矽晶麥克風之設計與製作

Abstract

微機電系統(Micro-Electro-Mechanical Systems, MEMS)主要是由微機械結構、微感測器、微致動器以及訊號處理電路等諸項要件所構成，已被預測將成為工業界的明日之星。本論文將整合體型微機械加工(Bulk-Micromachining)及面型微機械加工(Surface-Micromachining)技術來製作一新式聲音感測器即矽晶電容式麥克風。本文的研究主要包含兩項工作：(1)矽晶電容式麥克風之設計與模擬分析。文中利用IntelliCAD軟體來模擬分析各種皺折形狀與平坦形狀薄膜其性能之差別，藉由改變不同的參數來求得較高靈敏度之結構薄膜。(2)矽晶電容式麥克風之製程及結果量測。利用具有低應力的多晶矽作為我們所需的薄膜，懸浮於摻雜硼離子背極板，不需任何晶片接合技術，其中更提出高濃度摻雜硼離子量測及有效控制蝕刻終止技術。藉由製作矽晶電容式麥克風的過程中，來瞭解MEMS在微感測器上的問題，以期能建立微感測器相關技術於日後的應用中。

Microelectromechanical systems contain micromechanical structures, microsensors, microactuators, and signal processing components. It is predicted to be the star of future industry. This research utilized the integration of bulk and surface micromachining technique to develop a new acoustic sensor, silicon condenser microphone. Our study mainly includes two parts, one is the design and simulation of silicon condenser microphone, and the other is the fabrication and measurement of silicon condenser microphone. We utilized the software IntelliCAD to simulate and analyze different functions of corrugated and flat diaphragms. By changing different parameter, we can obtain the diaphragm with better sensitivity. We utilized low stress polysilicon to serve as the required diaphragm suspended above a p+ backplate; in that way, no wafer bonding will be needed. Moreover, we propose a method to measure deep boron diffusion and a technique to control etch-stop effectively. With the process of producing silicon microphone, we can understand the problems of design and fabrication of microsensors. 中文摘要………………………………………………………………………………i 英文摘要……………………………………………………………………………....ii 誌謝……………………………………………………………………………………….iii 目錄…………………………………………………………………………………...iv 圖例…………………………………………………………………………………..vi 表格………………………………………………………………………………viii 第一章 緒論…………………………………………………………………………1 1.1 前言………………………………………………………………………..1 1.2 文獻回顧…………………………………………………………………..2 1.3 研究動機與目的…………………………………………………………..6 1.4 論文架構…………………………………………………………………..6 第二章 電容式矽晶麥克風之作用原理論…………………………………………8 2.1 基本原理…………………………………………………………………...8 2.2 理論分析…………………………………………………………………...9 2.1.1 空氣電阻Rr及質量Mr………………………………………………….10 2.1.2 薄膜機械電容Cm………………………………………………………..10 2.1.3 薄膜質量Mm…………………………………………………………….11 2.1.4 間隙電阻Rgap……………………………………………………………11 2.1.5 孔洞電阻Rhole……………………………………………………………11 2.1.6 靈敏度S………………………………………………………………….11 2.1.7 電容變化量……………………………………………………………...13 2.1.8 共振頻率fres……………………………………………………………..13 2.1.9 崩潰電壓Vpi…………………………………………………………….13 第三章 矽晶麥克風之設計與模擬分析…………………………………………..16 3.1 模擬軟體簡介…………………………………………………………….16 3.2 設計目標探討…………………………………………………………….17 3.2.1 薄膜形狀之選擇………………………………………………………..18 3.3 薄膜靈敏度模擬分析…………………………………………………….19 3.4 麥克風之設計…………………………………………………………….26 3.5 性能分析結果…………………………………………………………….28 第四章 矽晶麥克風之製程…………………………………………………….…..31 4.1 製程設計………………………………………………………………..….31 4.2 製程考量………………………………………………………………..….37 4.2.1非等向性蝕刻…………………………………………………….….37 4.2.2蝕刻終止………………………………………………………….….38 4.2.3硼離子層之量測…………………………………………….…..44 4.2.4線接合之接觸墊………………………………………………..…..45 4.3 製程中問題處理…………………………………………………………..45 4.1.1 微影問題…………………………………………………………….45 4.1.2 濕蝕刻…………………………………………………………….…47 4.1.3 薄膜殘餘應力…………………………………………………….…49 4.1.4 雙面對準技術…………………………………………………….…50 4.1.5 KOH非等向性蝕刻………………………………………………...50 4.2 製程結果……………………………………………………………….…53 第五章 量測結果…………………………………………………………….……59 第六章 結論與未來發展…………………………………………………………66 參考文獻…………………………………………………………………………….68