TWI511917B - 具有低膨脹係數差異之微機電裝置 - Google Patents

Description

具有低膨脹係數差異之微機電裝置

本發明有關於一種微機電裝置，特別是利用其中較大區單材堆疊結構以降低因溫度差而產生之翹曲，進而提升感測效果之微機電裝置。

微機電裝置的一例可參閱第1圖所示之加速感測器10，目前微機電裝置經常採用CMOS(互補式金氧半導體)製程來進行製作，直接利用CMOS中同高度位置之氧化層與金屬層來堆疊出微機電裝置之結構體，如此，微機電裝置在製造上較易於達成，因其製造成本較低、材料較易取得、相關製程技術上也較簡易。第2圖為第1圖中剖面線AA’所剖切加速感測器10之局部剖面示意圖，其中顯示加速感測器10為氧化層與金屬層交互多層堆疊而形成之結構。

然而，微機電裝置無論製程(例如沉積、濺鍍、烘烤、退火等)或使用環境都面臨冷熱溫度交替之挑戰，例如微機電裝置中鋁、二氧化矽、以及鎢為主要組成材料。其中，鋁(膨脹係數約2 * 10^-5 1/℃)、二氧化矽(膨脹係數約5 * 10^-7 1/℃)、以及鎢(膨脹係數約5 * 10^-6 1/℃)的鄰接結構常因冷熱膨脹造成嚴重翹曲。因鋁、二氧化矽、以及鎢之膨脹係數差異甚大，同樣的溫度差下鋁與二氧化矽膨脹值相差約50倍，這是冷熱膨脹造成嚴重翹曲的主要原因。

參考第3圖，第3圖為顯示先前技術之微機電裝置中之金屬層(主要成分為鋁)、氧化層(主要成分為二氧化矽)、以及通道層(主要成分為鎢)在結構中之配置剖面示意圖，其對應於第1圖中之剖面線aa’(但寬度未按照比例)。當中鋁、二氧化矽、以及鎢相鄰接觸範圍橫跨大部分的微機電裝置，故溫度變異時會因膨脹值不同而產生嚴重翹曲。且加速感測器10之結構在可動部分，為了增加質量進而增加感測之敏感度，通常會在容許範圍內增加堆疊層，如此會使翹曲量更加嚴重。一般使用環境之溫差下，微機電裝置甚至可造成10μm之翹曲量，此外也可能因翹曲造成尺寸變化而導致感測訊號失真。雖然金屬層與氧化層交替之三明治夾層方式可降低部分翹曲，然對製程的要求難度卻增加，對於各層之厚度控制須十分精準，否則翹曲依然十分嚴重。所以當溫度變動時，無論結構之可靠度或輸出之電容式感測值都偏差許多，進而嚴重影響微機電裝置之效能。

US 7258012提出一種在CMOS結構下方保留矽基材以增加結構剛性來抵抗熱變形的方法，但其製程方法較複雜且困難。

故此，如何在成本考量下，根據原有製程以改善微機電裝置因溫度變化所產生之翹曲，實為相關領域之人員所重視的議題之一。

本發明之目的在提供一種具有低膨脹係數差異之微機電裝置。

為達上述之目的，本發明提供一種具有低膨脹係數差異之微機電裝置，係採用互補式金氧半導體製程所製作，該微機電裝置包含：一固定單元，包括一第一電容感應區和一固定結構區；一活動單元，包括一第二電容感應區和一質量塊區，其中該第一電容感應區可和第二電容感應區構成電容，且該質量塊區為單一材料結構；以及一連接結構，用以連接固定該活動單元，此連接結構容許該活動單元可相對於該固定單元而移動。

就另一觀點言，本發明提供一種具有低膨脹係數差異之微機電裝置，係採用互補式金氧半導體製程所製作，該微機電裝置包含：一固定單元，包括一第一電容感應區和一固定結構區；一活動單元，包括一第二電容感應區，其中該第一電容感應區可和第二電容感應區構成電容，且從頂視圖視之，該活動單元的面積中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構；以及一連接結構，用以連接固定該活動單元，此連接結構容許該活動單元可相對於該固定單元而移動。

在本發明之一實施例中，該質量塊區或該活動單元可具有複數通孔。

在本發明之一實施例中，該單一材料可為絕緣材料， 例如包含二氧化矽。

在本發明之一實施例中，該固定結構區為單一材料結構。

在本發明之一實施例中，從頂視圖視之，該固定單元的面積中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構。

在本發明之一實施例中，該固定單元可具有複數個通孔。

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。

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。本新型中的圖式均屬示意，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4圖以及第5圖，為本發明提供一種微機電裝置20之剖面示意圖以及立體示意圖，其中第4圖係根據第5圖中剖面線bb’而得，但寬度並未按照比例繪示。微機電裝置20採用互補式金氧半導體(CMOS)製程所製作，其包含一固定單元21、一活動單元22、以及一連接結構23。固定單元21具有一電容感應區211和一固定結構區212； 活動單元22亦包含一電容感應區221和一質量塊區222。固定單元21之電容感應區211可和活動單元22之電容感應區221構成電容，藉由感測電容值的變化，便可偵測活動單元22的移動。圖示中活動單元22構成一個矩形而固定單元21圍繞在其外圍，這僅是舉例顯示其中一種佈局配置方式，固定單元21和活動單元22的形狀與佈局配置可以有各種安排方式，例如可參閱同一申請人所申請並取得專利的台灣專利第I 360516號(美國對應案US 7989247)，此外微機電裝置20也不限於為二維感測器，亦可設計成三微感測器，例如可參閱同一申請人所申請的台灣專利申請案第098140212號(美國對應案US 2011/0162453)。作為舉例，第7圖顯示另一種可能的形狀與佈局配置方式。

參考第5圖，其中活動單元22可藉一連接結構23而連接固定至微機電裝置20的其他部分，在本實施例中是連接於固定單元21的電容感應區211，但不限於此，在其他實施例中(例如參閱前述同一申請人所申請之案件)，活動單元22可藉連接結構23而固定至微機電裝置20的任何其他部分。連接結構23宜具有撓性，使得活動單元22可與固定單元21產生一相對運動，連接結構23可提供活動單元22於受限之範圍內產生一相對運動，而此相對運動可從電容值的變化感測出來。

本發明中，質量塊區222採用單材堆疊結構，亦即僅使用單一材料構成。在本實施例中此單一材料為氧化物(例如二氧化矽)，但不限於此；基本上此單一材料可配合 CMOS製程而採用CMOS製程中製作內連線(interconnection)時所使用的導電或絕緣材料。第4圖與第5圖為單一材料採用絕緣材料的實施例；採用導電材料的實施例容後說明。第5圖中此一由單材堆疊構成的質量塊區222以陰影方式顯示，然而實施時不受限於圖式之設置之位置與數量，可依需要而決定實施方式。與第3圖比較，第4圖以及第5圖中所顯示之單材堆疊質量塊區222大範圍地代替了傳統之複雜的金屬層、氧化層或通道層之三明治結構，故大幅降低因環境溫度變化導致翹曲變化之風險，此為本發明的重要優點。

在第4圖與第5圖的實施例中，僅顯示微機電裝置20的一個質量塊區222，且質量塊區222整體構成一個單一的區塊，但本發明不限於此；微機電裝置20可以不只具有一個質量塊區222，又質量塊區222也可分割為多個區塊。

第6圖為根據第5圖中BB’剖面線所顯示之示意圖，其中活動單元22以及固定單元21不必須但較佳宜具有複數個通孔H。通孔H設置的作用是：在蝕刻活動單元22及/或固定單元21的下方時，可容許蝕刻流體均勻進入，以在活動單元22和基板(第4圖，符號Sub)之間產生一隔離空間(第4圖，符號S)，使活動單元22可脫離基板Sub以產生運動。此外，複數個通孔H也具有減緩微機電裝置20之內應力的效果。又，第4圖顯示活動單元22是利用對基板的正面蝕刻而成為可動，此僅為舉例，本發明並不限於此；活動單元22也可藉由蝕刻其他部分而成為可動。

由於微機電裝置20的形狀與佈局配置有各種態樣，不能一一列舉說明，而就某些形狀與佈局配置而言，質量塊區222和電容感應區221可能不易區分。因此，可從另一角度定義本發明的特徵為：從頂視圖視之，活動單元22的面積(如有通孔時，含通孔面積)中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構。當超過50%的面積中以單一材料結構代替傳統之複雜的金屬層、氧化層或通道層之三明治結構，就可大幅降低因溫差導致翹曲之風險。

此外，如第4圖所示，在較佳實施型態中，固定結構區212亦宜為(但非必須為)單一材料結構，或是，從頂視圖視之，固定單元21的面積(如有通孔時，含通孔面積)中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構。

第4圖中，固定單元21與活動單元22的最底層為氧化層而最頂層為金屬層，此僅為舉例和示意，並非表示本發明必須如此。例如，最底層可為金屬層或複晶矽層、或是在圖示最頂層的金屬層上方再添加氧化層，此皆為可能的實施態樣。

參考第8圖，其中顯示微機電裝置20之質量塊區222採用金屬堆疊結構而不使用氧化物，又金屬層和通道層的材料可為相同或不同。當金屬層和通道層的材料不同時，雖然仍有熱膨脹差異的問題，但因其熱膨脹差異較低，當翹曲要求條件較寬鬆時也可採用，實施時仍需按需要考量所採用之方式。又，圖中也顯示並不必須藉由對基板Sub的正面蝕刻來形成隔離空間S，亦可藉由蝕刻其他材料層 來形成隔離空間S。此外，固定結構區212亦可(但非必須)為類似的單一材料結構。

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。舉例而言，本發明之重點在CMOS製程中於利用較大區單材堆疊結構改善原有多層堆疊所產生可能翹曲，故實施上不應受限於活動單元運動方式，例如可用於旋轉運動之活動單元等。此外，圖式中顯示之活動單元可為水平方向之相對運動，可依此特徵改善例如具三維運動方向之活動單元，皆符合本發明之特徵。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。

10‧‧‧加速感測器

20‧‧‧微機電裝置

21‧‧‧固定單元

211‧‧‧電容感應區

212‧‧‧固定結構區

22‧‧‧活動單元

221‧‧‧電容感應區

222‧‧‧質量塊區

23‧‧‧連接結構

AA’、aa’、BB’、bb’‧‧‧剖面線

H‧‧‧通孔

S‧‧‧隔離空間

Sub‧‧‧基板

第1圖為傳統式微機電裝置之立體示意圖。

第2圖為根據第1圖中AA’剖面線之剖面示意圖。

第3圖為傳統式微機電裝置根據第1圖中aa’剖面線之剖面示意圖。

第4圖為本發明一實施例之微機電裝置之剖面示意圖，對應於第5圖中bb’剖面線。

第5圖為本發明一實施例之微機電裝置之立體示意圖。

第6圖為根據第5圖中BB’剖面線之剖面示意圖。

第7圖舉例顯示本發明微機電裝置之另一種可能的形狀與 佈局配置方式。

第8圖為本發明另一實施例之微機電裝置之剖面示意圖。

20‧‧‧微機電裝置

21‧‧‧固定單元

211‧‧‧電容感應區

212‧‧‧固定結構區

22‧‧‧活動單元

221‧‧‧電容感應區

222‧‧‧質量塊區

S‧‧‧隔離空間

Sub‧‧‧基板

Claims (12)

1. 一種具有低膨脹係數差異之微機電裝置，係採用互補式金氧半導體製程所製作，該微機電裝置包含：一固定單元，包括一第一電容感應區和一固定結構區；一活動單元，包括一第二電容感應區和一質量塊區，其中該第一電容感應區可和第二電容感應區構成電容，且該質量塊區為單一材料結構，該單一材料結構之頂表面與底表面於面向該質量塊區外連接於一開放空間；以及一連接結構，用以連接固定該活動單元，此連接結構容許該活動單元可相對於該固定單元而移動。
2. 如申請專利範圍第1項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該質量塊區具有複數通孔。
3. 如申請專利範圍第1項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該質量塊區之單一材料為絕緣材料。
4. 如申請專利範圍第3項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該單一材料包含二氧化矽。
5. 如申請專利範圍第1項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該固定結構區為單一材料結構。
6. 如申請專利範圍第1項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中從頂視圖視之，該固定單元的面積中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構。
7. 一種具有低膨脹係數差異之微機電裝置，係採用互補式金氧半導體製程所製作，該微機電裝置包含：一固定單元，包括一第一電容感應區和一固定結構 區；一活動單元，包括一第二電容感應區，其中該第一電容感應區可和第二電容感應區構成電容，且從頂視圖視之，該活動單元的面積中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構，該單一材料結構之頂表面與底表面對外連接於一開放空間；以及一連接結構，用以連接固定該活動單元，此連接結構容許該活動單元可相對於該固定單元而移動。
8. 如申請專利範圍第7項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該活動單元具有複數通孔，且該活動單元的面積計算包含該通孔面積。
9. 如申請專利範圍第7項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該單一材料為絕緣材料。
10. 如申請專利範圍第9項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該單一材料包含二氧化矽。
11. 如申請專利範圍第7項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中該固定結構區為單一材料結構。
12. 如申請專利範圍第11項所述之具有低膨脹係數差異之微機電裝置，其中從頂視圖視之，該固定單元的面積中超過50%，自頂表面至底表面間為單一材料結構。