TW201325261A - Ｍｅｍｓ音波感測器及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係提供一種MEMS音波感測器，包括基板，其具有第一開口區及具有下電極層設置於該基板之表面上，其中該第一開口區包含至少一孔洞，使聲壓進入MEMS音波感測器中，且該下電極層未覆蓋該至少一孔洞；MEMS晶片，設置於基板之該表面上，包含一第二開口區及一上電極層部分密封該第二開口區，其中該第二開口區實質上對準第一開口區，且該上電極層與下電極層平行間隔設置以形成一感應電容；以及上蓋，與MEMS晶片或基板形成空腔。此外，本發明亦提供上述MEMS音波感測器之製造方法及其他型態之MEMS音波感測器。

Description

MEMS音波感測器及其製造方法
本發明係有關於半導體晶片，且特別是有關於一種MEMS音波感測器結構及其製造方法。
隨著科技的進步與消費性電子產品的迅速發展，市場持續朝著輕薄化、短小邁進，例如手機、筆記型電腦、平板電腦、個人行動助理(personal digital assistants)或數位相機等。在各種消費性電子產品中的各類電子元件均需在更小的體積內具備更佳的效能與功能性。然而，在手機工業中，特別是關於智慧型手機，所使用的電子元件具備小體積、多功能及低成本的特性，以在有限的體積內將各類的電子元件功能整合在手機中，例如將作為傳遞媒介的麥克風(microphone)與其他的通訊裝置整合。
消費性電子裝置所使用的麥克風通常為駐極體麥克風(electret condenser microphone，ECM microphone)，其係由駐極體材料形成，但其目前駐極體麥克風已逐漸被微機電音波感測器(micro-electro-mechanical systems transducer，以下簡稱為MEMS音波感測器)所取代。一般而言，駐極體麥克風與MEMS音波感測器皆為感測由聲壓造成的電容變化，駐極體麥克風是利用永久電荷隔離的聚合材料振膜作為電容，感測其電容變化；MEMS音波感測器則包含MEMS晶片及ASIC晶片，MEMS晶片是在矽基材上形成一振膜及一剛性穿孔背電極，利用振膜及背電極作為電容，將聲 壓轉換為電容變化，並利用ASIC晶片檢測MEMS晶片的電容變化，與駐極體麥克風不同的是，MEMS音波感測器成本較低，且其封裝結構之高度可較駐極體麥克風減低至少30%，不易受到時間、溫度、濕度和振動的影響。此外，MEMS音波感測器可以整合在積體電路(IC)上的寬頻射頻抑制性能，因此MEMS音波感測器可以有效的降低射頻所產生的干擾，並可藉由陣列及演算法來消除雜訊，這一點不僅對手機這類射頻應用非常重要，且對所有與手機工作原理類似的設備(例如助聽器)都有其相關性。
因此，隨著MEMS音波感測器技術日益熟稔及工業上的需求，預估MEMS音波感測器將會在消費性電子產品中大量取代駐極體麥克風。在MEMS音波感測器中，靈敏度是關鍵指標，靈敏度除了與振膜相關外，也受到背腔體積的影響，背腔體積係為振膜之位於受到聲壓振膜的後方封閉空腔的體積，其可對振膜提供部分的彈性回復力及調整聲阻及響應特性。另外，MEMS音波感測器及其製程複雜，亦使其製造成本增加。
例如，第1圖顯示為習知的MEMS音波感測器之封裝結構，為了在有限的體積內增加背腔體積，係在MEMS音波感測器中增加一內蓋111，以創造出更大背腔107體積。此MEMS音波感測器包含有封裝基材102及上蓋104間之空腔106。上蓋104具有一音孔112用以接收聲壓。空腔106中設置有MEMS音波感測器116及ASIC晶片126設置於內蓋111上。MEMS音波感測器116包含矽基材120、 振膜(上電極層)118及背板(穿孔下電極層)114。背板114懸浮於振膜118下。內蓋111與封裝基材102形成為MEMS音波感測器116之背腔107。因此，在不計算MEMS音波感測器116本身的高度後，背腔之高度可幾乎等於此MEMS封裝結構之高度，可使背腔107體積增大。然而，上述MEMS音波感測器仍有許多體積未被完善運用，且MEMS音波感測器116中包含振膜118及背板114兩層薄膜，其製程複雜及易於相互沾黏，因而仍不足以應付未來MEMS音波感測器的趨勢。
因此，業界需要的是一種所需成本低、高度小、靈敏度高、不易沾黏之MEMS音波感測器及其製造方法。
本發明係提供一種MEMS音波感測器，包括：一基板，具有一第一開口區，其中此第一開口區包含至少一音孔，使一聲壓進入此MEMS音波感測器中；一MEMS晶片，設置於此基板之一表面上，其中此MEMS晶片包含至少一第二開口區實質上對準此第一開口區，其中此第二開口區包含至少一孔洞；一上電極層，設置於MEMS晶片上；一下電極層，設置於基板上，其中兩電極平行且間隔設置形成一感應電容；以及一上蓋，設置於此MEMS晶片上或此基板之此表面上，並與此MEMS晶片或此基板形成一空腔。
本發明更提供一種MEMS音波感測器之製造方法，包括：提供一基板，具有一第一開口區，其中此第一開口區中包含至少一音孔，使一聲壓進入此MEMS音波感測器 中；裝設一MEMS晶片於此基板之一表面上，其中此MEMS晶片包含至少一第二開口區實質上對準此第一開口區，其中此第二開口區包含至少一孔洞；形成一上電極層於MEMS晶片上；形成一下電極層於基板上，其中上下電極平行且間隔設置形成一感應電容；以及形成一上蓋於此MEMS晶片上或此基板之此表面上，並與此MEMS晶片或此基板形成一空腔。
本發明亦提供一種MEMS音波感測器，包括：一種MEMS音波感測器，包括：一基板，其具有一凹槽凹陷於此基板之一表面上；一下電極層，設置於此基板上，並部分密封此凹槽，以形成一空腔；一MEMS晶片，設置於此基板之此表面上，具有一開口區，其中此開口區包含至少一音孔，以使一聲壓進入此MEMS音波感測器中；以及一上電極層，設置於此MEMS晶片上，且未覆蓋此至少一音孔，其中兩電極平行且間隔設置形成一感應電容。
為讓本發明之敘述、目的、特徵與優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：
本發明接下來將會提供許多不同的實施例以實施本發明中不同的特徵。各特定實施例中的組成及配置將會在以下作描述以簡化本發明。這些為實施例並非用於限定本發明。此外，在本說明書的各種例子中可能會出現重複的元件符號以便簡化描述，但這不代表在各個實施例或圖示之 間有何特定的關連。
以下將揭示本發明之MEMS音波感測器及其製造方法。本發明之MEMS音波感測器包含一具有第一開口區之基板及一具有第二開口區之MEMS晶片，基板上設有下電極層與MEMS晶片上設有上電極層，由這兩電極層形成感應電容，用以感測進入音波感測器中的聲壓。
第2及2A圖分別顯示本發明一實施例之MEMS音波感測器之剖面圖及分解圖。MEMS音波感測器200包含基板202與上蓋204。基板202可為一多孔封裝基板。基板202可由各種材料形成，例如陶瓷封裝材料、印刷電路板材料、矽基材或具有導電架的塑膠基材。基板202中可包含多個連接外部電路的導電線路208，其可例如為與印刷電路板或其他更大型的電子裝置或系統電性連接。基板202可具有第一開口區210。在一實施例中，在第一開口區210中包含一或多數個音孔(sound port)212，例如圖中所示之多數個音孔。音孔212可為貫穿基板202之貫穿孔(through holes)，以使MEMS音波感測器200外部的聲壓能透過這些音孔212進入空腔中206中作感測。在一實施例中，基板202之音孔開口率一般約30~40%。上蓋204可設置於基板202之一表面203上，並與基板202構成一空腔206。上蓋204可由導電材料形成，例如金屬材料或表面鍍有金屬的塑膠或陶瓷材料。上蓋204可提供對於電磁干擾(EMI)及寬頻射頻(RF)的屏蔽。在一實施例中，上蓋204上進一步地可塗佈有屏蔽紅外線及可見光的塗料。
MEMS晶片216可設置於基板202之表面203上方。MEMS晶片216可包含上電極層218、半導體晶片224及介電層226。其中介電層226介於上電極層218與半導體晶片224間。進一步地，介電層226分別附著於上電極層218與半導體晶片224之一側表面上。此外，MEMS晶片216還可包含實質上對準於第一開口區210之第二開口區220。第二開口區220可包含至少一貫穿半導體晶片224及介電層226之孔洞222。在本實施例中，上電極層218可為設置於半導體晶片224上之振膜，例如為多晶矽、金屬或其他導電材料所形成之可振動之薄膜，其可隨由音孔212進入音波感測器中的聲壓變化而振動並產生形變。在一實施例中，上電極層218可為一多孔振膜以降低振膜應力。半導體晶片224可為由半導體晶圓或絕緣體覆矽(silicon-on-insulator，SOI)之晶圓製造形成之晶片。介電層226可包含氧化矽或其他介電材料。
下電極層214可設置在基板202之表面203上，下電極層214可為圖案化之導電層，例如具有如第2A圖所示之圖案。例如，下電極層214可包含對應於MEMS晶片216之形狀的圖案，並設置於基板202的第一開口區210與部分的其它區域上。然而，下電極層214未封閉音孔212，亦即音孔212係為同時貫穿基板202及下電極層214。此外，下電極層214亦可具有為對應於電路的設計需求的圖案，例如可與導電線路208直接或間接連接而電性連接至外部電路。下電極層214可包含金屬或任意的導電材料。 值得注意的是，在實施例中，下電極層214係為固定在基底表面而不隨聲壓改變而形變之膜層，以作為音波感測器之背板。此外，下電極層214可係為與MEMS晶片216上的上電極層218平行且間隔設置，其間可具有一垂直間隔215，但不為0。亦即，在本實施例中，MEMS音波感測器200的上電極層218及下電極214層可形成感應電容(利用空氣作為電容介電層)，而其電容值的大小可取決於下電極層214與上電極層218的重疊面積及垂直間隔215的距離。在一實施例中，可藉由改變音孔212的尺寸大小及數量，來變換上電極層218與下電極層214之間的電容值，以滿足各種不同的設計需求。
在一實施例中，可設置間隔元件230於MEMS晶片216與基板202之表面203之間，以提供上電極層218及下電極層214之間產生垂直間隔215。間隔元件230可為導電膠材。例如，在第2圖所示之實施例中，間隔元件230可為導電膠材。MEMS晶片216係可利用此導電膠材230電性連接至下電極層214、導電線路208及外部電路，或可經由ASIC晶片234之導電膠材232A與232B再和導電線路208及外部電路電氣連接。在本實施例中，可由間隔元件230之厚度來決定垂直間隔215的高度。導電膠材230可包含圍繞第一開口區210之圖案，例如是環狀圖案。
在一實施例中，特殊用途晶片(application-specific integrated circuit，以下簡稱ASIC晶片)234可藉由導電膠材232A及232B設置於基板202上，並與MEMS晶片216 具有一間隔或距離。例如，ASIC晶片234可設置於基板202之第一開口區210以外的位置。ASIC晶片234可包含前置放大器晶片、類比數位轉換器晶片與其他相關應用晶片等。ASIC晶片234之一端可藉由導電膠材232A和下電極層214與MEMS晶片216電性連接，以讀取由MEMS晶片216偵測之電容變化，ASIC晶片234之另一端則可藉由導電膠材232B與導電線路208電性連接。導電膠材230、232A、232B可包含銀膠、銲球或其他的表面安裝技術(surface mount technology)。導電膠材232A及232B可具有與導電膠材230相同或不同的厚度。
在另一實施例中，ASIC晶片234與MEMS晶片216可以CMOS技術一併製造。而亦可將ASIC晶片整合至MEMS晶片216中之半導體晶片224中，形成系統單晶片(SOC)。在其他實施例中，ASIC晶片亦可設置於基板202中。如此，可更縮減MEMS音波感測器200所需的體積。
在一實施例中，上蓋204亦可藉由膠材236固定於基板202之表面203上，並藉由膠材236與基板202中的導電線路208電性連接。膠材236可包含銀膠、銲球或其他的表面安裝技術(surface mount technology)。
在操作MEMS音波感測器200時，空腔206外的聲壓可由基板202之第一開口區210中的音孔212進入音波感測器200的空腔206中。MEMS晶片216中的上電極層218可依據聲壓產生對應的振動，而使上電極層218與下電極層214之間的電容產生變化。此電容變化可經由MEMS晶 片216及ASIC晶片234讀取並作訊號處理。因此，與習知的MEMS音波感測器不同的是，習知的MEMS音波感測器中之振膜(上電極)與背板(下電極)皆是直接形成於MEMS晶片中；但本發明提供之MEMS音波感測器200是將MEMS晶片216設置於基板202上，並直接以下電極層214作為背板。因此，依照本發明實施例之MEMS音波感測器200，MEMS晶片216中未包含其他能與上電極層218形成感應電容的電極層。用以感測聲壓變化的感應電容是由設置在MEMS晶片216上之上電極層218及基板202上的下電極層214共同構成。此外，MEMS音波感測器中200的上電極層218及下電極層214之垂直間隔215可由間隔元件230調整至足夠大，並因而不會產生沾黏。
第3圖顯示依照本發明另一實施例之MEMS音波感測器300之剖面圖。在此實施例中，除非特別說明，相同的標號代表與前述實施例相同的材料或形成方式。本實施例與前述實施例的主要差異在於上蓋係直接設置在MEMS晶片上。因此，其它相同構造與元件在此不予贅述。
參見第3圖，音波感測器300包含基板202及設於其上之MEMS晶片216。MEMS晶片216可包含半導體晶片224、介電層226及上電極層218。基板202可具有下電極層214設置於其之表面203上，且此下電極層214不密封音孔212。在此實施例中，上電極層218可為一隨聲壓改變而形變之振膜(vibration film)，下電極層214可為 一硬層(rigid layer)，固定在基板202之表面203上。此上電極層218及下電極層214可平行間隔設置，其間具有一垂直間隔215。其中垂直間隔215係為環形封閉形狀，使聲音自音孔212進入而對上電極層218(振膜)因聲壓而產生形變。
在本實施例中，上蓋304係直接設置在半導體晶片224之相對於上電極層218之相對側上，並密封第二開口區220中之至少一孔洞222之相對於上電極層218之相對側。因此，上蓋304與MEMS晶片216及上電極層218間形成一空腔。易言之，MEMS晶片216與介電層226中之至少一孔洞222即是空腔，且是作為音波感測器300之背腔。在一實施例中，上蓋304可由聚亞醯胺(polyimide)形成。
再者，在本實施例中，ASIC晶片(圖中未顯示)係可與MEMS晶片216可以CMOS技術一併製造，而整合至MEMS晶片216中之半導體晶片224中(圖中未顯示)，形成系統單晶片(SOC)。在其他實施例中，ASIC晶片亦可設置於基板202中。
由上述可知，在本實施例中，聲壓仍是由基板202之背面經由第一開口區210之音孔212進入MEMS音波感測器300中，且由於上蓋304係直接設置於MEMS晶片216，孔洞222即為音波感測器300之背腔，可進一步縮減MEMS音波感測器之總厚度。不僅符合現今輕薄化的趨勢且不會因體積的關係而使靈敏度犧牲。此外，可由MEMS晶片的 設計來決定背腔體積，因而背腔體積可不用受到基材厚度限制。因此，其它相同構造與元件在此不予贅述。
第4圖顯示依照本發明又一實施例之MEMS音波感測器400之剖面圖。在此實施例中，除非特別說明，相同的標號代表與前述實施例相同的材料或形成方式。本實施例與前述實施例的主要差異在於基板可提供間隔元件來控制上電極層與下電極層之間的垂直間隔。
參見第4圖，音波感測器400包含基板202及設於其上之MEMS晶片216，其間MEMS晶片216之下方側設置有上電極層218。基板202之表面203上可設置有下電極層214，且此下電極層214不密封第一開口區210之音孔212。在此實施例中，上電極層218可為一隨聲壓改變而形變之振膜(vibration film)，下電極層214可為一硬層(rigid layer)，固定在基板202表面203上。
在本實施例中，可在基板202上形成一間隔元件440。此間隔元件440可與基板202為相同材料形成，例如陶瓷封裝材料、印刷電路板材料、矽基材或具有導電架的塑膠基材。此間隔元件440可與基板202在相同或不同製程形成，例如間隔元件440可與基板202一體成型。在一實施例中，ASIC晶片(圖中未顯示)亦可形成於基板202中。或者，ASIC晶片(圖中未顯示)係可與MEMS晶片216以CMOS技術一併製造，而整合至MEMS晶片216中之半導體晶片224中，形成系統單晶片(SOC)。
間隔元件440可提供MEMS晶片216與基板202之 間具有一垂直高度，以利於MEMS晶片216之上電極層218元件能與基板202上的下電極層214具有一距離，例如垂直間隔215。垂直間隔215可提供導電膠材230的注入。相較於直接以導電膠材230控制垂直間隔215的高度，使用間隔元件440來控制垂直間隔215可更為精確且較為容易。再者，可藉由間隔元件440水平位置來控制下電極層214之圖案及其與上電極層218之重疊面積。因此，可降低音波感測器400之製造難度，並可精確控制感應電容所需的電容值，並提高MEMS音波感測器400之精確度。此外，音波感測器中400的上電極層218及下電極層214之垂直間隔215可由間隔元件440調整至足夠大，因而不會產生沾黏。間隔元件440可為環形封閉形狀，使聲音自音孔212進入而對上電極層218(振膜)因聲壓而產生形變。
更進一步地，上蓋204亦可附著在MEMS晶片216的上方側。以下各實施例有類似結構，亦可以此變化。
第5圖顯示依照本發明另一實施例之MEMS音波感測器500之剖面圖。在此實施例中，除非特別說明，相同的標號代表與前述實施例相同的材料或形成方式。本實施例與前述實施例的主要差異在於MEMS晶片可提供延伸部分來控制上電極層與下電極層之間的垂直間隔。因此，其它相同構造與元件在此不予贅述。
參見第5圖，音波感測器500包含基板202及設於其上之MEMS晶片216。MEMS晶片216可包含上電極層 218、半導體晶片224A、224B及介電層226，其中半導體晶片可具有一主要部分224A及一自此主要部分224A向外延伸之延伸部分224B。半導體晶片之主要部分224A及延伸部分224B可由矽基材形成。例如，在一實施例中，半導體晶片之主要部分224A及延伸部分224B可由相同的矽基材形成，並經由微影蝕刻製程形成所需之形狀及厚度，彼此為一體成型。在另一實施例中，MEMS晶片216之延伸部分224B可為在主要部分224A上以由熱氧化法形成之氧化矽。上電極層218可設置於半導體晶片224之主要部分224A上及並被延伸部分224B環繞，亦即延伸部分224B可為環形封閉形狀。基板202之表面203上可設置有下電極層214，且不密封第一開口區210之音孔212。在此實施例中，上電極層218可為一隨聲壓改變而形變之振膜，下電極層214可為一硬層，固定在基板202表面203上。此上電極層218及下電極層214可平行間隔設置，其間具有一垂直間隔215。在一實施例中，ASIC晶片(圖中未顯示)係可與MEMS晶片216可以CMOS技術一併製造，而整合至MEMS晶片216中之半導體晶片224中(圖中未顯示)，形成系統單晶片(SOC)。在其他實施例中，ASIC晶片可與基材202亦可設置於基板202中。
既然MEMS晶片216之延伸部分224B係具有一高度，其可提供MEMS晶片216在裝設至基板202時，設置於此半導體晶片之主要部分224A上之上電極層218與 基板202上的下電極層214具有一垂直間隔215。此間隔可提供導電膠材230的注入。相較於直接以導電膠材230控制垂直間隔215的高度，使用MEMS晶片216之延伸部分224B來控制垂直間隔215可更為精確且較為容易，且此延伸部分224B可與MEMS晶片在同一製程中完成。再者，可藉由此MEMS晶片216之延伸部分224B的水平位置來控制上電極層218之大小及其與下電極層214之重疊面積。因此，可降低音波感測器500之製造難度，並可精確控制感應電容所需的電容值，而提高MEMS音波感測器500之精確度。此外，音波感測器中500的上電極層218及下電極層214之垂直間隔215可由MEMS晶片之延伸部分224B調整至足夠大，並因而不會產生沾黏。更進一步地，上蓋204亦可附著在MEMS晶片216的上方側。
參見第6圖，其顯示本發明一變化實施例之MEMS音波感測器600之剖面圖。在此實施例中，相似的標號代表與前述實施例相同的材料或形成方式。因此，其它相同構造與元件在此不予贅述。
MEMS音波感測器600包含基板602及上蓋604，此上蓋604可設置於基板602上，並與基板602構成一空腔606。基板602可為一多孔封裝基板，其可由各種材料形成，例如陶瓷封裝材料、印刷電路板材料、矽基材或具有導電架的塑膠基材。基板602中可包含多個連接外部電路的導電線路608，其可例如為與印刷電路板或其他更大型 的電子裝置或系統電性連接。基板602可具有第一開口區610。在一實施例中，在第一開口區610中包含至少一個孔洞612。基板上602設置於一下電極層618。此下電極層618可為一多孔振膜，其可包含多個孔洞613並可隨聲壓變化而產生形變，而該些孔洞作為降低應力之功用，並可提供外部聲壓進入至音波感測器600中。例如，下電極層618可包含多晶矽、金屬與其他導電材料所形成之可振動之薄膜。
MEMS晶片616可設置於基板602之表面603上。MEMS晶片616可包含實質上對準於第一開口區610之第二開口區620。第二開口區620可包含至少一貫穿MEMS晶片616之貫穿孔622，且在第二開口區620中更包含一挖空部分623，以提供更多的背腔體積。挖空部分623約挖至MEMS晶片616至一定深度而不貫穿。在挖空部分623的底部再形成一或多數個貫穿孔622。MEMS晶片616可由半導體晶圓或絕緣體覆矽(silicon-on-insulator，SOI)之晶圓製造形成。例如，MEMS晶片616可包含半導體晶片之主要部分624A、半導體晶片之延伸部分624B、介電層626與上電極層614。半導體晶片之主要部分624A及半導體晶片之延伸部分624B可由矽基底形成。半導體晶片之延伸部分624B自主要部分624A延伸向外，以提供MEMS晶片616裝設於基板602上時，使半導體晶片之主要部分624A及上電極層614與基板602具有間隔。半導體晶片之主要部分624A及延伸部分624B可由矽基材形成，且可一併 由相同半導體製程形成。在一實施例中，半導體晶片之延伸部分624B可更包含由熱氧化法形成之氧化矽。介電層626可包含氧化矽或其他介電材料。
上電極層614可設置在半導體晶片之主要部分624A上。例如，在本實施例中，上電極層614可設置在MEMS晶片616之主要部分624A上，但不覆蓋貫穿孔622。值得注意的是，在本實施例中，上電極層614係為一硬層，固定在MEMS晶片表面且不隨聲壓改變而形變，以作為音波感測器之背板。
基板602上的下電極層618可與MEMS晶片616之上電極層614可為平行且間隔設置，其間可具有一垂直間隔615。因此，下電極層618可與其正上方之上電極層614形成感應電容(利用空氣作為電容介電層)，而其電容值的大小可取決於上電極層614與下電極層618的重疊面積及垂直間隔615的距離。亦即，在本實施例中，MEMS音波感測器600是以上電極層614作為MEMS音波感測器600的背板。在一實施例中，垂直間隔615可由MEMS晶片616之延伸部分624B之厚度所控制。此外，下電極層618與上電極層614之間的電容值，可隨著貫穿孔622之尺寸大小及數量作改變，因而可滿足各種不同的設計需求。
在一實施例中，ASIC晶片(圖中未顯示)與MEMS晶片616可以CMOS技術一併製造，而可將ASIC晶片整合至半導體晶片之主要部分624A中(圖中未顯示)，形成系統單晶片(SOC)。在其他實施例中，ASIC晶片亦可設置於基板 602中。如此，可更縮減MEMS音波感測器600所需的體積。在一實施例中，間隔元件630，例如導電膠材，可注入在上電極層614與基板602之間，以將MEMS晶片616訊號傳遞至外部電路。在一實施例中，上蓋604亦可藉由膠材636固定於基板602之表面603上。導電膠材630、636可包含銀膠、銲球或其他的表面安裝技術(surface mount technology)。值得注意的是，在一實施例中，上蓋604亦可如同第3圖所示之實施例，直接設置在MEMS晶片616上。
簡而言之，在操作MEMS音波感測器600時，空腔606外的聲壓可由基板602之第一開口區610中的孔洞612與613進入音波感測器600的空腔606中。基板602上的下電極層618可依據聲壓產生對應的振動，而使下電極層618與上電極層614之間的電容產生變化。此電容變化可經由MEMS晶片616及ASIC晶片讀取並作訊號處理，以完成音波感測。因此，MEMS音波感測器600的MEMS晶片616中不包含其他能與上電極層614形成感應電容的其他導電膜層，而用以感測聲壓變化的感應電容是由設置在基板602上並部分密封第一開口區610之下電極層618及MEMS晶片616的上電極層614共同構成。其中上電極層614與MEMS晶片616之主要部分624A間設有介電層626。
參見第7圖，其顯示本發明另一變化實施例之MEMS音波感測器700之剖面圖。在此實施例中，相似的標號代表與前述實施例相同的材料或形成方式。因此，其它相 同構造與元件在此不予贅述。
MEMS音波感測器700包含基板702。基板702可為一多孔封裝基板。基板702可由各種材料形成，例如陶瓷封裝材料、印刷電路板材料、矽基材或具有導電架的塑膠基材。基板702中可包含多個連接外部電路的導電線路708，其可例如為與印刷電路板或其他更大型的電子裝置或系統電性連接。基板702可具有一凹槽712，凹陷於基板702之一表面703中。
MEMS晶片716可設置於基板702之表面703上。MEMS晶片716可包含實質上對準於凹槽712之開口區720。開口區720可包含至少一貫穿MEMS晶片716之貫穿孔722。此至少一貫穿孔722可為音孔，用以提供音波感測器700外部之聲壓進入音波感測器700中作感測。MEMS晶片716可由半導體晶圓或絕緣體覆矽(silicon-on-insulator，SOI)之晶圓製造形成。例如，MEMS晶片716可包含半導體晶片之主要部分724A、半導體晶片之延伸部分724B、介電層726及上電極層714。介電層726位於上電極層714與主要部分724A間。半導體晶片之延伸部分724B可自主要部分724A延伸向外，以提供MEMS晶片716裝設於基板702上時，使半導體晶片之主要部分724A及上電極層714與基板702具有間隔。半導體晶片之主要部分724A及延伸部分724B可由矽基材形成，且可一併由相同半導體製程形成。在一實施例中，MEMS晶片716之延伸部分724B可更包含由熱氧化法形成之氧化 矽。介電層726可包含氧化矽或其他介電材料。
上電極層714設置於半導體晶片之主要部分724A下方側。例如，在本實施例中，上電極層714與介電層726設置在半導體晶片之主要部分724A上，且具有部分位於開口區720中，但不覆蓋音孔722。上電極層714係為一硬層，固定在MEMS晶片716表面上且不隨聲壓改變而形變，以作為音波感測器之背板。
下電極層718設置於基板702上。例如，在本實施例中，下電極層718係直接設置在基板702上，並部分密封凹槽712之開口。下電極層718可為一多孔振膜，其包含多個孔洞713並可隨由貫穿孔722(音孔)進入音波感測器中的聲壓變化而振動並產生形變，而該些孔洞713作為降低應力之功用。例如，下電極層718可包含多晶矽、金屬與其他導電材料所形成之可振動之薄膜。此外，下電極層718與的上電極層714可為平行且間隔設置，其間可具有一垂直間隔715。如此，下電極層718可與其正上方之上電極層714形成感應電容(利用空氣作為電容介電層)，而其電容值的大小可取決於上電極層714與下電極層718的重疊面積及垂直間隔715的距離。因此，下電極層718與上電極層714之間的電容值，可隨著貫穿孔722(音孔)之尺寸大小及數量作改變，因而可滿足各種不同的設計需求。垂直間隔715可由MEMS晶片716之延伸部分724B之厚度所控制。在本實施例中，凹槽712係可作為音波感測器700之背腔。因此，可以凹槽712之大小決定音波感測器700 之背腔體積。
在一實施例中，ASIC晶片(圖中未顯示)與MEMS晶片716可以CMOS技術一併製造，而可將ASIC晶片整合至MEMS晶片716中之主要部分724A中(圖中未顯示)，形成系統單晶片(SOC)。在其他實施例中，ASIC晶片亦可設置於基板702中。如此，可更縮減MEMS音波感測器700所需的體積。在一實施例中，間隔元件730，例如導電膠材，可注入在MEMS晶片716與基板702之間，以將MEMS晶片716之訊號傳遞至外部電路。
簡而言之，在操作MEMS音波感測器700時，音波感測器700的聲壓可由MEMS晶片716中之開口區720中的貫穿孔722進入音波感測器700中，例如進入凹槽712中。因此，MEMS音波感測器700不需上蓋，可直接以此凹槽712取代上蓋與基板或MEMS晶片所形成之空腔。MEMS晶片716中的下電極層718可依據聲壓產生對應的振動，而使下電極層718與上電極層714之間的電容產生變化。此電容變化可經由MEMS晶片716及ASIC晶片讀取並作訊號處理。本發明提供之MEMS音波感測器700的MEMS晶片716中不包含能與上電極層718形成感應電容的其他額外導電膜層，而用以感測聲壓變化的感應電容是由下電極層718及MEMS晶片716之上電極層714共同構成。
第8A至8C圖顯示依照本發明一實施例之MEMS音波感測器於之製造方法各種中間階段之剖面圖。值得注意的是，第8A至8C圖係顯示如第2圖之音波感測器200之製 造流程圖，然而，本領域具有通常知識者當可以相同概念將其應用於本發明之各實施例中。在此實施例中，與前述相同的參考標號代表相同或相似的元件。
首先，參見第8A圖，提供一基板202。基板202可具有一開口區210。在一實施例中，在開口區210中包含一或多數個音孔212。音孔212可由CO2雷射、UV-YAG雷射或其他微雷射穿孔方法形成。此外，基板202上可具有圖案化之下電極層214設於基板202之表面203上。在基板202中可包含連接至外部電路的導電線路208。導電線路208可為一導通孔(TSV)。如前述，下電極層214可包含例如第3圖所示之圖案，包含對應於MEMS晶片216之形狀的圖案，設置於開口區210中的基板202，但未封閉音孔212。
接著，如第8B圖所示，裝設MEMS晶片216及ASIC晶片234至此基板202上。MEMS晶片216可對準設置於開口區210上方，並藉由膠材230固定於基板202上，及與下電極層214電性連接。在一實施例中，ASIC晶片234可與MEMS晶片216間隔地設置於基板202上，ASIC晶片234之一端藉由導電膠材232A及下電極層214與MEMS晶片216電性連接，另一端則藉由導電膠材232B與基板202中的導電線路208連接。在另一實施例中，ASIC晶片234可直接整合於MEMS晶片216中(圖中未顯示)，形成系統單晶片。在其他實施例中，ASIC晶片234亦可設置於基板202中。
最後，參見第8C圖，將上蓋204裝設於基板202之表面203上，形成一空腔206，如第2、3圖所示之MEMS音波感測器。上蓋204可藉由膠材236固定於基板202上並與基板202中的導電線路208電性連接。MEMS晶片216及ASIC晶片226皆設置在此空腔206中。
依據第8A至8C圖所示之製造方法，在形成基板202後，裝設MEMS晶片216及上蓋204於基板202上後，即可完成MEMS音波感測器，製程步驟極為簡單。此外，MEMS晶片216的製造步驟以形成上電極層218、介電層220及半導體晶片224即可，無需額外再形成如第1圖之背板114於其中。因此，在製造MEMS晶片216時，可節省更多的時間及成本。
除上述製造流程外，本領域具有通常知識者當可對上述製程作任意變化，例如將上蓋直接設置於MEMS晶片上；以間隔元件或以MEMS晶片之延伸部分提供及控制上下電極層之間的垂直間隔後，再注入導電膠材；先形成下電極層於基板上，再將上電極層設於其MEMS晶片上，且MEMS晶片裝設於基板上；或是在基板中形成凹槽，以此凹槽取代由導電上蓋與基板或MEMS晶片所形成之空腔。
前述圖式及實施例所提供之MEMS音波感測器可應用於各種電子裝置上。例如，可為消費性電子產品、消費性電子產品中的部分元件與電子測試儀器等。消費性電子產品可例如為手機、電視機、電腦螢幕、電腦、筆記型電腦、平板電腦、個人行動助理、電冰箱、汽車、音響、多媒體 播放器、MP3隨身聽、數位相機、洗衣機、烘衣機、影印機、掃描器與手錶等。
雖然本發明已以數個較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作任意之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
102‧‧‧封裝基材
104‧‧‧上蓋
106‧‧‧空腔
107‧‧‧背腔
109‧‧‧背腔開口
111‧‧‧內蓋
112‧‧‧音孔
114‧‧‧背板
116‧‧‧MEMS音波感測器
118‧‧‧振膜
120‧‧‧矽基材
126‧‧‧ASIC晶片
200‧‧‧MEMS音波感測器
202‧‧‧基板
203‧‧‧基板之表面
204‧‧‧上蓋
206‧‧‧空腔
208‧‧‧導電線路
210‧‧‧第一開口區
212‧‧‧音孔
214‧‧‧下電極層
215‧‧‧垂直間隔
216‧‧‧MEMS晶片
218‧‧‧上電極層
220‧‧‧第二開口區
222‧‧‧孔洞
224‧‧‧半導體晶片
224A‧‧‧主要部分
224B‧‧‧延伸部分
226‧‧‧介電層
230‧‧‧間隔元件
232A、232B‧‧‧導電膠材
234‧‧‧ASIC晶片
236‧‧‧膠材
300‧‧‧MEMS音波感測器
304‧‧‧上蓋
400‧‧‧MEMS音波感測器
440‧‧‧間隔元件
500‧‧‧MEMS音波感測器
600‧‧‧MEMS音波感測器
602‧‧‧基板
603‧‧‧基板之表面
604‧‧‧上蓋
606‧‧‧空腔
608‧‧‧導電線路
610‧‧‧第一開口區
612‧‧‧孔洞
613‧‧‧音孔
614‧‧‧上電極層
615‧‧‧間隔
616‧‧‧MEMS晶片
618‧‧‧下電極層
620‧‧‧第二開口區
622‧‧‧貫穿孔
623‧‧‧挖空部分
624A‧‧‧半導體晶片之主要部分
624B‧‧‧半導體晶片之延伸部分
626‧‧‧介電層
630‧‧‧間隔元件
636‧‧‧膠材
700‧‧‧MEMS音波感測器
702‧‧‧基板
703‧‧‧基板之表面
708‧‧‧導電線路
712‧‧‧凹槽
713‧‧‧孔洞
714‧‧‧上電極層
715‧‧‧間隔
716‧‧‧MEMS晶片
718‧‧‧下電極層
720‧‧‧開口區
722‧‧‧音孔
724A‧‧‧半導體晶片之主要部分
724B‧‧‧半導體晶片之延伸部分
726‧‧‧介電層
730‧‧‧間隔元件
第1圖顯示為習知的MEMS音波感測器之剖面圖。
第2及2A圖分別顯示為依照本發明一實施例之MEMS音波感測器之剖面圖及分解圖。
第3至7圖分別顯示為依照本發明各種實施例之MEMS音波感測器之剖面圖。
第8A至8C圖顯示為依照本發明一實施例之MEMS音波感測器之製造方法於各種中間階段之剖面圖。
200‧‧‧MEMS音波感測器
202‧‧‧基板
203‧‧‧基板之表面
204‧‧‧上蓋
206‧‧‧空腔
208‧‧‧導電線路
210‧‧‧第一開口區
212‧‧‧音孔
214‧‧‧下電極層
215‧‧‧垂直間隔
216‧‧‧MEMS晶片
218‧‧‧上電極層
220‧‧‧第二開口區
222‧‧‧孔洞
224‧‧‧半導體晶片
226‧‧‧介電層
230‧‧‧間隔元件
232A、232B‧‧‧導電膠材
234‧‧‧ASIC晶片
236‧‧‧膠材

Claims (20)

  1. 一種MEMS音波感測器，包括：一基板，具有一第一開口區及具有一下電極層設置於該基板之一表面上，其中該第一開口區包含至少一孔洞，使一聲壓進入該MEMS音波感測器中，且該下電極層未覆蓋該至少一孔洞；一MEMS晶片，堆疊於該基板之該表面上，並包含一第二開口區及一上電極層部分密封該第二開口區，其中該第二開口區實質上對準該第一開口區，且該上電極層與該下電極層平行間隔設置以形成一感應電容；以及；一上蓋，設置於該MEMS晶片上或該基板之該表面上，並與該MEMS晶片或該基板形成一空腔。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，其中該基板包含一ASIC晶片設於其中。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片包含一ASIC晶片整合於其中。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，更包含一ASIC晶片設置基板之該表面上，且該ASIC晶片與該MEMS晶片間隔設置。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，其中該上電極層為一振膜，該下電極層為一硬層，或該上電極層為一硬層，該下電極層為一振膜。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片與該基板之該表面之間具有一間隔元件，用以提供該上電極層與該下電極層之間之電性連接與 間隔。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片更包含一半導體晶片，該半導體晶片包含一主要部分及一延伸部分，該主要部分設置於該上電極層之相對遠離該基板之一側上，該延伸部分自該主要部分延伸至該基板之該表面，用以提供該上電極層與該下電極層之間之間隔。
  8. 一種MEMS音波感測器之製造方法，包括：提供一基板，具有一第一開口區及具有一下電極層設置於該基板之一表面上其中該第一開口區中包含至少一孔洞，使一聲壓進入該MEMS音波感測器中，且該下電極層未覆蓋該至少一孔洞；裝設一MEMS晶片於該基板之一表面上，其中該MEMS晶片包含至少一第二開口區及一上電極層部分密封該第二開口區，其中該第二開口區實質上對準該第一開口區，且該上電極層與該下電極層平行間隔設置以形成一感應電容；以及形成一上蓋於該MEMS晶片上或該基板之該表面上，並與該MEMS晶片或該基板形成一空腔。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，其中該基板更包含一ASIC晶片設於其中。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，其中MEMS晶片更包含一ASIC晶片整合於其中。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，更包含在形成該上蓋之前，形成一ASIC晶片於該基板之該表面上，且該ASIC晶片與該MEMS晶片間隔設置。
  12. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，其中該上電極層為一振膜，該下電極層為一硬層，或該上電極層為一硬層，該下電極層為一振膜。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，更包含在裝設該MEMS晶片於該基板上之前，形成一間隔元件於該MEMS晶片上或該基板上，以提供該上電極層及該下電極層之間之電性連接。
  14. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS音波感測器之製造方法，其中該MEMS晶片更包含一半導體晶片，該半導體晶片包含一主要部分及一延伸部分，該主要部分設置於該上電極層之相對遠離該基板之一側，該延伸部分自該主要部分延伸至該基板之表面，以提供該上電極層及該下電極層之間之間隔。
  15. 一種MEMS音波感測器，包括：一基板，其具有一凹槽凹陷於該基板之一表面上；一下電極層，設置於該基板上，並部分密封該凹槽，以形成一空腔；一MEMS晶片，設置於該基板之該表面上，具有一開口區，其中該開口區包含至少一音孔，以使一聲壓進入該MEMS音波感測器中；以及 一上電極層，設置於該MEMS晶片之該開口區上，且未覆蓋該至少一音孔，其中該上電極層與該下電極層平行間隔設置以形成一感應電容。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS音波感測器，其中該基板包含一ASIC晶片設於其中。
  17. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片包含一ASIC晶片整合於其中。
  18. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS音波感測器，其中該上電極層為一硬層，該下電極層為一振膜。
  19. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片與該基板之該表面之間具有一間隔元件，用以提供該上電極層及該下電極層之間之電性連接與間隔。
  20. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS音波感測器，其中該MEMS晶片更包含一半導體晶片，該半導體晶片包含一主要部分及一延伸部分，該主要部分設置於該上電極層之相對遠離該基板之一側上，該延伸部分自該主要部分延伸至該基板之該表面，用以提供該上電極層與該下電極層之間之間隔。
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