具多重气密空腔的微机电装置及其制作方法与流程

本发明涉及一种微机电装置，且特别是涉及一种气密式的整合型微机电装置。

背景技术：

一般而言，设置于微机电感测器(MEMS sensor)中的感测元件(sensing element)需在特定的环境下操作，才能具有最佳的作动方式。因此，不同功能的微机电感测器，其感测元件所处的环境也需随之变化，才能确保微机电感测器在进行感测时，具有良好的准确度。举例而言，有些微机电感测器(例如陀螺仪)需要考虑震动阻尼对振动频率与信噪比的影响，因此会将感测元件(例如陀螺仪的可动质量块)设置于真空的气密空腔中，以降低空气阻尼所造成的影响。另外，有些感测元件(例如加速度计的可动质量块)在量测加速度而产生震动时，需要适当的空气阻尼，才能得到正确的量测结果。因此，这些感测元件(例如加速度计的可动质量块)需设置在特定气压的气密空腔中。除此之外，还有些微机电感测元件(例如是压力计的感测薄膜)需要包覆一具有特定气压或真空的气密空腔，才能量测压力计所在环境的压力大小。

然而，在市场对于电子产品小尺寸与低成本的要求下，具不同功能的感测器的整合已成为未来微机电感测器市场的主流趋势。因此，如何开发出具多重气密空腔的微机电装置，以提供不同感测元件能在不同气压的环境中，进行最佳的作动，已成为整合多种微机电感测器时的重要关键技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种气密式的整合型微机电装置，整合了不同功能的微机电感测元件，以同时量测不同的物理量，例如压力或惯性等。以压力计与加速度计为例，压力计需要较薄的结构层做为变形薄膜以提高感测灵敏度，而加速度计或是其他惯性元件需要较厚的结构层作为感测质量块以提高灵敏度。此外，为了量测绝对压力以及避免温度对压力的影响，压力计需要较高真空度的操作环境，然而加速度计在过高真空度的环境中会有输出不稳定的问题。此两种元件对操作环境的气压要求并不相同。

为达上述目的，在本发明的一实施例中，微机电装置包括基板、第一盖体、第一感测单元以及第二盖体。基板具有第一表面，第一盖体设置于基板上，且第一盖体与基板定义第一气密空腔。第一感测单元包含悬浮于基板上方的可动质量块。第二盖体设置于基板上，且第二盖体与基板定义第二气密空腔。所述第一感测单元设置于第二气密空腔之外，且第一气密空腔包覆第一感测单元。

在本发明的一实施例中，微机电装置包括基板、第一盖体、第一感测单元以及第二盖体。基板具有第一表面，第一盖体设置于基板上，且第一盖体与基板定义第一气密空腔。第一感测单元包含悬浮于基板上方的可动质量块。第二盖体设置于基板上，且第二盖体与基板定义第二气密空腔。在本实施例中，第一感测单元设置于第二气密空腔之外，第一气密空腔包覆第一感测单元及第二盖体，且第一气密空腔中的气压与第二气密空腔中的气压不同。

在本发明的一实施例中，微机电装置包括基板、第一盖体、第一感测单元、第二盖体。基板具有第一表面，第一盖体设置于基板上，且第一盖体与基板定义第一气密空腔。第一感测单元包含悬浮于基板上方的可动质量块。第二盖体设置于基板上，且第二盖体与基板定义第二气密空腔。在本实施例中，第一感测单元设置于第二气密空腔之外，第一气密空腔包覆第一感测单元及第二盖体。此外，可动质量块下表面至第一表面的距离实质上等于第二盖体顶壁的下表面至第一表面的距离，且可动质量块的厚度实质上等于第二盖体的厚度。

在本发明的一实施例中，微机电装置包括基板、第一盖体、第一感测单元、第二盖体。基板具有第一表面，且包含薄膜以及贯穿孔。第一盖体设置于基板上，且第一盖体与基板定义第一气密空腔。第一感测单元包含悬浮于基板上方的可动质量块。第二盖体设置于基板上，且第二盖体与基板定义第二气密空腔。在本实施例中，第一感测单元设置于第二气密空腔之外，且第一气密空腔包覆第一感测单元及第二盖体。薄膜的上表面暴露于第二气密空腔内，且薄膜的下表面覆盖贯穿孔。

本发明提出的一种微机电装置的制作方法，包括下列步骤。首先，提供第一基板，并且在第一基板上形成固定电极。接着，提供第二基板，并且蚀刻第二基板，以形成多个凸部及多个凹部。然后，接合第二基板至第一基板的第一表面，以形成第二气密空腔。并且，蚀刻第二基板，以形成包覆第二气密空腔的第二盖体及第一感测单元。之后，接合第一盖体至第一基板的第一表面，以形成第一气密空腔。本实施例的第一感测单元包含至少一悬浮于固定电极上方的可动质量块。第一气密空腔内的气压为第一气压，第二气密空腔内的气压为第二气压，且第一气压不等于第二气压。第一感测单元设置于第二气密空腔之外，第一气密空腔包覆第一感测单元及第二盖体。

基于上述，本发明提出一种利用单一制作工艺平台整合两种以上的微机电感测元件的结构设计与制作方法，可将两种以上的感测元件整合在单一装置中，克服不同感测元件因操作环境与结构差异而难以整合的问题。例如，本发明的微机电装置可以提供相互独立的第一气密空腔与第二气密空腔，并使其具有不同的气压，以分别适应前述压力计以及加速度计所需的操作环境。此外，通过气密包覆式的设计，可将感测元件的电性导线与电极包覆在气密空腔中，避免电性导线与电极被外界水气与化学物质所腐蚀。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附的附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明的一实施例的一种微机电装置；

图2～图16为本发明的一实施例的微机电装置的制作方法。

符号说明

100：电子装置

110：(第一)基板

110a：基板的第一表面

112：导电接合部

114：第一导电密封环

116：第二导电密封环

118：导电通孔

120：第一盖体

130：第二盖体

130a：第二盖体的顶壁的下表面

132：第二盖体的顶壁

134：第二盖体的侧壁

140：第一感测单元

142：可动质量块

142a：可动质量块的下表面

144：固定座

146：固定电极

150：第一气密空腔

160：第二气密空腔

170：压力计

172：薄膜

172a：薄膜的上表面

172b：薄膜的下表面

173：可动电极

174：贯穿孔

175：导电线路

192：导电层

192a：开口(或槽)

194：半导体层

196：第一绝缘层

198：第二绝缘层

198a：开口

198b：通孔

D1、D2：距离

T1、T2：厚度

P1、P2：环境气压

220：第二基板

222：处理层

224：元件层

226：绝缘层

224a：凸部

224b：凹部

228：导电接合层

具体实施方式

图1绘示依照本发明的一实施例的一种微机电装置100，其适于同时量测压力及惯性物理量。在此，所述压力例如是液体或气体的压力，而惯性物理量为利用质量块的惯性所量测出来的物理量，例如是加速度、角速度、地磁磁力、共振频率等。换言之，本实施例的微机电装置可依据使用目的，在同一微机电装置中，整合两种以上的惯性感测器。举例而言，在本实施例可将压力计与加速度计整合在同一微机电装置中以应用于侦测车辆轮胎的胎压。本实施例也可将压力计与陀螺仪或磁力计整合在同一微机电装置中。

如图1所示，微机电装置100包括基板110、第一盖体120、第二盖体130以及第一感测单元140。基板110具有第一表面110a，而第一盖体120设置于基板110上，且第一盖体120与基板110定义第一气密空腔150。第二盖体130设置于基板110上，且第二盖体130与基板110定义第二气密空腔160。在此，第二盖体130具有顶壁132以及连接顶壁132的侧壁134。此外，前述「第一盖体120设置于基板110上」所描述的结构可以包含：第一盖体120直接设置于基板110上(中间没有隔着其他膜层，如下文提及的第二绝缘层198、导电层192及半导体层194等)，或者，第一盖体120间接设置于基板110上(中间隔着其他膜层，例如下文提及的第二绝缘层198、导电层192及半导体层194等)。

第一感测单元140包含悬浮于基板110上方的可动质量块142，且可动质量块142设置于第二气密空腔160之外。在此，第一感测单元140悬浮于基板110上方，因此，第一感测单元140与基板110之间可不存在其他膜层。第一气密空腔150至少包覆第一感测单元140，或者同时包覆第一感测单元140及第二盖体130。换言之，第一盖体120可以如本实施例所示，同时覆盖第二盖体130以及第一感测单元140。或者，在其他未绘示的实施例中，第一盖体120可能只覆盖第一感测单元140，而第二盖体130位于第一盖体120之外。

在本实施例中，第一气密空腔150与第二气密空腔160相互独立，而可提供不同的操作环境。例如，以整合压力计与加速度计的设计为例，本实施例可以使第一气密空腔150与第二气密空腔160具有不同的气压，以分别提供压力计以及加速度计所需的操作环境。当然，本发明并不限制感测元件的种类。本技术领域中具有通常知识者在参酌下文的说明之后，当可依据现有技术水平在不脱离本发明的保护范围内对所公开的结构进行可能的调整。举例而言，所述加速度计也可被置换为陀螺仪、磁力计、震荡器或前述任两者以上的组合。

以下参照图1对具体结构进行详细的说明。

所述第一感测单元140例如是加速度计，包括固定座144、可动质量块142以及固定电极146。可动质量块142耦接于固定座144，而具有至少一个轴向的运动自由度。固定电极146对应于可动质量块142，以形成电容。当微机电装置100在进行特定轴向的加速度量测时，可动质量块142会产生相应的运动，使得可动质量块142与固定电极146间的电容发生改变。因此，微机电装置100可借着感测电容的改变，然后通过特用集成电路(ASIC)的计算，求得加速度的大小。由于第一感测单元140被第一气密空腔150包覆，因此可以选择让第一气密空腔150具有适应于加速度感测的特定气压，以提供正确且灵敏的量测结果。

另一方面，本实施例可以选择让第二气密空腔160可具有较高真空度，以提供适合压力计量测绝对压力时之的操作环境。本实施例也可以选择让第二气密空腔160可具有一特定的气压值，以提供适合压力计量测相对压力时的操作环境。本实施例的基板110包含薄膜172及贯穿基板110的贯穿孔174，其中薄膜172的上表面172a可导电且暴露于第二气密空腔160内，且薄膜172的下表面172b覆盖贯穿孔174，并通过贯穿孔174连通到外界。所述第二盖体130、薄膜172及第二气密空腔160构成压力计170，用以量测外界的气压。

在本实施例中，基板110具有多层膜结构，用以形成薄膜172以及其他可能的电极或线路等元件。更具体而言，基板110具有导电层192、半导体层194、设置于导电层192与半导体层194之间的第一绝缘层196以及位于基板110底部的第一绝缘层196。本实施例的薄膜172例如是由部分导电层192、部分半导体层194以及部分第一绝缘层196的多层膜结构所构成。部分导电层192暴露于第二气密空腔160内，而部分半导体层194覆盖贯穿孔174。部分第一绝缘层196设置于部分导电层192与部分半导体层194之间。此外，导电层192上还覆盖有第二绝缘层198，以隔绝第一感测单元140的固定电极146与导电层192。换言之，导电层192设置于第一绝缘层196与第二绝缘层198之间，而固定电极146设置于第二绝缘层198上，且第二绝缘层198在第二气密空腔160内暴露出部分导电层192。

前述半导体层194可为P型半导体层或N型半导体层。并且，若基板110为半导体基板，且选择在基板110进行离子掺杂(ion implant)来形成半导体层194时，半导体层194的导电形态可取决于基板110的类型。举例而言，当基板110为N型半导体基板时，半导体层194可为P型半导体层，而当基板110为P型半导体基板时，半导体层194可为N型半导体层。

承上述，在本实施例中，由于薄膜172的部分导电层192与外界之间隔着半导体层194以及第一绝缘层196，因此可以有效防止导电层192接触到外界水气或化学物质而氧化或被腐蚀。特别是，导电层192还可用于制作微机电装置100的内埋式电性线路。因此，不论以导电层192作为压力计170的可动电极173或是用于制作电性线路175，都能得到绝佳的保护效果。此外，由于第一盖体120覆盖薄膜172与可动质量块142，因此当第一盖体120为导电体且电连接至电性接地用的导电层时，第一盖体120可防止压力计170与第一感测单元140受外部电磁波干扰而产生错误信号。

另外，薄膜172可由三种材料层构成用以调整薄膜172的刚性(stiffness)。不同刚性的薄膜可适应不同环境的压力感测。例如胎压计与高度计所采用的薄膜就具有不同的刚性。更具体而言，导电层192可以选用例如多晶硅(polysilicon)。半导体层194可以是掺杂硼的硅的P型半导体层。第一绝缘层196的材料可以是氮化硅(Silicon Nitride)。由于此三者之间的热膨胀系数差异(CTE mismatch)较小，因此可降低薄膜172内的遇热时产生的热应力。此外，由上述三种材料层构成的薄膜172具有良好的剥离强度(peeling strength)，有效避免材料层之间因应力作用而相互剥离，进而提升了微机电装置100的可靠度。

另一方面，第一感测单元140的固定电极146的材料例如为铜或其他导电材料。在本实施例中，固定电极146与薄膜172的导电层192分别属于不同的材料层。换言之，固定电极146与导电层192不在同一平面上。

如前述，固定电极146与导电层192之间具有第二绝缘层198，其材料可以是氮化硅(Silicon Nitride)。此由金属(铜)/氮化硅/多晶硅形成的三层结构可提高电性线路设计的弹性。例如，导电层192可形成一位于第二绝缘层198下方的电性线路。如此，当第一盖体120在与基板110接合时，便能采用不同的接合方法，如玻璃介质接合(Glass Frit Bonding)或是金属接合(Metal Bonding等)。此外，当基板为互补式金属氧化物半导体集成电路(CMOS IC)芯片时，微机电装置100就成为了垂直整合的微机电装置。此外，本实施例的可动质量块142与第二盖体130可以由同一元件材料层(例如是半导体层)来制作，如此所形成的可动质量块142的下表面142a至基板110的第一表面110a的距离D1实质上会等于第二盖体130顶壁132的下表面130a至第一表面110a的距离D2，且可动质量块142的厚度T1实质上等于第二盖体130的厚度T2。

图2～图16进一步绘示依照本发明的一实施例的前述微机电装置100的制作方法。在本实施例中，尽可能采用相同或类似的元件符号来表示相同或类似的元件，以具体说明每个制作工艺步骤，然而其并非用以限定本发明的技术方案。本技术领域中具有通常知识者在参酌下文的说明之后，当可依据现有技术水平在不脱离本发明的保护范围内对相关制作工艺步骤中所采用的材料、制作工艺条件、步骤顺序，进行可能的变更、置换或省略。

首先，如图2所示，提供第二基板220，其例如是绝缘层覆硅(Silicon On Insulator,SOI)晶片，包括处理层(handle layer)222、元件层(device layer)224以及位于处理层222与元件层224之间的绝缘层(insulation layer)226。在此，处理层222与元件层224的材料为硅，而绝缘层226的材料是二氧化硅(SiO2)。接着，如图3所示，通过蚀刻或其他图案化制作工艺移除部分的元件层224，以在元件层224上形成多个凸部224a与多个凹部224b。并且，如图4所示，在凸部224a的顶面形成导电接合层228。

之后，如图5所示，提供第一基板110，并且在第一基板110的第一表面110a上进行离子掺杂(ion implant)，以形成半导体层194。在此，第一基板110例如是N型半导体基板，而所进行的离子掺杂步骤例如为P型离子掺杂，以形成P型的半导体层194。当然，若第一基板110为P型半导体基板，则可进行N型离子掺杂，以形成N型的半导体层194。接着，如图6所示，在半导体层194上进行氮化硅(silicon nitride)的沉积，以形成第一绝缘层196。并且，如图7所示，在第一绝缘层196上进行多晶硅(poly-sillicon)的沉积，以形成导电层192。在图6的步骤中，由于是对第一基板110进行氮化硅的沉积，因此可能在第一基板110的底面同时形成另一第一绝缘层196。

然后，如图8所示，通过蚀刻或其他可能的方式对导电层192进行图案化(patterning)，以形成多个开口(或槽)192a。此多个开口(或槽)192a贯穿导电层192而至第一绝缘层196，可定义出压力计170所需的可动电极173以及内埋式的导电线路175。此处的可动电极173可以为圆形、方形或其他可能的形状。

接着，如图9所示，在导电层192上进行氮化硅的沉积，以形成第二绝缘层198。更详细地说，第二绝缘层198覆盖可动电极173及导电线路175。此外，第二绝缘层198覆盖曝露于多个开口(或槽)192a中的第一绝缘层196。并且，如图10所示，通过蚀刻或其他可能的方式对第二绝缘层198进行图案化，以形成暴露出可动电极173的开口198a以及提供不同层线路连接路径的通孔198b。

然后，如图11所示，形成图案化金属层，其材料例如为铜或其他金属。具体而言，先全面沉积电极材料层(例如是铜层)在第一基板110上，再通过蚀刻或其他可能的方式对电极材料层进行图案化，以在第二绝缘层198上形成固定电极146、多个导电接合部112、第一导电密封环114以及第二导电密封环116。同时，在通孔198b(如图10所示)内形成导电通孔118，使导电通孔118连接导电接合部112及导电层192，进而使导电接合部112电连接导电层192。

接着，如图12所示，将第二基板220接合至第一基板110，其中导电接合层228对应连接导电接合部112以及第二导电密封环116。此时，第二气密空腔160形成于第一基板110与第二基板220之间，而第二气密空腔160内的气压即为进行此制作工艺步骤时的环境气压P2。应注意的是，为了形成完整的第二气密空腔160，除了在第一基板110上设置第二导电密封环116之外，在图3所示的移除部分元件层224的制作工艺步骤中，对所形成的凹部224b的形状与位置做了考虑。例如，在对应形成第二气密空腔160的位置上形成凹部224b，以在第二基板220接合至第一基板110之后，使凹部224b与第二导电密封环116所围绕的空间共同形成所述第二气密空腔160。

之后，如图13所示，对第一基板110进行背蚀刻(back etching)制作工艺，使用例如氢氧化钾(KOH)溶液蚀刻第一基板110底部，以形成贯穿第一基板110的贯穿孔174，且贯穿孔174暴露出部分的P型半导体层194。此时，薄膜172被形成。

接着，如图14所示，移除第二基板220的处理层222与绝缘层226，再如图15所示，通过蚀刻或其他图案化制作工艺移除部分的元件层224，以定义出第二盖体130以及第一感测单元140的可动质量块142、固定座144等。

之后，如图16所示，接合第一盖体120至第一基板110上的第一导电密封环114，以形成第一气密空腔150。此时，第一气密空腔150内的气压即为进行此制作工艺步骤时的环境气压P1。如此，大致完成微机电装置100的制作。在此步骤中，可以选择让第一盖体120同时覆盖第二盖体130以及第一感测单元140，也就是让第二盖体130以及第一感测单元140共同位于第一气密空腔150中。或者，在其他未绘示的实施例中，也可以选择让第一盖体120只覆盖第一感测单元140，而让第二盖体130位于第一盖体120之外。

基于上述，本实施例可以依据图12与图16的接合步骤中的制作工艺环境气压来决定第一气密空腔150内的环境气压P1与第二气密空腔160内的环境气压P2。因此，前述微机电装置100的制作方法可依据不同感测元件的功能，使第一气密空腔150与第二气密空腔160具有相同或不同气压。如此，即能整合例如压力计、加速度计、陀螺仪、磁力计或振荡器等感测元件于单一的微机电装置中。

此外，薄膜172包含部分导电层192、部分半导体层194以及部分第一绝缘层196。由于部分导电层192与外界之间隔着半导体层194以及第一绝缘层196，因此可以有效防止部分导电层192接触到外界水气或化学物质而氧化或被腐蚀。因此，由多种材料构成的薄膜172可以对可动电极173提供良好的保护效果。同时，本实施例也可以在制作薄膜172的过程中改变导电层192、半导体层194以及第一绝缘层196的材料、厚度等等，以调整薄膜172的刚性(stiffness)。不同刚性的薄膜172可以应用于不同环境的压力量测，例如可分别应用于胎压计或3D导航用的高度计。

另外，本实施例的制作方法选择对元件层214进行图案化，以同时形成可动质量块142与第二盖体130，因此可动质量块142与第二盖体130会具有大致相同的高度与厚度。更具体而言，如图1所示，可动质量块142的下表面142a至基板110的第一表面110a的距离D1实质上会等于第二盖体130顶壁的下表面130a至第一表面110a的距离D2。可动质量块142的厚度T1实质上等于第二盖体130的厚度T2。

虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。