CN101385392B - Mems器件 - Google Patents

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Abstract

一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；其中，所述换能器布置包括在所述薄膜的周界内的应力减缓构造，该构造至少部分地减弱来自所述衬底的膨胀或收缩对所述薄膜的影响。

Description

MEMS器件
本发明涉及MEMS器件。
消费型电子器件逐渐变得越来越小，并且随着技术的发展，也正获得日益增强的性能和功用。这在消费型电子产品如移动电话、笔记本电脑、MP3播放器和个人数字助理(PDA)所使用的技术中非常明显。例如，移动电话工业的需求正驱使元件在伴随着功能提高和成本下降的同时而变得越来越小。因此，所希望的是，将电子电路的功能集成在一起，并将它们与诸如扩音器和扬声器之类的换能器相组合。
这一趋势的结果便是，出现了基于微机电系统(MEMS)的换能器器件。这些例如可以是，用于检测和/或产生压力/声波的电容式换能器或者用来检测加速度的换能器。通过去除换能器-电子接口，就使需要操作和处理来自MEMS信息的电子电路集成起来，从而持续驱动这些器件的尺寸和成本减小。实现这些目标所面临的挑战之一便是，确保集成器件在大幅变动的运行条件下均能保持稳定。尤为重要的是，器件应该对在较大温度范围内的条件变化相对不敏感，因为这会极大地影响器件的灵敏度/性能。另外，在制造MEMS器件期间，难于实现与用于制造互补型金属氧化物半导体(CMOS)电子器件的标准工艺的兼容性。要求具有这种兼容性，以允许MEMS器件与使用同种材料和处理机器的传统电子元件直接集成。本发明致力于解决这两个方面。
小型微加工硅扩音器在本技术领域是众所周知的。它们的工作原理是基于响应于声压而弯曲的小柔性膜片或薄膜。薄膜通常是导电的或者包含电极。通常采用与薄膜形成可变电容器的靠近耦合的刚性打孔背板导体，来检测薄膜的小弯曲。薄膜和背板导体之间的电容得到测量，这就形成换能器的输出。换能器的灵敏度取决于薄膜的刚度，刚度较小的薄膜将响应于声压而更为弯曲，因此导致电容出现更大变化。因此，换能器的针对温度变化的灵敏度，取决于作为温度函数的薄膜刚度变化。
典型的换能器电容在1-10pF范围内。然而，由于音频声信号而产生的电容变化比幅度低大约五个量级。为测量电容，偏置电压(例如10V)被施加到扩音器的一个电极。另一电极连接到高输入阻抗(-10GΩ)前置放大器。由于通过Q＝CV所给出的电荷Q、电容C以及电压V之间的关系，偏置电压形成在电容器上的电荷。与音频频率相关的典型时标一般远短于电容器的电荷消散时间，因此电荷Q可被认为恒定。这意味着，电极之间响应于声波的任何距离变化，被反映为电极两端的电势的变化，这可由前置放大器测量。
因为响应于音频声信号的电容的小变化，制作高灵敏度的器件是很重要的。因此，除此之外，还应避免电路元件和换能器之间的寄生电容。另外，所希望的是，将换能器与电子元件直接集成，来实现紧凑和低成本的器件。也希望的是，使整个集成器件具有数字处理的能力。为了达到此目的，有必要使用与制造电子元件(尤其是CMOS器件)中使用的工艺和材料兼容的工艺和材料，来制造换能器。例如，这意味着应避免使用会污染和破坏结的性能的金，而使用普通材料和工艺并避免使器件承受400℃以上的工艺温度。
薄膜悬置和布置的多种变型是公知的。所选择的设计极大地影响制造出的换能器的最终形成的灵敏度。
在之前公知的由Kabir等人提出的MEMS扩音器的实现方案(参考文献1)中，薄膜是由在边缘松散拱起的厚硅制成。在此，薄膜以活塞式运动进行移动，灵敏度取决于薄膜的惯性质量以及拱起边缘的刚度。然而，在该实现方案中，薄膜相当厚，因而导致低灵敏度。另外，金背板不能与商业铸造中的CMOS制造工艺直接集成。
在另一种之前公知的实现方案中，Scheeper等人(参考文献2)中公开了一种MEMS扩音器，其中薄膜如鼓皮般被张力保持。因此，灵敏度取决于薄膜张力和厚度。氮化硅薄膜得到使用，但是如果给定其尺寸，则因为薄膜应力、背板中空气孔的密度以及薄背板，就使扩音器的灵敏度很低。
Pedersen等人(参考文献3)展示了一种与CMOS电子器件集成的扩音器。在此，聚酰亚胺被用于薄膜和背板材料。这就允许薄膜内应力减小。另外，背板的厚度被增加以增加其刚度。然而，聚酰亚胺展现出较大的热膨胀系数，因此并非是针对器件制造的优选的可靠材料。
另一种在MEMS扩音器中使用氮化硅薄膜的实现方案，由Cunningham等人(参考文献4)所公开。在此，薄膜的外部分起皱，以释放内部压力并形成松散耦合的膜片。以这种方式制造的薄膜较为昂贵，因为它需要另外的处理步骤。
由Loeppert等人(参考文献5)所公开的扩音器使用针对上述所述方案的可替换方案，即薄膜自由浮动，并被设计成无应力。接着，在器件运行时，它由于静电力而被夹持于支撑环。灵敏度取决于薄膜厚度和材料参数。然而，制作工艺更为复杂，因此也就更为昂贵。另外，薄膜不能被制成如张拉薄膜般薄，因为它必须被制造坚固得足以自由浮动。尽管薄膜本身无应力，但是如果需要，在薄膜上的电极的沉积，可引入限制扩音器灵敏度的差异应力。
根据本发明的第一方面，提供一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；其中，所述换能器布置包括在所述薄膜的周界内的应力减缓构造，该构造至少部分地减弱来自所述衬底的膨胀或收缩对所述薄膜的影响。
因此，根据本发明的实施方案，应力减缓构造设置在薄膜的周界内，而并不破坏/破裂薄膜的周界。
优选的是，应力减缓构造包括延伸穿过薄膜平面的孔。替换性地，应力减缓构造包括沟槽，即减少薄膜厚度的区域，该沟槽仅延伸穿过薄膜平面的部分行程。因此应力减缓构造可认为与薄膜共面。根据一个实施方案，可包含有一个或多个覆盖层，该覆盖层覆盖或密封共面应力减缓构造。例如，薄膜可设置有由薄金属层密封的多个孔或沟槽。这个覆盖层的效果是限制或者阻挡空气流。
应力减缓构造可包含在延伸直至薄膜周界的应力释放区域中。优选的是，针对衬底来安装薄膜，使得应力释放区域至少部分地覆盖衬底。因此，优选的是，应力释放区域至少部分地突出于衬底。
根据本发明的第二方面，提供一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；其中，所述薄膜的热膨胀系数接近匹配硅的热膨胀系数。
换能器布置可包括由多种材料制成的复合薄膜结构。例如，复合结构可包括例如由金属/氮化物/金属或氮化物/金属/氮化物构成的分层的夹层结构，该夹层结构包括第一电极。根据本实施方案，复合结构优选地仅设置在电极区域中。一种这样的结构可包含铝/氮化硅/铝的夹层结构，尺寸例如大约为50/400/50nm，使得在铝和氮化硅之间膨胀/应力的不匹配得到顶端和底部平衡，并因此使薄膜因差异层应力而变为“半球形”的可能性最小化。替换性地，铝电极可掩藏于两个氮化硅层之间，以形成例如尺寸为大约200/50/200nm的夹层结构。因此，根据本发明的这方面，组成复合结构的主要材料的热膨胀系数应被选择而尽量匹配含硅复合结构的组合热膨胀系数。
根据本发明的第三方面，提供一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；以及电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；其中所述换能器布置进一步包括背板布置，该背板布置具有用于将电信号联系于所述薄膜的运动的另一电交互装置，所述背板布置被定位从而在所述背板布置和所述薄膜之间形成空腔；其中所述背板布置的刚度的测量结果比所述薄膜的刚度的测量结果大至少十倍。
根据本发明的第四方面，提供一种微机电装置，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动，进一步包括应力减缓装置，其用于至少部分地减弱来自所述衬底对所述换能器布置的影响。
根据这方面的一个实施方案，薄膜被成形以提供应力减缓装置。在这方面，所述薄膜可针对所述衬底而安装，使得所述薄膜的平面与所述衬底的上表面的平面分离。替换性地或另外地，薄膜可被成形从而使薄膜的轮廓呈现出槽或者间断部，该槽或者间断部用作应力释放部分，以将换能器从衬底应力去耦。
根据本发明的第五方面，提供一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；所述薄膜针对所述衬底而安装，使得所述薄膜的平面与所述衬底的上表面的平面分离。
根据本发明的再一方面，提供一种微机电器件，包括：换能器布置，其至少具有针对衬底而安装的薄膜；和电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动，其中，所述换能器布置进一步包括所述薄膜平面内的应力减缓构造，该构造至少部分地减弱来自所述衬底的膨胀和收缩对所述薄膜的影响。
实施本发明任一方面的器件，可设置有可操作地连接到电交互装置从而提供集成器件的电子电路。
进一步，本发明可提供一种MEMS扩音器、压力传感器或超声换能器，其含有根据之前任一方面的实施方案的器件。
本发明的优选实施方案，提供一种微机电器件，包括：含电路区域的衬底，衬底和电路区域由绝缘保护层所保护，从而形成晶片结构，电路区域包含电路互连件，而绝缘保护层包含大致对应于电路互连件的被蚀刻的互连点；薄膜，其部分设置在绝缘保护层上，并机械接合到第一电极，从而形成具有第一侧和第二侧的薄膜结构，第一电极通过其中一个蚀刻互连点可操作地耦合到其中一个电路区域；穿孔背板，其机械接合到第二电极，从而形成背板结构，所述背板结构被定位从而在背板结构和薄膜结构的第二侧之间形成空气空腔，背板结构和薄膜结构形成传感器结构，并且第二电极通过另一蚀刻互连点可操作地耦合到另一电路区域；和孔，其贯穿晶片结构而形成，使得该孔与薄膜结构的第一侧大致对应，其中，薄膜结构具有共面的应力释放孔，该应力释放孔大致围绕薄膜结构的周界而设置。
本发明的许多其他相应方面和特征被限定于所附的权利要求书中。
现在将参照附图描述本发明的优选实施方案，其中：
图1a和1b示出本发明的第一实施方案的示意图，其中MEMS扩音器具有薄膜和衬底两者的热膨胀系数的接近匹配；
图2a和2b示出本发明的第二实施方案的示意图，其中MEMS扩音器具有大致围绕薄膜结构的圆周设置的应力释放孔；
图3示出第二实施方案的应力释放孔的闭合示意截面图；
图4示出根据第二实施方案的薄膜的仿真片内的应力仿真；
图5示出本发明的第三实施方案的示意图，其中MEMS扩音器具有一悬置薄膜和背板结构，其从衬底应力去耦；
图6示出用于制造第一实施方案的工艺流程图；
图7a-7e示出制造第一实施方案的制造步骤；
图8示出安装在载体封装中的图1a和1b中所示实施方案的示意性平面图。
图1a示出本发明的第一实施方案的示意图。它示出一种作为电容耦合的扩音器1002工作的MEMS器件的截面图。该器件从硅衬底110制造(在该示例中，为了与CMOS电子器件集成，衬底为硅，但可以理解的是，可以替代地使用其它衬底材料和电子制造技术。)。为了处理来自扩音器1002的输出信号，所述器件耦合至通过在衬底上标准CMOS工艺制造的电路区域111。电路区域包含铝电路互连件113，该互连件用于通过互连点114电连接到扩音器。为了保护电路区域免受破坏，基于二氧化硅的绝缘保护层112覆盖电路区域和衬底110的其余部分。互连点114为蚀刻进基于二氧化硅的绝缘保护层112的孔，从而暴露出一些铝电路互连件。
扩音器1002本身由机械耦合至第一电极115的柔性薄膜116和机械耦合至第二电极117的刚性结构背板118形成。在薄膜和背板之间介入有气隙121，以允许薄膜响应于由声波产生的压力差而自由移动。第一电极115通过其中一个互连点114连结到其中一个电路区域111。第一电极机械耦合至薄膜116，该薄膜悬跨过衬底110中的孔120。孔120使薄膜能够响应于声波产生的压力差而自由移动。薄膜可以是氮化硅，或者可以是任何其它任一种适合用作MEMS器件中之薄膜的材料。例如，薄膜也可为多晶硅。替换性地，薄膜可为包含金属/氮化物/金属或氮化物/金属/氮化物的夹层结构的一部分。在第一实施方案中，用于第一电极115的优选材料是铝，但本领域普通技术人员将意识到，第一电极可包括任何其它适合用作电极材料的导电材料，例如AlSi、AlSiCu、Ti、TiW、Cu、Ni、NiCr、Cr、Pt、Ta或Pd。
悬于第一薄膜116上方并附接到刚性结构层或背板118的是第二电极117。它机械耦合到背板，并通过其中一个互连点114连接到其中一个电路区域111。在第一实施方案中用于第一电极115的优选材料是铝，但是本领域普通技术人员将意识到，第二电极117可包括任何其它适合用作电极材料的导电材料，如，AlSi、AlSi Cu、Ti、TiW、Cu、Ni、NiCr、Cr、Pt、Ta或Pd。为了防止形成会妨碍扩音器正确工作的密封空腔，通气孔119布置在背板118中，从而允许空气分子的自由运动。
图1b示出如上所述的本发明第一实施方案的示意性俯视图。如图1b可见，第一电极115并不覆盖薄膜116的整个直径，因为薄膜116的外区域经受较少移动并因此有助于形成相对固定的电容。在第一实施方案中，电极直径是70％，尽管电极直径小于55％也仍然合适。实际上，本领域普通技术人员将意识到，其他值也将实现大致相同的技术效果。第一电极使用小电极片122通过互连点114连接到其中一个电路区域111，其中电极片122伸出薄膜116的边缘从而连接到其中一个铝电路互连件113。
第一实施方案通过仔细控制薄膜116内的应力并将薄膜116和第一电极115的组合热膨胀系数与硅的热膨胀系数大致匹配，就解决了减少温度依赖并增强MEMS扩音器的灵敏度这一问题。之所以如此作为是因为，薄膜116和衬底110的热膨胀系数差异导致薄膜内的温度相关的应力的增大。因为器件的灵敏度与薄膜应力成反比，所以可以通过选择相对较低的薄膜应力而使灵敏度最大化。然而，在原先公知的器件中，温度的较小变化能够导致灵敏度的较大变化，或者薄膜的张力可被完全释放造成器件失效。第一实施方案的薄膜结构试图解决这一问题。
首先，用于氮化硅薄膜116沉积的工艺参数被认真选取，以控制其最终形成的应力。铝被沉积并图案化，以形成最终而成的第一电极115结构。选择工艺参数来控制沉积薄膜116的拉伸应力，从而使拉伸应力处于5-50Mpa的范围内。因为硅衬底的热膨胀系数通常大于氮化硅的热膨胀系数，所以对于缺失沉积电极的氮化硅薄膜而言，薄膜张力随温度升高而增大。形成对照的是，铝和其他备选电极材料展现出比硅更高的热膨胀系数。因此第一实施方案使用一种复合薄膜，其中薄膜加电极的组合热膨胀系数更为接近地匹配于硅的热膨胀系数。优选材料的典型材料特性在表1中列出，表1出自P.R.Scheeper，“Asilicon condense microphone：materials and technology”，ISBN90-9005899-0，54页。
表1
  膨胀系数(×10-6/℃)   杨氏模量E(GPa)
  硅   3.2   180
  氮化硅   1.5   110
  铝   24.5   70
为了估计薄膜116和第一电极115的各自厚度，铝(tal)和氮化硅(tsn)的厚度比的近似值可被发现而给出为：
t al t sn ≈ ( E sn / ( 1 - υ sn ) ) ( α sn - α si ) ( E al / ( 1 - υ al ) ) ( α si - α al )
这里，t是结构元件的厚度，E是杨氏模量，α是热膨胀系数，v是泊松比，下标al、sn和si指代在这个实例中所用的材料，分别为铝、氮化硅和硅。这表明，第一电极115的厚度应近似于氮化硅薄膜116厚度的七分之一。使用将电极面积和每种材料的各自泊松比纳入考虑的数值模拟，获得了更为精确的估值。因为确切的材料参数可取决于具体的加工条件，所以它们均由实验确定。为避免由于不同的层应力而造成弯曲，也可采用金属/氮化物/金属或者氮化物/金属/氮化物的夹层。为了确保在第一实施方案中优化的灵敏度，背板118典型地比薄膜116刚性大十倍。为避免背板118变得太厚，背板118可被制造成具有高于薄膜116的应力。
现在将简要阐述第一实施方案的工作。响应于与入射在扩音器上的纵向压力波相对应的声波，下薄膜116从其平衡位置轻微变形。在下电极115和上电极117之间的距离相应改变，导致在这两个电极之间的电容出现变化，接着这种变化被电路区域111检测到。
图2a和2b中示意性示出本发明的第二实施方案。图2a示出带有高灵敏度和低温度相关灵敏度的MEMS扩音器227的截面示意图。图2b是第二实施方案的薄膜结构的示意性俯视图。
第二实施方案的构造与第一实施方案所述基本相同。然而，通过增加在薄膜216的外周界的区域中蚀刻的受控应力释放结构，使得扩音器227的灵敏度相对地与温度变化无关。受控应力释放结构有效减少该区域的杨氏模量。
参照图2b和图3，第一电极215机械耦合到薄膜216。第一电极215通过其中一个互连点114和电极片222连接到其中一个铝电路互连件113。应力释放孔223在薄膜216的周界处在小应力释放区域226上延伸，并呈蚀刻穿过薄膜216的孔的形式。应力释放孔223下方的绝缘保护层112的呈周界空腔225形式的小区域被移除，以便对穿过薄膜216的空气流310形成阻尼平衡。薄膜216非常靠近衬底110，这就提供了所需的低频率响应。应力释放区域226可大致由衬底110覆盖，或者可以延伸过该衬底的边缘224，使得应力释放孔的区域至少部分覆盖MEMS扩音器的孔120。
图4中示出应力释放孔223的片段和围绕应力释放孔223的应力的有限元仿真的图形。图底部处的应力标示栏标记出从栏左边的0MPa到右边的100MPa的仿真应力。该仿真是针对根据第二实施方案的薄膜的等效片进行。在仿真中，该片为500μm长、10μm宽、0.4μm厚。然而，可以意识到，也可使用其他尺寸。仿真片固定在两个端面上，且边缘面应为对称。对于图4中示出的仿真，压力释放结构包括三排孔。在第二实施方案的仿真中，孔呈椭圆形，沿着长轴达24μm长，沿着短轴达6μm长。然而，压力释放孔223也可具有其他适合释放薄膜内应力的形状。例如，它们可呈圆形。在仿真中，可以看出，块材料(bulk material)可松弛到4MPa，仅在应力释放孔223周围增大。这与另一使用相同参数但不具有应力释放孔的仿真形成对照。在没有应力释放孔的仿真中，薄膜内的应力保持与其在沉积时之应力一致，为25MPa。
其他的实验仿真表明，应力释放孔223使薄膜应力减小大约五倍，从无应力释放孔223的薄膜的100MPa减小到有应力释放孔223的0.5mm直径薄膜的约20MPa。估计温度变化，以约0.2MPa/℃来增大无应力释放孔的薄膜的应力。这对于合并入应力释放孔223的结构而言则减小至约0.04MPa/℃，从而导致更大的灵敏度或更低的温度相关灵敏度。仿真表明，该MEMS扩音器装置的实施方案提供了一种方式，其中，灵敏度可以以大约五倍的因子增大，而且灵敏度对于灵敏度的温度相关性的依赖会大大减小而低于原先公知的器件，而同时保持相对等的灵敏度。
图5中示意性示出本发明的第三实施方案。薄膜电极715通过其中一个电路互连件114连接到其中一个电路区域11，背板电极717通过另一电路互连点114连接到另一个电路区域111。在这种情况下，薄膜716附接到结构坚固的背板718，背板718本身从衬底110应力退耦。由图5可见，换能器薄膜716相对于衬底安装，使得薄膜的工作平面与衬底的上表面的平面分离而不毗邻。具体而言，薄膜716的厚度在0.3-1微米的范围内，背板厚度在3-10微米的范围内。这些厚度参数确保背板718的刚性足以支撑薄膜716。还如图5所示，背板718和薄膜716形成传感器结构，其进一步通过在传感器结构和衬底110之间包含应力释放部分722而从衬底110应力退耦。应力释放部分722在x和y水平方向上(即，在衬底移动平面内以及因此的热膨胀/收缩平面内)相对柔性，但在竖直的z方向上相对刚性从而保持高灵敏度。在背板718和衬底110之间包含应力减缓部分722，大幅消除了背板中的应力，这样它就能够随温度自由膨胀和收缩。沉积薄膜的残余拉伸应力通常在10-50MPa范围内。因为背板718和悬置薄膜716的膨胀系数相匹配，所以大大降低了灵敏度对温度的依赖。
现在将参照图6和图7a-7e并参照如上所述的元件来描述制造第一实施方案可采用的工艺。
在图6的步骤s111中以及如图7a中所示，使用标准加工技术，例如离子植入、光刻、金属沉积和蚀刻，来加工CMOS硅晶片或衬底110，以制造电路区域111。电路区域111包括任何可操作地与MEMS扩音器交互的电路。例如，该电路可为前置放大器，其被连接从而放大扩音器的输出。所述电路可以可选地包括模-数转换器，其将扩音器的输出或前置放大器的输出转换成数字信号。进一步，所述电路可包括如下的任意个或全部：电荷泵、滤波器、多路器、数字信号处理器；以及适用于无线通信的发射器/接收器。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，可以考虑采用可操作地与MEMS扩音器交互的许多其他电路布置。
电路区域111的铝电路互连件113通常通过溅射铝而制造。然后，通过进一步的采用基于二氧化硅的绝缘保护层112的处理步骤，来保护铝电路互连件113免于受损。一蚀刻终止层(形式例如为等离子体增强化学气相沉积(PECVD)所沉积的氮化硅或二氧化硅)被包含作为CMOS制造工艺的一部分。(注意：这层可能不是纯二氧化硅——而可能是掺杂硼磷的硅玻璃或者说BPSG，因为它可在低温下沉积。)
对于示范器件，上电极17以及在氮化硅薄膜16下方的电极15，为铝。在这种情况下，电极可被背孔(back-hole)蚀刻处理所腐蚀，并因此，为了对其进行保护，可包含一蚀刻终止层，随后在孔蚀刻后采用简单湿式蚀刻处理的过程中去除该蚀刻终止层。
为了使MEMS扩音器和电路区域111之间能进行电接触，通过采用抗蚀剂的图案化并通过使用CF4/H2气体混合物进行干式蚀刻以暴露出互连点114，就在掺杂质的二氧化硅层中开通了接触点，如图7b所示。
在步骤s112，典型地，通过使用设定为1000W、2.7mTorr压力、以及流速为50标准立方厘米/分钟(sccm)的氩气流速的牛津等离子体实验室(Oxford Plasma Lab)机器来溅射纯铝，就使底电极115被沉积。对于
Figure G200780005195701D00111
的目标电极厚度，结果形成的沉积电极厚度是
Figure G200780005195701D00112
替换性地，可在步骤s111的电路区域111制造期间沉积底电极115。由于所使用的低衬底温度，通过溅射来沉积电极优于其他诸如热蒸发的方法。这就确保与CMOS制造工艺的兼容。另外，当沉积除铝之外的材料的情况下，该方法受益于对已沉积薄膜之成分的精确控制的能力。
将沉积材料均匀溅射于所有表面上，因此，沉积的薄膜必须通过光刻法被图案化，以限定下电极115的形状。光敏抗蚀剂(ShipleySPR350)在Brewer Science CEE 6000晶片涂胶显影机(wafer trackmachine)中以2500rpm旋涂于晶片上，然后晶片在90℃下承受软烤(SB)。然后晶片被暴露以所希望的电极图案，并在110℃下承受曝光后烘烤(PEB)。然后使用MF-26A显影剂进行显影。为了在实际中限定第一电极115，在Plade Wet Deck中在50℃下使用Rockwood Al蚀刻达60秒，而从晶片的暴露区域蚀刻去除过剩的铝。本领域普通技术人员将意识到，这些参数和工艺条件仅为示例性，任何适于进行CMOS可兼容光刻和蚀刻的工艺参数均可使用。例如，电极材料也可为Al、AlSi、AlSiCu、Ti、TiW、Cu、Ni、NiCr、Cr、Pt、Ta或Pd。然后，在步骤113并且如图7b所示，通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)沉积下薄膜116。气体流量、压力、温度、RF和DC偏置的混合，用于获得目标组成和应力特性。下薄膜16在300℃被采用硅烷(SiH4)、氨气(NH3)和氮气(N2)进行沉积，流速各自为40、40和1400sccm(标准立方厘米/分钟)。RF功率可为20W，在高频(13.56MHz)和低频(400kHz)之间每6秒进行切换，以控制薄膜内的应力。为了限定下薄膜16的形状，其通过光致抗蚀剂被图案化并使用CF4/H2进行干式蚀刻。下薄膜116例如可为氮化硅或多晶硅。
为了构建悬置背板118，在扩音器制造工艺中使用牺牲层910。该层如图7c中所示被沉积，然后在步骤s119中被去除，以便限定空腔121。为确保与CMOS制造技术的兼容性，牺牲层910可由多种能够使用干法释放工艺去除的材料组成。这有利之处在于，在释放牺牲层后不再需要额外的工艺步骤或干化。聚酰亚胺优选作为牺牲层，因为它能容易地旋涂于衬底上，并采用O2等离子体清洗剂去除。在此期间，氧气被导入放置衬底并形成等离子体的室中。等离子体里的氧气与有机牺牲层反应以形成挥发性氧化物，该氧化物然后可从所述室去除。然而，多晶硅也可被用作牺牲层910。
在步骤s114，使用CEE100旋转器将一层聚酰亚胺在晶片上以3000rpm旋涂达30秒，从而形成共形涂层。接下来它在大气压下在200℃于空气中固化30分钟，然后在大气压下300℃在流动氮气的氛围中固化30分钟。聚酰亚胺层所用的底层涂料是HD VM651，牺牲层材料为日立杜邦(Hitachi Dupont)聚酰亚胺(PI2610)。对于厚度在
Figure G200780005195701D00121
Figure G200780005195701D00122
的目标牺牲层，沉积层为
Figure G200780005195701D00123
本领域普通技术人员可以理解的是，这些参数的值仅为示例性，并且可以考虑任何适于将聚酰亚胺牺牲层沉积在硅衬底上的条件。
光刻工艺用于，使用Brewer Science CEE6000晶片涂胶显影机来限定牺牲层的形状。HPR206抗蚀剂以700rpm旋涂于晶片上，并在100℃下承受软烤。不进行曝光后烘烤，并且晶片在MF-26A显影剂中被显影。在500W功率，50mTorr压力和50s ccm氧气流速下，通过等离子体热RIE机器中的反应性离子蚀刻(RIE)，牺牲层910的暴露区域被去除。由蚀刻过程形成的牺牲层的形状，限定空腔121的形状，当牺牲层在步骤s119被去除时，空腔121之形状随之保留。
在步骤s115并如图7d所示，上电极117和刚性氮化硅结构层或背板118被沉积和图案化。使用与用于在步骤112中沉积第一电极115所用的同样的参数，通过溅射铝就沉积了所述上电极。在300℃温度和900mTorr压力下，背板118通过在表面技术系统(STS)PECVD机器内的PECVD被沉积。使用晶片位于的处理室内所流经的气体混合物来沉积氮化硅。使用的气体和流速是：N2、1960sccm；SiH4、40sccm；NH3、40sccm。为了达到所希望的应力，RF功率为20W，频率在高频(13.56MHZ)和低频(400kHz)之间切换。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，这些气体和参数仅仅是示例性的。所沉积的氮化硅然后通过如大致针对步骤112所述的光刻而被图案化和被蚀刻，以限定允许空气自由进出空腔的通气孔119，使得下薄膜可响应于声波而弯曲。为了在接下来的处理阶段保护薄膜，晶片的顶部被旋转涂覆带抗蚀剂的s16，其通常数微米厚。除了保护薄膜免于受损之外，抗蚀剂层还防止通气孔被单元化过程(singulation process)期间产生的碎片所阻塞。
如图8所示以及在步骤s116，为了允许薄膜响应于声波自由弯曲，衬底的与电路区域111和背板层118完全相反的一侧现在被图案化而带有厚(约8微米)抗蚀剂，并在使用表面技术系统电感耦合等离子体(STS ICP)机器的反应性离子蚀刻中使用SF6/C4F8气体组合进行干式蚀刻，以构建声端口孔120。反应性离子蚀刻从薄膜下方去除硅，但为了去除基于二氧化硅的绝缘保护层112，使用无水HF蒸汽蚀刻。替换性地，可以使用湿式蚀刻来实现为形成声端口20而对衬底的蚀刻。在这种情况下，晶片背部再次采用抗蚀剂图案化，并且该图案然后被转化成在晶片背部上的由天然热氧化物或氮化硅形成的薄层，该薄层不受湿式蚀刻化学制品侵蚀。掩膜图案典型地呈正方形，排列成晶面。湿式蚀刻使用由22％的羟化四甲基铵(TMAH)和78％的水构成的水溶液来执行，并导致形成薄膜处的较小而呈正方形的开口。在步骤s117，在已知为单元化的过程中，包含硅MEMS扩音器的衬底被切削成块，从而使每个切削块只具有一个器件(或者器件功能组)。注意，在此处上下文中，器件包含如前所述的MEMS扩音器和电路区域。这在步骤s 118牺牲层被去除之前完成。用于制造第一实施方案的方法的该实施方案有利之处在于，在单元化期间，牺牲层50为脆弱的薄膜结构提供机械支撑，并且抗蚀剂涂层70防止通气孔19被单元化过程中可能产生的碎片所阻塞或损坏。
单元化衬底的方法可以是如下之一：用高速钻石刀片切割；激光切削；或者对衬底进行划线，然后沿晶向对衬底进行劈削。优选地，所述单元化使用刃宽30μm的Disco DAD 680晶片切割器进行。这就使成本较低，而不会如激光切削一般对衬底加热，或者如划线和劈削方法所发生的在衬底上出现高应力。通过将衬底下侧附接到将用于在单元化期间支撑衬底的载体，就执行了所述单元化。衬底通常使用高温切割带被附接到托架。切割带可以是适于经受住牺牲层去除过程的任何粘合带。在单元化期间，完整的牺牲层910向薄膜层提供强度和保护，并且抗蚀剂层70防止通气孔19被单元化过程中产生的碎片阻塞。在单元化之后，每个由大致直的边缘所限定的切割件仅具有一个器件(或器件功能组)。
在步骤s118，牺牲层在所谓的灰化处理中去除。此过程发生于如下情况，即，仍然在切割带上的单元化衬底附接到一切割框架，并在O2等离子体系统内被处理，以去除保护性抗蚀剂和聚酰亚胺。通常，用于该过程的条件为：温度150℃，在O2等离子体中，进行约3小时(40％的O2，功率350W，660mTorr)。然而，本领域普通技术人员将认识到，可以考虑采用任何适于去除聚酰亚胺牺牲层的条件。例如，聚酰亚胺牺牲层可通过使用高温直接晶片加热和掺杂氮气的氧气等离子体进行去除。如果使用可替换的等离子体工具，例如低温微波辅助等离子体刻蚀器，则可能需要额外的150-200度的C退火步骤来控制和终结铝应力。
最后，在步骤s119，最终完成的MEMS扩音器使用真空垫从切割带手动去除，并安装在封装1108中，如图8所示。代替性地，这使用一种自动拾取和放置系统实现。封装1108可以是任何适合电连接到任意可操作地与扩音器交互的装置的封装。
为了确保与CMOS工艺的兼容性，重要的是，在贯穿整个加工过程中，限制器件所承受的最大温度。例如，最大制造温度可限制在400℃以下。
图8中示出根据上文所述的第一实施方案的MEMS扩音器的示意性平面图。扩音器芯片1000采用适当的粘合剂粘合到封装1008上的芯片安装区域1003。扩音器1002可操作地连接到通向扩音器芯片1000上的芯片接触垫1006的电路区域11。芯片接触垫1006使用导电线1001而金属线键合到在封装接触垫区域1004中的封装接触垫1007。例如，导电线1001可以是金。或者，它们可以是铝。然而，本领域普通技术人员将意识到，可以使用任何适于金属线键合的材料来将芯片接触垫1006电连接到封装接触垫1007。封装接触垫可操作地连接到封装接触件1009，以使所述封装能够可操作地连接到印刷电路板。尽管封装1008有8个封装接触件1009，但是本领域普通技术人员将会意识到，在封装1008内可设置任意数量的封装接触件1009以及封装接触垫1007。
扩音器的典型尺寸为：直径约1mm，薄膜厚度(见下文)约0.3-1微米，电极约0.1微米厚，背板约2-5微米厚。
本领域普通技术人员可以理解的是，上述对第一优选实施方案的描述并不限于MEMS扩音器的制造。例如，上述在实施方案中描述的方法可被改造，从而从整个过程中省略步骤s17(其中孔被蚀刻于衬底下侧中)，进而制造超声换能器。由于不设置背孔，背板和电极18有效地成为薄膜。通过合适地选择尺寸(优选薄于上文列出的尺寸)，该背板/电极布置可作为超声换能器来驱动。重新密封该孔，就允许也作为一种浸没式换能器来运行。再次不设置背孔，并采用再密封薄膜，电容将对绝对压力而非差压敏感。进一步，在上述实施方案里描述的方法可用于制造压力传感器，或制造衬底上的阵列，所述阵列可包括下列任意个或全部：扩音器；超声换能器；和压力传感器。阵列同合适的电子器件和信号处理相组合，可提供方向性选择的扩音器。
用于制造根据第二实施方案的器件的方法，与上文参照图6和图7a-7e并参照上述元件的针对第一实施方案所述的大致相同。然而，对于第二实施方案，使用等离子体热RI E机器就使应力释放孔被蚀刻穿透薄膜。这发生在步骤s115和步骤s116之间。针对此程序的优选工艺参数为750W的功率和60mTorr压力。优选地，流经RIE机器的处理室的气体为处于60sccm的CF4和处于10sccm的H2。然而，本领域普通技术人员可以理解的是，可以考虑使用其它工艺参数。
一种根据第二实施方案的制造圆周空腔225的方法是，使用无水HF蒸汽蚀刻剂来蚀刻二氧化硅并因此形成空腔。这可以发生在步骤s116蚀刻穿透硅的背孔之后。无水HF蒸汽将各向同性地蚀刻二氧化硅。空腔尺寸取决于执行蚀刻的时间长度，因此选择蚀刻时间来形成合适尺寸的空腔。在该实施方案中选择耐HF的电极材料。例如，AlSi可选作电极材料。本领域普通技术人员将明了的是，可以考虑其它可以达到同样目标的处理顺序。本领域普通技术人员也将认知，第二实施方案可以采用与第一实施方案所述类似的方式安装在如图8所示的封装中。
本领域普通技术人员将认识到，上述对第二优选实施方案的描述并不限于MEMS扩音器的制造。例如，上文实施方案中所述的方法可被改造，从而从过程中省略步骤s17(其中在衬底下侧蚀刻孔)，从而制造超声换能器。由于不设置背孔，背板和电极18有效地成为薄膜。通过恰当选择尺寸(优选薄于上述所列尺寸)，这种背板/电极布置可作为超声换能器驱动。孔的再密封将允许也作为浸没式换能器来使用。进一步，上文针对第二实施方案所述的方法，可用来制造衬底上的阵列，该阵列包括下列任意个或全部：扩音器；超声换能器。所述阵列同适合的电子器件以及信号处理相组合，可提供方向性选择的扩音器。
一种用于制造根据第三实施方案的器件的方法，与上文参照图6和图7a-7e并参照上述元件的针对第一实施方案所述的基本相同。这里，在沉积底电极的步骤s 112之前，厚聚酰亚胺层旋涂于衬底上。然后，使用光刻而被图案化，并且被图案化从而形成其上制造有薄膜和背板的复杂应力释放结构。本领域普通技术人员也将意识到，第三实施方案可采用与针对第一实施方案所述类似的方式安装在如图8所示的封装中。
本领域普通技术人员将会意识到，上述实施方案所述的任意或全部特征可被组合从而降低MEMS器件的温度灵敏度。进一步，制造上述实施方案的上述方法可用于制造衬底上的阵列，该阵列包括如下任意个或全部：根据第一实施方案的扩音器；根据第一实施方案的超声换能器；根据第一实施方案的压力传感器；根据第二实施方案的扩音器；根据第二实施方案的超声换能器；以及根据第三实施方案的扩音器。
参考文献：
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Claims (27)

1.一种微机电器件，包括：
换能器布置，其至少包括薄膜和衬底；
电交互装置，其用于将电信号联系于所述薄膜的运动；
衬底孔，其穿过所述衬底而形成；
其中，所述换能器布置包括在所述薄膜的周界内的应力减缓构造，该构造至少部分地减弱来自所述衬底的膨胀或收缩对所述薄膜的影响，其中所述应力减缓构造包括所述薄膜中的孔或沟槽而并不破坏或破裂所述薄膜的周界，所述应力减缓构造包含在应力释放区域中，
所述薄膜针对所述衬底而安装，从而使所述应力释放区域至少部分地覆盖所述衬底，从而减缓通过所述薄膜的空气流。
2.根据权利要求1所述的器件，其中，所述换能器布置进一步包括背板布置，该背板布置具有用于将电信号联系于所述薄膜的运动的另一电交互装置，所述背板布置被定位从而在所述背板布置和所述薄膜之间形成空气空腔。
3.根据权利要求1所述的器件，其中，大致垂直于所述衬底的应力减缓构造的刚度大于大致位于所述衬底的平面内的应力减缓构造的刚度。
4.根据之前任一项权利要求所述的器件，其中，所述衬底包括可操作地连接到所述电交互装置的电子电路。
5.根据权利要求4所述的器件，其中，所述电子电路包括互补型金属氧化物半导体电路。
6.根据权利要求5所述的器件，其中，所述互补型金属氧化物半导体电路包括从如下列表中选出的一个或多个，所述列表包括：
电荷泵；
滤波器；
前置放大器；
模-数转换器；
数字信号处理器；
接收器/发射器；和
多路器。
7.根据权利要求2所述的器件，其中空气空腔通过去除牺牲层而形成。
8.根据权利要求7所述的器件，其中所述牺牲层是聚酰亚胺。
9.根据权利要求7所述的器件，其中所述牺牲层是低温二氧化硅。
10.根据权利要求7或8所述的器件，其中，所述牺牲层的去除通过干式蚀刻进行。
11.根据权利要求10所述的器件，其中，所述干式蚀刻包括氧气等离子体蚀刻。
12.根据权利要求11所述的器件，其中，所述等离子体部分地/主要地被微波感应。
13.根据权利要求7至9中任一项所述的器件，其中，使用高温直接晶片加热和掺杂氮气的氧气等离子体，进行所述牺牲层的去除。
14.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其中，所述器件在其中温度不超过400℃的过程中制造。
15.根据权利要求4所述的器件，其中，所述电子电路包含在相对所述薄膜的不同的层中。
16.根据权利要求4所述的器件，其中，所述电子电路在与所述薄膜相同的层中制造。
17.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其中，所述薄膜是氮化硅。
18.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其中，所述薄膜是多晶硅。
19.根据权利要求2所述的器件，其中，所述背板布置被穿孔，从而允许空气流经过。
20.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其中，所述电交互装置包括选自如下列表的一种或多种材料，所述列表包括：Al;AlSi;AlSiCu;Ti;TiW;Cu;Ni;NiCr;Cr;Pt;Ta以及Pd。
21.根据权利要求1-3中任一项所述的器件，其中，所述衬底是硅。
22.一种包括根据之前任一项权利要求所述的器件的MEMS扩音器。
23.一种包括根据之前任一项权利要求所述的器件的MEMS压力传感器。
24.一种包括根据之前任一项权利要求所述的器件的MEMS超声换能器。
25.一种设置在衬底上的MEMS器件的阵列，所述器件被可操作地连接，并且所述器件选自如下列表，所述列表包括：
根据权利要求22所述的扩音器；
根据权利要求23所述的压力传感器；以及
根据权利要求24所述的超声换能器。
26.一种集成电路衬底，其上形成根据权利要求22至24中任一项所述的MEMS器件，或者根据权利要求25所述的器件的阵列，以及可操作地连接到所述MEMS器件的电子电路。
27.一种封装型集成电路布置，包括根据权利要求26所述的衬底，该衬底安装在集成电路封装内。
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