声换能器结构以及制造声换能器结构的方法

专利名称：声换能器结构以及制造声换能器结构的方法
技术领域：
本发明涉及一种声换能器结构及其制造方法，特别是，涉及怎样能制造不 同的声换能器结构以及怎样能调整声换能器结构的几何，和特性以满M于 声换肖識结构的不同要求。
背景技术：
声换能器结构用于多种应用，举例来说，如用于麦克风或扬声器，这两种 应用主要区别仅仅在于，在麦克风中声能被转换为电能而在扬声器中电能被转 换为声能。由于声换能器检测,生动态压力变化，因此本发明也涉及压力传麟。通常，声换能器，举例来说，如麦克风，要以很低的成本来制造且制造得 尽可能小。由于这些要求，麦克风和声换能器通常采用硅技术来生产，其中由 于所需的应用和灵1 的领 同，因此存在多种可能的声音转换器外形，每 种声换能器包括不同的几何学外形。執列来说，麦克风可基于测量容量的标准。 在离反电极适当距离上设置一个由压力变化引起其变形或偏转的可移动隔膜， 从而通过容量变化来得出对应于压力或声音变化的结论，所述容量变化由隔膜 与反电极之间的隔膜变形或偏转造成。通常由偏置电压来操作这样一个结构， 所述偏置电压也就是一个对于各自的电路可自由调整的电势差，所述电势差施 加于隔膜和反电lfc间。确定该麦克风的灵敏度或信噪比(SNR)的其他参数为，鄉崃说，隔膜 的硬度，隔膜的直径或反电极的硬度，反电极也可在隔膜与反电极之间的静电 力的影响下变形。不同可能性的产生取决于所需要的轮廓(对于一个已完成处 理的声换能器)，举例来说，如所要的低操作电压和中机械灵鹏的结合，低 操作电压和高IW灵敏度的结合或高操作电压和中机MM敏度的结合。除了所使用的材料的机械特性以外，特别是对于隔膜直径或隔膜尺寸的生 产偏差通常制定高要求，所述隔驢径或隔膜尺寸对于麦克风的特性会产生适 当的影响。如果多个麦克风成阵列使用且从而必须具有尽可能相同的特性的话，这一点就特别适用。通常，在衬底上以隔音形式插入一个可从两侧达到其 隔膜的麦克风片。这样，隔膜的一侧密封形成空腔的后部空间。由于该空腔抵消了隔膜的偏转或变形，因此所形成的空腔的特性对于麦克风的灵 和SNR 是决定性的，且由于在某种意义上隔膜必须相对于某种"粘性"空间运动，因此 所形成的空腔的特性能削弱这种运动。对于该效果的数量估计来说，涉^^ 给 出的空腔空间的隔M^^了重要的作用。考虑至U多个可能的要素和多个参数，通常出现的问题是必须提供可用于制 造最不同的声换肖識结构的生产线。发明内容根据本发明的实施例，通过下述帝l」造声换能器结构在隔膜载体材料上施加隔膜支^^才料；在声换能区域以及隔膜支^#料的主表面的边缘区域中施力口 隔膜材料；在隔膜材料的主表面上施加反电极支^^料；制作位于声换能区域 内的反电极支撑材料的主表面内的凹进；在反电极支^對才料的第一主表面上施 加反电极材料；以及将声换能区域内的隔膜载##料和隔膜支纟對才料移动到隔 膜材料的第二主表面。


接下来，本发明的实施例将参考附图来详细描述。图1显示了创新的声换能器结构实施例的顶视图；图2a， 2b显示了图1戶标实施例的截面放大图；图3显示了图1所示实施例的另一个截面放大图；图4显示了本发明的一个实施例的截面图；图5显示了本发明另一个实施例的截面图；图6显示了本发明另一个实施例的截面图；图7显示了本发明另一个实施例的截面图；图8显示了本发明另一个实施例的截面图；图9显示了本发明另一个实施例的截面图；图10显示了本发明在制造期间的一个实施例的结构的截面图；图11显示了用 随声换肯識结构的创新方法的实施例的淑呈图；图12显示了用于制造声换能器结构的创新方法的另一个实施例的淑呈图；图13显示了用于讳隨本发明的一个实施例的原理图；图14显示了用于制造本发明的另一个鄉例的原理图； 图15显示了用于制造本发明的另一个实施例的原理图。
具体实施方式
接下来将参考图1至10来讨论本发明的不同实施例，其中在附图中对具有 相同或相似功能的部分给予了相同的参考銜己，从而在不同实施例中的相同参 考标己所标己的部分是可交换的并且其说明可相S3S用。参考图10至15所描述的用 隨声换育識结构的创新方法的实施例也应 用了相同的策略。图1显示了本发明的一个实施例的顶视图。由于图2a， 2b和3分别显示了 图1的实施例的顶视图的截面放大图，因此图1， 2a， 2b和3将在TM的段落中一起讨论。图i显示了本发明的一个实施例，在载m寸底(晶片)2上釆用硅技术实现的麦克风。图1显示了反电极4，在其下面设置隔膜6，以及用于,麦克风，特另提 反电极和隔膜的电接触衬垫8a， 8b和8c,将在下面描述。另外，图1显示了包括激虫8a， 8b和8c的接触区域10a和10b且图2a和 2b示出了皿面放大图。接下来图2a显示了防护端区域12，图3显示了織面放大图。正如上文所描述的，本发明实施例的硅麦克风中的声换能JM于隔膜6的, 所述隔膜相对于固定的反电极4偏转，并检测所得到的隔膜6和反电极4之间 的容量上的改变，将其作为测量的量。对于隔膜6、反电极4和其,作了多 个要求，下文将对其进行简短描述并参考图1至3详细描述。由于对隔膜6和 反电极4以及载術寸底2的材料并没有原则性的限制，因此下面隔膜的材料将 通常被称为隔膜材料，反电极4的材糾皮称为反电极材料。在一个实施例中， 用多晶棘制造隔膜4和反电极6，戶腿多晶硅可以适当的形式进行掺杂，以 产生所需的机械特性。通常，隔膜6必须设置为可相对于反电极4移动，需要将它设置在自由空 间之上，由于视角的原因，在该截面图中不能看到所述自由空间，但是期皮设 置在隔膜6的下面。在图4至9戶标的本发明的另外的实施例的截面视图中， 该空间能被识别。在下文中将讨论该空间特别是其数量对于麦克风的信号参数的影响。
对图1的本发明实施例进行布线的最低要求是接触反电极4和隔膜6，其 中在实施例中显示了, 8a,其允许电接触隔膜6，正如图2a所示。另外， 接触8c允i權触反电极4，如图2b所示。另外，图2a显示了用于接触围绕隔 膜6的防护结构14的接触8b，如图2a, 2b和3所示的。防护结构14用于抑 制容量测量的静态不均等部分，其由于隔膜6和反电极4的几何布置而是不可 避免的。本文中还涉及了隔膜具有两个区域，其在功肖让不同，归因于结构原 理。在图3所显示的纖区域16中，不能移动隔膜，因为它被Wt鹏接到 该边缘区域中的载術寸底2。反电极4也必须被^Wk^接到载m寸底2，其 在图2a, 2b和3的本发明实施例中可见。
通常，当构建麦克风时要获得可能最高的信噪比(SNR)，这是一个目标。 在其他情况中，当测量到的容量变j七对比与没有施加电压的部件的静态容量尽 可能大时，该目标可以被实现。在其他瞎况中，SM尽可能薄地形成隔膜来实 现该目标，这样，在电压上有微小的变化(很小的声压水平)隔膜就能充分变 形。在这种情况下，边缘区域16是重要的，其中，在隔膜6和反电极4之间 不可避勉也形成静态容量，由于反电极4到隔膜6的距离是固定的，戶腿容量 不能被改变。该容量的静态部分相对于旨容M大，SNR越小。
因此，为了优化的目的，在本发明实施例中的反电极4不连接到沿其齡 圆周的载^M底，而仅连接到以等距形式设置的连接元件18，图3典型地放大 了戶腿连接元件。结果是縮小了隔膜6和反电极4的重叠区域，从而导致静态 容量部分比完全重叠的情况下的静态容量小。为了进一步最小化静态容量的影 响，当适当地布线时，麟防护结构14以进一步减小静态容量的影响。
如图3可清楚看到的，反电极4具有多个凹进18，其通过反电极材料延伸 并在某种，號擅反电极穿孔。在本发明实施例中，这用来允许隔膜上附带的 压力变化以不受干扰的方式到达隔膜6。可选地，可将隔膜6附着在反电极4 之上:。但是，由于所需的变形性，隔膜6是到目前为止麦克Rt灵敏的设备， 从而本发明的方案衝共了隔膜6的丰;iM微的极娥处，因为更硬的反电极4 是面向周围方向的层。对于无干扰的现想化测量来说，隔膜6的活塞蔬动是需要的。如果这个 隔膜作为辦相对于反电极4运动而没有娜的话，那么在偏转变化(极小量) 和测量电容之间就会产生线性接触，类似于平行板电容器。
由于硅麦克风的本发明实施例的高 皿配，该要求只能被;Wfe满足。 为增加纟應灵驗，也就舰轻微声压变化的反应能力，剩列来说，可减小隔 膜的厚度。同时，麦克风的本发明实施例可以通过不同操作电压来操作，也就
是，不同的电压可以施加于反电极4和隔膜6之间。由于在反电极4和隔膜6 之间产生的静电引力，隔膜的灵敏性或者齡布置也可能变化。然而，可能会 产生一个问题，那就是电压太高的话，反电极4在静电力的影响下也会变形， 就所关心的测量重复性而言这是不希望有的。
隔膜厚度的减小一方面受到隔膜本身的稳定性(过高的声压或者过高的电 力导致的破坏)的限制。另一方面，由于存在粘附力，隔IM度弯曲就会有隔 膜向反电极及其粘附物偏转的危险。当设计本发明的麦克风时，另一个参数是 可变的M"于测量结果有相当大的影响，该参数为隔膜的直径。当制作多， 克风时，几个本发明的麦克风的测量被严格保持以确保重复性，这是理想化的。 如果几个本发明的麦^ 阵列操作，那么这将特别适当。
正如上文所述，还有多种几何边界割牛在设计麦克风或声换能器结构时需 要考虑并且必须保持高精确度。遵守独^#^牛或衝共麦克风的方式##在 下文戶腿的本发明实施例中阐释，M魏的设计测量来优化戶/M麦克风以用 于预期的使用目的。 '
因而，本发明鹏极大的优势，因为它拥有完全的模±姚，所有设i愤项 可以在一个制皿程中被实现。本发明允许随后会被描述的选项中的^^项 的独特实现方式，而不^M过省略另一选项妨碍实现一种选项。在下面描述的
本发明的帝iMa程或本发明的制造方激吏得所有麦克M^化者阿M^可能少
的步骤来制造。依据这种要求，子模块可以被实施或省略。
图4显示了本发明的 例，其中，Mil改变隔膜的厚度以及在隔膜中注
AiS当掺杂剂，隔膜的机械特性可以改变。
图4显示了形成于载懒寸底(晶片)2上的本发明的声换能器结构的实施 例。執列来说，图4显示的这个截面图可以是图1戶标的实施例的投影或咅腼 图，该截面图显示了前文中已描述的具有凹进18的反电极4和隔膜6。另外，图4显示了機8a和8b，其M中间层20从声换能器结构的主表 面延伸到形成反电极或防护结构14的反电极材料，所述中间层可被拖加以便 會^电^a些结构。
在本文中，需要指出的是，为了明确,所提及的与本发明有关的三纟t^ ^W才料层的相应表面，术语主表面随后将，期去线平行或反平行于图4戶/f^ 的设置方向(setup direction) 24的区域的那錄面。这意喊这标那些区域， 其具有附寸论的层或层状结构的表面区域的最大部分。
特别是，术语第一主表面随即，皿线在设置方向24的方向上的区域的 表面。这里的设置方向24^^隨期间声换能器结构中的3te^续层施加在 载術寸底2的表面上的方向。以此難，术语第二主表面表示其法线与设置方 向24相反的区域的那些表面。
第二氧化层26被布置在iM区域中的隔膜6的第一主表面上，在，l 化层上布置反电极4并且，zm化层mMi也支撑该反电极4。由于第二氧化 层26用于支撑反电极4，并且其中，其厚度决定了反电极4和隔膜6之间的间 隔，因lt休语第二氧化层随后将l細作术语反电极支!對指斗的同义词以强调第 二氧化层的作用。根据本发明的实施例，反电极支^t才料26的厚度典型地在 1000nm和3000nm之间或500nm禾B3000nm之间，以获得所需的本发明麦克 风的功能。
在本发明的另一个实施例中，隔膜6或隔膜材料的厚度是100nm到500nm 或謂nm到1000nm。在本发明的另一个实施例中，隔II^對辨斗的厚度在 100nm和1000nm之间，以获得所需的隔戯撑。
在本发明的另一个实施例中，反电极材料的厚度是600nm到1800nm或 500nm到2500nm，以获得所需的反电极4的稳定性。
为了傲户图4的本发明的声换能器组件不受环境影响，可淑也施加绝缘中 间层20，其能 卜地使不均匀变得均匀。客妙卜地，钝化28可被安驗声换能 器结构的表面。
如上所述，隔膜6是固定的或经隔膜支纟f^才料22与，区域16中的载体 衬底2相连，从而在声压下隔膜6可以仅在图4的虚线所划出的声换能器区域 30中运动或^^。
在图4所示的本发明的实施例中，多个隆起(凸起)32被布置在反电极4上的反电极4的第二主表面上，反电极4在声换能区域30中，从而这些凸起 在隔膜6的方向上。
创新的，隔膜6对反电极4的粘附可能由于凸起32而被阻止，即使它偏转 到其机械地接触到反电极4的,。
与在隔膜6本身的表面上布置凸起的可能性相比较，图4的本发明实施例 的优点在于，当在反电极4上布置凸起32时，隔膜6的惰性块(inertmass) 不会由于凸起而增加。如果隔膜6很薄并由此容易变形，且因而具有小的惰性 块，则这可能导致灵鹏斷氐并且特别不容易制作。
因而，在图4戶标的本发明实施例中，隔膜的灵驗，也就是隔膜的机械 应力，肯^131隔膜6的厚度以及注入而被^^虫固定。
在本发明实施例中，掺杂了磷糊一晶硅丰細作隔膜材料。掺杂后，进行结 晶化，其允许S3M火形成多晶掺杂硅。因而，掺杂和退火决定了材料中的应 力。
在本发明的另一个实施例中，反电极由可额外利用氮化硅加强的金属层制成。
图5至9所示的本发明的下面实施例显示了关于，性优化声换能器的另 外的方式。因而，下面实施例中的多，件具有与图4中的相应部件相同的功 會誠相同的几何微，所以当讨论随后的实施例时，相同部件的重复讨论将省 略，另外为了清楚起见，其中涉及这些部件的参^t射己将不再被表示。
图5显示了本发明的 例，其中隔膜的机柳顿从性或其平行于设置方向 24偏转的能力通过由声换能区域中的同心布置的圆形隔膜形成的铍状凹槽34 而得到改善。
铍状凹槽是隔膜6的一种结构，其在隔膜材料中形成闭合轮廓。在图5的 实施例中，在反电极4的方向上形繊状凹槽。这是有利的，因为图5戶标的 在隔膜6上具有反电极4的本发明 例的紧凑，是可以制作的。如果铍状 凹槽34被布置在与设置方向24相反的方向上，另卩么由于隔膜支tft才料22的 厚度将必须增加使得铍状凹槽34的轮廓可在隔膜支^t才料22的制作过程中完 全形成，所以旨设置的高度将增加。铍状凹槽34和凸起32不是者怖置在隔膜6上的事实具有很大的优点，即 在下文戶诚的制造方法中所有的选项都保持开放，即铍状凹槽34，凸起32或 这两种结构都能被制作，其中省略一铺件不会消积影响制作过程。
此外，图5的本发明实施例具有优点，即由，状凹槽34和凸起32在彼 此面对的方向上被安皿与反电极4和隔膜6的主表面相对的事实，所以凸起 32也可被安M褶铍负形状(comigation negative shape) 36内，褶铍负形状代 魏状凹槽34的皿。因而，隔膜6对反电极4的粘附可以被有效阻止，甚 至在皱状凹槽34的区域内。
在本发明的另一个实施例中，铍状凹槽高出隔膜表面300nm到2000nm或 300nm到3000nrn。
在图6所示的本发明实施例中，稳定性,材料40的层IM加于反电极4
的第二主表面，该层包括比反电极材料4更高的a^张应力。ita图6中所描
述的本发明实施例，麦克风或本发明的声换能器结构可以被采用的领域，能被
相当大地扩大，因为反电极4的+ 硬度可以{5( ;单个额屏处理步 相当
大地改善。这样，本发明的声换育識结构招氐电压(如小于3伏特)和高电偏置 电压(通》5V)下,以操作，其中反电极4的弯曲，在没有倒可稳定性改 进材料40的情况下，不再是可忽略的。因而，图4中所示的实施例是有利的， 与简单增加反电极4的厚度相比，会相当大地增加反电极4的5fS而不会阻碍 反电极4的厚度轮廓的均匀性，当显著增加反电极4的厚度时，由于工艺变化， 这是不可避免的情况。另一个相当大的好处是可避免反电极材料的厚层的耗时 和昂贵的沉积，从而大诚加齡工艺效率。这也避免了顿一步处理步骤中 该厚层的复杂的图案化(幼劍)。
在本发明实施例中，由于稳定性,材料40的厚度，反电极4也变得， 硬，这里厚度可能的增加仅受限于所得到的布局。不同的材料在这里可用于对 硬度的MiS行精确地定尺寸，其中在这里可利用两种不同效果。 一方面，可 WOT的材料其本身比例如用来形成反电极4(多晶硅)的硅具有相当更高的层 应力，戶脱硅具有〈100MPa的层应力。對列来说，如果氮化硅(Si3N4)，細棘 强硬度，那么因为薄氮化硅层具有0,5-lGPa的典型层应力，所以薄层已会組以 获得反电极4的弯曲硬度的显著增加。
在本发明的另一个实施例中，具有低氧含量的氮氧化硅Si,OyN,被用作稳定性改进材料40。在本发明的另一个实施例中，硅化物，如WSi,棚作稳定性 改进材料。在模;t她制造对去中，通过在施加反电极材料4之前施加稳定性舰材料40的薄层，可以简单地施加稳定性舰材料40的附卩层，在本发明的一个实施例中，稳定性舰材料由氮化硅构成，戶;^氮化硅额外地具有高蚀刻选择性，并且因此可以同时在去除隔膜6和反电极4之间的反电极支^t才料26时用作 鹏J停ihM (etch stop)。本发明的方法禾体发明的总Wt念的高度灵活性还允imf共最不同的材料 作为稳定性舰材料40，其中，例如还由于多晶材料的晶格常数，可选择多晶 材料来形淑艮据本发明的稳定性6fcl材料40的稳定性^iS层。如果具有轻微 不同晶格常数的材糾劍OT，贝ijiia在稳定性gfca材料40和反电极支^t指斗4 之间的界面处的沉积，甚至可能产生反电极在设置方向24上的扭曲。在本发明的另一个实施例中，稳定性^a材料的厚度在10nm和300nm之 间或10nm和1000nm之间。在本发明的另一个实施例中，稳定性^it材料和反电极材料的厚度的比率 是在0.005-0.5之间。在本发明的另一个实施例中，ttf可其它半导体氮化物和半导体氧化物，如 GaN， ，OT作稳定性&a材料。图7显示本发明的实施例，其中能以非常精确和可重复的方式来设定隔膜 6的直径。为了达到该目的，在图7，图8和图9所显示的本发明实施例中， 隔膜支掛才料42的附力瞻被布置在载術寸底2和隔膜6之间，其可由光刻方 法被图案化。由于生产技术的原因，例如第三氧化层形式的驗卜的隔膜载体支 撑材料44被布置在隔膜载^^才料42和载術寸底2之间。可自由移动的隔自 径的高精确度可以由光刻图案化的隔膜载淋才料42来获得，因为光刻方法的 精确度优于lMm。然而，如果隔膜6的无支撑区鹏制敬程结束时仅由载体 衬底2的湿化学或干 iM睞限定，贝撮大可获得的精确度通常为至多+/-20|om。在一般瞎况下，载術寸底2的侧壁BM:蚀刻形成荆蹄赃隔膜6之下的自由空间，在一定的P艮制内，戶服侧壁具有不定微。如果隔膜载#^料42的t駭ij繊力消失，隔膜6的鼓撑隔^i:径将由嫩u工艺确定腿而不太精 确。如同图8所示的本发明的实施例中的情况，隔膜6的无支撑直径可在宽广 柳艮度中变化。这将特另隨当，如果如图8所示本发明的声换能器结构以气密 的方，合在另一个衬底46上，则从而封闭空间48 (腔)在隔膜6之下形成。在该情况中，M^、或调整隔膜6的无支撑隔Ei:径可能在两方面影响最佳麦克风灵驗。首先，应当注意的是，在图8戶标的情况中，当正在郷时隔^ 卜地不 得不压縮密封在腔48内的空气体积，这影响隔膜6的偏转性能。根据本发明 的实施例，隔膜6因此包括至少一个压力彬尝开口50，其允许通过环離力的 慢改变，在腔^KR和环境压力之间执行压力补偿。因此，本发明的声换能器结 构对于相关的压力变化同样敏感，即使是在时变乡M环境压力下。由该布置得 到的本发明的声换能器结构的高通特性，例如也可M:压力,hJ尝开口 50的大 小来改变。如果图8中的隔月趙径减小，那么可以更高的极化电压腾作电压)来操作， 伴随隔膜6的附随的减小的运动性或偏转能力。因而，与弹性体相关的隔膜弹 性体的声学硬度变得更强，戶腿弹性体由封闭腔体形成且^^干扰量，因此， 如果所有的其機作参数保持不变，信号将改善。在减小隔IM径时，如果隔膜的运动性，举例来说，iia使用更薄的隔膜 来补偿，且如果〗顿了相同的极化祖，那么信号也会被最大化。ltW卜，隔膜 的声学5贼和腔体的fi赃的比W^改善。图9显示了本发明的实施例，其中，相结合地显示了在前的实施例的一些 特性，从而用于制造声换能器结构的本发明的敝郝发明的方法的极高的灵 活性和可变性可被清楚離。因此，图9所示的本发明实施例以硅技术来制作，这样载術寸底是硅晶片， 其中隔膜载体支^t才料44，反电极支^t才料26以及隔^^i^才料22用氧化硅 制成。同时，隔膜材料6，反电极4和隔膜载#^才料42是多晶硅。因此，在制 造方法中可以利用注入来麟多晶硅，以根据相应的要求调节材柳贼。因此, 例如，磷可以用作合适的注入材料。正如将在下文参考图10至图15讨论的，图9所示的图1至图8的实施例 的几个降性的组合强调了本发明概念并且特别是本发明制造方法的不同实施例 的高灵活性。用于制造声换能器结构(MEMS工艺)的本发明方法的实施例的高模^j七 或灵活性是决定性的，其允许对于不同应用利用同一技术制造声换能器结构， 如麦克风。这样，举例来说，可制作具有高或者^M敏性的麦克风，其中它们 可在同一时间以便宜且高度精确的方式被制作。可^i也可实施的方面为-包括褶铍的鲁棒隔膜电极-没有褶铍的鲁棒隔膜电极-利朋急定性舰材料来稳定的反电极-附啲底隔膜载体层(如多晶硅)，用于制造更精确的隔鹏径赫用 于优化隔驢径与腔容量的比率。在用于制造声换能器结构的本发明方法的实施例将〗顿流程图和示意图进 行更详细解释之前，将参考图10简要地讨i賴隨本发明声换能器结构时的步骤。声换能器结构被凝设置在载術寸底上的设置方向24上，其中在图10中 示出可在图4戶标的实施例的制作过程中产生的层序列。首先，隔膜支^對才料 22被施加在边缘区域16和声换能区域30中的载m寸底2上。隔膜材料层6被 施加于隔膜支撑材料22上，反电极支lft才料层26被施加于隔膜材料层6上。 反电极支t對才料在声换能区域30中被图案化，从而在反电极支撑材料26中产 生凹进或压痕，所述凹进,痕表示凸起的负，(negative shape)，所述凸 起M在负形状中施加反电极材料4形成。在这里声换能器结构的这种皿设置在设置方向24的方向上发生。在完成前，腔从后^M蚀刻，也就^;人载体衬底2的侧相对于设置方向24，也就是载術寸底禾卩隔膜支^^料在声换能区域 30内移动至鹏膜6。 Jl^用于布置在反电极4和隔膜6之间的反电极支f對才 料26，从而无支撑隔膜6可在声换能区域30内沿CT方向24移动。图11的、淑呈图阐明了制造声换能器结构的方法的实施例。该过程从图10示例'I4^示的载術寸底2或晶片开始。在第一步60中，隔膜支纟對才料22 (MSM) ，M加于隔膜载^^料(MCM) 的第一主表面。正如下文中参考图12所要更详细解释的，根据本发明，由于一^H1程可实现多种不同的选项，因此隔膜载^^才料可以直接作为图7或8的 意义中的载術寸底2或隔膜载^t才料42。在第二歩62中，隔膜材料(MM)施加于声换能区域16和,区域30中, 在与隔膜载W^料的第一主表面相对的隔膜支^t才料22的第一主表面上。在第三步64中，反电极^lf^料26 (CESM)施加于与隔膜支Jt^料22 的第一主表面相对的隔膜材料6的第一主表面上。在第四步66中，反电极支^t才料26 Mil在与声换能区域中的隔膜材料6 的第一主表面相对的反电极支撑材料26的第一主表面中产生多个凹i^被图 案化。在第五步68中，反电极材料4 (CEM)施加于反电极支^t辨斗26的第一 主表面。在第六步70中，隔膜载術才料2和隔^^對辨斗22在声换能区域30内移 动到与隔膜支tf^才料22的第一主表面相邻的隔膜材料6的第二主表面。正如已提到的，制造声换能器结构的本发明方法的该实施例具有很大的优 点，具有很强的模块性。因此，当增加独立的步骤敬莫块时，多^H虫立的步骤 可彼此自由组合而并未不可避免地把另一个可选步骤或另一个可选模i湖滁在 外。下文将参考图12对此作更详细解释，其中举例说明了制造声换能器结构的 本发明方法的几个可选实施例。特别阐明了工艺流程中的M功能性步骤的功能模式或组件，以及，当需要时，錄考图i3、 14和15来更详细iP^Ma:艺步骤。与图11中所示实例相同的方法步骤将被麟相同的参考新己，从而这些方 法步骤的描述也可适用于图12，这是这些步骤的描述随后被省略以避免重复的 原因。在图12中，所有可选的方法步Wt可淑也使用的模块都在工艺流程中以虚 线表示，以强调它们是可选的的事实。第H&项在第一步60之前发生，即当隔Ml:径的精确限定的图7和8的实 施例所示的特征为必需时，鄉力鹏膜支ltW料之前发生。在第一可选步骤80 中，隔膜载体支撑材料44 (MCSM)可施加于和隔膜载体材料的第一主表面 平行的载m寸底2的第一主表面。在第二可选步骤82中，隔膜载^W才料42(MCM)施加于隔膜载体支^^才料44的第一主表面，以形成限定隔at径的 结构。当需要在隔膜中生成褶状凹槽34的情况下，另一错项也在施加隔敝撑 材料之前发生。在该情况中，在第三可选步骤84中，可在声换能区域中的隔 膜载#^料的第一主表面上设置额外的隔膜支#對指斗的预定高度的闭合轮廓， 正如参考图13所描述的。图13显示了用于在载術寸底上制造褶状凹槽的紧接 着的三个方法步骤的截面图，其中图13所示的步骤从左到右手侧代表了第三 可选步骤84,第一步骤60和第二步骤62。因此嫩卜的隔敲^^才料85的预 定高度的闭合轮廓沉积在声换能区域中的隔膜载^^料22的第一主表面上的 载術寸底2上。随后舰在第一步骤60中施加隔膜支t^才料22，图13的中心 图所示的结构产生，示出具有圆角的褶状凹槽的正形状。对于隔膜的变形性能， 这是希望有的，但不是乡M必须的。在本发明的实施例中，额外的隔膜支撑材 料的高度为300ran和3000nm之间。在第二步中施加隔膜材料6之后的这种情况显示在图13的右图中，其中通 过第三可选步骤，在隔膜6的声换能区域中如何形成一个或几个褶状凹ltt得 清楚。因此，正如已经提到的，褶状凹槽的圆形形状不是绝对必须的，也可以只 在第一步骤60之后执行第三可选步骤84,如图12所示。因此，在本发明的一 个实施例中，以圆环干法图案化氧化层，且沉积另一层氧化层以实现圆环， 的圆形化。因此，圆环的几何^l^和数目决定了隔膜的灵驗。如图13所示， 隔膜层沉积在形成结果之上，从而在通过蚀刻额外的隔膜支^^才料85和隔膜 支^^才料22去除之后，结果是包括褶状凹槽的隔膜，正如图5所示的鄉例 所说明的。在第三步64之后进行另夕卜的选项，劇每另夕卜的可选模i細力盱图12所示 的实施例中，也就是施加反电极支^^才料。这里，图案化反电极穷對才料26(带 有产生凸起的目的)的第四步66也已是可选的。如果凸起的产生是必需的， 男，么这可在具有第四步66的一步法中获得，或可应用图12所示的二步法，其 包括第四可选步骤86。参考图14，示意性地阐明了沿路径A的一步法和沿路 径B的二步法的不同结果。因此，简单地，首先阐明施加和图案化反电极支撑 材料26，其中在第四步66中MM在声换能区域中产生多个凹进88来图案化反电极支t對才料。在图14中所示的截面放大图中，具有宽度b的凹进88以放大 的形式被示出，以描:^1过更实际地蚀刻产生的凹进88的几何形伏。这里， 凹进88的宽度b可以例如为从0.2到2mhi的范围且在另一个实施例中为0.5拜 到1.5nm的范围或0.5^m和3,之间的范围。在另一个实施例中，深度可在 0.5nm与1.5Hm之间。在沿路径A的下一个步骤中，施加了反电极材料4，从而结果就是构造90a， 其中直接用反电极材料来填充凹进88。在戶标的截面放大图中，可识别出凹进 88被反电极材料4完全±真充了，从而结果，大图中所示的构造，其中防止隔 膜6粘住反电极4.的结构在隔膜4的方向上具有平坦表面。如鹏择了路径B，那么在第四可选步骤86中，在反电极支^t才料26和 反电极材料4之间施加嫩卜的反电极支lft才料92，从而结果是构造90b。因此， 凹进88的几何尺寸可以可控的方式被调整，或者凹进88的纖可为圆形，粗 略地类似于制造褶状凹槽。因此所示的路径B的截面放大图显示了本发明的另一个实施例，其中通过 适当ilM合凹进88的宽度b以及额外反电极支^^才料92的厚度t定尺寸，可获 得额外的好处，即反电极材料4中的结构防止粘住以形成尖端。利用该尖端， 粘住甚至被更有效地防止，因为在该瞎况中，隔膜6和反电极4能在最小的区 域中接触。在本发明的实施例中，嫩卜的隔膜支^對才料92的厚度t示例性地为大约凹 进88的宽度b的两倍(bS2t)。结果是截面放大图中所示的构造，该构造在 反电极4的表面上具有尖端结构，其可有效防止隔膜6粘住。为了获得图6所示的本发明的实施例，或实现嫩卜的稳定性^iS材料的特 性，可能的是，在施加反电极材料4的第五步68之前，执行第五可选步骤94 以皿反电极的稳定性。图15中显示了阐明第五可选步骤94的原理结构图。 在第五可选步骤94中，稳定性改进材料40被施加在反电极支^t才料26和反 电极材料4之间，其中稳定性g^材料40可以例如比反电极材料4具有更大 的机械稳定性。因此，图15中的起点位置类似于图14所示的起点位置，其中通賺卜地 施加稳定性^S材料40，在第五步68中的反电极材料4l鹏加之前，凹进88 首先被稳定性舰材料完全或部分地填充，从而当执行第五可选步骤94时，结果为图15示意性显示的在本发明的声换能器结构制作期间的层序列。制作 本发明声换能器结构所需的另外的步骤为已参考图11作了描述的步骤68和 70。与图14己示出的截面放大图类似，如果在施加稳定性 材料40之前已 选择图14的路径A ^! 各径B，那么作为结果，在图15中示出了防止隔膜6粘 住的结构的另外的截面放大图。当选择路径B时，在稳定性舰材料40中形 i^fe端，导致高效率地防止隔膜6粘住，等同于图14所示的情况。如果路径 八 择，凹进88首始被稳定性舰材料40完射也填充，导致图中显示的 反粘住结构的近似矩形的截面。这里会提及的是，在第六步之后的用于完成声换能器制作的最后几个步骤 可以被执行，举例来说，其可以包括图案化反电极材料4以在反电极材料4中 Jii共压力补偿孔，从而隔膜6可直接与周围的气^^混合t^触。进一步完成步 骤可以是，打开和制作用于接触的接触孔，施加将被电接触的垫，以及从后侧 蚀刻腔^Mt駭阪电极支!對才料26和隔膜支纟對指斗22来去除，以获得可自 由移动的隔膜6。甚至从晶片切割出各个麦克风芯片也属于这里提及的方法。 但是，由于它们不是本发明必需的，所以这些方法的详细解释被省略了。总的来说，在声换能器结构的本发明实施例中，该设M本上由高达3个 图案化的多晶硅层构成，戶腿多晶硅层通过氧化层互相分开。载^W才料上的隔 膜区域(如硅晶片)舰从后侦啲干傲虫刻方法从支撑部被释放。在最后一步， 隔膜和反电IMil蚀刻氧化物的湿化学牺牲层从支撑部被释放。导电轨，垫和钝化层可用于电耦合到用于处3 ^1^电压的ASIC，或 与其他估计或测量单元接触。如图12所示，本发明的縱的非常大的优点是，当设计本发明的声换能器 结构以使为所需应用范围而优化的声换肯識结构可用时，各个模块或工艺步骤 可以《封可形式结合起来。因此，下文再次粗略描述的模块可以彼此结合，以获得本发明的声换能器 结构的实施例。至于M模块中的层的术语，参考图9，其显示了使用特定实 现方式的本发明的概念，该特定实现方式具有多晶硅和氧化硅。模块随后被设 置用于制造声换能器结构的示例性工艺流程，戶舰声换能器结构在隔膜中具有 额外的褶膝 曰曰斤 模块l:多晶硅1-精确的隔戯径("子结枸')。 沉积氧條l，用于嫩鹏的嫩ij停腿G00nmTEOS)。 沉积多晶硅1层G00nm)。 注入(磷)。 结晶化。 图案化多晶硅1 模块2:褶状凹槽。 沉积氧化层2 (600nm)° 图案化氧化层以形成褶状凹槽 模块3:多晶硅2-隔膜。 沉积氧化层3作为嫩i條ihM和至多晶硅1的中间层，并且如果需 要的话用于使凸起变圆(300nm)。 沉积隔膜多晶硅(300nm)。 注入(磷)。 结晶化。 图案化多晶硅2以形成隔膜和(如果可行的话)保护环。
模块4:鹏层-间隙距离-凸起。 沉积氧化物4 (2000nm)。 图案化孔作为予贼型的凸起(直径lMm，深度0.7Mm-lMm)。 沉积另一个600nm的氧化物4，用于调翻鶴厚度和间隙距离， 同时限定尖锐凸起的微 *模块5:背板。 沉积氮化硅层，用于相当硬的反电极的情况。 沉积反电极多晶硅3 (800-1600nm)。 駄(磷)。 结晶化。 图案化多晶硅3以形成反电极并穿孔。 随后图案化间隙JE离的氧化物叠层 模块6:金属俗钝化。 沉积中间氧化物，并且如果可行的话，流动(flowing)或CMP用于 使布局变平或使边缘变圆。
在衬底、多晶硅l、多晶硅2和多晶硅3上图案化并开口接触孔 。 沉积并图案化导电轨和垫的金属化 ° 沉积钝化。 通过垫和隔膜区域开口钝化 模块7: MEMS。 在晶片后侧蚀亥鹏。
在前侧限定抗蚀剂层，雜隔膜区:^U:具有开口 。
牺牲层蚀刻在蚀刻混合物中的氧化物以及蚀刻停止层，所述蚀刻混 合物包飽氟酸，漂洗，抗蚀剂去除和千燥 将晶片切害ij为a^的麦克风芯片。本发明的概念或本发明的方法不限于其在麦克风制造上的应用，它也可使 用硅麦克风，这已在前文中着重进行了说明。本发明的概念可应用于其他倒可领域，这些领域中测量压力变化很重要。 因此，特别是具有本发明的概念的绝对或相对压力传感器或用于液体的压力传 繊也可被灵甜也配置或制作。另外，本发明的声音或压力换能器可用于产生声音，也就是例如用作扬声 器，或用于产生液体中的压力。 参考*新己列表 2载^M底(晶片) 4反电极 6隔膜8A， 8B， 8C接触 IOA， 10B接触区域 12防护端区域 14防护结构 16边缘区域 18凹进 20中间层22隔殿擀才料(第—氧化层) 24设置方向26反电极支謝料(第:ift化层)28钝化30声换能区域33隆起(凸起)34褶状凹槽36褶状负微40稳定性 材料42隔膜载^t才料44隔膜载体支纟f^才料46另一衬底48腔50压力补偿开口60第一步62第_ 步64第三步66第四步68第五步70第六步80第一可选步骤82第二可选步骤84第三可选步骤85 ,的隔膜支謝料86第四可选步骤88凹进90A构造A90B构造B92 卜的反电极5 ^料 94第五可选步骤
权利要求
1.一种用于制造声换能器结构的方法，包括以下步骤在隔膜载体材料的第一主表面上施加隔膜支撑材料(22)；在声换能区域(30)和与隔膜载体材料的第一主表面相对的隔膜支撑材料(22)的第一主表面上的边缘区域(16)中施加隔膜材料(6)；在与隔膜支撑材料(22)的第一主表面相对的隔膜材料(6)的第一主表面上施加反电极支撑材料(26)；在声换能区域(30)中在与隔膜材料(6)的第一主表面相对的反电极支撑材料(26)的第一主表面中产生多个凹进(88)；在反电极支撑材料(26)的第一主表面上施加反电极材料(4)；和将声换能区域(30)中的隔膜载体材料和隔膜支撑材料(22)移动到相邻于隔膜支撑材料(22)的第一主表面的隔膜材料(6)的第二主表面。
2. 根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在声换能区域(30)中的隔膜载体材料(22)的第一主表面上施加额外的 隔膜支纟tt才料(85)的预定高度的闭合轮廓。
3. 根据权利要求2的方法，其中闭合轮廓被施加到300nm到3000nm的高度。
4. 根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在平行于隔膜载体材料的第一主表面的载体衬底(2)的第一主表面上施 加隔膜载体支撑材料(44);和在隔膜载体支撑材料(44)的第一主表面上施加隔膜载体材料(42)。
5. 根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在反电极支撑材料(26)和与反电极材料(4)的第一主表面相对的反电 极材料(4)的第二主表面之间施加稳定性改进材料(40)，该稳定性改进材料 (40)具有比反电极材料(4)更大的机械稳定性。
6. 根据权利要求5的方法，其中在垂直于反电极材料(4)的第一主表面 的方向上，稳定性,材料(40)被施加到10nm到1000nm的厚度。
7. 根据权利要求1的方法，还包括以下步骤在反电极支撑材料(26)和反电极支撑材料(26)的第一主表面上的反电极材料(4)之间施加緲卜的反电极支^t才料(92)。
8. 根据权禾腰求7的方法，其中在垂直于反电极支^t才料(26)的第一主 表面的方向上，额外的反电极支纟對指斗(92)被施加到100nm到1000nm的厚度。
9. 根据权利要求1的方法，包括另夕卜的步骤将与反电极材料(4)的第一主表面相对的反电极材料(4)的第二主表面 和隔膜材料(6)之间的反电极支撑材料(26)移动到声换能区域(30)中的 隔膜材料(6)的第一主表面。
10. 根据权利要求1的方法，包括另外的步骤-在反电极材料(4)中产生多个凹进(88)，其从反电极材料(26)的第一 主表面向反电极支^t才料(26)的第一主表面延伸。
11. 一种用于制造声换能器结构的方法，包括以下步骤 在载m寸底(2)的第一主表面上施加隔膜载体支^W料(44); 在与载術t底(2)的第一主表面相对的隔膜载体支^f^料(44)的第一主表面上施加隔膜载^W才茅斗(42);在与隔膜载体支撑材料(44)的第一主表面相对的隔膜载体材料(42)的 第一主表面上施加隔皿^^料(22);在声换能区域(30)和与隔膜载体材料(42)的第一主表面相对的隔膜支 ^對才料(22)的第一主表面上的边缘区域(16)中施加隔膜材料(6);在与隔膜支撑材料(22)的第一主表面相对的隔膜材料(6)的第一主表 面上施加反电极支^t才料(26);在与隔膜材料(6)的第一主表面相对的反电极支撑材料(26)的第一主 表面上施加反电极材料(4);禾口将声换能区域(30)中的隔膜支撑材料(22)、隔膜载体支撑材料(44)、 隔膜载体材料和载体衬底(2)移动到相邻于隔膜支撑材料(22)的第一主表 面的隔膜材料(6)的第二主表面。
12. —种用于制造声换能器结构的力法，包括以下步骤 在隔膜载体材料的第一主表面的声换能区域(30)中施加客矽卜的隔膜支撑材料(85)的预定高度的闭合轮廓；在声换能区域(30)和隔膜载#^料的第一主表面上的边缘区域(16)中施加隔敲謝料(22);在与隔膜载体材料的第一主表面相对的隔膜支撑材料(22)的第一主表面上施加隔膜材料(6);在与隔膜支撑材料(22)的第一主表面相对的隔膜材料(6)的第一主表 面上施加反电极支ttt才料(26);在与隔膜材料(6)的第一主表面相对的反电极支撑材料(26)的第一主 表面上施加反电极材料(6);和将声换能区域(30)中的隔膜载体材料、额外的P鬲膜支撑材料(85)和隔 膜支撑材料(22)移动到相邻于隔膜支^t才料(22)的第一主表面的隔膜材料 (6)的第二主表面。
13. —种用于制造声换能器结构的方法，包括以下步骤 在隔膜载^t才料的第一主表面上施加隔皿^^料(22); 在声换能区域(30)和与隔膜载体材料的第一主表面相对的隔膜支撑材料(22)的第一主表面上的，区域(16)中施加隔膜材料(6);在与隔膜支撑材料(22)的第一主表面相对的隔膜材料(6)的第一主表 面上施加反电极支tf^料(26);在与隔膜材料(6)的第一主表面相对的反电极支撑材料(26)的第一主 表面上施加稳定性g^a材料(40);在与反电极支撑材料(26)的第一主表面相对的稳定性改进材料(40)的 第一主表面上施加反电极材料(4)，该稳定性^S材料(40)具有比反电极材 料(4)更大的机 定性；和将声换能区域(30)中的隔膜载^t才料和隔膜支^t才料(22)移动到相邻 于隔膜支^t才料(22)的第一主表面的隔膜材料(6)的第二主表面。
14. 根据权利要求1的方法，其中在垂直于隔膜材料(6)的第一主表面的 方向上，隔膜材料(6) | 加到100nm至ij 1000nm的厚度。
15. 根据权利要求1的方法，其中在垂直于反电极支^^料(26)的第一 主表面的方向上，反电极支^t才料(26)被施加到500nm到3000nm的厚度。
16. 根据权利要求1的方法，其中在垂直于反电极材料(4)的第一主表面 的方向上，反电极材f4M^加到500nm到2500nm的厚度。
17. 根据权禾腰求1的方法，其中在垂直于隔膜支!對才料(22)的第一主表面的方向上，隔膜支孚對才料(22)丰鹏加到lOOnm至lj lOOOnm的厚度。
18. 根据权利要求1的方法，其中在平行于反电极支^^才料(26)的第一 主表面的方向上包括0.5miti和3pm之间的延伸且在垂直于反电极支撑材料 (26)的第一主表面的方向上包括0.5mhi和1.5拜之间的延伸的凹进(88)在 反电极支lft才料(26)中产生。
19. 一种声换能器结构，包括隔膜，其第一主表面由声换能区域(30)中的隔膜材料(6)和隔膜的边 缘区域(16)构成；由反电极材料(4)制成的反电极，其第二主表面被布置为在与隔膜的第 一主表面相对的自由術只的一侧与隔膜的第一主表面平行；禾口在声换能区域(30)中从反电极(4)的第二主表面延伸到自由体积中的 多个隆起(32)。
20. 根据权禾頓求19的声换育離结构，其中隔膜具有褶状凹槽，雜声换 能区域(30)中从隔膜的第一主表面延伸到自由体积中。
21. —种声换能器结构，包括-隔膜，其第一主表面由声换能区域(30)中的隔膜材料(6)和边缘区域 (16)构成；由反电极材料(4)制成的反电极，其第二主表面被布置为在与隔膜的第 一主表面相对的自由術只的H则与隔膜的第一主表面平行；边缘区域(16)中的隔膜支撑材料(22)，其具有相邻于与隔膜的第一主 表面相对的隔膜的第二主表面的第一主表面；和边缘区域(16)中的隔膜载#^料，其具有相邻于与隔膜支^t才料(22) 的第一主表面相对的隔膜支^fW料(22)的第二主表面的第一主表面。
22. 根据权禾腰求21的声换育離结构，其中隔膜载淋才料和隔膜材料为相
23. —种声换能器结构，包括隔膜，其第一主表面由声换能区域(30)中的隔膜材料(6)和边缘区域 (16)构成；由反电极材料(4)制成的反电极，其第二主表面被布置为在与隔膜的第 一主表面相对的自由体积的一侧与隔膜的第一主表面平行；和布置在反电极材料(4)的第二主表面上的稳定性改进材料，该稳定性改 进材料具有比反电极材料(4)更大的 稳定性。
24. 根据权利要求23的声换會識结构，其中稳定性鹏材料和反电极材料的厚度的比率在l: 100和1: l之间。
25. 根据权利要求23的声换能器结构，其中稳定性舰材料为氮化硅，氮 氧化硅體属硅化物。
26. 根据权利要求21的声换能器结构，还包括在声换能区域(30)从反电极(4)的第二主表面延伸到自由体积中的多 个隆起(32)。
全文摘要
本发明涉及声换能器结构以及制造声换能器结构的方法。为制造声换能器结构，隔膜支撑材料被用于隔膜载体材料的第一主表面上，且隔膜材料被用于声换能区域和隔膜支撑材料的表面上的边缘区域中。另外，反电极支撑材料被用于隔膜材料的表面上，且在隔膜材料的声换能区域中形成凹进。反电极材料被用于反电极支撑材料和隔膜载体材料，且在声换能区域中隔膜支撑材料被移动到隔膜材料。
文档编号H04R31/00GK101222792SQ20071015960
公开日2008年7月16日 申请日期2007年11月2日 优先权日2006年11月3日
发明者A·德赫, M·富尔德纳, S·巴曾 申请人:英飞凌科技股份公司