双单晶背板麦克风系统及其制造方法

专利名称：双单晶背板麦克风系统及其制造方法
技术领域：
本发明涉及微加工的麦克风，并且更具体地涉及微加工的麦克风的制造方法。
背景技术：
麦克风通常具有与固态背板平行地布置的可移动膜片。膜片和背板形成可变电容器。膜片响应于入射的声能而移动，以改变可变电容，并且由此产生用于表示入射声能的电信号。多晶硅可以被微加工来制造膜片和/或背板。然而，多晶硅的微加工的结构可以从它们的制造保持应力并且当被冷却时可能变形、弯曲或甚至断裂。多晶硅微机电系统(“MEMS”)结构也可能具有通常不平坦的表面(即，它们可能不规则地起伏)，这可能潜在不利地影响它们作为可变电容器的板的质量。

发明内容
在第一实施例中，双背板微加工的麦克风具有在两个单晶背板之间可移动地夹着的膜片，以形成两个可变电容器，每一个可变电容器具有一个背板。诸如氧化层的两个绝缘层将背板与膜片电隔离。—些实施例在背板层之一或两者中具有各种触头，以利到膜片和一个或两个背板的电连接。说明性实施例包括与背板层之一相邻的背侧空腔，以提供对于麦克风的物理支撑，并且提供声能达到膜片的路径。在一些实施例中，背板之一或两者是绝缘体上硅的晶片的一部分，而膜片可以是多晶硅。在一些实施例中，两个背板层之一或两者或者膜片层包括间隔物(standoffs)，用于调节在背板和膜片之间的间隙。可以通过下述方式来制造双背板麦克风提供具有第一导电单晶背板和导电膜片的第一晶片和具有第二导电单晶背板的第二晶片，并且将第二背板粘合到第一晶片，使得在第一背板和第二背板夹着膜片，但是膜片与第一背板和第二背板电隔离。膜片因此可以形成耦合的电容器，一个是连同第一背板形成，并且另一个是连同第二背板形成。背板之一或两者可以在绝缘体上硅晶片的层中。在一些实施例中，背板之一或两者或膜片层可以包括间隔物。一些实施例包括在背板之一或两者上的可移动层，用于在制造期间接触和固定膜片。在一些实施例中，可移动层最终被去除以释放膜片。该装配处理可以包含将第二背板从第二晶片向第一晶片转移。在一些实施例中，第二晶片也包括牺牲(或粘结)层和施主基板，并且该处理包括在粘合晶片后去除施主基板和牺牲层。


结合附图通过参考下面的详细描述，将更容易明白本发明的前述特征，在附图中图I示意地示出可以使用根据本发明的说明性实施例配置的MEMS麦克风的移动电话。图2示意地示出可以根据本发明的说明性实施例配置的MEMS麦克风。图3示意地示出通过线202的在图2中所示的麦克风的截面图。图4示意地示出根据一个实施例的具有双单晶背板的MEMS麦克风系统。图5示出根据本发明的说明性实施例的形成双背板麦克风的处理。图6A-6C示意地图示根据各个实施例的麦克风的组件部分。图7A-7E示意地图示在说明性实施例中的根据制造的不同阶段的麦克风的组件部分。
具体实施例方式在说明性实施例中，MEMS麦克风被配置成具有对于高最大声压、宽带宽的检测能力并且降低了毁坏的风险。为此，双背板麦克风具有在两个单晶背板之间夹着的可移动膜片。图I示意地示出可以使用根据说明性实施例配置的麦克风的移动电话10。简言之，电话10具有接收器12，用于接收音频信号(例如，人的语音)；扬声器部分14，用于生成音频信号；以及应答器16，用于发射和接收编码音频信号的电磁信号。在使用期间，人可以向接收器12内说话，接收器12具有MEMS麦克风(图2，如下所述)，MEMS麦克风将人的语音转换为电信号。内部逻辑(未示出)和应答器16向诸如卫星塔的远程源调制这个信号，并且最终向在另一个电话10上的另一个人调制这个信号。在说明性实施例中，接收器12具有麦克风，该麦克风被机械地配置有相对精确的低频截止点(即，在没有显著失真的情况下它可以检测的最低频率，其在本领域中经常被称为“_3dB点”)。图2示意地示出MEMS麦克风18 (也称为“麦克风芯片18”)的一部分的顶部立体图。图3示意地示出通过图2的线2-2的同一麦克风18的截面图。为了说明清楚，图2或图3都未示出第二背板。除了其他方面，麦克风18包括静态背板20，静态背板20支撑柔性膜片22并且与柔性膜片22 —起形成可变电容器。在说明性实施例中，从单晶硅形成背板20(例如，下述的绝缘体上硅晶片的顶层)，而从诸如沉积多晶硅的沉积材料形成膜片22。然而，其他实施例使用其他类型的材料来形成背板20和膜片22。例如，单晶硅大体积晶片或某种沉积材料可以形成背板20。以类似的方式，单晶硅大体积晶片、绝缘体上硅晶片的一部分或某种其他的沉积材料可以形成膜片22。为了便利操作，背板20具有引导到背侧空腔26的多个通孔孔径(“背板孔径24”)。弹簧28可移动地将膜片22连接到麦克风18的静态/固定部分40，其包括基板(也被附图标号“30”标识)。弹簧28有效地形成多个孔径，所述多个孔径允许声能的至少一部分通过膜片22。也被称为“膜片孔径32”的这些孔径32可以是任何合理的形状，诸如狭缝形状、圆孔或某种不规则形状。然而，其他实施例可以具有其他类型的弹簧28以及孔径24和32。入射声能使得膜片22振动，因此在它和背板20之间产生改变的电容。这样的声能可以从任何方向接触麦克风18。例如，在图3中，声能被示出为向上传播，首先通过背板20，并且然后部分通过和对着膜片22。在其他实施例中，声能可以在相反方向上传播。芯片上或芯片外电路(未示出)接收(经由图2的触头36)这个改变的电容，并且将这个改变的电容转换为可以进一步被处理的电信号。应当注意，图2-3中所示特定麦克风18的讨论仅为了说明的目的。根据说明性实施例，双背板麦克风400具有一对通常平行的、单晶硅背板层402和
412，每一个单晶硅背板层分别具有背板401和411 ;以及多晶硅膜片层408，并且可移动导电膜片409夹在背板层401、411之间，如图4中示意性图示的。膜片409以及背板401和411的布置可以被描述为形成堆叠体。通常，相对于多晶硅背板，单晶背板会更坚硬，并且具有更一致的表面。这与现有技术的设计相反，现有技术的设计具有单个背板和/多晶硅背板。膜片409形成两个电容器，与每个背板401、411各形成一个。当入射声能撞击膜片409时，膜片移动或振动。当膜片移动到更接近一个背板时，它移动得更加远离另一个背板。因为电容与膜片和背板之间的间隙成反比，所以通过膜片向一个背板移动而形成的电容增大，而通过膜片远离另一个背板而形成的电容减小。当膜片409固定时，通过在麦克风400内的其他结构来确定在膜片与背板401、411的每一个之间的距离。在图4中，膜片409和第一背板401之间的间隙415由粘合介质410的尺寸来确定，而膜片409和第二背板411之间的间隙414由粘合介质413的尺寸来确定。单晶背板的硬度响应于外力或撞击的声能而抵抗背板的弯曲，并且可以因此使得背板和膜片之间的间隙比诸如微加工的多晶硅背板的其他背板更一致。一些实施例包括作为麦克风结构的一部分的导电连接器，以利到麦克风400的各种部件的电连接。例如，在第二背板层412上的触头420电耦合到背板层412和第二背板
411。这使得第二背板411电连接到在麦克风系统内的其他电路，所述其他电路可以例如向背板411供电或感测由背板411和膜片409形成的电容。耦合到通孔422的另一个触头421穿过第二背板层412，并且电连接到膜片409。通孔422通过绝缘氧化物内衬423与第二背板层412绝缘。第一背板401通过通孔425电耦合到又一个触头424，该通孔425穿过第二背板层
412。通孔425通过绝缘氧化物内衬426与第二背板412绝缘。图4的麦克风400也包括背侧腔体404，该背侧腔体404穿过绝缘体上硅(“ SOI ”)晶片403的底部硅(手柄)层405和中间氧化物(例如，掩埋氧化物或“BOX”)层406。背侧腔体404提供了通道，通过该通道，进入的声能可达到膜片409，而中间氧化物406充当绝缘体，用来电隔离背板401和手柄层405。手柄层405的剩余部分430提供了用于在基板上支撑麦克风400的结构。在第二背板层上没有对应的结构。这样的对应的结构使得麦克风400更高，并且因此占用更大的体积，这在一些应用中可能是不期望的(例如，在蜂窝电话或IC封装体内，其中，空间非常珍贵)。由于硅晶体生长的性质，所以不能通过在膜片或另一个晶片附近原地生长多晶背板来完成制造具有单晶背板的双背板麦克风。然而，可以通过下述方式来制造这样的麦克风独立的地产生多晶背板中的至少一个；以及通过例如经由晶片粘合组装其组件部分来制造麦克风。在一些实施例中，在晶片中的至少一个的完整制造之前(即，当一些制造步骤保持用于晶片中的至少一个时)，可以执行下述部分在几个组件晶片(例如，诸如两个SOI晶片或者一个SOI晶片和单晶晶片)上单独地制造部件，并且然后将晶片粘合在一起。在图5的流程图中描述了这样的处理的说明性实施例。在图6A、6B和6C中示意地图示了在图5的处理中可以使用的某些组件部分的说明性实施例，并且在图7A-7E中图
示了根据图5的处理装配的组件部分的说明性实施例。该处理在步骤501开始，其中，第一背板和膜片被设置在第一晶片上。第一晶片可以是SOI晶片，并且可以以本领域已知的方式来制造第一背板和膜片。例如，在图6A中，在SOI晶片600的器件层(或背板层)603中示意地图示了第一背板604。背板604包括可以允许声波或声能通过膜片606的一个或多个孔/孔径/通路605。第一背板604与导电膜片606 —起形成电容器。为此,绝缘氧化层608物理地和电子地将膜片层607与背板层603分隔。晶片600也包括手柄层601和中间氧化物层602，中间氧化物层602包括背侧空腔611。在一些实施例中，膜片606可以通过可去除或牺牲材料791紧固到第一晶片600，如图7D中示意地图示的。材料791可以用于在随后的处理期间固定膜片606。除了其他方面，这可以降低或消除在双背板麦克风的装配期间膜片606与背板604接触的风险。例如，材料791可以是牺牲多晶硅或氧化物。第二背板被设置在第二晶片上(步骤502)。第二晶片可以被称为“施主”晶片，并且它具有与第二背板可分离的“施主”部分。背板说明性地是大约10微米厚，并且由多晶娃制成。例如，在图6B中，第二晶片620包括在器件层(它也可以被称为第二背板层)623中的第二背板624。第二背板624包括一个或多个沟槽625，所述一个或多个沟槽625以后将形成通过背板624的孔、孔径或通路。手柄层621是施主层(换句话说，层621最终将向制造的双背板麦克风施予背板层623)。在图6C中示意地图示了第二晶片的替代实施例。晶片630包括损伤平面631，其中，已经植入了离子或其他杂质。在一个实施例中，例如，在晶片630的表面632下植入离子(诸如氢离子)，以形成与表面632平行的损伤平面631。顶部表面632包括沟槽635，以部分地形成背板634。如上所述，沟槽635在完成层转移后将形成通过第二背板634的孔径。这样，在损伤平面631之上的晶片630的区域是第二背板层。损伤平面631和在损伤平面之下的第二晶片630的部分633 (例如，在与沟槽635相对的第二晶片630的侧上)是施主层。施主层可以通过破裂或割断在损伤平面631层的晶片630而最终与背板624分离。
在任一情况下，如图7D中示意地图示的，第二背板￠24或634)可以具有可去除或牺牲材料790。材料790可以用于如图7E中示意地图示的在随后的处理期间固定膜片606，并且可以例如是牺牲多晶硅、聚合物或氧化物。在一些应用中，可能重要的是，膜片和第二背板之间的间隙与膜片和第一鉴别之间的间隙基本上相同。这样，在一些实施例中，第二背板层或膜片层中的一个或两者可以包括一个或多个不导电间隔物，诸如在图6A中的间隔物610、在图6B中的间隔物626和在图6C中的间隔物636。这样的间隔物凸立在它们附接到的表面的面上，并且它们的高度应当匹配在膜片和第一背板之间的间隙。以这种方式，间隔物将防止在膜片和第二背板之间的间隙小于期望值(例如，小于在膜片和第一背板之间的间隙)。在一些实施例中，这样的间隔物也可以用作在第二背板层上的触头和诸如膜片或第一背板的麦克风的另一个构件之间的导体。可选地，可以在第二晶片上制造(步骤503)诸如晶体管的集成电路和其他有源器
件、无源器件和互连结构，这里仅列出几个。在第二晶片上制造第二背板或诸如集成电路的麦克风结构的其他部件提供了包括下述部分的潜在益处更低的制造成本，以及没有损害在同一基板上制造微加工结构(例如，诸如膜片)的风险。例如，可以在比制造一些微加工的结构的危险高温度更低的温度下执行这样的制造。该处理然后继续到步骤504，其中，第二晶片被放置得与第一晶片接触并且粘合到第一晶片。图7A和7B示意地图示了使用在图6A和6B中图示的某些组件部分的步骤504。虽然这个说明性实施例采用SOI晶片，但是应当注意，各个实施例不限于SOI晶片的使用。例如，也可以使用单晶(非SOI)晶片，诸如在图6C中示意地图示的第二晶片。如图7A中不意地图不的,具有第一背板604和在膜片层607中的膜片606的第一晶片600、以及具有第二背板层623的第二晶片620被设置和布置成使得第二背板层623面向膜片层607。如果存在电互连或通孔(例如，诸如在图4中图示的那些)，则在第二晶片620上的触头应当与在第一晶片600上的对应触头(例如，该触头可以在膜片层607上)对齐。一个或多个互连材料701被放置在第一晶片600和第二晶片620之间。互连材料701可以是粘性的或其他导电或不导电的粘合材料。互连材料701可以初始附接到第一晶片600、第二晶片620中的一个或两者。在一些实施例中，如上所述，并且如图7E中所示，互连材料701可以初始在膜片层607上，并且延伸跨过膜片606和在膜片606和第二背板624之间，以充当牺牲材料790。在任何情况下，互连材料701与膜片606横向隔开，以避免干扰膜片606在完成的产品中的移动(例如，如在图7C中那样)。然后，两个晶片600和620与互连材料701被置于一起并且彼此粘合，以形成如图7B中所图示的统一构件。就此而论，两个晶片经由互连材料701而粘合。在替代实施例中，可以例如用金属粘合物或氧化物直接粘合来完成粘合，而不插入粘合材料。在一些实施例中，在比可能损害MEMS结构或集成电路的温度低的温度下形成晶片之间的粘合。在一些实施例中，例如，在大约摄氏200至400度的温度下制造粘合物。一旦粘合了晶片，则去除第二晶片的部分(例如，施主部分)(步骤505)，留下粘合到第一晶片的第二背板。例如，在图7C中，已经去除了第二晶片620的施主层621和中间氧化物层622，留下了附接到第一晶片600 (具体地说，在这个实施例中，附接到膜片层607)的第二背板层623。就此而论，先前的沟槽635贯穿(例如，形成通过第二背板层623的孔或通路702)第二背板层623以形成背板624。去除施主基板621可以包含简单地去除中间氧化物层622，因此允许施主基板621脱落。替代地，可以通过本领域已知的蚀刻、磨损或其他方法来去除施主基板。其他实施例可以通过蚀刻和磨损或研磨要去除的部分的组合来去除第二晶片的部分。例如，如果晶片是SOI晶片(620)，则可以通过磨损或研磨来去除手柄层(621)，以暴露绝缘层￠22)，该绝缘层然后可以通过蚀刻被去除。在任何情况下，这样的处理优选地是低温处理，低温处理将不损害在器件中的MEMS结构或电路(诸如CMOS电路)。一些处理使得施主晶片完整，而另一些处理使它完整但是比它原来薄。如果它保持得足够厚以在其表面上制造可转移层，则可以再使用该施主晶片。例如，在一些实施例中，可以通过下述方式来在施主晶片620上形成新的背板624 :在施主晶片620上制造牺牲层622 (诸如可以充当粘结层的氧化物层)，并且然后向牺牲层上制造或粘合新的背板624。在一些实施例中，基板(施主层)不必本身是晶片，但是可以是能够支撑牺牲层和背板层的制造的任何基板。就此而论，说明性实施例可以指的是第二 “晶片”，但是应当明白，该结构不限于晶片或半导体晶片。可以在处理结束之前执行其他后处理(步骤506)，诸如抛光表面(例如，通过CMP或机械磨损)或互连电路。在某个点，例如，可以通过下述方式释放膜片(步骤507):去除可去除或牺牲材料(790和/或791，如果有的话)的至少一些或在膜片606与背板604、624中的一个或两者之间的其他剩余结构。包括这样的牺牲材料的一些实施例可以仅具有牺牲材料790或791中的一个。因此，一般而言，双背板麦克风的一些实施例具有第一单晶背板、第二单晶背板和在第一和第二背板之间定位(或夹着)的柔性膜片。背板和晶片形成堆叠体，并且被小间隙隔开。膜片形成两个可变电容器一与两个背板的每一个各形成一个。到膜片和每一个背板的电连接允许通过连接的电路感测每一个电容。背板优选地是相当坚硬的，并且将不响应于任何入射的声能而变形。例如由于单晶背板的某些物理属性，诸如其硬度和平滑表面，所述以双背板麦克风可以提供相对于单背板麦克风的多个优点。双背板麦克风系统的优点可以包括宽动态范围,包括相对高的最大声压(例如，大于120dB spI ;在一些实施例中，高达160dB spl或更大)和宽带宽(例如，大于20kHz ;在一些实施例中，高达IOOkHz或更大)，这里仅列出几个。而且，在差分电容器的情况下，可以采用比在单背板设计中使用的那些更高的偏置电压。可以将膜片附接到膜片一侧的背板的静电力在一定程度上被在膜片和在另一侧的背板之间的静电力间隔。这些竞争的抵消力降低了将膜片拉到一个背板(可以被称为“下拉”的现象)并且被不能恢复地卡住的可能性，并且因此，可以施加更高的偏置电压。上述的本发明的实施例意在仅是示例性的；多种变化和修改对于本领域内的技术人员将是显而易见的。所有这样的变化和修改意在处于如在任何所附的权利要求中限定的本发明的范围内。
权利要求
1.一种双背板麦克风，包括 第一背板层，所述第一背板层包括第一导电单晶背板； 第二背板层，所述第二背板层包括第二导电单晶背板；以及 导电的膜片，所述膜片可移动地被夹在所述第一背板和第二背板之间并且与所述第一背板和第二背板电隔离，其中，所述背板和膜片形成堆叠体，使得所述膜片与所述第一背板形成第一可变电容器，并且所述膜片与所述第二背板形成第二可变电容器。
2.根据权利要求I所述的双背板麦克风，其中，所述麦克风进一步包括在所述第一背板层和所述膜片之间的第一绝缘层以及在所述第二背板层和所述膜片之间的第二绝缘层。
3.根据权利要求I所述的双背板麦克风，所述第二背板层进一步包括 第二背板触头，所述第二背板触头电耦合到所述第二背板；以及膜片触头，所述膜片触头电耦合到所述膜片。
4.根据权利要求3所述的双背板麦克风，所述第二背板层进一步包括电耦合到所述第一背板的第一背板触头。
5.根据权利要求I所述的双背板麦克风，所述第一背板层进一步包括第一侧和第二侦牝所述第一侧面向所述膜片，并且所述第二侧包括背侧空腔。
6.根据权利要求I所述的双背板麦克风，所述第二背板层进一步包括第一侧和第二侦牝所述第一侧面向所述膜片，并且所述第二侧包括背侧空腔。
7.根据权利要求I所述的双背板麦克风，其中，所述第一背板层和所述第二背板层中的至少一个包括SOI晶片。
8.根据权利要求I所述的双背板麦克风，进一步包括在所述第一背板层和所述晶片之间的绝缘层，并且其中所述膜片包括多晶硅。
9.根据权利要求8所述的双背板麦克风，其中，所述绝缘层包括氧化物。
10.根据权利要求I所述的双背板麦克风，进一步包括在所述第二背板层和所述膜片层之间的一个或多个间隔物。
11.根据权利要求10所述的双背板麦克风，其中，所述间隔物凸立在所述第二背板层。
12.根据权利要求10所述的双背板麦克风，其中，所述间隔物凸立在所述膜片层。
13.—种制造双背板麦克风的方法，所述方法包括 提供第一晶片，所述第一晶片包括导电单晶背板和导电膜片； 提供第二导电单晶背板；以及 把所述第二背板粘合到所述第一单晶晶片，使得所述膜片被夹在所述第一背板和所述第二背板之间并且与所述第一背板和所述第二背板电隔离。
14.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，所述膜片与所述第一背板形成第一可变电容器，并且所述膜片与所述第二背板形成第二可变电容器。
15.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，把所述第二背板粘合到所述第一单晶晶片包括层转移处理。
16.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，所述方法进一步包括在粘合了所述晶片之后释放所述膜片。
17.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，所述第二单晶背板包括第二晶片，所述第二晶片包括背板层、粘结层和施主层，并且其中所述方法进一步包括去除所述第一晶片的所述施主层和粘结层。
18.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，所述第二单晶背板和所述第一单晶晶片中的至少一个包括SOI层的器件层。
19.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，所述第一晶片进一步包括与所述第一背板相对的所述膜片的一侧上的牺牲材料。
20.根据权利要求13所述的制造双背板麦克风的方法，其中，所述第二背板进一步包括具有第一面的第二背板层，其中，所述第一面包括一个或多个间隔物。
全文摘要
一种双背板MEMS麦克风系统包括夹在两个单晶硅背板之间的柔性膜片。可以通过下述方式来形成这样的MEMS麦克风系统在独立的晶片中制造每一个背板；以及然后将一个背板从其晶片向另一个晶片转移，使得与膜片形成两个分离的电容器。
文档编号H04R19/00GK102792715SQ201080036868
公开日2012年11月21日 申请日期2010年8月27日 优先权日2009年8月28日
发明者杨·L·匡, 陈立, 陈都华 申请人:美国亚德诺半导体公司