TW518900B

TW518900B - Structure of electret silicon capacitive type microphone and method for making the same

Info

Publication number: TW518900B
Application number: TW90122405A
Authority: TW
Inventors: Da-Ming Jiang; Tzung-Lung Yang
Original assignee: Ind Tech Res Inst
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2001-09-11
Publication date: 2003-01-21
Also published as: JP2003163996A

Description

518900 五、發明說明（1) 【發明領域】本發明提供一種駐極體矽電容式麥克風之結構及其製法’係結合駐極體技術、矽技術、微機電系統與麥克風等技術’形成一種駐極體石夕電容式麥克風。【發明背景】隨著科技進步，行動通訊系統之產品愈來愈小，相對的其内部所有電子零件的尺寸都呈現出明顯縮小的趨勢，' 傳統電谷式麥克風不但體積大且價錢高而且需要較高的辱區動偏壓，因此並不適合於體積小與電壓低的移動通訊產品 ’尤其在講究效能與體積微化行動電話方面，麥克風的孩化與改進具備其急迫需要性。 ” 麥克風是一種將聲音能量轉換成電能機構，其麥克風了略分為動圈式麥克風（Dynamic Microphone)、電容式麥克風（Condenser Microphone)、壓電式/壓阻式麥克風（pi ezoelectric/piez〇resisti ve Micr〇ph〇ne)及駐極電容式麥克風（Electret Condenser Microphone)。習知麥克風如^國專利第5 4 9 0 2 2 0號所述之固態電容式麥克風這類的麥克風需要高極化的電壓輸入，且對溼度敏感性高，故需除濕保存；如美國專利第5 7 4 〇 2 6 i號所述之麥克風結構，需要外加偏壓到十幾伏特，才可達到較智· 二靈敏度’無法達到省電極輕量化"票；如美國專利第6 ^ = 5 二 5 5 7 3 6 7、5 8 8 9 8 7 2 與 5 8 8 槿1： 2 :麥克風’係應用單晶體成形因而造成結 F早一右、到雙晶體結構之產品規格時，則需要較 m

I 第4頁 518900 五、發明說明（2) 複雜之結構體較困難。傳統電容，其中薄膜片容器，並於該界聲音壓力而而產生薄膜片變化所產生電類型的電容式容效應來感應達到較佳之靈性也比較高。【發明目的】爰是，本發明係提供一用低介電係數且可以提供麥風的諧波失真本發明之風結構及其製與麥克風等技小’對溼度敏為達上述麥克風結構及，所以產品之製造時裎須拉長且製裎技術亦式麥與固薄板使得與底流信麥克聲音敏度克風之定底板間加上薄膜震板電容號與聲風需要壓力， ’且振結構包兩者間約 2 0 0 V 動而產器之電音壓力外加偏所以需膜張力含一具一左右生偏容量位準壓以要高不易個薄膜片與適當間隙，之極化電壓轉位移，此發生變化，成一比例，提供麥克風極化的電壓均勻，對溼固定底板化成—^電。如當外一動作因此種電容由於這種所需之電輪入才可| 度之敏感發明之主要目的，種駐極體石夕電容弋之高分子材料為駐克風所需的電荷量〇次要目的，仫h 係提供 / 、纟α合駐fe I#枯 :，使該駐4: 感性低且無須外加 ϋ的’本發明係其I法’其結構包在於解決上述之缺失，本麥克風結構及其製法，利極體材料，塗佈於振膜上 ’具阻尼效用並降低麥克一種駐極體矽電容式麥克術、矽技術、微機電系統續電容式麥克風結構簡單微高偏壓。提供一種駐極體矽電容式括一複合振膜晶片、一背

518900 __ 五、發明說明（3) t: 1Ϊ:外殼’其中該複合振膜晶片包含有振犋（提供展（曰提= 成機=振動）、電極層（提供電壓傳遞）、駐極體 tm (提供振動空間）；該背板晶片結構包半導體場效電晶體（提供阻抗匹配）；將；：辰膜曰曰片與該背板晶片相對應組合， 1 口一駐極體矽電容式麥克風。並中、成農形成材料為駐極體材料，塗佈於振膜=低：電係數之高分子當張力之雙石夕晶振膜來降低麥性低；使用-具，提供空氣阻尼。 - 勺咱波失真及一氣室來【詳細說明】本發明之駐極體矽電容式麥 :定背板電極間形成電容效應，膜薄片電極與之固體介電材即是駐極體，因此不t片上置入—極化壓而達到降低輸入電壓的需长，=要再由外界供應一偏 :移動位移，而使得振膜電極心y因入射聲塵產生相摩變化，座度敏感性；：4=為構造簡單可產生大電體矽電容式麥克風結構包括一 2供外界偏電壓。該駐極鲁片2與一外殼3，其中二；合振膜晶片i、一背板晶供聲音轉換成機械振動）、x八聪晶片1包含有振膜5(提遞）、駐極體層9 (提供電荷）與：:電極層8 (提供電壓傳一⑺日1 0 (提供振動空間）苐6頁 518900

^ — 丨丨丨丨_ I 五、發明說明（4) ,〇亥煮板日日片2結構包含一第二傳遞）、透氣孔1 5、氣室 =禽電極層1 7 (提供電愿導體場效電晶體12 (提二阻空氣阻尼）與金氧半與該背板晶片2相對應細入匕配），將複合振膜晶片上椏體矽電容式麥克風「雖；由二：：殼3封裝形成-駐合振膜晶片1、-背板晶…：夕三種機構（一複體電容式麥克風的基本功能，作、a夫卜=3 )即可達成駐極人耳可感受的頻率範圍（20_2_ζυ風所f測的訊號為應器的頻率範圍，且同時麥克風 ^頻率遇低於壓力感要求其感度曲線在所所關心的頻，而必須風結構之空氣阻尼特性，I背拓B圍，同％為提供麥克鲁 ^ , t 付庄具月板晶片2結構中必須右名二^ (back —chamber) 1 6的存在’然而這些規格;1 =至器技術中卻不被注意。由於麥克風經用^ ^力感測二ί 要求(效率、頻寬)盘設叶· 有特別的考“可以達到人耳可感*的頻率範圍⑵2〇 =

Hz)及感度，所以在結構設計考量中，必須考：( 的感應曲度，如第五圖所示’係為本發明駐極體j “二是麥克風的頻率下限值，Fu是麥克風的=值彳愈小或Fu愈大則代表此型麥克風愈能真實的右d 降低訊號失真丨的裎度。其中Fd值由下式決定遞机唬，而·

Fd 其中Rb為麥克風外接串聯電阻，。駐極體電容式麥克風電 518900 五、發明說明（5) 容值，G為麥克風外接串聯電容值，Cp :麥克風封裝所形成的電容值；而Fu值若由複合振膜晶片決定，則為 !σ

F 其中Ad為振膜邊長，為振膜張力，k。為一常數，pd為振膜後摩，若由背板晶片決定’則為似 a。d h d ?laad 其中Sa為振膜與背板間之空氣厚度，hd為振膜厚度，a為空氣黏滯係數；而麥克風的靈敏度與晶片結構之關係如|

S 二 R A；

A 其中R為比例常數（與背板晶片的開孔率相關），Se為振膜面積，為駐極體充電之電荷密度，ε€為兩極板中材料之相對真空的介電常數，hd為振膜厚度。經由上述之考量，本發明提供一種駐極體矽電容式麥克風結構，係包含一複合層振膜晶片1 、一背板晶片2與一外殼3。首先在複合層振膜晶片1結構方面，如第一圖 (a )所示係為第一基板4 ，可選自於η型或p型式單面% 光之石夕晶片，其厚度為250//m〜550/zm，電阻值為5ohm -cm〜25ohm-cm ;如第一圖（b)形成一振膜5於第一基板4底面，複合振膜5可選自SixNf或8込N+及SiO^複合等具低殘留應力之材料，振膜5面積範圍為0.5 mm2〜2mm2，厚度

第8頁 518900 五、發明說明（6) 範圍為0.5/zm〜2//m。如第一圖（c)所示，於第一基板 4頂面利用一 L P C V D對晶圓進行氮化矽的沉積，形成氮化矽層6 ;如第一圖（d)所示，於第一基板4與第一氮化矽層6上，形成一凹槽7 ;如第一圖（e )於氮化矽層6與該凹槽7頂面，形成一金或鋁材質之第一電極層8 ’其中第一電極層8厚度為50〇λ〜2000A。如第一圖（f )於複合振膜5底部形成一駐極體層9 ，該駐極體層9材料為低介電係數材料如氟系高分子材料（pTFe、 T e f 1 〇 η - F E P、T e f 1 ο η - P F A 專）及 b C B ( B e η ζ 〇 c y c 1 〇 b u t e n e )等，其厚度範圍為，塗佈於振膜底面後_ ’並可對駐極體材料進行充電（corona i〇ri beam charge 方法）作用，而使得電荷常駐於駐極體9材料中可避免電荷脫離。如第一圖（g )於該駐極體層底面兩端形成一隔層1 0 (spacer )，該隔層1 〇介於複合振膜晶片與背板晶片之間，其材質可選自高絕緣材料聚亞醯胺p I，厚度範圍為3//m〜10//m。經上述組成一複合振膜晶片。於背板晶片2結構方面，如第二圖（a )中所示係為一 η型或p型式雙面拋光矽材質晶片之第二基板1 1 ，其厚度為 2 5 0 //m 〜5 5 0 //m，電阻值為 5 〇hm-cm 〜25 ohm-cm •，如第二圖（b )中所示，於第二基板1 1頂面之一端形鲁成一金氧半導體場效電晶體（M0SFET ) 1 2 ;如第二圖（ c )所示，於第二基板1 1的頂面與底面各形成第一二氮化矽（Nitride Silicon)沉積層1 3 ，如第二圖（d) 於該第二基板1 1頂面之金氧半導體場效電晶體1 2 —側

518900 五、發明說明（7) 形成一溝槽1 4 ，並於第二基板1 1的頂面適當位置形成複數個透氣孔1 5，透氣孔1 5尺寸為l〇//m〜100//m ，厚度範圍為l〇//m〜200// m，數量範圍為16/ mm2〜900/ m rri ;如第二圖（e )所示，於該第二基板的底面形成一氣室（back-chamber) 1 6 ，其中該背板晶片2之氣室1 6體積範圍為〇 · 2 _$〜1 mm;;如第二圖（f )所示，於該背板晶片2頂面形成一第二電極層1 7 ，第二電極層1 7 可為金或銘，背板厚度為500 A〜2000又。；經由上述形成一背板晶片2 ，該背板晶片2之背板厚度範圍為1 0 // m 〜200//m，面積為0.5 mm2〜2 mm2。將複合振膜晶片與背板晶片2相對應組合於一外殼3中，並經導線接腳1 8與接腳1 9接合封裝形成一駐極體矽電容式麥克風之整體結構，其駐極體矽電容式麥克風之整體結構請參照第三圖。一種駐極體矽電容式麥克風製法之步驟，包括一複合層振Μ晶片1及一背板晶片2 ^首先在一複合層振膜晶片 1方面，提供一第一基板4，以沉積法形成之複合振膜5 於第一基板4底面，於第一基板4頂面形成氮化矽層6 ; 在第一基板4與氮化石夕層6上形成一凹槽7 ，凹槽7可利用蝕刻方式形成，並於氮化矽層6與凹槽7頂面以濺鍍（籲 sputtering)方式形成一第一電極層8 ，其中於複合振膜 5底部以塗佈法形成一駐極體層9 ，並對該駐極體層9進行充電；於該駐極體層9底面兩端以光罩及微影方法形成一絕緣隔層1 0 ，經由上述步驟形成一複合振膜晶片1 。

第10頁 518900 五、發明說明（8) 在背板晶片2之製造步驟方面，提供一第二基板1 1 ，並在其第二基板1 1頂面一端以半導體製程方法形成一金氧半導體場效電晶體1 2 ，以沉積法於第二基板1 1的兩面各形成第二氮沉積層13;於該第二基板11之頂面與該金氧半導體場效電晶體1 2 —側以蝕刻方式形成一適當寬深之溝槽1 4 ，並利用乾式蝕刻或溼式蝕刻方式，於第二基板1 1頂面之適當區域形成複數個透氣孔1 5及於第二基板1 1的底面形成一氣室（back-chamber) 1 6 ，該背板頂面形成一第二電極層1 7 ，經由上述步驟形成一背板晶片2 ，再經一外殼構裝後形成本發明駐極體矽電容φ 式麥克風，第四圖係為之本發明駐極體矽電容式麥克風製造流程圖。

518900 圖式簡單說明 1 ·圖不· 第一圖（a )〜（g )係為本發明複合層振膜晶片1之結構組成圖。第二圖（a )〜（f )係為本發明背板晶片2之結構組成圖。第三圖係為本發明駐極體矽電容式麥克風之整體結構〇第四圖係為本發明駐極體矽電容式麥克風之製造流程圖。第五圖係為本發明駐極體石夕電容式麥克風之頻率與感度關係圖。 2 ·圖號：複合層振膜晶片.........1 背板晶片.......... · · 2 外殼..............3 第一基板........· · · · 4

I 振 Μ...... 5 第一氮化矽層..........6 凹槽..............7 第一金屬電極層.........8 駐極體....... 9 隔層.............10 第二基板...........11 金氧半導體場效電晶體.....12 第二氮化層..........13

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Claims

518900 六、申請專利範圍【申請專利範圍】： 1. 一種駐極體矽電容式麥克風結構，其包含： (1)複合層振膜晶片，其包含：一第一基板；一振膜，形成於該第一基板之底面；一第一氮化矽層，形成於該第一基板頂面；一凹槽，形成於該第一基板與第一氮化石夕層上；一第一電極層，形成於該第一氮化矽層與該凹槽頂面；一駐極體層，形成於該振膜底面； · 一隔層（spacer)，形成於該駐極體層底面之兩端部分區域上； (2 ) —背板晶片，其包含：一第二基板；一金氧半導體場效電晶體’形成於該第二基板頂面之一端；二沉積層，形成於該第二基板之頂面及底面；一溝槽，形成於該第二基板之頂面，並位於該金氧半導體場效電晶體之一側；複數個透氣孔，定置於該第二基板頂面之適當區域鲁一氣室，形成於該第二基板透氣孔底部，其為開口向下之凹槽；一第二電極層，形成於該背板晶片頂面上；

第14頁 518900 六、申請專利範圍 (3 ) —外殼，並藉由構裝將該複合層振膜晶片與該背板晶片形成一駐極體矽電容式麥克風。 2. 如申請專利範圍第1項所述之一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中第一基板及第二基板厚度為250 μ m〜550 β m，電阻值為5 ohm-cm 〜25 ohm-cm 〇 3. 如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之振膜面積範圍為0. 5 m m2 〜2mm2，厚度範圍為0.5//m〜2//m。 4. 如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中該複合層振膜晶片之駐極體層厚度範圍為〇. 8 # m 〜5 // m 〇 5.如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中該複合層振膜晶片之隔層厚度範圍為3 // m 〜1 0 // m 〇 6. 如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中該背板晶片之背板厚度範圍為1 0 // m〜2 0 0 /zm，面積範圍為0.5 mrri〜2 mm2。 7. 如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構’其中該背板晶片之氣室體積範圍為0,2 mm;〜1 mm3 8.如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中該背板晶片之透氣孔之尺寸範圍為1 0 // m〜 100/zm，厚度範圍為10//II1〜200//m，數量範圍為16 /mm2 〜900/mm2 〇 m __

_ 111 第15頁 518900 六、申請專利範圍 9 ·如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中第一導電層及第二導電層厚度為500人〜2000 A。 1 0 ·如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之第一基板為η型或p型式單面拋光之晶片及背板晶片之第二基板為η型或ρ型式雙面抛光之晶片。 1 1 ·如申請專利範圍第1項所述一種駐極體石夕電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之振膜可為Si xNf或8丨3 Ν牛及S i 等具低殘留應力之材料所組合之複合層膜。錢 1 2 ·如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之第一電極層及第二電極層為金或ί呂。 1 3.如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之駐極體係選自低介電係數材料。 1 4.如申請專利範圍第1 3項所述一種駐極體矽電容式麥克風結構，其中複合層振膜晶片之駐極體係選自PTFΕ、 Teflon-FEP、Tef lon-PAF 及BCB。 1 5.如申請專利範圍第1項所述一種駐極體矽電容式麥克胃風結構，其中複合層振膜晶片之隔層係由高絕緣材料聚亞醯胺所形成。 1 6. —種駐極體矽電容式麥克風製法，其步驟為：提供一第一基板；

第16頁 518900 六、申請專利範圍在該第一基板頂面形成第一氮化矽層；於該基板與氮化矽層上形成一凹槽；在該氮化矽層與該凹槽頂面形成一第一電極層；於複合振膜底部形成一駐極體層，並對該駐極體層進行充電；於該駐極體層底面兩端形成一絕緣層，藉以形成一複合振膜晶片；提供一第二基板，並在其頂面一端形成一金氧半導體場效電晶體；在該第二基板的兩面各形成一沉積層； | 於該第二基板之頂面與該金氧半導體場效電晶體一側形成一溝槽；於該第二基板的頂面適當區域形成複數個透氣孔；於該第二基板的底面形成一氣室；於該背板頂面形成一第二電極層，藉以形成一背板晶片：及將振膜晶片與背板晶片相對應組合，並經導線接合及封裝組成一駐極體矽電容式麥克風。 1 7.如申請專利範圍第1 6項所述一種駐極體矽電容式麥克風製法，其中氮化石夕層與沉積層係以沉積法形成。 1 8.如申請專利範圍第1 6項所述一種駐極體矽電容式麥克風製法，其中凹槽及溝槽及透氣孔及氣室係以蝕刻法形成。 1 9.如申請專利範圍第1 6項所述一種駐極體矽電容式麥

第17頁 518900 六、申請專利範圍克風製法，其中第一電極層與第二電極層係以濺鍍方式形成。 2 0.如申請專利範圍第1 6項所述一種駐極體矽電容式麥克風製法，其中駐極體層係以塗佈法形成。 2 1.如申請專利範圍第1 6項所述一種駐極體矽電容式麥克風製法，其中隔層係以光罩及微影方法形成。

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