TWI440366B - 雙單晶背面板麥克風系統及其製造方法 - Google Patents

雙單晶背面板麥克風系統及其製造方法 Download PDF

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Description

雙單晶背面板麥克風系統及其製造方法
本發明係有關於微機電麥克風(micro machined microphone)及其製造方法。
麥克風通常具有與固定背面板(backplate)平行的可移動薄膜(diaphragm)。薄膜與背面板形成可變電容(variable capacitor)。薄膜隨著入射聲能(acoustic energy)移動來改變可變電容，並因此產生代表入射聲能的電子信號。
透過微機電製程可以將多晶矽(polysilicon)製造為薄膜以及/或背面板。然而，多晶矽微機電結構可以維持來自其構造的應力，並且當冷卻時可以變形、彎曲或甚至斷開。多晶矽微機電系統(microelectromechanical system,MEMS)結構也可以具有通常不平的表面(也就是不規則波浪)，這可能像可變電容極板一樣不利的影響其品質。
在第一實施例中，雙背面板微機電麥克風具有薄膜，薄膜可移動地設置於兩個單晶背面板之間以形成兩個可變電容，其中每個電容具有各自的背面板。兩絕緣層(例如氧化層)使背面板與薄膜電性隔離。
在一些實施例中，背面板層之一者或兩者中具有各種接觸點，以促進與薄膜以及背面板之一者或兩者之間的電性連接。本發明實施例包括與背面板層之一者相鄰的背部模槽，用來提供對麥克風的實體支援，並且提供使聲能到達薄膜的路徑。在一些實施例中，背面板之一者或兩者為絕緣層上矽晶圓的一部份，而薄膜可以是多晶矽。在一些實施例中，背面板層之一者或兩者或是薄膜層包括支柱來調節背面板與薄膜之間的間隙。
雙背面板麥克風的製造是藉由提供具有第一導電單晶背面板與導電薄膜的第一晶圓以及具有第二導電單晶背面板的第二晶圓，並且將第二背面板接合至第一晶圓，使得薄膜設置於第一背面板與第二背面板之間而形成，其中薄膜與第一第二背面板電性隔離。薄膜因而形成耦合電容，其中一電容具有第一背面板而另一電容具有第二背面板。
背面板之一者或兩者可以設置於絕緣層上矽晶圓的一層中。在一些實施例中，背面板之一者或兩者或是薄膜層可以包括支柱。在一些實施例中包括可移除層，設置於背面板之一者或兩者上，以於製造期間接觸並固定薄膜。在一些實施例中，最後會將可移除層移除以釋放薄膜。
裝配處理程序可以包括將第二背面板從第二晶圓轉移至第一晶圓。在一些實施例中，第二晶圓也包括犧牲層(黏合層)以及施體基底，且處理程序包括在晶圓接合之後將施體基底與犧牲層移除。
為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉出較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下：在本發明實施例中，微機電(MEMS)麥克風系統提供最高聲壓、寬頻帶並且降低下拉的風險。為此，雙背面板麥克風具有可移動薄膜，設置於兩個單晶矽背面板之間的。
第1圖顯示可以使用本發明實施例配置之麥克風的行動電話10。在簡化的條件中，電話10具有用來接收音頻信號的接收器12，用來產生音頻信號的揚聲器14，以及用來傳送與接收電磁信號編碼音頻信號的轉頻器(transponder)16。在使用期間，使用者可以對接收器12說話，接收器12具有MEMS麥克風(第2圖)將人的聲音轉換為電子信號。內部邏輯(未圖示)與轉頻器調節此信號並傳送至遠端來源(例如衛星塔(satellite tower))，最終傳送至其他電話10上的其他人。
在本發明實施例中，接收器12具有麥克風，以機械的方式配置相對精確的低頻切斷點(cutoff point)(也就是可以測得無明顯失真的最低頻率─在現有技術中通常稱為”3分貝點(3 dB point)”)。第2圖顯示部分MEMS麥克風18的上視透視圖(又稱為”麥克風晶片18”)。第3圖顯示根據第2圖麥克風18之線2-2的橫截面視圖。為了清楚說明，第2圖與第3圖皆未顯示第二背面板。
另外，麥克風18包括靜態背面板20，用來支援並形成具有彈性薄膜22的可變電容。在本發明實施例中，背面板20是由單晶矽(例如絕緣層上矽晶圓(silicon-on-insulator wafer)的上層)形成的，而薄膜22是由沉積材料形成的，例如多晶矽沉積(deposited polysilicon)。然而，在其他實施例中可使用其他類型的材料來形成背面板20與薄膜22。例如，單晶矽傳統晶圓或是一些沉積材料可以形成背面板20。在相同的方法中，薄膜22可由單晶矽傳統晶圓、部分絕緣層上矽晶圓或是一些其他沉積材料形成。為了便於操作，背面板20具有複數通孔孔徑(through hole apertures)(“背面板孔徑24”)通向背部模槽(cavity)26。
彈簧28可移動地將麥克風18的薄膜22與靜態/固定部分40連接，麥克風18包括基底30。彈簧28有效的形成複數孔徑，以允許至少部分的聲能通過薄膜22。這些孔徑32(又稱為”薄膜孔徑32”)可以是任何合理的外形，例如凹槽、圓孔形狀或是一些不規則的形狀。然而，在其他實施例中可以具有其他類型的彈簧28與孔徑24與32。
入射聲能使薄膜22振動，因而產生介於薄膜22與背面板20之間的改變電容。這樣的聲能可以從任何方向與麥克風18接觸。例如，在第3圖中，熱能如圖示向上移動，首先通過背面板20，接著部分通過並碰撞薄膜22。在其他實施例中，聲能可以以相反的方向移動。晶片上(on chip)或晶片外(off chip)電路(未圖示)接收改變電容(透過第2圖的接觸點36)並將此改變電容轉換為可以執行進一步處理的電子信號。
應注意的是，第2圖與第3圖顯示的特定麥克風18僅作為說明的目的。
第4圖顯示雙背面板麥克風400，其中具有一對通常平行的單晶矽背面板層402與412，分別具有背面板401與411，且多晶矽薄膜層408具有可移動的導電薄膜409設置於背面板層401與411之間。薄膜409與背面板401與411的設置形成一堆疊。
一般來說，單晶矽背面板將會比多晶矽背面板更加堅固(rigid)，並且具有更一致的表面。這和先前技術中具有單背面板以及/或多晶矽背面板的設計形成對比。
薄膜409形成兩個電容─分別具有背面板401與411。當入射聲能撞擊薄膜409時，薄膜將會移動或振動。當薄膜向一背面板接近時，其同時遠離另一背面板。由於電容值與薄膜與背面板之間的間隙成反比，因此由接近薄膜之一背面板形成的電容值會增加，而由遠離薄膜之另一背面板形成的電容值會減少。
當薄膜409為固定時，薄膜與每個背面板401與411之間的距離由麥克風400內的其他結構決定。在第4圖中，薄膜409與第一背面板401之間的間隙415由接合介質(bonding media)410的尺寸決定，而薄膜409與第二背面板411之間的間隙414由接合介質413的尺寸決定。單晶背面板的硬度阻止背面板因為外力或入射聲能而產生變形，並因此允許該背面板與薄膜之間比其他背面板具有更一致的間隙，例如微機電多晶矽背面板。
在一些實施例中包括導電連接器(conductive connector)，用來作為部分麥克風結構，以促進電性連接至各種特徵的麥克風400。例如，第二背面板層412上的接觸點420電性耦接至背面板層412以及第二背面板411。這允許第二背面板411電性連接至麥克風系統內的其他電路，麥克風系統可以提供電力至背面板411或是感測由背面板411與薄膜409形成的電容。
耦接至通孔(via)422的其他接觸點421穿過第二背面板層412並電性連接至薄膜409。通孔422藉由絕緣氧化物襯裡(oxide lining)423與第二背面板層412絕緣。
第一背面板401透過穿越第二背面板層412的通孔425電性耦接至其他接觸點424。通孔425藉由絕緣氧化物襯裡426與第二背面板層412絕緣。
第4圖的麥克風400也包括穿過絕緣層上矽(silicon-on-insulator,SOI)晶圓403之底部矽層(bottom silicon layer)(處理層)405與中間氧化層406(例如埋入氧化層(buried oxide)或BOX)的背部模槽404。背部模槽404提供使入射聲能達到薄膜409的途徑，而中間氧化層406作為使背面板401與處理層405電性分離的絕緣體。
處理層405的剩餘物430提供將麥克風400設置於基底上的結構。在第二背面板層412上不具有對應的結構。這樣的對應結構將使麥克風400更高大，因而佔據更多體積，這在一些應用中是不受歡迎的(例如手機或IC封裝內部)。
由於矽晶生長的本質，藉由在與薄膜或其他晶圓相鄰的原位中發展單晶背面板層無法製造具有單晶背面板的雙背面板麥克風。然而，藉由個別產生至少一單晶背面板可以製造這樣的麥克風，並且藉由晶圓接合安裝其組成部分來製造麥克風。
在一些實施例中(也就是當一些製造步驟留給至少一晶圓時)，在至少一晶圓製作完成之前個別製造幾個組件晶圓(例如兩個SOI晶圓或是一SOI晶圓與一單晶晶圓)上的特徵，並接著將晶圓接合在一起。
第5圖顯示上述處理程序的流程圖。第6A圖、第6B圖與第6C圖顯示第5圖處理程序中可能使用的某些組成部分，而第7A圖至第7E圖顯示第5圖處理程序中所安裝的組成部分。
處理步驟開始於步驟501，在此步驟中於第一晶圓上設置第一背面板以及薄膜。第一晶圓可以為SOI晶圓，且第一背面板與薄膜可以由現有技術中已知的方法製造。
例如，在第6A圖中，第一背面板604設置於SOI晶圓600的裝置層(或背面板層)603中。背面板604包括至少一電洞(hole)/孔徑/通道605，提供聲波或聲能傳送至薄膜606的通道。
第一背面板604形成具有導電薄膜606的電容。為此，絕緣氧化層608在實體上將薄膜層607與背面板層603電性分離。晶圓600也包括處理層601以及中間氧化層602，其中包括背部模槽611。
在一些實施例中，薄膜606可以藉由可移動或犧牲材料(sacrificial material)791固定於第一晶圓600(參照第7D圖)。在接下來的處理程序期間，材料791可以用來固定薄膜606。此外，這可以降低或消除在安裝雙背面板麥克風期間薄膜606與背面板604接觸的風險。材料791可以是犧牲多晶矽或氧化物。
在步驟502中將第二背面板設置於第二晶圓上。第二晶圓可以稱為”供應晶圓(donor wafer)”，其中具有可與第二背面板分離的”供體”部分。背面板約為10微米厚並且由單晶矽製成。
例如，第6B圖中的第二晶圓620包括設置於裝置層(又被稱為第二背面板層)623中的第二背面板624。第二背面板624包括將於之後穿過背面板624形成電洞/孔徑/通道的至少一溝槽(trench)625。處理層621是供應層(換句話說，處理層621最終將背面板623捐獻給被製造的雙背面板麥克風)。
第6C圖顯示第二晶圓的其他實施例。晶圓630包括用來佈值(implant)離子(ion)或其他雜質(impurity)的受損平面631。在一實施例中，將離子(例如氫離子(hydrogen ions))佈值於晶圓630表面632下方以形成與表面632平行的受損平面631。
上表面632包括部分形成背面板634的溝槽635。在完成層轉換之後，溝槽635將形成通過第二背面板634的孔徑(如下述)。
同樣的，受損平面631上方的晶圓630區域為第二背面板層。受損平面631與第二晶圓630受損平面下方的部分633(例如第二晶圓630與溝槽635相反的一側)為施體層(donor layer)。施體層最終可以藉由在受損平面631處損壞或切斷晶圓630與背面板624分離。
第7D圖顯示第二背面板(624或634)可具有可移除或犧牲材料790。第7E圖顯示材料790在接下來的處理期間可以用來固定薄膜606，且材料790可以是例如多晶矽犧牲層、聚合物或是氧化物。
在一些應用中，薄膜與第二背面板之間的間隙和薄膜與第一背面板之間的間隙大致相同是很重要的。同樣的，在一些實施例中，第二背面板或薄膜層之一者或兩者可包括至少一非導電支柱(standoff)，例如第6A圖中的支柱610，第6B圖中的支柱626以及第6C圖中的支柱636。這樣的支柱凸起於(stand in relief)其依附的表面，且其高度應符合薄膜與第一背面板之間的間隙。在這個方法中，支柱將防止薄膜與第二背面板之間的間隙小於預期(例如小於薄膜與第一背面板之間的間隙)。在一些實施例中，這樣的支柱也可以作為第二背面板層上的接觸點與麥克風的其他成分之間的導體，例如薄膜或第一背面板。
在步驟503中，積體電路(例如電晶體與其他主動裝置、被動裝置以及互連結構)可以選擇性地設置於第二晶圓上。在第二晶圓上製造第二背面板或麥克風結構的其他特徵(例如積體電路)可以提供潛在的好處，包括較低的製造成本以及不會有在相同基底上製造微機電結構(例如薄膜)產生損害的風險。例如，這樣的製程可以在低於危險高溫的溫度下執行，一些微機電結構都是在這樣的溫度製造的。
在步驟504中將第二晶圓與第一晶圓接觸並結合。在第7A圖與第7B圖中顯示步驟504使用第6A圖與第6B圖中的某些構件。儘管本發明實施利是使用SOI晶圓，應注意的是在各種實施例中並不限於使用SOI晶圓，也可以使用例如單晶(非SOI)晶圓以及第6C圖中的第二晶圓。
第7A圖顯示提供並設置具有第一背面板604與薄膜層607中之薄膜606的第一晶圓600以及具有第二背面板623的第二晶圓620，因此第二背面板623面對薄膜607。若具有電性互連或通孔(如第4圖所示)，則第二晶圓620上的接觸點應與第一晶圓600上對應的接觸點對齊(例如接觸點可以設置於薄膜層607上)。
至少一互連材料701設置於第一晶圓600與第二晶圓620之間。互連材料701可以是黏著劑或其他導電或非導電黏合材料(bonding material)。互連材料701最初依附至第一晶圓600與第二晶圓620之一者或上述兩者。第7E圖顯示在一些實施例中，互連材料701最初設置於薄膜層607上並且擴展至薄膜606以及薄膜606與第二背面板624之間作為犧牲材料790。
在任何例子中，互連材料701與薄膜606在橫向間隔，以避免影響成品中薄膜606的移動(如第7C圖所示)。
如第7B圖所示，將兩個晶圓600與620及互連材料701接著彼此接合以形成統一構件。因此兩個晶圓透過互連材料701接合。在其他實施例中不需要插入黏合材料便可以完成接合，例如金屬接合或氧化物直接接合。
在一些實施例中，晶圓之間的接合是在低於可能會損壞MEMS結構或積體電路的溫度時形成的。在一些實施例中會在攝氏約200至400度之間製造接合。
在步驟505中，晶圓一旦彼此接合，第二晶圓的一部份(例如施體部分)會被移除，留下第二背面板與第一晶圓接合。例如，在第7C圖中已將第二晶圓620的施體層621與中間氧化層622移除，剩下依附至第一晶圓600的第二背面板層623(在此實施例中依附至薄膜層607)。因此，前溝槽635將第二背面板層623穿孔(例如穿過第二背面板層623形成孔或通道702)而形成背面板624。
移除施體層621的步驟可以包括簡單地移除中間氧化層622而使施體區域621消失。另外，施體層也可以透過蝕刻法(etching)、研磨法(grinding)或現有技術中的其他方法移除。
在其他實施例中可以透過蝕刻法以及研磨法或的組合將部分第二晶圓移除。例如，若晶圓為SOI晶圓(620)，則可以透過研磨法將處理層(621)移除而露出絕緣層(622)，接下來再透過蝕刻法將絕緣層移除。
在任何例子中，這樣的處理程序較佳為低溫處理才不會損壞裝置中的MEMS結構或電路(例如CMOS電路)。
某些處理程序可使施體晶圓完整無缺，而其他處理程序可使其完整無缺但比原先更薄。若施體晶圓的厚度足以讓傳輸層設置於其表面，則可以重複使用施體晶圓。例如，在一些實施例中藉由在施體晶圓620上製造犧牲層622(例如可以作為黏合層的氧化層)可以在施體晶圓620上形成新的背面板624，接著將新的背面板624設置於犧牲層上或與犧牲層接合。在一些實施例中，基底(施體層)本身不需要是晶圓，但可以是能夠支援製造犧牲層與背面板層的任何基底。因此，本發明實施例中所提到第二”晶圓”的結構不限制為晶圓或半導體晶圓。
在步驟506中的其他後處理可以在處理程序結束之前執行，例如表面拋光(例如透過化學機械研磨(CMP)或機械研磨)或是使電路互相連接。在某種情況下，步驟507會釋放薄膜，例如藉由移除至少一些可移除或犧牲材料(790以及/或791，若有的話)或是位於薄膜606與背面板604、624之一者或兩者之間的其他剩餘的結構。在包含這種犧牲材料的一些實施例中可能只具有犧牲材料790或791之一者。
因此，一般來說，雙背面板麥克風的一些實施例具有第一單晶背面板、第二單晶背面板、以及設置於第一與第二背面板之間的彈性薄膜。背面板與薄膜形成堆疊並透過小的間隙隔開。薄膜形成兩個可變電容，每個可變電容具有兩個背面板之一者。電性連接至薄膜與每個背面板可以藉由連接電路感測各個電容量。背面板較佳為堅固的，並且不會因為任何入射聲能而變形。
由於單晶背面板的某些物理特性，例如其硬度與光滑的表面，因此雙背面板麥克風可以提供優於單背面板麥克風的一些優點。
雙背面板麥克風系統的優點可以包括寬動態範圍，包含相對高的最大聲壓(例如大於120dB聲壓級，在一些實施例中高達160dB聲壓級或更大)以及寬頻帶(例如大於20kHz，在一些實施例中多達100kHz或更大)等等。同樣的，不同電容器所使用的偏壓高於用於單背面板設計的電壓。可以將薄膜吸引至薄膜一側之背面板的靜電力在某種程度上被薄膜與對側之背面板之間的靜電力抵銷。這些競爭、抵銷力量降低了薄膜被下拉至一背面板的可能性(稱為下拉現象(pull down phenomenon))，因此可使用較高的偏壓。
本發明雖以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明的範圍，任何熟習此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可做些許的更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
10．．．行動電話
12．．．接收器
14．．．揚聲器
16．．．轉頻器
18．．．麥克風
20、401、411、604、624、634．．．背面板
22、409、606．．．薄膜
24、32．．．孔徑
26、404、611．．．背部模槽
28．．．彈簧
30．．．基底
36、420、421、424．．．接觸點
40．．．靜態/固定部分
400．．．雙背面板麥克風
402、412、603、623．．．背面板層
403、600、620、630．．．晶圓
405、601、621．．．處理層
406、602．．．氧化層
408、607．．．薄膜層
410、413．．．接合介質
414、415．．．間隙
422、425．．．通孔
423、426．．．絕緣氧化物襯裡
430．．．處理層的剩餘物
605．．．電洞/孔徑/通道
608．．．絕緣氧化層
610、626、636．．．支柱
622．．．絕緣層
625、635．．．溝槽
631．．．受損平面
632．．．晶圓表面
633．．．受損平面的下方部分
701．．．互連材料
702．．．通道
790、791．．．犧牲材料
第1圖顯示可使用本發明實施例之微機電麥克風的行動電話。
第2圖顯示本發明實施例之微機電麥克風的示意圖。
第3圖顯示根據第2圖麥克風之線2-2的橫截面視圖。
第4圖顯示本發明實施例之具有雙單晶背面板的微機電麥克風系統的示意圖。
第5圖顯示本發明實施例之形成雙背面板麥克風的處理程序。
第6A圖至第6C圖顯示本發明各種實施例之麥克風的組成部分的示意圖。
第7A圖至第7E圖顯示本發明實施例之麥克風的各種製造階段的組成部分。
400．．．雙背面板麥克風
401、411．．．背面板
402、412．．．背面板層
403．．．晶圓
404．．．背部模槽
405．．．處理層
406．．．氧化層
408．．．薄膜層
409．．．薄膜
410、413．．．接合介質
414、415．．．間隙
420、421、424．．．接觸點
422、425．．．通孔
423、426．．．絕緣氧化物襯裡
430．．．處理層的剩餘物

Claims (20)

  1. 一種雙背面板麥克風，包括：一第一背面板層，包括一第一導電單晶背面板；一第二背面板層，包括一第二導電單晶背面板；以及一導電薄膜，可移動地設置於該第一與第二背面板之間，並且與該第一與第二背面板電性隔離，其中該等背面板與薄膜形成一堆疊，使得該薄膜與該第一背面板形成一第一可變電容以及與該第二背面板形成一第二可變電容。
  2. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，該麥克風更包括一第一絕緣層，設置於該第一背面板層與薄膜之間，以及一第二絕緣層，設置於該第二背面板層與薄膜之間。
  3. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，該第二背面板層更包括：一第二背面板接觸點，電性耦接至該第二背面板；以及一薄膜接觸點，電性耦接至該薄膜。
  4. 如申請專利範圍第3項之雙背面板麥克風，該第二背面板層更包括一第一背面板接觸點，電性耦接至該第一背面板。
  5. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，該第一背面板層更包括一第一側以及一第二側，該第一側面對該薄膜，且該第二側包括一背部模槽。
  6. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，該第二背面板層更包括一第一側以及一第二側，該第一側面對該薄膜，且該第二側包括一背部模槽。
  7. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，其中該第一背面板層以及第二背面板層之至少一者包括一絕緣層上矽晶圓。
  8. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，更包括一絕緣層，設置於該第一背面板層與薄膜之間，且其中該薄膜包括多晶矽。
  9. 如申請專利範圍第8項之雙背面板麥克風，其中該絕緣層包括氧化物。
  10. 如申請專利範圍第1項之雙背面板麥克風，更包括一或多個支柱，設置於該第二背面板層與薄膜層之間。
  11. 如申請專利範圍第10項之雙背面板麥克風，其中該支柱自該第二背面板層凸起。
  12. 如申請專利範圍第10項之雙背面板麥克風，其中該支柱自該薄膜層凸起。
  13. 一種雙背面板麥克風的製造方法，該方法包括：提供一第一晶圓，包括一第一導電單晶背面板以及一導電薄膜；提供一第二導電單晶背面板；以及將該第二背面板接合至該第一晶圓，使得該薄膜設置於該第一背面板與第二背面板之間，並且與該第一背面板與第二背面板電性隔離。
  14. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中該薄膜與該第一背面板形成一第一可變電容， 以及與該第二背面板形成一第二可變電容。
  15. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中將該第二背面板接合至該第一晶圓包括一層轉換處理程序。
  16. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，該方法更包括在該晶圓接合之後釋放該薄膜。
  17. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中該第二單晶背面板包括一第二晶圓，包含一背面板層、一黏合層以及一施體層，且其中該方法更包括移除該第二晶圓的該施體層與黏合層。
  18. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中該第二單晶背面板與第一單晶晶圓之至少一者包括一絕緣層上矽晶圓的裝置層。
  19. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中該第一晶圓更包括一犧牲材料，設置於該第一背面板對面薄膜之一側。
  20. 如申請專利範圍第13項之雙背面板麥克風的製造方法，其中該第二背面板更包括具有一第一面的一第二背面板層，其中該第一面包括一或多個支柱。
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