CN101426163A - 振动传感器及其制造方法 - Google Patents

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CN101426163A CNA2008101729973A CN200810172997A CN101426163A CN 101426163 A CN101426163 A CN 101426163A CN A2008101729973 A CNA2008101729973 A CN A2008101729973A CN 200810172997 A CN200810172997 A CN 200810172997A CN 101426163 A CN101426163 A CN 101426163A
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Abstract

本发明提供一种振动传感器或压力传感器及其制造方法，所述振动传感器由盖、板、膜片和具有后腔的衬底构成。膜片位于衬底的上方，以覆盖后腔的开口。板具有径向类齿轮形状，由位于膜片正上方的中心部分和多个连接部构成。盖水平地包围板，二者之间具有缝隙，以使得盖与板电隔离并位于膜片的外围上方。多个柱结构连接板的多个连接部，从而将板支撑在膜片的上方，板与膜片之间具有间隙层。通过降低缝隙的宽度，能够防止异物进入到板与膜片之间的空气层中。

Description

振动传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及振动传感器(vibration transducer)，以及例如用作MEMS(Micro Electro Mechanical System，微型机电系统)传感元件的微型电容式麦克风(condenser microphone)的振动传感器。
本发明还涉及适合于振动传感器和压力传感器的制造方法。
本发明要求日本专利申请No.2007-280597的优先权，所述申请的内容通过参考合并于此。
背景技术
传统地，微型电容式麦克风已得到发展并通过半导体器件制造方法进行制造。相关技术被公开在诸如专利文献1-3和非专利文献1的各种文献中。
专利文献1：日本未审专利申请公开No.H09-508777
专利文献2：日本专利申请公开No.2004-506394
专利文献3：美国专利No.4,776,019
非专利文献1：日本电子工程师学会(Japanese Institute of ElectricalEngineers)出版的MSS-01-34
电容式麦克风被称作MEMS麦克风，其典型实例包括一对相反电极，即均使用薄膜形成的膜片(diaphragm)和板，它们彼此相互远离并被支撑在衬底上方。当由于声波导致膜片相对于板振动时，它们之间的静电电容(膜片和板构成的电容器的静电电容)由于膜片的移动而改变，其中静电电容的改变被转换为电信号。
为了检测用作MEMS传感元件的微型电容式麦克风中压力的改变，在膜片上形成多个切口(cutout)，而膜片的周线外围没有完全固定在与板平行的位置。在膜片上形成多个切口的这种类型电容式麦克风中，膜片暴露于具有通孔的封装中整合的传感元件管芯(die)的表面上，而通过通孔异物很可能进入膜片与板之间的间隙中。
发明内容
本发明的目的是提供一种振动传感器和一种压力传感器，其均由衬底、膜片和具有辐射形状(radial shape)的板构成，并防止异物进入到膜片和板之间的间隙中。
本发明的另一目的是提供一种适合于振动传感器和压力传感器的制造方法。
在本发明的第一实施例中，振动传感器包括：具有后腔的衬底，所述后腔具有开口；具有导电性能的膜片，其形成在所述衬底的上方以在俯视角度上覆盖所述后腔的开口；具有导电性能的板，其形成在所述膜片的上方并包括中心部分和多个连接部，所述中心部分位于与所述膜片相对的位置，所述多个连接部沿径向从所述中心部分延伸；绝缘支撑层，其连接所述板的连接部，从而将所述板支撑在所述膜片的上方，所述板与所述膜片之间具有间隙层，同时使所述板与所述膜片绝缘，其中所述绝缘支撑层具有用于将空气层包围在其内的环形内表面；以及盖，使用用于形成所述板的膜材料的至少一部分形成所述盖，所述盖连接所述绝缘支撑层，同时从所述环形内表面向内凸出以将所述板包围在其内，所述盖位于与所述膜片相对的位置，其与所述膜片之间具有所述间隙层，其中所述盖通过缝隙与所述板电隔离，并且其中所述膜片相对于所述板振动以改变在所述膜片与所述板之间形成的静电电容。
在上述中，使用用于形成所述板的膜材料的至少一部分形成所述盖，并且所述盖位于与所述膜片的外围相对的位置，其不与所述板相对。即，用所述盖覆盖没有被所述板覆盖的所述膜片的外围，所述盖是使用在膜片上方形成的膜材料形成的。由于在所述膜片与所述板之间形成的空气层延伸到所述膜片与所述盖之间的间隙中，所以能够用所述盖覆盖所述膜片的外围而不会妨碍所述膜片的振动。由于所述盖通过缝隙与所述膜片电隔离，所以能够形成布线而不会在所述盖与所述膜片之间形成寄生电容。通过减小用于将所述盖与所述板分离的缝隙的宽度，能够防止异物进入到所述膜片与所述板之间的空气层中。
在制造过程中，在所述板中形成多个板孔；在所述盖中形成多个盖孔；然后利用与所述板和所述盖对应的掩模进行各向同性蚀刻，从而去除绝缘支撑层的一部分，由此在所述板与所述膜片之间形成空气层。由于所述盖和所述板用作蚀刻掩模以形成所述绝缘支撑层，所以能够减少(制造过程中所需的)掩模的数量，由此降低了制造成本。
换句话说，优选地，在所述板和所述盖中形成多个孔，以传输蚀刻剂，从而通过各向同性蚀刻方法同时形成所述间隙层和所述绝缘支撑层。优选地，形成具有用于传输蚀刻剂的指定尺寸和大小的孔，因此能够减小孔尺寸，使“固体”异物不能通过所述孔传输。
优选地，所述膜片由位于与所述板的中心部分相对位置的中心部分和沿径向从所述中心部分延伸的多个臂构成。优选地，所述板的连接部在俯视角度上位于所述膜片的多个臂之间，并由所述绝缘支撑层支撑。通过形成由中心部分和臂构成的具有径向类齿轮形状的膜片，能够降低膜片的刚度，从而提高了振动传感器的灵敏度。由于在俯视角度上在与所述膜片的多个臂之间形成的切口竖直匹配的指定位置，所述板的连接部由所述绝缘支撑层支撑，因此能够减小桥跨在所述绝缘支撑层上的所述板的实际长度，从而增大了所述板的刚度。所述板的刚度增大使得施加到所述膜片和所述板的偏压增大，由此提高了振动传感器的灵敏度。
在本发明的第二实施例中，压力传感器包括：衬底，其表面上具有开口；板，形成于所述衬底的上方并由中心部分和多个连接部(或臂)构成，所述中心部分在俯视角度上与所述衬底的开口交叠，所述多个连接部从所述中心部分沿径向延伸并且其远端经由绝缘层固定至所述衬底的表面；膜片，形成于所述衬底与所述板之间并由中心部分和多个臂(或带)构成，所述中心部分位于与所述板的中心部分相对的位置，所述多个臂从所述中心部分沿径向延伸以沿俯视角度与所述板的连接部交叠，并且所述臂的具有弹性的远端经由绝缘层固定至所述衬底的表面，其中由于施加至所述中心部分的压力导致所述膜片在所述衬底与所述板之间的范围内变形；盖，具有沿周线方向向内突出的多个突起，其中以所述盖的突起位于所述板的相邻连接部之间形成的切口中的方式，所述盖被定形为与所述板啮合但与所述板物理分离，其间具有缝隙；以及盖支撑部，插入在所述盖与所述膜片之间，以将所述盖以与所述衬底的表面平行的方式支撑在指定区中，所述指定区靠近所述膜片的中心部分而非所述膜片的臂的远端，由此使所述盖与所述膜片物理分离。
由于所述盖与所述板绝缘，其间具有缝隙，所以在所述盖与所述膜片之间没有出现寄生电容。膜片的臂被所述盖覆盖，其中所述盖与所述板物理分离，其间具有缝隙，从而没有被所述板覆盖的所述膜片的外围区域被所述盖覆盖。所以能够防止异物进入到所述膜片与所述板之间的间隙中。由于盖支撑部的插入，能够防止与所述板的中心部分靠近的所述盖的指定区发生变形和与所述膜片接触。
在上述中，优选地，所述膜片由下导电膜构成，而所述盖和所述板均由上导电膜构成。这简化了所述压力传感器的层结构，从而降低了制造成本。由于所述膜片的臂没有定位为与所述板相对，所以即使在所述膜片和所述盖中的每一个均由单层导电膜构成时，仍能够防止在所述膜片的臂的低振幅区出现寄生电容，所述低振幅区基于固定至所述衬底的远端以小振幅振动。
优选地，在所述板和所述盖中均形成多个孔，以传输蚀刻剂，所述蚀刻剂在以自对准方式形成所述板与所述膜片之间的间隙、所述盖与所述膜片之间的间隙以及所述盖支撑部的蚀刻中使用。利用所述板和所述盖作为掩模通过各向同性蚀刻方法以自对准的方式形成所述孔。这进一步降低了压力传感器的制造成本。就此而言，以用于传输蚀刻剂的指定形状和大小形成所述板和所述盖中的孔。换句话说，能容易减小孔尺寸以防止可能对压力传感器的功能造成损坏的灰尘和异物通过其传输。
在上述压力传感器的制造方法中，包括如下步骤：在所述衬底上形成下绝缘膜；在所述下绝缘膜上形成用于形成所述膜片的下导电膜；在所述下导电膜上形成上绝缘膜；在所述上绝缘膜上形成用于形成所述板和所述盖的上导电膜；以及利用与所述衬底、所述板和所述盖对应的掩模执行各向同性蚀刻，以部分地去除所述下绝缘膜和所述上绝缘膜，从而在所述衬底与所述膜片之间形成间隙以及在所述膜片与所述板之间形成间隙，同时利用所述下绝缘膜和所述上绝缘膜的剩余部分形成所述盖支撑部。
上面的制造方法能够以自对准的方式形成所述板与所述膜片之间的间隙、所述盖与所述膜片之间的间隙以及所述盖支撑部；由此能够降低压力传感器的制造成本。
附图说明
通过参考如下附图，对本发明的这些和其它目的、方面和实施例进行更详细的描述。
图1是示出根据本发明第一实施例与电容式麦克风的MEMS结构相对应的传感元件芯片的俯视图。
图2是电容式麦克风的传感元件芯片的纵截面图。
图3是电容式麦克风的传感元件芯片的分解透视图。
图4A是示出不包括保护部件(guard)的等效电路的电路图。
图4B是示出包括保护部件的等效电路的电路图。
图5是用于说明电容式麦克风的制造方法的第一步骤的截面图。
图6是用于说明电容式麦克风的制造方法的第二步骤的截面图。
图7是用于说明电容式麦克风的制造方法的第三步骤的截面图。
图8是用于说明电容式麦克风的制造方法的第四步骤的截面图。
图9是用于说明电容式麦克风的制造方法的第五步骤的截面图。
图10是用于说明电容式麦克风的制造方法的第六步骤的截面图。
图11是用于说明电容式麦克风的制造方法的第七步骤的截面图。
图12是用于说明电容式麦克风的制造方法的第八步骤的截面图。
图13是用于说明电容式麦克风的制造方法的第九步骤的截面图。
图14是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十步骤的截面图。
图15是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十一步骤的截面图。
图16是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十二步骤的截面图。
图17是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十三步骤的截面图。
图18是示出电容式麦克风的传感元件芯片的具体构成的一部分的纵截面图。
图19是示出电容式麦克风的传感元件芯片的具体构成的另一部分的纵截面图。
图20是示出具有内部空间用于安装类齿轮形状板的盖(cover)的变化的俯视图。
图21是示出根据本发明第二实施例在电容式麦克风中包括的传感元件管芯(即压力传感器)的结构的俯视图。
图22A是沿图21中线A-A取得的截面图。
图22B是沿图21中线B-B取得的截面图。
图22C是沿图21中线C-C取得的截面图。
图22D是沿图21中线D-D取得的截面图。
图23是电容式麦克风的传感元件管芯的分解透视图。
图24A是示出不包括保护部件的等效电路的电路图。
图24B是示出包括保护部件的等效电路的电路图。
图25是沿图21中线E-E取得的截面图，用于说明电容式麦克风的制造方法的第一步骤。
图26是用于说明电容式麦克风的制造方法的第二步骤的截面图。
图27是用于说明电容式麦克风的制造方法的第三步骤的截面图。
图28是用于说明电容式麦克风的制造方法的第四步骤的截面图。
图29是用于说明电容式麦克风的制造方法的第五步骤的截面图。
图30是用于说明电容式麦克风的制造方法的第六步骤的截面图。
图31是用于说明电容式麦克风的制造方法的第七步骤的截面图。
图32是用于说明电容式麦克风的制造方法的第八步骤的截面图。
图33是用于说明电容式麦克风的制造方法的第九步骤的截面图。
图34是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十步骤的截面图。
图35是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十一步骤的截面图。
图36是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十二步骤的截面图。
图37是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十三步骤的截面图。
图38是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十四步骤的截面图。
图39是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十五步骤的截面图。
图40是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十六步骤的截面图。
图41是用于说明电容式麦克风的制造方法的第十七步骤的截面图。
图42是示出相对于传感元件管芯中的膜片在盖中形成的盖孔的形状和排列的俯视图。
图43是示出在传感元件管芯中的膜片的臂中形成的膜片孔的形状和排列的俯视图。
图44是示出根据第二实施例的第一改型相对于传感元件管芯中的膜片在盖中形成的盖孔的形状和排列的俯视图。
图45是示出根据第二实施例的第一改型在传感元件管芯中的膜片的臂中形成的膜片孔的形状和排列的俯视图。
图46是示出根据第二实施例的第二改型相对于传感元件管芯中的膜片在盖中形成的盖孔的形状和排列的俯视图。
图47是示出根据第二实施例的第二改型在传感元件管芯的膜片的臂中形成的膜片孔的形状和排列的俯视图。
图48A是沿图1中线D-D取得的截面图，用于说明对邻近膜片的臂的上绝缘膜和下绝缘膜进行的蚀刻工艺的第一步骤。
图48B是用于说明蚀刻工艺的第二步骤的截面图。
图48C是用于说明蚀刻工艺的第三步骤的截面图。
图48D是用于说明蚀刻工艺的第四步骤的截面图。
图48E是用于说明蚀刻工艺的第五步骤的截面图。
具体实施方式
通过参照附图以示例的方式来更为详细地描述本发明。
1.第一实施例
图1示出根据本发明第一实施例与电容式麦克风1的MEMS结构相对应的传感元件芯片。图2是电容式麦克风1的传感元件芯片的纵截面图。图3示出电容式麦克风1的传感元件芯片的层叠结构。图18和图19示出电容式麦克风1的传感元件芯片的具体构成。在图1中，剖面线区表示下导电层120的形成区。电容式麦克风1由传感元件芯片、电路芯片(包括电源电路和放大器，未示出)以及用于安置传感元件芯片和电路芯片的封装(未示出)构成。
使用沉积膜，即层叠在衬底100上的下绝缘膜110、下导电膜120、上绝缘膜130、上导电膜160和表面绝缘膜170形成电容式麦克风1的传感元件芯片。为了方便起见，在图1中没有示出在上导电层160的上方形成的上层。下面将描述电容式麦克风1的MEMS结构中包括的上述膜的层叠结构。
衬底100由p型单晶硅构成，但不以此为限。要求衬底100应由具有足够刚度、厚度和强度来沉积膜和支撑层叠膜的材料构成。在衬底100中形成通孔，其开口100a形成后腔C1。
连接衬底100、下导电膜120和上绝缘膜130的下绝缘膜110是由硅氧化物(SiOx)构成的沉积膜。
连接衬底100、下导电膜120和上绝缘膜130的下绝缘膜110是由硅氧化物(SiOx)构成的沉积膜。下绝缘膜110用于形成多个膜片支撑部102、多个保护绝缘体103和环形部件101，多个膜片支撑部102以之间具有相等间隔的方式沿周线排列，多个保护绝缘体103以之间具有相等间隔的方式沿周线排列并且在俯视角度上排布在膜片支撑部102的内侧(inwardly)，环形部件101(实际上具有矩形形状和圆孔)使保护环125c和保护引线(guardlead)125d与衬底100绝缘。
连接下绝缘膜110和上绝缘膜130的下导电层120是由整体掺杂有诸如磷(P)的杂质的多晶硅构成的沉积膜，其形成在图1所示的剖面线区域中。下导电膜120用于形成保护部件127和膜片123，保护部件127由保护电极125a和保护连接器125b以及保护环125c和保护引线125d构成。
上绝缘膜130(形成绝缘支撑层)是由具有绝缘性能的氧化硅构成的沉积膜。上绝缘膜130连接下导电膜120、上导电膜160和下绝缘膜110。上绝缘膜130用于形成多个板支撑部(support)131和环形盖支撑部(实际具有矩形形状和圆孔)132，多个板支撑部131沿周线并在俯视角度上在膜片支撑部102的内侧排列，盖支撑部132支撑盖161以及使板引线162d与保护引线125d绝缘。盖支撑部132位于板支撑部131和膜片支撑部102的外侧。在盖支撑部132中形成环形内表面132a。板支撑部131是形成于盖支撑部132的环形内表面132a内部的岛状物。上绝缘膜130的厚度大体与间隙层C3的厚度相等，间隙层C3被限定在板162和膜片123之间并被盖支撑部132的环形内表面132a包围。即，使用上绝缘膜132形成的绝缘支撑层由板支撑部131和盖支撑部132构成，由此具有预定厚度的间隙层C3形成在下导电膜120(形成膜片123和保护部件127)和上导电膜160(形成板162和盖161)之间。
上导电膜160是由整体掺杂有杂质(例如P)的多晶硅构成的沉积膜，其被定位为在俯视角度上与膜片123交叠并连接上绝缘膜130。上导电膜160用于形成板162和板引线162d(其从板162延伸)以及盖161，盖161被定位为包围板162但通过缝隙(slit)与板162物理隔离。盖161是使用形成板162的沉积膜形成的，但是其与板162电隔离。
连接上导电膜160和上绝缘膜130的表面绝缘膜170是由具有绝缘性能的氧化硅构成的沉积膜。
电容式麦克风1的MEMS结构具有四个端子，即125e、162e、123e和100b，所有这些端子是使用焊盘导电膜180(其是由具有导电性能的AlSi构成的沉积膜)、凸块膜(bump film)210(其是由具有导电性能的Ni构成的沉积膜)和凸块保护膜220(其是由具有导电性能和高耐腐蚀性的Au构成的沉积膜)形成的。端子125e、162e、123e和100b的侧壁由焊盘保护膜190(其是由具有绝缘性能的SiN构成的沉积膜)和表面保护膜200(其是由具有绝缘性能的氧化硅构成的沉积膜)保护。
接下来，将详细描述电容式麦克风1的MEMS结构的机械构成(mechanical constitution)。
膜片(diaphragm)123是整体具有导电性能的单层沉积膜，并由中心部分123a和多个臂123c(其沿径向从中心部分123a向外延伸)构成。通过在指定位置与膜片123的外侧部分相连接的柱形膜片支撑部102，膜片123以与衬底100平行的方式被支撑，从而使得利用板162和衬底100形成指定间隙，其中膜片123与板162绝缘。膜片支撑部102与膜片123的臂123c的远端接合。由于在膜片123的臂123c之间形成切口(cutout)，与不具有臂的前述膜片相比，膜片123的刚度降低。在每个臂123c中均形成多个膜片孔123b，因此降低了刚度。每个臂123c的宽度随着其接近膜片123的中心部分123a而逐渐增大。这减小了膜片123的臂123c与中心部分123a之间边界处的应力集中。在与膜片123的臂123c与中心部分123a之间每个边界邻近的每个臂123c的轮廓线(outline)中没有形成弯曲部分；因此能够防止应力集中在弯曲部分。
在腔C1的开口100a的周围区域，沿着周线方向以之间具有相等间隔的方式排列膜片支撑部102。每个膜片支撑部102由柱状的具有绝缘性能的沉积膜形成。膜片123由膜片支撑部102支撑在衬底100的上方，以使得在俯视角度上膜片123的中心部分123a覆盖后腔C1的开口100a。在衬底100和膜片123之间形成厚度大体与膜片支撑部102的厚度相当的间隙层C2。为了在后腔C1的内部压强与大气压之间建立平衡，间隙层C2是必不可少的。沿膜片123的径向减小间隙层C2的高度并增大其长度，从而在向后腔C1的开口100a传输声波(其引起膜片123振动)的路径中形成最大的声阻(acoustic resistance)。
在膜片123的定位为与衬底100相对的背面上形成多个膜片凸块123f。膜片凸块123f是用于防止膜片123固定到衬底100的凸起。它们是利用形成膜片123的下导电膜120的起伏度形成的。即在膜片123的表面上与膜片凸块123f相对应地形成多个凹陷(或多个小凹部)。
膜片123通过膜片引线123d连到膜片端子123e，其中膜片引线123d从多个臂123c中的指定臂123c的远端延长。膜片引线123d的宽度小于臂123c的宽度，其中以类似于膜片123的方式，使用下导电膜120形成膜片引线123d。膜片引线123d通过环形保护环125c的缝隙向膜片端子123e延长。如图4A和图4B所示，由于膜片端子123e通过电路芯片(未示出)与衬底端子100b短路，所以膜片123和衬底100被施加大体相等的电位。
当膜片123的电位不同于衬底100的电位时，在膜片123与衬底100之间可能形成寄生电容。由于膜片123由之间具有空气层的多个膜片支撑部102支撑，所以与膜片由具有环形壁结构的间隔件支撑的前述结构相比，能够降低寄生电容。
板162是整体具有导电性能的单层沉积膜，其中板162由中心部分162b和沿径向从中心部分162b向外延伸的多个连接部(或臂)162a构成。以在板162和膜片123之间形成间隙层C3的这种方式，由与连接部162a连接的柱形板支撑部131支撑板162。在俯视角度上，每个板支撑部131被定位在膜片123的相邻臂123c之间。即，板162的连接部162a由位于膜片123的臂123c之间位置处的板支撑部131(用于形成绝缘支撑层)支撑。此外，以从俯视角度板162的中心大体与膜片123的中心匹配的这种方式，板162与膜片123相平行地桥跨在板支撑部131上。板162的中心(即中心部分162b的中心)与中心部分162b的外围之间的距离，即板162的中心与外围之间的最短距离，小于膜片123的中心(即中心部分123a的中心)与中心部分123a的外围之间的距离，即膜片123的中心与外围之间的最短距离。因此，在可以小振幅振动的膜片123的外围中，板162没有面向膜片123。由于在板162的连接部162a之间形成切口，在俯视角度上，大体与膜片123的外围匹配的切口中，板162没有面向膜片123。在俯视角度上，在板162的切口中，臂123c从膜片123的中心部分123a沿径向延长。这增大了膜片123中发生振动的端子位置(terminal position)之间的距离、即膜片123的实际长度，而没有增大寄生电容。
在板162中形成数个板孔162c，其中它们共同用作用于向膜片123传播声波的通道以及用作用于传输在上绝缘膜130上进行各向同性蚀刻使用的蚀刻剂的通孔。上绝缘膜130经过蚀刻之后剩余的部分形成板支撑部131和盖支撑部132，而上绝缘膜130的被蚀刻掉的部分(或除去部分)形成膜片123和板162之间的间隙层C3。即，板孔162c是用于向上绝缘膜130传输蚀刻剂的通孔，以同时形成间隙层C3和板支撑部131。为此，考虑到间隙层C3的高度(或厚度)和板支撑部131的形状以及蚀刻速度来排列板孔162c。具体地，在中心部分162b和连接部162a的整个区域(除了与板支撑部131连接的连接部162a的连接区域)中，以之间具有相等间隔的方式形成和排列板孔162c。由于相邻板孔162c之间的距离变小，所以盖支撑部132(其使用上绝缘膜130形成)的宽度变小，由此减小了整个芯片面积。随着相邻板孔162c之间的距离变小，板162的刚度降低。
板支撑部131连接保护电极125a，保护电极125a与膜片123位于同一层中并且以类似于膜片123的方式使用下导电层120形成。各板支撑部131使用上绝缘膜130形成，上绝缘膜130是连接板162的具有绝缘性能的沉积膜。板支撑部131以之间具有相等间隔的方式排列在后腔C1的开口100a的周围区域中。由于沿俯视角度板支撑部131位于膜片123的臂123c之间的切口中，所以能够将板162的最大直径减小到小于膜片123的最大直径。这增大了板162的刚度，同时降低了板162与衬底100之间的寄生电容。
板162由多个柱结构129支撑在衬底100的上方，柱结构129由保护绝缘体103、保护电极125a和板支撑部131构成。通过柱结构129，在板162与衬底100之间形成间隙层C3，以及在板162与衬底100之间形成间隙层C2和C3。由于保护绝缘体103和板支撑部131的绝缘性能，板162与衬底100绝缘。
当由于缺少保护电极125a而使板162的电位不同于衬底100的电位时，在板162与衬底100相对的指定区中形成寄生电容，其中如果在它们之间布置其它绝缘体，则寄生电容增大(参见图4A)。本实施例的特征在于，多个柱结构129使用保护绝缘体103、保护电极125a和板支撑部131形成，并且彼此之间物理分离，从而将板162支撑在衬底100的上方，其中即使本实施例不包括保护电极125a，与由具有环形壁结构的绝缘部件将板支撑在衬底上方的前述结构相比，也能够降低寄生电容。
在板162的定位为与膜片123相对的背面上形成多个板凸块(即突起)162f。板凸块162f是使用连接上导电膜160(形成板162)的氮化硅(SiN)膜和连接该氮化硅膜的多晶硅膜形成的。板凸块162f防止板162固定到膜片123。为了防止“黏附(stiction)”(其中板162固定到膜片123)，可以在盖161上形成突起。
板引线162d(其宽度小于连接部162的宽度)从板162的指定连接部162a的远端向板端子162e延伸。以类似于板162的方式使用上导电膜160形成板引线162d。沿俯视角度，板引线162d的布线路径与保护引线125d的布线路径交叠，由此能够降低板引线162d和衬底100之间的寄生电容。
形成具有内部类齿轮形状(与板162的类齿轮形状匹配)的盖161以包围板162。通过缝隙与板162物理分离的盖161的内轮廓线以与板161的外轮廓线一致的方式形成。当盖161与板162之间的缝隙宽度变小时，异物难以进入到板162与膜片123之间的间隙层C3中。优选地，盖161与板162之间的缝隙宽度小于板162与膜片123之间的间隙层C3的厚度。由于用于将盖161与板162物理分离的缝隙，盖161与板引线162d物理分离。即，盖161的外围不完全是环形的而是在周线方向的一个位置处被分开，从而形成缝隙，通过该缝隙板引线162d向板端子162e延伸。
盖161具有与盖支撑部132连接的大体为环形的外侧部分。在由盖支撑部132的环形内表面132a限定的内部区域中，突起161a从盖161向内突出，其中突起161a被定位为通过缝隙与板162的中心部分162b的外围相对。即，在盖支撑部132的环形内表面132a的内部区域向内突出的盖161的每个突起161a均具有最大的长度，用以允许其远端延伸接近板162的中心部分162b的外围。在盖支撑部132的环形内表面132a的内部区域中，在盖161的突起161a之间形成凹部161b，其中凹部161b具有深度，其底部被定位为通过缝隙与板162的连接部162a的远端相对。即，在盖支撑部132的环形内表面132a的内部区域中凹陷的每个凹部161b具有最小长度，用以允许其底部凹陷接近板162的连接部162a的各远端。
由以类似于板支撑部131的方式使用上绝缘层130形成的盖支撑部132支撑盖161。由此，在板162与膜片123之间以及盖161与膜片123之间形成预定厚度的间隙层C3。
在俯视角度上，盖161被定位为与膜片123的臂123c相对，其中由于盖161通过缝隙与板162电隔离使得盖161保持在电浮动状态(floatingstate)，所以在盖161与板162之间没有形成寄生电容。
在盖161中形成多个盖孔161c，以在盖161与膜片123之间形成间隙层C3。盖孔161c是用于传输蚀刻上绝缘层130所用的蚀刻剂的通孔；即，它们是向上绝缘层130传输蚀刻剂的通孔，以同时形成间隙层C3和盖支撑部132。为了实现在盖161与膜片123之间形成间隙层C3，应确定盖孔161c的数量，其中为了可靠地传输蚀刻剂，以指定形状形成盖孔161c。在正好位于膜片123上方的盖161的一定区域中形成盖孔161c，而不导致排列密度(alignment density)偏离。考虑到间隙层C3的高度(或厚度)和盖支撑部132的形状以及蚀刻速度来排列盖孔161c。具体地，除了连接盖支撑部132的盖161的连接区域及其周围区域之外，在盖161的大体整个区域中，以之间具有相等间隔的方式形成盖孔161c。随着相邻盖孔161c之间的距离变小，能够减小盖支撑部132的宽度，从而减小整个芯片面积。
接下来将参照图4A和图4B描述电容式麦克风1的操作，图4A和图4B中的每一个均示出关于传感元件芯片和电路芯片连在一起的等效电路。
安装在电路芯片中的电荷泵(charge pump)CP向膜片123施加稳定的偏压(bias voltage)。随着偏压变大，电容式麦克风1的灵敏度变高，其中膜片123可容易地被固定到板162；因此在设计电容式麦克风1时板162的刚度是重要因素。
进入到封装通孔(未示出)中的声波通过板孔162c以及板162的连接部(或臂)162a之间的切口传输到膜片123。由于在板162的表面和背面上传播相同相位的声波，所以板162基本不振动。传输到膜片123的声波使膜片123相对于板162振动。膜片123的振动改变平行板电容器(包括与板162和膜片123相对应的相反电极)的静电电容。静电电容的改变被转换成电压信号，然后该电压信号由安装在电路芯片中的放大器A放大。
由于膜片123与衬底100短路，所以在不包括保护部件127和保护电极125的图4A的电路中，在衬底100与板162(其相对不振动)之间形成寄生电容。在图4B的电路中，由输出端连接到保护部件127的放大器A形成了电压跟随器电路(voltage-follower circuit)，因此避免了在板162与衬底100之间出现寄生电容。即，在指定区域(其中衬底和板被定位为彼此相对)中，在衬底100与板162的连接部162a之间插入保护电极125a，由此降低了衬底100与板162的连接部162a之间的寄生电容。此外，沿俯视角度，在与板引线162d(其从板162的连接部162a延伸)相同的区域中对保护引线125d(其从保护环125c延伸，用于将保护电极125a连到保护端子125e)进行布线，由此避免在衬底100与板引线162d之间出现寄生电容。在膜片123的周围区域中，保护环125c以之间最短的路径将保护电极125a连接在一起。由于保护电极125a的宽度大于板162的周线方向上连接部162a的宽度，所以能够进一步减小寄生电容。
就此而言，诸如电荷泵CP和放大器A(安装在电路芯片中)的上述元件可被安装在传感元件芯片中，由此形成具有单芯片结构的电容式麦克风1。
接下来，将参照图5至图17描述电容式麦克风1的制造方法。
在图5所示的制造方法的第一步骤中，在衬底100的整个表面上形成由氧化硅构成的下绝缘膜110。利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻在下绝缘膜110中形成凹陷110a(其用于形成膜片凸块123f)。通过化学气相沉积(CVD)在下绝缘膜110的表面上形成由多晶硅构成的下导电膜120，由此在凹陷110a的下方形成膜片凸块123f。然后，利用光致抗蚀剂掩模蚀刻下导电膜120，从而形成膜片123和保护部件127(二者均由下导电膜120构成)。
在图6所示的制造方法的第二步骤中，在下绝缘膜110和下导电膜120的表面上整体形成由氧化硅构成的上绝缘膜130。然后，利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻在上绝缘膜130中形成凹陷130a(其用于形成板凸块162f)。
在图7所示的制造方法的第三步骤中，在上绝缘膜130的表面上形成由多晶硅膜135和氮化硅膜136构成的板凸块162f。由于通过已知方法图案化多晶硅膜135之后形成氮化硅膜136，所以从凹陷130a突出的多晶硅膜135的暴露部分完全被氮化硅膜136覆盖。氮化硅膜136是用于即使在膜片123意外固定到板162时防止膜片123与板162短路的绝缘膜。
在图8所示的制造方法的第四步骤中，通过CVD方法在上绝缘膜130的表面和氮化硅膜136的暴露表面上形成由多晶硅构成的上导电膜160。然后，利用光致抗蚀剂掩模蚀刻上导电膜160以形成板162、板引线162d和盖161。在这个步骤中，没有形成板孔162c和盖孔161c。
在图9所示的制造方法的第五步骤中，在上绝缘膜130中形成接触孔CH1、CH3和CH4，然后在整个表面上形成由氧化硅构成的表面保护膜170。此外，利用光致抗蚀剂掩模执行蚀刻，从而在表面绝缘膜170中形成接触孔CH2，以及同时去除留在在接触孔CH1、CH3和CH4底部的表面绝缘膜170的剩余部分。在接触孔CH1、CH2、CH3和CH4中形成并埋置由AlSi构成的焊盘导电膜180；然后通过已知方法对焊盘导电膜180进行去除而留下其剩余在接触孔CH1、CH2、CH3和CH4中的指定部分。随后，通过CVD方法在表面绝缘膜170和焊盘导电膜180的表面上形成由氮化硅构成的焊盘保护膜190；然后通过已知方法进行图案化，由此留下其位于焊盘导电膜180的周围区域中的指定部分。
在图10所示的制造方法的第六步骤中，利用光致抗蚀剂掩模进行各向异性蚀刻，以在表面绝缘膜170中形成通孔170a(对应于板孔162c和盖孔161c，其中在图10至图17中没有示出盖孔161c)，从而在上导电膜160中形成板孔162c，而在盖161中形成盖孔161c。这个步骤被连续执行，其中具有通孔170a的表面绝缘膜170用作上导电膜160的抗蚀剂掩模。
在图11所示的制造方法的第七步骤中，在表面绝缘膜170和焊盘保护膜190的表面上形成表面保护膜200。此时，表面绝缘膜170的所有通孔170a以及板孔162c和盖孔161c均被埋置在表面保护膜200的下方。
在图12所示的制造方法的第八步骤中，在仍保留在接触孔CH1、CH2、CH3和CH4中的焊盘导电膜180的表面上形成由Ni构成的凸块膜210，然后在凸块膜210的表面上形成由Au构成的凸块保护膜220。在这个步骤中，衬底100的背面被抛光，从而使衬底100具有预定厚度(大体与产品尺寸匹配)。
在图13所示的制造方法的第九步骤中，利用光致抗蚀剂掩模进行蚀刻从而形成通孔H5，盖161通过通孔H5从表面保护膜200和表面绝缘膜170部分地暴露。
上面的步骤完成了与衬底100的表面有关的膜形成过程。
在图14所示的制造方法的第十步骤(其在衬底100的表面上完成膜形成过程之后被执行)中，在衬底100的背面上形成具有通孔H6的光致抗蚀剂掩模R1(用于形成与衬底100中的后腔C1相对应的通孔)。
在图15所示的制造方法的第十一步骤中，在衬底100上执行深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，Deep-RIE)，以形成通孔。此时，下绝缘膜110用作蚀刻停止层(stopper)。
在图16所示的制造方法的第十二步骤中，从衬底100去除光致抗蚀剂掩模R1，然后对通孔的内壁100c(由于深反应离子蚀刻导致其形成得粗糙)进行平滑化。
在图17所示的制造方法的第十三步骤中，利用光致抗蚀剂掩模R2和缓冲氢氟酸(BHF)执行各向同性蚀刻，以从板162和板引线162d去除表面保护膜200和表面绝缘膜170。另外，部分地去除上绝缘膜130，以形成盖支撑部132、板支撑部131和间隙层C3。此外，部分地去除下绝缘膜110以形成保护绝缘体103、膜片支撑部102、环形部件101和间隙层C2。此时，BHF蚀刻剂进入到光致抗蚀剂掩模R2的通孔H6和衬底100的开口100a中。蚀刻剂(进入到光致抗蚀剂掩模R2的通孔H6和衬底100的开口100a中)通过板162与盖161之间的缝隙、板孔162c和盖孔161c传输以蚀刻上绝缘膜160。上绝缘膜130的轮廓线由板162和板引线162d限定。即，通过板162和板引线162d的自对准(self-alignment)来形成盖支撑部132和板支撑部131。如图18所示，通过各向同性蚀刻在盖支撑部132和板支撑部131的端表面上形成下切口(undercut)。下绝缘膜110的轮廓线由衬底100的开口100a、膜片123、膜片引线123d、保护电极125a、保护连接器125b和保护环125c限定。即，通过膜片123的自对准形成保护绝缘体103和膜片支撑部102。如图18和图19所示，通过各向同性蚀刻在保护绝缘体103和板支撑部131的端表面上形成下切口。在这个步骤中形成了保护绝缘体103和板支撑部131，由此形成除保护电极125a之外的柱结构129(用于将板162支撑在衬底100的上方)。
最后，从衬底100去除光致抗蚀剂掩模R2，然后对衬底100进行切割。这样完成了图1所示的电容式麦克风1的传感元件芯片的制造。传感元件芯片和电路芯片被贴附到封装衬底(未示出)，在该封装衬底中其端子通过引线接合(wire bonding)连接在一起；然后在封装衬底上放置封装盖(未示出)，从而完成了电容式麦克风1的制造。由于传感元件芯片被接合到封装衬底上，所以在衬底100的背面中后腔C1以气密方式封闭。
第一实施例是示例性的而非限制性的；因此能够以多种方式对其进行修改。例如，板162和盖161之间的缝隙不是必须具有固定大小的宽度；即缝隙的宽度可局部加宽。此外，缝隙不是必须整体地连在板162与盖161之间。如图20所示，能够将盖161修改为具有用于将类齿轮形状板162完全安装在其中的内部空间(由多边形内表面或圆形内表面限定)，其中在俯视角度上，盖161从盖支撑部132的环形内表面132a向内突出。在这种改型中，板162的中心部分162b远离盖161的内表面而二者之间没有任何缝隙；而板162的连接部(或臂)162a的远端被定位为接近盖161的内表面，在二者之间具有缝隙。
2.第二实施例
图21示出根据本发明第二实施例的电容式麦克风的作为固体元件(solidelement)的传感元件管芯1001、即压力传感器的构成。图22A至图22D示出传感元件管芯1001的截面图，其中图22A是沿图21中线A-A取得的截面图，图22B是沿图21中线B-B取得的截面图，图22C是沿图21中线C-C取得的截面图，以及图22D是沿图21中线D-D取得的截面图。图23是示出传感元件管芯1001的层叠结构的分解透视图。电容式麦克风由传感元件管芯1001、包括电源电路和放大器的电路管芯(未示出)以及封装(未示出)构成，其中封装具有用于安置传感元件管芯1001和电路管芯的空间以及用于将声压(sound pressure)传播到传感元件管芯1001的通孔。
下面将首先描述构成电容式麦克风的传感元件管芯1001的膜和层。
传感元件管芯1001是由衬底1100、下绝缘膜1110(层叠在衬底1100上)、下导电膜1120、上绝缘膜1130和上导电膜1160构成的固体元件。图21、图22A至图22C和图23不包括关于在上导电膜1160的上方形成的其它层的说明。
衬底1100由P型单晶硅(Si)构成；但不以此为限。即，衬底1100可以由满足用作基底的机械性能的其它材料构成，所述基底用于沉积薄膜和用于支撑包括薄膜的结构。衬底1100的厚度被设置为例如625μm。下绝缘膜1110是由硅氧化物(SiOx)构成的沉积膜，其中其厚度范围例如从1.5μm至2.0μm。下导电膜1120是由整体掺杂有杂质例如磷(P)的多晶硅构成的沉积膜，其中下导电膜1120形成在图21的剖面线区中，并且其厚度范围例如从0.5μm至0.7μm。上绝缘膜1130是由氧化硅构成的“绝缘”沉积膜，其中其厚度范围例如从4.0μm至5.0μm。上导电膜1160是由整体掺杂有杂质例如磷的多晶硅构成的沉积膜，其中其厚度范围例如从1.0μm至2.0μm。
接下来，下面将描述电容式麦克风的传感元件管芯1001的机械结构。
在衬底1100中形成具有开口1100a的通孔，其中开口1100a也用作后腔C1的开口。后腔C1与开口1100a相对的相对侧(opposite side)通过封装(未示出)闭合。即，基本不通过后腔C1的相对侧传播声波。与“弹性”膜片1123相比，衬底1100基本用作刚性材料。
使用与衬底1100相比具有小厚度和弹性的下导电膜1120形成膜片1123，其中膜片1123由中心部分1123a(用于接收压力)和多个臂(或带)1123c构成。在膜片1123的中心部分1123a覆盖衬底1100的开口1100a的位置，以与衬底1100的表面平行的方式固定膜片1123。在俯视角度上，膜片1123的中心部分1123a具有圆形形状或多边形形状，以覆盖衬底1100的开口1100a及其周围区域。在与衬底1100的表面平行的平面内，膜片1123的臂1123c沿径向延长。各个臂1123c的远端以类似锤头(harmmerhead-like)形状增大，其中它们被夹置在下绝缘膜1110与上绝缘膜1130之间，从而连到下绝缘膜1110和上绝缘膜1130。由于下绝缘膜1110连到衬底1100，所以臂1123c的远端通过下绝缘膜1110间接地固定至衬底1100。在下文中，将没有与下绝缘膜1110和上绝缘膜1130接触的臂1123c的其它部分称作弹性部分。多个臂1123c通过之间的切口相邻，而臂1123c的远端被固定在适当位置，因此与其圆形外围整体固定在适当位置的前述膜片(具有圆形形状或多边形形状)相比，膜片1123易于发生变形。在臂1123c中形成数个膜片孔1123b，这样降低了刚度。
在衬底1100的开口1100a的边缘与膜片1123的中心部分1123a之间形成高度与下绝缘膜1100的厚度相同的间隙层C2。间隙层C2用作在后腔C1的内部压强与大气压之间建立平衡的通道。此外，在通过通孔进入到封装的声波向后腔C1的开口1100a传播的路径中，间隙层C2形成最大声阻。在面向衬底1100的膜片1123的背面上形成多个膜片凸块1123f。膜片凸块1123f是防止膜片1123固定至衬底1100的突起。
膜片1123通过从臂1123c中的一个指定臂延伸的膜片引线1123d连到膜片端子(未示出)。膜片引线1123通过保护环1125c的切口向膜片端子延伸。如图24B所示，由于膜片1123通过电路管芯(未示出)与衬底1100短路，所以膜片1123和衬底1100都被设置相同的电位。
使用比下导电膜1120更厚的上导电膜1160形成板1162，其中板1162由中心部分1162b和多个连接部(或臂)1162构成。在板1162中形成数个板孔1162c。板孔1162c用作向膜片1123传播声波的通孔。板1162的中心部分1162b具有圆形形状或多边形形状，其被定位为与膜片1123的中心部分1123a相对，从而在俯视角度上将其完全覆盖。连接部1162a以与衬底1100的表面平行的方式从中心部分1162b沿径向延长。在如图1和图3所示的垂直于衬底1100表面的视角方向上，板1162的连接部1162a以使连接部1162a不与臂1123c交叠这样的方式被定位为与膜片1123的臂1123c相连，并且在俯视角度上与臂1123c交替定位，因此臂1123c位于沿板1162的中心部分1162b的周线方向相邻的连接部1162a之间形成的切口的正下方。连接部1162a的远端通过板支撑部1131、保护电极1125a和下绝缘膜1110固定至衬底1100，其中使用上绝缘膜1130以岛状形成板支撑部1131，使用下导电膜1120形成保护电极1125a。在垂直于衬底1100表面的视角方向上，在俯视角度上中心部分1162b与衬底1100的开口1100a交叠的位置处，板162以与衬底1100的表面相平行的方式被固定。在板1162与膜片1123之间形成厚度与板支撑部1131的高度相同的间隙层C3。在垂直于衬底1100表面的视角方向上，在俯视角度上，板支撑部1131被定位在中心部分1123a附近形成于相邻的臂1123c之间的切口中而非定位在臂1123c的远端，臂1123c的远端固定至衬底1100。这增大了板1162的刚度。在面向膜片1123的板1162的背面上形成多个板凸块1162f。板凸块1162f是防止膜片1123固定至板1162的突起。比连接部1162a更薄的板引线1162d从板1162的连接部1162a的一个指定远端向板端子(未示出)延伸。以类似于板1162的方式使用上导电膜1160形成板引线1162d。在垂直于衬底1100表面的视角方向上，板引线1162d的布线路径在俯视角度上与保护引线1125d交叠。
如图22B所示，由上导电层1160构成的盖1161通过盖支撑部1132和下绝缘膜1110相对于膜片1123被支撑在衬底1100的上方。如图21和图22A至图22C所示，盖1161通过缝隙S与板1162物理分离。即，均由上导电膜1160构成的板1162和盖1161通过缝隙S彼此绝缘。沿板1162的轮廓线形成盖1161的内轮廓线。多个突起1161a与盖1161整体形成，从而在俯视角度上在形成于连接部1162a之间的切口中向板1162的中心部分1162b向内突出。缝隙S的宽度被设置为指定值，用以防止异物进入到板1162与膜片1123之间的间隙层C3中。板1161沿其周线方向在一个区中分裂，因此板引线1162d通过盖1161的分裂区延伸。
如图21和图22B所示，盖1161的突起1161a向中心部分1162b突出，从而在俯视角度上覆盖膜片1123的臂1123c的弹性部分。如图21和图22D所示，在平行于衬底1100表面的视角方向上，盖1161的突起1161a由从盖支撑部1132向内突出的突起1132b(参见图23)在其两侧支撑在指定区上，其中该指定区比臂1123c的远端更靠近膜片1123的中心部分1123a。即，盖的突起1161a以其不与由于外力或应力而变形的膜片1123的臂1123c的弹性部分接触的这种方式由盖支撑部1132的突起1132b支撑。以衬底1100的表面为基础，盖1161的突起1161a被固定在比膜片1123的臂1123c更高的位置处。在盖1161与膜片1123的臂1123c之间形成的间隙的高度(即以垂直于衬底1100表面的方向测量的竖直长度)明显大于为膜片1123的臂1123c的弹性部分定义的指定增幅(amplification)。
使用上绝缘膜1130形成盖支撑部1132。如图22B和图22D所示，盖支撑部1132的突起1132b连接盖1161的突起1161a的背面，以及与盖支撑部1132的突起1132b相对应地，在下绝缘膜1110的内侧(参见图23)整体地形成多个突起1110a。盖支撑部1132的突起1132b通过下绝缘膜1110的突起1110a固定至衬底1100。即，盖1161的突起1161a通过由盖支撑部1132的突起1132b和下绝缘膜1110的突起1110a构成的双层壁结构支撑在衬底1100的上方。
由衬底1100、盖1161的突起1161a和双层壁结构(由盖支撑部1132的突起1132b和下绝缘膜1110的突起1110a构成)包围的空间形成横孔(traversehole)，该横孔具有长方体形状和定位为靠近膜片1123的中心部分1123a的开口，其中膜片1123的臂1123c的远端相对于开口110a固定在横孔的内部最凹处。如上所述，膜片1123的臂1123c的远端通过紧密保持在上绝缘膜1130(形成盖支撑部1132)与下绝缘膜1110之间而固定在适当的位置。如图22D所示，臂1123的弹性部分被安置在横孔中并由衬底1100、盖1161的突起1161a和双层壁结构(由盖支撑部1132的突起1132b和下绝缘膜1110的突起1110a构成)包围。如图22D所示，臂1123的弹性部分与衬底1100、盖1161的突起1161a和双层壁结构(由突起1132b和突起1110a构成)物理分离。
通过使用经由盖1161的盖孔1161c提供的蚀刻剂在上绝缘膜1130上进行蚀刻，以自对准的方式在盖支撑部1132的相邻突起1132b之间形成间隙，其中所述间隙由盖孔1161c的形状和排列限定。通过使用经由膜片1123的臂1123c的膜片孔1123b提供的蚀刻剂在下绝缘膜1110上进行蚀刻，以自对准的方式在下绝缘膜1110的突起1110a之间形成间隙，其中所述间隙由膜片孔1123c的形状和排列限定。
图42示出盖孔1161c的形状和排列的实例。图42是传感元件管芯1001的俯视图，其是沿垂直于膜片1123的方向进行观察的并且没有示出板1162。盖孔1161c排列在被定位为与膜片1123的中心部分1123a和臂1123c的弹性部分相对的盖1161的指定区中。相邻的盖孔1161c的中心之间的距离设置为大体相等。即，在被定位为与膜片1123的中心部分1123a相对的突起1161a的远端附近，盖孔1161c均匀地排列在盖1161中。在从突起1161a的远端到突起1161a的基本部分的方向(周线方向)上，用于排列盖孔1161c的指定区的宽度减小为小于突起1161a的宽度。在盖1161的突起1161a中没有形成盖孔1161c的指定区的端部区域的下方形成盖支撑部1132的突起1132b。在盖1161的突起1161a中用于排列盖孔1161c的指定区的宽度大于膜片1123的臂1123c的弹性部分的宽度。这在盖支撑部1132与膜片1123的臂1123c的弹性部分之间形成足够大的间隙。
图43示出在膜片1123的臂1123c中形成的膜片孔1123b的形状和排列的实例。图43是传感元件管芯1001的俯视图，其是沿垂直于膜片1123的方向进行观察的并且没有示出板1162和盖1161。膜片孔1123b完全排列在膜片1123的臂1123c的弹性部分中。相邻的膜片孔1123b的中心之间的距离设置为大体相等。
接下来将参照图24A和图24B描述使用传感元件管芯1001的电容式麦克风的操作。
图24B示出通过将传感元件管芯1001连到电路芯片而配置的等效电路。安装在电路管芯中的电荷泵CP向膜片1123施加稳定的偏压。随着偏压变大，电容式麦克风的灵敏度变高，这反过来容易引起将膜片1123固定到板1162的黏附问题；因此板1162的刚度是传感元件管芯1001设计中的一个重要因素。
进入到封装(未示出)的通孔中的声波通过板孔1162c、缝隙S和盖孔1161c向膜片1123传播。由于在板1162的两侧传播相位相同的声波，所以板1162基本不振动。到达膜片1123的声波使膜片1123相对于板1162和衬底1100振动。当膜片1123振动时，平行板电容器(其相反电极对应于与板1162和膜片1123)的静电电容改变，其中静电电容的改变被转换为电信号，然后该电信号由电路管芯的放大器A放大。
由于盖1161通过缝隙S与板1162电隔离，并由此处于电浮动状态，因此在盖1161与膜片1123的臂1123c之间没有形成寄生电容。
由于衬底1100与膜片1123短路，因此在如图24A所示没有插入保护电极1125a的情况下，在板1162(其基本不振动)与衬底1100之间产生寄生电容。如图24B所示，通过利用输出端连接到保护电极1125a的放大器A形成电压跟随器电路，能够防止在板1162与衬底1100之间形成寄生电容。即，如图22A所示在垂直于衬底1100表面的方向上，在板1162与衬底1100交叠的区域中在板支撑部1131(由上绝缘膜1130构成)与下绝缘膜1110之间排布与膜片1123绝缘的保护电极1125a，其中每个保护电极1125a通过保护连接器1125b以及保护环1125c和保护引线1125d连接到放大器A的输出端，由此减小了板1162与衬底1100之间区域中的寄生电容。如图21和图23所示，当将保护引线1125d布线在与从板1162的连接部1162a延伸的板引线1162d相对的区域中时，能够防止在板引线1162d与衬底1100之间产生寄生电容。
第二实施例的电容式麦克风可被安装在诸如摄像机和个人计算机的各种电子设备中，其中各电子设备的外壳应具有用于向电容式麦克风传播声波的通孔。这样会存在灰尘可通过电子设备的外壳通孔和封装通孔进入到电容式麦克风的封装中的可能性。在第二实施例中，在灰尘进入到膜片1123与板1162之间的间隙层C3中之前，其必须通过缝隙S、板孔1162c和盖孔1161c中的至少任一个进行传输。在传输蚀刻剂的尺寸范围内，尽可能减小缝隙S的宽度、板孔1162c的直径以及盖孔1161c的直径。第二实施例的传感元件管芯1001能够可靠地防止异物进入到膜片1123与板1162之间的间隙层C3和膜片1123与衬底1100之间的间隙层C2中。在靠近板1162的中心部分1162b的指定区中，盖1161的突起1161a(其向板1162的中心部分1162b突出以覆盖膜片1123的臂1123c)由盖支撑部1132的突起1132b支撑，因此难以发生变形。这防止了盖1161的突起1161a与膜片1123的臂1123c接触。
接下来，将参照图25至图41描述第二实施例的使用传感元件管芯1001的电容式麦克风的制造方法，其中每个图均是沿图21中线E-E取得的截面图。
在图25所示的制造方法的第一步骤中，在衬底1100的整个表面上形成由氧化硅构成的下绝缘膜1110。利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻方法在下绝缘膜1110中形成模子(mold)1110b(用于形成膜片凸块1123f)。然后，通过CVD方法在下绝缘膜的表面上形成下导电膜1120，其是由多晶硅构成的沉积膜，从而在由模子1110b限定的位置形成了膜片凸块1123f。此外，利用具有预定形状的光致抗蚀剂掩模蚀刻下导电膜1120，由此形成膜片1123(由下导电膜1120构成)。
在图26所示的制造方法的第二步骤中，在下绝缘膜1110和下导电膜1120的表面上形成由氧化硅构成的上绝缘膜1130。利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻在上绝缘膜1130中形成模子1130a(用于形成板凸块1162f)。
在图27所示的制造方法的第三步骤中，使用上绝缘膜1130上的多晶硅膜1135和氮化硅膜1136形成板凸块1162f。
在图28所示的制造方法的第四步骤中，通过CVD方法在上绝缘膜1130的表面和氮化硅膜1136的表面上形成由多晶硅构成的上导电膜160。然后，利用光致抗蚀剂掩模蚀刻上导电膜1160从而形成板1162和盖1161，板1162和盖1161通过缝隙S彼此物理分离。在这个步骤中，在板1162中没有形成板孔1162c。
在图29所示的制造方法的第四步骤中，利用光致抗蚀剂掩模通过各向异性蚀刻方法在下绝缘膜1110和上绝缘膜1130中形成用于暴露膜片引线1123d、保护引线1125d和衬底1100的通孔H1、H3和H4。
在图30所示的制造方法的第五步骤中，通过等离子体CVD方法在上绝缘膜1130的表面和上导电膜1160的表面上以及通孔H1、H3和H4的内侧全部形成由氧化硅构成的表面绝缘膜1170。此外，利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻方法去除通孔H1、H3和H4的底部剩余的表面绝缘膜1170的剩余部分，由此在表面绝缘膜1170中形成接触孔CH1、CH2、CH3和CH4。这使得能够暴露膜片引线1123d、板引线1162d、保护引线1125d和衬底1100。
在图31所示的制造方法的第六步骤中，通过溅射方法在表面绝缘膜1170的整个表面上形成由AlSi构成的导电膜，从而覆盖接触孔CH1、CH2、CH3和CH4并连接膜片引线1123d、板引线1162d、保护引线1125d和衬底1100。此外，利用光致抗蚀剂掩模进行蚀刻以部分地去除AlSi导电膜，同时留下覆盖接触孔CH1、CH2、CH3和CH4的指定部分，从而形成焊盘1180(由AlSi沉积膜构成)。
在如图32所示的制造方法的第七步骤中，通过低压等离子体CVD方法在表面绝缘膜1170的表面和焊盘1180的表面上形成由氮化硅构成的焊盘保护膜1190，由此保护焊盘1180的侧表面。
在图33所示的制造方法的第九步骤中，利用光致抗蚀剂掩模对焊盘保护膜1190进行干蚀刻，以部分地去除焊盘保护膜1190，同时留下在焊盘1180的附近区域和周围区域中保留的指定部分。
在图34所示的制造方法的第十步骤中，以与板孔1162c和盖孔1161c一致的方式，利用光致抗蚀剂掩模通过各向异性蚀刻在表面绝缘膜1170中形成通孔。通过利用表面绝缘膜1170作为蚀刻掩模，在上导电膜1160中形成板孔1162c和盖孔1161c。
在图35所示的制造方法的第十一步骤中，在表面绝缘膜1170的表面、焊盘1180的表面以及焊盘保护膜1190的表面上全部形成由氧化硅构成的镀层保护膜1200。接下来，利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻方法对镀层保护膜1200进行图案化，同时留下覆盖表面绝缘膜1170和焊盘保护膜1190的镀层保护膜1200的指定部分，由此暴露埋置在接触孔CH1、CH2、CH3和CH4中的焊盘1180表面的中心部分。
在图36所示的制造方法的第十二步骤中，通过非电解镀方法在镀层保护膜1200的通孔中的焊盘1180的暴露表面上形成由镍(Ni)构成的凸块膜1210。此外，在凸块膜1210上形成由金(Au)构成的凸块保护膜1220。另外，抛光衬底1100的背面，从而实现用于产品的所需厚度。
在图37所示的制造方法的第十三步骤中，利用光致抗蚀剂掩模通过蚀刻方法在镀层保护膜1200和表面绝缘膜1170上形成用于暴露盖1161的环形孔H5。
在图38所示的制造方法的第十四步骤中，为了形成与后腔C1对应的通孔，在衬底1100的背面上形成具有通孔H6的光致抗蚀剂掩模R1。
在图39所示的制造方法的第十五步骤中，执行深反应离子蚀刻(DeepReactive Ion Etching，即博仕工艺(Bosch process))从而在衬底1100中形成与后腔C1对应的通孔。在这个步骤中，下绝缘膜1110用作蚀刻停止层。
在图40和图41所示的制造方法的第十六和第十七步骤中，利用光致抗蚀剂掩模R2和缓冲氢氟酸(BHF)进行各向同性蚀刻，以去除暴露在光致抗蚀剂掩模R2的通孔H6中的镀层保护膜1200和表面绝缘膜1170，并且还去除上绝缘膜1130的一部分，从而形成盖支撑部1132、板支撑部1131和间隙层C3。此时，从后腔C1去除下绝缘膜1110的一部分，从而在膜片1123与衬底1100之间形成间隙层C2。由此，通过板1162和盖1161以自对准的方式限定上绝缘膜1130的轮廓线，而通过衬底1100的开口1100a、膜片1123、保护电极1125a、保护连接器1125b和保护环1125c以自对准的方式限定下绝缘膜1110的轮廓线。蚀刻之后的上绝缘膜1130的剩余部分用于形成板支撑部1131和盖支撑部1132。即，缝隙S(其在图28所示的第四步骤中形成)以及板孔1162c和盖孔1161c(其在图34所示的第十步骤中形成)用作用于向上绝缘膜1130传输蚀刻剂的通孔，从而同时形成间隙层C3和板支撑部1131。为此，考虑到板支撑部1131的形状和蚀刻速度来排列板孔1162c。即，除了与板支撑部1131连接的连接区域和周围区域之外，在板1162的中心部分1162b和连接部1162a上，以之间具有相等间隔的方式形成板孔1162c。在向板1162的中心部分1162b突出的突起1161a的中心区域，以之间具有相等间隔的方式排列盖孔1161c。
接下来，参照图48A至图48E描述用于在膜片1123的臂1123c附近蚀刻上绝缘膜1130和下绝缘膜1110的蚀刻工艺。如图48A所示，通过蚀刻埋置在盖孔1161c和缝隙S中的镀层保护膜1200，蚀刻剂(例如BHF)到达上绝缘膜1130。此时，以与镀层保护膜1200类似的方式由氧化硅构成的表面绝缘膜1170也被去除。随后，到达上绝缘膜1130的表面的蚀刻剂用于从盖孔1161c的边缘和缝隙S的边缘以各向同性的方式蚀刻上绝缘膜1130，如图48B所示。由于上绝缘膜1130的蚀刻沿平行于上导电膜1160与上绝缘膜1130之间界面的方向进行，所以从盖1161的突起1161a与膜片1123的臂1123c的弹性部分之间的指定区域去除上绝缘膜1130，如图48C所示。这也释放了适合于盖1161的突起1161c的支撑部，除了其两侧之外。随后，到达上绝缘膜1130与下绝缘膜1110之间界面的蚀刻剂用于继续在上绝缘膜1130和下绝缘膜1110上以各向同性的方式蚀刻，如图48D所示。此时，蚀刻沿平行于上绝缘膜1130与下绝缘膜1110之间界面的方向在膜片孔1123b的边缘和臂1123c的两侧进行。因此，从衬底1100与膜片1123的臂1123c的弹性部分之间的指定区域去除下绝缘膜1110，如图48E所示。在这种情况下，缝隙S和盖孔1161c的位置和尺寸确定为使得上绝缘膜1130和下绝缘膜1110仍然在盖1161的突起1161c两侧的正下方作为盖支撑部1132，同时下绝缘膜1110仍然在臂1123c的远端的正下方作为膜片支撑部，即使从臂1123c的弹性部件的上部和下部完全去除上绝缘膜1130和下绝缘膜1110时。由于上绝缘膜1130和下绝缘膜1110上的各向同性蚀刻，膜片1123的臂1123c的垂头形状远端被保持在上绝缘膜1130和下绝缘膜1110之间，由此被支撑。
最后，从图41的半导体结构中去除光致抗蚀剂掩模R2，之后进行切割，从而完成用于电容式麦克风的传感元件管芯1001的制造。将传感元件管芯1001和电路管芯接合到封装衬底(未示出)上；然后，将传感元件管芯1001的端子、电路管芯的端子和封装衬底电连在一起；之后，将封装盖(未示出)贴附到封装衬底，由此完成了电容式麦克风的制造。由于传感元件管芯1001被接合到封装衬底，所以在衬底1100的背面，后腔C1是封闭的。
可以多种方式对第二实施例的传感元件管芯1001作进一步的修改；因此，将参照图44至图47描述各个改型。
(1)第一改型
图44示出根据第二实施例的第一改型的盖孔1161c的形状和排列，其中图44是沿垂直于膜片1123的方向传感元件管芯1001的俯视图，其没有示出板1162。可在被定位为与膜片1123的臂1123c(包括其锤头形状的远端)和中心部分1123a相对的盖1161的指定区中排列盖孔1161c。在仅与下绝缘膜1110(用于支撑膜片1123)连接的臂1123c的锤头形状远端中没有形成膜片孔1123b，从而在臂1123c的远端与盖1161之间形成间隙。如图45所示，盖支撑部1132的内轮廓线被定形为包围臂1123c。图45是沿垂直于膜片1123的方向传感元件管芯1001的俯视图，其没有示出板1162和盖1161。(2)第二改型
图46是沿垂直于膜片1123的方向传感元件管芯1001的俯视图，其没有示出板1162。图47是沿垂直于膜片1123的方向传感元件管芯1001的俯视图，其没有示出板1162和盖1161。
如图46和图47所示，能够另外形成多个柱形部分1132c，其与盖支撑部1132的外围部分1132d物理分离。即盖支撑部1132由彼此物理分离的外围部分1132d和柱形部分1132c构成，其中由柱形部分1132c支撑盖1161的突起1161a。如图46所示，在盖1161的指定区中另外形成多个盖孔1161c，其中该指定区被定位为与将盖支撑部1132的外围部分1132d和柱形部分1132c分离的分离区相对。
第二实施例和各个改型是示意性的而非限制性的；因此可以多种方式对其进行修改。例如在板1162和盖1161之间形成的缝隙S的宽度不必须局限于固定值；因此，缝隙S的宽度可局部加宽。此外，能够将诸如安装在电路管芯中的电荷泵P和放大器A等上述元件整合到传感元件管芯1001中，从而形成单芯片结构的电容式麦克风。
此外，在第一和第二实施例中定义的材料和尺寸是示意性的而非限制性的，其中在没有对步骤的添加和删除以及步骤顺序的改变进行说明的情况下描述了第一和第二实施例，然而步骤的添加和删除以及步骤顺序的改变对本领域技术人员来说是显而易见的。在制造方法中，可根据膜材料(其性能符合电容式麦克风的要求)、膜厚度以及形成部件和元件的轮廓线所需的精度的组合适当确定膜成分、膜形成方法、膜轮廓线的形成方法和步骤顺序；因此它们不受以上对第一实施例的描述的限制。
最后，本发明不必局限于上述实施例和改型，可在随附权利要求所限定的发明范围内以各种方式对上述实施例和改型作进一步修改。

Claims (11)

1.一种振动传感器，包括：
具有后腔的衬底，所述后腔具有开口；
具有导电性能的膜片，其形成在所述衬底的上方以在俯视角度上覆盖所述后腔的开口；
具有导电性能的板，其形成在所述膜片的上方并包括中心部分和多个连接部，所述中心部分位于与所述膜片相对的位置，所述多个连接部沿径向从所述中心部分延伸；
绝缘支撑层，其连接所述板的连接部从而将所述板支撑在所述膜片的上方，所述板与所述膜片之间具有间隙层，同时使所述板与所述膜片绝缘，其中所述绝缘支撑层具有用于将空气层包围在其内的环形内表面；以及
盖，使用用于形成所述板的膜材料的至少一部分形成所述盖，所述盖连接所述绝缘支撑层，同时从所述环形内表面向内凸出以将所述板包围在其内，所述盖位于与所述膜片相对的位置，其与所述膜片之间具有所述间隙层，
其中所述盖通过缝隙与所述板电隔离，并且
其中所述膜片相对于所述板振动以改变在所述膜片与所述板之间形成的静电电容。
2.如权利要求1所述的振动传感器，其中在所述板和所述盖中形成多个孔，以通过所述孔传输蚀刻剂，由此通过各向同性蚀刻同时形成所述间隙层和所述绝缘支撑层。
3.如权利要求1所述的振动传感器，其中所述膜片包括中心部分和多个臂，所述中心部分位于与所述板的中心部分相对的位置，所述多个臂沿径向从所述中心部分延伸，以及其中所述板的多个连接部在俯视角度上位于所述膜片的多个臂之间并由所述绝缘支撑层支撑。
4.如权利要求1所述的振动传感器，其中所述绝缘支撑层由多个柱结构形成。
5.一种制造振动传感器的制造方法，所述振动传感器包括：具有后腔的衬底，所述后腔具有开口；膜片，其形成于所述衬底的上方以在俯视角度上覆盖所述后腔的开口；板，其形成在所述膜片的上方，并包括位于与所述膜片相对位置的中心部分和沿径向从所述中心部分延伸的多个连接部；绝缘支撑层，其连接所述板的连接部，以将所述板支撑在所述膜片的上方，所述板与所述膜片之间具有间隙层，同时使所述板与所述膜片绝缘，其中所述绝缘支撑层具有用于将空气层包围在其内的环形内表面；以及盖，使用用于形成所述板的膜材料的至少一部分形成所述盖，所述盖连接所述绝缘支撑层同时从所述环形内表面向内凸出以将所述板包围在其内，以及所述盖位于与所述膜片相对的位置，其与所述膜片之间具有所述间隙层，其中所述盖通过缝隙与所述板电隔离，
所述制造方法包括如下步骤：
在所述板中形成多个板孔；
在所述盖中形成多个盖孔；
利用与所述板和所述盖相对应的掩模执行各向同性蚀刻，以去除所述绝缘支撑层的一部分，由此在所述板和所述膜片之间形成所述空气层；
其中所述多个板孔和所述多个盖孔将蚀刻剂传输到所述绝缘支撑层。
6.一种压力传感器，包括：
衬底，其表面上具有开口；
板，形成于所述衬底的上方，其中所述板包括中心部分和多个连接部，所述中心部分在俯视角度上与所述衬底的开口交叠，所述多个连接部从所述中心部分沿径向延伸并被固定至所述衬底的表面；
膜片，形成在所述衬底与所述板之间，其中所述膜片包括中心部分和多个臂，所述中心部分位于与所述板的中心部分相对的位置，所述多个臂从所述中心部分沿径向延伸从而在俯视角度上不与所述板的连接部交叠，并且所述多个臂的具有弹性的远端被固定至所述衬底的表面，由此由于施加至所述中心部分的压力导致所述膜片在所述衬底与所述板之间的范围内发生变形；
盖，具有沿周线方向向内突出的多个突起，其中以使所述盖的突起位于所述板的相邻连接部之间形成的切口中的方式，所述盖被定形为与所述板啮合但所述盖与所述板物理分离，其间具有缝隙；以及
盖支撑部，插入在所述盖与所述膜片之间，以在指定区中以与所述衬底的表面平行的方式支撑所述盖，所述指定区靠近所述膜片的中心部分而非所述膜片的臂的远端，由此所述盖与所述膜片物理分离。
7.如权利要求6所述的压力传感器，其中所述膜片由下导电膜构成，而所述盖和所述板均由上导电膜构成。
8.如权利要求6所述的压力传感器，其中在所述板和所述盖中均形成多个孔，以传输蚀刻剂，在蚀刻中使用所述蚀刻剂用于以自对准方式形成所述板与所述膜片之间的间隙、所述盖与所述膜片之间的间隙以及所述盖支撑部。
9.一种压力传感器的制造方法，所述压力传感器包括：具有开口的衬底；包括中心部分和多个连接部并具有多个板孔的板；包括中心部分和多个臂的膜片；具有多个突起和多个盖孔的盖；以及插入在所述盖与所述膜片之间以与所述衬底的表面平行的方式支撑所述盖的盖支撑部，
所述制造方法包括如下步骤：
在所述衬底上形成下绝缘膜；
在所述下绝缘膜上形成用于形成所述膜片的下导电膜；
在所述下导电膜上形成上绝缘膜；
在所述上绝缘膜上形成用于形成所述板和所述盖的上导电膜；以及
利用对应于所述衬底、所述板和所述盖的掩模执行各向同性蚀刻，以部分地去除所述下绝缘膜和所述上绝缘膜，由此在所述衬底与所述膜片之间形成间隙以及在所述膜片与所述板之间形成间隙，同时利用所述下绝缘膜和所述上绝缘膜的剩余部分形成所述盖支撑部。
10.如权利要求9所述的压力传感器的制造方法，其中以所述板的连接部与所述盖的突起交替啮合的方式，所述板位于所述盖的内部，其间具有缝隙。
11.如权利要求9所述的压力传感器的制造方法，其中所述多个板孔和所述多个盖孔传输各向同性蚀刻中使用的蚀刻剂，从而以自对准的方式利用所述下绝缘膜和所述上绝缘膜形成所述盖支撑部。
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WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

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