TWI327770B - Capped sensor - Google Patents

Description

1327770 *九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於經微機械加工的器件，更特定言之 係關於經覆蓋之感測器。 5【先前技術】 一般而言，一對流加速度計係以加熱一封閉室内之一氡 -體且在形成該室之器件被移動或旋轉時感測該室之一或^ 鲁個區域之溫度變化的方式工作。許多對流加速度計被封= 在氣密封裝體内❶但是，熟習此技藝者會理解到氣密封^ 10體相當昂責。此外，熟習此技藝者會理解到對流加速度計 的表現會受到熱損失的影響。 & 【發明内容】 —依據本發明之一觀點，一感測器元件被以晶圓級氣密地 覆蓋。蓋可被個別地施加、經由晶圓與晶圓結合以晶圓級 15施加、或是作為晶圓製程之一部分就地（in-situ)形成: _舉例來說，一氣密蓋可利用一氣密結合材料譬如一玻璃或 ^屬結合材料而結合於一感測器元件。另一選擇，一氣密 為在-晶圓製程期間就地形成。藉由以晶圓級氣密二 20二蓋感'則斋凡件’此等器件（例如加速度計）可為較小且/ :巧封裝在較低成本的封裝體内，譬如一標準積體電路封 依據本發明之另一觀點，一感測器元件經由利用一結合 材蓋f合於該感測器元件而被覆蓋。該蓋及/或結合 …’、、、非氣密的。經覆蓋之感測器可經由在該蓋及/或結 0 1327770 -合材料上添加一氣密塗層譬如氮化矽、二氧化矽、或鋁而 .被製作I氣密的。-#氣密蓋可具有絕熱特性以協助減低 來自感測器元件内的熱損失。 依據本發明之另一觀點，一經覆蓋的感測器元件包含一 5腔穴，在該腔穴内可安置一或多個感測器元件譬如一加熱 •元件^一溫度感測元件。該腔穴係由一下層基板之一部分 .及該蓋之一部分形成。一絕熱層被沈積或以其他方式形成 籲在該下層基板部分及/或該蓋部分上以便分別減低通過該 基板及/或蓋的熱損失。 10 依據本發明之另一觀點，一經覆蓋的感測器元件被充填 二氣以外的氣體。戎氣體在處於一大約攝氏25度之溫度及 大約1大氣壓之壓力下被測量時可具有一約高於〇2的密 度（單位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒）比， 且其舉例來說可包含氣、全氟化丙烷、六敦化硫、或六氟 15乙烷。該氣體可被以一升高的壓力導入該經覆蓋之感測器 _元件内。 〜 口口 20 上述觀點之一或多者可被應用於經微機械加工的對流 加速度計以便縮小尺寸、降低成本、且/或提升效能。此驾 對，加速度計通常包含一基板且具備被安置在由該基板婆 該蓋形成之一腔穴内的至少一加熱元件及至少一溫度感須 凡件。一蓋被安置在該基板上β —在範例實施例中，該對流加速度計之腔穴利用一氣密 蓋而氣密地密封。㈣可為利用-氣密結合材料譬如:玻 璃或金屬結合材料而結合於該基板，或者該蓋可為在一晶 6 丄327770 "IS ^ ri-Γ -fcA. -1--^ 44-.

-蓋可包含一圍繞該腔穴之絕熱層以便減低來自該腔穴的熱 魯損失。該絕熱層可藉由蝕刻該基板及/或該蓋以形成一多孔 層的方式形成。 1〇 在另一範例實施例中，一對流加速度計經由將一蓋結合 於該基板而被覆蓋，且該對流加速度計之腔穴經由在該蓋 及/或結合材料上添加一氣密塗層譬如氮化碎、二氧化石夕、 或銘而被氣密地密封。該腔穴可被充填空氣以外的氣體。 該氣體在處於一大約攝氏25度之溫度及大約1大氣壓之壓 15力下被測量時可具有一約高於0.2的密度（單位為公克/公 籲升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒）比，且其舉例來說可包 含氣、全說化丙烧、六氟化硫、或六氟乙烧。該氣體可處 _於一高於環境大氣壓力的壓力。該基板及/或該蓋可包含一 -圍繞該腔穴之絕熱層以便減低來自該腔穴的熱損失。該絕 20 熱層可藉由蝕刻該基板及/或該蓋以形成一多孔層的方式 形成。該蓋可為多孔的以提供用來減低來自該腔穴之熱損 失的絕熱效果。 在另一範例實施例中，一經覆蓋的對流加速度計在該蓋 及/或該基板上包含一絕熱層以便減低來自該腔穴的熱損 1327770 ‘失。該絕熱層可藉由蝕刻該基板及/或該蓋以形成一多孔層 •的方式形成。該對流加速度計舉例來說可經由利用一氣密 …σ材料譬如一玻璃或金屬結合材料使一氣密蓋結合於該 基板或是經由在該蓋及/或結合材料上施加一氣密塗層譬 5如氮切、二氧切、或銘而被氣密地密封。該腔穴可被 充真王氣以外的氣體。s亥氣體在處於一大約攝氏Μ度之溫 -度^大約1大氣壓之壓力下被測量時可具有一約高於〇 2 _的密度（單位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒） 比二且其舉例來說可包含氙、全氟化丙烷、六氟化硫、或 10六氟乙烷。該氣體可處於一高於環境大氣壓力的壓力。 在另一範例實施例中，一經覆蓋的對流加速度計被在處 於一大約攝氏25度之溫度及大約工大氣壓之壓力下測量時 具有一約向於0.2的密度（單位為公克/公升）對黏度（單 b位為微巴斯卡-秒）比之氣體充填，且該氣體舉例來說可包 含氙、全氟化丙烷、六氟化硫、或六氟乙烷。該氣體可被 鲁以一高於環境大氣壓力之壓力導入該腔穴内。 上述觀點可被應用於其他類型的經微機械加工感測 器’其中非侷限性包含加速度計和陀螺儀、光學開關、及 其他微機電系統（MEMS)和微光電機械系統（MOEMS)。 2〇 因此，本發明整體而言可被實施成包含一基板且具有被 女置在一腔穴内之至少一感測元件及利用一氣密結合材料 譬如一玻璃或金屬結合材料結合於該基板以便氣密地密封 該腔穴之一氣密蓋的裝置。該腔穴可被充填空氣以外的氣 體。該氣體在處於一大約攝氏25度之溫度及大約1大氣壓 1327770 .之壓力下被測量時可具有一約高於0.2的密度（單位為公 .克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒）比，且其舉例來 說可包含氙、全氟化丙烧、六氟化硫、或六氟乙烷。該氣 體可處於一高於環境大氣壓力的壓力。該基板及/或該蓋可 5包含一圍繞該腔穴之絕熱層以便減低來自該腔穴的熱損 失。該絕熱層可藉由蝕刻該基板及/或該蓋以形成一多孔層 -的方式形成。 # 本發明整體而言亦可被實施成包含下列物的裝置：一基 板且具有被安置在一腔穴内之至少一感測元件；一利用一 10結合材料在該腔穴上方結合於該基板的蓋，其中該蓋和該 結合材料至少一者是多孔的；及一被安置在該蓋及該結合 材料上以便形成該腔穴之一氣密密封的氣密塗層，譬如氮 化矽、二氧化矽、或鋁。該腔穴可被充填空氣以外的氣體。 該氣體在處於一大約攝氏25度之溫度及大約i大氣壓之壓 15力下被測量時可具有一約高於〇.2的密度（單位為公克/公 鲁升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒）比，且其舉例來說可包 含氙、全氟化丙烷、六氟化硫、或六氟乙烷。該氣體可處 於一尚於環境大氣壓力的壓力。該基板及/或該蓋可包含一 圍繞該腔穴之絕熱層以便減低來自該腔穴的熱損失。該絕 2〇熱層可藉由蝕刻該基板及/或該蓋以形成一多孔層的方式 形成。該蓋可為多孔的且可提供絕熱效果以減低來自該腔 穴的熱損失。 本發明整體而言亦可被實施成包含一基板且具有被安 置在一腔穴内之至少一感測元件及一結合於該基板之蓋的 9 1^27770 •褒置’其中該基板和該蓋至少—者包含—圍繞該腔穴的絕 .熱層以便減低來自該腔穴的熱損失。該絕熱層可藉由钱刻 該基板及/或該蓋以形成—多孔層的方式形成1裳置_ 來說可㈣利用-氣密結合材料譬如一玻璃或金屬結合材 5料使1密蓋結合於該基板或是經由在該蓋及/或結合材 料上施加-氣密塗層譬如氮化石夕、，二氧化石夕或紹而被氣 -密地密封。該腔穴可被充填空氣以外的氣體。該氣體在處 _於一大約攝氏2 5度之溫度及大約i大氣壓之壓力下被測量 時Γ具有一約高於0·2的密度（單位為公克/公升）雌度 10 (單位為微巴斯卡-秒）比，且其舉例來說可包含氙、全氟 化丙烧/、氟化硫、或六氟乙烧。該氣體可處於一高於環 境大氣壓力的壓力。 本發明整體而言亦可被實施成包含一基板且具有被安 置在一腔穴内之至少一感測元件及一結合於該基板之蓋的 15裝置，其中该腔穴被在處於一大約攝氏25度之溫度及大約 φΐ大氣壓之壓力下被測量時可具有一約高於〇 2的密度（單 位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡_秒）比之氣體 填充，且該氣體舉例來說可包含氙、全氟化丙烷、六氟化 •硫、或六氟乙烷。該氣體可被以一高於環境大氣壓力之壓 20 力導入該腔穴内。 【實施方式】 本發明之上述及其他優點將在以下參照隨附圖式說明 的内容中更進一步展露。 在圖中所示本發明實施例中，一感測器元件被以晶圓級 1327770 .氣密地覆蓋。為此之故，得利用氣密覆蓋MEMS器件之晶 .圓對晶圓結合技術覆蓋感測器譬如對流加速度計。此等蓋 可被個別地施加，或是作為晶圓製程之一部分就地形成。 由於一典型對流加速度計之靈敏度隨内部氣體壓力之 5平方而長1南，後者可在盍結合過程中增加至高達例如約$ 個大氣壓，藉以增強效能或是不犧牲效能而縮小感測器尺 -寸。此外，得選擇一特殊氣體譬如六氟化硫或氙，藉以例 籲如在噪訊與帶寬之間給予一期望的妥協。 在一對流加速度計中，該特殊氣體較佳是一種具有高密 10 ，和低黏度的氣體。此係因為主導對流熱轉移程序的格拉 肖夫數（Grashof number)咸信會對一對流加速度計之靈 敏度有顯著影響，且格拉肖夫數的其中三項與該特殊氣體 有關。其中一項（熱膨脹係數）一般而言在不同氣體之間 差異不大。因此，就一既定氣體壓力來說，具有一高密度/ 15黏度比之氣體的格拉肖夫數通常會較大。在處於一大約攝 φ氏25度之溫度及大約1大氣壓之壓力下被測量時具有一約 高於〇·2的密度（單位為公克/公升）對黏度（單位為微巴 斯卡-秒）比之氣體譬如氙、全氟化丙烷、六氟化硫、及六 氟乙烷都是適合用在一對流加速度計内的良好候選者。應 2〇理解到氣體壓力的適度提高會不明顯改變黏度地加大密 度，故此提尚氣體壓力通常會加大密度/黏度比。但是，全 氟化丙烷對於需要低溫作業的情況並不適合以高氣體壓力 使用（1大氣壓的全氟化丙烷在攝氏_36 7度凝結；凝結溫 度在壓力被提高時升高）。 1327770 選取一適用氣體的其他考量可能包含 .性、非腐姓性、呈現县時門忠1 η Λ (例如惰 枓長時間 與封裝體腔穴内之材 =發生父互作用）’安全性（例如搬運安全、不可_、 …、f等）’可凝結性（例如在目標溫度範圍内 5 3:得性（例如可從一可靠來源以一與總產品成：:致)之 得肖純度材料），成本（例如可在—覆蓋設備内被有 風本效盈地搬運），以及管理面的考量〔例如符合管理標 籲準、譬如有關於部分氯化氣碳氣體（Fre〇n〇的使用〕。不 ίο 本發明之範例實施例由此以晶圓級覆蓋感測器元件。此 促成經覆蓋的加速度計晶粒被封裝在通常提供較多種大小 的低成本塑膠封裝體内。因此，可想見晶片上的電子元件 數量得以無須付出高成本的代價即被擴充。此外，相較於 習知技藝的方法，範例實施例的使用預料中會對於效能最 15 佳化及/或感測器尺寸縮小提供更大彈性，因為有更為^泛 的氣體類型選擇且可以晶圓級覆蓋作業達成更高的内部氣 體壓力。 112。在一對流加速度計中，腔穴112被充填一氣體 圖1示出一依據本發明一實施例之範例經氣密覆蓋的 感測器之橫剖面圖。除了其他部分，經覆蓋的感測器包含 一感測器元件，包括基板104及被安置在形成於基板1〇4 内之一凹處内的多個加熱/溫度感測元件1〇6。一蓋1〇2利 用氣密結合材料108和110例如某些玻璃或金屬結合材料 而被氣後地結合於基板104。蓋102通常包含一對庳於其 板104内之凹處的凹處，使得經覆篕的盧剃哭包含一腔穴 該氣 12 20 1327770 體被ι〇6之加熱元件加熱並且在腔穴112内循環。在本發 •明之一較佳實施例中，該氣體是一處於一升高壓力被困在 腔穴112内的特殊氣體。 5 一對流加速度計的效能有某種程度取決於維持腔穴 112内之熱的能力。通過蓋1〇2及/或基板1〇4 (二者皆發 揮熱壑之作用）的熱損失會降低加速度計的效能。因此， 在本發明之某些實施例中，蓋102及/或基板104之内側壁 _的部分經絕熱。此種絕熱效果可藉由在該等内側壁上沈積 ^以其他方式形成一（或多個）絕緣層而達成。舉例來說， 10就矽蓋來說，該絕緣層可為藉由化學地或電化學地蝕刻腔 穴表面以製作出-多孔石夕或多孔氧化石夕層而形成。可利用 一 HF型電解液内的電化學蝕刻作用在矽晶圓中產生表面 多孔性。孔隙的結構、大小和深度得經由適當的蝕刻參數 選擇而受到控制。電化學蝕刻並非永遠適用的，因為其通 15常要求對局部區域進行電連接。在此等情況中，染色蝕刻 • (stain etching)作業也在矽内形成一多孔表面。染色蝕刻 溶液通常是HF、硝酸及水的溶液。絕熱處理得為單獨使用 或是與一氣密密封蓋、一特殊氣體、及/或一升高的内部氣 -體壓力組合使用。本發明並不要求蓋和基板二者都經過絕 20熱處理。 圖2是—依據本發明一範例實施例之具備絕熱腔穴的 一經覆蓋感測器的橫剖面圖。除了其他部分，該經覆罢的 感測器包含一感測器元件，包括含有具備一絕埶層2〇1之 -凹處的基板204 —蓋2〇2舉例來說利用—氣密9結合材 13 1327770 • •料而被結合於基板2〇4。蓋202包含一對應於基板2〇4之 .凹處的有絕緣層206凹處。絕熱層206和208得由不同材 料且/或以不同方式形成。 在本發明之某些實施例中，該蓋係由一多孔材料（聲如 5發泡材或塑膠）製成。多孔蓋可具有低熱傳導率且因此可 能有助於減低在一對流加速度計内通過該蓋的熱損失。此 -等多孔材料通常不是氣密的，因此簡單地利用一氣密結合 _材料將其結合在基板上通常無法產生一氣密密封的感測 器。但是，此等多孔材料得被選擇為使視需要被以升高壓 1〇 =導入腔穴内之特殊氣體的漏洩速率夠低。因此，可在一 氣密塗層（譬如氮化石夕、二氧化石夕、或銘）添加於多孔蓋 上以產生一經氣密覆蓋感測器之時保有大部分的氣體量。 此氣密塗層舉例來說得藉由一般常見的物理或化學氣相沈 積法施加。 15 圖3是一依據本發明一範例實施例之經一氣密塗層氣 鲁密地密封的一經覆蓋感測器的橫剖 9八、 ，經覆蓋的感測器包含一基板304及一多;上孔 盍302可具有絕熱特性。一氣密塗層3〇6被添加至多孔蓋 302上以產生一經氣密覆蓋的感測器。 圖4是一依據本發明一實施例之覆蓋一感測器的第一 程序的流程圖。在方塊術提供一具有被安置在—腔穴内 之至少-感測元件的基板。在方塊偏提供—氣密蓋 方塊視需要在該基板及/㈣蓋上形成—絕熱層 塊408視需要以一處於一升高壓力的氣體充填該腔穴。在 20 1327770 方塊視需要以一空氣以外的氣體充填該腔穴。在方塊 .412利用一氣密結合材料使該氣密蓋在該腔穴上方結合於 該基板。 …口； 。圖5是一依據本發明一實施例之覆蓋一感測器的第二 5程序的流程圖。在方塊502提供一具有被安置在一腔穴内 之至少一感測元件的基板。在方塊5〇4視需要在該基板上 •形成一絕熱層。在方塊506在一晶圓製程中就地於^腔穴 φ上方在該基板上形成一蓋。在方塊5〇8視需要以一處於一 升高壓力的氣體充填該腔穴。在方塊51〇視需要以一空氣 10以外的氣體充填該腔穴。在方塊512視需要在該蓋上施加 一氣密塗層。 圖6是一依據本發明一實施例之覆蓋一感測器的第三 程序的流程圖。在方塊602提供一具有被安置在一腔穴内 之至少一感測元件的基板。在方塊604提供一蓋。在方塊 15 606視需要在該基板及/或該蓋上形成一絕熱層。在方塊 #608視需要以一處於一升高壓力的氣體充填該腔穴。在方 塊610視需要以一空氣以外的氣體充填該腔穴。在方塊612 利用一結合材料使該蓋在該腔穴上方結合於該基板。在方 塊614視需要在該蓋及該結合材料上施加一氣密塗層。 20 雖然以上已就一對流加速度計說明本發明之範例實施 例’本發明並不侷限於對流加速度計。事實上，本發明之 眾多觀點得應用於其他類型的經微機械加工感測器，其中 非侷限性包含加速度計和陀螺儀、光學開關、及其他微機 電系統（MEMS )和微光電機械系統（MOEMS )。 15 1327770 ' 雖然以上說明揭示本發明之數個範例實施例，熟習此技 .藝者會理解到可不脫離本發明之真實範圍作出會達成本發 明之部分優點的多樣修改。 【圖式簡單說明】 5 圖1疋一依據本發明一範例實施例之一經氣密覆蓋的 感測器之一橫剖面的簡圖； • 圖2是一依據本發明一範例實施例之具備絕熱腔穴的 鲁级覆盍感測器之一橫剖面的簡圖； 圖3是一依據本發明一範例實施例利用一氣密塗層氣 10密地密封之一經覆蓋感測器之一橫剖面的簡圖； 圖4是一依據本發明一實施例之覆蓋—感測器的第一 程序的流程圖； 圖5是一依據本發明一實施例之覆蓋一感測器的第二 程序的流程圖；_且 15 圖6是一依據本發明一實施例之覆蓋一感測器的第三 •程序的流程圖。 一 •【主要元件符號說明】 102 蓋 104 基板 ~ 10 6加熱/溫度感測元件 108 氣密結合材料 110 氣密結合材料 112 腔穴 202 蓋 16 1327770 - 204 基板 . 206 絕熱層 208 絕熱層 302 多孔蓋 5 304 基板 ' 306 氣密塗層

Claims (1)

1327770 十、申請專利範圍： 1. 一種感測裝置包含

元；基Γ其具有至少一加熱元件及至少 溫度感測

/、饭文罝在該基板上位於該至少一加執 溫度感測元件上^，其*該基板㈣ 耽雄盈形成一包圍該至少一加熱元件及該至少一溫戶 感測元件的氣密密封腔六，該加熱元件適當的加心 腔穴内的-氣體，該溫度感測元件從在該腔室内之該 加熱之氣體之裝置來感測溫度的變動。 2. 3. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該氣密蓋是利用 一氣密結合材料結合於該基板。 如申請專利範圍第！項之裝置，其中該氣密蓋是以一 晶圓製程之一部分就地形成於該基板上。 4.

如申請專利範圍第1項之裝置，其中該腔穴被空氣以 外的氣體充填^ 如申請專利範圍第4項之裝置，其中該氣體在處於一 大約攝氏25度之溫度及大約！大氣壓之壓力下的密度 (單位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒） 比大約高於0.2。 6. 如申請專利範圍第1項之裝置，其中該腔穴被處於— 南於環境大氣壓力之壓力的氣體充填。 7, 如申請專利範圍第1項之襞置，其中該基板和該蓋之 至少一者包含一圍繞該腔穴的絕熱層以便減低來自該 1327770 腔六的熱損失。 8. 一種感測裝置包含： 一基板’其具有至少一感測元件； -蓋’其利用一結合材料在該至少一感測元件上方 結合於該基板’其中該基板和該蓋形成一包圍該至少 一感測元件的腔穴，且其中該蓋和該結合材料之至少 一者是多孔的；及 一軋密塗層，其被安置在該蓋和該結合材料上以便 氣密地密封該腔穴。 9. 10 如申請專利範圍第8項之裝置，其中該腔穴被空氣以 外的氣體充填。 如申請專利範圍第9項之裝置，纟中該氣體在處於-大！!攝氏25度之溫度及大約1大氣壓之壓力下的密度 (早位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒） 比大約高於0.2。 • 11.:申=專利範圍第8項之裝置’其中該腔穴被處於一 • 南於環境大氣壓力之壓力的氣體充填。 12. 如=專利範_ 8項之裝置，其中該基板和該蓋之 至少一者包含一圍繞該腔穴的絕熱層以便減低來自該 腔穴的熱損失。 13. =請專利範圍第8項之裝置，其中該蓋是多孔的， "中該夕孔蓋提供絕熱效果以減低來自該腔穴的埶 損失。 14. 如中請專利範圍第8項之裝置，其中該至少一感測元 19 1327770 件包含： 至少一加熱元件；及 至少一溫度感測元件。 15. —種感測裝置包含： 一基板’其具有至少一感測元件；及 一蓋，其在該至少一感測元件上方結合於該基板， 其中忒基板和該蓋形成一包圍該至少一感測元件的腔 • 穴，且其中該基板和該蓋之至少一者包含一圍繞該腔 穴的絕熱層以便減低來自該腔穴的熱損失。 16. =申請專利範圍第15項之裝置，其中該蓋是一氣密 蓋且其中该軋也、蓋是利用一氣密結合材料結合於該 基板以便氣密地密封該腔穴。 17. 如申請專利範圍第15項之裝置，其中該蓋是利用一結 合材料結合於該基板，該蓋和該結合材料之至少一者 是多孔的，且其中經覆蓋的感測器更包含一被安置在 丨 忒蓋和該結合材料上的氣密塗層以便氣密地密封該腔 穴。 18·如申請專利範圍第15項之裳置，其中該腔穴被空氣以 外的氣體充填。 19.如申請專利範圍第18項之裝置，其中該氣體在處於〆 大，攝氏25度之溫度及大約}大氣壓之壓力下的密度 (早位為公克/公升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒） 比大約高於0.2。 20.如申請專利範圍第15項之裝置，其中該腔穴被處於一 20 1327770 · 高於環境大氣壓力之壓力的氣體充填。 21.如申請專利範圍第15項之裝置，其中該至少一感測元 件包含： 至少一加熱元件；及 至少一溫度感測元件。 • 22. —種感測裝置包含： • 一基板，其具有至少一感測元件；及 I 一蓋’其在該至少一感測元件上方結合於該基板， 其中該基板和該蓋形成一包圍該至少一感測元件的氣 體充填腔穴，其中該氣體在處於一大約攝氏25度之溫 度及大約1大氣壓之壓力下的密度（單位為公克/公 升）對黏度（單位為微巴斯卡-秒）比大約高於0.2。 23·如申請專利範圍第22項之裝置，其中該氣體被以—高 於環境大氣壓力的壓力導入該腔穴内。 24.如申請專利範圍第22項之裝置，其中該至少一感測元 鲁 件包含： 至少一加熱元件；及 至少一溫度感測元件。 21