TWI735407B

TWI735407B - 製造微機械構件的方法

Info

Publication number: TWI735407B
Application number: TW104105279A
Authority: TW
Inventors: 瑪烏利阿美圖瓦布拉; 猶根蘭穆斯; 朱利安剛司卡
Original assignee: 德商羅伯特博斯奇股份有限公司
Priority date: 2014-02-17
Filing date: 2015-02-16
Publication date: 2021-08-11
Also published as: WO2015120939A1; KR20160124178A; TW201542443A; CN106458574A; DE102014202801A1; DE102014202801B4; US20160368763A1

Abstract

一種製造微機械構件(100)的方法，包括以下步驟：-在該構件(100)的MEMS元件(5)或罩形元件(6)中形成進入孔(7)；-連接該MEMS元件(5)與該罩形元件(6)，其中在該MEMS元件(5)與該罩形元件(6)之間形成至少一空穴(8a,8b)；以及-在明確氣氛下藉雷射(9)封閉該通往該至少一空穴(8a,8b)的進入孔(7)。

Description

製造微機械構件的方法

本發明係有關一種製造微機械構件的方法。本發明另亦有關一種微機械構件。

先前技術中習知的矽半導體構件摻雜方法係在單晶矽表面塗覆一個包含含摻雜劑材料的薄層。而後藉雷射脈衝將表面的材料熔融至一較小深度。該熔深具體取決於所用雷射輻射的波長及其作用時間。在適當控制程序的情況下，矽凝固後再度變為單晶並且所設置的摻雜劑原子嵌入矽晶格。

DE 195 37 814 A1揭露一種轉速及加速度感測器的製造方法，其中在基板上製造數個較厚的自承式多晶功能結構。該等功能結構下方埋設有導電通路與電極。

以上述方式製成的微機械結構在後續製程中通常用罩形晶圓(Kappenwafer)加以密封。封閉容積內部內含一個適於具體用途的壓力。

轉速感測器內含極低的壓力，通常約為1mbar。其背景為此等感測器的一部分可動結構被諧振驅動，其中由於壓力低阻尼弱，需以較低電壓激發振動。

加速度感測器則一般不希望透過由外部施加加速度來使感測器振動。因此加速度感測器在通常約為500mbar的較高內壓下運行。此外，此類感測器的可動結構表面往往設有有機塗層，其作用在於防止該等結構間發生黏著。

若需要以低成本製造尺寸極小的組合式轉速及加速度感測器，可在半導體構件上設置轉速感測器與加速度感測器。同時在一個基板上製造此二感測器。用每半導體構件設有兩空穴(Kaverne)的罩形晶圓對感測器進行基板級封裝。

轉速感測器及加速度感測器的空穴中需要不同壓力，例如可透過使用吸氣劑而達到。其中在轉速感測器的空穴中本地設置吸氣劑。首先使兩空穴內含較高壓力。而後透過溫度步驟激活吸氣劑，以便吸氣劑將轉速感測器上方的空穴體積抽吸至較低壓力。但上述吸氣程序除了要求將稀有氣體與非稀有氣體混合外，還需採用相當昂貴的吸氣層，該吸氣層不但須沈積，亦須加以結構化，由此而加大該吸氣程序的難度與成本。

除了在一個構件內部提供兩個具有不同壓力的空穴此一難題外，通常亦很難實現在不使用吸氣劑或其他附加步驟的情況下僅在一個空穴中以低成本達到較低內壓。然而從設計角度看，此點對於轉速感測器而言可能極為重要。用罩形晶圓封裝MEMS元件(英文為micro-electro-mechanical systems，微電機械系統)多數係在高溫下進行，以封接玻璃為連接材料或使用各種其他黏合材料或黏合系統，如共熔鋁鍺系統或銅錫銅系統。較佳在真空下實施黏合方法。但在高溫下(約400℃或以上)封裝MEMS元件，會導致在此高溫下從黏合系統或者從感測器晶圓或罩形晶圓中蒸發出來的氣體在MEMS元件中形成殘壓，該殘壓不受黏合方法實施期間黏合腔內的極低壓力影響。

用黏合方法封閉MEMS元件的另一問題在於，前述用以防止MEMS結構間發生黏著的有機層在黏合方法所採用的高溫下降解，不再發揮全部效用。此外，降解的有機層蒸發進入空穴且會在封閉MEMS元件後非期望地提高內壓。

已知有在空穴中形成進入孔並用氧化物封閉該等進入孔的方法。

有鑒於此，本發明之目的在於提供一種製造微機械構件的改良方法。

第一方面用以達成該目的之解決方案為一種製造微機械構件的方法，包括以下步驟：- 在該構件的MEMS元件或罩形元件中形成進入孔；- 連接該MEMS元件與該罩形元件，其中在該MEMS元件與該罩形元件之間形成至少一空穴；以及- 在明確氣氛下藉雷射封閉該通往該至少一空穴的進入孔。

從時間角度看，本發明的方法首先係在MEMS元件與罩形元件之間實施連接程序，而後當該連接程序的高溫不再佔據優勢時，方對微機械構件實施進一步的處理步驟。該接下來的進一步處理步驟例如為在空穴中形成明確內壓、調理MEMS結構的表面等等，如此一來，便可有利地在更低溫度下以更靈活、成本更低的方式實施該處理步驟。

第二方面用以達成該目的之解決方案為一種微機械構件，具有：- 用罩形元件封裝的MEMS元件；- 至少一形成於該罩形元件與該MEMS元件之間的空穴；及- 伸入該空穴且已在明確氣氛下藉雷射加以封閉的進入孔。

本發明方法及本發明構件進一步的有益方案為附屬項的主題。

根據該方法進一步的有益方案，封閉前在該空穴中設置明確內壓。藉此可在較低溫度下將空穴抽空，並透過接下來的封閉操作方便地在空穴中設置明確內壓。

根據該方法進一步的有益方案，大體在室溫下使該空穴內含該明確內壓。其優點在於能避免空穴內部的壓力條件受到溫降的不良影響，從而使得一次性設置而成的內壓保持高度穩定。根據該方法進一步的有益方案，在連接該MEMS元件與該罩形元件之前或之後形成該進入孔。其優點在於能靈活形成進入孔。

根據該方法進一步的另一有益方案，該進入孔實施得較窄以方便用雷射脈衝封閉之。為此，最好在該罩子或感測器中設置豎向凹陷，該凹陷比進入孔寬且與進入孔相向佈置。採用此種佈置方式時可減小進入孔較窄區域的深度。傳統蝕刻方法(渠溝法)無法蝕刻形成縱橫比(寬高比或寬深比)任意的豎向通道，因而採用此種佈置方式可在縱橫比相同情況下實現更窄的進入孔或進入通道。

根據該方法進一步的有益方案，透過該進入孔對該MEMS元件的MEMS結構表面進行調理。藉此可在連接程序後將氣態介質透過進入孔送入空穴，其形式例如為有機防黏層。其優點在於，該防黏層不會曝露於高溫，其性能亦不會受損。

根據該方法進一步的有益方案，該調理包括粗化該MEMS結構表面及/或沈積薄氧化層於該MEMS結構表面及/或沈積防黏層於該MEMS結構表面。藉此可在較低環境溫度下以材料友好的方式實施數個處理步驟。

根據該方法進一步的有益方案，大體在室溫下使該空穴內含該明確內壓。其優點在於能基本避免放氣現象，從而能使空穴最終內含更高內壓。

根據該方法進一步的有益方案，藉由該MEMS元件的感測器芯體上的蝕刻中止層來形成該進入孔。藉此可有利地避免該微機械構件敏感的感測器芯體受損或受到不良影響。

根據該方法進一步的有益方案，該進入孔的形成包括形成一通往該空穴的間壁，其中產生一通往該空穴的連接通道。在雷射封閉步驟產生粒子的情況下，藉此可有利地避免微機械結構被該等粒子損傷。此外還能有效防止蒸發。

根據該方法進一步的有益方案，藉脈衝雷射或紅外雷射封閉該空穴。藉此可用不同類型的各具特有優點的雷射來實施該方法。

根據該方法進一步的有益方案，藉黏合程序或層沈積程序來連接該MEMS元件與該罩形元件。藉此，本發明的方法可有利地普遍應用於採用罩形晶圓的黏合程序及MEMS元件的薄層封裝程序。

本發明構件進一步的有益方案，其特徵在於，該進入孔與該 MEMS元件的微機械結構橫向錯開佈置，其中在該進入孔與該空穴之間設有連接通道。其優點在於能確保，實施雷射封閉時在矽熔融前由進入孔輸送的雷射束基本不損壞感測元件。此外，藉此還能將該構件被所送入的雷射輻射引發的可能熱負荷最小化。

該構件進一步的有益方案，其特徵在於，該進入孔伸入一犧牲區以吸收因封閉該進入孔而可能產生的蒸汽或粒子。

該方法能有利地以低成本及材料友好的方式封閉微機械構件。其中可在該構件無熱負荷的情況下實施封閉操作。該微機械構件的內壓可有利地自由選擇，其中亦可選用極低的內壓。此外，MEMS空穴中亦可內含可自由選擇的氣體及/或有機物質。有利地，可在單個構件上設置數個包含MEMS元件的空穴，在該等空穴中可分別設置不同內壓及/或不同氣體及/或單個MEMS元件的不同塗層。

本發明的方法有利地既可應用於透過黏合方法用罩形晶圓封閉的MEMS元件，亦適用於透過整合於MEMS程序的層沈積而被封閉(所謂的薄層封裝)的MEMS結構。

以下聯係數個圖式詳述本發明的其他特徵與優點。所有被述特徵，無論以何種形式出現於說明書、圖式及申請專利範圍的回溯引用中，皆構成本發明之主題。相同元件或功能相同的元件用相同符號標示。

1:第一微機械感測元件

2:第二微機械感測元件

3:吸氣劑

4:黏合材料

5:MEMS元件

6:罩形元件

7:進入孔

8a:空穴

8b:空穴

9:雷射

10:連接通道

11:犧牲區

12:接觸區

13:間壁

100:微機械構件

圖1為傳統微機械構件的截面圖；圖2為本發明微機械構件的第一實施方式截面圖；圖3為本發明微機械構件的另一實施方式截面圖；圖4為本發明微機械構件的又一實施方式截面圖；圖5為本發明微機械構件的再一實施方式截面圖；及圖6為本發明方法的實施方式的流程原理圖。

圖1為包括MEMS元件5的傳統微機械構件100的截面圖，該MEMS元件具有第一微機械感測元件1(例如轉速感測器)及第二微機械感測元件2(例如加速度感測器)。罩形元件6透過黏合材料4與MEMS元件5黏合連接，該罩形元件形式為較佳由矽構成的罩形晶圓。第一感測元件1上方形成空穴8a，其內含明確內壓。高品質轉速感測器需要極低的內壓。設於空穴8a中的(例如金屬)吸氣劑3承擔在第一感測元件1的空穴8a中產生上述明確內壓之任務。

第二感測元件2上方亦設有空穴8b，其內含明確壓力。兩感測元件1、2在空間上相互分開地設於共用罩形元件6下方且以此方式實現了包括轉速感測器及加速度感測器的低成本緊密型微機械構件100。

圖2示出本發明微機械構件100的第一實施方式。如圖所示，除了如圖1之傳統構件100的結構外，進一步設有通往第二感測元件2的空穴8b的進入孔7。透過進入孔7可在第二感測元件2的空穴8b內部設置或形成明確內壓。透過進入孔7還可對第二感測元件2的微機械結構進行調理。此調理例如包括塗覆有機溫敏強疏水性(例如含氯)防黏層，其作用在於防止第二感測元件2的可動MEMS結構相撞。

進入孔7可選擇性地在將MEMS元件5與罩形元件6黏合之前或之後形成，並且在酌情對第二感測元件2的MEMS結構進行過調理後方藉由雷射9的脈衝加以封閉。罩形元件6的矽材料在此期間短時熔融，從而用罩形元件6的材料再度封閉進入孔7。較佳如此這般形成進入孔7的幾何形狀，使得進入孔7在雷射9所引發的熔融後封閉。

如圖2的實施方式所示，感測元件2的感測器芯體的一區域被進入孔7的豎向延長部腐蝕，但受損不嚴重。

一旦用蝕刻方法打開感測器芯體，在進入孔7被蝕刻到一定程度時，感測器芯體除了被定向腐蝕外，總是亦會受到各向同性腐蝕。因此如圖2所示，最好將罩形元件6被打開的區域與設有第二感測元件2的感測器芯體的區域水平分開設置，其中兩區域僅透過形成於間壁13下方的較窄連接通道10而相連。

藉此可利用間壁13使封閉程序中可能因雷射輻射作用而由罩形元件6上脫落的矽碎片遠離第二感測元件2敏感的微機械結構。

根據圖中未示出的實施方式，在進入孔7的前述豎向延長部可為感測器芯體設置(例如由矽構成的)蝕刻中止層，以防感測器芯體被腐蝕。

進入孔7的寬度較佳小於約20μm，一般以約10μm的數量級進行構建。

進入孔7亦可選擇性地被構造成長縫，以便在方便與MEMS結構交換氣體的情況下仍易於封閉。

特別有利地，可藉線型雷射封閉(圖未示)來封閉進入孔7或進入縫。

圖3示出微機械構件100的另一實施方式。此方案如圖所示，進入孔7在一個不損傷第二感測元件2的感測器芯體的區域內腐蝕該感測器芯體，因為其與第二感測元件2水平隔開較大距離。此外可看出，進入孔7具有透過蝕刻程序的縱橫比而明確形成的不同寬度，其中進入孔7的較窄區域通往罩形元件6的表面，以方便用雷射9封閉進入孔7。

圖4示出微機械構件100的又一實施方式截面圖。可以看出，最好在罩形元件6供開設進入孔7的區域內設置表面較大的犧牲區11，藉該表面可良好分解蝕刻氣，其中犧牲區11透過較窄的水平連接通道10連接第二感測元件2的感測區。在此情況下，最好透過MEMS元件5的晶圓(“由下方”)形成用於進入孔7的蝕刻通道。

此情況下可基於進入孔7的縱橫比作如下設置：進入孔7的第一區段(以MEMS元件的晶圓表面為起點)實施得較寬，並且伸入第二感測元件2的感測器芯體的另一區段實施得較窄。其優點在於方便用雷射9封閉進入孔7的較窄區域。

製造MEMS元件5時便已可藉由為此所用的製造程序來製造較窄的進入孔7。而後可在後續步驟中由MEMS元件5的基板背面開設較寬的進入孔。

參照圖3中的罩形元件6所示，亦可選擇性地在基板中先開設較寬的空穴，藉由較窄的進入孔由基板背面打開該空穴(圖未示)，以便在MEMS元件5的基板上獲得平整表面。此點在罩形元件6中設有ASIC電路(圖未示)且該ASIC電路電性連接MEMS元件5並用作MEMS元件5的評估電路之情況下尤為有益。藉此可製成極緊密的感測元件。

最好在明確氣氛下使用波長約大於600nm的IR雷射(紅外雷射)來封閉進入孔7。此類雷射9的紅外脈衝能特別深地透入矽基板，從而能特別深地可靠封閉進入孔7。

此外，最好將雷射9設置成脈衝長度小於約100μs、以脈衝時間及暫停時間計的平均功率小於60kW的脈衝雷射，以便有利地將MEMS結構的熱負荷儘可能保持最低水平。

此外，在進入孔7具有兩個不同寬度的情況下最好使較窄區域的摻矽度高於較寬區域，以便在進入孔7的該較窄區域對雷射9的雷射功率達到特別高的吸收效果。

最好在至少兩個密封分離的空穴8a、8b中設置一個以上MEMS結構並且用雷射9的雷射脈衝來封閉至少其中一空穴8a、8b。可在空穴8a、8b中設置不同壓力。其中，第一空穴8a中的內含壓力(Druckeinschluss)由黏合方法定義並且第二空穴8b中的內含壓力由雷射封閉程序定義。作為替代方案，可分別透過雷射封閉來實現不同內壓。有利地，兩分離空穴8a、8b中至少分別設有加速度感測器或轉速感測器或磁場感測器或壓力感測器。

如圖5所示，本發明的方法亦可實施在以薄層封裝技術封閉的MEMS元件5上。為此需先在MEMS元件5的基板上設置MEMS結構。隨後用氧化層(圖未示)覆蓋該等MEMS結構並在該氧化層上沈積多晶矽層形式的罩形元件6。接下來在罩形元件6的多晶矽層中以蝕刻方式開設至少一進入孔7。在下一蝕刻步驟中用氣態蝕刻氣(例如氟化氫氣體HF)移除氧化層，使MEMS元件5的MEMS結構曝露。

視情況可透過進入孔7沈積有機防黏層(圖未示)或者對MEMS表面進行其他調理。

在明確氣氛下藉雷射9的雷射脈衝再度封閉進入孔7。最後設置接觸區12以實現對MEMS結構的電接觸。

在一方案中可作如下設置：打開進入孔7區域的氧化層並於該處磊晶生長單晶矽。將進入孔7設於單晶區域並藉雷射脈衝封閉之。該封閉在此情況下特別易於光學檢驗，因為單晶矽視具體定向而形成極光滑的表面，該表面因反射度極高且散射光較小而易於光學檢驗。

前文聯繫被構造成罩形元件6的罩形晶圓提出有益方案，其亦可沿用於微機械構件100的薄層封裝方案。

圖6為本發明方法的實施方式的流程原理圖。

第一步驟S1係在構件100的MEMS元件5或罩形元件6中開設進入孔7。

在第二步驟S2中連接MEMS元件5與罩形元件6，其中在MEMS元件5與罩形元件6之間形成至少一空穴8a、8b。

最後，第三步驟S3係在一定的大氣下藉雷射9封閉通往至少一空穴8a、8b的進入孔7。

綜上所述，本發明提供一種方法，該方法不必為封閉微機械構件單獨提供材料，而係利用包圍進入孔(7)周圍的材料本身封閉該進入孔。其中實施該封閉操作時，MEMS元件大體無熱負荷。

本發明的方法能在單個構件上設置數個包含MEMS元件的空穴，在該等空穴中可分別形成或設置不同內壓及/或不同氣體及/或單個 MEMS元件的可動MEMS結構的不同塗層。

鑒於本發明的方法利用雷射脈衝之作用以矽材料封閉矽材料此一事實，封閉效果極為牢固、密閉、低擴散且穩定。該方法的另一優點在於成本低，因為用掃描鏡能在時間上高效實施相應的雷射程序。進入孔的封閉速度主要取決於掃描鏡的掃描速度。有利地，在空穴中形成明確壓力不必採用昂貴的吸氣程序，但需要時仍可使用吸氣程序。

因此，所提出的方法例如可用來簡化積體式加速度及轉速感測器的製造。藉此可有利地在單個微機械構件或模組內部實現更高功能。當然，本發明的方法例如可僅用於數個空穴中的一個空穴或應用於數個空穴中的任一單個空穴。

雖然本發明已用具體實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。

相關領域通常知識者，在不脫離本發明的精神與範圍內，當可對已揭露特徵作出適度改動或組合。