CN114640934A - Mems麦克风及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS麦克风的制备方法，包括步骤：提供衬底，形成第一牺牲层；于第一牺牲层中形成第一凹凸结构和第二凹槽；形成振膜材料层；形成第二牺牲层，于第二牺牲层中形成第三凹槽；于第二牺牲层上形成背极材料层，刻蚀出第四凹槽和用于形成背极阻挡块的第五凹槽；形成光刻胶层，对光刻胶层进行110‑180℃的高温处理，以使光刻胶层部分融化，使得光刻胶层在拐角处变平缓；于第二牺牲层中形成引线槽；于背极材料层上形成背板材料层，进行光刻刻蚀以形成背板结构；形成背极引线和形成振膜引线；刻蚀出空腔；进行刻蚀，以释放出振膜结构、背极结构和背板结构。本发明可以有效改善背板的应力分布，提升背板机械强度和MEMS麦克风的可靠性。

Description

MEMS麦克风及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，特别是涉及一种MEMS麦克风及其制备方法。

背景技术

随着消费电子的飞速发展，麦克风行业也跟着蓬勃了起来。麦克风被广泛应用于消费电子、智能家居等领域，可以说凡是有声控功能的设备都需要它。近几年来，传统的驻极体电容麦克风由于匹配工作相对繁琐已经被MEMS麦克风所取代。

现有的MEMS麦克风的局部结构示意图如图1所示，其包含一个可上下振动的膜片和固定的背板31，背板31自背极表面延伸到衬底32表面，背板具有优良的刚性并刻蚀有进声孔，允许空气流通而不引起偏离，振膜可以随声波发生弯曲造成振膜相对背极板移动，产生一定电容变化。与MEMS麦克风连接的ASIC芯片可以将此微弱的电容变化放大转换成电信号输出。

现有的工艺制作出的MEMS麦克风，其背板32的拐角通常如图1的圆圈处标记所示为直角，在受到机械冲击时，由于直角拐角处应力集中，所以该部位容易产生裂纹破损等不良，影响背板机械强度，导致MEMS麦克风的可靠性下降。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种MEMS麦克风及其制备方法，用于解决现有工艺中制作出的MEMS麦克风，其背板的拐角通常为直角，在受到机械冲击时，由于直角拐角处应力集中，所以该部位容易产生裂纹破损等不良，影响背板机械强度，导致MEMS麦克风的可靠性下降等问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种MEMS麦克风的制备方法，包括步骤：

提供衬底，于所述衬底的正面形成第一牺牲层；

对所述第一牺牲层进行光刻刻蚀，以于所述第一牺牲层中形成对应振膜的第一凹凸结构和第二凹槽，第二凹槽位于第一凹凸结构外侧，且显露出所述衬底；

采用保形沉积于所述第一牺牲层上形成振膜材料层，填充于第一凹凸结构内的振膜材料层构成振膜的褶皱结构，填充于第二凹槽内的振膜材料层构成振膜支架，于所述振膜材料层中形成显露出第一牺牲层的泄气孔；

形成覆盖振膜材料层的第二牺牲层，于所述第二牺牲层中形成对应背极阻挡块的第三凹槽；

于所述第二牺牲层上形成背极材料层，于背极材料层中刻蚀出用于形成进声孔的第四凹槽和用于形成背极阻挡块的第五凹槽，第五凹槽和第三凹槽上下一一对应连通，第四凹槽显露出第二牺牲层；

于背极材料层上形成光刻胶层，对光刻胶层进行110-180℃的高温处理，以使光刻胶层部分融化，使得光刻胶层在拐角处变平缓；

依光刻胶层对第二牺牲层进行光刻刻蚀，以于第二牺牲层中形成显露出振膜结构的引线槽，之后去除残余的光刻胶层；

于背极材料层上形成背板材料层，对所述背板材料层进行光刻刻蚀以形成背板结构，且显露出所述引线槽，所述背板结构包括背板、背极阻挡块和支撑结构，背板位于背极表面，背极阻挡块自背极表面沿纵向延伸到背极下方，支撑结构自背极表面延伸到衬底表面；

形成背极引线和于所述引线槽中形成振膜引线；

于所述衬底背面刻蚀出贯穿衬底的空腔；

对第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，以释放出振膜结构、背极结构和背板结构。

如上所述，本发明的MEMS麦克风及其制备方法，具有以下有益效果：本发明提供的MEMS麦克风及其制备方法，经改善的工艺流程设计，在沉积背板材料层前形成光刻胶层并进行高温处理，可以使得后续形成的背板坡度变缓，可以有效改善背板应力分布，避免局部应力过于集中，可显著提高背板的机械强度和MEMS麦克风的可靠性。

附图说明

图1显示为现有技术中的MEMS麦克风的局部结构示意图。

图2-19显示为依本发明提供的制备方法制备MEMES麦克风的各步骤中所呈现出的例示性截面结构示意图。

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。如在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

为了方便描述，此处可能使用诸如“之下”、“下方”、“低于”、“下面”、“上方”、“上”等的空间关系词语来描述附图中所示的一个元件或特征与其他元件或特征的关系。将理解到，这些空间关系词语意图包含使用中或操作中的器件的、除了附图中描绘的方向之外的其他方向。此外，当一层被称为在两层“之间”时，它可以是所述两层之间仅有的层，或者也可以存在一个或多个介于其间的层。

在本申请的上下文中，所描述的第一特征在第二特征“之上”的结构可以包括第一和第二特征形成为直接接触的实施例，也可以包括另外的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。

需要说明的是,本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，遂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。为使图示尽量简洁，各附图中并未对所有的结构全部标示。

请参阅图2至图19。

如图2-19所示，本发明提供一种MEMS麦克风的制备方法，包括步骤：

提供衬底11，于所述衬底11的正面(也可以定义为上表面或第一表面)形成第一牺牲层12；所述衬底11较佳地为半导体衬底11，其材质包括但不限于硅、锗、锗硅、绝缘体上硅、碳化硅、砷化镓等，本示例中以硅晶圆为例；第一牺牲层12优选但不限于氧化硅层，其可以通过化学气相沉积工艺形成，厚度可以为500nm-2000nm，该步骤后得到的结构如图2所示；

对所述第一牺牲层12进行光刻刻蚀，以于所述第一牺牲层12中形成对应振膜的第一凹凸结构121和第二凹槽122，第二凹槽122位于第一凹凸结构121的外侧，且显露出所述衬底11；该步骤可以包括，先于第一牺牲层12表面形成光刻胶材料层，然后经曝光显影定义出所需图形，然后依光刻胶材料层对第一牺牲层12进行刻蚀，以于第一牺牲层12中形成第一凹凸结构121，且该过程中可以同步刻蚀出对应振膜阻挡块的凹槽(未标示)，之后进行第二次光刻刻蚀，形成第二凹槽122，第一凹凸结构121和第二凹槽122可以为环状结构；在各自形成所需图形后，去除残余的光刻胶材料；当然，在其他示例中，也可以采用其他合适的方法，例如采用激光刻蚀先后形成第一凹凸结构121和第二凹槽122，得到的结构分别如图3及图4所示；

采用保形沉积，例如采用化学气相沉积于所述第一牺牲层12上形成振膜材料层13a，填充于第一凹凸结构121内的振膜材料层13a构成振膜的褶皱结构131，该褶皱结构131同样为具有凹凸结构，填充于第二凹槽122内的振膜材料层13a构成振膜支架132，得到的结构如图5所示；之后进行刻蚀，以于所述振膜材料层13a中形成显露出第一牺牲层12的泄气孔133，泄气孔133较佳地为多个，分布于褶皱结构131的外围，褶皱结构131、振膜支架132和泄气孔133都是组成振膜结构13的部分，振膜结构13还可以包括振膜阻挡块(未示出)，该振膜阻挡块可以位于褶皱结构131外围，其与衬底11具有间距，且该步骤中可以同步刻蚀出切割道21，切割道21位于振膜结构13的外围，且显露出第一牺牲层12，得到的结构如图6所示；振膜支架132可以绕设于褶皱结构131的外围，且振膜支架132可以为环形结构，其内部包覆有第一牺牲层12材料，这些材料将在后续的刻蚀工艺中免被去除，由此起到支撑振膜结构13的作用；

形成覆盖振膜材料层13a的第二牺牲层14，于所述第二牺牲层14中形成对应背极阻挡块172的第三凹槽141；第二牺牲层14的材质优选与第一牺牲层12的材质相同，例如均为氧化硅层，且同样可以通过化学气相沉积工艺形成，但其厚度通常大于第一牺牲层12的厚度，例如为3000nm-5000nm，因为其厚度将决定后续的背极结构15和振膜结构13之间的声腔大小；形成第二牺牲层14后得到的结构如图7所示，之后对其刻蚀而形成第三凹槽141，第三凹槽141通常为多个，且该刻蚀过程中，可以同步刻蚀出位于第三凹槽141外侧的沟道，该步骤后得到的结构如图8所示；

于所述第二牺牲层14上形成背极材料层15a，于背极材料层15a中刻蚀出用于形成进声孔的若干(通常为多个)第四凹槽151和用于形成背极阻挡块172的若干(通常为多个)第五凹槽152，第五凹槽152和第三凹槽141上下一一对应连通，第四凹槽151显露出第二牺牲层14；所述背极材料层15a优选但不仅限于多晶硅层，形成方法优选化学气相沉积工艺，形成背极材料层15a后得到的结构如图9所示；对背极材料层15a进行刻蚀而得到背极结构15，背极结构15包括由第四凹槽151和第五凹槽152间隔开的背极，第五凹槽152和第三凹槽141上下连通以用于后续形成背极阻挡块172，经刻蚀后得到的结构如图10所示；

采用包括但不限于旋涂工艺于背极材料层15a上形成光刻胶层16，得到的结构如图11所示，对光刻胶层16进行110-180℃的高温处理，以使光刻胶层16部分融化，使得光刻胶层16在拐角处变平缓，该过程可以参考图12-13所示；现有技术中都是在形成背极结构后直接沉积背板材料层，而本发明则创造性地在这两个步骤之间增加光刻胶涂布和对光刻胶的高温处理步骤，处理温度是本步骤中的一个关键点，温度太低则光刻胶可能难以熔融，而温度太高则可能导致光刻胶完全坍塌，发明人经大量实验证实，110℃-180℃是一个较佳的温度区间，能使光刻胶部分熔融但又不至于变形太严重，当然，光刻胶层16的厚度也不宜太大或太小，较佳地为5000nm-7000nm，高温处理的时间可以根据温度而定，例如为5-10min，经高温处理后，如图13的虚线框处所示意的，光刻胶层16在拐角处坡度变缓，由原有的直角变为钝角，这将有助于后续结构，尤其是后续的背板结构17在相关拐角处的坡度也变缓；在其他示例中，也可以在形成振膜结构13的褶皱结构131前采用涂布光刻胶并进行高温处理的步骤，以使褶皱结构131的拐角变缓，增强振膜的机械强度；

依光刻胶层16对第二牺牲层14进行光刻刻蚀，以于第二牺牲层14中形成显露出振膜结构的引线槽，该引线槽位于背极结构15外侧，且该步骤中可以刻蚀出位于引线槽外侧的支撑柱142，之后去除残余的光刻胶层16，得到的结构如图14所示；由于经过前述的光刻胶高温处理，因而该步骤刻蚀过程中，形成的支撑柱142和引线槽等结构在拐角处也将变得相对更加平缓而非直角结构；

于背极材料层15a上形成背板材料层17a，得到的结构如图15所示，对所述背板材料层17a进行光刻刻蚀以形成背板结构17，且显露出所述引线槽，所述背板结构17包括背板171、背极阻挡块172和支撑结构173，背板位于背极表面，背极阻挡块172自背极表面沿纵向延伸到背极下方，支撑结构173自背极表面延伸到衬底11表面，得到的结构如图16所示；所述背板材料层17a优选为氮化硅材质，具有较好的机械强度，形成方法优选化学气相沉积法；背极阻挡块172为背极材料延伸到前述的第三凹槽141和第五凹槽152中形成的结构，背板结构17还包括多个进声孔，与前述背极结构15中的进声孔153上下对应，进声孔例如可以为圆形孔，在MEMS麦克风表面间隔分布，支撑结构173将背板结构17架设于衬底11上，且位于背极结构15和振膜结构13上方，由于经前述的光刻胶高温处理，因而支撑结构173在拐角处的坡度也变缓，这可以有效改善背板结构17的应力分布，避免局部应力过大，可以改善背板结构17的机械强度，提升整个MEMS麦克风的性能；

形成背极引线18和于所述引线槽中形成振膜引线19，该步骤后得到的结构如图17所示；

于所述衬底11背面(也可以定义为下表面和或第二表面)刻蚀出贯穿衬底11的空腔20；在此之前，可以先对衬底11进行背面减薄，例如采用CMP(化学机械研磨)和/或刻蚀法进行减薄，之后再刻蚀出空腔20，振膜结构13的褶皱结构131对应位于空腔20上方，且前述的背极阻挡块172也位于该空腔20上方；该步骤得到的结构如图18所示；

对第一牺牲层12和第二牺牲层14进行刻蚀，以释放出振膜结构13、背极结构15和背板结构17；位于振膜支架132内的第一牺牲层12、被振膜结构13、背板结构17和衬底11包覆的第一牺牲层12和被背板结构17包围的支撑柱142(为第二牺牲层14材料)因被其他结构层包围而得以保留，除此之外的第一牺牲层12和第二牺牲层14材料则被去除，参考图19可以看到，在背极结构15和振膜结构13之间形成有空腔20，背极阻挡块172向下延伸但未与振膜结构13相连接，当然，在其他示例中，也可以形成自背板结构17连接至振膜结构13的支撑架，以防止振膜结构13振幅过大造成损伤；或者在空腔20中间形成与振膜结构13相连接的支撑架，同样可以起到防止振膜结构13振幅过大，背板结构17中的进声孔和背极结构15中的进声孔上下连通，振膜结构13的泄气孔133包括位于振膜支架132内侧或外侧的多个，位于内侧的泄气孔133与背极结构15和振膜结构13之间的声腔和衬底11内的空腔20都连通。

如前所述，若在形成第二牺牲层14前，于振膜结构13的外围形成有切割道21的步骤，切割道21后续被第二牺牲层14覆盖，则在形成背板材料层17a之前，需去除位于切割道21上的第一牺牲层12和第二牺牲层14。

第二牺牲层14中形成的支撑柱142位于背极结构15的外围，且位于振膜结构13和第一牺牲层12的边缘表面，支撑柱142与背极结构15之间的间隙显露出振膜结构13，形成的支撑柱142不仅可以帮助支撑背板结构17，同时有助于改善背板结构17的应力分布。

作为示例，背极引线18自背极结构15表面向外延伸到位于背极结构15和支撑柱142之间的凹槽内，振膜引线19自振膜结构13表面向外延伸到位于背极结构15和支撑柱142之间的凹槽内，以确保充分的电性引出，而所述振膜引线19和背极引线18均优选金线，以使各自具有良好的导电性，但不仅限于此。

本发明还提供一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风采用如上述任一方案中所述的制备方法制备而成，故前述内容可以全文引用至此。参考图19及前文所述，本发明提供的MEMS麦克风包括衬底11、依次位于衬底11上的振膜结构13、背极结构15和背板结构17，衬底11内形成有贯穿衬底11的空腔20，振膜结构13和背极结构15之间具有间距而构成声腔，振膜结构13包括褶皱结构131、振膜支架132和泄气孔133，背极结构15包括背极和多个进声孔，背板结构17包括背板171、背极阻挡块172和支撑结构173，背板位于背极表面，背极阻挡块172自背极表面相向延伸到背极下方，而支撑结构173则自背极上方延伸到衬底11表面，且MEMS麦克风还包括支撑柱142、振膜引线19和背极引线18，该支撑柱142自振膜结构13的边缘表面延伸到振膜结构13的外围，且被背板结构17覆盖，振膜引线19与振膜结构13相连接，背极引线18与背极结构15相连接。对所述MEMS麦克风的更多介绍还请参考前述内容，出于简洁的目的不赘述。由于采用前述的制备方法制备而成，因而本发明提供的MEMS麦克风，其背板结构17在拐角处的坡度变缓(拐角由直角变为钝角)，因而可以有效改善背板结构17的应力分布，避免应力过度集中而造成损坏，故而背板结构17的机械强度，以及MEMS麦克风的性能都将得到显著提升。

综上所述，本发明提供一种MEMS麦克风及其制备方法。制备方法包括步骤：提供衬底，于所述衬底的正面形成第一牺牲层；对所述第一牺牲层进行光刻刻蚀，以于所述第一牺牲层中形成对应振膜的第一凹凸结构和第二凹槽，第二凹槽位于第一凹凸结构外侧，且显露出所述衬底；采用保形沉积于所述第一牺牲层上形成振膜材料层，填充于第一凹凸结构内的振膜材料层构成振膜的褶皱结构，填充于第二凹槽内的振膜材料层构成振膜支架，于所述振膜材料层中形成显露出第一牺牲层的泄气孔；形成覆盖振膜材料层的第二牺牲层，于所述第二牺牲层中形成对应背极阻挡块的第三凹槽；于所述第二牺牲层上形成背极材料层，于背极材料层中刻蚀出用于形成进声孔的第四凹槽和用于形成背极阻挡块的第五凹槽，第五凹槽和第三凹槽上下一一对应连通，第四凹槽显露出第二牺牲层；于背极材料层上形成光刻胶层，对光刻胶层进行110-180℃的高温处理，以使光刻胶层部分融化，使得光刻胶层在拐角处变平缓；依光刻胶层对第二牺牲层进行光刻刻蚀，以于第二牺牲层中形成显露出振膜的引线槽，之后去除残余的光刻胶层；于背极材料层上形成背板材料层，对所述背板材料层进行光刻刻蚀以形成背板结构，且显露出所述引线槽，所述背板结构包括背板、背极阻挡块和支撑结构，背板位于背极表面，背极阻挡块自背极表面沿纵向延伸到背极下方，支撑结构自背极表面延伸到衬底表面；形成背极引线和于所述引线槽中形成振膜引线；于所述衬底背面刻蚀出贯穿衬底的空腔；对第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，以释放出振膜结构、背极结构和背板结构本发明经改善的工艺流程设计，在沉积背板材料层前形成光刻胶层并进行高温处理，可以使得后续形成的背板坡度变缓，可以有效改善背板应力分布，避免局部应力过于集中，可显著提高背板的机械强度和MEMS麦克风的可靠性。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 (10)

1.一种MEMS麦克风的制备方法，其特征在于，包括步骤：

提供衬底，于所述衬底的正面形成第一牺牲层；

对所述第一牺牲层进行光刻刻蚀，以于所述第一牺牲层中形成对应振膜的第一凹凸结构和第二凹槽，第二凹槽位于第一凹凸结构外侧，且显露出所述衬底；

采用保形沉积于所述第一牺牲层上形成振膜材料层，填充于第一凹凸结构内的振膜材料层构成振膜的褶皱结构，填充于第二凹槽内的振膜材料层构成振膜支架，于所述振膜材料层中形成显露出第一牺牲层的泄气孔；

形成覆盖振膜材料层的第二牺牲层，于所述第二牺牲层中形成对应背极阻挡块的第三凹槽；

于所述第二牺牲层上形成背极材料层，于背极材料层中刻蚀出用于形成进声孔的第四凹槽和用于形成背极阻挡块的第五凹槽，第五凹槽和第三凹槽上下一一对应连通，第四凹槽显露出第二牺牲层；

于背极材料层上形成光刻胶层，对光刻胶层进行110-180℃的高温处理，以使光刻胶层部分融化，使得光刻胶层在拐角处变平缓；

依光刻胶层对第二牺牲层进行光刻刻蚀，以于第二牺牲层中形成显露出振膜结构的引线槽，之后去除残余的光刻胶层；

于背极材料层上形成背板材料层，对所述背板材料层进行光刻刻蚀以形成背板结构，且显露出所述引线槽，所述背板结构包括背板、背极阻挡块和支撑结构，背板位于背极表面，背极阻挡块自背极表面沿纵向延伸到背极下方，支撑结构自背极表面延伸到衬底表面；

形成背极引线和于所述引线槽中形成振膜引线；

于所述衬底背面刻蚀出贯穿衬底的空腔；

对第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀，以释放出振膜结构、背极结构和背板结构。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在形成第二牺牲层前，于振膜结构的外围形成切割道的步骤，切割道位于第一牺牲层表面，且被第二牺牲层覆盖；在形成背板材料层之前，去除位于切割道上的第一牺牲层和第二牺牲层。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在对所述第二牺牲层进行刻蚀时，还包括于第二牺牲层中形成支撑柱的步骤，所述支撑柱位于背极结构的外围，且位于振膜结构和第一牺牲层的边缘表面，支撑柱与背极结构之间的间隙显露出振膜结构。

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，背极引线自背极结构表面向外延伸到位于背极结构和支撑柱之间的凹槽内，振膜引线自振膜结构表面向外延伸到位于背极结构和支撑柱之间的凹槽内。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，第一牺牲层和第二牺牲层均为氧化硅层，第二牺牲层的厚度大于第一牺牲层的厚度。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述振膜引线和背极引线均包括金线。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，于衬底内形成空腔之前，还包括自衬底的背面对衬底进行减薄的步骤，减薄的方法包括CMP和/或刻蚀。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，泄气孔为多个，位于振膜支架的内侧和外侧，且内侧的泄气孔和空腔相连通。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，背板材料层包括氮化硅层，背极材料层包括多晶硅层，衬底包括硅基底。

10.一种MEMS麦克风，其特征在于，所述MEMS麦克风采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

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