微机电装置及其制造方法

1.本发明涉及一种微机电装置及其制造方法。背景技术：2.微机电装置(mems)是在微电子技术、半导体制造技术等学科的基础上综合发展起来的技术，其融合了光刻、腐蚀、薄膜沉积、微加工和精密机械加工等多个技术领域，实现了精密器件的微型化以适应各种应用的需求。常见的mems器件包括加速度计和陀螺仪等。3.目前的mems加速度计或陀螺仪多采用两个或更多个悬臂梁结构来支承质量块，质量块可因加速度而产生位移，或者可被驱动振荡，同时测量质量块引起的电容变化，可以实现加速度和角速度的测量。然而，制造悬臂梁的工艺复杂，并且容易出现悬臂梁之间应力不均衡的问题。技术实现要素：4.针对上述问题，提出了本发明。本发明提供一种新颖的mems装置结构，其可以避免使用悬臂梁，具有更高的耐用性，并且结构更简单。本发明还提供一种新颖的mems装置制造方法，其具有简单的工艺步骤，能够提高制造产率。5.根据一示例性实施例，一种微机电装置可包括：绝缘衬底；设置在所述衬底上的支承柱，所述支承柱支承一质量块；在所述衬底上围绕所述质量块设置的一对或多对电极板，每对电极板设置在所述质量块的相对两侧；以及绝缘盖板，其上设置有与所述一对或多对电极板对应的一对或多对电极，所述盖板覆盖在所述一对或多对电极板上时，所述一对或多对电极分别与所述一对或多对电极板电接触。6.在一些实施例中，所述支承柱、所述质量块、所述一对或多对电极板由导体或半导体材料形成，连接到所述支承柱的导电引线从所述衬底一侧引出，连接到所述一对或多对电极的导电引线从所述盖板一侧引出。7.在一些实施例中，所述盖板上形成有开口，所述开口位于所述一对或多对电极之间以暴露所述支承柱和所述质量块。8.在一些实施例中，所述质量块的高度低于所述一对或多对电极板的高度。9.在一些实施例中，所述微机电装置用作加速度计，所述一对或多对电极板用于测量因所述质量块的位置变化而引起的电容变化。10.在一些实施例中，所述微机电装置用作陀螺仪，所述一对或多对电极板至少包括第一对电极板和第二对电极板，所述第一对电极板用于施加驱动信号以驱动所述质量块在所述第一对电极板之间振荡，所述第二对电极板用于测量因所述质量块的位置变化而引起的电容变化。11.根据另一示例性实施例，一种制造微机电装置的方法可包括：提供基板，所述基板包括绝缘衬底和位于所述绝缘衬底上的导电材料层，所述导电材料层包括导体或半导体材料；在所述导电材料层上形成第一蚀刻掩模，所述蚀刻掩模具有环形开口图案，并且蚀刻所述导电材料层至第一深度，以形成环形凹槽和所述环形凹槽包围的支承柱；对所述环形凹槽的侧壁和底部进行钝化处理以形成钝化层，去除底部的部分钝化层以暴露所述导电材料，并且对暴露的底部导电材料继续进行蚀刻；重复执行所述形成钝化层、去除底部的部分钝化层和继续进行蚀刻的步骤，并且去除的底部钝化层的尺寸先逐渐减小，然后逐渐增大，后面保持恒定，一直蚀刻到所述绝缘衬底，使得所述环形凹槽包围的支承柱的直径先逐渐增大，然后逐渐减小，后面保持恒定，以形成支承柱支承质量块的结构；在所述环形凹槽中形成牺牲材料，去除所述第一蚀刻掩模，并且形成第二蚀刻掩模，所述第二蚀刻掩模至少覆盖所述支承柱和所述质量块，以及所述牺牲材料外围的部分导电材料；利用第二蚀刻掩模，蚀刻剩余的导电材料，直到所述绝缘衬底，然后去除所述第二蚀刻掩模和所述牺牲材料，形成包围所述支承柱和所述质量块的一对或多对电极板，每对电极板位于所述支承柱和所述质量块的相对两侧；在绝缘盖板上形成与所述一对或多对电极板对应的一对或多对电极，并且将所述绝缘盖板覆盖到所述一对或多对电极板上，使得所述一对或多对电极分别与所述一对或多对电极板电接触。12.在一些实施例中，所述方法还包括：形成分别连接到所述支承柱和所述所述一对或多对电极的导电引线，其中，连接到所述支承柱的导电引线从所述绝缘衬底一侧引出，连接到所述一对或多对电极的导电引线从所述盖板一侧引出。13.在一些实施例中，所述方法还包括：在所述盖板上形成开口，所述开口位于所述一对或多对电极之间以暴露所述支承柱和所述质量块。14.在一些实施例中，所述微机电装置用作加速度计或陀螺仪。当所述微机电装置用作加速度计时，所述一对或多对电极板用于测量因所述质量块的位置变化而引起的电容变化。当所述微机电装置用作陀螺仪时，所述一对或多对电极板至少包括第一对电极板和第二对电极板，所述第一对电极板用于施加驱动信号以驱动所述质量块在所述第一对电极板之间振荡，所述第二对电极板用于测量因所述质量块的位置变化而引起的电容变化。15.本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述而变得显而易见。附图说明16.图1示出根据本发明一实施例的微机电装置的结构示意图，其中去除了盖板以示出电极板和质量块结构。17.图2示出根据本发明一实施例的微机电装置的盖板的结构示意图，其可用于图1所示的微机电装置结构。18.图3a-3l示出根据本发明一实施例的制造微机电装置的电极板和质量块的方法的示意图。19.图4a-4b示出根据本发明一实施例的制造微机电装置的盖板的方法的示意图。具体实施方式20.图1示出根据本发明一实施例的微机电装置的结构示意图，其中去除了盖板以示出电极板和质量块结构。参照图1，微机电装置包括绝缘衬底101，其上形成有多个导电部件102-107。绝缘衬底101可以是例如玻璃衬底、二氧化硅衬底、塑料衬底，也可以是可以提供支承作用的其他材料层。在一些实施例中，绝缘衬底101可以是绝缘体上硅(soi)衬底中的绝缘体层，导电部件102-107可以由soi衬底中位于绝缘体层上的较厚的硅层制成。在一些实施例中，也可以将用于形成导电部件102-107的材料层粘合或键合到绝缘衬底101上。21.绝缘衬底101上可形成有支承柱102，支承柱102上可支承有质量块103。支承柱102和质量块103可以一体形成，质量块103的直径比支承柱102更大以形成质量块。质量块103可位于支承柱102的上部，比支承柱102的顶端稍低一些，当然也可以位于支承柱102的顶端。质量块103可具有任意形状，图1所示的圆形仅是示意性的，例如还可以具有矩形、椭圆形、不规则形状等。支承柱102可以具有适当的高宽比(高度和直径的比值)，从而当存在加速度时，在质量块103的惯性作用下，支承柱102能够产生弯曲形变，从而使质量块103的位置发生偏移。22.支承柱102和质量块103的周围可以围绕有一对或者多对电极板，图1 中示意性示出了两对电极板104-107，其中电极板104和105设置于支承柱 102的相对两侧，电极板106和107设置于支承柱102的相对两侧，并且连接电极板104和105中心的直线可以与连接电极板106和107中心的直线基本彼此垂直。在一些实施例中，可以仅设置一对电极板，或者也可以设置更多对电极板。电极板104-107可具有瓦片形状，它们的朝向支承柱102的一面可形成以支承柱102为圆心的圆弧形状，从而质量块103朝各个方向的位移都位于该圆弧的半径方向上。当然，电极板104-107也可以具有其他形状，例如平板形状或其他曲率的圆弧形状。电极板104-107从衬底101垂直向上延伸，其顶端的高度可以大于质量块103的高度。例如，在垂直方向上质量块103可以大致上位于电极板104-107的中部或者中部偏上。支承柱102和质量块103以及电极板104-107可以由导电材料制成，包括导体和半导体，其示例包括金属、合金、有机导电材料、硅等。并且，支承柱102以及各个电极板104-107之间彼此绝缘。23.图2示出根据本发明一实施例的微机电装置的盖板的结构示意图，其可用于图1所示的微机电装置结构。参照图2，盖板121也由绝缘材料制成，其可以与绝缘衬底101的材料相同或者不同。盖板121上可形成有与衬底101 上的一对或多对电极板对应的一对或多对电极，图2示意性示出了电极 124-127，其分别对应于图1所示的电极板104-107。盖板121还可以包括形成在电极124-127围绕的区域中的开口123。当盖板121覆盖到图1所示的 mems装置上时，电极124-127可以分别接触电极板104-107，并且开口123 可以暴露质量块103。在一些实施例中，开口123可以不是通孔，而是凹陷区域，以避免盖板121与支承柱102的顶端接触从而妨碍质量块103的移动。24.虽然在图1和图2中未示出，但是还可以设置有分别连接到电极124-127 和支承柱102的导电引线。电极124-127的引线可以从开口123中引出，或者当没有开口123时，可以在盖板121中形成通路电极以引出导电引线。支承柱102的引线可以从衬底101一侧引出，例如在衬底101中形成连接到支承柱102的通路电极以引出导电引线。25.图1和图2所示的mems装置可以用作例如加速度计或者陀螺仪。当用作加速度计时，一对或多对电极板104-107每个都可以用于测量质量块103 的位移引起的电容变化。当存在加速度时，支承柱102发生形变以向质量块 103施加力以产生加速度，质量块103的位移导致各个电极板104-107上的电容变化，因此测量各个电极板104-107与质量块103之间的电容，就可以确定质量块103的位移，从而确定加速度。26.当用作陀螺仪时，电极板104-107中的一对电极板可用作驱动电极，另一对电极板可用作测量电极。例如，可以向电极板104和105上施加驱动信号，通过静电力使得质量块103在电极板104和105之间来回振荡运动。此时，通过测量电极板106和107上的电容，可以确定质量块103在电极板106 和107方向上的位移，其对应于质量块103受到的科里奥利力，从而可以确定质量块103的角速度。27.图1和图2所示的mems装置可以使用各种方法制造。作为示例，这里提出一种新颖的基于bosch蚀刻工艺来制造图1的装置的方法，其示于图3a-3l中。bosch蚀刻工艺是由robert bosch提出的，其包括交替进行的保护和蚀刻步骤。保护步骤是在蚀刻凹槽的侧壁上形成钝化保护层，以防止侧壁在后续蚀刻步骤中继续被蚀刻；蚀刻步骤是除去凹槽底部的钝化保护层，继续对底部暴露的材料进行蚀刻，从而可以实现高的深宽比。作为 bosch蚀刻工艺的特点，在蚀刻凹槽的侧壁上通常会出现波纹状结构。在本发明的一实施例中，利用bosch工艺，可以通过蚀刻步骤形成一体结构的支承柱和质量块，大大简化了制造工艺，并且这种一体结构更结实耐用，提高了装置的使用寿命。28.首先参照图3a，提供基板，基板包括绝缘衬底201和位于绝缘衬底201 上的导电材料层202。例如，基板可以是绝缘体上硅基板，绝缘衬底201是二氧化硅层，导电材料层202是二氧化硅层上的体硅层。在另一些实施例中，可以将导电材料层202例如半导体层粘合或键合到绝缘衬底201例如玻璃衬底上以形成图3a所示的基板。29.参照图3b，可以在导电材料层202上形成蚀刻掩模203，例如光刻胶层。蚀刻掩模203具有环形开口图案，环形开口图案包围的中心圆形蚀刻掩模图案可对应于mems装置的支承柱。30.参照图3c，利用蚀刻掩模203，将导电材料层202蚀刻至第一深度，以形成环形凹槽204和环形凹槽204包围的支承柱结构206(见图3e)。这里虽然示出了使用bosch蚀刻工艺来蚀刻至第一深度，从而在环形凹槽204 的侧壁上形成波纹特征，但是由于第一深度并不大，因此也可以采用常规的蚀刻工艺，例如反应离子蚀刻、感应耦合等离子体蚀刻等。以硅材料为例，可以使用sf6和o2混合气体作为蚀刻气体，在一定的射频电压下产生等离子体，以对硅材料层202进行等离子体蚀刻。并且，图3c示出了在凹槽204 的侧壁和底部进行钝化处理以形成钝化保护层205，例如可以采用c4f8气体对硅材料层202进行钝化处理，以形成保护层205。当然，这里给出的蚀刻气体和钝化气体仅是示例，也可以根据导电材料层202的材料来选择其他合适的蚀刻气体和钝化气体。31.继续参照图3d，可以去除底部钝化层205的一部分以暴露导电材料层 202。在一些实施例中，可以在一定的偏置电压下使用等离子体轰击来去除底部的钝化层205，等离子体可以使用sf6气体来产生。随着离子轰击的进行，钝化层205首先从底部中心被去除，然后随着继续轰击的进行，中心周围的钝化层205也逐渐被去除。因此，通过控制离子轰击的时间，可以控制被去除的底部钝化层205的大小。关于bosch蚀刻工艺中形成和去除钝化保护层的工艺，例如可参见在先发明专利申请201280023025.2，或者可参见百度百科关于“bosch工艺”词条的内容。32.参照图3e，在去除了底部钝化层205的一部分之后，继续对导电材料层202进行蚀刻，并且在新蚀刻暴露的导电材料层202上形成钝化层205。在图3f中，再次去除底部钝化层205的一部分，暴露下面的导电材料层202 以进行下一次蚀刻。在重复蚀刻-钝化-去除钝化层-蚀刻的过程中，每次去除的底部钝化层205逐渐减小，例如图3f中去除的底部钝化层205的尺寸比图3d中去除的底部钝化层205的尺寸更小，图3g中去除的底部钝化层205 的尺寸比图3f中去除的底部钝化层205的尺寸更小，这样随时蚀刻深度增大，环形凹槽204的侧壁逐渐向凹槽中间缩进，而支承柱206的直径逐渐增大，形成了质量块207(见图3i)的上半部。33.继续参照图3h，在后续bosch蚀刻工艺中，可以相反地逐渐增大去除的底部钝化层205的尺寸，使得蚀刻凹槽204的侧壁分别向两侧扩展，从而支承柱206的直径又逐渐减小，形成了质量块207(见图3i)的下半部。此时，质量块207的最大直径部分形成了凹槽204的瓶颈部分，但是由于生成等离子体的气体能够穿过瓶颈部分进入凹槽204的底部，因此通过适当的轰击时间，生成的等离子体能够去除比瓶颈部分更大的底部钝化层。通过逐步增大去除的底部钝化层的尺寸，可以逐渐增大蚀刻产生的凹槽204的宽度，从而形成质量块207。34.继续参照图3i，后面可以保持去除的底部钝化层205的大小，从而蚀刻产生的凹槽204的宽度可以基本上保持恒定，也就是说，凹槽204围绕的支承柱206的直径基本上保持恒定。可以一直蚀刻到绝缘衬底201，获得支承柱206和其上支承的质量块207的结构。35.可以理解，在上面的bosch工艺步骤中，由于重复地执行钝化、去除部分钝化层和继续蚀刻的步骤，形成的凹槽204的侧壁上有许多波纹或毛刺结构。在接下来的步骤中，如图3j所示，可以在大约700v左右的偏压下，使用nf3和cf4气体形成的等离子体对凹槽204的侧壁进行处理，去除凹槽侧壁上的毛刺或尖峰结构，从而使凹槽204的侧壁变得更平滑。图3j是示意图，示出光滑的凹槽侧壁。虽然实际工艺中不一定能达到完全光滑的程度，但是该步骤能够大大减小侧壁上的尖峰和毛刺，避免其在后续工艺或装置使用期间因为折断而产生负面影响。同时，在图3j所示的步骤中，去除了蚀刻掩模203。36.继续参照图3k，可以在环形凹槽204中形成牺牲材料208，并且形成新的蚀刻掩模209。蚀刻掩模209包括覆盖支承柱206和质量块207的第一部分209a以及覆盖牺牲材料208外围的部分导电材料202的第二部分209b。蚀刻掩模209可包括多个第二部分209b，其分别对应于将要在支承柱206 周围形成的多个电极板。37.参照图3l，利用蚀刻掩模209对剩余的导电材料202进行蚀刻，直到暴露绝缘衬底201，然后去除蚀刻掩模209和牺牲材料208，形成包围支承柱206和质量块207的一对或多对电极板210，图中仅示出了一对电极板210a 和210b。每对电极板可以位于支承柱206和质量块207的相对两侧，并且可以具有图1所示的瓦片形状或者其他形状。38.图4a-4b示出根据本发明一实施例的制造微机电装置的盖板的方法的示意图。参照图4a，可以在绝缘盖板301上形成开口302。这里，开口302 可以是通孔，也可以是凹陷区域，并且开口302的位置可以对应于图3l所示的支承柱206和质量块207。参照图4b，在绝缘盖板301的开口302周围形成与绝缘衬底201上的一对或多对电极板210对应的一对或多对电极303，图4b示出了两对电极303a、303b、303c和303d。39.虽然图中未示出，但是还可以形成连接到各个电极303的导电引线。当盖板301具有通孔开口302时，连接到各个电极303的导电引线可以直接从开口302中引出；当盖板301不具有通孔开口302时，连接到各个电极303 的导电引线可以利用穿过盖板301的通路电极从与电极303相反的一侧引出。类似地，可以利用穿过绝缘衬底201的通路电极形成连接到支承柱206的引线。40.然后，可以将绝缘盖板301覆盖到绝缘衬底201的一对或多对电极板210 上，使得绝缘盖板301上的一对或多对电极303分别与绝缘衬底201上的一对或多对电极板210电接触。如前所述，可以利用导电引线对支承柱206和质量块207以及各个电极板210进行操作，例如施加驱动信号或者测量电容信号，来实现加速度计和/或陀螺仪的功能。41.除非上下文清楚地另有要求，否则贯穿说明书和权利要求书，措词“包括”、“包含”等应当以与排他性或穷尽性的意义相反的包括性的意义来解释，也就是说，应当以“包括但不限于”的意义来解释。另外，措词“在本文中”、“上文”、“下文”以及相似含义的措词在本技术中使用时应当指作为整体的本技术，而不是本技术的任何具体部分。在上下文允许时，在使用单数或复数的以上描述中的措词也可以分别包括复数或单数。关于在提及两个或多个项目的列表时的措词“或”，该措词涵盖该措词的以下解释中的全部：列表中的任何项目，列表中的所有项目，以及列表中的项目的任何组合。42.本发明实施例的以上详细描述不打算是穷尽性的或者将本发明局限于上文所公开的确切形式。尽管以上出于说明的目的而描述了本发明的具体实施例和示例，但是如本领域技术人员将认识到的那样，在本发明范围内可能有各种等效的修改。例如，尽管处理或块以给定的次序呈现，但是替代的实施例可以以不同的次序执行具有这些步骤的处理或者以不同的次序采用具有这些块的系统，并且一些处理或块可以被删除、移动、添加、细分、组合和/或修改。这些处理或块中的每个可以以各种不同的方式来实现。另外，虽然处理或块有时被示为串行执行，但是替代地，这些处理或块也可以并行执行，或者可以在不同时间执行。43.可以将在本文中所提供的本发明的教导应用于其他系统，而不必是上述的系统。可以组合上述的各个实施例的元件和动作，以提供另外的实施例。44.虽然已经描述了本发明的一些实施例，但是这些实施例仅作为示例而呈现，而不打算限制本技术的范围。实际上，在本文中所描述的新颖方法和系统可以以多种其他形式来实施。另外，可以在不脱离本技术的范围的情况下，在本文中所描述的方法和系统的形式上做出各种省略、替换和改变。