Mems制造中的多材料辅助金属化方案的利记博彩app
【专利说明】MEMS制造中的多材料辅助金属化方案
[0001]相关申请的夺叉引用
[0002]本申请涉及2009年10月29日由与本专利申请相同的发明人提交的题为“ASuperfilling Secondary Metallization Process in MEMS Fabrication’，的美国申请No. 12/608857。美国申请No. 12/608857的全部内容通过引用方式明确结合于此，并被转让给与本专利申请相同的受让人。
技术领域
[0003]本申请中的教导涉及在微电机系统（下文中称为“MEMS”）的制造过程中利用至少两种不同的辅助（secondary)金属（即第一和第二辅助金属）的新方法。
【背景技术】
[0004]MEMS在本领域中也称为“微机械”，通常由单独的多个构件组成并且尺寸范围一般从5微米到毫米级。它们可以由对数据进行处理的中央单元（微处理器）和与外部进行交互的若干构件（例如微传感器）组成。
[0005]根据现有技术的方法，MEMS的构件可以用光刻术和牺牲层形成。例如，授权给Guckel的美国专利5, 190, 637(下文中称为“Guckel”）中公开了能够生产基本上任意三维形状的多掩模曝光，该文献通过引用方式全文结合于此。根据Guckel，向镀覆基体（platingbase)施加能够由辐射曝光的光刻胶层。然后用掩模使光刻胶曝光于辐射。该掩模使得辐射能够仅仅对光刻胶的某些被限定区域进行“曝光”。随后的显影除去由曝光所选择的光刻胶以产生空腔，该空腔复制了曝光掩模的平面图。然后，光刻胶中形成的空腔由主金属(primary metal)填充，该主金属被电镀到经曝光的镀覆基体上。然后除去剩余的光刻胶，并在主金属和镀覆基体的整体的上方电镀辅助金属（secondary metal)(牺牲性金属）。然后由机械装置把主金属和辅助金属机加工到把主金属暴露出来的高度，并对表面进行平面化，以进行随后的处理。在机加工之后，另一个光刻胶层可以被施加到主金属和辅助金属上，然后用与上文相同的过程对这个光刻胶也进行图案化。在主金属已被电镀到光刻胶中产生的空腔中后，除去光刻胶的其余部分，并在第一辅助金属、任何暴露的第一辅助金属和新添加的第二辅助金属的整体上方电镀辅助金属。第二主金属和第二辅助金属都被机加工到第二层主金属所需的厚度，重复这种处理，直到已经形成所需数目的层，在主金属中产生所需的微结构。一旦形成了这种微结构，镀覆表面和主金属、辅助金属的整体被暴露于蚀刻剂，该蚀刻剂选择性地蚀刻掉辅助金属但不蚀刻主金属，从而只留下主金属和镀覆表面。
[0006]根据Guckel的教导，辅助金属被与光刻胶结合使用，因为其在机加工过程中给主金属赋予了结构稳定性。机加工一般不能仅用光刻胶和主金属完成，因为光刻胶在机械性能方面较弱，可能不足以支撑主金属以免在机械加工处理（可能包括磨削、研磨(lapping)、抛光、化学机械抛光、放电加工或者任何其他常遇到的机加工处理）中遭到大的横向（lateral)力的破坏。辅助金属赋予的另一优点是它方便地给突出于下方主金属结构之上的后续主金属层提供了导电镀覆基体。否则，在上方镀可能需要额外的薄膜籽晶层(seed layer)沉积步骤。
[0007]但是，在单一衬底上构建多个微结构或横向很大的微结构（例如对要被用作半导体测试探针头的MEMS进行制造）时，使用Guckel方法存在显著的问题。根据Guckel的教导在镀覆表面（例如陶瓷）的整体上镀覆辅助金属使得镀覆基体在额外的牺牲性金属的应力作用下弯折和翘曲（warp)。这回过头来造成了两个有关的问题：1)很难（或者不可能）把不同的层机加工成均匀的厚度；2)很难（或者不可能）执行光刻，因为微光刻要求平坦表面。
[0008]授权给Garabedian等人的美国专利No. 7, 264, 984 (下文中称为“Garabedian”）和授权给Tang等人的美国专利No. 7, 271，022(下文中称为“Tang”）二者的全文通过引用方式结合于此，它们对于Guckel的教导进行了改进，公开了用于产生微机械和MEMS结构的处理，使得可以在同一衬底上不使衬底翘曲地构建多个结构或大的结构。具体而言，Tang公开了一种方法，其中，不在衬底的结构化表面整体上方镀辅助金属。相反，紧在包围主金属结构的区域中镀覆辅助金属，以产生“岛”，从而给予主金属结构以结构稳定性而不给衬底造成过度的应力。根据Tang的教导，仅对于需要机械稳定性和需要产生结构突出件(overhang)的地方才镀牺牲性辅助金属，而不要求在包围了衬底上全部的结构金属区域的整个面积中都形成辅助金属。
[0009]虽然Garabedian和Tang中发展了一些改进，但是仍然有缺陷。具体而言，这些文献的辅助金属化方案依赖于光刻在紧紧围绕主金属周围产生空腔，该空腔被构造来保持辅助金属。光刻是一种耗时的处理，需要定制的掩模和光刻胶来产生镀覆辅助金属所需要的所需设计图案。因而，本申请中的教导内容的一个目的是提供一种新的MEMS制造方法，该方法对于镀覆辅助金属不依赖于光刻。
[0010]Garabedian和Tang与本发明的另一个区别在于：这些文献都没有教导对于多层中间MEMS结构的每个层（或者绝不是大多数层），用辅助金属来覆盖整个衬底。相反，这两份专利教导了如果在衬底的整个表面上方在太多层面上镀辅助金属，则衬底会翘曲。尽管这些专利中作为非优选实施例而公开了对于第一层（或主金属的初始层）在整个表面上方镀辅助金属，但是为了防止衬底翘曲，它们对于多层MEMS制造工艺中包含的每个层在整个衬底上方镀辅助金属提出了反向教导（参见Tang的第7栏第9-56行）。更明显的是，Tang强调了多层中间MEMS结构中的辅助金属层的大部分层不是对于整个衬底进行镀覆（参见Tang的第7栏第12-14行）。
[0011]Garabedian和Tang提供的方法的另一个缺点是：使用现有的沉积技术，它们的辅助金属化处理可能造成在主金属结构之间的辅助金属的空洞化（voiding)。空洞化是不利的，因为它使机加工处理期间辅助金属给主金属提供的结构支撑最小化。由于使用当前的沉积技术容易在辅助金属化处理中带来空洞化，所以本领域需要提供一种无空洞的辅助金属化方案作为MEMS制造工艺的一部分。
[0012]尽管过去已经尝试解决在把主金属沉积到空腔中时的空洞化问题（例如在半导体制造过程中），但是这些技术集中在与最终成品结构一体的金属中的导电性方面的空洞化。授权给Andricacos等人的美国专利No. 6, 946, 716 (下文中称为“Andricacos”）和授权给Dubin等人的美国专利6, 432, 821 (下文中称为“Dubin”）中阐述了对于半导体制造超额填充（superfill)主金属的示例，这些文献全文结合于此。这些公开文献中提供的方法与这里的教导形成了鲜明的对比，其中，超额填充是与包围主金属的牺牲性辅助金属一起使用的，因而在对主金属进行了机加工之后它被最终从主金属蚀刻掉。
[0013]重要的是注意到Andricacos和Dubin都没有解决MEMS制造中的空洞化问题。具体而言，这些文献没有提及围绕主金属并在机加工期间给主金属提供机械支撑的辅助牺牲性金属的空洞化。因此本申请中的教导的另一个目的是解决本领域中的这种需要。
【发明内容】
[0014]本申请中的实施例涉及用于制造多层微电机系统的方法，包括：提供由衬底支撑的主金属结构；在主金属结构周围并且在衬底的整个表面上方以薄层沉积第一牺牲性辅助金属；在第一牺牲性辅助金属周围并且在衬底的整个表面上方以厚层沉积第二牺牲性辅助金属；对主金属、第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属进行机加工；重复上述步骤直到制造成所需的多层结构；从经过机加工的主金属结构蚀刻掉第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属，以形成多层微电机系统。
[0015]进一步的实施例涉及一种用于微电机系统的制造中的中间多层化金属复合体，该复合体具有衬底，该衬底支撑主金属结构和辅助金属结构的多个层，其中，每个层包括：主金属的结构，该结构被构造来集成到所制造的微电机系统构件中；第一牺牲性辅助金属，在主金属结构周围并且在衬底的整个表面上方沉积成薄层；第二牺牲性辅助金属，在第一牺牲性辅助金属结构周围并且在衬底的整个表面上方沉积成厚层。
[0016]优选地，所沉积的第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属在机加工过程中给主金属提供水平机械支撑，并且蚀刻掉第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属的步骤基本上不蚀刻经过机加工的主金属结构。有利的是，第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属是用相同的蚀刻剂蚀刻掉的。优选地，所沉积的第二牺牲性辅助金属比第一牺牲性辅助金属密度低，使得这些金属的组合不造成衬底翘曲。根据更具体的实施例，主金属包括镍，第一牺牲性辅助金属和第二牺牲性辅助金属包括铜。
[0017]在一些实施例中，主金属结构包括沿其表面区域的空腔，优选地，第一牺牲性辅助金属的沉积速率在主金属结构的空腔内比在这些空腔外更快，使得所沉积的辅助金属没有显著的空洞化。具体地，所沉积的牺牲性辅助金属可以由镀浴电镀，所述镀浴包括选自由光亮剂、均化剂和抑制剂组成的组的有机添加剂。