢氟酸气相刻蚀。
56.在步骤s30中：在主结构层130上沉积封堵材料140，部分封堵材料140进入释放窗口131将释放窗口131封堵；该步骤与图5相对应，在主结构层130上沉积封堵材料140并覆盖主结构层130，封堵释放窗口131，部分封堵材料140进入释放窗口131形成封堵结构141。其中，封堵材料例如为硅的氮氧化物、氮化物等形成的薄膜，采用化学气相沉积的方式在主结构层130上进行沉积。
57.当然地，还可以通过调节化学气相沉积的工艺参数，在一定压力或者气体氛围下对释放窗口131进行封堵，实现第一腔体121的密封，使得密封的第一腔体121中具有一定的压力或气体氛围，从而获得不同的性能以满足特定的需求。
58.在步骤s40中：保留将释放窗口封堵的封堵结构，将其余部分的封堵材料去除；该去除工艺可以采用整面刻蚀配合终点监控或者定义刻蚀区域后采用光刻方式进行刻蚀；两种工艺分别对应图6与图7。
59.根据图6所示，封堵材料140进入释放窗口131并将释放窗口131封堵，该处的封堵材料140厚度会明显大于主结构层130上其他区域封堵材料140的厚度，故可采用整面干法刻蚀的方式对主结构层130上的封堵材料140进行刻蚀，并进行刻蚀终点监控，在主结构层130上的封堵材料140被去除后终止刻蚀，使释放窗口131中的封堵结构141得以保留，封堵结构141的上表面虽然被刻蚀形成凹形，但并不影响其对释放窗口131的封堵以及封堵的密封性。
60.进一步地，根据图7所示，也可采用光刻工艺对封堵材料140进行刻蚀，定义释放窗口131及周围区域图形，将该区域的封堵材料140在刻蚀过程中全部保留，去除其他区域的封堵材料140，刻蚀停止在主结构层130表面，由于划分了刻蚀区域，释放窗口131及周围区域的封堵材料140将得以保留，释放窗口131中填充的封堵结构141以及封堵结构141上方的凸块142得以保留。优选地，还可将封堵结构141、凸块142兼作为主结构层130的配重，通过调整刻蚀保留区域或封堵材料140的厚度改变配重的重量，从而调节主结构层130的振动特性。
61.图8和图9分别示出了本发明第三实施例和第四实施例的微机械结构在制作过程中的示意图；其中，图8和图9均与步骤s30相对应。
62.具体地，如图8所示，在主结构层130上沉积封堵材料140并覆盖主结构层130，封堵释放窗口131，部分封堵材料140进入释放窗口131形成封堵结构141。其中，封堵材料140例如为硅的氮氧化物、氮化物等形成的薄膜，其采用等离子增强型化学气相淀积(pecvd)的生长方式，实现释放窗口封口；进一步地，封堵材料140部分溢出释放窗口131在释放窗口131的下端形成凸起143；并同时在第一腔体121的底面(衬底110的上表面)形成与凸起143对应的凸起144，上述的凸起结构可以避免主结构层130在形变或者运动过程中与邻近结构粘附，
63.类似地，如采用低压化学气相淀积(lpcvd)方式沉积(生长)封堵材料140，则可形成如图9所示的结构，该封堵材料140不仅形成了封堵释放窗口的封堵结构141，封堵材料140还会在封堵释放窗口前进入第一腔体121中，形成覆盖第一腔体121内部所有表面的密封层145，以进一步增强腔体密封效果。
64.图8和图9所对应的第三实施例和第四实施例的微机械结构的制作步骤s40与第一实施例相类似，便不再赘述，其最终结构图示也略去。
65.图10-图13示出了本发明第五实施例微机械结构的制作过程中各阶段的示意图；其大部分结构及处理工艺均与第一实施例相类似，在此不再赘述，不同点在于该第五实施例相比于第一实施例在衬底210上预先设置了凹槽211，该凹槽211例如通过刻蚀形成，凹槽211中沉积有与第一牺牲层220相同的材料，利用化学机械抛光工艺将牺牲层材料减薄并磨平至衬底210表面，使整体表面平整，再在其上沉积第一牺牲层220，以及在第一牺牲层220上形成主结构层230，可选地，第一牺牲层220的厚度大于凹槽211的深度。在对第一牺牲层220进行刻蚀时也将凹槽211中填充材料一同去除，凹槽211与第一腔体221连通，进一步增大腔体体积，以满足特定的器件工作要求。
66.图14示出了本发明第六实施例微机械结构的示意图；该第六实施例的大部分结构及处理工艺均与第二实施例相类似，在此不再赘述，不同点在于该第六实施例相比于第二实施例在衬底210上预先形成了凹槽211，凹槽211与第一腔体221连通，可以进一步增大腔体体积，满足更多使用场景的需求。
67.图15a-15c分别示出了本发明第七、第八、第九实施例的微机械结构的示意图。其中，图15a所示的第七实施例相比于图13所示的第五实施例，在衬底310与主结构层330之间增设了第二牺牲层322和第一结构层341，该第一结构层341上具有未封堵的堵释放窗口343，第二牺牲层322中还具有第二腔体325，第二腔体325通过释放窗口343与第一腔体324相连通，凹槽311与第二腔体325相连；进一步地，还在主结构层330上方也增设了第三牺牲层323和第二结构层342，该第二结构层342上具有未封堵的释放窗口344，第三牺牲层323中具有第三腔体326，以使第二结构层342至少部分悬空。图15b所示的第八实施例相比于图14所示的第六实施例也类似，不再赘述，图15c所示的第九实施例在第八实施例的基础上，在主结构层330上形成第三牺牲层323和第二结构层342之前，采用光刻工艺对主结构层330上的封堵结构331上方的凸块332进行了修整，削减了其顶部的面积，使凸块332顶部形成凸包状，减小凸块332顶部的面积，以进一步避免主结构层330在向上浮动时，凸块332与第二结构层342粘连。以下将根据图15a-15c分别对第七、第八、第九实施例的微机械机构进行具体描述。
68.具体地，如图15a所示，该微机械结构从下至上依次包括衬底310，第二牺牲层322、第一结构层341、第一牺牲层321、主结构层330、封堵结构331、第三牺牲层323和第二结构层342，其中，第一结构层341与衬底310之间具有第二腔体325，主结构层330与第一结构层341之间具有第一腔体324，第二结构层342与主结构层330之间具有第三腔体326；衬底310上设置有凹槽311，凹槽311与第二腔体325相连通，第一结构层341上还具有贯通其上下表面的释放窗口343，第二腔体325通过释放窗口343与第一腔体324连通。主结构层330同样具有释放窗口，其释放窗口的侧壁例如为倾斜面，形成上大下小的释放窗口，该释放窗口由封堵结构331封堵，从而将第一腔体324与第三腔体326相隔离，第二结构层342上同样具有释放窗
口344，第三腔体326通过释放窗口344与外界相连通。图15a其主结构层330中的封堵结构331例如与图6中的相类似，封堵结构331的上表面被刻蚀成凹形，但并不影响封堵结构的密封性。当然地，其也可采用图8或图9所示的方式，在封堵结构331的下方形成凸起，或形成覆盖第一腔体324(和第二腔体325)内表面的密封层。
69.图15a所示的微机械结构在制作时，可采用现有的技术和方案先行制作衬底310、第二牺牲层322和第一结构层341形成的结构，再在其基础上制作第一牺牲层321、主结构层330及封堵结构331，最后再在主结构层330上制备第三牺牲层323和第二结构层342，最终即可获得如图15a所示的微机械结构，刻蚀沉积等具体步骤及工艺便不再赘述，当然地，第一腔体324和第二腔体325内还可包括具有一定压力的由封堵结构331密封的预填充气体。
70.图15b中的封堵结构331与图7中的相类似，例如采用光刻工艺形成，其封堵结构331的上方还保留有凸块332。
71.图15c与图15b相类似，其中的封堵结构331在形成第三牺牲层323和第二结构层342之前，在图15b的基础上再通过光刻工艺对封堵结构331上方的凸块332进行处理，减小凸块上表面面积，使封堵结构331的顶部形成凸包状，避免主结构层330在向上浮动时，凸块332与后续形成的第二结构层342发生粘连。
72.本发明实施例提供的微机械结构和制作方法，通过将释放窗口进行封堵，实现了特定范围内振动薄膜表面的完整，保证了第一腔体的密封性，使得第一腔体内可以保有一定的压力或者气体氛围，以满足特定的需求，实现特定的器件功能，进一步地，封堵释放窗口的封堵结构还可在主结构层上形成(单侧或双侧的)凸起，这种微小凸起可以防止主结构层在形变或者运动过程中与邻近结构发生粘附，避免器件因粘附而失效；进一步地，该封堵结构还具有特定的重量，可以用于作为配重调整主结构层的振动性能，该封堵结构还可包括覆盖第一腔体内表面的密封层，从而增强腔体的密封效果；第一腔体、释放窗口的尺寸均可根据实际需求进行调整，对释放窗口进行封堵后的主结构层不仅具有更好的完整性，还具有一定的防水性能。
73.本发明实施例提供的封装结构制作方法，其涉及的加工工艺成熟可靠，且简单便于实现，通过简单的处理即可使主结构层的上侧和/或下侧形成防粘附的凸起，还可通过化学气相沉积形成覆盖第一腔体内表面的密封层，增强腔体的密封效果，该制作方法不仅可以满足多种需求，其工艺简单，生产效率也较高。
74.在以上的描述中，对于各器件的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。
75.以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等效限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。