CN1997244B - 电容式麦克风及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式麦克风及其制造方法，于具有至少一空腔的基板上形成一背板，此背板具有多个穿孔，再于背板上形成感应板，且背板跟感应板之间具有一振动空间，振动空间与空腔通过各个穿孔而相通，其中感应板与背板间有一第一距离以及一小于第一距离的第二距离，以在感应板上形成落差，而第二距离部分利用水气或其它液体与背板产生表面沾黏现象而固定。本发明使感应薄板在释放完残留应力之后自动固定在基板上，感应薄板的残留应力完全释放，使组件特性不受残留应力随制造过程变化而有所影响，且制造过程简单。

Description

电容式麦克风及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种麦克风，特别是涉及一种电容式麦克风及其制造方法。

背景技术

微型电容式麦克风大多由薄膜工艺制作，薄膜上的残留应力严重限制麦克风的灵敏度，使用单端支撑的方法可以有效释放残留应力，但是麦克风在操作上使用周围固定的结构，因此需要额外的固定结构设计。

请参阅美国第6535460号专利，此专利中，背板位在结构最上方，利用支撑结构与多晶硅(polysilicon)感应薄板接触。背板材料必须是非导体，还需要一层导电材料形成上电极，背板材料与牺牲层材料必须有极高刻蚀选择性，背板须控制自身残留应力以避免初始变形，因此制造工续相当复杂。

再请参阅美国第5146435号专利，此专利利用弹簧结构悬吊厚板结构取代传统的感应薄板，声压作用时以形成平行板运动。然而，曲折梁式弹簧本身镂空部份会造成麦克风低频性能不佳，且材料的应力梯度会造成曲折梁的扭曲变形。

发明内容

本发明所要解决的主要问题在于提供一种电容式麦克风及其制造方法，通过水气使得感应板得以在背板产生表面沾黏现象而固定，以解决现有技术所存在的问题。

因此，为达上述目的，本发明所公开的一种电容式麦克风，包含有基板、背板以及感应板。

所述的基板，包括有一个或多个空腔。

所述的背板，形成于基板上，背板具有多个穿孔。

所述的感应板，形成在背板之上，感应板与背板之间具有一第一距离以及一第二距离，其中，该第二距离介于0.1μm至0.3μm之间，该第一距离介于3μm至4μm之间，该感应板的该第一距离部分具有一凸块，用以降低与该背板沾黏的机率，该凸块的长度小于该第一距离。

其中，通过第一距离使得背板与感应板之间形成一振动空间，而通过第二距离使得感应板得以利用水气与背板产生表面沾黏现象而固定，且振动空间与空腔通过各个穿孔而相通。

另一方面，本发明的一种电容式麦克风的制造方法，首先，提供一具有至少一个空腔的基板，接着，在基板上形成一背板，此背板具有多个穿孔，最后，形成一感应板于背板之上。感应板与背板之间具有至少一第一距离以及一第二距离，该第二距离介于0.1μm至0.3μm之间，该第一距离介于3μm至4μm之间；还包括一于该感应板的该第一距离部分形成一凸块的步骤，用以降低该感应板与该背板沾黏的机率，该凸块的长度小于该第一距离，且其中，通过第一距离使得背板与感应板之间形成一振动空间，而通过第二距离部分，使得感应板得以利用水气与背板之间产生表面沾黏现象而固定，又振动空间、空腔以及各个穿孔之间相通。

本发明的电容式麦克风结构，感应薄板可以特别设计为圆盘帽形状，利用牺牲层在湿刻蚀后的干燥过程中可能产生的表面沾黏现象做为固定感应薄板的方法，外环部分的牺牲层设计很薄，因此将会有表面沾黏在此处发生，中间的感应薄板与下电极的间距较高，同时分布有凸块(dimple)结构，可避免沾黏在此位置发生。感应薄板上面可以加上环型支撑墙设计，环型支撑墙围成的形状与振动空间相同，经由特殊设计，可使得振动空间的边界为理想的圆形，即使得感应薄膜的边界为理想的圆形，当然也可以设计为其它种形状，如方形等等。环型支撑墙与下电极背板可经由外加偏压产生的静电吸附力固定，为避免外环部分在干燥过程中飘移，在外环附近可加上固定桩以确保感应薄板与下电极板的相对位置。

以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域的普通技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所公开的内容、权利要求书及附图，任何本领域的普通技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。

附图说明

图1为本发明的电容式麦克风的剖面结构图；

图2A为垂直圆孔状的空腔示意图；

图2B为斜面方孔状的空腔示意图；

图3A为第一种阶梯型固定桩的结构示意图；

图3B为第二种阶梯型固定桩的结构示意图；

图3C为第一种帽型固定桩的结构示意图；

图3D为第二种帽型固定桩的结构示意图；

图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G、图4H、图4I、图4J以及图4K为本发明的电容式麦克风的第一实施例制造流程示意图；

图5A为本发明的电容式麦克风的俯视图；

图5B为图5AI-I剖面的剖视图；

图5C为本发明的具有固定桩的电容式麦克风的俯视图；

图5D为图5CII-II剖面的剖视图；

图5E为本发明的具有固定桩以及开槽的电容式麦克风的俯视图；

图5F为图5EI-I剖面的剖视图；以及

图5G为图5EII-II剖面的剖视图。

其中，附图标记：

102基板                     104空腔

1041垂直圆孔状的空腔        1042斜面方孔状的空腔

106背板                     108穿孔

110电极层                   112感应板

114第一距离                 116第二距离

118振动空间                 120支撑墙结构

122凸块                     124固定桩

1241第一种阶梯型固定桩      1242第二种阶梯型固定桩

1243第一种帽型固定桩        1244第二种帽型固定桩

402硅晶片                   404热氧化硅层

406氮化硅                   408声孔

410下电极                   412第一道牺牲层

414皱折区域                 416凸块

418第二道牺牲层                420感应薄板

422支撑结构                    424第三道牺牲层

426固定桩                      428焊垫

430晶背刻蚀区域                502基板

504空腔                        506背板

508电极层                      510感应板

512振动空间                    514环形支撑墙

516凸块                        518第一距离部分

520第二距离部分                522固定桩

524开槽                        525弹簧式联结

具体实施方式

为使对本发明的目的、构造、特征及其功能有进一步的了解，现配合实施例详细说明如下。以上关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明用以示范与解释本发明的原理，并且提供对本发明的权利要求更进一步的解释。

请参阅图1，为本发明的电容式麦克风的剖面结构图，主要包括有基板102。此基板102可为硅晶片，且具有空腔104。如图2A所示，利用感应耦合等离子体(Inductive Couple Plasma；ICP)干刻蚀方式可以形成垂直圆孔状的空腔1041。如图2B所示，利用硅非等向性湿刻蚀方式可以形成斜面方孔状的空腔1042，而于基板102上具有一层背板106。此背板106包含有多个穿孔108，于背板106的表面还可具有一层电极层110，其为导电性材料所制成。而于背板106之上则为感应板112，为导电性材料制成，且感应板112与背板106之间形成有一个第一距离114以及一个第二距离116，通过第一距离114以及第二距离116，得以形成阶梯型落差。

通过第一距离114，使得背板106与感应板112之间形成一个振动空间118，此振动空间118可利用湿刻蚀方式而形成。而通过第二距离116，使得感应板112得以利用水气而与背板106产生表面沾黏现象而固定。表面沾黏现象的发生是由于液体的表面张力作用，主要是凡得瓦耳力和氢键的作用，若制造过程为使用干刻蚀，但空气中的水气很重，则第二距离116部分可利用空气中的水气与背板106产生表面沾黏现象而固定。其中，振动空间118与空腔104通过各个穿孔108而相通。

此外，电容式麦克风的结构中，振动空间118的形状可为圆形或是方形，感应板112还可包含有支撑墙结构120，支撑墙结构120的形状与振动空间118的形状相同，为圆形或是方形。又，支撑墙结构120与背板106之间可通过外加偏压产生的静电吸附力而固定。例如，外加直流电源，使得支撑墙结构120得以更加固定于背板106，并且使得感应板112与背板106之间的第二距离116得以缩小至可造成表面沾黏现象的距离。

再者，感应板112还可包含有凸块(dimple)122，用来降低与背板106沾黏的机率，避免于湿刻蚀后的干燥过程中，感应板112会整个表面黏于背板106上，通过凸块(dimple)122的设计，使得感应板112与背板106于湿刻蚀后的干燥过程中，最多产生点接触。如此一来，分离感应板112与背板106会比较容易。其中，凸块122的长度小于第一距离114。

为了使感应板112确实固定于背板106之上，可再设计固定桩124，设置于感应板112的外围，用以确保感应板112与背板106的相对位置。此固定桩124的形状可为阶梯型或帽型。如图3A所示，为第一种阶梯型固定桩1241的结构示意图，通过第一种阶梯型固定桩1241，感应板112的上下方向可更稳固。如图3B所示，为第二种阶梯型固定桩1242的结构示意图。如图3C所示，为第一种帽型固定桩1243的结构示意图，此第一种帽型固定桩1243的固定感应板112的效果最佳，可限制感应板112的上、下、左、右的移动空间。如图3D所示，为第二种帽型固定桩1244的结构示意图。

继续请参阅图4A、图4B、图4C、图4D、图4E、图4F、图4G、图4H、图4I、图4J以及图4K，为本发明的电容式麦克风的第一实施例制造流程示意图。首先，在干净的双面抛光硅晶片402成长热氧化硅层404(thermal silicondioxide)利用低压化学汽相沉积(LPCVD)氮化硅406(Si₃N₄)约

再利用第一道掩膜定义声孔408(acoustic hole)图样，通过反应离子刻蚀(RIE)一直蚀到达硅基材(silicon substrate)为止，即形成了声孔408。

接着，利用低压化学汽相沉积法(LPCVD)沉积参杂过的多晶硅(dopedpolysilicon)约多晶硅具有导电作用，利用第二道掩膜在多晶硅上定义下电极410图形，第二道掩膜与第一道掩膜相同，以等向性的硅刻蚀液将不要的部分进行刻蚀，即形成了下电极410。

之后利用炉管沉积低温氧化硅(LTO PSG)以沉积第一道牺牲层412，通过第三道掩膜定义皱折(corrugation)区域414、凸块(dimple)416以及支撑结构422，再利用氢氟酸(HF acid)刻蚀掉不要的部分。然后第二道炉管沉积低温氧化硅(LTO PSG)沉积很薄的第二道牺牲层418，做为修饰，且通过第四道掩膜定义凸块(dimple)416以及支撑结构422，并使用氢氟酸(HF acid)刻蚀掉不要的部分。

紧接着，利用低压化学汽相沉积法(LPCVD)沉积参杂过的多晶硅(dopedpolysilicon)以形成感应薄板420，感应薄板420具有凸块(dimple)416以及支撑结构422，之后，可继续往上沉积薄薄的第三道牺牲层424。做为定义固定桩426的形状，在固定桩426部分可以由等向均匀的沉积填满多晶硅(polysilicon)。通过第五道掩膜定义感应薄板420图形并使用电感耦合等离子体(ICP)硅深刻蚀机进行刻蚀，溅射(sputter deposition)TiW/Au，第六道湿刻蚀定义金属导线与焊垫428，分别以金刻蚀液与TiW刻蚀液进行刻蚀，做为之后打线用。第七道掩膜定义晶背刻蚀区域430，由于ICP硅深刻蚀制程相对于氧化硅的选择比大于1000，因此晶背刻蚀可均匀的停止在背板上，以HF湿刻蚀移除第一道牺牲层412、第二道牺牲层418以及第三道牺牲层424，最后使用二氧化碳(CO₂)的超临界点进行驱水干燥。

结构沾黏(stiction)的发生是由于液体的表面张力作用，主要是凡得瓦耳力和氢键的作用。液体干燥过程中会拉近挠性结构的间距，当结构的弹性回复力小于表面吸力时沾黏现象就会发生，一般以加高结构间距、dimple结构与表面疏水性处理来减少沾黏发生的机会。本实施例中外环与晶片表面的初始间距仅0.1至0.3μm之间且表面平滑，故意设计使结构表面沾黏发生，而感应薄板420与下电极410的高度为3～4μm，并配置1μm高度的凸块(dimple)416在感应薄板420中央位置，使得在干燥过程中可以将感应薄板420完全释放应力而使外环沾黏固定在晶片表面，达到完全释放残留应力又可自动将结构边缘重新固定的效果。

请继续参阅图5A，为本发明的电容式麦克风的俯视图，而图5B，为图5AI-I剖面的剖视图，包括有基板502，基板502具有空腔504，基板502上有一层背板506，背板506上有一层电极层508，在背板506上有感应板510，背板506与感应板510之间形成振动空间512，于感应板510上可形成有环形支撑墙514以及凸块516。其中，感应板510与背板506之间有一第一距离部分518以及一第二距离部分520。

而图5C，为本发明的具有固定桩的电容式麦克风的俯视图，图5D为图5CII-II剖面的剖视图，其制造方法与第一实施例完全相同，此处在外环结构旁边加上固定桩522，使帽型结构的感应板510无法左右飘移。

最后，请参阅图5E，为本发明的具有固定桩以及开槽的电容式麦克风的俯视图，图5F为图5EI-I剖面的剖视图，而图5G为图5EII-II剖面的剖视图，制造方法与第一实施例完全相同。此处在感应板510周围加了开槽524，可平衡静态压力，且由于在感应板510上加了开槽524的缘故，使感应板510与感应板510较低部分的外环结构形成弹簧式联结525，使感应板510上的环形支撑墙514与电极层508的接触更为平顺。

本发明为电容式麦克风结构，可利用基本的面型加工法(surfacemicromachining)制作，通过设计一特殊外环结构，可使感应薄板在释放完残留应力之后能重新固定在基板上。经由本发明的特殊外环结构设计，使感应薄板在释放完残留应力之后自动再固定在基板上，感应薄板的残留应力完全释放，使组件特性不受残留应力随制造过程变化而有所影响，且制造过程简单。

虽然本发明以前述的实施例公开如上，但并非用以限定本发明。在不脱离本发明的精神和范围内，所作的更动与修改，均属本发明的专利保护范围。关于本发明所界定的保护范围请参考所附的权利要求书。

Claims (30)

1.一种电容式麦克风，其特征在于，包括有：

一基板，该基板包括至少一空腔；

一背板于该基板上，该背板具有多个穿孔；以及

一感应板于该背板之上，该感应板与该背板之间具有一第一距离以及一第二距离，该第二距离介于0.1μm至0.3μm之间，该第一距离介于3μm至4μm之间，该感应板的该第一距离部分具有一凸块，用以降低与该背板沾黏的机率，该凸块的长度小于该第一距离；

其中，通过该第一距离使得该背板与该感应板之间形成一振动空间，而通过该第二距离使得该感应板得以利用水气或其它液体与该背板产生表面沾黏现象而固定，且该振动空间与该空腔通过各穿孔而相通。

2.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该基板为一硅晶片。

3.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该空腔的形状为一孔状。

4.如权利要求3所述的电容式麦克风，其特征在于，该孔状为一垂直圆孔或一斜面方孔。

5.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该空腔利用感应耦合等离子体干刻蚀方式或是利用硅非等向性湿刻蚀方式制成。

6.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该振动空间通过湿刻蚀方式形成。

7.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该背板的表面还包括有一电极层。

8.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该振动空间的形状为圆形或方形。

9.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该感应板还包括有一支撑墙结构，该支撑墙结构与该背板之间通过外加偏压产生的静电吸附力而固定，使得该感应板与该背板之间的该第二距离得以缩小至可造成表面沾黏现象的距离。

10.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该感应板还可包括有一开槽介于该感应板的该第一距离部分与该第二距离部分之间，以平衡静态压力。

11.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该凸块的长度为1μm。

12.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，还可包括一固定桩，用以确保该感应板与该背板之间的相对位置。

13.如权利要求12所述的电容式麦克风，其特征在于，该固定桩的形状为阶梯型或帽型。

14.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该感应板由导电性材料制成。

15.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，该感应板通过该第一距离以及该第二距离，得以形成一阶梯型落差。

16.一种电容式麦克风的制造方法，其特征在于，包括有下列步骤：

提供一基板，该基板包含有至少一空腔；

形成一背板于该基板上，该背板具有多个穿孔；

形成一感应板于该背板之上，该感应板与该背板之间具有一第一距离以及一第二距离，该第二距离介于0.1μm至0.3μm之间，该第一距离介于3μm至4μm之间；以及

一于该感应板的该第一距离部分形成一凸块的步骤，用以降低该感应板与该背板沾黏的机率，该凸块的长度小于该第一距离；

其中，通过该第一距离使得该背板与该感应板之间形成一振动空间，而通过该第二距离使得该感应板得以利用水气或其它液体与该背板产生表面沾黏现象而固定，且该振动空间与该空腔通过各穿孔而相通。

17.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该基板为一硅晶片。

18.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该空腔的形状为一孔状。

19.如权利要求18所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该孔状为一垂直圆孔或一斜面方孔。

20.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该空腔利用感应耦合等离子体干刻蚀方式或是利用硅非等向性湿刻蚀方式制成。

21.如权利要求19所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该振动空间通过湿刻蚀方式形成。

22.如权利要求19所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该形成一背板于该基板上的步骤之后，还包括有一形成一电极层于该背板上的步骤。

23.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该振动空间的形状为圆形或方形。

24.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，还包括有一形成一支撑墙结构于该感应板上的步骤，该支撑墙结构与该背板之间通过外加偏压产生的静电吸附力而固定，使得该感应板与该背板之间的该第二距离得以缩小至可造成表面沾黏现象的距离。

25.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，还可包括有一形成一开槽于该感应板的该第一距离部分与该第二距离部分之间的步骤，以平衡静态压力。

26.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该凸块的长度为1μm。

27.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，还包括有一形成一固定桩于该感应板的外围的步骤，用以确保该感应板与该背板之间的相对位置。

28.如权利要求27所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该固定桩的形状为阶梯型或帽型。

29.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该感应板由导电性材料制成。

30.如权利要求16所述的电容式麦克风的制造方法，其特征在于，该感应板通过该第一距离以及该第二距离，以形成一阶梯型落差。

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