CN102740200B - 具有带锥形表面的薄膜支撑的微机械声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种具有带锥形表面的薄膜支撑的微机械声换能器，还公开一种用于制造微机械声换能器的方法，该方法包括在衬底装置的第一主表面上顺序沉积分别具有第一蚀刻率和较低的第二蚀刻率的第一和第二薄膜支撑材料层。接着沉积薄膜材料层。从衬底装置的与薄膜支撑材料和薄膜材料相对的一侧形成衬底装置中的凹腔，至少直到该凹腔延伸至第一薄膜支撑材料层。通过位于凹腔的延伸部分中的至少一个第一区和环绕该第一区的第二区中的凹腔，通过施加蚀刻剂来蚀刻第一和第二薄膜支撑材料层。该蚀刻在第二区中形成第二薄膜支撑材料层上的锥形表面。继续蚀刻，至少直到从第一区中去除第二薄膜支撑材料层，以露出薄膜材料层。
Description
技术领域
根据本发明的一些实施方式涉及一种用于制造微机械声换能器的方法。根据本发明的一些实施方式涉及一种微机械声换能器。
背景技术
当今制造且使用的大量电子设备支持捕捉声音信号和/或再现声音信号的能力。其中，两个目标促进了电子设备领域中正在进行的深入研究，即进一步小型化和提高效率以延长电池寿命。电子设备的声音子系统通常需要满足一定规格，这些规格主要由被捕捉和/或再现的声音信号的物理特性(例如频率范围和声压级(SPL))预先确定。基于微机械结构的声换能器能够提供期望的关于小型化和提高效率的特性。一些解决方案提出在硅制成的微机械薄膜上使用压电或铁电材料。由于压电或铁电材料，通常需要将新材料系统整合在用于制造这种微机械扬声器的半导体制造过程中。相对照，由于所接收的声音信号或电输入信号，基于电容检测/产生薄膜偏斜的声换能器通常可以利用常规半导体制造工艺可用的或与之兼容的材料分别构造。
发明内容
根据本发明的一些实施方式，提供一种用于制造微机械声换能器的方法，该方法包括：在衬底装置的第一主表面上沉积第一薄膜支撑材料层；在第一薄膜支撑材料层的主表面上沉积第二薄膜支撑材料层；在第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层；在衬底装置中形成凹腔；借助于通过凹腔施加特定蚀刻剂而蚀刻第一薄膜支撑材料层和第二薄膜支撑材料层；以及继续蚀刻，至少直到去除第一区中的第二薄膜支撑材料层，以露出薄膜材料层。第一薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有或呈现出第一蚀刻率。第二薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有或呈现出低于第一蚀刻率的第二蚀刻率。衬底装置中的凹腔从衬底装置的与第一薄膜支撑材料层、第二薄膜支撑材料层和薄膜材料层相对的一侧形成。在完成形成凹腔的操作之后，使凹腔至少延伸至第一薄膜支撑材料层。第一薄膜支撑材料层和第二薄膜支撑材料层的蚀刻发生在至少一个第一区中，其中该第一区沿着基本垂直于衬底装置的第一主表面的方向位于凹腔的延伸部分中。还发生在环绕第一区的第二区中，其中，蚀刻在第二区中形成第二薄膜支撑材料层上的锥形表面。该锥形表面由于第一蚀刻率与第二蚀刻率之间的差异而产生。
在根据此处公开教导的另一实施方式中，一种用于制造微机械声换能器的方法包括：在衬底装置的第一主表面上沉积第三薄膜支撑材料层；在第三薄膜支撑材料层的主表面上沉积辅助材料层；部分地掩盖辅助材料层的主表面；通过施加特定蚀刻剂，蚀刻至少一个第一区中以及环绕该至少一个第一区的第二区中的辅助材料层和第三薄膜支撑材料层；继续蚀刻，至少直到去除该至少一个第一区中的第三薄膜支撑材料层，以露出该至少一个第一区中的衬底装置；去除辅助材料和掩盖辅助材料层的主表面期间所形成的掩模；在第三薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层；以及在衬底装置中形成凹腔。第三薄膜支撑材料层对于特定蚀刻剂具有或呈现出第三蚀刻率，并且辅助材料对于特定蚀刻剂具有或呈现出高于第三蚀刻率的第四蚀刻率。在完成辅助材料层的主表面的部分掩盖之后，露出至少一个第一区中的辅助材料层，并且掩盖该至少一个第一区外部的辅助材料层。蚀刻操作在第二区中形成第三薄膜支撑材料层的锥形表面。当在第三薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层时，该薄膜材料基本上再现或遵循第三薄膜支撑材料的锥形表面。从衬底装置的与辅助材料层、第三薄膜支撑材料层和薄膜材料层相对的一侧执行衬底装置中的凹腔的形成，至少直到该凹腔延伸至该至少一个第一区中的薄膜材料。
注意到，第三薄膜支撑材料的存在并不必然意味着第一和第二薄膜支撑材料的存在。应将术语“第三薄膜支撑材料”、“第三蚀刻率”、“第四蚀刻率”、“第五薄膜支撑材料”以及“第五蚀刻率”看作是标识符，而不是计数器。为清楚起见，对不同元件选择了唯一的标识符，特别是在两个或多个实施方式的特征结合的情况下。
根据此处公开教导的微机械声换能器包括衬底装置、薄膜支撑结构、薄膜支撑结构中的孔、以及薄膜。薄膜支撑结构包括与衬底装置相邻的第一薄膜支撑材料层以及位于第一薄膜材料层的与衬底装置相对的界面处的第二薄膜支撑材料层。第一薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有第一蚀刻率，并且第二薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有低于第一蚀刻率的第二蚀刻率。通过第二薄膜支撑材料层的锥形表面，至少部分地限定薄膜支撑结构中的孔。该薄膜露出于该孔，并且该薄膜在第二薄膜支撑材料层的与锥形表面相对的表面处固定至第二薄膜支撑材料层。
根据此处公开教导的另一实施方式的微机械声换能器包括衬底装置、薄膜支撑结构、以及薄膜。薄膜支撑结构包括固定至衬底装置的第三薄膜支撑材料层，其中第三薄膜支撑材料层包括锥形表面。该薄膜设置在薄膜支撑结构的与衬底装置相对的一侧。第一区中的薄膜露出，该第一区由衬底装置和薄膜支撑结构中的至少一个中的孔限定。此外，薄膜被固定至锥形表面。
附图说明
图1示出了未采用此处公开教导的微机械声换能器的示意性截面；
图2示出了未采用此处公开教导的微机械声换能器的立体截面；
图3的下部示出了声换能器的部分截面，并且上部示出了用于三种不同结构的根据位置变化的机械应力的示图；
图4示出了根据此处公开教导的第一实施方式的微机械声换能器的示意性部分截面；
图5示出了根据此处公开教导的第二实施方式的微机械声换能器的示意性部分截面；
图6示出了根据此处公开教导的第三实施方式的微机械声换能器的示意性部分截面；
图7示出了当没有外部压力或作用力施加在薄膜上时，薄膜的一部分及其支撑结构的力学模拟结果；
图8A中示出了未实施此处公开的教导时所形成的薄膜及其支撑结构的力学模拟结果；图8B中示出了根据此处公开的教导构造的从顶部引发的薄膜及其薄膜支撑结构的力学模拟；并且图8C中示出了根据此处公开的教导构造的从下方引发的薄膜及其薄膜支撑结构的力学模拟；
图9A中示出了未采用此处公开教导时从上方引发的薄膜及其薄膜支撑结构的力学模拟结果，并且图9B中示出了根据此处公开的教导从上方引发的薄膜及其薄膜支撑结构的力学模拟结果，特别包括加强环；
图10示出了当执行根据此处公开教导的第一实施方式的方法时，可观察到的蚀刻过程的进程；
图11示出了在执行根据此处公开教导的第二实施方式的方法期间，可观察到的蚀刻过程的进程；
图12在上部示出了根据此处公开教导的微机械换能器的示意性部分截面，并且在下部示出了相应的光栅电子显微镜(REM)图像；
图13示出了根据此处公开教导的第四实施方式的微机械换能器的示意性部分截面；
图14示出了用于制造微机械声换能器的过程；以及
图15A至图15M示出了用于制造根据此处公开教导的微机械声换能器的方法的多个处理步骤。
具体实施方式
图1示出了微机械声换能器的示意性截面，其中未实施此处公开教导的一些核心特征。该微机械声换能器可以是麦克风、扩音器、或者麦克风和扩音器的组合。该微机械声换能器包括衬底10、定子或反电极16、以及薄膜14。薄膜14和反电极16固定至支撑结构32，该支撑结构进而固定至衬底10。取代基本同质的衬底(例如硅)，在这种或其他构造中，衬底装置可以呈现为例如在其主表面上具有一层氧化硅SiO2的硅锭(siliconbulk)。术语“被固定至”可以表示“安装至”、“附接至”等。通常，反电极16基本为刚性的，这可以通过恰当地选择反电极16的厚度和/或材料实现。薄膜14可变形，以便尤其是薄膜14的中心部分可以从静止位置移动至受激位置(excited position)，在受激位置，薄膜14朝向反电极16弯曲，或者甚至接触反电极16。薄膜14在薄膜14的周缘部分机械地连接至支撑结构32。通过在薄膜14上施加静电力，可以实现薄膜14或其中心部分朝向反电极16的移动。具体地，反电极16可以静电地吸引薄膜14。通过向反电极16和薄膜14施加不同的电势，实现反电极16与薄膜14之间的静电作用。支撑结构32通常用作反电极16与薄膜14之间的电绝缘体。图1中未示出的是电连接和连接盘，通过该电连接和连接盘，薄膜14和反电极16可以电连接至其他元件，例如放大器(未示出)。
衬底10具有位于薄膜14的第一区下方的凹腔22。凹腔22用作微机械声换能器的背部空间，并且允许薄膜14相对自由地朝向反电极16移动和远离。反电极16中形成有多个气孔1。因此，当朝向反电极16移动时，薄膜14不必克服较强的背压(counter pressure)，或者当远离反电极16移动时，薄膜不必克服负压(真空)。在图1示出的结构中，凹腔22在相对于薄膜-定子装置而言的相对侧开口，例如在相对于图1视图的凹腔22的下端。凹腔22在支撑结构32中延伸，但具有较大的横截面。第一自由空间出现在薄膜14的上方，并且第二自由空间出现在薄膜14的下方，或者更准确地，分别出现在薄膜14的中心部分的上方/下方。这些自由空间允许薄膜14的中心部分向上和向下移动。可以将凹腔22的穿过支撑结构32的延伸部分看做微机械声换能器的声音转换区，并且在本公开的其他部分将其称为“第一区。”
通常，静电声换能器包括至少一个电容器，在该电容器中其中一个板(即薄膜)可移动。当作为扩音器操作这种结构时，电容器通常被电偏压，并且表示待转换的音频数据的电输入信号调制电场。电容器中的这种电场的调制使得薄膜振动。通常，这种结构具有平方律作用力/电压特征，并且由于该平方律作用力/电压特征，可能发生明显失真，特别是对于音频输入信号的高输入电压。另一方面，当作为麦克风操作这种结构时，电容器通常也被电偏压。撞击在薄膜14上的声音信号使得薄膜14振动。这种振动导致电容器中的电场的调制，微机械声换能器的电连接盘会感测到这种调制。
图1下部的插图以示意性截面图示出了微机械声换能器的细节。在薄膜14的周缘区域与衬底10之间，薄膜支撑材料层502用于支撑薄膜14。薄膜支撑材料层502属于薄膜支撑结构32。薄膜支撑材料502通常是氧化物，例如二氧化硅SiO2。薄膜14在底侧上由氧化物层502支撑，该氧化物层呈现出基本垂直的边缘。凹腔22在衬底10内具有基本一致的截面，在薄膜支撑材料层502的高度位置处，该截面加宽至孔503。孔503在周向上由薄膜支撑材料的基本垂直的边缘界定，并且通常利用各向同性蚀刻而形成，各向同性蚀刻基本上只影响薄膜支撑材料层502的氧化物材料，而不会影响薄膜14和衬底10。通过对各向同性蚀刻过程定时并且控制各向同性蚀刻过程的其他参数，例如蚀刻剂的温度和浓度，可相对精确地控制孔503的尺寸。孔503的尺寸影响薄膜的一些物理特性，例如共振频率和刚度。当从前侧(从上方)施加压缩载荷时，如图1中示出的薄膜支撑结构或“夹持装置”32对于给定的换能器结构产生5巴的高抗压强度，而当从后侧(从下方)施加压缩载荷时，产生1.5巴的低抗压强度。
实际上，微机械声换能器的当前制造方式表明当从后侧施加压缩载荷时薄膜夹持装置关于抗压强度的薄弱。
因此，具有图1中所示结构的微机械声换能器表明当从后侧施加压缩载荷时薄膜支撑结构关于抗压强度的薄弱。
图2示出了图1中所示的微机械声换能器的截面的立体图。薄膜14包括通风孔4，该通风孔主要用于均衡凹腔22与薄膜14上方空间之间的静压力差。
图3在下部示出了穿过薄膜支撑材料层502和薄膜14的部分示意性截面。在图3中，示出了用于薄膜支撑材料层502与薄膜14之间的过渡的三种不同结构。假定从下方向薄膜14施加压力P，由此在薄膜14上施加压缩载荷。图3的上部中对比了三种对应的应力曲线。在第一种结构中，薄膜支撑材料层502和薄膜14基本上形成直角，即，薄膜支撑材料层502的边缘基本上为竖直的(实线)。在图3的上部中，代表切向应力σt的应力曲线321对应于薄膜支撑材料层502与薄膜14之间的基本上为直角的结构。第一应力曲线321在基本上为直角的位置处具有高且陡的尖峰。第一应力曲线321中的尖峰使薄膜14固定至薄膜支撑材料层502的抗压强度降低。当薄膜14承受过大的压缩载荷时，在应力特别高的位置可能出现裂缝。这种效应被称为“应力集中”或“缺口效应”。
图3的下部中通过虚线302示出了第二种结构。根据该第二种结构，薄膜支撑材料层502与薄膜14之间的过渡适度地弯曲。在图3的上部中，应力线322示出了用于该第二种结构的切向应力σt。如箭头331所示，通过选择第二种结构，可实现相比于第一种结构的应力最大值的显著减小。应力曲线322还表明与应力曲线321相比，该应力分布在较大的区域上，用于第二种结构的区域大致对应于圆角302的延伸部分。
通过选择图3的下部中通过虚线303示出的第三种结构，可实现切向应力σt最大值的进一步减小。在图3的上部中，应力曲线323示出相应的应力分布。箭头332示出了第二种结构与第三种结构之间的最大应力值的进一步减小。应力曲线323相对平坦，并且可以看出该应力分布在相对更大的区域上。
此处公开的教导通过优化薄膜支撑结构的边缘形状，提供缺口效应或应力集中的降低，并且因此，实现薄膜支撑结构内的更均匀的应变分布。此外，材料及其对不同蚀刻剂的不同反应的特定顺序或序列使得可以相互独立地蚀刻声换能器的所选择的子结构。在这种方式中，可控制一些蚀刻过程，以提供相对高的精确度，同时加快其他蚀刻过程。可以利用相对高精确度的蚀刻工艺来蚀刻靠近薄膜的结构，例如薄膜的释放蚀刻(releaseetch)。
根据这些教导，通过构造薄膜支撑结构的边缘以便降低缺口效应，可以解决从后侧施加压缩载荷时抗压强度较低的问题。对于第一种结构，如果薄膜14由于压缩载荷而从下方偏斜，缺口效应将直接在薄膜支撑结构32处造成较大的机械张力。通过设置具有图3中分别用于第二和第三种结构的曲线302和303示出的薄轴环(collar)的薄膜支撑结构，可以减小张力的最大值。该轴环使得机械张力更广泛地分布，大致分布至轴环结构的区域，因此降低了张力的最大值，并且进而增大了抗压强度。
图4示出了根据此处公开教导下的第一种可能结构的微机械声换能器的部分示意性截面。根据第一种可能结构，制造的薄膜支撑结构包括轴环。在衬底10的上部第一主表面上，设置有第一薄膜支撑材料层402。在微机械声换能器的制造过程中构造第一薄膜支撑材料层402，使得在所示出的成品声换能器中，存在第一薄膜材料层的保持贴片(patch)。在第一薄膜材料层402的上方，即在第一薄膜支撑材料层的与衬底10相对的主表面上，设置有第二薄膜支撑材料层404。第二薄膜材料层404可形成轴环或类似轴环的结构。在图4中，在示出的第一薄膜支撑材料层402和第二薄膜材料层404的左边，形成有孔403。第二薄膜支撑材料层404具有限定孔403的锥形表面。薄膜14设置在第二薄膜材料层404的上主表面上，即与第一薄膜支撑材料层402相对。由于第二薄膜支撑材料层404的锥形表面，所以第二薄膜支撑材料层404的宽度在第二薄膜支撑材料层404的下主表面和上主表面之间增加值L。术语“锥形”或“锥形的”可包括连续的表面或边缘、弯曲的表面或边缘、以及台阶状表面或边缘。锥形表面/边缘的其他实施例也可归入术语“锥形”和“锥形的”中。
利用各向同性蚀刻工艺在微机械声换能器的制造过程中获得孔403。第一薄膜支撑材料层对于各向同性蚀刻过程中所使用的蚀刻剂具有第一蚀刻率。第一蚀刻率通常相对较高。第二薄膜支撑材料层404对于所使用的蚀刻剂具有相对较低的第二蚀刻率。在任何情况下，第二蚀刻率通常低于第一蚀刻率。蚀刻剂通常不会明显地蚀刻薄膜14和衬底10。
以上提及的第二薄膜材料层404的锥形表面的宽度L取决于第二薄膜材料层404的厚度以及第一蚀刻率与第二蚀刻率之比，即，
L＝厚度第二薄膜支撑材料*蚀刻率1/蚀刻率2。
第一薄膜材料可以是例如氧化硅SiO2。第二薄膜材料可以是例如氮氧化硅SiON。因此，形成包含氧化物(SiO2)和氮氧化物(SiON)的双层结构。对于某些蚀刻剂，SiO2的蚀刻率明显高于SiON的蚀刻率。如以上所解释的，如果利用掩模执行各向同性湿化学蚀刻，则形成SiON的三角形突悬(overhang)，其宽度对应于层厚度和蚀刻率之比。示出了一种包括3μm的轴环宽度和190nm的轴环厚度的可能实现结果。通过选择层厚度和蚀刻率/材料，也可以调整轴环。
利用支撑环也可以优化薄膜支撑结构，并且因此薄膜支撑结构可以设置在薄膜层内部。图5示出了根据此处公开教导下的第二种可能结构的微机械声换能器的部分示意性截面，该第二种可能结构的特征是用加强环取代了轴环。同样，第一薄膜支撑材料层512设置在衬底10的上部第一主表面上。在第一薄膜材料层512的与衬底10相对的主表面上，设置有第三薄膜支撑材料层514。第三薄膜支撑材料层514可形成加强环或支撑环。通常，第三薄膜支撑材料层514包括至少一个锥形表面。在图5中，第三薄膜支撑材料层514包括两个锥形表面。第一锥形表面设置在由第三薄膜支撑材料层514形成的加强环的径向内侧。第一锥形表面具有宽度L。第二锥形表面设置在加强环的径向外侧。薄膜材料层14覆盖第三薄膜材料层514并且还局部地覆盖第一薄膜材料层512。在这种方式中，薄膜材料层14在某些区域遵循或再现第三薄膜支撑材料层514的锥形表面。孔513下界限由衬底10的上主表面限定，径向外界限由第一薄膜材料层512限定，并且上界限由第三薄膜支撑材料层514以及薄膜14限定。利用各向同性蚀刻形成孔513。
利用辅助层形成第三薄膜支撑材料层514的锥形表面，该辅助层在第三薄膜支撑材料的上主表面与之相邻。该辅助层对于特定蚀刻剂具有的蚀刻率高于第三薄膜支撑材料514的蚀刻率。通过加强环的区域中的辅助层的掩模，可获得锥形表面。
第三薄膜支撑材料层514具有的厚度范围可以从100nm至800nm，优选地从300nm至800nm。辅助薄膜支撑材料层具有的厚度范围可以从100nm至1000nm，优选地从100nm至500nm。
图6示出了根据此处公开教导下的第三种可能结构的微机械声换能器的部分示意性截面，该第三种可能结构结合了图4和图5中分别示出的第一和第二种可能结构。第一薄膜支撑材料层402(例如氧化硅SiO2)设置在衬底10的第一主表面上。第二薄膜支撑材料层404设置在第一薄膜支撑材料层402的与衬底10相对的表面上。与之前一样，第二薄膜支撑材料层404形成轴环或类似轴环的结构。第二薄膜支撑材料404可以是例如氮氧化硅SiON并且具有锥形表面。第三薄膜支撑材料层514设置于第二薄膜支撑材料404的上表面，该第三薄膜支撑材料层已经在图5中示出并且在相应说明中进行了描述，并且该第三薄膜支撑材料层可以形成例如加强环。薄膜材料层14设置在第三薄膜支撑材料层514的上表面上。
第二薄膜支撑材料层404包括锥形表面，该锥形表面部分地限定第二薄膜支撑材料404与衬底10之间的孔603。在径向方向上，孔603由第一薄膜支撑材料层402限定。第二薄膜支撑材料层404的锥形表面具有宽度L轴环。第三薄膜支撑材料层514也包括锥形表面，其中，在该锥形表面上设置有薄膜材料层14。第三薄膜材料514的锥形表面的宽度为L加强环。
通过包括以下操作的方法，可获得图6中示出的结构：
-在衬底装置的第一主表面上沉积第一薄膜支撑材料层，第一衬底材料对于特定蚀刻剂具有第一蚀刻率；
-在第一薄膜支撑材料层的主表面上沉积第二薄膜支撑材料层，第二薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有低于第一蚀刻率的第二蚀刻率；
-在第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积第三薄膜支撑材料层；
-在第三薄膜支撑材料层的第一主表面上沉积辅助材料层，该辅助材料对于特定蚀刻剂具有高于第三蚀刻率的第四蚀刻率，其中薄膜材料也沉积在第三薄膜支撑材料层上的第三薄膜支撑材料层覆盖第二薄膜支撑材料层的位置；
-部分地掩盖辅助材料层的主表面，以便露出至少一个第一区中的辅助材料层，并且掩盖该至少一个第一区外部的辅助材料层；
-通过施加特定蚀刻剂，蚀刻该至少一个第一区中以及第二区中的辅助材料层和第三薄膜支撑材料层，其中该蚀刻在第二区中形成第三薄膜支撑材料层的锥形表面；
-继续蚀刻，至少直到去除该至少一个第一区中的第三支撑材料层，以露出该至少一个第一区中的第二薄膜支撑材料层；以及
-去除辅助材料以及在掩辅助材料层的主表面期间所形成的掩模；
-在第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层；
-从衬底装置的一侧在衬底装置中形成凹腔，至少直到该凹腔延伸至第一薄膜支撑材料层，其中该侧与第一薄膜支撑材料层、第二薄膜支撑材料层和薄膜材料层相对；
-借助于通过凹腔施加特定蚀刻剂而蚀刻第一薄膜支撑材料层和第二薄膜支撑材料层，蚀刻发生在至少一个第一区中，该至少一个第一区沿着基本垂直于衬底装置的第一主表面的方向设置在凹腔的延伸部分中，并且蚀刻还发生在环绕该第一区的第二区中，其中蚀刻在第二区中形成第二薄膜支撑材料层上的锥形表面，该锥形表面因第一蚀刻率与第二蚀刻率之间的差异而产生；以及
-继续蚀刻，至少直到去除第一区中的第二薄膜支撑材料层，以露出薄膜材料层。
结合图4至图6公开的教导旨在改进薄膜固定(fixation)的抗压强度；与具有基本上垂直边缘的薄膜支撑相比，当前实验显示出2-3倍的改进(a factor of 2-3)。
图7示出了根据第一种可能结构的微机械声换能器的部分示意性截面。具体地，图7示出了当薄膜14处于未承载状态时，薄膜14中、第一薄膜支撑材料层402(SiO2)中以及第二薄膜支撑材料层404(SiON)中的应力分布。不存在外部引发的应力，并且各种材料的内在(intrinsic)机械张力均匀地分布。
图8A至图8C示出了当压力撞击薄膜14时轴环结构的力学模拟结果。在图8A中，示出了不具有锥形表面或类似结构的构造的模拟结果。可以看出，在由薄膜支撑材料502的基本垂直边缘和薄膜14的基本水平表面所形成的拐角处，薄膜14和薄膜支撑材料502内的机械应力分别达到相对高的绝对值2.2GPa和3.9GPa。标记“MX”和“MN”大约指明了分别出现最大应力和最小应力的区域。
在图8B中，示出了从顶部施加压力时具有带锥形表面的轴环的构造的力学模拟结果。最大应力达到1.8GPa，并且该最大应力可在薄膜14的上表面观察到。在图8C中，示出了从下方施加压力的情况下具有轴环或类似轴环结构的相同构造的力学模拟结果。最大应力达到约2.6GPa，并且该最大应力可在第二薄膜支撑材料404的锥形表面的尖端附近观察到。
图9A和图9B示出了没有加强环和具有加强环的构造的力学模拟结果的对比。图9A对应于图8A，即，当从顶部向没有锥形加强环的薄膜结构施加1巴的压力时的力学模拟结果。图9B示出了在相同情况(即从顶部施加1巴的压力)下具有锥形加强环的结构的力学模拟结果。在薄膜支撑结构与薄膜14之间的拐角处，对于没有加强环的结构，应力达到最大绝对值3.9GPa。这与具有锥形加强环的结构的最大绝对值2.8GPa形成对比。在薄膜的上侧，对于没有加强环的结构(图9A)，最大绝对值为2.2巴，而对于具有加强环的结构(图9B)，最大绝对值为1.7GPa。
张力或应力的最大值取决于(尤其)锥形表面的角度。下表示出这种依存关系：
为对比目的，右列包括没有加强环的结构的值。薄膜14与加强环之间的过渡处的张力或应力分布极大地取决于边缘的角度。角度越小，最大应变越小，并且抗压强度越高。尤其对于承受从上方施加的载荷的薄膜的情况下，可以观察到，在90°的角度和10°的角度之间，最大应力显著减小。
力学模拟基于有限元(FEM)模拟，并且显示出薄膜支撑结构处的最大张力的明显减小。该结果通过关于具有2-3倍改进的抗压强度的第一测量结果已得到证实。
图10示出了各向同性蚀刻过程的进程，在制造根据第一种可能结构(即，具有轴环或类似轴环的结构)的微机械声换能器期间可采用该各向同性蚀刻过程。例如可通过在双层结构(一层具有低蚀刻率，另一层具有高蚀刻率)上进行各向同性蚀刻来制造该轴环结构。轴环的尺寸由蚀刻率之比以及具有低蚀刻率的层的层厚度决定。
图10的最下部图片中示出了初始结构。在衬底10的主表面上，形成三层不同的材料：第一薄膜支撑材料层402(高蚀刻率)；第二薄膜支撑材料层404(低蚀刻率)；以及薄膜材料层14(基本不受蚀刻工艺的影响)。在蚀刻工艺之前，在衬底10中形成凹腔22，以便由于凹腔22至少部分地露出第一薄膜支撑材料层402。
图10中从下向上的更多图片示出了与第二薄膜支撑材料层404相比，第一薄膜支撑材料层402蚀刻的相对较快。这使得形成了第二薄膜支撑材料层的锥形表面。
图11示出了各向同性蚀刻过程的进程，在制造根据第二种可能结构的微机械声换能器期间可采用该各向同性蚀刻过程。第一步包括制造支撑环或加强环，该支撑环或加强环具有至少一个内边缘，该内边缘强烈地成锥形，即其具有相对浅(shallow)的斜度。例如可通过具有适当层厚度和适当蚀刻率的辅助层来制造该边缘形状。该辅助层通常在随后的时间完全去除。
在图11中示出的制造状态之后的第二步中，将真正的薄膜层沉积在其支撑环上。如果加强环足够厚，则加强环本身会成为薄膜支撑结构。这意味着，在施加压缩载荷的情况下，加强环的真正的薄膜支撑结构无关紧要。
图12中在上部再次示出了根据此处公开教导的微机械声换能器的部分示意性截面。在图12的下部，示出了部分截面的电子显微镜图像。在衬底10的顶部上，设置有第一薄膜支撑材料层(此处：TEOS)402且其具有限定孔403的锥形表面。第一薄膜支撑材料层402的厚度为600nm。第二薄膜支撑材料层404包括例如氮氧化硅。在该结构中，第二薄膜支撑材料层404也具有限定孔403的锥形表面。第二薄膜支撑材料层404的厚度为190nm，并且由第二薄膜支撑材料层形成的轴环的长度为3μm。在第二薄膜支撑材料层404上方，设置有薄膜材料层14，且其厚度为330nm。在该示例中，薄膜材料14为多晶硅。
图13示出了第一种可能结构的进一步改进。取代额外的轴环，可以采用具有减小的蚀刻率的双层结构。所以结果会是双轴环，如以上所解释的，相应的轴环角度由蚀刻率限定。从衬底10开始，衬底10的上主表面上的层堆叠如下：具有高蚀刻率的第一薄膜支撑材料层402、具有中等蚀刻率的第二薄膜支撑材料层404、以及具有低蚀刻率的第五薄膜支撑材料层405。薄膜材料层14设置在第五薄膜支撑材料层405的上表面上。由于蚀刻率不同，产生的锥形表面包括具有不同角度的两部分。第二薄膜支撑材料的锥形表面的宽度为L1。第一支撑材料的锥形表面的宽度为L2。
图14示出了微机械声换能器的制造过程的处理模块的顺序。首先，如图14中的处理模块1402所示，在衬底10上施加蚀刻止挡氧化物。接着，在1404，利用多晶硅形成薄膜。在随后的操作1406中，形成具有用于抗粘结凸点的结构的牺牲氧化物。接着在操作1408期间形成具有对应的抗粘结凸点的反电极。接着，如操作1410中所示，形成中间氧化物、接触孔、以及金属化层。接着在操作1412期间施加钝化。在操作1412期间还经由薄膜和盘进行后侧FT开口。接着在操作1414，在薄膜和盘上方进行开口。接着，如操作1416中所示，利用Bosch工艺蚀刻后侧凹腔22。在操作1418期间，蚀刻牺牲氧化物，并且对微机械声换能器干燥。
图15A至图15M示出了衬底10和在不同处理阶段施加于衬底10上的各层的示意性截面。注意到，在本公开的整个说明书和附图中，任何尺寸和厚度都应被理解为示例。图15A示出了衬底10和已经沉积在衬底10的上主表面上的两薄膜支撑材料层402和404。例如，可以沉积600nm的TEOS作为第一薄膜支撑材料层402，并且可以沉积140nm的氮氧化硅SiON作为第二薄膜支撑材料层404。如图15B中所示，在第二薄膜支撑材料层404上沉积用于将来的薄膜14的多晶硅层。注入多晶硅，接着进行掩盖多晶硅的蚀刻，以便构造将来的薄膜14的多晶硅。还在衬底10的后侧沉积氧化物层504和硅层505。
图15C示出了如何在薄膜层14的顶部上形成的厚度为1600nm的另一TEOS层32，以形成将来的薄膜支撑结构。去除该另一TEOS层的一部分，以限定薄膜14与反电极16之间的间隙。因此，TEOS暂时地环绕将来的薄膜14，尤其是暂时地填充将来的气孔4。而且，进行深度为450nm的掩模TEOS蚀刻，以提供用于形成反电极的抗粘结凸点2的结构72(参见图15D)。在图15C和图15D之间，将具有140nm厚度的氮化硅层SiN162施加在图15C中所示的结构的上表面上。氮化硅层162包括通过填充TEOS层32中的结构72而获得的抗粘结凸点2。在氮化硅层162的顶部上形成具有750nm厚度的另一TEOS层。
接着，如图15E所示，形成具有1400nm厚度的非晶硅层(a-Si)164。接着注入该非晶硅层164(以箭头示意性地示出)，并且进行结晶化。图15F示出了在氮化硅层162和硅层164上进行掩模蚀刻步骤的结果。除了将来的反电极16的外轮廓之外，掩模蚀刻还形成两层中的气孔1。图15F的上部从下方示出了在该过程的后期去除了薄膜层14与氮化硅层162之间的牺牲氧化物32之后氮化硅层162和非晶硅层164的立体图。在该图中还可以看出抗粘结凸点2和气孔1。抗粘结凸点2防止薄膜14由于过大的粘附力而粘接至反电极16。
图15G示出了另一蚀刻步骤的结果，这段时间影响TEOS层32。掩盖该蚀刻步骤，从而只去除氧化物层504的选定区域，特别是在边缘处，以便构造氧化物层504的轮廓。在图15H中，形成厚度为150nm的另一氧化硅层SiO2。此外，形成厚度为800nm的硼磷硅玻璃层(BPSG)563。接着进行掩模氧化物蚀刻，以形成直至薄膜层14、反电极层162和164以及衬底10的接触孔564。如图15I中所示，分别用厚度为50nm、100nm以及600nm的钛、铂和/或金填充接触孔，以提供金属触点565。通过掩模金属化步骤实现接触孔的填充。
在图15J中，执行硬掩模后侧(hardmask backside)步骤。首先，从后侧执行非掩模硅蚀刻，以便去除早期施加的硅层505。接着，从后侧执行掩模氧化硅蚀刻，以便限定氧化硅层504中的后侧凹腔22的结构。还在前侧施加钝化层566(通常为SiN)，以便保护目前为止形成的前侧结构。图15K示出了在对盘和薄膜进行开口之后的微机械声换能器。为此，执行掩模氮化硅蚀刻，以便露出接触盘565和硼磷硅玻璃层563的中心部分。
图15L示出了从后侧执行Bosch工艺以形成凹腔22的结果。在用作蚀刻止挡的TEOS层402、512处停止作为Bosch工艺的一部分的蚀刻。在前侧，施加光刻胶567，为后续处理步骤做准备，图15M中示出了后续处理步骤的结果。
在图15M中，从前侧以及从后侧执行释放蚀刻。释放蚀刻经由气孔1和通风孔4进入薄膜14与反电极16之间的间隙。在完成释放蚀刻之后，去除光刻胶567，并且清洁该结构。形成凹腔22的Bosch工艺是快速但相对粗糙的处理，而释放蚀刻通常更精确，以便能够以相对精确的方式形成薄膜14的孔以及薄膜与反电极之间的间隙。孔403、513、603的形状和尺寸会影响薄膜14的机械特性，特别是关于共振频率和阻尼。为了获得可重复的结果，期望能够相对精确地控制释放时刻。通常预测释放蚀刻的结果具有良好的准确性，以便可调整例如蚀刻持续时间、蚀刻剂的浓度和/或温度，从而获得预期的蚀刻结果。
虽然在装置的上下文中说明了一些方面，很显然，这些方面还表示对应方法的说明，其中模块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。类似地，在方法步骤的上下文中说明的方面还表示对应模块或对应装置的项目或特征的说明。
以上说明的实施方式只是用于说明本发明的原理。应该理解，对此处说明的布置和细节的修改和变型对本领域普通技术人员是显而易见的。因此，只由随附的专利权利要求的范围，而不由此处以实施方式的说明和解释的方式表现的具体细节限定本发明的目的。
Claims (26)
1.一种用于制造微机械声换能器的方法，所述方法包括：
在衬底装置的第一主表面上沉积第一薄膜支撑材料层，第一薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有第一蚀刻率；
在所述第一薄膜支撑材料层的主表面上沉积第二薄膜支撑材料层，第二薄膜支撑材料对于所述特定蚀刻剂具有低于所述第一蚀刻率的第二蚀刻率；
在所述第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层；
从所述衬底装置的与所述第一薄膜支撑材料层相对的一侧形成所述衬底装置中的凹腔，至少直到所述凹腔延伸至所述第一薄膜支撑材料层；
借助于通过所述凹腔施加所述特定蚀刻剂而蚀刻所述第一薄膜支撑材料层和所述第二薄膜支撑材料层，所述蚀刻发生在至少一个第一区中，所述至少一个第一区沿着基本垂直于所述衬底装置的第一主表面的方向位于所述凹腔的延伸部分中，所述蚀刻还发生在环绕所述第一区的第二区中，其中，所述蚀刻在所述第二区中形成所述第二薄膜支撑材料层上的锥形表面；以及
继续所述蚀刻，直到去除所述第一区中的所述第二薄膜支撑材料层，以露出所述薄膜材料层。
2.根据权利要求1所述的方法，在沉积所述第二薄膜支撑材料层和沉积所述薄膜材料层之间，进一步包括以下操作：
在所述第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积第三薄膜支撑材料层，第三薄膜支撑材料对于所述特定蚀刻剂具有第三蚀刻率；
在所述第三薄膜支撑材料层的第一主表面上沉积辅助材料层，辅助材料对于所述特定蚀刻剂具有高于所述第三蚀刻率的第四蚀刻率；
部分地掩盖所述辅助材料层的主表面，以便露出所述至少一个第一区中的辅助材料层，并且掩盖所述至少一个第一区外部的辅助材料层；
通过施加所述特定蚀刻剂，蚀刻所述至少一个第一区中以及所述第二区中的所述辅助材料层和所述第三薄膜支撑材料层，其中所述蚀刻在所述第二区中形成所述第三薄膜支撑材料层的锥形表面；
继续所述蚀刻，至少直到从所述至少一个第一区中去除所述第三薄膜支撑材料层，以露出所述至少一个第一区中的第二薄膜支撑材料层；以及
去除所述辅助材料和掩盖所述辅助材料层的主表面期间所形成的掩模，
其中，还在所述第三薄膜支撑材料层上的所述第三薄膜支撑材料层覆盖所述第二薄膜支撑材料层的位置处沉积所述薄膜材料。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述薄膜材料层的与所述衬底装置相对的主表面上形成电极支撑和电极，其中，利用牺牲材料在所述第一区中限定所述薄膜材料与所述电极之间的将来的间隙，通过在所述电极中或与所述电极相邻的进入孔，从与所述凹腔相对的一侧蚀刻所述牺牲材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，蚀刻所述第一薄膜支撑材料层和所述第二薄膜支撑材料层包括执行各向同性蚀刻工艺。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，所述锥形表面限定用于所述第一和第二薄膜支撑材料与所述薄膜材料之间的机械连接的加强轴环，所述加强轴环使得机械应力广泛空间地分布在所述机械连接附近。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一薄膜支撑材料包含氧化硅或原硅酸四乙酯中的至少一种，并且其中，所述第二薄膜支撑材料包含氮氧化物。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一薄膜支撑材料层具有的厚度在400nm至800nm之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第二薄膜支撑材料层具有的厚度在100nm至200nm之间。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
在所述第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积第五薄膜支撑材料层，第五薄膜支撑材料层对于所述特定蚀刻剂具有低于所述第二蚀刻率的第五蚀刻率；
其中，在蚀刻所述第一薄膜支撑材料层和所述第二薄膜支撑材料层的同时，蚀刻所述第五薄膜支撑材料层，其中，所述蚀刻在所述第二区中形成所述第五薄膜支撑材料层上的第二锥形表面，所述第二锥形表面具有的角度不同于所述第二薄膜支撑材料层上的锥形表面的角度。
10.一种用于制造微机械声换能器的方法，所述方法包括：
在衬底装置的上部第一主表面上设置第一薄膜支撑材料，在所述第一薄膜材料层的与衬底装置相对的主表面上设置有第三薄膜支撑材料层，第三薄膜支撑材料层对于特定蚀刻剂具有第三蚀刻率；
在所述第三薄膜支撑材料层的主表面上沉积辅助材料层，辅助材料对于所述特定蚀刻剂具有高于所述第三蚀刻率的第四蚀刻率；
部分地掩盖所述辅助材料层的主表面，以便露出至少一个第一区中的辅助材料层，并且掩盖所述至少一个第一区外部的辅助材料层；
通过施加所述特定蚀刻剂，蚀刻所述至少一个第一区中以及环绕所述至少一个第一区的第二区中的所述辅助材料层和所述第三薄膜支撑材料层，其中，所述蚀刻在所述第二区中形成所述第三薄膜支撑材料层的锥形表面；
继续蚀刻，至少直到去除所述至少一个第一区中的所述第三薄膜支撑材料层，以露出所述至少一个第一区中的衬底装置；
去除所述辅助材料和掩盖所述辅助材料层的主表面期间所形成的掩模；
在所述第三薄膜支撑材料层的主表面上沉积薄膜材料层，使得所述薄膜材料基本上再现所述第三薄膜支撑材料的锥形表面；以及
从与所述辅助材料层、所述第三薄膜支撑材料层和所述薄膜材料层相对的一侧形成所述衬底装置中的凹腔，至少直到所述凹腔延伸至所述至少一个第一区中的所述薄膜材料，
其中，所述至少一个第一区沿着基本垂直于所述衬底装置的第一主表面的方向位于所述凹腔的延伸部分中。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括：
在所述薄膜材料层的与所述衬底装置相对的主表面上形成电极支撑和电极，其中，利用牺牲材料在所述至少一个第一区中限定所述薄膜材料与所述电极之间的将来的间隙，通过所述电极中或与所述电极相邻的进入孔，从与所述凹腔相对的一侧蚀刻所述牺牲材料。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，蚀刻所述辅助材料层和所述第三薄膜支撑材料层包括执行各向同性蚀刻工艺。
13.根据权利要求10所述的方法，其中，所述锥形表面限制用于所述薄膜支撑材料与所述薄膜材料之间的机械连接的加强环，所述加强环使得机械应力广泛空间地分布在所述机械连接附近。
14.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第三薄膜支撑材料包含氧化硅或原硅酸四乙酯中的至少一种。
15.根据权利要求10所述的方法，其中，所述第三薄膜支撑材料层具有的厚度在100nm至800nm之间。
16.根据权利要求10所述的方法，其中，所述辅助材料层具有的厚度在100nm至1000nm之间。
17.一种微机械声换能器，包括：
衬底装置；
薄膜支撑结构，所述薄膜支撑结构包括沉积在所述衬底装置的第一主表面的第一薄膜支撑材料层以及在所述第一薄膜支撑材料层的主表面上沉积的第二薄膜支撑材料层，其中第一薄膜支撑材料对于特定蚀刻剂具有第一蚀刻率，并且第二薄膜支撑材料对于所述特定蚀刻剂具有低于所述第一蚀刻率的第二蚀刻率；
所述薄膜支撑结构中的孔，其在所述衬底装置和所述第二薄膜支撑材料层之间由所述第二薄膜支撑材料层的锥形表面限定；以及
薄膜，所述薄膜露出于所述孔，并且所述薄膜在所述第二薄膜支撑材料的与所述锥形表面相对的表面处固定至所述第二薄膜支撑材料层，
其中，以所述锥形表面的面积大的一面固定所述薄膜。
18.根据权利要求17所述的微机械声换能器，其中，所述衬底装置包括硅锭和与所述硅锭的主表面相邻的氧化物层。
19.根据权利要求17所述的微机械声换能器，其中，所述薄膜支撑结构包括在所述第二薄膜支撑材料层的主表面上沉积的第五薄膜支撑材料层，其中，所述第五薄膜支撑材料对于所述特定蚀刻剂具有低于所述第二蚀刻率的第五蚀刻率，并且其中，所述第五薄膜支撑材料层包括第二锥形表面，所述第二锥形表面限定在所述衬底装置与所述第二薄膜支撑材料层以及所述第五薄膜支撑材料层之间的所述孔，并且所述第二锥形表面具有的角度不同于所述第二薄膜支撑材料层上的锥形表面的角度，以及其中以所述第二锥形表面的面积大的一面固定所述薄膜。
20.根据权利要求17所述的微机械声换能器，其中，所述薄膜支撑结构进一步包括设置在所述第二薄膜支撑材料的上表面且具有另一锥形表面的第三薄膜支撑材料，并且其中，所述薄膜还固定至所述第三薄膜支撑材料的另一锥形表面。
21.根据权利要求17所述的微机械声换能器，其中，所述第一薄膜支撑材料具有的厚度在400nm至800nm之间。
22.根据权利要求17所述的微机械声换能器，其中，所述第二薄膜支撑材料具有的厚度在100nm至200nm之间。
23.一种微机械声换能器，包括：
衬底装置；
薄膜支撑结构，所述薄膜支撑结构包括在所述衬底装置的第一主表面上设置的第一薄膜支撑材料以及在所述第一薄膜支撑材料的与所述衬底装置相背离的主表面上设置的第三薄膜支撑材料层，其中，所述第三薄膜支撑材料层在与所述衬底装置相背离的一侧包括锥形表面；以及
薄膜，所述薄膜位于所述薄膜支撑结构的与所述衬底装置相背离的一侧，所述薄膜固定至所述锥形表面。
24.根据权利要求23所述的微机械声换能器，其中，所述衬底装置包括硅锭和与所述硅锭的主表面相邻的氧化物层。
25.根据权利要求23所述的微机械声换能器，其中，所述第三薄膜支撑材料包含氮氧化物，并且具有的厚度在100nm至300nm之间。
26.根据权利要求23所述的微机械声换能器，进一步包括至少由所述衬底装置、所述薄膜支撑结构和所述薄膜限定的孔，其中，所述孔位于所述第三薄膜支撑材料层和所述衬底装置之间，并且由所述第三薄膜支撑材料层的锥形表面限定。
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