CN101572850A - 在低温下制作的带应力释放膜的电容式麦克风及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种在低温下制作的带应力释放膜的电容式麦克风及其制作方法，电容式麦克风包括一块基板，该基板上至少有一个谐振腔；一块隔膜，其设于谐振腔上部并与基板相连接；所述隔膜被声压波激发时实现机械振动；一块背板，其设于隔膜上部，该背板上设有多个穿孔；其中，在背板与隔膜之间具有气隙；所述隔膜、气隙和背板构成一个电容器。方法包括：在基板上形成至少一个谐振腔；在谐振腔上部形成隔膜，该隔膜与基板连接；在隔膜上部设置背板，该背板上有多个穿孔；在背板与隔膜之间形成气隙。本发明是一种完全低温工艺加工的MEMS电容式麦克风。它可作为后IC电路加工工艺与其兼容。这种电容式麦克风的振动膜的结构采用应力释放的结构，同时也降低了寄生电容。与传统的初始应力释放薄膜相比较，更有效地提高了麦克风的灵敏度。

Description

在低温下制作的带应力释放膜的电容式麦克风及其制作方法

【技术领域】

本发明涉及一种电容式麦克风及其制作方法。电容式麦克风包括一块带有电极的隔膜，其设置在具有至少一个谐振腔的基板上，隔膜上设有一块反电极背板。在隔膜与背板之间具有气隙；电极通过多个应力释放结构连接到背板上。隔膜和背板的材料要加以选择，以避免在加工和使用过程中出现粘连。在背板和基板支撑物之间是一层较厚的介电层。整个装置的制作过程在不超过300℃的温度下进行。

【背景技术】

典型的电容式麦克风的压力感应膜采用低应力的氮化硅或者单晶硅薄膜。虽然，这些感应膜的微工艺加工已比较成熟，但是，这种传统的感应膜存在着以下的缺点：(1)膜的形成工艺温度较高，难以与相关的信号处理的芯片集成。(2)振动膜的残余应力较大导致了器件的尺寸相对较大，不易于***的集成。

【发明内容】

本发明涉及一种电容式麦克风及其制作方法。该装置的制作温度较低，因此，可将麦克风单片集合在含有预制信号调节电路的基板上。

该电容式麦克风组件包括至少一块支撑基板，一块压力传感隔膜和一块背板。基板上设有一个或多个谐振腔，用于声压与隔膜的连接。该隔膜包括一个导电薄膜电极和一块密封薄膜。薄膜电极中存在的机械应力由位于合理位置的穿孔全部释放或部分释放。上述穿孔由导电或不导电的密封薄膜覆盖。该密封薄膜使得隔膜将传感器保持在静压负荷下运行。背板由气隙与隔膜相隔离，该背板由一块导电薄膜和一块厚度较大、导电或不导电的增强薄膜组成。导电薄膜和增强薄膜上均设有多个透气孔，使得背板两侧的空气进行交换。隔膜、背板和气隙共同构成一个电容器。一旦电容器出现电偏流时，隔膜的机械振动将转化为电信号。

本发明是一种完全低温工艺加工的MEMS电容式麦克风。此加工工艺可以作为后IC电路加工工艺与其兼容。这种电容式麦克风的振动膜的结构采用应力释放的结构，同时也降低了寄生电容。与传统的初始应力释放薄膜相比较，更有效地提高了麦克风的灵敏度。

根据本发明的详细描述，其广泛应用是显而易见的。然而，详细描述和具体实例仅表明了本发明的最佳实施例。很显然，在本发明范围内进行的各种修改和改动，均属于本发明的范围。

【附图说明】

图1A是本发明的电容式麦克风的断面结构示意图，图1B是本发明的基板上的圆形谐振腔示意图，图1C是本发明的基板上的截棱锥形谐振腔示意图。

图2是本发明的导电层平面示意图。

图3A～3J是本发明的第一实施例的电容式麦克风的制作流程示意图，其中，图3A为基板断面示意图，图3B为添加介电层及压花后的断面示意图，图3C为添加导电层及压花后断面示意图，图3D为添加密封层及压花后断面示意图，图3E为添加牺牲层及压花后断面示意图，图3F为添加导电叠层后断面示意图，图3G为添加电镀模具及压花(用以形成带有透气孔的背板)后断面示意图，图3H为聚合物模具开口内导电背板电镀示意图，图3I为背面谐振腔开口后断面示意图，图3J为根据实施例1形成的电容式麦克风的最终断面示意图。

图4A～4I是本发明的第二实施例的电容式麦克风的制作流程示意图，其中，图4A为基板双面涂布蚀刻停止层后的断面示意图，图4B为添加介电层及压花后的断面示意图，图4C为添加导电层及压花后断面示意图，图4D为添加密封层及压花后断面示意图，图4E为添加牺牲层及压花后断面示意图，图4F为添加导电叠层后断面示意图，图4G为添加机械增强层和背面谐振腔开口及压花后的断面示意图，图4H为除去不需要的晶粒层和粘合增强层之后的断面示意图，图4I为根据实施例2形成的电容式麦克风的最终断面示意图。

图5A～5K是本发明的第三实施例的电容式麦克风的制作流程示意图，其中，图5A为基板内进行背面谐振腔开口后的断面示意图，图5B为添加蚀刻终止层后的断面示意图，图5C为基板上添加粘合层后的断面示意图，图5D为图5B和图5C中所示结构连接后的断面示意图，图5E为添加隔膜后的断面示意图，图5F为拆开及除去303和304后的断面示意图，图5G为添加导电层及压花后的断面示意图，图5H为添加密封层及压花后的断面示意图，图5I为添加牺牲层及压花后的断面示意图，图5J为导电叠层331成型后的断面示意图，图5K为根据实施例3形成的电容式麦克风的最终断面示意图。

【具体实施方式】

上述一般说明及以下详细说明仅为举例，是对权利要求的本发明的进一步解释和说明。

图1A是本发明所述电容式麦克风的断面结构示意图，其中，麦克风基于带有谐振腔1011的基板101上。如图1A所示，其中，麦克风设于基板101上，基板101上设有谐振腔1011。基板可由导电材料、绝缘材料或半导电材料制成。压力传感隔膜包括导电层111和密封层112。隔膜上设有刚性的背板，该背板由导电层131和刚性结构层132组成，两者均设有透气孔1321。密封层112和导电层131之间形成气隙1211。气隙连同导体111和131一起形成传感电容器。介电层103最好采用相对较低的介电常数，其用于降低基板101与隔膜导电层111之间的电容量，并降低基板101与基板导电层131之间的电容。

图1B表示在基板101上通过干式蚀刻形成的圆柱形谐振腔1011。图1C示出了形状为截棱锥的谐振腔1012，该谐振腔通过在基板101上定向湿式蚀刻形成。

图2是导电层111的平面示意图，该导电层111包括一个应力消除隔膜1111。以下实施方案中所述的隔膜均属于这种类型。

图3A示出了基板101两侧的蚀刻终止层102的形成方式。蚀刻终止层须加以选择，使得当接触到基板101和隔膜导电层111蚀刻剂时，能保持相对较低的蚀刻率。本实施例中，基板101采用厚度为200～800微米的硅材料制成，蚀刻终止层102由厚度为50～400纳米的多晶锗层组成，该多晶锗层在低于300℃的温度下通过低温化学气相沉积工艺沉积而成。其它沉积工艺同样适用，包括溅射沉积工艺、蒸发沉积工艺和等离子体激励式化学气相沉积工艺。

图3B示出了压花介电层103的形成方式，其最好采用低于3的相对介电常数。本实施例中，介电层103是厚度为0.5～3微米的感光聚合物层，该感光聚合物层在室温下通过旋涂形成。该聚合物在构形后通过固化，在120～180℃温度下回流至少0.5小时，形成倾斜形侧壁1031，该倾斜形侧壁可增强后续沉积薄膜的梯级覆盖。

图3C示出了导电层111的形成方式，该导电层通过压花构成应力消除穿孔1111和电气接触垫1112。本实施例中，该导电层由厚度为50～400纳米，在室温下溅射沉积的钛膜制成。接着将基板对边的多晶锗蚀刻终止层通过水、过氧化氢和氯化氢的混合物形成花纹，并形成后部谐振腔蚀刻所需的开口1021。多晶锗也可采用其它湿式或干式蚀刻工艺蚀刻。

图3D示出了绝缘密封层112的形成方式。接着，将密封层112通过压花形成通向接触垫1112的接触孔1121。本实施例中，密封层112是厚度为0.5～3微米，在低于100℃的温度下通过化学气相沉积工艺沉积的聚对二甲苯膜。也可用其它有机或无机薄膜代替聚对二甲苯，采用的工艺包括蒸发沉积工艺、溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图3E示出了压花牺牲层121的形成方式。本实施例中，牺牲层121是厚度为0.5～5微米，在室温下通过旋涂工艺沉积的感光聚合物薄膜。该聚合物在构形后通过固化，在120～180℃温度下回流至少0.5小时，形成倾斜侧壁1211。倾斜侧壁可增强后续沉积薄膜的梯级覆盖。也可用其它有机或无机薄膜代替感光聚合物，采用的工艺包括蒸发沉积工艺、溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图3F示出了导电叠层131的形成方式，该导电叠层由位于粘合增强层1311顶部的导电晶粒层1312组成(用于电镀)。该粘合增强层可选择使用，且只有当绝缘层112和牺牲层121之间的晶粒层粘合较差时才使用。本实施例中，粘合增强层是厚度为10～100纳米的钛层，晶粒层是厚度为150～400纳米的铜或镍层，两者均通过溅射工艺在室温下形成。

图3G示出了聚合物模具132的形成方式，该聚合物模具132具有开口1321，便于对导电叠层131进行电镀。本实施例中，该模具是厚度为3～30微米，在室温下旋涂、在150℃温度下固化的感光聚合物层。

图3H示出了导电背板133在聚合物模具132开口1321中电镀的方式。本实施例中，背板厚度为5～30微米，由在室温下电镀的铜或镍形成。

图3I作为结构示意图，示出了通过基板101蚀刻形成背面谐振腔1012后的结构。本实施例中，将氢氧化钾或四甲基氢氧化铵水溶液等定向蚀刻剂加热到不超过90℃的温度进行蚀刻。蚀刻到蚀刻终止层102底部时即停止蚀刻。如图1B所示，谐振腔也可通过干式蚀刻工艺，例如等离子蚀刻等方式形成。

图3J作为结构示意图，示出了依次除去谐振腔1012中的蚀刻终止层102、聚合物模具132、透气孔1331中的晶粒层1312、透气口1331中的粘合增强层1311和牺牲层121之后的结构。除去牺牲层121之后，在密封层112和导电叠层131形成气隙1211。

图4A～4I示出了本发明第二实施例的电容式麦克风的制作流程示意图。图4A示出了基板201两侧蚀刻终止层202的形成方式。蚀刻终止层可加以选择，使得当与基板201和隔膜导电层211的蚀刻剂接触时，能保持相对较低的蚀刻率。本实施例中，基板201由厚度为200～800微米的硅材料制成，蚀刻终止层202由厚度为50～400纳米的多晶锗层组成，该多晶锗层在低于300℃的温度下通过低温化学气相沉积工艺沉积而成。其它沉积工艺同样适用，包括溅射沉积工艺、蒸发沉积工艺和等离子体激励式化学气相沉积工艺。

图4B示出了压花介电层203的形成方式，其最好采用低于3的相对介电常数。本实施例中，介电层203是厚度为0.5～3微米的感光聚合物层，它是在室温下通过旋涂形成。该聚合物在构形后通过固化，在120～180℃温度下回流至少0.5小时，形成倾斜侧壁2031，该倾斜侧壁可增强后续沉积薄膜的梯级覆盖。

图4C示出了导电层211的形成方式，该导电层通过压花形成应力消除穿孔2111和电气接触垫2112。本实施例中，该导电层由厚度为50～400纳米，在室温下溅射沉积的钛层制成。接着，将基板对面的多晶锗蚀刻终止层由水、过氧化氢和氯化氢的混合物形成花纹，构成后部谐振腔蚀刻所需的开口2021。多晶锗也可用其它湿式或干式蚀刻工艺蚀刻。后者可基于等离子。

图4D示出了绝缘密封层212的形成方式。将密封层212通过压花形成开至接触垫2112的接触孔2121。本实施例中，密封层212是厚度为0.5～3微米，在低于100℃的温度下通过化学气相沉积工艺沉积的聚氯代对二甲苯层。也可用其它有机或无机薄膜代替聚氯代对二甲苯，其工艺包括蒸发沉积工艺、溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图4E示出了压花牺牲层221的形成方式。本实施例中，牺牲层221是厚度为0.5～5微米，在室温下通过旋涂工艺沉积的感光聚合物层。该聚合物构形后通过固化，在120～180℃温度下回流至少0.5小时，形成倾斜侧壁2211。倾斜侧壁可增强后续沉积薄膜的梯级覆盖。也可用其它有机或无机薄膜代替感光聚合物，其工艺包括蒸发沉积工艺、溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图4F示出了导电叠层231的形成方式，该导电叠层由位于粘合增强层2311上部的导电晶粒层2312组成(用于电镀)。粘合增强层可加以选择，使得只有当绝缘层212和牺牲层221之间的晶粒层的粘合较差时才使用。本实施例中，粘合增强层是厚度为10～100纳米的钛层，晶粒层是厚度为150～400纳米的铜或镍层，两者均通过溅射工艺在室温下成型。

图4G示出了聚合物机械增强层232的形成方式，该聚合物机械增强层232具有开口2321。本实施例中，该增强层是厚度为3～300微米，在室温下旋涂、在300℃温度下固化的感光SU～8聚合物层。将氢氧化钾或四甲基氢氧化铵水溶液等定向蚀刻剂加热到不超过90℃的温度进行基板蚀刻。蚀刻到蚀刻终止层202前端时即停止蚀刻。谐振腔2012也可通过干式蚀刻工艺，如等离子蚀刻等方式形成。

图4H为除去晶粒层2312和粘合增强层2311之后的结构示意图，其中，除了接触垫2212上部的区域之外，其它部位未被压花的聚合物机械增强层232覆盖。

图4I作为结构示意图，示出了依次除去谐振腔2012中蚀刻终止层202和牺牲层221之后的结构。除去牺牲层221之后，在密封层212和导电叠层231形成气隙2211。

图5A～5I示出了本发明第三实施例的电容式麦克风的制作流程示意图。

图5A作为结构示意图，示出了基板301背面谐振腔3011蚀刻后的结构。本实施例中，基板301由厚度为200～1000微米的丙烯酸层制成，蚀刻通过激光成型切割完成。也可用湿式或干式蚀刻方式代替激光切割形成背面谐振腔3011。

图5B示出了覆盖基板301的蚀刻终止层302的形成方式。蚀刻终止层302须加以选择，使得当接触用过的操作助剂时，能保持相对较低的蚀刻率。本实施例中，蚀刻终止层302由厚度为50纳米～2微米，在低于60℃的温度下通过化学气相沉积工艺沉积的氯代对二甲苯层制成。也可用其它有机或无机薄膜代替聚氯代对二甲苯，其工艺包括蒸发沉积工艺、溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图5C示出了粘合层303在独立基板304上的形成方式。本实施例中，基板304由厚度为200～800微米的硅晶片制成，粘合层303是厚度为0.5～20微米，在室温下旋涂成型的聚合物层。

图5D示出了图5B和图5C中所示结构的连接方式，该连接通过粘合层303得以增强。

图5E示出了机械式柔软隔膜313的形成方式。隔膜313可以是导电的或绝缘的。本实施例中，隔膜层是厚度为0.5～3微米，在低于60℃的温度下通过化学气相沉积工艺沉积的氯代对二甲苯层。也可用其它有机或无机薄膜代替聚氯代对二甲苯，其工艺包括溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图5F是叠层分离和除去后的结构示意图，其中，该叠层由基板304和粘合层303组成。

图5G示出了导电层311的形成方式，该导电层通过压花形成应力消除穿孔3111和电气接触垫3112。本实施例中，该导电层由厚度为50～400纳米，在室温下溅射沉积的钛膜制成。

图5H示出了绝缘密封层312的形成方式。密封层312通过压花形成通往接触垫3112的接触孔3121。本实施例中，密封层312是厚度为0.5～3微米，在低于60℃的温度下通过化学气相沉积工艺沉积的聚氯代对二甲苯。也可用其它有机或无机薄膜代替聚氯代对二甲苯，其工艺包括溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图5I示出了压花的牺牲层313的形成方式。本实施例中，牺牲层313是厚度为0.5～5微米，在室温下通过旋涂工艺沉积的感光聚合物薄膜。该聚合物构形后通过固化，在70～180℃温度下回流至少0.5小时，形成倾斜侧壁3131。倾斜侧壁可增强后续沉积薄膜的梯级覆盖。也可用其它有机或无机薄膜代替感光聚合物，其工艺包括溅射沉积工艺和旋涂工艺。

图5J示出了导电叠层331的形成方式，该导电叠层由位于可选的底部粘合增强层3311上部的顶部导电晶粒层3312组成。只有当绝缘层312和牺牲层313之间的晶粒层粘合较差时才需要使用粘合增强层3311。本实施例中，粘合增强层是厚度为10～100纳米的钛层，晶粒层是厚度为150～400纳米的铜或镍层，两者均通过溅射工艺在室温下制成。

图5K示出了背板叠层释放的示意图，该背板叠层由331和333组成，采用图3G～3J或图4G～4I所示的工艺制成。

显而易见，如上所述的本发明的实施例可以有多种方式。这些方式应视为包括于本发明的原理和范围之内。对于本领域的专业人员而言，相应的修改均应包括在下列权利要求的范围之内。

Claims (21)

1.一种电容式麦克风，其特征在于，它包括：

一块基板，该基板上至少有一个谐振腔；

一块隔膜，其设于谐振腔上部并与基板相连接；所述隔膜被声压波激发时实现机械振动；

一块背板，其设于隔膜上部，该背板上设有多个穿孔；

其中，在背板与隔膜之间具有气隙；

所述隔膜、气隙和背板构成一个电容器。

2.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述基板由导体、半导体或绝缘材料制成，所述导体、半导体或绝缘材料为硅材、玻璃或塑料，该基板厚度为200～1000微米。

3.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述隔膜形状为圆形或长方形，隔膜的直径或边长为50微米至1厘米。

4.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述隔膜还包括电极层和密封层。

5.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，所述电极层包含至少一金属层，该电极层总厚度为0.01～1微米。

6.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，所述隔膜电极层包含用于释放机械应力的穿孔。

7.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，所述电极层部分地延伸到所述基板上部的区域。

8.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，所述密封层是一低应力疏水层，其由一种聚合物制成，该密封层厚度为0.1～10微米。

9.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，所述密封层由一种聚二甲基苯聚合物制成。

10.如权利要求5所述的电容式麦克风，其特征在于，在电连接的隔膜与导电或半导电基板之间至少有一介电层，该介电层厚度为0.01～5微米。

11.如权利要求1所述的电容式麦克风，其特征在于，所述背板包括一层电极层和一层硬度较大的绝缘层或导电支撑层，每层至少有一个穿孔。

12.如权利要求11所述的电容式麦克风，其特征在于，所述穿孔的直径或边长为0.1～50微米。

13.如权利要求1所述的电容式麦克风的制作方法，其包括：在基板上形成至少一个谐振腔；

在谐振腔上部形成隔膜，该隔膜与基板连接；

在隔膜上部设置背板，该背板上有多个穿孔；

在背板与隔膜之间形成气隙。

14.如权利要求13所述的电容式麦克风的制作方法，其特征在于，在所述基板和隔膜之间有一层蚀刻终止层。

15.如权利要求14所述的蚀刻终止层，其特征在于，所述蚀刻终止层是一层厚度为50～400纳米的多晶锗薄膜。

16.如权利要求13所述的电容式麦克风的制作方法，其特征在于，所述谐振腔通过深反应离子蚀刻、湿式化学蚀刻、机械切割或光学切割形成，谐振腔压花工艺的温度为20℃～100℃。

17.如权利要求13所述的电容式麦克风制作方法，其特征在于，所述电极由低温沉积工艺中的一种或多种的组合工艺沉积，所述低温沉积工艺为蒸发沉积、溅射沉积、化学气相沉积，所述基板的沉积温度为20℃～90℃。

18.如权利要求13所述的电容式麦克风制作方法，其特征在于，电连接的隔膜与导电或半导电的基板之间的介电层通过聚合物旋涂和固化而形成，整个过程的工艺温度为20℃～180℃。

19.如权利要求13所述的电容式麦克风制作方法，其特征在于，所述气隙通过聚合物牺牲层的干式或湿式蚀刻而形成，牺牲层的沉积、压花和除去的温度为20℃～110℃。

20.如权利要求13所述的电容式麦克风制作方法，其特征在于，所述背板的刚性支承层由低温工艺中的一种或多种的组合而形成，所述低温工艺为电镀法或光刻法，整个过程的工艺温度为20℃～180℃。

21.如权利要求13所述的电容式麦克风制作方法，其特征在于，所述密封层通过低温沉积工艺中的一种或多种的组合而形成，所述低温沉积工艺为蒸发沉积、溅射沉积、化学气相沉积，沉积温度为20℃～90℃。

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