微元件制造方法及由该方法形成的元件与流程

本发明涉及微元件的制造方法，更特别地涉及多层次微元件的制造。

背景技术：

微元件例如齿轮和一些其他机械元件通常用于钟表工业以及其他包括生物医学工程领域在内的工业应用中，例如在生物医学装置等中。这些元件可以由包括硅在内的适用材料形成。

由于这种装置及其应用对这种元件的复杂要求，因此对多层次元件存在着需求。

通常，多层次元件通过包括使用光刻抗蚀剂(PR)的多次涂层和多次蚀刻处理的方法来制造，或者可以通过元件组装来实现。

然而，这些现有技术的方法具有缺点和不足，包括与多次处理期间的对齐相伴的问题和困难，特别是对于多次涂层和多次蚀刻方法来说。

这些多次涂层和多次蚀刻方法所需的对齐和蚀刻的时间量等同于形成多层次制品所需的层次的数目。对于多次蚀刻方法来说，每个层次需要操作人员在相关的光刻过程期间使用显微镜进行勤奋的对齐和操作。

因此，由于这种多层制品的成形所需的多个对齐事件和至少几微米的对齐误差度的不可避免的产生，因此通过这种方法的成形得到的多层次元件导致所述元件的方面存在着与原始设计的偏差，特别是由必需元件的层次的数目增加的累积效应造成的。

除了当根据这种方法形成时元件与原始设计规格的偏差之外，多次光刻法和多次蚀刻处理还引起低的产率以及高的相关制造费用。

在将几个小元件组装在一起的过程中，元件的表面和部分需要对齐，以便可以组装最终的多层次元件。具有多个表面并且在部分表面中有偏差的元件导致组装困难、元件对不准、低产率和组装时间增加。

发明目的

本发明的目的是提供一种制造微元件例如由硅或基于硅的材料形成的微元件的方法，其至少改善了与现有技术的方法相关的至少一些不足之处。

技术实现要素：

在第一个方面中，本发明提供了一种形成多层次元件的方法，所述元件具有第一层次的第一表面部分和不同于所述第一层次的层次的第二层次的第二表面部分，所述方法包括下列步骤：

(i)通过一种或多种光刻法在掩模材料中以预定布置形成至少一种微槽的布置或一种其间具有微槽的微柱的布置，其中一个或多个所述微槽具有第一纵横比，并且一个或多个所述微槽具有不同于所述第一纵横比的第二纵横比；

(ii)对其上施加有所述掩模的元件表面施加一种或多种蚀刻法，其中所述元件通过纵横比决定蚀刻(ARDE)方法进行蚀刻，以便形成微槽的布置和相邻微槽之间微柱的布置；

其中在不同于元件的所述表面的第一层次蚀刻对应于所述第一纵横比的微槽的一个或多个微槽，并且

其中在不同于元件的所述表面的第二层次蚀刻对应于所述第二纵横比的微槽的一个或多个微槽，并且所述第二层次不同于所述第一层次；以及

(iii)通过移除处理从所述元件移除所述微柱的布置；

其中在移除所述微柱后，在所述第一层次形成第一表面部分并在所述第二层次形成第二表面部分，其中所述第二表面部分所处的层次与所述第一表面部分所处的层次不同。

在第一个实施方式中，所述微槽的布置或其间具有微槽的微柱的布置可以包含第一组多个微槽或在相邻微柱之间具有微槽的微柱以及第二组多个微槽或在相邻微柱之间具有微槽的微柱，并且其中所述第一组多个微槽或微柱的微槽具有所述第一纵横比，并且其中所述第二组多个微槽或微柱的微槽具有所述第二纵横比；并且其中在移除所述第一组多个微柱后，在所述第一层次形成所述第一表面部分，并且在移除所述第二组多个微柱后形成所述第二表面部分。

所述第一表面部分和所述第二表面部分优选是彼此不连续的表面部分，并且相对于彼此以非连续空间布置形成。

所述微槽的布置或微柱的布置可以包含另外多个微槽或在相邻微柱之间具有微槽的微柱，并且其中在移除所述另外多个微柱后，在不同于所述第一表面部分的层次并且不同于所述第二表面部分的层次的另外的层次形成另外的表面部分。

优选地，所述第一表面部分、所述第二表面部分和所述另外的表面部分是彼此不连续的表面部分，并且相对于彼此以非连续空间布置形成。

在另一个实施方式中，所述第一表面部分和所述第二表面部分可以是连续的表面部分，并且可以相对于彼此以连续空间布置形成。

可以形成多个微槽的布置或多个其间具有微槽的微柱的布置，并且其中所述多个微槽各自具有独特的纵横比，以便在所述元件中形成多个表面部分，并且其中所述多个表面部分相对于彼此并与所述第一表面部分和所述第二表面部分以连续空间布置形成。

所述多个表面部分与所述第一表面部分和所述第二表面部分可以共同形成线性表面。或者，多个表面部分与所述第一表面部分和所述第二表面部分共同形成非线性表面。

在本发明的实施方式中，在所述掩模材料中形成的所述第一纵横比的微槽的宽度或微柱的直径优选地小于10μm，并且其中在所述掩模材料中形成的所述第二纵横比的微槽的宽度小于10μm。所述光刻法可以是UV光刻法、激光光刻法、电子束光刻法、x-射线光刻法、化学光刻法或其组合。

优选地，所述蚀刻处理是深反应离子蚀刻(DRIE)。

或者，所述蚀刻处理可以是反应离子蚀刻(RIE)或电感耦合等离子体(ICP)蚀刻。

在本发明的实施方式中，所述掩模可以是光刻抗蚀剂，并且所述采取预定布置的至少一种微槽的布置或其间具有微槽的微柱的布置可以在向所述元件施加所述掩模后形成。

或者，所述掩模可以是硬掩模，并且所述采取预定布置的至少一种微槽的布置或其间具有微槽的微柱的布置在向所述元件施加所述掩模之前在所述掩模中形成。所述硬掩模可以由包含氧化硅的材料或基于金属或金属合金的材料、聚合物材料等形成。

从所述元件移除所述微柱的移除处理可以包括热氧化处理。所述微柱的移除还可以包括实施化学蚀刻法以从所述元件移除所述微柱。

所述热氧化处理可以是干氧处理、湿氧处理或其组合。在本发明的实施方式中，所述元件可以由硅或基于硅的材料形成，并且所述化学蚀刻法可以是氟化氢(HF)处理方法。所述氟化氢(HF)处理方法可以利用1％至49％范围内的浓度来执行。

在本发明的另一个实施方式中，所述元件可以由砷化镓(GaAs)形成，并且所述化学蚀刻法可以是磷酸(H₃PO₄)处理方法。

在其它实施方式中，所述元件可以由宝石材料包括钻石、珍珠、蓝宝石、人造蓝宝石等形成。

所述元件可以是微元件，并且可以是作为机械装置元件提供的多层次元件，并且可以是机械时计元件。

在第二个方面中，本发明提供了一种多层次元件，其具有第一层次的第一部分和不同于所述第一部分的层次的其他层次的其他部分，其中所述多层次元件根据所述第一方面的方法形成。

所述多层次元件可以是机械装置元件，并且可以是机械时计元件。

或者，所述多层次元件可以是生物医学装置元件。

所述多层次元件优选地由硅或基于硅的材料形成。

或者，所述多层次元件可以由宝石材料包括钻石、珍珠、蓝宝石、人造蓝宝石等形成。

附图说明

现在将仅仅作为示例并参考附图描述本发明的实施方式和细节，在所述附图中：

图1a是根据本发明的具有多个表面的元件的实施方式的示例性示意图；

图1b是根据本发明的具有多个表面的元件的另一个实施方式的示例性示意图；

图2a示意性描绘了使用深反应离子蚀刻(DRIE)的纵横比决定蚀刻(ARDE)的效果，其示出了蚀刻深度随纵横比的变化；

图2b示出了与图2a相关的连续蚀刻速率随纵横比的变化；

图3示出了微负载对蚀刻速率的影响；

图4a是根据本发明的用于蚀刻的掩模的示意图；

图4b是当在本发明的方法中使用图4a的掩模进行蚀刻时的硅元件的示意图；

图4c是当在本发明的方法中被氧化时的图4b的硅元件的示意图；

图4d是在本发明的方法中使用的当被化学蚀刻时的图4c的硅元件的示意图；

图5a是根据本发明形成的具有多个表面的元件的摄像表现；并且

图5b是图5a中示出的元件的一部分的放大的摄像表现。

具体实施方式

本发明利用蚀刻处理中的不均匀性以便在元件或材料的一部分中产生微槽并因此在微槽之间产生微柱。随后从所述元件或材料移除形成的微柱以形成表面或表面部分，形成的微槽的深度和位置决定了这种表面或表面部分的几何形状和位置。

通过利用蚀刻处理中的不均匀性，通过改变形成的微槽的位置、尺寸和深度，可以在微元件上形成多个表面。

本发明提供了通过光刻技术，利用纵横比决定蚀刻(ARDE)来形成多个微槽，所述方法使得利用纵横比为微槽的形成限定深度和位置，并且在移除在这种蚀刻期间形成的微柱之后，在必需的位置处形成必需的表面。

因此，通过控制ARDE过程的参数，本发明使得在不同位置处并在单一步骤中形成不同深度的微槽，其限定了在通过移除处理移除相关微柱后形成的表面的位置和几何形状。

因此，本发明在形成多个表面时在每个表面的形成之间不需要任何对齐步骤，这是因为多个表面在单一处理步骤中彼此同时形成。

在本发明的优选实施方式中，由硅或基于硅的材料形成的微元件适用于根据本发明的方法在其上提供多个层次。

作为已知用于半导体工业的材料的硅，已被证实在微米或纳米电机械系统(MEMS/NEMS)领域的一些方面中具有一定适用性。在微元件由硅或基于硅的材料形成的实施方式中，可以提供多层次硅元件，其中形成的微柱的移除可以包括蚀刻后氧化和在HF溶液方法中处理。

本发明提供了在微元件中形成多个层次的表面，并且本领域技术人员将理解并认识到，如本发明所提供的表面不一定是平行的或平坦的平面形式。此外，正如将会理解的，表面可以由两个或更多个其他表面形成，例如当多个子表面彼此相邻并以连续布置提供以便形成更大表面时，其可能在一个或多个平面内倾斜或在一个或多个平面内弯曲。

因此，本发明提供了用于形成多个表面、过渡表面和复杂表面的单一步骤蚀刻方法，其与现有技术相反，在连续的表面蚀刻之间不需要任何对齐过程，因此至少避免了与对齐相关的问题。

利用ARDE对蚀刻深度的可变性允许在微元件上形成并提供多个表面，并且在所使用的掩模材料中限定微柱或微槽以便提供ARDE处理的凹陷部的尺寸和几何形状确定了这种微柱或微槽的得到的深度或高度，并因此限定了元件的多个部分的必需的层次差异。因此，凹口之间的距离是预定的并被并入到掩模材料上的设计图案中。

通过将微柱或微槽的宽度设定在几个微米例如5μm的量级上，可以容易地移除所述元件的限定所述微柱或微槽的材料。

正如本领域技术人员将会理解的，根据本发明，可以利用各种不同的光刻方法，包括UV光刻法或光刻法、激光光刻法、电子束光刻法、x-射线光刻法、化学光刻法或其组合。

根据本发明，可以利用适合的掩模材料，并且所述掩模可以在将掩模施加到微元件之前或在将掩模材料施加到微元件之后具有形成在其中的微槽或微柱。

对于例如其中利用UV光刻法或光刻法或其他适用的光刻法的应用来说，通过光刻抗蚀剂形成的掩模通常是适用的，并且微槽和微柱在将所述光刻抗蚀剂施加到微元件之后形成，并且使用本领域中使用的涂层方法将所述光刻抗蚀剂施加到微元件。

在一些实施方式中，可以利用硬掩模，其中所使用的掩模具有预先蚀刻的贯通或部分贯通的图案。将待蚀刻的微元件的材料用硬掩模覆盖，所述微元件的暴露或部分暴露的区域在蚀刻处理期间将被蚀刻掉。使用这种硬掩模，掩模材料可以由包括氧化硅的材料或基于金属或金属合金的材料形成。或者，硬掩模可以由聚合物材料形成，并选择对后续的蚀刻微元件的过程具有适当抗性的适合的材料，以便提供对例如等离子体蚀刻的一定抗性。

应该理解，在掩模内的微槽形成期间，所述微槽不一定通过所述掩模的深度完全延伸，并且在所描述的实施方式中，可以利用这种掩模在微元件中形成微槽。

纵横比决定蚀刻(ARDE)效应和微负载效应是在使用深反应离子蚀刻(DRIE)技术的硅蚀刻中引起不均匀性的两种机制，这种现象在本领域中是已知的并已被报道。ARDE通过在蚀刻处理期间用入射离子装载装置来进行。微负载是作为辉光区与待蚀刻材料之间的暗空间区中扩散限制的结果的效应。正如本领域技术人员已知的，多年来，本领域技术人员一直试图减少或消除DRIE期间的不均匀性。

相反，本发明利用了来自于ARDE的不均匀性效应，同时微负载效应也发挥作用。

在本发明中利用了DRIE的不均匀性效应，以便允许与多层次元件有关的方法和根据这种方法形成的产品。

DRIE处理包括大量处理参数，例如压力、气体流速、射频(RF)功率和电感耦合等离子体(ICP)功率，并且它们影响这种处理的结果和进行。

纵横比决定蚀刻(ARDE)是指作为蚀刻处理的结果的蚀刻速率大小不与零件的绝对特征尺寸相关，而是与纵横比相关的现象。提高纵横比通常降低蚀刻速率，其中蚀刻速率的这种降低由蚀刻处理期间深且窄的结构中反应性物质的运输降低所引起。

本发明通过在ARDE处理中利用纵横比的可变性，允许向元件提供更加复杂的表面形貌。

例如，根据本发明的具有多个表面的元件的示例性示意图示出在图1a和图1b中。

如图1a中所示，描绘了根据本发明形成的具有处于不同深度的第一表面部分110和第二表面部分112的元件100。还描绘了其他表面114，其中其他表面114是倾斜的表面。

其他表面114可以被当作多个表面，其彼此以连续空间布置提供，以便提供单一连续表面114。

参考图1b，描绘了元件100的另一个示意的示例性实施方式，其具有作为平表面的第一表面部分116，并且还包括弯曲表面118。弯曲表面118页可以被当作多个表面，其彼此以连续空间布置提供，以便提供单一连续表面118。

正如本发明所提供的，通过适合地选择掩模材料中微槽的布置，可以获得各种的可选几何形状和组合。

参考图2a，其是纵横比决定蚀刻(ARDE)的机制的说明性实例。纵横比决定蚀刻(ARDE)是指蚀刻速率大小不随着零件的绝对特征尺寸而变，而是随着纵横比而变的现象。一般来说，提高纵横比会降低蚀刻速率，这由深且窄的结构中反应性物质的运输降低所引起。

如图2a中所示演示了ARDE的效应，并且图2b示出了蚀刻速率随纵横比的变化。已显示，当零件具有0.4至20μm范围内的尺寸时，这种现象特别显著，其中蚀刻速率相差约40％。因此，正如将会理解的，具有宽凹口的微槽与具有窄凹口的微槽相比具有更高的蚀刻速率。

除了ARDE之外，在多层次元件制造期间必须将微负载现象的效应考虑在内。正如在本领域中已知的，负载效应是源自于不均匀的等离子体分布、软和硬掩模的非竖直的图案断面和各种图案密度的已知现象。负载效应可以被分类为微负载和宏负载效应。微负载效应主要引起蚀刻速率随着局部图案密度的增加而降低。高图案密度区域具有更高的蚀刻剂消耗，这是因为蚀刻剂跨过待蚀刻制品或材料的运输受到气体扩散限制。

如图3中所示，示出了蚀刻速率如何随着可蚀刻面积而变。在特定的长度尺度内或者对于特定的损耗半径来说，可以维持浓度变化。这导致在高图案密度区域中蚀刻剂不足并且蚀刻速率降低。

与ARDE相比，微负载效应相对小然而不是不可避免的，这种效应可以通过多种技术包括在蚀刻处理中提高气体流速或降低压力来降低。

当根据本发明蚀刻材料时，被蚀刻的凹陷部的尺寸通常为点的形式，并且相邻点之间的间距可以根据待形成的制品或材料的要求和需求来确定和选择。

优选使用的这种凹陷部的尺寸不应过小，以便在光刻法期间避免严重衍射，并且也为了降低形成的微柱或杆部分的缺陷的可能性或似然性。

根据衍射理论，使用的点尺寸通常应该大于在光刻法中使用的UV光源的波长的十倍，其约为4μm。

根据衍射理论，相邻点的间距也应该被提供成使得所述间距也应该大于4μm。然而，正如本领域技术人员将会认识到的，对于某些应用来说，例如当取决于所述应用的细节，柱的形状对于将使用所述处理的制品或材料来说不是特别重要时，这种参数不一定是与其相符的绝对参数。通过适合地选择和设计不同的点间距或槽宽度，通过利用DRIE技术可以获得具有不同槽深度的硅元件。

参考图4a-4d，示出了根据本发明的具有3个层次的制品的制造过程的示例性图像表述和描述，其中所述过程参考由硅形成的元件来描述。

如图4a中所示出和表示的，描绘了用于提供多层次元件的掩模400的示意性顶视图，所述掩模具有必需的图案以使得根据本发明的方法形成多层次元件。

掩模400被分成3个部分410、412和414，其中所选的图案密度约为50％。所使用的3个部分410、412和414的每个槽411、413和415之间的间隙的位移分别为1μm、2μm和3μm。在常用的UV光刻系统中，所述临界尺寸是0.4μm，并且在下面的实施例中，最小间距尺寸被设定为1μm。

如图4b的示意性侧视图所示，描绘了由硅或基于硅的材料形成的元件420或元件的部分，其被表示为已根据本发明通过图4a的掩模利用ARDE进行蚀刻。

正如从该图中注意到的，由于由图4a的示例性掩模所提供的不同纵横比并因此由于ARDE效应，蚀刻深度、例如来自于DRIE处理的蚀刻深度，沿着元件420在元件420的每个部分440、442和444中产生了不同的蚀刻效果。

正如将被理解的并且正如所示，掩模400的含有较宽的槽415的区域，在图4b中所示的元件420内产生更深的槽蚀刻深度，并且这种纵横比决定蚀刻现象是已确立的现象。

在图4b中所描述和表示的蚀刻处理完成后，存在多个微槽441、443和445以及多个微柱446、447和448。

在蚀刻处理例如图4b的DRIE蚀刻后，移除硅元件420的微柱446、447和448，以便提供多层元件。

参考示意描绘的图4c，将硅元件420氧化，这通常是在炉内进行。这种氧化处理消耗微柱446、447和448以形成氧化硅。

在示意描绘的氧化后，柱446、447和448已被消耗成为氧化硅，其可以通过将微柱446、447和448溶解在氟化氢(HF)溶液中而从元件420移除。

在通过氧化和随后在HF溶液中的处理完全移除硅微柱446、447和448后，如图4d中所描绘的获得了多层次硅元件。

正如本领域技术人员将理解的，本发明允许形成多层次元件或设计不同图案的元件，它能够制造多层次元件或具有连续弯曲表面的元件。

参考图5a，示出了微元件500的摄像表现，并且在图5b中示出了图5a的微元件500的放大部分，在这种情况下是在机械时计中使用的小的机械元件，其包括位于所述微元件的最外端的多个多层次部分520。

所描绘的示例性实施方式是由硅形成的元件，在其上已根据本发明的方法形成了多层次部分520，具有多个表面522和524。

本发明提供了方法和根据所述方法形成的产品，其中可以在所述元件上形成多个层，而不需要多次掩模和多种蚀刻类型的处理。

因此，本发明提供了元件的制造，其尺寸准确、制造容易，同时避免了与现有技术的过程相关的对齐问题，例如光学手动对齐。

由本发明所提供的更高的尺寸准确性为元件的制造提供了改进的公差以及可重复性，提供了提高的制造效率，减少了不相容元件的报废，提供了组装的容易性，并且由于元件一致性提高而减少了元件磨损，特别是对于与其他元件啮合的元件等，改进了元件啮合和交互运作性，并减少了不想要的偏心。