制造MEMS器件的方法以及MEMS器件 |
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申请号 | CN201110057805.6 | 申请日 | 2011-03-04 | 公开(公告)号 | CN102190286B | 公开(公告)日 | 2015-09-09 |
申请人 | 富士通株式会社; | 发明人 | 胜木隆史; 岛内岳明; 今井雅彦; 丰田治; 上田知史; | ||||
摘要 | 本 发明 涉及制造MEMS器件的方法以及MEMS器件,并提供了制造优选地用于微 机电系统 的器件的制造方法。该方法包括以下步骤:在衬底上形成第一 电极 ,其中第一电极至少在其一端处具有第一倾斜端部;在第一电极上形成牺牲层,其中牺牲层具有第一倾斜边缘,该第一倾斜边缘和第一倾斜端部彼此叠置,使得第一倾斜边缘的厚度随着第一倾斜端部的厚度增加而减小;在第一电极上形成第一隔离体,其中第一隔离体与第一倾斜边缘 接触 ;在牺牲层和第一隔离体上形成梁电极;以及在形成梁电极以后去除牺牲层。 | ||||||
权利要求 | 1.一种制造器件的方法,包括以下步骤: |
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说明书全文 | 制造MEMS器件的方法以及MEMS器件技术领域背景技术[0004] MEMS器件中的可变电容器和开关,通常需要梁结构,该梁结构提供允许在形成有MEMS器件的衬底上垂直移动的功能。 [0005] 在日本专利公开No.2005-313276和No.2006-289520中描述了具有上述功能的梁结构。在前一个专利公开中有这样的描述,即,MEMS器件具有:布置在形成于衬底中的腔室室上面的压电膜,具有布置在压电膜的中央部分的第一电极的可动梁,以及布置在腔室室中以面向第一电极的第二电极。 [0007] 已知的MEMS器件通常具有作为可动梁的第二电极设置在第一电极上方的结构。第一电极用来支撑第二电极,或者激励第二电极。由于在MEMS器件制造期间,按顺序地形成层,因此第二电极形成在第一电极上面的层所得到的不平整的表面上。 [0008] 为了防止在可动梁中应力集中或其他不良影响的产生,优选地在尽可能平坦的表面上形成可动梁。为了形成平坦表面,通常采用这样的方式,即通过旋涂诸如树脂等的树脂材料来平坦地形成牺牲层,并且在牺牲层上沉积将要成为可动梁的层。通过利用将被形成为可动梁的材料在图案化牺牲层后去除牺牲层,在曾被牺牲层占据的腔室的上方形成可动梁。 [0009] 如果用树脂作为牺牲层材料,则树脂的热特性对去除牺牲层之前的工艺带来了各种限制。因此,很难对工艺进行加热和剥离处理。 [0011] 用硅材料形成牺牲层可采用诸如溅射或者其他操作以在衬底上使硅晶体生长到期望的厚度。由于硅晶体生长容易,其上将形成硅层的衬底上的细小的凹凸,在通过生长硅晶体进行的层形成工艺期间,被复制以致强化。因此,产生的Si牺牲层通常具有包括强化了的凹凸的表面。与衬底相交成角的壁的部分,也起到与衬底表面上的凹凸类似的作用,这是因为Si晶体从壁和衬底两者生长,在两个所生长的Si晶体的界面处形成由此产生的凹陷。 [0012] 由于由Si材料制成的牺牲层的表面如上所述往往不平整,因此很难在不平整的表面上适当地形成用作可动梁的第二电极。 [0013] 因此,需要一种制造方法,其利用Si材料形成表面尽可能平坦的牺牲层,以在其上适当地形成作为可动梁的第二电极。 [0014] 根据本发明,即使将硅用作牺牲层材料,产生的牺牲层的表面也可以尽可能地平坦,并且可以在牺牲层上适当地形成用作可动梁的第二电极。 发明内容[0015] 因此,本发明的一个方面的目的是提供一种制造方法,其中用硅作为牺牲层材料使得产生的牺牲层的表面尽可能地平坦,并且可在牺牲层上适当地形成用作可动梁的第二电极。 [0016] 根据本发明的方面,制造器件的方法包括以下步骤:在衬底上形成第一电极,其中第一电极至少在其一端处具有第一倾斜端部;在第一电极上形成牺牲层,其中牺牲层具有第一倾斜边缘,该第一倾斜边缘和第一倾斜端部彼此叠置使得第一倾斜边缘的厚度随着第一倾斜端部的厚度增加而减小;在第一电极上形成第一隔离体,其中第一隔离体与第一倾斜边缘接触;在牺牲层和第一隔离体上形成梁电极;以及在形成梁电极以后去除牺牲层。 [0019] 图1A和图1B是示意性地图示了在本实施例中的MEMS器件的结构的示图; [0020] 图2是图示了在MEMS器件制造过程中的步骤中可动电极的示例结构的示图; [0021] 图3A至图3C是图示了在MEMS器件制造过程中的步骤的示图; [0022] 图4A至图4C是图示了在MEMS器件制造过程中的步骤的示图; [0023] 图5A至图5C是图示了在MEMS器件制造过程中的步骤的示图; [0024] 图6A至图6C是图示了在MEMS器件制造过程中的步骤的示图; [0025] 图7在上部图示了掩膜之间的位置关系的示图,并且在下部图示了层之间的位置关系的示图; [0026] 图8在上部图示了掩膜之间的另一位置关系的示图,并且在下部图示了层之间的位置关系的示图; [0027] 图9A和图9B是图示了基于照片绘制的,实验制造的MEMS器件在可动电极周围的横截面图的示图; [0028] 图10是示意性地图示了在本实施例中的制造工艺的流程图; [0029] 图11A和图11B是图示了具有可动电极的MEMS开关的示图;以及 [0030] 图12是图示了其中包括MEMS电容器的MEMS滤波器的示图; 具体实施方式[0031] 作为实施例,将详细描述作为MEMS器件的可变电容器。 [0032] 在图1A和图1B中的MEMS电容器1包括衬底11、固定电极12、电介质层13、支撑部14以及可动电极15。图1A是沿图1B中的线1A-1A所取的截面图,其中图1B图示了MEMS电容器1的平面图。 [0033] MEMS电容器1具有布置在衬底11上的固定电极12和可动电极15。当由于施加在固定电极12和可动电极15之间的电压而产生静电吸引力时,可动电极15弯曲,并且固定电极12和可动电极15之间的电容发生将改变。可动电极15只是可动梁的示例。 [0035] 支撑部14的各个都具有基础电极14a和隔离体14b,并且布置成支撑可动电极15的两端。具体而言,各个支撑部14布置在可动电极15的根部。基础电极14a是可动电极15和支撑部14两者的基底。 [0037] 除了图1A和图1B中图示的结构以外的各种结构也可用于MEMS电容器1。 [0038] 图2是在图1A中的MEMS电容器1的右侧上的支撑部14周围部分的放大图。在MEMS电容器1左侧上的支撑部14基本上与在图2中右侧上的支撑部14对称。在左侧上和右侧上的基础电极14a同时形成,并且在左侧上和右侧上的隔离体14b也同时形成。 [0039] 如在图2中图示的,可动电极15在其两端处通过支撑部14被支撑在衬底11上,并且支撑部14的各个均包括基础电极14a和隔离体14b。 [0040] 在MEMS电容器1的制造期间,通过例如图形化工艺或剥离工艺形成基础电极14a、隔离体14b以及牺牲层21。然后,通过例如溅射工艺或剥离工艺在隔离体14b和牺牲层21上形成可动电极15。当去除了牺牲层21时,在可动电极15下方形成腔室。 [0041] 下面,将描述制造MEMS电容器1的方法,为了描述清晰,以支撑部14以及与其相邻的牺牲层21为中心。 [0042] 图3A至图3C到图6A至图6C图示了在图2中图示的部分的制造工艺。为了清楚地图示各部分的形状,图3A至图3C到图6A至图6C横向大于图1A和图1B以及图2中的那些部分。 [0043] 如在图3A中所图示,利用金、铜、铝等通过溅射或镀覆在衬底11上形成电极层BM,其中固定电极12和基础电极14a将由该电极层BM形成。电极层BM的厚度是例如从0.5微米到几个微米。然后将抗蚀剂层BR1涂敷到电极层BM。 [0044] 如在图3B所示,图案化抗蚀剂层BR1以形成图案化抗蚀剂层BRP1。在该图案化中,用于形成基础电极14a的掩膜M1的端部(未图示出)与掩膜位置PM1对齐。掩膜M1将在图7的上部中图示。 [0045] 掩膜位置PM1比后述的掩膜位置PM2更靠近MEMS电容器1的中心。因此,掩膜位置PM1右侧的抗蚀剂层BRP1被留下,并且将通过抗蚀剂层BRP1来图案化基础电极14a。 [0046] 具体而言,如在图3C所示,采用适当的蚀刻剂来蚀刻电极层BM,形成基础电极14a。即,电极层BM包括未涂覆有抗蚀剂层BRP1的部分和涂覆有抗蚀剂层BRP1的部分。在使用适当的蚀刻剂进行的蚀刻工艺之后,剩下覆盖有抗蚀剂层BRP1的部分,在几个工艺后最终形成的基础电极14a。 [0047] 在蚀刻工艺期间使用包括表面活性剂的液体作为蚀刻剂,蚀刻剂进入抗蚀剂层BRP1和电极层BM之间。从而,如图3B所示,电极层BM的与位置PM1相邻的部分在一定程度上被蚀刻剂去除,以在其端部形成具有相对缓和的倾斜度的倾斜侧壁TS1。 [0048] 倾斜侧壁TS1的最左端基本上与掩膜位置PM1的相同。在另一端的基础电极14a和固定电极12也同时形成。在形成固定电极12之后以适当的工艺形成电介质层13即可。 [0049] 在去除抗蚀剂层BRP1之后,涂敷新的抗蚀剂层BR2。然后将所涂敷的抗蚀剂层BR2图案化以形成如图4A所示的图案化抗蚀剂层BRP2。 [0050] 对抗蚀剂层BRP2进行图案化,以在稍后剥离牺牲层。用于该抗蚀剂层BRP2的图案化的掩膜M2的端部与掩膜位置PM2对齐。因此,掩膜位置PM2右侧的抗蚀剂层BRP2被留下。 [0051] 如图4A所示,掩膜位置PM2在掩膜位置PM1的右侧,并且在基础电极14a的倾斜侧壁TS1的顶点的附近或者在该顶点右侧的平坦部分中的位置。 [0052] 接下来,如图4B所示,在形成在衬底11上的基础电极14a上以及在形成在基础电极14a上的抗蚀剂层BRP2上,通过溅射等形成第一牺牲层BG1。在该实施例中,用硅(Si)作为第一牺牲层BG1的材料。在这种情况下,第一牺牲层BG1的与衬底11接触的部分的厚度优选地与基础电极14a的平坦部分的厚度相同。 [0053] 然后将抗蚀剂层BRP2与在其上形成的第一牺牲层BG1一起剥离。从而如图4C所图示的通过剥离形成第一图案化牺牲层BGP1。 [0054] 如图5A所示,通过溅射等在第一图案化牺牲层BGP1和基础电极14a上进一步形成第二牺牲层BG2。第二牺牲层BG2的平坦部分的厚度是这样的,其上表面与稍后将形成的可动电极15的下表面的高度相同。然后如在图5B中通过实线和点划线所指示的,在第二牺牲层BG2上涂敷抗蚀剂层BR3。 [0055] 图案化所涂敷的抗蚀剂层BR3,以形成如图5B中的实线所指示的图案化抗蚀剂层BRP3。用于抗蚀剂层BRP3的该图案化的掩膜M3的端部与掩膜M2情况中的掩膜位置PM2对齐。因此,掩膜位置M2左侧的抗蚀剂层BRP3被留下。 [0056] 接下来,通过例如干法刻蚀将第二牺牲层BG2图案化。从而形成如图5C所示的第二图案化牺牲层BGP2。相对于BPR3,至少第二图案化牺牲层BGP2通过刻蚀被底切。在底切部分的端部处形成倾斜端面TS2。倾斜端面TS2在与基础电极14a的倾斜侧壁TS1的倾斜方向相反的方向上倾斜。 [0057] 即,第一图案化牺牲层BGP1和第二图案化牺牲层BGP2组合而作为整体形成牺牲层BGP0(21)。牺牲层BGP0从未形成基础电极14a的区域延伸,并且利用在端部处形成的倾斜端面TS2叠置于基础电极14a的倾斜侧壁TS1。 [0058] 如图5C所示,牺牲层BGP0的倾斜端面TS2在基础电极14a的倾斜侧壁TS1的上方形成。因此,倾斜端面TS2相对于衬底11的表面的角度,小于当倾斜端面TS2在与衬底11表面平行的表面上形成时的角度,使倾斜端面TS2的倾斜度变得缓和。 [0059] 接下来,如图6A所示,通过例如溅射来形成用于形成隔离体14b的隔离体层BS。隔离体14b的厚度是这样的,其上表面与稍后将形成的可动电极15的下表面处于相同的高度,即与牺牲层BGP0的上表面处于相同的高度。 [0060] 然后将抗蚀剂层BRP3与在其上形成的隔离体层BS一起剥离。从而如图6B所示形成隔离体14b。隔离体14b的端面触及或接触牺牲层BGP0的倾斜端面TS2。 [0061] 因此,掩膜M3用作牺牲层BGP0刻蚀的掩膜并且用作隔离体14b的剥离的掩膜。 [0062] 接下来,如图6C所示,通过溅射或剥离等在隔离体14b和牺牲层BGP0上形成可动电极15。当牺牲层BGP0被去除时,在可动电极15的下方形成腔室。 [0063] 图7在上部图示了掩膜M1至掩膜M4之间的位置关系,并且图7在下部示出了通过掩膜M1至掩膜M4而被图案化的层之间的位置关系,其中掩膜M4用于形成可动电极15的图案化。 [0064] 在图7的上部的图中,用于图案化基础电极14a的掩膜M1被布置在掩膜位置PM1处,而用于图案形化第一牺牲层BGP1的掩膜M2和用于图案化牺牲层BGP021和隔离体14b的掩膜M3被布置在掩膜位置PM2处。 [0065] 掩膜M1和掩膜M2、M3被布置为,利用它们而被图案化的边缘被布置在如图7的上部所示的不同的位置处。因此,如在图7的下部中所图示,牺牲层BGP0被形成为使得:牺牲层BGP0的倾斜端面TS2的至少一部分的位置,与在牺牲层BGP0的厚度L1相等的宽度范围内的位置相当,其中该范围的中心是基础电极14a的倾斜侧壁TS1的顶点TB1。 [0066] 优选地将牺牲层BGP0形成为使得:牺牲层BGP0的倾斜端面TS2的顶点TB2被布置在基础电极14a的倾斜侧壁TS1的上方,如图6A中所图示。然而,这不是必须的。 [0067] 当通过如上所述布置掩膜M1至掩膜M3来形成牺牲层BGP0时,可减少牺牲层BGP0表面上的凹凸并且获得足够平坦的表面。因此,使形成在牺牲层BGP0和隔离体14b上的可动电极15适当地成形,并且使可动电极15能够具有足够的强度从而可充分实现其功能。 [0068] 现在,为了与该实施例中的制造方法相比较,将描述利用布置在相同位置的掩膜M1至掩膜M3制造MEMS器件的情况。 [0069] 在比较示例中,如图示了用于解释掩膜之间的位置关系的平面图的图8的上部所示,三个掩膜M1至掩膜M3都被布置在相同的掩膜位置PM2。图8的下部是图示了包括基础电极14aj、牺牲层BGP0j、隔离体14bj以及可动电极15j的层叠结构沿图8的上部中的B-B线的截面图的示图。除了布置掩膜M1至掩膜M2以外的操作与上述实施例中的相同。 [0070] 如在本发明的实施例中那样,在基础电极14aj的端部处形成倾斜侧壁TS1j。因此,倾斜侧壁TS1j的端部布置在非常接近相当于掩膜位置PM2的位置(见图8的下部)。由于牺牲层BGP0j没有叠置于基础电极14aj的倾斜侧壁TS1j,因此在牺牲层BGP0j和倾斜侧壁TS1j之间作为结果而形成V型槽HB。因此,由于隔离体14bj沿着槽HB形成,因此形成了类似的槽。 [0071] 结果,形成在隔离体14bj上的可动电极15j具有不适当的形状,该形状是由在掩膜位置PM2附近产生的槽形成的较大的V型。可动电极15j的强度于是被削弱,并且不能容易地充分执行其功能。 [0072] 图9A和图9B是基于照片绘制的实验制造的可动电极15和可动电极15j的横截面图。 [0073] 如图9A中所图示,在基于根据本发明的本实施例中的方法的制造中,牺牲层BGP0的表面相当平坦,从而可以使在牺牲层BGP0上形成的可动电极15适当地平坦。 [0074] 然而,当三个掩膜M1至掩膜M3都被布置在相同的掩膜位置PM2时,可动电极15j是如图9B所示的具有较大槽的V型,并且可能没有适当的平坦形状。 [0075] 当三个掩膜M1至掩膜M3全都如上所述被布置在相同的掩膜位置PM2时,牺牲层BGP0j没有叠置于基础电极14aj的倾斜侧壁TS1j。因此,当牺牲层BGP0j形成时,其直接沉积在衬底11的表面上,并且其倾斜端面TS2j变得相当陡峭,即,几乎垂直。 [0076] 结果,在牺牲层BGP0j和隔离体14bj之间产生了未被隔离体材料填充的空隙KG(见图9B),阻止了可动电极15j的适当成形。 [0077] 相反,在本实施例的方法中,掩膜位置PM1与掩膜位置PM2不相同,使得基础电极14a的倾斜侧壁TS1延伸到隔离体14b以外,其中用于形成基础电极14a的掩膜M1布置在掩膜位置PM1处,并且其他的掩膜M2和掩膜M3布置在掩膜位置PM2处。 [0078] 具体而言,如上所述,将基础电极14a的倾斜侧壁TS1形成为向外延伸,然后形成牺牲层BGP0以叠置于倾斜侧壁TS1。牺牲层BGP0的倾斜端面TS2的至少一部分优选地与在牺牲层BGP0的厚度L1的范围内的位置相当,该范围的中心是倾斜侧壁TS1的顶点TB1。掩膜M1至掩膜M3被设计为,掩膜位置PM2具有如上所述的调节余量。 [0079] 当牺牲层BGP0以这种方式在倾斜侧壁TS 1上形成时,牺牲层BGP0叠置于倾斜侧壁TS1,因而牺牲层BGP0的倾斜端面TS2的倾斜度变得缓和。在牺牲层BGP0和隔离体14b之间没有产生空隙KG或类似的空隙,如图9A中所图示。 [0080] 具体而言,在隔离体14b端部处的侧壁被形成为,其被放置成紧密地接触牺牲层BGP0的整个倾斜端面TS2。因此,牺牲层BGP0形成了与位于可动电极15下方的隔离体14b连续的表面,使可动电极15能够被成形为平坦。从而可保持可动电极15的强度。 [0081] 如果牺牲层BGP0的倾斜端面TS2在基础电极14a的倾斜侧壁TS1的中间点处向上延伸,那么倾斜端面TS2的倾斜度可进一步缓和。这抑制了倾斜端面TS2在其顶点处的膨胀,从而使可动电极15能够更加平坦。 [0082] 在上述本实施例的方法中,硅可用作牺牲层21的材料,因此,对工艺的温度限制可明显地减少。因此,例如,可改变可动电极15的形成期间的衬底温度,并且由于内部应力和翘曲之后被释放,因此可很大程度地增大设计中的自由度。 [0083] 相比之下,如果使用树脂作为牺牲层的材料,则对制造工艺施加各种限制;工艺温度被限制为最大值约100℃,直到牺牲层被去除。然而,不排除使用树脂作为牺牲层21的材料。 [0084] 虽然目前已描述了布置在可动电极15两端处的两个支撑部14中的一个,但如上所述,两个支撑部14同时以相同的工艺形成。 [0085] 例如,两个基础电极14a形成为,隔着两者之间的间隔彼此相对的其端部中的每个成为倾斜侧壁TS1。牺牲层BGP0形成为,其从两个基础电极14a的倾斜侧壁TS1之间的区域形成并且叠置于基础电极14a的倾斜侧壁TS1。此时,在牺牲层BGP0的各个端部处形成倾斜端面TS2。 [0086] 隔离体14b被形成在两个基础电极14a上,使得基础电极14a抵靠牺牲层BGP0的相应倾斜端面TS2。 [0087] 接下来,将参考图10中的流程图描述在该实施例中的制造方法。 [0088] 首先,在衬底11上形成在其端部具有倾斜侧壁TS1的基础电极14a(步骤#11)。同时也形成固定电极12。然后形成牺牲层BGP0,使得牺牲层BGP0从未形成基础电极14a的区域延伸并且叠置基础电极14a的倾斜侧壁TS1,并在端部处形成倾斜端面TS2,倾斜端面TS2在与倾斜侧壁TS1的倾斜方向相反的方向上倾斜(步骤#12)。 [0089] 在基础电极14a上形成与牺牲层BGP0的倾斜端面TS2抵靠的隔离体层BS(隔离体14b)(步骤#13)。在牺牲层BGP0和隔离体14b上形成可动电极15(步骤#14)。在已经形成可动电极15之后,去除牺牲层BGP0(步骤#15)。 [0090] 在上述实施例中,衬底11、固定电极12、电介质层13、隔离体14b以及可动电极15的材料、形状、尺寸、制造方法以及制造工艺不限于上面描述的那些,而是可使用其他各种形式。制造牺牲层BGP0的方法也不限于上面描述的方法,而是可使用各种其他的方法。 [0091] 在上述实施例中,已采用MEMS电容器1作为示例描述了对其进行制造方法。然而,也可使用具有不同的结构的MEMS电容器。例如,可使用用于驱动可动电极15的驱动电极与固定电极12分开布置的结构。除MEMS电容器以外,该实施例还可用于MEMS开关、射频滤波器以及其他MEMS器件。 [0092] 图11A是利用在图1A和图1B中图示的MEMS电容器的制造中所使用的方法相似的方法制造的MEMS开关的示例的平面图。图11B是图示了沿图11A中的B-B线的截面图的示图。衬底111、固定电极112、电介质层113、基础电极114a、隔离体114b以及可动电极115的各个材料,分别类似于衬底11、固定电极12、电介质层13、基础电极14a、隔离体14b以及可动电极15的各个材料。在可动电极115上,布置了电介质层116,在电介质层116的两端设置有由金属制成的触头117。与各个触头117相对地,形成两对接触电极,其中一对包括接触电极118a和118b,另一对包括接触电极119a和119b。这些触头和接触电极由金属制成。当在固定电极112和可动电极115之间施加电压时,可动电极115由于在可动电极 115和电介质层113之间产生的静电力而向电介质层113弯曲。接触电极118a、118b、119a和119b的厚度与电介质层13距离衬底11表面的高度相同或者比其略大。因此,取决于可动电极115是否被弯曲并向固定电极112移动,接触电极118a和118b、119a和119b的各对被电气地接通或者关断。 |