CN105451145B - Mems麦克风及其形成方法 - Google Patents
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Abstract
一种MEMS麦克风及其形成方法，其中MEMS麦克风包括：第一晶圆，形成有导电极板；位于导电极板周围的第一支撑部、横亘在第一支撑部上的第一膜片，导电极板与第一膜片、第一支撑部具有间隙，第一支撑部导电；位于第一膜片上的至少一层第二膜片，第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片之间具有第二支撑部，第二支撑部导电；位于每个第二膜片中的若干第一通孔；第二晶圆，在第二晶圆背面形成有凹槽，凹槽侧壁对应第二区的位置，凹槽对应第一区的位置，凹槽底面形成有若干声孔；在第二区位置，凹槽侧壁与第一晶圆的正面键合在一起，凹槽底面与顶层第二膜片之间具有间隙。第一通孔能分流声音，使第一膜片和第二膜片受到的损伤降低。
Description
技术领域
本发明涉及MEMS技术领域，特别涉及一种MEMS麦克风及其形成方法。
背景技术
采用微机电系统(MEMS,Micro-Electro-Mechanical System)工艺的MEMS麦克风由于其小型化和轻薄化的特点，逐渐取代了传统的麦克风。
参照图1、图2，现有的一种MEMS麦克风包括：基底1，基底1具有正面S1和背面S2，基底1具有贯穿正面S1和背面S2的背腔11；位于基底1正面S1的膜片2，膜片2覆盖背腔11；位于膜片2上的支撑部3、和横亘在支撑部3上的导电极板4，导电极板4与膜片2之间具有间隙5，该间隙5对应背腔11的位置，背腔11和间隙5为膜片2振动提供空间，支撑部3具有绝缘性且起到支撑导电极板4的作用。在导电极板4中形成有若干相互隔开的声孔41，声孔41与间隙5连通。
在MEMS麦克风工作时，声音从导电极板4中的声孔41进入间隙5，并引起膜片2振动。其中膜片2与导电极板4相对而构成一个电容，膜片2与导电极板4分别与读出电路(未示出)电连接。当膜片2上下振动时，膜片2与导电极板4之间的间距发生改变，这会引起电容值变化，进而使声音信号转换成电信号。
但是，参照图2，声音经背腔11进入间隙5，膜片2与通孔41之间无遮挡，声音直接作用在膜片2上，当声音较大时，膜片2会受到很大的声音冲击力，而容易在较短时间内出现损伤甚至破裂的问题，降低了MEMS麦克风的使用寿命和性能。另外，即使声音不大，膜片2长时间遭受声音冲击，也存在上述损伤和寿命较短的问题。
发明内容
本发明解决的问题是，现有MEMS麦克风的使用寿命低且性能不佳。
为解决上述问题，本发明提供一种MEMS麦克风的形成方法，该MEMS麦克风的形成方法包括：
提供第一晶圆，所述第一晶圆的正面具有第一区和第二区，所述第二区环绕第一区，在所述第一区形成有导电极板；
在所述第一区形成覆盖、且包围导电极板的第一牺牲层；
在所述第一区形成位于第一牺牲层侧壁的第一支撑部、位于所述第一支撑部和第一牺牲层上的第一膜片，所述第一支撑部导电；
在垂直于第一晶圆正面方向上，在所述第一膜片上对应第一牺牲层的位置形成至少一层第二牺牲层；
在形成每层第二牺牲层后，形成位于该层第二牺牲层侧壁的第二支撑部、位于所述第二支撑部和第二牺牲层上的第二膜片，在每层所述第二膜片中形成若干相互隔开的第一通孔，所述第一通孔露出第二牺牲层，所述第二支撑部对应第一支撑部的位置，所述第二支撑部导电；
在形成所有第二牺牲层、第二膜片和第一通孔后，去除第一牺牲层和所有第二牺牲层；
提供第二晶圆，在所述第二晶圆背面形成有凹槽，所述凹槽侧壁对应第二区的位置，所述凹槽对应第一区的位置，在所述凹槽的底面形成有若干相互隔开的声孔，所述声孔贯通第二晶圆正面；
在所述第二区位置，将所述凹槽侧壁与第一晶圆正面键合在一起，所述凹槽底面与顶层第二膜片之间具有间隙。
可选地，所述第一膜片、第二膜片的厚度范围为0.5μm～2μm。
可选地，所述第一膜片与相邻的第二膜片之间的间距、所有第二膜片中的相邻两膜片之间的间距、所述第一膜片与导电极板之间的间距、顶层第二膜片与导电极板之间的间距范围均为1μm～4μm。
可选地，所述凹槽底面与导电极板之间的间距范围为30μm～50μm。
可选地，所述第一支撑部的数量为多个，多个所述第一支撑部相互隔开；
使用各向同性干法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀气体通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过相邻两第一支撑部之间的空隙刻蚀第一牺牲层；或者，
使用湿法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀剂通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过相邻两第一支撑部之间的空隙刻蚀第一牺牲层。
可选地，在形成所述第二牺牲层之前，在所述第一膜片中形成若干第二通孔，所述第二通孔露出第一牺牲层。
可选地，所述第一支撑部为环形；
在形成所述第二牺牲层之前，在所述第一膜片中形成若干第二通孔，所述第二通孔露出第一牺牲层；
使用各向同性干法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀气体通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过所述第二通孔刻蚀第一牺牲层；或者，
使用湿法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀剂通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过所述第二通孔刻蚀第一牺牲层。
可选地，每个第二膜片上所有第一通孔在第一晶圆正面的投影表面积之和，大于所有第二通孔在所述第一晶圆正面的投影表面积之和。
可选地，在所述第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片，顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开。
可选地，所述第一支撑部和第一膜片的形成方法包括：
在所述第一晶圆和第一牺牲层上形成膜片材料层；
在所述膜片材料层上形成图形化的掩模层，所述图形化的掩模层定义第一膜片的位置；
以所述图形化的掩模层为掩模，刻蚀膜片材料层至露出第一晶圆，所述第一牺牲层侧壁的膜片材料层部分作为第一支撑部，所述第一支撑部上和第一牺牲层上的膜片材料层部分作为第一膜片；
去除图形化的掩模层。
本发明还提供一种MEMS麦克风，该MEMS麦克风包括：
第一晶圆，所述第一晶圆的正面具有第一区和第二区，所述第二区环绕第一区，在所述第一区形成有导电极板；
位于所述第一区且导电极板周围的第一支撑部、横亘在所述第一支撑部上的第一膜片，所述第一膜片与导电极板相对且具有间隙，所述第一支撑部与导电极板之间具有间隙，所述第一支撑部导电；
在垂直于第一晶圆正面方向上，位于所述第一膜片上的至少一层对应第一膜片位置的第二膜片，在第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片之间具有对应第一支撑部位置的第二支撑部，所述第二支撑部导电，所述相邻两膜片相对且具有间隙；
位于每个所述第二膜片中的若干相互隔开的第一通孔；
第二晶圆，在所述第二晶圆背面形成有凹槽，所述凹槽的侧壁对应第二区的位置，所述凹槽对应第一区的位置，在所述凹槽的底面形成有若干相互隔开的声孔，所述声孔贯通第二晶圆正面；
在所述第二区位置，所述凹槽侧壁与第一晶圆的正面键合在一起，所述凹槽底面与顶层第二膜片之间具有间隙。
可选地，所述第一膜片、第二膜片的厚度范围为0.5μm～2μm。
可选地，所述第一膜片与相邻的第二膜片之间的间距、所有第二膜片中的相邻两膜片之间的间距、所述第一膜片与导电极板之间的间距、顶层第二膜片与导电极板之间的间距范围均为1μm～4μm。
可选地，所述凹槽底面与导电极板之间的间距范围为30μm～50μm。
可选地，所述第一支撑部的数量为多个，多个所述第一支撑部相互隔开。
可选地，在所述第一膜片中形成有若干第二通孔，所述第二通孔露出导电极板。
可选地，所述第一支撑部为环形，在所述第一膜片中形成有若干第二通孔，所述第二通孔露出导电极板。
可选地，每个第二膜片上所有第一通孔在第一晶圆正面的投影表面积之和，大于所有第二通孔在所述第一晶圆正面的投影表面积之和。
可选地，在所述第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片，顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
MEMS麦克风中，第一膜片和所有第二膜片中，相邻两膜片之间通过第二支撑部电连接，第一膜片和所有第二膜片共同作为上极板，导电极板作为下极板,该上极板和下极板构成一个电容，下极板可直接与第一晶圆中的集成电路电连接，上极板通过第一支撑部与第一晶圆中的集成电路电连接。
由于每层第二膜片均具有若干第一通孔，当声音从声孔中进入凹槽，除部分声音作用在第二膜片上，另外部分声音会通过第一通孔继续向下传播至第一膜片上。第一膜片和每个第二膜片受声音压力作用而振动，振动时引起每个膜片与导电极板之间间距的变化，并进一步引起电容值变化，电容值变化信号通过集成电路后输出，并经放大等处理后转化为电信号。其中，第二膜片中的第一通孔起到分流声音的作用，也就是传播到第二膜片的声音中仅有一部分对第二膜片施加作用力，同时传播到第一膜片上的声音能量也降低了，即使声音音量较大，第二膜片和第一膜片受到的作用力也减小，第一膜片和第二膜片受到的损伤降低。这样，第一膜片和第二膜片的使用寿命得到延长，延长了MEMS麦克风的使用寿命，提升MEMS麦克风的性能。
附图说明
图1是现有技术的MEMS麦克风的俯视图；
图2是图1沿AA方向的剖面结构示意图；
图3～图19是本发明具体实施例的MEMS麦克风在形成过程各阶段的示意图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
参照图3，提供第一晶圆10，第一晶圆10的正面S1具有第一区I和第二区II，第二区II环绕第一区I，在第一区I形成有导电极板11。在第一晶圆10中形成有集成电路(图中未示出)，该集成电路具有第一电极1和第二电极2，其中导电极板11与第一电极1电连接。
该导电极板11导电，将作为MEMS麦克风的下极板。在具体实施例中，导电极板11的材料为掺杂有离子的Si、SiGe或Ge，还可为其他金属如Al。
在具体实施例中，第一晶圆10可以为硅晶圆，也可以是锗、锗硅、砷化镓晶圆或绝缘体上硅晶圆。本领域的技术人员可以根据需要选择晶圆，因此晶圆的类型不应限制本发明的保护范围。本实施例中的第一晶圆10选择硅晶圆，因为在硅晶圆上实施本技术方案要比在上述其他晶圆上实施本技术方案的成本低。
参照图4，在第一区I形成覆盖、且包围导电极板11的第一牺牲层12。导电极板11上的第一牺牲层部分定义了导电极板11与其上的膜片之间的间隙，导电极板11侧壁的第一牺牲层部分将导电极板隔离开来。
在具体实施例中，第一牺牲层12的材料为SiO2、Si3N4、或SiO2/Si3N4的叠层结构。对第一牺牲层12材料的选择应考虑到：在后续刻蚀去除第一牺牲层的条件下，不会刻蚀损伤导电极板和各膜片。
第一牺牲层12的形成方法包括：在第一晶圆10上沉积牺牲层材料，该牺牲层材料覆盖导电极板11和第二电极2；图形化牺牲层材料，露出第一晶圆10上表面、部分或全部第二电极2，导电极板11上和侧壁的剩余牺牲层材料，作为第一牺牲层12。
参照图5、6，图5为俯视图，图6为图5沿BB方向的剖面结构示意图，在第一区I形成位于第一牺牲层12侧壁的第一支撑部13、位于第一支撑部13和第一牺牲层12上的第一膜片14，该第一支撑部13导电。其中第一膜片14作为MEMS麦克风的一个振动膜，第一膜片14通过第一牺牲层12与导电极板11相互隔开，在后续去除第一牺牲层后在第一膜片14与导电极板11之间形成间隙，间隙将为第一膜片14振动提供空间。第一支撑部13通过第一牺牲层12与第一膜片14相互隔开、且与第二电极2电连接。在后续去除第一牺牲层后，第一膜片14悬空，第一支撑部13起到支撑第一膜片14的作用。而且，第一支撑部13通过第二电极2将第一膜片14与第一晶圆10中的集成电路电连接，第一支撑部13与导电极板11相互隔开，可避免后续第一膜片14与导电极板11短接。
需要说明的是，在图5中，虚线框表示第一支撑部13，因第一支撑部13被第一膜片14所覆盖，故不可见，而用虚线表示。
本实施例中，第一支撑部13的数量为四个，并沿周向方向均匀排布，起到支撑作用。但不限于此，第一支撑部13的数量可以是2个、3个或4个以上的多个。该多个第一支撑部13的分布应满足后续对第一膜片14的支撑要求。除此之外，第一支撑部13还可是环形封闭结构。
相比于环形结构的第一支撑部，使用多个数量的第一支撑部，后续第一膜片边缘未与第一支撑部接触的部分，能释放第一膜片遭到声音冲击的部分的应力，避免第一膜片本身的应力消耗声音的能量，使得声音的能量充分转换为第一膜片的振动机械能，进而增强第一膜片的振动灵敏性，提升MEMS麦克风的灵敏性。这是因为，第一膜片本身存在应力，若第一支撑部为环形而形成一个封闭的区域，第一膜片遭到声音冲击后，其本身的应力得不到释放，可能会消耗声音的能量，这会降低第一膜片的振动灵敏性。
在本实施例中，第一膜片14和第一支撑部13为一体结构，并同时形成。第一膜片14和第一支撑部13的形成方法包括：
首先，在第一晶圆10和第一牺牲层12上沉积形成膜片材料层(图中未示出)，该膜片材料可以是SiGe、Ge或其他具有弹性的金属，以确保第一膜片受到声音作用力而振动变形后还能回复原状，第一晶圆10上的膜片材料层部分高于第一牺牲层12。
在沉积形成该膜片材料层后，可对膜片材料层表面进行化学机械研磨，以使膜片材料层表面平坦。
接着，在膜片材料层上形成图形化的掩模层，如光刻胶层，该图形化的掩模层定义第一膜片14的位置。
紧接着以图形化的掩模层为掩模，刻蚀膜片材料层至露出第一晶圆10，这样第一牺牲层12侧壁的膜片材料层部分作为第一支撑部13，第一支撑部13上和第一牺牲层12上的膜片材料层部分作为第一膜片14。
最后，去除图形化的掩模层。
作为变形例，第一支撑部和第一膜片还可分别单独形成。也就是，首先在第一牺牲层侧壁形成第一支撑部，然后在第一支撑部和第一牺牲层上形成第一膜片。这时，第一牺牲层和第一支撑部的形成顺序不受限制。
在具体实施例中，第一膜片14的厚度范围H1的范围为0.5μm～2μm，可以确保MEMS麦克风具有较佳性能。如果H1小于0.5μm，第一膜片14较薄，在振动过程中容易损坏，而且第一膜片14的振动振幅太大，这样MEMS麦克风的灵敏度太高。如果H1大于2μm，第一膜片14较厚，第一膜片14的振动振幅会很小，MEMS麦克风的灵敏度太低。
在具体实施例中，第一膜片14与导电极板11之间的间距H2范围为1μm～4μm，可以确保MEMS麦克风具有较佳性能。如果H2小于1μm，第一膜片14与导电极板11太过接近，第一膜片14在振动时可能会接触到导电极板11，造成电路短接。而且，即使第一膜片14不会接触到导电极板11，由于后续第一膜片14与导电极板11之间具有间隙，由于间隙狭小，第一膜片14在向下振动时会压缩间隙中的空气，空气对第一膜片14具有较强的阻尼作用，该阻尼作用会消耗声音的能量，这样声音信号转化输出的电信号是不准确的，不能反映真实的声音信号。如果H2大于4μm，则第一膜片14与导电极板11之间的间距太大，第一膜片14振动时引起的第一膜片14与导电极板11之间间距变化量相比间距本身太小，间距变化反馈到电容值的变化量也非常小，电容值变化量经处理后得到的电压信号不可测，这显然是不行的。
参照图7、图8，图7为俯视图，图8为图7沿CC方向的剖面结构示意图，在第一膜片14中形成第二通孔140，该第二通孔140露出第一牺牲层12。
在本实施例中，第二通孔140可作为后续刻蚀去除第一牺牲层12过程中，刻蚀气体或刻蚀剂的通道。除此之外，由于本实施例中，第一支撑部13并未完全包围第一牺牲层12，第一牺牲层12侧壁露出，因此，也可不形成第二通孔，刻蚀气体或刻蚀剂将通过相邻两第一支撑部之间的间隙刻蚀第一牺牲层。但是，需要说明的是，如果在其他实施例中，第一支撑部为环形，全包围第一牺牲层，则必须在第一膜片中形成第二通孔，以刻蚀去除第一牺牲层。
在具体实施例中，可使用光刻、刻蚀工艺形成第二通孔140。
在本实施例中，第二通孔140在第一晶圆10的正面S1上的投影形状为矩形，但不限于此。除此之外，还可为正方形、圆形或其他可行形状。
结合参照图9、图10，图9为俯视图，图10为图9沿DD方向的剖面结构示意图，在第一膜片14上对应第一牺牲层12的位置形成第二牺牲层15，第二牺牲层15覆盖对应第一牺牲层12位置的第一膜片部分、且填充满第二通孔140，第二通孔140中的第二牺牲层部分与第一膜片14上的第二牺牲层部分基本持平。
在具体实施例中，第二牺牲层15的材料可参考第一牺牲层，可使用与第一牺牲层相同的工艺步骤来形成第二牺牲层15。
在具体实施例中，第一膜片14上的第二牺牲层部分的厚度即为后续第二膜片与第一膜片14之间的间距，该间距范围与前文第一膜片14与导电极板11之间间距H2范围相同。
结合参照图11、图12，图11为俯视图，图12为图11沿EE方向的剖面结构示意图，在第一膜片14上形成位于第二牺牲层15侧壁的第二支撑部16、位于第二支撑部16和第二牺牲层15上的第二膜片17，第二支撑部16对应第一支撑部13的位置，第二支撑部16导电，还在后续去除第二牺牲层15后起到支撑第二膜片17的作用。
在具体实施例中，第二支撑部16对应第一支撑部13的位置，也就是第二支撑部16和第一支撑部13关于第一膜片14相对。如果第二支撑部16与第一支撑部13错位设置，第一膜片14在振动时，在第一支撑部13位置持续受到第一支撑部13施加的竖直朝上的压力，在第二支撑部16位置持续受到第二支撑部16施加的竖直朝下的压力，在这两个位置不同且方向相反的压力作用下，第一支撑部13和第二支撑部16附近的第一膜片部分极易崩裂。而如果第二支撑部16与第一支撑部13的位置相对，第一膜片14在同一位置遭到两方向相反的压力作用，两压力相互抵消，不会引起第一膜片14的损伤。
在具体实施例中，第二膜片17的材料可参考第一膜片14，第二支撑部16的材料可参考第一支撑部13。另外，对第二膜片17的厚度范围与第一膜片14的厚度范围H1(参照图6)相同。对于第二膜片17与导电极板11之间的间距范围与H2范围相同，这是由于第二膜片17的振动也会引起第二膜片17与导电极板11之间间距变化，进而引起电容值变化，所以第二膜片17与导电极板11之间的间距也会影响到MEMS麦克风的性能。
在具体实施例中，第二膜片17和第二支撑部16的形成工艺，可参考第一膜片14和第一支撑部13的形成步骤。第二膜片17和第二支撑部16可以在同一工艺步骤中形成，也可分别单独形成。
参照图13、图14，图11为俯视图，图14为图13沿FF方向的剖面结构示意图，在第二膜片17中形成若干相互隔开的第一通孔170，第一通孔170露出第二牺牲层15。
在本实施例中，所有第一通孔170在第一晶圆10的正面S1的投影表面积之和，大于所有第二通孔140在所述正面S1的投影表面积之和，这可通过增大第一通孔170的孔径、数量等方式来实现。由于第二膜片17会首先接收到声音，因此，所有第一通孔170的投影表面积之和较大，第一通孔170能够充分分流作用在第二膜片17上的声音能量，使得第二膜片17直接承受的声音作用力减小，并进一步使第一膜片14受到的声音作用力与第二膜片17受到的声音作用力接近，第一膜片14和第二膜片17的振动参数基本相同，MEMS麦克风的性能更均衡。
在本实施例中，第一通孔170在第一晶圆10的正面S1上的投影与第二通孔140在正面S1上的投影相互隔开，也就是第一通孔170的投影与第二通孔140不重叠，第一通孔170和第二通孔140错位相对。因为，如果第一通孔170与第二通孔140相对设置，这样，通过第一通孔170的声音到达第一膜片14，会首先进入第二通孔140而散失，声音能量被消耗掉，这样作用在第一膜片14表面的声音能量会降低。而如果第一通孔170和第二通孔140错位相对，通过第一通孔170的声音到达第一膜片14后，会首先作用在第一膜片14表面而引起第一膜片14有效振动，第一膜片14的振幅较大，MEMS麦克风的灵敏性增强。
在具体实施例中，可使用光刻、刻蚀工艺形成第一通孔170。
结合参照图15、图16，图15为俯视图，图16为图15沿GG方向的剖面结构示意图，去除第一牺牲层12和第二牺牲层15，这样在第二膜片17与第一膜片14之间形成间隙18，在第一膜片14与导电极板11之间形成间隙19，间隙18为第二膜片17振动提供空间，间隙19为第一膜片14振动提供空间。
在具体实施例中，使用各向同性干法刻蚀或湿法刻蚀去除第一牺牲层12和第二牺牲层15。在干法刻蚀过程中，刻蚀气体通过第一通孔170后刻蚀第二牺牲层15，待去除第二牺牲层15后，刻蚀其他继续通过第二通孔140继续刻蚀第一牺牲层12。除此之外，由于第一支撑部13未全包围第一牺牲层12，第一牺牲层12侧壁露出，第二支撑部16未全包围第二牺牲层15，第二牺牲层15侧壁露出，刻蚀气体还可通过相邻两第一支撑部13之间的空隙刻蚀第一牺牲层12、通过相邻两第二支撑部16之间的空隙刻蚀第二牺牲层15。若在其他实施例中，第一支撑部13和第二支撑部15均为环形，则刻蚀气体只能通过第一通孔170和第二通孔140来刻蚀第一牺牲层12和第二牺牲层15。
在干法刻蚀过程中可使用含氟、碳气体，如CF4，C4F8等。干法刻蚀过程中的相关参数为：气体流量范围为100sccm～500sccm，源功率范围为2000W～5000W，偏置功率为0，刻蚀反应腔室的压强范围为10mTorr～50mTorr。
在湿法刻蚀过程中，刻蚀剂的流向可参考前文干法刻蚀过程中刻蚀气体的流向，刻蚀剂可通过第一通孔170和相邻两第二支撑部16之间空隙刻蚀第一牺牲层12、通过第二通孔140和相邻两第一支撑部13之间空隙刻蚀第二牺牲层15。使用的刻蚀剂为氢氟酸溶液，该氢氟酸溶液中，各成分的体积比为H2O:HF＝100:1～50:1，温度范围为22.5℃～23.5℃。
结合参照图17、图18，图17为俯视图，图18为图17沿HH方向的剖面结构示意图，提供第二晶圆20，第二晶圆20具有正面S1'和背面S2'，在第二晶圆20的背面S2'形成有凹槽21，凹槽21对应第一区I的位置，该凹槽21的侧壁为环形并对应第二区II的位置，在凹槽21底面形成有若干相互隔开的声孔22，声孔22贯穿正面S1，声音会通过声孔22进入凹槽21。声孔22的孔径远大于第一通孔170的孔径，这是因为外界声音将通过声孔22到达第二膜片17，如果声孔22较小，大部分的声音可能会阻挡在外。
在具体实施例中，在第二晶圆20中形成若干声孔22和凹槽21的方法包括：
首先，提供双面抛光晶圆作为第二晶圆20，第二晶圆20相对的两表面均平坦，在第二晶圆20正面S1'刻蚀形成若干间隔分布的声孔22，声孔22并未贯穿第二晶圆20；
接着在正面S1上和声孔22中形成氧化硅层，声孔22中的氧化硅层部分高于正面S1'；
紧接着，提供第三晶圆，第三晶圆的正面和背面均覆盖有氧化硅层，第三晶圆在后续工艺中起到对第二晶圆的支撑作用；
之后，将第二晶圆翻转，并使第二晶圆的氧化硅层和第三晶圆的一氧化硅层键合在一起，使得第二晶圆与第三晶圆结合在一起；
然后，在第二晶圆20的背面S2刻蚀形成凹槽21，凹槽21对应正面S1形成有声孔22的区域，凹槽21与声孔22连通；
最后，剥离键合在一起的两氧化硅层，实现第二晶圆与第三晶圆分离，之后去除声孔22中的氧化硅。
结合参照图19，在第二区II的位置，将凹槽21侧壁与第一晶圆10键合在一起，实现第一晶圆10与第二晶圆20结合在一起，该凹槽21底面与第二膜片17之间具有间隙23。凹槽21底面与第二膜片17之间的间距范围为15μm～30μm，凹槽21底面到导电极板11之间的间距范围为30μm～50μm。键合工艺为本领域技术人员所熟知的技术，在此不再赘述。
通过本实施例的工艺步骤形成MEMS麦克风。其中，第一膜片14和第二膜片17通过第一支撑部13和第二支撑部16与第二电极2电连接，共同作为上极板，而导电极板11作为下极板、且与第一电极1电连接，该上极板和下极板构成一个电容。该MEMS麦克风的工作原理为：
当声音从声孔22中进入凹槽21，一部分声音传播到第二膜片17上，激发第二膜片17在空隙18中振动，第二膜片17振动时引起第二膜片17与导电极板11之间间距的变化，并进一步引起电容值变化，电容值变化信号通过第一电极1和第二电极2进入集成电路后输出，并经放大等处理后转化为声音；另一部分声音通过第一通孔170传播到第一膜片14上，激发第一膜片14在空隙19中振动，引起第一膜片14与导电极板11之间间距的变化，电容值变化信号经处理后转化为电信号。由于作用在第一膜片14上的声波和作用在第二膜片17上的声波为同一声波，频谱相同，因此，第一膜片14和第二膜片17的振动频率完全相同，后续通过专门的处理程序将叠加的电容信号处理后转化为电信号，这不会降低MEMS声音感应敏感度。
在MEMS麦克风工作过程中，第二膜片17中的第一通孔170起到分流声音的作用，也就是传播到第二膜片17的声音中仅有一部分对第二膜片17施加作用力，与现有技术相比，第二膜片17受到的作用力减小，第二膜片17受到的损伤降低。分流的声音传播到第一膜片14，与现有技术相比，此时作用在第一膜片14上的声音作用力减小，第一膜片14受到的损伤也降低。这样，第一膜片14和第二膜片17的使用寿命得到延长，延长了MEMS麦克风的使用寿命，提升MEMS麦克风的性能。
另外，在最靠近导电极板11的第一膜片14中也可不形成第二通孔140，这样作用在第一膜片14上的声音不会流失，进入MEMS麦克风的声音能量基本上完全转化为第一膜片14和第二膜片17的振动机械能，不会出现较大的声音能量损耗。
在本实施例中，在第一膜片14上形成有一层第二膜片17和第二支撑部16。但不限于此，在第一膜片上可形成多层第二膜片，其中相邻两层第二膜片具有第二支撑部来支撑上层第二膜片。这样，多层第二膜片和第一膜片可对声音进行层层分流，起到更好的分流效果，使得每个膜片受到的损伤更低。在所有第二膜片和第一膜片的相邻两膜片中，使上层膜片中的所有通孔在第一晶圆正面的投影面积之和，大于下层膜片中的所有通孔在第一晶圆正面的投影面积之和，这样下层膜片也能分流到足够的声音来使其有效振动。
另外，在所有第二膜片和第一膜片的相邻两膜片中，可使顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开，使得每层膜片的振动振幅比较均衡。另外，顶层第二膜片与导电极板之间的间距最好在1μm～4μm范围内，否则顶层膜片的振动可能无法转换为可测电信号。
本发明还提供一种MEMS麦克风，结合参照图18、图19，MEMS麦克风包括：
第一晶圆10，第一晶圆10具有第一区I和第二区II，第二区II环绕第一区I，在第一区I形成有导电极板11，导电极板11下的第一晶圆中具有第一电极1，导电极板11与第一电极1接触电连接，导电极板11作为MEMS麦克风的上极板；
位于第一区I且导电极板11周围的第一支撑部13、横亘在第一支撑部13上的第一膜片14，第一膜片14与导电极板11相对且具有间隙19，第一膜片14与第一支撑部13之间也具有间隙以相互隔开，第一支撑部13导电并与第一晶圆10中的第二电极2接触电连接；
在垂直于第一晶圆10的正面S1方向上，位于第一膜片14上对应第一膜片14位置的第二膜片17，在第一膜片14与第二膜片17之间具有对应第一支撑部13位置的第二支撑部16，第二支撑部16导电，第二膜片17与第一膜片14相对且具有间隙18，第二膜片17和第一膜片14通过第二支撑部16、第一支撑部13与第二电极2电连接，共同作为MEMS麦克风的上极板；
位于第二膜片17中的若干相互隔开的第一通孔170，第一通孔170起到分流声音的作用；
第二晶圆20，第二晶圆20背面S2'形成有凹槽21，凹槽21的侧壁对应第二区II的位置，凹槽21对应第一区I的位置，在凹槽21底面形成有若干相互隔开的声孔22，声孔22贯通第二晶圆20的正面S1'，声音通过声孔22后作用在第二膜片22上；
在第二区II的位置，凹槽21侧壁与第一晶圆10的正面S1键合在一起，凹槽21的底面与顶层第二膜片17之间具有间隙23。
在本实施例中，第一膜片14上仅具有一层第二膜片17。但不限于此，作为变形例，第一膜片上还可设置多层第二膜片，底层第二膜片与第一膜片之间、相邻两层第二膜片之间具有对应第一支撑部位置的第二支撑部，相邻两层第二膜片相对且具有间隙。在每层第二膜片中具有若干第一通孔。
在具体实施例中，第一膜片14和第二膜片17的厚度范围均为0.5μm～2μm。
在具体实施例中，第一膜片14与相邻的第二膜片17之间的间距、所有第二膜片17中相邻两膜片之间的近距、第一膜片14与导电极板11之间的间距、顶层第二膜片17与导电极板11之间的间距范围均为1μm～4μm。
在具体实施例中，凹槽21底面与第二膜片17之间的间距范围为15μm～30μm，凹槽21底面到导电极板11之间的间距范围为30μm～50μm。
在本实施例中，结合参照图5，第一支撑部13的数量为多个，多个第一支撑部环绕导电极板11间隔分布。作为变形例，第一支撑部还可为封闭的环形结构。在第一支撑部13为相互隔开的多个时，第一膜片14中具有若干间隔分布的第二通孔140，第二通孔140露出导电极板11。但不限于此，第一膜片14中也可不形成第二通孔。当第一支撑部为环形时，从形成工艺的角度，第一膜片中必须形成有第二通孔。
在具体实施例中，每个第二膜片17上所有第一通孔170在第一晶圆10的正面S1上的投影表面积之和，大于所有第二通孔140在第一晶圆10的正面S1上的投影表面积之和。
在具体实施例中，在第一膜片14和所有第二膜片17中的相邻两膜片，顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (19)
1.一种MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，包括：
提供第一晶圆，所述第一晶圆的正面具有第一区和第二区，所述第二区环绕第一区，在所述第一区形成有导电极板；
在所述第一区形成覆盖、且包围导电极板的第一牺牲层；
在所述第一区形成位于第一牺牲层侧壁的第一支撑部、位于所述第一支撑部和第一牺牲层上的第一膜片，所述第一支撑部导电；
在垂直于第一晶圆正面方向上，在所述第一膜片上对应第一牺牲层的位置形成至少一层第二牺牲层；
在形成每层第二牺牲层后，形成位于该层第二牺牲层侧壁的第二支撑部、位于所述第二支撑部和第二牺牲层上的第二膜片，在每层所述第二膜片中形成若干相互隔开的第一通孔，所述第一通孔露出第二牺牲层，所述第二支撑部对应第一支撑部的位置，所述第二支撑部导电；
在形成所有第二牺牲层、第二膜片和第一通孔后，去除第一牺牲层和所有第二牺牲层；
提供第二晶圆，在所述第二晶圆背面形成有凹槽，所述凹槽的侧壁对应第二区的位置，所述凹槽对应第一区的位置，在所述凹槽的底面形成有若干相互隔开的声孔，所述声孔贯通第二晶圆正面；
在所述第二区位置，将所述凹槽的侧壁与第一晶圆正面键合在一起，所述凹槽底面与顶层第二膜片之间具有间隙。
2.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述第一膜片、第二膜片的厚度范围为0.5μm～2μm。
3.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述第一膜片与相邻的第二膜片之间的间距、所有第二膜片中的相邻两膜片之间的间距、所述第一膜片与导电极板之间的间距、顶层第二膜片与导电极板之间的间距范围均为1μm～4μm。
4.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述凹槽底面与导电极板之间的间距范围为30μm～50μm。
5.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述第一支撑部的数量为多个，多个所述第一支撑部相互隔开；
使用各向同性干法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀气体通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过相邻两第一支撑部之间的空隙刻蚀第一牺牲层；或者，
使用湿法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀剂通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过相邻两第一支撑部之间的空隙刻蚀第一牺牲层。
6.如权利要求5所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，在形成所述第二牺牲层之前，在所述第一膜片中形成若干第二通孔，所述第二通孔露出第一牺牲层。
7.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述第一支撑部为环形；
在形成所述第二牺牲层之前，在所述第一膜片中形成若干第二通孔，所述第二通孔露出第一牺牲层；
使用各向同性干法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀气体通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过所述第二通孔刻蚀第一牺牲层；或者，使用湿法刻蚀去除所述第一牺牲层和第二牺牲层，刻蚀剂通过所述第一通孔刻蚀第二牺牲层、通过所述第二通孔刻蚀第一牺牲层。
8.如权利要求6或7所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，每个第二膜片上所有第一通孔在第一晶圆正面的投影表面积之和，大于所有第二通孔在所述第一晶圆正面的投影表面积之和。
9.如权利要求6或7所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，在所述第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片，顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开。
10.如权利要求1所述的MEMS麦克风的形成方法，其特征在于，所述第一支撑部和第一膜片的形成方法包括：
在所述第一晶圆和第一牺牲层上形成膜片材料层；
在所述膜片材料层上形成图形化的掩模层，所述图形化的掩模层定义第一膜片的位置；
以所述图形化的掩模层为掩模，刻蚀膜片材料层至露出第一晶圆，所述第一牺牲层侧壁的膜片材料层部分作为第一支撑部，所述第一支撑部上和第一牺牲层上的膜片材料层部分作为第一膜片；
去除图形化的掩模层。
11.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括：
第一晶圆，所述第一晶圆的正面具有第一区和第二区，所述第二区环绕第一区，在所述第一区形成有导电极板；
位于所述第一区且导电极板周围的第一支撑部、横亘在所述第一支撑部上的第一膜片，所述第一膜片与导电极板相对且具有间隙，所述第一支撑部与导电极板之间具有间隙，所述第一支撑部导电；
在垂直于第一晶圆正面方向上，位于所述第一膜片上的至少一层对应第一膜片位置的第二膜片，在第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片之间具有对应第一支撑部位置的第二支撑部，所述第二支撑部导电，所述相邻两膜片相对且具有间隙；
位于每个所述第二膜片中的若干相互隔开的第一通孔；
第二晶圆，在所述第二晶圆背面形成有凹槽，所述凹槽的侧壁对应第二区的位置，所述凹槽对应第一区的位置，在所述凹槽的底面形成有若干相互隔开的声孔，所述声孔贯通第二晶圆正面；
在所述第二区位置，所述凹槽侧壁与第一晶圆的正面键合在一起，所述凹槽底面与顶层第二膜片之间具有间隙。
12.如权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一膜片、第二膜片的厚度范围为0.5μm～2μm。
13.如权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一膜片与相邻的第二膜片之间的间距、所有第二膜片中的相邻两膜片之间的间距、所述第一膜片与导电极板之间的间距、顶层第二膜片与导电极板之间的间距范围均为1μm～4μm。
14.如权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述凹槽底面与导电极板之间的间距范围为30μm～50μm。
15.如权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一支撑部的数量为多个，多个所述第一支撑部相互隔开。
16.如权利要求15所述的MEMS麦克风，其特征在于，在所述第一膜片中形成有若干第二通孔，所述第二通孔露出导电极板。
17.如权利要求11所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述第一支撑部为环形，在所述第一膜片中形成有若干第二通孔，所述第二通孔露出导电极板。
18.如权利要求16或17所述的MEMS麦克风，其特征在于，每个第二膜片上所有第一通孔在第一晶圆正面的投影表面积之和，大于所有第二通孔在所述第一晶圆正面的投影表面积之和。
19.如权利要求16或17所述的MEMS麦克风，其特征在于，在所述第一膜片和所有第二膜片中的相邻两膜片，顶层膜片上所有通孔在底层膜片表面上的投影与底层膜片上的通孔相互隔开。
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