CN105359553A - 具有悬挂式振膜的硅麦克风和具有该硅麦克风的系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有悬挂式振膜的硅麦克风以及具有该硅麦克风的系统，所述麦克风包括：硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；柔性振膜，设置在所述硅基底的背孔的上方并且与所述硅基底分离；穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙；以及精确限定的支撑机构，设置在所述振膜与所述背板之间，所述支撑机构的一端固定在所述振膜的边缘上并且其另一端固定在所述背板上，其中所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板。所述具有悬挂式振膜的麦克风可以提高性能的可重复性和可再现性并且可以减少由所述基底引起的振膜应力。

Description

具有悬挂式振膜的硅麦克风和具有该硅麦克风的系统
技术领域
本发明涉及麦克风技术领域，更具体地，涉及一种具有悬挂式振膜的硅麦克风和具有该硅麦克风的系统。
背景技术
多年来都在研发硅麦克风，或硅基MEMS麦克风，也称为声换能器。硅麦克风由于其微型化、性能、可靠性、环境耐久性、成本和大批量生产能力方面的潜在优势而被广泛地用于许多应用领域，例如，手机、平板电脑、照相机、助听器、智能玩具和监视设备等。
一般而言，硅麦克风由固定的穿孔背板和高柔性(highlycompliant)振膜以及形成在上述两者之间的空气间隙组成。形成可变的空气间隙电容器的穿孔背板和柔性振膜，通常形成在单个硅基底上，其中之一通过形成在硅基底中的背孔直接向外部露出。
专利申请No.WO02/15636公开了一种声换能器，该声换能器具有：基底，其中形成有背孔；振膜，由低应力(lowstress)多晶硅组成并且位于基底的背孔的上方；和盖构件(相当于所述背板)，设置在所述振膜的上方。所述振膜可以在其与所述盖构件的平面表面(planarsurface)平行的平面上横向地(laterally)移动，并且因此可以释放其内应力，从而得到非常一致的机械顺从性(mechanicalcompliance)。
专利文件PCT/DE97/02740公开了一种微型麦克风，其中SOI基底用于麦克风和相关的CMOS电路的形成。具体地，SOI基底的硅层用于形成麦克风的背板，该背板直接在形成在SOI基底中的背孔的上方，而随后沉积的多晶硅薄膜，用作麦克风的振膜，位于背板的上方并且在两者之间有空气间隙，并且通过穿孔背板中的开口和SOI基底中的背孔向外部露出。
图1示出了常规的硅麦克风的实例性结构的截面图。如图1所示，常规的硅麦克风10包括：硅基底100，其中设置有背孔140；导电且柔性振膜200，堆叠在所述硅基底100上，在所述振膜与所述硅基底之间夹有氧化物层120，所述导电且柔性的振膜200用作电极以及振动薄膜；穿孔背板400，位于所述振膜200的上方并且形成有其中嵌有金属层400b的CMOS钝化层，所述金属层用作背板400的电极板；和空气间隙150，设置在所述振膜200与所述背板400之间并且具有形成为其边界(boundary)的隔离体300。振膜200和背板400的电极板形成可变电容器，其具有用于振膜200的引出电极410和用于背板400的引出电极420。常规麦克风10的更多细节在国际专利申请No.PCT/CN2010/075514中进行了描述，并且为了简明在本文中已省略。
从上述硅麦克风10的结构可以看出，振膜200由通过湿法蚀刻或干法蚀刻工艺形成在基底100中的背孔140限定并通过其向外部露出。由于硅基底100具有例如400μm或400μm以上的典型厚度，并且基底100的背孔湿法蚀刻或干法蚀刻工艺的可实现的精度通常为±20μm，所以常规的硅麦克风10存在的问题是，不精确的背孔蚀刻工艺可能引起在振膜200的振动区域(即，图1中的两条垂直虚线之间所示的区域)的变化，并且因此引起硅麦克风10的敏感性的变化，致使硅麦克风10在性能方面具有低的可重复性和可再现性。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种具有悬挂式振膜的硅麦克风以及具有该硅麦克风的系统，可以有助于精确地限定硅麦克风的振膜的振动区域并且因此提高硅麦克风的可重复性和可再现性。
在本发明的一方面，提供了一种具有悬挂式振膜的硅麦克风，包括：硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；柔性振膜，所述柔性振膜设置在所述硅基底的所述背孔的上方并且与所述硅基底分离；穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙；以及精确限定的支撑机构，设置在所述振膜与所述背板之间，所述支撑机构的一端固定在所述振膜的边缘上,另一端固定在所述背板上，其中，所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板。
优选地，所述支撑机构可以包括环绕地位于所述振膜的边缘的多个独立的支撑体，或者优选地，所述支撑机构可以包括位于所述振膜的边缘的环状支撑体。
此外，所述支撑机构可以由选自由金属、半导体和绝缘体组成的组中的一种或多种材料的堆叠层制成。
另外，所述具有悬挂式振膜的硅麦克风可以进一步包括设置在所述支撑机构中用于电性引出所述振膜的互连柱(interconnectioncolumn)。
另外，所述具有悬挂式振膜的硅麦克风可以进一步包括凹座(dimples)，所述凹座从与所述振膜相对的所述穿孔背板的下表面突出。
优选地，所述柔性(compliant)振膜可以形成有堆叠在所述硅基底上的硅器件层的一部分或者多晶硅层，在所述柔性振膜与所述硅基底之间夹有氧化物层。
优选地，所述穿孔背板可以形成有CMOS钝化层，在所述CMOS钝化层中嵌入有金属层，所述金属层用作所述背板的电极板，或者优选地，所述穿孔背板可以形成有多晶硅层或SiGe层。
在本发明的另一方面中，提供了一种麦克风系统，包括集成在单一芯片上的如上所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风和CMOS电路。
从上述描述可以看出，在根据本发明的硅麦克风中，振膜与基底分离并且由支撑机构支撑，这意味着振膜的振动区域由支撑机构约束而非由形成在基底中的背孔约束，因此，支撑机构的加工精度(小于1μm)而不是背孔的加工精度(约20μm)确定在振膜的振动区域中的振动，这引起硅麦克风的性能一致性的极大提高，从而使得根据本发明的硅麦克风具有更高的产率。另外，由于根据本发明的麦克风的振膜悬空，在根据本发明的麦克风中不再存在常规麦克风中存在的由基底引起的振膜应力，并且不再影响其性能。
尽管已经在上述发明内容中讨论了各种实施例，但是应当理解，未必所有的实施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的而是在一些实施例中是可取的。在以下的具体的描述中讨论了许多额外的特征、实施例和益处。
附图说明
从以下给出的结合附图对实施例的描述中，本发明的目的和特征将变得显而易见，其中：
图1是示出了常规硅麦克风的实例性结构的截面图；
图2是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的具有悬挂式振膜的硅麦克风的层结构的分解图；
图3是示意性地示出了图2中的硅麦克风的堆叠层(laminatedlayers)在一个平面内的顶视图；
图4是示出了图2中的硅麦克风的结构的截面图；
图5是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的硅麦克风的堆叠层在一个平面内的顶视图；
图6是示意性地示出了根据本发明的第三实施例的硅麦克风的堆叠层在一个平面内的顶视图。
具体实施方式
参照附图描述要求保护的主题的多个方面，其中附图中的图(illustrations)是示意性的并未按比例(scale)，并且全文中相同的附图标记用于指代相同的元件。在以下描述中，为了解释的目的，阐述了许多具体细节以便提供一个或多个方面的透彻理解。然而，显然，这些方面可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，熟知的结构和设备被图示为框图形式以便于描述一个或多个方面。
在说明书和所附权利要求书中，应当理解，当层、区域或元件称为在另一层、另一区域、或另一元件“上”或“下”时，其可以是“直接地”或“间接地”在另一层、区域或元件上或下，或者还可以存在一个或多个中间层。
图2是示意性地示出了根据本发明的第一实施例的具有悬空(suspended)振膜的硅麦克风的层结构的分解图，图3是示意性地示出了图2中的硅麦克风的堆叠层(laminatedlayers)在一个平面内的顶视图；图4是示出了图2中的硅麦克风的结构的截面图。如图2至图4所示，根据本发明的第一实施例的具有悬挂式振膜的硅麦克风20主要包括：硅基底100，其中设置有背孔140；柔性振膜200，设置在硅基底100的背孔140的上方并且与硅基底100分离隔开；穿孔背板400，设置在振膜200的上方，并且两者之间夹有空气间隙150；和精确限定的支撑机构800，设置在振膜200与背板400之间，其一端固定在振膜200的边缘上且其另一端固定在背板400上。振膜200和背板400用于形成可变电容器的电极板，从而可以接收声信号并且将所接收的声信号转换成电信号用于随后的处理和输出。
更具体地，振膜200可以形成有硅器件(silicondevice)层的一部分，例如，在绝缘体上的硅(SOI)晶片(silicon-on-insulatorwafer，)上的顶硅膜(top-siliconfilm)，或者通过沉积工艺形成有多晶体硅(或多晶硅)膜，并且堆叠在硅基底100上，在振膜200与硅基底100之间夹有氧化物层120。
穿孔背板400可以形成有CMOS钝化层，金属层400b嵌入该钝化层中，用作背板400的电极板。在另一实例中，穿孔背板400可以形成有多晶硅层或低温SiGe层。
空气间隙150形成在振膜200和背板400之间，隔离体300形成其边界。导电且柔性的振膜200用作电极以及振动膜，该振动膜响应于通过背孔140到达振膜200的外部声波或声压冲击而振动。背板400提供麦克风20的另一电极，并且其中形成有多个通孔430，这些通孔用于通气(airventilation)以便减小振膜200在开始振动时会遇到的空气阻尼(airdamping)。
在根据本发明的第一实施例的硅麦克风20中，支撑机构800包括环绕地(circumferentially)位于振膜200的边缘上的多个独立的支撑体(separatesupports)。由于振膜200与衬底100分离以形成悬挂式振膜并且由与背板400连接的支撑机构800支撑，从而悬挂式振膜200的振动区域仅由支撑机构800约束。
另一方面，与由硅制成的并且厚度约400μm的基底100相比，支撑机构800可以形成有CMOS电介质氧化硅层并且可以具有数微米(micrometers)的厚度，因此，不同于以约20μm的精度形成在基底100中的背孔140，支撑机构800可以通过加工精度小于1μm的氧化湿法蚀刻工艺来精确地限定。因此，根据本发明的硅麦克风20，其振膜200由支撑机构800约束而不是硅基底100的背孔140约束，可以具有高度一致的性能，例如，敏感性。
在其他实例中，支撑机构800可以由选自由金属(例如，铜、铝、钛等)、半导体(例如，多晶硅)和绝缘体(例如，CMOS电介质氧化硅，包括LPCVD或PECVD氧化物、PSG或BPSG氧化物或其组合；CMOS钝化材料，包括PECVD氮化硅等)组成的组中的一种或多种材料的堆叠层制成。
此外，根据本发明的第一实施例的硅麦克风20可以进一步包括设置在支撑机构800中用于电性引出振膜200的互连柱600。并且，根据本发明的第一实施例的硅麦克风20可以具有用于振膜200的引出电极(extractionelectrode)410和用于背板400的引出电极420。
另外，根据本发明的第一实施例的硅麦克风20可以进一步包括凹座(dimples)500，该凹座从与振膜200相对的穿孔背板400的下表面突出，并且用于防止振膜200粘在背板400上。
应该指出的是，为了清楚，在图2中省略了引出电极410和引出电极420，而在图3中省略了氧化物层120、振膜层200'的非膜部分和隔离体300。
根据本发明的制造硅麦克风20的方法可以参照国际申请No.PCT/CN2010/075514容易地设计，并且因此为了简洁而在本文中省略。
应该指出的是，根据本发明的支撑机构的结构和形状不限于以上所述的支撑机构800的这些结构和形状。图5是示意性地示出了根据本发明的第二实施例的硅麦克风的堆叠层在一个平面内的顶视图，图6是示意性地示出了根据本发明的第三实施例的硅麦克风的堆叠层在一个平面内的顶视图。
将图5和图6与图3相比，根据第二实施例的具有悬挂式振膜的硅麦克风30和根据第三实施例的具有悬挂式振膜的硅麦克风40与根据第一实施例的硅麦克风的不同之处在于，第二实施例中的支撑机构801和第三实施例中的支撑机构802包括位于振膜200的边缘的环形支撑体。
此外，根据本发明的具有悬挂式振膜的任何硅麦克风可以与CMOS电路在单个芯片上集成以形成麦克风系统。
从上述描述可以看出，在根据本发明的硅麦克风中，振膜与基底分离并且由支撑机构支撑，这意味着振膜的振动区域由支撑机构约束而非由形成在基底中的背孔约束，因此，代替背孔的加工精度(processingprecision)(约为20μm)的支撑机构的加工精度(小于1μm)确定在振膜的振动区域中的变化，这引起硅麦克风的性能一致性(performanceconsistency)的极大提高，并且使得根据本发明的硅麦克风具有很高的产率。另外，由于根据本发明的麦克风的振膜悬空，在根据本发明的麦克风中不再存在常规麦克风中存在的由基底引起的振膜应力，并且不再影响其性能。
提供的对本公开的此前描述能够使本领域技术人员能做出或使用本公开。本领域的技术人员将容易明白对本公开的各种修改，并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下，本文定义的一般原理可以应用于其他变形。因此，本公开并不旨在局限于本文描述的实例，而是符合与本文公开的原理和新特征一致的最宽范围。

Claims (10)

1.一种具有悬挂式振膜的硅麦克风，包括：
硅基底，在所述硅基底中设置有背孔；
柔性振膜，设置在所述硅基底的所述背孔的上方，并且与所述硅基底分离；
穿孔背板，设置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板与所述振膜之间夹有空气间隙；以及
精确限定的支撑机构，设置在所述振膜与所述背板之间，所述支撑机构的一端固定在所述振膜的边缘上，其另一端固定在所述背板上，
其中，所述振膜和所述背板用于形成可变电容器的电极板。
2.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述支撑机构包括环绕地位于所述振膜的边缘上的多个独立的支撑体。
3.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述支撑机构包括位于所述振膜的边缘上的环形支撑体。
4.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述支撑机构由选自由金属、半导体和绝缘体组成的组中的一种或多种材料的堆叠层制成。
5.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，进一步包括设置在所述支撑机构中用于电性引出所述振膜的互连柱。
6.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，进一步包括凹座，所述凹座从与所述振膜相对的所述穿孔背板的下表面突出。
7.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述柔性振膜形成有堆叠在所述硅基底上的硅器件层的一部分或者多晶硅层，在所述柔性振膜与所述硅基底之间夹有氧化物层。
8.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述穿孔背板形成有CMOS钝化层，在所述CMOS钝化层中嵌入有金属层，所述金属层用作所述背板的电极板。
9.根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风，其中，
所述穿孔背板形成有多晶硅层或SiGe层。
10.一种麦克风系统，包括集成在单一芯片上的根据权利要求1所述的具有悬挂式振膜的硅麦克风和CMOS电路。
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