用于改進mems器件的致動器層上的表面粗糙度和消除尖角的方法
【專利說明】用于改進MEMS器件的致動器層上的表面粗糙度和消除尖角的方法
相關申請的交叉引用
[0001]本申請要求2014年5月19日提交的標題為“用于改進加速度計和陀螺儀致動器上的表面粗糙度和消除尖角的方法(METHOD TO IMPROVE SURFACE ROUGHNESS ANDELIMINATE SHARP CORNERS ON AN ACCELEROMETER OR GYRO ACTUATOR) ” 的美國臨時專利申請號62/000,418的35USC 119(e)項下的權益，并且是2014年3月25日提交的標題為“減少 MEMS 結構的剝落破壞(REDUCT1N OF CHIPPING DAMAGE TO MEMS STRUCTURE) ”的美國專利申請號14/225，275(代理人案號IVS-217/5331P)的部分繼續申請，所有這些專利申請通過引用以其全部內容結合于此。
發明領域
[0002]本發明總體上涉及MEMS (微機電系統)器件的制造，并且更具體地涉及在MEMS襯底上提供修圓的拐角和/或最小化扇形畸變(scalloping)。
發明背景
[0003]在多種環境中利用了 MEMS器件。MEMS器件可能遭受通常由機械沖擊(如根據其安排，在多個結構相互碰撞時)引起的破壞(如剝落)。
[0004]MEMS結構位于MEMS器件的當前側壁輪廓附近。典型地，剝落破壞是因為結構相互碰撞由于機械沖擊引起的。本領域的技術人員將認識到的是，在兩個結構相互發生接觸情況下當施加了機械沖擊時，可能發生剝落破壞，并且可以從面向第二襯底的致動器層表面發現剝落破壞。將進一步認識到的是，在面向例如襯底的那側上的剝落破壞經常可能是更成問題的，因為剝落的硅片可能掉落到襯底上的金屬電極上并且在旨在絕緣的電極之間產生電短路的機會。
[0005]不幸地，隨著需要將芯片越來越密集地放置在電路中，剝落破壞和電短路情況的可能性越來越大，從而使得增加器件之間的尺寸布置并非一種可行的選項。因此，所希望的是一種裝置和方法來克服這些挑戰并且提供以密集封裝的安排將MEMS安排在彼此附近，其中獨特的側壁或襯底構形降低了發生剝落和電短路的可能性。
發明概述
[0006]本發明滿足了這些需要并且已經響應當前技術水平，并且具體地響應本領域中的還沒有被當前可用的技術完全解決的問題和需要進行了開發。
[0007]本發明的一個實施例提供了一種用于形成MEMS器件的致動器層的方法，該方法包括對該致動器層進行蝕刻；并且
在蝕刻之后對該致動器層進行退火處理以減小該MEMS器件的表面粗糙度。
[0008]從以下結合以舉例方式展示本發明原理的附圖進行的詳細說明中，本發明的其他方面和優點將變得明顯。
附圖簡要說明
[0009]圖1A示出了在深反應離子蝕刻(DRIE)之后的MEMS器件的橫截面視圖。
[0010]圖1B示出了高溫退火的MEMS器件的橫截面視圖。
[0011]圖1C示出了根據一個實施例的致動器層的特寫輪廓。
詳細說明
[0012]本發明總體上涉及MEMS (微機電系統)器件的制造，并且更具體地涉及在MEMS襯底上提供修圓的拐角和/或最小化扇形畸變。
[0013]呈現以下說明以使得本領域的普通技術人員能夠制作和使用本發明，并且以下說明是在專利申請及其要求的背景下提供的。對在此描述的優選實施例及通用原理和特征作出的各種修改對于本領域的技術人員而言將是顯而易見的。因此，本發明不旨在局限于所示出的實施例而是旨在就本文如下的描述的原理和特征達成最廣泛范圍的一致。
[0014]在所描述的實施例中，微機電系統(MEMS)是指一類使用類半導體工藝制造的并且展現出機械特性(如移動或變形的能力)的結構或器件。在所描述的實施例中，該MEMS器件可以指被實現為微機電系統的半導體器件。MEMS結構可以指可以是更大的MEMS器件的一部分的任何特征。MEMS器件經常但不總是與電信號交互。MEMS器件包括但不限于陀螺儀、加速度計、磁強計、壓力傳感器、麥克風和射頻部件。包含MEMS結構的硅晶圓被稱為MEMS晶圓。
[0015]結構層可以指具有可移動結構的硅層。工程設計的絕緣體上硅(ESOI)晶圓可以指在硅結構層下面帶有空腔的SOI晶圓。蓋晶圓通常指用作對于絕緣體上硅晶圓中的較薄硅器件襯底的載體的更厚的襯底。
[0016]MEMS襯底為MEMS結構提供了機械支撐。MEMS結構層附接到MEMS襯底上。MEMS襯底還被稱為操作襯底或操作晶圓。在某些實施例中，操作襯底用作MEMS結構的蓋。蓋或蓋子為結構層提供保護并且可選地形成外殼的一部分。間隔部限定了結構層與IC襯底之間的豎直間隙。
[0017]間隔部還可以提供結構層與IC襯底之間的電接觸。間隔部還可以提供限定外殼的密封。集成電路(IC)襯底可以指帶有電路(通常CMOS電路)的硅襯底。空腔可以指襯底中的凹陷。芯片包括通常由半導體材料形成的至少一個襯底。單一芯片可以由多個襯底形成，其中這些襯底被以機械方式粘結在一起。多芯片包括至少2個襯底，其中這2個襯底是電連接的，但不需要機械粘結。
[0018]MEMS器件的致動器層蝕刻工藝包括蝕刻和側臂鈍化循環。由于此循環蝕刻和鈍化過程，側壁趨于具有峰和谷或者所謂的‘扇形畸變(scallop)’。如果在扇形畸變處具有銳峰，則由于兩個相鄰MEMS表面的撞擊，致動器層的平面內移動可能產生小顆粒。
[0019]MEMS器件的挑戰之一是致動器層的平面內和/或平面外移動產生的破裂。致動器層的平面內移動引起兩個表面之間的摩擦并且因此會產生扇形畸變。此外，致動器層以一定傾角的平面外移動能夠沿著致動器層的尖角引起相對更大的剝落。當將MEMS直接集成到CMOS襯底上時，剝落和/或顆粒能夠引起導致器件故障的CMOS電路短路。
[0020]申請人已經在2014年3月25日提交的標題為“減少MEMS結構的剝落破壞(REDUCT1N OF CHIPPING DAMAGE TO MEMS STRUCTURE) ”的美國專利申請號 14/225，275 (代理人案號IVS-217/5331P)中解決了扇形畸變和尖角的問題，該申請被授予本申請的受讓人，該申請通過引用結合在本說明書中。盡管以上指明的申請中所披露的技術是有效的，但希望的是用于解決致動器層的表面上的扇形畸變和尖角的問題的不同且改進的方法。
[0021]在根據一個實施例的方法中，MEMS器件的表面在氫環境下經過高溫退火處理，該環境增加了表面上的硅原子離子迀移率。實施高溫退火的優點是清除了 MEMS器件的表面上的扇形畸變和尖角。根據一個實施例的方法減少了表面上由平面內摩擦產生的顆粒并且減少了致動器層的平面外移動過程中由于其上的修圓的拐角引起的剝落。為了更詳細地說明本發明的特征，現在轉到結合附圖的以下說明。
[0022]圖1A示出了在深反應離子蝕刻(DRIE)之后的MEMS器件200的橫截面視圖。MEMS器件200包括與MEMS操作晶圓202聯接的MEMS襯底203。在本實施例中，該操作晶圓在其頂表面上包括氧化層201。MEMS器件200還包括上空腔207和MEMS粘結錨或間隔部206。MEMS襯底203還包括一個致動器層205，該致動器層通過如圖1B所示的DRIE被圖案化。
[0023]隨后的高溫退火將會為致動器層205提供光滑的表面和修圓的拐角。氫環境背景下的高溫退火具有100tC或更高的溫度。修圓的拐角是指具有大于等于0.2um的曲率半徑的角。
[0024]圖1C示出了根據一個實施例的致動器層205的特寫輪廓。如圖1C中所示，基于以上指明的工藝，扇形畸變被最小化，并且針對CMOS表面300提供了修圓的拐角。相應地，通過實施高溫退火，減少了 MEMS器件的表面上的扇形畸變和尖角。
[0025]在所描述的實施例中，該器件可以是具有可移動結構的任何MEMS器件或傳感器，例如但不限于加速度計、陀螺儀、磁傳感器和共振器。在所描述的實施例中，IC襯底可以包括用于感測并且處理MEMS器件的運動的電路，對此無限制。本領域的技術人員將認識到，可以用任何類型的襯底(如陶瓷襯底或硅襯底)來替代IC襯底920。
[0026]本文闡述的任何理論、操作機理、證明或成果是為了進一步增強對本發明的理解的，并且并不旨在使得本發明以任何方式依靠于這種理論、操作機理、證明或成果。應理解的是，雖然以上說明中詞語優選、優選地或優先的使用表明如此描述的特征可能是更令人希望的，但其可能不是必需的，并且沒有這些詞語的實施例可以是認為在本發明的范圍內的，該范圍由以下權利要求書限定。
[0027]盡管已經根據所示實施例對本發明進行了描述，但本領域的技術人員將容易地認識到，這些實施例可能存在多種變化并且這些變化將在本發明的精神和范圍內，如包含電路、電子器件、控制系統和其他電子和加工設備。因此，本技術領域的普通技術人員可以做出許多修改而不脫離所附的權利要求書的精神和范圍。還想到了本發明的許多其他實施例。
【主權項】
1.一種用于形成MEMS器件的致動器層的方法，該方法包括:對該致動器層進行蝕刻；并且在蝕刻之后對該致動器層進行退火處理以減小該MEMS器件的表面粗糙度。2.如權利要求1所述的方法，其中該退火處理減少了扇形畸變。3.如權利要求1所述的方法，其中該退火處理產生了修圓的拐角。4.如權利要求1所述的方法，其中該退火處理包括氫退火處理。5.如權利要求1所述的方法，其中該退火處理是在大于100C的溫度下進行的。6.如權利要求1所述的方法，其中該MEMS器件包括一個MEMS傳感器。
【專利摘要】在此披露了一種用于形成MEMS器件的致動器層的方法。該方法包括對致動器層進行蝕刻并且在蝕刻之后對致動器層進行退火處理以減少MEMS器件的表面粗糙度。
【IPC分類】B81B7/02, B81C1/00
【公開號】CN105084304
【申請號】CN201510251130
【發明人】彼得·斯米斯, 申鐘禹, 申鐘二
【申請人】因文森斯公司
【公開日】2015年11月25日
【申請日】2015年5月18日
【公告號】US20150274517