專利名稱：電容傳感器及其制造方法和具該電容傳感器的多功能元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微機電系統(tǒng)(MEMS),且特別是涉及一種電容傳感器(capacitivetransducer)、其制造方法以及具此種電容傳感器的多功能元件。
背景技術(shù)：
隨著近年來電子產(chǎn)品逐漸朝向多功能、小體積的趨勢發(fā)展，各界均致力于發(fā)展整合性更佳以及成本更低的產(chǎn)品。為了能夠有效地縮減產(chǎn)品的體積，微機電系統(tǒng)裝置已廣泛地應(yīng)用于各類產(chǎn)品中。在各種微機電系統(tǒng)裝置中，利用薄膜感測壓力變化產(chǎn)生振動的電容傳感器，能將壓力變化信號轉(zhuǎn)換為電性信號，以進(jìn)行各種壓力范圍的感測，例如微機電式麥克風(fēng)、壓力計等。在這種具有薄膜感測機制的微機電元件裝置中，因其薄膜本身的材料與其結(jié)構(gòu)容易受環(huán)境溫度與制作工藝應(yīng)力變異影響時導(dǎo)致形變，進(jìn)而影響到微機電元件的靈敏度。此外，當(dāng)電容傳感器在使用期間若因裝置掉落而承受極大沖擊力時，往往會導(dǎo)致感測薄膜損傷，進(jìn)而影響到微機電元件的靈敏度與感測品質(zhì)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電容傳感器，其可因環(huán)境溫度變異時產(chǎn)生形變進(jìn)而釋放因溫度變異時所衍生的殘留應(yīng)力與減緩受掉落沖擊時所承受的沖擊力。本發(fā)明另一目的在于提供一種多功能元件，能在同一基材上具有不同功能的電容傳感器。本發(fā)明再一目的在于提供一種電容傳感器的制造方法，用以制作出上述電容傳感器。為達(dá)上述目的，本發(fā)明提出一種電容傳感器，其包括一基材、第一電極、第二電極與至少一支承梁結(jié)構(gòu)。上述基材具有一開口，而第二電極是相對基材配置，其中第二電極具有相對上述開口的一中央部位及其周圍的一周邊部位，且中央部位與周邊部位是不連續(xù)結(jié)構(gòu)。至于第一電極是懸置于基材的開口與第二電極的中央部位之間，且第一電極與上述第二電極之間具有一間隙。支承梁結(jié)構(gòu)則連結(jié)基材并支撐第二電極的中央部位以及第一電極。在本發(fā)明的一實施例中，上述的至少一支承梁結(jié)構(gòu)可包括單一或多個支承梁結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的一實施例中，上述電容傳感器還可在支承梁結(jié)構(gòu)與第二電極之間包括
一第二介電層。在本發(fā)明的一實施例中，上述電容傳感器還可在支承梁結(jié)構(gòu)與第一電極之間包括
一第一介電層。 在本發(fā)明的一實施例中，上述支承梁結(jié)構(gòu)與第一電極之間是直接接觸的。在本發(fā)明的一實施例中，上述第一電極還可具有數(shù)個孔槽，用以釋放第一電極上的殘留應(yīng)力(residual stress)。在本發(fā)明的一實施例中，上述支承梁結(jié)構(gòu)的材料至少包括金屬或氮化硅。在本發(fā)明的一實施例中，上述第一電極的材料至少包括多晶硅。在本發(fā)明的一實施例中，上述電容傳感器可用于麥克風(fēng)。在本發(fā)明的一實施例中，上述第二電極的中央部位可具有數(shù)個開孔。在本發(fā)明的一實施例中，上述電容傳感器還可包括設(shè)置于第二電極上的有機/無機材料，用以密封第二電極。由此，上述電容傳感器可用于壓力計或超聲波元件。本發(fā)明另提出一種多功能元件，具有數(shù)個上述的電容傳感器，其中設(shè)置在同一基材上的這些電容傳感器中包括至少一麥克風(fēng)以及至少一壓力計或超聲波元件。在本發(fā)明的另一實施例中，上述多功能元件中的麥克風(fēng)可由陣列排列的多個電容傳感器所組成。本發(fā)明再提出一種電容傳感器的制造方法，包括在一基材上形成露出部分基材的第一電極。在基材上形成一支承梁結(jié)構(gòu)，且其與第一電極部分重疊。然后，在基材上形成一層介電層覆蓋支承梁結(jié)構(gòu)，并于第一電極上方的介電層上形成第二電極。所述第二電極的一中央部位與其周圍的一周邊部位是不連續(xù)結(jié)構(gòu)，且這層介電層會自第二電極露出。接著，去除部分基材，以形成對應(yīng)第二電極的中央部位的位置的一開口并露出第一電極。然后再去除自第二電極露出與對應(yīng)第二電極的中央部位的介電層，以制作出一懸浮結(jié)構(gòu)。在本發(fā)明的再一實施例中，在基材上形成支承梁結(jié)構(gòu)之前，還可在基材上先形成另一層介電層完全覆蓋第一電極。而且，在制作出懸浮結(jié)構(gòu)的步驟中可去除自第一電極外露出的上述另一層介電層。在本發(fā)明的再一實施例中，在基材上形成第一電極的步驟還可包括在第一電極的形成多個孔槽，用以釋放第一電極上的殘留應(yīng)力。在本發(fā)明的再一實施例中，形成第二電極的步驟包括使第二電極的中央部位形成有多個開孔。在本發(fā)明的再一實施例中，形成第二電極的步驟例如在上述介電層上依序形成一導(dǎo)電層。在本發(fā)明的再一實施例中，制作出懸浮結(jié)構(gòu)之后還可利用一有機材料或一無機材料密封所述第二電極?；谏鲜?，本發(fā)明利用一支承梁結(jié)構(gòu)連接第一與第二電極，使其皆被懸吊且通過懸吊結(jié)構(gòu)與外部分開，使其受溫度變異時可形變釋放應(yīng)力與減緩受掉落沖擊時所承受的沖擊力。此外，本發(fā)明可將不同功能的多個電容傳感器設(shè)置于同一基材上，因此能得到多功能元件。為讓本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點能更明顯易懂，下文特舉實施例，并配合所附附圖作詳細(xì)說明如下。


圖1A、圖2A、圖3A、圖4A與圖6A是本發(fā)明的第一實施例的一種電容傳感器的制造流程的上視圖；圖1B、圖2B、圖3B、圖4B與圖6B分別是與其上視圖的B-B線段的剖視圖1C是第一實施例中采用具有孔槽的第一電極的上視圖；圖2C是第一實施例中采用多個支承梁結(jié)構(gòu)的上視圖；圖5是圖4A與圖6A之間的步驟的剖視圖；圖7是本發(fā)明第一實施例的電容傳感器的另一種應(yīng)用的剖視圖；圖8是本發(fā)明的第二實施例的一種電容傳感器的剖視圖；圖9是本發(fā)明的第三實施例的一種多功能元件的示意圖；圖10是本發(fā)明的第四實施例的另一種多功能元件的示意圖。主要元件符號說明100、904:基材102:氧化層104、IO6:第一電極104a:孔槽108:第一介電層110:支承梁結(jié)構(gòu)112:第二介電層114:第二電極114a:中央部位114b:周邊部位116:開孔118:絕緣層120:開口122:懸浮結(jié)構(gòu)124:間隙126:有機/無機材料600、800、1002b:電容傳感器900、1000:多功能元件90如、1004:麥克風(fēng)902b g、1002a:壓力計或超聲波元件
具體實施例方式下文請參照附圖來了解本發(fā)明，然而本發(fā)明可用多種不同形式來實現(xiàn)，并不局限于實施例的描述。而在附圖中，為明確起見可能未按比例繪制各層以及區(qū)域的尺寸以及相對尺寸。當(dāng)文中以一構(gòu)件或?qū)邮恰拔挥诹硪粯?gòu)件或?qū)由稀睍r，如無特別說明，則表示其可直接位于另一構(gòu)件或?qū)由希騼烧咧g可存在中間構(gòu)件或?qū)?。另外，文中使用?br> “于......上”、“于......下方”及其類似的空間相對用語，來描述附圖中的構(gòu)件與另一
(或多個)構(gòu)件的關(guān)系。然此空間相對用語除附圖顯示的狀態(tài)外，還可包括使用中或操作中的構(gòu)件的方向。舉例而言，若將圖中的構(gòu)件翻轉(zhuǎn)，則被描述為位于其他構(gòu)件或特征“下方”或“之下”的構(gòu)件接著將定向成位于其他構(gòu)件或特征“上方”。
此外，本文雖使用“第一”、“第二”等來描述各種構(gòu)件、區(qū)域或?qū)?，但是此用語用以將一構(gòu)件、區(qū)域或?qū)优c另一構(gòu)件、區(qū)域或?qū)幼鲄^(qū)別。因此，在不背離本發(fā)明的情況下，下文所述的第一構(gòu)件、區(qū)域或?qū)右部梢暈榈诙?gòu)件、區(qū)域或?qū)?。本發(fā)明的概念是利用一支承梁結(jié)構(gòu)同時將微機電電容傳感器的第一電極與第二電極懸空，以使其結(jié)構(gòu)懸吊且與外部切開，進(jìn)而形變釋放應(yīng)力，并能在元件受掉落沖擊時減緩沖擊力，增加元件可靠度。以下列舉數(shù)個實施例來說明本發(fā)明的裝置及其可運用的制作工藝。圖1A至圖6B是依照本發(fā)明的第一實施例的一種電容傳感器的制造流程示意圖，其中圖1A、圖2A、圖3A、圖4A與圖6A是上視圖；圖1B、圖2B、圖3B、圖4B與圖6B是其上視圖的B-B線段的剖視圖。圖5是圖4A與圖6A之間的步驟的剖視圖。請先參照圖1A與圖1B，在一基材100上選擇性地形成一層氧化層102，其中基材100的材料可以是硅晶或其他適合的材料，而氧化層102可以是熱氧化層、化學(xué)氣相沉積(CVD)氧化層等。然后，在氧化層102上形成第一電極104和106，且第一電極104與其周圍的第一電極106并不相連,其中第一電極104的材料可以是多晶娃或其他適合的材料。根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)，第一電極104與106的制作方法通常是先沉積一整層，再以光刻蝕刻之類的制作工藝將其圖案化成為兩個互不相連的結(jié)構(gòu)；甚至是只留下第一電極104的部分。此外，第一電極104部分還可如圖1C所75,在第一電極104具有數(shù)個孔槽104a,用以釋放第一電極104上的殘留應(yīng)力(residual stress)。而孔槽104a部分可在上述圖案化步驟時同時形成，且孔槽104a的形狀不僅圖1C的形狀，尚可參考中國臺灣專利公開號第200926864號所揭露的感測薄膜的特征，在此以引用的方式將該申請案并入本文之中。接著，請參照圖2A與圖2B，在基材100上選擇性地形成一第一介電層108，覆蓋第一電極104與106以及氧化層102，其中第一介電層108的材料譬如BPSG、Si02、PSG、SAUSG、SOG等。隨后，于基材100上的第一介電層108上形成一支承梁結(jié)構(gòu)110，其中支承梁結(jié)構(gòu)110的材料譬如金屬或氮化硅等材料，但不限于此。而且，支承梁結(jié)構(gòu)110的位置例如是稍微覆蓋到第一電極104的邊緣上方。此外，圖2A的支承梁結(jié)構(gòu)110明顯是環(huán)狀的單一結(jié)構(gòu)，但本實施例并不局限于此。請見圖2C的上視圖，其是由多個支承梁結(jié)構(gòu)111構(gòu)成。然后，請參照圖3A與圖3B，在基材100上形成一第二介電層112，覆蓋第一介電層108以及支承梁結(jié)構(gòu)110，其中第二介電層112的材料譬如BPSG、Si02、PSG、SAUSG、S0G等。之后，于第二介電層112上形成一第二電極114。第二電極114具有一中央部位114a及其周圍的一周邊部位114b，且中央部位114a與周邊部位114b是不連續(xù)結(jié)構(gòu)。上述第二電極114例如是導(dǎo)電層，如金屬或是多晶硅。另外，為了配合后續(xù)制作工藝與應(yīng)用，第二電極114的中央部位114a還可具有多個開孔116。然后，請參照圖4A與圖4B，在第二電極114上形成暴露出第二介電層112的絕緣層118，并可通過定義絕緣層118的蝕刻步驟繼續(xù)蝕刻部分第二介電層112。之后，請參照圖5，對基材100進(jìn)行開口 120 (即背腔)定義與氧化層102的蝕刻，譬如利用感應(yīng)耦合等離子體(ICP)蝕刻及氣化氫氟酸(Vapor-HF)干蝕刻。蝕刻后會露出整面的第一電極104與部分的第一電極106，且開口 120與第二電極114的中央部位114a的位置是相對應(yīng)的。最后，請參照圖6A與圖6B，利用如濕式蝕刻的制作工藝，去除自第二電極114露出和對應(yīng)中央部位114a的第二介電層112與自第一電極104與106之間露出的第一介電層108,以制作出懸浮結(jié)構(gòu)122,而成為電容傳感器600,同時使第一電極104與第二電極114的中央部位114a之間具有一間隙124。至于電連接則可通過如介層窗(via)之類的內(nèi)連線(未繪示)，將作為上、下電極用的第一電極104及第二電極114的中央部位114a的電性向外導(dǎo)通。因此，本實施例的上述電容傳感器600可用于麥克風(fēng)。由于只憑借一個支承梁結(jié)構(gòu)110連接第一電極104與第二電極114的中央部位114a，使第一電極104及第二電極114的中央部位114a與其它部位分開，使其受環(huán)境溫度變異時可形變進(jìn)而釋放應(yīng)力，還可減緩受掉落沖擊時所承受的沖擊力，增加元件可靠度。圖7是第一實施例的電容傳感器的另一種應(yīng)用的剖視圖，其中使用與圖6B相同的元件符號來代表相同或相似的構(gòu)件。在圖7中，可于第二電極114上覆蓋有機/無機材料126,譬如氮化娃(SiN)、二氧化娃(SiO2)、聚對二甲苯(Parylene)等，以密封第二電極114,使得電容傳感器可用于壓力計或超聲波元件，但須維持第一電極104與第二電極114的中央部位114a之間有間隙124，且一般在壓力計及超聲波元件的應(yīng)用上，是不需以圖1C的開槽方式制作第一電極104。本文中的“有機/無機材料”是指有機材料或者無機材料。圖8則是依照本發(fā)明的第二實施例的一種電容傳感器的剖視圖，其中使用與第一實施例相同的兀件符號來代表相同或相似的構(gòu)件。在圖8中的電容傳感器800與第一實施例不同處在于，支承梁結(jié)構(gòu)110與第一電極104之間是直接接觸的，其間不含介電層。以上制作工藝僅是用來說明本發(fā)明是可實施的，并非用以限制本發(fā)明的結(jié)構(gòu)。圖9是依照本發(fā)明的第三實施例的一種多功能元件的示意圖。在圖9中，多功能元件900具有設(shè)置在同一基材904上的數(shù)個電容傳感器902a g，其中包括麥克風(fēng)902a以及數(shù)個壓力計或超聲波元件902b g。在本實施例中的電容傳感器902a g可以是上述各實施例中的電容傳感器，由于電容傳感器902a g的制作工藝可以相同，差別僅在兀件尺寸以及壓力計及超聲波元件902b g需多一道密封第二電極的步驟，故能整合不同功能的元件于同一基材904。另外，圖10是依照本發(fā)明的第四實施例的另一種多功能元件的示意圖。在圖10中，多功能元件1000包括壓力計或超聲波元件1002a以及由陣列排列的電容傳感器1002b組成的麥克風(fēng)1004。而設(shè)置在同一基材904上的電容傳感器1002a b在元件尺寸可以相同或接近，且可運用上述第一至第二實施例中的電容傳感器。綜上所述，本發(fā)明的電容傳感器通過支承梁結(jié)構(gòu)，使其中的第一電極及第二電極皆被懸吊并與外部構(gòu)件分開，因此在第一電極及/或第二電極受環(huán)境溫度變異時，可形變進(jìn)而釋放應(yīng)力。另外，支承梁結(jié)構(gòu)來能在元件掉落時，減緩其受沖擊所承受的沖擊力。此外，如將不同功能的電容傳感器制作在同一基材上，還能達(dá)多功能之效。雖然結(jié)合以上實施例揭露了本發(fā)明，然而其并非用以限定本發(fā)明，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域中熟悉此技術(shù)者，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，可作些許的更動與潤飾，故本發(fā)明的保護范圍應(yīng)以附上的權(quán)利要求所界定的為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
1.一種電容傳感器,其特征在于所述電容傳感器包括: 基材，具有開口 ； 第二電極，相對該基材配置，其中該第二電極具有相對該開口的一中央部位及其周圍的一周邊部位，且該中央部位與該周邊部位是不連續(xù)結(jié)構(gòu)； 第一電極，懸置于該基材的該開口與該第二電極之間，且該第一電極與該第二電極之間具有一間隙；以及 至少一支承梁結(jié)構(gòu)，連結(jié)該基材并支撐該第二電極的該中央部位以及該第一電極。
2.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于該至少一支承梁結(jié)構(gòu)包括單一或多數(shù)個支承梁結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器還包括第一介電層，位于該支承梁結(jié)構(gòu)與該第一電極之間。
4.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器還包括第二介電層，位于該支承梁結(jié)構(gòu)與該第二電極之間。
5.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于該支承梁結(jié)構(gòu)與該第一電極之間是直接接觸的。
6.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于該第一電極具有多數(shù)個孔槽，用以釋放該第一電極上的殘留應(yīng)力。
7.如權(quán)利要求1所述的電容傳 感器，其特征在于該至少一支承梁結(jié)構(gòu)的材料至少包括 金屬或氮化娃。
8.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于該第一電極的材料至少包括多晶硅。
9.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器用于麥克風(fēng)。
10.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于該第二電極的該中央部位包括多數(shù)個開孔。
11.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器還包括有機材料，設(shè)置于該第二電極上，用以密封該第二電極。
12.如權(quán)利要求1所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器還包括無機材料，設(shè)置于該第二電極上，用以密封該第二電極。
13.如權(quán)利要求11或12所述的電容傳感器，其特征在于所述電容傳感器用于壓力計或超聲波元件。
14.一種多功能元件，其特征在于:所述多功能元件具有多數(shù)個如權(quán)利要求1 13中任一項所述的電容傳感器，其中設(shè)置在同一基材上的該些電容傳感器包括至少一麥克風(fēng)以及至少一壓力計。
15.如權(quán)利要求14所述的多功能元件，其特征在于該麥克風(fēng)包括由陣列排列的該些電容傳感器所組成。
16.一種電容傳感器的制造方法，其特征在于所述制造方法包括: 在一基材上形成一第一電極，該第一電極露出部分該基材； 在該基材上形成一支承梁結(jié)構(gòu)，該支承梁結(jié)構(gòu)與該第一電極部分重疊； 在該基材上形成一介電層覆蓋該支承梁結(jié)構(gòu)； 在該第一電極上方的該介電層上形成一第二電極，該第二電極的一中央部位與其周圍的一周邊部位是不連續(xù)結(jié)構(gòu)，且該介電層自該第二電極露出； 去除部分該基材，以形成對應(yīng)該第二電極的該中央部位的位置的一開口，并露出該第一電極；以及 去除自該第二電極露出與對應(yīng)該第二電極的該中央部位的該介電層，以制作出一懸浮結(jié)構(gòu)。
17.如權(quán)利要求16所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于在該基材上形成該支承梁結(jié)構(gòu)之前，還包括在該基材上形成另一介電層完全覆蓋該第一電極。
18.如權(quán)利要求17所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于制作出該懸浮結(jié)構(gòu)的步驟包括去除自該第二電極外露出的該另一介電層。
19.如權(quán)利要求16所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于在該基材上形成該第一電極的步驟，還包括在該第一電極形成多數(shù)個孔槽，用以釋放該第一電極上的殘留應(yīng)力。
20.如權(quán)利要求16所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于在該介電層上形成該第二電極的步驟包括:使該第二電極的該中央部位形成有數(shù)個開孔。
21.如權(quán)利要求16所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于在該介電層上形成該第二電極的步驟包括:在該介電層上形成一導(dǎo)電層。
22.如權(quán)利要求16所述的電容傳感器的制造方法，其特征在于制作出該懸浮結(jié)構(gòu)之后還包括利用有機材料或無機材料 密封該第二電極。
全文摘要
本發(fā)明公開一種電容傳感器、其制造方法以及具此種電容傳感器的多功能元件。其中的電容傳感器包括一基材、第一電極與第二電極與至少一支承梁結(jié)構(gòu)。上述基材具有一開口，而第二電極是相對基材配置，其中第二電極具有相對上述開口的一中央部位及其周圍的一周邊部位，且中央部位與周邊部位是不連續(xù)結(jié)構(gòu)。至于第一電極是懸置于基材的開口與第二電極之間，且第一電極與上述第二電極之間具有一間隙。支承梁結(jié)構(gòu)則連結(jié)基材并支撐第二電極的中央部位及第一電極。
文檔編號G01D5/24GK103175552SQ20121006546
公開日2013年6月26日 申請日期2012年3月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月26日
發(fā)明者陳建銘, 黃進(jìn)文, 王欽宏, 李新立 申請人:財團法人工業(yè)技術(shù)研究院