CN102196345A - 电容式传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明揭露一种电容式传感器及其制造方法。该电容式传感器包括：一基板；一第一电极，设置在该基板上；一上盖，具有一穿孔与该穿孔以外的一腔体；一第二电极，设置在该上盖上且横跨该穿孔；其中该第二电极是可变形的，以响应来自该穿孔的压力波动，且该第二电极与该第一电极构成一电容器，该电容器具有可随着该压力波动而改变的电容值；以及该腔体定义出该可变形的第二电极的一背腔室。

Description

电容式传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及电容式传感器及其制造方法。

背景技术

在助听器材与移动通信系统工业中，趋势是朝向小尺寸发展的同时仍维持良好的电声效能与操作性，由此确保良好的使用者亲和性与满意度。在过去，已做了几个尝试以构成更小的麦克风同时维持或增进它们的技术效能数据。

US 2008/0157238揭露具有特定应用集成电路(application specific IC)与麦克风芯片的微机电系统(MEMS)。特定应用IC具有数个第一通孔(via)与数个第一焊垫(pad)，且第一通孔连接第一焊垫。麦克风芯片具有共振腔体(resonant cavity)、数个第二通孔与数个第二焊垫，且第二通孔连接第二焊垫。

US 7166910揭露硅电容式麦克风封装体，其包括传感器单元、基板、与盖板(cover)。基板包括一具有凹槽(recess)的上表面。传感器单元附着于基板的上表面并与凹槽的至少一部分重叠，其中传感器单元的背腔空间(backvolume)形成在传感器单元与基板之间。

US 6781231揭露微机电系统封装体，其具有微机电系统麦克风、基板、与盖板。基板具有用以支撑微机电麦克风的表面。盖板包括导电层，其具有一由周边部分所界定的中心部分。壳体(housing)通过连接盖板的周边部分与基板而形成。盖板的中心部分自基板的表面隔开以容纳微机电系统麦克风。壳体包括进声口(acoustic port)，用以使声信号(acoustic signal)到达微机电系统麦克风。

US 6,732,588揭露微型固态硅基(compact solid state silicon-based)电容式麦克风系统，其适合批量式生产。麦克风系统包括传感器芯片，其包括腔体、振膜(diaphragm)，振膜设置在第一下表面并覆盖传感器芯片的第二开口。传感器芯片覆晶粘着(flip-chip mounted)至另一包括腔室的后制作工艺(post-processed)芯片上。

发明内容

根据一些实施例，本发明提供一种电容式传感器，包括：一基板；一第一电极，设置在该基板上；一上盖，具有一穿孔与该穿孔以外的一腔体；一第二电极，设置在该上盖上且横跨该穿孔；其中该第二电极是可变形的，以响应来自该穿孔的压力波动，且该第二电极与该第一电极构成一电容器，该电容器具有可随着该压力波动而改变的电容值；以及该腔体定义出该可变形的第二电极的一背腔室。

根据进一步的实施例，提供一种麦克风，包括：一壳体，具有一内部体积与一开口，该开口开向该内部体积中；一导电背板，在该内部体积内侧的该壳体的一壁上；一导电振膜，延伸横跨该开口，且相较于该背板，该导电振膜是可变形的，以响应提供至该振膜的声波；以及一感测电路，电连接至该振膜与该背板以感测该振膜与该背板之间的相对位移，并产生一表示造成该相对位移的该声波的信号；其中该内部体积定义出该振膜的一背声腔室，且设置在该振膜平面的两侧上。

根据又进一步的实施例，提供一种制造电容式传感器的方法，包括：制备一具有相对的第一表面与第二表面的上盖，该上盖包括：一穿孔，从该第一表面延伸至该第二表面，一腔体，从该第二表面向该第一表面延伸，以及一导电振膜，延伸横跨该第二表面上的该穿孔的开口；制备一具有相对的第三与第四表面的基板，该基板具有一导电背板，该导电背板在该第三表面上；以及接合该上盖与该基板，且使该第二表面朝向该第三表面并互相隔开，以使该振膜与该背板形成电容器。

附图说明

所揭露的实施例是通过附图的图示中的示例叙明，但不受其限制，其中本说明中具有相同的参考号码标示的元件代表类似的元件。

图1是根据一或更多个实施例电容式传感器的立体图；

图2是根据一或更多个实施例电容式传感器的上盖的仰视图；

图3是根据一或更多个实施例电容式传感器的基板的俯视图；

图4是根据一或更多个实施例电容式传感器的俯视图；

图5是沿着图4中A-A线段的横剖面图；

图6是沿着图4中B-B线段的横剖面图；

图7是与图5相似的不同实施例的横剖面图；

图8是另一实施例的横剖面图；

图9是显示根据一或更多个实施例，电容式传感器的上盖与基板在接合之前的示意图；

图10A至图10F是说明根据一或更多个实施例用以制造上盖的不同步骤示意图；

图11A至图11J是说明根据一或更多个实施例用以制造基板的不同步骤示意图。

主要元件符号说明

10～基板；11～凹陷部；20～第一电极(或背板)；21～穿孔；30～上盖；31～穿孔；32～腔体；33～主体；34～内环部分；35～外环部分；36～支撑件；37～第一末端；38～第二末端；40～第二电极(或振膜)；41～穿孔；50～感测电路；51～焊球；52～硅穿孔；53～密封环；61～牺牲层；62～牺牲层；63～密封条；64～支撑件；65～光致抗蚀剂层；66～区域；67～区域；71～焊垫；72～硅穿孔区域；73～光致抗蚀剂；74～绝缘层；75～导电材料；76～导电材料；77～光致抗蚀剂层；78～背腔室；79～重新分配层；101～焊垫；102～导电元件；301～上盖晶片。

具体实施方式

图1至图3为根据一或更多个实施例的电容式传感器的不同图示。在一些实施例中，电容式传感器可为电容MEMS感测封装体。电容式传感器包括基板10、第一电极20、上盖(cap)30、第二电极40、与感测电路(sensingcircuit)50。在一些实施例中，感测电路50被省略及/或提供在外部装置(external device)上。基板10可由晶片、IC芯片、或等效(equivalent)的材料构成。上盖30也可以晶片、或等效的材料构成。第一电极20设置在基板10上。在一些实施例中，当基板10是晶片或IC芯片时，第一电极20电连接至基板10上的电子电路，例如感测电路50。上盖30具有穿孔31与穿孔31以外的腔体32。第二电极40设置在上盖30上且横跨穿孔31。第二电极40是可变形的(deformable)，以响应来自穿孔31的压力波动(pressurefluctuation)，且第二电极40与第一电极20构成一电容器，其具有可随着压力波动而改变的电容值。在一些实施例中，第二电极40是振膜，其响应来自穿孔31的声波。腔体32定义出可变形的第二电极40的背腔室(backchamber)。第一及/或第二电极20、40至少其一各别地具有至少一穿孔21、41(主要见于图7中)。穿孔使声波或振动(vibration)进入腔体32并产生声振荡(acoustic resonance)。在一些实施例中，第一电极20及/或第二电极40不具有穿孔21、41。基板10具有至少一金属焊垫101，在一些实施例中具有数个金属焊垫101，以电连接至第一电极(背板)20及/或感测电路50，及/或硅穿孔(TSV)52(图5)。在一些实施例中，基板10具有至少一凹陷部(concaveportion)11，其与腔体32声压通道连通(acoustic communication)。在一或更多个实施例中，一些或所有的凹陷部11在基板10中进一步地互相声压通道连通。在其他实施例中，在基板10中的至少两个凹陷部11并非直接地互相声压通到连通。焊垫101的至少一个是通过导电元件102电连接至第一电极20，且焊垫101的至少一个直接连接至TSV 52。

在一些实施例中如图4中所示，至少一个支撑件(support)36设置在基板10与上盖30之间，以在接合基板10与上盖30以定义壳体之前暂时地在上盖30与基板10之间定义所需的距离。支撑件36可为导电元件，例如金属元件。

在一些实施例中，第一电极20可由金属板、导电材料、与类似物构成。第一电极20定义背板，其与第二电极40形成电容器。第二电极40设置在上盖30上而横跨穿孔31。在一些实施例中，第二电极40可由多晶硅薄膜(或多晶薄膜)、导电膜、与类似物构成。在一些实施例中，多晶薄膜的表面设置在金属层上以连接其他的电路。如同所述的，提供的第二电极40与第一电极20形成电容器。第二电极40是可变形的，并设置在上盖30且横跨穿孔31，且第一电极20固定在基板10上。上盖30具有穿孔31以外的腔体32。第二电极40是可变形的，以响应经由穿孔31提供的压力波动，且因此电容器的电容值可随着压力波动而改变。背腔室通过封闭的空间，即基板10与上盖30组成的壳体的内部体积定义。背腔室至少包括一腔体32。在一些实施例，背腔室中更包括在第二电极40后面并与腔体32声压通到连通的任何空间。举例来说，这样的空间可在第一电极20与第二电极40，及/或基板10中的凹陷部11之间，如图6与图7的不同实施例中所示。如图5中所示，上盖30具有主体33，与内环部分与外环部分34、35，其从主体33向基板10延伸。图5所示的腔体32是环状腔室，形成在内环部分34与外环部分35之间，且穿孔31形成在内环部分34内侧。内环部分34与外环部分35各别地终止在第一与第二末端37、38，且传感器更包括至少一支撑件36，其在第一与第二末端37、38至少其一与基板10之间。外环部分35的第二末端38附着密封材料(未显示在图5中)以在上盖30与基板10之间提供密闭空间。在图5与图6中，举例来说，基板10不具有腔体，例如凹陷部11。然而，在图7中，举例来说，一或更多个凹陷部11设置在基板10中。

当电容式传感器包含感测电路50时，其可在至少一基板10上，并电性耦合至第一与第二电极20、40以感测电容器的电容值。在所述的结构中，感测电路50可设置在基板10上/中，并通过基板10上/中的导体(conductor)电连接至第一电极20。在一或更多个实施例中，基板10具有至少一硅穿孔(through-silicon via；TSV)52、与至少一焊球51。TSV 52电连接焊球51至感测电路50，以传送由感测电路50产生表示电容器电容值的感测信号至外部装置。在一些实施例中，一或更多个TSV 52凭借设置在基板10上/中各别的导体电连接至电极20与电极40，以使一外部装置测定电容器的电容值而不需要电容式传感器中的感测电路50。密封环(sealing ring)53设置在上盖30与基板10之间。密封环53密封住背腔室，背腔室经由第二电极40上的至少一穿孔41与电容式传感器的外侧相通。

上盖30与焊球51在基板10的相对侧上。焊球51电连接至感测电路50以构成与外部装置的电连接。

在如图7中所述的一些实施例中，基板10具有至少一凹陷部11，其与上盖30的腔体32声通信以形成较大的背腔室。第一电极20包含至少一穿孔21。在其他实施例中，第一电极20不具有穿孔。凹陷部11与腔体32增加背腔室的体积，其进而减少背腔室的弹性常数以提供良好的音响及/或共鸣状态。凹陷部11可为不同的形状并可形成成任何期望的数量与位置。举例来说，图7的凹陷部11具有斜悬的侧壁(slopped sidewall)。

参照图8，上盖30与焊球51可在基板10的相同侧上。感测电路50(假设提供在基板10上)可凭借基板10中/上的导电图案与各别的焊球51电连接至外部装置，而不需要TSV。电容器电性耦合至所揭露的感测电路50。

上盖30与焊球51在基板10的相同侧上。在此实施例中，基板10具有凹陷部11，且上盖30具有腔体32。在一些实施例中，电子电路50(未显示在图8中)电连接至基板10上的至少一焊垫101。焊垫101电连接至焊球51。电子电路50可设置在基板10上/中。在一些实施例中，电路50设置在基板10的顶表面上。在进一步的实施例中，电路50设置在基板10的底表面上。在又进一步的实施例中，电路50设置在基板10中。

在一些实施例中，电容式传感器可为麦克风。麦克风包括壳体、导电背板20、导电振膜40、并选择性的包括感测电路50。壳体可为上盖30与基板10的结合结构，但并不排除其他的配置。壳体可以晶片、或等效的材料构成。壳体具有内部体积与开口，例如穿孔31，其开向内部体积中。内部体积是通过，例如，腔体32或/及凹陷部11定义以形成背腔室。声波可穿过开口而从外侧进入壳体，且振膜40通过声波发生振动。内部体积可如参照图4至图6所揭露的为环状的，但可根据一或更多个实施例而具有任何其他的形状。内部体积收到声波并产生共鸣。导电背板20设置在墙上，例如，壳体内侧的基板10或任何其他的部分上。背板20可为导电板，例如金属板。然而，并不排除其他的导电材料。背板20定义电容式传感器的第一电极。导电振膜40延伸横跨开口，且相较于背板20，导电振膜40是可变位的(displaceable)，以响应从外侧提供并穿过开口至振膜40的声波。导电振膜40可为金属板或多晶薄膜。然而，并不排除其他的导电材料。导电振膜40定义电容式传感器的第二电极。电容器因而形成在背板20与振膜40之间。感测电路50电连接至振膜40与背板20以感测振膜40与背板20之间的相对位移，并产生表示造成相对位移的声波的信号。振膜40与背板20至少其一具有一或更多个穿孔21、41以使声波进入内部体积的不同部分。内部体积因而定义出振膜40的背声腔室，且设置在振膜40平面的两侧上。然而，在如图8中显示的实施例中，背声腔室可设置在振膜40平面的一侧上。在其他实施例中，背声腔室设置在背板20平面的两侧上。在进一步的实施例中，背声腔室可为设置在背板20平面的一侧上。在一些实施例中，背声腔室包括延伸围绕开口的环状腔体。背腔室可接收声音(sound)/声波(acoustic wave)并产生共鸣。在一些实施例中，振膜40具有相对的前与后侧，其各别地向外地与向内地面对壳体，且背腔室的大部分设置在振膜40的前侧上。

根据一或更多个实施例，电容式传感器可通过晶片对晶片接合法制造，以使导电振膜与导电背板以一间隔固定以形成电容器。图9显示上盖30与基板10正准备要接合的状态。上盖30是由以下所述的上盖晶片或等效的材料形成，并包括从上盖晶片的顶表面延伸至底表面的穿孔31、从底表面向顶表面延伸的腔体32、与延伸横跨底表面上的穿孔31的导电振膜40。

电容式传感器的上盖30的制造过程显示在图10A至图10F中。参照图10A，牺牲层61、62形成在上盖晶片301相对顶与底表面上。形成牺牲层61、62的方法是对上盖晶片301(例如，硅晶片)的顶与底表面进行热氧化以形成SiO₂层61、62。然而，并不排除形成牺牲层的其他方法。参照图10B，图案化的导电振膜40接着形成在牺牲层61上。形成图案化的导电振膜40的方法包括一系列的光刻与蚀刻处理。在一些实施例中，图案化的导电振膜40是以多晶硅构成。多余的多晶硅通过干蚀刻法移除。然而，并不排除其他形成图案化的导电振膜40的材料或方法。参照图10C，数个支撑件64也形成在导电振膜40的一部分上。然而，并不排除其他用于支撑件64的导电材料。

光致抗蚀剂层65接着形成在上盖晶片301的底表面上，上盖晶片301包括支撑件64、图案化的导电振膜40、与牺牲层61。如图10D中所显示，光致抗蚀剂层65与牺牲层61的至少一部分区域被移除以露出至少一区域66，在区域66处，上盖晶片301的底表面并未被支撑件64、与图案化的导电振膜40覆盖。用以定义区域66的方法一般是通过光刻法。然而，并不排除其他的制作工艺。参照图10E，上盖晶片301中的至少一腔体32通过从上盖晶片301的底表面蚀刻去除至少一露出区域66以移除上盖晶片301的部分厚度而形成。深硅蚀刻法(deep Si etching)可用来形成腔体32。然而，并不排除其他的制作工艺。遗留的光致抗蚀剂层65接着从上盖晶片301的底表面移除。

如图10F中所显示，上盖晶片301的区域67被定义用来从上盖晶片301的顶表面向下蚀刻至露出牺牲层61的一部分而形成穿过上盖晶片301的穿孔31。区域67根据图案化的导电振膜40所在的区域所定义。用以定义区域67的方法一般是通过光刻法。用以形成穿孔31的方法包括深硅蚀刻法。然而，并不排除其他的制作工艺。密封条63设置在上盖30与基板10之间。当上盖30与基板10邻接在一起时，密封条63提供背腔室封闭的空间。

用以制备基板10的方法将参照图11A至图11J说明。

参照图11A，在一些实施例中，基板10具有感测电路50。举例来说，基板10为CMOS ASIC晶片且感测电路50为ASIC。至少一焊垫71形成在基板10的底表面上，并通过重新分配层(redistribution layer；RDL)79电连接至感测电路50。进行光刻制作工艺以定义对应焊垫71的硅穿孔区域(through-silicon-via(TSV)area)72，如图11B中所显示。然后在ASIC晶片中进行深硅蚀刻以得到TSV 52，并移除光致抗蚀剂73，如图11C中所显示。绝缘层74形成在TSV 52的侧壁上与ASIC晶片的背表面，如图11D中所显示。CVD、PVD或其他的沉积技术可用来形成绝缘层74。导电材料75，例如，金属，是以沉积或电镀方式形成以填充TSV 52并连接至感测电路50，如图11E中所显示。

参照图11F，导电材料76沉积在基板10的背表面上。导电材料76定义背板20与数个欲图案化的焊垫，例如图3的焊垫101。

参照图11G，在一或更多个实施例中，沉积光致抗蚀剂层77以覆盖背板20与焊垫的一部分。至少一穿孔21接着通过蚀刻穿过未覆盖的区域中的背板20而形成。蚀刻不仅延伸穿过背板，并进一步地延伸至基板10的一厚度中。孔洞21为声孔(acoustic hole)。蚀刻是各向异性蚀刻或ICP干式蚀刻。然而，并不排除其他的制作工艺。每个孔洞21的直径可为10至100μm。数个焊垫可形成在基板10的表面上，如图3中所显示。举例来说，在一些实施例中，焊垫可以凸块下金属层(under bump metallurgy/metallization；UBM)构成。

参照图11H，背板20下方的基板10的材料被蚀刻去除以定义出一辅助背腔室78。举例来说，各向同性蚀刻或XeF₂蚀刻法可用来蚀刻基板10。

参照图11I，上盖30与基板10接合而形成堆叠的晶片，例如堆叠的麦克风晶片。在一些实施例中，接合方法是晶片对晶片、芯片对芯片、芯片对晶片接合法。上盖30接合至基板10以使振膜40与背板20形成电容器。在一或更多个实施例中，密封条63延伸围绕腔体32、与电容器，且振膜40或背板20各别地电连接至基板10上的接触焊垫或上盖30。

参照图11J，牺牲层61通过蚀刻从上盖晶片301移除，以由此完成上盖30。振膜40接着露出以延伸横跨穿孔31。在一些实施例中，牺牲层61为热氧化层，且可通过氢氟酸蒸汽蚀刻法移除。

Claims (23)

1.一种电容式传感器，包括：

基板；

第一电极，设置在该基板上；

上盖，具有穿孔与该穿孔以外的一腔体；

第二电极，设置在该上盖上且横跨该穿孔；

其中该第二电极是可变形的，以响应来自该穿孔的压力波动，且该第二电极与该第一电极构成一电容器，该电容器具有可随着该压力波动而改变的电容值；以及该腔体定义出该可变形的第二电极的一背腔室。

2.如权利要求1所述的电容式传感器，其中该基板还包括至少一凹陷部，该凹陷部与该上盖的该腔体声压通道连通，以与该腔体定义出一较大的背腔室。

3.如权利要求2所述的电容式传感器，其中该第一与第二电极至少其一具有至少一穿孔。

4.如权利要求1所述的电容式传感器，还包括感测电路，在该基板中或上，并电性耦合至该第一与第二电极以感测该电容器的该电容值。

5.如权利要求4所述的电容式传感器，其中该基板还包括至少一通孔与至少一焊球，且该通孔电连接该焊球至该感测电路。

6.如权利要求1所述的电容式传感器，还包括密封环，设置在该上盖与该基板之间，并密封住该背腔室，该背腔室经由该穿孔而与该传感器的外侧相通。

7.如权利要求1所述的电容式传感器，其中该上盖具有主体、及内环部分与外环部分，该内环部分与外环部分从该主体向该基板延伸，该腔体形成在该内环部分与该外环部分之间的环状腔室，且该穿孔形成在该内环部分的内侧。

8.如权利要求7所述的电容式传感器，其中该内环部分与该外环部分各别地终止在第一与第二末端，且该传感器还包括支撑件，在该第一与第二末端至少其一与该基板之间。

9.如权利要求5所述的电容式传感器，其中该上盖与该焊球在该基板的相对侧上。

10.如权利要求4所述的电容式传感器，还包括焊球，其电连接至该感测电路以构成与外部装置的电连接；其中该上盖与该焊球在该基板的相同侧上。

11.一种麦克风，包括：

壳体，具有内部体积与开口，该开口开向该内部体积中；

导电背板，在该内部体积内侧的该壳体的一壁上；

导电振膜，延伸横跨该开口，且相较于该背板，该导电振膜是可变形的，以响应提供至该振膜的声波；以及

感测电路，电连接至该振膜与该背板以感测该振膜与该背板之间的相对位移，并产生一表示造成该相对位移的该声波的信号；

其中该内部体积定义出该振膜的一背声腔室，且设置在该振膜平面的两侧上。

12.如权利要求11所述的麦克风，其中该背声腔室设置在该背板平面的两侧上。

13.如权利要求12所述的麦克风，其中该振膜与该背板至少其一具有至少一穿孔。

14.如权利要求11所述的麦克风，其中该背声腔室包括延伸环绕该开口的一环状腔体。

15.如权利要求11所述的麦克风，其中该振膜具有相对的前侧与后侧，其各别地向外地与向内地面对该壳体；且

该背腔室的大部分设置在该振膜的该前侧上。

16.一种制造电容式传感器的方法，包括：

制备一具有相对的第一表面与第二表面的上盖，该上盖包括：

穿孔，从该第一表面延伸至该第二表面，

腔体，从该第二表面向该第一表面延伸，以及

导电振膜，延伸横跨该第二表面上的该穿孔的开口；

制备一具有相对的第三与第四表面的基板，该基板具有导电背板，该导电背板在该第三表面上；以及

接合该上盖与该基板，且使该第二表面朝向该第三表面并互相隔开，以使该振膜与该背板形成电容器。

17.如权利要求16所述的制造电容式传感器的方法，其中该制备该上盖包括：

在一上盖晶片的该第二表面上沉积一牺牲层，该上盖是由该上盖晶片构成；

在该牺牲层上形成一导电材料图案以定义该导电振膜；

从该上盖晶片的该第一表面蚀刻该上盖晶片直到该牺牲层露出；以及

在晶片对晶片接合之后移除该牺牲层。

18.如权利要求17所述的制造电容式传感器的方法，其中该制备该上盖还包括：

从该第二表面向该第一表面蚀刻该上盖晶片以得到该腔体。

19.如权利要求16所述的制造电容式传感器的方法，其中该制备该基板包括：

在该基板的该第三表面上沉积一导电材料以定义该背板。

20.如权利要求19所述的制造电容式传感器的方法，其中该制备该基板还包括：

形成至少一孔洞，其延伸穿过该背板并进一步地延伸至该基板的一厚度中；以及

蚀刻去除该背板下方的该基板的材料以定义出一辅助背腔室。

21.如权利要求17所述的制造电容式传感器的方法，其中该晶片对晶片接合包括：

形成一密封条，其延伸环绕该穿孔、该腔体、与该电容器；以及

将该振膜或该背板各别地电连接至该基板上的接触焊垫或该上盖。

22.如权利要求21所述的制造电容式传感器的方法，其中该形成步骤与该电连接步骤是同时进行。

23.如权利要求16所述的制造电容式传感器的方法，其中该上盖与该基板是通过晶片对晶片、芯片对芯片、或芯片对晶片制作工艺接合。

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