專利名稱：用于制造mems麥克風的方法
技術領域：
本發(fā)明涉及MEMS工藝和器件，并且具體涉及有關換能器的 MEMS工藝和器件，該換能器具體是電容式麥克風。
背景技術：
消費電子器件變得越來越小，并且隨著技術的發(fā)展，日益增長的 性能和功能不斷增加。這在諸如移動電話、膝上型計算機、MP3播放 器和個人數(shù)字助理(PDA)等消費電子產(chǎn)品使用的技術中清楚明顯。 例如，移動電話產(chǎn)業(yè)的要求促使這些組件變得越來越小，同時具有更 高的功能以及更低的成本。因此，期望將電子電路的這些功能集成到 一起，并且將其與諸如麥克風和揚聲器等換能器組合。
結(jié)果出現(xiàn)了基于微機電系統(tǒng)(MEMS)的換能器器件。例如，這 些可以是用于檢測和/或產(chǎn)生壓力波/聲波的電容換能器，或用于檢測加 速度的換能器。不斷地促使通過與操作和處理來自MEMS的信息所需 的電子電路集成，移除換能器-電子接口來降低這些器件的尺寸和成 本。實現(xiàn)這些目的的挑戰(zhàn)之一是，在制造MEMS器件期間難以實現(xiàn)與 用于制備互補型金屬氧化物半導體(CMOS)電子器件的標準工藝的 兼容性。這是需要的，以使得使用相同的材料和處理機器將MEMS器 件直接與常規(guī)電子裝置集成。本發(fā)明試圖填補該空白。
使用MEMS制備工藝形成的麥克風器件通常包括一個或多個膜， 用于讀出/驅(qū)動的電極設置在這些膜和/或襯底上。在MEMS壓力傳感 器和麥克風的情況下，讀出通常是通過測量電極之間的電容來實現(xiàn)的。 在換能器的情況下，器件是通過提供在電極之間的電勢差來驅(qū)動的。
圖l示出了在襯底2上形成的電容式麥克風。第一電極4機械連 接到膜6。笫二電極8機械連接到結(jié)構上呈剛性的背板14。在制造上 述的MEMS器件期間，使用位于膜6和第二電極8之間的犧牲層形成 膜6。使用被稱為"背部蝕刻(back-etch)"的蝕刻工藝從襯底下形成 背部體積(back-volumn ) 12。位于膜6和第二電極8之間的犧牲層在該工藝中之后被移除，以使膜6掛起并自由移動。
上述處理的缺點是當使用濕式蝕刻或干式蝕刻時難以以精確方式 執(zhí)行背部蝕刻。換句話說，難以獲得連貫一致的背部體積，特別是當 執(zhí)行濕式背部蝕刻時，因為背部體積的側(cè)面當其接近第 一電極4和膜 6時傾向于向內(nèi)會聚，而不是如圖1的理想情況所示的平行。該背部 蝕刻的逐漸變細可以改變電極4和膜6的尺寸，并且由此改變麥克風 的諸如頻率響應和靈敏度等工作特性。
還應當理解，為了將換能器并入有用的器件，必須將其連接或耦 合到電子電路，該電子電路可以位于相同的襯底上或位于單獨的集成 電路上。然而，這將導致千涉、噪聲和寄生電容和電感的問題。
通常，這些膜是薄的，十分之幾微米的量級，并且尺寸范圍可以 從數(shù)十到數(shù)千微米。因此，這些器件可能是易碎的，并且可能在單元 化(singulation)期間被毀壞。單元化是一種工藝，在該工藝中，其 上制備有MEMS器件的襯底晶片被切成方塊，使每個切成的方塊上僅 可以找到一個器件(或器件組)。該工藝通常是通過利用高速旋轉(zhuǎn)金 剛石刀片將晶片切成方塊來實現(xiàn)的。替代地，可以使用激光切割該晶 片，或沿晶體軸劃割和劈開該晶片。當應用于MEMS結(jié)構時，所有這 些切割方法都有相關聯(lián)的問題。
在刀片單元化期間，晶片的表面 一般充滿通常是水的潤滑冷卻劑， 意在防止晶片的溫度變得太高并且確保金剛石刀片保持在安全工作的 范圍內(nèi)。這從水和晶片的研磨片產(chǎn)生了漿，其可以滲入MEMS結(jié)構的 任何開口部分并且使其無用，因為由于切割器件的小尺寸導致難以在 后續(xù)階段將漿清潔出來。另外，潤滑冷卻劑可能被高速噴灑到晶片上， 從而使得任何精細傳感器處于高機械應力下并可能毀壞它。
激光單元化比刀片單元化稍微干凈，但是更昂貴。然而，通過切 割工藝產(chǎn)生的熱可能引起熱梯度，從而導致傳感器結(jié)構中不同的熱膨 脹區(qū)域，這可以使其變形并使其無用。激光單元化工藝也產(chǎn)生一些殘 渣，該殘渣可以阻礙任何開口結(jié)構，并且阻止器件正常工作。
最后，通過劃割和劈開來單元化晶片于劈開期間在晶片上施加了 極高的機械應力，并且產(chǎn)生了大量的如上所述可能毀壞器件的碎片。
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發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種在村底上制備微機電系統(tǒng)
(MEMS)的方法。該方法包括下列步驟相對于膜的第一側(cè)沉積第 一犧牲層；相對于膜的第二側(cè)沉積第二犧牲層；以及移除所述第一和 第二犧牲層，以便形成其中膜可移動的MEMS換能器。
提供所述第一和第二犧牲層具有多個優(yōu)點。第一，犧牲層有助于 在其它制備步驟期間保護膜。第二，所述第一和第二犧牲層使膜的尺 寸的形成能夠獨立于隨后的背部蝕刻工藝。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種在襯底上制備微機電系統(tǒng) (MEMS)麥克風的方法。該方法包括下列步驟沉積第一和第二電 極；沉積膜，該膜機械耦合到所述第一電極；以及沉積背板，所述背 板機械耦合到所述第二電極。所述沉積膜的步驟進一步包括在第一犧 牲層上沉積膜的步驟。所述方法進一步包括下列步驟在所述第一和 第二電極之間的區(qū)域中沉積第二犧牲層；以及移除所述第 一和第二犧 牲層來形成MEMS麥克風，所述麥克風具有在膜下的第一腔以及在所 述第一和第二電極之間的第二腔，以便所述膜和所述第一電極能夠相 對于所述第二電極移動。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMS)電 容式麥克風，包括第一和第二電極；機械耦合到所述第一電極的膜； 以及機械耦合到所述第二電極的背板；其中所述第一和第二電極均具 有不同于膜的直徑的直徑。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMS)電 容式麥克風，包括第一和第二電極；機械耦合到所述第一電極的膜； 以及機械耦合到所述第二電極的背板；其中所述第二電極包括一個或 多個開口。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種制備微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風的方法。該方法包括下列步驟沉積第一和第二電極；沉積膜， 該膜機械耦合到所述第一電極；以及沉積背板，所述背板機械耦合到 所述第二電極；其中所述沉積第二電極的步驟包括在所述第二電極中 形成預定圖案的步驟，并且其中所述預定圖案包括一個或多個開口。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種測試在晶片上形成的多個孩吏才凡電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的方法，每個MEMS麥克風都包括膜以 及至少一個犧牲層。所述方法包括下列步驟將所述晶片附在載體上； 單元化所述晶片以形成兩個或更多個MEMS麥克風；移除所述至少一 個犧牲層；以及在所述MEMS麥克風附到載體上時對其進行測試。
根據(jù)本發(fā)明的又一個方面，提供了一種微機電系統(tǒng)(MEMS)麥 克風，包括襯底；第一和第二電極；機械耦合到所述第一電極的膜； 以及機械耦合到所述第二電極的背板；并且進一步包括在所述膜之 下的第一腔，所述第一腔使用第一犧牲層形成；以及在所述第一和第 二電極之間的第二腔，所述第二腔使用第二犧牲層形成。


為了更好的理解本發(fā)明，并且為了更清楚地顯示其是如何實現(xiàn)的， 現(xiàn)在將僅以示例的方式參照以下附圖，其中
圖1是MEMS麥克風的示意性橫截面視圖2是根據(jù)本發(fā)明的MEMS麥克風的示意性橫截面視圖3是圖2中示出的MEMS麥克風的立體圖4-19是圖示了圖2和3中詳細給出的MEMS麥克風的制備工 藝的示意性橫截面視圖和立體圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的另一個方面的電極；以及
圖21a、 21b和21c圖示了通氣孔的布置。
具體實施例方式
圖2和3分別示出了根據(jù)本發(fā)明的電容式麥克風器件的示意圖和 立體圖。電容式麥克風器件包括響應于由聲波產(chǎn)生的壓力差而自由移 動的柔性膜ll。第一電極13機械耦合到柔性膜11,并且它們一起形 成電容式麥克風器件的第一電容板。第二電極23機械耦合到通常呈剛 性的結(jié)構層或背板14，它們一起形成電容式麥克風器件的第二電容板。
電容式麥克風被形成在襯底1上，該襯底例如為硅晶片。背部體 積33被提供在膜11下面，并且通過對襯底1使用"背部蝕刻 (etch-back)"而形成，如在本申請下文將更詳細描述的。第一腔9 直接位于膜11下面。第一腔9在制備工藝期間使用第一犧牲層而形成。插入第一電極13和第二電極23之間的是第二腔17。第二腔17在制 備工藝期間使用第二犧牲層而形成。多個下文稱為通氣孔15的開口連 接第一腔9以及第二腔17。還有多個下文稱為聲孔31的開口布置在 背板14中，以便使得空氣分子能夠自由移動，從而聲波可以進入第二 腔17。與背部體積33相關聯(lián)的第一腔9和第二腔17使得膜11能夠響 應于通過背板14中的聲孔31進入的聲波而移動。
如從下面圖4-19中制備工藝的詳細描述中更充分理解的，提供第 一和第二犧牲層具有使膜11的形成與背部體積的蝕刻相分離的優(yōu)點。
特別的，使用第一犧牲層來形成第一腔9意味著背部體積的蝕刻并不 影響膜的直徑的限定。而是，由第一腔9的直徑(其進而由第一犧牲 層的直徑限定)結(jié)合第二腔17的直徑(其進而由第二犧牲層的直徑限 定)限定膜ll的直徑。如下面將更詳細解釋的，相比于使用濕式蝕刻 或干式蝕刻執(zhí)行的背部蝕刻工藝的直徑，使用第一犧牲層形成的第一 腔9的直徑可以受到更精確地控制。
將第一腔9與第二腔17連接的通氣孔15具有多個優(yōu)點。例如， 在制備工藝期間，通氣孔15幫助移除第一和第二犧牲層。特別地，當 使用干式蝕刻工藝從膜11上面蝕刻時，通氣孔15例如使得未在之前 的背部蝕刻工藝期間蝕刻的第一犧牲層的部分能夠通過通氣孔15，即 從器件上面，被蝕刻。換句話說， 一旦從膜上面進行的蝕刻工藝已經(jīng) 移除第二腔17中的第二犧牲層，通氣孔15就使得蝕刻工藝能夠移除 在通氣孔15下的區(qū)域中、第一腔9的外部區(qū)域中的第一犧牲層。
另外， 一旦犧牲層已經(jīng)被移除，通氣孔15就允許有限或受限的空 氣流從第二腔17穿過到達第一腔9和背部體積33。該空氣流的彎曲 路徑有助于改進電容式麥克風在特定頻率的工作特性。例如，通氣孔 15可以配置成使它們向具有低于約20Hz的頻率(即，人類可聽范圍 的下端)的壓力波提供低阻抗，并且向更高頻率的壓力波提供更大的 阻抗。這確保更高頻率的壓力信號作用于膜，而不是通過通氣孔15繞 開膜。電容式麥克風的這個特性具有的優(yōu)點是通過使不需要的信號， 如風噪聲，繞過膜來消除這種不需要的低頻信號。注意，器件的頻率 響應服從經(jīng)典的U-RC的關系，其中在這種情況下，R與通過通氣孔 15的受限空氣流有關，并且C與背部體積33的體積有關。因此，應理解，該器件的工作特性可以通過在制造工藝期間調(diào)節(jié)通氣孔15和/ 或背部體積33的位置和大小來改變。還注意，器件的頻率響應可以根 據(jù)麥克風所要與之連接的電子電路的特性來調(diào)節(jié)。
本申請的下文將參照附圖4-19提供上述這些方面的進一步的細節(jié)。
為了處理來自麥克風的電輸出信號，設備可以具有使用標準 CMOS工藝集成地制備在襯底1上的電路區(qū)域(未示出)。該電路區(qū) 域可以包括導電的(例如鋁或銅)電路互連件，其用于通過連接至電 路區(qū)域的互連點電連接到麥克風。
可以使用標準處理技術在CMOS硅襯底中制備該電路區(qū)域，該標 準處理技術諸如為離子注入、光刻法、金屬沉積和蝕刻。該電路區(qū)域 可以包括可操作連接MEMS麥克風并處理相關聯(lián)信號的任何電路。例 如， 一個電路區(qū)域可以是前置放大器，連接該前置放大器以便放大來 自麥克風的輸出信號。另外，另一個電路區(qū)域可以是電荷泵，其用于 在兩個電極上產(chǎn)生例如IO伏的偏壓。這具有的效果是電極間隔(即， 麥克風的電容板)的變化改變MEMS麥克風的電容；假設電荷恒定， 電極上的電壓相應改變。優(yōu)選具有高阻抗的前置放大器用于檢測這樣 的電壓改變。
電路區(qū)域可以可選地包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，以將麥克風的輸出 信號或前置放大器的輸出信號轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字信號，并且可選地包 括數(shù)字信號處理器，以處理或部分處理這樣的數(shù)字信號。此外，電路 區(qū)域還可以包括數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)和/或適于無線通信的發(fā)射機/接 收機。然而，本領域的普通技術人員應理解，可以設想可操作地連接 到MEMS換能器信號和/或關聯(lián)信號的很多其它電路布置。
還應理解，替代地，麥克風器件可以是混合器件(例如，由此電 子電路完全位于單獨的集成電路上，或由此電子電路部分位于如麥克 風的同一器件上并且部分位于單獨的集成電路上)或單塊器件(例如， 由此電子電路完全集成到如麥克風的集成電路內(nèi))。
麥克風具有通常為lmm的直徑。下面提供了其它直徑作為與制備 工藝相關的示例。
現(xiàn)在將簡要描述麥克風的工作。響應與入射到麥克風的壓力波對應的聲波，膜ll從其平衡位置稍微變形。下電極13和上電極23之間 的距離相應改變，從而導致隨后^L電子電路(未示出)檢測的兩個電 極之間的電容改變。
現(xiàn)在將參照圖4-19并且參照上述圖2中的元件描述制備上述實施 方案的工藝。
圖4-19是圖示了用于制備圖2和3中示出的MEMS麥克風的工 藝的示意性橫截面視圖和/或立體視圖。
在圖4-19的描述中，注意，各種尺寸(文字描述以及圖示)僅作 為示例來給出。此外，應力值和目標的提及用來指經(jīng)完全處理的 MEMS器件合成的層/形貌的應力，并不是所沉積的單個層/形貌的應 力。
參照圖4， MEMS器件的制備工藝是基于襯底101的。在該實例 中，為了集成CMOS電子器件和CMOS處理技術，襯底101是硅片， 但應理解，可以使用其它襯底材料和電子制備技術。硅襯底101經(jīng)歷 熱氧化，以形成熱氧化晶片層103和105。硅襯底101具有例如范圍 在300微米到1000微米的厚度，例如625樣t米。每個熱氧化層103、 105都具有高達15微米的厚度，例如0.6孩i米。注意，熱氧化層103、 105是有壓縮力的。作為使用熱氧化的替代，可以使用等離子體增強 化學氣相沉積(PECVD)沉積氧化層。
在圖5中，電介質(zhì)層，例如氮化硅電介質(zhì)層107，被沉積到熱氧 化層103上?？梢允褂?00。 C溫度下的等離子體增強化學氣相沉積 (PECVD)等方法來沉積氮化硅電介質(zhì)層107。氮化硅電介質(zhì)層107 在MEMS器件的后續(xù)處理期間(特別是與下面圖18中描述的背部體 積的蝕刻有關)用作蝕刻停止層。優(yōu)選氮化硅電介質(zhì)層107具有范圍 在2.3微米到2.7微米的厚度，例如2.5微米，以及在25到75MPa之 間的張應力，例如50MPa。應理解，可以4吏用其它電介質(zhì)層和/或工藝。 例如，該層可以不是純硅，可以4吏用硼磷珪玻璃(BPSG)，因為其可 以在較低溫度下被沉積。本領域的普通技術人員應理解，層的應力將 不僅與層的厚度有關，還與沉積條件有關。
接著，參照圖6a，第一犧牲層109通過沉積和蝕刻涂層而形成在 氮化硅電介質(zhì)層107上。為了確保與CMOS制備技術相容，第一犧牲層109可以由多種材料制成，這些材料可以使用干燥釋放工藝被移除。 使用干燥釋放工藝是有利的，因為在釋放犧牲層之后不需要附加的工 藝步驟或干燥。聚酰亞胺優(yōu)選作為犧牲層(例如，日立、杜邦聚酰亞 胺PI2610或PI2545)，因為其可以很容易^皮旋制到襯底上并且利用氧 等離子體清洗而去除。聚酰亞胺涂層被旋制到片上以形成保形涂層， 并隨后在大氣壓力的空氣中于200° C溫度下固化30分鐘，并然后在 大氣壓力的流動氮化物環(huán)境中于375° C下固化30分鐘。本領域的普 通技術人員應理解，這些參數(shù)的值僅作為例子被提供，并且可以考慮 任何適于沉積聚酰亞胺犧牲層的條件。底漆(primer)可以用于聚酰 亞胺層，該底漆諸如為HD VM651。然后聚酰亞胺層被光阻劑圖案化， 并在各向異性氧等離子體中被蝕刻，從而留下如圖6a所示的第一犧牲
層109。第一犧牲層109具有例如在0.9微米到l.l微米之間的厚度， 例如1微米。本領域的普通技術人員應理解，可以使用替代的方法來 沉積第一犧牲層109，例如應用并蝕刻感光的聚酰亞胺。
第一犧牲層109限定了膜下面的腔(即，圖2中的第一腔9)的 尺寸和形狀，當如下所述移除第一犧牲層109時將留下該腔。除了創(chuàng) 建第一犧牲層109之外，聚酰亞胺涂層的蝕刻還可以涉及識別和/或?qū)?準形貌(例如，圖6b立體圖中所示的110、 110a、 110b)的形成。識 別和對準形貌有助于MEMS器件的后續(xù)處理。
出于多種原因提供了第一犧牲層109。這些原因包括在制造工藝 期間支撐和保護MEMS器件的膜。第一犧牲層109還被提供用于限定 膜的直徑，這樣，膜的尺寸可以根據(jù)第一犧牲層的尺寸事先加以確定， 而不是根據(jù)在從晶片下面形成背部體積時所執(zhí)行的蝕刻工藝來確定膜 的尺寸。
圖7中，隔膜層，例如氮化硅隔膜層lll，被沉積在氮化硅層107 以及第一犧牲層109上。氮化硅隔膜層111的一部分用于形成麥克風 的膜(即圖2中的膜11 )。氮化硅隔膜層111可以使用PECVD工藝在 300° C沉積，其中硅烷(SiH4)、氨(NH3)和氮(N2)分別具有40、 40和1400sccm (標準立方厘米/分鐘)的流速。RF功率可以是20W, 并且可以在高頻(13.56MHz)和低頻(400kHz)之間每隔6秒改變一 次。氮化硅隔膜層111具有例如在0.38微米到0.42微米之間的厚度，例如0.4微米，以及在40到50MPa的張應力，例如45MPa 。
盡管圖6a和7a中未示出，但是第一犧牲層109的上表面可以在 其外部區(qū)域(即，第一犧牲層109的外圍附近)形成有一個或多個凹 陷(以小腔的形式)。因此，氮化硅隔膜層111的沉積導致在膜的外部 區(qū)域或外圍形成一個或多個凹陷(以突起的形式)。膜11的外部區(qū)域 的這些凹陷減少了膜與下方襯底的接觸面積。這防止膜粘連到所示的 由圖2中第一腔9形成的"雙向折彎(dog-leg)"中的區(qū)域，即在遠離 背部體積形成的開口的區(qū)域。這些凹陷降低了靜摩擦力，使它們低于 回復力(即膜的張力)，從而允許膜釋放自己。
注意，膜11可以由氮化硅之外的材料形成。例如，膜還可以是多 晶硅。替代地，膜可以是包括金屬/氮化物/金屬或氮化物/金屬/氮化物 的夾層結(jié)構的一部分。例如，可以由鋁/氮化硅/鋁(具有例如50納米 /400納米/50納米的厚度)形成復合堆。替代地，金屬層可以被掩埋在 由氮化硅/鋁/氮化硅形成的復合堆中。另外，在鋁和氮化硅之間可以使 用鈦粘連層。形成夾層結(jié)構具有降低不想要的膜變形的優(yōu)點。換句話 說，如果電極放置在兩個氮化物層之間，或反之，那么壓力更為均衡， 從而使膜的移動伴隨較少不想要的變形。
接著，參照圖8a，通過在氮化硅隔膜層111上沉積或濺射例如鋁 的導電材料，形成第一電極113。優(yōu)選第一電極113具有范圍在0.04 微米到0.06微米的厚度，例如0.05微米，并且在175到225 MPa之 間的張應力，例如200 MPa。注意，這些厚度和應力值是基于由鋁制 成的第一電極的，并且根據(jù)其它材料制成的電極，其它厚度和應力值 可以應用。通過濺射來沉積第一電極113因所4吏用的襯底溫度4氐而優(yōu) 選于諸如熱蒸發(fā)的其它方法。這確保了與CMOS制備工藝相容。另夕卜， 沉積除了鋁之外的材料時，該方法從精確控制所沉積的薄膜構成的能 力中獲益。濺射將材料均勻沉積到所有表面上，所以沉積薄膜必須通 過抗蝕劑應用以及利用CVBCl3氣體混合物的干燥蝕刻來圖案化，以 限定下電極15的形狀并且限定實現(xiàn)互連到電路區(qū)域(即，下面的 CMOS電路或片外電路)的互連點114b。
從圖8a可以看出，第一電極113并不覆蓋膜111的整個直徑，因 為膜111的外部區(qū)域經(jīng)受更少的移動并且因此貢獻相對固定的電容。因此，根據(jù)本發(fā)明的這個方面，第一電極113的直徑不同于膜111的 直徑。例如，第一電極113的直徑可以在膜111的直徑的50%-70%之 間。然而，本領域的普通技術人員應意識到可以使用其它值。例如， 第一電極可以低于膜直徑的90%;低于膜直徑的80%,或任何其它值。 盡管在優(yōu)選實施方案中第一電極113的材料是鋁，但是本領域的 普通技術人員應意識到第一電極113可以包括任何其它適于用作電極 的材料的導電材料，如AlSi、 AlSiCu、 Ti、 TiW、 Cu、 Ni、 NiCr、 Cr、 Pt、 Ta或Pd。
圖8b中示出了第一電極113的立體圖，該圖示出了第一電極113 具有關聯(lián)的軌道114a和襯墊114b,用于將第一電極113互連到在相同 襯底或不同集成電路上的其它電路。由于所采用的橫截面的性質(zhì)，在 圖8a中未示出軌道114a。應理解，可以使用其它電極材料或電極堆 來最小化應力。例如，電極堆可以包括鈦粘連層以及鋁導體。
在圖9中，在氮化硅隔膜層111的隔膜區(qū)域形成了多個開口或通 氣孔115。通氣孔115可以通過在氮化硅隔膜層111中蝕刻孔來形成。 例如，通氣孔115直徑可以是大約2微米。作為在形成第一電極113 之后形成通氣孔115的替代，注意，通氣孔115還可以在形成第一電 極113之前并且在形成氮化硅隔膜層111步驟之后立即形成。布置通 氣孔115,使通過第一通氣孔115蝕刻的區(qū)域基本上疊蓋通過鄰近通氣 孔蝕刻的區(qū)域。通氣孔可以具有少于100微米的間隔。關于通氣孔定 位的進一步的細節(jié)將在下面關于圖21a、 21b和22c中討論。
在圖10a中，第二犧牲層117，優(yōu)選與第一犧牲層109相同或類似 的聚酰亞胺層，沉積在氮化硅隔膜層111上，使第二犧牲層117覆蓋 第一電極113和通氣孔115。第二犧牲層117限定在膜上方的腔(即， 圖2中的第二腔17)的尺寸和形狀，當如下所述移除第二犧牲層117 時將留下該腔。第二犧牲層117具有例如在2.1微米到2.3微米之間的 厚度，例如為2.2微米。盡管示出了第二犧牲層117具有與第一犧牲 層109幾乎相同的尺寸，但是注意，第一和第二犧牲層109、 117可以 具有不同的尺寸，例如具有不同的厚度和/或不同的直徑。圖10b示出 了添加有第二犧牲層117的器件的立體圖。
圖11示出了如何在第二犧牲層117的表面形成多個凹陷119 (以小腔的形式)。例如，凹陷119可以是200納米深。盡管非必要，但是 凹陷119減少了在過壓或膜吸合(pull-in)情況下的接觸面積，所述 過壓或膜吸合使膜的表面與MEMS器件的另一表面形成接觸。凹陷 119降低了靜摩擦力，使它們低于回復力(即膜的張力)，從而允許膜 釋放自己。
如圖12a所示，然后通過首先沉積下氮化硅背板層121形成用于 支撐第二電極的背板。下氮化硅背板層121可以如上所述在300° C 使用PECVD工藝沉積。下氮化硅背板層121具有范圍在0.28微米到 0.32微米的厚度，例如為0.3微米，并且在50到200MPa之間的張應 力，例如為100 MPa。圖12b示出了添加有氮化硅背板層121的器件 的立體圖。
如圖13a所示，然后通過在下氮化硅背板層121上沉積例如鋁的 導電層形成第二電極123。第二電極123具有例如在0.09微米和0.11 微米之間的厚度，例如為0.1微米。圖13b示出了第二電極及其關聯(lián) 軌道124a和襯墊124b的立體視圖，該軌道和襯墊用于連接到其它電 路組件。應理解，由于所采用的橫截面的性質(zhì)，在圖13a中未示出軌 道124a。如從圖13a可以看出的，第二電極123具有與第一電極113 幾乎相同的直徑。同樣，第二電極123的直徑不同于膜111的直徑。 下文將參照圖20,在本申請中描述關于本發(fā)明的這個方面的進一步的 細節(jié)，這些細節(jié)包括關于第二電極123的形狀和尺寸的進一步的方面。
如同第一電極113的情況，第二電極123的材料可以包括其他任 何適于用作電極材料的導電材料，例如AlSi、 AlSiCu、 Ti、 TiW、 Cu、 Ni、 NiCr、 Cr、 Pt、 Ta或Pd。
接著，在圖14中，通過沉積上氮化硅背板層125形成背板的剩余 部分。如上，上氮化硅背板層125可以在300。 C使用PECVD工藝沉 積。上氮化硅背板層125具有例如在2.1微米到2.3微米之間的厚度， 例如為2.2樣￡米，以及在125到175 MPa之間的張應力，例如為150 MPa。
下氮化硅背板層和上氮化硅背板層121、 125限定了支撐第二電極 123的圖2的結(jié)構上呈剛性的背板14。背板配置為具有比膜更大的硬 度量度，例如比膜的硬度量度大十倍的硬度量度。應理解，對比膜具有更大的硬度量度的背板14的提及意在包括應力本身之內(nèi)的硬度和 應力的纟且合。
在圖15中，在上氮化硅層125中蝕刻襯墊連接孔127，以提供到 第一和第二電極113、 123的電極軌道的襯墊的連接。在該階段還可以 蝕刻其它孔，例如以提供到硅襯底101或MEMS器件的其它區(qū)域的連 接。
接著，在圖16a中，例如使用具有在0.95微米到1.05微米之間的 厚度(如1微米)的Ti/Al沉積來應用襯墊加厚掩模129。鈥用于粘連 的目的。例如，這涉及首先沉積50納米的鈥層，然后沉積鋁的剩余部 分。圖16b示出了圖16a的立體圖。應用襯墊加厚掩模129,以改善 各自襯墊的強度。
如圖17a所示，然后在上氮化硅背板層125中形成多個聲孔131。 聲孔131延伸到第二犧牲層117。當使用如圖13a和13b中示出的第 二電極時，這涉及蝕刻通過上氮化硅背板層125和第二電極123區(qū)域 中的第二電極123的步驟。然而，如從下面第二電極123的進一步的 討論中將理解的，當如參照圖20所討論的，當電極形成時帶有預先存 在的孔時，在該階段可以免去第二電極123的蝕刻。
在制備工藝期間，聲孔131使得第二犧牲層117(以及第一犧牲層 109的部分，通過通氣孔115)可以從晶片上方蝕刻。在使用麥克風器 件期間，即，在移除這些犧牲層之后，聲孔131使得聲波可以穿過到 達該膜。
聲孔131具有例如約5孩i:米的直徑，以及例如約15微米的間隔。 圖17b示出了聲孔131的布置的立體圖。應理解，可以提供更少或附 加的孔。
參照圖18a,然后通過從襯底下蝕刻形成背部體積133?？梢允褂?濕式蝕刻來執(zhí)行該蝕刻， 一直蝕刻到用作第 一蝕刻停止層的氮化硅電 介質(zhì)層107。該濕式蝕刻涉及利用抗蝕劑圖案化晶片的背面，然后該 圖案被轉(zhuǎn)移到晶片背面上的氮化硅電介質(zhì)層107上，該處沒有受到濕 式蝕刻化學藥品腐蝕。掩模圖案通常是方形的，并且對準晶片晶體平 面。濕式蝕刻是使用22%四曱基氫氧化銨(TMAH)和78%水的含水 溶液執(zhí)行的，在膜上造成更小的但方形的開口。本領域的普通技術人員應理解，可以利用氫氧化鉀執(zhí)行濕式蝕刻工藝。然后執(zhí)行進一步的
蝕刻通過氮化硅電介質(zhì)層107直到用作聚酰亞胺蝕刻停止層的第一犧 牲層109。
如圖18b所示， 一旦已經(jīng)如上所述蝕刻了背部體積133，然后就 可以從晶片下，即在遠離襯底并且朝向第一犧牲層109的方向上，蝕 刻第一犧牲層109的內(nèi)部區(qū)域。第一犧牲層109的內(nèi)部區(qū)域?qū)诒?轉(zhuǎn)移到氮化硅電介質(zhì)層107的圖案。在所述背部體積133與第一犧牲 層109接觸的平面中的背部體積133的區(qū)域小于該平面中第一犧牲層 109的區(qū)域。如本領域的普通技術人員應理解的，蝕刻該尺寸的背部 體積133的工藝導致背部體積自然的逐漸變細(即，隨著蝕刻移向蝕 刻停止層，掩模圖案的方形形狀變得更小，從而產(chǎn)生了金字塔形狀)。 然而，如上所述，由于膜的直徑是由第一犧牲層109的外直徑(結(jié)合 第二犧牲層117的外直徑)有效限定的，所以與濕式蝕刻工藝期間背 部體積的逐漸變細程度無關，因為在背部體積接觸第一犧牲層109的 點的附近(即圖18中點135附近)的背部體積區(qū)域并未有助于限定膜 的直徑。相反，膜的直徑是通過后續(xù)移除第一犧牲層109的剩余部分， 即第一犧牲層109的外部區(qū)域，來限定的。這在下面關于圖19中進行 了描述。
作為對濕式蝕刻工藝的替代，可以使用干式蝕刻來形成背部體積 133，從而利用相對厚(8微米)的抗蝕劑來圖案化襯底，并且在使用 表面技術系統(tǒng)感應耦合等離子體(STS ICP)機器的反應離子蝕刻中 使用SF6/C4Fs氣體組合物來干式蝕刻襯底。該干式蝕刻可以用于提供 具有例如約卯O納米直徑的背部體積。盡管并不像濕式蝕刻工藝的逐 漸變細一樣明顯，但是干式蝕刻工藝隨著其通過襯底、通過第一犧牲 層109、朝向氮化硅電介質(zhì)層107延伸也呈現(xiàn)出背部體積直徑的降低。 然而，如上所述，由于膜的直徑是由第一犧牲層109的外直徑有效限 定的，所以與干式蝕刻工藝期間背部體積逐漸變細的程度是不相關的， 因為在背部體積接觸第一犧牲層109的點的附近(即圖18a中點135 附近)的背部體積的直徑?jīng)]有限定膜的直徑。相反，如下所述，膜的 直徑是通過后續(xù)移除第一犧牲層109的剩余部分，即外部區(qū)域，來限定的。
23為了在上述蝕刻工藝期間——特別在濕式蝕刻工藝期間保護晶 片，可以在執(zhí)行背部蝕刻之前將保護層(未示出)放置在上氮化硅背
板層125上。保護層用于在背部蝕刻工藝期間保護晶片的前端。除了 在背部蝕刻工藝期間保護基片以免損壞，保護層還防止聲孔131被單 元化工藝期間可能產(chǎn)生的任何碎片阻塞(也將在下面描述)。
一旦已經(jīng)如上圖18a中所述蝕刻了背部體積，并且如圖18b所述 蝕刻了第一犧牲層109的內(nèi)部區(qū)域，然后就可以通過執(zhí)行前端蝕刻， 即從晶片上方移除第一犧牲層109的剩余部分(即外部區(qū)域)以及整 個第二犧牲層117。
然而，在如此移除第一犧牲層109的剩余部分以及整個第二犧牲 層117之前，首先將晶片放置在例如切割膠帶的用于單元化的栽體上。 還可以使用其它載體，例如結(jié)合粘連膠帶的玻璃載體。
當在襯底，即晶片上形成大量的MEMS麥克風時，在稱為單元化 的工藝中將包含MEMS麥克風的襯底切割成塊，以使每個切割塊僅有 一個器件(或器件的功能組)。注意，在本文中，器件包括一個或多個 如上所述的MEMS換能器(以及可能的電路區(qū)域)。該方法的這個實 施方案是有利的，因為第二犧牲層117以及第一犧牲層109的剩余部 分在單元化期間為脆弱的膜結(jié)構提供了機械支撐。保護層防止聲孔131 被切割工藝期間可能產(chǎn)生的任何碎片阻塞或損壞。
單元化襯底的方法可以是下列方法中的一個利用高速金剛石刀 片切割；激光切割；或沿晶體方向劃刻襯底并劈開襯底。襯底通常附 到高溫切割膠帶。切割膠帶可以是適于在移除第二犧牲層117和第一 犧牲層109的剩余部分的工藝中保存下來的任何粘連膠帶。在單元化 期間，未損傷的第二犧牲層117 (以及第一犧牲層109的外部部分) 對膜提供了強度和保護，而保護層防止聲孔131被從單元化工藝產(chǎn)生 的碎片阻塞。單元化之后，每個切割塊僅有一個器件，或當生產(chǎn)器件
陣列時有多個器件。
從晶片上方使用干式蝕刻工藝(例如氧等離子系統(tǒng))處理仍然在 切割膠帶上的單元化過的襯底，以移除保護層、第二犧牲層117以及 第一犧牲層109的剩余部分。例如，通過聲孔131引入的氧等離子體 將蝕刻通過到第二犧牲層117，并且還通過通氣孔115,以移除第一犧牲層109的剩余部分。在該工藝期間，氧被引入其中放置襯底并且建 立等離子體的室中。等離子體中的氧與有機犧牲層反應，以形成然后 可以從該室移除的易揮發(fā)氧化物。
通常，用于該工藝的條件是溫度150° C下在氧等離子體中接近 3小時(40%02、射頻功率350W、磁場660mT)。然而，本領域的普 通技術人員應理解，可以考慮適于移除聚酰亞胺犧牲層的任何條件。
因此，如可從上述內(nèi)容理解的，通氣孔115幫助在制備工藝期間 移除第一犧牲層109。另外，通氣孔115允許受限氣流在由第二犧牲 層117創(chuàng)建的腔以及由第一犧牲層109和背部體積133創(chuàng)建的腔之間 穿過。這導致低頻下改善的性能。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，可以在各器件還在切割膠帶上時，但 是是在它們已經(jīng)被單元化之后并且在已經(jīng)移除犧牲層之后，對它們進 行測試。這使得襯底能夠大批量被測試，而不是必須得將各器件安裝 到用于測試的載體上。
將所完成的MEMS麥克風從切割膠帶移除，并且安裝在組件(未 示出)中。這可以使用自動取放系統(tǒng)來實現(xiàn)，該自動取放系統(tǒng)從切割 膠帶舉起麥克風芯片并將其放置在封裝中，所述封裝適于電連接到任 何可操作地連接麥克風的器件。
除了上述用于移除第一和第二犧牲層的工藝和步驟之外，注意， 在本發(fā)明的范圍內(nèi)還可以采用其它工藝和步驟。
例如，可以在如圖18a所述的蝕刻背部體積133工藝之后，但是 在移除第一犧牲層109的任何部分之前，將晶片放置在切割膠帶上。 然后可以單元化該晶片，而第一和第二犧牲層109、 117完好無損。然 后可以通過從晶片上方蝕刻，即蝕刻通過聲孔131、第二犧牲層117、 通氣孔115以及最后是第一犧牲層109，來移除第一和第二犧牲層109、 117。替代地，可以將切割膠帶穿孔，以便從晶片下方蝕刻第一犧牲層 109的內(nèi)部部分(如圖18b所述)，而從晶片上方蝕刻第二犧牲層117 以及第一犧牲層117的外部區(qū)域(即，如圖19所述)。
作為將切割膠帶穿孔的替代，載體可以包括具有預定通道、溝槽、 突出或其它結(jié)構的玻璃栽體或硅晶片栽體，用于允許在犧牲層放置到 載體上之后通過背部體積從下面蝕刻該犧牲層。換句話說，根據(jù)該布置，預定通道、溝槽、突出或其它結(jié)構使得蝕刻材料或氣體能夠接觸 背部體積，以及因此接觸第一犧牲層的內(nèi)部區(qū)域。作為替代，或除了
具有這種通道、溝槽、突出或其它結(jié)構的載體之外，注意，還可以將 它們放置在襯底本身上，用于當襯底位于載體上時允許蝕刻材料或氣 體能夠進入背部體積。
本發(fā)明還包括通過從晶片下方，即，從襯底朝向第一犧牲層109 的方向上，蝕刻第一和第二犧牲層來移除第一和第二犧牲層。在這樣 的布置中，通過背部體積133和通氣孔115蝕刻第二犧牲層。
才艮據(jù)如圖20所示的本發(fā)明的另一個方面，可以以預定圖案沉積第 二電極123。預定圖案可以包括對應于背板中一個或多個開口——即 用于使得聲波能夠穿過到達圖2的第二腔17的聲孔131 — 一的位置的 一個或多個開口或孔。換句話說，通過使用預定圖案形成第二電極， 圖17a中所述的用于形成聲孔131的蝕刻工藝僅需要蝕刻通過氮化硅， 而不是通過氮化硅和第二電極。這簡化了蝕刻工藝。此外，可以使電 極中預制孔的直徑大于聲孔的直徑。這具有封裝第二電極并且因此防 止器件在使用期間受潮的優(yōu)點。注意，耦合到膜的電極還可以以類似 的方式被封裝以在使用期間受到保護。換句話說，如果膜包括夾層電 極，同時膜具有對應于夾層電極中一個或多個孔的一個或多個孔，那 么可以使電極中的至少一個孔大于膜中的對應孔，從而封裝該電極。
圖21a、 21b和21c更詳細圖示了通氣孔115的布置，并且特別是 通氣孔115關于第一犧牲層109和背部體積133的邊界或外部邊緣的 定位。圖21a示出了具有64個通氣孔的MEMS器件，圖21b示出了 具有120個通氣孔的MEMS器件，并且圖21c示出了具有136個通氣 孔的MEMS器件。參照圖21a,通氣孔212布置在第一和第二同心圓 上，在第一犧牲層的邊緣210附近。每個通氣孔212都蝕刻區(qū)域211。 通氣孔212被布置成使區(qū)域211互相重疊，從而使得犧牲層的外部區(qū) 域被蝕刻掉。線213表示背部體積與第一犧牲層接觸的平面處的背部 體積區(qū)域。線213表示由背部蝕刻工藝引入的誤差幅度。從濕式蝕刻 工藝形成圖21a中示出的背部體積(即，具有基本上方形的橫截面)。 應理解，使用干式蝕刻工藝所產(chǎn)生的背部體積將導致大致圓形的區(qū)域。
圖21b示出了 120個布置在三個同心圓上的通氣孔212，而圖21c示出了 136個布置在三個同心圓中的通氣孔212。
注意，選擇通氣孔212的精確數(shù)量和定位，以便調(diào)節(jié)器件的工作 特性，例如器件的低頻響應。在太多孔和太少孔之間有一折衷，太多 孔影響低頻滑落(roll-off )，并且太少孔妨礙正確蝕刻工藝。另外，注 意，可以根據(jù)連接器件的電子電路來調(diào)節(jié)器件的性能，或反之亦然。
根據(jù)本發(fā)明的進一步的方面，盡管示出第一電極113沉積在 膜——即氮化硅隔膜層111的上部，但是第一電極113還可以形成膜 的集成部分，或位于膜的底面上。這樣的布置防止膜變形。
注意，在示例實施方案中，通過仔細控制膜中的應力并且將膜和 第一電極的組合熱膨脹系數(shù)與硅的熱膨脹系數(shù)緊密匹配，解決降低溫 度依賴和增加MEMS麥克風的靈敏度的問題。這在共同未決的PCT 申請PCT-06-019中進一步詳細地被描述。這可以被實現(xiàn)是因為膜和襯 底的熱膨脹系數(shù)的差別導致膜中依賴溫度的應力。因為器件的靈敏度 與膜的應力成反比，所以可以通過選擇相對低的膜應力來最大化靈敏 度。然而，在先前已知的器件中，溫度的小變化可能導致靈敏度的大 變化，或膜的張力可能被完全釋放，從而使器件無用。第一實施方案 的膜結(jié)構試圖解決該問題。
首先，仔細選擇沉積氮化硅隔膜層111的工藝參數(shù)，以控制合成 應力。沉積并圖案化鋁，以形成合成的第一電極113結(jié)構。選擇這些 工藝參數(shù)以控制沉積膜111的張應力，以4更張應力在40-50 MPa的范 圍中。因為硅襯底具有通常大于氮化硅的熱膨脹系數(shù)，所以在沒有沉 積電極的情況下，對于氮化硅膜，膜的張力隨溫度的增加而增加。相 反，鋁和其它候選電極材料呈現(xiàn)出比硅更高的熱膨脹系數(shù)。因此，示 例實施方案使用復合膜，其中膜加電極的組合的熱膨脹系數(shù)更緊密匹 配于硅的熱膨脹系數(shù)。優(yōu)選材料的典型材料性能列于表1中，來源是 P.R.Scheeper " A silicon condenser microphone: materials and technology", ISBN 90-9005899-0， 54頁。
表1
膨脹系數(shù)(X 10-6/° C)楊氏模量E (GPa)
硅3.2180
氮化硅1.5110
27<formula>formula see original document page 28</formula>
為了估計膜111和第一電極113的各自的厚度，發(fā)現(xiàn)可以通過下 式給出的鋁(tal)和氮化硅(tsn)的厚度比的近似值
<formula>formula see original document page 28</formula>
這里，t是結(jié)構元件的厚度，E是楊氏模量，a是熱膨脹系數(shù)，v是泊 松比，并且下標al、 sn和si表示該例子中使用的材料，即分別是鋁、 氮化硅以及硅。這意味著第一電極113的厚度應當接近氮化硅膜111 厚度的七分之一。使用考慮了電極面積和每種材料的各自泊松比的數(shù) 字仿真可以獲得更精確的估計。因為精確的材料參數(shù)可以取決于具體 的處理條件，因此根據(jù)實驗確定這些參數(shù)。為了避免由于不同層應力 導致的彎曲，還可以采用金屬/氮化物/金屬或氮化物/金屬/氮化物的夾 層。在示例實施方案中為了確保最優(yōu)的靈敏度，背板的硬度通常是膜 lll的十倍以上。為了避免背板變得太厚，背板可以制備得具有高于膜 111的應力。
盡管上述實施方案沒有示出，但是通過添加在膜的外部邊緣區(qū)域 中蝕刻的受控應力釋放結(jié)構可以使麥克風的靈敏度相對獨立于溫度的 變化，如共同未決PCT申請PCT-07-019中所述。受控應力釋放結(jié)構 有效地降低了該區(qū)域的楊氏模量。
此外，膜可以被附到結(jié)構上堅固的背板上，該背板本身從襯底應 力解耦，這還在共同未決PCT申請PCT-07-019中進一步進行了描述。
本領域的普通技術人員應理解，優(yōu)選實施方案的上述描述并不限 于制備MEMS麥克風。例如，可以修改實施方案中所描述的方法，以 便從工藝中省略(或減去)在襯底的底部中蝕刻孔的步驟，以便制備 超聲換能器。這可以涉及使背板更薄，以便通過在兩個電極上施加電 壓使背板變得可移動。孔的重新密封會也允許作為浸液換能器運行。 而且沒有背部體積并且具有重新密封的膜，電容將變得對絕對壓力而 不是對差壓靈敏。此外，上面實施方案中所描述的方法可以用于制備 壓力傳感器或在襯底上制備陣列，該陣列包括下列任何一個或全部 麥克風、超聲換能器以及壓力傳感器。結(jié)合了適當?shù)碾娮悠骷托盘?處理的該陣列可以提供有方向選擇性的麥克風。本發(fā)明還可應用于其它MEMS換能器，諸如膜上存有質(zhì)量的加速 度表。
盡管已經(jīng)描述了關于響應于壓力差一一特別是由聲波引起的壓力 差——而移動的膜的實施方案，但是膜還可以配置為響應于絕對壓力 而移動。
還注意，上面描述的實施方案是關于犧牲材料為聚酰亞胺的情況， 但是注意到犧牲層可以包括其它有機材料，包括但不限于，聚丙烯酸 酯、聚酰胺、聚碳酸酯和聚對苯二曱酸乙二酯(polyethylene ter印hthalate )。第 一和第二犧牲層還可以由不同材料制成。
另外，應理解，可以以不同序列或以不同順序進行各種層的沉積。 例如，第一電極可以沉積在膜的底面上，而不是如實施方案中所示沉 積在膜的上面。而且，第一犧牲層可以通過在氮化硅層中蝕刻凹陷并 且將犧牲層沉積在該凹陷中(即，不同于將第一犧牲層沉積到氮化硅 層的上方)而形成。此外，注意，可以從工藝省略一個或多個層。
還可以加入其它層，例如可以提供環(huán)境屏障，用于防止受潮或其 它不希望的材料進入器件。
此外，作為對上述工藝的替代，可以使用其它形式的濕式和干式 蝕刻工藝。例如，可以將等離子體氧與下列氣體中的一個或多個混合 SF6、 CF4、 CH2F2、 H2、 Ar、 C4F8、 C2F6、 CFH3。
注意，本發(fā)明可以用于多種應用。這些包括但不限于，消費應用、 醫(yī)療應用、工業(yè)應用和才幾動車應用。例如，典型的消費應用包括膝上 型電腦、移動電話、PDA和個人計算機。典型的醫(yī)療應用包括助聽器。 典型的工業(yè)應用包括主動噪聲消除。典型的機動車應用包括免提接收 機、聲學碰撞傳感器以及主動噪聲消除。
應當注意，上述實施方案是說明而不是限制本發(fā)明，并且本領域 的普通技術人員將能夠在不偏離所附權利要求的范圍下設計很多替代 實施方案。詞語"包括'，并不排除存在除權利要求所列的元件或步驟 之外的元件或步驟，"一，，或"一個，，并不排除多個，以及單個特征或 其它單元可以實現(xiàn)權利要求中記載的幾個單元的功能。權利要求中的 任何參考符號不應被解釋為對其范圍的限制。
29
權利要求
1.一種在襯底上制備微機電系統(tǒng)(MEMS)換能器的方法，所述方法包括相對于膜的第一側(cè)沉積第一犧牲層；相對于膜的第二側(cè)沉積第二犧牲層；以及移除所述第一和第二犧牲層，以便形成其中膜可移動的MEMS換能器。
2. 根據(jù)權利要求1所述的方法，其中所述膜配置為響應于壓力可 移動。
3. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述膜配置為響應于絕對壓 力可移動。
4. 根據(jù)權利要求2所述的方法，其中所述膜配置為響應于差壓可 移動。
5. 根據(jù)權利要求4所述的方法，其中所述膜配置為用于響應于由 聲波產(chǎn)生的壓力差可移動。
6. 根據(jù)權利要求4或5所述的方法，其中所述換能器是麥克風。
7. —種在襯底上制備微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的方法，所述方 法包括沉積第一和第二電極；沉積膜，該膜機械耦合到所述第一電極；以及沉積背板，所述背板機械耦合到所述第二電極；其中所述沉積膜的步驟進一步包括在第一犧牲層上沉積膜的步 驟；并且其中所述方法進一步包括下列步驟在所述第一和第二電極之間的區(qū)域中沉積第二犧牲層；以及移除所述第一和第二犧牲層來形成MEMS麥克風，所述麥克風具有 在膜下的第一腔以及在所述第一和第二電極之間的第二腔，以便所述 膜和所述第一電極能夠相對于所述第二電極移動。
8. 根據(jù)權利要求7所述的方法，進一步包括形成第三腔的步驟， 所述第三腔與所述第一腔連接以形成背部體積。
9. 根據(jù)權利要求7或8所述的方法，進一步包括在至少一個結(jié)構 層上形成所述第一犧牲層的步驟，所述至少一個結(jié)構層位于所述膜和襯底之間。
10. 根據(jù)權利要求9所述的方法，其中所述形成第三腔的步驟包括 蝕刻所述襯底和所述至少一個結(jié)構層的步驟，并且其中所述第一犧牲 層用作所述第三腔的蝕刻停止層。
11. 根據(jù)權利要求9或10所述的方法，其中形成所述第三腔，使 在所述第三腔與第一犧牲層接觸的平面處的所述第三腔的區(qū)域小于所 述第一犧牲層的區(qū)域，以便在所述平面中的第三腔的區(qū)域基本上落在 所述第一犧牲層的周界內(nèi)。
12. 根據(jù)權利要求8-11中的任何一個所述的方法，其中使用干式 蝕刻工藝形成所述第三腔。
13. 根據(jù)權利要求8-11中的任何一個所述的方法，其中使用濕式 蝕刻工藝形成所述第三腔。
14. 根據(jù)權利要求7-13中的任何一個所述的方法，進一步包括通 過所述第一犧牲層和所述第二犧牲層之間的膜材料形成多個開口的步。
15. 根據(jù)權利要求14所述的方法，其中所述形成多個開口的步驟 包括下列步驟在膜的材料中蝕刻多個孔；以及在所述膜以及在所述膜的材料中蝕刻的孔上沉積所述第二犧牲 層，使所述第二犧牲層填充所述膜的材料中蝕刻的孔。
16. 根據(jù)權利要求14或15所述的方法，其中所述開口位于所述第 一犧牲層的外部區(qū)域，所述第一犧牲層的外部區(qū)域位于由所述第三腔 在所述第三腔與所述第一犧牲層接觸的平面處限定的區(qū)域之外。
17. 才艮據(jù)權利要求14-16中的任何一個所述的方法，其中布置所述 多個開口 ，使通過第一開口蝕刻的區(qū)域基本上疊蓋通過鄰近開口蝕刻 的區(qū)域。
18. 根據(jù)權利要求17所述的方法，其中所述開口具有小于100微 米的間隔。
19. 沖艮據(jù)權利要求16-18中的任何一個所述的方法，其中所述開口 形成在一個或多個同心圓上，在所述第一犧牲層的外部區(qū)域中。
20. 根據(jù)權利要求7-19中的任何一個所述的方法，其中移除所述第一和第二犧牲層的步驟包括移除所述第一犧牲層的內(nèi)部區(qū)域； 移除所述第二犧牲層；以及 移除所述第一犧牲層的外部區(qū)域。
21. 根據(jù)權利要求20所述的方法，其中分開執(zhí)行移除所述第二犧 牲層的步驟以及移除所述第一犧牲層的外部區(qū)域的步驟。
22. 根據(jù)權利要求20所述的方法，包括通過在第一方向上蝕刻來移除所述第一犧牲層的內(nèi)部區(qū)域，所述 第一方向是從所述襯底側(cè)到所述第一犧牲層；以及通過在第二方向上蝕刻來移除所述第二犧牲層和所述第一犧牲層 的外部區(qū)域，所述第二方向是從所述背板側(cè)到所述第二犧牲層。
23. 根據(jù)權利要求7-19中的任何一個所述的方法，其中移除所述 第一和第二犧牲層的步驟包括下列步驟移除所述第一犧牲層；以及 隨后移除所述第二犧牲層。
24. 根據(jù)權利要求23所述的方法，其中通過在第一方向上蝕刻來 移除所述第一和第二犧牲層，所述第一方向是從所述襯底側(cè)到所述第 一犧牲層。
25. 根據(jù)權利要求7-19中的任何一個所述的方法，其中移除所述 第一和第二犧牲層的步驟包括下列步驟移除所述第二犧牲層；以及 隨后移除所述第一犧牲層。
26. 根據(jù)權利要求25所述的方法，其中通過在第二方向上蝕刻來 移除所述第一犧牲層和第二犧牲層，所述第二方向是從所述背板側(cè)到 所述第二犧牲層。
27. 根據(jù)權利要求7-26中的任何一個所述的方法，包括在晶片上 形成多個MEMS麥克風。
28. 根據(jù)從屬于權利要求22時的權利要求27所述的方法，進一步 包括下列步驟在移除所述第一犧牲層的內(nèi)部部分的步驟以及移除所述第二犧牲 層和所述第一犧牲層的外部區(qū)域的步驟之間，將所述晶片放置在載體上；以及在移除所述第二犧牲層和所述第一犧牲層的外部區(qū)域的步驟之前 單元化所述晶片。
29. 根據(jù)從屬于權利要求22時的權利要求27所述的方法，進一步 包括下列步驟在移除所述第一犧牲層的內(nèi)部部分的步驟之前，將所述晶片放置 在載體上；以及在移除所述第二犧牲層和所述第一犧牲層的外部區(qū)域的步驟之前 單元化所述晶片。
30. 根據(jù)權利要求29所述的方法，進一步包括在移除所述第一犧 牲層的內(nèi)部部分的步驟之前將所述栽體穿孔的步驟。
31. 根據(jù)權利要求29所述的方法，其中所述載體配置為使得所述 第一犧牲層的內(nèi)部部分可以在位于載體上時經(jīng)由背部體積而被蝕刻。
32. 根據(jù)權利要求31所述的方法，其中所述栽體包括一個或多個 通道、溝槽或突出，用于使得所述第一犧牲層的內(nèi)部部分可以在位于 載體上時經(jīng)由背部體積而被蝕刻。
33. 根據(jù)權利要求29所述的方法，其中所述襯底配置為使得所述 第一犧牲層的內(nèi)部部分可以在位于載體上時經(jīng)由背部體積而被蝕刻。
34. 根據(jù)權利要求33所述的方法，其中所述襯底包括一個或多個 通道、溝槽或突出，用于使得所述第一犧牲層的內(nèi)部部分可以在位于 載體上時經(jīng)由背部體積而被蝕刻。
35. 根據(jù)權利要求28-34中的任何一個所述的方法，其中所述單元 化步驟包括使用鋸切割所述襯底。
36. 根據(jù)權利要求28-34中的任何一個所述的方法，其中所述單元 化步驟包括劃割并劈開所述襯底。
37. 根據(jù)權利要求28-34中的任何一個所述的方法，其中所述單元 化步驟包括使用激光切割所述襯底。
38. 根據(jù)權利要求28-30中的任何一個所述的方法，其中所述載體 是切割膠帶。
39. 根據(jù)權利要求38所述的方法，其中所述切割膠帶能夠承受比 移除所述犧牲層的工藝的溫度要高的溫度。
40. 根據(jù)權利要求31-34中的任何一個所述的方法，其中所述載體 是由玻璃或硅晶片制成的。
41. 根據(jù)權利要求7-40中的任何一個所述的方法，進一步包括在 所述背板中形成多個開口的步驟。
42. 根據(jù)權利要求41所述的方法，進一步包括在所述背板上沉積 保護層的步驟。
43. 根據(jù)權利要求1-42中的任何一個所述的方法，其中至少一個 犧牲層包括有機材料。
44. 根據(jù)權利要求43所述的方法，其中至少一個犧牲層是聚丙烯 酸酯、聚酰亞胺、聚酰胺、聚碳酸酯或聚對苯二甲酸乙二酯。
45. 根據(jù)權利要求1-44中的任何一個所述的方法，其中所述移除 所述第一和/或第二犧牲層的步驟包括使用干式蝕刻工藝。
46. 根據(jù)權利要求45所述的方法，其中所述移除所述第一和/或第 二犧牲層的步驟包括使用等離子體氧蝕刻工藝。
47. 根據(jù)權利要求46所述的方法，其中所述等離子體氧與下列氣 體中的一個或多個混合SF6、 CF4、 CH2F2、 H2、 Ar、 C4F8、 C2F6、 CFH3。
48. —種孩i機電系統(tǒng)(MEMS)電容式麥克風，包括 第一和第二電極；機械耦合到所述第一電極的膜；以及 機械耦合到所述第二電極的背板；其中所述第一和第二電極均具有不同于所述膜的直徑的直徑。
49. 根據(jù)權利要求48所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑。
50. 根據(jù)權利要求49所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑的90%。
51. 根據(jù)權利要求49所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑的80%。
52. 根據(jù)權利要求49所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑是所述膜的直徑的50-70°/。。
53.根據(jù)權利要求48-52中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所述第一和第二電極的直徑基本上相等。
54. —種微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式麥克風，包括 第一和第二電極； 機械耦合到所述第一電極的膜；以及 機械耦合到所述第二電極的背板； 其中所述第二電極包括一個或多個開口。
55. 根據(jù)權利要求54所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式麥克風， 其中所述一個或多個開口對應于在所述背板中形成的一個或多個開 tr 。
56. 根據(jù)權利要求55所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式麥克風， 其中所述第二電極中的至少一個開口大于所述背板中的對應開口。
57. 才艮據(jù)權利要求54-56中的任何一個所述的孩i機電系統(tǒng)(MEMS) 電容式麥克風，其中所述膜包括對應于所述第一電極中一個或多個開 口的一個或多個開口。
58. 根據(jù)權利要求57所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)電容式麥克風， 其中所述第一電極中至少一個開口大于所述膜中對應的開口。
59. —種制備微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的方法，該方法包括下 列步驟沉積第一和第二電極；沉積膜，該膜機械耦合到所述第一電極；以及沉積背板，所述背板機械耦合到所述第二電極；其中所述沉積第 二電極的步驟包括在所述第二電極中形成預定圖案的步驟，并且其中 所述預定圖案包括一個或多個開口。
60. 才艮據(jù)權利要求59所述的方法，其中所述一個或多個開口對應 于在所述背板中形成的一個或多個開口。
61. 4艮據(jù)權利要求60所述的方法，進一步包括在所述第二電極中 形成大于所述背板中的對應開口的至少一個開口的步驟。
62. —種測試在晶片上形成的多個微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風的 方法，每個MEMS麥克風都包括膜以及至少一個犧牲層，所述方法包括 下列步驟將所述晶片附在栽體上；單元化所述晶片以形成兩個或多個MEMS麥克風；移除所述至少一個犧牲層；以及當所述MEMS麥克風附到載體上時對其進行測試。 、
63. 根據(jù)權利要求62所述的方法，其中所述載體包括切割膠帶。
64. —種微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，包括 襯底；第一和第二電極；機械耦合到所述第一電極的膜；以及機械耦合到所述第二電極的背板；并且進一步包括在所述膜之下的第一腔，所述第一腔使用第一犧牲層形成；以及 在所述第一和第二電極之間的第二腔，所述第二腔使用第二犧牲層形成o
65. 根據(jù)權利要求64所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，進一步 包括第三腔，所述第三腔與所述第一腔連接以形成背部體積。
66. 根據(jù)權利要求65所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中形 成所述第三腔，使得所述第三腔在所述第三腔與第一犧牲層接觸的平 面中的區(qū)域小于所述第一犧牲層的區(qū)域，以便在所述平面中的第三腔 的區(qū)域基本上落在所述第一腔的周界內(nèi)。
67. 根據(jù)權利要求64-66中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括所述膜的材料中的多個開口，所述多個開口連接 所述第一腔和所述第二腔。
68. 根據(jù)權利要求67所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述多個開口位于所述第一腔的外部區(qū)域，所述第一腔的外部區(qū)域位于由所述第三腔在所述第三腔與所述第一腔接觸的平面處限定的區(qū)域之外。
69. 根據(jù)權利要求68所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述開口形成在一個或多個同心圓上，在所述第一腔的外部區(qū)域中。
70. 根據(jù)權利要求67-69中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，其中布置所述多個開口，使通過第一開口蝕刻的區(qū)域基本上 疊蓋通過鄰近開口蝕刻的區(qū)域。
71. 根據(jù)權利要求70所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述開口具有小于100樣i米的間隔。
72. 根據(jù)權利要求64-71中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，其中所述第一和第二電極均具有不同于所述膜的直徑的直徑。
73. 根據(jù)權利要求72所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑。
74. 根據(jù)權利要求73所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑的90%。
75. 根據(jù)權利要求73所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑小于所述膜的直徑的80%。
76. 根據(jù)權利要求73所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述第一和第二電極的直徑是所述膜的直徑的50-70%。
77. 根據(jù)權利要求72-76中的任何一個所述的微:機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，其中所述第一和第二電極的直徑基本上相等。
78. 根據(jù)權利要求64-77中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括所述背板中的多個開口。
79. 根據(jù)權利要求78所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述背板中的至少一些開口穿過所述第二電極。
80. 根據(jù)權利要求64-79中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括所述背板的內(nèi)表面上的一個或多個凹陷。
81. 根據(jù)權利要求64-80中的任何一個所述的樣t機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括所述膜表面上的一個或多個凹陷。
82. 根據(jù)權利要求81所述的樹:機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風，其中所 述一個或多個凹陷位于所述膜的朝向所述第一腔的表面上，并且位于 所述膜的外部區(qū)域上，所述膜的外部區(qū)域位于由所述第三腔在所述第 三腔與所述第一腔接觸的平面處限定的區(qū)域之外。
83. 根據(jù)權利要求64-82中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括如MEMS麥克風的位于同一襯底上的電子電路。
84. 根據(jù)權利要求64-82中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS) 麥克風，進一步包括一個或多個電子接口襯墊，用于連接到外部電子 電路。
85. —種電子器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84 中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
86. —種通信器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84中 的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
87. —種便攜式電話器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或 64-84中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
88. —種音頻器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84中 的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
89. —種計算機器件，包括才艮據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84 中的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
90. —種交通工具，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84中 的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
91. 一種醫(yī)療器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84中 的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
92. —種工業(yè)器件，包括根據(jù)權利要求48-53、 54-57或64-84中 的任何一個所述的微機電系統(tǒng)(MEMS)麥克風。
全文摘要
一種MEMS器件，例如電容式麥克風，包括響應于由聲波產(chǎn)生的壓力差而自由移動的柔性膜11。第一電極13機械耦合到柔性膜11，并且它們一起形成電容式麥克風器件的第一電容板。第二電極23機械耦合到大致呈剛性的結(jié)構層或背板14，它們一起形成電容式麥克風器件的第二電容板。電容式麥克風形成在例如為硅晶片的襯底1上。背部體積33提供在膜11下面，并且使用通過襯底1的“背部蝕刻”而形成。第一腔9直接位于膜11下面，并且在制備工藝期間使用第一犧牲層而形成。插入第一和第二電極13和23之間的是第二腔17，它是在制備期間使用第二犧牲層而形成。多個通氣孔15將第一腔9和第二腔17連接。多個聲孔31布置在背板14中，以便使得空氣分子能夠自由移動，從而聲波可以進入第二腔17。與背部體積33相關聯(lián)的第一和第二腔9和17使得膜11能夠響應于通過背板14中的聲孔31進入的聲波而移動。提供第一和第二犧牲層具有在制造期間保護膜以及使背部蝕刻工藝與膜的限定分離的優(yōu)點。通氣孔15幫助移除第一和第二犧牲層。通氣孔15還有助于電容式麥克風的工作特性。
文檔編號B81C1/00GK101631739SQ200780017312
公開日2010年1月20日 申請日期2007年3月20日 優(yōu)先權日2006年3月20日
發(fā)明者A·特雷納, M·貝格比, R·I·拉明 申請人:沃福森微電子股份有限公司