TWI448165B - 麥克風元件及其製造方法 - Google Patents

Description

麥克風元件及其製造方法

本發明係有關於麥克風元件及其製造方法，尤有關於微機電系統之麥克風元件及其製造方法。

傳統的麥克風大致有三種型態：壓電式(Piezoelectric)麥克風、壓阻式(Piezoresistive)麥克風、和電容式(Capacitive)麥克風。壓電式麥克風是以壓電材料，如：氧化鋅(ZnO)製作振膜，當振膜接受到聲波傳遞所改變的空氣密度，即聲壓，之影響時，可產生對應的電子訊號。壓阻式麥克風主要是利用壓阻材料在受力之後電阻特性發生改變以將聲音訊號轉換成電子訊號，如：壓阻式矽晶麥克風的作動原理為利用四個壓阻材料建構出一惠司同電橋(Wheatstone Bridge)，當振膜感受到外界聲壓變化而產生形變時，可造成壓阻材料之電阻值改變而產生電壓改變。由於壓電式麥克風及壓阻式麥克風對聲壓的敏感度皆較低、並且系統雜訊較大，反觀電容式麥克風，由於其具有高靈敏感度及低功耗等優良特性，因此目前市場技術的發展仍是以電容式麥克風為主。

電容式麥克風之操作原理是利用兩片金屬薄膜之間形成的電容感應外界聲壓變化，其中，微機電系統(Micro-electro-mechanical Systems，簡稱MEMS)麥克風是採用微機電系統技術製作出振膜(diaphragm)，由於體積輕薄、具有優異的抗射頻、抗電磁干擾等特性，而可應用於手機、筆記型電腦與數位攝影機等。然而，為了提升MEMS麥克風的靈敏度，常會設計較為柔軟的振膜，卻因此使得振膜容易在製作過程中，因為受到濕性製程的液體表面張力的拉扯，而產生過度的變形，以致損壞其結構而可降低製造良率，或者在MEMS麥克風遭遇撞擊或震動等情事時，亦容易產生過度位移，使得振膜之結構受到破壞而無法正常的操作。

因此，需要一種改良性的麥克風裝置，能兼具良好的靈敏度及抗震能力。

本發明之一目的係在提供一種麥克風元件及其製造方法，透過振膜上之限位結構限制位於第一區域之振膜的位移量或振動幅度，使得麥克風元件之振膜不致產生大變形量，而可維持正常的操作。

依據本發明，提供一種麥克風元件，包括一側形成一開口之一背板、一振膜及一限位結構。振膜設置於背板之另一側，位於一第一區域之振膜乃是懸浮於背板，在聲壓經開口傳至振膜時，位於第一區域之振膜會產生振動。限位結構設置於振膜上，位於一第二區域之限位結構乃是懸浮於位於第一區域之振膜上，與位於第一區域之振膜之間存在一第一間隔，當位於第一區域之振膜產生振動而改變第一間隔時，位於第二區域之限位結構限制位於第一區域之振膜的振動幅度。

依據本發明，提供一種麥克風元件製造方法，包括下列步驟：在一背板一側上形成一多層結構，包括一振膜、一犧牲層及一限位結構，犧牲層設置於振膜與限位結構之間；在背板之另一側形成一開口；及除去犧牲層，使位於一第一區域之振膜乃是懸浮於背板，位於一第二區域之限位結構乃是懸浮於位於第一區域之振膜上，與位於第一區域之振膜之間存在一第一間隔，當聲壓經開口傳至位於第一區域之振膜而產生振動以改變第一間隔時，位於第二區域之限位結構限制位於第一區域之振膜的振動幅度。

本發明之背板上之開口較佳是設置在底面側，使得聲壓可從此傳入麥克風元件。背板上可選擇性地額外形成複數個孔洞與開口連通，以及形成一元件電路與振膜之間存在一第二間隔。當位於第一區域之振膜產生振動時，第二間隔改變使得元件電路與振膜之間的電容值改變，再藉由感測電容值之改變，產生對應的電子訊號，而將聲壓轉換為電子訊號。前述背板可為任意基板，如：一矽基板或一絕緣層上矽基板。以此為例，若以矽基板作為背板，則可以半導體製程工藝在背板上製作出元件電路之結構；然而若以絕緣層上矽基板作為背板，則可將其中的絕緣層上矽以半導體製程工藝製作出元件電路之結構。其次，元件電路上可選擇性地額外設置有一隔離層，防止振膜產生振動時，沾粘元件電路。

前述振膜並無限制其外形、尺寸、厚薄、材質等特性，然而由於限位結構限制位於第一區域之振膜的振動幅度，較佳可降低振膜之剛性而可增進麥克風元件之敏感度，然不限於此。

前述之限位結構與振膜之間的設置關係並無限制，然而較佳是直接固定設置於振膜上。限位結構較佳是與振膜相同電位，如此可使得振膜因變形而接觸限位結構時，不致因此產生電流而影響振膜之電性。限位結構之覆蓋範圍亦無限定，可依據振膜之外形或其他因素作各種形狀之設計，本發明其中之一例係將限位結構設計為僅覆蓋位於第一區域之振膜之邊緣，然不限於此，此時位於第一區域之振膜之邊緣與位於第二區域之限位結構可形成對應的起伏輪廓，使得位於第一區域之振膜產生振動時，位於第一區域之振膜之邊緣可貼合於限位結構。

因此，由上述中可以得知，本發明透過振膜上之位於第二區域之限位結構限制位於第一區域之振膜的位移量或振動幅度，麥克風元件可以克服在製造過程中受到液體表面張力的拉扯，不致使得位於第一區域之振膜產生過度之位移，而可提高製造良率，或者在麥克風元件遭遇撞擊或震動等情事發生時，不致使得位於第一區域之振膜產生過度之位移，因此振膜之結構仍可維持正常的操作。

為進一步說明各實施例，本發明乃提供有圖式。此些圖式乃為本發明揭露內容之一部分，其主要係用以說明實施例，並可配合說明書之相關描述來解釋實施例的運作原理。配合參考這些內容，本領域具有通常知識者應能理解其他可能的實施方式以及本發明之優點。圖中的元件並未按比例繪製，而類似的元件符號通常用來表示類似的元件。

本發明之一實施例之麥克風元件製造方法主要是在製作出包括一側形成一開口之一背板、一振膜及一限位結構的麥克風元件，使得其振膜可隨著聲壓的變化產生振動，而可將聲音轉換成電子信號。為了便於說明，在此係選用半導體製程常用的薄膜沉積、圖形化、蝕刻等工藝進行，然而，可理解地，除特別說明之外，所利用之薄膜沉積、圖形化、蝕刻等工藝皆可選用任意類型之技術，無需進行限制，如：薄膜沉積工藝包括物理氣相沈積(Physical Vapor Deposition，簡稱PVD)、化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD)或其他薄膜沉積工藝、圖形化工藝包括微影(lithography)工藝或其他圖形化工藝、蝕刻工藝包括亁蝕刻或濕蝕刻工藝。此些薄膜沉積、圖形化、蝕刻等工藝之步驟亦可依據不同的需求或設計進行整併，而可能減少所需的光罩或薄膜沉積、圖形化、蝕刻之製作過程步驟，在此亦無須限制。

首先，請依序參考第1圖至第4圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖，使得背板10中形成一元件電路131，以及在元件電路131上選擇性地形成一隔離層15，防止振膜17(示於第7圖)產生振動時，沾粘元件電路131。如第1圖中所示，本實施例選用包括一矽基板11、一第一絕緣層12及一絕緣層上矽13之一絕緣層上矽基板作為背板10，以絕緣層上矽13供製作出元件電路，然而亦可選用任意基板，如：一矽基板11實施此背板10，再於矽基板11上以薄膜沉積工藝製作出第一絕緣層12及絕緣層上矽13之結構。隨著薄膜沈積技術及薄膜沈積參數差異，上述第一絕緣層12及絕緣層上矽13的結構可能是單晶、多晶、或非結晶的結構，在此無須限制。接著，請參考第2圖，如圖中所示，在背板10上形成一第二絕緣層14及一隔離層15。在本實施例中，第二絕緣層14及隔離層15之製作方式可以是經由薄膜沉積工藝所製作，且係示例性地選用屬於CVD之電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced CVD，簡稱PECVD)製作。第二絕緣層14可為二氧化矽或其他電性絕緣之材料，隔離層15可為矽化氮等氮化物或其他結構緻密之材料。隔離層15可提供防沾黏、防暴衝(pull-in)及/或防短路效果，並且為了提供較佳的保護功能，隔離層15較佳是具有張應力之薄膜。須注意的是，本實施例乃是示例性地在預定作出元件電路之絕緣層上矽13的上方形成隔離層15，然而隔離層15並非是必要存在之結構，在其他實施例中亦可省略隔離層15，或者以其他薄膜代替。接著請參考第3圖，其顯示第2圖之狀態經過圖形化及蝕刻之製造過程後之狀態。本實施例乃是先針對隔離層15進行圖形化及蝕刻之工藝之後，再針對第二絕緣層14進行圖形化及蝕刻之工藝，因此需以兩道光罩製作，然而對隔離層15及第二絕緣層14進行圖形化及蝕刻之工藝亦可依據不同的需求或設計進行整併，而可能減少所需的光罩或圖形化及蝕刻之製作過程步驟，在此無須限制。經過圖形化及蝕刻之工藝之後，隔離層15僅設置在預定作出元件電路之絕緣層上矽13的上方，以防止元件電路沾黏、暴衝及/或短路。接著請參考第4圖，其顯示第3圖之狀態再經蝕刻之製造過程後之狀態。如圖中所示，在此重複利用定義第二絕緣層14圖形之第二道光罩圖形化絕緣層上矽13，再經蝕刻工藝，以在絕緣層上矽13中形成元件電路131及供聲壓傳入之複數個孔洞A。元件電路131可包括電容感測電路、訊號處理電路及/或其他類型之電路，在此無須限制。

接著，請依序參考第5圖至第6圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖。本實施例之麥克風元件製造方法接著是在元件電路131上形成一犧牲層16，以定義元件電路131與振膜17之間之一間隔。如第5圖中所示，本實施例在隔離層15上復以薄膜沉積工藝形成犧牲層16，其厚度可定義出元件電路與振膜之間之間隔高度。在此係選用二氧化矽作為犧牲層16之材料，然而並不限於此。接著，如第6圖中所示，經由圖形化及蝕刻之工藝在犧牲層16上、對應隔離層15處形成複數個凹洞B，以利形成振膜17上的擋止點171(示於第7圖)。

請依序參考第7圖至第11圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖。本實施例之麥克風元件製造方法接著是在背板10一側上形成一多層結構20(示於第11圖)，包括振膜17、另一犧牲層18及限位結構19。如第7圖中所示，再於犧牲層16上以薄膜沉積、圖形化及蝕刻等工藝形成振膜17。本實施例示例性地以低應力之多晶矽製作振膜17，以獲得較柔軟的機械特性，以提升麥克風元件之靈敏度，然而不限於此。振膜17之外形、尺寸、厚度等參數亦無限制，此外，亦可依據需求或設計之不同，在振膜17周圍形成至少一彈簧，以加強振膜17之彈性。接著，請參考第8圖，再於振膜17上以薄膜沉積工藝形成犧牲層18，在此是利用電漿輔助化學氣相沈積形成一層二氧化矽作為犧牲層18，然無須限制於此。須注意的是，犧牲層18的厚度定義出限位結構與振膜之間的間隔高度。接著，請參考第9圖，以圖形化及蝕刻等工藝在犧牲層18上預先開出限位結構19與振膜17之連接孔C。在本實施例中，示例性地將限位結構19連接在振膜17的邊緣，然而，限位結構19與振膜17連接區域之形狀或連接區域之數目皆無限制。接著，請參考第10圖，再藉由薄膜沉積工藝形成一層限位結構19。在此是以多晶矽之材料製作限位結構19，然而不限於此。限位結構19透過犧牲層18上預先開出的連接位置與振膜17直接連接，如此可使得限位結構19與振膜17相同電位，在振膜17因振動或變形而接觸限位結構19時，不致因此產生電流而影響振膜17之電性。然而，須注意的是，在其他實施例中，限位結構19亦可非直接連接振膜17，因此可省略第9圖開連接孔C之步驟，唯此時較佳是將限位結構19與振膜17透過走線、導通孔(via)或其他結構組態為相同電位，以免在振膜17因振動或變形而接觸限位結構19時，恐會產生電流而影響振膜17之電性。接著，請參考第11圖，再透過圖形化及蝕刻等工藝定義出限位結構19之覆蓋範圍。須注意的是，限位結構19之覆蓋範圍亦無限定，可依據振膜17之外形或其他因素作各種形狀之設計，本實施例係將限位結構19設計為僅覆蓋振膜17之邊緣，然不限於此。

本實施例之麥克風元件製造方法接著是製作出訊號接點。請依序參考第12圖至第13圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖。如第12圖中所示，以圖形化及蝕刻工藝除去元件電路131上及振膜17上的部分犧牲層16。接著，再經薄膜沉積、圖形化及蝕刻工藝，在元件電路131上及振膜17上除去犧牲層16之部分，形成訊號接點21，以供電子訊號之輸出/輸入，如：讀出元件電路131及振膜17之間的電容感測值。訊號接點21為導體製作，如：以金屬製作，然不限於此。

本實施例之麥克風元件製造方法接著是製作出背板10上的開口，請參考第14圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖。如第14圖中所示，以蝕刻工藝，如：亁蝕刻或以KOH之類的蝕刻液進行之濕蝕刻，在背板10之底面側、對應振膜17之位置開出開口D，使得聲壓可從此傳入麥克風元件。

本實施例之麥克風元件製造方法接著是除去第一絕緣層12及犧牲層16、18以完成麥克風元件1之結構，請參考第15圖，其顯示本實施例之麥克風元件製造方法製作之麥克風元件之示意圖。如第15圖中所示，經過濕性製程之後，如：以HF之類的蝕刻液進行之濕蝕刻之後，將對應開口D之第一絕緣層12及犧牲層16去除，使得孔洞A與開口D相連、區域I之振膜17乃是懸浮於背板10，並且將犧牲層18去除，使得區域II之限位結構19乃是懸浮於區域I之振膜17上。區域II之限位結構19與區域I之振膜17之間存在一間隔d1，而元件電路131與振膜17之間存在一間隔d2。區域II之限位結構19與其覆蓋之區域I之振膜17之邊緣示例性地乃是形成對應的起伏輪廓，使得區域I之振膜17產生振動時，區域I之振膜17之邊緣可貼合於限位結構19。須注意的是，本實施例乃是示例性地以濕性製程進行，以強調限位結構19之功效，然而不限於此。在濕性製程當中，由於液體表面張力的拉扯，可使區域I之振膜17產生位移，此時區域II之限位結構19限制區域I之振膜17的位移量，使得振膜17不致過度變形而產生破壞，如此可提高製造良率。

在麥克風元件1操作中，當聲壓經由開口D、孔洞A而至振膜17，使區域I之振膜17產生振動時，間隔d2會改變而使元件電路131與振膜17之間的電容值改變，如此麥克風元件1將可以將聲音訊號轉換成電子訊號。區域I之振膜17的振動幅度將不致超過間隔d1，而受限位結構19之限制，較佳可降低振膜17之剛性而可增進麥克風元件1之敏感度，然不限於此。即使在麥克風元件1遭遇撞擊或震動等情事發生時，限位結構19之限制可使得區域I之振膜17不致產生過度的位移，因此振膜17之結構仍可維持正常的操作。

類似地，依據本發明之另一實施例，提供一麥克風元件1之結構，請再次參考第15圖，本實施例並不限於前一實施例之製造方法。麥克風元件1包括一側形成一開口D之一背板10、一振膜17及一限位結構19。振膜17設置於背板10之另一側，區域I之振膜17乃是懸浮於背板10，在聲壓經開口D傳至振膜17時，區域I之振膜會產生振動。限位結構19設置於振膜17上，區域II之限位結構19乃是懸浮於區域I之振膜17上，與區域I之振膜17之間存在一間隔d1，當區域I之振膜17產生振動而改變間隔d1時，區域II之限位結構19限制區域I之振膜17的振動幅度。

另請參考第16圖，其顯示本發明又一實施例之麥克風元件之限位結構之示意圖。如圖中所示，其乃顯示限位結構19之結構與位置可依需求變化為鏈波形、環形或其他結構，其位置亦可設置於對應振膜17之外緣，以限制位於外緣區域之振膜17的位移量或振動幅度。

另請參考第17圖，其顯示本發明再一實施例之麥克風元件之限位結構之示意圖。如圖中所示，在此示例性地繪示出限位結構19之結構與位置可依需求變化為設置於對應振膜17之中央之十字形，然而並不限於此，亦可為其他不等數量之交叉結構或其他結構。因此，限位結構19限制位於中央區域之振膜17的位移量或振動幅度。

因此，由上述中可以得知，本發明透過振膜上之位於第二區域之限位結構限制位於第一區域之振膜的位移量或振動幅度，麥克風元件可以克服在製造過程中受到液體表面張力的拉扯，不致使得位於第一區域之振膜產生過度之位移，而可提高製造良率，或者在麥克風元件遭遇撞擊或震動等情事發生時，不致使得位於第一區域之振膜產生過度之位移，因此振膜之結構仍可維持正常的操作。

以上敍述依據本發明多個不同實施例，其中各項特徵可以單一或不同結合方式實施。因此，本發明實施方式之揭露為闡明本發明原則之具體實施例，應不拘限本發明於所揭示的實施例。進一步言之，先前敍述及其附圖僅為本發明示範之用，並不受其限囿。其他元件之變化或組合皆可能，且不悖于本發明之精神與範圍。

1．．．麥克風元件

10．．．背板

11．．．矽基板

12．．．第一絕緣層

13．．．絕緣層上矽

14．．．第二絕緣層

15．．．隔離層

16、18．．．犧牲層

17．．．振膜

19．．．限位結構

20．．．多層結構

21．．．訊號接點

131．．．元件電路

171．．．擋止點

A．．．孔洞

B．．．凹洞

C．．．連接孔

D．．．開口

I、II．．．區域

d1、d2．．．間隔

第1圖至第14圖依據本發明一實施例之麥克風元件製造方法之製造過程之示意圖。

第15圖顯示本發明一實施例之麥克風元件製造方法製作之麥克風元件及本發明另一實施例之麥克風元件之示意圖。

第16圖顯示本發明又一實施例之麥克風元件之限位結構之示意圖。

第17圖顯示本發明再一實施例之麥克風元件之限位結構之示意圖。

1．．．麥克風元件

10．．．背板

11．．．矽基板

12．．．第一絕緣層

13．．．絕緣層上矽

14．．．第二絕緣層

15．．．隔離層

16、18．．．犧牲層

17．．．振膜

19．．．限位結構

21．．．訊號接點

131．．．元件電路

171．．．擋止點

A．．．孔洞

D．．．開口

I、II．．．區域

d1、d2．．．間隔

Claims (18)

1. 一種麥克風元件，包括：一背板，一側形成一開口；一振膜，設置於該背板之另一側，位於一第一區域之該振膜乃是懸浮於該背板，在聲壓經該開口傳至該振膜時，位於該第一區域之該振膜會產生振動；及一限位結構，設置於該振膜上，位於一第二區域之該限位結構乃是懸浮於位於該第一區域之該振膜上，與位於該第一區域之該振膜之間存在一第一間隔，當位於該第一區域之該振膜產生振動而改變該第一間隔時，位於該第二區域之該限位結構限制位於該第一區域之該振膜的振動幅度。
2. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中該限位結構是僅覆蓋位於該第一區域之該振膜之邊緣。
3. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中位於該第一區域之該振膜之邊緣與位於該第二區域之該限位結構形成對應的起伏輪廓，使得位於該第一區域之該振膜產生振動時，位於該第一區域之該振膜之邊緣可貼合於該限位結構。
4. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中該限位結構是直接固定設置於該振膜上。
5. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中該限位結構與該振膜為相同電位。
6. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中在該麥克風元件受撞擊而使得位於該第一區域之該振膜產生位移時，位於該第二區域之該限位結構限制位於該第一區域之該振膜的位移量。
7. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中在位於該第一區域之該振膜因一液體的表面張力而產生位移時，位於該第二區域之該限位結構限制位於該第一區域之該振膜的位移量。
8. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其中該背板是一絕緣層上矽基板。
9. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，該背板更形成複數個孔洞與該開口連通，使聲壓經該開口及該些孔洞而至該振膜。
10. 如申請專利範圍第1項之麥克風元件，其更包括一元件電路與該振膜之間存在一第二間隔，當位於該第一區域之該振膜產生振動時，該第二間隔改變使得該元件電路與該振膜之間的電容值改變。
11. 如申請專利範圍第10項之麥克風元件，其中該元件電路上更設置有一隔離層，防止該振膜產生振動時，沾粘該元件電路。
12. 一種麥克風元件製造方法，包括下列步驟：在一背板一側上形成一多層結構，包括一振膜、一犧牲層及一限位結構，該犧牲層設置於該振膜與該限位結構之間；在該背板之另一側形成一開口；及除去該犧牲層，使位於一第一區域之該振膜乃是懸浮於該背板，位於一第二區域之該限位結構乃是懸浮於位於該第一區域之該振膜上，與位於該第一區域之該振膜之間存在一第一間隔，當聲壓經該開口傳至位於該第一區域之該振膜而產生振動以改變該第一間隔時，位於該第二區域之該限位結構限制位於該第一區域之該振膜的振動幅度。
13. 如申請專利範圍第12項之麥克風元件製造方法，其中在該背板上形成該多層結構之步驟更包括將該限位結構直接固定設置於該振膜上。
14. 如申請專利範圍第12項之麥克風元件製造方法，其中在該背板上形成該多層結構之步驟更包括使該限位結構與該振膜為相同電位。
15. 如申請專利範圍第12項之麥克風元件製造方法，其更包括下列步驟：在該背板中形成一元件電路；及在該元件電路上形成另一犧牲層，以定義該元件電路與該振膜之間之一第二間隔；其中，在除去該犧牲層之後，當位於該第一區域之該振膜產生振動時，該第二間隔改變使得該元件電路與該振膜之間的電容值改變。
16. 如申請專利範圍第15項之麥克風元件製造方法，其更包括一步驟：在該元件電路上形成一隔離層，防止該振膜產生振動時，沾粘該元件電路。
17. 如申請專利範圍第15項之麥克風元件製造方法，其中在該背板中形成該元件電路之步驟更包括：在該元件電路中形成複數個孔洞，以供與該開口連通。
18. 如申請專利範圍第12項之麥克風元件製造方法，其中該除去該犧牲層之步驟包括至少一濕式製程，使位於該第一區域之該振膜產生位移，位於該第二區域之該限位結構限制位於該第一區域之該振膜的位移量。