一种硅电容麦克风及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及麦克风领域，具体而言，涉及一种硅电容麦克风及其制备方法。
【背景技术】
[0002]微机电(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)麦克风或称硅麦克风，因其体积小、适于表面贴装等优点而被广泛用于平板电子装置的声音采集，例如:手机、MP3、录音笔和监听器材等。相关技术中，硅电容麦克风包括基底、背极板和振膜。其中，振膜是硅电容麦克风的核心部件，既需要灵敏地敏感声压信号并将之转化为电信号，又需要在外界风压吹击、跌落冲击的应力和内部加工工艺释放应力作用后保持性能基本不变地正常工作。其中多晶硅振膜的释放应力，是其中的一项关键技术，这项技术不仅与释放应力的工艺水平有关，也与设计结构时预先设置的褶皱有关。有效的褶皱设置，不但可以释放工艺完成后的应力，更可以在现有工艺水平的应力控制范围内使大批量制作的硅电容麦克风灵敏度、线性度、信噪比等指标得到显著提高。
[0003]传统的娃微麦克风一般包括振膜构成的振动部和与基底相连的支撑部，支撑部的截面为矩形。这种超静定的结构层对振膜在MEMS工艺过程中产生的应力梯度无法释放，振膜屈曲强度低，工艺要求高。因此，有必要针对此问题提供一种新型的振膜。
[0004]为了适应硅微麦克风的振膜释放应力的需要并保证产品一致性，现有技术提出了制作应力消除结构或者更换振膜材料的方式来实现应力消除。例如，中国专利CN101572850A和CN102065354A分别给出了一种平面内和平面外消除应力的振膜的结构方案，美国专利US20060280319更是给出了一种通过振膜边缘悬臂梁上的褶皱消除振膜应力的方案。
[0005]上述方案虽然均能取得较好的应力消除效果，但对于多晶硅振膜而言，由于文章做在了悬挂结构上，均使结构成为了非全封闭的开放性结构，在受到外界风压吹击或跌落冲击的情况下容易造成结构失效。相应地，在振膜上设置褶皱便成为一条行之有效的途径。有中国专利CN101931852A给出了一种使用单晶硅制作全封闭振膜并在振膜上制作褶皱消除应力的方案，但相对多晶硅工艺和材料而言，其方案中的自停止腐蚀法制作单晶硅振膜的工艺相对复杂，成本也较高。其发明人在专利中也指出，使用多晶硅工艺实现同样目标，其应力一致性的控制难度太高。此外，中国专利CN201491265U给出了有褶皱的全封闭振膜，但由于其仅应用于传统的微型电容式麦克风，无需像本发明一样根据多晶娃的多种相关参数来确定振膜上的褶皱特殊的排布方式。
[0006]针对在封闭多晶硅振膜上设置褶皱时的褶皱形状和排布，美国专利US20120091546给出了一种尽量消除和释放多晶硅应力的方案。但由于其目标是尽量消除和释放多晶硅振膜的应力，根据相关力学理论，其褶皱的深度和褶皱剖面形状在工艺允许的条件下便对应其发明中指出的相应技术方案和制备方法，受工艺的局限较大。
[0007]中国专利CN102264021A通过在悬挂膜片的悬臂梁上设置褶皱来加强悬臂梁的刚度，但由于仅应用在悬臂梁上，对整个振膜的优化效果有限。中国专利CN201403199Y通过在振膜上设置槽来改善低频特性，但由于其槽多与中心相连且互相相交，未设置工艺允许的倒角，存在较大释放应力的隐患，极有可能在实际加工工艺中面临与US20120091546类似的对低应力工艺的要求；此外，其槽没有采取变宽度的手段，导至随着半径的增大其凸凹面积比急剧下降，降低了通过槽来优化膜片振型的空间，故只能在使用低应力工艺完成其膜片制备的前提下对低频特性作改善。
[0008]申请号为201310078621.7的中国专利，提出了一种允许残余较宽应力范围的放置褶皱的方法，大大降低了大批量生产对工艺中残余应力控制范围的要求，使得现有工艺水平的多晶硅振膜的残余应力控制范围可以制作高可靠性高一致性多晶硅振膜的硅电容麦克风，从而既无需像US20120091546 —样专门追求低应力从而对工艺应力控制水平作极限要求，也无需像专利CN101931852A —样为避开多晶硅振膜的残余应力控制范围较宽的问题而选择使用更高成本的单晶硅振膜。但其主要目标是释放应力以适合较宽的残余应力范围的工艺，对振型改善有限，换言之，硅电容麦克风的灵敏度、线性度、信噪比等指标还可以通过应用本发明中褶皱放置方式来在同样的残余应力范围工艺水平下继续得到显著提闻。
【发明内容】
[0009]本发明提供一种硅电容麦克风及其制备方法，用以改善振膜受外界冲击和受高压气流吹击后的可靠性，帮助释放应力提高内应力一致性保证成品率之余，通过优化敏感运动的振型，提高其灵敏度、线性度和信噪比，从而大批量生产价廉物美的麦克风，拓宽产品的应用场合，满足人民群众日益增长的相关物质文化生活需要。
[0010]为达到上述目的，本发明提供了一种硅电容麦克风，包括:
[0011]基板，其上具有一声腔；
[0012]振膜，设置于声腔上部并与基板固连，被声压波激发时实现机械振动；
[0013]背极，位于振膜上部，其上具有多个开孔；
[0014]背极与振膜上分别设置有用于引出电极的焊盘，背极与振膜之间设置有固定的气隙，背极、气隙与振膜构成一个电容器，其中，振膜的中心区域设置有多个宽度渐变的、与振膜的中心不相连且互不相交的线段形非贯穿性褶皱。
[0015]较佳的，振膜的厚度为0.1-2微米，气隙的宽度为0.01?20微米。
[0016]较佳的，振膜的材料为导电多晶硅，通过淀积的工艺实现。
[0017]较佳的，振膜的中心处设置有直径为I?100微米的通气圆孔，其中通气圆孔的直径振膜中心区域所设置的线段形褶皱刚化后的变形状况相关。
[0018]较佳的，振膜上互不相交的线段形褶皱是往复的或单向的，其方向是向上或向下的，其凸凹比介于10%?90%之间；当线段形褶皱为往复的时，往复的线段形褶皱延展到振膜边缘；当线段形褶皱为单向的时，单向的线段形褶皱延展在振膜内部。
[0019]较佳的，当背极的厚度小于厚度阈值且背极的刚度小于刚度阈值时，背极上还设置有线段形褶皱，用于加强背极的刚度。
[0020]较佳的，振膜的线段形褶皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角；振膜的线段形褶皱与振膜所在平面之间的过渡面之间设置有倒角。
[0021]较佳的，振膜的线段形褶皱的数量、剖面形状、褶皱深度、褶皱位置、间距、宽度随半径和角度的变化根据振膜的刚度、厚度、残余应力分布范围和优化后变形状况确定。
[0022]为达到上述目的，本发明还提供了一种硅电容麦克风的制备方法，包括以下步骤:
[0023]在基板的表面淀积二氧化硅牺牲层并选择性地掩蔽和刻蚀该二氧化硅牺牲层；
[0024]在掩蔽和刻蚀后的该二氧化硅牺牲层的表面再次淀积二氧化硅，形成第一牺牲层，以确保褶皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角；
[0025]在第一牺牲层的表面淀积振膜，并选择性地掩蔽和刻蚀振膜制作其中心通气圆孔，利用第一牺牲层的形状形成褶皱，得到振膜结构；
[0026]在振膜表面淀积第二牺牲层，对第二牺牲层进行选择性地掩蔽和刻蚀；
[0027]在掩蔽和刻蚀后的第二牺牲层的表面淀积背极，利用第二牺牲层的形状形成突起，同时通过调整工艺参数利用第一牺牲层或第二牺牲层的原始形状形成褶皱；并选择性地掩蔽和刻蚀背极，在背极上形成多个穿孔；
[0028]以背极为掩膜，刻蚀第二牺牲层，使背极上穿孔部分下方的振膜层暴露出来；
[0029]在背极和振膜上的暴露部分，制作金属化电极，对振膜的电极和背极的电极分别作电气引出并制作焊盘；
[0030]在基板背面选择性地掩蔽和刻蚀，制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜的中心区域贯穿整个基板；
[0031]采用湿法刻蚀第一牺牲层和第二牺牲层，去除基板与振膜的可动部分之间的第一牺牲层以及振膜的可动部分与背极之间的第二牺牲层，释放结构。
[0032]本发明的技术方案使得现有工艺水平的多晶硅振膜的残余应力控制范围可以制作高可靠性高一致性多晶硅振膜的硅电容麦克风之余，进一步提高灵敏度、线性度、信噪比等指标，从而既无需像US20120091546 —样专门追求低应力从而对工艺应力控制水平作极限要求，也无需像专利CN101931852A —样为避开多晶硅振膜的残余应力控制范围较宽的问题而选择使用更高成本的单晶硅振膜。换言之，使得高性能的硅电容麦克风可在较宽残余应力范围工艺水平下也可以大规模生产。
【附图说明】
[0033]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
[0034]图1是现有技术