TW202005419A

TW202005419A - Ｍｅｍｓ麥克風

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Publication number: TW202005419A
Application number: TW108116676A
Authority: TW
Inventors: 後藤泰子; 近森博之; 野村直裕; 稻垣直樹
Original assignee: 日商凸版印刷股份有限公司
Priority date: 2018-05-15
Filing date: 2019-05-15
Publication date: 2020-01-16
Also published as: KR20210010477A; US20210061651A1; CN112119644A; WO2019221116A1; JP2019201263A

Abstract

MEMS麥克風係包含：具有開口部(11A)之玻璃基板(11)；膜(13)，以覆蓋開口部(11A)的方式設置於玻璃基板(11)上，且含有第1導電層(13B)；及背板(16)，隔介空洞(15)設置於膜(13)的上方，具有供聲波通過的複數個貫通孔(18)，且含有第2導電層(16A)。第1導電層(13B)係由金屬或導電性氧化物所構成。第2導電層(16A)係由金屬或導電性氧化物所構成。

Description

MEMS麥克風

本發明係關於檢測聲音之MEMS麥克風。

一般的MEMS麥克風係在半導體基板(例如矽基板)上形成元件。藉由利用半導體製造技術，可將MEMS麥克風小型化。MEMS麥克風係具有：具有複數個貫通孔之背板電極(back plate electrode)；和因應由聲波產生的聲壓而振動之膜電極(membrane electrode)(隔膜電極(diaphragm electrode))。當膜電極因聲壓而振動時，背板電極與膜電極之間的電容會改變。MEMS麥克風係藉由檢測因應電容變化而產生的電壓變化，而檢測出聲音。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利第5513813號公報

[專利文獻2]美國專利第5,490,220號說明書

本發明係提供可使靈敏度提升之MEMS麥克風。

本發明之一態樣的MEMS麥克風係具備：具有開口部之玻璃基板；膜，以覆蓋前述開口部的方式設置於前述玻璃基板上，且包含第1導電層；及背板，隔介空洞設置於前述膜的上方，具有供聲波通過的複數個貫通孔，且包含第2導電層。前述第1導電層係由金屬或導電性氧化物所構成，前述第2導電層係由金屬或導電性氧化物所構成。

根據本發明，可提供一種能夠使靈敏度提升之MEMS麥克風。

10‧‧‧MEMS麥克風

11‧‧‧玻璃基板

11A、23、28‧‧‧開口部

12、20‧‧‧保護層

13‧‧‧膜

13A、13C、16B、17、24、25‧‧‧絕緣層

13B、16A‧‧‧導電層

14、18‧‧‧貫通孔

15‧‧‧空洞

16‧‧‧背板

19‧‧‧突起

21、26‧‧‧配線層

22‧‧‧膜端子

27‧‧‧背板端子

圖1係第1實施形態之MEMS麥克風的俯視圖。

圖2係沿著圖1所示之MEMS麥克風的底視圖。

圖3係沿著圖1所示的A-A'線之MEMS麥克風的剖面圖。

圖4係沿著圖1所示的B-B'線之MEMS麥克風的剖面圖。

圖5係沿著圖1所示的C-C'線之MEMS麥克風的剖面圖。

圖6係複數個物質的電阻率之說明圖。

圖7係第2實施形態之MEMS麥克風的剖面圖。

圖8係第2實施形態之MEMS麥克風的剖面圖。

圖9係第2實施形態之MEMS麥克風的剖面圖。

圖10係第3實施形態之背板電極、膜電極、及玻璃基板的開口部之俯視圖。

圖11係第4實施形態之MEMS麥克風的剖面圖。

圖12係第4實施形態之背板電極、膜電極及玻璃基板的開口部之俯視圖。

[用以實施發明的形態]

以下，參照圖式，說明關於實施形態。其中，圖式係示意的或概念的構成，各圖面的尺寸及比例等未必與實際的構成相同。又，即便在圖式彼此間顯示相同部分的情況，也有彼此的尺寸的關係或比例不同來顯示之情況。尤其，以下所示的幾個實施形態，係例示用以將本發明的技術思想具體化之裝置及方法，並非藉由構成零件的形狀、構造、配置等，來特定本發明之技術思想。此外，以下的說明中，係針對具有相同功能及構成的要素標註相同符號，僅在有必要時進行重複說明。

以下的實施形態係MEMS麥克風之構成例。MEMS(Micro Electro Mechanical Systems；微機電系統)係指，使電氣電路與微細的機械構造積體於一個基板上之裝置。

[1]第1實施形態 [1-1]MEMS麥克風10的構成

圖1係第1實施形態之MEMS麥克風10的俯視圖。圖2係圖1所示之MEMS麥克風10的底視圖。圖3係沿著圖1所示的A-A'線之MEMS麥克風10的剖面圖。圖4係沿著圖1所示的B-B'線之MEMS麥克風10的剖面圖。圖5係沿著圖1所示的C-C'線之MEMS麥克風10的剖面圖。

一般的MEMS係使用半導體材料、和半導體的製造技術而形成。又，在一般的MEMS中，使用矽基板(多晶矽)，俾有利於微細加工。相對於此，本實施形態中，係使用玻璃基板11作為MEMS麥克風10的基板。玻璃基板11具有絕緣性。作為玻璃基板11，例如使用無鹼的玻璃。玻璃基板11的厚度係為大約0.5mm。玻璃基板11的平面形狀為例如四角形。本實施形態係藉由在MEMS麥克風10使用玻璃基板11，而具有與使用矽基板的一般MEMS相異的積層構造。

玻璃基板11具有開口部11A。開口部11A具有圓形。開口部11A的直徑為大約1mm。開口部11A係以從下面側朝向上面側，直徑連續變小的方式，例如具有錐狀。圖2所示的開口部11A係顯示玻璃基板11之上面側的直徑(即，最小的直徑)。

在玻璃基板11上設置保護層12。保護層12係以包圍玻璃基板11的開口部11A的周圍之方式形成。圖1及圖2中，省略了保護層12的圖示。保護層12係以鉻(Cr)等的金屬構成。玻璃基板11的開口部11A，係藉由使用含氟酸(氫氟酸)的溶液之溼式蝕刻形成。保護層12具有在溼式蝕刻步驟中，防止後述之膜(membrane)被溶液侵入的功能。

玻璃基板11上及保護層12上，以覆蓋開口部11A的方式設置膜(亦稱為隔膜)13。膜13具有圓形。膜13的尺寸係大於玻璃基板11的開口部11A的尺寸。開口部11A的尺寸為玻璃基板11的上面側的尺寸。膜13係依序積層有絕緣層13A、導電層13B及絕緣層13C之3層構造。導電層13B係發揮作為膜13的電極(振動電極)之功能。導電層13B係以金屬構成，例如以膜厚35nm左右的鉬(Mo)構成。作為導電層13B，亦可使用鉻(Cr)或鋁(Al)等。又，作為導電層13B，亦可使用ITO(銦錫氧化物)等的導電性氧化物。絕緣層13A及絕緣層13C係分別以例如膜厚250nm左右的矽氮化物(SiNx)所構成。化學式所記載的“x”係組成比為任意之意。

膜13至少具有一個貫通孔14。圖2係顯示2個貫通孔14，作為一例。又，圖3中為了簡化，係顯示1個貫通孔14。貫通孔14係在急遽的聲壓施加於膜13時，具有藉由使該聲壓釋放，而抑制膜13破損之功能。

在膜13的上方，隔介空洞(cavity)15，設置背板16。背板16係由導電層16A及絕緣層16B依序積層而構成。導電層16A係發揮作為背板16的電極(固定電極)之功能。導電層16A係以金屬構成，例如以膜厚35nm左右的鉬(Mo)構成。作為導電層16A，亦可使用鉻(Cr)或鋁(Al)等。又，作為導電層16A，亦可使用ITO(銦錫氧化物)等的導電性氧化物。絕緣層16B係以例如膜厚2000nm左右的矽氮化物(SiNx)構成。

在膜13與背板16之間，設置前述的空洞15。空洞15的厚度為大約3μm。空洞15的周圍係被絕緣層17所包圍。換言之，絕緣層17具有空洞15。絕緣層17係設置在玻璃基板11中除了空洞15以外的區域整體。絕緣層17與背板16的絕緣層16B係為連續層，且以一體形成。亦即，絕緣層17及絕緣層16B係設在玻璃基板11的大致整面。

背板16具有複數個貫通孔18。複數個貫通孔18係涵蓋背板16的整面而設置。圖3中，為了簡化，係例示3個貫通孔18。複數個貫通孔18係具有使從背板16之與膜13相反側施加的聲波通過空洞15之功能。由於背板16具有多數的貫通孔18，所以可抑制背板16因應聲壓而振動。亦即，背板16的導電層16A具有作為固定電極之功能。

在背板16的膜13側，設置複數個突起19。圖3中，作為一例，係例示2個突起19，不過突起19的數量可任意地設定。突起19係具有防止背板16與膜13接觸之功能。背板16與膜13的接觸，有可能在MEMS麥克風10的動作中及製造步驟中發生。

在背板16及絕緣層17上設置保護層20。保護層20係例如以膜厚150nm左右的非晶矽構成。保護層20係在將用以形成空洞15的犧牲層(例如矽氧化物(SiOx))藉溼式蝕刻去除時，具有保護背板(back plate)16的絕緣層16B之功能。背板16亦可被定義為包含保護層20。於此情況，背板16係具有依序積層有導電層16A、絕緣層16B及絕緣層(保護層)20之3層構造。

(膜端子的構成)

其次，使用圖1、圖2及圖4，來說明關於與膜13電連接之端子(膜端子)的構成。

在膜13的導電層13B，電性連接延伸於任意方向(例如圖1之左斜下方)的配線層21。配線層21和導電層13B為連續層，且以一體形成。在導電層13B的下及上分別設置絕緣層。導電層13B的下及上之兩個絕緣層，係分別為膜13的絕緣層13A、13C和連續層。在配線層21的一端，電性連接膜端子22。膜端子22係藉由形成於絕緣層17的開口部23露出。

(背板端子的構成)

接著，參照圖1、圖2及圖5，說明關於與背板16電性連接之端子(背板端子)的構成。

在玻璃基板11上，設置延伸於任意方向(例如圖1 中的左斜上方)的絕緣層24。絕緣層24係以例如矽氧化物(SiOx)構成。絕緣層24係以與膜13的端部重疊之方式構成。絕緣層24和空洞15係藉由絕緣層25區分。絕緣層25係以與絕緣層17相同的材料(矽氮化物(SiNx))構成，為與絕緣層17連續的層。

背板16的導電層16A，係電性連接延伸於與絕緣層24相同方向的配線層26。配線層26係沿著絕緣層25的兩側面及底面而設置，並設置於絕緣層24上。

在配線層26的一端，電性連接背板端子27。背板端子27係藉由形成於絕緣層17的開口部28而露出。

如前述，絕緣層24係以與膜13的端部重疊之方式構成。絕緣層24和膜13重疊的區域，係以圖1及圖5的符號“OA”表示。藉由區域OA的存在，可將膜13之導電層13B的端部與配線層26的距離隔開。藉此，可防止配線層26與膜13的導電層13B短路(short)。

又，在區域OA中，可加長配線層26與導電層13B之厚度方向的距離。藉此，可降低區域OA的寄生電容。又，圖5中，藉由使絕緣層25的寬度變窄，亦即加長區域OA，可使配線層26與導電層13B隔介絕緣層13C而相對的區域變窄。藉此，可降低區域OA的寄生電容。此外，寄生電容係指在膜13不會振動的區域產生的電容。

[1-2]MEMS麥克風10的動作

接著，說明關於以上述方式構成之MEMS麥克風10的動作。

MEMS麥克風10係從背板16之與膜13相反的那側接收聲波(及因聲波所產生的聲壓)。背板16具有多數的貫通孔18，經由貫通孔18使聲波通過空洞15。又，背板16由於具有多數的貫通孔18，故可抑制聲壓所產生的振動，擔負作為固定電極之功能。

膜13係因應聲壓而振動，擔負作為振動電極之功能。當膜13因聲壓而振動時，由背板16和膜13所構成之平行板電容器(parallel-plate capacitor；parallel-plate condenser)的電容(靜電電容)會改變。MEMS麥克風10係藉由檢測依據電容變化所產生的電壓變化，而檢測出聲音。具體而言，MEMS麥克風10係具備：對由背板16和膜13所構成的電容器施加偏壓(bias voltage)之電源(未圖示)；和檢測電容器的電壓變化之檢測回路(未圖示)。

在此，本實施形態中，作為膜13的導電層13B，係使用金屬(例如鉬(Mo))，作為背板16的導電層16A，係使用金屬(例如鉬(Mo))。

圖6係說明複數種物質(導電材料)的電阻率(Ωm)之圖。圖6中，記載有多晶矽(p-Si)、ITO(銦錫氧化物)、鉻(Cr)、鉬(Mo)及鋁(Al)之電阻率。

鉬(Mo)的電阻率低於多晶矽(p-Si)、ITO(銦錫氧化物)及鉻(Cr)等的電阻率。因此，藉由使用鉬(Mo)作為膜13及背板16，可縮小膜13及背板16的電阻。藉此，可以良好精度檢測膜13及背板16間之電容變化，可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。由電阻率的觀點來看，使用鋁(Al)作為膜13及背板16也是有效的。

又，鉬(Mo)係對氟酸(氫氟酸)等的酸性溶液具有高的耐腐蝕性。因此，即便在於玻璃基板11形成開口部11A的步驟使用氟酸的情況，也能抑制膜13及背板16腐蝕，並能抑制膜13及背板16的電氣特性劣化。從耐腐蝕性的觀點來看，鉬(Mo)比鋁(Al)更合適。

又，鉬(Mo)及鋁(Al)係可藉由乾式蝕刻加工。因此，在將由積層膜所構成的膜13加工、及在膜13形成貫通孔的情況，製造步驟會變容易，且可使加工精度提升。同樣地，在將由積層膜構成的背板16加工、及在背板16形成貫通孔的情況，製造步驟會變容易，且可使加工精度提升。如此，藉由在膜13及背板16使用鉬(Mo)等，在MEMS麥克風10的製造步驟中是有利的。

[1-3]第1實施形態的效果

如以上詳述，在第1實施形態中，MEMS麥克風10具備：具有開口部11A的玻璃基板11；膜13，以覆蓋開口部11A的方式設置於玻璃基板11上，且包含導電層13B；以及背板16，隔介空洞15設置於膜13的上方，具有供聲波通過的複數個貫通孔，且包含導電層16A。導電層13B係以金屬或導電性氧化物構成，導電層16A係以金屬或導電性氧化物構成。

因此，根據第1實施形態，可使膜電極(膜13的導電層13B)、與背板電極(背板16的導電層16A)的電阻變小。藉此，可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。例如，根據第1實施形態，與在膜電極和背板電極使用多晶矽的情況相比較，可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。

又，作為MEMS麥克風10的基板，係使用具有絕緣性的玻璃基板11。藉此，可防止形成於玻璃基板11上的複數個層透過玻璃基板11而短路(short)。又，玻璃基板11係比半導體基板(例如矽基板)便宜。藉此，可降低MEMS麥克風10的成本。

又，MEMS麥克風10係具備與背板16的導電層16A電性連接之配線層26。在配線層26與膜13的端部之間，設置例如由矽氧化物(SiOx)構成的絕緣層24。藉此，可防止配線層26與膜13的導電層13B短路。又，在供配置絕緣層24的區域，可加長配線層26與導電層13B之厚度方向的距離。藉此，可降低寄生電容。

[2]第2實施形態

第2實施形態係設成將膜13以導電層13B及絕緣層13C之2層構造構成。

第2實施形態之MEMS麥克風10的俯視圖及底視圖，係與第1實施形態中所說明的圖1及圖2相同。圖7至圖9係第2實施形態之MEMS麥克風10的剖面圖。圖7係沿著圖1所示的A-A'線之剖面圖，圖8係沿著圖1所示的B-B'線之剖面圖，圖9係沿著圖1所示的C-C'線之剖面圖。

在玻璃基板11上，以覆蓋開口部11A的方式設置膜13。膜13具有圓形。膜13的尺寸係大於玻璃基板11之開口部11A的尺寸。

膜13係依序積層有導電層13B及絕緣層13C的2層構造。導電層13B係發揮作為膜13的電極(振動電極)之功能。導電層13B係以與玻璃基板11相接的方式設置。由於玻璃基板11具有絕緣性，所以即使導電層13B直接接觸玻璃基板11，也不會有問題。導電層13B及絕緣層13C係以在第1實施形態中所說明的材料構成。

圖8所示的膜端子22中也是，與絕緣層13A對應的絕緣層係被去除。其他的構成係與第1實施形態相同。

根據第2實施形態，可將包含於膜13的導電層13B直接形成於玻璃基板11上，並可將膜13作成2層構造。藉此，可降低MEMS麥克風10的成本。

又，由於可使膜13的厚度變薄，所以膜13容易依據聲壓而振動。藉此，可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。

[3]第3實施形態

若將膜(隔膜)振動之部分的電容設為Ci，膜沒有振動之部分的電容(寄生電容)設為Cp時，則MEMS麥克風整體的電容成為“Ci+Cp”。因此，在檢測振動的膜與背板之間的電容變化時，寄生電容Cp係導致MEMS麥克風的靈敏度劣化之主要原因。因此，為了使MEMS麥克風的靈敏度提升，期望降低寄生電容Cp。第3實施形態係用以降低膜未振動之部分的電容(寄生電容)的構成例。

以下，將背板16的導電層16A稱為背板電極16A，將膜13的導電層13B稱為膜電極13B。圖10係第3實施形態的背板電極16A、膜電極13B及玻璃基板11的開口部11A之俯視圖。亦即，圖10(a)係背板電極16A的俯視圖，圖10(b)係膜電極13B的俯視圖，圖10(c)係玻璃基板11的開口部11A的俯視圖。此外，MEMS麥克風10的剖面構造係與第1實施形態或第2實施形態相同。

將背板電極16A的直徑設為Db，將膜電極13B的直徑設為Dm，將玻璃基板11的開口部11A的直徑設為Dg。如前述，開口部11A的直徑Dg係玻璃基板11之上面側的直徑(亦即，最小直徑)。背板電極16A的直徑Db及膜電極13B的直徑Dm係滿足“Db<Dm”的關係。例如為Db=1.1mm，Dm=1.2mm。

又，例如，背板電極16A的直徑Db及開口部11A的直徑Dg係滿足“Db>Dg”的關係。例如Dg=1.0mm。

在以上述方式構成的MEMS麥克風10中，膜電極13B中沒有振動之區域的電極部分未構成電容。藉此，由於可降低寄生電容，所以可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。

[4]第4實施形態

第4實施形態為降低MEMS麥克風之寄生電容的其他構成例。

圖11係第4實施形態之MEMS麥克風10的剖面圖。圖11係與圖1的A-A'線的位置對應之剖面圖。圖12係第4實施形態之背板電極16A、膜電極13B、及玻璃基板11的開口部11A的俯視圖。亦即，圖12(a)係背板電極16A的俯視圖，圖12(b)係膜電極13B的俯視圖，圖12(c)係玻璃基板11的開口部11A的俯視圖。

膜13係依序積層有絕緣層13A、導電層13B及絕緣層13C之3層構造。導電層13B的直徑小於絕緣層13A、13C 的直徑。

將背板電極16A的直徑設為Db，將膜電極13B的直徑設為Dm，將玻璃基板11的開口部11A的直徑設為Dg。膜電極13B的直徑Dm及開口部11A的直徑Dg係滿足“Dm<Dg”的關係。例如為Dm=1.0mm，Dg=1.1mm。

又，例如，背板電極16A的直徑Db及開口部11A的直徑Dg係滿足“Db>Dg”的關係。例如為Db=1.2mm。

在以上述方式構成的MEMS麥克風10中，膜電極13B整體係因應聲壓而振動。換言之，膜電極13B成為寄生電容，不含未振動的區域。藉此，由於可降低寄生電容，所以可使MEMS麥克風10的靈敏度提升。

本發明不限定於上述實施形態，在不脫離其要旨的範圍內，可將構成要素變形並加以具體化。再者，上述實施形態中係包含各種階段的發明，藉由一個實施形態所揭示之複數個構成要素的適當組合、或者不同實施形態所揭示之構成要素的適當組合，可構成各種發明。例如，即便從實施形態所揭示的所有構成要素刪除了幾個構成要素，也能解決發明所欲解決之課題，在獲得發明功效的情況下，此等構成要素經刪除後的實施形態可被取出作為發明。