一种梳齿结构MEMS硅麦克风的制作方法

本发明涉及一种硅麦克风，特别是公开一种梳齿结构MEMS硅麦克风。

背景技术：

麦克风作为一种将声音信号转换为电信号的装置，广泛的应用在手机、摄像机等智能终端设备中。

随着社会的发展以及高科技术的不断进步，微电机技术（Micro Electro Mechanical Systems，简称MEMS）已经逐渐融入至麦克风的生产领域中，MEMS实现了各种传感器的微型化和低成本化，并且在智能终端设备中已经出现诸如MEMS硅麦克风的信号转换装置。

此专利中MEMS硅麦克风采用电容式的原理，由与中心振膜相连的梳齿状结构和与边缘震脚相连接的梳齿状结构组成，两组齿状结构间有一个几微米的间距，形成电容结构。当中心振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，与中心振膜相连接的梳齿状结构将与固定在边缘震脚的梳齿状结构发生位移，从而形成电容变化，进一步通过CMOS放大器将电容变化转化为电压信号的变化并进行输出。

人的语音声压信号微弱，因此，作为感受信号的振动薄膜必须减薄到一定的厚度使其具有较强的灵敏度。现有技术工艺中，振动薄膜的制备会导致其具有不同程度的残余应力，因此会大大降低振动薄膜的灵敏度，此外，现有的硅麦包括专利申请号为201310056813.8公开的一种采用多孔SOI硅硅键合的MEMS硅麦克风及其制造方法，其振膜位移与加偏压后的电场在同一垂直方向，在偏压太大或声强太大时，振膜会与下电极吸合，从而造成硅麦不工作。为了避免吸膜现象，偏压不能太高，但这样降低了灵敏度和信嘈比。

传统梳齿状麦克风技术方案主要是采用高掺杂多晶硅作为振动薄膜的主要材料，并通过以下两个方面进行提高振动薄膜的灵敏度：第一、若振动薄膜的材质为多晶硅，需对制备后的振动薄膜进行附加退火处理，该技术方案虽然可以降低残余应力，但是远远达不到振动薄膜所需灵敏度的要求；第二、若振动薄膜的材质为多晶硅，可在制备时通过调节反应气体间的比例来降低残留应力，但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。

因此，如何解决上述技术缺陷成为本领域技术人员致力于研究的方向。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术中存在的缺陷，提供一种可以实现在简化MEMS硅麦克风的结构，同时满足灵敏度、可靠性以及产量需求的梳齿结构MEMS硅麦克风。

本发明是这样实现的：一种梳齿结构MEMS硅麦克风，包括多孔硅衬底及位于所述多孔硅衬底上方的单晶硅薄膜，其特征在于：所述MEMS硅麦克风中的多孔硅衬底与其上方导电性良好的单晶硅薄膜通过硅硅键合工艺键合成一体；所述单晶硅薄膜包括中心的振动薄膜、与振动薄膜相连的一圈呈梳齿状结构的振膜梳齿、设于单晶硅薄膜边缘的边缘固定脚、设于所述振动膜边缘的振膜固定脚、与所述边缘固定脚相连接的一圈相对应于所述振膜梳齿的呈梳齿状结构的边缘梳齿；所述振膜梳齿与边缘梳齿之间设有梳齿气隙相间隔并形成麦克风的电容结构，在所述振膜梳齿与边缘梳齿之间加偏压后，形成横向电场，横向电场与所述振动薄膜的位移方向相互垂直，从而可以在加大偏压时，增加灵敏度和信噪比，支撑振动薄膜的所述振膜固定脚上方沉积有振膜金属电极，振膜金属电极与所述振动薄膜相连接，支撑边缘梳齿的所述边缘固定脚上方沉积有边缘金属电极，边缘金属电极与单晶硅薄膜相连；多孔硅衬底上设有声孔和背腔，声孔和背腔位置相对应；振膜金属电极与边缘金属电极均采用Al或Al-Cu合金材质，分别为麦克风电容两极的输出信号引出端，用来与CMOS信号放大电路实现电连接。所述振动薄膜和振膜梳齿均由氧化硅绝缘层支撑悬于多孔硅衬底的上方。

所述振动薄膜随语音声压而上下振动，造成所述振膜梳齿及所述边缘梳齿在垂直方向产生上下位移，形成电容变化。

利用导电性良好的单晶硅作为基板或者SOI晶圆作为基板进行减薄后制成振动薄膜，所述振动薄膜的厚度为1～3微米。

所述的振动薄膜和多孔硅衬底之间设有膜层气隙，所述膜层气隙由湿法或蒸汽法刻蚀氧化硅绝缘层形成。

本发明所述多孔硅衬底厚度为400~420μm；多孔硅衬底上设有几十个声孔，所述声孔位于中心区域振动薄膜的正下方，孔径为20 ~ 80微米左右；声孔下设有背腔，使声孔更易贯通多孔硅衬底；中心区域振动薄膜位于声孔的上方，所述振动薄膜上设有微型辅助释放孔，用以在后续湿法或蒸汽法释放工艺中均匀释放多孔硅衬底与单晶硅薄膜间氧化硅绝缘层；单晶硅薄膜由单晶硅片经减薄后或具有导电良好的SOI圆片器件层得到；单晶硅薄膜由氧化硅绝缘层支撑在多孔硅衬底上，所述氧化硅绝缘层同时可实现单晶硅薄膜和多孔硅衬底间的电绝缘，且单晶硅薄膜和多孔硅衬底间的膜层气隙深度也由该氧化硅绝缘层厚度决定；支撑振动薄膜的所述振膜固定脚上方和支撑边缘梳齿的边缘固定脚上均沉积有金属焊盘，金属焊盘用来与CMOS信号放大电路实现电连接。

本发明的有益效果是：本发明多孔硅衬底上设有单晶硅薄膜，其通过硅硅键合法与多孔硅衬底键合，单晶硅薄膜包括中心的振动薄膜、设于所述振动膜边缘的振膜固定脚、与振动薄膜相连的一圈呈梳齿状结构的振膜梳齿、设于单晶硅薄膜边缘的边缘固定脚、与所述边缘固定脚相连接的一圈相对应于所述振膜梳齿的呈梳齿状结构的边缘梳齿；两组梳齿状结构，即振膜梳齿与边缘梳齿之间由一个几微米的梳齿气隙相间隔并形成麦克风的电容结构；偏压加在振膜梳齿与边缘梳齿之间，形成横向电场，而振动薄膜位移是上下方向，两者互相垂直，从而可以加大偏压，增加灵敏度和信嘈比；单晶硅薄膜为单晶硅片或具有器件层的SOI圆片减薄而成，其导电性良好，其残余应力小且一致性好，从而可提高麦克风的灵敏度和良率；振动薄膜上设有微型辅助释放孔，用以在后续湿法或蒸汽法释放工艺中均匀释放多孔硅衬底与单晶硅薄膜间氧化硅绝缘层，进一步提高麦克风的良率；多孔硅衬底上设有声孔。声音作用于振动薄膜上时，外接CMOS电路通过检测振动薄膜变化引起的电容变化从而输出相应的声音信号。本发明灵敏度高、成本低、一致性好、良率高。

附图说明

图1是本发明中MEMS硅麦克风顶侧的结构示意图；

图2是图1的B部局部放大图；

图3本发明中MEMS硅麦克风背侧的结构示意图；

图4是本发明图1的A-A向剖面结构示意图。

其中：1、多孔硅衬底；2、单晶硅薄膜；3、声孔；4、背腔；5、振动薄膜； 6、膜层气隙；7、梳齿气隙； 8、振膜金属电极； 9、氧化硅绝缘层； 10、边缘金属电极； 11、振膜弹簧支撑结构；12、振膜梳齿；13、边缘梳齿；14、辅助释放孔；15、振膜固定脚；16、边缘固定脚。

具体实施方式

根据图1~图4，本发明包括多孔硅衬底1、单晶硅薄膜2、声孔3、背腔4、振动薄膜5、膜层气隙6（膜层气隙6即振动薄膜5与多孔硅衬底1之间的间距）、梳齿气隙7（即振膜梳齿12与边缘梳齿13之间的间距）、振膜金属电极8、氧化硅绝缘层9、边缘金属电极10、振膜弹簧支撑结构11、振膜梳齿12、边缘梳齿13、辅助释放孔14、振膜固定脚15、边缘固定脚16。

所述多孔硅衬底1上设有声孔3和背腔4。声孔3均匀分布于背腔4的上方，且与背腔4相通。声孔3的孔径为20 ~ 80微米，多孔硅衬底1厚度为400～420微米；声孔3的大小、数量及位置按需要进行设定，调节空气阻尼，平滑频率响应曲线，以能够得到所需的灵敏度﹑带宽与极低的声学噪音为准。

所述单晶硅薄膜2由单晶硅减薄或SOI晶圆器件层而制成，单晶硅薄膜2导电性良好。单晶硅薄膜2由氧化硅绝缘层9支撑，悬空于声孔3的上方，单晶硅薄膜2与多孔硅衬底1间形成膜层气隙6。氧化硅绝缘层9的厚度决定了膜层气隙6的深度，同时氧化硅绝缘层9的绝缘性能保证了单晶硅薄膜2和多孔硅衬底1的电绝缘。所述单晶硅薄膜2的中心设有振动薄膜5，所述振动薄膜5的四周边缘设有振膜固定脚15，所述振膜固定脚15通过振膜固定脚15上的振膜弹簧支撑结构11与所述振动薄膜5相连，所述振动薄膜5的四周边缘还连有所述振膜梳齿12。所述单晶硅薄膜2的边缘设有边缘固定脚16，所述边缘固定脚16上连有一圈与所述振膜梳齿12相对应的边缘梳齿13，所述振膜梳齿12与边缘梳齿13两组梳齿状的结构之间由一个几微米的梳齿气隙7相间隔，所述梳齿状的结构均通过干法刻蚀同步成型。支撑中心的振动薄膜5的振膜固定脚15上方覆盖有振膜金属电极8，振膜金属电极8与导电性良好的单晶硅中心的振动薄膜5相连接；支撑边缘梳齿13的边缘固定脚16上方覆盖有边缘金属电极10，边缘金属电极10与导电性良好的单晶硅薄膜2相连，形成另一个电极。振膜金属电极8和边缘金属电极10的金属层的材质均为Al-Cu合金，采用先沉积金属层，再湿法刻蚀出所需图形行成。