用于三维微结构的组装过程制造技术

公开了三维微结构器件以及相关的制造方法，该三维微结构器件具有相对于具有多个分立电极的衬底的三维微结构的基本上完美的对准和找平。种子层被沉积到衬底的分立电极上，并且三维微结构与种子层相邻地接合。基本上均匀的牺牲层被沉积到三维微结构的暴露表面上。多个第一间隙存在于种子层与牺牲层的对应区域之间。导电层被沉积以填充第一间隙。牺牲层被溶解以在导电层与三维微结构的对应区域之间产生多个第二间隙。第二间隙基本上均匀。

Assembly process for three-dimensional microstructures

Disclosed are three-dimensional microstructural devices and related manufacturing methods, which have basically perfect alignment and leveling of three-dimensional microstructures relative to substrates with multiple discrete electrodes. The seed layer is deposited on the discrete electrodes of the substrate, and the three-dimensional microstructures are adjacent to the seed layer. Basically uniform sacrificial layers are deposited on exposed surfaces of three-dimensional microstructures. Multiple first gaps exist between the corresponding regions of the seed layer and the sacrificial layer. The conductive layer is deposited to fill the first gap. The sacrificial layer is dissolved to generate multiple second gaps between the conductive layer and the corresponding region of the three-dimensional microstructures. The second clearance is basically uniform.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于三维微结构的组装过程政府支持本专利技术是在由国防高级研究计划局授予的批准号为W31P4Q-11-1-0002的政府支持下作出的。政府对本专利技术享有一定权利。对相关申请的交叉引用本申请要求于2016年2月29日提交的美国临时申请号62/301,049的权益。上述申请的全部公开内容通过引用并入本文。
本公开内容涉及用于三维微结构的组装过程。
技术介绍
微机电系统(“MEMS”)技术的最新进展已经导致在如下的各种应用中的高性能传感器和致动器的成功商业化，包括运动传感、无线通信、能量收集以及医疗保健。微组装过程通常用来生产复杂的微传感器和致动器。然而，微组装过程具有明显的局限性。例如，微组装过程的吞吐量低于批量制造方法的吞吐量。另外，对高性能电容传感器和致动器的生产来说，微组装过程的对准精度较差。此外，优选地，待对准的对象具有对准标记并且在组装期间在显微镜下可观察到。然而，在许多情况下，由于使用了微制造过程，不能将对准标记图案化到对象上。另外，在微制造期间，待对准的对象通常被其他对象覆盖，导致对象在组装期间不可观察。夹具用于对准在显微镜下难以观察到的对象。然而，夹具必须与对象精确地对准，并且使用传统的对准工具难以达到高对准精度。此外，由于各个部件的制造过程的低可靠性，微组装的器件在器件之间的标秤电容方面具有大的差异，以及在单个器件中的电极之间的电容值方面具有较差的均匀性。例如，不准确的对准和低电容均匀性会对微壳速率积分陀螺仪的功能产生负面影响。微壳速率积分陀螺仪包括锚固在具有多个电极的衬底上用于电容性地致动和感测壳谐振器的振动模式的微尺度壳谐振器。理想地，高性能微壳速率积分陀螺仪具有(1)微壳谐振器对衬底的完美找平；(2)微壳谐振器与衬底的电极之间的例如小于5μm的小的可控制的间隙；(3)在不包括微壳谐振器与衬底的电极之间的其他区域中的大的可控制的间隙尺寸；以及(4)微壳谐振器与所有周围电极之间的均匀间隙。当代的微制造过程通常不能生产具有所有这些属性的器件。因此，一直需要微组装过程，以允许产生具有这些特征的高性能微壳速率积分陀螺仪。本部分提供与本公开内容相关的不一定是现有技术的背景信息。
技术实现思路
在多个方面，本公开内容提供了一种用于制造微结构器件的示例性方法。该方法包括在衬底上形成微结构。衬底包括多个分立电极。微结构与分立电极相邻地形成。多个第一间隙存在于所沉积的微结构与分立电极之间。将基本上均匀的牺牲层沉积在微结构的暴露表面上。沉积多个导电层以填充第一间隙。然后溶解牺牲层以释放微结构并且在微结构与导电层之间产生多个第二间隙。每个第二间隙的宽度小于对应的第一间隙的宽度。多个第二间隙中的第二间隙彼此基本上均匀。在一个变型中，该方法还包括：将多个种子层沉积到分立电极上。微结构与所沉积的种子层相邻地沉积，并且第一间隙限定在种子层与分立电极之间。在一个变型中，使用化学汽相沉积来沉积导电层。在一个变型中，使用电镀技术来沉积导电层。在一个变型中，每个导电层的沉积持续，直到相应的导电层与牺牲层的对应区域相接触为止。在一个变型中，每个导电层在对应第一间隙内的沉积持续，直到相应的导电层与牺牲层的对应区域相接触为止。在一个变型中，导电层选自于包括下列的组：铜、镍、锡、铟、锌、金、银、铂、铑、铅、钯、锌、锌镍、钯镍、钯钴、铁、不锈钢、钯钴、铬、黄铜、镉、铱、镍铬、铁铬镍、钨、钼、锗、铝、钌、锡铅、钛、铝钛、镉钛、碳、氧化锌、砷化硅镓、磷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化铟、硫化铅、碲化镉、硒化镉、硒化锌、碲化锌、硒化锌镉、碲化镉锌、硫化镉、硫化铜、硒化铟、硒化铜铟、碲化汞镉、氧化钛、氧化钨、氧化铜、氧化铅和它们的组合。在一个变型中，使用选自于包括下列的组的过程来溶解牺牲层：干蚀刻、湿蚀刻、燃烧、熔融、研磨、离子轰击和它们的组合。在一个变型中，微结构是三维微壳谐振器并且具有中空的半环形状。在一个变型中，衬底包括当微结构耦接到衬底时支承微结构的至少一部分的找平层。在一个变型中，微结构包括周缘和锚，并且衬底包括安装表面。微结构的锚接合到微结构的安装表面。在一个变型中，微结构包括周缘和锚，并且衬底包括找平层。在锚接合到安装表面期间找平层支承周缘的一部分。在接合之后移除找平层。在一个变型中，衬底包括多个可移动夹具。可移动夹具施加压缩力以使微结构与衬底对准。在微结构和衬底对准之后，微结构接合到衬底并且可移动夹具被释放。在一个变型中，衬底包括多个固定夹具。固定夹具限定开口。微结构沉积在所限定的开口内。在其他方面，本公开内容提供了用于制造三维微结构器件的另一示例性方法。该方法包括微加工衬底以形成具有多个侧壁的多个分立电极。将种子层沉积到分立电极的侧壁上。将基本上均匀的牺牲层沉积到三维微结构的暴露表面上。三维微结构与分立电极的侧壁相邻地沉积以在牺牲层与金属层之间产生多个第一间隙。沉积多个导电层以填充第一间隙。每个导电层在对应的第一间隙内的沉积持续，直到相应的导电层与牺牲层的对应区域相接触为止。然后溶解牺牲层以释放微结构并且在微结构与导电层之间产生多个第二间隙。每个第二间隙的宽度小于对应的第一间隙的宽度。多个第二间隙的第二间隙彼此基本上均匀。在一个变型中，使用电镀技术来沉积所述多个导电层。在一个变型中，三维微结构包括周缘和锚，并且衬底包括安装表面。三维微结构的锚接合到衬底的安装表面。在一个变型中，三维微结构包括周缘和锚，并且衬底包括找平层。在锚接合到安装表面期间找平层支承周缘的一部分。在接合之后移除找平层。在一个变型中，微结构包括多个可移动夹具。可移动夹具施加压缩力以使微结构与衬底对准。在三维微结构与衬底对准之后，三维微结构接合到衬底并且可移动夹具被释放。在一个变型中，衬底包括多个固定夹具。固定夹具限定开口。三维微结构沉积在所限定的开口内。本部分提供了本公开内容的总体概述，而不是其全部范围或其所有特征的全面公开内容。根据本文提供的描述，其他适用领域将变得明显。本专利技术中的描述和具体示例仅旨在说明的目的，并不旨在限制本公开内容的范围。附图说明本文描述的附图仅用于所选的实施方式的说明性目的，而不是所有可能的实施方式，并且不旨在限制本公开内容的范围。图1A至图1U是示出使用找平层、可移动夹具和牺牲层用于制造示例性高性能振动陀螺仪的示例性过程步骤的横截面图，其中，微壳谐振器的周缘面对电极衬底。图1A示出了第一衬底形成多个凹槽的图案化以及在所形成的凹槽内的第一电极的沉积。图1B示出了第二衬底形成多个凹槽的图案化。图1C示出了第一层在第二衬底上和在所形成的凹槽内的沉积。图1D示出了第一层形成多个找平层的图案化。图1E示出了第一和第二衬底形成电极衬底的对准。图1F示出了第一衬底形成多个馈通孔的图案化。图1G示出了顶衬底形成边界、安装区域、多个分立电极以及多个可移动夹具的图案化。图1H示出了种子层在第一衬底和第二衬底的暴露表面上的沉积。图1I示出了种子层的图案化以及多个接合层和多个接触垫的沉积。图1J示出了涂覆有电极层的微壳谐振器。图1K示出了接合层在微壳谐振器的锚上的沉积。图1L示出了微壳谐振器和电极衬底的对准。图1M示出了使用可移动夹具来移动微壳谐振器。图1N示出了可移动夹具的释放。图1O示出了找平层的移除。图1P示出了牺牲层在微壳谐振器上的沉积。图1Q示出本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种制造微结构器件的方法，所述方法包括：在衬底上形成微结构，其中，所述衬底包括多个分立电极，所述微结构与所述分立电极相邻地形成，并且多个第一间隙存在于所述微结构与所述分立电极之间；将基本上均匀的牺牲层沉积到所述微结构的暴露表面上；将多个导电层沉积到所述分立电极上以填充所述第一间隙；以及溶解所述牺牲层以释放所述微结构，其中，所述牺牲层的溶解在所述微结构与所述导电层之间产生多个第二间隙，每个第二间隙的宽度小于对应的第一间隙的宽度，并且所述多个第二间隙中的第二间隙彼此基本上均匀。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.02.29 US 62/301,0491.一种制造微结构器件的方法，所述方法包括：在衬底上形成微结构，其中，所述衬底包括多个分立电极，所述微结构与所述分立电极相邻地形成，并且多个第一间隙存在于所述微结构与所述分立电极之间；将基本上均匀的牺牲层沉积到所述微结构的暴露表面上；将多个导电层沉积到所述分立电极上以填充所述第一间隙；以及溶解所述牺牲层以释放所述微结构，其中，所述牺牲层的溶解在所述微结构与所述导电层之间产生多个第二间隙，每个第二间隙的宽度小于对应的第一间隙的宽度，并且所述多个第二间隙中的第二间隙彼此基本上均匀。2.根据权利要求1所述的方法，还包括：将多个种子层沉积到所述分立电极上，其中，所述微结构与所沉积的种子层相邻地沉积，并且所述第一间隙被限定在所述种子层与所述分立电极之间。3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用化学汽相沉积来沉积所述多个导电层。4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用电镀技术来沉积所述多个导电层。5.根据权利要求1所述的方法，其中，每个导电层的沉积持续，直到相应的导电层与所述牺牲层的对应区域相接触为止。6.根据权利要求1所述的方法，其中，每个导电层在对应的第一间隙内的沉积持续，直到相应的导电层与所述牺牲层的对应区域相接触为止。7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述导电层选自于包括下列的组：铜、镍、锡、铟、锌、金、银、铂、铑、铅、钯、锌、锌镍、钯镍、钯钴、铁、不锈钢、钯钴、铬、黄铜、镉、铱、镍铬、铁铬镍、钨、钼、锗、铝、钌、锡铅、钛、铝钛、镉钛、碳、氧化锌、砷化硅镓、磷化镓、砷化铟、锑化铟、硫化铟、硫化铅、碲化镉、硒化镉、硒化锌、碲化锌、硒化锌镉、碲化镉锌、硫化镉、硫化铜、硒化铟、硒化铜铟、碲化汞镉、氧化钛、氧化钨、氧化铜、氧化铅和它们的组合。8.根据权利要求1所述的方法，其中，使用选自于包括下列的组的过程来溶解所述牺牲层：干蚀刻、湿蚀刻、燃烧、熔融、研磨、离子轰击和它们的组合。9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述微结构是三维微壳谐振器并且具有中空的半环形状。10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述衬底还包括当所述微结构耦接到所述衬底时支承所述微结构的至少一部分的找平层。11.根据权利要求1所述的方...

【专利技术属性】
技术研发人员：哈利勒·纳杰菲，赵在隆，
申请(专利权)人：密执安州立大学董事会，
类型：发明
国别省市：美国,US