CN110460942A - 一种mems结构的制造方法 - Google Patents
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Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
- H04R19/00—Electrostatic transducers
- H04R19/02—Loudspeakers
Abstract
本申请公开了一种MEMS(微机电系统)结构的制造方法，包括：在衬底的正面形成第一振动层，并且在衬底的背面形成掩模层；图案化掩模层，并利用图案化的掩模层将第一区域和第二区域的衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔，第一深度与第二深度不同，第一区域和第二区域邻近设置；在第一振动层上方依次形成第一电极层、第一压电层和第二电极层；形成贯穿第一振动层、第一电极层、第一压电层和第二电极层的第一沟槽，第一沟槽将第一区域和第二区域分开。从而实现了压电式MEMS换能器与MEMS能量收集器的集成，使得该MEMS能量收集器为ASIC进行供电，从而实现了压电式MEMS声学器件的自供电。
Description
技术领域
本申请涉及半导体技术领域，具体来说，涉及一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，即微机电系统)结构的制造方法。
背景技术
随着智能设备的发展,市场上出现了高性能的压电式MEMS声学器件，该压电式MEMS声学器件可以提供较小尺寸并且保持良好的性能、保真度及可靠性，从而适用于便携式设备。
压电式MEMS声学器件中包括压电式MEMS声电能量转换器和ASIC(ApplicationSpecific Integrated Circuit，即专用集成电路)。但是，压电式MEMS声电能量转换器的ASIC仍然需要外部供电电源才能工作，无法实现自供电功能。
针对相关技术中的上述问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中压电式MEMS声学器件无法实现自供电的问题，本申请提出一种MEMS结构及其制造方法，能够实现压电式MEMS声学器件的自供电。
本申请的技术方案是这样实现的：
根据本申请的一个方面，提供了一种MEMS结构的制造方法，包括：
在衬底的正面形成第一振动层，并且在所述衬底的背面形成掩模层；
图案化所述掩模层，并利用图案化的掩模层将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔，所述第一深度与所述第二深度不同，所述第一区域和所述第二区域邻近设置；
在所述第一振动层上方依次形成第一电极层、第一压电层和第二电极层；
形成贯穿所述第一振动层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层的第一沟槽，所述第一沟槽将所述第一区域和所述第二区域分开。
其中，所述第一深度小于所述第二深度。
其中，所述第二深度大于或等于所述衬底的厚度。
其中，所述第一空腔和所述第二空腔相互连通。
其中，将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔的步骤包括：
利用所述掩模层将所述第一区域和所述第二区域的所述衬底的蚀刻相同深度，之后掩蔽保护所述第一区域的所述衬底并且继续蚀刻所述第二区域的所述衬底，直至所述第二空腔的第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
其中，将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔的步骤包括：
掩蔽保护所述第一区域的所述掩模层并蚀刻所述第二区域的所述掩模层以将所述掩模层蚀刻至不同深度，之后在所述第一区域和所述第二区域上利用所述掩模层和所述衬底的不同蚀刻速率继续蚀刻，直至所述第二空腔的第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
其中，在所述第一空腔和所述第二空腔的顶面和侧壁上形成支撑层。
其中，所述支撑层的材料包括金属。
其中，在形成所述第一沟槽之后去除所述支撑层。
其中，形成所述第一电极层、所述第一压电层、所述第二电极层的步骤包括:
在所述第一振动层上方形成第一电极材料并且图案化所述第一电极材料以形成所述第一电极层；
在所述第一电极层上方形成第一压电材料并且图案化所述第一压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方形成第二电极材料并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层，其中，所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层形成第二沟槽。
其中，蚀刻所述第一振动层以加深所述第二沟槽，直至形成所述第一沟槽。
其中，所述第一区域的MEMS结构用于能量收集器，所述第二区域的MEMS结构用于能量转换器，多个所述能量转换器串联或并联。
其中，所述MEMS结构的制造方法还包括：
掩蔽保护所述第一区域的所述第二电极层，仅在所述第二区域的所述第二电极层上方形成第二压电层和第三电极层。
其中，去除所述第二空腔上方的第一振动层。
另一方面，本申请还提供了一种MEMS结构，包括：
衬底，具有第一区域内的第一空腔和第二区域的第二空腔，并且所述第一区域和所述第二区域邻近设置，所述第一空腔的第一深度与所述第二空腔的第二深度不同；
第一振动层，形成在所述衬底的正面；
掩模层，形成在所述衬底的背面；
第一电极层，形成在所述第一振动层上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方；
其中，第一沟槽贯穿所述第一振动层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层，所述第一沟槽将所述第一区域和所述第二区域分开。
其中，所述第一深度小于所述第二深度。
其中，所述第二深度大于或等于所述衬底的厚度。
其中，所述第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
其中，所述第一空腔和所述第二空腔相互连通。
其中，所述MEMS结构包括在所述第一空腔和所述第二空腔的顶面和侧壁上的支撑层。
其中，所述支撑层的材料包括金属。
其中，在形成所述第一沟槽之后，所述支撑层被去除。
其中，所述第一区域的MEMS结构用于能量收集器，所述第二区域的MEMS结构用于能量转换器，多个所述能量转换器串联或并联。
其中，所述MEMS结构仅在所述第二区域的所述第二电极层上方具有第二压电层和第三电极层。
其中，位于所述第二空腔上方的所述第一振动层被去除。
本申请所提供的MEMS结构的制造方法利用压电式MEMS换能器的工艺方法形成了MEMS能量收集器，实现了压电式MEMS换能器与MEMS能量收集器的集成，使得该MEMS能量收集器为ASIC进行供电，从而实现了压电式MEMS声学器件的自供电。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本申请的各个方面。需要强调的是，根据行业的标准实践，各个部件未按比例绘制，并且仅用于说明目的。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。
图1是根据本申请实施例的MEMS结构的俯视图；
图2至图11是根据本申请实施例的MEMS结构的制造方法的中间阶段的截面图；
图12是根据本申请实施例的MEMS结构的截面图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
以下公开内容提供了许多不同的实施例或实例以实现本申请的不同特征。下面将描述元件和布置的特定实例以简化本申请。当然这些仅是实例并不旨在限定。例如，元件的尺寸不限于所公开的范围或值，但可能依赖于工艺条件和/或器件所需的性能。此外，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加的部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。为了简化和清楚，可以以不同的尺寸任意地绘制各个部件。
此外，为便于描述，空间相对术语如“在...之下(beneath)”、“在...下方(below)”、“下部(lower)”、“在...之上(above)”、“上部(upper)”等在本文可用于描述附图中示出的一个元件或部件与另一个(或另一些)元件或部件的关系。空间相对术语旨在包括除了附图中所示的方位之外，在使用中或操作中的器件的不同方位。装置可以其他方式定向(旋转90度或在其他方位上)，本文使用的空间相对描述符可同样地作相应解释。另外，术语“由...制成”可以意为“包括”或者“由...组成”。
参见图1，示出了根据本申请的实施例的MEMS结构的俯视图。MEMS结构包括能量收集器B和能量转换器C。在一些实施例中，能量转换器C包括声电转换装置，例如麦克风或扬声器。在其他实施例中，可以根据实际使用需要合理地调整能量收集器B和能量转换器C的位置和数量。MEMS结构的制造方法包括以下步骤。
以下图2至图11是图1中沿A-A线的截面图。参见图2，在步骤S101中，在衬底10的正面形成第一振动层20，并且在衬底10的背面形成掩模层30。衬底10的材料包括硅或任何合适的硅基化合物或衍生物(例如硅晶片、SOI、SiO2/Si上的多晶硅)。第一振动层20的材料包括氮化硅(Si3N4)、氧化硅、单晶硅、多晶硅构成的单层或者多层复合膜。掩模层30的材料的包括氮化硅(Si3N4)。形成第一振动层20和掩模层30的方法包括化学气相沉积或其他合适的工艺方法。
步骤S102，图案化掩模层30，并利用图案化的掩模层30将第一区域11和第二区域12的衬底10分别蚀刻形成第一深度D1的第一空腔13和第二深度D2的第二空腔14，第一深度D1与第二深度D2不同，第一区域11和第二区域12邻近设置。在一些实施例中，在第一区域11的所制成的MEMS结构用于能量收集器B，在第二区域12的所制成的MEMS结构用于能量转换器C，多个能量转换器C串联或并联。而且，第一深度D1小于第二深度D2。在图1所示的实施例中，由于能量收集器B的周围设置有多个能量转换器C，而且第一空腔13和第二空腔14之间的衬底材料可以不完全阻隔第一空腔13和第二空腔14，因此，第一空腔13和第二空腔14可以相互连通。
为了实现衬底10中不同深度的第一空腔13和第二空腔14，在一些实施例中，参见图3、图4和图5，利用掩模层30将第一区域11和第二区域12的衬底10的蚀刻相同深度，之后掩蔽保护第一区域11的衬底10并且继续蚀刻第二区域12的衬底10，直至第二空腔14的第二深度D2等于衬底10的厚度与掩模层30的厚度之和。或者，在一些实施例中，参见图6和图7，掩蔽保护第一区域11的掩模层30并蚀刻第二区域12的掩模层30以将掩模层30蚀刻至不同深度，之后在第一区域11和第二区域12上利用掩模层30和衬底10的不同蚀刻速率继续蚀刻，直至如图5所示的第二空腔14的第二深度D2等于衬底10的厚度与掩模层30的厚度之和。
此外，除了第二深度D2等于衬底10的厚度与掩模层30的厚度之和的情况外，第二深度D2可以大于或等于衬底10的厚度。
参见图8，在步骤S103中，在第一空腔13和第二空腔14的顶面和侧壁上形成支撑层40。支撑层40的材料包括金属。在一些实施例中，支撑层40的材料包括铝、锌。
参见图9和图10，在步骤S104中，在第一振动层20上方依次形成第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52；形成贯穿第一振动层20、第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52的第一沟槽54，第一沟槽54将第一区域11和第二区域12分开。
在一些实施例中，可以采用以下方法来实现步骤S104，在第一振动层20上方形成第一电极材料并且图案化第一电极材料以形成第一电极层50。在第一电极层50上方形成第一压电材料并且图案化第一压电材料以形成第一压电层51。在第一压电层51上方形成第二电极材料并且图案化第二电极材料以形成第二电极层52，其中，第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52形成第二沟槽53。然后蚀刻第一振动层20以加深第二沟槽53，直至形成第一沟槽54。
其中，第一压电层51的材料包括氧化锌、氮化铝、有机压电膜、锆钛酸铅(PZT)、钙钛矿型压电膜或其他合适的材料。第一电极层50和第二电极层52的材料包括铝、金、铂、钼、钛、铬以及它们组成的复合膜或其他合适的材料。
参见图11，在步骤S105中，在形成第一沟槽54之后去除支撑层40。在一些实施例中，可以将掩模层30去除。
值得注意的是，步骤S102和步骤S104可以互换顺序。换句话说，也可以先形成第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52，而后再形成第一空腔13和第二空腔14。
参见图12，为了提高能量转换器C的压电转换效率，可以掩蔽保护第一区域11的第二电极层52，仅在第二区域12处的第二电极层52上方形成第二压电层55和第三电极层56。换句话说，能量转换器C部分呈双晶片结构。并且保持能量收集器B部分不变。具体的方法可以是：在第一区域11的上方形成图案化的光刻胶层，然后仅在第二区域12的第二电极层52上方形成第二压电层55，之后再次进行光刻并沉积形成第三电极层56。
为了进一步优化该双晶片结构，可以去除第二空腔14上方的第一振动层20。例如，可以在先形成第一电极层50、第一压电层51、第二电极层52、第二压电层55和第三电极层56之后，然后再形成第一空腔13和第二空腔14。在形成第一空腔13和第二空腔14之后，继续蚀刻去除第二空腔14上方的第一振动层20。
值得注意的是，以上形成MEMS结构的方法中的步骤可以合理调整或替换，从而有利于缩短工艺时间，提高生产效率。并且各种可能的制造方法均应包含在本申请的保护范围之内。
从上述说明可以看出，第一区域11中所制得的MEMS结构中至少有部分的衬底材料(包括第一空腔13上方的衬底材料)未被蚀刻去除，使得第一空腔13上方的衬底材料以及位于第一空腔13和第二空腔14之间的衬底材料形成质量块，以此将第一区域11的MEMS结构用于能量收集器B。另外，图11和图12所示的MEMS结构中，位于第一空腔13和第二空腔14之间的衬底材料可以被部分去除，从而使得第一空腔13和第二空腔14连通。
综上可知，本申请所提供的MEMS结构的制造方法中，利用压电式MEMS换能器C的工艺方法形成了MEMS能量收集器B，实现了压电式MEMS换能器C与MEMS能量收集器B的集成，使得该MEMS能量收集器为ASIC进行供电，从而实现了压电式MEMS声学器件的自供电。
此外，参见图11，本申请还提供了由上述制造方法所形成的MEMS结构，该MEMS结构包括衬底10、第一振动层20、掩模层30、第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52。
衬底10具有第一区域11内的第一空腔13和第二区域12内的第二空腔14，并且第一区域11和第二区域12邻近设置，第一空腔13的第一深度D1与第二空腔14的第二深度D2不同。第一振动层20形成在衬底10的正面。掩模层30形成在衬底10的背面。第一电极层50形成在第一振动层20上方。第一压电层51形成在第一电极层50上方。第二电极层52形成在第一压电层51上方。其中，第一沟槽54贯穿第一振动层20、第一电极层50、第一压电层51和第二电极层52，第一沟槽54将第一区域11和第二区域12分开。
在一些实施例中，MEMS结构仅在第二区域12的第二电极层52上方具有第二压电层55和第三电极层56，以形成双晶片结构。
为了进一步优化该双晶片结构，可以去除位于所述第二空腔14上方的第一振动层20。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (25)
1.一种MEMS(微机电系统)结构的制造方法，其特征在于，包括：
在衬底的正面形成第一振动层，并且在所述衬底的背面形成掩模层；
图案化所述掩模层，并利用图案化的掩模层将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔，所述第一深度与所述第二深度不同，所述第一区域和所述第二区域邻近设置；
在所述第一振动层上方依次形成第一电极层、第一压电层和第二电极层；
形成贯穿所述第一振动层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层的第一沟槽，所述第一沟槽将所述第一区域和所述第二区域分开。
2.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述第一深度小于所述第二深度。
3.根据权利要求2所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述第二深度大于或等于所述衬底的厚度。
4.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述第一空腔和所述第二空腔相互连通。
5.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔的步骤包括：
利用所述掩模层将所述第一区域和所述第二区域的所述衬底的蚀刻相同深度，之后掩蔽保护所述第一区域的所述衬底并且继续蚀刻所述第二区域的所述衬底，直至所述第二空腔的第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
6.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，将第一区域和第二区域的所述衬底分别蚀刻形成第一深度的第一空腔和第二深度的第二空腔的步骤包括：
掩蔽保护所述第一区域的所述掩模层并蚀刻所述第二区域的所述掩模层以将所述掩模层蚀刻至不同深度，之后在所述第一区域和所述第二区域上利用所述掩模层和所述衬底的不同蚀刻速率继续蚀刻，直至所述第二空腔的第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
7.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，在所述第一空腔和所述第二空腔的顶面和侧壁上形成支撑层。
8.根据权利要求7所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述支撑层的材料包括金属。
9.根据权利要求7所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，在形成所述第一沟槽之后去除所述支撑层。
10.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，形成所述第一电极层、所述第一压电层、所述第二电极层的步骤包括:
在所述第一振动层上方形成第一电极材料并且图案化所述第一电极材料以形成所述第一电极层；
在所述第一电极层上方形成第一压电材料并且图案化所述第一压电材料以形成第一压电层；
在所述第一压电层上方形成第二电极材料并且图案化所述第二电极材料以形成第二电极层，其中，所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层形成第二沟槽。
11.根据权利要求10所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，蚀刻所述第一振动层以加深所述第二沟槽，直至形成所述第一沟槽。
12.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述第一区域的MEMS结构用于能量收集器，所述第二区域的MEMS结构用于能量转换器，多个所述能量转换器串联或并联。
13.根据权利要求1所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，所述MEMS结构的制造方法还包括：
掩蔽保护所述第一区域的所述第二电极层，仅在所述第二区域的所述第二电极层上方形成第二压电层和第三电极层。
14.根据权利要求13所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，去除所述第二空腔上方的第一振动层。
15.一种MEMS结构，其特征在于，包括：
衬底，具有第一区域内的第一空腔和第二区域的第二空腔，并且所述第一区域和所述第二区域邻近设置，所述第一空腔的第一深度与所述第二空腔的第二深度不同；
第一振动层，形成在所述衬底的正面；
掩模层，形成在所述衬底的背面；
第一电极层，形成在所述第一振动层上方；
第一压电层，形成在所述第一电极层上方；
第二电极层，形成在所述第一压电层上方；
其中，第一沟槽贯穿所述第一振动层、所述第一电极层、所述第一压电层和所述第二电极层，所述第一沟槽将所述第一区域和所述第二区域分开。
16.根据权利要求15所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一深度小于所述第二深度。
17.根据权利要求16所述的MEMS结构，其特征在于，所述第二深度大于或等于所述衬底的厚度。
18.根据权利要求17所述的MEMS结构，其特征在于，所述第二深度等于所述衬底的厚度与所述掩模层的厚度之和。
19.根据权利要求15所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一空腔和所述第二空腔相互连通。
20.根据权利要求15所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构包括在所述第一空腔和所述第二空腔的顶面和侧壁上的支撑层。
21.根据权利要求20所述的MEMS结构，其特征在于，所述支撑层的材料包括金属。
22.根据权利要求20所述的MEMS结构，其特征在于，在形成所述第一沟槽之后，所述支撑层被去除。
23.根据权利要求15所述的MEMS结构，其特征在于，所述第一区域的MEMS结构用于能量收集器，所述第二区域的MEMS结构用于能量转换器，多个所述能量转换器串联或并联。
24.根据权利要求15所述的MEMS结构，其特征在于，所述MEMS结构仅在所述第二区域的所述第二电极层上方具有第二压电层和第三电极层。
25.根据权利要求24所述的MEMS结构的制造方法，其特征在于，位于所述第二空腔上方的所述第一振动层被去除。
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