CN114071345A - 微机电系统麦克风及其制造方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种微机电系统麦克风及其制造方法。该微机电系统麦克风包括：衬底，被配置为具有形成在其中心部分中的贯通部分；振动膜，被配置为具有形成在衬底的贯通部分上的不均匀结构；以及固定膜，设置在与振动膜间隔预定距离的上部位置。

Description

微机电系统麦克风及其制造方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2020年8月5日提交的韩国专利申请第10-2020-0098180号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及一种高灵敏度微机电系统(MEMS)麦克风及其制造方法。

背景技术

通常，电容器类型的麦克风使用彼此面对的两个电极之间产生的电容来输出语音信号。可以通过半导体MEMS工艺将电容器类型的麦克风制造为具有非常小的尺寸。

MEMS麦克风的现有结构形成为包括均匀的振动膜和固定膜，如图1所示，以将当声压施加到振动膜上并上下移动时产生的电容变化转换为电压信号。

决定MEMS麦克风的灵敏度的最重要因素包括振动膜的刚度、振动膜与固定膜之间的间隙、偏置电压等，减少振动膜的残余应力或减小振动膜与固定膜之间的间隙以提高灵敏度的过程存在限制，并且正在积极研究在结构上解决振动膜的残余应力的同时降低刚度的技术。

在该背景技术部分公开的以上信息仅用于增强对本公开的背景的理解，并且因此，其可能包含不构成该国家中本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本公开内容公开了一种高灵敏度MEMS麦克风及其制造方法，该麦克风能够通过形成具有不均匀结构的振动膜来降低振动膜的刚度并使电容最大化，从而提高灵敏度。

本公开的技术目的不限于上述目的，并且本领域技术人员可以从权利要求的描述中清楚地理解未提及的其他技术目的。

本公开的示例性实施方式提供了一种MEMS麦克风，包括：衬底，被配置为具有形成在其中心部分中的贯通部分；振动膜，被配置为具有形成在衬底的贯通部分上的不均匀结构；以及固定膜，沉积在与具有不均匀结构的振动膜间隔预定距离的上部位置。

在示例性实施方式中，固定膜可以具有空气入口，该空气入口的表面垂直面对将被穿透的振动膜的不均匀结构的凸起部分。

在示例性实施方式中，固定膜可以沉积在具有不均匀结构的振动膜上以与不均匀结构间隔开，并且包括：固定膜电极层；以及沉积在固定膜电极层上的固定膜支撑层。

在示例性实施方式中，MEMS麦克风可以进一步包括沉积在除衬底的贯通部分之外的区域中的衬底上的氧化膜。

在示例性实施方式中，MEMS麦克风可以进一步包括沉积在振动膜上的牺牲层，该振动膜沉积在氧化膜上。

在示例性实施方式中，固定膜支撑层可以沉积在牺牲层上。

在示例性实施方式中，MEMS麦克风可以进一步包括用于向振动膜供应电压的第一电极焊盘。

在示例性实施方式中，第一电极焊盘可以形成为通过由蚀刻牺牲层和固定膜支撑层而形成的孔接触振动膜。

在示例性实施方式中，MEMS麦克风可以进一步包括用于向固定膜供应电压的第二电极焊盘，。

在示例性实施方式中，第二电极焊盘可以形成为通过由蚀刻牺牲层而形成的孔接触固定膜。

在示例性实施方式中，振动膜可以具有多个具有环形结构的蚀刻图案，其中，环形蚀刻图案可以沿从圆的中心向圆的外方向扩展的方向形成，并且每个环形蚀刻图案可以具有这样的结构，其中，具有预定尺寸的图案在水平方向上以规则的间隔隔开以布置成环形结构。

在示例性实施方式中，振动膜可以具有环形结构的蚀刻图案，并且包括这样的结构，其中，交替布置具有不同长度的第一图案和第二图案，该第一图案和第二图案从环形蚀刻图案中的圆的中心沿纵向方向向外延伸。

在示例性实施方式中，振动膜可以具有多个具有环形结构的蚀刻图案，其中，环形蚀刻图案可以沿从圆的中心向圆的外方向扩展的方向形成，并且每个环形蚀刻图案可以包括这样的结构，其中，具有不同长度的第一图案和第二图案沿纵向方向交替设置。

本公开的示例性实施方式提供了一种MEMS麦克风的制造方法，包括：在衬底上沉积氧化膜，并使氧化膜图案化以具有不均匀结构；在氧化膜上沉积振动膜；在振动膜上沉积牺牲层；在牺牲层上沉积固定膜；蚀刻固定膜以在其中形成交替孔；通过蚀刻衬底的中心部分以暴露氧化膜来形成贯通部分；并且在贯通部分上蚀刻牺牲层和氧化膜。

在示例性实施方式中，固定膜的沉积可以包括：在牺牲层上沉积固定膜电极层；在固定膜电极层上沉积固定膜支撑层。

在示例性实施方式中，固定膜的蚀刻可以包括：蚀刻固定膜，使得孔和该孔下方的振动膜的不均匀结构的凸起部分位于垂直相同的位置。

在示例性实施方式中，该方法可以进一步包括：形成连接到振动膜的第一电极焊盘；并且形成连接到固定膜的第二电极焊盘。

在示例性实施方式中，连接到振动膜的第一电极焊盘的形成可以包括：通过蚀刻固定膜和牺牲层以暴露振动膜来形成电极孔；并且通过在电极孔中沉积金属材料来形成第一电极焊盘。

在示例性实施方式中，连接到固定膜的第二电极焊盘的形成可以包括：通过蚀刻固定膜支撑层以暴露固定膜电极层来形成电极孔；并且通过在电极孔中沉积金属材料来形成第二电极焊盘。

在示例性实施方式中，在氧化膜上沉积振动膜可以包括：在氧化膜上沉积振动膜；执行离子注入到振动膜中；并且对离子注入的振动膜执行退火。

根据该技术，可以通过以不均匀结构形成振动膜来降低振动膜的刚度并使电容最大化，从而通过简单的蚀刻工艺来提高灵敏度。

另外，可以提供可以通过该文件直接或间接识别的各种效果。

附图说明

图1示出了常规MEMS麦克风的截面图。

图2示出了示出本公开的一种形式的MEMS麦克风的截面图。

图3示出了本公开的一种形式的MEMS麦克风的固定膜的俯视图。

图4示出了本公开的一种形式的MEMS麦克风的振动膜的俯视图。

图5A至图5C示出了本公开的一种形式的MEMS麦克风的3D结构图。

图6A至图6I示出了用于描述本公开的一种形式的MEMS麦克风的制造过程的示意性过程图。

图7A和图7B示出了本公开的一种形式的MEMS麦克风的振动膜的俯视图。

图8示出了示出本公开的一种形式的MEMS麦克风的振动膜的不均匀结构和均匀结构的灵敏度的比较的曲线图。

图9示出了本公开的一种形式的MEMS麦克风中具有不均匀结构的振动膜的位移分析结果。

具体实施方式

在下文中，将参考示例性附图详细描述本公开的一些示例性实施方式。应当注意，在将参考数字添加到每个附图的组成元件中时，即使在不同附图上指示相同的组成元件，也尽可能具有相同的参考数字。另外，在描述本公开的示例性实施方式时，当确定相关的公知配置或功能的详细描述干扰对本公开的示例性实施方式的理解时，将省略其详细描述。

在描述根据本公开的示例性实施方式的组成元件时，可以使用诸如第一、第二、A、B、(a)和(b)的术语。这些术语仅用于将组成元件与其他组成元件区分开，并且组成元件的性质、序列或顺序不受术语的限制。另外，本文所使用的所有术语(包括技术科学术语)具有与本公开所属技术领域的技术人员(本领域技术人员)通常理解的含义相同的含义，除非它们被不同地定义。在通用词典中定义的术语应解释为具有与相关领域的上下文中的含义匹配的含义，并且不应解释为具有理想或过于正式的含义，除非它们在本申请中被明确地定义。

本公开公开了一种技术，该技术能够通过将MEMS麦克风的振动膜形成为具有不均匀结构来降低刚度(即使当向物体施加压力时也不会改变形状或体积的刚性特性)并且使电容最大化，从而提高灵敏度。

在下文中，将参考图2至图9详细描述本公开的示例性实施方式。

图2示出了根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的截面图，图3示出了根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的固定膜的俯视图，并且图4示出了根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的振动膜的俯视图。

参考图2，在根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风中，在衬底201上形成氧化膜203，并且在氧化膜203上沉积具有不均匀结构的振动膜204，并且在振动膜204上依次堆叠有牺牲层205、固定膜电极层206和固定膜支撑层207。在这种情况下，固定膜电极层206和固定膜支撑层207被称为固定膜。

蚀刻衬底201的中心部分以形成贯通部分221，并且通过蚀刻具有不均匀结构的振动膜204上的牺牲层205，振动膜204与固定膜206和207被空气层222间隔开。

通过蚀刻图案蚀刻固定膜206和207以交替地形成孔208，并且孔208中的每一个可以形成为定位成面对振动膜204的不均匀结构的凸起部分209，例如，在垂直相同的位置。相对照地，固定膜206和207可以形成为定位成面对振动膜204的不均匀结构的凹入部分，即，在垂直相同的位置。这样，由于固定膜206和207的孔208位于与振动膜204的不均匀结构的凸起部分相同的位置，所以可以使振动膜与固定膜之间的电容变化最大化以提高灵敏度。

另外，MEMS麦克风包括用于向固定膜电极层206施加电压的电极焊盘211和用于向振动膜204施加电压的电极焊盘212。

可以通过蚀刻固定膜支撑层207以暴露固定膜电极层206并且在由此形成的电极孔中沉积金属材料以具有预定厚度来形成电极焊盘211。可以通过蚀刻固定膜206和207以及牺牲层205以暴露振动膜204并且在由此形成的电极孔中沉积金属材料以具有预定厚度来形成电极焊盘212。

在这种情况下，衬底201、固定膜电极层206和振动膜204可以由多晶硅形成，牺牲层205可以被沉积为氧化膜，并且固定膜支撑层207可以由氮化硅(SiN)层形成。

参考图3的固定膜的俯视图，用于在固定膜支撑层207与固定膜电极层206之间形成孔208的蚀刻图案形成为沿从其中心到外侧增加的方向具有环形结构，并且相应环形蚀刻图案沿恒定的水平条形图案以预定间隔绘制圆的方向分别形成。

如图4所示，振动膜204沿振动膜204的环形图案213、214、215和216的尺寸从对应圆的中心到外侧增大的方向形成，并且相应环形图案213、214、215和216沿恒定的水平条形图案以预定间隔绘制圆的方向分别形成。

这样，根据本公开，振动膜可以以不均匀结构形成以减轻残余应力从而减小刚度，并且可以通过在固定膜上的与振动膜的不均匀结构的凸起部分相对应的位置上形成孔来使振动膜与固定膜之间的电容变化最大化，从而提高灵敏度。

图5A至图5C示出了根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的3D结构图。

图5A示出了MEMS麦克风的3D薄膜结构，其被配置为包括固定膜510和振动膜520，振动膜520被配置为具有构成电极层的不均匀结构522的单个多晶硅膜521的形式，并且固定膜510被形成为包括固定膜电极层511和固定膜支撑层512。在这种情况下，固定膜电极层511可以由多晶硅薄膜形成，并且固定膜支撑层512可以由氮化硅层形成。振动膜520具有缝隙状的不均匀结构形成放射状的结构，并且蚀刻并穿透该不均匀结构的与其突出表面垂直并与固定膜电极层511接触的表面。

图5B示出了根据本公开的示例性实施方式的振动膜520的平面图，并且图5C示出了根据本公开的实施方式的固定膜510的平面图。在固定膜510中，孔513被交替地定位。

图6A至图6I示出了用于描述根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的制造过程的示意性过程图。

首先，参考图6A，氧化膜602沉积在硅衬底601上以具有预定厚度，并且被图案化以具有不均匀形状。例如，可以使用蚀刻掩模来执行不均匀形状的图案化。

接下来，参考图6B，在不均匀氧化膜602上沉积振动膜603，并且对其执行离子注入和退火。例如，振动膜603可以由多晶硅形成。在这种情况下，通过离子注入来掺杂杂质，并且退火是用于加热金属材料的热处理方法之一，这可以降低金属的硬度和刚度。

接下来，参考图6C，在退火的振动膜603上沉积用于形成牺牲层604的氧化膜以具有预定厚度。

接下来，参考图6D，在牺牲层604上沉积固定膜电极层605，对其执行离子注入和退火，并且然后在其上沉积用于形成固定膜支撑层606的氮化硅膜(SiN)以具有预定厚度。例如，固定膜电极层605可以由多晶硅形成。

接下来，参考图6E，执行用于以不均匀类型形成固定膜电极层605的固定孔的图案化。例如，可以通过使用蚀刻掩模蚀刻固定膜电极层605来形成固定孔607来将固定膜电极层605形成为具有不均匀结构。

接下来，参考图6F，通过蚀刻工艺在振动膜603上蚀刻牺牲层604、固定膜电极层605和固定膜支撑层606来形成用于形成电极焊盘的孔608和618。

接下来，参考图6G，通过在电极焊盘孔608上沉积用于形成电极焊盘的金属材料来形成电极焊盘609和619。

接下来，参考图6H，通过在振动膜603下通过硅衬底601的背蚀刻将硅衬底601蚀刻到暴露氧化膜602的位置来形成贯通部分610。

接下来，参考图6I，通过氢氟酸蒸发蚀刻来蚀刻氧化膜602和牺牲层604，并且通过将其蚀刻到暴露固定膜电极层605的位置来形成空气层611。因此，振动膜603和固定膜电极层605被空气层611间隔开预定间隔。

图7A和图7B示出了根据本公开的另一示例性实施方式的MEMS麦克风的振动膜的俯视图。

参考图7A，具有不均匀结构的振动膜711具有蚀刻图案712(具有环形结构)，并且包括围绕中心圆713逐渐扩展的环形结构714、715和716。

环形结构714、715和716中的每一个从中心圆713向外扩展，包括交替定位的图案717和718，并且图案717和718中的每一个具有从中心圆713向外延伸的不同长度。在图7A中，图案717可以形成为比图案718更长。

参考图7B，振动膜721具有蚀刻图案722(具有环形结构)，从中心723延伸到外周724的图案725和726沿顺时针方向交替定位，图案725和726中的每一个包括从中心723延伸到外周724的纵向形状，并且图案725的长度可以比图案726的长度长。

图8示出了示出根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风的振动膜的不均匀结构和均匀结构的灵敏度的比较的曲线图，并且图9示出了根据本公开的示例性实施方式的MEMS麦克风中具有不均匀结构的振动膜的位移分析结果。

根据本公开的示例性实施方式，通过将相对简单的蚀刻工艺应用于振动膜，振动膜和固定膜的结构可以显著提高灵敏度而不会增加工艺成本。

参考图8，在使用具有不均匀结构的振动膜的情况下，可以看出，与使用具有均匀结构的振动膜的麦克风相比，灵敏度提高了约两倍。

根据本公开的示例性实施方式，如图5A所示，可以在3D建模之后通过分析来验证不均匀结构的振动膜，并且作为分析具有如图9所示的不均匀结构的振动膜的位移和灵敏度的结果，可以看出，通过减小振动膜的应力来增强振动位移和灵敏度以及通过增加由不均匀结构引起的电容变化来提高灵敏度。

以上描述仅是本公开的技术思想的说明，并且本公开所属领域的技术人员可以在不脱离本公开的本质特征的情况下进行各种修改和变型。

因此，本公开中所公开的示例性实施方式并非旨在限制本公开的技术思想，而是用于解释它们，并且本公开的技术思想的范围不受这些示例性实施方式的限制。本公开的保护范围应由以下权利要求解释，并且等效范围内的所有技术思想应被解释为包括在本公开的范围内。

Claims (20)

1.一种微机电系统麦克风，包括：

衬底，被配置为具有形成在所述衬底的中心部分中的贯通部分；

振动膜，被配置为具有形成在所述衬底的所述贯通部分上的不均匀结构；以及

固定膜，设置在与所述振动膜间隔预定距离的上部位置。

2.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述固定膜具有空气入口，所述空气入口的表面垂直面对将被穿透的所述不均匀结构的凸起部分。

3.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述固定膜设置在所述振动膜上以与所述不均匀结构间隔开，其中，所述固定膜进一步包括：

固定膜电极层；以及

固定膜支撑层，设置在所述固定膜电极层上。

4.根据权利要求3所述的微机电系统麦克风，进一步包括：

氧化膜，设置在除所述衬底的所述贯通部分之外的区域中的所述衬底上。

5.根据权利要求4所述的微机电系统麦克风，进一步包括：

牺牲层，设置在所述振动膜上，所述振动膜设置在所述氧化膜上。

6.根据权利要求5所述的微机电系统麦克风，其中，所述固定膜支撑层设置在所述牺牲层上。

7.根据权利要求6所述的微机电系统麦克风，进一步包括：

第一电极焊盘，被配置为向所述振动膜供应电压。

8.根据权利要求7所述的微机电系统麦克风，其中，所述第一电极焊盘通过由蚀刻所述牺牲层和所述固定膜支撑层而形成的孔接触所述振动膜。

9.根据权利要求6所述的微机电系统麦克风，进一步包括：

第二电极焊盘，被配置为向所述固定膜供应电压。

10.根据权利要求9所述的微机电系统麦克风，其中，所述第二电极焊盘通过由蚀刻所述牺牲层而形成的孔接触所述固定膜。

11.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述振动膜具有多个环形蚀刻图案，

其中，所述多个环形蚀刻图案沿从圆的中心向所述圆的外方向扩展的方向形成，并且

每个环形蚀刻图案具有一结构，在所述结构中，具有预定尺寸的图案在水平方向上以规则的间隔隔开以布置成环形结构。

12.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述振动膜具有环形蚀刻图案，

其中，所述振动膜包括一结构，在所述结构中，交替布置具有从环形蚀刻图案中的圆的中心沿纵向方向向外延伸的不同长度的第一图案和第二图案。

13.根据权利要求1所述的微机电系统麦克风，其中，所述振动膜具有多个环形蚀刻图案，

其中，所述多个环形蚀刻图案沿从圆的中心向所述圆的外方向扩展的方向形成，并且

每个环形蚀刻图案包括一结构，在所述结构中，具有不同长度的第一图案和第二图案沿纵向方向交替设置。

14.一种微机电系统麦克风的制造方法，所述方法包括以下步骤：

在衬底上设置氧化膜，并使所述氧化膜图案化以具有不均匀结构；

在所述氧化膜上设置振动膜；

在所述振动膜上设置牺牲层；

在所述牺牲层上设置固定膜；

蚀刻所述固定膜以在所述固定膜中形成交替孔；

通过蚀刻所述衬底的中心部分以暴露所述氧化膜来形成贯通部分；并且

在所述贯通部分上蚀刻所述牺牲层和所述氧化膜。

15.根据权利要求14所述的制造方法，其中，设置所述固定膜包括：

在所述牺牲层上设置固定膜电极层；并且

在所述固定膜电极层上设置固定膜支撑层。

16.根据权利要求14所述的制造方法，其中，所述固定膜的蚀刻包括：

蚀刻所述固定膜，使得所述孔和所述孔下方的所述振动膜的所述不均匀结构的凸起部分位于垂直方向上相同的位置。

17.根据权利要求14所述的制造方法，进一步包括以下步骤：

形成连接到所述振动膜的第一电极焊盘；并且

形成连接到所述固定膜的第二电极焊盘。

18.根据权利要求17所述的制造方法，其中，形成所述第一电极焊盘包括：

通过蚀刻所述固定膜和所述牺牲层以暴露所述振动膜来形成电极孔；并且

通过在所述电极孔中设置金属材料来形成所述第一电极焊盘。

19.根据权利要求17所述的制造方法，其中，形成所述第二电极焊盘包括：

通过蚀刻所述固定膜支撑层以暴露所述固定膜电极层来形成电极孔；并且

通过在所述电极孔中设置金属材料来形成所述第二电极焊盘。

20.根据权利要求14所述的制造方法，其中，在所述氧化膜上设置所述振动膜包括：

在所述氧化膜上设置振动膜；

执行离子注入到所述振动膜中；并且

对离子注入的振动膜执行退火。

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