带有集成背空腔的mems声传感器的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及MEMS器件，并且更具体地涉及一种MEMS传声器。
[0002]背景
[0003]大多数可商购的MEMS传声器或硅传声器由两个芯片组成:专用集成电路(ASIC)芯片和附接到衬底的MEMS芯片。通常通过导电封盖或盖子封闭这些芯片。可以从传声器的顶面上的开口或从衬底上的开口提供声输入。典型地，在声输入来自顶部的商业应用中，声背空腔主要由MEMS芯片和衬底下面的体积形成。相比之下，声输入来自底部的商业应用中，声空腔通常由衬底和封盖封闭的体积形成。
[0004]令人期望的是向MEMS传声器提供改进，这些改进允许在更低成本下更容易地制造MEMS传声器。对MEMS传声器的改进必须是容易实施的、成本有效的且可适应现有制造工艺。
[0005]本发明解决了这种需要。
[0006]发明概述
[0007]在此披露了一种MEMS器件。该MEMS器件包括:一个带有一个第一表面和一个第二表面的第一极板；以及一个附接到一个第一衬底上的锚点。该MEMS器件进一步包括一个带有一个第三表面和一个第四表面的附接到该第一极板上的第二极板。一个连接机构将该锚点连接到该第一极板上，其中，在该第一极板的该第一和第二表面之间存在一个声压差的情况下，该第一极板和第二极板移位。该第一极板、第二极板、连接机构和锚点全都位于由该第一衬底和一个第二衬底形成的一个围隔内，其中，该第一和第二衬底其中之一包含一个通口以使该第一极板的该第一表面暴露在环境下。
[0008]附图简要描述
[0009]附图和说明书一起展示了本发明的若干个实施例，并且这些附图用于解释本发明的原理。本领域的普通技术人员容易地认识到图中所示的具体实施例仅是示例性的，而并不旨在限制本发明的范围。
[0010]图1A和图1B示出了扭转传声器的器件层的顶视图的不同实施例。
[0011]图2A示出了沿着图1A中的2A-2A带有集成背空腔的扭转传声器的横截面。
[0012]图2B示出了沿着图1B中的2B-2B带有集成背空腔的扭转传声器的横截面。
[0013]图3A和图3B使用具有扭转柔度的连接机构的符号表示示出了该扭转传声器的操作。
[0014]图4示出了活塞式传声器的器件层的顶视图的实施例。
[0015]图5示出了沿着图4中的5-5带有集成背空腔的活塞式传声器的横截面。
[0016]图6A和图6B使用具有弯曲柔度的连接机构的符号表示示出了该活塞式传声器的操作。
[0017]图7示出了扭转传声器的替代性制造选项。
[0018]图8示出了活塞式传声器的替代性制造选项。
[0019]图9A、9B和图9C示出了本发明的封装方案。
[0020]图10示出了 MEMS传声器与其他MEMS器件的集成的示例。
[0021]详细描述
[0022]本发明总体上涉及MEMS器件，并且更具体地涉及一种MEMS声传感器，如传声器。呈现以下描述以使得本领域的普通技术人员能够制造和使用本发明，并且以下描述是在专利申请及其要求的背景下提供的。对所描述的实施例和通用原理以及在此描述的特征作出的各种修改对本领域的技术人员而言是很明显的。因此，本发明并非旨在限定于所示实施例，而是要符合与在此描述的原理和特征相一致的最广泛范围。
[0023]在所描述的实施例中，微电子机械系统(MEMS)是指使用类似半导体的工艺制造的并且展示出机械特征(如移动或变形的能力)的结构或器件的类别。MEMS器件经常但不总是与电信号交互。MEMS器件包括但不限于陀螺仪、加速度计、磁强计、压力传感器、麦克风和射频部件。包含MEMS结构的硅晶圆被称为MEMS晶圆。
[0024]在所描述的实施例中，该MEMS器件可以指被实现为微机电系统的半导体器件。MEMS结构可以指可以是更大的MEMS器件的一部分的任何特征。带有机械活跃MEMS结构的半导体层被称为器件层。工程化绝缘体上硅(ESOI)晶片可以指代在硅器件层或衬底下方具有多个空腔的一种SOI晶片。操作晶片典型地指代用作载体的一个较厚衬底，该载体用于绝缘体上硅晶片中的较薄硅器件衬底。操作衬底和操作晶圆可以互换。
[0025]在所描述的实施例中，空腔可以指衬底晶圆中的开口或凹处，并且围隔可以指完全封闭的空间。立柱可以是MEMS器件的空腔内的竖直结构，用于机械支撑。压铆螺母柱是提供电接触的一个竖直结构。
[0026]在所描述的实施例中，背空腔可以指通过压力均衡通道(PEC)与环境压力均衡的部分封闭空腔。在一些实施例中，背空腔还被称为后室。CM0S-MEMS器件内形成的背空腔可以被称为集成背空腔。还被称为通风或泄漏通道/通路的压力均衡通道是用于实现背空腔的低频率或静压力与环境压力的均衡的声通道。
[0027]在所描述的实施例中，MEMS器件内的当受到力时移动的刚性结构可以被称为极板。虽然刚性板对于所描述的实施例是优选的，但是半刚性板或可变形薄膜可以代替刚性板。极板可以包括硅、含硅材料(例如，多晶硅、氧化硅、氮化硅)、金属以及用于半导体工艺中的材料(例如，氮化铝、锗)。背板可以是包括至少一个电极的实心板或穿孔板。该电极可以包括适于半导体工艺的导电材料(例如，多晶硅、硅、铝、铜、镍、钛、铬、金)。这些电极可以在一个或多个表面上具有绝缘膜。
[0028]在所描述的实施例中，穿孔是指用于减少移动极板中的空气阻尼的声开口。声端口可以是用于对声压进行感测的开口。声屏障可以是一种防止声压到达该器件的某些部分的结构。连接机构是一种通过锚点向衬底提供导电性和柔度附接的结构。可以通过立柱的阶段性蚀刻和在PEC上创建部分立柱重叠创建扩大的声间隙。如果极板比所期望的移动更大(例如，在机械冲击下)，则面内缓冲块限制极板的平面内的移动范围。类似地，转动缓冲块是极板的延伸来对由于出平面转动引起的垂直于该平面的位移进行限制。
[0029]在所描述的实施例中，CMOS衬底上形成的MEMS器件的结构(极板)和电极形成传感器电容器。电性地偏置传感器电容器用于检测由于声压引起的电容的变化。
[0030]为了更加详细地描述本发明的特征，现在结合附图参照以下描述。
[0031]图1A和图1B示出了扭转传声器的器件层100A和100B的顶视图的不同实施例。图1A和图1B展示了一个对其第一表面上的声压进行感测的第一极板140、142和一个带有多个穿孔160的第二极板150以及附接到锚点240、242上的连接机构250、252。在一个实施例中，第一极板140、142和第二极板150是刚性的。图1A和图1B之间的不同点在于连接机构250、252的位置。一个不同实施例可以包括引起四个连接机构的连接机构250和252的组合，从而向图1A和图1B添加中央切断部分。第一极板140、142被压力均衡通道(PEC) 230、232部分地包围着，并且器件层100A、100B被密封层260包围着以保证到该器件的声输入将仅通过(图2A和图2B中的)声端口 190。
[0032]当在第一极板140、142的第一表面上施加力(声压变化)时，第一极板140、142绕着穿过连接机构250、252的轴转动地移位，因此，该第二极板150在相反方向上移位(绕着同一轴的转动位移)。连接机构250、252形成针对移动起作用的扭转恢复力并且一旦外部施加的声力为零时将会将这些极板带到其初始位置。可以通过在不期望的移动/转动具有高振幅的位置处(例如，离连接机构250、252最远)引入面内缓冲块340来限制不期望的面内移动。可以在第二极板150或器件层100A、100B或第一极板140、142或这些的任何组合上限定和制造面内缓冲块340。
[0033]在一个实施例中，提供形成转动缓冲块350的突出接头片来限制第一极板140、142和第二极板150的转动。通过适当设计，转动缓冲块350可以消除对减小或关闭第一和第二极板140、142和150与图2A和图2B中所示的电极170之间的电位差的需要，用于从提示进或提示出范围条件(tip-1n or out of range condit1n)恢复。
[0034]图2A和图2B示出了分别沿着图1A和图1B中的2A-2A和2B-2B带有集成背空腔130的扭转传声器200A和200B的横截面。在一个实施例中，集成背空腔130通过第二衬底120与器件层100A和100B之间的熔融粘合剂220形成，该器件层通过如共同拥有的题为“晶圆封装环境下的Al/Ge粘合的制造方法以及从其生产的产品(Method of Fabricat1nof a Al/Ge Bonding in a Wafer Packing Environment and a Product ProducedTherefr