TW201400816A - 微機械慣量感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種用於提高一微機械慣量感測器的測量敏感度的微機械慣量感測器，該微機械慣量感測器包括至少一具有經處理之正面的ASIC元件(10)、一具一微機械感測機構之MEMS元件(20)以及一罩蓋晶圓(31)。該MEMS基板(20)的微機械感測器結構包括至少一感震質量(25)且在該MEMS基板(20)的整個厚度上延伸。該MEMS元件(20)透過一間隔結構(15)安裝於該ASIC元件(10)之經處理之正面上，該MEMS元件透過該MEMS基板(20)中的貫穿接點(22)及該間隔結構之鄰接的支撐件(15)與該ASIC元件(10)電連接。該罩蓋晶圓(31)安裝於該MEMS元件(20)之微機械感測器結構上。該MEMS基板(20)中的該感震質量(25)之至少一區域內構建有至少一盲孔(13)，該盲孔內充填有與該等貫穿接點(22)相同之導電材料。該導電材料之密度大於該MEMS基板材料(20)。

Description

微機械慣量感測器及其製造方法
本發明係有關於一種微機械慣量感測器，至少包括一具有經處理之正面的ASIC(特定應用積體電路)元件、一MEMS(微機電系統)元件以及一罩蓋晶圓，該MEMS元件具有一微機械感測器結構，該感測器結構包括至少一感震質量且在該MEMS基板的整個厚度上延伸，該罩蓋晶圓安裝於該MEMS元件的微機械感測器結構上。該MEMS元件透過一間隔結構安裝於該ASIC元件之正面上且透過該MEMS基板中的貫穿接點及該間隔結構之鄰接的支撐件與該ASIC元件電連接。
本發明亦有關於一種製造此種微機械慣量感測器的方法。
微機械慣量感測器用來偵測平移加速度及旋轉加速度。多年以來，微機械慣量感測器被以量產的方式製造出來應用於汽車技術和消費電子等完全不同的領域。構件的小型化具有愈來愈重要的意義。小型化在降低感測器構件及終端設備之製造成本方面起決定性作用。此外特別是在消費電子領域，可使得終端設備在減小自身體積的同時能夠容納更多功能及構件。因此，應用電路板上提供給相應構件的空間愈來愈小。
在上述類型之微機械慣量感測器上，利用MEMS元件的一微機械感測器結構來偵測加速度並用ASIC元件進行評價。為此，該微機械感測器結構包括至少一彈性懸掛的感震質量，其會在加速度作用下發生偏轉。離心力或旋轉運動亦能引起此等加速度。感震質量之偏轉被相應電路 元件轉換為電信號，再傳輸給位於ASIC元件上的評價電路。感震質量愈大，其偏轉幅度愈大，感測器之測量敏感度愈高。
US 2010/0109102 A1描述一種製造上述類型之微機械慣量感測器的方法。該方法以一經處理之ASIC基板為出發點，其具備待製造之慣量感測器構件的電路功能。將一隔離層沈積於ASIC基板之經處理的正面並實施結構化。在此過程中製成用於安裝一MEMS基板的間隔結構的一支撐件。將未結構化之MEMS基板接合該間隔結構，隨後對其進行薄化處理直至達到一規定結構高度。而後再對該MEMS基板實施結構化。第一結構化步驟係在MEMS基板中製成若干通孔，其亦穿過該間隔結構之支撐件延伸至ASIC基板。再用導電材料將此等通孔填滿從而形成與ASIC基板之貫穿接點。隨後之第二結構化步驟係將包含此感震質量之微機械感測器結構曝露，該感測器結構在MEMS基板的整個厚度上延伸。而後將一預結構化之罩蓋晶圓安裝於微機械感測器結構上，從而將該感測器結構密封於ASIC基板與罩蓋晶圓之間。而後再使此等構件脫離晶圓複合體並實施分離操作。
該習知構件方案能夠對具微機械感測器功能及信號處理電路之堅固構件進行低成本量產，因為該方法除能製造晶圓複合體中的各構件組成部分-ASIC元件、MEMS元件及罩蓋外，還能將此等組成部分安裝為一晶圓級構件。可對MEMS功能及ASIC功能進行晶圓級測試，甚至在實施晶圓級分離前便能對各感測器構件進行補償。此外，此等習知構件採用堆疊結構，其安裝面相對較小，故能降低終端設備之製造成本。
以US 2010/0109102 A1中所描述的製造方法為出發點，本發明提出若干措施以提高微機械慣量感測器的測量敏感度。
為此，本發明於該MEMS基板中的該感震質量之區域內構建至少一盲孔並充填與該等貫穿接點相同之導電材料，其中，該導電材料 之密度大於該MEMS基板材料。
根據本發明之方法，第一結構化步驟中除製成若干用於該等貫穿接點之通孔外還於該MEMS基板中的該感震質量之區域內製成至少一盲孔。下一處理步驟係為該等通孔以及該至少一盲孔充填該導電材料。而後再透過第二結構化步驟將該MEMS基板中包括該感震質量之微機械感測器結構曝露。
本發明可在毋需增大感震質量之幾何尺寸特別是晶片面積的情況下提昇感震質量的高度。為此，該感震質量的至少一部分MEMS基板材料被一種密度更大的材料取代。根據本發明，此種材料更換與製成該等MEMS貫穿接點共同進行，毋需更多處理費用。尤佳採用鎢、銅、金、鉑及銥來製造該等貫穿接點及充填該等盲孔。
本發明之製造方法具有多種實施方案，特別是在位於該感震質量之區域內的該等填滿之盲孔的數目、佈置方案及成型方面，以及在連接ASIC基板、MEMS基板與罩蓋晶圓方面。在此情況下，必須將待製造慣量感測器構件之功能、用途及安裝地點考慮在內。
本發明之方法的一主要態樣在於，將該MEMS基板安裝於該預處理之ASIC基板上後再對該MEMS基板實施結構化。該第一結構化步驟係製成若干用於該等貫穿接點之通孔以及在該感震質量之區域內製成若干盲孔，該第二結構化步驟係定義該微機械感測器結構並將其曝露，該第一結構化步驟及該第二結構化步驟皆在該MEMS基板的整個厚度上延伸。因此，有利者係在實施該結構化前先對該MEMS基板進行薄化處理，直至達到適用於相應MEMS功能之結構高度。較佳利用溝槽工藝對該MEMS基板實施結構化，因為該工藝所產生之溝槽結構具有極高的深寬比。
此處較佳利用的是溝槽工藝之“ARDE效應”(深寬比之外觀效應)，根據該效應，溝槽速度、即處理氣體在待去除材料上的有效侵蝕 幅度與溝槽孔之直徑相關。因此，可在蝕刻作用之持續時間不變的情況下透過溝槽孔的尺寸來改變溝槽深度。在蝕刻持續時間不變的情況下，溝槽孔愈大，則溝槽速度愈快，溝槽深度也愈大。因此，該等貫穿接點之通孔的孔截面大於位於該感震質量之區域內的該至少一盲孔。可根據該等溝槽孔間的尺寸比例利用一溝槽工藝製造用於該等貫穿接點之通孔以及在該感震質量之區域內構建盲孔。
本發明透過一間隔結構將該MEMS基板安裝於該ASIC基板之經處理之正面上，以確保該感震質量之可動性。該間隔結構例如可透過對該MEMS基板之安裝表面實施結構化及電性鈍化而實現，但為此就需要對該MEMS基板進行預處理。
根據該方法的一種替代性較佳實施方案，在用於實現待製造慣量感測器構件之電路功能的ASIC基板的預處理完畢後，在該ASIC基板之表面上製成該間隔結構。為此，將至少一隔離層沈積於該ASIC基板之經處理的正面並實施結構化，以便形成該間隔結構之支撐件。較佳於此過程中在所選支撐件中製成用於該等貫穿接點之孔口。作為替代方案，亦可延長該用於在該MEMS基板中製成通孔的第一結構化步驟，直至該等通孔亦經由該間隔結構之支撐件而延伸至該ASIC基板之經處理的表面。
本發明將該罩蓋晶圓安裝於該MEMS元件之微機械感測器結構上。為此，該罩蓋晶圓可佈置於該MEMS元件上，或者透過該MEMS元件佈置於該ASIC元件上，從而將整個MEMS元件封閉於罩蓋晶圓與ASIC元件之間的一空腔內。
較佳利用一接合工藝為該MEMS基板與該ASIC基板以及為該罩蓋晶圓與該MEMS基板或ASIC基板建立連接，因為此舉既能為MEMS元件與ASIC元件實現密封式機械連接，又能為其實現可靠的電連接。先前技術中有多種相關成熟工藝可供選擇，例如電漿活化直接接合或者共晶接 合。該工藝能可靠保護該感測器結構免受雜質、水分及微粒的影響。同時亦將環境因素對測量信號的影響降至最低。此舉還能在罩蓋晶圓與ASIC基板之間的空腔內為感測器結構提供對慣量感測器之衰減特性同樣起決定性共同作用之壓力狀況。
10‧‧‧ASIC基板，ASIC元件
11‧‧‧基礎基板
12‧‧‧ASIC電路功能
13‧‧‧隔離層
14‧‧‧電路平面
15‧‧‧支撐件，間隔結構
20‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
21‧‧‧通孔
22‧‧‧貫穿接點
23‧‧‧盲孔
24‧‧‧溝槽
25‧‧‧感震質量
26‧‧‧空腔
31‧‧‧罩蓋晶圓
32‧‧‧罩蓋晶圓
141‧‧‧連接電極
142‧‧‧信號偵測用電極
151‧‧‧孔口
圖1至6為本發明之微機械慣量感測器之製造至封裝過程的剖視圖；及圖7a、7b分別為該慣量感測器的一封裝方案的剖視圖。
如前所述，本發明具有多種較佳設計方案及改良方案。該等方案一方面可參閱附屬項，另一方面可參閱下文中利用附圖對本發明之多個實施例所作的說明。
本發明之製造一微機械慣量感測器的方法，該慣量感測器包括一ASIC元件、一MEMS元件及一罩蓋晶圓，該方法以一經預處理之ASIC基板為出發點。該預處理較佳係為該ASIC基板配設一用於該MEMS元件之感測器功能的信號處理及評價電路。此外亦可實現MEMS無關的電路功能。
圖1為一ASIC基板10於此種預處理完畢後之示意圖。該預處理工藝首先將若干ASIC電路功能12整合至該基礎基板11。再在基板表面上製成一層結構，其包括多個用於對該等ASIC電路功能12進行佈線及接觸的隔離層13及電路平面14。本發明不對ASIC基板10之預處理進行進一步說明，本文亦不予詳述。因此，本文對該等ASIC電路功能12僅予示意性圖示，對該層結構而言，僅示出其具有連接電極141及信號偵測用電極142的上電路平面。
下一處理步驟係將一氧化層沈積於ASIC基板10的表面上並實施結構化，以便提供一用於安裝一MEMS基板的帶支撐件的間隔(Standoff)結構。圖2為此種結構化處理的結果，如圖2所示，該氧化層之結構化工藝在該等支撐件15之區域內提供了通向ASIC基板10之第一電路平面之連接電極141的通道151。
該等以該氧化層為出發點藉由結構化而製成之支撐件15構成一未結構化之MEMS基板20的安裝面。此處係藉由接合工藝、例如電漿活化直接接合工藝為MEMS基板20與ASIC基板10建立連接並予以密封。此時，例如利用研磨工藝對該相對較厚之MEMS基板20進行薄化處理，直至其厚度大致等於該微機械感測器結構之期望結構高度。該期望結構高度通常為10μm至150μm。圖3為ASIC基板10與經薄化處理但未結構化之MEMS基板20，圖3突出了該等支撐件15作為ASIC基板10之閉合表面與MEMS基板20間的間隔件的功能。
在該MEMS基板20連接ASIC基板10後方對其實施結構化。該結構化分兩個步驟進行。
第一結構化步驟係為在MEMS基板20之整個寬度上延伸的貫穿接點22製成若干通孔21。該等通孔21與該間隔結構之支撐件15中的相應孔口151連通。該等通孔大體呈圓形且其深寬比為5：1至20：1。本發明之第一結構化步驟還在待曝露之感測器結構之感震質量的區域內製成若干盲孔23。本發明係利用一共用溝槽工藝對通孔21及盲孔23實施結構化，為此而對MEMS基板20之表面進行掩蔽。用該溝槽遮罩來定義用於該等通孔21及盲孔23之溝槽孔的位置及尺寸。如圖4所示，盲孔23之孔截面明顯小於通孔21之孔截面。溝槽速度與溝槽孔的尺寸相關，故而在溝槽工藝之持續時間不變的情況下，溝槽深度亦與溝槽孔的尺寸相關。因此，在該間隔結構之支撐件15上製成通孔21的同時，在該感震質量之區域內產生了 盲孔23。此處需要注意的是，若該等盲孔具相應窄度，則其亦可呈槽形，而非一定要具有圓形或方形之孔截面。
此時，在藉由沈積工藝用導電材料(如銅或鎢)填滿該等通孔21及盲孔23前，通常為該等通孔及盲孔之側壁塗佈一導電之擴散障壁，如氮化鈦或鈦鎢。在此過程中產生若干形式為“Via”的貫穿接點22，該等貫穿接點為該MEMS元件與該ASIC元件建立防護程度極高且穩定的電連接。此外，本發明所用導電材料的密度大於MEMS基板材料，遂可提昇感震質量的高度。圖5為ASIC基板10與第一MEMS基板20的示意圖，其中，該等通孔21及盲孔23已被填滿且沈積於MEMS基板20之表面上的導電材料已被重新去除。
第二結構化步驟同樣較佳係溝槽工藝，該結構化步驟將MEMS元件20之微機械感測器結構曝露。該感測器結構包含一彈性懸掛的感震質量25，該感震質量的形狀被相應溝槽24定義。如圖6所示，該感測器結構在MEMS基板20的整個厚度上延伸。
MEMS基板20之結構化處理完畢後，將一預結構化之罩蓋晶圓31或32安裝於該感測器結構上，從而在一定壓力條件下將該感測器結構密封地關閉於ASIC基板10與罩蓋晶圓31或32之間的空腔26內。
圖7a所示情形中，罩蓋晶圓31以僅將該感測器結構封裝的方式安裝於MEMS基板20上。
與此不同，圖7b所示罩蓋晶圓32佈置於整個MEMS元件20上且以將整個MEMS元件20封裝的方式安裝於ASIC基板10上。
利用一接合工藝(如共晶接合)來為罩蓋晶圓31與MEMS基板20以及為罩蓋晶圓32與ASIC基板10建立連接。
10‧‧‧ASIC基板，ASIC元件
15‧‧‧支撐件，間隔結構
20‧‧‧MEMS基板，MEMS元件
22‧‧‧貫穿接點
23‧‧‧盲孔
24‧‧‧溝槽
25‧‧‧感震質量
26‧‧‧空腔
31‧‧‧罩蓋晶圓
141‧‧‧連接電極

Claims (12)

  1. 一種微機械慣量感測器，至少包括一具有經處理之正面的ASIC元件(10)，一具有一微機械感測器結構的MEMS元件(20)，該微機械感測器結構包括至少一感震質量(25)且在該MEMS基板(20)的整個厚度上延伸，其中，該MEMS元件(20)透過一間隔結構(15)安裝於該ASIC元件(10)之經處理之正面上，且其中，該MEMS元件(20)透過該MEMS基板(20)中的貫穿接點(22)及該間隔結構之鄰接的支撐件(15)與該ASIC元件(10)電連接，及一罩蓋晶圓(31；32)，該罩蓋晶圓安裝於該MEMS元件(20)之微機械感測器結構上；其特徵在於，該MEMS基板(20)中的該感震質量(25)之至少一區域內構建有至少一盲孔(13)，該盲孔內充填有與該等貫穿接點(22)相同之導電材料，該導電材料之密度大於該MEMS基板材料(20)。
  2. 如申請專利範圍第1項之慣量感測器，其特徵在於，該等貫穿接點(22)及該至少一盲孔(23)中充填有鎢、銅、金、鉑或銥。
  3. 如申請專利範圍第1或2項之慣量感測器，其特徵在於，該間隔結構(15)構建於該ASIC元件(10)之該經處理之正面上的至少一隔離層中。
  4. 如申請專利範圍第1或2項之慣量感測器，其特徵在於，該罩蓋晶圓(31；32)安裝於該MEMS元件(20)上或者該ASIC元件(10)上。
  5. 一種製造一微機械慣量感測器，特別是如申請專利範圍第1至4項中任一項之慣量感測器的方法，其中， 首先對一ASIC基板(10)進行處理，透過一間隔結構(15)將該MEMS基板(20)安裝於該ASIC(10)基板之經處理之正面上，製成若干通孔(22)，該等通孔穿過該MEMS基板(20)及該間隔結構(15)延伸至該ASIC基板(10)之經處理之正面，以該安裝後的MEMS基板(20)為出發點藉由結構化而製成一具至少一感震質量(25)的微機械感測器結構，其中，該微機械感測器結構在該MEMS基板(20)的整個厚度上延伸，及將一罩蓋晶圓(31；32)安裝於該MEMS基板(20)之微機械感測器結構上，其特徵在於，一第一結構化步驟係在該MEMS基板(20)中製成若干用於該等貫穿接點(22)之通孔(21)，以及在該感震質量(25)之區域內製成至少一盲孔(23)，利用一共用處理步驟為該等通孔(21)以及該至少一盲孔(23)充填一導電材料，該導電材料之密度大於該MEMS基板材料(20)，而後再透過一第二結構化步驟將該MEMS基板(20)中的該微機械感測器結構曝露。
  6. 如申請專利範圍第5項之方法，其特徵在於，該等用於該等貫穿接點(22)之通孔(21)的孔截面大於位於該感震質量(25)之區域內的該至少一盲孔(32)。
  7. 如申請專利範圍第5或6項之方法，其特徵在於，將至少一隔離層沈積於該ASIC基板(10)之經處理的正面上並實施結構化，以便形成該間隔結構之支撐件(15)。
  8. 如申請專利範圍第7項之方法，其特徵在於，在該至少一隔離層的結構化過程中製成用於該等貫穿接點(22)之孔 口(151)。
  9. 如申請專利範圍第8項之方法，其特徵在於，該第一結構化步驟中亦在該間隔結構的該等支撐件中製成若干用於該等貫穿接點的孔口，該等孔口實施為該等通孔在該MEMS基板中的延續。
  10. 如申請專利範圍第5至6項中任一項之方法，其特徵在於，在安裝於該經處理之ASIC基板(10)上後對該MEMS基板(20)進行薄化處理，直至達到待製造之微機械感測器結構的規定結構高度。
  11. 如申請專利範圍第5至6項中任一項之方法，其特徵在於，利用一溝槽工藝對該MEMS基板(20)實施結構化。
  12. 如申請專利範圍第5至6項中任一項之方法，其特徵在於，利用一接合工藝為該MEMS基板(20)與該經處理之ASIC基板(10)以及/或者為該罩蓋晶圓(31；32)與該MEMS基板(20)或該經處理之ASIC基板(10)建立連接。
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