TWI457270B - 微機電系統裝置及製程 - Google Patents

Description

微機電系統裝置及製程

本發明是關於一種微機電裝置及製程，特別是一種與轉換器(傳感器)有關的微機電裝置及製程，特定的一種電容式轉換器(傳感器)，例如，一種微機電電容式麥克風。

消費性電子裝置越變越小，而且隨著技術的進步，其性能及功能卻是愈行增強，就消費性電子產品，例如，行動電話，筆記型電腦，MP3播放器以及個人數位助理(personal digital assistants,PDAs)上所應用的技術來看，這種趨勢是很明確的。就行動電話工業上的需求來看，例如，就是要讓各種零組件體積越變越小，功能卻是越來越強，並讓成本降低。例如，某些行動電話目前需要多個麥克風來消除噪音，或是加速度計(accelerometers)來提供慣性導航，然而卻仍要保有或減小體積，並且保持跟前世代的手機類似的總成本。

如此一來便促進了微型轉換器(傳感器)的出現。例如，在演說應用上，起初是用介電式麥克風紀錄演說，但最近則引用微機電轉換器(傳感器)。微機電轉換器(傳感器)可以被用在各式各樣不同的應用上，包括但非僅限定在，壓力感測，超音波掃描，加速度監測或是訊號產生等。傳統上，此種微機電轉換器都是電容式的轉換器，而其中有一些則是包含具有用以讀取(訊號)或是驅動(此轉換器)的電極的一或多個薄膜，上述電極是沉積於薄膜上以及/或於基板上。這些電極間的相對運動則會調整它們之間的電容大小，而此電容的變化則會被相連接的電子電路，例如一靈敏的電子放大器，所偵測。

第一圖是一電容式麥克風裝置的示意圖。此電容式麥克風裝置包含一撓性薄膜11(flexible membrane)，此撓性薄膜可因應聲波而起的壓力差而自由運動。一第一電極13是以機械的方式結合到此撓性薄膜11，它們一同形成了此電容式麥克風裝置的一第一電容平板。一第二電極15也是以機械的方式結合到一般來說是一剛性的結構層或是背板17(back-plate)上，它們一同形成了此電容式麥克風裝置的一第二電容式平板。此一撓性薄膜11及背板17是由一介電材料所形成，例如，氮化矽。

此撓性薄膜11可因應一刺激，例如一聲波或是一壓力波而自由運動。此撓性薄膜的運動造成了第一及第二電極13,15間的電容變化。使用此電容式麥克風裝置時，一般會將其配置得變成一高阻抗電路，使得電容器上的電荷變化不會顯著地改變。所以，由於刺激而在此轉換器(傳感器)的電容上所生的變化，會在此轉換器的電容上造成一個11伏特跨壓的變化。此一電壓的的變化可以被偵測並處理以提供一電氣輸出訊號。

第二圖所示是如第一圖所示的薄膜11及背板17的細部圖，以及它們個別的電極13及15。此第一及第二電極13,15藉由一電壓源19(voltage source)，例如提供一12V偏壓的一電荷泵(charge pump)來施加電壓。

誠如第二圖所示，此第二電極15係被形成於此背板17中，使其為介電材料所包圍。為了某些原因，此電極是被封閉於此介電材料層，即此背板17中。

第一，藉由形成此電極15於此背板17之中，此介電材料的作用是保護此電極15免於有害的環境影響。例如，此介電層讓此金屬電極15免於銹蝕或氧化。

第二，藉由形成此電極15於此背板17之中改善此製程。這是因為相較於在聚亞醯胺(Polyimide)上沉積一金屬電極來說(在背板17及薄膜11間形成空隙的製程中，聚亞醯胺一般係被用來當作一犧牲層)，在氮化矽上沉積一金屬電極則較為容易。

第三，將此電極15密封在此背板17中，則具有降低當薄膜11朝向此背板17變形時所出現之黏滯力(stiction forces)的效果。

如第二圖所示的此一配置的缺點是，特別是對於具有氮化矽的一介電層而言，在背板17的電極15下的介電層易受電荷影響。此一特別狀況是，例如，在一潮濕的環境下，第一及第二電極13,15間的空隙的阻值會被降低。如此造成離子漂移通過此空隙並且累積到背板17的下表面，因而造成電荷累積在介電層的下表面上。而如第三圖所示，一正電荷被累積在第二電極15的上表面，而一負電荷則累積在此第一電極13的下表面上。

在氮化矽層上的電荷會增大至最大施加電壓(例如，12V)。上述是降低微機電裝置靈敏度的缺點。

在如第三圖所示的範例中，在氮化矽層中(即在第二電極15的下側以及背板17的下表面之間)的一2V的充電量會導致靈敏度的損失：20 log(10/12)=1.6dB相同地，在此氮化矽層中的一個6V的電量會形成6分貝的衰減，而一個9V的電量則會有12分貝的衰減。

累積在此氮化矽層中的電荷其具有一非常長的衰退時間，有可能是幾天或是幾週，此一時間是明顯的長於微機電裝置的反應時間。

第四圖說明在一溫度溼度施加測試後，兩麥克風的靈敏度衰減圖(在85C/85°A)。

本發明的目的是提供一種微機電裝置，以及一種製作一微機電裝置的方法，用來減低或移除上述之不要的缺點。

根據本發明的另一觀點，是要提供一種微機電系統轉換器(傳感器)，其包含：一介電材料層；形成在此介電材料層中的一電極；其中此介電材料層的一區域被用來當作一漏電路徑，藉此，在操作時，用來移除此介電材料層中不要的電荷。

根據本發明的又一觀點，是要提供一種形成一微機電系統裝置的方法，此方法包含的步驟有；沉積一第一介電材料層；沉積一電極；沉積一第二介電材料層；其中沉積此第一介電材料層的步驟包括形成一漏電路徑，藉此，在操作時，來移除此第一介電材料層中不要的電荷。

本發明所描述的是關於一微機電系統轉換器(傳感器)，其類型是一微機電電容式麥克風。然而，要了解的是，本發明同樣地可以實施成任意型式的電容式轉換器(傳感器)，它包括，但不限定於，壓力感應器，超音波轉換器，加速度監測及訊號產生轉換器。

另外，雖然本發明所描述的是關於一種微機電系統裝置的一背板，然要了解的是，本發明同樣地可以應用在一種微機電裝置的一相關電極上的任何其他的介電層，例如在電容式轉換器的一電極及其另一電極間的一介電材料層的一薄膜，例如，或若電極13是被設置在薄膜11的下側，或是被密封在其中。

請注意，雖然本發明所敘述的此具體實施例是關於一種由氮化矽所形成的一背板，然要了解的是，本發明也可適用於其他的介電材料。

根據本發明，一漏電路徑被設置在背板的一區域，用來防止或是移除任何不要的電荷累積在背板中。

請參考第五圖，根據一具體實施例，可以減少在背板的一區域17a中的電極15下側的背板厚度。可以了解的是，此術語”下側”(underside)是指電極的側邊，它是面對此電容轉換器的另一個電極，即，面對電極13的那一側。將在區域17a中的背板17的厚度減少則具有降低位在此等電極15,13之間的介電層之阻抗的效果。易言之，在此電極15之下，位在沿著一軸x-x的一平面中的此介電層的阻抗被減少，而軸x-x總合來說是從電極15延伸到另一電極13的一個軸向。

此處要注意的是，在一微機電裝置中的背板，如第五圖所示的，可藉沉積一第一氮化矽層來形成，即沉積此電極15在此第一氮化矽層的一部分上，以及沉積一第二氮化矽層在此電極15及第一氮化矽層上，藉此氮化矽來密封此電極以形成此背板17。第一氮化矽層也能沉積在一犧牲層上(未示出)，它是在製造過程中被沉積以便協助背板17的形成，但之後犧牲層便被移除，藉以在此背板17及此薄膜11之間形成了一空隙。因此，在背板17下側的此氮化矽層其厚度便可以藉由沉積一厚度較此第二層薄的一第一層來減少厚度。

根據一具體實施例，在此區域17a中的此介電層的厚度是被減少，使得此介電層可以一穿隧(隧道)操作模式來操作，使得當該電容式轉換器在使用中被施加電壓時，任何儲存在背板之區域17a中不要的電荷皆被移除。

第六圖是一個Fowler-Nordheim圖，圖中所畫的是氮化矽的電氣性質，它包括了一歐姆區域(ohmic region)及一穿隧區域(tunnelling region)。沉積一在電極15下側的氮化矽層，使得此氮化矽層可被用來於穿隧模式下操作。

如此便促成一電流穿透此氮化矽層，讓累積電荷放電，因此在一電容電路中便讓此空隙成為關鍵的絕緣體。

可以了解的是，減少了在電極下側的背板厚度到一僅僅最小厚度，將會有不欲發生的情形出現，此不欲發生的情形是減少了電容式麥克風裝置的介電層的絕緣效果，此種情形會導致裝置崩潰並起短路。

所以，根據另一具體實施例，改變此氮化矽層的一或多參數及/或與氮化矽層的沉積相關的一或多參數，藉以提供一區域，而就一已知厚度的氮化矽來說，此區域已具有經改善的電荷移除性質。較佳的是，這是可以除了上述的減低厚度之外，再附加達成的。然而，要注意的是此氮化矽層的厚度減少可以與另外的氮化矽的成分或是沉積參數的改變而改變相關聯，因此促成此厚度可以少於或者原本可能需要的厚度而被減少。

選擇此等參數，使得在電極下的介電層，在一第一方向X-X上(即在此電極表面及相對應的此背板之外表面之間)具有一第一阻抗，以及在一第二方向Y-Y上(沿著此氮化矽層的主要部分)一第二阻抗。於Y-Y的方向上的氮化層中維持一非常高的片電阻(sheet resistance)，藉以避免從12V電荷泵(charge pump input)流出不希望發生的漏電流(此漏電流會造成雜訊於此麥克風的輸出)。

一關鍵參數是控制此層的厚度及此等傳導特性間的分隔，使得此氮化層貫通其厚度皆具有一電阻值，但是在整個片電阻上則近乎示一完美絕緣體。

第七圖所示是電流導通於具不同成分之50nm厚的氮化矽層。對所有材料來說，皆出現電流皆大於1e-5安培的一歐姆傳導區域。應該控制此材料，使得穿透此層(例如，第七圖中的材料4C1)的導電性的量測可以存在，但是跨片(across the sheet)的平面導電性，則經由深寬比的控制及材料的選擇而被最小化。

具不同沉積性質的氮化矽已藉由使用麥克風晶片來測量其電荷衰減(charge decay)，而此晶片上的背板電極下的氮化層厚度為300nm。標準氮化矽已經被發現具有非常長的電荷衰減時間，其可延伸到數週甚或數月。使用氦耗盡來沉積的氮化矽已經被發現衰減到2.5V，大概要100小時，如第八圖所示。然而具富矽1.3%的氮化矽沉積，則被發現衰減到2.5V時，大概僅要20分鐘，誠如第九圖所示。

此等電極15,13較佳的是被設置在背板與薄膜的一中央區域中，也就是，不是在薄膜或背板的整個表面上，如此便具有藉此裝置的側壁來讓此漏電路徑最大化的優點。

在上述的具體實施例中，聲埠(sound ports)是穿通此介電材料層及電極。要了解的是，然而，本發明可以同樣地被應用到其聲埠並不通過其本身電極的一裝置。

在如第五圖所示的具體實施例中，即，其聲埠穿透此電極，可以看到此等電極是被密封在此介電材料中。易言之，此電極15的邊緣並不暴露在此等聲埠的內表面(inner surface)上。這種配置可以藉由此介電層被形成在此電極15之前，先在此電極15上蝕刻出具有一第一直徑的孔洞來達成，使得當直徑較小的聲埠隨後穿過此背板而被蝕刻出時，此電極15不會暴露在此聲埠的任一內表面上。

然而，根據本發明的另一個具體實施例，在此電極上形成此介電層之前並不蝕刻此電極。

因此，當經由此介電層及此電極蝕刻出聲埠時，此電極將會暴露在此等聲埠的內表面上。雖然如此會有未提供一環境屏障(environmental barrier)的缺點，然而卻具有在被暴露電極的邊緣及背板的下表面之間提供了一表面漏電路徑101的優點。

根據另一具體實施例，可以建構此裝置成為讓某些聲埠具有暴露的電極，而其他的聲埠則具有被密封的聲埠。如此便具有促成漏電路徑可以被更精確地控制其效應的優點。在電極中的孔蝕刻步驟中，即，在形成背板的頂層(top layer)之前，決定具有暴露電極的數個聲埠的變異(variation)。例如，電極中的某些孔可被建構成具有大於聲埠的直徑(例如，當實質上聲埠被蝕刻時，使得電極不會被暴露在外)，然而在電極中其他的孔則可以被蝕刻成其具有的直徑相稱於此等聲埠的直徑(或者完全不蝕刻)。

要注意的是本發明可以被應用到甚多的運用上。即包括但不限定於消費性應用，醫療應用，工業應用及車輛應用。例如，典型的消費性應用包括了，筆記型電腦，行動電話，個人數位助理及個人電腦。典型的醫療應用則包括了助聽器。典型的工業應用則包括了主動噪音消除。典型的車輛工業應用則包括了免手持話機，音頻事故感應器，主動噪音消除。

此處要注意的是，上述具體實施例只是用來舉例說明而非本發明僅是如此限定，而熟習此等技藝之人士可以藉此設計出諸多不同的具體實施例，但皆不脫本發明及隨附之申請專利範圍。此一用字”包含或包括”是指除了那些列在申請專利範圍之外，但不會被排除的諸元件或諸步驟的表示，而”一”的表示並非排除複數的特徵，以及以一單一的特徵或是其他的單元則表示可以實踐申請專利範圍中所列的數個單元的功能。在此申請專利範圍內的任何參考符號將被不會以去限定於其等的範圍來詮釋。

11．．．撓性薄膜

13．．．第一電極

15．．．第二電極

17．．．背板

17a．．．區域

19．．．電壓源

101．．．表面漏電途徑

就更清楚了解本發明，並更清晰的表示它如何達成效果，在此列出相關的圖式當作參考範例：

第一圖是根據一先前技藝的一微機電麥克風的一斷面示意圖；

第二圖是如第一圖所示的背板，薄膜及其相關電極的細節描述圖；

第三圖所示的是如第一圖及第二圖的裝置中的累積電荷；

第四圖所示的是在溫度濕度變化測試後兩麥克風的靈敏度衰減圖；

第五圖所示的是根據本發明的一微機電系統裝置的一具體實施例；

第六圖所示的氮化矽的電性圖，以及一Fowler-Nordheim圖；

第七圖所示的是通過由不同材料所形成的50nm氮化矽的導電性量測值；

第八圖所示的是氦耗盡的氮化矽的電量衰減；

第九圖所示的是富矽的氮化矽(silicon nitride having silicon enrichment)的電量衰減；

第十圖所示的是本發明的另一個具體實施例。

11．．．撓性薄膜

13．．．第一電極

15．．．第二電極

17．．．背板

17a．．．區域

19．．．電壓源

Claims (31)

1. 一種微機電系統轉換器，包含：一介電材料層；及一電極形成於該介電材料層中，該介電材料層包含了一第一介電層以及被設置在該電極的相對側上的一第二介電層；其中，該介電層材料層的一區域適合提供一漏電路徑，藉此，於操作時來移除該介電材料層中不要的電荷。
2. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，其中該區域包含一部分的一介電材料被設置於該電極的一第一側及該介電材料層的一對應外表面之間。
3. 如申請專利範圍第2項所述之微機電系統轉換器，其中相較於一第二區域，該區域的厚度被減少，而該第二區域包含了一部分的介電材料被設置在該電極的一相對側及該介電材料層的一對應外表面之間。
4. 如申請專利範圍第1、2或3項所述之微機電系統轉換器，其中該區域適合作為當使用中被加以偏電壓時，於一穿隧操作模式操作下的該介電材料區域。
5. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，其中該區域被用來使之包含了：一第一阻抗，其位在一第一平面，該第一平面包含了一平面，其本質上(substantially)是軸向地位在該電極的一表面及一第二電極的一表面之間，且該第二電極形成了一電容式轉換器的部分，以及一第二阻抗，其位在一第二平面，該第二平面包含了一平面，其位置本質上是正交於該第一平面；其中，相較於該第二阻抗，該第一阻抗是被減小。
6. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，其中該區域的組成不同於該介電材料層中的另一個區域。
7. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，其中相較於在同一層中的另一個介電材料區域，該介電材料區域的厚度不同。
8. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，其中相較於在同一層 中的另一個介電材料區域，該介電材料區域的組成不同。
9. 如申請專利範圍第1項所述之微機電系統轉換器，更包含了被設置在該介電材料中的一或多個聲埠(sound ports)，該等聲埠提供一開口位於該介電層的一第一外表面及該介電層的一第二外表面之間。
10. 如申請專利範圍第9項所述之微機電系統轉換器，其中至少有一該聲埠穿通該電極。
11. 如申請專利範圍第10項所述之微機電系統轉換器，其中該電極的一部分是暴露於該聲埠的一內面，該電極的該暴露部分在使用時用來消除不要的電荷。
12. 一種用來形成一微機電系統轉換器的方法，該用來形成一微機電系統轉換器的方法包含步驟是：沉積一第一介電材料層；沉積一電極；沉積一第二介電材料層；其中沉積該第一介電材料層的步驟包含形成一漏電路徑，藉此，在操作時來消除該第一介電材料層中不要的電荷。
13. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中相較於該第二介電材料層而言，沉積該第一介電材料層的步驟更包含沉積一減少厚度的一介電材料層的步驟。
14. 如申請專利範圍第12或13項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中沉積該第一介電層的步驟包含沉積該第一介電層，使得當通以偏壓操作時，該第一介電層材料會以一穿隧操作模式來操作的步驟。
15. 如申請專利範圍第14項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中沉積該第一層的步驟包含沉積該第一層達到一預定厚度的步驟，使其可以一穿隧操作模式來操作。
16. 如申請專利範圍第14項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中沉積該第一層的步驟包含了選擇一或多沉積參數使形成的一第一層在使用時具有一穿隧操作模式。
17. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中該第一層包含： 一第一阻抗在一第一平面上，其本質上正交於該第一層的該平面來設置；以及一第二阻抗在一第二平面上，其本質上平行於該第一層的該平面來設置；其中該第一阻抗相較於該第二阻抗而被降低。
18. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中該第一層的組成係不同於該第二層的組成。
19. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中該第一層的一區域的一厚度與該第一層的另一區域不同。
20. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中該第一層的一區域的組成與該第一層的另一區域不同。
21. 如申請專利範圍第12項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，更包括了步驟來形成一或多聲埠，該等聲埠延伸通過該第一及第二介電材料層。
22. 如申請專利範圍第21項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中形成一或多聲埠的該步驟包含了至少形成一該聲埠通過該電極。
23. 如申請專利範圍第22項所述之用來形成一微機電系統轉換器的方法，其中形成一聲埠通過該電極的該步驟包含了暴露該電極的一部分，該電極的該暴露部分在操作時用來移除不要的電荷。
24. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的電子裝置。
25. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的通訊裝置。
26. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的可攜式電話裝置。
27. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的音響裝置。
28. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的電腦裝置。
29. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的 載具(vehicle)。
30. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的醫學裝置(medical device)。
31. 一種包含如申請專利範圍第1到11項之任一項之微機電系統轉換器的工業裝置(industrial device)。