CN106937230A - 电容式麦克风及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式麦克风及其制作方法。该麦克风包括衬底、背极和振膜，衬底具有背腔，背极和振膜被悬置在背腔的上方，振膜和背极构成电容器的上电极和下电极，振膜由非结晶金属合金制作而成，振膜与背极之间具有振动间隙，背极具有连通振动间隙和外部空间的通孔，背腔与振动间隙相对设置。该电容式麦克风的振膜由非结晶金属合金材料制作而成，该材料具有良好的断裂韧性及弹性极限，使得振膜在吹气或者喷气时能够承受更高的气压，避免了振膜的破损，提高了电容式麦克风的良品率。此外，有较低的弹性系数，可使振膜变形较大，获得更佳的灵敏度。

Description

电容式麦克风及其制作方法

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，更具体地，涉及一种电容式麦克风及其制作方法。

背景技术

一般电容式MEMS麦克风主要以硅或多晶硅为主要结构材料，以形成振膜或背极。在生产过程中，麦克风中会进入一些灰尘，影响产品质量。为了清除灰尘，通常采用吹气或喷气等方法。

然而，硅的材料本身具有强度高、韧性小的特点。导致振膜易碎且毫无延展性。吹气或喷气时产生的的瞬间高压力,容易造成振膜的破损，导致麦克风的良率降低。

因此，需要提供一种方案以提高电容式麦克风的抗吹气能力。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种电容式麦克风的新技术方案。

根据本发明的第一方面，提供了一种电容式麦克风。该麦克风包括衬底、背极和振膜，所述衬底具有背腔，所述背极和所述振膜被悬置在所述背腔的上方，所述振膜和所述背极构成电容器的上电极和下电极，所述振膜由非结晶金属合金制作而成，所述振膜与所述背极之间具有振动间隙，所述背极具有连通所述振动间隙和外部空间的通孔，所述背腔与所述振动间隙相对设置。

可选地，所述背极位于所述振膜和所述衬底之间，或者所述振膜位于所述背极和所述衬底之间。

可选地，所述振膜和所述背极通过焊盘与外部电路信号连接。

可选地，所述振膜和所述背极二者中的至少一种通过非结晶金属合金与所述焊盘导通。

可选地，所述背极由多晶硅制作而成。

可选地，所述背极包括绝缘支撑层和附着在所述绝缘支撑层上的导体层。

可选地，所述绝缘支撑层由氮化硅制作而成，所述导体层由非结晶金属合金制作而成。

可选地，在所述振膜或者所述背极的靠近所述振动间隙的一侧设置有凸起。

根据本发明的另一个方面，提供一种电容式麦克风的制作方法该方法包括以下步骤：

在衬底上依次沉积绝缘层和背极；

对所述背极进行刻蚀，以形成通孔；

在所述背极上沉积牺牲层；

对所述牺牲层进行刻蚀，以形成与振膜的折环部相对应的凹槽以及连通所述背极的贯穿孔；

在所述牺牲层上沉积非结晶金属合金；

对所述非结晶金属合金进行刻蚀，以分割振膜和用于导通所述背极的导通部；

在所述振膜的连接部和所述导通部上分别沉积焊盘；

对所述衬底进行刻蚀以形成背腔；

腐蚀牺牲层，以形成振膜、背极和振动间隙。

可选地，在对所述牺牲层进行刻蚀步骤中还包括通过刻蚀形成与所述振膜的凸起相对应的凹槽。

本发明的发明人发现，在现有技术中，电容式麦克风的振膜由硅材料制作而成，振膜的弹性极限低，在吹气过程中易导致振膜损伤。因此，本发明所要实现的技术任务或者所要解决的技术问题是本领域技术人员从未想到的或者没有预期到的，故本发明是一种新的技术方案。

该电容式麦克风的振膜由非结晶金属合金制作而成，该材料具有良好的断裂韧性及弹性极限，使得振膜在吹气或者喷气时能够承受高的气压，避免了振膜的破损，提高了电容式麦克风的良品率。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本发明的实施例，并且连同其说明一起用于解释本发明的原理。

图1-10是本发明实施例的电容式麦克风的制作方法的流程图。

图11是本发明实施例的另一种电容式麦克风的结构示意图。

图中，11：衬底；12：绝缘层；13：背极；14：牺牲层；15：振膜；16：折环；17：连接部；18：导通部；19：焊盘；20：通孔；21：凸起；22：背腔；23：贯穿孔；24：凹槽；25：振动间隙；26：非结晶金属合金层；27：绝缘支撑层；28：入孔。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

根据本发明的实施例，提供了一种电容式麦克风。该麦克风包括衬底11、背极13和振膜15。衬底11具有背腔22。衬底11通常由硅材料制作而成，例如多晶硅或者单晶硅。背极13和振膜15被悬置在背腔22的上方，振膜15和背极13分别构成电容器的上电极和下电极。背极13和振膜15都能够导电。振膜15由非结晶金属合金制作而成。

非结晶金属合金是指没有规则结晶结构的金属合金材料。该材料具有结晶金属所没有的高断裂韧性，高强度性和高弹性极限的特点。弹性极限即材料在形变后回复初始状态的能力，弹性极限越大则发生较大的形变后能回复至初始状态。非结晶金属合金可以是但不局限于Pd、Au、Pt、Cu、Zr、Al、Fe、Co、Ni、Mg、Zn、Ca、Yb或者Ce基合金。

振膜15与背极13之间具有振动间隙25，振动间隙25为振膜15的振动提供振动空间。背极13具有连通振动间隙25和外部空间的通孔20，该通孔20可以保证振膜15振动时振动间隙25内、外压力均衡。背腔22与振动间隙25相对设置。通孔20的尺寸、形状和数量可以根据实际需要进行设置，只要满足平衡气压的要求并便于加工即可。

使用时，外界环境的声音从振膜15一侧传入，以使振膜15发生振动。振膜发生变形，改变了振膜与背极之间的距离，最终将变化的电信号输出，实现了声音信号转换为电信号。

该电容式麦克风的振膜15由非结晶金属合金制作而成，该材料具有良好的断裂韧性及弹性极限，使得振膜15在吹气或者喷气时能够承受高的气压，避免了振膜15的破损，提高了电容式麦克风的良品率。

图10示出了本发明的电容式麦克风的一个实施例。在该实施例中，背极13位于振膜15和衬底11之间。背极13通过绝缘层12被设置在衬底11上。衬底11由单晶硅材料制作而成，绝缘层12由为氧化物层。牺牲层14用于固定振膜15，牺牲层14的厚度决定了振动间隙25的高度，即电容器的间距。在制作过程中，先在背极13上沉积牺牲层14，然后在牺牲层14上沉积振膜15。在形成电容式麦克风的过程中，需要将牺牲层14部分腐蚀掉，以形成振动间隙25。

背极13能够导电，并且应具有足够的强度，在该实施例中，背极13由多晶硅制作而成。多晶硅材质在加工过程中需要高温处理，通常需要1000℃以上的高温，因此加工难度较大。在另一些示例中，如图10所示，背极13采用复合材料制作而成。

为了得到设定的强度和导电性的要求，复合材料包括绝缘支撑层27和导体层。优选的是，绝缘支撑层27由氮化硅制作而成。氮化硅具有足够的强度，并且氮化硅在加工过程中只需几百度的处理温度即可成型，大大降低了加工难度。导体层附着在氮化硅之上。优选的是，采用导体层由非结晶金属合金制作而成。在背极13上设置多个通孔20，振膜15在振动时在振动间隙25内产生的高压气流经过通孔20排放到外部空间，例如排放到背腔22中，这种结构有效地平衡了气压，提高了声学效果。并且，可以有效防止在振动过程中，由于振膜15两侧的压力差导致振膜15振动不均衡，甚至导致振膜15损坏。

为了便于电容器的导通，在一个例子中，振膜15和背极13通过焊盘19与外部电路信号连接。进一步地，振膜15和背极13通过非结晶金属合金与焊盘19导通。如图9所示，在该实施例中，振膜15与由非结晶金属合金制作而成的连接部17导通，焊盘19被设置在连接部17之上。背极13与由非结晶金属合金制作而成的导通部18导通，另一个焊盘19被设置在导通部18之上。优选的是，非结晶金属合金通过沉积的方法制作而成。非结晶金属合金可以保证电容器具有良好的导通效果以及优良的结构强度。

当然，也可以采用其他导体或者半导体材料实现振膜15和背极13与焊盘19的导通。

此外，为了在振动过程中防止振膜15与背极13贴合在一起，在振膜15或者背极13的靠近振动间隙25的一侧设置有凸起21。如图9和10所示，在振膜15或者背极13上设置多个凸起21。可选的是，凸起21的形状为弧形、三角形、锥形、半圆形或者矩形等。在振动过程中，当振膜15靠近背极13时，由于凸起21的存在大大减小了振膜15与背极13之间的接触面积，故可以有效地减少甚至避免振膜15与背极13贴合在一起，从而避免了麦克风的失效。优选的是，凸起21与振膜15或者背极13一体成型。凸起21的尺寸、形状和数量可以根据实际需要进行设置，只要满足减小接触面积的要求并便于加工即可。

图1-10示出了本发明提供的一种电容式麦克风的制作方法。该方法包括以下步骤：

在衬底11上依次沉积绝缘层12和背极13。参照图1-3，衬底11为整块的单晶硅晶圆，绝缘层12可以是但不局限于二氧化硅。该绝缘层12在保证衬底11与背极13之间绝缘的同时，其在后续体硅腐蚀的工序中也可以作为阻挡层，以免破坏上层的结构。

对背极13进行刻蚀，以形成通孔20。参照图4，在该步骤中，采用粒子束进行刻蚀，以保证通孔20的尺寸和形状。

在背极13上沉积牺牲层14。参照图5，在该步骤中，牺牲层14填充到通孔20中，并在背极13的上表面上形成设定的厚度，牺牲层14的上表面应保持与背极13的上表面相平行，以保证振膜15振动和电容器规格的尺寸要求。优选的是，牺牲层14为聚氧化乙烯(PEOX)，该材料便于后续的腐蚀工序。

对牺牲层14进行刻蚀，以形成与振膜15的折环16部相对应的凹槽24以及连通背极13的贯穿孔23。参照图6，对牺牲层14的刻蚀也可以采用粒子束进行。贯穿孔23可以保证后续沉积的非结晶金属合金与背极13导通。优选地是，在该步骤中还包括通过刻蚀形成与振膜15的凸起21相对应的凹槽24，以使在沉积时凸起21与振膜15一体成型。

在牺牲层14上沉积非结晶金属合金。参照图7，在该步骤中，将非结晶金属合金沉积成一层，其厚度应满足麦克风的工作参数要求。

对非结晶金属合金进行刻蚀或使用Lift-off工艺，以分割振膜15和用于导通背极13的导通部18。参照图8，在该步骤中，振膜15和导通部18被分割开，以分别导通电容器的正极和负极。此外，还分割出连接部17和振膜15，连接部17与振膜15的一部分连接在一起。振膜15通过连接部17与焊盘19导通。通过刻蚀形成设定形状的振膜15，以满足麦克风的工作参数要求。

在振膜15的连接部17和导通部18上分别沉积焊盘19。参照图9，焊盘19通常为金属材质，例如铜、铝、金、银或者镍等。

对衬底11进行刻蚀以形成背腔22。参照图,9，在该步骤中，采用粒子束进行刻蚀，以形成背腔22。

腐蚀牺牲层14，以形成振膜15、背极13和振动间隙25。参照图10，在该步骤中，采用腐蚀剂进行腐蚀，通过控制腐蚀剂的浓度和腐蚀时间将牺牲层14的一部分腐蚀掉，使得振膜15仅靠其边缘位置的牺牲层14支撑在背极13上。在腐蚀过程中，腐蚀剂穿过通孔20以腐蚀牺牲层14。最终形成设定结构的电容式麦克风。

图11示出了本发明提供的另一种电容式麦克风的实施例。在该实施例中，振膜15位于背极13和衬底11之间。振膜15与背腔22相对设置。与上述实施例不同的是，使用时外部环境的声音通过背腔22到达振膜15，从而带动振膜15振动。

在该实施例中，背极13由上述复合材料制作而成。当然，也可以采用多晶硅材料。在背极13上设置有多个通孔20，以平衡气压。为了减小麦克风的外形尺寸，焊盘19嵌入背极13中。位于背极13上的非结晶金属合金层26与由非结晶金属合金制成的振膜15分别构成电容器的两个电极。为了便于导通，振膜15通过非结晶金属合金与焊盘19信号连接。

此外，为了便于牺牲层14的腐蚀，在振膜15上设置有入孔28，以方便腐蚀剂的进、出。

该麦克风在制作时，首先在衬底11上依次沉积绝缘层12和振膜15，然后在振膜15上依次沉积牺牲层14、非结晶金属合金层26和绝缘支撑层27。与上述制作方法相同的是，在该方法中通过粒子束进行刻蚀或使用Lift-off工艺，以形成背腔22、通孔20、入孔28和贯穿孔23等。

虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (10)

1.一种电容式麦克风，其特征在于，包括衬底(11)、背极(13)和振膜(15)，所述衬底(11)具有背腔(22)，所述背极(13)和所述振膜(15)被悬置在所述背腔(22)的上方，所述振膜(15)和所述背极(13)构成电容器的上电极和下电极，所述振膜(15)由非结晶金属合金制作而成，所述振膜(15)与所述背极(13)之间具有振动间隙(25)，所述背极(13)具有连通所述振动间隙(25)和外部空间的通孔(20)，所述背腔(22)与所述振动间隙(25)相对设置。

2.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述背极(13)位于所述振膜(15)和所述衬底(11)之间，或者所述振膜(15)位于所述背极(13)和所述衬底(11)之间。

3.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振膜(15)和所述背极(13)通过焊盘(19)与外部电路信号连接。

4.根据权利要求3所述的电容式麦克风，其特征在于，所述振膜(15)和所述背极(13)二者中的至少一种通过非结晶金属合金与所述焊盘(19)导通。

5.根据权利要求2所述的电容式麦克风，其特征在于，所述背极(13)由多晶硅制作而成。

6.根据权利要求2所述的电容式麦克风，其特征在于，所述背极(13)包括绝缘支撑层(27)和附着在所述绝缘支撑层(27)上的导体层。

7.根据权利要求6所述的电容式麦克风，其特征在于，所述绝缘支撑层(27)由氮化硅制作而成，所述导体层由非结晶金属合金制作而成。

8.根据权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，在所述振膜(15)或者所述背极(13)的靠近所述振动间隙(25)的一侧设置有凸起(21)。

9.一种电容式麦克风的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

在衬底(11)上依次沉积绝缘层(12)和背极(13)；

对所述背极(13)进行刻蚀，以形成通孔(20)；

在所述背极(13)上沉积牺牲层(14)；

对所述牺牲层(14)进行刻蚀，以形成与振膜(15)的折环(16)部相对应的凹槽(24)以及连通所述背极(13)的贯穿孔(23)；

在所述牺牲层(14)上沉积非结晶金属合金；

对所述非结晶金属合金进行刻蚀，以分割振膜(15)和用于导通所述背极(13)的导通部(18)；

在所述振膜(15)的连接部(17)和所述导通部(18)上分别沉积焊盘(19)；

对所述衬底(11)进行刻蚀以形成背腔(22)；

腐蚀牺牲层(14)，以形成振膜(15)、背极(13)和振动间隙(25)。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，在对所述牺牲层(14)进行刻蚀步骤中还包括通过刻蚀形成与所述振膜(15)的凸起(21)相对应的凹槽(24)。