TWI402209B - 微電子機械系統 - Google Patents

Description

微電子機械系統 發明領域

【0001】微電子機械系統(MEMS)裝置係為一微機械以及微電子系統之結合。

發明背景

【0002】某些MEMS裝置能夠包括兩個晶片佈線連接在一起，該兩晶片之間可能難以達到所需的對齊。

發明概要

【0012】本說明書揭露一種用以形成一微電子機械系統(MEMS)轉換器之示範性系統與方法。根據文中揭露之一示範性實施例，該MEMS轉換器係由兩個晶片並且扣除保證質量(proof mass)與彎曲部分(flexure)之厚度所形成，從而容許各晶片具有獨立的設計。此外，本示範性系統與方法蝕刻界定彎曲部分與保證質量之晶圓兩側，容許用於頂部與底部晶圓之光學對齊。以下將提供本MEMS轉換器系統與方法之進一步的細節。

【0013】在揭露與描述本系統與方法的特定實施例之前，能夠理解到的是，本系統與方法並非係限定於文中所揭露之該特定程序與材料，因為其可能會有某種程度的變化。亦能夠理解到的是，文中所使用的術語係作為描述特定實施例之用，且並非作為限制，因為本系統與方法之範疇將藉由所附申請專利範圍與其相等項目加以界定。

【0014】至於在本說明書中以及所附申請專利範圍中所使用的專用語「保證質量」係廣義理解為包括任何使用於一測量裝置或機械中(諸如在一加速度測量設備中)之預定慣性質量，其作為欲進行量測之數量的參考質量。

【0015】在以下描述中，為求說明起見係提出許多特定細節，以便提供徹底理解用以形成一微電子機械系統(MEMS)轉換器之本系統與方法。然而，對於熟諳此技藝之人士而言，顯而易見的是，本方法能夠不必按照這些特定細節加以實行。本說明書中提及「一實施例」表示描述有關於該實施例之一特定特色、構造或特徵係包括在至少一實施例中。本說明書中多處出現之慣用語「在一實施例中」有可能參照不同的實施例。

圖式簡單說明

【0003】所附圖式顯示本系統與方法之不同的實施例，且係為說明書之一部分。所顯示之實施例僅作為本系統與方法之範例，且並非限制揭露內容之範疇。

【0004】第1圖顯示根據一示範性實施例之一雙層單晶片MEMS裝置的一俯視圖；【0005】第2圖顯示第1圖之該MEMS裝置沿著第l圖中之剖面2－2所取得的一橫剖面圖；【0006】第3圖係為一流程圖，該圖顯示根據一示範性實施例之形成一MEMS裝置的一方法；【0007】第4A圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一側視圖；【0008】第4B圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一側視圖；【0009】第4C圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一底部圖；【0010】第5圖係為根據一示範性實施例，由矽晶絕緣體晶圓形成之一MEMS裝置的一側視圖；【0011】所有圖式中，相同的參考數字代表類似但有可能並不完全相同的元件。

較佳實施例之詳細說明 示範性構造

【0016】第1圖與第2圖顯示根據一示範性實施例之一MEMS裝置100的各種視圖。尤其是，第1圖顯示該MEMS裝置100之一俯視圖，而第2圖則顯示該MEMS裝置100沿著第1圖之剖面2－2所取得的一橫剖面圖。如第2圖中所示，該MEMS裝置一般包括一上方晶圓110，其佈置於一下方晶圓120上方。一材料135將兩晶圓110、120結合在一起，以形成一單一晶片。如同以下之詳細說明，能夠提供所顯示的雙晶圓構造，以增加加工速度，並且提供一些設計及製造優勢。

【0017】第1圖詳細顯示根據一示範性實施例之該上方晶圓110的一俯視圖。如圖所示，該上方晶圓110包括一固定部分125以及一可動部分130。複數個耦合塊140係圍繞上方晶圓110之周圍，以致於使該等耦合塊140位於固定部分125與可動部分130之間。如第1圖中所示，氣體係形成於該等耦合塊140與可動部分130之間，並且同樣形成在該等耦合塊140與固定部分125之間。

【0018】複數個第一彎曲部分145將上方晶圓110之可動部分130耦合到該等耦合塊140。此外，任何其他數量的彎曲部分(諸如顯示之第二彎曲部分150)能夠將該等耦合塊140耦合到固定部分125。圖式之構造容許上方晶圓110之可動部分130平行於x軸與y軸移動。

【0019】現在參考第2圖，該圖係顯示沿著第1圖中之剖面2－2所取得的該MEMS裝置之一橫剖面圖。如圖所示，一材料135係顯示成明顯較該等晶圓為厚，用以顯示MEMS裝置100之所有特性。顯而易見的是，材料135之厚度以及上方晶圓110及下方晶圓120能夠具有第2圖中所示以外的部份。在一示範性實施例中，上方晶圓110與下方晶圓120之間的材料135根據一示範性實施例之厚度係大約等於該等晶圓之間的間隙。根據一示範性實施例，材料135之厚度能夠大約為0.1到10微米。此外，上方晶圓110及下方晶圓120之厚度能夠大約在300~725微米之間。MEMS轉換器之製造亦能夠在該MEMS裝置100之上方表面上產生一腔室160。根據一示範性實施例，此腔室160能夠在形成MEMS轉換器期間選擇性地加以界定。根據一示範性實施例，該腔室160能夠存在於一真空狀態中。

【0020】儘管上述MEMS裝置100係描述與顯示成包括兩個耦合的晶圓，根據本示範性系統與方法，能夠使用任何數量的晶圓形成一MEME裝置。根據一另擇實施例，一第三晶圓能夠結合到第1圖與第2圖中所示的MEMS裝置之背表面，以密封產生的構造，該第三晶圓能夠由任何數量的材料所製成，包括但非限定於玻璃、塑膠、矽氧烷與類似物。或者，能夠使用任何數量的未經處理之保護表面密封該MEMS裝置。所產生之MEMS裝置接著能夠加以密封於一封裝件中。

【0021】此外，使用與形成兩個或更多晶圓以形成本示範性MEMS裝置容許使用另擇的晶圓構造。具體而言，根據一示範性實施例，上方晶圓410能夠由如同第5圖中所示之一矽晶絕緣體(SOI)基板所形成。具體而言，由一SOI基板形成上方晶圓之能力對於彎曲部分與腔室的形成提供較大之控制性。如第5圖中所示，一SOI基板之絕緣體層500能夠用以作為蝕刻該基板方面的一導引件。因此，彎曲部分440之厚度以及彎曲部分邊緣能夠藉由絕緣體層500的位置立即建立。特別是，根據一示範性實施例，產生之彎曲部分440的高度係藉由位於SOI基板上之頂部矽氧烷的高度所界定，且保證質量430之高度係藉著頂部矽氧烷的高度以及經過加工的操作晶圓之高度加以界定。

【0022】另外，如第5圖中所示，蝕刻上方晶圓410之背側能夠在保證質量430上方產生一腔室510。控制背腔室之尺寸的能力容許一種增加保證質量430之質量以及整體MEMS封裝件的體積之設計，其能夠用以設計一MEMS封裝件中之壓力。特別是，根據一示範性實施例，腔室510之x－y面積能夠延伸成較保證質量430的x－y面積為大，如此導致對於一特定腔室深度的保證質量430下會得到一較高的體積，並因而有助於控制保證質量之降低。此外，根據一示範性實施例，控制背腔室之能力容許藉著將腔室連接到外部封裝體積而增加表面積與用於一吸氣劑(getter)之體積，其能夠透過一深溝槽而具有更多的表面積。以下將進一步詳細描述形成一MEMS轉換器裝置之一示範性方法。

示範性形成方式

【0023】第3圖係為一流程圖，該圖顯示一種根據一示範性實施例形成一MEMS轉換器裝置之方法。如第3圖中所示，該方法開始係形成一第一晶圓(步驟300)。根據一示範性實施例，該第一晶圓之形成能夠包括使第一晶圓的一第一側產生圖案，用以在其中形成特徵。晶圓之形成圖案能包括但絕非限定於光微影、壓印微影、雷射剝離、雷射退火、微接觸式印刷、噴墨印刷、開槽、微加工與類似方法。

【0024】根據一示範性實施例，藉由上述程序所形成之特徵能夠包括形成任何數量的組件，包括但絕非限定於彎曲部分且/或一個或更多的可動部分。各個可動部分之相對尺寸對應該可動部分的一保證質量。至於文中以及所附申請專利範圍中所使用方面，專用語「保證質量」應廣義解釋為包括一測量裝置或機構中(諸如在一加速度測量設備中)之任何預定的慣性質量，其作為欲進行量測之數量用的參考質量。各個可動部分之保證質量能夠藉著調整該保證質量的厚度與表面積而進行個別的改變。改變厚度能夠藉由使用任何適當的目前可用或是未來發展之方法研磨且/或蝕刻晶圓所達成，調整表面積亦能夠包括但非限定於圖案成形、蝕刻、開槽或微加工。

改變保證質量之厚度對於正確運作而言係相當重要。例如，希望形成單獨的可動部分，以便單獨地偵測相對於x-y平面及平行於z軸之移動。根據此一方法，各個可動部分能夠具有一預定質量。各個可動部分之質量可能不同，以致於在同一MEMS轉換器裝置內能夠依需求對於一特定晶粒面積獨立地選擇x-y以及z平面中移動之敏感度，從而選擇性地增強敏感度。

根據本示範性實施例，使用多重晶圓形成MEMS轉換器裝置容許對於該等晶圓之兩側進行蝕刻或是加以修改。例如，根據一示範性實施例，位於第一晶圓中之彎曲部分的形成包括藉由自晶圓之第一側去除材料、以及進一步從該晶圓的一第二側去除材料以釋放彎曲部分而界定出該彎曲部分。根據一實施例，從該第二側去除材料能夠在多個晶圓完成結合以後加以實行，如同以下進一步之詳細描述。

第一晶圓之形成進一步包括在各個可動部分上形成一個或更多的電性活化板。如此能夠使用任何數量的沈積且/或圖案成形程序加以實行，其包括但並非限定於一真空沈積程序、一旋轉塗佈程序、一簾幕式塗佈程序、一噴墨塗佈程序以及類似程序。例如，根據一示範性實施例，該第一晶圓之一第二側(其係位於上述第一側個相反處)上能夠形成有電路且/或組件。這些電性活化板能夠作為電極板或者是作為以下將更為詳細加以描述之其他電子組件。此外，可動部分之形成能夠包括與之形成電路系統，並耦合到電極板，且構造成耦合到所產生之MEMS轉換器裝置的其他組件。電性活化板能夠使用但非限定於任何上述之方法形成圖案。電路系統之形成能夠使用任何數量的目前可用或是未來發展之適當方法加以完成。

【0028】如以上所述，本示範性方法亦包括形成一第二晶圓(步驟310)。根據一示範性實施例，該第二晶圓之形成包括形成一包括但非限定於諸如電極且/或電路系統之電子組件的晶圓。根據一示範性實施例，形成於該第二晶圓上之電路系統係構造成透過導孔490及類似物電子耦合到位於該第一晶圓中的電路系統。此外，為了使第一與第二晶圓電子耦合，本示範性方法包括使該第一與第二晶圓對齊並進行耦合(步驟320)。典型而言，以一指定標的物對齊一個或更多晶圓一般係有關使用一複雜的機器，諸如一對準器。完成該對齊程序，以致於使第一與第二晶圓中之電極板彼此對齊。在進行對齊之前，能夠將一結合材料沈積於該第一晶圓之表面上。此結合材料可為(但並非限定於)一黏著劑或是電介質，其對於MEMS裝置提供一完全密封。至於文中以及所附申請專利範圍中所使用的術語「黏著劑」應廣義解釋為包括任何能夠用以接合複數個基板之物質，包括(但絕非限定於)膠水、焊料、化學結合、電漿結合、共熔結合與類似物。晶圓一旦經過對齊與耦合之後，位於各個晶圓上的電極板係彼此初始對齊。上方晶圓之可動部分的相對移動接著能夠加以監控，以偵測x－y平面中及平行於z軸之移動，如同現在將更為詳加說明者。

【0029】儘管目前形成之第一與第二基板能夠以一對準器進行機械方式對齊，本示範性形成方法亦提供用於第一與第二晶圓的光學方式對齊。具體而言，根據一示範性實施例，從第一晶圓之第一與第二側去除材料提供一通過該第一晶圓的光學可觀視路徑。因此，在形成期間能夠以光學方式檢查第一相對晶圓之實體對齊性。一旦如上述般對齊且實體上耦合之後，該MEMS轉換器便能夠作為測量之用。

【0030】第4A圖到第4B圖顯示根據本示範性系統與方法之一示範性MEMS轉換器裝置400的一橫剖面圖，其合併第1圖與第2圖中所示之該MEMS裝置100的許多特徵。具體而言，第4A圖到第4B圖進一步詳細顯示MEMS轉換器裝置400之電路系統。參考第4A圖，該MEMS轉換器裝置包括一上方晶圓410以及一下方晶圓420。如以上所述，MEMS轉換器裝置400係構造成使用電容器板或電極偵測移動，以偵測該上方晶圓410之一可動部分430的移動。彎曲部分440容許該可動部分430以x、y或z方向其中一者或更多方向移動，以反應一外力，依照系統之設計而定。為求簡化以及易於顯示，彎曲部分440係概略且一般加以顯示。上方晶圓410係位於下方晶圓420之上方，且係以一黏著材料450連接到該下方晶圓。根據示範性顯示實施例，晶圓410、420係加以結合與密封，以形成一單一晶片。

第4A圖到第4B圖中所示之本示範性MEMS轉換器裝置400包括一個位在上方晶圓410之可動部分430的一下方表面上之電極460。電極465、470係為位於下方晶圓420之一上方表面上的相反處之電極。隨著可動部分430係經過搖動，位於上方晶圓410上的電極以及位於下方晶圓420上的電極465與470之間的重疊會改變，導致電極460、465與470之間的電流容量產生改變。MEMS轉換器裝置400在x且/或y方向中的移動接著係藉著偵測電流容量方面的變化而加以偵測。偵測結果係藉由至少一個導孔提供到內嵌的電路系統。

根據一示範性實施例，能夠使用方程式1計算電極之間的電流容量變化，其中ε係為電介常數：C=(εA)/d 方程式(1)

在方程式1中，A係為電極在x與y方向中的重疊面積，且d係為該等電極在z方向中之距離。使用方程式1計算電極之間的電流容量變化係描述於指讓給哈威(Hartwell)等人，標題為「三軸移動偵測器」之美國專利第6,504,385號，其完整內容係以參考方式併入本文之中。

z方向中之移動亦能夠使用第4B圖中所示之另一組電極加以偵測。根據一示範性實施例，這些電極係耦合到該MEMS轉換器裝置之一第二可動部分。位於可動部分430上之電極475、以及位於下方晶圓420上之電極480(顯示於第4B圖中)係設置用以偵測z方向中的移動。根據一示範性實施例，位於可動部分430上之上方電極475能夠具有一短長度，而位於下方電極420上之電極480則能夠延伸可動部分430的長度，以致於使電極475、480之間的重疊不至改變。因此，電極475與480之間的電流容量方面之變化係大體為z方向中的移動結果。

【0034】尤其是，根據第4C圖中所示之一示範性實施例，上方電極475能夠包括複數個電極475A、475B。根據一示範性實施例，本示範性系統與方法之z軸加速度計估算上方電極475相對於下方電極480的兩側475A、475B之間的差異距離。

【0035】此外，再次回到第4B圖，可動部分430有關於偵測z方向中之移動的厚度能夠依照需要而形成，其大體上與可動部分430有關於偵測x－y平面中之移動的厚度無關。因此，本雙晶圓構造容許可動部分430在x、y或z方向具有一較習用的單晶圓電容MEMS轉換器為大的慣性質量分佈。此外，該裝置之x－y敏感性以及z敏感性能夠獨立選擇與控制。

【0036】第4A圖到第4B圖中所示之轉換器電子元件485能夠包括(但絕非限定於)一個或更多偵測對應電極460、465、470、475與480之間的電流容量變化之電路。根據第4B圖中所示之一示範性實施例，位於可動部分430上之電極460、475係使用導孔490連接到轉換器電子元件485。來自於電極460、475之訊號係通過該導孔490到達轉換器電子元件485。例如，根據一示範性實施例，電子訊號能夠透過導孔490從位於上方晶圓410上之一電路(未顯示)傳遞到位於下方晶圓420上之一電路(未顯示)，或反之亦然。此外，例如沿著彎曲部分440佈置之導體(未顯示)能夠用以將上方晶圓410上之可動部分430上的電路連接到導孔490。在上述各種實施例中，能夠在一另擇實施例中依照MEMS裝置之設計而使用一個或更多的電路與電極。此外，如文中所述之一電路能夠包括(但絕非限定於)被動組件(例如電容、電阻、誘導器、電極等)與主動組件(例如電晶體等)或是其組合。電極460、465、470與475文中係顯示成設置於上方晶圓410與下方晶圓420的表面上。然而，包括主動且/或被動組件之一電路能夠設置於任何這些表面上。另外，一電路能夠包括位於一個以上之晶圓上的組件。

【0037】根據一示範性實施例，轉換器電子元件485係亦連接到位於下方晶圓420上的電極465、470。因此，轉換器電子元件485係能夠操作，用以偵測電極之間的電流容量變化。該等轉換器電子元件能夠包含一個或更多電路，用以計算電極之間的重疊面積A且/或距離d，如上述方程式1中所使用者。或者，轉換器電子元件485能夠將電流容量方面的變化輸出到一用以計算重疊面積A且/或距離d之外部電路。根據上述一示範性實施例，本示範性系統與方法之Z軸加速度計估算電極的兩側475A、475B之間的差異距離。使用上述之方程式1，距離d能夠由電極475、480之間的電流容量方面之變化加以計算。此外，如果d之數值以經決定，則重疊面積A亦能夠由第4A圖中所示的電極460、465、470之間所偵測到的電流容量變化加以計算。儘管本示範性實施例旨在一MEMS轉換器裝置，亦能夠使用其他的雙晶圓裝置，如現在將更加詳細的說明。

【0038】根據一示範性實施例，能夠使用更多的電極，或是該等電極之尺寸與形狀能夠改變，用以偵測x、y與z方向其中一者或更多的電流容量變化。根據一示範性實施例，能夠使用五個電極以及五個輔助電極偵測x、y與z方向中的移動。另外，如果欲偵測一個或兩方向中之移動，則能夠使用較少數量的電極。此外，本示範性形成方法能夠用以形成類似之MEMS裝置，包括(但絕非限定於)迴轉儀、內部感測器、速率感測器與類似物。

【0039】文中已經描述與顯示本示範性系統與方法之實施例以及某些變化形式。文中所使用之專用語、描述與圖式係提出作為說明之用，且並非作為限制。熟諳此技藝之人士將會體認到的是，在本系統與方法之精神與範疇中能夠進行許多變化，其係預計藉由以下申請專利範圍以及其相等物加以界定，其中除非特別指出，所有項目係表示其最廣義的合理含義。

【0040】已經展示過先前之說明，用以顯示與描述示範性實施例。其並非預計作為徹底詳盡說明，或是將揭露內容限制於任何的確實揭露內容。基於上述學說能夠進行許多修改與變化。揭露內容之範疇預計係藉由以下申請專利範圍加以界定。

100．．．MEMS裝置

110．．．上方晶圓

120．．．下方晶圓

125．．．固定部分

130．．．可動部分

135．．．材料

140．．．耦合塊

145．．．第一彎曲部分

150．．．第二彎曲部分

160．．．腔室

400．．．MEMS轉換器裝置

410．．．上方晶圓

420．．．下方晶圓

430．．．保證質量

440．．．彎曲部分

450．．．黏著材料

460．．．電極

465．．．電極

470．．．電極

475．．．電極

475A．．．電極

475B．．．電極

480．．．電極

485．．．轉換器電子元件

490．．．導孔

500．．．絕緣體層

510．．．腔室

第1圖顯示根據一示範性實施例之一雙層單晶片MEMS裝置的一俯視圖；第2圖顯示第1圖之該MEMS裝置沿著第1圖中之剖面2－2所取得的一橫剖面圖；第3圖係為一流程圖，該圖顯示根據一示範性實施例之形成一MEMS裝置的一方法；第4A圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一側視圖；第4B圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一側視圖；第4C圖係為根據一示範性實施例之一MEMS裝置的一底部圖；第5圖係為根據一示範性實施例，由矽晶絕緣體晶圓形成之一MEMS裝置的一側視圖；

100．．．MEMS裝置

125．．．固定部分

130．．．可動部分

140．．．耦合塊

145．．．第一彎曲部分

150．．．第二彎曲部分

Claims (10)

1. 一種形成一微電子機械系統(MEMS)之方法，該方法包含：形成一第一晶圓，包括從該第一晶圓去除材料，以界定至少一彎曲部分構件以及至少一保證質量，其中控制該去除材料使得該至少一彎曲部分構件之一厚度係被界定與該至少一保證質量之一厚度無關；在該第一晶圓上形成至少一個耦合塊，其中該耦合塊係將該彎曲部分之至少一段耦合到該第一晶圓的一固定部分；形成一第二晶圓，其包括一電路；及將該第一晶圓結合到該第二晶圓，以致於在該第一晶圓與該第二晶圓之間界定出一間隙；其中控制從該第一晶圓去除材料係藉由從該第一晶圓之一第一側及一第二側之各側去除材料以界定該至少一彎曲部分構件。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中形成該第一晶圓包含：在該第一晶圓之第一側上圖案化一電路組件。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中從該第一晶圓之該第一側以及自該第一晶圓之該第二側去除材料包含蝕刻、開槽或是微加工該晶圓。
4. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含以一未經處理之保護表面或晶圓密封該MEMS。
5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該第一晶圓結合到該第二晶圓包含在該第一晶圓與第二晶圓之間施加一黏著劑。
6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中將該第一晶圓結合到該第二晶圓包含透過一形成於該第一晶圓中的窗口以光學方式將該第一晶圓對齊到該第二晶圓。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中從該第一晶圓去除材料，以界定至少一個彎曲部分構件包含去除一已知數量的材料，以界定出該彎曲部分之一高度以及一寬度，以便使該彎曲部分產生一所需的彈性係數。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該第一晶圓包含一矽晶絕緣體(SOI)基板。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其進一步包含：以該第一晶圓界定一腔室，其中該腔室係藉由從該第一晶圓之一原始厚度扣除該保證質量的一高度加以界定；及界定該腔室，以致於使該腔室之x-y面積係較該保證質量的x-y面積為大。
10. 一種微電子機械系統(MEMS)，其包含：一第一晶圓；及一第二晶圓，其結合到該第一晶圓；其中材料已由該第一晶圓之至少一頂表面以及一底表面去除，以界定出具有各自不同厚度之至少一個彎曲部分構件以及至少一個保證質量； 該第一晶圓上之至少一個耦合塊，其中該耦合塊係將該彎曲部分之至少一段耦合到該第一晶圓的一固定部分。