微加工结构的选择性阶梯覆盖的制作方法

相关申请的交叉引用

本美国实用专利申请根据35u.s.c.§119(e)要求以下美国临时专利申请的优先权，这些美国临时专利申请的全部内容通过引用并入本文并且为了所有目的构成本美国实用专利申请的部分：

1.2015年2月20日提交的题为“selectivestepcoverageformicro-fabricatedstructures”(代理人案卷号siwa-1020prov)的待决的美国临时申请序列号62/119,065。

2.2016年2月18日提交的题为“selectivestepcoverageformicro-fabricatedstructures”的待决的美国实用申请序列号15/047,032。

本发明总体上涉及微光学工作台设备中的光学表面的金属化或薄膜涂覆，并且特别是涉及提供微光学工作台设备内的微加工结构的光学表面的选择性阶梯覆盖的荫罩的制造。

背景技术：

深度蚀刻的微光学平台通常使用深反应离子蚀刻(drie)工艺形成在绝缘体上硅(soi)晶片上，以便产生能够处理平行于soi衬底传播的自由空间光束的微光学和微机电系统(mems)部件。传统上，使用一级荫罩来提供在深度蚀刻的微光学工作台内的光学表面的阶梯覆盖和选择性金属化或薄膜涂覆。

然而，保护附近的光学表面免受薄膜涂覆的影响需要将涂覆的表面和未涂覆的表面分离足够的距离，以避免未涂覆的表面的无意的涂覆。因此，微光学工作台设备内的光学传播距离受限于荫罩的设计规则。

图1示出了用于在对衬底110(诸如，绝缘体上硅(soi)晶片/衬底)的蚀刻表面进行金属化时使用的示例性的现有技术的一级荫罩100。衬底110包括器件层120、蚀刻停止或牺牲(例如，隐埋氧化物(box))层130和处理层140。微光学工作台设备170的各种微加工结构(例如，结构152和162)使用例如driebosch工艺被蚀刻到器件层120中以暴露微光学表面150和160。为了在表面之一(例如，表面150)上溅射涂覆材料155(例如，金属层)，荫罩中需要有宽度为lm的开口，假设金属化角度θm。根据几何形状，金属化开口宽度由下式给出：

lm＝m+(h+d2)tanθm(等式1)

其中m、h和d2分别为未对准裕度、soi器件层高度和荫罩厚度。

为了保护相对的微光学表面(例如，表面160)不被金属化，需要到金属化开口的保护距离lp。保护距离与金属化开口宽度和器件层高度成正比，并且由下式给出：

其中，d1是除了在soi晶片上方的凹陷部分之外的荫罩的厚度。因此，金属化表面150与受保护表面160之间的总距离由下式给出：

从以上等式可以推测，增加器件层高度(其可能被需要以用于获得更好的光耦合效率)直接影响可以使用用于垂直微光学表面的金属化或薄膜涂覆的一级荫罩来实现的最小光学传播距离。另一方面，增加一级荫罩的厚度增加了所需要的金属化开口，同时减小了保护距离。

因此，需要一种荫罩，其被设计为提供微光学工作台设备内的微加工结构的选择性阶梯覆盖，同时光学表面之间的保护距离最小。

技术实现要素：

本公开的各个方面提供了一种用于在微光学工作台设备内的微加工结构的选择性涂覆时使用的荫罩。荫罩包括在荫罩的顶面内的第一开口和在荫罩的底面内的第二开口。第二开口与第一开口对准并且具有小于第一开口的第一宽度的第二宽度。第一开口与第二开口之间的交叠部在荫罩内形成孔，通过该孔可以发生微光学工作台设备内的微加工结构的选择性涂覆。

附图说明

通过结合附图来参考以下详细描述可以获得对本发明的更完整的理解，在附图中：

图1示出了根据本公开的各方面的用于在衬底的蚀刻表面的金属化时使用的示例性的现有技术的一级荫罩；

图2示出了根据本公开的各方面的用于在提供微加工结构的选择性阶梯覆盖时使用的示例性多层级荫罩；

图3示出了根据本公开的各方面的示例性荫罩顶部层级开口；

图4是示出根据本公开的各方面的使用图3所示的不同的荫罩顶部层级开口沉积的薄膜的示例性轮廓和厚度的图；

图5是示出根据本公开的各方面的溅射的薄膜厚度对于荫罩顶部层级开口尺寸的依赖性的图。

图6示出了根据本公开的各方面的具有不同的顶部层级开口尺寸的示例性荫罩；

图7a和图7b示出了根据本公开的各方面的可以实现跨越光学表面高度的均匀的和非均匀的阶梯覆盖的示例性多层级荫罩；

图8示出了根据本公开的各方面的具有被选择为向微光学工作台设备内的多个光学表面提供均匀涂覆的大的顶部层级开口的示例性荫罩；

图9示出了根据本公开的各方面的在荫罩与衬底之间包括间隔件的示例性荫罩；

图10是根据本公开的各方面的示例性多层级荫罩的布局的俯视图；

图11示出了根据本公开的各方面的包括可以被制造为微光工作台设备的michelson干涉仪的示例性光谱仪；

图12是示出根据本公开的各方面的使用多层级荫罩来进行微光学工作台设备内的微加工结构的选择性涂覆的示例性方法的流程图；以及

图13a至图13f示出了根据本公开的各方面的用于制造多层级荫罩的示例性工艺。

具体实施方式

根据本公开的各方面，微光学工作台设备内的微加工结构的光学表面的选择性金属化或薄膜涂覆使用被放置在微光学工作台设备上方的荫罩中的两个或更多个层级的开口来执行。多层级荫罩使得能够以较小的工作台占用面积(即，减小的光学传播距离)在绝缘体上硅soi晶片中形成光学反射镜并且实现微光学工作台设备内部的微光学部件的受控的薄膜涂覆。顶部层级荫罩开口的尺寸和形状用于控制所沉积的薄膜的轮廓和厚度。第二级荫罩开口用于控制沉积物的扩散并且保护不应当被涂覆的表面。多层级荫罩还可以在晶片切割之前从单个微光学工作台设备内的一个光学表面到另一光学表面并且跨越包含多个微光学工作台设备的晶片提高涂覆的均匀性。

图2示出了根据本公开的各方面的用于在提供微光学工作台设备270内的微加工结构的选择性阶梯覆盖时使用的示例性多层级荫罩200。微光学工作台设备270被制造在衬底230内，诸如绝缘体上硅晶片(soi)晶片/衬底。衬底230包括器件层240、蚀刻停止或牺牲(例如，隐埋氧化物(box))层250和处理层260。微光学工作台设备270的各种微加工结构(例如，结构282和292)使用例如driebosch工艺被蚀刻到器件层240中，以暴露其光学表面280和290。如图2所示，蚀刻的光学表面280和290关于衬底230出平面，并且关于衬底230的平面可以是竖直的或具有倾斜的角度。

荫罩200可以例如由硅(si)衬底、或具有顶面202和底面206的其他类型的衬底(例如，塑料、玻璃等)来形成。荫罩200的多个层级使用其中的两个或更多个开口来形成。例如，如图2所示，荫罩200包括在荫罩200的顶面202内的第一开口205和在荫罩200的底面204内的第二开口210。第二开口210与第一开口205对准并且具有小于第一开口205的宽度lm的宽度lmb。第一和第二开口205和210的宽度之间的交叠部在荫罩200内形成延伸穿过其顶面202和底面204的孔215。尽管未示出，但是应当理解，第一和第二开口205和210之间的附加开口也可以被包括在荫罩内。

荫罩200的凹陷部分206在荫罩200与微光学工作台设备270内的移动/易碎的微加工结构282和292之间提供间隙。通过对于第一和第二开口205和210具有不同的宽度，保护唇缘220可以被形成在荫罩200内，其中保护唇缘220的宽度对应于第一开口205的第一宽度lm与第二开口210的第二宽度lmb之间的差值。保护唇缘220能够在相对的表面280上沉积涂覆材料(即，金属层)期间保护表面290。

从图2中可以看出，有三种不同的荫罩层级，用d1、d2和d3标示。荫罩200的第一层级d1包括小于凹陷部分206的荫罩200的厚度并且对应于孔215的深度。荫罩200的第二层级d2包括包括凹陷部分206的荫罩200的总厚度。荫罩200的第三层级d3包括对应于第二开口210的深度的荫罩200的厚度，其中d3远小于d2。因此，荫罩200的第三层级d3从荫罩200的凹进的底面204延伸穿过第二开口210的深度。此外，第一开口205从荫罩200的顶面202延伸穿过与d1与d3之间的差值相对应的厚度。此外，保护唇缘220被形成在荫罩200的第三层级d3内。

不同的层级被设计为暴露一些光学表面(例如，表面280)，同时保护微光学工作台设备270内的其他光学表面(例如，表面290)。因此，这些层级表示用于微光学工作台设备270的选择性金属化或薄膜涂覆的控制参数。通过优化这些层级，可以实现其间的光学传播距离更短的更小的微加工结构282和292。此外，层级的优化还可以控制微光学工作台设备170内的微镜和光学接口的光学质量。因此，多层级荫罩200增强了微光学工作台设备170的光学效率。

在本公开的一方面，可以通过控制荫罩层级来最小化要被金属化/涂覆的表面(例如表面280)与要被保护免于金属化/薄膜涂覆的表面(例如表面390)之间的距离。例如，顶部层级开口205的宽度可以与图1所示的相同，并且因此由等式1来给出。然而，通过具有大的厚度d2的荫罩，同时仍然通过第二层级的厚度d3具有相同的金属化属性，可以减小保护距离lp，如以下等式所示：

此外，金属化表面280与受保护表面290之间的总距离lt可以由下式给出：

使用为传统的荫罩厚度d0的两倍的荫罩厚度，使得d2＝2d0，并且使用d3＝d0/2，可以将总光学传播距离(lt)可以减小到在使用传统的荫罩时的值一半。还可以通过增加d2和/或减小d3来实现进一步的减小。

沉积在光学表面280上的涂覆材料285(即，金属层)的厚度和轮廓可以通过溅射时间和顶部层级开口宽度lm来控制，而金属在衬底上的扩展(≈lt)可以通过底部开口宽度lmb来控制，其由下式给出：

lmb＝m+(h+d3+d2-dl)tanθm

(等式6)

因此，溅射的金属厚度轮廓和最大厚度值可以分别通过荫罩开口形状和轮廓来控制，如图3所示。荫罩顶部开口的形状g(x,y)控制溅射的薄膜t(x,y)的轮廓形状。通过将开口尺寸从lm改变为lm2...到lm4，最大可实现厚度从t1被控制为t2...到t4，如图4所示。如果开口尺寸小于给定的门限值lm-th，则溅射厚度将是可忽略的。该门限值通过工艺条件来控制，包括反应器中的靶与晶片之间的距离、偏置功率和溅射气体。另外，门限值取决于所使用的荫罩的总体厚度。图5中示出了薄膜厚度对于开口尺寸的示例经验依赖性。对于大的开口尺寸，厚度饱和一定值。该值通过工艺时间和工艺条件来控制。

现在参考图如图6所示，荫罩200可以同时具有不同的开口尺寸，以导致不同的金属化或薄膜厚度。这可以使得能够例如形成具有受控传输的全反射镜282b和部分反射/透射镜280a。在图6所示的示例中，荫罩200中有两个不同的顶部层级开口205a和205b，每个顶部层级开口具有不同的宽度lml和lm2。不同的顶部层级开口尺寸在微加工结构282a和282b的涂覆的光学表面280a和280b上产生两个不同的薄膜厚度t1和t2。如果薄膜285是金属的，则涂覆的表面280a和280b可以具有不同的反射率和透射特性，这取决于在微光学工作台270中传播的光的给定波长下关于光学皮肤深度的金属厚度。如果金属化表面280a和280b涂覆厚度中的一个或两个远大于皮肤深度，则表面(例如表面280b)将用作关于入射光的完全反射表面。

底部层级开口210a和210b的宽度可以相同或不同。例如，可以选择底部层级开口210a和210b的宽度，以在将涂覆材料285沉积在涂覆表面280a和280b上期间向微光学工作台设备270内的其他表面290a和290b提供保护。

现在参考图7a和7b，可以使用多层级荫罩200来实现均匀和非均匀阶梯覆盖二者。例如，荫罩顶部层级和底部层级开口尺寸205和210分别与工艺条件一起可以被优化以跨越光学表面280的高度产生均匀的涂覆，如图7a所示，或产生非均匀的涂覆，如图7b所示。非均匀的涂覆可以产生例如涂覆材料285的楔形形状，如在图7b中可以看出的。

现在参考图8，为了同时控制微光学工作台设备270的多个光学表面280a和280b上的薄膜厚度，荫罩200可以包括交叠两个或更多个底部层级开口210a和210b的单个大的顶部层级开口205。在一个示例中，顶部层级开口205可以在微光学工作台设备270的两个光学表面280a和280b上提供相同的薄膜厚度。底部层级开口210a和210b可以用于控制薄膜材料285的扩展并且保护其他未涂覆的表面290a和290b。

图9示出了根据本公开的各方面包括在荫罩200与衬底230之间的间隔件900的示例性荫罩200。间隔件900可以跨越晶片控制薄膜厚度并且防止荫罩200上的应力，从而防止荫罩200的弯曲。间隔件900可以在切割之前分布在荫罩200与衬底/晶片230之间。在一个示例中，间隔件900可以分布在荫罩200的底部层级(即，凹陷部分)中，并且可以使用在荫罩200的底面上的光刻掩模来在荫罩中被蚀刻。间隔件900可以定位在底部层级中，以便不与微光学工作台设备270中的移动/易碎的微加工结构282交叠。阻挡件900可以在荫罩200的凹陷的底面与衬底230的顶面之间保持几乎恒定的间隙，并且从而可以跨越衬底/晶片230提供金属化的均匀性。

图10是根据本公开的各方面的示例性多层级荫罩200的布局的俯视图。在图10所示的示例中，可以穿过荫罩200中的顶部层级开口205看到底部层级开口210。底部层级开口210包括在不同方向上对准以在微光学工作台设备270上产生所需要的薄膜涂覆(如虚线所示)的若干子开口210a-210d。图10所示的微光学工作台设备270形成包括要被金属化的微镜和要被保护以防止金属化的界面(例如，分束器)的光学干涉仪的至少部分。

例如，一个子开口(例如，子开口210a)可以被设计为使连接要被金属化的微镜表面280和要被保护的界面表面290的方向上的开口尺寸最小化。另一子开口(例如，子开口210b)可以被设计为关于连接微镜表面280和界面表面290的线在倾斜方向上最大化开口。因此，如从图10中可以看到，底部层级开口210可以包括至少一个矩形形状和至少一个平行四边形形状的联合，其中平行四边形形状形成关于矩形形状倾斜的开口。

图11中示出了包括可以被制造为微光学工作台设备的干涉仪的光谱仪的示例。在图11所示的示例中，光谱仪1100包括michelson干涉仪1105。然而，在其他示例中，可以使用其他类型的干涉仪，诸如fabry-perot和mach-zehnder干涉仪。在图11中，来自宽带源1110的准直光i0通过分束器1120被分成两个光束i1和i2。一个光束i1被反射远离固定的反射镜1130，而另一光束i2被反射远离耦合到致动器1150(诸如mems致动器)的移动的反射镜1140。应当注意，通过使用多层级荫罩200优化沿着固定和可移动的反射镜1130和1140的高度的金属层的阶梯覆盖均匀性，可以最大化干涉仪1150的(光)耦合效率，如以上讨论的。

在一个示例中，mems致动器1150由梳状驱动器和弹簧形成。通过向梳状驱动器施加电压，在致动器1150两端产生了电势差，这在致动器1150中引起电容，从而生成驱动力以及来自弹簧的恢复力，从而导致可移动的反射镜1140位移到期望的位置以实现对光束l2的反射。然后，在反射光束之间产生基本上等于反射镜1140位移的两倍的光程长度差(opd)。

反射光束在分束器1120处干涉，使得能够在通过移动的反射镜提供的每个不同的光程差(opd)下测量光的时间相干性。被称为干涉图的信号由检测器1160在移动的反射镜的很多离散位置处测量。然后，可以例如使用由处理器1170执行的傅里叶变换来检索频谱。

处理器1170可以是单个处理设备或多个处理设备。这样的处理装置可以是微处理器、微控制器、数字信号处理器、微型计算机、中央处理单元、现场可编程门阵列、可编程逻辑器件、逻辑电路、模拟电路、数字电路、和/或基于电路的硬编码和/或操作指令来操纵信号(模拟和/或数字)的任何设备。处理器1170可以具有相关联的存储器和/或存储器元件，其可以是单个存储器件、多个存储器件和/或处理器的嵌入式电路。这样的存储器件可以是只读存储器、随机存取存储器、易失性存储器、非易失性存储器、静态存储器、动态存储器、闪存、高速缓存存储器、和/或存储数字信息的任何设备。

图12是示出根据本公开的各方面的使用多层级荫罩来进行微光学工作台设备内的微加工结构的选择性涂覆的示例性方法1200的流程图。方法1200通过提供包括形成微光学工作台设备的微加工结构的衬底来在框1210开始。在框1220，提供包括在荫罩的顶面内的第一开口和在荫罩的底面内的第二开口的多层级荫罩。第二开口与第一开口对准，并且具有小于第一开口的宽度的宽度，使得第一开口与第二开口之间的交叠部在荫罩内形成孔。

在框1230，将荫罩放置在衬底上在使得微加工结构的表面能够通过孔被涂覆的位置处。特别地，荫罩的底面邻近于衬底的顶面放置，并且要被涂覆的微加工结构表面与孔对准。在框1240，通过孔在微加工结构的表面上沉积诸如金属层等涂覆材料。

图13a-13f示出了根据本公开的各方面的用于制造多层级荫罩200的示例性工艺。如图13a所示，提供用于荫罩的衬底1300，并且通过光刻步骤在衬底1300的底面204上形成凹陷图案1310。凹陷图案1310可以例如通过在衬底1300的底面204上沉积铝层并且对铝层进行图案化以形成凹陷图案1310来形成。然后，如图13b所示，在衬底1300的底面204上沉积一层光致抗蚀剂1320，并且对这一层光致抗蚀剂1320进行图案化以形成底部开口图案。在图13c中，通过底部开口图案在衬底1300中将底部开口210蚀刻预定义的深度。

在图13d中，在衬底1300的顶面202上沉积另一层光致抗蚀剂1330，并且对这另一层光致抗蚀剂1330进行图案化以形成顶部开口图案。在图13e中，通过顶部开口图案在衬底1300中蚀刻顶部开口205，直到顶部开口205与底部开口210相接触，并且在衬底1300中形成孔215。最后，如图13f所示，使用凹陷图案1310蚀刻荫罩凹陷部分206，以确保荫罩200不会与任何可移动/易碎的微加工结构接触，同时使用荫罩进行阶梯覆盖。

如本领域技术人员将认识到的，可以在广泛的应用中修改和改变在本申请中描述的创新概念。因此，专利主题的范围不应当限于所讨论的任何具体的示例性教导，而是由所附权利要求来限定。