TWI586605B - 用以製造一複層微機電系統的方法及用於其中之中間性、複層、金屬性的複合物 - Google Patents

用以製造一複層微機電系統的方法及用於其中之中間性、複層、金屬性的複合物 Download PDF

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Description

用以製造一複層微機電系統的方法及用於其中之中間性、複層、金屬性的複合物 相關申請案的交互參考
本申請案關於2009年10月29日申請之美國申請案第12/608857號，該申請案由與本件專利申請案相同之發明人所申請，名稱為“MEMS製造中的超填充次級金屬化製程”。美國申請案第12/608857號的全部內容明白地併入此處作為參考，而且該申請案讓與和本申請案相同的受讓人發明領域。
此處之教示係針對一種於製造微機電系統(下稱“MEMS”)期間，至少使用兩種不同之次級金屬(第一次級金屬及第二次級金屬)的新方法。
 發明背景
MEMS，本技術領域中也稱作“微機械”，典型上由個別組件製作且尺寸範圍大致上從5微米至一毫米。它們可由處理數據的中央單元、微處理器及數個與外部相互作用的組件(諸如微感應器)構成。
根據習知方法，MEMS組件可藉由使用光微影術及犧牲層形成。例如，Guckel的美國專利第5,190,637號(下稱“Guckel”)揭示能夠產生實質上隨意三度空間形狀的多重遮罩暴露，該專利之全部內容併入此處作為參考。根據Guckel，能夠暴露於輻射的光阻層被施用於鍍覆基底。該光阻然後利用遮罩而暴露於輻射。遮罩讓輻射只"暴露"某些經界定的光阻區域。後續的顯影移除被選擇暴露的光阻而產生重製該暴露遮罩之計畫的凹洞。形成於光阻中的凹洞然後以電鍍至暴露之鍍覆基底上的初級金屬填充。餘留的光阻然後被移除且次級金屬(犧牲金屬)被電鍍至整個初級金屬及鍍覆基底上方。初級金屬及次級金屬然後以機械方式加工至暴露初級金屬的高度，並且平面化該表面以進行後續加工。機械加工之後，另一光阻層可橫過初級及次級金屬施加，然後此光阻也可使用與上述相同的程序圖案化。在初級金屬已經電鍍入光阻中所生的凹洞之後，移除光阻的其餘部分且次級金屬被電鍍於整個第一次級金屬、任一暴露的第一初級金屬及新增加的第二初級金屬的上方。第二初級及第二次級金屬兩者都被機械加工至初級金屬第二層所要的厚度，而且重複該過程直到所要的層數已經形成，而在初級金屬中產生所要的微構造。一旦微構造形成，整個鍍覆表面以及初級及次級金屬暴露於選擇性蝕刻除去次級金屬但不除去初級金屬的蝕刻劑，所以只有留下初級金屬及鍍覆表面。
根據Guckel教示，因為次級金屬於機械加工期間提供給初級金屬的結構穩定性，次級金屬結合光阻起使用。因為光阻的機械性相當地薄弱，所以當遭遇機械加工製程(其可包括研磨、層疊、拋光、化學機械拋光、放電機械加工或任何其他常常碰到的機械加工製程)所帶來的大量橫向力時，它無法支持初級金屬使其免於損壞，因此一般上，機械加工無法只使用光阻及初級金屬而完成。次級金屬提供的另外優點為它將導電鍍覆基底便利地提供給位在下方初級金屬構造上方之後續的初級金屬層。否則，懸垂鍍覆將會需要額外的薄膜種層沉積步驟。
然而，當於單一基材上建造複數或橫向非常大型之微構造時(諸如當MEMS被用作半導體測試探針頭時)，Guckel方法的使用會產生嚴重的問題。橫過整個鍍覆表面(例如陶瓷)根據Guckel教示鍍覆次級金屬在額外犧牲金屬應力下造成鍍覆基底彎折及翹曲。如此轉而引起兩個相關的問題：1)它變得難以或無法使相異的層機械加工至一致的厚度，及2)它變得難以或無法實行微影術，因為微影術需要平坦的表面。
Garabedian等人的美國專利第7,264,984號(下稱“Garabedian”)及Tang等人的美國專利第7,271,022號(下稱“Tang”)改良Guckel的教示內容，兩者的全部內容均併入此處作為參考。其等揭示用以製造微機械及MEMS構造的過程，使得複數或大型構造可被建立在相同的基材上，而未造成基材翹曲。更特定地，Tang揭示一種方法，其中次級金屬未鍍覆於基材之整個構造性區域上方。相反地，次級金屬僅鍍覆在圍繞初級金屬構造的區域中，產生“島狀物”，使得它將其結構穩定性賦予初級金屬構造，而不致在基材上引發不適當的應力。根據Tang的教示，犧牲次級金屬只有鍍覆在需要機械穩定性及需要產生結構性懸垂物的地方，而不需要次級金屬被形成在包圍基材上所有結構性金屬區域的整個地帶上。
儘管Garabedian及Tang的已經作了改良，然而依然留下缺陷。更特定地，這些參考文件的次級金屬化方案依賴光微影術以創造緊繞初級金屬且構形成保持次級金屬的凹洞。光微影術為耗時的過程，其牽涉訂製的遮罩及光阻以創造鍍覆次級金屬必需的所欲設計。據此，此處教示的目標之一為提供一種新的MEMS製造方法，其就鍍覆次級金屬並不依賴光微影術。
Garabedian及Tang與本發明之進一步的差別在於，這些參考文獻均未教示使用次級金屬覆蓋一複層中間MEMS構造之各個層(或並不只是大多數層)的整個基材。相反地，這兩個專利均教示如果次級金屬被鍍覆於基材的整個表面上達太多層，則基材將會翹曲。雖然這些專利已經揭示(作為非較佳的實施例)，鍍覆次級金屬於初級金屬的第一層或起始層的整個基材上，但是，它們的教示卻偏離了以下論點：於複層MEMS製造過程中鍍覆次級金屬於各個層的整個基材上以防止基材的翹曲(參見Tang，第7欄，第9-56行)。更明確地說，Tang強調在複層中間MEMS構造中的大多數次級金屬層並未橫過整個基材而被鍍覆。(參見Tang，第7欄，第12-14行)。
Garabedian及Tang提供之方法的又一不利之點為利用現行的沉積技術，它們的次級金屬化過程會在初級金屬構造之間的次級金屬中造成空隙。空隙是不想要的，因為它會使次級金屬於機械加工製程期間提供給初級金屬的結構性支持降至最低。由於使用現行沉積技術之次級金屬化過程中容易產生空隙的特性，所以本發明技術領域中需要提供一種無空隙的次級金屬化方案以作為MEMS製造過程的一部分。
雖然在過去已經進行過各種嘗試來處理諸如於半導體製造期間初級金屬沉積於凹洞時產生空隙的問題，但是這些技術聚焦於空隙對於併入至最終完成構造之金屬導電性的影響。超填充用於半導體製造之初級金屬的例子記載於Andricacos等人的美國專利第6,946,716號(下稱“Andricacos”)及Dubin等人的美國專利6,432,821(下稱“Dubin”)，該兩文件的全部內容併入此處。這些揭示內容所提供的方法與本發明呈現尖銳的對比，於本發明中超填充與圍繞初級金屬且犧牲的次級金屬一起使用，使得在初級金屬已經被機械加工之後，次級金屬可最終由初級金屬蝕刻除去。
很重要地必須注意到，Andricacos及Dubin兩者都沒有處理MEMS製造中產生空隙的問題。更特定地，這些參考文獻對於在機械加工期間圍繞初級金屬並提供機械支持給初級金屬之次級犧牲金屬的空隙生成都保持沉默。因此，此處教示的進一步目標為針對該本技術領域中所需解決的問題提出解決之道。
 發明概要
此處的實施例針對一種用於製造複層微機電系統的製程，其包括提供為一基材支持的一初級金屬構造；圍繞該初級金屬構造沉積一第一犧牲次級金屬為薄層，並且沉積在該基材的整個表面上方；圍繞第一犧牲次級金屬沉積一第二犧牲次級金屬為厚層，並且沉積在該基材的整個表面上方；機械加工該初級與第一及第二犧牲次級金屬；重複這些步驟直到所要的複層構造被製造；及從該經機械加工的初級金屬構造蝕刻除去該第一及第二犧牲次級金屬以形成一複層的微機電系統。
進一步的實施例針對一種中間性、複層、金屬性的複合物，其用於製造微機電系統及具有支持數個初級及次級金屬性構造層的一基材，其中各層包括：構型為併入該製造之微機電系統組件中成為一體的一初級金屬構造；沉積為圍繞該初級金屬構造之薄層且沉積在該基材之整個表面上方的一第一犧牲次級金屬；及沉積為圍繞該第一犧牲次級金屬構造之厚層且沉積在該基材之整個表面上方的一第二犧牲次級金屬。
較佳地，沉積的第一及第二犧牲次級金屬於機械加工期間提供水平的機械支持與初級金屬而且第一及第二犧牲次級金屬的蝕刻除去不會實質上蝕刻該經機械加工的初級金屬構造。有利的，第一及第二犧牲次級金屬兩者使用相同的蝕刻劑蝕刻除去。較佳地，沉積的第二犧牲次級金屬的密度比第一犧牲次級金屬為低，使得這些金屬得組合不會引起基材的翹曲。根據更特定的實施例，該初級金屬包括鎳且第一及第二次級金屬包括銅。
於實施例中，其中初級金屬構造包括沿著它表面地帶的凹洞，較佳的，初級金屬構造之凹洞內的第一犧牲次級金屬的沉積速率比凹洞外部為快，使得沉積的次級金屬欠缺顯著的空隙形成。更特定地，沉積的犧牲次級金屬從鍍覆浴中電鍍，鍍覆浴包括選自由增亮劑、平整劑及抑制劑組成之群組的有機添加物。再更特定地，鍍覆浴可包括50g/l的銅、80g/l的酸、50 ppm的氯化物、12mL/L的增亮劑、2mL/L的抑制劑及3 mL/L的平整劑。較佳的微機電系統包括可與探針卡總成相結合使用以測試半導體裝置的彈簧。
圖式簡單說明
第1A圖描繪鍍覆在初級金屬上的第一次級金屬。
第1B圖描繪鍍覆在初級金屬上的第一及第二次級金屬。
第2圖描繪鍍覆在初級金屬上之先前技藝的第一及第二次級金屬。
第3圖描繪一含有凹洞的初級金屬構造，鍍覆於第一次級金屬上方的第一次級金屬及第二次級金屬超填充該等凹洞。
第4圖描繪以次級金屬超填充的初級金屬凹洞。
第5圖描繪以次級金屬填充初級金屬凹洞的習知方法。
將要了解的是，圖式不必然符合真實比例大小，說明本發明實施例的各種面向及特徵之處係特別地加以強調。
 說明實施例之詳細描述
以下敘述本發明的實施例。然而，明顯要注意的是，本發明不限於這些實施例，相反地，習於此藝者明顯可知的修改及均等範圍也會被包括於本發明的範圍內。
MEMS
此處之教示針對MEMS製造技術。MEMS一般關於一種小型積體裝置或系統，其結合電氣與機械組件而且在特別系統中，可含有從一些至幾百萬的任何數量。MEMS應用的例子非排除地可包括噴墨印表機、匣體、加速儀、微型機器人、微引擎、鎖、慣性感應器、微傳輸、微型鏡、微致動器、光學掃描機、流體幫浦、半導體探針、變換器與化學、壓力及流動感測器。MEMS能夠感測、控制及活動微觀的機械過程，並且個別或一起工作以產生宏觀的效果。微製造技術可以製造大型陣列的裝置，其等個別執行簡單的工作，但是結合起來可完成複雜的功能。MEMS非限制性地包括一或多個機械元件，諸如橫杆、齒輪、隔板及彈簧及類似物。此處教示可用於製造任何合適的MEMS或MEMS組件。所製造較佳的MEMS可包括單一基材上所建造之多數或橫向上非常大的微構造。
根據某些實施例，此處所提供的製程可用於形成初級金屬，與探針卡總成一起使用來測試半導體裝置的微機械處理的彈簧，諸如Touchdown Technologies公司(Baldwin Park，Calif)所建造者或是Form Factor公司(Livermore，Calif)所建造者。在所形成之構造係微機械加工彈簧的事例中，許多微機械加工彈簧可使用此處所述的製程而建造於單一基材上，使得許多彈簧可以同時接觸一晶圓的半導體晶片。使用此處所述的製程，比起習於此藝者所知的現行製程，讓微機械處理的彈簧可以建造於更大面積之單一基材的上方而且係實質上以更低的成本製造。
初級金屬
初級金屬700一般指稱併入最終MEMS產品成為一體的金屬，而且可為任何合適的金屬，諸如鎳、鎳合金、銠、Ni-Mn、Ni-Co、Ni-W、Ni-Cu、Sn、Sn-Pb、Sn-Ag及Ag。犧牲第一次級金屬800可用於圍繞任何合適的初級金屬700製成的MEMS組件。根據某些實施例，初級金屬700以任何合適的沉積方式(包括光微影術)被電鍍至基材100頂部上。使用光阻、遮罩及輻射以沉積初級金屬700至基材上係習於此藝者所熟知。例如，此處備置的初級金屬700構造可根據Tang的教示而沉積。
一般而言，備置基材100作為基底，而且可以為任何類型的基材，諸如矽、鍺及砷化鎵、陶瓷(諸如礬土、礬土氮化物低溫共燒陶瓷(LTCC)及高溫共燒陶瓷(HTCC))、金屬或玻璃。基材100可包括內建的貫穿孔，如此電流可從基材100的頂表面傳到下表面。於某些實施例中，貫穿孔可由金製作，但是也可使用任何其他的導體(諸如銅或鉑)。基材100也可含電氣重分布導體，使得它成為習於此藝所通稱的電氣"空間變壓器"。
一或多個鍍覆表面，諸如Cr/Au種層，可被施加至基材100的上表面。鍍覆表面可作為導電附著層及初級金屬700的電鍍種子，該初級金屬將會形成稍後要被電鍍之微構造。鍍覆表面種層可以噴濺機械沉積於基材100上，或者鍍覆表面種層可受e-光束蒸發、旋轉塗覆的導電聚合物或無電鍍覆。鍍覆種層可為任何皆知的材料及材料組合，諸如Cr在Au下、Ti在Cu下、Ti─W在Au下等等。種層通常非常薄而且可以300 A的Cr及2000 A的Au的組成物而施用，但是也可使用不同數量的其他組成物及厚度而未脫離本發明的精神。若基材100由金屬製作，則不需使用鍍覆基底，因為金屬可以構成鍍覆基底。此外，構造(諸如介電膜)及互連堆疊(包含導體及介電膜)可位在基材100與鍍覆種子之間，而依然未脫離此處教示的精神。
一般而言，任何合適的光阻可施加至種層或基材。可使用遮罩，如此當輻射向下射在遮罩上時，它穿過遮罩被修改以讓輻射到達光阻之處。遮罩被修改之處正下方位置的光阻被溶解，形成構型為接受初級金屬700的凹洞。初級金屬利用任何合適的方式(諸如電鍍)可被電沉積進入凹洞中。初級金屬700可為任何類型的金屬，譬如，Ni--Mn合金可以20-25 μm的數量被電鍍進入凹洞中。因為初級金屬700被機械加工(如層疊及拋光)以平面化該層並獲得一致控制的厚度，初級金屬700典型上鍍覆的厚度比該層所要的最終厚度稍厚。光阻使用任何合適的方法移除。
犧牲次級金屬
本發明的一重要面向為就各初級金屬700層而言，第一次級金屬800及第二次級金屬900均鍍覆橫過整個基材100，而未引起基材100的翹曲。注意的是，次級金屬不必然需要直接接觸基材100，因為基材100可能已經被鍍覆基底覆蓋。據此，此處所用的片語”鍍覆於整個基材100上”可僅是指稱為基材100環繞的整個表面區域而不必然是基材本身。
可對任何合適MEMS構造中之大部分的層(包括每一層)完成”鍍覆於整個基材上”，該MEMS構造包括具有例如10以上、15以上或20以上的層。鍍覆第一次級金屬800及第二次級金屬900於整個基材100上的組合的獨特性在於，它將機械加工(如層疊及拋光)期間所需的機械穩定性提供給初級金屬700構造而且將鍍覆基底提供給其後的懸垂層，而未翹曲基材100。此外，沉積第一次級金屬800及第二次級金屬900不限於光微影術過程，因此不需要量身訂製光阻、遮罩及UV輻射以圍繞初級構造700鍍覆。如以上發明背景所討論的，習知技術的方法，諸如Garabedian及Tang，其等的教示偏離(teach away from)就複階層MEMS構造中的各個層而言，鍍覆次級金屬於整個基材上。這些參考資料不鼓勵實施本發明的步驟，因為習於此藝者並未想出如何可以就複層MEMS構造的各層充分地鍍覆支持性次級金屬於整個基材上，同時沒有翹曲支持性基材100的方式。當基材100翹曲時是有害的，因為如此將使得平面化初級金屬700至一致的高度變得困難。於MEMS製造期間，高度希望初級金屬700被機械加工以提供表面上沒有坑洞或凹陷的平面化構造。
第2圖描繪利用光微影術(諸如Tang所揭示的技術)之犧牲金屬的習知鍍覆。依著Tang的揭示，次級金屬800的沉積為光阻、遮罩及輻射所產生的圖案所限制。顯影光阻、遮罩及施加輻射係耗時的步驟，而且可能的話應該除去以簡化MEMS的製造。與Tang相反的，此處的教示針對簡單地將初級金屬構造700浸入電解質的次級金屬鍍覆浴中以鍍覆基材100的整個表面。使用此處的教示，產生用於次級金屬圖案之特別光微影術凹洞的需求可被去除。
第一次級金屬800及第二次級金屬900兩者彼此之間應該具有類似及不同的性質。更特定地，較佳的是，第一次級金屬800的密度比第二次級金屬900為高，但是兩犧牲金屬都可使用不傷害初級金屬700的相同蝕刻劑而蝕刻去除。根據另外的實施例，第一800及第二900次級金屬在以下的一或多個特性上不同：晶粒大小、晶格結構、或晶粒雜質組成。更特定地，於某些實施例中較佳的是，第一次級金屬800為薄、高密度、細晶粒層，而第二次級金屬900層為較厚(10至200um且較佳地具有足夠厚度以整個覆蓋初級金屬)、低密度及較粗的晶粒。根據某些實施例，例如第二次級金屬900與第一次級金屬800為相同類型的金屬，但是混合有比第一次級金屬800為低密度的填充劑，諸如陶瓷類
根據較佳的實施例，及如第1A圖所示，第一次級金屬800較佳地非常薄，而且具有高密度以提供初級金屬700結構性支持。第一次級金屬800可為高應力金屬，大致上與50 MPa以上有關。第一次級金屬800較佳地鍍覆成薄層，諸如厚度介於1000埃至50微米間。若只想要對複層MEMS構造的各層，鍍覆薄的、高密度的第一次級金屬800於整個基材100地帶上(如第1A圖所示)，則於機械加工(例如研磨、層疊、拋光、化學機械性拋光、放電機械加工或其他常常碰到的機械加工過程)期間，初級金屬件700很可能沒有足夠的結構支持。相反地，若厚層的高密度次級金屬要被鍍覆於整個基材上，使得第一次級金屬800也會覆蓋第1B圖中第二次級金屬900表示的地帶，那麼基材100將容易翹曲。
為了解決上述問題，比第一次級金屬800密度為低的第二次級金屬900可以厚厚地鍍覆於第一次級金屬800上，使得它覆蓋於整個基材100表面上。第二次級金屬900可為低應力金屬，其大致上與50 GPa以下相關。第二次級金屬900較佳地被鍍覆成厚層，諸如厚度介於10至200微米之間。第一、高密度的次級金屬800與第二、低密度次級金屬900的結合顯示於第1B圖中。有利的，加入低密度第二次級金屬900有助於在機械加工期間將足夠的結構性支持提供與初級金屬，同時相較於僅有厚的第一次級金屬800鍍覆，其在基材100上提供較少的整體機械應力。
此處所用的次級金屬800及900應該相當適合以普通機械加工技術(例如包括研磨及研磨性疊層)平面化而且較佳地為導電的。於一實施例中，犧牲的、第一次級金屬800可為銅、銅合金或是任何其他合適的金屬，且可被圍繞初級金屬700電鍍。第二次級金屬並非與第一次級金屬800完全相同，其可為可以被電鍍之不同類型的銅、銅合金或其他合適的金屬。潛在性第二次級金屬包括多孔性、晶粒穩定化及複合的金屬，諸如：Cu、Pb、Ag、Au、Sn、In、Pb--Sn及相似物與相似物的合金，這些均為電沉積技術領域為熟悉。根據某些實施例，可以使用含陶瓷粉末懸浮體的銅複合物。
鍍覆上述之初級金屬構造700及兩不同次級金屬800及900的過程步驟可以重複以產生複層的中間MEMS構造。初級金屬700及次級金屬800及900組合體然後可被機械加工直到初級金屬700成為所要的型式。
不論它是用作機械性支持或用作導電性鍍覆基底，第一次級金屬800及第二次級金屬900兩者均整個地犧牲，意謂著它們於最終產物(由初級金屬700製作)形成之前將會被完全地移除。次級金屬800及900(及可能存在的任何其他次級金屬)均可使用蝕刻劑而蝕刻除去，該蝕刻劑不會實質上蝕刻或者損害初級金屬700。根據更加特定的實施例，第一800及第二900次級金屬(及任何另外的次級金屬)兩者可使用相同的蝕刻劑蝕刻除去，如此使用者對於各個次級金屬不需要使用兩種不同的蝕刻浴。例如，蝕刻劑典型上為酸性水溶液(諸如氯化鐵)，而且可被加熱及在壓力下被引導至鍍覆體的兩側。蝕刻劑只與犧牲次級金屬反應，較佳地非常快速地它們腐蝕除去。
此外，任一種層，諸如初級及次級種層，也可使用不同的蝕刻劑或使用與次級金屬所用者相同的蝕刻劑而蝕刻除去。較佳地，各次級金屬及各種層可以相同蝕刻劑於一步驟中除去，而未損害初級金屬構造700。
雖然此處的敘述主要是針對僅有第一及第二犧牲次級金屬的使用，但是習於此藝者將會認知到更多類型的犧牲金屬都可鍍覆，而仍然未脫離此處的教示範圍。例如使用第三或第四犧牲次級金屬也可很快地由此處推知。相似地，較佳的是，各鍍覆次級金屬可以相同蝕刻劑蝕刻除去，使得它不致損害初級金屬700。
超填充(Superfilling)第一犧牲次級金屬
第一犧牲、次級金屬可圍繞初級金屬700沉積，更佳地電鍍，使得它覆蓋沒有凹洞或小井的初級金屬700表面與水平的表面平面830，其沉積速度比於垂直井820或初級金屬特徵間之空間內的沉積速度為慢。與水平沉積相較，沿著垂直表面平面840(諸如凹洞、垂直井820與初級金屬特徵的空間)的沉積以較快速率完成，於此處稱作“超填充”。除非另有說明，在初級金屬700特徵或結構開口之底部之犧牲次級金屬800的沉積速率大於在特徵或結構開口之頂表面的沉積速率。第3圖描繪具有以第一次級金屬800超填充之井820的初級金屬構造700。
超填充係有利的，這是因為它可防止沉積之犧牲、次級金屬800中的空隙，並因此於初級金屬700之機械加工過程期間，相較於含有空隙的次級金屬而言，提供了強化的結構穩定性。機械加工，一般而言，與研磨、層疊、拋光、化學機械拋光、放電機械加工或任何其他常常碰到的機械加工過程相關。
犧牲、次級金屬之垂直及水平沉積速率的控制可經由使用合適的技術(如Dubin及Andricacos中提供者以及此處所記載與併入的參考文件)而完成。超填充為根據多數因子之高度變化的技術，該等多數因子非排除地包括：分析試劑、添加物、化學及臨界尺寸，臨界尺寸與可一致地蝕刻至所給定之MEMS件上的最小特徵相關。習於此藝者將很快地可以評估超填充所必須的相關變數以充分地控制次級金屬的沉積速率。
次級金屬沉積速率的控制可以經由次級金屬鍍覆浴中添加物的使用而達成。合適調配溶液之電解鍍覆為完成超填充的最佳方式之一。為了防止the次級金屬800中空隙的形成，在初級金屬特徵700內之低或深點的電鍍速率應該比其他地方還高。超填充次級金屬及傳統次級金屬沉積之間的比較分別顯示於第4及5圖。如第4圖所示，例如藉由使用添加物至鍍覆浴比沿著水平表面830的外部沉積還快，次級金屬800沉積於初級金屬700特徵之間，諸如井820。內部特徵中的較優勢沉積可能是由於添加物在這些位置的較低傳送速率，因而導致次級金屬於井820中之局部沉積速率的增加。特定地，在內部角落處，添加物的傳送速率最低，所以次級金屬沉積速率最高。相反地，如第5圖所示，使用傳統次級金屬化技術之初級金屬700特徵間的次級金屬沉積速率較慢。這些傳統方法造成次級金屬800中的空隙，因此消耗了初級金屬700於機械加工期間所提供的支持強度。
添加物可加入次級金屬鍍覆浴以完成超填充。來自含有添加物(其傳統上用於在粗糙表面上產生平坦沉積)之溶液的銅鍍覆可用於完成超填充來填充初級金屬特徵間的凹洞。添加物之一合適的系統為Enthone-OMI公司(New Haven，Conn)所銷售且稱作SelRex Cubath M系統者。上述添加物製造者稱為MHy。另一添加物的合適系統為LeaRonal公司(Freeport，N.Y.)銷售且稱作銅Gleam 2001系統者。該添加物製造者稱為銅Gleam 2001載體、銅Gleam 2001-HTL及銅Gleam 2001平整劑。添加物之又一合適的系統為Atotech USA公司(State Park，Pa.)所銷售且稱作Cupracid HS系統者。此系統中的添加物製造者稱作Cupracid增亮劑及Cupracid HS基本平整劑。
允許超填充之鍍覆添加劑可包括例如增亮劑(也稱作加速劑)，表面活性劑、平整劑、抑制劑。增亮劑或加速劑，典型上包括含硫有機化合物，而且也可併入官能基團，諸如Sonnenberg等人的美國專利第5,252,196號所述者，該文件主題的全部內容併入此處作為參考。增亮劑的例子包括二硫化磺酸丙基(SPS)及巰基丙烷磺酸(MPS)。任何合適的表面活性劑，諸如聚乙二醇(PEG)可用於此處所述的次級金屬浴。平整劑或整平劑可包括聚胺及胺與炔屬烴氧化物及環氧鹵丙烷的反應產物以及染料化合物，諸如苯基酚嗪離子(phenazinium)化合物，例如Brunner等人的美國專利公開案US 2007/0108062、Brunner等人的美國專利公開案US 2006/0226021及Murao的美國專利公開案US 2004/0231995中所描述者，各文件之主題的全部內容併入此處作為參考。平整劑的一例為Janus Green B。有機聚合物可被用作銅電鍍的抑制劑。另外的添加物及/或副產物也可被引入次級金屬的電鍍溶液中。
可被用於犧牲次級金屬800之一較佳的銅鍍覆溶液包括以下的成分：Cu 50 g/l，酸80g/l，Cl 50 ppm，加速劑12mL/L，抑制劑2mL/L及平整劑3 mL/L。
本發明可被加入浴中之特別添加物的例子描述於數個專利中。一些列於此處且各專利的全部內容併入此處作為參考：美國專利第4,110,176號揭示使用添加物，諸如聚烷醇四級銨鹽，其從水狀酸性銅鍍覆浴中形成為反應產品以賦予明亮、高延展、低應力及高平整的銅沉積。A. Watson的美國專利第4,376,685號描述鍍覆浴的添加物，諸如烷化聚炔屬烴亞胺，其從水狀酸性浴中形成反應產品以提供明亮且平整的銅電沉積。
W. Dahms的美國專利第4,975,159號描述許多不同的有機添加物，包括至少一取代的烷氧化內醯胺作為含醯胺基團化合物，其數量足以使得沉積銅的亮度及延展性最佳化，該有機添加物可被加入根據此處教示的次級金屬鍍覆浴中。表I、II及III提供的添加物適合與此處教示者一起使用。這些添加物非排除地包括烷氧化內醯胺、具水溶性基團的含硫化合物(諸如3-巰基丙烷-1-磺酸)與有機化合物(諸如聚乙二醇)。
H-G Creutz的美國專利第3,770,598號描述含有增亮數量之聚乙烯亞胺及烷化劑的反應產物的酸性銅浴，以產生四級氮、帶有至少一磺基團的有機硫化物以及聚醚化合物(諸如聚丙二醇)。
H-G Creutz等人的美國專利第3,328,273號描述用以獲得含良好平整性之明亮、低應力沉積的硫酸銅及氟硼酸鹽浴，其含有化學式XR1─(Sn)─R2-SO3H的有機硫化合物，其中R1及R2相同或不同而且為含1-6碳原子的聚亞甲基基團或炔基團，X為氫或磺酸基團，且n為2-5(含2及5)的整數。此外這些浴可含有聚醚化合物，含鄰接硫原子的有機硫化物及啡嗪染料。此專利的表I與表II提供了包括聚硫化物及聚醚化合物的特別添加物，其等可使用此處的教示而被加入犧牲次級金屬浴中。
添加氯離子及MHy添加物至次級金屬溶液(諸如0.3 M硫酸銅及10%體積的硫酸)中可造成超填充。產生超填充的MHy濃度範圍可為約0.1至約2.5體積百分比。超填充的氯離子濃度範圍可為從10至300 ppm。相似的超填充結果可從含有0.1至0.4M範圍之硫酸銅、10至20%體積範圍的硫酸、10至300 ppm範圍的氯及LeaRonal添加物(0.1至1%體積範圍的銅Gleam 2001載體、0.1至1%體積範圍的銅Gleam 2001-HTL與0至1%體積範圍的銅Gleam 2001平整劑)的溶液中獲得。最終，類似的超填充結果可以由含上述範圍之硫酸銅、硫酸及氯離子的溶液及0.5至3%體積範圍的Atotech添加物Cupracid增亮劑及0.01至0.5%體積範圍的Cupracid HS基本平整劑中獲得。
此處所用之超填充技術並不針對包封少於50微米的特徵。更特定地，此處之次級金屬化係用以包封50-100微米的初級金屬(例如鎳)特徵。此處提供之鍍覆過程較佳地完成於保持於僅與電解質的自由表面相接觸(而非浸入電解質之中)的基材表面上，諸如在杯狀鍍覆電池中(參見S. Aigo的美國專利第4,339,319號，其全部內容併入此處作為參考)。當要鍍覆的表面於鍍覆期間保持於與電解質的彎液面相接觸，則大寬度(50-100微米)的凹洞可以於相同速率下被快速及均勻地填充。彎液面鍍覆的超填充性質係由於較高濃度及也許是空氣-液體表面之表面活性加入分子的不同位向之故。雖然當引入欲鍍覆表面時，這些分子可開始重新分布，但是殘餘效應可能會持續整個鍍覆期間(達數分鐘之久)。就鍍覆MEMS製造中出現的較寬凹洞(50-100微米)而言，槳狀鍍覆電池並非較佳的。
電鍍的犧牲次級金屬較佳地為實質上由Cu製作且含有少量的C原子及/或分子片段(少於2重量百分比)，與O(少於1重量百分比)、N(少於1重量百分比)、S(少於1重量百分比)或Cl(少於1重量百分比)。這些額外的組份明顯地來自添加物的分解及後續地可能以分子片段而非原子的型式併入沉積物中。
控制銅鍍覆溶液中添加物的方法也記載於Horkans等人的美國專利6,592,747中，其全部內容明示地併入此處。此專利教示銅鍍覆浴中的有機添加劑，其藉由以硫酸及鹽酸與任意地銅鹽稀釋浴樣本而監控。稀釋作用提供具有傳統濃度之銅離子、硫酸及鹽酸的浴；及調整有機添加劑的濃度為它們在樣本中原始值的1/X；其中X為稀釋因子。CVS技術用於決定有機添加劑的濃度。
來自上述的額外及另外的程序步驟想要時可用於MEMS製造。除了及超過此處所述以外，本發明可以其他特別型式具體化。因此前述實施例在各方面都應被認為是說明性而非限制性，而且本發明的範圍僅由附加的申請專利範圍及其均等範圍所界定及限制，而非由先前的描述所界定及限制。
100．．．基材
700．．．初級金屬
800．．．第一次級金屬
820．．．井
830．．．水平表面
840．．．垂直表面
900．．．第二次級金屬
第1A圖描繪鍍覆在初級金屬上的第一次級金屬。
第1B圖描繪鍍覆在初級金屬上的第一及第二次級金屬。
第2圖描繪鍍覆在初級金屬上之先前技藝的第一及第二次級金屬。
第3圖描繪一含有凹洞的初級金屬構造，鍍覆於第一次級金屬上方的第一次級金屬及第二次級金屬超填充該等凹洞。
第4圖描繪以次級金屬超填充的初級金屬凹洞。
第5圖描繪以次級金屬填充初級金屬凹洞的習知方法。
100‧‧‧基材
700‧‧‧初級金屬
800‧‧‧第一次級金屬
820‧‧‧井
830‧‧‧水平表面
840‧‧‧垂直表面
900‧‧‧第二次級金屬

Claims (20)

  1. 一種用以製造一複層微機電系統的方法，包括：a)提供為一基材支持的一初級金屬構造；b)圍繞該初級金屬構造及在該基材的整個表面上方沉積一第一犧牲次級金屬為一薄層；c)圍繞第一犧牲次級金屬及在該基材的整個表面上方沉積一第二犧牲次級金屬為一厚層；d)機械加工該初級與第一及第二犧牲次級金屬；e)重複上述步驟(a)-(d)直到所要的複層構造被製造；及f)從該經機械加工的初級金屬構造蝕刻除去該第一及第二犧牲次級金屬以形成一複層的微機電系統；其中該沉積的第二犧牲次級金屬的密度比該第一犧牲次級金屬為低，使得這些金屬的組合不會引起該基材的翹曲。
  2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中蝕刻除去該第一及第二犧牲次級金屬不會實質上蝕刻該經機械加工的初級金屬構造。
  3. 如申請專利範圍第2項的方法，其中該第一及第二犧牲次級金屬兩者都使用相同的蝕刻劑蝕刻除去。
  4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該沉積的第一及第二犧牲次級金屬於機械加工期間對該初級金屬提供水平的機械支持。
  5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該初級金屬包括鎳。
  6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該第一及第二次級金屬包括銅。
  7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該初級金屬構造包括沿著其表面地帶的凹洞，而且該第一犧牲次級金屬在該初級金屬構造之凹洞內的沉積速率比在該凹洞外部還快。
  8. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該沉積的次級金屬欠缺顯著的空隙形成。
  9. 如申請專利範圍第7項的方法，其中該沉積的犧牲次級金屬從鍍覆浴中電鍍，該鍍覆浴包括選自由增亮劑、平整劑(levelers)及抑制劑組成之群組的有機添加物。
  10. 如申請專利範圍第9項的方法，其中該鍍覆浴包括50g/L的銅、80g/L的酸、50ppm的氯化物、12mL/L的增亮劑、2mL/L的抑制劑及3mL/L的平整劑。
  11. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該微機電系統為可與一探針卡總成結合使用以測試半導體裝置的一彈簧。
  12. 一種用於微機電系統製造之中間性、複層、金屬性的複合物，包括：a)支持數個初級及次級金屬性構造層的一基材，其中各層包括：b)構型為併入該製造之微機電系統組件中成為一體的一初級金屬構造；c)沉積為一薄層的第一犧牲次級金屬，其圍繞該初級金屬構造沉積且沉積在該基材的整個表面上方；及 d)沉積為一厚層的第二犧牲次級金屬，其圍繞該第一犧牲次級金屬構造沉積且沉積在該基材的整個表面上方；及e)其中該第二犧牲次級金屬的密度比該第一犧牲次級金屬為低，使得這些金屬的組合不會引起該基材的翹曲。
  13. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該第一及第二犧牲次級金屬兩者構型為使用相同的蝕刻劑蝕刻除去且未蝕刻該初級金屬。
  14. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該沉積的第一及第二犧牲次級金屬構型為於機械加工期間對該初級金屬提供水平的機械支持。
  15. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該第二犧牲次級金屬包含一含陶瓷粉末懸浮體的銅複合物。
  16. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該初級金屬構造包括沿著它表面地帶的凹洞，且該沉積的第一犧牲次級金屬欠缺顯著的空隙形成。
  17. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該初級金屬構造包括鎳。
  18. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該第一及第二犧牲次級金屬包括銅。
  19. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該第一犧牲次級金屬包括一平整劑(leveling agent)。
  20. 如申請專利範圍第12項之中間性、複層、金屬性的複合物，其中該第二犧牲次級金屬包括一平整劑(leveling agent)。
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