TWI845031B - 微機電裝置 - Google Patents
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Abstract
一種微機電(MEMS)裝置，包含具有空腔的基底，以及設置在空腔上且附著於基底的微機電結構。微機電結構包含複數個懸臂部分，其中每個懸臂部分包含自由端和錨端。此外，微機電裝置還包含設置在微機電結構上方的膜片，且膜片包含複數個突出部，分別連接到懸臂部分的自由端。另外，微機電裝置還包含位於微機電結構和膜片之間的間隙，此間隙圍繞這些突出部。
Description
本揭露係關於微機電(Micro Electro Mechanical System,MEMS)裝置的技術領域，特別是關於包含垂直接合於微機電結構的膜片之微機電裝置。
微機電(MEMS)裝置是利用習知的半導體製程，例如沉積或選擇性地蝕刻材料層來製造的微型元件。此微型元件包含電子和機械功能，且基於一些效應而操作，例如電磁、電致伸縮(electrostrictive)、熱電(thermoelectric)、壓電(piezoelectric)或壓阻(piezoresistive)等效應。因此，MEMS裝置常被應用於微電子產品，例如加速器(accelerometer)、陀螺儀(gyroscope)、聲波感測器(acoustic sensor)等。
習知的壓電式MEMS感測器在大多數應用中會使用隔膜，隔膜具有懸臂結構，其可以在聲壓下彎曲或振動，懸臂結構的彎曲或振動會在隔膜中產生應力，從而產生相應的電信號。然而，懸臂結構產生的應力分佈通常會不均勻，其大幅地影響了壓電式MEMS感測器的效能，例如造成壓電式MEMS感測器的靈敏度較低。因此，業界亟需能夠提高MEMS感測器的靈敏度之技術。
有鑑於此，本揭露的一些實施例提供能夠提高靈敏度的微機電裝置，
此微機電裝置包含垂直接合於微機電結構的膜片，以增加感測面積，從而提高了微機電裝置的靈敏度。
根據本揭露的一實施例，提供了一種微機電裝置，包括基底、微機電結構、膜片、以及位於微機電結構和膜片之間的間隙。基底具有空腔，微機電結構設置在空腔上且附著於基底。微機電結構包括複數個懸臂部分，且這些懸臂部分中的每個懸臂部分包括自由端和錨端。膜片設置在微機電結構上，且包括複數個突出部，其分別連接到這些懸臂部分的自由端。此外，間隙圍繞這些突出部。
為了讓本揭露之特徵明顯易懂，下文特舉出實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下。
100:MEMS裝置
101:基底
101F:正面
101B:背面
101P:基底的一部分
102:空腔
102B:底面
102C:共用空腔
102S:子空腔
102W:側壁
103:犧牲層
103E、103P、103W:犧牲層的一部分
104:開口
105:犧牲層
107:保護層
110:MEMS結構
111:晶種層
113、115:感測材料層
117:鈍化層
120:截斷部
121:第一電極層
123:第二電極層
125:第三電極層
127、129:接觸墊
130:懸臂部分
140:膜片
141:懸置部分
142:突出部
144:抗黏附阻擋部件
150:間隙
A:錨端
F:自由端
L1、L2、L3、L4、L5、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13、L14、L15、L16、L17、L18、L19、L20:距離
S101、S103、S105:步驟
I-I、II-II:剖面切線
為了使下文更容易被理解，在閱讀本揭露時可同時參考圖式及其詳細文字說明。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本揭露之具體實施例，並用以闡述本揭露之具體實施例之作用原理。此外，為了清楚起見，圖式中的各特徵可能未按照實際的比例繪製，因此某些圖式中的部分特徵的尺寸可能被刻意放大或縮小。
第1圖是根據本揭露一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置的剖面示意圖。
第2圖是根據本揭露另一實施例所繪示的MEMS裝置的剖面示意圖。
第3圖是根據本揭露又另一實施例所繪示的MEMS裝置的剖面示意圖。
第4圖是根據本揭露再另一實施例所繪示的MEMS裝置的剖面示意圖。
第5圖是根據本揭露一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構、基底和膜片的俯視示意圖。
第6圖是根據本揭露另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構、基底和膜片的俯視示意圖。
第7圖是根據本揭露又另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構、基底和膜片的俯視示意圖。
第8圖是根據本揭露再另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構、基底和膜片的俯視示意圖。
第9圖和第10圖是根據本揭露一實施例所繪示MEMS裝置的製造方法之一些階段的剖面示意圖。
本揭露提供了數個不同的實施例，可用於實現本揭露的不同特徵。為簡化說明起見，本揭露也同時描述了特定構件與佈置的範例。提供這些實施例的目的僅在於示意，而非予以任何限制。舉例而言，下文中針對「第一特徵形成在第二特徵上或上方」的敘述，其可以是指「第一特徵與第二特徵直接接觸」，也可以是指「第一特徵與第二特徵間另存在有其他特徵」，致使第一特徵與第二特徵並不直接接觸。此外，本揭露中的各種實施例可能使用重複的參考符號和/或文字註記。使用這些重複的參考符號與註記是為了使敘述更簡潔和明確，而非用以指示不同的實施例及/或配置之間的關聯性。
另外，針對本揭露中所提及的空間相關的敘述詞彙，例如：「在...之下」，「低」，「下」，「上方」，「之上」，「上」，「頂」，「底」和類似詞彙時，為便於敘述，其用法均在於描述圖式中一個元件或特徵與另一個(或多個)元件或特徵的相對關係。除了圖式中所顯示的擺向外，這些空間相關詞彙也用來描述半導體裝置在使用中以及操作時的可能擺向。隨著半導體裝置的擺向的不同(旋轉90度或其它方位)，用以描述其擺向的空間相關敘述亦應透過類似的方式予以
解釋。
雖然本揭露使用第一、第二、第三等等用詞，以敘述種種元件、部件、區域、層、及/或區塊，但應了解此等元件、部件、區域、層、及/或區塊不應被此等用詞所限制。此等用詞僅是用以區分某一元件、部件、區域、層、及/或區塊與另一個元件、部件、區域、層、及/或區塊，其本身並不意含及代表該元件有任何之前的序數，也不代表某一元件與另一元件的排列順序、或是製造方法上的順序。因此，在不背離本揭露之具體實施例之範疇下，下列所討論之第一元件、部件、區域、層、或區塊亦可以第二元件、部件、區域、層、或區塊之詞稱之。
本揭露中所提及的「約」或「實質上」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數量為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」或「實質上」的情況下，仍可隱含「約」或「實質上」之含義。
本揭露中所提及的「耦接」、「耦合」、「電連接」一詞包含任何直接及間接的電氣連接手段。舉例而言，若文中描述第一部件耦接於第二部件，則代表第一部件可直接電氣連接於第二部件，或透過其他裝置或連接手段間接地電氣連接至該第二部件。
雖然下文係藉由具體實施例以描述本揭露的發明，然而本揭露的發明原理亦可應用至其他的實施例。此外，為了不致使本發明之精神晦澀難懂，特定的細節會被予以省略，該些被省略的細節係屬於所屬技術領域中具有通常知識者的知識範圍。
本揭露係關於包含垂直接合於微機電(MEMS)結構的膜片之微機電(MEMS)裝置，MEMS結構包含多個懸臂部分，每個懸臂部分包含自由端和錨端。
在MEMS裝置的操作期間，懸臂部分的自由端可能會彎曲和振動，進而在懸臂部分中產生應力，且應力主要集中在懸臂部分的錨端。本揭露之一些實施例的膜片可以提供較大的感測面積來感測環境信號，例如壓力、速度、氣體、分子等，且膜片與懸臂部分的自由端連接，以進一步增加感測面積，藉此可提高電信號的輸出，從而提高MEMS裝置的靈敏度。
此外，本揭露之一些實施例的膜片係與MEMS結構的懸臂部分垂直整合，因此可在不擴大MEMS裝置尺寸的情況下，增加感測面積。另外，對於MEMS結構而言，在相同感測面積的情況下，可以藉由增加懸臂部分的數量，且減小懸臂部分的尺寸，以進一步增加電信號的輸出，而不需要擴大MEMS結構的尺寸。本揭露之一些實施例的MEMS結構適用於壓電式和壓阻式感測器兩者，且MEMS裝置適用於壓力感測器、麥克風、能量攫取器、加速器等。
第1圖是根據本揭露一實施例所繪示的微機電(MEMS)裝置100的剖面示意圖，如第1圖所示，MEMS裝置100包含具有空腔102的基底101，基底101可以是半導體基底，例如矽(Si)晶圓或其他合適的半導體晶圓。在一些實施例中，空腔102可以穿透基底101。在其他實施例中，空腔102可以不穿透基底101，且從基底101的正面101F延伸到基底101中的一高度位置，其中正面101F係相鄰於MEMS結構110。MEMS結構110包含穿透MEMS結構110，且位於在空腔102上的截斷部120，以形成多個懸臂部分130。在一些實施例中，每個懸臂部分130可以是多邊形的懸臂式隔膜，例如為三角形、矩形、指叉形等。在另一些實施例中，每個懸臂部分130可具有彎曲的邊緣，例如為圓形、橢圓形等。在一些實施例中，多個懸臂部分130可為幾種形狀的組合。此外，多個懸臂部分130可排列成陣列形式。
此外，MEMS裝置100還包含設置在基底101和MEMS結構110之間的犧牲層103，犧牲層103具有開口104，其連接至截斷部120和空腔102，在X軸方向上，開口104的寬度可大於空腔102的寬度。於一些實施例中，犧牲層103的材料
例如是氧化矽(SiO2)或其他合適的介電材料。MEMS結構110附著於犧牲層103和基底101，MEMS結構110的每個懸臂部分130包含自由端F和錨端A，其中錨端A附著於犧牲層103和基底101，自由端F則與MEMS結構110的截斷部120相鄰。
於一實施例中，MEMS結構110包含第一電極層121、第二電極層123、第三電極層125、設置在第一電極層121和第二電極層123之間的感測材料層113、以及設置在第二電極層123和第三電極層125之間的另一感測材料層115。於另一實施例中，MEMS結構110包含第一電極層121、第二電極層123、以及設置在第一電極層121和第二電極層123之間的感測材料層113。在其他實施例中，MEMS結構110可包含三個以上的電極層和兩個以上的感測材料層，其中每個感測材料層會被夾在兩個電極層之間。
在一些實施例中，第一電極層121、第二電極層123、第三電極層125和其他電極層的材料可以是鉬(Mo)、鋁(Al)、鉑(Pt)、釕(Ru)、鈦(Ti)、其他合適的導電材料或前述之組合。在本揭露的一些實施例中，感測材料層113和115以及其他感測材料層可以是壓電材料、壓阻材料或其他合適的感測材料，其中壓電材料例如是氮化鋁(AlN)、摻雜鈧的AlN(ScAlN)、氧化鋅(ZnO)、鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate,PZT)、氮化鎵(GaN)等，壓阻材料可以是摻雜的矽(例如p型Si)、碳化矽(SiC)等。
如第1圖所示，於一實施例中，MEMS結構110還包含設置在第一電極層121底面上的晶種層111，以及設置在第三電極層125頂面上的鈍化層117，且截斷部120也會穿透鈍化層117和晶種層111。在一些實施例中，晶種層111和鈍化層117的材料可以是AlN、SiO2或氮氧化矽(SiON)，但不限於此。MEMS結構110還包含接觸墊127，其穿過鈍化層117，設置在第三電極層125上，且經由導通孔(via)電耦接到第一電極層121。MEMS結構110還包含另一接觸墊129，其穿過鈍化層117，設置在第三電極層125上，且經由另一導通孔電耦接到第二電極層123，使
得在感測材料層113和115產生的電信號可以通過電極層121、123和125以及接觸墊127和129傳輸到外部電路。於一些實施例中，接觸墊127和129的材料可以是鋁銅合金(AlCu)或其他合適的導電材料。
根據本揭露的一些實施例，MEMS裝置100還包含垂直接合於MEMS結構110的膜片140，膜片140包含與MEMS結構110垂直分離的懸置部分141，以及多個突出部142，這些突出部142分別連接到MEMS結構110的懸臂部分130之自由端F，例如突出部142連接到位於懸臂部分130之自由端F的鈍化層117。在MEMS結構110與膜片140的懸置部分141之間具有間隙150，間隙150圍繞膜片140的突出部142，且突出部142藉由間隙150彼此側向隔開，每個突出部142可以是柱狀。此外，膜片140可以是包含多個突出部142的一體成形結構，膜片140的材料可以是半導體材料例如矽或多晶矽、金屬材料例如Al、或者是聚合物材料例如聚醯亞胺(polyimide)。
在MEMS裝置100的操作過程中，當環境信號例如聲波對MEMS結構110施加聲壓，或者電信號施加於MEMS結構110時，MEMS結構110的懸臂部分130之自由端F可能會彎曲或振動，且最大應力會發生在懸臂部分130的錨端A附近。根據本揭露的一些實施例，膜片140可作為MEMS結構110之外的附加較大感測層，以感測環境信號，其中連接到懸臂部分130的自由端F之膜片140可以增加感測面積，並提高發生在懸臂部分130的錨端A之最大應力，從而提高MEMS裝置100的靈敏度。此外，還可以調整膜片140的尺寸，例如長度、寬度和厚度，以進一步控制懸臂部分130的彎曲和振動頻率，從而提高MEMS裝置的效能。另外，由於膜片140係垂直接合於MEMS結構110，因此不會擴大MEMS裝置的面積，藉此可在不增加MEMS裝置100之XY平面尺寸的情況下，提高MEMS裝置100的靈敏度。
第2圖是根據本揭露另一實施例所繪示的MEMS裝置100的剖面示意
圖，如第2圖所示，MEMS裝置100包含具有共用空腔102C和多個子空腔102S的基底101，其中共用空腔102C從基底101的背面101B延伸到基底101中的一高度位置，子空腔102S則從基底101的正面101F延伸到基底101的上述高度位置。共用空腔102C和子空腔102S可以分別通過兩個不同的光罩和兩個刻蝕製程形成，子空腔102S經由基底101的一部分101P彼此隔開，且共用空腔102C相連於子空腔102S，共用空腔102C和子空腔102S可合稱為基底101的空腔102。另外，MEMS裝置100還包含設置在基底101和MEMS結構110之間的犧牲層103，犧牲層103具有一部分103P，其位於基底101的一部分101P和MEMS結構110之間。此外，犧牲層103可具有多個開口104，分別相連於子空腔102S。
第2圖的MEMS裝置100和第1圖的MEMS裝置100之差異在於第2圖的MEMS結構110包含更多的截斷部120，其穿透MEMS結構110，以形成更多的懸臂部分130，其中懸臂部分130的錨端A附著於犧牲層103和基底101，或者附著於犧牲層的一部分103P和基底101的一部分101P，且懸臂部分130的自由端F與截斷部120相鄰。此外，第2圖的MEMS結構110的膜片140包含更多的突出部142，分別連接到多個懸臂部分130的自由端F。於第2圖的實施例中，其MEMS結構110在與第1圖的實施例相同的面積內包含更多且更小的懸臂部分130，於此實施例中，這些更多且更小的懸臂部分130可以產生更多的錨端A和更多的自由端F，以進一步增加電信號輸出，從而提高MEMS裝置100的靈敏度。另外，第2圖的MEMS裝置100的其他特徵之材料和詳細結構可參考前述第1圖的說明。
第3圖是根據本揭露又另一實施例所繪示的MEMS裝置100的剖面示意圖，第3圖的MEMS裝置100和第2圖的MEMS裝置100之差異在於第3圖的MEMS裝置100的子空腔102S穿透基底101，而沒有第2圖的MEMS裝置100的共用空腔102C，其中基底101的一部分101P從基底101的正面101F延伸到基底101的背面101B。此外，第3圖的MEMS裝置100的膜片140還包含多個抗黏附阻擋部件144，
其朝向MEMS結構110突出，且與MEMS結構110之間以微小間隙隔開，此微小間隙遠小於膜片140的懸置部分141和MEMS結構110之間的間隙105。在一些實施例中，抗黏附阻擋部件144設置在膜片140的邊緣處，且抗黏附阻擋部件144可以是圓錐狀或角錐狀。在MEMS裝置100的操作期間，當環境信號例如聲波對MEMS結構110施加聲壓，或者電信號施加到MEMS結構110時，MEMS結構110的懸臂部分130的自由端F可能會彎曲或振動。於本實施例中，當懸臂部分130彎曲或振動時，膜片140的抗黏附阻擋部件144可以與MEMS結構110接觸，從而避免膜片140黏附到MEMS結構110上。此外，於本實施例中，更多且更小的懸臂部分130可以產生更多的錨端A和更多的自由端F，以進一步增加電信號的輸出，從而提高MEMS裝置100的靈敏度。另外，第3圖的MEMS裝置100的其他特徵之材料和詳細結構可參考前述第1圖和第2圖的說明。
第4圖是根據本揭露再另一實施例所繪示的MEMS裝置100的剖面示意圖，第4圖的MEMS裝置100和第1圖的MEMS裝置100之差異在於第4圖的MEMS裝置100的空腔102沒有穿透基底101。於本實施例中，空腔102從基底101的正面101F延伸至基底101中的一高度位置，且空腔102的底面102B位於基底101中。此外，第4圖的MEMS裝置100包含犧牲層103設置於基底101和MEMS結構110之間，且犧牲層103還包含沿空腔102的側壁102W設置的一部分103W，以及延伸到基底101中的另一部分103E。另外，犧牲層103具有與空腔102相連的開口104，在X軸方向上，開口104的寬度可以與空腔102的寬度相同。可通過蝕刻製程形成空腔102和開口104，並且從MEMS裝置100的正面釋放空腔102和開口104，犧牲層103的這些部分103W和103E則可用來限制和控制空腔102的尺寸。於此實施例中，膜片140的設置可增加感測面積，以提高MEMS裝置100的靈敏度，且不會擴大MEMS裝置100的尺寸。另外，第4圖的MEMS裝置100的其他特徵之材料和詳細結構可參考前述第1圖的說明。
第5圖是根據本揭露一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構110、基底101和膜片104的俯視示意圖，且第1圖的MEMS裝置100之剖面圖可以沿著第5圖的剖面切線I-I取得。如第5圖所示，在一實施例中，MEMS結構110可包含四個懸臂部分130，這些懸臂部分130由截斷部120彼此隔開。於本實施例中，每個懸臂部分130為三角形，且截斷部120相交形成X字形，每個懸臂部分130具有位於三角形底部的錨端A，和位於三角形頂部的自由端F。第5圖的四個懸臂部分130分別具有四個距離L1、L2、L3和L4，其中每個距離是從錨端A到自由端F，這四個距離L1、L2、L3和L4可以相同或不同。另外，這四個懸臂部分130可通過圍繞這四個懸臂部分130之MEMS結構110的一部分連接在一起，使得位於這四個懸臂部分130中第一電極層121的那些部分以串聯方式電連接在一起，且位於這四個懸臂部分130中第二電極層123的那些部分也以串聯方式電連接在一起，位於這四個懸臂部130中第三電極層125的那些部分也以串聯方式電連接在一起，因此，在這四個懸臂部分130中產生的電信號可以通過相同的接觸墊傳輸。
此外，如第5圖所示，當從俯視觀看時，膜片140的邊緣向外延伸超出空腔102的邊緣。另外，犧牲層103的開口104邊緣也可以向外延伸超出空腔102的邊緣。於一實施例中，膜片140可具有十二個突出部142，其連接至這四個懸臂部130的自由端F和側邊。於另一實施例中，膜片140可具有四個突出部142，其連接至這四個懸臂部130的自由端F。另外，膜片140還可包含四個抗黏附阻擋部件144設置在膜片140的邊緣，但不限於此，例如，抗黏附阻擋部件144的數量可以是兩個、三個或多於四個。
第6圖是根據本揭露另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構110、基底101和膜片140的俯視示意圖，且第3圖的MEMS裝置100的剖面圖可以沿著第6圖的剖面切線II-II取得。如第6圖所示，在一實施例中，MEMS結構110包含八個懸臂部分130，這些懸臂部分130由截斷部120彼此隔開。於本實施例中，每
個懸臂部分130為矩形，且截斷部120相交形成十字形。在X軸方向上的四個外側的懸臂部分130具有位於矩形外側的錨端A，以及與錨端A相對的自由端F。在X軸方向上的四個內側的懸臂部分130具有位於矩形內側的錨端A，以及與錨端A相對的自由端F，每個懸臂部分130的錨端A和自由端F位於矩形的相對兩側。參閱第3圖，這四個內側的懸臂部分130的錨端A附著於基底101的一部分101P。另外，這八個懸臂部分130分別具有八個距離L1至L8，每個距離是從錨端A到自由端F，這八個距離L1至L8可以相同或不同。此外，這八個懸臂部分130通過MEMS結構110之圍繞這八個懸臂部分130的一部分連接在一起，且MEMS結構110的此部分具有連接部，其連接到這八個懸臂部分130，因此，位於這八個懸臂部130中第一電極層121的那些部分以串聯方式電連接在一起，位於這八個懸臂部130中第二電極層123的那些部分也以串聯方式電連接在一起，且位於這八個懸臂部130中第三電極層125的那些部分也以串聯方式電連接在一起，使得在這八個懸臂部分130中產生的電信號可以通過相同的接觸墊傳輸。另外，懸臂部分130的數量不限於八個，例如，矩形懸臂部分130的數量可以是兩個、四個、六個或多於八個。
此外，如第6圖所示，在一實施例中，基底101可具有兩個子空腔102S，由基底101的一部分101P隔開。當從俯視觀看時，膜片140的邊緣向外延伸超過兩個子空腔102S的邊緣。另外，犧牲層103的開口104之邊緣也可以向外延伸超過兩個子空腔102S的邊緣。在其他實施例中，子空腔102S的數量不限於兩個，例如，子空腔102S的數量可以是四個、六個或更多，子空腔102S的數量可根據懸臂部分130和截斷部120的佈局進行調整。另外，膜片140可具有二十四個突出部142，其連接到八個懸臂部分130的自由端F，但不限於此，例如，突出部142的數量可以是八、十六或其他八的倍數。另外，膜片140還可具有位於膜片140邊緣的六個抗黏附阻擋部件144，但不限於此，例如，抗黏附阻擋部件144的數量可以是
兩個、四個或多於六個。
第7圖是根據本揭露又另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構110、基底101和膜片140的俯視示意圖，如第7圖所示，在一實施例中，MEMS結構110包含八個懸臂部分130，這些懸臂部分130由截斷部120彼此隔開。於本實施例中，每個懸臂部分130為三角形，且截斷部120相交形成十字形和菱形，每個懸臂部分130具有位於三角形底部的錨端A和位於三角形頂部的自由端F。另外，這八個懸臂部分130分別具有八個距離L1至L8，其中每個距離是從錨端A到自由端F，且這八個距離L1至L8可以相同或不同。此外，這八個懸臂部分130可通過MEMS結構110之圍繞這八個懸臂部分130的一部分連接在一起，例如MEMS結構110的此部分具有連接部，其連接到位於這八個懸臂部分130的錨端A的角落。因此，位於這八個懸臂部分130中第一電極層121的那些部分以串聯方式電連接在一起，且位於這八個懸臂部分130中第二電極層123的那些部分也以串聯方式電連接在一起，位於這八個懸臂部130中第三電極層125的那些部分也以串聯方式電連接在一起，使得在這八個懸臂部分130中產生的電信號可以通過相同的接觸墊傳輸。
此外，如第7圖所示，在一實施例中，基底101可具有五個子空腔102S，這些子空腔102S由基底101的一部分101P彼此隔開。當從俯視觀看時，膜片140的邊緣向外延伸超過這五個子空腔102S的邊緣。另外，犧牲層103的開口104之邊緣也可以向外延伸超過這五個子空腔102S的邊緣，子空腔102S的佈局可以根據懸臂部分130和截斷部120的佈局調整。另外，膜片140可包含八個突出部142連接到這八個懸臂部分130的自由端F，但不限於此，例如，突出部142的數量可以是八的其他倍數。
第8圖是根據本揭露再另一實施例所繪示的MEMS裝置之MEMS結構110、基底101和膜片140的俯視示意圖，如第8圖所示，於一實施例中，MEMS結構110包含八個懸臂部分130，這些懸臂部分130通過截斷部120彼此隔開，每個懸
臂部分130具有指叉形狀，且兩個相鄰的懸臂部分130互相嵌合，一些截斷部120相交形成十字形，且在兩個相鄰的指叉形狀的懸臂部分130之間的截斷部120具有方波形狀。每個懸臂部分130具有位於指叉形狀基部的錨端A，以及位於指叉形狀的指狀部末端之兩個或三個自由端F。另外，這八個懸臂部分130具有二十個距離L1到L20，其中每個距離是從錨端A到自由端F，且這二十個距離L1到L20可以相同或不同。此外，這八個懸臂部分130可通過MEMS結構110之圍繞這八個懸臂部分130的一部分連接在一起，例如MEMS結構110的此部分具有連接部，其連接到這八個懸臂部分的錨端A。因此，位於這八個懸臂部分130中第一電極層121的那些部分以串聯方式電連接在一起，且位於這八個懸臂部分130中第二電極層123的那些部分也以串聯方式電連接在一起，位於這八個懸臂部分130中第三電極層125的那些部分也以串聯方式電連接在一起，使得在這八個懸臂部分130中產生的電信號可以通過相同的接觸墊傳輸。
此外，如第8圖所示，在一實施例中，基底101具有兩個子空腔102S，其由基底101的一部分101P隔開。當從俯視觀看時，膜片140的邊緣向外延伸超過兩個子空腔102S的邊緣。此外，犧牲層103的開口104之邊緣也可以向外延伸超過兩個子空腔102S的邊緣。子空腔102S的數量和佈局可根據懸臂部分130的錨端A之佈局進行調整。另外，膜片140可具有二十個突出部142連接到這八個懸臂部分130的自由端F，但不限於此，突出部142的數量可根據懸臂部分130的指狀部之數量進行調整。
第9圖和第10圖是根據本揭露一實施例所繪示MEMS裝置的製造方法之一些階段的剖面示意圖。參閱第9圖，首先，提供基底101，例如為矽基底。然後，在基底101的正面101F上沉積犧牲層103，例如為氧化矽層。接著，在犧牲層103上，由下至上依序形成晶種層111、第一電極層121、感測材料層113、第二電極層123、另一感測材料層115、第三電極層125和鈍化層117。其中，第一電極層
121、第二電極層123和第三電極層125各自通過沉積製程和圖案化製程形成，晶種層111、感測材料層113和115、以及鈍化層117各自通過沉積製程形成。在一些實施例中，晶種層111和鈍化層117的材料例如為AlN，感測材料層113和115的材料可以是壓電材料，例如為AlN、摻雜Sc的AlN(ScAlN)、ZnO或PZT。另外，感測材料層113和115的材料還可以是壓阻材料，例如為摻雜的Si或SiC。第一電極層121、第二電極層123和第三電極層125的材料例如為Mo。此外，接觸墊127形成在第三電極層125上，並且通過導通孔電耦接到第一電極層121。另一接觸墊129也形成在第三電極層125上，並且通過另一導通孔電耦接到第二電極層123，接觸墊127和129的材料例如為AlCu。另外，將鈍化層117、感測材料層113和115、電極層121、123和125、以及晶種層111蝕刻，以形成截斷部120，從而形成MEMS結構110的懸臂部分130。
接著，仍參閱第9圖，於步驟S101，通過沉積製程形成另一犧牲層105，例如為氧化矽層，以填充截斷部120，且犧牲層105還形成在MEMS結構110的表面上，以覆蓋接觸墊127和129。然後，將犧牲層105蝕刻，以形成孔洞用於後續形成膜片的突出部。之後，在犧牲層105上沉積用來形成膜片的材料層，且此材料層填充犧牲層105的孔洞。然後，通過光微影和蝕刻製程將此材料層圖案化，以形成包含突出部142的膜片140，膜片140的材料例如為矽、多晶矽、鋁或聚醯亞胺。在一些實施例中，使用膜片140的材料層來填充犧牲層105的其他孔洞，以形成膜片140的抗黏附阻擋部件144，且犧牲層105的這些其他孔洞比用於形成突出部142的孔洞淺。
接著，參閱第10圖，於步驟S103，沉積保護層107，例如為氧化矽層，以覆蓋膜片140和MEMS結構110。之後，在基底101的背面101B上形成具有開口的硬遮罩109，硬遮罩109的材料例如為氮化矽或氧化矽。然後，經由硬遮罩109的開口施加蝕刻劑來蝕刻基底101，以形成空腔102，之後去除硬遮罩109。在一
實施例中，空腔102可貫穿基底101，從基底101的背面101B延伸，並停止在犧牲層103上。
之後，仍參閱第10圖，於步驟S105，刻蝕犧牲層103以形成開口104，然後，經由空腔102和開口104施加刻蝕劑，例如氫氟酸蒸氣(vapor hydrofluoric acid,VHF)，去除犧牲層105和保護層107，以釋放MEMS結構110和膜片140，完成MEMS裝置100。
根據本揭露的一些實施例，MEMS裝置包含垂直接合於MEMS結構的膜片，且MEMS結構包含多個懸臂部分，每個懸臂部分包含錨端和自由端，藉由膜片可提供更大的面積來感測環境信號，且膜片包含連接到懸臂部分之自由端的多個突出部，以增加感測面積，從而提高MEMS裝置的靈敏度。此外，由於膜片係與MEMS結構垂直整合，因此可在不擴大MEMS裝置尺寸的情況下，增加其感測面積。
另外，根據本揭露的一些實施例，可以在保持相同感測面積的情況下，藉由增加MEMS結構的懸臂部分的數量，且減小懸臂部分的尺寸，以進一步增加電信號的輸出，而不會擴大MEMS裝置的尺寸。此外，本揭露的MEMS裝置之MEMS結構可適用於壓電式和壓阻式感測器，因此MEMS裝置適用於壓力感測器、麥克風、能量攫取器、加速器等。
以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
100:MEMS裝置
101:基底
101F:正面
101B:背面
102:空腔
103:犧牲層
104:開口
110:MEMS結構
111:晶種層
113、115:感測材料層
117:鈍化層
120:截斷部
121:第一電極層
123:第二電極層
125:第三電極層
127、129:接觸墊
130:懸臂部分
140:膜片
141:懸置部分
142:突出部
150:間隙
A:錨端
F:自由端
I-I:剖面切線
Claims (17)
- 一種微機電裝置，包括：一基底，具有一空腔；一微機電結構，包括一第一電極層、一第二電極層、以及一感測材料層設置在該第一電極層和該第二電極層之間，其中該微機電結構設置在該空腔上且附著於該基底，該微機電結構包括複數個懸臂部分，且各該懸臂部分包括一自由端和一錨端；一膜片，設置在該微機電結構上，其中該膜片包括複數個突出部，分別連接到該些懸臂部分的該些自由端，該膜片的垂直投影區域大於該空腔的垂直投影區域；以及一間隙，設置在該微機電結構和該膜片之間，其中該間隙圍繞該些突出部。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該些懸臂部分以陣列形式排列，且各該懸臂部分包括三角形、矩形或指叉形狀。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中各該懸臂部分的該錨端附著於該基底。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該空腔包括複數個子空腔，且該些子空腔經由該基底的一部分彼此隔開。
- 如請求項4所述之微機電裝置，其中該些懸臂部分中的一個懸臂部分的該錨端附著於該基底的該部分。
- 如請求項4所述之微機電裝置，其中該基底包括一第一表面相鄰於該微機電結構，以及與該第一表面相對的一第二表面，且該些子空腔從該第一表面延伸至該基底中的一高度位置。
- 如請求項6所述之微機電裝置，其中該空腔還包括一共用空腔，從該第二表面延伸到該基底的該高度位置，且相連於該些子空腔。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該基底包括一第一表面相鄰於該微機電結構，以及與該第一表面相對的一第二表面，該空腔從該第一表面延伸至該基底中的一高度位置，且該空腔的底面位於該基底中。
- 如請求項8所述之微機電裝置，還包括一犧牲層設置在該基底和該微機電結構之間，其中該犧牲層具有一開口相連於該空腔，且該犧牲層的一部分沿著該空腔的側壁設置，該犧牲層的另一部分延伸到該基底中。
- 如請求項1所述之微機電裝置，還包括一犧牲層設置在該基底和該微機電結構之間，其中該犧牲層具有一開口相連於該空腔。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中各該懸臂部分具有對應之該第一電極層與該第二電極層，且該些第一電極層與該些第二電極層分別以串聯方式電性連接。
- 如請求項11所述之微機電裝置，其中該感測材料層包括壓電材料或壓阻材料。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該膜片的組成包括半導體材料、金屬材料或聚合物材料。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該膜片還包括一抗黏附阻擋部件，朝向該微機電結構突出，且與該微機電結構隔開，該間隙位於該抗黏附阻擋部件和該突出部之間。
- 如請求項14所述之微機電裝置，其中該抗黏附阻擋部件設置在該膜片的邊緣。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該些懸臂部分藉由貫穿該微機電結構的一截斷部彼此隔開，且該膜片越過該截斷部的上方。
- 如請求項1所述之微機電裝置，其中該膜片還包括一懸置部分與該微機電結構垂直分離。
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