CN105635865B

CN105635865B - 一种麦克风器件及其制作方法

Info

Publication number: CN105635865B
Application number: CN201410597192.9A
Authority: CN
Inventors: 何昭文; 郑召星; 袁俊; 王奇峰; 李曼曼
Original assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Current assignee: Semiconductor Manufacturing International Shanghai Corp
Priority date: 2014-10-30
Filing date: 2014-10-30
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2034-10-30
Also published as: CN105635865A

Abstract

本发明提供一种麦克风器件及其制作方法，包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成具有凹面的第一牺牲层；2)在所述第一牺牲层表面沉积形成凹形背板，刻蚀背板形成暴露所述第一牺牲层的开口；3)在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；4)在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；5)刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；6)通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空。本发明通过将背板设置成凹形背板，当振动薄膜受到声压发生形变时，其形变灵敏度提高，从而进一步提高麦克风的声电转换性能。

Description

一种麦克风器件及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体器件制造领域，涉及一种麦克风器件及其制作方法，特别是一种具有凹形背板的麦克风器件及其制作方法。

背景技术

在随着移动通信技术的快速发展，消费者越来越多地使用通信设备，如智能手机、笔记本电脑、平板电脑等；并且这些电子产品体积不断缩小、性能越来越高，相应的要求配套的电子元件的体积不断减小、且性能和一致性提高。目前，MEMS麦克风由于其小型化和轻薄化的特点，成为取代使用有机膜的驻极体电容麦克风的最佳候选者。MEMS麦克风通过与集成电路制造兼容的表面加工工艺制造而成，可以很好地应用于手机、笔记本、蓝牙耳机、摄像头等便携式电子产品中。

如图1所示为现有技术中MEMS麦克风器件结构，所述麦克风器件至少包括：衬底1A，所述衬底1A具有上下贯穿的背腔101A；平面背板5A，架设在所述背腔101A的上方，所述背板5A上设置有多个开口；振动薄膜7A，以空气间隙为间隔形成于所述背板5A的上方。其中，背板5A和振动薄膜7A构成一个平行板电容器，背板5A作为下极板，通常由固定的极板形成，振动薄膜7A作为上极板，振动薄膜受到外界声音信号影响发生振动，使得上下极板之间的间距发生变化，进而改变平行板电容器的电容值，产生电压信号，实现声电转换功能。但是，随着麦克风器件的小型化，振动薄膜的形变量受到限制其灵敏度降低。

因此，提供一种新型的麦克风器件及其制作方法是本领域技术人员需要解决的额课题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种麦克风器件及其制作方法，用于解决现有技术中麦克风器件灵敏度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种麦克风器件的制作方法，所述麦克风器件的制作方法至少包括：

1)提供一衬底，在所述衬底表面形成具有凹面的第一牺牲层；

2)在所述第一牺牲层表面沉积形成凹形背板，刻蚀背板形成暴露所述第一牺牲层的开口；

3)在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；

4)在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；

5)刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；

6)通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，在所述步骤1)之前还包括步骤：在设定的初始条件下模拟麦克风中振动薄膜的形变状态，获得振动薄膜中心的最大形变量。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤1)中形成具有凹面的第一牺牲层的步骤为：

1-1)在所述衬底表面依次沉积第一牺牲层材料和硬掩膜层，并在所述硬掩膜层的涂敷光刻胶，曝光显影，刻蚀未被光刻胶保护的硬掩膜层，形成第一槽口；

1-2)继续涂敷光刻胶并曝光显影，使光刻胶延伸至步骤1)中的部分槽口中，刻蚀未被光刻胶保护的第一槽口底部，形成第二槽口；

1-3)继续涂敷光刻胶并曝光显影，使光刻胶延伸至步骤2)中的部分槽口中，刻蚀未被光刻胶保护的第二槽口底部，形成第三槽口；

1-4)重复以上步骤，直至所述硬掩膜层形成两侧厚中间薄的阶梯状表面；

1-5)刻蚀去除硬掩膜层及部分第一牺牲层，形成具有凹面的第一牺牲层。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述硬掩膜层为SiN。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤1)中形成具有凹面的第一牺牲层的方法为各向同性的湿法刻蚀。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤2)中凹形背板的厚度处处相等，厚度范围为10～100μm。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤3)中采用化学机械抛光工艺平坦化所述第二牺牲层，所述第二牺牲层的中心厚度大于所述最大形变量。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤4)中形成振动薄膜的过程为：在所述第二牺牲层表面沉积一层振动薄膜材料，然后刻蚀所述振动薄膜材料以及第二牺牲层以暴露出所述背板一侧的边缘，便于后续制作引出电极。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，在所述步骤4)和步骤5)之间还包括步骤：在所述振动薄膜以及背板表面沉积钝化层，然后将整个麦克风器件的底部朝上，再将所述钝化层与一支撑片键合。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述步骤6)完成后将整个麦克风器件的正面朝上，并去除所述支撑片，然后刻蚀所述钝化层，制作所述振动薄膜和后板的引出电极，去除钝化层。

作为本发明麦克风器件的制作方法的一种优化的方案，所述麦克风器件为MEMS麦克风器件。

本发明还提供一种麦克风器件，所述麦克风器件至少包括：

衬底，所述衬底具有上下贯穿的背腔；

凹形背板，架设在所述背腔的上方，所述背板上设置有多个开口；

振动薄膜，以空气间隙为间隔形成于所述背板的上方。

作为本发明麦克风器件的一种优化的方案，在所述背板及振动薄膜表面分别设置有引出电极，所述引出电极的材料为W、Al或Cu。

作为本发明麦克风器件的一种优化的方案，所述背板的厚度处处相等，厚度范围为10～100μm。

作为本发明麦克风器件的一种优化的方案，所述空气间隙的中心最大厚度大于所述振动薄膜受声压时的最大形变量。

作为本发明麦克风器件的一种优化的方案，所述麦克风器件为MEMS麦克风器件。

如上所述，本发明的麦克风器件及其制作方法，包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成具有凹面的第一牺牲层；2)在所述第一牺牲层表面沉积形成凹形背板，刻蚀背板形成暴露所述第一牺牲层的开口；3)在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；4)在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；5)刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；6)通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空。本发明通过将背板设置成凹形背板，当振动薄膜受到声压发生形变时，其形变灵敏度提高，从而进一步提高麦克风的声电转换性能。

附图说明

图1为现有技术的麦克风器件的结构示意图。

图2为本发明麦克风器件的制作方法流程示意图。

图3为振动薄膜发生形变的示意图。

图4和图5f为本发明麦克风器件制作方法步骤1)中呈现的结构示意图。

图5a～图5f为本发明步骤1)形成凹面第一牺牲层的结构流程图。

图6为本发明麦克风器件制作方法步骤2)中呈现的结构示意图。

图7为本发明麦克风器件制作方法步骤3)中呈现的结构示意图。

图8为本发明麦克风器件制作方法步骤4)中呈现的结构示意图。

图9为本发明制作钝化层的示意图。

图10为本发明制作支撑片的示意图。

图11为本发明麦克风器件制作方法步骤5)中呈现的结构示意图。

图12为本发明麦克风器件制作方法步骤6)中呈现的结构示意图。

图13为本发去除支撑片的示意图。

图14～15为本发明制作引出电极以及去除钝化层的示意图。

图16为本发明麦克风器件的振动薄膜在使用过程中受到声压发生形变的示意图。

元件标号说明

1,1A 衬底

101,101A 背腔

2 第一牺牲层

3 硬掩膜层

4 光刻胶

5,5A 背板

6 第二牺牲层

7,7A 振动薄膜

8 钝化层

9 支撑片

10 引出电极

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅附图。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

本发明提供一种麦克风器件的制作方法，如图2所述，所述制作方法至少包括：

S1，提供一衬底，在所述衬底表面形成具有凹面的第一牺牲层；

S2，在所述第一牺牲层表面沉积形成凹形背板，刻蚀背板形成暴露所述第一牺牲层的开口；

S3，在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；

S4，在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；

S5，刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；

S6，通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空。

下面结合具体附图对发明麦克风器件的制作方法做详细的介绍。

首先执行步骤S1，如图4～图5f所示，提供一衬底1，在所述衬底1表面形成具有凹面的第一牺牲层2。

需要说明的是，在制作麦克风之前需要利用ANSYS有限元分析软件建立麦克风模型，模拟振动薄膜在特定的初始条件下发生的形变状态，并获得振动薄膜中心的最大形变量。

在本实施例中，在麦克风器件模型中施加在振动薄膜上的初始条件如表1所示。

表1

材料	SiGe
		弹性模量	135.5GPa
泊松比	0.275
		密度	4130kg/m<sup>3</sup>
半径	2e-3m
		声压	-1Pa

模拟结果表明，受到声压的圆形振动膜发生形变，且从中心到四周，其形变量逐渐减小，中心的最大形变量为20.4μm。当然，在其他实施例中，若声压越大，则中心最大形变量则越大，反之越小。根据模拟结果，后续在制作过程中，背板的制作形状则与形变时的振动薄膜的形状接近，未发生振动时的薄膜为平面，薄膜中心到背板中心间的距离需大于20.4μm，以避免实际器件在振动发生时薄膜与背板接触。

本实施例中，所述衬底1优选为硅衬底，当然，在其他实施例中也可以选择其他合适的衬底材料。

其中，形成凹面第一牺牲层的具体步骤包括：

S11，如图5a所示，在所述衬底1表面依次沉积第一牺牲层2材料和硬掩膜层3，并在所述硬掩膜层3的涂敷光刻胶4，曝光显影，刻蚀未被光刻胶4保护的硬掩膜层3，形成第一槽口，如图5b所示；

S12，如图5c所示，继续涂敷光刻胶4并曝光显影，使光刻胶4延伸至步骤S11中的部分槽口中，刻蚀未被光刻胶4保护的第一槽口底部，形成第二槽口；

S13，，如图5d所示，继续涂敷光刻胶4并曝光显影，使光刻胶4延伸至步骤S12中的部分槽口中，刻蚀未被光刻胶4保护的第二槽口底部，形成第三槽口；

S14，重复以上步骤，直至所述硬掩膜层3形成两侧厚中间薄的阶梯状表面，去除光刻胶4，形成的结构如图5e所示；

S15，如图5f所示，刻蚀去除硬掩膜层3及部分第一牺牲层2，形成具有凹面的第一牺牲层2。

作为示例，所述硬掩膜层3的材料可以是SiN。当然，也可以是其他合适的掩膜材料，在此不限。

S11～S15中可以采用干法刻蚀或者湿法刻蚀工艺，本实施例中，优选采用各向同性的湿法刻蚀的方式进行刻蚀。步骤S15中硬掩膜层3的厚度从边缘到中心越来越薄，在刻蚀过程中，边缘的硬掩膜层3最后消失。通过刻蚀，最后使第一牺牲层2圆化，其厚度从边缘至中心逐渐变薄，从而形成凹面的第一牺牲层2。

需要说明的是，所述第一牺牲层2凹面的轮廓不需要与形变振动薄膜的形状完全匹配，大致接近即可。

然后执行步骤S2，如图6所示，在所述第一牺牲层2表面沉积形成凹形背板5，刻蚀背板5形成暴露所述第一牺牲层2的开口。

可以采用任何合适的沉积工艺来沉积背板5，例如，物理气相沉积或化学气相沉积，在此不限。由于步骤S1中形成的第一牺牲层2表面为凹面，沉积背板5的工艺完成后，背板5的形状自然呈现非平面，即也为凹形。整个背板5的形状与形变后的薄膜形状相近。

可以采用干法刻蚀或者湿法工艺在背板5中形成若干个开口，这些开口可以用于后续之作工艺中释放两层牺牲层，还可以用作整个器件的某些特定的功能。

作为示例，所述背板5的厚度处处相等，厚度范围为10～100μm。本实施例中，所述背板5的厚度暂选为30μm。

接着执行步骤S3，如图7所示，在所述背板5表面以及开口中沉积第二牺牲层6，并平坦化。

可以采用化学机械抛光工艺平坦化所述第二牺牲层6，所述第二牺牲层6的中心厚度大于步骤S1中模拟振动薄膜的最大形变量，以使实际器件在应用时振动薄膜不触碰到背板。本实施例中，第二牺牲层6的中心厚度约为25μm。

接着执行步骤S4，如图8所示，在所述第二牺牲层6表面沉积振动薄膜7。

具体过程为：在所述第二牺牲层6表面沉积一层振动薄膜材料，然后刻蚀所述振动薄膜材料以及第二牺牲层6以暴露出所述背板5一侧的边缘，便于后续制作引出电极。

再请参阅图9和图10，可以在所述振动薄膜7以及背板5表面沉积钝化层8，然后将整个麦克风器件的底部朝上，将所述钝化层8与一支撑片9键合，制作的支撑片9可以防止器件在工艺过程中受到损伤。

再执行步骤S5，如图11所示，刻蚀所述衬底1，形成暴露所述第一牺牲层2的背腔101。

形成的背腔101与背板5上的开口相对，以便于后续步骤中通过开口腐蚀掉相应的第一牺牲层2和第二牺牲层6。

最后执行步骤S6，如图12所示，通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层2和第二牺牲层6，使所述背板5和振动薄膜7悬空。

去除所述第一牺牲层2和第二牺牲层6的方式可以是湿法刻蚀，去除所述第一牺牲层2和第二牺牲层6后，背板5和振动薄膜7之间除了边缘的牺牲层外，其他位置填充的是空气。

之后，如图13～图15所示，将整个麦克风器件的正面朝上，并去除所述支撑片9，然后刻蚀所述钝化层8，制作所述振动薄膜7和背板5的引出电极10，去除钝化层8，完成整个麦克风器件的制作，制作的振动薄膜7在声压下，发生形变，形变之后的形状与背板5的形状接近，如图16所示。

理论上，在声压条件下振动薄膜发生形变，其具有如下关系式：

Y＝q*(X²-I²/4)²/(24EI).......(1)

其中，Y表示振动薄膜的形变距离，X表示振动薄膜上任意一点到振动薄膜边缘的距离，为发生形变时振动薄膜中心为坐标中心，如图3所示；E表示弹性模量，I表示惯性矩，q表示声压。

假设振动薄膜中心点发生的形变量是未发生振动时薄膜与背板间距离d0的一半，因此，由式(1)可以推导出如下关系式：

qI⁴/(192EI)＝d₀/2.......(2)

当振动薄膜发生形变时，振动薄膜与背板间的距离采用平均距离d表示，满足一下关系式：

其中l表示振膜直径，由关系式(2)和(3)，可以得出：d＝4d0/15

对于现有技术中振动薄膜在振动前后，其灵敏度 C0和C1分别表示形变前后的电容值。

将d＝4d₀/15代入式(4)中，得到灵敏度S＝36.4％。

而本申请的振动薄膜在振动前后，其灵敏度S_new＝(C1’-C0’)/C0’，其中，S'≈S，因此，S_new＝53.3％。

由以上理论计算也可得出，与现有技术的麦克风器件相比，本申请提供的凹形背板麦克风器件的电容变化灵敏度更高。

本发明还提供一种麦克风器件，如图15所示，所述麦克风器件至少包括如下结构：

衬底1，所述衬底1具有上下贯穿的背腔101；

凹形背板5，架设在所述背腔101的上方，所述背板5上设置有多个开口；

振动薄膜7，以空气间隙为间隔形成于所述背板5的上方。

作为示例，所述在所述背板5及振动薄膜7表面分别设置有引出电极10，所述引出电极10的材料为W、Al或Cu。

所述空气间隙的中心最大厚度大于所述振动薄膜7受声压时的最大形变量，以使实际器件在应用时振动薄膜7不触碰到背板5。

综上所述，本发明提供一种麦克风器件及其制作方法，包括步骤：1)提供一衬底，在所述衬底表面形成具有凹面的第一牺牲层；2)在所述第一牺牲层表面沉积形成凹形背板，刻蚀背板形成暴露所述第一牺牲层的开口；3)在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；4)在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；5)刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；6)通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空。本发明通过将背板设置成凹陷的非平面结构，当振动薄膜受到声压发生形变时，其形变量与振动薄膜、背板间距离的比值变大，且振动薄膜和背板的相对表面积也增加，从而提高麦克风器件的灵敏度。。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims

1.一种麦克风器件的制作方法，其特征在于，所述麦克风器件的制作方法至少包括：

3)在所述背板表面以及开口中沉积第二牺牲层，并平坦化；

4)在所述第二牺牲层表面沉积振动薄膜；

5)刻蚀所述衬底，形成暴露所述第一牺牲层的背腔；

6)通过所述开口，去除除边缘外的所述第一牺牲层和第二牺牲层，使所述背板和振动薄膜悬空；

其中，所述步骤1)中形成具有凹面的第一牺牲层的步骤为：

1-1)在所述衬底表面依次沉积第一牺牲层材料和硬掩膜层，并在所述硬掩膜层上涂敷光刻胶，曝光显影，刻蚀未被光刻胶保护的硬掩膜层，形成第一槽口；

2.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：在所述步骤1)之前还包括步骤：在设定的初始条件下模拟麦克风中振动薄膜的形变状态，获得振动薄膜中心最大形变量。

3.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述硬掩膜层为SiN。

4.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述步骤1)中形成具有凹面的第一牺牲层的方法为各向同性的湿法刻蚀。

5.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中凹形背板的厚度处处相等，厚度范围为10～100μm。

6.根据权利要求2所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中采用化学机械抛光工艺平坦化所述第二牺牲层，所述第二牺牲层的中心厚度大于所述最大形变量。

7.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中形成振动薄膜的过程为：在所述第二牺牲层表面沉积一层振动薄膜材料，然后刻蚀所述振动薄膜材料以及第二牺牲层以暴露出所述背板一侧的边缘，便于后续制作引出电极。

8.根据权利要求7所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：在所述步骤4)和步骤5)之间还包括步骤：在所述振动薄膜以及背板表面沉积钝化层，然后将整个麦克风器件的底部朝上，再将所述钝化层与一支撑片键合。

9.根据权利要求8所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述步骤6)完成后将整个麦克风器件的正面朝上，并去除所述支撑片，然后刻蚀所述钝化层，制作所述振动薄膜和背板的引出电极，去除钝化层，制作所述振动薄膜和背板的引出电极包括：刻蚀所述振动薄膜材料以及第二牺牲层以暴露出所述背板一侧的边缘，便于后续制作引出电极。

10.根据权利要求1所述的麦克风器件的制作方法，其特征在于：所述麦克风器件为MEMS麦克风器件。

11.一种利用如权利要求1所述制作方法制作的麦克风器件，其特征在于，所述麦克风器件至少包括：

衬底，所述衬底具有上下贯穿的背腔；

振动薄膜，以空气间隙为间隔形成于所述背板的上方。

12.根据权利要求11所述的麦克风器件，其特征在于：在所述背板及振动薄膜表面分别设置有引出电极，所述引出电极的材料为W、Al或Cu。

13.根据权利要求11所述的麦克风器件，其特征在于：所述背板的厚度处处相等，厚度范围为10～100μm。

14.根据权利要求11所述的麦克风器件，其特征在于：所述空气间隙的中心最大厚度大于所述振动薄膜受声压时的最大形变量。

15.根据权利要求11所述的麦克风器件，其特征在于：所述麦克风器件为MEMS麦克风器件。