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TW201815657A - Ｍｅｍｓ裝置與製程 - Google Patents

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TW201815657A
TW201815657A TW106124643A TW106124643A TW201815657A TW 201815657 A TW201815657 A TW 201815657A TW 106124643 A TW106124643 A TW 106124643A TW 106124643 A TW106124643 A TW 106124643A TW 201815657 A TW201815657 A TW 201815657A
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永 詹姆士 柏伊德
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席瑞斯邏輯國際半導體有限公司
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Abstract

本申請案描述MEMS傳感器，其包含沿著至少一個支撐邊緣相對於一基板以一固定關係受支撐的一可撓性膜片層，其中複數個隙縫穿過該膜片層而設置。該等隙縫界定複數個橫桿。每一橫桿界定在該橫桿之第一端點與第二端點之間的一路徑，該路徑包含至少一個方向改變。亦描述傳感器，其中膜片層沿著複數個支撐邊緣相對於基板以一固定關係受支撐，該複數個支撐邊緣界定大體上由該等支撐邊緣定界的一膜片區。

Description

MEMS裝置與製程
本發明係關於一種微機電系統(MEMS)裝置與製程，尤其係關於一種與傳感器(例如，電容式麥克風或揚聲器)相關之MEMS裝置與製程。
各種MEMS裝置變得愈來愈流行。包括諸如麥克風之MEMS電容式感測器以及諸如揚聲器之電容式輸出傳感器的MEMS傳感器愈來愈多地用於諸如行動電話及攜帶型計算裝置的攜帶型電子裝置中。
使用MEMS製造製程形成之傳感器裝置通常包含一或多個膜片，其中用於讀出/驅動之電極沈積於該等膜片及/或基板上。在MEMS壓力感測器及麥克風之狀況下，例如，通常藉由量測一對電極之間的電容來實現讀出，該電容將隨著該等電極之間的距離回應於入射於膜片表面上之聲波進行改變而變化。
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，該膜片層形成一可撓性膜片，該可撓性膜片回應於聲波所產生的壓力差而自由移動。第一電極102機械地耦接至可撓性膜片，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103機械地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103嵌入於背板結構104內。
在使用中，回應於與入射於麥克風上之壓力波對應的聲波，膜片自其均衡位置輕微變形。下部電極102與上部電極103之間的距離相應地變更，從而引起兩個電極之間的電容之改變，該改變隨後藉由電子電路系統(圖中未示)偵測到。
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。基板中且在任何上覆層中之空腔108(在下文中被稱作基板空腔)係設置於膜片下方，且可使用穿過基板105之「背蝕(back-etch)」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102與第二電極103之間。
可在製造製程期間使用第一犧牲層(亦即，使用用以界定第一空腔的可隨後被移除之材料)且在第一犧牲材料上方沈積膜片層101來形成第一空腔109。使用犧牲層來形成第一空腔109意謂基板空腔108之蝕刻在界定膜片之直徑方面並不起任何作用。實情為，膜片之直徑係藉由第一空腔109之直徑(其又由第一犧牲層之直徑界定)結合第二空腔110之直徑(其又可由第二犧牲層之直徑界定)而界定。相比使用濕式蝕刻或乾式蝕刻執行之背蝕製程的直徑，可更準確地控制使用第一犧牲層形成之第一空腔109的直徑。因此，蝕刻基板空腔108將在下伏於膜片101之基板的表面中界定開口。
用以界定第一空腔及第二空腔之犧牲材料經尺寸設定以便提供膜片層101與基板105之間以及膜片層101與背板104之間的所要均衡分離，從而在使用中提供良好靈敏度及動態範圍。在正常操作中，膜片可在由第一空腔及第二空腔界定之容積內變形，而不接觸背板及/或基板 105。
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。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。
如所提及，可藉由在第一犧牲材料上方沈積至少一個膜片層101來形成膜片。以此方式，該(等)膜片層之材料可延伸至支撐膜片之支撐結構(亦即，側壁)中。膜片及背板層彼此可由大體上相同的材料形成，例如，膜片及背板兩者可藉由沈積氮化矽層而形成。膜片層可設定尺寸為具有所需彈性，而背板可經沈積為較厚且因此較剛性的結構。另外，可在形成背板104時使用各種其他材料層以控制其性質。使用氮化矽材料系統在許多方面係有利的，但可使用其他材料，例如，使用多晶矽膜片之MEMS傳感器為已知的。
在一些應用中，麥克風可經配置為在使用中使得經由背板來接收入射聲音。在此等情況下，另外複數個孔(在下文中被稱作聲學孔112)係配置於背板104中，以便允許空氣分子自由移動，使得聲波可進入第二空腔110。第一空腔109及第二空腔110結合基板空腔108允許膜片101回應於經由背板104中之聲學孔112進入的聲波而移動。在此等情況下，基板空腔108習知地被稱為「背部容積(back volume)」，且其可被大體上密封。
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來接收聲音。在此等應用中，背板104通常仍具備複數個孔以允許空氣在第二空腔與背板上方可大體上經密封以提供背部容積的另一容積之間自動地移動。在此等情況下，基板空腔108習知地被稱為「前部容積」。
亦應注意到，儘管圖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係以膜片層101支撐於其上方的方式最靠近於基板而形成。
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，傳感器之(例如)用於讀出及/或驅動的至少一些電子電路系統亦經提供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，通常希望減少在晶圓上製造MEMS裝置所需之佔據面積。
已提議了多種膜片設計，該等膜片設計更高效地使用大體正方形或矩形膜片區域而非圓形區域。此有利地引起矽晶圓在製造期間的更高效使用。
此外，為了適用於攜帶型電子裝置中，電容式傳感器較佳地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，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強制進入至聲音埠中。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對傳感器之損害。
此外，(例如)歸因於製造中之沈積期間的熱及化學效應，應力可產生於膜片層中，甚至在處於均衡時。一定量之應力在增強膜片之彈性且因此增強麥克風機械敏感度方面有益。然而，額外應力可(例如)歸因於膜片相對於基板以固定關係受支撐的方式而在膜片上或特定區中發生，其 又可引起膜片故障或損害。根據本發明之MEMS傳感器意欲對表現為膜片表面上之暫時應力波的聲壓波作出回應，該等暫時應力波尤其在高壓脈衝期間亦提供應力的額外分量。因此，應瞭解，在處於均衡時展現於膜片層內之任何應力可潛在地對傳感器之效能或穩健性具有不利影響。
本發明之實施例大體上係關於改良傳感器結構之效率及/或效能。本發明之態樣亦係關於減少及/或重佈膜片層內之應力以便改良傳感器的彈性及/或穩健性。另外或替代地，本發明之態樣係關於改良晶圓製造技術之空間效率。
根據本發明之第一態樣，提供一種MEMS傳感器，其包含：可撓性膜片層，其沿著至少一個支撐邊緣相對於基板以固定關係受支撐，其中複數個隙縫在支撐邊緣與膜片層之中心區之間穿過膜片層而設置，該等隙縫界定複數個橫桿，每一橫桿界定橫桿之第一端點與第二端點之間的路徑，該路徑包含至少一個方向改變。
較佳地，該等隙縫設置於膜片層的在支撐邊緣與膜片之中心區之間的區(應力釋放區)中。因此，該等隙縫可被視為設置於膜片之該或每一支撐邊緣的側向內部。較佳地，該等隙縫設置於接近於或鄰近於支撐邊緣的區中。此隙縫區可在膜片之上覆於基板空腔之區的側向外部。因此，隙縫可形成於膜片之上覆於傳感器基板的區中。該等隙縫可藉由蝕刻製程穿過膜片層而形成。
根據本發明之第一態樣的實施例，複數個隙縫有效地界定膜片材料之「橫桿」。橫桿之數側因此大體上藉由延伸穿過膜片材料之隙縫來界定或定界。應瞭解，隙縫可包含可互連之複數個隙縫部分。
根據本發明之第一態樣的實施例，橫桿可被視為界定在橫桿 之第一端點與第二端點之間延伸的路徑，其中該路徑包含至少一個「彎曲部」或方向改變。因此，藉由橫桿界定之路徑並非筆直的。橫桿之路徑方向可被視為包含x及/或y方向上的改變，其中膜片之平面界定於xy平面中。
膜片材料之橫桿可被視為充當應力緩解結構。較佳地，橫桿允許產生於膜片材料內之應力藉由橫桿之變形而釋放。實際上，模擬展示沿著藉由一對鄰近隙縫界定的膜片材料之橫桿產生的一系列應力集中區，以及剛好在膜片材料之橫桿外部的一系列應力減少區。因此，穿過膜片層設置之隙縫有利地用來以受控方式改變產生於膜片層內之局部應力分佈。以此方式控制應力有利地改良對膜片之彈性且因此對敏感度的控制，此係因為根據一些實例，應力展示為在膜片之中心區處更均勻地分佈。膜片之順應性及/或彈性可藉此得以有益地增強。
設置界定具有至少一個方向改變之路徑的橫桿亦可增強橫桿之可撓性，亦即，其撓曲以緩解應力的能力。應瞭解，橫桿之彎曲部或路徑方向改變有利地允許橫桿之長度增加而不產生延伸至膜片之上覆於基板空腔的區中之隙縫。橫桿之較長有效長度亦有助於使膜片歸因於製造製程或機械衝擊而與基板之機械扭曲機械地解耦。
根據本發明之較佳實施例，藉由隙縫界定之膜片材料的複數個橫桿有利地用來改良在支撐邊緣附近之膜片材料的順應性及/或彈性。
根據一個實施例，橫桿界定一路徑，該路徑包含：在大體上橫向於支撐邊緣之方向上延伸的第一部分，及在大體上平行於支撐邊緣之方向上延伸的第二部分。根據一個實施例，橫桿可被視為由經接合在一起以形成大體S形橫桿或Z形橫桿的至少三個部分組成。根據另一實施例，橫桿可形成V形或倒V形(人字形)。
因此，橫桿可由複數個大體筆直部分組成，或可由一或多個 大體彎曲部分組成。橫桿之第一部分及第二部分可彼此隔離，且可相對於支撐邊緣在橫向方向上延伸。第一部分及第二部分可藉由連接部分接合，該連接部分可在第一部分與第二部分之間正交地延伸或在第一部分與第二部分之間以一角度延伸(例如，以提供「Z」形狀)。第一部分及第二部分延伸的總橫向距離可被視為界定橫桿的長度L。可大體上相同之複數個彎曲橫桿可沿著可大體上平行於支撐邊緣而界定的線以規則間隔P定位。
雖然隙縫將有效地分離膜片之一部分與膜片之剩餘部分，但隙縫較佳經設定尺寸使得膜片之藉由隙縫界定的部分並不充當歸因於膜片上之壓力差而變形的掀板。
支撐邊緣可被視為包含一線段，膜片層沿著該線段相對於基板以固定關係釘紮、安裝或錨定。較佳地，支撐邊緣借助於諸如複數個柱之一或多個安裝結構相對於基板以固定關係被固持，該一或多個安裝結構將膜片直接地或間接地固定或釘紮至基板。安裝結構因此較佳經組態以界定支撐邊緣。
支撐邊緣之部位因此在膜片層內有效地界定邊界。此邊界將成為傳感器之主膜片區的邊界。主膜片區可被視為傳感器之「作用」膜片區，亦即，傳感器膜片層之用於感測及/或係動態的區。舉例而言，在包含根據本發明之態樣之實施例的MEMS傳感器之麥克風裝置的狀況下，作用膜片區係膜片層之能夠回應於聲學刺激而作出反應(亦即，偏轉)的區。
因此，膜片區之形狀可至少部分藉由邊界來界定，該邊界藉由該(等)支撐或固定邊緣形成。因此設想到，主/作用膜片區可界定於較大沈積膜片層之佔據面積內。
膜片區亦可由一或多個其他邊緣定界，該一或多個其他邊緣未受支撐且可因此被視為膜片之「自由」或「未固定」邊緣。未固定邊緣 潛在地能夠在可撓性膜片回應於膜片上之聲壓差而偏轉時相對於基板移動。未固定邊緣可(例如)藉由所沈積膜片層之邊緣界定。另外或替代地，未固定部分可設置於鄰近支撐邊緣之間。
根據本發明之實施例，複數個隙縫較佳不與膜片區之任何邊緣相交，且因此完全設置於膜片區內。
主或作用膜片區之形狀可為大體圓形。該等支撐邊緣或該等支撐邊緣中之每一者可界定形狀為大體圓形的膜片區。圓形膜片區可藉由單一支撐邊緣界定，使得圍繞膜片區之大體上整個周緣，膜片區被緊固而無任何未固定部分。設置複數個隙縫/橫桿有利地用來重佈及/或釋放在膜片區之周緣附近產生於膜片層內的應力，及/或改良此圓形設計的可撓性及/或彈性且因此改良穩健性，其亦提供良好效能特性。
替代地，圓形膜片區可藉由複數個支撐邊緣界定，該複數個支撐邊緣具有插入於鄰近支撐邊緣之間的至少一個未固定部分。一或多個未固定區之範圍可相對較小，使得圍繞幾乎/大體上整個周緣，膜片仍被緊固。此配置之益處為，圍繞大體上整個周邊，膜片區仍固持於適當位置，其使得膜片層內之應力能夠均勻地分佈，且因此意謂所得傳感器展現良好的穩健性等級，而未固定部分進一步增強可撓性且因此增強膜片耐受應力的能力。
支撐邊緣形成膜片區之邊界邊緣，該膜片區之形狀可為大體正方形或矩形。因此，沿著邊界邊緣之大體上整個長度，膜片層固定至基板。因此，膜片區之幾乎整個邊界固定至基板。然而，膜片層之一或多個未固定部分可沿著邊界而設置。因此，膜片層可包含設置於鄰近支撐邊緣之間的至少一個未固定部分。
根據本發明之第一態樣的包含具有大體正方形或矩形形狀 之膜片的傳感器組態將受益於矽晶圓在製造期間的更高效使用。此外，膜片區之邊界邊緣係固定的特徵有利地用來均勻地分佈產生於膜片層中之應力，而界定複數個經彎曲彎曲部的複數個隙縫產生具有膜片之增強彈性及或順應性的實施例。
根據本發明之第二態樣，提供一種MEMS傳感器，其包含：可撓性膜片層及基板，其中膜片層沿著複數個支撐邊緣相對於基板以固定關係受支撐，該等支撐邊緣界定大體上由支撐邊緣定界的膜片區。
膜片層可進一步包含設置於鄰近支撐邊緣之間的至少一個未固定部分。該等鄰近支撐邊緣彼此大體上正交或至少橫向地設置，使得可繪製與該等鄰近支撐邊緣中之一者重合的線，該線將在頂點處與繪製為與另一該鄰近支撐邊緣重合的線相交，其中未固定部分設置於該頂點處或附近。
因此，儘管膜片區大體上由支撐邊緣定界，但應瞭解，支撐邊緣不需要圍繞膜片區形成完整不中斷邊界。確切而言，膜片層可在一或多個未固定部分處相對於基板未固定，該一或多個未固定部分設置於鄰近支撐邊緣之間。較佳地，未固定部分相對較小，使得膜片區之整個邊界之長度的至少75%、較佳至少85%且甚至更佳至少90%相對於基板以固定關係受支撐。
此配置之益處為，膜片區圍繞該區之大體上整個周邊固持於適當位置，其使得膜片層內之應力能夠沿著支撐邊緣更均勻地分佈，且因此意謂所得傳感器展現良好等級的穩健性。設置一或多個相對較小之未固定部分用來允許膜片更自由地移動。結果，根據提供一或多個未固定部分之較佳實施例，有可能達成針對給定壓力差藉由傳感器證明的電容改變之增加。
未固定部分亦允許緩解否則可產生於膜片區之頂點附近的膜片應力集中，此係因為膜片周邊之未固定部分相較於甚至周邊之藉由橫桿可撓性地支撐之部分較自由地扭曲。
較佳地，膜片層包含四個支撐邊緣及四個頂點，該等支撐邊緣界定具有大體正方形或矩形形狀的膜片區，且其中未固定部分設置於頂點中之每一者處。
較佳地，複數個隙縫設置於膜片區中，該等隙縫界定複數個橫桿。較佳地，隙縫設置於膜片的在支撐邊緣與膜片層之中心區之間的區中。較佳地，隙縫設置於靠近或鄰近於支撐邊緣的區中。此隙縫區可在膜片之上覆於基板空腔的區的側向外部。因此，隙縫可形成於膜片之上覆於傳感器基板的區中。
再者，隙縫有效地界定膜片材料之「橫桿」，該「橫桿」在一對隙縫(或由複數個互連隙縫形成的一對通道)之間延伸。根據本發明之第二態樣的實施例，橫桿可界定筆直之路徑。因此，橫桿可界定僅在第一方向(例如，橫向於支撐邊緣之方向)上延伸的路徑。界定筆直橫桿之隙縫的形態可為彎曲或弓形的。因此，隙縫可為C形或U形，且可彎曲過至少180度以界定在隙縫之末端之間的口部或開口。因此，筆直橫桿形成於鄰近U形隙縫的鄰近叉尖之間。較佳地，彎曲隙縫之口部背離藉由支撐邊緣界定的邊界，且藉由隙縫與安裝結構之區分離。
雖然隙縫將有效地分離膜片之一部分與膜片之剩餘部分，但隙縫較佳經設定尺寸使得膜片之藉由隙縫界定的部分並不充當歸因於膜片上之壓力差而變形的掀板。因此，隙縫之定界曲面內的部分可回應於膜片上之壓力差而展現遠離膜片之平面的最小偏轉。
替代地，橫桿可界定在橫桿之第一端點與第二端點之間延伸 的路徑，其中該路徑包含至少一個「彎曲部」或方向改變。因此，根據第二態樣之實施例，藉由橫桿界定之路徑並非筆直的。橫桿之路徑方向可被視為包含x及/或y方向上的改變，其中膜片之平面界定於xy平面中。
因此，根據本發明之第二態樣之實施例，可為作用膜片區之膜片區的總體形狀藉由複數個支撐或固定邊緣定界/界定。每一支撐邊緣因此表示膜片層相對於基板固定所沿著的線且因此形成膜片區之邊界。
大體正方形或矩形狀膜片區(例如)將因此由至少四個縱向支撐邊緣形成。支撐邊緣可被視為包含一線段，膜片層沿著該線段相對於基板以固定關係釘紮、安裝或錨定。
正方形/矩形膜片區亦可包含除四個縱向邊緣外的邊界邊緣。舉例而言，考慮正方形膜片區，其已在拐角中之一或多者處截短以替代頂點而提供琢面。經充分截短之正方形將具有8個邊緣。膜片可展現所謂的較淺截短，使得4個較長邊緣在較短截短邊緣之間延伸。較佳地，較長邊緣為本發明之支撐邊緣，且因此相對於基板以固定關係受支撐。經截短邊緣可包含未固定邊緣，特別係在截短相對較淺的情況下。替代地，經截短邊緣亦可相對於基板經釘紮。
根據本發明之第二態樣之實施例的包含具有大體正方形或矩形形狀之膜片的傳感器組態將受益於矽晶圓在製造期間的更高效使用。
該傳感器可包含背板結構，其中該可撓性膜片層相對於該背板結構受支撐。該背板結構可包含延伸穿過該背板結構之複數個孔。
該傳感器可為諸如麥克風之電容式感測器，或可為揚聲器。因此，MEMS傳感器可進一步包含耦接至主/作用膜片區的電極。該傳感器可包含讀出(亦即，放大)電路系統。該傳感器可位於具有聲音埠(亦即，聲埠)之封裝內。該傳感器可實施於電子裝置中，該電子裝置可為以下各者中 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；平板電腦裝置；遊戲裝置；及語音控制式裝置。
根據另一態樣，提供一種包含至少一個傳感器的晶圓，該至少一個傳感器體現本發明之任何態樣。較佳地，該晶圓為矽晶圓，且包含傳感器於晶圓上設置所在之傳感器區域。矽晶圓之傳感器區域之形狀為正方形或矩形係典型的。因此，本發明之提供具有大體正方形或矩形形狀之膜片區域的實施例在製造具有一或多個MEMS傳感器之矽晶圓時特別有利，此係因為應瞭解，對於給定傳感器敏感度，此設計相較於等效圓形設計需要較小區域。
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。
100‧‧‧電容式MEMS麥克風裝置
101‧‧‧膜片層/膜片
102‧‧‧第一電極/下部電極
103‧‧‧第二電極/上部電極
104‧‧‧大體上剛性之結構層或背板/背板結構
105‧‧‧基板
106‧‧‧上部氧化物層
107‧‧‧下部氧化物層
108‧‧‧基板空腔
109‧‧‧第一空腔
110‧‧‧第二空腔
111‧‧‧放氣孔
112‧‧‧聲學孔
301‧‧‧可撓性膜片層/主膜片區
302‧‧‧通道
303‧‧‧支撐邊緣
306‧‧‧安裝結構/安裝件
307‧‧‧未定界區/未固定部分
308‧‧‧隙縫區
309‧‧‧基板空腔
310‧‧‧圓形膜片區
311‧‧‧隙縫
312‧‧‧橫桿
400‧‧‧晶圓
401‧‧‧隙縫/電路系統
402‧‧‧導電路徑
403‧‧‧矩形製造區域
E1‧‧‧第一端點
E2‧‧‧第二端點
T1、T2、O‧‧‧方向
L‧‧‧橫桿的長度
P‧‧‧規則間隔/間隔距離
B‧‧‧彎曲部
M、G‧‧‧間隔
為了更好地理解本發明以及展示可如何實現本發明，現將以實例方式參考附圖，在附圖中：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說明根據第一實例實施例之傳感器結構的膜片；圖3a至圖3d說明形成膜片材料之複數個橫桿的各種隙縫組態；圖4說明先前考慮之傳感器結構的膜片；圖5說明根據第二實施例之傳感器結構的膜片；圖6說明根據第三實例實施例之膜片的區段；及圖7說明多個傳感器在晶圓上之形成。
類似於其他圖中的特徵之任何特徵在整個本說明書中被給予相同的參考編號。
應瞭解，MEMS傳感器之膜片層經受應力。當材料之原子因受力而自其均衡位置移位時，該材料被視為受到應力。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，膜片層在處於均衡時(亦即，當膜片上未產生壓力差或產生可忽略壓力差時)展現固有的或本徵的殘餘應力。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，額外應力可產生於膜片層中。
圖2說明本發明之第一態樣的實施例。如圖2中所展示，可撓性膜片層301借助於複數個安裝結構306相對於基板以固定關係受支撐。安裝結構之配置有效地界定可被視為藉由複數個支撐邊緣303定界的圓形膜片區310。複數個未定界區307設置於鄰近支撐邊緣303之間。在此特定實例中，圓形膜片區界定於較大膜片層內。然而，可使用在周緣處釘紮之圓形膜片層來提供具有類似組態之膜片區。
根據本發明之實施例，複數個隙縫311(圖中未示)在支撐邊緣與膜片層之中心區之間穿過膜片層而設置。亦稱作應力釋放區之隙縫區在圖2中藉由區308指明。應瞭解，區308將類似地鄰近於支撐邊緣303中之每一者而設置。隙縫可因此被視為在靠近或鄰近於支撐邊緣之區中側向地設置於膜片之支撐邊緣內部。此隙縫區可較佳在膜片之上覆於基板空腔309之區的側向外部。因此，隙縫可形成於膜片之上覆於傳感器基板的區中。隙縫可藉由蝕刻製程穿過膜片層而形成。在膜片之上覆於傳感器基板之區中設置隙縫會產生自基板空腔跨越第一空腔之一部分側向地延伸至 隙縫中之每一者之至少大部分的相對狹窄通道。此相對曲折路徑提供聲學阻抗，該聲學阻抗使否則可能穿過隙縫出現之任何洩漏氣流衰減，從而繞過膜片之主區且使敏感度降級。又，使橫桿結構自身在實體上有利地免受否則可傾向於損害橫桿的高壓脈衝。
隙縫311之若干組態說明於圖3b至圖3d中，該等圖各自展示膜片層之一部分的展開視圖。穿過膜片設置複數個隙縫311會形成膜片材料之複數個「橫桿」312，該膜片材料在一對隙縫(或由複數個互連隙縫形成之一對通道)之間延伸。隙縫寬度通常小於1μm。橫桿可被視為形成在膜片層內一體地形成之應力釋放結構。
圖3a展示為大體上U形之隙縫形態。
圖3b展示根據本發明之較佳實例實施例的隙縫形態。複數個隙縫311形成膜片材料之複數個橫桿312，每一橫桿界定第一端點E1與第二端點E2之間的路徑，且包含兩個「彎曲部」或方向改變。
根據圖3b之實例，橫桿312界定並非筆直且因此包括至少一個「彎曲部」的路徑。如圖3b中所展示，橫桿界定路徑，該路徑包含在橫向於支撐邊緣之方向T1上延伸的第一橫向部分、在大體上平行於第一橫向部分之方向T2上延伸的第二橫向部分，及在大體上平行於支撐邊緣或正交於第一橫向部分及第二橫向部分的方向O上延伸的第三連接部分。根據替代性實施例，連接部分可以一角度在第一部分與第二部分之間延伸(例如，以提供「Z」形狀)。應瞭解，橫桿之不同部分之間的彎曲部或方向改變可大體經修圓及/或橫桿可包含S形狀，其中路徑為彎曲的且路徑方向在橫桿之整個長度上改變。
第一部分及第二部分延伸的總橫向距離可被視為界定橫桿的長度L。在此實施例中大體上相同之複數個橫桿沿著可大體上平行於支撐 邊緣303界定的線以規則間隔定位。間隔距離P在鄰近橫桿之對應部分之間延伸。
穿過膜片層設置之隙縫有利地用來以受控方式改變及/或釋放產生於膜片層內之局部應力分佈。以此方式控制應力有利地改良對膜片之敏感度的控制，此係因為根據一些實例，應力展示為在膜片之中心區中更均勻地分佈。膜片之順應性及/或彈性可藉此得以有益地增強。
應瞭解，眾多隙縫配置設想為在本發明之範疇內，其引起形成複數個橫桿，該複數個橫桿界定具有至少一個方向改變之路徑。圖3c及圖3d展示根據本發明之實例實施例的其他隙縫形態。
圖3c說明複數個隙縫之另一配置，該複數個隙縫在隙縫或應力釋放區處經蝕刻至可撓性膜片層中以形成複數個V形或「人字形」橫桿。橫桿界定一路徑，該路徑具有如藉由箭頭所指示之假想方向且包含端點E1與E2之間的一個方向改變。每一橫桿形成於一對鄰近隙縫之間，而橫桿之端點與膜片之剩餘部分直接連接。因此，此實例提供相較於橫桿之長度而相對較淺之彎曲部。(暗線指示膜片層內之蝕刻)
應瞭解，橫桿內之每一彎曲部或方向改變可使橫桿結構之可撓性有利地增加。圖3d展示可被視為遵循如藉由箭頭指示之直線路徑方向的橫桿結構。可看出，直線路徑包含四個彎曲部B或方向改變。
在諸如上文關於圖1a及圖1b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。膜片經形成，以便圍繞其大體上整個周緣受支撐。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圓形結構。
出於各種原因，以大體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，矽晶圓上指定用於每一MEMS傳感器之區域通常為大體正方形或矩形形狀。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較多傳感器，但此將對所得敏感度具有一些影響且因此係不合需要的。
儘管大體圓形膜片常常展現良好的裝置性質，但圓形膜片之使用傾向於導致矽晶圓之使用上的某低效率。
因此，具有大體矩形或正方形區域之膜片的傳感器設計被提出。圖4展示具有膜片層300的先前考慮之傳感器，該膜片層展現經截短之正方形形狀。膜片層具備界定主膜片區301之通道302。主膜片區由沿著膜片層之經截短邊緣設置的四個支撐邊緣303定界。沿著此等邊緣，一系列安裝件306相對於下伏基板以固定關係支撐膜片層301。膜片區301亦藉由通道302所形成之未固定邊緣定界。基板具備下伏於膜片區301之中心部分的空腔310。膜片區301因此形成膜片之用於感測的作用區。
儘管圖4之設計就矽晶圓在製造期間之更高效使用而言提供明確益處，但仍需要改良傳感器之總體穩健性及/或效能。
圖5展示根據本發明之第二實例實施例之傳感器的膜片。大體上為正方形狀之膜片層301借助於複數個安裝結構306相對於下伏基板以固定關係受支撐。安裝結構沿著膜片層之每一側面之大體整個長度而設置。因此，在此實例中，膜片層包含四個支撐邊緣303。膜片層具備複數個隙縫401，該等隙縫設置於鄰近於支撐邊緣中之每一者而設置的區308中。隙縫之圖案藉由蝕刻製程穿過膜片層而形成。隙縫區308在膜片之上覆於 基板空腔309之區的側向外部。因此，隙縫形成於膜片之上覆於傳感器基板的區中。
根據此實施例，膜片層係沿著複數個支撐邊緣303相對於基板以固定關係受支撐，該複數個支撐邊緣界定大體上由該等支撐邊緣定界的膜片區310。在可繪製與每一支撐邊緣重合的在外推時將與繪製為與鄰近支撐邊緣重合之類似外推線相交的意義上，數對鄰近支撐邊緣在頂點處重合。
在此實例中，頂點之區處的膜片層相對於基板並不以固定關係受支撐。因此，膜片層包含設置於鄰近支撐邊緣之間的四個未固定部分307。安裝結構係以間隔M沿著膜片區之側面的長度規則地設置。可看出，一個支撐邊緣上之末端安裝結構與鄰近支撐邊緣上之末端安裝結構之間的間隔距離大於M。因此，間隔M在膜片之拐角處中斷，且間隙提供於鄰近安裝結構之間，此產生拐角處鄰近安裝結構之間的間隔G，其中G可(例如)介於M的1.5倍與10倍之間(G=1.5M至10M)。因此，間隙相較於支撐邊緣之長度相對較小。
因此，膜片沿著主膜片區之幾乎整個周邊釘紮。在本發明之上下文內，「大體上定界」應解譯為要求膜片區沿著膜片區之周邊的至少75%相對於基板以固定關係受支撐。此藉由未定界部分在周邊上的範圍來判定。
因此，儘管膜片區大體上由支撐邊緣定界，但應瞭解，支撐邊緣不需要圍繞膜片區形成完整不中斷邊界。確切而言，膜片層可在一或多個未固定部分處相對於基板未固定，該一或多個未固定部分設置於鄰近支撐邊緣之間。較佳地，未固定部分相對較小，使得膜片之整個邊界之長度的至少75%、較佳至少85%且甚至更佳至少90%相對於基板以固定關係 受支撐。
此配置之益處為，膜片區圍繞大體上整個周邊固持於適當位置，其使得膜片層內之應力能夠更均勻地分佈而非集中於特定區內。因此，歸因於壓力波或脈衝或機械衝擊而疊加於此靜態應力上的任何應力不大可能在任何特定區處產生破壞性等級之應力，且因此意謂所得傳感器展現良好等級的穩健性。支撐邊緣在結構之拐角處的不存在可避免拐角處的「釘墊(pin-cushion)」應力集中。設置一或多個相對較小之未固定部分因此用來進一步增強傳感器膜片之穩健性。
展示於圖5中之膜片層具備複數個隙縫401，該複數個隙縫設置於鄰近於支撐邊緣中之每一者而設置的區308中。設想到界定筆直橫桿或非筆直橫桿之多種隙縫圖案。因此，隙縫之圖案可採用展示於圖3a中之配置的形式。替代地，隙縫之圖案可採用上文先前所論述之展示於圖3b、圖3c及圖3d中的配置之形式。
圖6展示根據本發明之另一實例實施例的膜片層之區段。在此實例中，膜片層包含經截短正方形。安裝件306沿著正方形之主邊緣以及沿著經截短邊緣而設置。取決於截短之程度且因此取決於經截短邊緣之長度，亦設想到在本發明之上下文內，經截短邊緣可為未固定邊緣。
應瞭解，安裝件306可採用各種形式。舉例而言，安裝件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，安裝件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。安裝件亦可包含背板之支撐結構與膜片接觸的區域。在安裝件上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移動。
圖7說明上面製造有複數個傳感器300之晶圓400的至少部分。晶圓400可為已經處理以產生複數個裝置且在單一化之前的晶圓。在 此實例中，每一傳感器具有電路系統401之相關聯區。電路系統之區可包含用於傳感器之操作及/或讀出的電路系統。舉例而言，電路系統可包含諸如電荷泵之電壓偏壓電路。另外或替代地，讀出電路系統可包含諸如低雜訊放大器之放大器電路系統或其他讀出或信號處理電路系統。傳感器300將藉由導電路徑402連接至電路系統，該等導電路徑通常可至少部分嵌埋於諸如鈍化層之各種其他層下方。電路系統區域可包括用於在使用時進行電連接的接觸區。
可看出，傳感器300及電路系統401適配於矩形製造區域403中，且因此高效使用製造區域。因此，晶圓之區域可更高效地得到使用，亦即，相較於使用圓形傳感器設計否則將成為之狀況，產生較大數目個傳感器而無作用膜片區域之任何顯著損失且因此無所得傳感器之敏感度之降低。
應理解，所提供之方向不應以任何方式被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。相對術語「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「下側」、「之下」等應相應地解譯。
第一空腔及基板空腔可以任何已知方式形成。有利地，該空腔可具有朝向基板之下側增加的橫截面積。因此，在傳感器正下方之第一空腔可具有第一橫截面積，使得準確地界定膜片之區域。朝向晶粒基板之下側，基板之橫截面積可較大以便使由基板空腔提供之背部容積的部分最大化。在一些實施例中，基板空腔之壁的斜度剖面中可存在階躍改變。此空腔剖面可藉由諸如專利GB2451909中所描述之多階段蝕刻來達成。
本發明之實施例特別適合於MEMS感測器傳感器，尤其係諸如MEMS麥克風及MEMS揚聲器的電容式傳感器。亦應瞭解，可實施其 他類型之MEMS電容式感測器，例如，加速度計、壓力感測器、近接感測器或流量計。
實施例可實施於主機裝置中，尤其攜帶型及/或電池供電式主機裝置，諸如行動電話及音訊播放器、視訊播放器、PDA、行動計算平台(諸如，膝上型電腦或平板電腦及/或遊戲裝置)，或實施於經設計以用於與此等主機裝置有線或無線連接(可能經由多線纜線、多極插口或光纖及連接器)之附屬裝置中，諸如頭戴式耳機、耳塞(可能雜訊消除)或麥克風總成。
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脫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」不排除除請求項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滿足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數字或標記不應解釋為限制其範疇。

Claims (25)

  1. 一種MEMS傳感器，其包含：一可撓性膜片層，其沿著至少一個支撐邊緣相對於一基板以一固定關係受支撐，其中複數個隙縫在該支撐邊緣與該膜片層之一中心區之間穿過該膜片層而設置，該等隙縫界定複數個橫桿，每一橫桿界定在該橫桿之第一端點與第二端點之間的一路徑，該路徑包含至少一個方向改變。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該複數個隙縫設置於一應力釋放區中，該應力釋放區在該膜片之上覆於該基板之一空腔的區的側向外部。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中每一橫桿包含：一第一橫向部分，其在一第一方向上延伸，該第一方向橫向於該支撐邊緣；一第二橫向部分，其在大體上平行於該第一方向之一方向上延伸；及一連接部分，其在該第一橫向部分與該第二橫向部分之間延伸。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之MEMS傳感器，其中該連接部分在該第一橫向部分與該第二橫向部分之間大體上正交地延伸。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等橫桿為大體S形或Z形。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該複數個橫桿沿著可大體上平行於該支撐邊緣界定之一線以規則間隔定位。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該複數個橫桿大體上相同。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該等支撐邊緣或該等支撐邊緣中之每一者界定形狀為大體圓形的一膜片區。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之MEMS傳感器，該膜片區包含在兩個鄰近支撐邊緣之間延伸的至少一個未固定部分。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其包含複數個支撐邊緣，其中該等支撐邊緣界定該膜片層之大體上由該等支撐邊緣定界的一膜片區。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS傳感器，其中該膜片層之該膜片區之形狀為大體正方形或矩形。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之MEMS傳感器，其中該膜片區藉由複數個邊界邊緣定界，每一邊界邊緣由該膜片之一支撐邊緣形成，該膜片沿著該支撐邊緣相對於該基板以一固定關係受支撐。
  13. 一種MEMS傳感器，其包含：一可撓性膜片層及一基板，其中該膜片層沿著複數個支撐邊緣相對於該基板以一固定關係受支撐，該複數個支撐邊緣界定大體上由該等支撐邊緣定界的一膜片區。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之MEMS傳感器，該膜片層進一步包含設置於一第一支撐邊緣與一鄰近第二支撐邊緣之間的至少一個未固定部分。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之MEMS傳感器，其中該等鄰近支撐邊緣經設置使得可繪製與該第一鄰近支撐邊緣重合之一線，該線將在一頂點處與繪製為與該第二鄰近支撐邊緣重合之一線相交，其中該未固定部分設置於該頂點處或附近。
  16. 如申請專利範圍第15項所述之MEMS傳感器，其中該膜片層包含四個支撐邊緣及四個頂點，該等支撐邊緣界定具有一大體正方形或矩形形狀的一膜片區，且其中一未固定部分設置於該等頂點中之每一者處。
  17. 如申請專利範圍第13項所述之MEMS傳感器，其中複數個隙縫設置於該膜片區中，該等隙縫界定複數個橫桿。
  18. 如申請專利範圍第17項所述之MEMS傳感器，其中該複數個隙縫設置於一應力釋放區中，該應力釋放區在該膜片之上覆於該基板之一空腔的區的側向外部。
  19. 如申請專利範圍第17項所述之MEMS傳感器，其中每一橫桿界定在橫向於該支撐邊緣之一方向上延伸的一大體筆直路徑。
  20. 如申請專利範圍第17項所述之MEMS傳感器，其中每一橫桿界定在該橫桿之第一端點與第二端點之間的一路徑，該路徑包含至少一個方向改變。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之MEMS傳感器，其中該膜片層包含一晶形或多晶形材料。
  22. 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。
  23. 如申請專利範圍第22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/或數位電路系統。
  24. 一種電子裝置，其包含如申請專利範圍第1項所述之一MEMS傳感器，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。
  25. 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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