CN105776121A - 微机电系统芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)芯片。MEMS芯片包含元件晶圆、覆盖晶圆。元件晶圆包括第一基板与微机电元件体，微机电元件体中包含有一可动部件。覆盖晶圆包括第二基板、弹性体及阻挡部件。阻挡部件通过弹性体而与该第二基板下表面连接。由此，该阻挡部件约束该可动部件的移动，且当该可动部件碰触该阻挡部件时，该弹性体提供一个弹性回复力予该阻挡部件。

Description

微机电系统芯片

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS,Micro-Electron-MechanicalSystem)芯片，特别是指一种利用阻挡部件通过弹性回复力约束微机电元件体的移动，从而避免微机电元件体碰撞受损，以提高微机电元件体的稳固性的微机电系统芯片。

背景技术

请参考图1。图1显示现有技术的MEMS芯片的示意图。现有技术的MEMS芯片1包括一覆盖晶圆10以及一基板3。基板3上有一微机电元件体2。其中，微机电元件体2通过一固定部6与一结合元件7而与基板3连接。

现有技术的MEMS芯片1中，内部微机电元件体2经常需要制作于密闭的空间中，例如微声压传感器、陀螺仪、加速度计等均需如此。当微机电元件体2相对于基板3沿着一移动方向S’产生移动时，往往需要有一阻挡部件12来防止微机电元件体2直接冲撞覆盖晶圆10。冲撞的结果可能产生粒子或碎片而造成密闭空间的压力不准确、甚至造成微机电元件体2损毁。现有技术中，阻挡部件12的形成是直接在制程中于覆盖晶圆10的一下表面10a形成一凸状物，如图1所示的阻挡部件12。阻挡部件12具有两侧向翼121。其中，两侧向翼121必须与微机电元件体2之间彼此有所重叠(如图1所示的虚线)。如此一来，两侧向翼121可用来防止微机电元件体2直接冲撞覆盖晶圆10。

然而，当微机电元件体2相对于基板3沿着移动方向S’移动时，若是微机电元件体2对阻挡部件12所施予的一作用力F1’太大，仍会造成微机电元件体2或是阻挡部件12被碰撞受损而产生前述问题。

与本案相关的专利可参阅美国专利案第8,661,900号、第8,124,895号及美国专利公开案第2013/0106241号。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种利用阻挡部件通过弹性回复力约束微机电元件体的移动，由此避免微机电元件体碰撞受损，以提高微机电元件体的稳固性的微机电系统芯片。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种微机电系统芯片，其可利用阻挡部件通过弹性回复力约束微机电元件体的移动，从而避免微机电元件体碰撞受损，以提高微机电元件体的稳固性。

为达上述目的，就其中一观点言，本发明提供了一种微机电系统芯片，包含：一元件晶圆，包括：一第一基板；及一位于该第一基板上的一微机电元件体，其中该微机电元件体具有一可动部件；一覆盖晶圆，与该元件晶圆相互结合而形成一腔室，其中该覆盖晶圆包括：一第二基板，其中该第二基板具有一下表面，该第二基板的下表面面向该微机电元件体；一弹性体(elasticstructure)，与该第二基板的该下表面连接；以及一阻挡部件(stopper)，通过该弹性体而与该第二基板下表面连接，该阻挡部件具有一下表面，其中该阻挡部件的下表面与该可动部件相距一第一距离，由此该阻挡部件约束该可动部件沿着缩短该第一距离的方向移动，且当该可动部件碰触该阻挡部件时，该弹性体提供一个与该方向相反的弹性回复力予该阻挡部件。

在一种较佳的实施型态中，该弹性体包括一弹性元件。

在一种较佳的实施型态中，该阻挡部件和该弹性元件的一部分合并构成一个悬臂。

在一种较佳的实施型态中，该弹性体包括一弹性元件以及一固定元件，该固定元件与该第二基板的下表面连接，该弹性元件连接于该固定元件与该阻挡部件之间。

在一种较佳的实施型态中，该阻挡部件和该弹性元件合并构成一个悬臂。

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MEMS芯片的示意图；

图2显示本发明一实施例的MEMS芯片的示意图；

图3A显示本发明的弹性体的一实施例；

图3B显示本发明的弹性体的另一实施例；

图4A显示本发明的阻挡部件如何约束微机电元件体沿着移动方向的移动的一实施例；

图4B显示本发明的阻挡部件如何约束微机电元件体沿着移动方向的移动的另一实施例；

图5显示本发明另一实施例的MEMS芯片的示意图。

图中符号说明

〔现有技术〕

1现有MEMS芯片

2现有微机电元件体

3现有基板

6现有固定部

7现有结合元件

10现有覆盖晶圆

10a现有覆盖晶圆的下表面

12现有阻挡部件

d1现有距离

d2现有距离

F1’现有作用力

S’现有移动方向

〔本发明〕

20、30MEMS芯片

100覆盖晶圆

200元件晶圆

200ACMOS晶圆

200BMEMS晶圆

11基板

111下表面

13阻挡部件

131上表面

132下表面

15弹性体

151弹性元件

152固定元件

21基板

211表面

212表面

24微机电元件体

241金属层

243通道层

25可动部件

26腔室

27绝缘层

28导电栓

29结合层

D1～D3距离

d21、d31距离

F1作用力

F2弹性回复力

S移动方向

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。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。

请参考图2，其显示本发明一实施例的MEMS芯片的示意图。微机电系统(MEMS)芯片20包含互相结合的一覆盖晶圆100与一元件晶圆200(覆盖晶圆100与元件晶圆200在晶圆阶段结合，再切割成为芯片，故以切割后的芯片角度来看，覆盖晶圆100与元件晶圆200已经不是“整片晶圆”，但为便利理解仍以“晶圆”来称之。以切割后的芯片角度来看，覆盖晶圆100与元件晶圆200也可视为“覆盖层”与“元件复合层”)，且在其中形成了一腔室26。覆盖晶圆100与元件晶圆200可以使用任何已知的方式来结合，在其中一种实施方式中，可在覆盖晶圆100与元件晶圆200之间提供一结合层29，例如但不限于使用玻璃烧结(glassfrit)或焊接(solder)材料的结合层29，此结合层29的材料举例而言可为各种适合焊接的金属或铝硅合金，硅金合金，锡银合金，金锗合金，金锡合金，铅锡合金等。

元件晶圆200包括一基板21以及位于基板21上方的一微机电元件体24。基板21，例如但不限于为硅基板，且基板21具有一表面211及与表面211相对的另一表面212。微机电元件体24位于基板21的表面211上。元件晶圆200上除了微机电元件体24之外，例如但不限于可另包含微电子电路，例如CMOS(互补金氧半导体)晶体管电路或双载子晶体管电路。如图2所示，微机电元件体24例如但不限于可采一般CMOS制程完成，利用CMOS制程中的多个金属层241和多个通道层243来构成微机电元件体24(微机电元件体24中包含可动部件25)、及利用绝缘层27来将微机电元件体24与其它部分电性隔离。需说明的是，图示仅是示意，本发明不限于此实施例所示的结构、材料、布局，可以有不同变化。

微机电元件体24包括可动部件25，当此可动部件25移动时，会造成电容值的改变，从而可以进行例如加速度、重力或是气压等的侦测，视MEMS芯片20的设计目的而定。不论MEMS芯片20的设计目的为何，在MEMS芯片20的工作过程中，可动部件25都可能相对于覆盖晶圆100而沿一移动方向S而移动。

覆盖晶圆100包括一基板11，其中，基板11，例如但不限于为硅基板，且基板11具有一下表面111。当覆盖晶圆100与元件晶圆200在晶圆阶段结合后，基板11的下表面111面向微机电元件体24，并且基板11的下表面111与元件晶圆200之间形成上述的腔室26。

相较于图1所示的现有MEMS芯片1，本实施例的MEMS芯片20尚包括有一弹性体(elasticstructure)15及一阻挡部件(stopper)13。阻挡部件13经由弹性体15而与基板11的下表面111连接。阻挡部件13的下表面132与可动部件25的上表面相距一距离D1。

本实施例中，在腔室26内，阻挡部件13和微机电元件体24的可动部件25，在移动方向S上，至少部分重叠。如此一来，阻挡部件13便可以在腔室26内约束微机电元件体24的可动部件25沿着移动方向S的移动(关于阻挡部件13如何约束可动部件25的移动，其细节容后说明)。

请参考图3A与图3B。图3A显示本发明的弹性体的一实施例。图3B显示本发明的弹性体的另一实施例。如图3A所示，在一实施例中，本发明的弹性体15可单独包括一弹性元件151。阻挡部件13经由弹性体15而与基板11的下表面111连接。阻挡部件13的上表面131与基板11的下表面11之间相距一距离D2。或者，如图3B所示，在另一实施例中，本发明的弹性体15可包括一弹性元件151以及一固定元件152。固定元件152与基板11的下表面111连接，弹性元件151连接于固定元件152与阻挡部件13之间。意即，弹性元件151经由固定元件152而与基板11的下表面111连接。阻挡部件13的上表面131与基板11的下表面11之间相距一距离D3。距离D1、D2、D3可以视需要来设计其长度。需说明的是，基板11的下表面111、阻挡部件13的上表面131、下表面132、以及可动部件25的上表面不限于为平坦表面。因此，上述距离D1、D2、D3，如从不同的位置测量，可能有不同的数值，这并不影响本发明。

此外还需说明的是，图标将弹性元件151绘示为弹簧，仅属示意；弹性元件151并不必须具有弹簧的形状，而只需要能在阻挡部件13和覆盖晶圆100之间，提供缓冲即可。举例而言，请参阅图3C，在其中一实施例中，阻挡部件13和弹性元件151合并构成一个悬臂，或也可说阻挡部件13和弹性元件151分别是一个悬臂的两个部分。当悬臂受到图中箭头方向的力时，就会暂时往上(如图中虚线所示)，但会产生一与箭头方向相反的弹性回复力。又，图3C中，若是固定元件152的本身也具有弹性，则也可将固定元件152和弹性元件151视为一体、或是将固定元件152视为弹性元件151的一部分，此情况就对应于图3A所示的实施例。

弹性元件151宜使用具有较高弹性的一材料；或是通过其形状设计，而提供上述缓冲功能。在一实施例中，弹性元件151可使用金属当作材料，例如铝(aluminum)、铜(copper)、钨(tungsten)、或银(silver)。在又一实施例中，弹性元件151可使用聚合物(polymer)。

以下利用图4A与图4B说明本发明的阻挡部件13如何在腔室26内约束可动部件25沿着移动方向S的移动。

请先参考图4A。如图4A的上方所示，在可动部件25沿着移动方向S移动之前，也就是可动部件25尚未因着移动而碰触到阻挡部件13时，阻挡部件13的上表面131与基板11的下表面11之间距离为D2。一旦如图4A的下方所示，可动部件25沿着移动方向S而移动时(不限于仅沿着移动方向S移动，亦可能沿其它方向移动而产生沿着移动方向S的移动分量)，可动部件25和阻挡部件13间的距离逐渐变小，最终造成可动部件25碰触阻挡部件13。碰撞时，阻挡部件13与覆盖晶圆100之间的距离对应地变小，例如从距离D2变成距离d21，其中距离d21小于距离D2。(如前所述，阻挡部件13的上表面131不限于为平坦表面，又如图3C所示，碰撞未必造成阻挡部件13的上表面131整体均匀上移。因此所谓“从距离D2变成距离d21”，不必须在阻挡部件13的上表面131每个位置都成立，而仅需有其中一个位置成立即可。)

当可动部件25碰触阻挡部件13时，可动部件25对阻挡部件13相当于是施予一作用力F1。在此同时，弹性元件151会对应地产生一弹性回复力F2。在一实施例中，作用力F1与弹性回复力F2可以为例如但不限于平行于移动方向S(其中，移动方向S例如但不限于平行于Z轴方向)。且，作用力F1与弹性回复力F2彼此的施力方向是相反的。

由此，阻挡部件13可以通过弹性元件151所产生的与作用力F1反向的弹性回复力F2，使得可动部件25被推往与其移动方向S相反的方向，以此减低作用力F1对阻挡部件13的冲击力道。因而阻挡部件13能够约束可动部件25沿着移动方向S的移动，由此避免微机电元件体24的可动部件25碰撞受损，以提高整体微机电元件体24的稳固性。如前所述，即使碰撞不造成机械结构的损坏，也可能造成粒子掉落而影响腔室26内的压力数值。本发明可以减低碰撞的影响，使得整体MEMS芯片20的稳固性大幅提高。

接着，请参考图4B。本实施例与图4A实施例相似，二者不同之处在于：第一、本实施例的弹性体15包括一弹性元件151以及一固定元件152，而前述实施例的弹性体15仅包括一弹性元件151。第二、本实施例中，当可动部件25碰触阻挡部件13时，阻挡部件13与覆盖晶圆100之间的距离对应地变小，例如从距离D3变成距离d31，其中距离d31小于距离D3，而前述实施例是从距离D2变为d21而不是距离D3变成距离d31。除此之外，本实施例亦具有前述实施例所提及的优点及特征，在此便不再赘述。

请参考图5。图5显示本发明另一实施例的MEMS芯片的示意图。本实施例的MEMS芯片30与前述实施例的MEMS芯片20采用相似的结构，二者不同之处在于：本实施例的元件晶圆200的制作方式与前述实施例的元件晶圆200不同。本实施例中，元件晶圆200是由CMOS晶圆200A和MEMS晶圆200B结合所构成。MEMS晶圆200B已经定义了微机电元件体24的形状。CMOS晶圆200A包含基板21(例如为硅基板)以及以CMOS制程制作完成的微电子电路(未示出)。在本实施例中，因需要将CMOS晶圆200A的微电子电路和MEMS晶圆200B的微机电元件体24电连接，因此宜提供导电栓28。以可导电的方式、或是以不妨碍导电栓28导电的方式，结合CMOS晶圆200A和MEMS晶圆200B，即完成了元件晶圆200。本实施例中，结合层29可以为黏着层，以供与覆盖晶圆100结合。

除此之外，本实施例的MEMS芯片30亦具有前述实施例的MEMS芯片20所提及的优点及特征，在此便不再赘述。

本发明的特征及优点在于：阻挡部件13可以通过弹性元件151所产生的一个与作用力F1反向的弹性回复力F2，使得可动部件25被推往与其移动方向S相反的方向，以此减低作用力F1对阻挡部件13的冲击力道。因而阻挡部件13能够约束微机电元件体24的可动部件25沿着移动方向S的移动，从而避免可动部件25或是覆盖晶圆100被碰撞受损，使得整体整体MEMS芯片20的稳固性大幅提高。

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。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。凡此种种，皆可根据本发明的教示类推而得，因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。此外，本发明的任一实施型态不必须达成所有的目的或优点，因此，权利要求的任一项也不应以此为限。

Claims (5)

1.一种微机电系统芯片，其特征在于，包含：

一元件晶圆，包括：

一第一基板；及

一位于该第一基板上的一微机电元件体，其中该微机电元件体具有一可动部件；

一覆盖晶圆，与该元件晶圆相互结合而形成一腔室，其中该覆盖晶圆包括：

一第二基板，其中该第二基板具有一下表面，该第二基板的下表面面向该微机电元件体；

一弹性体，与该第二基板的该下表面连接；以及

一阻挡部件，通过该弹性体而与该第二基板下表面连接，该阻挡部件具有一下表面，其中该阻挡部件的下表面与该可动部件相距一第一距离，由此该阻挡部件约束该可动部件沿着缩短该第一距离的方向移动，且当该可动部件碰触该阻挡部件时，该弹性体提供一个与该方向相反的弹性回复力予该阻挡部件。

2.如权利要求1所述的微机电系统芯片，其中，该弹性体包括一弹性元件。

3.如权利要求1所述的微机电系统芯片，其中，该弹性体包括一弹性元件以及一固定元件，该固定元件与该第二基板的下表面连接，该弹性元件连接于该固定元件与该阻挡部件之间。

4.如权利要求2所述的微机电系统芯片，其中，该阻挡部件和该弹性元件的一部分合并构成一个悬臂。

5.如权利要求3所述的微机电系统芯片，其中，该阻挡部件和该弹性元件合并构成一个悬臂。