一種MEMS麥克風晶片以及MEMS麥克風的製作方法

2023-10-06 07:17:24 1

本發明涉及微機電技術領域，更具體地，涉及一種MEMS麥克風晶片，以及應用了該晶片的MEMS麥克風。

背景技術：

現有的MEMS麥克風主要以矽或多晶矽為結構材料，以形成振膜或背極。背極和振膜設置在共用襯底上，共用襯底具有背腔，背腔中具有支撐柱，通常支撐柱與側壁連接在一起。連接部分將背腔隔離開，在生產過程中，麥克風中會進入一些灰塵，影響產品質量。為了清除灰塵，在組裝過程，需要利用氣槍清潔PCB板。

在吹氣過程中，由於背腔被連接部分隔離，導致吹氣的氣流橫向運動不暢，造成局部高壓，局部高壓會導致連接部分、背極或者振膜的損傷。造成麥克風失效，降低了良品率。

因此，需要提供一種方案以提高MEMS麥克風的抗吹氣能力。

技術實現要素：

本發明的一個目的是提供一種MEMS麥克風晶片的新技術方案。

根據本發明的第一方面，提供了一種MEMS麥克風晶片。該麥克風晶片包括襯底、背極和振膜，所述背極和所述振膜分別構成電容器的兩個電極，所述背極和所述振膜被懸置在所述襯底的上方，所述背極位於所述襯底和所述振膜之間，所述襯底具有背腔和支撐柱，所述支撐柱通過連接部與所述背腔的側壁連接在一起，所述連接部具有貫穿於厚度方向的通孔或者缺口以使位於所述連接部的兩側的空間相互連通，所述支撐柱被配置為用於支撐所述背極。

可選地，所述連接部的沿所述支撐柱的軸向的尺寸由所述側壁向所述支撐柱逐漸減小。

可選地，所述連接部的沿所述支撐柱的軸向的尺寸由所述支撐柱向所述側壁逐漸減小。

可選地，所述連接部具有缺口，所述缺口為扇形。

可選地，所述缺口位於所述連接部的靠近所述背極的一側。

可選地，通過感應耦合式電漿蝕刻的擴孔效應在所述連接部上形成所述缺口或者所述通孔。

可選地，所述通孔或者所述缺口的形狀為圓形、橢圓形、矩形或者三角形。

可選地，所述襯底為一體加工成型。

可選地，所述背極和所述振膜中的至少一種由多晶矽、單晶矽或者金屬玻璃製作而成。

根據本發明的另一方面，提供一種MEMS麥克風。該麥克風包括封裝結構和本發明提供的所述MEMS麥克風晶片，所述MEMS麥克風晶片被設置在所述封裝結構中。

本發明的發明人發現，在現有技術中，襯底的支撐柱通過連接部與側壁形成連接，背腔被連接部分隔離，導致吹氣的氣流橫向運動不暢，導致MEMS麥克風晶片的損傷。因此，本發明所要實現的技術任務或者所要解決的技術問題是本領域技術人員從未想到的或者沒有預期到的，故本發明是一種新的技術方案。

本發明提供的MEMS麥克風晶片，背腔的支撐柱通過連接部與側壁連接在一起，以對背極形成支撐。連接部具有貫穿於厚度方向的通孔或者缺口，以使位於連接部的兩側的空間相互連通，這種結構使得在吹氣過程中，連接部不會對吹氣的氣流的橫向運動形成阻擋，有效避免MEMS麥克風晶片受襯底的側壁影響，導致麥克風特性衰減，大大提高了MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。

此外，這種結構提高了MEMS麥克風晶片的良品率。

通過以下參照附圖對本發明的示例性實施例的詳細描述，本發明的其它特徵及其優點將會變得清楚。

附圖說明

被結合在說明書中並構成說明書的一部分的附圖示出了本發明的實施例，並且連同其說明一起用於解釋本發明的原理。

圖1是本發明實施例的襯底的結構示意圖。

圖2-5是本發明實施例的MEMS麥克風晶片的製作方法的流程圖。

圖6是本發明實施例的第二種MEMS麥克風晶片的剖視圖。

圖7是本發明實施例的第三種MEMS麥克風晶片的剖視圖。

圖8是本發明實施例的第四種MEMS麥克風晶片的剖視圖。

圖中，11：襯底；12：背腔；13：支撐柱；14：連接部；15：側壁；16：缺口；17：振膜；18：背極；19：犧牲層；20：焊盤；21：貫穿孔；22：保護層；23：振動間隙；24：通孔；25：刻蝕區域；26：通道。

具體實施方式

現在將參照附圖來詳細描述本發明的各種示例性實施例。應注意到：除非另外具體說明，否則在這些實施例中闡述的部件和步驟的相對布置、數字表達式和數值不限制本發明的範圍。

以下對至少一個示例性實施例的描述實際上僅僅是說明性的，決不作為對本發明及其應用或使用的任何限制。

對於相關領域普通技術人員已知的技術、方法和設備可能不作詳細討論，但在適當情況下，所述技術、方法和設備應當被視為說明書的一部分。

在這裡示出和討論的所有例子中，任何具體值應被解釋為僅僅是示例性的，而不是作為限制。因此，示例性實施例的其它例子可以具有不同的值。

應注意到：相似的標號和字母在下面的附圖中表示類似項，因此，一旦某一項在一個附圖中被定義，則在隨後的附圖中不需要對其進行進一步討論。

為了至少解決上述技術問題之一，本發明提供一種MEMS麥克風晶片。該晶片包括襯底11、背極18和振膜17。背極18和振膜17分別構成電容器的兩個電極。可選的是，背極18和振膜17中的至少一種由多晶矽、單晶矽或者金屬玻璃製作而成。上述幾種材質具有導電性，便於形成電容，其中，金屬玻璃具有彈性極限高的特點。彈性極限即材料在形變後回復初始狀態的能力，彈性極限越大則發生較大的形變後能回復至初始狀態。金屬玻璃可以是但不局限於Pd、Cu、Zr、Al、Fe、Co、Ni、Mg、Zn、Ca、Yb或者Ce。金屬玻璃的上述性質尤其適用於作為振膜17的材料。

振膜17和背極18之間具有振動間隙23，以供振膜17振動。背極18和振膜17被懸置在襯底11的上方。背極18位於襯底11和振膜17之間。優選的是，背極18具有沿厚度方向的貫穿孔21。在振膜17振動時，振動間隙23內的壓力不穩定，與外界形成壓力差，這種壓力差易導致振膜17破損。為了解決該技術問題，在背極18上設置貫穿孔21以平衡振動間隙23內外的氣壓，防止振膜17破損。

襯底11具有背腔12和支撐柱13。支撐柱13通過連接部14與背腔12的側壁15連接在一起。支撐柱13被配置為用於支撐背極18。連接部14具有貫穿於厚度方向的通孔24或者缺口16，以使位於連接部14的兩側的空間相互連通。

使用時，外界環境的聲音從振膜17一側傳入，以使振膜17發生振動。振膜17發生變形，改變了振膜17與背極18之間的距離，最終將變化的電信號輸出，實現了聲音信號轉換為電信號。

本發明提供的MEMS麥克風晶片，背腔12的支撐柱13通過連接部14與側壁15連接在一起，以對背極18形成支撐。連接部14具有貫穿於厚度方向的通孔24或者缺口16，以使位於連接部14的兩側的空間相互連通，這種結構使得在吹氣過程中，連接部14不會對吹氣氣流的橫向運動形成阻擋，有效避免MEMS麥克風晶片受襯底11的側壁15影響，導致麥克風特性衰減，大大提高了MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。其中，吹氣氣流的橫向運行即垂直於支撐柱13方向的運動。

此外，這種結構提高了MEMS麥克風晶片的良品率。

圖5示出了本發明實施例的一種MEMS麥克風晶片。在該實施例中，振膜17由單晶矽或者多晶矽製作而成，襯底11由單晶矽製作而成。焊盤20採用導電材料，例如銅、鋁、金或者銀等金屬，兩個焊盤20分別與振膜17和襯底11導通。

圖1示出了本發明實施例的一種襯底11。背腔12的中部具有支撐柱13，支撐柱13與側壁15通過連接部14連接在一起，以形成支撐力。在該結構中，連接部14的沿支撐柱13的軸向的尺寸由側壁15向支撐柱13逐漸減小，以形成缺口16。缺口16的尺寸可以根據實際需要進行設置，例如缺口16為扇形。扇形具有更大的通過面積有利於吹氣氣流的橫向運動，並且扇形的缺口16具有更佳的流體力學特性，使得吹氣的氣流容易擴散。優選的是，缺口16位於連接部14的靠近背極18的一側。進一步減小了連接部14以及側壁15對氣流造成影響,提高了MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。當然，缺口16也可以設置為三角形，這種結構便於加工。

為了保證襯底11的結構強度，在一個例子中，襯底11為一體加工成型。優選的是，通過感應耦合式電漿蝕刻在連接部14上形成缺口16或者通孔24。該方法是利用感應耦合式電漿蝕刻機的擴孔效應。擴孔效應可將襯底11掏空，只保留連接部14的最底部與支撐柱13的結構，並且連接部14的靠近背極18的一側形成缺口16。

需要指出的是，本發明利用擴孔效應來實現在連接部上形成缺口16或者通孔24，改變了人們對於擴孔效應的偏見。在現有的加工工藝中，由於擴孔效應有可能降低加工精度，因此人們通常希望降低這種效應。然而，本發明採用的方法正是利用了擴孔效應造成的立體空間上的刻蝕，實現了在連接部上形成缺口16或者通孔24，從而提高了MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。

進一步地，連接部14的厚度小於等於支撐柱13的外徑尺寸。這種設置方式進一步減小了連接部14對氣流形成阻擋的面積，使得吹氣氣流對連接部14以及側壁15的影響更小。連接部14的厚度越小則對吹氣氣流的影響越小，但結構強度越低，使得支撐柱13的支撐力減小；連接部14的厚度越大則對吹氣氣流的影響越大，而強度會越高。因此，在設置連接部14的厚度時要均衡考慮。

圖2-5示出了該MEMS麥克風晶片的一種製作方法，該方法包括：

S1、在襯底11上依次沉積犧牲層19和背極18，並對背極18進行刻蝕，例如採用粒子束進行刻蝕，以形成貫穿孔21，參照圖2。貫穿孔21除了能在使用時平衡氣壓，還可以在後續的腐蝕工序中使腐蝕劑進入背極18與振膜17之間，以腐蝕犧牲層19。

S2、在背極18上繼續沉積犧牲層19，其中犧牲層19為二氧化矽或者鋁，並對犧牲層19的局部進行刻蝕，以形成連通背極18的通道26，參照圖2。在該步驟中，犧牲層19的厚度決定了振動間隙23的高度。

S3、在犧牲層19上依次沉積振膜17和焊盤20，參照圖2。振膜17為單晶矽、多晶矽或者金屬玻璃等導電材料。在沉積過程中S2中形成的通道26被沉積上導電材料，以便於焊盤20與背極18導通。另一個焊盤20直接沉積在振膜17的邊緣位置。需要指出的是，需要將振膜17和用於導通焊盤20的導電材料進行分割開，避免形成短路。

S4、在襯底11的底部沉積保護層22，並預留出刻蝕區域25，保護層22可以對刻蝕區域25以外的區域形成保護，參照圖4。

S5、採用感應耦合式電漿蝕刻形成背腔12、支撐柱13和帶有缺口16的連接部14，參照圖4。在該步驟中，採用非等向性矽深蝕刻方法，該方法的擴孔效應可以形成在立體空間上的刻蝕。利用非等向性蝕刻反應的第一種電漿源以及可反應形成高分子蔽覆層的第二種電漿源，二者反覆地交替進行操作，以達到襯底11刻蝕的工藝要求。例如，第一種電漿源為腐蝕氣體SF6(六氟化硫)；第二種電漿源為保護層22氣體C4F8(八氟環丁烷)。SF6可以有效地進行刻蝕以形成背腔12以及缺口16或者通孔24，C4F8可以對支撐柱13和連接部14形成保護以避免被刻蝕掉。

S6、將位於背極18下方以及背極18與振膜17之間的犧牲層19的一部分腐蝕掉，以形成振動間隙23，參照圖5。例如，採用含氟腐蝕劑，通過控制腐蝕劑的濃度和腐蝕時間將犧牲層19的一部分腐蝕掉。

本發明還提供MEMS麥克風晶片的其他實施方式。

在另一個例子中，如圖6所示，連接部14的沿支撐柱13的軸向的尺寸由支撐柱13向側壁15逐漸減小，以形成缺口16。缺口16的形狀可以是扇形或者三角形。優選的是，缺口16位於連接部14的靠近背極18的一側。這種結構同樣能減小背極18和側壁15對吹氣氣流的影響，提高MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。

在另一個例子中，如圖7所示，缺口16設置為矩形，這種結構同樣能減小背極18和側壁15對吹氣氣流的影響，提高MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。還可以將缺口16設置為圓形、橢圓形或者三角形。只要能連通連接部14兩側的空間，避免氣流在橫向被切斷即可。

在另一個例子中，如圖8所示，缺口16設置為矩形，連接部14設置有通孔24。可選的是，通孔24為圓形、橢圓形、矩形或者三角形，這種結構同樣能減小背極18和側壁15對吹氣氣流的影響，提高MEMS麥克風晶片的抗吹氣能力。

此外，本發明還提供一種MEMS麥克風。該麥克風包括封裝結構和本發明提供的MEMS麥克風晶片，MEMS麥克風晶片被設置在所述封裝結構中。可以是，該晶片的靠近振膜的一側與封裝結構的聲音採集孔相對設置，也可以是該晶片的背腔與封裝結構的聲音採集孔相對設置。只要便於環境聲音的採集即可，在此不做限定。

該麥克風具有通話效果好，使用壽命長的特點。

此外，本發明還提供一種電子設備。該設備可以是但不局限於手機、智能手錶、平板電腦、筆記本電腦、虛擬實境設備、對講機等。電子設備包括本發明提供的MEMS麥克風。

該電子設備具有通話效果好，使用壽命長的特點。

雖然已經通過例子對本發明的一些特定實施例進行了詳細說明，但是本領域的技術人員應該理解，以上例子僅是為了進行說明，而不是為了限制本發明的範圍。本領域的技術人員應該理解，可在不脫離本發明的範圍和精神的情況下，對以上實施例進行修改。本發明的範圍由所附權利要求來限定。