CN101835079B - 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 (6)
1.一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)。
2.根据权利要求1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)。
3.根据权利要求1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)为导电多晶硅或复合结构,所述复合结构由绝缘支撑层(3)、氧化层(4)与导电层形成。
4.根据权利要求1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)中淀积的金属为金、镉、镍或银。
5.根据权利要求1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)的材料为磷硅玻璃或铝。
6.根据权利要求1所述的电容式微型硅麦克风的制备方法,其特征是:所述绝缘材料层(9)的材料为聚酰亚胺。
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