TWI300761B - Corrugated diaphragm - Google Patents

Description

1300761 玖、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於微機電系統（microelectromechanical system，MEMS)，尤其係關於使用MEMS科技所製造的皴紋 狀隔膜。 、 【先前技術】 隔膜可以感應聲波。例如通訊系統和壓力測量系統的 系統乃使用微機電系統隔3吴做爲建構區塊，以感應聲波。 某些購買此種系統的顧客要求每一個新系統能夠感應能量 比之前系統所感應的還要低的聲波。爲每一新系統設計和 製造更敏感的隔膜則是符合此要求的一種途徑。 對於感應低能量聲波而言，薄的皺紋狀隔膜要比薄而 t 平的隔膜更敏感。很不幸的，有效率地製造薄的皺紋狀隔 膜有著困難的問題。上面有形成薄的皺紋狀隔膜之表面上 的任何缺陷，可以在隔膜的表面中造成缺陷，例如孔洞或 變形。雖然此種缺陷在厚的隔膜中可能未被注意，但是在 薄的隔膜中，這些缺陷可以使隔膜無法在所要的敏感程度 發揮功用。 皺紋狀隔膜可以藉由沉積材料於具有蝕刻溝槽的基板 表面上而形成，該蝕刻溝槽則界定出隔膜中的皴紋。溝槽 的側邊可以包括縱桁（stringer)，其係從溝槽側邊延伸出來 之基板材料的薄的小片（shard)或線（strand)。縱桁乃蝕刻基 板溝槽過程的副產物，並且在蝕刻矽基板溝槽中很常見。 形成在具有縱桁的溝槽之基板表面上的隔膜常常會有缺陷 1300761 ，例如孔洞或變形，其係由縱桁所引起的。孔洞和變形降 低了隔膜的敏感度。 基於這些和其他理由，故對本發明有所需要。 【發明內容】 一種隔膜，其包括形成在具有孔洞之基板上的一片材 料，該片材料覆蓋著孔洞並且包括一或多個大致上沒有缺 陷的皴紋。一種形成此隔膜的方法，其包括：在基板上形 成沒有縱桁的皴紋狀表面、在皴紋狀表面上形成一層材料 、處理此基板以形成包括該層材料的隔膜。另一種形成此 隔膜的方法，其包括：在基板的表面上蝕刻出一結構、在 此結構上形成一層二氧化矽、蝕刻該層二氧化砂、在此結 構上形成一層氮化矽以及處理此基板以由該層氮化矽形成 隔膜。以及一種使用此隔膜來偵測聲波的方法，其包括： 在該隔膜處接收聲波、偵測隔膜之該片材料的偏折。 【實施方式】 在本發明底下的詳細描述中，乃參考所附圖式，其形 成本發明的一部份，並且其中係以圖解說明的方式顯示本 發明可以實施的特定具體態樣。在圖式中，類似的數字係 描述各圖中大致類似的元件。這些具體態樣係以足夠的細 節來敘述，而能夠使熟於此技藝者實施本發明。其他的具 體態樣也可以加以利用，並且在不偏離本發明的範圍下， 可以做出結構的、邏輯的和電的改變。下面詳細的敘述並 非要有限制的意思，並且本發明的範圍僅由所附的申請專 利範圍以及申請專利範圍所賦予之等效者的完整範圍所界 1300761 定。 體圖 圖1A顯示根據本發明一具體態樣之隔膜ι〇〇的立 圖1B顯示圖1A所示隔膜1〇〇沿著線的剖面圖。 隔04膜⑽钱麵1G2，其具抓洞1G4錢孔洞 '片材料106。 也板102提供上面可以形成或沉積該片材料i〇6的表 间 1〇7 ^ 。基板102並不限於特定的材料。適合用於製造隔膜 1〇〇 ^ 、、乂 板102的材料包栝可以使用積體電路製造技術和方 ^來鹰理的材料。半導體是適合用於製造隔膜丨〇〇的一種 =扳衬料。在一具體態樣中，基板102是矽。在另一具體 %樣比 _ Ψ ’基板102是鍺。在另一可選擇的具體態樣中，基 ^ 1〇9 2蒦砷化鎵。在又一具體態樣中，基板102是藍寶石 上的矽。 栀&孔'胸104提供該片材料106可以在上面回應於聲波而 _動或;^ ^ 或智A/、振的區域。孔涧104是凹下、凹陷、挖空的體積 出？過基板1〇2的開1:1。孔洞104包括周緣108，其界定 制於'li〇4在基板102之表面1〇7的形狀。周緣ι〇δ並非限 疋出特定的形狀。在一具體態樣中，周緣108界定 β A 致 fSl ή 致概卜的形狀。在另〜具體態樣中，周緣108界定出大 X 鴨 IS 的:^ α ^ 定出大$心狀。在力〜埒選擇的具體態樣中，周緣108界 出大矩形的形狀。在又一具體態樣中，周緣108界定 摔方形的形狀。在又一可選擇的具體態樣中，周緣108 &大致三角形的形狀。 Ϊ300761 該片材料106乃形成於基板ι〇 覆蓋著孔洞104。該片材料1〇 、表面1〇7上，並且 糾造該# 並不限於特定的材料。適合 Μ。#一 料包括用於製造積體電路的材 :斗1具體懸樣中，該片材料1〇6是氮化矽。在另一里 體態樣中，該片材料1〇6是矽。 倌，1〇2具有厚度112。厚度112並不限於特定數 、^，、^聲 < 低能量聲波振動而言，薄片材料要比厚片材 料更敏感。在-具體態樣中，該片材肖iQ6的厚度⑴是 在大約50奈米和大約1〇〇奈米之間。厚度小於大約5〇奈 米的一片材料是難以有效率地製造。對於低能量聲波振動 而言，厚度大於大約10()奈米的一片材料則不如厚度大於 大約50奈米而小於大約1〇〇奈米的一片材料來得敏感。 由於隔膜100可以用於多種用途，包括不需要由厚度 爲50奈米的一片材料所提供之聲波敏感度的某些用途，所 以該片材料106的厚度112在特定用途中的規格可以大於 1〇〇奈米。因此，隔膜1〇〇可以由厚度大於1〇〇奈米的該片 材料106所形成。在一具體態樣中，該片材料106的厚度 112是在大約1〇〇奈米和大約200奈米之間。在另一具體態 樣中，該片材料106的厚度Π2是在大約200奈米和大約 5〇〇奈米之間。 該片材料106包括覆蓋著孔洞104的區域114。區域 114包括一或多個大致上沒有缺陷的皺紋116。缺陷是降低 一或多個皺紋116之表面平滑度的任何凹陷、變形、孔洞 或者其他結構或空隙。 1300761 均表面地形上之基板材料的薄的小片或線）(方塊202)、在皺 紋狀表面上形成一層材料（方塊204)、處理此基板以形成包 括該層材料的隔膜（方塊206)。在另一具體態樣中，在基板 上形成沒有縱桁的皴紋狀表面乃包括：在基板上蝕刻出一 或多個溝槽、在基板上形成一層犧牲性材料、触刻該層犧 牲性材料。在另一可選擇的具體態樣中，在基板上形成一 層犧牲性材料乃包括：在基板上形成一層二氧化矽。在又 一具體態樣中，在皺紋狀表面上形成一層材料乃包括：在 皺紋狀表面上形成一層氮化矽。 圖3顯示根據本發明另一具體態樣的形成隔膜之方法 300的流程圖。方法300包括：在基板的表面上蝕刻出一結 構（方塊302)、在此結構上形成一層二氧化矽（方塊304)、蝕 刻該層二氧化矽（方塊306)、在此結構上形成一層氮化矽以 及處理此基板以由該層氮化矽形成隔膜（方塊308)。在另一 具體態樣中，在基板的表面上鈾刻出〜結構乃包括：在基 板的表面上電漿鈾刻出一結構。在另一可選擇的具體態樣 中，蝕刻該層二氧化矽乃包括：電漿蝕刻該層二氧化砍。 圖 4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H、41、4J、4K、 4L、4M、4N和40顯示一系列的基板剖面圖，其係在根據 本發明另一可選擇之具體態樣的形成隔膜之方法中的一系 列處理操作後的每一個情形。 操作A ··在矽基板404上形成犧牲性氧化層402。（圖 4A) 操作B :操作A之後’在犧牲性氧化層402上形成氮 11 1300761 化石夕層406。（圖4B) 操作C :操作B之後，在氮化矽層406上以阻抗劑408 做出圖案，以界定出皺紋位置409、410和411。（圖4C) 操作D :操作C之後進行蝕刻，以於矽基板404中形 成皴紋414、415和416。（圖4D) 完成操作D之時，雖然已經形成了皺紋414〜416，但是 也形成了一或多個不想要的氮化矽棚架418，其在後續中移 除。 操作E :操作D之後，剝除阻抗劑408並加以淸潔。（ 圖4E) 操作F :操作E之後，部份地蝕刻氮化矽層406，以移 除一或多個氮化矽棚架418。（圖4F) 完成操作F之時，已經移除了 一或多個氮化矽棚架418 〇 操作G :操作F之後，形成犧牲性二氧化矽層420。（ 圖4G) 操作Η :操作G之後進行蝕刻，以移除氮化矽層406， 而留下犧牲性氧化層402。皺紋414、415和416仍然塡充 了在形成犧牲性二氧化矽層420期間所沉積的二氧化矽。（ 圖4Η) 操作I :操作Η之後進行蝕刻，以從矽基板404的表面 移除犧牲性氧化層402，以及從皺紋414、415和416移除 犧牲性二氧化砂層420。（圖41) 完成操作I之時，皺紋414、415和416沒有犧牲性二 12 1300761 氧化砂層420的顧慮’並且皴紋414、415和416具有無板 桁的平滑表面。 操作j :操作I之後，形成正面氮化矽層422和背面氮 化石夕層424。（圖4J) 操作K :操作J之後’形成二氧化砍層426。（圖4K) 操作L :操作K之後’以阻抗劑428做出圖案’以在 背面氮化矽層424上界定出一方形。（圖4L) 操作Μ :操作L之後進行蝕刻’以移除方形圖案中的 背面氮化矽層424。（圖4Μ) 操作Ν :操作Μ之後進行蝕刻’以從矽基板404移除 二氧化砂層426和砂，而留下氮化砂層422懸架於砂基板 404。當一部份的氮化矽層422接觸矽基板404而不受妨礙 地自由振動時，氮化砂層422乃懸架於砂基板404。（圖4Ν) 完成操作Ν之時’矽已經從矽基板404移除’並且氮 化矽層422乃懸架於矽基板404。 操作〇 :操作Ν之後，翻轉矽基板404，並且在氮化矽 層422的一或多個表面上濺鍍金層432。（圖40) 完成操作0之時，懸架於矽基板404之氮化矽層422 的一或兩側上已經披覆了金層432，並且完成了隔膜1〇〇的 製造。 圖5顯示根據本發明一具體態樣之隔膜偏折偵測系統 500的圖解。隔膜偏折偵測系統500包括訊號來源502、隔 膜1〇〇(顯示於圖1)以及偵測器504。 訊號來源502產生訊號506，其在隔膜1〇〇處被反射， 13 1300761 並且在偵測器504被接收。訊號來源502並不限於特定種 類的訊號來源。適合用於隔膜偏折偵測系統500之範例性 的訊號來源502包括電磁訊號來源，例如雷射、邁射（maser ，微波激射器）和發光二極體。適合用於隔膜偏折偵測系統 500之範例性的雷射包括固態雷射和氣體雷射。在一具體態 樣中，訊號來源502是半導體雷射。在另一具體態樣中， 訊號來源502是氣體雷射。在另一可選擇的具體態樣中， 訊號來源502是砷化鎵發光二極體。在又一具體態樣中， 訊號來源502是砷化鎵鋁發光二極體。 偵測器504偵測由訊號來源502所產生而由隔膜100 所反射的訊號。偵測器504係加以選擇，以偵測從隔膜100 反射之後的訊號506。反射訊號的光譜係由訊號來源502的 光譜和隔膜100的反射性所決定。由於隔膜100在操作期 間會振動或共振，偵測器504應該能夠偵測訊號506的線 性移動。在一具體態樣中，偵測器504是線性二極體陣列 。線性二極體陣列包括排列成一線之多個大致相同的二極 體。線性二極體陣列可以製造於單一晶粒上，以確保有大 致相同的二極體。適合用於偵測器504的晶粒材料包括矽 、鍺和砷化鎵。適合用於隔膜偏折偵測系統500之範例性 的二極體陣列包括具有1024、2048或4096個二極體的陣列 。在另一具體態樣中，偵測器504是電荷耦合裝置。在另 一可選擇的具體態樣中，偵測器504是具有電磁輻射感應 元件之二維陣列的電荷耦合裝置。在電荷耦合裝置中，電 磁輻射感應元件乃耦合在一起，並且在一裝置中累積的電 14 1300761 荷乃經由其他裝置而移出該裝置。二維的電荷耦合裝置允 許在二維中追蹤訊號506。 雖然在此已經描述和圖解說明了特定的具體態樣，但 是由於受益於本案揭示的好處，熟於此技藝者將體會到： 意欲達成相同目的的任何安排可以取代所示的特定具體態 樣。本案意欲涵蓋本發明的任何修改或變化。因此，本發 明祇想由申請專利範圍及其等效者所限制。 【圖式簡單說明】 (一） 圖式部分 圖1A顯示根據本發明一具體態樣之隔膜的立體圖。 圖1B顯示圖1A所示隔膜沿著線XX的剖面圖。 圖2顯示根據本發明一具體態樣的形成隔膜之方法的 流程圖。 圖3顯示根據本發明另一具體態樣的形成隔膜之方法 的流程圖。 圖 4A、4B、4C、4D、4E、4F、4G、4H、41、4J、4K、 4L、4M、4N和40顯示一系列的基板剖面圖，其係在根據 本發明另一可選擇之具體態樣的形成隔膜之方法中的一系 列處理操作後的每一個情形。 ® 5顯示根據本發明一具體態樣的隔膜偏折偵測系統 〇 (二） 元件代表符號 1()〇隔膜 1300761 104 孔洞 106 一片材料 107 表面 108 周緣 112 厚度 114 區域 116 皺紋 118 隆脊 120 溝槽 122 深度 124 表面 126 反射性材料 402 犧牲性氧化層 404 矽基板 406 氮化矽層 408 阻抗劑 409 皺紋位置 410 皺紋位置 411 皺紋位置 414 鈹紋 415 皺紋 416 皺紋 418 氮化矽棚架 420 犧牲性二氧化矽層 1300761 422正面氮化矽層 424背面氮化矽層 426二氧化矽層 428阻抗劑 432金層 500隔膜偏折偵測系統 502訊號來源 504偵測器 506訊號

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Claims (1)

1. 一一一 momf： 拾、申請專利範圍 1. 一種皺紋狀隔膜，其包括： 形成在具有孔洞之基板上的一片材料，該片材料覆蓋 著孔洞並且包括一或多個大致上沒有缺陷的皴紋，該一或 多個皴紋大致上沒有缺陷則是由於移除了溝槽中任何縱桁 的結果，該溝槽乃蝕刻於基板中而該片材料中的一或多個 皺紋原先即形成於其上； 該片材料具有披覆以反射性材料的一個表面，其可操 作而允許當該片材料振動或共振時可以光學追蹤該隔膜。 2. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中該片材料的厚 度是在大約50奈米和大約100奈米之間。 3. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中該片材料包 括氮化5夕。 4. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中孔洞具有大 致圓形的周緣。 5. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中一或多個皺 紋包括兩個或更多個同心環。 6. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中一或多個皺 紋包括深度大於大約50奈米的溝槽。 7. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中基板包括矽 8. 根據申請專利範圍第1項的隔膜，其中反射性材料 包括金。 9. 一種形成皴紋狀隔膜的方法，其包括： 18 1300761 在基板上蝕刻出一或多個溝槽，將該一或多個溝槽塡 充以犧牲性二氧化矽層，以及蝕刻該犧牲性二氧化矽層， 以從基板上的一'或多個溝槽移除犧牲性一氧化砍層，而在 基板上形成大致上沒有縱桁的皺紋狀表面； 在皺紋狀表面上形成一層材料；以及 處理此基板，以形成包括該層材料的隔膜。 10 ·根據申請專利範圍第9項的方法，其中將該一或多 個溝槽塡充以犧牲性二氧化矽層乃包括： 在基板表面的犧牲性氧化層上以及在該犧牲性氧化層 上的氮化矽層上，形成該犧牲性二氧化矽層於基板上。 11·根據申請專利範圍第9項的方法，其中在皴紋狀表 面上形成一層材料乃包括： 在皺紋狀表面上形成一層氮化矽。 12.—種形成皴紋狀隔膜的方法，其包括： 在基板的表面上蝕刻出一結構，以形成一或多個溝槽 將該一或多個溝槽塡充以犧牲性二氧化矽層，而在此 結構上形成一層犧牲性二氧化矽； 蝕刻該犧牲性二氧化矽層，以從一或多個溝槽移除犧 牲性二氧化矽層，而在基板上形成大致上沒有縱桁的皺紋 狀表面； 在此結構上形成一層氮化矽，以及處理此基板以由該 層氮化矽形成隔膜；以及 在隔膜的表面上濺鍍金層。 19 1300761 13. 根據申請專利範圍第12項的方法，其中在基板的 表面上鈾刻出一結構乃包括： 在基板的表面上電漿蝕刻出一結構。 14. 根據申請專利範圍第12項的方法，其中蝕刻該犧 牲性二氧化矽層乃包括： 電漿蝕刻該層二氧化矽。 15. —種偵測聲波的方法，其包括： 在皺紋狀隔膜處接收聲波，此隔膜包括形成在具有孔 洞之基板上的一片材料，該片材料覆蓋著孔洞並且包括一 或多個大致上沒有缺陷的皴紋，該一或多個皺紋大致上沒 有缺陷則是由於移除了溝槽中任何縱桁的結果，該溝槽乃 蝕刻於基板中而該片材料中的一或多個皺紋原先即形成於 其上，該片材料具有披覆以反射性材料的一個表面，其可 操作以允許當該片材料依據聲波而振動或共振時可以光學 追蹤該隔膜；以及 產生在皺紋狀隔膜處反射且在偵測器處接收的訊號， 而偵測該片材料的偏折。 16. 根據申請專利範圍第15項的方法，其中偵測該片 材料的偏折乃包括： 偵測由披覆該片材料之反射性材料所反射的電磁訊號 〇 17·根據申請專利範圍第16項的方法，其中偵測由披 覆該片材料之反射性材料所反射的訊號乃包括： 偵測在電荷耦合裝置的訊號。 20