TW201438175A - 壓力感測器及其製造方法 - Google Patents

Abstract

一種壓力感測器及其製造方法。壓力感測器包括一基材、一介電氧化層、一第一電極層、一介電連接層以及一第二電極層。介電氧化層形成於基材上，第一電極層形成於介電氧化層上，介電連接層形成於第一電極層上，第二電極層形成於介電連接層上。第二電極層包括一圖案化導電層及一介電層，圖案化導電層具有複數個穿孔，介電層形成於圖案化導電層上且包覆該些穿孔之內壁。第一電極層、介電連接層及第二電極層定義一第一腔室於第一電極層和第二電極層之間。

Description

壓力感測器及其製造方法

本揭露內容是有關於一種壓力感測器及其製造方法，且特別是有關於一種具有降低溫度變化所造成的變形程度及提升初始電容值之壓力感測器及其製造方法。

近年來，隨著智慧型手機與平板電腦的蓬勃發展，以及智慧型手機對於抗噪功能需求的提升，微機電(MEMS)麥克風的技術發展也日益成熟，市場對於微機電麥克風的需求也持續成長。

微機電麥克風可應用在語音秘書、語音導航及語音降噪等等，然而手機中的雜音可能會影響通話的品質。因此，為了能夠降低背景音量進而可以提升通話品質，微機電麥克風的雜音抑制技術是重要的課題之一。

本揭露內容係有關於一種壓力感測器及其製造方法。實施例之壓力感測器中，第二電極層的導電/介電複合材料結構可以改善整體材料對於溫度變化所造成的變形程度，並且增大整個元件的初始電容值，進而提高元件的可靠性。

根據本揭露內容之一實施例，係提出一種壓力感測器。壓力感測器包括一基材、一介電氧化層、一第一電極層、一介電連接層以及一第二電極層。介電氧化層形成於基材上，第一電極層形成於介電氧化層上，介電連接層形成於第一電極層上，第二電極層形成於介電連接層上。第二電極層包括一圖案化導電層及一介電層，圖案化導電層具有複數個穿孔，介電層形成於圖案化導電層上且包覆該些穿孔之內壁。第一電極層、介電連接層及第二電極層定義一第一腔室於第一電極層和第二電極層之間。

根據本揭露內容之另一實施例，係提出一種壓力感測器的製造方法。壓力感測器的製造方法包括下列步驟。提供一基材；形成一介電氧化層於基材上；形成一第一電極層於介電氧化層上；形成一介電連接層於第一電極層上；以及形成一第二電極層於介電連接層上，包括：形成一圖案化導電層，具有複數個穿孔；及形成一介電層於圖案化導電層上且包覆該些穿孔之內壁。其中，第一電極層、介電連接層及第二電極層定義一第一腔室於第一電極層和第二電極層之間。

為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：

100、200‧‧‧壓力感測器

110、110s、110s’、210‧‧‧基材

110c‧‧‧第二腔室

120、120s、220‧‧‧第一電極層

120a‧‧‧第一電極層表面

120t‧‧‧第一電極層開槽

130‧‧‧介電連接層

130c‧‧‧凹穴

130s、143s1、143s2‧‧‧介電材料層

140、240‧‧‧第二電極層

141‧‧‧圖案化導電層

141t‧‧‧穿孔

143‧‧‧介電層

150‧‧‧第一腔室

160‧‧‧凸狀結構

170、170s、270‧‧‧介電氧化層

245‧‧‧密封材料

G‧‧‧間隙

第1圖繪示本揭露內容之一實施例之壓力感測器之示意圖。

第2圖繪示本揭露內容之一實施例之壓力感測器之爆炸圖。

第3圖繪示本揭露內容之另一實施例之壓力感測器之示意 圖。

第4A圖至第4J圖繪示依照本發明之一實施例之一種壓力感測器之製造方法示意圖。

第5A圖至第5D圖繪示依照本發明之另一實施例之一種壓力感測器之製造方法示意圖。

本揭露內容之實施例中，壓力感測器中，第二電極層的導電/介電複合材料結構可以改善整體材料對於溫度變化所造成的變形程度，並且增大整個元件的初始電容值，進而提高元件的可靠性。以下係參照所附圖式詳細敘述本揭露內容之實施例。圖式中相同的標號係用以標示相同或類似之部分。需注意的是，圖式係已簡化以利清楚說明實施例之內容，實施例所提出的細部結構僅為舉例說明之用，並非對本揭露內容欲保護之範圍做限縮。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些結構加以修飾或變化。

第1圖繪示本揭露內容之一實施例之壓力感測器100之示意圖。第2圖繪示本揭露內容之一實施例之壓力感測器100之爆炸圖。請參照第1~2圖。壓力感測器100包括基材110、第一電極層120、介電連接層130以及第二電極層140。第一電極層120形成於基材110上，介電連接層130形成於第一電極層120上，第二電極層140形成於介電連接層130上。第二電極層140包括圖案化導電層141及介電層143，圖案化導電層141具有複數個穿孔141t，介電層143形成於圖案化導電層141上且包 覆該些穿孔141t之內壁。第一電極層120、介電連接層130及第二電極層140定義一第一腔室150於第一電極層120和第二電極層140之間。

實施例中，如第1圖所示，基材110具有一第二腔室(opening)110c，第二腔室110c係暴露第一電極層120之表面120a。基材110例如是矽基材。

實施例中，如第1圖所示，第一電極層120具有複數個開槽(slot)120t，該些開槽120t係連通第一腔室150和第二腔室110c。實施例中，如第2圖所示，第一電極層120之表面120a例如是圓形，開槽120t例如是交錯配置於表面120a的周圍區域。

一實施例中，壓力感測器100例如是聲音壓力傳感器，例如是微機電麥克風，第一電極層120相對於第二電極層140係為可動件，而第一電極層120的開槽120t的設計來達到減緩及釋放材料應力的功效，藉此增加材料製程應力的變異容忍度。

實施例中，如第1圖所示，開槽120t與基材係以間隙(gap)G相隔開，第一電極層120與基材係以間隙G相隔開，第二腔室150並未暴露開槽120t。一實施例中，壓力感測器100例如是聲音壓力傳感器，間隙G形成聲阻通道以改善頻率響應，降低頻率響應在低頻衰退(decay)的情形，進而使得壓力感測器100感應到的頻率範圍更完整。

實施例中，介電連接層130的材質係不同於第一電極層120的材質和第二電極層140的材質。介電連接層130連接第一電極層120和第二電極層140，藉此達到應力平衡的效果。製程當中，也因材料不同，介電連接層130的本質應力和兩個電 極層120和140之間的本質應力正好可相互補償。

實施例中，第一電極層120例如是以多晶矽(polysilicon)製成，介電連接層130例如是氧化矽製成。第二電極層140中，圖案化導電層141例如是由具有導電性的金屬製成，介電層130例如是由氮化矽(SiN)製成。如此一來，由於此些材料與CMOS製程中常用到的材料相同，因此在製作壓力感測器100的製程前段中，可以應用與CMOS製程相同的材料與流程進行，接著僅需在CMOS製程部分完成後再增加簡單的微機電製程便可完成壓力感測器100的製作。並且，實施例中，第二電極層140的導電/介電複合材料相較於純金屬具有較低的等效熱膨脹係數(Coefficient of Thermal Expansion，CTE)，因此可以改善整體材料對於溫度變化所造成的變形程度。

再者，第二電極層140中，如第1圖所示，介電層143包覆圖案化導電層141，使得第一電極層120和圖案化導電層141之間除了空氣之外尚具有介電材料。以介電層141為氮化矽層為例，其介電常數大約是7，高於空氣的介電常數(大約為1)，因此可以增大整個元件的初始電容值，並且降低元件中可能產生的寄生電容對於元件的運作及效能的影響，進而增加元件的靈敏度。

一實施例中，如第1~2圖所示，圖案化導電層141的穿孔141t連通至第一腔室150，以壓力感測器100是聲音壓力傳感器為例，穿孔141t則可作為聲孔。實施例中，穿孔141t的數量與分佈方式視實際應用可以適當變化調整，並不以第1~2圖所示之態樣為限。

實施例中，如第1圖所示，壓力感測器100可更包括介電氧化層170，介電氧化層170形成於基材110和第一電極層120之間。介電氧化層170可定義出間隙G的位置與大小。

實施例中，如第1圖所示，壓力感測器100可更包括複數個凸狀結構(protrusion)160，凸狀結構160形成於第二電極層140上且位於第一電極層120和第二電極層140之間。請參照第2圖，複數個凸狀結構160(未繪示)例如可以形成在穿孔141t之間的第二電極層之表面上。實施例中，如第1圖所示，凸狀結構160係與介電層143一體成形。

凸狀結構160減少製程中的上下膜層(例如是第一電極層120和第二電極層140)接觸的面積。舉例來說，進行濕式蝕刻製程時，第一電極層120和第二電極層140有可能會沾黏在一起，由於凸狀結構160的存在，使得第一電極層120和第二電極層140最多只能經由凸狀結構160部分接觸減少附著力，因而可以達到製程中鄰近膜層抗沾黏的效果。並且，完成的產品在做掉落測試或是音壓很大時，第一腔室150兩側的膜層(例如是第一電極層120和第二電極層140)亦有可能接觸，經由凸狀結構160減少兩膜層的接觸面積，使得第一腔室150兩側的膜層即使接觸後仍可以輕易回復到原來的位置，可以克服靜電吸引力亦或凡得瓦爾力超過回復力的狀況，進而提高產品的可靠性。

第3圖繪示本揭露內容之另一實施例之壓力感測器200之示意圖。本實施例之壓力感測器200與前述實施例之壓力感測器100的差異在於基材210、第一電極層220、第二電極層240及介電氧化層270的設計，其餘相同處不再贅述。

實施例中，如第3圖所示，基材210不具有任何第二腔室，第一電極層220不具有任何開槽，第一電極層220、介電連接層130及第二電極層240係完全封閉(enclosing)第一腔室150。

實施例中，如第3圖所示，第二電極層240可更包括一密封材料(sealing material)245，密封材料245充填(filling)於穿孔141t中並且將穿孔141t完全填滿，使得第一電極層220、介電連接層130及第二電極層240完全封閉第一腔室150。實施例中，密封材料245例如是一種絕緣密封材料，可以是無機材料或有機材料，例如是二氧化矽(SiO₂)或氮化矽(SiN)或聚對二甲苯(Parylene)。一實施例中，壓力感測器200例如是絕對壓力感測器。

以下係提出實施例之一種壓力感測器100的製造方法，然該些步驟僅為舉例說明之用，並非用以限縮本發明。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些步驟加以修飾或變化。請參照第4A圖至第4J圖。第4A圖至第4J圖繪示依照本發明之一實施例之一種壓力感測器100之製造方法示意圖。

請參照第4A~4B圖。提供基材110s，以及形成第一電極層120於基材110s上。實施例中，形成第一電極層120於基材110s上之前，更可形成介電氧化層170s於基材110s上，以形成介電氧化層170s於基材110s和第一電極層120之間。

形成第一電極層120的製造方法例如包括以下步驟。如第4A圖所示，形成第一電極層120s於介電氧化層170s上，接著如第4B圖所示，蝕刻第一電極層120s以形成複數個開 槽120t。此些開槽120t係連通在後續製程中所形成的第一腔室和第二腔室。

接著，請參照第4C~4J圖，形成介電連接層130於第一電極層120上，以及形成第二電極層140於介電連接層130上，其中第一電極層120、介電連接層130及第二電極層140定義第一腔室150於第一電極層120和第二電極層140之間。

形成介電連接層130和第二電極層140的製造方法例如包括以下步驟。

如第4C圖所示，形成介電材料層130s於第一電極層120上。此步驟中，介電材料層130s亦形成於開槽120t中。實施例中，亦可對基材110s進行一薄化的製程以形成薄化的基材110s’。實施例中，此基材薄化的步驟用以決定最終產品中基材110的厚度，而能決定第一腔室150的尺寸。實施例中，例如是以研磨(grinding)方式薄化基材。

如第4D圖所示，蝕刻介電材料層130s以形成複數個凹穴130c。此些凹穴130c用以定義在後續製程中所形成的凸狀結構的位置與尺寸。

如第4E圖所示，形成介電材料層143s1於介電材料層130s上並填充凹穴130c。

如第4F圖所示，形成圖案化導電層141於介電材料層143s1上。圖案化導電層141具有複數個穿孔141t，例如是以、蝕刻製程形成穿孔141t。

如第4G圖所示，形成介電材料層143s2於圖案化導電層141上並填充穿孔141t。介電材料層143s1和143s2完全 覆蓋圖案化導電層141。一實施例中，介電材料層143s1的材質和介電材料層143s2的材質係相同。

如第4H圖所示，根據穿孔141t的位置蝕刻介電材料層143s1和143s2，以形成第二電極層140。此蝕刻步驟中，穿孔141t延伸至接觸介電材料層130s。第二電極層140中，介電層包覆穿孔141t之內壁。

如第4I圖所示，蝕刻基材110s以形成第二腔室110c，第二腔室110c係暴露第一電極層120之表面120a。實施例中，介電氧化層170s可以作為蝕刻基板時的蝕刻阻擋層。蝕刻基材以形成具有第二腔室110c的基材110之後，更可蝕刻介電氧化層170s以形成介電氧化層170以及間隙G於第一電極層120和基材110之間，例如是以一濕式蝕刻製程進行。

如第4J圖所示，蝕刻介電材料層130s以形成介電連接層130、第一腔室150以及凸狀結構160。例如是以一濕式蝕刻製程進行。至此，形成如第4J圖(第1圖)所示之壓力感測器100。

以下係提出實施例之另一種壓力感測器200的製造方法，然該些步驟僅為舉例說明之用，並非用以限縮本發明。具有通常知識者當可依據實際實施態樣的需要對該些步驟加以修飾或變化。請同時參照第4C圖至第4H圖以及第5A圖至第5D圖。第5A圖至第5D圖繪示依照本發明之另一實施例之一種壓力感測器200之製造方法示意圖。

請參照第5A圖。提供基材210，形成介電氧化層 270於基材210上，以及形成第一電極層220於基材210上。

請同時參照第4C~4H圖及第5B圖。以如第4C~4H圖所示之方式形成圖案化導電層141、介電層143及穿孔141t，穿孔141t延伸至接觸介電材料層130s。

請參照第5C圖。蝕刻介電材料層130s以形成介電連接層130和第一腔室150。此時，第一電極層220、介電連接層130及圖案化導電層141和介電層143定義第一腔室150於第一電極層220和圖案化導電層141之間。

請參照第5D圖。充填一密封材料245於所有穿孔141t中，以密封所有穿孔141t，使得第一電極層220、介電連接層130及第二電極層240完全封閉第一腔室150。至此，形成如第5D圖(第3圖)所示之壓力感測器200。

綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明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，當可作各種之更動與潤飾。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。

100‧‧‧壓力感測器

110‧‧‧基材

110c‧‧‧第二腔室

120‧‧‧第一電極層

120a‧‧‧第一電極層表面

120t‧‧‧第一電極層開槽

130‧‧‧介電連接層

140‧‧‧第二電極層

141‧‧‧圖案化導電層

141t‧‧‧穿孔

143‧‧‧介電層

150‧‧‧第一腔室

160‧‧‧凸狀結構

170‧‧‧介電氧化層

G‧‧‧間隙

Claims (16)

1. 一種壓力感測器，包括：一基材；一介電氧化層形成於基材上；一第一電極層形成於該介電氧化層上；一介電連接層形成於該第一電極層上；以及一第二電極層形成於該介電連接層上，該第二電極層包括：一圖案化導電層，具有複數個穿孔；及一介電層，形成於該圖案化導電層上且包覆該些穿孔之內壁；其中，該第一電極層、該介電連接層及該第二電極層定義一第一腔室於該第一電極層和該第二電極層之間。
2. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該基材具有一第二腔室(opening)，該第二腔室係暴露該第一電極之一表面。
3. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該第一電極層具有複數個開槽(slot)，該些開槽係連通該第一腔室和該第二腔室。
4. 如申請專利範圍第3項所述之壓力感測器，其中該第一電極層與該基材係以一間隙(gap)相隔開。
5. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該介電連接層的材質係不同於該第一電極層的材質和該第二電極層的材質。
6. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該些穿孔係連通至該第一腔室。
7. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，更包括複數個凸狀結構(protrusion)形成於該第二電極層上且位於該第一電極層和該第二電極層之間。
8. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，更包括一介電氧化層形成於該基材和該第一電極層之間。
9. 如申請專利範圍第1項所述之壓力感測器，其中該第二電極層更包括一密封材料(sealing material)充填(filling)於該些穿孔中，以使該第一電極層、該介電連接層及該第二電極層完全封閉該第一腔室。
10. 一種壓力感測器之製造方法，包括：提供一基材；形成一介電氧化層於該基材上；形成一第一電極層於該介電氧化層上；形成一介電連接層於該第一電極層上；以及 形成一第二電極層於該介電連接層上，包括：形成一圖案化導電層，具有複數個穿孔；及形成一介電層於該圖案化導電層上且包覆該些穿孔之內壁；其中，該第一電極層、該介電連接層及該第二電極層定義一第一腔室於該第一電極層和該第二電極層之間。
11. 如申請專利範圍第10項所述之壓力感測器之製造方法，更包括：蝕刻該基材以形成一第二腔室，該第二腔室係暴露該第一電極層之一表面。
12. 如申請專利範圍第11項所述之壓力感測器之製造方法，更包括：蝕刻該第一電極層以形成複數個開槽(slot)，該些開槽係連通該第一腔室和該第二腔室。
13. 如申請專利範圍第10項所述之壓力感測器之製造方法，更包括：形成複數個凸狀結構(protrusion)於該第二電極上且位於該第一電極和該第二電極之間。
14. 如申請專利範圍第10項所述之壓力感測器之製造方法，更包括： 形成一介電氧化層於該基材和該第一電極層之間。
15. 如申請專利範圍第14項所述之壓力感測器之製造方法，更包括：蝕刻該介電氧化層以形成間隙(gap)於該第一電極層和該基材之間。
16. 如申請專利範圍第10項所述之壓力感測器之製造方法，更包括：充填(filling)一密封材料(sealing material)於該些穿孔中，以使該第一電極層、該介電連接層及該第二電極層完全封閉該第一腔室。