CN114148985A - 静电微机电系统换能器、制造方法及电子设备 - Google Patents

静电微机电系统换能器、制造方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本公开公开了一种静电微机电系统换能器、制造方法及电子设备。该静电微机电系统换能器包括：第一电极；相对于第一电极能移动的第二电极；以及位于第一电极和第二电极之间的电介质层，其中，所述电介质层包括标准部分和泄漏部分，所述标准部分的材料是标准电介质材料，所述泄漏部分的材料是泄漏电介质材料。

Description

静电微机电系统换能器、制造方法及电子设备
技术领域
本公开涉及微机电系统换能器技术领域，以及更具体地，涉及一种静电微机电系统换能器、其制造方法及电子设备。
背景技术
静电微机电系统换能器例如可以包括麦克风、压力传感器、惯性传感器、微镜、扫描仪、开关/继电器等。静电微机电系统换能器通常包括可以相对移动的两个电极以及位于两个电极之间的电介质层。电介质层位于两个电极之间中，以防止两个电极之间的间隙(空气或真空)中发生电极穿或者在电极塌陷时防止电极短路。间隙中的电介质层通常会影响微机电系统换能器的性能和可靠性。
例如，在微机电系统麦克风中，在高电场下具有标准或“完美”绝缘特性(例如，高体电阻率)的电介质层通常会发生“充电”问题。这导致不同时间范围内的功能失效，所述时间范围取决于实际的充电/放电速度。由于充电问题，标准Si3N4可能具有长期稳定性问题，这导致灵敏度可能大幅下降。在另一个例子中，即使在短期来看，具有间隙中的标准Si3N4的微机电系统继电器也经常发生异常，它的“断开”状态可能是不可持续的。
图1示出了现有技术的静电微机电系统麦克风的例子。如图1所示，静电微机电系统麦克风10包括衬底1、位于衬底1上的振膜2、间隔件3、底电介质层5、背极6、顶电介质层7、焊盘4。图2示出了包含静电微机电系统麦克风10的麦克风单元20。麦克风单元20包括PCB21、盖子22、声孔23以及位于由PCB 21和盖子22围成的壳体内的静电微机电系统麦克风10。
因此，在现有技术中需要提出一种新的用于静电微机电系统换能器的技术方案以解决现有技术中的至少一个技术问题。
发明内容
本公开的一个目的是提供一种用于静电微机电系统换能器的新技术方案。
根据本公开的第一方面，提供了一种静电微机电系统换能器，包括：第一电极；相对于第一电极能移动的第二电极；以及位于第一电极和第二电极之间的电介质层，其中，所述电介质层包括标准部分和泄漏部分，所述标准部分的材料是标准电介质材料，所述泄漏部分的材料是泄漏电介质材料。
根据本公开的第二方面，提供了一种静电微机电系统换能器的制造方法，包括：在衬底上依次形成第一牺牲层、振膜和第二牺牲层，其中，在第二牺牲层上形成有至少两个凹陷；使用标准电介质材料在至少一个凹陷中沉积标准部分的底部电介质层；在形成有标准部分的底部电介质层的第二牺牲层上沉积泄漏电介质材料以形成泄漏部分的底部电介质层；在底部电介质层上形成背极；在背极上沉积顶部电介质层；蚀刻泄漏部分的底部电介质层，以形成底部电介质图案；形成用于振膜和背极的接触焊盘；去除第二牺牲层的至少一部分，以形成振膜和背极之间的间隙；以及去除第一牺牲层和衬底的至少一部分，以释放振膜。
根据本公开的第三方面，提供了一种电子设备，包括根据实施例的静电微机电系统换能器。
根据本公开的实施例，在静电微机电系统换能器的电介质层中，采用标准电介质材料部分和泄漏电介质材料部分混合的方式，可以在较长的时间内保持电介质层的稳定性，从而使静电微机电系统换能器在较长的时间范围内保持稳定性和可靠性。
通过以下参照附图对本公开的示例性实施例的详细描述，本公开的其它特征及其优点将会变得清楚。
附图说明
被结合在说明书中并构成说明书的一部分的附图示出了本公开的实施例，并且连同其说明一起用于解释本公开的原理。
图1示出了静电微机电系统麦克风的一个例子。
图2示出了包括图1的静电微机电系统麦克风的麦克风单元。
图3示出了图2的麦克风单元的形变示意图。
图4示出了根据一个实施例的静电微机电系统换能器。
图5-8示出了根据各个实施例的电介质层的图案。
图9-14示出了根据一个实施例的静电微机电系统换能器的制造方法。
图15示出了根据一个实施例的静电微机电系统换能器的示意性性能曲线图。
图16示出了根据一个实施例的电子设备的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本公开的范围。
以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
下面，参照附图说明这里公开的实施例。
如背景技术所述，在采用标准电介质材料作为电介质层的情况下，静电微机电系统麦克风的长期灵敏度可能会下降-3dB或更多。
此外，图3示出了在长期的情况下图2中的麦克风单元20发生形变的情况。PCB 21在长期使用中可能吸收湿气从而膨胀。如图3所示，PCB21发生弯曲，从而导致静电微机电系统麦克风10中的振膜2中的应力松弛。由于PCB 21的形变是不可逆的，静电微机电系统麦克风10的灵敏度可能会永久增加。
另外，“泄漏”电介质材料是提电阻率较低的电介质材料。“泄漏”电介质材料的体电阻率低于标准电介质材料的体电阻率。例如，“泄漏”电介质材料的体电阻率低于1010Ω.cm。
这里需要指出的是，“泄漏”电介质材料仍然是电介质材料，而不是导电材料。从这个方面来说，例如，“泄漏”电介质材料的体电阻率通常大于106Ω.cm。
本发明人发现，通过采用“泄漏”电介质材料作为电介质层，静电微机电系统麦克风的长期灵敏度可能会增加。
在长期可靠性测试中，通常可接受的微机电系统麦克风的灵敏度漂移是+/-1dB(<|1dB|)。
考虑到这些因素，在这里提出，采用标准电介质材料和泄漏电介质材料混合的技术方案。即，在电极间的电介质层中，部分区域采用标准电介质材料，而其他部分区域采用泄漏电介质材料。这样，可以通过构图，设计电介质层的长期性能，从而将长期性能/灵敏度漂移控制在较低的程度。
图4示出了根据一个实施例的静电微机电系统换能器。
如图4所示，静电微机电系统换能器30包括第一电极36、第二电极32和电介质层35a、35b。第二电极32能相对于第一电极36移动。电介质层35a、35b位于第一电极36和第二电极32之间。
电介质层包括标准部分35a和泄漏部分35b。标准部分35a的材料是标准电介质材料。泄漏部分35b的材料是泄漏电介质材料。
例如，如图15所示，标准部分35a的长期灵敏度变化曲线呈下降趋势，而泄漏部分35b的长期灵敏度变化曲线呈上升趋势。当将标准部分35a和泄漏部分35b混合形成电介质层时，在长期来看，混合的电介质层的灵敏度基本保持不变，从而提高静电微机电系统换能器的长期稳定性。
例如，图4中的静电微机电系统换能器可以是微机电系统麦克风。第一电极36是背极，第二电极32是振膜。背极36被沉积在电介质层35上。电介质层35是底介电质层。振膜32被形成在衬底31上。振膜32与电介质层35和背极36通过间隔件33间隔开。微机电系统麦克风还包括多个焊盘34，分别连接振膜32和背极35。在背极35上沉积顶电介质层37。
图5-8示出了根据各个实施例的电介质层的图案。
如图5所示，从底面看去(从图4中的衬底侧看去)，泄漏部分的底面图案包括第一环形图案41a，标准部分的底面图案包括位于第一环形图案41a内部的第一圆形图案41b。本领域技术人员应当理解，图5中的第一环形图案41a和第一圆形图案41b是泄漏部分和标准部分的整体图案，它们还可以包括多个电介质层凸起部分。图6-8中所示的泄漏部分和标准部分也是类似的。
如图6所示，泄漏部分的底面图案包括第二环形图案42a和第二圆形图案42b，标准部分的底面图案包括位于第二环形图案42a和第二圆形图案42b之间的第三环形图案42c。在图6所设计的图案中，标准部分被夹在两个泄漏部分之间，从而有利于使得电介质层的两个不同部分的特性变化抵消程度更加均匀。
如图7所示，泄漏部分的底面图案包括第四环形图案43a，标准部分的底面图案包括位于第四环形图案43a内部的第三圆形图案43c。泄漏部分的底面图案还包括截断图案43b。截断图案43b将第三圆形图案43c分割成至少两个部分。在图7中，截断图案43b呈十字形，它将第三圆形图案43c均匀分割成四个四分之一圆部分。在这个实施例中，由于截断图案，一方面使得标准部分和泄漏部分的特性变化抵消程度更加均匀，另一方面，可以利用截断图案，微调标准部分和泄漏部分之间的底面面积比率，从而实现期望的器件长期稳定性。
如图8所示，泄漏部分的底面图案包括第四圆形图案44a，标准部分的底面图案包括第五圆形图案44b和至少两个第六圆形图案44c。在图8的底面图案中，第五圆形图案44b和第六圆形图案44c散布在第四圆形图案44a中。第六圆形图案44c围绕第五圆形图案44b。在这方案中，一方面，标准部分在泄漏部分中可以分布得更加分散，从而实现更加均匀的特性变化抵消；另一方面，可以通过设计第六圆形图案44c，较容易地控制标准部分和泄漏部分之间的底面面积比率。
在这里，泄漏电介质材料可以是SixNy。例如，泄漏电介质材料的折射率在2.1至2.5的范围内。例如，泄漏电介质材料的Si:N的原子比率在1:1.1至1:0.9的范围内。例如，泄漏电介质材料的体电阻率在106Ω.cm至1010Ω.cm的范围内。
例如，标准电介质材料是SiNx。例如，标准电介质材料的折射率在1.9至2.1的范围内。例如，标准电介质材料的Si:N的原子比率在1:1.35至1:1.1的范围内。例如，标准电介质材料的体电阻率在1011Ω.cm至1016Ω.cm的范围内。
例如，标准部分和泄漏部分的底面面积比率在10％至90％之间。这样，可以有效地抵消标准部分和泄漏部分的特性变化。
图9-14示出了根据一个实施例的静电微机电系统换能器的制造方法。
如图9所示，在衬底51上依次形成第一牺牲层52、振膜53和第二牺牲层54。在第二牺牲层54上形成有至少两个凹陷55。振膜53的材料例如包括多晶硅、绝缘体上碳-硅等。第一牺牲层52例如是使用PSG(磷硅玻璃)或LTO(低温氧化物)沉积形成的。例如，可以通过微影刻蚀形成凹陷55。
如图10所示，使用标准电介质材料在至少一个凹陷55中沉积标准部分的底部电介质层56。
如图11所示，在形成有标准部分的底部电介质层56的第二牺牲层54上沉积泄漏电介质材料以形成泄漏部分的底部电介质层57。接着，在底部电介质层56、57上形成背极58。背极58例如可以是多晶硅或金属铝等。
如图12所示，在背极58上沉积顶部电介质层59。接着，蚀刻泄漏部分的底部电介质层，以形成底部电介质图案。可以利用微影刻蚀，蚀刻掉不需要的底部电介质层。
如图13所示，形成用于振膜53和背极58的接触焊盘60。接触焊盘60的材料例如可以是CrAu、CrNiAu等。
如图14所示，去除第二牺牲层54的至少一部分，以形成振膜53和背极58之间的间隙。接着，去除第一牺牲层53和衬底51的至少一部分，以释放振膜53。
这里形成的静电微机电系统换能器可以是静电微机电系统麦克风。底部电介质层的底面图案可以是图5-8所示的电介质层图案。标准部分和泄漏部分可以如前面所描述的那样。在这里不再重复这些描述。
图16示出了根据这里公开的一个实施例的电子设备的示意图。如图16所示，电子设备70可以包括图4所示的静电微机电系统换能器30。电子设备70可以是手机、平板电脑、可穿戴设备等。静电微机电系统换能器30可以是麦克风、压力传感器、惯性传感器、微镜、扫描仪、开关/继电器等。
虽然已经通过例子对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制这里公开的范围。

Claims (10)

1.一种静电微机电系统换能器，包括：
第一电极；
相对于第一电极能移动的第二电极；以及
位于第一电极和第二电极之间的电介质层，
其中，所述电介质层包括标准部分和泄漏部分，所述标准部分的材料是标准电介质材料，所述泄漏部分的材料是泄漏电介质材料。
2.根据权利要求1所述的静电微机电系统换能器，其中，所述静电微机电系统换能器是微机电系统麦克风，所述第一电极是背极，所述第二电极是振膜，以及所述背极被沉积在所述电介质层上。
3.根据权利要求1或2所述的静电微机电系统换能器，其中，所述泄漏部分的底面图案包括第一环形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第一环形图案内部的第一圆形图案；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第二环形图案和第二圆形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第二环形图案和第二圆形图案之间的第三环形图案；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第四环形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第四环形图案内部的第三圆形图案，所述泄漏部分的底面图案还包括截断图案，所述截断图案将第三圆形图案分割成至少两个部分；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第四圆形图案，所述标准部分的底面图案包括第五圆形图案和至少两个第六圆形图案，第五圆形图案和第六圆形图案散布在第四圆形图案中，以及第六圆形图案围绕第五圆形图案。
4.根据权利要求1或2所述的静电微机电系统换能器，其中，泄漏电介质材料是SixNy，它的折射率在2.1至2.5的范围内，它的Si:N的原子比率在1:1.1至1:0.9的范围内，它的体电阻率在106Ω.cm至1010Ω.cm的范围内；以及
其中，标准电介质材料是SiNx，它的折射率在1.9至2.1的范围内，它的Si:N的原子比率在1:1.35至1:1.1的范围内，它的体电阻率在1011Ω.cm至1016Ω.cm的范围内。
5.根据权利要求1或2所述的静电微机电系统换能器，其中，标准部分和泄漏部分的底面面积比率在10％至90％之间。
6.一种静电微机电系统换能器的制造方法，包括：
在衬底上依次形成第一牺牲层、振膜和第二牺牲层，其中，在第二牺牲层上形成有至少两个凹陷；
使用标准电介质材料在至少一个凹陷中沉积标准部分的底部电介质层；
在形成有标准部分的底部电介质层的第二牺牲层上沉积泄漏电介质材料以形成泄漏部分的底部电介质层；
在底部电介质层上形成背极；
在背极上沉积顶部电介质层；
蚀刻泄漏部分的底部电介质层，以形成底部电介质图案；
形成用于振膜和背极的接触焊盘；
去除第二牺牲层的至少一部分，以形成振膜和背极之间的间隙；以及
去除第一牺牲层和衬底的至少一部分，以释放振膜。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其中，其中，所述泄漏部分的底面图案包括第一环形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第一环形图案内部的第一圆形图案；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第二环形图案和第二圆形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第二环形图案和第二圆形图案之间的第三环形图案；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第四环形图案，所述标准部分的底面图案包括位于第四环形图案内部的第三圆形图案，所述泄漏部分的底面图案还包括截断图案，所述截断图案将第三圆形图案分割成至少两个部分；或者
其中，所述泄漏部分的底面图案包括第四圆形图案，所述标准部分的底面图案包括第五圆形图案和至少两个第六圆形图案，第五圆形图案和第六圆形图案散布在第四圆形图案中，以及第六圆形图案围绕第五圆形图案。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其中，泄漏电介质材料是SixNy，它的折射率在2.1至2.5的范围内，它的Si:N的原子比率在1:1.1至1:0.9的范围内，它的体电阻率在106Ω.cm至1010Ω.cm的范围内；以及
其中，标准电介质材料是SiNx，它的折射率在1.9至2.1的范围内，它的Si:N的原子比率在1:1.35至1:1.1的范围内，它的体电阻率在1011Ω.cm至1016Ω.cm的范围内。
9.根据权利要求6所述的制造方法，其中，标准部分和泄漏部分的底面面积比率在10％至90％之间。
10.一种电子设备，包括根据权利要求1所述的静电微机电系统换能器。
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