專利名稱：制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)，特別涉及通過制造和連接多個獨立結(jié)構(gòu)層 而形成多層三維微器件或微結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
多層制造技術(shù)是目前最有發(fā)展前景的一種制造復(fù)雜三維微器件或微結(jié)構(gòu)的制造 技術(shù)。美國專利5，190，637和6，027，630提供了兩種使用多層電化學(xué)沉積來制造三維金屬 微器件或微結(jié)構(gòu)的制造方法。這兩種方法的共同點可歸納如下1.三維微器件或微結(jié)構(gòu)由連續(xù)的一層一層疊加的方法制得。2.每一層至少包含兩種材料，其中至少有一種結(jié)構(gòu)材料和一種犧牲材料。3.每一層所有材料都由電化學(xué)沉積方法生成。4.每一層都使用整平工藝來獲得所需的層厚度，層表面光潔度和層表面平整度。5.在制得所有的層后，去除犧牲材料而獲得所需的三維金屬微器件或微結(jié)構(gòu)。雖然上述兩種電化學(xué)多層制造技術(shù)已經(jīng)被商業(yè)化，但它們有如下缺點低生產(chǎn)速度，尤其是當所要制造的三維微器件或微結(jié)構(gòu)有大量的層所組成。這是 因為這兩種方法使用連續(xù)的層層疊加的方法。也就是說，只有當前一層被制造完成后才能 在其上制造后一層。因此大量的層需要長時間才能制得。低成品率。在實際生產(chǎn)中，每一層都不可避免含有缺陷。這些缺陷可能分布在每 一層的不同位置。因此可接受的微器件或微結(jié)構(gòu)的最后成品率會是一個很大的問題。材料選擇的限制。每一層所有材料都由電化學(xué)沉積方法生成。然而材料可用電化 學(xué)沉積方法而制得的是相當有限。許多重要的工程材料和半導(dǎo)體材料如不銹鋼、鈦、硅等， 均不能由電化學(xué)沉積方法而制得。層厚度的限制。因每一層的制造都涉及使用光刻技術(shù)，這樣每一層的厚度就受到 光刻膠所能達到厚度的限制。結(jié)構(gòu)形狀的限制。雖然上述方法宣稱能制造任何幾何形狀的結(jié)構(gòu)，但還是有一些 結(jié)構(gòu)形狀不能由上述方法制得，如三維器件或結(jié)構(gòu)含有封閉的空腔。美國專利6，332，568提供了另一種制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的方法。此方法首先 在多個獨立的基體材料上制造所需的單層結(jié)構(gòu)。然后使用擴散連接技術(shù)，通過連續(xù)的一層 一層疊加的方法來連接所制得的單層結(jié)構(gòu)而獲得多層三維器件或結(jié)構(gòu)。具體步驟如下首 先把第二層連接到第一層上，然后除去與第二層連接在一起的基體材料。重復(fù)以上步驟把 第三層連接在第二層上直至所有層都連接在一起。在這種方法中，雖然所需的單層結(jié)構(gòu)可 獨立制得，即單層結(jié)構(gòu)可通過同時平行制得而縮短制造時間。但單層結(jié)構(gòu)的連接方法依然 是費時的連續(xù)的一層一層疊加的方法。另外，基體材料的存在極大地增加了精確的層層連 接的難度。除去基體材料的過程也額外地增加了制造時間。對除去基體材料后暴露的表面 的整平也及其困難。這種方法較適合制造很少幾層的器件或結(jié)構(gòu)。另外，這種方法目前僅 有用于制造數(shù)層電沉積鎳結(jié)構(gòu)的報道。
采用適合的連接技術(shù)而直接連接多個獨立結(jié)構(gòu)層也是一個制造多層微器件或微 結(jié)構(gòu)的方法。例如采用硅-硅直接鍵合技術(shù)而連接多個由硅微制造技術(shù)而制得的硅微結(jié)構(gòu) 層。例如采用擴散連接技術(shù)而連接多個由機械加工或化學(xué)/電化學(xué)刻蝕而制得的金屬微結(jié) 構(gòu)層。然而這種方法的缺點是只能制造相對復(fù)雜的有限的三維形狀的微器件或微結(jié)構(gòu)。其 原因在于每個被連接的獨立微結(jié)構(gòu)層不可能含有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)。而用多層制造 技術(shù)制造一個復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)，必須首先在設(shè)計時沿其縱向把它分成一系列獨立結(jié)構(gòu) 層，然后制造和連接這些結(jié)構(gòu)層而形成所要的三維器件或結(jié)構(gòu)。問題在于這些設(shè)計的結(jié)構(gòu) 層中往往不可避免的含有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)。正由于這個設(shè)計要求和制造能力的沖 突而限制了這個方法的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
如上所述，由于現(xiàn)有多層制造技術(shù)本身的局限而限制了其更廣泛的應(yīng)用。本發(fā)明 的目的是提供一種新的多層制造技術(shù)來克服和消除現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，從而使得多層制造技 術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)更大范圍的應(yīng)用。本發(fā)明通過以下技術(shù)方案加以實現(xiàn)把要制造的三維微器件或微結(jié)構(gòu)在設(shè)計時沿其縱向把它分成一系列獨立結(jié)構(gòu)層， 然后制造和連接這些互不連接的獨立結(jié)構(gòu)層而形成所要的三維器件或結(jié)構(gòu)。針對含有互不 連接的獨立特征結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)層，本發(fā)明的解決方案是使用至少一種犧牲材料來暫時連接上 述的由結(jié)構(gòu)材料所形成的獨立特征結(jié)構(gòu)從而形成一個可制造的一體結(jié)構(gòu)層。根據(jù)需要，犧 牲材料可在后續(xù)制造步驟中或保存或部分或全部去除。對于包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層，本發(fā)明提供了四種不同的制造方法第一種方法包含如下步驟在一個基體材料上固定一層由第一種材料所組成的材 料層；如果需要，整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?加工或刻蝕此材料層 形成至少一個孔或開口 ；至少在形成的一個孔或開口中填入至少一 種第二種材料；如果需要，整平所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層 厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸?；從上述基體材料層分離所形成的由至少兩種材料 所組成的結(jié)構(gòu)層；如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或 層表面平整度。第二種方法包含如下步驟提供一層由第一種材料所組成的材料層；如果需要， 整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸?；加工或刻蝕此材 料層而形成至少一個孔或開口 ；至少在形成的一個孔或開口中填入至少一種第二種材料； 如果需要，整平所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光 潔度和或?qū)颖砻嫫秸取５谌N方法包含如下步驟在一個基體材料層上生成一層由第一種材料所組成的 材料層；如果需要，整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸?度；加工或刻蝕上述材料層而形成至少一個孔或開口 ；至少在形成的一個孔或開口中填入 至少一種第二種材料；如果需要，整平所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所 需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸?；從上述基體材料層分離所形成的由至少兩 種材料所組成的結(jié)構(gòu)層；如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸取５谒姆N方法包含如下步驟在一個基體材料層所需的區(qū)域上生成第一種材料而形 成一種所需的圖形；在全部或部分第一種材料上和全部或部分未經(jīng)第一種材料所覆蓋的 基體材料上生成至少一種第二種材料，其中由至少兩種材料所形成的所有特征結(jié)構(gòu)都連接 在一起；整平上述由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和 或?qū)颖砻嫫秸?；從上述基體材料層分離形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層；如果需 要，整平所分離的材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸取１景l(fā)明優(yōu)點1.本發(fā)明可制造具有復(fù)雜幾何形狀的三維器件或結(jié)構(gòu)，尤其適合制造具有復(fù)雜幾 何形狀三維微器件或微結(jié)構(gòu)。2.本發(fā)明可制得含有封閉空腔或細長微通道的三維器件或結(jié)構(gòu)。3.本發(fā)明可制得含有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)的三維器件或結(jié)構(gòu)。4.本發(fā)明可制得含有可活動的特征結(jié)構(gòu)的三維器件或結(jié)構(gòu)。5.本發(fā)明中制得的獨立結(jié)構(gòu)層可含有不連續(xù)的平面。6.本發(fā)明中制得的獨立結(jié)構(gòu)層可含有孔或開口。7.本發(fā)明可成為一個全平行的制造技術(shù)，即不僅所需的獨立結(jié)構(gòu)層可同時平行制 得而縮短制造時間，連接所制得的獨立結(jié)構(gòu)層也可一次完成。這樣本發(fā)明具有高的生產(chǎn)速度。8.本發(fā)明所需的結(jié)構(gòu)層可分開獨立制得，只有通過質(zhì)檢的結(jié)構(gòu)層才最后連接在一 起，因此本發(fā)明具有高的成品率。9.本發(fā)明可選擇使用更廣的材料來制造三維器件或結(jié)構(gòu)?？墒褂玫牟牧习ń?屬，半導(dǎo)體和非金屬材料。例子如不銹鋼、鈦、硅等。10.本發(fā)明中的結(jié)構(gòu)層的厚度可在更大范圍內(nèi)自由選擇。


圖1顯示了本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的基本步驟的方塊圖。圖2示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第一個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖3示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第二個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖4示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第三個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖5顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第一種方法的基本步 驟的方塊圖。圖6示意性地描述了使用第一種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含316L不銹鋼和鎳兩種材 料。圖7顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第二種方法的基本步 驟的方塊圖。
圖8示意性地描述了使用第二種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含硅和銅兩種材料。圖9顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第三種方法的基本步 驟的方塊圖。圖10示意性地描述了使用第三種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含鎳和金兩種材料。圖11顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第四種方法的基本步 驟的方塊圖。圖12示意性地描述了使用第四種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含鎳和金兩種材料。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案給出的實施例對本發(fā)明作進一步的詳細 說明。圖1顯示了本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的基本步驟的方塊圖，包括1)制造兩 個或更多互不連接的獨立結(jié)構(gòu)層；2)連接至少所制造的獨立結(jié)構(gòu)層而形成一個一體的多 層三維器件或結(jié)構(gòu)；3)如果需要，在結(jié)構(gòu)層的連接過程中和或連接完成后，去除至少一種 材料的部份或全部。方塊圖100要求制造兩個或更多互不連接的獨立結(jié)構(gòu)層。在本發(fā)明中，每個結(jié)構(gòu) 層至少有一部分是所要制造的三維器件或結(jié)構(gòu)的一部分。每個結(jié)構(gòu)層至少包含一種材料并 形成所需的圖形，其中至少有一種材料是組成所要制造的三維器件或結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)材料。至 少有一個結(jié)構(gòu)層包含有至少一種犧牲材料。組成每個結(jié)構(gòu)層的材料可以完全相同，部分相 同，或完全不同。對于只包含一種材料的結(jié)構(gòu)層，可使用對該材料合適的物理或化學(xué)加工制 造或微加工制造技術(shù)來形成所需的結(jié)構(gòu)層。例如可使用機械加工、物理或化學(xué)沉積如真空 沉積和電化學(xué)沉積、激光、電火花加工、光刻加工、化學(xué)刻蝕、或電化學(xué)刻蝕等來加工制造或 刻蝕材料而形成結(jié)構(gòu)層。對于半導(dǎo)體材料如硅，可使用濕法刻蝕或干法刻蝕如深反應(yīng)離子 刻蝕(DRIE)來刻蝕材料而形成結(jié)構(gòu)層。對于包含兩種或兩種材料以上的結(jié)構(gòu)層，本發(fā)明提 供了四種制造方法。這些方法將在后面詳細描述。使用犧牲材料是本發(fā)明最顯著的特點之一。對于組成復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)的獨立 結(jié)構(gòu)層，往往不可避免的至少有一層含有互不連接的獨立的特征結(jié)構(gòu)，即這樣的層由兩個 或更多分離的部分組成。很顯然，這樣的層是無法制得的。在本發(fā)明中，犧牲材料的主要作 用在于暫時連接分離的特征結(jié)構(gòu)從而形成一個可制造的一體結(jié)構(gòu)層。犧牲材料的含義是它 本身不是所要制造的三維器件或結(jié)構(gòu)的組成材料，它可在制造過程中的合適時間被去除。 在某些情況下，當一種材料可同時具有作為結(jié)構(gòu)材料和犧牲材料的作用時，對其起結(jié)構(gòu)材 料作用的部分稱為結(jié)構(gòu)材料，而對其起犧牲材料作用的部分稱為犧牲材料。正是本發(fā)明獨創(chuàng)性地使用犧牲材料，才使得制造含有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)的 層成為可能，從而使得制造復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)成為可能。如復(fù)雜三維器件或結(jié)構(gòu)可包含 有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)，或包含有可活動的特征結(jié)構(gòu)。對于不含有互不連接的獨立特征結(jié)構(gòu)的層，可以不用犧牲材料。然而，對于制造多層微器件或微結(jié)構(gòu)而言，組成它們的獨立結(jié)構(gòu)層含有微特征結(jié)構(gòu)。這些微特征結(jié)構(gòu)往往很 脆弱，非常容易在其制造后的使用過程中被損壞。因此也可以在這些結(jié)構(gòu)層中使用犧牲材 料來暫時保護易損壞的結(jié)構(gòu)層或結(jié)構(gòu)層中的特征結(jié)構(gòu)。方塊圖102要求連接至少所制造的獨立結(jié)構(gòu)層而形成一個一體的多層三維器件 或結(jié)構(gòu)。三維器件或結(jié)構(gòu)由按所需的層序和層與層之間的方位連接至少所制造的獨立結(jié)構(gòu) 層而形成。在本發(fā)明中，獨立結(jié)構(gòu)層的連接可由一次或多次的連接來完成。如獨立結(jié)構(gòu)層 的連接可全部一次連接在一起，也可一層一層連續(xù)地連接在一起，或者某些層先一次或多 次連接在一起，然后再與剩下的層一次或多次連接在一起。在本發(fā)明中，連接的方法可包括機械方法連接、使用粘結(jié)材料如粘結(jié)劑的連接、不 使用粘結(jié)材料的連接(如擴散連接、熔融連接、硅_硅直接鍵合、硅_玻璃陽極鍵合等)、層 壓連接、擠壓連接、和加熱連接等。獨立結(jié)構(gòu)層的連接可只使用一種連接方法或使用兩種或 以上的連接方法的組合。在本發(fā)明中，層與層之間方位的確定和對準可籍由使用對準標記或結(jié)構(gòu)來完成。 對準標記或結(jié)構(gòu)可在結(jié)構(gòu)層內(nèi)(如在層內(nèi)形成的專用于對準目的的特征結(jié)構(gòu))或在結(jié)構(gòu)層 外。層與層之間的對準可使用層內(nèi)和或?qū)觾?nèi)的對準標記或結(jié)構(gòu)。對準可由光學(xué)和或機械對 準方法來完成。對準操作也可使用專門的對準設(shè)備。多層三維器件或結(jié)構(gòu)可由只連接所制造的獨立結(jié)構(gòu)層而形成，也可由連接所制造 的獨立結(jié)構(gòu)層和另外的器件或結(jié)構(gòu)而形成。如把獨立結(jié)構(gòu)層連接在一個所需的基體材料 上，該基體材料上也可包含有其他器件或結(jié)構(gòu)。方塊圖104要求如果需要，在結(jié)構(gòu)層的連接過程中和或連接完成后，去除至少一 種材料的部份或全部。如前所述，在一個或多個結(jié)構(gòu)層中含有至少一種犧牲材料。一般而 言，犧牲材料需要被除去。然而，如果犧牲材料的存在并不影響多層三維器件或結(jié)構(gòu)的功 能，它也可以不被除去而留在多層三維器件或結(jié)構(gòu)中。犧牲材料的去除可在結(jié)構(gòu)層的連接 過程中和或連接完成后。例如某些結(jié)構(gòu)層先連接在一起，在除去犧牲材料后，再與其他結(jié)構(gòu) 層連接在一起而形成所需的多層三維器件或結(jié)構(gòu)。再例如在所有結(jié)構(gòu)層連接在一起后，除 去犧牲材料而形成所需的多層三維器件或結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明中，犧牲材料的去除可使用物理和或化學(xué)的方法。例如可使用化學(xué)或電 化學(xué)溶解、干法刻蝕如等離子體刻蝕、蒸發(fā)汽化、激光、或機械方法等。犧牲材料的去除可只 使用一種去除方法或使用兩種或以上的去除方法的組合。圖2示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第一個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖2A顯示了三個已制得的單層獨立結(jié)構(gòu)層110、112和114。每個結(jié)構(gòu)層都含有 一種犧牲材料116和一種結(jié)構(gòu)材料118。結(jié)構(gòu)材料118可以是金屬(如鎳、鋁和鈦)，合金 (如不銹鋼和鈦合金)，半導(dǎo)體(如硅和碳化硅)，陶瓷(如氧化鋁陶瓷)，聚合物(如聚酰 亞胺)，或復(fù)合材料等。選擇犧牲材料116的原則是當它被除去時，不會造成結(jié)構(gòu)材料118 的損壞或僅對結(jié)構(gòu)材料118造成輕微但可接受的損壞。例如當結(jié)構(gòu)材料是不銹鋼時，犧牲 材料可用銅。這是因為銅可在含氨的堿性銅蝕刻溶液中被溶解，而此銅蝕刻液對不銹鋼是 安全的。犧牲材料116也可選擇金屬、合金、半導(dǎo)體、陶瓷、或聚合物等。圖2A也顯示了每個結(jié)構(gòu)層都含有一個通孔，即120、122和124。這些孔的作用是作為連接這些結(jié)構(gòu)層的對準標記或結(jié)構(gòu)。在圖中雖然在每層上只顯示了一個對準標記或結(jié) 構(gòu)，但每層可以有更多的對準標記或結(jié)構(gòu)。對準標記或結(jié)構(gòu)的形狀可以是園形、三角形、正 方形或任何合適的圖形。根據(jù)不同的層連接方法，結(jié)構(gòu)層的表面在連接前需要作相應(yīng)的處理來增強層與層 之間的結(jié)合強度。例如，在有些情況下，表面需要被潔凈而使得表面不含有污染物。在有些 情況下，表面的氧化物需要被除去。有很多成熟的方法可以被用來潔凈表面和或除去表面 氧化物。例如有機或無機溶液如丙酮、異丙醇、或堿性清潔液可以用來除去污染物。酸性溶 液如硫酸可以用來除去金屬氧化物。圖2B顯示了三個獨立結(jié)構(gòu)層已被按它們之間的層序和層與層之間的方位疊在一 起。對于層與層之間的方位的對準是利用了在層上的對準標記或結(jié)構(gòu)120、122和124。這 個對準操作可使用專門的對準儀器設(shè)備或使用一個精密的機械裝置和顯微鏡的組合。三個疊在一起的結(jié)構(gòu)125隨后被連接在一起而形成一個多層結(jié)構(gòu)。例如可采用擴 散連接。擴散連接是一種固態(tài)連接工藝，可以廣泛用來連接金屬、半導(dǎo)體、以及非金屬材料。 如果結(jié)構(gòu)材料是硅，則硅-硅直接融合鍵合或硅-硅等離子體活化的直接鍵合也可以用來 連接硅結(jié)構(gòu)層。上述連接工藝是已建立的成熟技術(shù)，對連接不同材料的具體的工藝參數(shù)可 從書籍和文獻中獲得，也可通過實驗獲得。圖2C顯示了這三個結(jié)構(gòu)層已被連接在一起，并且犧牲材料116也已被除去而形成 一個多層結(jié)構(gòu)126。犧牲材料116的去除可采用化學(xué)或電化學(xué)刻蝕法。例如把已連接在一 起的三個結(jié)構(gòu)層浸入合適的刻蝕犧牲材料116的化學(xué)刻蝕溶液中來溶解犧牲材料。在有些 情況下，為保護金屬的結(jié)構(gòu)材料，可在刻蝕溶液中加入合適的緩蝕劑。圖2C顯示了僅連接上述三個結(jié)構(gòu)層而形成的多層結(jié)構(gòu)126。圖2D則顯示了多層 結(jié)構(gòu)126被連接在一個基體層128上。這可通過把上述三個結(jié)構(gòu)層和基體層128先同時 連接在一起(如使用擴散連接)，然后除去犧牲材料116而制得。也可把制得的多層結(jié)構(gòu) 126 (圖2C)連接在基體層128上(如使用一個合適的粘結(jié)劑)。圖2D顯示了一個多層結(jié)構(gòu)126被連接在基體層128的一個表面上。圖2E則顯示 了在基體層128的兩面各連接上一個多層結(jié)構(gòu)126。例如可先制得兩個多層結(jié)構(gòu)126，然后 把它們連接到基體層128的兩個面上(如使用一個合適的粘結(jié)劑)。在某些情況下，制得的多層器件或結(jié)構(gòu)還可進行后處理來達到保護或增強其性能 的目的。例如，不耐蝕的金屬器件或結(jié)構(gòu)，可以在其上覆蓋一層保護層。低導(dǎo)電性的器件或 結(jié)構(gòu)可在其上覆蓋一層高導(dǎo)電性的鍍層。圖3示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第二個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖3A顯示了三個已制得的獨立結(jié)構(gòu)層130、132和134。其中獨立結(jié)構(gòu)層130由兩 個單層結(jié)構(gòu)層131和133組成。結(jié)構(gòu)層130可由制得的獨立結(jié)構(gòu)層131和133通過擴散連 接而形成，也可以用其他方法制得，例如利用前述的美國專利5，190，637和6，027，630所提 供的方法。所有層都含有一種犧牲材料136和一種結(jié)構(gòu)材料138。結(jié)構(gòu)層130的上層133 包含有一個圓形通孔142。結(jié)構(gòu)層132也含有一個圓形通孔144。這個第二個實施例的目 的之一是要顯示如何制造一個包含有封閉空腔的三維器件或結(jié)構(gòu)。圖3B顯示了三個獨立結(jié)構(gòu)層130、132和134已被按它們之間的層序和層與層之間的方位疊在一起。圖3C顯示了這三個結(jié)構(gòu)層和一個基體層150已被連接在一起，例如通過擴散連接 或其他連接方法。在基體層150上形成的多層結(jié)構(gòu)148含有一個封閉空腔146。在除去犧牲材料136后(如使用化學(xué)或電化學(xué)刻蝕)，圖3D顯示了一個制得的含 有一個封閉空腔146的多層三維器件或結(jié)構(gòu)152。圖4示意性地描述了利用本發(fā)明制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的第三個實施例的各 個制造階段的側(cè)視圖。圖4A顯示了三個已制得的獨立單層結(jié)構(gòu)層173、174和176。每層都含有一種犧 牲材料178和一種結(jié)構(gòu)材料180。在本例中，結(jié)構(gòu)材料180是硅，犧牲材料178是銅。銅可 以是電沉積或電鍍而形成的銅。結(jié)構(gòu)材料硅可以是不含有或含有攙雜物(如硼、磷、砷、銻 等)的硅。圖4B顯示了每個結(jié)構(gòu)層(173、174和176)上的犧牲材料178已被除去一部分而 使得犧牲材料的表面都低于結(jié)構(gòu)材料180的表面。這樣當連接這三個結(jié)構(gòu)層時，任何一層 的犧牲材料便不會被連接到另外的層上而使得連接工藝簡單化。畢竟我們的目的是要連接 結(jié)構(gòu)材料，而不是犧牲材料。犧牲材料178(銅)可以用化學(xué)刻蝕來部分除去。市場上有很多銅的刻蝕液可供 選擇。例如可使用含氨的堿性的銅的刻蝕液，如商品名為Enstrip C-38的銅刻蝕液。這種 銅的刻蝕液對硅也是安全的。在圖4B中，結(jié)構(gòu)層174現(xiàn)在還有一個盲孔182。盲孔182可以通過很多微制造方 法制得。例如使用激光加工或微電火花加工。本實施例的一個目的是說明結(jié)構(gòu)層并不一定 要具有連續(xù)的表面。結(jié)構(gòu)層可以含有通孔或盲孔。在結(jié)構(gòu)層中的各種材料的表面也并不一 定要在同一水平上。圖4C顯示了結(jié)構(gòu)層173、174和176已被按它們之間的層序和層與層之間的方位 連接在一起而形成一個多層結(jié)構(gòu)184。結(jié)構(gòu)層的連接可采用硅-硅直接鍵合法。硅-硅直接鍵合法主要有兩種方法，即高溫融合鍵合(約1100°C )和室溫或低溫 等離子體活化的直接鍵合(< 500°C )。在本例中，硅結(jié)構(gòu)層中還含有犧牲材料銅。硅和銅 的熱膨脹系數(shù)不同，因此高溫融合鍵合可能產(chǎn)生熱應(yīng)力而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)層破壞。所以室溫或低 溫硅_硅直接鍵合如等離子體活化的直接鍵合是首選的硅_硅連接方法。高溫融合鍵合和 等離子體活化的直接鍵合已經(jīng)成為成熟的硅器件的生產(chǎn)工藝并已有專門的鍵合設(shè)備包括 層與層之間的對準裝置和鍵合裝置。具體的工藝參數(shù)和鍵合要求可從書籍和文獻中獲得， 也可通過實驗獲得。結(jié)構(gòu)層173、174和176的硅表面必須加工(如使用化學(xué)機械整平)而 達到鍵合所要求的光潔度和平整度。 另外，本發(fā)明也提供一種適合本例情況的三步鍵合組合法。該法包括以下三個步 驟1)使用室溫或低溫硅直接鍵合方法連接所需的獨立結(jié)構(gòu)層173、174和176，從而使得它 們結(jié)合在一起，并且層與層之間的鍵合強度不必達到最大，但可以使得已結(jié)合在一起的結(jié) 構(gòu)層可以經(jīng)歷步驟2而不至互相分離；2)去除犧牲材料；3)把已去除犧牲材料的多層結(jié)構(gòu) 層進行再處理(如1100°C高溫退火)，從而再提高層與層之間的鍵合強度而達到設(shè)計所需 的要求。在這種方法中，因第一步并不要求達到層與層之間的最大強度，硅-硅直接鍵合的 溫度可以比標準的處理溫度更低，因而可以進一步降低熱應(yīng)力的影響。在犧牲材料去除后，多層結(jié)構(gòu)或器件僅有硅一種材料，因此可以在高溫下處理而無需擔(dān)心熱應(yīng)力。圖4D顯示了已連接在一起的三層結(jié)構(gòu)184和一個基體層186連接在一起。例如 這可以通過使用粘結(jié)劑而達到這個結(jié)果。如果基體層186是玻璃，也可以使用硅-玻璃陽 極鍵合法。如果基體層186是硅片，可以使用如等離子體活化的硅直接鍵合法。如果基體 層186是陶瓷材料如氧化鋁陶瓷，也可使用擴散連接法。在結(jié)構(gòu)184中也包含有一個封閉 空腔182。圖4E顯示了在除去犧牲材料銅后的多層三維器件或結(jié)構(gòu)188。它含有一個封閉空 腔182并固定在基體層186上。犧牲材料銅可用前述的Enstrip C-38銅刻蝕液來除去。針對組成三維多層器件或結(jié)構(gòu)的含有兩個或更多材料的獨立結(jié)構(gòu)層，本發(fā)明提供 了四個制造方法。圖5顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第一種方法的基本步 驟的方塊圖。方塊圖236顯示了步驟一，要求在一個基體材料上固定一層由第一種材料所組成 的材料層。例如，固定的方法可使用機械方法、使用粘結(jié)材料如粘結(jié)劑的連接、不使用粘結(jié) 材料的連接(如擴散連接)、層壓連接、擠壓連接、加熱連接、真空吸附固定、磁吸附固定、靜 電吸附固定等?；w材料的作用是提供一個機械支撐平臺，在其上制造所需的結(jié)構(gòu)層。這 種方法適合制造薄的結(jié)構(gòu)層、柔軟易曲的層，或者難于處理如易碎的層。因最后需要從基體 材料上分離所形成的結(jié)構(gòu)層，在有些情況下，基體材料表面可預(yù)先形成一層薄的可刻蝕除 去的中間層，在此中間層上形成所需的結(jié)構(gòu)層。最后通過溶解中間層而獲得分離的結(jié)構(gòu)層。材料層可購買商品材料層獲得，例如金屬薄膜、金屬片、聚合物薄膜或片、硅晶片、 碳化硅晶片等都有商品供應(yīng)。材料層也可用很多方法制得。例如，可用機械加工或物理或 化學(xué)沉積法來獲得所需的材料層。材料層的厚度和表面狀態(tài)必須符合設(shè)計和制造要求。否 則需要預(yù)先加工材料層來獲得所需的厚度、表面光潔度和平整度。例如可使用研磨、機械拋 光和或化學(xué)機械拋光來獲得所需的厚度、表面光潔度和平整度。方塊圖238顯示了步驟二，要求在第一種材料層被固定在基體材料上后，如果需 要，整平此材料層。這個步驟是可選的，不是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要 采用此步驟。這些情形包括1)此材料層需達到一個確定的厚度；2)此材料層需達到均勻 的厚度；3)材料層表面需要達到確定的表面光潔度和平整度?？刹捎玫某Ｓ玫恼椒椒ò?括研磨、金剛石研磨、金剛石切削、化學(xué)機械拋光整平、銑刀研磨等。方塊圖240顯示了步驟三，要求加工或刻蝕第一種材料層而形成至少一個孔或開 口?？谆蜷_口可以是全部貫穿、全部非貫穿、或部分貫穿或部分非貫穿。所要的孔或開口可 以一次或多次形成?？谆蜷_口的形成可根據(jù)材料而選擇合適的加工方法。如可使用激光透 過一塊有所需圖形的掩模版而在材料層上一次形成所需的孔或開口。也可以在材料層上使 用光刻膠而形成所需圖形，然后使用化學(xué)或電化學(xué)刻蝕形成所需的孔或開口。對于硅晶片， 可使用濕法刻蝕或干刻蝕如深反應(yīng)離子刻蝕來形成所需的孔或開口。其他可用的加工方法 還包括超聲波加工、電火花加工、機械鉆孔，機械切削等。順便提一句，如果只是制造含有一 種材料的結(jié)構(gòu)層，在步驟三后，可直接跳至步驟五。方塊圖242顯示了步驟四，要求至少在形成的一個孔或開口中填入至少一種第二 種材料。對于不同的填入材料可選擇不同的填入方法。例如電化學(xué)沉積如電鍍和化學(xué)鍍可
12在形成的孔或開口內(nèi)填入可沉積的金屬、合金、導(dǎo)電的聚合物、復(fù)合材料等。物理沉積如真 空沉積(PVD、CVD、濺鍍等)可填入半導(dǎo)體材料、金屬、合金等。物理沉積如熱噴鍍和冷噴涂 可填入金屬、合金、陶瓷材料等。液態(tài)狀的聚合物可經(jīng)噴射或涂敷而填入，然后使用熱或輻 射來固化聚合物。對于不需被填入的孔或開口可先用可去除的材料封閉或填充，在第二種 材料填入所需的孔或開口后，再除去可去除的材料。如要填入第三種或更多材料，可參照前 述的填入方法在所需的孔或開口中填入。方塊圖244顯示了步驟五，要求如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層。這個步驟也是可 選的，不是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要采用此步驟。這些情形包括1)此 結(jié)構(gòu)層需達到一個確定的厚度；2)此結(jié)構(gòu)層的所有材料需要暴露并且它們的表面達到同 一水平；3)此結(jié)構(gòu)層表面需要達到確定的表面光潔度和平整度。可采用的常用的整平方法 包括研磨、金剛石研磨、金剛石切削、化學(xué)機械拋光整平、銑刀研磨等。方塊圖246顯示了步驟六，要求從上述基體材料上分離所形成的由至少兩種材料 所組成的結(jié)構(gòu)層。例如可從基體材料上剝離結(jié)構(gòu)層，可用機械方法加工除去基體材料，溶解 在基體材料和結(jié)構(gòu)層之間的中間層，或直接溶解基體材料層等。方塊圖248顯示了步驟七，要求如果需要，整平所分離而得到的結(jié)構(gòu)層。這個步驟 也是可選的，不是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要采用此步驟。這些情形包括 1)在分離后，此結(jié)構(gòu)層的一面或兩面需達到確定的表面光潔度和平整度；2)此結(jié)構(gòu)層需達 到一個確定的厚度；3)如果此結(jié)構(gòu)層包含至少一個盲孔并且至少有一個盲孔被填入第二 種材料，此第二種材料需要從原先固定在基體材料上的面上暴露出來?？刹捎玫某Ｓ玫恼?平方法包括研磨、金剛石研磨、金剛石切削、化學(xué)機械拋光整平、銑刀研磨等。圖6示意性地描述了使用第一種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含316L不銹鋼和鎳兩種材 料。圖6A顯示有一層316L不銹鋼284和一層銅286。具有所需均勻厚度和表面光潔 度和平整度的316L不銹鋼層和銅層可從市場上購得或可從原材料機械加工而得。銅層286 的作用是作為一個基體材料層來提供一個機械支撐平臺，在其上制造所需的含316L不銹 鋼和鎳的結(jié)構(gòu)層。在本實施例中，不銹鋼284通過擴散連接而固定在銅286上。兩個待連 接的面分別是288和290。面288和290的表面光潔度、平整度和潔凈度必須符合擴散連接 的要求。例如這兩個面可經(jīng)金剛石研磨和拋光而獲得所需的表面光潔度和平整度。在擴散 連接前，可經(jīng)超聲波清洗和酸活化而得到潔凈和活化的表面。擴散連接可在專門的設(shè)備中進行，包括加壓裝置和加熱裝置。不銹鋼284和銅層 286的擴散連接可在其上加上一定的壓力(如450-500kg/cm2)并放入具有10_6Torr級的真 空爐中在一定溫度下(如500-700°C )放置一定時間(通常幾個小時)。圖6B顯示了不銹鋼284經(jīng)由擴散連接而固定在銅286上的兩層結(jié)構(gòu)291。如果需 要，不銹鋼284的表面292可經(jīng)金剛石研磨和拋光而獲得所需的表面光潔度和平整度以及 層厚度。有很多技術(shù)可供選擇來加工不銹鋼層284來形成一種所需的圖形，如使用激光加 工或化學(xué)或電化學(xué)光刻。在本實施例中，使用準分子激光刻蝕(excimer laser)來加工不 銹鋼層284。圖6C顯示了一塊有所需圖形的掩模版294放置在不銹鋼層284上。掩模版294包含有激光可通過的區(qū)域(光通區(qū))298和激光不可通過的區(qū)域(光阻區(qū))296。激光 通過光通區(qū)可達到刻蝕其下的不銹鋼層284而形成所需的孔或開口目的。圖6D顯示了在掩模版294移去后的不銹鋼層284經(jīng)激光刻蝕后的結(jié)果?？涛g后 的不銹鋼層300含有通孔304和不銹鋼特征結(jié)構(gòu)302。圖6E顯示了一個第二種材料鎳306被沉積在不銹鋼層300和刻蝕鎳后所暴露的 銅上。鎳306可由電鍍而獲得。鎳電鍍可在含有鎳鍍液的電鍍槽中進行。可選用氨基磺酸 鎳鍍液，如使用商品名為Techni S的氨基磺酸鎳鍍液。鍍液中還可加入應(yīng)力降低劑來降低 鍍層中的應(yīng)力，如使用商品名為JB-100的添加劑。如果不銹鋼層300中含有不須被填入 的孔(如對準標記或結(jié)構(gòu))，可先用絕緣材料(如商品名為AZ4620的光刻劑)來遮蔽這些 孔。另外，在電鍍鎳前，需要清潔和活化被電鍍的表面，如可用化學(xué)清潔劑或超聲波清潔，然 后使用稀硫酸溶液來活化表面。也可用沖擊鍍方法先鍍一層薄鎳層，然后在其上再鍍所需 的鎳，這種方法可增加鎳和不銹鋼之間的結(jié)合力。對于使用Techni S的氨基磺酸鎳鍍液， 鍍液溫度可控制在50°C左右，電鍍電流密度可使用10-30mA/cm2。電鍍時間可由電鍍電流 密度和所需的鎳厚度來確定。含有鎳和不銹鋼兩種材料的層308 (圖6E)可使用金剛石研磨來整平從而使被覆 蓋的不銹鋼結(jié)構(gòu)得到暴露。圖6F顯示了整平結(jié)果。含有鎳結(jié)構(gòu)312和不銹鋼結(jié)構(gòu)314的 層310被制成。鎳312和不銹鋼314的表面在同一水平上。整平后形成的表面315達到所 需的表面光潔度和平整度并且層310達到所需的層厚度。為了從銅基體材料層286上分離所制得的結(jié)構(gòu)層310，可在一個合適的銅刻蝕液 中溶解銅。例如可使用含氨的堿性的銅的刻蝕液，如商品名為Enstrip C-38的銅刻蝕液。 這種銅的刻蝕液對不銹鋼和鎳是安全的，即不會造成不銹鋼和鎳的損壞。圖6G顯示了除去 銅基體材料層286后的結(jié)構(gòu)層310。如果需要，被分離的結(jié)構(gòu)層310的上面315和或下面311還可再次被整平，例如使 用金剛石研磨和拋光，從而使得結(jié)構(gòu)層310達到最后所需的層厚度，以及表面光潔度和平整度。圖7顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第二種方法的基本步 驟的方塊圖。這個第二種方法除了不需要把第一種材料所組成的材料層固定在一個基體材 料上和不需要把所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層從上述基體材料上分離，其余步 驟基本上和第一種方法相同。方塊圖250顯示了步驟一，要求提供一層由第一種材料所組成的材料層。方塊圖252顯示了步驟二，要求如果需要，整平此材料層。這個步驟是可選的，不 是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要采用此步驟。這些情形包括1)此材料層 需達到一個確定的厚度；2)此材料層需達到均勻的厚度；3)材料層表面需要達到確定的表 面光潔度和平整度。例如市售的硅晶片具有均勻的厚度并且其一面或兩面已被整平和拋光 而達到確定的表面光潔度和平整度。因此可直接使用來制造含硅的結(jié)構(gòu)層而無需經(jīng)過步驟 二的處理。方塊圖254顯示了步驟三，要求加工或刻蝕第一種材料層而形成至少一個孔或開方塊圖256顯示了步驟四，要求至少在形成的一個孔或開口中填入至少一種第二種材料。方塊圖258顯示了步驟五，要求如果需要，平整所形成的由至少兩種材料所組成 的材料層。這個步驟也是可選的，不是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要采用此 步驟來平整此結(jié)構(gòu)層的一面或兩面。這些情形包括1)此結(jié)構(gòu)層的一面或兩面需達到確定 的表面光潔度和平整度；2)此結(jié)構(gòu)層需達到一個確定的厚度；3)如果此結(jié)構(gòu)層包含至少一 個盲孔并且至少有一個盲孔被填入第二種材料，此第二種材料需要從原先未被暴露的面上 暴露出來；4)組成此結(jié)構(gòu)層的所有材料需要從此結(jié)構(gòu)層的表面暴露出來并且所有材料在 它們的暴露表面上處于同一水平。圖8示意性地描述了使用第二種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含硅和銅兩種材料。圖8A顯示一個有所需厚度的硅晶片層320。此硅晶片具有均勻厚度。至少其上表 面321已經(jīng)整平和拋光而達到所需的表面光潔度和平整度。為了加工硅晶片層320而使其形成所需的圖形，可以采用化學(xué)刻蝕、電化學(xué)刻蝕、 深反應(yīng)離子刻蝕(DRIE)、以及激光刻蝕等。在本實例中，使用深反應(yīng)離子刻蝕來加工硅晶片 層320。在圖8B中，使用標準的光刻工藝，把一層適用于深反應(yīng)離子刻蝕工藝的光刻膠(如 商品名為AZ4620的光刻膠)施加在表面321上并經(jīng)紫外光透過有所需圖形的掩模版(未 在圖中顯示)而刻蝕光刻膠層從而在硅晶片層320上形成一層有所需圖形的光刻膠層322。 光刻膠層322的光刻膠部分324遮蔽其下的硅，而未被光刻膠遮蔽的部分326將被深反應(yīng) 離子刻蝕而在硅晶片層320上形成所需圖形。把含有光刻膠層322的硅晶片層320放入深反應(yīng)離子刻蝕設(shè)備進行刻蝕。刻蝕時 間由所選定的刻蝕速度和刻蝕深度來確定。圖8C顯示經(jīng)刻蝕后形成的硅晶片層328，其包 含有刻蝕形成的孔或開口部分330、331和332。圖8D顯示除去光刻膠層322后的硅晶片層 328。下一步是把銅填入所需的硅晶片層328中的孔或開口。在本實例中，使用電鍍的 方法把銅沉積進所需的孔或開口中。在硅晶片中的孔或開口中電鍍進銅是在微電子制造和 微機電制造中的一種常用方法。在電鍍前，需要先在硅表面上生成一層導(dǎo)電金屬薄層作為 電鍍的基體層。這可使用真空沉積如濺射，先沉積一層鈦薄層(如50-100nm)然后再在鈦 薄層上沉積一層銅薄層(如150-500nm)。對于不需要填入銅的孔或開口，可用絕緣材料遮 蔽。在本實例中，孔332不需要填入銅，因此可用絕緣材料(如商品名為AZ4620的光刻膠) 填入而封閉孔332。圖8E顯示了硅晶片層328在其上表面333上已有鈦/銅薄層，并且孔 332已被絕緣材料334封閉。圖8F顯示了銅336已被沉積在硅晶片層328的上表面和孔330和孔331內(nèi)。銅 電鍍可在含有銅鍍液的電鍍槽中進行?？蛇x用酸性銅鍍液，如使用商品名為Techni FB酸 性銅鍍液。對于使用Techni FB的酸性銅鍍液，鍍液溫度可控制在20-25°C，電鍍電流密度 可使用10-30mA/cm2。電鍍時間可由電鍍電流密度和所需的銅厚度來確定。電鍍銅厚度必 須保證銅表面340的最低處達到所需的厚度。包含硅和銅兩種材料的結(jié)構(gòu)層338被先從上表面340開始整平直至如圖8G所顯 示的結(jié)構(gòu)層342。整平可使用研磨和拋光而達成。在整平完成后，硅上表面344已被暴露出 來，并和銅表面345和346處于同一水平。同時結(jié)構(gòu)層342的上表面達到所需的表面光潔度和平整度，并且結(jié)構(gòu)層342的厚度達到所需的厚度。然后結(jié)構(gòu)層342被從底表面348 (圖8G)開始整平直至如圖8H所顯示的結(jié)構(gòu)層 350。在整平完成后，銅下表面352和354已被暴露出來，并和硅表面356處于同一水平。同 時結(jié)構(gòu)層350的下表面達到所需的表面光潔度和平整度，并且結(jié)構(gòu)層350的厚度達到所需 的厚度。最后除去絕緣材料334。如絕緣材料334是商品名為AZ4620的光刻膠，則可用丙 酮溶解。圖81顯示了最后形成的包含硅和銅兩種材料的結(jié)構(gòu)層358。結(jié)構(gòu)層358還含有一 個通孔360。圖9顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第三種方法的基本步 驟的方塊圖。這個第三種方法除了第一步與第一種方法不同外，其余步驟與第一種方法相 同。方塊圖260顯示了步驟一，要求在一個基體材料上生成一層由第一種材料所組成 的材料層。第一種材料的生成可經(jīng)由沉積而形成在一個基體材料上。例如，電化學(xué)沉積如電 鍍或化學(xué)鍍可用來生成金屬、合金、導(dǎo)電的聚合物、復(fù)合材料等。物理沉積如真空沉積(PVD、 CVD、濺鍍等)可用來生成半導(dǎo)體材料、金屬、合金等。物理沉積如熱噴鍍和冷噴涂可用來生 成金屬、合金、陶瓷材料等。液態(tài)狀的聚合物可經(jīng)噴射或涂敷在一個基體材料上，然后使用 熱或輻射來固化聚合物。生成的第一種材料的厚度必須有足夠滿足后續(xù)步驟的要求。方塊圖262-272與圖5的方塊圖238-248相同。簡敘如下方塊圖262顯示了步驟二，要求在第一種材料層被形成在基體材料上后，如果需 要，整平此材料層。方塊圖264顯示了步驟三，要求加工或刻蝕第一種材料層而形成至少一個孔或開方塊圖266顯示了步驟四，要求至少在形成的一個孔或開口中填入至少一種第二 種材料。方塊圖268顯示了步驟五，要求如果需要，整平所形成的由至少兩種材料所組成
的結(jié)構(gòu)層。方塊圖270顯示了步驟六，要求從上述基體材料上分離所形成的由至少兩種材料 所組成的結(jié)構(gòu)層。方塊圖272顯示了步驟七，要求如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層。圖10示意性地描述了使用第三種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含鎳和金兩種材料。圖10A顯示一層鎳394被電沉積在一塊銅基體396上。在本實例中，銅表面398 在鍍鎳前已被整平而達到所需的表面光潔度和平整度。在鍍鎳前，銅表面398也被清潔和 在5% (體積)硫酸溶液中活化。鎳的電鍍可參見圖6E的說明。電鍍鎳厚度必須保證鎳層 394的最低處達到所需的厚度。圖10B顯示鎳層394已被整平而形成所需的新的鎳層400。鎳層400有所需的厚 度，其表面402有滿足后續(xù)步驟要求的表面光潔度和平整度。整平方法可參見前敘。圖10C-10G的工藝步驟與圖6C-6G類似。在圖10C中，使用準分子激光刻蝕方法，由激光透過一塊有所需圖形的掩模版404
16來刻蝕其下的鎳層400而形成所需的孔或開口。掩模版404包含有激光可通過的區(qū)域408 和激光不可通過的區(qū)域406。圖IOD顯示了激光刻蝕后形成的新的鎳層410。鎳層410含有通孔414和不銹鋼 特征結(jié)構(gòu)412。圖IOE顯示了一個第二種材料金416被沉積在鎳層410和刻蝕鎳后所暴露的銅 上。金416可由電鍍而獲得。金電鍍可在含有金鍍液的電鍍槽中進行。如使用商品名為 Techni Gold 25的金鍍液。在電鍍金前，需要清潔和活化被電鍍的表面，如可用化學(xué)清潔劑 或超聲波清潔，然后使用稀硫酸或稀鹽酸溶液來活化表面。對于使用Techni Gold 25的金 鍍液，鍍液溫度可控制在60°C左右，電鍍電流密度可使用5-8mA/cm2。電鍍時間可由電鍍電 流密度和所需的金厚度來確定。含有金和鎳兩種材料的層418 (圖10E)可使用金剛石研磨來整平從而使被覆蓋的 鎳結(jié)構(gòu)得到暴露。圖IOF顯示了整平結(jié)果。含有鎳結(jié)構(gòu)424和金結(jié)構(gòu)422的層420被制成。 鎳424和金422的表面在同一水平上。整平后形成的表面425達到所需的表面光潔度和平 整度并且層420達到所需的層厚度。為了從銅基體材料層396上分離所制得的結(jié)構(gòu)層420，可在一個合適的銅刻蝕液 中溶解銅。例如可使用含氨的堿性的銅的刻蝕液，如商品名為Enstrip C-38的銅刻蝕液。 這種銅的刻蝕液對金和鎳是安全的，即不會造成金和鎳的損壞。圖IOG顯示了除去銅基體 材料層396后的結(jié)構(gòu)層420。如果需要，被分離的結(jié)構(gòu)層420的上面425和或下面426還可再次被整平，例如使 用金剛石研磨和拋光，從而使得結(jié)構(gòu)層420達到最后所需的層厚度、表面光潔度和平整度。圖11顯示了本發(fā)明制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的第四種方法的基本步 驟的方塊圖。方塊圖274顯示了步驟一，要求在一個基體材料上所需的區(qū)域上生成第一種材料 而形成一種所需的圖形。這可通過選用合適的選擇性沉積方法而得到所需的結(jié)果，如使用 基于掩?；蚍茄谀５倪x擇性沉積技術(shù)。例如一層掩模材料(如光刻膠)可被施加到一個 基體材料上并經(jīng)處理后形成所需的圖形。然后可用電沉積方法在掩模材料中形成的孔或 開口中填入第一種材料。在除去掩模材料后，第一種材料便在基體材料上所需的區(qū)域上形 成了一種所需的圖形。又例如可使用美國專利6，027，630所描述的直接掩模電鍍技術(shù)而 在基體材料上所需的區(qū)域上形成一種所需的圖形。對于使用基于非掩模的選擇性沉積技 術(shù)的例子包括在基體材料上所需的區(qū)域上使用局部直接電鍍技術(shù)或使用噴墨打印或分配 (inkjet-type printing or dispensing)技術(shù)來生成第一種材料而形成一種所需的圖形。方塊圖276顯示了步驟二，要求在在第一種材料上和未經(jīng)第一種材料所覆蓋的基 體材料上生成至少一種第二種材料。對于不同的材料可選擇不同的生成方法。例如電化學(xué) 沉積如電鍍和化學(xué)鍍可生成金屬、合金、導(dǎo)電的聚合物、復(fù)合材料等。物理沉積如真空沉積 ( 乂0、00)、濺鍍等)可生成半導(dǎo)體材料、金屬、合金等。物理沉積如熱噴鍍和冷噴涂可生成 金屬、合金、陶瓷材料等。液態(tài)狀的聚合物可經(jīng)噴射或涂敷而生成，然后使用熱或輻射來固 化聚合物。方塊圖278顯示了步驟三，要求整平所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層。 可采用的常用的整平方法包括研磨、金剛石研磨、金剛石切削、化學(xué)機械拋光整平、銑刀研磨等。在整平完成后，由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層的上表面的所有材料從此表面上暴 露出來并且所有材料在它們的暴露表面上處于同一水平。另外，在整平完成后，此結(jié)構(gòu)層達 到一個所需的厚度并且此結(jié)構(gòu)層的上表面達到所需的表面光潔度和平整度。方塊圖280顯示了步驟四，要求從上述基體材料上分離所形成的由至少兩種材料 所組成的結(jié)構(gòu)層。例如可從基體材料上剝離結(jié)構(gòu)層，可用機械方法加工除去基體材料，溶解 在基體材料和結(jié)構(gòu)層之間的中間層，或溶解基體材料層等。方塊圖282顯示了步驟五，要求如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層。這個步驟是可選 的，不是必須的。當有下列至少一種情形出現(xiàn)時，需要采用此步驟。這些情形包括1)在分 離后，此結(jié)構(gòu)層的一面或兩面需達到確定的表面光潔度和平整度；2)此結(jié)構(gòu)層需達到一個 確定的厚度?？刹捎玫某Ｓ玫恼椒椒òㄑ心?、金剛石研磨、金剛石切削、化學(xué)機械拋光 整平、銑刀研磨等。圖12示意性地描述了使用第四種方法制造包含至少兩種材料的獨立結(jié)構(gòu)層的一 個實施例的各個制造階段的側(cè)視圖。在這個實施例中，結(jié)構(gòu)層包含鎳和金兩種材料。在圖12A中，使用標準的光刻工藝，把一層所需的光刻膠(如商品名為AZ4620的 光刻膠)施加在一個銅基體430的上表面并經(jīng)紫外光透過有所需圖形的掩模版(未在圖中 顯示)而刻蝕光刻膠層從而在銅基體430上形成一層有所需圖形的光刻膠層428。光刻膠 層428的光刻膠部分432遮蔽其下的銅，而未被光刻膠遮蔽的部分434(即光刻膠層中的通 孔部分)的銅表面上將被沉積上一層鎳而形成所需圖形。在施加光刻膠前，銅基體430的 上表面需經(jīng)過整平而達到所需的表面光潔度和平整度。圖12B顯示第一種材料鎳436被沉積進光刻膠層428中的通孔部分434。鎳的電 鍍可參見圖6E的說明。電鍍鎳厚度必須保證鎳結(jié)構(gòu)436的最低處達到所需的厚度。在鎳電鍍完成后，光刻膠層428被除去，如使用丙酮或此光刻膠去除劑。一層由鎳 結(jié)構(gòu)436所組成的鎳層顯示在圖12C。圖12D顯示第二種材料金438被沉積在鎳結(jié)構(gòu)436和未被鎳結(jié)構(gòu)436所遮蔽的銅 基體430的上表面上。金的電鍍可參見圖IOE的說明。電鍍金的厚度必須保證金鍍層438 的最低處達到所需的厚度。含有金和鎳兩種材料的層440 (圖12D)可使用金剛石研磨來整平從而使被覆蓋的 鎳結(jié)構(gòu)得到暴露。圖12E顯示了整平結(jié)果。含有鎳結(jié)構(gòu)444和金結(jié)構(gòu)446的層442被制成。 鎳444和金446的表面在同一水平上。整平后形成的上表面445達到所需的表面光潔度和 平整度并且層442達到所需的層厚度。為了從銅基體材料層430上分離所制得的結(jié)構(gòu)層442，可在一個合適的銅刻蝕液 中溶解銅。例如可使用含氨的堿性的銅的刻蝕液，如商品名為Enstrip C-38的銅刻蝕液。 這種銅的刻蝕液對金和鎳是安全的，即不會造成金和鎳的損壞。圖12F顯示了除去銅基體 材料層430后的結(jié)構(gòu)層442。如果需要，被分離的結(jié)構(gòu)層442的上面445和或下面448還可再次被整平，例如使 用金剛石研磨和拋光，從而使得結(jié)構(gòu)層442達到最后所需的層厚度、表面光潔度和平整度。需要指出的是本發(fā)明所討論的實施例只是為了理解本發(fā)明所揭露的特點和特征 以及這些特點和特征的組合。對于本領(lǐng)域的專業(yè)人士而言，在不偏離本發(fā)明的實質(zhì)精神 情況下，更多新的實施例以及對以上所討論的實施例的某些方面的替換和更改將是很顯然的。因此本發(fā)明不應(yīng)該被限制在這些實施例中，而因被限定在本發(fā)明所要求的權(quán)利范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
一種制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括如下步驟(1)制造兩個或更多互不連接的獨立結(jié)構(gòu)層，其中每一個結(jié)構(gòu)層包含至少一種結(jié)構(gòu)材料，每一結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)材料在該層形成一個或更多特征結(jié)構(gòu)并形成一種所需的圖形，每一結(jié)構(gòu)層的特征結(jié)構(gòu)為所要制造的多層三維器件或結(jié)構(gòu)的一部分，至少有一個結(jié)構(gòu)層包含至少二個互不接觸的特征結(jié)構(gòu)并且這些互不接觸的特征結(jié)構(gòu)籍由至少一種犧牲材料所結(jié)合在一起而形成一個一體的結(jié)構(gòu)層；(2)按所需的層序和層與層之間的方位連接至少所制造的上述獨立結(jié)構(gòu)層而形成一個一體的多層三維器件或結(jié)構(gòu)；(3)如果需要，在上述獨立結(jié)構(gòu)層的連接過程中和或連接完成后，去除至少一種犧牲材料的部分或全部。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一個包含至少兩種不同材料的獨立 結(jié)構(gòu)層，其制造方法包括如下步驟(1)提供一層由第一種材料所組成的材料層；(2)如果需要，整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?3)加工或刻蝕上述材料層而形成至少一個孔或開口；(4)至少在上述形成的一個孔或開口中填入至少一種第二種材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚 度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸?；其中在這至少兩種材料中，至少有一種結(jié)構(gòu)材料，也可包含有至少一種犧牲材料。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一個包含至少兩種不同材料的獨立 結(jié)構(gòu)層，其制造方法包括如下步驟(1)在一個基體材料層上固定一層由第一種材料所組成的材料層；(2)如果需要，整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?3)加工或刻蝕上述材料層而形成至少一個孔或開口；(4)至少在上述形成的一個孔或開口中填入至少一種第二種材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚 度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?6)從上述基體材料層分離所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層；(7)如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫?整度；其中在這至少兩種材料中，至少有一種結(jié)構(gòu)材料，也可包含有至少一種犧牲材料。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一個包含至少兩種不同材料的獨立 結(jié)構(gòu)層，其制造方法包括如下步驟(1)在一個基體材料層上生成一層由第一種材料所組成的材料層；(2)如果需要，整平上述材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?3)加工或刻蝕上述材料層而形成至少一個孔或開口；(4)至少在上述形成的一個孔或開口中填入至少一種第二種材料；(5)如果需要，整平上述所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚 度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫秸龋?6)從上述基體材料層分離已所形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層；(7)如果需要，整平所分離的材料層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫?整度；其中在這至少兩種材料中，至少有一種結(jié)構(gòu)材料，也可包含有至少一種犧牲材料。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有一個包含至少兩種不同材料的獨立 結(jié)構(gòu)層，其制造方法包括如下步驟(1)在一個基體材料層上所需的區(qū)域上生成第一種材料而形成一種所需的圖形；(2)在全部或部分第一種材料上和全部或部分未經(jīng)第一種材料所覆蓋的基體材料上生 成至少一種第二種材料，其中由至少兩種材料所形成的所有特征結(jié)構(gòu)都連接在一起；(3)整平上述由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和 或?qū)颖砻嫫秸龋?4)從上述基體材料層分離已形成的由至少兩種材料所組成的結(jié)構(gòu)層；(5)如果需要，整平所分離的結(jié)構(gòu)層而獲得所需的層厚度，層表面光潔度和或?qū)颖砻嫫?整度；其中在這至少兩種材料中，至少有一種結(jié)構(gòu)材料，也可包含有至少一種犧牲材料。
6.如權(quán)利要求2 4中任意一項，其特征在于，使用物理和或化學(xué)方法來加工或刻蝕由 第一種材料所形成的材料層，其中可包含使用機械加工、電加工、激光、干法刻蝕、化學(xué)刻蝕 和或電化學(xué)刻蝕。
7.如權(quán)利要求2 5中任意一項，其特征在于，其中至少一種被填入的材料或至少一種 材料的生成，可用沉積方法來完成，其中沉積方法可包含物理沉積、化學(xué)沉積和或電化學(xué)沉 積。
8.如權(quán)利要求2 5中任意一項，其特征在于，整平單一或多種材料所組成的材料層或 結(jié)構(gòu)層可使用研磨、機械拋光和或化學(xué)機械拋光。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，連接所制造的獨立結(jié)構(gòu)層包含使用擴散連結(jié)。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有兩個獨立結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)材料包含 硅，其中這至少兩個結(jié)構(gòu)層中至少有一個結(jié)構(gòu)層還包含至少一種犧牲材料，連接這至少兩 個結(jié)構(gòu)層的方法可使用硅_硅直接鍵合技術(shù)，其中硅_硅直接鍵合技術(shù)可以是室溫或低溫 (< 5000C )等離子體活化的硅_硅直接鍵合技術(shù)。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，至少有兩個獨立結(jié)構(gòu)層的結(jié)構(gòu)材料包含 硅，其中這至少兩個結(jié)構(gòu)層中至少有一個結(jié)構(gòu)層還包含至少一種犧牲材料，連接這至少兩 個獨立結(jié)構(gòu)層的方法包括如下步驟(1)使用室溫或低溫(<50(TC )硅-硅直接鍵合技術(shù)連接這至少兩個獨立結(jié)構(gòu)層，從 而使得它們結(jié)合在一起，并且層之間的鍵合強度可以使得已結(jié)合在一起的結(jié)構(gòu)層可以經(jīng)歷 步驟(2)而不至互相分離；(2)去除全部犧牲材料；(3)把上述已去除犧牲材料的多層結(jié)構(gòu)層進行高溫(> 500 )退火，從而增強層之間 的鍵合強度。
12.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，去除部份或全部犧牲材料可使用化學(xué)或電 化學(xué)刻蝕或溶解。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制造多層三維器件或結(jié)構(gòu)(例如微器件或微結(jié)構(gòu))方法。此方法通過制造并連接多個獨立結(jié)構(gòu)層而形成一個所需的多層三維器件或結(jié)構(gòu)。每一個獨立結(jié)構(gòu)層包含至少一種結(jié)構(gòu)材料并形成一種所需的圖形。結(jié)構(gòu)材料例子包括金屬，半導(dǎo)體和非金屬。至少有一個獨立結(jié)構(gòu)層包含至少二個互不接觸的由結(jié)構(gòu)材料形成的特征結(jié)構(gòu)并且這些互不接觸的特征結(jié)構(gòu)借由至少一種犧牲材料結(jié)合在一起而形成一個一體的結(jié)構(gòu)層。犧牲材料可在部分和或全部獨立結(jié)構(gòu)層被連接在一起后部分或全部去除。本發(fā)明也公開了制造所需獨立結(jié)構(gòu)層方法。
文檔編號B81C3/00GK101891143SQ20091003952
公開日2010年11月24日 申請日期2009年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月18日
發(fā)明者張剛 申請人:張剛