專利名稱：硅麥克風(fēng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及硅麥克風(fēng)，尤其涉及一種具有減小的殘余應(yīng)力的振動膜的硅麥克風(fēng)。
背景技術(shù)：
微機電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)使用微電子精密制造技術(shù)使得能夠制造小型機電元件(從幾微米到幾百微米)。通常用來描述MEMS制造工藝的術(shù)語是微機械加工。在市場上，MEMS器件的主要實例包括壓力傳感器和加速度計。參見L.Sprangler和C.J.Kemp，ISAAC-integrated siliconautomotive accelerometer，in Tech.Dig.8th Int.Conf.OnSolid-State Sensors And Actuators(Transducers’95)，Stockholm，June 1995，pp.585-588。還參見W.S.Czarnocki和J.P.Schuster.1995.″Robust，Modular，Integrated Pressure Sensor″，Proc 7th Intl Congon Sensors，Nuremberg，Germany。
這些器件通常包括多個薄膜和多個桁條(beam)，這些桁條通過對淀積或?qū)盈B在基板上的膜進行微機械加工而獲得，或者通過對基板本身進行蝕刻而獲得。這些被微機械加工的膜最終用作為機械結(jié)構(gòu)和/或電連接。在該膜是淀積或?qū)盈B的情況下，首先淀積一犧牲層(sacrificiallayer)，并且隨后在淀積或?qū)盈B該膜之前使用光刻法對該犧牲層進行構(gòu)圖。構(gòu)圖在基板上形成了沒有該犧牲層的多個區(qū)域，由此可以直接將該膜淀積在基板上，即錨定(anchor)到基板上。在將該膜微機械加工成所需結(jié)構(gòu)之后，通過去除該微機械加工結(jié)構(gòu)下面的犧牲層，將該結(jié)構(gòu)中沒有錨定到基板上的部分從基板上物理地分離或者斷開。
在微機械加工中經(jīng)常遇到的一個主要困難是膜應(yīng)力的控制。膜應(yīng)力是在膜形成之后，在膜中存在的殘余應(yīng)力。對于張膜應(yīng)力的情況，所得到的微機械加工結(jié)構(gòu)也將處于張應(yīng)力狀態(tài)，除非該微機械加工結(jié)構(gòu)被設(shè)計得能夠產(chǎn)生應(yīng)變并消除該應(yīng)力。微機械加工的懸臂是可以消除該殘余應(yīng)力的結(jié)構(gòu)的典型實例。
對于MEMS麥克風(fēng)(電容式麥克風(fēng))，使用聲學(xué)信號激勵的微機械加工結(jié)構(gòu)的部分是振動膜。振動膜上的應(yīng)力直接影響麥克風(fēng)的靈敏度。張應(yīng)力嚴(yán)重地降低了麥克風(fēng)振動膜的機械順從性(mechanicalcompliance)。以下的理想公式表示機械順從性的降低使電容式麥克風(fēng)的靈敏度降低Sens=CMSSEx0]]>這里，CMS是以米每牛頓為單位的機械順從性；S是面積；E是偏壓(bias)；x0是麥克風(fēng)振動膜和背板(back plate)之間的距離；而Sens是麥克風(fēng)的開路靈敏度。很明顯，為了制造其靈敏度受膜應(yīng)力影響最小的MEMS麥克風(fēng)，必須將振動膜設(shè)計為使得膜應(yīng)力最少地影響其機械順從性。必須緊記，振動膜是通過具有殘余應(yīng)力的膜來制造的。
一種使膜應(yīng)力的影響最小的方法是自由板方案。參見Loeppert等人2001年8月10日提交的美國專利No.5,490,220和PCT申請01/25184“Miniature Silicon Condenser Microphone”(要求美國專利申請No.09/637,401和No.09/910,110的優(yōu)先權(quán))。在該方法中，振動膜除了一窄臂或多個臂之外，基本上是自由的。窄臂的功能僅僅是提供與振動膜的電連接。通過這種方式，使得機械上自由的振動膜能夠產(chǎn)生應(yīng)變并且釋放殘余應(yīng)力。由于振動膜不是剛性地(rigidly)連接到基板上，所以需要將振動膜機械地限制在基板上來避免振動膜在操作時完全分離。對于自由板設(shè)計，振動膜懸浮在蝕刻在基板中的聲學(xué)端口(用作為聲學(xué)端口的基板開口小于振動膜的直徑)的上方。在自由板設(shè)計中，背板覆蓋振動膜并且提供必要的限制。因此振動膜由基板和位于振動膜任意側(cè)的背板來限制。
通過使用能夠淀積多個薄膜保形層(conformal layer)的制造工藝可以實施諸如自由板設(shè)計的麥克風(fēng)振動膜設(shè)計(參見以上引用的PCT申請)。
在某些麥克風(fēng)實施中，希望將背板設(shè)置在振動膜和基板之間。在其它器件中，可能根本沒有背板。在這些情況下，防止在處理過程中或者在對已完成的器件進行操作時自由板振動膜從基板上脫離并且被損傷的約束不充分。本發(fā)明描述了一種手段，該手段通過約束振動膜的面外運動來保護該振動膜，該振動膜還可以產(chǎn)生應(yīng)變以消除面內(nèi)應(yīng)力。

發(fā)明內(nèi)容
為了簡化制造工藝，將這些機械結(jié)構(gòu)中的某些的功能進行合并是必要的。根據(jù)本發(fā)明，提供了一種振動膜錨定方案，該方案使得振動膜基本上自由，即消除了膜應(yīng)力，并且還將整個振動膜錨定在基板上的適當(dāng)位置。該振動膜設(shè)計可以用于制造具有對于(振動膜)殘余膜應(yīng)力相對不敏感的特性聲學(xué)靈敏度的MEMS麥克風(fēng)。在該設(shè)計中，可以通過特殊的錨定方案，來實現(xiàn)振動膜的順從性對于殘余膜應(yīng)力的不敏感性。由于振動膜被物理地錨定或者連接到支撐基板上，所以不需要附加結(jié)構(gòu)來容納振動膜。因此該制造方法比前面部分中所描述的自由板設(shè)計更簡單。
因此本發(fā)明的目的是提供一種轉(zhuǎn)換器(transducer)。
根據(jù)本發(fā)明，該轉(zhuǎn)換器包括基板，該基板形成支撐結(jié)構(gòu)并且具有開口。如果該基板具有適當(dāng)?shù)慕^緣膜層，則該基板可以由導(dǎo)電材料或者由諸如硅的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。另選地，該基板可以由完全電絕緣材料構(gòu)成。將形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜的薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)置在開口上方。該轉(zhuǎn)換器進一步包括多個支撐件和用于將振動膜的周邊連接到這些支撐件的裝置。該連接裝置產(chǎn)生應(yīng)變以允許振動膜移動來消除振動膜中的膜應(yīng)力。該轉(zhuǎn)換器還包括設(shè)置在基板和振動膜之間的多個止擋凸起(stop bump)。這些止擋凸起確定在轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時振動膜到基板的間隔。
設(shè)想該轉(zhuǎn)換器是麥克風(fēng)。
進一步設(shè)想這些止擋凸起由絕緣材料或者由具有絕緣材料的外層的導(dǎo)電材料制成。
還進一步設(shè)想這些止擋凸起中的每一個都錨定到基板上，而不錨定到振動膜上，或者這些止擋凸起中的每一個都錨定到振動膜上，而不錨定到基板上。
還進一步設(shè)想該連接裝置包括大體上從振動膜邊緣切向地向外延伸的多個臂。
還進一步設(shè)想該轉(zhuǎn)換器包括一背板，該背板比振動膜小，并且該背板的中心與振動膜的中心對準(zhǔn)，以使寄生電容最小。


本發(fā)明的其他目的、特征和優(yōu)點將通過下面的說明和附圖呈現(xiàn)給本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的轉(zhuǎn)換器的剖面透視圖；圖2是圖1的轉(zhuǎn)換器的振動膜的俯視圖、仰視圖和側(cè)視圖；以及圖3是圖1的轉(zhuǎn)換器的俯視圖。
具體實施例方式
盡管本發(fā)明可以有多種不同形式的實施例，但是附圖中所示并將詳細(xì)描述的是本發(fā)明的優(yōu)選實施例，應(yīng)該理解，本公開應(yīng)當(dāng)被認(rèn)為是本發(fā)明原理的范例，而不是意在將本發(fā)明的寬泛方面限定于所示的實施例。
圖1表示根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)轉(zhuǎn)換器10。在本說明中，該轉(zhuǎn)換器10被作為電容式麥克風(fēng)示出。然而該轉(zhuǎn)換器可以是其他器件，例如壓力傳感器或者加速度計。該轉(zhuǎn)換器10包括半導(dǎo)體基板12，該半導(dǎo)體基板12形成支撐結(jié)構(gòu)并且具有開口12a。該轉(zhuǎn)換器10進一步包括一薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜14。該振動膜14被設(shè)置在開口12a的上方。該振動膜14包括切向延伸的多個臂14a。背板16連接在基板12上，該背板涂有絕緣材料。該背板16可以由與基板12相同的硅形成。
該轉(zhuǎn)換器10進一步包括將各個臂14a耦接到基板12上的多個半導(dǎo)體支撐件18。在基板12和振動膜14之間設(shè)置多個止擋凸起20。這些止擋凸起20確定在轉(zhuǎn)換器12被施加偏壓時振動膜14到基板12的間隔，進而確定到背板16的間隔。后部容腔(back volume)24可以位于背板16的下方，并且可以通過使用基板開口12a對其進行限定以包含一開口的腔。
圖2表示振動膜14的三個不同視圖。俯視圖表示通過多個旋臂(spiral arm)14a錨定到基板12上的振動膜14。當(dāng)從基板12釋放該整個結(jié)構(gòu)(除了錨定點)時，這些旋臂14a產(chǎn)生應(yīng)變并由此消除振動膜14中的內(nèi)部膜應(yīng)力。整個振動膜14，包括這些旋臂14a，是可以摻雜硅、多晶硅(poly-silicon)、或者硅-鍺的導(dǎo)體。
圖2的仰視圖表示止擋凸起20。這些止擋凸起20由絕緣體制成。另選地，這些止擋凸起20可以是具有外部絕緣層的導(dǎo)體。
在優(yōu)選實施例中，該轉(zhuǎn)換器10具有二十個止擋凸起20。每個止擋凸起20錨定到基板12上，而不錨定到位于這些凸起的正上方的振動膜14上。使這些止擋凸起20不錨定到振動膜14上，使得振動膜14在消除膜應(yīng)力時能夠移動。當(dāng)振動膜14對聲波進行響應(yīng)以及當(dāng)振動膜14被施加偏壓時，這些止擋凸起20用作為控制邊界條件。明確地說，當(dāng)轉(zhuǎn)換器10被施加偏壓時，這些止擋凸起為已消除應(yīng)力的振動膜14提供簡單的支撐邊界，并且確定振動膜14和背板16之間的標(biāo)稱距離。在振動膜14沒有被施加偏壓時這些凸起20的頂部和振動膜14的底部之間的距離，以及這些凸起20的直徑取決于可用的制造工藝。
為了接納各種周圍環(huán)境壓力，由從周圍環(huán)境到后部容腔的通路限定的聲通路或者聲漏(leak)是必需的，其中該后部容腔被多個凸起20、振動膜14和基板12包圍。為了控制該聲漏的聲阻，可以將多個附加凸起20設(shè)置在振動膜14的下方或者設(shè)置在振動膜14的周邊來限制從周圍環(huán)境到后部容腔24的聲漏。另選地，可以調(diào)節(jié)由凸起20的高度設(shè)定的間隙，或者可以改變振動膜14和基板孔的交疊。
圖2底部的側(cè)視圖表示背板16的位置。該背板16是導(dǎo)體。該背板16可以打有多個孔或者多個狹縫，以在激勵時為振動膜14的運動提供所需的阻尼，并且降低聲噪聲。該背板16必須比振動膜14厚或者硬很多。此外，該背板16必須比振動膜14小，并且為了使寄生電容最小，該背板16的中心必須與振動膜14的中心對準(zhǔn)。
再次參照圖1，基板12被表示為具有一錐形孔，或者聲學(xué)端口。這是硅各向異性蝕刻的特性，并且常見于批量微機械加工硅結(jié)構(gòu)。為視覺清晰而夸大了振動膜14的厚度。如前所述，背板必須比振動膜厚(或者硬)很多。
圖1表示在多個旋臂14a的末端錨定到基板12上的振動膜14。該基板12涂有絕緣體層以避免背板16和振動膜14電短路。為背板16和振動膜14兩者提供電連接(未示出)。該電連接可以通過導(dǎo)電滑槽(runner)容易地實現(xiàn)。因此，在圖中未示出電連接。
如圖1所示，為了作為麥克風(fēng)進行工作，將轉(zhuǎn)換器10設(shè)置在具有已知后部容腔的腔中的孔的上方。然后對振動膜14相對于背板16施加電偏壓。錨定振動膜14的旋臂14a使得振動膜14在施加偏壓前幾乎沒有應(yīng)力。一旦施加偏壓，振動膜14就靠在凸起20上。當(dāng)振動膜14暴露在聲波中時，振動膜14產(chǎn)生激勵，并且使用高阻抗放大器檢測通過移動振動膜中心而產(chǎn)生的電信號。如前所述，背板16比振動膜14硬。受激勵的振動膜14和靜止的背板16形成可變電容器，其中電容量的變化由聲信號引起。
圖3表示包含該振動膜設(shè)計的麥克風(fēng)的外觀(version)的幾何尺度。這是振動膜14的俯視圖。該振動膜14的有效直徑30是550μm。包括切向臂14a的振動膜14的總直徑32是710μm。各切向臂14a的寬度34是16μm，并且曲率半徑36是150μm。該背板16的直徑38是400μm，并且振動膜14和背板16之間的距離是4μm。圖3還表示位于振動膜14下方的背板16的外形。如前所述，該背板16的直徑小于振動膜14的直徑，以使寄生電容最小。
雖然已經(jīng)圖示并描述了特定的實施例，但是可以想到的大量的改進而不明顯脫離本發(fā)明的精神，并且本發(fā)明的保護范圍僅由附加權(quán)利要求來限定。
權(quán)利要求
1.一種固態(tài)轉(zhuǎn)換器，其包括基板，該基板形成支撐結(jié)構(gòu)，并具有一開口；薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜，并且設(shè)置在所述開口上方；多個支撐件；用于將所述振動膜的周邊連接到所述多個支撐件的裝置，其中該連接裝置產(chǎn)生應(yīng)變以允許所述振動膜相對所述多個支撐件移動，以消除所述振動膜中的膜應(yīng)力；以及多個止擋凸起，該多個止擋凸起設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，該多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到所述基板的間隔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述基板由半導(dǎo)體形成。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述半導(dǎo)體是硅。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器是麥克風(fēng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由絕緣材料制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由具有絕緣材料外層的導(dǎo)電材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，包括二十個所述止擋凸起。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個都錨定到所述基板上，而不錨定到所述振動膜上。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個都錨定到所述振動膜上，而不錨定到所述基板上。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述連接裝置包括從所述振動膜邊緣切向延伸的多個臂。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個臂大體上是弧形的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，其中該背板小于所述振動膜，并且該背板的中心與所述振動膜的中心對準(zhǔn)，以使寄生電容最小。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，該背板設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，并且其中所述多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到該背板的間隔。
14.一種固態(tài)轉(zhuǎn)換器，其包括半導(dǎo)體基板，該半導(dǎo)體基板形成支撐結(jié)構(gòu)，并具有一開口；薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜，并且設(shè)置在所述開口上方，該振動膜包括切向延伸的多個臂；多個半導(dǎo)體支撐件，該多個半導(dǎo)體支撐件將所述多個臂中的每一個耦接到所述基板上；以及多個止擋凸起，該多個止擋凸起設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，該多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到所述基板的間隔。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器是麥克風(fēng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由絕緣材料制成。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由具有絕緣材料外層的導(dǎo)電材料制成。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，包括二十個所述止擋凸起。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個錨定到所述基板上，而不錨定到所述振動膜上。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個錨定到所述振動膜上，而不錨定到所述基板上。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，其中該背板小于所述振動膜，并且該背板的中心與所述振動膜的中心對準(zhǔn)，以使寄生電容最小。
22.根據(jù)權(quán)利要求14所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，該背板設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，并且其中所述多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到該背板的間隔。
23.一種固態(tài)轉(zhuǎn)換器，其包括半導(dǎo)體基板，該半導(dǎo)體基板形成支撐結(jié)構(gòu)，并具有一開口；薄膜結(jié)構(gòu)，該薄膜結(jié)構(gòu)形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜，并且設(shè)置在所述開口上方；多個半導(dǎo)體支撐件；以及用于將所述振動膜的周邊連接到所述多個支撐件的裝置，其中該連接裝置產(chǎn)生應(yīng)變以消除所述振動膜中的膜應(yīng)力。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，包括多個止擋凸起，該多個止擋凸起設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，該多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到所述基板的間隔。
25.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述轉(zhuǎn)換器是麥克風(fēng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由絕緣材料制成。
27.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起由具有絕緣材料外層的導(dǎo)電材料制成。
28.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，包括二十個所述止擋凸起。
29.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個錨定到所述基板上，而不錨定到所述振動膜上。
30.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述多個止擋凸起中的每一個錨定到所述振動膜上，而不錨定到所述基板上。
31.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，其中所述連接裝置包括從所述振動膜切向地向外延伸的多個臂。
32.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，其中該背板小于所述振動膜，并且該背板的中心與所述振動膜的中心對準(zhǔn)，以使寄生電容最小。
33.根據(jù)權(quán)利要求23所述的轉(zhuǎn)換器，包括一背板，該背板設(shè)置在所述基板和所述振動膜之間，并且其中所述多個止擋凸起確定在所述轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時所述振動膜到該背板的間隔。
全文摘要
硅麥克風(fēng)，公開了一種固態(tài)轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器包括半導(dǎo)體基板，該半導(dǎo)體基板形成支撐結(jié)構(gòu)，并具有一開口。形成對流體傳輸?shù)穆晧哼M行響應(yīng)的振動膜的薄膜結(jié)構(gòu)設(shè)置在該開口上方。該轉(zhuǎn)換器進一步包括多個半導(dǎo)體支撐件和從該振動膜邊緣延伸的、用于將該振動膜的周邊連接到該多個半導(dǎo)體支撐件的多個切向臂。這些切向臂允許該振動膜相對這些支撐件轉(zhuǎn)動以消除該振動膜中的膜應(yīng)力。該轉(zhuǎn)換器還包括設(shè)置在該基板和該振動膜之間的多個止擋凸起。這些止擋凸起確定在該轉(zhuǎn)換器被施加偏壓時該振動膜到該基板的間隔。
文檔編號H04R7/00GK1589587SQ02823045
公開日2005年3月2日 申請日期2002年10月15日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月20日
發(fā)明者彼得·V·洛佩特, ?！げ┛恕だ?申請人:美商樓氏電子有限公司