TWI724558B - 麥克風及其製造方法 - Google Patents

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TWI724558B
TWI724558B TW108134630A TW108134630A TWI724558B TW I724558 B TWI724558 B TW I724558B TW 108134630 A TW108134630 A TW 108134630A TW 108134630 A TW108134630 A TW 108134630A TW I724558 B TWI724558 B TW I724558B
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朱家驊
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台灣積體電路製造股份有限公司
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Abstract

一種微機電系統(micro-electromechanical system；MEMS) 麥克風，包含：基底，具有開口；第一隔膜；第一背板；第二隔膜；以及第二背板。第一隔膜面向基底中的開口。第一背板包含多個容納開口且其與第一隔膜間隔開。第二隔膜藉由穿過第一背板中的容納開口的柱體在多個位置處與第一隔膜接合在一起。第一背板位於第一隔膜與第二隔膜之間。第二背板包含至少一個通氣孔且其與第二隔膜間隔開。第二隔膜位於第一背板與第二背板之間。

Description

麥克風及其製造方法
本發明的實施例是有關於一種麥克風及其製造方法。
MEMS麥克風通常包含導電隔膜及與所述導電隔膜間隔開的導電背板。當導電隔膜因聲波能量而變形時，可偵測導電隔膜與導電背板之間的電容的變化。利用MEMS麥克風，可藉由感測此電容變化而將聲波轉換成電信號。
本發明的一些實施例提供一種麥克風。所述麥克風包含：基底，具有開口；第一隔膜；第一背板；第二隔膜；以及第二背板。第一隔膜面向基底中的開口。第一背板包含多個容納開口且其與第一隔膜間隔開。第二隔膜藉由穿過第一背板中的容納開口的柱體在多個位置處與第一隔膜接合在一起。第一背板位於第一隔膜與第二隔膜之間。第二背板包含至少一個通氣孔且其與第二隔膜間隔開。第二隔膜位於第一背板與第二背板之間。
本發明的一些實施例提供一種製造麥克風的方法，所述方法包括：製造中間元件結構，其中所述製造包含，在由基底所 支撐的基礎氧化物層上沈積的第一導電層中形成第一隔膜，在沈積於所述第一導電層上的第一氧化物層上形成第一背板，所述第一背板在其中具有多個容納開口，在所述第一背板上沈積的第二氧化物層上的第二導電層中形成第二隔膜，其中所述第二隔膜藉由穿過所述第一背板中的所述容納開口的柱體在多個位置處與所述第一隔膜接合在一起，在沈積於所述第二導電層上的第三氧化物層上形成第二背板，所述第二背板在其中具有至少一個通氣孔，以及針對多個腔室中的每一者，在沈積於所述第二背板上的第四氧化物層上形成具有兩個可密封開口的側壁，所述多個腔室中的每一者的另一側與所述第二背板中的通氣孔對準。在所述第四氧化物層上產生第一保護罩，所述第一保護罩暴露所述中間元件結構中的所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。蝕刻所述第四氧化物層、所述第三氧化物層、所述第二氧化物層以及所述第一氧化物層的部分，以在所述第一隔膜與所述第一背板之間形成第一空置空間，在所述第二隔膜與所述第一背板之間形成第二空置空間，且在所述第二隔膜與所述第二背板之間形成第三空置空間，並且在自多個腔室前體結構中的每一者產生的每一腔室中形成內部空間。以及用沈積於所述側壁上的氣密密封層密封所述中間元件結構中的所述多個腔室前體結構中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。
本發明的一些實施例提供一種製造麥克風的方法，所述方法包括：在由基底所支撐的基礎氧化物層上沈積的第一導電層中形成第一隔膜。在沈積於所述第一導電層上的第一氧化物層上形成第一背板，所述第一背板在其中具有多個容納開口。在所述 第一背板上沈積的第二氧化物層上的第二導電層中形成第二隔膜，其所述第二隔膜藉由穿過所述第一背板中的所述容納開口的柱體在多個位置處與所述第一隔膜接合在一起。在沈積於所述第二導電層上的第三氧化物層上形成第二背板，所述第二背板在其中具有至少一個通氣孔。以及針對多個腔室中的每一者，在沈積於所述第二背板上的第四氧化物層上形成具有兩個可密封開口的側壁，所述多個腔室中的每一者的另一側與所述第二背板中的所述通氣孔對準。
40:基底
45、105:開口
50:隔膜
55、125:通氣孔
58:錨區域
60:背板
65:開口區域
70:基礎氧化物層
71:第一氧化物層
72:第二氧化物層
73:第三氧化物層
74:第四氧化物層
75:第五氧化物層
76:空氣體積空間
81、82、84、86、88:電接點
90、100:MEMS麥克風
101:第一隔膜
102:第二隔膜
111:第一背板
112:第二背板
115:容納開口
120:柱體
120A、120C:端部
130:腔室
130':腔室前體結構
132:側壁
135:可密封開口
136:氣密密封層
138:內部空間
141:第一密封結構
142:第二密封結構
143:第三密封結構
155:氣孔
155A、155B、155C、155D:開孔
161:第一空置空間
162:第二空置空間
163:第三空置空間
171:第一保護罩
172:第二保護罩
173:第三保護罩
175:金屬層
181、182、184、186、188:通孔
190:元件結構
A-A'、B-B'、C-C'、D-D'、V-V':平面
t:厚度
結合隨附圖式閱讀以下詳細描述時會最佳地理解本發明的實施例的態樣。應注意，根據業界中的標準慣例，各種特徵並未按比例繪製。事實上，可出於論述清楚起見而任意地增大或縮減各種特徵的尺寸。
圖1A是MEMS麥克風中的隔膜的俯視圖。
圖1B是繪示在基底上製造的MEMS麥克風的橫截面圖。
圖2是根據一些實施例的具有雙隔膜的MEMS麥克風的橫截面圖。
圖3A是根據一些實施例的如一平面中所見的第一隔膜的示意圖。
圖3B是根據一些實施例的如一平面中所見的第一背板的示意圖。
圖3C是根據一些實施例的如一平面中所見的第二隔膜的示意圖。
圖3D是根據一些實施例的如一平面中所見的第二背板的示意圖。
圖3E是根據一些實施例的如一平面中所見的具有通氣孔的替代佈局的第二背板的示意圖。
圖4是根據一些實施例的為在製造製程期間產生的中間產品的元件結構的橫截面圖。
圖5A至圖5D是根據一些實施例的用於繪示製造MEMS麥克風的一種方法的元件結構的橫截面圖。
圖6A至圖6D是根據一些實施例的用於繪示製造MEMS麥克風的另一方法的元件結構的橫截面圖。
以下揭露內容提供用於實施所提供的主題的不同特徵的許多不同實施例或實例。以下描述組件及配置的具體實例以簡化本揭露內容。當然，這些組件及佈置僅為實例且並不意欲為限制性的。舉例而言，在以下描述中，在第二特徵上方或在第二特徵上形成第一特徵可包含第一特徵與第二特徵直接接觸地形成的實施例，且亦可包含在第一特徵與第二特徵之間可形成有額外特徵，使得第一特徵與第二特徵可不直接接觸的實施例。另外，本揭露內容可在各種實例中重複附圖標號及/或字母。此重複是出於簡單及清楚的目的，且本身並不指示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
另外，為易於描述，本文中可使用諸如「在...之下(beneatb)」、「在...下方(below)」、「下部(lower)」、「在...上方 (above)」、「上部(upper)」以及其類似者的空間相對術語，以描述如圖式中所說明的一個元件或特徵相對於另一(些)元件或特徵的關係。除圖式中所描繪的定向之外，空間相對術語亦意欲涵蓋元件在使用或操作中的不同定向。設備可以其他方式定向(旋轉90度或處於其他定向)，且本文中所使用的空間相對描述詞同樣可相應地進行解釋。
可使用半導體元件製造方法來製造許多MEMS元件。這些MEMS元件的實例包含MEMS麥克風，諸如，如圖1A至圖1B中所示出的MEMS麥克風90。圖1B是繪示在基底40上製造的MEMS麥克風90的橫截面圖。MEMS麥克風90包含背板60及與背板60間隔開的隔膜50。背板60及隔膜50二者可導電，其形成電容式元件。電性連接至背板60的電接點82形成電容式元件的第一端，且電性連接至隔膜50的電接點84形成電容式元件的第二端。
圖1A是圖1B中的MEMS麥克風90的隔膜50的俯視圖。在圖1B中示出隔膜50的橫截面A-A'。隔膜50包含分佈於隔膜50上的多個通氣孔55(例如，如所繪示的通氣孔或多於所繪示的通氣孔)。隔膜50亦包含位於隔膜50的邊界附近的一或多個錨區域58。錨區域58允許隔膜50的邊界相對於背板60進行固定且允許隔膜與背板之間的間隙在隔膜50的中心處及隔膜上的與錨區域58相距一定距離的其他位置處發生改變。隔膜50可因聲波能量而變形，以在聲波經由基底40中的開口45將壓力施加於隔膜50上時使隔膜50朝向或遠離背板60彎曲。背板60具有多個開口區域65。在隔膜50與背板60之間存在空氣體積空間(air volume space)76。在隔膜50朝向或遠離背板60彎曲時，空氣可經由用背板60上的開口區域65及/或用隔膜50上的通氣孔55形成的空氣通道排出或進入空氣體積空間76。
由聲波造成的隔膜50相對於背板60的彎曲移動改變隔膜50與背板60之間的電容式元件的電容。可利用電接點82及電接點84量測電容的此類變化。對於由聲波在隔膜50上施加的相同量的氣壓，若隔膜50的剛性(rigidity)減小，則由聲波造成的隔膜50的彎曲的量增加，且所引起的電容的變化亦增大。亦即，減小隔膜50的剛性提高了MEMS麥克風90的靈敏度。隔膜50的剛性可藉由選擇用於製造隔膜的材料或藉由減小隔膜的厚度(如圖1B中所繪示的「t」)來減小。
MEMS麥克風90中的隔膜50通常必須承受空氣吹流測試(air blow test)。舉例而言，當藉由空氣吹流測試在隔膜50上施加的氣壓為約0.2百萬帕(MPa)時，使隔膜50斷裂的機率根據公認統計標準應為在統計上可忽略的。當增加隔膜50的剛性可減小隔膜50斷裂的機率時，此剛性增加亦降低MEMS麥克風90的靈敏度。在替代方法中，增加通氣孔55的大小及/或增加通氣孔55的總數目以提高總體開口率亦可減小隔膜50斷裂的機率。但此類增加開口率的措施亦降低MEMS麥克風90的靈敏度，此是因為此類措施亦減少感測區域。此外，增加開口率亦可能增加MEMS麥克風90的低角頻率(low corner frequency)，使得其對低頻聲波不太敏感。期望提高隔膜在不失去MEMS麥克風的靈敏度的情況下經受住空氣吹流測試的機率。
另外，當顆粒及/或蒸氣進入隔膜50與背板60之間的空 氣體積空間76時，隔膜50相對於背板60的物理移動可由於靜黏滯效應(stiction effects)而受阻，此導致MEMS麥克風的靈敏度退化。黏滯效應亦可使MEMS麥克風具有不穩定及/或不一致的靈敏度。雖然在隔膜50及/或背板60上使用凹坑結構及表面處理的方法可用於減少黏滯效應的影響，但這些方法仍可能為無效的。可能需要更多種技術來減少黏滯效應對MEMS麥克風的效能產生的影響。
圖2是根據一些實施例的具有雙隔膜的MEMS麥克風的橫截面圖。在圖2中，MEMS麥克風100包含基底40、第一隔膜101、第二隔膜102、第一背板111以及第二背板112。在一些實施例中，第一隔膜101及第一背板111皆為導電的且形成第一電容式元件的兩個導電端；第二隔膜102及第二背板112皆為導電的且形成第二電容式元件的兩個導電端。
圖3A是根據一些實施例的如A-A'平面中所見的第一隔膜101的示意圖。圖3B是根據一些實施例的如B-B'平面中所見的第一背板111的示意圖。圖3C是根據一些實施例的如C-C'平面中所見的第二隔膜102的示意圖。圖3D是根據一些實施例的如D-D'平面中所見的第二背板112的示意圖。在圖2中示出在V-V'平面中的第一隔膜101、第一背板111、第二隔膜102以及第二背板112的橫截面。在圖2中亦示出基底40及其他材料層的橫截面。
如圖2中所繪示，基底40包含開口45。在一些實施例中，基底40可為單晶矽基底或絕緣層上覆半導體(semiconductor-on-insulator；SOI)基底(例如絕緣基底上覆矽)。舉例而言，基底40可為矽、玻璃、二氧化矽、氧化鋁或其組合。 在一些實施例中，可在矽基底上製造CMOS電路。
第一隔膜101面向基底40的開口45。在一些實施例中，基礎氧化物層70形成於基底40與第一隔膜101的導電層之間。與第一背板111間隔開的第一隔膜101在包圍第一隔膜101與第一背板111之間的第一空置空間(empty space)161的第一邊界處藉由第一密封結構141與第一背板111接合。第一背板111具有用以允許柱體120穿過的多個容納開口115。第二隔膜102藉由穿過第一背板111中的容納開口115的柱體120在多個位置處與第一隔膜間接接合在一起。第一背板111位於第一隔膜101與第二隔膜102之間。應瞭解，如本文中所使用的「空置空間」不一定意謂所述空間不含所有原子，而是表明所述空間對應於真空、流體或氣體(例如空氣或氮氣)。
第二隔膜102在包圍第二隔膜102與第一背板111之間的第二空置空間162的第二邊界處藉由第二密封結構142與第一背板111接合。位於第一背板111與第二背板112之間的第二隔膜102在包圍第二隔膜102與第二背板112之間的第三空置空間163的第三邊界處藉由第三密封結構143與第二背板112接合。第二隔膜102具有形成第二空置空間162與第三空置空間163之間的空氣連接的多個開口105。
在如圖2中所繪示的實施例中，存在位於第二背板112的一側處的多個腔室130。在一些實施例中，第二背板112具有形成第三空置空間163與多個腔室130中的一者中的內部空間138之間的空氣連接的通氣孔125。在一些實施例中，第二背板可具有形成第三空置空間163與內部空間138之間的空氣連接的多於一 個通氣孔125。腔室130包含與第二背板112間隔開的側壁132。側壁132具有兩個可密封開口135，且兩個可密封開口135中的每一者與通氣孔125橫向偏移。在一些實施例中，側壁132可僅包含一個可密封開口，所述可密封開口與通氣孔125橫向偏移。在一些實施例中，側壁132可包含大於兩個可密封開口，所述可密封開口各自與通氣孔125橫向偏移。如圖2中所繪示的可密封開口135可由沈積(deposited)於側壁132上的氣密密封層136密封。取決於製造中所使用的密封製程，用於密封可密封開口135的氣密密封層136可為金屬層或氧化物層。
當側壁132中的可密封開口135中的每一者經氣密密封層136密封時，氣密密封式空置空間可由每一腔室130的內部空間138與其他三個空置空間(例如第一空置空間161、第二空置空間162、第三空置空間163)的組合形成。此氣密密封式空置空間藉由氣密密封層136、第一密封結構141、第二密封結構142以及第三密封結構143的組合氣密密封。在一些實施例中，首先可使由每一腔室130的內部空間138與其他三個空置空間(例如第一空置空間161、第二空置空間162、第三空置空間163)的組合形成的組合式空置空間與真空空間中的預定氣壓趨於平衡；隨後，側壁132中的可密封開口135中的每一者經氣密密封層136密封，同時使某種真空(例如壓力的範圍介於10-9托至10-3托)維持在環境中。在將可密封開口135中的每一者密封於所保持的真空下之後，第一空置空間161、第二空置空間162以及第三空置空間163中的每一者變為壓力低於預定值的真空空間。在一些實施例中，此真空空間的剩餘壓力可在10-9托至10-3托的範圍內。在氣 密密封可密封開口135之後，無顆粒及蒸氣可進入密封式空置空間中；因此，黏滯效應對MEMS麥克風100的效能產生的影響減少。
在圖2中，當聲波經由基底40中的開口45將壓力施加於第一隔膜101上時，第一隔膜101及第二隔膜102皆為可變形的。在由聲波造成的壓力下，第一隔膜101可朝向或遠離第一背板111彎曲。因為第二隔膜102藉由柱體120在多個位置處與第一隔膜101接合，所以當第一隔膜101朝向或遠離第一背板111彎曲時，第二隔膜102同步地朝向或遠離第二背板112彎曲。由於此同步，因此可例如藉由使第一電容器元件(形成於第一隔膜101與第一背板111之間)與第二電容器元件(形成於第二隔膜102與第二背板112之間)並聯連接來增強因聲波引起的電容值的總變化。
舉例而言，在圖2中，電接點82及電接點84可分別連接至第一隔膜101及第一背板111以形成第一電容式元件的兩個端；電接點86及電接點88可分別連接至第二隔膜102及第二背板112以形成第二電容式元件的兩個端。第一電容式元件及第二電容式元件可藉由將電接點82與電接點86連接以形成第一組合端且藉由將電接點84與電接點88連接以形成第二組合端而並聯連接。第一組合端與第二組合端之間的電容變化將為第一電容式元件的電容變化及第二電容式元件的電容變化的總和。
在圖2中，存在多個氣孔155，這些氣孔位於限定第一空置空間161、第二空置空間162以及第三空置空間163的邊界之外的位置處。多個氣孔155經實施以使MEMS麥克風100的一側(例 如開口45附近的一側)處的第一壓力與MEMS麥克風100的另一側(例如第二背板112附近的一側)處的第二壓力保持平衡。此兩種壓力的平衡可減小在較大的氣壓存在於MEMS麥克風100的開口45附近的位置處時第一隔膜101及第二隔膜102斷裂的機率。氣孔155中的每一者分別經由開孔155A、開孔155B、開孔155C以及開孔155D通過第一隔膜101、第一背板111、第二隔膜102以及第二背板112。在一些實施例中，開孔155A、開孔155B、開孔155C以及開孔155D(這些開孔分別繪示於圖3A、圖3B、圖3C以及圖3D中)均勻地分佈於圓形的周邊附近。
根據一些實施例，在圖3A中，除了開孔155A之外，亦繪示指示柱體120中的一者的端部120A與第一隔膜101在何處接合的位置。根據一些實施例，在圖3B中，除了開孔155B之外，亦繪示允許柱體120穿過第一背板111的容納開口115。根據一些實施例，在圖3C中，除了開孔155C之外，亦繪示指出柱體120中的一者的端部120C與第二隔膜102在何處接合的位置。圖3C中尚未繪示第二隔膜102中的多個開口105的位置。根據一些實施例，在圖3D中，除了開孔155D之外，亦繪示第二背板112中的通氣孔125的佈局。通氣孔125中的每一者形成第三空置空間163與腔室130中的一者的內部空間138之間的空氣連接(通過第二背板112)。根據一些實施例，在圖3E中，示出第二背板112中的通氣孔125的替代佈局。
在圖3A至圖3D中所繪示的實施例中，開孔(例如開孔155A、開孔155B、開孔155C以及開孔155D)、用於使柱體通過的容納開口115以及柱體的端部(例如端部120A及端部120C) 均為圓形形狀；在其他實施例中，其可為其他幾何形狀。當柱體120呈圓柱體形式時，包圍容納開口115的圓形的直徑大於包圍此柱體120的橫截面的圓形的直徑。
圖4、圖5A至圖5D以及圖6A至圖6D是根據一些實施例的用於繪示製造具有雙隔膜的MEMS麥克風100的方法的元件結構的橫截面圖。
圖4是根據一些實施例的為在MEMS麥克風100的製造製程期間產生的中間產品的元件結構190的橫截面圖。元件結構190包含基底40、第一隔膜101、第二隔膜102、第一背板111以及第二背板112。第一隔膜101由基底40支撐。在如圖4中所繪示的實施例中，第一隔膜101形成於由基底所支撐的基礎氧化物層70上沈積的第一導電層中。在一些實施例中，第一隔膜101可在無基礎氧化物層70的情況下形成於基底上所沈積的第一導電層中。具有多個容納開口115的第一背板111藉由第一氧化物層71與第一隔膜101隔開。
第二隔膜102藉由第二氧化物層72與第一背板111隔開。第一背板111位於第一隔膜101與第二隔膜102之間。第二隔膜102藉由穿過第一背板111中的容納開口115的柱體120在多個位置處與第一隔膜接合在一起。具有通氣孔125的第二背板112藉由第三氧化物層73與第二隔膜102隔開。第二隔膜102位於第一背板111與第二背板112之間。一般而言，在後續處理步驟中移除將容納開口115與柱體120隔開的氧化物之後，容納開口115比柱體120的橫截面足夠地大以允許柱體120沿與第一背板111的平面垂直的方向相對於第一背板111自由地移動。
在圖4中，多個腔室前體結構(chamber precursor structures)130'位於第二背板112的一側。圖4中的每一腔室前體結構130'填充有氧化物材料，且使一側與第二背板112上的通氣孔125對準，而使另一側由側壁132形成。具有兩個可密封開口135的側壁132藉由第四氧化物層74與第二背板112隔開。
在元件結構190的製造製程期間，第一隔膜101、第一背板111、第二隔膜102以及第二背板112依次分層進行製造，隨後製造多個腔室前體結構130'。在製造其他隔膜及背板之前製造的第一隔膜101形成於由基底40所支撐的基礎氧化物層70上沈積的第一導電層中。在下一步驟中，具有多個容納開口115的第一背板111形成於具有第一隔膜101的第一導電層上所沈積的第一氧化物層71上。在一些實施例中，在形成第一背板111之前，第一密封結構141可在包圍第一空置空間161的第一邊界處形成於第一隔膜101與第一背板111之間。在一個實例中，第一密封結構141可沿包圍填充有氧化物的體積空間以產生第一空置空間161的第一邊界藉由將所需材料沈積於開口溝槽(形成於第一氧化物層71中)中來形成。
在下一步驟中，在第一背板111上沈積的第二氧化物層72上的第二導電層中形成第二隔膜102，其中所述第二隔膜102藉由穿過第一背板111中的容納開口115的柱體120在多個位置處與第一隔膜101接合在一起。在一些實施例中，在形成第二隔膜102之前，第二密封結構142可形成於第二邊界處，所述第二邊界包圍填充有氧化物的體積空間以產生第二隔膜102與第一背板111之間的第二空置空間162。在一個實例中，第二密封結構 142可沿包圍填充有氧化物的體積空間以產生第二空置空間162的第二邊界藉由將所需材料沈積於開口溝槽(形成於第二氧化物層72中)中來形成。
在下一步驟中，具有通氣孔125的第二背板112形成於具有第二隔膜102的第二導電層上所沈積的第三氧化物層73上。在一些實施例中，在形成第二背板112之前，第三密封結構143可形成於第三邊界處，所述第三邊界包圍填充有氧化物的體積空間以產生第二隔膜102與第二背板112之間的第三空置空間163。在一個實例中，第三密封結構143可藉由將所需材料沈積於開口溝槽中來形成且沿包圍填充有氧化物的體積空間以產生第三空置空間163的第三邊界形成於第三氧化物層73中。
在下一步驟中，形成多個腔室前體結構130'。多個腔室前體結構130'中的每一者的一側與第二背板112中的通氣孔125對準。在形成多個腔室前體結構130'的製程中，每一腔室前體結構130'的側壁132形成於第二背板112上所沈積的第四氧化物層74上。在如圖4中所繪示的一個實施例中，側壁132具有兩個可密封開口135。在一些實施例中，在形成腔室前體結構130'的側壁132之前，腔室前體結構130'的另一壁(其藉由將側壁132與第二背板112連接來包圍腔室前體結構130')可藉由將所需材料沈積於開口溝槽(形成於第四氧化物層74中)中來形成。
在元件結構190的製造製程期間，使用各種微製造(micro-fabrication)技術。在一些實施例中，用於製造元件結構190的材料層可藉由沈積製程(諸如，化學氣相沈積(chemical vapor deposition；CVD)、物理氣相沈積(physical vapor deposition；PVD) 或原子層沈積(atomic layer deposition；ALD))來形成。舉例而言，沈積製程可用於形成用於製造隔膜(例如第一隔膜101及第二隔膜102)的材料層、用於製造背板(例如第一背板111或第二背板112)的材料層、用於製造腔室前體結構的不同壁(例如側壁132)的材料層，或氧化物層(例如基礎氧化物層70、第一氧化物層71、第二氧化物層72、第三氧化物層73或第四氧化物層74)。在一些實施例中，氧化物層可藉由熱製程來形成。舉例而言，在圖4中，基礎氧化物層70可藉由在高溫下將矽基底40置放於富含氧的氣體(例如與氬氣混合的氧氣)中而形成；其他氧化物層(例如第一氧化物層71、第二氧化物層72、第三氧化物層73或第四氧化物層74)可藉由使先前沈積的多晶矽層熱氧化而形成。
在圖4中，可根據罩幕層中的經設計圖案在蝕刻製程中形成第一隔膜101、第一背板111、第二隔膜102以及第二背板112中的每一者。在一些實施例中，罩幕層可為使用微影製程圖案化的光阻或氮化物(例如Si3N4)。在一些實施例中，蝕刻製程可為例如使用乾蝕刻劑的乾式蝕刻製程，所述乾蝕刻劑具有包括氟物質(例如CF4、CHF3、C4F8)的蝕刻化學物質。在元件結構190的製造製程期間，需要在基礎氧化物層70、第一氧化物層71、第二氧化物層72、第三氧化物層73或第四氧化物層74中形成各種經圖案化氧化物層；亦可使用濕蝕刻劑在蝕刻製程中形成這些經圖案化氧化物層。
在用於製造元件結構190的一些實施例中，第一隔膜101及第二隔膜102中的每一者可形成於多晶矽層中。在一些實施例中，當形成第一隔膜101時，開孔155A及電接點(例如電接點 81及電接點82)的結構形成於同一多晶矽層中。在一些實施例中，當形成具有開口105的第二隔膜102時，開孔155C及電接點(例如電接點81、電接點82、電接點84以及電接點86)的結構形成於同一多晶矽層中。
在一些實施例中，第一背板111及第二背板112中的每一者可形成於多晶矽層中。在一些實施例中，第一背板111及第二背板112中的每一者可形成於兩個氮化矽層之間夾設的多晶矽層中。在一些實施例中，當形成具有容納開口115的第一背板111時，開孔155B及電接點(例如電接點81、電接點82以及電接點84)的結構形成於同一層中。在一些實施例中，當形成具有通氣孔125的第二背板112時，開孔155D及電接點(例如電接點81、電接點82、電接點84、電接點86以及電接點88)的結構形成於同一層中。
在一些實施例中，各氧化物層(例如基礎氧化物層70、第一氧化物層71、第二氧化物層72、第三氧化物層73或第四氧化物層74)可為氧化矽層。在一些實施例中，當基礎氧化物層70經圖案化時，用於製造電接點(例如電接點81)的通孔形成於同一層中。在一些實施例中，當第一氧化物層71經圖案化時，用於製造柱體120的所需開口、用於製造第一密封結構141的所需開口溝槽，以及用於製造電接點(例如電接點81及電接點82)的通孔形成於同一層中。在一些實施例中，當第二氧化物層72經圖案化時，用於製造柱體120的所需開口、用於製造第二密封結構142的所需開口溝槽，以及用於製造電接點(例如電接點81、電接點82以及電接點84)的通孔形成於同一層中。在一些實施例中，當 第三氧化物層73經圖案化時，用於製造第三密封結構143的所需開口溝槽及用於製造電接點(例如電接點81、電接點82、電接點84以及電接點86)的通孔形成於同一氧化矽層中。
在一些實施例中，當第四氧化物層74經圖案化時，用於製造用以包圍腔室前體結構130'的壁的所需開口溝槽形成於第四氧化物層74中；隨後，在第四氧化物層74中的這些開口溝槽中製造用來包圍腔室130的壁，且具有可密封開口135的側壁132在第四氧化物層74上的材料層中進行製造。在一些實施例中，用來包圍腔室前體結構130'的壁可藉由將多晶矽沈積至第四氧化物層74中的開口溝槽中來形成；側壁132可藉由將多晶矽沈積於第四氧化物層74上且隨後進行圖案化製程來形成。
圖5A至圖5D是根據一些實施例的用於繪示製造具有雙隔膜的MEMS麥克風100的一種方法的元件結構的橫截面圖。利用此製造方法，如圖4中所繪示的腔室130的側壁132中的可密封開口135經氧化物層氣密密封。
如圖5A中所繪示，在製造如圖4中所繪示的元件結構190之後，第一保護罩171經形成以暴露用於蝕刻製程的可密封開口135，同時保護第四氧化物層74的其他部分。在一個實施例中，藉由在光阻層中產生預定圖案來形成第一保護罩171。接著，將元件結構190浸入濕蝕刻劑中以移除一些氧化物層(例如第四氧化物層74、第三氧化物層73、第二氧化物層72以及第一氧化物層71)的部分中的氧化物材料，來形成內部空間138(參看圖5B)及空置空間(例如第三空置空間163、第二空置空間162、第一空置空間161)。濕式蝕刻亦自腔室前體結構130'移除氧化物材料以 提供腔室130。可用於移除這些氧化物材料的濕蝕刻劑的實例包含氫氟酸(hydrofluoric acid；HF)、緩衝氧化物蝕刻(Buffered Oxide Etch；BOE)溶液(6份40%的NH4F及1份49%的HF)或四甲基氫氧化銨(Tetramethylammonium hydroxide；TMAH)。
在下一步驟中，如圖5B中所繪示，在(例如藉由去除光阻)移除第一保護罩171之後，第五氧化物層75沈積於第四氧化物層74上且沈積於側壁132上以氣密密封側壁132中的可密封開口135。隨後，在藉由在第五氧化物層75上沈積並圖案化一或多個金屬層來製造這些電接點之前，在第五氧化物層75及第四氧化物層74中製造分別用於電接點82、電接點84、電接點86、電接點88以及電接點81的通孔182、通孔184、通孔186、通孔188以及通孔181。在一些實施例中，在氣密密封可密封開口135的製程期間，可將第五氧化物層75沈積於第四氧化物層74上且沈積於側壁132上，同時使元件結構190維持在真空空間(例如壓力的範圍介於10-9托至10-3托)中。
在下一步驟中，如圖5C中所繪示，第二保護罩172(例如在光阻層中)形成於第五氧化物層75上以露出第五氧化物層75的部分，以便在蝕刻製程中形成氣孔155。在此蝕刻製程中，將元件結構190浸入濕蝕刻劑中，以移除第五氧化物層75、第四氧化物層74、第三氧化物層73、第二氧化物層72、第一氧化物層71以及基礎氧化物層70的選定部分中的一些氧化物材料。如圖6C中所繪示，這些移除的氧化物材料包含覆蓋開孔155D的第五氧化物層75中的材料、覆蓋開孔155D的第四氧化物層74中的材料、開孔155D與開孔155C之間的第三氧化物層73中的材料、開孔 155C與開孔155B之間的第二氧化物層72中的材料、開孔155B與開孔155A之間的第一氧化物層71中的材料，以及覆蓋開孔155A的基礎氧化物層70中的材料。
在圖5C中，第三保護罩173(例如在光阻層中)形成於基底40上以露出基底40的選定部分進行蝕刻製程。隨後，基底40根據此第三保護罩173經蝕刻以在基底40中產生開口45。在一些實施例中，基底40中的開口45可藉由非等向性電漿蝕刻產生。在一些實施例中，在第三保護罩173形成於基底40上之前，可將基底40研磨至預定厚度。在一些實施例中，預定厚度可在20微米至400微米的範圍內。
在下一步驟中，如圖5D中所繪示，在移除第二保護罩172及第三保護罩173之後，製成具有雙隔膜的MEMS麥克風100。
圖6A至圖6D是根據一些實施例的用於繪示製造具有雙隔膜的MEMS麥克風100的另一方法的元件結構的橫截面圖。利用此製造方法，如圖4中所繪示的腔室前體結構130'的側壁132中的可密封開口135經金屬層氣密密封。
如圖6A中所繪示，在製造如圖4中所繪示的元件結構190之後，第一保護罩171(例如在光阻層中)經形成以暴露用於蝕刻製程的可密封開口135，同時保護第四氧化物層74的其他部分。接著，將元件結構190浸入濕蝕刻劑中以移除一些氧化物層(例如第四氧化物層74、第三氧化物層73、第二氧化物層72以及第一氧化物層71)的部分中的氧化物材料，從而形成內部空間138(參看圖6B)及空置空間(例如第三空置空間163、第二空置空間162、第一空置空間161)。濕式蝕刻亦自腔室前體結構130'移除氧 化物材料以提供腔室130。在一個實施例中，在如圖6A中所繪示形成第一保護罩171之前，在第四氧化物層74中製造分別用於電接點82、電接點84、電接點86、電接點88以及電接點81的通孔182、通孔184、通孔186、通孔188以及通孔181。
在下一步驟中，如圖6B中所繪示，在(例如藉由去除光阻)移除第一保護罩171之後，金屬層175沈積於側壁132上以氣密密封側壁132中的可密封開口135，同時使元件結構190維持在真空空間(例如壓力的範圍介於10-9托至10-3托)中。在一些實施例中，當金屬層175沈積於側壁132上時，金屬層175亦在相同步驟中沈積於第四氧化物層74上，以經由通孔182、通孔184、通孔186、通孔188以及通孔181分別形成電接點82、電接點84、電接點86、電接點88以及電接點81。在一些其他實施例中，可在單獨步驟中藉由在第四氧化物層74上沈積並圖案化與金屬層175不同的金屬層來製造電接點82、電接點84、電接點86、電接點88以及電接點81。
在下一步驟中，如圖6C中所繪示，第二保護罩172(例如在光阻層中)形成於第四氧化物層74上以露出第四氧化物層74的部分，以便在蝕刻製程中形成氣孔155。如圖6C中所繪示，在此蝕刻製程中，將元件結構190浸入濕蝕刻劑中以移除第四氧化物層74、第三氧化物層73、第二氧化物層72、第一氧化物層71以及基礎氧化物層70的選定部分中的一些氧化物材料。
在圖6C中，第三保護罩173(例如在光阻層中)形成於基底40上以露出基底40的選定部分進行蝕刻製程。隨後，基底40根據此第三保護罩173經蝕刻以在基底40中產生開口45。在 一些實施例中，在第三保護罩173形成於基底40上之前，可將基底40研磨至預定厚度。
在下一步驟中，如圖6D中所繪示，在移除第二保護罩172及第三保護罩173之後，製成具有雙隔膜的MEMS麥克風100。
本發明的實施例的一些態樣是關於一種麥克風。所述麥克風包含：基底，具有開口；第一隔膜；第一背板；第二隔膜；以及第二背板。第一隔膜面向基底中的開口。第一背板包含多個容納開口且其與第一隔膜間隔開。第二隔膜藉由穿過第一背板中的容納開口的柱體在多個位置處與第一隔膜接合在一起。第一背板位於第一隔膜與第二隔膜之間。第二背板包含至少一個通氣孔且其與第二隔膜間隔開。第二隔膜位於第一背板與第二背板之間。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，更包括：第一密封結構，在包圍所述第一隔膜與所述第一背板之間的第一空置空間的第一邊界處接合所述第一隔膜及所述第一背板。第二密封結構，在包圍所述第二隔膜與所述第一背板之間的第二空置空間的第二邊界處接合所述第二隔膜及所述第一背板。以及第三密封結構，在包圍所述第二隔膜與所述第二背板之間的第三空置空間的第三邊界處接合所述第二隔膜及所述第二背板。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，更包括：多個腔室，位於所述第二背板的一側處，其中所述多個腔室中的至少一者具有其經由所述第二背板中的所述至少一個通氣孔連接至所述第二背板的另一側處的空置空間的內部空間。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，其中所述多個腔室中的所述至少一者更包括：側壁，與所述第二背板間隔開。 以及可密封開口，位於所述側壁中。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，其中所述多個腔室中的所述至少一者更包括：側壁，與所述第二背板間隔開。以及至少兩個可密封開口，位於所述側壁中。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，其中所述至少兩個可密封開口中的每一者用沈積於所述側壁上的氣密密封層密封。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，其中所述氣密密封層是金屬層。
在本發明之一實施例中，上述之麥克風，其中所述氣密密封層是氧化物層。
本發明的實施例的其他態樣是關於一種製造麥克風的方法。製造中間元件結構。中間元件結構包含：由基底支撐的第一隔膜；第一背板；第二隔膜；第二背板；以及多個腔室。第一背板包含多個容納開口且其藉由第一氧化物層及第二背板與第一隔膜隔開。第二隔膜藉由第二氧化物層與第一背板隔開，且其藉由穿過第一背板中的容納開口的柱體在多個位置處與第一隔膜接合在一起。第一背板位於第一隔膜與第二隔膜之間。第二背板包含至少一個通氣孔且其藉由第三氧化物層與第二隔膜隔開。第二隔膜位於第一背板與第二背板之間。多個腔室中的每一者的一側與第二背板中的至少一個通氣孔對準，且使另一側由具有兩個可密封開口的側壁形成。側壁藉由第四氧化物層與第二背板隔開。在此方法中，在製造中間元件結構之後，在第四氧化物層上產生第一保護罩。第一保護罩暴露多個腔室前體結構中的每一者的側壁 中的兩個可密封開口。多個氧化物材料層的部分經蝕刻，以在第一隔膜與第一背板之間形成第一空置空間，在第二隔膜與第一背板之間形成第二空置空間，且在第二隔膜與第二背板之間形成第三空置空間，且在自多個腔室前體結構中的每一者產生的每一腔室中形成內部空間。多個氧化物材料層包含第四氧化物層、第三氧化物層、第二氧化物層以及第一氧化物層。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：用沈積於所述側壁上的所述氣密密封層密封所述多個腔室前體結構中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口，同時使所述中間元件結構維持在真空狀態。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，其中所述氣密密封層是金屬層。在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，其中所述氣密密封層是氧化物層。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：藉由蝕刻至少所述第二背板與所述第一隔膜之間的氧化物材料層來形成多個氣孔，同時將第二保護罩維持在所述元件結構的一側上。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：根據形成於所述基底上的第三保護罩來蝕刻所述基底以在所述基底中產生開口。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：在根據所述第三保護罩蝕刻所述基底之前將所述基底研磨至預定厚度。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，其 中所述第一隔膜形成於第一導電層中，所述第一導電層沈積於由所述基底所支撐的基礎氧化物層上。
在本發明之一實施例中，上述之方法，其中所述第一隔膜形成於所述基底上所沈積的第一導電層中。
本發明的實施例的其他態樣是關於一種製造麥克風的方法。在由基底所支撐的基礎氧化物層上沈積的第一導電層中形成第一隔膜。形成第一背板，所述第一背板在其中具有多個容納開口，且第一背板位於沈積於第一導電層上的第一氧化物層上。在第一背板上沈積的第二氧化物層上的第二導電層中形成第二隔膜，其中所述第二隔膜藉由穿過第一背板中的容納開口的柱體在多個位置處與第一隔膜接合在一起。形成第二背板，所述第二背板在其中具有至少一個通氣孔，且第二背板位於沈積於第二導電層上的第三氧化物層上。針對多個腔室中的每一者形成具有兩個可密封開口的側壁，且所述側壁位於沈積於第二背板上的第四氧化物層上。多個腔室中的每一者的另一側與第二背板中的通氣孔對準。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：產生形成於所述第四氧化物層上的第一保護罩，所述第一保護罩暴露所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。以及蝕刻所述第四氧化物層、所述第三氧化物層、所述第二氧化物層以及所述第一氧化物層的部分，以在所述第一隔膜與所述第一背板之間形成第一空置空間，在所述第二隔膜與所述第一背板之間形成第二空置空間，且在所述第二隔膜與所述第二背板之間形成第三空置空間，且在所述多個腔室中的每一者中 形成內部空間。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：用沈積於所述側壁上的氣密密封層密封所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。
在本發明之一實施例中，上述之製造麥克風的方法，更包括：用沈積於所述側壁上的氣密密封層密封所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。
前文概述若干實施例的特徵，以使得所屬技術領域中具有通常知識者可更佳地理解本發明的實施例的態樣。所屬技術領域中具有通常知識者應瞭解，其可易於使用本發明的實施例作為設計或修改用於實現本文中所引入的實施例的相同目的及/或達成相同優點的其他製程及結構的基礎。所屬技術領域中具有通常知識者亦應認識到，此類等效構造並不脫離本發明的實施例的精神及範疇，且所屬技術領域中具有通常知識者可在不脫離本發明的實施例的精神及範疇的情況下在本文中作出各種改變、替代以及更改。
40:基底
45、105:開口
70:基礎氧化物層
71:第一氧化物層
72:第二氧化物層
73:第三氧化物層
74:第四氧化物層
81、82、84、86、88:電接點
100:MEMS麥克風
101:第一隔膜
102:第二隔膜
111:第一背板
112:第二背板
115:容納開口
120:柱體
125:通氣孔
130:腔室
132:側壁
135:可密封開口
136:氣密密封層
138:內部空間
141:第一密封結構
142:第二密封結構
143:第三密封結構
155:氣孔
155A、155B、155C、155D:開孔
161:第一空置空間
162:第二空置空間
163:第三空置空間
A-A'、B-B'、C-C'、D-D'、V-V':平面

Claims (10)

  1. 一種麥克風，包括：基底，具有開口；第一隔膜，面向所述基底中的所述開口；第一背板，包含多個容納開口且與所述第一隔膜間隔開，第二隔膜，藉由穿過所述第一背板中的所述容納開口的柱體在多個位置處與所述第一隔膜間接接合在一起，其中所述第一背板位於所述第一隔膜與所述第二隔膜之間；以及第二背板，包含至少一個通氣孔且與所述第二隔膜間隔開，其中所述第二隔膜位於所述第一背板與所述第二背板之間。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風，更包括：第一密封結構，在包圍所述第一隔膜與所述第一背板之間的第一空置空間的第一邊界處接合所述第一隔膜及所述第一背板；第二密封結構，在包圍所述第二隔膜與所述第一背板之間的第二空置空間的第二邊界處接合所述第二隔膜及所述第一背板；以及第三密封結構，在包圍所述第二隔膜與所述第二背板之間的第三空置空間的第三邊界處接合所述第二隔膜及所述第二背板。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的麥克風，更包括：多個腔室，位於所述第二背板的一側處，其中所述多個腔室中的至少一者具有其經由所述第二背板中的所述至少一個通氣孔連接至所述第二背板的另一側處的空置空間的內部空間。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的麥克風，其中所述多個腔室中的所述至少一者更包括： 側壁，與所述第二背板間隔開；以及可密封開口，位於所述側壁中。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的麥克風，其中所述多個腔室中的所述至少一者更包括：側壁，與所述第二背板間隔開；以及至少兩個可密封開口，位於所述側壁中。
  6. 一種製造麥克風的方法，所述方法包括：製造中間元件結構，其中所述製造包含，在由基底所支撐的基礎氧化物層上沈積的第一導電層中形成第一隔膜，在沈積於所述第一導電層上的第一氧化物層上形成第一背板，所述第一背板在其中具有多個容納開口，在所述第一背板上沈積的第二氧化物層上的第二導電層中形成第二隔膜，其中所述第二隔膜藉由穿過所述第一背板中的所述容納開口的柱體在多個位置處與所述第一隔膜間接接合在一起，在沈積於所述第二導電層上的第三氧化物層上形成第二背板，所述第二背板在其中具有至少一個通氣孔，以及針對多個腔室中的每一者，在沈積於所述第二背板上的第四氧化物層上形成具有兩個可密封開口的側壁，所述多個腔室中的每一者的另一側與所述第二背板中的所述通氣孔對準；在所述第四氧化物層上產生第一保護罩，所述第一保護罩暴露所述中間元件結構中的所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口；蝕刻所述第四氧化物層、所述第三氧化物層、所述第二氧化 物層以及所述第一氧化物層的部分，以在所述第一隔膜與所述第一背板之間形成第一空置空間，在所述第二隔膜與所述第一背板之間形成第二空置空間，且在所述第二隔膜與所述第二背板之間形成第三空置空間，並且在自多個腔室前體結構中的每一者產生的每一腔室中形成內部空間；以及用沈積於所述側壁上的氣密密封層密封所述中間元件結構中的所述多個腔室前體結構中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的製造麥克風的方法，更包括：用沈積於所述側壁上的所述氣密密封層密封所述多個腔室前體結構中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口，同時使所述中間元件結構維持在真空狀態。
  8. 如申請專利範圍第6項所述的製造麥克風的方法，更包括：藉由蝕刻至少所述第二背板與所述第一隔膜之間的氧化物材料層來形成多個氣孔，同時將第二保護罩維持在所述中間元件結構的一側上。
  9. 一種製造麥克風的方法，所述方法包括：在由基底所支撐的基礎氧化物層上沈積的第一導電層中形成第一隔膜；在沈積於所述第一導電層上的第一氧化物層上形成第一背板，所述第一背板在其中具有多個容納開口；在所述第一背板上沈積的第二氧化物層上的第二導電層中形 成第二隔膜，其所述第二隔膜藉由穿過所述第一背板中的所述容納開口的柱體在多個位置處與所述第一隔膜間接接合在一起；在沈積於所述第二導電層上的第三氧化物層上形成第二背板，所述第二背板在其中具有至少一個通氣孔；以及針對多個腔室中的每一者，在沈積於所述第二背板上的第四氧化物層上形成具有兩個可密封開口的側壁，所述多個腔室中的每一者的另一側與所述第二背板中的所述通氣孔對準。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的製造麥克風的方法，更包括：產生形成於所述第四氧化物層上的第一保護罩，所述第一保護罩暴露所述多個腔室中的每一者的所述側壁中的所述兩個可密封開口；以及蝕刻所述第四氧化物層、所述第三氧化物層、所述第二氧化物層以及所述第一氧化物層的部分，以在所述第一隔膜與所述第一背板之間形成第一空置空間，在所述第二隔膜與所述第一背板之間形成第二空置空間，且在所述第二隔膜與所述第二背板之間形成第三空置空間，且在所述多個腔室中的每一者中形成內部空間。
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