TW201739687A - 微機械感測器設備及相關的製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種微機械感測器設備及一種相關的製造方法。該微機械感測器設備裝備有：一感測器基板(MC)，其具有一前側(VS)及一後側(RS)及一後側空腔(K)；其中一實質上閉合之隔膜區(M)形成於該前側(VS)上，該隔膜區配置於該感測器基板(MC)之該後側空腔(K)上方；一感測器區(SB)，其配置於該隔膜區(M)之中或該隔膜區(M)之上；及一加熱裝置(HE)，其用於加熱該感測器區(SB)，該加熱裝置配置於該隔膜區(M)之中或該隔膜區(M)之上；其中該隔膜區(M)具有用於該後側空腔(K)之壓力等化的一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)。

Description

微機械感測器設備及相關的製造方法

本發明係關於一種微機械感測器設備及一種藉由加熱裝置之相關的製造方法。

儘管具有加熱裝置之任意微機械組件亦係可適用的，但將參考具有基於矽與加熱裝置(加熱板)之氣體感測器的組件而解釋本發明及藉由本發明所解決之問題。

微型加熱板係微機械感測器之重要組件。該等微型加熱板對於功能原理而言在需要高溫之感測器原理的狀況下得以使用。在此處可主要提及在化學換能器原理情況下之氣體感測器：所要化學反應尚未在室溫下進行，而是需要某一活化能且因此需要較高操作溫度。此類型之傳統感測器係例如典型地必須在250℃與400℃之間操作的金屬氧化物氣體感測器。

除了化學感測器以外，加熱板亦用於在物理換能器原理情況下之感測器，諸如導熱率感測器、皮冉尼(Pirani)元件(真空感測器)或質量流率感測器。

根據先前技術，微型加熱板作為閉合隔膜或藉助於懸置式隔 膜加以生產，如Isolde Simon等人在Sensors and Actuators B 73(2001)之Micromachined metal oxide gas sensors：opportunities to improve sensor performance第1頁至第26頁中所描述。

根據先前技術之具有微型加熱板的此類感測器元件典型地具有大於1mm×1mm之側向尺寸。為了滿足(諸如)呈現於例如智慧型電話中之消費型電子裝置的要求，目前爭取小於約1mm×1mm之側向尺寸的小型化，且同時需要功率需求之減小。除了關於特殊加熱器設計之挑戰以外，可供用於晶片黏著性接合之區域亦因此正變得愈來愈小，且對於適合於製造之構造及連接技術的挑戰正因此亦增大。

懸置式隔膜(諸如例如藉助於表面微機械加工技術生產)得到關於「晶片處置」及黏著性接合之優點，此係因為晶片在此狀況下可以黏著方式接合於後側上之整個區域上方，且可能的黏著性接合區域因此相較於在藉助於濕式化學曝光(使用例如KOH)或乾式蝕刻(使用例如DRIE)自後部曝露之隔膜的狀況下要大得非常多。然而，閉合隔膜(典型地處於抗張應力下之隔膜)關於穩固性及與各種塗佈方法之相容性具有優點，使得其將仍保留其甚至在極其小型化系統之狀況下存在的權利，儘管黏著性接合區域較小。

使用表面微機械加工技術來懸置於腹板上之隔膜，例如與使用整體微機械加工之閉合隔膜相比，具有中心之載體結構對機械負載(諸如振動或衝擊)敏感地作出反應之性質。此外，其機械穩定性相對於特定塗佈方法(諸如時間壓力施配)係不充分的。在使用表面微機械加工技術之閉合隔膜的狀況下，閉合空腔以由生產控管之方式在晶圓表面處出現。 在此處取決於閉合方法而設定介於大氣壓力與數豪巴之間的壓力。若在大氣壓下執行閉合，則圍封氣體在操作期間加熱，且發生隔膜之變形。此又引起隔膜上之阻抗改變及對感測器效能之影響。若在毫巴範圍內執行閉合，則隔膜由周圍大氣壓力偏轉。然而，此偏轉對生產過程具有不利影響，此係因為例如隔膜不定位於與晶圓表面相同之焦平面中，且成像像差因此在微影製程中出現。在兩種狀況下，有必要特別注意應用氣敏材料之方法，以便能夠可靠地避免對隔膜之機械損壞。

結果，對用於塗佈之可能方法的選擇受到限制。僅使結構僅經受低機械負載之方法係因此適當的。通常可例如藉助於CVD、PCD或噴墨法僅沈積薄膜類層；排除例如藉助於噴塗法之藉由糊狀或液態材料的常常合乎需要之塗佈、藉助於時間壓力之印刷法、或轉印法或印模法。

同樣地，例如具有較大重量之較大層厚度，在懸置於腹板上之表面微機械加工隔膜的狀況下，應被視為重要的，此係因為可能特定地在振動之後即刻建立對懸置物之損壞。

圖3係用於闡明由本發明解決之問題的微機械感測器設備之示意性橫截面圖。

在圖3中，參考符號1指示載體基板，例如陶瓷載體基板或印刷電路板。具有前側VS及後側RS之MEMS感測器基板MC藉助於黏著層KL在基板MC之後側RS處以黏著方式接合至載體基板1上。

MEMS感測器基板MC具有自後側RS朝向前側VS延伸之後側空腔K。後側空腔K之側壁S'具有在生產過程期間源自濕式化學蝕刻(例如，KOH)之傾斜齒腹。

在前側VS上，閉合隔膜區M由MEMS感測器基板MC之前側VS上的功能層FS形成，該隔膜區配置於後側空腔K上方。可由個別層(例如氧化矽、氮化矽或碳化矽)或由層序列(例如由氧化矽及氮化矽層)建構功能層FS及因此隔膜區M，額外金屬導體軌道定位於該等層中及/或該等層上，額外金屬導體軌道可具有加熱器及/或電極之功能。

加熱裝置HE在其中心整合至隔膜區M中，隔膜區M可藉助於該加熱裝置加熱至預定溫度。感測器區SB配置於隔膜區M中之加熱裝置HE上方，該感測器區包含例如基於金屬氧化物的厚膜或基於金屬氧化物的薄膜及嵌入於該感測器區中之電極，因此以便實現例如氣體感測器設備。

黏著層KL之黏著性接合並非周界性的(例如點狀或條狀)，亦即，不覆蓋整個後側RS，使得氣體體積可在加熱裝置HE之加熱操作期間在後側空腔K內膨脹，亦即，與環境之氣體交換可發生。此防止隔膜區M經受可在感測器操作期間引起隔膜區M之磨損的連續壓力改變。

本發明提供一種如申請專利範圍第1項之微機械感測器設備及一種如申請專利範圍第11項之製造一微機械感測器設備之相關的製造方法。

各別附屬請求項係關於本發明的較佳發展。

本發明之優點

本發明下之概念係該隔膜區具有用於該後側空腔之壓力等化的一或多個壓力等化孔。

本發明因此使得有可能在一小型化感測器基板之狀況下提供一完全或實質上環形周界黏著性接合及實現充分氣體交換，而不管此環形黏著性接合。因此有可能避免該感測器基板由於氣體膨脹而在構造及連接技術之過程中在必需烘烤步驟期間傾斜的一情形，且一後續線接合製程因此係不可能的。此外，可避免或補償在該加熱裝置之加熱操作期間的壓力改變。

其他優點係進一步處理步驟之一高製造可靠性。該等壓力等化孔可經定位/設定尺寸，使得維持一箝位閉合隔膜與懸置於腹板上之一隔膜相比的有利性質。具有數μm之範圍內的一直徑之孔對於充分通風而言將足夠。

可達成一穩固黏著性接合製程，而不管一小的黏著性接合區域(側向地具有小於或等於1mm×1mm之典型感測器元件尺寸)。

該氣體交換特別有利於真空及導熱率感測器，此係因為在此處量測原理係基於以下事實：一加熱元件之熱耗散隨周圍氣體之導熱率變化。在無通風之情況下，僅該隔膜上方之氣體可促成量測；在通風之情況下，該隔膜下方之氣體亦可促成量測信號。

根據一個較佳發展，該(等)壓力等化孔以變化之大小提供。可因此達成關於機械穩定性之一最佳化。

根據一個較佳發展，該(等)壓力等化孔在該感測器區及該加熱裝置外部配置於該隔膜區之一外部邊緣區中。該等壓力等化孔因此不影響感測器功能。為了能夠確保該隔膜之最高可能機械穩定性，該等孔理想上引入於該隔膜之具有一應力最小值的區中，或定位於其附近。

根據另一較佳發展，該後側空腔之側壁實質上垂直於該前側而延行。此實現另一小型化。

根據另一較佳發展，該後側以使得該後側空腔在該後側處氣密密封的方式藉助於一黏著區以黏著方式接合於一載體基板上。此在上升之小型化的狀況下提高穩定性。

根據另一較佳發展，該後側藉助於一黏著區以黏著方式接合於一載體基板上，其中提供用於該感測器基板中之該後側空腔的壓力等化之一壓力等化通道。此進一步改良該壓力等化，而不會降低穩定性。

根據另一較佳發展，該後側藉助於一黏著區以黏著方式接合於一載體基板上，其中提供用於該載體基板中之該後側空腔的壓力等化之一壓力等化通道。此甚至進一步改良該壓力等化，而不會降低穩定性。

根據另一較佳發展，將該加熱裝置引入於該隔膜區中，且將該感測器區提供於該隔膜區上之該加熱裝置上方。因此確保一高效加熱功能。

根據另一較佳發展，該感測器區包含一氣體感測器區或一導熱率感測器區或一紅外感測器區或一質量流率感測器區。

根據另一較佳發展，該(等)壓力等化孔之直徑為1μm至50μm，較佳地1μm至10μm。此減小該等壓力等化孔之機械影響，且對於所要壓力等化功能而言足夠。該等壓力等化孔較佳地定位於該隔膜區之具有低機械應力的區中，及/或該等壓力等化孔定位於該加熱裝置及該感測器區之區中。

1‧‧‧載體基板

AK‧‧‧壓力等化通道

FS‧‧‧功能層

HE‧‧‧加熱裝置

K‧‧‧後側空腔

KL‧‧‧黏著區/黏著層

L1‧‧‧壓力等化孔

L2‧‧‧壓力等化孔

L3‧‧‧壓力等化孔

L4‧‧‧壓力等化孔

L5‧‧‧壓力等化孔

L6‧‧‧壓力等化孔

M‧‧‧隔膜區

MC‧‧‧感測器基板

RS‧‧‧後側

S‧‧‧側壁

S'‧‧‧側壁

SB‧‧‧感測器區

VS‧‧‧前側

圖1a)、圖1b)展示用於闡明根據本發明之第一具體實例的微機械感測器設備之示意性說明，具體言之圖1a)以橫截面且圖1b)以平面視圖展示；圖2a)、圖2b)展示用於闡明根據本發明之第二具體實例的微機械感測器設備之示意性說明，具體言之圖2a)以平面視圖且圖2b)以側視圖展示；且圖3展示用於闡明由本發明解決之問題的微機械感測器設備之示意性橫截面圖。

在圖式中，相同參考符號指定相同或功能上相同之元件。

圖1a)、圖1b)係用於闡明根據本發明之第一具體實例的微機械感測器設備之示意性說明，具體言之圖1a)呈橫截面且圖1b)呈平面視圖。

在圖1a)、圖1b)中，參考符號1指示載體基板，例如陶瓷載體基板或印刷電路板。具有前側VS及後側RS之MEMS感測器基板MC藉助於黏著層KL在基板MC之後側RS處以黏著方式接合至載體基板1上。黏著層KL之黏著性接合係周界性的，此在提前小型化之狀況下支援穩定性。

MEMS感測器基板MC具有自後側RS朝向前側VS延伸之後側空腔K。相比於上文相對於圖3所描述之後側空腔，後側空腔K之側壁S具有在生產過程期間源自各向異性蝕刻之豎直齒腹。此支援小型化。藉助於側壁S採用直線豎直形式且實質上垂直於隔膜區M或前側VS之平 面而延行的事實，可在隔膜區之預定大小的狀況下生產儘可能小之感測器設備。出於此目的之一個尤其較佳可能性係乾式蝕刻製程(DRIE)之使用。

在前側VS上，閉合隔膜區M由MEMS感測器基板MC之前側VS上的功能層FS形成，該隔膜區配置於後側空腔K上方。可由個別層(例如氧化矽、氮化矽或碳化矽)或由層序列(例如由氧化矽及氮化矽層)建構功能層FS及因此隔膜區M，額外金屬導體軌道定位於該等層中及/或該等層上，額外金屬導體軌道可具有加熱器及/或電極之功能。

加熱裝置HE在其中心整合至隔膜區M中，隔膜區M可藉助於該加熱裝置加熱至預定溫度。感測器區SB配置於隔膜區M中之加熱裝置HE上方，該感測器區包含例如電極結構上之基於金屬氧化物的厚膜或基於金屬氧化物的薄膜，因此以便實現例如氣體感測器設備。

相比於上文聯合圖3所解釋之MEMS感測器設備，隔膜區M在第一具體實例之狀況下具有壓力等化孔L1、L2、L3、L4、L5、L6，該等壓力等化孔在加熱裝置HE及配置於其上方之感測器區SB外部配置於隔膜區M之邊緣區中。

該等壓力等化孔之直徑較佳地為介於1μm與50μm之間，較佳地介於1μm與10μm之間。壓力等化孔L1至L6較佳地配置於隔膜區M之具有低機械應力的區中。除了壓力等化效應之外，壓力等化孔亦可改良隔膜區M之熱絕緣。

圖2a)、圖2b)係用於闡明根據本發明之第二具體實例的微機械感測器設備之示意性說明，具體言之圖2a)呈平面視圖且圖2b)呈側視圖。

在第二具體實例之狀況下，壓力等化通道AK另外設置於感測器基板MC中，該壓力等化通道在以黏著方式接合至載體基板1上之狀態(此處未展示)下定位於黏著層KL之自由區中，使得額外壓力等化藉助於壓力等化通道AK成為可能。因此，在第二具體實例中僅提供四個壓力等化孔L1、L3、L4、L6。取決於壓力等化通道AK之組態，亦有可能省掉壓力等化孔L1、L3、L4、L6。

否則，第二具體實例等同於第一具體實例。

在另一具體實例(未說明)中，另外或作為感測器基板MC中之壓力等化通道AK的替代方案，有可能在後側空腔K下方之載體基板1中提供壓力等化通道。

在分別根據第一及第二具體實例之MEMS感測器設備之生產期間，可藉由蝕刻製程(例如乾式蝕刻製程)或藉由雷射製程生產壓力等化孔。

因為用於生產隔膜區M之所描述方法涉及自晶圓後側RS之曝光蝕刻製程(在曝光蝕刻製程中藉助於DRIE蝕刻製程移除處於隔膜區M下方之矽層)，所以在在先前製程步驟中已將壓力等化孔L1至L6或L1至L4引入至功能層FS中且因此引入至隔膜區M中之情況下係有利的。在曝光隔膜區M之過程中，該等壓力等化孔打開，且使後一感測器元件中之隔膜區M的前側與後側之間的壓力等化成為可能。

儘管已基於較佳例示性具體實例而描述本發明，但本發明不限於此。詳言之，所提及材料及拓樸結構係僅僅作為實例，且不限於所解釋實例。

除了分別如第一及第二具體實例中所說明之壓力等化孔的位置以外，亦可設想其他實現形式，例如，不同數目個孔/孔形狀或者槽形具體實例或其類似者。

根據本發明之MEMS感測器設備的尤其較佳應用通常係包含隔膜且包含加熱裝置之所有感測器設備，例如除了化學氣體感測器以外，亦有(諸如)金屬氧化物氣體感測器、導熱率感測器、皮冉尼元件、質量流率感測器，諸如空氣質量流量量測裝置、微機械隔膜上之λ探測器、紅外感測器設備等。

1‧‧‧載體基板

FS‧‧‧功能層

HE‧‧‧加熱裝置

K‧‧‧後側空腔

KL‧‧‧黏著區

L2‧‧‧壓力等化孔

L5‧‧‧壓力等化孔

M‧‧‧隔膜區

MC‧‧‧感測器基板

RS‧‧‧後側

S‧‧‧側壁

SB‧‧‧感測器區

VS‧‧‧前側

Claims (15)

1. 一種微機械感測器設備，其包含：一感測器基板(MC)，其具有一前側(VS)及一後側(RS)及一後側空腔(K)；其中一實質上閉合之隔膜區(M)形成於該前側(VS)上，該隔膜區(M)配置於該感測器基板(MC)之該後側空腔(K)上方；一感測器區(SB)，其配置於該隔膜區(M)中或該隔膜區(M)上；以及一加熱裝置(HE)，其用於加熱該感測器區(SB)，該加熱裝置(HE)配置於該隔膜區(M)中或該隔膜區(M)上；其中該隔膜區(M)具有用於該後側空腔(K)之壓力等化的一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)。
2. 如申請專利範圍第1項之微機械感測器設備，其中該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)係以變化之大小提供。
3. 如申請專利範圍第1項或第2項之微機械感測器設備，其中該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)在該感測器區(SB)及該加熱裝置(HE)外部配置於該隔膜區(M)之一外部邊緣區中。
4. 如申請專利範圍第1項、第2項或第3項之微機械感測器設備，其中該後側空腔(K)之側壁(S)實質上垂直於該前側(VS)而延伸。
5. 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項之微機械感測器設備，其中該後側(RS)藉助於一黏著區(KL)以使得該後側空腔(K)在該後側(RS)處係以氣密密封之方式而黏著地接合於一載體基板(1)上。
6. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之微機械感測器設備，其中該後側(RS)藉助於一黏著區(KL)而黏著地接合於一載體基板(1)上，且其中提供用於該感測器基板(MC)中之該後側空腔(K)的壓力等化之一壓力等化通道(AK)。
7. 如申請專利範圍第1項至第5項中任一項之微機械感測器設備，其中該後側(RS)藉助於一黏著區(KL)而黏著地接合於一載體基板(1)上，且其中提供用於該載體基板(1)中之該後側空腔(K)的壓力等化之一壓力等化通道(AK)。
8. 如申請專利範圍第1項至第7項中任一項之微機械感測器設備，其中將該加熱裝置(HE)引入於該隔膜區(M)中，且將該感測器區(SB)提供於該隔膜區(M)上之該加熱裝置(HE)上方。
9. 如申請專利範圍第1項至第8項中任一項之微機械感測器設備，其中該感測器區(SB)包含一氣體感測器區或一導熱率感測器區或一紅外感測器區或一質量流率感測器區。
10. 如申請專利範圍第1項至第9項中任一項之微機械感測器設備，其中該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)之直徑為1μm至50μm，較佳地為1μm至10μm，且較佳地定位於該隔膜區(M)之具有低機械應力的區中，及/或該等壓力等化孔定位於該加熱裝置(HE)及該感測器區(SB)之區中。
11. 一種用於製造一微機械感測器設備之方法，該方法包含以下步驟：形成一感測器基板(MC)，其具有一前側(VS)及一後側(RS)及一後側空腔(K)，其中一實質上閉合之隔膜區(M)形成於該前側(VS) 上，該隔膜區(M)配置於該感測器基板(MC)之該後側空腔(K)上方；形成配置於該隔膜區(M)中或該隔膜區(M)上之一感測器區(SB)；形成用於加熱該感測器區(SB)之一加熱裝置(HE)，該加熱裝置(HE)配置於該隔膜區(M)中或該隔膜區(M)上；其中以使得該隔膜區(M)具有用於該後側空腔(K)之壓力等化的一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)的方式形成該隔膜區(M)。
12. 如申請專利範圍第11項之方法，其中藉由一蝕刻製程形成該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)。
13. 如申請專利範圍第11項或第12項之方法，其中以使得該後側空腔(K)之側壁(S)實質上垂直於該前側(VS)而延伸的方式在一溝槽蝕刻製程中形成該後側空腔(K)。
14. 如申請專利範圍第12項之方法，其中藉由一電漿蝕刻製程、一濕式化學蝕刻製程或一雷射製程形成該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)。
15. 如申請專利範圍第11項至第14項中任一項之方法，其中藉由一曝光蝕刻製程形成該隔膜區(M)，在該曝光蝕刻製程中移除位於該隔膜區(M)下方之一犧牲層，其中在執行該曝光蝕刻製程之前藉由一電漿蝕刻製程、一濕式化學蝕刻製程或一雷射製程形成該一或多個壓力等化孔(L1至L6；L1至L4)。