TWI224578B - Fabrication of silicon micro mechanical structures - Google Patents

Description

1224578 A7 B7 五、發明說明（1 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明HJ!L 本發明係關於矽微機械結構。更明確言之，本發明係關 於使用濕蝕刻操作以製造此種結構之方法。又更明確言之 ，本發明係涉及保護此種結構使其免於不想要之電蝕刻' ，先前技藝 乂 矽係用於半導體技藝以製造積體電路（IC)，尤其是供於極 大型（VLSI)裝置及類似物。此種裝置製造中有許多步驟包括 一個，用強㈣刻流體（如氫氟酸卿之_刻操作。 丄但是，矽之腐蝕可能會在其浸潰於册中時發生。一般而 口，此作用很小，但當石夕係高度換雜一些元素，譬如Μ，μ， C’Ga’P，Sb及類似物時’其可被增強’如同♦在用於製造’ 職模組士正常情況。石夕之腐姓亦可於紫外光_存在下 粍強、’或藉由因外邵電壓所致之矽結構陽極化來增強。 硬於HF落液中|虫刻之會例 歲 、例，馬經鬲度摻雜矽結構於用以· 檢測pn二極體接合深度之u 又< UV九存在下之腐蝕作用、矽電拋 光及多孔性石夕製造。 此種腐触作用亦可不靠外部 ^ , 〇甘/ ‘ ρ 1 |私塋或肤先；使用而增強。 在^置中’^时零件係以電方式與貴金屬（如金絲）連 接，則在將裝置浸潰於HF溶 、 具有足以顯著蚀輪件之::時…成-個電池’其 τ . . ^ 7件〈兒位。在此型態中，貴金屬係 心决陰極角巴，而矽則充作陽 ^ ^ Κ ^ 貝子逐原成氫分子之作用係在陰極發生，且將造成矽蝕 ^ 用係隨溶液酸度而增加，0 ^ 。石、的廷種蝕刻作 的質子。 “口因馬在愈酸的溶液中可得到愈多 本紙張尺度適用中國國家標準 (210 x 297 公爱） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) |,裝 訂· -線 1224578 A7 --------—---- B7 五、發明說明（2 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電池在HF溶液中之形成係示於圖丨，其係使用矽和金分 別作爲陽極和陰極。此圖顯示電流G〇gi)係隨電壓（V)變動: 矽η+與金間 < 腐蝕電位係如代表& ^+電流（陽極面）與金電 流（陰極面）之兩曲線交點所示。矽表面之氧化還原電位$ 依其反應化學組成而定。不同摻雜劑類型與濃度㈨n+, 係以不同速率氧化，因此得到不同的電流。 在許多矽電子機械微系統（MEMS)裝置，譬如化學感測哭 、微機械裝置及積體光學元件中，經常使用貴金屬二路: 矽之組合。貴金屬係用於製造中，藉以利用相對較 強效蝕刻溶液（如氫氧化鉀）而產生自立結構。標準金屬如 A1會被此種溶液蝕離。應注意的是，線路必須在結構產生 之前完成’因爲在此之後加工處理係更爲困難。 氧化矽薄膜係廣泛用於此種裝置中作爲電隔離層、鈍化 物或作A掩膜。爲使此等薄膜圖樣化或在程序結束時將彼. 等移除，以HF爲主之溶液係有效且被廣泛使用之濕蝕刻溶 液。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當貴金屬與矽零件係於HF存在下以電方式連接時，矽可 藉法尼％腐蝕。爲避免此種不想要的作用，直接溶液會 在HF蝕刻期間保護貴金屬或矽或二者。但是，在許多 MEMS裝置中，此種保護作用未必可行。此種MEMS裝置之 貫例包括具有會限制保護性薄膜沉積與圖樣化之自立結構 之裝置。 另一種已知技術係以矽之陰極化作用抑制任何的矽蝕刻 作用，該陰極化係經由在矽結構與金屬零件之間施加電壓 ___ -5- 本紙張尺度郝+ 家鮮（CNS)A4絲（210 X 297公爱) -- 1224578 五、發明說明（3 户斤致 〇 但| λ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -起連接至兩個此種技術’所有金屬與碎結構必須 隔離結構之裝二施加電位。這對於具有許多 熟練工作者都很明白，這也會在已經很複 外的線路。附加姓刻步.驟，11以在裝置完成後移除額 、、般J王彳疋供保護矽微機械結構免於不想要的電蝕刻之 其克服上述此技藝現況之缺點。對於此種方法亦有 所期望的是，其可很容易地併人現行方法中。有 發明摘述_ ”根據本發明，目w提供_種在製造期間保護微結構材料 兄於不想要的電㈣之方法，該結構包含該材料與貴金屬 層’此方法包括在結構上形成氧化還原電位比該材料低的 犧牲性金屬層，犧牲性金屬層係電連接至該貴金屬層。 本毛明可有利地提供保護矽微機械結構免於不想要的電 姓刻（万法，其克服上述此技藝現況之缺點。此種方法可 容易地併入現行方法中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 犧牲性金屬層可由鋁構成。材料可包含矽。本發明之一 幸又佳具把只她例包括在該結構一側面上形成犧牲性金屬層 。且其係接著連接至該貴金屬層。犧牲性金屬層可在貴金 屬層上形成。犧牲性金屬層可在微結構製造完成之後，以 蝕刻溶液移除。犧牲性金屬層在該微結構製造完成之後， 可田置於其上。可將犧牲性金屬層形成多個墊片，其各連 接至貴金屬層之不同部份。 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 1224578 五、發明說明（4 ) 万面來看本發明，目前提供〜種微結構，其包含 总二：料；一貴金屬層；及-犧牲性金屬層，其係電連 接貝至屬層且具有比材料低的氧化 附圖簡jl 甩 ::明之較佳具體實施例將僅藉由略 參考附圖，其中： =爲：示電流隨HF溶液中痛間之電壓變動之圖表； ° 如圖1所示相同類型之變動圖表，但使用根據本 發明之方法； 圖3以圖式表示根據此技藝現況所製造之懸臂樑； 圖4以圖式插繪根據本發明製造之懸臂樑。 不ttri之—較佳具體實施例中，其係提供保㈣免於 、、 吓毛、乃八雖然本發明可應用於不同蝕 :’但於後文將僅針對册蝕刻溶液加以説明之。 電…溶液中之形成係示於圖其係 壓(V)之二刀别作馬陽極和陰極。圖1顯示電流(logi)隨電 昼（V)足交動。矽n+與金間之腐蚀雷 也妗彳”至j <伽蝕私位係如代表Sin+電流（ 曲、·泉1 ’ 1%極面）與金電流（曲 所示。 ^陰極面^兩曲線交點 保1曼作用之達成係立論於以犧牲 層構成積體陽極之矽 陰極保謾作用。藉由沉積氧化還 、， 、 一 a m矽低的犧牲性層 二：以：：ί將其連接至所使用之貴金屬，腐轴電位係轉 秒到石夕私"I腐蝕作用可被忽略的電壓。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂： •線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Ϊ224578

五、發明說明（ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 此作用係示於圖2，其顯示電池在HF溶液中之形成，其 係分別使用鋁和金作爲陽極和陰極。與圖丨之電池大不相 同的是，已連接附加鋁墊片作爲積體陽極。腐蝕作用係由 代表鋁腐蝕電流（曲線3，陽極面）與金電流（曲線4，陰極 面）义兩曲線交點所定義。腐蝕電位係藉Ai_Au電池固定， 且在此電位之矽腐蝕電流很低。 正如圖2所見，矽腐蝕電流係因腐蝕電位轉移到較高値之 l〇gi而急遽下降。應明瞭的是，於圖！之”Sin+電流，，與圖2中 之"si奸腐蝕電流"係爲同義。A1爲轉移腐蝕電位用之較佳 材料，因爲其具有相對較低的氧化還原電位。但是，亦可 採用其他材料，譬如Cr·、Zn及Mg。 般而5，爲保？曼材料A，其係電連接至材料B (其中a <氧化還原電位<B)，使其當還浸在溶液（電解質）中時免於 腐蝕作用，應該將氧化還原電位比A低之材料c連接至B。' 具有較低與較高氧化還原電位之材料界定出腐蝕電位， 且由此電位界定出連接彼等之所有其他材料之腐蝕電流。 此即爲何當個別腐蝕電位轉移到較高値1〇g i，矽腐蝕電流备 降低之原因。 ^曰 這種經由外加金屬犧牲性層充作積體陽極之陰極保護作 用具有的優點是，其無需包埋或以其他方式封裝結構以保 後其免於HF溶液侵蝕，以及不需要附加線路。 唯一要做的就是將犧牲性材料之墊片層或薄膜附加至結 構上。犧牲性材料可置於欲受保護結構之一側面上，然後 再連接至貴金屬，或可外加於結構之上方，因而節省空 ------------裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂·- .線， -8 - 1224578 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（6 复=性塾片應具有足夠大的面積與名虫刻溶液接觸，以使 :;率不糊溶液/犧牲性塾片界面之最大電流密度所限 rplj 〇 、俟姓刻完成後，仍存有—部份犧牲性材料層，其可利用 通當姓刻溶液被姓離或可以原狀留下。但是，在後一情況 中，乂留的犧牲性層不得使功能性電通路短路。爲此，靡 將犧牲性薄膜結構化以避免短路。例如，犧牲性層可緊^ 在貴金屬層沉積之後沉積，並同時被結構化。 、山圖3與4説明本發明在製造用於磁性儲存技術之懸臂樑/尖 崎結構6万面之應用。在此，金線路8係連接至經高度摻雜 《矽懸臂樑1〇，且在製程結束時，需要最後以册爲主之蝕 刻以移除所有存在的氧切保護，特別是經高度摻雜之零 件。於圖3中，並未附加另外的犧牲性鋁墊片，且可見在 HF蝕刻後，矽懸臂樑6係受到腐蝕，然而圖4顯示，當使用 L接至至、、泉路8之附加铭層12時，並無可見之腐姓發生。 在前述之本發明實例中，外加犧牲性鋁層係充作積體陽 極。但是，應明瞭的是，本發明可普遍用於積體系統製造 中作馬一種補充工具，作爲防止不想要的電蝕刻之保護。 以不同的材料與蝕刻溶液可形成不同類型的電池。雖然本 發明尤其但決非只限於在用於MEMS應用方面引人注意， 因其係克服伴隨如上文所解釋習用保護技術之困難。本發 明亦適用於CMOS應用，其中工業趨勢係朝向銅線路（其^ 有高氧化還原電位）及絕緣體外延矽晶圓（其中基本上電晶 體係充全被隔離）而招致電濕蝕刻問題。 -9- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ir°J· .線； 1224578 A7 ____B7_ 五、發明說明（7 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明在MEMS裝置係與微電子電路整合時亦可符合期望 ，譬如在浮現RF機械濾器設計方面。 本發明於多孔性矽應用方面很引人注意，因爲其給無關 於矽摻雜類型與濃度之多孔性與非多孔性區帶之製造增添 更多的靈活性。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -10 - 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）

Claims (1)

1. 癱|一S年！ 月 5 年 93 案W 請換 3：替 ⑼圍 號利 A BCD 六、申請專利範圍 L 一種在製造期間保護微結構材料免於不想要電蝕刻之方 法’孩結構包含該材料與貴金屬層，此方法包括在該 結構上形成氧化還原電位比該材料低之犧牲性金屬層 (12)，犧牲性金屬層（12)係電連接至該貴金屬層⑻。 2·如申請專利範圍第1項之方法，其中犧牲性金屬層（12)係 由鋁製成。 3·如申請專利範圍第1項之方法，其中該材料包含矽^ 4·如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其包括在該結構 之一個側面上形成犧牲性金屬層（12)，且接著連接至該 貴金屬層（8)。 5.如申請專利範圍第丨至3項中任一項之方法，其包括在 貴金屬層（8)上形成犧牲性金屬層（12)。 6·如申請專利範圍第1、2或3項之方法，其包括在微結構 製造元成之後，以姓刻溶液移除犧牲性金屬層（12)。 7·如申請專利範圍第丨、2或3項之方法，其包括在該微結 構製造芫成之後，使犧牲性金屬層（12)留在其上。 8·如申請專利範圍第7項之方法，其包括使犧牲性金屬層 (12)开^成多個塾片，各連接至貴金屬層⑻之不同部份。 9. 種碎彳政機械結構，其包含：一種材料；一個貴金屬層 (8);及一個犧牲性金屬層（12)，電連接至貴金屬層（8)， 且具有比該材料低之氧化還原電位。 10·如申請專利範圍第9項之矽微機械結構，其中犧牲性金 屬層（12)為鋁。 11·如申請專利範圍第9或1〇項之矽微機械結構，其中犧牲 O:\74\74757-930506.doc , \ . 本紙張尺度適用中a ®家標準(CNS) A4規格(21Q χ 297公爱)"~~' —-----

   々、申請專利範圍 性金屬層（12)係配置於貴金屬層（8)上。 12. 如申請專利範圍第9或10項之矽微機械結構，其中犧牲 性金屬層（12)係配置於該結構之一個側面上，且連接至 貴金屬層（8)。 13. 如申請專利範圍第12項之矽微機械結構，其中犧牲性金 屬層（12)包含多個墊片，各連接至貴金屬層（8)之不同部 份0 O:\74\74757-930506.doc - 2 - 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS) A4規格（210 X 297公釐）