TWI653192B - Ｍｅｍｓ裝置與製程 - Google Patents

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Abstract

本申請案描述一種MEMS轉換器，其中一電容器的第一導電元件與第二導電元件均設置於薄膜上。所述薄膜經塑形使得當所述可撓性薄膜回應於跨越所述薄膜的一壓力差而偏轉時，所述第一導電元件與所述第二導電元件相對於彼此位移。舉例而言，所述薄膜可為波形。

Description

MEMS裝置與製程
本發明是關於一種微機電系統(micro-electro-mechanical system；MEMS)裝置與製程，尤其是關於與轉換器(例如，電容式麥克風或揚聲器)相關的MEMS裝置與製程。
各種MEMS裝置愈來愈流行。包含諸如麥克風的MEMS電容式接收器以及諸如揚聲器的電容式傳輸器的MEMS轉換器愈來愈多地用於諸如行動電話以及攜帶型計算裝置的攜帶型電子裝置中。
使用MEMS製造製程形成的轉換器裝置通常包括一或多個薄膜，其中用於讀出/驅動的電極沈積於所述薄膜及/或基底上。在MEMS壓力感測器及麥克風的情況下，舉例而言，通常藉由量測可撓性薄膜上的電極與剛性背板上的電極之間的電容來實現所述讀出，所述電容將隨著電極之間的距離在薄膜回應於入射於薄膜表面上的聲波而撓曲時發生改變而變化。
圖1a及圖1b分別展示已知電容式MEMS麥克風裝置100的示意圖及透視圖。電容式麥克風裝置100包括薄膜層101，所述薄膜層形成可撓性薄膜，所述可撓性薄膜回應於由聲波產生的壓力差而自由移動。第一電極102以機械方式耦接至可撓性薄膜，且其一起形成電容式麥克風裝置的第一電容板。第二電極103以機械方式耦接至大體上剛性的結構層或背板104，其一起形成電容式麥克風裝置的第二電容板。在圖1a中所展 示的實例中，第二電極103嵌入於背板結構104內。
電容式麥克風形成於基底105(例如，矽晶圓)上，所述基底上可形成有上部氧化物層106及下部氧化物層107。在基底中且在任何上覆層中的空腔108(在下文中被稱作基底空腔)設置於薄膜下方，且可使用穿過基底105的「背蝕(back-etch)」而形成。基底空腔108連接至位於薄膜正下方的第一空腔109。此等空腔108及109可共同地提供聲學容積，因此允許薄膜回應於聲學刺激而移動。第二空腔110插入於第一電極102與第二電極103之間。
可在製造製程期間使用第一犧牲層(亦即，使用用以界定第一空腔的可隨後被移除的材料)且在第一犧牲材料上方沈積薄膜層101來形成第一空腔109。使用犧牲層形成第一空腔109意謂基底空腔108的蝕刻在界定薄膜的直徑方面並不起任何作用。替代地，薄膜的直徑由第一空腔109的直徑(其又由第一犧牲層的直徑界定)結合第二空腔110的直徑(其又可由第二犧牲層的直徑界定)而界定。相比於使用濕式蝕刻或幹式蝕刻執行的背蝕製程的直徑，可更準確地控制使用第一犧牲層而形成的第一空腔109的直徑。因此，蝕刻基底空腔108將在薄膜101之下的基底表面中界定開口。
下文中被稱作放氣孔111的多個孔連接第一空腔109與第二空腔110。
如所提及，可藉由在第一犧牲材料上方沈積至少一個薄膜層101來形成薄膜。以此方式，所述薄膜層的材料可延伸至支撐薄膜的支撐結構(亦即，側壁)中。薄膜層及背板層可由彼此實質上相同的材料形成，例如，薄膜及背板兩者可藉由沈積氮化矽層而形成。薄膜層可經尺寸設定以具有所需可撓性，而背板可沈積得較厚且因此為較剛性結構。另外，可 在形成背板104時使用各種其他材料層以控制其性質。使用氮化矽材料系統在許多方面為有利的，但可使用其他材料，例如，使用多晶矽薄膜的MEMS轉換器為已知的。
在一些應用中，麥克風可經配置為在使用中使得經由背板來接收入射聲音。在此等情況下，另外多個孔(在下文中被稱作聲學孔112)配置於背板104中，以便允許空氣分子自由移動，使得聲波可進入第二空腔110。與基底空腔108聯合的第一空腔109及第二空腔110允許薄膜101回應於經由背板104中的聲學孔112進入的聲波而移動。在此等情況下，基底空腔108通常被稱為「背部容積(back volume)」，且其可被實質上密封。
在其他應用中，麥克風可經配置使得可在使用中經由基底空腔108來接收聲音。在此類應用中，背板104通常仍具備多個孔以允許空氣在第二空腔與背板上方的另一容積之間自由地移動。
亦應注意，儘管圖1展示背板104正支撐於薄膜的與基底105對置的側上，但如下配置已知：背板104以薄膜層101支撐於其上方的方式最接近於基底而形成。
用以界定第一空腔及第二空腔的犧牲材料經尺寸設定以便提供在薄膜層101與基底105之間以及亦在薄膜層101與背板104之間的所要均衡分離，從而在使用中提供良好靈敏度及動態範圍。在正常操作中，薄膜可在由第一空腔及第二空腔界定的容積內變形而不接觸背板及/或基底105。
MEMS轉換器因此依賴於所述電極對之間的電容的電學性質。回應於對應於入射於薄膜上的壓力波的聲波的薄膜電極(102)相對於背板電極(103)的位移引起兩個電極之間的距離改變。可藉助於電子電路 (未展示)偵測及量測距離隨兩個電極之間的電容改變的此改變。
因此，電容的可量測改變根據以下關係與兩個電極之間的距離改變有關：C α 1/d
在已知MEMS轉換器中，一個電極耦接至可撓性薄膜且另一電極位於實質上剛性背板上或為實質上剛性背板的部分。由於可撓性薄膜回應於跨越薄膜的壓力差而偏轉，因此薄膜電極對應地相對於實質上靜止背板電極而位移。
應瞭解，此配置可具有數個缺點。舉例而言，應瞭解，背板結構可為可由轉換器的電容式感測器偵測的聲學雜訊的重要來源。舉例而言，存在於背板104中的聲學孔112可歸因於其聲阻而引起雜訊。另外，薄膜與背板之間的聲學容積的幾何形狀可引起雜訊。並且，背板與薄膜之間的靜電力可隨位移變化，從而引起相對於經施加聲學壓力的位移的非線性及因此以電氣方式感測到的輸出的失真。
本發明的實施例試圖提供試圖改良已知轉換器設計的替代轉換器設計。詳言之，較佳實施例與試圖減小MEMS轉換器中產生的雜訊有關。
根據本發明的第一態樣，提供一種MEMS轉換器，包括：具備電極對的可撓性薄膜，所述電極對包括第一導電元件與第二導電元件，其中所述可撓性薄膜經塑形使得所述第一導電元件與所述第二導電元件在所述可撓性薄膜回應於跨越薄膜的壓力差而偏轉時相對於彼此位移。
因此，根據本發明的實施例，形成電極對的第一導電元件與第二導電元件均設置於所述可撓性薄膜上或設置為可撓性薄膜的部分。歸 因於可為非平面的薄膜的形狀，可撓性薄膜的位移使得所述元件相對於彼此位移。因此，第一導電元件與第二導電元件之間的距離改變且可經偵測及量測為電容的改變。歸因於入射於轉換器上的聲波的跨越薄膜的壓力差因此經量測為第一導電元件與第二導電元件之間的電容的改變-第一導電元件與第二導電元件兩者均位於可撓性薄膜上或作為可撓性薄膜的部分。
此配置的優點為減輕了距薄膜固定距離提供第二電極的需要。因此，轉換器結構具有較少部分，及設想呈現轉換器結構的總高度的減小。此外，設想省略背板結構且因此消除聲學雜訊的重要來源的可能性。
薄膜較佳地經塑形以界定至少一個隆脊及/或凹槽。每一隆脊或凹槽可包括一對第一側壁與第二側壁。所述電極對的導電元件可設置於所述側壁上。根據一個實施例，所述隆脊的第一側壁具備所述第一導電元件與所述第二導電元件中的一者且所述同一隆脊的第二側壁具備所述第一導電元件與所述第二導電元件中的另一者。根據另一實施例，每一隆脊/凹槽包括頂峰且所述電極對的導電元件設置於可撓性薄膜的隆脊及/或凹槽的所述頂峰上。
可撓性薄膜可藉助於支撐結構相對於轉換器的基底、在薄膜的周邊處或附近被支撐。舉例而言，所述支撐結構可包括多個座架。可撓性薄膜的假想「主平面」-其經塑形以界定至少一個隆脊及/或凹槽-可經界定為等效、完全平面的薄膜的表面將在周邊支撐結構之間延伸所遍及的平面。因此，隆脊可被視為在薄膜的假想主平面「上方」突出。此外，凹槽可被視為在可撓性薄膜的假想主平面「下方」突出。
隆脊/凹槽可被視為由一對側壁形成。側壁因此自薄膜的假想主平面朝向隆脊/凹槽的頂峰延伸。所述薄膜較佳包括多個隆脊及/或凹槽。根據特定較佳實施例，所述薄膜包括一系列交替的隆脊及凹槽。因此， 所述薄膜之形式可為波形。
所述薄膜可經塑形以界定平滑、大體上彎曲的波形。替代地，所述薄膜可經塑形以界定大體上三角形波形。因此，當考慮穿過薄膜的橫截面時，所述隆脊/凹槽或每一隆脊/凹槽的所述側壁對在形成隆脊/凹槽的頂峰的點處相交。替代地，所述薄膜可經塑形以界定大體上正方形波形。因此，當考慮穿過薄膜的橫截面時，每一隆脊/凹槽的所述側壁對並不相交且替代地與界定所述隆脊/凹槽或每一隆脊/凹槽的頂峰的平面相交。
因此，所述薄膜可經塑形以包含多個隆脊及/或凹槽。當考慮呈3維的平面薄膜時，隆脊及/或凹槽的頂峰可界定跨越薄膜延伸的縱向峰軸。較佳地，所述薄膜經形成為使得所述多個隆脊及/或凹槽的所述峰軸經配置從而實質上彼此平行。可見所述多個縱向峰軸系列跨越薄膜線性地前進或延伸。
替代地，所述薄膜可經形成為使得隆脊及/或凹槽的頂峰界定封閉圓形或多邊形。由所述頂峰形成的多個封閉圓形/多邊形可被視為實質上自薄膜的中心徑向地前進。封閉圓形/多邊形的大小可自薄膜中心處或附近的最小圓形/多邊形增大至薄膜周邊處的最大圓形/多邊形。
根據一個實施例，所述薄膜包括至少兩個隆脊或至少兩個凹槽，其中所述第一導電元件與所述第二導電元件中的一者設置於為第一隆脊/凹槽的一個所述隆脊/凹槽上，且所述第一導電元件與所述第二導電元件中的另一者設置於鄰近於所述第一隆脊/凹槽的另一所述隆脊/凹槽上。
已經考慮促進電容的差動量測的判定，由此使能夠藉由共模抑制對一些雜訊源進行濾波的轉換器設計。舉例而言，已經提議由兩個背板組成的轉換器結構。然而，此設計引入另外的雜訊且製造起來複雜。
本發明的較佳實施例試圖使能夠產生電容的差動量測以使 得轉換器輸出的處理可消除雜訊-尤其電雜訊-藉助於熟知的共模抑制技術。
較佳地，此處MEMS轉換器包括多個電極對。所述多個電極對可位於所述薄膜上以便形成單個電極對集合。因此，所述轉換器經配置/可經操作以提供表示單個電極對集合的第一導電元件與第二導電元件之間的電容改變的單個輸出信號。
替代地，所述多個電極對可位於所述薄膜上以便形成第一電極對集合與第二電極對集合。因此，所述轉換器經配置/可經操作以提供表示每一各別集合的第一導電元件與第二導電元件之間的電容改變的對應第一輸出信號與第二輸出信號。
將偏壓電壓施加至每一電極對的導電元件中的一或多者。所述導電元件可包括金屬材料。
根據本發明的第二態樣，提供一種MEMS轉換器，包括由多個隆脊及/或凹槽形成的可撓性薄膜，其中所述隆脊及/或凹槽具備至少一個電極對，每一電極對包括第一導電元件與第二導電元件，且其中給定電極對的所述第一導電元件與所述第二導電元件在可撓性薄膜回應於跨越薄膜的壓力差而偏轉時相對於彼此位移。
根據本發明的第三態樣，提供一種MEMS轉換器，包括非平面可撓性薄膜。
應瞭解，儘管並不需要背板結構以用於支撐轉換器的一對電容板中的一者，但仍可需要出於穩固性目的提供背板或其他罩蓋結構(例如，在高壓事件情形下為薄膜提供托架)。然而，此結構將較佳地經修改以(例如)藉由增大背板孔的大小而減輕對轉換器的雜訊效能的影響。
所述轉換器可為電容式感測器，諸如麥克風或揚聲器。所述轉換器可包括讀出(亦即放大)電路。所述轉換器可位於具有聲埠(亦即， 聲學埠)的封裝內。所述轉換器可實施於電子裝置中，所述電子裝置可為以下各者中的至少一者：攜帶型裝置；電池供電式裝置；音訊裝置；計算裝置；通信裝置；個人媒體播放器；行動電話；平板電腦裝置；遊戲裝置；以及語音控制式裝置。
任何給定態樣的特徵可與任何其他態樣的特徵組合，且本文中所描述的各種特徵可以任何組合實施於給定實施例中。
針對以上態樣中的每一者提供製造MEMS轉換器的關聯方法。
根據本發明的另一態樣，提供一種製造包括至少一個導電元件的非平面可撓性薄膜的方法，包括：在基底的上部表面中形成第一空腔；將第一犧牲材料層設置在所述空腔內；將第一導電/金屬材料層設置在所述空腔內的所述犧牲層的頂部上且圖案化所述導電/金屬材料層以界定至少一個所述導電元件；將第二犧牲材料層設置在所述空腔內且在上覆於所述導電元件的區域中移除所述第二犧牲層以在所述導電元件上方界定第二空腔(在所述第一空腔內)；將薄膜材料層沈積在所述第一空腔上方，包含沈積在所述第二空腔上方，以形成波形薄膜層。
體現本發明的所述另一態樣的方法導致形成具有波紋的非平面薄膜層(波形薄膜層)，其中導電元件設置於波紋的下側上。因此，第一導電金屬材料層用於在薄膜層的「下側」上形成至少一個導電元件。
較佳地，所述方法更包括：將第二導電/金屬材料層設置在所述波形薄膜層的頂部上；以及 圖案化所述第二導電/金屬材料層以界定至少一個另外的導電元件。
此情形導致形成具有設置於波形薄膜層的「上部」表面及「下部」表面兩者上的至少一個導電元件的非平面薄膜層。
所述方法較佳地亦包括：在所述基底的所述下部表面中形成空腔；以及移除所述第一犧牲層與所述第二犧牲層以釋放所述波形薄膜材料層。
1~27‧‧‧步驟
100‧‧‧電容式MEMS麥克風 裝置
101‧‧‧薄膜層
102‧‧‧第一電極/薄膜電極
103‧‧‧第二電極/背板電極
104‧‧‧背板/背板結構
105‧‧‧基底
106‧‧‧上部氧化物層
107‧‧‧下部氧化物層
108‧‧‧空腔/基底空腔
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
112‧‧‧聲學孔
202a‧‧‧第一導電元件
202b‧‧‧第二導電元件
204a‧‧‧第一側壁
204b‧‧‧第二側壁
205‧‧‧平面表面
214‧‧‧凹槽
215‧‧‧可撓性薄膜
302a‧‧‧第一導電元件
302b‧‧‧第二導電元件
312a‧‧‧電極對的第一集合
312b‧‧‧電極對的第二集合
314‧‧‧薄膜
316‧‧‧假想主平面
317‧‧‧實質上平面表面
615‧‧‧薄膜
620‧‧‧轉換器基底
為了更好地理解本發明以及展示可如何實現本發明，現將以實例方式參考附圖，在附圖中：圖1a及圖1b以截面圖及剖視透視圖說明已知電容式MEMS轉換器。
圖2為根據一個實例實施例的可撓性薄膜的截面圖。
圖3a至圖3c提供根據另一實例實施例的可撓性薄膜的各種視圖。
圖4a展示對照薄膜的位移標繪的在圖3a至圖3c中所展示的第一電極對集合與第二電極對集合的電容改變的圖形表示。
圖4b展示對照薄膜的位移標繪的自圖4a中所展示的兩個標繪圖獲得的差動電壓信號的圖形表示。
圖5a及圖5b展示穿過根據本發明的另一實施例的薄膜的橫截面。
圖6a至圖6d以橫截面說明根據體現本發明的各種實例的數個薄膜設計。
圖7a及圖7b各自說明根據體現本發明的實例的薄膜設計的平面圖。
圖8說明根據本發明的實施例的非平面薄膜的製程流程的步驟。
類似於其他圖中的特徵的任何特徵在整個本說明書中被給定相同的參考編號。
本發明的實施例是關於包括非平面可撓性薄膜的MEMS轉換器。
圖2說明穿過根據第一實例實施例的可撓性薄膜215的橫截面。所述薄膜包括由一對側壁204a與側壁204b形成的凹槽214，所述對側壁自薄膜表面延伸至呈平面表面205形式的凹槽的頂峰。在此特定實例中，所述凹槽在薄膜的主平面表面「下方」突出。然而，應瞭解，圖2實施例可類似地包括在薄膜的主平面表面「上方」突出的隆脊。因此，所述薄膜可被視為呈現如圖2中所說明的在z維度(亦即，與界定於x維度及y維度上的薄膜的平面正交)上的改變或不連續性。薄膜215具備分別設置於凹槽的第一側壁204a與第二側壁204b上的第一導電元件202a與第二導電元件202b。
在使用中，電極連接至允許量測電容的電路(未展示)。
當歸因於聲學雜訊的壓力波入射於可撓性薄膜215上時，所述薄膜自其均衡位置位移。薄膜的位移導致導電元件202a與202b之間的距離的對應位移，其可量測為電容的改變。舉例而言，可撓性薄膜215的向上位移將引起兩個導電元件的分離，從而導致產生於導電元件之間的電容的可量測減小。經量測電容改變允許元件之間的距離改變，且因此允許判定薄膜的位移量。
圖2設計表示一對電容板-或導電元件-設置於所述薄膜上或與所述薄膜相關聯的替代薄膜結構。此促進當提供第一導電元件與第二導電元件相對於薄膜的假想平面的不同側向位置時側向跨越薄膜產生可量測電容。
根據此實施例，減輕了對於定位於薄膜上方的固定電極(例如作為背板結構的部分)的需要。此實現根據其可省略常用背板結構或固 定電極的其他支撐結構的轉換器組態的可能性。此轉換器組態將得益於聲學雜訊的顯著減小。
圖3a說明穿過根據本發明的另一實施例的實質上處於均衡位置的薄膜的橫截面。薄膜314包括在薄膜的假想主平面316上方及下方突出的多個交替隆脊及凹槽。所述隆脊及凹槽中的每一者包括一對傾斜側壁。薄膜呈現大體上方形波的形狀。每一隆脊/凹槽的頂峰包括跨越薄膜縱向延伸的實質上平面表面317。自圖3c更為清楚地可見此情形，圖3c為薄膜314的一部分的透視圖。
薄膜314包括多個電極對312-各自包括第一導電元件302a與第二導電元件302b-其在圖3中由虛線指示。應瞭解，導電元件可僅屬於一個電極對，如圖3a中所展示，或替代地，導電元件中的一或多者可屬於多於一個電極對-亦即，導電元件可被兩個或多於兩個電極對共用。此將由相關聯電路及連接導電元件以供讀出的方式判定。所述電極對形成電極對的兩個集合312a及312b。
在此實施例中，形成電極對的第一導電元件與第二導電元件位於隆脊/凹槽的側壁上從而實質上面向彼此。當認為薄膜在均衡位置處時，如圖3a中所展示，以自薄膜的假想主平面316實質上相同偏移提供給定集合中每一導電對的導電元件。因此，電極對的第一集合312a在+z方向上偏移且電極對的第二集合312b在-z方向上偏移相同的距離。
在使用中，將偏壓電壓施加至第一導電元件與第二導電元件中的一者或兩者。跨越電極對中的每一者施加的電位差可相同或不同。
同樣，當歸因於聲學雜訊的壓力波入射於可撓性薄膜315上時，所述薄膜自其均衡位置位移。圖3b展示當已在+z方向上自均衡位置向上位移時的薄膜315。在如圖3b中所展示的薄膜的位移之後，薄膜的假 想主平面316可被視為變形成在薄膜的周邊支撐邊緣之間延伸的弧形。形成電極對的第一集合312a的導電元件已經位移使得電極對的各別第一導電元件與第二導電元件之間的距離增大。相反地，形成電極對的第二集合312b的導電元件已經位移使得電極對的各別第一導電元件與第二導電元件之間的距離減小。
取決於特定設計(例如，關於假想平面的尺寸)，應注意，對於小的向上位移，形成電極對的第二集合的導電元件最初可朝向彼此位移，從而獲得電容的增大；之後隨著薄膜的向上位移增大而繼續遠離彼此位移，從而獲得電容的減小。對於薄膜在-z方向上的向下偏轉，將為相反的情況。圖4a展示電極對的第一集合與第二集合中的每一者的電容改變相對於薄膜中心處的薄膜位移的圖形表示。實線表示電極對的第一集合312a的電極對之間的電容改變。上部虛線表示形成電極對的第二集合312b的電極對的導電元件之間的電容改變。因此，由此可見，電極對的第二集合的電容最初增大且接著開始減小。
在此實施例中，如所說明的併有薄膜的MEMS轉換器的特定優點為可產生兩個輸出-表示電極對的第一集合的導電元件之間的電容改變的一個輸出及表示電極對的第二集合的導電元件之間的電容改變的一個輸出。因此，併有具備電極對的第一集合與第二集合的薄膜的實施例(例如，如圖3中所展示)可有利地用作差動系統。如將瞭解，差動系統的有利之處在於其允許藉由例如共模抑制移除由諸如轉換器電源供應器的源產生的電雜訊或自外部電干涉拾取的雜訊，從而將由各別電容改變產生的兩個輸出信號施加至差動放大器的兩個輸入及減去所述兩個輸出信號。
另外，及如關於圖2實施例所論述，由於可自設置於薄膜上的電極對獲得電容改變，因此減輕了對於相對於薄膜而定位的固定第二電 極(例如作為背板的部分)的需要。因此，圖3a實施例促進差動信號的產生-且因此促進存在於兩個輸出信號中的電雜訊的抑制-以及另外將藉由諸如支撐固定電極的背板的結構的佈建而引入的聲學雜訊的減小。此在與促進差動信號產生的先前考慮的轉換器設計進行比較時尤其有益。此類先前設計通常利用第二背板結構以支撐第三固定電極，使得量測薄膜電極相對於設置於第一背板結構中的第二固定電極的位移(第一輸出信號)及薄膜電極相對於設置於第二背板結構中的第三固定電極的位移(第二輸出信號)。然而，儘管先前設計達成所獲得輸出信號的倍增，且因此可改良信雜比(signal to noise ratio；SNR)，但此改良可被為額外背板結構的結果的雜訊的提高而逐漸削弱。
由電極對的第一集合與第二集合產生的輸出信號之間的差因此可經處理以獲得差動信號。圖4b展示對照薄膜中心的位移標繪的自圖4a中所展示的兩個標繪圖獲得的差動電壓信號的圖形表示。應注意，即使當電極對的第二集合最初朝向彼此位移且隨後接著位移隔開時，電極對的第一集合與第二集合的電容之間的差亦將繼續增長。自圖4a及圖4b可見，儘管電極對的第一集合與第二集合的導電元件之間的距離並不隨薄膜位移線性地變化，但所述距離之間的差隨薄膜位移線性地變化。
薄膜的性質將影響效能，例如轉換器裝置的靈敏度。舉例而言，隆脊/凹槽的深度及/或寬度、薄膜材料的剛度及/或厚度、以及薄膜區域的總體形狀，所有參數均可影響第一導電元件與第二導電元件可能的距離。此又將影響轉換器裝置的靈敏度。設想本發明的實施例，其中針對所需轉換器裝置的特定靈敏度及/或針對所需轉換器裝置的特定應用選擇各種薄膜性質。
圖5a及圖5b展示穿過根據本發明的另一實施例的薄膜的橫 截面。所述薄膜之形式為波形且因此包括在薄膜的假想主平面316上方及下方突出的多個交替隆脊及凹槽。所述隆脊及凹槽中的每一者包括一對側壁。所述薄膜呈現實質上方形波的形狀。每一隆脊/凹槽的頂峰包括跨越薄膜縱向延伸的實質上平面表面。
在此實例中，所述薄膜包括電極對的第一集合312a與電極對的第二集合312b。然而，在此實例中，電極對的導電元件設置於隆脊及凹槽的頂部頂峰平面及底部頂峰平面上。此配置相對易於製造，由於形成導電元件的金屬材料或導電材料可易於沈積於頂峰平面上。
圖6以橫截面說明根據體現本發明的各種實例的數個薄膜設計。所述薄膜與轉換器基底620呈固定關係被支撐。
圖6a展示包括多個弓形隆脊的薄膜615。形成電極對的第一導電元件302a與第二導電元件302b設置於給定隆脊的側壁上。此實例促進單個輸出信號的產生。
圖6b展示包括一系列交替隆脊及凹槽的薄膜615。所述薄膜經塑形以呈現實質上彎曲的形式。所述薄膜具備電極對的第一集合312a及電極對的第二集合312b。所述電極對的導電元件設置於薄膜的所述頂峰上。形成電極對的第二集合312b的導電元件因此設置於在薄膜的假想主平面下方的負峰或槽上。此實例促進兩個輸出信號的產生-一個輸出信號來自電極對集合312a及312b中的每一者-且因此促進差動信號的產生，所述差動信號有利地允許藉由共模抑制消除存在於輸出信號中的電雜訊。
圖6c展示包括多個成矩形隆脊的薄膜。形成電極的第一導電元件302a與第二導電元件302b設置於鄰近隆脊的頂峰表面上。
圖6d展示經塑形以包括多個交替隆脊及凹槽的薄膜。所述薄膜呈現經截斷三角形形式。與在圖6b中一樣，所述薄膜具備電極對的第 一集合312a及電極對的第二集合312b。所述電極對的導電元件設置於薄膜的頂峰上。在此實例中，電極對的每一集合的導電元件中的兩者被兩個鄰近電極對共用。此實例促進兩個輸出信號的產生-一個輸出信號來自電極對集合312a及312b中的每一者-且因此促進差動信號的產生，所述差動信號有利地允許藉由共模抑制消除存在於輸出信號中的電雜訊。
圖7a及圖7b各自說明根據體現本發明的實例的薄膜設計的平面圖。圖7a及圖7b上繪製的線表示薄膜的凹槽及/或隆脊的頂峰。儘管繪製為線，但應瞭解，當所述薄膜經塑形以提供具有大體上方形波輪廓或具有經截斷三角形波輪廓的多個隆脊及/或凹槽時，所述頂峰實際上可包括平面表面，諸如圖3c中所展示的平面表面。
如圖7a中所展示，多個隆脊的頂峰跨越將相對於底層薄膜(未展示)而錨定的薄膜線性地延伸。可認為所述隆脊界定縱向軸線，其中所述隆脊的軸線實質上平行且在第一方向上大體上對準。據設想，所述多個隆脊可替代地界定多個曲線。
如圖7b中所展示，所述多個隆脊中的每一者的所述頂峰可界定封閉圓形或多邊形-在此狀況下為矩形-所述頂峰相對於薄膜中心徑向地配置。由所述頂峰界定的所述矩形中的每一者的大小自薄膜中心處或附近的區域朝向薄膜周邊增大。因此，圖7b實施例可被視為包括多個同心波紋。所述頂峰可圍繞共同對稱軸對稱地配置，其中薄膜的中心或替代地薄膜可經塑形以使得所述頂峰遵循薄膜的周邊的形狀。
本發明的實施例促進可量測電容跨越薄膜側向產生。因此，在薄膜上的不同側向位置處設置第一導電元件與第二導電元件。
圖8說明根據本發明的實施例的用於製造具有單個波紋或凹槽的非平面薄膜的製程流程的編號1至27的一系列步驟。為了清楚起 見，在此圖中僅說明單個波紋。
步驟1：提供裸矽基底。
步驟2：將抗蝕劑(未展示)置於基底的一側(出於此解釋的目的被稱為前側)上且圖案化所述抗蝕劑。在Si基底中執行時控蝕刻。此蝕刻的深度相較於所提議波紋應較深。
步驟3：將聚醯亞胺(polyimide；PI)薄層旋轉至晶圓上。此步驟在控制波紋深度方面起作用且隨後在穿過基底的後續背蝕(步驟23)中充當蝕刻終止(Etch Stop；ESPI)。
步驟4：在平坦化之前放置抗蝕劑層。
步驟5：圖案化抗蝕劑層。
步驟6：藉由化學機械平坦化(Chemical-Mechanical Planarization；CMP)來平坦化前側且接著移除抗蝕劑。
步驟7：放置波紋終止層。用於波紋終止的材料理想地應具有對PI蝕刻化學物質及Si蝕刻化學物質兩者的高選擇性。舉例而言，可使用鋁/鈦。此材料最終亦可變為波紋的下側上的電極。波紋終止的厚度將影響波紋的最終深度。
步驟8：沈積另一抗蝕劑層。
步驟9：圖案化抗蝕劑。
步驟10：蝕刻所述波紋終止。
步驟11：移除所述抗蝕劑。
步驟12：在波紋終止上方旋轉另一PI層。
步驟13：執行另一CMP平坦化。
步驟14：沈積另一抗蝕劑層。
步驟15：圖案化所述抗蝕劑。
步驟16：向下蝕刻所述PI層至所述波紋終止上。所述波紋終止用以界定蝕刻的端點。
步驟17：移除所述抗蝕劑。
步驟18：將氮化矽層沈積於前表面上從而產生具有波紋的薄膜層。
步驟19：將用以形成一或多個導電元件的金屬沈積於頂部表面上。
步驟20：旋轉及圖案化抗蝕劑層。
步驟21：蝕刻頂部金屬層以界定兩個導電元件。(同樣，將術語-導電元件與此製程流程聯繫起來為至關重要的)
步驟22：將抗蝕劑遮罩沈積於基底的另一側(出於此解釋的目的被稱作背側)上。
步驟23：圖案化背側抗蝕劑。
步驟24：對充當此蝕刻的端點的聚醯亞胺的背側蝕刻。
步驟25：移除背側抗蝕劑。
步驟26：在波紋終止處進一步背側蝕刻終止。
步驟27：蝕刻掉殘餘聚醯亞胺以完全釋放薄膜。
因此，根據本發明的實施例，製造包括至少一個導電元件的非平面可撓性薄膜的方法包括：在基底的上部表面中形成第一空腔(步驟1至步驟2：其可例如被稱作「前側蝕刻」製程)；將第一犧牲材料層設置在空腔內(步驟3至步驟6)；將第一經圖案化導電/金屬材料層設置在空腔內的犧牲層的頂部上(步驟7至步驟11)；將第二犧牲材料層設置在空腔內(步驟12至步驟13)，及在上覆於第一經圖案化導電/金屬材料層的區域中移除第二犧牲層以在所述經圖案化導 電/金屬材料層上方界定第二空腔(在第一空腔內)(步驟12至步驟16)；以及將薄膜材料(例如，SiN)層沈積在第一空腔上方，包含沈積在第二空腔上方(步驟17至步驟18)。
因此，步驟1至步驟18導致具有波紋的非平面薄膜層(波形薄膜層)的形成，其中導電元件設置於波紋的下側上。因此，第一導電金屬材料層用於在薄膜層的「下側」上形成至少一個導電元件。
隨後，根據本發明的較佳實施例，所述方法可包括：將第二導電/金屬材料層設置在所述波形薄膜層的頂部上(步驟19)；圖案化所述第二導電/金屬材料層以界定至少一個另外的導電元件。
因此，額外步驟19及額外步驟20導致形成具有設置於波形薄膜層的「上部」表面及「下部」表面兩者上的至少一個導電元件的非平面薄膜層。
隨後，根據本發明的較佳實施例，所述方法更包括：在基底的下部表面中形成空腔(步驟22至步驟24，其可被稱為(例如)「背側蝕刻」製程)
移除第一犧牲層與第二犧牲層以釋放波形薄膜材料層(步驟25至步驟27)。
應瞭解，設置於薄膜層的各側上的波紋(隆脊及/或凹槽)的數目以及導電元件的數目將取決於薄膜層的預期設計。舉例而言，所述方法可易於適用於僅在薄膜的一側上設置至少一個電極對而在另一側上不設置任何導電元件。形成電極對的第一導電元件與第二導電元件較佳地將相對於波紋定位，使得第一導電元件與第二導電元件在可撓性薄膜回應於跨越薄膜的壓力差而偏轉時相對於彼此位移。
應理解，所提供的方向不應以任何方式被解釋為限於轉換器在任何製造步驟期間的任何特定定向及/或其在任何封裝中的定向，或實際上封裝在任何設備中的定向。相對術語「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「下側」、「下面」等應相應地被解釋。
本發明的實施例尤其適用於MEMS感測器轉換器，尤其諸如MEMS麥克風及MEMS揚聲器的電容式轉換器。亦應瞭解，可實施其他類型的MEMS電容式感測器，例如，加速計、壓力感測器、近接感測器或流量計。
實施例可實施於主機裝置中，尤其攜帶型主機裝置及/或電池供電式主機裝置，諸如，行動電話及音訊播放器、視訊播放器、PDA、行動計算平台(諸如，膝上型電腦或平板電腦)及/或遊戲裝置；或實施於經設計以用於可能經由多電線電纜、多極插口或光纖以及連接器而與此類主機裝置有線或無線連接的附屬裝置中，諸如，頭戴式耳機、耳塞(可能消除雜訊)或麥克風總成。
應注意，上文所提及的實施例說明本發明而非限制本發明，並且熟習此項技術者將能夠在不脫離所附申請專利範圍的範疇的情況下設計許多替代實施例。詞「包括」不排除除請求項中所列的元件或步驟以外的元件或步驟的存在，「一(a/an)」不排除多個，且單個特徵或其他單元可滿足申請專利範圍中所陳述的若干單元的功能。申請專利範圍中的任何參考編號或標記不應被解釋為限制其範疇。

Claims (22)

  1. 一種電容式MEMS轉換器，包括：一可撓性薄膜，其具備一電極對，所述電極對包括第一導電元件與第二導電元件，其中所述可撓性薄膜經塑形以界定至少一個隆脊及/或凹槽使得當所述可撓性薄膜回應於跨越所述薄膜的一壓力差而偏轉時所述第一導電元件與所述第二導電元件相對於彼此位移。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中每一隆脊或凹槽包括一對第一側壁與第二側壁，所述電極對的所述導電元件設置於所述側壁上。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述隆脊的所述第一側壁具備所述第一導電元件與所述第二導電元件中的一者且所述同一隆脊的所述第二側壁具備所述第一導電元件與所述第二導電元件中的另一者。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中每一隆脊/凹槽包括一頂峰且其中所述電極對的所述導電元件設置於所述可撓性薄膜的所述隆脊及/或凹槽的所述頂峰上。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述薄膜經塑形以包含一系列交替隆脊及凹槽。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，所述薄膜包括至少兩個隆脊或至少兩個凹槽，其中所述第一導電元件與所述第二導電元件中的一者設置於為一第一隆脊/凹槽的一個所述隆脊/凹槽上，且所述第一導電元件與所述第二導電元件中的另一者設置於鄰近於所述第一隆脊/凹槽的另一所述隆脊/凹槽上。
  7. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，包括多個電極對。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述多個電極對形成電極對的一單個集合且其中所述轉換器經配置/可經操作以提供表示電極對的所述單個集合的第一導電元件與第二導電元件之間的電容的改變的一單個輸出信號。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述多個電極對形成電極對的第一集合與第二集合，且其中所述轉換器經配置/可經操作以提供表示每一各別集合的第一導電元件與第二導電元件之間的電容的所述改變的對應第一輸出信號與第二輸出信號。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中將一偏壓電壓施加至一電極對的所述導電元件中的一或多者。
  11. 一種電容式MEMS轉換器，包括一可撓性薄膜，其由多個隆脊及/或凹槽形成，其中所述隆脊及/或凹槽具備至少一個電極對，每一電極對包括一第一導電元件與第二導電元件，且其中一給定電極對的所述第一導電元件與所述第二導電元件在所述可撓性薄膜回應於跨越所述薄膜的一壓力差而偏轉時相對於彼此位移。
  12. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述導電元件包括一陶瓷材料或金屬材料。
  13. 如申請專利範圍第7項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述多個電極對的所述第一導電元件在一第一電節點處連接在一起且所述多個電極對中的每一者的所述第二導電元件在一不同第二電節點處連接在一起以提供一單個複合電極對。
  14. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，更包括一罩蓋及/或一背板。
  15. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述可撓性薄膜相對於一基底呈一固定關係被支撐。
  16. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述可撓性薄膜包括一結晶材料或多晶材料，諸如氮化矽。
  17. 如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器，其中所述轉換器包括一電容式感測器，諸如一麥克風或一揚聲器。
  18. 如申請專利範圍第17項所述的電容式MEMS轉換器，更包括一共同半導體基底上的讀出電路，其中所述讀出電路可包括類比電路及/或數位電路。
  19. 一種包括一如申請專利範圍第1項所述的電容式MEMS轉換器的電子裝置，其中所述裝置為以下各者中的至少一者：一攜帶型裝置；一電池供電式裝置；一音訊裝置；一計算裝置；一通信裝置；一個人媒體播放器；一行動電話；一遊戲裝置；以及一語音控制式裝置。
  20. 一種製造包括至少一個導電元件的一非平面可撓性薄膜的方法，包括：在一基底的上部表面中形成一第一空腔；將一第一犧牲材料層設置在所述空腔內；將一第一導電/金屬材料層設置在所述空腔內的所述犧牲層的頂部上且圖案化所述導電/金屬材料層以界定至少一個所述導電元件；將一第二犧牲材料層設置在所述空腔內且在上覆於所述導電元件的區域中移除所述第二犧牲層以在所述導電元件上方界定一第二空腔(在所述第一空腔內)；將一薄膜材料層沈積在所述第一空腔上方，包含沈積在所述第二空腔上方，以形成一波形薄膜層。
  21. 如申請專利範圍第20項所述的製造包括至少一個導電元件的一非平面可撓性薄膜的方法，更包括：將一第二導電/金屬材料層設置在所述波形薄膜層的頂部上；圖案化所述第二導電/金屬材料層以界定至少一個另外的導電元件。
  22. 如申請專利範圍第21項所述的製造包括至少一個導電元件的一非平面可撓性薄膜的方法，更包括：在所述基底的下部表面中形成一空腔；移除所述第一犧牲層與所述第二犧牲層以釋放所述波形薄膜材料層。
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