TWI700241B - 感測器薄膜結構及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種感測器薄膜結構，包括：基板、第一絕緣層以及裝置層。基板具有第一表面以及與前述第一表面相對的第二表面，其中前述第一表面形成有空腔，前述第二表面形成有開口，且前述空腔與前述開口連通。前述空腔和前述開口沿垂直於前述第一表面的方向貫穿前述基板。第一絕緣層係設置於前述基板的第一表面上。裝置層係設置於前述第一絕緣層上。

Description

感測器薄膜結構及其製造方法
本揭露是有關於一種感測器薄膜結構及其製造方法，特別是有關於一種具有背側開口的感測器薄膜結構及其製造方法。
現有的壓力感測器係偵測在施加壓力之後電流、電壓、電阻及/或電容的變化來計算出壓力值。因應電子裝置小型化的趨勢，壓力感測器的尺寸亦愈來愈小。目前，可利用微機電系統(Microelectromechanical Systems；MEMS)技術來製造小尺寸的壓力感測器。然而，此種小尺寸的壓力感測器的良率和品質仍為一重要之課題。
本揭露之一些實施例提供一種感測器薄膜結構，包括：基板、第一絕緣層以及裝置層。基板具有第一表面以及與前述第一表面相對的第二表面，其中前述第一表面形成有空腔，前述第二表面形成有開口，且前述空腔與前述開口連通。前述空腔和前述開口沿垂直於前述第一表面的方向貫穿前述基板。第一絕緣層係設置於前述基板的第一表面上。裝置層係設置於前述第一絕緣層上。
本揭露之一些實施例提供一種感測器薄膜結構的製造方法，包括：提供具有空腔的基板；提供裝置，且將前述裝置接合於前述基板上；以及蝕刻前述基板，以形成與前述空腔連通的開口。
為讓本揭露之上述和其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，做詳細說明如下。
以下說明本揭露實施例之感測器薄膜結構及其製造方法。然而，可輕易了解本揭露實施例提供許多合適的發明概念而可實施於廣泛的各種特定背景。所揭示的特定實施例僅僅用於說明以特定方法使用本揭露，並非用以侷限本揭露的範圍。
此外，實施例中可能使用相對性的用語，例如「下方」或「底部」及「上方」或「頂部」，以描述圖式的一個元件對於另一元件的相對關係。能理解的是，如果將圖式的裝置翻轉使其上下顛倒，則所敘述在「下方」側的元件將會成為在「上方」側的元件。
應理解的是，雖然在此可使用用語「第一」、「第二」等來敘述各種元件、材料及/或部分，這些元件、材料及/或部分不應被這些用語限定，且這些用語僅是用來區別不同的元件、材料及/或部分。因此，以下討論的一第一元件、材料及/或部分可在不偏離本揭露一些實施例之教示的情況下被稱為一第二元件、材料及/或部分。另外，為了簡潔起見，在說明書中亦可不使用「第一」、「第二」等用語來區別不同元件。在不違背後附申請專利範圍所界定的範圍的情況下，申請專利範圍所記載的第一元件及/或第二元件可解讀為說明書中符合敘述的任何元件。
除非另外定義，在此使用的全部用語(包括技術及科學用語)具有與此篇揭露所屬之一般技藝者所通常理解的相同涵義。能理解的是這些用語，例如在通常使用的字典中定義的用語，應被解讀成具有一與相關技術及本揭露的背景或上下文一致的意思，而不應以一理想化或過度正式的方式解讀，除非在此特別定義。此外，在本文中亦記載「大致上」、「大約」或「約」等用語，其意在涵蓋大致相符及完全相符的情況或範圍。應注意的是，除非特別定義，即使在敘述中未記載上述用語，仍應以與記載有上述約略性用語之相同意義來解讀。
第1A至1D圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構100的製造過程的剖視圖。如第1A圖所示，提供基板110，其具有第一表面111以及與第一表面111相對的第二表面112。在一些實施例中，基板110的材料包括矽(Si)。舉例而言，第一表面111為基板110的頂面，而第二表面112為基板110的底面，但本揭露並不限於此。在第一表面111上具有一空腔121。此外，提供一裝置130，其具有裝置層132，且裝置層132位於兩第一絕緣層131之間。在一些實施例中，裝置層132的材料包括矽(Si)，第一絕緣層131的材料包括氧化矽或任何其他適合的絕緣材料。
接著，如第1B圖所示，將裝置130接合於基板110上，使得第一絕緣層131位於基板110的第一表面111上方且覆蓋空腔121。對裝置130進行一研磨製程，移除未抵接基板110的第一絕緣層131以及部分的裝置層132。如第1C圖所示，在裝置層132中設置電子元件150，其中在垂直於第一表面111的方向(Z軸)上，電子元件150與空腔121至少部分重疊。換言之，電子元件150至少部分位於空腔121的正上方。在一些實施例中，電子元件150可完全落入空腔121的範圍內。舉例而言，電子元件150可以是電阻器、電感器、電容器或任何其他具有感測功能的電子元件。在裝置層132、電子元件150上形成第二絕緣層133。第二絕緣層133的材料可以與第一絕緣層131相同或不同。
在第二絕緣層133中形成導孔160，以使電子元件150與外界電性連接。在一些實施例中，在垂直於第一表面111的方向(Z軸)上，導孔160與空腔121不重疊。在第二絕緣層133上設置導電元件170，其透過導孔160與電子元件150電性連接，藉以傳遞電訊號至電子元件150。因為此導電路徑的設計，沿垂直於第一表面111的方向(Z軸)觀察，電子元件150、導孔160與導電元件170會相互部分重疊。
如第1D圖所示，對基板110的第二表面112進行一蝕刻製程，以在第二表面112形成與空腔121連通的開口122。在本實施例中為了簡潔起見將基板110繪示為單層結構，在一些實施例中，基板110亦可以是多層結構。
在一些實施例中，沿與第一表面111垂直的方向(Z軸)觀察，開口122會與空腔121重疊。如此一來，空腔121和開口122會貫穿基板110。在平行於第一表面111的方向(X軸或Y軸)上，空腔121的寬度會大於開口122的寬度。在一些實施例中，第一絕緣層131對應於開口122處的厚度小於第一絕緣層131非對應於開口122處的厚度。更具體而言，由於空腔121的設置，使得在進行蝕刻製程以形成開口122時，亦會蝕刻掉部分的第一絕緣層131。第一絕緣層131係作為上述蝕刻製程的蝕刻停止層。在本實施例中，第一絕緣層131會將裝置層132與空腔121分隔開，亦即裝置層132並不會顯露於空腔121和開口122，但本發明不以此為限。
應理解的是，空腔121可透過開口122與外界連通，故空腔121及開口122的壓力與外界壓力(例如大氣壓力)相同。當偵測到相對壓力改變時，裝置層132會產生形變，進而影響設置於裝置層132中的電子元件150。如此一來，電子元件150可偵測到不同的目標數值(例如電流值、電壓值及/或電阻值)，並可藉由偵測值與正常值的差異計算出相對的壓力值。
第2圖顯示第1D圖所示之感測器薄膜結構100的俯視圖。應說明的是，第1A至1D圖係例如沿第2圖所示的線A-A來繪示，而為了顯示電子元件150的位置，並未顯示第二絕緣層133。如第2圖所示，開口122完全落入空腔121的範圍內。在本實施例中，開口122係位於空腔121的中心。在其他實施例中，開口122可位於空腔121的其他位置。
第3圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構101的剖視圖。應理解的是，本實施例所示的感測器薄膜結構101可包括與第1D圖中的感測器薄膜結構100相同的元件(例如電子元件150、第二絕緣層133和導電元件170等)，為了簡潔起見而未顯示於本實施例中。在本實施例中，在執行蝕刻製程以形成開口122時，更進一步蝕刻第一絕緣層131以使得裝置層132具有與空腔121交界的一表面(例如為裝置層132的下表面)。藉由此設計，可使得裝置層132能夠更靈敏地反應壓力的變化，進而提高電子元件的感測精確度。雖然在本實施例中完全移除位於空腔121正上方的第一絕緣層131，但本技術領域中具有通常知識者亦可根據不同需求部分地移除空腔121正上方的第一絕緣層131。
第4A至4D圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。在一些實施例中，空腔及開口可分別具有不同的形狀。如第4A圖所示，空腔121A及開口122A皆為矩形。如第4B圖所示，空腔121B為具有圓角的矩形，而開口122B則為多邊形(顯示為六邊形)。如第4C圖所示，空腔121C為多邊形(顯示為六邊形)，而開口122C則為圓形。如第4D圖所示，空腔121D為圓形，而開口122D則為矩形。應理解的是，上述實施例僅作為範例，可將上述實施例相互結合並衍生出其他實施例，以下將不再贅述。
第5圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構200的剖視圖。相似地，雖然在本實施例並未繪示，感測器薄膜結構200亦可包括第二絕緣層、電子元件、導電元件等部分。如第5圖所示，在基板210的第二表面212處形成複數個開口222，且開口222的每一者皆與空腔221連通。在本實施例中，在平行於第一表面211的方向上，空腔221的寬度大於所有開口222的寬度總和。
第6A至6D圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。在一些實施例中，空腔及開口可具有不同的形狀及排列方式。如第6A圖所示，空腔221A及開口222A皆為矩形，且開口222A係規則地排列於空腔221A內。如第6B圖所示，空腔221B為具有圓角的矩形，而開口222B則為圓形。如第6C圖所示，空腔221C為多邊形(顯示為六邊形)，而開口222C則呈長條狀。如第6D圖所示，空腔221D為圓形，而開口222D則為類橢圓形。應理解的是，上述實施例僅作為範例，可將上述實施例相互結合並衍生出其他實施例，以下將不再贅述。此外，雖然在上述實施例中開口皆規則地排列，但亦可以不規則的方式排列各個開口。
第7圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構300的剖視圖。相似地，雖然在本實施例並未繪示，感測器薄膜結構300亦可包括第二絕緣層、電子元件、導電元件等部分。如第7圖所示，在基板310的第一表面311處具有兩個分隔開的空腔321，且形成於第二表面312的開口322與上述空腔321連通。可根據第一絕緣層131凹陷的位置來判斷原空腔321的位置。如上所述，由於空腔321的設置，在進行形成開口322的蝕刻製程之後，位於空腔321正上方的第一絕緣層131會相較於其他部分而言更薄。
第8A至8F圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。在一些實施例中，空腔及開口可具有不同的形狀及排列方式。此外，在上述實施例中空腔及開口並未完全重疊。如第8A圖所示，空腔321A及開口322A皆為矩形，且開口322A係位於兩個空腔321A之間。如第8B圖所示，空腔321B為具有圓角的矩形，而開口322B則為多邊形(顯示為六邊形)。如第8C圖所示，空腔321C為多邊形(顯示為六邊形)，而開口322C為圓形。如第8D圖所示，空腔321D為橢圓形，而開口322D則為矩形。如第8E圖所示，空腔321E及開口322E皆為矩形，且各個開口322E皆連接至兩空腔321E。如第8F圖所示，空腔321F為橢圓形，而開口322F則為長條形。應理解的是，上述實施例僅作為範例，可將上述實施例相互結合並衍生出其他實施例，以下將不再贅述。
第9圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構400的剖視圖。相似地，雖然在本實施例並未繪示，感測器薄膜結構400亦可包括第二絕緣層、電子元件、導電元件等部分。如第9圖所示，在基板410的第一表面411處具有兩個分隔開的空腔421，且在第二表面412形成兩個開口422，分別與上述空腔421連通。
第10A至10B圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。在一些實施例中，空腔及開口可具有不同的形狀及排列方式。此外，在上述實施例中空腔及開口並未完全重疊。如第10A圖所示，空腔421A為多邊形(顯示為六邊形)，而開口422A為矩形，其中每個開口422A皆連接至空腔421A的其中兩者。如第10B圖所示，空腔421B為具有圓角的矩形，而開口422B則為長條形。應理解的是，上述實施例僅作為範例，可將上述實施例相互結合並衍生出其他實施例，以下將不再贅述。
綜上所述，本揭露的實施例提供一種具有背側開口的感測器薄膜結構及其製造方法。本揭露實施例結合具有空腔的基板以及具有絕緣層的裝置。由於空腔與薄膜結構外側具有相近的壓力，藉此可在基板上蝕刻開口時，維持薄膜結構兩側的壓力平衡。同時，設置有絕緣層以保護薄膜結構，避免在蝕刻製程期間因過度蝕刻而影響薄膜結構，進而提高感測器薄膜結構的良率。此外，亦可蝕刻絕緣層以使得設置有電子元件的裝置層直接與空腔交界，使得裝置層能夠更靈敏地反應壓力的變化，進而提高電子元件的感測精確度。
雖然本揭露的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本揭露之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，任何所屬技術領域中具有通常知識者可從本揭露揭示內容中理解現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以在此處所述實施例中實施大抵相同功能或獲得大抵相同結果皆可根據本揭露使用。因此，本揭露之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，且各實施例間特徵只要不違背發明精神或相互衝突，均可任意混合搭配使用。另外，每一申請專利範圍構成個別的實施例，且本揭露之保護範圍也包括各個申請專利範圍及實施例的組合。
100、101:感測器薄膜結構
110:基板
111:第一表面
112:第二表面
121、121A、121B、121C、121D:空腔
122、122A、122B、122C、122D:開口
130:裝置
131:第一絕緣層
132:裝置層
133:第二絕緣層
150:電子元件
160:導孔
170:導電元件
200、300、400:感測器薄膜結構
210、310、410:基板
211、311、411:第一表面
212、312、412:第二表面
221、221A、221B、221C、221D:空腔
222、222A、222B、222C、222D:開口
321、321A、321B、321C、321D、321E、321F:空腔
322、322A、322B、322C、322D、322E、322F:開口
421、421A、421B:空腔
422、422A、422B:開口
第1A至1D圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構的製造過程的剖視圖。 第2圖顯示第1D圖所示之感測器薄膜結構的俯視圖。 第3圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構的剖視圖。 第4A至4D圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。 第5圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構的剖視圖。 第6A至6D圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。 第7圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構的剖視圖。 第8A至8F圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。 第9圖顯示根據本揭露一些實施例之感測器薄膜結構的剖視圖。 第10A至10B圖顯示根據本揭露一些實施例之空腔及開口的俯視圖。
100:感測器薄膜結構
110:基板
112:第二表面
121:空腔
122:開口
131:第一絕緣層
132:裝置層
133:第二絕緣層
150:電子元件
160:導孔
170:導電元件

Claims (17)

  1. 一種感測器薄膜結構，包括：一基板，具有一第一表面以及與該第一表面相對的一第二表面，其中一空腔形成於該第一表面，一開口形成於該第二表面，且該空腔與該開口連通，其中該空腔和該開口沿垂直於該第一表面的方向貫穿該基板；一第一絕緣層，設置於該基板的該第一表面上，其中在垂直於第一表面的該方向上，該第一絕緣層與該開口至少部分重疊；以及一裝置層，設置於該第一絕緣層上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中在平行於該第一表面的方向上，該空腔的寬度大於該開口的寬度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，更包括一第二絕緣層，設置於該裝置層上，其中該第二絕緣層形成有一導孔，且在垂直於該第一表面的方向上，該導孔與該空腔不重疊。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之感測器薄膜結構，更包括一導電元件，設置於該第二絕緣層上，且該導電元件延伸至該導孔上方。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，更包括一電子元件，設置於該裝置層中，其中在垂直於該第一表面的方向上，該電子元件與該空腔至少部分重疊。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中該裝置層具有與該空腔交界的一表面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中該第一絕緣層將該裝置層與該空腔分隔開。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中該基板具有複數個開口，形成於該第二表面，且該等開口與該空腔連通。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之感測器薄膜結構，其中在平行於該第一表面的方向上，該空腔的寬度大於該等開口的寬度總和。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中該基板具有：複數個空腔，形成於該第一表面；複數個開口，形成於該第二表面，且該等空腔的每一者分別與該等開口的至少一者連通。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之感測器薄膜結構，其中該第一絕緣層對應於該開口處的厚度小於該第一絕緣層非對應於該開口處的厚度。
  12. 一種感測器薄膜結構的製造方法，包括：提供一基板，其中該基板具有一空腔；提供一裝置，且將該裝置接合於該基板上，其中該裝置包括一絕緣層，且在將該裝置與該基板結合之後，該絕緣層與該空腔交界；以及蝕刻該基板，以形成與該空腔連通的一開口。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之感測器薄膜結構的製造方法，其中該裝置包括一裝置層及一絕緣層，該絕緣層係設置於該基板上，且該裝置層係設置於該絕緣層上。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之感測器薄膜結構的製造方法，更包括在該裝置層中設置一電子元件，其中該電子元件至少部分位於該空腔的正上方。
  15. 如申請專利範圍第13項所述之感測器薄膜結構的製造方法，更包括在形成該開口期間，蝕刻該絕緣層。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之感測器薄膜結構的製造方法，其中蝕刻該絕緣層以使得該裝置層具有與該空腔交界的一表面。
  17. 如申請專利範圍第12項所述之感測器薄膜結構的製造方法，其中該空腔的寬度大於該開口的寬度。
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