[发明专利]MEMS器件

说明书

本发明涉及MEMS器件。

当前不断驱使生产新的越来越小的换能器。一直瞄准将微机电系统 (MEMS)用于这些应用中，这是因为它们潜在地尺寸小—大约十微米到 几千微米—以及由于它们与半导体等工艺的兼容性。这带来潜在地大量 的生产。使用这些MEMS制作过程可获得的器件例如有压力传感器、超 声波换能器和扩音器。通常这些器件包括一个或多个薄膜，其中用于读 取/驱动的电极沉积在该薄膜和/或衬底上。在MEMS压力传感器和扩音 器的情况下，通常通过测量电极之间的电容完成读取。在换能器的情况 下，通过在电极上施加电势差来驱动器件。

在以上描述的MEMS器件中，使用通常是SiO₂的牺牲层来制造薄膜。 随后在过程中去除该牺牲层使得该薄膜悬置并可自由移动。

为了将换能器并入有用器件中，必须使其与外部电子电路连接。然 而，这可能引起干涉、噪声、寄生电容和电感问题。通常薄膜很薄，是 微米数量级，尺寸范围从十微米到几千微米。因此，该器件可能是易碎 的，可能在单元化(singulation)期间被损坏。单元化是一个过程， 在该过程中，其上制造有MEMS器件的衬底晶片被切成方块以使每个被 切成的方块上仅存在一个器件(或一组器件)。该过程通常通过用高速 旋转的金刚石刀片切割晶片来完成。可替代性地，该晶片也可使用激光 沿晶轴来切割，或划割并劈开。当应用于MEMS结构时，所有这些切割 方法都有相关的问题。

在刀片单元化中，晶片的表面一般充满了通常为水的润滑冷却剂， 意在防止晶片温度变得太高并确保金刚石刀片保持在安全操作范围内。 这产生来自水的残渣和晶片磨损块，该残渣和晶片磨损块可能刺破MEMS 结构的未封住部分并使其变得不能使用，这是因为单元化得到的器件的 尺寸太小，在后期阶段很难清除该残渣。另外，该润滑冷却剂可能被高 速喷射到晶片上，从而使精密的传感器结构处于高机械应力下并且可能 将该传感器结构损坏。

激光单元化比刀片切割稍微干净些但也更昂贵。但是，切割过程所 产生的热量可能会形成热梯度，导致传感器结构内出现不同热膨胀的区 域，该不同热膨胀的区域可能会使该传感器结构变形并使其无法使用。 同样激光切断过程也会产生一些残渣，该残渣可能阻塞任何未封住结构 并妨碍该器件的正常运行。

最后，通过划割和劈开来单元化晶片在劈开过程期间对晶片施加极 高的机械应力，并产生大量如上可能损坏器件的碎片。

WO 01/14248发现了对于硅扩音器所存在的这些问题。在本申请中， 该器件被切割，然后在移除牺牲层之前用化学抗蚀粘合剂将其安装/连 接在衬底载体上。在安装到衬底载体上之后，然后使该传感器接受化学 蚀刻过程，例如用氢氟酸去除牺牲层。然而，需要继以干燥过程的该化 学蚀刻处理在其与互补金属氧化物半导体(CMOS)制作过程的兼容性方 面是有严重的局限性的。

US 2005/0266599描述了一种用于诸如加速计的MEMS器件的制作 方法。在该方法中，设计了一种具有夹在两个半导体层之间的牺牲层的 衬底，即，绝缘体上硅(SOI)晶片。该晶片被微加工但保留所有或部 分牺牲层在适当位置。该晶片连接至粘胶薄片并切割。该牺牲SiO₂层接 下来使用化学蚀刻去除。使用该有氧化物层夹层的双半导体层衬底排除 了其在COMS过程上的应用。

本发明提供一种在衬底上制作微机电系统(MEMS)装置的方法，该 方法包括以下步骤：处理该衬底以便制作电子电路；沉积可操作地与该 电子电路耦合的第一电极；沉积薄膜使其机械耦合至该第一电极；施加 牺牲层；沉积结构层和可操作地与该电子电路耦合的第二电极，这样该 牺牲层被放置在薄膜和结构层之间从而形成一个初步结构；单元化该衬 底；以及去除该牺牲层从而形成MEMS结构，其中单元化该衬底的步骤 在去除该牺牲层步骤之前进行。

为降低干扰、噪声、寄生电容和电感，需要将薄膜直接集成到电子 器件，从而增加敏感度同时也减少其尺寸和成本。本发明的实施方案提 供一种MEMS制作过程，其中在MEMS薄膜的制作过程中涉及的过程和材 料与(CMOS)制作过程相兼容。该MEMS制作过程因而被限制在例如温 度400℃以下并且不使用金。

在一个优选实施方案中，描述了限定薄膜结构的可与CMOS兼容的 过程。

应意识到，术语“单元化”可以指一种致使每一个切割片上有一个 MEMS器件或者每一个切割片上有一组MEMS器件的过程。