專利名稱：犧牲層腐蝕用的導電防腐的制作方法
背景技術：
方法
技術領域：
本發(fā)明一般地說涉及微型器件，更具體地說涉及但不限于，微型機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其制造方法。
2、背景技術典型的微型機械系統(tǒng)(MEMS)包括可利用電信號致動的微型機械結(jié)構(gòu)。MEMS器件的一個例子是光柵光閥TM(GLV)器件，由Silicon LightMachines公司(Sunnyvale，加利福尼亞)供應。GLV-型器件描述在下列公開文獻中，在此全文收作參考美國專利5,311,360，授予Bloom等人；美國專利5,841,579，授予Bloom等人；和美國專利5,661,592，授予Bornstein等人。
一般而言，GLV-型器件是一種光調(diào)制器。它可用于各種不同領域，例如包括電視、印刷和光開關等。GLV-型器件包括被稱作“帶狀物(ribbon)”的可動結(jié)構(gòu)的陣列。帶狀物一般地包括成形在回彈性、懸吊結(jié)構(gòu)上的金屬層。在帶狀物下方是底電極，它與作為頂電極的金屬層配合工作?？諝庀秾⒌纂姌O與頂電極隔開。在帶狀物與頂電極之間加上電壓差將產(chǎn)生靜電場，它將帶狀物拉向底電極。于是可通過控制所加電壓來影響反射或衍射從而調(diào)制投射到該反射金屬層上的光。
GLV-型器件對控制信號，如外加電壓，的響應又被稱作其“驅(qū)動特性”。正如從上面所理解的，器件驅(qū)動特性越好，它調(diào)制光的性能越好。因此，可心的是有一個具有比較穩(wěn)定的驅(qū)動特性的GLV-型器件。
發(fā)明概述在一種實施方案中，微型器件是通過在金屬電極上沉積犧牲層，在犧牲層上成形可動結(jié)構(gòu)，然后用稀有氣體氟化物腐蝕犧牲層而制成的。由于金屬電極由金屬材料構(gòu)成，它同時又在犧牲層腐蝕中起防腐的作用，因此在金屬電極中不會累積顯著數(shù)量電荷。這有助于穩(wěn)定可動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動特性。在一種實施方案中，可動結(jié)構(gòu)是光調(diào)制器中的帶狀物。
本發(fā)明的這些和其它特征在本領域技術人員研讀了本公開全文，包括附圖和權(quán)利要求之后將自然清楚了。
附圖簡述

圖1示意地表示傳統(tǒng)GLV-型器件的斷面視圖。
圖2(a)～(m)示意地表示按照本發(fā)明一種實施方案制造的GLV-型器件的側(cè)視斷面圖。
圖3表示按照本發(fā)明一種實施方案成形微型器件的方法流程圖。
同樣的代號在不同的圖中指的是同一或相似的部分。附圖不一定按比例，除非另行指出。
發(fā)明詳述在本公開中，提供了許多具體細節(jié)，例如，工藝參數(shù)、材料、工藝步驟和結(jié)構(gòu)，目的在于提供對本發(fā)明實施方案的深入理解。然而，本領域技術人員將懂得，在缺少一個或多個這些具體細節(jié)的條件下本發(fā)明仍可實施。在另一些情況下，為避免沖淡本發(fā)明的各個方面，未顯示或描述眾所周知的細節(jié)。
另外，本發(fā)明的實施方案在這里是結(jié)合GLV-型器件說明的。然而，要知道，本發(fā)明并不局限于這些，而是也可用于一般的MEMS器件或其它微型器件，如具有可動微型機械結(jié)構(gòu)的集成電路。另外，還應指出，本公開所使用的術語“上方(或上面)”和“下方(或下面)”是指兩種材料的相對位置，它們可以也可以不彼此直接接觸；就是說，這兩種材料可被另一材料或空氣隙隔開。
現(xiàn)在來看圖1，其中表示傳統(tǒng)GLV-型器件100的斷面視圖的示意表達。注意，圖1和本發(fā)明的其它視圖不按比例。還有，雖然GLV-型器件一般都包括一個以上帶狀物，但為表示得清楚起見在附圖中僅畫出一個帶狀物。
器件100包括帶狀物110，它包括回彈性結(jié)構(gòu)103和金屬層102。金屬層102通常是鋁層，而回彈性結(jié)構(gòu)103一般是氮化硅(Si3N4)層。空氣隙101將帶狀物110與底電極107隔開。由于帶狀物110可朝底電極107撓曲，因此帶狀物110也被稱作“可動結(jié)構(gòu)”。不像金屬層102，底電極107通常是非金屬材料如多晶硅(polysilicon)。該多晶硅被大量摻雜以n-型摻雜劑(例如，磷的)以便可用它作為電極。多晶硅傳統(tǒng)上被認為是良好電極材料，因為它與標準集成電路制造工藝兼容。另外，多晶硅在至少直至550℃，這一如下面所討論的，無定形硅層沉積在底電極107上的溫度，保持穩(wěn)定。
空氣隙101一般是通過在由空氣隙101占據(jù)的空間中沉積無定形硅，然后用二氟化氙(XeF2)各向同性地腐蝕該無定形硅而形成的。無定形硅在底電極107上的沉積是采用低壓化學蒸汽沉積法在約550℃進行的。為在腐蝕無定形硅期間保護多晶硅底電極107，在底電極107上沉積二氧化硅(SiO2)薄層104。就是說，二氧化硅層104用于無定形硅腐蝕的防腐。如圖1所示，底電極107成形在隔離層105(例如，二氧化硅)上，后者又在基材106(例如，硅基材)上。
帶狀物110的運動可通過在帶狀物110與底電極107之間施加電壓差來控制。該電壓差產(chǎn)生一個電場將帶狀物110拉向底電極107。由于金屬層102由一種平滑特定波長或波長范圍的光的金屬材料構(gòu)成，故適當波長的入射光可被金屬層102衍射或反射，取決于帶狀物是否被拉動。
雖然器件100適用于大多數(shù)應用，但其驅(qū)動特性隨時間變化。就是說，不同時間段施加同樣電壓差可能得不到同樣的帶狀物110的運動。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，采用覆蓋在底電極107上的不導電防腐物(即二氧化硅層104)助長這一問題的產(chǎn)生。因為不導電防腐物是電介質(zhì)，故雜散離子電荷可能積累在面朝防腐物的底電極107表面上。此種電荷積累可能阻擋所產(chǎn)生的電場拉動帶狀物110，從而對器件100的驅(qū)動特性產(chǎn)生負面影響。在本發(fā)明的一種實施方案中，底電極由金屬材料構(gòu)成。該金屬材料又作為導電防腐物起到防止不希望的電荷積累的作用。
圖2(a)～2(m)示意地表示按照本發(fā)明一種實施方案制造的GLV-型器件的側(cè)視斷面圖。圖2(a)～2(m)是不按比例畫的。
在圖2(a)中，隔離層205沉積在基材206上?；?06可以是硅基材，而隔離層205可以是通過熱氧化生長至1μm厚的二氧化硅層。隔離層205把隨后沉積的金屬層207′與基材206隔離開。
在圖2(b)中，金屬層207′沉積在隔離層205上。如下面討論的，金屬層207′可以是通過物理蒸汽沉積法沉積至約1000埃(即，1000×10-10m)的鈦層。
在圖2(c)中，金屬電極207(即，207A、207B)通過金屬層207′的圖案形成和腐蝕而形成。優(yōu)選的是，金屬電極207由具有良好電導率的金屬材料構(gòu)成。例如，金屬電極207可具有小于250μΩ-cm的電導率。另外，金屬電極207優(yōu)選由在它所經(jīng)受的加工溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定的材料構(gòu)成。例如，金屬電極207優(yōu)選地在直至約900℃的溫度不熔融、升華、氧化、剝離或不利地與相鄰材料起反應。由于金屬電極207也在隨后為除掉犧牲層的腐蝕步驟中起到防腐物作用，故金屬電極207優(yōu)選由不明顯被犧牲層腐蝕劑腐蝕的材料構(gòu)成。
為幫助促使金屬電極207結(jié)合到傳統(tǒng)集成電路工廠中，金屬電極207優(yōu)選由與標準集成電路制造工藝如CMOS(互補金屬氧化物半導體)兼容的金屬材料構(gòu)成。同樣，金屬電極207優(yōu)選可采用傳統(tǒng)圖案形成和腐蝕技術來成形。
金屬電極207可按照以下步驟成形(a)在基材上沉積金屬層，(b)在金屬層上形成圖案并腐蝕以形成金屬電極，以及(c)隨后，通過令金屬電極與另一種被稱作“源材料”的材料在較高溫度起反應改變金屬電極的組成。
在一種實施方案中，金屬電極207包含氮化鈦(TiN)。氮化鈦的金屬電極207可這樣成形在隔離層205上首先通過物理蒸汽沉積法沉積鈦至約1000埃的厚度。隨后，使鈦形成圖案并腐蝕而形成金屬電極。金屬電極成形以后可在約1050℃實施約30秒基于氨的快速熱處理(RTP)?？焖贌崽幚碇械陌弊鳛樵床牧鲜褂?，給鈦的金屬電極提供氮。就是說，氨與鈦起反應生成氮化鈦。
先使鈦層形成圖案和腐蝕，然后令鈦暴露于氮源來成形氮化鈦的金屬電極207的方法具有若干優(yōu)點。首先，獲得的氮化鈦與二氧化硅隔離層205在其界面起反應以形成氧化鈦。這在金屬電極207與隔離層205之間產(chǎn)生良好附著力。另外，由于鈦先形成圖案和腐蝕，隨后該鈦與氨起反應，因此金屬電極207的所有側(cè)壁全都暴露于氨中，從而使側(cè)壁富含氮化鈦。
視場合而定，氮化鈦的金屬電極207也可在含有氮的加工室內(nèi)通過鈦的反應濺射來成形。
氮化鈦具有若干使之適合在圖2(a)～2(m)的實施例制造方法中作為金屬電極207的性質(zhì)。氮化鈦具有良好電導率(約50～100μΩ-cm)，在至少直至約1200℃的溫度保持穩(wěn)定，在至少直至約900℃的溫度不與硅(作為一種實施方案中的犧牲層使用的材料)起反應，與標準集成電路制造工藝兼容，具有良好附著力，對紫外(UV)至紅外(IR)波長范圍的光呈光學平滑。另外，氮化鈦不明顯被稀有氣體氟化物腐蝕劑所腐蝕，例如，在一種實施方案中用于除掉無定形硅犧牲層的二氟化氙腐蝕劑。因此，氮化鈦的金屬電極207也可作為無定形硅腐蝕中的導電防腐物。就本發(fā)明公開內(nèi)容而言，本領域技術人員可采用其它用于特殊應用的金屬材料。例如，硅化鎢(WSi2)也可用作金屬電極材料。
接著看圖2(d)，保護層204被沉積在圖2(c)的樣品上。如下所述，一些金屬電極207可用作帶狀物下方的底金屬電極，而其它金屬電極207則可用作將帶狀物電氣耦合到引線陣列(lead array)(見圖2(m))的金屬充填物(pad)。在圖2(a)～2(m)的實例中，要用作底電極的金屬電極207被稱作“金屬電極207A”，而用作金屬充填物的金屬電極207則稱作“金屬電極207B”。保護層204在金屬電極207A進行腐蝕處理期間保護金屬電極207B。在一種實施方案中，保護層204是通過等離子增強的化學蒸汽沉積沉積至約2000埃厚度的二氧化硅層。
在圖2(e)中，保護層204形成圖案并被腐蝕至露出金屬電極207A。在一種實施方案中，保護層204借助含有氫氟酸(HF)的腐蝕劑被腐蝕。
在圖2(f)中，犧牲層211沉積在圖2(e)的樣品上。在一種實施方案中，犧牲層211是利用低壓化學蒸汽沉積在約550℃沉積至約1μm～3μm厚無定形硅的層。犧牲層211以后將被除掉，從而形成介于金屬電極207A和帶狀物200之間的空氣隙201(參見圖2(m))。
在圖2(g)中，犧牲層211形成圖案并腐蝕，從而除掉不在金屬電極207A上方的犧牲層211部分，同時挖出空穴212?？昭?12隨后以帶狀物材料充填以便牢靠地錨固帶狀物200。
在圖2(h)中，帶狀物材料202沉積在圖2(g)的樣品上。帶狀物材料202優(yōu)選是可反復撓曲而不斷裂的回彈性材料。在一種實施方案中，帶狀物材料202包含利用低壓化學蒸汽沉積法沉積至約1000埃厚的氮化硅。
在圖2(i)中，通道213由帶狀物材料202和保護層204而形成。通道213將金屬電極207B暴露出來。通道213隨后充填以金屬以便耦合外部信號，例如控制信號，到帶狀物200的頂電極。
在圖2(j)中，金屬層221沉積在圖2(i)的樣品上。金屬層221比隨后沉積的金屬層222(見圖2(l))厚。這使得金屬層221的沉積具有足以充填通道213的階梯覆蓋厚度。在一種實施方案中，金屬層221包含利用物理蒸汽沉積法沉積至約0.5μm厚的鋁。
在圖2(k)中，金屬層221形成圖案并腐蝕，從而除掉在金屬電極207A上方的金屬層221部分。
在圖2(l)中，金屬層222沉積在圖2(k)的樣品上。由于金屬層222的部分將是帶狀物的部分并被撓曲以便調(diào)制光，故金屬層222比金屬層221薄。在一種實施方案中，金屬層222包含利用物理蒸汽沉積法沉積至750埃厚的鋁。
在圖2(m)中，介于金屬電極207A和帶狀物材料202之間的犧牲層211的部分被除掉，其利用金屬電極207A作為防腐物。該腐蝕步驟導致空氣隙201的形成。在一種實施方案中，無定形硅的犧牲層211借助將圖2(l)的樣品放在包括稀有氣體氟化物的環(huán)境中而被除掉。優(yōu)選的是，稀有氣體氟化物包括二氟化氙。其它可使用的稀有氣體氟化物包括氪和氬的那些。應當指出，二氟化氙一向在微型機械系統(tǒng)(MEMS)中被用作腐蝕劑。例如，美國專利5,726,480，授予Pister，公開了二氟化氙在制造MEMS器件中的應用。美國申請?zhí)?9/952,626，代理文件號SLM-08300，題為“微電子機械系統(tǒng)和方法”，由Mike Bruner于2001-09-13提交，也公開了二氟化氙作為腐蝕劑的應用。在此將Pister和Bruner的上述公開全文收入本文作為參考。
如圖2(m)所示，金屬電極207A成形在含有帶狀物材料202和金屬層222的帶狀物200下方。帶狀物200在圖2(m)中用虛線圈標出。帶狀物200是“可動結(jié)構(gòu)”的一個例子，因為它可在電壓差加在金屬電極207A和帶狀物200之間以后，立即朝金屬電極207A撓曲?？刂圃撾妷翰罹湍苷{(diào)制入射到金屬層222上的光。
在圖2(m)中，金屬層222起頂電極的作用，而金屬電極207A則起底電極的作用。為在帶狀物200與金屬電極207A之間加上電壓差，可在金屬層222上加上電壓，同時讓基材206保持在地電位。電壓可這樣施加在金屬層222上在耦合到金屬電極207B上的引線(例如，連線或金屬絲；未畫出)上施加電壓，207B則偶聯(lián)在金屬層221上，而后者又偶聯(lián)在金屬層222上，如圖2(m)所示。金屬電極207B可以是偶聯(lián)在引線陣列上的金屬充填物，這就允許外部控制信號如電壓，加到金屬層222上。要指出的是，不像傳統(tǒng)帶狀物那樣，帶狀物200采用不帶電介質(zhì)涂層的金屬底電極來幫助防止電荷在底電極中的累積。除其它優(yōu)點之外，這提供了較穩(wěn)定的驅(qū)動特性。
圖3顯示按照本發(fā)明一種實施方案成形微型器件的方法的流程圖。在步驟302中，底金屬電極(例如，金屬電極207A)成形在基材上。
在步驟304中，犧牲層(例如，犧牲層211)沉積在底金屬電極上。
在步驟306中，可動結(jié)構(gòu)(例如，帶狀物200)成形在犧牲層上。該可動結(jié)構(gòu)可包括回彈性結(jié)構(gòu)(例如，帶狀物材料202)和在該回彈性結(jié)構(gòu)上面的頂金屬電極(例如，金屬層222)。
在步驟308中，介于可動結(jié)構(gòu)和底金屬電極之間的犧牲層利用稀有氣體氟化物腐蝕劑被除掉。這便產(chǎn)生一個空氣隙，它使可動結(jié)構(gòu)在一旦施加控制信號如電壓以后就朝底金屬電極撓曲。
雖然已提供了本發(fā)明若干具體實施方案，但要知道，這些實施方案僅為說明的目的而不是限制它。許多附加實施方案在本領域技術人員研讀了本公開以后將變得了然。因此，本發(fā)明僅由下面的權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種成形微型器件的方法，該方法包括在第一金屬電極上沉積犧牲層；在犧牲層上成形可動結(jié)構(gòu)；以及用稀有氣體氟化物腐蝕可動結(jié)構(gòu)與第一金屬電極之間的犧牲層，從而在第一金屬電極和可動結(jié)構(gòu)之間形成空氣隙。
2.權(quán)利要求1的方法，其中第一金屬電極包含氮化鈦。
3.權(quán)利要求1的方法，其中犧牲層在大于約500℃的溫度沉積。
4.權(quán)利要求1的方法，其中犧牲層包含無定形硅。
5.權(quán)利要求1的方法，其中稀有氣體氟化物包含二氟化氙。
6.權(quán)利要求1的方法，其中在犧牲層上成形可動結(jié)構(gòu)包括在犧牲層上沉積帶狀物材料；以及在帶狀物材料上沉積金屬。
7.權(quán)利要求6的方法，其中帶狀物材料包含氮化硅。
8.權(quán)利要求6的方法，其中金屬包含鋁。
9.權(quán)利要求1的方法，其中第一金屬電極由至少直至約900℃保持穩(wěn)定的材料構(gòu)成。
10.權(quán)利要求1的方法，還包括通過在基材上沉積鈦并讓鈦暴露于包括氨的環(huán)境來成形第一金屬電極。
11.一種微型器件結(jié)構(gòu)，包含在第一金屬電極上的硅層，該第一金屬電極在隨后對硅層的各向同性腐蝕中起防腐物的作用；和在硅層上的回彈性結(jié)構(gòu)。
12.權(quán)利要求11的微型器件結(jié)構(gòu)，其中回彈性結(jié)構(gòu)是光調(diào)制器中的帶狀物的部分。
13.權(quán)利要求11的微型器件結(jié)構(gòu)，其中第一金屬電極包含氮化鈦。
14.權(quán)利要求11的微型器件結(jié)構(gòu)，還包含在回彈性結(jié)構(gòu)上的第二金屬電極。
15.權(quán)利要求11的微型器件結(jié)構(gòu)，其中回彈性結(jié)構(gòu)包含氮化硅。
16.權(quán)利要求14的微型器件結(jié)構(gòu)，其中第二金屬電極包含鋁。
17.權(quán)利要求14的微型器件結(jié)構(gòu)，還包含在第一金屬電極下方的氧化物層。
18.一種成形微型器件的方法，該方法包括下列步驟在第一金屬電極上沉積犧牲層的步驟；以及用稀有氣體氟化物各向同性地腐蝕犧牲層以便在第一金屬電極和可動結(jié)構(gòu)之間形成空氣隙的步驟。
19.權(quán)利要求18的方法，其中沉積犧牲層的步驟包括在第一金屬電極上沉積無定形硅層。
20.權(quán)利要求18的方法，其中可動結(jié)構(gòu)包含在犧牲層上的回彈性結(jié)構(gòu)；以及在回彈性結(jié)構(gòu)上的第二金屬電極。
全文摘要
在一種實施方案中，微型器件是通過在金屬電極上沉積犧牲層(步驟304)，在犧牲層上成形可動結(jié)構(gòu)(步驟306)，然后用稀有氣體氟化物腐蝕犧牲層(步驟308)而制成的。由于金屬電極由金屬材料構(gòu)成，它同時又在對犧牲層的腐蝕中起防腐的作用，因此在金屬電極中不會累積顯著數(shù)量電荷。這有助于穩(wěn)定可動結(jié)構(gòu)的驅(qū)動特性。在一種實施方案中，可動結(jié)構(gòu)是光調(diào)制器中的帶狀物。
文檔編號H01L21/00GK1679140SQ03820692
公開日2005年10月5日 申請日期2003年5月30日 優(yōu)先權(quán)日2002年6月28日
發(fā)明者J·A·亨特 申請人:硅光機器公司