CN101022685A - 电容式微型硅麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电容式微型硅麦克风及其制备方法，其包括用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜、支撑在所述振动膜的边缘且与所述振动膜及所述背极板固定连接的多个绝缘支撑体，同时在所述振动膜开设有窄槽，由此可使振动膜对残余应力不敏感且提高设计灵活性，同时在相同灵敏度情况下可减小芯片面积。

Description

电容式微型硅麦克风及其制备方法

技术领域

本发明属于基于硅工艺的微电子机械系统(MEMS)领域，具体涉及一种电容式微型硅麦克风及其制备方法。

背景技术

MEMS技术是近年来高速发展的一项高新技术，与传统对应器件相比，MEMS器件在体积、功耗、重量及价格方面都有十分明显的优势，而且其采用先进的半导体制造工艺，可以实现MEMS器件的批量制造，目前市场上，MEMS器件的主要应用实例包括压力传感器、加速度计及硅麦克风等。

对于硅麦克风，将其装配至电路板通常采用自动化表面贴装工艺，该工艺需经历高温，而传统驻极体麦克风(ECM)在高温下会发生电荷泄漏，致使ECM失效，因此ECM的装配只能采用手工装配。而电容式微型硅麦克风可以耐受高温，所以能采用表面贴装工艺以实现自动装配，另外电容式微型硅麦克风在小型化、性能、可靠性、环境耐受性、成本及量产能力等方面都比ECM有优势，因此采用MEMS技术制造的微型硅麦克风已迅速作为ECM的代替者开始占领手机、PDA、MP3及助听器等消费电子产品市场。

虽然对微型硅麦克风的研究已经开展有二十余年，具体实现电容式微型硅麦克风的方法很多，但电容式微型硅麦克风通常包括一个在四周进行固定的振动膜、一个带有声孔的背极板以及在两者之间的微小空气间隙。振动膜通常采用常规的半导体加工工艺——淀积得到，材料可采用多种或多层材料得到(比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等)；背极板可由硅衬底或通过淀积得到，材料也可采用多种或多层材料(比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等)；微小空气隙可以由牺牲层被腐蚀去掉后得到，牺牲层材料可采用多种材料(如氧化硅，硅等)。

 但是，微型硅麦克风制作中面临的一个主要问题就是振动膜应力的控制。现有薄膜制备手段基本采用淀积，通过淀积得到的振动膜会存在较大的残余应力，通常包括热失配应力和本征应力两种。残余应力对微型硅麦克风特性具有较大影响，严重时甚至使其失效不能工作。再有，大的残余张应力也会显著降低振动膜的机械灵敏度，而振动膜的机械灵敏度又与麦克风的关键指标——灵敏度成正比，因此大的残余应力将会间接导致麦克风灵敏度的降低。还有，大的残余压应力也可能导致振动膜发生屈曲，从而使麦克风性能不稳定甚至失效。

因此，提高麦克风灵敏度已成为本领域技术人员关注的焦点，现有通过采用改进制备方法淀积的工艺条件的方法，或采用一些附加工艺如退火等来减小振动膜的残余应力，但是采用这种方法对减小残余应力的效果不大，而且重复性不好，实现也较为复杂；另外一个途径就是使振动膜悬浮，使振动膜的机械灵敏度对残余应力不敏感，但该种方式常导致加工工艺复杂度增加。

因此，如何解决现有技术存在的缺点提高麦克风的灵敏度实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电容式微型硅麦克风及制备方法，以提高电容式微型硅麦克风的灵敏度。

为了达到上述目的，本发明的电容式微型硅麦克风包括：用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜、及支撑在所述振动膜的边缘且与所述振动膜及所述背极板固定连接的多个绝缘支撑体。

其中，所述振动膜具有多个窄槽，所述多个窄槽分别为各起点分别临近相应绝缘支撑体的短缝，所述多个短缝可分别为由所述振动膜的边角向所述振动膜的中心延伸，所述多个窄槽还可为分别为由所述振动膜的边缘延伸且与所述振动膜对应边侧平行的长缝，所述振动膜呈方形，所述多个绝缘支撑体分别位于所述振动膜的相应边角，所述多个绝缘支撑体分别位于所述振动膜各边侧的中部，所述振动膜还可呈圆形，所述背极板设置有多个声孔，所述多个声孔为圆形或者方形，且其按振动膜的形状排布成阵列，所述背极板及所述振动膜的材料分别为导电材料及由导电材料和绝缘材料组合的复合膜中的一种。

本发明还提供一种电容式微型硅麦克风的制备方法，其包括步骤：1)在半导体材料的衬底一侧进行重掺杂以形成背极板；2)在所述背极板上淀积氧化硅或磷硅玻璃(PSG)以形成绝缘支撑层；3)在所述绝缘支撑层上淀积导电物质以形成振动膜；及4)采用氢氟酸腐蚀所述绝缘支撑层以形成位于所述振动膜边缘的多个绝缘支撑体；5)采用腐蚀液湿法腐蚀法或采用干法的等离子体刻蚀法在所述振动膜开设窄槽；6)在所述背极板上进行光刻及刻蚀以形成声孔。

综上所述，本发明的电容式微型硅麦克风及其制备方法采用绝缘支撑体的支撑在振动膜四周局部，而非传统的在振动膜整个四周支撑，同时在振动膜开设窄槽，可使振动膜对残余应力不敏感且提高设计灵活性，同时在相同灵敏度情况下可减小芯片面积。

附图说明

图1至图3为本发明的电容式微型硅麦克风的实施例一的示意图，其中，图1为本发明的电容式微型硅麦克风的透视图，图2为本发明的电容式微型硅麦克风的剖面透视图，图3为本发明的电容式微型硅麦克风的剖面图。

图4为本发明的电容式微型硅麦克风的实施例二的透视图。

图5为本发明的电容式微型硅麦克风的实施例三的透视图。

图6为本发明的电容式微型硅麦克风的实施例四的透视图。

具体实施方式

实施方式一：

请参阅图1至图3，本发明的电容式微型硅麦克风包括：背极板、振动膜、绝缘支撑体等。

所述背极板2具有导电功能，用于作为电容的一极，制作时，先通过各向同性或各向异性加工方法在硅衬底上形成背腔6，然后在得到背腔6的同时结合自停止技术(如重掺杂)可形成背极板2，其中，衬底1可以是低阻硅，或是有金属覆盖表面的玻璃，起机械支撑作用，在背极板2上再通过采用选择性掺杂或光刻等手段可以得到多个声孔3，多个声孔3可以起到传播声压以及调节振动膜和背极板之间阻尼的作用，声孔的形状、尺寸以及数量根据需要进行确定，一般声孔为圆形或者方形，且其按振动膜的形状排布成阵列。振动膜4具有导电功能，用于作为所述电容的另一极，其可以由单晶硅、多晶硅或覆有导电层的氮化硅等形成，呈方形，振动膜4的机械支撑由起绝缘支撑作用的绝缘支撑体5在振动膜四角与背极板相连接来完成，绝缘支撑体5可由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料单独或复合组成，其与所述振动膜4及背极板2都固定连接，在本实施方式中，所述绝缘支撑体5为4根柱体以构成4个支撑点。此外，在振动膜4以及背极板2之间除绝缘支撑体5以外，还有空气隙7，该空气隙可通过腐蚀绝缘层来得到。

实施方式二：

请参见图4，本实施方式与实施方式一类似，衬底8可以是低阻硅，或是有金属覆盖表面的玻璃，起机械支撑作用；振动膜9可以由硅、多晶硅、覆有导电层的氮化硅等形成，振动膜9的机械支撑由起绝缘支撑作用的绝缘支撑体11在振动膜四个角上与背板相连接来完成，绝缘支撑体可由二氧化硅或氮化硅等绝缘材料单独或复合组成。其余背板、背腔及声孔与实施例1相同。

与实施方式一不同的地方是在振动膜上开有多个窄槽10，所述多个窄槽分别为两两平行的短缝，所述多个短缝分别为由所述振动膜的边角向所述振动膜的中心延伸，增加窄槽10可以得到更多的设计灵活性，提高麦克风的灵敏度。

实施方式三：

请参见图5，本实施方式除在振动膜上开槽的形状、尺寸、数量与位置不同外，其余与实施方式二相同，在本实施方式中，所述多个窄槽分别为由所述振动膜的边缘延伸且与所述振动膜对应边侧平行的长缝。

实施方式四：

本实施方式与实施方式二相比，其差异在于：第一、在振动膜上开槽的形状、尺寸、数量与位置不同，第二绝缘连接层的位置也不在振动膜四个边角上而在振动膜边缘的中部，在本实施方式中，所述各短缝的起点分别临近相应绝缘支撑体，即位于所述振动膜边侧的中部。

须注意的是，振动膜的形状并非以本实施方式为限，也可采用其它形状，例如圆形。

本发明的电容式微型硅麦克风制备方法主要包括以下步骤：

1)在半导体材料的衬底一侧进行重掺杂以形成背极板，即在衬底1上注入或扩散P+离子形成重掺杂硅，以构成背极板2。

2)在背极板2上进行光刻以及刻蚀，从而在背极板2上得到声孔3。

3)在所述背极板上淀积绝缘物质以形成绝缘支撑层，所述绝缘物质为氧化硅或磷硅玻璃(PSG)。

4)在所述绝缘支撑层上淀积导电物质以形成振动膜，通常是在绝缘支撑层上淀积多晶硅得到振动膜4。

5)所述背极板另一侧进行光刻及采用第二腐蚀性物质进行腐蚀以得到背腔，通常采用KOH作为第二腐蚀性物质。

6)采用第一腐蚀性物质腐蚀所述绝缘支撑层以形成位于所述振动膜边缘的多个绝缘支撑体，所述第一腐蚀性物质为氢氟酸。

7)在所述振动膜开设多个窄槽，通常采用腐蚀液湿法腐蚀法或采用干法的等离子体刻蚀法开设所述多个窄槽。

需注意的是，在背极板上光刻及刻蚀得到声孔的步骤也可以在开设窄槽的步骤之后，在此予以说明。

综上所述，本发明的电容式微型硅麦克风及制备方法采用绝缘支撑体的支撑在振动膜四周局部，而非传统的在振动膜整个四周支撑，同时在振动膜开设窄槽，可使振动膜对残余应力不敏感且提高设计灵活性，同时在相同灵敏度情况下可减小芯片面积。该结构采用常规加工工艺即可制备得到，采用该结构的振动膜能够充分的释放残余应力，其优点在于：第一，可以提高微型硅麦克风的灵敏度；第二，同样灵敏度规格下，减小微型硅麦克风的尺寸；第三，不同加工批次得到的微型硅麦克风性能有更好的均匀性和一致性；第四，由于封装而引入的应力对灵敏度造成的影响减小。

Claims (11)

1.一种电容式微型硅麦克风，包括：用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜、及支撑在所述振动膜的边缘的多个绝缘支撑体，其特征在于：

所述多个绝缘支撑体与所述振动膜及所述背极板固定连接。

2.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述振动膜具有多个窄槽。

3.如权利要求2所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述多个窄槽分别为各起点分别临近相应绝缘支撑体的短缝。

4.如权利要求3所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述多个短缝分别为由所述振动膜的边角向所述振动膜的中心延伸。

5.如权利要求2所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述多个窄槽分别为由所述振动膜的边缘延伸且与所述振动膜对应边侧平行的长缝。

6.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述振动膜呈方形或圆形。

7.如权利要求6所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述多个绝缘支撑体分别位于所述振动膜的相应边角。

8.如权利要求6所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述振动膜呈方形时，所述多个绝缘支撑体分别位于所述振动膜各边侧的中部。

9.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述背极板设置有呈圆形或方形的多个声孔，且所述多个声孔按振动膜的形状排布成阵列。

10.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述背极板及所述振动膜的材料分别为导电材料及由导电材料和绝缘材料组合的复合膜中的一种。

11.一种制造权利要求1至10任一电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征在于包括步骤：

1)在半导体材料的衬底一侧进行重掺杂以形成背极板；

2)在所述背极板上淀积氧化硅或磷硅玻璃以形成绝缘支撑层；

3)在所述绝缘支撑层上淀积导电物质以形成振动膜；

4)采用氢氟酸腐蚀所述绝缘支撑层以形成位于所述振动膜边缘的多个绝缘支撑体；

5)采用腐蚀液湿法腐蚀法或采用干法的等离子体刻蚀法在所述振动膜开设窄槽；

6)在所述背极板上进行光刻及刻蚀以形成声孔。

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