CN102714772A - 具有微机械的麦克风结构的组件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于改进以牺牲层技术制造的麦克风组件的声学特性的措施。这样的组件(10)的微机械的麦克风结构以层结构实现并且包括至少一个可通过声压偏转的膜片以及一个用于所述膜片的、固定的、在声学上可透过的对应元件(12)，所述膜片以膜片层实现，所述对应元件以所述膜片层上方的厚的功能层实现并且设有用于声耦入的通孔(13)。根据本发明，用于声耦入的通孔(13)设置在所述膜片的中部区域上方，而在所述膜片的边缘区域上方结构化有所述对应元件(12)中的在声学上在最大程度上被动的穿孔(14)。

Description

具有微机械的麦克风结构的组件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有微机械的麦克风结构的组件，所述麦克风结构以层结构实现。麦克风结构包括至少一个可通过声压偏转的膜片和一个用于膜片的、固定的、在声学上可透过的对应元件，所述膜片以膜片层实现，所述对应元件以膜片层上方的厚的功能层实现并且设有用于声耦入的通孔。
此外，本发明涉及一种用于制造这样的微麦克风组件的方法。
背景技术
MEMS(Micro-Electro-Mechanical-System：微机电系统)麦克风在不同的应用领域中越来越重要。这首先归因于这种组件的微型化结构以及在非常低的制造成本的情况下集成其他功能性的可能性。MEMS麦克风的另一优点是其高的温度稳定性。
通常电容式地进行信号检测，其中，麦克风结构的膜片充当麦克风电容器的运动电极而固定的对应元件是相应的对应电极的载体。当膜片由于声压偏转时，膜片与对应电极之间的距离变化，这随后作为麦克风电容器的电容改变被检测。
借助表面微机械和体积微机械的方法并且在使用牺牲层蚀刻过程的情况下可以实现具有非常小的芯片面积的微麦克风组件。在此，根据实践中已知的方法，对应元件中的声开口用作牺牲层蚀刻过程的蚀刻通道，在所述牺牲层蚀刻过程中膜片被露出。在所述方法中，麦克风结构的布局和尤其是膜片的布局不仅由所追求的麦克风特性确定，而且也主要取决于牺牲层蚀刻过程的可能性和特性，例如蚀刻持续时间、蚀刻过程的各向同性和掏蚀宽度的边界和偏差。由于所述布局，如此制造的MEMS麦克风的声学特性也受到限制。
在已知的麦克风组件中，用作蚀刻通道的声开口与膜片边缘之间的横向距离由牺牲层蚀刻过程的掏蚀宽度限定。所述距离确定了声学短路的大小，即通过膜片前侧与膜片背侧之间的直接压力平衡减小了麦克风膜片的声吸收。声开口与膜片边缘之间的横向距离越大，声学短路对信号品质的影响就越小并且麦克风组件的信噪比(SNR)就越好。
发明内容
借助本发明提出了用于改进以牺牲层技术制造的麦克风组件的声学特性的措施。
在开头所述类型的组件中，根据本发明通过如下方式实现这样的改进：用于声导入的通孔设置在膜片的中间区域上方，并且在膜片的边缘区域上方结构化有对应元件中的在声学上几乎不可透过的并且由此在最大程度上在声学上被动的穿孔。
本发明从如下认识出发：尽可能地将声加载限制在麦克风膜片的中部区域中，以便使声学短路的长度最大化并且使其对麦克风膜片的声吸收的影响保持尽可能低。因此，根据本发明提出：在对应元件中仅仅在膜片的中部区域上方设有用于声导入的通孔、即声开口。此外，根据本发明已经认识到在穿孔厚度保持不变的情况下其对于声波的可透过性随着穿孔的直径减小。因为牺牲层蚀刻时的蚀刻侵蚀也可以通过非常小的穿孔进行，所以根据本发明在对应元件中在膜片的边缘区域上方(即在最外部的声开口与膜片边缘之间)结构化这样的在声学上极大地过衰减并且因此惰性的穿孔。由此，可以与牺牲层蚀刻过程的掏蚀宽度无关地显著延长声学短路的路径。此外，相对于完全封闭的对应元件，设置在麦克风膜片的边缘区域上方的、非常小的穿孔减小了麦克风膜片的衰减，因为其减小间隙中的挤压膜衰减。为此，穿孔可以同样良好地点状地以及隙缝状地形成，以及直线地、弯曲地或弯折地实施。
如已经提到的那样，位于麦克风膜片的边缘区域上方、对应元件中的穿孔用作以上所述的根据本发明的麦克风组件的制造的范畴中牺牲层蚀刻时的蚀刻通道。相应地，在这里也要求保护一种用于制造这种组件的方法，在所述方法中通过结构化层结构的膜片层来构造膜片，在膜片层上施加至少一个牺牲层以及在牺牲层上产生厚的功能层，从所述功能层中结构化出用于膜片的、固定的对应元件。根据本发明，在结构化厚的功能层时在膜片的中部区域上方产生具有适于声导入的大小的通孔，而在膜片的边缘区域上方作为通孔产生在声学上在最大程度上被动的穿孔。随后在接下来的牺牲层蚀刻过程中消除膜片与对应元件之间的牺牲层材料，其中，不仅通过用于声耦入的通孔而且通过对应元件中的在声学上被动的穿孔来进行蚀刻侵蚀。
为了在同时确保制造安全性的情况下优化声学短路，穿孔设置成与蚀刻介质的掏蚀宽度协调一致的格栅，即从而在蚀刻侵蚀时通过穿孔完全去除对应元件与膜片的边缘区域之间的牺牲层材料。
为了确保膜片的边缘区域上方的穿孔实际上在声学上极大地过衰减或者甚至是完全惰性的，可以在消除牺牲层材料之后通过在经结构化的厚的功能层上沉积密封层来有针对性地缩窄或封闭穿孔。所述方法提供了以下可能性：扩展了密封层的层厚度地构造仅仅用于制造方法的范畴中的蚀刻侵蚀的穿孔，以便有利于消除牺牲层材料。
附图说明
如以上已经阐述的那样，存在不同的可能性来通过有利方式构造和扩展本发明的教导。为此，一方面参照后面的权利要求而另一方面参照本发明的实施例的借助附图的以下描述。
图1示出根据本发明的麦克风组件的设有通孔的对应元件的示意性俯视图，以及
图2a至2c示出封闭穿孔期间根据本发明的麦克风组件的层结构的示意性剖视图。
具体实施方式
如以上所述，本发明涉及具有微机械的麦克风结构的组件，所述麦克风结构以层结构实现。所述麦克风结构包括至少一个膜片和一个用于膜片的、固定的、声可透过的对应元件，所述膜片以层结构的膜片层构造，所述对应元件以膜片层上方的厚的功能层实现。通过对应元件中的声开口以声压加载所述膜片。
在图1中示出了这种麦克风组件10或者其对应元件12的俯视图，更确切地说，侧向膜片边缘上方的区域直至膜片的中部区域的俯视图。膜片在所示部分中覆盖对应元件12。图1示出：仅仅在膜片的中部区域上方在对应元件12中构造有声开口13，而对应元件12在膜片的边缘区域上方仅仅设有一些穿孔14。这些穿孔14比声开口13小得多并且如此小，使得其在声学上严重过衰减并且由此在声学上几乎是不可透过的。不仅声开口13而且穿孔14在制造方法的范畴中充当牺牲层蚀刻过程的蚀刻通道，在所述牺牲层蚀刻过程中消除膜片层与对应元件12之间的牺牲层材料，以便露出膜片。在图1中对于每个声开口13和每个穿孔14以圆15或者16的形式绘出了所述蚀刻过程的掏蚀宽度。圆15的重叠程度表明：声开口13的格栅布置比对应元件12的完全掏蚀所需的格栅布置更密；声开口13的布置首先考虑声学考虑。与此不同，如此选择穿孔14的格栅，使得圆16尽管完全覆盖膜片的边缘区域，但圆16的重叠程度相对较小并且是均匀分布的。穿孔14的格栅在此在对应元件12的完全掏蚀方面最优化。
为了比较，在图1中特别强调了最外部的声开口13的掏蚀宽度(通过箭头17表示)以及最外部的声开口13与膜片边缘11之间的距离(通过箭头18给出)。这两个参量的比较表明：与在仅仅使用声开口13作为牺牲层蚀刻过程中的蚀刻通道时相比，借助于穿孔14实现了最外部的声开口13与膜片边缘11之间的大得多的距离。
因为最外部的声开口与膜片边缘之间的距离越小则声学短路对麦克风信号的影响就越大，所以增大了牺牲层蚀刻过程中的所述距离的穿孔14有助于麦克风组件10的声学特性的改进。此外，膜片的边缘区域上方的穿孔14减小了麦克风膜片的衰减，这同样有利于麦克风组件的声学特性。
为了实现在这里阐述的本发明，根据所追求的麦克风组件的声学特性在膜片边沿与对应元件中的声开口之间产生具有小的直径的、在声学上被动的蚀刻通道的系列或区域。这些穿孔的数量、大小和布置在此不仅取决于关于声学特性、机械特性和电学特性(如衰减、灵敏度、信噪比)而且取决于制造过程中的结构化可能性。在此，必须在一方面大的穿孔(这与麦克风膜片的低衰减相关联)与另一方面具有高声阻的穿孔结构之间实现折衷，由此提高麦克风结构的电敏感度并且减小声学短路的噪声。
根据本发明，穿孔必须满足两个标准。一方面，其必须足够大，以便可以充当用于牺牲层蚀刻过程的蚀刻通道。另一方面，其必须如此小，使得其在声学上是尽可能不可透过的。为了满足所述看似矛盾的要求，在牺牲层蚀刻过程之后可以借助于封闭层来缩窄或者甚至完全封闭穿孔。通过图2a至2c示出为此所需的工序。
在图2a中示出了麦克风组件20的层结构的上部，所述麦克风组件具有膜片21和膜片边缘的区域中的对应元件22，膜片21与对应元件22之间的牺牲层材料在牺牲层蚀刻过程中已经去除。在此通过对应元件中的通孔23和24进行蚀刻侵蚀。设置在膜片21的中部区域上的穿孔23设置为声开口，而膜片21的边缘区域中的通孔24以具有非常小的横截面的穿孔的形式实现。
在牺牲层蚀刻过程之后，在部件表面上沉积密封层25(例如PECVD氧化物)。所述密封层25的材料在此通过通孔23和24也积聚在膜片21上和开口壁上。通过封闭层25仅仅缩窄声开口23，而在此完全封闭较小的穿孔24，这在图2b中示出。
在另一短的气相蚀刻步骤中，最终又大面积地从对应元件22以及从膜片21去除密封层25。图2c示出在此也已经从声开口23的壁去除密封层25的材料，而具有小的直径的、完全密封的穿孔24保持封闭或者至少极大地缩窄。这归因于用于对应元件22的前侧和背侧的蚀刻过程的极大减小的侵蚀面积。

Claims (6)

1.具有微机械的麦克风结构的组件(10)，所述麦克风结构以层结构实现，所述组件至少包括：
可通过声压偏转的膜片，其以膜片层实现，和
用于所述膜片的、固定的、在声学上可透过的对应元件(12)，其以所述膜片层上方的厚的功能层实现并且设有用于声耦入的通孔(13)；
其特征在于，用于声耦入的所述通孔(13)设置在所述膜片的中部区域上方，并且在所述膜片的边缘区域上方结构化有所述对应元件(12)中的在声学上在最大程度上被动的穿孔(14)。
2.根据权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述穿孔(24)通过至少一个施加在所述厚的功能层上的密封层(25)的材料缩窄。
3.根据权利要求1所述的组件(20)，其特征在于，所述穿孔(24)通过至少一个施加在所述厚的功能层上的密封层(25)的材料封闭。
4.用于制造具有微机械的麦克风结构的组件(10)、尤其是用于制造根据权利要求1至3中任一项所述的组件的方法，所述麦克风结构以层结构实现，在所述方法中
通过膜片层的结构化来构造膜片，
在所述膜片层上施加至少一个牺牲层，
在所述牺牲层上产生以及结构化厚的功能层，其中，构造用于所述膜片的、固定的对应元件(12)以及设置通孔(13)，以及
在牺牲层蚀刻过程中消除所述膜片与所述对应元件(12)之间的牺牲层材料，其中，通过所述对应元件中的所述通孔(13)进行蚀刻侵蚀，
其特征在于，在结构化所述厚的功能层时在所述膜片的中部区域上方产生具有适于声导入的大小的通孔(13)，以及在所述膜片的边缘区域上方作为通孔产生在声学上在最大程度上被动的穿孔(14)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，将所述穿孔(14)设置成格栅，所述格栅与蚀刻介质的掏蚀宽度协调一致。
6.根据权利要求3或4中任一项所述的方法，其特征在于，在消除所述牺牲层材料之后通过在经结构化的、厚的功能层上沉积密封层(25)来有针对性地缩窄或者封闭所述穿孔(24)。
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