TW201700393A - 多層微機械結構的製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於製造一微機械裝置層之方法係在包含一單一均質材料層之一裝置晶圓上執行。該方法包含在該裝置晶圓之一第一面上圖案化一第一遮罩，該第一遮罩至少圖案化梳狀結構之橫向尺寸及大裝置結構之輪廓。在一單一深蝕刻製程中蝕刻第一溝槽，該等第一溝槽界定該等至少梳狀結構之該等橫向尺寸及大裝置結構之輪廓。可在該裝置晶圓之一個或兩個面上使用凹入蝕刻以用於產生至少部分地凹入至該裝置晶圓之各別表面下方的結構。可在該裝置晶圓之一個或兩個面上使用一雙遮罩蝕刻製程以用於產生自該裝置晶圓之該各別面至少部分地凹入至相互變化之深度的結構。

Description

多層微機械結構的製造方法
本發明係關於微機電(MEMS)裝置之一種製造方法，且特別係關於一種如本案申請專利範圍獨立項第1項的前言所定義的製造微機械裝置層之方法。
微機電系統(MEMS)裝置具有在整合式微電子裝置控制下的移動元件，且在微小矽晶片上含有微電路，諸如微感測器及微致動器之某一機械裝置已製造於該微小矽晶片中。此等微感測器及微致動器構成微機電(MEMS)裝置之功能元件。MEMS裝置之實體尺寸可自1微米以下變化至幾毫米。
MEMS裝置將所量測機械信號轉換成電信號。MEMS感測器量測機械現象及相關電子裝置，接著處理自感測器元件導出之資訊，且經由某一決策制定能力指導致動器藉由(例如)移動、定位或調節來作出回應，以便藉此控制環境以用於達成某一所要結果或目的。MEMS裝置可因此包含驅動元件及感測元件兩者以執行特定功能。
使用MEMS技術製成之系統之實例為壓力感測器、用於量測移動物件之加速度的加速器、微定位器(諸如，微鏡、光學開關或掃描 器)及用於量測旋轉物件之角速度的陀螺儀。
MEMS裝置可為電容性的，或其可利用壓電轉導。
電容性MEMS裝置中之關鍵元件為形成於兩個電極之間的可變電容器。此等電極可包含固定電極及附接至懸置質量塊之可移動電極。替代地，該裝置可包含兩個可移動電極。慣性質量及附接至其之可移動電極回應於加速器中之加速度或在角速度經施加至陀螺儀時施於慣性質量上且用於量測此速度之科氏力(Coriolis force)而偏轉。偏轉量可自藉由兩個電極之間的間隙歸因於偏轉之改變引起的電容改變來感測出。電容改變亦可由固定電極與可移動電極之間的重疊區域之改變而產生。在垂直移動之狀況下，驅動及感測典型地由梳狀物設計實現，其中一個梳狀物對固定至基板且另一梳狀物對經由彈簧結構能夠在Z方向上移動。此外，當固定梳狀物及可移動梳狀物具有在垂直方向上之偏移時，移動方向可藉由各種設計及量測配置以線性方式量測。
加速度計為加速度感測器。由彈簧懸置之慣性質量受到使慣性質量自其初始位置偏轉的加速力作用。此偏轉被轉換成顯現於感測器輸出處的電信號。
加速度計包含慣性質量，其一側固定至載體，而另一側被懸置。其進一步包含用於偵測膜在加速度影響下之移動的構件。此構成感測加速力的感測器。
慣性感測器為一種類型之加速度計，且為利用表面微機械加工之主要商業產品中的一者。
當物品圍繞軸線旋轉時，該等物品具有角速度。陀螺儀 (Gyroscope或gyro)為量測或維持旋轉運動的裝置。在MEMS裝置中，振動典型地用作陀螺儀之主要運動。在角速度之振動感測器(例如，陀螺儀)中，某一已知的主要運動被誘發並維持於感測器中。當塊體正在一個方向上移動(被稱為主要運動)且旋轉角速度經施加時，塊體由於科氏力而在正交方向上經受力。由科氏力引起之所得實體移位接著可自(例如)電容、壓電或壓阻式感測結構讀取。
當MEMS技術用以實施陀螺儀時，此等陀螺儀具有懸置於基板上方之慣性結構與相關聯電子裝置，相關聯電子裝置既感測所懸置慣性結構之移動，又將由所感測移動所產生之電信號遞送至外部電腦。電腦處理所感測資料以計算正量測的屬性。
用於使陀螺儀振動的結構(例如)藉由蝕刻半導體晶圓以形成用作量測中之參考的質量塊來形成。藉由諸如彈性橫桿之彈簧系統將質量塊懸置至基板。可在同一基板上之電子驅動電路將交變驅動電流施加至驅動電極，該等驅動電極使質量塊在驅動方向上振動。電驅動機構使質量塊沿著驅動軸線移動，且電極與質量塊一起建置電容，從而偵測質量塊沿著垂直於驅動軸線之感測軸線的運動。三軸MEMS陀螺儀可量測圍繞三個相互正交之軸線的旋轉，而單軸及雙軸陀螺儀量測圍繞此等軸線中之一者或兩者的旋轉。
可在感測器裝置中利用梳狀結構以用於偵測及/或驅動目的。梳狀結構亦可用作用於各種目的之微機械裝置中的致動器，亦稱為梳狀驅動器。梳狀結構典型地包括：至少一個定子，換言之，非移動部分；及轉子，換言之，移動部分。典型地，梳狀結構之定子及轉子包括兩個或 兩個以上所謂的梳指，其可被描述為該結構之可具有變化之形狀、長度及寬度的縱向延伸部。將此類指狀物包括於梳狀結構中之原因係為了增加彼此相互影響之電極的表面積，從而實現(例如)電極之間的較大力。施加至梳狀結構之電壓差可驅動微馬達及微定位裝置，諸如微鏡、光學開關、光導、掃描器、雷射印表機、波長選擇性開關、繞射光柵等，如熟習此項技術者所知。
術語晶粒指一小塊半導電材料，在該半導電材料上製成給定功能電路、晶片。在製造微電子裝置時，每一個別晶粒含有一個積體電路。在製造期間，將具有高達數千個電路之晶圓切割成矩形片件，每一片件被稱為晶粒。積體電路係以大批量方式在單一晶圓上生產。
蝕刻為極其重要之製程模組，且每一晶圓在其完成之前經歷許多蝕刻步驟。對於許多蝕刻步驟，晶圓之部分受抵抗蝕刻之「遮罩」材料保護而免受蝕刻劑影響。遮罩材料為(例如)已使用光微影圖案化的光阻。圖案化展示晶圓之哪些部分應被蝕刻。
在各向異性蝕刻中，蝕刻速率在水平及垂直方向上不同。
US2006/0284514呈現一種具有垂直梳狀電極結構之致動器。此致動器係雙側蝕刻製程製造，該雙側蝕刻製程導致在固定梳狀電極中具有絕緣層。
US7088030呈現HARM結構，其中所形成之梳狀結構具有形成於垂直周邊壁處之橫向加強結構。
關於此先前技術之問題在於，雖然梳狀結構並非由均質材料形成，但梳狀電極之準確度並非最佳的。雖然不同材料具有不同的電子親 和性，但非均質材料具有靜電差異，且一些電子偏壓配置可為梳狀結構所需的以便補償由材料引起的梳指之間的任何不合需要之電位差。即使用不同的處理方法處理梳狀結構中之晶粒材料的不同部分(part或portion)從而使剩餘電極具有不同或變化的表面結構，仍出現類似問題。
EP1798195呈現一種梳狀電極結構，其中已自兩個不同基板製造兩個電極。儘管兩個基板可由同一種材料形成且藉由類似製程處理，但組合晶粒的兩個分別產生之層始終誘發關於兩個層之對準的問題，該對準在電極設計中必須被考量：所需公差為高的，其導致繁重的設計及對晶粒面積之低效使用。在置放層時發生的任何未對準將導致梳狀電極之準確度降低。
本發明之目標為提供一種方法及設備以便克服先前技術的缺點。本發明之目標係藉由根據申請專利範圍第一項之特徵部分的方法來達成。
本發明之較佳實施方式在附屬申請專利範圍中揭示。
本發明係基於在裝置晶圓之單一層上產生自對準關鍵結構的想法。關鍵圖案係藉由一個深矽蝕刻製程穿過單一均質材料層而轉印至裝置晶圓。由此，可產生具有均質材料之裝置層結構，從而避免歸因於裝置層中之材料之間的靜電差的對電偏壓之任何需要，且甚至所產生結構之垂直表面為均勻的，因此避免歸因於變化之表面結構的表面上之不合需要之電現象。將單一遮罩用於產生關鍵結構實現產生橫向尺寸中之極高準確度。在製造程序中不會歸因於多個遮罩之未對準而引起垂直移動結構之間 的水平移位，此係因為所有橫向尺寸皆由單一遮罩界定。橫向準確度僅受微影遮罩及蝕刻製程之準確度限制。偵測梳狀結構之準確尺寸實現極精確且高效之電容性偵測。可按高準確度產生小且密集的梳狀結構。
使用實現由均質材料製成之結構的方法允許最佳化材料以用於特定用途。均質材料意謂材料組合物或結構在材料體積內並不改變，但均質材料並不必須包含僅單一化學元素，而可包含多種成份之複合物或混合物。當裝置層材料均質時，其屬性可經設計，且應用經特定地預先定製以滿足最好效能所需之要求。典型的晶圓材料係基於矽，但甚至矽晶圓可包含額外材料。舉例而言，可詳細地選擇晶粒材料(諸如，氧或碳)中之摻雜程度、生長方法、晶體定向及成份內含物比率。應理解，裝置層應被視為均質的，但少量雜質將在裝置層材料的體積內或表面處發現。
關鍵結構之準確度係藉由該方法藉由在平坦表面上產生關鍵結構之圖案以使得可利用最好準確度圖案化材料及方法而改良。
該方法同樣適用於微機械感測器裝置之慣性或可移動部分以及微機械致動器結構之可移動部分。在以下描述中，針對微機械裝置中能夠移動或變形之任何此類部分、元件或結構可互換地使用共同術語可移動部分或可移動元件。典型地，此等元件為微機械裝置之裝置層的部分。
術語「面」可指裝置晶圓之面。裝置晶圓為由單一種均勻材料組成之相對較薄且基本上扁平的晶圓，其最初具有各自形成上面可供執行處理步驟之扁平表面的兩個面。術語表面指裝置晶圓或裝置層之面的頂部層或頂部平面。當裝置晶圓(例如)經研磨或拋光以用於自裝置晶圓之面移除材料時，裝置晶圓之至少一個表面可在製造程序期間在處理裝置晶 圓之前自裝置晶圓之原始表面改變。亦可執行部分蝕刻以自裝置晶圓之面移除材料。裝置層之表面指最終裝置層之兩個頂表面。裝置層可被視為類似於裝置晶圓而具有兩個面。凹入結構指具有凹入至裝置層之各別表面下方之面的結構。凹入結構可自裝置層之一個或兩個表面凹入。
方法之實施方式進一步使得能夠產生多層梳狀結構，從而允許Z軸方向上藉由差動感測之極準確的完全線性偵測。相比於傳統的單層或雙層梳狀結構，藉由引入多層(例如，三層)梳狀結構，能夠達成完全線性偵測之梳狀結構所需的區域顯著減小。
根據第一態樣，提供一種用於製造微機械裝置層之方法，該方法在包含單一均質材料層之裝置晶圓上執行。該方法包含在裝置晶圓之第一面上圖案化第一遮罩。第一遮罩至少圖案化梳狀結構之橫向尺寸及大裝置結構之輪廓。使用第一遮罩在單一深蝕刻製程中蝕刻第一溝槽，該等第一溝槽界定至少梳狀結構之橫向尺寸及大裝置結構之輪廓，第一溝槽具有第一深度。用沈積物層填充第一溝槽，且在裝置晶圓之第一面上圖案化至少一第一凹入遮罩，該第一凹入遮罩至少界定裝置晶圓之第一區域，在該等第一區域處，裝置晶圓之表面待凹入至裝置晶圓之第一表面下方。使用第一凹入遮罩在第一區域上至少蝕刻第一凹入溝槽，該等第一凹入溝槽具有第一凹入深度。在裝置晶圓之第二面上圖案化至少一第二凹入遮罩，該第二凹入遮罩至少界定裝置晶圓之第二區域，在該等第二區域處，裝置晶圓之表面待凹入至裝置晶圓之第二表面下方。使用第二凹入遮罩在該等第二區域上至少蝕刻第二凹入溝槽，該等第二凹入溝槽具有第二凹入深度。移除先前添加之沈積物層以釋放微機械裝置層之可移動部分。
根據第二態樣，提供一種用於製造微機械結構之方法，其中在蝕刻第一凹入溝槽之前，在裝置晶圓之第一面上的第一凹入遮罩之頂部上圖案化第一中間遮罩。第一中間遮罩界定裝置晶圓之第三區域，在該等第三區域處，裝置晶圓待凹入至第三凹入深度。第三凹入深度大於第一凹入深度。使用第一中間遮罩在第三區域上將第三凹入溝槽蝕刻至小於第三凹入深度之第一中間深度，且在將第一凹入溝槽蝕刻至第一凹入深度的同時使用第一凹入遮罩進一步蝕刻第三凹入溝槽，以便將第三凹入溝槽之深度增加至等於第三凹入深度之深度，及/或在蝕刻第二凹入溝槽之前，在裝置晶圓之第二面上的第二凹入遮罩之頂部上圖案化第二中間遮罩，該第二中間遮罩界定裝置晶圓之第四區域，在該等第四區域處，裝置晶圓待凹入至第四凹入深度。第四凹入深度大於第二凹入深度。使用第二中間遮罩在該等第四區域上將第四凹入溝槽蝕刻至小於第四凹入深度之第二中間深度。在將第二凹入溝槽蝕刻至第二凹入深度的同時使用第二凹入遮罩進一步蝕刻第四凹入溝槽，以便將第四凹入溝槽之深度增加至等於第四凹入深度。
根據第三態樣，第一凹入溝槽及第二凹入溝槽中之至少一些在橫向上受到填充有沈積物層之第一溝槽限制。
根據第四態樣，第三凹入溝槽及第四凹入溝槽中之至少一些在橫向上受到填充有沈積物層之第一溝槽限制。
根據第五態樣，該方法進一步包含：在圖案化第一凹入遮罩之後，將裝置晶圓之厚度減小為對應於微機械裝置層之預期最終厚度的厚度。
根據第六態樣，該方法進一步包含：在減小裝置晶圓之厚度之前，將裝置晶圓倒置且藉由融合結合而將裝置晶圓附接至處置晶圓。
根據第七態樣，第一深度等於或大於微機械裝置層之預期最終厚度，第一凹入深度等於微機械裝置層之待凹入至微機械裝置層之第一表面下方的結構元件之預期凹入量，且第二凹入深度等於微機械裝置層之待凹入至微機械裝置層之第二表面下方的結構元件之預期凹入量。
根據第八態樣，第三凹入深度或第四凹入深度小於微機械裝置層之預期最終厚度，且小於在分別蝕刻第三區域或第四區域之步驟之前第三區域或第四區域上的裝置層材料之厚度，及/或裝置晶圓之第三區域處的裝置晶圓材料藉由在第一凹入溝槽蝕刻步驟中穿過結構蝕刻第三凹入溝槽而完全移除，及/或第四區域處之裝置層材料藉由在第二凹入溝槽蝕刻步驟中穿過結構蝕刻第四凹入溝槽而完全移除。
根據第九態樣，使用光阻及二氧化矽層中之一者作為遮罩材料且使用光微影作為遮罩圖案化方法而執行圖案化。
根據第十態樣，第一中間遮罩及第二中間遮罩分別由不同於第一凹入遮罩及第二凹入遮罩之材料形成。
根據第十一態樣，第一溝槽蝕刻之步驟包含使用各向異性蝕刻製程，且凹入溝槽蝕刻之步驟包含使用各向異性蝕刻製程及各向同性蝕刻製程中之至少一者。
根據第十二態樣，第一蝕刻產生具有介於1μm與8μm之間的寬度的第一溝槽，且第一溝槽之寬度界定梳指與可移動結構之間的橫向間隔。
根據第十三態樣，用沈積物層填充界定梳狀結構及大裝置結構之輪廓的第一溝槽產生裝置晶圓之第一面上的基本平坦表面以供待在第一表面上執行後續圖案化步驟。
根據第十四態樣，將裝置晶圓之厚度減小成對應於微機械裝置層之預期最終厚度的厚度包含研磨或拋光或部分蝕刻之至少一個步驟，及/或減小裝置晶圓之厚度產生裝置層之基本平坦的第二表面以供待在第二表面上執行後續圖案化。
根據第十五態樣，第一溝槽進一步界定待自裝置晶圓產生之任何功能元件的橫向輪廓，該等功能元件包括可移動元件及/或懸置結構。
根據第十六態樣，該等功能元件包含以下各者中之任一者：可移動塊體、彈簧、梳狀物、限制器、條桿、橫桿及懸置結構。
在下文中，將以參看附圖並結合較佳實施方式而更詳細地描述本發明，其中
圖1a至圖1h說明第一例示性製造程序之步驟。
圖2a至圖2p說明第一例示性製造程序之其他步驟。
圖3a至圖3i說明第一替代實施方式之第二例示性製造程序的步驟。
圖4a至圖4d說明第一替代實施方式之第二例示性製造程序的其他步驟。
圖5a至圖5c說明僅在單側凹入之梳狀電極的移位的實例。
圖6說明感測器裝置之部分線性回應函數。
圖7a至圖7c說明關於雙側凹入梳狀物之完全線性z移位量測的實例。
圖8說明感測器裝置之完全線性回應函數。
圖9呈現三層(多層)梳狀結構之實例。
圖10a至圖10c說明關於實現差動偵測之多層梳狀物的完全線性移位量測之實例。
圖11說明關於差動偵測之多層梳狀結構的完全線性回應函數線性度。
圖12a至圖12f說明多層梳狀結構之例示性變化。
「裝置晶圓」指均質半導體材料晶圓，諸如用於產生MEMS裝置之可移動部分的矽晶圓。
「裝置層」指裝置晶圓的形成MEMS裝置之最終功能層的部分。使用蝕刻製程製造之裝置層的初始厚度典型地薄於裝置晶圓，且其至少包括MEMS裝置之可移動部分及支撐結構。裝置層包括延伸至裝置層之整個厚度的非可移動部分及可凹入至裝置層之任一表面下方的可移動部分，因此具有小於裝置層之厚度的厚度。可(例如)藉由在裝置層之至少一個面上形成至少一個淺盆槽而有意地將裝置層之一或多個部分製得較薄，其中基本平坦面在該盆槽之凹入底部區域內，該淺盆槽相較於裝置層中之可移動部分相對較大。在此狀況下，淺盆槽之平坦面可被視為裝置層之(平坦)面的部分，此係因為大的淺凹陷部(例如)對光微影圖案化之準確度無顯著影響。
「處置晶圓」指半導體材料晶圓，諸如用作硬質底層之矽晶圓，在該矽晶圓上附接及支撐裝置層。可用諸如二氧化矽層之保護層覆蓋處置晶圓。處置晶圓可經處理以包括(例如)用於給予供裝置層可移動結 構移動之空間的凹入區域。
諸如裝置晶圓或處置晶圓之晶圓經圖案化及蝕刻以便在其半導體層中界定微機械裝置之結構部分。遮罩為蝕刻所需的，以使得蝕刻僅影響裝置晶圓之特定區域，且遮罩擋住不需要蝕刻之區。該遮罩可藉由圖案化所沈積遮罩材料或藉由將經圖案化遮罩材料沈積於晶圓上而執行。
為了圖案化所沈積遮罩材料，可使用(例如)已知的光微影製程(亦稱為光學微影)。光微影涉及使用光阻材料作為遮罩，以便在晶圓之表面上產生特定圖案從而(例如)用於界定晶圓上之微機器加工結構之形狀。
光阻為感光材料，其可藉由以所要圖案之形狀曝光於光能量而處理成特定圖案。光阻之圖案化可藉由使光阻材料曝光於紫外線(UV)光而發生。一旦光阻已被圖案化，晶圓便將僅在特定區域中由光阻覆蓋，而晶圓之剩餘部分未被覆蓋。光微影有用，此係因為其可將圖案極快地轉印至晶圓表面。亦可使用直寫方法，但其慢於光微影。
藉由適合於所使用遮罩材料之任何方法實施遮罩移除或遮罩剝離。在光阻之狀況下，可使用液體「光阻剝離劑」，其以化學方式更改光阻材料使得其不再黏附至基板晶圓。替代地，光阻遮罩可藉由含氧電漿而移除，該含氧電漿氧化遮罩材料。此製程被稱為電漿灰化，且其類似於乾式蝕刻。
圖1a至圖1h說明在裝置晶圓(100)之第一面上執行的第一例示性製造程序之步驟。
術語「橫向」指結構在xy平面中(亦即，在由平坦裝置晶 圓(100)形成之水平面中)之投影。術語垂直指垂直於xy平面且垂直於由裝置晶圓(100)形成之平面的z軸方向。
在最終MEMS產品中，裝置晶圓(100)之此處面向上的第一面將形成裝置層之底面，其面朝自處置晶圓形成之裝置層下方的硬質基板層。
在圖1a中，存在用保護性氧化物層覆蓋之裝置晶圓(100)的橫截面，第一遮罩(110)已圖案化於該保護性氧化物層上。因此，保護性氧化物層用作第一遮罩之光阻材料。在典型的矽晶圓製程中，此氧化物層為氧化矽(SiO2)層。裝置晶圓(100)由將變成MEMS裝置之功能性裝置層的均質晶圓材料形成。在圖案化第一遮罩(110)之前，裝置晶圓(100)及保護性氧化物層或裝置晶圓(100)之頂部上的其他適用遮罩材料層之表面為平坦的，從而使得能夠利用高精確度光微影在第一遮罩層上產生圖案。
第一遮罩(110)已圖案化於第一遮罩層上。經圖案化之第一遮罩(110)的線寬(w1)界定待在材料層中蝕刻之結構之間的橫向距離。第一遮罩(110)亦界定較大結構之輪廓。在此橫截面中，可將第一遮罩(110)之圖案視為氧化物層的遮罩層已移除且裝置晶圓經曝露以供後續蝕刻所在的區域。藉由使用高精確度光微影產生高精確度的第一遮罩(110)，可形成具有2μm之典型線寬(w1')的圖案。基於設計，圖案之線寬(w1')可在1μm與8μm之間變化。應理解，設計可包括具有不同寬度之線。藉由使用單一高精確度的第一遮罩(110)，可按高準確度界定裝置層之關鍵結構(諸如，垂直梳狀物)之間的橫向距離。
圖1b描述在使用如圖1a中所展示之第一遮罩(110)蝕刻 第一溝槽(200)之後的結果。此等第一溝槽(200)界定裝置層中之結構的最終橫向尺寸。第一溝槽之寬度(w1)等於所有關鍵結構之間(亦為將在裝置層內之不同高度產生的任何結構或具有不同厚度之結構之間)的預設水平間隙。歸因於底切及/或蝕刻製程之任何其他已知的非理想性，第一遮罩(110)之線寬(w1')可稍微不同於藉由第一溝槽(200)界定之結構的預期橫向距離(w1)。雖然知曉蝕刻製程之可在裝置晶圓之區域上方變化的非理想性，但第一遮罩(110)可經設計以使得第一溝槽之最終寬度(w1)為足夠精確的。第一溝槽(200)之深度(d1')將至少等於裝置層之預期最終厚度(d1)，但其可超過裝置層之預期最終厚度。舉例而言，第一溝槽之深度(d1')可(例如)介於約35μm與50μm之間，但可基於裝置層設計及效能要求而選擇任何其他合適的深度。
為了能夠產生良好品質的垂直側壁，較佳使用被稱為深反應性離子蝕刻(DRIE)之方法來蝕刻第一溝槽(200)，此係因為該方法已知為用於產生溝槽之垂直側壁以使得可針對經蝕刻之第一溝槽(200)維持所使用之高精確度的第一遮罩(110)之良好精確度的良好方法。DRIE為反應性離子蝕刻(RIE)之特殊子類別。其為通常用以在晶圓/基板中產生深穿透之陡邊孔及溝槽的高度各向異性蝕刻製程。當然，RIE「深度性」取決於應用。在MEMS中，DRIE典型地用於幾微米至0.5mm之任何物品。在此製程中，藉由幾乎垂直之側壁達成數百微米之蝕刻深度。被稱為「波希製程」之另一技術為DRIE蝕刻之替代例。在波希製程中，兩種不同之氣體組合物在反應器中交替。
由於此蝕刻係在平坦塊狀晶圓上進行且不存在關於蝕刻步 驟之其他因素或特殊限制，因此該製程可易於最佳化以用於控制關鍵尺寸(亦即，橫向距離)之變化且用於傾斜效能，從而導致在裝置層上產生微機械裝置的所有可移動部分之經精確設定尺寸之輪廓。
雖然凹入或非凹入之所有結構在此製程中可藉由此單一蝕刻階段橫向地界定，但所有裝置層結構獨立於經採取以用於(例如)使不同裝置層結構自裝置層之不同面凹入的稍後步驟而以高精確度變得彼此橫向地自對準。
在圖1b中可注意到，第一遮罩(110)材料層厚度在蝕刻第一溝槽期間稍微減小。此為蝕刻製程中之正常現象，且藉由具有充分厚之第一遮罩層以使得遮罩材料層在整個第一蝕刻階段期間保留於第一遮罩(110)中，此厚度減小不會引起經蝕刻圖案之準確度的降低。
圖1c呈現製造程序之下一步驟，其中移除原始的第一遮罩層。現僅存在具有經蝕刻之第一溝槽(200)的平裝置晶圓(100)。此遮罩移除可藉由如早先所描述之合適蝕刻製程而實施。
圖1d呈現用沈積物材料填充第一溝槽(200)之步驟。在此實例中，將TEOS氧化物(正矽酸四乙酯)用作用於填充之前驅物。TEOS為具有易於轉換成二氧化矽SiO2之顯著屬性的化合物Si(OC2H5)4。作為填充製程之結果，第一溝槽(200)將填充有二氧化矽SiO2。又，矽烷可用作二氧化矽之前驅物，且可在乾式非質子條件下藉由CVD塗覆至基板，其有利於單層沈積。矽烷為飽和矽氫化合物，其具有通式SinH2n+2。最簡單的矽烷為具有化學式SiH4之無機化合物。矽烷亦可指許多含矽化合物，諸如三氯矽烷(SiHCl3)及四甲基矽烷(Si(CH3)4)。在適當條件下，幾乎所有的矽 烷可在氣相下塗覆至基板。
使用TEOS氧化物填充製程產生關於被填充之第一溝槽(200)之可用最大寬度(w1)的限制因素。此係因為已發現，TEOS氧化物填充製程可以可靠地填充在1μm至8μm之範圍中的間隙。已發現用於TEOS填充製程的良好起作用之溝槽寬度(w1)為2μm，其亦實際上提供用於MEMS裝置之可移動部分之間的水平距離的良好之合適值。
因為當前使用之TEOS填充製程的屬性，如圖1a及圖1b中所產生之第一溝槽(200)之最大線寬(w1)實際上受限制，而第一溝槽(200)待被填充以便藉由填充步驟使裝置晶圓(100)返回至硬質結構，且使得能夠再次具有平坦之第一面以用於後續處理步驟。然而，此不成問題，此係因為藉由第一遮罩及第一蝕刻界定較大區域之輪廓，亦精確地界定較大區域。將在稍後蝕刻步驟期間移除任何較大區域中之過量材料。隨著技術進步，可允許更寬或更窄之溝槽。
為了使得能夠藉由如圖1b中所展示蝕刻第一溝槽(200)而精確地界定裝置層之所有結構，在蝕刻第一溝槽(200)期間僅蝕刻大結構之輪廓，但較大區域保持無損。由此，可在已填充第一溝槽之後在硬質基板及裝置晶圓(100)之基本平坦之第一表面上執行接下來之處理步驟以進行進一步處理。
在填充第一溝槽(200)期間，薄二氧化矽SiO2層(130)建置於裝置晶圓(100)之頂部上。
圖1e呈現在已自裝置晶圓(100)之第一面移除在填充第一溝槽(200)期間建置於裝置晶圓(100)之第一面上的薄氧化矽層(130) 之後的裝置晶圓(100)。此移除可(例如)藉由如早先所描述之蝕刻而實施。儘管在此薄二氧化矽層蝕刻步驟期間可發生第一溝槽(200)之頂部處的填充材料之一些輕微的分解，但裝置晶圓(100)仍形成硬質基板以供後續處理，且裝置晶圓(100)的上面曝露藉由經填充之第一溝槽(200)形成之圖案的第一面仍可被視為基本平坦。
圖1f呈現製造程序的在裝置晶圓(100)之第一面上圖案化第一凹入遮罩(120)的步驟。此圖案化可按如上文所描述之各種方式實施。此第一凹入遮罩(120)界定裝置晶圓(100)的對應於裝置結構之區域，該等結構在裝置晶圓(100)之第一側的表面將凹入至裝置晶圓(100)之第一表面下方。此等結構亦將凹入至裝置層之第一表面下方。此第一凹入遮罩(120)之對準的精確度要求係藉由第一溝槽(200)之最小線寬(w1)界定。可用現代方法良好地達成用於例示性設計中的在(例如)例示性2μm內之對準。第二遮罩可包含光阻層。
圖1g呈現在第一凹入蝕刻步驟之後的裝置晶圓(100)。之前保持為曝露於蝕刻(亦即，未由第一凹入遮罩光阻層(120)覆蓋)的裝置晶圓區域現已被蝕刻至第一凹入深度(d2)，從而形成第一凹入溝槽(220)。可使用諸如DRIE蝕刻之各向異性蝕刻方法進行此蝕刻。替代地，可使用各向同性蝕刻方法執行凹入溝槽蝕刻，此係因為該蝕刻製程藉由二氧化矽填充之第一溝槽(200)垂直地限制。此第一凹入深度(d2)小於二氧化矽填充之第一溝槽(200)的第一深度(d1')，以使得所產生之第一凹入溝槽(220)淺於第一溝槽(200)。在實例中，第一凹入深度(d2)可為20μm。第二深度等於經蝕刻裝置結構凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方 的預期深度，該第一面亦將為最終裝置層之第一面。第一溝槽(200)中之填充在此第一凹入蝕刻步驟期間保持基本無損。儘管在圖1g中藉由第一溝槽(200)界定之區域之間的所有第一凹入溝槽(220)已被蝕刻，但亦有可能在其他位置中蝕刻其他第一凹入溝槽(220)。然而，此類其他第一凹入溝槽(220)之對準將取決於第二遮罩(120)之對準，且因此相比藉由第一溝槽(200)界定的結構之對準可較不準確。
圖1h呈現在裝置晶圓(100)之第一面上執行的最終步驟，即，移除第二遮罩層(120)，因此在裝置晶圓(100)之第一面處曝露裝置晶圓(100)以供進一步處理。
現藉由將裝置晶圓(100)翻轉以使得裝置晶圓之第二面在頂部而繼續製造程序。此情形展示於圖2a中。裝置晶圓(100)之結構在圖1h與圖2a之間未改變，僅定向改變。
圖2b及圖2c描述第一例示性製造程序之下一階段，其中將裝置晶圓(100)附接至處置晶圓(300)。在實例中，此附接可藉由融合結合而實施。處置晶圓(300)已藉由在處置晶圓中蝕刻相對較大但較淺之凹穴(350)而製備，該等凹穴(350)提供用於裝置晶圓之可移動部分按預期垂直地移動的空間。處置晶圓(300)亦具有裝置晶圓(100)將附接至之懸置結構(355)，其將裝置晶圓(100)之各別所附接部分懸置至固定位置。在處置晶圓(300)之面上存在(例如)促進熔融結合製程的二氧化矽層(310)。裝置晶圓(100)之具有可移動元件的區域與處置晶圓(300)中之凹穴(350)對準。裝置晶圓(100)與處置晶圓(300)之對準的準確度要求可(例如)為5μm，以便確保處置晶圓(300)中之懸置結構(355)及 凹穴(350)可滿足其預期功能。
圖2d描述製造程序之可選的額外階段。可在待穿過裝置層產生至少一個電插塞或通孔從而允許將處置晶圓(300)耦接至特定電位時使用此選項。若待產生此類插塞，則可首先將裝置晶圓(100)研磨至厚度(d1+da)，其超過裝置層之最終目標深度(d1)且亦超過第一溝槽(200)之深度(d1')。舉例而言，差值(da)可為約10μm。
圖2e展示可選的額外插塞產生製程之結果。已穿過整個裝置晶圓(100)層且亦穿過裝置晶圓(100)與處置晶圓(300)之間的氧化矽層(310)而產生插塞(170)。在分層矽結構中產生插塞(170)為熟習此項技術者所知，且在用於產生此插塞之步驟並不形成所主張發明之必需或整體部分時，省略實施方式。舉例而言，插塞可由具有特殊應用導電屬性之金屬或經摻雜多晶矽製成。
圖2f呈現將裝置晶圓之厚度減小至對應於微機械裝置層之預期最終厚度(d1)的厚度的步驟，該預期最終厚度小於或等於第一溝槽(200)之最小深度(d1')。此厚度減小可在階段2c之後的一個階段中實施，例如，在無需用於產生插塞之中間步驟時。該減小步驟可包含多種處理方法，諸如研磨及拋光。減小裝置晶圓亦可包含部分蝕刻。若產生插塞(170)，則可能需要減小厚度之一個以上階段。在呈現於圖2d及圖2e中的至少一個插塞(170)包括於微機械裝置設計中的第一額外實施方式中，在階段2d中有意保持無損之裝置晶圓(100)的剩餘過量厚度(da)現經研磨及/或拋光掉，以使得裝置晶圓(100)之厚度現等於裝置層之最終目標厚度(d1)。舉例而言，裝置晶圓(100)之厚度(d1)現可為40μm，但可基於微機械 裝置及其裝置層之設計而選擇任何其他厚度。
現揭露裝置晶圓(100)之第二面以供處理。在拋光之後，在裝置晶圓(100)之第二面處揭露經填充之第一溝槽(200)，以使得在裝置晶圓(100)之平坦的第二面中顯現橫向地自對準之輪廓。現可製備裝置晶圓(100)以用於自第二面進行蝕刻。類似於在第一面上圖案化第一遮罩及第二遮罩，平坦的第二面允許在第二面上更精確地圖案化遮罩。然而，遮罩圖案化之對準無須為極其精確的，此係因為裝置結構之橫向尺寸的所有關鍵對準已藉由經填充之第一溝槽(200)界定。經填充之第一溝槽(200)的寬度(w1)設定對裝置晶圓(100)之第二面上的後續遮罩圖案化步驟之對準的準確度要求。應注意，儘管在下文中關於裝置晶圓(100)之第二面進行論述，但此面並非裝置晶圓(100)之原始的第二面，而是晶圓之在第二側上(與第一面對置)的面，其已經由研磨與拋光步驟2f或經由一系列研磨與拋光步驟2d至2f而產生。
在步驟2g中，在裝置晶圓(100)之第二面上產生新的二氧化矽SiO2層(210)。一種可能的沈積方法為熱氧化，在此狀況下，在所曝露之矽區域上建置熱SiO2遮罩層，僅使經填充之第一溝槽(200)區域開放，因此展現用於後繼微影校準程序之表面對比度。將使用光阻圖案化對裝置晶圓(100)之第二面上的此二氧化矽層(210)進行圖案化以形成第二凹入遮罩(210a)。
在當前實例中，將產生雙層遮罩。在此第一例示性製造程序中，將在裝置晶圓(100)之第二面上使用雙遮罩蝕刻製程，以用於在裝置晶圓(100)之第二面上執行後續蝕刻步驟，以便允許蝕刻圖案凹入至裝置 晶圓(100)之第二面下方不同深度且甚至完全移除一些區域中之裝置晶圓。關於雙遮罩蝕刻製程，參考如下製程：在裝置晶圓(100)之同一面上相繼使用至少兩個不同遮罩層，其用以在兩個不同階段中執行蝕刻以便產生具有自裝置晶圓(100)之同一面的不同凹入量的結構。雙遮罩蝕刻製程包括至少一個中間蝕刻步驟(在當前實例中，圖2k至圖2l中所說明之階段之間的蝕刻)及一最終凹入蝕刻步驟(在當前實例中，圖2m至圖2n中所說明之階段之間的蝕刻)，其中中間蝕刻步驟用於在最終凹入蝕刻步驟期間被蝕刻之區域的子集上。中間遮罩層覆蓋將在最終凹入蝕刻步驟中被蝕刻之一些區域，但使藉由「下部」遮罩曝露之區域之子集曝露於中間蝕刻，亦即，下部遮罩與各別中間遮罩在裝置晶圓之同一面上定位成較接近於裝置晶圓(100)。在此例示性製程中，在雙遮罩蝕刻製程中使用一個中間蝕刻步驟，此方法因此得名，但可在不背離範疇之情況下針對甚至更多中間遮罩層及中間蝕刻步驟而利用相同原理。若將使用一個以上中間蝕刻步驟，則有可能在已具有一些凹入區域之非平坦表面上圖案化至少一個中間遮罩，因此可能引起額外中間遮罩之不準確度的某一提高。
接下來將描述雙遮罩蝕刻製程，其中使用兩個不同凹入深度；裝置晶圓(100)之第二面的表面下方的第二凹入深度(d3)及第四凹入深度(d5)。在當前實例中，第四凹入深度(d5)等於在如步驟2f中減小裝置晶圓(100)之厚度之後的裝置晶圓(100)之整個厚度，以使得裝置晶圓(100)之厚度等於裝置層之目標厚度(d1)，此情形意謂在被蝕刻至第四凹入深度(d5)之位置中，將完全移除裝置晶圓材料。藉由第二凹入深度(d3)界定的凹入度小於裝置層之厚度(d1)。舉例而言，第二凹入深度(d3) 可等於15μm，且第四凹入深度(d5)可為50μm。
在另一設計中，可能不存在產生此雙層遮罩以達成自裝置晶圓(100)之第二面的不同蝕刻深度的需要，但單一蝕刻步驟將足夠用於產生裝置晶圓(100)之第二面的所需凹入區域。在此狀況下，可使用步驟2g、2h、2i、2j及2n圖案化第二面，省略如下文所描述之任何中間步驟。
在圖2h中，在裝置晶圓(100)之第二面上圖案化第二光阻遮罩(240)。此第二光阻遮罩(240)可由第一光阻層製成，該第一光阻層藉由光微影產生及圖案化。第二光阻遮罩(240)最初界定裝置晶圓之對應於裝置結構的所有區域，該等裝置結構之表面在裝置晶圓(100)之第二側將凹入至裝置層之第二表面下方(亦即，凹入深度d3及d5)，但第二光阻遮罩並不直接用於蝕刻此等區域中之任一者。實情為，第二光阻遮罩(240)用於在二氧化矽層(310)上產生第一凹入遮罩，其稍後將用於蝕刻圖案。在此階段中，裝置晶圓(100)之第二面上的二氧化矽層(210)仍無損，且其在第四遮罩(240)圖案之開放區域中被曝露。
此第二光阻遮罩(240)之對準精確度係藉由第一溝槽(200)之最小線寬(w1)界定。可用現代方法良好地達成用於例示性設計中的在(例如)例示性2μm內之對準。
在呈現於圖2i中之步驟中，部分地移除二氧化矽層(210)，換言之，自二氧化矽層(210)曝露於蝕刻所在之區域移除二氧化矽層，例如，在藉由第二光阻遮罩層(240)產生之遮罩具有使二氧化矽層(210)曝露於蝕刻所在的區域中。所曝露二氧化矽層(210)之此等區域可(例如)藉由乾式蝕刻移除。二氧化矽層(210)現形成預期的第二凹入遮罩(210a)， 其隨後將用於蝕刻可具有不同凹入深度(d3、d5)之凹入溝槽。將凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方的區域中之裝置晶圓矽現可見且經曝露以供進一步處理。
在圖2j中所描述之步驟中，剝離掉用於圖案化第二凹入遮罩(210a)之第二光阻遮罩(240)，從而使裝置晶圓矽之第二凹入遮罩圖案(210a)曝露。可使用如早先所描述及/或熟習此項技術者所知的適合於移除所使用遮罩材料的任何方法來實施此剝離。
在圖2k中，在裝置晶圓(100)之第二面上的第二凹入遮罩(210a)之頂部上圖案化光阻材料之第二中間遮罩(250)。此第二中間遮罩(250)界定裝置晶圓(100)材料將被蝕刻至裝置晶圓(100)之第二面下方的第四凹入深度(d5)所在的區域。可注意到，藉由第二中間遮罩(250)曝露於蝕刻之區域為藉由第二凹入遮罩(210a)曝露之區域之子集。在此實例中，此第四凹入深度(d5)等於裝置層之整個深度(d1)，以使得在將裝置晶圓(100)之厚度減小為等於裝置層之厚度(d1)之後此等區域中的任何剩餘裝置晶圓材料將藉由蝕刻完全移除。典型地，此等區域可為一些較大區域。待移除之區域的輪廓係藉由第一溝槽(200)界定，以使得此等區域之位置亦與裝置層中之所有剩餘結構極精確地對準。第二中間遮罩(250)之對準準確度類似於任何其他遮罩藉由第一溝槽(200)之最小線寬(w1)界定。可用現代方法良好地達成用於例示性設計中的在(例如)例示性2μm內之對準。
在圖2l中，執行中間蝕刻步驟，其中裝置晶圓材料被蝕刻至第一中間深度(di)所在的區域稍後將進一步被蝕刻至較大深度，諸如第 四凹入深度(d5)。在此例示性實施方式中，首先被蝕刻至中間深度(di)之此等區域中的材料稍後將在後續蝕刻階段藉由蝕刻完全移除。換言之，第四凹入深度(d5)等於裝置層之深度(d1)。此等區域首先被蝕刻至所界定中間深度(di)，該中間深度小於裝置晶圓之當前厚度(d1)。在最終裝置層厚度為50μm之例示性設計中，此中間深度(di)可等於40μm。所使用之中間深度(di)可針對遮罩製程之準確度而最佳化。中間蝕刻步驟愈深，則第二中間遮罩(250)必須愈厚，此係因為遮罩層亦受蝕刻製程影響。儘管可將遮罩製得較厚，但遮罩之準確度將隨遮罩光阻材料層之厚度而降低。因此，遮罩層厚度經調整以使對準準確度之要求與藉由所使用遮罩進行之蝕刻的所允許深度之間達成平衡。
圖2m說明在已移除第二中間遮罩(250)以曝露在結合圖2j所描述之步驟中產生的經圖案化之第二凹入遮罩(210a)之後的階段。第二中間遮罩(250)之移除可藉由熟習此項技術者所知的任何方法實施，如上文所描述。
圖2n描述至少產生第二凹入溝槽之第二凹入蝕刻步驟。在此步驟中，藉由氧化矽層(210)形成之第二凹入遮罩(210a)用作用於蝕刻之圖案。較佳使用諸如DRIE蝕刻之乾式蝕刻方法執行此蝕刻階段。在此步驟中，裝置晶圓(100)之對應於表面在裝置晶圓之第二側的裝置結構的區域(被稱為第二凹入溝槽)經凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方的第二凹入深度(d3)。在蝕刻第二凹入溝槽的同時，最終將第四凹入溝槽之裝置晶圓材料待凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方的第四所界定凹入深度(d5)所在的區域蝕刻至其最終深度。此係因為第二凹入遮罩(210a)曝露 用於第二凹入溝槽之區域與在中間蝕刻步驟期間蝕刻至所界定中間深度(di)的已產生之第四凹入溝槽的區域兩者。在當前實例中，此情形意謂穿過裝置晶圓(100)而蝕刻此等區域，以使得移除裝置晶圓(100)材料。
舉例而言，可凹入達裝置晶圓之第二面下方的第二凹入深度(d3)的結構部分之實例為梳狀物或梳狀物之指狀物(260)及彈簧(270)。彈簧(例如，彈簧(270))可甚至凹入至裝置晶圓(100)之第一面與第二面兩者下方，以使得其將凹入至最終裝置層之第一表面與第二表面兩者下方。此雙側凹入式彈簧可具有低彈簧常數，換言之，其可特性化為相對鬆散之彈簧。在此第三蝕刻步驟期間出於各種目的而亦可使可移動塊體圖案化有具有第二凹入深度(d3)之凹槽(255)。舉例而言，可在可移動塊體中產生凹槽(255)以便使可移動塊體較輕，或凹槽(255)可用以補償由歸因於製造程序之非理想特性之結構不準確性而引起的可移動塊體之非理想移動。
在描述於圖2n中之第二凹入蝕刻步驟之後，連同自第一溝槽(200)移除二氧化矽沈積物材料及自微機械裝置結構之任何其他未覆蓋表面移除二氧化矽塗層(諸如，處置晶圓(300)之凹穴(350)之面上的二氧化矽塗層)，可在步驟2o中移除形成第二凹入遮罩(210a)之二氧化矽層。藉由使用諸如氫氟酸(HF)氣相或濕式HF製程之氣相或濕式蝕刻技術，可甚至自裝置晶圓之下移除氧化物。此階段之結果呈現於圖2o中。微機械裝置之所有凹入或非凹入可移動部分現能夠按預期而移動且由原先為單一均質裝置晶圓(100)之均質晶圓材料製成，且雖然可移動部分之所有垂直邊緣係由第一溝槽(200)之蝕刻界定，但不同可移動元件之垂直面的表面 結構相似，此係因為此等表面已在同一蝕刻步驟中產生，其類似性進一步促進諸如梳狀電極之可移動元件之間的電場中發生的電效應之均勻性及線性。
圖2p描述第一例示性微機械裝置製造程序之最終步驟，其中將保護蓋晶圓(400)置放於裝置晶圓(100)之頂部上以便使裝置晶圓(100)之可移動元件對外部世界密封。蓋晶圓(400)結構可包括凹穴(401)以便向可移動元件提供移動必需之空間。另外，蓋晶圓(400)可包含蓋電極(402)，其可為(例如)金屬電極。舉例而言，蓋電極(402)可用於微機械元件驅動及偵測目的。諸如玻璃之密封材料(405)可用於將蓋晶圓(400)與裝置晶圓(100)附接。
在第二例示性實施方式中，利用與如關於圖1a至圖1h及圖2a至圖2p所描述之第一例示性製造程序相同的原理，但進一步開發該製程以便製造具有多層梳狀結構之微機械裝置。現在裝置製程之兩個面上使用雙遮罩蝕刻製程，以使得可在裝置層之兩個面上界定不同凹入深度。在第二例示性實施方式中執行之大部分製造步驟類似於第一例示性實施方式。因此，將簡單地藉由參考結合第一例示性製造程序所描述之製程而描述第二例示性製造程序之部分。
第二例示性製造程序開始於藉由如圖1a中所說明之第一遮罩(110)界定結構之間的橫向距離及較大結構之輪廓。
圖3a對應於在圖1b中所呈現之製造程序階段。使用如結合圖1b中所描述而類似地圖案化之第一遮罩(110)來蝕刻第一溝槽(200)。此等第一溝槽(200)界定裝置層中之結構的最終橫向尺寸。裝置晶圓(100) 為用第一遮罩(100)覆蓋之固體均質矽基晶圓。第一溝槽具有等於或超過裝置層之目標厚度(d1)的深度(d1')。
在仍未經處理之裝置晶圓(100)的體積內已使用線以說明第二例示性製造程序中之目標結構，包括多層梳狀結構。應理解，雖然此等區域對應於整個製造程序之所規劃結果結構的橫截面，但此等結構實際上並不存在於裝置晶圓(100)中直至該製程已被執行。僅結構之垂直邊緣已由第一溝槽(200)輪廓化。將在後繼製造步驟期間形成數個第一定子(510)、第二定子(511)及轉子(512)。應理解，儘管在此說明中展示此等結構僅在橫向尺寸上已藉由第一溝槽(200)輪廓化，且其由原始的均質裝置晶圓(100)材料組成，但此等目標結構將在第二例示性製造程序期間逐階段地形成。
第二例示性製造程序中之下一步驟對應於圖1c中所呈現之一個步驟，其中原始的第一遮罩層經移除且根據圖1d，第一溝槽(200)接著填充有沈積物材料。
為了產生具有自裝置晶圓(100)之第一面的變化之凹入度的結構，在裝置晶圓(100)之第一面處藉由關於圖3b至圖3i所說明之步驟執行雙遮罩蝕刻製程，之後將裝置晶圓(100)翻轉為倒置且在第二面上執行其他製造步驟。
圖3b呈現第二例示性製造程序中之下一步驟。在此圖中，為清晰起見，在圖式中不包括目標結構之說明。在建置於裝置晶圓(100)之第一面上的薄氧化矽層(130)之頂部上圖案化光阻材料之第一光阻遮罩(340)。可按如上文所描述之各種方式實施此圖案化。此第一光阻遮罩(340) 界定裝置晶圓(100)之對應於裝置結構的區域，該等裝置結構之表面在裝置晶圓(100)之第一側將凹入至裝置晶圓(100)之第一表面下方之任何深度。此等結構亦將凹入至裝置層之第一表面下方。第一光阻遮罩(340)之對準的精確度要求係藉由第一溝槽(200)之最小線寬(w1)界定。可用現代方法良好地達成用於例示性設計中的在例示性2μm內之對準。然而，第一光阻遮罩(340)用於圖案化薄氧化矽層(130)，其稍後將用作用於由第一光阻遮罩(340)界定之圖案的實際凹入蝕刻遮罩。可注意到，此步驟類似於步驟2h，惟現於裝置晶圓(100)之第一面上及在TEOS填充製程期間產生之二氧化矽層之頂部上圖案化第一光阻遮罩(340)除外，因此圖案化將凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方的區域。
圖3c說明下一階段，其中藉由在由第一光阻遮罩(340)曝露之區域中自裝置晶圓(100)之第一面上的二氧化矽層移除材料而圖案化在填充第一溝槽(200)期間建置於裝置晶圓(100)之第一面上的薄二氧化矽層(130)。此移除可(例如)藉由如早先所描述之蝕刻而實施。可注意到，此階段類似於第一例示性製造程序中之階段2i，惟現替代地自裝置晶圓(100)之第一面部分地移除在對應於圖1d之階段中的沈積物層產生期間建置的氧化矽層(130)除外。
在圖3d中，移除第一光阻遮罩(340)，從而曝露在結合圖3c所描述之步驟中產生的經圖案化之第一凹入遮罩(130a)。第一光阻遮罩(340)之移除可藉由熟習此項技術者所知之任何方法實施，如上文所描述。可注意到，此階段類似於階段2j，惟自裝置晶圓(100)之第一面移除第一光阻遮罩(340)除外。另一方面，所使用之術語第一凹入遮罩(130a) 將此遮罩層關聯至第一例示性實施方式之第一凹入遮罩(120)，此係因為此等遮罩用於界定待藉由單一蝕刻階段在裝置晶圓(100)之第一面上凹入的區域。此等第一凹入遮罩(120、130a)之目的因此為共同的，但其可由不同材料組成。
圖3e呈現第二例示性製造程序中之下一步驟。在裝置晶圓(100)之第一面上的第一凹入遮罩(130a)之頂部上圖案化在此實例中包含光阻材料之第一中間遮罩(350)。此圖案化可按如上文所描述之各種方式實施。對第一中間遮罩(350)之材料的要求為應可藉由並不顯著影響第一凹入遮罩(130a)之方法移除。此第一中間遮罩(350)界定裝置晶圓(100)之對應於裝置結構的可被稱為第三凹入溝槽之區域，該等裝置結構之表面在裝置晶圓(100)之第一側將凹入成相對遠低於裝置晶圓(100)之第一表面。此等結構亦將凹入至裝置層之第一表面下方。舉例而言，此類結構可包括第一定子(510)之凹入區域。第一中間遮罩(350)亦覆蓋裝置層(100)之第一面的由第二遮罩(130a)曝露之選定部分。此等區域對應於將以相對較小量凹入至裝置層之第一表面下方，換言之，凹入少於由第一中間遮罩(350)界定之結構的區域。此等區域對應於第一例示性實施方式中之第一凹入溝槽(220)。舉例而言，此類結構可包括轉子(512)或轉子之部分。第一中間遮罩(350)之對準的精確度要求係藉由第一溝槽(200)之最小線寬(w1)界定。可用現代方法良好地達成用於例示性設計中的在例示性2μm內之對準。再次，可發現此階段類似於第一例示性製造程序之階段2k，惟第一中間遮罩(350)置放於裝置晶圓(100)之第一面上因此界定裝置晶圓(100)之第一面上的區域除外。
圖3f描述下一階段，其中在裝置層之第一面上執行第一中間蝕刻步驟，其中裝置晶圓(100)之材料被蝕刻至第一中間深度(di)所在的區域稍後將進一步被蝕刻至第三凹入深度(d4)。在此第二例示性實施方式中，首先被蝕刻至第一中間深度(di)之此等區域中的材料將被蝕刻至相對較深之第三凹入深度(d4)，但並不如第一例示性實施方式中蝕刻穿過整個裝置層。此等區域被蝕刻至所界定之第一中間深度(di)，該第一中間深度小於裝置晶圓之當前厚度且小於裝置層之預期厚度(d1)。在最終裝置層厚度在35μm之位準的例示性設計中，此中間深度(di)可等於15μm。所使用之中間深度(di)可針對遮罩製程之準確度而最佳化。中間蝕刻步驟愈深，則第一中間遮罩(350)必須愈厚，此係因為遮罩層亦受蝕刻製程影響。儘管可將遮罩製得較厚，但遮罩之準確度將隨遮罩光阻材料層之厚度而降低。因此，第一中間遮罩層(350)厚度經調整以使對準準確度之要求與藉由所使用遮罩進行之蝕刻的所允許深度之間達成平衡。可注意到，藉由圖3f所說明之階段類似於早先在階段2l中所說明之階段，惟在裝置晶圓(100)之第一面上執行此中間蝕刻步驟除外。在裝置晶圓(100)之不同面上的中間蝕刻階段(di、di')之深度可相同或其可不同。
在圖3g中，移除第一中間遮罩(350)，從而曝露在結合圖3d所描述之步驟中產生的經圖案化之第一凹入遮罩(130a)。第一中間遮罩(350)之移除可藉由熟習此項技術者所知之任何方法實施，如上文所描述。再次可注意到，此階段類似於階段2m，惟第一凹入遮罩(130a)在裝置晶圓(100)之第一面上除外。
圖3g進一步藉由在裝置晶圓(100)之體積中標記的目標結 構之經標記輪廓說明第一中間蝕刻步驟之性質。可注意到，朝向裝置晶圓(100)之第一面，在第一定子(510)與轉子(512)兩者之頂部上仍存在過量裝置晶圓材料。將在接下來之蝕刻階段(即，裝置晶圓(100)之此面上的最終凹入蝕刻)期間蝕刻掉此額外材料。
圖3h描述第一凹入蝕刻步驟，其至少產生數個第一凹入溝槽且亦增加早先凹入至第一中間深度(di)之第三凹入溝槽的凹入深度，以使得其深度並不對應於預期的第三凹入深度(d4)。再次，目標最終結構已在裝置晶圓(100)之體積中加以說明，但結構的朝向裝置晶圓(100)之第二面的面仍有待處理。在此步驟中，由所沈積之氧化矽層形成的第一凹入遮罩(130a)用作用於蝕刻之圖案。較佳使用諸如DRIE蝕刻之乾式蝕刻方法執行第二凹入蝕刻階段。在此步驟中，裝置晶圓(100)之對應於表面在裝置晶圓之第一側的裝置結構(亦即，第一凹入溝槽)的區域經凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方的第一凹入深度(d2')。可將此等溝槽稱為第一凹入溝槽，此係因為該等第一凹入溝槽類似於在階段1g中產生之第一凹入溝槽(220)，類似係由於此等溝槽藉由第一凹入遮罩產生，且蝕刻步驟自裝置晶圓(100)之原始第一面開始。在此例示性設計中，此等區域可對應於轉子(512)，其第一面可至少部分地凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方(例如)5μm。至少部分地凹入意謂一些結構可具有凹入之區域，同時相同結構可具有不凹入或凹入至不同深度之區域。在蝕刻第一凹入溝槽的同時，將裝置晶圓材料待凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方的第三凹入深度(d4)所在的區域蝕刻至其最終深度。在此實例中，此等區域對應於第一定子(510)，其第一面可至少部分地凹入至第三凹入深度(d4)，例 如，凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方20μm之總深度。第三凹入深度(d4)對應於第一中間蝕刻深度(di)與第一凹入蝕刻深度(d2')之總和。可注意到，步驟3h類似於第一例示性製造程序中之步驟2n，惟在裝置晶圓(100)之第一面上執行此步驟除外。此外，第三預定義凹入深度(d4)小於裝置層之預期厚度，以使得裝置晶圓(100)材料層留存於凹入至第三凹入深度(d4)之區域中。
圖3i呈現在裝置晶圓(100)之第一面上執行的最終步驟，即，移除第一凹入遮罩(130a)，因此在裝置晶圓(100)之第一面處曝露裝置晶圓(100)以供進一步處理。在自裝置晶圓(100)之第一面查看時現可見存在三個種類之結構：並未凹入至第一面下方之結構(511)；至少部分地凹入至裝置晶圓(100)之第一面下方的第一凹入深度(d2')的結構(512)；及至少部分地凹入至第一面下方的第三凹入深度(d4)的結構(510)，其中第三凹入深度(d4)大於第一凹入深度(d2')。
製造程序現藉由翻轉裝置晶圓(100)以使得裝置晶圓(100)之第二面在頂部且經曝露以供處理而繼續。此對應於圖2a。應理解，裝置晶圓(100)之結構自圖3i中所呈現之情形並未改變，僅裝置晶圓(100)之定向改變。
第二例示性製造程序之接下來的階段對應於圖2a至圖2m中所描述之階段。可類似於第一例示性製造程序而視情況製造任何數目個通孔或插塞。作為此等階段之結果，裝置晶圓(100)經結合至處置晶圓(300)，且在研磨及拋光之後，裝置晶圓(100)之第二面形成曝露裝置晶圓材料及由經填充之第一溝槽(200)形成之圖案的平坦表面。可如第一例 示性製造程序中而選擇第二例示性製造程序中之最終裝置層厚度。舉例而言，可選擇30μm之最終裝置層厚度。
圖4b說明第二例示性製造程序之對應於圖2l的階段。裝置晶圓(100)現已附接至處置晶圓(300)，且經研磨及拋光至最終裝置層厚度(d1)。在圖4b中所說明之階段中，在裝置晶圓(100)之第二面上現已執行第二中間蝕刻步驟，其中裝置晶圓材料被蝕刻至第二中間深度(di')所在的區域稍後將進一步被蝕刻至第四凹入深度(d4')。可將此等區域稱為第四凹入溝槽。在利用雙遮罩蝕刻之此第二例示性實施方式中，首先被蝕刻至第二中間深度(di')之對應於第四凹入溝槽的此等區域中之裝置晶圓(100)材料將被蝕刻至相對較深之凹入深度。第四凹入溝槽首先被蝕刻至第二中間深度(di')，該第二中間深度小於裝置晶圓之當前厚度且小於裝置層之預期厚度。在最終裝置層厚度在35μm之位準的例示性設計中，此第二中間深度(di')可等於15μm。第二中間深度(di')可等於第一中間深度(di)，但在裝置晶圓(100)之對置面上的兩個中間深度亦可彼此不同。所使用之第二中間深度(di')可針對遮罩製程之準確度而最佳化。中間蝕刻步驟愈深，則光阻材料之各別中間遮罩(350、250)必須愈厚，此係因為遮罩層亦受蝕刻製程影響。儘管可將遮罩製得較厚，但遮罩之準確度將隨遮罩光阻材料層之厚度而降低。因此，遮罩層厚度經調整以使對準準確度之要求與藉由所使用遮罩進行之蝕刻的所允許深度之間達成平衡。可注意到，由圖3f所說明之階段類似於早先在階段2l中所說明之階段，惟第二中間深度(di')與第一中間深度(di)分開界定且該兩者取決於預期最終結構而可相等或彼此不同除外。再次，為達成說明之目的，已在裝置晶圓(100) 之體積中繪製線以說明最終結構之輪廓。此等輪廓已容易地界定於結構中裝置晶圓之第一面處。然而，任何結構之頂部上仍存在過量裝置晶圓(100)材料待在裝置晶圓之第二面之側凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方。
圖4c描述第二凹入蝕刻步驟，其至少產生具有第二凹入深度(d3')之第二凹入溝槽。在此步驟中，藉由氧化矽層(210)形成之第二凹入遮罩(210a)用作用於蝕刻之圖案。較佳使用諸如DRIE蝕刻之乾式蝕刻方法執行此蝕刻階段。在此步驟中，裝置晶圓(100)之對應於表面在裝置晶圓之第二側的裝置結構的區域(即，第二凹入溝槽)經凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方的第二凹入深度(d3')。舉例而言，轉子(512)至少部分地凹入至第二凹入深度(d3')。在蝕刻第二凹入溝槽的同時，最終將裝置晶圓材料待凹入至裝置晶圓(100)之第二面下方的第四凹入深度(d5')所在的區域(亦即，第四凹入溝槽)蝕刻至其最終深度。在此第二例示性製造程序中，第四凹入深度(d5')小於裝置層之預期最終厚度，以使得形成至少部分地凹入至第四凹入深度(d5')之第二定子(511)。可注意到，圖4c對應於圖2n，惟以下情形除外：如藉由對應於圖2n之第二凹入深度(d3)之第二凹入深度(d3')及對應於圖2n中之第四凹入深度(d5)之第四凹入深度(d5')界定的選定凹入量可界定為不同於圖2n之實例中所使用的彼等值。特別言之，圖4c之第四所界定凹入深度(d5')不等於裝置層之厚度。
圖4d說明根據第二例示性製造程序之裝置晶圓處理的結果。所有保護及/或遮罩氧化物層現已被蝕刻掉，且最終裝置層包含可已自裝置層之任一面凹入變化量的結構。然而，所有可移動結構係由相同的均 質裝置晶圓(100)材料形成，且其側表面結構亦為均勻的，其在蝕刻第一溝槽(200)期間在共同製造步驟中產生。此多層梳狀結構中之結構的橫向對準係極精確的，此係因為其完全由第一遮罩(110)及第一溝槽(200)界定。裝置晶圓現在可置放於保護蓋晶圓下方，以便保護裝置晶圓免受外部環境影響。另外，如熟習此項技術者所知，可添加用於驅動及偵測之任何所需電極。
圖5及圖6描述問題，且圖7及圖8描述藉由用圖1a至圖1h及圖2a至圖2p中所描述之製程產生的微機械裝置結構實現的完全線性z移位量測之益處。
用所描述製程產生之梳狀結構可具有相互橫向對準極精確且相互垂直位置可藉由製造程序設定之梳狀電極。將描述梳狀電極對之益處，梳狀電極對包含至少一個固定定子電極及一移動轉子電極，其兩者由相同的均質材料晶圓製成且具有類似表面結構。然而，上文所描述之方法允許甚至為梳狀物產生兩個移動電極，其兩者由相同的均質材料晶圓製成且具有類似表面結構。較佳地，定子電極與轉子電極之間存在預定義量之垂直重疊。
在傳統的MEMS梳狀物製造程序中，裝置晶圓之僅一側可用於蝕刻。對準對於雙側處理一直成問題，且其因此已得以避免。
圖5a說明自一側(頂側)凹入之梳狀結構中的z移位量測原理之實例。定子(S)現為固定結構，而轉子(R)能夠在說明於右側之z軸的方向上進行向下移動。裝置層之最終厚度(d1)已指示於圖中。在圖5a中，梳狀物在平衡位置中：若電極中之至少一者在製造程序期間已凹入， 但僅自晶圓之一側凹入，則由裝置晶圓之表面界定的此等電極之下邊緣垂直地對準且電極之上邊緣可具有不同高度。在此狀況下，轉子(R)已凹入(超過定子(S))，以使得轉子(R)之垂直高度小於定子(S)之垂直高度。水平點線(E)標記處於平衡位置中之電極(S、R)的下邊緣之位置，其等同於裝置層底面。雙端水平箭頭說明電極之間的水平電場線，且彎曲點線箭頭說明其間之邊緣電場。
定子(S)與轉子(R)之間的電容僅在電極之間的區域改變時顯著改變。在圖5b中可見，當轉子(R)歸因於由加速度(+g)引起之影響轉子(R)的向上力而向上移動時，定子(S)與轉子(R)之間的重疊區域並不改變。因此，電極之間的水平電場保持不變。僅可偵測到由邊緣場之改變引起的一些小的電容改變，但此等電容改變不適用於偵測轉子(R)之移動或位置的目的。在圖5c中，轉子(R)歸因於影響其之向下力(-g)而自初始平衡位置向下移動。兩個電極之間的電容現以線性方式減小，此減小可被視為水平電場線之改變。
可見，圖5a至圖5c中所描述之結構不能夠偵測轉子(R)沿z軸在兩個方向上(向上或向下)之線性移位。
圖6進一步說明圖5a至圖5c中所呈現之例示性感測器梳狀配置的回應函數。影響感測器元件且尤其影響其轉子(R)之加速度展示於水平軸線上，且輸出電壓展示於垂直軸線上。此輸出電壓與梳狀電極(R、S)之間的電容成比例。感測器元件之回應函數由虛線說明。在靜止(處於平衡)時，感測器元件之輸出電壓可經校準(例如)以展示零電壓，其對應於參看圖5a所標記之曲線原點。應理解，可自由選擇此輸出電壓值，且 輸出電壓值亦可偏離零。當定子(S)與轉子(R)之間的重疊區域歸因於如圖5c中之負加速度而減小時，輸出電壓亦線性地減小，亦即，接收到負輸出電壓。然而，問題為當定子(S)區域與轉子(R)區域完全重疊時，裝置之彼回應函數變平：在類似於圖5b中之情形中，即使轉子(R)移動，感測器之輸出電壓仍保持不變。應注意到，相同原理亦適用於驅動目的：藉由將交流電壓饋送至兩個電極，可調整引起梳狀物之可移動部分(轉子)之移動的由兩個電極之間的電場引起之力。在電極(S、R)已完全重疊時改變其電壓並不引起其相對位置之任何顯著改變。可據稱此回應函數為部分線性的。
圖7a至圖7c描述藉由自裝置層之兩個面凹入之梳狀電極結構實現的線性z移位量測之實例。此說明可表示雙層梳狀電極，其中該等電極中之每一者自裝置層之任一面凹入，或表示三層或多層梳狀電極之一個電極對。z軸之方向說明於圖7a之右側。裝置層之厚度(d1)已指示於圖7a中，其對應於描述於上文所描述之製造程序中的第一溝槽(200)之最小深度。可注意到，兩個電極(S、R)具有已凹入至裝置層之不同表面下方的水平面：定子(S)已凹入至裝置層之底面下方，且轉子(R)已凹入至裝置層之頂面下方。水平點線(E)標記處於平衡位置中之裝置層的下部面之位置。可注意到，定子(S)此處自此下部面凹入，而轉子(R)已自裝置層之上部面凹入。雙端水平箭頭說明電極之間的水平電場線，且彎曲點線箭頭說明其間之邊緣電場。
梳狀電極之任何兩個指狀物之間的橫向距離為w1，其由第一深溝槽界定。儘管已展示每一深溝槽具有相同寬度之實例，但熟習此項 技術者理解，可進行第一溝槽具有變化寬度之微機械裝置設計。小於電極(S、R)中之任一者之高度的預設重疊量現可建置於結構中，以使得在平衡位置中(在兩個電極中無一者移動時)，電極具有所界定量之垂直重疊。當轉子(R)歸因於影響其之向上力(+g)而如圖7b中向上移動時，電極指狀物之間的水平重疊區域變得較小，其亦可被視為水平電場線之減少，且電容減小。轉子(R)歸因於影響其之向下力(-g)而如圖7c中向下移動，電極指狀物之間的區域變得較大，其亦可被視為水平電場線之增加，且電容增加。因此，兩個方向上之移位引起電容之線性可量測改變，該改變可用以量測轉子之移位。
在平衡位置中的電極之垂直高度及垂直重疊量設定對允許保留在每一電極對之線性電容改變區域中的移位量之限制。
圖8進一步說明圖7a至圖7c中所說明之多層感測器元件的回應函數之改良線性。影響感測器元件以引起轉子(R)之移位的加速度展示於水平軸線上，且輸出電壓展示於垂直軸線上。此輸出電壓與梳狀電極(S、R)之間的電容成比例。回應函數由虛線說明。在靜止(處於平衡)時，感測器元件之輸出可經校準(例如)以展示零電壓，其對應於參看圖7a所標記之曲線原點。當定子(S)與轉子(R)之間的重疊區域如圖7b中歸因於正加速度+g而減小時，輸出電壓線性地減小。回應函數上之點7b說明在如圖7b中所展示之情形下接收到的輸出電壓值。當定子(S)與轉子(R)之間的重疊區域如圖7c中歸因於負加速度-g而增加時，輸出電壓線性地減小。可據稱感測器裝置之輸出完全線性。定子元件(S)與轉子(R)元件之間的垂直重疊界定感測器元件之線性回應函數的範圍。應注意，相 同原理亦適用於諸如致動器之驅動裝置。藉由使至電極之電壓可變，在電極之間引起可變電場以引起轉子部分之偏轉。當電場之改變為線性的且梳狀物在線性操作範圍內時，轉子(R)之位置改變亦完全線性。
如圖7a至圖7c中所說明之雙層梳狀結構使得能夠藉由僅一個梳狀結構進行完全線性偵測。此為重要益處，其僅在多層梳狀結構之情況下可得，該多層梳狀結構在至少兩個不同指狀物層級上具有電極指狀物，意謂兩個電極相對於z軸位於不同層級上。相對於z軸之此類不同層級可指電極之頂表面、電極之底表面或甚至電極之垂直中間層級的任何相互關係。電極指狀物之水平面因此在平衡位置中處於四個不同層級上。當在平衡位置中時，電極對之兩個指狀物(轉子及定子)僅部分地與另一電極指狀物垂直重疊。用於達成類似類型之完全差動偵測的替代解決方案需要更複雜之梳狀結構，例如，組合自類似於圖5a中之兩個不同雙層梳狀物配置接收的信號，其中梳狀物之兩個不同電極的一個水平面在同一層級上垂直對準。為此，圖5a之雙層梳狀物配置需要配置成彼此緊鄰且兩個梳狀物之電極(定子及轉子)的電位交叉連接，以使得其具有相反方向。然而，當相較於圖7a至圖7c之雙層梳狀物解決方案，此解決方案對兩個梳狀物的需要使結構所需之區域大致加倍。
根據圖7a至圖7c之配置中的容量改變之線性可進一步藉由確保梳狀電極由均質材料製成且電極表面具有類似結構而改良。電極表面具有類似結構可藉由保證相互面向彼此之電極表面藉由同一製程產生而達成。
藉由電極之間的雙側凹入梳狀結構區域實現的線性電容改 變在兩個方向上改變，且其可經設計以針對給定運動方向而增加或減小。藉由將所達成電容改變改良為更理想的，改良信號線性，從而提供改良之可移動元件效能，例如，減少之偏移溫度漂移、偏壓穩定性、G敏感度及較高信號位準。較高信號位準係藉由電極中之較低雜散電容及/或固定電容而實現。
線性偵測之進一步改良可藉由使用多層梳狀結構而達成，該多層梳狀結構係使用第二例示性製造方法而產生，該第二例示性製造方法如上文所說明在裝置晶圓之兩個面處利用雙遮罩蝕刻製程。
圖9呈現可用如所描述之第二例示性製造方法製造的三層(多層)梳狀結構之實例。呈現兩個類似的三層梳狀結構，其間具有90°之角度旋轉以便說明該結構。已自裝置層之兩個面凹入的轉子(512)結構藉由彈簧(916)附接至懸置結構(915)，該彈簧允許轉子(512)在z軸方向上移動，亦即，在垂直於由裝置層形成之平面的軸線方向上移動。圖9之上部部分說明如自裝置晶圓之第二面(xy平面)的方向所見的裝置層之俯視圖，而下部部分說明在xz平面中之裝置的橫截面，其展示由裝置晶圓(100)形成之裝置層、處置晶圓(300)及其間之剩餘二氧化矽層(310)。該圖之上部部分及下部部分的定向亦藉由展示於左方之座標說明。
橫截面A-A'說明轉子(512)與第一定子(510)之相對垂直對準。可見第一定子(510)僅在垂直維度上與轉子(512)部分地重疊。因此，由第一定子(510)及轉子(512)形成之定子-轉子對具有線性z替換偵測，如關於圖5及圖6所描述。橫截面B-B'說明轉子(512)與第二定子(511)之相對垂直對準。可見第二定子(511)僅在垂直維度上與轉子(512) 部分地重疊。因此，由第二定子(511)及轉子(512)形成之定子-轉子對具有線性z替換偵測，如關於圖5及圖6所描述。但在兩個定子相互朝向轉子之對置面時，電容改變將在相反方向上發生。該結構可據稱具有三個不同指狀物層級，換言之，三種類型之電極(轉子、第一定子、第二定子)中的每一者位於不同水平層級，該等水平層級在z軸之非零距離方向上彼此垂直地分離達非零距離，且僅部分地與鄰近電極類型垂直重疊。可相對於電極之頂表面、電極之底表面及電極之垂直中間層級中的任一者辨識相對於z軸之此類不同層級，換言之，指狀物層級。因此，在平衡位置中時，三層梳狀物之電極指狀物的水平面較佳位於至少五個或甚至六個不同層級上。當處於平衡位置中時，電極對之兩個指狀物(轉子及定子)僅部分地與各別鄰近電極指狀物垂直重疊。
橫截面C-C'說明定子結構(510、511)如何可部分地凹入至裝置層之任一面下方。替代地，定子結構(510、511)可完全凹入。橫截面D-D'展示轉子結構(512)可如何凹入至裝置層之任一面或兩個面下方設定量。
圖10及圖11說明三層梳狀結構(例如，圖4d中及稍後在圖12a至圖12f中所說明之彼等結構)之雙線性回應函數線性度。
首先查看圖10a至圖10c。使用與上文相同之記法，以使得上部定子為第一定子(510)，且下部定子為第二定子(511)。應理解，儘管此等圖10a至圖10c展示沿同一垂直線安置於上不同層級上之定子，但回應函數線性之相同原理適用於定子並不垂直重疊之結構，如圖4d及圖12a至圖12f之例示性三層梳狀結構中所展示。舉例而言，圖4d之結構可簡單地 藉由自展示於圖10a至圖10c中之每一對垂直對準之定子(510、511)移除第一定子及第二定子中之一者而說明，以使得轉子指狀物(512)中之每一者與第一定子(510)及第二定子(511)之間剩餘的僅單一定子在梳狀結構中於連續轉子指狀物(512)之間交替。轉子(512)最初靜置(處於平衡位置)，且兩個定子之輸出電壓已校準至原點(B)。已用現於垂直方向上置放於結構中間的點線(E)標記平衡位置。結構可被視為關於E線之層級對稱。應注意，儘管圖10a至圖10c展示第一定子(z軸方向已標記於圖10a右側，且此方向共同用於圖10a至圖10c)，已用水平雙端箭頭表示介於電極之間的水平電場，且已用介於電極之間的彎曲點線雙端箭頭表示電極(510、511、512)之垂直末端處或附近之邊緣電場。
在圖11中，第一定子(510)之回應函數由虛線標記，且第二定子(511)之回應函數由點線標記。當轉子(512)受負加速度(-g)影響時，轉子(512)朝向負z軸向下移動。此情形使轉子(512)與第一定子(510)之間的垂直重疊區域減小，且使轉子(512)與第二定子(511)之間的垂直重疊區域增加，如圖10b中所見。因此，自第一定子(510)接收之輸出信號將線性地減小，且自第二定子(511)接收之輸出信號將線性地增加。各別電極對(510、512；511、512)之間的電場之改變可明顯地被視為電場之量(強度)的改變。在圖10b中所呈現之位置中接收的輸出電壓在圖11中分別由例示性點A及A'標記。當轉子(512)受正加速度(+g)影響時，轉子向上移動，如圖10c中所說明。此情形使轉子(512)與第一定子(510)之間的垂直重疊區域增加，且使轉子(512)與第二定子(511)之間的垂直重疊區域減小。因此，自第一定子(510)接收之輸出信號將線 性地增加，且自第二定子(511)接收之輸出信號將線性地減小。此在圖11中分別由例示性點C及C'標記。輸出信號之改變可特性化為由每一電極對之間的互電容之改變引起，互電容之改變可進一步量測為輸出電壓之改變。由於兩個電極對在加速度之兩個可偵測方向上給出線性改變之輸出信號，因此基於兩個電極對之兩個完全線性回應函數而接收到差動輸出信號。在平衡時，第一定子(510)之電容Cs1處於標稱值Cs1=Cs10，且第二定子(511)之電容處於標稱值Cs2=Cs20。當不存在轉子運動時，電容匹配Cs10=Cs20。當-g施加至裝置時，轉子(512)朝向負z軸向下移動，以使得下部第二定子(511)與轉子(512)之間的電容Cs2增加，且上部第一定子(510)與轉子(512)之間的電容Cs1減小。藉此，若ΔCs2=ΔCs1，則差動電容為ΔC=ΔCs2-ΔCs1=Cs20+ΔCs2-(Cs10-ΔCs1)=2ΔCs2。
圖12a至圖12f說明可使用所說明之製造方法藉由調整裝置層之厚度及不同蝕刻階段之深度而製造的多層梳狀結構之一些例示性變化。
圖12a對應於如根據第二例示性製造方法製造之參考結構。轉子(512)結構自裝置層之兩個面均勻地凹入，且定子(510、511)已在定子指狀物之區域中凹入。
圖12b說明參考結構之第一變化，其中轉子(512)之中心部分(512a)凹入少於轉子之指狀物，或其中轉子(512)之中心部分(512a)尚未凹入至裝置層之面下方。為產生在深度上不與其他凹入深度中之任一者匹配的此額外凹入，可在裝置晶圓(100)之每一側執行至少一個額外中間遮罩及蝕刻階段。此為關於可如何增加轉子(512)質量以使得轉子(512) 中存在更多可移動質量的實例。舉例而言，在加速度計之狀況下，更多轉子質量意謂更多垂直移位及更寬量測範圍。替代地，在轉子之中心部分中添加的質量可在xy維度上自轉子中心部分減小，從而使轉子結構所需之晶片面積較小且因此使得能夠減小整個微機械裝置之大小。
在圖12c中，相比於由圖12a所說明之設計中的情況，可使定子指狀物(510a、511a)(定子之例示性凹入區域)在z維度上較厚，從而相比如橫截面C-C'中可見之極薄定子梳狀物的情況下，允許對z軸方向上之移動的較大偵測範圍。藉由自任一側蝕刻裝置晶圓之不同區域的凹入，第一定子指狀物(510a)之下部面已垂直地設定至與第二定子指狀物(511a)之上部面相同的層級。可在製造程序中藉由調整不同階段中之蝕刻深度而調整定子指狀物(510a、511a)之凹入深度，以使得不需要額外製造步驟以達成此結構改變。另外，轉子(512)中心已連同轉子指狀物凹入自裝置層之一個面凹入，且轉子指狀物已自裝置層之另一面凹入超過轉子中心。為產生在深度上不與其他凹入深度中之任一者匹配的一些轉子部分之此額外凹入，可執行至少一個額外中間遮罩及蝕刻階段。
在圖12d中，呈現如下結構：其中轉子指狀物(512b、512c)已交錯以使得轉子指狀物512b之上邊緣與第一定子指狀物(510a)之下邊緣處於同一層級，且轉子指狀物512c之下邊緣與第二定子指狀物(511a)之上邊緣處於同一層級。回應函數之一般形式現不同：每一梳狀電極對具有聯想到關於圖6所描述之回應函數的回應函數，惟兩個電極對(510a、512b；511a、512c)中之每一者具有與另一者相反之回應函數除外：當轉子(512)向上移動時，第一電極對(510a、512b)之輸出線性地增長，而第 二電極對(511a、512c)之輸出平穩，且反之亦然。在組合時，達成線性輸出回應函數，但每一電極對(510a、512b；511a、512c)個別地能夠偵測自平衡位置在僅一個方向上之移動。
圖12e呈現結構之另一變化，其中轉子指狀物交錯與圖12d中所呈現之交錯相反。轉子指狀物512b與第一定子(510a)之指狀物的下邊緣現處於同一層級，且轉子指狀物512c及第二定子(511)之指狀物(511a)的上邊緣現處於同一層級。回應函數之一般形式現與圖12d中所呈現之回應函數相反。每一梳狀電極對(510a、512b；511a、512c)具有聯想到關於圖6所描述之回應函數的回應函數，惟兩個電極對中之每一者具有與另一者相反之回應函數除外：當轉子(512)向上移動時，第一電極對(510a、512b)之輸出平穩，而第二電極對(511a、512c)之輸出線性地減小，且反之亦然。在組合時，達成線性輸出回應函數，但每一梳狀電極對(510a、512b；511a、512c)個別地能夠偵測自平衡位置在僅一個方向上之移動。
圖12f說明轉子之中心部分(512a)已至少部分地凹入的結構之變化。為產生在深度上不與其他凹入深度中之任一者匹配的一些轉子部分之此額外凹入，可執行至少一個額外中間遮罩及蝕刻階段。
儘管實例已呈現預期主要用於驅動或偵測垂直轉子運動之結構，但藉由方法達成之準確橫向尺寸允許甚至產生適合於驅動及/或偵測在垂直維度上(亦即，在微機械裝置之xy平面中)之運動的結構。在此狀況下，電極之間的電容改變係基於電極之間的距離改變。
藉由使用根據所呈現實施方式之自對準雙側製造程序，梳狀電極之設計為可高度調整的：可藉由自裝置晶圓之兩個面的蝕刻深度調整 梳狀電極之垂直重疊量，且可使用界定設計之橫向尺寸的單一高精確度遮罩以高精確度調整梳狀電極之間的相對謹慎設定之橫向(水平)距離。雖然製造程序可界定極準確之小橫向距離，但梳狀電極可經設計以極緊密，從而節省晶片面積。
雙側凹入梳狀結構提供應用設計自由。一個關鍵特徵為所產生之結構可為質量平衡的：可使電極之質量相等。無需出於穩定原因而對設計添加無作用(非功能性)質量，且可減小xy平面中之微機械裝置區域。可使雙側凹入設計完全對稱，其導致增加之設計縮減，從而允許較小結構。在例示性產品中，自傳統的單側凹入型結構至新的雙側凹入型結構的改變可將微機械裝置元件大小減小至多30%。
在單側蝕刻製程之情況下，使用單側製造程序在裝置中產生自裝置晶圓之不同面，因此亦自裝置層之不同面凹入的結構相當困難。一些蝕刻方法(諸如，描述於US7214559中之方法)實現自下方凹入之結構，但該製程需要額外溝槽，從而允許將濕式蝕刻技術用於待自裝置之底側凹入的結構，此係因為此等結構經水平地蝕刻。
對於熟習此項技術者顯而易見，隨著技術進展，本發明之基本想法可以各種方式來實施。本發明及其實施方式因此不限於以上實例，而其可在申請專利範圍之範疇內變化。

Claims (16)

  1. 一種用於製造一微機械裝置層之方法，該方法在包含一單一均質材料層之一裝置晶圓上執行，該方法之特徵在於其包含以下步驟：a)在該裝置晶圓之一第一面上圖案化一第一遮罩，該第一遮罩至少圖案化梳狀結構之橫向尺寸及大裝置結構之輪廓；b)使用該第一遮罩在一單一深蝕刻製程中蝕刻第一溝槽，該等第一溝槽界定該等至少梳狀結構之該等橫向尺寸及大裝置結構之輪廓，該等第一溝槽具有一第一深度；c)用一沈積物層填充該等第一溝槽；d)在該裝置晶圓之該第一面上圖案化至少一第一凹入遮罩，該第一凹入遮罩至少界定該裝置晶圓之第一區域，在該等第一區域處，該裝置晶圓之該表面待凹入至該裝置晶圓之一第一表面下方；e)使用該第一凹入遮罩在該等第一區域上至少蝕刻第一凹入溝槽，該等第一凹入溝槽具有一第一凹入深度；f)在該裝置晶圓之一第二面上圖案化至少一第二凹入遮罩，該第二凹入遮罩至少界定該裝置晶圓之第二區域，在該等第二區域處，該裝置晶圓之該表面待凹入至該裝置晶圓之一第二表面下方；g)使用該第二凹入遮罩在該等第二區域上至少蝕刻第二凹入溝槽，該等第二凹入溝槽具有一第二凹入深度；及h)移除在步驟c)中添加之該沈積物層以釋放該微機械裝置層之可移動部分。
  2. 如申請專利範圍第1項之用於製造微機械結構的方法，其中： 在步驟e)之前，在該裝置晶圓之該第一面上的該第一凹入遮罩之頂部上圖案化一第一中間遮罩，該第一中間遮罩界定該裝置晶圓之第三區域，在該等第三區域處，該裝置晶圓待凹入至一第三凹入深度，該第三凹入深度大於該第一凹入深度；且使用該第一中間遮罩在該等第三區域上將第三凹入溝槽蝕刻至小於該第三凹入深度之一第一中間深度；且在將該等第一凹入溝槽蝕刻至該第一凹入深度的同時在步驟e)中使用該第一凹入遮罩進一步蝕刻該等第三凹入溝槽，以便將該等第三凹入溝槽之該深度增加至等於該第三凹入深度之一深度；及/或：在步驟g)之前，在該裝置晶圓之該第二面上的該第二凹入遮罩之頂部上圖案化一第二中間遮罩，該第二中間遮罩界定該裝置晶圓之第四區域，在該等第四區域處，該裝置晶圓待凹入至一第四凹入深度，該第四凹入深度大於該第二凹入深度；且使用該第二中間遮罩在該等第四區域上將第四凹入溝槽蝕刻至小於該第四凹入深度之一第二中間深度；且在將該等第二凹入溝槽蝕刻至該第二凹入深度的同時在步驟g)中使用該第二凹入遮罩進一步蝕刻該等第四凹入溝槽，以便將該等第四凹入溝槽之該深度增加至等於該第四凹入深度。
  3. 如申請專利範圍第1項之用於製造微機械結構的方法，其中該等第一凹入溝槽及該等第二凹入溝槽中之至少一些在橫向上受到填充有該沈積物層之該等第一溝槽限制。
  4. 如申請專利範圍第2項之用於製造微機械結構的方法，其該等第三凹入溝槽及該等第四凹入溝槽中之至少一些在橫向上受到填充有該沈積物層之該等第一溝槽限制。
  5. 如申請專利範圍第1項之用於製造微機械結構的方法，其進一步包含：在步驟e)之後，將該裝置晶圓之厚度減小為對應於該微機械裝置層之預期最終厚度的一厚度。
  6. 如申請專利範圍第5項之用於製造微機械結構的方法，其進一步包含：在減小該裝置晶圓之該厚度之前，將該裝置晶圓倒置；及藉由融合結合而將該裝置晶圓附接至一處置晶圓。
  7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一深度等於或大於該微機械裝置層之該預期最終厚度；該第一凹入深度等於該微機械裝置層之待凹入至該微機械裝置層之該第一表面下方的結構元件之預期凹入量；且其中該第二凹入深度等於該微機械裝置層之待凹入至該微機械裝置層之該第二表面下方的該等結構元件之該預期凹入量。
  8. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該第三凹入深度或該第四凹入深度小於該微機械裝置層之該預期最終厚度，且小於在分別蝕刻該等第三區域及/或該等第四區域之該步驟之前該等第三區域或該等第四區域上的裝置層材料之厚度；及/或該裝置晶圓之該等第三區域處的裝置晶圓材料藉由在階段e)中穿過該結構蝕刻該等第三凹入溝槽而完全移除；及/或該等第四區域處之裝置層材料藉由在步驟g)中穿過該結構蝕刻該等第 四凹入溝槽而完全移除。
  9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之方法，其中使用一光阻及一二氧化矽層中之一者作為遮罩材料且使用光微影作為一遮罩圖案化方法而執行該圖案化。
  10. 如申請專利範圍第2項、第4項、第8項或第9項中任一項之方法，其中該第一中間遮罩及該第二中間遮罩分別由不同於該第一凹入遮罩及該第二凹入遮罩之材料形成。
  11. 如申請專利範圍第1項至第10項中任一項之方法，其中第一溝槽蝕刻之該步驟包含使用一各向異性蝕刻製程，且凹入溝槽蝕刻之該等步驟包含使用一各向異性蝕刻製程及一各向同性蝕刻製程中之至少一者。
  12. 如申請專利範圍第1項至第11項中任一項之方法，其中該第一蝕刻產生具有介於1μm與8μm之間的一寬度的第一溝槽，該等第一溝槽之該寬度界定梳指與該等可移動結構之間的橫向間隔。
  13. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該用一沈積物層填充界定該等梳狀結構及大裝置結構之輪廓的該等第一溝槽產生該裝置晶圓之該第一面上的一基本平坦表面以供待在該第一表面上執行後續圖案化步驟。
  14. 如申請專利範圍第3項之方法，其中該將該裝置晶圓之該厚度減小成對應於該微機械裝置層之該預期最終厚度的一厚度包含研磨及/或拋光及/或部分蝕刻之至少一個步驟；及/或該減小該裝置晶圓之該厚度產生該裝置層之一基本平坦的第二表面以供待在該第二表面上執行後續圖案化。
  15. 如申請專利範圍第1項至第14項中任一項之方法，其中該等第一溝槽 進一步界定待自該裝置晶圓產生之任何功能元件的該等橫向輪廓，該等功能元件包括可移動元件及/或懸置結構。
  16. 如申請專利範圍第15項之方法，其中該等功能元件包含以下各者中之任一者：可移動塊體、彈簧、梳狀物、限制器、條桿、橫桿及懸置結構。
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