专利名称：微机电系统元件及用于其中的防止变形结构及其制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种具有防止变形结构的微机电系统(MEMS)元件，以及用于其中的防止变形结构及其制作方法。
现有技术图1显示美国第4，901, 570号专利案所公开的ー种MEMS元件。如图1所示，MEMS 元件10包含质量块11 ；支撑板12 ；悬臂梁(cantilever) 13 ；形成于质量块11与支撑板12 表面的氮化硅层14 ；以及桥接段15。一般情况下，MEMS元件10通过感测质量块11的位移而产生讯号，但为避免在意外状况下损害元件(例如不慎摔落)，此现有技术以两种方式来限制质量块11的移动范围第一，以桥接段15限制质量块11的转动，且桥接段15亦可以略微限制质量块11的出平面(out-of-plane)移动；第二，悬臂梁13利用氮化硅层14附着于支撑板12，其剖面轮廓高出质量块11 ー间隙16，以限制质量块11的出平面移动高度。此现有技术中，质量块11与支撑板12的材质为硅，悬粱臂13的材质为多晶硅，换言之，此MEMS元件10须制作于金属制程之前，才能以硅基板作为MEMS元件的质量块11与支撑板12，而无法应用于以金属材质作为质量块，且支撑的硅基板位于质量块下方的MEMS 元件结构。并且，该现有技术必须使支撑板12环绕质量块11，以使悬臂梁13可附着于支撑板12的上方环绕质量块11的四周，才可充分限制质量块11的位移，因此其元件将占用较大面积而不利于微縮。图2显示美国第7，237，316号专利案所公开的ー种MEMS元件的剖视图。其制造方法是于制作出绝缘层上硅晶(silicon on insulator，SOI)之后，以蚀刻的方式于玻璃板 25的表面上定义出质量块21、支撑板22、阻止层23等。如图2所示，MEMS元件20中，质量块21与支撑板12皆是利用半导体基板所蚀刻而成；而阻止层23与质量块21间的间隙26， 是利用绝缘层M的高度定义，且蚀刻绝缘层M的一部分后所形成。同样地，此MEMS元件20须制作于金属制程之前，而无法应用于以金属材质作为质量块，且支撑的半导体基板位于质量块下方的MEMS元件结构。并且，该现有技术同样必须使支撑板22环绕质量块21 (图2仅示出其中ー边)，以使阻止层23可附着于支撑板22的上方环绕质量块11的四周，才可充分限制质量块11的位移，因此其元件的尺寸也同样不易微縮。有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出ー种具有防止变形结构的微机电系统元件，以及用于其中的防止变形结构及其制作方法。
发明内容
本发明目的之ー在于克服现有技术的不足与缺陷，提出ー种具有防止变形结构的微机电系统(MEMQ元件。本发明另一目的在干，提出一种用于微机电系统元件中的防止变形结构。本发明再一目的在干，提出一种微机电系统元件的制作方法。
为达上述目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种微机电系统元件，设置于一基板上，包含一动件；以及ー防止变形结构，其具有附着于该基板的一固定栓；多个金属层，其包含一最上层金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓；其中，该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。上述微机电系统元件中，该防止变形结构由俯视图视之，宜位于该微机电系统元件整体结构的内部。上述微机电系统元件可包含至少ー弹簧；一与弹簧连接的质量块；以及与质量块连接的至少ー感测电极区，其中该感测电极区可包含同平面感测电极区与出平面感测电极区，且该动件可包括该弹簧、该质量块、与该感测电极区之一或任两者以上。就另ー个观点言，本发明提供了一种用于微机电系统元件中的防止变形结构，设置于一基板上，该微机电系统元件包含ー动件，该防止变形结构包含附着于该基板的一固定栓；多个金属层，其包含一最上层金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓，其中， 该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。在上述防止变形结构的较佳实施形态中，该最上层金属层与该多个金属栓中最上层金属栓，从剖视图标之，大致呈为L字形或T字形。再就另ー个观点言，本发明提供了一种微机电系统元件的制作方法，包含提供一基板；形成附着于该基板的一固定栓；形成多个金属层与连接该多个金属层的多个金属栓，并定义该多个金属层与该多个金属栓的图案，以区分出一动件与一固定结构；以及在该固定结构上形成金属栓与最上层金属层，并使该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。下面通过具体实施例详加说明，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。
图1显示美国第4，901，570号专利案所公开的ー种MEMS元件；图2显示美国第7，237，316号专利案所公开的ー种MEMS元件制造方法的MEMS元件剖视图；图3显示本发明的第一个实施例的剖视图；图4显示MEMS元件30的俯视图；图5A-5J显示本发明的防止变形结构33的制作方法实施例；图6A与6B显示本发明的另两个实施例。图中符号说明10，20，30微机电系统元件11，21，312 质量块12支撑板13悬臂梁14氮化硅层
15桥接段
22支撑板
23阻止层
24绝缘层
25玻璃板
26间隙
31动件
31a金属栓
31b金属层
311弹簧
312质量块
313同平面感测电极区
314出平面感测电极区
32基板
33防止变形结构
33a固定栓
33b金属层
33c金属栓
33d最上层金属栓
33e最上层金属层
h限制高度
W宽度
具体实施例方式本发明中的图式均属示意，主要意在表示各装置以及各元件之间的功能作用关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。图3显示本发明的第一个实施例的剖视图。微机电系统(MEMS)元件30设置于基板32上。MEMS元件30包含防止变形结构33，其具有附着于基板32的固定栓33a、多个金属层33b、金属栓33c、最上层金属栓33d、与最上层金属层33e。如图所示，MEMS元件30另包含动件31，动件31例如由至少ー金属栓31a与多个金属层31b所构成，但当然亦可仅具単一金属层。动件31可为MEMS元件30中可以移动的任何部份，例如但不限于可以为弹簧 (spring)、质量块(proof mass)、或感测电极区(sense electrode)。请继续參阅图3，最上层金属33e的底表面，高于动件31顶表面一限制高度h，并且，最上层金属3 与动件31， 由俯视图视之，请參阅图4，具有一部分重叠，以限制动件31的出平面(out-of-plane)移动高度低于该限制高度h。图4显示MEMS元件30的俯视图。MEMS元件30包含弹簧311 ；与弹簧311连接的质量块312 ；感测电极区；以及防止变形结构33 ；其中，感测电极区包含同平面(in-plane) 感测电极区313与出平面感测电极区314。如图所示，防止变形结构33可以用于限制弹簧 311、质量块312、或感测电极区313、314的出平面移动不超过高度h，以防止因无限制的出
6平面移动造成这些动件变形或断裂。图中所示防止变形结构33的安排位置仅是举例，意在表示防止变形结构33可视需要设置于任何合适的位置，其大小、形状、布局可为规则或不规则的图案而并无特定的限制，仅需要(參阅图3)最上层金属3 与动件31有一部分重叠即可。重点是防止变形结构33可设置在MEMS元件30的内部而不必围绕MEMS元件30 的四周，因此MEMS元件30的尺寸可不必因设置防止变形结构33而大幅増加。请參阅图5A-5H的剖面图，显示本发明的防止变形结构33的制作方法实施例。首先，如图5A所示，提供基板32。接下来，如图5B所示，形成牺牲层34于基板32上，牺牲层 34的材料例如为氧化物。再接下来形成固定栓33a与第一层金属层31b与33b，其方法例如但不限于如图5C-5F所示，先利用微影蚀刻、沉积、化学机械研磨等技木，形成固定栓33a 附着于基板32上(图5C与5D)，接着再沉积金属材料于牺牲层34表面上，并利用微影蚀刻技木，形成第一层金属层31b与33b (图5E与5F)。或是，如图5G与5H所示，亦可用双重镶嵌法(dual damascene)来形成固定栓33a与第一层金属层31b与33b。以类似方式反复沉积牺牲层34、形成金属栓31a与33c、形成金属层31b与33b，可形成多个层的金属栓31a与33c及金属层31b与33b，再形成最上层金属栓33d、与最上层金属层3 后，其剖视图如图5G所示。接下来，例如但不限于利用选择性的湿蚀刻技木，或利用氟化氢蒸气蚀刻技术，将牺牲层34去除，即可形成防止变形结构33，如图51所示。需说明的是动件31与防止变形结构33可如本实施例所示同步形成，当然亦可以分别形成。 必须注意的是，如图5J所示，最上层金属3 高于动件31限制高度h ；且动件31与防止变形结构33，由俯视图视之，具有一部分重叠，以限制动件31的出平面移动高度低于限制高度ho图6A与6B显示本发明的另两个实施例。如图6A与6B所示，本发明的防止变形结构33由剖视图视之并不限于第一个实施例所示的T字形，亦可以如图6A与6B所示的L 字形。其中，动件31与防止变形结构33部分重叠，从剖视图视之，重叠部分的宽度，如图6A 与6B中，箭号所示的宽度w，宜(但不限制干)至少等于1微米；此宽度数值亦可应用于第一个实施例所示的T字形结构中。但须明白的是，宽度数值与MEMS元件本身的尺寸和布局图案有关，因此上述1微米应视为其中ー种举例，而非限制本发明的范围。以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，本发明的金属层不限于实施例所示，可为其它多个层；再如，每层固定栓或金属栓数量不限于単一，亦可以为多个固定栓或金属栓；又如，由俯视图视之，防止变形结构不限于如图所示的矩形或圆形，亦可以为其它任意形状；又如， 各结构部份的形状不限于实施例所示而可以改变，例如质量块312不限于为方形等等。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。
权利要求
1.一种微机电系统元件，设置于一基板上，其特征在干，包含 ー动件；以及一防止变形结构，其具有 附着于该基板的一固定栓； 多个金属层，其包含一最上层金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓；其中，该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。
2.如权利要求1所述的微机电系统元件，其中，该防止变形结构由俯视图视之位于该微机电系统元件整体结构的内部。
3.如权利要求1所述的微机电系统元件，其中，该微机电系统元件包含至少ー弹簧；一与弹簧连接的质量块；以及与质量块连接的至少ー感测电极区；其中该动件包括该弹簧、 该质量块、与该感测电极区之一或任两者以上。
4.如权利要求3所述的微机电系统元件，其中，该感测电极区包含以下之一或两者同平面感测电极区与出平面感测电极区。
5.如权利要求1所述的微机电系统元件，其中，该最上层金属层与该动件的重叠部分， 宽度至少等于1微米。
6.一种用于微机电系统元件中的防止变形结构，设置于一基板上，其特征在干，该微机电系统元件包含ー动件，该防止变形结构包含附着于该基板的一固定栓；多个金属层，其包含一最上层金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓，其中，该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。
7.如权利要求6所述的防止变形结构，其中，该最上层金属层与该多个金属栓中最上层金属栓，从剖视图视之，呈为L字形或T字形。
8.如权利要求6所述的防止变形结构，其中，由俯视图视之，该防止变形结构位于该微机电系统元件的内部。
9.一种微机电系统元件的制作方法，其特征在干，包含 提供一基板；形成附着于该基板的一固定栓；形成多个金属层与连接该多个金属层的多个金属栓，并定义该多个金属层与该多个金属栓的图案，以区分出一动件与一固定结构；以及在该固定结构上形成金属栓与最上层金属层，并使该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。
10.如权利要求9所述的微机电系统元件的制作方法，其中，该固定结构位于微机电系统元件整体结构的内部。
11.如权利要求9所述的微机电系统元件的制作方法，其中还包含形成牺牲层围绕该多个金属层与该多个金属栓、以及在该固定结构上的金属栓与最上层金属层；以及蚀刻去除该牺牲层。
全文摘要
本发明提出一种具有防止变形结构的微机电系统(MEMS)元件，设置于基板上，包含一动件；以及一防止变形结构，其具有附着于该基板的一固定栓；多个金属层，其包含一最上层金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓；其中，该最上层金属层由俯视图视之，与该动件具有一部分重叠，且由剖面图视之，该最上层金属层的底表面高于该动件顶表面一限制高度。同时，本发明还提出一种用于微机电系统元件中的防止变形结构，以及一种微机电系统元件的制作方法。
文档编号B81C1/00GK102583217SQ201110008099
公开日2012年7月18日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者王传蔚 申请人:原相科技股份有限公司