TW201505188A - 具有內嵌式聲通道的電容感測結構 - Google Patents
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Abstract
一種MEMS裝置包括一雙膜、一電極以及一互連結構。該雙膜具有一頂部膜及一底部膜。該底部膜定位於該頂部膜與該電極之間,且該互連結構界定該頂部膜與該底部膜之間的一間隔。
Description
本申請案主張2013年6月5日由Chan等人申請之標題為「具有內嵌式聲通道的電容感測結構(Capacitive Sensing Structure With Embedded Acoustic Channels)」的美國臨時申請案第61/831,558號之優先權,該申請案之揭露內容以引用方式併入本文中,如同完全陳述。
本發明之各種實施例大體而言係關於MEMS裝置,且特定而言係關於用於製造MEMS裝置之方法。
膜結構係諸如麥克風之聲學裝置的重要元件之一。膜結構之關鍵參數包括其順應性、質量以及阻尼,該等參數決定膜結構之共振頻率及品質因數。
電容感測主要量測由氣隙調節引起之電容變化。該間隙通常係由固定電極及移動電極界定,該移動電極調節該間隙。為使系統之訊號雜訊比(SNR)最大化,需要使電容器之間隙最佳化,以便在使電氣靈敏度最大化與使由阻尼引起之熱機械(或布朗)雜訊最小化之間進行折衷。
為在共振頻率足夠高的情況下且在供應/吸附電壓之限度內
達成高機械靈敏度,需要使移動質量最小化。對於通常由應用指定的給定聲學孔口區域而言,質量之減少等同於厚度之減少,厚度之減少導致結構之機械強度減弱,且常常可導致生產產量問題以及使用期間的可靠度問題。
習知的雙晶片麥克風之問題中之一者係對大型包裝的需要,大型包裝顯著增加了總成本。另外,因為該等兩個晶片被線結合在一起,所以寄生電容不合需要地高。
為解決上述問題,整合CMOS基板與MEMS基板,從而產生單晶片解決方案。此方法之顯著優點中之一者係藉由經由晶圓級結合整合CMOS基板與MEMS基板來降低晶粒成本的能力。聲學感測膜係建立於MEMS基板(或「裝置」)層上,該MEMS基板層亦充當移動電極,且固定電極係建立於CMOS基板上。包裝大小及因此包裝成本得以降低,且麥克風使用者實現佔據面積或面積之節省。然而,電氣間隙及聲學間隙被耦接,從而導致在使電氣靈敏度最大化與使聲學阻尼(熱機械雜訊)最小化之間進行折衷,該聲學阻尼限制最大可達成的SNR。
所要的係具有高訊號雜訊比SNR的小包裝、低成本MEMS裝置。此係藉由使電氣間隙與聲學間隙去耦來達成,而不會因較大質量而損害高共振頻率。
簡而言之,一種MEMS裝置包括一雙膜、一電極以及一互連結構。該雙膜具有一頂部膜及一底部膜。該底部膜定位於該頂部膜與該電極之間,且該互連結構界定該頂部膜與該底部膜之間的一間隔。
對本文所揭露之特定實施例的性質及優點的進一步理解可
藉由參考說明書之剩餘部分及附加圖式來實現。
圖1展示根據本發明之一實施例的MEMS裝置10。
圖2展示根據本發明之另一實施例的MEMS裝置200。
圖3展示根據本發明之一實施例的MEMS裝置300。
圖4展示根據本發明之另一實施例的MEMS裝置400。
圖5展示本發明之各種實施例的MEMS裝置所使用的工字梁結構500。
圖6至圖27展示根據本發明之一方法製造MEMS裝置的相關步驟。
在所述實施例中,微機電系統(MEMS)指代使用半導體類製程所製造且展現出諸如移動或變形能力之機械特性的一類結構或裝置。MEMS常常但不總是與電訊號相互作用。MEMS裝置包括但不限於迴轉儀、加速計、磁強儀、壓力感測器、麥克風以及射頻構件。含有MEMS結構之矽晶圓被稱為MEMS晶圓。
在所述實施例中,MEMS裝置可指實行為微機電系統之半導體裝置。MEMS結構可指可為較大MEMS裝置之一部分的任何特徵。工程化絕緣體上矽(ESOI)晶圓可指矽裝置層或基板下方具有空腔的SOI晶圓。操作晶圓通常指絕緣體上矽晶圓中用作較薄矽裝置基板之載體的較厚基板。可將操作基板及操作晶圓互換。
在所述實施例中,空腔可指基板晶圓中之開口或凹部,且封
閉體可指完全封閉的空間。柱桿可為MEMS裝置之空腔中用於機械支撐的垂直結構。間隔物(standoff)可為提供電氣接觸之垂直結構。
在所述實施例中,後部空腔可指經由壓力等化通道(PEC)等化至周圍壓力的部分封閉空腔。在一些實施例中,後部空腔亦稱為後部腔室。形成於CMOS-MEMS裝置中之後部空腔可稱為整合後部空腔。亦稱為洩漏通道/路徑之壓力等化通道係用於後部空腔至周圍壓力之低頻率或靜壓力等化的聲通道。在所述實施例中,板可指MEMS裝置內之在受力時移動的剛性平面結構,其垂直厚度顯著小於其平面內尺寸。背板可為用作電極的固定多孔板,其通常組配成與可移動力敏感板相對。幾何形狀與板類似且在經受彎曲力矩時朝向二維平面外彎曲的可撓性更大之平面結構可稱為膜。
在所述實施例中,穿孔指移動板中用於減小空氣阻尼的聲學開口。聲學埠可為用於感測聲壓之開口。聲學障壁可為防止聲壓到達裝置之某些部分的結構。連桿組係提供經由錨定物與基板之順應式附接的結構。延伸的聲學間隙可由以下步驟產生:蝕刻柱桿,以及產生重疊在PEC上的部分柱桿。平面內緩衝塊為板之延伸,其與裝置密封件形成接觸來限制在板平面中的移動範圍。旋轉緩衝塊為板之延伸,其用來限制旋轉範圍。
現參考圖1,展示根據本發明之一實施例的MEMS裝置10。MEMS裝置10經展示為包括頂部膜12、底部膜14、電極24、CMOS基板16以及互連結構26。頂部膜12及底部膜14共同構成雙膜。底部膜14經展示為定位於頂部膜12與電極24之間。互連結構26界定頂部膜12與底部膜14之間的間隔。
電極24經展示為形成於CMOS基板16中。頂部膜12、底
部膜14以及互連結構26為MEMS基板(本文亦稱為「裝置層」)之一部分。因此,MEMS基板係形成於CMOS基板16之頂部上。
底部膜14經展示為多孔的,從而允許空氣在箭頭22所示之方向及位置上行進。因此,空氣穿過底部膜14之穿孔垂直向上行進,且其後水平行進,並且在頂部膜與底部膜之間行進。如箭頭20所示,聲壓波碰撞於頂部膜12上。聲壓之變化導致頂部膜12向下朝向電極24移動或向上遠離電極24移動。在一些實施例中,頂部電極、互連結構26以及底部膜14一起向上及向下移動,從而導致間隙18相應地變化。電極24及底部膜14形成電容器電容。間隙18之變化改變底部膜14與電極24之間的電容,藉此量測聲壓之變化。
如圖2中所示,間隙18係由間隔物206界定。電極24與底部膜14之間重疊的區域界定電氣感測區域AE。暴露於聲壓的頂部膜12界定機械感測區域AM。有利地,AM較大,從而允許更大輸入訊號,從而導致更好的機械靈敏度及更高的訊號雜訊比。在此實施例中,將電氣感測區域與聲學感測區域去耦。
雙膜及互連結構26可相對於電極24移動。在施加聲壓後,雙膜及互連結構26在所施加之聲波的方向上平移。頂部膜12及底部膜14以及互連結構26相對於電極24一起移動。
在本發明之一些實施例中,頂部膜12之位移與底部膜14之位移不相同。在其他實施例中,頂部膜12之位移與底部膜14之位移大體上相同。頂部膜12相對於底部膜14之位移係由該等膜之厚度以及互連結構26之位置、形狀、大小以及品質加以控制。
在一些實施例中,互連結構26在頂部膜12與底部膜14之間提供電氣連接。在一些實施例中,互連結構26允許空氣的流通,藉此減小與MEMS裝置10相關聯的阻尼。互連結構26可由一或多個支柱、一壁、一空心結構或一實心結構構成。
意欲的頂部膜12及底部膜14較薄,且因此減小結構之總質量,從而可增加靈敏度、共振頻率或兩者。互連結構之設計係關鍵的且需要使其最佳化,以便在對質量有較小貢獻之情況下維持MEMS結構之剛性。在小質量的情況下,結構之共振頻率增加且離開感興趣之頻率範圍,從而有效降低對雜訊之貢獻。
此外,與頂部膜12及底部膜14形成工字梁或支柱結構的互連結構26改良堅固性,因而防止與薄的頂部膜12相關聯的易碎性問題。在本發明之一些實施例中,頂部膜12係由氮化矽(SiN)製成。底部膜14係由導電材料製成。頂部膜12可為導電的或不導電的。類似地,互連結構26可為導電的或不導電的。
在本發明之一實施例中,電極24係由鋁製成。在本發明之一實施例中,CMOS基板16及MEMS基板係由鋁鍺共熔結合件來結合,或經由間隔物以任何其他類似結合方法來結合。CMOS基板及MEMS基板之附接在其間形成電氣連接。間隔物材料係導電的,且間隔物之厚度界定電氣感測間隙18。意欲的間隙18較小,藉此增加電氣靈敏度。CMOS基板16包括用於訊號處理之電路。在將聲壓(箭頭20)施加至頂部膜12後,存在頂部膜12之移動或變形,此移動或變形經由互連結構26轉化至底部膜14,從而導致間隙18變化。隨後由CMOS基板16之電氣電路感測此變化。隨
著底部膜14移動,擠壓截留在間隙18中之空氣且允許其穿過底部膜14中之穿孔逸出(由箭頭22指示),橫穿互連結構,藉此減小阻尼。因此,可將有效聲學間隙28(θA-eff)(圖2中所示)界定為電氣間隙18(θE-eff)、底部膜14之厚度以及頂部膜12與底部膜14之間的間隔之組合。
總而言之,MEMS裝置10之優點中之一者為,將熱機械雜訊之最小化與電氣靈敏度之最大化去耦。布朗雜訊取決於有效聲學間隙θA-eff,而電氣靈敏度取決於有效電氣間隙18(θE-eff)。因為可獨立調整此等兩個間隙而不影響另一個間隙,所以可有效地將電氣靈敏度之最大化及熱聲學雜訊之最小化去耦。
MEMS裝置10之另一優點為,將質量之最小化或頻率平方靈敏度(sensitivity-to-frequency-square)產物之最大化與結構強度之最大化去耦,以便提高產量及可靠度。MEMS裝置10之結構的有效厚度大致為頂部膜12及底部膜14以及互連結構26之厚度的總和,定義為tMECH-eff。與單一薄膜相比較,由互連結構促成的此厚度增強改良了結構剛性。經由在薄膜沈積期間控制兩個膜之厚度tMASS-eff以及互連結構之設計與置放,可使質量較小。因此,此雙板膜結構可同時達成結構之較輕質量及有所增加之順應性,以便改良機械靈敏度並減小在製造及操作MEMS裝置10期間發生破損及靜摩擦問題的可能性。
在本發明之另一實施例中,在MEMS裝置10為麥克風的情況下,機械感測區域及電氣感測區域可重疊,且在雙板膜結構之單獨的膜處可發生換能,因此使機械感測區域及電氣感測區域兩者最大化。與如IVS 195專利申請案中所論述之其他CMOS-MEMS整合設計相比較,此方法顯
著增加機械感測區域及電氣感測區域。因而,可實現具有內部後部空腔之高SNR及低成本麥克風。麥克風之實例(即MEMS裝置10)可包括扭轉麥克風及活塞麥克風,其分別具有旋轉移動及平移移動。
圖2展示根據本發明之另一實施例的MEMS裝置200。如上文所論述,頂部膜12及底部膜14為薄膜,且此將頂部膜12及底部膜14機械地剛性連接至亦由互連結構26形成的高縱橫比柱結構。頂部膜12之左側上的壓力差為224與220之間的壓力差,而頂部膜12之右側上的壓力差為226與222之間的壓力差。在扭轉麥克風中,當該膜上左側與右側之間的壓力差存在差異時,旋轉位移發生。
在一實施例中,因為間隔物206使間隙固定,所以平均間隙不會因沿著垂直方向之平移而改變;取而代之,藉由量測電極24之左側部分與右側部分之間的電容差來差動感測雙膜之旋轉。
底部膜14之穿孔允許空氣自MEMS裝置10之下部空腔穿過底部膜14的孔洞向上/向下選路傳送,並且水平流動穿過形成於底部膜14與頂部膜12之間的聲通道。
MEMS裝置200為MEMS裝置10的扭轉同類,其描述錨定至CMOS基板時的MEMS結構之部分。互連結構202經展示為經由底部膜14來連接至間隔物,且最終經由結合來錨定至電極24。該錨定係機械及電氣連接。此錨定式扭轉雙板所具有的優點中之一者係差動感測,來移除由電氣間隙之變化引起的靈敏度變化。除機械靈敏度穩定性之外,差動感測亦易於在CMOS前端感測電路中實行,以便使電氣偏移變化最小化。第二優點係此錨定式扭轉雙板針對聲學/壓力脈衝的相對穩健性,此係因為與膜
之中心部分將與底部電極接觸且易於卡住或損壞的活塞實行方案相比較,落地區域處於邊緣。
圖3展示根據本發明之一實施例的MEMS裝置300。在圖3之實施例中,MEMS裝置300經展示為包括內部後部空腔。由箭頭20所示,聲波進入操作晶圓中之聲學埠,從而撞在頂部膜12上。當頂部膜12發生位移時,互連結構26及底部膜14沿聲波之方向移動,從而改變形成於底部膜與電極24之間的電氣間隙18。由箭頭22所示,空氣隨後行進穿過多孔底部膜及互連結構26,並得以流通至後部空腔302中。間隔物306將底部膜14電氣連接至CMOS晶圓16上的電極24。間隔物306充當錨定物。MEMS裝置300側重於將後部空腔整合於CMOS-MEMS晶片中,從而提供低成本之優點,而無需如標準2晶片解決方案中之額外包裝及對許多行動及隨身應用而言可能很重要之特別緊湊的大小。
圖4展示根據本發明之另一實施例的MEMS裝置400。MEMS裝置400為扭轉麥克風,而前一個圖中之裝置為活塞麥克風。MEMS裝置400經展示為具有形成於CMOS基板406之頂部上的裝置層412。此裝置層由頂部膜410/411及底部膜434組成,該等膜係由互連結構436分開,頂部膜與底部膜之間的此間隔(展示於420及416)為主要起作用的聲學間隙。底部膜434經展示為經由間隙438與電極448/450分開。操作晶圓402經展示為藉由結合件418來結合於裝置層412之頂部上。操作晶圓402及裝置層412為兩個單獨的基板。在本發明之一實施例中,418處之結合件為氧化物,且用來將操作晶圓402與裝置層412熔合結合。在操作晶圓中,在結合之前將空腔422、424、426及428以及聲學埠開口430蝕刻至基板上。聲
學輸入在箭頭20處進入聲學埠,以便進入後部空腔422及424,從而碰撞於頂部膜410上。當雙膜在聲學輸入之方向上移動時,底部膜434與電極450之間的間隙438改變。間隙438中之空氣受擠壓,從而移動穿過多孔底部膜進入間隔420,且經導向至後部空腔426及428中。以類似方式,在右側頂部膜411與連接至空腔424之右側底部電極448之間,後部空腔426處的雙板膜右側部分411在與箭頭440所示之聲學輸入方向相反的方向上移動,此係受到後部空腔426與空腔416之間的壓力差之驅動。間隔物446界定間隙438,且充當用於扭轉麥克風結構之電氣及機械錨定物或樞軸。鍺或導電層408係形成於電極404與間隔物446之間。在本發明之一實施例中,電極404與導電層408之間的結合為共熔結合。
圖5展示本發明之各種實施例的MEMS裝置所使用的工字梁結構500。工字梁結構500為互連結構26之一實施例。工字梁500經展示為具有凸緣502、凸緣504,該等凸緣與中心強化梁506連接在一起。凸緣502為頂部膜,且凸緣504為底部膜。凸緣502及504中之每一者具有最小厚度,而意欲的梁506具有高縱橫比,以使得其長度508大於其厚度510。梁506連接凸緣502與504,且為結構連接或/及電氣連接。凸緣502與504以及梁506可由矽或多晶矽或SiN或其他適合的材料製成。
圖6至圖27展示根據本發明之一方法製造MEMS裝置的相關步驟。在圖6中,將窄間隙602蝕刻至矽基板604中,來界定與介於移動結構與固定結構之間的最小橫向聲通道相關聯之最小關鍵尺寸。溝槽(窄間隙602蝕刻至其中)之蝕刻深度決定頂部膜與底部膜之間的間隔之高度。
在圖7中,用氮化矽或Si3N4填充間隙602,且在圖8中,
使用化學機械拋光(CMP)來保持平坦的矽表面802。在圖9中,將溝槽902蝕刻至由矽製成的基板604中。此留下具有較窄寬度902及較寬寬度903之矽支柱結構。在圖10中,執行熱氧化物生長。在熱氧化期間,溝槽係由二氧化矽再填充。同時,具有較窄寬度的矽支柱被消耗掉且變成耗蝕性二氧化矽(SiO2)塊1002。較寬的矽支柱僅部分消耗掉,留下成為互連結構的單一晶體矽支柱結構。在圖11中,執行CMP。CMP步驟對矽(基板604)進行拋光來獲得平坦表面,薄的多晶矽1202沈積發生於該表面上,從而形成頂部膜,如圖12中所示,沈積保護性薄氧化物1204來形成用於隨後步驟之遮罩。
在圖13中,對多晶矽1202及氧化物1204進行圖案化來在耗蝕性二氧化矽塊上形成頂部膜(如1302),且暴露出發生熔合結合的位置1304。此完成形成裝置層之製程。接下來,展示並論述用於形成操作晶圓之步驟。
在圖14中,在與裝置層分開形成的矽操作晶圓1402上,利用氧化矽層遮罩1404進行圖案化。接下來,在圖15中,與矽蝕刻一起執行額外光刻,從而界定較深上部空腔1502之深度。在圖16中,移除光阻劑1506,且使用硬遮罩1404將矽基板604蝕刻至較淺深度1602,從而界定上部空腔之淺區段。在圖17中,對操作晶圓1704執行氧化,以便生長用於熔合結合之薄氧化層1702。在圖18中,將裝置晶圓1704結合至類似於圖13之1300的MEMS操作晶圓1802。在一示範性方法中,執行熔合結合。
在圖19中,利用耗蝕性氧化物及氮化物溝槽作為拋光止擋件來完成研磨及拋光。在圖20中,沈積第二多晶矽層2002。層2002之厚
度取決於所需的間隔物高度(電氣間隙)及底部膜厚度。
在圖21中,對多晶矽層進行圖案化且向下蝕刻,來界定間隔物2102。該蝕刻控制介於該結構與CMOS基板中之電極之間的機械間隙。在圖22中,沈積並蝕刻鍺層2202,以便僅在間隔物2102上具有鍺。
在圖23中,執行另一微影術及多晶矽蝕刻步驟,從而在底部膜上界定穿孔2302。在圖24中,使用氫氟酸(HF)蒸汽釋放步驟來移除耗蝕性氧化物塊2402。在步驟25處,第二氮化矽蝕刻步驟在2502處釋放MEMS裝置結構2504。在圖26中,使用鋁鍺結合來將MEMS裝置結構2504與CMOS基板2602結合。執行整合式晶圓之研磨及蝕刻來使基板變薄。MEMS裝置經形成為具有CMOS基板2602,在CMOS基板2602之頂部上展示了MEMS裝置結構2504,在MEMS裝置結構2504之頂部上展示了操作晶圓1704。最後,在圖27中,將埠蝕刻至操作晶圓1704中,以便形成聲學埠2702。
儘管關於本發明之特定實施例來描述該描述,但此等特定實施例僅為例示性而非限制性的。
除非上下文清楚地另外規定,否則如在本文之描述中及以下申請專利範圍全篇中所使用,「一」及「該」包括複數參考。另外,除非上下文清楚地另外規定,否則如在本文之描述及以下申請專利範圍全篇中所使用,「在…中」之含義包括「在…中」及「在…上」。
因而,雖然本文已描述特定實施例,但是在前述揭露內容中意欲有修改的餘地、各種變化以及替代,且將瞭解,在一些情況下將使用特定實施例之一些特徵而不相應使用其他特徵,而不會脫離所陳述之範疇
及精神。因此,可做出許多修改來使特定情境或材料適合於實質範疇及精神。
Claims (31)
- 一種MEMS裝置,其包含:一雙膜,該雙膜包含一頂部膜及一底部膜;一電極,其中該底部膜定位於該頂部膜與該電極之間;以及互連結構,其界定該頂部膜與該底部膜之間的一間隔。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該雙膜及該互連結構可相對於該電極移動。
- 如申請專利範圍第2項之MEMS裝置,其中該雙膜經組配成可經由平移來移動。
- 如申請專利範圍第2項之MEMS裝置,其中該雙膜經組配成可經由繞該膜之一平面內之一軸線的旋轉來移動。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該雙膜經組配成發生位移,其中該頂部膜及該底部膜相對於該電極大體上一起移動。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該雙膜經組配成發生位移,其中該頂部膜之位移與該底部膜之位移不相同。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該雙膜經組配成發生位移,其中該頂部膜之位移與該底部膜之位移大體上相同。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該底部膜包含穿孔。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該MEMS裝置為一感測器。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該MEMS裝置為一致動器。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其進一步包含一聲學埠。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該MEMS裝置為一麥克風。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該電極係由鋁製成。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其進一步包含一CMOS基板,其中一包含該雙膜及該互連結構之裝置層與該CMOS層附接,從而在其間形成一電氣連接。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該CMOS基板及該裝置層係結合在一起。
- 如申請專利範圍第14項之MEMS裝置,其中該CMOS基板包含用於訊號處理之電路。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該互連結構在該頂部膜與該底部膜之間提供一電氣連接。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中聲通道係由頂部膜、底部膜以及該等互連結構形成。
- 如申請專利範圍第18項之MEMS裝置,其中該聲通道係連接至一封閉體積。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其進一步包含形成於該電極與該底部膜之間的一間隙。
- 如申請專利範圍第20項之MEMS裝置,其中一間隔物界定該間隙。
- 如申請專利範圍第1項之MEMS裝置,其中該互連結構包含複數個支柱、一壁、一空心結構或一實心結構。
- 一種製造一MEMS裝置之方法,其包含:在一CMOS晶圓之頂部上形成一電極;在一MEMS裝置晶圓之頂部上形成一具有頂部膜與底部膜的可移動雙板膜;在該MEMS裝置晶圓上於該頂部膜與該底部膜之間形成一互連結構,以及將該CMOS晶圓結合至該MEMS裝置晶圓,以及引起該CMOS晶圓與該MEMS裝置晶圓之間的電氣連接。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其中該結合包含共熔結合。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其進一步包括在該MEMS晶圓上形成間隔物。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其進一步包括在形成該等間隔物之前將多晶矽沈積於該MEMS晶圓上。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其進一步包括將一導電結構層沈積於該等間隔物之頂部上以及蝕刻。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其進一步包括使該CMOS晶圓變薄。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其中該形成一可移動雙膜包含形成一頂部膜及一底部膜。
- 如申請專利範圍第29項之方法,其進一步包括在該底部膜中形成穿孔。
- 如申請專利範圍第23項之方法,其進一步包括在該CMOS晶圓中形成一聲學埠。
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