TWI481548B - 微機電系統奈米結構之製造方法 - Google Patents

Description

微機電系統奈米結構之製造方法

本發明係關於微機電系統奈米結構(MEMS nanostructure)及其製造方法。

微機電系統(MEMS)的製作牽涉了形成具有微米級尺寸(百萬分之一米)之多個微結構，藉以構成機械、流體、光學、生物及/或電子系統。於其製造技術之重要部份中係採用了包括了潔淨、成膜、圖案化、蝕刻或摻雜等步驟之積體電路技術(IC technology)。

微機電系統應用包括了慣性感測器之應用，例如動態感測器(motion sensors)、加速度計(accelerometers)、與陀螺儀(gyroscopes)等。其他之微機電系統應用包括了如可移動鏡(movable mirrors)之光學應用、如射頻開關(RF switches)與共振器(resonators)之射頻(RF)應用以及生物感測結構(biological sensing structures)。雖存在有上述有趣之應用，於微機電系統奈米結構的發展中仍存在有多項挑戰。目前已發展出關於此些微機電系統奈米結構之輪廓(configuration)與方法之多種技術，藉以嘗試且更改善元件之表現。

依據一實施例，本發明提供了一種微機電系統奈米結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物分別具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋每一島狀物之該頂面與該些側壁面；形成一保護層於該反光層之上；形成一抗反射塗層於該保護層之上；形成一開口於位於每一島狀物上之該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除該抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出每一島狀物之該頂面；以及移除位於每一島狀物之該頂面上之該光阻層與該抗反射塗層。

依據另一實施例，本發明提供了一種微機電系統奈米結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物分別具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋每一島狀物之該頂面與該些側壁面；形成一保護層於該反光層之上；形成一抗反射塗層於該保護層之上；形成一開口於位於每一島狀物上之該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出每一島狀物之該頂面；以及移除位於每一島狀物之該頂面上之該光阻層與該抗反射塗層且大體不會移除該保護層。

依據又一實施例，本發明提供了一種微機電系統奈米 結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物分別具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋每一島狀物之該頂面與該些側壁面；形成一保護層於該反光層之上；形成一抗反射塗層於該保護層之上；形成一填充材料，以環繞每一島狀物並露出該抗反射塗層之一部；形成一開口於位於每一島狀物上之露出的該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出每一島狀物之該頂面；以及移除位於每一島狀物上之該光阻層與露出之該抗反射塗層。

為讓本發明之上述目的、特徵及優點能更明顯易懂，下文特舉一較佳實施例，並配合所附的圖式，作詳細說明如下：

可以理解的是，於下文中提供了用於施行本發明之不同特徵之多個不同實施例，或範例。基於簡化本發明之目的，以下描述了元件與設置情形之特定範例。然而，此些元件與設置情形僅作為範例之用而非用於限制本發明。此外，本發明於不同實施例中可能重複使用標號及/或文字。如此之重複情形係基於簡化與清楚之目的，而非用於限定不同實施例及/或討論形態內的相對關係。再者，於描述中關於於一第二元件之上或上之第一元件的形成可包括了第一元件與第二元件係為直接接觸之實施情形，且亦包括了 於第一元件與第二元件之間包括了額外元件之實施情形，因而使得第一元件與第二元件之間並未直接接觸。再者，相關於如”頂”、”前”、”底”、”後”等相關描述係提供了元件間之一相對關係，而非用於限定一絕對方向之用。基於簡化與清楚之目的，不同元件將參照不同尺寸而簡單地繪示。

第1A圖為一上視圖，顯示了依據本發明之一實施例中之包括位於一基板102上之複數個微機電系統晶片(MEMS chip)103之一晶圓100。此些微機電系統晶片103藉由位於微機電系統晶片103之間的複數個切割道106所分隔。第1B為一放大圖，顯示了第1A圖內之單一微機電系統晶片103。基板102會經歷多次之潔淨(cleaning)、成膜(layering)、圖案化(patterning)、蝕刻(etching)、或摻雜(doping)之步驟以形成微機電系統晶片103內微機電系統奈米結構(MEMS nanostructures)。在此，”基板”之描述通稱為適用於傳達一分析物(analyte)之電性或光學訊號之一塊狀基板(bulk substrate)。於至少一範例中，基板102可包括一透明材料，例如石英、藍寶石、熔融石英(fused silica)或其他適當玻璃。於另一範例中，基板102為一硬質材料，以於量測時可固定於特定位置處之觀測分析物(observed analyte)。於又一範例中，基板102為一透明有機材料，例如為如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)之甲基丙烯酸聚合物(methacrylate polymer)、聚碳酸酯、環烯烴聚合物(cyclic olefin polymer)、苯乙烯聚合物(styrenic polymers)、含氟聚合物、聚酯、聚醚酮、聚醚碸、聚亞醯胺或其組合。於部分實施例中，於基板102上形成有數個膜層與元件結構。 上述膜層之範例包括了介電層、摻雜層、多晶矽層或導電層。上述元件結構之範例則包括了電晶體、電阻、及/或電容，其可透過一內連物層(interconnect layer)而內部連結於其他元件。

第2圖為一流程圖，顯示了依據本發明之一實施例中之於具有微機電系統奈米結構之微機電系統晶片之一結構之製造方法200。製造方法200可包括使用相容於互補型金氧半導體(CMOS)製程之一或多個製程步驟以形成此微機電系統奈米結構之製作。製造方法200之流程起始於操作201，其凹陷一基板之一部以形成複數個島狀物(mesas)。接著，製造方法200繼續進行操作202，其沉積一反光層(light reflecting layer)於基板之上，以覆蓋上述島狀物。製造方法200繼續進行操作203，其形成一保護層(protection layer)於反光層之上。製造方法200繼續進行操作204，其形成一抗反射塗層(anti-reflective coating layer)於保護層之上。製造方法200繼續進行操作205，其形成一開口於位於每一島狀物上之抗反射塗層之上之一光阻層內。製造方法200繼續進行操作206，其穿過上述開口以移除抗反射塗層、保護層與反光層之一部，藉以露出每一島狀物之一頂面。製造方法200繼續進行操作207，其移除了位於每一島狀物之頂面上之光阻層與抗反射塗層。可以理解的是，製造方法200包括具有典型CMOS技術製程特徵之數個步驟，且於此處僅簡單進行描述。再者，可以理解的是於製造方法200施行之前、之中或之後可更具有額外之步驟，於下文中所描述之製造方法200中之額外實 施例中，則可取代或消除部分之此些步驟。

第3A圖與第4-9圖為一系列剖面圖，顯示了依據本發明之一實施例中之如第2圖所示之製造方法200於不同階段中之具有微機電系統奈米結構之微機電系統晶片之一結構。基於較佳地了解本發明概念之目的，此些不同之圖式係經過簡化。

請參照第3A圖，顯示了一微機電系統晶片內之一結構104之一部於施行操作201後之一放大剖面圖。於第3A圖中，基板102之一部經過凹陷，以形成複數個島狀物(mesas)108。基板102之此凹陷部形成了環繞每一島狀物之複數個凹口(recesses)110。相鄰之島狀物108之間係為一凹口110所分隔。操作201內之凹陷可藉由任何之適當微影製程所形成，以提供一圖案於基板102之上。接著，施行一蝕刻製程以移除基板102之一部，以定義出複數個島狀物108。上述蝕刻製程可包括濕蝕刻、乾蝕刻、電漿蝕刻及/或其他之適當製程。

於一實施例中，此些島狀物108係依照一陣列方式排列，如第3B圖所示之結構104之一上視情形。第3C圖為沿第3B圖內線段A-A’之此些島狀物108之一立體圖。第3A圖為一剖面圖，顯示了沿第3B圖內線段A-A’之島狀物108。基板102具有一頂面102A與一底面102B。此些凹口110自頂面102A處沿伸進入基板102之內並具有介於約2-10微米之一深度D，其並不會穿透底面102B。凹口110具有一內表面110A與一底面110B。島狀物108具有一頂面以及鄰近上述頂面之一側壁面。島狀物108之頂面相同 於基板102之頂面102A。島狀物108之側壁面則相同於凹口110之內表面110A。於一範例中，此島狀物108具有介於平行於底面110B之一平面與內表面110A之間之一內角angle 1，其介於約60-85度。

請再次參照第2圖，製造方法200繼續進行操作202。第4圖為一剖面圖，顯示了結構104於施行沉積一反光層112於基板102上以覆蓋每一島狀物108後之一製造階段。反光層112覆蓋了頂面102A、與每一凹口110之內表面110A與底面110B。於一範例中，反光層112具有介於約1000-5000埃之一厚度。於一範例中，島狀物108與沉積於島狀物108之外表面上(例如頂面102A與內表面110A)之反光層112係做為一微鏡(micro-mirror)之用。反光層112可增強島狀物108之反射性。微鏡之操作將於如第10圖所示之相關段落中做進一部描述。

反光層112為一不透光或反射性材料。於部分實施例中，反光層112可適用於(或友善於)生物實體結合之用。於其他實施例中，反光層112包括了如鋁、銅、金、銀、鉻、鈦或其混合物之一金屬材料。於本實施例中，反光層112為一鋁銅層(亦可稱為一鋁銅層112)。反光層112可藉由一適當製程所形成，例如為物理氣相沉積(PVD)、化學氣相沉積(CVD)、或原子層沉積(ALD)。於其他範例中，反光層112亦可包括一反射性有機聚合物，例如為包括分散於一聚合物材料內之反射性粒子之一複合材料。

請再參照第2圖，製造方法200繼續操作203。第5圖為一剖面圖，顯示了結構104於形成一保護層114於位 於每一島狀物108上之反光層112之上後之一製造階段。於部分實施例中，保護層114包括了氧化物層、氮化物層或可避免於後續製程中來自於下方之反光層112之一金屬錯合物(metal complex)之其他適當材料。於部分範例中，保護層114為沿著反光層112之一頂面之一順應襯層。保護層114具有少於凹口110之深度D之一厚度T₁ 。

於本範例中，保護層114為一氧化鋁層。反光層112(例如一鋁銅層)經過包括氧之一電漿環境的處理以形成保護層114(例如氧化鋁層)。上述電漿環境包括如氦氣、氮氣或氬氣之一載氣(carrier gas)。此載氣幫助了控制電漿密度以及處理之均勻度。於一範例中，氧氣之流率係介於約5-500 sccm。氮氣之流率約介於用於電漿處理之腔體內之總氣體之約10%-90%。上述電漿環境內之一操作功率約介於100-5000瓦特。上述電漿環境之一操作壓力約為5-500 mTorr。保護層114之厚度T1約介於10-300埃。於其他範例中，保護層114可藉由電漿加強型化學氣相沉積法(PECVD)、高深寬比製程(HARP)或原子層沉積(ALD)所形成。

請再參照第2圖，製造方法200繼續操作204。第6圖為一剖面圖，顯示了結構104於保護層114上形成一抗反射塗層(ARC layer)116後之一製造階段。於部份實施例中，抗反射塗層116包括了氮化鈦、氮氧化矽或可降低於後續光阻曝光製程中之不期望光反射情形之其他適當材料。於部份範例中，抗反射塗層116為一為沿著保護層114之一頂面之一順應襯層。於本範例中，抗反射塗層116為 一氮化鈦層，其具有約介於50-300埃之一厚度T₂ 。抗反射塗層116可藉由電漿加強型化學氣相沉積法(PECVD)、高深寬比製程(HARP)或原子層沉積(ALD)所形成。

請再參照第2圖，製造方法200繼續操作205與206。第7A圖為一剖面圖，顯示了結構104於每一島狀物108上覆蓋抗反射塗層(ARC layer)116之光阻層120內形成一開口118後之一製造階段。光阻層120係藉由微影圖案化製程而形成於如第6圖所示結構104之上至高於島狀物108與抗反射塗層116之一程度。上述微影圖案化製程包括了光阻塗佈(例如旋轉塗佈)、軟烤、光罩對準、曝光、曝光後烘烤、顯影光阻、清洗、乾燥(例如硬烤)或其組合。於上述微影圖案化製程後，此些開口118係形成於此些島狀物108之上。於至少一範例中，開口118具有介於約110-170奈米之一寬度W。較佳地，位於光阻層120下方之抗反射塗層116降低了光阻層120內駐波效應。因而可精準地控制開口118之寬度W的特徵尺寸(CD)。

請繼續參照第7A圖，圖案化之此光阻層120接著置於一蝕刻製程中，以穿過開口108而移除了抗反射塗層116、保護層114與反光層112之一部。進而露出了每一島狀物108之頂面102A之一部，而開口108亦定義形成於抗反射塗層116、保護層114與反光層112內。於部分實施例中，開口118可用於容置一觀察分析物(observed analyte)。此分析物可包括酵素(enzyme)、抗體(antibody)、配合基(ligand)、胜肽(peptide)、或寡聚核苷酸(oligonucleotide)。於至少一範例中，開口118之寬度可用 於僅容置一分析物之一分子。於開口118內之寬度W可容置去氧核醣核酸之一股(DNA strand)之一部以及聚合酶(polymerase)。

第7B圖為一剖面圖，顯示了另一實施例之結構104於形成各島狀物108之開口118後之一製造階段。於操作205與206之前，於環繞各島狀物108之凹口110內填入一填充材料122且將之平坦化至大體平行於島狀物108之頂面102A之一程度。因此露出了位於頂面102A上之抗反射塗層116之一部。接著，於露出之抗反射塗層116以及填充材料122之上形成光阻層120。於部分範例中，填充材料122包括了氧化矽、介電材料、多晶矽、非晶矽或其組合。填充材料122可藉由低溫化學氣相沉積於低於300℃之一操作溫度下施行，以避免損壞用於電性或光學檢測之基板102。較佳地，位於表面102A上之經平坦化之填充材料122與抗反射塗層116具有一平滑表面。此平滑表面加強了針對此平滑表面施行之後續微影製程以達成較佳之解析度。

請繼續參照第2圖，製造方法200繼續操作207，如第8-9圖所示。於第8圖中，移除結構104內之光阻層120。於部分範例中，光阻層120係於包括氧之一電漿環境中灰化去除。於其他範例中，光阻層120係藉由一濕式化學溶液而去除。

請參照第9圖，移除結構104內之抗反射塗層116。於部分範例中，可使用濕式化學溶液以選擇地移除抗反射塗層116但大體不會蝕刻下方之保護層114。於本範例中， 抗反射塗層116係為氮化鈦層。氮化鈦層可藉由包括雙氧水(H₂ O₂ )之一濕式溶液所移除。於一範例中，雙氧水之流率約介於10-500 sccm。其操作溫度約介於40-70℃。針對如第7A圖所示之一範例，將移除了位於每一島狀物108上之整個抗反射塗層116並露出了保護層114。而針對如第7B圖所示之另一範例，則將移除填充材料122上之露出之抗反射塗層116(在此未顯示)。抗反射塗層116之其他部係埋置於填充材料122之內。較佳地，於移除抗反射塗層116時，保護層114保護了下方膜層並避免了用於電性與光學檢測之反光層112與基板102受到毀損。此外，保護層114係形成於抗反射塗層116與反光層112之間。保護層114避免了抗反射塗層116的任何殘留物與下方之反光層112形成金屬錯合物(metal complex)。於偵測生物分子之操作中，觀察分析物便不會受到金屬錯合物的干擾。

於操作207之後，於微機電系統晶片之結構104內便形成了具有微鏡之一微機電系統奈米結構124。

於部分實施例中，於操作207之後可更包括其他製程步驟。於部分實施例中，可沿著晶圓100之切割道106施行一機械切割或一雷射切割，而基板102便切割成數個單獨之微機電系統晶片103。

第10圖為一剖面圖，顯示了微機電系統奈米結構124於偵測生物物質時之操作。此微機電系統奈米結構124包括了整合地連結於基板102一部之一島狀物108。此島狀物108具有對應於基板102之頂面102A之頂面，以及鄰近於上述頂面且對應於凹口110之側壁面110A之側壁 面。於頂面102A與側壁面110A之上則設置有一反光層112。設置於島狀物108之外側表面(例如102A與110A)之島狀物108與反光層112係做為一微鏡(micro-mirror)之用。保護層114係設置於反光層112之上。於保護層114與反光層112之一部內形成有一開口，以部分地露出基板102之頂面102A。於一生物偵測器的偵測操作時，分析物126係設置於微機電系統奈米結構124之開口內。此分析物126可包括酵素(enzyme)、抗體(antibody)、配合基(ligand)、胜肽(peptide)、或寡聚核苷酸(oligonucleotide)。而一激化射線源(未顯示)產生了射線以入射至分析物126。此分析物126可發出一輸出光(light output)128至微鏡之下方。此微鏡反射了輸出光128並傳輸了此輸出光128至位於基板102之底面102B下方之偵測器(detector)130。此偵測器130收集了輸出光128並存儲了此些輸出光128於一存儲裝置之內以用於分析之用。反光層112可加強島狀物108之外部表面(102A與110A)之反射率。

雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100‧‧‧晶圓

102‧‧‧基板

102A‧‧‧頂面

102B‧‧‧底面

103‧‧‧微機電系統晶片

104‧‧‧結構

106‧‧‧切割道

108‧‧‧島狀物

110‧‧‧凹口

110A‧‧‧內表面

110B‧‧‧底面

112‧‧‧反光層

114‧‧‧保護層

116‧‧‧抗反射塗層

118‧‧‧開口

120‧‧‧光阻層

122‧‧‧填充材料

124‧‧‧微機電系統奈米結構

126‧‧‧分析物

128‧‧‧輸出光

130‧‧‧偵測器

200‧‧‧製造方法

201、202、203、204、205、206、207‧‧‧操作

angle 1‧‧‧內角

D‧‧‧深度

W‧‧‧寬度

T₁ 、T₂ ‧‧‧厚度

第1A圖為一上視圖，顯示了依據本發明之一實施例之包括位於一基板上之數個微機電系統晶片(MEMS chips)之一晶圓；第1B為一放大圖，顯示了依據本發明之一實施例中之第1A圖內之一單一微機電系統晶片；第2圖為一流程圖，顯示了依據本發明之一實施例中之一種具有微機電系統奈米結構之微機電系統晶片之一結構之製造方法；第3A圖與第4~6、7A、7B、8、9圖為一系列剖面圖，顯示了依據本發明之一實施例中之如第2圖所示製造方法中不同階段內之具有微機電系統奈米結構之微機電系統晶片之一結構；第3B圖為一上視圖，顯示了依據本發明之一實施例中之如第3A圖所示之單一微機電系統晶片之結構；第3C圖為一立體圖，顯示了依據本發明之一實施例中之如第3B圖內線段A-A’之單一微機電系統晶片；以及第10圖為一放大剖面圖，顯示了依據本發明之一實施例中之一微機電系統奈米結構之偵測生物分子操作。

200‧‧‧製造方法

201、202、203、204、205、206、207‧‧‧操作

Claims (10)

1. 一種微機電系統奈米結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物中之至少一島狀物具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面與該些側壁面，其中該反光層包括鋁、銅、金、銀、鉻、鈦或其混合物；形成一保護層於該反光層之上，其中該保護層包括該反光層之氧化物或氮化物；形成一抗反射塗層於該保護層之上，其中該抗反射塗層包括氮化鈦或氮氧化矽；形成一開口於位於該些島狀物中之該至少一島狀物上之該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除該抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面；以及移除位於該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面上之該光阻層與該抗反射塗層。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，其中形成該保護層包括於含氧之一電漿環境中處理該反光層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，其中該開口具有僅容置一分析物之一分子之一寬度。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，於該光阻層內形成該開口之前，更包括形成環繞該些島狀物中之該至少一島狀物之一填充材料。
5. 一種微機電系統奈米結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物中之至少一島狀物具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面與該些側壁面，其中該反光層包括鋁、銅、金、銀、鉻、鈦或其混合物；形成一保護層於該反光層之上，其中該保護層包括該反光層之氧化物或氮化物；形成一抗反射塗層於該保護層之上，其中該抗反射塗層包括氮化鈦或氮氧化矽；形成一開口於位於該些島狀物之該至少一島狀物上之該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面；以及移除位於該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面上之該光阻層與該抗反射塗層且不會移除該保護層。
6. 如申請專利範圍第5項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，其中該保護層為具有約10-300埃之一厚度之一氧化鋁層。
7. 如申請專利範圍第5項所述之微機電系統奈米結構 之製造方法，其中該開口具有僅容置一分析物之一分子之一寬度。
8. 一種微機電系統奈米結構之製造方法，包括：凹陷一基板之一部，以於該基板內形成複數個島狀物，其中該些島狀物中之至少一島狀物具有一頂面以及鄰近該頂面之複數個側壁面；沈積一反光層於該基板之上，以覆蓋該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面與該些側壁面，其中該反光層包括鋁、銅、金、銀、鉻、鈦或其混合物；形成一保護層於該反光層之上，其中該保護層包括該反光層之氧化物或氮化物；形成一抗反射塗層於該保護層之上，其中該抗反射塗層包括氮化鈦或氮氧化矽；形成一填充材料，以環繞該些島狀物中之該至少一島狀物並露出該抗反射塗層之一部；形成一開口於位於該些島狀物中之該至少一島狀物上之露出的該抗反射塗層上之一光阻層內；穿透該開口，移除抗反射塗層、該保護層與該反光層之一部，以露出該些島狀物中之該至少一島狀物之該頂面；以及移除位於該些島狀物中之該至少一島狀物上之該光阻層與露出之該抗反射塗層。
9. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，其中形成該保護層包括於含氧之一電漿環境中處理該反光層。
10. 如申請專利範圍第8項所述之微機電系統奈米結構之製造方法，其中該填充材料包括氧化矽、介電材料、多晶矽、非晶矽或其組合。