TW201320778A - 具有微機械麥克風構造的構件 - Google Patents

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Abstract

一種具有微機械麥克風構造的構件(10)，該構件係在一半導體基材(1)上做成層狀構造且至少包含：--膜構造(2)，具有一聲波活性的膜(11)，其中該膜構造(2)係在該半導體基材(1)上方一膜層中形成且至少跨越過該基材背側中的一聲音開口(13)的一部分；--一個位在基材那一側的過負荷保護件以保護該膜構造；及--固定之可通過聲波的對立元件(14)，它在該膜層上方的該層構造中形成，其中：該膜構造(2)設計成向外突出的延續部(17)，該延續部(17)突伸超出該聲音開口(13)的邊緣區域，因此該聲音開口(13)呈該膜構造(2)的朝向基材那一側的止擋部的功能。另一構件(20)的方式係在該聲音開口(23)的邊緣區域形成樑式的構造元件(27)，該構造元件一直突出到該膜構造(2)下方，因此該樑式構造元件(27)呈該膜(21)之朝基材那一側的止擋部的功能。

Description

具有微機械麥克風構造的構件
本發明關於一種具有微機械麥克風構造的構件，該構件係在一半導體基材上做成層狀構造且至少包含一膜構造，具有一聲波活性的膜，其中該膜構造係在該半導體基材上方一膜層中形成且至少跨越過該基材背側中的一聲音開口的一部分；一個位在朝基材那一側的過負荷保護件以保護該膜構造；及一固定之可通過聲波的對立元件，它在該膜層上方的該層構造中形成。
在一麥克風膜的邊緣區域往往形成一些構造元件，例如彈簧元件，膜經由該彈簧元件結合到該構件的層構造中。這種懸架系統一方面有將落膜構造中將由於製造及溫度造成的機械應力吸收的功能，並防止這種內因應力使膜變形。此外一彈簧懸架系統有助於將麥克風應用信號最大化，因為該膜構造之受聲壓變形，也最好在彈簧元件的區域發生，而該膜大致呈平行於平面的偏移。
然而一麥克風構件的膜構造不但對與聲波有關的壓力波動反應，且也對一些其他壓力波動及加速度(該麥克風構件在生產程序時及使用時會受到這種波動及加速度，例如，當設有該麥克風構件的裝置落到地面時)。在此會發生過負荷狀況，造成膜構造損壞。特別是膜構造的邊緣區域更易發生，因為在此區域發生最大變形或最高應力，在 此處這種麥克風構件，膜沿一方向的偏移受到該設在膜構造上方的對立元件限制。為了限制沿另一方向的膜偏移，設有一朝向基材側的過負荷保護件。
在US 2002/0067663 A1提到上述種類的一麥克風構件，其微機械麥克風構造在一半導體基材上的一層構造中做成。此處，膜構造在一膜層中形成，該膜層利用基材表面上的一介電層及一狹窄空氣縫隙對半導體基材呈電絕緣，膜構造之圓形膜跨越過基材背側中一個大致方形的聲音開口，該聲音開口從基材背側朝向膜呈金字塔形變窄，因此膜的外緣與聲音開口的邊緣區域至少在一些部段重疊。如此，聲音開口的邊緣區域形成一朝基質側的止擋部以止擋位膜構造，在膜構造上方設一穿孔的對立元件被另一空氣縫隙隔開，且在構件表面中形成一插座式隆起。
由於膜的外緣和金字塔形聲音開口的邊緣區域重疊，故該受聲音影響的膜運動以及麥克風的輸出信號受阻尼。重疊越多，阻尼程度越高。由於這種阻尼一般係不想要者，但又需要某種最起碼的阻尼以有效保護防止過負荷，由此在US 2002/067663 A1所提之朝基材側的止擋部只有條件地當作一麥克風構件的膜構造的超載保護。
利用本發明係要能將上述種類的一麥克風構件的膜構造在朝基材側作超載保護，它對麥克風構造的阻尼性質影響儘量小，所有主張保護的實施例都基於一概念：利用聲 音開口的邊緣當作朝基材側的止擋部。而聲音開口的面積相較於膜面積不會減少很多。
在獨立之申請專利範圍第1項所申請的實施例，該膜構造設計成向外突出的延續部，該延續部突伸超出該聲音開口的邊緣區域，因此聲音開口呈該膜構造的朝向基材那一側的止擋部的功能。
此延續部可簡單地隨同該膜的彈簧懸架系統由該膜層作構造化出來，因此它們在製造技術上不需額外成本，它們可簡單地呈向外突出之指狀框條形式，但也可為任意其他配合構件尺寸及形狀的幾何形狀。各依延續部的寬度而定，如果在膜構造外緣形成的延續部設有貫通開口，則可有利地影響微構造的阻尼性質。
在麥克風性能方面，如果在朝基材側的聲音開口的直徑遠大於麥克風膜的直徑，則顯得很有利。在此情形，在膜構造上的延續部係相對地長，俾能達成其功能：將膜構造在基材側作過負荷保護。但這點在實際上顯得有問題，因為在很薄的膜構造中，受到製造條件影響產生機械應力，導致膜構造彎曲。膜構造的幾何形狀的影響，使延續部的彎曲一般遠大於麥克風膜的彎曲。延續部的彎曲--各依其幾何性質和設置而定--甚至大到使構件的微功能明顯受損。本發明的構件的一特別有利的實施例，這種問題用以下方式解決：在該延續部之間在該膜構造的外緣形成框條式的連接元件。
這種連接元件改變膜構造內的應力性質且由於它設在延續部間，故可阻止延續部彎曲，而不會影響膜的敏感性。此外，連接元件有位於保護及穩定化個別的延續部。在過負荷情況發生的力量特別利用連接元件均勻地分佈到所有延續部，因此較少會造成膜構造破壞。
連接框條宜隨同延續部及其於膜構造在膜層中一起產生及分離，如此不會有相當之附加製造成本。在此，連接框條一如延續部設有貫通開口，俾改善麥克風構造的阻尼性質。
如不用上述膜構造的延續部的方式(或者除了這種方式外同時另外)也可依本發明另一實施例。
在該聲音開口的邊緣區域形成樑式的構造元件，該構造元件一直突出到該膜構造下方，因此該樑式構造元件呈該膜之朝基材那一側的止擋部的功能。
這種樑式構造元件宜狹到使它們只使聲音開口的面積減少得微不足道。它們可簡單地藉著在一道各向異性的蝕刻程序中作相關地將朝基材側作遮罩連同基材中的聲音開口一齊產生，這點同樣不需可觀之附加的製造技術成本。在此情形，樑形構造元件在聲音開口的邊緣區域大致延伸過基材整個厚度，各依膜的形狀及尺寸而定，如果聲音開口的邊緣區域中至少形成一樑式框條，它從聲音開口一邊一直延伸到對立邊，則顯得很有利。如此膜連中間區域中都有一朝基材側的止擋部。
當然這二種止擋形式也可有利地互相合併。
如上述，有各種不同可能方式可將本發明的構想有利地實施及進一步發展，為此一方面可參考申請專利範圍獨立項的下位的附屬項，另方面可配合圖式參考以下本發明數個實施例的說明。
圖1a及1b中所示之MEMS麥克風構件(10)的微構造係呈層構造方式在一個半導體基材(1)上實施，它包含一膜構造(2)，此實施例中，膜構造(2)有一圓形之聲波活性的膜(11)，其作用為一種麥克風電容器的可偏移的電極。它利用四個彈簧元件(12)結合到構件(10)的層構造中。圖1a顯示膜構造(2)的設計，而圖1b顯示構件(10)的層構造。
整個膜構造(2)係在半導體基材(1)上在一相對地薄的膜層中形成，該模層可由數個材料層形成。對應於此，彈簧元件(12)由與膜(11)相同的材料構成。彈簧懸架系統的設計，亦即彈簧元件(12)數目及設置依膜的尺寸及形狀而定作選設，因此受製造及溫度影響在膜(11)中發生的應力大多被彈簧元件(12)吸收且不會造成膜(11)變形。如此，膜(11)之音壓力敏感性主要由其抗彎韌性決定。此外，膜(11)的彈簧懸架系統有助於麥克風應用信號最大化，因為膜構造(2)受音波壓力變形偏好在彈簧元件(12)的區域發生，而該有助於測量電容量的膜(11)則近乎平行於微電容器的對立電極的平面偏移。
膜構造(2)跨越該半導體基材(1)的背側的一個圓柱形的 聲音開口(13)。
在膜層的層構造中形成一固定之可通過聲波的對立元件，其作用為麥克風電容器的對立電極的載體。對立元件(14)在膜(11)上方的區域中有一些穿孔式的貫通開口(15)，它們用於將麥克風構造的阻尼消除。
由於在此實施例中，聲音開口(13)的直徑大於膜(11)的直徑，故此處彈簧懸架系統接到對立元件(14)，接合位置在圖1b中用(16)表示。如果聲音開口只延伸過膜的區域，則彈簧懸架系統也可同樣好地在朝基材那一側結合到層構造中。
對立元件(14)限制膜(11)向上的偏移，因此至少在此側當作過負荷保護的作用。
要對膜構造(2)在朝基材那一側作過負荷保護，此處係在膜構造(2)的外緣區域形成延續部(17)，它們突伸超出聲音開口(13)的邊緣區域出去，因此聲音開口(13)的邊緣區域整體的作用為延續部以及整個麥克風構造(2)在朝基材那一側的止擋部的功能，延續部(17)一如膜(11)和彈簧元件(12)係由膜構造的膜層作構造化做出來。
在此處所示的實施例，膜構造(2)包含四個此種延續部(17)，它們呈指狀向外突出。延續部(17)各在一彈簧元件(12)的連接位置隨膜(11)。但在此處要明白指出：延續部(17)的數目和設置也可不受彈簧元件(12)的數目和位置影響地選設，因此延續部不一定要從一彈簧元件(12)向外突出，而係可在彈簧懸架系統的相關設計的場合，舉例而言也可直接 與膜(11)接合，並從膜向外突出。延續部(17)的形狀也可不同，只要它們配合聲音開口(13)的幾何形狀且聲音開口(13)的邊緣區域形成一朝基材側的止擋部以供延續部(17)之間即可，在此處所示之實施例，膜構造的延續部(17)具穿口狀的貫通開口(18)，這些貫通開口(18)一方面有助於將麥克風構造消除阻尼，另方面它們在麥克風構造作蝕刻時可作蝕刻液通道。
圖2a與2b顯示一MEMS麥克風構件(101)，其麥克風構造大致相當於圖1a及1b所示MEMS麥克風構件的構造，因此相同元件也使用相同圖號，關於這些構件，可參考圖1a及1b的說明。
一如在MEMS麥克風構件(10)的情形，該MEMS麥克風構件(102)的麥克風構造(2)包含一圓形具聲音活性的膜(11)，它利用四個彈簧元件(12)結合到構件(101)的層構造中，且結合到膜構造上方的對立元件(14)。膜(11)位在半導體基材(1)中一圓柱形聲音開口(13)上方。與圖1a及1b所示實施例不同者，此處聲音開口的直徑遠大於膜(11)的直徑。
膜(11)上方之固定的可透過聲波的對立元件(14)限制膜向上偏移，因此至少在此側當作過負荷保護手段，此基材側的過負荷保護手段--一如MEMS麥克風構件(10)的情形--係由膜構造(2)外緣區域和聲音開口(13)的邊緣區域的四個延續部(171)合作造成，因為這些延續部(171)突伸超出聲音開口(13)的邊緣區域。
圖2a顯示膜構造(2)的設計，而圖2b顯示構件(101)的 層構造。
相對地長的指狀延續部(171)--一如膜(11)及彈簧元件(12)--由該層構造的膜層〔它相較於半導體基材(1)較薄〕作構造化做出。受到製造及溫度影響，在整個膜構造(2)中多少會發生強的應力，它們會造成各構造元件之多少有點大的彎曲。為了防止膜構造(2)的延續部(171)這種變形，故該四個延續部(171)在此處所示實施例經框條式連接元件(191)連接，連接元件(191)呈圓環形圍住具有彈簧元件(12)的膜。
這種延續部間的連接元件的數目、幾何形狀及設置主要取決於麥克風構造的幾何參數，特別是膜的大小及形狀、聲音開口的大小及形狀、以及膜構造緣的延續部的形狀、數目和設置。因此，舉例而言，宜只在膜構造周圍之各第二延續部間設一連接元件，或在膜構造周圍所有延續部經由一雙重環構造連接。
如上述，連接元件(111)的環構造在MEMS麥克風元件(101)的其形一如膜(11)呈圓形且對膜呈同心設置，在這點方面也可如圖3作變化。此處所示之MEMS麥克風構件(102)和圖2a、2b的MEMS麥克風構件(101)不同處只在延續部(172)間連接元件(192)及設置方式和形狀。此處連接元件(192)將二個延續部(172)的自由端連接且形成一大致方形的框，以將圓形的膜(11)框住。
圖4a和4b同樣顯示一MEMS麥克風構件(20)，它作在一半導體基材(1)的一個層構造中。此處，麥克風構造也包 含一膜構造(2)，它具有一圓形之聲波活性的膜(21)，該膜(21)的功能為一麥克風電容器的可偏移的極，且利用四個彈簧元件(22)結合到構件(20)的層構造中。
圖4a顯示膜構造(2)的設計，一如構件(10)的情形，它形成在半導體積材(1)上方的一相對薄的膜層中且跨越半導體積材(1)後側的一圓柱形聲音開口(23)。在膜層上方的層構造中，有一固定之可通過聲波的對立元件(24)形成，它的功能為麥克風電容器的對立電極，且限制膜(21)向上的偏移，此處膜(21)的彈簧懸架系統利用四個接合位置(26)與對立元件(24)連接。此對立元件在膜(21)上方的區域有穿孔式的貫通開口以將麥克風構造的阻尼消出。
用於保護構件(20)的膜構造(7)之朝基材那一側的過負載保護手段做成樑式的構造元件(27)，它們在聲音開口(23)的邊緣區域形成且一直突伸到膜(21)下方，因此樑式構造元件形成一朝基材側的止擋部(29)以將膜(21)擋住，在圖4b中顯示構件(20)的層構造，圖4b顯示朝基材側的止擋部(29)的作用方式。
在此處所示之實施例，樑側的構造元件(27)連同聲音開口(23)在一道分離程序(它從基材後側開始)產生。在此，基材構造對應於聲音開口(23)的形狀利用樑式構造元件(27)在邊緣區域作遮罩，結果使樑式延續部延伸過基材(1)的整個厚度範圍。
構件(20)包含四個這種樑式構造元件(27)，它們大致設成朝一彈簧元件(22)中央，且從聲音開口(23)的邊緣開始向 入突伸，但在此處要明白指出，樑式構造元件(27)的數目和設置方式也可不受彈簧元件的數目和位置影響而選設。又，構造元件(27)的寬度和長度也可不同，只要它們形成一朝基材側的止擋部將膜(21)擋住，且麥克風構件(20)具有所需聲音性質即可。
因此圖5a及5b顯示二種構件變更方式(30)(40)，它們只是在聲音開口的邊緣區域中的樑式構造元件與圖4a、4b所示不同。
構件(30)在聲音開口邊緣區域包含二個樑式構造元件(37)，它們各由聲音開口一側一直延伸到對立側，因此將聲音開口分成四個1/4圓形的部分開口(331)~(334)。
在構件(40)的情形，在聲音開口(43)的區域中有一格狀構造，由四個樑式構造元件(47)形成，它們延伸過整個聲音開口(43)，且具部段式的加厚度。
由於除此之外，構件(30)及(40)與構件(20)相同，故其餘的元件可參考圖4a及4b的說明。
(1)‧‧‧半導體基材
(2)‧‧‧膜構造
(10)‧‧‧MEMS麥克風構件
(11)‧‧‧膜
(12)‧‧‧彈簧元件
(13)‧‧‧聲音開口
(14)‧‧‧對立元件
(15)‧‧‧貫通開口
(16)‧‧‧接合位置
(17)‧‧‧延續部
(18)‧‧‧貫通開口
(20)‧‧‧MEMS麥克風構件
(21)‧‧‧膜
(22)‧‧‧彈簧元件
(24)‧‧‧對立元件
(25)‧‧‧聲音開口
(26)‧‧‧接合位置
(27)‧‧‧樑
(29)‧‧‧止擋部
(30)‧‧‧構件
(37)‧‧‧樑式構造元件
(40)‧‧‧構件
(43)‧‧‧聲音開口
(47)‧‧‧樑式構造元件
(101)‧‧‧構件
(111)‧‧‧連接元件
(191)‧‧‧連接元件
(192)‧‧‧連接元件
(331)~(334)‧‧‧部分開口
圖1a係一本發明構件後側的垂直視圖，它在膜構造上有外延續部；圖1b係經構件的麥克風構造的一示意剖面圖；圖2a係一本發明構件後側的垂直視圖，它在膜構造上有外延續部，在這些延續部間有框條形的連接元件；圖2b係經構件的麥克風構造的示意剖面圖； 圖3係另一本發明構件後側的垂直視圖，它在膜構造上有外延續部，在這延續部間有框條形連接元件；圖4a係一本發明構件的後側垂直視圖，它在聲音開口邊緣區域有框條形構造元件；圖4b係經該構件的麥克風構造的示意剖面圖；圖5a係一第一本發明構件的後側的垂直視圖，它在聲音開口的區域有一格構造；圖5b係一第二本發明構件的後側的垂直視圖，它在聲音開口的區域有一格構造。
(1)‧‧‧半導體基材
(2)‧‧‧膜構造
(10)‧‧‧MEMS麥克風構件
(11)‧‧‧膜
(12)‧‧‧彈簧元件
(13)‧‧‧聲音開口
(14)‧‧‧對立元件
(15)‧‧‧貫通開口
(16)‧‧‧接合位置
(17)‧‧‧延續部

Claims (7)

  1. 一種具有微機械麥克風構造的構件，該構件係在一半導體基材(1)上做成層狀構造且至少包含：-- 膜構造(20)，具有一聲波活性的膜(11)，其中該膜構造(2)係在該半導體基材(1)上方一膜層中形成且至少跨越過該基材背側中的一聲音開口(13)的一部分；-- 一個位在朝基材那一側的過負荷保護件以保護該膜構造；及-- 固定之可通過聲波的對立元件(14)，它在該膜層上方的該層構造中形成，其特徵在：該膜構造(2)設計成向外突出的延續部(17)，該延續部(17)突伸超出該聲音開口(13)的邊緣區域，因此該聲音開口(13)呈該膜構造(2)的朝向基材那一側的止擋部的功能。
  2. 如申請專利範圍第1項之構件，其中：該在該膜構造(2)外緣上形成的延續部(17)設有貫開口(18)。
  3. 如申請專利範圍第1或第2項之構件，其中：在該延續部(171)之間在該膜構造的外緣形成框條式的連接元件(191)。
  4. 如申請專利範圍第3項之構件，其中：該膜構造的延續部之間的框條式連接元件設有貫通開口。
  5. 一種具有微機械麥克風構造的構件，該構件係在一半導體基材(1)上做成層狀構造且至少包含： -- 膜構造(20)，具有一聲波活性的膜(11)，其中該膜構造(2)係在該半導體基材(1)上方一膜層中形成且至少跨越過該基材背側中的一聲音開口(13)的一部分；-- 一個位在朝基材那一側的過負荷保護件以保護該膜構造；及-- 固定之可通過聲波的對立元件(14)，它在該膜層上方的該層構造中形成，特別是依申請專利範圍第1~4項中之任一項者，其特徵在：該聲音開口(23)的邊緣區域形成樑式的構造元件(27)，該構造元件一直突出到該膜構造(2)下方，因此該樑式構造元件(27)呈該膜(21)之朝基材那一側的止擋部的功能。
  6. 如申請專利範圍第5項之構件，其中：該樑式構造元件(27)在該聲音開口(23)的邊緣區域中大致延伸過基材(1)的整個厚度範圍。
  7. 如申請專利範圍第5項或第6項之構件，其中：在該聲音開口的邊緣區域中至少形成一樑式的框條(37)，該框條從該聲音開口的一側延伸到對立側。
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