TW202340077A - 微系統及製造方法 - Google Patents
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Abstract
本揭露提供一種用於製造一微系統之方法，該方法包含：在一基材之一厚度中形成一支柱陣列，其中圍繞該支柱陣列之一區域在該基材中界定一空腔；將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料；及使用一非保形沉積程序來沉積一犧牲材料層以填滿該空腔，同時圍封該支柱陣列中之該等支柱之間的中空通道，從而獲得填充有一蝕刻促進劑配置之一空腔。
Description
本揭露係關於微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)製造程序之領域。具體而言，本揭露係關於一種用於製造微系統之方法、一種製造MEMS之方法、及一種藉由該方法獲得的MEMS。
MEMS通常用於廣泛應用，諸如汽車、消費品、工業及醫療，以及許多其他應用。
MEMS裝置通常包含MEMS結構，該MEMS結構由一或多個功能層（通常多晶矽或金屬）及犧牲層（通常二氧化矽或有機材料）製成。MEMS結構可為各種類型且取決於預期MEMS功能。
在製造程序期間，犧牲層在稱為「釋放」之程序中被選擇性地移除（例如：二氧化矽被氫氟酸化學蝕刻掉），從而使MEMS結構懸浮在空氣中，以使得其能夠執行其預期功能。
雖然在釋放程序期間的蝕刻劑優先移除犧牲層，但由於犧牲層相對於功能層之有限選擇性，蝕刻劑亦可能損壞功能層。因此，釋放時間通常受到限制，以限制對MEMS功能層之損壞。為了解決此問題，具有大MEMS結構元件（例如，大於100 µm
2）之典型MEMS設計包括穿過該元件之具有相對高密度之孔隙，以便為蝕刻劑提供若干通路以在有限時間內移除下伏犧牲層且避免損壞功能層。
具有大MEMS結構元件且不具有孔隙或具有低密度孔隙之MEMS裝置很難釋放，且其釋放可能在延長釋放程序期間造成裝置損壞。
存在許多MEMS裝置，其包含嵌入在基材中之空腔以及懸掛在空腔上方之功能MEMS結構元件（亦稱為機械元件）。產生此類空腔之習知方式係自背部蝕刻基材之整個厚度，以產生穿透基材空腔。在此情況下，若需要釋放位於非穿孔功能層之下的犧牲層，則自穿透基材空腔，亦即自基材之背側引入所需釋放蝕刻劑。
雖然允許具有大面積元件之MEMS結構的釋放，但穿透基材空腔引入許多處理複雜性，包括基材之前後對準；需要翻轉基材並將其中製造MEMS裝置之其前部表面曝露給製造機械；損害基材的機械完整性，此可能在MEMS裝置層之製造期間引入的應力下斷裂；以及設計約束，其包括缺乏對限制裝置密度之空腔深度及寬度的控制。
舉例而言，US 8,580,596提供一種在微機電系統(MEMS)中形成微空腔之方法。所揭示之方法包括：在微空腔處穿過基材之背側而設置複數個釋放開口；蝕刻穿過釋放開口；及在基材的背側上形成氣密密封層以密封由蝕刻形成之微空腔。
如上文所解釋，背側處理涉及對製造程序以及對所得MEMS裝置之若干約束。因此，所屬領域中需要用於MEMS裝置製造之替代性方法。
本揭露係關於一種用於製造一MEMS裝置之方法，該MEMS裝置包括具有在一空腔上方之一懸掛式功能層（通常由多晶矽製成）的一MEMS結構及/或需要在一氣隙上方之一懸掛式功能層的一MEMS結構。
本揭露提供一種用於製造一微系統之方法。該方法包含：在一基材之一厚度中形成一支柱陣列，其中包圍該支柱陣列之一體積在該基材中界定一空腔；將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料；使用一非保形沉積程序來沉積一犧牲材料層以填滿該空腔，同時包圍該支柱陣列中之經轉換支柱之間的中空通道，從而獲得填充有一蝕刻促進劑配置之一空腔。形成該支柱陣列之步驟可使用蝕刻程序，例如乾式蝕刻程序來執行。將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料之步驟可使用一氧化處理執行。非保形地沉積一犧牲材料層之步驟可後接使用一濕式蝕刻處理去除該犧牲材料之步驟，從而使該空腔清空。
在一些實施例中，在一基材之一厚度中形成該支柱陣列包含：圖案化該基材以形成一遮罩層，該遮罩層界定一特徵陣列；且在該等特徵周圍蝕刻該經圖案化基材以形成在該特徵陣列下面之該支柱陣列以及圍繞該支柱陣列的該空腔，該空腔包括在該支柱陣列中之該等支柱之間的複數個溝槽。換言之，該複數個溝槽可形成一溝槽網格。換言之，該特徵陣列之形狀可在平行於基材表面之一平面中界定該支柱陣列之一橫截面形狀。
在一些實施例中，可執行該等溝槽之圖案化，而非圖案化該等特徵。該等溝槽可跨越空腔區域延伸以形成該空腔之輪廓。
在一些實施例中，該遮罩層可進一步包括一空腔輪廓，且該特徵陣列在該空腔輪廓內。
在一些實施例中，該方法可進一步包含在將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料的步驟之前移除該遮罩層之一步驟。
在一些實施例中，該特徵陣列中之該等特徵中的至少一些特徵具有一幹之一形狀，該形狀包括至少一個向外延伸的臂。
在一些實施例中，該特徵陣列中之該等特徵中的至少一些特徵具有一幹之一形狀，該形狀具有至少三個向外延伸的臂。
在一些實施例中，將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料包括：將該支柱陣列中之各支柱完全轉換成犧牲材料。
在一些實施例中，將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料包括：將該支柱陣列中之一或多個支柱部分地轉換成犧牲材料。
在一些實施例中，在一基材之一厚度中形成一支柱陣列包括形成複數個支柱叢集，且其中該空腔包含各自圍封該支柱陣列之一支柱叢集的複數個子空腔。
在一些實施例中，該等中空通道中之至少一些中空通道互連且形成至少一個互連通道網路。
在一些實施例中，該等中空通道中之至少一些中空通道互連且形成若干互連通道網路。
在一些實施例中，至少一個中空通道不與其他中空通道連接。
在一些實施例中，該方法進一步包含(d)平坦化填充有該蝕刻促進劑配置之經填充空腔之頂表面。
在一些實施例中，該基材由矽製成，轉換成一犧牲材料之步驟包括一氧化程序，且該非保形犧牲材料層沉積包括一非保形二氧化矽層沉積。
在另一態樣中，本揭露提供一種製造一微機電系統(MEMS)裝置之方法，該MEMS裝置包含至少一個懸掛式MEMS結構。該方法包含：根據本文中所描述之方法中的任一方法及其實施例中之任一實施例而形成一基材，該基材具有填充有一蝕刻促進劑配置之一空腔；藉由微加工而在填充有該蝕刻促進劑配置之該至少一個空腔上方形成該至少一個MEMS結構，該至少一個MEMS結構包括穿過其中之一或多個通路，該一或多個通路提供對該蝕刻促進劑配置的接入；且蝕刻穿過該一或多個通路以到達該等中空通道，以便使一蝕刻劑材料擴散穿過該等通道，並自該經填充空腔移除該犧牲材料，從而使該至少一個MEMS結構懸掛在該（經清空的）空腔上方。換言之，蝕刻劑可在促進劑配置之通道內擴散，從而蝕刻經轉換支柱及犧牲材料。此產生（至少部分地）清空的空腔，MEMS結構懸掛在該空腔上方。
在一些實施例中，該方法進一步包含(IV)沉積一或多個額外犧牲層以填充該MEMS結構中之該一或多個通路。沉積步驟可在不完全填充空腔之情況下執行。
在一些實施例中，該方法進一步包含在該至少一個MEMS結構上方形成一第二MEMS結構。
在一些實施例中，該至少一個MEMS結構包含複數個相鄰MEMS結構。
在另一態樣中，本揭露提供一種製造一微機電系統(MEMS)裝置之方法，該MEMS裝置包含至少一個懸掛式MEMS結構。該方法包含：形成一基材，其具有填充有一犧牲材料之一空腔，該犧牲材料包括嵌入至該犧牲材料中之一或多個中空通道；藉由微加工而在填充有該犧牲材料之該至少一個空腔上方形成該至少一個MEMS結構，該至少一個MEMS結構包括穿過其中之一或多個通路，該一或多個通路提供對經填充空腔的接入；且蝕刻穿過該一或多個通路以到達該等中空通道，以便使一蝕刻劑材料擴散穿過該等通道，並自該經填充空腔移除該犧牲材料，從而使該至少一個MEMS結構懸掛在該空腔上方。
在一些實施例中，一或多個中空通道中之至少一些中空通道互連。
在另一態樣中，本揭露提供一種藉由上文所描述之製造微機電系統(MEMS)裝置之方法獲得的MEMS裝置。
在一些實施例中，該MEMS裝置係一感測器或一致動器，諸如一揚聲器。
在另一態樣中，本揭露提供一種用於MEMS製造之裝置，其包括：一基材；一空腔，其形成在該基材之一厚度中，其中該空腔填充有犧牲材料，一或多個中空通道嵌入至該犧牲材料中。
在一些實施例中，該等中空通道中之至少一些中空通道互連。
在一些實施例中，互連中空通道形成一或多個通道網路。
在一些實施例中，該基材由矽製成，且該犧牲材料由二氧化矽製成。
在另一態樣中，本揭露提供一種用於MEMS製造之裝置，其包括：一基材；一空腔，其形成在該基材之一厚度中，其中該空腔包含由犧牲材料製成之一支柱陣列，且其中一非保形犧牲層沉積在該空腔上方，以便在該支柱陣列中的該等支柱之間嵌入一或多個中空通道。
在一些實施例中，該等中空通道中之至少一些中空通道互連。
在一些實施例中，互連中空通道形成一或多個通道網路。
在一些實施例中，該基材由矽製成，且該犧牲材料由二氧化矽製成。
在本申請案中，以下用語及其衍生詞可根據下文解釋進行理解：
如本文中所使用，用語「空腔(cavity)」可指凹部，亦即開放空腔。特別地，基材空腔可僅在一側上開放，亦即，空腔可不形成貫穿基材厚度之通孔或基材內之經圍封單元。
如本文中所使用，用語「MEMS」可指微機電系統（亦稱為微系統或微機器）。MEMS通常用作換能器。用語「換能器(transducer)」可指經組態以將一種形式之信號或能量轉換成另一形式之實體/裝置，且可包括感測器及致動器二者。用語「感測器(sensor)」可指經組態以量測來自周圍環境之資訊且回應於其所量測的參數而提供電輸出信號之實體/裝置。MEMS感測器之實例可包括加速計、陀螺儀、慣性量測單元、壓力感測器、溫度感測器、接近度感測器、濕度感測器、麥克風等。用語「致動器(actuator)」可指經組態以將電信號轉換成動作，例如轉換成用以操縱自身、其他機械裝置或周圍環境之力以執行預定功能的裝置。MEMS致動器之實例可包括揚聲器、偏轉鏡、泵等。MEMS通常包含MEMS結構，該MEMS結構懸掛在空腔上方，該空腔係藉由依序程序一方面形成沉積及/或化學轉換層來形成所需MEMS結構之（功能）層及尚未變成犧牲性之層二者，並且另一方面，在製造程序期間移除犧牲層。
如本文中所使用，用語「晶圓(wafer)」可指基材。通常，基材材料通常係矽，但可使用其他基材。矽在曝露於氧氣時可容易地氧化以形成化學惰性及電絕緣的二氧化矽(SiO
2)。
如本文中所使用，用語「圖案化(patterning)」可指將主圖案（亦稱為「遮罩(mask)」或「光罩(photomask)」）轉移至基材之表面上或至添加在基材上之任何處理層上。典型圖案化光微影程序可涉及施加光敏感光阻劑層，之後穿過遮罩進行光阻劑曝光且接著顯影經曝光光阻劑，從而在晶圓表面上留下圖案。換言之，光微影可涉及在基材上沉積對紫外線輻射敏感的有機聚合物之光阻劑層。由塗佈有鉻圖案（不透明）之玻璃板（透明）組成的光罩可接著置放成與塗佈有光阻劑之表面接觸。晶圓可接著曝露於光（例如紫外線輻射），從而將遮罩上之圖案轉移至光阻劑，該光阻劑接著以極類似於用於顯影照相軟片之程序來顯影。替代地，光阻劑可在直接寫入程序中使用掃描雷射、電子束或其他輻射源進行曝光。輻射在光阻劑之經曝光區域中引起化學反應。通常存在二種類型之光阻劑層：正及負。正光阻劑被輻射強化，而負光阻劑被弱化。之後，在顯影時，沖洗溶液可移除光阻劑之經曝光區域（用於負光阻劑層）或未曝光區域（用於正光阻劑層），從而在晶圓表面上留下裸露且塗佈有光阻劑之基材的圖案。在本揭露中，經圖案化光阻劑層亦可稱為遮罩層。所得光阻劑圖案係光罩之原始圖案之正或負影像。通常，可接著執行蝕刻，例如以在裸露區域下方產生溝槽。剩餘光阻劑可隨後例如藉由熱硫酸移除，該熱硫酸腐蝕光阻劑而非矽。
如本文中所使用，用語「特徵(feature)」可指光罩上之斑點（亦即閉合平面形狀）。特別地，特徵陣列可在幾何上形成各種形狀之斑點之重複圖案。在一些實施例中，特徵陣列可在光罩上擴散成一或多個特徵叢集。在一些實施例中，該特徵陣列中之該等特徵中之至少一些特徵具有包括一幹及一向外延伸的臂之一形狀。在一些實施例中，該特徵陣列中之該等特徵中之至少一些特徵具有包括一幹及三或更多個向外延伸的臂之一形狀（亦即星狀形狀）。本申請人已發現，包括幹及至少一個向外延伸的臂之形狀限制由於在隨後轉換（例如氧化）程序中之應力累積而導致的所得支柱之移位。用語「特徵(feature)」亦可理解為平面閉合構形。
在一些實施例中，在其上形成有孔圖案之矽晶圓的情況下，光微影可初步涉及用氧化物層，例如用二氧化矽(SiO2)來覆蓋基材。此等實施例通常稱為「硬遮罩(hard masking)」實施例。光微影之其餘部分通常遵頊上述方法：對輻射敏感的有機聚合物之光阻劑層可沉積在氧化物層上。光罩可接著置放成與塗佈有光阻劑之表面接觸。晶圓可接著曝露於輻射，從而將遮罩上之圖案轉移至光阻劑層。之後，沖洗溶液可移除光阻劑之經曝光區域（用於負光阻劑層）或未曝光區域（用於正光阻劑層），從而在氧化物層上留下裸露且塗佈有光阻劑之氧化物的圖案，亦即形成遮罩層。所得光阻劑圖案係光罩之原始圖案之正或負影像。可使用化學物質（例如鹽酸）自光阻劑之經曝光區域腐蝕並移除未覆蓋氧化物。剩餘光阻劑隨後例如藉由熱硫酸移除，該熱硫酸腐蝕光阻劑而非矽上之氧化物層，從而在矽表面上留下氧化物圖案。
如本文中所使用，用語「蝕刻(etching)」可指涉及移除材料之部分的減材程序。可例如使用濕式蝕刻或乾式蝕刻方法進行蝕刻以產生不同形狀之凹槽。
濕式蝕刻涉及經由浸沒在化學蝕刻劑之液體浴中來移除材料。蝕刻劑可為等向性或異向性的。等向性蝕刻劑在所有方向上以相同速率蝕刻材料，且因此可能導致底切現象，亦即，移除位於蝕刻遮罩下方之一些材料。等向性蝕刻劑之實例可包括氫氟酸(HF)及硝酸(HNO
3)。異向性蝕刻劑在較佳方向上蝕刻得更快。異向性蝕刻劑之實例包括氫氧化鉀(KOH)。藉由異向性蝕刻劑形成在基材中之結構可取決於基材之晶體定向。
乾式蝕刻依賴於通常在高溫下使用適當反應性氣體或蒸氣的基於氣相或電漿之蝕刻方法。用於MEMS製造之乾式蝕刻方法之二個實例係反應性離子蝕刻(reactive ion etching, RIE)及深反應性離子蝕刻(deep reactive ion etching, DRIE)。RIE可利用射頻(radio frequency, RF)電力來驅動化學反應。高能離子在電漿相內加速朝向待蝕刻之材料，從而供應反應所需之額外能量；因此，蝕刻可在比通常需要的溫度（高於1000℃）低得多之溫度（通常150°至250℃，有時室溫）下進行。RIE不受矽中之晶體平面限制，且因此可蝕刻深溝槽及凹坑或具有豎直壁之任意形狀。蝕刻速率（通常以微米/分鐘表示）可取決於蝕刻方法、蝕刻溫度、蝕刻劑材料及濃度，且取決於待蝕刻之材料。DRIE類似於RIE，預期分步驟或階段來執行蝕刻，且在此等步驟之間，溝槽之側壁覆蓋有保護材料，該保護材料保護側壁免受蝕刻電漿之影響，從而允許與RIE相比蝕刻更深的溝槽或孔。
如本文中所使用，用語「結構層(structural layer)」係指沉積在晶圓上且由結構材料（例如多晶矽（亦稱為Poly）、氮化矽或鋁）製成的層。
如本文中所使用，用語「犧牲層(sacrificial layer)」係指充當裝置之構建程序所需之臨時物質的層。結構材料可為可選擇性地移除而不影響（亦即損壞）相鄰結構層的材料。犧牲材料最終被蝕刻掉以釋放最終結構。舉例而言，當使用之結構材料係多晶矽時，二氧化矽可用作犧牲材料。
在本揭露中，平行於矽晶圓表面之平面經繪示且稱為XY平面。其亦可稱為裝置平面。用語「水平(horizontal)」係指此平面。用語「豎直(vertical)」係指垂直於水平裝置平面之方向，且其指示為圖中之Z軸。用語「上方(above)」及「下方(below)」係指Z座標中之差異。用語「高度(height)」及「深度(depth)」係指豎直距離（在Z方向上），而「寬度(width)」及「長度(length)」係指水平距離（在X方向或Y方向上）。諸如「豎直」或「水平」之用語並不暗示製造MEMS裝置時或使用該裝置時關於矽晶圓之定向的任何內容。裝置及晶圓可在使用或製造期間以任何合適方向定向，例如側向。
此外，除非具體定義，否則對一層沉積或產生在另一層或基材「上」之描述包括該層直接產生或沉積在該另一層或基材上，亦即與該另一層或基材接觸，以及該層產生在該層與該另一層或基材之間的中間層中之一個中間層或堆疊上的選項。
本揭露提供一種用於形成嵌入在諸如矽晶圓之基材中之空腔的新穎技術。特別地，本揭露中之空腔可有效地形成在單一晶圓層中。換言之，空腔之底部及周邊壁可形成在單體基材中。
通常，根據本揭露之用於製造MEMS裝置（諸如換能器、感測器或致動器）之方法可分成二個部分。
在第一部分中，填充有蝕刻促進劑配置之空腔形成在基材內。蝕刻促進劑配置例如藉由允許與具有類似尺寸但填充有犧牲材料層而不具有中空通道之空腔之蝕刻相比更快的蝕刻來促進後續蝕刻，所有其他蝕刻參數類似。蝕刻促進劑配置可包括圍封（環繞）在犧牲材料中之中空通道。圍封在犧牲材料中之中空通道藉由顯著增加蝕刻表面積來改善蝕刻劑的擴散及蝕刻產物之逸出。蝕刻劑穿過中空通道之擴散允許曝露空腔中的犧牲材料之遮蔽區域，亦即蝕刻材料無法穿過懸掛在空腔上方之MEMS結構中之通路直接接入的區域。此允許提供更快的蝕刻。中空通道可互連。犧牲材料中之互連中空通道允許在蝕刻劑到達中空通道時使蝕刻劑擴散至經填充空腔之其他部分。舉例而言，可藉由在由犧牲材料製成之支柱陣列上（或更通常在空腔內豎直延伸的由犧牲材料製成之結構集上）沉積非保形（低保形度）犧牲材料層來形成中空通道。
在第二部分中，MEMS結構形成在經填充空腔上方。MEMS結構包括穿過其中之一或多個通路，以便允許蝕刻材料到達填充有蝕刻促進劑配置之空腔。使用微加工技術，亦即藉由使用光微影及蝕刻技術添加或減去結構及/或犧牲材料之一或多個層來形成MEMS結構。穿過該一或多個通路蝕刻經填充空腔，以使得蝕刻劑材料到達中空通道且穿過該等中空通道擴散，從而自該經填充空腔移除犧牲材料。此使得能夠將至少一個MEMS結構懸掛在空腔上方。
圖1及圖2分別繪示根據本揭露之一些實施例的用於微機電系統(MEMS)製造之例示性方法之步驟的橫截面視圖及對應俯視圖。鑒於上文所給出之解釋，圖1及圖2可類似地視為根據本揭露之一些實施例的用於製造微機電系統(MEMS)裝置之方法的例示性第一部分，該MEMS裝置包含至少一個懸掛式MEMS結構。
在第一步驟S1中，提供基材100。-在本實例中，基材可由矽製成。-基材可例如為矽晶圓。應理解，本說明書亦將適用於由不同材料製成之基材，前提為氧化程序被修改為將基材材料轉換成犧牲材料之適當方法，並且氧化物層沉積程序被修改為適當犧牲材料層沉積程序。舉例而言，基材材料可由Ge/GeSi之合金製成。Ge/GeSi可氧化成GeO
2，其可經由HBr或水蝕刻。
在第二步驟S2中，光阻劑層110可沉積在基材上。光阻劑材料可為有機聚合物，其在曝露於輻射之後轉換成可溶性材料。
在步驟S3中，光罩可接著置放成與塗佈有光阻劑之表面接觸。光罩可包含透明板（例如由玻璃製成），該透明板塗佈有不透明圖案（例如由鉻製成）。光罩可界定包括特徵陣列之圖案。光罩可包括圍繞特徵陣列之空腔輪廓。通常，特徵陣列可在幾何上形成各種形狀之斑點之重複圖案。在一些實施例中，特徵陣列可在光罩上擴散成一或多個特徵叢集。舉例而言，特徵可包含包括矩形特徵及交叉形狀特徵之圖案。晶圓100可接著曝露於輻射（例如紫外光），從而將光罩圖案轉移在光阻劑層上。沖洗之後，遮罩層115因此在空腔輪廓114內界定特徵陣列112（可見於圖2）。如上文所解釋，在一些實施例中，光罩上之特徵陣列擴散成複數個特徵叢集，且遮罩層包括對應複數個特徵叢集。在步驟S3處獲得之中間產物，亦即具有界定藉由使用光罩轉移至其上的特徵陣列之遮罩層的基材在本揭露中可稱為經圖案化基材，且步驟S1至S3之程序可統稱為基材之圖案化。
返回至圖1至圖2，在另一步驟S4中，執行經圖案化基材之蝕刻。較佳地，蝕刻程序係諸如深反應性離子蝕刻(DRIE)程序之高比率非等向性矽蝕刻程序。因為遮罩層115界定保護特徵陣列112，所以經圖案化基材之蝕刻係在特徵陣列112中之特徵周圍執行。蝕刻因此形成嵌入在基材中之至少一個空腔，該空腔包含溝槽網格102及支柱陣列104。空腔圍繞特徵陣列112。應理解，在其中遮罩層上之特徵陣列包含複數個特徵叢集的一些實施例中，蝕刻程序可引起環繞複數個特徵叢集之對應複數個空腔的形成。溝槽網格102由基材之未受到遮罩層115保護之區域的蝕刻產生。溝槽網格102可形成連續間隙之共用體積。支柱陣列104形成在特徵陣列112下面，因為特徵陣列112之經輻照光阻劑材料防止了基材之蝕刻。
在另一步驟S5中，遮罩層115自基材100移除。
在另一步驟S6中，支柱陣列104中之支柱中之至少一些支柱完全氧化。支柱中之至少一些支柱被完全轉換成二氧化矽。如圖1上所繪示，基材100可經氧化，直至所有支柱完全氧化且形成經氧化支柱陣列122。換言之，爐氧化可為自限制性程序，其中只要存在可用的矽，氧化便會繼續。在一些實施例中，支柱中之一或多個支柱部分地氧化。舉例而言，當特徵陣列中之特徵具有不同尺寸時，藉由蝕刻程序產生之所得支柱亦具有不同體積。因此，氧化程序可受控地執行，直至支柱中之僅一些支柱完全氧化。步驟S6之氧化程序可為爐氧化程序，諸如常壓化學氣相沉積或低壓化學氣相沉積。在步驟S6之氧化程序中，氣體源可僅含有氧氣，且矽可藉由氧化消耗。步驟S6之爐氧化程序因此將矽之支柱陣列轉換成二氧化矽之經氧化支柱陣列。作為氧化程序之結果，與步驟S5之支柱陣列相比，經氧化支柱的體積放大。此外，基材材料之凹痕108可形成在經氧化支柱124之底部。通常，凹痕108可形成例如沿著經氧化支柱124之中心軸自基材表面延伸至經氧化支柱124中的突起部。
在另一步驟S7中，填充有蝕刻促進劑配置之至少一個空腔係藉由在源自步驟S6之中間產物上沉積一或多個低保形犧牲層來獲得。沉積低保形氧化物層以便填滿至少一個空腔，同時在環繞經氧化支柱陣列124之溝槽網格（網）102中圍封中空通道122。可例如使用SiH
4及O
2根據電漿增強化學氣相沉積程序來沉積低保形氧化物層。低保形沉積傾向於在支柱之頂部處沉積比在底部處更多的材料。圖6係表示為氧化物層430之氧化物在經氧化支柱陣列420上之低保形層沉積程序的示意圖。如可見，非保形層430在支柱420上形成不均勻層。更精確地，第一非保形層430使氧化物積聚在支柱420之頭部處。氧化物在支柱之頭部處的積聚防止氧化物在支柱420之底部處的均勻沉積且使得中空通道422在經氧化支柱420之間產生。經氧化支柱124之經圍封網格形成互連中空通道網102。此改善在下文所描述之後續步驟中的蝕刻劑之擴散。
在另一視情況選用之步驟S8中，平坦化背對基材之非保形氧化物層之表面。較佳地，平坦化可藉由化學機械拋光(Chemical Mechanical Polishing, CMP)程序而達成，且不到達中空通道。
圖3及圖4分別繪示根據本揭露之一些實施例的用於製造微機電系統(MEMS)裝置之方法的例示性第二部分之步驟的橫截面視圖及對應俯視圖，該MEMS裝置包含至少一個懸掛式MEMS結構。
根據本揭露之用於製造MEMS裝置之方法的第二部分可包含許多變化，因為其涵蓋製造各種類型之MEMS，諸如不同類型之換能器、感測器、致動器。
在所繪示實例中，在步驟S9中，由多晶矽製成之結構層140沉積在自步驟S8獲得的中間產物上（亦即，具有空腔之基材上，該空腔填充有由氧化物支柱陣列、中空通道及經平坦化低保形氧化物層製成之蝕刻促進劑配置）。結構層可形成MEMS裝置的第一板。
在另一步驟S10中，光阻劑層150可沉積在由步驟S9產生之中間產物上。光阻劑材料可為有機聚合物，其對於紫外線輻射敏感。
在另一步驟S11中，光罩可接著置放成與塗佈有光阻劑之表面接觸。步驟S11之光罩可界定一或多個通路特徵。通路特徵可經組態以使得在光阻劑層上轉移之後，通路特徵在遮罩層中形成開口，該開口較佳地位於空腔上方。該產物可接著曝露於輻射，從而將通路特徵轉移在光阻劑層上。沖洗之後，所得多晶矽層140用遮罩層152進行圖案化，該遮罩層界定通路特徵154（亦即遮罩層152中之較佳地位於空腔上方之開口）。
在另一步驟S12中，執行經圖案化多晶矽層140之蝕刻，直至蝕刻劑到達經平坦化低保形層132之背對基材100的表面。較佳地，蝕刻程序係諸如深反應性離子蝕刻(DRIE)程序之高比率非等向性矽蝕刻程序。因為遮罩層152界定通路特徵154，所以向下穿過通路特徵154執行經圖案化多晶矽層140之蝕刻。所得產物包含經蝕刻多晶矽層142，該經蝕刻多晶矽層界定將遮罩層152之通路特徵154之形狀複製至多晶矽層142中的通路144。通常，通路可提供對蝕刻促進劑配置之接入。在一些實施例中，通路可位於填充有蝕刻促進劑配置之空腔上方。
在另一步驟S13中，遮罩層自經蝕刻多晶矽層142移除。
在另一步驟S14a至S14c中，執行穿過多晶矽層142之通路144的進一步蝕刻。較佳地，蝕刻程序係諸如深反應性離子蝕刻(DRIE)程序之高比率非等向性矽蝕刻程序，例如使用氫氟酸(HF)作為蝕刻劑。步驟S14a至S14c用若干圖式繪示，目的係展示蝕刻隨時間推移之演變，而非指涉及實驗條件變化之不同步驟。如S14a中所繪示，穿過多晶矽層142之通路144的蝕刻在非保形氧化物層132中產生到達中空通道122之凹槽。中空通道122擴展穿過經氧化支柱陣列124之間的溝槽網格102。如上文所解釋，由於經氧化支柱陣列124之結構，中空通道部分地或完全互連，亦即存在自一個中空通道至另一中空通道之中空路徑。因此，中空通道促進蝕刻劑自通路上方擴散至填充有蝕刻促進劑配置之整個空腔。事實上，當蝕刻劑到達一個中空通道時，該蝕刻劑可到達所有互連通道且因此與犧牲材料之較高表面接觸。換言之，蝕刻劑（例如，HF）穿過通道迅速前進，該通道為HF到達整個空腔之SiO
-2提供了路徑。如S14b中所繪示，蝕刻劑擴散至整個空腔，且經氧化支柱陣列經由中空通道被蝕刻。S14c繪示所得MEMS裝置，其包括懸掛在嵌入於基材100中之經蝕刻空腔106上方的結構層142（亦稱為MEMS結構）。可在空腔106之底壁上觀察到支柱陣列104上留下的凹痕108。
視情況，可執行一或多個額外微加工步驟，諸如沉積額外氧化物層以填充通路144，在第一MEMS結構（亦即結構層142）上方形成額外MEMS結構或其他層沉積，以形成MEMS揚聲器。
圖5展示根據MEMS製造方法之其他實施例的藉由製造方法獲得之MEMS裝置的橫截面視圖，其中支柱陣列中之一些支柱未完全氧化。為簡潔起見，圖5之描述集中於與先前所描述之實施例不同的元件上。與先前所描述之元件/步驟相同或類似的元件/步驟係由後接撇號之相同附圖標號（例如100’）表示，且上文給出的關於此等元件/步驟之描述同樣適用。圖5展示包括MEMS結構142’之MEMS裝置，該MEMS結構包括通路144’。MEMS結構懸掛在嵌入於基材100’中之空腔106’上方。空腔106’之底壁包括用於該空腔106’之製造程序中的蝕刻促進劑配置之片段。另外，基材100’包括自空腔之底壁豎直延伸的柱109。柱109由上文所描述之程序的實施例產生，其中特徵陣列包括具有不同尺寸之特徵。在此等實施例中，在基材之圖案化及蝕刻之後，可執行氧化步驟，以使得基材上之所得支柱陣列包括完全氧化支柱及部分氧化支柱。在此等實施例中，在MEMS結構及通路之形成以及蝕刻促進劑配置的蝕刻之後，部分氧化支柱可形成柱109。
本揭露使得能夠促進製造具有懸掛在空腔上方之MEMS結構的MEMS裝置，其中MEMS結構包括一或多個通路，且裝置平面中一或多個通路在裝置平面上之投影與空腔在該裝置平面上之投影的至少一些點之間的蝕刻距離優於10微米。換言之，本揭露促進裝置之製造，其中蝕刻劑將需要在垂直於主蝕刻方向之平面（亦即XY平面）中行進遠離一或多個通路中之任一通路多於約10微米。
應理解，為清楚起見，在單獨實施例之上下文中描述的本發明之某些特徵係亦可組合提供在單一實施例中。相反地，為簡潔起見，在單一實施例之上下文中描述的本發明之各種特徵亦可單獨地提供或以任何合適的子組合提供或如適合於本發明之任何其他所描述實施例中提供。除非另外明確指定，否則在一實施例之上下文中描述的任何特徵皆不應被視為該實施例之必要特徵。
儘管根據一些實施例之方法的步驟可以特定序列描述，但本發明之方法可包含以不同次序進行的所描述步驟中之一些所描述步驟。本發明之方法可包含所有所描述之步驟或僅少量所描述步驟。除非另外明確指定，否則所揭示方法中之任何具體步驟皆不應被視為該方法之必要步驟。
儘管本發明結合其具體實施例進行描述，但顯然可存在所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見的許多替代方案、修改及變化。因此，本發明涵蓋落在隨附申請專利範圍之範疇內的所有此類替代方案、修改及變化。應理解，本發明不一定在其應用中限制於本文所闡述的構造之細節及組件及/或方法之配置。可實踐其他實施例，且實施例可以各種方式進行。具體而言，在製造包含至少一個懸掛式MEMS結構之MEMS的方法之第二部分中，MEMS結構可經組態以用於所得MEMS以充當換能器、感測器或致動器，諸如MEMS揚聲器。其可包括通孔及在層之間的互連件、第二或另一板等。此外，應注意，本揭露之一些實施例可關於在結構材料層之厚度內而非在基材自身中形成填充有蝕刻促進劑配置之空腔。
本文中所採用之詞語及術語係用於描述性目的且不應視為限制性的。本申請案中任何參考文獻之引證或鑑別不應解釋為承認此類參考文獻可作為本發明之先前技術使用。本文中使用章節標題以易於理解本說明書且不應解釋為必定限制性的。
100:晶圓/基材
100’:基材
102:溝槽網格（網）/互連中空通道網
104:支柱陣列
106:空腔
106’:空腔
108、108’:凹痕
109:柱
110:光阻劑層
112:特徵陣列
114:空腔輪廓
115:遮罩層
122:經氧化支柱陣列/中空通道
124:經氧化支柱/經氧化支柱陣列
132:經平坦化低保形層/非保形氧化物層
140:結構層/多晶矽層
142:多晶矽層/結構層
142’:MEMS結構
144:通路
144’:通路
150:光阻劑層
152:遮罩層
154:通路特徵
420:經氧化支柱陣列/支柱/經氧化支柱
422:中空通道
430:氧化物層/非保形層/第一非保形層
S1:步驟
S2:步驟
S3:步驟
S4:步驟
S5:步驟
S6:步驟
S7:步驟
S8:步驟
S9:步驟
S10:步驟
S11:步驟
S12:步驟
S13:步驟
S14a:步驟
S14b:步驟
S14c:步驟
X:方向
Y:方向
Z:軸/座標/方向
為了更好地理解本文中所揭示之主題且例示可如何在實踐中進行，現將參考附圖僅藉助於非限制性實例描述實施例，在該等附圖中：
［圖1］繪示根據本揭露之一些實施例的用於製造MEMS裝置之方法的第一部分之步驟的橫截面視圖；
［圖2］繪示圖1中所繪示之步驟的俯視圖；
［圖3］繪示根據本揭露之實施例的用於製造MEMS裝置之方法之一些其他步驟的橫截面視圖；
［圖4］繪示圖3中所繪示之步驟的俯視圖；
［圖5］繪示根據本揭露之其他實施例的MEMS裝置之橫截面視圖；
［圖6］繪示根據本揭露之一些實施例的圍封中空通道之步驟。
100’:基材
106’:空腔
108’:凹痕
109:柱
144’:通路
Claims (15)
- 一種用於製造一微系統之方法，該方法包含： (a)在一基材之一厚度中形成一支柱陣列，其中包圍該支柱陣列之一體積在該基材中界定一空腔； (b)將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料； (c)使用一非保形沉積程序來沉積一犧牲材料層以填滿該空腔，同時包圍該支柱陣列中之經轉換支柱之間的中空通道，從而獲得填充有一蝕刻促進劑配置之一空腔。
- 如請求項1之方法，其中在一基材之一厚度中形成該支柱陣列包含： i )圖案化該基材以形成一遮罩層，該遮罩層界定一特徵陣列； ii)在該等特徵周圍蝕刻該經圖案化基材以形成在該特徵陣列下面之該支柱陣列以及圍繞該支柱陣列的該空腔，該空腔包括在該支柱陣列中之該等支柱之間的一溝槽網格。
- 如請求項2之方法，其中該遮罩層進一步包括一空腔輪廓，且該特徵陣列在該空腔輪廓內。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中該特徵陣列中之該等特徵中的至少一些特徵具有一幹之一形狀，該形狀包括至少一個向外延伸的臂。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中該特徵陣列中之該等特徵中的至少一些特徵具有一幹之一形狀，該形狀具有至少三個向外延伸的臂。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料包括：將該支柱陣列中之各支柱完全轉換成犧牲材料。
- 如請求項1至5中任一項之方法，其中將該等支柱中之至少一些支柱轉換成一犧牲材料包括：將該支柱陣列中之一或多個支柱部分地轉換成犧牲材料。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中該等中空通道中之至少一些中空通道在至少一個互連通道網路中互連。
- 如請求項1至8中任一項之方法，其中至少一個中空通道不與其他中空通道連接。
- 如前述請求項中任一項之方法，其中該基材由矽製成，轉換成一犧牲材料之步驟包括一氧化程序，且該非保形犧牲材料層沉積包括一非保形二氧化矽層沉積。
- 一種製造一微機電系統(micro-electro-mechanical system, MEMS)裝置之方法，該MEMS裝置包含至少一個懸掛式MEMS結構，該方法包含： I.如前述請求項中任一項而形成一基材，該基材具有填充有一蝕刻促進劑配置之一空腔； II.藉由微加工而在填充有該蝕刻促進劑配置之該至少一個空腔上方形成該至少一個MEMS結構，該至少一個MEMS結構包括穿過其中之一或多個通路，該一或多個通路提供對該蝕刻促進劑配置的接入； III.蝕刻穿過該一或多個通路以到達該等中空通道，以便使一蝕刻劑材料擴散穿過該等通道，並自該經填充空腔移除該犧牲材料，從而使該至少一個MEMS結構懸掛在該空腔上方。
- 如請求項11之方法，其進一步包含 (IV)沉積一或多個額外犧牲層以填充該MEMS結構中之該一或多個通路。
- 一種藉由如請求項11至12中任一項之方法獲得的微機電系統(MEMS)裝置。
- 如請求項13之微機電系統(MEMS)裝置，其中該MEMS裝置係一感測器或一致動器，諸如一揚聲器。
- 一種用於MEMS製造之裝置，其包括： (a)一基材； (b)一空腔，其形成在該基材之一厚度內， 其中該空腔包含由犧牲材料製成之一支柱陣列，該支柱陣列已沉積有一非保形犧牲材料層以填充該空腔，同時將一或多個中空通道嵌入在該支柱陣列中之該等支柱之間。
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