一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的mems硅麥克風(fēng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型為一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，包括背極板硅基及位于背極板硅基上方的振膜，其特征在于：導(dǎo)電良好的背極板硅基和振膜作為麥克風(fēng)電容的兩極板；背極板硅基上沉積有背極板金屬電極，背極板金屬電極和背極板硅基電連接；背極板硅基上設(shè)有若干個(gè)直接與大氣相通的TSV聲孔；振膜上設(shè)有小凸柱；振膜上沉積有振膜電極，振膜電極和振膜電連接；振膜電極和背極板金屬電極分別為麥克風(fēng)電容兩極板的輸出信號(hào)引出端，用來(lái)與CMOS信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)電連接；振膜由氧化硅層支撐懸于背極板硅基的上方，之間形成氣隙，背極板硅基、振膜和氣隙形成電容結(jié)構(gòu)。本實(shí)用新型產(chǎn)品靈敏度高、一致性好且生產(chǎn)優(yōu)良率高，可與ASIC封裝為一體。
【專利說(shuō)明】一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS娃麥克風(fēng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種電容式硅麥克風(fēng)，特別是公開(kāi)一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS娃麥克風(fēng)，屬于娃麥克風(fēng)的【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002]麥克風(fēng)能把人的語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)，廣泛應(yīng)用于手機(jī)，電腦，電話機(jī)，照相機(jī)及攝像機(jī)等。傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)采用特氟龍作為振動(dòng)薄膜，不能承受在印刷電路板回流焊接工藝近300度的高溫，從而只能與集成電路的組裝分開(kāi)，單獨(dú)手工裝配，大大增加了生產(chǎn)成本。
[0003]近三十年的MEMS (Microelectromechanical Systems)技術(shù)與工藝的發(fā)展，特別是基于硅芯片MEMS技術(shù)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了許多傳感器(如壓力傳感器，加速度計(jì)，陀螺儀等)的微型化和低成本。MEMS硅麥克風(fēng)已開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化，在高端手機(jī)的應(yīng)用上，逐漸取代傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風(fēng)。
[0004]MEMS麥克風(fēng)主要還是采用電容式的原理，由一個(gè)振動(dòng)薄膜和背極板組成，振動(dòng)薄膜與背極板之間有一個(gè)幾微米的間距，形成電容結(jié)構(gòu)。高靈敏的振動(dòng)薄膜感受到外部的音頻聲壓信號(hào)后，改變振動(dòng)薄膜與背極板間的距離，從而形成電容變化。MEMS麥克風(fēng)后接CMOS放大器把電容變化轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)的變化，再放大后變成電輸出。
[0005]人的語(yǔ)音聲壓信號(hào)非常微弱，振動(dòng)薄膜必須非常靈敏。振動(dòng)膜通常采用常規(guī)的半導(dǎo)體加工工藝一淀積得到，材料可采用多種或多層材料得到(比如摻雜多晶硅，金屬與氮化硅復(fù)合膜等)。由于材料的熱膨脹系數(shù)不同和高溫工藝，制備后的振動(dòng)薄膜會(huì)有不同程度的殘留應(yīng)力，大大影響了振動(dòng)薄膜的靈敏度。所以，用多晶硅作為振動(dòng)薄膜時(shí)，在制備后一般會(huì)采用附加退火工藝，來(lái)調(diào)節(jié)殘留應(yīng)力降到最低；若用氮化硅作為振動(dòng)薄膜，在制備時(shí)通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體間的比例來(lái)降低殘留應(yīng)力。但采用這種方法對(duì)減小殘余應(yīng)力的效果不大，而且重復(fù)性不好，實(shí)現(xiàn)也較為復(fù)雜。另外，也可以采用改變振動(dòng)薄膜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，把一般的平板型振動(dòng)薄膜改為紋膜，浮膜，或在振動(dòng)薄膜上切割微小的槽，從而達(dá)到減少殘留應(yīng)力、增加靈敏度的目的。但改變振動(dòng)薄膜結(jié)構(gòu)的方法會(huì)造成制備工藝復(fù)雜化，增加成本，降低良率。
[0006]背極板除了與振動(dòng)薄膜形成電容以外，還具有控制麥克風(fēng)的頻帶，降低聲學(xué)噪聲等功能。它需要具有一定的剛度，不會(huì)因外部的振動(dòng)或聲壓而形變。除此以外，一般的設(shè)計(jì)為了配合前進(jìn)音的封裝形式，還需在背極板上制備一個(gè)幾百微米的聲學(xué)腔體，使聲波能更好地傳達(dá)到振膜并獲得高的信噪比。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本實(shí)用新型的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的不足，提供一種適合于背進(jìn)音封裝形式的MEMS硅麥克風(fēng)及其制備方法，以簡(jiǎn)化制造工藝，且可提高電容式微型硅麥克風(fēng)的良率和靈敏度。
[0008]本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的:一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，包括背極板硅基及位于所述背極板硅基上方的振膜，其特征是:背極板硅基和振膜均導(dǎo)電良好，作為麥克風(fēng)電容的兩極板；背極板硅基上沉積有背極板金屬電極，背極板金屬電極的材質(zhì)為Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au，背極板金屬電極和背極板硅基I電連接；背極板硅基上設(shè)有若干個(gè)TSV聲孔，TSV聲孔直接與大氣相通；振膜上設(shè)有小凸柱，小凸柱的材質(zhì)為高硅氮化硅，小凸柱阻止振膜和背極板硅基吸合在一起；振膜上沉積有振膜電極，振膜電極和振膜電連接；振膜電極和背極板金屬電極分別為麥克風(fēng)電容兩極板的輸出信號(hào)引出端，用來(lái)與CMOS信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)電連接；振膜和背極板硅基經(jīng)硅硅鍵合工藝鍵合成一體，振膜由氧化硅層支撐懸于背極板硅基的上方，振膜和背極板硅基之間有氣隙，背極板硅基、振膜和氣隙形成電容結(jié)構(gòu)。
[0009]所述的振膜和背極板硅基之間的氣隙由濕法刻蝕氧化硅形成，振膜厚度為I?7 μ m，背極板硅基的厚度為400 μ mo所述的無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)采用貫通整個(gè)背極板硅基的TSV聲孔來(lái)實(shí)現(xiàn)振膜與外界大氣間的連通，所述的TSV聲孔設(shè)有50?150個(gè)，單個(gè)孔徑為20?40 μ m。
[0010]本實(shí)用新型背極板硅基導(dǎo)電作為電容的一極，振動(dòng)薄膜導(dǎo)電作為電容的另一極。背極板硅基上設(shè)有的TSV聲孔位于振動(dòng)薄膜的正下方，TSV聲孔貫穿整個(gè)背極板硅基。振動(dòng)薄膜位于TSV聲孔的上方且覆蓋整個(gè)TSV聲孔面，振動(dòng)薄膜由單晶硅片減薄后得到。用于支撐振動(dòng)薄膜的氧化硅層可實(shí)現(xiàn)振動(dòng)薄膜和背極板硅基的電絕緣，且振動(dòng)薄膜和背極板硅基間的氣隙深度也由該氧化硅層厚度決定。振動(dòng)薄膜和背極板硅基上均沉積有金屬焊盤(pán)，分別為振膜電極和背極板金屬電極，金屬焊盤(pán)用來(lái)與CMOS信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)電連接。
[0011]本實(shí)用新型的有益效果是:本實(shí)用新型的背極板硅基上設(shè)有振動(dòng)薄膜，其通過(guò)硅硅鍵合法與背極板硅基鍵合，導(dǎo)電振膜與背極板形成電容結(jié)構(gòu)；導(dǎo)電振膜為單晶硅片減薄而成，其導(dǎo)電性良好，作為電容的一極，且其殘余應(yīng)力小且一致性好，從而可提高麥克風(fēng)的靈敏度和良率。振膜上設(shè)有小凸柱，小凸柱可降低振膜和背極板硅基吸合的可能性，進(jìn)一步提高了麥克風(fēng)的良率。背極板硅基導(dǎo)電性良好，作為電容的另一極，背極板硅基上設(shè)有貫穿整個(gè)背極板硅基的TSV聲孔，聲音作用于振膜上，可外接CMOS電路通過(guò)檢測(cè)振膜變化引起的電容變化從而輸出相應(yīng)的聲音信號(hào)。本實(shí)用新型產(chǎn)品麥克風(fēng)生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、靈敏度高、成本低、一致性好、良率高，非常適用于背進(jìn)音封裝形式。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012]圖1是本實(shí)用新型產(chǎn)品整體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是圖1的A-A向剖視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014]圖3是圖2的立體圖。
[0015]圖中:1、背極板娃基；2、振膜；3、TSV聲孔；4、氣隙；5、背極板金屬電極；6、氧化硅層；7、小凸柱；8、振膜電極。

【具體實(shí)施方式】
[0016]根據(jù)附圖1、附圖2和附圖3，本實(shí)用新型包括背極板硅基1、振膜2、TSV聲孔3、氣隙(極板間距)4、背極板金屬電極5、氧化硅層(絕緣介質(zhì)層)6、小凸柱7、振膜金屬電極8。
[0017]振膜2由單晶硅減薄而成，位于背極板硅基I的上方，背極板硅基I和振膜2均導(dǎo)電良好，作為麥克風(fēng)電容的兩極板。背極板硅基I上沉積有背極板金屬電極5，背極板金屬電極5和背極板硅基I電連接。背極板硅基上設(shè)有若干個(gè)TSV聲孔3，TSV聲孔3貫穿整個(gè)背極板硅基1，并均勻分布于振膜2下方，TSV聲孔3直接與大氣相通。振膜2上設(shè)有小凸柱7，小凸柱7的材質(zhì)為高硅氮化硅，小凸柱7阻止振膜2和背極板硅基I吸合在一起。振膜2上沉積有振膜電極8，振膜電極8和振膜2電連接。背極板金屬電極5和振膜電極8的金屬層的材質(zhì)為Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au，采用先沉積金屬層，再干法刻蝕出所需圖形行成。振膜電極8和背極板金屬電極5分別為麥克風(fēng)電容兩極板的輸出信號(hào)引出端，用來(lái)與CMOS信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)電連接；振膜2和背極板硅基I經(jīng)硅硅鍵合工藝鍵合成一體，振膜2由氧化硅層6支撐懸于背極板硅基I的上方，振膜2和背極板硅基I之間形成氣隙4，氧化硅層6的厚度決定了氣隙4的深度，同時(shí)所述氧化硅層6的絕緣性能保證了振膜2和背極板硅基I的電絕緣，背極板硅基1、振膜2和氣隙4形成電容結(jié)構(gòu)。
[0018]振膜2和背極板硅基I之間的氣隙4由濕法刻蝕氧化硅形成，振膜2厚度為I?7 μ m，背極板硅基的厚度為400 μ m。本實(shí)用新型產(chǎn)品麥克風(fēng)采用貫通整個(gè)背極板硅基I的TSV聲孔3來(lái)實(shí)現(xiàn)振膜2與外界大氣間的連通，TSV聲孔3的大小、數(shù)量及位置可按需要進(jìn)行設(shè)定，一般設(shè)有50?150個(gè)，單個(gè)孔徑為20?40 μ m，以能夠得到所需的帶寬與較低的聲學(xué)噪音為準(zhǔn)。
[0019]本實(shí)用新型產(chǎn)品工作時(shí)，振膜2與背極板硅基I間形成電容結(jié)構(gòu)。當(dāng)外部有聲音時(shí)，聲音會(huì)對(duì)振膜2產(chǎn)生作用力，振膜2的表面受到作用力會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變。當(dāng)振膜2發(fā)生形變時(shí)，振膜2與背極板硅基I間形成的電容結(jié)構(gòu)也會(huì)發(fā)生對(duì)應(yīng)變化，通過(guò)外接CMOS信號(hào)放大電路可檢測(cè)對(duì)應(yīng)的聲音信號(hào)。
[0020]對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)中背極板的功能，本實(shí)用新型通過(guò)背極板硅基I來(lái)實(shí)現(xiàn)，TSV聲孔3的直徑設(shè)計(jì)為20?40 μ m左右，TSV聲孔3直接與空氣相通，減少了工藝步驟。振膜2由單晶硅基體減薄而成，簡(jiǎn)化了制作工藝且降低了振動(dòng)膜的應(yīng)力、提高了產(chǎn)品的一致性及良率。電容的兩極由背極板硅基I和振膜2擔(dān)當(dāng)，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了工藝。氧化硅層6保證了振膜2和背極板硅基I的電絕緣，同時(shí)氧化硅層6支撐振膜2懸于背極板硅基I之上，氣隙4的厚度由氧化硅層6的厚度決定，氣隙4由刻蝕氧化硅9和氧化硅10得到，工藝簡(jiǎn)單。振膜2上設(shè)有小凸柱7，小凸柱7可降低振膜2和背極板硅基I吸合在一起的可能性。本實(shí)用新型產(chǎn)品的制作工藝均采用成熟的工藝，且工藝過(guò)程簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型產(chǎn)品麥克風(fēng)靈敏度高、一致性好且生產(chǎn)優(yōu)良率高，可和ASIC封裝為一體，使用SMT工藝進(jìn)行后續(xù)印刷電路板貼裝。
【權(quán)利要求】
1.一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，包括背極板硅基(I)及位于所述背極板硅基(I)上方的振膜(2)，其特征在于:背極板硅基(I)和振膜(2)均導(dǎo)電良好，作為麥克風(fēng)電容的兩極板；背極板硅基(I)上沉積有背極板金屬電極(5)，背極板金屬電極的材質(zhì)為Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au，背極板金屬電極(5)和背極板娃基(I)電連接；背極板娃基(I)上設(shè)有若干個(gè)TSV聲孔(3)，TSV聲孔(3)貫通整個(gè)背極板硅基(I)，實(shí)現(xiàn)振膜(2)與外界大氣間的連通；振膜(2)上設(shè)有小凸柱(7);振膜(2)上沉積有振膜電極(8)，振膜電極(8)和振膜(2)電連接；振膜電極(8)和背極板金屬電極(5)分別為麥克風(fēng)電容兩極板的輸出信號(hào)引出端，用來(lái)與CMOS信號(hào)放大電路實(shí)現(xiàn)電連接；振膜(2)和背極板硅基(I)經(jīng)硅硅鍵合工藝鍵合成一體，振膜(2)由氧化硅層(6)支撐懸于背極板硅基(I)的上方，振膜(2)和背極板硅基(I)之間有氣隙(4 )，背極板硅基(I)、振膜(2 )和氣隙(4 )形成電容結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，其特征在于:所述振膜(2)上設(shè)有的小凸柱(7)為高硅氮化硅層，小凸柱(7)阻止振膜(2)和背極板硅基(I)吸合在一起。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，其特征在于:所述的振膜(2)和背極板硅基(I)之間的氣隙(4)由濕法刻蝕氧化硅形成，振膜(2)厚度為I?7 μ m，背極板硅基(I)的厚度為400 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種無(wú)背部大聲學(xué)腔體的MEMS硅麥克風(fēng)，其特征在于:所述的TSV聲孔(3)設(shè)有50?150個(gè)，單個(gè)孔徑為20?40 μm。
【文檔編號(hào)】H04R19/04GK204231666SQ201420688766
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】繆建民 申請(qǐng)人:繆建民