微型單晶片式麥克風及其製造方法
2023-10-05 13:51:54
專利名稱：微型單晶片式麥克風及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種麥克風及其製造方法，特別是涉及一種微型單晶片式的麥克風及其製造方法。
背景技術：
由於電子產品的發展趨勢是一直往體積輕薄、小巧的方向發展，麥克風的發展當然也不例外，而微型晶片式麥克風中的麥克風晶片的製造發展，可以隨著半導體製程或微機電技術的進步而可以同步進步，並且可以精確控制成品的體積尺寸，因此成為主要發展對象。
一般微型晶片式麥克風，是將一麥克風晶片與一場效電晶體電性連結，並共同封裝於一基座中而成，然後將基座電性連結於一電氣產品的一電路板上，即可使微型晶片式麥克風正常作動使用；上述麥克風晶片可分為二種，一是分別製備一振膜晶片及一背板晶片的後面，再粘合(bonding)成一體的雙晶片式麥克風晶片；另一則是自一基材直接形成各細部構造的單晶片式麥克風晶片，茲一一詳述於後。
如圖1所示，現有微型晶片式麥克風1內所應用的雙晶片式麥克風晶片2，包含一可接收一聲能的振膜晶片21及一可電性連結於一基座300上的背板晶片22。
該振膜晶片21是應用微機電技術製備而成，具有一截面略呈一V字型電極層211、一由電極層211向下形成的振膜212、一由該振膜212向下形成的分隔塊213。
該背板晶片22同樣也是應用微機電技術製備而成，具有一形成有多數穿孔221的背板電極層222，及一自該背板電極層222向下形成的背氣室層223，該背氣室層223界定出一與該複數穿孔221相通的背氣室24。
該背板晶片22以該背板電極層222與該振膜晶片21的分隔塊213相粘合後，該背板晶片22與該振膜晶片21即一體形成該雙晶片式麥克風晶片2，同時，該振膜212、分隔塊213，與該背板222共同界定出一與該等穿孔221相通的振動空間23；該電極層211、振膜212，與背板電極層222共同形成一電容，且當該電極層211受該聲能作用時，該振膜212會產生相對應的形變，而使該電容相對應地產生改變，該場效電晶體200可將此電容變化轉變成一電子信號而傳輸，同時，振膜212形變時所產生的氣流可以藉該等穿孔22 1自由地在該振動空間23與背氣室24間流動，而使微型晶片式麥克風1使用時具有好的頻率響應。
如圖2所示，現有微型晶片式麥克風1′內所應用的單晶片式麥克風晶片3，其基本構造與上述雙晶片麥克風晶片2大致相似，不同處僅在於單晶片式麥克風晶片3是應用微機電技術自一矽基材一體製備而已。
該單晶片式麥克風晶片3具有一可與基座300相連結的矽基材30、一形成於該矽基材30上的背氣室層31、一形成於該背氣室層31上的背板電極層32、一形成於該背板電極層32上的分隔塊33、一形成於該分隔塊33上的振膜34，及一形成於該振膜34上的電極層35。
該背氣室層31界定出一背氣室311；該背板電極層32具有多數穿孔321；該背板電極層32、分隔塊33、振膜34共同形成一振動空間36，且該振動空間36與背氣室311間可藉該等穿孔321相連通；該電極層35、振膜34，與背板電極層32共同形成一電容。
當聲能作用於該電極層35時，該振膜34會產生相對應的形變，而使該電容相對應地產生改變，該場效電晶體200可將此電容變化轉變成一電子信號而傳輸，同時，振膜34形變時所產生的氣流可以藉該等穿孔321自由地在該振動空間36與背氣室311間流動，而使微型晶片式麥克風1′使用時具有好的頻率響應。
上述無論是雙晶片式麥克風晶片2或是單晶片式麥克風晶片3，均是應用微機電技術，例如設計光罩、上光阻、曝光、顯影、沉積、蝕刻---等等製程所製備完成；而熟悉微機電技術或是半導體製程技術人士均知，在進行微機電技術的體蝕刻(BulkEtching)時，不但必須花費長時間進行，同時，也因為製程時間長，期間不可控的因子也會同時增加，而使得蝕刻的結果不易控制如預期般理想。
上述無論是雙晶片式麥克風晶片2或單晶片式麥克風晶片3，其形成背氣室24，以及形成電極層211時，都必須進行屬於體蝕刻的蝕刻過程，一般蝕刻深度均在300至500微米之間，因此，不但必需耗費長時間進行，同時，蝕刻後的成型結果也未必盡如初始設計般完美，而使微型晶片式麥克風的品質結果未如預期。
因此如何改善用麥克風晶片的體蝕刻製程，或是改善麥克風晶片本身的結構，以減少或根本無須進行耗費時間的體蝕刻製程，以節省製程時間成本，以及求得更完美的麥克風成品品質，是麥克風業者研究改善的目標。
發明內容
因此，本發明的目的，即在提供一種用於微型晶片式麥克風，且無須進行耗費長時間進行體蝕刻製程的麥克風晶片，及製造此種麥克風的方法。
依據本發明的一種微型單晶片式麥克風，包含一基座，及一麥克風晶片；該基座具有一界定出一容置空間的殼體，可電性連結於一電路板上；該麥克風晶片封裝於該容置空間中而與該殼體電性連接，具有一與該殼體相連結的基材，及一自該基材向上形成的感應部，該感應部包括一與基材相連結的第一電極層、一與該第一電極層相間隔的第二電極層、多數彼此相間隔地布設於該第一、二電極層之間的分隔塊，及一與該第二電極層相連結的振膜，該第一、二電極層共同構成一電容；當一聲能作用於該感應部時，該振膜會相對應產生形變而使該電容對應變化，同時，該振膜形變引起的一氣流，是自該第一、二電極層間的空隙經由該等分隔塊彼此間的間隙自由流動至該容置空間中。
此外，本發明的一種微型單晶片式麥克風的製造方法，包含下列步驟(a)於一矽基材上形成一第一電極層。
(b)於該第一電極層上向上形成多數相間隔且等高的分隔塊，及一與該等分隔塊等高的犧牲層，該犧牲層位於該等分隔塊所圍構界限出的區域範圍中。
(c)自該等分隔塊與該犧牲層上向上形成一振膜。
(d)於該振膜上形成一第二電極層。
(e)移除該犧牲層，使該第一、二電極層共同構成一電容，完成一麥克風晶片。
(f)將該麥克風晶片封裝於一可供一聲能進入的基座中。
下面結合附圖及實施例對本發明進行詳細說明圖1是一剖視圖，說明現有的一應用雙晶片式麥克風晶片的微型晶片式麥克風的構造。
圖2是一剖視圖，說明現有的一應用單晶片式麥克風晶片的微型晶片式麥克風的構造。
圖3是本發明微型單晶片式麥克風的第一較佳實施例的一剖視圖。
圖4是該第一較佳實施例的一俯視圖。
圖5是本發明微型單晶片式麥克風的第二較佳實施例的一剖視圖。
圖6是本發明微型單晶片式麥克風的製造方法的一第一較佳實施例的流程圖。
圖7是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖8是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖9是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖10是圖9的一俯視圖，輔助說明實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖11是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖12是圖10的一俯視圖，輔助說明實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖13是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖14是該微型單晶片式麥克風的製造方法的第一較佳實施例的剖視圖，說明以一微機電系統技術製造如圖3所示的微型單晶片式麥克風，實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
圖15是圖14的一俯視圖，輔助說明實施圖6的步驟後的一相對應態樣。
具體實施例方式
為了方便說明，在以下的實施例，類似的元件，是以相同標號來表示。
在此要先說明的是，本發明一種微型單晶片式麥克風及其製造方法，主要是應用微機電系統技術進行製造，並配合矽，或含矽的化合物，例如氮化矽(Si3N4)、二氧化矽(SiO2)為材料，其他例如BCB(苯環丁烯)、SIN、聚醯亞胺(polyimidePI)、或業界習稱的SU-8等光阻材質也都可以視需求加以應用；同時，在形成每一細部構造時，均必須視需要進行如薄膜成長、微影罩幕、蝕刻成型---等等半導體晶片成型製程；由於微機電系統技術已經發展應用數十年，而半導體晶片成型製程更是以為業界所熟知的技術，同時，本發明的重點在於應用此等業界熟知的技術，製造一新型構造的麥克風晶片，而非在於各項製程的細節改善，所以在此不多加一一解釋說明該等製程；但為了更清楚地說明本發明的製造方法，以下仍以一實際的製造過程加以說明，但熟知微機電系統技術的技藝人士當知，本發明一種微型單晶片式麥克風及其製造方法，並不以下列說明為限。
如圖3、4所示，本發明一種微型單晶片式麥克風4的一第一較佳實施例，包含一基座5、一場效電晶體6，及一麥克風晶片7。
如圖3所示，該基座5具有一殼體51，該殼體51包含一底壁52、一由該底壁52的一外周緣向上延伸的外周壁53、一可供一外界的聲能穿透的上蓋54，及多數布設於該底壁52上的電極接點55，該底壁52與外周壁53共同界定出一容置空間56，以供封裝該場效電晶體6與該麥克風晶片7，該上蓋54可與該外周壁53的一頂緣相連結而封閉該容置空間56，使該聲能僅由該上蓋54進入而作用於封裝於該容置空間56中的麥克風晶片7，該每一電極接點55以表面黏著技術(SMT)電性連結於一電器產品的電路板400上，以供電性導通該麥克風晶片7、場效電晶體6與該電路板400。
該場效電晶體6是一現有的電子元件，可容置於容置空間56中並與底壁52相連結，且同時與麥克風晶片7、基座5的部分電極接點55相電性連結，而可將麥克風晶片7的電性改變，例如電容變化、電壓變化等，轉變成電子信號而向外傳送；而，一般場效電晶體6形成的方式有二，一是預先製備成好單一電子元件，於後續製程中再行電性連結；另一則是在以微機電技術進行麥克風晶片7的製程時，同步內建於麥克風晶片7中；在本實施例以及圖示中，該場效電晶體6是以同步內建形成於該麥克風晶片7中，由於此等整合各式電子元件於單一晶片中的技藝，是屬另一電路設計的領域範疇，且非本發明重點所在，所以在此不再詳細說明。
該麥克風晶片7封裝於該基座5的容置空間56中，且同時與該基座5的部分電極接點55以及該場效電晶體6電性連接，具有一與該底壁52相連結的基材71，及一自該基材71向上形成的感應部72。該基材71是一由矽晶圓分割的矽晶片。
同時配合如圖4所示，該感應部72包括一自該基材71向上形成的第一電極層721、多數自該第一電極層721更向上形成的分隔塊722、一自該等分隔塊722向上形成的第二電極層723，及一形成於該第二電極層723的一相對該第一電極層721的表面上的振膜724；該第一、二電極層721、723分別以一導體材料，例如金屬構成，而可施加一預定偏壓以極化共同構成一電容；該等分隔塊722彼此相間隔地呈一環狀分布，每一分隔塊722分別具有一預定的截面形狀(圖示中僅以截面均為榘形、但大小不同為例說明)，而使得該等分隔塊722共同將該第一電極層721、振膜724之間的空隙界限出一可供氣流流動的振動振動空間725，同時相鄰兩分隔塊722之間的間隙配合形成一預定態樣，使該振動空間725與該容置空間56藉該等形成預定態樣的間隙相連通。
當聲能穿過該上蓋54而作用於該感應部72時，該振膜724會相對應產生形變而使該電容對應變化，該場效電晶體6同步將該電容變化轉換成電子信號向外傳送，同時，該振膜724形變引起的一氣流，可經由該複數間隙在該振動空間725與該容置空間56中自由流動，而使該晶片式麥克風4具有預定的頻率響應。
如圖5所示，本發明一種微型單晶片式麥克風4′的一第二較佳實施例，是與上述該第一較佳實施例相似，其不同處僅在於該麥克風晶片7′的感應部72′，以下僅就其不同處詳加說明。
該感應部72′更包含一以駐極體材料，例如氧化矽、氮化矽、鐵氟龍等等形成的駐極體層727，該駐極體層727可形成在該第一電極層721或是該第二電極層723上，在本例中，是以駐極體層727形成於該第一電極層721且相對該振膜724的一表面上為例說明；極化後，該第一、二電極層721、723可藉由該駐極體層727共同構成電容，而可如上例所述發揮預定功效。
再者，本發明一種微型單晶片式麥克風的一第三較佳實施例，是與上述該第一、二較佳實施例相似，其不同處僅在於如何使該感應部的第一、二電極層共同構成一電容的方式而已；在本實施例中，該感應部更包含一可提供電荷的浮動電極單元(floating electrode)，藉此浮動電極單元使該第一、二電極層帶預定電荷而構成一電容，而可如上述兩例般發揮預定功效。
如圖6所示，本發明微型單晶片式麥克風的製造方法8的一第一較佳實施例，是可製造上述本發明微型單晶片式麥克風的第一較佳實施例所述的微型單晶片式麥克風4。
首先進行步驟81，應用半導體製程於一矽為材質的基材71上形成場效電晶體6，如圖7所示，由於在矽基材上應用半導體製程形成場效電晶體的過程已為業界所周知，且非本發明重點所在，所以不再詳細說明。
接著進行步驟82，選用一可導電的導體材料，例如金屬，以蒸鍍、濺鍍等方式，於該基材71上沉積一薄層，而形成第一電極層721，如圖8所示。
如圖9、10所示，再進行步驟83，應用例如光阻塗布、薄膜成長、微影罩幕等半導體製程，於該第一電極層721上形成多數相間隔且等高的分隔塊722，及一與該等分隔塊722等高的犧牲層728，該每一分隔塊722可應用預定態樣的光罩形成，使每一分隔塊722的截面形狀，以及兩相鄰的分隔塊722所構成的間隙，均具有預定態樣，該犧牲層728並位於該等分隔塊722所圍構界限出的區域範圍中。
該等分隔塊722所選用的材料可為矽、含矽的氧化物、含矽的氮化物、光阻，等等，該犧牲層728所選用的材料則可為多晶矽、含矽的氧化物、鋁、含矽的氮化物、光阻等，但熟悉半導體製程人士皆知，此等材料的選用必須配合後續的蝕刻製程而有所變化，由於本發明的重點並非在於蝕刻製程與材料的相關配合改善，所以在此詳細說明。
接著進行步驟84，選用例如矽、含矽的氧化物、含矽的氮化物、光阻，藉該等分隔塊722與該犧牲層728，自該等分隔塊722與該犧牲層728更向上形成振膜724，如圖11、12所示。
如圖13所示，進行步驟85，選用一可導電的導體材料，例如金屬，以蒸鍍、濺鍍等方式，於該振膜724上沉積一薄層，而形成第二電極層723。
如圖14、15所示，進行步驟86，蝕刻移除該犧牲層728，並以施加一偏壓方式使該第一、二電極層721、723構成一電容，完成麥克風晶片7的製備。
最後進行步驟87，將該麥克風晶片7封裝於可供一聲能進入的基座5中，並使該基座5、場效電晶體6、麥克風晶片7形成預定電性連結，完成微型單晶片式麥克風4的製造，如圖3所示。
本發明微型單晶片式麥克風的製造方法的一第二較佳實施例，是可製造如圖5所示，本發明微型單晶片式麥克風的第二較佳實施例所述的微型單晶片式麥克風4′；今僅就本實施例與上述該第一較佳實施例中不同的部分進行說明。
本實施例在上例的步驟82中，形成第一電極層721的後面，再選用一駐極體材料，例如氧化矽、氮化矽、鐵氟龍等等，以沉積或是旋轉塗布等方式，於該第一電極層721上再形成該駐極體層727；並配合此駐極體層727的形成，在步驟86蝕刻移除犧牲層728的後面，加以極化，藉該駐極體層727使該第一、二電極層721、723構成一駐極體式電容，完成麥克風晶片4′的製備；由於其他各步驟均與該第一較佳實施例相似，所以在此不再多加贅述。
當然，為對應製造上述本發明微型單晶片式麥克風的第三較佳實施例所述的微型單晶片式麥克風，本發明微型單晶片式麥克風的製造方法的一第三較佳實施例，是與該第一較佳實施例所述的製造過程相似，其不同處僅在於本例在上例的步驟81中，形成該場效電晶體6的同時，必須同步形成一可儲存電荷的浮動電極單元，接著，並配合此浮動電極單元，在步驟86蝕刻移除犧牲層728的後面，由該浮動電極單元提供預定電荷使該第一、二電極層721、723構成一電容，完成麥克風晶片的製備；由於其他各步驟均與該第一較佳實施例相似，所以在此不再多加贅述。
由上述說明可知，本發明微型單晶片式麥克風4、4′的製造方法，並未應用到體蝕刻製程，因此可以大幅改善現有必須耗費長時間進行體蝕刻製程的缺點，而可以大幅節省製程時間成本，以降低麥克風成品品質的不良率，而確實達到本發明的目的。
權利要求
1.一種微型單晶片式麥克風，包含一基座、一麥克風晶片，其特徵在於該基座，具有一界定出一容置空間的殼體，可電性連結於一電路板上；及一封裝於該容置空間中而與該殼體電性連接的麥克風晶片，具有一與該殼體相連結的基材，及一自該基材向上形成的感應部，該感應部包括一與基材相連結的第一電極層、一與該第一電極層相間隔的第二電極層、多數彼此相間隔地布設於該第一、二電極層之間的分隔塊，及一與該第二電極層相連結的振膜，該第一、二電極層共同構成一電容；當一聲能作用於該感應部時，該振膜會相對應產生形變而使該電容對應變化，同時，該振膜形變引起的一氣流，是自該第一、二電極層間的空隙經由該等分隔塊彼此間的間隙自由流動至該容置空間中。
2.如權利要求1所述的微型單晶片式麥克風，其特徵在於更包含一分別與該麥克風晶片及該殼體電性連結的場效電晶體，將該電容變化轉換成一電子信號。
3.如權利要求1所述的微型單晶片式麥克風，其特徵在於該感應部的第一、二電極層分別以一可導電的導體材料形成，並施加一預定偏壓後極化構成該電容。
4.如權利要求1所述的微型單晶片式麥克風，其特徵在於該感應部的第一、二電極層分別以一可導電的導體材料形成，且該感應部更包含一可儲存電荷的浮動電極單元，使該第一電極層或第二電極層帶預定電荷而構成該電容。
5.如權利要求1所述的微型單晶片式麥克風，其特徵在於該感應部的第一、二電極層分別以一可導電的導體材料形成，且該感應部更包含一使該第一、二電極層分帶預定電荷而可共同構成該電容的駐極體層，該駐極體層是由選自於由下列所構成的群組的物質所構成氧化矽、氮化矽、鐵氟龍，及此等之一組合。
6.一種微型單晶片式麥克風的製造方法，其特徵在於包含下列步驟(a)於一矽基材上形成一第一電極層；(b)於該第一電極層上向上形成多數相間隔且等高的分隔塊，及一與該等分隔塊等高的犧牲層，該犧牲層位於該等分隔塊所圍構界限出的區域範圍中；(c)自該等分隔塊與該犧牲層上向上形成一振膜；(d)於該振膜上形成一第二電極層；(e)移除該犧牲層，使該第一、二電極層共同構成一電容，完成一麥克風晶片；及(g)將該麥克風晶片封裝於一可供一聲能進入的基座中。
7.如權利要求6所述的微型單晶片式麥克風的製造方法，其特徵在於該步驟(a)更包含一前置次步驟(a1)，應用半導體製程於該基材上形成一場效電晶體。
8.如權利要求6所述的微型單晶片式麥克風的製造方法，其特徵在於該前置次步驟(a1)應用半導體製程於該基材上形成該場效電晶體時，同步形成一可儲存電荷的浮動電極單元，並於該步驟(e)中以該浮動電極單元提供電荷使該第一、二電極層共同構成一電容。
9.如權利要求6所述的微型單晶片式麥克風的製造方法，其特徵在於該步驟(a)、(d)是選用一可導電的導體材料分別形成該第一、二電極層，並於該步驟(e)中施加一偏壓使該第一、二電極層極化後共同構成一電容。
10.如權利要求6所述的微型單晶片式麥克風的製造方法，其特徵在於更包含一步驟(g)，是選用包含氧化矽、氮化矽、鐵氟龍，及/或此等的組合的駐極體材料形成一駐極體層，且該步驟(g)是於該步驟(b)前實施，使該駐極體層形成於該第一電極層上，或於該步驟(e)前實施，使該駐極體層形成於該第二電極層上。
全文摘要
本發明是提供一種微型單晶片式麥克風，包含一基座及一麥克風晶片；該麥克風晶片具有一與該基座連結的基材，及一可感應聲能的感應部；當一聲能作用於該感應部時，該感應部的一振膜會相對應產生形變，而使由該感應部的二分隔的電極層所構成的電容對應變化，且該振膜形變引起的氣流，是自該二電極層間的空隙經由多數分隔該二電極層彼此間的間隙自由流動至該基座所圍構的空間中，使該微型單晶片式麥克風具有預定頻率響應。
文檔編號H04R19/00GK1642359SQ20041000016
公開日2005年7月20日 申請日期2004年1月8日 優先權日2004年1月8日
發明者張昭智 申請人:佳樂電子股份有限公司