CN105247890B - 用于微机械麦克风的多层复合式背板 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS装置。该装置包括膜和具有多个开口的加强式背板。所述加强式背板包括第一层和耦接至第一层的第二层。
Description
相关申请
本专利申请要求2013年5月28日提交的美国临时专利申请No.61/827,982的优先权，其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及一种微机械系统(“MEMS”)，例如MEMS麦克风系统。
发明内容
在一个实施例中，本发明提供了一种MEMS麦克风系统。该系统包括膜和相反于膜的穿孔式反电极(也称为背板，无论相对于膜的位置如何)。背板包括不同材料的多个薄层，所述多个薄层堆叠起来以产生刚性的、坚固的且平坦的背板。厚MEMS层易于产生应力梯度，从而引起弯曲，但是通过不同材料的交替式薄层，可最小化背板弯曲度。另外，通过复合层的背板，可将拉伸材料层与压缩材料层组合，以便调节背板中影响背板的强度和刚度的净拉伸量。薄层还可更容易图案化至较小的公差。尤其地，本发明的涉及CMOS MEMS的一个实施例提供了包括上金属层和下金属层的背板，以及涉及使用其他材料层的传统MEMS的类似实施例。互连层连接这两个金属层。互连层与金属层相比可具有较小的宽度，且可由不同的金属(例如，钨)构造。互连层可由多种材料构造，包括使用由另一材料包封的牺牲材料(例如二氧化硅)或材料的组合。在一个实施例中，使用上层来包封和保护未蚀刻的、另外牺牲的互连层。上层和下层也可相对于彼此以不同的宽度、不同的厚度和不同的开口尺寸构造。本领域技术人员将认识到，本文所描述的结构通过已知的方法(比如沉积层和图案化层)制成。
在另一实施例中，本发明提供了一种MEMS装置。该装置包括膜和具有多个开口的加强式背板。所述加强式背板包括第一层和耦接至第一层的第二层。
本发明的其他方面将通过详细说明书和附图而显现。
附图说明
图1是MEMS麦克风系统的一部分的示意性剖视图。
图2是复合式背板的侧剖视图。
图3a和3b是复合式背板的替代性构造的侧剖视图。
图4a和4b是包括由离散式柱组成的互连层的复合式背板的平面顶视图。
图4c是包括由连续式壁组成的互连层的复合式背板的平面顶视图。
图4d是复合式背板的平面顶视图，其包括由围绕每个背板开口的单个连续式壁组成的互连层。
图5a-d是复合式背板的替代性构型的侧剖视图。
具体实施方式
在详细阐述本发明的任何实施方式之前，应当理解，本发明在其应用方面不限于在以下说明书中提出的或在附图中示出的结构的详细情形和构件的布置方式。本发明能够具有其他实施方式且能够以多种方式来实施或执行。
图1是MEMS麦克风系统100的一部分的侧剖视图。如下文详细描述的，该系统包括响应于声压而移动的膜102和相反于膜的反电极(称为背板)104。电路检测膜102相对于背板104的移动(例如，由于变化的电容)，并产生表示声压(即，声音)的电信号。CMOS和/或ASIC部件(例如，与系统100集成或在系统100外部)处理所述电信号。如图1所示，背板104可包括允许空气经过膜102和背板104之间的孔或通风孔106。为了最佳性能和耐久性，背板需要在尺寸和强度之间进行平衡。例如，厚背板提供了稳定的强度，但是却降低了系统100的声学噪声性能。类似地，薄的或高度穿孔的背板可能提供不了充分的强度，且可能提供不了充分的颗粒过滤。如图2所示，通过使用薄材料层的复合式构造，可图案化通风孔之间的较薄的联接区段，从而允许在背板中布置更多且可能更小的通风孔106。另外，背板的设计(包括背板的厚度和通风孔开口106的尺寸和数量)影响麦克风电容和敏感度，并影响系统的声学信噪比。因此，背板的设计影响系统100的性能。
图2是背板104的更详细的剖视图。如图2所示，对于本发明的一个实施例，背板104包括上金属层200a和下金属层200b。互连层200c连接上层200a和下层200b。上和下金属层中的每个均可包括复合式堆叠的不同金属。例如，在涉及CMOS MEMS的一个实施例中，上层200a和下层200b中的至少一个由堆叠的以下层组成：氮化钛、钛、铝铜合金、钛和氮化钛。并且，在一些实施例中，层200a、200b和200c中的至少一个由绝缘体、而不是金属形成。因此，总体而言，复合式背板104可包括导电的或绝缘的上层200a和下层200b以及导电的或绝缘的互连层200c。
与上层200a和下层200b相比，垂直的互连层200c可由不同的材料(比如标准CMOS通路材料(CMOS via material)层、比如钨)构造。在一些实施例中，如图2所示，互连层200c与上层200a和/或下层200b相比宽度较小。并且，在一些实施例中，每个层均具有不同的宽度。另外，在一个其他实施例中，互连材料200c被去除，从而上层200a直接地连接至下层200b。
另外，如图2所示，可将附加层添加至背板104。例如，如虚线所示，另一互连层200c和另一上金属层200a可添加至背板。类似地，如图3a和3b所示，在一些实施例中，上层200a和下层200b中的仅一个被用于背板104中，其中，在互连层200c之上或之下不存在金属(或绝缘体)层。
互连层200c可被提供为离散式连接部(例如，作为断续的线性部段或圆形柱)或连续式壁。例如，图4a是背板104的平面顶视图，其中，形成了互连层200c，以产生定位于孔106之间的柱300。如图4a所示，柱300可以是实心的。在其他实施例中，如图4b所示，柱300可被构造成围绕芯部302(例如，氧化物芯部)的环壁。芯部302可包括一种或多种材料，或可以是空心的。尽管柱300如图4a和4b所示是圆形的，但是应当理解，柱300可具有任何期望的形状(比如三角形、方形、多边形等)和任何大小。
在一些实施例中，互连层200c不是被构造成离散式柱300，而是可被构造成壁。例如，图4c是背板104的平面顶视图，其中，互连层200c由孔106之间的单个连续式壁304组成。尽管壁304在图4c中被示为连续的直壁，但是壁304也可以是连续的或断续的、以及直的或弯曲的，且可包括一个或多个多重壁(例如，两个平行壁，其包封该壁之间的一区域，该区域可以是中空的或填充一种或多种材料)。图4d是背板104的平面顶视图，其中，互连层200c由多种材料构造，包括用于形成围绕背板周边和每个背板开口的多个连续式壁的一种材料，以便包封和保护壁内部的区域中的第二互连层材料。
图5a-c示出了用于复合式背板104的其他替代性构型。尤其地，图5a示出了复合式背板104，其包括具有双壁304(见图4c)或离散环柱300(见图4a和4b)的互连层200c。壁304或环柱300保护芯部310，所述芯部310可被填充与互连层200c相比不同的材料，比如二氧化硅。在其他实施例中，芯部310可以是中空的。可选的释放孔312可形成在上层200a中。释放孔312使得能够移除材料，以产生中空的芯部310。应当理解，释放孔312可替代性地或附加地被包括在下层200b中。
图5b示出了替代性的背板104，其包括互连层200c(例如，形成为壁304或柱)，其中，层200c的上部部分较宽，或形状不同于下部部分。例如，在一些实施例中，如图5b所示，层200c的上部部分匹配上层200a的形状或尺寸。以该方式形成互连层200c加强和提供了到上层200a的更多支撑。应当理解，如图5b所示的互连层200c的构造可替代性地或附加地随下层200b使用。
还可使用类似构造的互连层200c在没有上层的情况下形成背板104(见图5c)。如前所述，形成如图5c所示的互连层200c加强和提供到背板104(例如，下层200b)的支撑。应当理解，如图5c所示的互连层200c的构造可在背板104不包括下层200b的情况下替代性地或附加地使用。
因此，除其他方面之外，本发明提供了一种薄的、且高度穿孔的和坚固且平坦的、具有充分的拉伸特性的复合式背板。与已知的背板相比，复合式背板还可提供更好的颗粒过滤，并更少地降低信噪比。应当理解，相同的图案可用于MEMS系统中的前板。并且，该构型的背板(或前板)可使用CMOS MEMS材料层或传统MEMS材料层和处理步骤来形成。
Claims (22)
1.一种MEMS装置，该装置包括：
膜；
加强式背板，其具有多个开口，所述加强式背板包括第一层和第二层，其中，所述第一层与所述第二层彼此没有物理接触；和
定位在第一层和第二层之间的互连层，所述互连层将所述第一层耦接至所述第二层。
2.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第二层为加强式背板提供了增加的强度，从而使得开口之间能够具有更薄的联接区段，且与没有由第二层提供增加的强度的情况相比，能够包括更多、更小的开口。
3.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第一层由复合的薄材料层构造。
4.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第二层由复合的薄材料层构造。
5.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第一层和第二层中的至少一个由堆叠的氮化钛、钛、铝铜合金、钛和氮化钛构造。
6.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第一层和第二层中的至少一个是电绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层与第一层和第二层相比由不同的材料构造。
8.根据权利要求7所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层由CMOS通路材料构造。
9.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层与第一层和第二层相比宽度更小。
10.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第一层和第二层具有不同的宽度。
11.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，该MEMS装置还包括经由第二互连层耦接至第一层或第二层的第三层。
12.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层由离散式连接部制成。
13.根据权利要求12所述的MEMS装置，其特征在于，所述离散式连接部是圆形柱。
14.根据权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，所述圆形柱是实心的。
15.根据权利要求13所述的MEMS装置，其特征在于，所述圆形柱是中空的。
16.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层是单个连续式壁。
17.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层包括多个连续式壁区段。
18.根据权利要求17所述的MEMS装置，其特征在于，所述多个连续式壁区段由第一材料构造，所述第一材料包封由第二材料构造的其他互连层区域。
19.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层由第一层和第二层包封。
20.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，第一层和第二层中的一个包括释放孔。
21.根据权利要求1所述的MEMS装置，其特征在于，所述互连层包括较窄的第一部分和较宽的第二部分。
22.根据权利要求21所述的MEMS装置，其特征在于，所述较宽的第二部分与第一层或第二层相比宽度相同。
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| GR01 | Patent grant | ||
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