TWI537546B - 微機電結構製作方法 - Google Patents

Description

微機電結構製作方法

本發明是關於一種微機電結構之製作方法，特別是關於內容流體之微機電結構之製作方法。本發明並揭示一種以該方法製作之微機電結構。

在微機電結構中，有時需要在結構中容納流體，以利用該流體之特性，提供一定之功能。此種微機電結構包括一般稱為「液體電容式傾斜微感測器」(liquid capacitive micro inclinometer)之產品。

以液體電容式傾斜微感測器為例，在製作時需先在基板上製作包含傾斜感測器機構之結構。該結構尚可能包括相關之感測電路。其次，須在另一基板，通常是玻璃基板上，製作一包含容置空間之結構。接著，在該傾斜感測器結構內或該容置空間之結構內加入流體，再將兩結構結合，固著，即形成所需之傾斜感測器。其他使用流體之微機電結構，也可使用與上述方法基本相同之製程製作。此種製作方法及以該方法製成的結構，可參考同申請人所申請的台灣專利第101135550號專利申請案「液體電容式傾斜微感測器」之內容。

上述微機電結構製作方法必須使用黏膠，以結合該感測器側之結構與該容置空間之結構。雖然許多型態及種類的黏膠可以使用在這種微機電結構，但是由於該感測器側之結合介面可能包括多種材料，其物理、化學性質各異；而該容置空間側之結合介面通常可使用光阻材料，以便利製作。所選用的黏膠未必能夠與該結合介面所包括之材質完全相容。在此種微小的尺寸下，些微的不相容可能導致製作、保管、運送或使用中，發生流體洩漏的問題。

此外，在結合該感測器側之結構與該容置空間之結構時，須使用高溫或高壓已達成接合、固化或退火的目的。但高溫或高壓容易導致結構中的流體汽化，產生高壓而洩漏。流體洩漏的結果除了增加製作上的清理成本外，製成的微機電元件功能或精確度將受到一定的影響。故而降低生產的良率。

因此目前業界亟須提供一種改良的微機電結構製作方法，該方法不需使用黏膠，即可結合感測器側之結構與容置空間之結構，形成完整的微機電結構。

同時也需要一種新穎的微機電結構製作方法，該方法可防止流體在結構製作過程中洩漏。

本發明的目的就是在提供一種改良的微機電結構製作方法，該方法不需使用黏膠，即可結合感測器側之結構與容置空間之結構，形成完整的微機電結構。

本發明的目的也在提供一種不需使用黏膠，即可結合感測器側之結構與容置空間之結構，形成含流體微機電結構之方法，藉以簡化製程，降低成本。

本發明之目的也在提供一種新穎的微機電結構製作方法，該方法可防止流體在結構製作過程中洩漏。

根據本發明之微機電結構製作方法，係包括以下步驟：於第一基板上製作一微機電結構；於該第一基板上製作隔板，以形成包含該微機電結構之容置空間；於該容置空間內注入一流體；以一第二基板覆蓋該容置空間；翻轉該第一基板與第二基板形成之組件，使該隔板與第二基板之接觸面位於該流體表面下方；加壓該第一與第二基板，使該接觸面形成熔接。該方法另可包括一使該 熔接退火之步驟。

在本發明其他實例中，該容置空間係先形成在該第二基板。於此實例，該方法即包括以下步驟：於第一基板上製作一微機電結構；於第二基板上製作隔板，形成容置空間；於該微機電結構內或該容置空間之一者內，注入一流體；將該第一基板與該第二基板對準接合，使該容置空間包含該微機電結構；選擇性翻轉該第一基板與第二基板形成之組件，使該隔板與第一基板之接觸面位於該流體表面下方；加壓該第一與第二基板，使該接觸面形成熔接。該方法也可另包括一使該熔接退火之步驟。

其中，該第一基板上尚可形成一電路結構，與該微機電結構連接。其中，該微機電結構可為一感測器結構，且該電路結構可為一感測器電路結構。

在本發明的較佳實例中，該隔板可使用任何可維持該容置空間內壓力之材料，其中以半導體製程中所使用的光阻材料為佳。該第二基板可為矽、玻璃、金屬、金屬氧化物、塑膠、橡膠、樹脂或其組合。該容置空間內可另形成一潤滑層，該潤滑層之材料可為任何界面活性劑，而以鐵氟龍為佳。

適用在本發明的流體，可為任何適用在微機電製作及應用之流體。該流體通常是液體或黏稠物質。該流體可為導電性流體或介電性流體。在本發明的實例中，該流體為矽酮油。

適用在本發明接合步驟的壓力，可依據該流體之種類、成分，該隔板之材質與該接觸面所在材料層之材質決定。

10‧‧‧第一基板

11a、11b、11c、11d‧‧‧介電層

12a、12b、12c、12d‧‧‧金屬層

13a、13b、13c‧‧‧導通孔

15‧‧‧潤滑層

24‧‧‧支撐結構

25‧‧‧隔板材料層

26‧‧‧第二基板

27‧‧‧容置空間

28‧‧‧覆蓋液體

30‧‧‧讀取電路

28‧‧‧覆蓋液體

第1圖表示使用本發明方法所製作的液體電容式傾斜微感測器。

第2圖顯示本發明微機電結構製作方法第一實施例之流程圖。

第3A圖至第3E圖則顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製作過程意圖。

第4圖即表示本發明微機電結構製作方法第二實施例的流程圖。

以下將以實施例說明本發明之構造與製法。唯須說明：所使用之實施例僅在例示本發明之可能或較佳實施方式，不得用以限制本發明之範圍。

本發明的微機電結構製作方法可以適用在任何包含流體的微機電結構。該微機電結構可以是一種感測器，而該流體則可為一種液體。適用之微機電結構即包括使用液體感測傾斜角度的液體電容式傾斜微感測器。因此，以下之說明將以該液體電容式傾斜微感測器為例，說明本發明微機電結構製作方法之實施例。

第1圖表示使用本發明方法所製作的液體電容式傾斜微感測器。如圖所示，該液體電容式傾斜微感測器100，是形成在一第一基板10上。圖中所顯示的基板10，是使用在標準CMOS製程當中的基板，即矽質基板。在該基板10上，以標準CMOS製程形成數層介電層11a、11b、11c、11d，數層金屬層12a、12b、12c、12d，以及多數的導通孔13a、13b、13c等。

該感測器100具有一對差動電極及一支共用電極。在第1圖所示的感測器構造中，該三電極(未圖示)共同形成在同一金屬層，即第三層金屬層12c上。在該三電極所在區域周圍，以數層介電層、數層金屬層及多數導通孔形成支撐結構24。在該支撐結構24上方形成隔板25，隔板25上方覆蓋第二基板26，使該三電極所在的金屬層、該支撐結構24、隔板25與第二基板26定義一容置空間27。覆蓋液體28即密封在該容置空間27中。

在本發明的較佳實例中，該隔板25是使用光阻材料製作，該第二基板26是玻璃材質。但本發明可適用的材料並不限於此例所示。

在本例中，該三電極是形成在單一的金屬層內，但是在其他實例中，該三電極是形成在多數的金屬層內。亦即，在標準CMOS製程中所形成，中間夾有介電層的多數金屬層。

為抑制該覆蓋液體28因毛細作用黏附在該三電極表面，可在該三電極表面全部或選定的部分施以潤滑層(未圖示)。該潤滑層的材質為業者所熟知，例如可為鐵氟龍。

具有以上特徵的傾斜角度偵測器，可以利用標準CMOS製成製作，故可與讀取電路製作在相同基板上，並同時完成。足以簡化生產並降低成本。此外，並可解決習知技術偵測器與讀取電路整合不易的難題。

以下以實例說明本發明液體電容式傾斜微感測器之製法。第2圖顯示本發明微機電結構製作方法第一實施例之流程圖。第3A圖至第3E圖則顯示本發明液體電容式傾斜微感測器製作過程意圖。如第2圖所示，本實施例在製作微機電結構時，首先在步驟201製作一第一基板10。該第一基板10之材質並無任何限制，但通常而言可使用一般應用在標準CMOS製程的基板材質，即矽質基板。以便使該微機電結構可以利用CMOS製程製作。但使用其他堅固的材質，或其他適合使用在CMOS製程的材質，也可得到相同的效果。

其次，於202在該第一基板10上形成材料層。該材料層可能包括：形成在該基板10上方的介電層11a，形成在該介電層11a上方，互相交替的數層金屬層12a、12b、12c、12d與介電層11b、11c、11d，以及位在其內的導通孔13a、13b、13c。這些材料層當中包含一傾斜角感測器100以及一讀取電路30。適合製作該材料層的方法，包括任何商業上用來形成電路結構及/或微型結構的製程，其中較適用者則為標準的CMOS製程。

該讀取電路30可為以商用電路設計工具完成的電路結構，例如為CMOS製程所製得的多層電路層。用來偵測電容值並將該電容值轉變成傾斜角度值的電路，可以使用任何已知技術的電路設計。對於此行業的專家而言，設計具有上述功能的電路，並以適用之製程形成在該第一基 板10上，應屬顯然，相關技術詳情在此無需贅述。

至於該偵測器100部份之製作，在本實例中是形成於該材料層當中的至少一金屬層，例如第三層金屬層12c。其製作方法包括在形成該金屬層12c後，以蝕刻等方法，形成適用之電極。在該第三層金屬層12c形成電極板圖型，屬於習知技術。此外，在相同平面或實質相同平面上形成多對差動電極，也可利用已知的技術達成。此行業人士在閱讀本案專利說明書與圖式後，當仍輕易完成。相關技術細節，在此也不贅述。

在該材料層中也可包括以數層金屬層、數層介電層與多數導通孔共同形成的支撐結構24。該支撐結構24通常是以導通孔貫穿數層介電層與金屬層，以提高其強度。如此完成足以支撐將要形成的容置空間的結構。製作此種支撐結構之技術，也可使用上述CMOS製程，與該讀取電路及電極板在相同製程步驟中完成。相關技術細節，也無庸贅述。所完成的結構即如第3A圖所示。

其次，在步驟203移除該電極板上方的介電層，直到電極板裸露出來。所得結果如第3B圖所示。於步驟204在該電極板表面施加潤滑層15。該潤滑層15的材質可為任何可以消除或降低該電極板表面毛細作用的材質。在本發明的較佳實例中，是採用鐵氟龍。當然，其他可以提供相同或類似功能的材料，均可適用。其施加方法也無任何技術上的限制，但以旋模塗覆方法，較為可行，效果亦佳。該潤滑層15厚度並無限制，但不宜太厚，以免影響偵測效果。所形成的材料層即如第3C圖所示。

接著，於步驟205在該材料層上方形成隔板25，以在該材料層上方形成包含該偵測器100部份之容置空間27。在形成該容置空間27時，首先在該材料層上方形成隔板材料層。該隔板材料層的材質並無任何限制。但考慮到製程便利，在本發明的較佳實例中，是以光阻材料製作。適用之光阻材料包括SU-8等。該隔板材料層25可以任何方式形成在該第一基板之材料層上，其厚度也無任何限制，但以能形成足夠的容積，以容納覆蓋液體為宜。通常而言，約可在100到2,000um之間，較好在200到1,000um之間。其次，在該隔板材料層25內形成容置空間27，以作用來容納覆蓋液體的腔室。形成容置空間27的方法，主要是除去該隔板材料層一 部份，例如以蝕刻方法形成。但以其他方式，例如燒除等技術，也非所禁。如有必要，可另形成切割線(未圖示)。形成後的材料層包括該第一基板10，該偵測器100部份，該讀取電路30，及定義該容置空間27的隔板25。如第3D圖所示。

接著，在步驟206在該容置空間27內注入覆蓋液體28。該覆蓋液體28可為導電性液體或介電液體。如果是導電材料，則可為電解液、磁性液體、液態金屬、含奈米金屬顆粒之液體等材料。如果是介電液體，則以比重較高且黏性較低之材料較適用，例如矽酮油即其適例。所加入的覆蓋液體28量並無任何限制，但以充滿該容置空間27容積之半數左右為宜。

其後，於步驟207，將一第二基板26覆蓋在所形成的材料層上。該第二基板26的材質並無任何限制，但以堅硬、容易加工為宜。在本發明的較佳實例中，該第二基板26為玻璃基板。但是其他材料，例如塑膠、樹脂、玻璃纖維、金屬、陶瓷或其複合材料，均可適用。於步驟208翻轉該第一基板10(及其材料層)與第二基板26所形成的組件，使隔板25與第二基板26之接觸面位於該覆蓋液體28的液面以下。於此步驟視需要使用治具，使該覆蓋液體28不致從該隔板25與第二基板26之接觸面洩漏。將該覆蓋液體28維持在該容置空間27內的方法，可以使用任何已知方法，包括在翻轉時夾緊該第一基板10與該第二基板26。

於步驟209加壓該第一基板10與該第二基板26，使該接觸面形成熔接，使兩表面固著。其後，如有必要，可在步驟210加熱，使該熔接退火。該退火步驟之加熱溫度、維持時間與次數可視需要而定。

雖不欲為任何理論所限制，但發明人發現，負光阻劑特別適用作為本發明的隔板25。推其原因，可能因為負光阻劑在進行曝光時會使光阻內部分子結構產生交鏈，進而使其結構強化。而在加熱的過程將會使其產生交鏈的結構更為堅固。換言之，在進行加壓加熱的過程中，藉著光阻本身交鏈的反應與元件表面產生黏合的力量。經實驗結果，杜邦公司所代理的PerMX乾膜SU-8負光阻劑，提供的黏合特性特別適用在本發明。

經上述步驟所形成之微機電結構，即如第3E圖所示。

在本發明另一實施例中，該隔板25是先製作在該第二基板26上。此種方法同樣也可以得到適用的微機電結構。第4圖即表示本發明微機電結構製作方法第二實施例的流程圖。

如圖所示，於步驟401製作一第一基板10。其次，於步驟402在該第一基板10上形成材料層。該材料層包括：形成在該基板10上方的介電層11a，形成在該介電層11a上方，互相交替的數層金屬層12a、12b、12c、12d與介電層11b、11c、11d，以及位在其內的導通孔13a、13b、13c。該材料層可包括偵測器100部份與讀取電路30部分。偵測器部份100包括至少一對差動電極及一共用電極。其次，在步驟403移除該電極板上方的介電層，直到電極板裸露出來。於步驟404在該電極板表面施加潤滑層15。

接著，於步驟405在一第二基板26上形成隔板材料層25。該隔板材料層的材質、厚度與第一實施例相同。其次，於步驟406在該隔板材料層25內形成容置空間27，以作用來容納覆蓋液體28的腔室。形成容置空間27的方法也與第一實施例相同。如有必要，可另形成切割線(未圖示)。

其後，於步驟407，將覆蓋液體28注入該第一基板10材料層的裸露部分內，或該第二基板26的容置空間27內。所加入的覆蓋液體28量並無任何限制，但以加工後，能充滿該容置空間27容積之半數左右為宜。於步驟408將該第二基板26覆蓋在該第一基板10的材料層上(於步驟407是將液體28注入該第一基板10材料層的裸露部分內時)或將該第一基板10的材料層覆蓋在第二基板26上(於步驟407是將液體28注入該第二基板10材料層的容置空間27內時)，使第一基板10材料層的裸露部分面對該容置空間27，而使該第一基板10的材料層與該容置空間27共同定義一密閉空間。

接著，於步驟409視需要翻轉該第一基板10(及其材料層)與第二基板26所形成的組件，使隔板25與第一基板10材料層之接觸面位於該覆蓋液體28的液面以下。換言之，如在步驟408的結果已經使該接觸面位於該覆蓋液體28的液面以下，即不須翻轉。於此步驟視需要使用治具，使該覆蓋液體28不致從該隔板25與第一基板10之接觸面洩漏。

於步驟410加壓該第一基板10與該第二基板26，使該接觸面形成熔接。其方法與反應條件、參數等，均與第一實施例相同。如有必要，可在步驟411加熱，使該熔接退火。如此即完成本發明的微機電結構，如第3E圖所示。

在上述實例中，適用的流體可為任何適用在微機電製作及應用之流體。該流體通常是液體或黏稠物質。該流體可為導電性流體或介電性流體。在本發明的實例中，該流體為矽油。

本發明所揭示的微機電結構製作方法不但步驟簡單，容易製作，且可節省黏著劑之成本，並避免覆蓋液體在加工、保存、運送與使用中洩漏。

Claims (14)

1. 一種微機電結構製作方法，係包括以下步驟：於第一基板上製作一微機電結構；於該第一基板上製作隔板，以形成包含該微機電結構之容置空間，其中，該隔板包括半導體製程中所使用的光阻材料；於該容置空間內注入一流體；以一第二基板覆蓋該容置空間；翻轉該第一基板與第二基板形成之組件，使該隔板與第二基板之接觸面位於該流體表面下方；加壓該第一與第二基板，使該隔板與第二基板之接觸面形成熔接。
2. 一種微機電結構製作方法，包括以下步驟：於第一基板上製作一微機電結構；於第二基板上製作隔板，形成容置空間，其中，該隔板包括半導體製程中所使用的光阻材料；於該微機電結構內或該容置空間之一者內，注入一流體；將該第一基板與該第二基板對準接合，使該容置空間包含該微機電結構；選擇性翻轉該第一基板與第二基板形成之組件，使該隔板與第一基板之接觸面位於該流體表面下方；加壓該第一與第二基板，使該隔板與第一基板之接觸面形成熔接。
3. 如申請專利範圍第1或2項之方法，另包括一使該熔接退火之步驟。
4. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該第一基板上尚形成一電路結構，與該微機電結構連接。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中，該微機電結構為一感測器結構，且該電路結構為一感測器電路結構。
6. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該隔板包括負光阻劑。
7. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該第二基板為選自矽、玻璃、金屬、金屬氧化物、塑膠、橡膠、樹脂等材料中之至少一種。
8. 如申請專利範圍第1或2項之方法，另包括在該容置空間內形成一潤滑層之步驟。
9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中，該潤滑層之材料為鐵氟龍。
10. 如申請專利範圍第1或2項之方法，其中，該流體為液體。
11. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該流體為導電性液體。
12. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該流體為介電性液體。
13. 如申請專利範圍第10項之方法，其中，該流體為矽酮油。
14. 一種以申請專利範圍第1到13項中任一種方法製作之微機電結構。