TWI490900B - 微機電之電容補償結構及其方法 - Google Patents

Description

微機電之電容補償結構及其方法

本發明係提供一種電容補償設計，特別是指一種全新的微機電之電容補償結構及其方法，其能有效避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異。

按，現今半導體微機電系統包含各種不同的半導體微型結構，例如：不可動的探針、流道、孔穴結構，或是一些可動的彈簧、連桿、齒輪(剛體運動或是撓性形變)等結構。

將上述不同的結構和相關的半導體電路相互整合，即可構成各種不同的半導體應用；藉由製造方法提昇微機械結構各種不同的功能，是未來半導體微機電系統的關鍵指標，也是未來進一步研究晶片時的嚴峻挑戰；若能研發改進習知的技術，未來的發展性實無法預估。

目前微機電感測器及致動器系統內經常製作電容，利用微縮晶片之內的電容特性達成微機電系統(MEMS)的各種工作需求，例如：將聲壓轉換為電容變化的微機電系統(MEMS)麥克風、製作電容式開關、超薄型(Ultra Thin)電容式微感測器等等技術。

但是，由於習用製作微機電系統(MEMS)技術需要在矽基底上沈積出電路佈局；而前述佈局之後又經常必須採用蝕刻技術來完成設計上的需求，進而產生下述問題：其一，微機電系統(MEMS)技術多數需要進行蝕刻，例如：濕蝕刻、乾蝕刻和犧牲層(sacrificial layer)去除等作業，雖然蝕刻技術是一種快速有效的製程，但是，對於電容設計而言，在蝕刻中遇到的最大困境就是無法精確掌握蝕刻的一致性，而蝕刻的一致性卻會大幅影響微機電系統(MEMS)內電容設計的匹配性。

其二，微機電系統(MEMS)內的電路佈局技術是採用沈積法或曝光顯影法製作，但是無論是沈積法或曝光顯影法，都同樣無法確保電容第一側電容板與第二側電容板之間的間距完全一致，多數會產生細微的差異，更會影響微機電系統(MEMS)內電容設計的匹配性。

第一種習用技術如第1圖所示，此習用技術是於一矽基底10上形成微機電結構11，而在微機電結構11之中包含一電容12，該電容12具有第一側電容板121及第二側電容板122，第一側電容板121及第二側電容板122的面積為A，二者之間有預設的間距d，此習用設計的電容值為：C＝e×A/d。

這個公式中的C是指電容值、e是指介電係數。

因此，此習用第一側電容板121及第二側電容板122的面積A必須非常精確一致，而第一側電容板121及第二側電容板122的間距d(或稱介電層厚度)也必須非常精確，否則不僅會產生電容不匹配(不同於預設值)的問題，也會造成不同批次或同一批次內的良率下降；但受限由於沈積法及曝光顯影法的技術未能完全掌握如此微小的差異，經常發生第一側電容板121及第二側電容板122的面積A出現不一致落差，或是第一側電容板121及第二側電容板122的間距d產生過大差異，因此習用的電容產品仍有極待改良的困境。

另一種習用技術如第2圖所示，係一種生產懸浮微機電結構的技術，其同樣是於一矽基底10上形成微機電電容12，該電容12具有第一側電容板121及第二側電容板122，第一側電容板121及第二側電容板122的面積為A，二者之間有預設的間距d，且利用蝕刻技術在第一側電容板121及第二側電容板122之間形成懸浮空間B，此習用設計的電容值同樣為：C＝e×A/d。

這個公式中的C是指電容值、e是指介電係數。

此第二種習用第一側電容板121及第二側電容板122的面積A必須非常精確一致，而第一側電容板121及第二側電容板122的間距d(或稱為介電層厚度)也必須非常精確，否則不僅會產生電容不匹配(不同於預設值)的問題，也會造成不同批次或同一批次內的良率下降；此習用也受限由於沈積法及曝光顯影法的技術未能完全掌握如此微小的差異，經常發生第一側電容板121及第二側電容板122的面積A出現不一致落差，或是第一側電容板121及第二側電容板122的間距d產生過大差異，因此習用的電容產品仍有極待改良的困境。

更重要的是，製造懸浮微機電結構的懸浮空間B之後，第二種習用會發生第3圖的狀況，由於第一側電容板121及第二側電容板122之後沒有連結，且懸浮空間B的將釋放上方懸浮的部位(內含第二側電容板122)，而此部位因為殘留應力影響會造成結構翹曲，造成第一側電容板121及第二側電容板122之間增加另一間距D，該第一側電容板121及該第二側電容板122的間距d變大為間距d＋間距D，此時，第二種習用的真正電容值為：C＝e×A/(d＋D)；而且前述電容值會跟原本C＝e×A/d的電容值需求產生極大差異，故此第二種習用電容設計更有迫切改進的需求。

有鑑於斯，本案發明人乃經詳思細索，並積多年從事各種半導體微機電產品設計與半導體研究生產的經驗，開發出一種微機電之電容補償結構及其方法，確能有效補償影響電容值的條件、提高良率及匹配性。

本發明目的之一在於提供一種微機電之電容補償結構及其方法，確能有效補償影響電容值的條件、提高良率及匹配性。

為達成前述目的，本發明之微機電之電容補償結構係於一矽基底上表面形成絕緣層，該絕緣層內製作有電容，該電容其中一側至少包含一基礎電容板及至少一補償電容板，另一側則為一完整電容板，前述基礎電容板、補償電容板及完整電容板皆彼此獨立且具備向外導通之金屬電路；藉此，本發明可以依照需求隨時開關補償電容板，致使完整電容板所相對應配合電容板(基礎電容板及補償電容板)的面積改良，以供微調電容值，避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異。

值得一提的是，前述基礎電容板及至少一補償電容板彼此獨立且具備向外導通之金屬電路，而二者之金屬電路向外連接有開關，開關的設計可以是製作在產品內的開關電路，也可以是產品上另外增設的開關結構，此開關之設計僅是一般技術之說明，並無需特別贅述。

本發明目的之二在於提供一種微機電之電容補償方法，確能有效補償影響電容值的條件、提高良率及匹配性。

為達成前述目的，本發明方法在於：在微機電電容其中一側至少包含一基礎電容板及至少一補償電容板，前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立且具備向外導通之金屬電路，藉補償電容板的開關調控電容匹配。

藉此，本發明可以依照需求隨時開關補償電容板，以供微調電容值，避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異。

前述微機電之電容補償結構中，該電容其中一側至少包含一基礎電容板及至少一補償電容板，而本發明所指之至少一補償電容板的數量含蓋若干個至多數個；另外，具有複數補償電容板時，且該各補償電容板的尺寸彼此各不相同。

例如：當本發明具備一個補償電容板時，該補償電容板的面積尺寸為A2，基礎電容板的面積A1，此時，本發明的電容值算式可以依需求互換如下：C＝e×A1/d或C＝e×(A1＋A2)/d。

特別是使用在懸浮微機電設計上時，面對翹曲改變的間距間距，本發明可以依需求互換如下：C＝e×A1/(d＋D)或C＝e×(A1＋A2)/d。

故本發明能依照需求隨時開關補償電容板，以供微調電容值，避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異。

有關本案發明為達成上述目的、所採用之高度技術思想、手段，茲列舉一較佳可實施例並配合圖式詳細說明如後，相信本案發明之目的、特徵及其他優點，當可由之得一深入而具體之瞭解。

請參閱第4圖之實施例，本發明微機電之電容補償結構詳細說明如下：該電容補償結構係製作在一矽基底20旁的絕緣層21內，在絕緣層21內沉積設有電容30，該電容30包含有第一側基礎電容板31及第二側完整電容板34，該基礎電容板31與第二側完整電容板34之間製作有間距d，其特徵在於：該第一側基礎電容板31同層製作至少一補償電容板32，前述基礎電容板31與補償電容板32彼此獨立，該補償電容板32的面積尺寸為A2，該基礎電容板31的面積為A1，且該基礎電容板31與補償電容板32各自具備向外導通之金屬電路311、321，而前述金屬電路311、321連接被控於一開關電路(圖中未示)，且金屬電路311、321可以依照習知技術向外銜接或直接在內部連接預設的開關電路(未圖示)；藉此，本發明生產測試時，若是發現該基礎電容板31的面積A1與該完整電容板34的面積A4有誤差時，便可以隨時利用開關電路開啟或關閉該切換補償電容板32，故可以產生下列狀況：其一，開啟該切換補償電容板32可以有效補償原本該基礎電容板31的不足電容值，其電容值算式如下：C＝e×(A1＋A2)/d。

其二，關閉該切換補償電容板32可以維持原本設計之該基礎電容板31的電容值，其電容值算式如下：C＝e×A1/d。

故本發明的結構能夠有效避免電容不匹配的問題，無論是該基礎電容板31的面積A1與該完整電容板34的面積A4有誤差時，或間距d製作有差異時，都能微調電容值，有效減少不同生產批次間的差異。

本發明再一實施例(第二實施例)的結構，請參閱第5圖之實施例，本實施是應用在微型懸浮結構的產品上，由於電容值受到翹曲狀況可能有較大的差異，故本發明因應較大的調整需求，則可以同時製作較多補償電容板，且其製造方法也有所變換實施，本實施例的結構說明如下；該電容補償結構同樣製作在一矽基底20旁的絕緣層21內，在絕緣層21內沉積設有電容30，該電容30包含有第一側基礎電容板31及第二側完整電容板34，該基礎電容板31與第二側完整電容板34之間製作有間距d，且利用蝕刻技術在第一側基礎電容板31及第二側完整電容板34之間形成懸浮空間B，其特徵在於：該第一側基礎電容板31同層製作二補償電容板32、33，前述基礎電容板31與二補償電容板32、33彼此獨立，該補償電容板32、33的面積尺寸為A2、A3，該基礎電容板31的面積為A1，補償電容板32的面積尺寸A2也不同於該補償電容板33的面積尺寸A3，且該基礎電容板31與補償電容板32各自具備向外導通之金屬電路(圖中未示)，而前述金屬電路連接被控於一開關電路(圖中未示)，且金屬電路也可以依照習知技術向外銜接或直接在內部連接預設的開關電路(未圖示)；藉此，本發明生產測試時，若是發現該第二側完整電容板34被懸浮空間B釋放後產生翹曲間距D，或是基礎電容板31的面積A1與該完整電容板34的面積A4有誤差時，便可以隨時利用開關電路開啟或關閉該切換二補償電容板32、33，故可以產生下列狀況：

其一，開啟該切換補償電容板32可以有效補償原本僅有誤差形成的少量不足電容值，其電容值算式如下：C＝e×(A1＋A2)/d。

其一，同步開啟該切換補償電容板32、33可以有效補償翹曲增加間距D的較大不足電容值，其電容值算式如下：C＝e×(A1＋A2＋A3)/(d＋D)。

其三，同步關閉該切換補償電容板32可以維持原本設計之電容值，其電容值算式如下：C＝e×A1/d。

故本發明的結構能夠防止懸浮微機電產生翹曲時發生電容值不匹配問題，不僅有效避免電容不匹配的問題，且無論是該基礎電容板31的面積A1與該完整電容板33的面積A3有誤差時，或間距d製作有差異時，都能微調電容值，有效減少不同生產批次間的差異。

本發明第三實施例的結構，請參閱第6圖之實施例，本實施同樣應用在微型懸浮結構的產品上，但是將電容結構全部製作懸浮，且以側向配置方式變換實施，本實施例的結構說明如下；該電容補償結構同樣製作在一矽基底20旁的絕緣層21內，在絕緣層21內懸浮有電容40，該電容40包含有中央基礎電容板41及一側完整電容板42，該基礎電容板41與完整電容板42之間製作有間距d，其特徵在於：在該基礎電容板41同層的另一側懸浮製作至少一補償電容板43，前述基礎電容板41與補償電容板43彼此獨立，該補償電容板43、該完整電容板42及該基礎電容板41皆具備向外導通之金屬電路(圖中未示)，而前述金屬電路連接被控於開關電路(圖中未示)，且金屬電路也可以依照習知技術向外銜接或直接在內部連接預設的開關電路(未圖示)；藉此，本發明生產測試時，若是發現該完整電容板42及該基礎電容板41的面積有誤差或電容值不足時，便可以隨時利用開關電路開啟補償電容板43，有效補償原本僅有誤差形成的少量不足電容值。

故本發明的結構能夠防止懸浮微機電產生翹曲時發生電容值不匹配問題，不僅有效避免電容不匹配的問題，且面積有誤差或電容不足時，都能微調電容值，有效減少不同生產批次間的差異。

本發明之微機電之電容補償方法如下：在微機電電容其中一側基礎電容板旁製作至少一補償電容板；前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立且具備向外導通之金屬電路；以及藉補償電容板的開關調控電容匹配。

藉此，本發明的方法可以依照需求隨時開關補償電容板，以供微調電容值，避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異。

綜上所述，本案之創新設計係於一矽基底上表面形成絕緣層，該絕緣層內製作有電容，該電容其中一側至少包含一基礎電容板及至少一補償電容板，前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立且具備向外導通之金屬電路，而前述金屬電路連接於一開關；藉此，本發明有效避免電容不匹配的問題，且能減少不同生產批次間的差異；所以本發明之『具有產業之可利用性』應已毋庸置疑，除此之外，在本案實施例所揭露出的特徵技術，於申請之前並未曾見於諸刊物，亦未曾被公開使用，不但具有如上所述功效增進之事實，更具有不可輕忽的附加功效，是故，本發明的『新穎性』以及『進步性』都已符合專利法規，爰依法提出發明專利之申請，祈請惠予審查並早日賜准專利，實感德便。

《習用》

矽基底．．．10

微機電結構．．．11

電容．．．12

第一側電容板．．．121

第二側電容板．．．122

面積．．．A

間距．．．d

電容值．．．C

介電係數．．．e

懸浮空間．．．B

間距．．．D

《本發明》

矽基底．．．20

絕緣層．．．21

電容．．．30

基礎電容板．．．31

補償電容板．．．32

補償電容板．．．33

完整電容板．．．34

金屬電路．．．311、321

面積．．．A1、A2、A3、A4

電容．．．40

基礎電容板．．．41

完整電容板．．．42

補償電容板．．．43

第1圖 第一種習用剖視圖；第2圖 第二種習用剖視圖；第3圖 第二種習用翹曲變化示意圖；第4圖 本發明第一實施例結構示意圖；第5圖 本發明第二實施例結構示意圖；以及第6圖 本發明第三實施例結構示意圖。

間距．．．d

懸浮空間．．．B

間距．．．D

矽基底．．．20

絕緣層．．．21

電容．．．30

基礎電容板．．．31

補償電容板．．．32

補償電容板．．．33

完整電容板．．．34

Claims (7)

1. 一種微機電之電容補償結構，係製作在一矽基底旁的絕緣層內，在絕緣層內沉積設有電容，該電容包含有第一側基礎電容板及第二側完整電容板，該基礎電容板與完整電容板之間製作有間距，其特徵在於：該第一側基礎電容板同層製作至少一補償電容板，前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立，該補償電容板的面積尺寸與該基礎電容板的面積相異，該基礎電容板與補償電容板各自具備向外導通之金屬電路，而前述金屬電路連接於開關電路。
2. 如申請專利範圍第1項所述微機電之電容補償結構，其中，該基礎電容板與補償電容板各自具備向外導通之金屬電路，而金屬電路向外銜接開關電路。
3. 一種微機電之電容補償方法，包括下述步驟：在微機電電容其中一側基礎電容板旁製作至少一補償電容板，該補償電容板的面積尺寸與該基礎電容板的面積相異；前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立且具備向外導通之金屬電路；以及 藉補償電容板的開關調控電容匹配。
4. 如申請專利範圍第3項所述微機電之電容補償方法，其中，該微機電電容的另一側電容板為懸浮製作。
5. 一種微機電之電容補償結構，係製作在一矽基底旁的絕緣層內，在絕緣層內沉積設有電容，該電容包含有第一側基礎電容板及第二側完整電容板，該基礎電容板與完整電容板之間製作有間距，其特徵在於：該完整電容板與基礎電容板之間蝕刻而令電容其中一側懸浮；以及該基礎電容板同層製作至少一補償電容板，前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立，該補償電容板的面積尺寸與該基礎電容板的面積相異，該基礎電容板與補償電容板各自具備向外導通之金屬電路，而前述金屬電路連接於開關電路。
6. 如申請專利範圍第5項所述微機電之電容補償結構，其中，該金屬電路係向外銜接該開關電路。
7. 一種微機電之電容補償結構，係製作在一矽基底旁的絕緣層 內，在絕緣層內沉積設有懸浮之電容，該電容包含有懸浮之基礎電容板及懸浮之完整電容板，該基礎電容板與完整電容板之間製作有間距，其特徵在於：該基礎電容板同層懸浮製作至少一補償電容板，前述基礎電容板與補償電容板彼此獨立，該基礎電容板與補償電容板各自具備向外導通之金屬電路，而金屬電路向外銜接開關電路。