专利名称：具有应力隔离的mems器件及其制造方法
技术领域：
本发明总体上涉及微机电系统(MEMQ器件。更具体地，本发明涉及一种具有应力隔离的MEMS器件，以及该MEMS器件的制造方法。
背景技术：
微机电系统(MEMS)传感器被广泛地用于各种应用，诸如汽车、惯性制导系统、家用电器、用于各种设备的保护系统、以及许多其他的工业、科学和工程系统。这样的MEMS器件被用以感测诸如加速度、压力或温度的物理条件，并提供表示所感测的物理条件的电信号。由于其相对较低的成本，电容性感测MEMS传感器设计对于高重力环境以及微型设备中的操作而言是非常需要的。许多MEMS传感器器件应用要求更小尺寸和低成本封装，以满足具有竞争力的成本目标。除此之外，MEMS器件应用还一直要求更低的温漂系数(TCO)规格。TCO是对热应力影响诸如MEMS器件的半导体器件的性能的程度的一种度量。高TCO相应地表示高的热引入应力。MEMS器件应用的制造和封装通常使用具有不相似的热膨胀系数的各种材料。因为各种材料在存在温度变化时以不同的速率膨胀和收缩，所以MEMS器件的有源变换器层由于不同材料的不同尺寸变化而会发生拉伸、弯曲、翘曲和其他变形。因而，显著的热应力， 即不期望的高TC0，经常会在制造或操作过程中出现。除此之外，将封装后的MEMS器件焊接到终端应用中的印刷电路板上也会产生应力。这些封装应力可以改变其上安装有MEMS传感器的衬底的应变，从而导致偏移或移位。 而且，衬底会经受一些不恒定的应变，诸如整个衬底表面上的不均勻的拉伸、弯曲或者翘曲。由封装应力和衬底应变引起的移位会导致感测信号的变化，因而会对MEMS器件的输出性能产生不利影响。
通过在结合附图考虑时参照详细的说明书和权利要求书，可以得到对本发明更为全面的理解，在整个附图中，相同附图标记表示相似项目，并且图1示出根据本发明一个实施例的MEMS器件的俯视图；图2示出沿剖面线2-2的图1的MEMS器件的侧视图；图3示出沿剖面线3-3的图1的MEMS器件的侧视图；图4示出沿剖面线4-4的图1的MEMS器件的侧视图；图5示出根据本发明另一个实施例的微机电系统(MEMQ器件制造工艺的流程图；图6示出在加工的开始阶段中的图1的MEMS器件的侧视图；图7示出在加工的随后阶段中的图6的器件的侧视图；图8示出在加工的随后阶段中的图7的器件的侧视图；图9示出在加工的随后阶段中的图8的器件的侧视图10示出在加工的随后阶段中的图9的器件的侧视图；图11示出在加工的随后阶段中的图9的器件的侧视图；图12示出根据本发明另一个实施例的MEMS器件的俯视图；图13示出根据本发明另一个实施例的MEMS器件的俯视图；图14示出根据本发明另一个实施例的MEMS器件的俯视图；以及图15示出沿剖面线15-15的图14的MEMS器件的侧视图。
具体实施例方式本发明的一个实施例涉及(entail)微机电系统(MEMS)变换器，在本文中被称为 MEMS器件，其中MEMS器件与下面的衬底极大程度地隔离。相对于现有技术的器件而言，此隔离通过明显减少元件与衬底的连接，以及使这些连接定位为彼此紧靠并且位于衬底的中心区域中来实现。本发明的另一个实施例涉及用于使用两个结构层制造MEMS器件的方法， 其中一个结构层实现在层平面内的感测能力且另一个结构层使MEMS器件的固定元件悬置使其不与下面的衬底直接接触。参照图1-4，图1示意性示出了根据本发明一个实施例的MEMS器件20的俯视图。 图2示出了沿图1中的剖面线2-2的MEMS器件20的侧视图。图3示出了沿图1中的剖面线3-3的MEMS器件20的侧视图，且图4示出了沿图1中的剖面线4_4的MEMS器件20的侧视图。图1-4使用各种阴影和/或影线来区分在如下面将讨论的MEMS器件20的结构层内制作的不同元件从而进行图示。结构层内的这些不同元件可以利用沉积、构图、蚀刻等当前的以及即将出现的表面微机械加工技术来制作。因此，虽然图示中利用了不同的明暗和 /或影线，但结构层内的不同元件一般都是由诸如多晶硅、单晶硅等相同材料形成。(下面讨论的)MEMS器件20的元件可以被不同地描述为“附接到”、“附接有”、“耦接到”、“固定到”或者“互连有”MEMS器件20的其他元件。然而，应当了解的是，这些术语是指MEMS器件20的特定元件在其通过MEMS制造的构图或蚀刻工艺而成型的过程中发生的直接的或间接的物理连接，如将结合图5讨论的。MEMS器件20包括衬底22、第一结构层24、和第二结构层26。在第一结构层M 中形成有大量元件。在实施例中，这些元件包括可移动元件(在本文中被称为检验质量块 (proof mass) 28)、第一不可移动元件30、和第二不可移动元件32。检验质量块28通过指向右上方的窄影线表示。第一不可移动元件30通过指向右下方的宽影线表示，并且第二不可移动元件32通过指向右上方的宽影线表示。本文中所使用的术语“第一”和“第二”不是指可计数的一系列元件之中元件的排序或者优先顺序。而是为了讨论清楚起见，使用术语“第一”和“第二”来区分两个可移动元件30和32。检验质量块观、第一不可移动元件30、和第二不可移动元件32被悬置在衬底22 的表面34上方(图2-4中可清楚看见)并且被构造为在衬底22的表面34的中心区域46 处与衬底22附接。检验质量块观经由一个或多个检验质量块锚36 (例如，两个锚36)而被锚定到衬底22。同样地，第一不可移动元件30经由一个或多个第一锚38 (例如，三个锚 38)而被锚定到衬底22，并且第二不可移动元件32经由一个或多个第二锚40 (例如，三个锚40)而被锚定到衬底22。在实施例中，当在加工期间，在蚀刻牺牲层42之后一部分牺牲层42留在检验质量块28以及不可移动元件30和32的下方时，形成锚36、38和40 (下面讨论的)。通过浓的点画图案在图2和图3中表示牺牲层42。再次说明，术语“第一”和“第二”不是指可计数的一系列元件之中元件的排序或者优先顺序。而是为了讨论清楚起见，使用术语“第一”以使锚38与第一不可移动元件30相关联，且使用“第二”以使锚40与第二不可移动元件32相关联。图1中，锚36、38和40通常在其对应的元件沘、30和32之上用“X”标记表示。在实施例中，检验质量块锚36在衬底22的中心区域46中的锚区44处附接检验质量块28。 同样地，第一锚38在衬底22的中心区域46中的锚区48处附接第一不可移动元件30，且第二锚40在衬底22的中心区域46中的锚区50处附接第二不可移动元件32。因此，中心区域46由相对于衬底22上的检验质量块观、第一不可移动元件30、和第二不可移动元件32 的位置的衬底22的“中心”来限定。一个或多个顺应性(compliant)构件52或者弹簧将检验质量块28与检验质量块锚36互连。在实施例中，顺应性构件52允许检验质量块28在平行于平面(即衬底22的平坦表面34)的单个方向(在本文中被称为Y方向54)上移动。检验质量块观包括大量可移动指状物或电极(在本文中被称为伸出部56)，其全都与检验质量块观的外框58连接。伸出部56基本上平行于衬底22的平坦表面34延伸。第一不可移动元件30和第二不可移动元件32经由相应的第一锚38和第二锚40 被附接到衬底；34，使得元件30和32相对于检验质量块28是不可移动的，即固定的。第一不可移动元件30包括附接到第一锚38的一个或多个框体结构60 (在本示例中为三个框体结构60)和基本上平行于衬底22的平坦表面34延伸的大量固定电极62。固定电极62可以是感测电极和/或致动器电极的某一组合，并且在本文中被称为第一固定指状物62。类似地，不可移动元件32包括附接到锚40的一个或多个框体结构64(在本示例中为三个框体结构64)和基本上平行于衬底22的平坦表面34延伸的大量固定电极66。固定电极66也可以是感测电极和/或致动器电极的某一组合，并且在本文中被称为第二固定指状物66。 成对的第一固定指状物62和第二固定指状物66与检验质量块观的伸出部56交错。通过经由形成在第二结构层沈中的元件而与相应的框体结构60和64的连接，第一固定指状物62和第二固定指状物66相对于检验质量块观是“固定的”或者不可移动的。 这些形成在第二结构层沈中的元件包括一个或多个梁68 (在本文中被称为第一梁68)和一个或多个梁70 (在本文中被称为第二梁70)。再次说明，术语“第一”和“第二”不是指可计数的一系列元件之中元件的排序或者优先顺序。而是为了讨论清楚起见，使用术语“第一”以使梁68与第一不可移动元件30相关联，并且使用“第二”以使梁70与第二不可移动元件32相关联。第一梁68通过淡的点画图案表示并且第二梁70通过指向右下方的窄影线表示。第一梁68经由形成在第一指状物62上并在其上方延伸的多个第一接合件72而连接到第一不可移动元件30的第一指状物62。除此之外，第一梁68还与第一不可移动元件30的适当的框体结构60连接。应予以注意的是，第一指状物62中的每个均是与第一不可移动元件30不同的(distinct)部件，并且形成在第一结构层M中且未连接到框体结构 60和第一锚38。第一梁68耦合到第一接合件72，使得第一指状物62彼此互连，并且与第一不可移动元件30的适当的框体结构60互连，使得第一指状物62在移除牺牲层42 (下面讨论的)之后被保持悬置在衬底22之上。然而，伸出部56和第二指状物66未连接到第一梁68。因而，伸出部56中的每个均被插入在一对第一指状物62之间，并且第一梁68横越 (即被定向为跨过)伸出部56的位置而经由第一接合件72附接到第一指状物62中的每个。同样地，第二梁70经由形成在第二指状物66上并在其上方延伸的多个第二接合件74而连接到第二不可移动元件32的第二指状物66。除此之外，第二梁70还与第二不可移动元件32的适当的框体结构64连接。如同第一指状物62 —样，第二指状物66中的每个均是与第二不可移动元件32不同的部件，并且形成在第一结构层M中且未连接到框体结构64和第二锚40。第二梁70耦合到第二接合件74，使得第二指状物66彼此互连，并且与第二不可移动元件32的适当的框体结构64互连，使得第二指状物66在移除牺牲层42 (下面讨论的)之后被保持悬置在衬底22之上。然而，伸出部56和第一指状物62未连接到第二梁70。因而，应予以注意的是，伸出部56中的每个均被插入在一对第二指状物66之间， 并且第二梁70横越伸出部56的位置，而经由第二接合件74附接到第二指状物66中的每个。第一接合件72和第二接合件74通过实心黑色阴影在图1、2和4中表示。在图示的实施例中，MEMS器件20可以是具有电容性感测能力的加速计。一般而言，顺应性构件52将检验质量块观悬置在衬底22之上，平行于衬底22的中立位置，直至由于一些其他装置选择性施加力而导致其偏斜为止。作为示例，当MEMS器件20在Y方向 54上经历加速时，MEMS器件20的检验质量块28移动。检验质量块观在Y方向M上的横向移动可以通过与检验质量块观交错的第一指状物62和第二指状物66检测，如本领域技术人员所知晓的。此横向移动随后可以经由电子器件而被转换成具有取决于加速度的参数幅值(例如电压、电流、频率等)的信号。在本示例中，MEMS器件20可以是用于检测Y方向M上的横向移动的单轴加速计。然而，替代实施例可以涉及双轴加速计或者其他MEMS 感测器件。如以上所讨论的，由MEMS器件例如MEMS器件20的封装和/或其与下面的印刷电路板的焊接连接产生的应力会改变衬底22的应变，从而引起导致传感器不精确的偏移或移位。此外，衬底22的应变分布曲线在衬底22的整个平面上可以是不一致的。在MEMS器件20中，通过第一不可移动元件30和第二不可移动元件32在衬底22之上的悬置构造、通过检验质量块观和不可移动元件30和32到衬底22的减少的连接、以及通过使所有连接 (即锚36、38和40)定位为彼此紧靠并且位于衬底的中心区域中，减轻了不一致的应变分布曲线的不利影响。图5示出了根据本发明另一个实施例的MEMS器件制造工艺80的流程图。MEMS器件制造工艺80提供用于制造通过将固定元件悬置在衬底上方而与下面的衬底极大程度地隔离的MEMS器件的方法。将结合MEMS器件20的制造(图1)来讨论工艺80。然而，应当变得清楚的是，下面的方法可以适于制造其中需要用于改进的偏移性能的应力隔离的其他 MEMS器件设计。为了简化图示，以下结合单个MEMS器件20的制造来说明制造工艺80。然而，本领域技术人员应予以了解的是，下面的工艺允许同时制造多个MEMS器件20。例如，多个MEMS 器件20可以经历在衬底22上的同时的半导体薄膜制造。然后可以按常规方式对单独的 MEMS器件20进行切割或者划片，以提供可以被封装并耦合到终端应用中的印刷电路板上的单独的MEMS器件20。
MEMS器件制造工艺80以动作82开始。在动作82处，衬底22被提供有沉积在其上的第一牺牲层42。结合动作82参照图6，图6示出了根据动作82的加工的开始阶段84中的MEMS器件20(图1)的侧视图。在开始阶段84处，提供衬底22。衬底22可以是由晶片提供商提供的带有例如磷硅玻璃(PSG)的牺牲层42的毯式覆盖层(blanket layer)的硅晶片。替代地，衬底22可以是由提供商提供的。在接收衬底22之后，可以通过制造MEMS器件20的制造设施在衬底22之上沉积牺牲层42。虽然硅晶片和PSG被提及，但本领域技术人员将认识至IJ，衬底22和牺牲层42可以由其他类型的材料形成，和/或衬底22也可以被形成在多层中。在可选实施例中，可以在锚区44、48和50(图1)处蚀刻牺牲层42，以形成用于最终制造锚36、38和40(图1)的开口(未示出)。返回参照MEMS器件制造工艺80 (图5)，在动作82之后，执行动作86。在动作86 处，在牺牲层42之上形成第一结构层24 (图3)，以在第一结构层M中至少制作检验质量块 28、第一不可移动元件30和第二不可移动元件32。结合任务86参照图7，图7示出了在加工的随后阶段88中的图6的器件的侧视图。 在阶段88，在牺牲层42上沉积诸如多晶硅的材料，以形成第一结构层24。对第一结构层M 构图并蚀刻，以制作检验质量块观、第一不可移动元件30、和第二不可移动元件32(图1)。 除此之外，如果先前在锚区44、48和50处蚀刻了牺牲层42，则在牺牲层42之上沉积第一结构层M将会填充牺牲层42中的开口，从而制作锚36、38和40(图1)。构图和蚀刻工艺技术得到槽90，其使元件观、30和32物理上彼此分离。在本图示中，在第一结构层M中制作的元件观、30和32没有被彼此区分。而是利用单个的指向右上方的宽影线图案来表示第一结构层24。返回参照MEMS器件制造工艺80 (图5)，在动作86之后，执行动作92。在动作92 处，在第一结构层M之上沉积第二牺牲层。工艺80继续到动作94。在动作94处，创建贯通第二牺牲层的开口。结合动作92和94参照图8，图8示出了在加工的随后阶段96中的图7的器件的侧视图。在阶段96处，根据动作92在第一结构层M上沉积例如PSG的另一个牺牲层98。 牺牲层98至少部分地填充在动作86 (图5)处蚀刻贯通第一结构层M的槽90。然后对牺牲层98构图并蚀刻，从而创建贯通牺牲层98的多个开口 100，以露出第一结构层M的部分 102，并且尤其露出第一不可移动元件30 (图1)和第二不可移动元件32 (图1)的部分102。返回参照MEMS器件制造工艺80 (图5)，在动作92之后，执行动作104。在动作 104处，在牺牲层98之上形成第二结构层沈(图3)，以至少制作第一梁68和第二梁70 (图 1)。结合动作104参照图9，图9示出了在加工的随后阶段106中的图8的器件的侧视图。在阶段106处，在牺牲层98上沉积诸如多晶硅的另一层材料，以形成第二结构层26。 在牺牲层98上沉积第二结构层沈填充了牺牲层98中的开口 102，从而创建相应的第一接合件72和第二接合件74(图1、3和4)。图10示出了在加工的随后阶段108中的图9的器件的侧视图。在阶段108处，对第二结构层沈构图并蚀刻，以制作第一梁68和第二梁70(图1)。根据需要可以包括互连 (未示出)。动作104的构图和蚀刻工艺技术产生槽或间隔110，其使元件梁68和梁70物理上彼此分离。在本图示中，第二结构层沈中的元件68和70以及接合件72和74没有被彼此区分。而是利用单个的指向右下方的窄影线图案来表示第二结构层沈的元件。返回参照MEMS器件制造工艺80 (图5)，在动作104之后，执行动作112。在动作 112处，通过采用例如蚀刻技术移除第一牺牲层42和第二牺牲层98而使第一结构层M和第二结构层沈中的元件悬置在衬底22之上。结合任务112参照图11，图11示出了在加工的随后阶段114的图10的器件的侧视图。在阶段114处，用已知工艺蚀刻牺牲层98和42，以使检验质量块观、不可移动元件 30和32、以及顺从性构件52从下面的衬底22释放。图11总体上表示沿图1的剖面线2_2 的MEMS器件20的侧视图，其同样在图2显示。然而，像先前的图6-10的加工图示一样，在第一结构层M和第二结构层沈中制作的各种元件以及第一接合件72和第二接合件74在图11中没有被彼此区分。而是可以容易地从图2确定这些各种元件。在实施例中，在动作112处对牺牲层98和42的蚀刻基本上移除了全部牺牲层 98 (图10)，使得第二结构层沈的梁68和70与除接合件72和74之外的第一结构层M第一结构层M隔开。在动作112处对牺牲层98和42的蚀刻还导致位于检验质量块观、第一不可移动元件30和第二不可移动元件32、以及顺应性构件52下面的全部牺牲层42基本上都被移除，使得它们被悬置在衬底22上方并且与衬底22隔开。然而，在实施例中，牺牲层 42保留在锚44、48和50中，使得检验质量块28和不可移动元件30、32经由锚36、38和40 而被附接到衬底22。通过使得检验质量块28和不可移动元件30和32的一定区域对于蚀刻材料或蚀刻剂变为多孔的(porous)，可以实现牺牲层98和42的选择性移除。此多孔性可以通过用贯通孔(为了简要图示而未示出)制造第一和第二结构层对和沈来加以实现。贯通孔可以提供可以使蚀刻剂通过其到达下面的牺牲层98和42的通道。当然，不需要贯通锚区44、 48和50处的至少第一结构层M来制造贯通孔，以便在适当定时的蚀刻工艺之后将会保留区域44、48和50下面的牺牲层。替代地，此多孔性可以由用以制造第一和第二结构层M 和沈的材料的属性来实现。例如，用以制造第一和第二结构层对和沈的材料的属性可以使得蚀刻剂可以渗透过第一和第二结构层M和26的材料以到达下面的牺牲层98和42而不损伤第一和第二结构层M和26。返回参照MEMS器件制造工艺80 (图5)，在任务112之后，MEMS器件制造工艺80 可以包括为了简明而在本文中未讨论的其他动作。这些由椭圆表示的额外的制造动作可以包括密封式MEMS器件20、形成电互连等等。在制造MEMS器件20之后，制造工艺80以第一梁68和第二梁70结束，这些梁分别经由对应的第一接合件72和第二接合件74而连接到其对应的第一固定指状物62和第二固定指状物66。第一梁68和第二梁70此外还连接到其相应的框体结构60和64，这些框体结构又进而通过其相应的第一锚38和第二锚40而连接到下面的衬底22，从而提供结构完整性，使得第一固定指状物62和第二固定指状物66 通过梁68和70而被保持悬置在衬底22上方。图12示出了根据本发明另一个实施例的MEMS器件118的俯视图。提供MEMS器件118以展示结构层内的元件可以按各种方式布置。根据图1-4中的阴影和/或影线，结合图12利用相同的阴影和/或影线来区分在MEMS器件118的结构层内制作的不同的元件。MEMS器件118包括衬底22以及第一和第二结构层，其可以结合MEMS器件20 (图
121-4)而最好地被观看。在第一结构层中形成有检验质量块观、第一不可移动元件30、第二不可移动元件32、和顺从性构件52，如上面详细讨论的，并且被悬置在衬底22的表面34上方。除此之外，如以上所讨论的，MEMS器件118还包括在第二结构层中形成的第一梁68和第二梁70、以及将相应的第一和第二梁68和70与相应的第一不可移动元件30和第二不可移动元件32互连的第一接合件72和第二接合件74。在本图示实施例中，检验质量块28经由一个检验质量块锚36而被锚定到衬底22， 第一不可移动元件30经由两个锚38而被锚定到衬底22，并且第二不可移动元件32经由两个锚40而被锚定到衬底34，其全都位于衬底22的中心区域46处的相应的锚区44、48和 50。因而，与MEMS器件20相比较，第一结构层的元件的附接可以使用较少的锚来实现。然而，这些锚仍然被定位为彼此紧靠，并且相对于衬底22集中于中心，以便通过衬底22之上的第一和第一不可移动元件30和32的悬置构造以及通过检验质量块28和不可移动元件 30和32与衬底22的减少的连接，来减轻不一致的应变分布曲线的不利影响。像MEMS器件20 —样，MEMS器件118的检验质量块28包括与外框58连接的伸出部56。同样地，第一不可移动元件30包括第一固定指状物62，且第二不可移动元件32包括第二固定指状物66。然而，MEMS器件118的锚构造产生用于第一不可移动元件30和第二不可移动元件32的框体结构的不同构造。在此情形下，第一不可移动元件30包括两个框体结构60，且第二不可移动元件32包括两个框体结构64，其一般全都为U形。据此，如以上所讨论的，通过第一和第二固定指状物62和66经由梁和框体结构的悬置来实现第一不可移动元件30和第二不可移动元件32的应力隔离。图13示出了根据本发明又一个实施例的MEMS器件120的俯视图。MEMS器件20 和118被构造为用于检测在Y方向M上的加速度的单轴加速计。在图13的替代实施例中， 本发明的原理被应用于双轴加速计MEMS器件120。根据图1-4中的阴影和/或影线，结合图13利用相同的阴影和/或影线来区分MEMS器件120的结构层内制作的不同元件。MEMS器件120包括衬底122、第一结构层124、和第二结构层126。在第一结构层 124中形成有大量元件。在实施例中，这些元件包括检验质量块128(由指向右上方的窄影线表示)、第一不可移动元件130 (由指向右下方的宽影线表示)、和第二不可移动元件 132(由指向右上方的宽影线表示)。MEMS器件120可以根据MEMS器件制造工艺80 (图5) 制造。检验质量块128、第一不可移动元件130、和第二不可移动元件132被悬置在衬底 122的表面134上方。检验质量块1 经由一个或多个检验质量块锚136 (例如，单个锚136) 而被附接到衬底122。同样地，第一不可移动元件130经由一个或多个第一锚138(例如，八个锚38)而被附接到衬底122，并且第二不可移动元件132经由一个或多个第二锚140(例如，四个锚40)而被锚定到衬底34。锚136、138和140通过在其对应的元件1观、130和 132之上用“X”标记表示。如图所示，通常，检验质量块锚136将检验质量块128附接在衬底122的中心区域146处的锚区处。同样地，第一锚138将第一不可移动元件130附接在衬底122的中心区域146处的锚，并且第二锚140将第二不可移动元件132附接在衬底122 的中心区域146处的锚区。一个或多个顺应性构件152或者弹簧将检验质量块128与检验质量块锚136互连。在实施例中，顺应性构件152允许检验质量块1 在彼此正交并且平行于平面(即衬底122的平坦表面34)的两个方向上移动。这两个方向包括Y方向M和X方向154。检验质量块1 包括大量可移动伸出部156，其全都与检验质量块1 的外框158 连接。伸出部156基本上平行于衬底122的平坦表面134延伸。除此之外，第一不可移动元件130还包括被附接到第一锚138的一个或多个框体结构160和基本上平行于衬底122 的平坦表面134延伸的大量第一固定指状物162。类似地，不可移动元件132包括被附接到锚140的一个或多个框体结构164和基本上平行于衬底122的平坦表面134延伸的大量第二固定指状物166。成对的第一和第二固定指状物162和166与检验质量块128的伸出部156交错。因而，第一和第二不可移动元件130和132经由相应的第一和第二锚138和 140而被附接到衬底122，使得元件130和132相对于检验质量块1 是不可移动的，即固定的。通过经由形成在第二结构层126中的元件而与相应的第二框体结构160和164的连接，第一和第二固定指状物162和166相对于检验质量块1 是“固定的”或者不可移动的。这些形成在第二结构层沈中的元件包括一个或多个第一梁168(通过淡的点画图案表示)和一个或多个第二梁170 (通过指向右下方的窄影线表示)。第一梁168经由形成在第一指状物162上并且在其上方延伸的多个第一接合件 172而连接到第一不可移动元件130的第一指状物162。除此之外，第一梁168还与第一不可移动元件130的适当的框体结构160连接。应予以注意的是，第一指状物162中的每个均是与第一不可移动元件130不同的部件，并且形成在第一结构层124中且未连接到框体结构160和第一锚138。第一梁168耦合到第一接合件172，使得第一指状物162彼此互连， 并且与第一不可移动元件130的适当的框体结构160互连。因而，第一指状物62被保持悬置在衬底122之上。同样地，第二梁170经由形成在第二指状物166上并在其上方延伸的多个第二接合件174而连接到第二不可移动元件132的第二指状物166。除此之外，第二梁170还与第二不可移动元件132的适当的框体结构164连接。如同第一指状物162 —样，第二指状物166中的每个均是与第二不可移动元件132不同的部件，并且形成在第一结构层124中且未连接到框体结构164和第二锚140。第二梁170耦合到第二接合件174，使得第二指状物166彼此互连，并且与第二不可移动元件132的适当的框体结构164互连。因而，第二指状物166被保持悬置在衬底122之上。第一和第二接合件172和174通过实心黑色阴影在图13中表示。在图示的实施例中，MEMS器件120可以是具有电容性感测能力的加速计。一般而言，顺应性构件152将检验质量块1 悬置在衬底122之上平行于衬底122的中立位置，直至由于一些其他装置在Y方向M或者X方向154中任一个上选择性施加力而导致其偏斜为止。检验质量块1 在Y方向M上的横向移动可以通过被定向为与Y方向M基本上相垂直的、与检验质量块观交错的第一和第二固定指状物162和166的子集176来检测。同样地，检验质量块1 在X方向巧4上的横向移动可以通过被定向为与X方向巧4基本上相垂直的、与检验质量块1 交错的第一和第二固定指状物162和166的子集178来检测。 在Y方向M和/或X方向154中任一个上的横向移动随后可以经由电子装置(未示出) 而被转化成具有取决于加速度的参数幅值(例如电压、电流、频率等)的信号。参照图14和图15，图14示出了根据本发明另一个实施例的MEMS器件180的俯视图，且图15示出了沿图14的剖面线15-15的MEMS器件180的侧视图。结合在相对较厚的第一结构层M (图2)之上形成相对较薄的第二结构层沈(图2)来讨论上述制造方法。在其他实施例中，会期望在沉积相对较厚的上面的层之前沉积相对较薄的下面的层。在图14 和图15的替代实施例中，MEMS器件制造方法的原理被应用于具有相对较薄的第一结构层和在第一结构层之上的相对较厚的第二结构层的单轴加速计MEMS器件180。根据图1-4中的阴影和/或影线，结合图14和图15利用相同的阴影和/或影线来区分在MEMS期间180 的结构层内制作的不同元件。MEMS器件180包括衬底182、第一结构层184、和第二结构层186。形成在第一结构层184中的元件包括第一梁188(通过淡的点画图案表示)和第二梁190(通过指向右下方的窄影线表示)。形成在第二结构层186中的元件包括检验质量块192(通过指向右上方的窄影线表示)、第一不可移动元件194 (通过指向右下方的宽影线表示)、第二不可移动元件196(通过指向右上方的宽影线表示)和顺从性构件198。检验质量块192、第一不可移动元件194、第二不可移动元件196和顺从性构件198 被悬置在衬底182的表面200上方(在图15中可最好地查看)。检验质量块192经由一个或多个检验质量块锚202而被锚定到衬底182。同样地，第一不可移动元件194经由一个或多个第一锚204而被锚定到衬底182，且第二不可移动元件196经由一个或多个第二锚206 而被锚定到衬底182。图14中，锚202、204和206在其对应的元件192、194和196之上用 “X”标记表示。在实施例中，通过在衬底182的中心区域208处构建牺牲层和结构层来形成锚 202、204和206，使得锚202、204和206与在第二结构层186中制作的对应的元件192、194 和196附接。牺牲层210在中心区域208处将锚202、204和206附接到下面的衬底182，并且通过浓的点画图案在图15中标出。检验质量块192、第一不可移动元件194、第二不可移动元件196和顺从性构件198 的其余特征在设计上类似于检验质量块观、第一不可移动元件30、第二不可移动元件32、 和顺从性构件52 (图1-4)。据此，元件观、30、32和52的具体特征的讨论同等地适用于元件192、194、196和198，并且为了简明起见，本文中将不再重复。第一接合件212将第一梁188与第一不可移动元件194的部分(例如，固定指状物和框体结构)连接。同样地，第二接合件214将第二梁190与第二不可移动元件196的部分(例如，固定指状物和框体结构)连接。可以根据MEMS器件制造工艺80 (图幻制造 MEMS器件180(包括在第一和第二结构层184和186中制作的元件，以及第一和第二接合件 212 和 214)。结合图14和图15参照图5，通过执行MEMS器件制造工艺80的动作86，在第一结构层184中形成第一和第二梁188和190。接着，通过执行动作92和94，在第一结构层 184之上沉积第二牺牲层(未示出)，并且为第一和第二接合件212和214制作开口(未示出)。然后通过执行动作104形成第二结构层186，以制作检验质量块192、第一不可移动元件194、第二不可移动元件196和顺从性构件198。随后通过根据动作112移除牺牲层，使第一和第二结构层184和186的各种元件从下面的衬底182悬置或者释放。此外，相对较薄的梁188和190提供足够的结构稳定性，以保持不可移动元件194和196被悬置在衬底 182上方，并且只在中心区域208处与衬底182锚定。
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本文中描述的实施例包括与下面的衬底应力隔离的MEMS传感器。在制造工艺中， 在一个结构层中形成的不可移动元件的应力隔离通过第二结构层支撑元件来实现。设计方法要求连接两个结构层的元件的接合件。两个结构层随后从下面的衬底释放或拆离。据此， 一个结构层中的元件可以实现层平面内的感测能力，且另一个结构层保持不可移动的(即固定的)元件，使得它们不与衬底直接接触。这使得与衬底的锚定连接能够彼此紧靠并且相对于衬底集中于中心。集中于中心的锚构造以及减少的锚数量减小了整个衬底平面上不一致且不均一的应变的不利影响。因而，这样的MEMS器件不易受热引入封装应力梯度影响，并且利用常规的制造工艺可以容易地作为低成本、紧凑、单管芯变换器。虽然已经详细图示并描述了本发明的优选实施例，但对于本领域技术人员而言显而易见的是，在不脱离本发明的精神和权利要求书的范围的情况下，可以在其中做出各种修改。例如，MEMS器件可以适于包括不同数目的集中于中心的锚和/或梁。除此之外，检验质量块、不可移动元件、梁、顺从性构件等除所示出的之外还可以采用各种其他形状和尺寸。
权利要求
1.一种用于制造与衬底隔离的微机电系统(MEMS)器件的方法，包括在位于所述衬底之上的第一牺牲层上形成第一结构层，以制作通过槽而彼此分离的第一元件和第二元件；在所述第一结构层之上沉积第二牺牲层，所述第二牺牲层至少部分地填充所述槽； 创建贯通所述第二牺牲层的开口，以露出所述第二元件的部分； 在所述第二牺牲层之上形成第二结构层，以制作第三元件，所述第二结构层填充所述开口，以提供所述第二元件和所述第三元件之间的连接件；以及通过移除所述第一牺牲层和第二牺牲层的至少一部分，使所述第一元件、第二元件和第三元件悬置在所述衬底之上，其中，所述第二元件与所述衬底的附接仅发生在所述衬底上的相对于所述第一元件、第二元件和第三元件在所述衬底之上的位置而言的中心区域处，并且所述第三元件至少经由所述连接件而连接到所述第二元件。
2.如权利要求1所述的方法，还包括 在所述衬底上形成第一锚；在所述衬底上的所述中心区域中形成第二锚；以及在所述第一元件和所述第一锚之间形成顺从性构件，以允许所述第一元件基本上平行于所述衬底的平面移动，并且所述第二元件被固定到所述第二锚，使得所述第二元件相对于所述第一元件是不可移动的。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述形成所述第一结构层通过另外的槽而制作与所述第一元件和第二元件分离的第四元件；并且所述悬置动作使所述第四元件悬置在所述衬底之上，其中，所述第四元件与所述衬底的附接在所述衬底的所述中心区域处经由第三锚而发生，使得所述第四元件相对于所述第一元件是不可移动的。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述第一结构层通过另外的槽而制作与所述第一元件和第二元件分离的第四元件；所述沉积动作使用所述第二牺牲层来至少部分地填充所述另外的槽； 所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的第二开口，露出所述第四元件的第二部分； 所述形成所述第二结构层制作第五元件，所述第二结构层填充所述第二开口，以提供在所述第五元件和所述第四元件之间的第二连接件；并且所述悬置动作使所述第四元件和第五元件悬置在所述衬底之上，其中所述第四元件与所述衬底的附接仅发生在所述衬底的所述中心区域处，并且所述第五元件经由所述第二连接件而连接到所述第四元件。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述第一结构层制作具有伸出部的所述第一元件，并且制作具有与所述伸出部交错的多个指状物的所述第二元件；所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的开口，露出所述多个指状物中的每一个的部分，上述开口是所述开口中的一个；并且所述形成所述第二结构层包括填充所述开口中的每个以提供多个连接件，上述连接件是所述多个连接件中的一个；以及在所述第二结构层中形成所述第三元件作为梁，所述梁被耦合到所述连接件中的每个使得所述多个指状物通过所述梁而互连，并且所述伸出部不连接到所述梁。
6.如权利要求5所述的方法，其中，所述指状物是第一指状物，所述开口是第一开口， 所述梁是第一梁，并且所述形成所述第一结构层制作包括与所述伸出部交错的多个第二指状物的第四元件；所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的第二开口，露出所述多个第二指状物中的每个的第二部分；并且所述形成所述第二结构层还包括 填充所述第二开口以提供第二连接件；以及在所述第二结构层中制作第五元件作为第二梁，所述第二梁耦合到所述第二连接件中的每个，使得所述第二指状物通过所述第二梁而互连，并且所述伸出部和所述第一指状物没有连接到所述第二梁。
7.如权利要求1所述的方法，其中所述形成所述第一结构层制作所述第一元件作为第一梁，并且制作所述第二元件作为第二梁；所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的第一开口，露出所述第一梁的第一部分，并且创建贯通所述第二牺牲层的第二开口，露出所述第二梁的第二部分；并且所述形成所述第二结构层包括填充所述第一开口和第二开口以提供相应的第一连接件和第二连接件； 制作具有用于将可移动元件附接到所述衬底的第一锚的可移动元件，所述可移动元件相对于所述衬底的平面是可移动的，所述可移动元件包括伸出部；在所述中心区域处形成具有第二锚的所述第三元件作为第一不可移动元件，所述第三元件包括多个第一指状物，所述第一连接件将所述多个第一指状物与所述第一梁耦合，使得所述第一不可移动元件的所述第一指状物互连；并且在所述中心区域处制作具有第二锚的第四元件作为第二不可移动元件，所述第四元件包括多个第二指状物，所述第二连接件将所述多个第二指状物与所述第二梁耦合，使得所述第二指状物互连，其中所述第一指状物和第二指状物与所述伸出部交错。
8.如权利要求1所述的方法，其中，所述悬置动作包括基本上移除全部所述第二牺牲层。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述悬置动作包括基本上移除位于所述第一元件和第二元件下面的全部所述第一牺牲层。
10.一种微机电系统(MEMS)器件，包括 衬底；第一元件和第二元件，所述第一元件和第二元件形成在第一结构层中，并且所述第一元件和第二元件都被悬置在所述衬底的部分之上，所述第一元件可移动地与所述衬底耦合，所述第二元件不可移动地与所述衬底耦合，并且所述第二元件与所述衬底的附接仅发生在所述衬底上的相对于所述第一元件和第二元件在所述衬底上的位置的中心区域处； 第三元件，所述第三元件形成在与所述第一结构层隔开的第二结构层中；和连接件，所述连接件形成在所述第二元件和第三元件之间，并且所述连接件将所述第三元件与所述第二元件耦合。
11.如权利要求10所述的MEMS器件，还包括牺牲层，所述牺牲层位于所述衬底的所述中心区域之上，并且所述牺牲层不位于所述衬底的所述第一元件和第二元件被悬置在之上的所述部分之上。
12.如权利要求10所述的MEMS器件，还包括 第一锚，所述锚被附接到所述衬底；顺从性构件，所述顺从性构件被互连在所述第一元件和所述第一锚之间，以允许所述第一元件基本上平行于所述衬底的平面移动；以及第二锚，所述第二锚在所述衬底的所述中心区域中，并且与所述第二元件耦合使得所述第二元件相对于所述第一元件是不可移动的。
13.如权利要求12所述的MEMS器件，还包括第四元件，所述第四元件形成在所述第一结构层中，并且被悬置在所述衬底的所述部分之上；和第三锚，所述第三锚在所述衬底的所述中心区域中，并且与所述第四元件耦合，使得所述第四元件相对于所述第一元件是不可移动的，其中所述第四元件与所述衬底的附接仅发生在所述衬底的所述中心区域处。
14.如权利要求12所述的MEMS器件，其中，所述顺从性构件允许所述第一元件在第一方向上和与所述第一方向相垂直的第二方向上移动，所述第一方向和第二方向的每一个基本上平行于所述衬底的所述平面。
15.如权利要求10所述的MEMS器件，其中所述第一元件包括基本上平行于所述衬底的平面延伸的伸出部； 所述第二元件包括与所述伸出部交错的指状物； 所述第三元件被形成在所述第二结构层中作为梁；并且所述MEMS器件还包括在所述第一结构层和第二结构层之间延伸的多个连接件，上述连接件是所述多个连接件中的一个，所述梁耦合到所述连接件中的每个，使得所述指状物通过所述梁而互连，并且所述伸出部不连接到所述梁。
16.如权利要求15所述的MEMS器件，其中，所述指状物是第一指状物，所述连接件是第一连接件，所述梁是第一梁，并且所述MEMS器件还包括第四元件，所述第四元件形成在所述第一结构层中并且被悬置在所述衬底的所述部分之上，所述第四元件包括与所述伸出部交错的第二指状物； 第二梁，所述第二梁形成在所述第二结构层中；以及多个第二连接件，所述多个第二连接件在所述第一结构层和第二结构层之间延伸，所述第二梁耦合到所述第二连接件中的每个，使得所述第二指状物通过所述第二梁而互连， 并且所述伸出部和所述第一指状物不连接到所述第二梁。
17.如权利要求15所述的MEMS器件，其中，所述伸出部中的至少一个被插入在一对所述指状物之间，所述梁横越过所述伸出部中的所述至少一个的位置，并且所述梁经由所述连接件而被附接到所述对所述指状物中的每个。
18.一种用于制造与衬底隔离的微机电系统(MEMS)器件的方法，包括在位于所述衬底之上的第一牺牲层上形成第一结构层，以制作通过槽而彼此分离的第一元件和第二元件；在所述第一结构层之上沉淀第二牺牲层，所述第二牺牲层至少部分地填充所述槽； 创建贯通所述第二牺牲层的开口，以露出部分所述第二元件； 在所述第二牺牲层之上形成第二结构层，以制作第三元件，所述第二结构层填充所述开口，以在所述第二元件和所述第三元件之间提供连接件；以及通过基本上移除全部所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述第一元件、第二元件和第三元件悬置在所述衬底之上，其中，所述第二元件与所述衬底的附接仅发生在所述衬底的相对于所述第一元件、第二元件和第三元件在所述衬底之上的位置而言的中心区域处，并且所述第三元件经由所述连接件而连接到所述第二元件。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述形成所述第一结构层制作具有伸出部的所述第一元件，制作具有与所述伸出部交错的第一指状物的所述第二元件，并且制作具有与所述伸出部交错的第二指状物的第四元件；所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的第一开口，露出所述第一指状物的第一部分，并且创建贯通所述第二牺牲层的第二开口，露出所述第二指状物的第二部分；并且所述形成所述第二结构层包括填充所述第一开口以提供多个第一连接件，所述连接件是所述多个第一连接件中的一个；填充所述第二开口以提供多个第二连接件；在所述第二结构层中制作所述第三元件作为第一梁，所述第一梁耦合到所述第一连接件中的每个， 使得所述第一指状物通过所述第一梁而互连；以及在所述第二结构层中制作第四元件作为第二梁，所述第二梁耦合到所述第二连接件中的每个，使得所述第二指状物通过所述第二梁而互连。
20.如权利要求18所述的方法，其中所述形成所述第一结构层制作所述第一元件作为第一梁，并且制作所述第二元件作为第二梁；所述创建动作创建贯通所述第二牺牲层的第一开口，露出所述第一梁的第一部分，并且创建贯通所述第二牺牲层的第二开口，露出所述第二梁的第二部分；并且所述形成所述第二结构层包括填充所述第一开口和第二开口，以提供相应的第一连接件和第二连接件； 制作具有用于将可移动元件附接到所述衬底的第一锚的可移动元件，以允许所述可移动元件相对于所述衬底的平面移动，所述可移动元件包括伸出部；仅仅在所述中心区域处形成具有第二锚的所述第三元件作为第一不可移动元件，所述第三元件包括多个第一指状物，所述第一连接件将所述多个第一指状物与所述第一梁耦合，使得所述第一不可移动元件的所述第一指状物通过所述第一梁而互连；并且仅仅在所述中心区域处制作具有第三锚的第四元件作为第二不可移动元件，所述第四元件包括多个第二指状物，所述第二连接件将所述第二指状物与所述第二梁耦合，使得所述第二不可移动元件的所述第二多个第二指状物通过所述第二梁互连，其中所述第一指状物和第二指状物与所述伸出部交错。
全文摘要
具有应力隔离的MEMS器件(20)包括形成在第一结构层(24)中的元件(28、30、32)和形成在第二结构层(26)中的元件(68、70)，其中层(26)与第一结构层(24)隔开。制造方法(80)涉及在层(24、26)之间形成(92、94、104)连接件(72、74)。连接件(72、74)将第一层(24)的对应的元件(30、32)与第二层(26)的元件(68、70)连接。制造方法(80)还涉及从下面的衬底(22)释放结构层(24、26)，使得所有元件(30、32、68、70)都被悬置在MEMS器件(20)的衬底(22)上方，其中元件(30、32、68、70)与衬底(22)的附接仅发生在衬底(22)的中心区域处(46)。
文档编号H01L21/02GK102482072SQ201080038090
公开日2012年5月30日 申请日期2010年8月5日 优先权日2009年8月26日
发明者阿伦·A·盖斯贝格尔 申请人:飞思卡尔半导体公司