CN116744199A - 一种压电麦克风的结构和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电麦克风结构，包括：衬底，包括贯穿衬底的背孔；振膜，位于所述背孔上方，包括从靠近所述衬底表面的一侧依次往上堆叠的第三电极、第二压电层、第二电极、第一电极、第一压电层和第四电极六层叠层结构；其中所述第二压电层和所述第一压电层相互不直接接触；空隙，位于所述第二压电层和所述第一压电层之间，至少存在于所述振膜的部分区域，其中所述空隙的高度等于所述第二电极和所述第一电极的厚度和；所述空隙和所述第二电极、所述第一电极一起将所述第二压电层和所述第一压电层间隔；介质层，位于所述背孔区域以外的所述衬底和所述第二压电层之间。

Description

一种压电麦克风的结构和制造方法

技术领域

本公开的实施例涉及一种压电麦克风的结构和制造方法。

背景技术

压电MEMS(微机电系统)麦克风，相对电容式MEMS麦克风，具有低功耗、低噪音、不易受到环境颗粒污染物影响、结构和制造工艺相对简单等优点，是相关产业界研究和产品开发的热点。传统的压电MEMS麦克风的制造方法，首先在衬底上淀积下电极Mo金属层，然后对下电极Mo进行进行刻蚀图形化，然后在下电极Mo上淀积形成第一层压电层并在第一层压电层上淀积中部电极Mo，再对中部电极Mo进行刻蚀图形化并在中部电极Mo上淀积第二层压电层，最后在第二层压电层上形成上电极Mo，由此形成相应的麦克风结构。通过这种制造方法获得压电麦克风具有明显的缺点：1)、由于压电层是在金属电极Mo上淀积而来，为了获得较高质量的压电层多晶晶体以便获得较好的压电响应，需要金属电极Mo本身的晶体质量比较好，然而要获得较高晶体质量的Mo就必须增大Mo的淀积厚度，然而过厚的电极Mo将拉低麦克风振膜的灵敏度，这是一个显然的矛盾点；2)、由于压电振膜是从上而下依次淀积堆叠而来，天然的两层压电层具有不同的多晶晶体质量和压电性能参数，且两层压电层各自的应力将难以做到互相匹配，其结果是导致麦克风振膜整体应力的很大个体差异性，麦克风的声学灵敏度个体差异大，工业量产很难做到高良率高一致稳定性；3)、当压电振膜结构采用悬臂梁设计时，由于各膜层的应力控制难度很高，麦克风芯片振膜的个体应力差异导致悬臂梁的翘曲度个体差异大，使得振膜上下两面相互空气导通的通道大小也因为悬臂梁翘曲度的大小不一而不一致，直接导致很大的麦克风声学低频响应的个体差异。压电层晶体质量相关的压电性能问题和压电振膜应力控制相关的振膜翘曲度问题，是工业界尚未真正大规模量产压电MEMS麦克风并和电容式MEMS麦克风形成真正意义上的商业竞争的主要原因。如果能设计并实现一种全新的压电MEMS麦克风芯片制造工艺流程，并实现相应的麦克风芯片结构，能有效改善压电膜的晶体质量并能有效改善压电振膜的应力控制，那么将在制造工艺和结构设计上解决压电MEMS麦克风的振膜应力问题和低频响应问题，实现稳定经济的商业量产。

发明内容

本公开的一个实施例提供一种压电麦克风结构，包括：衬底，包括贯穿衬底的背孔；振膜，位于所述背孔上方，包括从靠近所述衬底表面的一侧依次往上堆叠的第三电极、第二压电层、第二电极、第一电极、第一压电层和第四电极六层叠层结构；其中所述第二压电层和所述第一压电层相互不直接接触；空隙，位于所述第二压电层和所述第一压电层之间，至少存在于所述振膜的部分区域，其中所述空隙的高度等于所述第二电极和所述第一电极的厚度和；所述空隙和所述第二电极、所述第一电极一起将所述第二压电层和所述第一压电层间隔；介质层，位于所述背孔区域以外的所述衬底和所述第二压电层之间。

在本公开实施例提供的压电麦克风结构，所述第一压电层和所述第二压电层的材料，可选的包括氮化铝(AlN)、钪参杂氮化铝(ScAlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)中的至少一种。

在本公开实施例提供的压电麦克风结构，包括可选的，所述第二压电层和所述第一压电层为同种材料且厚度相同。

在本公开实施例提供的压电麦克风结构，其中所述第三电极、所述第二电极、所述第一电极和所述第四电极的材料，可选的包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种；包括可选的，所述第一电极和所述第二电极为同种材料且厚度相同；包括可选的，所述第三电极和所述第四电极为同种材料。

在本公开实施例提供的压电麦克风结构，所述介质层的材料，可选的包括硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。

在本公开实施例提供的压电麦克风结构，可选的包括至少一条垂直贯穿所述振膜并和所述背孔连通的沟槽结构，所述沟槽在所述振膜平面方向上穿过所述振膜的中心并向所述背孔边界一侧延伸，将所述振膜分割成至少两个悬臂梁结构。

本公开的一个实施例提供一种压电麦克风的制造方法，包括：获取第一衬底，在第一衬底上形成第一压电层并在第一压电层的第一表面形成第一电极结构；获取第二衬底，在第二衬底上形成第二压电层并在第二压电层的第一表面形成第二电极结构；将第一衬底上的第一电极和第二衬底上的第二电极面对面贴合键合；移除第二衬底，暴露第二压电层的第二表面；在第二压电层的第二表面形成第三电极结构；在第三电极表面形成介质层并在介质层上键合第三衬底；移除第一衬底，暴露第一压电层的第二表面；在第一压电层的第二表面形成第四电极结构。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，在在所述第一衬底上形成第一压电层之前在所述第一衬底表面先淀积第一缓冲层；包括可选的，在在所述第二衬底上形成所述第二压电层之前在所述第二衬底表面先淀积第二缓冲层；其中，可选的，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料是至少硅、氧化硅、氮化硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝中的一种。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，在移除所述第二衬底后先暴露所述第二缓冲层，然后移除所述第二缓冲层后暴露所述第二压电层的第二表面；包括可选的，在移除所述第一衬底后先暴露所述第一缓冲层，然后移除所述第一缓冲层后暴露所述第一压电层的第二表面；

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括对所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极实施图形化。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的材料至少是Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的一种；包括可选的，所述第一电极和所述第二电极为同种材料；包括可选的，所述第三电极和所述第四电极为同种材料。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，在所述第二压电层第二表面形成所述第三电极前，部分移除所述第二压电层；包括可选的，在所述第一压电层第二表面形成所述第四电极前，部分移除所述第一压电层。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，在所述第一压电层第一表面形成所述第一电极前，对所述第一压电层第一表面做微刻蚀或化学机械抛光处理，改善粗糙度；包括可选的，在所述第二压电层第一表面形成所述第二电极前，对所述第二压电层第一表面做微刻蚀或化学机械抛光处理，改善粗糙度。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括在键合所述第三衬底前，对所述介质层做化学机械抛光处理。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括可选的，所述介质层的材料至少是硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，包括刻蚀贯穿所述第三衬底并暴露底部的所述介质层，形成所述背孔；包括移除所述介质层并暴露所述第三电极。

在本公开的实施例提供的压电麦克风的制造方法，可选的，包括在形成所述第四电极后和形成所述背孔前垂直刻蚀贯穿所述第四电极、所述第一压电层、所述第一电极、所述第二电极、所述第二压电层和所述第三电极并暴露出所述介质层，形成至少一条沟槽结构；其中所述沟槽所述将由所述第一压电层、所述第一电极、所述第二电极、所述第二压电层和所述第三电极叠层构成的振膜分割成至少两个悬臂梁结构，所述沟槽在所述振膜平面方向上穿过所述振膜的中心并向所述背孔边界一侧延伸。

本公开实施例提供的压电麦克风制造方法，使用压电膜键合转移的工艺，有效改善压电膜的晶体质量和压电振膜的应力控制，其具有以下特点：1)、压电膜可以在任何可选的衬底材料表面生长而不再局限于在特定金属材料表面生长，能选择最佳的衬底材料来实现最佳的压电晶体质量，同时电极材料也能任意选择合适材料制作且厚度不再受到制约；2)压电膜最初生长的晶体质量相对较差的一部分能被移除，从而保留晶体质量较好的部分组成振膜的一部分，改善振膜压电晶体质量；3)使用两片对称的晶圆面对面键合的方法获得电极和压电层叠层的振膜结构，两层压电层和相应的电极的膜层应力互相抵消，使得振膜的应力最小化，且使得最终振膜的应力控制稳定性有效改善。如此有此制造方法获得压电麦克风的声学性能和声学响应一致性能得到有效提高。本公开实施例同时提供了可由上述压电麦克风制造方法制造的相应的压电麦克风结构。

需要特别说明的是，以上有关压电麦克风的结构和制造方法的描述和下文所要表述的相关描述仅仅是示例性和解释性的，并不用于限制本申请。

附图说明

为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，以下将对实施例的附图逐个作详细的介绍，需要特别说明的是，以下描述中的附图仅仅涉及本公开的实施例，而非对本公开的限制。同时必须指出的是，附图所示各种特征并非按比例绘制，事实上，为论述清晰，任意增大或减小各种特征的尺寸大小有时候是必须的手段。

图1：一种压电麦克风的平面俯视图；

图2：一种压电麦克风的截面示意图，为图1所示平面俯视图的A-A’截面；

图3：一种压电麦克风的平面俯视图；

图4：一种压电麦克风的截面示意图，为图3所示平面俯视图的A-A’截面图；

图5：一种压电麦克风的制造方法相关的工艺流程图；

图6至图28示出本公开实施例所述的压电麦克风的制造方法相关的各个工艺步骤的示意性截面图和俯视图。

附图标记：

100：第一衬底；110：第一缓冲层；120：第一压电层；130：第一电极；200：第二衬底；210：第二缓冲层；220：第二压电层；230：第二电极；135：空隙；136：空隙；240：第三电极；250：介质层；300：第三衬底；140：第四电极；350：背孔；400：沟槽。

具体实施方式

为了能够更加详尽地了解本公开实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本公开实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本公开实施例。在以下的技术描述中，为方便解释起见，通过多个细节以提供对所披露实施例的充分理解。然而，在没有这些细节的情况下，一个或多个实施例仍然可以实施。在其它情况下，为简化附图，熟知的结构和装置可以简化展示。

本公开实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本公开实施例的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。

本公开实施例中，术语“上”、“下”、“内”、“中”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本公开实施例及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本公开实施例中的具体含义。

另外，术语“设置”、“连接”、“固定”应做广义理解。例如，“连接”可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或电连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本公开实施例中的具体含义。

除非另有说明，术语“多个”表示两个或两个以上。

本公开实施例中，字符“/”表示前后对象是一种“或”的关系。例如，A/B表示：A或B。

术语“和/或”是一种描述对象的关联关系，表示可以存在三种关系。例如，A和/或B，表示：A或B，或，A和B这三种关系。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开实施例中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

图1是一种压电麦克风的平面俯视图，图示标注了A-A’截面所在的位置。

图2至图4所示为一种压电麦克风结构实施例。以下结合图示，详细描述实施例的压电麦克风的结构特征。

如图1所示，140压电麦克风的最上层电极，被定义为第四电极，实际上第三电极、第二电极和第一电极和第四电极140垂直重叠并位于第四电极140的下方，限于图1只是平面俯视图，第三电极、第二电极和第一电极在图中并未标出；图1所标注的135处于电极140的外围区域，是将电极140和外部隔开的区域，被定义为空隙135，实际上空隙135所在位置和所覆盖的面积，以及空隙135的数量是视设计需求而定，并没有特定要求的局限；图1标注的350是麦克风结构的背孔的边界。

图2是和图1所示A-A’截面相对应的麦克风结构的截面示意图。如图所示，衬底300中心部分有贯穿衬底的背孔350结构，在背孔350的上方设置有振膜500；其中从靠近衬底300表面的一侧依次往上堆叠了第三电极240、第二压电层220、第二电极230、第一电极130、第一压电层120和第四电极140六层叠层结构，此六层叠层结构构成了压电麦克风的振膜500；在振膜500的部分区域，第二压电层220和第一压电层120之间设置有空隙135，容易理解空隙135的高度等于第二电极230和第一电极130的厚度和，结构上实际等同于空隙135和第二电极230、第一电极130一起将第二压电层220和第一压电层120间隔开来，第二压电层220和第一压电层120相互不直接接触；在背孔350区域以外的衬底300和第二压电层220之间设置有介质层250，介质层250实际上是在制造工艺中刻蚀衬底300以形成背孔350的刻蚀停止层，其暴露于背孔350的部分已经被刻蚀移除。

图3所示为图1所示的压电麦克风结构的衍生结构的平面俯视图，图4所示为与图3所标识的A-A’截面相对应的麦克风结构的截面示意图。图3所示和图1所示的差别在于在麦克风结构上设置了沟槽400，且有两处空隙区域135和136；结合图4，可见在结构上，沟槽400贯穿振膜500并和背孔350连通，且在振膜500平面方向上穿过振膜500的中心并向背孔350边界一侧延伸，如此将振膜500分割成四个悬臂梁结构。必须指出的是，设置多少条沟槽400，在什么位置设置沟槽400，将振膜500分割为多少个悬臂梁结构，都是视设计需求而定的，并无必须符合的特定限制性要求，就本实施例而言，沟槽400的数量至少是一条，悬臂梁的数量至少是两个。

需要说明的是，第一压电层120和第二压电层220的材料，可以选择包括氮化铝(AlN)、钪参杂氮化铝(ScAlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)中的至少一种有压电特性的材料。第二压电层220和第一压电层120的材料和厚度的选择完全基于设计需求和振膜应力平衡控制的需求，一些情况下当两者的材料和厚度相等时对振膜500的应力控制更有利。

需要说明的是，第三电极240、第二电极230、第一电极130和第四电极140的材料，可以选择的包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种导电材料。在一些情况下第一电极130和第二电极230可选择同种材料且可以将两者的厚度设置为相同，一些情况下第三电极240和第四电极140也可选择同种材料。第一电极130和第二电极230的材料和厚度的选择完全基于设计需求和振膜应力平衡控制的需求，一些情况下当两者的材料和厚度相等时对振膜500的应力控制更有利；同样的对于第三电极240和第四电极140的材料和厚度的选择和对一电极130和第二电极230的材料和厚度选择的考虑类似。

还需要说明的是，介质层250的材料，可以选择包括硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。

图5所示为一种压电麦克风的制造方法公开实施例相关的工艺步骤，包括：

S1：获取第一衬底，在第一衬底上形成第一压电层并在第一压电层的第一表面形成第一电极结构；

S2：获取第二衬底，在第二衬底上形成第二压电层并在第二压电层的第一表面形成第二电极结构；

S3：将第一衬底上的第一电极和第二衬底上的第二电极面对面贴合键合；

S4：移除第二衬底，暴露第二压电层的第二表面；

S5：刻在第二压电层的第二表面形成第三电极结构；

S6：在第三电极表面形成介质层并在介质层上键合第三衬底；

S7：移除第一衬底，暴露第一压电层的第二表面；

S8：在第一压电层的第二表面形成第四电极结构。

图6至图28示出本公开实施例所述的压电麦克风的制造方法相关的各个工艺步骤的示意性截面图和俯视图，以下结合附图对各相关的工艺步骤作详细的说明。

图6、图7和图8是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S1相关的工艺步骤的详细工艺示意图。首先，如图6所示，在第一衬底100上淀积第一缓冲层110，然后如图7所示在第一缓冲层110上淀积第一压电层120，然后在第一压电层120上形成第一电极130并将其图形化，如此第一衬底100、第一缓冲层110、第一压电层120和第一电极130一起形成第一晶圆10，其中将第一压电层120远离第一衬底100的一面定义为第一压电层120的第一表面，与此相对的一面称为第一压电层120的第二表面。第一缓冲层110的材料可以选择硅、氧化硅、氮化硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝中的至少一种。由于整个麦克风的制造方法采用键合转移压电膜的方法，制造工艺不必先淀积形成电极，因而电极材料的选择也不必因为压电层晶体质量考虑而受限于只能使用某些特定材料的金属，因而电极材料可以相对自由选择，如可以选择包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种导电材料。需要指出的是，选择合适的第一缓冲层材料将有助于获得更好晶体质量的第一压电层120，比如，氮化镓具有和压电材料氮化铝较为接近的晶格常数，因而在氮化镓或者氮化铝和氮化镓叠层上淀积生长氮化铝压电层或者钪参杂氮化铝压电层将比在硅上淀积生长获得质量更好的压电晶体，如此根据所选择的压电材料，可以相应的选择缓冲层材料，这样就解决了传统的压电麦克风制造工艺中只能在受限的金属电极材料上淀积生长的局限性，有利于获得高质量的压电晶体。需要指出的是，是否淀积第一缓冲层110是个可选项目，即也可以在第一衬底100上直接淀积第一压电层120，选择上完全取决于设计的需求和制造工艺成本的平衡考虑。第一缓冲层110、第一压电层120和第一电极130的淀积形成工艺，可以选择半导体工业界成熟的MOCVD、PVD、CVD的工艺。可以选择的是，在淀积第一电极130之前，可对第一压电层120的表面做微处理，以改善表面粗糙度，如使用离子束刻蚀(IBE,Ion Beam Etching)些微刻蚀第一压电层120表面，或者引入CMP化学机械抛光处理。

图9、图10和图11是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S2相关的工艺步骤的详细工艺示意图。首先，如图9所示，在第二衬底200上淀积第一缓冲层210，然后如图10所示在第二缓冲层210上淀积第二压电层220，然后在第二压电层220上形成第二电极230并将其图形化，如此第二衬底200、第二缓冲层210、第二压电层220和第二电极230一起形成第二晶圆20，其中将第二压电层220远离第一衬底200的一面定义为第二压电层220的第一表面，与此相对的一面称为第二压电层220的第二表面。第二缓冲层220的材料可以选择硅、氧化硅、氮化硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝中的至少一种。由于整个麦克风的制造方法采用键合转移压电膜的方法，制造工艺不必先淀积形成电极，因而电极材料的选择也不必因为压电层晶体质量考虑而受限于只能使用某些特定材料的金属，因而电极材料可以相对自由选择，如可以选择包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种导电材料。需要指出的是，选择合适的第二缓冲层材料将有助于获得更好晶体质量的第二压电层220，比如，氮化镓具有和压电材料氮化铝较为接近的晶格常数，因而在氮化镓或者氮化铝和氮化镓叠层上淀积生长氮化铝压电层或者钪参杂氮化铝压电层将比在硅上淀积生长获得质量更好的压电晶体，如此根据所选择的压电材料，可以相应的选择缓冲层材料，这样就解决了传统的压电麦克风制造工艺中只能在受限的金属电极材料上淀积生长的局限性，有利于获得高质量的压电晶体。需要指出的是，是否淀积第二缓冲层210是个可选项目，即也可以在第二衬底200上直接淀积第二压电层120，选择上完全取决于设计的需求和制造工艺成本的平衡考虑。第二缓冲层210、第二压电层220和第二电极230的淀积形成工艺，可以选择半导体工业界成熟的MOCVD、PVD、CVD的工艺。可以选择的是，在淀积第二电极230之前，可对第二压电层220的表面做微处理，以改善表面粗糙度，如使用离子束刻蚀(IBE,Ion Beam Etching)些微刻蚀第二压电层220表面，或者引入CMP化学机械抛光处理。

图12是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S3相关的工艺步骤的详细工艺示意图。将第一晶圆10和第二晶圆20面对面键合，即将第一电极130和第二电极230贴附键合在一起，键合后在部分区域形成空隙135。在选择合适的第一电极130和第二电极230的材料情况下，键合可以实现，如第一电极130和第二电极230均选择Ti和Au叠层，则可以通过半导体工业界成熟的Au-Au键合实现键合。需要指出的是，实际上空隙135所在位置和所覆盖的面积以及数量，是取决于第一电极130和第二电极230的图形设计的，是视设计需求而定，并没有特定要求的局限。可以理解，由于第一晶圆10和第二晶圆20完全可以采用完全相同的材料和厚度的衬底、缓冲层、压电层和电极设计，也可以使用相同的工艺设备和工艺参数配方来加工实现，因而晶圆10和晶圆20将具有一致的压电膜晶体质量，各膜层和膜层叠层拥有很接近的应力水平，因而将晶圆10和晶圆20互相面对面键合后，两片晶圆的各自膜层的应力和晶圆翘曲将互相抵消，使得最终麦克风结构的振膜的应力趋于接近零，如此可有效改善麦克风压电振膜的应力控制。

图13、图14和图15是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S4相关的工艺步骤的详细工艺示意图。如图13所示，移除第二衬底200暴露出第二缓冲层210，可以使用半导体工业界成熟的工艺移除第二衬底，如第二衬底通常是硅材料时，可以通过背面研磨减薄加化学腐蚀或等离子刻蚀的方法将硅衬底完全移除，且工艺中能很好地停止在第二缓冲层上210上，保证第二压电层220不受到损伤；如图14所示，移除第二缓冲层210暴露出厚度为T1第二压电层220的第二表面，视第二缓冲层210的材料，可以通过化学湿法腐蚀或者等离子干法刻蚀移除第二缓冲层210，如第二缓冲层210是氧化硅材料时可以使用氢氟酸湿法腐蚀去除并能保证第二压电层220的不被损伤，如第二缓冲层210材料时氮化镓时，可以使用等离子干法刻蚀移除，刻蚀时会同时刻蚀掉一部分第二压电层220，这个只要在定义第二压电层220淀积厚度的时候将此处会损失掉的厚度一并考虑即可。需要指出的是，如前述步骤S2所说明的，是否淀积第二缓冲层210是个可选项，因此此处是否需要移除第二缓冲层210的工艺步骤也是个可选项。如图15所示，对暴露出的第二压电层220的第二表面进行刻蚀处理，将第二压电层220的厚度从T1削减到T2，这一工艺将移除第二压电层220淀积生长的初始部分，即移除晶体质量相对不佳的部分，有利于麦克风振膜压电层的晶体质量和麦克风性能。需要指出的是，是否引入刻蚀移除第二压电层220第二表面厚度的一部分，取决于产品设计和压电层本身的晶体质量水平，是个可选项。

图16是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S5相关的工艺步骤的详细工艺示意图。如图16所示，在第二压电层220的第二表面形成第三电极240，第三电极240的材料可以根据设计需求灵活选择，如可以选择包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种导电材料。

图17和图18是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S6相关的工艺步骤的详细工艺示意图。如图17所示，在第三电极240和第二压电层220的第二表面形介质层250，并对其做化学机械抛光平坦化处理，以获得平滑的表面；其中介质层250的材料可以选择硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种，且可以使用半导体工业界成熟的工艺淀积实现，如可以选择CVD、PVD、ALD等工艺。如图18所示，在介质层250表面键合第三衬底300，第三衬底通常是硅材料，可以选择合适的介质层250的材料来实现和第三衬底300的键合，如介质层250材料时氧化硅时，容易实现Si-SiO2的Fusion Bonding。

图19、图20和图21是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S7相关的工艺步骤的详细工艺示意图。如图19所示，移除第一衬底100暴露出第一缓冲层110，可以使用半导体工业界成熟的工艺移除第一衬底，如第一衬底通常是硅材料时，可以通过背面研磨减薄加化学腐蚀或等离子刻蚀的方法将硅衬底完全移除，且工艺中能很好地停止在第一缓冲层上110上，保证第一压电层120不受到损伤；如图20所示，移除第一缓冲层110暴露出厚度为T3第一压电层120的第二表面，视第一缓冲层110的材料，可以通过化学湿法腐蚀或者等离子干法刻蚀移除第一缓冲层110，如第一缓冲层110是氧化硅材料时可以使用氢氟酸湿法腐蚀去除并能保证第一压电层120的不被损伤，如第一缓冲层110材料时氮化镓时，可以使用等离子干法刻蚀移除，刻蚀时会同时刻蚀掉一部分第一压电层120，这个只要在定义第一压电层120淀积厚度的时候将此处会损失掉的厚度一并考虑即可。需要指出的是，如前述步骤S1所说明的，是否淀积第一缓冲层110是个可选项，因此此处是否需要移除第一缓冲层110的工艺步骤也是个可选项。如图20所示，对暴露出的第一压电层120的第二表面进行刻蚀处理，将第一压电层120的厚度从T3削减到T4，这一工艺将移除第一压电层120淀积生长的初始部分，即移除晶体质量相对不佳的部分，有利于麦克风振膜压电层的晶体质量和麦克风性能。需要指出的是，是否引入刻蚀移除第一压电层120第二表面厚度的一部分，取决于产品设计和压电层本身的晶体质量水平，是个可选项。

图22是本公开的压电麦克风制造方法实施例的工艺步骤S8相关的工艺步骤的详细工艺示意图。如图22所示，在第一压电层120的第二表面形成第四电极140，第四电极140的材料可以根据设计需求灵活选择，如可以选择包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种导电材料。

图23和图24示出本公开的压电麦克风制造方法实施例所需要包含的形成背孔的工艺步骤。如图23所示，从背面刻蚀衬底300，形成贯穿衬底300并暴露出介质层250的背孔350，刻蚀工艺可选择半导体工业界成熟的深反应离子刻蚀工艺(DRIE，Deep Reactive IonEtching)。对第三衬底350进行刻蚀前，通常可以选择先对第三衬底300从背面进行减薄处理。如图24所示，刻蚀移除背孔350底部暴露的介质层250，暴露出第三电极240，如此麦克风振膜500得到结构释放，形成有完整功能的声学麦克风传感器结构。

图25至图28示出本公开的压电麦克风制造方法实施例包含关于可在结构上选择形成悬臂梁压电振膜的工艺步骤，以对应本公开实施例图3和图4所示的压电麦克风结构示意图。如图25，其所示是和图22所对应的衍生结构示意图，和图22的区别在于各电极的图形不同和空隙所处位置和数量不同，这种不同并不需要改变制造工艺流程来获得，而只需改变各电极的设计图形即可；如图26所示，穿过第四电极140的中心位置，形成沟槽400，沟槽400从第四电极140的中心位置向外围直线延伸，如此将压电振膜分割成四部分；图27所示为图26所示A-A’截面相对应的结构截面示意图，如图所示，沟槽400贯穿由第三电极240、第二压电层220、第二电极230、第一电极130、第一压电层120和第四电极140叠层构成的振膜(即为图4所示振膜500)并在沟槽底部暴露出介质层250；在刻蚀形成沟槽400后，如图28所示，从背面刻蚀衬底300，形成贯穿衬底300并暴露出介质层250的背孔350，然后刻蚀移除背孔350底部暴露出的介质层250，暴露出第三电极240，如此麦克风振膜500得到结构释放，沟槽400和背孔350相通，形成四个悬臂梁结构的振膜。必须指出的是，设置多少条沟槽400，在什么位置设置沟槽400，将振膜500分割为多少个悬臂梁结构，都是视设计需求而定的，并无必须符合的特定限制性要求，就本实施例而言，沟槽400的数量至少是一条，悬臂梁的数量至少是两个。

必须说明的是，以上描述和附图充分地示出了本公开的实施例，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施例可以包括结构的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施例的部分和特征可以被包括在或替换其他实施例的部分和特征。本公开的实施例并不局限于上面已经描述并在附图中示出的结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (21)

1.一种压电麦克风结构，其特征在于，包括：

衬底，包括贯穿衬底的背孔；

振膜，位于所述背孔上方，包括从靠近所述衬底表面的一侧依次往上堆叠的第三电极、第二压电层、第二电极、第一电极、第一压电层和第四电极六层叠层结构；其中所述第二压电层和所述第一压电层相互不直接接触；

空隙，位于所述第二压电层和所述第一压电层之间，至少存在于所述振膜的部分区域，其中所述空隙的高度等于所述第二电极和所述第一电极的厚度和；所述空隙和所述第二电极、所述第一电极一起将所述第二压电层和所述第一压电层间隔；

介质层，位于所述背孔区域以外的所述衬底和所述第二压电层之间。

2.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述第一压电层和所述第二压电层的材料，可选的包括氮化铝(AlN)、钪参杂氮化铝(ScAlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、钛酸锶钡(BST)中的至少一种。

3.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述第二压电层和所述第一压电层为同种材料且厚度相同。

4.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述第三电极、所述第二电极、所述第一电极和所述第四电极的材料，可选的包括Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为同种材料且厚度相同；包括可选的，所述第三电极和所述第四电极为同种材料。

6.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述介质层的材料，可选的包括硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的压电麦克风结构，其特征在于，包括至少一条垂直贯穿所述振膜并和所述背孔连通的沟槽结构，将所述振膜分割成至少两个悬臂梁结构。

8.根据权利要求7所述的压电麦克风结构，其特征在于，所述沟槽在所述振膜平面方向上穿过所述振膜的中心并向所述背孔边界一侧延伸。

9.一种压电麦克风的制造方法，其特征在于，包括：

获取第一衬底，在第一衬底上形成第一压电层并在第一压电层的第一表面形成第一电极结构；

获取第二衬底，在第二衬底上形成第二压电层并在第二压电层的第一表面形成第二电极结构；

将第一衬底上的第一电极和第二衬底上的第二电极面对面贴合键合；

移除第二衬底，暴露第二压电层的第二表面；

在第二压电层的第二表面形成第三电极结构；

在第三电极表面形成介质层并在介质层上键合第三衬底；

移除第一衬底，暴露第一压电层的第二表面；

在第一压电层的第二表面形成第四电极结构。

10.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述第一衬底上形成第一压电层之前在所述第一衬底表面先淀积第一缓冲层；包括可选的，在在所述第二衬底上形成所述第二压电层之前在所述第二衬底表面先淀积第二缓冲层；其中，可选的，所述第一缓冲层和所述第二缓冲层的材料是至少硅、氧化硅、氮化硅、氮化镓、碳化硅、氮化铝中的一种。

11.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在移除所述第二衬底后先暴露所述第二缓冲层，然后移除所述第二缓冲层后暴露所述第二压电层的第二表面；包括可选的，在移除所述第一衬底后先暴露所述第一缓冲层，然后移除所述第一缓冲层后暴露所述第一压电层的第二表面。

12.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，包括对所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极实施图形化。

13.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极的材料至少是Ti、Cr、Ni、TiW、W、Al、Mo、Au、Cu、Ru、Ge、Ag、Pt、Ta、Sn、Ru中的一种。

14.根据权利要求13所述的制造方法，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极为同种材料；包括可选的，所述第三电极和所述第四电极为同种材料。

15.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述第二压电层第二表面形成所述第三电极前，部分移除所述第二压电层；包括可选的，在所述第一压电层第二表面形成所述第四电极前，部分移除所述第一压电层。

16.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，在所述第一压电层第一表面形成所述第一电极前，对所述第一压电层第一表面做微刻蚀或化学机械抛光处理，改善粗糙度；包括可选的，在所述第二压电层第一表面形成所述第二电极前，对所述第二压电层第一表面做微刻蚀或化学机械抛光处理，改善粗糙度。

17.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，包括在键合所述第三衬底前，对所述介质层做化学机械抛光处理。

18.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，所述介质层的材料至少是硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅中的一种。

19.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，包括刻蚀贯穿所述第三衬底并暴露底部的所述介质层，形成所述背孔；包括移除所述介质层并暴露所述第三电极。

20.根据权利要求9所述的制造方法，其特征在于，包括在形成所述第四电极后和形成所述背孔前垂直刻蚀贯穿所述第四电极、所述第一压电层、所述第一电极、所述第二电极、所述第二压电层和所述第三电极并暴露出所述介质层，形成至少一条沟槽结构；其中所述沟槽结构将由所述第一压电层、所述第一电极、所述第二电极、所述第二压电层和所述第三电极叠层构成的振膜分割成至少两个悬臂梁结构。

21.根据权利要求20所述的制造方法，其特征在于，所述沟槽结构在所述振膜平面方向上穿过所述振膜的中心并向所述背孔边界一侧延伸。