TWI727164B - 包括微機電系統裝置的組件及包括組件的電子裝置 - Google Patents

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Abstract

本案揭露一種用於改變MEMS裝置的表面的環氧潤濕性的技術。特別適用於其中MEMS裝置的頂表面粘附到封裝基板的倒裝晶片接合配置。在MEMS裝置的頂表面上提供阻擋區，該阻擋區橫向地位於形成或覆蓋傳感器基板內的背板和/或空腔的區域的外部。阻擋區包括多個不連續，例如，凹坑，這抑制了環氧樹脂的流動。

Description

包括微機電系統裝置的組件及包括組件的電子裝置
本申請涉及微機電系統(MEMS)裝置和製程，並且具體涉及與傳感器(例如電容式麥克風)相關的MEMS裝置和製程。
MEMS裝置變得越來越流行。MEMS傳感器，特別是MEMS電容式麥克風，越來越多地用於便攜式電子設備，例如行動電話和便攜式計算設備。
使用MEMS製造過程形成的麥克風裝置通常包括一個或多個可移動膜和靜態背板，其中各自的電極沉積在膜和背板上，其中一個電極用於讀出/驅動，另一個電極用於加偏壓。基板至少支撐膜並且通常也支撐背板。在有MEMS壓力感測器和麥克風的情況下，讀出通常通過測量膜與背板電極之間的電容來完成。在有傳感器的情況下，藉由在膜和背板電極上提供的電位差驅動(即加偏壓)裝置。
圖1A和1B分別提供了已知的電容式MEMS麥克風裝置10的示意圖和立體圖。電容式麥克風裝置10包括膜層11，其形成可撓膜， 其響應於由聲波產生的壓力差而自由移動。第一電極3機械耦合到可撓膜，並且它們一起形成電容式麥克風裝置的第一電容板。第二電極2機械地耦合到通常是剛性的結構層或背板4，其一起形成電容式麥克風裝置的第二電容板。在圖1A所示的實例中，第二電極2嵌入背板結構4內。
電容式麥克風形成在基板101(例如矽晶片)上，基板101上可形成有上氧化層105和下氧化層103。在基板內和任何上覆層(下文中也稱為基板空腔)內的空腔或通孔8提供於膜下方，並且可以例如使用穿過基板101的「背面蝕刻」來形成。基板空腔8連接到位於膜正下方的第一空腔9。這些空腔8和9可共同提供聲學體積，從而響應於聲學刺激，允許膜的移動。在第一與第二電極2和3之間插入第二空腔11。多個放氣孔11連接第一空腔9和第二空腔10。
多個聲孔12配置在背板4內，以允許空氣分子通過背板自由移動，使得第二空腔10形成聲學體積的一部分，且在背板的另一側上具有空間。膜11因此被支撐在兩個體積之間，一個體積包括空腔9和基板空腔8，另一個體積包括空腔11和背板上方的任何空間。這些體積的尺寸使得膜可以響應通過這些體積之其中一者進入的聲波而移動。典型地，入射聲波到達膜的體積被稱為「前體積」，而另一個體積可以大致上被密封，被稱為「後體積」。
在一些應用中，背板可以配置在前部體積中，以使得入射聲音經由背板4中的聲孔12到達膜。在這種情況下，基板空腔8的尺寸可以被設定為提供合適的回音量的至少一個重要部分。在其他應用中，麥克風可以被配置為使得聲音可以在使用中經由基板空腔8而被接收，即，基板空腔形成通向膜和前部體積的一部分的聲學通道的一部分。在這種應用中，背板4形成典型地由一些其他結構(例如合適的封裝)包圍的後體積 的一部分。
還應當注意的是，儘管圖1A和1B示出背板4被支撐在膜與基板101相反的一側上，也已知背板形成得最靠近基板，膜層11支撐在基板上方這樣的配置。
在使用中，響應於入射在MEMS麥克風傳感器上的壓力波對應的聲波，膜從其平衡位置略微變形。下電極3與上電極2之間的距離相應地改變，導致隨後由電子電路(未示出)檢測到兩個電極之間的電容變化。
為了提供保護，MEMS傳感器通常被包含在封裝內。該封裝有效地封裝MEMS傳感器並且可以提供環境保護，還可以為電磁干擾(EMI)等提供屏蔽。該封裝還提供至少一個用於將電信號輸出到下游電路的外部連接。對於麥克風等，封裝通常具有聲音端口，以允許在封裝內傳送聲波進入/離開傳感器，並且傳感器可以被配置為使得可撓膜位於第一體積與第二體積之間，即空間/空腔可以充滿空氣(或者適合於聲波傳播的一些其他氣體)，並且其尺寸足夠大，以便傳感器提供期望的聲學響應。聲音端口聲學耦合到傳感器膜的一側上的第一體積，其有時可以被稱為前體積。通常需要位於一或多個膜的另一側上的第二體積(有時稱為後體積)，以允許膜響應於入射聲音或壓力波而自由移動，並且該後體積可以基本上被密封(儘管本領域技術人員將會理解，對於MEMS麥克風等，第一和第二體積可以通過一或多個流動路徑(例如膜中的小孔)連接，所述一或多個流動路徑被配置為在期望聲頻處呈現相對較高的聲阻抗，但是允許兩個體積之間的低頻壓力均衡，以解決由於溫度變化等引起的壓力差)。
各種包裝設計是已知的。例如，圖2A和圖2B示出「蓋型」封裝200。MEMS傳感器201被安裝到封裝基板202的上表面。封裝基板 202可以是PCB(印刷電路板)或任何其他合適的材料。典型地，罩或「蓋」203位於傳感器201上，並且附著到封裝基板202的上表面。蓋203可以例如是金屬蓋。基板202中的孔205提供聲音端口，並且傳感器的可撓膜在聲音端口上延伸。
該封裝通常還包含客製化以用於特定應用的電子電路204，其可以與圖2B中所示的MEMS晶粒整合，或者如圖2A所示單獨提供。積體電路可以向傳感器提供偏壓，並且可以緩衝或放大來自傳感器的信號。根據慣例，圖2A和圖2B所示的配置一其中聲音端口205被設置在封裝的與外部電連接相同的一側一被稱為「底端端口」配置。應當理解，用詞「底端端口」並不意味著在製造、處理或任何後續應用期間的封裝裝置的任何特定方向。
根據圖2A和圖2B中所示的配置，MEMS傳感器被安裝成使得延伸穿過MEMS傳感器的基板的空腔108形成前體積的一部分。提供一導電路徑，其從MEMS傳感器的電極(其設置在MEMS的頂表面處或頂表面附近)到電路(其可以與MEMS傳感器整合或單獨提供)，並且從電路到提供於封裝的外表面上的外部電連接208。這透過在電路與至少一電接觸207之間延伸的一或多根導線206實現，例如，接合墊設置在基板的上表面上。電接觸207從基板的上表面電連接到基板的下表面上的外部電連接208。
可選地，在如圖3所示的一些配置中，MEMS傳感器201可以被安裝為使得MEMS傳感器的第一頂部表面接合到封裝基板，並且傳感器基板的空腔108形成後部空間的一部分。該配置可以被稱為「倒裝晶片」配置。應當理解的是，如果單獨提供電路而不是如圖3所示與MEMS傳感器整合，則電路也將被配置為使得相對表面接合到基板。
如圖3所示的配置可提供許多電性和機械優點。
例如，已知MEMS封裝內的接合線引起干擾，並且可能潛在地引起傳感器的RF和/或PSR性能的降低。通過以圖3所示的方式安裝MEMS傳感器，使得MEMS的「頂部」表面安裝到封裝基板的上表面，可以縮短電路與提供在基板的上表面的電接觸之間的電路徑，從而減小導線的長度或可能除去導線。
由於這種配置的結果，封裝高度也可以減小，因為MEMS的頂部與封裝蓋之間的最小間隙不需要留下接合線的空間。此外，由電路產生的任何熱量將有利於傳播到封裝基板中。還將意識到的是，由於傳感器基板空腔將形成後體積的一部分，因此傳感器的後體積增大。有利地增加後體積提供對麥克風的低頻滾降的更多控制，並且還由於後體積中阻尼/剛度的降低而增加麥克風靈敏度。
然而，圖3中所示的倒裝晶片配置可能遇到的問題在於，在將MEMS的頂表面粘合到基板的上表面的過程中，接合溶液(例如膠或環氧樹脂)可能流向傳感器。由於傳感器的取向，當背板和膜層設置在如圖2所示的傳感器取向時，其更靠近地覆蓋在基板的上表面的平面上，接合溶液可能潛在地機械或聲學接觸MEMS傳感器的關鍵區域。可以理解的是，MEMS傳感器中存在接合溶液的解決方案，例如，在聲學空腔內和/或與可撓膜傳感器接觸，而可能會破壞傳感器的性能。
因此期望提供一種抑制和/或控制接合溶液從在一方向的應用區域朝向MEMS傳感器的流動的方式。
根據第一型態的實例實施例，本案提供一種包括MEMS傳 感器的MEMS裝置，其中所述MEMS傳感器包括：具有空腔的基板，所述空腔在所述基板的上表面中形成空腔開口；被支撐以覆蓋空腔的可撓膜，其中所述MEMS裝置的頂表面包括阻擋區，所述阻擋區至少部分地橫向設置在覆蓋所述基板的所述上表面中的所述空腔開口的區域之外。
阻擋區可以包括MEMS裝置表面中的一或多個不連續。有利的是，不連續用於改變阻擋區中MEMS裝置的頂表面的環氧潤濕性。因此，可以在MEMS裝置的頂表面上定義(晶粒附著)可潤濕和不可潤濕區域。具體而言，通過提供一或多個表面特徵或不連續，可以限定環氧樹脂不可潤濕區域，其中諸如膠或接合溶液的液體的流動將被抑制。因此，將MEMS裝置在將第一外表面附著到封裝基板的上表面的方向上粘附到封裝基板的過程中，不連續被有利地設置和/或配置，以抑制液體的流動。因此，可以保護和/或大致上將脆弱的傳感器組件與液態接合溶液隔離。
形成在阻擋區中的表面不連續可以包括形成在MEMS裝置的第一外表面中的多個凹坑、凹陷、井或凹槽。可以認為多個凹坑或凹槽限定了一系列下部區域，這些下部區域設置在基板的上表面中相鄰較高的區域之間。凹坑可以通過壓下材料而形成，例如，通過沖壓或壓印上部頂表面，或通過選擇性蝕刻MEMS裝置的第一外表面以去除材料。因此，阻擋區可以包括形成在MEMS裝置的第一外表面中的圖案化區域，其中圖案化區域包括多個凹坑。如將在下面進一步解釋的，可以認為多個凹坑用以調控接合溶液與阻擋區中的MEMS裝置的表面之間的接觸角。
根據一個實例，MEMS傳感器包括背板。可撓膜可以插入在所述背板與空腔之間，其中背板覆蓋空腔。阻擋區可較佳形成在至少一材料層內，此材料層係沉積以形成背板。典型地，背板包括延伸穿過背板的多個孔。阻擋區可有利地包括不連續，例如，在一或多個處理步驟期間 形成凹坑或井，以在背板中形成多個孔。優選地，阻擋區橫向地設置覆蓋背板的區域之外。
根據第二型態的實例實施例，本案提供一種包括MEMS傳感器的MEMS裝置，其中所述MEMS傳感器包括：具有空腔的基板；覆蓋空腔的背板，介於背板與空腔之間的可撓膜，設置在MEMS裝置的頂表面上的阻擋區，其橫向地位於形成或覆蓋背板的區域之外。
根據第三型態的實例實施例，本案提供一種組件，該組件包括包含MEMS傳感器的MEMS裝置和封裝基板，其中MEMS裝置的頂表面接合至封裝基板的上表面的接合區。因此，該組件可以形成倒裝接合的MEMS組件。可以進一步提供蓋以形成封裝。
傳感器的可撓膜優選地覆蓋在與基板一起提供的聲音端口上。接合區域優選地在聲音端口與MEMS傳感器之間形成聲學密封。阻擋區可以在接合區域內橫向設置。阻擋區可以被認為是定義了一個環，該環大致上環繞覆蓋傳感器的區域。
根據第四型態的實例實施例，本案提供一種製造包括電容傳感器的MEMS裝置的方法，所述傳感器包括基板，所述基板具有空腔，所述方法包括：提供覆蓋空腔的可撓膜；在裝置的頂表面上形成阻擋區。
在裝置的頂表面上形成阻擋區的步驟可以包括圖案化一區域，此區域橫向地位於覆蓋可撓膜的區域之外。圖案化可涉及到圖案化形成電容性傳感器的背板結構的至少一層的層。
2:第一電極
3:第二電極
4:背板結構
8、9:空腔
10:電容式麥克風裝置
11:膜層
12:聲孔
101:基板
103:下氧化層
105:上氧化層
108:空腔
200:封裝
201:傳感器
202:封裝基板
203:蓋
204:電子電路
205:聲音端口
206a、206b:導線
207:電接觸
208:外部電連接
300:MEMS裝置
301:膜
303:第一外表面、頂表面
304:背板結構
305:基板
306:膜電極
307:固定電極
308:空腔
309:聲孔
310:凹坑
311:溝渠或溝槽
315:電路
400:組件
402:封裝基板
405:空腔
501:膜
505:基板
508:空腔
513:犧牲材料
515:電路
520:氮化矽層
A-A:線段
B、B':阻擋區
BP2:背板層
A、C:區域
R1、R2:排方向
θ:接觸角
為了更好地理解本發明，並且為了顯示如何實現本發明，現在將通過實例的方式參考附圖，在附圖中： 圖1A和1B分別繪示MEMS麥克風的示意性橫截面圖和剖面立體圖；圖2A和2B繪示MEMS傳感器封裝；圖3繪示另一個MEMS傳感器封裝；圖4A和4B分別繪示根據第一實例的MEMS裝置的示意性橫截面圖和平面圖；圖5A和5B分別提供根據第二實例實施例的MEMS裝置的示意圖和平面圖；圖6A至6H繪示可以設置在阻擋區中的表面不連續的形狀和構造的各種實例；圖7A和7B繪示一排凹坑的一部分的各種放大橫截面輪廓；圖8繪示用於說明液滴與表面之間的接觸角的液滴輪廓；圖9繪示根據第三實例實施例的組件；以及圖10A至10F繪示根據第一實例方法的MEMS裝置的可能的製造流程的示意性橫截面圖。
圖4A和4B分別提供根據第一實例實施例的MEMS裝置300的示意圖和平面圖。MEMS裝置包括MEMS傳感器，該MEMS傳感器具有相對於基板305被支撐的可撓膜301，以覆蓋穿過基板形成的空腔308。MEMS裝置的第一外(頂)表面303設置有阻擋區B。雖然在圖4的實例中沒有示出，但是傳感器通常還包括剛性結構或背板，該剛性結構或背板設置在膜的相對側上至基板305，以覆蓋基板空腔。背板通常支撐固定電極，其中固定電極形成傳感器的電容對電極之一。此外，儘管在圖4實 例中沒有示出，但是可撓膜通常設置有膜電極，其中膜電極響應穿過膜的聲壓差而可作為膜結構的一部分移動。
第一外表面303通常被稱為MEMS裝置的「頂部」表面。基板空腔308從基板的底表面延伸穿過基板到基板的頂表面，並且膜301被可撓地支撐在覆蓋空腔308的平面中。應當理解的是，MEMS裝置可以翻轉成顛倒方向，以附著到使用中的封裝基板，因此，相對用語「頂部」應相應地解釋。類似地，應當理解的是，關於該區域「覆蓋」空腔應該被解釋為在第一外表面303形成裝置的頂部或上表面的方向上考慮MEMS裝置。
在該實例中，阻擋區B橫向地位於覆蓋基板頂表面中的空腔開口的區域C的外側。取決於MEMS裝置的具體設計，包括例如下面的空腔的寬度和形狀以及MEMS裝置的頂面的寬度和形狀，可以理解的是，阻擋區B可以部分地在空腔上延伸。然而，優選地，阻擋區不延伸到覆蓋空腔的中心區域的區域中。阻擋區還優選不延伸到覆蓋傳感器的膜301的區域中。阻擋區橫向地位於空腔上表面中的開口上方的區域之外的位置，以有益地於確保在將MEMS裝置的上表面附著到封裝基板的過程中，例如，抑制接合溶液或膠的流動朝向和/或進入傳感器的聲學空腔。
在本案的範圍內還設想了其中可以設置阻擋區以橫向圍繞一或多個電接觸的實例，例如提供在基板的上表面上的接合墊，其用於將電路(ASIC)電連接到外部電接觸。因此，通過在接觸區域橫向地於外側的一定距離處形成阻擋區，可以減少電接觸被接合溶液污染的風險，其中阻擋物配置用以阻止液體(例如接合溶液)的流動朝向電接觸。此外，例如在積體晶粒的情況下，可以在ASIC的頂表面上設置阻擋區，以包含特定區域中的晶粒附著，以允許更有效的熱量管理。可以使用導熱環氧樹脂， 以使更有效的熱傳導器進入封裝基板。
圖5A和5B分別提供根據第二實例實施例的MEMS裝置300的示意圖和平面圖。MEMS裝置包括MEMS傳感器，該MEMS傳感器具有相對於基板305被支撐的可撓膜301，以覆蓋穿過基板形成的空腔308。可撓膜包括膜電極306。MEMS傳感器還包括剛性背板304，剛性背板304設置在膜與基板305相反的一側上，以覆蓋基板空腔。背板結構包括多個聲孔309。嵌入在背板結構304內的是固定電極307。阻擋區B設置在MEMS裝置的第一外表面303上。
在該實例中，阻擋區B橫向地位於覆蓋背板304的區域之外，使得阻擋區和背板不重疊。阻擋區也設置在背板結構的平面上方的平面中。因此，可視為背板和阻擋區彼此機械分離，此可有利於使兩個結構之間的應力傳遞最小化。
MEMS傳感器的可撓膜區域可以被認為是由相對於基板支撐膜的方式定義膜的活性區域。應當理解的是，例如，膜的形狀可以是正方形或矩形，而可撓膜區域可一般為圓形或牛皮形狀。
本實例考慮到MEMS裝置的頂表面上形成的阻擋區相對於MEMS裝置的其他部件或特徵的橫向(x/y坐標)位置的橫向(x/y坐標)位置，可以設置在裝置的不同平面或層(即，不同的z坐標)中。因此，實際上，為了考慮相對橫向位置，相對於一或多個傳感器部件的位置來考慮MEMS裝置的頂表面上的阻擋區的位置可能是方便的，例如可撓膜、背板結構或傳感器空腔，當投影到頂表面的x/y平面上時。這由圖3B和4B更清楚地示出，其分別繪示圖3A和4A中所示傳感器的平面圖。
如圖3B和4B所示，當傳感器的組件被可視化地投影到MEMS裝置的頂面的平面上時，阻擋區B可被認為是橫向地圍繞MEMS 傳感器-特別是傳感器的聲學空腔、可撓膜和背板(如果提供的話)。因此，阻擋區可以被認為是定義了設置在MEMS裝置的頂表面上的大致上連續的環或圈，其環繞概念區域，此概念區域與覆蓋(或重疊)傳感器的機械和聲學重要區域的MEMS裝置的頂表面位於相同平面。在隨後將MEMS裝置的頂表面粘合到封裝基板的過程中，提供形成為圍繞或環繞覆蓋背板的區域的阻擋區，以有益地減小了接合溶液流向背板和/或污染傳感器。特別地，應當理解的是，MEMS裝置應當理想地以在封裝基板中的聲學端口與MEMS傳感器之間產生聲學密封的方式接合到基板。這是為了允許有效的聲波轉移到膜上，而沒有空氣洩漏到周圍，進入到後部空間。為了實現這一點，優選地需要將一層粘合劑施加到MEMS裝置的頂表面，以便定義大致上環繞覆蓋傳感器結構的區域的環(其可以是方形/矩形、圓形或任何其他形狀)。因此，為了於粘合劑的施加區域與覆蓋傳感器的區域之間起到有效屏障的作用，阻擋區優選地形成連續環(其也可以為大致上方形/矩形、圓形或任何其他形狀)，其橫向地設置於MEMS裝置的頂表面上的接合溶液的預定施加區域之內，亦即在接合溶液的預定施加區域與覆蓋傳感器結構的區域之間。
阻擋區可以包括MEMS裝置表面中的一或多個不連續。有利的是，不連續性用於改變阻擋區中的MEMS裝置的頂表面的潤濕性。因此，可以在MEMS裝置的頂表面上定義可潤濕和不可潤濕的區域。具體而言，通過提供一或多個表面特徵或不連續，可以限定環氧樹脂不可潤濕區域，其中諸如膠或接合溶液的液體的流動將被抑制。因此，將MEMS裝置在將第一外表面附著到封裝基板的上表面的方向上粘附到封裝基板的過程中，不連續被有利地設置和/或配置，以抑制液體的流動。因此，可以保護和/或大致上將脆弱的傳感器組件與液態接合溶液隔離。關於圖9所示的組 件將提供對此的進一步詳細解釋。
形成在阻擋區中的表面不連續性可以包括形成在MEMS裝置的第一外表面中的多個凹坑、凹陷或凹槽。可以認為多個凹坑或凹槽限定了一系列下部區域，這些下部區域設置在基板的上表面中相鄰較高的區域之間。凹坑可以通過壓下材料形成，例如，通過沖壓或壓印上部頂表面，或通過選擇性蝕刻MEMS裝置的第一外表面以去除材料。因此，阻擋區可以包括形成在MEMS裝置的第一外表面中的圖案化區域，其中圖案化區域包括多個凹坑。如將在下面進一步解釋的，可以認為多個凹坑用以調控接合溶液與阻擋區中的MEMS裝置的表面之間的接觸角。
根據本文所述的實例，圖6A至圖6H繪示阻擋區B，的一部分，以示意可以設置在阻擋區中的表面不連續的形狀和構造的各種實例。因此，圖6A繪示佔據具有大致圓形形狀的區域的多個凹坑310。圖6B繪示佔據具有大致橢圓形狀的區域的多個凹坑310，圖6C繪示多個大致正方形的凹坑。在圖6A至6C中的每一個中，凹坑310被配置形成單排凹坑，其中該排大致平行於阻擋區B'的縱向邊界。
圖7A和7B繪示一排凹坑的一部分的各種放大橫截面輪廓(例如，通過圖4A中所示的線段A-A)。如圖7A所示，凹坑310可以呈現均一的深度並且可以呈現具有大致方形輪廓的盤狀。如圖7B所示，凹坑310可以呈現非均一的深度並且可以呈現大致圓頂形狀。
為了理解不連續的方式，例如形成在阻擋區中的凹坑或溝槽，其可以起到阻止液體流動的作用，如接合溶液或粘合劑，請參考圖8。特別地，不連續可有利地透過改變液體與MEMS裝置的第一外表面之間的接觸角來改變MEMS的表面所謂的「可潤濕性」。考慮到圖8中所示的液滴輪廓，接觸角θ可以被定義為由液-固界面與液體-空氣界面的交叉點 形成的角度。因此，對於接觸角θ<90°，可以認為表面為呈現「親水」特性的表面。換句話說，表面潤濕的條件是有利的，並且液滴將會散佈在表面上。然而，對於接觸角θ>90°，表面可以被認為是表現出疏水特性。換句話說，表面潤濕的條件是不利的，並且液體傾向於使其與表面的接觸最小化而形成凝聚的液滴。
這個理論可以用來解釋相關於在此敘述的實例的優點。
因此，參照圖7A，可以理解的是，在MEMS裝置的頂表面中設置凹坑310(或者實際上是溝渠或溝槽311)，使得頂表面抵抗液體流動超過凹坑的邊緣。應當理解的是，雖然凹坑310將傾向於抵抗超過凹坑的第一邊緣的接合溶液的流動，但是可能會出現接合溶液將流過第一邊緣並進入凹坑的點。由於凹坑可能不會為接合溶液提供足夠的儲存器，所以接合溶液可能繼續流過凹坑。出於這個原因，提供多排凹坑，例如在阻擋區有2到20排凹坑，可能是有益的。這些排可以有利地相對於平行於排方向R1的軸線交錯或線性偏移，以便使在大致上垂直於行方向的方向上行進的液體將遇到至少一個凹坑。
凹坑可以優選地具有在0.5μm與2μm之間的寬度。凹坑的最大深度可以優選地在0.5μm與1μm之間。
圖9繪示包括MEMS裝置300和封裝基板402的一部分的組件400。MEMS裝置300包括MEMS傳感器結構，該MEMS傳感器結構包括相對於設置在傳感器基板305中的空腔308支撐的膜301，並且具有電路區域307(例如ASIC)。在該配置中，MEMS裝置被定位為使得MEMS裝置的頂表面303被接合到封裝基板402的上表面。MEMS裝置的頂表面提供有阻擋區B，該阻擋區B包括多個凹坑。
阻擋區包括用於改變阻擋區中的MEMS裝置的頂表面的可 潤濕性的多個凹坑310。阻擋區在MEMS裝置的頂表面上形成連續的環，並且橫向地設置在與背板重疊的概念區域之外的區域中。阻擋區橫向地設置在區域A之內的區域中，其中施加接合溶液(例如環氧樹脂)以將MEMS頂表面接合/附著到封裝基板。區域A定義了大致環繞覆蓋傳感器結構的區域的環。因此，為了做為粘合劑施加區域與覆蓋傳感器的區域之間的有效屏障，阻擋區優選地定義了連續環狀區域，該連續環狀區域橫向地設置在位於MEMS裝置的頂表面上的區域A之內，即在接合溶液的預定施加區域與覆蓋傳感器結構的區域之間。
凹坑310有利地用以在MEMS裝置的頂表面上定義出不可濕潤的阻擋區。因此，在將MEMS裝置300粘附到封裝基板400的過程中，其在第一外表面303被接合到封裝基板的上表面的取向中，不連續被有利地設置和/或配置，以抑制液態粘合劑從區域A流向傳感器結構。
接合溶液可以例如是環氧樹脂溶液。可以施加接合溶液，使得在MEMS的頂表面與基板的上表面之間形成密封。此密封可被認為是聲學密封，其確保聲波從包裝外部有效地傳遞到MEMS傳感器的膜，而在MEMS傳感器與基板之間的接合處沒有任何明顯的空氣洩漏。
在這個實例中，MEMS設備包括積體電子電路315。應當理解的是，阻擋區可以延伸到裝置的頂部服務的區域，此區域與電路315重疊。
MEMS傳感器的頂表面可以由諸如矽、氮化矽(Si3N)、多晶矽或金屬(例如AlSi)的材料形成。因此，根據一個實例，阻擋區透過圖案化沉積的材料層的區域來形成，如氮化矽。形成阻擋區的材料層可有利地由沉積以形成背板結構的至少一個層的層形成。然而，應當理解的是，由於反射下層或結構的MEMS裝置的頂表面的拓撲結構，在形成背板 的材料與在裝置的頂表面上方形成阻擋區的材料之間可能存在至少一個台階變化。
圖10A至圖10F繪示製造包括MEMS傳感器的MEMS晶粒的可能方法，所述MEMS傳感器包括膜501和與MEMS晶粒整合的電路515。
圖10A繪示在基板505中形成空腔之前，製造MEMS晶粒的階段，以及為了示意的目的，去除了用點狀陰影的犧牲材料層。
如圖10B所示，一層犧牲材料513-例如聚酰亞胺一被沉積在被沉積以形成MEMS裝置的最終背板結構的層BP2之其中一者的頂部上。背板層BP2通常是氮化矽。使用圖案遮罩層對層513進行圖案化，以便定義待設置在阻擋區中的凹坑以及將在背板結構內形成的聲孔。
這代表了對標準製程的高效率和具有成本效益的適應，以提供為MEMS裝置提供許多技術優勢和優點的阻擋區。具體而言，在MEMS裝置的頂表面與封裝基板接合的後續過程期間，保護易損壞的傳感器部件(包括聲腔和可移動膜)免於接合溶液進入。
然後從圖案化的犧牲層下方的層BP2的區域進行蝕刻，以免受蝕刻製程影響，從而得到如圖10C所示的圖案化的氮化矽層520。蝕刻向下進行到犧牲層，其定義膜與背板結構之間的空氣間隙。
如圖10D和10E所示，通過從基板下方進行蝕刻而在基板中形成後體積。可以使用濕蝕刻到膜501下方提供的第一蝕刻停止層來執行蝕刻。為了便於說明，已示出圖10E中所示的後體積的側面是平行的。然而，可以理解的是，如圖1中更真實的圖示所示，後體積的側面在接近膜時將趨向於向內收斂。
最後，去除所有犧牲層以產生如圖10F所示的MEMS傳感 器。因此圖10F繪示根據第三實例實施例的MEMS裝置500，其中裝置的頂表面設置有包括多個凹坑310的阻擋區B。
應當理解的是，在本案中使用的各種相對用語，上、下、頂部、底部、下側、覆蓋、下方等，不應以任何方式被解釋為限制在封裝內的MEMS傳感器的任何特定位向，或在任何裝置或設備中的任何製造步驟和/或其位向中。因此，相關用語應相應地解釋。
MEMS傳感器的可撓膜層通常包括介電材料的薄層-例如晶體或多晶材料層。實際上，膜層可以由連續步驟中沉積數層材料形成。例如，可撓膜可以由氮化矽Si3N4或多晶矽形成。結晶和多晶材料具有高強度和低塑性變形，這兩者在膜的構造中都是非常理想的。MEMS傳感器的膜電極通常是薄金屬層，例如，鋁，其通常位於膜的中心，即膜移動最多的那部分。本領域技術人員應當理解，膜電極可以由例如鋁矽合金形成。膜電極通常可以覆蓋例如膜的約40%的面積，通常在膜的中心區域。因此，已知的傳感器膜結構由兩層不同的材料組成-通常是介電層(例如SiN)和導電層(例如AlSi)。
在一些應用中，背板可以配置在前部體積中，使得入射聲音通過背板中的聲孔到達膜。在這種情況下，基板空腔的尺寸可以設定為提供至少合適的後部體積的重要部分。在其他應用中，麥克風可以被配置為使得聲音可以在使用中經由基板空腔108接收，即，基板空腔形成通向膜和前體積的一部分的聲學通道的一部分。在這種應用中，背板104形成典型由一些其他結構(例如合適的封裝)包圍的後部空間的一部分。
還應當注意的是，雖然所示實例示出背板被支撐在膜的與基板相反的一側上，但已知這樣的配置，其中背板形成得最靠近基板，其中膜層支撐在基板上方。
為了處理來自麥克風的電輸出信號，晶粒/裝置可以具有在基板1上使用標準CMOS製程整合製造的電路區域(未示出)。電路區域可以包括導電(例如鋁、AlSi、TiN或銅)電路互連，所述電路互連用於經由互連點電連接麥克風到電路區域。
可以使用諸如離子佈植、光遮罩、金屬沉積和蝕刻的標準處理技術在CMOS矽基板中製造電路區域。電路區域可以包括可操作以與MEMS麥克風對接並處理相關信號的任何電路。例如，一個電路區域可為被連接的前置放大器，以放大來自麥克風的輸出信號。此外，另一個電路區域可以是電荷泵，其被用於在兩個電極之間產生偏壓，例如10伏特。這具有如下效果：電極分離(即，麥克風的電容板)的變化改變MEMS麥克風電容；假設恆定電荷，電極上的電壓相應地改變。使用優選具有高阻抗的前置放大器來檢測這種電壓變化。
電路區域可選擇性地包括類比-數位轉換器(ADC)，以將麥克風的輸出信號或前置放大器的輸出信號轉換為相應的數位信號，並且可選擇性地包括數位信號處理器，以處理或部分處理這樣的數位信號。此外，電路區域還可以包括適用於無線通信的數位-類比轉換器(DAC)和/或發射器/接收器。然而，本領域技術人員應當理解，可以想得到可操作來與MEMS傳感器信號和/或相關聯的信號對接的許多其他電路配置。
還應理解的是，可選地，麥克風設備可以是混合設備(例如，其中電子電路完全位於單獨的積體電路上，或者其中電子電路部分地位於與麥克風相同的裝置上並且部分地位於單獨的積體電路上)或單片裝置(例如，其中電子電路完全整合在與麥克風相同的積體電路內)。
儘管各種實施例描述了MEMS電容式麥克風，但是本發明還可應用於除了麥克風以外的任何形式的MEMS傳感器，例如壓力傳感器 或超音波發射器/接收器。
這裡描述的實例可以在一系列不同的材料系統中有用地實現，然而，這裡描述的實例對於具有包括氮化矽的膜層的MEMS傳感器特別有利。
注意到，上述實例實施例可以用於一系列裝置，包括但不限於：類比麥克風、數位麥克風、壓力傳感器或超音波傳感器。實例實施例還可以用於許多應用中，包括但不限於消費者應用、醫療應用、工業應用和汽車應用。例如，典型的消費應用包括便攜式音頻播放器、筆記型電腦、手機、PDA和個人電腦。實例實施例也可以用於語音活化或語音控制設備。典型的醫療應用包括助聽器。典型的工業應用包括主動噪聲消除。典型的汽車應用包括免持裝置、聲音碰撞傳感器和主動噪聲消除。
任何給定型態或實例實施例的特徵可以與任何其他型態或實例實施例的特徵組合，並且在此描述的各種特徵可以在給定的實施例中以任何組合來實現。
為每個實例實施例提供了製造MEMS傳感器的相關方法。
在上述實例中，注意到對傳感器的引用可以包括各種形式的傳感器元件。例如，傳感器通常可以安裝在晶粒上，並且可以包括單個膜和背板組合。在另一個實例中，傳感器晶粒包括多個單獨的傳感器，例如多個膜/背板組合。傳感器元件的各個傳感器可以是相似，或者可以不同地配置，使得它們對不同的聲信號作出響應，例如，元件可能有不同的敏感度。傳感器元件還可以包括不同的單獨傳感器，其被定位成接收來自不同聲學通道的聲學信號。
注意，在本文所述的實例中，傳感器元件可以包括例如麥克風裝置，麥克風裝置包括具有用於讀出/驅動沉積在膜和/或基板或背板上的 電極的一或多個膜。在具有MEMS壓力傳感器和麥克風的情況下，電輸出信號可以通過測量與電極之間的電容相關的信號來獲得。這些實例還包括作為電容式輸出變換器的傳感器元件，其中通過改變施加在電極上的電位差而產生的靜電力來移動膜，包括使用MEMS技術製造壓電元件的輸出變換器的實例，並且壓電元件被刺激以引起可撓部件的動作。
應該注意的是，上述實施例係示意而非限制本發明，並且本領域技術人員將能夠在不脫離所附申請專利範圍的情況下設計出許多替代實施例。用詞「包括」不排除除請求項中列出的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，「一」或「一個」不排除多個，並且在請求項中，單個特徵或其他單元可以履行敘述的若干單元的功能。請求項中的任何參考標記不應被解釋為限制其範圍。
300:MEMS裝置
301:膜
303:第一外表面
304:背板結構
305:基板
308:空腔
310:凹坑
315:電路
400:組件
402:封裝基板
405:空腔
A:區域
B:阻擋區

Claims (33)

  1. 一種包括微機電系統(MEMS)裝置的組件，包括：微機電系統裝置，包括MEMS傳感器，其中該MEMS傳感器包括具有空腔的基板，該空腔在該基板的上表面中形成空腔開口，以及可撓膜被支撐以覆蓋該空腔；以及封裝基板，其中該MEMS裝置的頂表面以顛倒方向接合到該封裝基板的上表面，使得該MEMS傳感器的該可撓膜插入在該空腔與該MEMS裝置的該頂表面定義的平面之間，以及其中該MEMS裝置的該頂表面包括阻擋區，該阻擋區至少部分地橫向設置在覆蓋該空腔開口的區域的外側，其中該阻擋區定義環，該環大致環繞覆蓋該空腔的該區域。
  2. 如請求項1所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區包括該MEMS裝置的該表面中的一或多個不連續。
  3. 如請求項2所述的組件，其中該些不連續改變該頂表面的可潤濕性。
  4. 如請求項2所述的組件，其中該不連續用於抑制液體的流動。
  5. 如請求項1所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區包括形成在該MEMS裝置的該上表面中的多個凹坑。
  6. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑中的一或多個包括凹陷的材料區域。
  7. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑中的一或多個包括形成該MEMS裝置的該第一外表面的材料已經被去除的區域。
  8. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑中的一或多個表現出不均一的深度。
  9. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑中的一或多個呈現大致均一的深度。
  10. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑中的一或多個佔據以下中的一或多個：圓形或橢圓形區域、正方形區域或矩形區域。
  11. 如請求項5所述的組件，其中該些凹坑被配置形成至少一排凹坑。
  12. 如請求項11所述的組件，其中該些凹坑被配置形成多排凹坑，其中第一排凹坑相對於第二排凹坑偏移。
  13. 如請求項12所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區包括形成在該MEMS裝置的該上表面中的至少一個溝渠。
  14. 如請求項1所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區不延伸到覆蓋該空腔的中心區域的區域中。
  15. 如請求項1所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區不延伸到覆蓋該傳感器的該膜的區域中。
  16. 如請求項1所述的組件，該MEMS傳感器包括背板，其中該可撓膜插入在該背板與該空腔之間，並且其中該背板覆蓋該空腔。
  17. 如請求項16所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區形成在被沉積以形成該背板的至少一材料層中。
  18. 如請求項16所述的組件，其中該背板包括延伸穿過該背板的多個孔。
  19. 如請求項18所述的組件，其中多個凹坑在一或多個處理步驟期間形成，以在該背板中形成該些孔。
  20. 如請求項16所述的組件，其中該MEMS裝置的該阻擋區橫向地設置在覆蓋該背板的區域之外。
  21. 如請求項16所述的組件，其中該阻擋區設置在氮化矽層中。
  22. 如請求項16所述的組件，其中該阻擋區不覆蓋該背板。
  23. 如請求項1所述的組件，其中該阻擋區不覆蓋該膜。
  24. 如請求項1所述的組件，其中該傳感器包括電容傳感器。
  25. 如請求項1所述的組件，其中該傳感器包括麥克風。
  26. 如請求項1所述的組件，還包括電路。
  27. 如請求項26所述的組件，其中該電路包括讀出電路，並且其中該讀出電路包括類比和/或數位電路。
  28. 如請求項1所述的組件，其中該傳感器位於具有聲音端口的封裝內。
  29. 一種包括如請求項1所述的該組件的電子裝置。
  30. 如請求項29所述的電子裝置，其中該裝置是以下中的至少一者：便攜式裝置；電池供電裝置；音頻裝置；計算裝置；通信裝置；個人媒體播放器；行動電話；遊戲裝置；和語音控制裝置。
  31. 如請求項1所述的組件，其中該傳感器的該可撓膜覆蓋在與該基板一起提供的聲音端口上，並且其中該接合區域在該聲音端口與該MEMS傳感器之間形成聲學密封。
  32. 如請求項1所述的組件，其中該阻擋區橫向地設置在該接合區域之內。
  33. 如請求項31所述的組件，其中該聲音端口至少部分地定義設置在該可撓膜下方的第一體積，並且其中第二體積定義在該可撓膜的另一側上，該第二體積包括該傳感器的該基板空腔。
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