压力传感器及其制造方法

压力传感器及其制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种压力传感器及其制造方法。该压力传感器包括一基材、一介电氧化层、一第一电极层、一介电连接层以及一第二电极层。介电氧化层形成于基材上，第一电极层形成于介电氧化层上，介电连接层形成于第一电极层上，第二电极层形成于介电连接层上。第二电极层包括一图案化导电层及一介电层，图案化导电层具有多个穿孔，介电层形成于图案化导电层上且包覆该些穿孔的内壁。第一电极层、介电连接层及第二电极层定义一第一腔室于第一电极层和第二电极层之间。
【专利说明】压力传感器及其制造方法

【技术领域】
[0001] 本发明是有关于一种压力传感器及其制造方法，且特别是有关于一种具有降低温 度变化所造成的变形程度及提升初始电容值的压力传感器及其制造方法。

【背景技术】
[0002] 近年来，随着智能型手机与平板计算机的蓬勃发展，以及智能型手机对于抗噪功 能需求的提升，微机电（MEMS)麦克风的技术发展也日益成熟，市场对于微机电麦克风的需 求也持续成长。
[0003] 微机电麦克风可应用在语音秘书、语音导航及语音降噪等等，然而手机中的杂音 可能会影响通话的质量。因此，为了能够降低背景音量进而可以提升通话质量，微机电麦克 风的杂音抑制技术是重要的课题之一。


【发明内容】

[0004] 本发明是有关于一种压力传感器及其制造方法。实施例的压力传感器中，第二电 极层的导电/介电复合材料结构可以改善整体材料对于温度变化所造成的变形程度，并且 增大整个元件的初始电容值，进而提高元件的可靠性。
[0005] 根据本发明的一实施例，提出了一种压力传感器。该压力传感器包括一基材、一介 电氧化层、一第一电极层、一介电连接层以及一第二电极层。介电氧化层形成于基材上，第 一电极层形成于介电氧化层上，介电连接层形成于第一电极层上，第二电极层形成于介电 连接层上。第二电极层包括一图案化导电层及一介电层，图案化导电层具有多个穿孔，介电 层形成于图案化导电层上且包覆该些穿孔的内壁。第一电极层、介电连接层及第二电极层 定义一第一腔室于第一电极层和第二电极层之间。
[0006] 根据本发明的另一实施例，提出了一种压力传感器的制造方法。压力传感器的 制造方法包括下列步骤。提供一基材；形成一介电氧化层于基材上；形成一第一电极层于 介电氧化层上；形成一介电连接层于第一电极层上；以及形成一第二电极层于介电连接层 上，包括：形成一图案化导电层，具有多个穿孔；及形成一介电层于图案化导电层上且包覆 该些穿孔的内壁。其中，第一电极层、介电连接层及第二电极层定义一第一腔室于第一电极 层和第二电极层之间。
[0007] 为了对本发明的上述及其他方面有更好的了解，下文特举优选实施例，并配合所 附附图，作详细说明如下：

【专利附图】

【附图说明】
[0008] 图1绘示本发明的一实施例的压力传感器的示意图。
[0009] 图2绘示本发明的一实施例的压力传感器的爆炸图。
[0010] 图3绘示本发明的另一实施例的压力传感器的示意图。
[0011] 图4A至图4J绘示依照本发明的一实施例的一种压力传感器的制造方法示意图。
[0012] 图5A至图ro绘示依照本发明的另一实施例的一种压力传感器的制造方法示意 图。
[0013] 【符号说明】
[0014] 100、200 :压力传感器；
[0015] 110、110s、110s，、210 :基材；
[0016] 110c:第二腔室；
[0017] 120、120s、220 :第一电极层；
[0018] 120a :第一电极层表面；
[0019] 120t :第一电极层开槽；
[0020] 130:介电连接层；
[0021] 130c:凹穴；
[0022] 130s、143sl、143s2 :介电材料层；
[0023] 140、240 :第二电极层；
[0024] 141:图案化导电层；
[0025] 141t:穿孔；
[0026] 143:介电层；
[0027] 150 :第一腔室；
[0028] 160:凸状结构；
[0029] 170、170s、270 :介电氧化层；
[0030] 245 :密封材料；
[0031] G:间隙。

【具体实施方式】
[0032] 本发明的实施例中，压力传感器中，第二电极层的导电/介电复合材料结构可以 改善整体材料对于温度变化所造成的变形程度，并且增大整个元件的初始电容值，进而提 高元件的可靠性。以下参照所附附图详细叙述本发明的实施例。附图中相同的标号用以标 示相同或类似的部分。需注意的是，附图已简化以利清楚说明实施例的内容，实施例所提出 的细部结构仅为举例说明之用，并非对本发明欲保护的范围做限缩。普通技术人员当可依 据实际实施方面的需要对该些结构加以修饰或变化。
[0033] 图1绘示本发明的一实施例的压力传感器100的示意图。图2绘示本
【发明内容】
的 一实施例的压力传感器1〇〇的爆炸图。请参照图1?图2。压力传感器100包括基材110、 第一电极层120、介电连接层130以及第二电极层140。第一电极层120形成于基材110上， 介电连接层130形成于第一电极层120上，第二电极层140形成于介电连接层130上。第 二电极层140包括图案化导电层141及介电层143,图案化导电层141具有多个穿孔141t， 介电层143形成于图案化导电层141上且包覆该些穿孔141t的内壁。第一电极层120、介 电连接层130及第二电极层140定义一第一腔室150于第一电极层120和第二电极层140 之间。
[0034] 实施例中，如图1所示，基材110具有一第二腔室（opening) 110c，第二腔室110c 暴露第一电极层120的表面120a。基材110例如是硅基材。
[0035] 实施例中，如图1所示，第一电极层120具有多个开槽（slot) 120t，该些开槽120t 连通第一腔室150和第二腔室110c。实施例中，如图2所不，第一电极层120的表面120a 例如是圆形，开槽120t例如是交错配置于表面120a的周围区域。
[0036] -实施例中，压力传感器100例如是声音压力传感器，例如是微机电麦克风，第一 电极层120相对于第二电极层140为可动件，而第一电极层120的开槽120t的设计来达到 减缓及释放材料应力的功效，借此增加材料工艺应力的变异容忍度。
[0037] 实施例中，如图1所示，开槽120t与基材以间隙（gap)G相隔开，第一电极层120 与基材以间隙G相隔开，第二腔室150并未暴露开槽120t。一实施例中，压力传感器100 例如是声音压力传感器，间隙G形成声阻通道以改善频率响应，降低频率响应在低频衰退 (decay)的情形，进而使得压力传感器100感应到的频率范围更完整。
[0038] 实施例中，介电连接层130的材质不同于第一电极层120的材质和第二电极层140 的材质。介电连接层130连接第一电极层120和第二电极层140,借此达到应力平衡的效 果。工艺当中，也因材料不同，介电连接层130的本质应力和两个电极层120和140之间的 本质应力正好可相互补偿。
[0039] 实施例中，第一电极层120例如是以多晶娃（polysilicon)制成，介电连接层130 例如是氧化硅制成。第二电极层140中，图案化导电层141例如是由具有导电性的金属制 成，介电层130例如是由氮化硅（SiN)制成。如此一来，由于此些材料与CMOS工艺中常用 到的材料相同，因此在制作压力传感器100的工艺前段中，可以应用与CMOS工艺相同的材 料与流程进行，接着仅需在CMOS工艺部分完成后再增加简单的微机电工艺便可完成压力 传感器100的制作。并且，实施例中，第二电极层140的导电/介电复合材料相比于纯金属 具有较低的等效热膨胀系数（Coefficient of Thermal Expansion,CTE)，因此可以改善整 体材料对于温度变化所造成的变形程度。
[0040] 此外，第二电极层140中，如图1所示，介电层143包覆图案化导电层141，使得第 一电极层120和图案化导电层141之间除了空气之外尚具有介电材料。以介电层141为氮 化硅层为例，其介电常数大约是7,高于空气的介电常数（大约为1)，因此可以增大整个元 件的初始电容值，并且降低元件中可能产生的寄生电容对于元件的运作及效能的影响，进 而增加元件的灵敏度。
[0041] 一实施例中，如图1?图2所示，图案化导电层141的穿孔141t连通至第一腔室 150,以压力传感器100是声音压力传感器为例，穿孔141t则可作为声孔。实施例中，穿孔 141t的数量与分布方式视实际应用可以适当变化调整，并不以图1?图2所示的方面为限。
[0042] 实施例中，如图1所示，压力传感器100可还包括介电氧化层170,介电氧化层170 形成于基材110和第一电极层120之间。介电氧化层170可定义出间隙G的位置与大小。
[0043] 实施例中，如图1所示，压力传感器100可还包括多个凸状结构（protrusion) 160， 凸状结构160形成于第二电极层140上且位于第一电极层120和第二电极层140之间。请 参照图2,多个凸状结构160 (未绘示）例如可以形成在穿孔141t之间的第二电极层的表面 上。实施例中，如图1所示，凸状结构160与介电层143 -体成形。
[0044] 凸状结构160减少工艺中的上下膜层（例如是第一电极层120和第二电极层140) 接触的面积。举例来说，进行湿式刻蚀工艺时，第一电极层120和第二电极层140有可能会 沾黏在一起，由于凸状结构160的存在，使得第一电极层120和第二电极层140最多只能经 由凸状结构160部分接触减少附着力，因而可以达到工艺中邻近膜层抗沾黏的效果。并且， 完成的产品在做掉落测试或是音压很大时，第一腔室150两侧的膜层（例如是第一电极层 120和第二电极层140)也有可能接触，经由凸状结构160减少两膜层的接触面积，使得第一 腔室150两侧的膜层即使接触后仍可以轻易回复到原来的位置，可以克服静电吸引力或范 德瓦尔力超过回复力的状况，进而提高产品的可靠性。
[0045] 图3绘示本
【发明内容】
的另一实施例的压力传感器200的示意图。本实施例的压力 传感器200与前述实施例的压力传感器100的差异在于基材210、第一电极层220、第二电 极层240及介电氧化层270的设计，其余相同处不再赘述。
[0046] 实施例中，如图3所示，基材210不具有任何第二腔室，第一电极层220不具有任 何开槽，第一电极层220、介电连接层130及第二电极层240完全封闭（enclosing)第一腔 室 150。
[0047] 实施例中，如图3所示，第二电极层240可还包括一密封材料（sealing material) 245,密封材料245充填（filling)于穿孔141t中并且将穿孔141t完全填满，使 得第一电极层220、介电连接层130及第二电极层240完全封闭第一腔室150。实施例中，密 封材料245例如是一种绝缘密封材料，可以是无机材料或有机材料，例如是二氧化硅（Si02) 或氮化娃（SiN)或聚对二甲苯（Parylene)。一实施例中，压力传感器200例如是绝对压力 传感器。
[0048] 以下提出实施例的一种压力传感器100的制造方法，但是该些步骤仅为举例说明 之用，并非用以限缩本发明。普通技术人员当可依据实际实施方面的需要对该些步骤加以 修饰或变化。请参照图4A至图4J。图4A至图4J绘示依照本发明的一实施例的一种压力 传感器100的制造方法示意图。
[0049] 请参照图4A?图4B。提供基材110s，以及形成第一电极层120于基材110s上。 实施例中，形成第一电极层120于基材110s上之前，还可形成介电氧化层170s于基材110s 上，以形成介电氧化层17〇s于基材110s和第一电极层120之间。
[0050] 形成第一电极层120的制造方法例如包括以下步骤。如图4A所示，形成第一电极 层120s于介电氧化层170s上，接着如图4B所示，刻蚀第一电极层120s以形成多个开槽 120t。此些开槽120t连通在后续工艺中所形成的第一腔室和第二腔室。
[0051] 接着，请参照图4C?图4J，形成介电连接层130于第一电极层120上，以及形成 第二电极层140于介电连接层130上，其中第一电极层120、介电连接层130及第二电极层 140定义第一腔室150于第一电极层120和第二电极层140之间。
[0052] 形成介电连接层130和第二电极层140的制造方法例如包括以下步骤。
[0053] 如图4C所示，形成介电材料层130s于第一电极层120上。此步骤中，介电材料层 130s也形成于开槽120t中。实施例中，也可对基材110s进行一薄化的工艺以形成薄化的 基材110s'。实施例中，此基材薄化的步骤用以决定最终产品中基材110的厚度，而能决定 第一腔室150的尺寸。实施例中，例如是以研磨（grinding)方式薄化基材。
[0054] 如图4D所示，刻蚀介电材料层130s以形成多个凹穴130c。此些凹穴130c用以定 义在后续工艺中所形成的凸状结构的位置与尺寸。
[0055] 如图4E所示，形成介电材料层143sl于介电材料层130s上并填充凹穴130c。
[0056] 如图4F所示，形成图案化导电层141于介电材料层143sl上。图案化导电层141 具有多个穿孔141t，例如是以刻蚀工艺形成穿孔141t。
[0057] 如图4G所示，形成介电材料层143s2于图案化导电层141上并填充穿孔141t。介 电材料层143sl和143s2完全覆盖图案化导电层141。一实施例中，介电材料层143sl的材 质和介电材料层143s2的材质相同。
[0058] 如图4H所示，根据穿孔141t的位置刻蚀介电材料层143sl和143s2,以形成第二 电极层140。此刻蚀步骤中，穿孔141t延伸至接触介电材料层130s。第二电极层140中， 介电层包覆穿孔141t的内壁。
[0059] 如图41所示，刻蚀基材110s以形成第二腔室110c，第二腔室110c暴露第一电极 层120的表面120a。实施例中，介电氧化层170s可以作为刻蚀衬底时的刻蚀阻挡层。刻蚀 基材以形成具有第二腔室ll〇c的基材110之后，还可刻蚀介电氧化层170s以形成介电氧 化层170以及间隙G于第一电极层120和基材110之间，例如是以一湿式刻蚀工艺进行。
[0060] 如图4J所示，刻蚀介电材料层130s以形成介电连接层130、第一腔室150以及凸 状结构160。例如是以一湿式刻蚀工艺进行。至此，形成如图4J(图1)所示的压力传感器 100。
[0061] 以下提出实施例的另一种压力传感器200的制造方法，但是该些步骤仅为举例说 明之用，并非用以限缩本发明。普通技术人员当可依据实际实施方面的需要对该些步骤加 以修饰或变化。请同时参照图4C至图4H以及图5A至图图5A至图?绘示依照本发 明的另一实施例的一种压力传感器200的制造方法示意图。
[0062] 请参照图5A。提供基材210,形成介电氧化层270于基材210上，以及形成第一电 极层220于基材210上。
[0063] 请同时参照图4C?图4H及图5B。以如图4C?图4H所示的方式形成图案化导电 层141、介电层143及穿孔141t，穿孔141t延伸至接触介电材料层130s。
[0064] 请参照图5C。亥lj蚀介电材料层130s以形成介电连接层130和第一腔室150。此 时，第一电极层220、介电连接层130及图案化导电层141和介电层143定义第一腔室150 于第一电极层220和图案化导电层141之间。
[0065] 请参照图充填一密封材料245于所有穿孔141t中，以密封所有穿孔141t，使 得第一电极层220、介电连接层130及第二电极层240完全封闭第一腔室150。至此，形成 如图(图3)所示的压力传感器200。
[〇〇66] 综上所述，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，但是其并非用以限定本发明。本 发明所属【技术领域】中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更改 与修饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。
【权利要求】
1. 一种压力传感器，其特征在于，包括： 一基材； 一介电氧化层形成于基材上； 一第一电极层形成于该介电氧化层上； 一介电连接层形成于该第一电极层上；以及 一第二电极层形成于该介电连接层上，该第二电极层包括： 一图案化导电层，具有多个穿孔；及 一介电层，形成于该图案化导电层上且包覆该些穿孔的内壁； 其中，该第一电极层、该介电连接层及该第二电极层定义一第一腔室于该第一电极层 和该第二电极层之间。
2. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中该基材具有一第二腔室，该第二腔室暴露 该第一电极的一表面。
3. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中该第一电极层具有多个开槽，该些开槽连 通该第一腔室和该第二腔室。
4. 根据权利要求3所述的压力传感器，其中该第一电极层与该基材以一间隙相隔开。
5. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中该介电连接层的材质不同于该第一电极层 的材质和该第二电极层的材质。
6. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中该些穿孔连通至该第一腔室。
7. 根据权利要求1项所述的压力传感器，其特征在于，还包括多个凸状结构形成于该 第二电极层上且位于该第一电极层和该第二电极层之间。
8. 根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，还包括一介电氧化层形成于该基 材和该第一电极层之间。
9. 根据权利要求1所述的压力传感器，其中该第二电极层还包括一密封材料充填于该 些穿孔中，以使该第一电极层、该介电连接层及该第二电极层完全封闭该第一腔室。
10. -种压力传感器的制造方法，其特征在于，包括： 提供一基材； 形成一介电氧化层于该基材上； 形成一第一电极层于该介电氧化层上； 形成一介电连接层于该第一电极层上；以及 形成一第二电极层于该介电连接层上，包括： 形成一图案化导电层，具有多个穿孔；及 形成一介电层于该图案化导电层上且包覆该些穿孔的内壁； 其中，该第一电极层、该介电连接层及该第二电极层定义一第一腔室于该第一电极层 和该第二电极层之间。
11. 根据权利要求10所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 刻蚀该基材以形成一第二腔室，该第二腔室暴露该第一电极层的一表面。
12. 根据权利要求11所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 刻蚀该第一电极层以形成多个开槽，该些开槽连通该第一腔室和该第二腔室。
13. 根据权利要求10所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 形成多个凸状结构于该第二电极上且位于该第一电极和该第二电极之间。
14. 根据权利要求10所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 形成一介电氧化层于该基材和该第一电极层之间。
15. 根据权利要求14所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 刻蚀该介电氧化层以形成间隙于该第一电极层和该基材之间。
16. 根据权利要求10所述的压力传感器的制造方法，其特征在于，还包括： 充填一密封材料于该些穿孔中，以使该第一电极层、该介电连接层及该第二电极层完 全封闭该第一腔室。
【文档编号】H04R31/00GK104066040SQ201310135879
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2013年4月18日 优先权日:2013年3月19日
【发明者】陈建铭, 黄进文, 王钦宏, 林靖渊, 谢佑圣 申请人:财团法人工业技术研究院