CN102474693B - 具有微机械的麦克风结构的构件以及制造这种构件的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一些措施，通过所述措施以简单的方式改进了具有实现为衬底(1)上方的层结构(20)的微机械的麦克风结构的构件(10)的声学特性并且也简化了制造方法。这种构件(10)的麦克风结构包括：可通过声压偏转的膜片(11)，所述膜片覆盖所述构件背侧中的、用作背侧容积的空腔(13)；固定的、可透声的配合元件(12)，所述配合元件设置在所述膜片(11)上方。根据本发明，所述层结构(20)在所述膜片(11)与所述衬底(1)之间包括镶边层(3)，在所述镶边层(3)中构造有声学透明的孔隙(4)。所述膜片(11)通过所述孔隙与所述背侧容积(13)衔接，并且所述背侧容积(13)在所述镶边层(3)下方在侧向上延伸超过所述孔隙(4)。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有微机械的麦克风结构的构件，所述麦克风结构实现为衬底上方的层结构。麦克风结构包括：可通过声压偏转的膜片，所述膜片覆盖构件背侧中的用作背侧容积的空腔，以及固定的可透声的配合元件，所述配合元件设置在所述膜片上方。
此外，本发明涉及一种制造这种构件的方法。
背景技术
其有效麦克风结构构造为衬底上的层结构的MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System：微机电系统)在实践中是已知的。在此，通常以声学有效膜片与在很大程度上刚性的配合元件之间的电容变化的形式来检测声压。在此，麦克风信号的品质主要取决于背侧容积相对于膜片的大小和布置。当在膜片的边缘区域中构造有旁通开口或者也构造有接片状的弹簧元件作为膜片悬置部时，膜片与背侧容积之间的连接开口应尽可能仅仅在膜片的闭合的中间区域上方延伸，以便避免声学短路。另一方面，麦克风信号的衰减主要取决于连接开口和背侧容积的尺寸，从而它们必须具有最小尺寸，以便实现确定的麦克风敏感度。
已知的是，为了实现背侧容积，在背侧蚀刻工艺中蚀刻穿透衬底直至有效麦克风结构。随后通过将构件安装在支承件上——例如印刷电路板上或者壳体中使背侧容积封闭。
所述变型方案在许多方面证实是有问题的。背侧蚀刻工艺必须非常精确地与衬底前侧上的麦克风结构的布置、尺寸和构造相协调。背侧蚀刻工艺的蚀刻前端应非常精确地碰到麦克风结构的闭合的膜片面，以便实现尽可能高的麦克风敏感度。这要求背侧蚀刻掩膜片相对于衬底前侧上的麦克风结构的非常费事并且精确的调节。此外，对于背侧蚀刻工艺，仅仅可以选择产生非常精确的蚀刻掩膜片图像的蚀刻工艺。然而，这些工艺通常具有较低的蚀刻率。因此，用于开始所述类型的构件的已知制造工艺相对易产生误差并且费时。
发明内容
通过本发明提出了一些措施，通过这些措施以简单的方式改进了具有微机械的麦克风结构的构件的声学特性并且也简化了制造方法。
为此，根据本发明的构件的层结构在膜片与衬底之间包括至少一个镶边层，在所述镶边层中构造有声学透明的孔隙。膜片通过所述孔隙与背侧容积衔接，所述背侧容积根据本发明在镶边层下方在侧向上延伸直至超过孔隙。
随后，根据本发明提出了与衬底的背侧结构化无关地确定有效麦克风面至背侧容积的连接开口，更确切地说，以层结构的附加的镶边层中的孔隙的形式。镶边层与孔隙一起形成一种用于膜片面的镶边并且能够实现与有效膜片面相比更大的背侧容积。根据本发明的构件的背侧容积在镶边层下方在侧向上延伸超过孔隙并且如此也可以延伸超过有效膜片面。镶边层在此情形中防止通过膜片的边缘区域中的可能的开口出现声学短路。
根据本发明，具有孔隙的镶边层是衬底上方的层结构的组成部分。因此，在前侧工艺中产生镶边层以及麦克风结构。由于层厚度小得多，与在衬底中相比，可以在镶边层中产生简单得多的通孔，其具有确定的大小和形状。此外，孔隙可以非常简单精确地定位在有效膜片面下方，因为麦克风结构直接在镶边层上方实现为层结构。不仅孔隙的确定而且麦克风结构的构造都借助于可以良好地彼此协调的表面微机械工艺来实现。
如已经提到的那样，在微机械的麦克风结构的膜片的边缘区域中可以构造一些开口，这些开口能够作为旁通开口实现封闭的背侧容积与声学有效膜片的前侧之间的压力均衡，或者也是弹簧悬置部的一部分，通过所述弹簧悬置部提高膜片的灵敏度。在此情形中，镶边层中的声学透明的孔隙有利地仅仅在膜片的闭合的中间区域上方延伸。由此避免了边缘区域中的声学短路。
在最简单的情况下，根据本发明的构件的声学透明的孔隙是镶边层中的连通的开口。但孔隙也可以被构造为镶边层中的格栅结构或孔结构。所述变型方案证实尤其在以下情况下是有利的：膜片用作可偏转的电极，固定的可透声的配合元件包括至少一个反电极并且设有用于在膜片与反电极之间施加充电电压的装置。在所述情形中，镶边层中的格栅结构或孔结构可以用作补偿电极。
借助于在反电极与补偿电极之间施加的补偿电压可以以两种在测量技术上不同的类型来实现根据本发明的构件的麦克风功能，二者确保了高测量灵敏度和低易受干扰性。
在第一运行变型方案中，根据测量电容的充电电压来选择反电极与补偿电极之间的补偿电压，更确切地说，如此选择所述补偿电压，使得膜片与反电极之间通过充电电压产生的电吸引通过补偿电压来均衡。由此，可运动的膜片位于几乎无电势的空间中，在所述空间中没有静电力作用到膜片上并且膜片偏转仅仅由声压引起。因此，在此在电极距离较小的情况下测量电容的充电电压也可以相对较高，以便获得膜片与反电极之间的电压变化形式的高测量信号。在此无需担心麦克风结构的由静电决定的塌陷。
与此不同，在第二有利的运行变型方案中如此调节补偿电压，使得可运动的膜片即使在声作用下也被尽可能地保持在其静止位置中。在此情形中，反电极与膜片之间的由于声压而随着电极距离变化的电压用作补偿电压调节的调节参量。在此，补偿电压用作麦克风信号。在所述变型方案中也可以在电极距离相对较小的情况下以相对较高的充电电压工作。此外，其证实相对于电磁干扰信号是特别不敏感的。
如已经提到的那样，在前侧工艺中产生根据本发明的构件的镶边层以及麦克风结构。根据本发明，也从层结构的前侧开始进行镶边层中的孔隙的确定。因此，可以非常精确地预给定孔隙的位置、形状和大小。因为不通过背侧蚀刻工艺来确定孔隙，所以背侧蚀刻工艺关于声学有效膜片面的调节相对不关键。对于背侧的结构化，现在也可以使用具有相对较低的成像精度的工艺，但所述工艺的特征在于高蚀刻率。也可以使用严重散射的蚀刻工艺，其产生具有负边沿陡度的凹槽。由此，可以显著地缩短背侧蚀刻工艺。此外，可以使用较厚的晶片作为构件衬底，以便产生所需的背侧容积。这主要有助于麦克风构件的微型化。
对于镶边层中的孔隙的确定，提出两种不同的方法变型方案。
根据一种要求保护的方法变型方案，在起始衬底的前侧上施加和结构化电绝缘的第一牺牲层，其中，在随后在第一牺牲层上方产生的镶边层中确定孔隙的位置、几何形状和尺寸。随后在如此结构化的第一牺牲层上施加镶边层。在其上方实现层结构的其中构造有膜片和麦克风结构的固定的可透声的配合元件的部分。为了实现背侧容积，在随后的背侧蚀刻工艺中在衬底的背侧中开设空腔。在此，在整个厚度上蚀刻穿透衬底直至第一牺牲层。在孔隙的不受第一牺牲层保护的区域中，也蚀刻穿透所述镶边层。随后才通过牺牲层蚀刻使真正的麦克风结构露出。
如果背侧蚀刻工艺的最后蚀刻阶段各向异性地进行，则有利地应用所述方法变型方案。由此确保：即使镶边层相对较厚，在第一牺牲层中确定的孔隙也完全过渡到镶边层上。镶边层的结构化不造成层结构的前侧上的额外形貌，因为在此在背侧蚀刻工艺中来结构化镶边层。
根据另一种要求保护的方法变型方案，在衬底表面上施加电绝缘的第一牺牲层。但所述第一牺牲层在孔隙的区域中不被结构化。替代地，施加在第一牺牲层上的镶边层被结构化。在此，产生具有确定的位置、几何形状和确定的尺寸的孔隙。在所述孔隙上方又实现层结构的其中构造膜片和固定的可透声的配合元件的部分。随后，在衬底的背侧中开设空腔，其中，第一牺牲层用作蚀刻停止边界。在此才使镶边层中的孔隙与麦克风结构一起通过牺牲层蚀刻露出。
在应产生特别大的背侧容积时有利地应用所述方法变型方案。由于在孔隙的区域中闭合的第一牺牲层以及镶边层中的已经结构化的孔隙，对于背侧工艺也可以使用各向同性的蚀刻方法。
在一个特别有利的方法变型方案中，通过各向异性的蚀刻步骤和随后的各向同性的蚀刻步骤的组合在衬底的背侧中开设空腔。在此，衬底背侧被掏空，并且留出用于构件安装的、相对较大的背侧面。
附图说明
如已阐述的那样，存在有利地构造和改进本发明的教导的不同可行方案。为此，一方面参照从属于独立权利要求的权利要求而另一方面参照随后借助附图的本发明两个实施例的描述。
图1示出根据本发明的具有微机械的麦克风结构的构件10的示意性剖面图，
图2a至2d借助示意性剖面图说明用于制造构件10的各方法步骤，以及
图3示出另一根据本发明的构件在露出微机械的麦克风结构之前层结构30的示意性剖面图。
具体实施方式
在图1中示出的构件10包括微机械的麦克风结构，其被构造为衬底1上方的层结构20。所述麦克风结构基本上由可通过声压偏转的膜片11和固定的、可透声的配合元件12组成，所述配合元件12设置在膜片11上方。膜片11覆盖构造在构件背侧中的空腔13。
根据本发明，层结构20在膜片11与衬底1之间包括镶边层3，在所述镶边层3中构造有一个声学透明的孔隙4。在这里示出的实施例中，孔隙4实现为镶边层3中的连通的开口的形式。膜片11通过所述孔隙4与空腔13衔接，所述空腔13形成麦克风结构的背侧容积。孔隙4的位置、形状和大小在此精确地与膜片11的声学有效区域的位置和几何形状相协调，这通过双箭头9表示。与此不同，背侧容积在镶边层3下方在侧向上延伸直至超过孔隙4并且由此也超过膜片11的声学有效区域。
旁通开口14位于膜片11的边缘区域中，通过所述旁通开口14实现了背侧容积13与膜片11的前侧之间的压力均衡。旁通开口14例如可以实现为膜片悬置部的弹簧元件之间的间隙。为了避免通过所述旁通开口14的声学短路，镶边层3中的孔隙4仅仅在膜片11的声学有效的、闭合的中间区域上方延伸。
在这里示出的实施例中，配合元件12比膜片11厚得多并且由此基本上是刚性的。此外，配合元件12具有格栅结构，所述格栅结构具有通孔15，使得在膜片11的闭合的中间区域上方是可透声的。
膜片11通过绝缘层5和6一方面相对于镶边层3电绝缘而另一方面相对于配合元件12电绝缘。不仅膜片11而且配合元件12至少局部地由导电材料构成，例如相应掺杂的多晶硅。在此，在层结构中设置在膜片11上方的配合元件12包括用于膜片11的反电极，所述膜片11用作可偏转的电极。它们一起形成测量电容，所述测量电容借助于在这里未示出的用于施加充电电压的装置来充电。可以作为电容变化或者在测量电容上量取的电压的波动来检测膜片11的偏转。
以下借助图2a至2d来阐述在图1中示出的构件10的制造。
制造方法从衬底1——例如硅晶片开始，在所述衬底上首先沉积和结构化第一牺牲层2。在此，在牺牲层2中产生开口21，所述开口的位置、形状和大小相应于随后待施加的镶边层中的孔隙。在图2a中示出了具有经结构化的牺牲层2的衬底1。典型地，第一牺牲层以及其他牺牲层的牺牲层材料是热氧化物或TEOS氧化物，其在构件10的范畴内也形成各层区域的电绝缘。
图2b示出在施加镶边层3之后的层结构，所述镶边层在开口21的区域中直接生长在衬底表面上。镶边层3是多晶硅层或Epi多晶硅层，其典型地比衬底1薄得多。
现在，在镶边层3上方产生和结构化麦克风结构的层。为此，首先在镶边层3上施加和结构化电绝缘的第二牺牲层5，随后在第二牺牲层5上方产生和结构化至少局部导电的膜片层7。膜片层7例如可以是掺杂的多晶硅层，在所述多晶硅层中实现了用于膜片11的弹簧悬置部，以便有利于膜片偏转并且提高麦克风灵敏度。在膜片层7上施加和结构化第三牺牲层6。第三牺牲层6一方面确保了膜片层7相对于随后施加在第三牺牲层6上的厚的导电层8的电绝缘，所述导电层8例如是厚的Epi多晶硅层。另一方面，第三牺牲层6确定了膜片11与配合元件12之间的距离，所述配合元件在前侧沟槽工艺中由厚的导电层8构造出并且设有通孔15。在此，第三牺牲层6用作停止层。在图2c中示出了所述工序的结果。
随后才在衬底1的背侧中开设空腔13，这通过图2d来说明。为此，在这里描述的实施例中使用在很大程度上各向异性的蚀刻工艺，其产生具有负的边沿陡度(Flankensteilheit)的凹槽。在所述蚀刻工艺中，去除膜片11的闭合的中间区域下方的区域中的衬底材料以及镶边层3的与其紧邻的材料，由此形成孔隙4。第一牺牲层2在空腔13的边缘区域中用作蚀刻停止层，如孔隙4的区域中的第二牺牲层5那样。
最后，去除膜片区域中的第二和第三牺牲层5、6的材料，以便使导电层8中的配合元件12与镶边层3中的孔隙4之间的膜片层7中的膜片11露出。作为所述牺牲层蚀刻的结果得到构件10，如其在图1中示出的那样。
在图3中示出的层结构30说明了一种制造变型方案，其同样从衬底1出发。在此也首先在衬底表面上施加第一牺牲层2。与结合图2a至2d描述的方法变型方案不同，不对所述牺牲层2进行结构化。随后，在第一牺牲层2上沉积和结构化镶边层3，其中，产生具有良好确定的位置、形状和大小的孔隙4。
如在根据图2a至2d的方法变型方案中那样，现在在经结构化的镶边层3上方产生和结构化麦克风结构的层。为此首先在镶边层3上施加和结构化电绝缘的第二牺牲层5，其中，孔隙4嵌入到牺牲层材料中。随后，在第二牺牲层2上方产生和结构化至少局部导电的膜片层7。在此构造的膜片11的声学有效中间区域恰好设置在镶边层3中的孔隙4上方。现在在膜片层7上施加和结构化第三牺牲层6，在所述第三牺牲层上随后生长厚的、导电的层8。在前侧沟槽工艺中，由所述层8构造出具有通孔15的配合元件12。
随后才在衬底1的背侧16中开设空腔13，其方式是，去除衬底材料直至第一牺牲层2。在这里描述的实施例中，以各向异性的蚀刻工艺打开衬底背侧16。在此，形成空腔13的背侧的相对较小的开口17。随后以各向同性蚀刻工艺继续背侧加工，借助于所述各向同性蚀刻工艺掏蚀衬底背侧16以及镶边层3中的孔隙4的边缘，使得空腔容积与背侧开口17相比以及与孔隙4相比更大。图3示出在牺牲层蚀刻工艺中使膜片11和孔隙4露出之前的构件结构，其中，去除膜片区域中的第一牺牲层2、第二牺牲层5和第三牺牲层6的材料。
结合图3描述的方法变型方案允许制造特别小的构件，其由于镶边层中的孔隙的侧向掏蚀而具有相对较大的背侧容积。此外，这些构件还由于衬底背侧的侧向掏蚀而具有相对较大的安装面，用于将构件固定在支承件上或者壳体中。
Claims (11)
1.具有微机械的麦克风结构的构件(10)，所述麦克风结构实现为衬底(1)上方的层结构(20)，其中，所述麦克风结构至少包括：
可通过声压偏转的膜片(11)，所述膜片覆盖所述构件背侧中的、用作背侧容积的空腔(13)，和
固定的、可透声的配合元件(12)，所述配合元件设置在所述膜片(11)上方；
其中，
所述层结构(20)在所述膜片(11)与所述衬底(1)之间包括至少一个镶边层(3)，并且
在所述镶边层(3)中构造有声学透明的孔隙(4)，所述膜片(11)通过所述孔隙与所述背侧容积(13)衔接，并且
所述背侧容积(13)在所述镶边层(3)下方在侧向上延伸超过所述孔隙(4)，
其特征在于，所述孔隙(4)具有侧向掏蚀，通过所述侧向掏蚀，所述背侧容积(13)在侧向上延伸超过有效的膜片面。
2.根据权利要求1所述的构件(10)，其特征在于，所述膜片(11)设置在配合元件(12)与孔隙(4)之间，其中，所述膜片相对于所述配合元件和包含所述孔隙的镶边层(3)是电绝缘的。
3.根据以上权利要求中任一项所述的构件(10)，其特征在于，在所述膜片(11)的边缘区域中构造有膜片悬置部和/或旁通开口(14)，并且所述镶边层(3)中的声学透明的孔隙(4)仅仅在所述膜片(11)的闭合的中间区域上方延伸。
4.根据权利要求1或2所述的构件(10)，其特征在于，声学透明的所述孔隙(4)被构造为所述镶边层(3)中的连通的开口。
5.根据权利要求1或2所述的构件，其特征在于，声学透明的所述孔隙被构造为所述镶边层中的格栅结构或孔结构。
6.根据权利要求5所述的构件，其中，所述膜片用作可偏转的电极，所述固定的、可透声的配合元件包括至少一个反电极，并且设有用于在所述膜片与所述反电极之间施加充电电压的装置，其特征在于，所述镶边层中的格栅结构或孔结构用作补偿电极，并且设有用于在所述反电极与所述补偿电极之间施加补偿电压的装置。
7.用于制造具有微机械的麦克风结构的构件的方法，尤其是用于制造根据权利要求1至6中任一项所述的构件(10)的方法，其中，膜片(11)和固定的、可透声的配合元件(12)实现为衬底(1)上方的层结构(20)，其中，
在前侧工艺中，确定衬底表面与膜片层(7)之间的镶边层(3)中的声学透明的孔隙(4)的位置、形状和尺寸，
在所述镶边层(3)上方构造所述层结构(20)中的所述膜片(11)和所述配合元件(12)，以及
在所述衬底(1)的背侧中开设空腔(13)，以及通过露出所述镶边层(3)中的所述孔隙(4)使所述空腔与所述麦克风结构衔接，
其特征在于，
侧向掏蚀所述孔隙(4)，使得所述背侧容积(13)在侧向上超过有效的膜片面。
8.根据权利要求7所述的方法，其中
在所述衬底表面上施加和结构化至少一个电绝缘的第一牺牲层(2)，其中，确定随后在所述第一牺牲层(2)上方产生的至少一个镶边层(3)中的孔隙(4)的位置、几何形状和尺寸，
在经结构化的第一牺牲层(2)上产生所述至少一个镶边层(3)，
在所述镶边层(3)上施加和结构化至少一个电绝缘的第二牺牲层(5)，
在所述第二牺牲层(5)上方产生和结构化至少局部导电的膜片层(7)，
在所述膜片层(7)上方施加和结构化至少一个电绝缘的第三牺牲层(6)，
在所述第三牺牲层(6)上方产生至少局部导电的层(8)，以实现所述固定的配合元件(12)，
在前侧沟槽工艺中结构化所述导电的层(8)，其中，所述第三牺牲层(6)用作停止层，
为了实现背侧容积，在所述衬底(1)的背侧中开设空腔(13)，其中，所述第一牺牲层(2)在所述空腔(13)的边缘区域中以及所述第二牺牲层(5)在所述孔隙(4)的区域中用作停止层，以及
至少去除膜片区域中的所述第二牺牲层和所述第三牺牲层(5，6)，以便露出所述导电的层(8)中的配合元件(12)和所述镶边层(3)中的孔隙(4)之间的所述膜片层(7)中的膜片(11)。
9.根据权利要求7所述的方法，其中，
在所述衬底表面上施加至少一个电绝缘的第一牺牲层(2)，
在所述第一牺牲层(2)上产生和结构化所述至少一个镶边层(3)，其中，产生具有确定的位置、几何形状和确定的尺寸的孔隙(4)，
在所述镶边层(3)上施加和结构化至少一个电绝缘的第二牺牲层(5)，
在所述第二牺牲层(5)上方产生和结构化至少局部导电的膜片层(7)，
在所述膜片层(7)上方施加和结构化至少一个电绝缘的第三牺牲层(6)，
在所述第三牺牲层(6)上方产生至少局部导电的层(8)，以实现所述固定的配合元件(12)，
在前侧沟槽工艺中结构化所述导电的层(8)，其中，所述第三牺牲层(6)用作停止层，
为了实现背侧容积，在所述衬底(1)的背侧中开设空腔(13)，其中，所述第一牺牲层(2)用作蚀刻停止边界，
去除膜片区域中和所述孔隙(4)的区域中的第一牺牲层、第二牺牲层和第三牺牲层(2，5，6)，以便露出所述导电的层(8)中的配合元件(12)和所述镶边层(3)中的孔隙(4)之间的膜片层(7)中的膜片(11)。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的方法，其特征在于，通过各向异性的蚀刻步骤和随后的各向同性的蚀刻步骤的组合在所述衬底的背侧中开设所述空腔。
11.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，使用硅衬底作为衬底，由热氧化物或TEOS氧化物形成所述第一牺牲层，并且使用多晶硅层或Epi多晶硅层作为镶边层。
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