专利名称：基片支承装置的制作方法
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。同其它己被报告的薄膜相比，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，例如溶胶一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2B是图2A的A — A剖视图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4B是图4A的A —A剖视图； 图4C是图4B的局部放大图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5B是图5A的A — A剖视图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IOO(TC至120(TC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(pm) 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。C下每小时大约10 iam。通过控制蚀刻时间，基片 110剩下的厚度110d被形成为大约2 |im至60 pm。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0.5 nm。
为了在基片110的前侧U0b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UOe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UO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20pm，并且具有变晶相边界(MPB)周围的组分，例如 Pb(Zro.52Tio.48)03，其具有大约10 —20原子量X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=l: 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0.4 M。 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4500 rpm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11(TC的温度干燥2分钟，然后在410'C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。C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70(TC的温度进行5分钟 的退火处理，以获得厚度为大约1.5 nm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0.3 pm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HN03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180 kV/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4.2 mmxl.35 mmx0.06 mm的变 型样品MEMS装置被激光振动计。在施加了 5 V、 2 kHz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HN03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Si02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、Si02 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)。可以利用硅一硅熔结工艺来将两个 基片结合在一起，该工艺需要在大约105(TC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Si02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Si02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。
2. 如权利要求1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。
3. 如权利要求2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。
4. 如权利要求1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。
5. 如权利要求1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。
全文摘要
一种基片支承装置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。
文档编号H01L41/18GK101412494SQ200810170449
公开日2009年4月22日 申请日期2004年7月13日 优先权日2003年7月15日
发明者何旭江, 奎 姚, 健 张, 桑迪拉让-山内格拉斐 申请人:新加坡科技研究局