[发明专利]微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构

说明书

本申请是申请号03153764.2，申请日是2003年8月20日，发明名称“微机械结构的检测方法、微机电组件及其微检测结构”的中国专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种计量检测设备中的检测方法及其结构，特别是涉及一种可取得微机械结构(micro mechanical structure)的薄膜层的机械性质的微机械结构的检测方法、微机电组件及其应用于该检测方法的微检测结构。

背景技术

面型微细加工制程(two-dimensional micro-fabrication process)，由于其较体型微细加工制程(three-dimensional micro-fabrication process)具有更高的三维组件制造弹性，因此，面型微细加工制程在近年来已经逐渐成为较为普及的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems，简称MEMS)的加工技术之一，在过去也一直存在着许多利用表面微细加工技术所制作的微系统组件，如光学扫描系统、微型马达、微致动器等组件，将这些组件加以整合之后即可构成微机电系统。然而，要使整个微机电系统具有良好的性能表现，除了将各个组件加以整合之外，另一项更为重要的因素则是如何控制各个组件的性能使其达到预定的设计目标。就我们所知，组件的性能之所以会与设计的目标产生差异，其原因绝大部分是来自于制程上的误差与薄膜的机械性质的不确定性，因此要完全控制组件的性能表现，其首先要务即是要能精确掌握薄膜材料的机械性质。

在面型微细加工制程中，所制作出微机械结构都必须藉由锚点(anchor)的设计来达到结构固定的目的。然而，该不可避免的锚点容易造成微机械结构的边界呈现阶梯状，进一步使得微机械结构的边界强度大幅下降，因而增加了组件设计的困难。此外，在面型微细加工制程中，利用微机械结构来萃取薄膜的机械性质，同样也会遇到挠性边界的影响，因此，要利用微机械结构来萃取薄膜的机械性质的首要工作，即是要克服微机械结构的挠性边界的影响。虽然，在过去已有的文献中，大部分的人都是针对阶梯状的挠性边界来作解析分析，并将挠性边界的解析模型汇入组件的结构设计中，用以降低挠性边界的影响效应。然而，由实际的组件制造得知，阶梯状的挠性边界的几何形状是一项完全无法掌控的制程变量，因此，理论上的解析模型与实际结果彼此之间的误差，对于组件的结构设计上的影响便不容易掌握。

就微悬臂梁(micro-cantilever beam)的振动法而言，微悬臂梁的振动法在萃取材料的机械性质的主要概念是经由量测一结构梁，其一端是连接至一固定边界之下，其挠曲模态的共振频率来萃取出材料的杨氏系数(Young’s modulus)。由于一般经由面型微细加工制程所制作出的微机械结构，其边界条件大多会存在有阶梯状的挠性边界，因而严重降低微机械结构的边界的强度。因此，当利用微悬臂梁的检测结构在薄膜的机械性质的萃取时，则微机械结构的边界软化的效应便会严重影响整各量测的结果。由此可知，要将振动法应用于面型微细加工制程，用以萃取薄膜的机械性质的最主要挑战是在于微机械结构的边界的强化设计。

为了提高薄膜的机械性质的量测准确性，现有技术业已提出一种微悬臂梁型态的微检测结构，如图1所示，用以作为微悬臂梁的边界强化的设计原则，其主要概念是利用一结构层来包覆牺牲层而形成一稳固的边界，并藉由调整由结构层所构成的锚点的宽度来达到回填(refill)及平坦化的目的。

请参阅图1所示，是现有习知的一种微悬臂梁型态的微检测结构的剖面示意图。该现有技术的微检测结构100，是适于配置于一微机械结构(图中未示)的一基材S的表面，该微检测结构100包括一牺牲层102、一结构层104及一悬臂梁106。其中，牺牲层102是配置于基材S的表面。此外，结构层104则同样配置于基材S的表面，且包覆牺牲层102的表面。另外，悬臂梁106的一端是连接于结构层104，并一体成型于结构层104，且悬臂梁106的另一端更大致沿着一水平于基材S的表面及相对远离牺牲层102的方向，而延伸至基材S的表面的上方。

就无边界梁(Free-Free beam)的振动法而言，无边界梁的振动法在萃取材料的机械性质的主要概念是经由量测一结构梁，在无任何边界固定之下，其挠曲模态的共振频率来萃取出材料的杨氏系数。由于无边界梁的振动法在巨观材料的测试上已经是一个相当标准的材料测试方法，所以无边界梁的振动法在萃取材料的机械性质的可行性已无须证明，故可直接用来萃取薄膜材料的机械性质。