CN111212369A - Mems麦克风及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种MEMS麦克风及其制造方法。所述MEMS麦克风包括：衬底；位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触。本申请将膜片与衬底之间点接触，极大的释放了膜片的应力，提高了膜片机械响应的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微麦克风的技术领域，更具体地，涉及MEMS麦克风及其制造方法。
背景技术
MEMS麦克风是采用微加工工艺制造的MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微电子机械系统)器件。由于具有体积小、灵敏度高、与现有半导体技术兼容性好的优点，MEMS麦克风在手机等移动终端上的应用越来越广泛。MEMS麦克风的结构包括彼此相对的膜片和背极板电极，二者分别经由引线连接至相应的电极。在膜片和背极板电极之间形成有空腔以提供膜片所需的振动空间。
随着微加工工艺的发展，MEMS麦克风中膜片和背极板电极之间的间距越来越小，但同时在MEMS麦克风的制造和应用过程中的工艺要求也越来越高。工艺偏差引入的结构缺陷不仅影响麦克风的成品率，而且导致MEMS麦克风在应用环境中的性能急剧恶化。期待进一步改进ME MS麦克风的结构以抑制工艺偏差对器件性能的不利影响，进而提高成品率和器件可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风及其制造方法，其中，将膜片与衬底点接触，进而释放了膜片的应力以提高器件的工作灵敏度。
根据本申请的一方面，提供一种MEMS麦克风，包括：衬底；位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触。
优选地，所述膜片包括：中间部分；以及围绕所述中间部分的周边部分。
优选地，还包括：位于所述衬底的第一表面上的第一连接部，与所述膜片的周边部分点接触。
优选地，还包括：位于所述衬底的第一表面上的第二连接部，与所述膜片之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片的第一表面。
优选地，还包括：位于所述膜片的周边部分并向所述衬底第一表面延伸的第三连接部，与衬底之间还包括介质层。
优选地，所述膜片还包括：弹簧结构，用于连接所述中间部分和周边部分，所述弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。
优选地，所述膜片的周边部分包括不连续区域。
优选地，所述膜片的中间部分包括至少一个通孔。
优选地，所述背极板电极位于所述膜片的可动区域上方，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。
优选地，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。
优选地，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至3微米。
优选地，还包括：位于所述衬底第一表面上的第一隔离层；以及位于所述第一隔离层远离所述衬底的表面上的第二隔离层，其中，所述声腔贯穿所述第一隔离层。
优选地，还包括：第一保护层和第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间，所述第一保护层位于所述第二隔离层与所述背极板电极之间。
优选地，所述第一保护层在面对所述膜片的第一表面的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板电极与所述膜片之间的粘连。
优选地，所述第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极在工作状态下维持为无形变状态。
优选地，还包括：多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层；以及空腔，位于所述第二隔离层中，所述空腔暴露所述膜片的第一表面以及用于连接膜片第一表面和第二表面的侧面，所述空腔还包括所述第二隔离层与所述膜片侧面之间的间隔。
优选地，所述释放孔和所述声腔经由所述空腔连通。
优选地，所述多个释放孔的形状为圆形、多边形、十字花孔中的任意一种。
优选地，所述多个释放孔排列成矩形阵列或者错开的矩形阵列或者圆形阵列。
优选地，还包括：第一引线，穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层到达所述膜片的第一表面；以及第二引线，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极的第二表面。
优选地，所述第一连接部为SiO2层或者SiBN层。
优选地，所述第二连接部为SiO2层或者SiBN层。
优选地，所述介质层为SiO2层或者SiBN层。
优选地，所述膜片超出所述声腔最大开口的部分的单侧最大宽度与所述衬底和所述膜片之间的间隔的比例为30:1～200:1。
优选地，所述连接部离散且均匀分布。
根据本发明的另一方面，提供一种制造MEMS麦克风的方法，其中，包括：在衬底上依次形成膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及形成贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触。
优选地，所述膜片包括中间部分和围绕所述中间部分的周边部分。
优选地，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：在所述衬底的第一表面上形成第二连接部，与所述膜片之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片的第一表面。
优选地，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：在所述衬底的第一表面上形成第一连接部，与所述膜片的周边部分点接触。
优选地，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：在所述膜片的周边部分具有向所述衬底第一表面延伸的第三连接部，与衬底之间还包括介质层。
优选地，还包括：在所述膜片上形成连接所述中间部分和周边部分的弹簧结构，所述弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。
优选地，还包括：在所述膜片的周边部分形成不连续区域。
优选地，还包括：在所述膜片的中间部分形成至少一个通孔。
优选地，所述背极板电极在所述膜片的可动区域上方形成，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。
优选地，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。
优选地，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至3微米。
优选地，还包括：在所述衬底第一表面上形成第一隔离层；在所述背极板电极和所述膜片之间形成第二隔离层，其中，所述声腔贯穿所述第一隔离层。
优选地，还包括：在所述第二隔离层上形成第一保护层；以及在所述背极板电极上形成第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间。
优选地，还包括：贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层形成多个释放孔；以及在所述第二隔离层中形成空腔，所述空腔暴露所述膜片的第一表面以及用于连接膜片第一表面和第二表面的侧面，所述空腔还包括所述第二隔离层与所述膜片侧面之间的间隔。
优选地，所述释放孔和所述声腔经由所述空腔连通。
优选地，还包括：穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层形成到达所述膜片的第一表面的第一引线；以及穿过所述第二保护层形成到达所述背极板电极的第二表面的第二引线。
优选地，所述膜片超出所述声腔最大开口的部分的单侧最大宽度与所述衬底和所述膜片之间的间隔的比例为30:1～200:1。
优选地，所述连接部离散且均匀分布。
根据本发明实施例的MEMS麦克风，通过将膜片的第二表面与衬底的第一表面之间点接触以支撑膜片位于衬底上。该MEMS麦克风的膜片脱离了膜片和衬底面支撑的传统麦克风结构，极大的释放了膜片的应力，提高了膜片机械响应的灵敏度。具体地，通过在衬底的第一表面上设置多个第一连接部进而与膜片的第二表面的周边部分的部分区域点接触。作为可替代的实施例，通过在衬底的第一表面上形成多个与衬底第一表面点接触的第二连接部，第二连接部与膜片之间嵌套连接并向上延伸至膜片的第一表面。作为可替代的实施例，膜片第二表面的周边部分的部分区域具有向外延伸的第三连接部，以与衬底的第一表面点接触。
在优选的实施例中，背极板电极位于膜片的可动区域上方，并且背极板电极的面积小于等于膜片的可动区域的面积，从而可以减小对MEMS麦克风的灵敏度无任何贡献的寄生电容的影响。即使存在着工艺波动，由于背极板电极仅需要对准膜片的可动区域，也可以容易地将二者对准。
在优选的实施例中，背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积，避免了批量生产中因工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高了产品的整体性能。
在优选的实施例中，第一保护层在面对膜片的第一表面的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板电极与所述膜片之间的粘连。第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极工作状态下维持为未形变状态。由于第二保护层作为机械支撑层，因此可以改善器件设计自由度。该MEMS麦克风的背极板电极的图案设计仅需基于电学性能设计，而无需兼顾机械刚度的需求，因而可以采用背极板电极的图案限定有效电容面积，从而可以减小对MEMS麦克风的灵敏度无任何贡献的寄生电容的影响。
在优选的实施例中，该MEMS麦克风的膜片包括同心环形的褶皱部分，或者螺旋状的褶皱部分的弹簧结构。该膜片的弹簧结构有效地释放了膜片的应力，提高了MEMS麦克风的灵敏度。
在优选的实施例中，膜片的周边部分的部分区域为不连续区域。该不连续区域为周边部分边缘不连续或者周边部分的镂空结构。膜片的不连续区域与上下的介质层之间无法构成电容结构，进而降低了对麦克风灵敏度不利的寄生电容。同时不连续区域可以释放一部分的膜片应力，有效提高膜片的灵敏度。
在优选的实施例中，该MEMS麦克风还包括多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层。释放孔不仅在工艺过程中作为蚀刻剂的供给通道，而且在MEMS麦克风的工作状态下降低声阻。
在优选的实施例中，空腔包括所述第二隔离层与所述膜片之间的间隔，释放孔和声腔经由空腔连通。即，膜片与隔离层之间不接触以使得声腔和释放孔通过空腔连接，释放了膜片的应力，提高了膜片机械响应的灵敏度。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的制造方法的流程示意图；
图2至13示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的制造方法不同阶段的截面图；
图14a示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的一种膜片的结构示意图；图14b示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的另一种膜片的结构示意图；
图15a示出根据本发明另一实施例的MEMS麦克风的一种膜片的结构示意图；图15b示出根据本发明另一实施例的MEMS麦克风的另一种膜片的结构示意图；
图16a示出图13中一种实施例的C处的局部放大图；图16b示出图13中另一种实施例的C处的局部放大图；图16c示出图13中又一种实施例的C处的局部放大图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的制造方法的流程示意图，图2至14示出根据本发明实施例的MEMS麦克风的制造方法不同阶段的截面图。
在步骤S01中，在衬底101上形成第一隔离层102，如图2所示。
在该实施例中，衬底101例如是<100>晶向的衬底硅片。可选地，衬底掺杂为N型。第一隔离层102例如是氧化硅层。例如，通过热氧化或化学气相沉积(Chemical VaporDeposition,CVD)的方法在衬底101上形成氧化硅层，作为第一隔离层102。
第一隔离层102的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片下方的声腔的一部分。第一隔离层102的厚度例如是0.5微米至2微米。
在步骤S02中，在第一隔离层102的表面形成凹槽131，如图3所示。
在该实施例中，在第一隔离层102的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第一隔离层102的暴露部分，从而形成凹槽131。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第一隔离层102的预定深度停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
凹槽131在第一隔离层102的表面开口，并且向下延伸。从第一隔离层102的表面观察，凹槽131的形状为同心环形，例如包括嵌套的1至6个圆环形。从第一隔离层102的截面观察，凹槽131的形状为底面尺寸小于开口面尺寸的大致梯形或V字形，在优选的实施例中，从第一隔离层102的截面观察凹槽131的形状为方形。凹槽131的深度例如是0.5微米至0.8微米。凹槽131用于限定后续步骤将形成的与膜片点接触的连接部。
优选地，凹槽131的开口面与第一隔离层102的表面形成圆滑的过渡曲面。为此，可以采用附加的沉积步骤形成共形的覆盖层，例如薄氧化层，以改善凹槽131的形貌而获得圆滑的过渡曲面。该覆盖层的厚度例如是0.1微米至2微米。
在步骤S03中，在第一隔离层102上形成与衬底表面点接触的膜片103，如图4所示。
在该实施例中，膜片103例如由掺杂的多晶硅组成。例如，采用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)在第一隔离层102上沉积多晶硅，沉积温度例如是570摄氏度至630摄氏度。进一步地，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，从而在多晶硅层的不同区域分别形成膜片103和接触121的图案。膜片103的厚度例如是0.3微米至1.5微米。
该膜片103包括中间部分和围绕中间部分的周边部分。中间部分包括至少一个通孔1031，以兼具释放应力和调节麦克风频率响应曲线的功能。
本实例中，在形成膜片103之前，采用低压化学气相沉积(Low Pressure ChemicalVapor Deposition,LPCVD)以及化学机械抛光(Chemical Mechanical Polishing，CMP)在第一隔离层102的凹槽131中沉积例如SiO2层或者SiBN层，以在衬底101的第一表面上形成多个第一连接部171(如图16a所示)，进而与后续形成的膜片103的第二表面的周边部分的部分区域点接触。
在替代的实施例中，在形成膜片103之前，在第一隔离层102的凹槽131中沉积例如SiO2层或者SiBN层，之后形成膜片103，在膜片103的上方形成一层例如SiO2层或者SiBN层，图形化以在衬底101的第一表面上形成多个与衬底101第一表面点接触的第二连接部172(如图16b所示)，并且二连接部172与后续形成的膜片103之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片103的第一表面。
在替代的实施例中，在第一隔离层102上形成一层介质层180用于填充凹槽131以及覆盖至少部分第一隔离层102的表面。介质层180例如为SiO2层或者SiBN层。在形成膜片时，采用低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)在第一隔离层102上共形地沉积多晶硅层，之后采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化以在膜片103第二表面的周边部分的部分区域形成具有向衬底101第一表面延伸的第三连接部173(如图16c所示)，以与衬底101的第一表面点接触。衬底101和第三连接部173之间设置有介质层180。
在优选的实施例中，在形成膜片103之前，在第一隔离层102的表面还形成用于限定膜片103中用于连接中间部分和周边部分的弹簧结构的凹槽，膜片103的中间部分和周边部分覆盖第一隔离层102表面，弹簧结构与中间部分和周边部分连续且共形地覆盖该凹槽的底面和侧壁。与该凹槽的形状一致，弹簧结构为同心环形的褶皱部分1042(如图14b所示)。膜片103的中间部分和弹簧结构为膜片103的可动区域。在替代的实施例中，膜片103的弹簧结构为螺旋状的褶皱部分1041(如图14a所示)。图14a中的弹簧结构的螺纹的曲率半径随位置变化而不变化或者随位置变化而变化，这两种实施方式可以根据实际应用的需求进行选择。与平整表面的膜片相比，在表面上形成有弹簧结构的膜片103可以改善膜片的弹性特性，可以控制振动区域、改善膜结构的弹性系数，满足MEMS麦克风的性能设计所需。在优选的实施例中，每条螺旋纹的曲率半径相同。在替代的实施例中，弹簧结构延伸至膜片103的周边部分，有效地释放了膜片的应力，提高了MEMS麦克风的灵敏度。
在替代的实施例中，膜片103的周边部分的部分区域为不连续区域(如图15a、15b所示)。如图15a所示，膜片103的周边部分的边缘不连续。具体地，周边部分的边缘为锯齿状，该锯齿状的多个缺口1043形成不连续区域。在替代的实施例中，如图15b所示，膜片103的周边部分的不连续区域包括镂空结构。具体地，镂空结构包括多个通孔1044，该通孔1044为圆形、梯形或者多边形，其中，该实施例中，通孔1044为类似扇形的形状，多个通孔1044交叉排列地形成在膜片103的周边部分区域，进一步地，膜片103的形状为太阳花形状，更具体地，膜片103的边缘由多个圆弧边连接。
在步骤S04中，在膜片103上形成第二隔离层104，以及在第二隔离层104表面上形成多个开孔，如图5所示。
在该实施例中，第二隔离层104例如是氧化硅层。例如，通过低压化学气相沉积(Low Pressure Chemical Vapor Deposition,LPCVD)或等离子增强型化学气相沉积(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)的方法在膜片103上形成氧化硅层，作为第二隔离层104。在形成第二隔离层104之后，例如采用化学机械平面化平整第二隔离层104的表面。
第二隔离层104的一部分将作为牺牲层，用于形成膜片103上方的空腔，并且还利用第二隔离层104的厚度限定膜片与背极板电极之间的间距。根据MEMS麦克风的电学和声学性能选择第二隔离层104的厚度，例如是2微米至4微米。
接着，在第二隔离层104的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第二隔离层104的暴露部分，从而形成多个开孔132。通过控制蚀刻时间，该蚀刻可以在到达第二隔离层104的预定深度停止。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
开孔132在第二隔离层104的表面开口，并且向下延伸。从第二隔离层104的表面观察，开孔132的形状为圆形孔、方形孔或三角形孔。从第二隔离层104的截面观察，开孔132的形状为底面尺寸小于开口面尺寸的大致梯形或V字形，用于限定后续步骤将形成用于防止背极板电极粘附的突起物。
在步骤S05中，在第二隔离层104上形成第一保护层105，如图6所示。
第一保护层105例如由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。在该实施例中，第一保护层105例如是氮化硼层。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在第二隔离层104上形成氮化硼层，其中，以N2、H2、以及由H2稀释的B2H6作为反应气体，基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100Pa。第一保护层105的厚度例如为800埃～1500埃。
第一保护层105填充第二隔离层104表面上的开孔132，从而形成突起物105a。突起物105a的形状与开孔132的形状相一致，例如以下任意一种：多棱锥、多棱柱、圆柱。突起物105a的直径例如是0.5微米至1.5微米，深度例如是0.5微米至1.5微米。
在步骤S06中，在第一保护层105上形成背极板电极106以及形成与背极板电极106相连接的接触122，如图7所示。
背极板电极106、接触122是导电层，例如由选自Al、Cu、Au、Ti、Ni、Wu以及其合金掺杂的多晶硅中的任一种组成。例如，采用低压化学气相沉积(LPCVD)在第一保护层105的部分表面上形成掺杂的多晶硅层。然后，采用光刻和蚀刻步骤对多晶硅层进行图案化，以形成背极板电极106的图案以及连接背极板电极106的接触122。背极板电极106的厚度例如为0.3微米至1微米。
在该实施例中，背极板电极106与膜片103构成电容的两个极板。在优选的实施例中，背极板电极106的面积小于等于膜片103的可动区域的面积。更优选地，背极板电极106的面积为膜片103的可动区域的70％～100％。通过采用背极板电极106的面积小于等于膜片103可动区域的面积，因此从检测信号中去除了无效电容分量，使得检测信号的灵敏度仅与有效电容分量相关，从而提高了MEMS麦克风的灵敏度。膜片的可动区域包括中间部分和连接部分。其中，当膜片103中有弹簧结构时，弹簧结构和中间部分构成膜片103的可动区域。
在一些优选的实施例中，在该步骤之后采用通过常规半导体工艺刻蚀方法贯穿第一保护层105以及第二隔离层102刻蚀凹槽133以到达接触122表面。
在步骤S07中，在背极板电极106上形成第二保护层107，如图8所示。
第二保护层107例如由选自氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。在该实施例中，第二保护层107例如是氮化硼层。例如，通过热丝辅助的等离子体增强化学气相沉积(PECVD)的方法在背极板电极106上形成共形的氮化硼层，其中，以N2、H2、以及由H2稀释的B2H6作为反应气体，基板温度为400摄氏度至500摄氏度，反应压强约为100Pa。第二保护层108的厚度例如为0.1微米至1.5微米。其中，第一保护层105、背极板电极106、第二保护层107构成背极板结构。
由于背极板电极106经过图案化，第二保护层107的第一部分形成在背极板电极106和接触122的表面上，第二部分形成在第一保护层105的表面上。
需要说明的是，若在形成第二保护层107之前贯穿第一保护层105以及第二隔离层102刻蚀凹槽133以到达接触122表面时，在该步骤中还包括将第二保护层107的第三部分填充在凹槽133中。
在步骤S08中，形成分别到达膜片103的接触121的通道孔111和到达背极板电极106的接触122的通道孔112，如图9所示。
在该实施例中，在第二保护层107的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂，形成通道孔111和112。在第二保护层107第三部分的部分区域，蚀刻去除第二保护层107经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达膜片103的接触121的通道孔111。在第二保护层107的第一部分区域，该蚀刻去除位于接触122上方的部分第二保护层107经由掩膜开口暴露的部分，以形成到达膜片背极板电极106的接触122的通道孔112。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
由于上述背极板电极106的图案化步骤，第二保护层107的第二部分与第一保护层105的相应部分直接接触。至少一个通道孔111从第二保护层107的第二部分表面开始，经由第二保护层107、第一保护层105、第二隔离层104延伸至膜片103的接触121。至少一个通道孔112从第二保护层107的第一部分表面开始，经由第二保护层107、延伸至背极板电极106的接触122。
在步骤S09中，形成分别到达膜片103的接触121的第一引线123以作为导电通道以及到达背极板电极106的接触122的第二引线124以作为导电通道，如图10所示。
在该实施例中，第二引线124和第一引线123由导电材料组成，例如选自铝、金、银、铜、镍、钛、铬或其合金中的任一种。用于引线的铝合金例如包括铝硅合金(硅的重量百分比1％)，钛合金包括氮化钛。例如，通过溅射或蒸发的方法，在第二保护层107的表面形成金属层。该金属层的厚度例如是1微米至2微米，并且填充通道孔111和112。第一引线123和第二引线124作为电容式微硅麦克风的两个电极的引线层。
在金属层的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除金属层的暴露部分。由于蚀刻剂的选择性，该蚀刻以第二保护层107作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
在第二保护层107的第一部分区域，至少一个第二引线124穿过第二保护层107到达背极板电极106。在第二保护层107的第二部分区域，至少一个第一引线123依次穿过第二保护层107、第一保护层105、第二隔离层104到达膜片103。
在步骤S10中，形成贯穿第二保护层107、背极板电极106和第一保护层105的释放孔151，如图11所示。
在该实施例中，在第二保护层107的表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除第二保护层107、背极板电极106和第一保护层105各自的暴露部分，从而形成释放孔151。由于蚀刻剂的选择性，第二隔离层104作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。
该步骤例如采用专门的深槽刻蚀机形成释放孔151。释放孔151不仅在制造工艺中作为蚀刻剂的供给通道，而且在最终形成的MEMS麦克风中作为声孔以降低声阻。从第二保护层107的表面观察，释放孔151的形状例如为圆形、十字花孔和多边形中的任意一种。释放孔151的形状为圆形时释放孔151的直径为1微米至15微米。释放孔151的形状为多边形或者十字花孔中的任意一种时，释放孔151的两个顶点距离的最大值为1微米至15微米。在该实施例中，释放孔151的形状为六边形，多个释放孔151排列成蜂巢结构阵列(错开的矩形阵列)。在替代的实施例中，多个释放孔151可以排列成矩形阵列、圆形阵列等等。
在步骤S11中，在膜片103的下方形成贯穿衬底101的声腔161，如图12所示。
在该实施例中，通过化学机械平面化或减薄工艺，将衬底101的厚度减小至设计值，例如350微米至450微米，优选为400微米。例如，衬底101的彼此相对的第一表面和第二表面，衬底101的第一表面上形成上述第一隔离层102，衬底101的第二表面作为自由表面，对第二表面进行研磨以减小衬底101的厚度。然后，在衬底101的第二表面形成抗蚀剂层，采用光刻工艺在抗蚀剂层中形成包含开口的图案。以抗蚀剂层作为掩膜，采用选择性的蚀刻剂去除衬底101的暴露部分，从而形成声腔161。在该实施例中，所述声腔是方形开口，替代地，还可以是倒梯形开口。由于蚀刻剂的选择性，第一隔离层102作为停止层。在蚀刻之后，可以通过灰化或溶剂中溶解来去除抗蚀剂层。其中，优选地，背极板电极106的面积小于等于声腔161的最小横截面积。需要说明的是，当声腔161的开口为方形时，声腔161在不同水平面得到的横截面积皆相同，该唯一的横截面积为声腔161的最小横截面积。当声腔161的开口为倒梯形或者梯形时，声腔161位于衬底101第一表面或者第二表面处的横截面的面积最小。在一些实施例中，其最小横截面的半径为385微米至415微米。
该步骤例如采用MEMS技术中的常规Bosch工艺以及专门的深槽刻蚀机，形成声腔161。
在步骤S12中，经由声腔161去除第一隔离层102的一部分，以及经由释放孔151去除第二隔离层104的一部分，以释放膜片103，如图13所示。
在该实施例中，例如，采用HF酸作为蚀刻剂，采用上述步骤中形成声腔161和释放孔151作为蚀刻剂的进入通道。第一保护层105和第二保护层107分别作为背极板电极106的保护膜，使得在该蚀刻步骤中背极板电极106未受到蚀刻。
通过HF酸气相熏蒸的方式或HF酸湿法腐蚀的方法，分别去除第一隔离层102和第二隔离层104各自的一部分，使得膜片103彼此相对的第一表面和第二表面各自的一部分重新暴露，因而释放膜片103。在去除第一隔离层102的一部分之后，声腔161从衬底101的第二表面延伸至膜片103的第二表面。在去除第二隔离层104的一部分之后，在第一保护层105和膜片103的第一表面以及用于连接膜片103第一表面和第二表面的膜片的侧面之间形成空腔162。空腔162包括所述第二隔离层104与所述膜片103的侧面之间的间隔，释放孔151与空腔162以及声腔161彼此连通，在膜片103的振动期间提供气流通道。并且膜片103上的通孔1031直接将空腔162和声腔161连通。
需要说明的是，在膜片103上设置不连续区域时，不连续区域中的通孔或者开口和空腔162连通，进而与释放孔152和声腔161连通。
释放膜片103后，衬底101和膜片103之间具有间隔h，其膜片103超出声腔161最大开口尺寸的单侧的最大宽度为d。其中，宽度d与间隔h的比例为30:1～200:1。更进一步地，膜片103超出声腔161最大开口的部分在本实施例中为一环形时，该环形的最大宽度为d。需要说明的是膜片103超出声腔161最大开口的部分的形状和膜片103以及声腔最大开口处的形状相关。
在该步骤中，膜片103的连接部分的弹簧结构也暴露于声腔161和空腔162中。
采用上述方法制造的MEMS麦克风的结构如图13所示。
该MEMS麦克风100包括：在衬底101上依次形成的第一隔离层102、膜片103和第二隔离层104；在第二隔离层104上依次形成的第一保护层105、背极板电极106和第二保护层107；贯穿第一保护层105、背极板电极106和第二保护层107的释放孔151；贯穿第二隔离层104的空腔162，空腔162与释放孔151连通；贯穿衬底101和第一隔离层102的声腔161；膜片103彼此相对的第一表面和第二表面以及连接第一表面和第二表面的侧面通过空腔162和声腔161暴露。膜片103的第二表面与衬底101的第一表面通过连接部点接触。连接部离散分布，进一步地，例如至少包括两个彼此相对的连接部，或者包括多个呈圆周均匀分布的连接部。
膜片103和背极板电极106分别由掺杂的多晶硅组成。第一保护层105和第二保护层107中的每一个由氮化硅层、氮化硼层、碳化硅层中的任一种组成。其中，第一保护层105、背极板电极106、第二保护层107构成背极板结构。背极板电极106与膜片103之间的间距为1微米至3微米。
膜片103包括中间部分和围绕中间部分的周边部分。
在优选的实施例中，中间部分包括至少一个用于释放应力和调节麦克风频率响应曲线的通孔1031。
该MEMS麦克风100还包括多个导电通道。至少一个第二引线124穿过第二保护层107到达背极板电极106的接触122。至少一个第一引线123依次穿过第二保护层107、第一保护层105、第二隔离层104到达膜片103的接触121。
进一步地，在衬底101的第一表面上设置多个第一连接部171(如图16a所示的图13中C处的放大图)，进而与膜片103的第二表面的周边部分的部分区域点接触。作为可替代的实施例，在衬底101的第一表面上形成多个与衬底101第一表面点接触的第二连接部172(如图16b所示的图13中C处的放大图)，第二连接部172与后续形成的膜片103之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片103的第一表面。作为可替代的实施例，膜片103第二表面的周边部分的部分区域具有向所述衬底101第一表面延伸的第三连接部173(如图16c所示的图13中C处的放大图)，以与衬底101的第一表面点接触。
作为优选的实施例，膜片103还包括用于连接中间部分和周边部分的弹簧结构，弹簧结构为同心环形的褶皱部分。可替代地，弹簧结构可以为螺旋状的褶皱部分。
作为优选的实施例，膜片103的周边部分的部分区域为不连续区域(如图15a、15b所示)。如图15a所示，膜片103的周边部分的边缘不连续。具体地，周边部分的边缘为锯齿状，该锯齿状的多个缺口1043形成不连续区域。在替代的实施例中，如图15b所示，膜片103的周边部分的不连续区域包括镂空结构。具体地，镂空结构包括多个通孔1044，该通孔1044为圆形、梯形或者多边形，其中，该实施例中，通孔1044为类似扇形的形状，多个通孔1044交叉排列地形成在膜片103的周边部分区域，进一步地，膜片103的形状为太阳花形状，更具体地，膜片103的边缘由多个圆弧边连接。
在优选的实施例中，背极板电极106的面积小于等于声腔161的最小横截面积，更优选地，背极板电极的面积小于所述声腔161的最小横截面积，避免因批量生产中的工艺波动造成的MEMS麦克风可靠性下降的问题，提高产品的整体性能。需要说明的是，当声腔161的开口为方形时，声腔161在不同水平面得到的横截面积皆相同，该唯一的横截面积为声腔161的最小横截面积。当声腔161的开口为倒梯形或者梯形时，声腔161位于衬底101第一表面或者第二表面处的横截面的面积最小。在一些实施例中，其最小横截面的半径为385微米～415微米。
在优选的实施例中，第一保护层105在面对膜片103的第一表面的表面上形成多个突起物105a，以防止背极板电极106与膜片103之间的粘连。第二保护层107作为背极板电极106的机械支撑层以提供刚度，使得背极板电极106在工作状态下维持为无形变状态。
在优选的实施例中，背极板电极106形成在膜片103的可动区域上方，并且背极板电极106的面积小于等于膜片103的可动区域的面积。在优选地的实施例中，背极板电极106的面积小于膜片103的可动区域的面积，更优选地，背极板电极106的面积为膜片103的可动区域的70％～100％。通过采用背极板电极106的面积小于等于膜片103可动区域的面积，因此从检测信号中去除了无效电容分量，使得检测信号的灵敏度仅与有效电容分量相关，从而提高了MEMS麦克风的灵敏度。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (43)
1.一种MEMS麦克风，包括：
衬底；
位于所述衬底第一表面上的膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及
贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，
其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触。
2.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片包括：
中间部分；以及
围绕所述中间部分的周边部分。
3.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
位于所述衬底的第一表面上的第一连接部，与所述膜片的周边部分点接触。
4.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
位于所述衬底的第一表面上的第二连接部，与所述膜片之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片的第一表面。
5.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
位于所述膜片的周边部分并向所述衬底第一表面延伸的第三连接部，与衬底之间还包括介质层。
6.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片还包括：
弹簧结构，用于连接所述中间部分和周边部分，所述弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。
7.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片的周边部分包括不连续区域。
8.根据权利要求2所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片的中间部分包括至少一个通孔。
9.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述背极板电极位于所述膜片的可动区域上方，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。
10.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。
11.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至3微米。
12.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
位于所述衬底第一表面上的第一隔离层；以及
位于所述第一隔离层远离所述衬底的表面上的第二隔离层，
其中，所述声腔贯穿所述第一隔离层。
13.根据权利要求12所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
第一保护层和第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间，所述第一保护层位于所述第二隔离层与所述背极板电极之间。
14.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，所述第一保护层在面对所述膜片的第一表面的表面上形成多个突起物，以防止所述背极板电极与所述膜片之间的粘连。
15.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，所述第二保护层作为所述背极板电极的机械支撑层以提供刚度，使得所述背极板电极在工作状态下维持为无形变状态。
16.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层；以及
空腔，位于所述第二隔离层中，所述空腔暴露所述膜片的第一表面以及用于连接膜片第一表面和第二表面的侧面，所述空腔还包括所述第二隔离层与所述膜片侧面之间的间隔。
17.根据权利要求16所述的MEMS麦克风，其中，所述释放孔和所述声腔经由所述空腔连通。
18.根据权利要求16所述的MEMS麦克风，其中，所述多个释放孔的形状为圆形、多边形、十字花孔中的任意一种。
19.根据权利要求16所述的MEMS麦克风，其中，所述多个释放孔排列成矩形阵列或者错开的矩形阵列或者圆形阵列。
20.根据权利要求13所述的MEMS麦克风，其中，还包括：
第一引线，穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层到达所述膜片的第一表面；以及
第二引线，穿过所述第二保护层到达所述背极板电极的第二表面。
21.根据权利要求3所述的MEMS麦克风，其中，所述第一连接部为SiO2层或者SiBN层。
22.根据权利要求4所述的MEMS麦克风，其中，所述第二连接部为SiO2层或者SiBN层。
23.根据权利要求5所述的MEMS麦克风，其中，所述介质层为SiO2层或者SiBN层。
24.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述膜片超出所述声腔最大开口的部分的单侧最大宽度与所述衬底和所述膜片之间的间隔的比例为30:1～200:1。
25.根据权利要求1所述的MEMS麦克风，其中，所述连接部离散且均匀分布。
26.一种制造MEMS麦克风的方法，其中，包括：
在衬底上依次形成膜片和背极板电极，所述膜片与所述背极板电极彼此隔开，所述膜片的第一表面与所述背极板电极的第一表面彼此相对；以及
形成贯穿所述衬底到达所述膜片的第二表面的声腔，
其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触。
27.根据权利要求26所述的方法，其中，所述膜片包括中间部分和围绕所述中间部分的周边部分。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：
在所述衬底的第一表面上形成第二连接部，与所述膜片之间嵌套连接并向上延伸至所述膜片的第一表面。
29.根据权利要求27所述的方法，其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：
在所述衬底的第一表面上形成第一连接部，与所述膜片的周边部分点接触。
30.根据权利要求27所述的方法，其中，所述膜片的第二表面与所述衬底的第一表面通过连接部点接触的步骤包括：
在所述膜片的周边部分具有向所述衬底第一表面延伸的第三连接部，与衬底之间还包括介质层。
31.根据权利要求27所述的方法，其中，还包括：
在所述膜片上形成连接所述中间部分和周边部分的弹簧结构，所述弹簧结构为同心环形的褶皱部分或者螺旋状的褶皱部分。
32.根据权利要求27所述的方法，其中，还包括：
在所述膜片的周边部分形成不连续区域。
33.根据权利要求27所述的方法，其中，还包括：
在所述膜片的中间部分形成至少一个通孔。
34.根据权利要求26所述的方法，其中，所述背极板电极在所述膜片的可动区域上方形成，并且所述背极板电极的面积小于等于所述膜片的可动区域的面积。
35.根据权利要求26所述的方法，其中，所述背极板电极的面积小于等于所述声腔的最小横截面积。
36.根据权利要求26所述的方法，其中，所述背极板电极与所述膜片之间的间距为1微米至3微米。
37.根据权利要求26所述的方法，其中，还包括：
在所述衬底第一表面上形成第一隔离层；
在所述背极板电极和所述膜片之间形成第二隔离层，
其中，所述声腔贯穿所述第一隔离层。
38.根据权利要求27所述的方法，其中，还包括：
在所述第二隔离层上形成第一保护层；以及
在所述背极板电极上形成第二保护层，所述背极板电极位于所述第一保护层和所述第二保护层之间。
39.根据权利要求38所述的方法，其中，还包括：
贯穿所述第一保护层、所述背极板电极和所述第二保护层形成多个释放孔；以及
在所述第二隔离层中形成空腔，所述空腔暴露所述膜片的第一表面以及用于连接膜片第一表面和第二表面的侧面，所述空腔还包括所述第二隔离层与所述膜片侧面之间的间隔。
40.根据权利要求39所述的方法，其中，所述释放孔和所述声腔经由所述空腔连通。
41.根据权利要求38所述的方法，其中，还包括：
穿过所述第二保护层、所述第一保护层、以及所述第二隔离层形成到达所述膜片的第一表面的第一引线；以及
穿过所述第二保护层形成到达所述背极板电极的第二表面的第二引线。
42.根据权利要求26所述的方法，其中，所述膜片超出所述声腔最大开口的部分的单侧最大宽度与所述衬底和所述膜片之间的间隔的比例为30:1～200:1。
43.根据权利要求26所述的方法，其中，所述连接部离散且均匀分布。
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- 2019-12-31 CN CN201911426164.XA patent/CN111212369A/zh active Pending
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