估算結構的側壁歪斜角的制作方法

估算結構的側壁歪斜角的制作方法
【專利摘要】本發明涉及估算結構的側壁歪斜角。裝置（36）包括運動放大結構（52）、致動器（54）以及接近所述結構（52）的傳感電極（50）。所述致動器（54）在所述結構（52）上引起軸向力（88），其在所述結構（52）一個或多個梁（58、60）內導致了相對大量的面內運動（108）。當梁（58、60）的側壁（98）展示歪斜角的時候，梁（58、60）的面內運動（108）產生了被連接到梁（58、60）的末端的槳元件（62）的面外運動（110）。由蝕刻工藝產生的歪斜角（28）限定了梁（58、60）的側壁（98）偏移于或傾斜于其設計取向的度數。元件（62）的面外運動（110）在電極（50）被感測，并被用于確定估算的歪斜角（126）。
【專利說明】估算結構的側壁歪斜角

【技術領域】
[0001] 本發明通常涉及微機電系統(MEMS)器件。更具體地說，本發明涉及制作不易受到 正交誤差影響的MEMS器件。

【背景技術】
[0002] 近年來，微機電系統（MEMS)技術得到了廣泛的普及，因為它提供了制作非常小的 機械結構并且用傳統批量半導體加工技術在單一襯底上將這些結構與電器件進行整合的 方法。MEMS的常見的應用是傳感器器件的設計和制作。MEMS傳感器器件被廣泛應用于例 如汽車、慣性導航系統、家用電器、游戲器件、各種器件的保護系統、以及許多其它的工業、 科學、以及工程系統中。MEMS傳感器的一個例子是MEMS角速度傳感器。角速度傳感器感測 繞一個或多個軸的角速度或速率。其它MEMS傳感器器件可以被用作致動器、開關、泵等等。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0003] 結合附圖并參照詳細說明書以及權利要求書，對本發明可以有比較完整的理解， 其中在附圖中類似的參考符號表示類似的元件，附圖不一定按比例繪制，并且：
[0004] 圖1顯示了具有不對稱傾斜側壁的微機電系統(MEMS)器件的梁元件的截面圖；
[0005] 圖2顯示了圖1的梁元件的截面圖，示例了響應于不對稱傾斜側壁的梁元件的運 動；
[0006] 圖3根據實施例，顯示了用于估算梁的側壁的歪斜角的測試系統的方框圖；
[0007] 圖4根據實施例，顯示了用于估算歪斜角的測試裝置的頂視圖；
[0008] 圖5顯示了圖4的測試裝置的側視圖；
[0009] 圖6根據實施例，顯示了歪斜角估算過程的流程圖；
[0010] 圖7顯示了在圖4的測試裝置內實施的運動放大結構的透視圖；
[0011] 圖8顯示了運動放大結構的沿著圖7的剖面線8-8的部分的側視圖；
[0012] 圖9顯示了可以被用于估算歪斜角的仿真結果的標繪圖；
[0013] 圖10根據另一個實施例，顯示了測試裝置的頂視圖；
[0014] 圖11顯示了可以被用于估算在一個方向上的歪斜角的仿真結果的標繪圖；以及
[0015] 圖12顯示了可以被用于估算在另一個方向上的歪斜角的仿真結果的標繪圖。

【具體實施方式】
[0016] 在振動型微機電系統(MEMS)角速度傳感器中，固有的問題就是存在不期望有的干 擾信號，其被稱為正交分量或正交誤差。由于允許懸浮質量塊在其預期的驅動運動的面外 振蕩的制作缺陷，正交誤差可以在角速度傳感器中發生。這種面外運動可以創建關于傳感 軸的振蕩，其可以與科里奧利加速度以及隨后與旋轉速度混淆。不幸的是，正交誤差可導致 偏移誤差、減小的動態范圍、以及增加的器件噪聲。由于顯著垂直運動，大的正交誤差甚至 可以導致器件沿軌移動電子電路，所以在最壞的情況下，傳感質量塊可能會接觸導電電極， 有可能導致與碰撞相關的損傷，例如短路。
[0017] 正交誤差的主要來源是源自制作過程中的不足的尺寸精度。例如，在蝕刻MEMS結 構層過程中源自深反應離子刻蝕（DRIE)等離子的偏離垂直離子沖擊可以在形成于MEMS結 構層內的元件側壁內產生非對稱傾斜蝕刻圖案。非對稱蝕刻輪廓可以導致主軸的移位。面 內運動其本身耦合于面外運動。在帶有面外感測模式的X-軸和Y-軸角速度傳感器中，面 外運動是正交誤差的主要貢獻者。
[0018] 參照圖1-圖2,圖1顯示了具有不對稱傾斜側壁22、24的梁元件20的截面圖，以 及圖2顯示了梁元件20的截面圖，其例證了響應于不對稱傾斜側壁22、24的梁元件20的 運動。側壁22、24遠離用虛線26表示的設計取向而傾斜。傾斜度數被稱為歪斜角，α。在 圖1所示的例子中，側壁22以歪斜角28, a R向內傾斜，側壁24以歪斜角30, a L向內傾 斜。因此，歪斜角28限定了側壁22相對于垂直于底層襯底31的平坦表面29的軸，即虛線 26,的非平行的度數。同樣，歪斜角30限定了側壁24相對于垂直于底層襯底31的平坦表 面29的軸，即虛線26,的非平行的度數。
[0019] 歪斜角28可能不等于歪斜角30。例如，如圖所示，歪斜角28大于歪斜角30。這 將在梁元件20內導致不均勻，S卩，非對稱傾斜的，蝕刻圖案。如圖2所示，梁元件20的非對 稱傾斜蝕刻輪廓會導致主軸32的移位。主軸32的這種移位可以導致梁元件20的面內運 動耦合于有助于正交誤差的面外運動。面外運動由圖2中的傾斜雙向箭頭33表示。
[0020] 對在一些MEMS器件，例如，角速度傳感器，的側壁的歪斜角28和30的了解對理解 MEMS器件中正交誤差的影響是至關重要的，其中歪斜角是在制作過程中由于不足尺寸精度 產生的。當歪斜角28和30是已知的時候，它們可以被添加到角速度傳感器模型的幾何形 狀。數值模擬可以在角速度傳感器模型上運行以預測，以給定歪斜角28和30,角速度傳感 器設計能夠產生多少正交誤差。
[0021] 已嘗試直接測量結構，例如梁元件20,的歪斜角以表征正交誤差的可能性。然而， 歪斜角28和30不容易直接通過橫切法測量，因為它們會非常小。例如，歪斜角28和30可 能在〇. 2度的級別上。其它方法包含探測MEMS器件，例如MEMS角速度傳感器，以確定正交 誤差的嚴重性。然而，這些方法要求真空密封MEMS器件或專門探測室以及精細的測量能 力。
[0022] 實施例包含測試裝置、測試系統、用于估算MEMS器件的側壁的歪斜角的方法以及 基于方法的結果制作MEMS器件，其中歪斜角是由可以被用于制作MEMS器件的特定蝕刻工 藝產生的。所述測試裝置、測試系統和方法被實施以在周圍環境條件下由靜態探頭測量估 算側壁歪斜角。在器件晶圓上的任何位置，所述測試裝置設計可以使所述側壁歪斜角的估 算在大約10%內，其中測試裝置在器件晶圓上被制作。因此，測試方法的結果可以被估算以 確定特定蝕刻工藝的功效和/或測試對蝕刻工藝的改進以將歪斜角降低到可接受的范圍 內。
[0023] 用于估算所述側壁歪斜角的測試裝置、測試系統、以及方法可以在各種MEMS器件 上，例如，角速度傳感器、光學器件等等，被實施，其中面內到面外耦合（由允許懸浮質量塊 在其預期驅動運動的面外運動的制作缺陷產生的)可以不利地影響MEMS器件的輸出和/或 操作。
[0024] 圖3根據實施例，顯示了用于估算通過使用蝕刻工藝形成的梁中的側壁歪斜角的 測試系統34的方框圖。通常，測試系統34包括被包含在器件晶圓38上的測試裝置36。測 試裝置36可以通過使用被評估的特定蝕刻工藝來形成。測試系統34還包括用于將驅動信 號42,例如，直流（DC)電壓信號42,提供給測試裝置36的致動電極44的電壓源40。此外， 測試系統34包括用于從測試裝置36的傳感電極50接收信號，例如，電容信號48 (用"C" 表示）的測試設備46。為了說明的目的，電容信號48在本發明中被稱為基線電容信號48。 根據歪斜角估算過程，正如在下面更詳細討論的，源自基線電容信號48的電容變化可以被 測量。
[0025] 通常，測試裝置36包括通過電壓源40被致動的機械放大結構（下面將討論)。機 械放大結構將相對大量的面內彎曲施加于一個或多個梁。如果梁具有側壁歪斜角，或更具 體地說，當非對稱傾斜蝕刻圖案(示于圖1和圖2中)形成于梁側壁內的時候，這個大的靜態 面內彎曲產生了面外運動。面外運動的度數與歪斜角相關。測試設備46可以被用于測量 梁前端的垂直運動以推斷歪斜角。在一些實施例中，傳感電極50是形成于接近機械放大結 構的一些有利位置的電容傳感器，以感測垂直（即，面外）運動并將電容信號48傳送到測試 裝置36。
[0026] 測試裝置36包括一個或多個通過使用被評估的特定蝕刻工藝形成于器件晶圓38 的襯底上的結構。這些一個或多個結構可以形成于襯底上的合適的位置以估算在襯底的廣 泛的表面區域內由蝕刻工藝產生的歪斜角。測試裝置36獨立于MEMS器件，該MEMS器件將 使用在評估過程中的蝕刻工藝制造。因此，在一些實施例中，器件晶圓38可以是器件晶圓， 其中只有測試裝置36在其上形成。在其它實施例中，器件晶圓38可以是器件晶圓，其中通 常由參考符號51表示的MEMS器件(例如，角速度傳感器)與一個或多個測試裝置36在其上 被一同放置。然而，測試裝置36在襯底上位于與MEMS裝置（51)不同的物理位置。
[0027] 參照圖4和圖5,圖4根據實施例，顯示了用于估算歪斜角的一個測試裝置36的頂 視圖，以及圖5顯示了圖4的測試裝置36沿著剖面線5-5的側視圖。測試裝置36主要包 括懸浮在襯底53上方的運動放大結構52、致動器54以及形成于襯底53的平坦表面56上 的至少一個傳感電極50。如前所述，器件晶圓38可能僅包含測試裝置36。可替換地，器件 晶圓38可能包含與也形成于襯底53上的MEMS器件51 (圖3)放置在一起，但獨立于MEMS 器件51的一個或多個測試裝置36。因此，為了簡化說明，包括一個測試裝置36的器件晶圓 38的僅一部分被示出。
[0028] 運動放大結構52包括第一梁58、第二梁60以及槳元件62。第一梁58具有第一 可移動端64、被配置以彎曲的中間區域66以及第二端68。第二梁具有第四端74和通過錨 72固定到襯底53的第三端70。第一梁58的第二端68和第二梁60的第四端74被連接到 槳兀件62。在實施例中，第一和第二梁58和60彼此相鄰，以便第一梁58的第二端68和第 二梁60的第四端74耦合于槳元件62的共用邊緣76 (S卩，相同邊緣)。然而，在其它實施例 中，第一和第二梁58和60可以彼此不相鄰。傳感電極50被放置在懸浮槳兀件62下面的 襯底53的表面56上。
[0029] 測試裝置36的各個組件是通過不同陰影和/或剖面線來說明的以區分產生于測 試裝置36的結構層內的不同元件。結構層內的這些不同元件可以利用沉積、圖案化、蝕刻 等等的表面微機械加工技術而生成。因此，雖然附圖內可以利用了不同的陰影和/或剖面 線，結構層內的不同元件通常是由相同的材料制成的，例如多晶硅、單晶硅等等。
[0030] 此外，本發明中所使用的術語"第一"、"第二"、"第三"、"第四"等等不指可數系列 元件內的元件順序或優先次序。相反，為了清楚討論，術語"第一"、"第二"、"第三"、"第四" 被用于區分特定元件。測試裝置36的元件可以被不同地描述為"附著到"、"被附上"、"耦 合"、"被連接到"或"互聯"到測試裝置36的其它元件。然而，應了解，這些術語指示測試裝 置36的特定元件的直接或間接物理連接，所述連接發生在MEMS器件制作的沉積、圖案化和 蝕刻過程內的測試裝置36的特定元件形成期間。
[0031] 致動器54包括懸浮在襯底53上方的并稱合于第一梁58的第一端64的可移動兀 件80。致動器54還包括一個或多個固定到襯底53的錨82和互連于可移動元件80和錨元 件82之間的順從元件84。致動器54還包括一個或多個靠近可移動元件80放置的致動電 極44。
[0032] 在一些實施例中，可移動元件80是具有多個開口 86的框架結構，其中一個致動電 極44被放置在每一個開口 86內。然而，在其它實施例中，可移動兀件80和致動電極44可 以變化很大。例如，在一些實施例中，每一個開口 86可能包括兩個被適當排列以啟動雙向 制動的相鄰致動電極44。導電跡線、墊、互連、測試點等等(未顯示)可以以已知方式在襯底 53上、襯底53內或接近襯底53處形成，以用于形成電壓源40 (圖3)和致動電極44之間 的導電路徑。
[0033] 圖5中所示的測試裝置36的截面側視揭示了傳感電極50、錨72 (耦合于第二梁 60的第三端70)、以及致動電極44與襯底53的表面56的固定連接。此外，測試裝置36的 側視圖揭示了襯底53的表面56上方的槳元件62、可移動元件80以及順從元件84的懸浮 配置。雖然在側視圖中不可見，第一和第二梁58和60以相似的方式懸浮在襯底53的表面 56上方。測試裝置36可以通過使用常規表面微機械加工技術，包括犧牲材料沉積、圖案化 和刻蝕來形成以實現梁58、60、槳元件62、可移動元件80以及順從元件84的釋放和懸浮結 構。
[0034] 正如在下面將要更詳細討論的，致動信號42(圖3)被施加于致動電極44。致動信 號42通過靜電力啟動了可移動元件80相對于固定錨元件82的運動。即，順從元件84進 行彎曲以啟動可移動元件80朝第一梁58的平面運動。因為可移動元件80耦合于第一梁 58的第一端64,可移動兀件80的運動在第一梁58的第一端64引起由圖1中的箭頭88表 示的軸向力。
[0035] 在示例實施例中，三維坐標系被提供，其顯示了 X-軸90、Y-軸92和Z-軸94,其 中Z-軸94垂直于襯底53的表面56。因此，測試裝置36被示為在X-Y平面96內具有大致 平坦結構，其中X-軸90和Y-軸92基本上平行于襯底53的表面56以及Z-軸94垂直于 X-Y平面96延伸。
[0036] 在示例實施例中，軸向力88被定向大致為平行于X-軸90，并且因此平行于平坦表 面56。順從元件84在平行于Z-軸94的方向的高度顯著大于其在平行于X-軸90的方向 的寬度。此外，順從元件84在平行于Y-軸92的方向的長度顯著大于順從元件84的高度 和寬度其兩者。因此，順從元件84是柔性的，以允許可移動元件80朝第一梁的第一端64 運動以引起軸向力88。然而，順從元件84在垂直于表面56的方向上（S卩，平行于Z-軸94 的方向）是相對剛性的，以防止或限定可移動元件80的靜電懸浮。本領域所屬技術人員將 認識到順從元件84可以以很多種的形狀和取向被配置，并有具有啟動可移動元件80的運 動的任何合適剛性。
[0037] 當軸向力88是超過臨界值的壓縮軸向力的時候，第一梁58沿其長度，Q被軸向壓 縮，以及可移動第一端64軸向地位移（S卩，在平行于X-軸90的方向上)。同樣，當軸向力88 是超過臨界值的拉伸軸向力的時候，第一梁58被軸向地拉伸（S卩，在平行于X-軸90的方向 上)，并再次，可移動第一端64軸向地位移。由于與槳元件62、第二梁60和錨72的互聯，第 二端68被有效地固定。因此，第一梁58的可移動第一端64的軸向位移（響應于壓縮軸向 力或拉伸軸向力88)可以導致第一梁58的中間區域66,以及第二梁60,在X-Y平面96內 橫向變曲或彎曲。該彎曲在發明中被稱為面內運動，其中面內運動大致平行于平坦表面56。
[0038] 第一和/或第二梁58和60的側壁98 (由圖7最好地表示的）的歪斜角的任何組 合可以產生運動放大結構52的前端的位移，即槳元件62的位移，其中所述歪斜角是由被用 于形成測試裝置36的特定蝕刻工藝產生的。槳元件62的位移是大致平行于Z-軸94的垂 直位移。因此，槳元件62的位移在本發明中被稱為面外運動，其中面外運動是大致垂直于 平坦表面96。槳元件62的位移在傳感電極50被感測為電容變化信號。位移的大小，S卩，源 自基線電容信號48的電容變化，對應于形成于第一和第二梁58和60的不是一個就是兩個 的側壁98的歪斜角的度數。
[0039] 運動放大結構52的雙梁58、60和槳元件62啟動了一個或兩個梁58和60的相對 大量的面內運動。如果梁58、60具有由蝕刻工藝產生的側壁的歪斜角，這個相對大量的面 內運動產生了槳元件62的面外運動。面外運動的度數與歪斜角的大小相關，因此，槳元件 62的垂直運動的測量可以被用于估算歪斜角。因此，測試裝置36可以在測試系統34內被 利用以估算由蝕刻工藝產生的歪斜角以確定蝕刻工藝是否是合適的或蝕刻工藝是否需要 改進。
[0040] 圖6根據實施例，顯示了利用測試裝置36 (圖4)的歪斜角估算過程100的流程 圖。歪斜角估算過程100可以利用包含了測試裝置36 (圖4)的測試系統34 (圖3)被執行 以估算由特定蝕刻工藝產生的歪斜角。測試方法的結果可以被估算以確定特定蝕刻工藝的 功效和/或測試對蝕刻工藝的改進以將歪斜角降低到可接受的范圍內。因此，當歪斜角在 可接受的范圍內的時候，MEMS器件51 (圖3)可以基于估算過程100的結果被制作。
[0041] 歪斜角估算過程100開始于任務102。在任務102,包含了至少一個測試結構36 (圖4)的器件晶圓，例如，器件晶圓38 (圖3)，被提供。器件晶圓38是通過使用被評估的特 定蝕刻工藝形成的。該蝕刻工藝可以例如是深反應離子蝕刻（DRIE)工藝或被實施以形成 MEMS器件51的懸浮結構的任何其它工藝。在一些實施例中，執行歪斜角估算過程100的設 施也可能是形成了器件晶圓38的設施。可替代地，包含了至少一個測試結構36的器件晶 圓38可以由另一用于評估的加工設施來提供。
[0042] 過程100繼續到任務104。在任務104,器件晶圓38被適當地連接到測試系統34 (圖3)內的電壓源40 (圖3)和測試設備46 (圖3)。任務104可以在傳統測試環境下進行， 而不需要把包含在器件晶圓38上的測試裝置36放置在真空密封環境或專門探測室中。
[0043] 在任務102和104之后，任務106被執行。在任務106,致動信號42(圖3)，例如， DC偏置電壓，被施加到致動電極44 (圖4)。
[0044] 結合任務106參照圖7和圖8。圖7顯示了在測試裝置（圖4)36內實施的運動放 大結構52的透視圖以及圖8顯示了運動放大結構52的沿著圖7的剖面線8-8的部分的側 視圖。致動信號42 (圖3)的施加引起了在第一梁58的第一端64上的軸向力88以使第一 梁58的中間區域66以及潛在的第二梁60彎曲，即面內運動108。在該例子中，軸向力88 是拉伸軸向力。然而，在其它實施例中，致動電極44 (圖4)可以被配置為生成雙向致動以 交替地產生拉伸軸向力和壓縮軸向力其兩者。當至少第一梁58的一個或兩個側壁98 (圖 7)展示相對于Z-軸94的歪斜角的時候，面內運動108產生了位移，S卩，槳元件62的面外運 動 110 (圖 8)。
[0045] 返回參照圖6并且繼續參照圖7和圖8,任務112結合任務106被執行。在任務 112,漿元件62的位移，S卩，面外運動110,在傳感電極50處被感測為在槳元件62和底層傳 感電極50之間的相對于基線電容值48 (圖3)的電容變化信號114, dC。在傳感電極50處 的電容變化信號114可以使用測試設備46 (圖3)的傳統測試探頭被測量。
[0046] 返回參照圖6,歪斜角估算過程100繼續到任務116。在任務116,電容變化信號 114與電容變化對測試裝置36(圖4)的歪斜角的模型進行比較以估算第一梁58的歪斜角。
[0047] 結合任務116參照圖9,圖9顯示了可以被用于估算歪斜角的仿真結果的圖118。 在一些實施例中，圖118包括水平軸的歪斜角120, Θ，對垂直軸的電容變化值122, dC。歪 斜角120以90度為中心，其中90度對應于垂直于平坦表面56 (圖4)的軸，即Z-軸94。因 此，90度的歪斜角120對應于沒有歪斜角，S卩，等于零的歪斜角。當歪斜角為零時的電容可 以是針對測試裝置36的任何基線電容值48(圖3)。圖118的縱軸表示了響應于槳元件62 的位移，即，面外運動110,基線電容值48和電容變化之間的變化（即差值)。
[0048] 在實施例中，有限元分析可以被用于確定特定測試裝置36的電容變化和歪斜角 之間的相關性。歪斜角測量結構，即，測試結構36,可以被建模以包括一個歪斜角120,并且 然后模擬對應于由測試結構36的設計所設置的行程極限的面內變形，S卩，面內運動108(圖 7)。圖118表示了仿真結果，其形成了電容變化122和歪斜角120之間的傳遞函數124。
[0049] 源自測試結構36的電容測量，S卩，電容變化信號114(圖8)，和測試結構36上的歪 斜角之間的相關性可以使用圖118來確定。即，一旦電容變化信號114(圖8)在任務112被測 量，所測量的電容變化信號114可以與圖118中的歪斜角120相關聯，以估算第一梁58(圖 4)的歪斜角。通過舉例的方式，如果電容變化信號114的量值大約為8fF(fempt 〇farads)， 傳遞函數124揭示了大約0. 1度的估算的歪斜角126。
[0050] 繼續參照圖6和圖9,在任務116之后，歪斜角估算過程100繼續進行查詢任務 128。在查詢任務128,估算的歪斜角126被評估以確定它是否在可允許的歪斜角范圍內。 在該例子中，做出了估算的歪斜角126是否在歪斜角的可允許的范圍內的決定。如圖118 中所示的，歪斜角120的可允許的范圍130可以是±0. 2度。當估算的歪斜角126落在可 允許的范圍130內的時候，過程100繼續進行到任務132。在任務132,被用于形成測試裝 置36 (圖4)的蝕刻工藝可以在制作MEMS器件51 (圖3)被接受使用。
[0051] 因此，響應于任務132,過程100的塊136表示執行了使用所接受的蝕刻工藝的 MEMS器件制作工藝以制作MEMS器件51。簡便起見，在本發明中沒有詳細提供MEMS器件的 制作工藝136的細節。然而，應了解被用于制作測試裝置36的相同制作工藝可以被實施以 制作MEMS裝置51。特別是，結合歪斜角估算過程100被評估的同一蝕刻工藝可以被實施以 制作MEMS器件51。
[0052] 可替換地，正如在查詢任務128所確定的，當估算的歪斜角126落在可允許范圍 130之外的時候，過程100繼續到任務134。在任務134,用于形成測試裝置36的蝕刻工藝 可能在制作MEMS器件51時被拒絕使用。即，蝕刻工藝可能需要改進以獲得可接受的減小 的歪斜角。在任務132和134的任一個之后，歪斜角估算過程100結束。
[0053] 在一些實施例中，估算的歪斜角126可以被額外地添加到MEMS器件，例如，角速度 傳感器，模型的幾何形狀。數值模擬可以隨后被運行以預測，以估算的歪斜角126,設計能夠 產生多少正交誤差。因此，歪斜角估算過程100可以被執行以表征由特定蝕刻工藝產生的 側壁歪斜角。如果蝕刻工藝中不能被改進以減少側壁歪斜角，正交誤差可能是太大了。
[0054] 應了解，圖6中所描繪的某些個過程塊可以彼此平行執行或與執行其它過程一起 執行。此外，應了解，圖6中所描繪的過程塊的具體順序可以被修改，同時實現了基本上相 同的結果。因此，這樣的修改旨在被包括在本發明主題的范圍內。
[0055] 圖10根據另一個實施例，顯示了測試裝置140的頂視圖。測試裝置140包括多個 懸浮在襯底53的表面56上方的運動放大結構52,其中多個運動放大結構52的每一個都 包括第一梁58、第二梁60以及槳元件62。在實施例中，測試裝置140還包括多個傳感電極 50,每一個傳感電極50都接近每一個槳元件62。在所示出的例子中，傳感電極形成于槳元 件62下面的襯底53的表面56上。測試裝置140采用4個運動放大結構52和相應的傳感 電極50,而且以便測試裝置140可以估算相對于兩個軸，即X-軸90和Y-軸92的歪斜角， 以便測試裝置140對兩個軸的每一個中的歪斜角是大約兩倍的敏感的。
[0056] 在實施例中，測試裝置140包括在本發明中被稱為第一運動放大結構52A的運動 放大結構52,和另一個在本發明中與第一運動放大結構52A對齊的被稱為第二運動放大結 構52B的運動放大結構52。測試裝置140還包括在本發明中被稱為第三運動放大結構52C 的運動放大結構52,和另一個在本發明中與第三運動放大結構52C對齊的被稱為第四運 動放大結構52D的運動放大結構52。運動放大結構52A、52B、52C和52D被排列，以便結構 52A、52B、52C和52D的第一梁58在測試裝置140的中央位置142被連接。
[0057] 在所示出的實施例中，每個運動放大結構52A、52B、52C和52D具有與每個相應的 第一梁58對齊的縱向軸144。第一和第二運動放大結構52A和52B的縱向軸144與平行于 襯底53的平坦表面56的軸對齊。特別是，第一和第二運動放大結構52A和52B的縱向軸 144與X-軸90對齊，S卩，平行。同樣，第三和第四運動放大結構52C和52D的縱向軸144與 平行于襯底53的平坦表面56的軸對齊。特別是，第三和第四運動放大結構52C和52D的 縱向軸144與Y-軸92對齊，S卩，平行。因此，第三和第四運動放大結構52C和52D被定向 為大致垂直于第一和第二運動放大結構52A和52B。
[0058] 測試裝置140還包括致動器54,其以通過剛性框架148互連的四個電極組146為 形式。每一個電極組146包括可移動元件150和接近可移動元件150的致動電極44,正如 在上面結合圖4討論的。順從元件152互聯于可移動件150和被固定到襯底53的錨元件 154之間。額外的順從元件156可以也被提供以支撐致動器54的一些電極組146。
[0059] 每個電極組146的可移動元件150在中央位置142耦合于每個運動放大結構52A、 52B、52C和52D的第一梁58。包含了多個電極組146的致動器54可以通過將致動信號42 (圖3)施加于致動電極44而被激活。在實施例中，電極組146可以被定向為與相應對的運 動放大結構52A、52B、52C和52D成對角。因此，致動信號42啟動了四個電極組146的可移 動元件150在大致平行于X-Y平面96以及大致與每一個X-和Y-軸90、92成對角的方向 158上的運動。
[0060] 結合圖10簡要地參照圖7,致動器54在運動放大結構52A、52B、52C以及52D的每 一個第一梁58上是可操作的，以便致動器54的激活在第一梁58的第一端64至少引起一 部分軸向力88以導致第一梁58的中間區域66的面內運動108。即，可移動元件150的運 動的對角線方向158在第一梁58的第一端64授予了軸向力88的向量分量。正如先前討 論的，當運動放大結構52A、52B、52C和52D的任何第一梁58具有一個或多個展示歪斜角的 側壁98的時候，第一梁58的彎曲產生了與其對應的槳元件62的位移。對應的槳元件62 的位移隨后在對應的傳感電極50處被感測為電容變化114 (圖8)。
[0061] 參照圖11和圖12,圖11顯示了可以被用于估算在一個方向上的歪斜角的仿真結 果的圖160,和圖12顯示了可以被用于估算在另一個方向上的歪斜角的仿真結果的圖162。 當使用測試裝置140 (圖10)的雙軸配置估算歪斜角的時候，圖160和162可以結合歪斜角 估算過程100 (圖6)被使用。
[0062] 圖160和162的每個包括水平軸的歪斜角120，Θ，對垂直軸的電容變化值122， dC。正如上面所討論的，歪斜角120以90度為中心，其中90度對應于垂直于平坦表面56 (圖4)的軸，即Z-軸94。圖160和162的每個中的縱軸表示響應于位移，基線電容值48和 電容變化之間的變化（即差值)。
[0063] 圖160表示了仿真結果，其為第三和第四運動放大結構52C和52D(圖10)在Y-方 向上形成了電容變化122和歪斜角120之間的傳遞函數164。圖160還表示與X-軸90(圖 10)縱向對齊的第一和第二運動放大結構52A和52B在很大程度上在Y-方向上對側壁歪 斜角是不敏感的。同樣，圖162表示了仿真結果，其為第一和第二運動放大結構52C和52D (圖10)在X-方向上形成了電容變化122和歪斜角120之間的另一個傳遞函數166。圖162 還表示與Y-軸92 (圖10)縱向對齊的第三和第四運動放大結構52C和52D在很大程度上 在X-方向上對于側壁歪斜角是不敏感的。
[0064] 因此，測試裝置、測試系統以及方法的各種實施例已被描述以用于估算MEMS器件 的側壁的歪斜角，所述角度由被用于制作MEMS器件的特定蝕刻工藝產生。測試裝置的實施 例包括懸浮在襯底上方的運動放大結構。運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件。所 述第一梁具有可移動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二端。所述第二梁具有第四 端和固定到所述襯底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四端 被連接到所述槳元件。所述測試裝置還包括在所述第一梁上操作的致動器，以便所述致動 器的激活在所述第一梁的所述第一端引起軸向力以使所述中間區域彎曲，以及包括接近所 述槳元件的傳感電極，其中當所述第一梁的側壁展示相對于垂直于所述襯底的平坦表面的 軸的歪斜角的時候，所述第一梁的所述彎曲產生了所述槳元件的位移，所述槳元件的所述 位移在所述傳感電極處被感測到。
[0065] 用于估算通過使用蝕刻工藝形成的梁的側壁歪斜角的測試系統的實施例包括通 過使用所述蝕刻工藝形成于襯底上的測試裝置。所述測試裝置包括懸浮在所述襯底上方 的運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件。所述第一梁具有可 移動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二端。所述第二梁具有第四端和固定到所述 襯底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四端被連接到所述槳 元件。所述測試裝置還包括在所述第一梁上操作的致動器，以便所述致動器的激活在所述 第一梁的所述第一端引起軸向力以使所述中間區域彎曲，以及包括接近所述槳元件的傳感 電極，其中當所述第一梁的側壁展示相對于垂直于所述襯底的平坦表面的軸的歪斜角的時 候，所述第一梁的所述彎曲產生了所述槳元件的位移，所述槳元件的所述位移在所述傳感 電極處被感測到。所述測試系統還包括與所述傳感電極通信以用于接收表示所述槳元件的 位移的信號的測試設備，其中所述歪斜角限定了所述第一梁的所述側壁偏移垂直于所述襯 底的平坦表面的軸的度數，并且所述位移對應于所述歪斜角的所述度數。
[0066] 方法的實施例包括提供包含測試裝置的器件晶圓，所述測試裝置包括懸浮在器件 晶圓的襯底上方的運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件，所述 第一梁具有可移動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二端，所述第二梁具有第四端 和固定到所述襯底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四端被 連接到所述槳元件。所述方法還包括通過致動器在所述第一梁的所述第一端引起軸向力以 使所述中間區域彎曲以及確定所述槳元件的響應于所述軸向力的位移。
[0067] 方法的另一個實施例包括提供包含測試裝置的器件晶圓，所述測試裝置包括懸浮 在器件晶圓的襯底上方的運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元 件，其中蝕刻工藝被用來生成所述運動放大結構，所述第一梁具有可移動的第一端、被配置 以彎曲的中間區域以及第二端，所述第二梁具有第四端和固定到所述襯底的第三端，其中 所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四端被連接到所述槳元件。所述方法還包 括在所述第一梁的所述第一端引起軸向力以使所述中間區域彎曲、確定所述槳元件響應于 所述軸向力的位移以及估算所述第一梁的側壁的響應于所述位移的歪斜角，所述歪斜角由 所述蝕刻工藝產生，并且所述歪斜角限定了所述第一梁的所述側壁與垂直于所述襯底的平 坦表面的軸不平行的度數。當所述估算的歪斜角超過可允許的歪斜角范圍的時候，拒絕使 用所述蝕刻工藝制作所述MEMS器件。當所述估算的歪斜角在可允許的歪斜角范圍內的時 候，接受使用所述蝕刻工藝制作所述MEMS器件以及使用所述蝕刻工藝制作所述MEMS器件。 [0068] 所述測試裝置、測試系統和方法被實施以在環境條件下從靜態探頭測量估算側壁 歪斜角。所述測試裝置設計可以使在測試裝置在其上被制作的器件晶圓的任何位置上的所 述側壁歪斜角的估算在大約10%內。因此，測試方法的結果可以被評估以確定特定蝕刻工 藝的功效和/或測試對蝕刻工藝的改進以將歪斜角降低到可接受的范圍內。雖然詳細的測 試裝置和測試系統配置結合圖1-圖5和圖7-圖12在上面被描述，實施例也可以在具有其 它結構的系統中被實施。這些和其它變體旨在被包括在本發明主題范圍內。
[0069] 雖然本發明的主題的原理已結合具體的裝置，系統和方法進行了描述，但應當清 楚地理解，該描述是僅通過示例的方式而不是作為對本發明的主題的范圍的限制的方式進 行的。本文所討論的和在附圖中示出的各種功能或處理塊可以以硬件，固件，軟件或它們的 任意組合來實現。此外，本文使用的措辭或術語是為了描述的目的而不是限制的目的。
[0070] 特定實施例的上述描述充分揭示了本發明主題的一般性質，使得其它人通過應用 當前知識可以容易地修改和/或使其適應于各種應用而不脫離一般概念。因此，這樣的適 應和修改在所公開的實施例的等同物的意義和范圍之內。本發明主題涵蓋了所有這些落入 隨附的權利要求書的精神和范圍之內的替換、修改、等同物、以及變化。
【權利要求】
1. 一種裝置，包括： 懸浮在襯底上方的運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件， 所述第一梁具有可移動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二端，所述第二梁具有第 四端和固定到所述襯底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四 端被連接到所述槳元件； 在所述第一梁上操作的致動器，以便所述致動器的激活在所述第一梁的所述第一端引 起軸向力以使所述中間區域彎曲；以及 接近所述槳元件的傳感電極，其中當所述第一梁的側壁展示相對于垂直于所述襯底的 平坦表面的軸的歪斜角的時候，所述第一梁的所述彎曲產生所述槳元件的位移，所述槳元 件的所述位移在所述傳感電極處被感測。
2. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述歪斜角限定所述第一梁的所述側壁與所述軸 不平行的度數。
3. 根據權利要求2所述的裝置，其中所述槳元件的所述位移對應于所述歪斜角的所述 度數。
4. 根據權利要求1所述的裝置，其中： 響應于所述軸向力的所述第一梁的所述彎曲是所述第一梁的面內運動，所述面內運動 大致平行于所述平坦表面；以及 所述槳元件的所述位移是所述槳元件的面外運動，所述面外運動大致垂直于所述平坦 表面。
5. 根據權利要求4所述的裝置，其中所述傳感電極被放置在所述槳元件下面的所述襯 底的所述平坦表面上以用于檢測所述槳元件的所述面外運動。
6. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述第一和第二梁彼此相鄰以便所述第一梁的所 述第二端和所述第二梁的所述第四端耦合于所述槳元件的共用邊緣。
7. 根據權利要求1所述的裝置，其中所述致動器包括： 懸浮在所述襯底上方并耦合于所述第一梁的可移動元件； 被固定到所述襯底的錨元件； 互聯于所述可移動元件和所述錨元件之間的順從元件；以及 耦合于所述襯底并放置在相鄰于所述可移動元件的至少一個致動電極，其中施加于所 述至少一個致動電極的致動信號啟動所述可移動元件相對于所述錨元件的運動以在所述 第一梁的所述第一端引起所述軸向力。
8. 根據權利要求7所述的裝置，其中所述順從元件在垂直于所述襯底的平坦表面的方 向是剛性的。
9. 根據權利要求1所述的裝置，還包括： 懸浮在襯底上方的多個運動放大結構，每個所述運動放大結構包括所述第一梁、所述 第二梁以及所述槳元件；以及 多個傳感電極，每個所述傳感電極接近每個所述槳元件。
10. 根據權利要求9所述的裝置，其中所述多個運動放大結構包括： 第一運動放大結構； 與所述第一放大結構對齊的第二運動放大結構； 第三運動放大結構；以及 與所述第三放大結構對齊的第四運動放大結構，其中所述第一、第二、第三和第四運動 放大結構被排列以便每個所述第一、第二、第三和第四運動放大結構的所述第一梁在所述 裝置的中心位置被連接。
11. 根據權利要求10所述的裝置，其中： 每個所述第一、第二、第三和第四運動放大結構具有與所述第一梁對齊的縱軸； 每個所述第一和第二運動放大結構的所述縱軸與大致平行于所述襯底的所述平坦表 面的第一軸對齊； 每個所述第三和第四運動放大結構的所述縱軸與大致平行于所述襯底的所述平坦表 面并且垂直于所述第一軸的第二軸對齊；以及 所述致動器包括耦合于所述第一、第二、第三和第四運動放大結構的每個所述第一梁 的可移動元件，其中由所述致動器施加的致動信號啟動所述可移動元件在大致平行于所述 平坦表面并且與每個所述第一和第二軸成對角的方向的運動以在每個所述第一、第二、第 三和第四運動放大結構的所述第一梁的所述第一端引起所述軸向力。
12. 根據權利要求10所述的裝置，其中： 所述致動器在每個所述第一梁上操作，以便所述致動器的激活在所述每個第一梁的每 個所述第一端引起所述軸向力以使所述中間區域彎曲；以及 當任何所述每個第一梁具有展示所述歪斜角的側壁的時候，所述每個第一梁的所述彎 曲產生連接的所述槳元件的位移，所述槳元件的所述位移在相關聯的一個所述傳感電極處 被感測。
13. -種方法，包括： 提供包含測試裝置的器件晶圓，所述測試裝置包括懸浮在所述器件晶圓的襯底上方 的運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件，所述第一梁具有可移 動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二端，所述第二梁具有第四端和固定到所述襯 底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和所述第二梁的所述第四端被連接到所述槳元 件； 在所述第一梁的所述第一端引起軸向力以使所述中間區域彎曲；以及 確定所述槳元件的響應于所述軸向力的位移。
14. 根據權利要求13所述的方法，其中： 所述第一梁的響應于所述軸向力的所述彎曲是所述第一梁的面內運動，所述面內運動 大致平行于所述襯底的平坦表面；以及 當所述第一梁的側壁展示相對于垂直于所述平坦表面的軸的歪斜角的時候，所述第一 梁的所述彎曲產生所述槳元件的位移，所述槳元件的所述位移是所述槳元件的面外運動， 所述面外運動大致垂直于所述平坦表面。
15. 根據權利要求13所述的方法，其中所述引起和確定操作是在所述測試裝置不在真 空密封環境中被執行的。
16. 根據權利要求13所述的方法，還包括： 使用蝕刻工藝以產生所述第一梁；以及 估算所述第一梁的側壁的響應于所述位移的歪斜角，所述歪斜角是由所述蝕刻工藝產 生，并且所述歪斜角限定所述第一梁的所述側壁與垂直于所述襯底的平坦表面的軸不平行 的度數。
17. 根據權利要求16所述的方法，其中： 所述位移的特征為傳感元件和所述槳元件之間的相對于基線電容值的電容變化，所述 基線電容值表示零度歪斜角；以及 所述估算操作包括將所述電容變化與所述測試裝置的電容變化對歪斜角的模型進行 比較以估算所述第一梁的所述歪斜角。
18. 根據權利要求16所述的方法，還包括當所述估算的歪斜角超過可允許的歪斜角范 圍的時候，拒絕使用所述蝕刻工藝制作所述微機電系統（MEMS)器件。
19. 根據權利要求16所述的方法，還包括當所述估算的歪斜角在可允許的歪斜角范圍 內的時候，接受使用所述蝕刻工藝制作所述微機電系統（MEMS)器件。
20. -種制作微機電系統（MEMS)器件的方法，包括： 提供包含測試裝置的器件晶圓，所述測試裝置包括懸浮在所述器件晶圓的襯底上方的 運動放大結構，所述運動放大結構包括第一梁、第二梁以及槳元件，其中蝕刻工藝被用來制 作所述運動放大結構，所述第一梁具有可移動第一端、被配置以彎曲的中間區域以及第二 端，所述第二梁具有第四端和固定到所述襯底的第三端，其中所述第一梁的所述第二端和 所述第二梁的所述第四端被連接到所述槳元件； 在所述第一梁的所述第一端引起軸向力以使所述中間區域彎曲； 確定所述槳元件的響應于所述軸向力的位移； 估算所述第一梁的側壁的響應于所述位移的歪斜角，所述歪斜角由所述蝕刻工藝產 生，并且所述歪斜角限定所述第一梁的所述側壁與垂直于所述襯底的平坦表面的軸不平行 的度數； 當所述估算的歪斜角超過可允許的歪斜角范圍的時候，拒絕使用所述蝕刻工藝制作所 述MEMS器件； 當所述估算的歪斜角在可允許的歪斜角范圍內的時候，接受使用所述蝕刻工藝制作所 述MEMS器件；以及 使用所述蝕刻工藝制作所述MEMS器件。
【文檔編號】G01P3/44GK104111345SQ201410156351
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2013年4月22日
【發明者】A·A·蓋斯伯格, 賈克妙 申請人:飛思卡爾半導體公司