TWI428030B - 薄膜結構及聲音感測裝置 - Google Patents

Description

薄膜結構及聲音感測裝置

本發明是有關於一種薄膜結構以及具有此薄膜結構之聲音感測裝置，且特別是有關於一種具製程殘留應力免疫特性的振膜以及具有此種振膜之聲音感測裝置。

現今視覺與聽覺是人類最直接的兩種感官反應，因此長久以來，科學家們極力的發展各種可再生視覺與聽覺相關系統。但是隨著近幾年來人們對於感官品質的日益要求，以及3C產品(Computer,Communication,Consumer Electronics)在追求短小、輕薄的前提下，一種省電、輕薄、可依人體工學需求設計的聲音感測裝置(又可稱麥克風)，不管是應用在個人手機、車用系統、個人電腦或是多媒體環境，此方面的技術將有大量的需要與應用的發展。

目前許多的聲音感測裝置是透過微機電製程或是互補式金氧化層半導體(CMOS)製程來製作。然而，在製程過程中所遭遇的製程應力會帶來許多良率的問題，而且在同一晶圓上不同位置所殘留的應力也不盡相同。如此，將使得同一晶圓上不同位置的薄膜特性也不盡相同。

本發明提供一種薄膜結構以及具有此種薄膜結構的聲音感測裝置，以解決傳統於製程過程中因製程殘留應力作用導致不同晶圓位置的薄膜特性有明顯差異的問題。

本發明提出一種薄膜結構，其包括薄膜本體、多組第一開槽、多組第二開槽以及多個連接部。薄膜本體具有中央區域以及位於中央區域周圍的多個側邊區域及多個梯度應力抑制區，其中每一梯度應力抑制區位於相鄰兩側邊區域之間。每一組第一開槽位於其中一個側邊區域中，且每一組第一開槽包括多個交錯設置的第一開槽圖案。每一組第二開槽位於其中一個梯度應力抑制區，且每一組第二開槽包括多個第二開槽圖案。每一連接部位於每一組第二開槽的第二開槽圖案之間，以連接位於梯度應力抑制區內的薄膜本體與位於中央區域內的薄膜本體。

本發明提出一種聲音感測裝置結構，其包括基材、薄膜以及金屬背板。薄膜位於基材上，且薄膜之一表面與基材之間有第一空氣腔室，其中薄膜包括薄膜本體、多組第一開槽、多組第二開槽以及多個連接部。薄膜本體具有中央區域以及位於中央區域周圍的多個側邊區域及多個梯度應力抑制區，其中每一梯度應力抑制區位於相鄰兩側邊區域之間。每一組第一開槽位於其中一個側邊區域中，且每一組第一開槽包括多個交錯設置的第一開槽圖案。每一組第二開槽位於其中一個梯度應力抑制區，且每一組第二開槽包括多個第二開槽圖案。每一連接部位於每一組第二開槽的第二開槽圖案之間，以連接位於梯度應力抑制區內的薄膜本體與位於中央區域內的薄膜本體。金屬背板位於薄膜上方，其中金屬背板與薄膜之另一表面之間有第二空氣腔室。

基於上述，因本發明在薄膜本體的側邊區域所設置的第一開槽圖案可以釋放應力，而於薄膜本體的梯度應力抑制區所設置的第二開槽圖案以及連接部可以抑制梯度應力效應。因此，本發明之薄膜結構不但可以釋放應力，而且薄膜性能不易受到梯度應力的影響。如此，在歷經多道製程之後，在晶圓上不同位置的薄膜結構特性均勻性較佳。

為讓本發明之上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

圖1是根據本發明一實施例之薄膜結構的上視示意圖。請參照圖1，本實施例之薄膜結構包括薄膜本體100、多組第一開槽103、多組第二開槽105以及多個連接部108。

薄膜本體100具有中央區域102、多個側邊區域104及多個梯度應力抑制區106。側邊區域104及梯度應力抑制區106是位於中央區域102的周圍，且每一梯度應力抑制區106位於相鄰兩側邊區域104之間。薄膜本體100的輪廓可為正方形、圓形、矩形或是多邊形。在本實施例(圖1所示之實施例)，薄膜本體100的輪廓是以正方形為例來說明，但本發明不限於此。薄膜本體100的材質可以是任何材質或是適合用於振膜之材質，其例如是碳基聚合物(carbon-based polymers)、矽(silicon)、氮化矽(silicon nitride)、多晶矽(polycrystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、二氧化矽(silicon dioxide)、碳化矽(silicon carbide)，以及鍺(germanium)、鎵(gallium)、砷化物(arsenide)、碳(carbon)、鈦(titanium)、金(gold)、鐵(iron)、銅(copper)、鉻(chromium)、鎢(tungsten)、鋁(aluminum)、鉑(platinum)、鎳(nickel)、鉭(tantalum)等其他金屬或其合金。

由於本實施例之薄膜本體100的輪廓是正方形，因此薄膜本體100具有四個側邊區域104以及四個梯度應力抑制區106。此外，梯度應力抑制區106是位於薄膜本體100的四個角落處。類似地，根據其他實施例，倘若薄膜本體100的輪廓是矩形，此薄膜本體100也同樣具有四個側邊區域104以及四個梯度應力抑制區106，且梯度應力抑制區106位於薄膜本體100的四個角落處。

多組第一開槽103是位於側邊區域104中。換言之，每一組第一開槽103是對應設置於其中一個側邊區域104中。另外，每一組第一開槽103包括多個交錯設置的第一開槽圖案103a,103b,103c。在本實施例中，第一開槽圖案103a,103b,103c是貫穿薄膜本體100的開槽。此外，在本實施例中，每一組第一開槽103具有至少三個第一開槽圖案103a,103b,103c，且所述至少三個第一開槽圖案103a,103b,103c交錯設置。然而，本發明不限制每一組第一開槽中的第一開槽圖案的數目以及長度，只要是每一組第一開槽中的第一開槽圖案是彼此交錯設置即可。

多組第二開槽105是位於梯度應力抑制區106中。換言之，每一組第二開槽105位於其中一個梯度應力抑制區106，且每一組第二開槽105包括多個第二開槽圖案105a,105b。在本實施例中，第二開槽圖案105a,105b是貫穿薄膜本體100的開槽。此外，在本實施例中，上述第一開槽圖案103a,103b,103c的延伸方向D1與第二開槽圖案105a,105b的延伸方向D2具有銳角夾角θ。所述銳角夾角θ可為小於90度的任一角度，較佳的是45度。此外，根據本實施例，有部分的第一開槽圖案103b,103c與鄰近的第二開槽圖案105a,105b相接。以圖1之實施例為例，第一開槽圖案103b與第二開槽圖案105b相接，第一開槽圖案103c與另一組第二開槽105的第二開槽圖案105a相接。

多個連接部108是位於第二開槽圖案105a,105b之間。換言之，每一連接部108是位於每一組第二開槽105的第二開槽圖案105a,105b之間。連接部108連接位於梯度應力抑制區106內的薄膜本體100與位於中央區域102內的薄膜本體100，以使位於梯度應力抑制區106內的薄膜本體100與位於中央區域102內的薄膜本體100之間成為連續結構或是不中斷的結構。

根據上述圖1之薄膜結構，其在側邊區域104設置第一開槽103a,103b,103c，此種設計相當於在側邊區域104中形成並聯彈簧103’之結構(如圖2所示)。另外，在梯度應力抑制區106設置第二開槽105a,105與連接部108，此種設計相當於在梯度應力抑制區106中形成彈簧體105’之結構(如圖2所示)。因此，當薄膜本體100遭受到張應力時，並聯彈簧103’以及彈簧體105’可以發揮分散張應力的作用，進而釋放張應力。類似地，當薄膜本體100遭受到壓縮應力時，並聯彈簧103’以及彈簧體105’可以發揮分散壓縮應力的作用，進而釋放壓縮應力。

特別是，由於本實施例在梯度應力抑制區106設置第二開槽105a,105b與連接部108，且連接部108連接位於梯度應力抑制區106內的薄膜本體100與位於中央區域102內的薄膜本體100，以使位於梯度應力抑制區106內的薄膜本體100與位於中央區域102內的薄膜本體100之間成為連續結構或是不中斷的結構。此種設計可以抑制梯度應力效應，以使薄膜本體結構受梯度應力影響的剛性變異量減小。圖3是圖1之實施例之薄膜結構的梯度應力測試曲線，其中X軸表示梯度應力，Y軸表示共振頻率。由圖3可知，圖1之薄膜結構在遭受到不同梯度應力時，其共振頻率的變異量相當小。換言之，當圖1之薄膜結構在遭受到不同梯度應力時，其結構剛性的變異量相當小。

一般來說，傳統振膜的設計都存在隨著梯度應力的增加而增加結構剛性的問題。當振膜的設計都存在隨著梯度應力的增加而增加結構剛性時，將使得薄膜的靈敏度降低。而由於本發明之薄膜結構在遭受到不同梯度應力時，其結構剛性的變異量相當小。因此，本發明之薄膜結構的靈敏度不易受梯度應力的影響而降低。

上述圖1之實施例之薄膜結構是以正方形薄膜本體為例來說明，然本發明不限於此。根據其他實施例，薄膜本體也可以其他形狀，例如圓形或其他多邊形。圖4是根據另一實施例之薄膜結構的上視圖。請參照圖4，此薄膜包括薄膜本體200、多組第一開槽203、多組第二開槽205以及多個連接部208。

薄膜本體200具有中央區域202、多個側邊區域204及多個梯度應力抑制區206。側邊區204及梯度應力抑制區206是位於中央區域202的周圍，且每一梯度應力抑制區206位於相鄰兩側邊區域204之間。

多組第一開槽203是位於側邊區域204中。換言之，每一組第一開槽203是對應設置於其中一個側邊區域204中。另外，每一組第一開槽203包括多個交錯設置的第一開槽圖案203a,203b,203c,203d,203e。在本實施例中，第一開槽圖案203a,203b,203c,203d,203e是貫穿薄膜本體200的開槽。類似地，本發明不限制每一組第一開槽中的第一開槽圖案的數目以及長度，只要是每一組第一開槽中的第一開槽圖案是彼此交錯設置即可。

多組第二開槽205是位於梯度應力抑制區206中。換言之，每一組第二開槽205位於其中一個梯度應力抑制區206，且每一組第二開槽205包括多個第二開槽圖案205a,205b。在本實施例中，第二開槽圖案205a,205b是貫穿薄膜本體200的開槽。此外，根據本實施例，有部分的第一開槽圖案203d,203e與鄰近的第二開槽圖案205a,205b相接。

多個連接部208是位於第二開槽圖案205a,205b之間。換言之，每一連接部208是位於每一組第二開槽205的第二開槽圖案205a,205b之間。連接部208連接位於梯度應力抑制區206內的薄膜本體200與位於中央區域202內的薄膜本體200，以使位於梯度應力抑制區206內的薄膜本體200與位於中央區域202內的薄膜本體200之間成為連續結構或是不中斷的結構。

根據上述圖4之薄膜結構，其在側邊區域204設置第一開槽203a,203b,203c,203d,203e可以構成並聯彈簧之結構。另外，在梯度應力抑制區206設置第二開槽205a,205b與連接部208可以構成彈簧體之結構。因此，當薄膜本體200遭受到張應力或是壓縮應力時，上述之並聯彈簧以及彈簧體可以發揮分散張應力或是壓縮應力的作用，進而釋放張應力或是壓縮應力。另外，由於本實施例在梯度應力抑制區206設置第二開槽205a,205b與連接部208，且連接部208連接位於梯度應力抑制區206內的薄膜本體200與位於中央區域202內的薄膜本體200，以使位於梯度應力抑制區206內的薄膜本體200與位於中央區域202內的薄膜本體200之間成為連續結構或是不中斷的結構。此種設計可以抑制梯度應力效應，以使薄膜本體結構受梯度應力影響的剛性變異量減小。

上述圖1或是圖4之薄膜結構設計可以應用於聲音感測裝置中。圖5A至圖5D是根據本發明一實施例之一種聲音感測裝置的製造流程示意圖。請先參照圖5A，首先提供基材500，基材500可以是矽基材，例如是矽晶圓。根據本發明之一實施例，基材500上可進一步形成有隔離層502。隔離層502例如是場氧化隔離層或是淺層溝渠隔離層。

之後，在隔離層502上形成薄膜504。根據本發明之一實施例，薄膜504之材質可例如是碳基聚合物(carbon-based polymers)、矽(silicon)、氮化矽(silicon nitride)、多晶矽(polycrystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、二氧化矽(silicon dioxide)、碳化矽(silicon carbide)，以及鍺(germanium)、鎵(gallium)、石申化物(arsenide)、碳(carbon)、鈦(titanium)、金(gold)、鐵(iron)、銅(copper)、鉻(chromium)、鎢(tungsten)、鋁(aluminum)、鉑(platinum)、鎳(nickel)、鉭(tantalum)等其他金屬或其合金。上述之薄膜504可以是如圖1所述之薄膜結構或是圖4所示之薄膜結構。換言之，在形成薄膜504的同時，已經同時利用半導體製程在薄膜504的側邊區域形成如上所述之第一開槽圖案，並且在梯度應力抑制區形成如上所述之第二開槽圖案以及連接部。接著，在薄膜504上形成內連線層506以及金屬背板508。內連線層506內具有多層的層間介電層與絕緣層以及多層導線層。

請參照圖5B，在基材500的背面形成第一空氣腔室501。形成第一空氣腔室501的方式可以採用傳統蝕刻方式。倘若基材500上形成有隔離層502，那麼第一空氣腔室501是形成在基材500以及隔離層502中，如圖5C所示，以使得薄膜504的表面暴露出來。換言之，第一空氣腔室501貫穿基材500與隔離層502。

請參照圖5D，移除部分的內連線層506(即內連線層506內之犧牲層)，以於金屬背板508與薄膜504之間形成第二空氣腔室509。換言之，第二空氣腔室509貫穿內連線層506(即內連線層506內之犧牲層)，致使薄膜504之結構懸空，即形成聲音感測裝置。

值得一提的是，由於在上述圖5A之步驟中，所形成的薄膜504具有如圖1或圖4所述之薄膜設計，因此當於進行薄膜之後的後續製程時，製程所產生的應力或是梯度應力效應，都不會對薄膜504產生影響。換言之，由於薄膜504可以釋放應力而且薄膜性能不會受到梯度應力的影響。因此即使在歷經多道製程之後，在晶圓上不同位置的薄膜特性均勻性仍能維持一致。

上述圖5A至圖5D之實施例是將本發明之薄膜結構(例如是圖1或圖4之薄膜結構)應用於聲音感測裝置。然，本發明不限於此。根據其他實施例，亦可以將本發明之薄膜結構(例如是圖1或圖4之薄膜結構)應用於其他裝置，例如是壓力計或是其他具有振膜的裝置。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，故本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

100、200．．．薄膜本體

102、202．．．中央區域

104、204．．．側邊區域

103、203．．．第一開槽

103a~103c、203a~203e．．．第一開槽圖案

103’．．．並聯彈簧

105、205．．．第二開槽

105a~103b、205a~205b．．．第二開槽圖案

105’．．．彈簧體

106、206．．．梯度應力抑制區

108、208．．．連接部

D1、D2．．．延伸方向

500．．．基材

501．．．第一空氣腔室

502．．．隔離層

504．．．薄膜

506．．．內連線層

508．．．金屬背板

509．．．第二空氣腔室

圖1是根據本發明一實施例之薄膜結構的上視示意圖。

圖2是圖1之實施例之薄膜結構的彈簧等效示意圖。

圖3是圖1之實施例之薄膜結構的梯度應力測試曲線。

圖4是根據本發明另一實施例之薄膜結構的上視示意圖。

圖5A至圖5D是根據本發明一實施例之一種聲音感測裝置的製造流程示意圖。

100．．．薄膜本體

102．．．中央區域

104．．．側邊區域

103．．．第一開槽

103a~103c．．．第一開槽圖案

105．．．第二開槽

105a~105b．．．第二開槽圖案

106．．．梯度應力抑制區

108．．．連接部

Claims (19)

1. 一種薄膜結構，包括：一薄膜本體，該薄膜本體具有一中央區域以及位於該中央區域周圍的多個側邊區域及多個梯度應力抑制區，其中每一梯度應力抑制區位於相鄰兩側邊區域之間；多組第一開槽，每一組第一開槽位於其中一個側邊區域中，且每一組第一開槽包括多個交錯設置的第一開槽圖案；多組第二開槽，每一組第二開槽位於其中一個梯度應力抑制區，且每一組第二開槽包括多個第二開槽圖案；以及多個連接部，每一連接部位於每一組第二開槽的該些第二開槽圖案之間以及每一組第二開槽與該中央區域之間，以連接位於該梯度應力抑制區內的薄膜本體與位於該中央區域內的薄膜本體。
2. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中該薄膜本體的輪廓為正方形、圓形、矩形或是多邊形。
3. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中該薄膜本體的輪廓為正方形或是矩形，且該薄膜本體具有四個側邊區域以及四個梯度應力抑制區。
4. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜結構，其中該梯度應力抑制區位於該薄膜本體的四個角落。
5. 如申請專利範圍第3項所述之薄膜結構，其中該些第一開槽圖案的延伸方向與該些第二開槽圖案的延伸方向 具有一銳角夾角。
6. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中每一組第一開槽具有至少三個第一開槽圖案，且該至少三個第一開槽圖案交錯設置。
7. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中部分該些第一開槽圖案與鄰近的該些第二開槽圖案相接。
8. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中該薄膜本體具有一中央區域；以及位於該中央區域周圍的該些第一開槽圖案以及該些第二開槽圖案，其中部份該些第一開槽圖案與鄰近的該些第二開槽圖案構成多個外圈開槽圖案，另一部份該些第一開槽圖案構成多個內圈開槽圖案，以及該些內圈開槽圖案位於該中央區域與該外圈開槽圖案之間，其中該些外圈開槽圖案之間具有距離相同的間隙，該些內圈開槽圖案之間具有距離相異的間隙。
9. 如申請專利範圍第1項所述之薄膜結構，其中該薄膜本體具有一中央區域；以及位於該中央區域周圍的該些第一開槽圖案以及該些第二開槽圖案，其中部份該些第一開槽圖案與鄰近的該些第二開槽圖案構成多個內圈開槽圖案，另一部份該些第一開槽圖案構成多個外圈開槽圖案，以及該些內圈開槽圖案位於該中央區域與該外圈開槽圖案之間，其中該些內圈開槽圖案之間具有距離相同的間隙，該些外圈開槽圖案之間具有距離相異的間隙。
10. 一種聲音感測裝置結構，包括：一基材；一薄膜，位於該基材上，該薄膜之一表面與該基材之間有一第一空氣腔室，其中該薄膜包括：一薄膜本體，該薄膜本體具有一中央區域以及位於該中央區域周圍的多個側邊區域及多個梯度應力抑制區，其中每一梯度應力抑制區位於相鄰兩側邊區域之間；多組第一開槽，每一組第一開槽位於其中一個側邊區域中，且每一組第一開槽包括多個交錯設置的第一開槽圖案；以及多組第二開槽，每一組第二開槽位於其中一個梯度應力抑制區，且每一組第二開槽包括多個第二開槽圖案；多個連接部，每一連接部位於每一組第二開槽的該些第二開槽圖案之間，以連接位於該梯度應力抑制區內的薄膜本體與位於該中央區域內的薄膜本體；以及一金屬背板，位於該薄膜上方，其中該金屬背板與該薄膜之另一表面之間有一第二空氣腔室。
11. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，其中該薄膜本體之材質包括碳基聚合物(carbon-based polymers)、矽(silicon)、氮化矽(silicon nitride)、多晶矽(polycrystalline silicon)、非晶矽(amorphous silicon)、二氧化矽(silicon dioxide)、碳化矽(silicon carbide)，以及鍺(germanium)、鎵(gallium)、砷化物(arsenide)、碳(carbon)、鈦(titanium)、金(gold)、鐵(iron)、銅(copper)、鉻(chromium)、 鎢(tungsten)、鋁(aluminum)、鉑(platinum)、鎳(nickel)、鉭(tantalum)或其合金。
12. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，更包括一隔離層，位於該基材與該薄膜之間，且該第一空氣腔室貫穿該基材與該隔離層。
13. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，更包括一內連線層，位於該薄膜與該金屬背板之間，且該第二空氣腔室貫穿該內連線層。
14. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，其中該薄膜本體的輪廓為正方形、圓形、矩形或是多邊形。
15. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，其中該薄膜本體的輪廓為正方形或是矩形，且該薄膜本體具有四個側邊區域以及四個梯度應力抑制區。
16. 如申請專利範圍第15項所述之聲音感測裝置結構，其中該梯度應力抑制區位於該薄膜本體的四個角落。
17. 如申請專利範圍第15項所述之聲音感測裝置結構，其中該些第一開槽圖案的延伸方向與該些第二開槽圖案的延伸方向具有一銳角夾角。
18. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，其中每一組第一開槽具有至少三個第一開槽圖案，且該至少三個第一開槽圖案交錯設置。
19. 如申請專利範圍第10項所述之聲音感測裝置結構，其中部分該些第一開槽圖案與鄰近的該些第二開槽圖案相接。