TWI657037B - Ｍｅｍｓ裝置及製程 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種MEMS傳感器結構，其包含一基板，該基板包含一空腔。一隔膜層相對於該基板受到支撐以提供一可撓性隔膜。該空腔之一周邊邊緣界定相對於該空腔之中心凸起的至少一個周界區。該空腔之該周邊邊緣可進一步界定相對於該空腔之該中心凹入的至少一個周界區。

Description

MEMS裝置及製程

本發明之實施例係關於微機電系統(MEMS)裝置及製程，且特定言之係關於一種與傳感器(例如，電容式麥克風)相關的MEMS裝置及製程。

各種MEMS裝置正變得愈來愈流行。MEMS傳感器且尤其MEMS電容式麥克風正愈來愈多地用於諸如行動電話及攜帶型計算裝置之攜帶型電子裝置中。

使用MEMS製造製程而形成之麥克風裝置通常包含一或多個可移動隔膜及靜態背板，其中各別電極沈積於隔膜及背板上，其中一個電極用於讀出/驅動且另一電極用於偏壓，且其中基板至少支撐隔膜且通常亦支撐背板。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，讀出通常藉由量測隔膜電極與背板電極之間的電容來實現。在傳感器之狀況下，裝置係藉由橫越隔膜電極及背板電極而提供之電位差來驅動(即，偏壓)。

圖1a及圖1b分別展示已知電容式MEMS麥克風裝置100之示意圖及透視圖。電容式麥克風裝置100包含隔膜層101，該隔膜層形成回應於由聲波產生之壓力差而自由移動的可撓性隔膜。第一電極103以機械方式耦接至可撓性隔膜，且該兩者一起形成電容式麥克風裝置之第一電容板。第二電極102以機械方式耦接至大體上剛性之結構層或背板104，該兩者一起形成電容式麥克風裝置之第二電容板。在圖1a中所展示之實例 中，第二電極102嵌入於背板結構104內。

電容式麥克風形成於基板105(例如，矽晶圓)上，該基板上可形成有上部氧化物層106及下部氧化物層107。基板中及任何上覆層中之空腔或通孔108(在下文中亦被稱作基板空腔)提供於隔膜下方，且其可(例如)使用「回蝕」穿過基板105而形成。基板空腔108連接至位於隔膜正下方之第一空腔109。此等空腔108及109可共同地提供一聲學容積，因此允許隔膜回應於聲學刺激而移動。第二空腔110插入於第一電極103與第二電極102之間。

在下文中被稱作放氣孔111之複數個孔連接第一空腔109與第二空腔110。

在下文中被稱作聲孔112之又一複數個孔配置於背板104中，以便允許空氣分子自由移動穿過背板，使得第二空腔110與背板之另一側上的空間形成聲學容積之部分。隔膜101因此支撐於兩個容積之間，一個容積包含空腔109及基板空腔108且另一容積包含空腔110及背板上方之任何空間。此等容積經大小設定使得隔膜可回應於聲波經由此等容積中之一者進入而移動。通常，入射聲波到達隔膜所穿過的容積被稱為「前容積」，其中可實質上密封的另一容積被稱作「後容積」。

在一些應用中，背板可配置於前容積中，使得入射聲音經由背板104中之聲孔112到達隔膜。在此狀況下，可設定基板空腔108的大小以提供合適之後容積的至少相當大的部分。

在其他應用中，麥克風可經配置使得可在使用中經由基板空腔108接收聲音，亦即基板空腔形成至隔膜之聲道的部分及前容積之部分。在此等應用中，背板104形成通常藉由某其他結構(諸如合適之封裝)封閉的後容積之部分。

亦應注意，儘管圖1展示背板104正支撐於隔膜的與基板105相對之側上，但如下配置係已知的：背板104在隔膜層101支撐於基板上方的情況下形成為最接近基板。

在使用中，回應於與入射於麥克風上之壓力波對應的聲波，隔膜自其均衡位置輕微變形。下部電極103與上部電極102之間的距離相應地變更，從而引起兩個電極之間的電容發生改變，該改變隨後藉由電子電路(未圖示)來偵測。放氣孔允許第一空腔及第二空腔中之壓力在相對長的時間標度內均衡(就聲頻而言)，此減少(例如)起因於溫度變化及其類似者的低頻壓力變化之效應，但不會顯著地影響所要聲頻下之敏感度。

熟習此項技術者將瞭解，MEMS傳感器通常在經單一化之前形成於晶圓上。愈發提出亦將(例如)用於傳感器讀出及/或驅動之至少一些電子電路提供為具有傳感器之積體電路的部分。舉例而言，MEMS麥克風可形成為具有至少一些放大器電路及/或用於偏壓麥克風之一些電路的積體電路。傳感器及任何電路所要求之區域的佔據面積將判定多少裝置可形成於給定晶圓上且因此影響MEMS裝置之成本。因此，通常希望減少在晶圓上製造MEMS裝置所要求之佔據面積。

除適合用於攜帶型電子裝置之外，此等傳感器亦應能夠經受得住對攜帶型裝置之預期處置及使用，其可包括該裝置意外地掉落。

若諸如行動電話之裝置經受下落，則此不僅可引起歸因於撞擊之機械衝擊，且亦引起入射於MEMS傳感器上之高壓脈衝。舉例而言，行動電話可在裝置之一個面上具有用於MEMS麥克風之聲音埠。若裝置以該面下落，則一些空氣可受到下落裝置壓縮且被強迫至聲音埠中。此可引起入射於傳感器上之高壓脈衝。已發現，在習知MEMS傳感器中高壓脈衝可能導致損害傳感器。

為有助於防止可藉由此等高壓脈衝引起之任何損害，已提出MEMS傳感器可具備可變通風口，該等可變通風口可在前容積與後容積之間提供在使用中具有可變化之大小的流動路徑。在高壓情況下，可變通風口在容積之間提供相對大的流動路徑，以便提供容積之間的相對快速均衡，從而減少隔膜上之高壓事件的程度及/或持續時間。然而，在較低壓力下，流動路徑(若存在)在傳感器之預期正常操作範圍內的大小將較小。

可變通風口結構因此充當一種類型之減壓閥，以減少在相對高壓差下作用於隔膜上之壓差。然而，不同於可存在於隔膜中的具有固定面積且因此具有固定大小之流動路徑的放氣孔，可變通風口具有回應於壓差而變化之流動路徑大小。因此，可變通風口允許通風之程度取決於作用於通風口上之壓差，其明顯地取決於第一容積及第二容積中之至少一者的壓力。可變通風口因此提供可變聲學阻抗。

將瞭解，在MEMS傳感器之隔膜層中，當材料之原子歸因於力的作用而自其均衡位置移位時，該材料被稱為受到應力影響。因此，增加或降低隔膜層之原子之間的原子間距離的力在隔膜內產生應力。舉例而言，隔膜層在處於均衡時(亦即，當橫越隔膜未產生差壓或產生可忽略差壓時)展現固有的或本徵的殘餘應力。此外，例如，歸因於隔膜相對於基板以固定關係受支撐的方式或歸因於入射於隔膜上之聲學壓力波，應力可產生於隔膜層中。

根據本發明之MEMS傳感器意欲對在隔膜表面上產生暫態應力波的聲學壓力波作出回應。因此，將瞭解，在處於均衡時及在使用期間移動時展現於隔膜層內的應力可能對傳感器之效能具有不利的影響，如下文所描述。

圖2展示穿過典型傳感器結構之橫截面圖。傳感器結構包含 可在使用期間相對於剛性背板104移動之隔膜101。隔膜101及背板104係由基板105支撐，基板105包含空腔或通孔108。圖2中出於清楚之目的未展示電極及其他特徵。

參考圖3，在隔膜101於使用期間進行移動期間，且特別在高輸入聲學壓力期間或諸如行動裝置掉落的極端條件期間，隔膜101有可能接觸為隔膜提供支撐之基板105。舉例而言，隔膜101可能接觸基板105的在基板內形成空腔之周邊邊緣，如由箭頭30所說明。

本發明之實施例大體上涉及改良傳感器結構之效率及/或效能。本發明之態樣亦涉及緩解及/或重佈隔膜層內之應力，包括當隔膜在使用期間移動或撓曲時。

本發明之態樣亦針對緩解及/或擴散及/或重佈在隔膜於使用期間移位使得隔膜接觸支撐隔膜之基板時產生於隔膜中之應力。

根據第一態樣，提供一種MEMS傳感器結構，其包含一基板，該基板包含一空腔。該MEMS傳感器結構包含相對於該基板受到支撐以提供一可撓性隔膜之一隔膜層。該空腔之一周邊邊緣界定相對於該空腔之中心凸起的至少一個周界區。

如上文所界定之該MEMS傳感器結構具有如下優勢：若該隔膜在使用期間接觸該空腔之一周邊邊緣，則該隔膜在接觸該空腔之該周邊邊緣的另一部分之前首先接觸該凸起部分。

根據另一態樣，提供一種MEMS傳感器結構，其包含一基板，該基板包含一空腔。該MEMS傳感器結構包含相對於該基板受到支撐以提供一可撓性隔膜之一隔膜層，其中該隔膜層包含一作用中心區及複數個支撐臂，該等支撐臂自該作用中心區側向地延伸以用於支撐該隔膜之該 作用中心區。該空腔之一周邊邊緣界定相對於該空腔之中心凹入的至少第一及第二周界區。

任何給定態樣之特徵可與任何其他態樣之特徵組合，且本文中所描述之各種特徵可以任何組合實施於給定實施例中。

針對以上態樣中之每一者提供製造MEMS傳感器之相關聯方法。

30‧‧‧箭頭

55‧‧‧支撐臂之邊緣

61‧‧‧周界區/凸起部分

63‧‧‧周界區

63a‧‧‧第一凹入部分/第一周界區

63b‧‧‧第二凹入部分/第二周界區

65‧‧‧支撐臂之邊緣/S形曲線

65a‧‧‧第一邊緣/S形曲線

65b‧‧‧第二邊緣/S形曲線

100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置

101‧‧‧隔膜層

102‧‧‧第二電極

103‧‧‧第一電極/隔膜電極

104‧‧‧結構層或背板/背板結構

105‧‧‧基板

106‧‧‧上部氧化物層

107‧‧‧下部氧化物層

108‧‧‧空腔或通孔/基板空腔

109‧‧‧第一空腔

110‧‧‧第二空腔

111‧‧‧放氣孔

112‧‧‧聲孔

300‧‧‧傳感器

301‧‧‧第一隔膜區/作用隔膜區/作用中心區

302‧‧‧第二區/非作用隔膜區

303‧‧‧支撐臂

304‧‧‧通道或間隙

305、306‧‧‧安裝台

308‧‧‧虛線

318‧‧‧空腔之周邊邊緣/較粗虛線

為更好地理解本發明，且為了展示本發明的實行方式，現在將借助於實例參考隨附圖式，其中：圖1a及圖1b說明已知MEMS麥克風結構之截面圖及透視圖；圖2說明穿過MEMS傳感器結構之橫截面圖；圖3說明圖2之MEMS傳感器結構中的隔膜之偏轉；圖4說明MEMS傳感器結構之平面圖；圖5說明MEMS傳感器結構之平面圖；圖6a說明根據實施例之MEMS傳感器結構的區段；圖6b說明根據另一實施例之MEMS傳感器裝置的區段；圖6c說明根據另一實施例之MEMS傳感器裝置的區段；圖6d說明根據另一實施例之MEMS傳感器裝置的區段；圖7為根據實施例之MEMS傳感器裝置的實例；及圖8說明根據實施例之MEMS傳感器裝置的區段。

在諸如上文關於圖1a、圖1b、圖2及圖3所描述之傳感器中，隔膜層可由諸如氮化矽之材料形成，且可沈積為在均衡時隔膜中具有固有的殘餘應力。隔膜因此形成，以便實質上圍繞其整個周邊受到支撐。 隔膜可因此被視為受到張力影響，其等效於在框架上拉伸之鼓皮。因此，為提供均一行為及均勻應力分佈，隔膜通常形成為大體上圓形結構。

舉例而言，為形成圖1a中所說明之傳感器結構，一或多個基座層可形成於基板105上，且接著犧牲材料層可經沈積及圖案化以形成大體上圓形形狀。犧牲材料用以界定將形成空腔109之空間。一或多個層接著可沈積於犧牲材料上以形成隔膜101。放氣孔111可連同諸如參考圖2a或圖2b所描述之任何通風口結構一起形成於隔膜層中。又一犧牲材料層接著可沈積於隔膜之頂部上且經圖案化以界定空腔110。接著可沈積背板層。為形成基板空腔108，可執行回蝕。為確保係犧牲材料而非塊體回蝕(其將較不準確)界定空腔109，確保基板空腔之開口小於空腔109且定位於空腔109之區域內。犧牲材料接著可經移除以離開空腔109及110並釋放隔膜。隔膜層因此延伸至亦支撐背板之側壁結構中。可撓性隔膜自身的全部側皆受到支撐及約束，且實質上為圓形形狀。

儘管此類型之製程產生良好的裝置性質，但使用圓形隔膜往往會帶來矽晶圓之一些低效使用。

出於各種原因，以大體上矩形方塊區域來處理矽區域係最常見的及/或具成本效益的。因此，矽晶圓上指定用於MEMS傳感器之區域通常為大體上正方形或矩形形狀。此區域需要足夠大以涵蓋大體上圓形之傳感器結構。就矽晶圓使用而言，此情形往往係低效的，此係由於此指定傳感器區域之拐角區未有效地使用。此限制可製造於給定晶圓上之傳感器結構及電路的數目。當然，將有可能藉由減少傳感器之大小而在晶圓上配合較多傳感器，但此將對所得敏感度具有任何影響且因此係不合需要的。

在本文中所描述之實施例中，傳感器係基於較有效地利用大體上矩形或正方形區域之設計。對於給定傳感器敏感度，此設計相比等效 圓形設計要求較小區域。

圖4說明傳感器300之實例，藉此使用不同形狀而非圓形隔膜。圖4說明傳感器隔膜101且因此表示穿過傳感器之區段，但背板可具有實質上相同形狀。隔膜實質上並非圓形的，且在此實例中替代地具有多邊形形狀。大體而言，隔膜具有將實質上填充由隔膜之周界界定的正方形區域之形狀。換言之，若吾人考慮將完全含有隔膜101之最小可能正方形區域，則隔膜將覆蓋此區域之較大比例，例如隔膜可覆蓋此正方形區域的至少90%。將瞭解，對於直徑為D之圓形隔膜，最小此正方形區域將具有為D之側。圓形之面積(π.D²/4)將因此覆蓋此正方形之面積(D²)的約78%。

圖4中所說明之整個區域具備隔膜材料層。然而，在圖4中所說明之實例中，隔膜材料層劃分成第一隔膜區301(其在本文中將被稱作作用隔膜區或僅稱作作用隔膜)，及複數個第二區302(其將被稱作非作用隔膜區或非作用隔膜)。非作用隔膜區302在圖4中係由陰影區說明，其中無陰影區域對應於作用隔膜301。

因此，作用隔膜包含由複數個臂303支撐之中心區域(例如，隔膜電極103將定位之處)。在一些實施例中，臂可實質上圍繞隔膜之周邊均勻地分佈。臂之大體上均勻分佈可有助於避免不合需要之應力集中。在圖4中所說明之實例中，存在四個臂303，且因此存在四個單獨的非作用隔膜區302，但將瞭解，在其他實施例中可存在更多或更少臂，但較佳地將存在至少三個臂。

因此，在作用隔膜301與非作用隔膜區302之材料之間存在一或多個通道或間隙304。便利地，在製造期間，可沈積隔膜材料之連續層，且接著可穿過隔膜材料蝕刻通道304以形成作用區及非作用區。通道可經塑形，使得臂之側邊緣展現平滑或連續的輪廓，而非由一或多個直線形成。 稍後描述之圖5中說明此情形。

作用隔膜區301之每一臂303可包含用於相對於基板且亦可能相對於背板支撐作用區301之隔膜層的至少一個安裝台305。非作用隔膜區內亦可存在用於支撐非作用隔膜區之安裝台306。

安裝台305及306可採取各種形式。舉例而言，安裝台可包含傳感器結構之側壁，且隔膜層可延伸至側壁中。然而，在一些實例中，安裝台可為隔膜材料接觸基板或自基板升高之支撐結構的區。安裝台亦可包含用於背板之支撐結構接觸隔膜所在的區域。安裝台處之隔膜因此被有效地固持於適當位置，且被防止相對於基板及/或背板進行任何實質性移動。

隔膜層之材料可因此在本徵應力內經沈積，如先前所描述。作用區301之複數個臂大體上皆遠離作用隔膜之中心擴散，且因此可用以有效地使隔膜保持處於張力狀態。如所提到，臂可圍繞作用隔膜均勻地間隔。另外，作用隔膜301之安裝點(例如，安裝台305)可實質上皆離作用隔膜之中心等距-甚至具有大體上正方形隔膜層。此係可能的，此係因為正方形配置之「側」處的隔膜材料已分離成並不直接連接至作用隔膜區之非作用隔膜區。此配置因此意謂作用隔膜之中心部分中的應力分佈在其處於均衡時及作用隔膜藉由入射壓力刺激而偏轉時大體上係均勻的，其中大部分應力調變替代地發生在該等臂中。作用隔膜因此將以類似於其周邊皆受約束之圓形隔膜的方式表現。全部側皆受限制將並非正方形隔膜或圖4中所說明之多邊形隔膜的狀況。

此設計係有利的，此係由於其能提供具有與半徑等於作用隔膜之中心與臂之安裝台305之間的距離之圓形隔膜類似之回應的作用隔膜區域。然而，為製造此對應圓形隔膜，傳感器將要求基板之較大矩形區域。因此相比於具有類似效能之圓形隔膜，藉由使用諸如圖4中所說明之設計， 晶圓上之傳感器所要求的區域可減少。

然而，當此類型之MEMS傳感器經受諸如高聲學信號之應力條件時(包括(例如)當包含MEMS傳感器之攜帶型裝置掉落時)，隔膜可在作用隔膜區域接觸支撐隔膜之基板的程度上發生偏轉。參考圖4，將瞭解，由於作用隔膜區301之每一臂303朝向支撐基板偏轉，因此在極端條件之後，每一臂303就將在形成空腔或通孔時接觸基板之邊緣，空腔之邊緣係由虛線308說明。

圖5進一步說明此要點，其展示作用隔膜區域與空腔之邊緣318之間的初始接觸點係在作用隔膜區域之支撐臂303的邊緣55處。此可在作用隔膜區域之支撐臂303接觸支撐基板之空腔中的邊緣318時導致隔膜變得受損。

在考慮到隔膜受到本徵應力影響時尤其如此，藉此支撐臂303維持作用隔膜中之本徵應力。

圖6a展示根據實施例之MEMS傳感器結構的實例。在圖6a中，出於清楚之目的僅展示MEMS傳感器之區段的平面圖。圖6a展示(例如)類似於圖4之傳感器結構的傳感器結構的隔膜層之平面圖，該結構具有作用中心區301及複數個支撐臂303(此區段中展示支撐臂中之一者)，以及非作用隔膜區302。支撐隔膜之基板內的底層空腔之周邊邊緣318係以虛線展示。將瞭解，由於圖6a表示穿過隔膜層之截面圖，因此MEMS傳感器結構可包含諸如剛性背板(未圖示)之其他特徵。

因此，根據一實施例，MEMS傳感器結構包含一基板，該基板包含一空腔。隔膜層相對於基板受支撐以提供可撓性隔膜。空腔之周邊邊緣318界定相對於空腔之中心凸起的至少一個周界區61。

應注意，本文中對空腔之中心的參考意指橫越空腔平行於未 經扭曲之隔膜的平面之中心。

亦應注意，本文中對術語凸起之參考意欲不僅涵蓋為提供凸起形狀之彎曲路徑的周界區(即，為類似圓形或球形之外部的平滑或連續曲線的輪廓或表面)，而且涵蓋包含在一或多個點處會合以界定凸起區之至少第一及第二線性區段的周界區。術語凸起亦意欲包含具有複數個逐位(bitwise)線性區段之周界區，該等區段一起形成凸起區或形成凸起彎曲路徑。因而，在圖6a之實施例及本文中所描述之其他實施例中，凸起部分可包含彎曲路徑，或一系列兩個或多於兩個逐位線性部分。

空腔之周邊邊緣中的周界區之凸起部分61具有如下優勢：若可撓性隔膜在使用期間(例如)回應於高聲學輸入信號或裝置掉落而朝向底層基板及空腔顯著偏轉，則在支撐臂303之邊緣65接觸周邊邊緣之前，支撐臂303之中心區(橫越支撐臂303之寬度)將接觸基板中之空腔的周邊邊緣中之凸起部分61。以此方式，由於支撐臂303之中心區首先接觸，因此此固有較強中心區吸收能量，因此減少隔膜在其邊緣處撕裂或受損之可能性。

在圖6a之實施例中，空腔之周邊邊緣318的凸起部分61下伏於隔膜之支撐臂303的中心區。

參考根據另一實施例之圖6b。如同圖6a，空腔之周邊邊緣的凸起部分61下伏於隔膜之支撐臂303的中心區。如上文所提到，在隔膜於使用期間發生相當大的偏轉之後，此意謂隔膜之相對較強部分首先接觸空腔邊緣318。

另外，圖6b中之空腔的周邊邊緣318進一步界定相對於空腔之中心凹入的至少一個周界區63。

應注意，以類似於如上文所描述之術語凸起之方式，本文中 對術語凹入之參考意欲不僅涵蓋為提供凹入形狀之彎曲路徑的周界區(即，類似圓形或球形之內部向內彎曲的輪廓或表面)，而且涵蓋包含在一或多個點處會合以提供凹入區之至少第一及第二線性區段之周界區。術語凹入亦意欲包含具有複數個逐位線性區段之周界區，該等區段一起形成凹入區。因而，在圖6b之實施例及本文中所描述之其他實施例中，凹入部分可包含彎曲路徑，或一系列兩個或多於兩個逐位線性部分。

在諸如圖6b中所展示之實例的實例中，隔膜包含作用中心區及複數個支撐臂303(為清楚起見展示支撐臂中之一者)，該等支撐臂自作用中心區側向地延伸以用於支撐隔膜之作用中心區。

凸起部分61之頂點可實質上在橫向方向上下伏於支撐臂303之中心。

凹入之周界區包含下伏於支撐臂303之邊緣的空腔之周邊邊緣的凹入部分63a及63b(邊緣65a、65b為隔膜之作用部分的支撐臂303與隔膜層之非作用部分302之間的隙縫，如早先參考圖4所解釋)。

此具有如下優勢：隔膜之相對較弱部分(即，支撐臂303之邊緣65a、65b)不大可能接觸空腔邊緣318，或在發生接觸的情況下，較強凸起部分61將首先擴散來自該撞擊的大部分力或能量。

因此，根據一些實施例，凸起部分圍繞空腔之周邊而定位，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜就在接觸空腔之周邊邊緣的另一部分之前接觸空腔之周邊邊緣的凸起部分。

舉例而言，在具有由複數個支撐臂支撐之作用隔膜區的該類型之隔膜的情況下，凸起部分圍繞空腔之周邊而定位，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜之支撐臂的中心區就在接觸支撐臂之邊緣區之前接觸空腔之周邊邊緣上的凸起部分。

根據本發明之實施例，凹入部分(例如，凹入部分63a、63b)圍繞空腔之周邊而定位，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜就在接觸空腔之周邊邊緣的另一部分之後接觸凹入部分。

舉例而言，在具有由複數個支撐臂支撐之作用隔膜區的該類型之隔膜的情況下，大體而言，凹入部分圍繞空腔之周邊而定位，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜之支撐臂的邊緣就在接觸支撐臂之中心區之後接觸空腔之周邊邊緣上的凹入部分。

圖6b之實施例展示如下MEMS結構：第一凹入部分63a及第二凹入部分63b圍繞空腔之周邊而定位或組態，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜之支撐臂303的第一邊緣65a及第二邊緣65b就在接觸支撐臂303之中心區之後接觸空腔之周邊邊緣上的凹入部分63a、63b。

參考圖6c，根據另一態樣，空腔可被視為具有(例如)實質上圓形、矩形、五邊形或八邊形形狀的標稱形狀。圖6c展示取自空腔之標稱形狀類似於圖5之形狀的實例的區段，該形狀藉由側上之較粗虛線318及拐角區段中之較細虛線說明。換言之，空腔之標稱形狀為具有彎曲拐角之矩形形狀空腔。根據一些實施例，空腔之周邊可因此被界定為包含標稱形狀，且其中相比於空腔之標稱形狀，凸起部分61朝向空腔之中心向內延伸。以類似方式，根據一些實施例，空腔之周邊包含標稱形狀，且其中相比於空腔之標稱形狀，凹入部分63a、63b遠離空腔之中心向外延伸。

凹入部分63a、63b可具有小於周邊邊緣之至少一個其他部分的曲率半徑的曲率半徑，該部分例如形成空腔之標稱形狀之部分的凹入部分。

根據如圖6d中所說明之另一態樣，支撐臂303之邊緣部分 可包含路徑分段，該路徑分段包含一或多個彎曲點，例如S形曲線65。隔膜上之一或多個彎曲點或S形曲線65a、65b上覆於空腔之周邊邊緣上的各別凹入部分63a、63b。此態樣之其他細節及其優勢可在藉由本發明申請人同時申請的相關於叉指形隙縫之同在申請中申請案P3087中更詳細地找到。

在該同在申請中之申請案中，界定如下MEMS傳感器：其包含相對於基板在支撐邊緣處受到支撐之可撓性隔膜。可撓性隔膜包含第一未限制邊緣，其中第一未限制邊緣描繪自支撐邊緣之第一端處或附近的第一端點起的路徑。第一路徑分段界定於第一未限制邊緣上的第一路徑點與第二路徑點之間，且其中第一路徑分段描繪離第一路徑點與第二路徑點之間的直線路徑的距離有變化的路徑，第一路徑分段包含至少兩個彎曲點，在該等彎曲點處，可撓性隔膜往往會回應於可撓性隔膜之給定偏轉而彎曲。

此MEMS傳感器可包含第二未限制邊緣，其描繪自支撐邊緣之第二端處或附近的第一端點起的路徑，其中第二未限制邊緣之第二路徑分段界定於第二未限制邊緣上之第一路徑點與第二路徑點之間，且其中第二路徑分段描繪離第一路徑點與第二路徑點之間的直線路徑的距離有變化的路徑，第二路徑分段包含一或多個彎曲點，在該等彎曲點處，可撓性隔膜往往會回應於可撓性隔膜之給定偏轉而彎曲。

根據另一實施例，MEMS傳感器可包含相對於基板在支撐邊緣處受到支撐之可撓性隔膜，該隔膜包含各自分別自支撐邊緣之第一端及第二端處或附近的端點延伸的第一未限制邊緣及第二未限制邊緣，其中第一未限制邊緣及第二未限制邊緣各自描繪一路徑，路徑分段界定於未限制邊緣中之每一者上的第一路徑點與第二路徑點之間，每一路徑分段包含至少兩個彎曲點，在該等彎曲點處，可撓性隔膜往往會回應於可撓性隔膜 之給定偏轉而彎曲。

圖7展示根據圖6d之實施例的MEMS傳感器結構的完整視圖，其中傳感器包含一基板，該基板包含一空腔，該空腔之邊緣係由虛線318說明。隔膜層相對於基板受到支撐以提供可撓性隔膜。在此實例中，隔膜包含作用中心區301及複數個支撐臂303，該等支撐臂自作用中心區側向地延伸以用於支撐隔膜之作用中心區。

空腔之周邊邊緣318界定相對於空腔之中心凸起的至少一個周界區61。

空腔之周邊邊緣318界定對應於每一支撐臂303之第一凹入部分63a及第二凹入部分63b，藉此，第一凹入部分63a及第二凹入部分63b圍繞空腔之周邊而定位，使得該等凹入部分下伏於支撐臂303之對應第一邊緣65a及第二邊緣65b。

第一凹入部分63a及第二凹入部分63b圍繞空腔之周邊而定位，使得在可撓性隔膜於使用期間朝向空腔偏轉之後，可撓性隔膜之支撐臂303的第一邊緣65a及第二邊緣65b就在接觸支撐臂303之中心區之後接觸空腔之周邊邊緣上的凹入部分63a、63b。

此外，圖7之實施例包含如下支撐臂303：支撐臂(303)之邊緣部分65a、65b包含一或多個彎曲點，例如，S形曲線。隔膜上之一或多個彎曲點或S形曲線(65a、65b)上覆於空腔之周邊邊緣上的凹入部分(63a、63b)。

圖8描述類似於圖7之實施例，但其排除圖7之凸起部分61。因此界定如下MEMS傳感器結構：該結構包含一基板，該基板包含一空腔，隔膜層相對於基板受到支撐以提供可撓性隔膜，其中隔膜層包含作用中心區及複數個支撐臂303，該等支撐臂自作用中心區側向地延伸以用於 支撐隔膜之作用中心區，且其中空腔之周邊邊緣界定相對於空腔之中心凹入的至少第一周界區63a及第二周界區63b。

第一周界區63a及第二周界區63b遠離空腔之中心而延伸。相比於空腔之周邊邊緣的其他凹入部分，第一周界區63a及第二周界區63b具有較小曲率半徑。周界區63a、63b下伏於支撐臂303上之邊緣65a、65b。

此實施例亦具有減少支撐臂之邊緣接觸基板之邊緣的可能性的優勢。

自上文可看出，本文中所描述之實施例有助於減少對MEMS傳感器結構中之隔膜層的應力及損害。

在本文中所描述之實施例中，根據一些實例，空腔包含穿過基板的通孔。

在本文中所描述之實施例中，根據一些實例，空腔形成基板內之較大空腔的部分。

在本文中所描述之實施例中，根據一些實例，空腔形成於基板的對應於上面支撐有隔膜之側的表面中。

空腔可(例如)使用犧牲層而形成(例如，當空腔類似於圖1a中所展示之空腔109的類型時)。

在其他實例中，空腔係使用蝕刻製程(例如，穿過基板之回蝕)而形成。

空腔可形成穿過基板之較大通孔的部分。在一些實施例中，空腔之周邊與通孔之周邊為相同形狀。在其他實施例中，空腔之周邊與通孔之周邊為不同形狀。

在一些實例中，空腔之周邊包含至少一個凸起及凹入部分，且其中通孔之周邊具有圓形或矩形或五邊形或八邊形形狀。

在包含複數個支撐臂之實施例中，可提供如上文所描述之對應複數個凸起及/或凹入部分。在具有複數個支撐臂之實施例中，支撐臂可圍繞隔膜之作用中心區均勻地間隔。

在一些實例中，隔膜為大體上正方形或矩形形狀，且其中隔膜之作用中心區受到本徵應力影響。

在本文中所描述之實施例中，空腔之周邊的橫截面處於平行於基板之表面的平面中。

根據此處所描述之實施例的MEMS傳感器可包含電容式感測器，例如麥克風。

根據此處所描述之實施例的MEMS傳感器可進一步包含諸如低雜訊放大器之讀出電路、用於提供較高電壓偏壓之電壓參考及電荷泵、類比至數位轉換或輸出數位介面或更複雜類比及/或數位處理或電路，或其他組件。因此，可提供包含如本文中之實施例中之任一者中所描述的MEMS傳感器的積體電路。

根據此處所描述之實施例的一或多個MEMS傳感器可定位於封裝內。此封裝可包含一或多個聲音埠。根據本文中所描述之實施例的MEMS傳感器可連同包含讀出電路之單獨積體電路一起定位於封裝內，該讀出電路可包含諸如低雜訊放大器之類比及/或數位電路、用於提供較高電壓偏壓之電壓參考及電荷泵、類比至數位轉換或輸出數位介面或更複雜之類比或數位信號處理。

根據另一態樣，提供電子裝置，其包含根據本文中所描述之實施例中之任一者的MEMS傳感器。舉例而言，電子裝置可包含以下各者中之至少一者：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；遊戲裝置；及語音控制式裝置。

根據另一態樣，提供積體電路，其包含如本文中之實施例中之任一者中所描述的MEMS傳感器。

根據另一態樣，提供製造MEMS傳感器之方法，其中MEMS傳感器包含如本文中之實施例中之任一者中所描述的MEMS傳感器。

此外，在本文中所描述之實施例中，將瞭解，傳感器可包含例如電極或背板結構之其他組件，其中可撓性隔膜層相對於該背板結構受到支撐。背板結構可包含穿過背板結構之複數個孔。

儘管各種實施例描述MEMS電容式麥克風，但本發明亦適用於除麥克風外的任何形式之MEMS傳感器，例如壓力感測器或超音波傳輸器/接收器。

本發明之實施例可在不同材料系統之範圍內有效地實施，然而，對於具有包含氮化矽之隔膜層的MEMS傳感器，本文中所描述之實施例特別有利。

MEMS傳感器可形成於傳感器晶粒上，且在一些情況下可與用於操作傳感器之至少一些電子元件成一體。

在上文所描述之實施例中，應注意，對傳感器元件之參考可包含各種形式之傳感器元件。舉例而言，傳感器元件可包含單一隔膜與背板組合。在另一實例中，傳感器元件包含複數個個別傳感器，例如多個隔膜/背板組合。傳感器元件之個別傳感器可類似或以不同方式組態，使得傳感器以不同方式對聲學信號作出回應，例如，該等元件可具有不同敏感度。傳感器元件亦可包含經定位以自不同聲道接收聲學信號之不同個別傳感器。

應注意，在本文中所描述之實施例中，傳感器元件可包含(例如)麥克風裝置，該麥克風裝置包含一或多個隔膜，其中用於讀出/驅動之電 極沈積於隔膜及/或基板或背板上。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，電輸出信號可藉由量測與電極之間的電容相關之信號來獲得。然而，應注意，該等實施例亦意欲涵蓋輸出信號係藉由監測壓阻性或壓電性元件或實際上監測光源而導出。該等實施例亦意欲涵蓋如下情形：傳感器元件係電容式輸出傳感器，其中隔膜藉由使橫越電極而施加之電位差變化而產生的靜電力來移動，包括輸出傳感器之實例，其中壓電性元件係使用MEMS技術製造且受刺激以引起可撓性部件之運動。

應注意，可在一系列裝置中使用上文所描述的實施例，該等裝置包括但不限於：類比麥克風、數位麥克風、壓力感測器或超音波傳感器。本發明亦可用於數個應用中，該等應用包括但不限於消費型應用、醫學應用、工業應用及汽車應用。舉例而言，典型的消費型應用包括攜帶型音訊播放器、可穿戴裝置、膝上型電腦、行動電話、PDA及個人電腦。實施例亦可用於語音啟動或語音控制式裝置中。典型的醫學應用包括助聽器。典型的工業應用包括主動雜訊消除。典型的汽車應用包括免提設置、聲學碰撞感測器及主動雜訊消除。

應注意，上文所提及之實施例說明而非限制本發明，且熟習此項技術者將能夠在不背離所附申請專利範圍之範疇的情況下設計許多替代實施例。詞「包含」不排除申請專利範圍中所列之元件或步驟以外的元件或步驟之存在，「一」不排除複數個，且單一特徵或其他單元可實現申請專利範圍中所陳述之若干單元的功能。申請專利範圍中之任何參考符號均不應被解釋為限制其範疇。

Claims (42)

1. 一種MEMS傳感器結構，其包含：一基板，該基板包含一空腔；一隔膜層，其相對於該基板受到支撐以提供一可撓性隔膜；其中該空腔之一周邊邊緣界定相對於該空腔之中心凸起的至少一個周界區，其中一凸起部分圍繞該空腔之該周邊而定位，使得在該可撓性隔膜於使用期間朝向該空腔偏轉之後，該可撓性隔膜就在接觸該空腔之該周邊邊緣的另一部分之前接觸該空腔之該周邊邊緣的該凸起部分。
2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊邊緣進一步界定相對於該空腔之該中心凹入的至少一個周界區。
3. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該隔膜包含一作用中心區及複數個支撐臂(303)，該等支撐臂自該作用中心區側向地延伸以用於支撐該隔膜之該作用中心區。
4. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊邊緣的一凸起部分下伏於該隔膜之一支撐臂(303)的一中心區。
5. 如申請專利範圍第4項所述之MEMS傳感器，其中一凸起部分之頂點實質上在一橫向方向上下伏於一支撐臂(303)之中心。
6. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊邊緣的一凹入部分下伏於一支撐臂(303)之一邊緣。
7. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中一凸起部分圍繞該空腔之該周邊而定位，使得在該可撓性隔膜於使用期間朝向該空腔偏轉之後，該可撓性隔膜之該支撐臂的一中心區就在接觸該支撐臂之一邊緣區之前接觸該空腔之該周邊邊緣上的該凸起部分。
8. 如申請專利範圍第2項所述之MEMS傳感器，其中該凹入部分圍繞該空腔之該周邊而定位，使得在該可撓性隔膜於使用期間朝向該空腔偏轉之後，該可撓性隔膜就在接觸該空腔之該周邊邊緣的另一部分之後接觸該凹入部分。
9. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該凹入部分圍繞該空腔之該周邊而定位，使得在該可撓性隔膜於使用期間朝向該空腔偏轉之後，該可撓性隔膜之一支撐臂的一邊緣就在接觸該支撐臂之一中心區之後接觸該空腔之該周邊邊緣上的該凹入部分。
10. 如申請專利範圍第9項所述之MEMS傳感器，其包含圍繞該空腔之該周邊定位的第一及第二凹入部分(63a、63b)，使得在該可撓性隔膜於使用期間朝向該空腔偏轉之後，該可撓性隔膜之一支撐臂(303)的第一及第二邊緣(65a、65b)就在接觸該支撐臂(303)之一中心區之後接觸該空腔之該周邊邊緣上的該等凹入部分(63a、63b)。
11. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊包含一標稱形狀，且其中相比於該空腔之該標稱形狀，一凸起部分朝向該空腔之該中心向內延伸。
12. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊包含一標稱形狀，且其中相比於該空腔之該標稱形狀，一凹入部分遠離該空腔之該中心向外延伸。
13. 如申請專利範圍第2項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊中的該凹入部分包含小於該空腔之該周邊中的另一凹入部分之曲率半徑的一曲率半徑。
14. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中一支撐臂(303)之一邊緣部分包含一或多個彎曲點或一S形曲線。
15. 如申請專利範圍第14項所述之MEMS傳感器，其中該隔膜上之該一或多個彎曲點或S形曲線(65a、65b)上覆於該空腔之一周邊邊緣上的一凹入部分(63a、63b)。
16. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中一凸起部分及/或一凹入部分包含一彎曲路徑，或一系列兩個或多於兩個逐位線性部分。
17. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔包含穿過該基板之一通孔。
18. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔形成該基板內之一較大空腔的部分。
19. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔形成於該基板的對應於上面支撐有該隔膜之一側的一表面中。
20. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔係使用一犧性層而形成。
21. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔係使用一蝕刻製程而形成。
22. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該空腔形成穿過該基板之一較大通孔的部分。
23. 如申請專利範圍第22項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊與該通孔之周邊為相同形狀。
24. 如申請專利範圍第22項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊與該通孔之該周邊為不同形狀。
25. 如申請專利範圍第24項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊包含至少一個凸起及凹入部分，且其中該通孔之該周邊具有一圓形或 矩形或五邊形或八邊形形狀。
26. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其包含複數個支撐臂及對應凸起及/或凹入部分。
27. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該等支撐臂圍繞該隔膜之該作用中心區均勻地間隔。
28. 如前述申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該隔膜為大體上正方形或矩形形狀。
29. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該隔膜之該作用中心區受到本徵應力影響。
30. 一種MEMS傳感器結構，其包含：一基板，該基板包含一空腔；一隔膜層，其相對於該基板受到支撐以提供一可撓性隔膜，其中該隔膜層包含一作用中心區及複數個支撐臂(303)，該等支撐臂自該作用中心區側向地延伸以用於支撐該隔膜之該作用中心區；其中該空腔之一周邊邊緣界定相對於該空腔之中心凹入的至少第一及第二周界區，其中該等至少第一及第二周界區遠離該空腔之該中心延伸，並且其中相比於該空腔之該周邊邊緣的至少一個其他凹入部分，該等至少第一及第二周界區(63a、63b)具有一較小的曲率半徑。
31. 如申請專利範圍第30項所述之MEMS傳感器，其中該等至少第一及第二周界區在對應於該隔膜之一支撐臂的第一及第二邊緣之一區中遠離該空腔之該中心延伸。
32. 如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊處於平行於該基板之表面的一平面中。
33. 如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器包含一電容式感測器。
34. 如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器包含一麥克風。
35. 如申請專利範圍第33項所述之MEMS傳感器，其進一步包含讀出電路。
36. 如申請專利範圍第35項所述之MEMS傳感器，其中該讀出電路可包含類比及/或數位電路及/或其他組件。
37. 如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器定位於具有一聲音埠之一封裝內。
38. 一種電子裝置，其包含一如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器。
39. 如申請專利範圍第38項所述之電子裝置，其中該裝置為以下各者中之至少一者：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；及一語音控制式裝置。
40. 一種積體電路，其包含一如前述申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器以及讀出電路。
41. 一種製造MEMS傳感器之方法，其中該MEMS傳感器包含一如申請專利範圍第1項或第30項所述之MEMS傳感器。
42. 一種MEMS傳感器，其實質上如上文參考附圖所描述。