CN114408855A - 数字式mems扬声器的制作方法 - Google Patents

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CN114408855A CN202111363603.4A CN202111363603A CN114408855A CN 114408855 A CN114408855 A CN 114408855A CN 202111363603 A CN202111363603 A CN 202111363603A CN 114408855 A CN114408855 A CN 114408855A
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董春晖
商庆杰
张力江
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Abstract

本发明提供了一种数字式MEMS扬声器的制作方法，属于微电子技术领域，包括气阀结构的制作方法，气阀结构的制作方法包括：在SOI片的顶层结构层刻蚀获得镂空的固定网格结构；在固定网格结构的镂空及表面沉积介质材料，获得第一绝缘层；在第一绝缘层上刻蚀互联孔；在第一绝缘层上制作多晶硅薄膜，并在互联孔内形成导电硅膜；在多晶硅薄膜上刻蚀获得镂空的活动网格结构，活动网格结构与固定网络结构在图形上形成互补；在多晶硅薄膜上制作Pad引线图形；在SOI片的底层支撑层上刻蚀气流通气孔；去除通气孔对应部位的介质材料，以构成气流通道。本发明基于微电子机械加工工艺制作，能够实现扬声器小体积、高性能、一致性和批量制造中低成本的优点。

Description

数字式MEMS扬声器的制作方法
技术领域
本发明属于微电子技术领域，具体涉及一种数字式MEMS扬声器的制作方法。
背景技术
扬声器是制作音响、声学有源降噪设备等的基础，目前的扬声器的工作方式主要为模拟式，即通过控制振膜的振动幅度和振动频率来实现发声。现有扬声器可分为动铁、动圈、压电等结构形式，其部件均采用传统机械加工实现并采用组装工艺实现集成装配，因此其体积较大、性能一致性差、批量制造下成本较高。
发明内容
本发明实施例提供一种数字式MEMS扬声器的制作方法，基于气流控制原理，采用微电子机械加工工艺，解决现有扬声器体积较大、性能一致性差、批量制造成本高的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种数字式MEMS扬声器的制作方法，所述方法包括气阀结构的制作方法，所述气阀结构的制作方法包括：
在SOI片的顶层结构层刻蚀获得镂空的固定网格结构；
在所述固定网格结构的镂空及表面沉积介质材料，获得第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上刻蚀互联孔；
在所述第一绝缘层上制作多晶硅薄膜，并在所述互联孔内形成导电硅膜，以使所述多晶硅薄膜与所述固定网格结构形成信号连通；
在所述多晶硅薄膜上制作Pad引线图形，形成互联电极；
在所述多晶硅薄膜上刻蚀获得镂空的活动网格结构；所述活动网格结构与固定网络结构在图形上形成互补；
在所述SOI片的底层支撑层上刻蚀气流通气孔；
去除所述通气孔对应部位的介质材料，以使所述通气孔、所述固定网格结构、所述活动网格结构构成气流通道，获得所述气阀结构。
在一种可能的实现方式中，所述方法还包括均流板结构的制作方法，所述均流板结构的制作方法包括：
在多层硅片的底层硅片上制作用于供气的总输入口；
在所述多层硅片的中间层硅片上制作均流腔；
在所述多层硅片的顶层硅片上制作与所述气阀结构上的通气孔一一对应的分输出口；
将制作的所述均流板结构与所述气阀结构键合在一起。
在一种可能的实现方式中，所述支撑层厚度为300um～600um，所述支撑层的材质选择低阻硅、常阻硅或高阻硅中的任一种。
在一种可能的实现方式中，所述结构层的材质为低阻硅，掺杂类型为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为5um～10um。
在一种可能的实现方式中，所述固定网格结构上的镂空孔为圆孔或矩形孔，直径或边长为15um～25um。
在一种可能的实现方式中，所述第一绝缘层的厚度为1um～3um。
在一种可能的实现方式中，所述多晶硅薄膜掺杂类型为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为1um～10um。
在一种可能的实现方式中，所述通气孔为圆孔或方孔，直径或边长为150um～250um。
在一种可能的实现方式中，所述分输出口为圆孔或方孔，直径或边长为150um～250um。
本发明提供的数字式MEMS扬声器的制作方法，与现有技术相比，有益效果在于：基于气流控制原理，采用微电子机械加工工艺制作，鉴于MEMS技术高精度、批量化和低成本的技术特点，实现扬声器小体积、高性能一致性和批量制造中低成本的优点，获得的芯片级扬声器可广泛应用于高性能音响、声学有源降噪等领域。
附图说明
图1为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤一的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤二的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤三的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤四的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤五的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤六的结构示意图；
图7为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤七的结构示意图；
图8为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤八的结构示意图；
图9为本发明实施例提供的气阀结构制作步骤九的结构示意图；
图10为本发明实施例制作的气阀结构的结构示意图；
图11为本发明实施例制作的均流板结构的结构示意图；
图12为本发明实施例制作的数字式MEMS扬声器装置的结构示意图(阀孔全部开启)；
图13为本发明实施例制作的数字式MEMS扬声器装置的结构示意图(部分阀孔关闭)；
图14为本发明实施例制作的数字式MEMS扬声器装置的一个像素单元的结构示意图；
图15为图14所示的数字式MEMS扬声器装置的俯视结构示意图；
附图标记说明：
1、气阀结构；11、第一电极；12、活动网格结构；13、互联孔；14、第一绝缘层；15、固定网格结构；16、第二绝缘层；17、支撑层；18、通气孔；19、第一气阀孔；110、第二气阀孔；111、第二电极；112、悬臂；2、均流板结构；21、顶层均流板层；22、中间的均流板层；23、底层均流板层；24、总输入口；25、均流腔；26、分输出口；27、结构层；28、多晶硅薄膜。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请一并参阅图1至图15，现对本发明提供的数字式MEMS扬声器的制作方法进行说明。所述数字式MEMS扬声器的制作方法，
所述方法包括气阀结构1的制作方法，如图1至图10所示，所述气阀结构1的制作方法包括：
在SOI片的顶层结构层27刻蚀获得镂空的固定网格结构15；
在固定网格结构15的镂空及表面沉积介质材料，获得第一绝缘层14；
在第一绝缘层14上刻蚀互联孔13；
在第一绝缘层14上制作多晶硅薄膜28，并在互联孔13内形成导电硅膜，以使多晶硅薄膜28与固定网格结构15形成信号连通；
在多晶硅薄膜28上制作Pad引线图形，形成互联电极；
在多晶硅薄膜28上刻蚀获得镂空的活动网格结构12；活动网格结构12与固定网络结构在图形上形成互补；
在SOI片的底层支撑层17上刻蚀气流通气孔18；
去除通气孔18对应部位的介质材料，以使通气孔18、固定网格结构15、活动网格结构12构成气流通道，获得气阀结构1。
本实施例提供的数字式MEMS扬声器的制作方法，与现有技术相比，基于气流控制原理，采用微电子机械加工工艺制作，鉴于MEMS技术高精度、批量化和低成本的技术特点，能够实现扬声器小体积、高性能、一致性和批量制造中低成本的优点，获得的芯片级扬声器可广泛应用于高性能音响、声学有源降噪等领域。
说明的是，SOI(硅技术)SOI全称为Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层。SOI材料具有了体硅所无法比拟的优点：可以实现集成电路中元器件的介质隔离，彻底消除了体硅CMOS电路中的寄生闩锁效应；采用这种材料制成的集成电路还具有寄生电容小、集成密度高、速度快、工艺简单、短沟道效应小及特别适用于低压低功耗电路等优势，因此可以说SOI将有可能成为深亚微米的低压、低功耗集成电路的主流技术。
本实施例中，如图1所示，定义SOI片的中间氧化层为第二绝缘层16，顶层硅为结构层27，以形成固定网格结构15，底层硅为支撑层17，以提供气阀结构1的支撑作用。其中，第一绝缘层14和第二绝缘层16的材质为二氧化硅。
本文中MEMS(Micro-Electro-Mechanical System)微电子机械加工技术是在半导体集成电路加工技术的基础上发展起来的，与传统的机械加工技术不同，微电子机械加工技术具备了集成电路制造技术的高精度的特点，可实现高精度的三维立体微结构，采用微电子机械加工技术可以实现本文提供的数字式扬声器。
本实施例提供的气阀结构1的制作流程及参数如下：
步骤一、使用市售的SOI片，下层硅背面抛光，支撑层17厚度为300um～600um，可以是低阻硅、常阻硅或高阻硅；中间具有氧化绝缘层，也即第二绝缘层16，其厚度为0.5～2um，结构层27材质为低阻硅材料，掺杂类型可以为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为5um～10um，如图1所示。
步骤二、使用光刻和反应离子刻蚀工艺，在SOI片上表面刻蚀获得镂空的固定网格结构15，该固定网格结构15可以根据结构层27厚度下的空气阻尼进行设计，典型设计为直径20um的圆孔，如图2所示。
步骤三、使用气相淀积工艺，在固定网格结构15的镂空及表面填充氧化硅介质层，并采用CMP(Chemical Mechanical Polishing化学机械抛光)工艺对表面进行平坦化，获得第一绝缘层14，厚度范围为1～3um，如图3所示。
步骤四、使用光刻和反应离子刻蚀工艺在第一绝缘层14表面刻蚀去除互联孔13的介质层，互联孔13典型为直径10um的圆孔，如图4所示。
步骤五、使用气相淀积工艺，在第一绝缘层14的上表面制作一层多晶硅薄膜28，并采用CMP工艺对表面进行平坦化。该多晶硅薄膜28会在第二绝缘层16上的互联孔13内形成互联孔13结构，该互联孔13结构为导电硅膜。在多晶硅薄膜28制作过程中或制作后，需要对薄膜进行低阻掺杂，掺杂类型可以为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为1um～10um，如图5所示。
步骤六、采用溅射腐蚀或蒸发玻璃工艺，在芯片表面制作Pad引线图形，构成互联电极，Pad引线图形金属可以为Au、Al等材料，金属厚度为0.1um～3um，如图6所示。
步骤七、使用光刻和反应离子刻蚀工艺，在多晶硅薄膜28中刻蚀获得镂空的活动网格结构12，活动网格结构12和固定网络结构在图形上有互补性，以便于活动网格结构12在静电力的作用下关闭固定网格结构15上的镂空，使该气流通道关闭，如图7所示。
步骤八、使用光刻和反应离子刻蚀工艺在芯片背面制作气流通气孔18，可以为圆孔或方孔等多种形式，典型直径或边长为200um，如图8所示。
步骤九、采用液相或气相HF释放技术，去除对应通气孔18部位的介质层(包括SOI片中间的介质、固定网格结构15镂空内的介质及第一绝缘层14)，最终获得固定网格结构15与活动网格结构12，如图9、图10所示。
本实施例提供的数字式MEMS扬声器的制作方法，还包括均流板结构2的制作方法，如图11所示，所述均流板结构2的制作方法包括：
在多层硅片的底层硅片上制作用于供气的总输入口24；
在多层硅片的中间层硅片上制作均流腔25；
在多层硅片的顶层硅片上制作与气阀结构1上的通气孔18一一对应的分输出口26；
如图12及图13所示，将制作的均流板结构2与气阀结构1键合在一起。
本发明实施例提供的均流板结构2的制作流程如下：
步骤一、采用多层双抛硅片，可以是低阻硅、常阻硅或高阻硅，掺杂类型可以为N型或P型，材料的片厚为300um～600um。
步骤二、使用光刻和反应离子刻蚀工艺，在底层硅片上制作供气的总输入口24，总输入口24可以为圆形、方形、椭圆形及其他形状的多边形，典型为直径1mm的圆孔；在中间层硅片上制作用于实现气流均匀分布的均流网络结构或均流腔25；在顶层硅片上制作与气阀结构1一一对应的分输出口26，可以为圆孔或方孔等多种形式，典型直径或边长为200um。
最后，如图12及图13所示，将气阀结构1与均流板结构2纵向堆叠在一起，形成数字式MEMS扬声器装置，使用的圆片键合工艺可以使硅硅键合，金属键合等。请一并参阅图10至图14，现对本发明制备的数字式MEMS扬声器装置进行说明。所述数字式MEMS扬声器装置，包括：气阀结构1，所述气阀结构1包括依次层叠的SOI片、固定网格结构15、第一绝缘层14和活动网格结构12，SOI片至少设有一个通气孔18，固定网格结构15包括与通气孔18对应的第一像素单元，第一像素单元包括多个与通气孔18连通的第一气阀孔19；活动网格结构12包括与第一像素单元对应的第二像素单元，第二像素单元包括与第一气阀孔19呈错位布置的第二气阀孔110。
气阀结构1开启关闭控制过程如下：活动网格结构12中的第二像素单元在第一方向施力下，与固定网格结构15的第一像素单元接触关闭第一气阀孔19，使气阀结构1呈关闭态；活动网格结构12在自然状态下，与固定网格结构15分离，通气孔18、第一气阀孔19、第一绝缘层14上的连通孔及第二气阀孔110构成一个气流通道，使气阀结构1呈开启态。其中图12及图13中箭头所示为气流流动的方向。
上述实施例中，SOI片为气阀结构1提供支撑，第一绝缘层14用于固定网格结构15与活动网格结构12之间的电隔离，固定网格结构15上设置的第一气阀孔19，用于实现气流控制，活动网格结构12作为气阀启闭的控制，实现气流通道的选通。
作为本发明制备的一种数字式MEMS扬声器装置的一种具体实施方式，参见图12至图14，第一方向施力的结构包括设置于活动网格结构12上的互联电极，互联电极的第一电极11通过设置于绝缘层上的互联孔13与固定网格结构15信号连接，互联电极的第二电极111基于绝缘层与固定网格结构15电隔绝，第一方向施力为施加于第一电极11和第二电极111上的静电电压；其中，每一第二像素单元分别对应一互联电极。
本实施例第一方向施力垂直于SOI片，或者为层叠方向。当在对应的固定网格结构15和活动网格结构12的互联电极上施加静电电压时，气阀结构1中的活动网格结构12，可以在固定网格结构15的静电力作用下向下运动，电压范围为10～200V。
具体是，在对应像素单元的互联电极施加静电电源，该像素单元对应的阀孔呈关闭态，而未施加静电电压的像素单元阀孔仍为开启态；通过控制气阀结构1的多个发声点阵的运动时序，实现气流通道的选通，在空间中拼接成所需的声音包络，从而发出声音。
基于前述的一个实施例，也即在前述中，当SOI片的支撑层上设置一个通气孔18时，对应一个第一像素单元、一个第二像素单元及一互联电极，构成一个气流通道，这是气阀结构1的最小单元，参见图14及图15；在实际应用时，需要若干的这种最小单元，提供多个气流通道，通过选择性的启闭其中任一气流通道，或启闭其中的多个气流通道，实现扬声器声音的调节性，参见图12至图13。
因此，本发明制作的一种具有多个气流通道的数字式MEMS扬声器装置，具体结构如下：参见图12及图13，SOI片的支撑层上均匀布设多个通气孔18，固定网格结构15上的多个第一像素单元与通气孔18一一对应，第一像素单元中的第一气阀孔19呈阵列排布；活动网格结构12上的多个第二像素单元与第一像素单元一一对应，第二像素单元中的第二气阀孔110呈阵列排布；通过选择性的接通互联电极，以使第二像素单元选择性的关闭对应的第一像素单元，实现气流通道的选通。
以图12及图13为例，该扬声器包括四个第二像素单元，四个第一像素单元及四个通气孔；其中，两个第二像素单元关闭在两个对应的第一像素单元上，对应的两个气流通道呈关闭态；而没有接通电极，在自然状态或不受力状态的两个第二像素单元与第一像素单元之间的气阀孔仍保持畅通，该像素单元所处的气阀点呈开启态。在其他的实施例中，还可以制作不同数量的第一、第二像素单元。
其中，SOI片上的通气孔18可以矩阵排布、环形排布、三角形排布等其他形式进行布设；对应一通气孔18、一第一像素单元、一第二像素单元及一互联电极，构成一气流通道。第一气阀孔19和第二气阀孔110呈点阵布置，或者呈网格状布置，这些气阀孔的阵列方式，可以为矩形、环形或三角形等。其中，相邻气阀孔的中心间距为200um-500um，例如，中心间距为300um。
参见图12及图13，这些点阵在第一像素单元和第二像素单元上构成的网格图形，孔位和实心部位互补，且为了保证活动网格结构12的第二像素单元能够封闭对应的第一像素单元的气阀孔，第二像素单元的实心部位与第一像素单元的第一气阀孔19周围具有一定的搭接。
由于活动网格结构12为1～10um厚的多晶硅薄膜。活动网格结构12的厚度为几微米，在静电力的作用下很容易吸附到固定网格结构15上。其中，为了便于活动网格结构12的第二像素单元在静电力作用下与固定网格结构15相贴，第二像素单元通过悬臂112与活动网格结构12的相连，参见图15。
参见图11至图14，作为本发明制作的具有多个气流通道的数字式MEMS扬声器装置的一种具体实施方式，还包括均流板结构2，均流板结构2层叠于气阀结构1的硅衬底的底部，均流板结构2设有总输入口24、均流腔25及对应各通气孔18的分输出口。26作为总输入口24，在均流板的总输入口24需要外接送气装置，如送气风扇，送气风扇功率根据气阀结构1数量进行调整，功率范围为0.5～5W；总输入口24也可以外接真空泵实现抽气。总输入口24的位置，可以在均流板结构2的中心，也可以在偏离中心的任何位置；均流腔25对进入的气流进行均衡并重新分配至个分输出口26。
作为均流板结构2的一种具体实施方式，参见图11至图13，均流板结构2包括至少三层均流板层，其中，总输入口24设置在远离所述气阀结构1的底层均流板层23上，均流腔25设置于中间的均流板层22上，分输出口设置在与所述硅衬底连接的顶层均流板层21上。
作为均流板结构2的一种具体实施方式，均流板结构2包括至少三层硅片，各均流板层至少包括一层硅片。
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述方法包括气阀结构(1)的制作方法，所述气阀结构(1)的制作方法包括：
在SOI片的顶层结构层(27)刻蚀获得镂空的固定网格结构(15)；
在所述固定网格结构(15)的镂空及表面沉积介质材料，获得第一绝缘层(14)；
在所述第一绝缘层(14)上刻蚀互联孔(13)；
在所述第一绝缘层(14)上制作多晶硅薄膜(28)，并在所述互联孔(13)内形成导电硅膜，以使所述多晶硅薄膜(28)与所述固定网格结构(15)形成信号连通；
在所述多晶硅薄膜(28)上制作Pad引线图形，形成互联电极；
在所述多晶硅薄膜(28)上刻蚀获得镂空的活动网格结构(12)，所述活动网格结构(12)与固定网络结构在图形上形成互补；
在所述SOI片的底层支撑层(17)上刻蚀气流通气孔(18)；
去除所述通气孔(18)对应部位的介质材料，以使所述通气孔(18)、所述固定网格结构(15)、所述活动网格结构(12)构成气流通道，获得所述气阀结构(1)。
2.如权利要求1所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述方法还包括均流板结构(2)的制作方法，所述均流板结构(2)的制作方法包括：
在多层硅片的底层硅片上制作用于供气的总输入口(24)；
在所述多层硅片的中间层硅片上制作均流腔(25)；
在所述多层硅片的顶层硅片上制作与所述气阀结构(1)上的通气孔(18)一一对应的分输出口(26)；
将制作的所述均流板结构(2)与所述气阀结构(1)键合在一起。
3.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述支撑层(17)厚度为300um～600um，所述支撑层(17)的材质选择低阻硅、常阻硅或高阻硅中的任一种。
4.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述结构层(27)的材质为低阻硅，掺杂类型为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为5um～10um。
5.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述固定网格结构(15)上的镂空孔为圆孔或矩形孔，直径或边长为15um～25um。
6.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述第一绝缘层(14)的厚度为1～3um。
7.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述多晶硅薄膜(28)掺杂类型为N型或P型，体电阻率低于0.01Ω·cm，厚度为1um～10um。
8.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述通气孔(18)为圆孔或方孔，直径或边长为150um～250um。
9.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述分输出口(26)为圆孔或方孔，直径或边长为150um～250um。
10.如权利要求2所述的数字式MEMS扬声器的制作方法，其特征在于，所述Pad引线图形为Au或Al，厚度为0.1um～3um。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN114955983A (zh) * 2022-05-13 2022-08-30 地球山(苏州)微电子科技有限公司 一种腔体与电极结构的制作方法及扬声器

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