TWI550261B - 微機電壓力計以及其製作方法 - Google Patents

Description

微機電壓力計以及其製作方法

本發明有關於一種微機電壓力計，特別為具有接受外來氣壓之一半開放腔體且薄膜設置於半開放腔體上方之微機電壓力計。

微機電壓力計普遍應用日常生活中，例如高度計、胎壓計或引擎管理系統等壓力感測場合。第1圖顯示先前技術之一微機電壓力計10，由上至下依序包含薄膜11、封閉空間12、與基板13，薄膜11根據外來壓力P而產生變形，進而產生感測訊號。此設計的優點是結構簡單，但半導體製程中應用到之工作氣體例如氬氣、氧氣等，部分會殘留於基板13上的電路中，此些殘留氣體將會釋放至封閉空間12中，造成封閉空間12內的壓力隨溫度變化而偏離設計值以致影響感測，導致感測品質不佳。上述形式的微機電元件可參見美國專利US 6131466,US 8008738。

因此，如何減少殘留氣體對於感測的影響，為產品開發重要的關鍵。

就其中一個觀點，本發明提供一種微機電壓力計，其中包含：一基板，具有至少一導電線路；一薄膜，位於該基板上方，在該薄膜與該基板之間形成一半開放腔體，此半開放腔體具有一開口以接受外來壓力；以及一封蓋，位於該薄膜上方且與該薄膜形成一封閉空間，該封蓋具 有對應於該薄膜而設置之一上電極，且該薄膜至少有一部分構成下電極，該上、下電極形成感應電容以感測該外來壓力；其中，該下電極與該上電極分別電連接於該基板上的導電線路。

一實施例中，該封閉空間本身完全封閉，或該微機電壓力計還包含一通壓路徑，且該封閉空間經由該通壓路徑而連通於一參考壓力源。

一實施例中，該通壓路徑設置於該封蓋中。

一實施例中，該封蓋與該薄膜之間有一絕緣層，且該通壓路徑設置於該絕緣層中。

一實施例中，該薄膜與該絕緣層分別為一矽覆絕緣層晶片之矽層與絕緣層。

一實施例中，該薄膜上可以具有一導電金屬層以形成下金屬電極與質量結構。

一實施例中，該微機電壓力計還包含一導電栓結構，將該下電極電連接於該導電線路。

一實施例中，該上電極藉由一導電栓結構連接於該導電線路，且該微機電壓力計還包含：位在該下電極與該導電栓結構之間的一電性隔離結構，此隔離結構為一空隙或為絕緣材料。

一實施例中，該微機電壓力計還包含複數個阻擋塊，設置於該半開放腔體之開口處。

一實施例中，該封蓋朝向該薄膜的一面上設置有至少一止擋塊。

就另一個觀點，本發明提供一種微機電壓力計之製作方法，其中包含：提供一基板，包含至少一導電線路；提供一薄膜，並結合該薄膜於該基板上方以使該薄膜和該基板間形成一半開放腔體，其中該薄膜至少有一部分構成下電極；將該薄膜電連接於該導電線路；提供一封蓋，結合於該薄膜上方且與該薄膜形成一封閉空間，該封蓋具有對應於薄膜之一 上電極；以及電連接該上電極於該導電線路，其中該半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使該薄膜根據該外來壓力而產生形變。

就再一個觀點，本發明提供一種微機電壓力計之製作方法， 係利用互補式金氧半導體製程所製作，其中包含：提供一基板，其中包含至少一導電線路；形成一第一絕緣層於該基板上；在該第一絕緣層中形成第一與部分第二導電栓結構；藉由第一絕緣層將該基板與一薄膜結合，以形成一半開放腔體，其中該薄膜至少有一部分構成下電極；藉由第一導電栓結構而將該下電極電連接於該導電線路；形成一第二絕緣層於薄膜上；在第二絕緣層中形成部分第二導電栓結構；以及提供一封蓋，此封蓋藉由第二絕緣層與薄膜結合以形成一封閉空間，該封蓋具有對應於下電極之一上電極，此上電極藉由該第二導電栓結構而電連接於該導電線路，其中該半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使該薄膜根據該外來壓力而產生形變。

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‧‧‧微機電壓力計

11‧‧‧薄膜

12‧‧‧封閉空間

13‧‧‧基板

20‧‧‧微機電壓力計

21‧‧‧薄膜

211‧‧‧質量結構

22‧‧‧半開放腔體

221‧‧‧開口

222‧‧‧阻擋物

23‧‧‧基板

231‧‧‧導電線路

24‧‧‧封蓋

241‧‧‧上電極

242‧‧‧止擋塊

25‧‧‧封閉空間

26‧‧‧通壓路徑

30‧‧‧微機電壓力計

37‧‧‧導電栓結構

L1‧‧‧第一絕緣層

L2‧‧‧第二絕緣層

P‧‧‧外來壓力

PS‧‧‧參考壓力源

U‧‧‧導電栓結構

T‧‧‧電性隔離結構

第1圖顯示先前技術之微機電壓力計。

第2A圖顯示根據本發明一實施例之微機電壓力計之剖面圖，其為根據第2D、2E圖中AA剖切線所得之剖面圖。

第2B圖顯示根據本發明再一實施例之微機電壓力計之剖面圖，其為根據第2D、2E圖中AA剖切線所得之剖面圖。

第2C圖顯示根據本發明另一實施例之微機電壓力計之剖面圖，其為根據第2D、2E圖中AA剖切線所得之剖面圖。

第2D圖顯示第2A~2C圖中開口221相關區域的一實施例之局部頂視圖。

第2E圖顯示第2A~2C圖中開口221相關區域的一實施例之局部頂視圖。

第3A圖顯示根據本發明另一實施例之微機電壓力計之剖面圖，其為根據第3B圖中BB剖切線所得之剖面圖。

第3B圖顯示根據第3A圖中開口221相關區域的一實施例之局部頂視圖。

第4圖顯示根據本發明一實施例之微機電壓力計之製作方法流程。

第5圖顯示根據本發明另一實施例之微機電壓力計之製作方法流程。

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2A圖，本發明提供一種微機電壓力計20，其中包含：一基板23，具有至少一導電線路231，該基板23例如但不限於包含矽底層基板(亦可為其他材料所製成之底層基板)以及由半導體製程製作於該矽底層基板之上或之內的導線線路(例如但不限於藉由微影、離子植入、沉積、蝕刻等步驟所製作)；一半開放腔體22，位於導電線路231上方與一薄膜21之間，此半開放腔體22具有一開口221以接受外來壓力P，而薄膜21與基板23間可藉由絕緣層L1互相結合，此絕緣層L1可為單層或複合絕緣材料層；以及一封蓋24，位於薄膜21上方且與薄膜21形成一封閉空間25，封蓋24具有對應於薄膜21而設置之一上電極241，而薄膜21至少有一部分(亦可全部)構成下電極，兩者形成感應電容以感測該外來壓力P，薄膜21與封蓋24間可藉由絕緣層L2互相結合，此絕緣層L2可為單層或複合材料層，其中較佳可包含至少一層絕緣材料，例如為單一絕緣層或使用矽覆絕緣層的全部或一部分來製作(在使用矽覆絕緣層的實施方式中， 可使用矽覆絕緣層中的矽層作為薄膜21、並使用矽覆絕緣層中的絕緣層來作為絕緣層L2)；其中，上電極241和薄膜21中之下電極分別電連接於導電線路231，舉例而言，薄膜21中之下電極例如但不限於可藉由導電栓結構U而電連接於導電線路231，而上電極241例如但不限於可藉由外部電連接線路而電連接於導電線路231。以上僅是舉例，當然薄膜21中之下電極也可以藉由外部電連接線路而電連接於導電線路231、而上電極241也可藉由導電栓結構而電連接於導電線路231(可參閱第3A圖實施例)。

一實施例中，封閉空間25本身完全密閉而具有一真空狀態，此時微機電壓力計20例如可進行絕對式壓力感測(Absolute pressure sensing)。或者在另一實施例中，參照第2B、2C圖，封閉空間25可經由一通壓路徑26而連通於一參考壓力源PS，此時微機電壓力計20例如可進行儀表式壓力感測(Gauge pressure sensing)。一實施例中，通壓路徑26例如可設置於封蓋24中(如第2B圖所示)；在另一實施例中，通壓路徑26例如可設置於第二絕緣層L2中(如第2C圖所示)。當封閉空間25經由通壓路徑26而連通於參考壓力源PS時，封閉空間25、通壓路徑26以及參考壓力源PS整體構成一密閉可控壓力的環境。

一實施例中，該薄膜21可具有至少一質量結構211，其厚度較薄膜21的其他部分為高，此質量結構211較佳宜設置在薄膜21的中心位置附近，其目的為增加薄膜21振動之幅度，使感測的解析度增加。又一實施例中，薄膜21本身完全為導電材料所製作，或包含一層導電材料，以構成下電極。此外，封蓋24可包含至少一止擋塊(Stopper)242，設置在朝向薄膜21這一面的合適位置(例如但不限於對應於質量結構211的位置)，以防止薄膜21與封蓋24間發生黏著(Stiction)現象或防止薄膜21曲度過大。

參照第2D圖，為第2B、2C圖中開口221相關區域的局部頂視圖(第2B、2C圖是第2D圖沿AA剖切線所得之剖面圖)，其顯示在一實施例中，半開放腔體22具有開口221，且在該開口221中設置了複數個阻擋物222，目的在於過濾外來之雜質。圖式中阻擋物222係兩排交錯排列之圓柱，但設置方式與阻擋物的形狀都不限於此，例如設置方式可採單 列、兩列、更多列、或疏密不同之方式排列，且阻擋物的形狀可以為其他任何形狀，彼此間也不必須具有相同的尺寸與形狀，例如第2E圖所示。

在第2B圖實施例中，薄膜21藉由一導電栓結構U連接於導電線路231，以傳遞訊號給導電線路231；上電極241則藉由一電連接線路，以傳遞訊號給導電線路231。參照第3A圖，在另一實施例中，上電極241可藉由另一導電栓結構37將訊號給導電線路231。因上、下電極不宜短路連接至同一電位，因此導電栓結構37與薄膜21中的下電極不宜短路連接，故在下電極與導電栓結構37之間宜設置一電性隔離結構T，此電性隔離結構T可為一空隙或為絕緣材料。

類似於第2D、2E圖，第3B圖顯示開口221相關區域的一實施例之局部頂視圖。雖第3A圖中不能看見開口221，但由前述實施例之說明可知第3A圖中微機電壓力計30應具有開口221，以使外來壓力P可進入半開放腔體22。此外，第3A圖顯示質量結構211、止擋塊242、通壓路徑26及參考壓力源PS等皆並非絕對必須。

參照第4圖，根據另一個觀點，本發明提供一種微機電壓力計之製作方法，其中包含：提供一基板，其中包含至少一導電線路；提供一薄膜，並結合薄膜於電路基板上方以使其間形成一半開放腔體，且將薄膜電連接於導電線路，其中該薄膜至少有一部分構成下電極；提供一封蓋，結合於薄膜上方且與薄膜形成一封閉空間，封蓋具有對應於薄膜之一上電極；以及電連接上電極於導電線路。上述半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使薄膜根據外來壓力而產生形變，以達成壓力感測功能。其中，步驟之先後順序未限制如前述，例如可先將封蓋結合於薄膜上方後，再將薄膜與電路基板結合。當中之一步驟也可拆解為數個步驟，例如半開放腔體之形成，可先形成一封閉腔體(未顯示)，再形成一開口(第2A-2E圖，開口221)以連接封閉腔體與外部之氣壓等。此外，將薄膜電連接於導電線路之步驟，也可與薄膜與基板之結合步驟分開，移到更後面來執行，以上端視需要而定。

參照第5圖，其顯示根據本發明之微機電壓力計之製作方法的另一實施例，其中部分步驟係利用互補式金氧半導體製程所製作，方 法包含：提供一基板，其中包含至少一導電線路；形成一第一絕緣層於基板上；在第一絕緣層中形成第一與部分第二導電栓結構；藉由第一絕緣層將基板與一已製作之薄膜結合、或沉積薄膜後蝕刻第一絕緣層(可利用第一絕緣層中的開口221，在此情況下欲蝕刻的區域應與欲保留的區域採用不同的材料製作，並選擇適當的蝕刻劑)，以形成一半開放腔體，並藉由第一導電栓結構而電連接薄膜中之下電極於導電線路(該薄膜至少有一部分構成下電極)；形成一第二絕緣層於薄膜上；在第二絕緣層中形成部分第二導電栓結構；以及提供一封蓋，藉由第二絕緣層與薄膜結合以形成一封閉空間，封蓋具有對應於下電極之一上電極，此上電極藉由第二導電栓結構而電連接於導電線路。上述半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使薄膜根據外來壓力而產生形變，以達成壓力感測功能。

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。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。本發明的任一實施例或申請專利範圍不須達成本發明所揭露之全部目的或優點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，並非用來限制本發明之權利範圍。

20‧‧‧微機電壓力計

21‧‧‧薄膜

211‧‧‧質量結構

22‧‧‧半開放腔體

221‧‧‧開口

23‧‧‧基板

231‧‧‧導電線路

24‧‧‧封蓋

241‧‧‧上電極

242‧‧‧止擋塊

25‧‧‧封閉空間

26‧‧‧通壓路徑

L1‧‧‧第一絕緣層

L2‧‧‧第二絕緣層

P‧‧‧外來壓力

U‧‧‧導電栓結構

Claims (16)

1. 一種微機電壓力計，包含：一基板，具有至少一導電線路；一薄膜，位於該基板上方，在該薄膜與該基板之間形成一半開放腔體，此半開放腔體具有一開口，以使該薄膜可接受外來壓力而產生形變；以及一封蓋，位於該薄膜上方且與該薄膜形成一封閉空間，該封蓋具有對應於該薄膜而設置之一上電極，且該薄膜至少有一部分構成下電極，該上、下電極形成感應電容以感測該外來壓力；其中，該下電極與該上電極分別電連接於該導電線路，且其中，該半開放腔體及該開口係設置於該基板和該封閉空間之間，以隔離該封閉空間和該基板，使該封閉空間不直接接觸該基板及該導電線路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，其中該封閉空間本身完全封閉，或該微機電壓力計還包含一通壓路徑，且該封閉空間經由該通壓路徑而連通於一參考壓力源。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微機電壓力計，其中該通壓路徑設置於該封蓋中。
4. 如申請專利範圍第2項所述之微機電壓力計，其中該封蓋與該薄膜經由一絕緣層而結合，且該通壓路徑設置於該絕緣層中。
5. 如申請專利範圍第4項所述之微機電壓力計，其中該薄膜與該絕緣層分別為一矽覆絕緣層之矽層與絕緣層。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，其中該薄膜具有至少一質量結構，該質量結構的厚度較薄膜的其他部分為高。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，還包含一導電栓結構，將該下電極電連接於該導電線路。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，其中該上電極藉由一 導電栓結構連接於該導電線路，且該微機電壓力計還包含：位在該下電極與該導電栓結構之間的一電性隔離結構，此電性隔離結構為一空隙或為絕緣材料。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，還包含複數個阻擋物，設置於該半開放腔體之開口處。
10. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，其中該封蓋朝向該薄膜的一面上設置有至少一止擋塊。
11. 如申請專利範圍第1項所述之微機電壓力計，其中該基板包含矽底層基板。
12. 一種微機電壓力計之製作方法，包含：提供一基板，其中包含至少一導電線路；提供一薄膜，並結合該薄膜於該基板上方以使該薄膜和該基板間形成一半開放腔體，其中該薄膜至少有一部分構成下電極；將該薄膜電連接於該導電線路；提供一封蓋，結合於該薄膜上方且與該薄膜形成一封閉空間，該封蓋具有對應於薄膜之一上電極；以及電連接該上電極於該導電線路，其中該半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使該薄膜根據該外來壓力而產生形變，且其中，該半開放腔體及該開口係設置於該基板和該封閉空間之間，以隔離該封閉空間和該基板，使該封閉空間不直接接觸該基板及該導電線路。
13. 如申請專利範圍第12項所述之微機電壓力計之製作方法，其中提供一封蓋，結合於該薄膜上方之步驟包含：將該封蓋與該薄膜經由一絕緣層而結合，且該薄膜與該絕緣層分別為一矽覆絕緣層之矽層與絕緣層。
14. 一種微機電壓力計之製作方法，包含：提供一基板，其中包含至少一導電線路； 形成一第一絕緣層於該基板上；在該第一絕緣層中形成第一與部分第二導電栓結構；藉由第一絕緣層將該基板與一薄膜結合、或沉積該薄膜後蝕刻第一絕緣層，以形成一半開放腔體，其中該薄膜至少有一部分構成下電極；藉由第一導電栓結構而將該下電極電連接於該導電線路；形成一第二絕緣層於薄膜上；在第二絕緣層中形成部分第二導電栓結構；以及提供一封蓋，此封蓋藉由第二絕緣層與薄膜結合以形成一封閉空間，該封蓋具有對應於下電極之一上電極，此上電極藉由該第二導電栓結構而電連接於該導電線路，其中該半開放腔體具有一開口以接受外來壓力，使該薄膜根據該外來壓力而產生形變，且其中，該半開放腔體及該開口係設置於該基板和該封閉空間之間，以隔離該封閉空間和該基板，使該封閉空間不直接接觸該基板及該導電線路。
15. 如申請專利範圍第12或14項所述之微機電壓力計之製作方法，其中該基板包含矽底層基板。
16. 一種垂直整合之微機電壓力計，包含：一基板，具有至少一導電線路；一壓力感應結構，具有一封閉空間，該封閉空間之下方設有一薄膜，此薄膜可接受外來壓力而產生形變，使該壓力感應結構中一電容產生變化；一半開放腔體，用以接受外來壓力，此半開放腔體係設置於該基板和該壓力感應結構之間，以隔離該壓力感應結構和該基板，使該壓力感應結構不直接接觸該基板及該導電線路，其中，該基板、該半開放腔體、及該壓力感應結構係由下而上依序垂直疊置；以及將該電容變化傳遞給該導電線路的電連接結構。