TWI550743B - 微機電系統裝置及形成一微機電系統裝置之方法 - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種微機電系統裝置，特別是有關於一種形成一微機電系統裝置之方法。
在半導體製造中，在半導體晶圓上之微機電系統(MEMS)之形成係使用器具及先前已被發展用於積體電路(IC)工業之技術來建造微小機器。這些MEMS裝置能同時被建造橫跨晶圓之表面。
體積微機械加工是一種製造技術，其是藉由以一矽晶圓開始而建造機械元件，接著蝕刻掉不需要的部分，然後留下有用的機械裝置。MEMS裝置通常是利用體積微機械加工而被形成，其中，微影製程是被利用於MEMS製造之中。在此種體積微機械加工之中，矽晶圓是被圖刻以及隨後被浸入至一蝕刻液之中，以為了要溶解任何暴露的矽。留下的矽或其他材料一般會形成MEMS裝置。
各種壓力感測器、位置感測器以及加速感測器是利用MEMS製造技術而被普遍地成型。此種MEMS裝置提供了眾多優點於傳統之感測器之上，因為他們是典型地較為符合成本效益的、可靠的、相對容易製造的以及在裝置之間通常有非
常好之重複性。
然而，普遍以MEMS裝置所觀察到之一種可靠度問題是黏附或由於表面力之接觸表面的黏著。一般來說，黏附是需要被客服之靜摩擦力，以為了使接觸彼此之靜止物體能夠進行相動運動。當有著面積位於毫米範圍以下之兩表面接近時，例如被證明於MEMS裝置之中，它們會黏在一起，因而限制了MEMS裝置之可靠度。以此規模而言，MEMS裝置之主要失效因素是靜電的或由電荷引起的黏附、及/或Van der Waals力引起的黏附。此種黏附問題呈現了此時以前已是困難去表達之各種問題。
本發明基本上採用如下所詳述之特徵以為了要解決上述之問題。
本發明之一實施例提供一種微機電系統裝置，其包括一基材；一檢驗塊，藉由一支點懸吊於該基材之上，其中，該檢驗塊係繞著該支點旋轉；一第一感測板及一第二感測板，設置於該基材上之該支點之個別的側邊上；複數個金屬凸塊，設置於該基材之上，並且定位鄰近於該檢驗塊之每一個末端，其中，每一個金屬凸塊係從該基材延伸；以及複數個氧化物凸塊，設置於該基材之上，並且定位於該第一感測板及該第二感測板與該支點之間，其中，每一個氧化物凸塊從該基材所延伸之距離係大於每一個金屬凸塊從該基材所延伸之距離。
根據上述之實施例，該檢驗塊係為矩形的，以及該等金屬凸塊係被配置於該基材之一表面上於鄰近該檢驗塊
之個別的角落處。
根據上述之實施例，該等氧化物凸塊具有至少兩個氧化物凸塊，以及該兩個氧化物凸塊係被配置於該基材之一表面上平行於該支點以及位於該支點之每一側邊上。
根據上述之實施例，該等金屬凸塊係抑制關聯於該檢驗塊之Van der Waals力黏附。
根據上述之實施例，該支點係偏離於該檢驗塊之重心。
根據上述之實施例，該第一感測板、該第二感測板及該檢驗塊係形成一電容，以及該電容係以被引起於一方向中之該基材之一加速度改變。
本發明之另一實施例提供一種形成一微機電系統裝置之方法，其包括：提供一基材；形成一金屬層於該基材之上；圖刻該金屬層以形成一對感測板及複數個金屬凸塊，其中，一檢驗塊之一樞軸係被界定於該對感測板之間，每一個金屬凸塊係被定位鄰近於該檢驗塊之一個別的末端，以及每一個金屬凸塊係抑制關聯於該檢驗塊之電荷引起的黏附；形成一氧化物層於該基材之上；以及圖刻該氧化物層以形成聯結於每一個感測板之一氧化物凸塊，其中，每一個氧化物凸塊係被定位於個別的感測板與該樞軸之間，以及藉由在震動負載過程中防止該檢驗塊之該末端接觸該等金屬凸塊，每一個氧化物凸塊係做為一震動吸收器。
根據上述之實施例，形成一微機電系統裝置之方法更包括：形成該檢驗塊於該基材之上，其中，該檢驗塊之一
下表面係藉由關聯於該樞軸之一支點以一第一距離懸吊於該基材之一第一表面之上。
根據上述之實施例，該檢驗塊具有一矩形樑，以及每一個金屬凸塊係聯結於該矩形樑之一個別的角落。
根據上述之實施例，形成該金屬層之步驟包括：沉積一金屬於該基材之上。
根據上述之實施例，每一個氧化物凸塊從該基材所延伸之距離係大於每一個金屬凸塊從該基材所延伸之距離。
為使本發明之上述目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉較佳實施例並配合所附圖式做詳細說明。
10‧‧‧氧化物凸塊設計
12、100‧‧‧MEMS裝置
14、126‧‧‧氧化物凸塊
16、102‧‧‧基材
18、110‧‧‧檢驗塊
20、118‧‧‧感測板
22‧‧‧樞軸
24、120‧‧‧金屬凸塊
26‧‧‧金屬凸塊設計
28‧‧‧金屬刮痕
104‧‧‧第一表面
106‧‧‧半導電基底材料
108‧‧‧額外層
112‧‧‧支點
114‧‧‧下表面
116‧‧‧第一距離
122‧‧‧末端
123‧‧‧角落
124‧‧‧第二距離
128‧‧‧第三距離
132‧‧‧CMOS封裝
134‧‧‧保護蓋
第1A圖係顯示根據一範例之遭受電荷引起之黏附之一MEMS裝置之剖面示意圖；第1B圖係顯示根據另一範例之具有金屬刮傷問題之另一MEMS裝置之剖面示意圖；第2A圖係顯示根據本發明之一方面之一示範的MEMS裝置之平面示意圖；第2B圖係顯示根據另一範例之一MEMS裝置之剖面示意圖；第3圖係顯示根據又一範例之一MEMS裝置之剖面示意圖，其中，電荷引起之黏附是被金屬凸塊所改善；第4圖係顯示根據再一範例之一MEMS裝置之剖面示意圖，其中，震動引起之金屬刮痕是被氧化物凸塊所改善；
第5圖係顯示根據再一範例之另一MEMS裝置之剖面示意圖；以及第6圖係顯示用於形成一MEMS裝置之方法之流程圖。
茲配合圖式說明本發明之較佳實施例。
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。因此，使用的方向用語是用來說明並非用來限制本發明。
在黏附防止設計之中，當一MEMS裝置到達一下面基材之表面時，一氧化物凸塊能被使用去防止黏附。然而，關於在MEMS裝置中之黏附，有兩個主要的失效因素，一個因素是電荷引起的黏附，而另一個因素是Van der Waals力引起的黏附。
降低黏附問題之一種方式包含了藉由利用一氧化物凸塊設計使MEMS裝置與下面基材之間的一接觸面積最小化。如第1A圖所示，用於一MEMS裝置12之一氧化物凸塊設計10提供了成型於一基材16上之複數個小氧化物凸塊14，以為了限制在MEMS裝置之一檢驗塊18與基材之間的接觸。在MEMS裝置12之所欲的操作中，當檢驗塊18繞著一樞軸22轉動時，位於基材16上之感測板20係感測一電容變化。由於氧化物一般不是導電的，故上述之失效因素仍然能以儘利用氧化物凸塊設計10之氧化物凸塊14所被經歷。如上所述，當利用一氧化物凸塊
設計10時，MEMS裝置12之剛性是被限制於某一個範圍以及無法被降低，由於關聯於檢驗塊18與氧化物凸塊14間之接觸的黏附問題。
第1A圖之氧化物凸塊設計10因此會遭受到黏附問題，此黏附問題可能會從充電以及Van der Waals力所引起。然而，當氧化物凸塊設計10受到黏附時，其會通過震動測試，因為氧化物凸塊14在震動負載過程中提供一適當的緩衝於MEMS裝置12。在第1B圖之金屬凸塊設計26之中，黏附問題是被改善，但在震動測試過程中，金屬凸塊24可以引起刮傷問題。
因此，根據本發明，一混合的凸塊設計是被提供，其中，金屬凸塊是被提供靠近MEMS裝置12之邊緣，以為了改善充電引起之黏附以及製程中之黏附，當氧化物凸塊被提供靠近樞軸22時，以為了改善在震動測試過程中的黏附，以及防止上述之刮傷問題。
請參閱第2A圖及第2B圖，一示範的MEMS裝置100是被提供。如第2A圖所示，舉例來說，具有一第一表面104之一基材102是被提供。舉例來說，基材102包括有一半導電基底材料106(例如，矽)，並且可以進一步地包括有成型於其上之一或多個額外層108。舉例來說，一或多個額外層108包括有一內金屬介電(IMD)層，例如，一氧化物、氮化物或其他類似的層。
根據一範例，具有一支點112之一檢驗塊110是被提供，其中，檢驗塊110之一下表面114是經由支點112以一第一距離116懸吊於基材102之第一表面104之上。檢驗塊110因此是繞著支點112旋轉，例如在MEMS裝置100之一加速過程中於
正交第一表面104之一方向中。舉例來說，支點112是進一步地偏離於檢驗塊110之重心。舉例來說，檢驗塊110是由一非導電材料所形成，例如，一氧化物。
舉例來說，一對感測板118是聯結於基材102之第一表面104，其中，此對感測板118一般是被定位於支點112之相對側邊之上。舉例來說，此對感測板118是由一導電金屬所形成，其中，此對感測板118及檢驗塊110形成一電容，其可當基材102之一加速度被引起於一或多個方向中時改變。
根據另一範例，一或多個金屬凸塊120是聯結於每一個感測板118，其中，每一個金屬凸塊120是被定位鄰近於檢驗塊110之一個別的末端122。複數個金屬凸塊120可以是聯結於每一個感測板118，如第2B圖所示，其中，複數個金屬凸塊120是被配置於基材102之第一表面104上於檢驗塊110之個別的角落123處。如第2A圖所示，舉例來說，每一個金屬凸塊120是從基材102之第一表面104延伸一第二距離124，並且每一個金屬凸塊120一般是抑制關聯於檢驗塊110之電荷引起之黏附，如第3圖所示。進一步地，金屬凸塊120一般是抑制關聯於檢驗塊110之Van der Waals力黏附。舉例來說，此一或多個金屬凸塊120是被圖刻及/或用別的方法從一金屬層(未顯示)所成型。
舉例來說，一或多個氧化物凸塊126是進一步地聯結於每一個感測板118，並且是被定位於個別的感測板118與支點112之間。舉例來說，一或多個氧化物凸塊126是從基材102之第一表面104延伸一第三距離128，其中，藉由在震動負載130
過程中防止檢驗塊110之末端122接觸複數個金屬凸塊120，一或多個氧化物凸塊126是做為一震動吸收器，如第4圖所示。舉例來說，複數個氧化物凸塊126可以是聯結於每一個感測板118，其中，複數個氧化物凸塊126是被配置平行於支點112於基材102之第一表面104上。舉例來說，每一個氧化物凸塊126是由一鈍化層(例如，一介電層)所形成，例如，一氧化物或氮化物層。
第5圖係顯示合併上述之MEMS裝置100之一示範的CMOS封裝132。舉例來說，CMOS封裝132包括有金屬凸塊120及氧化物凸塊126，其一般是防止在檢驗塊110與基材102間之黏附，以及改善上述之震動引起之金屬刮傷。CMOS封裝132一般是經由一保護蓋134保護MEMS裝置100，其可由習知技術所揭露。
根據另一實施例，形成一微機電系統裝置之一示範的方法200是被提供於第6圖之中。如第6圖所示，方法200包括提供一基材，例如一矽基材，於步驟202之中。於步驟204之中，一金屬層是成型於基材之上，例如，藉由沉積一金屬於基材之上。於步驟206之中，金屬層是被圖刻以形成一對感測板及複數個金屬凸塊。一檢驗塊之一樞軸，如第2A圖所示，是被界定於該對感測板之間，其中，被成型於第6圖之步驟206中之每一個金屬凸塊是被定位鄰近於檢驗塊之一個別的末端。每一個金屬凸塊一般是抑制關聯於檢驗塊之電荷引起的黏附。
於步驟208之中，舉例來說，一氧化物層是被形成於基材之上。於步驟210之中，氧化物層是被圖刻以形成聯結
於每一個感測板之一氧化物凸塊。舉例來說，每一個氧化物凸塊是被形成及圖刻於步驟208及210之中，以為了從基材延伸之距離大於每一個金屬凸塊從基材延伸之距離。舉例來說，每一個氧化物凸塊是進一步地被定位於個別的感測板與樞軸之間，如第2A圖所示，其中，藉由在震動負載過程中防止檢驗塊之末端接觸金屬凸塊，每一個氧化物凸塊一般是做為一震動吸收器。
隨後的處理能包括形成檢驗塊於基材之上，其中，檢驗塊之一下表面是藉由關聯於樞軸之一支點以一第一距離懸吊於基材之一第一表面之上。舉例來說，檢驗塊可以具有一矩形樑，如第2B圖所示，以及每一個金屬凸塊是聯結於矩形樑之一個別的角落。
如上所述，第2A圖及第2B圖之金屬凸塊120及氧化物凸塊126，舉例來說，能改善關聯於先前裝置(例如，第1A圖及第1B圖之MEMS裝置12)之黏附之先前有害的問題，其中，電荷建立是藉由導電之金屬凸塊120所改善。如第1B圖所示，舉例來說，MEMS裝置12之黏附失效速率是藉由金屬凸塊24所改善；然而，金屬凸塊可以引起金屬刮痕28，當震動測試MEMS裝置時。(震動測試是各種可靠度測試之一種，特別是對於MEMS裝置)。金屬刮痕28傾向於引起兩個關聯之有害問題；一個問題是微粒引起之電氣短路於MEMS裝置12與基材16之間，而另一個問題是由於檢驗塊18之重量改變之一性能轉變，其是由金屬刮痕28所造成。本發明利用金屬凸塊及氧化物凸塊之一混合的方法，例如第2A圖及第2B圖所示，其中，當改善刮傷
問題時，黏附問題是被大幅地減少。
雖然本發明已以較佳實施例揭露於上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧MEMS裝置
102‧‧‧基材
104‧‧‧第一表面
106‧‧‧半導電基底材料
108‧‧‧額外層
110‧‧‧檢驗塊
112‧‧‧支點
114‧‧‧下表面
116‧‧‧第一距離
118‧‧‧感測板
120‧‧‧金屬凸塊
122‧‧‧末端
124‧‧‧第二距離
126‧‧‧氧化物凸塊
128‧‧‧第三距離
Claims (10)
- 一種微機電系統裝置，包括：一基材，具有一第一表面；一檢驗塊，具有一支點，其中，該檢驗塊之一下表面係藉由該支點以一第一距離懸吊於該基材之該第一表面之上，以及該檢驗塊係繞著該支點旋轉；一對感測板，聯結於該基材之該第一表面，並且定位於該支點之兩相對側邊之上；一金屬凸塊，聯結於每一個感測板，並且定位鄰近於該檢驗塊之一個別的末端，其中，每一個金屬凸塊係從該基材之該第一表面延伸一第二距離；以及一氧化物凸塊，聯結於每一個感測板，並且定位於該個別的感測板與該支點之間，其中，每一個氧化物凸塊係從該基材之該第一表面延伸一第三距離，其中，該第三距離係大於該第二距離。
- 一種形成一微機電系統裝置之方法，包括：提供一基材；形成一金屬層於該基材之上；圖刻該金屬層以形成一對感測板及複數個金屬凸塊，其中，一檢驗塊之一樞軸係被界定於該對感測板之間，每一個金屬凸塊係被定位鄰近於該檢驗塊之一個別的末端，以及每一個金屬凸塊係抑制關聯於該檢驗塊之電荷引起的黏附；形成一氧化物層於該基材之上；以及圖刻該氧化物層以形成聯結於每一個感測板之一氧化物凸 塊，其中，每一個氧化物凸塊係被定位於個別的感測板與該樞軸之間，以及藉由在震動負載過程中防止該檢驗塊之該末端接觸該等金屬凸塊，每一個氧化物凸塊係做為一震動吸收器。
- 如申請專利範圍第2項所述之形成一微機電系統裝置之方法，更包括：形成該檢驗塊於該基材之上，其中，該檢驗塊之一下表面係藉由關聯於該樞軸之一支點以一第一距離懸吊於該基材之一第一表面之上。
- 如申請專利範圍第2項所述之形成一微機電系統裝置之方法，其中，形成該金屬層之步驟包括：沉積一金屬於該基材之上。
- 如申請專利範圍第2項所述之形成一微機電系統裝置之方法，其中，每一個氧化物凸塊從該基材所延伸之距離係大於每一個金屬凸塊從該基材所延伸之距離。
- 一種微機電系統裝置，包括：一基材；一檢驗塊，藉由一支點懸吊於該基材之上，其中，該檢驗塊係繞著該支點旋轉；一第一感測板及一第二感測板，設置於該基材上之該支點之個別的側邊上；複數個金屬凸塊，設置於該基材之上，並且定位鄰近於該檢驗塊之每一個末端，其中，每一個金屬凸塊係從該基材延伸；以及 複數個氧化物凸塊，設置於該基材之上，並且定位於該第一感測板及該第二感測板與該支點之間，其中，每一個氧化物凸塊從該基材所延伸之距離係大於每一個金屬凸塊從該基材所延伸之距離。
- 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統裝置，其中，該檢驗塊係為矩形的，以及該等金屬凸塊係被配置於該基材之一表面上於鄰近該檢驗塊之個別的角落處。
- 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統裝置，其中，該等金屬凸塊係抑制關聯於該檢驗塊之Van der Waals力黏附。
- 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統裝置，其中，該支點係偏離於該檢驗塊之重心。
- 如申請專利範圍第6項所述之微機電系統裝置，其中，該第一感測板、該第二感測板及該檢驗塊係形成一電容，以及該電容係以被引起於一方向中之該基材之一加速度改變。
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