CN104053104A - 一种硅电容麦克风及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种硅电容麦克风及其制造方法，所述硅电容麦克风包括基底、背极板和振膜，所述振膜位于所述基板和所述背极板之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之间设有固定气隙，所述振膜与所述背极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用，其中所述振膜为圆形，其边缘全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述中心孔同心的一个或多个褶皱环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。本发明通过硅电容麦克风的振膜结构上的改变，能够提高硅电容麦克风受外界冲击和受高压气流吹击时的抗冲击性，帮助导电多晶硅振膜释放应力，保持振膜的高灵敏度，从而达到提高品质、降低成本、拓宽产品应用场合的目的。

Description

一种硅电容麦克风及其制造方法

技术领域

本发明涉及微麦克风技术领域，特别涉及一种使用多晶硅振膜的硅电容麦克风及其制造方法。

背景技术

微机电（MEMS micro-electro-mechanical system）麦克风或称硅麦克风因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛应用于具声音采集功能的电子装置中，如手机、MP3、录音笔和***材等。硅电容麦克风通常包括基底、背极板和振膜，其中振膜是硅电容麦克风的核心部件，其既需要灵敏地反映声压信号并将之转化为电信号，又需要在外界风压吹击、跌落冲击的应力和内部加工工艺释放应力作用后保持性能基本不变地正常工作。

传统的硅微麦克风一般包括振膜构成的振动部和与基底相连的支撑部，支撑部的截面为矩形。这种结构层应力对振膜产生的应力梯度无法释放，振膜屈曲强度低，工艺挑战度高。为保证多晶硅振膜的灵敏度较高且较为一致，现有技术中多采用应力释放结构制作振膜，如图1和图2所示，其中01为锚区、02为***应力释放结构或凹陷部分。再例如，中国专利CN101572850A和CN102065354A分别给出了一种平面内和平面外消除应力的振膜的结构方案，美国专利US20060280319更是给出了一种通过振膜边缘悬臂梁上的褶皱消除振膜应力的方案。

然而，上述方案虽然能达到应力消除的效果，但对于多晶硅振膜而言，均使结构成为了非全封闭的开放性结构，在受到外界风压吹击或跌落冲击的情况下，冲击应力将在振膜周边悬臂梁与锚区之间的结合面上产生高度应力集中，从而致使结构失效，影响正常使用。中国专利CN101931852A给出了一种使用单晶硅制作全封闭振膜并在振膜上制作褶皱消除应力的方案，但相对多晶硅工艺和材料而言，其方案中的自停止腐蚀法制作单晶硅振膜的工艺相对复杂，成本也较高。若使用多晶硅工艺实现同样目标，在应力一致性控制上存在着很大的难度。此外，中国专利CN201491265U给出了有褶皱的全封闭振膜，其剖面结构如图3所示。CN201491265U中所公开的褶皱形式比较简单，从图3中可看出，两个褶皱环03之间直接相连使得剖面呈V型，且各连接面之间未设置倒角。从振膜的材料特性及现有工艺下应力离散性控制水平来看，采用这种褶皱形式的振膜只能适合与其文中提及的传统微型电容式麦克风，而对于含多晶硅振膜的硅电容麦克风而言，由于多晶硅材料的自身特点及工艺水平的局限性，CN201491265U中所公开的褶皱形式是并不适用的。

针对在封闭多晶硅振膜上设置褶皱时的褶皱形状和排布，美国专利US20120091546给出了一种尽量消除和释放多晶硅应力的方案。但由于其目标是尽量消除和释放多晶硅振膜的应力，因此为专门追求低应力而对工艺应力控制水平做出了极限规定，对残余应力的控制范围要求较高，工艺复杂，不利于低成本高合格率的大规模工业化生产。同时，该专利也未考虑硅麦克风抗吹击性、灵敏度和残余应力一致性的问题，因此应用时仍存在诸多不便。

发明内容

本发明的目的在于解决目前硅电容麦克风中存在的抗冲击性差、成本较高的缺陷，提供一种灵敏度高、抗冲击力强、成本低廉、易于生产的硅电容麦克风，并同时提供上述硅电容麦克风的制作方法。

为达上述目的，本发明首先提出一种硅电容麦克风，包括基板、背极板和振膜，所述振膜位于所述基板和所述背极板之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之间设有固定气隙，所述振膜与所述背极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用，其中所述振膜为圆形，其边缘全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述中心孔同心的一个或多个褶皱环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述褶皱环为一个，其形状为上凸或下凹形状，所述褶皱环与所述振膜所在平面之间设置有倒角。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述褶皱环为多个，彼此之间为上凸形状和下凹形状交错设置，且每两个褶皱环之间设有过渡平面，相邻的所述褶皱环和所述过渡平面之间、以及所述褶皱环和所述振膜所在平面之间均设置有倒角。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述中心孔的直径为0.2-200微米。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述振膜的褶皱环的数量、褶皱环之间的间距以及褶皱环的深度由振膜的厚度及残余应力分布范围决定。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述背极板上有多个开孔，且所述背极板靠近所述振膜的一面设有突起。

另外，本发明还提供一种硅电容麦克风的制作方法，包括以下步骤：

S1：在基板的表面淀积第一层牺牲层，使所述牺牲层具有褶皱环形状；

S2：在第一层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有褶皱环的振膜，对所述振膜进行选择性地掩蔽和刻蚀，形成所述振膜的中心通气圆孔；

S3：在所述振膜表面淀积第二层牺牲层，并对第二层牺牲层进行选择性地掩蔽和刻蚀，以形成背极板的突起形状；

S4：在第二层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有突起的背极板，对所述背极板进行选择性地掩蔽和刻蚀，以在所述背极板上形成多个穿孔；

S5：以所述背极板为掩膜，刻蚀第二层牺牲层，使背极板上穿孔部分下方的振膜层暴露；

S6：在背极板和振膜的暴露部分上制作金属化的背极电极和振膜电极，对背极电极和振膜电极分别作电气引出并制作焊盘；

S7：在基板背面通过选择性地掩蔽和刻蚀以制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜的中心区域贯穿整个基板；

S8：湿法同时刻蚀第一层牺牲层和第二层牺牲层，去除基板与振膜的可动部分之间的第一层牺牲层，去除振膜的可动部分与背极之间的第二层牺牲层。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风的制作方法，其中，所述步骤S1中淀积第一层牺牲层的过程分两次完成，包括以下步骤：

S11：在基板的表面淀积形成部分第一层牺牲层，并选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层，通过本次刻蚀决定振膜上的褶皱形状、数量、尺寸和分布；

S12：在S11形成的部分第一层牺牲层的基础上，再次淀积牺牲层，完成第一层牺牲层的制作，通过先刻蚀牺牲层再淀积的工艺顺序，根据淀积后二氧化硅材料的表面形状，使褶皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角，褶皱环与振膜所在平面的过渡面之间设置有工艺允许的倒角，且由工艺参数确定相应的角度值。

根据本发明提出的一种硅电容麦克风的制作方法，其中，所述牺牲层的材料为二氧化硅。

与现有技术相比，本发明提出的硅电容麦克风及其制作方法能够改善硅电容麦克风受外界冲击和受高压气流吹击时的抗冲击性，帮助振膜释放应力，提高内应力一致性，使得硅麦克风的灵敏度更为一致，从而提高产品的成品率，降低量产成本，拓宽产品的应用场合。

附图说明

图1、图2为现有带释放应力部分的导电多晶硅振膜结构俯视图；

图3为现有技术中带褶皱结构的振膜的剖视图；

图4A和图4B是本发明第一实施例的一种褶皱排布结构剖视示意图和俯视示意图；

图5A和图5B是本发明第一实施例的另一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意图；

图6A和图6B是本发明第一实施例的再一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意图；

图7A和图7B是本发明第二实施例的一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意图；

图8A和图8B是本发明第二实施例的另一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意图；

图9A和图9B是本发明第二实施例的再一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意图。

图10为步骤S11制备过程的示意图；

图11为步骤S12制备过程的示意图；

图12为步骤S2制备过程的示意图；

图13、图14为步骤S3制备过程的示意图；

图15为步骤S4制备过程的示意图；

图16为步骤S5制备过程的示意图；

图17为步骤S6制备过程的示意图；

图18为步骤S7制备过程的示意图；

图19为步骤S8制备过程的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范畴。

在本发明的附图4至附图9的各相应俯视图中，统一用表示锚区，即边缘固定支承区域；用表示褶皱环斜坡区域，用表示包括过渡平面及振膜中心无褶皱区域在内的平面区域，中心圆孔为白色。

首先请参阅图4，为本发明第一实施例的一种褶皱排布的结构示意图，其中图4A为剖视图，图4B为俯视图。在该实施例中，本发明包括背极板（图中未示）、振膜10和基底11，振膜10与基底11之间为全封闭固定连接，这样当受到外界冲击或高压气流吹击时，保证本发明不易失效，维持正常工作状态。其中，振膜10由导电多晶硅材料通过淀积工艺制成，形状为圆形片状，由于圆形是轴对称形状，有助于残余应力分布更均匀，可提高产品的一致性。振膜10厚度处于0.1～2微米之间，因为如果振膜10厚度太薄，则残余应力分布不均匀，振膜10的变形情况不可控；如果振膜10厚度太厚，则灵敏度较低，难于达到实际应用要求。振膜10的中心开有直径为0.2-200微米的通气圆孔14，可以有效降低吹击时对振膜10的压力。通气圆孔14选择轴对称的圆形是为使风压负载均匀分布；将通气圆孔14置于振膜10中心处则是因为理论分析指出孔设置在此处的减压效果最好。所述通气圆孔14的直径为0.2-200微米，如直径太小起不到降低压力的效果，直径太大则损失灵敏度较多。振膜10上还设有一个褶皱环12，本发明中设置褶皱的目的并非单纯的释放应力，而是使在统计意义上残余应力分布较宽的多晶硅振膜10，在应力释放后灵敏度更趋于一致。在图3的具体实施例中，褶皱环12为向上拱起形状，与通气圆孔14同心且位于等于或者大于1/2振膜10半径的区域内，从而使得振膜10的中心主体区域13成为凸起结构。采用上述结构是因为同心的褶皱环可保持变形协调一致，有利于应力的释放；若在圆形振膜10半径1/2以内设置褶皱将对灵敏度的一致性产生不利的影响，由于本发明追求的是产品一致性而非单纯降低应力，因此不在相应区域设置褶皱。当有声波作用在振膜10上时，振膜10上产生应力，使振膜10中心无褶皱部分在应力释放后向上移动；这样在残余应力较大时振膜10刚度较大，灵敏度有减小的变化，但振膜10向上移动后离背极（图中未示）更近，名义电容增大，灵敏度又有增大的变化；同理在残余应力较小时灵敏度由于刚度较小有增大的变化，但名义电容变小又使其有减小的变化，因此总的灵敏度随初始应力变化的敏感程度降低，即产品一致性可以由此得到提高。另外，从图4A的剖视图中可看出，褶皱环12与振膜10所在平面的夹角为钝角，褶皱环12与振膜10所在平面之间过渡面上设置有工艺允许的倒角，从而使褶皱在残余应力的释放时更有利于变形协调一致，有利于应力释放。

请继续参阅图5，为本发明第一实施例的另一种褶皱排布的结构示意图，其中图5A为剖视图，图5B为俯视图。与图4不同的是，该褶皱排布方式为两个褶皱环12，且这两个褶皱环12均位于等于或者大于1/2振膜10半径的区域内。如图5A所示，按照从外向内的顺序，所述两个褶皱环12先下凹，再上凸，从而保证中心主体区域13仍为凸起结构。两个褶皱环之间设有过渡平面15，所述过渡平面15与相邻的褶皱环12之间形成钝角，且过渡平面15与褶皱环12的连接处设置有工艺允许的倒角，以保证变形协调一致性。并且，从图5A中可看出，相邻两褶皱环12分别从过渡平面15的两端对称向外延伸，使过渡平面15和与之相连的两个褶皱环12之间在剖面上形成等腰梯形形状。这种结构符合力学平衡原理，能够承受较大地冲击力，并且更加有利于应力释放。

图6是本发明第一实施例的再一种褶皱排布的结构示意图，其中图6A为剖视图，图6B为俯视图。在图6所示的褶皱排布方式中，振膜10上设有三个褶皱环12，且这三个褶皱环12均位于等于或者大于1/2振膜10半径的区域内。如图6A所示，按照从外向内的顺序，所述三个褶皱环12先上凸、再下凹、然后再上凸，以此限定了中心主体区域13为凸起结构。上述三个褶皱环12之间设有两个过渡平面15，相邻的褶皱环12和过渡平面15之间形成钝角。同样的，褶皱环12和与其相邻的过渡平面15在连接处设置有工艺允许的倒角。

图7是本发明第二实施例的一种褶皱排布的结构示意图，其中图7A为剖视图，图7B为俯视图。在该实施例中，本发明包括背极板（图中未示）、振膜20和基底21，振膜20与基底21之间为全封闭固定连接，以保证当本发明受到外界冲击或高压气流吹击时，结构上不会失效。其中，振膜20由导电多晶硅材料通过淀积工艺制成，形状为圆形片状，中心开有直径为0.2-200微米的通气圆孔24，以进一步保证振膜20的抗吹击性。振膜20上还设有一个褶皱环22，该褶皱环22为下凹形状，与通气圆孔24同心且位于等于或者大于1/2振膜20半径的区域内，从而使得振膜20的中心主体区域23成为凹陷结构。当有声波作用在振膜20上时，振膜20上产生应力，振膜20主要变形部分为中心主体区域23；在应力释放后，主要变形部分向上运动，使得振膜1与背极板距离减小，从而抵消振膜释放应力前原始刚度较高的情况。另外，褶皱环22与振膜20所在平面的夹角为钝角，褶皱环22与振膜20所在平面之间过渡面上设置有工艺允许的倒角。

图8为本发明第二实施例的另一种褶皱排布的结构示意图，其中图8A为剖视图，图8B为俯视图。与图7不同之处在于，图8中的褶皱排布方式包括三个褶皱环22，且这三个褶皱环22均位于等于或者大于1/2振膜20半径的区域内。如图8A所示，按照从外向内的顺序，所述三个褶皱环22先下凹、再上凸、然后再下凹，以此限定了中心主体区域13为凹陷结构。上述三个褶皱环22之间设有两个过渡平面25，所述过渡平面25与相邻的褶皱环22之间形成钝角，且过渡平面25和褶皱环22的连接处设置有工艺允许的倒角，以保证变形协调一致性，进一步有利于应力释放。

图9为本发明第二实施例的再一种褶皱排布的结构示意图，其中图9A为剖视图，图9B为俯视图。在图9所示的褶皱排布方式中，振膜20上设有四个褶皱环22，且这四个褶皱环22均位于等于或者大于1/2振膜20半径的区域内。如图9A所示，按照从外向内的顺序，所述四个褶皱环22先上凸、再下凹、再上凸、最后下凹，以此限定了中心主体区域13为凹陷结构。上述四个褶皱环22之间设有三个过渡平面25，所述过渡平面25与相邻的褶皱环22之间形成钝角，同样的，过渡平面25和褶皱环22的连接处还设置有工艺允许的倒角。

需要说明的是，本发明主要通过褶皱环结构来释放振膜上的应力。本发明的褶皱环结构并不限于上述公开的排列方式，只要满足所有褶皱环与中心通气圆孔同心，且位于等于或者大于1/2振膜半径的区域内即可。另外，在振膜10或20上设置褶皱环的数量、褶皱环之间的不同间距、褶皱深度需在设计时根据振膜10或20的厚度以及残余应力分布范围确定，而这些参数可以在相应的制备方法中以通用手段实现。

另外，本发明还提出了上述硅电容麦克风的制作方法，如图10-图19所示，包括以下步骤：

S11：在基板201的表面淀积二氧化硅牺牲层，形成部分第一层牺牲层202并选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层，通过本次刻蚀决定振膜203上的褶皱形状、数量、尺寸和分布；

S12：在S11形成的部分第一层牺牲层202的基础上，再次淀积二氧化硅牺牲层，完成第一层牺牲层202的制作，通过先刻蚀牺牲层再淀积的工艺顺序，利用淀积后二氧化硅材料的表面形状，来确保褶皱与振膜203所在平面间的过渡面与振膜203的夹角为钝角，圆环形褶皱与振膜203所在平面之间过渡面之间设置有工艺允许的倒角，且由工艺参数确定相应的角度值；否则如果先一次性淀积完第一层牺牲层202，再刻蚀其表面，则无法保证振膜203上相应的钝角和倒角；

S2：在第一层牺牲层的表面淀积振膜203并选择性地掩蔽和刻蚀振膜203制作其中心通气圆孔，利用第一层牺牲层的形状形成褶皱，得到振膜203结构；

S3：在振膜203的表面淀积第二层牺牲层204，并对第二层牺牲层204进行选择性地掩蔽和刻蚀，为后续制备背极板205下方的突起作准备；

S4：在第二层牺牲层204的表面淀积背极板205，利用第二层牺牲层204的形状形成突起，并选择性地掩蔽和刻蚀背极板205，在背极板205上形成多个穿孔以达到较好的性能；将背极板205设置在振膜203上方，这样可以在振膜203可动部分受到来自下方的吹击发生变形和位移后向上移动时靠到背极板205上，从而起到保护振膜203作用，同时通过预先设置在背极板205上的突起，可以使振膜203可动部分受外来大负载发生变形和位移与背极板205靠上后，在外界负载撤除后能被结构弹性恢复力拉回原始正常工作位置，从而避免由于面接触表面力过大使得振膜203与背极板205粘附导致使结构失效；

S5：以背极板205为掩膜，刻蚀第二层牺牲层204，使背极板205上穿孔部分下方的振膜203层暴露；

S6：在背极板205和振膜203上的暴露部分，制作金属化电极，对振膜203电极206和背极电极207分别作电气引出并制作焊盘；

S7：在基板201背面选择性地掩蔽和刻蚀，制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜203的中心区域贯穿整个基板；正常工作的声压负载和非正常工作时受到的吹击负载均需穿过声腔加到振膜203上；

S8：湿法同时刻蚀第一层牺牲层202和第二层牺牲层204，去除基板201与振膜203的可动部分之间的第一层牺牲层202，去除振膜203可动部分与背极板205的之间的第二层牺牲层204，释放结构。

综上所述，本发明提出的由导电多晶硅振膜构成的硅电容麦克风具有较高的可靠性和一致性，成本低廉，工艺上容易实现，可根据具体的其他结构参数值确定具体振膜结构形式和尺寸参数，适合大批量生产。

以上对本发明的描述是说明性的，而非限制性的，本专业技术人员理解，在权利要求限定的精神与范围之内可对其进行许多修改、变化或等效，但是它们都将落入本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种硅电容麦克风，包括基板、背极板和振膜，所述振膜位于所述基板和所述背极板之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之间设有固定气隙，所述振膜与所述背极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用，其特征在于，所述振膜为圆形，其边缘全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述中心孔同心的一个或多个褶皱环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。

2.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。

3.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述褶皱环为一个，其形状为上凸或下凹形状，所述褶皱环与所述振膜所在平面之间设置有倒角。

4.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述褶皱环为多个，彼此之间为上凸形状和下凹形状交错设置，且相邻的两个褶皱环之间设有过渡平面，相邻的所述褶皱环和所述过渡平面之间、以及所述褶皱环和所述振膜所在平面之间均设置有倒角。

5.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述中心孔的直径为0.2-200微米。

6.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述振膜的褶皱环的数量、褶皱环之间的间距以及褶皱环的深度由振膜的厚度及残余应力分布范围决定。

7.根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述背极板上有多个开孔，且所述背极板靠近所述振膜的一面设有突起。

8.一种硅电容麦克风的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：在基板的表面淀积制作第一层牺牲层，使所述牺牲层具有褶皱环形状；

S2：在第一层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有褶皱环的振膜，对所述振膜进行选择性地掩蔽和刻蚀，形成所述振膜的中心通气圆孔；

S3：在所述振膜表面淀积第二层牺牲层，并对第二层牺牲层进行选择性地掩蔽和刻蚀，以形成背极板的突起形状；

S4：在第二层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有突起的背极板，对所述背极板进行选择性地掩蔽和刻蚀，以在所述背极板上形成多个穿孔；

S5：以所述背极板为掩膜，刻蚀第二层牺牲层，使背极板上穿孔部分下方的振膜层暴露；

S6：在背极板和振膜的暴露部分上制作金属化的背极电极和振膜电极，对背极电极和振膜电极分别作电气引出并制作焊盘；

S7：在基板背面通过选择性地掩蔽和刻蚀以制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜的中心区域贯穿整个基板；

S8：湿法同时刻蚀第一层牺牲层和第二层牺牲层，去除基板与振膜的可动部分之间的第一层牺牲层，去除振膜的可动部分与背极之间的第二层牺牲层。

9.根据权利要求8所述的一种硅电容麦克风的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中淀积第一层牺牲层的过程分两次完成，包括以下步骤：

S11：在基板的表面淀积形成部分第一层牺牲层，并选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层，通过本次刻蚀决定振膜上的褶皱形状、数量、尺寸和分布；

S12：在S11形成的部分第一层牺牲层的基础上，再次淀积牺牲层，完成第一层牺牲层的制作，通过先刻蚀牺牲层再淀积的工艺顺序，根据淀积后二氧化硅材料的表面形状，使褶皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角，褶皱环与振膜所在平面的过渡面之间设置有工艺允许的倒角，且由工艺参数确定相应的角度值。

10.根据权利要求8所述的一种硅电容麦克风的制作方法，其特征在于，所述牺牲层的材料为二氧化硅。