CN101346014A - 微机电系统麦克风及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种微机电系统麦克风，包括封装外壳、容置于该封装外壳内的麦克风芯片及与该麦克风芯片电连接的外部电路，该封装外壳上设有一声波的入口，该麦克风芯片包括背板、隔离层及振动膜，该隔离层将该背板与振动膜隔开，并于其间形成空气间隙，该背板上形成声学孔，所述声学孔贯穿该背板上下并与空气间隙连通，该麦克风芯片设有振动膜或背板的一侧面向封装外壳的入口并与封装外壳紧密贴合，使该封装外壳与该麦克风芯片之间形成一密闭的腔体作为麦克风芯片的声后腔。本发明还提供了两种上述微机电系统麦克风的制备方法。
Description
技术领域
本发明是涉及一种麦克风及其制备方法，特别是涉及一种微机电系统(Micro Electromechanical System，MEMS)麦克风及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的不断进步，麦克风的应用也越来越广泛，特别是微机电系统麦克风发展最为迅速，微机电系统麦克风由于其良好的性能及易于批量生产等优点，可望逐步在移动通讯、多媒体系统、消费性电子及助听器等方面替代传统的驻极体电容式麦克风(Electret Condenser Microphone，ECM)。
电容式微机电系统麦克风是一种常见的微机电系统麦克风，其一般包括传感部分及专用集成电路部分，该传感部分包括一振动膜、一穿孔背板、一介质隔离层及一硅基片，该振动膜与穿孔背板之间形成一空气间隙，该硅基片除了为其他层提供支撑外，还提供一个大的声后腔，声后腔与穿孔背板或振动膜连通，构成一个声学回路。声后腔的容积越大，对微机电系统麦克风灵敏度的影响就越小，然而声后腔的容积增加也相应地使整个微机电系统麦克风的尺寸增大，这显然与麦克风向短小轻薄的方向发展的趋势相违背，因此需对现有的微机电系统麦克风加以改进。
发明内容
有鉴于此，有必要提供一种尺寸较小的微机电系统麦克风。
一种微机电系统麦克风，包括封装外壳、容置于该封装外壳内的麦克风芯片及与该麦克风芯片电连接的外部电路，该封装外壳上设有一声波的入口，该麦克风芯片包括背板、隔离层及振动膜，该隔离层将该背板与振动膜隔开，并于其间形成空气间隙，该背板上形成声学孔，所述声学孔贯穿该背板上下并与空气间隙连通，该麦克风芯片设有振动膜或背板的一侧面向封装外壳的入口并与封装外壳紧密贴合，使该封装外壳与该麦克风芯片之间形成一密闭的腔体作为麦克风芯片的声后腔。
一种微机电系统麦克风的制备方法，该微机电系统麦克风包括封装外壳、麦克风芯片及外部电路，该麦克风芯片包括背板、振动膜及位于背板与振动膜间的隔离层，该背板上设有若干声学孔，该制备方法包括：取一片第一硅基片及一片第二硅基片；在第一硅基片上制作振动膜；在第二硅基片上制作隔离层；刻蚀隔离层，该隔离层上被刻蚀的区域形成空气间隙；在第二硅基片上沿顶面向下刻蚀声学孔，所形成的声学孔未穿透第二硅基片；键合隔离层与振动膜；去掉有振动膜的第一硅基片，只留下振动膜，对保留的振动膜进行刻蚀；将第二硅基片背面的厚度减薄，直到完全露出声学孔，形成麦克风芯片；将该麦克风芯片与外部电路电连接，并密封于封装外壳内。
一种微机电系统麦克风的制备方法，该微机电系统麦克风包括封装外壳、麦克风芯片及外部电路，该麦克风芯片包括背板、振动膜及位于背板与振动膜间的隔离层，该背板上设有若干声学孔，该制备方法包括：取一片硅基片；在该硅基片上制作隔离层及在隔离层上制作振动膜；刻蚀振动膜及隔离层；减薄硅基片的背面；在该硅基片上形成声学孔；通过声学孔刻蚀隔离层形成空气间隙，形成麦克风芯片；将该麦克风芯片与外部电路电连接，并密封于封装外壳内。
与现有技术相比，本发明微机电系统麦克风的麦克风芯片上并没有设声后腔部分，而是充分利用其与封装它的外壳合围形成的腔体作为声后腔，不仅使微机电系统麦克风的声后腔大大增加，改善微机电系统麦克风的灵敏度，而且还可使微机电系统麦克风的厚度较薄，其尺寸也相应地减小，有利于麦克风向短小轻薄的方向发展。反之，在微机电系统麦克风的尺寸相同的条件下，则因为其背板上没有设声后腔，使背板的每一部分均可得到充分利用，因此用于制作背板的相同尺寸的硅基片(wafer)可生产的单元芯片(die)也就更多。
附图说明
图1为本发明微机电系统麦克风第一较佳实施例的剖面示意图。
图2为图1所示微机电系统麦克风中麦克风芯片的剖面示意图。
图3为图1所示微机电系统麦克风的另一实施方式的剖面示意图。
图4为本发明微机电系统麦克风第二较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图5为本发明微机电系统麦克风第三较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图6为本发明微机电系统麦克风第四较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图7为本发明微机电系统麦克风第五较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图8为本发明微机电系统麦克风第六较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图9为本发明微机电系统麦克风第七较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图10为本发明微机电系统麦克风第八较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图11为本发明微机电系统麦克风第九较佳实施例中麦克风芯片的剖面示意图。
图12为在一硅基片上制作振动膜并在另一硅基片上制作二氧化硅的剖面示意图。
图13为刻蚀二氧化硅形成隔离层与空气间隙并在硅基片上刻蚀声学孔的剖面示意图。
图14为键合隔离层与振动膜的剖面示意图。
图15为去掉有振动膜的硅基片、只保留振动膜、对保留的振动膜进行刻蚀，且淀积电极的剖面示意图。
图16为在一硅基片上形成高掺杂的辅助导电层的剖面示意图。
图17为在辅助导电层上淀积隔离层及振动膜的剖面示意图。
图18为刻蚀振动膜，并于振动膜及辅助导电层上分别淀积一电极的剖面示意图。
图19为减薄硅基片、于硅基片减薄的背面上淀积掩膜层、形成声学孔的剖面示意图。
图20为通过声学孔刻蚀隔离层形成空气间隙的剖面示意图。
具体实施方式
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步说明。
图1所示为本发明微机电系统麦克风的第一较佳实施例，该微机电系统麦克风包括一封装外壳10、容置于该封装外壳10内的一麦克风芯片30及与该麦克风芯片30电连接的一外部电路20(图未示该连接路径)。
请参照图2，该麦克风芯片30包括一背板31、一隔离层32、一振动膜33及两电极34a、34b。
该背板31的材料一般为掺杂的n型或p型硅，也可以是本征硅，该背板31作为麦克风芯片30的一固定极板，同时也作为整个麦克风芯片30的基片，支持隔离层32、振动膜33及电极34a、34b等。该背板31上通过刻蚀方法形成若干声学孔36，这些声学孔36贯穿该背板31上下，其可提供声学阻尼，降低振动膜33在其谐振频率处的响应，同时增大振动膜33在其非谐振频率处的响应，从而使麦克风芯片30在一个很宽的频带内，都有较好的响应。
该隔离层32介于该背板31与振动膜33之间，其材料一般为二氧化硅，也可为二氧化硅、氮化硅等非导电材料的复合材料，该隔离层32将该背板31与振动膜33隔开，并于其间形成一空气间隙35，该空气间隙35由隔离层32通过刻蚀方法形成，并通过声学孔36与封装外壳10的内部相连通。
该振动膜33的材料一般为多晶硅，也可为其他非导电材料如氮化硅及各种有机材料等，还可为掺杂的n型硅或p型硅等导电材料。该振动膜33作为麦克风芯片30的一可变形极板，其可随外部的压力变化而产生相应的形变，从而使其与背板31之间产生一可变的电容。当有一偏置电压时，振动膜33与背板31之间电容的变化转换成电压的变化，并通过这些电极34a、34b输送到外部电路20。
电极34a、34b的材料为金属，如铝、铝合金或金等，电极34a、34b分别与振动膜33及背板31形成电连接，提供与外部电路20电连接的端口。当振动膜33由导电材料制成时，电极34a只要覆盖振动膜33的任意一部分即可；当振动膜33由非导电材料制成时，电极34a则至少要覆盖振动膜33位于空气间隙35以上的一部分正对区域。这是因为电极34a、34b与外部电路20电连接后，若振动膜33导电，其就可与背板31间形成电场，若振动膜33不导电，就需利用电极34a于振动膜33上形成一层导电膜，使其与背板31间形成电场。
请同时参照图1，该封装外壳10上设有一声波的入口11，该麦克风芯片30设有振动膜33的一侧面向该入口11，且该振动膜33与封装外壳10的内表面的结合处涂有一层封闭粘合胶13，使其紧密贴合，这样就于该封装外壳10与该麦克风芯片30之间形成一密闭的腔体38，该腔体38即是该微机电系统麦克风的声后腔。当然，上述微机电系统麦克风中的麦克风芯片30的位置也可变化，如图3所示，与图1所示的微机电系统麦克风不同的是：该麦克风芯片30设有背板31的一侧面向该封装外壳10的入口11，并通过粘合胶13与封装外壳10的内表面结合。
与现有技术相比，上述微机电系统麦克风中麦克风芯片30上并没有设声后腔部分，而是充分利用封装外壳10与该麦克风芯片30合围形成的腔体38作为声后腔，这样，除了麦克风芯片30、外部电路20及粘合胶13所占的空间外，整个封装外壳10内的空间都是微机电系统麦克风的声后腔，不仅使其声后腔大大增加，改善微机电系统麦克风的灵敏度，而且还可使麦克风芯片30的厚度较薄，其外围尺寸也相应地减小，可进一步降低成本，同时也可使微机电系统麦克风的高度降低，特别适合对器件封装高度要求比较苛刻的应用场合，如超薄型手机、超薄型数码相机等，有利于微机电系统麦克风向短小轻薄的方向发展；在麦克风芯片30的外围尺寸相同的条件下，由于其背板31上没有设声后腔，因此其背板31的每一部分均可得到充分利用，这样，相同尺寸的硅基片(wafer，背板31的原材料，详细请参照下面的制备方法)可生产的单元芯片也就更多芯片(die)。
图4所示为本发明微机电系统麦克风的第二较佳实施例，本实施例中的麦克风芯片40与第一较佳实施例中的麦克风芯片30的结构基本相同，只是在该背板41靠近隔离层32的一侧增加了一辅助导电层47，该辅助导电层47为浓硼扩散的重掺杂硅层或薄金属层，即可认为该背板41包括两种材料或是同一材料的两种扩散浓度，该辅助导电层47可减小电极34b与背板41的欧姆接触(Ohmic Contact)。另外，该声学孔46贯穿该背板41(包括辅助导电层47)，从而将空气间隙35与封装外壳10的内部相连通。
图5所示为本发明微机电系统麦克风的第三较佳实施例，本实施例中的麦克风芯片50在第二较佳实施例的基础上进一步改进，于背板41远离隔离层32的一侧形成一钝化层58，以对该背板41进行保护，该钝化层58一般为二氧化硅膜或氮化硅膜，也可为多晶硅与二氧化硅的复合膜，或有机薄膜，或金属膜如铝膜等，该钝化层58还可为该背板41刻蚀时留下的掩膜层(详细请参照下面的制备方法)。另外，该声学孔56同时贯穿该钝化层58与背板41(包括辅助导电层47)。
为进一步完善本发明，发明人还作了进一步改进，如图6所示，为本发明微机电系统麦克风第四较佳实施例中的麦克风芯片60a，其对应于图2所示麦克风芯片30的第一较佳实施例，与麦克风芯片30不同的是：在空气间隙35的空间里，背板31靠近振动膜33的表面上分布若干小突触61，这些突触61与背板31的材料相同，当外界的偏置电压过高或因为其他原因引起吸膜时，由于突触61的面积较小，外界的偏置电压释放后，振动膜33能够解除吸附并恢复工作状态。
当然，上述突触61也可设于图4与图5所示的第二与第三较佳实施例中，如图7与图8所示，分别为本发明微机电系统麦克风第五与第六较佳实施例中的麦克风芯片60b、60c，这些突触62设于该辅助导电层47靠近振动膜33的表面上，其与辅助导电层47的材料相同。也就是说，突触的材料与其所接触元件的材料相同。
另外，上述突触61、62还可设于其他位置，如图9至图11所示，分别为本发明微机电系统麦克风第七至第九较佳实施例中的麦克风芯片70a、70b、70c，这些突触63设于振动膜33上，其与振动膜33的材料相同，当然，这些突触61、62、63也可于背板31、41上(或其辅助导电层47上)及振动膜33上同时设置。
与图2所示的本发明微机电系统麦克风第一较佳实施例中的麦克风芯片30相同，图4至图11所示的本发明微机电系统麦克风的第二至第九较佳实施例中的麦克风芯片40、50、60a、60b、60c、70a、70b、70c上本身均没有设声后腔部分，而是充分利用其封装外壳10与其合围形成的腔体38作为声后腔，不仅使麦克风芯片40、50、60a、60b、60c、70a、70b、70c的声后腔大大增加，灵敏度得到改善，而且还可使其厚度较薄，外围尺寸减小，有利于麦克风向短小轻薄的方向发展，另外，与现有的微机电系统麦克风设有声后腔的麦克风芯片相比，上述微机电系统麦克风中麦克风芯片40、50、60a、60b、60c、70a、70b、70c还可使其背板31、41(由硅基片制成)的每一部分均可得到充分利用，从而对于相同尺寸的硅基片可生产更多的单元芯片。
下面结合制备方法进一步详细说明本发明微机电系统麦克风。
请先参照图12至图15，为本发明微机电系统麦克风第一较佳实施例中的麦克风芯片30的一种制备方法。
如图12所示，取两片硅基片31d、33e，硅基片33e一般为掺杂的p型硅；在硅基片31d正面制作二氧化硅，即形成隔离层32；在硅基片33e的一面上外延一层掺杂的n型硅膜，即振动膜33，其厚度为1～10微米。
如图13所示，刻蚀隔离层32，使该隔离层32上被刻蚀的区域形成空气间隙35，该刻蚀方法一般用湿法腐蚀(Wet Etching)，也可用干法腐蚀(DryEtching)；并利用感应耦合等离子刻蚀(Inductively Coupled Plasma，ICP)或反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等干法腐蚀方法在硅基片31d上沿顶面向下刻蚀出若干声学孔36，此时声学孔36并未贯穿硅基片31d，一般直径为4英寸的硅基片的厚度为525微米，采用这种厚度的原因是在各个工艺制备或传送中，硅基片不容易碎掉，而打穿525微米的硅基片的成本高。
如图14所示，利用热键合或场助键合的方法将硅基片31d上的隔离层32与硅基片33e上的振动膜33键合。
如图15所示，利用硅片减薄的方法将图13所示的硅基片33e去掉，硅片减薄的方法通常有电化学腐蚀(Electrochemical Etching)、研磨及化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)等；对保留的振动膜33的左侧部分进行干法刻蚀，并利用蒸发或溅射的方法分别于振动膜33及硅基片31d上淀积一电极34a、34b。
利用硅片减薄的方法将硅基片31d未开通声学孔36的背面厚度减薄，直到完全露出声学孔36，从而形成本发明微机电系统麦克风第一较佳实施例中的麦克风芯片30，如图2所示，其中硅基片31d于减薄后即为麦克风芯片30的背板31。
再请参照图16至图20，为本发明微机电系统麦克风第二与第三较佳实施例中的麦克风芯片40、50的一种制备方法。
如图16所示，取一硅基片41d，利用深度硼扩散或离子注入的方法于其正面上形成一层高掺杂的辅助导电层47。
如图17所示，在该辅助导电层47上淀积一层隔离层32及振动膜33，淀积薄膜的方法一般有等离子体增强化学气相淀积、低压化学气相淀积、射频磁控溅射等；为使振动膜33既有较好的导电性，又有较小的应力，需对振动膜33进行离子注入掺杂及高温退火处理。
如图18所示，刻蚀振动膜33的左侧部分以及隔离层32正对的部分，并于振动膜33及辅助导电层47上分别淀积一电极34a、34b。
如图19所示，用硅片减薄的方法，如电化学腐蚀、研磨及化学机械抛光等，从硅基片41d的背面减薄硅基片41d，从而形成背板41；于硅基片41d减薄的背面上再淀积一层掩膜层58d；对掩膜层58d进行刻蚀形成穿孔的图案，并利用深反应离子蚀刻(Deep Reactive Ion Etching，DRIE)等深硅刻蚀的方法刻蚀出声学孔46。
如图20所示，通过声学孔46刻蚀隔离层32，从而形成一空气间隙35；通过声学孔46刻蚀隔离层32的方法可以采用干法腐蚀如感应耦合等离子刻蚀、反应离子刻蚀，也可采用湿法腐蚀或牺牲层释放的方法。
去除掩膜层58d，从而形成本发明微机电系统麦克风第二较佳实施例中的麦克风芯片40，如图4所示。
若于去除掩膜层58d的背板41上进一步形成一层钝化层58，由此就完成了图5所示中本发明微机电系统麦克风第三较佳实施例中的麦克风芯片50的制备。当然，背板41上淀积的掩膜层58d也可无需除去，即用来作为麦克风芯片50的钝化层58。
另外，图12至图15所示本发明微机电系统麦克风第一较佳实施例中的麦克风芯片30的制备方法可采用图16至图20所示的方法，只是在图16中无需形成辅助导电层47；图16至图20所示本发明微机电系统麦克风第二较佳实施例中的麦克风芯片40的制备方法也可采用图12至图15所示的方法，只需在图12所示取硅基片31d之后，于硅基片31d上形成如图16所示的辅助导电层47，而要制备第三较佳实施例中的麦克风芯片50，则只需在上述基础上，于硅基片31d减薄的背面上进一步形成一层钝化层58。
再者，在上述制备过程中，可于形成空气间隙35时，进一步在图13的硅基片31d上或振动膜33上、图20形成的辅助导电层47上或振动膜33上光刻形成一些突触61、62、63，而其他制备方法相同，即可制备图6至图11所示本发明微机电系统麦克风第四至第九较佳实施例中的麦克风芯片60a、60b、60c、70a、70b、70c。
最后，将上述麦克风芯片30、40、50、60a、60b、60c、70a、70b、70c与图1所示的外部电路20电连接，并密封于封装外壳10内，即形成本发明微机电系统麦克风的第一至第九较佳实施例。
Claims (17)
1.一种微机电系统麦克风，包括封装外壳、容置于该封装外壳内的麦克风芯片及与该麦克风芯片电连接的外部电路，该封装外壳上设有一声波的入口，该麦克风芯片包括背板、隔离层及振动膜，该隔离层将该背板与振动膜隔开，并于其间形成空气间隙，其特征在于：该背板上形成声学孔，所述声学孔贯穿该背板上下并与空气间隙连通，该麦克风芯片设有振动膜或背板的一侧面向封装外壳的入口并与封装外壳紧密贴合，该封装外壳与该麦克风芯片之间形成一密闭的腔体作为麦克风芯片的声后腔。
2.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该背板靠近隔离层的一侧设有辅助导电层。
3.如权利要求2所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该辅助导电层为浓硼扩散的重掺杂硅层或金属层。
4.如权利要求2所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该辅助导电层靠近振动膜的一面上形成至少一突触。
5.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该背板靠近振动膜的一面上形成至少一突触。
6.如权利要求1所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该背板远离隔离层的一侧形成一钝化层。
7.如权利要求1至6项中任意一项所述的微机电系统麦克风，其特征在于：该振动膜面向背板的一侧上形成至少一突触。
8.一种微机电系统麦克风的制备方法，该微机电系统麦克风包括封装外壳、麦克风芯片及外部电路，该麦克风芯片包括背板、振动膜及位于背板与振动膜间的隔离层，该背板上设有若干声学孔，该制备方法包括：
取一片第一硅基片及一片第二硅基片；
在第一硅基片上制作振动膜；
在第二硅基片上制作隔离层；
刻蚀隔离层，该隔离层上被刻蚀的区域形成空气间隙；
在第二硅基片上沿顶面向下刻蚀声学孔，所形成的声学孔未穿透第二硅基片；
键合隔离层与振动膜；
去掉有振动膜的第一硅基片，只留下振动膜，对保留的振动膜进行刻蚀；
将第二硅基片背面的厚度减薄，直到完全露出声学孔，形成麦克风芯片；
将该麦克风芯片与外部电路电连接，并密封于封装外壳内。
9.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步在第二硅基片上形成辅助导电层。
10.如权利要求9所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步在辅助导电层上光刻形成突触。
11.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：于第二硅基片减薄的背面上进一步形成一层钝化层。
12.如权利要求8所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步在振动膜上或者第二硅基片上光刻形成突触。
13.一种微机电系统麦克风的制备方法，该微机电系统麦克风包括封装外壳、麦克风芯片及外部电路，该麦克风芯片包括背板、振动膜及位于背板与振动膜间的隔离层，该背板上设有若干声学孔，该制备方法包括：
取一片硅基片；
在该硅基片上制作隔离层及在隔离层上制作振动膜；
刻蚀振动膜及隔离层；
减薄硅基片的背面；
在该硅基片上形成声学孔；
通过声学孔刻蚀隔离层形成空气间隙，形成麦克风芯片；
将该麦克风芯片与外部电路电连接，并密封于封装外壳内。
14.如权利要求13所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步于该硅基片上形成高掺杂的辅助导电层，所述隔离层及振动膜制作于辅助导电层上。
15.如权利要求14所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步在辅助导电层上光刻形成突触。
16.如权利要求13所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步于硅基片减薄的背面上形成一层钝化层。
17.如权利要求13至16中任一项所述的微机电系统麦克风的制备方法，其特征在于：还包括进一步在振动膜或者硅基片上光刻形成突触。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |