专利名称：微加工的机电装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微加工装置的制造方法和设备。特别地讲，本发明涉及微机电系统装置中的压电型微结构的制造方法和设备。
背景技术：
压电材料在各种微机电系统(MEMS)例如微传感器、微致动器、微泵、压喷墨打印头等中具有极大的应用潜力。在很多这样的MEMS装置中，压电材料例如压电薄膜形成在基片的一侧，而且包括多个凹坑的微结构形成在基片的相反侧。
在现有技术中，有一些方法用于形成压电薄膜，其中，溶液旋涂被广泛用于利用复合氧化物组分和压电聚合物来制备无机压电薄膜。同其它已被报告的薄膜相比，包含复合氧化物组分的无机压电薄膜具有最佳的压电性能。溶液旋涂工艺包括多重溶液旋涂，以及随后的多重热处理，例如溶胶-凝胶处理和金属有机物分解(MOD)；溶液旋涂工艺在获取高性能压电复合氧化物薄膜时具有精确组分控制和低成本等极大的优点。
在利用溶液旋涂工艺的压电MEMS装置传统制造方法中，压电薄膜首先沉积在基片的一侧，然后利用蚀刻工艺例如湿式蚀刻工艺在基片的相反侧形成预期的微结构。在蚀刻处理之前，形成在基片上的压电薄膜需要被临时保护，以防止高腐蚀性溶液接触和损坏压电薄膜。
现有技术中通常有两种方法用于在制造MEMS装置的过程中在蚀刻处理时保护压电薄膜。一种方法是在蚀刻处理之前向压电薄膜上沉积一个厚的保护材料涂层，例如感光聚酰亚胺、蜡或类似物。另一种方法是在蚀刻处理之前利用保护夹具覆盖压电薄膜，以实现机械式保护。
这两种方法都具有缺点。在第一种方法中，如果涂层不是牢固地密封在压电薄膜上，则蚀刻剂可能会泄漏到涂层中并因此而损坏和/或污染压电薄膜。此外，由于涂层的形成时为了临时保护，在蚀刻处理之后，涂层需要被去除，因此，需要耗费时间、材料和人工，因而制造成本较高。此外，去除涂层时可能会导致压电薄膜的污染和损坏。在第二种方法中，保护夹具也会遇到潜在的泄漏问题，这可能是因保护夹具的任何不完美密封而导致的。此外，由于保护夹具需要机械式连接在压电薄膜或基片上，因此机械连接引起的应力可能会损坏基片。另外，这种工艺的生产率非常低。
因此，需要提供一种用于制造MEMS装置的压电薄膜结构的方法和设备，其中在制造过程中形成在基片上的压电薄膜被良好地保护，以防止被损坏和/或污染。与此同时，还需要提高微加工压电装置的产量和生产率。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种用于制造微加工装置薄膜结构的方法，该方法包括提供一个基片，该基片具有一个背侧、一个与背侧相反的前侧和一个外周部分。预期的微结构被形成在基片的背侧。一种前体溶液被沉积在基片前侧上，基片被旋转，以便利用前体溶液形成薄膜层。
优选地，将基片的外周部分支靠在一个底板上，在所述微结构与底板之间形成间隙，以使微结构不与底板接触。
优选地，该方法还包括将基片的外周部分支靠在一个从底板突出的脊上，以将微结构从底板上抬升。
在一个实施例中，该方法还包括利用所述脊将基片的外周部分密封在底板上，以将所述微结构与前体溶液隔离。
优选地，在基片的旋转过程中，围绕着基片的外周部分形成一个高压力区，以进一步防止前体溶液接触微结构。
在一个实施例中，该方法还包括在两个基片的背侧分别形成微结构。两个基片被结合在一起，使它们的背侧彼此面对。然后，结合着的两个基片被支承并旋转，以首先将一个基片的前侧暴露出来，以便沉积一种前体溶液，从而可以形成一个薄膜层。接下来，另一个基片的前侧暴露出来，以便沉积一种前体溶液，从而可以形成一个薄膜层。这样，就形成了一种双侧微加工装置，其具有结合的基片，结合基片的内侧形成有微结构，两个薄膜层形成在外侧。
根据本发明的第二方面，提供了一种基片支承装置，其用于在溶液旋转沉积的过程中保护基片上的微结构。所述基片支承装置包括一个可旋转的底板，其具有顶表面；一个支座，其连接着底板，用于接收基片以形成接触界面。接触界面将微结构与底板分开。基片支承装置还具有限位件，其连接着底板，以将基片紧固在底板上，从而可以利用底板旋转基片。在被支靠在底板上时，基片的微结构在薄膜形成过程中通过一个支座而相对于底板抬高。基片和底板形成接触界面，以便在薄膜形成过程中密封住微结构。
在一个实施例中，基片和底板形成一个围绕着接触界面的气隙，以便在底板的旋转过程中产生一个高压力区。所述高压力区用于进一步防止基片背侧的微结构被溶液接触。
优选地，底板还包括一个锥形侧壁，其从气隙向外并向下延伸，以提供出从所述高压力区开始的空气动力学过渡结构。
在一个实施例中，支座包括一个台肩，其从底板的外周部分突出，用以接触基片，或者，支座包括一个垫片，其布置在基片与底板的外周部分之间，用以接触基片。
根据本发明，成功地消除了用于在MEMS装置制造过程中临时保护薄膜层的步骤，因此生产率和产量可以极大地提高，人工、材料等制造成本可以极大地降低。为了满足新工艺的要求，一种支承装置被研制出来，其可以用于有效地保护形成在基片上的微结构，从而可以获得高性能的MEMS装置。
下面参照附图详细描述本发明的上述和其它方面以及各种优点。
图1A至1H是示出了根据本发明一个实施例的MEMS装置制造方法的局部剖视图；图2A是示出了由根据本发明一个实施例的保持器保持着以形成压电薄膜的基片的俯视图；图2B是图2A的A-A剖视图；图2C是图2B的局部放大图；图3A和3B是根据本发明形成的MEMS装置的例子的剖视图和透视图；
图4A是根据本发明另一实施例的用于形成压电薄膜的保持器的俯视图；图4B是图4A的A-A剖视图；图4C是图4B的局部放大图；图5A是根据本发明另一实施例的用于形成压电薄膜的保持器的俯视图；图5B是图5A的A-A剖视图；图6A至6D是示出了根据本发明另一个实施例的MEMS装置制造方法的局部剖视图；图7是用于形成图6A至6D中的根据本发明实施例的MEMS装置的支承结构的剖视图。
具体实施例方式
如图1A至1H所示，根据本发明一个实施例的MEMS装置制造方法包括首先，提供一个基片110，其可以由任何适于其上形成预期MEMS装置的材料构成，例如半导体硅晶片。基片110具有一个背侧110a，其上用于形成一个微结构，以及一个与背侧110b相反的前侧110b，其上用于形成一个薄膜结构，例如压电薄膜。基片110被热氧化，即被加热到大约1000℃至1200℃的温度，从而在基片110的前侧110b和背侧110a分别形成大约1.2微米(μm)厚度的氧化硅层，如图1B所示。
在下一步骤中，具有预定图案的光阻膜(未示出)通过光刻工艺形成在基片110的前侧110b和背侧110a。利用氢氟酸和氟化铵水溶液处理氧化硅层，在氧化硅层中形成一个开口114。
随后，光阻膜(未示出)被去除，基片110被浸没在可溶解基片的溶液(未示出)例如氢氧化钾水溶液中，以使基片110中的被开口114暴露出来的部分110c被蚀刻掉。在一个例子中，蚀刻速度为在60℃下每小时大约10μm。通过控制蚀刻时间，基片110剩下的厚度110d被形成为大约2μm至60μm。通过完成这一步骤，在基片110的背侧110e形成了多个凹坑110e(图中仅示出了一个用于解释)。凹坑110a形成了预期的微结构，如图1D所示。
如图1E和1F所示，一个中间层122和一个第一电极层124通过溅镀而沉积在基片110的前侧110b上。在一个实施例中，中间层122由Ti构成，厚度为大约50nm，第一电极层124由Pt构成，厚度为大约0.5μm。
为了在基片110的前侧110b形成一个压电薄膜层，设有一个基片保持器200，用于在随后通过旋涂工艺形成压电薄膜时支承基片110。如图2A、2B和2C更详细所示，基片保持器200包括一个底板210。底板210具有一个连接器212，其形成在背侧，用以连接在一个旋转机器(未示出)上。在底板210的前侧，形成有一个支座214，其从底板210的周边部分向上突出。支座214的尺寸214a与基片110的外周部分110f相对应，以将基片110接收在支座中。
在支靠在底板210上后，通过基片110的外周部分110f与支座214之间的接触，具有多个凹坑110e的微结构被保持在与底板210相隔。通过这种结构，在强度和刚度上同外周部分110f相比向对较弱的微结构110e在随后的压电薄膜形成步骤中不与底板210接触。
限位件例如与底板210相连的三个销钉216a、216b和216c被设置成围绕着基片110，如图2A和2B所示。其中两个销钉216a、216b沿着基片110的外周边缘布置，第三个销钉216c被安置成与基片110的周边切除部接合。在被销钉216a、216b和216c限定后，可以防止基片110和底板210之间的相对横向和旋转运动，此后，底板210的旋转可以传递到基片110上，以使基片110随着底板210的旋转而旋转。
在下面的步骤中，如图1G所示，一种压电薄膜前体溶液120被施加在基片110的前侧110b上，基片110被底板210带动着旋转，从而可以在第一电极层124的顶部形成压电薄膜。前体溶液中含有用于形成压电薄膜的组成成分，其中主要成分优选为锆钛酸铅(Pb-Zr-Ti或PZT)。在一个实施例中，压电薄膜的厚度为大约0.5至20μm，并且具有变晶相边界(MPB)周围的组分，例如Pb(Zr0.52Ti0.48)O3，其具有大约10-20原子量％的过量PbO。下面介绍制备压电薄膜的细节。
可以理解，在图1G所示的步骤中，可以采用这样的顺序，即基片110首先旋转，然后向基片上施加前体溶液120，以便在旋转过程中在基片上形成压电薄膜。
由三水合乙酸铅(Pb[CH3COO]2)、丙醇锆(Zr[OCH(CH3)2]4)和异丙醇钛(Ti[OCH(CH3)2]4)制备出原子量比Pb∶Zr∶Ti＝1∶0.52∶0.48的压电薄膜前体。乙二醇甲醚(CH3OCH2CH2OH)被用作溶剂溶液的浓度为0.4M。30％重量的聚乙二醇被添加到溶液中。
在本实施例中，压电薄膜前体溶液120施加在第一电极层124的顶部，基片110以大约4500rpm的速度旋转30秒钟。前体溶液在基片上形成一个湿膜，并且在110℃的温度干燥2分钟，然后在410℃的温度进行10分钟的热解处理。前体溶液的上述施加、干燥和热解处理重复进行三次，如此形成的薄膜以560℃的温度加热20分钟。此外，前体溶液的上述施加、干燥、热解处理和薄膜加热处理可以重复进行两次，最终的薄膜以700℃的温度进行5分钟的退火处理，以获得厚度为大约1.5μm的结晶压电薄膜126。
在图1H所示的下一步骤中，一个第二电极层例如厚度为大约0.2至0.3μm的金层128通过溅镀而沉积在压电薄膜126的顶部。金层128通过光刻而形成一个双侧对准部的图案，以确保对准形成在基片背侧的微结构；然后，利用碘的水溶液和碘化钾水溶液进行蚀刻处理。压电薄膜126利用例如HNO3和HF酸溶液而蚀刻出图案。
为了评估根据上述方法形成的MEMS装置的性能，向压电薄膜施加一个180kV/cm的电场。实验表明，压电薄膜被有效地极化并呈现出压电特性。一种尺寸为4.2mm×1.35mm×0.06mm的变型样品MEMS装置被激光振动计。在施加了5V、2kHz电信号的情况下，PZT薄膜的振动幅值为大约24nm。
在利用前述本发明的方法形成的典型MEMS装置的基础上，可以通过添加附加制造步骤而获得各种特殊类型的MEMS装置。在图3A所示的一个例子中，一种压电悬臂结构装置350可以通过下述薄膜结构蚀穿处理而形成。蚀穿处理包括以下步骤利用碘和碘化钾溶液蚀刻顶部电极金层358，利用HNO3和HF酸溶液蚀刻压电薄膜356，以及利用氩离子研磨工艺蚀刻底部电极354和及其中间层。采用CF4和HBr/Cl2的反应离子蚀刻工艺被用于分别蚀穿SiO2层和薄硅基片。所有上述蚀刻处理均沿薄膜结构的三侧351(只有一侧被示出)，在这些蚀刻处理完成之后，可以获得悬臂结构装置350。
如图3B中所示，另一种类型的MEMS装置即压电桥结构装置360可以如此形成，即通过前述薄膜结构蚀穿处理分别蚀穿顶部电极层368、压电薄膜层366、底部电极层364及其中间层、SiO2层和薄硅基片。除了沿三侧蚀穿薄膜结构以外，所有上述蚀穿步骤均沿薄膜结构的两侧361进行。在这些蚀刻处理之后，可以获得桥结构装置360。
图4A、4B和4C示出了根据本发明另一实施例的保持器400，其用于支承基片，以形成压电薄膜。保持器400包括一个底板410和一个连接器412，该连接器形成在底板410的背侧，用以连接在一个机器或驱动装置(未示出)上以便旋转。一个脊414被成形为从底板410的前侧向外突出。或者，所述脊可以采用布置在基片与底板之间的垫片的形式，以实现相同的目的。
在使用时，一个形成有微结构的基片110支靠在脊或垫片414上，其中所述微结构面对着基板410。由于被脊或垫片414抬高，微结构被安置在与底板410相隔的位置。通过这种构造，微结构在随后的压电薄膜形成步骤中被保护起来。微结构在薄膜形成过程中被损坏和/或污染的危险得以减小或避免。三个保持销416a、416b和416c被设置成与基片110的外周边缘相接合，以防止基片110与底板410相对于对方旋转。
一个气隙420形成在基片110的外周部分与底板410的前侧之间。底板410的顶表面毗邻基片110的外周部分设有一个光滑的空气动力学过渡部分411和一个延伸的锥形壁430。在底板410和基片110旋转时，比周围区域高的气压形成在间隙420中。这样，可以进一步防止压电薄膜形成时所使用的前体溶液接触、损坏和/或污染微结构。
图5A和5B示出了根据本发明另一实施例的保持器500，其用于支承基片，以形成压电薄膜。保持器500具有一个底板510，该底板的前侧结构类似于图2A、2B或4A、4B中所示的结构，用以接收和支承一个基片。底板510具有一个平坦背侧512。一个传统的真空旋转卡盘50可以通过所述平坦背侧512而附着在底板510上。真空旋转卡盘50携带着保持器500和基片旋转，以形成压电薄膜层。
图6A-6D示出了根据本发明另一实施例的MEMS装置制造方法600。首先，提供两个基片610和620，每个基片分别具有相应的背侧612、622和相应的前侧614、624。微结构612a和622a分别形成在相应基片的背侧612和622上(图6A)。所有氧化硅层可以利用HF酸脱除，基片通过化学机械抛光(CMP)工艺而被抛光，以提高表面精细度(图6B)。
接下来，两个基片610和620被结合在一起，使它们的背侧612和622彼此面对(图6C)。可以利用硅-硅熔结工艺来将两个基片结合在一起，该工艺需要在大约1050℃的温度下进行4个小时。这样，可以获得一个结合基片结构。在本实施例中，两个基片被结合在一起，它们可以承受比随后薄膜形成工艺中所用温度更高的温度。
然后，相应的SiO2层615、625、中间层616、626和第一电极层617、627形成在第一基片610和第二基片620的相应前侧614和624上。所述SiO2层是通过等离子体加强的化学蒸镀(PECVD)工艺沉积的，中间层和第一电极层是通过溅镀沉积的(图6D)。结合的第一和第二基片随后被支承并旋转，从而在第一电极层617、627的顶部形成相应的压电薄膜。前面参照图1A-1H所描述的干燥、退火等类似处理可以被进行。由此可以获得结晶的压电薄膜618和628。同样，第二电极619和629形成在相应压电薄膜618和628的顶部，从而获得双侧压电微加工装置。在完成后，双侧装置包括结合的基片，空腔形成在基片中。形成在每侧的压电薄膜可以彼此独立地控制。
为了形成相应的压电薄膜618和628，前面参照图2A、2B、4A、4B、5A和5B描述的保持器可以被用来支承和旋转基片。在图7所示的一个实施例中，第一基片610可以首先被支承，使其前侧614面对着保持器690，从而将第二基片620的前侧暴露出来，以便在旋转过程中利用前体溶液680沉积压电薄膜628。然后，第二基片620被支承，使其前侧624面对着保持器，从而将第一基片610的前侧暴露出来，以便在旋转过程中利用前体溶液680沉积压电薄膜618。
尽管前面结合附图和详细说明而描述了本发明的优选实施例，但可以理解，本发明并不局限于这里公开的实施例，在不脱离权利要求书中提出和限定的本发明精神的前提下，可以作出各种重新布置、改型、替代和置换。
权利要求
1.一种用于制造微加工装置薄膜结构的方法，包括提供基片；在基片的背侧形成微结构；在微结构形成之后，向基片的前侧沉积前体溶液并同时旋转基片，以便在该前侧上形成薄膜层。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括将基片的外周部分支靠在一个底板的上方，以便在所述微结构与底板之间形成间隙。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过将基片的外周部分支靠在一个从底板突出的脊上而形成所述位于微结构与底板之间的间隙。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，还包括利用所述脊将基片的外周部分密封在底板上，以将所述微结构与前体溶液隔离。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括围绕着基片的外周部分形成高压力区，以防止前体溶液接触微结构。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在形成薄膜层之前，在基片上沉积一个中间层和一个第一电极层。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，还包括在形成薄膜层之后，通过退火使薄膜层结晶。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，还包括在薄膜层结晶之后，在薄膜层的顶部沉积一个第二电极层。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括蚀穿基片、中间层、第一电极层、薄膜层和第二电极层，以形成悬臂结构的微加工装置。
10.如权利要求8所述的方法，其特征在于，还包括蚀穿基片、中间层、第一电极层、薄膜层和第二电极层，以形成桥结构的微加工装置。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述微加工装置是压电型MEMS装置，所述薄膜层包括压电薄膜。
12.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述悬臂结构的微加工装置是压电型MEMS装置，所述薄膜层包括压电薄膜。
13.如权利要求10所述的方法，其特征在于，所述桥结构的微加工装置是压电型MEMS装置，所述薄膜层包括压电薄膜。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述提供基片的步骤还包括提供一个第一基片和一个第二基片，它们分别具有背侧、前侧和外周部分；所述在基片的背侧形成微结构的步骤还包括在所述第一和第二基片的背侧形成微结构；所述方法还包括将所述第一和第二基片相互结合，使它们的背侧彼此面对；所述支承着基片使之旋转的步骤还包括支承所述相互结合的第一和第二基片，使它们旋转；所述沉积前体溶液并旋转基片的步骤还包括在第一基片的前侧沉积第一前体溶液；旋转相互结合的基片，以便在第一基片的前侧形成第一薄膜；在第二基片的前侧沉积第二前体溶液；旋转所述相互结合的基片，以便在第二基片的前侧形成第二薄膜。
15.如权利要求14所述的方法，其特征在于，支承所述相互结合的第一和第二基片的步骤还包括将第一基片的外周部分支靠在一个底板的上方，以便在第一基片与底板之间形成间隙，并且暴露出第二基片的前侧以便将前体溶液沉积在其上。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，还包括在薄膜形成于第二基片的前侧上后，将第二基片的外周部分支靠在底板的上方，以便在第二基片与底板之间形成间隙，并且暴露出第一基片的前侧以便将前体溶液沉积在其上。
17.一种微加工装置，包括基片、形成在基片的第一侧上的微结构、形成在基片第二侧上的薄膜层，其中，所述微加工装置由如权利要求1所述的方法形成。
18.一种基片支承装置，其用于在溶液旋转沉积的过程中保护基片上的微结构，所述基片支承装置包括可旋转的底板，其具有顶表面；支座，其连接着底板，用于接收基片以形成接触界面，其中接触界面将微结构与底板分开；限位件，其连接着底板，用于将基片紧固在底板上。
19.如权利要求18所述的基片支承装置，其特征在于，基片和底板形成一个围绕着接触界面的气隙，以便在底板的旋转过程中产生一个高压力区，以防止基片背侧的微结构被溶液接触。
20.如权利要求19所述的基片支承装置，其特征在于，底板还包括一个锥形侧壁，其从气隙向外并向下延伸，以提供出从所述高压力区开始的空气动力学过渡结构。
21.如权利要求18所述的基片支承装置，其特征在于，支座包括一个台肩，其从底板的外周部分突出，用以接触基片。
22.如权利要求18所述的基片支承装置，其特征在于，支座包括一个垫片，其布置在基片与底板的外周部分之间，用以接触基片。
23.一种MEMS装置，包括基片，其具有第一侧、与第一侧相反的第二侧以及形成在第一侧与第二侧之间的空腔；第一压电薄膜结构，其形成在基片的第一侧上；第二压电薄膜结构，其形成在基片的第二侧上。
24.如权利要求23所述的MEMS装置，其特征在于，第一和第二压电薄膜结构可以彼此独立地控制。
25.如权利要求23所述的MEMS装置，其特征在于，基片是硅晶片类型的基片。
26.如权利要求25所述的MEMS装置，其特征在于，所述硅晶片类型的基片被成形为两部分，这两部分在比第一和第二压电薄膜结构的形成温度高的温度下相互结合。
全文摘要
一种用于制造MEMS装置的方法，包括提供一个基片，该基片具有一个背侧、一个与背侧相反的前侧和一个外周部分。预期的微结构形成在基片背侧。然后，基片被支承着旋转。一种前体溶液在旋转过程中被沉积在基片前侧，以形成薄膜层，在形成薄膜层的过程中，基片被支承并旋转，形成在背侧的微结构被保护着。
文档编号H01L21/00GK1616340SQ200410063868
公开日2005年5月18日 申请日期2004年7月13日 优先权日2003年7月15日
发明者姚奎, 何旭江, 张健, 桑迪拉让-山内格拉斐 申请人:新加坡科技研究局