TWI648216B

TWI648216B - 微機械構件用的電極裝置

Info

Publication number: TWI648216B
Application number: TW103138290A
Authority: TW
Inventors: 約翰尼斯克拉森
Original assignee: 羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2013-11-07
Filing date: 2014-11-05
Publication date: 2019-01-21
Also published as: CN104627946B; DE102013222676A1; CN104627946A; US20150123219A1; TW201527204A; KR20150053236A; KR102214248B1; DE102013222676B4

Abstract

一種微機械構件(100)用的電極裝置，具有：至少一個包含構建於其中的電極(11，11'，12)的第一功能層(10 EP)；至少一個第二功能層(20 VP)；及至少一個第三功能層(30 FP)，其中，該第三功能層(30)可用作電導電通路，其中，該第三功能層(30)至少局部由氧化物材料(40)完全曝露出來。

Description

微機械構件用的電極裝置

本發明係有關於一種微機械構件用的電極裝置。本發明亦有關於一種製造微機械構件用的電極裝置的方法。

以不同方式應用於汽車及消費領域中之用於測量加速度及轉速的微機械慣性感測器已為吾人所知。此類感測器包括表面微機械層，其厚度通常為約10μm至約30μm。佈置於此表面微機械層下之較薄的導電通路平面用於對可動結構進行柔性佈線及接觸，該導電通路平面之厚度通常為約200nm至約1000nm。

此二功能層透過氧化物材料相互隔離，其中，藉由此氧化物材料之曝露而產生若干接觸孔，其確保此等功能層中的一個與另一個的機械及電氣連接。

DE 10 2012 200 740 A1公開過一種微機械構件及一種製造微機械構件之方法。所公開的是防止功能層的窄型導電通路在另一功能層的閉合層下方發生基蝕的方案。

DE 10 2009 045 391 A1公開過一種微機械結構及一種製造微機械機構的方法。其揭示一微機械功能層，以便實現電極支架，在該電極支架上佈置有另一功能層的各靜止電極，其中，該電極支架部分地在另一功能層的另一電極腔下方延伸並將其橋接。從而達到良好地將包裝應力與所產生之基板變形隔絕的效果。

本發明之目的在於提供一種有所改進的微機械構件用的電極裝置。

根據第一態樣，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種微機械構件用的電極裝置，其具有：- 至少一個包含構建於其中的電極的第一功能層；- 至少一個第二功能層；及- 至少一個第三功能層，其中，該第三功能層可用作電導電通路，其特徵在於，該第三功能層至少局部地由氧化物材料完全曝露出來。

根據本發明，提供形式為第三功能層的附加配線平面。由於將該第三功能層構建得相對牢固或較厚，較佳可以至少局部地將其由氧化物材料完全曝露出來。如此便能將該構建為導電通路平面的第三功能層的寄生電容減小至最低程度。此外，該第三功能層之導電通路平面的較大厚度，以及與此相關聯的高機械穩定性使得該電極裝置之整體配線就面積而言較為緊密，因為可以將該等導電通路實施為相對較窄。

根據另一樣態，本發明用以達成上述目的之解決方案為一種製造微機械構件用的電極裝置的方法，其具有以下步驟：- 提供第一功能層；- 在該第一功能層內構建若干電極；- 提供第二功能層；及- 提供第三功能層，其中，以某種方式構建該第三功能層之厚度，使得該第三功能層可用作電導電通路；及- 至少局部地將該第三功能層由氧化物材料完全曝露出來。

本發明之電極裝置及本發明之方法的較佳實施方式參閱附屬項。

根據本發明之電極裝置的一種較佳實施方式，該第三功能層之厚度至少約為該第二功能層之厚度的四倍。基於該第三功能層的特定設計方案，用作電導電通路的此第三功能層具有足夠的承載能力，可被完全基蝕，並具有有利的機械特性。

根據本發明之電極裝置的另一較佳實施方式，該第三功能層大體佈置於該第一與該第二功能層之間。此點有助於提高用於該微機械構件的導電通路結構的設計自由度及靈活度。

根據本發明之電極裝置的另一較佳實施方式，該第二功能層的至少一個導電通路與該第三功能層的至少一個導電通路係為交叉式佈置，其中，該交叉部佈置於該第一功能層下方。藉此較佳地在該第一功能層之可動結構下方佈置有該第二與第三功能層的交叉部，從而實現該構件的緊密結構。

根據本發明之電極裝置的另一較佳實施方式，該第三功能層之寬度至少局部有所不同。如此便能有利地確定在蝕刻過程中是否保留氧化物材料。還能藉此以相互錯移之方式佈置該第三功能層之結構，從而就結果而言減少配線面積。舉例而言，此點對在若干電極上對多個不同電位進行導引的轉速感測器有利，因為如此便能以靈活之方式解決配線問題。就結果而言，此點意味著更多的配線選項及更高的設計自由度。此外，該第三功能層之導電通路平面的較小面積有助於減小非期望的寄生電容。藉此可有利地提高用該微機械構件產生的信號的信號品質。

根據本發明之電極裝置的一種有益改進方案，佈置於該等功能層間之氧化物材料係為可透過蝕刻過程構造化。特定言之，為此可採用均勻作用於所有氧化物層的氣相蝕刻。

根據本發明之電極裝置的另一較佳實施方式，該第三功能層具有若干以供蝕刻介質進入的孔洞。如此便能有利地支持以下方案：於短時間內將佈置於該等功能層間或佈置於其下之所有氧化物材料完全清除。

本發明之電極裝置的另一較佳實施方式的特徵在於，氧化物材料僅在構建有與該等功能層其中之一的導通觸點的位置上被構造化。如此便能以便利的方式實現功能層間的接觸。

根據本發明之電極裝置的另一較佳實施方式，該第二功能層可以機械及/或電方式與該第三功能層相連。如此便能對該等功能層在該微機械構件內的各種應用提供協助。

下文將結合多個附圖對本發明之特徵及優點作進一步說明。凡在說明中述及或在附圖中示出之單項特徵或特徵組合，不論申請專利範圍對其如何歸總或如何回溯引用，亦不論說明書對其如何表述，附圖如何示之，皆屬發明項目。相同或功能相同的元件用同一元件符號表示。

1‧‧‧基板

10‧‧‧第一功能層

11‧‧‧第一靜止電極

11'‧‧‧第二靜止電極

12‧‧‧可動電極

13‧‧‧框架結構

14‧‧‧接觸孔

15‧‧‧柔性彈簧

20‧‧‧第二功能層

21‧‧‧接觸孔

30‧‧‧第三功能層

31‧‧‧接觸孔

32‧‧‧蝕孔

33‧‧‧交叉部

40‧‧‧氧化物材料

100‧‧‧微機械構件

S1‧‧‧步驟1

S2‧‧‧步驟2

S3‧‧‧步驟3

S4‧‧‧步驟4

S5‧‧‧步驟5

圖1為慣性感測器之傳統電極裝置的俯視圖；圖2為圖1之傳統電極裝置的採用另一細節層次的俯視圖；圖3為圖2之剖面A-B的示意圖；圖4為圖2之剖面C-D的示意圖；圖5為本發明之電極裝置的一種實施方式的俯視圖；圖6為圖5之電極裝置的採用另一細節層次的俯視圖；圖7為圖5之電極裝置的採用另一細節層次的俯視圖；圖8為圖7之剖面A-B的示意圖；圖9為圖7之剖面A'-B'的示意圖；圖10為圖7之剖面C-D的示意圖；圖11為本發明之方法的一種實施方式的基本流程圖。

圖1為微機械橫向加速度感測器100的俯視原理圖，該感測器能夠對平行於該基板平面的物理加速度進行測量。作為框架結構13佈置的包含可動電極12之感震質量塊在加速情形下發生偏移，其中，透過改變可動電極12與第一靜止電極11及第二靜止電極11'之間隙來對幾何偏移進行測量。靜止電極11、11'透過若干接觸孔連接至第二微機械功能層20。

藉由移除第一功能層10與第二功能層20間之犧牲氧化物或氧化物材料40(未於圖1中繪示)來將第一微機械功能層的MEMS結構曝露出來。其中，通常使用氣態的HF來對氧化物材料40進行蝕刻。此過程為定時控制式，亦即，其持續時間越長，自身不受HF侵蝕之功能層10、20的矽結構的基蝕範圍便越廣。除對可動結構下方之氧化物材料40進行期望之移除外，在矽結構本該保持與基板1固定連接的位置上，特別是在第二功能層20之邊緣上，亦會以此種方式發生對氧化物材料40的非期望蝕刻。

圖2以另一細節層次示出圖1所示加速度感測器100之電極裝置之同一俯視圖。圖中亦可看出：上述之氣相蝕刻結束後位於第二功能層20下方之剩餘的氧化物材料40，以及在第一功能層10之可動結構之機械懸掛裝置下方的位於第一功能層10與第三功能層30之間之氧化物材料40。

因此，此傳統裝置之缺點在於用作導電通路之第二功能層20所需空間較多。為可靠防止該第二功能層被完全基蝕，第二功能層20之寬度通常必須實施為至少約30μm至約40μm。視具體情形，被完全基蝕的導電通路可能在較小長度範圍內顯著隆起並傾向於發生彎曲(英語：buckling)，此外，在移動的物理質量塊在發生碰撞時以較高機械負荷撞擊該導電通路的情況下，該導電通路極其易碎。

由於寬度較大，第二功能層20之導電通路具有相對基板1 的較大寄生電容，其可能會對微機械感測器之信噪比、線性、建立時間或耗電量造成巨大的負面影響，進而造成感測器信號失真。上述傳統工藝之另一缺點在於，導電通路之電橋或交叉部所需空間較多。亦即，由於在傳統方案中僅提供兩個形式為第一功能層10及第二功能層20的導通層，總是需要將橋實施於第一功能層10中，因而必須將其佈置於側面，並以佔用較多空間之方式佈置在可動結構旁。

圖1及2在上方區域內示出第一功能層10之對應橋，該第一功能層與位於其下方的第二功能層20之導電通路交叉。

圖3及4係為沿圖2的剖面線A-B(圖3)或C-D(圖4)的示意圖或橫截面圖，以便更好地理解傳統工藝。

從圖3可以看出佈置於基板1上之傳統結構，其包含氧化物材料40、第二功能層20、第一功能層10中之微機械可動結構。設有接觸孔14，其用於將第一功能層10之電極11懸掛在第二功能層20上。可以看出，用作導電通路的第二功能層20在邊緣區域內部分地發生劇烈基蝕，進而造成導電通路在其邊緣處部分曝露或突出。此點可能造成導電通路機械不穩定。

如圖4所示，在第一功能層10之構建為彈性區域、框架區域或電極區域的右側區域的下方，第二功能層20之導電通路之下方基本完全設有氧化物材料40。此點造成較高的寄生電容值，並可能導致上述對信號品質的不利效應。

現有技術中公開過以下方案：為減輕寄生效應，源自晶片外圍之導電通路部分地構建在第一功能層10中，而不是第二功能層20中。此方案儘管能減小寄生效應，但會不利地增大空間需求，因為此時不僅電橋，輸送導電通路也必須位於第一功能層10之可動結構旁。

此外例如如圖1及圖2所示，此方法不適於對位於感測器之閉合框架質量塊內的各靜止電極進行接觸。為此，總是需要位於第一功能層10之平面的下方或視情況位於其上方的附加配線面。根據現有技術，在可動感測器芯體之區域內相應地亦採用第二功能層20之附加配線面。

根據本發明，使用第三微機械功能層30來減小寄生電容，以及提供針對表面微機械構件的緊密佈局或設計方案。其中，該等微機械構件可以構建為微機械感測器，例如形式為轉速感測器或加速度感測器的慣性感測器。

圖5為本發明之電極裝置的一種實施方式的俯視原理圖。該連同懸掛裝置在內的可動感測器結構及第一功能層中之若干固定電極與圖1及2所示裝置相同。區別在於電配線之理念。

根據本發明，提供另一功能層30(如圖5中以輪廓所示)，其比第二功能層20更牢固或更厚。特定言之，藉由第三功能層30提供配線功能，其中，較佳透過該二功能層20、30來實現整體配線。所有功能層10、20、30皆較佳由多晶矽構成，其中，採用不同的沈積法來將功能層10、20、30構建為不同厚度。

圖中示出了位於第二功能層20與第三功能層30間的接觸孔21，及位於第一功能層10與第三功能層30間的接觸孔31。在此，該等導電通路針對電極11、11'的輸送同樣於右側自下而上地透過第二功能層20之若干通路進行，但在此情形下，該等通路明顯比圖1及2所示裝置中的更窄。實現較小寬度的方式為：透過第三功能層30之位於上方的平面來基本上防止該寬度在氣相蝕刻中被基蝕，蝕孔32較佳構建為第三功能層30中之窄縫，以便實現對第三功能層30之導電通路的針對性基蝕。

與第二功能層20相比，第三功能層30之層厚顯著增大，例如約為第二功能層20的四倍，因此，第三功能層30之導電通路亦在大得多的區間內被完全基蝕。就結果而言，此點意味著第三功能層30之導電通路大體不會隆起，因而具機械穩定性。因此，該第三功能層之導電通路可以比第二功能層20之傳統導電通路窄得多，並且由於下方至少局部未設氧化物材料40，受寄生電容影響之程度比第二功能層20之傳統導電通路小得多。因此，儘管寬度較小，整體配線之電阻並未根本性增大，因為可以藉由第三功能層30之導電通路之較大厚度將橫截面及電阻保持在基本不變之水平。

在圖5的上方區域中，第二功能層20之導電通路對第三功能層30之平面進行接觸，在此區域內亦實現第二功能層20之導電通路與第三功能層30之導電通路的交叉。較佳地，以與圖1及2所示裝置之傳統橋結構不同的方式，可以將此區域再次用於第一功能層10之有益結構。

因此，第一功能層10之柔性彈簧15部分地位於第二功能層20及第三功能層30中之橋的上方。在圖5所示裝置中，該等位於感測器芯體區域內的固定電極由第三功能層30之導電通路承載。出於上述原因，這些固定電極可窄得多，例如為約5μm至約20μm。此外，為減小寄生電容，允許透過第三功能層30中之較窄之蝕孔或附加縫隙32進行針對性的基蝕。

但被完全基蝕的導電通路區域不可為任意大小，而是大體與第三功能層30之厚度以及與第一功能層10之固定於其上的結構的質量有關。即便在該區域內第三功能層30之層厚相對較小，約為2μm的情況下，也能實現長度為100μm及以上的被完全基蝕區域。

在導電通路長度較大之情形下，出於穩定性原因，應針對第三功能層30之導電通路佈置若干由氧化物材料40構成之中間支承件。因而在圖5所示裝置中，在各中心靜止電極的區域內，第三功能層30之導電通路寬度皆有所增大，以便藉此局部防止完全的基蝕，以及藉由氧化物材料40確保第三功能層30與基板1的連接。透過此可選的局部連接便可有利地大幅提高該導電通路結構之剛度。當然，在較大的感測器結構中，也可例如定距地佈置多個連接點。而在感測器結構較小，以及/或者第三功能層30較厚時，某些情形下完全不需要此種連接。

第三功能層30係為局部被完全基蝕，因此，該等導電通路可實現較小的寬度及面積，此方案又有助於根據電容器公式減小寄生電容。如此便能顯著改進由該感測器結構之電極獲取的電信號的品質或信噪比。

由於與第三功能層30之相鄰結構的間隙較窄，圖5中僅以輪廓示出第三功能層30之自有導電通路，因此，圖6以加陰影突出顯示的方式，在俯視圖中更清晰地示出第三功能層30之二導電通路，該二導電通路承載有第一功能層10之靜止電極。

作為對圖5之補充，圖7以本發明之電極裝置之俯視圖的形式示出位於第三功能層30之平面下方且位於第二功能層20之平面上方的氧化物材料40，其用於構建用於將第三功能層30之導電通路機械固設的錨定點。圖中示出了在感測器芯體區域內位於第三功能層30之導電通路間的被完全基蝕的區域，以及在感測器結構之中心及在柔性彈簧15之上方及下方未被基蝕之區域。

圖8至10基於過程模擬示出圖7的示意圖或橫截面，以便更好地理解圖5至圖7所示俯視圖。該等圖中明確示出佈置於三個層中的氧化物材料40的蝕刻狀態，以及功能層10、20、30之相鄰矽平面間的接觸孔。

圖8為沿圖7之剖面線A-B的示意圖。該圖中明確示出在該等中間支承件之區域內透過第三功能層30實現的較寬導電通路區段，該等導電通路區段僅被局部基蝕。

圖9示出沿圖7之剖面線A'-B'的橫截面。在此區段內，透過第三功能層30實現的導電通路以較窄之方式實施，因而被完全基蝕。

圖10為沿圖7之剖面線C-D的橫截面圖。可以看出，第三功能層30之導電通路的位於中心電極結構下方的區域大體無氧化物材料40，因而所產生的導電通路之寄生電容較小。同樣可看出的是：左側附圖區域內所示的第三功能層30與第二功能層20之電接觸，以及第三功能層30在第二功能層20上方的絕緣交叉部33。由於存在各種將第二功能層20與第三功能層30接觸或交叉之方案，較佳在導電通路導引方面，特別是在第一功能層10之可動MEMS結構的下方支持較高的設計自由度。

圖11為本發明之方法的一種實施方式的基本流程圖。

第一步驟S1係提供第一功能層10。

第二步驟S2係在第一功能層10內構建若干電極。

第三步驟S3係提供第二功能層20。

第四步驟S4係提供第四功能層30，其中，以某種方式構建第三功能層30之厚度，使得第三功能層30可用作電導電通路。

最後，在第五步驟S5中，將第三功能層30至少局部地由氧化物材料40完全曝露出來。

為簡單起見，本發明之電極裝置之上述實施例係針對加速度感測器100，即便如此，本發明當然也可用於任一藉由可動微機械MEMS結構採集測量信號的微機械構件(例如諧振器、轉速感測器、壓力感測器等)。

總體言之，本發明針對微機械構件之電極裝置提出一種裝置及一種方法。根據本發明，將一第三功能層用於配線，該第三功能層之厚度使得其可至少局部被完全基蝕，以及可由氧化物材料曝露出來。

如此便能在該構件結構內實現牢固、多樣化、靈活且節省空間之電配線。此外，可基於該第三功能層之厚度，將實現於該第三功能層中之導電通路構建為窄且牢固，以便發生完全基蝕，此點有助於實現低寄生之配線設計方案。就結果而言，可藉此實現緊密、低寄生的微機械構件用的電極裝置。

較佳透過本發明之電極裝置提供較高設計自由度，其中，可在該感測器結構內對多個具有不同電位之導電通路平面進行可變的導引或佈置。此點係藉由以下方式實現：以某種方式將該第二及第三功能層之導電通路以相互空間偏移的方式佈置，以便最佳地利用該感測器結構之空間資源。較佳地，根據本發明之電極裝置的一種變體，也可以在微機械構件內近似於堆垛地多次設置所示出的由第一、第二及第三功能層10、20、30構成的層裝置(未示出)。

相關領域通常知識者可在不偏離本發明之核心的情況下，對上述特徵進行適宜的改動或將其相互組合。

Claims

一種微機械構件(100)用的電極裝置，具有：至少一個包含構建於其中的電極(11，11'，12)的第一功能層(10)；至少一個第二功能層(20)；及至少一個第三功能層(30)，其中，該第三功能層(30)可用作電導電通路，該第三功能層(30)至少局部由氧化物材料(40)完全曝露出來，其中，該第三功能層(30)之厚度至少約為該第二功能層(20)之厚度的四倍。
如申請專利範圍第1或2項之電極裝置，其中，該第三功能層(30)大體佈置於該第一與該第二功能層之間。
如申請專利範圍第2項之電極裝置，其中，該第二功能層(20)的至少一個導電通路與該第三功能層(30)的至少一個導電通路係為交叉式佈置，其中，該交叉部佈置於該第一功能層(10)下方。
如申請專利範圍第1或2項之電極裝置，其中，該第三功能層(30)之寬度至少局部有所不同。
如申請專利範圍第1或2項之電極裝置，其中，佈置於該等功能層(10，20，30)間之氧化物材料係為可透過蝕刻過程構造化。
如申請專利範圍第5項之電極裝置，其中，該第三功能層(30)具有若干以供蝕刻介質進入的孔洞(32)。
如申請專利範圍第5項之電極裝置，其中，氧化物材料(40)僅在構建有與該等功能層(10，20，30)其中之一的導通觸點的位置上被構造化。
如申請專利範圍第1或2項之電極裝置，其中，該第二功能層(20)可以機械及/或電方式與該第三功能層(30)相連。
一種微機械構件(100)，包含如申請專利範圍第1至8項中任一項之電極裝置。
一種製造微機械構件(100)用的電極裝置的方法，至少一個包含構建於其中的電極(11，11'，12)的第一功能層(10)；至少一個第二功能層(20)；及至少一個第三功能層(30)，該電極裝置具有，該第三功能層(30)之厚度至少約為該第二功能層(20)之厚度的四倍，此方法包括以下步驟：提供第一功能層(10)；在該第一功能層(10)內構建若干電極；提供第二功能層(20)；及提供第三功能層(30)，其中，以某種方式構建該第三功能層(30)之厚度，使得該第三功能層(30)可用作電導電通路；及至少局部地將該第三功能層(30)由氧化物材料(40)完全曝露出來。
如申請專利範圍第1至10項中任一項之電極裝置在微機械構件(100)中的應用。