CN105792084B - Mems麦克风及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种MEMS麦克风。所述MEMS麦克风包括具有背腔的基底以及设置在所述基底上的电容系统，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对的振膜，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，所述振膜远离所述声腔的一侧设有应力层。本发明还提供了一种MEMS麦克风的制造方法。此方法特别适用于低拉伸应力振膜，可以避免在整体结构应力平衡后而导致皱膜或者是变形屈曲，从而保证所述MEMS麦克风具有高灵敏性和高可靠性。而且该方法生产的MEMS麦克风制作工艺流程简单、工艺成本低、易于批量化生产。

Description

MEMS麦克风及其制造方法

【技术领域】

本发明涉及一种声电转换装置，特别地，涉及一种微型机电系统(Micro-Electro-Mechanic System，MEMS)麦克风及其制造方法。

【背景技术】

随着无线通讯的发展，用户对移动电话的通话质量要求越来越高，麦克风作为移动电话的语音拾取装置，其设计的好坏直接影响移动电话的通话质量。

目前在移动电话应用较为广泛的麦克风是MEMS麦克风，一种与本发明相关的MEMS麦克风包括基底以及由振膜和背板组成的电容系统，振膜和背板相对并间隔设置。振膜在声波的作用下产生振动，导致振膜和背板之间的距离发生变化，进而使电容系统的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号。但是由于振膜的拉伸应力较低，很容易受到压力扰动，导致变形屈曲或者产生静态阻力，以至于MEMS麦克风灵敏性和可靠性降低。若采用高强度的弹性膜作为振膜，将会牺牲麦克风灵敏度，导致性能降低。

因此，有必要提供一种新的MEMS麦克风解决上述技术问题。

【发明内容】

本发明的目的在于提供一种具有高灵敏性和高可靠性的MEMS麦克风及其制造方法。

本发明提供的MEMS麦克风，包括具有背腔的基底以及设置在所述基底上的电容系统，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对的振膜，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，所述振膜远离所述声腔的一侧设有应力层。

在本发明的一较佳实施例中，所述应力层为压缩应力的氧化硅材料。

在本发明的一较佳实施例中，所述应力层为拉伸应力的氮化硅材料。

在本发明的一较佳实施例中，所述应力层通过热氧化法或沉积法形成。

在本发明的一较佳实施例中，所述振膜与所述应力层之间还设有第一绝缘层和保护层，所述第一绝缘层和所述保护层依次叠设于所述振膜表面。

在本发明的一较佳实施例中，所述背板与所述振膜之间还设有第二绝缘层。

在本发明的一较佳实施例中，所述背板开设有多个连通所述声腔和所述背腔的声学孔，且所述背板朝向所述声腔的表面还设有多个用于防止所述背板与所述振膜电导通的绝缘凸起。

本发明还提供一种MEMS麦克风的制造方法，包括如下步骤：

提供基底，在所述基底上制作具有背板和振膜的电容系统，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，且所述背板开设有多个贯穿的声学孔；

在所述振膜远离所述声腔的一侧制作应力层；

在所述振膜顶部蚀刻形成前腔，以及在所述基底底部蚀刻形成直达所述背板的背腔。

在本发明的一较佳实施例中，在提供基底，在所述基底上制作具有背板和振膜的电容系统，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，且所述背板开设有多个贯穿的声学孔的步骤中，包括以下具体步骤：

提供基底，在所述基底表面依次叠设绝缘层、背板和第二绝缘层；

对所述第二绝缘层和所述背板的中间主体区域进行蚀刻处理，形成贯穿所述第二绝缘层的声腔和多个贯穿所述背板的声学孔，且所述第二绝缘层被多个所述声学孔分隔形成多个绝缘凸起，从而形成第一晶圆；

提供保护层，在所述保护层下表面加工第一绝缘层，然后在所述第一绝缘层表面依次叠设振膜和部分第二绝缘层，从而形成第二晶圆；

将所述第二晶圆进行翻转，并通过键合工艺将所述第二晶圆与所述第一晶圆合为一体。

在本发明的一较佳实施例中，在所述振膜顶部蚀刻形成前腔，以及在所述基底底部蚀刻形成直达所述背板的背腔的步骤后，还包括以下步骤：

蚀刻形成贯穿所述应力层、保护层以及第一绝缘层的第一连接孔和贯穿所述应力层、保护层、第一绝缘层、振膜以及第二绝缘层的第二连接孔；

在所述第一连接孔和第二连接孔内分别蚀刻形成两个连接盘；

对两个所述连接盘进行金属化，以形成位于所述第一连接孔内的第一电极和位于所述第二连接孔内的第二电极。

本发明的有益效果在于：本发明提供的MEMS麦克风及其制造方法通过在振膜远离声腔的一侧设置应力层，所述应力层可以对振膜施加一额外的应力及应变，使得整体麦克风结构形变，加大振膜本身的拉伸应力。此方法特别适用于低拉伸应力振膜，可以避免在整体结构应力平衡后而导致皱膜或者是变形屈曲，从而保证所述MEMS麦克风具有高灵敏性和高可靠性。而且该方法生产的MEMS麦克风制作工艺流程简单、工艺成本低、易于批量化生产。

【附图说明】

图1为本发明提供的MEMS麦克风一较佳实施例的剖面结构示意图；

图2为本发明提供的MEMS麦克风的制造方法一较佳实施例的流程图；

图3为图2所示MEMS麦克风的制造方法中制作第一晶圆的工艺示意图；

图4为图2所示MEMS麦克风的制造方法中制作第二晶圆的工艺示意图；

图5为图2所示MEMS麦克风的制造方法中将第一晶圆与第二晶圆进行键合的工艺示意图；

图6为图2所示MEMS麦克风的制造方法中制作应力层的工艺示意图；

图7为图2所示MEMS麦克风的制造方法中形成前腔和背腔的工艺示意图；

图8为图2所示MEMS麦克风的制造方法中形成连接孔的工艺示意图；

图9为图2所示MEMS麦克风的制造方法中金属化连接盘的工艺示意图。

【具体实施方式】

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请参阅图1，为采用本发明提供的MEMS麦克风的制造方法制作而成的MEMS麦克风一较佳实施例的剖面结构示意图。所述MEMS麦克风100包括基底1以及设置在所述基底1上并与所述基底1绝缘相连的电容系统。所述基底1由半导体材料制成，例如硅，其具有背腔10、上表面和与所述上表面相对的下表面，所述基底1的上表面设有绝缘层11，所述背腔10贯穿所述绝缘层11、上表面及下表面，其中所述背腔10可以通过体硅微加工工艺或蚀刻形成。所述电容系统通过所述绝缘层11与所述基底1绝缘相连。

所述电容系统包括背板21、与所述背板21相对间隔设置的振膜22、位于所述背板21与所述振膜22之间的第二绝缘层23、以及依次叠设于所述振膜22表面的第一绝缘层24、保护层25和应力层26。

所述背板21与所述振膜22间隔设置并形成声腔20。所述声腔20贯穿所述第二绝缘层23。所述背板21开设有多个连通所述声腔20和所述背腔10的声学孔210，且所述背板21朝向所述声腔20的表面还设有多个用于防止所述背板21与所述振膜22电导通的绝缘凸起211。所述背板21和所述振膜22均为导体，由多晶硅掺杂或单晶硅掺杂导电材料制成，在MEMS麦克风的通电工作状态下，两者会带上极性相反的电荷，形成电容系统。当所述振膜22在声波的作用下产生振动，所述振膜22与所述背板21之间的距离会发生变化，从而导致电容系统的电容发生改变，从而将声波信号转化为了电信号，实现麦克风的相应功能。

所述绝缘层11、第一绝缘层24和第二绝缘层23均由半导体氧化硅绝缘层材料制成。所述保护层25由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成。

所述应力层26可以通过不同的厚度设计，调整振膜22的拉伸应力大小，用来增大或减小振膜22应力。优选的，所述应力层26为压缩应力的氧化硅或其它材料，可用来增大振膜22应力，使振膜22变得比较硬。在其它实施方式中，所述应力层26也可为拉伸应力的氮化硅材料或其它材料，可用来减小振膜应力，使振膜变得比较软。

所述应力层26可以通过氧化法或沉积法形成于所述保护层25表面，其可以对所述振膜22施加一额外的应力及应变，使得整体麦克风结构形变，加大所述振膜22本身的拉伸应力。此方法特别适应于低拉伸应力的振膜，可以避免在整体结构应力平衡后而导致皱膜或者是变形屈曲，从而保证所述MEMS麦克风100具有高灵敏性和高可靠性。

所述MEMS麦克风100还设有贯穿所述应力层26、保护层25以及第一绝缘层24的第一连接孔31和贯穿所述应力层26、保护层25、第一绝缘层24、振膜22以及第二绝缘层23的第二连接孔32，所述第一连接孔31和第二连接孔32内分别设有电连接所述电容系统的第一电极311和第二电极321。

此外，所述振膜22顶部还设有前腔220。所述前腔220贯穿所述第一绝缘层24、保护层25和应力层26。

请参阅图2，其为本发明提供的MEMS麦克风的制造方法一较佳实施例的流程图，所述MEMS麦克风的制造方法可以用来制作图1所示的MEMS麦克风100，其可以具体包括如下步骤：

步骤S1，提供基底1，在所述基底1上制作具有背板21和振膜22的电容系统，所述背板21与所述振膜22间隔设置并形成声腔20，且所述背板21开设有多个贯穿的的声学孔210；

具体地，所述步骤S1可以包括如下子步骤：

步骤11，提供基底1，在所述基底1表面依次叠设绝缘层11、背板21和第二绝缘层23；

步骤12，对所述第二绝缘层23和所述背板21的中间主体区域进行蚀刻处理，形成贯穿所述第二绝缘层23的声腔20和多个贯穿所述背板21的声学孔210，且所述第二绝缘层23被多个所述声学孔210分隔形成多个绝缘凸起211，从而形成第一晶圆，如图3所示；

步骤13，提供保护层25，在所述保护层25下表面加工第一绝缘层24，然后在所述第一绝缘层24表面依次叠设振膜22和部分第二绝缘层23，从而形成第二晶圆，如图4所示；

步骤14，将所述第二晶圆进行翻转，并通过键合工艺将所述第二晶圆与所述第一晶圆合为一体，如图5所示。

具体地，将翻转之后的第二晶圆移动到所述第一晶圆上方，并通过对准工艺，使得所述第一晶圆的背板21被所述第二晶圆的振膜22覆盖，且所述声腔20恰好位于所述背板21与所述振膜22之间，并与所述声学孔210相连通，然后通过键合工艺将所述第一晶圆的第二绝缘层23键合到所述第二晶圆的第二绝缘层23，键合之后所述第一晶圆与所述第二晶圆合为一体。

步骤S2，在所述振膜22远离所述声腔20的一侧制作应力层26；

具体地，在所述保护层25远离所述声腔20的表面制作应力层26，其中所述应力层26可以通过氧化法或沉积法形成于所述保护层25表面，如图6所示。

步骤S3，在所述振膜22顶部蚀刻形成前腔220，以及在所述基底1底部蚀刻形成直达所述背板21的背腔10；

如图7所示，具体地，通过蚀刻工艺在所述振膜22顶部蚀刻出前腔220，所述前腔220贯穿所述第一绝缘层24、保护层25和应力层26。其中所述前腔220和所述声腔20分别位于所述振膜22的两个相对侧。同样通过蚀刻工艺在所述基底1底部蚀刻形成直达所述背板21的背腔10，即所述背腔21贯穿所述基底1和绝缘层11。

步骤S4，蚀刻形成贯穿所述应力层26、保护层25以及第一绝缘层24的第一连接孔31孔和贯穿所述应力层26、保护层25、第一绝缘层24、振膜22以及第二绝缘层23的第二连接孔32，如图8所示；

步骤S5，在所述第一连接孔31和第二连接孔32内分别蚀刻形成两个连接盘；

步骤S6，对两个所述连接盘进行金属化，以形成位于所述第一连接孔31内的第一电极311和位于所述第二连接孔32内的第二电极321，如图9所示。

步骤S7，完成所述MEMS麦克风制作。

所述基底1由半导体材料制成，所述背板21和所述振膜22由多晶硅掺杂或单晶硅掺杂导电材料制成，所述绝缘层11、第一绝缘层24和第二绝缘层23均由半导体氧化硅绝缘层材料制成，所述保护层25由单晶硅、多晶硅或氮化硅等材料制成，所述应力层26由压缩应力的氧化硅材料或拉伸应力的氮化硅材料制成。

本发明提供的MEMS麦克风及其制造方法通过在振膜22远离声腔20的一侧设置应力层26，所述应力层26可以对所述振膜22施加一额外的应力及应变，使得整体麦克风结构形变，加大所述振膜22本身的拉伸应力。此方法特别适应于低拉伸应力的振膜，可以避免在整体结构应力平衡后而导致皱膜或者是变形屈曲，从而保证所述MEMS麦克风100具有高灵敏性和高可靠性。而且该方法生产的MEMS麦克风制作工艺流程简单、工艺成本低、易于批量化生产。

以上所述的仅是本发明的实施方式，在此应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出改进，但这些均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种MEMS麦克风，其特征在于，包括具有背腔的基底以及设置在所述基底上的电容系统，所述电容系统包括背板以及与所述背板相对的振膜，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，所述振膜远离所述声腔的一侧设有应力层，所述振膜与所述应力层之间还设有保护层，所述应力层朝所述基底的正投影位于所述基底上。

2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述应力层为压缩应力的氧化硅材料。

3.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述应力层为拉伸应力的氮化硅材料。

4.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述应力层通过热氧化法或沉积法形成。

5.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述振膜与所述应力层之间还设有第一绝缘层，所述第一绝缘层夹设于所述保护层与所述振膜之间。

6.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背板与所述振膜之间还设有第二绝缘层。

7.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其特征在于，所述背板开设有多个连通所述声腔和所述背腔的声学孔，且所述背板朝向所述声腔的表面还设有多个用于防止所述背板与所述振膜电导通的绝缘凸起。

8.一种MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供基底，在所述基底上制作具有背板和振膜的电容系统，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，且所述背板开设有多个贯穿的声学孔；

在所述振膜远离所述声腔的一侧制作保护层、应力层，所述应力层朝所述基底的正投影位于所述基底上；

在所述振膜顶部蚀刻形成前腔，以及在所述基底底部蚀刻形成直达所述背板的背腔。

9.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，在提供基底，在所述基底上制作具有背板和振膜的电容系统，所述背板与所述振膜间隔设置并形成声腔，且所述背板开设有多个贯穿的声学孔的步骤中，包括以下具体步骤：

提供基底，在所述基底表面依次叠设绝缘层、背板和第二绝缘层；

对所述第二绝缘层和所述背板的中间主体区域进行蚀刻处理，形成贯穿所述第二绝缘层的声腔和多个贯穿所述背板的声学孔，且所述第二绝缘层被多个所述声学孔分隔形成多个绝缘凸起，从而形成第一晶圆；

提供保护层，在所述保护层下表面加工第一绝缘层，然后在所述第一绝缘层表面依次叠设振膜和部分第二绝缘层，从而形成第二晶圆；

将所述第二晶圆进行翻转，并通过键合工艺将所述第二晶圆与所述第一晶圆合为一体。

10.根据权利要求8所述的MEMS麦克风的制造方法，其特征在于，在所述振膜顶部蚀刻形成前腔，以及在所述基底底部蚀刻形成直达所述背板的背腔的步骤后，还包括以下步骤：

蚀刻形成贯穿所述应力层、保护层以及第一绝缘层的第一连接孔和贯穿所述应力层、保护层、第一绝缘层、振膜以及第二绝缘层的第二连接孔；

在所述第一连接孔和第二连接孔内分别蚀刻形成两个连接盘；

对两个所述连接盘进行金属化，以形成位于所述第一连接孔内的第一电极和位于所述第二连接孔内的第二电极。

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