CN1301665A - 对微机电装置的某些改进 - Google Patents

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Abstract

一种包含电气和机械元件的装置,它由多层组成,其中:第一层或层组用作一个或多个电极或导体;第二层用作一个或多个压力触点或导线触点或导线连接垫。第二层具有与第一层不同的物理特性,第一层或层组比较硬或韧性较好,而第二层比较软或延展性较好。还提供了一种相应的制造方法。

Description

对微机电装置的某些改进
本发明与微机电装置有关，更具体地说，是与那些由几层衬底制成且在制造过程中要经过阳极连接处理的装置有关。
目前已有的一些微机电装置包括加速仪，压力传感器，角速度传感器，倾角仪等。
大家都知道，这类微机电装置中要在半导体衬底上加一个玻璃衬罩。此衬罩为该装置提供机械防护，而且可提供一个真空室。玻璃还可用作某些需要的电气元件的安装座。将电气元件安装在玻璃片上而不装在半导体衬底上，可以减小微机电装置中的杂散电容。玻璃通过一种称为阳极连接的工艺连到半导体基底上去。大家知道，这种工艺是很粗糙的，而且可能损坏有关的元件。
例如，由于操作时温度高可能使某些材料变形而引起缺陷，这将对微机电装置的性能产生不利的影响。此外，与应变有关的一些作用可能使装置的功能在连接后遭到破坏。
按照本发明的第一部分，由电气和机械元件构成的装置包括多层，其中：
第一层或包含几层的第一组被用作一个或几个电极或导体；
第二层被用作一个或几个压力触点或导线连接垫，
其中第二层的物理特性与第一层或包含几层的第一组不相同，第一层或包含几层的第一组是比较硬或韧的，而第二层是比较软或延展性较好的。
第一层或包含几层的第一组建立用钛来做，或者最好用钛和氮化钛来做。
第二层建议用铝或金来做。第一和第二层可以做在含硼硅酸盐玻璃的碱金属上。
建议第一层的厚度为7000埃左右，第二层的厚度为5000埃左右。为了形成压力触点并将这些触点用作导体，要求各层的厚度很精确，而且是可以重复的。
本发明提供的电气和机械元件满足微机电装置几种功能的多种要求，并可经受阳极连接过程中严苛而可能是破坏性的环境考验。在本发明的一个实施例中，安装在玻璃底座上的元件包括电容器电极，电导体，压力触点，和导线连接垫。导体用来作电容器电极的电连接，也可用作电屏蔽板的电连接。当玻璃和硅衬底通过阳极连接工艺连在一起时，压力触点形成与相配的硅衬底上的导体的电连接。
本发明的第二部分提供一种形成微机电装置中电气和机械元件的方法，该方法包含以下步骤：
形成第一层或包含几层的第一组，它们被用作一个或多个电极或导体；
形成第二层，用作一个或多个压力触点或导线连接垫；
其中第二层具有与第一层或包含几层的第一组不相同的物理特性，第一层或包含几层的第一组是比较硬或韧的，而第二层是比较软或延展性较好的。
建议将第一层和第二层经过刻蚀后分别形成电极/导体或连接垫/压力触点。这个过程可能要采用光刻技术。
最好所述较硬的层或包含几层的一组为沉积在玻璃衬底上的第一层或包含几层的一组，然后把第二层沉积在第一层的上面。此后可能要在各层上进行两次或多次光刻，首先把导线连接垫和压力触点刻在第二层上，然后把导体和电极连同导线连接垫和压力触点一起刻在第一层或包含几层的第一组上。第一层的图形必须包含第二层的全部细节，因为第一层是处在第二层的下面。
第一层可以是钛。
钛可以用作消气剂以降低阳极连接后密封室内的气压，最好在室温下就能有这种效果。
钛层形成的电极最好在阳极连接过程中保持平整，而且在阳极连接过程不与柔性的硅结构形成永久的连接。当钛用作一个或多个电导体时也希望是这样。
下面结合附图对本发明的一种实施例加以说明，附图中：
图1是带一组元件的玻璃衬底的平面示意图；
图2是几个层面在沉积后、刻上图形前的剖面示意图；
图3和4是在第二层刻上图形后以及第一多层组刻上图形后通过衬底和各层的剖面示意图；
图5是本发明的一个完整装置的剖面示意图。
图1中绘出了四个元件；1是两个导体和一个电极，2是一个导线连接垫和几个压力触点，它们全都座落在一个玻璃衬底3上。
图2中第一层组1用作底层且刻有一个电容器电极和几个导体；还有一个导线连接垫和几个压力触点。第二层2刻有一个导线连接垫和几个压力触点，3是玻璃衬底。
图3中第一层组1用作底层且刻有一个电容电极和几个导体；还有一个导线连接垫和几个压力触点。第二层2刻有一个导线连接垫和几个压力触点，3为玻璃衬底。
图4中第一层组1用作底层且刻有一个电容器电极和几个导体、还有一个导线连接垫和几个压力触点。第二层2上刻有一个导线连接垫和几个压力触点，3为玻璃衬底。
图5为整个装置，其中第一层组1用作底层且上面刻有一个电容器电极和几个导体；还有一个导体连接垫和几个压力触点。第二层2上刻有一个导线连接垫和几个压力触点。3为玻璃衬底。压力触点4座落在硅衬底5上。除了压力触点外，图5未绘出座落在硅衬底上的其它机电元件。
现在来叙述本发明所用的方法。
首先采用任何一种现有的工艺依次将第1和第2层沉积在玻璃衬底3上。
然后对第一和第二层进行光刻，先将导线连接垫和几个压力触点刻在第二层内，再连同所需的任何导体和电极一起刻在第一层内。当然，第一层的图形必须包含第二层的全部细节，因为第一层是处在第二层下面。
本发明要用到的光刻和刻触方法中，第一层可以在氢氧化铵和过氧化氢的水溶液中进行湿法刻蚀。建议溶液采用一份氢氧化铵，五份过氧化氢，和九份水。最要紧的是刻蚀应该一致，要将所有残留物去掉，而且要对线条的清晰度和线宽进行控制。
第一和第二层也可以不做在半导体衬底上而做在玻璃衬底上，这样可以保证装置内的杂散电容较低。
第一和第二层所用材料的选择与对材料应具有的一些特性的要求有关。第一层或层组需具有以下属性：导电性好，与玻璃的粘接性好，可以刻上图形，应力低，在阳极连接处理后与玻璃的连接性好，很硬，不与柔软的硅结构粘连，而且价格低廉。有一些材料具备这些特性，但是很难甚至不可能在湿法刻蚀剂中显出图形。由于溅射刻蚀法在阳极连接处理前会毁坏玻璃表面，因而不能采用。
第二层必须比较软或其延展性必须能承受阳极连接过程中所加压力下产生的变形，以便形成一个电阻低的可靠压力触点。另外，它用作导线连接接垫时必须很可靠，而且可以用标准光刻法和湿刻蚀剂刻出图形。最后，材料的成本也应低廉。
所有各层的刻蚀最好是有选择性的。也就是说，每一层经过刻蚀形成图形时不应当影响其它的一层或几层。另外，经过刻蚀后希望线条的清晰度非常好，线宽控制得也很好。
在阳极连接处理过程中，柔软的硅结构在高温下受到极高电场的作用而被压紧在第一层上。在柔软的硅结构和第一层或层组之间的单位面积上的压力极其高。相应地，用作第一层或层组的材料在这种极端的条件下不应产生塑性变形或永久地改变形状。虽然通常把这种品质看成是硬度高，但一种强度和柔性都很好的韧性材料也可以满足这个要求。第一层材料还必须在它与硅经受极端条件处理时不与硅产生化学反应。由于阳极连接过程通常是在高真空中进行的，所有用作衬底和各元件层的材料必须是真空性能良好的。

Claims (21)

1．一种包含电气和机械元件的装置，它由多层组成，其中：
第一层或层组被用作一个或多个电极或导体；以及
第二层被用作一个或多个压力触点或导线连接垫；
其中第二层具有与第一层不相同的物理特性，第一层或层组比较硬或韧，第二层比较软或延展性较好。
2．如权利要求1所述的装置，其中第一层或层组是由钛制成的。
3．如权利要求1所述的装置，其中有一个用钛和氮化钛制成的第一层组。
4．如上述任一条权利要求所述的装置，其中较软或延展性较好的第二层是由铝或金制成的。
5．如上述任一条权利要求所述的装置，其中第一层或层组的厚度为7000埃。
6．如上述任一条权利要求所述的装置，其中第一层或层组的厚度为3000至10000埃左右。
7．如上述任一条权利要求所述的装置，其中第二层的厚度约为5000埃。
8．如上述任一条权利要求所述的装置，其中第二层的厚度约为2000至6000埃。
9．如上述任一条权利要求所述的装置，其中在一个或几个表面上加一层钛，所述表面构成加工好的装置内的一个密封室的内表面。
10．一种形成微机电装置的电气和机械元件的方法，它包括以下步骤：
形成第一层，用作一个或多个电极或导体；
形成第二层，用作一个或多个压力触点或导线连接垫，
第二层的物理特性与第一层不同，第一层或层组比较硬或韧性较大，而第二层比较软或延展性较好。
11．如权利要求10所述的方法，其中第一层或层组和第二层经过选择性刻蚀分别形成电极/导体或连接垫/压力触点。
12．如权利要求10所述的方法，其中刻图过程包括光刻和蚀刻。
13．如权利要求10至12任一项所述的方法，其中硬层是沉积在玻璃上的第一层，接着把第二层沉积在第一层的上面。
14．如权利要求10至13任一项所述的方法，其中然后对各层进行两步或多步光刻，首先在第二层上形成压力触点和导线连接垫，然后在第一层上形成电导体和电极。
15．如权利要求10至14任一项所述的方法，其中在一个或几个表面上加一层钛，该表面构成加工好的装置内的一个密封室的内表面。
16．如权利要求10至15任一项所述的方法，其中在阳极连接处理后用钛作为降低密封室内气体压力的消气剂。
17．如权利要求10至16任一项所述的方法，其中钛用作阳极连接处理后降低密封室内气体压力的消气剂，且这种作用最好在室温下就能产生。
18．如权利要求10至17任一项所述的方法，其中钛用作阳极连接处理后以及热处理过程中或处理后降低密封室内气体压力的消气剂。
19．如权利要求10至18任一项所述的方法，其中第一层是在氢氧化铵和过氧化氢的水溶液中进行湿法刻蚀的。
20．如权利要求19所述的方法，其中溶液是一份氢氧化铵，五份过氧化氢和九份水。
21．如权利要求10至20任一项所述的方法，其中第一和第二层是座落在玻璃衬底上而不是半导体衬底上，以保证装置内的杂散电容较低。
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