CN105084304A - 用于改进mems器件的致动器层上的表面粗糙度和消除尖角的方法 - Google Patents

用于改进mems器件的致动器层上的表面粗糙度和消除尖角的方法 Download PDF

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Abstract

在此披露了一种用于形成MEMS器件的致动器层的方法。该方法包括对致动器层进行蚀刻并且在蚀刻之后对致动器层进行退火处理以减少MEMS器件的表面粗糙度。

Description

用于改进MEMS器件的致动器层上的表面粗糙度和消除尖角的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2014年5月19日提交的标题为“用于改进加速度计和陀螺仪致动器上的表面粗糙度和消除尖角的方法(METHODTOIMPROVESURFACEROUGHNESSANDELIMINATESHARPCORNERSONANACCELEROMETERORGYROACTUATOR)”的美国临时专利申请号62/000,418的35USC119(e)项下的权益，并且是2014年3月25日提交的标题为“减少MEMS结构的剥落破坏(REDUCTIONOFCHIPPINGDAMAGETOMEMSSTRUCTURE)”的美国专利申请号14/225,275(代理人案号IVS-217/5331P)的部分继续申请，所有这些专利申请通过引用以其全部内容结合于此。
发明领域
本发明总体上涉及MEMS(微机电系统)器件的制造，并且更具体地涉及在MEMS衬底上提供修圆的拐角和/或最小化扇形畸变(scalloping)。
发明背景
在多种环境中利用了MEMS器件。MEMS器件可能遭受通常由机械冲击(如根据其安排，在多个结构相互碰撞时)引起的破坏(如剥落)。
MEMS结构位于MEMS器件的当前侧壁轮廓附近。典型地，剥落破坏是因为结构相互碰撞由于机械冲击引起的。本领域的技术人员将认识到的是，在两个结构相互发生接触情况下当施加了机械冲击时，可能发生剥落破坏，并且可以从面向第二衬底的致动器层表面发现剥落破坏。将进一步认识到的是，在面向例如衬底的那侧上的剥落破坏经常可能是更成问题的，因为剥落的硅片可能掉落到衬底上的金属电极上并且在旨在绝缘的电极之间产生电短路的机会。
不幸地，随着需要将芯片越来越密集地放置在电路中，剥落破坏和电短路情况的可能性越来越大，从而使得增加器件之间的尺寸布置并非一种可行的选项。因此，所希望的是一种装置和方法来克服这些挑战并且提供以密集封装的安排将MEMS安排在彼此附近，其中独特的侧壁或衬底构形降低了发生剥落和电短路的可能性。
发明概述
本发明满足了这些需要并且已经响应当前技术水平，并且具体地响应本领域中的还没有被当前可用的技术完全解决的问题和需要进行了开发。
本发明的一个实施例提供了一种用于形成MEMS器件的致动器层的方法，该方法包括对该致动器层进行蚀刻；并且
在蚀刻之后对该致动器层进行退火处理以减小该MEMS器件的表面粗糙度。
从以下结合以举例方式展示本发明原理的附图进行的详细说明中，本发明的其他方面和优点将变得明显。
附图简要说明
图1A示出了在深反应离子蚀刻(DRIE)之后的MEMS器件的横截面视图。
图1B示出了高温退火的MEMS器件的横截面视图。
图1C示出了根据一个实施例的致动器层的特写轮廓。
详细说明
本发明总体上涉及MEMS(微机电系统)器件的制造，并且更具体地涉及在MEMS衬底上提供修圆的拐角和/或最小化扇形畸变。
呈现以下说明以使得本领域的普通技术人员能够制作和使用本发明，并且以下说明是在专利申请及其要求的背景下提供的。对在此描述的优选实施例及通用原理和特征作出的各种修改对于本领域的技术人员而言将是显而易见的。因此，本发明不旨在局限于所示出的实施例而是旨在就本文如下的描述的原理和特征达成最广泛范围的一致。
在所描述的实施例中，微机电系统(MEMS)是指一类使用类半导体工艺制造的并且展现出机械特性(如移动或变形的能力)的结构或器件。在所描述的实施例中，该MEMS器件可以指被实现为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以指可以是更大的MEMS器件的一部分的任何特征。MEMS器件经常但不总是与电信号交互。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、麦克风和射频部件。包含MEMS结构的硅晶圆被称为MEMS晶圆。
结构层可以指具有可移动结构的硅层。工程设计的绝缘体上硅(ESOI)晶圆可以指在硅结构层下面带有空腔的SOI晶圆。盖晶圆通常指用作对于绝缘体上硅晶圆中的较薄硅器件衬底的载体的更厚的衬底。
MEMS衬底为MEMS结构提供了机械支撑。MEMS结构层附接到MEMS衬底上。MEMS衬底还被称为操作衬底或操作晶圆。在某些实施例中，操作衬底用作MEMS结构的盖。盖或盖子为结构层提供保护并且可选地形成外壳的一部分。间隔部限定了结构层与IC衬底之间的竖直间隙。
间隔部还可以提供结构层与IC衬底之间的电接触。间隔部还可以提供限定外壳的密封。集成电路(IC)衬底可以指带有电路(通常CMOS电路)的硅衬底。空腔可以指衬底中的凹陷。芯片包括通常由半导体材料形成的至少一个衬底。单一芯片可以由多个衬底形成，其中这些衬底被以机械方式粘结在一起。多芯片包括至少2个衬底，其中这2个衬底是电连接的，但不需要机械粘结。
MEMS器件的致动器层蚀刻工艺包括蚀刻和侧臂钝化循环。由于此循环蚀刻和钝化过程，侧壁趋于具有峰和谷或者所谓的‘扇形畸变(scallop)’。如果在扇形畸变处具有锐峰，则由于两个相邻MEMS表面的撞击，致动器层的平面内移动可能产生小颗粒。
MEMS器件的挑战之一是致动器层的平面内和/或平面外移动产生的破裂。致动器层的平面内移动引起两个表面之间的摩擦并且因此会产生扇形畸变。此外，致动器层以一定倾角的平面外移动能够沿着致动器层的尖角引起相对更大的剥落。当将MEMS直接集成到CMOS衬底上时，剥落和/或颗粒能够引起导致器件故障的CMOS电路短路。
申请人已经在2014年3月25日提交的标题为“减少MEMS结构的剥落破坏(REDUCTIONOFCHIPPINGDAMAGETOMEMSSTRUCTURE)”的美国专利申请号14/225,275(代理人案号IVS-217/5331P)中解决了扇形畸变和尖角的问题，该申请被授予本申请的受让人，该申请通过引用结合在本说明书中。尽管以上指明的申请中所披露的技术是有效的，但希望的是用于解决致动器层的表面上的扇形畸变和尖角的问题的不同且改进的方法。
在根据一个实施例的方法中，MEMS器件的表面在氢环境下经过高温退火处理，该环境增加了表面上的硅原子离子迁移率。实施高温退火的优点是清除了MEMS器件的表面上的扇形畸变和尖角。根据一个实施例的方法减少了表面上由平面内摩擦产生的颗粒并且减少了致动器层的平面外移动过程中由于其上的修圆的拐角引起的剥落。为了更详细地说明本发明的特征，现在转到结合附图的以下说明。
图1A示出了在深反应离子蚀刻(DRIE)之后的MEMS器件200的横截面视图。MEMS器件200包括与MEMS操作晶圆202联接的MEMS衬底203。在本实施例中，该操作晶圆在其顶表面上包括氧化层201。MEMS器件200还包括上空腔207和MEMS粘结锚或间隔部206。MEMS衬底203还包括一个致动器层205，该致动器层通过如图1B所示的DRIE被图案化。
随后的高温退火将会为致动器层205提供光滑的表面和修圆的拐角。氢环境背景下的高温退火具有1000℃或更高的温度。修圆的拐角是指具有大于等于0.2um的曲率半径的角。
图1C示出了根据一个实施例的致动器层205的特写轮廓。如图1C中所示，基于以上指明的工艺，扇形畸变被最小化，并且针对CMOS表面300提供了修圆的拐角。相应地，通过实施高温退火，减少了MEMS器件的表面上的扇形畸变和尖角。
在所描述的实施例中，该器件可以是具有可移动结构的任何MEMS器件或传感器，例如但不限于加速度计、陀螺仪、磁传感器和共振器。在所描述的实施例中，IC衬底可以包括用于感测并且处理MEMS器件的运动的电路，对此无限制。本领域的技术人员将认识到，可以用任何类型的衬底(如陶瓷衬底或硅衬底)来替代IC衬底920。
本文阐述的任何理论、操作机理、证明或成果是为了进一步增强对本发明的理解的，并且并不旨在使得本发明以任何方式依靠于这种理论、操作机理、证明或成果。应理解的是，虽然以上说明中词语优选、优选地或优先的使用表明如此描述的特征可能是更令人希望的，但其可能不是必需的，并且没有这些词语的实施例可以是认为在本发明的范围内的，该范围由以下权利要求书限定。
尽管已经根据所示实施例对本发明进行了描述，但本领域的技术人员将容易地认识到，这些实施例可能存在多种变化并且这些变化将在本发明的精神和范围内，如包含电路、电子器件、控制系统和其他电子和加工设备。因此，本技术领域的普通技术人员可以做出许多修改而不脱离所附的权利要求书的精神和范围。还想到了本发明的许多其他实施例。

Claims (6)

1.一种用于形成MEMS器件的致动器层的方法，该方法包括：
对该致动器层进行蚀刻；并且
在蚀刻之后对该致动器层进行退火处理以减小该MEMS器件的表面粗糙度。
2.如权利要求1所述的方法，其中该退火处理减少了扇形畸变。
3.如权利要求1所述的方法，其中该退火处理产生了修圆的拐角。
4.如权利要求1所述的方法，其中该退火处理包括氢退火处理。
5.如权利要求1所述的方法，其中该退火处理是在大于1000C的温度下进行的。
6.如权利要求1所述的方法，其中该MEMS器件包括一个MEMS传感器。
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