TWI508914B - 具有增強結構強度之微機電元件 - Google Patents

Description

具有增強結構強度之微機電元件

本發明有關於一種具有增強結構強度之微機電元件，特 別是其中構成微機電結構之最上金屬層具有複數個獨立金屬段、及/或其中構成微機電結構之最下金屬層具有連續結構之微機電元件。

參照第1圖，其中顯示一先前技術之微機電元件10之示 意圖，其可作為一定子(Stator)或一動子(Rotor)。微機電元件10包含微機電結構101和電訊號傳遞線路102，其中微機電結構101產生電訊號，透過電訊號傳遞線路102來傳遞。當微機電元件10為定子時，微機電結構101例如可藉由固定結構103而連接至基板Sub，當微機電元件10為動子時，則微機電結構101例如可藉由撓性結構(例如彈簧，未示出)來連接。微機電元件10例如可利用CMOS半導體製程來製作，在基板Sub上藉由交替沉積多層金屬層(M1-Mt)和介電層、並以支持柱連接金屬層而構成所設計的結構。

先前技術之微機電元件10有以下的結構特徵：1.最上金 屬層Mt為連續之結構。2.電訊號傳遞線路102使用第一金屬層M1的一部份M1S構成，因此為了避免訊號受影響、以及避免在製作和動作過程產生沾黏(Stiction)等現象，第二金屬層M2須於該部分M1S的上方挖空以留下足夠的緩衝空間，但此挖空部份會損及微機電結構101的剛性。

當微機電結構101的剛性不足時，很容易產生彎翹變形。 例如，當工作環境溫度上升時，先前技術之微機電元件10會產生明顯之 熱變形以致影響微機電元件10之功能操作。

詳言之，第6A圖顯示第1圖中微機電元件10受熱後之 變化，水平軸X為參照第1圖中X方向之延伸距離，Y軸為變形量，其中溫度T2高於T1。如圖所示，溫度T2造成之熱變形高於溫度T1造成之熱變形，且沿X方向之熱變形逐漸增大，此變形足以影響結構之穩定與元件操作的正確性等。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一 種具有增強結構強度之微機電元件，其可減少因為溫度或其他原因導致之變形，防止黏著(stiction)、使結構保持穩定，且使元件在電訊號傳遞上有較佳的表現。

根據其中一個觀點，本發明提供一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層，具有一最上金屬層，該最上金屬層包含複數個獨立金屬段；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電結構產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞；其中，該複數獨立金屬段分別藉由至少一支持柱以連接至相鄰之金屬層，且在該最上層獨立金屬段與該相鄰之金屬層之間除了支持柱外，無介電層設置於其中；除該最上金屬層外，其餘金屬層分別藉由至少一支持柱及一介電層而與相鄰之金屬層彼此連接。

本發明之一實施例中，該具有增強結構強度之微機電元件更包含一固定結構或一撓性結構，與該微機電結構連接。

本發明之一實施例中，該固定結構連接於該微機電結構側方。

本發明之一實施例中，該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，具有一挖空區域。

本發明之一實施例中，該微機電結構的最低金屬層在對應於該電訊號傳遞線路的上方處、延伸往該固定結構之方向，為連續而不斷開。

在上述實施例中，較佳地，該電訊號傳遞線路不包含金屬層，而係在金屬層以下的位階中以導電材料走線所構成。

本發明之一實施例中，該固定結構連接於該微機電結構下方。

在上述實施例中，較佳地，該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，具有一挖空區域，且該挖空區域相較於該固定結構而言較遠離該微機電結構的中心點。

根據另一觀點，本發明提供一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層；一固定結構，連接於該微機電結構側方；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞，其中，該微機電結構的最低金屬層在對應於該電訊號傳遞線路的上方處、延伸往該固定結構之方向，為連續而不斷開，且其中該電訊號傳遞線路不包含金屬層，而係在金屬層以下的位階中以導電材料走線所構成。

根據另一觀點，本發明提供一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層；一固定結構，連接於該微機電結構下方；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞，其中，該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，具有一挖空區域，且該挖空區域相較於該固定結構而言較遠離該微機電結構的中心點。

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。

10、20、30、40、50、70‧‧‧微機電元件

22‧‧‧挖空區域

101、201、301、401、501‧‧‧微機電結構

102、202、302、402、502‧‧‧電訊號傳遞線路

103、203、303、403、503‧‧‧固定結構

M1‧‧‧第一金屬層

M11‧‧‧第一層獨立金屬段

M1S‧‧‧第一金屬層之一部分

M2‧‧‧第二金屬層

Mt-1‧‧‧緊接最上金屬層下方之金屬層

Mt‧‧‧最上金屬層

Mt1‧‧‧最上層獨立金屬段

T1、T2‧‧‧溫度

S‧‧‧導電材料

Sub‧‧‧基板

V‧‧‧接觸層

X‧‧‧水平方向

第1圖顯示先前技術之微機電元件。

第2圖顯示本發明一實施例之具有增強結構強度之微機電元件。

第3圖顯示本發明一實施例之具有增強結構強度之微機電元件。

第4圖顯示本發明一實施例之具有增強結構強度之微機電元件。

第5圖顯示本發明一實施例之具有增強結構強度之微機電元件。

第6A~6E圖分別顯示第1~5圖之微機電元件之變形量。

第7圖顯示本發明一實施例之具有增強結構強度之微機電元件。

有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效，在以 下配合參考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現。以下實施例中所提到的方向用語，例如：上、下、左、右、前或後等，僅是參考附加圖式的方向。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。

參照第2圖，其中為本發明一實施例提供之一種具有增 強結構強度之微機電元件20之示意圖。微機電元件20包含：微機電結構201和位於微機電結構201下方的電訊號傳遞線路202，其中微機電結構201與其他部份之相對移動產生電訊號，透過電訊號傳遞線路202來傳遞。微機電結構201包含複數個金屬層M2-Mt、亦即第二金屬層M2至最上金屬層Mt，其中最上金屬層Mt包含複數個最上層獨立金屬段Mt1，最上層獨立金屬段Mt1彼此之間不直接相連且由至少一支持柱而連接至相鄰(緊接下方)之金屬層Mt-1，須特別注意為最上層獨立金屬段Mt1與相鄰之金屬層Mt-1之間除了支持柱外，無介電層設置於其中。其餘相鄰之複數個金屬層(例如第二金屬層M2至金屬層Mt-1)分別藉由至少一支持柱及一介電層而互相連接，介電層可填滿(至少部份填滿，圖示為完全填滿)相鄰金屬層間除支持柱外之空隙，微機電元件20藉此設計可增強結構強度，特別為當工作溫度上升時，此設計可降低熱變形。

第6B圖顯示第2圖中微機電元件20受熱後之變形量， 相對於第6A圖，其熱變形之情形改善許多。由於改善了熱變形，因此可防止黏著、使結構保持穩定，此外元件在電訊號傳遞上也有較佳的表現。

此外，第2圖之微機電元件20之設計可應用於定子或動 子。當應用於定子時，微機電結構201例如可藉由固定結構203而連接至基板Sub，當應用於動子時，則微機電結構201例如可藉由撓性結構(例如彈簧，未示出)來與其他部份連接。固定結構203例如可由複數金屬層M1-Mt和介電層來構成；需注意圖示僅是舉例，固定結構203可為其他形狀或高度，例如可不包含最上金屬層Mt及其下方的介電層。 在本實施例中，微機電結構201的下方、對應於電訊號傳遞線路202的上方處，設有一挖空區域22以構成緩衝空間，亦即微機電結構201的最低金屬層(本實施例中為M2)在電訊號傳遞線路202的上方處斷開(最低介電層可斷開或不斷開，本實施例為斷開)。電訊號傳遞線路202由第一金屬層M1的一部份M1S所構成。

參照第3圖，其中顯示本發明另一實施例之一具有增強 結構強度之微機電元件30之示意圖。與微機電元件20相較，微機電元件30主要差異為取消了挖空區域、而電訊號傳遞線路302改在接觸層v的位階中以導電材料S走線所構成。因電訊號傳遞線路302不包含第一金屬層，而是在金屬層以下的位階中以導電材料走線所構成，這增加了緩衝空間，故最低金屬層(本實施例為第二金屬層M2)在電訊號傳遞線路302的上方、延伸往固定結構301之方向，可為連續而不須斷開，如此增加了結構的剛性。所謂「接觸層」，在CMOS半導體製程之技術用語中，係指基板Sub至第一金屬層M1之間的連接層，而第一金屬層M1以上的連接層則慣稱為「通道層」。本實施例之特點為取消挖空區域，可提升微機電元件30之強度，進而降低熱變形。導電材料S可為鎢、鈦等金屬或金屬化合物，其可在基板Sub之上縱橫水平延伸，而非僅為柱狀。

與第2圖實施例相同地，微機電元件30之設計可應用於 定子或動子。當應用於定子時，微機電結構301例如可藉由固定結構303而連接至基板Sub，當應用於動子時，則微機電結構301例如可藉由撓性結構(例如彈簧，未示出)來與其他部份連接。所謂「取消了挖空區域」，亦可視為微機電結構301的最下層金屬層M2與固定結構303或撓性結構直接且完全連接。此外，第2、3圖實施例中，微機電結構的最低 金屬層是以第二金屬層M2為例做說明，然實施時並不限於此，也可為第三或更高層金屬層，其端視需要而定。

參照第6C圖，其中顯示第3圖中微機電元件30受熱後 之變形量，相較於第6A圖，微機電元件30熱變形之情形改善許多，且相較於第6B圖更為改善。

需說明的是，第3圖實施例中，取消挖空區域的設計也 可單獨存在，而不限於必須搭配不直接相連的最上層獨立金屬段Mt1，亦即第3圖實施例中，微機電結構301的最上金屬層Mt亦可為連續的一體。

參照第4圖，根據另一觀點，本發明提供一種具有增強 結構強度之微機電元件40，其包含：微機電結構401、電訊號傳遞線路402和固定結構403，其中微機電結構401包含複數個金屬層M2-Mt、亦即第二金屬層M2至最上金屬層Mt，其中最上金屬層Mt包含複數個最上層獨立金屬段Mt1，最上層獨立金屬段Mt1彼此之間不直接相連且由至少一支持柱而連接至相鄰(緊接下方)之金屬層Mt-1，最上層獨立金屬段Mt1與相鄰之金屬層Mt-1之間除了支持柱外，無介電層設置於其中。其餘相鄰之複數個金屬層(例如第二金屬層M2至金屬層Mt-1)分別藉由至少一支持柱及一介電層而互相連接，介電層可填滿(至少部份填滿，圖示為完全填滿)相鄰金屬層間除支持柱外之空隙。在本實施例中，固定結構403非如第2圖實施例般設置於微機電結構401的側方，而是設置於微機電結構401的下方，由頂視圖方向視之，固定結構403設置於微機電結構401的內部。固定結構403包含第一金屬層M1的一部分(第一層獨立金屬段M11)、介電層、以及將微機電結構401電連接於基板sub的支持柱(包含第一層獨立金屬段M11的上方與下方，圖示位置僅是舉例，支持柱的位置與數目可依電性、機械性和佈局的需求來設計安排)。微機電結構401的下方、對應於電訊號傳遞線路402的上方處，仍然設有一挖空區域22以構成緩衝空間，但此挖空區域22或緩衝空間相較於固定結構403而言較遠離微機電結構401的中心點(在第2圖實施例中，挖空區域22或緩衝空間相較於固定結構203而言較靠近 微機電結構201的中心點)。

參考第5圖，其中顯示另一實施例之微機電元件50，與 第4圖實施例的差異是：微機電元件50包含複數(圖示為兩個，可為更多個)第一層獨立金屬段M11或複數固定結構503。與第4圖實施例相似地，微機電結構501的下方、對應於電訊號傳遞線路502的上方處，仍然設有一挖空區域22以構成緩衝空間，挖空區域22或緩衝空間相較於固定結構503而言較遠離微機電結構501的中心點。

參照第6D、6E圖，其中顯示第4圖中微機電元件40與 第5圖中微機電元件50受熱後之變形量，其不僅優於第6A圖，相較於第6B圖，微機電元件40、50之熱變形也更加改善。亦即，第6D、6E圖顯示微機電元件的結構更加穩定，因此元件在電訊號傳遞上也有更佳的表現。

在第4、5圖實施例中，微機電結構的最低金屬層是以第 二金屬層M2為例做說明，然實施時並不限於此，也可為第三或更高層金屬層，其端視需要而定。在此情況下，固定結構403、503可對應地包含第一金屬層M1的一部分、第二金屬層M2的一部分(必要時還包含更上方金屬層的一部分)、介電層、以及將微機電結構401、501電連接於基板sub的支持柱。

需說明的是，第4、5圖實施例中，使挖空區域22或緩 衝空間相較於固定結構503而言較遠離微機電結構501的中心點，此設計也可單獨存在，而不限於必須搭配不直接相連的最上層獨立金屬段Mt1，亦即第4、5圖實施例中，微機電結構401、501的最上金屬層Mt亦可為連續的一體。

第7圖顯示另一實施例之微機電元件70，與第2圖實施 例的差異是：電訊號傳遞線路202並未緊鄰固定結構203而可與固定結構203相距一段距離(因此圖中未顯示固定結構203，表示有一段距離)。 舉例而言，此距離d可大於固定結構203在該維度上的長度三倍。在此實施例中，固定結構203可以如第2圖實施例般設置於固定結構203的側方，或是如第4、5圖實施例般設置於固定結構203的下方。

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。對於熟悉本技術者，當可在本發明精神內，立即思及各種等效變化。例如，支持柱的數目與位置、金屬層和介電層的層數等，都可變化。故凡依本發明之概念與精神所為之均等變化或修飾，均應包 括於本發明之申請專利範圍內。

20‧‧‧微機電元件

22‧‧‧挖空區域

201‧‧‧微機電結構

202‧‧‧電訊號傳遞線路

203‧‧‧固定結構

M1‧‧‧第一金屬層

M11‧‧‧第一層獨立金屬段

M1S‧‧‧第一金屬層之一部分

M2‧‧‧第二金屬層

Mt-1‧‧‧緊接最上金屬層下方之金屬層

Mt‧‧‧最上金屬層

Mt1‧‧‧最上層獨立金屬段

Sub‧‧‧基板

X‧‧‧水平方向

Claims (11)

1. 一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層，具有一最上金屬層，該最上金屬層包含複數個獨立金屬段，該些獨立金屬段於同一高度位階之間無其他材料設置於其中；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電結構產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞，其中，該複數獨立金屬段分別藉由至少一支持柱以連接至相鄰之金屬層，且在該最上層獨立金屬段與該相鄰之金屬層之間除了支持柱外，無介電層設置於其中；除該最上金屬層外，其餘金屬層分別藉由至少一支持柱及一介電層而與相鄰之金屬層彼此連接。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有增強結構強度之微機電元件，更包含一固定結構或一撓性結構，與該微機電結構連接。
3. 如申請專利範圍第2項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該固定結構連接於該微機電結構側方。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，具有一挖空區域。
5. 如申請專利範圍第3項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該微機電結構的最低金屬層在對應於該電訊號傳遞線路的上方處、延伸往該固定結構之方向，為連續而不斷開。
6. 如申請專利範圍第5項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該電訊號傳遞線路不包含金屬層，而係在金屬層以下的位階中以導電材料走線所構成。
7. 如申請專利範圍第2項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該固定結構連接於該微機電結構下方。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有增強結構強度之微機電元件，其中該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，具有一挖空區域，且該挖空區域相較於該固定結構而言較遠離該微機電結構的中心點。
9. 如申請專利範圍第1項所述之具有增強結構強度之微機電元件，該些獨立金屬段分別具有一上側，該上側為該些獨立金屬段連接該支持柱之對面側，該上側無其他材料覆蓋於其上。
10. 一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層；一固定結構，連接於該微機電結構側方；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞，其中，該微機電結構的最低金屬層在對應於該電訊號傳遞線路的上方處、延伸往該固定結構之方向，為連續而不斷開，且其中該電訊號傳遞線路不包含金屬層，而係在金屬層以下的位階中以導電材料走線所構成。
11. 一種具有增強結構強度之微機電元件，包含：一微機電結構，包括複數個金屬層；一固定結構，連接於該微機電結構下方；以及一電訊號傳遞線路，位於該微機電結構下方，其中該微機電產生電訊號，透過該電訊號傳遞線路來傳遞，其中，該微機電結構具有一挖空區域，位在該微機電結構下方、對應於該電訊號傳遞線路的上方處，且該挖空區域相較於該固定結構而言較遠離該微機電結構的中心點。