制造包括悬在腔之上的膜的器件的方法

摘要

本发明关注一种制造器件的方法，所述器件包括在有用腔上延伸的膜，所述方法包括：·提供通用结构，所述通用结构包括在主平面中延伸并被布置在支持基底的第一面上的表面层，所述支持基底包括在表面层下方开口的基本腔以及界定各个基本腔的隔离体，所述隔离体具有形成所述支持基底的第一面的全部或部分的上表面；·限定一组相邻的基本腔，使得所述一组基本腔的轮廓在所述主平面中对应于所述有用腔的轮廓；·移除位于所述一组基本腔的轮廓内的所述隔离体，以便形成所述有用腔，并且释放被布置在所述有用腔上方并形成所述膜的所述表面层。

说明书

技术领域

本发明涉及微电子和微系统领域。特别地，它涉及制造包括悬在有用腔之上的膜的器件的方法。

背景技术

MEMS器件(MEMS是微机电系统(Microelectromechanical systems)的首字母缩略词)被广泛用于制造针对多种应用的各种传感器，例如可以提到的是压力传感器、麦克风、射频开关、电声和超声换能器(例如压电微机械超声换能器(pMUT))等。

这些MEMS器件中的许多MEMS器件是基于悬垂在有用腔上的柔性膜。在工作中，与物理参数(例如pMUT的声波传播)相关的膜的弯曲被转换为电信号(反之亦然，这取决于器件是处于接收器模式中还是处于发射器模式中)。

取决于所实施的器件类型，各个有用腔的几何形状(形状、横向尺寸、深度)、膜的几何形状(厚度)及其平面分布(腔间距离)将不同。

Lu Yipeng和David A.Horsley发表的“Modeling,fabrication,andcharacterization of piezoelectric micromachined ultrasonic transducer arraysbased on cavity SOI wafers.”(Journal of Microelectromechanical Systems 24.4(2015)1142-1149)呈现了由具有掩埋有用腔的SOI(绝缘体上硅)基底制造pMUT器件的示例。该方法利用预先在基底中形成的有用腔来限制需要采用的光刻掩模的层的数量。

这种方法很有吸引力，但它意味着设计声学器件所做的一些努力必须由基底制造商承担。具体地，基底制造商必须能够设计和制造包括与器件所需的拓扑结构(腔的几何形状、腔间距)精确一致的有用腔的基底。但是，器件拓扑结构通常是器件制造商通常不想泄露的有价值且敏感的信息。

此外，基底制造商必须开发特定于每种拓扑结构的基底制造方法。这样做所需的努力使器件的快速和经济开发变得更加困难。

因此，期望能够提供一种基底，该基底可以用于基于悬在有用腔之上的膜来制造多种器件，并且因此不需要针对每个器件专门开发基底特定的制造方法。

发明目的

本发明的目的是为了实现上述目标。它涉及一种制造包括悬在有用腔之上的膜的器件的方法，该方法由于使用通用基底而被简化。

发明简述

本发明涉及一种制造包括悬在有用腔之上的膜的器件的方法，该方法包括：

-提供通用结构，所述通用结构包括在主平面中延伸并被布置在载体基底的第一侧面上的表面层，所述载体基底包括在表面层下方开口的基本腔以及界定各个基本腔的隔离体，所述隔离体的上表面形成所述载体基底的全部或部分第一侧面；

-限定一组相邻的基本腔，使得所述一组基本腔的轮廓在所述主平面中对应于所述有用腔的轮廓；

-移除位于所述一组基本腔的轮廓内的隔离体，以便形成有用腔，并且以便释放被布置在有用腔上方并构成膜的表面层。

根据本发明的其他有利和非限制性特征(单独或以任何技术上可行的组合)：

·隔离体将基本腔彼此分开；

·隔离体根据允许基本腔之间连通的隔离体网络来分布在主平面中，各个基本腔是通过隔离体网络的基本模式来界定的；

·提供通用结构包括：

o提供供体基底，

o提供载体基底，所述载体基底包括开口的基本腔以及界定各个基本腔并且上表面形成载体基底的第一侧面的全部或部分的隔离体，

o在载体基底的第一侧面处接合供体基底和载体基底，

o减薄供体基底，以形成表面层；

·提供供体基底包括：在所述供体基底中注入轻物质，以形成位于供体基底的第一部分与供体基底的第二部分之间的掩埋脆弱区，所述第一部分旨在形成表面层，所述第二部分旨在形成供体基底的其余部分；

·减薄供体基底包括：经由掩埋脆弱区将表面层与供体基底的其余部分分开；

·供体基底的第一部分具有包括在0.2微米至2微米之间的厚度；

·接合包括通过分子粘附键合一方面的供体基底和另一方面的载体基底的第一侧面；

·移除位于一组基本腔的轮廓内的隔离体包括：对表面层进行局部蚀刻，以便形成穿过所述表面层的至少一个孔；以及经由所述孔对所述隔离体进行化学蚀刻；

·至少一个孔被制成与隔离体垂直；

·孔被制成与所述组基本腔中的各个基本腔垂直；

·移除位于所述一组基本腔的轮廓内的隔离体包括：对载体基底的第二侧面进行局部蚀刻，以便形成向所述一组基本腔的一个腔开口的至少一个孔；以及经由所述孔对所述隔离体进行化学蚀刻；

·隔离体包括选自氧化硅、氮化硅、单晶硅、多晶硅、非晶硅或多孔硅中的至少一种材料；

·供体基底包括至少一种半导体或压电材料。

附图说明

本发明的其他特征和优点将根据以下对本发明的详细描述中变得显而易见，该描述参考附图给出，在附图中：

[图1a]

[图1b]

[图1c]

[图1d]

[图1e]

[图1f]图1a至图1f示出了根据本发明的制造包括被布置在有用腔上的膜的器件的方法；

[图2a]

[图2b]图2a至图2b示出了根据本发明的制造方法的步骤；

[图3a]

[图3b]

[图3c]图3a至图3c示出了根据本发明的制造方法的其他步骤；

[图4a]

[图4b]

[图4c]

[图4d]

[图4e]

[图4f]

[图4g]

[图4h]

[图4i]

[图4j]图4a至图4j示出了根据本发明的制造方法的实施方式的示例；

[图5a]

[图5b]

[图5c]

[图5d]

[图5e]图5a至图5e示出了根据本发明的制造方法的步骤。

具体实施方式

在描述中，附图中相同的附图标记可以用于相同类型的元件。附图是示意性表示，为易读起见，未按比例绘制。特别地，层沿z轴的厚度不与沿x轴和y轴的横向尺寸成比例；并且在附图中不一定考虑层相对于彼此的相对厚度。

本发明涉及制造器件200的方法，该器件200包括悬在有用腔230之上的膜210(图1e和图1f)。例如，所述器件200可以由超声或声学换能器组成。

根据本发明的制造方法首先包括提供通用结构100的步骤，该通用结构100包括：在主平面(x，y)中延伸并且被布置在载体基底20的第一侧面21上的表面层10。载体基底20包括：在表面层10下方开口的基本腔23；以及垂直于主平面(x，y)、界定各个基本腔23的隔离体24(图1a、图5a)。隔离体24的上表面至少部分地形成载体基底20的第一侧面21。

作为示例并且以非限制性方式，隔离体24包括来自氧化硅、氮化硅、单晶硅、多晶硅、非晶硅或多孔硅中的至少一种材料。

根据第一有利实施方式，隔离体24将基本腔23彼此完全分开。如图1b中的平面图所示，隔离体24有利地形成在主平面(x，y)中以网格形式组织的隔离体，使得可以将各个基本腔23与该基本腔23的相邻腔分开，并因此界定各个基本腔23。

在这种情况下，基本腔23被表示为方形形状，但另选地，它们可以具有矩形、圆形或任何其他几何形状。

根据本发明的第二实施方式，基本腔23彼此不分开。隔离体24根据隔离体24的网络优选以均匀方式分布在主平面(x，y)中，如图5b中所示的示例。隔离体24不会相互接触，并且它们形成局部隔离体和/或柱状物。在该实施方式中，基本腔23是指隔离体24的网络的基本模式23e内部的腔。在图5b的示例中，基本模式23e对应于由四个相邻的隔离体24虚构限定的方形模式；基本腔23是由四个相邻的隔离体24界定的，并且对应于该基本模式23e的内部区域。

隔离体24的(处于主平面(x，y)中的)上表面在这种情况下被表示为方形形状，但是它可以具有矩形、圆形或任何其他几何形状。隔离体24还可以根据网格网络或其他均匀分布来分布。作为示例并且以非限制性方式，隔离体24在主平面(x，y)中的尺寸可以是约5微米、7微米、10微米或15微米。

然后，制造方法包括限定一组23g相邻的基本腔23的步骤，所述一组23g相邻的基本腔23的外轮廓在主平面(x，y)中对应于有用腔230的轮廓(图1c、图5c)。当然，在这种情况下，参考对至少一组23g基本腔的限定：实际上，在由具有介于100mm至300mm之间的直径的载体基底20形成的通用结构100的情况下，将在主平面(x，y)中根据确定的分布限定多个组23g。

该限定步骤取决于预期器件200的类型，并且它特别取决于(多个)有用腔230在主平面(x，y)中所需的横向尺寸；这些横向尺寸从几十微米至几百微米或几毫米不等。该限定步骤还取决于所述器件200所需的有用腔之间的间距：该间距例如可以从几十微米至几百微米或几毫米不等。

将注意到，该限定步骤和后续步骤可以优选地由器件制造商执行，基底制造商仅负责提供通用结构100。另选地，基底制造商可以根据客户请求并根据基底制造商设定的规格来实施所述限定步骤。

然后，根据本发明的制造方法包括：移除位于一组23g基本腔23的轮廓内的隔离体24的步骤；在下文中，所述隔离体被称为临时隔离体24g。

移除临时隔离体24g有利地包括：对表面层10进行局部蚀刻，以便在一组23g基本腔的限定区域中形成穿过所述表面层10的至少一个孔13(图2a和图2b)。

这种局部蚀刻可以通过光刻以及干法化学蚀刻或湿法化学蚀刻来执行。特别地，沉积在表面层10的自由侧面12’上的掩模(未示出)使得可以界定要被蚀刻的区域，以便形成孔13，并且保护自由表面12’的其余部分。将注意到，在基本腔23和隔离体24在载体基底20上的形成期间，在载体基底20的周边上和/或针对载体基底20的第一侧面21上和/或载体基底20的第二侧面22处的切割道设置的区域中限定的对准标记允许在该移除步骤期间实现相对于所述隔离体24和掩埋腔23的精确定位。这些标记还可以用于需要相对于器件200的(多个)有用腔230对准的后续步骤。

根据图2b所示的第一变型，所述(至少一个)孔13被制成与临时隔离体24g垂直。

根据可以特别用于本发明的第一实施方式的第二变型，孔13被形成为与一组23g基本腔中的至少一个基本腔23垂直(未示出)。

对于前述变型，例如通过在真空下或在受控气氛中沉积多晶硅，可以重新堵塞所述(至少一个)孔13。

根据第三变型(未示出)，移除临时隔离体24g可以包括通过对载体基底20的第二侧面22进行局部蚀刻直至一组23g基本腔23中的腔而形成至少一个孔13。有利地，在MEMS器件200制造结束时，特别是当载体基底20被减薄到例如400微米、200微米、100微米、50微米或更小时，在第二侧面22处执行这种蚀刻。这允许生成小尺寸的孔13，同时保持在使用已知化学蚀刻技术可达到的孔的蚀刻厚度/尺寸的比率内。将注意到，这种变型允许通过避免孔13从其中穿过而使膜(表面层10的位于与一组23g基本腔23垂直的部分)保持完整。

然后，在任一所述变型中，经由孔13执行适合于对隔离体24的材料进行侵蚀的干法化学蚀刻或湿法化学蚀刻，以便消除临时隔离体24g(图1d、图5d)并且跨整个有用腔230释放(形成膜210的)表面层10。

在移除临时隔离体24g的步骤结束时，获得包括悬在有用腔230之上的膜210的器件200(图1e)。

通过使用所谓的通用结构100简化了根据本发明的该器件200的制造方法，该通用结构100在其开发期间不需要有用腔230的几何形状和分布的知识。通用结构100包括多个基本腔23和多个隔离体24，其中一些隔离体24g是临时的，因为它们意在被消除，以便形成由一个(或更多个)组23g基本腔限定的一个(或更多个)有用腔230。

在本发明的第一实施方式中，其中通用结构100包括通过隔离体24彼此分开的基本腔23，在移除临时隔离体24g之后，位于有用腔230上方的膜210通过隔离体24被保持在有用腔230的整个周边上(图1d和图1e)。在本发明的第二实施方式中，其中通用结构100的隔离体24不将基本腔23相互分开，在移除临时隔离体24g之后，位于有用腔230上方的膜210通过隔离体24被局部保持在有用腔230的周边上(图5d和图5e)。可以根据预期器件200的类型来设想任一实施方式。

因此，通用结构100具有能够被用于基于有用腔230的不同拓扑结构来制造大量器件200的优点，所述拓扑结构可以根据一组23g基本腔23来形成。

此外，通过移除临时隔离体24g来开发有用腔230的优点在于，它只需要少量地消除材料，隔离体的宽度减小，并且这限制了蚀刻时间，而且可以实现有用腔230的精确尺寸。

制造方法(与实施方式无关)还可以包括在表面层10上并且特别是在膜210上及膜210的周边处制造器件200的附加步骤。这些附加步骤可以尤其包括光刻、蚀刻和沉积绝缘层和/或导电层的步骤，以便在各个膜210上方限定和形成例如电极220(图1f)。

将注意到，这些附加步骤可以另选地在移除临时隔离体24g的步骤之前执行，以便利用作为所述下面的临时隔离体24g的结果的、跨整个结构100(处于主平面(x,y)中)的表面层10的机械强度。

根据实施本发明的有利模式，提供通用结构100的步骤首先包括提供供体基底1。供体基底1具有旨在被接合到载体基底20的前侧面11，以及背侧面12。作为示例并且以非限制性方式，供体基底1将可能包括至少一种半导体(例如硅、碳化硅等)，或者压电材料(例如钽酸锂、铌酸锂、氮化铝、氧化锌、PZT等)。

第二，提供通用结构100的步骤包括提供载体基底20，该载体基底20包括旨在被接合到供体基底1的第一侧面21，以及第二侧面22。载体基底还包括在第一侧面21处开口的基本腔23，以及隔离体24，隔离体24的上表面形成全部或部分第一侧面21。

作为非限制性示例，载体基底20可以包括硅、玻璃、蓝宝石等。

基本腔23在主平面(x，y)中的形状可以是圆形、方形、矩形或多边形。基本腔23在主平面(x，y)中的横向尺寸可以有利地小于50微米，或小于25微米，或小于10微米。基本腔23之间的间距(对应于隔离体24的宽度)可以从一微米至几十微米不等。作为示例并且以非限制性方式，隔离体24的宽度可以约为5微米、7微米、10微米或15微米。隔离体24的上表面可以具有圆形、方形、矩形或多边形形状。

取决于预期器件200，基本腔23沿着垂直于主平面(x，y)的z轴的深度(也对应于隔离体24的高度)可以是几十纳米至几十微米或者几百微米不等。

第三，提供通用结构100的步骤包括接合供体基底1的前侧面11和载体基底20的第一侧面21。接合操作优选地包括通过分子粘附的直接键合。分子粘附原理在现有技术中是公知的，在此将不再赘述。将注意到，要接合的基底必须具有非常好的表面光洁度(清洁度、低粗糙度等)才能获得高质量的接头处。

有利地，为了保证良好质量的接合处，接合步骤包括：在所述表面进行接触之前，清洗供体基底1的待接合表面和载体基底20的待接合表面。作为示例，微电子中使用的常规工序(特别是针对硅基基底)包括：臭氧清洗、SC1清洗(SC1是标准清洗1的首字母缩略词)和SC2清洗(SC2是标准清洗2的首字母缩略词)，而且中间具有冲洗。待接合的表面也将可能在进行接触之前(例如使用等离子体)进行活化，以便促进所述表面之间的高键合能。

可选地，供体基底1和/或载体基底20将可能分别在前侧面11和/或第一侧面21上包括键合层，以便促进它们交界处的键合质量和键合能。

第四，提供通用结构100的步骤包括：减薄供体基底1，以形成表面层10。

根据该有利实现模式的第一变型，通过对供体基底1的背侧面12进行机械研磨、化学机械抛光和/或化学蚀刻来执行供体基底1的减薄。在减薄步骤结束时，获得被布置到载体基底20上并且具有减薄的自由侧面12’的表面层10(图1a)。

根据该变型，表面层10的厚度可以介于几微米至几十微米或几百微米之间。

根据该有利实现模式的第二变型，减薄是使用SmartCut

因此，根据该第二变型，提供供体基底1的前述步骤包括：在所述供体基底1中注入轻物质，以形成处于供体基底1的第一部分3与供体基底1的第二部分4之间的掩埋脆弱区2，该第一部分3旨在形成表面层10，该第二部分4旨在形成供体基底的其余部分(图3a)。优选地，在注入前，在供体基底1的前侧面11上设置中间层5。在接合步骤之前，该中间层5可以被保持、去除和/或由键合层替代。

第一部分3的厚度以及因此将来的表面层10的厚度取决于轻物质(例如氢或氦)的注入能量。有利地，选择注入能量，使得供体基底1的第一部分3具有约0.2微米至2微米的厚度。

然后，根据该方法的接合步骤，将供体基底1接合至载体基底20(图3b)。

仍然根据该第二有利变型，减薄供体基底1的步骤包括：在掩埋脆弱区2处，将表面层10(由分离的第一部分3形成)和供体基底1的其余部分4分开(图3c)。这种分开优选地在热处理期间、在被包括在几百度至700℃之间的温度下发生。另选地，它可以在热处理之后通过机械应力来机械地辅助或实现。

在减薄步骤结束时，获得转移到载体基底20的表面层10(图3c)。回顾一下，SmartCut

在使用SmartCut

在所述的两个减薄变型中，在表面层10被布置到载体基底20上时，减薄步骤可以包括精加工处理，该精加工处理目的在于提高晶体质量(从层中移除缺陷)、表面质量(从自由表面12’中移除残余粗糙)和/或改变表面层10的厚度。该精加工处理将可能包括一个或更多个热处理、化学机械抛光、化学蚀刻、外延生长和/或附加层沉积。

在该示例中，预期器件200需要悬在有用腔230之上的具有1.5微米的厚度的硅膜210，有用腔230具有每边约104微米且深度为1微米的方形形状。

根据本发明的制造方法首先提出了提供通用结构100，通用结构100包括1.5微米的硅表面层和具有每边20微米、深度为1微米、间隔为8微米的方形形状的基本腔23。

供体基底1是由硅制成的基底(图4a)。在注入轻物质之前，例如通过热氧化在前侧面11上形成例如约100nm的硅氧化物层5。注入能量被设定为210keV，氢物质的剂量约为7

在接合到载体基底20的步骤之前，氧化物层5将可能会被保留或移除。

载体基底20是由硅制成的基底。在所述基底20上形成具有2微米的厚度的热氧化层24。在所述基底20的第一侧面21和第二侧面22上形成热氧化层24。存在于第二侧面22上的热氧化层将可能视情况而被全部地或部分地保留或删除。另选地，氧化层将可能仅沉积(使用已知的沉积技术)在载体基底20的第一侧面21上。

然后，通过光刻，在载体基底20的第一侧面21上限定掩模25，所述掩模25包括将能够蚀刻热氧化层24的未掩模区域和将保护所述层24的掩模区域(图4b)。将注意，对准标记也被限定在载体基底20的周边和/或在切割道的区域中，以用于目标在于当基本腔23被掩埋在表面层10下时重新确定基本腔23的坐标的后续光刻步骤。

根据通用结构100的基本腔23的大小和目标平面分布来限定未掩模区域。在这些未掩模区域，热氧化层24a的干法化学蚀刻或湿法化学蚀刻被执行为直接通过该热氧化层24a的厚度，即2微米(图4c)。然后，移除掩模25(图4d)。

典型地，在此示例下，每个基本腔23被测量为每边20微米，并且宽度为8微米的隔离体24分布在网格中，将基本腔23彼此分开(图4e)。

在清洗和活化工序之后，供体基底1的前侧面11和载体基底20的第一侧面21进行接触并通过分子粘附而键合(图4f)。将注意，直接键合将可能在环境气氛下或受控气氛(气体的压力和性质)下进行。可以在约350℃的温度下对键合结构施加用于固结键合界面的退火。

经由掩埋脆弱区2的分开是在分离热处理期间、在约500℃的温度下进行的。

然后，这得到了通用结构100，该通用结构100包括被布置在载体基底20的多个基本腔23上的表面层10(图4g)。

优选地，执行精加工处理操作(例如热氧化处理和化学机械抛光)，以便保证转移的表面层10具有良好的表面和结构质量并获得1.5微米的厚度。

然后，执行限定至少一组23g相邻基本腔23的步骤，所述至少一组23g相邻基本腔23的外轮廓在主平面中对应于有用腔230的轮廓。如图4h所示，限定了有16个基本腔23的一个组23g，以便形成每边长约104微米的有用腔230。将这16个基本腔23分开的隔离体是临时腔24g，旨在制造方法的下一个步骤中消除该临时腔24g。

对于移除临时隔离体24的步骤，使用载体基底20上设置的对准标记通过光刻法限定例如由氮化硅制成的掩模14，以界定将形成穿过表面层10的孔13所在的未掩模区域，而表面层10的其余的自由侧面12被掩模并因此受到保护。对由硅制成的表面层10进行干法局部蚀刻或湿法局部蚀刻，以便形成孔13，此处选择每个孔13的横截面积小于隔离体24g的上表面(图4i)并且每个孔13位于形成临时隔离体24g的网格的交叉处。

在存在孔13a的情况下，执行化学蚀刻(例如基于氢氟酸(HF)蒸气的干法化学蚀刻)，以移除制成临时隔离体24的热氧化物，并且因此跨整个有用腔23释放表面层10，以便形成膜210。

可以在临时隔离体24的化学蚀刻之前或在移除临时隔离体24g的步骤结束时移除掩模14。

应注意，根据针对移除临时隔离体24g的步骤所选择的方法，可以在限定有用腔230的隔离体24处进行过蚀刻，并因此实质上修改所述有用腔230的尺寸和相关联的膜210的尺寸。因此，将有必要考虑过蚀刻的这些潜在影响和/或调整针对移除临时隔离体24g的步骤所选择的方法，以获得具有正确尺寸的有用腔230。

然后，如果需要，可以重新堵塞孔13a。

这得到了预期器件200，该预期器件200包括悬在有用腔230之上的膜210，并且表面层10(膜210)的厚度和有用腔230的几何形状符合上述规格。

当然，本发明不限于所描述的实施方式的模式和示例，并且在不脱离由权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以在其中引入变型实施方式。