TW201508890A - 微機電系統元件製造方法及以此方法製造之微機電系統元件 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種微機電系統元件之製造方法，包含：提供一積體電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結構，電性結構中包含至少一感應區與至少一第一連接部；提供一結構層，並在該結構層上形成至少一第二連接部；接合該第一連接部與該第二連接部；蝕刻該結構層以形成至少一動作結構體，該動作結構體與該感應區之位置對應，且該動作結構體經由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之後提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結構體和該感應區，其中，該動作結構體非直接連接於該封蓋。
Description
本發明有關於一種微機電系統元件之製造方法，特別為先提供一結構層以連接基板，後提供一封蓋以包覆結構層以及基板之一部分，使其中之動作結構體於製造中不需直接連接於封蓋，藉以提昇感測穩定度之微機電系統元件製造方法，以及以此方法製造之微機電系統元件。
微機電系統元件常用於運動或壓力感測，例如加速感測器，陀螺儀、高度計等。微機電系統元件包含微機電元件與搭配之積體電路，常見之微機電元件與積體電路之整合方式主要有三種：雙晶片方案(two-chip solution)、前段製程整合方案(CMOS-MEMS solution)、以及晶圓階段整合方案(wafer level integration solution)。
第1圖顯示一雙晶片之微機電系統元件10，係採用雙晶片方案，其中微機電元件晶片11與積體電路晶片12為各自獨立的兩個晶片，且分開封裝後，藉由打線方式(wirebond)以傳遞訊號，例如圖式中之打線與兩端之實心圓點所示意。雙晶片方案的優點是：由於微機電元件晶片11與積體電路晶片12以各自的製程分開製造，故製程較為單純而顧慮較少，但缺點是需要為兩個晶片分開封裝並提供各自的接腳，封裝製作過程繁複與成本高、且耗用較大的面積。此外，打線會產生寄生效應，例如腳位形成
寄生電容，因而造成雜訊，寄生效應也會影響其他電性行為，但此雜訊的影響卻無法在微機電元件晶片11與積體電路晶片12設計或製作時精確地預估補償，因此訊號的精確度較低。
第2圖顯示在前段製程即與積體電路整合之微機電系統元件20，採用前段製程整合之方案。其中微機電元件21與積體電路22係於半導體製程中予以製作，但所在位置或區域不同；圖示為在平面上分設於兩個區域，另有將微機電元件21與積體電路22疊置的安排方式。此方案的缺點是：因微機電元件21與積體電路22共用半導體製程，因此製程複雜度較高，例如積體電路22製程中的加溫步驟會使微機電元件21因各層間之熱膨脹係數不同而造成動作結構體的扭曲，影響到訊號的精確度，又，蝕刻釋放微機電元件21的步驟必須避免傷及積體電路22的電性結構等等。此外由於微機電元件21與積體電路22封閉在同一空間之內，積體電路22中的多層疊加結構可能對微機電元件21產生不必要的寄生效應例如寄生電容，增加感測訊號中的雜訊。
第3圖與第4圖顯示一晶圓階段整合的微機電系統元件30，採用晶圓階段整合之方案，其中微機電元件晶圓與積體電路元件晶圓分開各自完成部分製程後，再於晶圓階段予以接合進行後段製程，將微機電元件31疊加設置於積體電路元件32上並切割封裝為微機電系統元件單晶片。第3圖顯示微機電元件31與積體電路元件32先分開各自完成部分製程，其中微機電元件31包含動作結構體312、封蓋313、以及將動作結構體312與封蓋313連接的連接部314(僅為示意，不限於為圖示的位置)。積體電路元件32包含基板321、電路佈局(未示出)、與微機電元件31之訊號接點322以及對外的訊號連接墊(bond pad)323，此外根據微機電元件31的動作設計，如有必要，可設計提供凹入的空間324。第4圖顯示將微機電元件31與積體電路元件32接合，後續並可對微機電元件31進行蝕刻，以露出訊號連接墊323(此步驟未示出)。
此一先前技術的問題是，由於先完成微機電元件31的部分製程，而懸浮的動作結構體312必須與其他部分固定連接，因此必須將動作結構體312固接於封蓋313。但後續將微機電元件31與積體電路元件32接合時，必須對封蓋313施壓、此外封裝的灌膠步驟、或是完成後的微機電系統元件安裝於電路板上的步驟等，也都會使封蓋313受力，而由於封蓋313與動作結構體312連接，因此封蓋313受力將會影響動作結構體312而造成訊號的不精確，且此項不精確無法在微機電元件31與積體電路元件32設計或製作時精確地預估補償。
就其中一個觀點，本發明提供一種微機電系統元件製造方法，包含：提供一積體電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結構，電性結構中包含至少一感應區與至少一第一連接部；提供一結構層，並在該結構層上形成至少一第二連接部；連接該第一連接部與該第二連接部；蝕刻該結構層以形成至少一動作結構體，該動作結構體與該感應區之位置對應，且該動作結構體經由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之後提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結構體和該感應區，其中，該動作結構體非直接連接於該封蓋。
一實施例中，該封蓋連接於該電性結構；另一實施例中，該封蓋連接於該結構層之一部分，且該結構層之該部分並非該動作結構體。
一實施例中，該第一連接部與該第二連接部係利用共晶接合或熔接之方式連接。
一實施例中，在該結構層上形成至少一第二連接部的步驟包含：蝕刻該結構層以形成至少一凸點，以及在該凸點上塗佈黏著劑。
一實施例中，該黏著劑包含鋁、鈦、鍺、金、以上元素之混合物、或以上任一元素之化合物。
一實施例中，該動作結構體為一薄膜、一懸臂、或包含一質量體以及與該質量體相連接之至少一彈簧。
一實施例中，該微機電系統元件之製作方法更包含：研磨該結構層以減少其厚度。
一實施例中，該微機電系統元件之製作方法更包含：蝕刻該封蓋以形成一凹入的部分，以在該微機電系統元件中構成一工作空間。
就另一個觀點，本發明提供一種微機電系統元件，係經由上述製造方法所製作之微機電系統元件，該微機電系統元件包含該積體電路元件與一微機電元件，其中該微機電元件包含該結構層與該封蓋。
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‧‧‧微機電系統元件
11‧‧‧微機電元件晶片
12‧‧‧積體電路晶片
20‧‧‧微機電系統元件
21‧‧‧微機電元件
22‧‧‧積體電路
30‧‧‧微機電系統元件
31‧‧‧微機電元件
312‧‧‧動作結構體
313‧‧‧封蓋
314‧‧‧連接部
32‧‧‧積體電路元件
321‧‧‧基板
322‧‧‧訊號接點
323‧‧‧訊號連接墊
324‧‧‧空間
50、500、510‧‧‧微機電系統元件
51‧‧‧微機電元件
511‧‧‧連接區
512‧‧‧動作結構體
512A‧‧‧質量體
512B‧‧‧彈簧
513‧‧‧連接部
514‧‧‧封蓋
515‧‧‧工作空間
52‧‧‧積體電路元件
521‧‧‧電性結構
5211‧‧‧感應區
5212‧‧‧連接部
524‧‧‧基板
S‧‧‧結構層
S1‧‧‧凸點
S2‧‧‧區域
S3‧‧‧黏著劑
St‧‧‧結構層之頂面
第1圖顯示先前技術之雙晶片方案。
第2圖顯示先前技術之前段整合方案。
第3、4圖顯示先前技術之晶圓階段整合方案。
第5A~5F圖顯示根據本發明之一種微機電系統元件之製造方法。
第6圖顯示根據本發明一實施例之微機電系統元件。
第7圖顯示根據本發明另一實施例之微機電系統元件。
第8圖顯示根據本發明再一實施例之微機電系統元件。
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6圖，其顯示根據本發明之一觀點所提供之一種微機電系統元件50，微機電系統元件50包含微機電元件51與搭配之積體電路元件52。微機電元件51包含一結構層S與一封蓋514，其中結構層S包含與封蓋514連接的連接區511、至少一動作結構體512、以及與積體電路元件52連接的至少一連接部513，且在結構層S與封蓋514之間形成一工作空間515，此工作空間可為一封閉空間，或一非封閉空間，視微機電系統元件50的設計用途而定。積體電路元件52包含一基板524以及位在基板524上的電性結構521(此電性結構521有適當的絕緣，未示出)。電性結構521中包含至少一感應區5211與至少一連接部5212，其中感應區5211的位置對應於動作結構體512，以感測動作結構體512的動作而產生訊號並將訊號傳送給積體電路元件52中的電路(未示出)，而連接部5212係用以與微機電元件51的連接部513對應連接。在本實施例中，動作結構體512例如但不限於可為一薄膜或一懸臂。
相較於第3、4圖之先前技術，本發明之微機電系統元件之動作結構體512並未直接連接於封蓋514，因此若封蓋514需要承受壓力變化或高溫時，不會影響動作結構體512的動作敏感度，故感測結果不受封蓋514狀態影響而改變。所謂「動作結構體512直接連接於封蓋514」係指動作結構體512透過微機電元件51的任何組成部分而連接於封蓋514，而「動作結構體512未直接連接於封蓋514」係指動作結構體512未透過微機電元件51的任何組成部分而連接於封蓋514，但可以經由積體電路元件52而間接連接於封蓋514。
為達成前述「動作結構體512不直接連接於封蓋514」之結構，本發明之製造方法與第3、4圖之先前技術不同。請參閱第5A~5F圖，
顯示本發明所提供之微機電系統元件50之製造方法。首先參閱第5A圖，在積體電路晶圓上以半導體製程製作積體電路元件52，其中包含前述基板524以及位在基板524上的電性結構521，電性結構521中包含至少一感應區5211與至少一連接部5212；此外可在製作積體電路元件52的同時、或在其他時間，另行製作一結構層S，並例如但不限於可藉由蝕刻的方式，在結構層S的其中一面形成凸點(stand-off)S1。如果結構層S的厚度過厚(舉例而言，當結構層S採用矽基板時)，則可使用研磨製程研磨結構層S的另一面St(下稱頂面)以減少其厚度；或是，研磨製程也可在較後的時間進行。
參閱第5B圖，在凸點S1上塗佈黏著劑S3，根據本發明，微機電元件51和積體電路元件52的連接與接合例如可採用共晶接合方式(eutectic bonding)，而黏著劑S3可為例如鋁、鈦、鍺、金、以上元素之混合物、或以上任一元素之化合物等，然本發明並不限於使用此共晶接合方式，可視需要而採用其他方式，例如熔接(Fusion)。凸點S1與黏著劑S3共同構成微機電元件51的連接部513。
參閱第5C圖，使微機電元件51的連接部513與積體電路元件52的連接部5212到達預定相對位置後，可開始進行共晶接合。前述研磨結構層S的頂面St的步驟，也可在第5B或第5C圖的步驟中或之後進行。視需要而定，連接部5212可選擇性地先予清潔或加上氮化鈦(TiN)鍍膜等處理。
參閱第5D圖，例如但不限於以乾蝕刻或濕蝕刻之方式去除結構層S上的部分區域S2，以形成至少一動作結構體512，以及與封蓋514連接的連接區511。
參閱第5E圖，提供一封蓋514，此封蓋514已經過蝕刻而具有凹入的部分，以備未來形成工作空間515。參閱第5F圖，將此封蓋514與連接區511接合，以包覆該動作結構體512與該感應區5211，完成了微
機電系統元件50；感應區5211可感測動作結構體512的動作而產生訊號。
本發明的結構並不限於第6圖所示；根據第5A~5F圖的相同製程，予以簡單變化後，亦可製造出不同結構的微機電系統元件。舉例而言，請參閱第7圖之微機電系統元件500，與第6圖實施例的差異在於：在第5D圖的蝕刻步驟中，定義了不一樣的受蝕刻區域S2；此外，在第5F圖將封蓋514接合的步驟中，是將封蓋514接合至積體電路元件52。
第8圖顯示根據本發明又一實施例所提供之一種微機電系統元件510，與第6、7圖相較，第6、7圖中之動作結構體512為一薄膜或一懸臂，而第8圖之動作結構體512包含一質量體512A以及與質量體512A相連之至少一彈簧512B，而感應區5211係對應於質量體512A而設置。彈簧512B例如但不限於可為平面S型之形式(參閱下方放大頂視圖)，然實施時並不限於平面S型之形式。第8圖之質量體512A係透過彈簧512B連接於動作結構體512之其他部分，而其餘部分之動作結構體512透過連接部513而連接於連接區5212。
此外，前述之封蓋514之材料可包含矽基板、玻璃基板、鍺化矽(SiGe)基板、碳化矽(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。而基板524之材料也可包含矽基板、玻璃基板、鍺化矽(SiGe)基板、碳化矽(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。上述聚合物(polymer)基板例如但不限於為PDMS(聚二甲基矽氧烷)基板。
本發明的優點至少包括：與先前技術之雙晶片方案相較，本發明之微機電系統元件所需之尺寸較小、不會因打線而影響訊號感測。與前段製程整合之方案相較，本發明之微機電系統元件的製程複雜度較低，不會因為製程積體電路元件的製程中的加溫步驟而造成動作結構體的扭曲，而微機電元件的製程步驟也不會傷及積體電路元件的電性結構。與晶圓階段整合方案相較，本發明之微機電系統元件尺寸雖與先前技術近似，但本發明之訊號穩定度較高，任何對封蓋施力的步驟不會影響動作結構體
的感測精確度。
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。例如，凸點與連接區之安排相反，改將凸點安排於積體電路元件方、將連接區安排於微機電元件方等。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。
50‧‧‧微機電系統元件
51‧‧‧微機電元件
511‧‧‧連接區
512‧‧‧動作結構體
513‧‧‧連接部
514‧‧‧封蓋
515‧‧‧工作空間
52‧‧‧積體電路元件
521‧‧‧電性結構
5211‧‧‧感應區
5212‧‧‧連接部
524‧‧‧基板
S‧‧‧結構層
Claims (11)
- 一種微機電系統元件之製造方法，包含：提供一積體電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結構，電性結構中包含至少一感應區與至少一第一連接部；提供一結構層，並在該結構層上形成至少一第二連接部；接合該第一連接部與該第二連接部；蝕刻該結構層以形成至少一動作結構體，該動作結構體與該感應區之位置對應，且該動作結構體經由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之後提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結構體和該感應區，其中，該動作結構體非直接連接於該封蓋。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該封蓋係連接於該電性結構、或連接於該結構層之一部分，且該結構層之該部分並非該動作結構體。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該第一連接部與該第二連接部係利用共晶接合或熔接之方式連接。
- 如申請專利範圍第3項所述之微機電系統元件之製作方法，其中在該結構層上形成至少一第二連接部的步驟包含：蝕刻該結構層以形成至少一凸點，以及在該凸點上塗佈黏著劑。
- 如申請專利範圍第4項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該黏著劑包含鋁、鈦、鍺、金、以上元素之混合物、或以上任一元素之化合物。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該動作結構體為一薄膜、或一懸臂、或包含一質量體以及與該質量體相連接之至少一彈簧。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，更包含：研磨該結構層以減少其厚度。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，更包含：蝕刻該封蓋以形成一凹入的部分，以在該微機電系統元件中構成一工作空間。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該封蓋之材料包含矽基板、玻璃基板、鍺化矽(SiGe)基板、碳化矽(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。
- 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統元件之製作方法，其中該基板之材料包含矽基板、玻璃基板、鍺化矽(SiGe)基板、碳化矽(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。
- 一種以申請專利範圍第1至10項中任一項方法所製作之微機電系統元件，該微機電系統元件包含該積體電路元件與一微機電元件，其中該微機電元件包含該結構層與該封蓋。
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