201216459 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關一種微機電裝置，特別關於一種具有可扭轉桿件的 微機電裝置。 【先前技術】 一般而言，絕緣層上石夕晶圓（silicon on insulator, SOI)包括兩層 矽基板（silicon substrate)，每一層矽基板的晶格方向均為一致，晶 格方向一致主因有二： 一、 一般半導體業遵守SEMI規格，而SEMI規格對200mm晶 圓疋義是其晶格方向為（100)方向（200mm orientation of notch axis 為<110>±1°)。所以在市場上能取得的200mm晶圓以（100)方向為 大宗’其他晶格方向之矽晶片則需進行特殊採購方能取得。 二、 在半導體設備上大都有對位系統，對200mm晶圓製造系統 來說都是以切口（ notch )為對位基準，所以採用標準的半導體設 備系統所能產出的SOI晶圓其晶格方向是一致的。 當採用此等絕緣層上矽基板製作半導體裝置或微機電裝置時， 受到晶格方向之影響，便容易造成裝置的電性特賀難以提升、蝕 刻量無法控制等問題。 為解決上述缺失以提高產品良率，產業界相繼提出改善方案， 例如日本專利公開號JP 6151887及美國專利公開號US 2004/0266128。在這兩篇專利中，絕緣層上矽基板的兩層矽基板具 有相異的晶格方向，此舉可改善半導體裝置的電性特性及蝕刻方 201216459 面的缺失。 然而’對於微機電裝置而言，機械性質（例如扭轉剛性或彎曲 剛幻的改善更為重要，但是上述各篇專利所揭露者僅涉 體電性特性或其相Μ程控制，並未觸及純機㈣置領域 關技術内容，以致於目前彳|丨彳肖φ 、5 ㈣機電領域的通常知識者，仍益法 現有石夕基板製程技術改善微機電裝置的機械性質。 、 機 有鑑於此，於傳财基板上改善現今微機電裝置的至少一種 械性質，乃為此業界亟待解決的問題。 【發明内容】 料在於提供—種微機電裝置，於現有傳統晶圓材 基礎上’解決f知微機電裝置扭轉剛性或彎曲剛 =足，抑或其他機械性質的缺失，配合不同微她 二==:格!向的侧，以提升其微機電裝置的機械 轉桿件。卩種楗機電裝置’其具有-扭轉剛性較佳的可扭 構上t目的’本發明所揭露的微機電裝置包含：-第一石夕結 =及Γ弟二石夕結構層。第—石夕結構層具有一可扭轉之第-桿 個第面，第一石夕結構層定義有數個第一晶格方向及數 日曰口方向’第一晶格方向的米勒指標為〈刚〉，第二 :向的米勒指標一，第—晶格方向及第二晶格方向；二 且：面帛-桿件具有-轉軸方向，轉軸方向平行第一平面， 2與晶袼方向交錯。第二石夕結構層固定地連接第一石夕結構 曰，弟—石夕結構層具有一加強結構及一第二平面，且第二平面 201216459 平行第一平面。 本發明之另一目的在於提供一種應用於微機電裝置之複合基 材，於現有傳統晶圓材料及加工製程的基礎上，結合不同晶二 向的至少一矽晶圓’以對應後續微機電裝置的機械性質，例如剛 性矩陣（stiffness matrix)中的一張量（tens〇r)。 $讓上述目的、技術特徵及優點能更明顯易懂，下文係以較佳 之實施例配合所附圖式進行詳細說明。 土 【實施方式】 本發明提出-微機電農置，微機電裝置的部分元件可扭轉，科 以達成-特定機械目的，舉例而言，本發明之微機電裝置可庫用曰 於微鏡面裝置、角位移感測器（例如陀輪儀）或微泵浦等裝置， 但並不僅限於此。在以下崎明φ , 。月中，本發明的微機電裝置的各實 例皆將以微鏡面裝置為例’但非用以侷限本發明。 一 $ 1第ϋ及第2圖’其為本發明的微機電|置的第一較佳 貫施例的立體圖。微機電裝置1為雙軸微鏡面裝置，包括一第一 -第二梦結構層12，第—碎結構層"及第二料 由單晶石夕製成，且可摻雜或沈積其他材料。第二石夕 ；；構層12固定地連接第—石夕結構層U，達成㈣結構層η、】2 ㈣式有多種，⑼由凡得爾力（VenderWaUsf〇rce)直 _：(d，reCt，yb〇nding)>^"^
4方式’但本糾並秘於上述連接H 第—石夕結構層u具有-可扭轉 二桿件π2、-鏡面結構113及—第弟7】11、一可扭轉的第 第—平面114。鏡面結構U3與 201216459 第一桿件111直接地相連， ia 兄面，'、。構U3與第二桿件112間接地 相連’而第二桿件 ilf _ , 112舁弟-杯件⑴間接地相連，第一平面114 則疋垂直於第—桿件1 —#件1】2及鏡面結構1丨3的厚方 句0 由於第一桿件丨U及第_ 弟—杯件US可扭轉，因此第一桿件⑴ it::轉轴方向"η，第二桿件-具有-第二轉轴方向 2轉軸方向1111與第二轉軸方向1121相互垂直，且平 订弟一平面114。 τ 當鏡面結構113受到外六+ 又幻外力（例如電磁力）作用時，如外力所造 轴方命矩疋才曰向第一轉轴方向UU，鏡面結構113會相對第一轉 ° U11擺動，第—桿件111會因此扭轉Μ ;如外力所造成 Γ矩是指向第二轉轴方向⑽，鏡面結構⑴及第-桿件⑴ 會同時相對第二轉軸 變形。 。1 k動時，第二桿件121會因此扭轉 第二矽結構層12具有一 、_與第，構W 及一第二平面122 ’加強 媸 ° s 1的某些部分相連’以加強這些部分的 機械強度，使這些部公 ’交》。以本實施例而言，與加強結構 相連的第—石夕結構層U部分包含鏡面結構113及第一平面 ’然而熟知此項領域技術者亦可推及其他加強實施 此不另贅述。 如第1圖及第2圖所示， — 攻、°稱121疋義有相互垂直的一 弟一延伸方向丨21〗及— 弟一之伸方向1212,第一延伸方向1211 與第一桿件111的第—鞞鉦 _ ^ ° 1平行，第二延伸方向1212 7 201216459 則㈣—桿件112的第二轉軸方向ιΐ2ι平行。第二平面⑵平 行於第-平面H4 ’並且垂直於加強結構⑵的厚度方向。 /山凊參閱第3A圖所示，為—石夕晶圓2的剖面示意圖。本實施例的 微機電！1丨係由^圓2所製作出。本發明之至少_特徵在於 形成：機電裝置…夕晶圓2係一複合基材，該複合基材係由具 才“日:。方向之至少二矽基板所組成，以本實施例而言矽晶圓2 包括-第-石夕基板㈤ic〇ne 及一第二石夕基板U，第一 石夕基板21與第二石夕基板22固定地連接。㈣基板以、η之固定 連接方式具有如上所述藉由凡得_力直接鏈結，或藉由親水性键 結等方式。 或者如第3 B圖之石夕晶圓2，剖面示意圖所示，第一石夕基板^ 及第二矽基板22之間可選擇性地形成一絕緣層23。絕緣層以可 為二氧化矽（smcondioxide),而具有此絕緣層23的矽晶圓2，即 為，.邑，、彖層上石夕晶圓（Silicon On Insulator，SOI)。 。月參閱第4A圖及第4B圖，第一矽基板21的表面2]i及第二矽 基板22的表面221的米勒指標（MiUer index)皆為（]〇〇)。第一矽基 板21另疋義有平行表面21丨的四個米勒指標為<】⑻〉的第一晶格 方向及四個米勒j曰標為j〇>的第二晶格方向，而第二石夕基板U 也具有平行表面221的四個第三晶格方向<11()>及四個第四晶格方 向<100>。如上所述’本發明之至少一特徵乃第一矽基板2丨與第 一矽基板22的晶格方向並不一致。詳言之，第一矽基板21的第 一晶格方向 <丨00>並無對齊第二矽基板22的第四晶格方向 <100〉，而是相差一角度，此角度較佳$ 45度。同樣地，第一石夕 201216459 基板21的第二晶格方向<11〇>並無對齊第二矽基板22的第三晶格 方向<110>，而是相差一角度，此角度較佳為45度。 上述構成微機電裝置丨之矽晶圓2須由具相異晶格方向之至少 一矽基板所組成之原因在於：矽基板之扭轉剛性（t〇rsi〇nal 及彎曲剛性（bending stiffness)的大小受到晶格方向影響，若欲同時 長:升U機《a裝置1之機械性質，例如增加扭轉剛性及彎曲剛性， 上述石夕基板間的晶格方向須視不同微機電裝置之機械特性而做適 當之匹配。 以本發明第-較佳實施例而言，第一石夕基板21及第二石夕基板U 之表面的米勒指標皆為（_，而此類碎基板的晶格方向與剛性的 關係不意圖如第5圖所示（以極座標方式表示），其中的c^、、 c33: c44、c66等為剛性矩陣（stiffness朗叫中的張量扣聰…而 里C66 ”第矽基板21及第二矽基板22的扭轉剛性有關。由第 5圖所示可知’張量‘在晶格方向，〇>上趨近極大值，在晶格 方向<110>上則趨近極小值。而由於扭轉剛性與彎曲剛性 因此背曲剛性在晶格方向<110>最大，在晶格方向 <跡最小。 6BS H為微機電裝置i形成於第一及 弟一石夕基板21、22上之第一月筮-於从冰 上之弟及第一矽結構層11、12的方向示意 如第6A圖所示’於本實施例中，第一石夕結構層u係由第一石夕 基板21製作出H结構層11的第—平面m與第—㈣板 21的表面21為共平面或平行，㈣-平面㈣米勒指標盘表 面21同為⑽）。此外，第一石夕結構層U的晶格方向盘第—石夕基 9 201216459 板21的晶格方向—致’因此第一石夕結構11具有如圖所示之與第 -平面114平行的四個米勒指標為侧>的第—晶格方向及四個 勒指標為<110>的第二晶袼方向。 、 —弟一桿件111之第—轉軸方肖1111與第—晶格方向，办平 行，且與第二晶格方向<110>交錯；第二桿件112之第二轉轴方向 1⑵則與另—個第—晶格方向侧>平行，且與另—個第二晶格方 向<110〉父錯。於上方描述中，交錯亦可稱之為非平行，其表示 第轉軸方向1⑴與第二晶格方向<11〇>之間有爽角第二轉轴 方向仙與另-個第二晶格方向<11〇>之間有夾角，而夾角透過 改變第-碎基板2i的晶格方向<UG>與第二石夕基板以的晶格方向 <110>的夾角即可實現。 配合第5圖可知，只要晶格方向非<11〇>，扭轉剛性皆可提升， 因此與第-晶格方向<100>平行之第一桿件川及第二桿件⑴的 _剛性皆具有良好的扭轉剛性。透過此扭轉腿的提升，使得 第-桿件1U及第二桿件112可承受則枝㈣進行高頻率地往 復扭轉。值得-提的是’第一轉軸方向uu或第二轉轴方向仙 亚不限定平行第一晶格方向<100>’僅需與第二晶格方向〈⑽交
錯’第-桿件111及第二桿件U2的扭轉剛性即可獲得 的提升。 X 如第6B圖所示，於本實施例中，第二石夕結構層12係由第二石夕 基板22製作出’第二⑪結構層丨2的第二平面】以第二石夕基板 22的表面221為共平面或平行’因此第二平面⑵的米勒指^同 為_)。此外，第二硬結構層12的晶格方向與第二秒基板^的 201216459 石夕結構層12具有如圖所示之與第二平面 為<110>的第三晶格方向及四個米勒指標 第二石夕結構層12中，力 三晶格方向<m>平行日構121的第—延伸方向1211與第 方向如則與另-個第”格方向·交錯；第二延伸 日日格方向<100>交錯。如 乐四 ^ 上迷，交錯亦即非平行，里表干筮
晶格方向一致，因此第二 122平行的四個米勒指標 為< 100>的第四晶格方向 延伸方向1211與第四晶 ，、表不弟一 ⑵2則與另一個第 ’有又角苐—延伸方向 變第-石夕…" 〇〇>之間有夾角，而夾角透過改 夂矛石夕基板21的晶;I：夂古& ,， < 11〇>6, ^ 。向<]1〇>與第二矽基板22的晶格方向 U〇>的夾角即可實現。 配合由第5圖及前述杻轉 傲
.弓曲剛性之反比關係，只要E 格方向非<100〉，彎曲剛性 12U、I212與第三晶格方改善，因此本實施例中延伸方“ 4 ▲ 向 <〗1〇>平行之加強結構121，便呈有資 佳的彎曲剛性。此外，第— 便八有耳 ._ „ 乙伸方向i2u及第二延伸方向121 並不限定平行第三晶格方向<11〇> 甲万勺 饵 僅而與第四晶格方向<100>交 .'B強結構121即可具有-定強度的彎曲剛性。 目’錢為本發明的微機電裝置的第二較 =圖置一施例的微機電裝置3與第，實施例的 «电衣置4異在於··微機電|置3的第—碎 一可扭轉的第一桿件UI。換言之， β 1〜、有 置。 "機電裒置3為單軸微鏡面裝 請配合參閱第8Α圖及第8Β 圖，其分別為微機電裝置3形成於 201216459 第一及第二矽基板2】、22 向示意圖。 第二石夕結構層】卜12的方 如同前述，第-㈣板的表面扣及第二㈣ 2…指標皆為陶。第一一丨另定義有平行表= 的四個米勒指標為〈ω〇 曰 的第二晶袼方向(圖僅部份干出::及四個购^ ㈣。Ή)，而弟二石夕基板22也具有平行 ==的四個第三晶格方向鄭及四個第四晶格方向_ (圖僅部份示出）。 如第二Α圖所示，於本實施例中，第一桿件川的第—轉轴方向 11與第一晶格方向<H)〇>平行， 曰 因此第-桿件"_較佳的扭_=::= Π與f 一晶格方向•平行，僅需與第二晶格方向·交 .曰 桿件111的扭轉剛性即可獲得程度的提升。 H第9 ® ’其㈣基板之表面的米勒指標為⑴G)的晶格 的乎、剛性的關係示意圖（以極座標方式表示）。由圖可知，以面 …勒指標為⑽)的魏板相㈣，料__ 晶格方向，最大，在晶格方向•最小;換言之，；= 在晶格方向儀> 最小，在晶格方向<1|〇>最大。_曲剛性 由於微機電裝置3的第—矽姓搂思,,认 標為_)的第-石夕美板2/ 了可使用表面米勒指 ⑴〇)的第―石⑷ 造外’也可使用表面米勒指標為 1來製造。此時’第-矽結構層的第-平面 二與表的米勒指標均為⑽）。另—方面，第二_構 曰仍可採用表面221米勒指標為_)的第二秒基板22來製 201216459 造，以下將針對此類型之實施態樣進行說明。 請參閱第10A圖及第10B圖所 # α_ 斤 其刀別為微機電裝置3形成 第一及弟—石夕基板21’、22上之第—另笛_ _ 弟及弟一矽結構層11、12的方 向不意圖’其中第一石夕基板21，之表面川的米勒指標為⑴0)。 由於第—料構層11係由第—絲板2丨，製成，@此第—料 構層11與第一矽基板21，具有相 ° u的8日格方向。此時，第一矽結 構層11具有兩個第一 B 4夂七I ° …男兩们弟曰曰格方向<100>及兩個第二晶格方向 <110>。第一捍件U1的第一轉 _ 昝軸方向1111平行於第-晶格方向 <_> ’且與第二晶格方向，交錯，此時第—桿件⑴具有較 佳的扭轉剛性。此外，即使第— T, 和釉方向1U1不與第一晶格方向 θ 要第—轉轴方向1111與第二晶格方㈣〇>交錯， 第一桿件II1的扭轉剛性亦可獲得改善。 第除二 =實施例及實施態樣所述’本發明之微_置的 弟一夕:。構層亦可使用表面米勒指標為⑽)或⑴⑽第二石夕基 板來製造。此時，第二石夕結構厣- 土 ^ 0的弟一平面的米勒指標將隨之 =⑽)或⑴配合前述之H结構層，第—秒結構層則 使用表面米勒指標為⑽)或⑽)的第4基板來製造。 配合第9圖之前文描述，者描田主工 d 木用表面米勒指標為（ 綱作第二，結構層時，加強結構的第-延伸方向與第 L方向<1GG>父錯，加強結構的彎曲剛性即可獲得改善。 而針對使料“純標為（⑴）㈣二料㈣㈣ 參閱第η圖。此圖_基板之表面的米勒指標為⑴丨）的晶^向 201216459 與剛性的關係示意圖（以極座標方式表示）。由圖可知，影響扭轉 岡曰m的張量c66在任何晶格方向均相同，換言之，響曲剛性在任何 晶格方向也都為-樣。因此當採用表面米勒指標為⑴⑽第二石夕 基板製作第二秒結構層時’無論加強結構的延伸方向偏向何種晶 格方向’加強結構的f曲剛性都為—致；換言之，加強結構將亘 有等向性的彎曲剛性。 x、 綜合上述’本發明的微機電裝置具有至少如下所示之特點： 卜當使用表面米勒指標為_)或⑽）的第一石夕基板製造第— 石夕結構層時，將桿件的第一轉轴方向與晶格方向<⑽六 錯’即可在不改變桿件之幾何職之前提τ，明顯改盖: 2 當使用表面米勒指標為_)或⑴G)的第二石夕基板製造第二 夕-構層時’將加強結構的延伸方向與晶格方向〈⑽〉交 錯，即可在不改變加強結構之幾 又 其彎曲剛性。 切也狀之4下，明顯改善 3、ΓΓ表面米勒指標為⑴1)的m板製造第二石夕結 曰時’加強結構將具有等向性的響曲剛性。 上述之實施例僅用來例舉本發明之實施態樣， 明之技術特徵，並非用來限制本發 +’釋本兔 枯術去"Γ “ X月之保“嚀。任何熟悉此 肠者了“完叙_或料性之安排㈣於本 之範圍’本發明之權利保護範圍應以張 【圖式簡單說明】 為準。 ⑧ 14 201216459 第1圖為本發明微機電裝置的第—較佳實施例的立體圖； 第2圖為本發明微機電裝置的第—較佳實施例的另一視角立 體圖； 第3A圖為第一較佳實施例採用— 、 矽晶0的剖面示意圖； 第3B圖為另一石夕晶圓的剖面示意圖。 晶圓上第一矽基板之晶 第4A圖為第一較佳實施例採用之 / 日曰 格方向示意圖； 第4B圖為第一較佳實施例採用之矽晶 格方向示意圖； 弟5圖為米勒指標（100)的石夕基板 圓上第二矽基板之晶 意圖； 剛性與晶格方向的關係示 第6A圖為第—較佳實施例中形 構層的方向示意圖; 、第—矽基板之第一矽： 弟沾圖為第—較佳實施例中形成 構層的方向示意圖； 、第—矽基板之第二矽| 弟7圖為本發明的微機電裝置的 第8A 帛 一車父佳實施例的立體圖 ®為弟二較佳實施例 構層的方向示意圖； / ;第—矽基板之第一矽 第圖為第二
構層的方向示意圖心财形成於第^基板之第二W 15 201216459 不 之第 的關係 弟1〇A圖為第二較佳實施例中形成於另 石夕結構層的方向示意圖； 碎基板 第_圖為第二較佳實施例中 構層的方h _立 弟一矽基板之第 再增的方向不意圖；以及 U圖為米勒指標⑴1)的矽基板的剛性與晶格方向 不惠圖。 【主要元件符號說明】 1、3 微機電裝置 11 第一矽結構層 Π1 第一桿件 1111 第—轉軸方向 112 第二桿件 1121 第二轉軸方向 Π3 鏡面結構 114 第一平面 12 第二矽結構層 121 加強結構 ]211 第一延伸方向 1212 第二延伸方向 122 第二平面 2、2, 矽晶圓 21 、 21， 第一矽基板 211 表面 22 第二矽基板 221 表面 23 絕緣層 16