CN101199234A - 硅麦克风 - Google Patents

Abstract

硅麦克风包括导电或半导电材料的背极板，所述背极板包括刚性孔区域和周围区域；导电或半导电材料的振动膜，所述振动膜包括柔性元件，其遍布该孔区域和一个周围区域，该周围区域至少部分地与背极板的周围区域相连并与之绝缘；背极板的孔区域和振动膜的柔性元件通过空腔构成电容器的两个平行板；硅麦克风还包括形成在振动膜周围区域上的接合焊盘、形成在背极板周围区域的接合焊盘、形成在振动膜上并围绕形成在背极板周围区域上的接合焊盘的通道、至少一个形成在振动膜的周围区域并通向柔性元件与背极板的孔区域之间的空腔的空气通道、以及至少一个穿过振动膜的周围区域并与各个空气通道相连的通风孔。

Description

硅麦克风

技术领域

本发明涉及硅麦克风，尤其涉及具有背极板芯片的硅麦克风。

背景技术

电容式麦克风典型地包括一个振膜，该振膜包括一个连在弹性元件上的电极，以及连在另一个电极上，与弹性元件平行的背极板。该背极板的刚性相对较强，并且典型地包括多个孔以允许空气可以在背极板和弹性元件之间运动。背极板和柔性元件形成了电容器的平行板。在柔性元件上的声压会引起平行板的偏移，使电容器的电容发生变化。电容的变化由电路来处理，从而提供与变化相对应的电信号。

包括微型麦克风的微型机电系统(MEMS)是利用通常用于制造集成电路的技术制造的。MEMS微型麦克风的可能应用包括应用于助听器和移动电话，以及车辆压力传感器的麦克风。

一旦硅麦克风的制作完成，就必须封装进一个设备中。在封装处理过程中，硅麦克风的背极板会移动或发生变形。封装期间背极板的任何移动都会降低麦克风的灵敏度，或者妨碍麦克风的操作。

限制硅麦克风性能的因素包括电容器两个平行板之间的漏电流、麦克风中的寄生电容和振动膜与背极板之间的静摩擦。

当麦克风电容器的两个板没有完全互相绝缘时就会发生漏电流。当在切割晶片期间向麦克风上提供接合焊盘时就会发生次级绝缘。漏电流降低了硅麦克风的阻抗。理想地，该阻抗应该是无限大的；然而，由于麦克风的加工和设计总有一些泄漏。在一些系统中，通过在预放大器中使用电荷泵克服漏电流的问题。预放大器和电荷泵的使用使麦克风以大于期望的操作电压的电压运行，并对漏电流不敏感。

寄生电容会由切割之后存在于晶片边缘的碎片产生。寄生电容是杂散电容，其由于多余的，例如介电层，影响产生。这些电容还影响硅麦克风的性能。

对于小的电容性设备来说，静摩擦是常见的问题。可能产生静摩擦的一个区域是在切割麦克风晶片的过程中。典型地，麦克风晶片通过在顶面放置一些胶带而获得保护，从而保护薄的振动膜。同时，晶片还位于另一片胶带上，从而在切割期间使水不能进入晶片的背面。这两个保护胶带形成了上振动膜和下晶片之间的封闭的空气柱。当振动膜是薄膜时，任何温度的变化都会使封闭的空气柱膨胀，从而推动或挤压振动膜。这个压力会使振动膜接触背极板，仅有几微米的距离。在背极板和振动膜接触的短时间之后，会发生联结并因此产生静摩擦。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有降低的静摩擦、漏电流和寄生电容的硅麦克风或是至少为公众提供一种有用的选择。

从广义上讲，在一个方面，本发明包括硅麦克风，该硅麦克风包括导电材料或半导体材料的背极板，所述背极板包括刚性的孔区域和周围区域；导电材料或半导体材料的振动膜，所述振动膜包括柔性元件，其遍布该孔区域和一个周围区域，该周围区域至少部分地与背极板的周围区域相连并与之绝缘；背极板的孔区域和振动膜的柔性元件通过空腔构成电容器的两个平行板；硅麦克风还包括形成在振动膜周围区域的接合焊盘、形成在背极板周围区域的接合焊盘、形成在振动膜上围绕形成在背极板周围区域上的接合焊盘的通道、形成在振动膜的周围区域上并通向柔性元件和背极板的孔之间的空腔的至少一个空气通道、以及贯穿振动膜的周围区域与各个空气通道相连的至少一个通风孔。

优选围绕接合焊盘的通道的宽度在40和50微米之间。

优选提供两个空气通道。

优选每个空气通道大约为20微米宽。

优选每个空气通道都具有一个迂回路径。

优选硅麦克风的每个空气通道都具有一个通风孔。

附图说明

将参考附图通过仅作为说明而非限制本发明的实施例进一步描述硅麦克风和制造硅麦克风的方法，其中：

图1A是制造前第一晶片的侧视图；

图1B是制造前第二晶片的侧视图；

图1C是制造前第三晶片的侧视图；

图2A是沉积或生成氧化物之后第一晶片的侧视图；

图2B是沉积或生成氧化物之后第二晶片的侧视图；

图2C是掩模之后第三晶片的侧视图；

图2D是钻孔或蚀刻之后第三晶片的侧视图；

图3是已经形成图案并蚀刻空腔之后第一晶片的侧视图；

图3A是蚀刻出隔离槽之后第一晶片的俯视图；

图4是结合在一起的两个晶片的侧视图；

图5是剥去氧化层之后两个晶片的侧视图；

图6是不具有电极的硅麦克风的第二实施例的侧视图；

图6A是附加第三晶片之后图6的设备的侧视图；

图6B是图6的设备的俯视图；

图7是图6中具有电极的麦克风的侧视图；

图7A是附加第三晶片的图7的麦克风的侧视图；

图7B是图7的麦克风的俯视图；

图8是振动膜中具有皱折的硅麦克风的侧视图；

图8A是附加第三晶片的图8的硅麦克风的侧视图；

图9是补偿了麦克风中的压力并降低了漏电流的麦克风的俯视图；及

图10是完成的硅麦克风的仰视图。

详细描述

参考硅麦克风的一个特殊实施例描述硅麦克风和形成硅麦克风的方法。这不倾向于限制本发明。降低漏电流、寄生电容和静摩擦的制造步骤可以应用于任何硅麦克风。

图1A是可以用于制造硅麦克风的振动膜的第一晶片的侧视图。该晶片由重掺杂硅的第一层1、氧化物的中间层2和硅衬底的第三层3构成。在一个实施例中，第一层是p⁺⁺掺杂硅，第三层是n型衬底。在一个可替换实施例中，第一层可以是n⁺⁺掺杂硅，第三层可以是p型衬底。典型地，第一层1具有4微米厚，第二层具有2微米厚。用于硅麦克风的这些层的厚度取决于所需的麦克风特性。衬底层的厚度大于其他两层，例如，可以具有大约400到600微米的厚度。

应该注意，所示的侧视图不是按比例绘制出的，仅仅是用于说明的目的。

在另一个实施例中，可以使用任何合适的晶片。

图1B是可以用于制造硅麦克风的背极板的第二晶片的侧视图。该晶片包括硅片4。该晶片是重掺杂硅，可以是p型或n型硅。在优选实施例中，该晶片是<100>硅。在另一个实施例中，可以采用不同的硅表面或结构。

在另一个实施例中，可以使用任何合适的晶片。

图1C是用于为硅麦克风提供背极板支撑的第三晶片的侧视图。该晶片优选是耐热玻璃或硼酸硅玻璃，但可替换为任何合适的材料，可以是绝缘的或非绝缘的。

尽管图1A、1B和1C是三个晶片的侧视图，但这些晶片是具有两个主表面的三维的。第一晶片的两个主表面是顶面和底面(图1A未示出)。第一主表面，顶面，包括重掺杂硅。第二主表面，底面，包括硅衬底。

在图1B中，主表面位于晶片的顶部和底部，都包括重掺杂硅片。

在图1C中，主表面位于晶片的顶部和底部。

在制造硅麦克风的过程中，在结合在一起并进一步处理之前，开始先分别处理三个晶片。

图2A和2B示出了已经在晶片的主表面上形成氧化物5之后的第一和第二晶片。氧化物典型地通过热生长或淀积方法形成在两个将片的两个表面上。在每个晶片的两个主表面上形成氧化物降低了使晶片变形的风险，如果氧化物仅仅形成在每个晶片的一侧，晶片就会发生变形。在一个可替换实施例中，氧化物仅仅形成在每个晶片的一个主表面上。如图2A和2B所示，氧化层5的厚度小于硅片的厚度。

可以理解，可以用任何合适的介电材料或绝缘材料，例如氮化硅代替氧化层。

第三晶片必须包括一个中心孔，从而当制造完成时，麦克风可以正常地工作。如果第三晶片不具有中心孔，则晶片上会形成一个孔。图2C示出了形成图案之后及蚀刻形成中心孔之前的第三晶片。该晶片上的掩模层可以是铬层。然后，可以利用浓缩的HF对硅酸硼玻璃进行蚀刻形成该孔。中心孔可以通过湿或干蚀刻形成。如果采用干蚀刻，则可以是等离子蚀刻。在可替换实施例中，可以通过机械设备，例如超声钻形成中心孔。

图2D是在晶片上形成孔之后的第三晶片的侧视图。该孔不必完全穿过晶片延伸，但必须为完整的硅麦克风提供适当的背部容积。背部容积的典型厚度可以是大约300微米，并具有直径为1mm的孔。在准备好了第三晶片之后，对其进行清洗。

图3示出了一个实施例，其中在第一晶片的第一主表面上形成图案并蚀刻出空腔6。在该步骤中，重掺杂硅层的一部分被蚀刻形成重掺杂部分1的薄剖面。可以采用湿硅蚀刻或干硅蚀刻。因为这个剖面将最终形成麦克风的振膜，所以这个薄剖面的厚度决定了硅麦克风的特性。在一个实施例中，采用反应离子蚀刻(RIE)形成空腔。

该蚀刻是时间蚀刻，所以重掺杂部分的薄剖面的最终厚度取决于蚀刻时间。

空腔的期望形状由硅麦克风的期望特性决定。

在蚀刻空腔时，在第一晶片的重掺杂部分1上蚀刻出至少一个空气通道。这个空气通道或多个空气通道具有迂回路径，一旦完成，其就连接到硅麦克风的背极板或空腔区域的开口内。在一个实施例中，空气通道的迂回路径是曲折路径。在其他实施例中，可以采用任何迂回路径。利用空气通道的迂回路径的优点是其提供了平衡麦克风前侧和后侧之间的压力的方法从而防止或降低静摩擦，而不降低麦克风的声音灵敏度。

在优选实施例中，形成两个空气通道。这两个空气通道可以形成在第一晶片的掺杂部分上、第一和第二晶片之间的绝缘层上或第二晶片上。空气通道与完成的硅麦克风的振动膜表面上的通风孔相连。空气通道在硅麦克风的背极板区域和振动膜表面之间形成通路。这个通路允许压力在背极板区域和振动膜之间得到平衡，这将防止或至少降低完成的硅麦克风的振动膜和背极板之间发生静摩擦的可能。在优选实施例中，可以在于第一晶片上形成绝缘层之前蚀刻出空气通道。

当在第一晶片上形成空气通道时，也可以在第一晶片上形成通风孔，连接空气通道和晶片的另一侧。如果没有在第一晶片上提供空气通道，则仍然在此时在第一晶片上形成通风孔。在可替换实施例中，在蚀刻接合焊盘区域的同时在第一晶片上形成通风孔。在优选实施例中，空气通道具有一个通风孔。

在一个实施例中，可以在稍后的处理阶段，从衬底3到掺杂部分1a蚀刻晶片的一部分，在掺杂部分1上形成一个电极。

在形成图案并蚀刻晶片空腔的同时，如图3A所示，在第一晶片的第一主表面上形成图案并蚀刻出绝缘沟14。该绝缘沟还可以位于区域15周围，蚀刻出该区域用于稍后增加的接合焊盘。绝缘沟通过隔离振动膜层和硅麦克风的边缘降低寄生电容，从而使切割之后残留在麦克风边缘的任何碎屑都对麦克风性能不具有任何电感应。绝缘沟典型的为40到50微米宽。

如图4所示，第一和第二晶片结合在一起。结合在一起的主表面是第一晶片的第一主表面1和第二晶片4的一个主表面。在优选实施例中，利用熔焊方法将两个晶片结合在一起。如图4所示，是第二晶片4的氧化层5和第一晶片的图案氧化层5结合在了一起。

图5示出了从这些晶片的暴露在外主表面上剥离氧化层之后的第一和第二晶片。氧化物的剥离是公知的，可以采用任何合适的技术都可以从暴露表面上剥离氧化物。

图6示出了选择蚀刻第一晶片以提供可以附加接合焊盘的区域之后的第一和第二晶片。

如图6所示，在第二晶片上形成图案并蚀刻出声孔。可以利用任何合适的方法在第二晶片上蚀刻声孔。在一个形成图案并蚀刻声孔的实施例中，第一步是在第二晶片4的外主表面上形成氧化层7。接着，在氧化物上覆盖一层抗蚀剂，然后在抗蚀剂上形成图案。实施蚀刻以蚀刻出声孔穿过氧化物7和硅4。蚀刻还可以在声孔的底部蚀刻出氧化层5，从而在声孔和形成在第一晶片的重掺杂硅层1上的空腔之间提供入口。

金属可以是铬和金的组合物或其他任何合适的金属或金属组合物，例如钛或铝。在一个实施例中，在金属7上形成图案并进行蚀刻以形成角固定焊盘，通过该角固定焊盘，麦克风可以连接到下面的托架上。

如图6所示，已经蚀刻出区域14，允许在硅麦克风的振动膜和背极板表面上形成接合焊盘。如果还没在第一晶片上蚀刻出通往空气的通风孔，则可以在这个步骤蚀刻通风孔。

硅晶片上的声孔或开口可以是圆形的，设置在硅晶片的矩形内，其中心位于硅晶片堆叠(stack)的中心，而其长度和宽度小于硅晶片堆叠(stack)的长度和宽度。选择开口的形状和结构以提供麦克风的合适的声音性能。

在蚀刻声孔期间，还可以在硅麦克风周边附近蚀刻小的区域或间隙(未示出)。在优选实施例中，通过活性离子蚀刻延迟(RIE-lag)实现这个蚀刻操作。活性离子蚀刻延迟是一种现象，在这种情况下，通过这个现象，抗蚀剂掩模上较小尺寸周长的间隙蚀刻到小于较大尺寸的声孔的较小深度。由于活性离子蚀刻延迟，在硅麦克风周边附近的间隙不完全蚀刻穿过硅层4。不完全蚀刻的周边提供了断裂线，其中结合起来的晶片当被加压，即，当受到滚轮施加的压力时将断裂。构成这个不完全的蚀刻使得将晶片切割成各个麦克风芯片不需要使用研磨剂或湿法从而降低了损坏易碎的振动膜的可能。部分蚀刻应该是足够深的，以使晶片在切割时容易断裂，但又是足够浅的以使晶片在切割之前不发生断裂而容易处理。

图6A示出了将第三晶片结合到第二晶片的第二主表面上并从第一晶片的一部分蚀刻穿过绝缘层之后图6的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片是阳极结合到第二晶片上的。第三晶片可以在已经蚀刻完振动膜之前或之后结合到第二晶片。如果第三晶片是非绝缘材料，则绝缘层结合到第二晶片上，第三晶片结合到绝缘层上。

图6B是图6的硅麦克风的俯视图。晶片3形成了麦克风俯视图的主要部分。可以看见振动膜1穿过晶片3的开口。如可在侧面看到的那样，已经在将要形成连接到麦克风背极板的接合焊盘上形成了开口。为了降低漏电流，在形成接合焊盘的区域周围形成屏蔽和通道。屏蔽形成在绝缘层上和第一晶片的某些层上。通道从晶片3分离出中间点。通道和振动膜一起进行蚀刻。通道的典型尺寸在大约30到50微米之间。在形成接合焊盘时溅射到屏蔽上的任何金属都将通过通道与振动膜绝缘，因此在中心接合焊盘和晶片3之间不会发生泄漏。

屏蔽起到防止任何金属穿过晶片3的牺牲壁的作用。屏蔽的另一个优点是防止任何金属在切割期间溢出振动膜和晶片3。当切割是物理处理时，中心点的一些金属会附加到切割刀片上，从而沉积在接合焊盘区域附近的晶片3上。这个沉积的金属会导致晶片3短路。

当层3如图6、6A、7和7A所示进行蚀刻时，屏蔽和通道还可以形成在硅麦克风上。

图7B示出了已经在硅麦克风上形成接合焊盘之后硅麦克风的俯视图。

应该注意，麦克风顶视图中的振动膜开口的形状和接合焊盘的形状与位置不意味着限制。其仅仅是作为实施例示出。

图7A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图7的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片是阳极结合到第二晶片上的。第三晶片可以在在第一晶片上形成电极之前或已经形成电极之后结合到第二晶片上。如果第三晶片是非绝缘材料，则绝缘层结合到第二晶片上，第三晶片结合到绝缘层上。

在另一个可替换实施例中，在如图4所示将晶片结合在一起之前，将衬底3削薄到氧化层2，或重掺杂硅层1。

在另一个可替换实施例中，在将晶片结合在一起之前或之后，将衬底3削薄到预定厚度。然后选择性地在衬底3上形成图案并进行蚀刻。

在又一个可替换实施例中，在处理晶片之前，晶片的一个或两个可以具有最终的晶片厚度。

在任何一个这些实施例中，都可以在背极板上形成声孔之后在任何阶段将第三晶片结合到第二晶片上。

图8示出了本发明的硅麦克风的可替换实施例。在该实施例中，硅麦克风的振动膜被过蚀刻在振动膜上形成一系列皱折。皱折的优点是其提高了硅麦克风的强度。应该注意，图8的硅麦克风不是完整的，没有示出任何电极。在振动膜上形成皱折与本发明的硅麦克风的任何其他实施例结合。例如，皱折可以结合到图7或10的麦克风中。

图8A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图8的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片是阳极结合到第二晶片上的。可以在振动膜上形成皱折之前或之后将第三晶片结合到第二晶片上。如果第三晶片是非绝缘材料，则绝缘层结合到第二晶片上，第三晶片结合到绝缘层上。

图9是硅麦克风的俯视图，其包括平衡振动膜空腔和麦克风背面之间的压力以降低发生静摩擦的可能性的改进。如前所述，当采用湿法或在振动膜空腔与麦克风背极板周围的气体空间之间有压差时会发生静摩擦。在切割麦克风时，当双侧由胶带覆盖以保护时会发生静摩擦。当包装麦克风时也会发生静摩擦。采用必须是固化的模片固定材料将麦克风附加到衬底上。在固化期间，模片固定材料会产生副产物，如气体或湿气，这会导致在振动膜和背极板之间发生静摩擦。

为了降低静摩擦的发生的可能性，在层1上形成通道，其朝向背极板区域。这些通道16与通向硅麦克风顶部的通风孔相连，平衡了麦克风背极板和前侧之间的压力。在优选实施例中，通道16形成为曲折的形状。为了降低由于通风孔和通道导致的灵敏度损失，通道必须具有高空气阻力。通道空气阻力越强，灵敏度损失的越少。在优选实施例中，通道的厚度大约为20微米。

图10示出了穿孔的硅层和背极板支撑13。在硅麦克风上提供背极板支撑的优点是其可以减少或防止包装硅麦克风时背极板的移动，因此提供更坚固的硅麦克风。背极板支撑为背极板提供了强度。使用绝缘材料的背极板支撑的优点包括允许的设计，其中背极板4和振动膜是分离的，这降低了寄生电容。背极板支撑13还增加了由第二镜片上的孔形成的硅麦克风的背部容积。图10示出了硅4的轮廓，其形成了声孔。如可从图10看到的那样，在该实施例中，通道形成在硅4上，从而使硅包含声孔的部分固定到硅麦克风的一个角上。包含声孔的硅层4必须稳定以防止硅层4在硅麦克风中发生不期望的移动。这种稳定性由背极板支撑13提供。

前面描述了包括优选实施方式的本发明。本领域技术人员理解的是，在由所附权利要求定义的本发明的范围内可以进行变化和改进。

Claims (6)

1.硅麦克风，包括：

导电或半导电材料的背极板，所述背极板包括刚性开口区域和周围区域；

导电或半导电材料的振动膜，所述振动膜包括一个柔性元件，其遍布该开口区域和一个周围区域，该周围区域至少部分地与背极板的周围区域相连并与之绝缘；

背极板的孔区域和振动膜的柔性元件通过空腔构成了电容器间隔的两个平行板；

一个形成在振动膜的周围区域上的接合焊盘；

一个形成在背极板的周围区域上的接合焊盘；

一个通道，其形成在振动膜上并围绕形成在背极板的周围区域上的接合焊盘，至少在振动膜的周围区域上形成一个空气通道，其通向柔性元件和背极板的开口区域之间的空腔；及

至少一个通风孔，其穿过振动膜的周围区域，与各个空气通道相连。

2.根据权利要求1所述的硅麦克风，其特征在于围绕接合焊盘的通道为40到50微米宽。

3.根据权利要求1或2所述的硅麦克风，其特征在于提供两个空气通道。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅麦克风，其特征在于各个空气通道大约为20微米宽。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的硅麦克风，其特征在于各个空气通道都具有迂回路径。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的硅麦克风，其特征在于硅麦克风每个空气通道具有一个通风孔。

Images