一种微硅麦克风及其制造方法与流程

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一种微硅麦克风及其制造方法与制造工艺

本发明涉及传声器及制作方法,尤其涉及一种微型麦克风及制造方法。



背景技术:

麦克风是一种将声音信号转化为电信号的换能器。其中驻极体电容式麦克风(ECM)已经广泛应用于各个领域。但传统ECM在高温下其敏感膜中的常驻电荷会发生泄漏,进而导致ECM失效。而器件自动化表面贴装工艺常需经历高达260℃的焊接温度,导致ECM在大批量自动化生产的消费类电子产品领域丧失优势。

而利用微机电系统(MEMS)技术制造的微硅麦克风是通过外电源直接对麦克风提供偏置电压,无须在敏感膜中存储常驻电荷,所以没有常驻电荷在高温下流失的危险具有能耐受表面贴装工艺中高温的优点,正迅速成为ECM产品的代替者。电容式微硅麦克风具有高输出阻抗的特点,导致其受环境干扰噪音和寄生电容的影响较大,因此微硅麦克风需要采用单片集成方式。

微型硅麦克风制作中遇到的一个主要问题就是振动膜应力的控制。现有薄膜制备手段基本采用淀积,通过淀积得到的振动模会存在较大的残余应力,通常包括热失配应力和本征应力两种。残余应力对微型硅麦克风特性有很大影响,甚至使其失效不能工作。大的残余张应力会显著降低振动模的机械灵敏度,而振动膜的机械灵敏度与麦克风的关键指标——灵敏度成正比,因此大的残余应力会降低麦克风的灵敏度。另外大的残余压应力可能导致振动膜发生屈曲,从而使麦克风失效。提高麦克风灵敏度可通过改进制备方法——淀积,或采用一些附加工艺如退火等来减小振动模的残余应力,但是采用这种方法对减小残余应力的效果不大,而且重复性不好,实现也较为复杂;另外一个重要途径就是对振动模结构的设计进行优化,使振动模的机械灵敏度。

因此,如何解决振动膜残余应力问题现有技术存在的问题而在同一基片上完成标准的IC和MEMS器件的制作,保持麦克风灵敏度,已成为本领域技术人员亟待解决的技术课题。



技术实现要素:

有鉴于此,本发明实施例提供了一种微硅麦克风及微硅麦克风制造方法,用于解决微硅麦克风受应力影响,灵敏度被干扰的技术问题。

本发明的微硅麦克风,包括振动膜层,所述振动膜层包括振动梁和振动膜,振动梁围绕振动膜的边缘均匀布设,振动梁的一端固定在振动膜的边缘,振动梁的另一端固定在支撑结构上。

所述振动梁围绕所述振动膜边缘均匀布设,与振动膜边缘垂直连接,所述振动梁一端伸入振动膜边缘与振动膜表面平滑连接。

所述振动梁包括第一振动梁和镜像设置的第二振动梁,所述第一振动梁和第二振动梁成组设置,围绕所述振动膜边缘均匀布设。

所述振动梁包括弯折。

所述第一振动梁呈L型弯折,包括两个相交的条形支撑,其中一个条形支撑与振动膜边缘垂直连接,另一个条形支撑固定在支撑结构上。

还包括与所述振动膜层间隔设置的电容层,所述电容层和所述振动膜层相邻的表面布设隔离凸点,所述电容层和所述振动膜层相背的表面覆盖背板结构层,所述电容层和所述背板结构层上开设通孔。

本发明的微硅麦克风的制造方法,包括:

硅基片顶部顺序形成绝缘层、振动膜层、牺牲层、电容层和背板结构层;

在硅基片底部形成露出绝缘层的背腔;

在电容层和背板结构层上布设通孔;

通过通孔和/或背腔去除部分绝缘层和牺牲层。

所述绝缘层为氧化硅,所述振动膜层为多晶硅,所述牺牲层为氧化硅,所述电容层为多晶硅,所述背板结构层为氮化硅。

所述形成振动膜层,包括在振动膜层的边缘形成分布的固定梁。

所述形成牺牲层,包括在牺牲层表面形成中部的工艺盲孔和边缘的工艺通孔。

所述形成电容层,包括在电容层与牺牲层结合的底面,利用工艺盲孔形成隔离凸点,利用工艺通孔形成电容层与振动膜层的连接体。

所述背板结构层边缘的所述通孔使得电容层的边缘部分露出形成压焊位置,在压焊位置形成金属压焊点。

本发明实施例提供的微硅麦克风以及微硅麦克风制造方法,可以克服振动膜的内应力,抑制振动膜出现不规律应力,提高振动膜灵敏度。利用沿法线或径向的振动梁,以及振动梁的弯折,可以形成与振动膜振动频率适配的支撑力。同时可以在完成硅基片上IC制程后,在相对低的温度下完成麦克风的MEMS制程,保证了成品质量。

附图说明

图1为本发明一实施例的微硅麦克风制造方法的第1步示意图。

图2为本发明一实施例的微硅麦克风制造方法的第2步示意图。

图3为本发明一实施例的微硅麦克风制造方法的第3步示意图。

图4为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第4步示意图。

图5为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第5步示意图。

图6为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第6步示意图。

图7为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第7步示意图。

图8为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第8步示意图。

图9为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第9步示意图。

图10为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第10步示意图。

图11为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第11步示意图。

图12为本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法的第12步示意图。

图13为本发明一实施例的微硅麦克风的振动膜层的俯视结构示意图。

图14为本发明另一实施例的微硅麦克风的振动膜层的俯视结构示意图。

图15为本发明再一实施例的微硅麦克风的振动膜层的俯视结构示意图。

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作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围。

图纸中的步骤编号仅用于作为该步骤的附图标记,不表示执行顺序。

本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法,主要包括:

硅基片顶部顺序形成绝缘层、振动膜层、牺牲层、电容层和背板结构层;

在硅基片底部形成露出绝缘层的背腔;

在电容层和背板结构层上布设通孔;

通过通孔和/或背腔去除部分绝缘层和牺牲层。

通常,在背板结构层上还会形成金属层用于保护或与壳体形状适配。

本实施例的制造方法能够获得微硅麦克风的稳定层结构。

本发明一实施例的微硅麦克风的制造方法具体如图1至图12所示,具体包括:

如图1所示,包括在硅基片01顶部形成绝缘层02。

绝缘层02可以采用淀积工艺形成氧化硅层。绝缘层02作为后续形成的膜层的支撑层。

如图2所示,包括在绝缘层02上形成振动膜层03。

振动膜层03可以为采用淀积工艺形成的多晶硅层。

如图3所示,包括在振动膜层03的边缘形成分布的固定梁32。

使得振动膜层03进一步形成中心的(振动膜)振动部分和外周的(固定梁)固定部分。

固定梁32可以采用光刻、腐蚀掩膜、各向异性刻蚀工艺形成。

在本发明另一实施例的微硅麦克风制造方法中,振动膜层03形成绝缘层02上的凸台31。

如图4所示,包括在振动膜层03上覆盖牺牲层04。

牺牲层04可以采用淀积工艺形成的氧化硅层。

牺牲层04作为麦克风电容结构中的介质层。

在本发明另一实施例的微硅麦克风制造方法中,牺牲层4同时覆盖绝缘层02的外周。

如图5所示,包括在牺牲层04表面形成中部的工艺盲孔41和边缘的工艺通孔42。

工艺盲孔41可以采用光刻、腐蚀掩膜、各向异性刻蚀等工艺形成。工艺通孔42可以采用光刻、腐蚀等工艺局部腐蚀牺牲层04形成,使得振动膜层03的固定梁32端部露出。

工艺通孔42中形成后续工艺的连接点,工艺盲孔41内形成后续工艺的部分限定形状。

如图6所示,包括形成覆盖牺牲层04的电容层05。

电容层05可以采用低压化学气相沉积(LPCVD)工艺形成的多晶硅层。

在电容层05与牺牲层04结合的底面,利用工艺盲孔41形成隔离凸点51,隔离凸点51可以保证在成品应用时振动膜层03与电容层05间避免出现黏附现象,利用工艺通孔42形成电容层05与振动膜层03的连接体53。

在本发明另一实施例的微硅麦克风制造方法中,电容层05同时覆盖牺牲层04的外周。如图7所示,包括在电容层05上形成分布的传音通孔52。

传音通孔52可以采用光刻、刻蚀等工艺形成,使得牺牲层04露出。

在本发明另一实施例的微硅麦克风制造方法中,还包括使得绝缘层02和牺牲层04的外周露出。

如图8所示,包括形成覆盖电容层05的背板结构层06。

背板结构层06可以采用沉积工艺形成的氮化硅层。

在本发明另一实施例的微硅麦克风制造方法中,还包括背板结构层06同时覆盖绝缘层02、牺牲层04和电容层05的外周。

如图9所示,包括在背板结构层06上形成与传音通孔52相应的受音通孔61。

受音通孔61可以采用光刻、刻蚀等工艺形成,与传音通孔52形成连通的受音通道。

如图10所示,背板结构层06边缘的部分受音通孔61使得电容层的边缘部分露出形成压焊位置,在压焊位置63形成金属压焊点07。

金属压焊点07可以采用溅射、光刻、腐蚀等工艺制作。

如图11所示,包括在硅基片01底部形成。

背腔08可以采用双面光刻、深硅刻蚀等工艺形成。

背腔08使得绝缘层02露出。

如图12所示,包括去除位于固定梁32围绕范围内,且处于电容层05投影范围内的绝缘层02和牺牲层04。

消除绝缘层02和牺牲层04可以采用湿法腐蚀等工艺,从背腔08和传音通孔52两个方向分别或同时进行。

消除部分消除绝缘层02和牺牲层04后的振动膜层03中心部分悬空成为可动结构,振动膜层03的边缘部分通过固定梁32连接至保留的受硅基片01和背板结构层06支撑的绝缘层02和牺牲层04上。

在上述实施例的微硅麦克风的制造方法基础上,振动膜层03和电容层05的形成顺序对调,导致位置互换不对成品质量造成不良影响。

图12同时作为本发明一实施例的微硅麦克风的剖视结构示意图。如图12所示,包括硅基片01和在硅基片01顶部通过绝缘材料固定支撑的振动膜层03和电容层05,振动膜层03和电容层05之间形成空腔,在硅基片01底部形成露出振动膜层03的背腔08。

电容层05与振动膜层03相邻的表面,布设隔离凸点51,电容层05和所述振动膜层相背的表面覆盖背板结构层06,电容层05和背板结构层上开设通孔(相连通的传音通孔52和受音通孔61)。电容层05与振动膜层03构成电容结构。

振动膜层03包括中心的振动膜和外周分布的固定梁。

本实施例的振动膜层03两侧形成了供振动膜层03振动的足够腔体空间,通过固定梁分散了振动膜的应力聚集,使得振动膜灵敏度得到提高。通过隔离凸点51避免了振动膜层振动过程中与电容层05的意外黏合。

本发明一实施例的微硅麦克风的振动膜层03包括位于同一平面的振动梁32和振动膜33,振动梁围绕振动膜的边缘均匀布设,振动梁的一端固定在振动膜的边缘,振动梁的另一端固定在支撑结构上(如图12所示的绝缘层02和牺牲层04)。本发明另一实施例的微硅麦克风的振动梁包括弯折,弯折使振动梁弯折处的两部分梁体受力方向存在差异,可以有效改变振动梁整体的弹性模量,形成适应振动膜在高低频振动时的有效支撑力。可以包括一个或多个顺序或对称的弯折。弯折可以是间隔或连续的。

图13为本发明一实施例的微硅麦克风的振动膜层结构示意图。如图13所示,包括位于同一平面的圆形的振动膜33、第一振动梁34和镜像设置的第二振动梁35,第一振动梁34和第二振动梁35成组设置,围绕振动膜33边缘(周向)均匀布设。

第一振动梁34包括两个相交的条形支撑(即两段梁体),成L型弯折,其中一个条形支撑与振动膜33边缘垂直连接(即径向方向或法线方向),另一个条形支撑固定在支撑结构上。

本实施例的振动膜层在振动膜的周向均匀布设了成组设置的第一振动梁34和第二振动梁35,保证了振动膜振动时径向的支撑力。

第一振动梁34和第二振动梁35形成的分散连接支撑结构,可以有效分散振动膜33的内应力,避免在高频振动时振动膜33过早损坏。

第一振动梁34和第二振动梁35镜像设置,提高了同一径向方向上支撑力矩的稳定性,消除振动膜在高声压、高频率振动时出现各方向上支撑力矩的差异,抑制振动膜出现不规律应力,降低振动膜灵敏度。

图14为本发明另一实施例的微硅麦克风的振动膜层结构示意图。如图14所示,包括位于同一平面的圆形的振动膜33和四个振动梁32,振动梁32以90度间隔环绕振动膜33的轮廓固定。

振动梁32为条形支撑,一端与振动膜33边缘垂直连接(即径向方向或法线方向),伸入振动膜33边缘与振动膜33表面平滑连接,另一端固定在支撑结构上。

本实施例的振动膜层优化了振动梁32对振动膜33的支撑连接结构,使得振动梁32和振动膜33的支撑连接位置避免出现连接应力,同时保证了对较大声压下特定频率范围的适应性。

图15为本发明再一实施例的微硅麦克风的振动膜层结构示意图。如图15所示,在上诉实施例的基础上,包括六个振动梁32振动梁32以60度间隔环绕振动膜33的轮廓固定。

本实施例的振动膜层优化了振动梁32对振动膜33的支撑连接结构,使得振动梁32和振动膜33的支撑连接位置避免出现连接应力,同时保证了对较大声压下特定频率范围的适应性。

本发明另一实施例的微硅麦克风,在上述实施例的基础上,振动膜层的轮廓受限于定制形状,可以是圆形,方形或其他多边形。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换等,均应包含在本发明的保护范围之内。

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