CN112511961A - Mems麦克风、微机电结构 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种MEMS麦克风、微机电结构。该微机电结构应用于前进音MEMS麦克风，包括：衬底，具有相对的顶表面和底表面以及穿过顶表面和底表面的背腔；背极板，位于衬底的顶表面上，具有至少一个通孔；振动膜，与背极板构成可变电容；防护层，位于衬底的底表面上，其中，防护层用于阻挡异物经背腔与通孔进入背极板与振动膜之间的间隙，振动膜覆盖背极板以阻挡异物从振动膜远离背极板的表面进入间隙。

Description

MEMS麦克风、微机电结构

技术领域

本申请涉及半导体器件制造领域，更具体地，涉及MEMS麦克风、微机电结构。

背景技术

基于微机电系统(Micro Electro Mechanical Systems,MEMS)制造的器件被称为MEMS器件，MEMS器件主要包括振动膜与背极板，并且振动膜与背极板之间具有间隙。气压的改变会导致振动膜变形，振动膜与电极板之间的电容值发生改变，从而转换为电信号输出。

在传统的MEMS麦克风结构中，主要由背极板和振动膜两个平行板电容结构组成，其中，背极板在上，振动膜在下，封装后的构后进音封装形式的MEMS麦克风，其进音孔位于封装结构的基板上。虽然这样能一定程度上避免异物在使用过程中从基板上的进音孔引入背极板与振动膜之间的间隙，进而导致的短路失效的问题，但还是会在晶圆、裸片或者MEMS麦克风的封装等过程中引入异物，例如灰尘颗粒、水、油污等等，如果这些异物进入了振动膜与背极板之间的间隙中，这些异物极易导致振动膜与电极板之间出现短路的问题，进而使得MEMS器件失效。

因此，希望提供一种改进的微机电结构，以提高产品的性能。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种改进的MEMS麦克风、微机电结构，通过在微机电结构中设置防护层，从而阻挡了异物经过背极板的通孔进入背极板与振动膜的间隙中，从而改善了异物导致微机电结构中背极板与振动膜短路的问题。

根据本发明实施例的方面，提供了一种微机电结构，应用于前进音MEMS麦克风，包括：衬底，具有相对的顶表面和底表面以及穿过所述顶表面和所述底表面的背腔；背极板，位于所述衬底的顶表面上，具有至少一个通孔；振动膜，与所述背极板构成可变电容；防护层，位于所述衬底的底表面上，其中，所述防护层用于阻挡异物经所述背腔与所述通孔进入所述背极板与所述振动膜之间的间隙，所述振动膜覆盖所述背极板以阻挡异物从所述振动膜远离所述背极板的表面进入所述间隙。

可选地，所述防护层包括光刻胶膜或聚四氟乙烯膜。

可选地，所述防护层为无孔结构或有孔结构。

可选地，在所述防护层为有孔结构的情况下，所述防护层具有多个微孔，所述多个微孔在所述防护层中呈不均匀分布或均匀分布。

可选地，至少一个所述微孔为不规则形状孔。

可选地，所述振动膜包括至少一个气孔。

可选地，还包括多个焊盘，位于所述振动膜的表面，所述背极板与所述振动膜分别与对应的所述焊盘电连接。

可选地，在所述防护层为聚四氟乙烯膜的情况下，所述微机电结构还包括连接部，固定在所述衬底的底表面上，并与所述防护层固定连接。

可选地，所述连接部的材料包括光刻胶。

可选地，所述连接部全覆盖所述衬底的底表面。

可选地，在所述防护层为光刻胶膜的情况下，所述防护层与所述衬底的底表面固定连接。

可选地，还包括：第一支撑部，固定在所述衬底的顶表面上，所述背极板固定在所述第一支撑部上，所述第一支撑部用于限定所述背极板与所述衬底之间的距离；以及第二支撑部，位于所述第一支撑部上，并固定在所述振动膜与所述背极板之间，所述第二支撑部用于限定所述背极板与所述振动膜之间的距离。

可选地，所述第一支撑部和/或所述第二支撑部在所述衬底的上表面的投影面积不大于所述衬底的上表面的面积。

可选地，所述背极板包括相连的绝缘层与导电层，所述导电层相对于所述绝缘层靠近所述振动膜，所述至少一个通孔穿过所述绝缘层与所述导电层，所述微机电结构还包括多个间隔部，位于所述振动膜靠近所述背极板的表面，以防止所述振动膜与所述导电层粘连。

可选地，所述导电层的面积小于所述绝缘层，其位置与所述振动膜的可动部分对应，所述第二支撑部围绕所述导电层并与所述绝缘层固定连接。

根据本发明实施例的第二方面，提供了一种MEMS麦克风，包括如上所述的微机电结构。

可选地，还包括：外壳；基板，与所述外壳构成容置腔；以及芯片结构，与所述微机电结构电连接，并与所述微机电结构共同置于所述容置腔内，其中，所述外壳和/或所述基板具有进音孔。

本发明实施例提供的微机电结构包括用于构成可动电容的背极板与振动膜，其中，振动膜覆盖具有通孔的背极板，从而阻挡异物从振动膜远离背极板的表面进入二者之间的间隙，并且通过设置覆盖背极板的防护层，阻挡了异物经过背极板的通孔进入背极板与振动膜的间隙中，进而改善了在封装与使用过程中，由于异物导致微机电结构中背极板与振动膜之间的短路问题。

进一步的，由于异物通往背极板与振动膜之间的间隙的路径已经被振动膜和防护层阻挡，因此在MEMS麦克风中，进音孔可以灵活的设置在基板和/或外壳，从而改善了MEMS麦克风在应用时的局限性。

通过将防护层设置为光刻胶膜或聚四氟乙烯膜，由于聚四氟乙烯和光刻胶的材料成本较低且易得，有利于在设置防护层的前提下，降低微机电结构的整体制造复杂度与成本。

通过采用光刻胶形成连接部，由于光刻胶的材料成本较低且易得，有利于在设置连接部的前提下，降低微机电结构的整体制造复杂度与成本，例如相比于将连接部的材料设置为氧化硅、氮化硅、多晶硅等，采用光刻胶形成连接部仅需要涂布和光刻步骤就可形成，不需要再进行刻蚀步骤。

通过设置连接部，并使得连接部全覆盖衬底底表面，增加了连接部与防护层的接触面积，进而增加了二者之间的稳固性。

在防护层为聚四氟乙烯膜的情况下，将聚四氟乙烯膜与连接部键合连接，相比于直接将防护层与衬底键合，键合连接部与防护层的难度显著降低，且键合后的稳固性能得到提升。

通过将防护层的材料设置为光刻胶，仅需要采用光刻的方式就可以直接在衬底上形成防护层，从而省去了形成连接部的过程。

通过将防护层设置为无孔结构，从而可以全面阻挡异物经通孔进入背极板与振动膜之间的间隙。

通过将防护层设置为有具有多个微孔的结构，使得声压可以通过微孔更好的到达振动膜。

通过将防护层的多个微孔设置为不均匀的分布的情况，在利于声压通过微孔到达振动膜的前提下，提高了阻挡异物的成功率。

通过将防护层的多个微孔设置为不规则形状的孔，进一步提高了阻挡异物的成功率。

通过将背极板设置为绝缘层加导电层的双层结构，并使得导电层的位置与振动膜的可动部分对应，从而减少寄生电容。

通过将绝缘层作为支撑层，将导电层设置在绝缘层的上方，在背极板中，导电层更靠近振动膜，通过在振动膜的靠近导电层的表面设置隔离部，减少了背极板的导电层与振动膜粘接从而导致短路等问题。

通过第一支撑部、第二支撑部固定了背极板与振动膜，同时还限制了背极板与振动膜的位置。

第一支撑部和第二支撑部的至少一个的尺寸小于衬底的尺寸，进一步增加了第一支撑部与第二支撑部在衬底上方的稳固性。

此外，与在MEMS麦克风的封装级设置防护层这一方案相比，本发明实施例提供的微机电结构由于防护层可以通过晶圆级的加工直接一次键合到微机电结构上，从而降节省了工艺时间、降低了成本。

因此，本发明提供的MEMS麦克风、微机电结构可以大大提高产品的性能、降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单介绍，显而易见地，下面的描述中的附图仅涉及本申请的一些实施例，而非对本申请的限制。

图1示出了本发明实施例的微机电结构的立体结构示意图。

图2示出了本发明实施例的微机电结构的截面图。

图3a至图3d示出了本发明实施例的微机电结构在制造工艺中的部分中间结构示意图。

图4示出了本发明实施例的MEMS麦克风的结构示意图。

具体实施方式

以下将参照附图更详细地描述本发明。在各个附图中，相同的元件采用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。此外，可能未示出某些公知的部分。为了简明起见，可以在一幅图中描述经过数个步骤后获得的半导体结构。

应当理解，在描述器件的结构时，当将一层、一个区域称为位于另一层、另一个区域“上面”或“上方”时，可以指直接位于另一层、另一个区域上面，或者在其与另一层、另一个区域之间还包含其它的层或区域。并且，如果将器件翻转，该一层、一个区域将位于另一层、另一个区域“下面”或“下方”。

如果为了描述直接位于另一层、另一个区域上面的情形，本文将采用“直接在……上面”或“在……上面并与之邻接”等表述方式。

在下文中描述了本发明的许多特定的细节，例如器件的结构、材料、尺寸、处理工艺和技术，以便更清楚地理解本发明。但正如本领域的技术人员能够理解的那样，可以不按照这些特定的细节来实现本发明。

本发明可以各种形式呈现，以下将描述其中一些示例。

图1示出了本发明实施例的微机电结构的立体结构示意图，图2示出了本发明实施例的微机电结构的截面图。

如图1与图2所示，本发明的微机电结构100包括：衬底101、背极板110、振动膜130以及防护层140。衬底101包括但不限于硅衬底，具有相对的顶表面和底表面以及穿过顶表面和底表面的背腔101a。背极板110位于衬底101的顶表面上，并且具有至少一个通孔110a。振动膜130位于背极板110上，其中，振动膜130与背极板110构成可变电容。

防护层140位于衬底101的底表面上，用于阻挡异物经通孔110a进入背极板110与振动膜130之间的间隙。在本实施例中，防护层140为有孔结构，具有多个微孔140a。防护层140包括光刻胶膜或聚四氟乙烯膜，其中，光刻胶包括但不限于SU-8光刻胶。

然而，本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对防护层140与的材料进行其他设置，本领域技术人员还可以根据需要将防护层140设置为无孔结构。

在一些具体的实施例中，在防护层140为有孔结构的情况下，多个微孔140a在防护层140中呈不均匀分布或均匀分布。在微孔140a为规则孔的情况下，微孔140a的孔径范围包括0至10μm，微孔140a的个数范围均包括1至10000个。防护层140的厚度范围包括0至50μm。

在一些优选的实施例中，防护层140的至少一个微孔140a为不规则形状孔，微孔140a的长度范围包括0至10μm。

进一步的，背极板110包括相连的绝缘层111与导电层112，导电层112相对于绝缘层111更靠近振动膜130，每个通孔110a穿过绝缘层111与导电层112。导电层112的面积小于绝缘层111，其位置与振动膜130的可动部分对应。振动膜130包括至少一个气孔130a，与振动膜130和背极板110之间的间隙连通。在本实施例中，气孔130a的数量为一个，位于振动膜130的中心。其中，绝缘层111的材料包括氮化硅，导电层112的材料包括多晶硅。振动膜130的材料包括多晶硅。然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对气孔130a的数量、位置进行其他设置，也可以对背极板110与振动膜130的材料进行其他设置。

进一步参考图1与图2，本发明实施例的微机电结构100还包括：多个间隔部150、多个焊盘160、连接部102、第一支撑部103以及第二支撑部104。

多个间隔部150位于振动膜130靠近背极板110的表面，以防止振动膜130与导电层112粘连。多个焊盘160位于的表面，背极板110与振动膜130分别与对应的焊盘160电连接。

连接部102固定在衬底101的底表面上，并与聚四氟乙烯膜制成的防护层140通过键合的方式固定连接。在本实施例中，连接部102的材料包括光刻胶，其中，光刻胶包括但不限于SU-8光刻胶。连接部102的厚度范围包括0至50微米。在一些优选的实施例中，连接部102全覆盖衬底101的底表面。

在防护层140为光刻胶膜的情况下，防护层140可以直接通过涂布、光刻形成在衬底101的底表面上，从而省去连接部102这一结构。

第一支撑部103固定在衬底101的顶表面上，背极板110固定在第一支撑部103上，第一支撑部103用于限定背极板110与衬底101之间的距离。第二支撑部104位于第一支撑部103上，并固定在振动膜130与背极板110之间，第二支撑部104用于限定背极板110与振动膜130之间的距离。其中，第一支撑部103和第二支撑部104均与背极板的绝缘层111固定连接。第二支撑部104围绕导电层112。第一支撑部103和/或第二支撑部104在衬底101的上表面的投影面积不大于衬底101的上表面的面积。

在本实施例中，第一支撑部103为该层牺牲层释放之后在衬底101上留下来的部分，第一支撑部103位于衬底101的周边缘上，采用周边缘全固支的方式将位于第一支撑部103上方的背极板110支撑在衬底101上。第二支撑部104形成方式与结构与第一支撑部103类似，不赘述。其中，第一支撑部103与第二支撑部104的材料包括氧化硅，然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对第一支撑部103与第二支撑部104的材料以及衬底101、背极板110以及振动膜130以的支撑固定方式进行其他设置。

图3a至图3d示出了本发明实施例的微机电结构在制造工艺中的部分中间结构示意图，其中，仅示出了在衬底上形成第一防护层的相关结构。

本发明实施例的微机电结构制造工艺开始于未形成背腔的衬底101，在衬底101上形成的顶表面上形成背极板110，在背极板110上形成振动膜130，在振动膜130上形成焊盘160，其中，背极板110、振动膜130以及焊盘160的结构可参照图1与图2的描述，此处不再赘述。在衬底101、背极板110以及振动膜130之间还形成有牺牲层，用于在后续步骤中形成第一支撑层、第二支撑层。

进一步的，形成覆盖背极板110的底表面的光刻层140，如图3a所示。其中，可以采用SU-8光刻胶涂布在背极板110的底表面上。

进一步的，掩膜版10照射光刻层以固化部分光刻层140，如图3b所示。

进一步的，去除光刻层140未被固化的部分，形成通孔140a，在衬底101的底表面保留的光刻层作为防护层140，如图3c所示。

进一步的，在衬底101中形成背腔101a，如图3d所示，并释放牺牲层形成第一支撑层103、第二支撑层104，形成如图2所示的微机电结构。

然而本发明实施例并不限于此，本领域技术人员可以根据需要对第防护层形成方式进行其他设置，在微机电结构100的制造过程中，先在形成有背腔的衬底101的底表面全覆盖地涂覆防护层140，然而再将防护层140与连接部102通过键合固定连接。防护层140与连接部102的键合步骤是在晶圆上完成的，之后通过切割分离后，每个单体微机电结构100的背腔101a上都覆盖有一个防护层140以达到防尘防水的效果。

图4示出了本发明实施例的MEMS麦克风的结构示意图。

如图4所示，该MEMS麦克风包括：微机电结构100、芯片结构200、基板300、外壳400。本发明施例的微机电结构100可以参照图1至图2的描述，此处不再赘述，芯片结构200例如为ASIC芯片，基板300例如为引线框架或PCB电路板。在本实施例中，微机电结构100与芯片结构200通过焊盘160电连接，基板300与外壳400用于形成容置腔，微机电结构100与芯片结构200位于容置腔内。由于异物通往背极板110与振动膜130之间的间隙的路径已经被振动膜130和防护层140阻挡，因此在MEMS麦克风中，进音孔可以灵活的设置在基板和/或外壳，从而改善了MEMS麦克风在应用时的局限性。

本发明实施例提供的微机电结构包括了用于构成可动电容的背极板与振动膜，其中，振动膜覆盖具有通孔的背极板，从而阻挡异物从振动膜远离背极板的表面进入二者之间的间隙，并且通过设置覆盖背极板的防护层，阻挡了异物经过背极板的通孔进入背极板与振动膜的间隙中，进而改善了在封装与使用过程中，由于异物导致微机电结构中背极板与振动膜之间的短路问题。

进一步的，由于异物通往背极板与振动膜之间的间隙的路径已经被振动膜和防护层阻挡，因此在MEMS麦克风中，进音孔可以灵活的设置在基板和/或外壳，从而改善了MEMS麦克风在应用时的局限性。

通过将防护层设置为光刻胶膜或聚四氟乙烯膜，由于聚四氟乙烯和光刻胶的材料成本较低且易得，有利于在设置防护层的前提下，降低微机电结构的整体制造复杂度与成本。

通过采用光刻胶形成连接部，由于光刻胶的材料成本较低且易得，有利于在设置连接部的前提下，降低微机电结构的整体制造复杂度与成本，例如相比于将连接部的材料设置为氧化硅、氮化硅、多晶硅等，采用光刻胶形成连接部仅需要涂布和光刻步骤就可形成，不需要再进行刻蚀步骤。

通过设置连接部，并使得连接部全覆盖衬底底表面，增加了连接部与防护层的接触面积，进而增加了二者之间的稳固性。

在防护层为聚四氟乙烯膜的情况下，将聚四氟乙烯膜与连接部键合连接，相比于直接将防护层与衬底键合，键合连接部与防护层的难度显著降低，且键合后的稳固性能得到提升。

通过将防护层的材料设置为光刻胶，仅需要采用光刻的方式就可以直接在衬底上形成防护层，从而省去了形成连接部的过程。

通过将防护层设置为无孔结构，从而可以全面阻挡异物经通孔进入背极板与振动膜之间的间隙。

通过将防护层设置为有具有多个微孔的结构，使得声压可以通过微孔更好的到达振动膜。

通过将防护层的多个微孔设置为不均匀的分布的情况，在利于声压通过微孔到达振动膜的前提下，提高了阻挡异物的成功率。

通过将防护层的多个微孔设置为不规则形状的孔，进一步提高了阻挡异物的成功率。

通过将背极板设置为绝缘层加导电层的双层结构，并使得导电层的位置与振动膜的可动部分对应，从而减少寄生电容。

通过将绝缘层作为支撑层，将导电层设置在绝缘层的上方，在背极板中，导电层更靠近振动膜，通过在振动膜的靠近导电层的表面设置隔离部，减少了背极板的导电层与振动膜粘接从而导致短路等问题。

通过第一支撑部、第二支撑部固定了背极板与振动膜，同时还限制了背极板与振动膜的位置。

第一支撑部和第二支撑部的至少一个的尺寸小于衬底的尺寸，进一步增加了第一支撑部与第二支撑部在衬底上方的稳固性。

通过在振动膜上设置气孔，有利于防止振动膜形变过大而导致振动膜损坏、失效的问题。

此外，与在MEMS麦克风的封装级设置防护层这一方案相比，本发明实施例提供的微机电结构由于防护层可以通过晶圆级的加工直接一次键合到微机电结构上，从而降节省了工艺时间、降低了成本。

因此，本发明提供的MEMS麦克风、微机电结构及其制造方法可以大大提高产品的性能、降低成本。

在以上的描述中，对于各层的构图、蚀刻等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。

以上对本发明的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本发明的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本发明的范围之内。

Claims (16)

1.一种微机电结构，包括：

衬底，具有相对的顶表面和底表面以及穿过所述顶表面和所述底表面的背腔；

背极板，位于所述衬底的顶表面上，具有至少一个通孔；

振动膜，与所述背极板构成可变电容；

防护层，位于所述衬底的底表面上，

其中，所述防护层用于阻挡异物经所述背腔与所述通孔进入所述背极板与所述振动膜之间的间隙，

所述振动膜覆盖所述背极板以阻挡异物从所述振动膜远离所述背极板的表面进入所述间隙。

2.根据权利要求1所述的微机电结构，其中，所述防护层包括光刻胶膜或聚四氟乙烯膜。

3.根据权利要求1所述的微机电结构，其中，所述防护层为无孔结构或有孔结构。

4.根据权利要求3所述的微机电结构，其中，在所述防护层为有孔结构的情况下，所述防护层具有多个微孔，所述多个微孔在所述防护层中呈不均匀分布或均匀分布。

5.根据权利要求4所述的微机电结构，其中，至少一个所述微孔为不规则形状孔。

6.根据权利要求1至5任一项所述的微机电结构，还包括多个焊盘，位于所述振动膜的表面，所述背极板与所述振动膜分别与对应的所述焊盘电连接。

7.根据权利要求2至5任一项所述的微机电结构，在所述防护层为聚四氟乙烯膜的情况下，所述微机电结构还包括连接部，固定在所述衬底的底表面上，并与所述防护层固定连接。

8.根据权利要求7所述的微机电结构，其中，所述连接部的材料包括光刻胶。

9.根据权利要求7所述的微机电结构，其中，所述连接部全覆盖所述衬底的底表面。

10.根据权利要求2至5任一项所述的微机电结构，在所述防护层为光刻胶膜的情况下，所述防护层与所述衬底的底表面固定连接。

11.根据权利要求6所述的微机电结构，还包括：

第一支撑部，固定在所述衬底的顶表面上，所述背极板固定在所述第一支撑部上，所述第一支撑部用于限定所述背极板与所述衬底之间的距离；以及

第二支撑部，位于所述第一支撑部上，并固定在所述振动膜与所述背极板之间，所述第二支撑部用于限定所述背极板与所述振动膜之间的距离。

12.根据权利要求11所述的微机电结构，其中，所述第一支撑部和/或所述第二支撑部在所述衬底的上表面的投影面积不大于所述衬底的上表面的面积。

13.根据权利要求12所述的微机电结构，其中，所述背极板包括相连的绝缘层与导电层，所述导电层相对于所述绝缘层靠近所述振动膜，所述至少一个通孔穿过所述绝缘层与所述导电层，

所述微机电结构还包括多个间隔部，位于所述振动膜靠近所述背极板的表面，以防止所述振动膜与所述导电层粘连。

14.根据权利要求13所述的微机电结构，其中，所述导电层的面积小于所述绝缘层，其位置与所述振动膜的可动部分对应，所述第二支撑部围绕所述导电层并与所述绝缘层固定连接。

15.一种MEMS麦克风，包括如权利要求1至14任一项所述的微机电结构。

16.根据权利要求15所述的MEMS麦克风，还包括：

外壳；

基板，与所述外壳构成容置腔；以及

芯片结构，与所述微机电结构电连接，并与所述微机电结构共同置于所述容置腔内，

其中，所述外壳和/或所述基板具有进音孔。

Images