CN1440924A - 微电子机械系统结构及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微电子机械系统结构及其制造方法，该结构具有固定到衬底上的固定部分和连接到固定部分上并浮置在衬底上面的浮动部分，该方法包括：在衬底上沉积牺牲层；构图该牺牲层，形成围绕至少将要形成该固定部分的一部分的间隔；在牺牲层上沉积微电子机械系统结构层，在该间隔内形成侧壁，在该牺牲层上形成固定部分和浮动部分；以及，用蚀刻剂除去该牺牲层，其中蚀刻剂对固定部分相对应的那部分牺牲层的应用由侧壁阻隔开，由侧壁阻隔开的牺牲层没有被蚀刻剂除去。由于连接部分制为与固定部分和浮动部分具有相同的厚度，可以提供一种坚固/可靠的微电子机械系统结构。

Description

微电子机械系统结构及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微电子机械系统(Microelectromechanical System，MEMS)结构及其制造方法。尤其涉及一种在衬底上具有浮动部分(floatingportion)的MEMS结构及其制造方法。
背景技术
MEMS是一种采用半导体制造工艺来获得机械和电子设备的技术。采用MEMS技术生产出的元件普遍具有一个浮置在衬底上用于机械操作的可弯曲部分。
图1示出一种MEMS结构。
该MEMS结构包括一个衬底(110)、一个固定在衬底(110)上的固定部分(131)和一个从固定单元(131)上延伸出的浮动部分(133)。该固定单元通常被称作支座(anchor)或支撑(support)，其具有将浮动部分(133)固定到衬底(110)上的作用。浮动部分(133)浮置在衬底(110)上，因此在外力作用下可以向上和向下弯曲，如图中两虚线所示。在必要情况下，浮动部分(133)可以做成梁或薄片的形状。
图2A至2D按顺序示出MEMS结构制造工艺的例子。
如图2A所示，在衬底(210)上，沉积一牺牲层(220)并构图该牺牲层(220)，以便形成固定在衬底(210)上的支撑物。如图2B所示，在构图过的牺牲层上沉积MEMS结构层(230)。在沉积该MEMS结构层(230)时，在保留了牺牲层(220)的部分上形成一浮动部分(233)，同时在牺牲层(220)被除去的地方形成一个固定部分(231)和一个连接部分(232)，该连接部分连接固定部分(231)与浮动部分(233)。
接下来如图2C所示，在MEMS结构层(230)的浮动部分(233)上形成蚀刻剂通道孔(access hole)(240)。如图2D所示，当蚀刻剂通过蚀刻剂通道孔(240)应用到牺牲层(220)上时，将除去牺牲层(220)，且浮动部分(233)与衬底(210)相分离。
在被构图过的牺牲层(220)上沉积MEMS结构层(230)，然后将牺牲层(220)除去，这是制造浮置在衬底(210)上MEMS结构最普遍采用的方法。
然而通过这种方法形成的MEMS结构由于连接部分(232)而具有缺陷，其连接固定在衬底(210)上的固定部分(210)和设置在衬底(210)之上的浮动部分(233)，该连接部分比其它部分要薄，因此非常的脆弱。结果，在浮动部分(233)反复移动时，连接部分(233)将遭到破坏。而且因为连接部分(233)连接条件的改变，浮动部分(233)的可移动范围则很难有一个精确的控制。
附图3A至3D按顺序示出的是用SOI(绝缘体上硅)晶片形成MEMS结构的示例。
如图3A所示，在衬底(310)上沉积一牺牲层(320)。在牺牲层(320)的顶端沉积一个用来形成MEMS结构的MEMS结构层(330)。构图MEMS结构层(330)，以形成将要制造的MEMS结构。如图3B所示，当构图该MEMS结构层(330)时，还形成了蚀刻剂通道孔(340)。该蚀刻剂通道孔形成在MEMS结构层的浮动部分(333)上，而非固定部分(331)上。
然后，当蚀刻剂通过蚀刻剂通道孔(340)应用到牺牲层(320)上时，牺牲层(320)被部分地除去。与此同时，因为蚀刻剂通道孔(340)仅形成在浮动部分(333)上，所以如图3C所示，浮动部分(333)下面的牺牲层(320)被全部除去，而固定部分(331)下面的牺牲层(320)沿边界被部分地除去。
在牺牲层(320)上沉积MEMS结构层(330)并蚀刻掉部分牺牲层(320)，以在衬底(310)上形成浮动的MEMS结构的同时，没有被除去的牺牲层(320)起到一个把MEMS结构固定到衬底(310)上的支座的作用。
然而，按照这种方法，由于作为支座的那部分牺牲层(320)的宽度根据牺牲层(320)暴露于蚀刻剂中的时间长短而改变，所以浮动部分(333)的长度则很难精确控制。也就是说，如果牺牲层在蚀刻剂中的暴露时间长，那么如图3D所示，支座的宽度就变窄。与此相反，如果暴露的时间短，那么如图3C所示，该宽度将变宽。因此，浮动部分(333)的长度改变，所以上述方法不适于生产要求精确长度和大小的浮动部分(333)的MEMS结构。
另外，由于采用这种方法制造的MEMS结构在固定部分(331)与衬底(310)之间有牺牲层(320)，如果该牺牲层(320)由绝缘材料制成，那么很难与衬底(310)上的其它电路电连接。所以，将MEMS结构与其它电路连接起来还需要附加工作。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种MEMS结构和生产该结构的方法，其中，固定在衬底上的固定部分和浮设在衬底之上的浮动部分牢固地连接在一起，浮动部分的长度调节可以精确控制，而与其它电路的电连接变得简单。
按照本发明，制作具有固定到衬底上的固定部分和设置在衬底之上与固定部分相连接的浮动部分的MEMS结构的工艺中，包括的步骤为：在衬底上沉积一牺牲层；构图该牺牲层，至少在围绕固定部分的部分区域形成间隔；在牺牲层上沉积一个MEMS结构层，在间隔和该牺牲层上的固定部分和浮动部分之中形成侧壁；以及，用蚀刻剂除去该牺牲层。其中在去除步骤中，应用到与固定部分相对应的部分牺牲层上的蚀刻剂由侧壁阻隔开，除了由侧壁阻隔开的以外，牺牲层蚀刻剂除去。
依据本发明，提供一种与固定部分用浮动部分具有相同厚度的连接部分的可靠/耐用的MEMS结构。进一步，由于固定部分和衬底通过侧壁连接，所以可以在MEMS结构与其它电路之间方便地形成电连接。
优选地，在形成间隔步骤中，在除对应于连接部分的区域外的整个区域上形成间隔，该连接部分将固定部分和浮动部分连接起来，连接部分的宽度要比固定部分的宽度窄。因此，固定部分与浮动部分之间的边界可以清晰地确定，且浮动部分的长度调整可以精确地控制。另外，用蚀刻剂除去牺牲层时，暴露时间不必要精确设置。
因此，依据本发明的MEMS结构包括，一个衬底、一个固定在衬底上的固定部分、一个设置在衬底之上的浮动部分，一个间插在固定部分与衬底之间并将固定部分固定到衬底上的支座和一个围绕该支座的至少部分侧边的侧壁。
附图说明
本发明的上述具体特征和细节将通过下面的结合附图的非限制性实施例详细说明而更加清楚，其中：
图1为MEMS结构的示意截面图；
图2A至2D示出的是形成传统的MEMS结构的实例；
图3A至3D示出的是形成另一种传统的MEMS结构的实例；
图4A至4F示出的是依本发明的MEMS结构的制造工艺；
图5A至5E为与图4A至4F示出的制造工艺相对应的制造MEMS结构的透视图；以及
图6示出的是图5E示出的MEMS结构中的牺牲层的形状。
具体实施方式
这里，参照附图，更详细地描述本发明的一个示例性、非限制性的实施例。
图4A至4F示出的是本发明中的MEMS结构制造工艺。图5A至5E为与图4A至4F中示出的制造工艺相对应的MEMS结构制造工艺的透视图。
如图4A和5A所示，在由半导体材料例如硅制成的衬底(410)上沉积一个牺牲层(420)。该牺牲层(420)可以由如Al、Cu、氧化物或Ni的材料制成。如图4B和5B所示，把牺牲层(420)构图成预制的形状。通过构图把牺牲层(420)的一部分除去，以在牺牲层(420)上形成由间隔(423)构成的凹槽。该槽形的间隔(423)与前面提到的支座的形状相对应，如下所述。
如图4C和5C示出，在构图过的牺牲层(420)上，沉积MEMS结构层(430)。例如，该MEMS结构层可以由例如金的材料通过气相沉积而成。在牺牲层(420)上的间隔(420)的内部也要沉积MEMS结构层(430)。因此，MEMS结构层(430)包括固定在牺牲层(420)上的固定部分(431)、在除去牺牲层(420)后设置在衬底(410)上的浮动部分(433)和形成在间隔(423)内部的侧壁(435)。覆盖在牺牲层(420)上的MEMS结构层(430)具有均匀的厚度，但是由于该MEMS结构层(430)垂直沉积在衬底(410)上，侧壁(435)横向厚度要比MEMS结构(430)的其它部分要薄。
如图4D和5D所示，在MEMS结构层(430)上形成蚀刻剂通道孔(440)，此步骤中，该蚀刻剂通道孔(440)形成在MEMS结构层上稍后要形成类似一个梁或薄片的浮动部分(433)的部分上，而不是形成在稍后要形成固定部分(431)的部分上。
当蚀刻剂通过蚀刻剂通道孔(440)选择性地对牺牲层(420)进行蚀刻时，一部分牺牲层被刻蚀和除去。如图4E和4F所示，当牺牲层(420)连续地暴露在蚀刻剂中时，浮动部分(433)下面的牺牲层(420)逐渐地被除去。
该蚀刻剂将应用到浮动部分(433)下面的牺牲层(420)上，而非固定部分(431)下面的牺牲层(420)。这是因为在固定部分(431)上没有蚀刻剂通道孔(440)，也因为在固定部分(431)下面的牺牲层(420)由侧壁(435)包围。因此，固定部分(431)下面的牺牲层(420)受到侧壁(435)的保护而未被刻蚀且保持原样不变。固定部分(431)下面的牺牲层(420)作为支座把固定部分(431)牢固地固定在衬底(410)上。
在暴露牺牲层(420)的步骤中，固定部分(431)下面的牺牲层没有被除去，因为在形成MEMS结构层(430)时牺牲层(420)已事先构图出侧壁(435)。由于，该支座的尺寸取决于侧壁(435)的位置，所以浮动部分(433)的长度调整可以得到精确的控制。虽然侧壁(435)的厚度比MEMS结构(430)的其它部分薄，但是因为蚀刻剂仅除去牺牲层(420)而非侧壁(435)，所以固定部分(431)下面的牺牲层(420)可以由于薄侧壁(435)有效的保护而没有受到蚀刻剂的影响。
另外，如图4F和5E所示，依据上述方法形成的MEMS结构具有固定部分(431)、浮动部分(433)和连接部分(432)，连接部分(432)将浮动部分(433)和固定部分(432)连接起来，它们在MEMS结构层(430)沉积过程中一起形成一个在同一平面的整体件。由于连接部分(432)的厚度与固定部分(431)和浮动部分(433)的厚度相同，这样提高了连接部分(432)的强度，防止该连接部分(432)变得脆弱。
依据前述的MEMS结构，侧壁(435)在沉积MEMS结构层(430)过程中与衬底(410)接触。因此，该侧壁(435)将衬底(410)和固定部分(431)连接起来。在MEMS结构与衬底(410)上的其它电路之间很容易地建立了电连接。
与此同时，在构图牺牲层(420)过程中，如图4B和5B所示，构图出的间隔(423)围绕着与固定部分(431)相对应的至少一部分区域。换言之，该间隔(423)基本上围绕固定部分(431)的区域而不包括连接部分(432)的区域。从而，侧壁(435)也基本包围的固定部分所以作为支撑物的大部分牺牲层(420)借助侧壁(435)有效地阻隔开与蚀刻剂的接触。
图6示出了设置在图5中的MEMS结构内部的牺牲层的情况。因为连接部分(435)的下面没有侧壁(435)，所以在除去牺牲层(420)的过程中，流到连接部分(432)下面的蚀刻剂除去了这部分牺牲层(420)，如图4F和6所示。
然而，即使是在除去该部分牺牲层(420)时，如图6所示，因为连接部分(432)的宽度要比固定部分(431)的宽度窄，所以仅有围绕连接部分(432)的那部分牺牲层被除去了。从而，尽管固定部分(431)下面的部分牺牲层(420)被除去了，但是浮动部分(433)的长度基本没有改变，由支撑物固定的固定部分(431)的情况也基本改变。因此，浮动部分(435)的长度可按照需要进行精确调整。
依据前面描述的本发明，由于连接部分与固定部分和浮动部分具有相同的厚度而获得了可靠/耐用的MEMS结构。另外，因为由牺牲层形成的支撑物受到侧壁的保护而没有被蚀刻，所以固定部分与浮动部分之间的边界可以精确地确定。因此，浮动部分的长度调整可以进行精确地控制。此外，由于侧壁将固定部分与衬底连接起来，所以该MEMS结构与其它电路的电连接变得简单。
同样，依据本发明，用蚀刻剂除去牺牲层的步骤中，准确地设定暴露时间不再是必要的了，因为将作为支座部分已经受到侧壁的保护。由于连接部分的宽度比浮动部分的宽度窄，即使稍后要成为支撑物的牺牲层也被除去，对MEMS结构的功能也不会产生影响，因此要求除去浮动部分下面的全部牺牲层可以是足够长的暴露时间。
虽然对于不限于本发明中的实施例进行了描述，但是对于本领域技术人员来说本发明不拘于所述的实施例。允许不偏离由权利要求限定的本发明范围和精神情况下的各种调整和改变。

Claims (10)

1.一种微电子机械系统结构的制造方法，该结构具有固定到一衬底上的一固定部分和连接到该固定部分上并浮置在该衬底上面的一浮动部分，该方法包括：
在该衬底上沉积牺牲层；
构图该牺牲层，并形成一间隔，该间隔围绕其中将要形成该固定部分的区域的至少一部分；
在该牺牲层上沉积一微电子机械系统结构层，在该间隔内形成侧壁，在该牺牲层上形成该固定部分和该浮动部分；以及
用蚀刻剂除去该牺牲层，
其中，蚀刻剂对牺牲层的与该固定部分相应的那部分的作用被该侧壁阻隔，使得该牺牲层的由该侧壁阻隔开的部分没有被蚀刻剂除去。
2.如权利要求1所述的微电子机械系统结构的制造方法，其中该间隔形成为基本围绕将要形成该固定部分的区域，除该区域中与连接该固定部分和该浮动部分的连接部分相应的那部分外。
3.如权利要求2所述的微电子机械系统结构的制造方法，其中该连接部分的宽度比该固定部分的宽度窄。
4.如权利要求1所述的微电子机械系统结构的制造方法，还包括在使用蚀刻剂前，在微电子机械系统结构上形成蚀刻剂通道孔。
5.如权利要求4所述的微电子机械系统结构的制造方法，其中在该浮动部分上形成该蚀刻剂通道孔。
6.一种微电子机械系统结构，包括：
一衬底；
一固定到该衬底上的固定部分；
一与该固定部分相连并浮置在该衬底之上的浮动部分；
一置于该固定部分与该衬底之间的支座，所述支座将该固定部分固定到该衬底上；以及
一围绕该支座的一个或更多侧面的至少一部分的侧壁。
7.如权利要求6所述的微电子机械系统结构，其中该侧壁形成为基本围绕该固定部分区域，除该区域中与连接该固定部分和该浮动部分的连接部分相应的那部分外。
8.如权利要求7所述的微电子机械系统结构，其中该连接部分的宽度要比该固定部分的宽度窄。
9.如权利要求6所述的微电子机械系统结构，其中该侧壁、该固定部分和该浮动部分形成一个整体。
10.如权利要求6所述的微电子机械系统结构，其中该侧壁与该衬底直接接触。
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