專利名稱：微機電系統(tǒng)聲壓感測元件及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(MEMS)聲壓感測元件及其制作方法；特別是指一種相鄰金屬層間具有交錯排列金屬段的多層膜結(jié)構(gòu)的聲壓感測元件及其制作方法。
背景技術(shù)：
圖I顯示美國第7，202，101號專利案所公開的一種多金屬層MEMS結(jié)構(gòu)。如圖I所不，多金屬層MEMS結(jié)構(gòu)10形成于基板11上,包含形成于基板11上的犧牲層12 ;固定極板13 ;犧牲層14 ;形成于犧牲層14上的第一金屬層15 ;犧牲層16 ;形成于犧牲層16上的 第二金屬層17 ;犧牲層18 ;以及以高分子聚合物薄膜密封各金屬層所形成的可動隔膜19。此現(xiàn)有技術(shù)中，第一金屬層15為網(wǎng)狀(mesh)金屬層設(shè)計，以改善MEMS聲壓感測元件的性能。其中，網(wǎng)狀金屬層的設(shè)計用以讓蝕刻氣體可以通過多個金屬而與犧牲層12，14，16，18的一部分反應(yīng)，來移除部分犧牲層12，14，16，18。另外，網(wǎng)狀金屬層的設(shè)計亦可以改善結(jié)構(gòu)應(yīng)力。然而，這種網(wǎng)狀金屬的設(shè)計會降低聲音感測的靈敏度，而限制了應(yīng)用范圍。故此，需要利用沉積技術(shù)，在移除部分犧牲層12，14，16，18后，將高分子聚合物沉積在各網(wǎng)狀金屬層外圍，用來密封各網(wǎng)狀金屬層，以改善聲音感測的靈敏度。此種高分子聚合物沉積工藝是一種較特殊的工藝，而不利于整合在現(xiàn)有的CMOS工藝中。另外，相關(guān)的MEMS聲壓感測元件可參考美國第6，622，368號、第7，049，051號、第7，190，038號、第6，936，524號等專利案。有鑒于此，本發(fā)明即針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種具有交錯排列金屬層的多層膜結(jié)構(gòu)的聲壓感測元件及其制作方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的的一在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足與缺陷，提出一種MEMS聲壓感測元件。本發(fā)明另一目的在于提出一種MEMS聲壓感測元件的制作方法。為達上述目的，就其中一個觀點而言，本發(fā)明提供了一種微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，包含一基板；一固定極板，設(shè)置于該基板上；以及一多層膜結(jié)構(gòu)，包括多個金屬層；以及連接該多個金屬層的多個金屬栓；其中，該多層膜結(jié)構(gòu)與該固定極板間具有一空腔，用以形成一音腔，且該多個金屬層各具有多個金屬段，每一金屬層的多個金屬段與至少另一金屬層中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結(jié)構(gòu)接收聲壓時，于正交聲波前進方向，具有一相對無間隙的視平面。就另一觀點而言，本發(fā)明還提供了一種微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，包含提供一基板；形成固定極板于該基板上；形成至少一犧牲層；形成各具有多個金屬段的多個金屬層于該犧牲層上；形成多個金屬栓用以連接該多個金屬層，以形成一多層膜結(jié)構(gòu)，其中，每一金屬層的多個金屬段與至少另一金屬層中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結(jié)構(gòu)接收聲壓時，于正交聲波前進方向，具有一相對無間隙的視平面；以及蝕刻移除該犧牲層，以形成一空腔作為該微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的音腔。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，宜更包含一支撐結(jié)構(gòu)，形成并固定于該基板上，與該多層膜結(jié)構(gòu)連接，用以支撐該多層膜結(jié)構(gòu)。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，宜更包含一絕緣層，連接于該支撐結(jié)構(gòu)與該基板之間，或連接于該固定栓與該基板之間。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測元件中，該多層膜結(jié)構(gòu)由俯視圖視之，相鄰金屬層宜具有重疊部分。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測元件中，該多層膜結(jié)構(gòu)的側(cè)邊宜留有空隙。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件中，該基板宜具有至少一排氣孔。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件中，各金屬層宜由下列材質(zhì)的至少一材質(zhì)形成金、 銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。上述微機電系統(tǒng)聲壓感測元件中，各金屬栓宜由下列材質(zhì)的至少一材質(zhì)形成鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。下面通過具體實施例詳加說明，當更容易了解本發(fā)明的目的、技術(shù)內(nèi)容、特點及其所達成的功效。


圖I顯示美國第7，202，101號專利案所公開的一種多金屬層MEMS結(jié)構(gòu)；圖2A到2J顯示本發(fā)明的第一個實施例的制作流程的剖視圖；圖3顯示本發(fā)明的第二個實施例；圖4顯示本發(fā)明的第三個實施例；圖5A到5J顯示本發(fā)明的第四個實施例；圖6A到6D顯示本發(fā)明的第五個實施例；圖7A到7F顯示本發(fā)明的第六個實施例。圖中符號說明10多金屬層MEMS結(jié)構(gòu)11 基板12，14，16，18 犧牲層13固定極板15第一金屬層17第二金屬層19可動隔膜22 基板221上表面222下表面24犧牲層26固定栓28固定極板30金屬栓
32金屬層34支撐結(jié)構(gòu)36多層膜結(jié)構(gòu)40 音腔42 開孔 44排氣孔46絕緣層50，60，70 區(qū)域52第四金屬層521,541,561,621,641,721,741 金屬段531第一金屬栓54第五金屬層551第二金屬栓56第六金屬層58多層膜結(jié)構(gòu)62第七金屬層631第三金屬栓64第八金屬層72第九金屬層731第四金屬栓74第十金屬層
具體實施例方式本發(fā)明中的圖式均屬示意，主要意在表示工藝步驟以及各層之間的上下次序關(guān)系，至于形狀、厚度與寬度則并未依照比例繪制。圖2A到2J顯示本發(fā)明的第一個實施例的制作流程的剖視圖。如圖2A所示，首先提供基板22，例如但不限于為硅基板。圖2B顯示于基板22上，形成犧牲層24。犧牲層24例如但不限于為二氧化硅、含氟二氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、或碳化硅等介電材料。圖2C顯示于犧牲層24中，形成固定栓26連接于基板22上。形成固定栓26的方法，例如可利用半導(dǎo)體工藝技術(shù)中，微影、蝕刻、沉積、以及化學機械研磨等技術(shù)，其為此領(lǐng)域的技術(shù)人員所熟知，在此不予贅述。圖2D顯示固定極板28形成于犧牲層24上，以多個固定栓26連接于基板22上。固定極板28的材質(zhì)例如為金屬或多晶硅等導(dǎo)電材料，作為MEMS聲壓感測元件中，用以感測聲壓的電容下極板。圖2E顯示在固定極板28上，形成犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。圖2F與2G分別顯示在金屬層32上，形成另一犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。圖2H顯示在金屬層32上，繼續(xù)形成另一犧牲層24、金屬栓30、以及金屬層32。圖2H示意支撐結(jié)構(gòu)34的形成，以及MEMS聲壓感測元件中，用以感測聲壓的電容上極板的形成。此外，圖2H亦不意此電容的上極板中，具有多個金屬層32,且各金屬層32包含多個金屬段,相鄰金屬層32的金屬段互相以交錯的方式安排，使得本實施例的MEMS聲壓感測元件中，電容的上極板，因各層重疊之故，由俯視圖視之呈大致密合，但在側(cè)邊則留有空隙，使蝕刻劑得以穿透而對犧牲層24進行蝕刻。其中，電容的上極板所包含的金屬層的層數(shù)不限于所示兩層，而可為更多層，在后文中將參照圖5-7再舉例說明。另外，所謂由俯視圖視之呈大致密合，意指每一金屬層32的多個金屬段與至少另一金屬層32中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當多層膜結(jié)構(gòu)36接收聲壓時，于正交聲波前進方向，具有一相對無間隙的視平面。圖21顯示于MEMS聲壓感測元件中，電容的上極板形成后，利用等向性蝕刻移除犧牲層24來釋放電容上極板以形成多層膜結(jié)構(gòu)36，使其可感測聲壓；并產(chǎn)生空腔以形成音腔40,其中，等向性蝕刻例如為離子蝕刻(reactive ion etch, RIE)、電衆(zhòng)蝕刻(plasmaetch)、或蒸氣氫氟酸蝕刻。此外，如圖所示，支撐結(jié)構(gòu)34固定于基板22上，與多層膜結(jié)構(gòu)36連接，用以支撐多層膜結(jié)構(gòu)36。電容上極板采用多層膜結(jié)構(gòu)36，避免了應(yīng)力在大面積上累積的問題，而本發(fā)明的 結(jié)構(gòu)雖然將整片的上極板拆解成小面積的多個區(qū)域，但由于從俯視圖視之呈大致密合，故仍能使聲壓得以充分從上方施壓作用于電容上極板上，而在工藝上，因側(cè)邊則留有空隙，又便利蝕刻移除犧牲層24。請參閱圖2J的剖面圖，顯示本實施例MEMS聲壓感測元件剖視示意圖?；?2具有上下表面221與222，分別由圖中粗虛線所示意。自下表面222，可利用感應(yīng)耦合電漿(inductively coupled plasma, ICP)或其它非等向性蝕刻,來移除部分基板22,以形成開孔42。利用微影與蝕刻技術(shù)，可自開孔42蝕刻至上表面221，以形成排氣孔44。排氣孔44連通至開孔42，可作為音腔40調(diào)節(jié)壓力之用。圖3顯示本發(fā)明的第二個實施例。本實施例意在說明本發(fā)明的MEMS聲壓感測元件，可更包含如圖所示的絕緣層46，連接于支撐結(jié)構(gòu)34與基板22之間，或/且連接于固定栓26與基板22之間。絕緣層46可以做為隔絕電性連接或是黏著層之用。圖4顯示本發(fā)明的第三個實施例。與第一個實施例不同的是，本實施例的支撐結(jié)構(gòu)34，可更包含如圖所示于多個金屬層32間的犧牲層24。犧牲層24可以加強支撐結(jié)構(gòu)34的強度，使本實施例的MEMS聲壓感測元件有較佳的機械強度。圖5A到5J顯示本發(fā)明的第四個實施例。本實施例由俯視圖與立體圖來說明多層膜結(jié)構(gòu)36的更具體實施例。圖5A顯示作為電容上極板最底層的金屬層52的俯視示意圖，為便利說明起見，假設(shè)此金屬層52為整體工藝中的第四層金屬層。請同時參照圖5B，顯示圖5A中區(qū)域50的立體圖。如圖5A與5B所示，第四金屬層52包含多個金屬段521，其排列的方式例如為具有間隙的平行排列。接著請參閱圖5C與5D，顯示第四金屬層52上，形成多個第一金屬栓531的俯視圖與立體圖。圖5E與5F顯示第一金屬栓531上，形成第五金屬層54的俯視圖與立體圖。如圖5E與5F所示，第五金屬層54包含多個金屬段541，其排列的方式例如為具有間隙的平行排列；并且，第五金屬層54中的多個金屬段541與第四金屬層52中的多個金屬段521以交錯方式排列，所謂交錯方式意指非為平行、從俯視圖視之有所重疊。接著請參閱圖5G與5H，顯示第五金屬層54上，形成多個第二金屬栓551的俯視圖與立體圖。圖51與5J，顯示第二金屬栓551上，形成第六金屬層56的俯視圖與立體圖。如圖51與5J所不,第六金屬層56包含多個金屬段561,其排列的方式例如為具有間隙的平行排列；并且，第六金屬層56中的多個金屬段561與第五金屬層54中的多個金屬段541以交錯方式排列；使多層膜結(jié)構(gòu)58由俯視圖視之，大致密合。圖6A到6D顯示本發(fā)明的第五個實施例。本實施例顯示多層膜結(jié)構(gòu)36另一種具體實施例。其與第四個實施例的相鄰金屬層中的金屬段的排列方式不同。圖6A顯示第七金屬層62與多個第三金屬栓631的俯視不意圖，請同時參照圖6B,顯不圖6A中區(qū)域60的立體圖。如圖6A與6B所示，第七金屬層62包含多個金屬段621，其排列的方式例如為具有間隙的平行排列。圖6C與6D,顯不第三金屬栓631上,形成第八金屬層64的俯視圖與立體圖。如圖6C與6D所示，第八金屬層64包含多個金屬段641，其排列的方式例如為具有間隙的平行排列；相似地，第八金屬層64中的多個金屬段641與第七金屬層62中的多個金屬段621以交錯方式排列；使多層膜結(jié)構(gòu)68由俯視圖視之，大致密合。圖7A到7F顯示本發(fā)明的第六個實施例。本實施例由俯視圖與立體圖來說明多層膜結(jié)構(gòu)36的更具體實施例。與前述幾個實施例不同，本實施例顯示一種多層膜結(jié)構(gòu)由俯視 圖視之，可完全密合的實施例。圖7A顯示第九金屬層72的上視示意圖，請同時參照圖7B，顯示圖7A中區(qū)域70的立體圖。如圖7A與7B所示，第九金屬層72包含多個金屬段721，其排列的方式例如為具有間隙的交錯排列。接著請參閱圖7C與7D，顯示第九金屬層72上，形成多個第四金屬栓731的俯視圖與立體圖。圖7E與7F顯示第四金屬栓731上，形成第十金屬層74的俯視圖與立體圖。如圖7E與7F所示，第十金屬層74包含多個金屬段741，其排列的方式例如為金屬段741具有開孔的密合排列；并且，第十金屬層74中的多個金屬段741與第九金屬層72中的多個金屬段721以交錯方式排列，以使金屬段741的開孔，由俯視圖視之，不與多個金屬段721之間的間隙重疊，其中，第十金屬層74與第九金屬層72具有重疊部分，使多層膜結(jié)構(gòu)78由俯視圖視之，大致密合。以上各實施例中，各金屬層由下列材質(zhì)的至少一材質(zhì)形成金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。另外，各金屬栓由下列材質(zhì)的至少一材質(zhì)形成鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。以上已針對較佳實施例來說明本發(fā)明，只是以上所述，僅為使本領(lǐng)域技術(shù)人員易于了解本發(fā)明的內(nèi)容，并非用來限定本發(fā)明的權(quán)利范圍。在本發(fā)明的相同精神下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以思及各種等效變化。例如，本發(fā)明的金屬層數(shù)不限于實施例所示，可為其它多個層數(shù)；又如，各金屬層的金屬段不必須與緊接相鄰的金屬層的金屬段以交錯方式排列，而可以與間隔一或數(shù)層的金屬層的金屬段呈交錯方式排列，僅需整體由俯視圖視之，大致密合即可；再如，每層固定栓或金屬栓數(shù)量不限于單一，亦可以為多個固定栓或金屬栓；又如，由俯視圖視之，各金屬段與固定栓或金屬栓不限于如圖所示的矩形或圓形，亦可以為其它任意形狀；又如，各結(jié)構(gòu)部份的形狀不限于實施例所示而可以改變等等。因此，本發(fā)明的范圍應(yīng)涵蓋上述及其它所有等效變化。
權(quán)利要求
1.ー種微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件，其特征在于，包含 一基板； 一固定極板，設(shè)置于該基板上；以及 ー多層膜結(jié)構(gòu)，包括 多個金屬層；以及 連接該多個金屬層的多個金屬栓； 其中，該多層膜結(jié)構(gòu)與該固定極板間具有一空腔，用以形成一音腔，且該多個金屬層各具有多個金屬段，每ー金屬層的多個金屬段與至少另ー金屬層中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結(jié)構(gòu)感測聲壓時，于正交聲波前進方向，具有一相對無間隙的視平面。
2.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，還包含一支撐結(jié)構(gòu)，形成并固定于該基板上，與該多層膜結(jié)構(gòu)連接，用以支撐該多層膜結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，還包含一絕緣層，連接于該支撐結(jié)構(gòu)與該基板之間，或連接于該固定栓與該基板之間。
4.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，該多層膜結(jié)構(gòu)由俯視圖視之，相鄰金屬層具有重疊部分。
5.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，該多層膜結(jié)構(gòu)的側(cè)邊留有空隙。
6.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件，其中，該基板具有至少ー排氣孔。
7.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，各金屬層由下列材質(zhì)的至少ー材質(zhì)形成金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。
8.如權(quán)利要求I所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件，其中，各金屬栓由下列材質(zhì)的至少ー材質(zhì)形成鎢、金、銀、鈦、鉭、銅、鋁、以上金屬的碳化物、以上金屬的氧化物、或以上金屬的氮化物。
9.一種微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件的制作方法，其特征在于，包含 提供一基板； 形成固定極板于該基板上； 形成至少ー犧牲層； 形成各具有多個金屬段的多個金屬層于該犧牲層上； 形成多個金屬栓用以連接該多個金屬層，以形成一多層膜結(jié)構(gòu)，其中，每ー金屬層的多個金屬段與至少另ー金屬層中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當該多層膜結(jié)構(gòu)接收聲壓時，于正交聲波前進方向，具有一相對無間隙的視平面；以及 蝕刻移除該犧牲層，以形成一空腔作為該微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的音腔。
10.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測兀件的制作方法,其中,還包含形成一支撐結(jié)構(gòu)固定于該基板上，并與該多層膜結(jié)構(gòu)連接，用以支撐該多層膜結(jié)構(gòu)。
11.如權(quán)利要求10所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，其中，還包含形成一絕緣層，連接于該支撐結(jié)構(gòu)與該基板之間，或連接于該固定栓與該基板之間。
12.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，其中，該多層膜結(jié)構(gòu)由俯視圖視之，相鄰金屬層具有重疊部分。
13.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，其中，該多層膜結(jié)構(gòu)的側(cè)邊留有空隙。
14.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，其中，該蝕刻移除犧牲層的步驟包括以離子蝕刻、電漿蝕刻、或蒸氣氫氟酸蝕刻進行等向性蝕刻。
15.如權(quán)利要求9所述的微機電系統(tǒng)聲壓感測元件的制作方法，其中，還包含在基板上形成排氣孔。
全文摘要
本發(fā)明提出一種微機電系統(tǒng)(MEMS)聲壓感測元件及其制作方法，MEMS聲壓感測元件，包含基板；固定極板，設(shè)置于基板上；以及多層膜結(jié)構(gòu)，包括多個金屬層；以及連接多個金屬層的多個金屬栓；其中，多層膜結(jié)構(gòu)與固定極板間具有空腔，用以形成音腔，且多個金屬層各具有多個金屬段，每一金屬層的多個金屬段與至少另一金屬層中的多個金屬段以相互交錯方式排列，使得當多層膜結(jié)構(gòu)接收聲壓時，于正交聲波前進方向，具有相對無間隙的視平面。
文檔編號B81B3/00GK102695115SQ201110080030
公開日2012年9月26日 申請日期2011年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月25日
發(fā)明者王傳蔚 申請人:原相科技股份有限公司