制造带有可动部分的装置的方法

专利名称：制造带有可动部分的装置的方法
技术领域：
本发明涉及微光电机械装置(MOEMS装置)技术领域，特别地，本发明涉及半导体晶片上的空间光调制器的子技术领域。
背景技术：
空间光调制器也被称为SLM，其基于光学平板印刷应用的微镜，需要特别高的镜面平整度以提供具有高光刻分辨率以及维度或标量一致性的工具。常规的和当前所使用的基于铝镜的SLM技术在这一方面存在一定的缺陷或限制，这一技术是基于通过使用表面微处理技术，在COMS控制电子器件(COMS＝互补金属氧化物半导体)的顶端表面生成微镜(参见“Application of Spatial Light Modulator forMicrolithography(空间光调制器在微平板印刷中的应用)”U.Dauderstdt，P.Dürr，T.Karlin，H.Schenk，H.Lakner，Proceedingsof SPIE，第5348卷，第119-126页，2004年)。平整度有限的原因是a)牺牲层包含一种聚合物，它也被用于对CMOS晶片进行平整，并作为镜和启动电极之间的间隔层来工作。通过聚合物的化学机械抛光(CMP)，实现了平整化或者平整，这种方法去除了残留的表面粗糙，对晶片表面的高度差进行了平整。可得到的局部平整度被限制在几纳米内，然后镜材料被直接溅镀到聚合物牺牲层上，间隔层中的任何非平整性都被直接传递给镜面。
b)镜材料是一种铝合金，包含有从几十到几百纳米范围之内的颗粒结构。该颗粒结构由溅镀条件(如溅镀速率、压力或温度)以及在其上进行溅镀的材料的物理属性来决定。虽然可以得到具有很小应力梯度的相当均匀的薄膜，但合金会在加热时重新结晶并导致应力弛豫，同时在热膨胀过程中，相对于周围的材料(如间隔层)的不匹配会非常敏感。随着处理条件的变化，铝合金薄膜的形态也很容易发生改变。晶体结构的微小变化会导致薄膜中的应力梯度，很容易使由这种合金制成的微镜变形。因此，很难得到良好的镜面平整度。材料自身的统计特性和处理条件的变化不可避免地导致有限的可再现性，同时在某种程度上导致依赖于平整度的统计分布，因而不可能完成精确的控制和平整度的再现性。对于每个大面积矩阵型空间光调制器，良好的矩阵一致性是至关重要的。否则，晶片间和运行间的再现性会受到限制。另外，铝合金由于弯曲而易发生塑性变形。如果那样，在使用时镜面平整度可能会发生改变，从而限制了这种SLM的使用寿命。
第一种方案可以使用单晶硅来解决以上问题之一。单晶硅对于加工温度完全不敏感，且单晶硅的热膨涨系数可以很好地与COMS晶片的其余部分相匹配。由于这种材料的镜面平整度只受到硅抛光质量的限制，使用现有技术这种平整度可以达到原子层的范围，因此可以由这种材料形成微镜。单晶硅具有良好的弹性，因此使用时对弹性形变并不敏感。因而，SLM的使用寿命并不受材料特性的限制。
使用单晶硅制造空间光调制器并不是一种新的想法，在现有技术中，公开了由晶片上的结构化微镜的“倒装芯片(flip chip)”结合，其包括控制电子器件(例如参见US6587613B1，US6800210B2或者US6798561B2)。这些方法基于镜结构的独立构造(MEMS＝微电子机械系统)和控制电子器件(属于CMOS技术)。然后，通过使用非特定的结合方法来集成MEMS和CMOS，将这两种结构结合起来，这既可以在芯片级上也可以在晶片级上完成。另一建议方法基于单晶硅薄膜从施主晶片——也被称为SOI(SOI＝硅绝缘体)——到包含有控制电子器件的晶片的层传递，这可以通过共晶结合(例如参考WO03/068669A1)或者通过胶粘结合(例如，参见“Arrays ofMonocrystalline Silicon Micromirrors Fabricated Using CMOSCompatible Transfer Bonding(利用COMS兼容传递结合制造单晶硅微镜阵列)”，F.Niklaus，S.Haasl和E.Stemme，Journal ofMicro-electromechanical System，卷12，第4期，2003年8月，第465-469页)。常规的空间光调制器的一个特别需求是镜的厚度，它应该在300纳米或者更少的范围内。但是到现在为止，如此薄的硅薄膜还没有成功地结合到CMOS晶片上，因而现有技术存在明显的缺陷。
另外，以下提到了现有技术的一些不足关于结构化微镜的“倒装芯片”结合(US6587613B1，US6800210B2或者US6798561B2)，需要指出的是，这种结合需要镜结构和控制电子器件高度精确的对齐，并且还需要通过减少像素尺寸来迅速提升对齐精度的条件，因此该方法的可伸缩性是很有限的。
关于通过共晶结合(WO03068669A1)实现单晶硅的层传递，需要指出的事，晶片的这种结合是基于形成一个共晶金硅合金，需要超过363℃的温度，因此意味着将冒着在被传递的薄膜上增加应力的风险。另一个不利因素是必须使金不扩散，这会影响附近元件的机械性能，例如镜铰链。此外，将形成局部有限的应力，这可能在结合区域内导致晶体缺陷，在削薄的过程中它们是形成裂纹的源。当必须结合空间光调制器所需的非常薄的薄膜时，这将是有问题的。虽然这种共晶结合方法具有能够在镜与电子器件之间直接形成电子和机械的连接而无需进一步处理的优点(即不需要使用填充元件)，由于进行结合的区域是有限的，且与紧凑支柱结构的需求有直接冲突，因此还存在着不利因素。很高的镜面占空因数一方面分别需要很小的支柱或插头，另一方面需要能够确保薄膜充分完整性的最大结合区域，因此需要将相互排他的两种方式结合起来。另外，需要提到共晶结合，其需要在薄膜上的所有的位置上实现支柱和薄膜之间的接触，但这是非常困难的，因为1)存在支柱高度的轻微变化，并且2)匹配晶片(即SOI晶片和提供控制电子器件的晶片)存在厚度变化。
因此，困难在于晶片强度和晶片上的结构，因为结合对于局部高度变化会变得很敏感。
关于通过胶粘结合(根据以上提到的F.Niklaus，S.Haasl和E.Stemme的公开内容)实现的单晶硅层传递，需要提到的是，由于依赖于所使用的胶粘材料的粘性，这种胶粘结合具有有限的结合强度，因此，粘性在很大程度上取决于所使用的材料，对于晶片上的所有结构也是同样的。此外，还必须指出，涂层聚合物的厚度对于严重结构化的表面拓扑非常敏感。如果没有采取特别的预防措施，结合的晶片之间的缝隙将会变得不一致，并且和结构相关。镜和电极间的缝隙差异会导致偏离特性的改变。
另外，在结合过程中可能发生除气是胶粘结合的一个不利因素，这会导致气泡的产生。除气问题可以通过在真空中结合得以缓解，这需要巨大的开销以实现在真空中的处理。此外，需要指出的是，在结合前由于缺少合适的结合工具作为结合处理的部分步骤在结合之前迅速清洁，将导致微粒污染的风险。另外，由于材料的不稳定(如在加热时的材料流动或分解)而产生温度的限制是胶粘结合的一个不利因素，从而不能够利用W-CVD(W-CVD＝基于钨的化学气相沉积)在结合后形成平整表面。另外，需要指出的是，非理想材料特性，如某些聚合物的钠污染，会导致与CMOS电子器件或者标准微制造进程的不兼容。
另外，WO03025986A1公开了一种结合方法，其中在结合后，在镜薄膜和电极之间形成了接触支柱。一般地，这一专利申请总体上公开了成功制造实际SLM装置的方法步骤。但是，其中描述的制造方法能够在诸多方面加以改进，因为其仅仅公开了一个关于不同的通常可行方法的总体列表，并且基本没提到关于处理条件的特别信息。例如，权利要求包括了所有可能结合基片的方法。在该专利申请中公开了用于通过胶粘材料进行结合的特别基础处理条件，如光致抗蚀(WO03/25986A1的第9页)。另外，上面提到的专利申请没有特别指定薄膜是如何沉积在电子基片上的。此外，没有直接给出特别是在单晶硅薄膜的情况下这是如何完成的。当金是一个300纳米厚的薄膜时，上面提到的实现硅晶片部分削薄的专利申请的公开内容(如在上述专利申请的第3页和第7页提及)将导致各种的问题的产生，因为达到这样一个处理过程的精确性非常困难。另外，在上述专利申请中，硅薄膜和电子器件之间电子/机械的连接是如何实现的已经非常概括地进行了阐述。此外，在上述专利申请中，只是非常粗略地讨论了结合材料必须被去除以使微镜可移动，但是并没有讨论这是如何实现的。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种制造空间光调制器的方法，该方法相对于常规方法而言改进了性能。此外，提供了低成本制造这种空间光调制器的可能性。
这一目标通过权利要求1所述的方法来实现。
本发明提供了一种制造带有与支持晶片隔开的可动部分的装置的方法，包括以下步骤提供具有结构化表面的支持晶片；提供带有支持层和设置在其上的装置层的装置晶片；由支持晶片上的第一起始材料、采用第一种方法填充到支持晶片的结构化表面的结构中，生成第一平整化层，从而得到具有第一等级平整化程度的表面；由支持晶片的经过平整的表面上的第二起始材料、采用第二种方法得到具有高于第一等级平整化程度的第二等级平整化程度的表面，生成第二平整化层，其中第一和第二平整化层可以被一同去除；将支持晶片和装置晶片结合起来，使得装置层和支持晶片的平整化表面相结合；去除装置晶片的支持层；并且对所得到的结构进行构造，并通过普通方法去除第一和第二平整化层，以生成装置的可动部分。
本发明基于如下原理即通过用第一平整化层来填充结构，并沉积第二平整化层，能够在结合步骤之前使得表面的平整度大大提高，这使得通过结合工艺所制造的装置的表面条件得到显著提高。另外，最好通过使用既用于第一平整化层也用于第二平整化层的基于硅玻璃的材料，显著改进了装置制造，因为在那种情况下可以利用半导体技术中的常规工艺，而不用担心污染或产生气泡。此外，通过优选使用这些材料，可以得到对膨胀特性的良好适应性，避免了在其他处理过程中装置的应力负荷。特别是通过在一个处理步骤中同时去除第一和第二平整化层，可以避免进一步增加制造这种装置的难度，同时能够廉价地制造这种装置。另外，优先地使用第二平整化层的匹配材料能够在将装置晶片结合在该表面上之前进行显著的平整化处理，并对经过平整化的表面进行化学活化。


下面将参考附图讨论本发明所述方法的一个优选实施例。如图所示图1A-1H本发明所述方法的一个实施例的步骤；图2根据本发明所述方法形成的装置的一个实施例的顶部透视图；和图3A-3G本发明所述方法的另一个实施例的步骤。
具体实施例方式
在附图中，等价或相似的元件用相同或相似的附图标记来表示，因此这些元件的重复说明被省略。
直接结合例如通过自旋玻璃的界面层能够实现良好的、长期稳定性的强连接。主要的困难在于获得足够光滑和平整的表面。通常，当RMS表面粗糙度(RMS＝均方根)好于0.5纳米时可以实现结合。首先，对CMOS晶片平整化处理，例如通过使用氧化CMP方法(CMP＝化学机械抛光)，如图1A中所阐述的。平整化需要两个处理步骤，其中1微米厚的电极10首先被一个通过PECVD(PECVD＝等离子增强化学气相沉积)方法来沉积的不掺杂硅玻璃USG(USG＝不掺杂硅玻璃)构成的厚层12所覆盖，它随后可以在背面被抛光(例如在电极的表面上)。然后通过沉积并抛光另一层USG 14来降低其余的不平整度。然后表面由自旋玻璃SOG构成的薄层16所覆盖，其对表面的不规则部分进行平整，并且形成了一个缓冲层，用于缓和结合处理中的应力(参见图1B)。然后SOG在400℃的温度下被烘烤一小时。USG(和SOG)同时确定了最终要得到的装置中镜和电极间的间隙。然后实现直接结合，例如，在SSS Microtec CL 200结合工具中，它在晶片之间发生接触以及开始自发结合之前自动清洁和干燥晶片表面(参见图1C)。第二个晶片包含操作层18，植入氧化层20，也被称为BOX层(BOX＝植入氧化物)和装置层22。为了得到足够高的连接强度来进行进一步的处理步骤，在300℃的温度下对晶片对进行5个小时的退火。在胶粘结合过程中，通过抛光去除操作层18(例如由硅组成)的主要部分，通过自旋蚀刻去除剩余的硅以及BOX层20(参见图1D)。首先，对装置层22进行构造，以确定可动部分和支持支柱的方位。然后，将一个氧化保护层24沉积在装置的硅表面22上(参见图1E)。然后，将空穴26蚀刻到氧化物层和硅层中，其中这些空穴终止在电极上，如图1F所示。在背面蚀刻之后，通过使用基于钨的化学气相沉积形成支柱28(参见图1G)。利用钨CVD使得镜支柱28密集排列，为镜的良好机械支撑额外提供了所需的强度。在形成镜支柱28之后，可以对镜30进行构造，并最终将其释放(参见图1H)。这例如可以通过氢氟酸(HF)气相蚀刻工艺来实现，以相对于铝和硅对氧化物进行选择性的蚀刻，从而形成释放后的镜面，如图2所示。
图3A至3G所示步骤对应于图1A至1H所示步骤。图3A至3G分别显示了顶部图(左边)和截面图(右边)。此外，需要指出的是，图1A和1B中所示的步骤结合到了图3A中，因此图3A显示了烘烤后的结构。图3B显示了SOI晶片被沉积在USG上(或者USG分别和SOG相结合)，其中执行打磨和自旋蚀刻，直到只剩下很薄的装置硅薄膜。图3C显示了镜(即装置)和接触空穴是如何被确定或者被蚀刻到硅薄膜上并终止于USG层的。随后，空穴26被蚀刻到间隔层中，如图3D所示。蚀刻终止于电极上，所述电极例如由铝制成。同时，在蚀刻空穴26的过程中，形成了改进的电子或机械镜接触的边缘。然后，进行铝溅镀(或者提供与电极的电连接的其他金属)，如图3E所示。
这里需要指出的是，离子处理可能得到与支柱的良好电接触。随后，对铝支柱进行构造和蚀刻。然后除去蚀刻掩膜(参见图3F)。最后，切割芯片，并通过HF气相蚀刻法来除去间隔层，最好终止于蚀刻停止层。
本发明所述方法改进了基本镜面平整度和相应元件的可再现性。这特别是由于1)聚合物间隔层材料(即牺牲层)最好由不掺杂硅玻璃(USG)所替代，它能够以良好的均匀性被沉积，同时能够用CAMP方法进行抛光，从而能够通过常规的、所熟知的、具有高再现性的工艺在亚纳米范围内得到良好的表面平整度。
2)用单晶硅实现了镜材料的优选替代，其能达到几乎完美的均匀性，没有压力梯度，否则会导致镜的变形。
因此，本发明所述方法是基于硅绝缘体晶片(SOI＝硅绝缘体)和例如包含控制电子器件(例如CMOS技术中)晶片的直接结合。在例如采用不掺杂硅玻璃(USG)的化学气相沉积(CVD)和化学机械抛光(CMP)进行结合前对电子晶片进行平整化处理，这是一个关键要素。
此外，另一方面例如为了缓解应力，利用了用于对剩余表面粗糙度进行平滑和提供更易于结合的化学活性表面的由特定型号的自旋玻璃(SAG)所构成的中间层。另外，可以知道，通过打磨和自旋蚀刻的组合，可以利用SOI晶片的硅处理在电子器件晶片上只去除一薄层单晶硅。另外，所公开的方法最好包括在镜和控制电子器件之间形成电气/化学的连接，通过使用1)通过CVD方法形成的钨插头，或者2)通过溅镀形成的铝插头，或者
3)金属导体层和CVD沉积材料的组合，如无定形硅。
最后，可通过使用气相氢氟酸(HF)来释放镜，这样可以对优选使用的、对于铝和硅有高度可选择性的牺牲氧化物(USG和SOG)进行蚀刻。
因此，在图1A至1H或者3A至3G所阐述的处理流程会导致以下方面-制造基于集成有(如在COMS技术中的)控制电子器件的单晶硅微镜的超大范围的空间光调制器成为可能；-通过添附超薄单晶硅薄膜的方法，可以得到高产出，该方法可以用来在CMOS晶片上以晶片级沉积相同的材料；-制造镜矩阵成为可能，这不需要结合两个对准的晶片(除了在结合之前使晶片平面粗略对准之外)；-在工具中能够在大气压下执行的结合处理允许在结合步骤之前立即进行清洁，因此特别消除了颗粒污染的问题；-在整个制造过程中可以使用纯的无机材料，因此可以采用半导体工业中标准的、已知的制造方法和兼容制造方法，而不必采用金或锡的共晶结合或者基于聚合物的胶粘结合；-可以采用低温晶片结合方法，其温度在CMOS工艺的温度限度内(即小于400℃；本发明先前采用了300℃的温度)；-可以采用化学机械抛光(CMP)，同时结合使用特殊自旋玻璃(SOG)中间层，因此表面粗糙度可小于0.5纳米(RMS)，它足以允许两个晶片由于范德瓦耳力而导致自动结合；-在晶片结合过程中，使用SAG作为应力缓解层，减少了单晶硅薄膜中的应力形成；-可以消除了表面活化，如实现了氧化等离子体处理，因为SOG层含有足够的结合，保证了当晶片联结和退火(特别是形成氢桥)时具有良好的化学结合；-本方法允许使用钨CVD或者铝溅镀方法，或者溅射方法与CVD的结合，以形成插头，从而可以确保在镜和电子器件之间具有良好的电气或机械连接。这是由于表面被很好地密封了(即不存在吸引不需要的沉积的开放区域)。另外，可以使用USG牺牲层，它确保了形成具有高连接强度的稳定结合，因此在温度仅由CMOS技术处理步骤所限制时(即高至400℃)，可以采用CVD方法；-通过使用气相氢氟酸(HF)进行气相蚀刻，可以实现可动结构的释放(特别是当形成作为微镜的装置时)，其对玻璃进行蚀刻，保留未损坏的硅镜和铝电极。通过对蚀刻过程的仔细调整，可以看出去除玻璃牺牲层不需要镜和基底之间的结合。
总之，上面已经说明，本发明所述方法优于现有技术之处特别在于可以提高例如位于COMS电路上的单晶硅微镜的可制造性。
权利要求
1.一种用于制造带有与支持晶片隔开设置的可动部分的装置(30)的方法，包括以下步骤提供具有结构化表面的支持晶片；提供带有支持层(10，20)和设置在其上的装置层(22)的装置晶片；由支持晶片上的第一起始材料、采用第一种方法填充到支持晶片的结构化表面的结构中，生成第一平整化层(12，14)，从而得到具有第一等级平整化程度的表面；由支持晶片的经过平整的表面上的第二起始材料、采用第二种方法得到具有高于第一等级平整化程度的第二等级平整化程度的表面，生成第二平整化层(16)，其中第一和第二平整化层可以被一同去除；将支持晶片和装置晶片结合起来，使得装置层(22)和支持晶片的平整化表面相结合；去除装置晶片的支持层(18，20)；并且对所得到的结构进行构造，并通过普通方法去除第一和第二平整化层，以生成装置(30)的可动部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一种方法是气相沉积方法或沉积第一平整化层的溅镀方法，其中所述第一起始材料包括基于二氧化硅的材料。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一种方法包括第一和第二处理步骤，其中填充结构化表面的结构在第一处理步骤中进行，在由第一处理步骤填充的结构上沉积一个平滑层在第二处理步骤中进行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中为了得到具有第一等级平整程度的表面，所述第一种方法包括化学机械抛光。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二种方法是自旋方法，其中所述第二起始材料包括基于二氧化硅的材料。
6.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二种方法包括加热第二平整化层。
7.根据权利要求1所述的方法，其中使用不同的无机材料作为第一和第二起始材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述结合步骤包括在使平整化表面与装置层的释放表面相接触前，在大气压下结合，并对平整化表面或装置层的释放表面进行清洁。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述去除步骤包括利用氢氟酸进行气相沉积。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述构造包括在装置层和支持晶片的构造表面之间形成支持支柱。
11.根据权利要求9所述的方法，其中形成支持支柱包括打开装置层、第一和第二平整化层，并用钨、铝或其他导电材料填充打开的区域。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述构造包括确定装置的可动部分。
13.根据权利要求1所述的方法，包括制造多个带有可动部分的装置。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述装置被形成为微镜。
全文摘要
一种用于制造带有与支持晶片隔开设置的可动部分的装置的方法，包括提供具有结构化表面的支持晶片的步骤，以及提供带有支持层和设置在其上的装置层的装置晶片的步骤。另外，该方法包括由支持晶片上的第一起始材料、采用第一种方法填充到支持晶片的结构化表面的结构中，生成第一平整化层，从而得到具有第一等级平整化程度的表面的步骤。此外，该方法包括由支持晶片的经过平整的表面上的第二起始材料、采用第二种方法得到具有高于第一等级平整化程度的第二等级平整化程度的表面，生成第二平整化层，其中第一和第二平整化层可以被一同去除的步骤。另外，将支持晶片连接到装置晶片，使得装置层和支持晶片的平整化表面相连接。然后，去除装置晶片的支持层，接着对所得到的结构进行构造，并通过普通方法去除第一和第二平整化层，以生成装置的可动部分。
文档编号H01L21/70GK1811521SQ200610005939
公开日2006年8月2日 申请日期2006年1月19日 优先权日2005年1月21日
发明者索尔·贝克, 马丁·弗里德里克斯, 本杰明·沃尔克尔, 托马斯·哈斯 申请人:弗兰霍菲尔运输应用研究公司