CN100430708C - 机电元件，微机电及共振元件制作和气密度测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种机电元件，微机电及共振元件制作和气密度测试方法。其中，提供了一种整合一封装步骤与一测试元件的设置步骤于制作工艺中的微机电元件的制作方法，其步骤包含：a)制作一保护盖，包含一空腔；b)提供一基座；c)于该基座上设置多个微机构，其中该多个微结构包含该测试元件；d)架设一导线装置于该基座，以控制该多个微结构的动作；以及e)于真空环境下进行封装，指于真空环境下接合该保护盖与该基座以组成该微机电元件，其中该空腔用以容纳该测试元件。

Description

机电元件，微机电及共振元件制作和气密度测试方法

技术领域

本发明涉及一种与微机电元件的制作技术，尤指机电元件，微机电及共振元件制作和气密度测试方法。

背景技术

在现有的光学元件制作工艺中，因为所着重的是其所具有的特定电光(electro-optic)、磁光(magneto-optic)与声光(acoustic-optic)等效应(这些效应多需通过使用特定的材料及特殊的制造方法而获得)，因此在制作成本上始终无法有效降低。另外，虽然目前已知通过可动式的机械元件如面镜(mirror)、光栅(grating)及快门(shutter)等等来直接对光进行调变(manipulation)是更有效率的方法，但是却仍缺乏制造出高精密、高可靠度、低成本的可动机械元件(movable mechanical parts)的技术。

然而，因为光学微机电系统(optical MEMS)技术乃将半导体制作工艺及其它相关微机械加工(micromachming)等制作工艺技术整合在一起，因此其乃可用以制造出高精度、高光学质量的微型机械元件；另外，因为光学微机电系统是利用批次制造(batchprocess)的方式来制造元件，因此其亦可有效降低制作工艺中所需花费的成本。另外，若是把所制成的微型机械元件与一内建(built-in)的微致动器(micro actuator)搭配在一起，那么所获得的微机械元件便可直接对光进行调变而成为性能更佳的光学元件。

虽然光学微机电技术具有极佳的潜力，然而目前市面上成功的产品却是屈指可数，仔细探究其原因，便可以发现问题并不是发生在微机电技术本身，而是后续的封装、测试、与系统化。因为在以往的集成电路封装技术中，所要密封的元件都属于静止的电子元件，而微机电技术与其最大的不同点乃在于其内包含用以调变光信号或是电信号等物理量的可动式机械元件，因此，如何保护这些微结构与微动件，以防止元件于封装的过程中被破坏，就是目前的一大挑战。

另外，就测试技术而言，因为目前并无光学微机电技术所专用的可靠度预估测试技术与规范，因此多仅是参考一般电子、光电元件的测试标准，如Telcordia GR 1073与GR 1221的被动元件测试规范，其包含冲击、高温高湿、以及摔落测试等等，然而，这类型的测试规范并不是针对具有可动元件的机电元件所设计，因此并不容易测出实际可能发生的破坏现象；换言之，提供一种针对具有可动元件的机械元件的性能测试技术与规范以便取得元件性能表现的正确预估也是当前需要获得解决的课题。当然，类似的情形，也发生在磁学微机电元件、力学微机电元件、声学微机电元件以及电学微机电元件等等微机电制作工艺的领域之中。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一微机电元件的封装、测试与制作工艺的整合技术，其在不改变现有的封装技术与设备下，于一整合性的制造过程中一并完成微机电元件的保护封盖以及性能测试元件的设置，进以避免微机电元件于其它封装过程中遭受破坏，并可通过测试该预设的性能测试元件的表现而在进一步系统化之前先行检测出该微机电元件的性能。

本发明提供了一种制作微机电元件的方法，其步骤包含：a)提供一第一基板；b)形成一空腔于该第一基板；c)提供一第二基板；d)在该第二基板上形成一接合区与一动作区；e)形成多个微结构于该动作区；f)架设一传导装置于该动作区与该接合区；g)在该传导装置上形成一绝缘层；以及h)连接该第一基板与该接合区以形成一微机电元件，其中该空腔用以容纳该多个微结构。

根据上述构想，其中该第一基板为一玻璃基板。

根据上述构想，其中该第一基板为一石英基板。

根据上述构想，其中该步骤b)是通过一蚀刻处理而实施。

根据上述构想，其中该步骤d)是通过一蚀刻处理而实施。

根据上述构想，其中该多个微结构包含一微测试结构。

根据上述构想，其包含步骤：i)利用一测试装置检测该微测试结构的表现以判定该微机电元件的性能。

根据上述构想，其中该测试装置为一都卜勒测振仪。

根据上述构想，其中该微测试结构为一气密程度微测试结构。

根据上述构想，其中该微测试结构为一微扭转镜面。

根据上述构想，其中该微测试结构为一悬臂梁。

根据上述构想，其中该传导装置为一金属导线。

根据上述构想，其中该传导装置为一多晶硅层。

根据上述构想，其中该第二基板为一硅芯片。

根据上述构想，其中该步骤h)包含步骤：h1)形成一金属接合层于该绝缘层上；以及h2)加热，以使该金属接合层融化而接合该第一基板与该接合区。

根据上述构想，其中该金属接合层为一金/铟(Au/In)层。

根据上述构想，其中该步骤h2)为一微加工局部加热步骤。

根据上述构想，其中该步骤h2)为一激光局部加热步骤。

本发明另外也提供了一种制作微机电元件的方法，其步骤包含：a)形成一保护盖构造；b)形成多个微结构于一基板，其中包含一微测试结构；c)架设一传导装置于该基板，以控制该多个微结构的动作；d)形成一绝缘层于该传导结构之上；以及e)接合该保护盖构造与该基板以组成该微机电元件，其中该保护盖构造遮盖该多个微结构。

根据上述构想，其中该保护盖构造包含一空腔以容纳该多个微结构。

根据上述构想，其中该微测试结构以一复合式面型与体型的微加工技术(Hybrid Surface and Bulk Micromachining，HSBM)所制成。

再者，本发明也提供了一种整合一封装步骤与一测试元件的设置步骤的共振元件制作方法，其步骤包含：a)制作一保护盖，包含一空腔；b)提供一基座；c)于该基座上设置多个微机构，其中该多个微结构包含该测试元件；d)架设一导线装置于该基座，以控制该多个微结构的动作；以及e)于真空环境下进行封装，指于真空环境下接合该保护盖与该基座以组成该共振元件，其中该空腔用以容纳该测试元件。

根据上述构想，其中该共振元件为一微机电元件。

根据上述构想，其中该测试元件在一预定环境下所表现出来的物性反应为该共振元件的性能的判定依据。

另外，本发明还提供了一种共振元件的气密度的测试方法；其步骤包含：a)架设一测试元件于该共振元件的一下基板；b)在真空中以一保护盖封装该下基板；以及c)将该共振元件置于一预定测试条件下进行测试，并通过该测试元件所表现出的物性反应而判定该共振元件的气密度。

根据上述构想，其中该测试元件为一微扭转镜面。

根据上述构想，其中该测试元件为一悬臂梁。

根据上述构想，其中该步骤a)还包含步骤：a1)架设一传导装置于该基板；a2)在该传导装置上形成一绝缘层；以及a3)形成一金属接合层于该绝缘层之上。

根据上述构想，其中该金属接合层于该步骤b)中用以接合该保护盖与该下基板。

根据上述构想，其中该预定测试条件为一都卜勒测振系统所提供。

另外，本发明还提供了一种机电元件，经由整合一封装步骤与一测试元件的设置步骤的一制作方法所制得，其包含：一基座，包含多个动作元件、至少一测试元件以及一传导层；一绝缘层，设于该传导层上；一接合层，位于该绝缘层上；以及一保护盖，通过该接合层而与该基座相接。

根据上述构想，其中该传导层由一导线所组成。

根据上述构想，其中该导线的一端与该多个动作元件的其一或是该测试元件相接，另一端延伸至该机电元件以外。

根据上述构想，其中该测试元件为一微扭转镜面。

根据上述构想，其中该测试元件为一悬臂梁。

根据上述构想，其中该测试元件为以下测试元件其一：一气密程度测试元件、一光学性能测试元件、一磁学性能测试元件、一力学性能测试元件、一声学性能测试元件以及一电学性能测试元件。

根据上述构想，其中该保护盖具有一空腔以容纳该多个动作元件与该一测试元件。

通过本发明，可以避免微机电元件于其它封装过程中遭受破坏，并可通过测试该预设的性能测试元件的表现而在进一步系统化之前先行检测出该微机电元件的性能。

附图说明

图1(A)至图1(D)为本发明的一示范性保护盖的制作流程图；

图2(A)至2(E)本发明的一示范性基座的制作流程图；

图3为本发明的一示范性光学微机电元件示意图。

其中，附图标记说明如下：

1：   保护盖          11： 基板

12：  多晶硅层        121：开口区域

13：  空腔            2：  基座

21：  基板            211：动作区

212： 接合区          22： 微结构

23：  微测试结构      24： 导线

241： 导线24的第一端  242：导线24的第二端

25：  导线            251：导线的第一端

252： 导线的第二端    26： 绝缘层

27：  金/铟层

具体实施方式

本发明所提出的微机电元件的封装、测试与制作工艺整合技术，将可由以下的实施例说明而得到充分了解，并使得本领域普通技术人员可以据以完成。另外，虽然本发明以制作光学微机电元件为实施例，然而本发明的实施并不受限于光学微机电元件的制作领域，而应亦适用于其它微机电元件的制作。

请参考图1(A)至图1(D)，其为本发明的一示范性保护盖的制作流程图。如图1(A)至图1(D)所示，在制作保护盖1的过程中先通过提供一透光率高的基板1 1(例如一玻璃基板或一石英基板)并以低压化学气相沉积法(lowpressure chemical vapor deposition，LPCVD)沉积一多晶硅层(Poly-Si)12于该基板11，如图1(A)所示。接着，再利用黄光微影术(Lithography)与反应性离子蚀刻(reactive ion etching，RIE)定义出一开口区域121，如图1(B)所示。其后则是利用氢氟酸、磷酸以及氟化铵的混合溶液进行非等向蚀刻以形成一空腔13，如图1(C)所示。最后则是移除残余的多晶硅层12蚀刻以形成一空腔13，如图1(C)所示。最后则是移除残余的多晶硅层12而制成具有一空腔13的保护盖1，如图1(D)所示。另外，为了增加光学微机电元件的光学质量，还可在基板11的表面镀上抗反射膜(anti-reflectioncoating)。

请参考图2(A)至图2(E)，其为本发明的一示范性基座的制作流程图。如图2(A)至图2(E)所示，在制作本发明的基座2的制作过程中，先提供一基板21(例如一硅芯片)，并经过蚀刻而在其中蚀刻出一动作区211，而动作区211外围则是一接合区212，如图2(A)所示。接着，则利用一般的微机电体制作工艺(MEMS bulk micromachining)或是微机电面制作工艺(MEMS surface micromachining)在动作区211之中设置一微结构22(事实上，只要空间允许，可依需求而制备多个微结构，但为了便于说明，此实施例仅以一个微结构作说明)。另外，并根据所欲测试的性能而并设置一个微测试结构23，例如一微旋转镜面或是一悬臂梁，如图2(B)所示；应注意的是，微结构22与微测试结构23并不一定是悬浮式的结构，其可各自具有支撑结构以与动作区211相连，然而，为求简化，在本图中并未特别绘出这些支撑结构。另外，因为在此实施例中所欲测试的性能为接合后的气密程度，因此，乃利用一复合式面型与体型的微加工技术(Hybrid Surface and BulkMicromachining，HSBM)来制出一微转镜面以作为微测试结构23，详细的HSBM实施技术可参阅本申请的发明人所提出的台湾专利申请案第93107583号。

其后，再设置导线24、25，例如金属导线或是多晶硅导线，以便分别控制微结构22与微测试结构23的动作，该导线24的第一端241与该微结构22相连，而导线24的第二端242则是延伸至基板21之外以与一处理器(未图示)相连，而导线25的第一端251则是与该微测试结构23相连，另外，导线25的第二端252则是亦延伸至基板21之外而与一处理器(未图示)相连；如图2(C)所示。接着，则在导线24与25上涂布一绝缘层26(例如二氧化硅层)，如图2(D)所示；然后再以蒸镀或是溅镀方式等方式沉积一金/铟(Au/In)层27于绝缘层26之上，如图2(E)所示；至此，本实施例的一基座2制备完成。

值得注意的是，金/铟层27的作用在于作为一接合层，而在需要时亦可在绝缘层26与金/铟层27之间加设一多晶硅导线层以利在后续接合基座2与保护盖1时，可通过该通入电流至该多晶硅导线层而加热该金/铟层27，以使金/铟层27融化而达接合之效。另外，亦可通过一激光加热而使金/铟层27融化以达接合之效；而在利用激光进行接合时则不需设置一多晶硅导线层。

请参阅图3，为本发明的一示范性光学微机电元件示意图。如图3所示，本发明的一示范性光学微机电元件3由基座2与保护盖1所组成，其中该基座2乃包含基板21、微结构22、微测试结构23、导线24、25、绝缘层26以及金/铟层27。保护盖1则包含基板11与一空腔13，其中该空腔13提供了该微结构22与微测试结构23的动作空间。另外，值得注意的是，因为驱动微结构22与微测试结构23的导线24、25的分布是局部性的(因图2所示乃为基座2的截面图，因此易让人误会导线24、25是布满整个接合区212，而事实上，导线24、25仅是延伸过一部份的接合区212而非布满整个接合区212)，因此，在接合时必定会因为导线24、25的存在而有高低差，此乃不利于接合以及气密性封装。然而，本发明的一特点即在于利用金/铟层27作为接合层，并以激光局部加热，加热后金/铟层27便熔化而产生回流现象(reflow)，此将能使金属可平均散布在整个接合区212上方并完全覆盖，进以克服了接合区212因导线24、25的存在而引发的高低起伏问题，而可达成接合与气密封装。另外，因为导线24、25与金/铟层27间有绝缘层26存在，因此并不会有短路发生。

最后，则是把经过本发明的整合型制作工艺所制得的光学微机电元件3置入一都卜勒测振仪(未图示)而量测该光学微机电元件3的性能。因为导线24、25已经于微制作工艺中穿过保护盖1，因此可以轻易的于封盖外部驱动微测试结构23，而本实施例以微扭转面镜作为微测试结构23且微扭转镜面的运动乃属于平面运动，因此可通过由激光都卜勒测振仪，由保护盖1上方将激光射入元件后，再穿过保护盖1回到仪器接收端，将可以便利地量测出该光学微机电元件3的性能，如共振频率、扫描角度、以及质量因子等。另外，通过长时间的观察，还可以评估此封装技术的气密性，因此，通过这样的测试技术便可真正评估微机电可动元件的破坏模式(failure mode)与可靠度。另外，因为本发明光学机电元件3已于制作工艺中完成了保护盖的制作，因此将可以轻易地与其它系统，如驱动电路、光学元件、以及光源等，整合于陶瓷基板上，而不需担心可动元件于组装、或测试时，容易破坏的问题。再者，通过现有一般的封装技术，以System in Packaging(SiP)的概念，可以将光学微机电技术系统化，因此本发明所提出的光学微机电元件的封装、测试与制作工艺整合技术除了能够提供高光学质量的元件之外、融入了封装、测试、以及系统化的概念。

再者，本发明也提供了一种量测封装气密性的测试技术，其概念是将微扭转面镜驱动于共振态，而元件于共振态的振幅与空气阻尼(air damping)有极大的关系，因为微扭转面镜被密封于空腔中，空腔的总体积很小，因此若是发生气体泄入的情形时，即使有一点点气体，都将对元件振幅产生极大的影响，因此，通过激光都卜勒系统的使用，便可以很容易的评估封装的气密性。故，本发明亦提供了一种微机电元件气密性的测试技术，并进而建立了一套测试标准。

此外，虽然本发明以制作光学微机电元件为实施例，然本发明的具有封装、测试与制作工艺的整合技术的实施并不应受限于光学微机电元件的制作领域，因为只要在制作工艺中依据目的而设置一气密程度测试元件、或是一磁学性能测试元件、或是一力学性能测试元件、或是一声学性能测试元件或是一电学性能测试元件等等测试元件来作为本发明的微测试结构，那么本发明的整合技术便可适用于气密微机电元件、磁学微机电元件、力学微机电元件、声学微机电元件、电学微机电元件，以及其它微机电元件的制作。

纵使本发明已由上述实施例所详细叙述，而可由在此领域普通技术人员作诸般修饰，然皆不脱如权利要求所欲保护的范围。

Claims (14)

1.一种制作微机电元件的方法，其步骤包含：

a)提供一第一基板；

b)形成一空腔于该第一基板；

c)提供一第二基板；

d)在该第二基板上形成一接合区与一动作区；

e)形成多个微结构于该动作区；

f)架设一传导装置于该动作区与该接合区；

g)在该传导装置上形成一绝缘层；以及

h)连接该第一基板与该接合区以形成一微机电元件，其中该空腔用以容纳该多个微结构。

2.如权利要求1所述的方法，其中：

该步骤a)中的该第一基板为一玻璃基板或一石英基板；

该步骤b)是通过一蚀刻处理而实施；及/或

该步骤d)是通过一蚀刻处理而实施。

3.如权利要求1所述的方法，其中：

该步骤b)中的该多个微结构包含-微测试结构；

该方法还包含步骤：

i)利用一测试装置检测该微测试结构的表现以判定该微机电元件的性能；其中，该测试装置为一都卜勒测振仪，该微测试结构为一气密程度微测试结构、一微扭转镜面、一悬臂梁其中之一。

4.如权利要求1所述的方法，其中：

该步骤f)中的该传导装置为一金属导线或一多晶硅层；及/或

该步骤c)中的该第二基板为一硅芯片。

5.如权利要求1所述的方法，其中：

该步骤h)包含步骤：

h1)形成一金属接合层于该绝缘层上；以及

h2)加热，以使该金属接合层融化而接合该第一基板与该接合区；

其中，该步骤h1)与步骤h2)中的该金属接合层为一金/铟层；

该步骤h2)为一微加工局部加热步骤或为一激光局部加热步骤。

6.一种制作微机电元件的方法，其步骤包含：

a)形成一保护盖构造；

b)形成多个微结构于一基板，且该多个微结构包含一微测试结构；

c)架设一传导装置于该基板，以控制该多个微结构的动作；

d)形成一绝缘层于该传导结构之上；以及

e)接合该保护盖构造与该基板以组成该微机电元件，其中该保护盖构造遮盖该多个微结构。

7.如权利要求6所述的方法，其中：

该步骤a)中的该保护盖构造包含一空腔以容纳该多个微结构；及/或

该步骤b)中的该微测试结构以一复合式面型与体型的微加工技术所制成。

8.一种整合一封装步骤与一测试元件的设置步骤的共振元件制作方法，其步骤包含：

a)制作一保护盖，包含一空腔；

b)提供一基座；

c)于该基座上设置多个微结构，其中该多个微结构包含该测试元件及一微结构；

d)架设一导线装置于该基座，以控制该多个微结构的动作；以及

e)于真空环境下进行封装，即于真空环境下接合该保护盖与该基座以组成该共振元件，其中该空腔用以容纳该测试元件。

9.如权利要求8所述的制作方法，其中：

该共振元件为一微机电元件；及/或

该测试元件在一预定环境下所表现出来的物性反应为该共振元件的性能的判定依据。

10.一种共振元件的气密度的测试方法，其步骤包含：

a)架设一测试元件于该共振元件的一第二基板，且该第二基板为一下基板；

b)在真空中以一第一基板封装该下基板，并在该下基板上形成一接合区与一动作区，而该第一基板为一保护盖；以及

c)将该共振元件置于一预定测试条件下进行测试，并通过该测试元件所表现出的物性反应而判定该共振元件的气密度。

11.如权利要求10所述的测试方法，其中：

该步骤a)中的该测试元件为一微扭转镜面或一悬臂梁；

该步骤a)包含步骤：

a1)架设一传导装置于该下基板的该动作区与该接合区；

a2)在该传导装置上形成一绝缘层；以及

a3)形成一金属接合层于该绝缘层之上；该金属接合层于该步骤b)中用以接合该保护盖与该下基板；及/或

该步骤c)中的该预定测试条件由一都卜勒测振系统所提供。

12.一种机电元件，经由整合一封装步骤与一测试元件的设置步骤的一制作方法所制得，其包含：

一基板，包含多个动作元件、至少一测试元件以及一传导层；

一绝缘层，设于该传导层上；

一接合层，设于该绝缘层上；以及

一保护盖，通过该接合层而与该基板相接。

13.如权利要求12所述的机电元件，其中：

该传导层由一导线所组成；

该导线的一端与该多个动作元件之其一或是该测试元件相接，另一端延伸至该机电元件以外；

该测试元件为一微扭转镜面或一悬臂梁；及/或

该保护盖具有一空腔以容纳该多个动作元件与该一测试元件。

14.如权利要求12所述的机电元件，其中：

该传导层由一导线所组成；

该导线的一端与该多个动作元件之其一或是该测试元件相接，另一端延伸至该机电元件以外；

该测试元件为以下测试元件之其一：一气密程度测试元件以及一光学性能测试元件；及/或

该保护盖具有一空腔以容纳该多个动作元件与该一测试元件。

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