TWI430424B - 微機電系統聲壓感測元件及其製作方法 - Google Patents

Description

微機電系統聲壓感測元件及其製作方法

本發明係有關一種微機電系統(MEMS)聲壓感測元件及其製作方法；特別是指一種相鄰金屬層間具有交錯排列金屬段之多層膜結構之聲壓感測元件及其製作方法。

第1圖顯示美國第7,202,101號專利案所揭露的一種多金屬層MEMS結構。如第1圖所示，多金屬層MEMS結構10形成於基板11上，包含：形成於基板11上之犧牲層12；固定極板13；犧牲層14；形成於犧牲層14上之第一金屬層15；犧牲層16；形成於犧牲層16上之第二金屬層17；犧牲層18；以及以高分子聚合物薄膜密封各金屬層所形成之可動隔膜19。

此先前技術中，第一金屬層15為網狀(mesh)金屬層設計，以改善MEMS聲壓感測元件的性能。其中，網狀金屬層的設計係用以讓蝕刻氣體可以通過複數金屬而與犧牲層12,14,16,18的一部分反應，來移除部分犧牲層12,14,16,18。另外，網狀金屬層的設計亦可以改善結構應力。

然而，這種網狀金屬的設計會降低聲音感測的靈敏度，而限制了應用範圍。故此，需要利用沉積技術，在移除部分犧牲層12,14,16,18後，將高分子聚合物沉積於在各網狀金屬層外圍，用來密封各網狀金屬層，以改善聲音感測的靈敏度。此種高分子聚合物沉積製程是一種較特殊的製程，而不利於整合在現有的CMOS製程中。

另外，相關的MEMS聲壓感測元件可參考美國第6,622,368號、第7,049,051號、第7,190,038號、第6,936,524號等專利案。

有鑑於此，本發明即針對上述先前技術之不足，提出一種具有交錯排列金屬層之多層膜結構之聲壓感測元件及其製作方法。

本發明目的之一在提供一種MEMS聲壓感測元件。

本發明另一目的在提供一種MEMS聲壓感測元件之製作方法。

為達上述之目的，就其中一個觀點而言，本發明提供了一種微機電系統聲壓感測元件，包含：一基板；一固定極板，設置於該基板上；以及一多層膜結構，包括：複數金屬層；以及連接該複數金屬層之複數金屬栓；其中，該多層膜結構與該固定極板間具有一空腔，用以形成一音腔，且該複數金屬層各具有複數金屬段，每一金屬層之複數金屬段與至少另一金屬層中之複數金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結構接收聲壓時，於正交聲波前進方向，具有一相對無間隙之視平面。

就另一觀點而言，本發明提供了一種微機電系統聲壓感測元件之製作方法，包含：提供一基板；形成固定極板於該基板上；形成至少一犧牲層；形成各具有複數金屬段之複數金屬層於該犧牲層上；形成複數金屬栓用以連接該複數金屬層，以形成一多層膜結構，其中，每一金屬層之複數金屬段與至少另一金屬層中之複數金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結構接收聲壓時，於正交聲波前進方向，具有一相對無間隙之視平面；以及蝕刻移除該犧牲層，以形成一空腔作為該微機電系統聲壓感測元件之音腔。

上述微機電系統聲壓感測元件，宜更包含一支撐結構，形成並固定於該基板上，與該多層膜結構連接，用以支撐該多層膜結構。

上述微機電系統聲壓感測元件，宜更包含一絕緣層，連接於該支撐結構與該基板之間，或連接於該固定栓與該基板之間。

上述微機電系統聲壓感測元件中，該多層膜結構由上視圖視之，相鄰金屬層宜具有重疊部分。

上述微機電系統聲壓感測元件中，該多層膜結構之側邊宜留有空隙。

上述微機電系統聲壓感測元件中，該基板宜具有至少一排氣孔。

上述微機電系統聲壓感測元件中，各金屬層宜由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。

上述微機電系統聲壓感測元件中，各金屬栓宜由下列材質之至少一材質形成：鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。

底下藉由具體實施例詳加說明，當更容易瞭解本發明之目的、技術內容、特點及其所達成之功效。

本發明中的圖式均屬示意，主要意在表示製程步驟以及各層之間之上下次序關係，至於形狀、厚度與寬度則並未依照比例繪製。

第2A到2J圖顯示本發明的第一個實施例之製作流程之剖視圖。如2A圖所示，首先提供基板22，例如但不限於為矽基板。第2B圖顯示於基板22上，形成犧牲層24。犧牲層24例如但不限於為二氧化矽、含氟二氧化矽、氮化矽、氮氧化矽、或碳化矽等介電材料。第2C圖顯示於犧牲層24中，形成固定栓26連接於基板22上。形成固定栓26的方法，例如可利用半導體製程技術中，微影、蝕刻、沉積、以及化學機械研磨等技術，其為此領域之技術者所熟知，在此不予贅述。

第2D圖顯示固定極板28形成於犧牲層24上，以複數固定栓26連接於基板22上。固定極板28之材質例如為金屬或多晶矽等導電材料，作為MEMS聲壓感測元件中，用以感測聲壓的電容下極板。第2E圖顯示在固定極板28上，形成犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。第2F與2G圖分別顯示在金屬層32上，形成另一犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。第2H圖顯示在金屬層32上，繼續形成另一犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。第2H圖示意支撐結構34的形成，以及MEMS聲壓感測元件中，用以感測聲壓的電容上極板的形成。此外，第2H圖亦示意此電容之上極板中，具有複數金屬層32，且各金屬層32包含複數金屬段，相鄰金屬層32之金屬段互相以交錯的方式安排，使得本實施例之MEMS聲壓感測元件中，電容的上極板，因各層重疊之故，由上視圖視之呈大致密合，但在側邊則留有空隙，使蝕刻劑得以穿透而對犧牲層24進行蝕刻。其中，電容之上極板所包含的金屬層之層數不限於所示兩層，而可為更多層，在後文中將參照第5-7圖再舉例說明。另外，所謂由上視圖視之呈大致密合，意指每一金屬層32之複數金屬段與至少另一金屬層32中之複數金屬段以相互交錯方式排列，使得當多層膜結構36接收聲壓時，於正交聲波前進方向，具有一相對無間隙之視平面。

第2I圖顯示於MEMS聲壓感測元件中，電容的上極板形成後，利用等向性蝕刻移除犧牲層24來釋放電容上極板以形成多層膜結構36，使其可感測聲壓；並產生空腔以形成音腔40，其中，等向性蝕刻例如為離子蝕刻(reactive ion etch,RIE)、電漿蝕刻(plasma etch)、或蒸氣氫氟酸蝕刻。此外，如圖所示，支撐結構34固定於基板22上，與多層膜結構36連接，用以支撐多層膜結構36。

電容上極板採用多層膜結構36，避免了應力在大面積上累積的問題，而本發明的結構雖然將整片的上極板拆解成小面積的多個區域，但由於從上視圖視之呈大致密合，故仍能使聲壓得以充分從上方施壓作用於電容上極板上，而在製程上，因側邊則留有空隙，又便利蝕刻移除犧牲層24。

請參閱第2J之剖面圖，顯示本實施例MEMS聲壓感測元件剖視示意圖。基板22具有上下表面221與222，分別由圖中粗虛線所示意。自下表面222，可利用感應耦合電漿(inductively coupled plasma,ICP)或其他非等向性蝕刻，來移除部分基板22，以形成開孔42。利用微影與蝕刻技術，可自開孔42蝕刻至上表面221，以形成排氣孔44。排氣孔44連通至開孔42，可作為音腔40調節壓力之用。

第3圖顯示本發明的第二個實施例。本實施例意在說明本發明之MEMS聲壓感測元件，可更包含如圖所示之絕緣層46，連接於支撐結構34與基板22之間，或/且連接於固定栓26與基板22之間。絕緣層46可以做為隔絕電性連接或是黏著層之用。

第4圖顯示本發明的第三個實施例。與第一個實施例不同的是，本實施例之支撐結構34，可更包含如圖所示於複數金屬層32間之犧牲層24。犧牲層24可以加強支撐結構34的強度，使本實施例之MEMS聲壓感測元件有較佳的機械強度。

第5A到5J圖顯示本發明的第四個實施例。本實施例由上視圖與立體圖來說明多層膜結構36之更具體實施例。第5A圖顯示作為電容上極板最底層之金屬層52之上視示意圖，為便利說明起見，假設此金屬層52為整體製程中之第四層金屬層。請同時參照第5B圖，顯示第5A圖中區域50的立體圖。如第5A與5B圖所示，第四金屬層52包含複數金屬段521，其排列的方式例如為具有間隙之平行排列。

接著請參閱第5C與5D圖，顯示第四金屬層52上，形成複數第一金屬栓531之上視圖與立體圖。第5E與5F圖顯示第一金屬栓531上，形成第五金屬層54之上視圖與立體圖。如第5E與5F圖所示，第五金屬層54包含複數金屬段541，其排列的方式例如為具有間隙之平行排列；並且，第五金屬層54中之複數金屬段541與第四金屬層52中之複數金屬段521以交錯方式排列，所謂交錯方式意指非為平行、從上視圖視之有所重疊。

接著請參閱第5G與5H圖，顯示第五金屬層54上，形成複數第二金屬栓551之上視圖與立體圖。第5I與5J圖，顯示第二金屬栓551上，形成第六金屬層56之上視圖與立體圖。如第5I與5J圖所示，第六金屬層56包含複數金屬段561，其排列的方式例如為具有間隙之平行排列；並且，第六金屬層56中之複數金屬段561與第五金屬層54中之複數金屬段541以交錯方式排列；使多層膜結構58由上視圖視之，大致密合。

第6A到6D圖顯示本發明的第五個實施例。本實施例顯示多層膜結構36另一種具體實施例。其與第四個實施例之相鄰金屬層中之金屬段的排列方式不同。第6A圖顯示第七金屬層62與複數第三金屬栓631之上視示意圖，請同時參照第6B圖，顯示第6A圖中區域60的立體圖。如第6A與6B圖所示，第七金屬層62包含複數金屬段621，其排列的方式例如為具有間隙之平行排列。

第6C與6D圖，顯示第三金屬栓631上，形成第八金屬層64之上視圖與立體圖。如第6C與6D圖所示，第八金屬層64包含複數金屬段641，其排列的方式例如為具有間隙之平行排列；相似地，第八金屬層64中之複數金屬段641與第七金屬層62中之複數金屬段621以交錯方式排列；使多層膜結構68由上視圖視之，大致密合。

第7A到7F圖顯示本發明的第六個實施例。本實施例由上視圖與立體圖來說明多層膜結構36之更具體實施例。與前述幾個實施例不同，本實施例顯示一種多層膜結構由上視圖視之，可完全密合之實施例。第7A圖顯示第九金屬層72之上視示意圖，請同時參照第7B圖，顯示第7A圖中區域70的立體圖。如第7A與7B圖所示，第九金屬層72包含複數金屬段721，其排列的方式例如為具有間隙之交錯排列。

接著請參閱第7C與7D圖，顯示第九金屬層72上，形成複數第四金屬栓731之上視圖與立體圖。第7E與7F圖顯示第四金屬栓731上，形成第十金屬層74之上視圖與立體圖。如第7E與7F圖所示，第十金屬層74包含複數金屬段741，其排列的方式例如為金屬段741具有開孔之密合排列；並且，第十金屬層74中之複數金屬段741與第九金屬層72中之複數金屬段721以交錯方式排列，以使金屬段741之開孔，由上視圖視之，不與複數金屬段721之間的間隙重疊，其中，第十金屬層74與第九金屬層72具有重疊部分，使多層膜結構78由上視圖視之，大致密合。

以上各實施例中，各金屬層係由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。另外，各金屬栓係由下列材質之至少一材質形成：鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。

以上已針對較佳實施例來說明本發明，唯以上所述者，僅係為使熟悉本技術者易於了解本發明的內容而已，並非用來限定本發明之權利範圍。在本發明之相同精神下，熟悉本技術者可以思及各種等效變化。例如，本發明之金屬層數不限於實施例所示，可為其他複數層數；又如，各金屬層之金屬段不必須與緊接相鄰的金屬層之金屬段以交錯方式排列，而可以與間隔一或數層之金屬層的金屬段呈交錯方式排列，僅需整體由上視圖視之，大致密合即可；再如，每層固定栓或金屬栓數量不限於單一，亦可以為複數固定栓或金屬栓；又如，由上視圖視之，各金屬段與固定栓或金屬栓不限於如圖所示之矩形或圓形，亦可以為其他任意形狀；又如，各結構部份的形狀不限於實施例所示而可以改變等等。因此，本發明的範圍應涵蓋上述及其他所有等效變化。

10．．．多金屬層MEMS結構

11．．．基板

12,14,16,18．．．犧牲層

13．．．固定極板

15．．．第一金屬層

17．．．第二金屬層

19．．．可動隔膜

22．．．基板

221．．．上表面

222．．．下表面

24．．．犧牲層

26．．．固定栓

28．．．固定極板

30．．．金屬栓

32．．．金屬層

34．．．支撐結構

36．．．多層膜結構

40．．．音腔

42．．．開孔

44．．．排氣孔

46．．．絕緣層

50,60,70．．．區域

52．．．第四金屬層

521,541,561,621,641,721,741．．．金屬段

531．．．第一金屬栓

54．．．第五金屬層

551．．．第二金屬栓

56．．．第六金屬層

58．．．多層膜結構

62．．．第七金屬層

631．．．第三金屬栓

64．．．第八金屬層

72．．．第九金屬層

731．．．第四金屬栓

74．．．第十金屬層

第1圖顯示美國第7,202,101號專利案所揭露的一種多金屬層MEMS結構。

第2A到2J圖顯示本發明的第一個實施例之製作流程之剖視圖。

第3圖顯示本發明的第二個實施例。

第4圖顯示本發明的第三個實施例。

第5A到5J圖顯示本發明的第四個實施例。

第6A到6D圖顯示本發明的第五個實施例。

第7A到7F圖顯示本發明的第六個實施例。

22．．．基板

221．．．上表面

222．．．下表面

26．．．固定栓

28．．．固定極板

30．．．金屬栓

32．．．金屬層

34．．．支撐結構

36．．．多層膜結構

40．．．音腔

42．．．開孔

44．．．排氣孔

Claims (15)

1. 一種微機電系統聲壓感測元件，包含：一基板；一固定極板，設置於該基板上；以及一多層膜結構，包括：複數金屬層；以及連接該複數金屬層之複數金屬栓；其中，該多層膜結構與該固定極板間具有一空腔，用以形成一音腔，且該複數金屬層各具有複數金屬段，每一金屬層之複數金屬段與至少另一金屬層中之複數金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結構感測聲壓時，於正交聲波前進方向，具有一相對無間隙之視平面。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，更包含一支撐結構，形成並固定於該基板上，與該多層膜結構連接，用以支撐該多層膜結構。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微機電系統聲壓感測元件，更包含一絕緣層，連接於該支撐結構與該基板之間，或連接於該固定栓與該基板之間。
4. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，其中該多層膜結構由上視圖視之，相鄰金屬層具有重疊部分。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，其中該多層膜結構之側邊留有空隙。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，其中該基板具有至少一排氣孔。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，其中各金屬層係由下列材質之至少一材質形成：金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統聲壓感測元件，其中各金屬栓係由下列材質之至少一材質形成：鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬之碳化物、以上金屬之氧化物、或以上金屬之氮化物。
9. 一種微機電系統聲壓感測元件之製作方法，包含：提供一基板；形成固定極板於該基板上；形成至少一犧牲層；形成各具有複數金屬段之複數金屬層於該犧牲層上；形成複數金屬栓用以連接該複數金屬層，以形成一多層膜結構，其中，每一金屬層之複數金屬段與至少另一金屬層中之複數金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結構接收聲壓時，於正交聲波前進方向，具有一相對無間隙之視平面；以及蝕刻移除該犧牲層，以形成一空腔作為該微機電系統聲壓感測元件之音腔。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，更包含形成一支撐結構固定於該基板上，並與該多層膜結構連接，用以支撐該多層膜結構。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，更包含形成一絕緣層，連接於該支撐結構與該基板之間，或連接於該固定栓與該基板之間。
12. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，其中該多層膜結構由上視圖視之，相鄰金屬層具有重疊部分。
13. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，其中該多層膜結構之側邊留有空隙。
14. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，其中該蝕刻移除犧牲層之步驟包括以離子蝕刻(reactive ion etch,RIE)、電漿蝕刻(plasma etch)、或蒸氣氫氟酸蝕刻進行等向性蝕刻。
15. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統聲壓感測元件之製作方法，更包含：在基板上形成排氣孔。