CN104555884B - 具有增强结构强度的微机电元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有增强结构强度的微机电元件，包含多个金属层，多个金属层包含一最上金属层，此最上金属层包含多个独立金属段；其中，该多个独立金属段分别通过至少一支持柱以连接至相邻的金属层，且在该最上层独立金属段与该相邻的金属层之间除了支持柱外，无介电层设置于其中；除该最上金属层外，其余金属层分别通过至少一支持柱及一介电层而与相邻的金属层彼此连接。

Description

具有增强结构强度的微机电元件

技术领域

本发明涉及一种具有增强结构强度的微机电元件，特别是其中构成微机电结构的最上金属层具有多个独立金属段、及／或其中构成微机电结构的最下金属层具有连续结构的微机电元件。

背景技术

参照图1，其中显示一现有技术的微机电元件10的示意图，其可作为一定子(Stator)或一动子(Rotor)。微机电元件10包含微机电结构101和电讯号传递线路102，其中微机电结构101产生电讯号，通过电讯号传递线路102来传递。当微机电元件10为定子时，微机电结构101例如可通过固定结构103而连接至基板Sub，当微机电元件10为动子时，则微机电结构101例如可通过挠性结构（例如弹簧，未示出）来连接。微机电元件10例如可利用CMOS半导体制程来制作，在基板Sub上通过交替沉积多层金属层(M1-Mt)和介电层、并以支持柱连接金属层而构成所设计的结构。

现有技术的微机电元件10有以下的结构特征：1.最上金属层Mt为连续的结构。2.电讯号传递线路102使用第一金属层M1的一部份M1S构成，因此为了避免讯号受影响、以及避免在制作和动作过程产生沾黏(Stiction)等现象，第二金属层M2须于该部分M1S的上方挖空以留下足够的缓冲空间，但此挖空部份会损及微机电结构101的刚性。

当微机电结构101的刚性不足时，很容易产生弯翘变形。例如，当工作环境温度上升时，现有技术的微机电元件10会产生明显的热变形以致影响微机电元件10的功能操作。

详言之，图6A显示图1中微机电元件10受热后的变化，水平轴X为参照图1中X方向的延伸距离，Y轴为变形量，其中温度T2高于T1。如图所示，温度T2造成的热变形高于温度T1造成的热变形，且沿X方向的热变形逐渐增大，此变形足以影响结构的稳定与元件操作的正确性等。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有增强结构强度的微机电元件，其可减少因为温度或其它原因导致的变形，防止黏着(stiction)、使结构保持稳定，且使元件在电讯号传递上有较佳的表现。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足和缺陷，提出一种具有增强结构强度的微机电元件，其可减少因为温度或其它原因导致的变形，防止黏着(stiction)、使结构保持稳定，且使元件在电讯号传递上有较佳的表现。

为达上述目的，根据其中一个观点，本发明提供一种具有增强结构强度的微机电元件，包含：一微机电结构，包括多个金属层，具有一最上金属层，该最上金属层包含多个独立金属段；以及一电讯号传递线路，位于该微机电结构下方，其中该微机电结构产生电讯号，通过该电讯号传递线路来传递；其中，该多个独立金属段分别通过至少一支持柱以连接至相邻的金属层，且在该最上层独立金属段与该相邻的金属层之间除了支持柱外，无介电层设置于其中；除该最上金属层外，其余金属层分别通过至少一支持柱及一介电层而与相邻的金属层彼此连接。

本发明的一实施例中，该具有增强结构强度的微机电元件更包含一固定结构或一挠性结构，与该微机电结构连接。

本发明的一实施例中，该固定结构连接于该微机电结构侧方。

本发明的一实施例中，该微机电结构下方、对应于该电讯号传递线路的上方处，具有一挖空区域。

本发明的一实施例中，该微机电结构的最低金属层在对应于该电讯号传递线路的上方处、延伸往该固定结构的方向，为连续而不断开。

在上述实施例中，较佳地，该电讯号传递线路不包含金属层，而是在金属层以下的位阶中以导电材料走线所构成。

本发明的一实施例中，该固定结构连接于该微机电结构下方。

在上述实施例中，较佳地，该微机电结构下方、对应于该电讯号传递线路的上方处，具有一挖空区域，且该挖空区域相较于该固定结构而言较远离该微机电结构的中心点。

为达上述目的，根据另一观点，本发明提供一种具有增强结构强度的微机电元件，包含：一微机电结构，包括多个金属层；一固定结构，连接于该微机电结构侧方；以及一电讯号传递线路，位于该微机电结构下方，其中该微机电产生电讯号，通过该电讯号传递线路来传递，其中，该微机电结构的最低金属层在对应于该电讯号传递线路的上方处、延伸往该固定结构的方向，为连续而不断开，且其中该电讯号传递线路不包含金属层，而是在金属层以下的位阶中以导电材料走线所构成。

为达上述目的，根据另一观点，本发明提供一种具有增强结构强度的微机电元件，包含：一微机电结构，包括多个金属层；一固定结构，连接于该微机电结构下方；以及一电讯号传递线路，位于该微机电结构下方，其中该微机电产生电讯号，通过该电讯号传递线路来传递，其中，该微机电结构下方、对应于该电讯号传递线路的上方处，具有一挖空区域，且该挖空区域相较于该固定结构而言较远离该微机电结构的中心点。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示现有技术的微机电元件；

图2显示本发明一实施例的具有增强结构强度的微机电元件；

图3显示本发明一实施例的具有增强结构强度的微机电元件；

图4显示本发明一实施例的具有增强结构强度的微机电元件；

图5显示本发明一实施例的具有增强结构强度的微机电元件；

图6A～6E分别显示图1～5的微机电元件的变形量；

图7显示本发明一实施例的具有增强结构强度的微机电元件。

图中符号说明

具体实施方式

有关本发明的前述及其它技术内容、特点与功效，在以下配合参考图式的一较佳实施例的详细说明中，将可清楚的呈现。以下实施例中所提到的方向用语，例如：上、下、左、右、前或后等，仅是参考附加图式的方向。本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

参照图2，其中为本发明一实施例提供的一种具有增强结构强度的微机电元件20的示意图。微机电元件20包含：微机电结构201和位于微机电结构201下方的电讯号传递线路202，其中微机电结构201与其它部份的相对移动产生电讯号，通过电讯号传递线路202来传递。微机电结构201包含多个金属层M2-Mt、亦即第二金属层M2至最上金属层Mt，其中最上金属层Mt包含多个最上层独立金属段Mt1，最上层独立金属段Mt1彼此之间不直接相连且由至少一支持柱而连接至相邻（紧接下方）的金属层Mt-1，须特别注意的是最上层独立金属段Mt1与相邻的金属层Mt-1之间除了支持柱外，无介电层设置于其中。其余相邻的多个金属层(例如第二金属层M2至金属层Mt-1)分别通过至少一支持柱及一介电层而互相连接，介电层可填满（至少部份填满，图示为完全填满）相邻金属层间除支持柱外的空隙，微机电元件20借助此设计可增强结构强度，特别为当工作温度上升时，此设计可降低热变形。

图6B显示图2中微机电元件20受热后的变形量，相对于图6A，其热变形的情形改善许多。由于改善了热变形，因此可防止黏着、使结构保持稳定，此外元件在电讯号传递上也有较佳的表现。

此外，图2的微机电元件20的设计可应用于定子或动子。当应用于定子时，微机电结构201例如可通过固定结构203而连接至基板Sub，当应用于动子时，则微机电结构201例如可通过挠性结构（例如弹簧，未示出）来与其它部份连接。固定结构203例如可由多个金属层M1-Mt和介电层来构成；需注意图标仅是举例，固定结构203可为其它形状或高度，例如可不包含最上金属层Mt及其下方的介电层。在本实施例中，微机电结构201的下方、对应于电讯号传递线路202的上方处，设有一挖空区域22以构成缓冲空间，亦即微机电结构201的最低金属层(本实施例中为M2)在电讯号传递线路202的上方处断开（最低介电层可断开或不断开，本实施例为断开）。电讯号传递线路202由第一金属层M1的一部份M1S所构成。

参照图3，其中显示本发明另一实施例的一具有增强结构强度的微机电元件30的示意图。与微机电元件20相较，微机电元件30主要差异为取消了挖空区域、而电讯号传递线路302改在接触层V的位阶中以导电材料S走线所构成。因电讯号传递线路302不包含第一金属层，而是在金属层以下的位阶中以导电材料走线所构成，这增加了缓冲空间，故最低金属层（本实施例为第二金属层M2）在电讯号传递线路302的上方、延伸往固定结构301的方向，可为连续而不须断开，如此增加了结构的刚性。所谓“接触层”，在CMOS半导体制程的技术用语中，是指基板Sub至第一金属层M1之间的连接层，而第一金属层M1以上的连接层则惯称为“通道层”。本实施例的特点为取消挖空区域，可提升微机电元件30的强度，进而降低热变形。导电材料S可为钨、钛等金属或金属化合物，其可在基板Sub的上纵横水平延伸，而非仅为柱状。

与图2实施例相同地，微机电元件30的设计可应用于定子或动子。当应用于定子时，微机电结构301例如可通过固定结构303而连接至基板Sub，当应用于动子时，则微机电结构301例如可通过挠性结构（例如弹簧，未示出）来与其它部份连接。所谓“取消了挖空区域”，亦可视为微机电结构301的最下层金属层M2与固定结构303或挠性结构直接且完全连接。此外，图2、3实施例中，微机电结构的最低金属层是以第二金属层M2为例做说明，然而实施时并不限于此，也可为第三或更高层金属层，其端视需要而定。

参照图6C，其中显示图3中微机电元件30受热后的变形量，相较于图6A，微机电元件30热变形的情形改善许多，且相较于图6B更为改善。

需说明的是，图3实施例中，取消挖空区域的设计也可单独存在，而不限于必须搭配不直接相连的最上层独立金属段Mt1，亦即图3实施例中，微机电结构301的最上金属层Mt亦可为连续的一体。

参照图4，根据另一观点，本发明提供一种具有增强结构强度的微机电元件40，其包含：微机电结构401、电讯号传递线路402和固定结构403，其中微机电结构401包含多个金属层M2-Mt、亦即第二金属层M2至最上金属层Mt，其中最上金属层Mt包含多个最上层独立金属段Mt1，最上层独立金属段Mt1彼此之间不直接相连且由至少一支持柱而连接至相邻（紧接下方）的金属层Mt-1，最上层独立金属段Mt1与相邻的金属层Mt-1之间除了支持柱外，无介电层设置于其中。其余相邻的多个金属层(例如第二金属层M2至金属层Mt-1)分别通过至少一支持柱及一介电层而互相连接，介电层可填满（至少部份填满，图示为完全填满）相邻金属层间除支持柱外的空隙。在本实施例中，固定结构403非如图2实施例般设置于微机电结构401的侧方，而是设置于微机电结构401的下方，由俯视图方向视之，固定结构403设置于微机电结构401的内部。固定结构403包含第一金属层M1的一部分（第一层独立金属段M11）、介电层、以及将微机电结构401电连接于基板sub的支持柱（包含第一层独立金属段M11的上方与下方，图标位置仅是举例，支持柱的位置与数目可依电性、机械性和布局的需求来设计安排）。微机电结构401的下方、对应于电讯号传递线路402的上方处，仍然设有一挖空区域22以构成缓冲空间，但此挖空区域22或缓冲空间相较于固定结构403而言较远离微机电结构401的中心点（在图2实施例中，挖空区域22或缓冲空间相较于固定结构203而言较靠近微机电结构201的中心点）。

参考图5，其中显示另一实施例的微机电元件50，与图4实施例的差异是：微机电元件50包含多个（图示为两个，可为更多个）第一层独立金属段M11或多个固定结构503。与图4实施例相似地，微机电结构501的下方、对应于电讯号传递线路502的上方处，仍然设有一挖空区域22以构成缓冲空间，挖空区域22或缓冲空间相较于固定结构503而言较远离微机电结构501的中心点。

参照图6D、6E，其中显示图4中微机电元件40与图5中微机电元件50受热后的变形量，其不仅优于图6A，相较于图6B，微机电元件40、50的热变形也更加改善。亦即，图6D、6E显示微机电元件的结构更加稳定，因此元件在电讯号传递上也有更佳的表现。

在图4、5实施例中，微机电结构的最低金属层是以第二金属层M2为例做说明，然而实施时并不限于此，也可为第三或更高层金属层，其视需要而定。在此情况下，固定结构403、503可对应地包含第一金属层M1的一部分、第二金属层M2的一部分（必要时还包含更上方金属层的一部分）、介电层、以及将微机电结构401、501电连接于基板sub的支持柱。

需说明的是，图4、5实施例中，使挖空区域22或缓冲空间相较于固定结构503而言较远离微机电结构501的中心点，此设计也可单独存在，而不限于必须搭配不直接相连的最上层独立金属段Mt1，亦即图4、5实施例中，微机电结构401、501的最上金属层Mt亦可为连续的一体。

图7显示另一实施例的微机电元件70，与图2实施例的差异是：电讯号传递线路202并未紧邻固定结构203而可与固定结构203相距一段距离（因此图中未显示固定结构203，表示有一段距离）。举例而言，此距离d可大于固定结构203在该维度上的长度三倍。在此实施例中，固定结构203可以如图2实施例般设置于固定结构203的侧方，或是如图4、5实施例般设置于固定结构203的下方。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。对于本领域技术人员，当可在本发明精神内，立即思及各种等效变化。例如，支持柱的数目与位置、金属层和介电层的层数等，都可变化。故凡依本发明的概念与精神所为之均等变化或修饰，均应包括于本发明的权利要求范围内。

Claims (8)

1.一种具有增强结构强度的微机电元件，其特征在于，包含：

一微机电结构，包括多个金属层，具有一最上金属层，该最上金属层包含多个独立金属段；以及

一电讯号传递线路，位于该微机电结构下方，其中该微机电结构产生电讯号，通过该电讯号传递线路来传递，

其中，该多个独立金属段分别通过至少一支持柱以连接至相邻的金属层，且在该最上层独立金属段与该相邻的金属层之间除了支持柱外，无介电层设置于其中，该相邻的金属层通过该至少一支持柱及该介电层而与其余金属层彼此连接；除该最上金属层外，其余金属层分别通过至少一支持柱及一介电层而与相邻的金属层彼此连接。

2.如权利要求1所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，还包含一固定结构或一挠性结构，与该微机电结构连接。

3.如权利要求2所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该固定结构连接于该微机电结构侧方。

4.如权利要求3所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该微机电结构下方、对应于该电讯号传递线路的上方处，具有一挖空区域。

5.如权利要求3所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该微机电结构的最低金属层在对应于该电讯号传递线路的上方处、延伸往该固定结构的方向，为连续而不断开。

6.如权利要求5所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该电讯号传递线路不包含金属层，而是在金属层以下的位阶中以导电材料走线所构成。

7.如权利要求2所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该固定结构连接于该微机电结构下方。

8.如权利要求7所述的具有增强结构强度的微机电元件，其中，该微机电结构下方、对应于该电讯号传递线路的上方处，具有一挖空区域，且该挖空区域相较于该固定结构而言较远离该微机电结构的中心点。