CN108124226A - 具有改进灵敏度的集成电声mems换能器及其制造工艺 - Google Patents

Abstract

本公开涉及具有改进灵敏度的集成电声MEMS换能器及其制造工艺。例如，一种电声MEMS换能器，该电声MEMS换能器具有：半导体材料的衬底(23)；在该衬底中的贯通空腔(24)；背板(25)，该背板由该衬底通过板锚定结构(26)承载，该背板具有面向该贯通空腔的表面(25A)；固定电极(33)，该固定电极在该背板的该表面之上延伸；采用导电材料的薄膜(22)，该薄膜具有面向该固定电极的中心部分(22A)以及通过薄膜锚定结构(26)固定到该背板(25)的该表面(25A)上的外围部分(22B)；以及在该薄膜(22)与该背板(25)之间的腔室(28)，该腔室由该薄膜锚定结构外围地界定。

Description

具有改进灵敏度的集成电声MEMS换能器及其制造工艺

技术领域

本发明涉及一种具有改进灵敏度的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)型集成电声换能器及其制造工艺。具体地，本发明涉及一种具有固定背板和悬置薄膜移动电极的电容式声换能器。

背景技术

如已知的，微加工半导体器件的MEMS技术使能够在牺牲层和/或其它半导体或绝缘层之上沉积(例如，多硅晶层)或生长(例如，外延层)的半导体材料层内产生测微结构，通过化学蚀刻至少部分地移除这些测微结构以形成移动或柔性区域。

具体地，包括集成在半导体裸片之中或之上的柔性薄膜的MEMS电声换能器是已知的。图1通过示例的方式示意性地表示了背板和半夹紧型换能器1。

换能器1包括由衬底3承载并悬置在形成于衬底3中的空腔4之上的薄膜2。薄膜2面向也被称为“背板”的参考固定板5。背板5通过板锚定部分5A锚定至衬底3并且具有多个通孔7，这些通孔具有在制造期间方便移除下面的牺牲层并且在使用中允许空气通过背板5朝着薄膜2自由循环的功能。

在实践中，当声压波首先撞击到背板5上并且然后撞击到薄膜2上时，薄膜2直接面向空腔4(也被称为“背腔室”)。在这种情况下，背板5与薄膜2之间的空间8也被称为“气隙”。

薄膜2和背板5至少部分地采用导电材料或承载导电区域以便形成感测电容器的极板。在使用中，撞击到薄膜2上的声波造成薄膜弯曲并且因此引起薄膜与背板的距离的变化以及随之发生的感测电容器的电容变化；这种电容变化决定了被输出并发送到适当的处理电子装置(未示出)的电信号(例如，电压)的变化。

在图1的实施例中，薄膜2以悬臂方式安排并且仅由衬底3通过例如与薄膜2一体形成的薄膜锚定结构6支撑在其周界的一部分上(在图1中，在其左侧)。薄膜2进一步具有自由端部分2A(在图1中的右侧)，该自由端部分在衬底之上延伸并且能够摆动。自由端部分2A与衬底3之间的区域形成通风孔9，该通风孔引起噪声。实际上，如在放大细节中所示出的，从空腔4流到前腔室8并且通过背板5的孔7流到换能器1的另一侧的空气在通风孔9的区域中经受湍流运动。因此，这种类型的换能器具有不是非常高的信噪比(SNR)。

换能器1进一步受以下问题的影响：其声学特性(具体地，其频率响应)取决于工艺扩展。实际上，换能器1具有通常低于100Hz的低值滚降(Roll-off)(即，频率响应相对于1kHz的参考值下降3dB的频率)，并且其值取决于几何量，其中包括薄膜2与衬底3之间的重叠的长度L，该长度取决于工艺扩展。

为了解决以上噪声问题，已经提出了一种完全夹紧型换能器，其中，整个薄膜沿其外围被锚定。在以本申请人的名义提交的US 2010/0158279 A1中描述了这种类型的换能器的示例，该换能器具有图2中所示出的简化结构。此处，换能器10具有例如圆形形状的薄膜12，整个薄膜沿其外围被支撑。为此目的，此处由13标示的并且固定到薄膜12的外围部分上的衬底的顶表面在通常采用如氧化硅等绝缘材料的环形形状的薄膜锚定结构16上延伸。此处，薄膜12具有用于“均衡”薄膜12的面上的静态压力的一个或多个贯通开口19。背板15也通过板锚定区域11锚定至衬底13。背板15与薄膜22之间的空间28限定了前腔室；衬底23中的空腔24形成了背腔室。

尽管图2的换能器10关于噪声而构成了图1的部分锚定的换能器的明确改进，但是可以关于灵敏度和鲁棒性对工艺扩展的依赖性而对其进行改进。实际上，这些参数取决于薄膜12的大小，并且该大小可能在从背面对衬底13进行蚀刻期间以及在释放薄膜时由于工艺扩展而变化。实际上，薄膜12的大小由其“自由”区域给定，即，由薄膜层的不受薄膜锚定结构16约束的部分给定。如从图2的放大细节中清楚的，以上大小取决于对衬底13的蚀刻点和时间，该蚀刻点和时间决定了薄膜12下面的空腔(此处由14标示)的壁的如通过示出了角度α的放大细节突显的垂直度。进一步地，薄膜12的大小还取决于薄膜锚定结构16距衬底13的顶部边缘的距离d，该距离以本身已知的方式由对旨在形成薄膜锚定结构16的绝缘材料层的蚀刻时间决定。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种如与现有技术设备相比具有改进电气特性的电声换能器。

根据本发明，提供了一种如在所附权利要求中所限定的MEMS换能器及其制造工艺。

附图说明

为了更好地理解本发明，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图来描述本发明的优选实施例，在附图中：

-图1是已知的半夹紧型换能器的示意性表示；

-图2是已知的完全夹紧型换能器的示意性表示；

-图3是本换能器的基本结构的示意性表示；

-图4是图3的换能器的一部分的沿着图5的线IV-IV截取的更详细的横截面；

-图5是沿着图4的线V-V截取的平面截面；

-图6A至图6J是本换能器的实施例在连续制造步骤中的横截面；

-图7示出了图4的换能器的部分的不同实施例；

-图8是包括本换能器的声换能器的框图；并且

-图9是具有本换能器的电子装置的简化框图。

具体实施方式

图3示意性地示出了总体上由20标示的本换能器的结构。

换能器20属于完全夹紧背板型并且包括采用诸如硅等半导体材料的衬底23，容纳有贯通型空腔24并且通过板锚定区域30承载背板25。采用诸如氮化硅等绝缘材料的背板25具有面向衬底23的第一表面25A以及面向相反方向的第二表面25B。采用导电材料(例如，掺杂多晶硅)的固定电极33在第一表面25A之上延伸。采用导电材料(例如，掺杂多晶硅)的薄膜22面向固定电极33并由背板25通过薄膜锚定结构26承载。采用绝缘材料的(例如，采用与背板25相同材料的)并且与背板同时且单片地形成的薄膜锚定结构26从背板的第一表面25A朝着薄膜22延伸。例如，薄膜锚定结构26由沿着如下文中更详细地讨论的闭合线(例如，圆周)延伸的一个或多个连续区域形成并且布置在板锚定区域30内部。

薄膜锚定结构26围绕固定电极33，并且被固定或被键合到薄膜22的面向固定电极33的在薄膜22的外围部分上的第一面22A上。薄膜22进一步具有面向空腔24的第二面22B。

空间28在背板25与薄膜22之间延伸并形成前腔室。空腔24形成换能器20的背腔室。

均衡开口29延伸穿过薄膜22，并且多个孔27延伸穿过背板25和固定电极33。以此方式，从空腔24朝着背板25的第二表面25B引导穿过空间28和孔27(或反之亦然)的空气流遵循基本上线性且非曲折的路径，显着地减少了湍流和噪声。

进一步地，固定到背板25上在外围位置中的薄膜22由固定且非振动的结构承载，该结构因此进而不会引起任何实质噪声。

可以形成薄膜锚定结构26以便精确地控制薄膜22的振动部分(有效部分)的大小。实际上，薄膜锚定结构26将薄膜22的中心部分22A(振动部分)与不振动的外围部分22B分开。通过提供薄膜锚定结构26使得其内径小于空腔24，并且在任何情况下，使得薄膜22的至少中心部分22A完全面向空腔24，而不与衬底23重叠，有可能精确地控制换能器20的电气特性，这些电气特性取决于薄膜22的有效部分(中心或振动部分22A)的大小。

进一步地，如下文中更好地阐明的，换能器20使得对电气、机械和声学结构的分离和独立限定以及因此对这些结构中的每一个结构独立于其他结构的优化成为可能。

薄膜锚定结构26可以如图4和图5中所示出的那样被制造，这些图示出了换能器20的一部分的简化实施例。在这些图中，采用绝缘材料(通常为氮化硅)的结构层35在例如采用单晶硅的衬底23(在图5中不可见)上延伸。结构层35形成板锚定区域30、背板25和薄膜锚定结构26。具体地，薄膜锚定结构26在此由两个薄膜锚定区域26A、26B形成，这些薄膜锚定区域从背板25延伸远至薄膜22并且具有两个同心环的形状。在这两个薄膜锚定区域26A、26B之间的两个绝缘区域38在其之间界定了容纳薄膜触点39的开口41。薄膜触点39例如由沉积在开口41的侧面的导电区域形成，与薄膜22直接接触并且从固定电极33的同一层获得。

图4进一步示出了在背板25中的孔27(为了清晰起见，图5中未示出)；两个图都示出了均衡开口29。

如可以注意到的，薄膜锚定区域26A、26B具有纯机械功能，薄膜触点39形成纯电气结构，并且固定电极33和薄膜22形成纯声学结构，并且这三个结构(即，机械结构、电气结构和声学结构)彼此分离并且可以独立地加以优化。为此目的，它们可以经由如下文中所解释的单独的工艺步骤参考如图6A至图6I中所示出的示例性的制造工艺来加以限定。

图6A示出了采用半导体材料(比如硅)的晶片50的一部分，其中，将提供具有图4和图5中所示出的简化结构的换能器。然而，以本身已知的方式，可以在晶片50中形成并排安排的各器件。

晶片50由具有表面51A的衬底51形成，在该表面上，已经通过已知的光刻步骤来沉积并限定了牺牲锚定层52。具体地，已经在一些区域中移除了例如采用氧化硅的具有0.5至3μm厚度的牺牲锚定层52，以便形成第一接触开口53’和第一板锚定开口53”。

然后(图6B)，在牺牲锚定层52上沉积或生长采用多晶硅的具有包括在200nm与2μm之间的厚度的薄膜层54。沉积掺杂的薄膜层54使用硅部分来填充第一接触开口53’和第一板锚定开口53”并且然后对其进行限定以便形成薄膜22、衬底接触区域54和板锚定部分55并将其彼此电绝缘。在此步骤中，还限定了均衡开口29。

接下来(图6C)，沉积牺牲间隔层56，并且该牺牲间隔层具有在薄膜22与背板25之间提供间隔(该间隔仍有待形成)的目的。然后，在要提供电触点的地方，选择性地蚀刻和移除具有例如包括在0.5与5μm之间的厚度的牺牲间隔层56。以此方式，在板接触区域54上方形成第二接触开口59，并且在薄膜22上方形成第三接触开口57。进一步地，通过单独的部分蚀刻(例如，固定深度蚀刻)，在牺牲间隔层56中形成凹陷58。如下文中所解释的，凹陷58(这些凹陷中仅一个凹陷在图6C中可见并且这些凹陷具有比牺牲间隔层56小的深度)作为背板25的间隔凸块的“模具”进行操作。

接下来(图6D)，沉积电极层60。然后，限定采用导电材料(比如掺杂多晶硅)的具有例如0.5到2μm的厚度的电极层60以便形成固定电极33(在牺牲间隔层56上)、薄膜触点39(在第三接触开口57内)以及通过衬底接触区域54与衬底51电接触的第一固定接触部分61(在第二接触开口59内)。应该指出的是，此处限定的固定电极33和接触部分39、61形成独立于机械结构被图案化的电气结构。

然后(图6E)，在要提供薄膜锚定区域26A、26B的地方再次蚀刻并选择性移除牺牲间隔层56以便在板锚定部分55上形成第二板锚定开口63并在第三接触开口57的两侧上形成薄膜锚定开口64A、64B。作为已经示出的内容的替代方案，锚定开口63、64可以在第二和第三接触开口59、57之前并且在形成固定电极33和接触部分39、61之前(因此，在图6C至图6D中表示的步骤之前)形成。

接下来(图6F)，沉积例如厚度包括在0.3与5μm之间的结构材料层35。采用如氮化硅等绝缘材料的结构材料层35填充第二接触开口59、第二板锚定开口63(在其与板锚定部分55一起形成板锚定区域30处)、薄膜锚定开口64A、64B(在其形成薄膜锚定区域26A、26B处)以及第三接触开口57。该结构材料层进一步填充凹陷58，在其形成间隔物62(这些间隔物之一是可见的)处。

接下来(图6G)，独立于机械结构和电气结构将声学结构图案化。为此目的，再次蚀刻并选择性地移除结构材料层35以便通过背板25形成孔27的顶部部分。进一步地，还移除固定电极33的材料的暴露部分(电极层60)以便形成孔27的底部部分。

然后(图6H)，再次蚀刻并选择性地移除结构材料层35以便形成朝向第一固定接触部分61并朝向薄膜触点39(在该图中不可见的位置中)的第四接触开口67。然后，对例如通过耐后续生产工艺的一个或多个金属层形成的采用导电材料的电极层进行沉积和图案化以便形成与第一固定接触部分61直接电接触的第二固定接触部分68以及与薄膜触点39直接电接触的不可见的薄膜接触部分。接下来，沉积金属层(例如，金)并将其图案化以便形成以本身已知的方式通过过孔和导电路径与固定电极33和薄膜22电接触的加固结构65和接触焊盘(未示出，除了图5中可见的薄膜接触焊盘66之外)。

然后(图6I)，如果在使晶片50变薄(例如经由研磨至期望的最终厚度)之后，在一个或两个步骤中经由掩模干法蚀刻从背面对衬底51进行蚀刻以便形成空腔24。在牺牲锚定层52上蚀刻自动停止。

最后(图6J)，对暴露的氧化物部分进行蚀刻(例如通过HF蚀刻)以便释放薄膜22。因此，牺牲锚定层52的在薄膜22下面的部分以及牺牲间隔层56的在薄膜22与固定电极33之间的部分被移除。进一步地，牺牲锚定层52的在板锚定区域30与薄膜锚定结构26之间的部分被移除，从而使薄膜22与板锚定区域30解耦。因此，还形成了在薄膜22与背板25之间的空间或腔室28。

在对晶片50进行划片之后，由此获得一个或多个换能器75，这些换能器具有图3和图4种所表示的基本结构。

由此获得的换能器75具有以下优点：

-因为在专门提供的层中获得薄膜22，并且在同一层中形成的任何可能的其他区域(区域54、55)不是关键的，所以可以以关于其厚度和残余应力的最优方式来形成该薄膜；

-从机械和电气的观点来看，可以以最优方式来形成背板；

-可以适当地选择固定电极33与薄膜22之间的间隔(腔室28)；

-电气结构、机械结构和声学结构是在单独且独立的工艺步骤中形成的，这些工艺步骤使得能够在期望功能的基础上单独优化每个结构；实际上，除了具有电气功能和声学功能两者的薄膜22之外，在图6C至图6D的步骤期间获得纯电气结构(固定电极33，触点39、61、68)，在图6C至图6D的步骤期间获得机械结构(背板25，锚定件30、26)，并且在图6B和图6G的步骤期间获得纯声学结构(均衡开口29、孔27)；并且

-可以高准确度地控制薄膜22的有效部分(中心部分22A)的大小，这是因为该大小仅仅取决于薄膜锚定区域26的位置，而且因为整个薄膜22(并且因此，具体地，中心部分22A)完全覆盖空腔24，而不与衬底23重叠或由其屏蔽，而声频响应性能仅取决于薄膜22中的均衡开口29的大小，而不论其他工艺参数如何。

图7示出了图6I的换能器75的变体。此处，弹性解耦结构70在背板25与板锚定区域30之间延伸。在同一结构层35中通过以下方式来形成弹性解耦结构70：使在与背板25相同的层级处延伸的第一部分71与在牺牲间隔层56层级处延伸的第二部分72交替以便形成一种之字形或回纹。

弹性解耦结构70可用于将敏感区域(薄膜22+背板25)与板锚定部分30解耦并且因此与衬底23解耦，以便防止任何可能的封装应力传递到敏感区域。

可以通过以下方式来制造弹性解耦结构70：在图6D和图6E中所示出的步骤之间引入对牺牲间隔层56进行掩模和蚀刻的特定步骤以便移除牺牲间隔层56的将形成第二部分72的部分，并且对第二部分72及其距离进行大小设定从而使得随后在此区域中对结构层35的沉积大致共形地遵循下面的构造。

图3、图4和图6I的换能器75可以连接至接口电路。接口电路可以由简单的读取前置放大器形成，该前置放大器由例如具有连接至换能器75的反相输入端的电荷放大器组成。在这种情况下，读取前置放大器输出可以被直接使用的模拟信号。可替代地，接口电路可以供应数字输出。例如，在图8中，由85标示并被实施为ASIC(专用集成电路)的接口电路包括：读取前置放大器80；例如Sigma-Delta型模数转换器86，该模数转换器被配置成用于接收时钟信号CK以及由读取前置放大器80放大的信号；参考信号发生器电路87；以及驱动器88，该驱动器被设计成起模数转换器86与外部系统(例如，相关联电子设备的微控制器)之间的接口的作用。

进一步地，接口电路85可以包括例如可从外部编程的(易失性或非易失性)存储器89。声换能器20、75以及接口电路85一起形成麦克风90。

有利地，两个不同的裸片集成了换能器20、75以及接口电路85；它们可以以适当的安排(例如堆叠或并排安排)容纳在单个封装体中。

可以在如图9中所示出的电子设备100中使用麦克风90。

电子设备100是例如便携式移动通信设备，比如，蜂窝电话、PDA、笔记本计算机，而且是录音器、具有语音记录能力的音频文件播放器等。可替代地，电子设备100可以是能够在水下工作的收听装置(比如耳机系统、水听器)或助听器设备。

图9中的电子设备100包括微处理器101以及连接至微处理器101的输入/输出单元103(例如，包括键盘和显示器)。麦克风90通过信号处理块105与微处理器101通信(其可以在麦克风90的输出端处执行对模拟或数字信号的进一步处理)。进一步地，电子设备100可以包括用于在音频输出端(未示出)上生成声音的扬声器106以及内部存储器107。

最后，清楚的是，可以对如本文中所描述和展示的电声换能器和制造工艺做出修改和变化，而不会因此脱离如在所附权利要求中所限定的本发明的范围。

例如，薄膜22可以具有任何形状，例如，正方形或矩形。该膜可以进一步包括被设计成以便控制如在US 2010/0158279中详细描述的谐振频率对材料应力的依赖性的凹口。

Claims (18)

1.一种电声MEMS换能器，包括：

采用半导体材料的衬底(23)；

在所述衬底中的贯通空腔(24)；

背板(25)，所述背板由所述衬底通过板锚定结构(26)承载，所述背板具有面向所述贯通空腔的表面(25A)；

固定电极(33)，所述固定电极在所述背板的所述表面之上延伸；

采用导电材料的薄膜(22)，所述薄膜具有面向所述固定电极的中心部分(22A)以及通过薄膜锚定结构(26)固定到所述背板(25)的所述表面(25A)上的外围部分(22B)；以及

在所述薄膜(22)与所述背板(25)之间的腔室(28)，所述腔室由所述薄膜锚定结构外围地界定。

2.根据权利要求1所述的换能器，包括采用绝缘材料的单片结构层(35)，所述单片结构层形成所述背板(25)、所述板锚定结构(30)以及所述薄膜锚定结构(26)，所述板锚定结构以一定距离围绕所述薄膜锚定结构。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的换能器，其中，所述薄膜(22)和所述固定电极(33)采用半导体材料。

4.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述薄膜锚定结构(26)相对于所述固定电极(33)被外部地安排。

5.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述背板(25)和所述固定电极(33)是被穿孔的(27)，并且所述薄膜(22)在所述中心部分(22A)中具有均衡开口(29)。

6.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述薄膜锚定结构(26)包括至少两个凸块(26A，26B)，所述至少两个凸块沿着所述薄膜(22)的所述外围部分(22B)彼此相隔某个距离地延伸并且在其之间容纳了绝缘结构(38)，所述绝缘结构容纳了与所述薄膜(22)直接接触的采用导电材料的薄膜触点(39)。

7.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述衬底(23)采用硅，所述背板(25)、所述板锚定结构(30)以及所述薄膜锚定结构(26)采用氮化硅，并且所述薄膜(22)和所述固定电极(33)采用硅。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的换能器，包括解耦结构(70)，所述解耦结构安排在所述背板(25)与所述板锚定结构(26)之间。

9.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述解耦结构包括弹性区域(70)。

10.根据权利要求9所述换能器，其中，所述弹性区域(70)包括在不同层级处并且以基本上之字形图案延伸的多个结构层部分(71，72)。

11.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，至少所述薄膜(22)的所述中心部分(22A)被安排成完全面向所述空腔(24)。

12.一种包括根据权利要求1至10中任一项所述的声学MEMS换能器(50)的麦克风(90)。

13.一种电子设备(100)，包括微处理器控制单元(101)以及根据权利要求12所述的连接至所述微处理器控制单元(101)的麦克风(90)。

14.一种用于制造根据以上权利要求中任一项所述的电声换能器的工艺，所述工艺包括：

在采用半导体材料的主体(51)上形成第一牺牲层(52)；

在所述第一牺牲层上形成薄膜(22)；

在所述薄膜上形成第二牺牲层(56)；

通过移除所述第二牺牲层的至少一个第一选择部分和至少一个第二选择部分来在所述第二牺牲层(56)中形成至少一个板锚定开口(63)和至少一个薄膜锚定开口(64)，所述板锚定开口(63)围绕所述薄膜锚定开口(64)；

在所述薄膜(22)之上形成所述第二牺牲层(56)上的固定电极(33)；

形成采用绝缘材料的结构层(35)，所述结构层进入所述板锚定开口和所述薄膜锚定开口并形成至少一个板锚定结构(30)和至少一个薄膜锚定结构(26)；

将所述结构层(35)图案化以形成背板(25)；

在所述薄膜(22)下面形成所述主体(51)中的贯通空腔(24)；以及

移除所述第一和第二牺牲层(52，56)的暴露部分以释放所述薄膜(22)并在所述薄膜与所述固定电极之间形成腔室(28)。

15.根据权利要求14所述的制造工艺，包括：在形成固定电极(33)之前，通过移除所述第二牺牲层的至少一个第三选择部分来在所述第二牺牲层中形成至少一个薄膜电接触开口(57)；

以及优选地，与形成固定电极(33)同时地，在所述薄膜电接触开口(57)中形成与薄膜所述(22)直接电接触的至少一个薄膜电接触区域(39)。

16.根据权利要求15所述的工艺，其中，形成薄膜电接触开口(57)与形成板锚定开口和薄膜锚定开口是单独执行的。

17.根据权利要求15或16所述的工艺，包括：与形成至少一个薄膜电接触开口(57)同时地，通过移除所述第二牺牲层的至少一个第四选择部分来在所述第二牺牲层(56)中形成至少一个板电接触开口(61)，以及与形成至少一个薄膜电接触区域(39)同时地，在所述板电接触开口中形成至少一个板电接触区域(61)。

18.根据权利要求14至17中任一项所述的工艺，进一步包括：形成安排在所述背板(25)与所述板锚定结构(30)之间的弹性解耦结构(70)。