TWI776967B - 具有覆蓋接合框架之微機械裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係基於一種微機械裝置，其包含平行於一主延伸平面(40)而配置於彼此之上的一基板(10)、一功能層(20)及一罩蓋(30)，其中一空腔(50)形成於該功能層(20)中，該空腔由平行於該主延伸平面(40)而延伸之一接合框架(60)圍繞，其中該罩蓋(30)連接至該接合框架(60)。本發明之核心在於如下事實：在垂直於該主延伸平面(40)之一方向(45)上，該空腔(50)部分地配置於接合框架(60)與基板(10)之間。
本發明亦關於一種用於製造一微機械裝置之方法。

Description

具有覆蓋接合框架之微機械裝置及其製造方法
本發明係基於一種微機械裝置，其包含平行於一主延伸平面而配置於彼此之上的一基板、一功能層及一罩蓋，其中一空腔形成於該功能層中，該空腔由平行於該主延伸平面而延伸之一接合框架圍繞，其中該罩蓋連接至該接合框架。
MEMS元件需要用於遮蔽敏感量測結構以免受例如顆粒、濕氣之非期望的環境影響的罩蓋。根據先前技術，該罩蓋藉由接合連接而連接至MEMS元件(感測器)。典型的方法係密封玻璃接合及共晶接合。然而，其他接合方法亦用於此連接。
所有接合方法的共同之處在於，圍繞該感測器之區沿周向必須保持自由，在該區中發生罩蓋與MEMS元件之間的接合連接。此區被稱作接合框架。已作出相當大的努力來減小接合框架之寬度且因此減小所需的晶片面積並因此減小成本。
在保持接合框架寬度的同時減小晶片面積導致接合框架面積占總晶片面積之百分比增加。用於感測器元件之晶片面積因此必須超過成比例地減小，以便將總晶片面積減小期望百分比量值。
然而，接合框架之寬度無法任意地減小，此係因為接合連接之許多性質偏離罩蓋及MEMS元件之固有性質。就此而言，接合連接之強度、耐化學性及緊密性通常低於罩蓋及MEMS元件之彼等性質。接合框架寬度因此通常受接合連接之性質限制。因此，通常在最佳化接合連接之性質上花費大量的努力。本發明表明關於以下情況的可能性：如何有可能在保持接合框架寬度及接合性質的同時減小總晶片大小，同時最小化感測器元件之面積減小。此外，關於先前技術之缺點在於，對於可移動MEMS結構，止擋件概念通常用於來自基板平面之移動，該概念在罩蓋中設置止擋件。該等止擋件的此處可能距離、距離變化及位置取決於接合連接且因此經受很多限制。
此外，關於先前技術之缺點在於，具有複雜結構之罩蓋係必要的。
本發明之目標
本發明允許在保持接合框架寬度之同時減小晶片面積，同時最小化感測器元件之面積減小。
本發明之優點
本發明係基於一種微機械裝置，其包含平行於一主延伸平面而配置於彼此之上的一基板、一功能層及一罩蓋，其中一空腔形成於該功能層中，該空腔由平行於該主延伸平面而延伸之一接合框架圍繞，其中該罩蓋連接至該接合框架。本發明之核心在於如下事實：在垂直於該主延伸平面之一方向上，該空腔部分地配置於接合框架與基板之間。
根據本發明之裝置的一個有利組態提供：一微機械結構形成於該功能層中，該微機械結構配置於該空腔中，且該微機械結構在垂直於該主延 伸平面之該方向上部分地配置於接合框架與基板之間。結果，晶片面積可有利地在最大程度上用於該微機械結構。根據本發明之裝置的一個有利組態提供：特定地為一多晶矽層之一中間層配置於該功能層上方、該接合框架下方。該接合框架可有利地施加於該中間層上。
本發明亦係關於一種用於製造一微機械裝置之方法，其包含以下步驟：(A)提供一基板；(B)在該基板上產生一功能層；(C)在該功能層上沈積一氧化物層；(D)在該氧化物層上沈積一中間層；(E)移除該中間層之部分，其中至少在一接合框架之區中保持該中間層；(F)移除該氧化物層，其中產生一空腔，該空腔部分地在該接合框架之該區中的該中間層與該基板之間延伸；(G)將一罩蓋接合至該接合框架上。
本發明之方法的一個有利組態提供：一多晶矽層沈積為中間層。亦有利的係，在步驟(B)之後且在步驟(C)之前，一微機械結構形成於該功能層中，且在步驟(C)中，用氧化物覆蓋該微機械結構。此處特別有利的係，在步驟(C)之後且在步驟(D)之前，將一凹陷蝕刻至該接合框架之該區中的該氧化物中，該凹陷在步驟(D)中填充有該中間層之材料以便在該接合框架下方產生用於該微機械結構之一止擋件。
本發明有利地使晶片大小與接合框架寬度脫離，尤其在具有可移動微機械結構之微機械感測器(實際的感測器元件)之狀況下。此係藉由將接合框架配置於感測器元件上方及將感測器元件之部分置於接合框架下方來達 成。結果，接合框架區域可同時用於複數個功能。結合感測器晶片之晶片大小減小，此使得實際感測器元件能夠製得較大，此情形使得例如雜訊之感測器效能能夠增加。另一方面，結合感測器之期望效能(及面積)，可另外減小晶片面積，此係因為感測器之部分在接合框架下方實現。此允許另外減小晶片面積且因此另外減小製造成本。此外，亦可大幅度地增大接合框架，此導致接合框架之電阻增加但同時不增加晶片晶面積，或允許使用更有利的接合方法，此實現甚至在極小組件之狀況下的較低強度。結果，作為實例，可用較簡單的密封玻璃接合方法來替換複雜的昂貴共晶接合連接。此外，藉由此概念可實現更好且更準確的止擋件概念。
本發明可用於寬感測器頻譜。此尤其涵蓋加速度感測器、旋轉速率感測器、組合元件(一個晶片上之加速度感測器及旋轉速率感測器)，以及試圖減小晶片面積或減小製造成本之其他新穎類型之感測器。此方法尤其對於具有同時充當MEMS組件之罩蓋的ASIC的概念非常重要。在此等概念之狀況下，迄今為止，ASIC區域與MEMS區域必須儘可能良好地對應以免產生額外成本。藉由根據本發明之解決方案，較大MEMS核心可在具有適度額外支出的情況下建構於相同的基本區域上。因此，首先獲得ASIC與MEMS之間的面積比之靈活性，且同時可減小總體組件之結構大小。
10:基板
20:功能層
25:微機械結構
30:罩蓋
35:罩蓋止擋件
40:主延伸平面
45:方向
50:空腔
60:接合框架
70:接合網狀物
80:中間層
A:步驟
B:步驟
C:步驟
D:步驟
E:步驟
F:步驟
G:步驟
圖1展示先前技術中之微機械裝置，其包含基板、微機械結構、接合框架及罩蓋。
圖2展示根據本發明之微機械裝置，其包含基板、微機械結構、覆蓋接合框架及罩蓋。
圖3示意性地展示用於製造包含基板、微機械結構、覆蓋接合框架及罩蓋之微機械裝置的方法。
先前技術中之微機械裝置與根據本發明之包含覆蓋接合框架之微機械裝置的示意性比較用說明於圖1及圖2中之橫截面中。
圖1展示先前技術中之微機械裝置，其包含基板、微機械結構、接合框架及罩蓋。該圖展示微機械裝置，其包含平行於主延伸平面40而配置於彼此之上的基板10、功能層20及罩蓋30。在此狀況下，空腔50形成於功能層20中，該空腔由接合框架60圍繞。另外，微機械結構25形成於功能層20中。罩蓋30連接至接合框架60。罩蓋30具有用於限制功能層20垂直於主延伸平面40之偏轉的罩蓋止擋件35。
圖2展示根據本發明之微機械裝置，其包含基板、微機械結構、覆蓋接合框架及罩蓋。相比於圖1中所展示之裝置，此處在垂直於主延伸平面40之方向45上，空腔50部分地配置於接合框架60與基板10之間。亦即，空腔50亦部分地在接合框架60下方延伸。同樣地，在此例示性具體實例中，微機械結構25亦部分地在接合框架60下方延伸。在此狀況下，在接合框架下方，僅保留用於接合網狀物(bond web)70之空間，該接合網狀物在平行於主延伸平面40之方向上窄於接合框架60。
在一個較佳的例示性具體實例中，微機械裝置經組態為微機械感測器。接合網狀物在感測器核心之層級窄於接合框架。感測器核心在接合框架下方部分地突出。較佳為多晶矽層之中間層配置於接合框架區中之感測器核心上方。在過載之情況下，感測器核心較壓緊於接合框架區之底面上。止擋凸塊視情況配置於接合框架區之底面上。蓋晶圓可具有感測器空腔以便達成最大 的可能容積。在一個成本有效具體實例中，可省去感測器空腔。在特別小的設計之一個變型中，可用評估ASIC替換罩蓋。將感測器核心連接至ASIC之電連接件設置於感測器空腔中。在一個較佳變型中，以相同方式且連同接合框架一起產生此等接點。
圖3示意性地展示用於製造包含基板、微機械結構、覆蓋接合框架及罩蓋之微機械裝置的方法。該方法至少包含以下步驟：(A)提供一基板；(B)在該基板上產生一功能層；(C)在該功能層上沈積一氧化物層；(D)在該氧化物層上沈積一中間層；(E)移除該中間層之部分，其中至少在一接合框架之區中保持該中間層；(F)移除該氧化物層，其中產生一空腔，該空腔部分地在該接合框架之該區中的該中間層與該基板之間延伸；(G)將一罩蓋接合至該接合框架上。
在一個例示性具體實例中，製造微機械感測器。在此狀況下，在基板上產生感測器元件。藉由至少一種氧化物沈積來填充感測器元件。在一個特別有利的變型中，以使得產生在稍後的接合框架下方延伸之空腔的方式進行感測器元件產生及氧化物沈積。視情況將凹陷蝕刻至接合框架區中之氧化物中以便在接合框架區下方產生止擋件。視情況執行蝕刻至氧化物中之接點。在一個較佳的例示性具體實例中，接觸網狀物包圍整個感測器核心。進行中間層之層沈積。較佳沈積多晶矽層。視情況，沈積及結構化接合連接之一或多個組件。蝕刻多晶矽層。藉助於犧牲層蝕刻方法釋放感測器核心。較佳使用利用氣態HF之蝕刻步驟。在接合框架下方，在水平方向上穿過空腔以加速方式清除氧 化物。將蓋晶圓設置且接合至感測器晶圓上。
10:基板
20:功能層
25:微機械結構
30:罩蓋
40:主延伸平面
45:方向
50:空腔
60:接合框架
70:接合網狀物
80:中間層

Claims (7)

  1. 一種微機械裝置，其包含平行於一主延伸平面(40)而配置於彼此之上的一基板(10)、一功能層(20)及一罩蓋(30)；其中一空腔(50)形成於該功能層(20)中，該空腔由平行於該主延伸平面(40)而延伸之一接合框架(60)圍繞；其中該罩蓋(30)連接至該接合框架(60)；其特徵在於，在垂直於該主延伸平面(40)之一方向(45)上，該空腔(50)部分地配置於接合框架(60)與基板(10)之間。
  2. 如請求項1所述之微機械裝置，其中一微機械結構(25)形成於該功能層中，該微機械結構配置於該空腔中，且該微機械結構(25)在垂直於該主延伸平面(40)之該方向(45)上部分地配置於接合框架(60)與基板(10)之間。
  3. 如請求項1或2所述之微機械裝置，其中特定地為一多晶矽層之一中間層(80)配置於該功能層(20)上方、該接合框架(60)下方。
  4. 一種用於製造一微機械裝置之方法，其包含以下步驟：(A)提供一基板；(B)在該基板上產生一功能層；(C)在該功能層上沈積一氧化物層；(D)在該氧化物層上沈積一中間層；(E)移除該中間層之部分，其中至少在一接合框架之區中保持該中間層；(F)移除該氧化物層，其中產生一空腔，該空腔部分地在該接合框架之該區中的該中間層與該基板之間延伸； (G)將一罩蓋接合至該接合框架上。
  5. 如請求項4所述之用於製造一微機械裝置之方法，其中一多晶矽層沈積為中間層。
  6. 如請求項4或5所述之用於製造一微機械裝置之方法，其中在步驟(B)之後且在步驟(C)之前，一微機械結構形成於該功能層中，且在步驟(C)中，用氧化物覆蓋該微機械結構。
  7. 如請求項6所述之用於製造一微機械裝置之方法，其中在步驟(C)之後且在步驟(D)之前，將一凹陷蝕刻至該接合框架之該區中的該氧化物中，該凹陷在步驟(D)中填充有該中間層之材料以便在該接合框架下方產生用於該微機械結構之一止擋件。
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