CN107764459B - 压力传感器以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

一种压力传感器包含一承载区域以及与承载区域空间上分离的一框体，其中压力传感器的一微机电***元件制作于承载区域内。上述压力传感器以框体固定于封装基板后，封装基板或电路板的应力可被承载区域以及框体间的空间隔离，以避免微机电***元件产生无法预期的形变。

Description

压力传感器以及其制造方法
【技术领域】
本发明是有关一种压力传感器以及其制造方法，特别是一种以微机电***装置所实现的压力传感器以及其制造方法。
【背景技术】
自1970年代微机电***(microelectrical mechanical system，MEMS)装置概念成形起，微机电***装置已从实验室的探索对象进步至成为高阶***整合的对象，并已在大众消费性装置中有广泛的应用，展现了惊人且稳定的成长。微机电***装置是借由感测或控制可动的微机电***元件的运动物理量可实现微机电***装置的各项功能。
举例而言，以微机电***装置所实现的压力传感器是利用一气密空腔与外部环境的压力差来驱动微机电***元件(例如一薄膜)产生形变，以量测外部环境的压力变化。然而，在微机电***装置的封装过程中或是将微机电***装置粘着于电路板的过程中都可能使封装基板或电路板产生应力而翘曲。封装基板或电路板翘曲将导致薄膜产生无法预期的形变，使初始电容值偏离一预设值。
有鉴于此，如何避免封装基板或电路板翘曲所导致的微机电***元件的形变便是目前极需努力的目标。
【发明内容】
本发明提供一种压力传感器以及其制造方法，其是将基板分为一承载区域以及空间上分离的一框体，且微机电***元件制作于承载区域内。依据此结构，本发明的压力传感器以框体固定于封装基板后，封装基板或电路板的应力可被承载区域以及框体间的空间隔离，以避免微机电***元件产生无法预期的形变。
本发明一实施例的压力传感器包含一第一基板以及一第二基板。第一基板包含一第一表面、一相对的第二表面以及一电路层。电路层设置于第一基板的第二表面，并包含一第一电路、一第二电路以及多个第一导电接点。第一基板分成一承载区域、与承载区域空间上分离且围绕承载区域的一框体以及一连接臂，其连接承载区域以及框体。第一电路以及第二电路设置于承载区域内。第二基板包含一第三表面以及一相对的第四表面，且第二基板以第三表面朝向第一基板设置于第一基板的第二表面侧。第二基板与多个第一导电接点电性连接，且包含一微机电***元件以及一参考元件。微机电***元件设置于承载区域，与第一电路相对应，且与第一基板定义出一气密空腔。参考元件设置于承载区域且与第二电路相对应，其中参考元件与第二电路维持一固定间距。
本发明另一实施例的压力传感器的制造方法包含：提供一第一基板，其包含一第一表面、一相对的第二表面以及一电路层，其设置于第一基板的第二表面，并包含一第一电路、一第二电路以及多个第一导电接点；提供一第二基板，其包含一第三表面以及一相对的第四表面；形成一第一凹槽于电路层或第二基板的第三表面；将第二基板以第三表面朝向第一基板接合于第一基板的第二表面侧，以定义出一气密空腔；电性连接第一基板以及第二基板；图案化第二基板，以形成一微机电***元件以及一参考元件，其中微机电***元件与第一电路相对应，以及参考元件与第二电路相对应，且与第二电路维持一固定间距；以及图案化第一基板，以形成一承载区域、与承载区域空间上分离且围绕承载区域的一框体以及一连接臂，其连接承载区域以及框体，其中第一电路以及第二电路设置于承载区域。
以下借由具体实施例配合所附的图式详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。
【附图说明】
图1a为一示意图，显示本发明第一实施例的压力传感器的俯视结构。
图1b为一示意图，显示本发明第一实施例的压力传感器沿图1a所示的AA线的剖面结构。
图2a为一示意图，显示本发明第二实施例的压力传感器的俯视结构。
图2b为一示意图，显示本发明第二实施例的压力传感器沿图2a所示的AA线的剖面结构。
图3为一示意图，显示本发明第三实施例的压力传感器的剖面结构。
图4为一示意图，显示本发明第四实施例的压力传感器的剖面结构。
图5为一示意图，显示本发明第五实施例的压力传感器的俯视结构。
图6为一示意图，显示本发明第六实施例的压力传感器的俯视结构。
图7a为一示意图，显示本发明第七实施例的压力传感器的局部俯视结构。
图7b为一示意图，显示本发明第八实施例的压力传感器的局部俯视结构。
图7c为一示意图，显示本发明第九实施例的压力传感器的局部俯视结构。
图8a至图8i为一示意图，显示本发明第一实施例的压力传感器的制造方法。
【符号说明】
10 第一基板
101 承载区域
102 框体
103 连接臂
104 柱脚
10a 第一表面
10b 第二表面
11 电路层
111 支撑元件
11a 第一电路
11b 第二电路
11c、11d 第一导电接点
11e 导电结构
11f 导电材料
11g 迹线
12a 第一凹槽
12b、12c 凹槽
13 第二凹槽
14 沟槽
20 第二基板
21 第三表面
22 第四表面
23a、23b 导电结构
23c 导电材料
24 微机电***元件
25 参考元件
26 凹槽
27a、27b 沟槽
30 封装基板
【具体实施方式】
以下将详述本发明的各实施例，并配合图式作为例示。除了该多个详细说明之外，本发明亦可广泛地施行于其它的实施例中，任何所述实施例的轻易替代、修改、等效变化都包含在本发明的范围内，并以申请专利范围为准。在说明书的描述中，为了使读者对本发明有较完整的了解，提供了许多特定细节；然而，本发明可能在省略部分或全部特定细节的前提下，仍可实施。此外，众所周知的步骤或元件并未描述于细节中，以避免对本发明形成不必要的限制。图式中相同或类似的元件将以相同或类似符号来表示。特别注意的是，图式仅为示意之用，并非代表元件实际的尺寸或数量，有些细节可能未完全绘出，以求图式的简洁。
本发明的压力传感器是以一微机电***装置加以实现。请参照图1a以及图1b，本发明的一实施例的压力传感器包含一第一基板10以及一第二基板20。第一基板10包含一第一表面、一相对的第二表面以及一电路层11。于图1b所示的实施例中，电路层11是设置于第一基板11的第二表面(即上表面)。依据设计，电路层11包含至少一金属层，而曝露出来的金属层可作为一第一电路11a、一第二电路11b以及多个第一导电接点11c、11d。于一实施例中，第一基板10可为一互补式金氧半导体(CMOS)基板、玻璃基板等。第一基板10进一步分成一承载区域101、一框体102以及一连接臂103。微机电***装置的主要结构制作于承载区域101内。举例而言，第一电路11a以及第二电路11b设置于承载区域101内。框体102与承载区域101空间上分离且围绕承载区域101设置。连接臂103则设置于承载区域101以及框体102之间，以连接承载区域101以及框体102。
第二基板20包含一第三表面21以及一相对的第四表面22，且第二基板20以第三表面21朝向第一基板10设置于第一基板10的第二表面侧。举例而言，第一基板10与第二基板20的接合是以共晶键合(eutectic bonding)、熔接(fusion bond)、焊接以及粘合至少其中之一加以实现。第二基板20可经由导电结构23a、23b与多个第一导电接点11c、11d电性连接。第二基板20包含一微机电***元件24以及一参考元件25。微机电***元件24设置于承载区域101，且与第一基板10定义出一气密空腔。如此，微机电***元件24即可随着外部压力变化而产生形变。微机电***元件24并与第一电路11a相对应，以构成一感测电容。参考元件25亦设置于承载区域101内，且与第二电路11b相对应。参考元件25与第二电路11b之间维持一固定间距，亦即参考元件25与第二电路11b间之间距不会随着外部压力变化而改变。依据此结构，参考元件25以及第二电路11b所构成的参考电容即为一定值。借由计算感测电容值以及参考电容的差值即可计算出微机电***元件24的形变量。
于一实施例中，第一电路11a可设置于气密空腔的一几何中心，可以理解的是，与第一电路11a相对应的微机电***元件24即可随着外部压力变化而产生较大的形变，以提高感测的灵敏度。相对的，第二电路11b靠近气密空腔的侧壁设置，则与第二电路11b相对应的参考元件25即因气密空腔的侧壁的支撑而与第二电路11b维持一固定间距。于一实施例中，参考元件25以及第二电路11b之间可设置至少一支撑元件111，以维持参考元件25以及第二电路11b间为一固定间距。于图1a所示的实施例中，支撑元件111为一墙状。但不限于此，支撑元件111亦可为柱状(如图7a所示)、环状(如图7b所示)、弧状(如图7c所示)或其它适当的结构。
请再参照图1b，将本发明的压力传感器以第一基板10的框体102接合于封装基板30时，由于包含微机电***元件24的承载区域101未固定于封装基板30，因此，封装基板30的应力只会作用在框体102上，亦即封装基板30的应力被承载区域101以及框体102间的空间隔离。换言之，微机电***元件24不会因封装基板30的应力而产生无法预期的形变。于一实施例中，框体102的第一表面可设置至少一柱脚104，使第一基板10的承载区域101以及封装基板30之间具有一间隙。如此一来，承载区域101内的微机电***元件24可进一步避免因封装基板30的应力而产生无法预期的形变。
于一实施例中，连接臂103可为多个，且具有至少一转折部。举例而言，于图1a所示的实施例中，连接臂103为二个L型结构且连接于承载区域101的对角位置。依据此结构，框体102受到封装基板30的应力时，L型结构的连接臂103可产生形变以吸收应力。于一实施例中，请参照图5，连接臂103可为四个U型结构。同样的，U型结构的连接臂103亦可因封装基板30的应力而产生形变以吸收应力。于一实施例中，请参照图6，连接臂103可为单一的直条状结构，且连接于承载区域101的一端。由于承载区域101的其它端为开放端，因此，承载区域101不会受到封装基板30的应力而产生形变。
请再参照图1a以及图1b，于图1a以及图1b所示的实施例中，导电结构23a可作为微机电***元件24与电路层11电性连接的导电路径。而导电结构23b设置于框体102于第二基板20的第四表面22的投影区域内，以作为与外部电性连接的第二导电接点。因此，微机电***元件24可经由导电结构23a、电路层11的迹线11g(如图6所示)以及导电结构23b与外部电性连接。可以理解的是，第二基板20可设置沟槽27b使多个导电结构23b彼此电性独立。
请参照图2a以及图2b，于一实施例中，第二基板20仅设置于承载区域101内，因此，设置于框体102区域内的第一导电接点11d未被第二基板20覆盖，而可直接作为与外部电性连接的导电接点。举例而言，制作适当的导电结构11e与第一导电接点11d即可作为与外部电性连接的导电接点。
微机电***元件24的厚度以及微机电***元件24与第一电路11a之间距能够以多种适当的方式加以实现。举例而言，如图1b以及图2b所示，第二基板20为相同的厚度，而微机电***元件24与第一电路11a之间距则是由移除部分电路层11所定义。请参照图3，于一实施例中，可于第二基板20的第三表面21形成凹槽26，以形成适当厚度的微机电***元件24以及微机电***元件24与第一电路11a的适当间距。请参照图4，于一实施例中，亦可于第二基板20的第四表面22形成凹槽26，以形成适当厚度的微机电***元件24，而微机电***元件24与第一电路11a之间距则是移除部分电路层11所形成。图3以及图4所示的实施例中，第一基板10与第二基板20是以共晶键合方式加以接合。因此，利用适当的导电材料11f、23c即可电性连接第二基板20以及电路层11的第一导电接点11c。
请参照图8a至图8i，以说明图1b所示的本发明的压力传感器的制造方法。首先，提供一第一基板10，其包含一第一表面10a、一相对的第二表面10b以及一电路层11，如图8a所示。电路层11设置于第一基板10的第二表面10b。电路层11则包含一第一电路11a、一第二电路11b以及多个第一导电接点11c、11d。虽然图8a中所示为一维的剖面图，但本领域中具有通常知识者应能明白电路层11中所形成的为一具有指定几何形状的二维电路图案。电路层11的详细制程已为本发明所属技术领域中具有通常知识者所熟知，在此不再赘述。于一实施例中，第一基板10可为任何具有适宜机械刚性的基板，包括互补式金氧半导体基板、玻璃基板等。虽然该多个剖面图中仅显示单一装置，但可以理解的是，于单一基板上可制造多个管芯。因此，该多个图中所示的单一装置仅为代表，并非用以限制本发明于单一装置的制造方法。于本说明书中将更完整的描述以晶圆级制程于一基板上制造多个管芯或装置。于制造装置后，再利用切割(dicing)与切单(singulation)技术产生单独的装置封装以于各种应用中使用。
接着，形成一第一凹槽12a于第一基板10的电路层11，使第一电路11a以及第二电路11b曝露出来，如图8b所示。第一凹槽12a的形成可利光刻及蚀刻程序加以实现。于光刻程序中，蚀刻罩幕的尺寸可严格控制，且能够以任何能抵抗用以蚀刻程序的合适材料形成。一特定实施例是使用氮化硅(Si3N4)蚀刻罩幕。蚀刻程序可包含一或多个蚀刻程序，例如非等向性蚀刻、氧化物蚀刻、反应性离子蚀刻(RIE)等。可以理解的是，在第一凹槽12a内保留部分电路层即可作为一支撑元件111。于一实施例中，于此步骤可同时形成凹槽12b，使第一导电接点11c、11d曝露出来。此外，亦可于此步骤形成凹槽12c并曝露出第一基板10的第二表面10b，以图案化电路层11。图案化的电路层11是对应后续制程所形成的第一基板10的承载区域101、一框体102以及一连接臂102。于一实施例中，电路层11亦可不需经过图案化的步骤，而待后续图案化第一基板10的制程时一并图案化电路层11。
接着，提供一第二基板20，其包含一第三表面21以及一相对的第四表面22，并将第二基板20以第三表面21朝向第一基板10接合于第一基板10的第二表面10b，以定义出一气密空腔，亦即密封第一凹槽12a，如图8c所示。举例而言，第一基板10与第二基板20的接合能够以共晶键合、熔接、焊接以及粘合至少其中之一加以实现。需注意的是，图8b以及图8c所示的步骤可依据不同的微机电***装置设计而加以修改。举例而言，制造图3所示的微机电***装置时，即无需于电路层11形成第一凹槽12a，而是在第二基板20的第三表面21形成凹槽26。
接着，以一研磨(grinding)及/或其它薄化(thinning)程序薄化第二基板20，以达成指定的厚度，如图8d所示。于一些实施例中，薄化后的第二基板20的剩余厚度大约介于5μm至30μm，使微机电***元件24能随着压力变化而产生形变。指定的厚度可用传统薄化技术如化学机械研磨(CMP)及/或反应性离子蚀刻(RIE)达成。由于图8d所示的实施例中没有结构可作为挡止层以使薄化程序终止，薄化程序采用了精准的控制。假如没有精准的控制，则薄化程序可能产生比指定厚度要薄或厚的第二基板20，因而影响后续所制造的微机电***装置的性能。于其它实施例中，将一蚀刻挡止层与第二基板20结合，以便于薄化程序的精准控制。本领域中具有通常知识者应能辨认许多本发明的变化、修改以及置换。
接着，电性连接第一基板10以及第二基板20。于一实施例中，于第二基板20形成导电结构23a、23b即可电性连接电路层11的第一导电接点11c、11d，如图8e所示。举例而言，利用光刻、蚀刻程序于第二基板20形成贯孔贯穿第二基板20的第三表面21以及第四表面22，以曝露出电路层11的第一导电接点11c、11d，接着于贯孔中填充导电材料，例如钨，最后于第二基板20的第四表面22形成导电层与贯孔中的导电材料即可形成与电路层11电性连接的导电结构23a、23b。
接着，利用光刻、蚀刻程序图案化第二基板20，以定义一微机电***元件24以及一参考元件25，其中微机电***元件24与电路层11的第一电路11a相对应；参考元件25与电路层11的第二电路11b相对应，如图8f所示。举例而言，利用光刻、蚀刻程序于第二基板20上形成沟槽27a以定义微机电***元件24以及参考元件25。此外，于第二基板20上形成沟槽27b使多个导电结构23b彼此电性独立。于图8f所示的实施例中，沟槽27a与电路层11的凹槽12c相对应。可以理解的是，制造图2b所示的微机电***装置时，移除大部分的第二基板20，仅保留承载区域101内的第二基板20即可。
接着，以一研磨及/或其它薄化程序薄化第一基板10，以达成指定的厚度，如图8g所示。于一些实施例中，薄化后的第一基板10的剩余厚度约小于500μm。
接着，利用光刻、蚀刻程序于第一基板10的第一表面10a形成一第二凹槽13，使第一基板10的第一表面10a侧产生高度差，如图8h所示。第二凹槽13的位置对应于承载区域101，使承载区域101的厚度较薄。相对的，第一基板10厚度较厚的位置即可作为一柱脚104，其位于框体102区域内。需注意的是，图8h所示的步骤可加以省略，亦即承载区域101与框体102之间不具有高度差。
最后，利用光刻、蚀刻程序形成沟槽14以图案化第一基板10。图案化后的第一基板10分为承载区域101、框体102以及连接臂103，其中第一电路11a以及第二电路11b设置于承载区域101内，如图8i所示。可以理解的是，与第一电路11a以及第二电路11b相对应的微机电***元件24以及参考元件25亦即位于承载区域101内。本发明的压力传感器的制造方法更包含将第一基板10以框体102的第一表面10a接合于一封装基板30，如此即形成如图1b所示的结构。需注意的是，图1a至图7c所示的实施例皆可借由修改上述制程加以实现，在此不再赘述。
综合上述，本发明的压力传感器以及其制造方法，其是将基板分为一承载区域以及与承载区域空间上分离的一框体，且微机电***元件制作于承载区域内。依据此结构，本发明的压力传感器以框体固定于封装基板后，因承载区域未与封装基板接合，因此，封装基板或电路板的应力可被承载区域以及框体间的空间隔离，以避免微机电***元件产生无法预期的形变。较佳者，承载区域以及封装基板间具有间隙可进一步隔离封装基板或电路板的应力。
以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟习此项技艺的人士能够了解本发明之内容并据以实施，当不能以的限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围内。

Claims (24)

1.一种压力传感器，其特征在于，包含：
一第一基板，其包含一第一表面、一相对的第二表面以及一电路层，该电路层设置于该第一基板的该第二表面，并包含一第一电路、一第二电路以及多个第一导电接点，其中该第一基板分成一承载区域、与该承载区域空间上分离且围绕该承载区域的一框体以及一连接臂，该连接臂连接该承载区域以及该框体，且该第一电路以及该第二电路设置于该承载区域；以及
一第二基板，其包含一第三表面以及一相对的第四表面，且该第二基板以该第三表面朝向该第一基板设置于该第一基板的该第二表面侧，并与该多个第一导电接点电性连接，其中该第二基板包含：
一微机电***元件，其设置于该承载区域，与该第一电路相对应，且与该第一基板定义出一气密空腔；以及
一参考元件，其设置于该承载区域且与该第二电路相对应，其中该参考元件与该第二电路维持一固定间距。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，至少部分该第一导电接点设置于该框体，以作为与外部电性连接的导电接点。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该第二基板更包含多个第二导电接点，其设置于该框体于该第二基板的该第四表面的一投影区域内，并与该第一导电接点电性连接，以作为与外部电性连接的导电接点。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该连接臂为一个，且为直条状。
5.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该连接臂为多个，且具有至少一转折部。
6.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该参考元件以及该第二电路之间具有一支撑元件。
7.如权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，该支撑元件为墙状、柱状、环状或弧状。
8.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该第一电路设置于该气密空腔的一几何中心。
9.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，该第二电路靠近该气密空腔的侧壁设置。
10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，更包含：
一封装基板，其中该第一基板以该框体的该第一表面接合于该封装基板。
11.如权利要求10所述的压力传感器，其特征在于，该第一基板的该承载区域以及该封装基板之间具有一间隙。
12.一种压力传感器的制造方法，其特征在于，包含：
提供一第一基板，其包含一第一表面、一相对的第二表面以及一电路层，该电路层设置于该第一基板的该第二表面，并包含一第一电路、一第二电路以及多个第一导电接点；
提供一第二基板，其包含一第三表面以及一相对的第四表面；
形成一第一凹槽于该电路层或该第二基板的该第三表面；
将该第二基板以该第三表面朝向该第一基板接合于该第一基板的该第二表面侧，以定义出一气密空腔；
电性连接该第一基板以及该第二基板；
图案化该第二基板，以形成一微机电***元件以及一参考元件，其中该微机电***元件与该第一电路相对应，以及该参考元件与该第二电路相对应，且与该第二电路维持一固定间距；以及
图案化该第一基板，以形成一承载区域、与该承载区域空间上分离且围绕该承载区域的一框体以及一连接臂，该连接臂连接该承载区域以及该框体，其中该第一电路以及该第二电路设置于该承载区域。
13.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，至少部分该第一导电接点设置于该框体，且电性连接该第一基板以及该第二基板时曝露出该框体上的该第一导电接点。
14.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，于电性连接该第一基板以及该第二基板的步骤，形成多个第二导电接点于该框体于该第二基板的该第四表面的一投影区域内，且该多个第二导电接点与该第一导电接点电性连接。
15.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该连接臂为一个，且为直条状。
16.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该连接臂为多个，且具有至少一转折部。
17.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该参考元件以及该第二电路之间具有一支撑元件。
18.如权利要求17所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该支撑元件为墙状、柱状、环状或弧状。
19.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该第一电路设置于该气密空腔的一几何中心。
20.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，该第二电路靠近该气密空腔的侧壁设置。
21.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
接合该第一基板以及该第二基板之前，图案化该电路层，以曝露出该第一基板。
22.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
接合该第一基板以及该第二基板后，薄化该第二基板。
23.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
图案化该第一基板之前，于对应该承载区域的第一基板的该第一表面形成一第二凹槽。
24.如权利要求12所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，更包含：
将该第一基板以该框体的该第一表面接合于一封装基板。
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