专利名称：微机电装置及应用于一微机电装置的复合基材的制作方法
技术领域：
本发明有关一种微机电装置，特别关于一种具有可扭转杆件的微机电装置。
背景技术：
一般而言，绝缘层上硅晶片(silicon on insulator，SOI)包括两层硅基板 (siliconsubstrate)，每一层硅基板的晶格方向均为一致，晶格方向一致主因有二 一、一般半导体业遵守SEMI规格，而SEMI规格对200mm晶片定义是其晶格方向为 <100> 方向(200mm orientation of notch axis 为 <110>士 1° )。所以在市场上能取得的 200mm晶片以<100>方向为大宗，其它晶格方向的硅芯片则需进行特殊采购方能取得。二、在半导体设备上大都有对位系统，对200mm晶片制造系统来说都是以切口 (notch)为对位基准，所以采用标准的半导体设备系统所能产出的SOI晶片其晶格方向是一致的。当采用此等绝缘层上硅基板制作半导体装置或微机电装置时，受到晶格方向的影响，便容易造成装置的电性特质难以提升、蚀刻量无法控制等问题。为解决上述缺失以提高产品良率，产业界相继提出改善方案，例如日本专利公开号JP 6151887及美国专利公开号US 2004/0266128。在这两篇专利中，绝缘层上硅基板的两层硅基板具有相异的晶格方向，此举可改善半导体装置的电性特性及蚀刻方面的缺失。然而，对于微机电装置而言，机械性质(例如扭转刚性或弯曲刚性)的改善更为重要，但是上述各篇专利所揭露者仅涉及半导体电性特性或其相关制程控制，并未触及与微机电装置领域的相关技术内容，以致于目前微机电领域的通常知识者，仍无法应用现有硅基板制程技术改善微机电装置的机械性质。有鉴于此，于传统硅基板上改善现今微机电装置的至少一种机械性质，乃为此业界亟待解决的问题。
发明内容
本发明的一目的在于提供一种微机电装置，于现有传统晶片材料及加工制程的基础上，解决习知微机电装置扭转刚性或弯曲刚性不足，抑或其它机械性质的缺失，配合不同微机电装置的功能需求，配置不同晶格方向的硅晶片，以提升其微机电装置的机械性质，例如提供一种微机电装置，其具有一扭转刚性较佳的可扭转杆件。为达上述目的，本发明所揭露的微机电装置包含一第一硅结构层及一第二硅结构层。第一硅结构层具有一可扭转的第一杆件及一第一平面，第一硅结构层定义有数个第一晶格方向及数个第二晶格方向，第一晶格方向的米勒指标为<100>，第二晶格方向的米勒指标为<110>，第一晶格方向及第二晶格方向平行第一平面，第一杆件具有一转轴方向，转轴方向平行第一平面，且与第二晶格方向交错。第二硅结构层固定地连接第一硅结构层，第二硅结构层具有一加强结构及一第二平面，且第二平面平行第一平面。本发明的另一目的在于提供一种应用于微机电装置的复合基材，于现有传统晶片材料及加工制程的基础上，结合不同晶格方向的至少二硅晶片，以对应后续微机电装置的机械性质，例如刚性矩阵(stiffness matrix)中的一张量(tensor)。为让上述目的、技术特征及优点能更明显易懂，下文以较佳实施例配合附图进行详细说明。
图1为本发明微机电装置的第一较佳实施例的立体图；图2为本发明微机电装置的第一较佳实施例的另一视角立体图；图3A为第一较佳实施例采用的一硅晶片的剖面示意图；图3B为另一硅晶片的剖面示意图。图4A为第一较佳实施例采用的硅晶片上第一硅基板的晶格方向示意图；图4B为第一较佳实施例采用的硅晶片上第二硅基板的晶格方向示意图；图5为米勒指标<100>的硅基板的刚性与晶格方向的关系示意图；图6A为第一较佳实施例中形成于第一硅基板的第一硅结构层的方向示意图；图6B为第一较佳实施例中形成于第二硅基板的第二硅结构层的方向示意图；图7为本发明的微机电装置的第二较佳实施例的立体图；图8A为第二较佳实施例中形成于第一硅基板的第一硅结构层的方向示意图；图8B为第二较佳实施例中形成于第二硅基板的第二硅结构层的方向示意图；图9为米勒指标<110>的硅基板的刚性与晶格方向的关系示意图；图IOA为第二较佳实施例中形成于另一第一硅基板的第一硅结构层的方向示意图；图IOB为第二较佳实施例中形成于第二硅基板的第二硅结构层的方向示意图；以及图11为米勒指标<111>的硅基板的刚性与晶格方向的关系示意图。
具体实施例方式本发明提出一微机电装置，微机电装置的部分组件可扭转，藉以达成一特定机械目的，举例而言，本发明的微机电装置可应用于微镜面装置、角位移传感器(例如陀轮仪) 或微泵浦等装置，但并不仅限于此。在以下说明中，本发明的微机电装置的各实施例皆将以微镜面装置为例，但非用以局限本发明。请参阅图1及图2，其为本发明的微机电装置的第一较佳实施例的立体图。微机电装置1为双轴微镜面装置，包括一第一硅结构层11及一第二硅结构层12，第一硅结构层11 及第二硅结构层12主要是由单晶硅制成，且可掺杂或沉积其它材料。第二硅结构层12固定地连接第一硅结构层11，达成两硅结构层11、12固定连接的方式有多种，例如通过凡得尔力(Vender Walls force)直接链接(directly bonding)，或通过亲水性链接(hydrophilic bonding)等方式，但本发明并不限于上述连接方式。第一硅结构层11具有一可扭转的第一杆件111、一可扭转的第二杆件112、一镜面结构113及一第一平面114。镜面结构113与第一杆件111直接地相连，镜面结构113与第二杆件112间接地相连，而第二杆件112与第一杆件111间接地相连，第一平面114则是垂直于第一杆件111、第二杆件112及镜面结构113的厚度方向。由于第一杆件111及第二杆件112可扭转，因此第一杆件111具有一第一转轴方向1111，第二杆件112具有一第二转轴方向1121，第一转轴方向1111与第二转轴方向1121 相互垂直，且平行第一平面114。当镜面结构113受到外力(例如电磁力)作用时，如外力所造成的力矩是指向第一转轴方向1111，镜面结构113会相对第一转轴方向1111摆动，第一杆件111会因此扭转变形；如外力所造成的力矩是指向第二转轴方向1121，镜面结构113及第一杆件111会同时相对第二转轴方向1121摆动时，第二杆件121会因此扭转变形。第二硅结构层12具有一加强结构121及一第二平面122，加强结构121与第一硅结构层11的某些部分相连，以加强这些部分的机械强度，使这些部分不易变形。以本实施例而言，与加强结构121相连的第一硅结构层11部分包含镜面结构113及第一平面114，然而熟知此项领域技术者亦可推及其它加强实施态样，故于此不另赘述。如图1及图2所示，加强结构121定义有相互垂直的一第一延伸方向1211及一第二延伸方向1212，第一延伸方向1211与第一杆件111的第一转轴方向1111平行，第二延伸方向1212则与第二杆件112的第二转轴方向1121平行。第二平面122平行于第一平面 114，并且垂直于加强结构121的厚度方向。请参阅图3A所示，为一硅晶片2的剖面示意图。本实施例的微机电装置1系由硅晶片2所制作出。本发明的至少一特征在于形成微机电装置1的硅晶片2是一复合基材， 该复合基材系由具相异晶格方向的至少二硅基板所组成，以本实施例而言硅晶片2包括一第一硅基板(silicone substrate) 21及一第二硅基板22，第一硅基板21与第二硅基板22 固定地连接。两硅基板21、22的固定连接方式具有如上所述通过凡得尔力直接链接，或通过亲水性链接等方式。或者，如图3B的硅晶片2’剖面示意图所示，第一硅基板21及第二硅基板22之间可选择性地形成一绝缘层23。绝缘层23可为二氧化硅〈silicon dioxide〉，而具有此绝缘层23的硅晶片2’即为一绝缘层上硅晶片(Silicon On Insulator，SOI)。请参阅图4A及图4B，第一硅基板21的表面211及第二硅基板22的表面221的米勒指标(Miller index)皆为<100>。第一硅基板21另定义有平行表面211的四个米勒指标为<100>的第一晶格方向及四个米勒指标为<110>的第二晶格方向，而第二硅基板22也具有平行表面221的四个第三晶格方向<110>及四个第四晶格方向<100>。如上所述，本发明的至少一特征乃第一硅基板21与第二硅基板22的晶格方向并不一致。详言之，第一硅基板21的第一晶格方向<100>并无对齐第二硅基板22的第四晶格方向<100>，而是相差一角度，此角度较佳为45度。同样地，第一硅基板21的第二晶格方向<110>并无对齐第二硅基板22的第三晶格方向<110>，而是相差一角度，此角度较佳为45度。上述构成微机电装置1的硅晶片2须由具相异晶格方向的至少二硅基板所组成的原因在于硅基板的扭转刚性(torsional stiffness)及弯曲刚性(bending stiffness) 的大小受到晶格方向影响，若欲同时提升微机电装置1的机械性质，例如增加扭转刚性及弯曲刚性，上述硅基板间的晶格方向须视不同微机电装置的机械特性而做适当的匹配。以本发明第一较佳实施例而言，第一硅基板21及第二硅基板22的表面的米勒指标皆为<100>，而此类硅基板的晶格方向与刚性的关系示意图如图5所示(以极坐标方式表示)，其中的 C12、C22、C33、C44、C66 等为刚性矩阵(stiffness matrix)中的张量(tensor)，而张量C66与第一硅基板21及第二硅基板22的扭转刚性有关。由图5所示可知，张量C66在晶格方向<100>上趋近极大值，在晶格方向<110>上则趋近极小值。而由于扭转刚性与弯曲刚性为反比，因此弯曲刚性在晶格方向<110>最大，在晶格方向<100>最小。请参阅图6A及图6B，分别为微机电装置1形成于第一及第二硅基板21、22上的第一及第二硅结构层11、12的方向示意图。如图6A所示，于本实施例中，第一硅结构层11系由第一硅基板21制作出，第一硅结构层11的第一平面114与第一硅基板21的表面21为共平面或平行，因此第一平面114 的米勒指标与表面21同为<100>。此外，第一硅结构层11的晶格方向与第一硅基板21的晶格方向一致，因此第一硅结构11具有如图所示的与第一平面114平行的四个米勒指标为 <100>的第一晶格方向及四个米勒指标为<110>的第二晶格方向。第一杆件111的第一转轴方向1111与第一晶格方向<100>平行，且与第二晶格方向<110>交错；第二杆件112的第二转轴方向1121则与另一个第一晶格方向<100>平行， 且与另一个第二晶格方向<110>交错。于上方描述中，交错亦可称的为非平行，其表示第一转轴方向1111与第二晶格方向<110>之间有夹角，第二转轴方向1121与另一个第二晶格方向<110>之间有夹角，而夹角透过改变第一硅基板21的晶格方向<110>与第二硅基板22 的晶格方向<110>的夹角即可实现。配合图5可知，只要晶格方向非<110>，扭转刚性皆可提升，因此与第一晶格方向 <100>平行的第一杆件111及第二杆件112的扭转刚性皆具有良好的扭转刚性。透过此扭转刚性的提升，使得第一杆件111及第二杆件112可承受以特定扭力进行高频率地往复扭转。值得一提的是，第一转轴方向1111或第二转轴方向1121并不限定平行第一晶格方向 <100>，仅需与第二晶格方向<110>交错，第一杆件111及第二杆件112的扭转刚性即可获得一定程度的提升。如图6B所示，于本实施例中，第二硅结构层12系由第二硅基板22制作出，第二硅结构层12的第二平面122与第二硅基板22的表面221为共平面或平行，因此第二平面122 的米勒指标同为<100>。此外，第二硅结构层12的晶格方向与第二硅基板22的晶格方向一致，因此第二硅结构层12具有如图所示的与第二平面122平行的四个米勒指标为<110>的第三晶格方向及四个米勒指标为<100>的第四晶格方向。第二硅结构层12中，加强结构121的第一延伸方向1211与第三晶格方向<110>平行，且与第四晶格方向<100>交错；第二延伸方向1212则与另一个第三晶格方向<110>平行，且与另一个第四晶格方向<100>交错。如同上述，交错亦即非平行，其表示第一延伸方向1211与第四晶格方向<100>之间有夹角，第二延伸方向1212则与另一个第四晶格方向 <100>之间有夹角，而夹角透过改变第一硅基板21的晶格方向<110>与第二硅基板22的晶格方向<110>的夹角即可实现。配合由图5及前述扭转刚性与弯曲刚性的反比关系，只要晶格方向非<100>，弯曲刚性即可改善，因此本实施例中延伸方向1211、1212与第三晶格方向<110>平行的加强结构121，便具有最佳的弯曲刚性。此外，第一延伸方向1211及第二延伸方向1212并不限定平行第三晶格方向<110>，仅需与第四晶格方向<100>交错，加强结构121即可具有一定强度的弯曲刚性。
请参阅图7，其是本发明的微机电装置的第二较佳实施例的立体图。第二较佳实施例的微机电装置3与第一较佳实施例的微机电装置1差异在于微机电装置3的第一硅结构层11只具有一可扭转的第一杆件111。换言之，微机电装置3为单轴微镜面装置。请配合参阅图8A及图8B，其分别为微机电装置3形成于第一及第二硅基板21、22 上的第一及第二硅结构层11、12的方向示意图。如同前述，第一硅基板21的表面211及第二硅基板22的表面221的米勒指标皆为<100>。第一硅基板21另定义有平行表面211的四个米勒指标为<100>的第一晶格方向及四个米勒指标为<110>的第二晶格方向(图仅部份示出)，而第二硅基板22也具有平行表面221的四个第三晶格方向<110>及四个第四晶格方向<100>(图仅部份示出)。如图8A所示，于本实施例中，第一杆件111的第一转轴方向1111与第一晶格方向 <100>平行，且与第二晶格方向<110>交错，因此第一杆件111具有较佳的扭转刚性。此外， 第一转轴方向1111不限定与第一晶格方向<100>平行，仅需与第二晶格方向<110>交错， 第一杆件111的扭转刚性即可获得一定程度的提升。请参阅图9，其系硅基板的表面的米勒指标为<110>的晶格方向与刚性的关系示意图(以极坐标方式表示)。由图可知，与表面的米勒指标为<100>的硅基板相似地，影响扭转刚性的张量C66在晶格方向<100>最大，在晶格方向<110>最小；换言之，弯曲刚性在晶格方向<100>最小，在晶格方向<110>最大。由于微机电装置3的第一硅结构层11除了可使用表面米勒指标为<100>的第一硅基板21来制造外，也可使用表面米勒指标为<110>的第一硅基板21’来制造。此时，第一硅结构层的第一平面114与表面211的米勒指标均为<110>。另一方面，第二硅结构层 12仍可采用表面221米勒指标为<100>的第二硅基板22来制造，以下将针对此类型的实施态样进行说明。请参阅图IOA及图IOB所示，其分别为微机电装置3形成第一及第二硅基板21’、 22上的第一及第二硅结构层11、12的方向示意图，其中第一硅基板21’的表面211的米勒指标为<110>。由于第一硅结构层11系由第一硅基板21’制成，因此第一硅结构层11与第一硅基板21’具有相同的晶格方向。此时，第一硅结构层11具有两个第一晶格方向<100>及两个第二晶格方向<110>。第一杆件111的第一转轴方向1111平行于第一晶格方向<100>， 且与第二晶格方向<110>交错，此时第一杆件111具有较佳的扭转刚性。此外，即使第一转轴方向1111不与第一晶格方向<100>平行，只要第一转轴方向1111与第二晶格方向<110> 交错，第一杆件111的扭转刚性亦可获得改善。除了上方各实施例及实施态样所述，本发明的微机电装置的第二硅结构层亦可使用表面米勒指标为<110>或<111>的第二硅基板来制造。此时，第二硅结构层的第二平面的米勒指标将随的变为<110>或<111>;配合前述的第二硅结构层，第一硅结构层则可选择使用表面米勒指标为<100>或<110>的第一硅基板来制造。配合图9的前文描述，当采用表面米勒指标为<110>的第二硅基板制作第二硅结构层时，加强结构的第一延伸方向与第四晶格方向<100>交错，加强结构的弯曲刚性即可获得改善。而针对使用表面米勒指标为<111>的第二硅基板的情形，则请先参阅图11。此图是硅基板的表面的米勒指标为<111>的晶格方向与刚性的关系示意图(以极坐标方式表示)。由图可知，影响扭转刚性的张量C66在任何晶格方向均相同，换言的，弯曲刚性在任何晶格方向也都为一样。因此当采用表面米勒指标为<111>的第二硅基板制作第二硅结构层时，无论加强结构的延伸方向偏向何种晶格方向，加强结构的弯曲刚性都为一致；换言的， 加强结构将具有等向性的弯曲刚性。综合上述，本发明的微机电装置具有至少如下所示的特点1、当使用表面米勒指标为<100>或<110>的第一硅基板制造第一硅结构层时，将杆件的第一转轴方向与晶格方向<110>交错，即可在不改变杆件的几何形状之前提下，明显改善其扭转刚性。2、当使用表面米勒指标为<100>或<110>的第二硅基板制造第二硅结构层时，将加强结构的延伸方向与晶格方向<100>交错，即可在不改变加强结构的几何形状之前提下，明显改善其弯曲刚性。3、当使用表面米勒指标为<111>的第二硅基板制造第二硅结构层时，加强结构将具有等向性的弯曲刚性。上述的实施例仅用来例举本发明的实施态样，以及阐释本发明的技术特征，并非用来限制本发明的保护范畴。任何熟悉此技术者可轻易完成的改变或均等性的安排均属于本发明所主张的范围，本发明的权利保护范围应以申请专利范围为准。
权利要求
1.一种微机电装置，包含一第一硅结构层，包含可扭转的一第一杆件及一第一平面，该第一硅结构层具有至少一第一晶格方向及至少一第二晶格方向，该至少一第一晶格方向的米勒指标为<100>，该至少一第二晶格方向的米勒指标为<110>，其中该第一平面与该至少一第一晶格方向及该至少一第二晶格方向平行，该第一杆件具有一第一转轴方向，该第一转轴方向与该第一平面平行，且与该至少一第二晶格方向交错；以及一第二硅结构层，固定地连接该第一硅结构层，该第二硅结构层包含与该第一平面平行的一第二平面。
2.根据权利要求1所述的微机电装置，其特征在于，该第一转轴方向与该至少一第一晶格方向平行。
3.根据权利要求1或2所述的微机电装置，其特征在于，该第一平面的米勒指标为 <100>。
4.根据权利要求3所述的微机电装置，其特征在于，该第一硅结构层还包含可扭转的一第二杆件，该第二杆件连接该第一杆件，该第二杆件具有一第二转轴方向，该第二转轴方向平行该第一平面，且垂直于该第一转轴方向。
5.根据权利要求1或2所述的微机电装置，其特征在于，该第一平面的米勒指标为 <110>。
6.根据权利要求1或2所述的微机电装置，其特征在于，该第二硅结构层还包含一加强结构，且该第二硅结构层具有至少一第三晶格方向及至少一第四晶格方向，该至少一第三晶格方向的米勒指标为<110>，该至少一第四晶格方向的米勒指标为<100>，该至少一第三晶格方向及该至少一第四晶格方向平行该第二平面，该加强结构具有一延伸方向，该延伸方向与该第一转轴方向平行，且与该至少一第四晶格方向交错。
7.根据权利要求6所述的微机电装置，其特征在于，该第二平面的米勒指标为<100>。
8.根据权利要求6所述的微机电装置，其特征在于，该第二平面的米勒指标为<110>。
9.根据权利要求6所述的微机电装置，其特征在于，该延伸方向与该至少一第三晶格方向平行。
10.根据权利要求1或2所述的微机电装置，其特征在于，该第二平面的米勒指标为 <111>。
11.根据权利要求1或2所述的微机电装置，其特征在于，该第一硅结构层还包含一镜面结构，该镜面结构直接连接该第一杆件。
12.根据权利要求4所述的微机电装置，其特征在于，该第一硅结构层还包含一镜面结构，该镜面结构直接连接该第一杆件且间接连接该第二杆件。
13.根据权利要求4所述的微机电装置，其特征在于，该第二转轴方向与该至少一第一晶格方向平行。
14.一种应用于一微机电装置的复合基材，包含一第一硅基板；以及一第二硅基板，该第一硅基板的一晶格方向与该第二硅基板的一晶格方向相异，以对应该微机电装置的一张量。
全文摘要
本发明提供一种微机电装置及应用于一微机电装置的复合基材。微机电装置包含一第一硅结构层及一第二硅结构层，第二硅结构层固定地连接第一硅结构层。第一硅结构层具有一可扭转的杆件及一第一平面，并定义有一第一晶格方向及一第二晶格方向，第一晶格方向的米勒指标为，第二晶格方向的米勒指标为，第一晶格方向及第二晶格方向平行第一平面，杆件具有一转轴方向，转轴方向平行第一平面，且与第二晶格方向交错。藉此，便可改善微机电装置中杆件的扭转刚性。
文档编号B81B7/02GK102442631SQ20101050950
公开日2012年5月9日 申请日期2010年10月8日 优先权日2010年10月8日
发明者李柏勋, 林弘毅, 陈明发 申请人:探微科技股份有限公司