TWI444605B - 微機電系統壓力感測元件及其製作方法 - Google Patents

Description

微機電系統壓力感測元件及其製作方法

本發明係有關一種微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)壓力感測元件及其製作方法，特別是指一種可感測較低壓力差之MEMS壓力感測元件及其製作方法。

第1A-1E圖顯示美國第6,093,579號專利案所揭露的一種MEMS壓力感測元件之製作流程剖視圖。如第1A圖所示，利用第一次微影(lithography)製程，於基板100表面上，以遮罩102定義並遮罩除了範圍104之外的整個壓力感測元件，並以特殊圖案遮罩106定義並遮罩範圍104內的一部份。形成遮罩圖案之後，第1B圖顯示第一次蝕刻製程步驟之後的剖視示意圖。如第1B圖所示，壓力感測元件中的隔膜，在第一次蝕刻製程後，形成中央特殊圖案的島塊(boss)108，與深溝110，其中島塊108具有厚度d 。接下來，第1C圖顯示，利用第二次微影製程，移除島塊108上方的遮罩，並進行第二次的蝕刻製程，以得到MEMS壓力感測元件需要的隔膜厚度，並大致上維持島塊108的厚度d 不變。於第二次蝕刻製程的最後，將梯形島塊108的邊緣圓角化，使得島塊108由剖面圖視之，大致上保持梯形，但其邊緣圓滑，如第1D圖所示。最後再將範圍104之外的遮罩102移除，可得到具有厚度較薄的島塊108之隔膜，如第1E圖所示。

利用此先前技術，雖然可製作具有厚度較薄之島塊108的隔膜，使得MEMS壓力感測元件可保持一定程度的靈敏度，並具有足夠的線性操作區域。但在深溝110形成之後， 元件形貌高低起伏變化相對較大，這對第二次的微影製程而言非常不利，其對準成功率因而降低，並且需要特殊的微影製程與材料才能達到所需要的精確度。因此，此先前技術所需要的製作成本相當高。

此外，第二次的蝕刻製程為一種異向性的蝕刻，由於異向性蝕刻的特性，因此由上視圖視之(未示出)，島塊108的形狀大致上為方形，如此一來，此種先前技術限制了島塊108的設計，進而限制了MEMS壓力感測元件的應用範圍。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種製作成本較低且應用範圍較廣，可感測較低壓力差之MEMS壓力感測元件及其製作方法。

本發明目的之一在提供一種微機電系統(MEMS)壓力感測元件。

本發明另一目的在提供一種MEMS壓力感測元件之製作方法。

為達上述之目的，就其中一個觀點言，本發明提供了一種MEMS壓力感測元件，包含：至少一空腔形成於一基板之一上表面，該空腔定義出一島塊；一隔膜(diaphragm)與該基板之上表面以鍵合方式部分連接，並與該島塊至少部分鍵合；至少一感測單元，與該隔膜耦接，以感測該隔膜之變形狀況；以及一第一開口形成於該基板之一下表面，該第一開口與該空腔連通。

就另一個觀點言，本發明提供了一種MEMS壓力感測元件之製作方法，包含：形成至少一空腔於一基板之一上表面， 並以該空腔定義出一島塊；將一隔膜(diaphragm)鍵合(bonding)於該基板之部分上表面，並與該島塊至少部分鍵合；形成至少一感測單元，與該隔膜耦接，以感測該隔膜之變形狀況；以及利用一蝕刻製程或研磨製程形成一第一開口於該基板之一下表面，該第一開口與該空腔連通。

在一種較佳的實施形態中，該第一開口由一深反應離子蝕刻(deep reactive ion etch,DRIE)製程形成。

在另一種較佳的實施形態中，該感測單元感測該隔膜之變形狀況，產生一電阻變化訊號、一電容變化訊號、或一電壓變化訊號。

在一種更佳的實施形態中，所述之MEMS壓力感測元件，更包含一鍵合玻璃，與該基板之下表面鍵合，且該鍵合玻璃宜具有一第二開口，與該第一開口連通，以使該空腔接觸待測壓力。

在又一種較佳的實施形態中，該鍵合方式包括下列製程中的其中一種：直接鍵合(direct bonding)、陽極鍵合(anodic bonding)、共晶鍵合(eutectic bonding)、黏著鍵合(adhesive bonding)或玻璃介質鍵合(glass frit bonding)製程。

上述MEMS壓力感測元件和其製作方法中，該島塊之厚度可由該蝕刻製程或該研磨製程調整。

前述MEMS壓力感測元件之製作方法，宜更包含形成一停止層於該空腔與該基板之間，以作為該蝕刻製程或研磨製程之製程停止層。

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，主要意在表示製程步驟以及各層之間之上下次序關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

第2A-2F圖顯示本發明的第一個實施例，本實施例顯示利用本發明之其中一種MEMS壓力感測元件之製作流程圖，其中第2A-2B,2D-2F圖為剖視圖，第2C圖為頂視圖。請參閱第2A圖，首先提供基板10，例如但不限於矽基板。接下來利用微影製程與蝕刻製程，形成空腔11，且空腔11之間定義出島塊(boss)12，亦即空腔11定義出的外圍，如第2B圖所示。第2C圖以頂視圖舉例顯示空腔11的兩個實施例，空腔11可為單數或複數，可相連成一整體或不相連，可成規則形狀或不成規則形狀，如為複數時其大小可相同或不相同、成規則排列或不成規則排列，重點是由空腔11之佈局而定義出島塊12的外圍，使得未來形成開口15(參閱第2F圖)後，島塊12與基板10至少部分分離。島塊12的目的是增加壓力感測的靈敏度，至於其形狀和位置則沒有限制。接著請參閱第2D圖，將隔膜20，其例如但不限於為表面具有氧化層24的矽基板，與基板10上表面鍵合。其中，基板10上表面例如可形成氧化層14，而鍵合方式例如但不限於為：直接鍵合(direct bonding)、陽極鍵合(anodic bonding)、共晶鍵合(eutectic bonding)、黏著鍵合(adhesive bonding)或玻璃介質鍵合(glass frit bonding)等製程。上述第2A-2D圖所示之製程，例如可以利用但不限於空腔絕緣層覆矽(cavity silicon on insulator,cavity SOI)製作技術來完成。由於島塊12和隔膜20鍵合，因此島塊12和空腔11的佈局並沒有限制，例如參閱第2C圖左方的實施 例，島塊12與其他部分不相連，也不會影響連結性。第2E圖顯示將電性元件，例如感測單元13與相關的電連線，形成於隔膜20中，當然亦可以形成於隔膜20外，主要是與隔膜20耦接，以感測隔膜20之變形狀況(deflection)。其中，感測單元13與相關電連線的形成方法，例如可以利用半導體技術中的微影、蝕刻、沉積、擴散、離子植入等技術來完成。

接著，請參閱第2F圖，開口15形成於基板10之下表面上方，例如但不限於利用深反應離子蝕刻(deep reactive ion etch,DRIE)製程形成，或化學機械研磨(chemical mechanical polishing,CMP)製程形成。與先前技術不同，本實施例由平坦的基板10下表面來形成開口15，因此微影技術不會如先前述有對準失敗的問題，且也不需要特殊的製程或材料，可大幅降低製作成本，這也是本發明優於先前技術的其中一個特點。開口15與空腔11連通，以使空腔11接觸待測壓力；此外，由於開口15與空腔11連通，因此島塊12與基板10至少部分分離，使得當隔膜變形20時，島塊12可相對於基板10而移動，且藉由島塊12來增加感測的靈敏度。此外，島塊12的厚度h 可以由蝕刻或研磨製程來調整。需說明的是，請參閱第2E圖與第2F圖，於形成開口15的製程中，空腔11底部與基板10接觸面例如可以但不限於利用氧化層14，以作為形成開口15之蝕刻製程或研磨製程的製程停止層。

請參閱第3A-3D圖，以壓阻式(piezoresistive)感應原理產生電阻變化訊號，來說明感測單元13的應用方式。如第3A圖所示，當無壓力差施加於隔膜20時，隔膜20的剖視示意圖例如為第3A圖所示的水平隔膜20；當隔膜20接觸到壓力差時，如第3R圖所示，會因所接觸之壓力差的大小(由圖中 網點箭頭所示意)，而有不同程度的變形。而島塊12可使隔膜20中未設置島塊的區域對於壓力更加敏感，增加了壓力感測的靈敏度。感測單元13的設計，可以如第3C圖所示，安排在適當的位置以完成如第3C圖所示之橋式電阻R1、R2、R3、與R4的安排。當隔膜20因為所接觸之壓力差而產生變形時，複數電極13間的電阻值也隨之產生變化，如第3D圖所示之電阻R1+△R1、R2-△R2、R3-△R3、與R4+△R4。藉由輸入電壓Vin與所得到的輸出電壓Vout間的變化，可以換算出壓力差的大小。當然，本發明概念中之MEMS壓力感測元件，並不限於壓阻式感應的應用方式，亦可以應用於電容式(capacitive)感應原理產生電容變化訊號或壓電式(piezoelectric)感應原理產生電壓變化訊號等，亦即感測單元13可用於感測該隔膜之變形狀況，產生一電阻變化訊號、一電容變化訊號、或一電壓變化訊號等。

第4圖顯示本發明第二個實施例。與第一個實施例不同的是，本實施例開口15例如由CMP製程所完成，而於基板10下表面具有全面平坦化的特徵。

第5圖顯示本發明第三個實施例。與第一個實施例不同的是，本實施例之MEMS壓力感測元件，更包含鍵合玻璃30，與基板10之下表面鍵合，且鍵合玻璃30具有開口31，與開口15連通，以使空腔11接觸待測壓力，構成相對壓力感測器。第6圖顯示鍵合玻璃30亦可不具有開口，以構成絕對壓力感測器。

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，本發明之開口15不限於實施例所示，為蝕刻或研磨其中一種製程所完成，亦可為兩種或兩種以上製程共同完成；再如，基板10或隔膜20不限於矽基板，亦可以為其他半導體基板或金屬基板或絕緣基板等；又如，停止層不限於實施例所示之氧化層15，亦可以為氮化層或其他可使蝕刻或研磨製程停止的材料所形成之製程停止層；又如，各結構部份的形狀不限於實施例所示而可以改變，例如島塊12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。

10,100‧‧‧基板

11‧‧‧空腔

15,31‧‧‧開口

12‧‧‧島塊

13‧‧‧電極

14‧‧‧氧化層

20‧‧‧隔膜

30‧‧‧鍵合玻璃

102,106‧‧‧遮罩

104‧‧‧範圍

108‧‧‧島塊(boss)

110‧‧‧深溝

d,h ‧‧‧厚度

第1A-1E圖顯示美國第6,093,579號專利案所揭露的一種MEMS壓力感測元件之製作流程剖視圖。

第2A-2F圖顯示本發明的第一個實施例。

第3A-3D圖，以壓阻式感應原理產生電阻變化訊號，來說明感測單元13的應用方式。

第4圖顯示本發明第二個實施例。

第5圖顯示本發明第三個實施例。

第6圖顯示鍵合玻璃30亦可不具有開口，以構成絕對壓力感測器。

10‧‧‧基板

11,15‧‧‧開口

12‧‧‧島塊

13‧‧‧電極

20‧‧‧隔膜

h ‧‧‧厚度

Claims (14)

1. 一種微機電系統(Micro-Electro-Mechanical System,MEMS)壓力感測元件，包含：至少一空腔形成於一基板之一上表面，由頂視圖視之，該空腔定義出一島塊之外圍，並使該島塊與該基板至少部分分離；一隔膜(diaphragm)與該基板之上表面以鍵合方式部分連接，並與該島塊至少部分鍵合，其中該隔膜和該基板連接之位置不同於該隔膜和該島塊鍵合之位置；至少一感測單元，與該隔膜耦接，以感測該隔膜之變形狀況；以及一第一開口形成於該基板之一下表面，該第一開口與該空腔連通，藉此，於該隔膜變形時，該島塊可相對於該基板而移動，該島塊用以增加感測的靈敏度。
2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS壓力感測元件，其中該隔膜與該島塊間具有一與該島塊不同材料之材料層，且此材料層對於蝕刻該島塊之蝕刻劑具有抵抗性。
3. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS壓力感測元件，其中該感測單元感測該隔膜之變形狀況，產生一電阻變化訊號、一電容變化訊號、或一電壓變化訊號。
4. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS壓力感測元件，更包含一鍵合玻璃，與該基板之下表面鍵合。
5. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS壓力感測元件，其中該鍵合玻璃具有一第二開口，與該第一開口連通，以使該空腔接觸一待測壓力。
6. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS壓力感測元件，其中該鍵合方式包括下列製程中的其中一種：直接鍵合(direct bonding)、陽極鍵合(anodic bonding)、共晶鍵合(eutectic bonding)、黏著鍵合(adhesive bonding)或玻璃介質鍵合(glass frit bonding)製程。
7. 一種MEMS壓力感測元件製作方法，包含：形成至少一空腔於一基板之一上表面，並以該空腔定義出一島塊，其中由頂視圖視之，該空腔定義出該島塊之外圍；將一隔膜(diaphragm)鍵合(bonding)於該基板之部分上表面，並與該島塊至少部分鍵合，其中該隔膜和該基板連接之位置不同於該隔膜和該島塊鍵合之位置；形成至少一感測單元，與該隔膜耦接，以感測該隔膜之變形狀況；以及利用一蝕刻製程或研磨製程形成一第一開口於該基板之一下表面，該第一開口與該空腔連通，藉此使該島塊與該基板至少部分分離，且於該隔膜變形時，該島塊可相對於該基板而移動，該島塊用以增加感測的靈敏度。
8. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，其中該蝕刻製程包括一深反應離子蝕刻(deep reactive ion etch,DRIE)製程。
9. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，其中該感測單元感測該隔膜之變形狀況，產生一電阻變化訊號、一電容變化訊號、或一電壓變化訊號。
10. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，更包含鍵合一鍵合玻璃於該基板之下表面。
11. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS壓力感測元件製作方 法，更包含：於該鍵合玻璃形成一與該第一開口連通之第二開口，以使該空腔接觸一待測壓力。
12. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，其中該鍵合方式包括下列製程中的其中一種：直接鍵合(direct bonding)、陽極鍵合(anodic bonding)、共晶鍵合(eutectic bonding)、黏著鍵合(adhesive bonding)或玻璃介質鍵合(glass frit bonding)製程。
13. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，其中該蝕刻製程或該研磨製程調整該島塊之厚度。
14. 如申請專利範圍第7項所述之MEMS壓力感測元件製作方法，更包含形成一停止層於該空腔與該基板之間，以作為該蝕刻製程或研磨製程之製程停止層。