本論文應用駐極體材料、矽技術、微機電系統技術及麥克風技 術，研究一微小且省電型之半導體駐極體電容式麥克風製造方法與結 構。應用氟系高分子材當駐極體材料且塗佈於振膜上，其元件製作將 採用富有彈性變化架構之雙矽晶結構。且將麥克風所需要之阻抗匹配 之元件—場效電晶體，結合半導體製程技術、微機電技術整合製作成 型，將具有更高優勢而達到可量產化(以 4 吋晶圓可以製作 1500 個晶 片)、微小化及節省組裝費用，在設計上更具有彈性，更可獲得較佳 之性能。同時由於本研究之駐極體材質為高分子材，塗層於振膜上可 以提供麥克風所需的靜電荷量，又具有阻尼效用而降低麥克風的諧坡 失真。
4-1 製程設計[16,18]
4-1-1 振膜晶片製程
Step 1 ： 應 用 爐 管 對 晶 圓 進 行
Si x N
4/ Si
3N
4沉 積(Rich-Nitride 、 Diffusion)。Step 2：應用爐管對晶圓進行氧化沉積
SiO 2
而形成所需求的振膜。Step 3 ： 應 用 濕 式 及 乾 式 蝕 刻 成 所 需 要 之 結 構 振 膜 ( 厚 度 ： 1000~2000
A
o ，面積：1mm2)。Step 4：振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變 化時，為將訊號順利傳遞出來，所以應用Sputter 設備使得振 膜上沉積一層電極層(金或鋁)。
Step 5：為使麥克風為駐極體電容式型式，所以將駐極體材料(PTFE、
FEP、AF、BCB 等)Coating 在振膜晶圓背面後，對駐極體材 料進行充電(corona, ion beam charge 方法)作用，使得電荷常 駐於駐極體材料而避免電荷脫離。
Step 6：應用 coater、光罩等設備進行微影製程，利用高絕緣材(如 PI 材料，厚度
3 ~ 10 m
)形成振膜晶片與背板晶片間的 spacer。4-1-2 背板晶片製程
Step 1：MOSFET 製作並作表面保護。
Step 2：應用爐管進行對晶圓進行 Nitride 沉積層。
Step 3：應用濕式及乾式蝕刻成所需要之背板晶片所需要的透氣孔尺 寸
( 50 m 50 m )
、數量(10×10 矩形陣列排列/1mm2)、厚度規 格(10~ 200 m)。Step 4: 應 用 濕 式 及 乾 式 蝕 刻 成 所需 要 Back-chamber 空 間 規 格 (
0 . 2 ~ 1 mm
3)。Step 5: 振膜晶片中電容由於振膜受壓力而產生振膜運動感應發生變 化時，為將訊號順利傳遞出來，所以應用Sputter 設備使得振
膜上沉積一層電極層(金或鋁)。
4-1-3 外殼製程
將振膜晶片與背板晶片應用外殼及封裝等製程而將麥克風緊配 結合及配合使用者之需求，而有SMT 型式及 PIN 接型式外型。
4-2 製程結果討論
4-2-1 振膜晶片製程結果
表 4-2 為本研究規劃 SiO2、Si3N4不同厚度層之皺折振膜參數(振 膜材料SiO2/Si3N4厚度分別為I：1000
A
o /1000A
o 、II：750A
o /750A
o 、 III：500A
o /500A
o )，藉由第一共振頻率與機械感度量測結果來評估振 膜之剛性，之後選定最佳機械感度之皺折振膜來封裝製作矽麥克風。圖4-2 為振膜晶片製作流程圖，首先在晶圓上利用 RIE 蝕刻出皺折形 狀，再沉積SiO2、Si3N4於晶圓上作為皺折振膜材料，最後以 KOH 蝕 刻液蝕刻矽基材將振膜完全裸露成形。振膜晶片製作完成後，利用旋 轉塗佈方式將駐極體材料塗佈於振膜上，並應用旋轉塗佈機、光罩等 設備進行微影製程在振膜晶片上以PI 為材料製作空氣間隙層
(spacer)。振膜製程結果由圖 4-3 在 SEM 觀察截面可看出振膜厚度均 勻，皺折結構平整完好並無斷裂現象產生，振膜中心與邊界高度一
圖4-4 為皺折振模在光學顯微鏡 50 倍放大上視圖，由圖中可觀 查出完成之振膜與設計規格相符合，外觀相當平整，皺折與電橋處並 無崩裂現象。由圖4-4(b)中發現晶圓中部分的振膜皺折四端電橋處有 應力集中現象，並有相當明顯的預變形產生，此種現象是由於熱製程 所產生之殘留應力，應力過大則使振膜感度降低，為了能減少殘留應 力，在製程中必須藉由調整LPCVD 薄膜沉積時的氣體組成比例、溫 度、壓力及時間等參數，並利用熱退火處理來降低殘留應力。另外，
在振膜製作完成後也可以藉由鍍電極層增加振膜厚度或除去電橋結 構來消除應力集中現象，使振膜愈變形量降低，但是反而會產生振膜 感度降低及訊號無法輸出等新問題。空氣間隙層(spacer)製程結果由 圖4-5 可看出外觀相當平整，並無發生脫層或崩裂現象。
4-2-2 背板製程結果
圖 4-6 為背板晶片製作流程圖，背板晶片是以矽晶圓為材料，應 用濕式及乾式蝕刻所需之開孔與背氣腔。圖4-7 為背板晶片光學顯微 鏡圖像，背板開孔設計以10×10 陣列方式排列，面積 1mm2，孔洞大 小50μm×50μm，開孔率約為 25﹪，由圖中可觀察出背板晶片結構 與設計相符，並無缺陷或雜質存在。
4-3 第一共振頻率量測
振膜之第一共振頻率影響麥克風可用頻寬，為了探討製程後振膜 之預應力與第一共振頻率的關係，本研究應用工業技術研究院材料所 架設之量測機構，分別針對振膜編號I、II、III 量測共振頻率，由第 一共振頻率值探討振膜機械性質。
量測架構如圖4-8 所示，將振膜晶片固定於量測平台上，入射聲 壓由揚聲器提供寬頻聲波，運用雷射都卜勒干涉儀(Laser Doppler Vibrometer/Interferometer, LDV)將雷射光照射在振膜表面，由於振膜 反射的光波頻率會與原先入射的光波頻率產生差異，而其頻率變化正 比於振膜運動速度，再由音頻分析儀(Spectrum Analyzer)計算並顯示 其共振頻率曲線。量測結果如圖4-9 所示，振膜編號 I 之第一共振頻 率約在40kHz；振膜編號 II 之第一共振頻率約在 37kHz；振膜編號 III 之第一共振頻率約在 36kHz。由以上結果可知振膜厚度與共振頻 率成正比，當振膜厚度愈薄則剛性愈小，受音壓而產生相對應之振幅 愈大，則週期愈大，因此共振頻率愈低且機械感度愈大。因此採用厚 度最薄的振膜編號III (Oxide/Nitride：500
A
o /500A
o )做為本研究麥克風 封裝之振膜。4-4 駐極體電容式麥克風封裝 4-4-1 駐極體材料製作與充電作用
為了使麥克風為駐極體電容式形式，本研究應用氟系高分子材當 駐極體材料，利用Spin Coating 技術將鐵氟龍(Teflon, AF)產生於振膜 上，然後對駐極體材料進行充電作用，使得電荷常駐於駐極體材料，
成為永久性電極。本研究應用電暈放電機構(Corona Charge)[20]如圖 4-10 所示，提供高電壓場對駐極體材料予以極化，使振膜上之 AF 膜 帶一靜電壓。由於駐極體表面靜電壓值對於振膜感度影響甚大，因此 必須探討不同靜電壓與振膜感度的表現，本研究設定不一樣靜電壓條 件下量測振膜之感度，其結果如圖4-11 所示，駐極體靜電壓與振膜 機械感度成正比關係，當振膜表面的駐極體靜電壓愈大時，則背板所 感應的電壓變化愈大，所輸出之訊號則愈強。但由於駐極體靜電壓會 使振膜產生預變形，靜電壓愈大振膜預變形則愈大，當靜電壓超過一 臨界值反而使振膜變形空間受限造成機械感度降低，因此必須在駐極 體靜電壓與振膜機械感度兩者關係中，試圖找出最佳值。由圖中可觀 察出，在空氣間隙層3μm 條件下，駐極體靜電壓大約在-33V~-36V 可以達到最佳感度，在頻率1kHz 處感度約為-59dB。
4-4-2 麥克風封裝
如圖 4-13 為振膜晶片與背板晶片接合示意圖，將振膜晶片與背 板晶片精確對齊壓合，並於接合處以膠合固定，整合矽麥克風晶片及 類比放大器(analog amplifier IC)於銅箔電路板上，如圖 4-14、圖 4-15 所示。封裝完成後之矽麥克風成品如圖4-16 所示。