CN108569672A - 麦克风及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种麦克风及其制造方法，涉及半导体技术领域。其中，所述麦克风包括：衬底，所述衬底具有用于收集声音的开口，所述开口中具有支架；其中，所述支架包括：组成封闭图形的第一支架；以及用于连接所述第一支架和所述开口的边缘的第二支架。本发明实施例可以提高麦克风的机械可靠性。

Description

麦克风及其制造方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种麦克风及其制造方法。
背景技术
相对传统麦克风而言，微机电系统(MEMS)麦克风的性能受温度、振动、湿度和时间的影响更小，性能更加稳定。例如，MEMS麦克风可承受约260℃的高温回流焊，而性能不会有明显变化。
随着科技的发展与需求的不断增长，人们对MEMS麦克风的需求不仅是希望得到更好的声学性能，而且希望得到更高的机械可靠性，以便能够抵抗运输过程或后期工作时造成的形变而不破裂。
为了保证麦克风的机械可靠性，麦克风通常需要满足空气压力测试(AirPressure Test，APT)和跌落测试。APT是在将麦克风封装好后，从麦克风的底部或顶部通入空气，以测试麦克风能够承受的最大压力。从麦克风的顶部通入空气进行空气压力测试的方式称为顶部ATP，从麦克风的底部通入空气进行空气压力测试的方式称为顶部ATP。跌落测试是测试麦克风从一定高度(例如1米)掉落到预定材料的地板(例如大理石地板)上不会损坏的百分比。
MEMS麦克风的下极板(振动膜)可以是一层薄薄的多晶硅，如图1所示，下极板101的中间方形部分111可以振动，边上的4个锚121固定。在麦克风的衬底背后开个孔作为收集声音的通道。目前的设计中，孔的大小基本等于下极板的中间方形部分111的大小。
发明人发现，现有的MEMS麦克风在进行APT和跌落测试时均不能满足要求，机械可靠性较差。
发明内容
本发明的一个目的是：提高麦克风的机械可靠性。
根据本发明的一方面，提供了一种麦克风，包括：衬底，所述衬底具有用于收集声音的开口，所述开口中具有支架；其中，所述支架包括：组成封闭图形的第一支架；以及用于连接所述第一支架和所述开口的边缘的第二支架。
在一个实施例中，所述开口的截面形状为类方形，所述类方形为至少一个角具有弧度的方形。
在一个实施例中，所述类方形为四个角均具有弧度的方形。
在一个实施例中，所述弧度为圆弧。
在一个实施例中，所述圆弧的半径的范围为270-330μm。
在一个实施例中，所述封闭图形包括圆形、椭圆形、棱形、方形或三角形。
在一个实施例中，所述第二支架包括分离的至少两部分；所述至少两部分将所述第一支架与所述开口的边缘之间的空间划分为与所述第二支架包括的部分的数量相同的区域。
在一个实施例中，每个区域的面积相同。
在一个实施例中，所述至少两部分包括四部分。
在一个实施例中，所述麦克风还包括：在所述衬底之上覆盖所述开口的第一电极板；所述第一电极板包括：方形的振动部；以及在所述振动部的四个角中的至少一个角处向外延伸的固定部。
在一个实施例中，所述麦克风还包括：在所述第一电极板上方并与所述第一电极板间隔开的第二电极板。
根据本发明的另一方面，提供了一种麦克风的制造方法，包括在麦克风的衬底中制造用于收集声音的开口的步骤，所述步骤包括：在所述衬底的底面上形成图案化的掩模，所述掩模定义了所述开口的形状；以所述图案化的掩模为掩模对所述衬底进行刻蚀，从而形成所述开口，所述开口中具有支架；其中，所述支架包括：组成封闭图形的第一支架；以及用于连接所述第一支架和所述开口的边缘的第二支架。
在一个实施例中，所述开口的截面形状为类方形，所述类方形为至少一个角具有弧度的方形。
在一个实施例中，所述类方形为四个角均具有弧度的方形。
在一个实施例中，所述弧度为圆弧。
在一个实施例中，所述圆弧的半径的范围为270-330μm。
在一个实施例中，所述封闭图形包括圆形、椭圆形、棱形、方形或三角形。
在一个实施例中，所述第二支架包括分离的至少两部分；所述至少两部分将所述第一支架与所述开口的边缘之间的空间划分为与所述第二支架包括的部分的数量相同的区域。
在一个实施例中，每个区域的面积相同。
在一个实施例中，所述至少两部分包括四部分。
本发明实施例的麦克风的衬底中的开口中具有支架，该支架包括组成封闭图形的第一支架以及用于连接第一支架和开口的边缘的第二支架。在下极板(也即第一电极板)向下振动时，支架可以抵消一部分力，从而减小固定部所承受的力，从而减小固定部断裂的可能性，提高了麦克风的机械可靠性。
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、方面及其优点将会变得清楚。
附图说明
附图构成本说明书的一部分，其描述了本发明的示例性实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理，在附图中：
图1示出了现有技术中的MEMS麦克风的下极板的结构示意图；
图2示出了根据本发明一个实施例的麦克风的结构示意图；
图3示出了根据本发明一个实施例的第一电极板的结构示意图；
图4示出了图2所示开口的一个实现方式的截面示意图；
图5示出了图4所示的开口与图3所示的第一电极板之间的关系的一个例子的示意图；
图6A示出了图2所示开口的另一个实现方式的截面示意图；
图6B示出了图2所示开口的又一个实现方式的截面示意图；
图7是根据本发明一个实施例的麦克风的制造方法的流程示意图；
图8示出了现有的麦克风与本发明实施例的麦克风的APT和跌落测试结果的对比示意图。
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。应理解，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应被理解为对本发明范围的限制。
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不必然按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
以下对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，在任何意义上都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、方法和装置可能不作详细讨论，但在适用这些技术、方法和装置情况下，这些技术、方法和装置应当被视为本说明书的一部分。
应注意，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或说明，则在随后的附图的说明中将不需要对其进行进一步讨论。
本发明的发明人针对MEMS麦克风机械可靠性差的问题进行了深入研究，发现：麦克风的下极板的4个锚很容易断裂，是导致其机械可靠性差的一个原因。发明人针对此问题提出了如下解决方案。
图2是根据本发明一个实施例的麦克风的结构示意图。如图2所示，麦克风包括衬底201、在衬底201之上的第一电极板202以及在第一电极板202上方并与第一电极板202间隔开的第二电极板203。第一电极板202和第二电极板203的材料例如可以是多晶硅。在一个实施例中，参见图3，第一电极板202可以包括方形的振动部212以及在振动部212的四个角中的至少一个角处向外延伸的固定部222。
衬底201具有用于收集声音的开口211，第一电极板202覆盖开口211。另外，麦克风还可以包括在第一电极板202与衬底201之间的绝缘部204(例如硅的氧化物)以及用于支撑第二电极板203的支撑层205(例如硅的氮化物)。
本发明实施例中的开口211中具有支架，该支架包括组成封闭图形的第一支架以及用于连接第一支架和开口211的边缘的第二支架。在第一电极板202向下振动时，支架可以抵消一部分力，从而减小固定部222所承受的力，从而减小固定部断裂的可能性，提高了麦克风的机械可靠性。
图4示出了图2所示开口的一个实现方式的截面示意图。如图4所示，开口211的截面形状可以为类方形，这里的类方形为至少一个角具有弧度的方形。支架包括组成封闭图形的第一支架221以及用于连接第一支架221和开口211的边缘的第二支架231。图5示出了图4所示的开口与图3所示的第一电极板之间的关系的一个例子的示意图。参见图5，开口211的截面面积小于第一电极板202的方形振动部的截面面积。在开口211的截面形状为类方形的情况下，第一电极板202的振动部在向下振动时，第一电极板202的受力面积更大，使得固定部222所受的拉力更小，从而不易断裂，进一步提高了麦克风的机械可靠性。优选地，如图4和图5所示，上述类方形为四个角均具有弧度的方形，以便进一步提高麦克风的机械可靠性。更优选地，这里的弧度为圆弧。进一步优选地，圆弧的半径的范围为270-330μm，例如280μm、300μm、320μm等。
在一个实施例中，开口211中的支架(包括第一支架221和第二支架231)可以与衬底201的材料相同。另外，在开口211为类方形的情况下，开口211的弧度部分位于与第一电极板202的方形振动部212的一个角对应的位置处。
需要指出的是，虽然图4和图5将第一支架221组成的封闭图形示出为圆形。但是，应理解，本发明并限于此。在其他的实施例中，第一支架221组成的封闭图形还可以是其他类型的图形，例如椭圆形、棱形、方形(包括长方形和正方形)或三角形。
还需要指出的是，虽然图4和图5将第二支架231示出为包括分离的四部分。但是，应理解，本发明并不限于此。在其他的实施例中，第二支架231可以包括分离的至少两部分，例如两部分、三部分、五部分或更多部分等等。这里的至少两部分将第一支架221与开口211的边缘之间的空间划分为与第二支架231包括的部分的数量相同的区域。优选地，所划分的每个区域的面积相同，从而使得麦克风的机械可靠性和稳定性更好。
图6A示出了图2所示开口的另一个实现方式的截面示意图。该实现方式中，第二支架231包括分离的两部分，这两部分将第一支架221与开口211的边缘之间的空间划分为两个区域。优选地，这两个区域的面积相同。
图6B示出了图2所示开口的又一个实现方式的截面示意图。该实现方式中，第二支架231包括分离的三部分，这三部分将第一支架221与开口211的边缘之间的空间划分为三个区域。优选地，这三个区域的面积相同。
将理解，本领域技术人员根据实际情况来选择第一支架221组成的封闭图形的形状以及第二支架231所包括的数量，从而得到机械可靠性不同的麦克风。
具有上述开口的麦克风可以通过不同的制造方法来制造，本发明提供了一种示例性的方法，下面结合图7进行说明。
图7是根据本发明一个实施例的麦克风的制造方法的流程示意图。如图7所示，该方法包括在麦克风的衬底中制造用于收集声音的开口的步骤，该步骤包括：
步骤702，在衬底的底面上形成图案化的掩模，例如光刻胶，该掩模定义了开口的形状。
例如，可以设计具有开口的形状的光罩，然后利用光罩对光刻胶进行曝光和显影，从而形成图案化的光刻胶。
步骤704，以图案化的掩模为掩模对衬底进行刻蚀，从而形成开口。所形成的开口中具有支架，这里的支架包括组成封闭图形的第一支架以及用于连接第一支架和开口的边缘的第二支架。这里，第一支架和第二支架与衬底的材料相同，并且第一支架和第二支架的高度与衬底的厚度相同。
优选地，上述封闭图形可以包括圆形、椭圆形、棱形、方形或三角形。优选地，第二支架包括分离的至少两部分，例如四部分，这里的至少两部分将第一支架与开口的边缘之间的空间划分为与第二支架包括的部分的数量相同的区域。更优选地，每个区域的面积相同。
本实施例中，无需改变其他任何制程，仅仅通过更换一层光罩，可形成具有上述开口的麦克风，提高了麦克风的机械可靠性，并且成本低廉，可实现麦克风的大规模量产。
需要说明的是，图7所示方法还可以包括制造第一电极板、第二电极板等其他部件的步骤，由于这部分并非本发明关注的重点，在此不再做详细介绍。
优选地，上述开口的截面形状为类方形，这里的类方形为至少一个角具有弧度的方形。更优选地，类方形为四个角均具有弧度的方形。更优选地，弧度为圆弧。更优选地，圆弧的半径的范围为270-330μm，例如280μm、300μm、320μm等。
经过APT测试和跌落测试发现，具有上述开口211的麦克风的机械可靠性更好。
图8示出了现有的麦克风与本发明实施例的麦克风的APT和跌落测试结果的对比示意图。参见图8，无论是顶部APT还是底部APT，本发明的麦克风所承受的最大压力均明显大于现有麦克风。另外，对于跌落测试，本发明的麦克风在跌落测试中不会损坏的比例与现有的麦克风相比也明显增大。据此可知，本发明实施例提供的麦克风可以有效地提高机械可靠性。
至此，已经详细描述了根据本发明实施例的麦克风及其制造方法。为了避免遮蔽本发明的构思，没有描述本领域所公知的一些细节，本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。另外，本说明书公开所教导的各实施例可以自由组合。本领域的技术人员应该理解，可以对上面说明的实施例进行多种修改而不脱离如所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (20)

1.一种麦克风，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底具有用于收集声音的开口，所述开口中具有支架；
其中，所述支架包括：
组成封闭图形的第一支架；以及
用于连接所述第一支架和所述开口的边缘的第二支架。
2.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，所述开口的截面形状为类方形，所述类方形为至少一个角具有弧度的方形。
3.根据权利要求2所述的麦克风，其特征在于，所述类方形为四个角均具有弧度的方形。
4.根据权利要求2所述的麦克风，其特征在于，所述弧度为圆弧。
5.根据权利要求4所述的麦克风，其特征在于，所述圆弧的半径的范围为270-330μm。
6.根据权利要求1-5任意一项所述的麦克风，其特征在于，所述封闭图形包括圆形、椭圆形、棱形、方形或三角形。
7.根据权利要求1-5任意一项所述的麦克风，其特征在于，所述第二支架包括分离的至少两部分；
所述至少两部分将所述第一支架与所述开口的边缘之间的空间划分为与所述第二支架包括的部分的数量相同的区域。
8.根据权利要求7所述的麦克风，其特征在于，每个区域的面积相同。
9.根据权利要求8所述的麦克风，其特征在于，所述至少两部分包括四部分。
10.根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于，还包括：
在所述衬底之上覆盖所述开口的第一电极板；
所述第一电极板包括：
方形的振动部；以及
在所述振动部的四个角中的至少一个角处向外延伸的固定部。
11.根据权利要求10所述的麦克风，其特征在于，还包括：
在所述第一电极板上方并与所述第一电极板间隔开的第二电极板。
12.一种麦克风的制造方法，其特征在于，包括在麦克风的衬底中制造用于收集声音的开口的步骤，所述步骤包括：
在所述衬底的底面上形成图案化的掩模，所述掩模定义了所述开口的形状；
以所述图案化的掩模为掩模对所述衬底进行刻蚀，从而形成所述开口，所述开口中具有支架；
其中，所述支架包括：
组成封闭图形的第一支架；以及
用于连接所述第一支架和所述开口的边缘的第二支架。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，所述开口的截面形状为类方形，所述类方形为至少一个角具有弧度的方形。
14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述类方形为四个角均具有弧度的方形。
15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述弧度为圆弧。
16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述圆弧的半径的范围为270-330μm。
17.根据权利要求12-16任意一项所述的方法，其特征在于，所述封闭图形包括圆形、椭圆形、棱形、方形或三角形。
18.根据权利要求12-16任意一项所述的方法，其特征在于，所述第二支架包括分离的至少两部分；
所述至少两部分将所述第一支架与所述开口的边缘之间的空间划分为与所述第二支架包括的部分的数量相同的区域。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，每个区域的面积相同。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述至少两部分包括四部分。
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