微机电系统装置的制造方法与流程

本申请是申请人于2016年5月19日提交的、申请号为“201610334198.6”的发明名称为“微机电系统装置及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

【技术领域】

本发明是有关一种微机电系统装置的制造方法，特别是一种感测多种物理量的微机电系统装置的制造方法。

背景技术：

自1970年代微机电系统装置概念成形起，微机电系统(microelectromechanicalsystem，mems)装置已从实验室的探索对象进步至成为高阶系统整合的对象，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。微机电系统装置包含一可动的微机电系统组件，借由感测或控制可动的微机电系统组件的运动物理量可实现微机电系统装置的各项功能。

为了因应电子装置轻薄短小的要求，整合感测不同物理量的多个微机电系统结构于单一微机电系统装置中即为一主要的发展趋势。然而，感测的原理不同，导致感测不同物理量的微机电系统结构亦大不相同。举例而言，加速度计需要盖体保护可动组件以维持组件的可靠性，而压力传感器却需要与外部环境接触以感测环境的压力变化。因此，感测不同物理量的多个微机电系统结构难以整合于单一微机电系统装置的制程中。

综上所述，如何将感测不同物理量的多个微机电系统结构整合于单一微机电系统装置中便是目前极需努力的目标。

技术实现要素：

本发明提供一种微机电系统装置的制造方法，其是利用一可动组件与一感测压力的可动薄膜连接，使可动组件能够与可动薄膜连动以感测外部环境的压力变化。依据此结构，形成可动薄膜的基板的其它区域可形成一盖体以保护感测其它物理量的可动组件，因此，本发明的微机电系统装置及其制造方法可借由单一制程整合压力传感器以及感测其它物理量的微机电系统结构于单一微机电系统装置中。

本发明一实施例的微机电系统装置包含一第一基板、一第二基板以及一第三基板。第一基板的一第一表面包含一第一电路、一第二电路以及一第一导电接点。第二基板具有一第二表面、一第三表面以及设置于第三表面的一第二导电接点，且第二基板以第二表面设置于第一基板的第一表面，并与第一导电接点电性连接。第二基板包含一第一可动组件以及一第二可动组件。第一可动组件与第一电路电性连接。第二可动组件与第二电路相对应，且与第一可动组件电性分离。第三基板具有一第四表面以及一第五表面，且第三基板以第四表面设置于第二基板的第三表面，并与第二导电接点电性连接。第三基板分为彼此电性分离的一第一盖体以及一第二盖体，其中第一盖体相应于第一可动组件设置且与第一可动组件空间上分离；第二盖体与第二可动组件连接，且第二盖体与第一基板之间形成一气密空腔，该第二可动组件随着该第二盖体形变而运动。

本发明另一实施例的微机电系统装置的制造方法包含：提供一第三基板，其具有一第四表面以及一第五表面，并于第四表面定义多个第一连接区域；于该第三基板的该第四表面形成至少一第二凹槽以及一分割槽；提供一第二基板，其具有一第二表面以及一第三表面，并于第三表面定义多个第二连接区域；将第三基板与第二基板接合，其中多个第一连接区域以及多个第二连接区域对应连接；于第二基板的第二表面定义多个第三连接区域；将第二基板分割成彼此电性分离的一第一可动组件以及一第二可动组件，其中第一可动组件与第三基板空间上分离，至少一该第二凹槽对应于该第一可动组件，而该第二可动组件经由任一该第一连接区域及被连接的该对应第二连接区域与该第三基板连接；提供一第一基板，其一第一表面包含一第一电路以及一第二电路；于第一基板的第一表面定义多个第四连接区域；将第一基板与第二基板接合，其中多个第四连接区域以及多个第三连接区域对应地形成电性连接，第一电路与该第一可动组件相对应，且该第二电路与该第二可动组件相对应；薄化第三基板；以及自该分割槽处分割该第三基板为一第一盖体以及一第二盖体并自该第二盖体的该第五表面形成一第一凹槽，其中第一盖体对应于第一可动组件，且第二盖体与第一基板之间形成一气密空腔以感测外部环境的压力变化，该第二盖体与该第一基板之间形成一气密空腔以感测外部环境的压力变化；该第二盖体的该第一凹槽的底部经由任一该第一连接区域及被连接的该对应第二连接区域与该第二可动组件连接；以及该第二可动组件随着该第二盖体因外部环境的压力变化而连动。

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1为一示意图，显示本发明一实施例的微机电系统装置。

图2为一示意图，显示本发明另一实施例的微机电系统装置。

图3a至图3l为一示意图，显示本发明一实施例的微机电系统装置的制造方法。

【符号说明】

10第一基板

11第一表面

111a、111b、111c第一电路

111d、111e、111f第二电路

12第一导电接点

121第四连接区域

122第三连接区域

20第二基板

21第二表面

22第三表面

23、23a、23b第二导电接点

231、231a、231b第二连接区域

232第一连接区域

24介电层

25a第一可动组件

25b第二可动组件

26a、26b、34止动凸块

261柱体

27参考组件

30第三基板

31第四表面

32第五表面

33a第一盖体

33b第二盖体

341第一凹槽

342第二凹槽

343分割槽

【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，众所周知的步骤或组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组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，并非代表组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。

本发明是将压力传感器以及感测其它物理量的微机电系统结构(例如加速度计)整合于单一微机电系统装置中。请参照图1，本发明的一实施例的微机电系统装置包含一第一基板10、一第二基板20以及一第三基板30。第一基板10包含一第一电路、一第二电路以及一第一导电接点12。于一实施例中，第一基板10包含至少一金属层。于图1所示的实施例中，第一基板10包含两层金属层，而最上层的金属层部分暴露于第一基板10的第一表面11。暴露出来的金属层可作为第一电路、第二电路以及第一导电接点12。以加速度计为例，感测电容包含固定电极以及可动电极，第一电路即为相对应的电路结构，如图1中符号111a、111b、111c所示。同理，第二电路可为压力传感器的固定电极以及可动电极的相对应电路结构，如图1中符号111d、111e所示。第一导电接点12则是第一基板10以及第二基板20间的连接位置，以电性连接第一基板10以及第二基板20。可以理解的是，第一导电接点12可能与第一电路以及第二电路重叠以使第二基板20与第一电路或第二电路电性连接，如图1中符号111a、111c、111e所示。于一实施例中，第一基板10可为一互补式金氧半导体基板。

第二基板20具有一第二表面21、一第三表面22以及设置于第三表面22的一第二导电接点23。于一实施例中，可设置一介电层24于第二基板20的第三表面22以及第二导电接点23之间。举例而言，介电层24可为氧化物、氮化物或氮氧化物。借由是否设置贯穿介电层24的导电贯孔即可控制第二导电接点23是否与第二基板20电性连接或电性分离。举例而言，第二导电接点23a即与第二基板20电性分离。第二基板20以第二表面21朝向第一基板10设置于第一基板10的第一表面11。此外，第二基板20经由第一导电接点12与第一电路以及第二电路电性连接。于一实施例中，第二基板20能够以共晶键合(eutecticbonding)技术与第一基板10接合，因此，第一导电接点12可能包含两种材料，如图1的符号121、122所示。举例而言，第一导电接点12包含一合金，其包含铝、铜、锗、铟、金以及硅至少其中之一。但不限于此，第二基板20亦能够以熔接(fusionbond)、焊接以及粘合至少其中之一的技术与第一基板10接合，且彼此电性连接。第二基板20包含彼此电性分离的一第一可动组件25a以及一第二可动组件25b。第一可动组件25a经由第一导电接点12与第一电路电性连接。以加速度计为例，第一可动组件25a可感测加速度的物理量。第二可动组件25b则是与第二电路111d相对应。

第三基板30具有一第四表面31以及一第五表面32。第三基板30以第四表面31朝向第二基板20设置于第二基板20的第三表面22，并与第二导电接点23电性连接。同样的，第三基板30能够以共晶键合技术与第二基板20接合，因此，第二导电接点23可能包含两种材料，如图1的符号231、232所示。举例而言，第二导电接点23包含一合金，其包含铝、铜、锗、铟、金以及硅至少其中之一。但不限于此，第三基板30亦能够以熔接、焊接以及粘合至少其中之一的技术与第二基板20接合，且彼此电性连接。

第三基板30分为彼此电性分离的一第一盖体33a以及一第二盖体33b。第一盖体33a相应于第一可动组件25a设置，使第一可动组件25a配置于第一基板10以及第一盖体33a之间。换言之，第一可动组件25a可被第一盖体33a覆盖而加以保护。可以理解的是，第一盖体33a与第一可动组件25a空间上分离，以避免第一盖体33a影响第一可动组件25a的运动。于一实施例中，第一盖体33a相对于第一可动组件25a的第四表面31具有一第二凹槽342，以增加第一可动组件25a以及第一盖体33a间的距离。

第二盖体33b则是与第二可动组件25b连接，使第二可动组件25b可随着第二盖体33b形变而运动。此外，第二盖体33b与第一基板10之间形成一气密空腔，换言之，第二可动组件25b即配置于气密空腔内。依据此结构，第二盖体33b可随着外部环境的压力变化而产生相对应的形变，进而带动第二可动组件25b上下运动，因此，第二可动组件25b可视为一可动电极，并与相对的固定电极(第二电路111d)形成一感测电容，以感测外部环境的压力变化。举例而言，第二可动组件25b可经由第二导电接点23与第二盖体33b电性连接，第二盖体33b再经由第二导电接点23、第二可动组件25b两侧的第二基板20以及第一导电接点12电性连接至第二电路111e。于一实施例中，第二基板20以及第三基板30可为单晶硅。

于一实施例中，第二盖体33b具有一第一凹槽341，其设置于第二盖体33b(即第三基板30)的第五表面32，以薄化部分第二盖体33b。较佳者，第二盖体33b与第二可动组件25b的连接区域小于第一凹槽341的底部面积，以避免过大的连接区域影响第二盖体33b的形变量。依据此结构，第二盖体33b对于外部环境的压力变化反应较为灵敏，且形变量较大，因而有利于压力感测。

于一实施例中，第一可动组件25a以及第二可动组件25b至少其中之一的第二表面21可设置一止动凸块26a、26b，如此可降低第一可动组件25a以及第二可动组件25b与第一基板10的接触面积，以防止第一可动组件25a以及第二可动组件25b与第一基板10沾粘而失效。同理，于一实施例中，第一盖体33a的第二凹槽342的底部亦可设置一止动凸块34，以降低第一可动组件25a与第一盖体33a的接触面积，进而防止第一可动组件25a与第一盖体33a沾粘而失效。

请参照图2，以说明本发明另一实施例的微机电系统装置。相较于图1所示的实施例，其主要差异在于图2所示的微机电系统装置中，第一基板10更包含一参考电路111f，而第二基板20更包含一参考组件27，其与第二盖体33b电性分离。举例而言，第二导电接点23b被介电层24隔离，而与第二基板20电性分离，因此，参考组件27不会经由第二导电接点23b与第二盖体33b电性连接。参考组件27与参考电路111f相对应，以形成一参考电容。参考组件27不会随着外部环境的压力变化，因此，参考电容几为一定值。第二可动组件25b所感测到的感测电容与参考电容的差值即为外部环境压力的变化量，而获得较为准确的感测结果。

相较于已知的压力传感器，本发明是利用第二可动组件25b与第二盖体33b的可动薄膜连接，使第二可动组件25b能够随着第二盖体33b的可动薄膜因外部压力变化而连动。可以理解的是，第一盖体33a以及第二盖体33b皆是由第三基板30所构成，且第二盖体33b的可动薄膜与固定电极(即第二电路111d)间的高度差能够以第二可动组件25b填补，亦即第二可动组件25b为第二盖体33b的可动薄膜的延伸，而能够与固定电极形成一感测电容，以感测外部环境的压力变化。依据此结构，压力传感器即能够与感测其它物理量的微机电系统结构整合于单一微机电系统装置中。举例而言，第一可动组件25a以及第一电路可形成一加速度计、陀螺仪、湿度计或磁力计等微机电系统结构。

请参照图3a至图3l，以说明图2所示的实施例的微机电系统装置的制造方法。虽然图3a至图3l所示的示意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。

首先，提供一第三基板30，其具有一第四表面31以及一第五表面32。接着，于第三基板30的第四表面31定义多个第一连接区域232，如图3a所示。于一实施例中，第三基板30可为单晶硅；第一连接区域232的材料可为锗，但不限于此。举例而言，第一连接区域232的材料能够以电镀、物理气相沉积(pvd)或化学气相沉积(cvd)程序沉积于第三基板30的第四表面31。图3a所示为第三基板30以及经过蚀刻程序后的图案化第一连接区域232。为了清楚说明本发明的技术特征，图3a并未显示一光刻程序，其简要说明如下。将一光阻层沉积于层状的第一连接区域232上，且图案化光阻层以形成蚀刻罩幕。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层状的第一连接区域232的蚀刻程序的合适材料所形成。虽然图3a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第一连接区域232所形成的为一具有指定几何形状的二维图案。

请参照图3b，接着，于第三基板30的第四表面31形成多个第二凹槽342以及一分割槽343。如前所述，第二凹槽342对应于第一可动组件25a，以增加第三基板30与第一可动组件25a间的距离。可以理解的是，在第三基板30以及第一可动组件25a间有足够距离的情况下，此步骤可加以省略。分割槽343则是于后续制程中分割第三基板30以形成第一盖体33a以及第二盖体33b。同样的，其它适当的方式亦可取代分割槽343以分割第三基板30，因此，图3b所示的步骤可加以省略。

接着，提供一第二基板20，其具有一第二表面21以及一第三表面22，并于第二基板20的第三表面22定义多个第二连接区域231、231a、231b，如图3c所示。于一实施例中，第二基板20可为单晶硅；第二连接区域231的材料可为铝，但不限于此。同样的，第二连接区域231可借由沉积、光刻、蚀刻等制程形成具有指定几何形状的二维图案。可以理解的是，如前所述，可借由一介电层24以决定第二连接区域231是否与第二基板20电性连接。举例而言，于图3c所示的实施例中，第二连接区域231a、231b即未与第二基板20电性连接。

请参照图3d，接着，将第三基板30的第一连接区域232与第二基板20的第二连接区域231、231a、231b相对应，以接合第三基板30以及第二基板20。接合后的第一连接区域232以及第二连接区域231即可作为第三基板30以及第二基板20间的第二导电接点23。于一实施例中，第三基板30与第二基板20的接合是以共晶键合技术加以实现。举例而言，第三基板30与第二基板20接合的温度小于或等于摄氏450度。但不限于此，其它适当的技术也可接合第三基板30以及第二基板20，例如熔接、焊接或粘合等。于一实施例中，完成第三基板30以及第二基板20的接合后，可进一步将第二基板20薄化至适当厚度。举例而言，薄化后的第二基板20厚度可为30μm。

请参照图3e，于第二基板20的第二表面21定义多个第三连接区域122。于一实施例中，第三连接区域122的材料可为金。如前所述，第三连接区域122可借由沉积、光刻、蚀刻等制程形成具有指定几何形状的二维图案。

请参照图3f，于第二基板20的第二表面21形成多个柱体261，其对应于第三连接区域122。举例而言，可借由图案化蚀刻第二基板20的第二表面21，以形成相对较高的柱体261。于一实施例中，于此步骤中亦可同时定义出一或多个可动组件的机械止动结构，例如止动凸块26a、26b。可以理解的是，若后续接合第一基板10后，第一基板10与第一可动组件25a以及一第二可动组件25b间有足够的距离，图3f所示的步骤亦可加以省略。

请参照图3g，接着，借由光刻、蚀刻等制程将第二基板20分割成彼此电性分离的第一可动组件25a以及第二可动组件25b，其中第一可动组件25a与第三基板30空间上分离，以感测加速度等物理量。而第二可动组件25b则与第三基板30连接，待完成后续制程后，第二可动组件25b即可与第二盖体连动。于一实施例中，此步骤亦可同时定义参考组件27。需注意的是，参考组件27仅借由第二导电接点23b固定于第三基板30，但由于第二导电接点23b因介电层24隔离而未与参考组件27电性连接，因此，参考组件27与第三基板30为电性分离。

请参照图3h，接着，提供一第一基板10，其包含驱动电路及/或感测电路等。于第一基板10中可使用模拟及/或数字电路，其通常是以特殊应用集成电路(asic)设计的组件实施。第一基板10亦可称为电极基板。于本发明的一实施例中，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(cmos)基板、玻璃基板等。第一基板10的第一表面11包含一第一电路111a、111b、111c以及一第二电路111d、111e、111f。第一基板10的详细制程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。接着，于第一基板10的第一表面11定义多个第四连接区域121，如图3i所示。于一实施例中，第四连接区域121的材料可为铟，但不限于此。同样的，第四连接区域121可借由沉积、光刻、蚀刻等制程形成具有指定几何形状的二维图案。

请参照图3j，将第二基板20的第三连接区域122与第一基板10的第四连接区域121相对应，以接合第二基板20以及第一基板10，其中第二可动组件25b与第二电路111d相对应。接合后的第三连接区域122以及第四连接区域121即可作为第二基板20以及第一基板10间的第一导电接点12。举例而言，第一可动组件25a可经由第一导电接点12与第一基板10的第一电路111a、111c电性连接。于一实施例中，第二基板20与第一基板10的接合是以共晶键合技术加以实现。可以理解的是，为了避免第三基板30以及第二基板20间的接合强度劣化，因此，第二基板20与第一基板10接合的温度小于第三基板30与第二基板20接合的温度。举例而言，第二基板20与第一基板10接合的温度约于150度。需注意者，其它适当的技术也可接合第二基板20以及第一基板10，例如熔接、焊接或粘合等。

请参照图3k，以一研磨(grinding)及/或其它薄化(thinning)程序对第三基板30进行薄化，以达成指定的厚度。接着，分割第三基板30为一第一盖体33a以及一第二盖体33b，如图3l所示，其中第一盖体33a对应于第一可动组件25a；第二盖体33b与第一基板10之间则形成一气密空腔，以感测外部环境的压力变化。举例而言，可借由蚀刻第三基板30的第五表面32以连通分割槽343，如此即可分割第三基板30。于一实施例中，在分割第三基板30时可形成一第一凹槽341于第二盖体33b的第五表面32，以进一步薄化第二盖体33b对应于第二可动组件25b的区域。于一实施例中，进一步薄化后，第二盖体33b对应于第二可动组件25b的区域(即第一凹槽341的底部)的剩余厚度大约介于10μm至100μm，以随着外部环境的压力变化而产生形变。较佳者，第二盖体33b与第二可动组件25b的连接区域小于第一凹槽341的底部面积，以避免过大的连接区域影响第二盖体33b的形变量。

综合上述，本发明的微机电系统装置是利用一可动组件与一感测压力的可动薄膜连接，使可动组件能够与可动薄膜连动以感测外部环境的压力变化。依据此结构，形成可动薄膜的基板的其它区域可形成一盖体以保护感测其它物理量的可动组件，因此，本发明的微机电系统装置可使用单一制程将压力传感器以及感测其它物理量的微机电系统结构制作于相同的基板上，亦即整合于单一微机电系统装置中。

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。