CN113371667A - 微机电麦克风结构与其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微机电麦克风结构与其制造方法。微机电麦克风包括基板，具有第一开口。介电层设置在基板上，其中所述介电层具有与所述第一开口对准的第二开口。隔膜设置在所述介电层的所述第二开口内，其中所述隔膜的外围区域在所述第二开口的侧壁处嵌入所述介电层中。背板层设置在所述介电层上并覆盖所述第二开口。所述背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔，其中所述规则数组图案包括图案单元，所述图案单元包括所述之一声孔作为中心孔，并且围绕所述中心孔的所述声孔的外围孔与中心孔的间距相同。

Description

微机电麦克风结构与其制造方法
技术领域
本发明是涉及一种微机电麦克风，且特别是涉及一种微机电麦克风的结构与制造方法。
背景技术
麦克风基于半导体制造技术设计以减小尺寸。微机电麦克风是用于电子设备的组件，用于感应声音信号，例如通信语音。
微机电麦克风感测声音信号的功能基于隔膜，该隔膜响应于来自声音信号的气压变化，其振动对应于声音信号的频率及幅度，同时将声音信号转换成电信号以用于外围电子设备中。
在制造过程中，被释放前的微机电麦克风的隔膜嵌入在介电层中，并且，具有声孔的背板层形成在介电层上。随后去除覆盖在隔膜两侧的电介质材料以释放隔膜。为了去除电介质材料，蚀刻工艺将通过背板层中的声孔蚀刻电介质材料。由于应去除隔膜及背板层之间相对大量的介电材料，因此蚀刻通常需要很长时间。蚀刻过程中介电材料的机械强度可能不均匀，这可能会导致蚀刻过程不稳定。
如何根据制造工艺的条件设计制造微机电麦克风在本领域仍在发展中。
发明内容
本发明提供了一种微机电麦克风的结构及制造微机电麦克风的方法，其中背板层中的声孔是均匀的。可以更容易地改善用于释放隔膜的蚀刻工艺的蚀刻条件。
本发明提供一种微机电麦克风。微机电麦克风包括具有第一开口的基板。介电层设置在基板上，其中介电层具有与第一开口对准的第二开口。隔膜设置在介电层的第二开口内，其中隔膜的外围区域在第二开口的侧壁处嵌入到介电层中。背板层设置在介电层上并覆盖第二开口。背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔。规则数组图案包括图案单元，图案单元包括作为中心孔的声孔之一，以及与中心孔具有相同间距的围绕中心孔的外围声孔。
本发明还提供了一种微机电麦克风。微机电麦克风的结构包括具有第一开口的基板。介电层设置在基板上，其中介电层具有与第一开口对准的第二开口。隔膜设置在介电层的第二开口内，其中隔膜的外围区域在第二开口的侧壁处嵌入到介电层中。背板层设置在介电层上并覆盖第二开口。背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔。规则数组图案包括六边形单元，每个六边形单元在拐角处具有六个声孔，而在中心具有一个声孔。
本发明还提供一种用于制造微机电麦克风的方法。该方法包括提供一基板；在基板上形成电介质层，其中，电介质层嵌入有隔膜。在介电层上形成背板层，其中背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔。规则数组图案包括六边形单元。每个六角形单元在拐角处具有六个声孔，而在中心具有一个声孔。将基板图案化以具有第一开口。执行蚀刻工艺以蚀刻介电层的一部分以形成用于释放膜片的感测区域的第二开口，其中，蚀刻工艺包括通过膜片一侧的声孔蚀刻介电层。
附图说明
包含附图以提供对本发明的进一步理解，且附图并入在本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图说明本发明的实施例，且与描述一起用于解释本发明的原理。
图1是本发明的实施例的微机电麦克风的结构的背板层上视平面图；及
图2A至图2G是本发明的实施例的制造MEMS麦克风的方法的处理流程的截面图。
附图标号说明
20:基板
22:介电层
22a:平衡孔
24:导电层
26:介电层
28:电极层
30:背板层
32、36:开口
34、38、40:插塞
42:声孔
50:开口
100:背板层
102:声孔
104:界面声孔
106:外环声孔
200:隔膜区域
具体实施方式
本发明涉及一种微机电(MEMS)麦克风的结构以及制造该微机电麦克风的方法。微机电麦克风的背板层具有均匀的声孔。均匀的声孔允许在较均匀条件下蚀刻背板层下面的介电层。释放隔膜期间，介电层的机械强度可以具有更好的均匀性。
提供了多个实施例用于描述，但是本发明不仅仅限于多个实施例。另外，可以在实施例之间进行组合。
微机电麦克风隔膜薄且柔软以感测声信号。制造过程中，隔膜被嵌入介电层中。在背板层下方的一侧的介电材料相对较厚。蚀刻背板层下方的介电材料的路径基本上穿过背板层中的声孔。声孔的分布可影响蚀刻工艺，在该蚀刻工艺中，电介质层可能没有被均匀地蚀刻，从而导致电介质层的结构不匀整。在用于释放隔膜的蚀刻过程中，隔膜可能会损坏。
本发明提供了具有均匀分布的声孔的背板层的结构。蚀刻工艺可以通过声孔均匀地蚀刻介电层。
图1是示意性地示出根据本发明的实施例的微机电麦克风的结构的背板层的上视平面图。参考图1所示，微机电麦克风的背板层100在隔膜区域200内具有多个声孔102。隔膜将在背板层100下方在保持在背板层100中的隔膜区域200处实现。声孔102允许蚀刻工艺以蚀刻背板层100与隔膜区域200之间的介电材料。
在一个实施例中，背板层100可以被配置为具有中心区域及外围区域。声孔102分布在中心区域内。外围区域内的背板层100还包括外环声孔106及接口声孔104，其中具有第一尺寸的外环声孔106作环形分布在背板层100的周边。在实施例中，该第一尺寸是均匀的。具有第二尺寸的接口声孔104分布在外环声孔106的环形区域与声孔102的中心区域之间。在一个实施例中，第二尺寸是不均匀的，并且第二尺寸小于第二尺寸。第一尺寸基于中心区域及外圈空间之间的距离，以实现均匀蚀刻工艺。在一实施例中的第一尺寸也小于中心区域内的声孔102的尺寸。
外圈声孔106的圆形分布可以使在边界处的MEMS的介电层更加均匀，并且在突然遭受外部压力冲击时增强膜片的耐压性。接口声孔104补偿中心区域内的声孔102与外围环处的外环声孔106之间的分布。如此，在蚀刻工艺期间，也可以有效地去除在接口声孔104下方的介电层。
为了均匀地蚀刻介电层，如稍后将描述的，声孔102的布置可以改善对介电层的蚀刻质量，并且更平滑地释放膜片。
在一个实施例中，声孔102被布置成规则的数组图案。实施例中的规则数组图案包括图案单元，例如六边形单元。图案单元包括一个作为中心声孔的声孔102及以与中心声孔相同的间距围绕中心声孔102的外围声孔102。
在一个实施例中，声孔102被布置成六边形数组图案。例如，图案单元是六边形。在六边形单元中，一声孔102被视为中心孔，然后在六边形单元的六个角处具有六个外围声孔102。在这种结构中，外围声孔102与中央声孔102具有相同的距离或相同的间距。
在一个实施例中，声孔102是圆形的，但是本发明不限于圆形孔。也可以设置六角孔。为了具有均匀的声孔分布，图案单元也不仅限于六边形单元。在一个实施例中，也可以制造方形单元。在正方形单元中，声孔也可以是正方形孔。本发明可以以各种方式适当地布置声孔102的图案单元，但不限于实施例。
描述了用于制造微机电麦克风的方法，其中可以根据图2布置背板层中的如图1所示的声孔。
参考图2A至图2G是示意性地示出根据本发明的实施例的制造微机电麦克风的方法的处理流程的截面图。
参照图2A，提供诸如半导体或硅作为基板20。将介电层22设置在基板20上。在介电层22上形成导电层24。这里仅示意性地示出了实施例中的导电层24。导电层24可以具有子结构以形成隔膜。隔膜的结构不限于实施例。
参照图2B所示，在导电层24上进一步形成压力平衡孔22a。压力平衡孔22a使在随后释放导电层24时由导电层24形成的膜片两侧的气压平衡。压力平衡孔22a的作用稍后将描述。另一个介电层26也形成在导电层24上。介电层26及介电层22一起形成，并且可以被视为同一介电层。
参照图2C所示，在介电层26上形成电极层28。在末端的电极层28是背板层的一部分。在一个实施例中，电极层28被成形为具有与声孔的位置相对应的开口，如图1。在实际操作中，电极层28充当阳极，而导电层24阴极用作阴极，以形成感测电容器。
参照图2D，在介电层26及电极层28之上形成没有声孔的预备层中的背板层30。该材料可以是氮化物或其他介电材料，但是不同于介电层26，在示例中，该介电层26通常是氧化物。如稍后将看到的，背板层30将与电极层28集成在一起。然后，在稍后形成声孔之后，背板层30通常包括电极层28。
然而，导电层24实际上用作阴极，而电极层28实际上用作阳极。为了与导电层24及电极层28互连，使背板层30及介电层26成形以具有开口32及开口36。开口32暴露出导电层24。开口36暴露出电极层28。在一个实施例中，可以在背板层30中预先形成第一阶插塞34，但是本发明不限于形成插塞34的方式。
参照图2E所示，另一个插塞38形成在开口32中以接触导电层24。另外，第二阶插塞40也形成在开口36中并与第一阶插塞34接触。第一阶插塞34及第二阶插塞40一起形成接触插塞，该接触插塞连接到电极层28。形成接触插塞的结构及方法不仅限于实施例。换句话说，具有第二阶插塞40的第一阶插塞34可以用其他类型的插塞代替，类似于示例中的插塞38。
此外，对背板层30进行构图以具有声孔42。声孔42的布置类似于声孔102，接口声孔104及外环声孔106，如前所述，电极层28在结构上作为背板层30的一部分设置在背板层30的内侧。声孔102也暴露介电层26。
参照图2F，图案化基底20以具有开口50，该开口50对应于释放导电层24的区域。然后执行诸如各向同性的蚀刻工艺以蚀刻介电层22及介电层26。在一个实施例中，诸如氮化物的介电层26不同于诸如氮化物的背板层30的材料。
蚀刻工艺可以通过声孔42蚀刻介电层26。这里示出了区域的蚀刻机理。导电层24及背板层30之间的介电层26相对较厚并且需要逐渐被蚀刻。介电层26可产生机械强度。然而，声孔42被布置成在周围具有基本均匀的强度。从声孔42将蚀刻工艺均匀地施加到介电层26，能使用的蚀刻剂可能具有更好的蚀刻性能及均匀性。蚀刻过程可以稳定且快速，以释放导电层24。
参照图2G所示，在执行蚀刻工艺以蚀刻介电层22及介电层26之后，导电层24的中心区域被暴露或释放。导电层24的外围区域嵌入在支撑导电层24的介电层22、26中。导电层24用作MEMS麦克风的隔膜。
在图2G的顶部还示出了背板层30的一部分上的平面图。声孔42是圆形的，使得周边蚀刻强度是均匀的。根据声孔42与声孔102、界面声孔104及外环声孔106的布置的分布，可以在中心区域及外围区域更均匀地蚀刻背板层30下方的介电层。
此外，导电层24中的压力平衡孔22a(即隔膜)也被暴露。压力平衡孔22a的作用是当声孔42遭受来自周围环境的突然气压(例如吹风)时，减少导电层24的两侧处的不平衡气压。在正常操作中，压力平衡孔22a可能在感测声信号时降低截止频率，使得隔膜或导电层24可以在低频区域感测更多的声信号。
在实施例中还应注意，压力平衡孔22a在导电层24的周边区域均匀地分布。然而，压力平衡孔22a可以相对于开口设置在导电层24的中央区域。本发明不限于该实施例。
如上所述，本发明提供了一种微机电麦克风。微机电麦克风包括具有第一开口的基板。介电层设置在基板上，其中介电层具有与第一开口对准的第二开口。隔膜设置在介电层的第二开口内，其中隔膜的外围区域在第二开口的侧壁处嵌入到介电层中。背板层设置在介电层上并覆盖第二开口。背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔102。规则数组图案包括诸如六边形单元的图案单元，该图案单元包括作为中心孔的声孔之一，以及以与中心孔相同的间距围绕中心孔的声孔的外围孔。
本发明还提供了另一种微机电麦克风。在一个实施例中，微机电麦克风包括具有第一开口的基板。介电层设置在基板上，其中介电层具有与第一开口对准的第二开口。隔膜设置在介电层的第二开口内，其中隔膜的外围区域在第二开口的侧壁处嵌入到介电层中。背板层设置在介电层上并覆盖第二开口。背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔。规则数组图案包括六边形单元，每个六边形单元在拐角处具有六个声孔，而在中心具有一个声孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，所述声孔是相同尺寸的圆形孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，所述声孔是相同尺寸的六角孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，背板层包括电介质背板层及设置在电介质背板层的一侧的电极层。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，膜片包括多个压力平衡孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，压力平衡孔均匀分布在电介质层第二开口内的振动膜的外围区域。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，压力平衡孔分布在振动膜的中央区域。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，膜片为圆形导电层。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的结构，其还包括第一插头结构，该第一插头结构穿透背板层及介电层以在外围区域处连接至振动膜。第二插塞结构设置在背板层中以连接到背板层的电极层。
在一个实施例中，本发明还提供一种用于制造微机电麦克风的方法。该方法包括提供基板；在基板上形成电介质层，其中，电介质层嵌入有隔膜。在介电层上形成背板层，其中背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔。规则数组图案包括六边形单元。每个六角形单元在拐角处具有六个声孔，而在中心具有一个声孔。将基板构图以具有第一开口。执行蚀刻工艺以蚀刻介电层的一部分以形成用于释放膜片的感测区域的第二开口，其中，蚀刻工艺包括通过膜片一侧的声孔蚀刻介电层。
在一个实施例中，至于微机电麦克风的制造方法，所述声孔为相同尺寸的圆形孔。
在一个实施例中，至于微机电麦克风的制造方法，所述声孔为相同尺寸的六角孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的制造方法，形成背板层的步骤包括在介电层上形成电极层；在介电层及电极层上形成介电背板层。构图介电背板层以形成声孔。
在一个实施例中，关于用于制造微机电麦克风的方法，膜片包括多个压力平衡孔。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的制造方法，压力平衡孔均匀地分布在电介质层的第二开口内的振动膜的外围区域。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的制造方法，压力平衡孔分布在振动膜的中央区域。
在一个实施例中，关于微机电麦克风的制造方法，所述振动膜为圆形导电层。
在一个实施例中，关于制造微机电麦克风的方法，还包括形成第一插头结构，所述第一插头结构穿透背板层及介电层，以在外围区域连接至振动膜；形成第二插塞结构，该第二插塞结构设置在背板层中以连接至背板层的电极层。
对于本领域的技术人员显而易见的是，可以在不脱离本发明的范畴或精神的情况下对本发明的结构进行各种修改和变化。鉴于前文，希望本发明涵盖对本发明的修改和变化，条件是所述修改和变化落在所附权利要求书及其等效物的范围内。

Claims (23)

1.一种微机电麦克风结构，其特征在于，包括：
基板，具有第一开口；
介电层，设置在基板上，其中所述介电层具有与所述第一开口对准的第二开口；
隔膜，设置在所述介电层的所述第二开口内，其中所述隔膜的外围区域在所述第二开口的侧壁处嵌入所述介电层中；以及
背板层，设置在所述介电层上并覆盖所述第二开口，其中所述背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔，其中所述规则数组图案包括图案单元，所述图案单元包括所述之一声孔作为中心孔，并且围绕所述中心孔的所述声孔的外围孔与中心孔的间距相同。
2.根据权利要求1所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述背板层被配置为具有中心区域及外围区域，所述声孔分布在所述中心区域内，其中在所述背板层的所述外围区域内还包括外环声孔及接口声孔，其中具有均匀的第一尺寸的所述外环声孔以环的形式分布在所述背板层，具有不均匀的第二尺寸的所述接口声孔分布在所述环及所述中心区域之间。
3.根据权利要求2所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述第二尺寸小于所述第一尺寸，其中所述背板层的所述外围区域为环形排列。
4.一种微机电系统麦克风结构，其特征在于，包括：
基板，具有第一开口；
介电层，设置在基板上，其中所述介电层具有与所述第一开口对准的第二开口；
隔膜，设置在所述介电层的所述第二开口内，其中所述隔膜的外围区域在所述第二开口的侧壁处嵌入所述介电层中；及
背板层，设置在所述介电层上并覆盖所述第二开口，其中，所述背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔，所述规则数组图案包括六边形单元，每个所述六边形单元具有六个所述声孔于所述单元角落处，及一个所述声孔位于所述单元中心处。
5.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述背板层被配置为具有中心区域及外围区域，所述声孔分布在所述中心区域内，其中所述外围区域内的所述背板层还包括外环声孔及接口声孔，其中，具有匀匀第一尺寸的外环声孔以环的形式分布在所述背板层，具有不均匀第二尺寸的所述接口声孔分布在所述环及所述中心区域之间，其中第二尺寸小于第一尺寸。
6.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述声孔是相同尺寸的圆孔。
7.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述声孔是相同尺寸的六边形孔。
8.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述背板层包括：
电介质背板层；及
电极层，设置在所述电介质背板层的一侧。
9.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述隔膜包括多个压力平衡孔。
10.根据权利要求9所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述压力平衡孔在所述电介质层的所述第二开口内的所述振动膜的周边区域均匀地分布。
11.根据权利要求9所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述压力平衡孔分布在所述膜片的中央区域。
12.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，所述隔膜是圆形导电层。
13.根据权利要求4所述的微机电麦克风结构，其特征在于，还包括：
第一插塞结构，其穿透所述背板层及所述介电层以在所述周边区域连接至所述隔膜；及
第二插塞结构，其设置在所述背板层中以连接至所述背板层的电极层。
14.一种用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，包括：
提供基板；
在所述基板上形成电介质层，其中所述电介质层嵌入有隔膜；
在所述介电层上形成背板层，其中所述背板层包括布置成规则数组图案的多个声孔，所述规则数组图案包括六边形单元，每个所述六边形单元在角落具有六个所述声孔，以及一个所述声孔位于所述六边形中心；
图案化所述基板具有第一开口；及
执行蚀刻工艺蚀刻部分所述介电质层以形成第二开口以释放所述隔膜的感测区域，其中所述蚀刻工艺包括通过所述隔膜一侧的所述声孔蚀刻所述介电层。
15.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，形成的所述背板层被配置为具有中心区域及外围区域，所述声孔分布在所述中心区域内，
其中，在所述背板层的所述外围区域内还包括外环声孔及接口声孔，其中具有匀匀的第一尺寸的所述外环声孔以环的形式分布在所述背板层，具有不均匀的第二尺寸的所述接口声孔分布在所述环及所述中心区域之间，其中所述第二尺寸小于所述第一尺寸。
16.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述声孔是相同尺寸的圆形孔。
17.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述声孔是相同尺寸的六边形孔。
18.根据权利要求14所述的用于微机电麦克风的制造方法，其特征在于，所述形成背板层的步骤包括：
在所述介电层上形成电极层；
在所述介电层及所述电极层上形成电介质背板层；及
使所述电介质背板层形成声孔。
19.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述隔膜包括多个压力平衡孔。
20.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述压力平衡孔均匀地分布在所述电介质层的所述第二开口内的所述隔膜的外围区域处。
21.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述压力平衡孔分布在所述隔膜的中央区域。
22.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，所述隔膜是圆形导电层。
23.根据权利要求14所述的用于制造微机电麦克风的方法，其特征在于，还包括：
形成第一插塞结构，其穿透所述背板层及所述介电层以在外围区域连接至所述隔膜；及
形成第二插塞结构，所述第二插塞结构设置在所述背板层中以连接至所述背板层的所述电极层。
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