TW471002B - Micro-mechanical components with closed membrane-openings - Google Patents

Description

471002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（/ ) 本發明僳關於一種微機槭元件之製造方法，特別是一 、種微機械鉞測器，本發明亦涉及一種撤機槭元件，其包 括：一個晶圓；一個位於晶圓上方之空腔，該薄膜位於 空腔之上方；至少一層犧牲層，其偽作為薄膜用之支承 面和至少一個位於空腔區域内之薄膜開口，該開口以 一密封蓋來封閉，且本發明亦涉及此元件在感測器中之 應用，例如應用在麥克風中之壓力感測器中或加速度感 Μ器中。 從歐洲專利Ε Ρ - A 0 7 8 3 1 0 8中已知一種作壓力測量用 之在薄膜層中具有開口的微機械感測器。這種壓力感測 器具有一空腔，此種壓力感測器之空腔上方基本上是藉 由一由導電層而形成之薄膜所限制。薄膜層例如可由摻 雜之多晶矽或金屬所構成，此薄膜層通常和一設置在空 腔下側上的及電極一起構成一電容，該電容可用來測量 空腔容積隨時間之變化情形。及電極例如可藉由一摻雜 之區域而形成在基底的晶圓中。使壓阻元件安裝於薄膜 材料中亦是可能的，此種壓阻元件可記錄薄膜面之移動。 習知的微機械感測器基本上由此種通常在半導體製造 時被使用之材料所構成。因此，感測器通常可和積體電 子控制器或電子計算器一種配置在感測器晶片上。 依據歐洲專利E P A 0 7 8 3 1 0 8，為了製造微機槭感測 器首先須在一適當的晶圔材料上沈積一種犧牲層。然後 使用一種遮罩而以薄膜材料來進行一種塗層。由於此遮 罩而可在薄膜面中形成一些開口，在隨後之步驟中經由 ----------裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -訂 -線- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!0'〆297公釐） 471002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明 ( ) 1 1 這 些 開 □ 而 以 選 擇 性 地 對 基 板 材 料 和 薄 膜 材 料 之 方 式 來 1 1 對 此 空 腔 進 行 蝕 刻 0 相 對 於 經 由 横 向 之 通 道 來 對 空 腔 進 1 I 行 蝕 刻 而 古 > 則 此 種 由 上 側 來 進 行 之 蝕 刻 方 法 由 於 蝕 刻 請 I 時 間 較 少 而 較 有 利 0 在 空 腔 製 成 之 後 必 須 再 將 薄 膜 中 之 先 閱 1 開 口 封 閉 0 於 是 沈 積 一 層 由 硼 磷 矽 酸 鹽 玻 璃 (BPSG)所 構 背 面 1 | 之 1 成 之 層 9 須 選 取 該 層 的 厚 度 t 使 薄 膜 開 Π 上 方 在 沈 積 之 注 意 1 I 後 至 多 只 保 留 一 狹 窄 的 裂 縫 〇 在 上 逑 過 程 之 後 % 緊 接 著 事 項 1 I 再 1 在 溫 度 大 約 為 1 0 0 0 °c 時 進 行 一 種 溫 度 處 理 過 程 其 中 上 楼 化 本 逑 之 BPSG 層 會 融 而 使 各 孔 被 封 閉 0 在 薄 膜 之 上 側 和 下 頁 1 1 側 保 留 一 種 由 此 種 密 封 材 料 所 構 成 之 皮 懦 形 式 之 層 0 經 1 1 由 上 逑 過 程 會 産 生 一 種 由 二 種 不 同 材 料 所 構 成 之 膜 連 結 1 | 〇 由 於 不 同 的 薄 膜 材 料 所 具 有 之 不 同 之 材 料 特 性 f 因 此 I 訂 會 産 生 機 槭 性 負 載 且 會 使 撤 機 槭 感 测 器 有 不 可 再 生 之 特 性 〇 其 他 缺 點 為 封 閉 薄 膜 開 Π 所 用 之 氧 化 物 材 料 對 外 部 1 | 璟 境 影 響 之 敏 感 度 > 外 部 環 境 例 如 可 為 空 m 濕 度 〇 1 I 本 發 明 之 的 為 藉 由 薄 膜 面 中 一 些 封 閉 之 開 P 來 克 服 1 1 習 知 撤 機 槭 元 件 (特別是撤機槭威測器） 之 缺 點 〇 本 發 明 I 之 另 一 目 的 為 提 供 一 種 對 外 部 環 境 影 響 具 有 較 佳 穩 定 性 1 1 1 之 微 機 槭 元 件 i 特 別 是 一 種 撤 機 槭 感 測 器 〇 1 1 本 發 明 之 這 些 巨 的 依 申 請 專 利 範 圍 第 1 項 之 微 機 械 元 1 I 件 之 製 造 方 法 即 可 達 成 〇 1 1 1 當 第 一 薄 膜 層 上 側 上 之 材 料 去 除 時 > 較 佳 是 將 此 種 製 1 1 造 上 逑 封 閉 蓋 時 所 需 之 材 料 去 除 〇 1 開 Π 的 裸 露 較 佳 是 藉 由 4 些 區 域 在 薄 膜 製 造 時 去 除 趣 1 1 1 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 471002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（々） 罩而達成。 因此開口的形狀為任意的且侬據所使用之微機械$ # 來調整這些區域，例如可為圓形，多角形或條g 些區域亦可具有一種環形封閉條形區之形式。 犧牲層材料之去除較佳是以一種習知之蝕刻方 行，該方法是選擇性地對薄膜和晶圓來進行。 沈積第二薄膜層於第一薄膜層上以便保護此種B封閉 的第一薄膜層來對抗外界之影響。特別是設置在第^薄 膜層中之封閉蓋可藉由第二薄膜層而針對外部影繼來受 到保護。 本發明之有利的實施形式如申請專利範圔各附層項所 逑〇 此外，本發明之目的亦可藉由申請專利範圍第4項之 微機槭元件，特別是撤機槭感測器，而達成。 依本發明之較佳實施例，封閉蓋依據一種方法而被封 閉，該方法包括：步驟a )施加一種氧化物材料於第一薄 膜層上，和b)增高溫度，以使所沈積的氧化物材料溶化 而將開口封閉。依據封閉開口所使用之材料，則在進行 溫度處理時會由於表面效應而使此種與所沈積之材料本目 接觸之表面被沾濕。此種沾濕可導致氣化物材料所形成 之膜。 依本發明，在第一薄膜層上不會有這種氧化膜形成。 此外，本發明亦涉及上逑撤機械元件作為感测器時之 應用，特別是用作壓力感測器，麥克風和加速度感測器。 I---------^—— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 -線· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x297公釐） 471002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明 ( 4 ) 1 1 封 閉 之 薄 膜 之 製 造 依 歐 洲 專 利 EP -A 783 108較 佳 是 藉 由 1 1 I 一 種 摻 雜 之 玻 璃 所 製 成 之 覆 蓋 層 之 沈 積 而 達 成 或 藉 由 適 1 當 材 料 之 蒸 發 或 蒸 鍍 而 達 成 〇 製 造 封 閉 之 薄 膜 所 用 之 層 請 I 先 之 蒸 發 或 蒸 鑛 方 法 已 在 德 國 專 利 DE -A 4 3 32 8 4 3中 提 及。 聞 讀 1 依 本 發 明 之 微 機 槭 元 件 也 可 具 有 一 種 已 結 構 化 於 薄 膜 背 1 | 之 1 中 之 移 動 式 配 置 9 在 加 速 度 時 該 配 置 作 為 信 號 接 收 之 用。 注 意 1 1 相 關 結 構 在 習 知 技 藝 中 已 為 人 所 知 0 事 項 再 1 1 在 本 發 明 之 另 一 較 佳 之 實 施 例 中 > 第 二 薄 膜 層 較 第 一 寫 本 1 ¥- 薄 膜 層 薄 很 多 0 第 二 薄 膜 層 之 厚 度 特 別 為 從 約 3 奈 米 至 頁 1 | 約 1 微 米 的 範 圍 中 0 1 1 本 發 明 之 方 法 和 本 發 明 之 撤 機 槭 元 件 之 結 構 以 下 將 以 | 第 1 和 第 2 圖 中 所 示 之 實 施 例 而 作 更 詳 細 的 閫 釋 〇 ] 訂 圖 式 簡 單 說 明 如 下 ： 第 1 圖 顯 示 感 測 器 用 之 半 製 成 的 微 擁 微 槭 元 件 > 其 在 1 I 第 一 薄 膜 層 5 中 具 有 未 封 閉 之 開 口 4〇 1 1 第 2 圖 顯 示 本 發 明 感 測 器 用 的 微 機 槭 元 件 其 具 有 一 1 1 種 封 閉 之 薄 膜 結 構 〇 \ I 第 1 圖 中 所 顯 示 之 半 兀 成 之 微 機 械 tUo 測 器 可 依 歐 洲 專 1 1 I 利 EP 匕A L 0 7 8 3 丨108之 方 法 來 製 造 I 或 依 微 機 槭 感 測 器 製 1 1 造 時 所 用 之 其 它 在 先 刖 技 m 中 已 為 人 知 之 般 方 法 來 製 1 I 造 5 其 中 該 感 測 器 具 有 些 設 置 在 薄 膜 面 中 之 開 口 4〇 1 1 首 先 在 晶 圓 1 上 沈 積 種 特 別 是 由 矽 氣 化 物 所 構 成 之 1 犧 牲 層 〇 接 箸 以 多 晶 砂 來 對 此 犧 牲 層 進 行 塗 層 > 其 中 在 1 1 開 P 4 的 區 域 内 施 加 - 種 6 蝕 刻 iric Μ 罩 0 於 是 在 薄 膜 中 形 成 1 1 1 1 1 1 準 標 家 國 國 中 用 適 度 尺 張 紙 公 7 9 2 471002 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明 ( r ) 1 i 所 諝 裸 露 之 蝕 刻 孔 〇 第 — 薄 膜 層 5 之 厚 度 為 1 微 米 〇 第 I 1 一 薄 膜 層 另 方 式 是 也 可 由 tit» 早 晶 矽 構 成 0 藉 由 等 向 性 之 1 蝕 刻 程 序 此 時 對 犧 牲 層 2 進 行 蝕 刻 直 至 晶 圓 1 為 止 使 請 ! 先 1 得 在 第 一 薄 膜 層 下 方 産 生 — 空 腔 3〇 閲. 讀 1 V 此 外 此 時 以 一 般 的 方 法 沈 積 一 種 BPSG 層 於 第 薄 膜 背 面 1 I 之 1 面 上 〇 除 了 BPSG 之 外 ， 也 可 使 用 其 他 各 種 適 當 的 材 料 $ 注 意 I I 然 而 較 佳 是 使 用 氣 化 物 材 料 ί 特 別 是 摻 雜 之 玻 璃 、 二 氧 事 項 再 1 1 化 矽 或 以 硼 及 / 或 以 磷 來 摻 雜 之 玻 璃 〇 接 著 大 約 在 80 0 寫 本 1 裝 到 1 1 0 0 °c 時 進 行 種 熱 熔 化 過 程 該 熱 熔 化 過 程 可 使 —» 頁 V_^ 1 I 層 膜 形 成 在 第 一 薄 膜 層 5 上 〇 在 此 種 熔 化 過 程 之 後 以 1 1 由 BPSG 所 構 成 之 封 閉 蓋 7 來 封 閉 此 開 P 4 0 然 而 f 開 □ 1 1 在 無 上 述 熔 化 m 程 的 情 況 下 已 被 充 分 的 封 閉 亦 是 有 可 能 1 訂 的 y 例 如 在 開 口 很 小 時 或 此 層 有 足 夠 之 厚 度 時 即 有 此 可 1 能 〇 須 選 取 開 P 4 的 大 小 使 開 Ρ 的 封 閉 是 藉 由 BPSG 材 料 1 1 來 達 成 0 若 進 行 一 種 熔 化 過 程 ， 則 開 η 的 最 大 尺 寸 基 本 1 1 上 是 在 所 使 用 之 熔 化 溫 度 中 及 第 一 薄 膜 面 之 厚 度 時 依 據 1 1 塗 靥 材 料 之 表 面 張 力 來 修 正 0 由 於 表 面 效 應 > 則 會 在 第 線 1 一 薄 膜 面 上 形 成 一 種 由 封 閉 材 料 所 構 成 之 膜 且 此 膜 之 厚 1 I 度 較 佳 為 白 大 約 0 . 1微米至大約1 .撤米的範圍中。 ，如第 1 1 2 圖 所 示 > 現 在 進 行 一 種 回 蝕 刻 過 程 > 其 中 以 封 閉 材 料 1 1 製 成 之 存 在 於 第 薄 膜 層 上 的 膜 將 彼 兀 全 去 掉 9 於 是 産 1 1 生 平 面 狀 的 第 一 薄 膜 層 5 c ，封閉材料只殘存在開口 4 [中 1 1 0 此 種 回 (t )a c ik) 蝕 刻 過 程 可 以 濕 化 學 方 式 或 乾 燥 方 式 進 1 | 行 5 其 中 蝕 刻 時 間 依 據 封 閉 時 7 所 沈 積 之 膜 的 厚 度 來 調 整。 1 1 1 1 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）

Claims (1)

1. 471002 扣年γ月w曰條正/承 / A7 B7 祁年if月?f; 修正 呤广_ 双面影印 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明説明（& ) ' 如果蝕刻時間選擇太長，就不會形成平面狀的第一薄 膜層。反之，如果上述過程之蝕刻期間選擇太短，則封 閉時所使用的材料之不期望的殘餘物會殘留在薄膜上。 在回蝕刻之後使第二薄膜層6沈積於第一薄膜層上。須 較佳的選擇第二薄膜靥所用之材料使該薄膜層之機槭特 性和第一薄膜層之機械特性盡可能一致。第二薄膜層之 材料以多晶矽恃別好。然而第二薄膜層以一種金屬來構 成亦是可考慮的。 本發明之微機槭元件對外部影纆（例如，空氣濕度）所 具有之特性是中性的，g卩，其特性，例如感測器恃性和 感測器特性曲線，在較長使用期間之後實際上不會改變。 本潑明之微機械元件之另一優點是：由第一和第二薄 膜面所構成的微膜結構-之表面可以平面方式構成。這特 別在安裝此微機械元件於感測器外殼中時是有利的。 本發明之方法可有利的自由選擇第二薄膜層。在和第 一薄膜層連結之狀態下因而可適當地調整些薄膜結構之 材料特性。 符號之說明 1 ......晶圓 2 ......犧牲層 3 ----…空腔 4 ......開口 5 ......第‘一薄膜層 6 ......第二薄膜層 7 ......封閉 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2IOX297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 六、申請專利範圍 第88 1 14253號「具有閉鎖式薄膜開口之微機械元件」專利 案 （90年4月修正） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) - 六申請專利範圍： 1. 一種微機械元件之製造方法，其特徵爲包括下列步驟： -以習知方式製成一種半完成之微機械元件，其包含： 一晶圓（1)，一第一薄膜層（5)，一空腔（3)—層或多 層作爲第一薄膜層之支承面之犧牲層， -在塗佈第一薄膜層之後或期間製成一種開口（4)， -淸除犧牲層（2)之材料以便經由開口（4)而形成一空腔 (3)， -以封閉蓋（7)來封閉開口（4)和 -淸除第一薄膜層上側上的材料，其中第一薄膜層之 表面須裸露且被整平，其中在第一薄膜層裸露及整 平之後使第二薄膜層（6)沈積於第一薄膜層上。 2·如申請專利範圍第1項之微機械元件之製造方法，其 中封閉材料之去除是藉由回蝕刻而達成，且以溼化爲 方式或乾燥方式來進行蝕刻。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3_如申請專利範圍第1或第2項之微機械元件之製造 方法，其中封閉蓋之製造是在第一薄膜層上藉由氧化 物材料之沈積，在一溫度（在該溫度時所沈積之氧化物 材料須熔化且使開口被封閉）中加熱，且在另一溫度（在 該溫度時氧化物材料變硬）中冷卻而達成。 4· ~種微機械元件’其包括：一晶圓（丨），一種位於該晶 圓上的空腔（3)，一設置於該空腔上的第一薄膜層（5)， 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 471002 Λ8 B8 C8 D8 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 至少一層作爲第一薄膜層之支承面用之犧牲層（2)，至 少一個位於空腔區域內之薄膜開口（4)，該開口以+封 閉蓋來，該封閉蓋之材料與第一薄膜層之材料不同， 其特徵爲：在第一薄膜層之上側上基本上不設置由一 種材料所製成之膜，此種材料即爲封閉蓋（7)之材#且 直接在第一薄膜層（5)上存在著第二薄膜層（6)。 5. 如申請專利範圍第4項之微機械元件，其中封閉蓋係 由一種氧化物所構成。 6. 如申請專利範圍第4或第5項之微機械元件，其中 第一薄膜層通常和封閉蓋一起至少在第一薄膜層上側 上形成一種盡可能平坦之面。 7·如申請專利範圍第6項之微機械元件，其中在組件之 晶片上有一種控制電路及/或計算電路。 8_如申請專利範圍第6項之微機械元件，其中第一薄膜 層之厚度是在從約0.2至約20微米的範圍內。 9_如申請專利範圍第4項之微機械元件，其中第一和第 二薄膜層係由相同材料構成。 10·如申請專利範圍第4或第9項之微機械元件，其中第 二薄膜層之厚度是在自約0_01微米至10微米之範圜 內。 ----------衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家椋準（CNS ) A4規格（210X297公釐）