專利名稱：制造微機械元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及制造微機械結(jié)構(gòu)的技術(shù)，和更特別地涉及生產(chǎn)微電子機械元件的犧牲層的技術(shù)，所述犧牲層可例如用作開關(guān)、繼電器、可熔連接件、邏輯元件或存儲元件。
對使用硅基加工技術(shù)制造的微(電子)機械器件和結(jié)構(gòu)的需求日益增長。感興趣的一個領(lǐng)域是使用這種器件用于切換電流，例如JP2002-170470、JP 2002-23073、EP 1146533、EP 1089261、WO 99/10907、EP 1156499、US 2002/0027487或WO 99/63559。制造微(電子)機械結(jié)構(gòu)的技術(shù)包括使用犧牲層技術(shù)的硅的本體微加工，或表面微加工。犧牲層技術(shù)常用于獨立(free-standing)或發(fā)射(lifted-off)結(jié)構(gòu)，例如DE 10108663、WO 02/44078、WO 99/35035、WO 01/44822、US 6251699或WO 01/19723?；卓砂ɡ绻?、氧化硅、玻璃或陶瓷。犧牲和結(jié)構(gòu)層可包括金屬，例如鎳、銅、鉻、鈷、鋅、鐵或合金；半導(dǎo)體材料，例如硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅；玻璃，例如硅酸磷玻璃；聚合物，陶瓷；光致抗蝕劑、箔或易于精確加工的任何其它材料。標(biāo)準(zhǔn)的剝離技術(shù)使用干法(等離子)或濕法蝕刻犧牲層。WO 02/064495和WO98/29720公開了電化學(xué)蝕刻犧牲層。
在本體或表面微加工中所使用的許多材料和方法與微電子電路不相容，因此使得不可能用于半導(dǎo)體制造設(shè)施中。這種“不相容”問題的通常解決方法是獨立地制造微電子電路部件和微(電子)機械部件，之后，例如使用倒裝芯片工藝將它們設(shè)置在一起。然而，連接不同部件通常是復(fù)雜的，尤其因為通常要求非常精確的校準(zhǔn)。這導(dǎo)致高的制造成本。因此希望具有在含微電子，更特別地CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)電路的基底上制造微(電子)機械結(jié)構(gòu)和元件的方法，從而僅僅采用在半導(dǎo)體工業(yè)中常用且對微電子電路及其操作沒有負面影響的材料和處理技術(shù)。本發(fā)明旨在提供這樣一種方法。
本發(fā)明提供一種制造微機械元件的方法，該方法包括下述步驟提供基礎(chǔ)材料層；施加至少一層可蝕刻材料的至少部分犧牲層；例如通過光刻(lithography)和蝕刻圖案化至少部分犧牲層，以確定該元件的至少一部分形狀；施加至少一層機械材料的結(jié)構(gòu)層；例如通過光刻和蝕刻圖案化該結(jié)構(gòu)層，以形成該元件的至少一部分；和至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層，以至少部分脫離(free)該元件，其中機械材料選自導(dǎo)電材料。
基礎(chǔ)材料層可以是在硅基底上的氧化硅或其它材料層，其中在所述硅基底之內(nèi)或之上制造微電子電路，但也可使用其它基底，如砷化鎵或陶瓷基底?；鶎涌杀粓D案化。機械材料導(dǎo)電，該元件既可充當(dāng)機械元件，又可充當(dāng)電子元件，如導(dǎo)電通路和/或電極。
在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，機械材料含有鈦，優(yōu)選氮化鈦，更優(yōu)選富氮的氮化鈦。這些材料常用于半導(dǎo)體工業(yè)中?；蛘撸瑱C械材料可含有鉑，鉑也與微電子電路相容，但不如氮化鈦那樣可廣泛獲得。除了與微電子電路的相容性以外，重要的是，機械、導(dǎo)電材料不容易銹蝕或在其表面上形成絕緣氧化物。氮化鈦和鉑是滿足這兩個要求的非常少見的兩種材料。然而，滿足這些條件的任何其它材料，例如氮化鉭可以是合適的。
優(yōu)選地，可蝕刻材料選自硅基材料，如氮化硅、無定形硅、氧化硅和玻璃，例如SOG(旋涂玻璃)。這些材料也常?？稍诎雽?dǎo)體制造設(shè)施中獲得。此外，可存在相對于氮化鈦選擇性蝕刻這些材料的蝕刻方法。至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層可包括在蝕刻工藝，優(yōu)選RF等離子蝕刻工藝中使用氟源氣體，優(yōu)選三氟化氮或六氟化硫。
對于犧牲層是氮化硅的情況來說，可通過控制沉積條件來增加蝕刻速度，以產(chǎn)生具有高氫含量的層。具有高氫含量的氮化硅層可在例如三氟化氮或六氟化硫氣體中更快速地蝕刻。可使用它來降低基底材料和其它層暴露于蝕刻下的時間。
或者，可蝕刻材料可含有聚合物，例如聚酰亞胺，它也與微電子電路相容。在此情況下，至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層可包括在等離子蝕刻工藝中使用氧氣?？墒褂眉冄趸蛘吆醯姆礆怏w，如四氟化碳、三氟化氮或六氟化硫。
在本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案中，該方法進一步包括下述步驟施加至少一層導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層；和例如通過光刻和蝕刻圖案化該導(dǎo)電層，以形成至少一個第一電極的至少一部分。
導(dǎo)電材料可含有鈦，優(yōu)選氮化鈦，更優(yōu)選富氮的氮化鈦?；蛘撸摬牧峡珊秀K。如前所述，這些材料或多或少地常用于半導(dǎo)體工業(yè)中，它們與微電子電路相容且它們不容易銹蝕或在其表面上形成絕緣氧化物。然而，滿足這些條件的任何其它材料，例如氮化鉭可以是合適的。
在至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層的過程中，可從至少部分已脫離元件和第一電極的至少一部分表面除去控制量的材料。這使得可精確控制釋放元件的曲率，以及在最終元件內(nèi)電極表面的導(dǎo)電率。
參考下述詳細說明并結(jié)合

圖1a-1g，將更充分地理解本發(fā)明，所述圖1a-1g描述了根據(jù)本發(fā)明方法的優(yōu)選實施方案的非限制性實例，制造微電子機械元件的制造工藝的連續(xù)步驟。
在圖1a所述的第一步中，在基底1上沉積富氮的氮化鈦的導(dǎo)電層2。氮化鈦常用于大多數(shù)(CMOS)半導(dǎo)體制造設(shè)施中作為阻擋層或者作為ARC(抗反射涂層)。另外，熟練技術(shù)人員會意識到CMOS金屬的每一層可包括氮化鈦層作為在底部的阻擋層和第二氮化鈦層作為在頂部的ARC層。可通過在相對低溫下，在氬氣和氮氣氛圍內(nèi)，反應(yīng)性濺射鈦靶，沉積氮化鈦層。這一技術(shù)使得可良好地控制沉積的氮化鈦層的性能。也可使用偏置濺射以更好地控制導(dǎo)電層2的性能。特別地，富氮的氮化鈦不容易銹蝕或者在其表面上形成絕緣氧化物。
在圖1b所述的第二步中，通過微電子工業(yè)中常見的技術(shù)，使用在大多數(shù)半導(dǎo)體制造設(shè)施中通?？色@得的工藝設(shè)備，圖案化和蝕刻導(dǎo)電層2。因此，形成不可移動的底部電極11。特別地控制圖案化的導(dǎo)電層2′的確切形狀，以提高下一層和隨后層的性能和改進最終元件10的可靠度與產(chǎn)率?？墒褂锰厥獾墓に嚰夹g(shù)改進下一層的分級覆蓋，以控制圖案化的導(dǎo)電層2′的頂部表面的粗糙度和導(dǎo)電率，和改進第一電極11的電接觸性能。
在圖1c所述的第三步中，可能地在導(dǎo)電層2或者圖案化的導(dǎo)電層2′的特殊表面處理之后，在圖案化的導(dǎo)電層2′上沉積硅基材料的犧牲層3?？墒褂脽o定形硅或氮化硅，或者具有合適性能的任何其它硅基材料，具體地包括濺射無定形硅、PECVD(等離子體加強的化學(xué)氣相沉積)無定形硅和PECVD氮化硅。使用無定形硅或氮化硅尤其有利，這是因為這些材料常用于制造微電子電路，且在大多數(shù)半導(dǎo)體制造設(shè)施中可獲得，和因為可在與基底1之上或之內(nèi)存在的任何微電子電路相容的相對低溫下，通過濺射、反應(yīng)性濺射或PEVCD沉積這些材料。此外，可相對于氮化鈦，各向同性或者接近各向同性地選擇蝕刻這些材料，且以有限和可控的用量蝕刻到氮化鈦材料內(nèi)。犧牲層3的沉積方法可包括特殊特征以控制材料的性能，在犧牲層3與其它層之間的幾何形狀關(guān)系，階梯覆蓋率，和在犧牲層3與其它層之間的相互作用。
在圖1d所述的第四步中，通過微電子工業(yè)常規(guī)的技術(shù)，使用在大多數(shù)半導(dǎo)體制造設(shè)施中可商購的工藝設(shè)備，圖案化和蝕刻犧牲層3?？墒褂锰厥夤に嚰夹g(shù)控制圖案化的犧牲層3′的確切形狀，以便下一層獲得良好的階梯覆蓋率。
在圖1e所述的第五步中，在圖案化的犧牲層3′和底下的圖案化的導(dǎo)電層2′上沉積富氮的氮化鈦的結(jié)構(gòu)層4。該方法可與第一步中沉積導(dǎo)電層2的方法相同或相類似。除了前面所述的優(yōu)點以外，氮化鈦還顯示出相對高的機械強度，結(jié)果它適合作為元件10的機械材料。藉助沉積工藝參數(shù)的特殊控制，其中包括可使用偏置濺射以更好地控制結(jié)構(gòu)層4的性能，可控制最終元件10的脫離部分的曲率，以及在底下層的各步中層4的階梯覆蓋率，以便在最終元件10內(nèi)存在充足的機械和電連續(xù)性。此外，以使得在圖案化的導(dǎo)電層2′和圖案化的結(jié)構(gòu)層4′之間存在良好的電接觸的方式進行沉積工藝順序(它可包括濺射蝕刻)，在此使得這兩層在最終的微電子機械元件10內(nèi)接觸。
在圖1f所述的第六步中，通過與第二步中圖案化和蝕刻導(dǎo)電層2的工藝相當(dāng)或類似的工藝圖案化和蝕刻結(jié)構(gòu)層4。由于結(jié)構(gòu)層4由導(dǎo)電材料制成，因此最終元件10的剝離部分導(dǎo)電且可充當(dāng)導(dǎo)電通路和可移動的上部電極12。
在圖1g所述的第七步中，通過在等離子體蝕刻體系中，使用氟源氣體如氟化氮或六氟化硫氣體，蝕刻掉圖案化的犧牲層3′，從而部分剝離元件10。等離子體系可具有單一或二元RF電源，以便可獨立地控制等離子體密度和轟擊基底表面(元件10位于其內(nèi))的平均離子能量。特別地控制等離子條件，以便圖案化的犧牲層3′被蝕刻掉，同時圖案化的氮化鈦層2′、4′沒有被除去且僅僅略微變化或者保持未變。此外，可控制等離子條件，以便僅僅控制量的材料從電極11、12的表面上除去，和以便最終元件10的剝離部分的曲率保持在正確操作所要求的數(shù)值內(nèi)。重要的是，在剝離工藝過程中，不存在當(dāng)元件10的剝離部分的差別應(yīng)力引起它彎曲并接觸另一表面的時候。若出現(xiàn)這一情況，可發(fā)生粘附。對于一些應(yīng)用來說，重要的是不發(fā)生這一情況。通過精確地控制基底1的溫度、施加到一個或兩個RF電極上的RF功率，和工藝過程氣體的壓力和流量，從而進行剝離蝕刻等離子的特殊控制。這使得可精確控制氮化鈦2′、4′的暴露表面的蝕刻和元件10的剝離部分的曲率，以及氮化鈦電極11、12的表面導(dǎo)電率。在剝離蝕刻之后，可進行特殊的后處理，以改性電極11、12的表面，降低電極11、12之間的接觸電阻，當(dāng)它們彼此接觸時。
對于犧牲層3是氮化硅的情況來說，可通過控制沉積條件來控制蝕刻速度，產(chǎn)生具有高氫含量的層?？稍诶缛蛄驓怏w中更快速地蝕刻具有高氫含量的氮化硅層?？墒褂盟档突撞牧虾偷伇┞队谖g刻下的時間。
制造微電子機械元件10所使用的所有材料(不管它們是永久的(如導(dǎo)電層2和結(jié)構(gòu)層4)還是臨時的(如犧牲層3))與微電子，尤其CMOS電路，就材料的性能以及進行沉積、圖案化和蝕刻使用的所有工藝和這些材料的所有其它處理充分相容。
特別地，可在沒有對微電子，尤其CMOS電路引起任何顯著負面影響的情況下，進行制造微電子機械元件10所要求的所有工藝，和若微電子機械元件制造工藝確實引起微電子電路內(nèi)的任何變化，則可通過對生產(chǎn)微電子電路所使用的正常制造工藝進行微小改良，以便微電子電路能在其正常技術(shù)規(guī)格內(nèi)操作，從而逆轉(zhuǎn)或補償這些變化。
因此，可在不需要費力和麻煩的處理工藝、校準(zhǔn)和連接獨立的微型部件的情況下，通過較高的產(chǎn)量、較小的寬度和器件尺寸、較大的晶片面積，和與已有的半導(dǎo)體，例如CMOS制造設(shè)施固有的較低的制造成本來利用全部優(yōu)點。
權(quán)利要求
1.一種制造微機械元件(10)的方法，該方法包括下述步驟提供基礎(chǔ)材料層(1)；施加至少一層可蝕刻材料的至少部分犧牲層(3)；例如通過光刻和蝕刻圖案化至少部分犧牲層(3)，以確定該元件(10)的至少一部分形狀；施加至少一層機械材料的結(jié)構(gòu)層(4)；例如通過光刻和蝕刻圖案化該結(jié)構(gòu)層(4)，形成該元件(10)的至少一部分；和至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層(3′)，以至少部分脫離該元件(10)；其中該機械材料選自導(dǎo)電材料。
2.權(quán)利要求1的方法，其中機械材料含有鈦。
3.權(quán)利要求2的方法，其中機械材料含有氮化鈦，優(yōu)選富氮的氮化鈦。
4.權(quán)利要求1的方法，其中機械材料含有鉑。
5.權(quán)利要求1-4任何一項的方法，其中可蝕刻材料選自硅基材料。
6.權(quán)利要求5的方法，其中可蝕刻材料含有氮化硅。
7.權(quán)利要求6的方法，其中通過增加氫含量來增加氮化硅的蝕刻速度。
8.權(quán)利要求5的方法，其中可蝕刻材料含有無定形硅。
9.權(quán)利要求5的方法，其中可蝕刻材料含有氧化硅。
10.權(quán)利要求5的方法，其中可蝕刻材料含有玻璃，例如SOG(旋涂玻璃)。
11.權(quán)利要求1-4任何一項的方法，其中可蝕刻材料含有聚合物，例如聚酰亞胺。
12.權(quán)利要求5-10任何一項的方法，其中至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層(3′)包括在蝕刻工藝，優(yōu)選RF或微波等離子蝕刻工藝中，使用氟源氣體，優(yōu)選三氟化氮或六氟化硫。
13.權(quán)利要求11的方法，其中至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層(3′)包括在等離子蝕刻工藝中使用氧氣。
14.前述任何一項權(quán)利要求的方法，進一步包括下述步驟施加至少一層導(dǎo)電材料的導(dǎo)電層(2)；和例如通過光刻和蝕刻圖案化該導(dǎo)電層(2)，以形成至少一個第一電極(11)的至少一部分。
15.權(quán)利要求14的方法，其中導(dǎo)電材料含有鈦。
16.權(quán)利要求15的方法，其中導(dǎo)電材料含有氮化鈦，優(yōu)選富氮的氮化鈦。
17.權(quán)利要求14的方法，其中導(dǎo)電材料含有鉑。
18.權(quán)利要求14-17任何一項的方法，其中在至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層(3′)的過程中，從第一電極(11)的至少部分表面除去控制量的材料。
19.前述任何一項權(quán)利要求的方法，其中在至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層(3′)的過程中，從元件(10)的脫離部分的至少部分表面除去控制量的材料。
全文摘要
制造微機械元件的方法，其中該方法包括下述步驟提供基礎(chǔ)材料層；施加至少一層可蝕刻材料的至少部分犧牲層；圖案化至少部分犧牲層，以確定該元件的至少一部分形狀；施加至少一層機械材料的結(jié)構(gòu)層；圖案化該結(jié)構(gòu)層，以形成該元件的至少一部分；和至少部分除去圖案化的至少部分犧牲層，以釋放部分脫離的元件。該機械材料選自導(dǎo)電材料。
文檔編號H01H1/00GK1798696SQ200480015545
公開日2006年7月5日 申請日期2004年4月26日 優(yōu)先權(quán)日2003年4月25日
發(fā)明者R·范坎蓬, C·G·史密斯, J·羅, A·J·維克斯 申請人:卡文迪什動力有限公司