TWI670225B - 微機械構件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種微機械構件，其包括感測器晶片及與該感測器晶片連接的罩形晶片。在該感測器晶片與該罩形晶片之間構建有空腔。該感測器晶片具有佈置於該空腔中的可動元件。該罩形晶片具有配線平面，該配線平面包含導電的電極。該罩形晶片具有佈置於該空腔中的吸氣元件。

Description

微機械構件及其製造方法

本發明係有關於一種如申請專利範圍第1項之微機械構件，以及一種如申請專利範圍第8項之製造微機械構件的方法。

先前技術中公開過若干用於測量加速度及轉速的微機械感測器。將加速度感測器及轉速感測器構建為整合於同一晶片上之構件的方案亦為吾人所知。習知的加速度感測器及轉速感測器具有若干可動的元件，其被包含在至少局部經過抽真空的空穴中。其中特別是，轉速感測器宜具備較低的空穴壓力。一種習知的方案為，為轉速感測器之空穴配設若干吸氣元件，以便實現較低的空穴壓力，以及在此感測器元件之壽命範圍內維持此空穴壓力。

本發明之目的在於提供一種微機械構件。本發明用以達成此目的之解決方案為一種具有申請專利範圍第1項之特徵的微機械構件。本發明之另一目的在於提供一種製造微機械構件的方法。本發明用以達成此目的之解決方案為一種具有申請專利範圍第8項之特徵的方法。各種改進方案參閱附屬項。

微機械構件包括感測器晶片及與該感測器晶片連接的罩形 晶片。在該感測器晶片與該罩形晶片之間構建有空腔。該感測器晶片具有佈置於該空腔中的可動元件。該罩形晶片具有包含導電電極的配線平面。該罩形晶片具有佈置於該空腔中的吸氣元件。該微機械構件中的吸氣元件較佳地能至少部分地將該空腔中的氣體吸附，從而在該空腔中實現較低的壓力地。該微機械構件之罩形晶片的配線平面較佳地可用於對該感測器晶片進行電接觸及控制。

根據該微機械構件的一種實施方式，該吸氣元件係與該電極電連接。如此便能將該吸氣元件調節成特定的電位。藉此將該吸氣元件與該感測器晶片之可動元件間的不受控制的相互作用減小或消除。如此一來，甚至可將該吸氣元件用作相對電極，以便對該感測器晶片之可動元件進行控制及/或偵測。

根據該微機械構件的一種實施方式，該吸氣元件具有第一區段以及相對該第一區段電絕緣的第二區段。其中該第一區段係與該電極導電連接。該第二區段係與另一電極導電連接。藉此便能特別靈活地對該吸氣元件與該可動元件間的相互作用進行限制。此外，該吸氣元件可採用特別靠近該可動元件的佈置方案。

根據該微機械構件的一種實施方式，該吸氣元件係以至少部分地與該可動元件相對的方式佈置在該空腔中。如此一來，該吸氣元件可採用較大的面積，以便實現較高的吸附效率。

根據該微機械構件的一種實施方式，該罩形晶片具有止擋元件。其中，該吸氣元件與該可動元件的距離大於該止擋元件與該可動元件的距離。如此便能防止該可動元件抵靠在該吸氣元件上。

根據該微機械構件的一種實施方式，該止擋元件係構建在至少部分將該配線平面覆蓋的絕緣平面中。如此便能實現該微機械構件的一種特別簡單的實施方案。

根據該微機械構件的一種實施方式，該止擋元件具有導電性。如此便能對該止擋元件施加與該可動元件相同的電位，以便以無作用力的方式將該可動元件抵靠在該止擋元件上。

本發明還提供一種製造微機械構件的方法，其包括以下步驟：提供包含可動元件的感測器晶片；提供包含配線平面的罩形晶片，該配線平面包含導電的電極；將吸氣元件佈置在該罩形晶片上；以在該感測器晶片與該罩形晶片間構成空腔的方式，為該感測器晶片與該罩形晶片建立連接，以便將該可動元件及該吸氣元件佈置在該空腔中。在透過此方法製造的微機械構件中，能夠藉由該吸氣元件在該空腔中實現及維持較低的壓力。較佳地，該罩形晶片之配線平面可用於對透過該方法製造的微機械構件的感測器晶片進行電接觸及控制。

根據該方法的一種實施方式，以與該電極建立導電連接的方式來佈置該吸收元件。如此便能將透過該方法製造的微機械構件中的吸氣元件調節成特定的電位，從而防止該吸氣元件與該感測器晶片之可動元件間的不受控制的相互作用。

根據該方法的一種實施方式，該方法包括另一步驟，其用於在該罩形晶片之頂面上將另一配線平面及/或絕緣平面的一部分移除，從而構成凹槽。其中將該吸氣元件佈置在該凹槽中。如此便能增大該吸氣元件與該可動元件的距離。此外，較佳地可在該另一配線平面及/或該絕緣平面 中構建止擋元件，從而在透過該方法製造的微機械構件中防止該可動元件抵靠在該吸氣元件上。

10‧‧‧微機械構件

11‧‧‧微機械構件

12‧‧‧微機械構件

13‧‧‧微機械構件

14‧‧‧微機械構件

15‧‧‧微機械構件

100‧‧‧微機械感測器晶片

101‧‧‧頂面

102‧‧‧底面

110‧‧‧基板

120‧‧‧絕緣平面

130‧‧‧配線平面

140‧‧‧功能平面

150‧‧‧連接件

151‧‧‧隔片元件

152‧‧‧第一金屬化層

200‧‧‧第一感測器

210‧‧‧空腔

220‧‧‧可動元件

221‧‧‧錨定件

222‧‧‧彈性元件

223‧‧‧感震質量塊

224‧‧‧運動方向

300‧‧‧第二感測器

310‧‧‧空腔

320‧‧‧可動元件

400‧‧‧罩形晶片

401‧‧‧頂面

402‧‧‧底面

410‧‧‧基板

420‧‧‧接觸元件

421‧‧‧貫穿接點

430‧‧‧金屬-氧化物疊堆

440‧‧‧最上面的配線平面

441‧‧‧第一電極

442‧‧‧第二電極

443‧‧‧第二金屬化層

444‧‧‧第四電極

450‧‧‧最上面的絕緣平面

460‧‧‧次上面的配線平面

461‧‧‧第三電極

470‧‧‧貫穿接點

480‧‧‧吸氣元件

481‧‧‧第一區段

482‧‧‧第二區段

490‧‧‧凹槽

500‧‧‧止擋元件

圖1為微機械構件之側剖圖；圖2為第一微機械構件的一部分；圖3為第二微機械構件的一部分；圖4為第三微機械構件的一部分；圖5為第四微機械構件的一部分；及圖6為第五微機械構件的一部分。

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

圖1為微機械構件10之側剖圖。微機械構件10為用於測量物理量，特別是用於測量加速度及/或轉速的感測器元件。微機械構件10為積體式微機械構件，其中第一感測器200與第二感測器300係整合在共同一個微機械構件10中。微機械構件10之感測器200、300中的每個皆具有若干可動的微機械元件。

微機械構件10包括微機械感測器晶片(MEMS晶片)100及罩形晶片400。

感測器晶片100具有頂面101及與頂面101相對的底面102。感測器晶片100具有基板110，其較佳地實施為矽基板並構成感測器晶片100之底面102。在基板110上依次交替地佈置有多個傳導層及絕緣層，其係經 過局部構造化並彼此相連。根據圖1的簡化顯示，設有兩個絕緣平面120、一個具傳導性的配線平面130及一個具傳導性的功能平面140。功能平面140構成感測器晶片100之頂面101。絕緣平面120例如可實施為氧化物層。該等具傳導性的層130、140例如可實施為多晶矽層。

罩形晶片400具有頂面401及與頂面401相對的底面402。罩形晶片400具有至少一配線平面，且例如可實施為針對特定應用的積體電路(ASIC)。在此情形下，較佳地按照CMOS製程來製造罩形晶片400。

罩形晶片400具有較佳地實施為矽基板的基板410。在基板410上佈置有構成罩形晶片400之頂面401的金屬-氧化物疊堆430，其包含多個依次交替的傳導層及絕緣層。在罩形晶片400之與頂面相對的底面402上佈置有若干接觸元件420，其用於實現微機械構件10之電接觸。接觸元件420例如可實施為焊珠。接觸元件420係藉由穿過基板410延伸的貫穿接點421與圖1中未繪示的、整合在罩形晶片400中的電路建立起導電連接。

感測器晶片100與罩形晶片400係透過連接件150相連。其中，罩形晶片400之頂面401朝向感測器晶片100之頂面101。連接件150例如可實施為金屬的晶圓接合件。特別是，連接件150例如可實施為共晶接合件，例如鋁與鍺的共晶接合件。但連接件150例如也可為共晶銅-鋅連接件或熱壓縮連接件。

連接件150為罩形晶片400與感測器晶片100建立導電連接，採用該連接後，便能藉由該等整合在罩形晶圓400中的電路來對第一感測器200及第二感測器300進行控制及讀出。此外，連接件150將構建於感測器晶片100之頂面101與罩形晶片400之頂面401間的空腔密封。

第一感測器200例如可實施為轉速感測器。第一感測器200具有構建於感測器晶片100之頂面101與罩形晶片400之頂面401間的空腔210。根據一種較佳方案，空腔210內的壓力較低。構建於感測器晶片100之功能平面140中的可動元件220係以可動的方式佈置在第一感測器200之空腔210中。

第二感測器300例如可實施為加速度感測器300。第二感測器300具有構建於感測器晶片100之頂面101與罩形晶片400之頂面401間的空腔310。根據一種較佳方案，第二感測器300之空腔310內的壓力亦較低。但第二感測器300之空腔310中的壓力可高於第一感測器200之空腔210中的壓力。第二感測器300包括一構建於感測器晶片100之功能平面140中的可動元件320，其係以可動的方式佈置在第二感測器300之空腔310中。

為在第一感測器200之空腔210中構建並維持較低的壓力，罩形晶片400具有一(圖1未繪示的)佈置於空腔210中的吸氣元件。下文將結合圖2至6對該吸氣元件的不同設計方案及佈置方案進行揭示。在任何情形下，該吸氣元件皆用於對位於第一感測器200之空腔210中的氣體分子進行捕捉，具體實現方式例如為直接的化學化合或吸附。

圖2為微機械構件11的一部分的側剖圖。微機械構件11的結構與圖1所示微機械構件10相同。圖2僅示出微機械構件11在第一感測器200之區域內的部分。此外，圖2還示出第一感測器200之可動元件220的細節、位於感測器晶片100與罩形晶片400間之連接件150的細節，以及罩形晶片400之金屬-氧化物疊堆430的細節，下文將對此等難以在圖1中辨認的細節進行說明。

第一感測器200之可動元件220包括一感震質量塊223，其係以可朝感測器晶片100之其餘部件以及朝罩形晶片400運動的方式佈置在空腔210中。其中，感震質量塊223例如可以沿一垂直於感測器晶片100之頂面101且垂直於罩形晶片400之頂面401的運動方向224進行運動。但可動元件220亦可採用另一設計方案，使得感震質量塊223可以沿另一方向，例如沿平行於感測器晶片100之頂面101且平行於罩形晶片400之頂面401的方向進行運動。感震質量塊223係透過至少一彈性元件222與錨定件221彈性連接，該錨定件為感震質量塊223與感測器晶片100之其餘部件建立連接。

罩形晶片400之金屬-氧化物疊堆430包括多個層狀佈置並被絕緣平面隔開的配線平面。在罩形晶片400之頂面401上佈置有最上面的配線平面440。最上面的配線平面440例如可為金屬-氧化物疊堆430的第六配線平面。最上面的配線平面400係透過最上面的絕緣平面450與金屬-氧化物疊堆430之次上面的配線平面460隔開。次上面的配線平面460例如可為金屬-氧化物疊堆430的第五配線平面。金屬-氧化物疊堆430之配線平面440、460可分別經過構造化並劃分成若干橫向區段。配線平面440、460的各區段可藉由穿過中間絕緣平面450延伸的貫穿接點470建立起導電連接。

圖2所示的位於感測器晶片100與罩形晶片400間的連接件150包括一構建在感測器晶片100上的隔片元件151，以及一共晶連接件，其位於構建於隔片元件151上之第一金屬化層152與構建於罩形晶片400之頂面401上之最上面配線平面440中的第二金屬化層443之間。第一金屬化層152例如可具有鍺。第二金屬化層443例如可具有鋁或鋁-銅合金。

在罩形晶片400之頂面401上，在最上面的配線平面440中構建有第一電極441。第一電極441係採用以下佈置方案：在垂直於感測器晶片100之頂面101且垂直於罩形晶片400之頂面401的方向上，大體上與第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223相對。第一電極441例如可用作針對第一感測器200之可動元件220的控制及/或讀出電極。

就微機械構件10而言，罩形晶片400之頂面401具有佈置於第一感測器200之空腔210中的吸氣元件480。吸氣元件480係佈置在一位於罩形晶片400之頂面401上的橫向區域內，在該橫向區域內，最上面的配線平面440被移除。因此，吸氣元件480係以位於電極441側方的方式佈置在最上面的絕緣平面450上。吸氣元件480係相對第一電極441以及相對最上面配線平面440的所有其他區段電絕緣。

圖3為微機械構件12的一部分的側剖圖，該微機械構件的結構與圖1所示微機械構件10相同。圖3僅示出微機械構件12在第一感測器200之區域內的部分。

圖3所示微機械構件12與圖2所示微機械構件11的區別在於，在罩形晶片400之頂面401上，在最上面的配線平面440中設有第二電極442。第二電極442係佈置在罩形晶片400之頂面401的一橫向區域內，該橫向區域大體上與第一感測器200之可動元件220之錨定件221相對。圖3所示微機械構件12不包含圖2所示微機械構件11的第一電極441。就微機械構件12而言，在罩形晶片400之頂面401的與第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223相對的橫向區段內，罩形晶片400之最上面的配線平面440被移除。

就微機械構件12而言，吸氣元件480在罩形晶片400之頂面401的一橫向區段內延伸，在該橫向區段內對最上面的配線平面440實施了移除，以及，該吸氣元件在該區域內與最上面的絕緣平面450鄰接。此外在微機械構件12中，吸氣元件480延伸經過第二電極442的至少一部分。如此一來，吸氣元件480與第二電極442導電連接。藉此便能透過第二電極442將吸氣元件480調節成特定的電位。故可將吸氣元件480本身用作電極，例如用於對第一感測器200之可動元件220的運動進行激發及/或偵測。作為替代方案，可對吸氣元件480施加與第一感測器200之可動元件220相同的電位，從而將吸氣元件480與第一感測器200之可動元件220間的電相互作用減小至最低程度。圖3所示微機械構件12之吸氣元件480的佈置方案的另一優點在於，吸氣元件480可具有非常大的面積，從而具備良好的抽運功率。

圖4為微機械構件13的一部分的側剖圖，該微機械構件的結構與圖1所示微機械構件10相同。圖4僅示出微機械構件13之將第一感測器200包圍的區域。

就圖4所示微機械構件13而言，在罩形晶片400之最上面的配線平面440中既構建有第一電極441，亦構建有第二電極442。第一電極441係佈置在罩形晶片400之頂面401上的與第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223相對的橫向區段內。第二電極442係佈置在罩形晶片400之頂面401的與第一感測器200之可動元件220之錨定件221相對的橫向區段內。第一電極441與第二電極442彼此電絕緣。

在圖4所示微機械構件13中，吸氣元件480具有第一區段 481及第二區段482。第一區段481係佈置在第一電極441上，並與第一電極441導電連接。吸氣元件480之第二區段482係佈置在第二電極442上，並與第二電極442導電連接。

就微機械構件13而言，可透過第一電極441與第二電極442分別對吸氣元件480的兩個區段481、482施加電位，如此便能消除第一感測器200之可動元件220與吸氣元件480之區段481、482間的力相互作用，或者將吸氣元件480之區段481、482用作電極，以便對第一感測器200之可動元件220進行控制及/或讀出。其中就微機械構件13而言，吸氣元件480之區段481、482與第一感測器200之可動元件220的距離特別小，故在吸氣元件480之區段481、482與第一感測器200之可動元件220間可能會產生巨大的相互作用及較高的敏感度。微機械構件13之吸氣元件480的另一優點在於，吸氣元件480可具有較大的面積，從而具備較高的抽運功率。

圖5為微機械構件14的側剖圖，該微機械構件的結構與圖1所示微機械構件10相同。圖5僅示出微機械構件14在第一感測器200之區域內的部分。

就微機械構件14而言，在罩形晶片400之頂面401上，除最上面的配線平面440的一部分被移除外，最上面的絕緣平面450亦被部分移除，故次上面的配線平面460曝露出來並構成第三電極461。透過將最上面的絕緣平面450的一部分移除，在罩形晶片400之頂面401上構成凹槽490。位於次上面的配線平面460中的電極461係佈置在此凹槽490的底部上。

在圖5所示微機械構件14中，吸氣元件480係佈置在位於 第三電極461上之凹槽490中，並與第三電極461導電連接。第三電極461能夠對吸氣元件480施加特定的電位。

吸氣元件480的在垂直於罩形晶片400之頂面401的方向上的厚度小於最上面的絕緣平面450。因此，吸氣元件480完全佈置在凹槽490內，且不伸出最上面的絕緣平面450的界定凹槽490的區段。因此，最上面的絕緣平面450的界定凹槽490的區段構成止擋元件500。

在垂直於感測器晶片100之頂面101且垂直於罩形晶片400之頂面401的方向上，吸氣元件480與止擋元件500皆至少局部地與第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223相對。其中，感震質量塊223與止擋元件500的在垂直於感測器晶片100之頂面101的方向上的距離小於感震質量塊223與吸氣元件480的距離。如此便能防止感震質量塊223意外地抵靠在吸氣元件480上。在感震質量塊223觸及吸氣元件480前，感震質量塊223便已抵靠在止擋元件500上。

與圖4所示微機械構件13相比，在微機械構件14中，吸氣元件480與第一感測器200之可動元件220的距離更大。故就微機械構件14而言，吸氣元件480與第一感測器200之可動元件220間的相互作用有所減小。

圖6為微機械構件15的側剖圖，該微機械構件的結構與圖1所示微機械構件10相同。圖6僅示出微機械構件15在第一感測器200之區域內的部分。

同圖5所示微機械構件14一樣，在微機械構件15中，除罩形晶片200之最上面的配線平面440的一部分被移除外，罩形晶片400之最 上面的絕緣平面450亦被部分移除，從而構成凹槽490。在凹槽490之底部上佈置有構建於次上面的配線平面460中的第三電極461。吸氣元件480係佈置在位於第三電極461上之凹槽490中，並與第三電極461導電連接。

圖6所示微機械構件15與圖5所示微機械構件14的區別在於，吸氣元件480的在垂直於罩形晶片400之頂面401的方向上的厚度大於最上面的絕緣平面450的厚度。故吸氣元件480伸出最上面的絕緣平面450。

就圖6所示微機械構件15而言，在最上面的絕緣平面450之界定凹槽490的部分上，最上面的配線平面440的剩餘部分構成第四電極444。第4電極444係相對第三電極461及吸氣元件480絕緣。第四電極444以及最上面的絕緣平面450之界定凹槽490的部分共同構成止擋元件500。

就微機械構件15而言，在垂直於感測器晶片100之頂面101且垂直於罩形晶片400之頂面401的方向上，吸氣元件480與止擋元件500皆至少局部地與第一感測器200之可動元件220相對。其中，止擋元件500之第四電極444與第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223的距離小於吸氣元件480與該感震質量塊的距離。故在採用微機械構件15時，能夠防止第一感測器200之可動元件220之感震質量塊223抵靠在吸氣元件480上。

可對微機械構件15之止擋元件500的第四電極444施加與第一感測器200之可動元件220相同的電位。如此便能以無作用力的方式將可動元件220抵靠在止擋元件500上。

Claims (9)

1. 一種微機械構件(11，12，13，14，15)，包含感測器晶片(100)及與該感測器晶片(100)連接的罩形晶片(400)，其中在該感測器晶片(100)與該罩形晶片(400)之間構建有空腔(210)，其中該感測器晶片(100)具有佈置於該空腔(210)中的可動元件(220)，其中該罩形晶片(400)具有配線平面(440，460)，該配線平面包含導電的電極(441，442，461)，其中該罩形晶片(400)具有佈置於該空腔(210)中的吸氣元件(480)，其中，該吸氣元件(480)係與該電極(441，442，461)導電連接，且該吸氣元件(480)設計成可激發該可動元件(220)的運動。
2. 如申請專利範圍第1項之微機械構件(13)，其中該吸氣元件(480)具有第一區段(481)及相對該第一區段(481)絕緣的第二區段(482)，其中該第一區段(481)係與該電極(441)導電連接，其中該第二區段(482)係與另一電極(442)導電連接。
3. 如前述申請專利範圍第1或第2項之微機械構件(12，13，14，15)，其中該吸氣元件(480)係以至少部分地與該可動元件(220)相對的方式佈置在該空腔(210)中。
4. 如申請專利範圍第1或第2項之微機械構件(14，15)，其中該罩形晶片(400)具有止擋元件(500)，其中該吸氣元件(480)與該可動元件(220)的距離大於該止擋元件(500)與該可動元件的距離。
5. 如申請專利範圍第4項之微機械構件(14)，其中該止擋元件(500)係構建在至少部分地將該配線平面(460)覆蓋的絕緣平面(450)中。
6. 如申請專利範圍第4項之微機械構件(15)，其中該止擋元件(500)具有導電性。
7. 一種製造微機械構件(11，12，13，14，15)的方法，包括以下步驟：提供包含可動元件(220)的感測器晶片(100)；提供包含配線平面(440，460)的罩形晶片，該配線平面包含導電的電極(441，442，461)；將吸氣元件(480)佈置在該罩形晶片(400)上；以在該感測器晶片(100)與該罩形晶片(400)間構成空腔(210)的方式，為該感測器晶片(100)與該罩形晶片(400)建立連接，以便將該可動元件(220)及該吸氣元件(480)佈置在該空腔中，其中該吸氣元件(480)係與該電極(441，442，461)導電連接，且該吸氣元件(480)設計成可激發該可動元件(220)的運動。
8. 如申請專利範圍第8項之方法，其中以與該電極(441，442，461)建立導電連接的方式來佈置該吸氣元件(480)。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該方法還包括以下步驟：在該罩形晶片(400)之頂面(401)上將另一配線平面(440)及/或絕緣平面(450)的一部分移除，從而構成凹槽(490)，其中將該吸氣元件(480)佈置在該凹槽(490)中。