CN102695115A

CN102695115A - 微机电系统声压感测元件及其制作方法

Info

Publication number: CN102695115A
Application number: CN2011100800304A
Authority: CN
Inventors: 王传蔚
Original assignee: Pixart Imaging Inc
Current assignee: Pixart Imaging Inc
Priority date: 2011-03-25
Filing date: 2011-03-25
Publication date: 2012-09-26
Anticipated expiration: 2031-03-25
Also published as: CN102695115B

Abstract

本发明提出一种微机电系统(MEMS)声压感测元件及其制作方法，MEMS声压感测元件，包含：基板；固定极板，设置于基板上；以及多层膜结构，包括：多个金属层；以及连接多个金属层的多个金属栓；其中，多层膜结构与固定极板间具有空腔，用以形成音腔，且多个金属层各具有多个金属段，每一金属层的多个金属段与至少另一金属层中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当多层膜结构接收声压时，于正交声波前进方向，具有相对无间隙的视平面。

Description

微机电系统声压感测元件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种微机电系统(MEMS)声压感测元件及其制作方法；特别是指一种相邻金属层间具有交错排列金属段的多层膜结构的声压感测元件及其制作方法。

背景技术

图1显示美国第7,202,101号专利案所公开的一种多金属层MEMS结构。如图1所示，多金属层MEMS结构10形成于基板11上，包含：形成于基板11上的牺牲层12；固定极板13；牺牲层14；形成于牺牲层14上的第一金属层15；牺牲层16；形成于牺牲层16上的第二金属层17；牺牲层18；以及以高分子聚合物薄膜密封各金属层所形成的可动隔膜19。

此现有技术中，第一金属层15为网状(mesh)金属层设计，以改善MEMS声压感测元件的性能。其中，网状金属层的设计用以让蚀刻气体可以通过多个金属而与牺牲层12，14，16，18的一部分反应，来移除部分牺牲层12，14，16，18。另外，网状金属层的设计亦可以改善结构应力。

然而，这种网状金属的设计会降低声音感测的灵敏度，而限制了应用范围。故此，需要利用沉积技术，在移除部分牺牲层12，14，16，18后，将高分子聚合物沉积在各网状金属层外围，用来密封各网状金属层，以改善声音感测的灵敏度。此种高分子聚合物沉积工艺是一种较特殊的工艺，而不利于整合在现有的CMOS工艺中。

另外，相关的MEMS声压感测元件可参考美国第6,622,368号、第7,049,051号、第7,190,038号、第6,936,524号等专利案。

有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种具有交错排列金属层的多层膜结构的声压感测元件及其制作方法。

发明内容

本发明目的的一在于克服现有技术的不足与缺陷，提出一种MEMS声压感测元件。

本发明另一目的在于提出一种MEMS声压感测元件的制作方法。

为达上述目的，就其中一个观点而言，本发明提供了一种微机电系统声压感测元件，包含：一基板；一固定极板，设置于该基板上；以及一多层膜结构，包括：多个金属层；以及连接该多个金属层的多个金属栓；其中，该多层膜结构与该固定极板间具有一空腔，用以形成一音腔，且该多个金属层各具有多个金属段，每一金属层的多个金属段与至少另一金属层中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当该多层膜结构接收声压时，于正交声波前进方向，具有一相对无间隙的视平面。

就另一观点而言，本发明还提供了一种微机电系统声压感测元件的制作方法，包含：提供一基板；形成固定极板于该基板上；形成至少一牺牲层；形成各具有多个金属段的多个金属层于该牺牲层上；形成多个金属栓用以连接该多个金属层，以形成一多层膜结构，其中，每一金属层的多个金属段与至少另一金属层中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当该多层膜结构接收声压时，于正交声波前进方向，具有一相对无间隙的视平面；以及蚀刻移除该牺牲层，以形成一空腔作为该微机电系统声压感测元件的音腔。

上述微机电系统声压感测元件，宜更包含一支撑结构，形成并固定于该基板上，与该多层膜结构连接，用以支撑该多层膜结构。

上述微机电系统声压感测元件，宜更包含一绝缘层，连接于该支撑结构与该基板之间，或连接于该固定栓与该基板之间。

上述微机电系统声压感测元件中，该多层膜结构由俯视图视之，相邻金属层宜具有重叠部分。

上述微机电系统声压感测元件中，该多层膜结构的侧边宜留有空隙。

上述微机电系统声压感测元件中，该基板宜具有至少一排气孔。

上述微机电系统声压感测元件中，各金属层宜由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。

上述微机电系统声压感测元件中，各金属栓宜由下列材质的至少一材质形成：钨、金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。

下面通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所达成的功效。

附图说明

图1显示美国第7,202,101号专利案所公开的一种多金属层MEMS结构；

图2A到2J显示本发明的第一个实施例的制作流程的剖视图；

图3显示本发明的第二个实施例；

图4显示本发明的第三个实施例；

图5A到5J显示本发明的第四个实施例；

图6A到6D显示本发明的第五个实施例；

图7A到7F显示本发明的第六个实施例。

图中符号说明

10多金属层MEMS结构

11基板

12，14，16，18牺牲层

13固定极板

15第一金属层

17第二金属层

19可动隔膜

22基板

221上表面

222下表面

24牺牲层

26固定栓

28固定极板

30金属栓

32金属层

34支撑结构

36多层膜结构

40音腔

42开孔

44排气孔

46绝缘层

50，60，70区域

52第四金属层

521，541，561，621，641，721，741金属段

531第一金属栓

54第五金属层

551第二金属栓

56第六金属层

58多层膜结构

62第七金属层

631第三金属栓

64第八金属层

72第九金属层

731第四金属栓

74第十金属层

具体实施方式

本发明中的图式均属示意，主要意在表示工艺步骤以及各层之间的上下次序关系，至于形状、厚度与宽度则并未依照比例绘制。

图2A到2J显示本发明的第一个实施例的制作流程的剖视图。如图2A所示，首先提供基板22，例如但不限于为硅基板。图2B显示于基板22上，形成牺牲层24。牺牲层24例如但不限于为二氧化硅、含氟二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或碳化硅等介电材料。图2C显示于牺牲层24中，形成固定栓26连接于基板22上。形成固定栓26的方法，例如可利用半导体工艺技术中，微影、蚀刻、沉积、以及化学机械研磨等技术，其为此领域的技术人员所熟知，在此不予赘述。

图2D显示固定极板28形成于牺牲层24上，以多个固定栓26连接于基板22上。固定极板28的材质例如为金属或多晶硅等导电材料，作为MEMS声压感测元件中，用以感测声压的电容下极板。图2E显示在固定极板28上，形成牺牲层24、金属栓30、以及金属层32。图2F与2G分别显示在金属层32上，形成另一牺牲层24、金属栓30、以及金属层32。图2H显示在金属层32上，继续形成另一牺牲层24、金属栓30、以及金属层32。图2H示意支撑结构34的形成，以及MEMS声压感测元件中，用以感测声压的电容上极板的形成。此外，图2H亦示意此电容的上极板中，具有多个金属层32，且各金属层32包含多个金属段，相邻金属层32的金属段互相以交错的方式安排，使得本实施例的MEMS声压感测元件中，电容的上极板，因各层重叠之故，由俯视图视之呈大致密合，但在侧边则留有空隙，使蚀刻剂得以穿透而对牺牲层24进行蚀刻。其中，电容的上极板所包含的金属层的层数不限于所示两层，而可为更多层，在后文中将参照图5-7再举例说明。另外，所谓由俯视图视之呈大致密合，意指每一金属层32的多个金属段与至少另一金属层32中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当多层膜结构36接收声压时，于正交声波前进方向，具有一相对无间隙的视平面。

图2I显示于MEMS声压感测元件中，电容的上极板形成后，利用等向性蚀刻移除牺牲层24来释放电容上极板以形成多层膜结构36，使其可感测声压；并产生空腔以形成音腔40，其中，等向性蚀刻例如为离子蚀刻(reactive ion etch，RIE)、电浆蚀刻(plasma etch)、或蒸气氢氟酸蚀刻。此外，如图所示，支撑结构34固定于基板22上，与多层膜结构36连接，用以支撑多层膜结构36。

电容上极板采用多层膜结构36，避免了应力在大面积上累积的问题，而本发明的结构虽然将整片的上极板拆解成小面积的多个区域，但由于从俯视图视之呈大致密合，故仍能使声压得以充分从上方施压作用于电容上极板上，而在工艺上，因侧边则留有空隙，又便利蚀刻移除牺牲层24。

请参阅图2J的剖面图，显示本实施例MEMS声压感测元件剖视示意图。基板22具有上下表面221与222，分别由图中粗虚线所示意。自下表面222，可利用感应耦合电浆(inductively coupled plasma，ICP)或其它非等向性蚀刻，来移除部分基板22，以形成开孔42。利用微影与蚀刻技术，可自开孔42蚀刻至上表面221，以形成排气孔44。排气孔44连通至开孔42，可作为音腔40调节压力之用。

图3显示本发明的第二个实施例。本实施例意在说明本发明的MEMS声压感测元件，可更包含如图所示的绝缘层46，连接于支撑结构34与基板22之间，或/且连接于固定栓26与基板22之间。绝缘层46可以做为隔绝电性连接或是黏着层之用。

图4显示本发明的第三个实施例。与第一个实施例不同的是，本实施例的支撑结构34，可更包含如图所示于多个金属层32间的牺牲层24。牺牲层24可以加强支撑结构34的强度，使本实施例的MEMS声压感测元件有较佳的机械强度。

图5A到5J显示本发明的第四个实施例。本实施例由俯视图与立体图来说明多层膜结构36的更具体实施例。图5A显示作为电容上极板最底层的金属层52的俯视示意图，为便利说明起见，假设此金属层52为整体工艺中的第四层金属层。请同时参照图5B，显示图5A中区域50的立体图。如图5A与5B所示，第四金属层52包含多个金属段521，其排列的方式例如为具有间隙的平行排列。

接着请参阅图5C与5D，显示第四金属层52上，形成多个第一金属栓531的俯视图与立体图。图5E与5F显示第一金属栓531上，形成第五金属层54的俯视图与立体图。如图5E与5F所示，第五金属层54包含多个金属段541，其排列的方式例如为具有间隙的平行排列；并且，第五金属层54中的多个金属段541与第四金属层52中的多个金属段521以交错方式排列，所谓交错方式意指非为平行、从俯视图视之有所重叠。

接着请参阅图5G与5H，显示第五金属层54上，形成多个第二金属栓551的俯视图与立体图。图5I与5J，显示第二金属栓551上，形成第六金属层56的俯视图与立体图。如图5I与5J所示，第六金属层56包含多个金属段561，其排列的方式例如为具有间隙的平行排列；并且，第六金属层56中的多个金属段561与第五金属层54中的多个金属段541以交错方式排列；使多层膜结构58由俯视图视之，大致密合。

图6A到6D显示本发明的第五个实施例。本实施例显示多层膜结构36另一种具体实施例。其与第四个实施例的相邻金属层中的金属段的排列方式不同。图6A显示第七金属层62与多个第三金属栓631的俯视示意图，请同时参照图6B，显示图6A中区域60的立体图。如图6A与6B所示，第七金属层62包含多个金属段621，其排列的方式例如为具有间隙的平行排列。

图6C与6D，显示第三金属栓631上，形成第八金属层64的俯视图与立体图。如图6C与6D所示，第八金属层64包含多个金属段641，其排列的方式例如为具有间隙的平行排列；相似地，第八金属层64中的多个金属段641与第七金属层62中的多个金属段621以交错方式排列；使多层膜结构68由俯视图视之，大致密合。

图7A到7F显示本发明的第六个实施例。本实施例由俯视图与立体图来说明多层膜结构36的更具体实施例。与前述几个实施例不同，本实施例显示一种多层膜结构由俯视图视之，可完全密合的实施例。图7A显示第九金属层72的上视示意图，请同时参照图7B，显示图7A中区域70的立体图。如图7A与7B所示，第九金属层72包含多个金属段721，其排列的方式例如为具有间隙的交错排列。

接着请参阅图7C与7D，显示第九金属层72上，形成多个第四金属栓731的俯视图与立体图。图7E与7F显示第四金属栓731上，形成第十金属层74的俯视图与立体图。如图7E与7F所示，第十金属层74包含多个金属段741，其排列的方式例如为金属段741具有开孔的密合排列；并且，第十金属层74中的多个金属段741与第九金属层72中的多个金属段721以交错方式排列，以使金属段741的开孔，由俯视图视之，不与多个金属段721之间的间隙重叠，其中，第十金属层74与第九金属层72具有重叠部分，使多层膜结构78由俯视图视之，大致密合。

以上各实施例中，各金属层由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。另外，各金属栓由下列材质的至少一材质形成：钨、金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。

以上已针对较佳实施例来说明本发明，只是以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以思及各种等效变化。例如，本发明的金属层数不限于实施例所示，可为其它多个层数；又如，各金属层的金属段不必须与紧接相邻的金属层的金属段以交错方式排列，而可以与间隔一或数层的金属层的金属段呈交错方式排列，仅需整体由俯视图视之，大致密合即可；再如，每层固定栓或金属栓数量不限于单一，亦可以为多个固定栓或金属栓；又如，由俯视图视之，各金属段与固定栓或金属栓不限于如图所示的矩形或圆形，亦可以为其它任意形状；又如，各结构部份的形状不限于实施例所示而可以改变等等。因此，本发明的范围应涵盖上述及其它所有等效变化。

Claims

1.一种微机电系统声压感测元件，其特征在于，包含：

一基板；

一固定极板，设置于该基板上；以及

一多层膜结构，包括：

多个金属层；以及

连接该多个金属层的多个金属栓；

其中，该多层膜结构与该固定极板间具有一空腔，用以形成一音腔，且该多个金属层各具有多个金属段，每一金属层的多个金属段与至少另一金属层中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当该多层膜结构感测声压时，于正交声波前进方向，具有一相对无间隙的视平面。

2.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，还包含一支撑结构，形成并固定于该基板上，与该多层膜结构连接，用以支撑该多层膜结构。

3.如权利要求2所述的微机电系统声压感测元件，其中，还包含一绝缘层，连接于该支撑结构与该基板之间，或连接于该固定栓与该基板之间。

4.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，该多层膜结构由俯视图视之，相邻金属层具有重叠部分。

5.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，该多层膜结构的侧边留有空隙。

6.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，该基板具有至少一排气孔。

7.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，各金属层由下列材质的至少一材质形成：金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。

8.如权利要求1所述的微机电系统声压感测元件，其中，各金属栓由下列材质的至少一材质形成：钨、金、银、钛、钽、铜、铝、以上金属的碳化物、以上金属的氧化物、或以上金属的氮化物。

9.一种微机电系统声压感测元件的制作方法，其特征在于，包含：

提供一基板；

形成固定极板于该基板上；

形成至少一牺牲层；

形成各具有多个金属段的多个金属层于该牺牲层上；

形成多个金属栓用以连接该多个金属层，以形成一多层膜结构，其中，每一金属层的多个金属段与至少另一金属层中的多个金属段以相互交错方式排列，使得当该多层膜结构接收声压时，于正交声波前进方向，具有一相对无间隙的视平面；以及

蚀刻移除该牺牲层，以形成一空腔作为该微机电系统声压感测元件的音腔。

10.如权利要求9所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，还包含形成一支撑结构固定于该基板上，并与该多层膜结构连接，用以支撑该多层膜结构。

11.如权利要求10所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，还包含形成一绝缘层，连接于该支撑结构与该基板之间，或连接于该固定栓与该基板之间。

12.如权利要求9所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，该多层膜结构由俯视图视之，相邻金属层具有重叠部分。

13.如权利要求9所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，该多层膜结构的侧边留有空隙。

14.如权利要求9所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，该蚀刻移除牺牲层的步骤包括以离子蚀刻、电浆蚀刻、或蒸气氢氟酸蚀刻进行等向性蚀刻。

15.如权利要求9所述的微机电系统声压感测元件的制作方法，其中，还包含：在基板上形成排气孔。