CN112788508A - 微机电系统麦克风的结构及其制作方法 - Google Patents

微机电系统麦克风的结构及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种微机电系统麦克风的结构及其制作方法，其中该微机电系统麦克风的结构包括半导体的基板，在基板中具有第一开口。介电层设置在基板上，介电层具有与第一开口对应的第二开口。膜片位于第二开口内，具有由介电层固持的嵌置部及被第二开口暴露出的暴露部。暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区。接合外围区具有弹性结构，弹性结构具有狭缝，缓冲外围区包括多个孔且设置在接合外围区与中心区之间。背板在第二开口上方设置在介电层上，其中背板包括分布在与膜片的中心区对应的区处的排气孔。

Description

微机电系统麦克风的结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及微机电系统(MEMS)麦克风封装技术，且具体来说涉及微机系统电麦克风的结构。
背景技术
为了大大减小大小，已基于半导体制作技术来设计麦克风。微机电系统(MicroElectro Mechanical System，MEMS)麦克风是电子设备中用于感测声音信号(acousticsignal)(例如通信语音)的常用器件。
MEMS麦克风感测声音信号的功能是基于膜片(diaphragm)，膜片受到来自具有一定频率的声音信号的空气压力的影响，从而与声音信号的频率及振幅对应的振动。然后将声音信号转换成电信号，以用于外围电子设备中的后续应用。
膜片的性能是决定MEMS麦克风的性能的重要因素。在制作过程中，应至少避免对电极焊盘或者甚至还对膜片造成损坏。
如何以恰当的制作工艺来设计MEMS结构从而改善MEMS麦克风的性能在本领域中仍处于开发之中。
发明内容
本发明提供一种微机电系统麦克风的结构及制作所述微机电系统麦克风的方法。膜片的截止频率(cut-off frequency)可保持为低的，且还可减少在制作期间在对介电材料进行刻蚀的过程中对MEMS麦克风的电极板造成损坏。
在实施例中，本发明提供一种微机电系统麦克风的结构，所述结构包括半导体的基板，在所述基板中具有第一开口。介电层设置在所述基板上，所述介电层具有与所述第一开口对应的第二开口。膜片位于所述第二开口内，具有由所述介电层固持的嵌置部及被所述第二开口暴露出的暴露部。所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区。所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间。背板在所述第二开口上方设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔。
在实施例中，本发明还提供一种制作微机电系统麦克风的方法。所述方法包括提供初步结构。所述初步结构包括硅基板，在所述硅基板中具有第一开口。介电层设置在所述硅基板上，具有被所述第一开口暴露出的一部分，其中在所述介电层中形成膜片。所述膜片被配置成具有环绕所述第一开口的嵌置部及与所述第一开口对应的位于所述嵌置部内的暴露部。所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区。所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间。背板设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔。执行各向同性刻蚀工艺，以穿过所述硅基板的所述第一开口及所述背板的所述排气孔刻蚀所述介电层，以在所述介电层中形成第二开口，从而暴露出所述膜片的所述暴露部及所述背板。所述膜片的所述孔及所述狭缝允许刻蚀剂流过以对所述介电层的介电材料进行刻蚀。
附图说明
本文包括附图以提供对本发明的进一步理解，且所述附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分。附图例示本发明的实施例，且与说明一起用于阐释本发明的原理。
图1是本发明实施例示意性地示出所探讨的MEMS麦克风的结构的剖视图；
图2是示意性地示出图1中MEMS麦克风的膜片的一部分的平面图；
图3是本发明实施例示意性地示出所探讨的MEMS麦克风中的感测问题的示意图；
图4是本发明实施例示意性地示出所探讨的灵敏度随声频改变的示意图；
图5是本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的膜片的一部分的平面图；
图6是本发明实施例示意性地示出沿图5中的线I-II切割的MEMS麦克风的剖视图；
图7是本发明实施例示意性地示出沿图5中的线II-III切割的MEMS麦克风的剖视图；
图8是本发明实施例示意性地示出具有孔的膜片的一部分的透视及剖视图；
图9是本发明实施例示意性地示出制作工艺流程中的MEMS麦克风的剖视图；
图10是本发明实施例示意性地示出制作工艺流程中的MEMS麦克风的剖视图；
图11是本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图；
图12是本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图；
图13是本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图。
符号的说明
50：嵌置部
52：暴露部
54、200：接合外围区
100：基板
102：介电层
104、250：膜片
106：狭缝
108：保护层
110：电极板
112：排气孔
114、116：开口
122：MEMS麦克风
150：孔
160：弹簧结构
202：缓冲外围区
204：中心区
220：各向同性刻蚀工艺
252：背板
254：区
d：间隙
fo：截止频率
具体实施方式
本发明涉及一种MEMS麦克风的结构及一种制作MEMS麦克风的方法。MEMS麦克风的膜片在位于膜片的接合外围区与中心区之间的缓冲外围区处形成有多个孔。所述孔可进一步减小膜片的灵敏度的低频衰减。另外，所述孔提供在对介电材料进行刻蚀的过程中在缓冲外围区处释放膜片的有效能力。还可减少对背板和/或膜片的损坏。
提供若干实施例来阐述本发明。然而，本发明并不仅限于所提供的实施例。此外，实施例之间也可允许适当地组合。
本发明已对MEMS麦克风的制作进行了探讨且发现了MEMS麦克风中要解决的问题。
图1是根据本发明实施例示意性地示出所探讨的MEMS麦克风的结构的剖视图。参照图1，MEMS麦克风通常包括硅基板100，硅基板100在预定区处具有开口114。在硅基板100上设置有介电层102。介电层102还形成为具有与硅基板100中的开口114对应的开口116。膜片104在嵌置到介电层102中的端部处由介电层102固持。为了至少允许膜片容易地振动而不会断裂，与介电层102之间的接合外围区可形成有弹性结构，例如弹簧结构。由于弹簧结构，在弹簧本体(spring body)之间存在狭缝106。在介电层102上形成有背板。背板在实施例中可由保护层108以及位于保护层108上的电极板110形成。背板具有多个排气孔112，以将声音信号传递到膜片104上。本发明中的背板结构并不仅限于所述实施例。膜片104与电极板110之间的电容可随声音信号的频率及振幅而改变。可检测电容以将电容转换成电信号。
狭缝106存在于膜片104的边缘处且与排气孔112之间具有间隙d，如稍后将探讨的，狭缝106可造成灵敏度的低频衰减。
本发明已对至少造成灵敏度的低频衰减的因素进行了进一步探讨。图2是示意性地示出图1中的MEMS麦克风的膜片的一部分的平面图。参照图2，膜片104通常被配置成嵌置到介电层102中的嵌置部50，因此膜片104可被介电层102的开口116牢固地固持。膜片104的暴露部是被开口116暴露出的部，所述暴露部结合到开口114。狭缝106位于膜片的暴露部52的接合外围区54处。膜片104在暴露部52处对应于如虚线区所示的背板或保护层108中的排气孔112的区。
图3是根据本发明实施例示意性地示出所探讨的MEMS麦克风中的感测问题的示意图。参照图3，对于MEMS麦克风在封装结构中的实际应用，MEMS麦克风122及应用专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)管芯设置在电路板上，所述电路板具有顶盖(cap)以覆盖ASIC管芯及MEMS麦克风122。接合外围区处的结构在较下的附图中展开。
在此结构中，电容Cbv可能存在于顶盖下面。另外，狭缝106将形成各种寄生声阻(parasitic acoustic resistance)Rs，狭缝与排气孔112之间的间隙d将形成寄生声阻Rg，且排气孔112将形成寄生声阻Rv。截止频率fo可由方程式(1)表示：
Figure BDA0002310380020000051
其中声阻Rvent为Rs、Rg及Rv的和，即Rvent＝Rs+Rg+Rv。
图4是根据本发明实施例示意性地示出所探讨的灵敏度随声频改变的示意图。参照图4，截止频率fo取决于声阻Rvent。实线表示在具有小的声阻Rvent值时灵敏度对声频(f)的响应，而虚线是在具有较大的声阻Rvent时灵敏度对声频(f)的响应。
在探讨声阻Rvent时，可在不对制作过程进行有效改变的条件下对Rs及Rv的电阻进行设定。声阻Rg可为要被有效调节以显著增大声阻Rvent且因而降低截止频率fo的因素。
如对图1中的结构进行探讨，尽管间隙d可被设计成具有足够的间隙来增大声阻Rvent，但是介电层102的介电材料在制作过程中不容易被刻蚀。
总的来说，狭缝106用于释放膜片中的残余应力并调节膜片的刚度。狭缝106还用作用于平衡空气压力的附加排气孔。然而，膜片中的狭缝106会形成低频衰减。为了减小低频衰减，排气孔112与狭缝106之间的间隙d必须足够长以形成高的声阻。然而，长的间隙d将使从介电层102释放膜片的MEMS释放时间变长。如果MEMS释放时间过长，则保护层108或电极板110(例如金属焊盘)可能会被刻蚀剂损坏。
在本发明的实施例中，MEMS麦克风可在狭缝与排气孔之间具有足够的间隙d，且也可以快的速率刻蚀介电材料以避免至少对电极板的损坏。
图5是根据本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的膜片的一部分的平面图。参照图5以及图1中的类似部件，在实施例中，图1中的膜片104被修改成膜片250。膜片250也可具有嵌置部50，嵌置部50被预先确定成嵌置在介电层102中以固持膜片250。膜片250的暴露部52暴露在介电层102的开口116中。膜片250的暴露部52在实施例中具有接合外围区200、缓冲外围区202及中心区204。接合外围区200具有弹性结构，弹性结构具有狭缝106，缓冲外围区202包括多个孔150且设置在接合外围区200与中心区204之间。背板的保护层108的排气孔112由膜片250之上的虚线区表示。
一般来说，排气孔112与狭缝106之间的间隙d足够长以增大声阻。此外，为了保持膜片250从介电层102的快的释放时间，在狭缝106与排气孔112之间在缓冲外围区202中形成有小的孔150。在对介电材料进行的刻蚀工艺期间，刻蚀剂可经过孔150以对背板的保护层108与膜片250之间的介电材料进行刻蚀。另外，孔150可由小的孔构成，以使得声阻Rvent也可甚至保持为高的。
图6是根据本发明实施例示意性地示出沿图5中的线I-II切割的MEMS麦克风的剖视图。参照图6，剖视图是在与孔150及排气孔112交叉的线I-II处切割的。缓冲外围区202在内侧处邻接接合外围区200。狭缝106分布在接合外围区200中且多个大小为小的孔150分布在缓冲外围区202中并环绕图5中的中心区204。另一方面，图5中的平面图是在膜片250的平面上的剖视图。狭缝106的宽度大于孔150的宽度。
图7是根据本发明实施例示意性地示出沿图5中的线II-III切割的MEMS麦克风的剖视图。参照图7，剖视图是在不与孔150及排气孔112交叉的线II-III处切割的。在此结构中，仅看到狭缝106。然而，实施例中的狭缝106及孔150的图案并不会限制本发明。在实施例中，狭缝106可均匀地分布。同样，孔150也可均匀地分布成环绕图5中的中心区204的环。如也将更详细地阐述，在实施例中，还可对孔150的密度进行调节以使刻蚀介电层102的速率更快。
图8是根据本发明实施例示意性地示出具有孔的膜片的一部分的透视及剖视图。参照图8，孔150的大小可保持为小的以维持高的声阻。孔150的宽度在实施例中可介于1微米到3微米之间的范围内。在实施例中，孔150的形状可为圆孔，此时宽度则是直径，即半径的两倍2r。孔的声阻与h/r4成比例，h是膜片250的厚度，也就是说，另一方面是膜片104的厚度。
图9是根据本发明实施例示意性地示出制作工艺流程中的MEMS麦克风的剖视图。参照图9且还部分地参照前面附图中具有相同参考编号的元件，在制作方法方面，可形成初步结构。初步结构包括由硅形成的基板100，在基板100中具有开口114。在基板100上设置介电层102，介电层102具有被开口114暴露出的一部分，其中在介电层102中形成有膜片250。膜片250被配置成具有环绕开口114的嵌置部50及与开口114对应的位于嵌置部50内的暴露部52。暴露部52具有接合外围区200、缓冲外围区202及中心区204。接合外围区200具有弹性结构，弹性结构具有狭缝106，缓冲外围区包括多个孔150且设置在接合外围区200与中心区204之间。在介电层102上设置具有保护层108及电极板110的背板252，其中背板252具有分布在与膜片250的中心区204对应的区254处的排气孔112。
如上所述，初步结构中的膜片250完全嵌置在介电层102中。
图10是根据本发明实施例示意性地示出制作工艺流程中的MEMS麦克风的剖视图。参照图10，执行各向同性刻蚀工艺220以通过基板的开口114及背板的排气孔刻蚀介电层102，以在介电层102中形成开口116，从而暴露出膜片250的暴露部及背板252。膜片250的孔150及狭缝106允许刻蚀剂流过以对介电层102的介电材料进行刻蚀。
如上所述，孔150确实在狭缝106与排气孔112之间的部分处提供对介电层102的附加刻蚀能力。由于孔150，释放膜片250的时间被有效地缩短。
图11是根据本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图。参照图11，如从MEMS麦克风的顶部以透视图观察，在实施例中，膜片250是圆盘。如上所述，图11中示出具有排气孔112的背板的仅一部分。然而，弹簧结构160作为具有狭缝106的弹性结构被更详细地示出。弹簧结构160可以各种方式形成。在所述实施例中，狭缝106简单地形成为直的并延伸成规则的圆环。然而，弹簧160的几何形状并不仅限于所述实施例。
图12是根据本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图。参照图12，对于弹簧结构160，根据弹簧结构160的弯曲方式而定，狭缝106可为弯曲形状。
图13是根据本发明实施例示意性地示出MEMS麦克风的俯视图。参照图13，在弹簧结构160的又一实施例中，弹簧结构可为曲折结构(meander structure)，因此狭缝106具有分支。
如上所述，在实际设计时，狭缝106取决于弹簧结构160。本发明中的弹簧结构并不仅限于所述实施例。
综上所述，在实施例中，本发明提供一种微机电系统麦克风的结构，所述结构包括半导体的基板，在所述基板中具有第一开口。介电层设置在所述基板上，所述介电层具有与所述第一开口对应的第二开口。膜片位于所述第二开口内，具有由所述介电层固持的嵌置部及被所述第二开口暴露出的暴露部。所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区。所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间。背板在所述第二开口上方设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述背板包括：保护层，设置在所述介电层上；以及电极板，设置在所述保护层上。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述电极板位于所述保护层的面对所述膜片的一侧上。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述膜片的所述接合外围区包括弹簧结构，其中所述狭缝形成在弹簧条之间。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，位于所述缓冲外围区处的所述膜片的所述孔均匀地分布在所述缓冲外围区中。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述孔的宽度小于所述狭缝的宽度。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述孔的所述宽度介于1微米与3微米之间。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述膜片的所述缓冲外围区在狭缝与所述排气孔之间提供空间间隙以减小由所述狭缝引起的低频衰减。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述缓冲外围区中的所述孔允许介电质刻蚀剂流过。
在实施例中，关于微机电系统麦克风的结构，所述背板的所述排气孔被分布成环绕所述膜片的中心点的多个环。
在实施例中，本发明还提供一种制作微机电系统麦克风的方法。所述方法包括提供初步结构。所述初步结构包括硅基板，在所述硅基板中具有第一开口。介电层设置在所述硅基板上，具有被所述第一开口暴露出的一部分，其中在所述介电层中形成膜片。所述膜片被配置成具有环绕所述第一开口的嵌置部及与所述第一开口对应的位于所述嵌置部内的暴露部。所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区。所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间。背板设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔。执行各向同性刻蚀工艺，以穿过所述硅基板的所述第一开口及所述背板的所述排气孔刻蚀所述介电层，以在所述介电层中形成第二开口，从而暴露出所述膜片的所述暴露部及所述背板。所述膜片的所述孔及所述狭缝允许刻蚀剂流过以对所述介电层的介电材料进行刻蚀。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述背板包括：保护层，设置在所述介电层上；以及电极板，设置在所述保护层上。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述电极板位于所述保护层的面对所述膜片的一侧上。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述膜片的所述接合外围区包括弹簧结构，其中所述狭缝形成在弹簧条之间。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，位于所述缓冲外围区处的所述膜片的所述孔均匀地分布在所述缓冲外围区中。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述孔的宽度小于所述狭缝的宽度。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述孔的所述宽度介于1微米与3微米之间。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述膜片的所述缓冲外围区在狭缝与所述排气孔之间提供空间间隙以减小由所述狭缝引起的低频衰减。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述缓冲外围区中的所述孔增加对设置在所述缓冲外围区处的所述介电材料的刻蚀能力。
在实施例中，关于所述制作微机电系统麦克风的方法，所述背板的所述排气孔被分布成环绕所述膜片的中心点的多个环。
在实施例中，提供膜片以在缓冲外围区处形成多个孔。释放膜片的时间有效地缩短。缓冲外围区处的小的孔还可引起高的声阻，从而降低灵敏度的低频衰减。
对于所属领域中的技术人员来说显而易见的是，在不背离本发明的范围或精神的条件下，可对本发明的结构作出各种修改及变化。有鉴于上述，本发明旨在涵盖本发明的修改及变化，只要其落于随附权利要求书及其等效范围的范围内即可。

Claims (20)

1.一种微机电系统麦克风的结构，其特征在于，包括：
半导体的基板，在所述基板中具有第一开口；
介电层，设置在所述基板上，其中所述介电层具有与所述第一开口对应的第二开口；
膜片，位于所述第二开口内，具有由所述介电层固持的嵌置部及被所述第二开口暴露出的暴露部，其中所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区，其中所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间；以及
背板，在所述第二开口上方设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔。
2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述背板包括：
保护层，设置在所述介电层上；以及
电极板，设置在所述保护层上。
3.根据权利要求2所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述电极板位于所述保护层的面对所述膜片的一侧上。
4.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述膜片的所述接合外围区包括弹簧结构，其中所述狭缝形成在弹簧条之间。
5.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中位于所述缓冲外围区处的所述膜片的所述孔均匀地分布在所述缓冲外围区中。
6.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述孔的宽度小于所述狭缝的宽度。
7.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述孔的所述宽度介于1微米与3微米之间。
8.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述膜片的所述缓冲外围区在所述狭缝与所述排气孔之间提供空间间隙以减小由所述狭缝引起的低频衰减。
9.根据权利要求8所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述缓冲外围区中的所述孔允许介电质刻蚀剂流过。
10.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风的结构，其中所述背板的所述排气孔被分布成环绕所述膜片的中心点的多个环。
11.一种制作微机电系统麦克风的方法，包括：
提供初步结构，所述初步结构包括：
半导体的硅基板，在所述硅基板中具有第一开口；
介电层，设置在所述硅基板上，具有被所述第一开口暴露出的一部分，其中在所述介电层中形成膜片，其中所述膜片被配置成具有环绕所述第一开口的嵌置部及与所述第一开口对应的位于所述嵌置部内的暴露部，其中所述暴露部具有接合外围区、缓冲外围区及中心区，其中所述接合外围区具有弹性结构，所述弹性结构具有狭缝，所述缓冲外围区包括多个孔且设置在所述接合外围区与所述中心区之间；
背板，设置在所述介电层上，其中所述背板包括分布在与所述膜片的所述中心区对应的区处的排气孔；以及
执行各向同性刻蚀工艺，以穿过所述硅基板的所述第一开口及所述背板的所述排气孔刻蚀所述介电层，以在所述介电层中形成第二开口，从而暴露出所述膜片的所述暴露部及所述背板，
其中所述膜片的所述孔及所述狭缝允许刻蚀剂流过以对所述介电层的介电材料进行刻蚀。
12.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述背板包括：
保护层，设置在所述介电层上；以及
电极板，设置在所述保护层上。
13.根据权利要求12所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述电极板位于所述保护层的面对所述膜片的一侧上。
14.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述膜片的所述接合外围区包括弹簧结构，其中所述狭缝形成在弹簧条之间。
15.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中位于所述缓冲外围区处的所述膜片的所述孔均匀地分布在所述缓冲外围区中。
16.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述孔的宽度小于所述狭缝的宽度。
17.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述孔的所述宽度介于1微米与3微米之间。
18.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述膜片的所述缓冲外围区在所述狭缝与所述排气孔之间提供空间间隙以减小由所述狭缝引起的低频衰减。
19.根据权利要求18所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述缓冲外围区中的所述孔增加对设置在所述缓冲外围区处的所述介电材料的刻蚀能力。
20.根据权利要求11所述的制作微机电系统麦克风的方法，其中所述背板的所述排气孔被分布成环绕所述膜片的中心点的多个环。
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