压电式微机电系统麦克风及其制造方法与流程

1.本发明涉及微机电系统技术领域，特别涉及一种压电式微机电系统麦克风及其制造方法。


背景技术：

2.相关技术中，微机电系统麦克风主要包括：电容式微机电系统麦克风和压电式微机电系统麦克风。电容式微机电系统麦克风由刚性穿孔背板和弹性振膜构成可变电容，在外部声压作用下引起振膜振动，从而使可变电容发生变化，进而改变振膜与背板间的电势差，实现声电转换。压电式微机电系统麦克风包括：硅基底以及压电膜层，声压信号作用在压电膜层上，引起压电膜层发生形变，从而产生电势差，实现声电转换。然而，电容式微机电系统麦克风的工作原理是通过振膜的振动来拾取声压信号，当外界环境存在颗粒、震动等情况时很容易出现器件失效的情形，器件的可靠性较差。同时因电容式微机电系统麦克风的抗干扰性能一般，器件的信噪比较低。压电式微机电系统麦克风的压电膜层几乎都采用二维薄膜或者三维体结构，压电膜层的这种结构降低了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。期待进一步改进微机电系统麦克风的结构以改善器件的可靠性、信噪比和灵敏度低的问题。


技术实现要素：

3.鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种压电式微机电麦克风及其制造方法，提高了压电式微机电麦克风的可靠性、信噪比和灵敏度。
4.根据本发明的第一方面，提供一种压电式微机电系统麦克风，包括：
5.衬底，所述衬底中设有背腔，所述背腔贯穿所述衬底；
6.支撑氧化层，位于所述衬底上，所述支撑氧化层围成空腔；
7.背极板和振膜，所述背极板和所述振膜的边缘由所述支撑氧化层支撑，所述背极板包括多个声孔，所述多个声孔、所述空腔和所述背腔连通；
8.压电结构，包括多个一维压电纳米结构，所述一维压电纳米结构的第一端与所述背极板电连接，第二端与所述振膜电连接；
9.其中，位于所述空腔的所述背极板、所述振膜和所述一维压电纳米结构形成声压信号采集结构。
10.可选地，所述压电结构为所述多个一维压电纳米结构。
11.可选地，所述多个一维压电纳米结构在声压信号作用下产生电势差。
12.可选地，所述振膜包括第一部分振膜和第二部分振膜，所述第一部分振膜位于所述空腔中，所述第二部分振膜位于所述支撑氧化层中。
13.可选地，所述背极板位于所述振膜的上方。
14.可选地，所述压电式微机电系统麦克风还包括：
15.第一电极，位于所述支撑氧化层上，通过所述支撑氧化层的第一开口与所述第二
部分振膜电连接；
16.第二电极，位于所述背极板上，与所述背极板电连接。
17.可选地，所述压电式微机电系统麦克风还包括：
18.钝化层，位于所述背极板和所述支撑氧化层上，所述钝化层包括多个第二开口，所述第二开口与所述声孔对应设置，所述钝化层暴露出所述第一电极和所述第二电极。
19.可选地，所述振膜位于所述背极板的上方。
20.可选地，所述压电式微机电系统麦克风还包括：
21.第一电极，位于所述第二部分振膜上，与所述第二部分振膜电连接。
22.第二电极，位于所述支撑氧化层上，通过所述支撑氧化层的第一开口与所述背极板电连接。
23.可选地，所述压电式微机电系统麦克风还包括：
24.钝化层，位于所述支撑氧化层上，覆盖所述第二部分振膜和所述支撑氧化层的裸露表面，暴露出所述第一部分振膜、所述第一电极和所述第二电极。
25.可选地，所述钝化层还覆盖所述支撑氧化层的部分侧壁。
26.可选地，所述第一部分振膜的尺寸小于所述空腔的尺寸。
27.可选地，所述第一部分振膜的尺寸小于所述背腔的尺寸。
28.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在所述第一部分振膜的中心位置。
29.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在所述第一部分振膜的外围周边。
30.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在整个所述第一部分振膜。
31.可选地，所述一维压电纳米结构的第一端嵌入所述背极板，第二端嵌入所述振膜。
32.可选地，所述一维压电纳米结构的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷。
33.可选地，所述一维压电纳米结构包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带。
34.可选地，所述一维压电纳米结构包括：纳米棒，所述纳米棒的长度包括：1至5um，所述纳米棒的直径包括：0.1至0.5um，所述纳米棒之间的间距包括：0.5至5um，所述纳米棒的数量包括：1000至10000根。
35.可选地，所述支撑氧化层包括：第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的材料包括：二氧化硅，所述第一牺牲层的厚度包括：0.5至2um，所述第二牺牲层的厚度包括：1至5um。
36.可选地，所述振膜的材料包括：掺杂的多晶硅，所述振膜的厚度包括：0.2至1um。
37.可选地，所述背极板的材料包括：掺杂的多晶硅，所述背极板的厚度包括：1至3um。
38.可选地，所述钝化层的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，所述钝化层的厚度包括：0.1至0.5um。
39.根据本发明实施例的第二方面，提供一种压电式微机电系统麦克风的制造方法，包括：
40.提供衬底，在所述衬底上形成支撑氧化层；
41.形成背极板和振膜，所述背极板和所述振膜的边缘由所述支撑氧化层支撑，所述背极板包括多个声孔；
42.形成压电结构，所述压电结构包括多个一维压电纳米结构，所述一维压电纳米结
构的第一端与所述背极板电连接，第二端与所述振膜电连接；
43.在所述衬底中形成背腔，所述背腔贯穿所述衬底；
44.在所述支撑氧化层中形成空腔，所述多个声孔、所述空腔和所述背腔连通，
45.其中，位于所述空腔的所述背极板、所述振膜和所述一维压电纳米结构形成声压信号采集结构。
46.可选地，所述压电结构为所述多个一维压电纳米结构。
47.可选地，所述多个一维压电纳米结构在声压信号作用下产生电势差。
48.可选地，所述背极板位于所述振膜的上方，所述支撑氧化层包括：第一牺牲层和第二牺牲层，在所述衬底上形成支撑氧化层包括：
49.在所述衬底上形成所述第一牺牲层；
50.在所述振膜上形成所述第二牺牲层，所述第二牺牲层填充所述一维压电纳米结构的缝隙并暴露出所述一维压电纳米结构的第一端。
51.可选地，形成背极板和振膜包括：
52.在所述第一牺牲层上形成所述振膜，所述振膜包括第一部分振膜和第二部分振膜；
53.在所述第二牺牲层上形成所述背极板，所述一维压电纳米结构的第一端嵌入所述背极板。
54.可选地，形成压电结构包括：
55.在所述第一部分振膜上生长一维压电纳米材料，刻蚀所述一维压电纳米材料形成阵列结构，所述阵列结构间隔设置，形成所述多个一维压电纳米结构。
56.可选地，所述制造方法还包括：
57.在所述背极板上形成钝化层，所述钝化层覆盖所述背极板和暴露的所述第二牺牲层。
58.可选地，所述制造方法还包括：
59.在所述钝化层上形成第一电极和第二电极，所述第一电极通过所述支撑氧化层的第一开口和所述钝化层的第三开口与所述第二部分振膜电连接，所述第二电极通过所述钝化层的第四开口与所述背极板电连接。
60.可选地，在所述背极板上形成钝化层包括：
61.在所述钝化层上形成多个第二开口，所述多个第二开口与所述多个声孔对应设置。
62.可选地，所述背极板位于所述振膜的下方，所述支撑氧化层包括：第一牺牲层和第二牺牲层，在所述衬底上形成支撑氧化层包括：
63.在所述衬底上形成所述第一牺牲层；
64.在所述背极板上形成所述第二牺牲层，所述第二牺牲层填充所述一维压电纳米结构的缝隙并暴露出所述一维压电纳米结构的第二端。
65.可选地，形成背极板和振膜包括：
66.在所述第一牺牲层上形成所述背极板；
67.在所述第二牺牲层上形成所述振膜，所述振膜包括第一部分振膜和第二部分振膜，所述一维压电纳米结构的第二端嵌入所述第一部分振膜。
68.可选地，形成压电结构包括：
69.使所述第二牺牲层材料回填所述声孔，平坦化所述第二牺牲层材料；
70.在所述背极板上生长一维压电纳米材料，刻蚀所述一维压电纳米材料形成阵列结构，所述阵列结构间隔设置，形成所述多个一维压电纳米结构。
71.可选地，所述制造方法还包括：
72.在位于所述第一部分振膜外侧的所述第二牺牲层刻蚀一圈沟槽，所述沟槽暴露出所述背极板；
73.在所述振膜上形成钝化层，所述钝化层覆盖所述沟槽外侧的第二牺牲层和所述第二部分振膜，并填充所述沟槽。
74.可选地，所述制造方法还包括：
75.在所述钝化层上形成第一电极和第二电极，所述第二电极通过所述支撑氧化层的第一开口和所述钝化层的第三开口与所述第二部分振膜电连接，所述第一电极通过所述钝化层的第四开口与所述背极板电连接。
76.可选地，所述第一部分振膜位于所述空腔，所述第一部分振膜的尺寸小于所述背腔的尺寸。
77.可选地，所述第一部分振膜位于所述空腔，所述第一部分振膜的尺寸小于所述空腔的尺寸。
78.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在所述第一部分振膜的中心位置。
79.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在所述第一部分振膜的外围周边。
80.可选地，所述多个一维压电纳米结构分布在整个所述第一部分振膜。
81.可选地，所述一维压电纳米结构的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷。
82.可选地，所述一维压电纳米结构包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带。
83.可选地，所述一维压电纳米结构包括：纳米棒，所述纳米棒的长度包括：1至5um，所述纳米棒的直径包括：0.1至0.5um，所述纳米棒之间的间距包括：0.5至5um，所述纳米棒的数量包括：1000至10000根。
84.可选地，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的材料包括：二氧化硅，所述第一牺牲层的厚度包括：0.5至2um，所述第二牺牲层的厚度包括：1至5um。
85.可选地，所述振膜的材料包括：掺杂的多晶硅，所述振膜的厚度包括：0.2至1um。
86.可选地，所述背极板的材料包括：掺杂的多晶硅，所述背极板的厚度包括：1至3um。
87.可选地，所述钝化层的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，所述钝化层的厚度包括：0.1至0.5um。
88.根据本发明实施例提供的压电式微机电系统麦克风及其制造方法，压电式微机电系统麦克风包括：设有背腔的衬底，背腔贯穿衬底；位于衬底上的支撑氧化层，支撑氧化层围成空腔；由支撑氧化层支撑的背极板和振膜，背极板包括多个声孔，多个声孔、背腔和空腔连通；压电结构为多个一维压电纳米结构，多个一维压电纳米结构的第一端与背极板电连接，第二端与振膜电连接；位于空腔的背极板、振膜和一维压电纳米结构形成声压信号采集结构。利用振膜采集声压信号，在振膜振动的过程中，一维压电纳米结构发生形变，在一维压电纳米结构的两端产生电势差，实现声压信号的转换。与传统压电膜层相比，振膜具有
更好的声压信号采集能力，一维压电纳米结构的形变更加显著，同时一维纳米结构发生轴向应变时的压电常数可近似认为为d33，因此，有效提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。与二维纳米薄膜和三维纳米体结构相比，在相同力作用下一维压电纳米结构的形变更大，进一步提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。与传统压电膜层相比，一维压电纳米结构生长方便，易于制备，并且性能比薄膜具有更大的优势，同时不需要陶瓷或薄膜压电材料的极化步骤，因此，简化了压电式微机电系统麦克风的制备工艺。
89.作为声压信号采集结构的振膜和一维压电纳米结构均与支撑氧化层(第一牺牲层和第二牺牲层)无接触，振膜处于相对较小的应力状态，提高了第一部分振膜的可振动性，进而提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。
90.第一部分振膜的尺寸(例如，直径)小于空腔的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜的尺寸(例如，直径)小于背腔的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜在振动的过程中不会与衬底和支撑氧化层(第一牺牲层和第二牺牲层)接触，提高了压电式微机电系统麦克风的可靠性。一维压电纳米结构位于振膜和背极板之间，避免了振膜和背极板在振动过程中发生黏连的情况，提高了压电式微机电系统麦克风的可靠性。
91.支撑氧化层将声压信号采集结构包围在空腔中，避免声压信号采集结构被外界环境干扰，提高了压电式微机电系统麦克风的抗干扰性能，进而提高了压电式微机电系统麦克风的输出信噪比。
附图说明
92.通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
93.图1示出了本发明第一实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图；
94.图2至图10示出了根据本发明第一实施例的压电式微机电系统麦克风的制造方法不同阶段的截面图。
95.图11示出了本发明第二实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图；
96.图12至图20示出了根据本发明第二实施例的压电式微机电系统麦克风的制造方法不同阶段的截面图；
97.图21示出了本发明第三实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图；
98.图22示出了本发明第四实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图。
具体实施方式
99.以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
100.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
101.图1示出了本发明第一实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图。如图1所示，压电式微机电系统麦克风1000包括：衬底1100，衬底1100中设有背腔1101，背腔1101贯穿衬底1100；衬底1100的材料包括：单晶硅，单晶硅的晶向为<100>，衬底1100的厚度包括：200至600um。支撑氧化层1900，位于衬底1100上，支撑氧化层1900围成空腔1901。背极板1600和振膜1300，背极板1600和振膜1300的边缘由支撑氧化层1900支撑，背极板1600包括
多个声孔1601，声孔1601、空腔1901和背腔1101连通；背极板1600位于振膜1300的上方。振膜1300包括第一部分振膜1301和第二部分振膜1302，第一部分振膜1301位于空腔1901中，第二部分振膜1302位于支撑氧化层1900中。压电结构1400，包括多个一维压电纳米结构1401。本实施例中，压电结构1400为多个一维压电纳米结构1401。多个一维压电纳米结构1401的第一端与背极板1600电连接，第二端与振膜1300(第一部分振膜1301)电连接；具体地，多个一维压电纳米结构1401的第一端嵌入背极板1600，第二端嵌入振膜1300(第一部分振膜1301)。多个一维压电纳米结构1401在声压信号作用下产生电势差。多个一维压电纳米结构1401分布在整个第一部分振膜1301。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构1401还可以仅分布在第一部分振膜1301的中心位置。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构1401还可以仅分布在第一部分振膜1301的外围周边。一维压电纳米结构1401隔离背极板1600和振膜1300，防止背极板1600和振膜1300在振动过程中发生黏连。背极板1600包括多个声孔1601，一维压电纳米结构1401与声孔1601相互错开。一维压电纳米结构1401的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷。一维压电纳米结构1401包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带等。在一些实施例中，一维压电纳米结构1401为纳米棒，纳米棒的长度包括：1至5um；纳米棒的直径包括：0.1至0.5um；纳米棒之间的间距包括：0.5至5um；纳米棒的数量包括：1000至10000根。需要说明的是，所述纳米棒之间的间距和数量随着管芯设计大小可对应调节，纳米棒的长径比在工艺条件允许的范围内尽可能的大，这样能够具有更好的伸缩性、压电效应，使得压电式微机电系统麦克风1000具有更高的灵敏度。
102.压电式微机电系统麦克风1000还包括：第一电极1701，位于支撑氧化层1900上，通过支撑氧化层1900的第一开口与第二部分振膜1302电连接；第二电极1702，位于背极板1600上，与背极板1600电连接；第一电极1701和第二电极1702的材料包括：金属和合金，例如，第一电极1701和第二电极1702的材料可以是au、al、铝硅(al
‑
si1％)、ti+tin+al
‑
si、cr+au或ti+pt+au等。第一电极1701和第二电极1702的厚度包括：0.5至2um。钝化层1800，位于背极板1600和支撑氧化层1900上，钝化层1800包括多个第二开口1801，第二开口1801与声孔1601对应设置，钝化层1800暴露出第一电极1701和第二电极1702。钝化层1800的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，钝化层1800的厚度包括：0.1至0.5um。
103.支撑氧化层1900包括：第一牺牲层1200和第二牺牲层1500。第一牺牲层1200位于衬底1100上，第一牺牲层1200的材料包括：二氧化硅，第一牺牲层1200的厚度包括：0.5至2um。振膜1300位于第一牺牲层1200上，振膜1300的材料包括：掺杂的多晶硅，振膜1300的厚度包括：0.2至1um。第二牺牲层1500位于第一牺牲层1200和振膜1300上，第二牺牲层1500的材料包括：二氧化硅，第二牺牲层1500的厚度包括：1至5um。背极板1600位于第二牺牲层1500上，背极板1600的材料包括：掺杂的多晶硅，背极板1600的厚度包括：1至3um。
104.需要说明的是，位于空腔1901的背极板1600、振膜1300和一维压电纳米结构1401形成声压信号采集结构。第一部分振膜1301的尺寸(例如，直径)小于空腔1901的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜1301的尺寸(例如，直径)小于背腔1101的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜1301在振动的过程中不会与衬底1100和支撑氧化层1900(第一牺牲层1200和第二牺牲层1500)接触，提高了压电式微机电系统麦克风1000的可靠性。声压信号采集结构的振膜1300和一维压电纳米结构1401分别与支撑氧化层1900(第一牺牲层1200和第二牺牲层1500)无接触，振膜1300(第一部分振膜1301)处于相对较小的应力状态，提高了第一部分振
膜1301的可振动性，进而提高了声压信号采集结构的灵敏度。
105.图2至图10示出了本发明第一实施例的压电式微机电系统麦克风的制造方法不同阶段的截面图。参考图2至图10，压电式微机电系统麦克风1000的制造方法包括以下步骤。
106.如图2所示，提供衬底1100，通过热氧化或低压化学气相淀积(lpcvd)或等离子增强型化学气相淀积(pecvd)等常规半导体工艺方法在衬底1100上形成第一牺牲层1200。衬底1100的材料包括：单晶硅，单晶硅的晶向为<100>。第一牺牲层1200的材料包括：二氧化硅，第一牺牲层1200的厚度包括：0.5至2um。
107.如图3所示，通过低压化学气相淀积(lpcvd)等常规半导体工艺方法在第一牺牲层1200上淀积一层振膜材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对该振膜材料进行图案化以形成振膜1300。振膜1300覆盖部分第一牺牲层1200。振膜1300包括第一部分振膜1301和第二部分振膜1302。振膜1300的材料包括：掺杂的多晶硅，振膜1300的厚度包括：0.2至1um。
108.如图4所示，通过射频磁控溅射(rf pvd)或氢化物气相外延生长法(hvpe)等常规半导体工艺技术在第一部分振膜1301上生长一维压电纳米材料，光刻、刻蚀一维压电纳米材料形成阵列结构，阵列结构间隔设置，形成多个一维压电纳米结构1401(压电结构1400)。多个一维压电纳米结构1401的第二端与振膜1300(第一部分振膜1301)电连接；具体地，多个一维压电纳米结构1401的第二端嵌入振膜1300(第一部分振膜1301)。多个一维压电纳米结构1401在声压信号作用下产生电势差。多个一维压电纳米结构1401分布在整个第一部分振膜1301。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构1401还可以仅分布在第一部分振膜1301的中心位置。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构1401还可以仅分布在第一部分振膜1301的外围周边。一维压电纳米结构1401的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷；一维压电纳米结构1401包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带等。在一些实施例中，一维压电纳米结构1401为纳米棒，纳米棒的长度包括：1至5um；纳米棒的直径包括：0.1至0.5um；纳米棒之间的间距包括：0.5至5um；纳米棒的数量包括：1000至10000根。需要说明的是，所述纳米棒之间的间距和数量随着管芯设计大小可对应调节，纳米棒的长径比在工艺条件允许的范围内尽可能的大，这样能够具有更好的伸缩性、压电效应，使得压电式微机电系统麦克风1000具有更高的灵敏度。
109.如图5所示，通过高密度等离子体化学气相沉积技术(hdp
‑
cvd)或者o3‑
teos基的亚常压化学气相沉积(sacvd)工艺等常规半导体工艺技术在振膜1300上形成第二牺牲层材料，第二牺牲层材料填充一维压电纳米结构1401的缝隙，并覆盖暴露的第一牺牲层1200和振膜1300。通过化学机械抛光(cmp)对第二牺牲层材料进行表面平坦化处理，漂洗一维压电纳米结构1401区域的少量第二牺牲层材料以暴露出一维压电纳米结构1401的第一端，方便之后的工序中将一维压电纳米结构1401的第一端与背板板1600嵌套。剩余的第二牺牲层材料形成第二牺牲层1500。第二牺牲层1500的材料包括：二氧化硅，第二牺牲层1500的厚度包括：1至5um。
110.如图6所示，通过低压化学气相淀积(lpcvd)等半导体工艺技术在第二牺牲层1500上淀积一层背极板材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对背极板材料图案化以形成背极板1600。一维压电纳米结构1401的第一端与背极板1600电连接；具体地，一维压电纳米结构1401的第一端嵌入背极板1600。背极板1600的材料包括：掺杂的多晶硅，背极板1600的厚度包括：1至3um。通过低压化学气相淀积(lpcvd)或离子增强型化学气相淀积(pecvd)等半导
体常规工艺技术在背极板1600上形成钝化层1800，钝化层1800覆盖背极板1600和暴露的第二牺牲层1500。钝化层1800同时作为耐腐蚀层。钝化层1800的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，钝化层1800的材厚度包括：0.1至0.5um。
111.如图7所示，通过光刻和刻蚀等工艺对钝化层1800和第二牺牲层1500图案化以在第二牺牲层1500形成第一开口，在钝化层1800形成第三开口和第四开口，第一开口和第三开口的位置与第一电极1701的位置对应，作为第一电极1701的引线孔窗口，第四开口的位置与第二电极1702的位置对应，作为第二电极1702的引线孔窗口。再通过溅射或蒸发等半导体常规工艺技术在钝化层1800上淀积电极材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对电极材料图案化以在钝化层1800上形成第一电极1701和第二电极1702。第一电极1701通过第二牺牲层1500的第一开口和钝化层1800的第三开口与振膜1300(第二部分振膜1302)电连接，第二电极1702通过钝化层1800的第四开口与背极板1600电连接。第一电极1701和第二电极1702的材料包括：金属和合金。例如，第一电极1701和第二电极1702的材料可以是au、al、铝硅(al
‑
si1％)、ti+tin+al
‑
si、cr+au或ti+pt+au等。第一电极1701和第二电极1702的厚度包括：0.5至2um。
112.如图8所示，通过光刻和刻蚀等工艺对背极板1600和钝化层1800图案化以在背极板1600中形成多个声孔1601，在钝化层1800中形成多个第二开口1801。第二开口1801与声孔1601对应设置。一维压电纳米结构1401与声孔1601相互错开。
113.如图9所示，在衬底1100形成背腔1101，背腔1101贯穿衬底1100。通过常规半导体cmp或减薄工艺，减薄衬底1100的厚度至设计值，该设计值包括：200至600um。然后通过双面光刻和深槽刻蚀等半导体常规工艺方法，从背面刻蚀硅衬底1100直到第一牺牲层1200自动检测终止，在衬底1100形成背腔1101。第一部分振膜1301的尺寸(例如，直径)小于背腔1101的尺寸(例如，直径)。
114.如图10所示，利用选择性湿法腐蚀hf酸或boe溶液或气相腐蚀等半导体常规工艺技术，通过背腔1101腐蚀第一牺牲层1200，再利用选择性湿法腐蚀hf酸或boe溶液或气相腐蚀等半导体常规工艺技术，通过背极板1600的声孔1601腐蚀第二牺牲层1500，剩余的第一牺牲层1200和第二牺牲层1500组成支撑氧化层1900，支撑氧化层1900围成空腔1901，声孔1601、空腔1901与背腔1101连通。背极板1600和振膜1300的边缘由支撑氧化层1900支撑。第一部分振膜1301的尺寸(例如，直径)小于空腔1901的尺寸(例如，直径)。一维压电纳米结构1401隔离背极板1600和振膜1300，防止背极板1600和振膜1300在振动过程中发生黏连。
115.图11示出了本发明第二实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图。如图11所示，压电式微机电系统麦克风2000包括：衬底2100，衬底2100中设有背腔2101，背腔2101贯穿衬底2100；衬底2100的材料包括：单晶硅，单晶硅的晶向为<100>，衬底2100的厚度包括：200至600um。支撑氧化层2900，位于衬底2100上，支撑氧化层2900围成空腔2901。背极板2600和振膜2300，背极板2600和振膜2300的边缘由支撑氧化层2900支撑，背极板2600包括多个声孔2601，声孔2601、空腔2901和背腔2101连通；背极板2600位于振膜2300的下方。振膜2300包括第一部分振膜2301和第二部分振膜2302，第一部分振膜2301位于空腔2901中，第二部分振膜2302位于支撑氧化层2900上。压电结构2400，包括多个一维压电纳米结构2401。本实施例中，压电结构2400为多个一维压电纳米结构2401。一维压电纳米结构2401的第一端与背极板2600电连接，第二端与振膜2300(第一部分振膜2301)电连接；具体地，一维
压电纳米结构2401的第一端嵌入背极板2600，第二端嵌入振膜2300(第一部分振膜2301)。多个一维压电纳米结构2401在声压信号作用下产生电势差。多个一维压电纳米结构2401分布在整个第一部分振膜2301。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构2401还可以仅分布在第一部分振膜2301的中心位置。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构2401还可以仅分布在第一部分振膜2301的外围周边。一维压电纳米结构2401隔离背极板2600和振膜2300，防止背极板2600和振膜2300在振动过程中发生黏连。一维压电纳米结构2401与声孔2601相互错开。一维压电纳米结构2401的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷。一维压电纳米结构2401包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带等。在一些实施例中，一维压电纳米结构2401为纳米棒，纳米棒的长度包括：1至5um；纳米棒的直径包括：0.1至0.5um，纳米棒之间的间距包括：0.5至5um；纳米棒的数量包括：1000至10000根。需要说明的是，所述纳米棒之间的间距和数量随着管芯设计大小可对应调节，纳米棒的长径比在工艺条件允许的范围内尽可能的大，这样能够具有更好的伸缩性、压电效应，使得压电式微机电系统麦克风2000具有更高的灵敏度。
116.压电式微机电系统麦克风2000还包括：第一电极2701，位于振膜2300上，与第二部分振膜2302电连接；第二电极2702，位于支撑氧化层2900上，通过支撑氧化层2900的第一开口与背极板2600电连接；第一电极2701和第二电极2702的材料包括：金属和合金，例如，第一电极2701和第二电极2702的材料可以是au、al、铝硅(al
‑
si1％)、ti+tin+al
‑
si、cr+au或ti+pt+au等。第一电极2701和第二电极2702的厚度包括：0.5至2um。钝化层2800，位于支撑氧化层2900上，覆盖第二部分振膜2302和支撑氧化层2900的裸露表面，暴露出第一部分振膜2301、第一电极2701和第二电极2702。钝化层2800还覆盖支撑氧化层2900的部分侧壁。钝化层2800的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，钝化层2800的厚度包括：0.1至0.5um。
117.支撑氧化层2900包括：第一牺牲层2200和第二牺牲层2500。第一牺牲层2200，位于衬底2100上，第一牺牲层2200的材料包括：二氧化硅，第一牺牲层2200的厚度包括：0.5至2um。背极板2600位于第一牺牲层2200上，背极板2600的材料包括：掺杂的多晶硅，背极板2600的厚度包括：1至3um。第二牺牲层2500位于第一牺牲层2200和背极板2600上，第二牺牲层2500的材料包括：二氧化硅，第二牺牲层2500的厚度包括：1至5um。振膜2300位于第二牺牲层2500上，振膜2300的材料包括：掺杂的多晶硅，振膜2300的厚度包括：0.2至1um。
118.需要说明的是，位于空腔2901的背极板2600、振膜2300和一维压电纳米结构2401形成声压信号采集结构。第一部分振膜2301的尺寸(例如，直径)小于空腔2901的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜2301的尺寸(例如，直径)小于背腔2101的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜2301在振动的过程中不会与衬底2100和支撑氧化层2900(第一牺牲层2200和第二牺牲层2500)接触，提高了压电式微机电系统麦克风2000的可靠性。声压信号采集结构的振膜2300和一维压电纳米结构2401分别与支撑氧化层2900(第一牺牲层2200和第二牺牲层2500)无接触，振膜2300处于相对较小的应力状态，提高了第一部分振膜2301的可振动性，进而提高了声压信号采集结构的灵敏度。
119.图12至图20示出了本发明第二实施例的压电式微机电系统麦克风的制造方法不同阶段的截面图。参考图2至图20，压电式微机电系统麦克风2000的制造方法包括以下步骤。
120.如图12所示，提供衬底2100，通过热氧化或低压化学气相淀积(lpcvd)或等离子增强型化学气相淀积(pecvd)等常规半导体工艺方法在衬底2100上形成第一牺牲层2200。衬底2100的材料包括：单晶硅，单晶硅的晶向为<100>。第一牺牲层2200的材料包括：二氧化硅，第一牺牲层2200的厚度包括：0.5至2um。
121.如图13所示，通过低压化学气相淀积(lpcvd)等半导体常规工艺技术在第一牺牲层2200上淀积一层背极板材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对背极板材料图案化以形成背极板2600，背极板2600包括多个声孔2601。背极板2600的材料包括：掺杂的多晶硅，背极板2600的厚度包括：1至3um。
122.如图14所示，通过离子增强型化学气相淀积(pecvd)等常规半导体工艺方法淀积一层第二牺牲层材料以对声孔2601进行回填，继而通过化学机械抛光(cmp)工艺进行平坦化，露出背极板2600的表面；通过射频磁控溅射(rf pvd)或氢化物气相外延生长法(hvpe)等常规半导体工艺技术在背极板2600上生长一维压电纳米材料，光刻、刻蚀一维压电纳米材料形成阵列结构，阵列结构间隔设置，形成多个一维压电纳米结构2401(压电结构2400)，一维压电纳米结构2401与声孔2601相互错开。多个一维压电纳米结构2401的第一端与背极板2600电连接；具体地，一维压电纳米结构2401的第一端嵌入背极板2600。多个一维压电纳米结构2401在声压信号作用下产生电势差。一维压电纳米结构2401的材料包括：氮化铝、氧化锌和锆钛酸铅压电陶瓷；一维压电纳米结构2401包括：纳米棒、纳米线、纳米柱、纳米带等。在一些实施例中，一维压电纳米结构2401为纳米棒，纳米棒的长度包括：1至5um；纳米棒的直径包括：0.1至0.5um；纳米棒之间的间距包括：0.5至5um；纳米棒的数量包括：1000至10000根。需要说明的是，所述纳米棒之间的间距和数量随着管芯设计大小可对应调节，纳米棒的长径比在工艺条件允许的范围内尽可能的大，这样能够具有更好的伸缩性、压电效应，使得压电式微机电系统麦克风2000具有更高的灵敏度。
123.如图15所示，通过高密度等离子体化学气相沉积技术(hdp
‑
cvd)或者o3‑
teos基的亚常压化学气相沉积(sacvd)工艺等常规半导体工艺技术在背极板2600上形成第二牺牲层材料，第二牺牲层材料填充一维压电纳米结构2401的缝隙，并覆盖暴露的第一牺牲层2200和背极板2600；再通过化学机械抛光(cmp)对第二牺牲层材料进行表面平坦化处理，漂洗一维压电纳米结构2401区域的少量第二牺牲层材料以暴露出一维压电纳米结构2401的第二端，方便之后的工序中将一维压电纳米结构2401的第二端与振膜2300嵌套。剩余的第二牺牲层材料形成第二牺牲层2500。第二牺牲层2500的材料包括：二氧化硅，第二牺牲层2500的厚度包括：1至5um。
124.如图16所示，通过低压化学气相淀积(lpcvd)等常规半导体工艺方法在第二牺牲层2500上淀积一层振膜材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对该振膜材料进行图案化以形成振膜2300。振膜2300覆盖部分第二牺牲层2500。振膜2300包括第一部分振膜2301和第二部分振膜2302。压电结构2400的第二端与第一部分振膜2301电连接；具体地，一维压电纳米结构2401的第二端嵌入第一部分振膜2301。振膜2300的材料包括：掺杂的多晶硅，振膜2300的厚度包括：0.2至1um。多个一维压电纳米结构2401分布在整个第一部分振膜2301。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构2401还可以仅分布在第一部分振膜2301的中心位置。在一些实施例中，多个一维压电纳米结构2401还可以仅分布在第一部分振膜2301的外围周边。
125.如图17所示，利用刻蚀工艺在位于第一部分振膜2301外侧的第二牺牲层2500中刻
蚀出一圈沟槽，沟槽暴露出背极板2600。再通过低压化学气相淀积(lpcvd)或离子增强型化学气相淀积(pecvd)等常规半导体工艺技术在振膜2300上形成钝化层2800，并通过光刻、刻蚀对钝化层2800进行图案化。钝化层2800填充沟槽，并覆盖沟槽外侧的第二牺牲层2500和第二部分振膜2302，暴露出沟槽内侧的第二牺牲层2500和第一部分振膜2301。钝化层2800同时作为耐腐蚀层。钝化层2800的材料包括：氮化硅、氮化硼和碳化硅中的一种，钝化层2800的材厚度包括：0.1至0.5um。
126.如图18所示，通过光刻和刻蚀等工艺对钝化层2800和第二牺牲层2500图案化以在第二牺牲层2500形成第一开口，在钝化层2800形成第三开口和第四开口，第一开口和第三开口的位置与第二电极2702的位置对应，作为第二电极2702的引线孔窗口，第三开口的位置与第一电极2701的位置对应，作为第一电极2701的引线孔窗口。再通过溅射或蒸发等半导体常规工艺技术在钝化层2800上淀积电极材料，然后通过光刻和刻蚀等工艺对电极材料图案化以在钝化层2800上形成第一电极2701和第二电极2702。第一电极2701通过钝化层2800的第四开口与振膜2300(第二部分振膜2302)电连接，第二电极2702通过第一开口和第三开口与背极板2600电连接。第一电极2701和第二电极2702的材料包括：金属和合金。例如，第一电极2701和第二电极2702的材料可以是au、al、铝硅(al
‑
si1％)、ti+tin+al
‑
si、cr+au或ti+pt+au等。第一电极2701和第二电极2702的厚度包括：0.5至2um。
127.如图19所示，在衬底2100形成背腔2101，背腔2101贯穿衬底2100。通过常规半导体cmp或减薄工艺，减薄衬底2100的厚度至设计值，该设计值包括：200至600um。然后通过双面光刻和深槽刻蚀等半导体常规工艺方法，从背面刻蚀硅衬底2100直到第一牺牲层2200自动检测终止，在衬底2100形成背腔2101。第一部分振膜2301的尺寸(例如，直径)小于背腔2101的尺寸(例如，直径)。
128.如图20所示，利用选择性湿法腐蚀hf酸或boe溶液或气相腐蚀等半导体常规工艺技术，通过背腔2101腐蚀第一牺牲层2200，再利用选择性湿法腐蚀hf酸或boe溶液或气相腐蚀等半导体常规工艺技术，通过背极板2600的声孔2601腐蚀第二牺牲层2500，剩余的第一牺牲层2200和第二牺牲层2500组成支撑氧化层2900，支撑氧化层2900围成空腔2901，背极板2600和振膜2300由支撑氧化层2900支撑。声孔2601、空腔2901与背腔2101连通。第一部分振膜2301的尺寸(例如，直径)小于空腔2901的尺寸(例如，直径)。一维压电纳米结构2401隔离背极板2600和振膜2300，防止背极板2600和振膜2300在振动过程中发生黏连，提高了压电式微机电系统麦克风2000的可靠性。
129.容易理解的是，本发明实施例所述的压电式微机电系统麦克风利用振膜采集声压信号，振膜振动的过程中一维压电纳米结构发生形变，在一维压电纳米结构的两端产生电势差，检测该电势差即可实现声压信号的采集。可见，本发明实施例的压电式微机电系统麦克风是一种自供电器件，在工作状态是不需要外加电源进行供电的。
130.图21示出了本发明第三实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图。如图21所示，压电式微机电系统麦克风3000与实施例一中图1所示的压电式微机电系统麦克风1000的结构基本一致，不同之处在于，压电式微机电系统麦克风3000的压电结构3400和压电式微机电系统麦克风1000的压电结构1400中一维压电纳米结构的分布区域不同。一维压电纳米结构3401呈环状分布在振膜3301的外围周边，一维压电纳米结构3401的分布范围占振膜3301总面积的20％至95％。本实施例中一维压电纳米结构3401的分布也适用于实施例
二的结构。
131.图22示出了本发明第四实施例的压电式微机电系统麦克风的结构示意图。如图22所示，压电式微机电系统麦克风4000与实施例一中图1所示的压电式微机电系统麦克风1000的结构基本一致，不同之处在于，压电式微机电系统麦克风4000的压电结构4400和压电式微机电系统麦克风1000的压电结构1400中一维压电纳米结构的分布区域不同。一维压电纳米结构4401呈圆形分布在振膜4301的中心位置，一维压电纳米结构4401的分布范围占振膜4301总面积的5％至80％。本实施例中一维压电纳米结构4401的分布也适用于实施例二的结构。
132.容易理解的是，图1和图11所示的压电式微机电系统麦克风中，一维压电纳米结构的分布范围占满整个振膜，因一维压电纳米结构的覆盖面积大，当一维压电纳米结构在声压信号作用下发生形变时，一维压电纳米结构两端获得较强的总电势差，较大的总电势差信号便于采集和处理。图21和图22所示的压电式微机电系统麦克风中，因一维压电纳米结构的分布范围未占满整个振膜，振膜的自由状态下的可振动面积增大，增加了振膜的可振动性，在相同的声压信号作用下，使一维压电纳米结构产生更加明显的形变，因此单根一维压电纳米结构两端的电势差更大，平衡好一维压电纳米结构根数和分布面积大小，能够有效提升压电式微机电系统麦克风的灵敏度。
133.根据本发明实施例提供的压电式微机电系统麦克风及其制造方法，压电式微机电系统麦克风包括：设有背腔的衬底，背腔贯穿衬底；位于衬底上的支撑氧化层，支撑氧化层围成空腔；由支撑氧化层支撑的背极板和振膜，背极板包括多个声孔，多个声孔、背腔和空腔连通；压电结构为多个一维压电纳米结构，多个一维压电纳米结构的第一端与背极板电连接，第二端与振膜电连接；位于空腔的背极板、振膜和一维压电纳米结构形成声压信号采集结构。利用振膜采集声压信号，在振膜振动的过程中，一维压电纳米结构发生形变，在一维压电纳米结构的两端产生电势差，实现声压信号的转换。与传统压电膜层相比，振膜具有更好的声压信号采集能力，一维压电纳米结构的形变更加显著，同时一维纳米结构发生轴向应变时的压电常数可近似认为为d33，因此，有效提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。与二维纳米薄膜和三维纳米体结构相比，在相同力作用下一维压电纳米结构的形变更大，进一步提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。与传统压电膜层相比，一维压电纳米结构生长方便，易于制备，并且性能比薄膜具有更大的优势，同时不需要陶瓷或薄膜压电材料的极化步骤，因此，简化了压电式微机电系统麦克风的制备工艺。
134.作为声压信号采集结构的振膜和一维压电纳米结构均与支撑氧化层(第一牺牲层和第二牺牲层)无接触，振膜处于相对较小的应力状态，提高了第一部分振膜的可振动性，进而提高了压电式微机电系统麦克风的灵敏度。
135.第一部分振膜的尺寸(例如，直径)小于空腔的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜的尺寸(例如，直径)小于背腔的尺寸(例如，直径)。第一部分振膜在振动的过程中不会与衬底和支撑氧化层(第一牺牲层和第二牺牲层)接触，提高了压电式微机电系统麦克风的可靠性。一维压电纳米结构位于振膜和背极板之间，避免了振膜和背极板在振动过程中发生黏连的情况，提高了压电式微机电系统麦克风的可靠性。
136.支撑氧化层将声压信号采集结构包围在空腔中，避免声压信号采集结构被外界环境干扰，提高了压电式微机电系统麦克风的抗干扰性能，进而提高了压电式微机电系统麦
克风的输出信噪比。
137.依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。