CN102056061A - 电容式微型硅麦克风及其制造方法 - Google Patents

Abstract

一种电容式微型硅麦克风及其制造方法，其包括用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜及支撑所述振动膜的绝缘支撑体，所述背极板与振动膜间隔设置，所述背极板设有若干与振动膜连通的声孔，所述振动膜包括外端面、位于外端面内侧的若干圆弧槽及若干分别连通圆弧槽且向外贯穿外端面的狭槽，所述狭槽及圆弧槽将所述梁形成为悬臂状，所述绝缘支撑体的一端支撑所述梁，而另一端固定于背极板上。由此可使振动膜对残余应力不敏感且提高设计灵活性，同时在相同灵敏度情况下可减小芯片的面积。

Description

电容式微型硅麦克风及其制造方法

【技术领域】

本发明属于基于硅工艺的微电子机械系统(MEMS)领域，具体涉及一种电容式微型硅麦克风及其制造方法。

【背景技术】

MEMS技术是近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、重量及价格方面都有十分明显的优势，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，目前市场上，MEMS器件的主要应用实例包括压力传感器、加速度计及硅麦克风等。

对于硅麦克风，将其装配至电路板通常采用自动化表面贴装工艺，该工艺需经历高温，而传统驻极体麦克风(ECM)在高温下会发生电荷泄漏，致使ECM失效，因此ECM的装配只能采用手工装配。而电容式微型硅麦克风可以耐受高温，所以能采用表面贴装工艺以实现自动装配，另外电容式微型硅麦克风在小型化、性能、可靠性、环境耐受性、成本及量产能力等方面都比ECM有优势，因此采用MEMS技术制造的微型硅麦克风已迅速作为ECM的代替者开始占领手机、PDA、MP3及助听器等消费电子产品市场。

虽然对微型硅麦克风的研究已经开展有二十余年，具体实现电容式微型硅麦克风的方法很多，但电容式微型硅麦克风通常包括一个在四周进行固定的振动膜、一个带有声孔的背极板以及在两者之间的微小空气间隙。振动膜通常采用常规的半导体加工工艺——淀积得到，材料可采用多种或多层材料得到(比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等)；背极板可由硅衬底或通过淀积得到，材料也可采用多种或多层材料(比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等)；微小空气隙可以由牺牲层被腐蚀去掉后得到，牺牲层材料可采用多种材料(如氧化硅，硅等)。

但是，微型硅麦克风制作中面临的一个主要问题就是振动膜应力的控制。现有薄膜制备手段基本采用淀积，通过淀积得到的振动膜会存在较大的残余应力，通常包括热失配应力和本征应力两种。残余应力对微型硅麦克风特性具有较大影响，严重时甚至使其失效不能工作。再有，大的残余张应力也会显著降低振动膜的机械灵敏度，而振动膜的机械灵敏度又与麦克风的关键指标——灵敏度成正比，因此大的残余应力将会间接导致麦克风灵敏度的降低。还有，大的残余压应力也可能导致振动膜发生屈曲，从而使麦克风性能不稳定甚至失效。

因此，提高麦克风灵敏度已成为本领域技术人员关注的焦点，现有通过采用改进制备方法淀积的工艺条件的方法，或采用一些附加工艺如退火等来减小振动膜的残余应力，但是采用这种方法对减小残余应力的效果不大，而且重复性不好，实现也较为复杂；另外一个途径就是使振动膜悬浮，使振动膜的机械灵敏度对残余应力不敏感，但该种方式常导致加工工艺复杂度增加。

因此，如何解决现有技术存在的缺点提高麦克风的灵敏度实已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种电容式微型硅麦克风及制造方法，以提高电容式微型硅麦克风的灵敏度。

为了实现上述目的，本发明电容式微型硅麦克风包括：用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜及支撑所述振动膜的绝缘支撑体，所述背极板与振动膜间隔设置，所述背极板设有若干与振动膜连通的声孔，所述振动膜包括外端面、位于外端面内侧的若干圆弧槽及若干分别连通圆弧槽且向外贯穿外端面的狭槽，所述狭槽及圆弧槽将所述梁形成为悬臂状，所述绝缘支撑体的一端支撑所述梁，而另一端固定于背极板上。

本发明还揭示了一种电容式微型硅麦克风的制造方法，包括如下步骤：

1)在半导体材料的衬底上淀积或热氧生长氧化硅或氮化硅作为自停止层；

2)在所述自停止层上采用淀积工艺生成多晶硅作为背极板；

3)利用光刻、刻蚀背极板得到声孔；

4)在所述背极板上采用淀积工艺得到氧化硅或氮化硅形成的绝缘牺牲层；

5)在所述绝缘牺牲层上淀积生成多晶硅作为振动膜；

6)采用光刻、刻蚀工艺去除部分振动膜，形成若干悬臂状的梁；

7)采用光刻腐蚀，去除部分的绝缘牺牲层，以露出部分背极板；

8)采用淀积、溅射等方法得到金属层，再利用光刻、刻蚀等方法得到金属压点；

9)采用双面光刻、深槽刻蚀的方法在衬底背面形成背腔；

10)再通过选择性湿法腐蚀，选择只腐蚀自停止层及绝缘牺牲层的腐蚀液，通过背面的背腔先腐蚀除去部分自停止层，再通过声孔腐蚀部分绝缘牺牲层，未腐蚀去除的绝缘牺牲层形成了绝缘支撑体，所述绝缘支撑体的一端支撑所述梁，而另一端固定于背极板或衬底上。

综上所述，本发明电容式微型硅麦克风将振动膜设置为圆形，更符合声学特性，同时，将连接振动膜的梁设置圆弧形，可以使振动膜对残余应力不敏感且提高设计灵活性，同时在相同灵敏度情况下可减小芯片的面积。所述制造电容式微型硅麦克风的方法中，采用自停止层可以保护背极板不被刻蚀，提高了产品的良度，且悬臂状的梁具备较好的弹性可以吸收部分残余应力，进而使振动膜对残余应力不敏感。

【附图说明】

图1为本发明第一实施方式所揭示的电容式微型硅麦克风的立体组合图。

图2为图1所示的电容式微型硅麦克风被切除一个角后的立体组合图。

图3为图2所示的被切除一个角后的电容式微型硅麦克风的主视图。

图4为图1所示的电容式微型硅麦克风的部分立体分解图。

图5为本发明第二实施方式所揭示的电容式微型硅麦克风的立体组合图，其中第一、第二金属压点未表示出来。

图6为图5所示的电容式微型硅麦克风的部分立体分解图。

图7为图6另一角度的部分立体分解图。

【具体实施方式】

第一实施方式：

请参阅图1至图4所示，本发明电容式微型硅麦克风100包括起机械支撑作用的衬底1、形成于衬底1上且用以作为背面刻蚀自停止的自停止层2、形成于自停止层2上的背极板3、与背极板3间隔设置的振动膜4、支撑振动膜4且固定于背极板3上的若干绝缘支撑体5以及两个分别与振动膜4、背极板3导通的第一、第二金属压点6、7。

所述衬底1由半导体材料制成(如单晶硅)，其设有背腔10，所述背腔10贯穿衬底1的背面11且向上贯穿自停止层2。所述背腔10可以设置为圆形或方形或其他形状，用于传导声音以及调节电容式微型硅麦克风100的声学性能。

所述自停止层2可以为氧化硅或氮化硅等材料制成，且用于在背面深槽刻蚀完成时，起到自停止作用以保护背极板3不被刻蚀。

所述背极板3具有导电功能且用于作为电容的一极，所述背极板3设置有若干贯穿的声孔31，所述声孔31可以按照实际需求设置为圆形或方形且按振动膜4的形状排布成阵列。所述声孔31与背腔10连通。

请参阅图1及图2所示，所述振动膜4设置为圆形，一方面可以减小体积，另一方面更贴合于声学性能，从而使电容式微型硅麦克风100具备较好的灵敏度。所述振动膜4包括外端面41、位于外端面41内侧的若干圆弧槽42及若干分别连通圆弧槽42且向外贯穿外端面41的狭槽43。所述外端面41为圆弧面。所述圆弧槽42为劣弧，所有圆弧槽42的半径均相同且位于同一圆周上。所述狭槽43沿振动膜4的径向延伸。所述圆弧槽42及狭槽43将振动膜4形成四个圆弧形的梁44。所述梁44与振动膜4为同一材质。所述梁44为悬臂状，即梁44的一端悬空为自由端441，所述梁44设有外表面442、内表面443及贯穿内、外表面的通孔444，以降低振动膜4对残余应力的敏感度，从而提高电容式微型硅麦克风100的灵敏度。同时，在相同灵敏度的情况下，可以减小振动膜4的面积，从而达到减小芯片的面积。

所述背极板3及振动膜4的材料分别为导电材料及由导电材料和绝缘材料组合的复合膜中的一种，如多晶硅、多晶硅氮化硅、多晶硅氧化硅复合膜及金属加氮化硅等材料。

所述绝缘支撑体5的一端靠近梁44的自由端441。所述绝缘支撑体5的一端支撑所述梁44，而另一端固定于背极板3或衬底1上。所述绝缘支撑体5可以为氧化硅或氮化硅等材料。在本实施实施方式中，所述绝缘支撑体5为圆柱状，当然，在其他实施实施方式中，所述绝缘支撑体5也可以设置成棱柱状。所述第一金属压点6与振动膜4电性连接，所述第二金属压点7与背极板3电性连接，所述第一、第二金属压点6、7用于后续分装打线。所述金属可为铝、金、铬金、钛钨金等。在本实施实施方式中，所述第一、第二金属压点6、7为圆形，当然，在其他实施实施方式中，所述第一、第二金属压点6、7还可以设置为矩形等其他多边形。

第二实施方式：

请参阅图5至图7所示，本发明第二实施方式所揭示的电容式微型硅麦克风200与第一实施方式所揭示的电容式微型硅麦克风100基本相同，两者的区别在于电容式微型硅麦克风200的梁44设有与圆弧槽42及狭槽43均隔开的窄槽45，所述窄槽45将梁44分割成第一、第二部分46、47，所述第一、第二部分46、47均被绝缘支撑体5所支撑。所述圆弧槽42为劣弧，所述第一、第二部分46、47的宽度相同且窄槽45的长度小于圆弧槽42的长度。所有窄槽45分布于同一圆周上。将梁44再次设置贯穿的窄槽45，可以进一步增加梁44的弹性，以降低振动膜4对残余应力的敏感度，从而提高电容式微型硅麦克风200的灵敏度。

请参照图1至图7所示，本发明还提供一种电容式微型硅麦克风的制造方法，主要包括如下步骤：

1)在半导体材料的衬底1上淀积或热氧生长氧化硅或氮化硅作为自停止层2；

2)在所述自停止层2上采用淀积工艺生成多晶硅作为背极板3；

3)利用光刻、刻蚀背极板3得到声孔31；

4)在所述背极板3上采用淀积工艺得到氧化硅或氮化硅形成的绝缘牺牲层；

5)在所述绝缘牺牲层上淀积生成多晶硅作为振动膜4；

6)采用光刻、刻蚀工艺去除部分振动膜4，形成若干梁44；

7)采用光刻腐蚀，去除部分的绝缘牺牲层，以露出部分背极板3；

8)采用淀积、溅射等方法得到金属层，再利用光刻、刻蚀等方法得到第一、第二金属压点6、7；

9)采用双面光刻、深槽刻蚀的方法在衬底1背面11形成背腔10；

10)再通过选择性湿法腐蚀，选择只腐蚀自停止层2及绝缘牺牲层的腐蚀液，通过背面11的背腔10先腐蚀除去部分自停止层2，再通过声孔31腐蚀部分绝缘牺牲层，使得振动膜4与背极板3之间不再有其他的绝缘牺牲层，振动膜4可以自由振动发声，未腐蚀去除的绝缘牺牲层形成了绝缘支撑体5，所述绝缘支撑体5的一端支撑所述梁44，而另一端固定于背极板3或衬底1上。

综上所述，对于本领域的普通技术人员来说，在本发明的教导下所作的针对本发明的等效变化，仍应包含在本发明权利要求所主张的范围中。

Claims (10)

1.一种电容式微型硅麦克风包括：用于作为电容的一极且具有导电功能的背极板、用于作为所述电容的另一极且具有导电功能的振动膜及支撑所述振动膜的绝缘支撑体，所述背极板与振动膜间隔设置，所述背极板设有若干与振动膜连通的声孔，其特征在于：所述振动膜包括外端面、位于外端面内侧的若干圆弧槽及若干分别连通圆弧槽且向外贯穿外端面的狭槽，所述狭槽及圆弧槽将所述梁形成为悬臂状，所述绝缘支撑体的一端支撑所述梁，而另一端固定于背极板上。

2.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述振动膜为圆形，所述外端面为圆弧面。

3.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述梁设有自由端且所述绝缘支撑体的一端靠近梁的自由端。

4.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述梁设有与圆弧槽及狭槽均隔开的窄槽，所述窄槽将梁分割成第一、第二部分，所述第一、第二部分均被绝缘支撑体所支撑。

5.如权利要求4所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述圆弧槽为劣弧，所述第一、第二部分的宽度相同且窄槽的长度小于圆弧槽的长度。

6.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述梁设有外表面、内表面及贯穿内、外表面的通孔。

7.如权利要求1所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述电容式微型硅麦克风还包括衬底、位于衬底上的自停止层及分别形成于梁及背极板上的第一、第二金属压点，所述衬底设有与声孔连通的背腔，所述背极板形成于自停止层上，所述梁与振动膜为同一材质，第一金属压点与梁电性导通而第二金属压点与背极板电性导通。

8.如权利要求1至7项中任意一项所述的电容式微型硅麦克风，其特征在于：所述狭槽沿振动膜的径向延伸，所述若干圆弧槽的半径均相同且位于同一圆周上。

9.一种电容式微型硅麦克风的制造方法，其特征在于包括如下步骤：

1)在半导体材料的衬底上淀积或热氧生长氧化硅或氮化硅作为自停止层；

2)在所述自停止层上采用淀积工艺生成多晶硅作为背极板；

3)利用光刻、刻蚀背极板得到声孔；

4)在所述背极板上采用淀积工艺得到氧化硅或氮化硅形成的绝缘牺牲层；

5)在所述绝缘牺牲层上淀积生成多晶硅作为振动膜；

6)采用光刻、刻蚀工艺去除部分振动膜，形成若干悬臂状的梁；

7)采用光刻腐蚀，去除部分的绝缘牺牲层，以露出部分背极板；

8)采用淀积、溅射等方法得到金属层，再利用光刻、刻蚀等方法得到金属压点；

9)采用双面光刻、深槽刻蚀的方法在衬底背面形成背腔；

10)再通过选择性湿法腐蚀，选择只腐蚀自停止层及绝缘牺牲层的腐蚀液，通过背面的背腔先腐蚀除去部分自停止层，再通过声孔腐蚀部分绝缘牺牲层，未腐蚀去除的绝缘牺牲层形成了绝缘支撑体，所述绝缘支撑体的一端支撑所述梁，而另一端固定于背极板或衬底上。

10.如权利要求9所述的电容式微型硅麦克风的制造方法，其特征在于：所述梁设有一端悬空的自由端，且所述绝缘支撑体靠近梁的自由端。

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