具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)和具有該硅麥克風(fēng)的系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及麥克風(fēng)技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)和具有該硅麥克風(fēng)的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]多年來都在研發(fā)硅麥克風(fēng)，或硅基MEMS麥克風(fēng)，也稱為聲換能器。硅麥克風(fēng)由于其微型化、性能、可靠性、環(huán)境耐久性、成本和大批量生產(chǎn)能力方面的潛在優(yōu)勢而被廣泛地用于許多應(yīng)用領(lǐng)域，例如，手機(jī)、平板電腦、照相機(jī)、助聽器、智能玩具和監(jiān)視設(shè)備等。
[0003]—般而言，娃麥克風(fēng)由固定的穿孔背板和高柔性(highly compliant)振膜以及形成在上述兩者之間的空氣間隙組成。形成可變的空氣間隙電容器的穿孔背板和柔性振膜，通常形成在單個硅基底上，其中之一通過形成在硅基底中的背孔直接向外部露出。
[0004]專利申請N0.W0 02/15636公開了一種聲換能器，該聲換能器具有:基底，其中形成有背孔；振膜，由低應(yīng)力(low stress)多晶硅組成并且位于基底的背孔的上方；和蓋構(gòu)件(相當(dāng)于所述背板)，設(shè)置在所述振膜的上方。所述振膜可以在其與所述蓋構(gòu)件的平面表面(planar surface)平行的平面上橫向地(laterally)移動，并且因此可以釋放其內(nèi)應(yīng)力，從而得到非常一致的機(jī)械順從性(mechanical compliance)。
[0005]專利文件PCT/DE97/02740公開了一種微型麥克風(fēng)，其中SOI基底用于麥克風(fēng)和相關(guān)的CMOS電路的形成。具體地，S0I基底的硅層用于形成麥克風(fēng)的背板，該背板直接在形成在S0I基底中的背孔的上方，而隨后沉積的多晶硅薄膜，用作麥克風(fēng)的振膜，位于背板的上方并且在兩者之間有空氣間隙，并且通過穿孔背板中的開口和S0I基底中的背孔向外部露出。
[0006]圖1示出了常規(guī)的硅麥克風(fēng)的實例性結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖1所示，常規(guī)的硅麥克風(fēng)10包括:硅基底100，其中設(shè)置有背孔140 ;導(dǎo)電且柔性振膜200，堆疊在所述硅基底100上，在所述振膜與所述硅基底之間夾有氧化物層120，所述導(dǎo)電且柔性的振膜200用作電極以及振動薄膜；穿孔背板400，位于所述振膜200的上方并且形成有其中嵌有金屬層400b的CMOS鈍化層，所述金屬層用作背板400的電極板；和空氣間隙150，設(shè)置在所述振膜200與所述背板400之間并且具有形成為其邊界(boundary)的隔離體300。振膜200和背板400的電極板形成可變電容器，其具有用于振膜200的引出電極410和用于背板400的引出電極420。常規(guī)麥克風(fēng)10的更多細(xì)節(jié)在國際專利申請N0.PCT/CN2010/075514中進(jìn)行了描述，并且為了簡明在本文中已省略。
[0007]從上述硅麥克風(fēng)10的結(jié)構(gòu)可以看出，振膜200由通過濕法蝕刻或干法蝕刻工藝形成在基底100中的背孔140限定并通過其向外部露出。由于硅基底100具有例如400 μ m或400 μ m以上的典型厚度，并且基底100的背孔濕法蝕刻或干法蝕刻工藝的可實現(xiàn)的精度通常為±20 μπι，所以常規(guī)的硅麥克風(fēng)10存在的問題是，不精確的背孔蝕刻工藝可能引起在振膜200的振動區(qū)域(S卩，圖1中的兩條垂直虛線之間所示的區(qū)域)的變化，并且因此引起硅麥克風(fēng)10的敏感性的變化，致使硅麥克風(fēng)10在性能方面具有低的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)以及具有該硅麥克風(fēng)的系統(tǒng)，可以有助于精確地限定硅麥克風(fēng)的振膜的振動區(qū)域并且因此提高硅麥克風(fēng)的可重復(fù)性和可再現(xiàn)性。
[0009]在本發(fā)明的一方面，提供了一種具有懸掛式振膜的娃麥克風(fēng)，包括:娃基底，在所述硅基底中設(shè)置有背孔；柔性振膜，所述柔性振膜設(shè)置在所述硅基底的所述背孔的上方并且與所述硅基底分離；穿孔背板，設(shè)置在所述振膜的上方，在所述穿孔背板與所述振膜之間夾有空氣間隙；以及精確限定的支撐機(jī)構(gòu)，設(shè)置在所述振膜與所述背板之間，所述支撐機(jī)構(gòu)的一端固定在所述振膜的邊緣上，另一端固定在所述背板上，其中，所述振膜和所述背板用于形成可變電容器的電極板。
[0010]優(yōu)選地，所述支撐機(jī)構(gòu)可以包括環(huán)繞地位于所述振膜的邊緣的多個獨立的支撐體，或者優(yōu)選地，所述支撐機(jī)構(gòu)可以包括位于所述振膜的邊緣的環(huán)狀支撐體。
[0011]此外，所述支撐機(jī)構(gòu)可以由選自由金屬、半導(dǎo)體和絕緣體組成的組中的一種或多種材料的堆疊層制成。
[0012]另外，所述具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括設(shè)置在所述支撐機(jī)構(gòu)中用于電性引出所述振膜的互連柱(interconnect1n column)。
[0013]另外，所述具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)可以進(jìn)一步包括凹座(dimples)，所述凹座從與所述振膜相對的所述穿孔背板的下表面突出。
[0014]優(yōu)選地，所述柔性(compliant)振膜可以形成有堆疊在所述硅基底上的硅器件層的一部分或者多晶硅層，在所述柔性振膜與所述硅基底之間夾有氧化物層。
[0015]優(yōu)選地，所述穿孔背板可以形成有CMOS鈍化層，在所述CMOS鈍化層中嵌入有金屬層，所述金屬層用作所述背板的電極板，或者優(yōu)選地，所述穿孔背板可以形成有多晶硅層或SiGe 層。
[0016]在本發(fā)明的另一方面中，提供了一種麥克風(fēng)系統(tǒng)，包括集成在單一芯片上的如上所述的具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)和CMOS電路。
[0017]從上述描述可以看出，在根據(jù)本發(fā)明的硅麥克風(fēng)中，振膜與基底分離并且由支撐機(jī)構(gòu)支撐，這意味著振膜的振動區(qū)域由支撐機(jī)構(gòu)約束而非由形成在基底中的背孔約束，因此，支撐機(jī)構(gòu)的加工精度(小于1 μπι)而不是背孔的加工精度(約20 μm)確定在振膜的振動區(qū)域中的振動，這引起硅麥克風(fēng)的性能一致性的極大提高，從而使得根據(jù)本發(fā)明的硅麥克風(fēng)具有更高的產(chǎn)率。另外，由于根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)的振膜懸空，在根據(jù)本發(fā)明的麥克風(fēng)中不再存在常規(guī)麥克風(fēng)中存在的由基底引起的振膜應(yīng)力，并且不再影響其性能。
[0018]盡管已經(jīng)在上述
【發(fā)明內(nèi)容】
中討論了各種實施例，但是應(yīng)當(dāng)理解，未必所有的實施例包括相同特征，并且以上所述的一些特征不是必要的而是在一些實施例中是可取的。在以下的具體的描述中討論了許多額外的特征、實施例和益處。
【附圖說明】
[0019]從以下給出的結(jié)合附圖對實施例的描述中，本發(fā)明的目的和特征將變得顯而易見，其中:
[0020]圖1是示出了常規(guī)硅麥克風(fēng)的實例性結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0021]圖2是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)的層結(jié)構(gòu)的分解圖；
[0022]圖3是示意性地示出了圖2中的娃麥克風(fēng)的堆疊層(laminated layers)在一個平面內(nèi)的頂視圖；
[0023]圖4是示出了圖2中的硅麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)的截面圖；
[0024]圖5是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的硅麥克風(fēng)的堆疊層在一個平面內(nèi)的頂視圖；
[0025]圖6是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的硅麥克風(fēng)的堆疊層在一個平面內(nèi)的頂視圖。
【具體實施方式】
[0026]參照附圖描述要求保護(hù)的主題的多個方面，其中附圖中的圖(illustrat1ns)是示意性的并未按比例(scale)，并且全文中相同的附圖標(biāo)記用于指代相同的元件。在以下描述中，為了解釋的目的，闡述了許多具體細(xì)節(jié)以便提供一個或多個方面的透徹理解。然而，顯然，這些方面可以在沒有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實施。在其他情況下，熟知的結(jié)構(gòu)和設(shè)備被圖示為框圖形式以便于描述一個或多個方面。
[0027]在說明書和所附權(quán)利要求書中，應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)層、區(qū)域或元件稱為在另一層、另一區(qū)域、或另一元件“上”或“下”時，其可以是“直接地”或“間接地”在另一層、區(qū)域或元件上或下，或者還可以存在一個或多個中間層。
[0028]圖2是示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有懸空(suspended)振膜的硅麥克風(fēng)的層結(jié)構(gòu)的分解圖，圖3是示意性地示出了圖2中的硅麥克風(fēng)的堆疊層(laminated layers)在一個平面內(nèi)的頂視圖；圖4是示出了圖2中的娃麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)的截面圖。如圖2至圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的具有懸掛式振膜的硅麥克風(fēng)20主要包括:硅基底100，其中設(shè)置有背孔140 ;柔性振膜200，設(shè)置在硅基底100的背孔140的上方并且與硅基底100分離隔開；穿孔背板400，設(shè)置在振膜200的上方，并且兩者之間夾有空氣