CN102963858B

CN102963858B - 一种微机电装置及其制造方法

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Publication number: CN102963858B
Application number: CN200910196113.2A
Authority: CN
Inventors: 张启华
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp; Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Beijing Corp
Priority date: 2009-09-22
Filing date: 2009-09-22
Publication date: 2015-05-20
Anticipated expiration: 2029-09-22
Also published as: CN102963858A

Abstract

本发明提供的一种微机电装置，包括基座，转轴和齿轮，所述转轴与所述齿轮连接为一体，所述齿轮和所述转轴安装于所述基座内进行转动且可与所述基座分离。本发明提供的微机电装置及其制造方法通过集成电路制造工艺制造出硅基微型齿轮，其齿轮的最小尺寸可达到1立方微米，该齿轮可于基座的转轴槽内自由转动，也可与基座脱离，可在微机电系统中广泛应用。同时，本发明的微机电装置还可通过转动产生电流，将齿轮的机械运动转换为电信号，从而使本发明的微机电装置还可成为一种信号发生器或波形发生器。

Description

一种微机电装置及其制造方法

技术领域

本发明涉及微机电系统制造领域，特别涉及一种微机电装置及其制造方法。

背景技术

微机电系统(MEMS：Microelectro mechanical system)是一种体积非常小、质量非常轻的机电一体化产品，其量度以微米为单位，其内部单元包含微型传感器、微执行器如微马达、微齿轮、微泵、微阀门等以及相应的处理电路。

微机电系统源于硅微细加工技术，是微电子、材料、机械、化学、传感器、自动控制等多学科交叉的产物。实现微机电系统的主流工艺包括表面硅加工工艺、体硅加工工艺和以LIGA为代表的三维非硅材料加工工艺。表面硅加工工艺和体硅加工工艺利用化学腐蚀或集成电路工艺技术对硅材料进行加工，形成硅基MEMS器件。不同的是，体硅加工工艺是对体硅进行三维加工，以衬底单晶硅片作为机械结构；而表面硅加工工艺则利用与普通集成电路工艺相似的平面加工手段，以硅(单晶或多晶)薄膜作为机械结构。LIGA技术(“LIGA”是德语单词Lithographie，Galvanoformung和Abformung的缩写)是80年代初由德国Karlsruhe原子核研究中心首先提出并发展起来的，它包括同步辐射光刻、微电铸、微塑铸三个过程，即首先利用同步辐射X射线光刻技术光刻出所要求的图形，然后利用电铸方法制作出与光刻胶图形相反的金属模具，再利用微塑铸制备微结构。LIGA技术可制作较大尺度的微器件；可获得高深宽比、大高度的微结构；可制作不同材料的微器件，材料可以是金属、合金、生物体可接受的聚合物、具有特殊光学性能的树脂、高温陶瓷等；塑铸成型工艺使得简单的小批量生产成为可能。但其缺点也很突出：由于需要用到同步辐射，整体系统需要附加于高能加速器，因而运行成本非常昂贵；工艺周期长；组件尺寸难以减小；将LIGA零件装配成部件/整机仍有一定困难。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种微机电装置及其制造方法，以通过集成电路制造工艺形成一种微型硅基齿轮。

为解决上述技术问题，本发明提供一种微机电装置，包括基座，转轴和齿轮，所述转轴与所述齿轮连接为一体，所述齿轮和所述转轴安装于所述基座内进行转动且可与所述基座分离。

可选的，所述基座内具有转轴槽，所述转轴的直径小于所述转轴槽，所述转轴安装于所述转轴槽内进行转动，且可与所述转轴槽脱离。

可选的，所述基座上还具有蚀刻槽，所述蚀刻槽与所述转轴槽相通，并延伸至所述基座的边缘。

可选的，所述蚀刻槽有多个，分布于所述转轴槽的四周。

可选的，所述齿轮上还具有任意形状的中空槽。

可选的，所述中空槽为多个，分布于所述齿轮的任意位置上。

可选的，所述齿轮的上方还设置有上电极板，所述齿轮的下方还设置有下电极板，所述上电极板的一端通过导体与所述下电极板连接。

可选的，所述基座包括底面部分和顶面部分，所述下电极板为所述基座的底面部分，所述导体贯穿于所述基座内，对所述上电极板进行支撑并电性连接所述上电极板和所述下电极板。

本发明还提供一种微机电装置制造方法，包括以下步骤：

在制备好的硅基底上形成第一膜层，并使之平坦化，使得所述硅基底与所述第一膜层形成基座；

对所述第一膜层进行刻蚀，形成转轴槽；

在所述转轴槽内及所述第一膜层上形成第二膜层，并使之平坦化；

对所述第二膜层进行刻蚀，形成转轴形成槽，使得所述转轴形成槽形成于所述转轴槽内；

在所述转轴形成槽及所述第二膜层上形成第三膜层，并使之平坦化，使得所述转轴形成槽内形成转轴；

对所述第三膜层进行刻蚀，形成所述齿轮，使得所述齿轮的中心与所述转轴的中心重合；

去除所述第二膜层，使所述齿轮及所述转轴下落，所述转轴落入所述转轴槽内。

可选的，形成所述第一膜层、第二膜层和第三膜层的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。

可选的，平坦化所述第一膜层、第二膜层和第三膜层的方法包括化学机械平坦或回流。

可选的，对所述第一膜层、第二膜层和第三膜层进行刻蚀的方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

可选的，在对所述第一膜层进行刻蚀时，还形成蚀刻槽，所述蚀刻槽与所述转轴槽相通，且延伸至所述基座的边缘，所述蚀刻槽为一个或多个，分布于所述转轴槽的四周。

本发明还提供一种微机电装置制造方法，包括以下步骤：

对所述第一膜层进行刻蚀，形成转轴槽；

对所述第二膜层进行刻蚀，形成转轴形成槽，使得所述转轴形成槽行成于所述转轴槽内；

在所述转轴形成槽内及所述第二膜层上形成第三膜层，并使之平坦化，使得所述转轴形成槽内形成转轴；

对所述第三膜层进行刻蚀，形成所述齿轮并在所述齿轮上刻蚀形成中空槽，所述齿轮的中心与所述转轴的中心重合，所述中空槽为任意形状，所述中空槽为一个或多个，形成于所述齿轮的任意位置上；

在经过刻蚀后所述第三膜层上及经刻蚀后暴露出的所述第二膜层上形成第四膜层，并使之平坦化；

在所述齿轮的一侧，所述第一膜层、第二膜层和第四膜层内刻蚀形成导电通槽，所述导电通槽与所述硅基底相通；

在所述导电通槽内及所述第四膜层上淀积形成第五膜层，并使之平坦化；

在所述第五膜层上刻蚀形成上电极板，所述上电极板的一端位于所述齿轮的上方，另一端覆盖所述导电通槽；

去除所述第四膜层；

去除所述第二膜层，使所述分齿轮及所述转轴下落，所述转轴落入所述转轴槽内。

可选的，所述第一膜层为非导体材料。

可选的，所述第一膜层的材料为二氧化硅或氮化硅。

可选的，所述第五膜层为导体材料。

可选的，所述第五膜层的材料为金属或硅。

可选的，形成所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。

可选的，平坦化所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层的方法包括化学机械平坦或回流。

可选的，对所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层进行刻蚀的方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

本发明提供的微机电装置及其制造方法通过集成电路制造工艺制造出硅基微型齿轮，其齿轮的最小尺寸可达到1立方微米，该齿轮可于基座的转轴槽内自由转动，也可与基座脱离，可在微机电系统中广泛应用。同时，本发明的微机电装置还可通过转动产生电流，将齿轮的机械运动转换为电信号，从而使本发明的微机电装置还可成为一种信号发生器或波形发生器。

附图说明

图1为本发明的微机电装置的一种实施例的结构示意图；

图2为本发明的微机电装置的另一种实施例的俯视结构示意图；

图3为图2所示的微机电装置的另一种实施例的剖面结构示意图；

图4为本发明的微机电装置的一种优选实施例的剖面结构示意图；

图5为本发明的微机电装置将机械运动转换为电信号的原理示意图；

图6A至图6L为本发明的微机电装置的制造方法示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

本发明所述的微机电装置及其制造方法可利用多种替换方式实现，下面是通过较佳的实施例来加以说明，当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域内的普通技术人员所熟知的一般的替换无疑涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细描述，在详述本发明实施例时，为了便于说明，示意图不依一般比例局部放大，不应以此作为对本发明的限定。

请参阅图1，图1为本发明的微机电装置的一种实施例的结构示意图。如图1所示，本发明的微机电装置包括基座10，转轴20和齿轮30。所述转轴20与所述齿轮30连接为一体，所述齿轮30和所述转轴20可安装于所述基座10内进行转动或可与所述基座10分离。所述齿轮30上具有中空槽31，所述中空槽31可以为任何形状，所述中空槽31可以为多个，分布于所述齿轮30的任意位置上；所述基座10内具有转轴槽11和蚀刻槽12，所述转轴槽11的形状与所述转轴20的形状相适应，所述转轴20的直径小于所述转轴槽11，使得所述转轴20可安装于所述转轴槽11内进行转动，也可与所述转轴槽11脱离；所述蚀刻槽12连接所述转轴槽11，与所述转轴槽11相通，并延伸至所述基座10的边缘，所述蚀刻槽12可以有多个，分布于所述转轴槽11的四周。

请结合参阅图2和图3，图2为本发明的微机电装置的另一种实施例的俯视结构示意图，图3为图2所示的微机电装置的另一种实施例的剖面结构示意图。如图2和图3所示，在图1所示的微机电装置结构的基础上，所述齿轮30的上方还设置有上电极板40，所述上电极板40的一端位于所述齿轮30的上方，另一端与位于所述齿轮30下方的接地下电极板50通过导体60连接。所述导体60用于电性连接所述上电极板40和所述下电极板50，作为一种实施例，同时也可利用所述导体60对所述上电极板40进行支撑固定。请参阅图4，图4为本发明的微机电装置的一种优选实施例的剖面结构示意图，如图4所示，所述基座10包括底面部分和顶面部分，所述下电极板50为所述基座10的底面部分，所述导体60贯穿于所述基座10内，对所述上电极板40进行支撑并电性连接所述上电极板40和所述下电极板50。

请参看图5，图5为本发明的微机电装置将机械运动转换为电信号的原理示意图。如图5所示，当所述上电极板40上被施加一定的电压，所述齿轮30接地时，所述上电极板40和所述齿轮30间形成电容，由于所述齿轮30上还具有所述中空槽31，故当所述齿轮30发生转动时，位于所述上电极板40下方的齿轮面积发生变化，导致所述上电极板40和所述齿轮30间形成的电容也随着齿轮的转动而变化，从而使所述上电极板40上产生电流，所述电流可通过所述导体60传导至所述下电极板50。

以下结合图4及图6A至图6L说明本发明的微机电装置的制造方法。图6A至图6L为图4所示的微机电装置的制造方法示意图。

首先，如图4及图6A所示，在制备好的硅基底100上形成第一膜层110，并使之平坦化，所述硅基底100与所述第一膜层110形成所述基座10。所述第一膜层110可以为二氧化硅或氮化硅等非导体材料。形成所述第一膜层110的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。平坦化所述第一膜层110的方法包括化学机械平坦或回流等。

其次，请参看图4和图6B，图6B为所述刻蚀步骤的剖视示意图，在所述第一膜层110上刻蚀出所述转轴槽11和蚀刻槽12，使得所述蚀刻槽12连接所述转轴槽11并与所述转轴槽11相通，且延伸至所述基座10的边缘，所述蚀刻槽12可以有多个，分布于所述转轴槽11的四周。所述刻蚀方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

再次，如图4及图6C所示，在所述转轴槽11和蚀刻槽12内和所述刻蚀后的第一膜层110上形成第二膜层120，并使之平坦化。所述第二膜层120可以为金属、氧化硅、氮化硅等材料。形成所述第二膜层120的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。平坦化所述第二膜层120的方法包括化学机械平坦或回流等。

再次，如图4及图6D所示，在所述第二膜层120上刻蚀形成所述转轴形成槽121，使得所述转轴形成槽121形成于所述转轴槽11内。所述刻蚀方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

再次，如图6E所示，在所述转轴形成槽121内及所述刻蚀后的第二膜层120上形成第三膜层130，并使之平坦化，使得所述转轴形成槽121内形成所述转轴20。所述第三膜层130可以为金属、氧化硅、氮化硅等材料。形成所述第三膜层130的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。平坦化所述第三膜层130的方法包括化学机械平坦或回流等。

再次，如图4、图6E及图6F所示，在所述第三膜层130上刻蚀形成所述齿轮30并在所述齿轮30上刻蚀形成所述中空槽31，使得所述齿轮30的中心与所述转轴20的中心重合。所述中空槽31可以为任何形状，所述中空槽31可以为多个，分布于所述齿轮30的任意位置上。所述刻蚀方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

再次，如图4及图6G所示，在经过刻蚀后所述第三膜层130上及经刻蚀后暴露出的所述第二膜层120上形成第四膜层140，并使之平坦化。所述第四膜层140可以为金属、氧化硅、氮化硅、光刻胶等材料。形成所述第四膜层140的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)等。平坦化所述第四膜层140的方法包括化学机械平坦或回流等。

再次，如图4及图6H所示，在所述齿轮30的一侧，所述第一膜层110、第二膜层120、第四膜层140内刻蚀形成导电通槽141，所述导电通槽141与所述硅基底100相通。所述刻蚀方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

再次，如图4、图6H及图6I所示，在所述导电通槽141内及所述第四膜层140上淀积形成第五膜层150，并使之平坦化，使得所述导电通槽141内行成所述导体60。所述第五膜层150可以为金属或硅等导体材料。平坦化所述第五膜层150的方法包括化学机械平坦或回流等。

再次，如图4、图6I及图6J所示，在所述第五膜层150上刻蚀形成所述上电极板40，使得所述上电极板40的一端位于所述齿轮30的上方，另一端覆盖所述导电通槽141即连接于所述导体60，所述硅基底100即作为所述下电极板50。

再次，如图4及图6K所示，去除所述第四膜层140。所述去除方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

再次，如图4及图6L所示，去除所述第二膜层120。所述去除方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。优选的，通过湿法刻蚀去除所述第二膜层120，所述刻蚀液体可通过所述第一膜层110上的蚀刻槽12流入所述第二膜层120的底部，使得所述第二膜层120得到充分的刻蚀去除。

最后，所述齿轮30及所述转轴20下落，所述转轴20落入所述基底10上的转轴槽11内，形成可在转轴槽11内转动的并可与所述转轴槽11脱离的本发明的微机电装置结构。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种微机电装置，包括基座，转轴和齿轮，所述转轴与所述齿轮连接为一体，所述齿轮和所述转轴安装于所述基座内进行转动且可与所述基座分离；所述齿轮上还具有任意形状的中空槽，所述齿轮的上方还设置有上电极板，所述齿轮的下方还设置有下电极板，所述上电极板的一端通过导体与所述下电极板连接。

2.如权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述基座内具有转轴槽，所述转轴的直径小于所述转轴槽，所述转轴安装于所述转轴槽内进行转动，且可与所述转轴槽脱离。

3.如权利要求2所述的微机电装置，其特征在于，所述基座上还具有蚀刻槽，所述蚀刻槽与所述转轴槽相通，并延伸至所述基座的边缘。

4.如权利要求3所述的微机电装置，其特征在于，所述蚀刻槽有多个，分布于所述转轴槽的四周。

5.如权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述中空槽为多个，分布于所述齿轮的任意位置上。

6.如权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，所述基座包括底面部分和顶面部分，所述下电极板为所述基座的底面部分，所述导体贯穿于所述基座内，对所述上电极板进行支撑并电性连接所述上电极板和所述下电极板。

7.一种微机电装置制造方法，包括以下步骤：

对所述第一膜层进行刻蚀，形成转轴槽；

对所述第三膜层进行刻蚀，形成齿轮并在所述齿轮上刻蚀形成中空槽，所述齿轮的中心与所述转轴的中心重合，所述中空槽为任意形状，所述中空槽为一个或多个，形成于所述齿轮的任意位置上；

去除所述第四膜层；

8.如权利要求7所述的微机电装置制造方法，其特征在于，所述第一膜层为非导体材料。

9.如权利要求8所述的微机电装置制造方法，其特征在于，所述第一膜层的材料为二氧化硅或氮化硅。

10.如权利要求7所述的微机电装置制造方法，其特征在于，所述第五膜层为导体材料。

11.如权利要求10所述的微机电装置制造方法，其特征在于，所述第五膜层的材料为金属或硅。

12.如权利要求7所述的微机电装置制造方法，其特征在于，形成所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层的方法包括物理气相沉积(PVD)或化学气相沉积(CVD)。

13.如权利要求7所述的微机电装置制造方法，其特征在于，平坦化所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层的方法包括化学机械平坦或回流。

14.如权利要求7所述的微机电装置制造方法，其特征在于，对所述第一膜层、第二膜层、第三膜层、第四膜层和第五膜层进行刻蚀的方法包括干法刻蚀或湿法刻蚀。

15.如权利要求7至14中任一权利要求所述的微机电装置制造方法，其特征在于，在对所述第一膜层进行刻蚀时，还形成蚀刻槽，所述蚀刻槽与所述转轴槽相通，且延伸至所述基座的边缘，所述蚀刻槽为一个或多个，分布于所述转轴槽的四周。