專利名稱：膜片的制造技術(shù)
本發(fā)明涉及精密加工的硅膜片，更具體地說，涉及制造這種膜片的方法。
許多微型機(jī)械器件的工作原理采用使用柔性膜片作為撓性部件，通常用作無源換能元件。含有柔性膜片的各種器件包括精密加工的壓力傳感器，麥克風(fēng)及各種微型流體器件，例如微型泵及噴墨印刷頭。
制造過程中膜片的幾何公差，以及膜片與器件其它部分的熱相容性對整體器件性能具有很大的影響，尤其是在諸如低壓傳感或者精確的皮升容量液體處理之類的應(yīng)用中更是如此。
由于精密加工時代的開始，已在膜片的材料和幾何形狀控制方面，采用了不同的解決方案。壓力傳感器從其早期階段就采用薄的硅膜片作為傳感元件。簡單地通過對暴露的硅區(qū)域進(jìn)行各向異性蝕刻，同時借助計時蝕刻，或者借助諸如重硼摻雜或反向p-n結(jié)點形成之類的蝕刻終止(etch-stop)技術(shù)，控制膜片的厚度，形成膜片。
噴墨印刷頭和微型泵中的撓性元件通過由不銹鋼，玻璃或硅制成。
在E.Stemme和S.Larsson的“The piezoelectric capillaryinjector-A new hydrodynamic method for dot pattern generation”，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-20，No.1，1973年1月，第14-19頁中展示了不銹鋼膜片的一個例子。
在K.Petersen的“Fabrication of an integrated planar siliconink-jet structure”，IEEE Transactions on Electron Devices，Vol.ED-26，No.12，1979年12月，以及A.Olsson，P.Enoksson，G.Stemme和E.Stemme的“Micromachined flat-walled valveless diffuserpumps”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.6，No.2，1997年6月中展示了玻璃膜片的例子。
在T.Laurell，L.Wallman和J.Nilsson的“Design anddevelopment of a silicon microfabricated flow-through dispenser foron-line picolitre sample handling”，Journal of Micromechanics andMicroengineering 9(1999)，第369-376頁，和C.Meinhart與H.Zhang的“The flow structure inside a microfabricated inkjet printhead”，Journal of Microelectromechanical Systems，Vol.9，No.1，2000年3月，第67-75頁中給出了硅膜片的例子。
膜片材料的選擇取決于整體制造工藝的相容性，就基于批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)顯微機(jī)械加工技術(shù)來說，兩種主要材料是玻璃和硅。使用玻璃的缺陷首先在于玻璃的精密機(jī)械加工很困難，其次在于玻璃與硅的熱不相容性。就硅來說，不存在這些缺陷。
在大多數(shù)情況下，通過利用伴隨蝕刻終止技術(shù)的硅蝕刻，形成硅膜片。US4872945描述了制造這種硅膜片的一種方法，在蝕刻硅圓片的另一面，以便控制硅圓片的厚度之前，有選擇地在硅圓片的一面上蝕刻出一個空腔。
US5915168描述了制造空橋(air bridge)結(jié)構(gòu)的覆蓋物的方法。但是，這種結(jié)構(gòu)的形成方式不靈活。
使用蝕刻減小硅圓片厚度的一個顯著缺陷是所花的時間較長。舉例來說，在標(biāo)準(zhǔn)情況下，借助使用氫氧化鉀(KOH)水溶液的各向異性蝕刻除去200微米的硅，需要3-4小時。此外，該工藝依賴于諸如溫度之類的條件。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種制造位于空腔上的膜片的方法，該方法包括通過磨削減小圓片的厚度，并在膜片下形成一個空腔。
磨削的優(yōu)點在于其純機(jī)械特性及時間效率。利用硅磨削除去200微米的硅一般需要5分鐘，并且和溫度無關(guān)，從而能夠以這種方式高精度快速制造柔性硅膜片。
通過磨削圓片一個表面，減小圓片的厚度，并在相反表面上形成空腔，可在該空腔上方制造膜片。
另一方面，可在另一個圓片中形成空腔，并在磨削一圓片之前，把所述另一個圓片粘合到所述一圓片上。
可在減小圓片厚度之前或之后，形成空腔。
可以包括蝕刻在內(nèi)的各種方式形成空腔。
在磨削過程中，可支承膜片，以便防止膜片的變形。通常，該支承由在磨削后被除去的犧牲層提供。
在優(yōu)選實施例中，初生空腔可用作犧牲層。就硅圓片來說，這可通過形成犧牲層的多孔硅來實現(xiàn)。
使用的圓片可以只支承一個膜片。但是，出于經(jīng)濟(jì)的原因，最好是在同一圓片上制造多個膜片。
通過根據(jù)本發(fā)明的第一方面，制造位于空腔上方的膜片，并在該膜片上粘合具有與該空腔連通的噴嘴的第二圓片，可制造按需滴(drop-on-demand)分配器?？稍谶@兩個圓片上制造多個這種器件。
可在粘合步驟之前減小厚度。但是，為了提高處理的簡易性，通常在厚度減小步驟之前，進(jìn)行粘合步驟。
圓片可由包括玻璃在內(nèi)的各種材料制成，不過，在優(yōu)選實施例中，圓片由諸如硅之類的半導(dǎo)體制成。
根據(jù)應(yīng)用，可在膜片上形成各種傳感器或致動器結(jié)構(gòu)。這些包括(但不局限于)氣動，熱，靜電，壓敏及壓電器件。就壓電器件來說，可粘合到膜片上。但是，最好把頂部電極，底部電極和壓電元件絲網(wǎng)印刷到膜片上。最好在除去犧牲層之前，進(jìn)行該絲網(wǎng)印刷工藝。
下面將參考附圖，說明本發(fā)明的例子，其中

圖1是用于精確磨削硅圓片的設(shè)備的示意圖；圖2a-2j表示了制造全硅按需滴分配器所涉及的工藝步驟；圖3是表示膜片撓曲機(jī)理的示意橫截圖；圖4a，4b表示了生產(chǎn)多孔硅的過程，以及含有在硅圓片中形成的多孔硅的空腔的示意圖；圖5表示了在沒有支承物的情況下形成的膜片的剖面圖；圖6表示了在存在多孔硅支承物的情況下，形成的膜片的剖面圖；圖7表示了含有壓電傳感器的按需滴分配器；圖8a-8c表示了利用兩個圓片制造的位于空腔上方的膜片；
圖9a-9c表示了位于空腔上方的膜片，這里在磨削過程中，該空腔由多孔硅支承；圖10表示了具有多個相同膜片的圓片。
圖1表示了固定在圓片夾持器2上的硅圓片1。砂輪3和硅圓片1高速旋轉(zhuǎn)。在旋轉(zhuǎn)過程中，使砂輪3保持與硅圓片1直接接觸，并在硅圓片1上施加一定的壓力。從而借助砂輪3的金剛石齒牙4穩(wěn)定地磨蝕硅圓片1。從硅圓片1除去的材料數(shù)量由測厚規(guī)5控制。
該工藝是純機(jī)械的，和諸如溫度或圓片摻雜濃度無關(guān)。硅圓片1的精確磨光分成兩個階段粗磨和精磨。
在粗磨階段中，從硅圓片1上除去硅的速率約為250微米/分鐘，圓片厚度公差為25微米。在精磨階段中，從硅圓片1上除去硅的速率約為20微米/分鐘，圓片厚度公差為0.5微米。
圖2a-2j中表示了通常用于制造按需滴分配器的工藝步驟。如圖2a和2b中所示，從在兩個硅圓片20a和20b的正面和背面上沉積厚度1000埃的氮化硅層21a-21d開始該工藝過程。通常，硅圓片20a和20b可以是具有n型摻雜或p型摻雜，直徑10厘米，初始厚度為525±25微米的硅圓片。隨后，在硅圓片20a上的氮化硅層21a上刻出直徑一般為6毫米的圓形圖案，并利用等離子體蝕刻，蝕刻硅圓片20a上的氮化硅層，從而形成如圖2c中所示的蝕刻掩模22。在硅圓片20b上的氮化硅層21c上刻出方孔，并且類似地利用等離子體蝕刻工藝蝕刻氮化硅層21c，從而形成如圖2d中所示的蝕刻掩模23。下一步驟由形成如圖2e中所示空腔24的硅圓片20a各向異性蝕刻，以及形成如圖2f中所示圓片通孔25的硅圓片20b各向異性蝕刻組成?？涨坏纳疃纫话銥?5-75微米。隨后如圖2g和2h中所示，從硅圓片20a和20b上剝?nèi)サ鑼?1a-21d。隨后利用硅直接粘合工藝(silicon direct bondingprocess)，如圖2i中所示，粘合硅圓片20a和20b，使硅圓片20b中的圓片通孔25位于硅圓片20a中的空腔24的中心。圖2j中所示的該工藝的下一步驟，也是最后步驟是精確磨光硅圓片20a，以便控制膜片26的厚度。
在厚膜片(厚度＞150微米)和/或深腔的情況下，由于在磨光之后，圓片厚度仍足以提供機(jī)械強度和穩(wěn)定性，因此可以使用單個圓片。從而可以按照圖2a，2c，2e，2g，2i中所示的硅圓片20a的程序，而不用在磨光之前，粘合硅圓片20a和硅圓片20b。以這種方式制造出厚度150微米的膜片。但是，對于厚度小于100微米的薄膜片，尤其是當(dāng)和淺的空腔相結(jié)合時，使用單個基體會導(dǎo)致圓片很脆。這樣，在磨光之前，最好粘合硅圓片20a和硅圓片20b。以這種方式獲得了厚度小于100微米的膜片。
由于因磨削齒牙施加的壓力引起的膜片撓曲，因此在磨光過程中，會由于膜片區(qū)域中硅材料的不均勻除去，發(fā)生一定程度的膜片撓曲。圖3中對此進(jìn)行了說明，圖3表示了具有膜片51的硅圓片50。砂輪52施加的壓力導(dǎo)致膜片彎曲，從而在膜片51的直徑方向上，從硅圓片50上除去的硅的數(shù)量不是固定的。
由于朝著膜片的中心，其撓性逐漸增大，并且由于在磨光過程中，在其下面缺少支承物，因此膜片將撓曲，最大撓曲位于其中心，最小撓曲在其邊緣附近(參見圖3)。這又會導(dǎo)致從膜片上不均勻地除去硅材料(在邊緣附近，除去的硅材料較多，在中心附近，除去的硅材料較少)，從而將引起膜片頂部區(qū)域和底部區(qū)域之間的差異，導(dǎo)致膜片彎曲。
防止膜片彎曲的最簡單方法是在蝕刻空腔和形成膜片之前，磨削圓片。但是，這種解決方案只適應(yīng)于對于要處理的單個圓片來說，整個空腔和膜片厚度足夠大的情況。
在膜片較薄，和成在磨削之前，必須粘合硅圓片(參見圖2i，2j)的情況下，必須為膜片提供易于除去的支承。
提供這種支承的一種適當(dāng)技術(shù)涉及在磨削之前，在空腔中形成多孔硅。
利用多孔硅作為支承物的一個例證制備方法包括下述步驟1.對兩批硅圓片進(jìn)行干式氧化，產(chǎn)生厚度約為60-150埃的氧化層。
2.在這兩批硅圓片上沉積厚度約為3000-4000埃的氮化硅。
3.按照和圖2c中所示的硅圓片20a相同的方式，構(gòu)制第一批硅圓片正面上的氮化硅圖形，以便形成空腔窗口。利用等離子體蝕刻，除去第一批硅圓片背面上的氮化硅和干燥氧化物。
4.在第一批圓片的正面上暴露出的硅窗口中，形成多孔硅。
5.隨后通常利用正磷酸，除去第一批圓片正面上的氮化硅層。
6.按照圖2b，2d，2f，2h中所示的關(guān)于硅圓片20b的方式，處理第二批圓片。當(dāng)?shù)璞怀r，留下了底層的氧化物。
7.隨后利用對準(zhǔn)硅直接粘合工藝(aligned silicon direct bondingprocess)。
8.隨后利用精確磨削工藝，在多孔硅區(qū)域上方形成硅膜片。
9.隨后借助化學(xué)蝕刻，除去多孔硅。
圖4a中表示了步驟4中使用的多孔硅形成工藝。夾具70含有酸混合物，通常為比率為1∶1∶2的氫氟酸，乙醇和水。把硅圓片71和電極72a及72b一起懸浮在該溶液中，使電流在它們之間流動。施加的電流密度為4-9毫安/平方厘米。利用鎢絲鹵素?zé)魪谋趁嬲丈涔鑸A片71。
圖4b中表示了具有氧化物76和氮化硅層75的硅圓片74的放大視圖。多孔硅77形成于空腔78中。以這種方式可形成各種深度的多孔硅，多孔硅厚度取決于電流密度和處理持續(xù)時間。
在形成多孔硅之后，并且在粘合之前，通過把一部分硅圓片浸入氫氧化鉀水溶液(40％wt)中片刻，可從一些空腔中除去多孔硅。這便于在下一步驟中評估同一圓片內(nèi)，多孔硅對膜片彎曲幅度的效果。
圖9a表示了具有含有多孔硅131的空腔的圓片130。磨削圓片130，以便形成如圖9b中所示的膜片132。在磨削過程中，多孔硅131支承膜片132。隨后除去多孔硅131，留下如圖9c中所示的位于膜片132下面的空腔133。
在磨削之后，并且在除去多孔硅之前，利用來自于TencorInstruments的Alpha Step 200測量設(shè)備，勘測膜片的彎曲。發(fā)現(xiàn)在磨削過程中，多孔硅的存在極大地抑制了膜片變形。圖5和6表示了厚度50微米的兩個膜片的撓曲剖面。圖5中所示的剖面是在沒有支承的情況下形成的膜片的撓曲剖面，而圖6表示了在存在多孔硅支承物的情況下，形成的膜片的撓曲剖面。
從這些剖面可清楚地看出，提供呈多孔硅形式的膜片支承物降低了變形量。
此外，可看出在存在位于其下的多孔硅的情況下形成的膜片的剖面在形狀上幾乎是平直的，不同于在沒有位于其下的多孔硅的情況下形成的膜片，該膜片具有彎曲的剖面。
如圖6中所示，在存在位于其下的多孔硅的情況下形成的膜片的某些剖面表現(xiàn)出位于剖面100中心的小尖101。
膜片中心小尖101的存在可用下述事實解釋，即，在空腔底部的中心，存在蝕刻穿過底部圓片的開孔。在磨削過程中，對于位于該開孔上方的膜片區(qū)域來說，不存在任何支承物。從而在磨削過程中，位于該開孔上方的膜片區(qū)的彎曲程度將大于膜片其它部分的彎曲程度，最終導(dǎo)致在該區(qū)域中形成較高的磨削后變形。這可由在蝕刻穿孔位于主空腔范圍之外的樣品中，在剖面中沒有觀察到尖頂?shù)氖聦嵉玫阶C實。
多少產(chǎn)生一點變形的事實起因于在多孔硅表面和另一粘合圓片的表面之間存在縫隙，所述縫隙由具有多孔硅的圓片上的氧化物薄層和/或磨削前/磨削中，發(fā)生的對多孔硅的可能損傷引起。在不存在氧化物層的情況下，膜片的撓曲很小，或者實際上被消除了。
可利用附著于膜片26上的壓電式傳感器，啟動按照圖2a-2j中所示的工藝步驟制造的按需滴分配器。
圖7中表示了具有位于膜片112上的壓電式傳感器111的按需滴分配器。在膜片112的上面，絲網(wǎng)印刷底部電極114。隨后利用壓電粘膠，把壓電式傳感器111絲網(wǎng)印刷到底部電極114上。底部電極占用的面積大于壓電式傳感器111占用的面積，以便于電連接。最后，把頂部電極115絲網(wǎng)印刷到壓電式傳感器111上。
通過在從空腔113中除去多孔硅116之間，進(jìn)行絲網(wǎng)印刷過程，以便在絲網(wǎng)印刷過程中，為空腔提供支承物。
也可在蝕刻空腔之前，進(jìn)行絲網(wǎng)印刷過程。
這種技術(shù)的優(yōu)點在于不必在每個膜片上粘貼單個壓電圓盤，從而可提供更穩(wěn)定的附著，從而損壞較少，并且器件可重復(fù)性較高。此外，和把單個壓電圓盤粘貼到膜片上相比，該技術(shù)更適于批量生產(chǎn)。
通過利用如圖8a-8c中所示的兩個圓片，能夠在空腔上方加工膜片。在圖8a中，存在圓片120和具有蝕刻通孔126的圓片121。如圖8b中所示，這兩個圓片被粘合在一起，形成粘合的圓片對122。隨后，磨削該圓片對，形成如圖8c中所示的位于空腔125上方的膜片124。
出于經(jīng)濟(jì)的原因，通常在單個圓片上制造多個相同的膜片。圖10表示了具有14個膜片141的圓片140?？砂凑者@里描述的任意一種方法制造膜片141。
權(quán)利要求
1.一種制造位于空腔上的膜片的方法，該方法包括通過磨削減小圓片的厚度，并在膜片下形成一個空腔。
2.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中通過磨削圓片的一個表面，減小圓片的厚度，并在磨削圓片的相反表面上形成空腔。
3.按照權(quán)利要求1所述的方法，其中在另一個圓片中形成空腔，并在磨削一圓片之前，把所述另一個圓片粘合到所述一圓片上。
4.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，還包括在減小圓片厚度之前或之后，形成空腔。
5.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，其中通過蝕刻形成空腔。
6.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，還包括在磨削過程中，利用犧牲層支承膜片；并且隨后除去犧牲層。
7.按照權(quán)利要求6所述的方法，還包括利用初生空腔作為犧牲層。
8.按照權(quán)利要求7所述的方法，其中每個圓片包含硅，犧牲層包含多孔硅。
9.按照前述任意權(quán)利要求所述的方法，還包括在圓片上制造多個相同的膜片。
10.一種制造按需滴分配器的方法，該方法包括按照前述任意權(quán)利要求，制造位于空腔上方的膜片；并在該膜片上粘合具有與該空腔連通的噴嘴的第二圓片。
11.按照權(quán)利要求11所述的方法，還包括在厚度減小步驟之前，進(jìn)行粘合步驟。
12.按照權(quán)利要求10或11所述的方法，其中至少一個圓片由硅制成。
13.按照權(quán)利要求10-12任一所述的方法，還包括把頂部電極，底部電極和壓電元件絲網(wǎng)印刷到膜片上。
14.按照權(quán)利要求13所述的方法包括在除去犧牲層之前，絲網(wǎng)印刷頂部電極，底部電極和壓電元件。
全文摘要
一種在圓片中蝕刻出空腔之后,利用精密磨削技術(shù)制造膜片的方法。公開了一種基于多孔硅犧牲層的使用,防止膜片變形的技術(shù)。
文檔編號H01L21/304GK1330034SQ0112201
公開日2002年1月9日 申請日期2001年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2000年6月23日
發(fā)明者哈羅德·S·岡布爾, S·J·內(nèi)爾·米切爾, 安德爾澤·普魯查斯卡, 斯蒂芬·皮特·非茨杰拉爾德 申請人:蘭道克斯實驗有限公司