具有微機械的麥克風結構的構件以及製造這種構件的方法

2023-06-21 14:07:11

專利名稱：具有微機械的麥克風結構的構件以及製造這種構件的方法
技術領域：
本發明涉及一種具有微機械的麥克風結構的構件，所述麥克風結構實現為襯底上方的層結構。麥克風結構包括可通過聲壓偏轉的膜片，所述膜片覆蓋構件背側中的用作背側容積的空腔，以及固定的可透聲的配合元件，所述配合元件設置在所述膜片上方。此外，本發明涉及一種製造這種構件的方法。
背景技術：
其有效麥克風結構構造為襯底上的層結構的MEMS (Micro-Electro-Mechanical-S ystem:微機電系統)在實踐中是已知的。在此，通常以聲學有效膜片與在很大程度上剛性的配合元件之間的電容變化的形式來檢測聲壓。在此，麥克風信號的品質主要取決於背側容積相對於膜片的大小和布置。當在膜片的邊緣區域中構造有旁通開口或者也構造有接片狀的彈簧元件作為膜片懸置部時，膜片與背側容積之間的連接開口應儘可能僅僅在膜片的閉合的中間區域上方延伸，以便避免聲學短路。另一方面，麥克風信號的衰減主要取決於連接開口和背側容積的尺寸，從而它們必須具有最小尺寸，以便實現確定的麥克風敏感度。已知的是，為了實現背側容積，在背側蝕刻工藝中蝕刻穿透襯底直至有效麥克風結構。隨後通過將構件安裝在支承件上——例如印刷電路板上或者殼體中使背側容積封閉。所述變型方案在許多方面證實是有問題的。背側蝕刻工藝必須非常精確地與襯底前側上的麥克風結構的布置、尺寸和構造相協調。背側蝕刻工藝的蝕刻前端應非常精確地碰到麥克風結構的閉合的膜片面，以便實現儘可能高的麥克風敏感度。這要求背側蝕刻掩膜片相對於襯底前側上的麥克風結構的非常費事並且精確的調節。此外，對於背側蝕刻工藝，僅僅可以選擇產生非常精確的蝕刻掩膜片圖像的蝕刻工藝。然而，這些工藝通常具有較低的蝕刻率。因此，用於開始所述類型的構件的已知製造工藝相對易產生誤差並且費時。

發明內容
通過本發明提出了一些措施，通過這些措施以簡單的方式改進了具有微機械的麥克風結構的構件的聲學特性並且也簡化了製造方法。為此，根據本發明的構件的層結構在膜片與襯底之間包括至少一個鑲邊層，在所述鑲邊層中構造有聲學透明的孔隙。膜片通過所述孔隙與背側容積銜接，所述背側容積根據本發明在鑲邊層下方在側向上延伸直至超過孔隙。隨後，根據本發明提出了與襯底的背側結構化無關地確定有效麥克風面至背側容積的連接開口，更確切地說，以層結構的附加的鑲邊層中的孔隙的形式。鑲邊層與孔隙一起形成一種用於膜片面的鑲邊並且能夠實現與有效膜片面相比更大的背側容積。根據本發明的構件的背側容積在鑲邊層下方在側向上延伸超過孔隙並且如此也可以延伸超過有效膜片面。鑲邊層在此情形中防止通過膜片的邊緣區域中的可能的開口出現聲學短路。根據本發明，具有孔隙的鑲邊層是襯底上方的層結構的組成部分。因此，在前側工藝中產生鑲邊層以及麥克風結構。由於層厚度小得多，與在襯底中相比，可以在鑲邊層中產生簡單得多的通孔，其具有確定的大小和形狀。此外，孔隙可以非常簡單精確地定位在有效膜片面下方，因為麥克風結構直接在鑲邊層上方實現為層結構。不僅孔隙的確定而且麥克風結構的構造都藉助於可以良好地彼此協調的表面微機械工藝來實現。如已經提到的那樣，在微機械的麥克風結構的膜片的邊緣區域中可以構造一些開口，這些開口能夠作為旁通開口實現封閉的背側容積與聲學有效膜片的前側之間的壓力均衡，或者也是彈簧懸置部的一部分，通過所述彈簧懸置部提高膜片的靈敏度。在此情形中， 鑲邊層中的聲學透明的孔隙有利地僅僅在膜片的閉合的中間區域上方延伸。由此避免了邊緣區域中的聲學短路。在最簡單的情況下，根據本發明的構件的聲學透明的孔隙是鑲邊層中的連通的開口。但孔隙也可以被構造為鑲邊層中的格柵結構或孔結構。所述變型方案證實尤其在以下情況下是有利的膜片用作可偏轉的電極，固定的可透聲的配合元件包括至少一個反電極並且設有用於在膜片與反電極之間施加充電電壓的裝置。在所述情形中，鑲邊層中的格柵結構或孔結構可以用作補償電極。藉助於在反電極與補償電極之間施加的補償電壓可以以兩種在測量技術上不同的類型來實現根據本發明的構件的麥克風功能，二者確保了高測量靈敏度和低易受幹擾性。在第一運行變型方案中，根據測量電容的充電電壓來選擇反電極與補償電極之間的補償電壓，更確切地說，如此選擇所述補償電壓，使得膜片與反電極之間通過充電電壓產生的電吸引通過補償電壓來均衡。由此，可運動的膜片位於幾乎無電勢的空間中，在所述空間中沒有靜電力作用到膜片上並且膜片偏轉僅僅由聲壓引起。因此，在此在電極距離較小的情況下測量電容的充電電壓也可以相對較高，以便獲得膜片與反電極之間的電壓變化形式的高測量信號。在此無需擔心麥克風結構的由靜電決定的塌陷。與此不同，在第二有利的運行變型方案中如此調節補償電壓，使得可運動的膜片即使在聲作用下也被儘可能地保持在其靜止位置中。在此情形中，反電極與膜片之間的由於聲壓而隨著電極距離變化的電壓用作補償電壓調節的調節參量。在此，補償電壓用作麥克風信號。在所述變型方案中也可以在電極距離相對較小的情況下以相對較高的充電電壓工作。此外，其證實相對於電磁幹擾信號是特別不敏感的。如已經提到的那樣，在前側工藝中產生根據本發明的構件的鑲邊層以及麥克風結構。根據本發明，也從層結構的前側開始進行鑲邊層中的孔隙的確定。因此，可以非常精確地預給定孔隙的位置、形狀和大小。因為不通過背側蝕刻工藝來確定孔隙，所以背側蝕刻工藝關於聲學有效膜片面的調節相對不關鍵。對於背側的結構化，現在也可以使用具有相對較低的成像精度的工藝，但所述工藝的特徵在於高蝕刻率。也可以使用嚴重散射的蝕刻工藝，其產生具有負邊沿陡度的凹槽。由此，可以顯著地縮短背側蝕刻工藝。此外，可以使用較厚的晶片作為構件襯底，以便產生所需的背側容積。這主要有助於麥克風構件的微型化。對於鑲邊層中的孔隙的確定，提出兩種不同的方法變型方案。根據一種要求保護的方法變型方案，在起始襯底的前側上施加和結構化電絕緣的第一犧牲層，其中，在隨後在第一犧牲層上方產生的鑲邊層中確定孔隙的位置、幾何形狀和尺寸。隨後在如此結構化的第一犧牲層上施加鑲邊層。在其上方實現層結構的其中構造有膜片和麥克風結構的固定的可透聲的配合元件的部分。為了實現背側容積，在隨後的背側蝕刻工藝中在襯底的背側中開設空腔。在此，在整個厚度上蝕刻穿透襯底直至第一犧牲層。 在孔隙的不受第一犧牲層保護的區域中，也蝕刻穿透所述鑲邊層。隨後才通過犧牲層蝕刻使真正的麥克風結構露出。如果背側蝕刻工藝的最後蝕刻階段各向異性地進行，則有利地應用所述方法變型方案。由此確保即使鑲邊層相對較厚，在第一犧牲層中確定的孔隙也完全過渡到鑲邊層上。鑲邊層的結構化不造成層結構的前側上的額外形貌，因為在此在背側蝕刻工藝中來結構化鑲邊層。根據另一種要求保護的方法變型方案，在襯底表面上施加電絕緣的第一犧牲層。 但所述第一犧牲層在孔隙的區域中不被結構化。替代地，施加在第一犧牲層上的鑲邊層被結構化。在此，產生具有確定的位置、幾何形狀和確定的尺寸的孔隙。在所述孔隙上方又實現層結構的其中構造膜片和固定的可透聲的配合元件的部分。隨後，在襯底的背側中開設空腔，其中，第一犧牲層用作蝕刻停止邊界。在此才使鑲邊層中的孔隙與麥克風結構一起通過犧牲層蝕刻露出。在應產生特別大的背側容積時有利地應用所述方法變型方案。由於在孔隙的區域中閉合的第一犧牲層以及鑲邊層中的已經結構化的孔隙，對於背側工藝也可以使用各向同性的蝕刻方法。在一個特別有利的方法變型方案中，通過各向異性的蝕刻步驟和隨後的各向同性的蝕刻步驟的組合在襯底的背側中開設空腔。在此，襯底背側被掏空，並且留出用於構件安裝的、相對較大的背側面。


如已闡述的那樣，存在有利地構造和改進本發明的教導的不同可行方案。為此，一方面參照從屬於獨立權利要求的權利要求而另一方面參照隨後藉助附圖的本發明兩個實施例的描述。圖1示出根據本發明的具有微機械的麥克風結構的構件10的示意性剖面圖，圖加至2d藉助示意性剖面圖說明用於製造構件10的各方法步驟，以及圖3示出另一根據本發明的構件在露出微機械的麥克風結構之前層結構30的示意性剖面圖。
具體實施例方式在圖1中示出的構件10包括微機械的麥克風結構，其被構造為襯底1上方的層結構20。所述麥克風結構基本上由可通過聲壓偏轉的膜片11和固定的、可透聲的配合元件 12組成，所述配合元件12設置在膜片11上方。膜片11覆蓋構造在構件背側中的空腔13。根據本發明，層結構20在膜片11與襯底1之間包括鑲邊層3，在所述鑲邊層3中構造有一個聲學透明的孔隙4。在這裡示出的實施例中，孔隙4實現為鑲邊層3中的連通的開口的形式。膜片11通過所述孔隙4與空腔13銜接，所述空腔13形成麥克風結構的背側容積。孔隙4的位置、形狀和大小在此精確地與膜片11的聲學有效區域的位置和幾何形狀相協調，這通過雙箭頭9表示。與此不同，背側容積在鑲邊層3下方在側向上延伸直至超過孔隙4並且由此也超過膜片11的聲學有效區域。旁通開口 14位於膜片11的邊緣區域中，通過所述旁通開口 14實現了背側容積13 與膜片11的前側之間的壓力均衡。旁通開口 14例如可以實現為膜片懸置部的彈簧元件之間的間隙。為了避免通過所述旁通開口 14的聲學短路，鑲邊層3中的孔隙4僅僅在膜片11 的聲學有效的、閉合的中間區域上方延伸。在這裡示出的實施例中，配合元件12比膜片11厚得多並且由此基本上是剛性的。 此外，配合元件12具有格柵結構，所述格柵結構具有通孔15，使得在膜片11的閉合的中間區域上方是可透聲的。膜片11通過絕緣層5和6—方面相對於鑲邊層3電絕緣而另一方面相對於配合元件12電絕緣。不僅膜片11而且配合元件12至少局部地由導電材料構成，例如相應摻雜的多晶矽。在此，在層結構中設置在膜片11上方的配合元件12包括用於膜片11的反電極， 所述膜片11用作可偏轉的電極。它們一起形成測量電容，所述測量電容藉助於在這裡未示出的用於施加充電電壓的裝置來充電。可以作為電容變化或者在測量電容上量取的電壓的波動來檢測膜片11的偏轉。以下藉助圖加至2d來闡述在圖1中示出的構件10的製造。製造方法從襯底1——例如矽晶片開始，在所述襯底上首先沉積和結構化第一犧牲層2。在此，在犧牲層2中產生開口 21，所述開口的位置、形狀和大小相應於隨後待施加的鑲邊層中的孔隙。在圖加中示出了具有經結構化的犧牲層2的襯底1。典型地，第一犧牲層以及其他犧牲層的犧牲層材料是熱氧化物或TEOS氧化物，其在構件10的範疇內也形成各層區域的電絕緣。圖2b示出在施加鑲邊層3之後的層結構，所述鑲邊層在開口 21的區域中直接生長在襯底表面上。鑲邊層3是多晶矽層或Epi多晶矽層，其典型地比襯底1薄得多。現在，在鑲邊層3上方產生和結構化麥克風結構的層。為此，首先在鑲邊層3上施加和結構化電絕緣的第二犧牲層5，隨後在第二犧牲層5上方產生和結構化至少局部導電的膜片層7。膜片層7例如可以是摻雜的多晶矽層，在所述多晶矽層中實現了用於膜片11 的彈簧懸置部，以便有利於膜片偏轉並且提高麥克風靈敏度。在膜片層7上施加和結構化第三犧牲層6。第三犧牲層6 —方面確保了膜片層7相對於隨後施加在第三犧牲層6上的厚的導電層8的電絕緣，所述導電層8例如是厚的Epi多晶矽層。另一方面，第三犧牲層6 確定了膜片11與配合元件12之間的距離，所述配合元件在前側溝槽工藝中由厚的導電層 8構造出並且設有通孔15。在此，第三犧牲層6用作停止層。在圖2c中示出了所述工序的結果。隨後才在襯底1的背側中開設空腔13，這通過圖2d來說明。為此，在這裡描述的實施例中使用在很大程度上各向異性的蝕刻工藝，其產生具有負的邊沿陡度 (Flankensteilheit)的凹槽。在所述蝕刻工藝中，去除膜片11的閉合的中間區域下方的區域中的襯底材料以及鑲邊層3的與其緊鄰的材料，由此形成孔隙4。第一犧牲層2在空腔 13的邊緣區域中用作蝕刻停止層，如孔隙4的區域中的第二犧牲層5那樣。最後，去除膜片區域中的第二和第三犧牲層5、6的材料，以便使導電層8中的配合元件12與鑲邊層3中的孔隙4之間的膜片層7中的膜片11露出。作為所述犧牲層蝕刻的結果得到構件10，如其在圖1中示出的那樣。
在圖3中示出的層結構30說明了一種製造變型方案，其同樣從襯底1出發。在此也首先在襯底表面上施加第一犧牲層2。與結合圖加至2d描述的方法變型方案不同，不對所述犧牲層2進行結構化。隨後，在第一犧牲層2上沉積和結構化鑲邊層3，其中，產生具有良好確定的位置、形狀和大小的孔隙4。如在根據圖加至2d的方法變型方案中那樣，現在在經結構化的鑲邊層3上方產生和結構化麥克風結構的層。為此首先在鑲邊層3上施加和結構化電絕緣的第二犧牲層5， 其中，孔隙4嵌入到犧牲層材料中。隨後，在第二犧牲層2上方產生和結構化至少局部導電的膜片層7。在此構造的膜片11的聲學有效中間區域恰好設置在鑲邊層3中的孔隙4上方。現在在膜片層7上施加和結構化第三犧牲層6，在所述第三犧牲層上隨後生長厚的、導電的層8。在前側溝槽工藝中，由所述層8構造出具有通孔15的配合元件12。隨後才在襯底1的背側16中開設空腔13，其方式是，去除襯底材料直至第一犧牲層2。在這裡描述的實施例中，以各向異性的蝕刻工藝打開襯底背側16。在此，形成空腔13 的背側的相對較小的開口 17。隨後以各向同性蝕刻工藝繼續背側加工，藉助於所述各向同性蝕刻工藝掏蝕襯底背側16以及鑲邊層3中的孔隙4的邊緣，使得空腔容積與背側開口 17 相比以及與孔隙4相比更大。圖3示出在犧牲層蝕刻工藝中使膜片11和孔隙4露出之前的構件結構，其中，去除膜片區域中的第一犧牲層2、第二犧牲層5和第三犧牲層6的材料。結合圖3描述的方法變型方案允許製造特別小的構件，其由於鑲邊層中的孔隙的側向掏蝕而具有相對較大的背側容積。此外，這些構件還由於襯底背側的側向掏蝕而具有相對較大的安裝面，用於將構件固定在支承件上或者殼體中。
權利要求
1.具有微機械的麥克風結構的構件(10)，所述麥克風結構實現為襯底(1)上方的層結構(20)，其中，所述麥克風結構至少包括可通過聲壓偏轉的膜片(11)，所述膜片覆蓋所述構件背側中的、用作背側容積的空腔 (⑶，和固定的、可透聲的配合元件(12)，所述配合元件設置在所述膜片(11)上方；其特徵在於，所述層結構00)在所述膜片(11)與所述襯底(1)之間包括至少一個鑲邊層(3)，在所述鑲邊層C3)中構造有聲學透明的孔隙G)，所述膜片(11)通過所述孔隙與所述背側容積(13)銜接，並且所述背側容積(13)在所述鑲邊層(3)下方在側向上延伸超過所述孔隙(4)。
2.根據權利要求1所述的構件(10)，其特徵在於，在所述膜片(11)的邊緣區域中構造有膜片懸置部和/或旁通開口(14)，並且所述鑲邊層(3)中的聲學透明的孔隙(4)僅僅在所述膜片(11)的閉合的中間區域上方延伸。
3.根據權利要求1或2所述的構件(10)，其特徵在於，聲學透明的所述孔隙(4)被構造為所述鑲邊層(3)中的連通的開口。
4.根據以上權利要求1或2所述的構件，其特徵在於，聲學透明的所述孔隙被構造為所述鑲邊層中的格柵結構或孔結構。
5.根據權利要求4所述的構件，其中，所述膜片用作可偏轉的電極，所述固定的、可透聲的配合元件包括至少一個反電極，並且設有用於在所述膜片與所述反電極之間施加充電電壓的裝置，其特徵在於，所述鑲邊層中的格柵結構或孔結構用作補償電極，並且設有用於在所述反電極與所述補償電極之間施加補償電壓的裝置。
6.用於製造具有微機械的麥克風結構的構件的方法，尤其是用於製造根據權利要求1 至5中任一項所述的構件(10)的方法，其中，膜片(11)和固定的、可透聲的配合元件(12) 實現為襯底(1)上方的層結構(20)，其特徵在於，在前側工藝中，確定襯底表面與膜片層(7)之間的鑲邊層C3)中的聲學透明的孔隙的位置、形狀和尺寸，在所述鑲邊層(3)上方構造所述層結構00)中的所述膜片(11)和所述配合元件 (1 ，以及在所述襯底(1)的背側中開設空腔(13)，以及通過露出所述鑲邊層(3)中的孔隙使所述空腔與所述麥克風結構銜接。
7.根據權利要求6所述的方法，其中在所述襯底表面上施加和結構化至少一個電絕緣的第一犧牲層O)，其中，確定隨後在所述第一犧牲層( 上方產生的至少一個鑲邊層(3)中的孔隙的位置、幾何形狀和尺寸，在經結構化的第一犧牲層(2)上產生所述至少一個鑲邊層(3)，在所述鑲邊層(3)上施加和結構化至少一個電絕緣的第二犧牲層(5)，在所述第二犧牲層(5)上方產生和結構化至少局部導電的膜片層(7)，在所述膜片層(7)上方施加和結構化至少一個電絕緣的第三犧牲層(6)，在所述第三犧牲層(6)上方產生至少局部導電的層(8)，以實現所述固定的配合元件 (12)，在前側溝槽工藝中結構化所述導電的層(8)，其中，所述第三犧牲層(6)用作停止層， 為了實現背側容積，在所述襯底(1)的背側中開設空腔(13)，其中，所述第一犧牲層 (2)在所述空腔(13)的邊緣區域中以及所述第二犧牲層(5)在所述孔隙(4)的區域中用作停止層，以及至少去除膜片區域中的所述第二犧牲層和所述第三犧牲層(5，6)，以便露出所述導電的層⑶中的配合元件(12)和所述鑲邊層(3)中的孔隙⑷之間的所述膜片層(7)中的膜片(11)。
8.根據權利要求6所述的方法，其中，在所述襯底表面上施加至少一個電絕緣的第一犧牲層0)，在所述第一犧牲層( 上產生和結構化所述至少一個鑲邊層(3)，其中，產生具有確定的位置、幾何形狀和確定的尺寸的孔隙G)，在所述鑲邊層(3)上施加和結構化至少一個電絕緣的第二犧牲層(5)， 在所述第二犧牲層(5)上方產生和結構化至少局部導電的膜片層(7)， 在所述膜片層(7)上方施加和結構化至少一個電絕緣的第三犧牲層(6)， 在所述第三犧牲層(6)上方產生至少局部導電的層(8)，以實現所述固定的配合元件 (12)，在前側溝槽工藝中結構化所述導電的層(8)，其中，所述第三犧牲層(6)用作停止層， 為了實現背側容積，在所述襯底(1)的背側中開設空腔(13)，其中，所述第一犧牲層 (2)用作蝕刻停止邊界，去除膜片區域中和所述孔隙的區域中的第一犧牲層、第二犧牲層和第三犧牲層 0，5，6)，以便露出所述導電的層(8)中的配合元件(12)和所述鑲邊層(3)中的孔隙之間的膜片層(7)中的膜片(11)。
9.根據權利要求6至8中任一項所述的方法，其特徵在於，通過各向異性的蝕刻步驟和隨後的各向同性的蝕刻步驟的組合在所述襯底的背側中開設所述空腔。
10.根據權利要求6至9中任一項所述的方法，其特徵在於，使用矽襯底作為襯底，由熱氧化物或TEOS氧化物形成所述第一犧牲層，並且使用多晶矽層或Epi多晶矽層作為鑲邊層。
全文摘要
本發明提出了一些措施，通過所述措施以簡單的方式改進了具有實現為襯底(1)上方的層結構(20)的微機械的麥克風結構的構件(10)的聲學特性並且也簡化了製造方法。這種構件(10)的麥克風結構包括可通過聲壓偏轉的膜片(11)，所述膜片覆蓋所述構件背側中的、用作背側容積的空腔(13)；固定的、可透聲的配合元件(12)，所述配合元件設置在所述膜片(11)上方。根據本發明，所述層結構(20)在所述膜片(11)與所述襯底(1)之間包括鑲邊層(3)，在所述鑲邊層(3)中構造有聲學透明的孔隙(4)。所述膜片(11)通過所述孔隙與所述背側容積(13)銜接，並且所述背側容積(13)在所述鑲邊層(3)下方在側向上延伸超過所述孔隙(4)。
文檔編號H04R19/00GK102474693SQ201080034137
公開日2012年5月23日 申請日期2010年6月2日 優先權日2009年7月31日
發明者J·賴因穆特 申請人:羅伯特·博世有限公司