用于微机械传感器的制造方法与流程

本申请与于2016年6月21日提交的并且题为“fabricationmethodformicromechanicalsensors”的序列号为no.15/188,116的美国专利申请相关，其要求于2015年6月24日提交的题为“fabricationmethodformicromechanicalsensors”的序列号no.62/184,098的美国临时申请的权益和优先权。

本公开内容涉及微机械器件(例如，电磁辐射探测器件的制造)的领域，并且具体地但不限于以背面辐照模式和正面光学读出进行操作的非制冷微热机械器件。

背景技术：

微米技术和纳米技术能够用于制造辐射感测器件。辐射感测并且尤其是红外辐射感测能够被用于非视觉环境监测、远程热映射、热成像、人类密度感测、人类手势识别和人类活动监测。

当前，已知制造微热机械器件的一些制造方法(例如，美国专利no.3,896,309)，其通过双材料效应进行操作。双材料效应允许独立结构在温度变化后的机械可逆变形。移位背后的物理现象是形成独立结构的不同材料的热膨胀系数(cte)的失配。这种效应用于例如热辐射感测，其中辐射能量被转换成微观几何结构的机械移位。为了实现双材料结构，通常两种材料彼此连接，以长细悬臂状布置形成复合物。对于辐射感测应用，部署了双材料致动的微器件的阵列，包括沉积并构造在彼此顶部上的薄膜，并且其稍后被释放以形成独立结构。

当前，已知一些微热机械器件，其包括利用部分衬底移除并使牺牲层冗余以便释放器件以使它们独立并且相应地工作的制造方法(例如，z.miao等人在ultramicroscopy107(2007)610–616中的“uncooledirimagingusingoptomechanicaldetectors”，或者d.grbovic等人在journalofappliedphysics104,054508(2008)中的“arraysofsio2substrate-freemicromechanicaluncooledinfraredandterahertzdetectors”)。

产生微热机械器件的当前已知的制造方法包括第一层的单独图案化和第二层的单独图案化。例如，底层首先利用第一图案化掩膜来构造，并且之后第二层在第一已经图案化层的顶部上利用第二图案化掩膜来构造。在这种情况下，第二图案化掩膜的对齐对来自第一掩膜的特征是关键的以实现特征的准确叠加。结构化图案(光刻掩膜)的叠加能够受严格公差约束。需要在对齐流程中付诸很大努力来足够精确地实现第一层在第二层的顶部上的叠加，反之亦然。通常，这些结构具有微米范围内的尺寸，例如关键双材料区域能够具有3μm宽度和100μm长度。在这种示例中，几微米的未对齐将导致关键区域的不可容忍的未对齐并且因此在该阶段完成微制造过程的丢弃。

附图说明

通过举例而非限制的方式在附图的各图中说明这些实施例，在附图中类似的附图标记指示类似的元件。

图1示出了用于产生高级微热机械器件的微制造过程的主要步骤的概览。

图2示出了一个高级微热机械器件的示例轮廓。

图3示出了为了产生微热机械器件的两层的叠加的现有技术示例。

图4示出了为了产生高级微热机械器件的第一图案化掩膜的示例轮廓。

图5示出了为了产生高级微热机械器件的第二图案化掩膜的示例轮廓以及其相对于第一图案化掩膜的对齐。

图6a至图6e公开了为了产生本文中公开的高级微热机械器件的包括“自对齐”方法的正面构造的示意性示例过程流方法。

图7是概括了图6a至图6e中公开的方法的流程图。

图8a至图8f公开了为了产生本文中公开的高级微热机械器件的包括“自对齐”方法的正面构造的另一示意性示例过程流方法。

图9是概括了图8a至图8f中公开的方法的流程图。

图10公开了高级微热机械器件的正面保护和封装的示意性示例方法。

图11公开了高级微热机械器件的正面保护和封装的另一示意性示例方法。

图12是图11中图示的方法的示意性三维(3d)视图。

图13a至图13c公开了为了产生高级微热机械器件的背面释放的示意性示例过程流方法。

图14a至图14c示出了包括如在一些实施例中能够出现的不利非均匀蚀刻剖面的背面释放的示意性示例过程流。

图15示出了包括如在一些实施例中能够出现的另一类型的不利非均匀蚀刻剖面的背面释放的示意性示例。

图16a至图16c公开了包括高级微热机械器件的基本上均匀的且基本上同时的释放的实施例的示意性示例过程流方法。

图17a至图17c公开了包括高级微热机械器件的基本上均匀的且基本上同时的释放的另一实施例的示意性示例过程流方法。

图18a至图18c公开了包括高级微热机械器件的基本上均匀的且基本上同时的释放的另一实施例的示意性示例过程流方法。

图19a至图19h公开了包括高级微热机械器件的基本上均匀的且基本上同时的释放的另一实施例的示意性示例过程流方法。

图20a至图20c公开了封装高级微热机械器件的示意性示例过程流方法。

图21公开了利用能够形成光学元件的结构化衬底封装高级微热机械器件的示意性示例过程流方法。

具体实施方式

在附图和本说明书中阐述本说明书中描述的主题的一个或多个实施例的细节。其他特征、方面和优点将从说明书、附图以及权利要求书变得显而易见。要指出，各图的相对尺寸可能不是按比例绘制的。

以下描述和附图是说明性的并且不应被解释为限制性的。描述了许多具体细节以提供透彻理解。然而，在某些情况下，公知或常规细节未被描述以便避免使本说明书模糊不清。对本公开内容中的一个或多个实施例的引用不一定指代相同实施例；并且，这种引用意指至少一个。

在本说明书中对“一个实施例”或“实施例”的引用意指结合实施例的特定特征、结构或特性被包括在本公开内容的至少一个实施例中。词语“在一个实施例中”在本说明书中的各种地方中的出现不一定全部指代相同实施例，单独的或备选的实施例也不与其他实施例相互排斥。此外，描述了各种特征，其可以由一些实施例而不是由其他实施例呈现。类似地，描述了各种要求，其可以是针对一些实施例而非其他实施例的要求。

存在简化用于产生微热机械器件的微制造方法的需求。尽管针对下面的各种实施例描述了所谓的“高级”器件的制造，但是本公开内容不限于这种具体类型的器件。在备选实施例中，其他类型的器件可以使用本公开内容的教导来形成。例如，本公开内容的一些方面可以用于未单独用于辐射感测的一些器件。

用于释放微热机械器件的背面衬底穿透蚀刻释放过程能够在通过深反应离子刻蚀(drie)执行的干法蚀刻释放过程期间对抗由于蚀刻剂的空间或时间梯度的高水平的非均匀性。利用drie的优选方法的相对厚的且大的衬底穿透蚀刻过程可以导致蚀刻持续时间相关的空间蚀刻率变化。这种非均匀性能够导致高级微热机械器件的低产量制造流程。因此，存在用于增加微热机械器件制造过程的产量的需求。

微热机械器件的一个优点是读出机制的空间分离。该器件本身不需要任何功率供应并且被动地工作并且能够在温度变化后可逆地偏斜。辐射诱发偏斜能够被光学地读出，而无需读出系统与器件物理接触。

尽管迄今为止已经公开了各种微热机械器件，但是尚未公开完全地制造并将这些器件包装在大规模衬底上以进行大量制造的封装方法。封装或包装(气密密封)能够增强微热机械器件的性能。光学读出的微热机械器件不要求传感器芯片在最终探测器组件中的任何线连接或线结合，并且因此具有超过当前基于电子的辐射探测器的更好的成本优点。存在改进用于微热机械器件的封装方法的需求。本公开内容还包括将光学元件集成到器件封装包装中的方法。

如本文中所使用的，“高级”是指双材料辐射微传感器，其在不利用牺牲层技术的情况下来实现。另外，本文中双材料辐射微传感器是示例性类型的“微热机械”器件，并且该器件在热机械原理以微观尺度利用双材料致动之后进行操作。另外，这种制造方法包括介电薄膜(例如，氧化硅)和金属薄膜(例如，铝)的沉积以形成双材料复合物。另外，这种高级器件包括对称双材料致动布置，其中，两个对称双材料区域包围热隔离区域。热隔离区域通常包括仅仅包括介电层的结构。

因此，最小量的两个构造步骤对于定义高级微热机械器件的几何结构是必需的：1)构造一个薄膜层，以及2)构造第二薄膜层。一旦两层都被构造，顶部薄膜层仅仅覆盖构造的底层的表面的一些区域。底层是结构层并且具有吸收辐射的能力，其从背面落入到它上。顶层是金属层，其反射来自光学移位探测读出的光学可见光，其用于将器件的微机械移位转换成电信号。

在下面的各种实施例中，公开了能够用于辐射感测，尤其是用于红外辐射感测并且以背面辐照模式以及正面光学读出进行操作的用于制造高级微热机械器件的简化制造方法。这种器件的操作原理包括辐射吸收，由此器件经历温度增加并且导致由双材料效应引起的微机械偏斜。偏斜能够与吸收的辐射强度成比例并且偏斜利用光学系统被读出并且被转换成电信号。

这种高级微热机械器件通过利用最少两层通过微加工来制造。第一层和底部层是结构层，其是介电材料，例如但不限于氧化硅。第二层是金属层，例如但不限于铝或金。第二层通常具有比第一层高的cte，并且两层的复合物能够诱发双材料效应。第二层定义微机械器件的反射体区、双材料区和导热区(一个微机械器件能够被称为一个像素)。第一层定义微机械像素的整个形状，支撑第二层并且用作辐射吸收体和热绝缘体。微机械器件能够包含除了两个基本层之外的另外的层。

本公开内容的第一方面是正面图案化过程的简化。具体地，以“自对齐”图案化步骤制造这些结构，减少用于关键对齐的努力。

本公开内容的第二方面是一种利用干法蚀刻在背面释放的正面特征的保护方法。该保护方法通过进行正面保护层冗余的部署和稍后移除来简化总体制造方法。

本公开内容的第三方面是一种用于增大背面蚀刻释放过程的均匀性的方法，其能够导致总体制造产量的增加。

本公开内容的第四方面是一种被呈现以在气密密封环境下封装高级微热机械器件的方法。

本公开内容的第五方面是一种用于将成像元件集成到包含高级微热机械器件的传感器芯片包装中的方法。

现在参考图1，本文中公开的用于制造高级微热机械器件的简化微制造方法900能够利用四个部分(子过程)来描述；第一部分901：对两个基本层进行正面图案化以形成微热机械器件的形状。第二部分902：进行背面衬底穿透蚀刻以释放器件。第三部分903：为了性能改善，优选将器件封装在操作大气中。以及第四部分904：将密封的衬底叠层切片成个体传感器芯片管芯。

头三个子过程包括用于简化制造、用于增加总体制造过程的产量以及用于将另外的部件集成到制造过程中以简化探测器设置并且最终用于节省总体探测器成本的特征。整个制造过程不利用任何牺牲层来创建独立器件。常见的辐射感测探测器实施例包括成像透镜、光学读出系统、信号处理和发送单元、以及包括形成辐射成像的平面阵列(其对应于像素阵列)的个体微热机械器件的传感器芯片。

现在参考图2,在一个实施例中，公开了高级微热机械器件1的示意性顶视图示例。这种高级微热机械器件1以其最简单的形式由两个不同层实现而不利用牺牲层。器件1通常包括吸收体区11、能够在一些实施例中覆盖整个吸收体区11的反射体区12以及侧向腿的对称布置，其包括至少一个双材料区域15和16，其分别为吸收体板的左边和右边。另外，在该示例实施例中，器件1包括热隔离区域17和18，其分别为内部双材料区域的左边和右边。整个器件分别利用锚定元件13和14锚定到部分衬底21和22。腿和吸收体/反射体板被释放，因此是独立的。在该示例实施例中，三角阴影区域，即，反射体12，内部双材料区域15和16两者、外部双材料区域19和20以及锚定元件13和14表示结构层的顶部上的金属层的形状。因此，第二层覆盖仅仅特定区域上的底层或结构层。其中顶层需要被附接在底层的顶部上的最关键区域是内部双材料腿的区域15和16。内部双材料腿诱发吸收体/反射体的热机械致动。

尺寸的几何指示g表示在器件1的单个基本上平行元件之间的间隙的宽度，并且指示尺寸b表示内部双材料致动区域的宽度。宽度g和b的示例能够为3μm；因此，g＝3μm并且b＝3μm。

现在参考图3，示出了两个图案化掩膜轮廓的示意性现有技术顶视图示例。图案化掩膜2用于定义结构层几何结构并且图案化掩膜3用于定义金属层形状。如该示例中示意性地示出的，图示的方法用于首先单独地对每个层进行图案化并且之后将两个图案化的层对齐并叠加在彼此顶部上。两个图案化轮廓的对齐需要在尺寸b的分数的偏差内极其精确，以实现在关键致动双材料区域处的两个层的可容忍叠加。

现在参考图4，根据本公开内容，示出了第一图案化掩膜轮廓4的示意性顶视图。第一图案化掩膜轮廓4的该顶视图实施例意图定义结构层的形状。本公开内容的第一方面也用于利用第一图案化掩膜4对第二层进行图案化。该方法允许实现致动双材料区域15和16的关键区域的精确1:1叠加。下面在更详细的示例中描述过程流方法。

现在参考图5，示出了第二图案化掩膜轮廓5的示意性顶视图。在掩膜5下面有利用点线示意性地指示的如由图4的实施例中的掩膜4所定义的两层的图案化结构。三角阴影区域是结构层的顶部上的保护掩膜。内部开口(无阴影)定义第二层将被选择性地移除(蚀刻)并且仅仅结构层将保留的区域。这些区域(开口)能够被称为“蚀刻窗口”。在该实施例中，掩膜5被设计为仅仅在隔离臂17和18的区域以及吸收体板11的区域处具有开口。在该示例中，在热隔离区域处的掩膜5开口包括在每个隔离特征的左边和右边的大约g/2的额外宽度，如利用下面的几何指示示意性指示的，掩膜5关于其隔离臂蚀刻窗口的长边对齐到间隙g的中心。该实施例说明了如果利用掩膜4定义的图案化特征上的掩膜5对齐将包括大约小于+/-(g/2)的未对齐，则关键双材料特征15和16将保持不受这种未对齐影响。在这种未对齐的情况下，器件1将仍然具有关键双材料特征15和16的精确1:1叠加并且因此能够仍然相应地工作。这仅仅是本文中描述的“自对齐”方法的一个示例。

现在参考图6a至图6e，提供了微制造过程流100的示意性方法。过程流100是用于实现高级微热机械器件1的整个制造过程900的第一子过程901。第一子过程包括正面图案化和定义器件的几何结构。微制造过程流100是公开了如本文中描述的“自对齐”方法的方法。微制造过程流100利用剥离技术来初始地对两层进行图案化。

图6a是具有部署的第一图案化掩膜103的衬底102(例如，半导体晶片)的示意性横截面视图。图案化掩膜103是图4中描述的掩膜4的逆向图案。该图案化掩膜能够通过利用光刻抗蚀剂来实现。通常，不存在将图案化掩膜103相对于衬底对齐的条件或存在将图案化掩膜103相对于衬底对齐的很少的条件，除非初始衬底图案化已经被执行为先前过程步骤。图案化掩膜103定义结构层的形状。

图6b示出了具有初始图案化掩膜103和在图案化掩膜103的顶部上的层104和层105的最小两层沉积的衬底102的示意性横截面视图。层104和105与衬底102相接触，其中，图案化掩膜103具有指定的开口。在该实施例中，层104提供结构层，并且层105提供金属层。在一些实施例中，两层都能够在一个过程运行中按顺序被沉积在一个反应室中。利用薄膜蒸发工具是一个示例。

在一些实施例中，多于两层能够沉积在衬底102的顶部上。例如，初始蚀刻停止层或吸收层可以在结构层沉积之前被沉积，在一些情况下甚至在相同蒸发过程中在一个反应室中。在一些实施例中，粘合层能够在金属薄膜沉积之前被部署。在一些实施例中，沉积过程能够为任何水平和垂直表面的均匀覆盖，并且图案化掩膜103的侧壁也可以被覆盖有层104和105。通常，侧壁覆盖能够当薄膜被喷溅而非被蒸发到衬底上时出现。

在薄膜沉积之后，从衬底102移除图案化掩膜103。图案化掩膜103的移除能够是被称为剥离的标准微制造流程。移除了在它们的沉积期间与衬底相接触通常粘附在衬底上作为图案化掩膜103的层。

图6c示出了具有图案化层104和105上的第二图案化掩膜106的衬底102的示意性横截面视图。图案化掩膜106能够为图5中的掩膜5的示意性横截面。图案化掩膜106用于移除结构层的顶部上的某些金属区域。因此，图案化掩膜106中的开口允许蚀刻剂移除指定区域(开口)中的金属层105，如在图6d中示意性地显示的。蚀刻剂是选择性的，即，应当仅仅移除金属层而不是结构层。选择性金属层移除是标准微制造过程并且能够利用湿法蚀刻或干法蚀刻技术来执行。图6c的示例实施例说明了图案化掩膜106到由掩膜103定义的已经图案化的特征的对齐能够具有一定程度的未对齐公差(在该示例中大约小于+/-(g/2)，如以上所描述的)。在该示意性横截面视图中，变得清楚的是，即使图案化掩膜106未被完美对齐，因此在+/-(g/2)内未对齐，如利用图6e中的指示15所示的掩埋的内部双材料区域将保持不受这种未对齐影响。图6e图示了在蚀刻过程之后和在抗蚀剂移除之后的横截面视图，其指示总体微制造过程900的第一步骤901的正面图案化的完成。

现在参考图7，过程图概括了包括利用剥离技术来初始地对两层进行图案化的自对齐方法的过程流100。

现在参考图8a至图8f，公开了微制造过程流200的备选示意性方法。微制造过程流200类似于以上描述的过程流100，然而，其不利用剥离技术。

图8a是具有沉积在彼此顶部上的结构层104和金属层105的衬底102的示意性横截面视图。在一些实施例中，结构层能够在使用例如热沉积方法时被沉积在衬底的两面上。在一些实施例中，衬底能够在层的任何沉积之前被构造。在一些实施例中，一个或多个层能够在结构层沉积之前被沉积，其能够用作蚀刻停止层、吸收层、等等。金属层105能够使用标准蒸发或喷溅技术来沉积。在一些实施例中，粘合层能够在金属薄膜沉积之前被部署。示意性地，仅仅两个基本层被示出在所有本文中呈现的实施例中。

图8b是包括层104和105的衬底102的示意性横截面视图，在这些层的顶部上具有图案化掩膜103a。图案化掩膜103a是图6a中描述的掩膜103的逆向图案。掩膜103a能够具有与图4中的掩膜4相同的特征。图案化掩膜103a意图定义结构层的形状，但是在第一图案化步骤中，两层都根据“自对齐”方法利用该掩膜来图案化。

图8c示意性示出了通过蚀刻过程的在顶部上具有图案化掩膜103a的两层104和105的蚀刻/图案化。在一些实施例中，能够在一个反应室中执行两层或所有层的蚀刻过程。一个示例能够包括反应离子蚀刻(rie)，其中，铝能够使用氯来选择性地蚀刻，并且剩余的氧化硅介电层能够使用氟蚀刻剂来选择性地蚀刻。备选蚀刻停止层(其意图为用于背面深硅蚀刻释放的蚀刻停止)能够通过在一个过程运行中在相同室内中的强物理蚀刻来图案化。

图8d示出了具有到图案化层104和105上的第二图案化掩膜106的衬底102的示意性横截面视图。图8d–图8f分别描述了如以上在图6c–图6e中描述的相同特征、特性和方法。过程流200包括自对齐技术以确保例如在特征15处示例性指示的关键双材料特征的精确叠加。

现在参考图9，过程图概括了包括在不利用剥离技术来初始地对两层进行图案化的情况下的自对齐方法的过程流200。

总体微制造过程900的第二部分902跟随正面图案化901。第二部分902是正面上的器件1的背面衬底穿透蚀刻释放。针对衬底图案化开口的掩膜被部署在晶片(例如，半导体晶片)背面上。在一个实施例中，用于释放正面几何结构的蚀刻过程利用深反应离子蚀刻(drie)来执行。在该过程中，衬底被反转(翻转)、定位在其正面上并且背面被暴露于蚀刻剂(等离子体)。

在一些实施例中，所谓的底部表面冷却被应用到反应室中的衬底以防止蚀刻剂过度加热暴露的图案化掩膜。底部表面冷却技术能够将压力应用到接触衬底并且对于流程步骤是有利的。然而，其能够将机械应力添加到衬底。由于底部表面在这种情况下为具有其微观和精细特征的初始衬底正面，所以所公开的方法保护这些正面特征避免物理接触并且最终避免冷却压力诱发的物理应力。

本公开内容的另一方面是一种用于在释放步骤期间利用腔载体衬底保护正面特征的方法。

在一个实施例中，腔载体衬底能够被临时或暂时附接/固定到衬底102的正面上。腔载体衬底能够具有大约与衬底102相同的大小并且还以使得其接触表面不与衬底102上的正面器件1相接触的方式来设计、对齐和叠加。腔载体衬底利用其指定的腔来保护器件1。

在一些实施例中，载体衬底能够由多于一个单元制成并且能够为两个或多个载体衬底的叠层以便形成针对衬底102的正面特征的腔保护。

在一些实施例中，腔载体衬底能够由玻璃或熔融石英制成并且能够为视觉透明的。透明腔载体衬底能够在正面特征上形成“帽”。为了辐射诱发的热机械移位的正面光学读出，腔帽需要为视觉透明的，或者对于读出光为透明的。视觉透明的腔衬底还能够被涂覆有视觉防反射的、光学的、保护的、结构化结合的或其他层。

在一些实施例中，透明腔载体衬底能够被永久附接到衬底102的正面。这种永久附接能够通过结合来实现并且还能够包括透明腔中的器件1的气密密封。

在一些实施例中，在腔晶片的正面附接之前，与两个基本层不同的其他层能够被实施在正面上。能够在衬底102的正面上沉积和构造用于吸收、传导性增强、除气、和/或结合的层。

现在参考图10，公开了方法300的示意性布局，其中，腔载体衬底111被附接在衬底102的正面上。腔衬底111包括先前被蚀刻到衬底(未示出)中并且被指定为在衬底102正面上的器件1上形成帽的腔。另外，腔衬底111能够为视觉透明材料，例如玻璃或熔融石英。两个衬底的附接能够经由结合(例如阳极结合)来实现，其还能够气密地密封接触表面。其他附接(结合)技术能够包括两个接触表面之间的非结构化层或结构化层(例如，用于临时或永久非气密附接的油、蜡或胶水、或者用于共晶结合的中间金属层)。利用该方法，衬底102的操纵不太关键并且保护正面特征免于物理接触。利用结合的玻璃帽衬底111，衬底102能够被反转并且被定位在其正面上以进行背面蚀刻过程。另外，两个衬底的结合能够在晶片到晶片级上来执行。这意味着为了简化的目的具有大约相等直径的两个晶片衬底被对齐在彼此上并且与彼此结合。在一个实施例中，现成衬底能够用于减少总体制造支出。

在一些实施例中，腔衬底111的腔几何结构的要求对于非常有毒且腐蚀性的蚀刻剂(例如用于玻璃蚀刻的氢氟酸)能够在腔深度或蚀刻持续时间方面具有挑战。新方法400被公开在图11中，其中，腔载体衬底能够包含两个部分，帽衬底112和穿孔衬底113，其被附接在衬底102正面上。这种方法在图11中被示意性示出为横截面并且在图12中被示意性示出为3d模型。

图12示意性示出了一个实施例的方法400的晶片到晶片级附接，其中，两个载体晶片被附接到衬底102的正面以形成特征1的保护帽。尽管顶部载体衬底112能够为现成透明玻璃晶片衬底，但是穿孔衬底113能够为但是不必须为视觉透明的并且也能够为现成的。其能够为针对衬底102的相同材料，例如硅。穿孔能够在衬底113内部被蚀刻，或者其能够经由例如激光切割(激光钻孔或激光开孔)来移除。对于硅穿透蚀刻，能够使用标准湿法蚀刻剂氢氧化钾，其比用于玻璃蚀刻的氢氟酸毒性更少，在处理方便和可访问性方面进一步简化总体过程。

在使用方法300或400通过腔载体衬底的正面特征保护之后，第二部分902能够以正面特征的背面蚀刻释放继续。

现在参考图13a至图13c，公开了一个实施例中的用于背面衬底穿透蚀刻释放的制造过程流的示意性方法500。在这些示例实施例中，腔载体衬底111用于保护衬底102的正面上的器件1。在图13a和图13b中，附接了正面帽衬底111的衬底102被示出了“翻转”状态，如其将如何被放置到常见drie反应室中，其中其背面面朝上朝向蚀刻剂(等离子体)。

图13a示意性示出了“翻转”衬底102的横截面视图，其中，在其背面上具有图案化掩膜121，并且在其正面上具有附接的腔保护衬底111。腔开口以及掩膜图案与指定器件1对齐。

图13b示意性示出了通过各向异性干法蚀刻对衬底102的部分移除。这种干法蚀刻能够利用硅的深反应离子蚀刻(drie)执行。这里，衬底102被完全蚀刻穿透以便释放正面上的器件1。器件1被锚定在横向衬底轨道上并且它们的主体部分在空气中是独立的，如在图2的示例实施例器件1中显示的。

图13c示意性示出了在没有图案化掩膜121的器件1的背面释放之外的阶段以及其直立位置(未翻转)。标准聚合物光致抗蚀剂图案化掩膜的移除能够利用氧化物等离子体通过干法蚀刻来执行，并且能够例如在硅干法蚀刻之后在相同的反应室中执行。

在一些实施例中，经由drie的背面蚀刻释放中的硅的蚀刻率(er)能够依赖于许多因素。一般地，输入蚀刻参数指示总体蚀刻性能以及暴露的材料的得到的er。其中，er能够依赖于1)空间范围(其能够尤其具有径向依赖性，其中，er能够在中心比在衬底边缘上高)，2)蚀刻持续时间，其中，er能够减小并且尤其地，er(径向)非均匀性能够增加总体处理时间，以及3)蚀刻负载，其中，蚀刻区(蚀刻窗口)以及它们的密度能够指示其er，并且在一些实施例中，较大的蚀刻窗口能够具有比较小的蚀刻窗口高的er。

在下面的讨论中，公开了四种不同方法的实施例以经由drie实现高级微热机械器件1的硅背面穿透蚀刻释放的高产量。高产量暗示高级微热机械器件1的大多数被基本上均匀地且基本上同时地或者在小时间段内被释放。

在整个衬底上的基本上同时的释放将使得器件1能够大约同时被暴露于drie蚀刻剂。将drie蚀刻剂暴露于介电衬底层能够导致介电层的蚀刻并且因此改变其几何和机械属性，并且因此优选被保持在最小限度。介电材料并且尤其是氧化硅能够具有对常见drie硅蚀刻剂的更高的蚀刻抗蚀性。然而，介电材料的确会被蚀刻，尽管以比硅衬底低得多的er。drie蚀刻剂到器件1的横向非均匀暴露优选被最小化或避免以实现器件1的高横向释放均匀性并且因此实现高产量。

现在参考图14a至图14c，衬底102的示意性横截面示例以具有如能够在一些实施例中出现的过程时间相关径向非均匀蚀刻率的drie过程的及时方式示出。图14a示出了在drie过程之前具有背面掩膜121的衬底102。掩膜121具有周期性的并且在衬底上具有相同大小的蚀刻开口(蚀刻窗口)。中心蚀刻窗口具有关于朝向半径的外区域的蚀刻窗口宽度wr的等效宽度w0，因此，w0＝wr。该示例实施例示意性示出了大直径衬底以强调大规模制造过程(例如，200mm或更大直径硅晶片衬底)。

图14b是在drie过程开始之后一会的衬底102的示意性横截面。er能够在过程开始之后的几分钟在整个晶片衬底上是均匀的。

图14c示出了进行中的drie步骤的蚀刻，其中第一正面特征已经在中心穿透蚀刻释放，但是尚未穿透蚀刻释放远离中心的特征。er非均匀性在该示例中具有径向依赖性，其中，衬底的中心比外区域具有更高er。径向er剖面利用虚线501来示意性指示，其中，箭头大小示意性表示er幅值。drieer非均匀性能够由流程特征引起并且能够依赖于过程参数和过程时间。如果该过程将继续直到外部器件被最终释放，则中心器件将会在该处理时间期间被暴露于蚀刻剂并且将被缓慢地蚀刻。这能够导致器件1的非均匀性并且因此导致低制造产量。

现在参考图15，示出了在取决于如在一些实施例中能够出现的“蚀刻负载”的具有非均匀蚀刻率的drie过程的某一时刻的衬底102的示意性横截面示例。在一些实施例中，较大的掩膜窗口能够具有比相同过程内的较小掩膜窗口具有更高的er。箭头大小示意性表示er幅值。

现在参考图16a至图16c，在一个实施例中，以实现能够导致在drie过程处的整个硅晶片衬底的基本上同时的穿透蚀刻的微制造流程的方法600的drie过程的及时方式示出了衬底102的示意性横截面示例。如在图14和图15的示例实施例中解释的，drie蚀刻率能够具有径向和蚀刻负载依赖性。方法600包括蚀刻窗口的横向变化以便补偿径向er非均匀性并且以便实现在整个晶片衬底上的大约恒定er。中心蚀刻窗口w0小于朝向径向的中心的蚀刻窗口的宽度wr，因此w0<wr，以补偿径向非均匀蚀刻剖面。均匀er剖面利用虚线601示意性指示。

如果背面蚀刻窗口由于正面特征1的高布置密度而受小公差约束并且不能够被增加或减少到这种量以调节由于面积/空间约束的指定er，则如果空间允许，能够在这些指定蚀刻窗口之外实现额外的(哑或“盲”)蚀刻开口。在一些实施例中，增大蚀刻窗口区域密度能够对drieer具有积极或消极作用。因此，额外的蚀刻开口能够被实现到背面图案化掩膜中以补偿空间蚀刻剖面非均匀性。这种额外的蚀刻窗口将不意图释放任何正面特征，而是主要用作局部蚀刻负载添加。在以上示例中的径向er非均匀性仅仅是一个具体示例并调节局部蚀刻负载以便补偿局部er非均匀性的这种方法能够被应用到其他er非均匀性(非径向)剖面。

现在参考图17a至图17c，在一个实施例中，以实现能够导致在drie过程处的整个硅晶片衬底的基本上同时的穿透蚀刻的微制造流程的方法600的衬底移除和drie过程的及时方式示出了衬底102的示意性横截面示例。该方法610提供“预蚀刻”或衬底移除步骤，其在实际drie(被称为“etch2”)过程之前利用图17b中的“etch1”示意性指示。预蚀刻能够使用衬底湿法蚀刻或衬底的激光移除或两者的组合来执行。另外，掩膜121上的蚀刻窗口能够具有相同宽度和周期性。该方法610的etch1步骤包括在drie过程之前的基本上局部衬底移除，因此最终drie过程能够在相对短的时间内被执行以便释放衬底102的正面特征。

尽管存在时间和/或空间相关的drieer，但是正面特征能够在剩余衬底相对薄并且剩余drie释放过程相对短时被基本上同时地释放。因此，非均匀释放能够被避免。在一些实施例中，etch1步骤不要求图案化掩膜。整个衬底能够通过均匀硅衬底湿法蚀刻被打薄。在一些实施例中，激光钻孔或部分(局部)衬底移除穿孔激光介入能够用于移除大量指定衬底开口。在一些实施例中，在指定区域中的预移除经由激光钻孔或激光介入执行的情况下，在仍待被移除的衬底厚度相较于总支撑衬底厚度相对薄时对于最终drie过程可能不需要图案化掩膜。在指定区域中预移除衬底后，相对短的drie过程被执行以完全释放正面上的器件1，如在图17c中利用“etch2”示意性指示的。在一些实施例中，湿法蚀刻和干法蚀刻/移除的组合能够被应用于etch1步骤。

现在参考图18a至18c,在一个实施例中，以实现能够通过在器件1的结构层与其衬底102之间实现蚀刻屏蔽层604导致衬底102上的释放器件1的高产量的微制造流程的方法620的具有非均匀er的drie过程的及时方式示出了衬底102的示意性横截面示例。蚀刻屏蔽层604能够为但不限于在结构层沉积之前沉积的薄al2o3层。蚀刻屏蔽层604之后在构造结构层的相同过程中利用第一图案化掩膜来构造。因此，蚀刻屏蔽层604覆盖器件1的结构层表面的整个底面。另外，蚀刻屏蔽层604比结构层薄以便基本上不会抑制双材料致动。另外，蚀刻屏蔽层604具有针对指定探测辐射带宽的低反射率，以便不阻挡入射辐照通量。包括蚀刻屏蔽层604的器件1能够对一定程度的非均匀drie蚀刻剖面相对不敏感，如利用图18b和图18c(等效于图14c)中的虚线501所指示的。方法620包括器件1下面的蚀刻屏蔽层604的实施例，因此器件1能够在释放后忍受对drie蚀刻剂的更长暴露。

现在参考图19a至图19h，在一个实施例中，以实现能够通过实现相对很薄的衬底102a导致在drie过程处的整个硅晶片衬底的基本上同时的穿透蚀刻的微制造流程的方法630的过程流示出了示意性横截面示例。对于微制造过程，衬底需要特定厚度以便减轻它们的总体处理流程并且防止它们破坏或者打破处理。方法630包括针对很薄的衬底102a的底部安装的载体衬底631以便减轻针对其第一子过程、正面结构化的总体处理努力，其在图19a至图19c中示意性示出。

底部安装的载体衬底631能够被临时附接到衬底102a，如图19b中所示，并且能够之后在正面腔衬底111已经被附接到很薄的衬底102a之后被卸载，如图19d和19e中所指示的。在底部安装的载体衬底631移除(图19e)之后，背面掩膜121能够被部署到衬底102a以进行背面drie释放过程，如图19f中所示。

图19g示意性示出了背面drie过程。很薄的衬底102a能够相对快速地被蚀刻穿透。因此，非均匀drie蚀刻剖面能够对很薄的衬底102a的正面上的特征1的非均匀释放具有很少影响，由于关于上述方法的两个相同原因：1)er非均匀性能够有时比在drie过程的开始时小并且随时间增加；以及2)尽管存在一定程度的非均匀蚀刻剖面，但是总体蚀刻持续时间能够相对短，并且因此第一释放的特征1将不会被过长地暴露于drie蚀刻剂直到最后的特征被释放。图19h示出了在掩膜121移除之后的很薄的衬底102a，该移除能够利用标准的基于氧的干法蚀刻移除来执行(如以上在图13c处所描述的)。

在方法630的一些实施例中，用于很薄的衬底102a的背面释放的图案化掩膜能够为“硬掩膜”，包括与掩膜121相同的图案化。硬掩膜能够为硅衬底并且能够被临时附接在很薄的衬底102a背面上以便在drie过程期间提供针对其的增强机械保护。

在一些实施例中，底部安装的载体衬底能够包括指定固定点以针对移位或旋转固定很薄的衬底102a。为了这个目的，很薄的衬底102a能够包括指定压痕，例如，三维压痕固定物。

在一些实施例中，本文中公开的多种方法的组合能够被应用以实现正面特征的基本上均匀的且基本上同时的释放。

在本文中公开的用于制造高级微热机械器件的简化制造方法900内，在第二子过程902之后，释放器件的背面衬底穿透蚀刻，第三子过程903，为了性能改善将器件封装在操作大气中以跟随。在一个实施例中，将高级微热机械器件封装到操作大气(例如降低的大气压(<40mtorr)或低导热率的特定气体，例如惰性气体)中能够增加高级微热机械器件1的总体敏感性和响应性。操作大气中的封装被执行为总体微制造过程的最终步骤中的一个。

在一些实施例中，封装或密封能够在“晶片级”规模上来执行，其中，匹配底部帽衬底在指定操作大气下从底面被附接(结合)到衬底102上，并且因此气密地密封器件1的腔和穿透蚀刻通道。

现在参考图20a至图20c，公开了一个实施例中的用于在操作大气中封装器件1的微制造流程的示意性方法700。如图20a所示，方法700包括衬底102的底面上的密封衬底701的附接，其已经包括附接正面腔衬底111并且已经经历了穿透蚀刻释放过程。密封衬底701能够为例如对探测的指定带宽或波长透明的材料。在一些实施例中，这样的材料能够包括硅或锗。另外，包括正面衬底111的衬底701和衬底102能够具有用于“晶片级”附接/结合/包装的相同大小。密封衬底701能够为双面抛光的并且能够包括单面或双面涂覆的防反射光学层，或者用于探测的指定波长或带宽的额外光学层或过滤器。另外，其能够包括结构化层，例如用于各种结合技术的中间层或结构化除气层、等等。另外，其能够包括其他层，例如保护层。

图20b示意性示出了一个实施例中的具有被封装在操作大气中的器件1的已经密封的衬底叠层。图20c从横截面视角将切片线示意性示出为虚线。包括封装的器件1的最终传感器芯片能够例如为方形或矩形并且切片线能够垂直于彼此延伸以便释放结构。切片步骤是最终步骤以及本文中公开的用于制造高级微热机械器件的简化微制造方法900的第四部分904。包括封装的器件1的传感器芯片已经用于在辐射感测探测器中使用，其利用背面辐照的热机械辐射微传感器来操作并且包括正面光学读出。

在一些实施例中，在密封衬底701的背面附接之前，吸收、传导性、除气或中间结合层可以被部署到衬底102的背面上。

现在参考图21，在一个实施例中，公开了用于利用结构化密封衬底将器件1封装在操作大气中的微制造流程的示意性方法710。在图21中被示意性地示出为702的结构化密封结构能够包括如下形状，使得其形成光学元件、将入射辐射通量聚集到器件1的焦平面阵列上并且因此形成用于这些器件的成像透镜。

在一些实施例中，结构化密封衬底能够为包括高折射率的硅或锗的材料，使这些材料对于辐射光学元件是理想的。示例性实施例仅仅用于示意性目的，并且如包括在方法710中的密封衬底的构造能够出于两面上。在一些实施例中，结构面能够面对衬底102的背面，而不是例如这些示例性实施例中所示的背离。在一些实施例中，单个球的成像元件能够用于例如图21中示意性示出的(一个传感器芯片/管芯上的)器件1的一个焦平面阵列。

现在下面描述了各种另外的非限制性实施例。在第一实施例中，微制造过程用于产生(例如，如图2所示的)微热机械器件，该器件包括正面结构部分、正面结构部分的背面蚀刻释放部分、以及晶片级上的释放的正面结构的封装部分。

在一个实施例中，该方法当沉积结构层和金属层时对正面结构部分进行自对齐。

在一个实施例中，该方法通过在释放之前附接腔衬底、使用包括任一元件的腔衬底或者包括两个元件的腔衬底来保护正面结构以进行背面蚀刻释放，其中，一个元件被穿孔并且其他元件具有非结构化表面。

在一个实施例中，该方法通过经由蚀刻图案的大小变化的局部蚀刻负载的变化和/或实施额外蚀刻图案以增加局部蚀刻负载以便实现整个衬底上的均匀er来增加背面蚀刻释放穿透深硅干法蚀刻的均匀性。

在一个实施例中，该方法通过利用除了深硅干法蚀刻之外的一种或多种技术的部分衬底预移除来增加背面蚀刻释放穿透深硅干法蚀刻的均匀性。

在一个实施例中，该方法通过实施比实际结构层对drie更抗蚀的蚀刻屏蔽层来增加背面蚀刻释放穿透深硅干法蚀刻的均匀性，并且这种层覆盖结构层背面。

在一个实施例中，该方法通过利用薄晶片来增加背面蚀刻释放穿透深硅干法蚀刻的均匀性，薄晶片对于由载体晶片进行的先前处理是固定的。

在一个实施例中，该方法在操作大气下(使用较低压力和/或定义的气体)利用正面上的视觉透明腔衬底(这在通过附接上述腔衬底来保护正面结构的步骤之后完成)和背面上的辐射透明衬底气密地密封独立正面特征。在一个实施例中，光学元件被集成在背面密封衬底上。

在前述说明书中，已经参考其具体示例性实施例描述了本公开内容。将显而易见的是，可以在不脱离随附权利要求书中阐述的更宽精神和范围的情况下对其进行各种修改。说明书和附图因此要在说明性意义而非限制性意义上来看待。