CN113316052B - 一种具有防尘结构的mems麦克风芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法，所述MEMS麦克风芯片包括：衬底，设有沿上下向贯穿的背腔；电容器结构，由设于所述衬底同一侧的振膜、背板以及所述振膜和所述背板之间的振动间隙构成；所述振膜上设有泄气阀，所述泄气阀的周边设有防尘结构；所述防尘结构的上、下端分别与所述背板和所述振膜连接。本发明公开的技术方案通过在振膜和背板之间设置将泄气阀包围的防尘结构，可在保证泄气阀泄压能力的同时，避免微尘粒子从侧向直接进入振动间隙中而造成芯片性能受损，从而提高MEMS麦克风芯片的可靠性。

Description

一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法

技术领域

本发明属于电声器件技术领域，特别是涉及一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法。

背景技术

MEMS（Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统）麦克风以灵敏度高、功耗低、频率响应平坦等诸多优点而备受人们的关注，并成为当今麦克风市场的主流。MEMS芯片是MEMS麦克风中的重要部件，其工作原理是：振膜在声波的作用下产生振动，使振膜与背板之间的距离发生变化，从而改变电容，将声波信号转化为电信号。

当MEMS芯片受到吹气、跌落等剧烈冲击时，振膜因受到过大的压力而易破裂受损，从而导致整个MEMS麦克风的失效。针对该问题，通常选择在振膜上设置泄气阀，以实现快速释放压力的目的。泄气阀在声压或者气流急剧变化时打开，可以很好地平衡振膜上下两侧的压力。但是当泄气阀打开后的泄气路径较大时，微尘粒子容易进入芯片内部，尤其是会直接进入振膜与背板之间，从而影响MEMS麦克风的性能和可靠性。

发明内容

鉴于以上所述现有技术，本发明的目的在于提供一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法，在保证泄气阀泄压能力的同时，避免微尘粒子直接进入MEMS麦克风芯片的振膜和背板之间而造成芯片性能受损，从而提高MEMS麦克风芯片的可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：包括：

衬底，设有沿上下向贯穿的背腔；

振膜，间隔设置在所述衬底的一侧，至少部分所述振膜可动地设于所述背腔的上方；

背板，间隔设置在所述振膜远离所述衬底的一侧，所述背板上设有多个间隔排列且贯穿所述背板的通孔；

振动间隙，设于所述振膜与所述背板之间，与所述振膜、所述背板共同形成电容器结构；

牺牲层，位于所述振膜与所述背板之间、且位于所述振动间隙外侧；

绝缘层，位于所述振膜与所述衬底边缘部之间；

电极，与所述背板电性连接；

所述振膜上设有泄气阀，所述泄气阀的环周设置有防尘结构，所述防尘结构构成泄压通道，所述防尘结构的泄压通道连通泄气阀与至少一个通孔，所述防尘结构阻挡泄气阀与振动间隙连通。

进一步地，所述防尘结构形成于振膜和背板之间，所述防尘结构的上、下端分别与所述背板和所述振膜连接，所述防尘结构与所述泄气阀一一对应设置。

进一步地，所述防尘结构的泄压通道横截面积大于泄气阀的横截面积；所述防尘结构的泄压通道连通的一个或多个通孔的总横截面积大于泄气阀的横截面积。

进一步地，至少一个与所述防尘结构的泄压通道连通的通孔的横截面积大于泄气阀的横截面积。

通孔总横截面积以及其中一个单一通孔横截面积大于泄气阀的横截面积，会使经泄气阀进入防尘结构的泄压通道的微尘粒子更易于排出，防止其在防尘结构的泄压通道内堆积，避免防尘结构的泄压通道阻塞造成失效。以进一步延长MEMS芯片的使用寿命及提高抗损能力。

进一步地，所述泄气阀的数量为多个，多个所述泄气阀均匀分布在振膜的周边，多个所述泄气阀的形状相同或不同。

进一步地，所述防尘结构的形状为环绕泄气阀在振动间隙投影的圆环形、不规则环形或多边环形。

进一步地，所述背板为刚性的导电薄膜，所述振膜的材料为具有张应力的柔性导电薄膜。

进一步地，所述背板为刚性的支撑层附着导电层构成。所述导电层厚度低于支撑层。

上述方案中，所述背板采用刚性的导电薄膜。具体地，可采用刚性的支撑层附着较薄的导电层，包括但不限于：氮化硅与掺杂多晶硅的组合、氮化硅与金属的组合。

进一步地，所述振膜的形状为中心对称图形。

进一步地，所述防尘结构和所述背板由相同的材料同步形成。

进一步地，所述电极至少两个；所述牺牲层内设有接触孔，部分所述背板经所述接触孔的表面延伸到所述振膜。

进一步地，所述衬底采用双面抛光的半导体衬底，所述半导体衬底包括硅衬底、锗衬底或碳化硅衬底中的任一种。

进一步地，所述背板为氮化硅与掺杂多晶硅层的组合或氮化硅与金属的组合。

进一步地，所述绝缘层和牺牲层的材料为氧化硅。

进一步地，所述振膜的材料为具有张应力的掺杂多晶硅。

进一步地，所述电极的材料为钛、钨、铬、铂、铝或金中的一种或多种组合。

进一步地，所述通孔的形状为圆形、多边形、花形中的任一种或多种组合。

进一步地，所述接触孔的截面形状为矩形、梯形或倒梯形中的任一种。

进一步地，所述背腔及所述振动间隙的截面形状为矩形、梯形或倒梯形中的任一种。

上述方案中，所述振膜的形状为圆形，或其它中心对称图形，所述振膜的材料为掺杂多晶硅，或其它具有张应力的柔性导电薄膜。

上述方案中，所述泄气阀的形状包括但不限于花型、十字型、V型、U型。

上述方案中，所述防尘结构形成于振膜和背板之间，所述防尘结构的上、下端分别与所述背板和所述振膜连接，其数量与所述泄气阀的数量相同；所述防尘结构的形状为圆环形或多边环形。

上述方案中，所述通孔的形状包括但不限于圆形、多边形、花形的一种或多种组合。

上述方案中，所述接触孔的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种。

上述方案中，所述背腔及所述振动间隙的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种。

本发明还提供一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一衬底，于所述衬底上形成绝缘层和振膜，并在振膜上局部刻蚀出泄气阀；

S2：在振膜及泄气阀上形成牺牲层，并局部刻蚀出防尘槽；

S3：在牺牲层及防尘槽上形成背板，并局部刻蚀出隔离槽和通孔；

S4：对背板的支撑层进行刻蚀，暴露部分导电层，随后在暴露的导电层上形成电极；

S5：于所述衬底的下表面向内形成背腔，并对部分所述牺牲层释放，形成振动间隙及泄气阀周边的防尘结构，完成MEMS麦克风芯片的制作。

需要说明的是，所述防尘结构由填入所述防尘槽的部分所述背板的材料形成。

上述方案中，所述衬底采用双面抛光的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底的一种。

上述方案中，所述绝缘层和牺牲层的材料为氧化硅。

上述方案中，所述振膜的材料为掺杂多晶硅或其它具有张应力的柔性导电薄膜。

上述方案中，所述背板采用刚性的导电薄膜，具体地，可采用刚性的支撑层附着较薄的导电层，包括但不限于：氮化硅与掺杂多晶硅层的组合、氮化硅与金属的组合。

上述方案中，所述通孔的形状包括但不限于圆形、多边形、花形的一种或多种组合。

上述方案中，所述电极的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合。

上述方案中，所述背腔及所述振动间隙的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种。

本发明公开的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法，具有如下增益：通过在振膜和背板之间设置将泄气阀包围的防尘结构，阻挡泄气阀与振动间隙连通，可在保证泄气阀泄压能力的同时，避免微尘粒子从侧向直接进入MEMS麦克风芯片的振膜和背板之间，避免振膜和背板之间微尘粒子堆积，从而避免造成芯片性能受损，从而提高MEMS麦克风芯片的可靠性。

下面通过实施例和附图进一步说明本发明的技术方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1所示为传统无防尘结构时微尘粒子直接进入振膜与背板之间的局部剖面示意图。

图2所示为本发明有防尘结构时微尘粒子无法直接进入振膜与背板之间的局部剖面示意图。

图3所示为本发明实施例提供的MEMS麦克风芯片的剖面示意图。

图4所示为本发明实施例提供的MEMS麦克风芯片部分材料层的俯视示意图。

图5所示为本发明另一实施例提供的MEMS麦克风芯片的剖面示意图。

图6所示为本发明实施例提供的MEMS麦克风芯片的制备方法流程图。

图7a~图7g所示为本发明实施例提供的MEMS麦克风芯片的具体工艺步骤图。

图中，10、衬底；11、背腔；20、绝缘层；30、振膜；31、泄气阀；40、牺牲层；41、防尘槽；42、防尘结构；43、振动间隙；50、背板；51、导电层；52、支撑层；53、通孔；54、隔离槽；60、电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明实施例中方向性指示（诸如上、下、左、右……）仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

实施例1：如图3-图4所示，本发明提供的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，包括：

衬底10，设有沿上下向贯穿的背腔11；

振膜30，间隔设置在衬底10的一侧，至少部分振膜30可动地设于背腔11的上方；

背板50，间隔设置在振膜30远离衬底10的一侧；背板50中还设有多个间隔排列且沿上下向贯穿背板50的通孔53；

振动间隙43，设于振膜30与背板50之间，与振膜30、背板50共同形成电容器结构；

牺牲层40，位于振膜30与背板50之间、且位于振动间隙43外侧；

绝缘层20，位于振膜30与衬底10边缘部之间；

电极60，至少两个且与背板50电性连接。

振膜30上设有泄气阀31，泄气阀31的周边设置有防尘结构42；

所述防尘结构42构成泄压通道，所述防尘结构42的泄压通道连通泄气阀31与至少一个通孔53，所述防尘结构42阻挡泄气阀31与振动间隙43连通。

进一步地，所述防尘结构42形成于振膜30和背板50之间，所述防尘结构42的上、下端分别与所述背板50和所述振膜30连接，所述防尘结构42与所述泄气阀31一一对应设置。

所述泄气阀31的数量为多个，多个所述泄气阀31均匀分布在振膜30的周边，多个所述泄气阀31的形状相同或不同。

所述防尘结构42的形状为环绕泄气阀31在振动间隙43投影的圆环形、不规则环形或多边环形。

具体地，防尘结构42数量与所述泄气阀的数量相同；防尘结构42的形状为圆环形或多边环形，且将泄气阀31围绕在内；在本发明的实施例中，防尘结构42的形状为圆环形。

具体地，所述防尘结构42的泄压通道横截面积大于泄气阀31的横截面积。

具体地，所述防尘结构42的泄压通道连通的一个或多个通孔53的总横截面积大于泄气阀31的横截面积。

具体地，至少一个与所述防尘结构42的泄压通道连通的通孔53的横截面积大于泄气阀31的横截面积。

具体地，振膜30的形状为圆形，或其它中心对称图形，振膜30的材料为掺杂多晶硅，或其它具有张应力的柔性导电薄膜；在本发明的实施例中，振膜30的形状为圆形，材料为掺杂多晶硅。

具体地，泄气阀31的数量为至少两个，均匀分布在振膜30的周边；泄气阀31的形状包括但不限于花型、十字型、V型、U型，多个泄气阀31的形状相同或不同；在本发明的实施例中，泄气阀31的数量为四个，其形状均为花型。

具体地，背板50采用刚性的导电薄膜，具体地，可采用刚性的支撑层52附着较薄的导电层51，其材料包括但不限于：氮化硅与掺杂多晶硅的组合、氮化硅与金属的组合；在本发明的实施例中，背板50的材料为氮化硅下附着掺杂多晶硅层，即支撑层52的材料为氮化硅，导电层51的材料为掺杂多晶硅。

需要说明的是，在本发明的实施例中，防尘结构42由背板50的部分导电层51形成，为避免防尘结构42将振膜30和背板50电性导通，需对导电层51进行局部刻蚀，以形成用于电隔离的隔离槽54。

具体地，通孔53形状包括但不限于圆形、多边形、花形的一种或多种组合；在本发明的实施例中，通孔53的形状为正六边形。

具体地，牺牲层40内设有接触孔，部分背板50经所述接触孔的表面延伸到振膜30，所述接触孔的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，所述接触孔的截面形状为矩形。

具体地，背腔11及振动间隙43的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，背腔11及振动间隙43的截面形状均为矩形。

需要说明的是，请参阅图1-图2，无防尘结构42时，微尘粒子可在泄气阀31打开后直接进入振膜30和背板50之间的振动间隙43，从而破坏振膜30和背板50之间的电容器结构，使振膜30振动过程中受到微尘粒子的干扰产生大量噪音信号，严重降低MEMS麦克风芯片的信噪比，降低拾音清晰度，微尘粒子积累量较严重时会导致低MEMS麦克风芯片彻底失效。而本申请的发明有防尘结构42时，微尘粒子进入振膜30和背板50之间的振动间隙43的运动路径被切断，微尘粒子无法直接从侧向直接进入振膜30和背板50之间。确保了在实现泄气、防气压破坏的同时防止微尘粒子积聚而造成的各种问题。

实施例2：请参阅图5，在本发明的该实施例中，背板50可采用氮化硅/掺杂多晶硅/氮化硅复合而成的三明治结构薄膜，此时，防尘结构42由背板50的一氮化硅层形成，由于氮化硅电绝缘，因此不需要形成隔离槽54。本实施例中其余部分与实施例1相同。

实施例3：本发明还提供上述具有防尘结构的MEMS麦克风芯片的制作方法，请参阅图6，包括如下步骤：

S1：提供一衬底10，于衬底10上形成绝缘层20和振膜30，并在振膜30上局部刻蚀出泄气阀31，如图7a-图7b所示；

具体地，衬底10采用双面抛光的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底的一种；在本发明的实施例中，衬底10采用双面抛光的单晶硅衬底。

具体地，绝缘层20的材料为氧化硅，可通过热氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；在本发明的实施例中，绝缘层20通过热氧化的方法形成。

具体地，振膜30的材料为掺杂多晶硅或其它具有张应力的柔性导电薄膜；在本发明的实施例中，振膜30的材料为掺杂多晶硅，通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火等方法的组合形成。

具体地，泄气阀31的数量为至少两个，其形状包括但不限于花型、十字型、V型、U型，多个泄气阀31的形状相同或不同；在本发明的实施例中，泄气阀31的数量为四个，其形状均为花型，通过深反应离子刻蚀的方法形成。

S2：在振膜30及泄气阀31上形成牺牲层40，并局部刻蚀出防尘槽41，如图7c所示；

具体地，牺牲层40的材料为氧化硅，可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成；防尘槽41的形状为圆环或多边环形，可通过离子束刻蚀、反应离子刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，牺牲层40通过等离子体化学气相沉积的方法形成，防尘槽41的形状为圆环形，通过反应离子刻蚀的方法形成。

S3：在牺牲层40及防尘槽41上形成背板50，并局部刻蚀出隔离槽54和通孔53，如图7d所示；

具体地，背板50采用刚性的导电薄膜，具体地，可采用刚性的支撑层52附着较薄的导电层51，其材料包括但不限于：氮化硅与掺杂多晶硅的组合、氮化硅与金属的组合；在本发明的实施例中，背板50的材料为氮化硅下附着掺杂多晶硅层，即支撑层52的材料为氮化硅，导电层51的材料为掺杂多晶硅，其中，掺杂多晶硅通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火等方法的组合形成，氮化硅通过等离子体化学气相沉积的方法形成，

具体地，通孔53的形状包括但不限于圆形、多边形、花形的一种或多种组合；在本发明的实施例中，通孔53的形状为正六边形，通过反应离子刻蚀和深反应离子刻蚀方法的组合形成；隔离槽54通过深反应离子刻蚀的方法形成。

S4：对背板50的支撑层52进行刻蚀，暴露部分导电层51，随后在暴露的导电层51上形成电极60，如图7e所示；

具体地，电极60的材料为钛、钨、铬、铂、铝、金中的一种或多种组合，通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成；在本发明的实施例中，电极60的材料为铬/金，通过剥离工艺形成。

S5：于衬底10的下表面向内形成背腔11，并对部分牺牲层40释放，形成振动间隙43及泄气阀31周边的防尘结构42，如图7f-图7g所示；

需要说明的是，防尘结构42由填入防尘槽41的部分背板50形成；在本发明的实施例中，防尘结构42由填入防尘槽41的部分导电层51形成，因此，防尘结构42的形状也为圆环形。

具体地，背腔11及振动间隙43的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，背腔11及振动间隙43的截面形状均为矩形，其中，背腔11通过深反应离子刻蚀的方法形成，振动间隙43通过BOE湿法腐蚀的方法形成。

综上所述，本发明公开的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片及其制作方法，通过在振膜和背板之间设置将泄气阀包围的防尘结构，可在保证泄气阀泄压能力的同时，避免微尘粒子从侧向直接进入MEMS麦克风芯片的振膜和背板之间而造成芯片性能受损，从而提高MEMS麦克风芯片的可靠性。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (7)

1.一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：包括：

衬底，设有沿上下向贯穿的背腔；

振膜，间隔设置在所述衬底的一侧，至少部分所述振膜可动地设于所述背腔的上方；

背板，间隔设置在所述振膜远离所述衬底的一侧，所述背板上设有多个间隔排列且贯穿所述背板的通孔；

振动间隙，设于所述振膜与所述背板之间，与所述振膜、所述背板共同形成电容器结构；

所述振膜上设有泄气阀，所述泄气阀的环周设置有防尘结构，所述防尘结构构成泄压通道，所述防尘结构的泄压通道连通泄气阀与至少一个通孔，所述防尘结构阻挡泄气阀与振动间隙连通；

所述防尘结构形成于振膜和背板之间，所述防尘结构的上、下端分别与所述背板和所述振膜连接，所述防尘结构与所述泄气阀一一对应设置；

所述泄气阀的数量为多个，多个所述泄气阀均匀分布在振膜的周边，多个所述泄气阀的形状相同或不同；

所述泄气阀与振膜一体成型设置；

所述防尘结构的泄压通道横截面积大于泄气阀的横截面积；

所述防尘结构的泄压通道连通的一个或多个通孔的总横截面积大于泄气阀的横截面积；

至少一个与所述防尘结构的泄压通道连通的通孔的横截面积大于泄气阀的横截面积；

上述具有防尘结构的MEMS麦克风芯片由以下制作方法制作，包括如下步骤：

S1：提供一衬底，于所述衬底上形成绝缘层和振膜，并在振膜上局部刻蚀出泄气阀；

S2：在振膜及泄气阀上形成牺牲层，并局部刻蚀出防尘槽；

S3：在牺牲层及防尘槽上形成背板，并局部刻蚀出隔离槽和通孔；

S4：对背板的支撑层进行刻蚀，暴露部分导电层，随后在暴露的导电层上形成电极；

S5：于所述衬底的下表面向内形成背腔，并对部分所述牺牲层释放，形成振动间隙及泄气阀周边的防尘结构，完成MEMS麦克风芯片的制作。

2.根据权利要求1中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

所述防尘结构的形状为环绕泄气阀在振动间隙投影的圆环形、不规则环形或多边环形。

3.根据权利要求1中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

所述背板为刚性的导电薄膜，所述振膜的材料为具有张应力的柔性导电薄膜。

4.根据权利要求3中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

所述背板为刚性的支撑层附着导电层构成。

5.根据权利要求1中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

所述振膜的形状为中心对称图形。

6.根据权利要求1中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

还包括：

牺牲层，位于所述振膜与所述背板之间、且位于所述振动间隙外侧；

绝缘层，位于所述振膜与所述衬底边缘部之间；

电极，与所述背板电性连接；

所述牺牲层内设有接触孔，部分所述背板经所述接触孔的表面延伸到所述振膜。

7.根据权利要求6中所述的一种具有防尘结构的MEMS麦克风芯片，其特征在于：

所述衬底采用双面抛光的半导体衬底，所述半导体衬底包括硅衬底、锗衬底或碳化硅衬底中的任一种；

所述背板为氮化硅与掺杂多晶硅层的组合或氮化硅与金属的组合；

所述振膜的材料为具有张应力的掺杂多晶硅；

所述通孔的形状为圆形、多边形、花形中的任一种或多种组合；

所述接触孔的截面形状为矩形、梯形或倒梯形中的任一种；

所述背腔及所述振动间隙的截面形状为矩形、梯形或倒梯形中的任一种。

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