TWI671258B - Ｍｅｍｓ傳感器、電子裝置及積體電路 - Google Patents

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Abstract

本申請案描述一種包含具有一空腔之一基板的MEMS傳感器。該傳感器展現相對於該基板受到支撐以界定一可撓性膜片之一膜片層。該基板之一上表面包含在該空腔之邊緣與該可撓性膜片之一周界之間的一重疊區，在該重疊區處，該膜片上覆於該基板之該上表面。該基板之該上表面的該重疊區之至少一個部分具備複數個凹口。該等凹口經界定為自該空腔之該邊緣朝向該可撓性膜片之該周界延伸。

Description

MEMS傳感器、電子裝置及積體電路
本發明之實施例係關於微機電系統(MEMS)裝置及製程，尤其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裝置正變得愈來愈風行。MEMS傳感器及，特別是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膜片及靜態背板，其中各別電極沈積於膜片及背板上，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膜片且通常亦支撐背板。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，讀出通常藉由量測膜片電極與背板電極之間的電容來實現。在傳感器之狀況下，裝置係藉由在膜片電極及背板電極上提供之電位差來驅動(亦即，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包含膜片層101，該膜片層形成回應於由聲波產生之壓力差而自由移動的可撓性膜片。第一電極103機械耦接至可撓性膜片，且其一起形成電容式麥克風裝置之第一電容板。第二電極102機械耦接至大體上剛性之結構層或背板104，其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，該基板可具有形成於其上之上部氧化物層106及下部氧化物層107。在基板中及在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)係設置於膜片下方，且可(例如)使用「背蝕(back-etch)」貫穿基板105而形成。基板空腔108連接至位於膜片正下方之第一空腔109。此等空腔108及109可共同地提供聲學容積，因此允許膜片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。
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。
在下文中被稱作聲學孔112之另外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，以使得第二空腔110與背板之另一側上的空間形成聲學容積。膜片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以使得膜片可回應於聲波經由此等容積中之一者進入而移動。通常，入射聲波到達膜片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，以使得入射聲音經由背板104中之聲學孔112到達膜片。在此狀況下，基板空腔108可經大小設定以提供合適後容積之至少顯著部分。
在其他應用中，麥克風可經配置以使得可在使用中經由基板空腔108接收聲音，亦即，基板空腔形成至膜片之聲學通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)圍封的後容積之部分。
亦應注意，雖然圖1展示背板104正支撐於膜片的與基板105對置之側上，但如下配置係已知的：背板104在膜片層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，膜片自其均衡位置稍微變形。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隨後由電子電路系統(未圖示)偵測到之電容改變。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傳感器通常在單一化之前形成於晶圓上。愈來愈多地提議亦設置至少一些電子電路系統(例如，用於傳感器之讀出及/或驅動)作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系統及/或用於對麥克風加偏壓之一些電路系統的積體電路。傳感器及任何電路系統所需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，通常希望減小在晶圓上製造MEMS裝置所需之佔據面積。
除適合用於攜帶型電子裝置中之外，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碰撞之機械衝擊，而且引起入射於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的裝置壓縮且被迫進入至聲音埠中。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，高壓脈衝可潛在地導致損壞傳感器。
圖2說明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移動之膜片101。膜片101及背板104係由基板105支撐，基板105包含空腔或通孔108。出於清楚之目的，圖2中未展示電極及其他特徵。
參看圖3，在膜片101在使用期間之移動期間，且特定而言，在高輸入聲學壓力或諸如行動裝置正掉落之極端條件期間，膜片101有可能接觸提供對膜片之支撐的基板105。舉例而言，膜片101可接觸基板105的在基板內形成空腔之周邊邊緣，如由箭頭30所說明。此可導致膜片被損壞。
特定而言，此問題可在圖4所述之具有大體上正方形之膜片層的傳感器組態中尤其明顯，其中膜片層包含作用中心區301及自作用中心區側向地延伸以用於支撐膜片之作用中心區的複數個支撐臂303。在此狀況下，將瞭解，若作用膜片區域之支撐臂接觸基板空腔之邊緣308，則支撐臂303之邊緣可特別容易受到損壞。
此外，在引起膜片接觸基板之高壓事件之後，亦可觀測到膜片靜摩擦之出現，藉以膜片變得永久或臨時地黏附至基板。此情形說明於圖5a及圖5b中。具體而言，在圖5a中，膜片101相對於基板105被自由地懸置。然而，在圖5b中，在(例如)高壓事件之後，膜片101已變得黏附至基板105之上表面。將瞭解，當(例如)在膜片與基板之間產生的原子級吸引力及/或毛細管力及/或化學鍵結超過(例如)由膜片之彈性引起的用以使膜片恢復至均衡位置的恢復力時，產生靜摩擦。膜片靜摩擦可使傳感器之效能顯著降級，或可甚至導致傳感器故障。
本文中所描述之本發明之態樣大體上係關於改良傳感器結 構之效率及/或效能。本發明之態樣特別係關於緩解與膜片至基板之靜摩擦相關聯的問題。另外或替代地，本發明之其他態樣可係關於緩解在例如高壓脈衝期間之膜片損壞之風險。
根據本發明之第一態樣，提供一種MEMS傳感器，其包含具有一空腔之一基板。該傳感器進一步包含相對於該基板受到支撐以界定一可撓性膜片之一膜片層。該基板之一上表面包含該空腔之邊緣與該可撓性膜片之一周界之間的一重疊區，在該重疊區處，該膜片上覆於該基板之該上表面，其中該基板之該上表面的該重疊區之至少一個部分具備複數個凹口，該等凹口中之每一者經界定以便自該空腔之該邊緣朝向該可撓性膜片之該周界延伸。
因此，該基板之該上表面的至少一個部分具備複數個凹口。一凹口可被視為該基板之該上表面低於該基板之一鄰近上表面區所處的一區。因此，該複數個凹口可界定設置於該基板之該上表面中的鄰近較高區之間的一系列較低區。
該等凹口中之每一者自該空腔之該邊緣朝向安裝結構延伸。因此，一給定凹口可被視為與該空腔相交。該複數個凹口可包含複數個通道。該等通道中之每一者可被視為包含與該空腔之該邊緣相交且延伸至該基板之該重疊區中的一終止末端部分。
該膜片之形狀可為實質上圓形。替代地，該膜片之形狀可為大體上正方形或矩形。該空腔之形狀可為實質上圓形。該空腔可包含穿過該基板之一通孔。該空腔可形成於該基板之對應於上面供支撐該膜片之一側的一表面中。該空腔可使用一犧牲層或使用一蝕刻製程來形成。
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。
針對本文中所描述之以上態樣及實例中之每一者提供用於製造MEMS傳感器之相關聯方法。
30‧‧‧箭頭/周邊邊緣/空腔邊緣
55‧‧‧邊緣
61‧‧‧周界片段/凸起片段
63a‧‧‧凹入片段
63b‧‧‧凹入片段
65a‧‧‧邊緣
65b‧‧‧邊緣
100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置
101‧‧‧膜片層/可撓性膜片/傳感器膜片
102‧‧‧第二電極/上部電極
103‧‧‧第一電極/下部電極/膜片電極
104‧‧‧剛性結構層或背板/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/下伏空腔
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
112‧‧‧聲學孔
300‧‧‧傳感器
301‧‧‧作用中心區/第一膜片區/作用膜片/作用膜片區
302‧‧‧第二區/非作用膜片區/非作用膜片/非作用部分
303‧‧‧支撐臂
304‧‧‧通道或間隙
305‧‧‧安裝台/安裝結構
306‧‧‧安裝台
308‧‧‧邊緣
318‧‧‧周邊邊緣/空腔邊緣
400‧‧‧重疊區
410‧‧‧凹口/較低區/通道
420‧‧‧較高區或隆脊
600‧‧‧升高凸塊
a‧‧‧接觸面積
Ac‧‧‧關鍵黏著區域
d‧‧‧深度
D‧‧‧直徑/邊長
Er‧‧‧第二能量項
Es‧‧‧第一能量項
Es50‧‧‧曲線
Fr‧‧‧局部恢復力
Fr1‧‧‧恢復力
Fr2‧‧‧恢復力
Fs‧‧‧黏著或靜摩擦力
L1‧‧‧長度/距離
L2‧‧‧距離
P‧‧‧區域或區域部分/區
S‧‧‧片段
W‧‧‧寬度
Wc‧‧‧通道寬度
為了更好地理解本發明，且為了展示本發明之實行方式，現將藉由實例參看附圖，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傳感器結構中的膜片之偏轉；圖4說明MEMS傳感器結構之平面圖；圖5a及圖5b說明膜片靜摩擦之問題；圖6a及圖6b說明根據第一實例之MEMS傳感器；圖7a及圖7b說明根據一個實例的設置於基板之上表面之一部分中的凹口；圖7c說明設置於基板之上表面之一部分中的凹口之另一實例；圖8a及圖8b說明先前所提議之設計，其中基板之重疊部分具備複數個凸塊；圖9a及圖9b說明圖7a中所展示之實例的部分透視圖及橫截面圖；圖10a及圖10b說明膜片與基板之間的相對接觸；圖11說明根據另一實例之MEMS傳感器；圖12說明先前所提議之傳感器；圖13說明根據另一實例之MEMS傳感器；圖14說明根據另一實例之替代凹口組態；圖15a說明兩個不同接觸區域之膜片及恢復力；圖15b提供儲存於膜片結構中之靜摩擦能量及彈性能量的圖形說明； 圖15c說明針對碰撞區域之不同百分比凹口覆蓋範圍的s靜摩擦能量曲線；及圖16說明關鍵黏著區域之判定。
將瞭解，在MEMS傳感器之膜片層中，當材料之原子歸因於力的作用而自其均衡位置移位時，該材料據稱為受到應力。因此，增加或減小膜片層之原子之間的原子間距離的力在膜片內產生應力。舉例而言，膜片層可在處於均衡時(亦即，當膜片上未產生差壓或產生可忽略差壓時)展現非零固有或本徵殘餘應力。此外，例如，歸因於膜片相對於基板以固定關係受支撐的方式或歸因於入射於膜片上之聲學壓力波，應力可產生於膜片層中。
根據本發明之MEMS傳感器意欲對在膜片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產生於膜片層內的應力集中可能對傳感器之效能具有不利的影響。
在諸如上文關於圖1a、圖1b、圖2及圖3所描述之傳感器中，膜片層可由諸如氮化矽之材料形成，且可沈積為在均衡時膜片中具有固有的殘餘應力。膜片可形成，以便圍繞其實質上整個周邊受支撐。膜片可因此被視為受到張力，其類似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，膜片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。一或多個層可接著沈積於犧牲材料上以形成膜片101。放氣孔111可連同諸如參看圖1a 或圖1b所描述之任何通氣孔結構一起形成於膜片層中。另一犧牲材料層可接著沈積於膜片之頂部上且經圖案化以界定空腔110。可接著沈積背板層。為形成基板空腔108，可執行背蝕。為確保係犧牲材料而非塊體背蝕(其將較不準確)界定空腔109，較佳確保基板空腔之開口小於空腔109且位於空腔109之區域內。犧牲材料可接著經移除以留下空腔109及110並釋放膜片。膜片層因此延伸至亦支撐背板之側壁結構中。可撓性膜片自身在所有側皆受到支撐及約束，且實質上為圓形形狀。
圖6a及圖6b說明根據第一實例之MEMS傳感器結構。具體而言，圖6a展示傳感器結構之可撓性膜片101的平面圖之部分，而圖6b以橫截面說明傳感器結構。支撐膜片之基板105內的下伏空腔108之周邊邊緣30係以虛線指示。將瞭解，在空腔之側向外部，亦即，在虛線與可撓性膜片101之周界之間的區界定下伏基板之重疊區400。重疊區400可被視為基板的膜片101上覆於基板105所在的區。設置基板之重疊區的自基板空腔邊緣之片段S延伸的區域或區域部分P。在此實例中，部分P並不一直延伸至可撓性膜片之周界。
基板之部分P在其上表面中具備複數個凹口(未圖示)。該等凹口各自自空腔之邊緣30朝向膜片之周界延伸。因此，該等凹口可被視為與空腔邊緣30相交。
考量圖6B可瞭解，若膜片充分偏轉以接觸下伏基板，則膜片將接觸基板之具備複數個凹口的部分P。
將瞭解，在膜片與基板之間產生的靜摩擦能量或靜摩擦力或黏著力與膜片與基板之間的接觸面積線性地成比例。因此，在基板之上表面中設置複數個凹口有效地減小膜片與基板之間產生的接觸面積，此係因為膜片較佳將僅接觸區P中的基板之上表面的升高表面區域。因此，此組 態之優點為在膜片接觸下伏基板之情況下膜片變得黏附至基板之上表面的可能性減小。
圖7a說明根據一個實例之基板的上表面之平面圖，其中基板之上表面包含複數個凹口410。在此實例中，該等凹口包含界定於基板之上表面中的複數個通道。因此，根據圖7a中所展示之說明，凹口410由經說明為在加陰影之鄰近隆脊420之間延伸的白色區指示。
將瞭解，可藉由自基板之上表面移除材料以藉此形成複數個較低區，從而形成設置於鄰近較高區或隆脊420之間的凹口410來形成凹口。在此狀況下，隆脊之上表面將實質上與基板之剩餘部分的上表面共面。替代地，可藉由將額外材料沈積至基板之表面上以形成自空腔之邊緣朝向上覆膜片之周界之平面延伸的一系列隆脊來形成凹口。在此狀況下，凹口或較低區410之上表面將實質上與基板之剩餘部分的上表面共面。
圖7B展示沿線A-A截取之展示於圖7A中的實例之擴展橫截面圖。為容易起見，線A-A在圖7B中表示為筆直的，但自圖7A將瞭解，橫截面A-A實際上遵循彎曲路徑。因此，此實例中之凹口包含具有實質上矩形橫截面之一系列通道。在此實例中，通道之寬度Wc(其中該寬度界定於實質上平行於空腔之邊緣的方向上)可為大約2μm，但隆脊之寬度可為大約1μm。因此，通道對隆脊比在此實例中為大約2：1。通道之深度Dc為大約120nm。
在膜片接觸基板之情況下，基板之初始碰撞面積(換言之，將在膜片與基板之間的第一次接觸情況中產生的可用接觸面積)判定膜片經歷損壞及/或故障之可能性。初始碰撞面積愈小，則膜片中所產生之局部應力愈高且因此膜片損壞/故障之可能性增加。因此，初始碰撞面積將由空腔邊緣30之剖面及/或由接近此邊緣之在膜片接觸之情況下首先受到碰撞的 任何升高基板特徵界定。
再次參看圖4，在基板不含有凹口之狀況下，此初始碰撞面積將等於基板與膜片之間的接觸區之長度L1乘以寬度W。
現參看說明先前所提議之設計的透視圖之部分的圖8a，根據該設計，複數個升高凸塊600設置於基板凸緣上，亦即，設置於空腔之邊緣與可撓性膜片之周界之間的重疊區之部分P上，在該重疊區處，膜片上覆於基板之上表面。考量說明穿過圖8a中所說明之組態之橫截面的圖8b可瞭解，若膜片與基板之間的初始接觸在自基板之上表面突出的凸塊600中之一者或甚至若干者之間，則初始碰撞面積將相對較小且因此相對較高之應力區將產生於膜片層內。
因此，雖然在(例如)高壓事件之情形中需要減小在基板與膜片之間產生的總接觸面積，但亦需要維持基板之足夠大的初始碰撞面積以便緩解在接觸基板後膜片內產生的應力集中。
考量說明圖7a中所展示之實例之部分透視圖的圖9a將發現，設置各自自空腔之邊緣朝向膜片之周界延伸的複數個凹口係有利的，此係因為初始碰撞區域係由接觸線或區界定，該接觸線或區係由將跨越部分P之片段S之長度設置的複數個升高表面區域形成。此情形有效地沿片段S之長度分佈基板之初始碰撞區域。
考量基板空腔108之形成，可瞭解本文中所論述之實例的其他優點。具體而言，歸因於在控制用以形成空腔108之背蝕製程中所固有的製程限制，空腔邊緣30之製造位置可不同於「按照設計的」位置。空腔邊緣30之精確位置的此製程變化Y係說明於圖8b及圖9b上。本文中所描述之實例可係有利的，此係因為凹口與空腔邊緣30相交且朝向可撓性膜片之周界延伸。因而，不管空腔邊緣之最終位置在製程變化分區內何處，空 腔邊緣之剖面及/或組態實質上皆將一致。因此，在前述製程變化之範圍內，膜片與基板之上表面之間的初始碰撞面積在很大程度上不變。
若凹口包含具有實質上均勻之橫截面的縱向通道，則狀況尤係如此。
將瞭解，凹口之幾何結構及/或尺寸可經選擇以便確保對於給定傳感器設計，在膜片及基板接觸之情況下產生的潛在黏著力不超過恢復力。黏著力可至少部分地由膜片與基板之上表面之間的可能或潛在接觸面積判定。此外，潛在接觸面積將取決於膜片可接觸凹進區之上表面的程度，其由凹口之幾何結構(例如，形狀)及尺寸(例如，凹口之深度及/或凹口對隆脊比)判定。恢復力可至少部分地取決於剩餘不黏膜片之梯度。
舉例而言，圖7C展示另一實例之橫截面圖，其中通道對隆脊比為大約1：1。亦設想到包含基板之實例，該基板具有具備複數個凹口之部分，該等實例展現3：1或4：1比率。然而將瞭解，若通道之寬度變得過大，則膜片將下陷至凹口中且潛在地接觸凹口之上表面的可能性將增加。此情形說明於展示膜片與基板之間的相對接觸的圖10a及圖10b中。因此，在圖10a中，通道對隆脊比為大約1：1，且凹口展現深度d。在膜片與基板之間發生接觸的情況下，膜片並不接觸基板之凹進區的上表面。然而，如圖10b中所展示，其中通道對隆脊比為大約2：1，在膜片與基板之間發生接觸的情況下，膜片確實接觸基板之凹進區的上表面，因此產生額外接觸面積a。在此情況下，在膜片與凹口之上表面之間產生的黏著力可變得足以超過膜片之局部恢復力Fr。凹口之深度亦部分地判定膜片是否可接觸凹進區之上表面。較佳地，凹口之尺寸經選擇以使得膜片有限地接觸與凹口之上表面。在此狀況下，膜片與基板之上表面之間的總接觸面積減小，藉此緩解靜摩擦之風險。替代地，凹口之尺寸可經選擇以使得若膜片確實接觸凹口 之上表面，則局部恢復力仍大於總黏著力。因此，通道寬度Wc有可能定義於設計中以使得凹進區中之任何接觸產生小於局部恢復力Fr之力。此設定了Wc之上限。
雖然如圖6及圖7中所說明之圓形膜片產生良好的裝置屬性，但使用圓形膜片傾向於在使用矽晶圓時在製造期間導致某種效率低下。
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傳感器之區域的形狀通常為大體上正方形或矩形。此區域需要足夠大以涵蓋大體上圓形之傳感器結構。就矽晶圓之使用而言，此情形傾向於係低效的，此係因為此指定傳感器區域之拐角區未得到有效地使用。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，將有可能藉由減小傳感器之大小而在晶圓上適配更多傳感器，但此將對所得敏感度具有一些影響且因此係不合需要的。
根據本文中所描述之其他實例，傳感器係基於更有效地利用大體上矩形或正方形區域(諸如，圖4中所展示之區域)的設計。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具有圓形膜片。圖4說明傳感器膜片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。膜片實質上並非圓形的，且在此實例中替代地具有多邊形形狀。一般而言，膜片具有將實質上填充由膜片之周界界定的正方形區域之形狀。換言之，若吾人考量將完全含有膜片101之最小可能正方形區域，則膜片將覆蓋此區域之較大比例，例如，膜片可覆蓋此正方形區域的至少90%。將瞭解，對於直徑為D之圓形膜片，最小此正方形區域將具有邊長D。圓之面積(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膜片材料層。然而，在圖4中所說明之實例中，該膜片材料層被劃分成第一膜片區301(其在本文中將被稱作作用膜片區或僅稱作作用膜片)，及複數個第二區302(其將被稱作非作用膜片區或非作用膜片)。非作用膜片區302在圖4中係由陰影區說明，其中無陰影區域對應於作用膜片301。
因此，作用膜片包含由複數個臂303支撐之中心區域(例如，膜片電極103將位於之處)。在一些實施例中，該等臂可實質上圍繞膜片之周邊均勻地分佈。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膜片區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，在作用膜片301與非作用膜片區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，可沈積膜片材料之連續層，且可接著穿過膜片材料蝕刻出通道304以形成作用區及非作用區。
作用膜片區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之膜片層的至少一個安裝台305。非作用膜片區內亦可存在用於支撐非作用膜片區之安裝台306。
安裝台305及306可呈各種形式。舉例而言，安裝台可包含傳感器結構之側壁，且膜片層可延伸至側壁中。然而，在一些實例中，安裝台可為膜片材料接觸基板或自基板升高之支撐結構所在的區。安裝台亦可包含用於背板之支撐結構接觸膜片所在的區域。安裝台處之膜片因此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。
膜片層之材料可因此在本質應力內經沈積，如先前所描述。作用區301之複數個臂大體上皆遠離作用膜片之中心擴散，且因此可用以 有效地使膜片保持處於張力狀態。如所提及，該等臂可圍繞作用膜片均勻地隔開。另外，用於作用膜片301之安裝點(例如，安裝台305)可皆與作用膜片之中心實質上等距，甚至在大體上正方形之膜片層的情況下亦如此。此情形係可能的，此係因為正方形配置之「邊」處的膜片材料已分離成並不直接連接至作用膜片區之非作用膜片區。此配置因此意謂作用膜片之中心部分中的應力分佈在處於均衡時及在作用膜片藉由入射壓力刺激而偏轉時大體上係均勻的，其中大部分任何應力調變替代地發生在該等臂中。作用膜片因此將以類似於圍繞周邊皆受約束之圓形膜片的方式表現。全部側皆受限制的正方形膜片或圖4中所說明之多邊形膜片將並非如此狀況。
此設計係有利的，此係因為其提供具有與半徑等於作用膜片之中心與臂之安裝台305之間的距離之圓形膜片類似之回應的作用膜片區域。然而，為製造此對應圓形膜片，傳感器將要求基板之較大矩形區域。因此相較於具有類似效能之圓形膜片，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小。
圖11說明根據本發明之另一實例的MEMS傳感器結構。具體而言，圖11展示傳感器結構之膜片層101的平面圖。該膜片層類似於圖4之膜片層，其具有作用中心區301及複數個支撐臂303與非作用膜片區302。支撐膜片之基板內的下伏空腔之周邊邊緣318係以虛線展示。在空腔之側向外部，亦即，在虛線與可撓性膜片之周界之間的區界定下伏基板之重疊區400。重疊區400可被視為基板的膜片上覆於基板105所在的區。
重疊區之部分P係指示於支撐臂中之一者處。基板之部分P具備複數個凹口(未圖示)，其各自自空腔之邊緣318朝向支撐臂之周界延伸。自空腔之邊緣朝向相對於基板支撐膜片之一或多個安裝結構延伸的凹口可呈多種形式。舉例而言，凹口可包含類似於圖7a、圖7b及圖7c中所 說明之彼等通道的複數個通道。
考量圖11可瞭解，若膜片充分偏轉以接觸下伏基板，則膜片將接觸基板之具備複數個凹口的部分p。此組態之優點為在膜片接觸下伏基板之情況下膜片變得黏附至基板之上表面的可能性減小。如上文所論述，在膜片與基板之間產生的靜摩擦力或黏著力與膜片與基板之間的接觸面積線性地成比例。因此，在基板之上表面中設置複數個凹口有效地減小膜片與基板之間的接觸面積，此係因為膜片有限地接觸或不接觸凹口之區P中的基板之上表面。
亦可瞭解，作用膜片區域與空腔之邊緣318之間的初始接觸點係在作用膜片區域之支撐臂303的邊緣55處。因此，作用膜片區域之支撐臂303的邊緣55在高壓事件之情形中特別容易受到損壞。
為緩解此潛在問題，先前已提議如圖12中所說明之傳感器結構。如圖12中所說明，膜片層與圖4及圖11之類似之處在於，傳感器包含作用中心區301及複數個支撐臂303(其中之一者正展示於此區段中)與非作用膜片區302。支撐膜片之基板內的下伏空腔之周邊邊緣318係以虛線展示。然而，在此實例中，空腔之周邊邊緣318界定參考空腔之中心凸起且下伏於膜片之支撐臂303之中心區的至少一個周界片段61。周邊邊緣亦界定下伏於支撐臂303之邊緣(邊緣65a、65b，其為膜片之作用部分的支撐臂303與膜片層之非作用部分302之間的隙縫，如較早參看圖4所解釋)的凹入片段63a及63b。將瞭解，若可撓性膜片在使用期間例如回應於高聲學輸入信號或裝置正掉落而朝向下伏基板及空腔顯著地偏轉，則支撐臂303之中心區(跨越支撐臂303之寬度)將在支撐臂303之邊緣65接觸周邊邊緣之凹入片段之前接觸基板中之空腔之周邊邊緣中的凸起片段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，從而減小膜片在其邊緣處撕裂或受損壞之可能性。另外，膜片之相對較弱部分(亦即，支撐臂303之邊緣65a、65b)不大可能接觸空腔邊緣318。
然而，雖然此類傳感器設計已展示為表明傳感器之穩固性的改良，但可見在膜片接觸凸起邊緣部分之情況下產生的靜摩擦力之位準在一些實例中增加。
圖13說明根據另一實例之MEMS傳感器結構。具體而言，圖13展示傳感器結構之膜片層101的平面圖。該膜片層類似於圖12之膜片層，其具有作用中心區301及複數個支撐臂303與非作用膜片區302。支撐膜片之基板內的下伏空腔之周邊邊緣318係以虛線展示。空腔之周邊邊緣318界定參考空腔之中心凸起且下伏於膜片之支撐臂303之中心區的周界片段61。周邊邊緣亦界定下伏於支撐臂303之邊緣的凹入片段63a及63b。
基板之重疊區的部分P經界定以便處於膜片之形成支撐臂303之作用區下方。基板之部分P具備形成於其上表面中之複數個凹口410。該等凹口包含複數個通道410。
圖13之實例之優點為歸因於如上文關於圖12所論述之空腔的周界之形狀，傳感器表明穩固性之改良。實際上，將瞭解，初始碰撞之線/區的部位並不因設置通道而顯著地更改。因而，可有利地保留關於圖12所表明之穩固性改良。此外，由於擴展凸起區61而產生的在膜片與基板之上表面之間的增加的潛在接觸面積有益地藉由複數個通道之存在而緩解。具體而言，設置複數個通道有利地減小膜片與基板之間的潛在接觸面積，且因此減小在膜片接觸基板之情況下產生於膜片與基板之間的黏著力。有益地，黏著或靜摩擦力Fs將小於傾向於使膜片恢復至均衡位置之恢復力Fr，以使得靜摩擦可能性減小。
基板之具備複數個凹口的該或每一區域部分P之部位及面 積可有益地根據傳感器之特定設計而選擇。因此，例如，在圖7中所說明之圓形膜片形狀的狀況下，基板之具備複數個凹口的區域部分P可能需要圍繞整個空腔延伸。替代地，可設置相對於空腔之邊緣以間隔安置的複數個基板部分。
在圖8及圖10中所展示之實質上正方形膜片層的狀況下，設置在支撐臂303中之每一者下方具有複數個凹口的基板部分特別有利。此外，具備複數個凹口之基板部分P可經定位以便下伏於支撐臂之僅一部分。舉例而言，在圖10中所展示之傳感器結構的狀況下，其中空腔之周邊邊緣318界定參考空腔之中心凸起的周界片段61以及下伏於支撐臂303之邊緣的凹入片段63a及63b，可能僅有必要使基板之凸起片段61具備複數個凹口。
實例傳感器之部分平面圖說明於圖16中。下伏空腔之周邊邊緣界定下伏於支撐臂303之邊緣的凹入片段63a及63b。基板之關鍵黏著區域Ac可界定為基板之區，在關鍵黏著區域處識別到Fr=Fs。因此可瞭解，將需要膜片與基板之間的接觸面積之減小以便適用Fs<Fr。為達成此，有可能如上文所論述而設置包括具有複數個凹口之關鍵黏著區域Ac之重疊部分，而非增大空腔以界定較小凸緣或重疊區(其對裝置之穩固性可具有不利影響)。因此，基板之具備複數個凹口的部分P可有益地在考量關鍵黏著區域之情況下進行選擇。
在圖13之實例中，通道展現實質上縱向形式且自空腔318之邊緣朝向安裝結構305延伸。該等安裝結構可被視為界定作用膜片之支撐邊緣。在此實例中，通道實質上正交於由安裝結構之線界定的支撐邊緣而延伸。然而將瞭解，設想到諸如圖14中所展示之其他配置，其中通道或凹口可例如相對於空腔318之邊緣實質上正交地延伸。因此，通道可按實 質上保形於基板空腔之邊緣形狀的方式終止。
將瞭解，形成較低區之凹口的深度及/或形成較低區之凹口的寬度與形成高區之鄰近隆脊的寬度之間的比率可根據不同實例而變化。此外，凹口之剖面或形狀可呈多種形式。因此設想到，凹口之形狀可為橢圓形，其中橢圓之一部分與空腔之邊緣相交。
凹口之組態(例如，就間距、寬度及長度而言)為獲得足夠大的碰撞區域與防止靜摩擦之間的折衷。該膜片將藉由偏轉取決於由膜片之彈性產生之彈性恢復力的量而對傳入聲學壓力波作出回應。若壓力足夠高，則膜片之部分可在基板中之空腔之周邊處接觸下伏基板之被稱為碰撞區域的區域。在移除壓力後，膜片將回應於彈性恢復力而傾向於返回至其均衡條件。然而，若接觸面積足夠大，則膜片可歸因於靜摩擦或類似效應而保持附著至基板。黏著力將在接觸區域之每單位面積施加某力Fs。
圖15a說明自基板空腔之邊緣延伸至分別與膜片之支撐結構相距距離L1及L2的兩個不同接觸區域之膜片及恢復力。假設不存在凹口，則在膜片接觸基板之任何處每單位面積存在靜摩擦力Fs(其中精確而言，生長於原始基板材料上之諸如氧化物的任何上覆層被視為基板結構之部分)。恢復力Fr1試圖將膜片與表面分離，其中膜片在距離L1處離開基板。恢復力Fr2試圖將膜片與表面分離，其中膜片在距離L2處離開基板。一般而言，其中L1小於L2，恢復力Fr1將大於恢復力Fr2。首先，在L1狀況下之膜片的彈性延伸將大於在L2狀況下之延伸。其次，L1狀況之接近方向相比L2狀況之接近方向將更正交於基板，從而進一步增加力之垂直分量。
因此定性地，增加由表面中之凹口佔據的面積之分率將傾向於減小接觸面積並因此減小靜摩擦力，且在抵抗此等減小之靜摩擦力將膜片提離表面時將傾向於更成功地實現恢復力。然而，若凹口增加過多，則 實際碰撞接觸面積可減小過多且對初始碰撞產生過多局部應力。
更精確而言，雖然跨越整個碰撞區域存在力Fs，但在L1或L2附近開始將膜片剝離表面所必需的力將僅取決於在接觸區域之邊緣的局部力。最佳依據對儲存於結構中之能量的分析而執行對恢復力可將膜片剝離基板之距離範圍的計算。歸因於實際接觸表面之每單位面積的靜摩擦能量，將存在第一能量項Es。自膜片基板接觸邊緣距膜片支撐件之距離L至空腔邊緣距支撐件之距離Ledge的總靜摩擦能量將與Ledge(L)成比例，且此能量Es將隨L減小而增加。歸因於膜片中之所儲存彈性能量，將存在第二能量項Er，其將傾向於隨L減小而增加，隨L變小而較快速地增加。
Es及Er對L之曲線說明於圖15b中。為使恢復力將接觸邊緣朝向Ledge移動距離δL，膜片必須供應能量δEs=Fs.δL以在彼遞增距離中破壞靜摩擦結合。為使此情形能夠發生，彈性能量曲線在點L處之斜率δE/δL必須足以供應彼遞增能量δE。因此，恢復力將僅能夠將膜片剝離至兩個能量對L之斜率相等的點，在此實例中在L=L1處。
對於具有凹口之表面，針對給定L，靜摩擦能量將與未由凹口佔據之潛在接觸面積的比例成比例。恢復力將在很大程度上獨立於凹口(但對於極寬凹口，歸因於膜片中之二維力分佈的某減小可出現)。圖15c說明分別針對碰撞區域之0%、50%及75%凹口覆蓋範圍之s靜摩擦能量曲線Es、Es50、Es75。0%曲線展示等於彈性能量曲線在L=L1處之斜率的靜摩擦能量曲線斜率，因此在膜片最初偏轉至L1之後，其將根本不會恢復。對於50%覆蓋範圍，斜率在L2處相等，因此膜片將鬆弛至L=L2，但仍黏在表面上。對於75%凹口覆蓋範圍，僅針對L值為L3(大於Ledge)之外推曲線獲得斜率之相等，因此對於小於Ledge之任何L，膜片將藉由恢復力充分釋放。實際上，即使製造公差將Ledge增加至接近等於L3之值，膜片仍將 被充分釋放。
對於類似膜片，所需的百分比凹口覆蓋範圍對於較大Ledge可傾向於較高，此係因為恢復力將傾向於較小。在以上實例中，若Ledge為L2，則50%覆蓋範圍將已足夠。在一些實施例中，朝向支撐件及遠離邊緣，百分比凹口覆蓋範圍可減小，例如，凹口可逐漸變窄或可展開。此可在經受較高量值壓力脈衝時提供遠離空腔邊緣之對應於較大膜片扭曲的較大實際碰撞區域，且因此改良關於初始碰撞之堅固性。
應注意，本文中對空腔之中心的參考意欲參考跨越空腔之平行於未扭曲膜片的平面之中心。
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片段(亦即，為類似圓或球體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片段。術語凸起亦意欲包含具有複數個逐位(bitwise)線性區段之周界片段，該等區段一起形成凸起周界片段或形成凸起彎曲路徑。因而，在圖10之實例及本文中所描述之其他實施例中，凸起片段可包含彎曲路徑或一系列兩個或大於兩個逐位線性部分。
應理解，用於本描述中之各種相對術語上部、下部、頂部、底部、底側、上覆、下方等不應以任何方式理解為限於傳感器在任何製造步驟期間之任何特定定向及/或其在任何封裝中之定向或實際上封裝在任何設備中之定向。因此，該等相對術語應相應地理解。
在本文中所描述之實施例中，根據一些實例，空腔包含穿過基板之通孔。
在一些實例中，空腔之周邊包含至少一個凸起及凹入片段，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，可如上文所描述設置對應複數個凸起及/或凹入區段。在具有複數個支撐臂之實施例中，支撐臂可圍繞膜片之作用中心區均勻地隔開。
在一些實例中，膜片之形狀係大體上正方形或矩形，且其中膜片之作用中心區經受本徵應力。
在本文中所描述之實施例中，空腔之周邊之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讀出電路系統，諸如低雜訊放大器、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/或數位處理或電路系統，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系統之單獨積體電路一起位於封裝內，該讀出電路可包含諸如低雜訊放大器之類比及/或數位電路系統、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，其中可撓性膜片層相對於該背板結構受到支撐。該背板結構可包含穿過該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一系列不同材料系統內有效地實施，然而，對於具有包含氮化矽之膜片層的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裝置整合。
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的膜片與背板組合。在另一實例中，傳感器元件包含複數個個別傳感器，例如多個膜片/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，以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的個別傳感器。
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膜片，其中用於讀出/驅動之電 極沈積於膜片及/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，其中膜片係藉由使施加在電極上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，上文所描述之實施例可在一系列裝置中使用，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、可穿戴式裝置、膝上型電腦、行動電話、PDA以及個人電腦。實施例亦可用於語音啟動式或語音控制式裝置中。典型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、聲學碰撞感測器以及主動雜訊消除。
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」不排除除技術方案中所列之元件或步驟以外的元件或步驟之存在，「一(a或an)」不排除複數個，且單個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記號均不應視為限制其範疇。

Claims (19)

  1. 一種MEMS傳感器，其包含一基板，其具有一空腔；一膜片層，其相對於該基板受到支撐以界定一可撓性膜片；該基板之一上表面，其包含在該空腔之一周邊邊緣與該可撓性膜片之一周界之間的一重疊區，在該重疊區處，該膜片上覆於該基板之該上表面，其中複數個凹口形成於該基板之該上表面的該重疊區之至少一個部分之中，該等凹口中之每一者經界定以便自該空腔之該周邊邊緣朝向該可撓性膜片之該周界延伸。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等凹口包含複數個通道。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之MEMS傳感器，其中該等通道展現一正方形或矩形橫截面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等凹口正交於該可撓性膜片之該周界的一方向上延伸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等凹口正交於該空腔之該周邊邊緣的一方向上延伸。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中一給定凹口之寬度對設置於該基板之該上表面中的一鄰近隆脊之寬度的一比率在1：1與4：1之間。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該基板之該上表面的該重疊區之具備複數個凹口的該部分圍繞在該基板空腔側向外部之整個區延伸。
  8. 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界定參考該空腔之中心而凸起的至少一個周界片段。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊邊緣進一步界定參考該空腔之該中心而凹入的至少一個周界片段。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片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膜片之該作用中心區。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS傳感器，其中該空腔之該周邊邊緣的一凸起片段下伏於該膜片之該些支撐臂的其中一者的一中心區。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS傳感器，其中該基板之該上表面的該重疊區之具備該些凹口的一個該部分下伏於該膜片之該些支撐臂的其中一者的一中心區。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等凹口之幾何結構及/或尺寸經選擇以使得Fs<Fr，其中Fs為在使用時在該膜片之一偏轉之後產生於該膜片與該基板之間的黏著力，該偏轉引起該膜片與該基板接觸，且Fr為該膜片上之傾向於使該膜片恢復至一均衡位置之恢復力。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該基板之該上表面的該重疊區之具備複數個凹口的該部分包括一關鍵黏著區域，其中該關鍵黏著區域經界定為該重疊區之區，在凹口未設置於該基板上時，在該區處，介於該膜片與該基板之間，該黏著力Fs大於或等於該恢復力Fr。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器包含諸如一電容式麥克風之一電容式感測器。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS傳感器，其進一步包含讀出電路系統，其中該讀出電路系統可包含類比及數位電路系統中之一或多者。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該傳感器位於具有一聲音埠之一封裝內。
  18. 一種包含如申請專利範圍第1項所述之一MEMS傳感器的電子裝置，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。
  19. 一種積體電路，其包含如申請專利範圍第1項所述之一MEMS傳感器以及讀出電路系統。
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