CN107121221A - 微传感器及其制造方法 - Google Patents

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CN107121221A CN201610101653.8A CN201610101653A CN107121221A CN 107121221 A CN107121221 A CN 107121221A CN 201610101653 A CN201610101653 A CN 201610101653A CN 107121221 A CN107121221 A CN 107121221A
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Abstract

本发明提供一种微传感器及其制造方法。其中微传感器包括第一基板以及第二基板。第一基板具有形成有凹槽的表面。第二基板具有感测结构，其中第一基板形成有凹槽的表面与第二基板接合，以将凹槽密封住，使凹槽中的气压值为定值。另提供一种传感器的制造方法。本发明提供的微传感器可感测外界压力的变化，本发明另提供的微传感器的制造方法可制造出具环境感测能力的微传感器。

Description

微传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种微机电装置及其制造方法，尤其涉及一种微传感器及其制造方法。
背景技术
微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)技术是一种以微小化机电整合结构为出发点的设计。目前常见的微机电技术主要应用于微传感器、微制动器(Micro actuator)与微结构(Micro structure)组件等三大领域，其中微传感器可将外界环境变化(如声音、压力、速度等)转换成电信号(例如电压或电流等)，而实现环境感测功能，如声音感测、压力感测、加速度感测等。由于微传感器可利用半导体制程技术制造且可与集成电路整合，因此具有较佳的竞争力。是以，微传感器的设计及制造实为微机电系统的发展趋势。
发明内容
本发明提供一种微传感器的制造方法，其可制造出具环境感测能力的微传感器。
本发明提供一种微传感器，其至少可感测外界压力的变化。
本发明的一种微传感器的制造方法，其包括步骤如下。在第一基板的表面形成凹槽。将第一基板形成有凹槽的表面与第二基板接合，以将凹槽密封住，使凹槽中的气压值为定值。在第二基板中形成感测结构。
在本发明的一实施例中，在接合第一基板与第二基板之前，微传感器的制造方法还包括步骤如下。在第一基板或第二基板上形成绝缘层。在接合第一基板与第二基板之后，至少部分绝缘层位在第一基板与第二基板之间，且所述至少部分绝缘层至少覆盖形成有凹槽的表面以及凹槽。
在本发明的一实施例中，在第二基板中形成感测结构的方法包括步骤如下。在第二基板中形成多个连接部。在第二基板中形成多个压力感测组件。各压力感测组件连接两相邻连接部，且压力感测组件在第一基板上的正投影落在凹槽所涵盖的范围内。
在本发明的一实施例中，在第二基板中形成感测结构的方法还包括步骤如下。在第二基板中形成至少一温度感测组件。所述至少一温度感测组件与连接部连接。
在本发明的一实施例中，上述形成连接部、压力感测组件以及所述至少一温度感测组件的方法包括离子掺杂，且各压力感测组件的掺杂浓度低于各连接部的掺杂浓度，而各压力感测组件的掺杂浓度高于或等于所述至少一温度感测组件的掺杂浓度。
在本发明的一实施例中，在形成连接部、压力感测组件以及所述至少一温度感测组件之后，微传感器的制造方法还包括步骤如下。在第二基板上形成第一层间介电层，其中连接部、压力感测组件以及所述至少一温度感测组件位于第一层间介电层与绝缘层之间。第一层间介电层具有多个第一开口。各第一开口暴露出其中一连接部的部分。在第一层间介电层上形成多条导线。各连接部的部分与其中一导线连接。在第一层间介电层以及导线上形成第二层间介电层。第二层间介电层具有多个第二开口。各第二开口暴露出其中一导线的部分。在第二层间介电层上形成多个接垫。各接垫通过其中一第二开口与对应的导线的部分连接。
本发明的一种微传感器，其包括第一基板以及第二基板。第一基板具有形成有凹槽的表面。第二基板具有感测结构，其中第一基板形成有凹槽的表面与第二基板接合，以将凹槽密封住，使凹槽中的气压值为定值。
在本发明的一实施例中，上述的微传感器还包括绝缘层。绝缘层配置在第一基板或第二基板上，其中至少部分绝缘层位在第一基板与第二基板之间，且所述至少部分绝缘层至少覆盖形成有凹槽的表面以及凹槽。
在本发明的一实施例中，上述的感测结构包括多个连接部以及多个压力感测组件。各压力感测组件连接两相邻连接部，且压力感测组件在第一基板上的正投影落在凹槽所涵盖的范围内。
在本发明的一实施例中，上述的感测结构还包括至少一温度感测组件。所述至少一温度感测组件与连接部连接。
在本发明的一实施例中，上述的连接部、压力感测组件以及所述至少一温度感测组件由离子掺杂形成，且各压力感测组件的掺杂浓度低于各连接部的掺杂浓度，而各压力感测组件的掺杂浓度高于或等于所述至少一温度感测组件的掺杂浓度。
在本发明的一实施例中，上述的微传感器还包括第一层间介电层、多条导线、第二层间介电层以及多个接垫。第一层间介电层配置在第二基板上，其中连接部、压力感测组件以及所述至少一温度感测组件位于第一层间介电层与绝缘层之间。第一层间介电层具有多个第一开口。各第一开口暴露出其中一连接部的部分。导线配置在第一层间介电层上。各连接部的部分与其中一导线连接。第二层间介电层配置在第一层间介电层以及导线上且具有多个第二开口。各第二开口暴露出其中一导线的部分。接垫配置在第二层间介电层上。各接垫通过其中一第二开口与对应的导线的部分连接。
基于上述，在本发明的实施例中，第一基板与第二基板之间形成密闭的凹槽，且具有感测结构的第二基板配置于凹槽上。当外界压力改变时，具有感测结构的第二基板可因凹槽的内外压力差而变形，从而让感测结构量测到不同的物理量。是以，本发明的微传感器可感测外界压力的变化。本发明还提供一种上述微传感器的制造方法。
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种微传感器的上视示意图；
图2A至图2K是依照本发明的一实施例的一种微传感器的制造流程的剖面示意图；
图3是依照本发明的另一实施例的一种微传感器的上视示意图；
图4A至图4F是依照本发明的另一实施例的一种微传感器的制造流程的局部剖面示意图。
附图标记：
100、200：微传感器
110：第一基板
120、220：第二基板
122、222：感测结构
130、130A：绝缘层
140、240：第一层间介电层
150、152、154、156、250：导线
160、260：第二层间介电层
170、270：接垫
C：凹槽
H120：厚度
O1：第一开口
O2：第二开口
S：表面
SS1：连接部
SS2：压力感测组件
SS3：温度感测组件
U：感测单元
A-A’、B-B’：剖线
具体实施方式
图1是依照本发明的一实施例的一种微传感器的上视示意图。图2A至图2K是依照本发明的一实施例的一种微传感器的制造流程的剖面示意图，其中图2A至图2K所显示的剖面是对应图1中剖线A-A’的剖面。为清楚表示微传感器的感测结构，图1省略显示微传感器的部分膜层，因此，微传感器的具体叠构请参照图2K。
请先参照图1及图2K，微传感器100包括第一基板110以及第二基板120。第一基板110具有形成有凹槽C的表面S。第二基板120具有感测结构122，其中第一基板110形成有凹槽C的表面S与第二基板120接合，以将凹槽C密封住，使凹槽C中的气压值为定值。
在本实施例中，感测结构122例如用以感测外界压力的变化，其可包括多个连接部SS1以及多个压力感测组件SS2。各压力感测组件SS2连接两相邻连接部SS1，且压力感测组件SS2在第一基板110上的正投影落在凹槽C所涵盖的范围(如图1中虚线标示的范围)内。
详细而言，压力感测组件SS2例如是压阻式压力感测组件，其设置在第二基板120的四侧，且位于相对侧的压力感测组件SS2呈镜像设置。在本实施例中，第二基板120的每一侧设置有由两个压力感测组件SS2以及三个连接部SS1所组成的感测单元U。然而，每一感测单元U中的压力感测组件SS2以及连接部SS1的数量及其配置关系可依需求改变，而不限于图1所显示者。
依据不同的设计需求，感测结构122或微传感器100可进一步包括其他膜层或组件。举例而言，微传感器100可进一步包括绝缘层130。绝缘层130可配置在第一基板110或第二基板120上，其中至少部分绝缘层130位在第一基板110与第二基板120之间，且所述至少部分绝缘层130至少覆盖形成有凹槽C的表面S1以及凹槽C。本实施例的绝缘层130例如是配置在第一基板110朝向第二基板120的表面上，且全面覆盖所述表面，其中绝缘层130整体位在第一基板110与第二基板120之间，但本发明不限于此。举例而言，绝缘层130也可配置在第二基板120朝向第一基板110的表面上。
此外，微传感器100还可进一步包括第一层间介电层140、多条导线150、第二层间介电层160以及多个接垫170。第一层间介电层140配置在第二基板120上，其中连接部SS1及压力感测组件SS2位于第一层间介电层140与绝缘层130之间。第一层间介电层140具有多个第一开口O1。各第一开口O1暴露出其中一连接部SS1的部分。导线150配置在第一层间介电层140上。各连接部SS1的部分与其中一导线150连接。第二层间介电层160配置在第一层间介电层140以及导线150上且具有多个第二开口O2。各第二开口O2暴露出其中一导线150的部分。接垫170配置在第二层间介电层160上。各接垫170通过其中一第二开口O2与对应的导线150的部分连接。
在本实施例中，部分的导线150(如导线152)连接两相邻感测单元U，而形成惠斯通电桥(Wheatstone bridge)。此外，其余部分的导线150(如导线154)分别连接其中一导线152与对应的接垫170。当外界压力改变时，具有感测结构122的第二基板120会因凹槽C的内外压力差而变形。此时，其中一对侧的感测单元U的压力感测组件SS2会沿其长轴受到轴向压应力，而另一对侧的感测单元U的压力感测组件SS2会沿其长轴受到轴向张应力。亦即，其中一对侧的感测单元U的压力感测组件SS2的电阻会变大，而另一对侧的感测单元U的压力感测组件SS2的电阻会变小。藉由导线154输出因电阻改变而改变的电信号，微传感器100即可利用四个感测单元U的信号差判断外界压力的变化。
以下搭配图2A至图2K说明图1中微传感器100的其中一种制造方法。然而，微传感器100的制造方法不限于图2A至图2K所显示者。
请参照图2A，在第一基板110的表面S形成凹槽C。第一基板110例如是半导体基板，如硅基板，但不以此为限。形成凹槽C的方法例如是微影蚀刻，但不以此为限。
请参照图2B，在第一基板110上形成绝缘层130。绝缘层130至少覆盖形成有凹槽C的表面S以及凹槽C。绝缘层130例如是一氧化层，且在此步骤中，绝缘层130覆盖第一基板110所有的表面，但不以此为限。
请参照图2C，将第一基板110形成有凹槽C的表面S与第二基板120接合，以将凹槽C密封住，使凹槽C中的气压值为定值。在接合第一基板110与第二基板120之后，至少部分绝缘层130位在第一基板110与第二基板120之间，而形成具有密闭凹槽C的SOI(Silicon On Insulator)结构。
第一基板110与第二基板120例如是藉由升温制程而受热熔合在一起，其中凹槽C中的气压值由制程时的压力决定。第二基板120例如是半导体基板，如硅基板，但不以此为限。此外，第二基板120可以是一薄化的半导体基板。或者，可在第一基板110与第二基板120接合后，再藉由薄化制程来缩减第二基板120的厚度H120。
请参照图2D，在第二基板120中形成图1的感测结构122之前，可先于第二基板120上形成绝缘层130A。绝缘层130A例如是一氧化层，且绝缘层130A仅覆盖在第二基板120上，但不以此为限。
接着，在第二基板120中形成图1的感测结构122。请参照图2E及图2F，在第二基板120中形成多个连接部SS1。并在第二基板120中形成多个压力感测组件SS2。各压力感测组件SS2连接两相邻连接部SS1，且压力感测组件SS2在第一基板110上的正投影落在凹槽C所涵盖的范围内。形成连接部SS1与压力感测组件SS2的方法例如包括离子掺杂(ion implant)，且各压力感测组件SS2的掺杂浓度低于各连接部SS1的掺杂浓度。
请参照图2G，移除绝缘层130A以及部分绝缘层130，并留下位在第一基板110与第二基板120之间的绝缘层130。移除绝缘层130A以及部分绝缘层130的方法可包括蚀刻，且蚀刻剂例如是二氧化硅蚀刻剂(Buffered OxideEtch,BOE)，但不以此为限。
请参照图2H，在第二基板120上形成第一层间介电层140，其中连接部SS1以及压力感测组件SS2位在第一层间介电层140与绝缘层130之间。第一层间介电层140具有多个第一开口O1。各第一开口O1暴露出其中一连接部SS1的部分。形成第一层间介电层140的方法可以是在第二基板120上藉由电浆辅助化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)形成一第一层间介电材料层，再藉由湿蚀刻形成第一开口O1，但不以此为限。第一层间介电层140的材料可以是氧化硅，但不以此为限。
请参照图2I，在第一层间介电层140上形成多条导线150，其中各连接部SS1的部分与其中一导线150连接。形成导线150的方法可以是藉由溅镀(Sputtering)形成一导电层，再藉由干蚀刻来图案化导电层，形成导线150，但不以此为限。
请参照图2J，在第一层间介电层140以及导线150上形成第二层间介电层160。第二层间介电层160具有多个第二开口O2。各第二开口O2暴露出其中一导线150的部分。形成第二层间介电层160的方法可以是藉由电浆辅助化学气相沉积形成一第二层间介电材料层，再藉由干蚀刻形成第二开口O2，但不以此为限。第二层间介电层160的材料可以是氮化硅，但不以此为限。
请参照图2K，在第二层间介电层160上形成多个接垫170。各接垫170通过其中一第二开口O2与对应的导线150的部分连接。形成接垫170的方法可以是藉由溅镀形成一导电层，再藉由干蚀刻来图案化导电层，形成接垫170，但不以此为限。
在本实施例中，绝缘层130是在第二基板120与第一基板110接合前形成在第一基板110上，感测结构122是在第二基板120与第一基板110接合后才形成在第二基板120中，且第一层间介电层140、导线150、第二层间介电层160以及接垫170是在第二基板120与第一基板110接合后才形成在第二基板120上，但本发明不以此为限。任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可改变上述制程顺序或增设其他组件或膜层，或改变上述组件的形状或相对配置关系。举例而言，绝缘层130也可先形成在第二基板120上，再接合第二基板120与第一基板110。此外，感测结构122可先形成在第二基板120中，再接合第二基板120与第一基板110。另外，第一层间介电层140、导线150、第二层间介电层160以及接垫170可先形成在第二基板120上，再接合第二基板120与第一基板110。
图3是依照本发明的另一实施例的一种微传感器的上视示意图。图4A至图4F是依照本发明的另一实施例的一种微传感器的制造流程的局部剖面示意图，其中图4A至图4F所显示的剖面是对应图3中剖线B-B’的剖面。为清楚表示微传感器的感测结构，图3省略显示微传感器的部分膜层，因此，微传感器的具体叠构请参照图4F及图2K中相似或相同的部分。
请先参照图3及图4F，微传感器200相似于图1的微传感器100，且相同的组件以相同的标号表示，于此不再赘述。微传感器200与微传感器100的主要差异在于：在第二基板220中，感测结构222除了连接部SS1以及压力感测组件SS2之外还包括温度感测组件SS3，以感测外界温度的变化。温度感测组件SS3与连接部SS1连接。导线250除了导线152、导线154之外还包括多条导线156。各导线156连接与温度感测组件SS3连接的其中一连接部SS1以及对应的接垫270。
当外界温度改变时，温度感测组件SS3的电阻对应改变。藉由导线156输出因电阻改变而改变的电信号，微传感器200可判断外界温度的变化，从而能够藉由后段信号处理补偿温度变化对压力感测的影响。
微传感器200的制造方法大致相同于微传感器100的制造方法，以下搭配图4A至图4F说明微传感器200的其中一种制造方法。然而，微传感器200的制造方法不限于4A至图4F所显示。
请参照图4A及图3，在图2F的步骤后，可进一步在第二基板220中形成温度感测组件SS3。形成温度感测组件SS3的方法例如包括离子掺杂。由于掺杂浓度越低，对温度变化越敏感，因此本实施例可使温度感测组件SS3的掺杂浓度低于或等于各压力感测组件SS2的掺杂浓度。换句话说，在感测结构222中，连接部SS1的掺杂浓度最高，而温度感测组件SS3的掺杂浓度可最低。或者，压力感测组件SS2与温度感测组件SS3的掺杂浓度可相同且低于连接部SS1的掺杂浓度。
图4B至图4F的步骤大致与图2H至图2K的步骤相同，以下仅说明两个差异处，相同或相似的内容请参照前述，于此不再赘述。
请参照图4B，移除绝缘层130A以及部分绝缘层130，以暴露出温度感测组件SS3与连接部SS1。
请参照图4C及图3，在第二基板120上形成第一层间介电层240，其中连接部SS1、压力感测组件SS2以及温度感测组件SS3位在第一层间介电层240与绝缘层130之间。第一层间介电层240的第一开口O1除了暴露出与压力感测组件SS2连接的连接部SS1的部分之外，还暴露出与温度感测组件SS3连接的连接部SS1的部分。
请参照图4D及图3，在第一层间介电层240上形成多条导线250，其中导线250包括导线152、导线154、导线156。导线152、导线154、导线156各自的连接关系可参照前述，于此不再赘述。
请参照图4E及图3，在第一层间介电层240以及导线250上形成第二层间介电层260。第二层间介电层260具有多个第二开口O2。第二开口O2除了暴露出导线154的部分之外，还暴露出导线156的部分。
请参照图4F及图3，在第二层间介电层160上形成多个接垫270。各接垫270通过其中一第二开口O2与对应的导线150的部分连接。具体地，各接垫270例如通过其中一第二开口O2与对应的导线154或导线156的部分连接。
综上所述，在本发明的实施例中，第一基板与第二基板之间形成密闭的凹槽，且具有感测结构的第二基板配置于凹槽上。当外界压力改变时，具有感测结构的第二基板可因凹槽的内外压力差而变形，从而让感测结构量测到不同的物理量。是以，本发明的微传感器的制造方法可制造出能够感测外界压力的变化的微传感器，而本发明的微传感器能够感测外界压力的变化。在一实施例中，微传感器的感测结构可进一步包括温度感测组件，以利判断外界温度的变化，从而能够藉由后段信号处理补偿温度变化对压力感测的影响。
虽然本发明已以实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的改动与润饰，故本发明的保护范围当视所附权利要求界定范围为准。

Claims (12)

1.一种微传感器的制造方法，其特征在于，包括：
在第一基板的表面形成凹槽；
将所述第一基板形成有所述凹槽的所述表面与第二基板接合，以将所述凹槽密封住，使所述凹槽中的气压值为定值；以及
在所述第二基板中形成感测结构。
2.根据权利要求1所述的微传感器的制造方法，其特征在于，在接合所述第一基板与所述第二基板之前，所述微传感器的制造方法还包括：
在所述第一基板或所述第二基板上形成绝缘层，在接合所述第一基板与所述第二基板之后，至少部分绝缘层位在所述第一基板与所述第二基板之间，且所述至少部分绝缘层至少覆盖形成有所述凹槽的所述表面以及所述凹槽。
3.根据权利要求2所述的微传感器的制造方法，其特征在于，在所述第二基板中形成所述感测结构的方法包括：
在所述第二基板中形成多个连接部；以及
在所述第二基板中形成多个压力感测组件，各所述压力感测组件连接两相邻连接部，且所述多个压力感测组件在所述第一基板上的正投影落在所述凹槽所涵盖的范围内。
4.根据权利要求3所述的微传感器的制造方法，其特征在于，在所述第二基板中形成所述感测结构的方法还包括：
在所述第二基板中形成至少一温度感测组件，所述至少一温度感测组件与所述多个连接部连接。
5.根据权利要求4所述的微传感器的制造方法，其特征在于，形成所述多个连接部、所述多个压力感测组件以及所述至少一温度感测组件的方法包括离子掺杂，且各所述压力感测组件的掺杂浓度低于各所述连接部的掺杂浓度，而各所述压力感测组件的掺杂浓度高于或等于所述至少一温度感测组件的掺杂浓度。
6.根据权利要求4所述的微传感器的制造方法，其特征在于，在形成所述多个连接部、所述多个压力感测组件以及所述至少一温度感测组件之后，所述微传感器的制造方法还包括：
在所述第二基板上形成第一层间介电层，其中所述多个连接部、所述多个压力感测组件以及所述至少一温度感测组件位于所述第一层间介电层与所述绝缘层之间，所述第一层间介电层具有多个第一开口，各所述第一开口暴露出其中一连接部的部分；
在所述第一层间介电层上形成多条导线，各所述连接部的所述部分与其中一导线连接；
在所述第一层间介电层以及所述多个导线上形成第二层间介电层，所述第二层间介电层具有多个第二开口，各所述第二开口暴露出其中一导线的部分；以及
在所述第二层间介电层上形成多个接垫，各所述接垫通过其中一第二开口与对应的导线的所述部分连接。
7.一种微传感器，其特征在于，包括：
第一基板，具有形成有凹槽的表面；以及
第二基板，具有感测结构，其中所述第一基板形成有所述凹槽的所述表面与所述第二基板接合，以将所述凹槽密封住，使所述凹槽中的气压值为定值。
8.根据权利要求7所述的微传感器，其特征在于，还包括：
绝缘层，配置在所述第一基板或所述第二基板上，其中至少部分绝缘层位在所述第一基板与所述第二基板之间，且所述至少部分绝缘层至少覆盖形成有所述凹槽的所述表面以及所述凹槽。
9.根据权利要求8所述的微传感器，其特征在于，所述感测结构包括多个连接部以及多个压力感测组件，各所述压力感测组件连接两相邻连接部，且所述多个压力感测组件在所述第一基板上的正投影落在所述凹槽所涵盖的范围内。
10.根据权利要求9所述的微传感器，其特征在于，所述感测结还包括至少一温度感测组件，所述至少一温度感测组件与所述多个连接部连接。
11.根据权利要求10所述的微传感器，其特征在于，所述多个连接部、所述多个压力感测组件以及所述至少一温度感测组件由离子掺杂形成，且各所述压力感测组件的掺杂浓度低于各所述连接部的掺杂浓度，而各所述压力感测组件的掺杂浓度高于或等于所述至少一温度感测组件的掺杂浓度。
12.根据权利要求10所述的微传感器，其特征在于，还包括：
第一层间介电层，配置在所述第二基板上，其中所述多个连接部、所述多个压力感测组件以及所述至少一温度感测组件位于所述第一层间介电层与所述绝缘层之间，所述第一层间介电层具有多个第一开口，各所述第一开口暴露出其中一连接部的部分；
多条导线，配置在所述第一层间介电层上，各所述连接部的所述部分与其中一导线连接；
第二层间介电层，配置在所述第一层间介电层以及所述多个导线上且具有多个第二开口，各所述第二开口暴露出其中一导线的部分；以及
多个接垫，配置在所述第二层间介电层上，各所述接垫通过其中一第二开口与对应的导线的所述部分连接。
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