TWI220141B - Performance adjusting apparatus for inertia sensor - Google Patents
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Description
1220141 五、發明說明（l) 【發明所屬之技術領域】 、本發明係提供一種慣性感測器性能調整裝置，尤指一 ^透過被電錢製程於懸浮結構上成型慣性質量塊之調整裝 置。 【先前技術】 、目前應用在微機電系統中慣性感測器之製造技術可概 刀為四類，分別為面型矽基材加工、體型矽基材加工、 L I G A (深刻電鑄模造）技術及各種微機械加工技術。 八中面型矽基加工係指利用半導體製程之薄膜沉積及蝕 刻技術在晶片上製作微機械元件，如第一圖所示，為面型 石夕基加工製程技術製作懸浮結構： (a) 於矽晶圓1表面沉積隔絕層2。 (b) 於隔絕層2上沉積犧牲層3。 (c )微影蝕刻犧牲層3。 (d) 於犧牲層3上沉積一懸浮結構層4。 (e) 微影姓刻去除犧牲層3以產生懸浮結構層4。 再如體型矽基加工，其係指利用非等向性蝕刻、
終止與蝕刻遮罩等技術蝕刻單晶矽本身，製作微機 X 件，如第二圖所示，體型矽基加工製程： *兀 (a)於石夕晶圓1表面沉積薄膜層2 (b )微影蝕刻薄膜層2。 (c )微加工蝕刻矽晶圓1以產生懸浮結構層2 i。 而UGA技術係結合X-ray光蝕刻、微電鍍、射出成型
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等方式來製作高深寬比（H i gh 微機械加工則利用切削加工、 來製作微機械元件。
Aspect-Ratio)的微結構； 放電加工或射出成型等方法 透過上述四種傳統微機 元件時所面臨之瓶頸有二， 一為需要透過結構中微小之 號e又置之目的，目前慣性感 都是選用體型矽基材加工方 經常會碰到的問題，是在單 精度與餘刻寬度上面的限制 訊號設置之需求時，側面電 問題。 電加工技術，於設計慣性感測 一為南咏寬比之微小結構，另 間距以達到側向感測或驅動訊 測器設計中所廣泛使用之製程 式較多，但是如此的設計方式 晶碎基材晶格方向的對準問題 ，此外，若有側向感測或驅動 極的安置又是一項令人頭疼的 鲁 體型石夕 不同製 且較既有蝕刻方式，有深反應式離子蝕刻 基材，4向性1虫刻、雷射深刻電鑄模造技術LIGA 程，其中： = 刻而言，其係透過兩種主要氣體做- 刻^沾 ΐ蝕刻的動作，以達到對材料垂直性餘 ς 的，但是這樣的製程方式有其先天上的限制， & ^所要被蝕刻的材料必須是以矽為成分的材 :差保護的㈣，倘若在等待蝕刻的區域大 距過大日守，其所蝕刻的深度也會產生彳艮大差显， …、法達到等深度蝕刻，此外，該蝕刻製程雖 ς二 谜小間距之蝕刻目標，但是卻無法透過 = 側面之電極製作； 万式達到
1220141 五、發明說明（3) 二、 以體型石夕基材非等向性钱刻而言，由於一般體型矽基 材非等向性蝕刻都是利用單晶矽基材之晶格方向，透 過晶格上對於蝕刻液蝕刻速度之不同，以達到非等向 性蝕刻之目的，因此在蝕刻前所定義之蝕刻與非蝕刻 區域’在原先單晶矽基材晶格上的對準問題成了很大 的關鍵，並且對於整面晶圓上的蝕刻均勻度控制也是 一大問題；
三、 以雷射深刻電鑄模造技術LIGA而言，本項製程整合深 光刻術、微電鑄及微模造成形三種製造技術，可用以 製作南精度及高深寬比的微結構，標準的L丨G a製程 使用同步輻射X光為光刻源，其製作之微結構精度 可達次微米級，但因其製程成本高且程序複雜，使得 以紫外光、雷射或電漿作為光源的類L〗GA製程成為 發展趨勢，UV微影製程配合厚膜光阻技術，可實現 低成本的UV-UGA製程，故又稱為窮人的UGA (poor-man LIGA)技術。 一般微機電製程所製作的微慣性感測系統，其設計結 構主要包含驅動、€測、質量塊等三部分，就目前的微‘ 電系統的製作，仍偏向採用丨c薄膜製程，但因丨c薄膜製程 產生之微機電元件，其能夠承受之機械應力極其有限，因 此僅能^展不受力或承受微小應力之靜態產品，如加速 規]力ΐ感測器、物理量感測器與結合生物之生醫感測晶 片，未來U機電系統在邁入真正的動態系統過程中，如何 提高感測訊號的強度與改變不同感測等級的操控都是一個
1220141 五、發明說明（4) 頗為困難的問題，如何開發一種可以達到高深寬比結構、 在懸浮結構層上增加質量、側面電極設置之製程，係為微 /貫性感測元件中相當重要的一環。 如第三圖及第四圖所示，以微機電製程所製作之微慣 性感測系統之兩種態樣，其製程設計為利用體型加工技術 形成一懸浮結構層21a、21b與慣性質量塊22a、22b，慣性 質量塊22a、22b設置於懸浮結構層21a、21b下方，由於慣 性質量塊22a、22b係為單晶材料，且為不導電材料，因此 懸浮結構層21a、21b與慣性質量塊22a、22b僅能做上下往 複運動，無法用於側向感測與驅動或驅動訊號的設置。 【發明内容】 爰是，有鑑於習知技術之缺失，本發明之主要目的在 於提供一種慣性感測器性能調整裝置，其藉由微電鍍製程 於懸浮結構上成型慣性質量塊，並可改變慣性質量塊大 小，以適用於不同等級之感測，並且利用製程上所選用材 料為金屬之優點來達到高深寬比微小結構中，側向感測或 驅動訊號設置的目的。 本發明之次要目的在於提供一種慣性感測器性能調整 裝置，可實現高深寬比結構之設計目標，其成本較其他高 深寬比製程低。 本發明之另一目的在於提供慣性感測器性能調整裝 置，其懸浮結構體具有導電性，可達到側面驅動或感測。 本發明之又一目的在於提供一種慣性感測器性能調整裝
1220141 五、發明說明（5) ' _ 置，其製程溫度低，與其他製程之相容性高，且可結合 M0S矽晶圓達到系統整合。 ^ θ 本發明之再一目的在於提供一種慣性感測器性能調整 裝置，一方面對懸浮結構體具有補強結構，另一方面亦可 抑制或改變振動時之模態。 【實施方式】 為使貴審查委員能對本發明之特徵、目的及功能有 更進一步的認知與瞭解，茲配合圖式詳細說明如後。 請參閱第五圖所示，係為本發明之慣性感測器性能調 整裝置之一具體實施例，該調整裝置3〇係由一懸浮結構” 以及微電鍍結構32所構成，該懸浮結構3丨具有一懸 311，該懸臂31 1之一端3111連設於一支撐件33上，使該懸 臂3 1 1之另一端3 1 1 2呈懸浮狀態，該懸臂3丨j之另一端3丨工2 以該懸臂3 11為中心分向兩側水平延伸形成一平台3丨2，於 平台3 1 2頂部之兩端各設有一微電鍍結構3 2。 再请參^第六圖所示本發明之慣性感測器性能調整裝 置另一具體實施例，該調整裝置4〇係由一懸浮結構41以及 微電鑛結構4 2所構成，該懸浮結構4丨具有一懸臂4 η，該 懸臂4 11之一端4 111連設於一支撐件4 3上，使該懸臂4丨1之 另一端4 11 2呈懸浮狀態，該懸臂411之另一端4112以該懸 臂4 11為中心分向兩側水平延伸形成一平台4丨2，於平台 4 1 2頂部之兩端各設有一微電鍍結構4 2，本實施例之特點 在於遠平台4 1 2及懸臂4 1 1之頂部週緣設有凸伸之補強結構
1Z2U141 五、發明說明（6) ___ 4 4、4 R +f » 伸於平^2内:補強/構44係<立於懸臂41頂部兩側並延 “為導；材：側以再與二電鍍結構42連接，該補強結構 積，而仿於i {但具有補強作用，同時可增加感測面
I二Π台412外側之補強結構45因純粹為補強乍 故其材質不限，但必須汴立从日 _ F 微電鍍結構42連接。 、忍、疋，该補強結構45不與 有關於本务明之慣性感測器性 错由^下詳述之製程步驟具體揭露其技術=之衣私，可 呂月先參閱第七圖，本發明必 辟a甘& 10，其製程步驟包括： 义須備置-懸汗基礎結構 (a) = 一矽晶圓！ ’該矽晶圓】表面具有_ 土對石夕基材漏電流之薄膜層⑶中未示出)，4接專作 :用孟屬材料作為驅動和訊號之電極23 表面沉積Si3N4作為電性隔絕之隔絕#2，:2 = = 01 開動作為訊號連結路徑。 θ w ;、、、邑層2上 (b) 透過LPCVD(低壓化學氣相沉籍、七斗、μ 犧牲層3。 &相/儿積)方式於隔絕層2上沉積 (C)定義姓刻區域微影蝕刻犧牲 程。 9 d達到圖形的微影製 ⑷透過瞧(低壓化學氣相沉積）方式於犧
Polysilicon形成一懸浮結構層4。 曰上/儿積 藉由上述步驟製成懸浮基礎結構丨〇後， 結構製程，請參閱第八A圖及第再進仃彳政電鍍 吊八β圖，其步驟句i壬· (a)於懸浮基礎結構10上微影電鍍一哪匕括· 观增冤鍍起始層5，該電
第11頁 丄 41 五、發明說明（7) 鍍起始層5之材曾π、A / ⑻以微影製程於電、/為:(A1)或鉻(Cr)。 後段電鎮阻擒層 °層5上建立一厚膜光阻6，作為 (C)於厚膜光阻R „ & 層7，該電鍍：屬】7微電鍍形成具有一厚度之電鍍金屬 鍍金屬層7以採之材質可為銘（A1)或路（Cr)，電 Γ(Π η ^ 如用與電鍍起始層5相同材質為宜。 ⑷心敍刻以去除厚膜光阻6。 (e)微影飯刻以去哈雷 鍍金屬層7底部之電；:始層5 ’必須說明的*，位於電 時與電鑛金屬層7=!:5可於電鍵該電鍵金屬層7 電鍍起始層5。 口 -冑’因& ’此處不再呈現該 (f )最後微影蝕刻去除犧牲 ^ 屬异7爐# 一辟& 層3由懸汙結構層4與電鍍金 曰上成芯洋結構體2 0，對照第八β圖（f )及第五 圖，4電鑛金屬層7相當於微電鑛結構32，冑浮結 4相當於懸臂3 11。 傳層 綜上所述，本發明具有以下優點： 一、 透過電鍍金屬層厚度改變感測器之慣性質量大小，
適用於不同等級之感測。 M 二、 可貫現高深寬比結構之設計目標，其成本低。 四 五 懸〉于結構體具有導電性，可達到側面驅動或感刿。 製程溫度低，與其他製程之相容性高，且可結合m 矽晶圓達到系統整合。 在懸浮結構體上可同時製作補強結構，一方面達 強效果，一方面可抑制或改變振動模態。
IKH
第12頁 1220141
五、發明說明（8) 惟以上所述I，僅為本發明之較佳實施例，當不能以 之限制本發明的範圍，該懸浮結構可由犧牲層技術之微面 型加工技術，或微體型加工技術配上薄膜製程製作而成， 大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將 不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍， 故都應視為本發明的進一步實施狀況。
第13頁 1220141 圖式簡單說明 【圖式簡單說明】 第一圖係習知面型矽基加工製程步驟圖。 第二圖係習知體型矽基加工製程步驟圖。 第三圖及第四圖係習知以微機電製程所製作之微慣性 感測系統之兩種結構示意圖。 第五圖係本發明之一較佳實施例立體圖。 第六圖係本發明另一較佳實施例立體圖。 第七圖係本發明之懸浮基礎結構之製程步驟圖。 第八A圖及第八B圖係本發明之微電鍍結構製程步驟 圖號說明： 1 -矽晶圓 2 -隔絕層 3 -犧牲層 4 -懸浮結構層 5-電鑛起始層 6 -厚膜光阻 7-電鍍金屬層 1 0 -懸浮基礎結構 21a、21b-懸浮結構層 22a、22b-慣性質量塊 3 0 -調整裝置 3 1 -懸浮結構
1220141 圖式簡單說明 3 11 -懸臂 312-平台 3 2 -微電鍍結構 33-支撐件 4 0 -調整裝置 4 1 -懸浮結構 4 11 -懸臂 412-平台 4 2 -微電鍍結構 43-支撐件 44、45-補強結構
第15頁
Claims (1)
1220141 六、申請專利範圍 感測器性能調整裝置，其包含有： 構，其一端係固設於一支撐件上，使該懸浮結 構之另一端呈懸浮狀態；以及 係由微電鍍製程成型於懸浮結構之呈懸 1. 一種慣性 一懸浮結 微電鍍結構 浮 2 ·如申 置， 一懸 端 一平 以 平 3. 如申 置， 有： 内側 内 外側 連 4. 如申 置， 5 ·如申 置， 術， 狀態 請專 其中 臂， 呈懸 台， 該懸 台頂 請專 其中 補強 側， 補強 接。 請專 其中 請專 其中 或微 之 端 其具有一高度 利範圍第1項所述之慣性感測器性能調整裝 ，該懸浮結構更包含有： 其一端係固設於一支撐件上，使該懸臂之另一 浮狀態；以及 係設置於懸臂之呈懸浮狀態之一端，該平台係 臂為中心分向兩側水平延伸一長度而成，於該 部之兩端各設有一微電鍍結構。 利範圍第2項所述之慣性感測器性能調整裝 ，該懸浮結構設有補強結構，該補強結構包含 結構，其係設置於懸臂頂部兩側並延伸於平台 再與微電鍍結構連接；以及 結構，其係設置於平台外側且不與微電鍍結構 利範圍第1項所述之慣性感測器性能調整裝 ，該懸浮結構為慣性感測器上之震動結構。 利範圍第1項所述之慣性感測器性能調整裝 ，該懸浮結構係由犧牲層技術之微面型加工技 體型加工技術配上薄膜製程製作而成者。
第16頁 1220141 六、申請專利範圍 6. 如申請專利範圍第1項所述之慣性感測器性能調整裝 置，其中，該懸浮結構包含支撐結構、訊號連結路徑、 電訊號隔絕層。 7. 如申請專利範圍第1項所述之慣性感測器性能調整裝 置，其中，該微電鍍製程包括下列步驟： (a) 備置一懸浮基礎結構； (b) 於懸浮基礎結構上電鍍一電鍍起始層； (c) 於電鍍起始層上建立一具有絕緣性之厚膜光阻； (d) 於厚膜光阻間電鍍形成具有一厚度之電鍍金屬層； (e )去除厚膜光阻； (f) 去除電鍍起始層；以及 (g) 去除犧牲層，由懸浮結構層與電鍍金屬層構成一懸 浮結構。
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2003
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