TWI337372B - Mems microphone and method of making the same - Google Patents

Description

1337372 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明涉及-種麥克風及其製備方法，尤係涉及 一種微機電系統（MicroElect_echanicalSystem， MEMS)麥克風及其製備方法。 【先前技術】

Ik著科學技術之不斷進步，麥克風之應用亦越來 越廣泛’尤係微機電系統麥克風發展最爲迅速，微機 電系統麥克風由於其良好之性能及易於批量生産等優 點，可望逐步在移動通訊、多媒體系統、消費性電子 及助聽器等方面替代傳統之駐極體電容式麥克風 (Electret Condenser Microphone，ECM)。 私合式微機電系、統麥克風係一種常見之微機電系 統麥克風、，其一般包括傳感部分及專用積體電路部 分，該傳感部分包括一振動膜、一穿孔背板、一介質 隔離層及一矽基片’該振動膜與穿孔背板之間形成二 空孤間隙’财基片除了爲其他層提供支料，還提 供一個大之聲後腔，聲後腔與穿孔背板或振動膜連 通構成-個聲學回路。聲後腔之容積社，對微機 電系統麥克風靈敏度之影響就越小，然而聲後腔之容 積增加亦相應地使整個微機電系統麥克風之尺寸增 大，k顯然與麥克風向短小輕薄之方向發展之趨勢相 違背’故需對習知微機電系統麥克風加以改進。 頁鑒於此，有 統麥克風。 -種微機電系統麥克風，包括封裝外殼、容置於 2封裝外殼内之麥克風晶片及與該麥克風晶片電連接 ^外部電路，該封裝外殼上設有-聲波之入口，該麥 ”晶片包括背板、隔離層及振動膜，該隔離層將該 :板與振動膜隔開’並於其間形成空氣間隙，該背板 形成聲學孔’所述聲學孔貫穿該背板上下並與空氣 二該麥克風晶片設有振動膜或背板之-側面 二裝外忒之入口並與封裝外殼緊密貼合使該封壯 卜殼與該麥克風晶片之間形成一 衣 風晶片之聲後腔。 4 &閉之腔體作爲麥克 機電系統麥克風之製備方法， ^克風包括封裝外殼、麥克風晶片及外部電路，： 之隔離層，”二:位於背板與振動膜間 括：取-片第:2 聲學孔，該製備方法包 基片上製：動:基::::第二…在第1 姓隔離層，該隔離 夕基片上製作隔離層；刻 在第二矽基片：心；刻蝕之區域形成空氣間隙； 學孔未穿ΐίΓ向下刻”學孔，所形成之聲 有振動膜之第’鍵合隔離層與振動膜；去掉 動膜進行刻敍只留下振動膜，對保留之振 完全露出聲學孔基片背面之厚度減薄’直到 孔，形成麥克風晶片，·將該麥克風晶片 與外邹電㈣料，並密封於料外殼内。. —種微機電4 ± 統麥克風包括夕克風之製備方法，該微機電系 麥克t片Hi外殼、麥克風晶片及外部電路，該 之隔離屏，二北a板、振動膜及位於背板與振動膜間 ^ θ °Λ月板上設有複數聲學孔，該製備方法包 栝.取一片矽基κ· ^ ^ μ抵，… 在該石夕基片上製作隔離層及在隔 片：北衣作振動骐；刻蝕振動膜及隔離層；減薄矽基 姓隔::形上形成聲學孔;通過聲學孔刻 風晶片與外部接形成麥克風晶片；將該麥克 包路兒連接，益密封於封裝外殼内。 與習知技術相比，本發明微機電系統麥克風之麥 =晶片上並沒有設聲後腔部分，而是充分利用其與 地衣匕之外成》圍形成之腔體作爲聲後腔，不僅使微 :電系統麥克風之聲後腔大大增加，改善微機電系統 =克風之i敏度’而且還可使微機電系統麥克風之厚 較薄’其尺寸亦相應地減小，有利於麥克風向短小 輕薄之方向發展。反之’在微機電系統麥克風之尺寸 相同之條件下’則因爲其背板上沒有設聲後腔，使背 板之每一部分均可得到充分利用，故用於製作背板之 相同尺寸之石夕基片（wafer)可生産之單元晶片（die) 亦就更多。 【實施方式】 明。 下面參知、附圖結合實施例對本發明作進一步說 i337372 圖1所示爲本發明微機電系統麥克風之第一較 二微機電系統麥克風包括-封裝外殼10、： 置：该封衣外殼10内之一麥克風晶片30及與 風晶片30電連接之一外部電 徑）。 崎υ(圖未不該連接路 請參照圖2,該麥克風晶片3〇包括—此 隔離層，—振動膜33及兩電極％、二板31、- 該背板31之材料一般爲摻雜之n 可係本㈣，該背板31作 夕，亦 7 ’凡取日日片30之一[fi仝 。板，同時亦作爲整個麥克風晶片3〇之 離層以、振動膜33及電極34a、34b—= 士猎由刻蝕方法形成複數聲學孔％ 貫穿該背板31上下，其可提供聲學阻耳子孔％ 33在其嘈#4旨至考夕鄕處 耳子阻尼，降低振動膜 非借振H 同時增大振動膜幻在发 率處之響應’從而使麥克風晶片3。在-” 之湧贳内，都有較好之響應。 艮 該：離層32介於該背板31與振動 材枓—般爲二氧化矽，亦可爲— Π其 導電材料之複H“ 矽、氮化矽等非 間隙V η 、間形成—空氣間隙35,該^ 孔36^由隔離層％藉由㈣方法形成，並藉由^ 孔％與封裝外殼1〇之内部相連通。错由尸耳擎 該振動膜33之材料一般爲 導電材料如氮切及各種有機材“， 10 η型矽或p型矽等 + 晶片3〇之—可材料。該振動膜33作爲麥克風 生相應之形變；而S’？隨外部之壓力變化而産 電容。去有低罢、與背板31之間産生一可變之 田有一偏置電壓時，振動膜3 电谷之變化轉換成電壓之變化，、,:二板Jl之間 34a、34b輸送到外部電路$ ^ &寺電極 等，電電：33:，之材料爲金屬，如链、紹合金或全 連接==3仆分別與振動膜33及背板Μ形成電 妾,供與外部電路2〇 t連 ： 33由導電材料製成時， 田振動犋 之任意一部分即可.者° a，、要覆盍振動膜33 時，電極34項至少由非導電材料製成 …之-部分正空氣間隙 與外部電路2〇電連接# 舄电極3仏、3仆 t北 电運接傻，若振動臈33導兩，计上 二板31間形成電場’若振動膜33不導I :;就可 用電極％於振動膜33上形成—不;就需利 板31間形成電場。 日V包犋’使其與背 入口=參照圖！，該封裝外殼1〇上設 °亥麥克風晶片30設有振㈣3 /之 該入口⑴且該振_33與封 ^側面向 結合處塗有—層封閉招合膠13，使之内表面之 就於該封裝外殼Π)與該麥克風晶合，這樣 閉之腔體38，該腔體38即係 a形成一密 聲後腔。各妙， 機電系統麥克厠夕 料腔田然，上述微機電系統麥克 ^風之 T <麥克風晶 片30之位置亦可變化，如 機電系統麥克風不同的是:該：：，與圖1.所示之， ”之-側面向該封裝外殼C“30 膠13與封裝外殼10之内表面結合並籍由心 與習知技術相比， 風晶片，0卜、，々 政機電系統麥克風中麥克 曰曰片J〇上亚沒有設聲後腔部分 卜殼10與該麥克風晶片疋n二 後腔，這樣，除了麥克風/片圍^成之腔體38作爲聲 合膠13所占之空㈣^卜部電路20及枯 是微機電系統麥克風之聲;:封= 殼10内之空間都 增加，改盖微機+ 4处办工，不僅使其聲後腔大大 麥克風曰片30 夕克風之靈敏度’而且還可使 小克=片：之厚度較薄，其外圍尺寸亦相應地減 風之，降：降低成本，同時亦可使微機電系統麥克 別適合對器件封裝高度要求比較苛 有利^微機手機、超薄型數碼相機等， 麥克風 、、夕克風向㈣、輕薄之方向發展；在 3“沒；設聲：卜圍::::之條件Η 到充分利用，、…工故-月板Η之每—部分均可得 . ，廷樣，相同尺寸之矽基片（wafer，背板 即之原材料，詳細請參照下面之製備方法 早元晶片亦就更多晶片（die)。 産之 圖4所示爲本發明微機電系統麥克 T，本實施例令之麥克風晶片4〇與第一 歹之麥克風晶片30之結構基本相同’只是在該背^ 12 1337372 41靠近隔離们2之一側增加了 一辅助導電層& 輔助導電層47爲濃硼擴散之 s 〇Λ 屏，即玎π a 4北4 重^ 4石夕層或薄金屬 S 為月板41包括兩種材料或係同一材料之 =擴散濃度’該輔助導電層47可減小電極3 板〇之歐姆接觸（〇hmicC〇ntact)。另外^月 46貫穿該背板41(包括輔助導電層47)，從：：： = 間隙35與封裝外殼1〇之内部相連通。 ，二乳

圖5所示爲本發明微機電系統麥克風 實施例’本實施例中之麥克風晶片5〇在二: 例之基礎上進-步改進，於背板41遠離隔離層二 側形成-鈍化層58’以對該背板41進行保護，該 化層58 —般爲二氧化矽膜或氮化矽膜，亦可 夕，一氧化石夕之_複合膜’或有機薄m，或金屬膜如紹 犋等，該鈍化層58還可爲該背板41刻蝕時留下之掩 犋層（詳細請參照下面之製備方法）。另外，該聲學孔 56同時貫穿該鈍化層58與背板41 (包括輔助: 47 )。 π笔甩 爲進一步完善本發明，發明人還作了進—步改 =，如圖6所示，爲本發明微機電系統麥克風第四較 佳實施例中之麥克風晶片6〇a，其對應於圖2所示= ^風晶片30之第一較佳實施例，與麥克風晶片3〇二 同的是：在空氣間隙35之空間裏’背板31靠近振動 膜33之表面上分佈複數小突觸61，該等突觸61與背 板31之材料相同，當外界之偏置電壓過高或因爲其他 13 mini ' 引起㈣時’由於突觸61之面積較小，·外界之 —/壓釋放後’振動膜33能夠解除吸附並恢復工作狀 • »Vi*' ° 一田’、、、上述大觸61亦可設於圖4與圖5所示之m 二與第三較佳實施例中’如圖7與圖8所示，分別爲 2發明微機電系統麥克風第五與第六較佳實施例中之 :^風：片60b、60c ’該等突觸62設於該輔助 ^ 47靠近振_ 33之表面上’其與辅助導電層；; 之材料相同。亦就是說，突 之材料相同。 大觸之材抖與其所接觸元件 另外’上述突觸61、62還可設於其他位置， 至第二 1示’分別爲本發明微機電系統麥克風第七 弟九車4貫施例中之麥克風晶4 70a =突=㈣振動膜33上，其與振動膜33二料 41上（等突觸61、62、63亦可於背板31、 • 置。（或其輔助導電層47上）及振動膜33上同時設 與圖2所示之本發明微機電 實施例中之麥克風晶片30相同，圖4至克圖風：較佳 本，微機電系統麥克風之第二至第九二= 7〇…身均沒有設聲後腔部分，而：： 裝外毅10與其合圍形成 广、封 使麥克風晶片^不僅 uuc 、 70a 、 70b 、 14 1337372 7〇c之聲後腔大大增加， 使其厚度較薄，外圍改善，而且還可 ㈣= 有利於麥克風向短小 設有聲後腔片Γ:知之微機電系統麥克風 風中麥克風晶二：’：:機電系統麥克 70c還可使其背板二：二:，，、 八沾^ 4丄（由矽基片製成）之每一部 :産3=:從而對於相同一基“

“：Γ結合製備方法進—步詳細說明本發明微機電 系統麥克風。 :先麥、圖12至圖15，爲本發明微機電系統麥 =弟-較佳實施例中之麥克風晶片3〇之一種製備 方法。 如圖12所示，取兩片矽基片3id、33e，石夕基片 -般爲摻雜之p型硬；在秒基片別正面製作二 軋化矽γ即形成隔離層32 ;在矽基片3爻之一面上外 延一層摻雜之η型矽膜，即振動膜33。 如圖13所示，刻蝕隔離層32,使該隔離層32上 被刻钱之區域形成空氣間隙35，該㈣方法—般用濕 法腐姓（Wet Etching )，亦可用幹法腐# (叫 Etching );並利用感應耦合等離子刻蝕（

CoupUd Piasma ’ ICP )或反應離子刻蝕（— Etchnig ’ RIE)等幹法腐餘方法在矽基片別上沿頂 面向下㈣出複數聲學孔36，此時聲學孔36並未貫 15 1337372 穿矽基片31d，一般直徑爲4英寸之矽基片之厚度爲 525微米，採用這種厚度之原因係在各個工藝製備或 傳送中，矽基片不容易碎掉，而打穿525微米之矽基 片之成本高。 如圖14所示，利用熱鍵合或場助鍵合之方法將矽 基片31d上之隔離層32與矽基片33e上之振動膜33 鍵合。 如圖15所示，利用矽片減薄之方法將圖13所示

，石夕基片33e去掉，石夕片減薄之方法通常有電化學腐钱 Ele〇trochemicaI enncal Mechanical p〇iisMng，c 之振動獏33之左側 T保邊 濺射之方讀法_，並利用蒸發或 極34^；：振動膜33及石夕基片仙上沉積一電 -之==之基片加未開通聲學孔 成本發明微機電系統麥1:::出：：孔36,從而形 風晶片3〇，‘ ’、夕虫弟較佳貫施例中之麥克 爲麥克風晶片=戶 ’其中石夕基片3ld於減薄後即 日日片30之背板31 〇 克風第二盥；圖16至圖2〇，爲本發明微機電系統麥 之-種以較佳實施例中之麥克風晶“〇、5。 如圖16所示，取一 或離子注入 、 7暴片4ld，利用深度硼擴散 去於其正面上形成一層高摻雜之輔助 16 導電層47。 _如圖17所示’在該輔助導電層47上沉積-層隔 ί層32及振動膜33,沉㈣膜之方法-般有等離子 =強化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、射頻磁控 ，戈射寻，爲使振動膜33既有較好之導電性，又有較小 =應力，需對振動膜33進行離子注入摻雜及高溫退火 處理。 …所示，刻餘振動臈33之左側部分以及隔 二2正對之部分’亚於振動膜33及輔助導電層47 上/刀別沉積一電極34a、3仆。 如圖19所不，用石々η、、士 ％ 敍、研磨及化學機械拋二方法，如電化學腐 薄矽其m… 矽基片仙之背面減 之北^ ㈣成f板41 ;於碎基片41d減薄 沉積-層掩膜層划；對掩膜層58d進行 d钱形成牙孔之圖荦， 仏心e Ion Eich η 反應離子㈣（以叩 出聲學孔46。叫_等深判飯之方法刻钱 而^圖Γ/斤示’通過聲學孔46刻钱隔離層32,從 之方'去可：广35 ;通過聲學孔46刻敍隔離層32 庫離子I! :幹法祕感應，合等離子刻餞、反 應破子㈣’亦可採用濕法 去除掩膜層58d，fm:\ 之方法。 克風第二奸〜 形成本發明微機電系統麥 若於去除掩媒層58d之= 圖4所示。 攸1上進—步形成一層 17 純化層5 8，出 統麥克®…此沈凡成了圖5所示中本發明微機電系 備。當然二較佳實施例中之麥克風晶片50之製 即用來作^11上z冗積之掩膜層58d亦可無需除去， 马夕克風晶片50之鈍化層58。 風第二:圖12至圖15所示本發明微機電系統麥克 採用圖例中之麥克風晶片3〇之製備方法可 成輔助導^所示之方法，只是在圖16中無需形 統麥克風；：I7, ! 16至圖2〇所示本發明微機電系 方法亦可採用圖12至圖片二之製備 所示取矽其Μ 1以 所不之方法，只需在圖12 所示之結土 後，於矽基片31d上形成如圖16 麥克 向要衣備弟二車父佳實施例中之 減薄之^佳則只需在上述基礎上’於石夕基片仙 上進一步形成一層鈍化層％。 時，Ϊ者二Ϊ上述製備過程中，可於形成空氣間隙35 二:步在圖13之石夕基片3。上或振動膜33上、 …觸I辅助導電層47上或振動膜33上光刻形成 供 卜62、63 ’而其他製備方法相同，即可f lilt圖U所示本發明微機電系統麥克風第四至第 九卓父佳芦、施例中夕& & π s 70b > 70c 〇 ^ 6〇a ' 6〇b '600 70a . 取後’將上述麥克風晶片30、40、50、60a、60b、 60c ,7=a 70b、70C與圖！所示之外部電路2〇電連 密于於封裝外殼1〇内，即形成本發明微機電系 18 1337372 統麥克風之第一至第九較佳實施例。 练上所述，本發明符合發明專利 。 提出真利由w ’菱依法 敌出專。惟以上所述者僅為本 你I，與4 , Θ <較佳實施 +凡熟悉本案技藝之人士，在美 、 作之寺政修飾或變化’皆應涵蓋於以 圍内。 申明專利範 【圖式簡單說明】

圖1爲本發明微機電系統麥克風第— 之剖面示意圖。 14貫施例 圖2爲圖i所示微機電系統麥 之剖面示意圖。 ^干麥克風晶片 圖3爲圖1所示微機電系統麥克 式之剖面示意圖。 貫施方 圖4爲本發明微機電系統麥克風第 中麥克風晶片之剖面示意圖。

車交佳實’施例 幸交佳實施例 圖5爲本發明微機電系統麥克風第 中麥克風晶片之剖面示意圖。 圖ό爲本發明微機電系統麥克風 中麥克風晶片之剖面示意圖。 幸父4貫施例 圖7爲本發明微機電系統麥克風第 中麥克風晶片之剖面示意圖。 “實施例 圖8爲本發明微機電系統麥克風 中麥克風晶片之剖面示意圖。 4佳實施例 圖9爲本發明微機電系統麥克 、弗七#父佳實施例 19 1^37372 丁/夕、兄风 ^ , ^ ^ χρ, ^ 例中麥克風晶片之剖面示意圖。 片上絲片上製作振動膜並在另-石夕基 衣乍一乳化矽之剖面示意圖。

圖13為刻蝕二氧化矽形成隔離層與空氣、廿 在石夕基片上⑽聲學孔之剖面示意圖。Ί㈣亚 圖14爲鍵合隔離層與振動膜之剖 圖15爲去掉有振動膜之石夕基片、，:二圖。 二振=行刻《’且沉積電極之剖面示意圖。 之剖面示意圖· s夕基片上形成高換雜之輔助導電層

〜从、日日乃 < 別囟不葸圖。 圖10爲本發明微機電系統麥克風第八較佳恭施 例中麥克風晶片之剖面示意圖。 戸 圖11爲本發明微機電系統麥克風第九較佳實施 麥克風晶片之剖面士音阁 、 剖面:意圖^在輔助導電層上沉積隔離層及振動膜之 分別沉積-電極二動振動膜及輔助導電層上 — 〈4面不意圖。 .Θ 19爲減薄矽基片、於矽A片沾“ 掩獏層、形成聲@ 、 土片減缚之背面上沉積 圖ί、Ι 剖面示意圖。 剖面示意圖。、過聲學孔刻敲隔離層形成空氣間隙之 【主要元件符號 封裳外殼1〇 入σ 11 20 1337372 封閉粘 合 膠 13 外部 電路 20 麥克風 a 曰a 片 30、40 50 、60a 、60b、 60c 、 70a 、70b、 70c 背板 31、 41 矽基 片 31d 、33e 、 41d 隔離層 32 振動 膜 33 電極 34a， > 34b 空氣 間隙 35 聲學孔 36 ' 46、56 腔體 38 輔助導 層 47 鈍化層 58 突觸 61、 62、63

21

Claims (1)

1. 申請專利範圍 種微機電系統麥克風，包 封裝外殼内之麥克風s M .衣卜彀、容置於該

   之外部電路，該封裝外殼上—見風日日片電連接 麥克風晶片包括背板、隔：聲波之入口，該 將該背板與振動膜隔開'‘其二動t該隔離層 其改良在於：該背板上形：與’成空氣間隙’ J該背板上下並與空氣間隙連通、學孔貫 之r面向封裝外二:= 形成—密閉之腔體作爲爽奈 日日片之間 克風日日片之聲後腔。 利申請範圍^項所収微機電^麥克風， .二〜負板靠近隔離層之—側設有輔助導電層。 复Φ利申明範圍第2項所述之微機電系統麥克風， X輔助導電層爲濃硼擴散之重摻雜矽層

   十 屬層。 1專利申π範圍第2項所述之微機電系統麥克風， 其中該輔助導電層靠近振動膜之一面上形成至少 __ 天觸。 2專利申凊範圍第1項所述之微機電系統麥克風， 其中遠背板靠近振動膜之一面上形成至少一突觸。 •如專利申請範圍第1項所述之微機電系統麥克風， “中σ玄月板遠離隔離層之一側形成一鈍化層。 ’如專利申請範圍第1至6項中任一項所述之微機電 22 丄 J J / J / Zr 糸統麥克風，1 φ 4 至少一突觸’、該振動膜面向背板之一側上形成 一種微機電李# & 麥克風包括封裝;卜！:風：製備方法，該微機電系統 麥克風晶片包括北克風晶片及外部電路，該 Π ^ P M R 月板、振動膜及位於背板與振動膜 间^丨Wj離層，兮北 法包括： Μ a板上設有複數聲學孔，該製備方 片第一矽基片及一片第二矽基片； 取 在=矽基片上製作振動膜； 在第一矽基片上製作隔離層； 刻#隔離層，令 氣間隙； °Λί^離層上被刻蝕之區域形成空 在第二矽基片上沿頂面 成之聲學孔未穿透第二石夕基：了㈣…，所形 鍵合隔離層與振動膜； 動膜之第—石夕基片，只留下振動膜， 對保遠之振動膜進行刻蝕； 聲學：第背面之厚度減薄，直到完全露出 予孔形成麥克風晶片； 將。亥麥克風晶片與外部 封裝外殼内。 接’亚检封於 9.如專利申請範圍第8 < f ^ ^ 斤攻之微機電系統麥克風 助導電#。 乂在第—矽基片上形成輔 23 1337372 10·=專利申請範圍第9項所述之微機電系統麥克風 之製備方法，還包括進一步在輔助導電層上光刻 成突觸。 11· ^專利申請範圍第8項所述之微機電系統麥克風 之製備方法，其中於第二矽基片減薄之背面上進一 步形成—層鈍化層。 12. 如專利申請範圍第8項所述之微機電系統麥克風

   ^製備方法’還包括進—步在振動膜上或者第二石夕 土片上光刻形成突觸。 13. —種微機電系統麥克風之製備方法， 統麥克風包括封裝外殼、麥克風晶片及外部：：乐 風晶片包括背板、振動膜及位於背板與振動 方：：離層’該背板上設有複數聲學孔，該製備 片矽基片； 取

   動膜 在。亥矽基片上製作隔離層及在隔離層上製作振 y 刻蝕振動膜及隔離層； 減薄矽基片之背面； 在該石夕基片上形成聲學孔； 通過聲學孔刻蝕隔離層形成空氣間隙 克風晶片； 坎夕 將該麥克風晶片與外部雷 、，一 封裝m κ路電連接，亚密封於 24 1337372 々專利申請範圍第13項所述之微機電系統麥克 1之製備方法，還包括進一步於該矽基片上形成高 穆雜之輔肋邕+ 电層，所述隔離層及振動膜製作於輔 助導電層上。 .如專利申請範圍第14項所述之微機電系統麥克 風之製備方法，還包括進一步在輔助導電層上光刻 形成突觸。 專利申4 圍第13項所述之微機電系統麥克 風之製備方法，還包括進—步於碎基片減薄之背面 上形成一層鈍化層。 17.如專财請範圍第13至16項中任—項所述之微 機電系統麥克風之製備方法’還包括進—步在振動 骐或者矽基片上光刻形成突觸。 25