形成具有蚀刻通道的mems装置的设备和方法
【专利摘要】本公开涉及形成具有蚀刻通道的MEMS装置的设备和方法。一种制造MEMS装置的方法提供了一种装置基板、在基板中/上形成了多个沟槽并在基板上形成牺牲材料(例如，生长或沉积牺牲材料)以形成多个蚀刻通道。每个沟槽定义一个蚀刻通道并且每个通道蚀刻形成构造为引导蚀刻剂的内部。该方法还接合承载基板到装置基板的牺牲材料并除去该牺牲材料的至少一部分。
【专利说明】
形成具有蚀刻通道的MEMS装置的设备和方法
技术领域
[0001 ]本发明一般涉及微机电系统(“MEMS”)，并且更具体地本发明涉及一种形成微机电系统装置的方法。
【背景技术】
[0002]微机电系统(“MEMS”，也称为“MEMS装置”)是在越来越多的应用中使用的一种特定类型集成电路。例如，微机电系统目前被实现作为移动电话和平板电脑的麦克风、检测飞机俯仰角的陀螺仪和汽车中选择性部署气囊的加速计。在简化的术语中，此种MEMS装置通常具有悬挂在基板上方的易碎可动结构和相关联的电路(在芯片上或芯片外)，其感测悬挂结构的两向移动并提供感测到的运动数据给一个或多个外部装置(例如，外部计算机)。外部装置处理所感测的数据来计算被测量的属性(例如，俯仰角或加速度)。
[0003]微机械加工过程常使用加法和减法流程形成MEMS装置。例如，在制造过程中，一些过程在可动结构下沉积牺牲材料。为释放可动结构(即，因此它可能在可移动状态中)，可动结构下的牺牲材料必须被移除。尽管该方法多年以来已经司空见惯，牺牲材料的移除可呈现出一些制造和性能问题。
【发明内容】
[0004]根据本发明的一个实施方案，一种制造MEMS装置的方法提供了装置基板、在基板中/上形成了多个沟槽并在基板上形成牺牲材料(例如，生长或沉积牺牲材料)以形成多个蚀刻通道。每个沟槽定义一个蚀刻通道并且每个通道蚀刻形成构造为引导蚀刻剂的内部。该方法还接合承载基板到装置基板的牺牲材料并除去该牺牲材料的至少一部分。
[0005]在其他方面，该装置基板可包括掺杂的晶片(例如，高度掺杂的硅晶片)。此外，一些实施方案还在装置基板上形成可动质量块。去除该牺牲材料的至少一部分的行为从而可以释放可动质量块。
[0006]该方法可以形成至少一种贯穿装置基板的可延伸至牺牲材料的蚀刻剂路径。在这种情况下，该方法可以通过蚀刻剂路径引导蚀刻剂至牺牲材料。该蚀刻剂从而通过多个蚀刻通道进行遍历以除去牺牲材料的至少一部分。
[0007]—些实施方案可蚀刻装置基板以形成可动质量块和第二部分。在这种情况下，该蚀刻剂路径可以贯穿装置基板的第二部分、贯穿该可动质量块或同时贯穿可动质量块和该第二部分(例如，如果有第二个或多个蚀刻剂路径)而被形成。
[0008]基板可包括掺杂的硅并且牺牲材料可包括氧化物(例如，二氧化硅)。此外，该方法可以蚀刻装置基板以形成具有质量块厚度的可动质量块。在这种情况下，多个刻蚀通道的每一个可以具有不大于质量块厚度的大约10%的深度(例如，5%、4%、3%、2%、百分之分数等)O
[0009]—些实施方案带着在被蚀刻基板上形成牺牲材料之前衬里的牺牲材料来排列多个沟槽。各蚀刻通道的内部尺寸从而可能由衬里的牺牲材料和所形成的牺牲材料来限定。
[0010]根据本发明的另一个实施方案，一种制造MEMS装置的方法提供了具有顶面的装置基板，沿着基板顶面一个方向上形成多个沟槽，其通常与基板顶面平行且多个基板沟槽的每个用牺牲材料衬里。每个内衬沟槽形成一个开放的通道。该方法也在基板上的多个开放通道上形成牺牲材料。牺牲材料衬里沟槽与形成的牺牲材料集成以形成多个封闭蚀刻通道。每个蚀刻通道具有构造成至少在通常与该装置基板的顶面相平行的方向上引导蚀刻剂的内部区域。该方法还接合承载基板到装置基板的牺牲材料并除去该牺牲材料的至少一部分。
[0011 ]根据本发明的其他实施方案，一种形成MEMS装置的方法提供了具有结合到承载基板的装置基板的未释放的装置。在其他方面，该装置基板具有未释放的微结构和在未释放的微结构和承载基板之间的牺牲材料。该装置基板至少部分具有多个衬有牺牲材料的沟槽以便至少部分地限定多个蚀刻通道。另外，该装置基板还具有延伸至该牺牲材料的至少一条蚀刻剂路径。该方法通过至少一条蚀刻剂路径引导蚀刻剂以便在未释放的微结构和承载基板之间移除该牺牲材料的至少一部分以释放未释放的微结构。
【附图说明】
[0012]那些熟练的技术人员应该参照下面附图讨论的概要从下面的“说明性实施方案的描述”中更充分体会本发明的各种实施方案的优点。
[0013]图1示意性地示出了根据本发明的说明性实施方案可以形成的示例性MEMS装置。
[0014]图2示意性地示出了根据本发明的说明性实施方案可以制造的MEMS装置的局部透视图。
[0015]图3示出了根据本发明的说明性实施方案形成图2的MEMS装置的过程。
[0016]图4A示意性地示出了用于制作图2的MEMS装置的基板的横截面。
[0017]图4B示意性地示出了用于形成释放槽(步骤300)的图4A的基板的横截面。
[0018]图4C示意性地示出了具有牺牲氧化物(步骤302)的图4A的基板的横截面。
[0019]图4D示意性地示出了用于形成接合结构(步骤304)的具有接合承载晶片的基板的横截面。
[0020]图4E示意性地示出了具有减小的厚度和旋转180度(步骤306)的基板的接合结构的横截面。
[0021]图4F示意性地示出了具有贯穿基板(步骤308)的蚀刻剂路径的复合结构的横截面。
[0022]图4G示意性地示出了释放复合结构(步骤310)的横截面。
[0023]图5A根据本发明的一个实施方案示意性地示出了复合结构的平面图，用虚线示出蚀刻剂通道。
[0024]图5B和5C分别示意性地示出了图5A的实施方案释放之前和释放之后的横截面。
[0025]图f5D示意性地示出了类似图5A的平面图，但没有虚线示出蚀刻剂通道。
[0026]图6A根据本发明的另一实施方案示意性地示出了复合结构的平面图，用虚线示出蚀刻剂通道。
[0027]图6B和6C分别示意性地示出图6A的实施方案释放之前和释放之后的横截面。
【具体实施方式】
[0028]在说明性实施方案中，为了更有效地去除牺牲氧化物，形成MEMS装置的过程中产生沿可释放质量块底侧的蚀刻剂通道网络。为此，该过程首先蚀刻直接在质量块底侧的沟槽，然后至少部分地密封这些带有牺牲氧化物的沟槽。该氧化物优选地被施加到基板以形成细长空隙的网络，其每个引导如氢氟酸的蚀刻剂通过和沿着该牺牲氧化物。这个宽的蚀刻剂分布有效地释放了质量块，形成可操作的MEMS装置。示例性实施方案的细节将在下面被讨论。
[0029]图1示意性地示出了根据本发明的说明性实施方案可以被形成的示例性MEMS系统
1。该MEMS系统1包括封装的MEMS装置12，其内具有常规封装16的芯片14 (示于后续图的横截面并且也称为“ MEMS芯片14”)。该封装16与具有互连20的电路板18相连接以便与外部设备进行电通信，诸如计算机。
[0030]该封装的MEMS装置12可以实现由MEMS装置通常能实现的任何常规已知的功能，例如惯性传感器。例如，该封装的MEMS装置12可以是陀螺仪或加速度计。示例性MEMS陀螺仪在马萨诸塞州的诺伍德模拟器械公司的美国专利号650551中更详细地被讨论。示例性的MEMS加速度计在马萨诸塞州的诺伍德模拟器械公司的美国专利号5939633中更详细地被讨论。美国专利号5939633和6505511的公开内容并入本文，其全部作为参考。示例性的实施方案也被实现在体积声波陀螺仪，其通常需要非常薄的氧化物释放层并且作为本领域已知地不在空腔内来回振荡。
[0031]虽然封装的MEMS装置12作为惯性传感器被讨论，说明性实施方案的原理可以适用于其它MEMS装置，例如压力传感器、开关和麦克风。因此，惯性传感器的讨论是示例性的并非旨在限制本发明的各种实施方案的范围。
[0032]图2示意性地示出了根据本发明的说明性实施方案制造的MEMS芯片14的局部透视图。在这种情况下，芯片14具有基部硅晶片，在此被称为“承载晶片22”或“承载层22，”支撑氧化物层24，其本身支撑具有可动和不可动微结构的装置基板。装置基板在本文中被称为“装置层24”或“装置晶片26”，因为它包含大量的主要MEMS功能。为此如图所示装置层26具有通过多个弹簧30悬挂在氧化物层24和承载层22之上的可动质量块28。这些弹簧30可以采取许多形式，例如蛇形通常用于MEMS制造。
[0033]说明性实施方案使用电容耦合技术实现MEMS装置。因此，为感测质量块28的运动，装置层26也具有多个互相交叉的指状物。具体地讲，相互交叉的指状物包括多个相对于装置层26固定的“固定的指状物32A”和从质量块28—体地延伸出的多个“可动的指状物32B”。虽然不是必要的，多数或全部的可动指状物32B通常至少位于两个固定指状物32A之间并且因此被认为是“相互交叉”。应当指出的是尽管可动指状物32B被示出是从质量块28的两侧延伸，一些实施方案可以具有从质量块28的所有侧面延伸的可动指状物32B。
[0034]以加速度计来实现的各种实施方案从而以相互交叉指状物32A和32B之间的距离函数来确定加速度。然而以振动式陀螺仪来实现的一些实施方案可能使用一些指状物来振动可动质量块28并且其他指状物来检测科里奥利运动。诸如电容耦合体积声波陀螺仪的其他电容耦合实施方案可以使用其他操作模式。实际上，MEMS芯片14有其它未示出的组件如接合焊盘用于有效地执行其功能。这样部件的省略仍然仅是为简单起见并不旨在暗示这种部件是不必要的。
[0035]应当注意的是具有所讨论的结构的加速度计的讨论仅是为了说明的目的并不打算限制本发明的各种实施方案。因此讨论的实施方案的原理可以应用到其它MEMS装置，例如体积声波陀螺仪、麦克风、压力传感器和其它MEMS装置。此外，说明性实施方案的原理可以适用于非电容性MEMS装置，例如那些使用利用压电感测的机制。
[0036]说明性实施方案以更有效的方式形成MEMS装置。具体来讲如下面所强调的该MEMS装置被配置以便更容易地释放可动MEMS而不需要贯穿可动质量块28的大量蚀刻剂路径。此配置因此有利保持了可动质量块28的更多质量(例如，比目前已知
【发明人】的技术要大百分之二十至三十)，这提高了装置的信噪比。实质上基于制造MEMS装置的创新过程这种性能的提高得以应用，其本身消除了可动质量块28(较小的部分)的一些部分。
[0037]图3因此示出了根据本发明的说明性实施方案形成图2的MEMS装置的过程。这个过程实质上是从通常会被用来形成MEMS装置的较长过程简化而来的。因此形成该MEMS装置的过程具有许多步骤，如本领域技术人员可能会使用的测试步骤或额外的钝化步骤。此外，某些步骤可以以与示出不同的顺序执行或在同一时间被执行。那些本领域技术人员因此可以适当修改过程。
[0038]还应当指出的是图3的过程是批量过程，其在同一时间在相同的晶片/基片上形成多个MEMS装置。虽然效率较低，本领域的技术人员能够应用这些原则到只形成一个MEMS装置的过程中。图4A至4G图形化示出了此过程的进展。
[0039]该过程开始于步骤300，其中常规过程是在装置层26中形成多个浅沟槽34。更具体地，图4A示意性地示出了任何实质处理前的装置层26的剖面图。如图所示，在该状态下装置层26具有为一般平面的顶面和底面(从附图的角度看)。在说明性实施方案这个阶段中，装置层26是重掺杂基底晶片，如块状硅晶片或硅绝缘体晶片(“SOI晶片”)。
[0040]该过程使用任何数目的常规技术形成沟槽34(图4B)，诸如掩蔽和蚀刻顶层或物理上使用锯或其它物理机制以便在顶面上手动蚀刻沟槽34。相比于其他的材料如氧化物蚀刻沟槽34，硅蚀刻沟槽34是高度可控且优选的。在说明性实施方案中，相对于它们的长度和装置层26的总厚度，沟槽34是很窄且浅的。例如，最终装置层26可以从20-150微米厚的块状硅晶片形成，其具有约为1-4微米深度、约0.5至I微米的宽度。
[0041]因此，在这种实施方式中，深度和宽度占装置层26总厚度的比例很小。本领域的技术人员的确可以根据所使用的应用程序和蚀刻剂改变沟槽34的厚度和深度。此外，沟槽34可以是长而直的，或采取其他促进最终释放步骤(下面讨论)的图案。例如，沟槽34可以是圆形的、具有直角的等。本领域的技术人员可以计算出沟槽34(8卩，沟槽34之间的间距)之间的适当距离，其可以是规则的/ 一致的或不规则/不一致。
[0042]形成沟槽34后，该过程继续到步骤302，其在装置层26顶面上沉积氧化物层24。具体地讲，该步骤首先氧化沟槽34的壁以有效地形成氧化物内衬沟槽34。如图4C所示，该步骤在氧化物内衬沟槽34之上沉积氧化物24的剩余物。由于氧化物的表面张力和其它性质，该牺牲氧化物的剩余部分与氧化物内衬沟槽34相互作用以便在沟槽34的每个中形成空隙。正如所示的，这些空隙不包含材料-他们根本的就是如下面讨论的开放通道，通道蚀刻剂用以除去形成该牺牲氧化物(也称为使用参考号24)的部分氧化物层24。对于每个沟槽34，氧化物衬垫的内部尺寸和牺牲氧化物的剩余部分形成其通道的内部尺寸。因此，这些新形成的通道形成供后续使用蚀刻剂通道36的网络(以下论述和上面指出的)。
[0043]该过程继续到步骤304，其接合承载晶片22到由装置层26支持的顶面向氧化物层24。此步骤在图4D中是突出显示的。任何数目的常规接合技术都可以被使用，例如在承载晶片22和氧化物层24之间的熔解接合。当然，因为熔解接合是一个示例，其它接合技术也可以被使用。
[0044]在过程中的这一点上，该承载晶片22实质上在堆栈的顶部。许多制造过程主要从被制造的工件/晶片顶部来操作。相应地在执行下一步骤之前，该过程可旋转/翻转晶片堆栈180度以使装置晶片26能进一步被处理。被旋转之后，如果它厚于所需(步骤306，图4E)，该过程降低了装置晶片26的厚度。例如，该装置晶片26可具有约400至700微米的初始厚度。此步骤可以减少晶片厚度到一些其它所需的厚度，如50到75微米。当然就其他尺寸而言，这些厚度仅仅是示例并不旨在限制本发明的各种实施方案。就其它步骤而言，该步骤也可以使用减薄装置晶片26的常规技术。例如，该过程可以背磨装置晶片26，随后进行抛光步骤。其他实施方案可以化学地减少装置晶片26的厚度。
[0045]现在装置晶片26被适当地定向并制备，该过程可以开始在装置层26中/上形成MEMS结构。为此步骤308在装置层26中/上形成可动质量块28并且释放蚀刻剂路径38，其延伸穿过装置层26并终止于该牺牲氧化物层24。该过程可以使用常规的掩蔽和硅蚀刻技术(消减技术)还有根据这个步骤需要的添加剂技术(例如，材料沉积)。图4F示出了一个实现，清楚地示出两条蚀刻剂路径38并且通常只示出了微结构。
[0046]图5A示意性地示出了在过程中该点的装置晶片26的一部分的平面图，其中虚线(虚线)表示可动质量块28底部内的细长蚀刻通道36。图5D示意性地示出了没有虚线蚀刻通道36的相同装置晶片26。这些视图也更清楚地示出可动质量块28，可动的指状物32B和弹簧30中的一个。在这个实施方案中，蚀刻通道36从可动质量块28到装置层26的第二部分到可动质量块28的一侧间隔开。图5B中，其基本上类似于图4F，示出了与图5A通过对齐的这种对应关系。
[0047]类似于图5A的方式，图6A示意性地示出了在过程中该点的装置晶片26的一部分的平面图，用虚线表示细长蚀刻通道36。与图5A的实施方案不同的是本实施方案形成了少量贯穿可动质量块28本身的蚀刻剂路径38。图6B示意性地示出了图6A的装置的剖面图。应当指出的是剖面图并不是确切的表示，因为它示出了贯穿质量块28的所有三个蚀刻剂路径38。事实上这种表示仅是说明性的以便更清楚地示出贯穿质量块28的所有蚀刻剂路径38。
[0048]借用图5A和5B的概念，一些实施方案形成同时贯穿质量块28(类似于图6A)和贯穿该装置层26的第二部分(类似于图5A)的蚀刻剂路径38。在本实施方案中，第二部分可以是该装置层26的固定部分或该装置层26的另一可动结构。
[0049]如图所示，这些实施方案基本上提高了现有技术，这最多需要贯穿质量块28本身的许多蚀刻路径。所有这些蚀刻路径可移除质量块28的显著一部分(例如，30%)，其降低了灵敏度和信噪比。在这种情况下，可动质量块28底侧上的蚀刻通道36的网络有效地分散了蚀刻剂，有效地减少所需贯穿质量块28(如图6A)的所需蚀刻路径38或完全省去了贯穿质量块28的蚀刻路径38的需求。
[0050]因此该过程继续到步骤310，其释放可动质量块28。为此该过程可以通过延伸贯穿装置层26并到达牺牲氧化物层24的蚀刻剂路径38引导并蚀刻材料。由于蚀刻剂移除牺牲氧化物层24，其接触在质量块28底侧上的分布蚀刻剂的蚀刻剂通道36。该蚀刻剂可以是牺牲层所需的各种任何常规蚀刻剂。在这种情况下，该牺牲材料是氧化物，说明性实施方案可以使用蒸气氢氟酸或液体形式的酸。图4G示意性地示出了该过程阶段释放的MEMS装置的剖面图。图5C和图6C分别示出图5A和6A所释放的MEMS装置。
[0051]因此，与传统智慧不同，本发明除去可运质量块28的一部分以形成可动质量块28底侧上的沟槽34。本发明因此发现移除质量块28的这一部分但最终保存了质量块28本身的较大部分。因此，这样的设计创新应增加质量块28的最终质量(相比于使用当前制造技术)，有利地增加了最终形成的MEMS装置的信号和精度。
[0052]虽然上述讨论公开了本发明的各种示例性实施方案，但是应当清楚的是本领域的技术人员能够做出可以实现本发明的一些优点而不脱离本发明的真实范围的各种修改。
【主权项】
1.一种制造MEMS装置的方法，所述方法包括: 提供装置基板； 在基板上形成多个沟槽； 在基板上形成牺牲材料以形成多个蚀刻通道，每个沟槽定义一个蚀刻通道，每个蚀刻通道形成构造成引导蚀刻剂的内部； 接合承载基板到装置基板的所述牺牲材料;和 除去所述牺牲材料的至少一部分。2.由权利要求1所述的方法，其中所述装置基板包括掺杂晶片。3.由权利要求1所述的方法，还包括在所述装置基板上形成可动质量块，除去释放所述可动质量块的牺牲材料的至少一个部分的行为。4.由权利要求1所述的方法，还包括形成贯穿所述装置基板的至少一条蚀刻剂路径，所述蚀刻剂路径延伸至所述牺牲材料。5.由权利要求4所述的方法，还包括通过所述蚀刻剂路径至所述牺牲材料引导蚀刻剂，所述蚀刻剂通过所述多个蚀刻通道的遍历以除去所述牺牲材料的至少一部分。6.由权利要求4所述的方法，还包括蚀刻所述装置基板以形成可动质量块和第二部分，其中所述蚀刻剂路径还贯穿所述装置基板的所述第二部分被形成。7.由权利要求4所述的方法，还包括蚀刻所述装置基板以形成可动质量块和第二部分，其中所述蚀刻剂路径还贯穿所述装置基板的所述可动质量块被形成。8.由权利要求4所述的方法，还包括蚀刻所述装置基板以形成可动质量块和第二部分，其中所述蚀刻剂路径还贯穿所述装置基板的所述第二部分被形成，所述方法贯穿可动质量块形成第二蚀刻剂路径。9.由权利要求1所述的方法，其中基板包括掺杂的硅并且所述牺牲材料包括氧化物。10.由权利要求1所述的方法，还包括蚀刻所述装置基板以形成具有质量块厚度的可动质量块，多个刻蚀通道各自具有不大于所述质量块厚度约10 %的深度。11.由权利要求1所述的方法，还包括在被蚀刻的基板上形成所述牺牲材料之前用内衬牺牲材料衬里所述多个沟槽的每个，每个蚀刻通道的内部尺寸由所述衬里牺牲材料和所形成的牺牲材料来限定。12.设备通过权利要求1所述的方法形成。13.一种制造MEMS装置的方法，所述方法包括: 提供具有顶面的装置基板； 沿着所述基板顶面通常与所述基板顶面平行的方向上形成多个沟槽； 用牺牲材料衬里所述多个基板沟槽的每一个，所述内衬沟槽的每一个形成开放通道；在所述基板上的多个开放通道上形成牺牲材料，衬里沟槽的所述牺牲材料与所形成的牺牲材料整合以形成多个封闭蚀刻通道，具有内部区域的蚀刻通道的每个被配置成至少在通常与装置基板的顶面平行的方向上引导蚀刻剂； 接合承载基板到所述装置基板的所述牺牲材料;和 除去所述牺牲材料的至少一部分。14.由权利要求13所述的方法，还包括在所述装置基板上形成微结构，除去包括释放微结构的所述牺牲材料的至少一部分。15.由权利要求13所述的方法，还包括形成至少一种贯穿所述装置基板的蚀刻剂路径，所述蚀刻剂路径延伸至所述牺牲材料。16.由权利要求15所述的方法，还包括通过所述蚀刻剂路径引导蚀刻剂至所述牺牲材料，蚀刻剂通过所述多个蚀刻通道的遍历以除去所述牺牲材料的至少一部分。17.一种形成MEMS装置的方法，所述方法包括: 提供具有结合到承载基板的装置基板的未释放的装置，所述装置基板具有未释放的微结构和在未释放的微结构和承载基板之间的牺牲材料，所述装置基板至少部分具有多个衬有牺牲材料的沟槽以便至少部分地限定多个蚀刻通道，所述装置基板还具有延伸至所述牺牲材料的至少一条蚀刻剂路径;和 通过至少一条蚀刻剂路径引导蚀刻剂以便在所述未释放的微结构和所述承载基板之间移除所述牺牲材料的至少一部分以释放所述未释放的微结构。18.由权利要求17所述的方法，其中所述装置基板包括未释放的微结构和第二部分，所述蚀刻剂路径延伸穿过未释放的微结构或穿过第二部分。19.由权利要求17所述的方法，还分离所述未释放设备以形成多个MEMS装置。20.由权利要求17所述的方法，其中多个蚀刻通道通常相互平行。
【文档编号】B81C1/00GK105923601SQ201610053131
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年1月27日
【发明人】T·K·努南
【申请人】美国亚德诺半导体公司