CN101835079A - 一种电容式微型硅麦克风及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电容式微型硅麦克风及其制备方法。其包括基板；所述基板的中心区淀积有振膜；基板对应于设置基板的表面还淀积有绝缘材料层；所述绝缘材料层覆盖在基板与振膜的表面，且与振膜间形成空腔；绝缘材料层与振膜相对应的内壁上设置固定连接的背极板，所述背极板与振膜形成电容结构；绝缘材料层与振膜相对应的外壁上设置若干声孔，所述声孔与绝缘材料层、振膜形成的腔体相连通；基板对应于设置振膜的下部设置声腔，所述声腔的深度从基板对应于设置振膜另一端表面延伸到振膜。本发明制造成本低、成品率高、工艺操作简单及满足小尺寸的要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种硅麦克风及其制备方法，尤其是一种电容式微型硅麦克风及其制备方法，具体地说是一种利用MEMS技术的微型硅麦克风及其制备方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)技术是几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、重量等方面都具有十分明显的优势，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，能极好的控制生产成本，提高器件的一致性。对于目前的MEMS产品，加速度计、压力传感器、陀螺仪、微镜、硅麦克风等都已经实现了批量生产，在相应的市场上都占有了一定的份额。
硅麦克风耐高温、耗电量小以及体积小等特点，使得它在移动电话、助听器、笔记本电脑、PDA、摄像机等视听产品以及国防、国家安全等相关领域应用将更加广泛。从麦克风市场的预测和发展来看，硅麦克风成为传统驻极体麦克风的替代产品已经毋庸置疑，它提供了令声学工程师相当满意的相似的甚至更好的声学性能。硅麦克风在几年以后将会成为麦克风市场上的主要产品。
为了开发出高灵敏度和宽带宽的麦克风，高性能振膜的制作至关重要，振膜制作面临的一个主要问题就是振膜应力的控制。现有薄膜的制作主要采用淀积的方法得到，通过淀积得到的振膜会存在较大的残余应力，残余应力对微型硅麦克风的性能有较大影响，大的残余应力能大幅度降低麦克风的灵敏度，压应力还能减小麦克风的耐压能力，严重时能使得麦克风无法正常工作。另外，背极板的制作也至关重要，刚性背极是硅麦克风有良好频率特性和低噪声的前提条件。
目前改善振膜残余应力通常有两种方法，一是通过附加工艺，用退火的方式，这种方式对工艺的控制要求极高，重复性不是很好；另外一种是通过结构调整，如制作自由膜结构，但这种结构的制作会导致工艺复杂度的增加，可能需要添加多步工艺，来控制振膜。而实现刚性背极也是麦克风制作过程中的一大难点，目前也是有两种主要方法来解决，一是制作厚背极，但是通过常规的淀积工艺很难得到需要的厚背极；还有一种方法是通过结构调整来提高背极板的刚性，但也是要增加工艺的复杂度。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种电容式微型硅麦克风及其制备方法，其制造成本低、成品率高、工艺操作简单及满足小尺寸的要求。
按照本发明提供的技术方案，所述电容式微型硅麦克风，包括基板；所述基板的中心区淀积有振膜；基板对应于设置基板的表面还淀积有绝缘材料层；所述绝缘材料层覆盖在基板与振膜的表面，且与振膜间形成空腔；绝缘材料层与振膜相对应的内壁上设置固定连接的背极板，所述背极板与振膜形成电容结构；绝缘材料层与振膜相对应的外壁上设置若干声孔，所述声孔与绝缘材料层、振膜形成的腔体相连通；基板对应于设置振膜的下部设置声腔，所述声腔的深度从基板对应于设置振膜另一端表面延伸到振膜。
所述振膜的一端设置振膜电极，所述振膜电极与振膜电性连接；所述背极板上设有背极板电极，所述背极板电极与背极板电性连接。所述基板对应于淀积振膜的表面设有纹膜槽。所述绝缘材料层的材料包括氮化硅及聚酰亚胺。所述振膜上设有刻蚀孔。
所述电容式微型硅麦克风的制备方法包括如下步骤：
a、提供基板，并在基板的表面上设置纹膜槽；b、在所述基板对应于设置纹膜槽的表面淀积振膜；c、选择性的掩蔽和刻蚀振膜，得到基板中心区的振膜；d、在上述基板对应于设置振膜的表面上淀积牺牲层，所述牺牲层覆盖基板及振膜相对应的表面；e、选择性的掩蔽和刻蚀牺牲层，得到基板中心区的牺牲层，并在振膜的一端形成金属注入孔，所述金属注入孔从牺牲层的表面延伸到振膜；f、在牺牲层的表面及金属注入孔内均淀积金属，在牺牲层的表面上形成背极板，所述背极板位于振膜的上方；所述振膜对应于设置金属注入孔的表面形成振膜电极；g、在基板对应于设置牺牲层的表面上淀积绝缘材料，形成绝缘材料层，所述绝缘材料层包覆基板、牺牲层、背极板及振膜电极的表面；h、选择性的掩蔽和刻蚀绝缘材料层，去除振膜电极上的绝缘材料层，在所述背极板上得到背极板电极与声孔，所述声孔从绝缘材料层的表面延伸到牺牲层；i、选择性的掩蔽和刻蚀基板对应于淀积振膜的另一表面，在基板对应于淀积振膜的另一端形成声腔，所述声腔位于振膜的下方；声腔的深度从基板对应于设置振膜的另一端表面延伸到振膜；j、刻蚀牺牲层，去除绝缘材料层包围的牺牲层。
所述步骤c中，选择性的掩蔽和刻蚀振膜，得到位于基板中心区的振膜，并在振膜上形成刻蚀孔。所述振膜为导电多晶硅或氧化支撑层、氧化层与导电层形成的复合结构。所述步骤f中淀积的金属包括金、镉、镍或银。所述牺牲层的材料包括磷硅玻璃或铝。
本发明的优点：振膜结构设计灵活，可为纹膜结构，也可为平膜结构。振膜可采用单一的多晶硅材料通过高温退火工艺形成，也可以采用绝缘支撑层、绝缘层与导电层相互配合形成，达到来降低残余应力的目的。通过牺牲层与绝缘材料层的设置，背极板与振膜间的距离可控，既能满足较强的刚性要求，又能减小寄生电容。制备电容式微型硅麦克风的方法成品率高，成本低，工艺容易实现，能满足小尺寸要求，并且适合大批量生产。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2～图10为本发明具体实施工艺步骤示意图，其中：
图2为基板上形成纹膜槽后的结构示意图。
图3为形成绝缘支撑层与绝缘层后的结构示意图。
图4为刻蚀振膜与绝缘层后的结构示意图。
图5为形成牺牲层后的结构示意图。
图6为形成背极板后的结构示意图。
图7为形成声孔后的结构示意图。
图8为形成声腔后的结构示意图。
图9为去除牺牲层后的结构示意图。
图10为本发明具有刻蚀孔的结构示意图。
图11为一种振膜的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
如图1～图11所示：本发明包括基板1、纹膜槽2、绝缘支撑层3、绝缘层4、振膜5、牺牲层6、振膜电极7、背极板8、绝缘材料层9、声孔10、声腔11、可动梁12、刻蚀孔13及金属注入孔14
如图1和图10所示：所述基板1的表面上凹设有纹膜槽2，基板1对应于设置纹膜槽2的表面淀积振膜5。所述振膜5为导电多晶硅或绝缘支撑层3、绝缘层4与导电层形成复合结构。当振膜5为绝缘支撑层3、绝缘层4与导电层形成复合结构时，绝缘支撑层3淀积在基板1对应于设置纹膜槽2的表面；所述绝缘支撑层3上再依次淀积绝缘层4与导电层；通过绝缘支撑层3与绝缘层4的相互配合，能够减少振膜5的残余应力。振膜5也可以采用多晶硅材料，但是需要对淀积的导电多晶硅进行高温退火。所述振膜5位于基板1的中心区；振膜5为绝缘支撑层3、绝缘层4与导电层形成的复合结构时，通过选择性的掩蔽和刻蚀复合结构，使绝缘支撑层3、绝缘层4与导电层形成的振膜5位于基板1的中心区。
所述基板1上还设有绝缘材料层9；所述绝缘材料层9覆盖在基板1的表面，并与振膜5形成空腔。所述绝缘材料层9的材料为氮化硅或聚酰亚胺等其他材料。绝缘材料层9与振膜5相对应的内壁上设置背极板8，所述背极板8与振膜5具有一定的距离，分别形成电容的上极板与下极板，背极板8与振膜5构成电容结构。所述绝缘材料层9与振膜5一端相对应的表面设置金属注入孔14，所述金属注入孔14从绝缘材料层9表面伸入到振膜5的端部，从而将绝缘材料层9与振膜5形成的空腔与外部相连通。振膜5对应于设置金属注入孔14的端部淀积有振膜电极7，所述振膜电极7与振膜5电性连接。所述背极板8上设置有背极板电极，所述背极板电极与背极板8电性连接。
背极板8的上部设置声孔10，所述声孔10为阵列设置。所述声孔10与绝缘材料层9、振膜5形成的腔体相连通。声孔10按振膜5以及背极板8形状排成阵列结构，可以用于形成过滤一定频率或一定频率范围内的声学滤波器，传播声压，调节振膜5与背极板8之间的阻尼，减小噪声；所述声孔10可为圆形、方形、椭圆等任意形状，不同形状的声孔，具有不同的性能影响，如圆形声孔，有利于释放空气压力，更有效减小压膜阻尼，但是会增加工艺制作的复杂性；方形声孔容易制作，但是会引起应力集中问题，也会影响麦克风性能。
基板1对应于设置振膜5的下部设置有声腔11，所述声腔11位于振膜5的正下方。声腔11的深度从基板1对应于设置振膜5另一端的表面，延伸到振膜5；声腔11的宽度小于振膜5的长度。所述振膜5上设有刻蚀孔13，所述刻蚀孔13能够减小阻尼，平衡声压。腔体11的大小直接影响硅麦克风的性能，特别是其低频特性。在不影响芯片尺寸的前提下，尽量增大声腔11；声腔的形状根据不同的工艺可以为圆形或方形，由于受振膜5形状以及麦克风性能的影响，声腔11的形状也需要根据振膜5的形状来设计。
图11为振膜5的结构示意图。如图11所示，绝缘支撑层3、绝缘层4及导电层形成振膜5。纹膜槽2设置在绝缘支撑层3、绝缘层4及导电层形成振膜5的内圈。所述振膜5上设有刻蚀孔13，所述刻蚀孔13均匀排列在振膜5上。为了提高麦克风的灵敏度，所述振膜5周面上还设置有可动梁12。
上述结构的电容式微型硅麦克风结构通过如下工艺步骤实现：
a、提供基板1，并在基板1的表面上设置纹膜槽2，如图2所示；
当基板1上不设置纹膜槽2时，基板1上就能够得到对应的平膜的振膜5结构；所述基板1的材料为硅；
b、在所述基板1对应于设置纹膜槽2的表面淀积振膜5，所述基板1的表面及纹膜槽2内均形成振膜5，形成纹膜结构的振膜5；
所述振膜5可以是在基板1的对应于设置纹膜槽2的表面淀积导电多晶硅并经高温退火形成；所述振膜5也可以是在基板1对应于设置纹膜槽2的表面淀积绝缘支撑层3、绝缘层4及导电层形成，如图3所示；所述绝缘支撑层3与绝缘层4间相互配合，能够减小振膜5的残余应力；所述绝缘支撑层3的材料可以为氧化硅；绝缘层4的材料可以为氮化硅；
c、选择性的掩蔽和刻蚀振膜5，得到基板1中心区的振膜5；
当振膜5由绝缘支撑层3、绝缘层4及导电层形成时，绝缘支撑层3、绝缘层4及导电层均位于基板1的中心区，如图4所示；
选择性的掩蔽和刻蚀振膜5，得到位于基板1中心区的振膜5，并在振膜5上形成刻蚀孔13，如图10所示；所述刻蚀孔13能够减小阻尼，平衡声压；
d、在上述基板1对应于设置振膜5的表面上淀积牺牲层6，所述牺牲层6覆盖基板1及振膜5相对应的表面，如图5所示；
所述振膜5与背极板8形成电容的上下极板，所述牺牲层6的材料可为磷硅玻璃或铝等材料；通过后续工艺对牺牲层6进行处理，能够形成电容的上下极板之间的空隙；牺牲层6的厚度决定了电容上下基板间的距离，而电容上下极板间距离的大小直接影响了麦克风的灵敏度、可靠性及信噪比等性能；从而通过控制淀积牺牲层6的厚度，实现了控制振膜5与背极板8间形成的电容上下极板间的距离，操作方便；
e、选择性的掩蔽和刻蚀牺牲层6，得到基板1中心区的牺牲层6，并在振膜5的一端形成金属注入孔14，所述金属注入孔14从牺牲层6的表面延伸到振膜5；
f、在牺牲层6的表面及金属注入孔14内均淀积金属，所述金属可以为金、镉、镍或银等材料；在牺牲层6的表面上形成背极板8，所述背极板8位于振膜5的上方；所述振膜5对应于设置金属注入孔14的表面形成振膜电极7，如图6所示；
g、在基板1对应于设置牺牲层6的表面上淀积绝缘材料，形成绝缘材料层9，所述绝缘材料层9包覆基板1、牺牲层6、背极板8及振膜电极7的表面；所述绝缘材料层9的材料可以为氮化硅或聚酰亚胺等材料；
h、选择性的掩蔽和刻蚀绝缘材料层9，去除振膜电极7上的绝缘材料层9，在所述背极板8上得到背极板电极与声孔10，所述声孔10从绝缘材料层9的表面延伸到牺牲层6，如图7所示；
i、选择性的掩蔽和刻蚀基板1对应于淀积振膜5的另一表面，在基板1对应于淀积振膜5的另一端形成声腔11，所述声腔11位于振膜5的下方；声腔11的深度从基板1对应于设置振膜5的另一端表面延伸到振膜5，如图8所示；
j、刻蚀牺牲层6，去除绝缘材料层9包围的牺牲层6，从而形成微型硅麦克风的结构，如图9所示。
如图1和图10所示，使用时，将振膜5上的振膜电极7、背极板8上的背极板电极分别与外部检测设备连接，所述振膜5与背极板8间形成电容结构。当外部声音从声腔11或声孔10进入时，进入声腔11或声孔10的声音会对振膜5产生作用力；振膜5的表面受到作用力后会相应的发生形变。当振膜5发生形变时，振膜5与背极板8形成的电容结构也会发生对应的变化；通过检测振膜电极7与背极板电极输出的变化，来检测对应的声音信号。
本发明振膜5结构设计灵活，可为纹膜结构，也可为平膜结构。振膜5可采用单一的多晶硅材料通过高温退火工艺形成，也可以采用绝缘支撑层3、绝缘层4与导电层相互配合形成，达到来降低残余应力的目的。通过牺牲层6与绝缘材料层9的设置，背极板8与振膜5间的距离可控，既能满足较强的刚性要求，又能减小寄生电容。制备电容式微型硅麦克风的方法成品率高，成本低，工艺容易实现，能满足小尺寸要求，并且适合大批量生产。
Claims (10)
1.一种电容式微型硅麦克风，包括基板(1)；其特征是：所述基板(1)的中心区淀积有振膜(5)；基板(1)对应于设置基板(1)的表面还淀积有绝缘材料层(9)；所述绝缘材料层(9)覆盖在基板(1)与振膜(5)的表面，且与振膜(5)间形成空腔；绝缘材料层(9)与振膜(5)相对应的内壁上设置固定连接的背极板(8)，所述背极板(8)与振膜(5)形成电容结构；绝缘材料层(9)与振膜(5)相对应的外壁上设置若干声孔(10)，所述声孔(10)与绝缘材料层(9)、振膜(5)形成的腔体相连通；基板(1)对应于设置振膜(5)的下部设置声腔(11)，所述声腔(11)的深度从基板(1)对应于设置振膜(5)另一端表面延伸到振膜(5)。
2.根据权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征是：所述振膜(5)的一端设置振膜电极(7)，所述振膜电极(7)与振膜(5)电性连接；所述背极板(8)上设有背极板电极，所述背极板电极与背极板(8)电性连接。
3.根据权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征是：所述基板(1)对应于淀积振膜(5)的表面设有纹膜槽(2)。
4.根据权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征是：所述绝缘材料层(9)的材料包括氮化硅或聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征是：所述振膜(5)上设有刻蚀孔(13)。
6.一种电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征是，所述制备方法包括如下步骤：
(a)、提供基板(1)，并在基板(1)的表面上设置纹膜槽(2)；
(b)、在所述基板(1)对应于设置纹膜槽(2)的表面淀积振膜(5)；
(c)、选择性的掩蔽和刻蚀振膜(5)，得到基板(1)中心区的振膜(5)；
(d)、在上述基板(1)对应于设置振膜(5)的表面上淀积牺牲层(6)，所述牺牲层(6)覆盖基板(1)及振膜(5)相对应的表面；
(e)、选择性的掩蔽和刻蚀牺牲层(6)，得到基板(1)中心区的牺牲层(6)，并在振膜(5)的一端形成金属注入孔(14)，所述金属注入孔(14)从牺牲层(6)的表面延伸到振膜(5)；
(f)、在牺牲层(6)的表面及金属注入孔(14)内均淀积金属，在牺牲层(6)的表面上形成背极板(8)，所述背极板(8)位于振膜(5)的上方；所述振膜(5)对应于设置金属注入孔(14)的表面形成振膜电极(7)；
(g)、在基板(1)对应于设置牺牲层(6)的表面上淀积绝缘材料，形成绝缘材料层(9)，所述绝缘材料层(9)包覆基板(1)、牺牲层(6)、背极板(8)及振膜电极(7)的表面；
(h)、选择性的掩蔽和刻蚀绝缘材料层(9)，去除振膜电极(7)上的绝缘材料层(9)，在所述背极板(8)上得到背极板电极与声孔(10)，所述声孔(10)从绝缘材料层(9)的表面延伸到牺牲层(6)；
(i)、选择性的掩蔽和刻蚀基板(1)对应于淀积振膜(5)的另一表面，在基板(1)对应于淀积振膜(5)的另一端形成声腔(11)，所述声腔(11)位于振膜(5)的下方；声腔(11)的深度从基板(1)对应于设置振膜(5)的另一端表面延伸到振膜(5)；
(j)、刻蚀牺牲层(6)，去除绝缘材料层(9)包围的牺牲层(6)。
7.根据权利要求6所述的电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征是：所述振膜(5)上形成刻蚀孔(13)。
8.根据权利要求6所述的电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征是：所述振膜(5)为导电多晶硅或氧化支撑层(3)、氧化层(4)与导电层形成的复合结构。
9.根据权利要求6所述的电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征是：所述步骤(f)中淀积的金属包括金、镉、镍或银。
10.根据权利要求6所述的电容式微型硅麦克风的制备方法，其特征是：所述牺牲层(6)的材料包括磷硅玻璃或铝。
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