CN102405654A - 麦克风 - Google Patents

Abstract

麦克风包括衬底(20)、限定了声学输入表面的麦克风膜(10)以及背板(11)，所述背板相对于膜在背板(11)和膜(10)之间以固定间距支撑。麦克风外围区域包括膜(10)和背板(11)中的平行折皱(24)。通过对膜及背板使用相同的起皱悬浮物，最优地抑制体噪声的灵敏度。

Description

麦克风

技术领域

本发明涉及麦克风，具体地涉及硅电容式电容器麦克风。

背景技术

图1示意性地示出了已知电容式电容麦克风的操作原理。声压波1使得膜10由于膜上的压力差而振动。这改变了膜10与背板11之间的气隙间隔。为了优良的全方向性能，膜的背部面向声学上密闭的背部腔室12。要求背部腔室中的小孔14对气压中的缓慢变化进行补偿。

为了检测膜的移动，将膜放置在平板电容器结构中。这样做的话，膜具有导电表面，并且背板也是导电的，放置所述背板以产生气隙。由于声压差对气隙的调制，与声压成比例的可电检测的信号是可用的。

通常在硅MEMS工艺中制造膜和背板，而背部腔室由器件封装(device package)来限定。

MEMS麦克风对于例如移动电话、安装在其它手持式设备上的PCB之类需要微型化的应用尤其感兴趣。

声学膜的柔量(即，灵活度)决定了麦克风的灵敏度。这很容易理解，因为低声压电平期望大的膜位移以便轻松地检测膜位移。机械结构和材料参数(应力和杨氏模量)控制柔量。但是，这些参数之一依据设计来支配性能。

在多种MEMS电话中，将膜附着于它的整个周界。因此，这种膜被伸展为鼓膜，并且机械性能(以及因此麦克风的灵敏度)强烈地依赖于膜中的张应力。

在这种情况下，膜必须具有尽可能慢的张应力，来使膜具有较高的柔量(灵活度)。但是，因为最小压应力会使膜弯曲，并使性能完全失真，所以最小压应力也是不能接受的。因此，工艺控制器使膜具有低的(5MPa至50MPa)张应力是一种艺术。换句话说，由制造工艺来限定麦克风的性能。

由于使用低温度工艺而导致的期望张应力范围，可能使PECVD氮化硅再生，所以20世纪90年代普遍的膜材料是PECVD氮化硅。随后，针对具有衬底的改良热匹配，将多晶硅用于膜。但是，对低应力调谐的再现是成问题的。

为了使硅MEMS麦克风具有不受主要由工艺参数控制的性能，使用了针对改良设计的一些选项。

例如，当由梁悬置膜时，由梁的弹簧常数来确定柔量。这比层中的应力级别更容易控制。但是，从固定衬底到膜的梁的结果在于创建了从膜的正面到背面的一条声学路径。这影响到了麦克风的灵敏度和方向性。

另一种(由知名声学使用的)已知方法使用“自由浮动振动膜”。图2示出了这种方法。

多晶硅麦克风振动膜10并非刚性地附着于支撑结构。通过柱16支撑而非物理地附着振动膜10，所述柱16在振动膜边缘的周围形成圆形图案。因此，振动膜被认为是在MEMS结构中“自由浮动的”。在静电充电状态，这些振动膜支撑柱在振动膜于背板11之间建立了约4微米的间隔(气隙17)。存在单个的物理连接，所述物理连接提供了从振动膜到键合焊盘18的导线管。图2示出了具有导电涂层11a的背板，所述导电涂层形成背板电极。

除了自由悬置物和梁之外，还存在媒介溶液(intermediate solution)，所述媒介溶液是在边缘处具有折皱的膜。如图3所示，这使得膜在边缘处的灵活度增加。

这种设计未解决的一个问题是体噪声抑制。

体噪声是导致从麦克风产生电输出的机械振动的干扰效应。例如，当从颊板外壳上抓移动电话时，接收机将经受所得到机械振动作为声音。另一个示例是移动电话自身的扬声器与麦克风的串扰。信号处理不可以充分地补偿这两种效应。对机械针对不敏感的麦克风设计不得不将它们最小化。

发明内容

根据本发明，提供了制造麦克风的方法，包括：

在衬底中形成沟道结构，所述沟道结构位于麦克风区域的外围周围；

在衬底表面上方的形成限定声学输入表面的麦克风膜层、牺牲层和背板层；

对背板层进行蚀刻以限定开口；以及

通过穿过背板开口蚀刻来去除牺牲层，并且

去除在输入表面下方的衬底的一部分，

从而形成具有麦克风外围区域的麦克风结构，所述麦克风外围区域在膜与背板层中具有平行折皱。

在电容式MEMS麦克风中，期望的是：优化膜对声压的灵敏度，并使对于机械摆动的灵敏度最小化。本质上，这可以通过使膜具有高柔量并通过匹配膜与背板的频率响应来实现。在常规设计中，这可以通过优化工艺参数或通过将膜从梁处悬置来实现。本发明的方法在单个加工步骤中提供膜边缘和背板边缘的折皱。

鼓状膜上方起皱膜的有益效果在于可以控制偏斜轮廓来提高灵敏度。形状具有与方波轮廓相类似的更加锐利的边缘，而非正弦波轮廓的平滑边缘。这可以实现两倍的灵敏度增长。通过对膜和背板使用相同的起皱悬浮物，可以最佳地抑制对体噪声的灵敏度，具体地通过避免两种不同的偏斜轮廓。因此，机械摆动引发了膜与背板的同等偏移。这意味着由于机械噪声而不存在电输出。声音仅引发膜的移动，并且仍然可以对声音进行测量。换句话说，机械体噪声是针对膜与背板的公共驱动器的，而声音则是微分输入。

优选地，在麦克风膜层的下方形成绝缘层。所述绝缘层将衬底与膜绝缘。当去除衬底的一部分时，该绝缘层还可以被用作蚀刻停止层。优选地，衬底包括硅晶片。

沟道可以包括反应离子蚀刻沟槽。形成沟道的单个加工步骤随后将导致在背板与膜中产生平行的折皱。在一个示例中，通过一系列的各向同性蚀刻和钝化步骤来形成沟道，以形成波纹沟道侧墙。可以将这些波纹侧墙用于设计膜的机械悬浮物的性质。

优选地，膜包括多晶硅，并且牺牲层可以包括TEOS。背板层可以包括多晶硅。

本发明还提供了麦克风，包括：

衬底；

限定声学输入表面的麦克风膜；

相对于膜在背板和膜之间以固定间距支撑的背板，背板具有开口；

其中，衬底在输入表面的下方具有开口，

以及麦克风外围区域包括在膜和背板中具有固定间距的平行折皱。

通过提供平行折皱，改善了体噪声抑制，这是由于膜与背板以相同的方式响应于体噪声。

可以对背板的谐振频率进行设计来匹配膜的谐振频率，以本质上对体噪声进行补偿。

外围区域可以具有方形的形状。使用折皱意味着内部区域(尤其在角落附近)被更有效地用作输入表面。

附图说明

现在将参考附图详细地描述本发明的示例，其中：

图1示意性地示出了电容式MEMS麦克风的操作原理；

图2示出了已知MEMS麦克风设计的第一示例；

图3示出了已知MEMS麦克风设计的第二示例；

图4示出了本发明MEMS麦克风设计的示例；

图5示出了根据本发明工艺顺序的示例；

图6示出了箝住周界(perimeter-clamped)的常规正方形麦克风膜的偏斜轮廓；

图7和图8示出了本发明的麦克风设计怎样解决参考图6所述的问题；以及

图9示出了可以如何修改折皱的形成。

具体实施方式

附图并非按照比例，可以夸大一些尺寸(例如，厚度尺寸)以使附图更清楚地示出不同的组件。

本发明提供麦克风设计，所述麦克风设计具有背板和膜(即两个麦克风电极)中的一个或多个折皱(即，沟道或尖峰，所述尖峰离开平坦轮廓并又回到平坦轮廓)。这提供了各种有益效果，包括体噪声抑制。

图4示出了具有单个折皱的本发明麦克风的示例。图4示出了膜10、穿孔背板11和衬底20。膜和背板在支撑边缘处以固定间距隔开，以及在膜和背板之间具有绝缘层22。

使电容式MEMS麦克风的膜和背板的边缘起皱。这些折皱24在膜和背板之间以固定间距平行。

图4示出了单个折皱，即由膜限定的声学输入表面的外围附近的单个“U”形沟道24。更多同心的折皱是可选的。

衬底20在输入表面下方具有开口26。

在麦克风膜层及呈现在麦克风膜外围区域的背板下方配置有另一绝缘层28。

在限定膜/背板/牺牲层叠层之前，通过单个工艺步骤以沟槽-蚀刻的形式形成平行折皱。

图5示出了在单个工艺中用于具有折皱的膜和背板的加工步骤。这是工艺的简化说明，用于电连接膜和背板的接触孔没有示出——而这些元件可由本领域技术人员常规地包括进来。类似地，省略了到衬底的接触孔。需要这些接触孔来限定衬底电势，以最小化膜与衬底之间的寄生电容。

图5A示出了双面抛光的减薄硅晶片20。

图5B示出了在将来麦克风的边缘上蚀刻出了圆形沟槽20a。仅示出了一个圆形物，但是设计可以包括多个同心的沟槽。沟槽可以具有50μm的深度(或在范围10到200μm的范围内)以及例如25μm(或在范围5到200μm的范围内)的较小宽度。因此，沟槽具有深度，使得产生的麦克风膜(所述膜与沟槽共形)优选地在沟槽位置形变。例如，优选地，沟槽深度是膜和背板中较厚者厚度的至少两倍。更优选地，沟槽深度是膜和背板中较厚者厚度的至少5倍，使得膜和背板的合成轮廓在沟槽位置弯曲以响应机械摆动源。

图5C示出了使膜与衬底电隔离而涂覆的均质氧化硅层28。其还被用作随后背侧蚀刻的蚀刻停止层。这可以例如是1μm的厚度。

图5D示出了所施加的膜10。该膜是典型厚度0.3μm的低应力多晶硅。较小的厚度将减少膜的质量以导致较高的麦克风谐振频率。

选择多晶硅是因为多晶硅与硅衬底相比，与温度的依存关系能更好的匹配。对于通过折皱的最佳机械退耦，热匹配也变得不太关键了。

图5E示出了通过生长TEOS而施加的牺牲层30，典型地在2μm到3μm之间。

图5F示出了所施加的背板11。图5G示出了背板的构图以形成期望的开口。一个示例是低应力多晶硅。背板可以与膜一样薄，但是稍微厚些将会呈现出一些额外的耐用性并允许用于软化的校正，所述软化可能在气孔蚀刻期间出现。机械仿真或计算被用于最佳体噪声去除。典型的厚度范围是0.5μm到5μm。

图5H示出了对衬底进行部分地蚀刻以通过沟道26到达膜/背板叠层。这个示例使用所谓的“正面开口”，原因在于当用作麦克风时，(衬底)的底部将变为声学入口。优选的工艺是深反应离子蚀刻(DRIE)以制造圆柱形正面开口。备选地，使用KOH或TMAH的各向异性蚀刻可以用于制造金字塔形正面开口。

最后，牺牲层蚀刻释放了所述膜，并去除了膜下面的氧化物。

该工艺通过单个深蚀刻步骤来限定膜与背板之间的折皱。

在可能的麦克风的弯曲的轮廓方面，使用折皱会带来额外的有益效果。

当在均匀的压力下的时候，在四个边缘处与衬底相连(被称作“鼓状”)的正方形扁平膜具有如图6所示的偏斜轮廓。偏斜集中在膜的中心，而在边缘处几乎没有任何的位移，尤其是在圆形偏斜轮廓的外侧。在这种情况下，因为在角落处没有偏斜，所以通过使用相同边缘长度的圆形膜不会丢失太多的信号。因此，具有这种类型的膜的麦克风通常使用圆形结构。这浪费了面积，因此可能浪费潜在的灵敏度，原因在于硅芯片是正方形的。

图7示出了当使用在边缘起皱的膜时，会存在更多有效的膜位移。这可以对于相同的最大位移产生高达50％的附加信号强度。

图7示出了针对非折皱(左图)膜和折皱膜(右图)的侧视偏斜轮廓。

与鼓状膜不同，现在有利地是使用如图8所示的正方形膜。也在角落中存在位移。这可以产生高达4/π-1＝27％的较大有效面积。

因此，对于起皱膜，当使用正方形膜时，在相同的硅芯片上可以获得更大的灵敏度。

到目前为止，将折皱示为具有平坦侧墙的“U”型沟道。但是，沟槽侧墙可以是波纹状的，这会影响形变特性。

在硅中制造沟槽的最普通的工艺是所谓的“博世工艺”。在图9中示出了侧视图。

图9A示出了第一阶段。其中，将掩模用于限定沟槽。将后续的各向同性蚀刻和钝化用于蚀刻穿过所述掩膜直到硅衬底。这种循环加工不可避免地会导致产生如左方所示的轻微的波纹墙。

图9B示出了在去除掩模之后的结构，并施加了均匀的氧化硅层。

在图9A和9B的右手侧，对蚀刻与钝化之间的比率进行选择，以使波纹变得非常深。深波纹给出了用于双起皱沟槽的具有增大的机械依赖性的衬底。这些可以被看作是次要折皱。

本发明可以实现膜中较低的参与横向应力，并因此提高灵敏度。显著提高了体噪声抑制。所述工艺由于可以自对准而给出了简单的可制造性。

术语“折皱”应该被理解为包括来自其它平坦轮廓的单个沟道或突起物。当然，可以提供多个这种沟道或突起物。

以上示例具有对膜开口的衬底沟道。但是，在具有背板面向衬底的设计中，可以获得与本发明相同的有益效果。存在利用这种结构的已知MEMS设计。因此，并非一定要按照在衬底上形成麦克风膜层、牺牲层及背板层的步骤顺序。类似地，在麦克风的“输入表面下方”的衬底开口可以是在膜侧或背板侧。

不同修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的。

Claims (15)

1.一种制造麦克风的方法，包括：

在衬底(20)中形成沟道结构(20a)，所述沟道结构位于麦克风区域的外围周围；

在衬底表面上方形成限定声学输入表面的麦克风膜层(10)、牺牲层(30)和背板层(11)；

对背板层(11)进行蚀刻以限定开口；以及

通过穿过背板开口蚀刻来去除牺牲层(30)，并且

去除在输入表面下方的衬底(20)的一部分(26)，

从而形成具有麦克风外围区域的麦克风结构，所述麦克风外围区域在膜(10)与背板层(11)中具有平行折皱(24)。

2.如权利要求1所述的方法，其中，在麦克风膜层的下方形成绝缘层(28)。

3.如权利要求2所述的方法，其中，当去除衬底的一部分(26)时，将绝缘层(28)用作蚀刻停止层。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，衬底(20)包括硅晶片。

5.如权利要求4所述的方法，其中，使用深反应离子蚀刻来去除硅衬底的一部分以形成沟道结构(20a)。

6.如权利要求4所述的方法，其中，通过一系列各向同性蚀刻和钝化步骤以形成波纹沟道侧墙来形成沟道结构(20a)。

7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，膜层(10)包括多晶硅。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，牺牲层(30)包括TEOS。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中，背板层(11)包括多晶硅。

10.一种麦克风，包括：

衬底(20)；

限定声学输入表面的麦克风膜(10)；

相对于膜在背板(11)和膜(10)之间以固定间距支撑的背板(11)，背板具有开口；

其中，衬底在输入表面的下方具有开口(26)，

以及，麦克风外围区域包括在膜(10)和背板(11)中具有固定间距的平行折皱(24)。

11.如权利要求10所述的麦克风，其中，背板的谐振频率与膜的谐振频率匹配。

12.如权利要求10或11所述的麦克风，其中，外围区域具有四边形的形状。

13.如权利要求10、11或12所述的麦克风，其中，在衬底上方提供膜(10)，在膜上方提供背板(11)，麦克风还包括在麦克风外围区域外侧的膜(10)和背板(11)下方的绝缘层。

14.如权利要求10至13中任一项所述的麦克风，其中，衬底(20)包括硅晶片，膜包括多晶硅，以及背板包括多晶硅。

15.如权利要求10至14中任一项所述的麦克风，其中，折皱的侧墙具有波纹表面。

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