微機電系統(tǒng)元件制造方法及以此方法制造的微機電系統(tǒng)元件的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)元件的制造方法，包含：提供一集成電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結(jié)構(gòu)，電性結(jié)構(gòu)中包含至少一感應(yīng)區(qū)與至少一第一連接部；提供一結(jié)構(gòu)層，并在該結(jié)構(gòu)層上形成至少一第二連接部；接合該第一連接部與該第二連接部；蝕刻該結(jié)構(gòu)層以形成至少一動作結(jié)構(gòu)體，該動作結(jié)構(gòu)體與該感應(yīng)區(qū)的位置對應(yīng)，且該動作結(jié)構(gòu)體經(jīng)由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之后提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結(jié)構(gòu)體和該感應(yīng)區(qū)，其中，該動作結(jié)構(gòu)體非直接連接于該封蓋。本發(fā)明還提供以上述方法制造的微機電系統(tǒng)元件。
【專利說明】微機電系統(tǒng)元件制造方法及以此方法制造的微機電系統(tǒng)元件

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)元件的制造方法，特別為先提供一結(jié)構(gòu)層以連接基板，后提供一封蓋以包覆結(jié)構(gòu)層以及基板的一部分，使其中的動作結(jié)構(gòu)體于制造中不需直接連接于封蓋，以提升感測穩(wěn)定度的微機電系統(tǒng)元件制造方法，以及以此方法制造的微機電系統(tǒng)兀件。

【背景技術(shù)】
[0002]微機電系統(tǒng)元件常用于運動或壓力感測，例如加速傳感器，陀螺儀、高度計等。微機電系統(tǒng)元件包含微機電元件與搭配的集成電路，常見的微機電元件與集成電路的整合方式主要有三種:雙芯片方案(two-chip solut1n)、前段制程整合方案(CM0S-MEMSsolut1n)、以及晶圓階段整合方案(wafer level integrat1n solut1n)。
[0003]圖1顯不一雙芯片的微機電系統(tǒng)兀件10,米用雙芯片方案,其中微機電兀件芯片11與集成電路芯片12為各自獨立的兩個芯片，且分開封裝后，通過打線方式(wirebond)以傳遞訊號，例如圖式中的打線與兩端的實心圓點所示意。雙芯片方案的優(yōu)點是:由于微機電元件芯片11與集成電路芯片12以各自的制程分開制造，故制程較為單純而顧慮較少，但缺點是需要為兩個芯片分開封裝并提供各自的接腳，封裝制作過程繁復(fù)與成本高、且耗用較大的面積。此外，打線會產(chǎn)生寄生效應(yīng)，例如腳位形成寄生電容，因而造成噪聲，寄生效應(yīng)也會影響其它電性行為，但此噪聲的影響卻無法在微機電元件芯片11與集成電路芯片12設(shè)計或制作時精確地預(yù)估補償，因此訊號的精確度較低。
[0004]圖2顯示在前段制程即與集成電路整合的微機電系統(tǒng)元件20，采用前段制程整合的方案。其中微機電元件21與集成電路22于半導(dǎo)體制程中予以制作，但所在位置或區(qū)域不同；圖標為在平面上分設(shè)于兩個區(qū)域，另有將微機電元件21與集成電路22迭置的安排方式。此方案的缺點是:因微機電元件21與集成電路22共享半導(dǎo)體制程，因此制程復(fù)雜度較高，例如集成電路22制程中的加溫步驟會使微機電元件21因各層間的熱膨脹系數(shù)不同而造成動作結(jié)構(gòu)體的扭曲，影響到訊號的精確度，又，蝕刻釋放微機電元件21的步驟必須避免傷及集成電路22的電性結(jié)構(gòu)等等。此外由于微機電元件21與集成電路22封閉在同一空間之內(nèi)，集成電路22中的多層迭加結(jié)構(gòu)可能對微機電元件21產(chǎn)生不必要的寄生效應(yīng)例如寄生電容,增加感測訊號中的噪聲。
[0005]圖3與圖4顯示一晶圓階段整合的微機電系統(tǒng)元件30，采用晶圓階段整合的方案，其中微機電元件晶圓與集成電路元件晶圓分開各自完成部分制程后，再于晶圓階段予以接合進行后段制程，將微機電元件31迭加設(shè)置于集成電路元件32上并切割封裝為微機電系統(tǒng)元件單芯片。圖3顯示微機電元件31與集成電路元件32先分開各自完成部分制程，其中微機電元件31包含動作結(jié)構(gòu)體312、封蓋313、以及將動作結(jié)構(gòu)體312與封蓋313連接的連接部314 (僅為示意，不限于為圖標的位置)。集成電路元件32包含基板321、電路布局(未示出)、與微機電元件31的訊號接點322以及對外的訊號連接墊(bond pad) 323，此外根據(jù)微機電元件31的動作設(shè)計，如有必要，可設(shè)計提供凹入的空間324。圖4顯示將微機電元件31與集成電路元件32接合，后續(xù)并可對微機電元件31進行蝕刻，以露出訊號連接墊323 (此步驟未示出)。
[0006]此一現(xiàn)有技術(shù)的問題是，由于先完成微機電元件31的部分制程，而懸浮的動作結(jié)構(gòu)體312必須與其它部分固定連接，因此必須將動作結(jié)構(gòu)體312固接于封蓋313。但后續(xù)將微機電元件31與集成電路元件32接合時，必須對封蓋313施壓、此外封裝的灌膠步驟、或是完成后的微機電系統(tǒng)元件安裝于電路板上的步驟等，也都會使封蓋313受力，而由于封蓋313與動作結(jié)構(gòu)體312連接，因此封蓋313受力將會影響動作結(jié)構(gòu)體312而造成訊號的不精確，且此不精確無法在微機電元件31與集成電路元件32設(shè)計或制作時精確地預(yù)估補
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提出一種微機電系統(tǒng)元件的制造方法，特別為先提供一結(jié)構(gòu)層以連接基板，后提供一封蓋以包覆結(jié)構(gòu)層以及基板的一部分，使其中的動作結(jié)構(gòu)體于制造中不需直接連接于封蓋，以提升感測穩(wěn)定度的微機電系統(tǒng)元件制造方法，以及提出以此方法制造的微機電系統(tǒng)元件。
[0008]為達上述目的，就其中一個觀點，本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)元件制造方法，包含:提供一集成電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結(jié)構(gòu)，電性結(jié)構(gòu)中包含至少一感應(yīng)區(qū)與至少一第一連接部；提供一結(jié)構(gòu)層，并在該結(jié)構(gòu)層上形成至少一第二連接部；連接該第一連接部與該第二連接部；蝕刻該結(jié)構(gòu)層以形成至少一動作結(jié)構(gòu)體，該動作結(jié)構(gòu)體與該感應(yīng)區(qū)的位置對應(yīng)，且該動作結(jié)構(gòu)體經(jīng)由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之后提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結(jié)構(gòu)體和該感應(yīng)區(qū)，其中，該動作結(jié)構(gòu)體非直接連接于該封蓋。
[0009]一實施例中，該封蓋連接于該電性結(jié)構(gòu)；另一實施例中，該封蓋連接于該結(jié)構(gòu)層的一部分，且該結(jié)構(gòu)層的該部分并非該動作結(jié)構(gòu)體。
[0010]一實施例中，該第一連接部與該第二連接部利用共晶接合或熔接的方式連接。
[0011]一實施例中，在該結(jié)構(gòu)層上形成至少一第二連接部的步驟包含:蝕刻該結(jié)構(gòu)層以形成至少一凸點，以及在該凸點上涂布黏著劑。
[0012]一實施例中，該黏著劑包含鋁、鈦、鍺、金、以上元素的混合物、或以上任一元素的化合物。
[0013]—實施例中，該動作結(jié)構(gòu)體為一薄膜、一懸臂、或包含一質(zhì)量體以及與該質(zhì)量體相連接的至少一彈簧。
[0014]一實施例中，該微機電系統(tǒng)元件的制作方法更包含:研磨該結(jié)構(gòu)層以減少其厚度。
[0015]一實施例中，該微機電系統(tǒng)元件的制作方法更包含:蝕刻該封蓋以形成一凹入的部分，以在該微機電系統(tǒng)兀件中構(gòu)成一工作空間。
[0016]為達上述目的，就另一個觀點，本發(fā)明提供一種微機電系統(tǒng)元件，為經(jīng)由上述制造方法所制作的微機電系統(tǒng)兀件，該微機電系統(tǒng)兀件包含該集成電路兀件與一微機電兀件，其中該微機電元件包含該結(jié)構(gòu)層與該封蓋。
[0017]下面通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發(fā)明的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達成的功效。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1顯示現(xiàn)有技術(shù)的雙芯片方案；
[0019]圖2顯示現(xiàn)有技術(shù)的前段整合方案；
[0020]圖3、4顯示現(xiàn)有技術(shù)的晶圓階段整合方案；
[0021]圖5A?5F顯示根據(jù)本發(fā)明的一種微機電系統(tǒng)元件的制造方法；
[0022]圖6顯不根據(jù)本發(fā)明一實施例的微機電系統(tǒng)兀件；
[0023]圖7顯示根據(jù)本發(fā)明另一實施例的微機電系統(tǒng)元件；
[0024]圖8顯示根據(jù)本發(fā)明再一實施例的微機電系統(tǒng)元件。
[0025]圖中符號說明
[0026]10微機電系統(tǒng)元件
[0027]11微機電元件芯片
[0028]12集成電路芯片
[0029]20微機電系統(tǒng)元件
[0030]21微機電元件
[0031]22集成電路
[0032]30微機電系統(tǒng)元件
[0033]31微機電元件
[0034]312動作結(jié)構(gòu)體
[0035]313封蓋
[0036]314連接部
[0037]32集成電路元件
[0038]321基板
[0039]322訊號接點
[0040]323訊號連接墊
[0041]324空間
[0042]50、500、510 微機電系統(tǒng)元件
[0043]51微機電兀件
[0044]511連接區(qū)
[0045]512動作結(jié)構(gòu)體
[0046]512A質(zhì)量體
[0047]512B彈簧
[0048]513連接部
[0049]514封蓋
[0050]515工作空間
[0051]52集成電路元件
[0052]521電性結(jié)構(gòu)
[0053]5211感應(yīng)區(qū)
[0054]5212連接部
[0055]524基板
[0056]S結(jié)構(gòu)層
[0057]SI凸點
[0058]S2區(qū)域
[0059]S3黏著劑
[0060]St結(jié)構(gòu)層的頂面

【具體實施方式】
[0061]有關(guān)本發(fā)明的前述及其它技術(shù)內(nèi)容、特點與功效，在以下配合參考圖式的一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚的呈現(xiàn)。以下實施例中所提到的方向用語，例如:上、下、左、右、前或后等，僅是參考附加圖式的方向。本發(fā)明中的圖式均屬示意，主要意在表示各裝置以及各元件之間的功能作用關(guān)系，至于形狀、厚度與寬度則并未依照比例繪制。
[0062]參照圖6,其顯不根據(jù)本發(fā)明的一觀點所提供的一種微機電系統(tǒng)兀件50,微機電系統(tǒng)元件50包含微機電元件51與搭配的集成電路元件52。微機電元件51包含一結(jié)構(gòu)層S與一封蓋514，其中結(jié)構(gòu)層S包含與封蓋514連接的連接區(qū)511、至少一動作結(jié)構(gòu)體512、以及與集成電路元件52連接的至少一連接部513，且在結(jié)構(gòu)層S與封蓋514之間形成一工作空間515，此工作空間可為一封閉空間，或一非封閉空間，視微機電系統(tǒng)元件50的設(shè)計用途而定。集成電路元件52包含一基板524以及位在基板524上的電性結(jié)構(gòu)521 (此電性結(jié)構(gòu)521有適當?shù)慕^緣，未示出)。電性結(jié)構(gòu)521中包含至少一感應(yīng)區(qū)5211與至少一連接部5212，其中感應(yīng)區(qū)5211的位置對應(yīng)于動作結(jié)構(gòu)體512，以感測動作結(jié)構(gòu)體512的動作而產(chǎn)生訊號并將訊號傳送給集成電路元件52中的電路(未示出)，而連接部5212用以與微機電元件51的連接部513對應(yīng)連接。在本實施例中，動作結(jié)構(gòu)體512例如但不限于可為一薄膜或一懸臂。
[0063]相較于圖3、4的現(xiàn)有技術(shù),本發(fā)明的微機電系統(tǒng)兀件的動作結(jié)構(gòu)體512并未直接連接于封蓋514，因此若封蓋514需要承受壓力變化或高溫時，不會影響動作結(jié)構(gòu)體512的動作敏感度，故感測結(jié)果不受封蓋514狀態(tài)影響而改變。所謂“動作結(jié)構(gòu)體512直接連接于封蓋514”是指動作結(jié)構(gòu)體512通過微機電元件51的任何組成部分而連接于封蓋514，而“動作結(jié)構(gòu)體512未直接連接于封蓋514”是指動作結(jié)構(gòu)體512未通過微機電元件51的任何組成部分而連接于封蓋514，但可以經(jīng)由集成電路元件52而間接連接于封蓋514。
[0064]為達成前述“動作結(jié)構(gòu)體512不直接連接于封蓋514”的結(jié)構(gòu)，本發(fā)明的制造方法與圖3、4的現(xiàn)有技術(shù)不同。請參閱圖5A?5F，顯示本發(fā)明所提供的微機電系統(tǒng)元件50的制造方法。首先參閱圖5A，在集成電路晶圓上以半導(dǎo)體制程制作集成電路元件52，其中包含前述基板524以及位在基板524上的電性結(jié)構(gòu)521，電性結(jié)構(gòu)521中包含至少一感應(yīng)區(qū)5211與至少一連接部5212 ;此外可在制作集成電路元件52的同時、或在其它時間，另行制作一結(jié)構(gòu)層S，并例如但不限于可通過蝕刻的方式，在結(jié)構(gòu)層S的其中一面形成凸點(stand-off) SI。如果結(jié)構(gòu)層S的厚度過厚(舉例而言，當結(jié)構(gòu)層S采用娃基板時),則可使用研磨制程研磨結(jié)構(gòu)層S的另一面St (下稱頂面)以減少其厚度；或是，研磨制程也可在較后的時間進行。
[0065]參閱圖5B，在凸點SI上涂布黏著劑S3，根據(jù)本發(fā)明，微機電元件51和集成電路元件52的連接與接合例如可采用共晶接合方式(eutectic bonding),而黏著劑S3可為例如鋁、鈦、鍺、金、以上元素的混合物、或以上任一元素的化合物等，然本發(fā)明并不限于使用此共晶接合方式，可視需要而采用其它方式，例如熔接(Fus1n)。凸點SI與黏著劑S3共同構(gòu)成微機電元件51的連接部513。
[0066]參閱圖5C，使微機電元件51的連接部513與集成電路元件52的連接部5212到達預(yù)定相對位置后，可開始進行共晶接合。前述研磨結(jié)構(gòu)層S的頂面St的步驟，也可在圖5B或5C的步驟中或之后進行。視需要而定，連接部5212可選擇性地先予清潔或加上氮化鈦(TiN)鍍膜等處理。
[0067]參閱圖5D，例如但不限于以干蝕刻或濕蝕刻的方式去除結(jié)構(gòu)層S上的部分區(qū)域S2，以形成至少一動作結(jié)構(gòu)體512，以及與封蓋514連接的連接區(qū)511。
[0068]參閱圖5E，提供一封蓋514，此封蓋514已經(jīng)過蝕刻而具有凹入的部分，以備未來形成工作空間515。參閱圖5F，將此封蓋514與連接區(qū)511接合，以包覆該動作結(jié)構(gòu)體512與該感應(yīng)區(qū)5211，完成了微機電系統(tǒng)元件50 ;感應(yīng)區(qū)5211可感測動作結(jié)構(gòu)體512的動作而產(chǎn)生訊號。
[0069]本發(fā)明的結(jié)構(gòu)并不限于圖6所示；根據(jù)圖5A?5F的相同制程，予以簡單變化后，亦可制造出不同結(jié)構(gòu)的微機電系統(tǒng)元件。舉例而言，請參閱圖7的微機電系統(tǒng)元件500，與圖6實施例的差異在于:在圖的蝕刻步驟中，定義了不一樣的受蝕刻區(qū)域S2 ;此外，在圖5F將封蓋514接合的步驟中，是將封蓋514接合至集成電路元件52。
[0070]圖8顯不根據(jù)本發(fā)明又一實施例所提供的一種微機電系統(tǒng)兀件510,與圖6、7相較，圖6、7中的動作結(jié)構(gòu)體512為一薄膜或一懸臂,而圖8的動作結(jié)構(gòu)體512包含一質(zhì)量體512A以及與質(zhì)量體512A相連的至少一彈簧512B，而感應(yīng)區(qū)5211對應(yīng)于質(zhì)量體512A而設(shè)置。彈簧512B例如但不限于可為平面S型的形式(參閱下方放大俯視圖)，然實施時并不限于平面S型的形式。圖8的質(zhì)量體512A是通過彈簧512B連接于動作結(jié)構(gòu)體512的其它部分，而其余部分的動作結(jié)構(gòu)體512通過連接部513而連接于連接區(qū)5212。
[0071]此外，前述的封蓋514的材料可包含硅基板、玻璃基板、鍺化硅(SiGe)基板、碳化娃(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。而基板524的材料也可包含硅基板、玻璃基板、鍺化硅(SiGe)基板、碳化硅(SiC)基板、砷化鎵(GaAs)基板、或聚合物(polymer)基板。上述聚合物(polymer)基板例如但不限于為PDMS (聚二甲基娃氧燒)基板。
[0072]本發(fā)明的優(yōu)點至少包括:與現(xiàn)有技術(shù)的雙芯片方案相較，本發(fā)明的微機電系統(tǒng)元件所需的尺寸較小、不會因打線而影響訊號感測。與前段制程整合的方案相較，本發(fā)明的微機電系統(tǒng)元件的制程復(fù)雜度較低，不會因為制程集成電路元件的制程中的加溫步驟而造成動作結(jié)構(gòu)體的扭曲，而微機電元件的制程步驟也不會傷及集成電路元件的電性結(jié)構(gòu)。與晶圓階段整合方案相較，本發(fā)明的微機電系統(tǒng)元件尺寸雖與現(xiàn)有技術(shù)近似，但本發(fā)明的訊號穩(wěn)定度較高，任何對封蓋施力的步驟不會影響動作結(jié)構(gòu)體的感測精確度。
[0073]以上已針對較佳實施例來說明本發(fā)明，只是以上所述，僅為使本領(lǐng)域技術(shù)人員易于了解本發(fā)明的內(nèi)容，并非用來限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員，當可在本發(fā)明精神內(nèi)，立即思及各種等效變化。例如，凸點與連接區(qū)的安排相反，改將凸點安排于集成電路元件方、將連接區(qū)安排于微機電元件方等。故凡依本發(fā)明的概念與精神所為的均等變化或修飾，均應(yīng)包括于本發(fā)明的權(quán)利要求范圍內(nèi)。本發(fā)明的任一實施例或權(quán)利要求范圍不須達成本發(fā)明所揭露的全部目的或優(yōu)點或特點。摘要部分和標題僅是用來輔助專利文件搜尋之用，并非用來限制本發(fā)明的權(quán)利范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種微機電系統(tǒng)兀件的制造方法，其特征在于，包含: 提供一集成電路元件，其中包含一基板以及位在基板上的電性結(jié)構(gòu)，電性結(jié)構(gòu)中包含至少一感應(yīng)區(qū)與至少一第一連接部； 提供一結(jié)構(gòu)層，并在該結(jié)構(gòu)層上形成至少一第二連接部； 接合該第一連接部與該第二連接部； 蝕刻該結(jié)構(gòu)層以形成至少一動作結(jié)構(gòu)體，該動作結(jié)構(gòu)體與該感應(yīng)區(qū)的位置對應(yīng)，且該動作結(jié)構(gòu)體經(jīng)由至少一該第二連接部與至少一該第一連接部連接；以及在以上步驟之后提供一封蓋，以該封蓋包覆該動作結(jié)構(gòu)體和該感應(yīng)區(qū)， 其中，該動作結(jié)構(gòu)體非直接連接于該封蓋。
2.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該封蓋連接于該電性結(jié)構(gòu)、或連接于該結(jié)構(gòu)層的一部分，且該結(jié)構(gòu)層的該部分并非該動作結(jié)構(gòu)體。
3.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該第一連接部與該第二連接部利用共晶接合或熔接的方式連接。
4.如權(quán)利要求3所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，在該結(jié)構(gòu)層上形成至少一第二連接部的步驟包含:蝕刻該結(jié)構(gòu)層以形成至少一凸點，以及在該凸點上涂布黏著劑。
5.如權(quán)利要求4所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該黏著劑包含鋁、鈦、鍺、金、以上元素的混合物、或以上任一元素的化合物。
6.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該動作結(jié)構(gòu)體為一薄膜、或一懸臂、或包含一質(zhì)量體以及與該質(zhì)量體相連接的至少一彈簧。
7.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，還包含:研磨該結(jié)構(gòu)層以減少其厚度。
8.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，還包含:蝕刻該封蓋以形成一凹入的部分，以在該微機電系統(tǒng)元件中構(gòu)成一工作空間。
9.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該封蓋的材料包含硅基板、玻璃基板、鍺化硅基板、碳化硅基板、砷化鎵基板、或聚合物基板。
10.如權(quán)利要求1所述的微機電系統(tǒng)元件的制作方法，其中，該基板的材料包含硅基板、玻璃基板、鍺化硅基板、碳化硅基板、砷化鎵基板、或聚合物基板。
11.一種以權(quán)利要求1至10中任一方法所制作的微機電系統(tǒng)兀件,其特征在于,該微機電系統(tǒng)7Π件包含該集成電路7Π件與一微機電7Π件，其中該微機電7Π件包含該結(jié)構(gòu)層與該封至JHL O
【文檔編號】B81C1/00GK104418296SQ201410056277
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月21日
【發(fā)明者】羅炯成, 陳冠霖 申請人:立锜科技股份有限公司