專利名稱：用單個掩模制造至少一個微元件的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及制造至少一個微元件的方法，此微元件包括在基板上的至少一個疊 層，每個疊層包括至少兩層，第一層以第一圖案被沉積且第二層以第二圖案被沉積，第二圖 案不同于第一圖案且至少部分覆蓋第一圖案。
背景技術(shù)：
某些微元件傳統(tǒng)上通過在基板上形成連續(xù)疊層來制造。層的數(shù)目大于或等于兩 個。圖1表示基板2上的理想疊層1的情況，三個層(3、4、5)被均勻地沉積在基板2上。用 以制造這些疊層1的技術(shù)很多。具體地，通常采用模板技術(shù)。此技術(shù)在于通過真空沉積技 術(shù)，例如物理氣相沉積(PVD)，通過掩模連續(xù)地沉積微元件的有效層(3、4、5)。相比于微電 子中采用的諸如光刻和蝕刻的傳統(tǒng)微制造方法，此方法是有利的。事實上，此方法易于實施 且便宜。然而，尤其由于掩模的厚度，采用掩模沉積可引起沉積的層(3、4、5)的不均一性。 這些厚度的不均一性一般構(gòu)成了邊緣效應(yīng)，且在導(dǎo)電層的情況下可導(dǎo)致短路。圖2示出具 有這樣的邊緣效應(yīng)的疊層的情況。在此實例中，層5與層3接觸(圖的左邊)，若這兩層是 導(dǎo)電的，則導(dǎo)致短路。這些微元件例如為薄膜微電池。微電池是電化學(xué)能量存儲元件，其厚度一般小于 15 u m。微電池包括在基板2上的至少三個層的至少一個疊層1，層3形成陰極，層4由電解 質(zhì)形成，且層5形成陽極。美國專利5，561，004提出一種結(jié)構(gòu)，其避免了層3和層5之間的任何接觸，以防止 陰極和陽極之間的短路。圖3表示根據(jù)美國專利5，561，004的微電池的結(jié)構(gòu)。電解質(zhì)層4 具有比陰極層3大的尺寸，以完全覆蓋后者。電解質(zhì)層4是電絕緣的，防止了短路。但是，此結(jié)構(gòu)要求采用幾個掩模。由于定位的不確定性，其與加工的不完美以及掩 模的連續(xù)重定位有關(guān)，所以不得不考慮大的裕度。在層3的周邊處對應(yīng)于層4的橫向厚度 的這些裕度防止構(gòu)成電極的層3和5之間的任何直接接觸，且可具有達(dá)到約lOOym的厚 度。這些裕度減小了微元件的有效表面，即陽極和陰極材料之間的離子交換表面，從而降 低了其能量存儲容量。這樣的結(jié)構(gòu)被表示為圖4中的簡化的俯視圖(即，沒有基板2，或集 流體，或外部保護(hù)層)。對于分別用以形成陰極層3、電解質(zhì)層4和陽極層5的掩模之間的 100 iim的最大的未對準(zhǔn)度(misalignment) d，考慮100 y m的裕度g，具有0. 25cm2的表面的 微電池的有效表面(層3和5共用的表面)的損失可達(dá)到約12%。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種制造至少一個微元件的方法，其克服了現(xiàn)有技術(shù)的缺 點。更具體地，本發(fā)明的目的是提供一種制造方法，其快速且易于實施，使得有關(guān)于掩模未 對準(zhǔn)的問題能夠被克服。根據(jù)本發(fā)明，此目的是通過這樣的事實被實現(xiàn)的通過相同掩模的相同開口，執(zhí)行 疊層中的一個的不同層的連續(xù)地沉積，此掩模被加熱到第一溫度以形成第一圖案，且被加熱到不同于第一溫度的第二溫度以形成第二圖像。


從本發(fā)明的具體實施例的下面描述中，其它優(yōu)點和特性將變得更明晰，本發(fā)明的 具體實施例被給出僅為了非限制性的實例的目的且表示在附圖中，其中圖1是理想疊層的示意圖。圖2是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的疊層的示意圖。圖3是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微電池的橫截面示意圖。圖4以簡化俯視圖示出構(gòu)成圖3的微電池的疊層的一部分。圖5表示能夠用于根據(jù)本發(fā)明的方法中的掩模的具體實施例。圖6表示能夠用于根據(jù)本發(fā)明的方法中的掩模的優(yōu)選實施例。圖7和8是以圖6的掩模獲得的疊層的示意圖，分別是俯視圖和橫截面視圖。圖9、10和13表示能夠用于根據(jù)本發(fā)明的方法中的掩模的其它具體實施例的俯視 圖。圖11和12表示能夠在根據(jù)本發(fā)明的方法中采用的掩模的兩個可替換的實施例， 沿A-A的橫截面。圖14表示圖13的掩模的開口的可替換實施例。圖15表示利用圖14的掩模制造的微元件的具體實施例。
具體實施例方式微元件的每個疊層包含至少兩層。第一層以第一圖案被沉積，且第二層隨后以第 二圖案被沉積，第二圖案不同于第一圖案，即具有不同的形狀或尺寸。第二圖案至少部分覆 蓋第一圖案。為實現(xiàn)這樣的微元件，掩模被放置在基板上，且通過掩模的開口連續(xù)地執(zhí)行圖 案的沉積操作。對于硅基板，掩模優(yōu)選由鋼制成。其也可由鉬、鋁、銅、或Invar (從Imphy 合金得到的36% Fe-Ni合金)制成，取決于采用的基板。在圖5的實施例中，若溫度升高或降低，掩模6分別膨脹或收縮。掩模6包含中心 開口 7。初始被加熱到溫度T1的掩模6被表示為實線(6a)，具有對應(yīng)的開口 7，也表示為實 線(7a)。當(dāng)加熱到高于溫度T1的溫度T2時，掩模6膨脹(虛線6b)，開口 7也膨脹(虛線 7b)。同樣地，在高于溫度T2的溫度T3下，掩模6和開口 7變得更大(點劃線6c和7c)。 因此，參看6a、6b和6c，其表示在不同的溫度下的相同的掩模6。同樣地，參看7a、7b和7c， 其表示在這些不同溫度下的相同的開口 7。在圖6的優(yōu)選實施例中，掩模6a，在溫度T1下，包含偏離中心的開口 7a。如前所 述，根據(jù)溫度變化掩模膨脹或收縮(在大于T1的溫度T2下為6b和7b，在大于T2的溫度 T3下，為6c和7c)。掩模6中的開口 7用于連續(xù)地沉積疊層的不同層。通過修改掩模6的溫度，事實 上開口 7的尺寸也改變。掩模因而被加熱到第一溫度(T1)以沉積第一層并形成第一圖案， 且掩模被加熱到不同于第一溫度的第二溫度(T2)以沉積第二層并從而形成第二圖案。在圖7和8的實施例中，通過相同掩模6的相同開口 7以不同的圖案連續(xù)地執(zhí)行 層3、4和5的沉積，優(yōu)選采用圖6的掩模。因此，掩模6在溫度T1下，通過掩模6a的開口7a沉積層3。然后，掩模6在高于溫度T1的溫度T2下，通過掩模6b的開口 7b沉積層4。 最后，掩模6在高于溫度T2的溫度T3下，通過掩模6c的開口 7c沉積層5。圖8顯示在與 基板2平行的方向上，疊層1的圖案之間相對于彼此的偏移。事實上，如圖7所示，當(dāng)其膨 脹時，偏離中心的開口被移動。上面描述的方法采用單個掩模用于連續(xù)沉積。因此不需要掩模處理從而避免了有 關(guān)掩模未對準(zhǔn)的問題。此外，通過掩模的熱膨脹控制圖案的幾何形狀，使得能夠獲得兩個約 10 ym的疊置的圖案之間的偏移，而現(xiàn)有技術(shù)顯示出高達(dá)100 ym的偏移。以上描述的方法 更具體地使得微元件的有效表面的損失能夠被減小。如上所述，若掩模的溫度被修改以總 在相同的方向上變化(升高或降低)，當(dāng)從一層的沉積進(jìn)行到下一層的沉積時，層3和5的 任何直接接觸被避免。在微電池的情況下，電極層3和5的短路隨后被避免。例如，對于具 有25mm2的表面的微電池，位于距硅基板的邊緣5cm的距離處，在20°C的溫度變化下鋼掩模 相對于硅基板的膨脹為lOym。在溫度升高20°C的步驟下，對于根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)制造的微電 池的12%，由這三層制成的電池的有效表面的損失約為0.4%。所采用的方法因而不僅使 微電池有效表面能夠被最大化，而且使陽極和陰極的任何短路能夠被避免。掩模6優(yōu)選包含多個開口 7，以規(guī)則且有序的方式(圖9、10和13)排布以同時實 現(xiàn)多個疊層1，從而提高此方法的產(chǎn)量。每個開口 7與不同的疊層1相關(guān)聯(lián)。然而，難以實 現(xiàn)對包含大量開口的大尺寸掩模6的膨脹的控制。掩模6的膨脹事實上隨著相對于其中心 的距離而變化。這表示在圖9中，具有四個開口 7的掩模6的一部分的情況。對于相同的 溫度增長，掩模6的緊靠中心的開口 7(7al、7bl)比掩模6的在端部的開口 7(7a2、7b2)膨 脹得少。此外，在此實施例中，為防止幾個疊層的不同層的重疊，每個開口 7的尺寸應(yīng)該優(yōu) 選考慮膨脹后的開口 7最大尺寸，也稱為最大膨脹尺寸。對于大尺寸的掩模，開口 7的最大膨脹尺寸可達(dá)到lOOym，減小了微元件的有效 表面。此外，掩模6上的且因此在基板上的集成密度在這種情況下保持地低。為了減小最大 膨脹尺寸，掩模6有利的被分為由膨脹連接件8分隔的至少兩個元件部分。在圖10中，掩 模6例如通過四個連接件8被分成九個子部分。這些膨脹連接件例如由聚合物材料制成， 諸如橡膠、聚氨酯或聚丙烯。在前述實施例中，掩模一般以其自身的重量壓到基板上。當(dāng)掩模由于溫度作用而 形變，其會損壞先前沉積的層，例如通過擦刮后者。為解決這個問題，掩模6有利的包括在 其底部的墊片9以相對與基板升高掩模6(圖11)。掩模6也可包括在其底表面上的，在基 板被定位的一側(cè)(圖12)的圍繞每個開口 7的凹形10。在可替換的實施例中，凹形可以是 所有開口共用的，在掩模的周邊形成連續(xù)的墊片。在上述優(yōu)選實施例中，掩模包括多個偏離中心開口。在圖13的實施例中，掩模6 包括一百二十個開口 7。每個開口 7呈平行四邊形的形狀，一般為正方形。根據(jù)將要制作的 圖案的幾何形狀，對于開口也可存在其他形狀。每個開口使得不同的疊層能夠被形成?？?選擇掩模6的兩個鄰近的開口 7之間的距離以及不同的溫度以形成例如微電池類型的不同 的微元件，每個微元件包括圖案的單個疊層。事實上，用以同時形成不同疊層的第一層的掩 模的溫度與用以同時形成不同疊層的最后一層的掩模的溫度之間的差異設(shè)定第一和最后 的圖案之間的最大偏移。若此偏移小于鄰近的開口之間的距離，則獲得獨立的疊層。為了舉例的目的，圖13的掩模可被用以制造微電池，每個由在具有200mm直徑和500 ym厚度的硅晶片上的疊層形成。通過化學(xué)氣相沉積，基板被約lOOnm厚的氮化硅層覆 蓋。具有200mm的直徑和約300i!m的厚度的鋼掩模通過其自身的重量壓到此基板上。在 此掩模中制作邊長為10mm的正方形的開口。它們彼此間隔開約2. 5mm的距離。在每個開 口的周邊制作具有0. 15mm的深度和0. 15mm的寬度的凹形以防止當(dāng)發(fā)生膨脹時層的擦刮現(xiàn) 象。最大膨脹尺寸從距晶片的中心最遠(yuǎn)離的電池位置計算。此尺寸估算為0.75 i!m/°C。組裝件放置在應(yīng)用材料公司的Endura 型的工業(yè)真空沉積機(jī)器中。在此型號的 設(shè)備中，五個沉積腔室使得電池的不同的有效層能夠在相同的設(shè)備上連續(xù)形成，而沒有任 何人工操作?；搴脱谀烧咭揽繙乜鼗逯Ъ芏急３衷?0°C的溫度，因此沉積具有約 300nm的厚度的第一層鎢(陰極集流體)?；?掩模組裝件隨后被裝載到第二腔室中且 被加熱到60°C的溫度，且執(zhí)行具有約1. 5 y m的厚度的氧硫化鈦(TiOS)(陰極)的沉積。然 后，組裝件被裝載到第三腔室中，且被加熱到80°C的溫度。隨后執(zhí)行具有約lym的厚度的 LiPON(電解質(zhì))的沉積。組裝件被裝載到第四腔室其被加熱到100°C的溫度。隨后執(zhí)行具 有約lym的厚度的鋰(陽極)的沉積。最后，基板/掩模組裝件被裝載到第五也是最后一 個腔室中且被加熱到120°C的溫度。隨后執(zhí)行具有約250nm的厚度的鈦(陽極集流體)的 沉積。在這些沉積步驟的過程中的總溫度梯度為80°C。最大膨脹尺寸因此為60 ym。鄰 近的開口分隔約2. 5mm，考慮到第一和最后的層之間的偏移，從一個疊層到另一個疊層不存 在偏離。最大有效表面損失是1.6%。在可替換實施例中，可實現(xiàn)每個包括多個疊層1的微元件。與相同的微元件的疊 層1相關(guān)的開口 7從而形成開口的組11，如圖14中表示的那個。在此情況下，一個組11和 相同的組11的兩個鄰近的開口之間距離以及不同溫度的選擇使得相同的微元件的兩個鄰 近的疊層能夠串聯(lián)連接。此具體實施例表示在圖15中。通過選擇兩個開口之間的距離小 于第一圖案12與最后的圖案13之間由總溫度梯度確定的最大偏移，疊層1的最后的層事 實上與鄰近的疊層1的第一層重疊。在微電池的情況下，此構(gòu)造是特別令人感興趣的。最后，開口 7的兩個組11之間的距離被選擇為充分大以形成分隔的微元件，其每 個包括多個串聯(lián)連接的疊層1。為舉例的目的，以周期的形式在掩模上復(fù)制圖14的開口的組11。相同的組11中 的兩個開口之間的距離約為SOym。相對于先前的實例，掩模的其他參數(shù)沒有改變。基板也 是相同的。五個層的厚度和屬性保持不變，僅沉積溫度改變。在40°C的掩模溫度下執(zhí)行鎢沉積。在70°C的掩模溫度下執(zhí)行TiOS沉積。在100°C 的掩模溫度下執(zhí)行LiPON沉積。在130°C的掩模溫度下執(zhí)行鋰沉積。在160°C的掩模溫度 下執(zhí)行鈦沉積。在這些沉積步驟的過程中的總溫度梯度是120°C。最大膨脹尺寸因此為90 u m。鄰 近開口的兩個組分隔約2. 5mm,因而從一個微元件到另一個微元件不存在重疊。然而，在開 口的組中，根據(jù)溫度梯度的開口的連續(xù)偏移(總共90i!m)引起對應(yīng)于組內(nèi)的兩個鄰近開口 的兩個鄰近疊層的陽極與陰極集流體層重疊。這些疊層隨后串聯(lián)連接。
權(quán)利要求
制造至少一個微元件的方法，包括在基板(2)上的至少一個疊層(1)，每個疊層包括至少兩層，第一層以第一圖案被沉積且第二層以第二圖案被沉積，所述第二圖案不同于所述第一圖案且至少部分覆蓋所述第一圖案，其特征在于通過相同的掩模(6)的相同的開口(7)連續(xù)沉積所述疊層(1)中的一個的所述不同層，所述掩模被加熱到第一溫度(T1)以形成所述第一圖案，且被加熱到不同于所述第一溫度的第二溫度(T2)以形成所述第二圖案。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)由鋼制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)的所述開口(7)是偏離中 心的，以使所述第一和第二圖案在平行于所述基板(2)的方向上相對于彼此偏移。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于每個開口(7)為平行四邊形形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)包括以規(guī)則和有序的方式 排布的多個開口(7)，其每個與不同的疊層(1)相關(guān)聯(lián)，所述不同的疊層被同時制造。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于選擇兩個鄰近的開口(7)之間的距離以 及用以同時形成所述不同疊層(1)的所述第一層的所述掩模(6)的溫度與用以同時形成每 個疊層的所述最后的層的所述掩模的溫度之間的差異以形成彼此間隔開的、屬于不同的微 元件的獨立的疊層。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于選擇兩個鄰近的開口(7)之間的所述距 離以及用以同時形成所述不同疊層(1)的所述第一層的所述掩模(6)的溫度與用以同時形 成每個疊層的所述最后的層的所述掩模的溫度之間的差異，以使疊層的所述最后的層與鄰 近疊層的所述第一層重疊以串聯(lián)連接所述相同的微元件的兩個鄰近的疊層。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于與所述相同的微元件的所述疊層(1)相 關(guān)聯(lián)的所述掩模(6)的所述開口(7)形成開口的組(11)，且鄰近的開口的兩個組之間的所 述距離被選擇以形成彼此間隔開的兩個微元件。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述微元件是微電池。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)被分成至少兩個元件部 分，其通過膨脹連接件分隔。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)包括在底表面上的，在所 述基板⑵側(cè)的圍繞每個開口(7)凹槽(10)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述掩模(6)通過墊片(9)相對于所述 基板⑵被提高。
全文摘要
本發(fā)明公開了用單個掩模制造至少一個微元件的方法。該微元件例如微電池，包括具有在基板上的至少兩個疊置的層的疊層，掩模(6)在溫度效應(yīng)下能夠膨脹。掩模(6)包括至少一個偏離中心的開口(7)。掩模在第一溫度(T1)下，通過掩模(6a)的開口(7a)沉積第一層。掩模在高于第一溫度(T1)的第二溫度(T2)下，通過掩模(6b)的開口(7b)沉積第二層。最后，掩模在高于第二溫度(T2)的第三溫度(T3)下，通過掩模(6c)的開口(7c)沉積第三層。
文檔編號H01M10/04GK101924235SQ20101020105
公開日2010年12月22日 申請日期2010年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年6月9日
發(fā)明者史蒂夫·馬丁, 尼古拉斯·杜諾耶, 拉菲爾·薩洛特, 薩米·奧卡希 申請人:原子能和代替能源委員會