制造多层三维器件或结构方法

专利名称：制造多层三维器件或结构方法
技术领域：
本发明涉及制造多层三维器件或结构，特别涉及通过制造和连接多个独立结构层 而形成多层三维微器件或微结构。
背景技术：
多层制造技术是目前最有发展前景的一种制造复杂三维微器件或微结构的制造 技术。美国专利5，190，637和6，027，630提供了两种使用多层电化学沉积来制造三维金属 微器件或微结构的制造方法。这两种方法的共同点可归纳如下1.三维微器件或微结构由连续的一层一层叠加的方法制得。2.每一层至少包含两种材料，其中至少有一种结构材料和一种牺牲材料。3.每一层所有材料都由电化学沉积方法生成。4.每一层都使用整平工艺来获得所需的层厚度，层表面光洁度和层表面平整度。5.在制得所有的层后，去除牺牲材料而获得所需的三维金属微器件或微结构。虽然上述两种电化学多层制造技术已经被商业化，但它们有如下缺点低生产速度，尤其是当所要制造的三维微器件或微结构有大量的层所组成。这是 因为这两种方法使用连续的层层叠加的方法。也就是说，只有当前一层被制造完成后才能 在其上制造后一层。因此大量的层需要长时间才能制得。低成品率。在实际生产中，每一层都不可避免含有缺陷。这些缺陷可能分布在每 一层的不同位置。因此可接受的微器件或微结构的最后成品率会是一个很大的问题。材料选择的限制。每一层所有材料都由电化学沉积方法生成。然而材料可用电化 学沉积方法而制得的是相当有限。许多重要的工程材料和半导体材料如不锈钢、钛、硅等， 均不能由电化学沉积方法而制得。层厚度的限制。因每一层的制造都涉及使用光刻技术，这样每一层的厚度就受到 光刻胶所能达到厚度的限制。结构形状的限制。虽然上述方法宣称能制造任何几何形状的结构，但还是有一些 结构形状不能由上述方法制得，如三维器件或结构含有封闭的空腔。美国专利6，332，568提供了另一种制造多层三维器件或结构的方法。此方法首先 在多个独立的基体材料上制造所需的单层结构。然后使用扩散连接技术，通过连续的一层 一层叠加的方法来连接所制得的单层结构而获得多层三维器件或结构。具体步骤如下首 先把第二层连接到第一层上，然后除去与第二层连接在一起的基体材料。重复以上步骤把 第三层连接在第二层上直至所有层都连接在一起。在这种方法中，虽然所需的单层结构可 独立制得，即单层结构可通过同时平行制得而缩短制造时间。但单层结构的连接方法依然 是费时的连续的一层一层叠加的方法。另外，基体材料的存在极大地增加了精确的层层连 接的难度。除去基体材料的过程也额外地增加了制造时间。对除去基体材料后暴露的表面 的整平也及其困难。这种方法较适合制造很少几层的器件或结构。另外，这种方法目前仅 有用于制造数层电沉积镍结构的报道。
采用适合的连接技术而直接连接多个独立结构层也是一个制造多层微器件或微 结构的方法。例如采用硅-硅直接键合技术而连接多个由硅微制造技术而制得的硅微结构 层。例如采用扩散连接技术而连接多个由机械加工或化学/电化学刻蚀而制得的金属微结 构层。然而这种方法的缺点是只能制造相对复杂的有限的三维形状的微器件或微结构。其 原因在于每个被连接的独立微结构层不可能含有互不连接的独立特征结构。而用多层制造 技术制造一个复杂三维器件或结构，必须首先在设计时沿其纵向把它分成一系列独立结构 层，然后制造和连接这些结构层而形成所要的三维器件或结构。问题在于这些设计的结构 层中往往不可避免的含有互不连接的独立特征结构。正由于这个设计要求和制造能力的冲 突而限制了这个方法的应用。

发明内容
如上所述，由于现有多层制造技术本身的局限而限制了其更广泛的应用。本发明 的目的是提供一种新的多层制造技术来克服和消除现有技术的缺陷，从而使得多层制造技 术能够实现更大范围的应用。本发明通过以下技术方案加以实现把要制造的三维微器件或微结构在设计时沿其纵向把它分成一系列独立结构层， 然后制造和连接这些互不连接的独立结构层而形成所要的三维器件或结构。针对含有互不 连接的独立特征结构的结构层，本发明的解决方案是使用至少一种牺牲材料来暂时连接上 述的由结构材料所形成的独立特征结构从而形成一个可制造的一体结构层。根据需要，牺 牲材料可在后续制造步骤中或保存或部分或全部去除。对于包含至少两种材料的独立结构层，本发明提供了四种不同的制造方法第一种方法包含如下步骤在一个基体材料上固定一层由第一种材料所组成的材 料层；如果需要，整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度； 加工或刻蚀此材料层 形成至少一个孔或开口 ；至少在形成的一个孔或开口中填入至少一 种第二种材料；如果需要，整平所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层 厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；从上述基体材料层分离所形成的由至少两种材料 所组成的结构层；如果需要，整平所分离的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或 层表面平整度。第二种方法包含如下步骤提供一层由第一种材料所组成的材料层；如果需要， 整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；加工或刻蚀此材 料层而形成至少一个孔或开口 ；至少在形成的一个孔或开口中填入至少一种第二种材料； 如果需要，整平所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚度，层表面光 洁度和或层表面平整度。第三种方法包含如下步骤在一个基体材料层上生成一层由第一种材料所组成的 材料层；如果需要，整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整 度；加工或刻蚀上述材料层而形成至少一个孔或开口 ；至少在形成的一个孔或开口中填入 至少一种第二种材料；如果需要，整平所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所 需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；从上述基体材料层分离所形成的由至少两 种材料所组成的结构层；如果需要，整平所分离的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度。第四种方法包含如下步骤在一个基体材料层所需的区域上生成第一种材料而形 成一种所需的图形；在全部或部分第一种材料上和全部或部分未经第一种材料所覆盖的 基体材料上生成至少一种第二种材料，其中由至少两种材料所形成的所有特征结构都连接 在一起；整平上述由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和 或层表面平整度；从上述基体材料层分离形成的由至少两种材料所组成的结构层；如果需 要，整平所分离的材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度。本发明优点1.本发明可制造具有复杂几何形状的三维器件或结构，尤其适合制造具有复杂几 何形状三维微器件或微结构。2.本发明可制得含有封闭空腔或细长微通道的三维器件或结构。3.本发明可制得含有互不连接的独立特征结构的三维器件或结构。4.本发明可制得含有可活动的特征结构的三维器件或结构。5.本发明中制得的独立结构层可含有不连续的平面。6.本发明中制得的独立结构层可含有孔或开口。7.本发明可成为一个全平行的制造技术，即不仅所需的独立结构层可同时平行制 得而缩短制造时间，连接所制得的独立结构层也可一次完成。这样本发明具有高的生产速度。8.本发明所需的结构层可分开独立制得，只有通过质检的结构层才最后连接在一 起，因此本发明具有高的成品率。9.本发明可选择使用更广的材料来制造三维器件或结构。可使用的材料包括金 属，半导体和非金属材料。例子如不锈钢、钛、硅等。10.本发明中的结构层的厚度可在更大范围内自由选择。


图1显示了本发明制造多层三维器件或结构的基本步骤的方块图。图2示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第一个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图3示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第二个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图4示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第三个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图5显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第一种方法的基本步 骤的方块图。图6示意性地描述了使用第一种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含316L不锈钢和镍两种材 料。图7显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第二种方法的基本步 骤的方块图。
图8示意性地描述了使用第二种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含硅和铜两种材料。图9显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第三种方法的基本步 骤的方块图。图10示意性地描述了使用第三种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含镍和金两种材料。图11显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第四种方法的基本步 骤的方块图。图12示意性地描述了使用第四种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含镍和金两种材料。
具体实施例方式以下结合附图和根据本发明的技术方案给出的实施例对本发明作进一步的详细 说明。图1显示了本发明制造多层三维器件或结构的基本步骤的方块图，包括1)制造两 个或更多互不连接的独立结构层；2)连接至少所制造的独立结构层而形成一个一体的多 层三维器件或结构；3)如果需要，在结构层的连接过程中和或连接完成后，去除至少一种 材料的部份或全部。方块图100要求制造两个或更多互不连接的独立结构层。在本发明中，每个结构 层至少有一部分是所要制造的三维器件或结构的一部分。每个结构层至少包含一种材料并 形成所需的图形，其中至少有一种材料是组成所要制造的三维器件或结构的结构材料。至 少有一个结构层包含有至少一种牺牲材料。组成每个结构层的材料可以完全相同，部分相 同，或完全不同。对于只包含一种材料的结构层，可使用对该材料合适的物理或化学加工制 造或微加工制造技术来形成所需的结构层。例如可使用机械加工、物理或化学沉积如真空 沉积和电化学沉积、激光、电火花加工、光刻加工、化学刻蚀、或电化学刻蚀等来加工制造或 刻蚀材料而形成结构层。对于半导体材料如硅，可使用湿法刻蚀或干法刻蚀如深反应离子 刻蚀(DRIE)来刻蚀材料而形成结构层。对于包含两种或两种材料以上的结构层，本发明提 供了四种制造方法。这些方法将在后面详细描述。使用牺牲材料是本发明最显著的特点之一。对于组成复杂三维器件或结构的独立 结构层，往往不可避免的至少有一层含有互不连接的独立的特征结构，即这样的层由两个 或更多分离的部分组成。很显然，这样的层是无法制得的。在本发明中，牺牲材料的主要作 用在于暂时连接分离的特征结构从而形成一个可制造的一体结构层。牺牲材料的含义是它 本身不是所要制造的三维器件或结构的组成材料，它可在制造过程中的合适时间被去除。 在某些情况下，当一种材料可同时具有作为结构材料和牺牲材料的作用时，对其起结构材 料作用的部分称为结构材料，而对其起牺牲材料作用的部分称为牺牲材料。正是本发明独创性地使用牺牲材料，才使得制造含有互不连接的独立特征结构的 层成为可能，从而使得制造复杂三维器件或结构成为可能。如复杂三维器件或结构可包含 有互不连接的独立特征结构，或包含有可活动的特征结构。对于不含有互不连接的独立特征结构的层，可以不用牺牲材料。然而，对于制造多层微器件或微结构而言，组成它们的独立结构层含有微特征结构。这些微特征结构往往很 脆弱，非常容易在其制造后的使用过程中被损坏。因此也可以在这些结构层中使用牺牲材 料来暂时保护易损坏的结构层或结构层中的特征结构。方块图102要求连接至少所制造的独立结构层而形成一个一体的多层三维器件 或结构。三维器件或结构由按所需的层序和层与层之间的方位连接至少所制造的独立结构 层而形成。在本发明中，独立结构层的连接可由一次或多次的连接来完成。如独立结构层 的连接可全部一次连接在一起，也可一层一层连续地连接在一起，或者某些层先一次或多 次连接在一起，然后再与剩下的层一次或多次连接在一起。在本发明中，连接的方法可包括机械方法连接、使用粘结材料如粘结剂的连接、不 使用粘结材料的连接(如扩散连接、熔融连接、硅_硅直接键合、硅_玻璃阳极键合等)、层 压连接、挤压连接、和加热连接等。独立结构层的连接可只使用一种连接方法或使用两种或 以上的连接方法的组合。在本发明中，层与层之间方位的确定和对准可籍由使用对准标记或结构来完成。 对准标记或结构可在结构层内(如在层内形成的专用于对准目的的特征结构)或在结构层 外。层与层之间的对准可使用层内和或层内的对准标记或结构。对准可由光学和或机械对 准方法来完成。对准操作也可使用专门的对准设备。多层三维器件或结构可由只连接所制造的独立结构层而形成，也可由连接所制造 的独立结构层和另外的器件或结构而形成。如把独立结构层连接在一个所需的基体材料 上，该基体材料上也可包含有其他器件或结构。方块图104要求如果需要，在结构层的连接过程中和或连接完成后，去除至少一 种材料的部份或全部。如前所述，在一个或多个结构层中含有至少一种牺牲材料。一般而 言，牺牲材料需要被除去。然而，如果牺牲材料的存在并不影响多层三维器件或结构的功 能，它也可以不被除去而留在多层三维器件或结构中。牺牲材料的去除可在结构层的连接 过程中和或连接完成后。例如某些结构层先连接在一起，在除去牺牲材料后，再与其他结构 层连接在一起而形成所需的多层三维器件或结构。再例如在所有结构层连接在一起后，除 去牺牲材料而形成所需的多层三维器件或结构。在本发明中，牺牲材料的去除可使用物理和或化学的方法。例如可使用化学或电 化学溶解、干法刻蚀如等离子体刻蚀、蒸发汽化、激光、或机械方法等。牺牲材料的去除可只 使用一种去除方法或使用两种或以上的去除方法的组合。图2示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第一个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图2A显示了三个已制得的单层独立结构层110、112和114。每个结构层都含有 一种牺牲材料116和一种结构材料118。结构材料118可以是金属(如镍、铝和钛)，合金 (如不锈钢和钛合金)，半导体(如硅和碳化硅)，陶瓷(如氧化铝陶瓷)，聚合物(如聚酰 亚胺)，或复合材料等。选择牺牲材料116的原则是当它被除去时，不会造成结构材料118 的损坏或仅对结构材料118造成轻微但可接受的损坏。例如当结构材料是不锈钢时，牺牲 材料可用铜。这是因为铜可在含氨的碱性铜蚀刻溶液中被溶解，而此铜蚀刻液对不锈钢是 安全的。牺牲材料116也可选择金属、合金、半导体、陶瓷、或聚合物等。图2A也显示了每个结构层都含有一个通孔，即120、122和124。这些孔的作用是作为连接这些结构层的对准标记或结构。在图中虽然在每层上只显示了一个对准标记或结 构，但每层可以有更多的对准标记或结构。对准标记或结构的形状可以是园形、三角形、正 方形或任何合适的图形。根据不同的层连接方法，结构层的表面在连接前需要作相应的处理来增强层与层 之间的结合强度。例如，在有些情况下，表面需要被洁净而使得表面不含有污染物。在有些 情况下，表面的氧化物需要被除去。有很多成熟的方法可以被用来洁净表面和或除去表面 氧化物。例如有机或无机溶液如丙酮、异丙醇、或碱性清洁液可以用来除去污染物。酸性溶 液如硫酸可以用来除去金属氧化物。图2B显示了三个独立结构层已被按它们之间的层序和层与层之间的方位叠在一 起。对于层与层之间的方位的对准是利用了在层上的对准标记或结构120、122和124。这 个对准操作可使用专门的对准仪器设备或使用一个精密的机械装置和显微镜的组合。三个叠在一起的结构125随后被连接在一起而形成一个多层结构。例如可采用扩 散连接。扩散连接是一种固态连接工艺，可以广泛用来连接金属、半导体、以及非金属材料。 如果结构材料是硅，则硅-硅直接融合键合或硅-硅等离子体活化的直接键合也可以用来 连接硅结构层。上述连接工艺是已建立的成熟技术，对连接不同材料的具体的工艺参数可 从书籍和文献中获得，也可通过实验获得。图2C显示了这三个结构层已被连接在一起，并且牺牲材料116也已被除去而形成 一个多层结构126。牺牲材料116的去除可采用化学或电化学刻蚀法。例如把已连接在一 起的三个结构层浸入合适的刻蚀牺牲材料116的化学刻蚀溶液中来溶解牺牲材料。在有些 情况下，为保护金属的结构材料，可在刻蚀溶液中加入合适的缓蚀剂。图2C显示了仅连接上述三个结构层而形成的多层结构126。图2D则显示了多层 结构126被连接在一个基体层128上。这可通过把上述三个结构层和基体层128先同时 连接在一起(如使用扩散连接)，然后除去牺牲材料116而制得。也可把制得的多层结构 126 (图2C)连接在基体层128上(如使用一个合适的粘结剂)。图2D显示了一个多层结构126被连接在基体层128的一个表面上。图2E则显示 了在基体层128的两面各连接上一个多层结构126。例如可先制得两个多层结构126，然后 把它们连接到基体层128的两个面上(如使用一个合适的粘结剂)。在某些情况下，制得的多层器件或结构还可进行后处理来达到保护或增强其性能 的目的。例如，不耐蚀的金属器件或结构，可以在其上覆盖一层保护层。低导电性的器件或 结构可在其上覆盖一层高导电性的镀层。图3示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第二个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图3A显示了三个已制得的独立结构层130、132和134。其中独立结构层130由两 个单层结构层131和133组成。结构层130可由制得的独立结构层131和133通过扩散连 接而形成，也可以用其他方法制得，例如利用前述的美国专利5，190，637和6，027，630所提 供的方法。所有层都含有一种牺牲材料136和一种结构材料138。结构层130的上层133 包含有一个圆形通孔142。结构层132也含有一个圆形通孔144。这个第二个实施例的目 的之一是要显示如何制造一个包含有封闭空腔的三维器件或结构。图3B显示了三个独立结构层130、132和134已被按它们之间的层序和层与层之间的方位叠在一起。图3C显示了这三个结构层和一个基体层150已被连接在一起，例如通过扩散连接 或其他连接方法。在基体层150上形成的多层结构148含有一个封闭空腔146。在除去牺牲材料136后(如使用化学或电化学刻蚀)，图3D显示了一个制得的含 有一个封闭空腔146的多层三维器件或结构152。图4示意性地描述了利用本发明制造多层三维器件或结构的第三个实施例的各 个制造阶段的侧视图。图4A显示了三个已制得的独立单层结构层173、174和176。每层都含有一种牺 牲材料178和一种结构材料180。在本例中，结构材料180是硅，牺牲材料178是铜。铜可 以是电沉积或电镀而形成的铜。结构材料硅可以是不含有或含有搀杂物(如硼、磷、砷、锑 等)的硅。图4B显示了每个结构层(173、174和176)上的牺牲材料178已被除去一部分而 使得牺牲材料的表面都低于结构材料180的表面。这样当连接这三个结构层时，任何一层 的牺牲材料便不会被连接到另外的层上而使得连接工艺简单化。毕竟我们的目的是要连接 结构材料，而不是牺牲材料。牺牲材料178(铜)可以用化学刻蚀来部分除去。市场上有很多铜的刻蚀液可供 选择。例如可使用含氨的碱性的铜的刻蚀液，如商品名为Enstrip C-38的铜刻蚀液。这种 铜的刻蚀液对硅也是安全的。在图4B中，结构层174现在还有一个盲孔182。盲孔182可以通过很多微制造方 法制得。例如使用激光加工或微电火花加工。本实施例的一个目的是说明结构层并不一定 要具有连续的表面。结构层可以含有通孔或盲孔。在结构层中的各种材料的表面也并不一 定要在同一水平上。图4C显示了结构层173、174和176已被按它们之间的层序和层与层之间的方位 连接在一起而形成一个多层结构184。结构层的连接可采用硅-硅直接键合法。硅-硅直接键合法主要有两种方法，即高温融合键合(约1100°C )和室温或低温 等离子体活化的直接键合(< 500°C )。在本例中，硅结构层中还含有牺牲材料铜。硅和铜 的热膨胀系数不同，因此高温融合键合可能产生热应力而导致结构层破坏。所以室温或低 温硅_硅直接键合如等离子体活化的直接键合是首选的硅_硅连接方法。高温融合键合和 等离子体活化的直接键合已经成为成熟的硅器件的生产工艺并已有专门的键合设备包括 层与层之间的对准装置和键合装置。具体的工艺参数和键合要求可从书籍和文献中获得， 也可通过实验获得。结构层173、174和176的硅表面必须加工(如使用化学机械整平)而 达到键合所要求的光洁度和平整度。 另外，本发明也提供一种适合本例情况的三步键合组合法。该法包括以下三个步 骤1)使用室温或低温硅直接键合方法连接所需的独立结构层173、174和176，从而使得它 们结合在一起，并且层与层之间的键合强度不必达到最大，但可以使得已结合在一起的结 构层可以经历步骤2而不至互相分离；2)去除牺牲材料；3)把已去除牺牲材料的多层结构 层进行再处理(如1100°C高温退火)，从而再提高层与层之间的键合强度而达到设计所需 的要求。在这种方法中，因第一步并不要求达到层与层之间的最大强度，硅-硅直接键合的 温度可以比标准的处理温度更低，因而可以进一步降低热应力的影响。在牺牲材料去除后，多层结构或器件仅有硅一种材料，因此可以在高温下处理而无需担心热应力。图4D显示了已连接在一起的三层结构184和一个基体层186连接在一起。例如 这可以通过使用粘结剂而达到这个结果。如果基体层186是玻璃，也可以使用硅-玻璃阳 极键合法。如果基体层186是硅片，可以使用如等离子体活化的硅直接键合法。如果基体 层186是陶瓷材料如氧化铝陶瓷，也可使用扩散连接法。在结构184中也包含有一个封闭 空腔182。图4E显示了在除去牺牲材料铜后的多层三维器件或结构188。它含有一个封闭空 腔182并固定在基体层186上。牺牲材料铜可用前述的Enstrip C-38铜刻蚀液来除去。针对组成三维多层器件或结构的含有两个或更多材料的独立结构层，本发明提供 了四个制造方法。图5显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第一种方法的基本步 骤的方块图。方块图236显示了步骤一，要求在一个基体材料上固定一层由第一种材料所组成 的材料层。例如，固定的方法可使用机械方法、使用粘结材料如粘结剂的连接、不使用粘结 材料的连接(如扩散连接)、层压连接、挤压连接、加热连接、真空吸附固定、磁吸附固定、静 电吸附固定等。基体材料的作用是提供一个机械支撑平台，在其上制造所需的结构层。这 种方法适合制造薄的结构层、柔软易曲的层，或者难于处理如易碎的层。因最后需要从基体 材料上分离所形成的结构层，在有些情况下，基体材料表面可预先形成一层薄的可刻蚀除 去的中间层，在此中间层上形成所需的结构层。最后通过溶解中间层而获得分离的结构层。材料层可购买商品材料层获得，例如金属薄膜、金属片、聚合物薄膜或片、硅晶片、 碳化硅晶片等都有商品供应。材料层也可用很多方法制得。例如，可用机械加工或物理或 化学沉积法来获得所需的材料层。材料层的厚度和表面状态必须符合设计和制造要求。否 则需要预先加工材料层来获得所需的厚度、表面光洁度和平整度。例如可使用研磨、机械抛 光和或化学机械抛光来获得所需的厚度、表面光洁度和平整度。方块图238显示了步骤二，要求在第一种材料层被固定在基体材料上后，如果需 要，整平此材料层。这个步骤是可选的，不是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要 采用此步骤。这些情形包括1)此材料层需达到一个确定的厚度；2)此材料层需达到均勻 的厚度；3)材料层表面需要达到确定的表面光洁度和平整度。可采用的常用的整平方法包 括研磨、金刚石研磨、金刚石切削、化学机械抛光整平、铣刀研磨等。方块图240显示了步骤三，要求加工或刻蚀第一种材料层而形成至少一个孔或开 口。孔或开口可以是全部贯穿、全部非贯穿、或部分贯穿或部分非贯穿。所要的孔或开口可 以一次或多次形成。孔或开口的形成可根据材料而选择合适的加工方法。如可使用激光透 过一块有所需图形的掩模版而在材料层上一次形成所需的孔或开口。也可以在材料层上使 用光刻胶而形成所需图形，然后使用化学或电化学刻蚀形成所需的孔或开口。对于硅晶片， 可使用湿法刻蚀或干刻蚀如深反应离子刻蚀来形成所需的孔或开口。其他可用的加工方法 还包括超声波加工、电火花加工、机械钻孔，机械切削等。顺便提一句，如果只是制造含有一 种材料的结构层，在步骤三后，可直接跳至步骤五。方块图242显示了步骤四，要求至少在形成的一个孔或开口中填入至少一种第二 种材料。对于不同的填入材料可选择不同的填入方法。例如电化学沉积如电镀和化学镀可
12在形成的孔或开口内填入可沉积的金属、合金、导电的聚合物、复合材料等。物理沉积如真 空沉积(PVD、CVD、溅镀等)可填入半导体材料、金属、合金等。物理沉积如热喷镀和冷喷涂 可填入金属、合金、陶瓷材料等。液态状的聚合物可经喷射或涂敷而填入，然后使用热或辐 射来固化聚合物。对于不需被填入的孔或开口可先用可去除的材料封闭或填充，在第二种 材料填入所需的孔或开口后，再除去可去除的材料。如要填入第三种或更多材料，可参照前 述的填入方法在所需的孔或开口中填入。方块图244显示了步骤五，要求如果需要，整平所分离的结构层。这个步骤也是可 选的，不是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要采用此步骤。这些情形包括1)此 结构层需达到一个确定的厚度；2)此结构层的所有材料需要暴露并且它们的表面达到同 一水平；3)此结构层表面需要达到确定的表面光洁度和平整度。可采用的常用的整平方法 包括研磨、金刚石研磨、金刚石切削、化学机械抛光整平、铣刀研磨等。方块图246显示了步骤六，要求从上述基体材料上分离所形成的由至少两种材料 所组成的结构层。例如可从基体材料上剥离结构层，可用机械方法加工除去基体材料，溶解 在基体材料和结构层之间的中间层，或直接溶解基体材料层等。方块图248显示了步骤七，要求如果需要，整平所分离而得到的结构层。这个步骤 也是可选的，不是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要采用此步骤。这些情形包括 1)在分离后，此结构层的一面或两面需达到确定的表面光洁度和平整度；2)此结构层需达 到一个确定的厚度；3)如果此结构层包含至少一个盲孔并且至少有一个盲孔被填入第二 种材料，此第二种材料需要从原先固定在基体材料上的面上暴露出来。可采用的常用的整 平方法包括研磨、金刚石研磨、金刚石切削、化学机械抛光整平、铣刀研磨等。图6示意性地描述了使用第一种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含316L不锈钢和镍两种材 料。图6A显示有一层316L不锈钢284和一层铜286。具有所需均勻厚度和表面光洁 度和平整度的316L不锈钢层和铜层可从市场上购得或可从原材料机械加工而得。铜层286 的作用是作为一个基体材料层来提供一个机械支撑平台，在其上制造所需的含316L不锈 钢和镍的结构层。在本实施例中，不锈钢284通过扩散连接而固定在铜286上。两个待连 接的面分别是288和290。面288和290的表面光洁度、平整度和洁净度必须符合扩散连接 的要求。例如这两个面可经金刚石研磨和抛光而获得所需的表面光洁度和平整度。在扩散 连接前，可经超声波清洗和酸活化而得到洁净和活化的表面。扩散连接可在专门的设备中进行，包括加压装置和加热装置。不锈钢284和铜层 286的扩散连接可在其上加上一定的压力(如450-500kg/cm2)并放入具有10_6Torr级的真 空炉中在一定温度下(如500-700°C )放置一定时间(通常几个小时)。图6B显示了不锈钢284经由扩散连接而固定在铜286上的两层结构291。如果需 要，不锈钢284的表面292可经金刚石研磨和抛光而获得所需的表面光洁度和平整度以及 层厚度。有很多技术可供选择来加工不锈钢层284来形成一种所需的图形，如使用激光加 工或化学或电化学光刻。在本实施例中，使用准分子激光刻蚀(excimer laser)来加工不 锈钢层284。图6C显示了一块有所需图形的掩模版294放置在不锈钢层284上。掩模版294包含有激光可通过的区域(光通区)298和激光不可通过的区域(光阻区)296。激光 通过光通区可达到刻蚀其下的不锈钢层284而形成所需的孔或开口目的。图6D显示了在掩模版294移去后的不锈钢层284经激光刻蚀后的结果。刻蚀后 的不锈钢层300含有通孔304和不锈钢特征结构302。图6E显示了一个第二种材料镍306被沉积在不锈钢层300和刻蚀镍后所暴露的 铜上。镍306可由电镀而获得。镍电镀可在含有镍镀液的电镀槽中进行。可选用氨基磺酸 镍镀液，如使用商品名为Techni S的氨基磺酸镍镀液。镀液中还可加入应力降低剂来降低 镀层中的应力，如使用商品名为JB-100的添加剂。如果不锈钢层300中含有不须被填入 的孔(如对准标记或结构)，可先用绝缘材料(如商品名为AZ4620的光刻剂)来遮蔽这些 孔。另外，在电镀镍前，需要清洁和活化被电镀的表面，如可用化学清洁剂或超声波清洁，然 后使用稀硫酸溶液来活化表面。也可用冲击镀方法先镀一层薄镍层，然后在其上再镀所需 的镍，这种方法可增加镍和不锈钢之间的结合力。对于使用Techni S的氨基磺酸镍镀液， 镀液温度可控制在50°C左右，电镀电流密度可使用10-30mA/cm2。电镀时间可由电镀电流 密度和所需的镍厚度来确定。含有镍和不锈钢两种材料的层308 (图6E)可使用金刚石研磨来整平从而使被覆 盖的不锈钢结构得到暴露。图6F显示了整平结果。含有镍结构312和不锈钢结构314的 层310被制成。镍312和不锈钢314的表面在同一水平上。整平后形成的表面315达到所 需的表面光洁度和平整度并且层310达到所需的层厚度。为了从铜基体材料层286上分离所制得的结构层310，可在一个合适的铜刻蚀液 中溶解铜。例如可使用含氨的碱性的铜的刻蚀液，如商品名为Enstrip C-38的铜刻蚀液。 这种铜的刻蚀液对不锈钢和镍是安全的，即不会造成不锈钢和镍的损坏。图6G显示了除去 铜基体材料层286后的结构层310。如果需要，被分离的结构层310的上面315和或下面311还可再次被整平，例如使 用金刚石研磨和抛光，从而使得结构层310达到最后所需的层厚度，以及表面光洁度和平整度。图7显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第二种方法的基本步 骤的方块图。这个第二种方法除了不需要把第一种材料所组成的材料层固定在一个基体材 料上和不需要把所形成的由至少两种材料所组成的结构层从上述基体材料上分离，其余步 骤基本上和第一种方法相同。方块图250显示了步骤一，要求提供一层由第一种材料所组成的材料层。方块图252显示了步骤二，要求如果需要，整平此材料层。这个步骤是可选的，不 是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要采用此步骤。这些情形包括1)此材料层 需达到一个确定的厚度；2)此材料层需达到均勻的厚度；3)材料层表面需要达到确定的表 面光洁度和平整度。例如市售的硅晶片具有均勻的厚度并且其一面或两面已被整平和抛光 而达到确定的表面光洁度和平整度。因此可直接使用来制造含硅的结构层而无需经过步骤 二的处理。方块图254显示了步骤三，要求加工或刻蚀第一种材料层而形成至少一个孔或开方块图256显示了步骤四，要求至少在形成的一个孔或开口中填入至少一种第二种材料。方块图258显示了步骤五，要求如果需要，平整所形成的由至少两种材料所组成 的材料层。这个步骤也是可选的，不是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要采用此 步骤来平整此结构层的一面或两面。这些情形包括1)此结构层的一面或两面需达到确定 的表面光洁度和平整度；2)此结构层需达到一个确定的厚度；3)如果此结构层包含至少一 个盲孔并且至少有一个盲孔被填入第二种材料，此第二种材料需要从原先未被暴露的面上 暴露出来；4)组成此结构层的所有材料需要从此结构层的表面暴露出来并且所有材料在 它们的暴露表面上处于同一水平。图8示意性地描述了使用第二种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含硅和铜两种材料。图8A显示一个有所需厚度的硅晶片层320。此硅晶片具有均勻厚度。至少其上表 面321已经整平和抛光而达到所需的表面光洁度和平整度。为了加工硅晶片层320而使其形成所需的图形，可以采用化学刻蚀、电化学刻蚀、 深反应离子刻蚀(DRIE)、以及激光刻蚀等。在本实例中，使用深反应离子刻蚀来加工硅晶片 层320。在图8B中，使用标准的光刻工艺，把一层适用于深反应离子刻蚀工艺的光刻胶(如 商品名为AZ4620的光刻胶)施加在表面321上并经紫外光透过有所需图形的掩模版(未 在图中显示)而刻蚀光刻胶层从而在硅晶片层320上形成一层有所需图形的光刻胶层322。 光刻胶层322的光刻胶部分324遮蔽其下的硅，而未被光刻胶遮蔽的部分326将被深反应 离子刻蚀而在硅晶片层320上形成所需图形。把含有光刻胶层322的硅晶片层320放入深反应离子刻蚀设备进行刻蚀。刻蚀时 间由所选定的刻蚀速度和刻蚀深度来确定。图8C显示经刻蚀后形成的硅晶片层328，其包 含有刻蚀形成的孔或开口部分330、331和332。图8D显示除去光刻胶层322后的硅晶片层 328。下一步是把铜填入所需的硅晶片层328中的孔或开口。在本实例中，使用电镀的 方法把铜沉积进所需的孔或开口中。在硅晶片中的孔或开口中电镀进铜是在微电子制造和 微机电制造中的一种常用方法。在电镀前，需要先在硅表面上生成一层导电金属薄层作为 电镀的基体层。这可使用真空沉积如溅射，先沉积一层钛薄层(如50-100nm)然后再在钛 薄层上沉积一层铜薄层(如150-500nm)。对于不需要填入铜的孔或开口，可用绝缘材料遮 蔽。在本实例中，孔332不需要填入铜，因此可用绝缘材料(如商品名为AZ4620的光刻胶) 填入而封闭孔332。图8E显示了硅晶片层328在其上表面333上已有钛/铜薄层，并且孔 332已被绝缘材料334封闭。图8F显示了铜336已被沉积在硅晶片层328的上表面和孔330和孔331内。铜 电镀可在含有铜镀液的电镀槽中进行。可选用酸性铜镀液，如使用商品名为Techni FB酸 性铜镀液。对于使用Techni FB的酸性铜镀液，镀液温度可控制在20-25°C，电镀电流密度 可使用10-30mA/cm2。电镀时间可由电镀电流密度和所需的铜厚度来确定。电镀铜厚度必 须保证铜表面340的最低处达到所需的厚度。包含硅和铜两种材料的结构层338被先从上表面340开始整平直至如图8G所显 示的结构层342。整平可使用研磨和抛光而达成。在整平完成后，硅上表面344已被暴露出 来，并和铜表面345和346处于同一水平。同时结构层342的上表面达到所需的表面光洁度和平整度，并且结构层342的厚度达到所需的厚度。然后结构层342被从底表面348 (图8G)开始整平直至如图8H所显示的结构层 350。在整平完成后，铜下表面352和354已被暴露出来，并和硅表面356处于同一水平。同 时结构层350的下表面达到所需的表面光洁度和平整度，并且结构层350的厚度达到所需 的厚度。最后除去绝缘材料334。如绝缘材料334是商品名为AZ4620的光刻胶，则可用丙 酮溶解。图81显示了最后形成的包含硅和铜两种材料的结构层358。结构层358还含有一 个通孔360。图9显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第三种方法的基本步 骤的方块图。这个第三种方法除了第一步与第一种方法不同外，其余步骤与第一种方法相 同。方块图260显示了步骤一，要求在一个基体材料上生成一层由第一种材料所组成 的材料层。第一种材料的生成可经由沉积而形成在一个基体材料上。例如，电化学沉积如电 镀或化学镀可用来生成金属、合金、导电的聚合物、复合材料等。物理沉积如真空沉积(PVD、 CVD、溅镀等)可用来生成半导体材料、金属、合金等。物理沉积如热喷镀和冷喷涂可用来生 成金属、合金、陶瓷材料等。液态状的聚合物可经喷射或涂敷在一个基体材料上，然后使用 热或辐射来固化聚合物。生成的第一种材料的厚度必须有足够满足后续步骤的要求。方块图262-272与图5的方块图238-248相同。简叙如下方块图262显示了步骤二，要求在第一种材料层被形成在基体材料上后，如果需 要，整平此材料层。方块图264显示了步骤三，要求加工或刻蚀第一种材料层而形成至少一个孔或开方块图266显示了步骤四，要求至少在形成的一个孔或开口中填入至少一种第二 种材料。方块图268显示了步骤五，要求如果需要，整平所形成的由至少两种材料所组成
的结构层。方块图270显示了步骤六，要求从上述基体材料上分离所形成的由至少两种材料 所组成的结构层。方块图272显示了步骤七，要求如果需要，整平所分离的结构层。图10示意性地描述了使用第三种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含镍和金两种材料。图10A显示一层镍394被电沉积在一块铜基体396上。在本实例中，铜表面398 在镀镍前已被整平而达到所需的表面光洁度和平整度。在镀镍前，铜表面398也被清洁和 在5% (体积)硫酸溶液中活化。镍的电镀可参见图6E的说明。电镀镍厚度必须保证镍层 394的最低处达到所需的厚度。图10B显示镍层394已被整平而形成所需的新的镍层400。镍层400有所需的厚 度，其表面402有满足后续步骤要求的表面光洁度和平整度。整平方法可参见前叙。图10C-10G的工艺步骤与图6C-6G类似。在图10C中，使用准分子激光刻蚀方法，由激光透过一块有所需图形的掩模版404
16来刻蚀其下的镍层400而形成所需的孔或开口。掩模版404包含有激光可通过的区域408 和激光不可通过的区域406。图IOD显示了激光刻蚀后形成的新的镍层410。镍层410含有通孔414和不锈钢 特征结构412。图IOE显示了一个第二种材料金416被沉积在镍层410和刻蚀镍后所暴露的铜 上。金416可由电镀而获得。金电镀可在含有金镀液的电镀槽中进行。如使用商品名为 Techni Gold 25的金镀液。在电镀金前，需要清洁和活化被电镀的表面，如可用化学清洁剂 或超声波清洁，然后使用稀硫酸或稀盐酸溶液来活化表面。对于使用Techni Gold 25的金 镀液，镀液温度可控制在60°C左右，电镀电流密度可使用5-8mA/cm2。电镀时间可由电镀电 流密度和所需的金厚度来确定。含有金和镍两种材料的层418 (图10E)可使用金刚石研磨来整平从而使被覆盖的 镍结构得到暴露。图IOF显示了整平结果。含有镍结构424和金结构422的层420被制成。 镍424和金422的表面在同一水平上。整平后形成的表面425达到所需的表面光洁度和平 整度并且层420达到所需的层厚度。为了从铜基体材料层396上分离所制得的结构层420，可在一个合适的铜刻蚀液 中溶解铜。例如可使用含氨的碱性的铜的刻蚀液，如商品名为Enstrip C-38的铜刻蚀液。 这种铜的刻蚀液对金和镍是安全的，即不会造成金和镍的损坏。图IOG显示了除去铜基体 材料层396后的结构层420。如果需要，被分离的结构层420的上面425和或下面426还可再次被整平，例如使 用金刚石研磨和抛光，从而使得结构层420达到最后所需的层厚度、表面光洁度和平整度。图11显示了本发明制造包含至少两种材料的独立结构层的第四种方法的基本步 骤的方块图。方块图274显示了步骤一，要求在一个基体材料上所需的区域上生成第一种材料 而形成一种所需的图形。这可通过选用合适的选择性沉积方法而得到所需的结果，如使用 基于掩模或非掩模的选择性沉积技术。例如一层掩模材料(如光刻胶)可被施加到一个 基体材料上并经处理后形成所需的图形。然后可用电沉积方法在掩模材料中形成的孔或 开口中填入第一种材料。在除去掩模材料后，第一种材料便在基体材料上所需的区域上形 成了一种所需的图形。又例如可使用美国专利6，027，630所描述的直接掩模电镀技术而 在基体材料上所需的区域上形成一种所需的图形。对于使用基于非掩模的选择性沉积技 术的例子包括在基体材料上所需的区域上使用局部直接电镀技术或使用喷墨打印或分配 (inkjet-type printing or dispensing)技术来生成第一种材料而形成一种所需的图形。方块图276显示了步骤二，要求在在第一种材料上和未经第一种材料所覆盖的基 体材料上生成至少一种第二种材料。对于不同的材料可选择不同的生成方法。例如电化学 沉积如电镀和化学镀可生成金属、合金、导电的聚合物、复合材料等。物理沉积如真空沉积 ( 乂0、00)、溅镀等)可生成半导体材料、金属、合金等。物理沉积如热喷镀和冷喷涂可生成 金属、合金、陶瓷材料等。液态状的聚合物可经喷射或涂敷而生成，然后使用热或辐射来固 化聚合物。方块图278显示了步骤三，要求整平所形成的由至少两种材料所组成的结构层。 可采用的常用的整平方法包括研磨、金刚石研磨、金刚石切削、化学机械抛光整平、铣刀研磨等。在整平完成后，由至少两种材料所组成的结构层的上表面的所有材料从此表面上暴 露出来并且所有材料在它们的暴露表面上处于同一水平。另外，在整平完成后，此结构层达 到一个所需的厚度并且此结构层的上表面达到所需的表面光洁度和平整度。方块图280显示了步骤四，要求从上述基体材料上分离所形成的由至少两种材料 所组成的结构层。例如可从基体材料上剥离结构层，可用机械方法加工除去基体材料，溶解 在基体材料和结构层之间的中间层，或溶解基体材料层等。方块图282显示了步骤五，要求如果需要，整平所分离的结构层。这个步骤是可选 的，不是必须的。当有下列至少一种情形出现时，需要采用此步骤。这些情形包括1)在分 离后，此结构层的一面或两面需达到确定的表面光洁度和平整度；2)此结构层需达到一个 确定的厚度。可采用的常用的整平方法包括研磨、金刚石研磨、金刚石切削、化学机械抛光 整平、铣刀研磨等。图12示意性地描述了使用第四种方法制造包含至少两种材料的独立结构层的一 个实施例的各个制造阶段的侧视图。在这个实施例中，结构层包含镍和金两种材料。在图12A中，使用标准的光刻工艺，把一层所需的光刻胶(如商品名为AZ4620的 光刻胶)施加在一个铜基体430的上表面并经紫外光透过有所需图形的掩模版(未在图中 显示)而刻蚀光刻胶层从而在铜基体430上形成一层有所需图形的光刻胶层428。光刻胶 层428的光刻胶部分432遮蔽其下的铜，而未被光刻胶遮蔽的部分434(即光刻胶层中的通 孔部分)的铜表面上将被沉积上一层镍而形成所需图形。在施加光刻胶前，铜基体430的 上表面需经过整平而达到所需的表面光洁度和平整度。图12B显示第一种材料镍436被沉积进光刻胶层428中的通孔部分434。镍的电 镀可参见图6E的说明。电镀镍厚度必须保证镍结构436的最低处达到所需的厚度。在镍电镀完成后，光刻胶层428被除去，如使用丙酮或此光刻胶去除剂。一层由镍 结构436所组成的镍层显示在图12C。图12D显示第二种材料金438被沉积在镍结构436和未被镍结构436所遮蔽的铜 基体430的上表面上。金的电镀可参见图IOE的说明。电镀金的厚度必须保证金镀层438 的最低处达到所需的厚度。含有金和镍两种材料的层440 (图12D)可使用金刚石研磨来整平从而使被覆盖的 镍结构得到暴露。图12E显示了整平结果。含有镍结构444和金结构446的层442被制成。 镍444和金446的表面在同一水平上。整平后形成的上表面445达到所需的表面光洁度和 平整度并且层442达到所需的层厚度。为了从铜基体材料层430上分离所制得的结构层442，可在一个合适的铜刻蚀液 中溶解铜。例如可使用含氨的碱性的铜的刻蚀液，如商品名为Enstrip C-38的铜刻蚀液。 这种铜的刻蚀液对金和镍是安全的，即不会造成金和镍的损坏。图12F显示了除去铜基体 材料层430后的结构层442。如果需要，被分离的结构层442的上面445和或下面448还可再次被整平，例如使 用金刚石研磨和抛光，从而使得结构层442达到最后所需的层厚度、表面光洁度和平整度。需要指出的是本发明所讨论的实施例只是为了理解本发明所揭露的特点和特征 以及这些特点和特征的组合。对于本领域的专业人士而言，在不偏离本发明的实质精神 情况下，更多新的实施例以及对以上所讨论的实施例的某些方面的替换和更改将是很显然的。因此本发明不应该被限制在这些实施例中，而因被限定在本发明所要求的权利范围内。
权利要求
一种制造多层三维器件或结构的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤(1)制造两个或更多互不连接的独立结构层，其中每一个结构层包含至少一种结构材料，每一结构层的结构材料在该层形成一个或更多特征结构并形成一种所需的图形，每一结构层的特征结构为所要制造的多层三维器件或结构的一部分，至少有一个结构层包含至少二个互不接触的特征结构并且这些互不接触的特征结构籍由至少一种牺牲材料所结合在一起而形成一个一体的结构层；(2)按所需的层序和层与层之间的方位连接至少所制造的上述独立结构层而形成一个一体的多层三维器件或结构；(3)如果需要，在上述独立结构层的连接过程中和或连接完成后，去除至少一种牺牲材料的部分或全部。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一个包含至少两种不同材料的独立 结构层，其制造方法包括如下步骤(1)提供一层由第一种材料所组成的材料层；(2)如果需要，整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；(3)加工或刻蚀上述材料层而形成至少一个孔或开口；(4)至少在上述形成的一个孔或开口中填入至少一种第二种材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚 度，层表面光洁度和或层表面平整度；其中在这至少两种材料中，至少有一种结构材料，也可包含有至少一种牺牲材料。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一个包含至少两种不同材料的独立 结构层，其制造方法包括如下步骤(1)在一个基体材料层上固定一层由第一种材料所组成的材料层；(2)如果需要，整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；(3)加工或刻蚀上述材料层而形成至少一个孔或开口；(4)至少在上述形成的一个孔或开口中填入至少一种第二种材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚 度，层表面光洁度和或层表面平整度；(6)从上述基体材料层分离所形成的由至少两种材料所组成的结构层；(7)如果需要，整平所分离的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平 整度；其中在这至少两种材料中，至少有一种结构材料，也可包含有至少一种牺牲材料。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一个包含至少两种不同材料的独立 结构层，其制造方法包括如下步骤(1)在一个基体材料层上生成一层由第一种材料所组成的材料层；(2)如果需要，整平上述材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平整度；(3)加工或刻蚀上述材料层而形成至少一个孔或开口；(4)至少在上述形成的一个孔或开口中填入至少一种第二种材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚 度，层表面光洁度和或层表面平整度；(6)从上述基体材料层分离已所形成的由至少两种材料所组成的结构层；(7)如果需要，整平所分离的材料层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平 整度；其中在这至少两种材料中，至少有一种结构材料，也可包含有至少一种牺牲材料。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一个包含至少两种不同材料的独立 结构层，其制造方法包括如下步骤(1)在一个基体材料层上所需的区域上生成第一种材料而形成一种所需的图形；(2)在全部或部分第一种材料上和全部或部分未经第一种材料所覆盖的基体材料上生 成至少一种第二种材料，其中由至少两种材料所形成的所有特征结构都连接在一起；(3)整平上述由至少两种材料所组成的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和 或层表面平整度；(4)从上述基体材料层分离已形成的由至少两种材料所组成的结构层；(5)如果需要，整平所分离的结构层而获得所需的层厚度，层表面光洁度和或层表面平 整度；其中在这至少两种材料中，至少有一种结构材料，也可包含有至少一种牺牲材料。
6.如权利要求2 4中任意一项，其特征在于，使用物理和或化学方法来加工或刻蚀由 第一种材料所形成的材料层，其中可包含使用机械加工、电加工、激光、干法刻蚀、化学刻蚀 和或电化学刻蚀。
7.如权利要求2 5中任意一项，其特征在于，其中至少一种被填入的材料或至少一种 材料的生成，可用沉积方法来完成，其中沉积方法可包含物理沉积、化学沉积和或电化学沉 积。
8.如权利要求2 5中任意一项，其特征在于，整平单一或多种材料所组成的材料层或 结构层可使用研磨、机械抛光和或化学机械抛光。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，连接所制造的独立结构层包含使用扩散连结。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有两个独立结构层的结构材料包含 硅，其中这至少两个结构层中至少有一个结构层还包含至少一种牺牲材料，连接这至少两 个结构层的方法可使用硅_硅直接键合技术，其中硅_硅直接键合技术可以是室温或低温 (< 5000C )等离子体活化的硅_硅直接键合技术。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，至少有两个独立结构层的结构材料包含 硅，其中这至少两个结构层中至少有一个结构层还包含至少一种牺牲材料，连接这至少两 个独立结构层的方法包括如下步骤(1)使用室温或低温(<50(TC )硅-硅直接键合技术连接这至少两个独立结构层，从 而使得它们结合在一起，并且层之间的键合强度可以使得已结合在一起的结构层可以经历 步骤(2)而不至互相分离；(2)去除全部牺牲材料；(3)把上述已去除牺牲材料的多层结构层进行高温(> 500 )退火，从而增强层之间 的键合强度。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，去除部份或全部牺牲材料可使用化学或电 化学刻蚀或溶解。
全文摘要
本发明公开了一种制造多层三维器件或结构(例如微器件或微结构)方法。此方法通过制造并连接多个独立结构层而形成一个所需的多层三维器件或结构。每一个独立结构层包含至少一种结构材料并形成一种所需的图形。结构材料例子包括金属，半导体和非金属。至少有一个独立结构层包含至少二个互不接触的由结构材料形成的特征结构并且这些互不接触的特征结构借由至少一种牺牲材料结合在一起而形成一个一体的结构层。牺牲材料可在部分和或全部独立结构层被连接在一起后部分或全部去除。本发明也公开了制造所需独立结构层方法。
文档编号B81C3/00GK101891143SQ20091003952
公开日2010年11月24日 申请日期2009年5月18日 优先权日2009年5月18日
发明者张刚 申请人:张刚