CN101351400A - 制造微机械部件的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造加速度传感器的方法。在该方法中，采用在其中蚀刻出槽的薄的SOI晶片结构，槽的壁面受到氧化。覆盖所有其他材料的厚层的电极材料在该结构的顶部上生长，在这之后研磨且化学机械地抛光表面，在该结构中蚀刻出细小的释放孔，形成结构图案，最后采用氢氟酸溶液进行蚀刻以释放旨在进行移动的结构且打开电容间隙。

Description

制造微机械部件的方法
技术领域
本申请涉及根据权利要求1前序部分所述的、在微机械部件中，尤其是在微机械SOI晶片(SOI-wafer)结构中获得狭窄间隙的方法。
本发明还涉及根据权利要求8-9中任一项所述的硅微机械结构，和根据权利要求20-21中任一项所述的硅微机械结构的应用。
背景技术
根据现有技术的方法，硅-微机械器件，例如加速度传感器和其它类似器件，主要通过使用SOI(绝缘体上外延硅)晶片结构进行制造，在该SOI晶片结构上蚀刻出槽，氧化槽的壁面，然后通过氟-等离子蚀刻使得槽的表面平坦。
由Hsu等人[W.-T.Hsu，J.R.Clark，和C.T.-C Nguyen，‘A sub-micron capacitivegap process for multiple-metal-electrode lateral micromechanical resonators(用于多金属电极横向微机械谐振器的亚微米电容间隙工艺)’.Proc.IEE MEMS Conference，(Interlaken Switzerland，2001)，p.349]在上面的出版物中公开了一种在微机械结构和它的金属电极之间形成水平电容间隙的方法，在该方法中生长出氧化物和LPCVD氮化硅的膜，这些层将该器件和来自电传导硅衬底的连接器单元隔离，在此之后形成连接的多晶硅层，对其进行掺杂质并且在该多晶硅层上形成结构图案。氧化物层也形成在结构图案的顶部，该层在之后的等离子蚀刻中充当牺牲层。在形成通路(vias)后，形成结构多晶硅层，对其进行掺杂质并进行热处理。通过等离子蚀刻产生最终结构。根据所述公开的方法，最终结构中的电极是金属，而可动部件是多晶硅。
通过使用与Hsu等人在出版物中所公开的方法相对应的方法，也可在SOI衬底上形成竖直的电容间隙[S.Pourkamali和F.Ayazi，‘SOI-Based HF and VHFSingle-Crystal Silicon Resonators with Sub-100 Nanometer Vertical CapacitiveGaps(具有亚100纳米的竖直电容间隙的SOI基HF和VHF单晶硅谐振器)’，Digest of the 12th International Conference on Solid State Sensors，Actuators andMicrosystems(Transducers ‘03)，Boston，June 8-12，2003，pp.837-840]。在之前的出版物中，该出版物中的方法也通过采用等离子蚀刻产生最终结构。在该出版物提出的结构中，电极由多晶硅构成，而可动部件由单晶硅构成。
Quey等人在出版物(E.Quevy，B.Legrand，D Collard，L.Buchaillot，‘UltimateTechnology for Micromachining of Nanometric Gap HF Micromechanical Resonators(纳米间隙HF微机械谐振器的微机械加工的最后工艺)’，16th IEEE MicroElectro Mechanical System，Kyoto，Japan，2003)中表示水平电容间隙能够做成60nm那么窄。根据所述出版物，两种材料可以用于可动部件，也就是单晶硅和通常由乙硅烷生长出的LPCVD多晶硅。重掺杂的多晶硅被用作电极材料。
虽然借助这些已有技术已经可以制成具有平坦表面形貌且在其中具有相当狭窄的电容间隙的结构，然而这些解决方案存在缺点，即由于采用了等离子蚀刻，该结构的表面仍然是粗糙的，由此当空气和颗粒能够进入该结构的内部配件时，所述结构不能够紧密地附接在其它结构上。
另外，所谓的平面阻层必须采用平面蚀刻。该阻层的厚度和LPCVD多晶硅的厚度一起，限制了可得到的结构层的厚度。
因此，需要提供一种方法，通过该方法可以制成具有平滑表面的结构，通过使表面平坦且不会限制结构层的厚度的方式，该结构能够紧密地连接到其它类似的结构上和器件的壁面上。
发明内容
本发明旨在提供一种经过改进的制造硅-微机械结构的方法，所述硅-微机械结构例如是谐振器，加速度传感器和其它类似的器件。通过本发明的一个优选实施例，可采用研磨和抛光以制作出具有光滑表面的结构。
借助本发明，由SOI-晶片结构制造出用于获得狭窄间隙的微机械部件，在该结构中蚀刻出槽，氧化槽的壁面。根据该方法：
a)生长出厚层的电极材料，该层覆盖了所有其它的材料，
b)通过进行研磨使表面光滑，
c)使用化学机械抛光法抛光硅，由此表面的高度也恢复到原始高度，
d)在该结构中蚀刻出释放孔，
e)形成结构图案，并且
f)使用氢氟酸进行蚀刻从而释放旨在进行移动的结构。
更具体而言，根据本发明的方法，其特征在于，如权利要求1的特征部分所述的内容。
进而，根据本发明的硅-微机械结构，其特征在于，如权利要求8-9所述的内容。
根据本发明的硅-微机械结构的应用，其特征在于，如权利要求20-21所述的内容。
根据本发明的方法不同于现有技术，尤其是在使表面光滑这个阶段，其中，在本发明的方法中，并不采用如参考出版物中提到的等离子蚀刻，取而代之的是采用机械研磨和化学机械抛光。
本发明的一个优选实施例中，还能够形成梳状电极结构。
本发明的一个实施例中的方法的优点在于：借助研磨和抛光得到非常平坦和光滑的表面，另一方面通过采用不同的晶片粘接工艺，能够制造出例如气密的结构和器件。
该方法的第二个实施例的优点在于：它还能够适用于比根据现有技术的方法得到更大的结构厚度，因为在该方法中不需要限制了厚度的平面阻层。
采用本发明的实施例，其中表面先通过研磨进行机械磨光，然后采用化学机械抛光(CMP)进行抛光，比起现有技术中所采用的等离子蚀刻，该结构变得更加平坦和光滑。
本发明的其它细节和优点通过接下来的详细描述将变得更加明显。
附图说明
图1a是根据本发明的一个优选实施例的1-D加速度传感器的详图。该图是从顶部观察到的整个结构的全视图。
图1b是图1a中所示的结构的横截面图(B-B’)。
图1c是突出部结构的特写图。
图1d是突出部结构的横截面图(A-A’)。
图2示出了硅-微机械部件的制造方法。
图3a示出了根据本发明的一个优选实施例的平面谐振器的顶视图。
图3b是图3a中所示的结构的一个可选方案的横截面图。
图3c是图3a中所示的结构的一个优选实施例的横截面图。
在附图中使用下面的附图标号：
1单晶硅的浮动块
2经过衬底的槽
3电极
4锚固器
5悬簧
6狭窄间隙
7释放蚀刻的孔
8电极的突出部结构
9单晶硅的突出部结构
10在SOI-晶片结构中的凹坑
11在突出部结构之间的纵向槽
12衬底
13在突出部之间的横向槽
14电极材料
具体实施方式
在图1中，由单晶硅制成的可动结构1“浮”在四个锚固器4上，其借助悬簧5附接在锚固器上。槽2环绕可动结构1进行设置，该槽通过使可动结构1与衬底12分离来从而确保所述结构的可动性。检测孔7还被设置在单晶硅中用于释放蚀刻。在单晶硅中，具有至少两个突出部9，同时相对于它们设置相应数目的电极突出部8。在单晶硅的突出部9和电极突出部8之间蚀刻出狭窄间隙6，该间隙由纵向槽11和横向槽13构成，且形成通过突出部8，9形成了结电容的空隙。当从上方进行观察时，突出部使得电极结构成为梳状外形。
图2示出了在硅-微机械部件中有利地形成梳状电极结构的制造方法的各个步骤(步骤1-7)：
1)在SOI晶片结构中蚀刻出凹坑10，
2)在凹坑10的位置处将纵向槽11和横向槽13都蚀刻到晶片中，
3)氧化槽11，13的壁面，
4)在整个结构上生长出厚层的电极材料14，
5)通过研磨和化学机械抛光磨平表面，
6)形成结构图案和释放孔7，并且
7)采用氢氟酸溶液进行蚀刻从而释放所述结构。
如图3所示，根据本发明的一个优选实施例的平面谐振器中，固定的硅区域借助锚固器4被锚固在衬底12上。在该平面谐振器结构中，具有与图1中所示的加速度传感器中类似的“浮动”硅板1。图中示出了根据本发明的优选实施例的电极结构的可选横截面，其中一个是一体化的(图3b)，而另一个是薄的突出部(图3c)。在两种可选结构中，谐振器1仅通过狭窄间隙6与电极结构3分隔开。
用于本发明中的术语“SOI”，是指在绝缘材料之上的硅(绝缘体上外延硅)。SOI衬底，也就是SOI晶片，特别地用于需要极高精度的小型结构的制造中，其中SOI衬底作为电绝缘基层材料。SOI晶片的最广泛应用领域是高速、紧密的集成电路。在这些应用之中，所采用的SOI结构层是薄的(几百纳米)，然而在微机械中是几个或者几十微米。
“多晶硅”是多晶体的硅。在本发明中，多晶硅主要用作电极材料。在根据本发明的方法中，大量使用的第二材料是单晶硅，这是一种机械稳定的材料，由此对于本发明的目的来说是相当合适的。多晶硅和单晶硅在微机械器件的制造方面来说均应用广泛。
根据本发明的一个优选实施例，硅微机械结构由薄SOI-晶片结构加工而成，并在晶片中蚀刻出槽(图2，步骤1-2)。该晶片的厚度为大约5-150μm，优选大约20μm。采用热氧化在槽的壁面上生长出薄氧化膜(步骤3)，当在随后的步骤中进行蚀刻时，该膜作为牺牲层并且其厚度决定了在最终结构中电容间隙的宽度。膜的厚度能够变化，但是一般为50nm，或者更薄/更厚，例如，10-200nm。在这之后，厚层的电极材料填满该槽(步骤4)，并且覆盖了所有其他的材料。
在生长出电极材料之后，该表面是不平坦的，因为它与结构的原始形状一致。因此必须使得表面平坦。在本发明的一个优选实施例中，先通过粗糙地机械研磨，再通过化学机械抛光(CMP)(步骤5)来进行平坦化。抛光后，表面变得光滑并且高度回复到原始高度，由此其中用作牺牲层的氧化层从电极材料(多晶硅)的下面显露出来。
在表面变平后，狭窄或微小的孔被形成穿过结构层，这些孔有助于随后用于释放蚀刻的蚀刻溶液渗入结构的各个部件，且结构图案形成在单晶构造硅中(步骤6)。释放孔的直径为大约1-10μm，优选大约4μm。
最终结构通过蚀刻产生(步骤7)，其中HF溶液(氢氟酸溶液)作为蚀刻溶液，由此旨在进行移动的结构被释放，且其中在电极和可动部件之间的薄硅氧化膜被去除。非常狭窄的电容间隙代替所述的氧化膜留下。
根据本发明的第二个优选实施例，用于硅-微机械结构制造的SOI晶片首先蚀刻出凹坑10，然后在凹坑中蚀刻出槽，其中一些槽11相对于观看图1d的方向是纵向的，而其他槽13相对于观看图1d的方向是横向的。在这个优选实施例中，横向槽13形成梳状结构，其包括至少两个，优选为3-4个，单晶硅突出部9。由于凹坑10，这个结构的高度为大约1-2μm，优选大约1μm，低于环绕它的结构的高度。采用热氧化生成硅指梳结构壁面的氧化膜，其在随后步骤中蚀刻时作为牺牲层。在这之后，在硅突出部9之间的槽用厚层的电极材料14(多晶硅)填满，该层覆盖了所有其他的材料。通常，具有与单晶硅突出部9数目相同的多晶硅突出部8(参见图1a)。另外，也可以具有比单晶硅突出部9多1个或者2个的多晶硅突出部8。当电极材料14不仅填满槽，还填满之前在晶片中蚀刻出的凹坑10时，甚至当在表面变平后其他结构的高度回复到它们原始高度、显露出在它们上面生成的氧化层时(图2，步骤5)，电极的多晶硅指8保持彼此接触。还是根据这个实施例，通过研磨和抛光来使表面变平，由此得到平坦且光滑的表面，该表面在最后成品中仍然保持平坦和光滑(图2，步骤7)。
通过该第二优选实施例，得到梳状电极结构3，其在可动结构1与固定主体12之间建立了更大电容表面面积和更大总电容。当微机械部件受静电控制时，所述狭窄间隙允许采用更低的工作电压。
多晶硅，例如，LPCVD多晶硅，优选在外反应器(epireactor)中生长出的表层多晶硅(epipolysilicon)，能够被用作电极材料。单晶硅优选用于可动部件1中。电极3被固定且仅通过前述的狭窄间隙6与固定的结构硅分隔开。
根据前述的第二实施例(图2)的电极结构中的硅突出部8在纵向上形成梳状结构。由于之前在SOI晶片结构中形成的凹坑10，在电极结构中的突出部8通过大约1-2μm厚的一体电极结构连接，该电极结构填满了之前在该处的凹坑。所述的多晶硅突出部8增强了所述结构并且防止电极结构3最外面的部分摇摆，即使在释放蚀刻中采用的溶液也已能够部分地浸入甚至到多晶硅层之下和之后。
单晶硅突出部9的宽度(W<Si>)至少为几微米，优选大约5μm，而分隔它们且形成了多晶硅突出部8的槽宽约4μm且相对于晶片表面成直角。整个电极结构3的总宽度(Wpoly)可根据下列公式进行计算：
Wpoly＝n*4+(n-1)*5
其中n是填满多晶硅的狭窄槽的数目(例如，在图2中，n＝3)，而数目4对应于当前所述槽的宽度。例如，如果槽的数目是3(也就是n＝3)，如图2所示，整个梳状结构的宽度，也就是电极结构3，能够通过所述公式计算为大约27μm。通过改变单晶体突出部9和在它们之间的槽的宽度，能够形成总宽度为大约20-35μm的电极结构3(当n＝3时)。
为了从基层材料，也就是SOI晶片，上释放单晶硅，根据本发明的优选实施例，包括在最后HF蚀刻之前，在单晶硅中蚀刻释放孔7，这样做是为了释放结构。通过释放孔7，蚀刻溶液将能够作用于相当大面积的单晶硅之下。
由于在单晶硅中所述的释放孔7必须穿过结构层形成，硅突出部的最大高度受到限定。通过制作更大的孔，就可能采用更厚的结构层。结构层的厚度与孔的宽度的比值(长宽比，最大AR)是10∶1，也就是，如果孔的直径是大约4μm，就能够采用厚度40μm的结构层。AR在某种程度上是器件的特定参数。
如果不需要前述的释放孔，硅突出部的最大高度则由在梳状结构中的槽的蚀刻和填充限定。如果槽的估算最大AR是25∶1且填充层的厚度是2μm，最大可能的槽深度将会是大约100μm，根据下列公式进行计算：
高度＝(2+2)*maxAR
前述槽的宽度仅由热氧化决定，通过热氧化，随后在这些槽的壁面上形成蚀刻的氧化膜。
从图1中能够看到：每个单晶体硅突出部9与一个多晶硅突出部8形成一对。这些对8，9形成所述的梳状结构。在图1a中，在每个电极3处有四对这样的对子。因此，根据所述图中的电极结构的总电容(Ctot)应当是只有一对突出部8，9的结构的电容(C1)的四倍大。因此总电容直接正比于突出部对8，9的数目(n)。
Ctot＝n*C1
根据本发明的方法和采用该方法制作的结构或部件能够用于许多不同的方面。根据本发明的工艺得到的通常的最终产品是硅-微机械结构。例如，可以是用作电谐振器中的振荡电路的硅-微机械平面谐振器，换句话说，作为石英晶体的替代物。另一种可选方式是，本发明能够应用到例如加速度传感器的制造中。
根据本发明制成的结构或者部件能够用于各种晶片粘合应用中，其中通过采用本发明能够制造，例如适用于真空密封或者包装的机构，由于通过研磨和化学机械抛光的磨平表面比通过蚀刻磨平的表面要更加平坦，因此空气或者灰尘和其他颗粒不能够进入这些真空密封的结构或者包装内。
根据本发明的方法还允许微机械部件的制造和它们在这种应用中的使用，其中在这些应用中在电极之间需要大的电容。电容的微机械传感器广泛地用于，例如，在自动化工业中。微传感器的优势包括低能量消耗和在电子学中的可积分性。它们完全地适用于，例如精确测量。根据本发明制造的加速度传感器能够用于，例如，在汽车中测量加速度，或者在各种工业设备中测量振动的程度。
参考文献
由Kaajakari等人在出版物中(Ville Kaajakari，Tomi Mattila，Aarne Oja，Jyrki
Figure A20068001949100121
and Heikki
Figure A20068001949100122
Square-Extensional Mode Single-Crystal SiliconMicromechanical Resonator for Low-Phase-Noise Oscillator Applications(用于低相噪音振荡器应用的平方外延模式单晶硅微机械谐振器)，IEEE Electron DeviceLetters，Vol.25，No.4，2004)公开了一种微机械谐振器的制造方法。

Claims (21)

1、在由微机械SOI晶片结构制成的微机械部件中获得狭窄间隙的方法，其中在该SOI晶片结构中蚀刻出槽，槽的壁面被氧化，该方法的特征在于，
a)在该晶片结构上生长出厚层的电极材料(14)，该层覆盖了所有其他的材料，
b)通过进行研磨使表面平坦，
c)通过化学机械抛光法抛光所述表面，
d)在该结构中蚀刻出细小的释放孔(7)，
e)形成结构图案(1，8，9)，并且
f)采用氢氟酸溶液进行蚀刻从而释放该结构(1，8，9)。
2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所采用的电极材料(14)是在外反应器中生长出的表层多晶硅。
3、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，单晶硅被用在微机械部件的可动部件(1)中。
4、如权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，蚀刻进入该晶片结构的槽(13)形成了包括至少两个单晶硅突出部的梳状结构。
5、如权利要求4所述的方法，其特征在于，在蚀刻槽(13)之前在该晶片结构中蚀刻出凹坑(10)，由此所述梳状结构具有比该结构的其余部分低大约1μm的高度。
6、如权利要求5所述的方法，其特征在于，以材料完全填满至少槽(13)和凹坑(10)的这种方式，将所述梳状结构中的槽(13)用电极材料(14)填满。
7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，为了释放旨在进行移动的结构(1)且为了在可动结构(1)和电极(3)之间形成电容间隙(6)，采用氢氟酸蚀刻。
8、硅微机械结构，所述硅微机械结构包括：
-主体(12)，
-柔性附接到主体(12)上的块(1)，
-在主体(12)和块(1)之间形成的电容结构(8，9)，
其特征在于，为了产生最大可能的电容密度，彼此对应且相对的突出部(8，9)形成在块(1)和主体(12)中。
9、如权利要求8所述的结构，其特征在于，
-所述结构具有由单晶硅制成的可动结构(1)，其浮动支撑在四个锚固器(4)上，并借助悬簧(5)附接到锚固器上，
-槽(2)围绕可动结构(1)进行设置且确保该结构的可动性，并且检测孔(7)穿过该结构以用于释放蚀刻，
-在单晶硅和电极结构(3)之间蚀刻出狭窄电容间隙(6)，且
-在单晶硅中具有至少两个突出部(9)并且相应数目的电极突出部(8)相对于它们进行设置。
10、如权利要求8或9所述的硅微机械结构，其特征在于，电极材料(14)是表层多晶硅。
11、如权利要求8或9所述的硅微机械结构，其特征在于，可动结构(1)由单晶硅形成。
12、如权利要求8-11中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，电极结构(3)中具有大约4μm宽的突出部(8)。
13、如权利要求8-12中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，它的电极结构(3)中的突出部(8)形成梳状结构。
14、如权利要求8-13中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，梳状多晶硅结构的突出部(8)增强了所述结构且防止其最外面部件产生摇摆。
15、如权利要求8-14中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，由于根据权利要求5在SOI晶片结构中形成凹坑(10)，梳状电极结构的突出部(8)通过大约1μm厚的一体化硅块进行连接。
16、如权利要求8-15中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，单晶硅突出部(9)的宽度为大约5μm。
17、如权利要求8-16中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，整个电极结构(3)的宽度为大约20-35μm。
18、如权利要求8-17中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，所述硅微机械结构是谐振器。
19、如权利要求8-17中任一项所述的硅微机械结构，其特征在于，所述硅微机械结构是加速度传感器。
20、如权利要求1-7中任一项所述的方法在晶片粘结应用中的使用，由此形成可以用于例如真空密封或者包装的结构。
21、如权利要求8-17中任一项所述的硅微机械结构在多种应用中的使用，其中在电极之间需要大电容。
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