一種硅電容麥克風(fēng)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及麥克風(fēng)領(lǐng)域，具體而言，涉及一種硅電容麥克風(fēng)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電(MEMS，Micro-Electro-Mechanical System)麥克風(fēng)或稱(chēng)硅麥克風(fēng)，因其體積小、適于表面貼裝等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛用于平板電子裝置的聲音采集，例如:手機(jī)、MP3、錄音筆和監(jiān)聽(tīng)器材等。相關(guān)技術(shù)中，硅電容麥克風(fēng)包括基底、背極板和振膜。其中，振膜是硅電容麥克風(fēng)的核心部件，既需要靈敏地敏感聲壓信號(hào)并將之轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，又需要在外界風(fēng)壓吹擊、跌落沖擊的應(yīng)力和內(nèi)部加工工藝釋放應(yīng)力作用后保持性能基本不變地正常工作。其中多晶硅振膜的釋放應(yīng)力，是其中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)不僅與釋放應(yīng)力的工藝水平有關(guān)，也與設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)預(yù)先設(shè)置的褶皺有關(guān)。有效的褶皺設(shè)置，不但可以釋放工藝完成后的應(yīng)力，更可以在現(xiàn)有工藝水平的應(yīng)力控制范圍內(nèi)使大批量制作的硅電容麥克風(fēng)靈敏度、線性度、信噪比等指標(biāo)得到顯著提高。
[0003]傳統(tǒng)的娃微麥克風(fēng)一般包括振膜構(gòu)成的振動(dòng)部和與基底相連的支撐部，支撐部的截面為矩形。這種超靜定的結(jié)構(gòu)層對(duì)振膜在MEMS工藝過(guò)程中產(chǎn)生的應(yīng)力梯度無(wú)法釋放，振膜屈曲強(qiáng)度低，工藝要求高。因此，有必要針對(duì)此問(wèn)題提供一種新型的振膜。
[0004]為了適應(yīng)硅微麥克風(fēng)的振膜釋放應(yīng)力的需要并保證產(chǎn)品一致性，現(xiàn)有技術(shù)提出了制作應(yīng)力消除結(jié)構(gòu)或者更換振膜材料的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)應(yīng)力消除。例如，中國(guó)專(zhuān)利CN101572850A和CN102065354A分別給出了一種平面內(nèi)和平面外消除應(yīng)力的振膜的結(jié)構(gòu)方案，美國(guó)專(zhuān)利US20060280319更是給出了一種通過(guò)振膜邊緣懸臂梁上的褶皺消除振膜應(yīng)力的方案。
[0005]上述方案雖然均能取得較好的應(yīng)力消除效果，但對(duì)于多晶硅振膜而言，由于文章做在了懸掛結(jié)構(gòu)上，均使結(jié)構(gòu)成為了非全封閉的開(kāi)放性結(jié)構(gòu)，在受到外界風(fēng)壓吹擊或跌落沖擊的情況下容易造成結(jié)構(gòu)失效。相應(yīng)地，在振膜上設(shè)置褶皺便成為一條行之有效的途徑。有中國(guó)專(zhuān)利CN101931852A給出了一種使用單晶硅制作全封閉振膜并在振膜上制作褶皺消除應(yīng)力的方案，但相對(duì)多晶硅工藝和材料而言，其方案中的自停止腐蝕法制作單晶硅振膜的工藝相對(duì)復(fù)雜，成本也較高。其發(fā)明人在專(zhuān)利中也指出，使用多晶硅工藝實(shí)現(xiàn)同樣目標(biāo)，其應(yīng)力一致性的控制難度太高。此外，中國(guó)專(zhuān)利CN201491265U給出了有褶皺的全封閉振膜，但由于其僅應(yīng)用于傳統(tǒng)的微型電容式麥克風(fēng)，無(wú)需像本發(fā)明一樣根據(jù)多晶娃的多種相關(guān)參數(shù)來(lái)確定振膜上的褶皺特殊的排布方式。
[0006]針對(duì)在封閉多晶硅振膜上設(shè)置褶皺時(shí)的褶皺形狀和排布，美國(guó)專(zhuān)利US20120091546給出了一種盡量消除和釋放多晶硅應(yīng)力的方案。但由于其目標(biāo)是盡量消除和釋放多晶硅振膜的應(yīng)力，根據(jù)相關(guān)力學(xué)理論，其褶皺的深度和褶皺剖面形狀在工藝允許的條件下便對(duì)應(yīng)其發(fā)明中指出的相應(yīng)技術(shù)方案和制備方法，受工藝的局限較大。
[0007]中國(guó)專(zhuān)利CN102264021A通過(guò)在懸掛膜片的懸臂梁上設(shè)置褶皺來(lái)加強(qiáng)懸臂梁的剛度，但由于僅應(yīng)用在懸臂梁上，對(duì)整個(gè)振膜的優(yōu)化效果有限。中國(guó)專(zhuān)利CN201403199Y通過(guò)在振膜上設(shè)置槽來(lái)改善低頻特性，但由于其槽多與中心相連且互相相交，未設(shè)置工藝允許的倒角，存在較大釋放應(yīng)力的隱患，極有可能在實(shí)際加工工藝中面臨與US20120091546類(lèi)似的對(duì)低應(yīng)力工藝的要求；此外，其槽沒(méi)有采取變寬度的手段，導(dǎo)至隨著半徑的增大其凸凹面積比急劇下降，降低了通過(guò)槽來(lái)優(yōu)化膜片振型的空間，故只能在使用低應(yīng)力工藝完成其膜片制備的前提下對(duì)低頻特性作改善。
[0008]申請(qǐng)?zhí)枮?01310078621.7的中國(guó)專(zhuān)利，提出了一種允許殘余較寬應(yīng)力范圍的放置褶皺的方法，大大降低了大批量生產(chǎn)對(duì)工藝中殘余應(yīng)力控制范圍的要求，使得現(xiàn)有工藝水平的多晶硅振膜的殘余應(yīng)力控制范圍可以制作高可靠性高一致性多晶硅振膜的硅電容麥克風(fēng)，從而既無(wú)需像US20120091546 —樣專(zhuān)門(mén)追求低應(yīng)力從而對(duì)工藝應(yīng)力控制水平作極限要求，也無(wú)需像專(zhuān)利CN101931852A —樣為避開(kāi)多晶硅振膜的殘余應(yīng)力控制范圍較寬的問(wèn)題而選擇使用更高成本的單晶硅振膜。但其主要目標(biāo)是釋放應(yīng)力以適合較寬的殘余應(yīng)力范圍的工藝，對(duì)振型改善有限，換言之，硅電容麥克風(fēng)的靈敏度、線性度、信噪比等指標(biāo)還可以通過(guò)應(yīng)用本發(fā)明中褶皺放置方式來(lái)在同樣的殘余應(yīng)力范圍工藝水平下繼續(xù)得到顯著提聞。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明提供一種硅電容麥克風(fēng)及其制備方法，用以改善振膜受外界沖擊和受高壓氣流吹擊后的可靠性，幫助釋放應(yīng)力提高內(nèi)應(yīng)力一致性保證成品率之余，通過(guò)優(yōu)化敏感運(yùn)動(dòng)的振型，提高其靈敏度、線性度和信噪比，從而大批量生產(chǎn)價(jià)廉物美的麥克風(fēng)，拓寬產(chǎn)品的應(yīng)用場(chǎng)合，滿足人民群眾日益增長(zhǎng)的相關(guān)物質(zhì)文化生活需要。
[0010]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅電容麥克風(fēng)，包括:
[0011]基板，其上具有一聲腔；
[0012]振膜，設(shè)置于聲腔上部并與基板固連，被聲壓波激發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)機(jī)械振動(dòng)；
[0013]背極，位于振膜上部，其上具有多個(gè)開(kāi)孔；
[0014]背極與振膜上分別設(shè)置有用于引出電極的焊盤(pán)，背極與振膜之間設(shè)置有固定的氣隙，背極、氣隙與振膜構(gòu)成一個(gè)電容器，其中，振膜的中心區(qū)域設(shè)置有多個(gè)寬度漸變的、與振膜的中心不相連且互不相交的線段形非貫穿性褶皺。
[0015]較佳的，振膜的厚度為0.1-2微米，氣隙的寬度為0.01?20微米。
[0016]較佳的，振膜的材料為導(dǎo)電多晶硅，通過(guò)淀積的工藝實(shí)現(xiàn)。
[0017]較佳的，振膜的中心處設(shè)置有直徑為I?100微米的通氣圓孔，其中通氣圓孔的直徑振膜中心區(qū)域所設(shè)置的線段形褶皺剛化后的變形狀況相關(guān)。
[0018]較佳的，振膜上互不相交的線段形褶皺是往復(fù)的或單向的，其方向是向上或向下的，其凸凹比介于10%?90%之間；當(dāng)線段形褶皺為往復(fù)的時(shí)，往復(fù)的線段形褶皺延展到振膜邊緣；當(dāng)線段形褶皺為單向的時(shí)，單向的線段形褶皺延展在振膜內(nèi)部。
[0019]較佳的，當(dāng)背極的厚度小于厚度閾值且背極的剛度小于剛度閾值時(shí)，背極上還設(shè)置有線段形褶皺，用于加強(qiáng)背極的剛度。
[0020]較佳的，振膜的線段形褶皺與振膜所在平面間的過(guò)渡面與振膜的夾角為鈍角；振膜的線段形褶皺與振膜所在平面之間的過(guò)渡面之間設(shè)置有倒角。
[0021]較佳的，振膜的線段形褶皺的數(shù)量、剖面形狀、褶皺深度、褶皺位置、間距、寬度隨半徑和角度的變化根據(jù)振膜的剛度、厚度、殘余應(yīng)力分布范圍和優(yōu)化后變形狀況確定。
[0022]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明還提供了一種硅電容麥克風(fēng)的制備方法，包括以下步驟:
[0023]在基板的表面淀積二氧化硅犧牲層并選擇性地掩蔽和刻蝕該二氧化硅犧牲層；
[0024]在掩蔽和刻蝕后的該二氧化硅犧牲層的表面再次淀積二氧化硅，形成第一犧牲層，以確保褶皺與振膜所在平面間的過(guò)渡面與振膜的夾角為鈍角；
[0025]在第一犧牲層的表面淀積振膜，并選擇性地掩蔽和刻蝕振膜制作其中心通氣圓孔，利用第一犧牲層的形狀形成褶皺，得到振膜結(jié)構(gòu)；
[0026]在振膜表面淀積第二犧牲層，對(duì)第二犧牲層進(jìn)行選擇性地掩蔽和刻蝕；
[0027]在掩蔽和刻蝕后的第二犧牲層的表面淀積背極，利用第二犧牲層的形狀形成突起，同時(shí)通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)利用第一犧牲層或第二犧牲層的原始形狀形成褶皺；并選擇性地掩蔽和刻蝕背極，在背極上形成多個(gè)穿孔；
[0028]以背極為掩膜，刻蝕第二犧牲層，使背極上穿孔部分下方的振膜層暴露出來(lái)；
[0029]在背極和振膜上的暴露部分，制作金屬化電極，對(duì)振膜的電極和背極的電極分別作電氣引出并制作焊盤(pán)；
[0030]在基板背面選擇性地掩蔽和刻蝕，制作聲腔，聲腔從基板上對(duì)應(yīng)于設(shè)置振膜的中心區(qū)域貫穿整個(gè)基板；
[0031]采用濕法刻蝕第一犧牲層和第二犧牲層，去除基板與振膜的可動(dòng)部分之間的第一犧牲層以及振膜的可動(dòng)部分與背極之間的第二犧牲層，釋放結(jié)構(gòu)。
[0032]本發(fā)明的技術(shù)方案使得現(xiàn)有工藝水平的多晶硅振膜的殘余應(yīng)力控制范圍可以制作高可靠性高一致性多晶硅振膜的硅電容麥克風(fēng)之余，進(jìn)一步提高靈敏度、線性度、信噪比等指標(biāo)，從而既無(wú)需像US20120091546 —樣專(zhuān)門(mén)追求低應(yīng)力從而對(duì)工藝應(yīng)力控制水平作極限要求，也無(wú)需像專(zhuān)利CN101931852A —樣為避開(kāi)多晶硅振膜的殘余應(yīng)力控制范圍較寬的問(wèn)題而選擇使用更高成本的單晶硅振膜。換言之，使得高性能的硅電容麥克風(fēng)可在較寬殘余應(yīng)力范圍工藝水平下也可以大規(guī)模生產(chǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0033]為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其它的附圖。
[0034]圖1是現(xiàn)有技術(shù)