CN105359266B - Mems制造中的多材料辅助金属化方案 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了制造MEMS的处理，利用了被集成到最终MEMS结构的主金属以及两种或更多种牺牲性辅助金属，辅助金属在机加工期间给主金属构件提供结构支撑。第一辅助金属被薄薄地镀在主金属周围和衬底的整个表面上方而不使用光刻。第二辅助金属然后被厚厚地镀在所沉积的第一辅助金属上方而不使用光刻。另外，还公开了使第一辅助金属在主金属特征之间的沉积速率增大的技术，其防止空洞化并从而增强机加工期间主金属的结构支撑。

Description

MEMS制造中的多材料辅助金属化方案
相关申请的交叉引用
本申请涉及2009年10月29日由与本专利申请相同的发明人提交的题为“ASuperfilling Secondary Metallization Process in MEMS Fabrication”的美国申请No.12/608857。美国申请No.12/608857的全部内容通过引用方式明确结合于此，并被转让给与本专利申请相同的受让人。
技术领域
本申请中的教导涉及在微电机系统(下文中称为“MEMS”)的制造过程中利用至少两种不同的辅助(secondary)金属(即第一和第二辅助金属)的新方法。
背景技术
MEMS在本领域中也称为“微机械”，通常由单独的多个构件组成并且尺寸范围一般从5微米到毫米级。它们可以由对数据进行处理的中央单元(微处理器)和与外部进行交互的若干构件(例如微传感器)组成。
根据现有技术的方法，MEMS的构件可以用光刻术和牺牲层形成。例如，授权给Guckel的美国专利5,190,637(下文中称为“Guckel”)中公开了能够生产基本上任意三维形状的多掩模曝光，该文献通过引用方式全文结合于此。根据Guckel，向镀覆基体(platingbase)施加能够由辐射曝光的光刻胶层。然后用掩模使光刻胶曝光于辐射。该掩模使得辐射能够仅仅对光刻胶的某些被限定区域进行“曝光”。随后的显影除去由曝光所选择的光刻胶以产生空腔，该空腔复制了曝光掩模的平面图。然后，光刻胶中形成的空腔由主金属(primary metal)填充，该主金属被电镀到经曝光的镀覆基体上。然后除去剩余的光刻胶，并在主金属和镀覆基体的整体的上方电镀辅助金属(secondary metal)(牺牲性金属)。然后由机械装置把主金属和辅助金属机加工到把主金属暴露出来的高度，并对表面进行平面化，以进行随后的处理。在机加工之后，另一个光刻胶层可以被施加到主金属和辅助金属上，然后用与上文相同的过程对这个光刻胶也进行图案化。在主金属已被电镀到光刻胶中产生的空腔中后，除去光刻胶的其余部分，并在第一辅助金属、任何暴露的第一辅助金属和新添加的第二辅助金属的整体上方电镀辅助金属。第二主金属和第二辅助金属都被机加工到第二层主金属所需的厚度，重复这种处理，直到已经形成所需数目的层，在主金属中产生所需的微结构。一旦形成了这种微结构，镀覆表面和主金属、辅助金属的整体被暴露于蚀刻剂，该蚀刻剂选择性地蚀刻掉辅助金属但不蚀刻主金属，从而只留下主金属和镀覆表面。
根据Guckel的教导，辅助金属被与光刻胶结合使用，因为其在机加工过程中给主金属赋予了结构稳定性。机加工一般不能仅用光刻胶和主金属完成，因为光刻胶在机械性能方面较弱，可能不足以支撑主金属以免在机械加工处理(可能包括磨削、研磨(lapping)、抛光、化学机械抛光、放电加工或者任何其他常遇到的机加工处理)中遭到大的横向(lateral)力的破坏。辅助金属赋予的另一优点是它方便地给突出于下方主金属结构之上的后续主金属层提供了导电镀覆基体。否则，在上方镀可能需要额外的薄膜籽晶层(seedlayer)沉积步骤。
但是，在单一衬底上构建多个微结构或横向很大的微结构(例如对要被用作半导体测试探针头的MEMS进行制造)时，使用Guckel方法存在显著的问题。根据Guckel的教导在镀覆表面(例如陶瓷)的整体上镀覆辅助金属使得镀覆基体在额外的牺牲性金属的应力作用下弯折和翘曲(warp)。这回过头来造成了两个有关的问题：1)很难(或者不可能)把不同的层机加工成均匀的厚度；2)很难(或者不可能)执行光刻，因为微光刻要求平坦表面。
授权给Garabedian等人的美国专利No.7,264,984(下文中称为“Garabedian”)和授权给Tang等人的美国专利No.7,271,022(下文中称为“Tang”)二者的全文通过引用方式结合于此，它们对于Guckel的教导进行了改进，公开了用于产生微机械和MEMS结构的处理，使得可以在同一衬底上不使衬底翘曲地构建多个结构或大的结构。具体而言，Tang公开了一种方法，其中，不在衬底的结构化表面整体上方镀辅助金属。相反，紧在包围主金属结构的区域中镀覆辅助金属，以产生“岛”，从而给予主金属结构以结构稳定性而不给衬底造成过度的应力。根据Tang的教导，仅对于需要机械稳定性和需要产生结构突出件(overhang)的地方才镀牺牲性辅助金属，而不要求在包围了衬底上全部的结构金属区域的整个面积中都形成辅助金属。
虽然Garabedian和Tang中发展了一些改进，但是仍然有缺陷。具体而言，这些文献的辅助金属化方案依赖于光刻在紧紧围绕主金属周围产生空腔，该空腔被构造来保持辅助金属。光刻是一种耗时的处理，需要定制的掩模和光刻胶来产生镀覆辅助金属所需要的所需设计图案。因而，本申请中的教导内容的一个目的是提供一种新的MEMS制造方法，该方法对于镀覆辅助金属不依赖于光刻。
Garabedian和Tang与本发明的另一个区别在于：这些文献都没有教导对于多层中间MEMS结构的每个层(或者绝不是大多数层)，用辅助金属来覆盖整个衬底。相反，这两份专利教导了如果在衬底的整个表面上方在太多层面上镀辅助金属，则衬底会翘曲。尽管这些专利中作为非优选实施例而公开了对于第一层(或主金属的初始层)在整个表面上方镀辅助金属，但是为了防止衬底翘曲，它们对于多层MEMS制造工艺中包含的每个层在整个衬底上方镀辅助金属提出了反向教导(参见Tang的第7栏第9-56行)。更明显的是，Tang强调了多层中间MEMS结构中的辅助金属层的大部分层不是对于整个衬底进行镀覆(参见Tang的第7栏第12-14行)。
Garabedian和Tang提供的方法的另一个缺点是：使用现有的沉积技术，它们的辅助金属化处理可能造成在主金属结构之间的辅助金属的空洞化(voiding)。空洞化是不利的，因为它使机加工处理期间辅助金属给主金属提供的结构支撑最小化。由于使用当前的沉积技术容易在辅助金属化处理中带来空洞化，所以本领域需要提供一种无空洞的辅助金属化方案作为MEMS制造工艺的一部分。
尽管过去已经尝试解决在把主金属沉积到空腔中时的空洞化问题(例如在半导体制造过程中)，但是这些技术集中在与最终成品结构一体的金属中的导电性方面的空洞化。授权给Andricacos等人的美国专利No.6,946,716(下文中称为“Andricacos”)和授权给Dubin等人的美国专利6,432,821(下文中称为“Dubin”)中阐述了对于半导体制造超额填充(superfill)主金属的示例，这些文献全文结合于此。这些公开文献中提供的方法与这里的教导形成了鲜明的对比，其中，超额填充是与包围主金属的牺牲性辅助金属一起使用的，因而在对主金属进行了机加工之后它被最终从主金属蚀刻掉。
重要的是注意到Andricacos和Dubin都没有解决MEMS制造中的空洞化问题。具体而言，这些文献没有提及围绕主金属并在机加工期间给主金属提供机械支撑的辅助牺牲性金属的空洞化。因此本申请中的教导的另一个目的是解决本领域中的这种需要。
发明内容
本申请中的实施例涉及用于制造多层微电机系统的方法，包括：提供由衬底支撑的主金属结构；在主金属结构周围并且在衬底的整个表面上方以薄层沉积第一牺牲性辅助金属；在第一牺牲性辅助金属周围并且在衬底的整个表面上方以厚层沉积第二牺牲性辅助金属；对主金属、第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属进行机加工；重复上述步骤直到制造成所需的多层结构；从经过机加工的主金属结构蚀刻掉第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属，以形成多层微电机系统。
进一步的实施例涉及一种用于微电机系统的制造中的中间多层化金属复合体，该复合体具有衬底，该衬底支撑主金属结构和辅助金属结构的多个层，其中，每个层包括：主金属的结构，该结构被构造来集成到所制造的微电机系统构件中；第一牺牲性辅助金属，在主金属结构周围并且在衬底的整个表面上方沉积成薄层；第二牺牲性辅助金属，在第一牺牲性辅助金属结构周围并且在衬底的整个表面上方沉积成厚层。
优选地，所沉积的第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属在机加工过程中给主金属提供水平机械支撑，并且蚀刻掉第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属的步骤基本上不蚀刻经过机加工的主金属结构。有利的是，第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属是用相同的蚀刻剂蚀刻掉的。优选地，所沉积的第二牺牲性辅助金属比第一牺牲性辅助金属密度低，使得这些金属的组合不造成衬底翘曲。根据更具体的实施例，主金属包括镍，第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属包括铜。
在一些实施例中，主金属结构包括沿其表面区域的空腔，优选地，第一牺牲性辅助金属的沉积速率在主金属结构的空腔内比在这些空腔外更快，使得所沉积的辅助金属没有显著的空洞化。具体地，所沉积的牺牲性辅助金属可以由镀浴电镀，所述镀浴包括选自由光亮剂、均化剂和抑制剂组成的组的有机添加剂。更具体地，镀浴可以包括50g/l的铜、80g/l的酸、50ppm的氯化物、12mL/L的光亮剂、2mL/L的抑制剂和3mL/L的均化剂。优选的微电机系统包括能够与探针卡组件结合使用以对半导体器件进行测试的弹簧。
附图说明
图1A图示了镀覆在主金属上方的第一辅助金属。
图1B图示了镀覆在主金属上方的第一和第二辅助金属。
图2图示了镀覆在主金属上方的现有技术第一和第二辅助金属。
图3图示了主金属结构，其具有由第一辅助金属和镀覆在第一辅助金属上方的第二辅助金属超额填充的空腔。
图4图示了由辅助金属超额填充的主金属空腔。
图5图示了用辅助金属填充主金属空腔的现有技术方法。
应当理解，附图不一定是按比例的，而是重点在于示出本发明的实施例的各个方面和特征。
具体实施方式
下文描述了本发明的实施例。但是应当注意，本发明不限于这些实施例，本发明还包括了对于本领域技术人员显然的变更形式及其等同形式。
MEMS
本申请中的教导针对的是MEMS制造。MEMS一般地涉及小的集成器件或系统，这些器件或系统把电构件和机械构件组合在一起，并且在具体的系统中可以是任何数目，从几个到几百万个。MEMS应用的示例可以(这里并非穷尽)包括：喷墨打印机墨盒、加速度计、微型机器人、微型发动机、锁定件、惯性传感器、微型传动装置、微反射镜、微型致动器、光学扫描器、流体泵、半导体探针、换能器、以及化学传感器、压力传感器和流动传感器。MEMS可以具有在微观尺度对机械过程进行感测、控制和激活的能力，并且单独地或共同地工作来产生宏观尺度的效果。微制造技术使得能够制造大的器件阵列，这些器件各自执行简单的任务，但是组合起来可以实现复杂的功能。MEMS可以(并非穷尽)包括一个或多个机械元件，例如梁、齿轮、薄膜和弹簧等。本申请中的教导可以用来制造任何合适的MEMS或MEMS的构件。优选地制造的MEMS可以包括单一衬底上构建的多个微结构或横向很大的微结构。
根据某些实施例，本申请中提供的方法可以用来形成主金属的、经过微加工的弹簧，该弹簧可以与探针卡(probe card)组件结合使用以测试半导体器件，例如由BaldwinPark，Calif.的Touchdown Technologies，Inc.构建的或由Livermore，Calif.的FormFactor构建的那些组件。在所形成的结构是经过微加工的弹簧的情形下，可以用本申请中的方法在单一衬底上构建许多经过微加工的弹簧，使得许多弹簧可以同时与半导体晶片衬底接触。使用本申请中提出的方法能够以比现有技术中已知的当前方法显著降低的成本在单一衬底的更大面积上构建经过微加工的弹簧。
主金属
主金属700一般地涉及被集成在最终MEMS产品中的金属，并可以是任何合适的金属，例如镍、镍合金、铑、Ni-Mn、Ni-Co、Ni-W、Ni-Cu、Sn、Sn-Pb、Sn-Ag和Ag。牺牲性的第一辅助金属800可以用来包围由主金属700制成的任何合适的MEMS构件。根据某些实施例，使用任何合适的沉积方式(包括光刻)把主金属700电镀到衬底100的顶上。使用光刻胶、掩模和辐射来把主金属700沉积到衬底上是本领域熟知的。本申请中提供的主金属700的结构例如可以根据Tang的教导来沉积。
衬底100一般是作为基体来提供的，并且可以是任何类型的衬底，例如硅、锗和砷化锗、陶瓷，例如氧化铝、氮化铝低温共烧陶瓷(LTCC)和高温共烧陶瓷(HTCC)、金属或玻璃。衬底100可以包括内建的过孔(via)，使得电流可以从衬底100的顶表面向下表面传导。在某些实施例中，过孔可以由金制造，但是也可以使用任何其他导体，例如铜或铂。衬底100也可以包含电再分布(redistribution)导体，从而成为现有技术中公知的电“空间变压器(space transformer)”。
可以向衬底100的(一个或多个)上表面施加一个或多个镀覆表面(例如Cr/Au籽晶层)。镀覆表面可以用作导电粘合层和用于主金属700的镀覆籽晶，所述主金属700将在此后的时间形成所要电镀的微结构。可以用溅射机把镀覆表面籽晶层沉积在衬底100上，或者，镀覆表面籽晶层也可以是电子束蒸发的、旋涂的导电聚合物，或者是无电镀的。镀覆籽晶层可以是任何公知的材料和材料组合，例如Au下方的Cr、Cu下方的Ti、Au下方的Ti--W等。籽晶层通常很薄，并可以按300A的Cr和2000A的Au的组成来施加，但是也可以以不同的量使用其他组分和厚度而不脱离本发明的精神。如果衬底100由金属制造，则可以不使用镀覆基体，因为金属可以构成镀覆基体。另外，衬底100与镀籽晶之间可以有诸如电介质膜和互连堆叠件(包括导体和电介质膜)之类的结构，而不脱离本申请中教导的精神。
一般而言，可以向籽晶层或衬底施加任何合适的光刻胶。可以使用掩模，使得在辐射被播送到掩模上时，该辐射在掩模受到修改以使辐射通过的地方穿过掩模到达光刻胶。在掩模受到修改的区域正下方的位置处，光刻胶被分解，产生了空腔，这些空腔被构造成接纳主金属700。主金属可以用任何合适的方式(例如电镀)而电沉积到空腔中。主金属700可以是任何类型的金属，例如，Ni-Mn的合金可以以20-25μm的量电镀到空腔中。由于主金属700受到机加工(例如研磨和抛光)以使该层平面化并实现均匀受控的厚度，所以主金属700通常被镀得比该层的所需最终厚度略厚。可以用任何合适的方法除去光刻胶。
牺牲性辅助金属
本发明的一个重要方面是：对于主金属700的每个层，都在整个衬底100上镀第一辅助金属800和第二辅助金属900，而不使衬底100翘曲。应当注意，辅助金属不是必须与衬底100直接接触，因为衬底100可能已覆盖有(一个或多个)镀覆基体。因而，本申请中所称的在整个衬底100上方镀覆可以简单地指由衬底100包括的整个表面积，而不一定是衬底本身。
在整个衬底上方镀覆可以对于任何合适的MEMS结构中的大多数层(也包括每个层的情形)来完成，例如包括具有10个或更多个、15个或更多个、或者20个或更多个层的那些MEMS结构。把第一辅助金属800和第二辅助金属900镀在整个衬底100上方这种组合是独特的，因为它给主金属700的结构提供了在机加工(例如研磨和抛光)期间所需的机械稳定性，并给后续的突出层提供了镀覆基体，而不使衬底100翘曲。另外，沉积第一辅助金属800和第二辅助金属900不限于光刻处理，因而不需要定制设计的光刻胶、掩模和UV辐射来在主结构700周围镀覆。如上文的背景技术部分中所述，现有技术的方法(例如Garabedian和Tang)的教导背离了对于多个层面的MEMS结构中的每个层面在整个衬底上方镀覆辅助金属。这些文献不鼓励所述本发明的步骤，因为本领域技术人员尚未发现对于多层MEMS结构的每个层在整个衬底上方镀覆具有足够支撑性的辅助金属而不使支撑衬底100翘曲的方式。当衬底100翘曲时，这是有害的，因为难以把主金属700平面化到均一的厚度。在MEMS制造期间，非常希望主金属700被机加工以提供平面化的结构，在表面上没有凹痕或凹陷。
图2图示了现有技术中用光刻术来镀覆牺牲性金属，例如Tang公开的技术。按照Tang的公开内容，辅助金属800的沉积是由光刻胶、掩模和辐射所产生的图案来限制的。对光刻胶、掩模进行显影并施加辐射是耗时的步骤，并且如果可能的话应当被消除以简化MEMS制造。与Tang相反，本申请中的教导涉及简单地把主金属结构700浸入电解辅助金属镀浴(plating bath)中以涂覆衬底100的整个表面。使用本申请中的教导不需要对于辅助金属图案产生专门的光刻空腔。
第一辅助金属800和第二辅助金属900应当具有彼此相似但不同的特性。具体而言，优选地，第一辅助金属800是比第二辅助金属900更高密度的金属，但两种牺牲性金属能用不损害主金属700的相同蚀刻剂蚀刻掉。根据进一步的实施例，第一辅助金属800和第二辅助金属900可以在下列特性中的一项或多项方面不同：晶粒尺寸(grain size)、晶粒的晶格结构、或者固有杂质组分(ingrain impurity composition)。更具体而言，优选地，在某些实施例中，第一辅助金属800是薄的、高密度的、精细晶粒的层，而第二辅助金属900层较厚(10到200μm并优选为有足够厚度以完全覆盖主金属)、低密度、并且晶粒较为粗糙。根据某些实施例，第二辅助金属900可以是与第一辅助金属800同类的金属，但是混合有比第一辅助金属800密度更低的填料，例如陶瓷。
根据优选实施例，如图1A所示，第一辅助金属800优选是非常薄的，并具有高的密度以给主金属700提供结构支撑。第一辅助金属800可以是高应力金属，通常涉及50MPa或更高。第一辅助金属800优选镀成薄层，例如厚度在1000埃至50微米。如果对于多层MEMS结构的每个层只是把薄的高密度第一辅助金属800镀覆在衬底100的整个区域上方(如图1A所示)，则在机加工(例如磨削、研磨、抛光、化学机械抛光、放电加工或者任何其他常遇到的机加工处理)期间对于主金属件700可能没有足够的机械支撑。相反，如果在整个表面上方镀覆高密度辅助金属的厚层，则会使得第一辅助金属800也覆盖由图1B中的第二辅助金属900所代表的区域，衬底100可能翘曲。
为了解决上述问题，可以在第一辅助金属800的上方较厚地镀覆具有比第一辅助金属800更低密度的第二辅助金属900，使之覆盖整个衬底100表面。第二辅助金属900可以是低应力金属，通常涉及50GPa或更低。第二辅助金属900优选为镀成厚层，例如10到200微米之间的厚度。图1B示出了第一高密度辅助金属800与第二低密度辅助金属900的组合。有利地，添加较低密度的第二辅助金属900有助于在机加工期间给主金属700提供足够的结构支撑，同时，与只镀厚的第一辅助金属800相比，对衬底100带来的总体机械应力较小。
本申请中所用的辅助金属800和900应当容易地适于通过普通的机加工技术来平面化，并且优选为导电的，其中，普通的机加工技术例如包括磨削和研磨剂研磨(abrasivelapping)。在一种实施例中，牺牲性的第一辅助金属800可以是铜、铜合金、或者任何其他合适的材料，并且可以被电镀在主金属700周围。第二辅助金属不是与第一辅助金属800一模一样的金属，而是可以是不同类型的铜、铜合金、或者能够电镀的其他合适金属。可能的第二辅助金属包括多孔的、晶粒稳定化的复合金属，例如电沉积领域的技术人员熟悉的Cu、Pb、Ag、Au、Sn、In、Pb--Sn等以及合金等。根据某些实施例，可以使用悬浮有陶瓷粉末的铜复合材料。
镀覆上述主金属结构700和两种不同辅助金属800和900的处理步骤可以被重复以产生多层化的中间(intermediary)MEMS结构。主金属700和辅助金属800和900的复合体(complex)然后可以受到机加工，直到主金属700处于所需形态。
不管用作机械支撑还是导电镀覆基体，第一辅助金属800和第二辅助金属900都是完全牺牲性的，意味着在形成由主金属700制造的最终产品之前，它们将被完全除去。可以用基本上不会以蚀刻或其他方式对主金属700造成损害的蚀刻剂把辅助金属800和900(以及可能出现的任何其他辅助金属)蚀刻掉。根据一些具体实施例，可以用相同的蚀刻剂来蚀刻第一辅助金属800和第二辅助金属900(以及任何附加的辅助金属)，使得用户无需把两种不同的蚀刻浴用于各辅助金属。作为一种示例，蚀刻剂通常是酸的水溶液(诸如氯化铁)，并且可以被加热并在压力下导向板的两侧。蚀刻剂只与牺牲性辅助金属起反应，并且优选地把它们相当快地腐蚀掉。
另外，也可以用不同的蚀刻剂或与对于这些辅助金属所用的蚀刻剂相同的蚀刻剂蚀刻掉任何籽晶层(例如主籽晶层和辅助籽晶层)。优选地，可以在一个步骤中用相同的蚀刻剂除去每个辅助金属和每个籽晶层，而不破坏主金属结构700。
尽管本申请中的描述主要针对仅使用第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属，但是本领域技术人员可以理解，在不偏离本申请中的教导的情况下，可以镀更多类型的牺牲性金属。很容易想到使用例如第三或第四牺牲性辅助金属。同样，优选地，所镀的每种辅助金属可以用相同的蚀刻剂蚀刻掉，使之不破坏主金属700。
超额填充第一牺牲性辅助金属
可以在主金属700周围沉积(或者，优选地电镀)第一牺牲性辅助金属，使之覆盖主金属700的、缺少空腔或井的表面，并以比在竖直井820或主金属特征之间的空间内的沉积更慢的速度覆盖水平表面平面830。沿竖直表面平面840(例如空腔、竖直井820、以及主金属特征之间的空间)的沉积是以与水平沉积相比更快所速率来进行的，在本申请中称为“超额填充”。换言之，牺牲性辅助金属800的沉积速率在主金属700的特征或结构开口的底部比在该特征或结构开口的顶表面处更大。图3图示了具有由第一辅助金属800超额填充的井820的主金属结构700。
超额填充是有利的，因为它防止了所沉积的牺牲性辅助金属800中的空洞化，从而与具有空洞的辅助金属相比，在机加工处理期间给主金属700提供了更强的结构稳定性。机加工一般可以指磨削、研磨、抛光、化学机械抛光、放电加工或者任何其他常遇到的机加工处理。
对牺牲性辅助金属的竖直和水平沉积速率的控制可以用合适的技术来进行，例如Dubin和Andricacos中提供的那些技术，这些文献被引用并结合在本申请中。超额填充是取决于多种因素的多变量技术，这些因素包括(并非穷尽)：分析试剂、添加剂、化学性质和临界尺寸(critical dimension)，临界尺寸涉及能够均匀蚀刻到给定的MEMS工件上的最小特征。本领域技术人员能够容易地对与超额填充所需的有关变量进行评估以充分控制辅助金属沉积的速率。
辅助金属沉积的速率控制可以通过在辅助金属镀浴中使用添加剂来实现。由合适配制的溶液进行的电解镀是实现超额填充的最佳途径之一。为了防止辅助金属800中形成空洞，电镀的速率应当在主金属特征700内的低点或较深的点处比其他地方更高。图4和图5示出了超额填充辅助金属与传统的辅助金属沉积之间的比较。如图4所示，例如，通过给镀浴使用添加剂，在主金属700的特征之间(例如井820)，辅助金属800的沉积比沿水平表面830的外部沉积更快。内部特征中的优先沉积可能是由于添加剂在这些位置处更低的运输速率，这接着造成了辅助金属在井820中沉积的局部速率增大。具体地，在内部角落处，添加剂运输速率最低，因而辅助金属沉积的速率最高。相反，如图5所示，使用传统的辅助金属化技术，主金属700的特征之间的辅助金属沉积的速率较低。这些传统方法造成了辅助金属800中的空洞化，因而消耗了机加工期间给主金属700提供的支撑强度。
添加剂可以被添加到辅助金属镀浴以实现超额填充。由含有常用来在粗糙表面上产生平坦沉积物的添加剂的溶液进行的铜镀可以用来实现超额填充，以填充主金属特征之间的空腔。一种合适的添加剂体系是由New Haven，Conn.的Enthone-OMI，Inc.销售的，称为SelRex Cubath M体系。上述添加剂被制造商称为MHy。另一种合适的添加剂体系是由Freeport，N.Y.的LeaRonal，Inc.销售的，称为Copper Gleam 2001体系。这些添加剂被制造商称为Copper Gleam 2001 Carrier，Copper Gleam 2001-HTL和Copper Gleam 2001Leveller。再一种合适的添加剂体系是由State Park，Pa.的Atotech USA，Inc.销售的，称为Cupracid HS system。该体系中的添加剂被制造商称为Cupracid Brightener和Cupracid HS Basic Leveler。
能够允许超额填充的镀覆添加剂例如可以包括光亮剂(brightener，也称为加速剂(accelerator))、均化剂(leveler)和抑制剂(suppressor)。光亮剂或加速剂通常包括含硫有机化合物，并还可以包含例如授权给Sonnenberg等人的美国专利No.5,252,196中描述的官能团，该文献的内容通过引用方式全文结合于此。光亮剂的示例包括磺基丙基二硫醚(sulfopropyl disulfide，SPS)和巯基丙磺酸(MPS)。本申请中提供的辅助金属浴中可以使用任何合适的表面活性剂，例如聚乙二醇(PEG)。均化剂或均涂剂可以包括多胺以及胺与环氧烷烃和环氧卤丙烷的反应产物，以及诸如吩嗪鎓化合物的染料化合物，例如Brunner等人的美国专利公开No.US2007/0108062、Brunner等人的美国专利公开No.US2006/0226021和Murao的美国专利公开No.US2004/0231995中描述的，这些文献各自的内容通过引用方式全文结合于此。均化剂的一种示例是Janus Green B。有机聚合物可以用作铜电镀用的抑制剂。也可以向辅助金属电镀溶液引入进一步的添加剂和/或副产品。
一种优选的可以用作牺牲性辅助金属800的铜的镀覆溶液包括下述成分：Cu 50g/l，酸80g/l，Cl 50ppm，加速剂12mL/L，抑制剂2mL/L，均化剂3mL/L。
一些专利中描述了可以添加到本发明中的浴液的具体添加剂的示例。本申请中列出了一些，其各自的内容通过引用方式全文结合于此。美国专利No.4,110,176公开了使用诸如聚烷醇季铵盐的添加剂，该盐作为反应产物而形成，以由酸性水溶液铜镀浴获得光亮的、高延展性的、低应力的、均化性良好的铜沉积物。授权给Watson的美国专利No.4,376,685描述了诸如烷基化聚烷撑亚胺的镀浴添加剂，这些添加剂作为反应产物而形成，以由酸性水溶液浴获得光亮的、均化的铜的电沉积物。
授权给W.Dahms的美国专利No.4,975,159描述了许多不同的有机添加剂，包括一定量的作为含酰胺基化合物的至少一种经取代的烷氧基化内酰胺，以优化所沉积的铜的光亮度和延展性，它可以被掺入根据本申请的教导的辅助金属镀浴。表I、II和III中提供的添加剂也可以在合适的情况下用于本申请的教导。这些添加剂(并非穷尽)包括：烷氧基化内酰胺、具有增加水溶性的基团的含硫化合物(例如3-巯基-1-丙磺酸)和有机化合物(例如聚乙二醇)。
授权给H-G Creutz的美国专利No.3,770,598描述了酸性铜浴，含有光亮化量的、聚乙烯亚胺与烷化剂的反应产物，以产生季氮、带有至少一个磺酸基基团的有机硫化物，以及聚醚化合物(例如聚丙二醇)。
授权给H-G Creutz等人的美国专利No.3,328,273描述了铜的硫酸盐和氟硼酸盐浴液，用于获得具有良好均化特性的、光亮的、低应力的沉积物，其包含通式为XR1……(Sn)……R2……SO3H有机硫化物，其中R1和R2是相同的或不同的，并且是含有1-6个碳原子的多亚甲基基团或炔基团，X是氢或磺酸基基团，n是整数2-5(包含端点)。另外，这些浴可以包括聚醚化合物、具有相邻硫原子的有机硫化物、吩嗪染料。该专利的表I和表II提供了具体添加剂，包括多硫化物和聚醚化合物，这些添加剂可以被添加到使用本申请的教导的牺牲性辅助金属浴。
给辅助金属溶液(例如0.3M的硫酸铜和10％体积比的硫酸)添加氯离子和MHy添加剂可以造成超额填充。产生超额填充的MHy浓度可以在从约0.1至约2.5体积百分比的范围内。允许超额填充的氯离子浓度可以在从10到300ppm的范围中。从包含0.1至0.4M范围的硫酸铜、10至20％体积比范围的硫酸、10至300ppm范围的氯化物、0.1至1％体积比范围的LeaRonal添加剂Copper Gleam 2001 Carrier、0.1至1％体积比范围的Copper Gleam2001-HTL、0至1％体积比范围的Copper Gleam 2001Leveller的溶液也能获得类似的超额填充结果。最后，从包含上述范围的硫酸铜、硫酸和氯化物以及0.5至3％体积比范围的Atotech添加剂Cupracid Brightener和0.01至0.5％体积比范围的Cupracid HS BasicLeveller的溶液也能获得类似的超额填充效果。
本申请中所用的超额填充技术不是针对封闭小于50微米的特征。具体而言，本申请中的辅助金属化被用来封闭50-100微米的主金属(例如镍)特征。本申请中提供的镀覆处理优选地在下述情况下进行：衬底表面被保持成只与电解液的自由表面接触(与浸在电解液中的情况相反)，例如在杯状镀室中。(参见授权给S.Aigo的美国专利No.4,339,319，该申请的全部内容通过引用方式结合于此)。在镀覆的过程中当把要镀覆的表面保持成与电解液的弯月面接触时，大宽度的空腔(50-100微米)可以被迅速地并均匀地以相同的速率填充。弯月面镀的超额填充技术是由于空气—液体表面处表面活性添加剂分子可能不同的取向以及较高的浓度。尽管当引入要镀的表面时这些分子可能开始再分布，但是残余效果可能在镀的整个期间持续几分钟的时段。对于镀覆MEMS制造中出现的较宽的空腔(50-100微米)，桨式镀室(paddle plating cell)不是优选的。
电镀的牺牲性辅助金属优选为基本上由Cu制成，并且可以包含C(少于2重量％)与O(少于1重量％)、N(少于1重量％)、S(少于1重量％)或Cl(少于1重量％)的少量原子和/或分子片段。这些附加成分显然源于添加剂的分解，并且基本上以分子片段而不是原子的可能形态包含在沉积物中。
授权给Horkans等人的美国专利6,592,747中也提供了对铜镀溶液中的添加剂进行控制的方法，该文献的全部内容被明确包含于此。该专利教导了通过用硫酸和盐酸、并可选地含有二价铜盐稀释浴液的样品，来监视铜镀浴中的有机添加剂。这种稀释提供了这样的浴液：其具有传统的二价铜离子、硫酸和盐酸浓度，并且样品中有机添加剂经过调整的浓度是其初始值的1/X，其中X是稀释因子。CVS技术被用来确定有机添加剂的浓度。
也可以根据需要，对于MEMS制造，针对上文提供的过程步骤使用附加的和替代的过程步骤。本发明可以以文中所述那些形式之外的其他具体形式来实施。因此，前述实施例应当认为在所有方面都是示例性而不是限制性的，本发明的范围只由所附权利要求及其等同物，而不是由前文的说明书来定义和限制。

Claims (20)

1.一种用于制造多层微电机系统的方法，包括：
a)提供由衬底支撑的主金属结构；
b)在所述主金属结构周围并且在所述衬底的整个表面上方以薄层沉积第一牺牲性辅助金属；
c)在所述第一牺牲性辅助金属周围并且在所述衬底的整个表面上方以厚层沉积第二牺牲性辅助金属；
d)对所述主金属、所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属进行机加工；
e)重复步骤a)-d)，直到制造成所需的多层结构；以及
f)从经过机加工的所述主金属结构蚀刻掉所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属，以形成多层微电机系统，
其中，所沉积的第二牺牲性辅助金属比所述第一牺牲性辅助金属密度低，使得这些金属的组合不造成所述衬底翘曲。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，蚀刻掉所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属的步骤基本上不蚀刻经过机加工的所述主金属结构。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属是用相同的蚀刻剂蚀刻掉的。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，所沉积的第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属在所述机加工过程中给所述主金属提供水平机械支撑。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主金属包括镍。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属包括铜。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述主金属结构包括沿其表面区域的空腔，所述第一牺牲性辅助金属的沉积速率在所述主金属结构的这些空腔内比在这些空腔外更快。
8.根据权利要求7所述的方法，其中，所沉积的辅助金属没有显著的空洞化。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，所沉积的牺牲性辅助金属由镀浴电镀，所述镀浴包括选自由光亮剂、均化剂和抑制剂组成的组的有机添加剂。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述镀浴包括50g/l的铜、80g/l的酸、50ppm的氯化物、12mL/L的光亮剂、2mL/L的抑制剂和3mL/L的均化剂。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微电机系统是能够与探针卡组件结合使用以对半导体器件进行测试的弹簧。
12.一种用于微电机系统的制造中的中间多层化金属复合体，包括：
a)衬底，该衬底支撑主金属结构和辅助金属结构的多个层，其中，每个层包括：
b)主金属的结构，该结构被构造来集成到所制造的微电机系统构件中；
c)第一牺牲性辅助金属，在所述主金属结构周围并且在所述衬底的整个表面上方沉积成薄层；以及
d)第二牺牲性辅助金属，在所述第一牺牲性辅助金属结构周围并且在所述衬底的整个表面上方沉积成厚层，
其中，所述第二牺牲性辅助金属比所述第一牺牲性辅助金属密度低，使得这些金属的组合不造成所述衬底翘曲。
13.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属都被构造成用相同的蚀刻剂在不对所述主金属进行蚀刻的情况下蚀刻掉。
14.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所沉积的第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属被构造成在机加工过程中给所述主金属提供水平机械支撑。
15.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述主金属结构包括沿其表面区域的空腔，所沉积的第一辅助金属没有显著的空洞化。
16.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述主金属结构包括镍。
17.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述第一牺牲性辅助金属和所述第二牺牲性辅助金属包括铜。
18.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所制造的微电机系统是能够与探针卡组件结合使用以对半导体器件进行测试的弹簧。
19.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述第一牺牲性辅助金属包括均化剂。
20.根据权利要求12所述的金属复合体，其中，所述第二牺牲性辅助金属包括均化剂。
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