TWI415786B - 微機電系統元件以及用於其中之防止變形結構及其製作方法 - Google Patents

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Description

微機電系統元件以及用於其中之防止變形結構及其製作方法
本發明係有關一種具有防止變形結構之微機電系統(MEMS)元件，以及用於其中之防止變形結構及其製作方法。
第1圖顯示美國第4,901,570號專利案所揭露的一種MEMS元件。如第1圖所示，MEMS元件10包含：質量塊11；支撐板12；懸臂樑(cantilever)13；形成於質量塊11與支撐板12表面之氮化矽層14；以及橋接段15。一般情況下，MEMS元件10藉由感測質量塊11的位移而產生訊號，但為避免在意外狀況下損害元件(例如不慎摔落)，此先前技術以兩種方式來限制質量塊11的移動範圍：第一，以橋接段15限制質量塊11的轉動，且橋接段15亦可以略微限制質量塊11的出平面(out-of-plane)移動；第二，懸臂樑13利用氮化矽層14附著於支撐板12，其剖面輪廓高出質量塊11一間隙16，以限制質量塊11的出平面移動高度。
此先前技術中，質量塊11與支撐板12的材質為矽，懸粱臂13的材質為多晶矽，換言之此MEMS元件10須製作於金屬製程之前，才能以矽基板作為MEMS元件之質量塊11與支撐板12，而無法應用於以金屬材質作為質量塊，且支撐的矽基板位於質量塊下方的MEMS元件結構。並且，該先前技術必須使支撐板12環繞質量塊11，以使懸臂樑13可附著於支撐板12的上方環繞質量塊11的四周，才可充分限制質量塊11之位移，因此其元件將佔用較大面積而不利於微縮。
第2圖顯示美國第7,237,316號專利案所揭露的一種 MEMS元件的剖視圖。其製造方法係於製作出絕緣層上矽晶(silicon on insulator,SOI)之後，以蝕刻的方式於玻璃板25的表面上定義出質量塊21、支撐板22、阻止層23等。如第2圖所示，MEMS元件20中，質量塊21與支撐板22皆係利用半導體基板所蝕刻而成；而阻止層23與質量塊21間之間隙26，係利用絕緣層24的高度定義，且蝕刻絕緣層24的一部分後所形成。
同樣地，此MEMS元件20須製作於金屬製程之前，而無法應用於以金屬材質作為質量塊，且支撐的半導體基板位於質量塊下方的MEMS元件結構。並且，該先前技術同樣必須使支撐板22環繞質量塊21(第2圖僅示出其中一邊)，以使阻止層23可附著於支撐板22的上方環繞質量塊11的四周，才可充分限制質量塊11之位移，因此其元件的尺寸也同樣不易微縮。
有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有防止變形結構之微機電系統元件，以及用於其中之防止變形結構及其製作方法。
本發明目的之一在提供一種具有防止變形結構之微機電系統(MEMS)元件。
本發明另一目的在提供一種用於微機電系統元件中之防止變形結構。
本發明再一目的在提供一種微機電系統元件之製作方法。
為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種微機電系統元件，設置於一基板上，包含：一動件；以及一防止變形結構，其具有：附著於該基板之一固定栓；複數金屬層，其包含一最上層金屬層；以及連接該複數金屬層之複數金屬栓；其中，該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
上述微機電系統元件中，該防止變形結構由上視圖視之，宜位於該微機電系統元件整體結構的內部。
上述微機電系統元件可包含至少一彈簧；一與彈簧連接之質量塊；以及與質量塊之至少一感測電極區，其中該感測電極區可包含同平面感測電極區與出平面感測電極區，且該動件可包括該彈簧、該質量塊、與該感測電極區之一或任兩者以上。
就另一個觀點言，本發明提供了一種用於微機電系統元件中之防止變形結構，設置於一基板上，該微機電系統元件包含一動件，該防止變形結構包含：附著於該基板之一固定栓；複數金屬層，其包含一最上層金屬層；以及連接該複數金屬層之複數金屬栓，其中，該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
在上述防止變形結構的較佳實施形態中，該最上層金屬層與該複數金屬栓中最上層金屬栓，從剖視圖示之，大致呈為L字形或T字形。
再就另一個觀點言，本發明提供了一種微機電系統元件之製作方法，包含：提供一基板；形成附著於該基板之一固定栓；形成複數金屬層與連接該複數金屬層之複數金屬栓，並定義該複數金屬層與該複數金屬栓之圖案，以區分出一動件與一固定結構；以及在該固定結構上形成金屬栓與最上層金屬層，並使該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。
本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間之功能作用關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。
第3圖顯示本發明的第一個實施例之剖視圖。微機電系統(MEMS)元件30設置於基板32上。MEMS元件30包含防止變形結構33，其具有附著於基板32之固定栓33a、複數金屬層33b、金屬栓33c、最上層金屬栓33d、與最上層金屬層33e。如圖所示，MEMS元件30另包含動件31，動件31例如由至少一金屬栓31a與複數金屬層31b所構成，但當然亦可僅具單一金屬層。動件31可為MEMS元件30中可以移動的任何部份，例如但不限於可以為彈簧(spring)、質量塊(proof mass)、或感測電極區(sense electrode)。請繼續參閱第3圖，最上層金屬33e的底表面，高於動件31頂表面一限制高度h ，並且，最上層金屬33e與動件31，由上視圖視之，請參閱第4圖，具有一部分重疊，以限制動件31之出平面(out-of-plane)移動高度低於該限制高度h 。
第4圖顯示MEMS元件30之上視圖。MEMS元件30包含彈簧311；與彈簧311連接之質量塊312；感測電極區；以及防止變形結構33；其中，感測電極區包含同平面(in-plane)感測電極區313與出平面感測電極區314。如圖所示，防止變形結構33可以用於限制彈簧311、質量塊312、或感測電極區313、314之出平面移動不超過高度h ，以防止因無限制的出平面移動造成這些動件變形或斷裂。圖中所示防止變形結構33的安排位置僅是舉例，意在表示防止變形結構33可視需要設置於任何合適的位置，其大小、形狀、佈局可為規則或不規則的圖案而並無特定之限制，僅需要(參閱第3圖)最上層金屬33e與動件31有一部分重疊即可。重點是：防止變形結構33可設置在MEMS元件30的內部而不必圍繞MEMS元件30的四周，因此MEMS元件30的尺寸可不必因設置防止變形結構33而大幅增加。
請參閱第5A-5H之剖面圖，顯示本發明的防止變形結構33之製作方法實施例。首先，如第5A圖所示，提供基板32。接下來，如第5B圖所示，形成犧牲層34於基板32上，犧牲層34的材料例如為氧化物。再接下來形成固定栓33a與第一層金屬層31b與33b，其方法例如但不限於如第5C-5F圖所示，先利用微影蝕刻、沉積、化學機械研磨等技術，形成固定栓33a附著於基板32上(第5C與5D圖)，接著再沉積金屬材料於犧牲層34表面上，並利用微影蝕刻技術，形成第一層金屬層31b與33b(第5E與5F圖)。或是，如第5G與5H圖所示，亦可用雙重鑲嵌法(dual damascene)來形成固定栓33a與第一層金屬層31b與33b。
以類似方式反覆沉積犧牲層34、形成金屬栓31a與33c、形成金屬層31b與33b，可形成複數層的金屬栓31a與33c及金屬層31b與33b，再形成最上層金屬栓33d、與最上層金屬 層33e後，其剖視圖如第5I圖所示。接下來，例如但不限於利用選擇性的濕蝕刻技術，或利用氟化氫蒸氣蝕刻技術，將犧牲層34去除，即可形成防止變形結構33，如第5J圖所示。需說明的是：動件31與防止變形結構33可如本實施例所示同步形成，當然亦可以分別形成。必須注意的是，如第5J圖所示，最上層金屬33e高於動件31限制高度h ；且動件31與防止變形結構33，由上視圖視之，具有一部分重疊，以限制動件31之出平面移動高度低於限制高度h 。
第6A與6B圖顯示本發明的另兩個實施例。如第6A與6B圖所示，本發明的防止變形結構33由剖視圖視之並不限於第一個實施例所示之T字形，亦可以如第6A與6B圖所示之L字形。其中，動件31與防止變形結構33部分重疊，從剖視圖視之，重疊部分之寬度，如第6A與6B圖中，箭號所示之寬度w ，宜(但不限制於)至少等於1微米；此寬度數值亦可應用於第一個實施例所示之T字形結構中。但須明白的是，寬度數值與MEMS元件本身的尺寸和佈局圖案有關，因此上述1微米應視為其中一種舉例，而非限制本發明的範圍。
以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，本發明之金屬層不限於實施例所示，可為其他複數層；再如，每層固定栓或金屬栓數量不限於單一，亦可以為複數固定栓或金屬栓；又如，由上視圖視之，防止變形結構不限於如圖所示之矩形或圓形，亦可以為其他任意形狀；又如，各結構部份的形狀不限於實施例所示而可以改變，例如質量塊312不限於為方形等等。因 此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。
10,20,30‧‧‧微機電系統元件
11,21,312‧‧‧質量塊
12‧‧‧支撐板
13‧‧‧懸臂樑
14‧‧‧氮化矽層
15‧‧‧橋接段
22‧‧‧支撐板
23‧‧‧阻止層
24‧‧‧絕緣層
25‧‧‧玻璃板
26‧‧‧間隙
31‧‧‧動件
31a‧‧‧金屬栓
31b‧‧‧金屬層
311‧‧‧彈簧
312‧‧‧質量塊
313‧‧‧同平面感測電極區
314‧‧‧出平面感測電極區
32‧‧‧基板
33‧‧‧防止變形結構
33a‧‧‧固定栓
33b‧‧‧金屬層
33c‧‧‧金屬栓
33d‧‧‧最上層金屬栓
33e‧‧‧最上層金屬層
h ‧‧‧限制高度
w ‧‧‧寬度
16‧‧‧間隙
34‧‧‧犧牲層
第1圖顯示美國第4,901,570號專利案所揭露的一種MEMS元件。
第2圖顯示美國第7,237,316號專利案所揭露的一種MEMS 元件製造方法之MEMS元件剖視圖。
第3圖顯示本發明的第一個實施例之剖視圖。
第4圖顯示MEMS元件30之上視圖。
第5A-5J顯示本發明的防止變形結構33之製作方法實施例。
第6A與6B圖顯示本發明的另兩個實施例。
30．．．微機電系統元件
31．．．動件
31a．．．金屬栓
31b．．．金屬層
32．．．基板
33．．．防止變形結構
33a．．．固定栓
33b．．．金屬層
33c．．．金屬栓
33d．．．最上層金屬栓
33e．．．最上層金屬層
h ．．．限制高度

Claims (11)

  1. 一種微機電系統元件，設置於一基板上，包含：一動件；以及一防止變形結構，其具有：附著於該基板之一固定栓；複數金屬層，其包含一最上層金屬層；以及連接該複數金屬層之複數金屬栓；其中，該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件，其中該防止變形結構由上視圖視之位於該微機電系統元件整體結構的內部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件，其中該微機電系統元件包含至少一彈簧；一與彈簧連接之質量塊；以及與質量塊之至少一感測電極區；其中該動件包括該彈簧、該質量塊、與該感測電極區之一或任兩者以上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之微機電系統元件，其中該感測電極區包含以下之一或兩者：同平面感測電極區與出平面感測電極區。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件，其中該最上層金屬層與該動件之重疊部分，寬度至少等於1微米。
  6. 一種用於微機電系統元件中之防止變形結構，設置於一基板上，該微機電系統元件包含一動件，該防止變形結構包含：附著於該基板之一固定栓；複數金屬層，其包含一最上層金屬層；以及 連接該複數金屬層之複數金屬栓，其中，該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之防止變形結構，其中該最上層金屬層與該複數金屬栓中最上層金屬栓，從剖視圖示之，大致呈為L字形或T字形。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之防止變形結構，其中由上視圖視之，該防止變形結構位於該微機電系統元件的內部。
  9. 一種微機電系統元件之製作方法，包含：提供一基板；形成附著於該基板之一固定栓；形成複數金屬層與連接該複數金屬層之複數金屬栓，並定義該複數金屬層與該複數金屬栓之圖案，以區分出一動件與一固定結構；以及在該固定結構上形成金屬栓與最上層金屬層，並使該最上層金屬層由上視圖視之，與該動件具有一部分重疊，且由剖面圖視之，該最上層金屬層的底表面高於該動件頂表面一限制高度。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該固定結構位於微機電系統元件整體結構的內部。
  11. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統元件之製作方法更包含：形成犧牲層圍繞該複數金屬層與該複數金屬栓、以及在該固定結構上之金屬栓與最上層金屬層；以及蝕刻去除該犧牲層。
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