带有压力隔离的mems器件及制作方法

带有压力隔离的mems器件及制作方法
【专利摘要】本发明涉及带有压力隔离的MEMS器件及制作方法。MEMS器件（20）包括检验质量结构（26）和位于所述检验质量结构（26）的中央开口（32）中的梁(28、30)，其中所述结构和所述梁悬浮在衬底（22）之上。所述梁(28、30)被定向以便所述梁的纵长边缘(34、36)位于彼此旁边。隔离段（38）介于所述梁(28、30)之间以便每一个梁的中间部分（40）被横向地锚定到相邻隔离段（38）。隔离段（38）提供所述梁之间的电隔离。梁(28、30)通过顺从结构(61、65)被锚定到所述衬底（22），其中所述顺从结构将所述梁和底层衬底中的变形隔离。所述顺从结构(61、65)为所述梁(28、30)提供到所述衬底（22）的导电路径(96、98)，其中所述路径彼此电隔离。
【专利说明】
【技术领域】
[0001] 本发明通常涉及微机电系统(MEMS)器件。更具体地说，本发明涉及带有压力隔离 的MEMS器件及制作方法。 带有压力隔离的MEMS器件及制作方法

【背景技术】
[0002] 微机电系统（MEMS)传感器器件被广泛应用于例如汽车、惯性制导系统、家用电器、 各种器件的保护系统、以及很多其它工业、科学、以及工程系统的应用中。这种MEMS器件被 用于感测物理条件，例如加速度、压力、或温度，并提供表示感测的物理条件的电信号。电容 传感MEMS传感器设计被高度用于高重力环境和在小型化器件的操作，这应归于它们相对 较低的成本。

【专利附图】

【附图说明】
[0003] 结合附图并参阅详细说明书以及权利要求，对本发明可有比较完整的理解。其中 在附图中类似的参考符号表示类似的元件，附图不一定按比例绘制，以及：
[0004] 图1根据一个实施例，不意性地不出微机电系统（MEMS)器件的顶视图；
[0005] 图2示出MEMS器件沿着图1的截面线2-2的侧视图；
[0006] 图3示出图1的MEMS器件的部分放大顶视图；
[0007] 图4示意性地示出衬底的顶视图，其中图1的MEMS器件的器件结构可在其上被形 成；
[0008] 图5根据另一个实施例，示出MEMS器件制作过程的流程图；
[0009] 图6示出图1的MEMS器件在过程的开始阶段的侧视图；
[0010] 图7示出图6的器件在过程的一个后续阶段的侧视图；
[0011] 图8示出图7的器件在过程的一个后续阶段的侧视图；
[0012] 图9示出图8的器件在过程的一个后续阶段的侧视图；
[0013] 图10示出图9的器件在过程的一个后续阶段的侧视图；
[0014] 图11示出图10的器件在过程的一个后续阶段的侧视图；
[0015] 图12示出图11的器件在过程的最后阶段的侧视图

【具体实施方式】
[0016] MEMS器件应用的制作和封装经常使用带有不同热膨胀系数的各种材料。由于在存 在温度变化的情况下，各种材料以不同速度进行膨胀和收缩，衬底以及MEMS器件的有源传 感器层可能经历拉伸、弯曲、翘曲以及由于不同材料的不同尺寸变化而产生的其它变形。因 此，显著热应力可能在制作或操作过程中发展。此外，显著封装应力可能由于在最终应用中 将封装的MEMS器件焊接到印刷电路板上而产生。
[0017] 很多MEMS传感器器件应用要求小尺寸和低成本的封装，以满足苛刻的成本目标。 此外，MEMS器件应用在这种MEMS器件的输出性能方面要求更高的灵敏度和持续改进。热 应力和封装应力可以强加衬底变形，其并不总是可预测的或在MEMS器件产品的整个寿命 中是一致的。此外，由热应力和封装应力诱导的衬底变形可以导致感测信号发生变化，从而 不利地影响了 MEMS器件的输出性能。
[0018] 改进工作集中在消除衬底变形效应，以改善MEMS器件的输出性能。一些被实施以 消除衬底变形效果的设计可以减小MEMS器件的面积效率。其它改进工作包含增加机械灵 敏度以减小由于封装应力而产生的百分比变化。然而，该技术可以被由于静摩擦的增加的 检测质量故障的风险而限定。
[0019] 本发明的一个实施例包含在本发明中被称为MEMS器件的微机电系统(MEMS)传感 器，其中MEMS器件在很大程度上与底层衬底分离。这种分离是通过配置来实现的，其中该 配置包括悬浮在上面并通过顺从结构在多个位置被连接到底层衬底的刚性器件支柱。顺从 结构将衬底变形与传感器的刚性支柱隔离。此外，与衬底的多个电连接可以通过顺从结构 进行。制作方法包含介电沟再填充过程以形成电隔离悬浮支柱的每一段并提供刚性机械连 接的隔离段。
[0020] 参照图卜图3,图1根据一个实施例，不意性地不出微机电系统（MEMS)器件20的 顶视图，图2示出MEMS器件20沿着图1的截面线2-2的侧视图以及图3示出图1的MEMS 器件的放大部分顶视图正如在下面将要讨论的，图1-图3是通过使用各种阴影和/或剖面 线来说明的以区分产生于MEMS器件20的结构层内的不同元件。结构层内的这些不同元件 可利用沉积、图案化、蚀刻等等的当前和未来的表面微机械加工技术而生成。因此，虽然附 图内利用不同的阴影和/或剖面线，结构层内的不同元件通常是由相同的材料制成的，例 如多晶娃、单晶娃等等。
[0021] MEMS器件20的元件(下文讨论)可被描述为"被附着到"、"被附上"、"耦合到"、"被 固定到"或"互连到"MEMS器件20的其它元件。然而，应了解，术语指MEMS器件20的特定 元件的直间或间接物理连接，正如结合图5将要讨论的，所述连接发生在MEMS器件制作的 从形成到图案化和蚀刻的过程期间。
[0022] MEMS器件20包括衬底22和器件结构24 (最好见图2)。一些元件或微结构形成 为器件结构24的一部分。在一个实施例中，这些元件包括检验质量结构26、多个第一梁28 以及多个第二梁30。检验质量结构26由暗点图案表示。第一梁28由向下并向右定向的宽 剖面线表示，以及第二梁30由向上并向右定向的宽剖面线表示。本发明所使用的术语"第 一"和"第二"不指在可数系列元件内的元件顺序或优先次序。相反，为了讨论的清晰，术语 "第一"和"第二"被用于区分两组梁28和30。
[0023] 在图示的例子中，检验质量结构26包括中央开口 32以及位于中央开口 32内的第 一和第二梁28和30。在一些实施例中，第一梁28与第二梁30交替排列。因此，第一和第 二梁28和30被定向以便第一梁28的纵长边缘34通常位于第二梁30的相邻的纵长边缘 36旁边。为了便于说明，四个第一梁和四个第二梁28和30都在图1中被显示。在替代实 施例中，可能有多于或少于分别四个的梁28和30。
[0024] MEMS器件20还包括多个延伸通过器件结构24的隔离段38。隔离段38介于第一 和第二梁之间，其中相邻的第一和第二梁的中间部分40被横向地锚定到同一隔离段38。因 此，被锚定到居间隔离段38的第一和第二梁28和30的交替图案形成了 MEMS器件20的悬 浮于衬底22上的刚性支柱42。隔离段38在图1-图3中有轻点图案表示。
[0025] 检验质量结构26包括围绕第一和第二梁28和30并有中央开口 32的可移动框架 元件44。检验质量结构26还包括位于刚性支柱42的相对端48的悬浮锚部46。弯曲部分 50互连于锚部46和可移动框架元件44之间。正如在下面将要更详细讨论的，弯曲部分50 使能可移动框架元件44在平行于衬底22的表面54的感测方向52上相对于悬浮锚部46 的移动。
[0026] 在一个实施例中，在刚性支柱42内的第一和第二梁28和30的最末一个的中间部 分40通过附加隔离段38耦合于检验质量结构26。更具体地说，隔离段38之一位于刚性支 柱42的每一个相对端48,并且每一个悬浮锚部46被横向地锚定到每一端48的隔离段38 之一，以使隔离段38介于第一和第二梁28和30与检验质量结构26的悬浮锚部46之间。
[0027] 介于第一和第二梁28和30之间以及悬浮锚部46和第一和第二梁28和30之间的 隔离段38提供了第一和第二梁28和30与检验质量结构26之间的电路中断（S卩，电隔离)。 结合图5讨论的制作方法包括介电沟槽填充过程以形成隔离段38,以便第一和第二梁28和 30与检验质量结构26彼此电隔离。此外，隔离段38提供第一和第二梁28和30与检验质 量结构26的悬浮锚部46之间的刚性机械连接。
[0028] 检验质量结构26、第一梁28和第二梁30被悬浮在衬底22的表面54之上(最好见 图2)，并被配置通过顺从连接附着于衬底22。特别是，MEMS器件20包括一个或多个顺从 结构55,其中每一个都包括稱合于衬底22的检测质量锚56和稱合于检测质量锚56和悬浮 锚部46之间的顺从部件58。因此，检验质量结构26通过该例子中的四个顺从连接被锚定 到衬底22,但悬浮于衬底22之上。在一些实施例中，顺从部件58可能在感测方向上有比 弯曲部分50高的刚度，例如，在高于弯曲部分50的一个或两个数量级的数量级上。因此， 正是耦合于锚部46和可移动框架元件44的内周界60之间的弯曲部分50使能可移动元件 44相对于刚性支柱42的移动。
[0029] MEMS器件20还包括第一顺从结构61，其包括耦合于衬底22和第一顺从部件64 的第一锚62,其中每一个第一顺从部件64互连于一个第一锚62和一个第一梁28之间。因 此，每一个第一梁28通过顺从连接被锚定到衬底22,但悬浮在衬底22之上，其中所述顺从 连接包括一个第一顺从部件64和一个第一锚62。此外，MEMS器件20还包括第二顺从结构 65,其包括耦合于衬底22和第二顺从部件68的第二锚66,其中每一个第二顺从部件68互 连于一个第二锚66和一个第二梁30之间。因此，每一个第二梁30通过顺从连接被锚定到 衬底22,但悬浮在衬底22之上，其中所述顺从连接包括一个第二顺从部件68和一个第二锚 66〇
[0030] 在图1，锚56、62和66是由位于其相应兀件之上的"X"标记表不的以表不与衬底 22的多个连接。同样，术语"第一"和"第二"不指在可数系列元件内的元件顺序或优先次 序。相反，为了讨论的清晰，术语"第一"被用于将锚62和顺从部件64与第一梁28关联， 以及术语"第二"被用于将锚66和顺从部件68与第二梁30关联。
[0031] 检验质量结构26经由顺从结构55、第一梁28经由第一顺从结构61、以及第二梁 30经由第二顺从结构65的多个顺从连接在很大程度上将衬底22的变形与支柱42隔离。 艮P，在MEMS器件20内足以导致衬底22中的变形的热应力和/或封装应力可以导致锚56、 62和66相对于彼此的移位。然而，顺从部件58、64和68的灵活性在很大程度上防止了这 种移位造成刚性支柱42的相称移位、扭曲或弯曲。因此，由于支柱42处的中间部分40的 刚性互连，固定感测指状物，即，从中间部分40的相对侧延伸的第一和第二梁28和30的段 在很大程度上免于衬底22的变形。
[0032] 以下讨论分别适用于一对第一和第二梁28和30。然而，应很容易地观察到，以下 讨论也同样适用于MEMS器件20的每一对第一和第二梁28和30。在图示的实施例中，第一 梁28包括第一段70和第二段72,其中第一梁28的中间部分40位于第一和第二段70和 72之间。同样，第二梁30包括第三段74和第四段76,其中第二梁30的中间部分40位于 第三和第四段74和76之间。隔离段38在远段70、72、74和76不存在，以便第一梁28的 第一部分70与第二梁30的第三段74间隔开，即移开，以及第一梁28的第二部分72与第 二梁30的第四段76间隔开，即移开。
[0033] 根据梁28和30的段结构，每一个第一顺从部件64包括放置在第一梁28的第一 段70和第二梁30的第三段74之间的第一伸长部分78。此外，第一伸长部分78有耦合于 一个第一梁28的、紧接第一梁28的中间部分40的第一端80。同样，每一个第二顺从部件 68包括放置在第一梁28的第二段72和第二梁30的第四段76之间的第二伸长部分82。 此外，第二伸长部分82有耦合于一个第二梁30的紧接第二梁30的中间部分40的第二端 84。通过确保固定感测段70、72、74和76与底层衬底22的变形隔离，第一和第二顺从部件 64和68的分别紧接支柱42的中间部分的第一和第二伸长部分78和82的连接增强了封装 应力隔离功能。
[0034] 在图示的实施例中还可以观察到，每一个第一锚62超出相关联第一梁28的第一 梁端83稱合于衬底22。每一个第二锚66超出相关联第二梁30的第二梁端85稱合于衬 底22。带有相应的第一和第二伸长部分78和82的第一和第二梁28和30的结构以及第一 和第二锚62和66位于超出梁28和30的梁端83和85之外实现了 MEMS器件20的面积效 率，同时将悬浮结构与底层衬底22的变形隔离。
[0035] 在一个实施例中，支柱42大约位于中央开口 32的中线86处。通常，支柱42划分 出中央开口 32的第二开口部分90和中央开口 32的第一开口部分88。微结构包括用于每 一对第一和第二梁28和30的第一和第三段70和74的、第一锚62以及第一顺从部件64 位于中线86的一侧以及用于相同对第一和第二梁28和30的第二和第四段72和76、第一 锚66以及第二顺从部件68位于中线86的另一侧。因此，对于每一对第一和第二梁28和 30,第一顺从结构61 (其包括第一锚62和第一顺从部件64)被放置在第一和第二开口部分 88和90之一中，以及第二顺从结构65 (其包括第二锚66和第二顺从部件68)被放置在中 间部分40的相对侧的、第一和第二开口部分88和90中的另一个中。特别是正如图1中所 示的，根据第一和第二梁28和30的交替排列，这种配置与每一对第一和第二梁28和30交 替。
[0036] 继续参照图1，应很容易地观察到多个可移动感测指状物92从可移动框架元件44 的内周界60延伸。感测指状物92被放置在每一对第一和第二梁28和30的相对侧。第一 和第二梁28和30对的排列以及可移动感测指状物92的位置产生了 MEMS器件20的差分 电容感测架构。
[0037] 现在参照图4,图4示意性地示出衬底22的顶视图，其中MEMS器件（图1)的器件 结构24 (图1)可在其上被形成。还记得检验质量结构26、以及第一和第二梁28和30都 通过顺从结构55、61和65悬浮在衬底22上。而且，顺从结构包括55包括检测质量锚56， 第一顺从结构61包括第一锚62,以及第二顺从结构65包括第二锚66。在在图4中显示的 例子中，锚56、62和66通过其相关联的点状或剖面线图案表示，以及顺从结构55、61、65和 它们相应的顺从部件58、64和68以虚线的形式被表示。
[0038] 如上所讨论的，隔离段38提供了第一和第二梁28和30以及检测质量26之间的 电中断。因为第一和第二梁28和30以及检测质量26通过隔离段38而彼此电隔离，由此 断定顺从结构55、61和65也彼此电隔离。因此，到衬底22的电连接可以通过顺从结构55、 61和65进行。即，顺从部件58和顺从结构55的检测质量锚56为检验质量结构26 (图1) 形成了到衬底22的导电路径94。第一顺从部件64和第一顺从结构61的第一锚62为第 一梁28 (图1)形成了到衬底22的第一导电路径96。第二顺从部件68和第二顺从结构68 的第二锚66为第二梁30 (图1)形成了到衬底22的第二导电路径98。导电路径94、96和 98因此彼此电隔离。
[0039] 根据下面所讨论的MEMS器件制作方法，导电迹线可形成于衬底22的表面54上。 例如，导电迹线100可将导电路径94互连到输出102,导电迹线104可将导电路径96互连 到输出106,以及导电迹线108可将导电路径98互连到输出110。正如本领域所属技术人 员熟知的，导电迹线1〇〇、1〇4和108可适当地形成于衬底22上并且彼此电隔离。因此，除 了实现MEMS器件20的面积效率，而同时如上所讨论的将悬浮结构与底层衬底22的变形隔 离，包含隔离段38使能够进行有效的电路由。
[0040] 简要参照图1，在图示的实施例中，MEMS器件20可是有电容感测能力的加速计。 通常，弯曲部分50将检验质量结构26的可移动框架元件44悬浮在衬底22之上的中间位 置平行于衬底22，直到由于一些其它方式，力的选择性应用引起偏转。通过举例的方式，当 MEMS器件20经历感测方向52上的加速度时，MEMS器件20的可移动框架元件44进行移动。 正如本领域所属技术人员熟知的，可移动感测指状物92从可移动框架元件44延伸的横向 移动可被与感测指状物92交错的第一和第二固定梁28和30检测到。这个横向移动随后 可以通过电子装置(未显示）转换成信号，该信号有取决于加速度的参数大小(例如电压、电 流、频率等等)。在例子中，顺从部件58、64和68可有一个刚度，其是弯曲部分50的刚度的 大约一到两倍，以便第一和第二梁28和30是固定的，S卩，相对于可移动框架元件44在很大 程度上是不可移动的，以响应于力的选择性应用。
[0041] 正如上面所讨论的，源自MEMS器件的封装和/或将其焊料连接到底层印刷电路板 上的应力可以引起导致传感器误差的衬底变形或位移。此外，衬底22的应力分布在衬底22 的平面上可是不一致的。在MEMS器件20中，不一致的应力分布的不利影响被检验质量结 构26的悬浮结构以及通过顺从结构55、61和65位于衬底22之上的第一和第二梁28和30 缓和。上面描述的一个实施例包含单轴加速计，例如，MEMS器件20,以检测在感测方向52 的横向移动。然而，替代实施例可包含双轴加速计或其它MEMS传感器件，其中悬浮微结构 通过上述的顺从结构与衬底变形隔离。
[0042] 图5根据另一个实施例，示出MEMS器件制作过程112的流程图。MEMS器件制作 过程112提供了用于制作MEMS器件的方法，其中该MEMS器件通过经由顺从结构在衬底之 上悬浮微结构在很大程度上从底层衬底分离。在一个实施例中，制作过程112利用了表面 微机械加工技术来产生有隔离段38 (图1)的MEMS器件20。过程112将结合MEMS器件20 (图1)的制作被讨论。然而，很明显，以下方法适用于制作其它MEMS器件设计，其中改进器 件性能的压力隔离是所需的。制作过程112的操作将结合图6-图12被讨论，其中图6-图 12示出说明了 MEMS器件制作过程112的操作的示意截面图。因此，制作过程112的操作的 整个讨论将参照特定图6-图12。
[0043] MEMS器件制作过程112从任务114开始。在任务114,衬底22被提供。在一个实 施例中，衬底22可是硅晶圆。在替代实施例中，衬底22可是玻璃、塑料或任何其它合适材 料。为了说明的简单性，制作过程112的以下操作描述了用于制作单个MEMS器件20的操 作。然而，所属本领域技术人员应了解，以下过程允许同时制作多个MEMS器件20。例如，多 个MEMS器件20可经历在衬底22上同时制作半导体薄膜。单个MEMS器件20随后可以以 常规的方式被切割或切块以提供单个MEMS器件20,其中在结束应用中，每一个都可以被封 装并耦合于印刷电路板。
[0044] 在任务114,衬底22的提供还可能伴有各种表面处理过程。通过举例的方式，衬 底22的表面处理可能伴有本领域所属人员熟知的表面清洁、执行热氧化工艺以形成氧化 物垫、氮化物沉积和图案化、执行热场氧化过程以产生场氧化层等等。简洁起见，这些过程 在本发明中不进行详细说明。
[0045] 在任务114之后，任务116被执行。在任务116,导电迹线100、104、108 (图4)形 成于衬底22的准备好的表面54 (图1)上。
[0046] 参照图6,图6根据任务114和116,示出MEMS器件20 (图1)在过程的开始阶段 118的侧视图。在开始阶段118,在衬底22的表面54上的表面处理层120可能包括氧化物 垫、氮化物层和/或根据任务114的场氧化层。为了说明的简单性，表面处理层120内的这 些不同层在图6中未区分。
[0047] 多晶硅层122可在表面处理层120上被沉积和图案化。多晶硅层122可通过使用， 例如，光刻被图案化，并使用，例如，反应离子蚀刻（RIE)被蚀刻以产生图案化的多晶硅层。 在一些实施例中，可期望有高导电性的多晶硅层122。因此，多晶硅层122可被掺杂在整个 表面区域之上，可能以其它方式被做成高度导电。在图案化和蚀刻之后，多晶硅层122可以 产生多晶硅导体区域，例如，导电迹线100、104、108。
[0048] 返回参照图5,在任务116之后，MEMS器件制作过程112继续到任务124。在任务 124,牺牲氧化物被沉积和图案化。图7和图8说明了发生在制作过程112的任务124的操 作。
[0049] 图7示出图6的器件在过程的后续阶段126的侧视图。在阶段126,牺牲氧化物 层128在包含了导电迹线100U04和108的表面准备层120和多晶硅层122上被沉积。在 一些实施例中，牺牲氧化物层128可通过使用单一层沉积和图案化技术被形成。在其它实 施例中，牺牲氧化物层128可通过使用双层牺牲氧化淀积工艺被形成。实施牺牲氧化物层 128沉积的特定过程不是一种限定。
[0050] 图8示出图7的器件在过程的一个后续阶段130的侧视图。在阶段130,牺牲氧化 物层128可通过使用光刻和氧化物反应离子刻蚀（RIE)被适当地图案化。在一个例子中， 牺牲氧化物层128可被蚀刻以产生延伸通过牺牲氧化物层128的开口 132,锚56、62和66 可随后在其中形成。
[0051] 返回参照图5,在任务124牺牲氧化物沉积和图案化之后，制作过程112继续到任 务134。在任务134,厚多晶硅沉积被执行。
[0052] 结合任务134参照图9,图9示出图8的器件在过程的一个后续阶段136的侧视 图。多晶硅被形成以覆盖先前堆积在衬底上的各种结构以形成多晶硅结构层138。为了以 下说明的简单性，将在图9,以及在随后的图10-图12中观察到多晶硅结构层138是由单一 图案，特别是，向右并向上定向的宽剖面线表示的，并强调在多晶硅结构层138中产生的特 定微结构是由相同的材料组成的。
[0053] 多晶硅结构层138可通过使用各种已知的和即将到来的过程被形成以用于厚 膜沉积。在一个例子中，多晶硅开始层或种子层可在图9所示的结构的表面上沉积大约 100-300纳米的厚度。厚硅层可随后在另一个处理步骤中在多晶硅开始层上沉积大约 22000至28000纳米的厚度以产生多晶硅结构层138。在沉积之后，多晶硅结构层138可能 有粗糙表面，并且可随后通过使用例如化学-机械抛光过程被平面化。在平面化之后，多晶 硅结构层138将有由应用和所需灵敏度确定的完成高度。
[0054] 返回参照图5,在任务134之后，MEMS器件制作过程112继续到任务140。在任务 140,隔离段38 (图1)形成于多晶硅结构层138 (图9)中。通常，隔离段38的形成包括使 用，例如多晶硅深反应离子蚀刻（DRIE)来蚀刻多晶硅结构层138中的沟槽图案。多晶硅结 构层138的整个厚度被蚀刻以暴露牺牲氧化物层128的底层部分。接下来，一个或多个沉 积工艺被执行以用一种或多种介电材料(例如，氮化物、富硅氮化物、二氧化硅等等）填充沟 槽。在沉积之后，任何多余的介电质可以通过使用的一种技术，例如化学机械平坦化被移 除。
[0055] 结合任务140参照图10,图10示出图9的器件在过程的一个后续阶段142的侧视 图。在阶段142,沟槽已形成于多晶硅结构层138中并被介电材料填充以产生隔离段38,其 中只有一个是可见的。
[0056] 返回参照图5,在任务140之后，任务144被执行。在任务144,检验质量结构26 (图1)、梁28和30 (图1)以及相关联顺从结构55、61和65 (图1)形成于多晶硅结构层138 中。
[0057] 结合任务144参照图11，图11示出图6的器件在过程的一个后续阶段146的侧 视图。在阶段146,多晶硅结构层138 (图10)已被图案化和蚀刻以产生器件结构24,其包 括检验质量结构26、梁28和30、弯曲部分50 (图1)以及相关联顺从结构55、61、和65的 顺从部件58、64和68。此外，在任务134,将多晶硅结构层138 (图5)沉积到开口 132 (图 8)内来填充开口 132,以便在任务144之后，锚56、62和66也被产生。图案化和蚀刻工艺 技术产生了在物理上将元件26, 28和30彼此分离的隔离段38。而且，在器件结构24内产 生的不同元件没有彼此区分开。相反，单一向右并向上定向的宽剖面线图案被用于表示器 件结构24。
[0058] 返回参照MEMS器件的制作过程112(图5)，在任务144之后，任务148被执行。在 任务148,器件结构24内的元件是通过使用，例如，蚀刻技术移除牺牲氧化物层128而悬浮 在衬底22上。
[0059] 结合任务124参照图12,图12示出图11的器件在过程的一个最后阶段150的侧 视图。在阶段150,牺牲氧化物层128通过使用已知的方法被蚀刻以将检验质量结构26,包 括刚性支柱42的第一和第二梁28和30 (图1)、弯曲部分50 (图1)以及顺从部件58、64、 68从底部衬底22释放出来。图12正如图2中所显示的通常表示MEMS器件20沿着图1的 截面线2-2的侧视图。然而，如同图9-图11的先前处理说明，在器件结构24内产生的不 同用元件在图12中没有彼此区分。相反，这些不同元件可以很容易地从图2中确定。
[0060] 在一个实施例中，在任务148,牺牲氧化物层128 (图11)的蚀刻实质上移除了全 部牺牲氧化物层128,以便检验质量结构26、包括了刚性支柱42的第一和第二梁28和30、 弯曲部分50 (图1)以及顺从部件58、64、68与底层衬底22间隔开，除了锚56、62和66。
[0061] 选择性移除牺牲氧化物层128可以通过使器件结构24的某些区域多孔渗透到一 种蚀刻材料或蚀刻剂来实现。该多孔性可通过制作有通孔(为了简化说明，未示出）的器件 结构24来完成。通孔可以提供通道，其中蚀刻剂穿过该通道以到达底层牺牲氧化物层128。 该多孔性可替代地通过被用于制作器件结构24的材料特性来实现。例如，被用于制作器件 结构24的材料特性可以使得蚀刻剂可以透过器件结构24的材料以到达底层氧化物牺牲层 128,而不损坏器件结构24。
[0062] 返回参照MEMS器件制作过程112(图5)，在任务148之后，MEMS器件制作过程112 可能包括为了简便起见在本发明中没有被讨论的其它活动。这些由省略号表示的附加制作 活动可能包括密封地封装MEMS器件20、形成电互连等等。制作MEMS器件20之后，制作过 程112在形成有多个微结构的MEMS器件之后结束。
[0063] 根据制作过程形成的微结构包括检验质量结构、形成于位于覆盖衬底的牺牲层上 的器件结构内的第一梁和第二梁，其中检验质量结构有中央开口，并且第一和第二梁位于 中央开口内并被定向以便第一和第二梁的纵长边缘位于彼此旁边。此外，根据制作过程形 成的微结构包括第一锚和互连于第一锚和器件结构内的第一梁之间的第一顺从部件，以及 第二锚和互连于第二锚和器件结构内的第二梁之间的第二顺从部件。根据制作过程形成的 微结构还包括检测质量锚和互连于检测质量锚和器件结构内的检验质量结构的悬浮锚部 之间的第三顺从部件，以及形成于悬浮锚部和检验质量结构的可移动元件之间的器件结构 内的弯曲部分。最后，根据制作过程形成的微结构包括形成于器件结构内的介于第一和第 二梁之间的隔离段，其中每一个第一和第二梁的中间部分被横向锚定到至少一个隔离段， 并且每一个第一和第二梁的中间部分通过附加隔离段耦合于检验质量结构的悬浮锚部。隔 离段提供了第一和第二梁与检验质量结构之间的电中断。
[0064] 制作过程在通过移除至少一部分牺牲层将检验质量结构、第一和第二梁、弯曲部 分以及顺从部件悬浮在基底之上之后结束。因此，执行MEMS器件制作过程产生了 MEMS器 件，其中第一锚和第一顺从部件为第一梁形成了第一导电路径。第二锚和第二顺从部件为 第二梁形成了第二导电路径。检测质量锚和第三顺从部件为检测质量锚形成了第三导电路 径，并且第一、第二和第三导电路径彼此电隔离。弯曲部分使能检验质量结构的可移动元件 在平行于所述表面的感测方向的移动，并且第一、第二和第三顺从部件比弯曲部分硬，以便 第一和第二梁相对于可移动元件在很大程度上是不可移动的。
[0065] MEMS器件和方法被实现以产生在很大程度上与底层衬底分离的MEMS器件。这种 分离是通过一种配置来实现的，其中该配置包括悬浮在底层衬底的上面并通过顺从结构在 多个位置被连接到底层衬底的刚性器件支柱。顺从结构以空间高效形成因数将从传感器的 刚性支柱延伸的悬浮结构与底层衬底中的变形隔离。此外，与衬底的多个电连接可以通过 顺从结构进行。制作方法包含介电沟再填充过程以形成电隔离悬浮支柱的每一段并提供刚 性机械连接的隔离段。
[0066] 虽然特定MEMS器件结构结合图1-图5被描述，实施例也可在有其它架构的MEMS 器件中被实现。此外，结合MEMS器件制作方法所描述的某些过程块可彼此或与其它过程并 行进行，和/或特定顺序的过程块可被修改，同时基本上实现了相同的结果。这些和其它这 种变化旨在被包括在本发明主题的范围内。
[0067] 虽然结合特定设备以及方法已对本发明主题的原理进行了描述，应该清楚了解到 该描述仅仅是通过举例的方式而不是对本发明主题范围的限定。此外，本发明所采用的措 辞或术语是为了描述而不是限定。
[〇〇68] 对特定实施例的上述描述充分揭示了本发明的一般特性，其他人可以通过运用当 前知识，在不脱离一般概念的情况下很容易地对其进行修改和/或调整以适合各种应用。 因此，这些调整和修改是在本发明实施例的意图和等同物范围中进行的。本发明主题包含 所有这些替代物、修改、等同物、以及在附加权利要求的精神和宽范围中的变化。
【权利要求】
1. 一种微机电系统MEMS器件，包括： 衬底； 悬浮在所述衬底的表面之上的器件结构，所述器件结构包括检验质量结构，第一梁和 第二梁，所述第一梁和所述第二梁被定向以便所述第一梁和所述第二梁的纵长边缘位于彼 此旁边；以及 悬浮在所述表面之上并介于所述第一梁和所述第二梁之间的至少一个隔离段，其中所 述第一梁和所述第二梁中的每一个的中间部分被横向地锚定到所述至少一个隔离段，并且 所述至少一个隔离段提供所述第一梁和所述第二梁之间的电隔离。
2. 根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述检验质量结构的可移动元件被配置以在 平行于所述衬底的所述表面的感测方向上移动，以及所述至少一个隔离段和所述第一梁和 所述第二梁中的所述每一个的所述中间部分之间的互连形成所述MEMS器件的刚性悬浮支 柱，以便所述第一梁和所述第二梁相对于所述可移动元件基本上是不可移动的。
3. 根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括： 第一多个梁，所述第一多个梁包括所述第一梁； 第二多个梁，所述第二多个梁包括所述第二梁，所述第一多个梁中的所述梁与所述第 二多个梁中的所述梁交替排列；以及 所述器件结构中的多个隔离段，所述多个隔离段中的每一个隔离段介于所述第一多个 梁和所述第二多个梁中的与其相邻的所述梁之间并与其互连，以便形成所述MEMS器件的 刚性悬浮支柱。
4. 根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括附加隔离段，所述附加隔离段提供所述第 一梁和所述第二梁与所述检验质量结构之间的互连，以及提供所述第一梁和所述第二梁与 所述检验质量结构之间的电隔离。
5. 根据权利要求4所述的MEMS器件，其中： 所述检验质量结构包括被横向地锚定到所述附加隔离段的悬浮锚部；以及 所述MEMS器件还包括耦合于所述衬底的检测质量锚以及互连于所述检测质量锚和所 述检验质量结构的所述悬浮锚部之间的顺从部件。
6. 根据权利要求5所述的MEMS器件，其中所述检验质量结构还包括可移动元件和互连 于所述悬浮锚部和所述可移动元件之间的弯曲部分，所述弯曲部分使能所述可移动元件在 平行于所述衬底的所述表面的感测方向上相对于所述悬浮锚部的移动。
7. 根据权利要求1所述的MEMS器件，其中所述第一梁和所述第二梁的远段没有所述至 少一个隔离段，以便所述第一梁和所述第二梁的所述远段彼此间隔开。
8. 根据权利要求1所述的MEMS器件，还包括： 耦合于所述衬底和所述第一梁之间的第一顺从结构；以及 耦合于所述衬底和所述第二梁之间的第二顺从结构。
9. 根据权利要求8所述的MEMS器件，其中： 所述第一顺从结构为所述第一梁形成到所述衬底的第一导电路径；以及 所述第二顺从结构为所述第二梁形成到所述衬底的第二导电路径，所述第二导电路径 与所述第一导电路径电隔离。
10. 根据权利要求8所述的MEMS器件，其中： 所述第一顺从结构包括带有耦合于所述第一梁的、紧接所述第一梁的所述中间部分的 第一末端的第一顺从部件；以及 所述第二顺从结构包括带有耦合于所述第二梁的、紧接所述第二梁的所述中间部分的 第二末端的第二顺从部件。
11. 根据权利要求10所述的MEMS器件，其中： 所述第一梁包括第一段和第二段，所述第一梁的所述中间部分位于所述第一段和所述 第二段之间； 所述第二梁包括第三段和第四段，所述第二梁的所述中间部分位于所述第三段和所述 第四段之间； 所述第一顺从部件包括带有所述第一末端的第一伸长部分，所述第一伸长部分位于所 述第一段和所述第三段之间； 所述第二顺从部件包括带有所述第二末端的第二伸长部分，所述第二伸长部分位于所 述第二段和所述第四段之间。
12. 根据权利要求8所述的MEMS器件，其中： 所述第一顺从结构包括耦合于所述衬底超过所述第一梁的第一远端的第一锚；以及 所述第二顺从结构包括耦合于所述衬底超过所述第二梁的第二远端的第二锚。
13. 根据权利要求8所述的MEMS器件，其中： 所述检验质量结构包括中央开口； 所述第一梁和所述第二梁位于所述中央开口中； 所述至少一个隔离段和所述第一梁和所述第二梁中的所述每一个的所述中间部分划 分出所述中央开口的第二开口部分和所述中央开口的第一开口部分； 所述第一顺从结构包括耦合于所述衬底并且位于所述第一开口部分中的第一锚；以及 所述第二顺从结构包括耦合于所述衬底并且位于所述第二开口部分中的第二锚，以便 所述第一锚和所述第二锚位于所述中间部分的相对侧上。
14. 一种微机电系统MEMS器件，包括： 衬底； 悬浮在所述衬底的表面之上的器件结构，所述器件结构包括检验质量结构、第一梁和 第二梁，所述第一梁和所述第二梁被定向以便所述第一梁和所述第二梁的纵长边缘位于彼 此旁边； 互连于所述衬底和所述第一梁之间的第一顺从结构； 互连于所述衬底和所述第二梁之间的第二顺从结构； 悬浮在所述表面之上的多个隔离段，其中所述多个隔离段中的至少一个隔离段介入所 述第一梁和所述第二梁之间，以便所述第一梁和所述第二梁中的每一个的中间部分被横向 地锚定到所述至少一个隔离段，所述多个隔离段的附加隔离段提供所述第一梁和所述第二 梁与所述检验质量结构之间的互连，以及所述多个隔离段提供所述第一梁、所述第二梁和 所述检验质量结构之间的电隔离。
15. 根据权利要求14所述的MEMS器件，还包括： 第一多个梁，所述第一多个梁包括所述第一梁； 第二多个第二梁，所述第二多个第二梁包括所述第二梁，所述第一多个梁中的所述梁 与所述第二多个梁中的所述梁交替排列，其中所述多个隔离段中的所述隔离段介于所述第 一多个梁中的所述第一梁和所述第二多个梁中的所述第二梁中与其相邻的梁之间并与其 互连，以便形成所述MEMS器件的刚性悬浮支柱。
16. 根据权利要求14所述的MEMS器件，其中： 所述检验质量结构包括被横向地锚定到所述多个隔离段中的所述附加隔离段的悬浮 锚部、可移动元件以及互连于所述悬浮锚部和所述可移动元件之间的弯曲部分，所述弯曲 部分使能所述可移动元件在平行于所述衬底的所述表面的感测方向上相对于所述悬浮锚 部的移动；以及 所述MEMS器件还包括互连于所述衬底和所述检验质量结构的所述悬浮锚部之间的第 三顺从结构，所述第三顺从结构包括在所述感测方向上刚度大于所述弯曲部分的刚度的顺 从部件。
17. 根据权利要求14所述的MEMS器件，其中： 所述第一梁包括第一段和第二段，所述第一梁的所述中间部分位于所述第一段和所述 第二段之间； 所述第二梁包括第三段和第四段，所述第二梁的所述中间部分位于所述第三段和所述 第四段之间； 所述第一顺从结构包括具有位于所述第一段和所述第三段之间的第一伸长部分的 第一顺从部件，所述第一伸长部分包括耦合于所述第一梁的、紧接所述中间部分的第一末 端； 所述第二顺从结构包括具有位于所述第二段和所述和第四段之间的第二伸长部分的 第二顺从部件，所述第二伸长部分包括耦合于所述第二梁的、紧接所述中间部分的第二末 端。
18. 根据权利要求14所述的MEMS器件，其中： 所述检验质量结构包括中央开口； 所述第一梁和所述第二梁位于所述中央开口中； 所述至少一个隔离段和所述第一梁和所述第二梁中的所述每一个的所述中间部分划 分出所述中央开口的第二开口部分和所述中央开口的第一开口部分； 所述第一顺从结构包括耦合于所述衬底并且位于所述第一开口部分中的第一锚；以及 所述第二顺从结构包括耦合于所述衬底并且位于所述第二开口部分中的第二锚，以便 所述第一锚和所述第二锚位于所述中间部分的相对侧上。
19. 一种制作微机电系统MEMS器件的方法，包括： 在覆盖衬底的牺牲层上形成包括检验质量结构、第一梁和第二梁的器件结构，所述第 一梁和所述第二梁被定向以便所述第一梁和所述第二梁的纵长边缘位于彼此旁边；以及 形成第一锚和互连于所述第一锚和所述第一梁之间的第一顺从部件； 形成第二锚和互连于所述第二锚和所述第二梁之间的第二顺从部件； 形成介于所述第一梁和所述第二梁之间的至少一个隔离段，其中所述第一梁和所述第 二梁中每一个的中间部分被横向地锚定到所述至少一个隔离段，所述至少一个隔离段提供 所述第一梁和所述第二梁之间的电隔离； 通过移除所述牺牲层的至少一部分，将所述检验质量结构、所述第一梁和所述第二梁、 所述第一顺从部件和所述第二顺从部件以及所述至少一个隔离段悬浮于所述衬底之上，其 中所述第一锚和所述第一顺从部件为所述第一梁形成第一导电路径，以及所述第二锚和所 述第二顺从部件为所述第二梁形成第二导电路径，所述第二导电路径与所述第一导电路径 电隔离。
20.根据权利要求19所述的方法，还包括： 在所述器件结构中形成检测质量锚和互连于所述检测质量锚和所述检验质量结构的 悬浮锚部之间的第三顺从部件； 形成附加隔离段以提供所述第一梁和所述第二梁与所述检验质量结构的所述悬浮锚 部之间的互连，所述附加隔离段提供所述第一梁和所述第二梁与所述检验质量结构之间的 电隔离；以及 在所述器件结构中形成位于所述悬浮锚部和所述检验质量结构的可移动元件之间的 弯曲部分，所述弯曲部分使能所述检验质量结构的所述可移动元件在平行于所述表面的感 测方向上的移动。
【文档编号】B81B7/00GK104108676SQ201410156341
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2013年4月22日
【发明者】A·A·盖斯伯格 申请人:飞思卡尔半导体公司