一種無背部大聲學腔體的mems硅麥克風的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種無背部大聲學腔體的MEMS硅麥克風，包括背極板硅基及位于所述背極板硅基上方的振膜，其特征在于：導電良好的背極板硅基和振膜作為麥克風電容的兩極板；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；背極板硅基上設有若干個直接與大氣相通的TSV聲孔；振膜上設有小凸柱；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電容兩極板的輸出信號引出端，用來與CMOS信號放大電路實現(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構。本發(fā)明產品靈敏度高、一致性好且生產優(yōu)良率高，可與ASIC封裝為一體。
【專利說明】—種無背部大聲學腔體的MEMS娃麥克風

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電容式娃麥克風，特別是公開一種無背部大聲學腔體的MEMS娃麥克風，屬于娃麥克風的【技術領域】。

【背景技術】
[0002]麥克風能把人的語音信號轉化為相應的電信號，廣泛應用于手機，電腦，電話機，照相機及攝像機等。傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風采用特氟龍作為振動薄膜，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，單獨手工裝配，大大增加了生產成本。
[0003]近三十年的MEMS (Microelectromechanical Systems)技術與工藝的發(fā)展,特別是基于硅芯片MEMS技術的發(fā)展，實現(xiàn)了許多傳感器(如壓力傳感器，加速度計，陀螺儀等)的微型化和低成本。MEMS硅麥克風已開始產業(yè)化，在高端手機的應用上，逐漸取代傳統(tǒng)的駐極體電容式麥克風。
[0004]MEMS麥克風主要還是采用電容式的原理，由一個振動薄膜和背極板組成,振動薄膜與背極板之間有一個幾微米的間距，形成電容結構。高靈敏的振動薄膜感受到外部的音頻聲壓信號后，改變振動薄膜與背極板間的距離，從而形成電容變化。MEMS麥克風后接CMOS放大器把電容變化轉化成電壓信號的變化,再放大后變成電輸出。
[0005]人的語音聲壓信號非常微弱，振動薄膜必須非常靈敏。振動膜通常采用常規(guī)的半導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，制備后的振動薄膜會有不同程度的殘留應力，大大影響了振動薄膜的靈敏度。所以，用多晶硅作為振動薄膜時，在制備后一般會采用附加退火工藝，來調節(jié)殘留應力降到最低；若用氮化硅作為振動薄膜，在制備時通過調節(jié)反應氣體間的比例來降低殘留應力。但采用這種方法對減小殘余應力的效果不大，而且重復性不好，實現(xiàn)也較為復雜。另外，也可以采用改變振動薄膜的機械結構，把一般的平板型振動薄膜改為紋膜，浮膜，或在振動薄膜上切割微小的槽，從而達到減少殘留應力、增加靈敏度的目的。但改變振動薄膜結構的方法會造成制備工藝復雜化，增加成本，降低良率。
[0006]背極板除了與振動薄膜形成電容以外，還具有控制麥克風的頻帶，降低聲學噪聲等功能。它需要具有一定的剛度，不會因外部的振動或聲壓而形變。除此以外，一般的設計為了配合前進音的封裝形式，還需在背極板上制備一個幾百微米的聲學腔體，使聲波能更好地傳達到振膜并獲得高的信噪比。


【發(fā)明內容】

[0007]本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術中存在的不足，提供一種適合于背進音封裝形式的MEMS硅麥克風及其制備方法，以簡化制造工藝，且可提高電容式微型硅麥克風的良率和靈敏度。
[0008]本發(fā)明是這樣實現(xiàn)的:一種無背部大聲學腔體的MEMS娃麥克風,包括背極板娃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電良好，作為麥克風電容的兩極板；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為Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au,背極板金屬電極和背極板娃基I電連接；背極板娃基上設有若干個TSV聲孔,TSV聲孔直接與大氣相通；振膜上設有小凸柱，小凸柱的材質為高娃氮化娃，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電容兩極板的輸出信號引出端，用來與CMOS信號放大電路實現(xiàn)電連接；振膜和背極板娃基經(jīng)娃娃鍵合工藝鍵合成一體，振膜由氧化娃層支撐懸于背極板娃基的上方，振膜和背極板娃基之間有氣隙，背極板娃基、振膜和氣隙形成電容結構。
[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 m。所述的無背部大聲學腔體的MEMS硅麥克風采用貫通整個背極板硅基的TSV聲孔來實現(xiàn)振膜與外界大氣間的連通，所述的TSV聲孔設有50?150個，單個孔徑為20?40 μ m。
[0010]本發(fā)明背極板娃基導電作為電容的一極，振動薄膜導電作為電容的另一極。背極板硅基上設有的TSV聲孔位于振動薄膜的正下方，TSV聲孔貫穿整個背極板硅基。振動薄膜位于TSV聲孔的上方且覆蓋整個TSV聲孔面，振動薄膜由單晶硅片減薄后得到。用于支撐振動薄膜的氧化硅層可實現(xiàn)振動薄膜和背極板硅基的電絕緣，且振動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。振動薄膜和背極板硅基上均沉積有金屬焊盤，分別為振膜電極和背極板金屬電極，金屬焊盤用來與CMOS信號放大電路實現(xiàn)電連接。
[0011]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明的背極板硅基上設有振動薄膜，其通過硅硅鍵合法與背極板硅基鍵合，導電振膜與背極板形成電容結構；導電振膜為單晶硅片減薄而成，其導電性良好，作為電容的一極，且其殘余應力小且一致性好，從而可提高麥克風的靈敏度和良率。振膜上設有小凸柱，小凸柱可降低振膜和背極板硅基吸合的可能性，進一步提高了麥克風的良率。背極板硅基導電性良好，作為電容的另一極，背極板硅基上設有貫穿整個背極板硅基的TSV聲孔，聲音作用于振膜上，可外接CMOS電路通過檢測振膜變化引起的電容變化從而輸出相應的聲音信號。本發(fā)明產品麥克風生產工藝簡單、靈敏度高、成本低、一致性好、良率高，非常適用于背進音封裝形式。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明產品整體結構示意圖。
[0013]圖2是圖1的A-A向剖視結構示意圖。
[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、氧化娃層；7、小凸柱；8、振膜電極。

【具體實施方式】
[0016]根據(jù)附圖1、附圖2和附圖3，本發(fā)明包括背極板硅基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均導電良好，作為麥克風電容的兩極板。背極板娃基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。背極板硅基上設有若干個TSV聲孔3，TSV聲孔3貫穿整個背極板娃基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上設有小凸柱7，小凸柱7的材質為高硅氮化硅，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的金屬層的材質為Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au,米用先沉積金屬層,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分別為麥克風電容兩極板的輸出信號引出端，用來與CMOS信號放大電路實現(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由氧化娃層6支撐懸于背極板娃基I的上方，振膜2和背極板娃基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形成電容結構。
[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。本發(fā)明產品麥克風采用貫通整個背極板硅基I的TSV聲孔3來實現(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行設定，一般設有50?150個，單個孔徑為20?40 μ m,以能夠得到所需的帶寬與較低的聲學噪音為準。
[0019]本發(fā)明產品工作時，振膜2與背極板硅基I間形成電容結構。當外部有聲音時，聲音會對振膜2產生作用力，振膜2的表面受到作用力會產生相應的形變。當振膜2發(fā)生形變時，振膜2與背極板硅基I間形成的電容結構也會發(fā)生對應變化，通過外接CMOS信號放大電路可檢測對應的聲音信號。
[0020]對于現(xiàn)有技術中背極板的功能，本發(fā)明通過背極板硅基I來實現(xiàn)，TSV聲孔3的直徑設計為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，簡化了制作工藝且降低了振動膜的應力、提高了產品的一致性及良率。電容的兩極由背極板硅基I和振膜2擔當，進一步簡化了工藝。氧化硅層6保證了振膜2和背極板娃基I的電絕緣，同時氧化娃層6支撐振膜2懸于背極板娃基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，工藝簡單。振膜2上設有小凸柱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。本發(fā)明產品的制作工藝均采用成熟的工藝，且工藝過程簡單。本發(fā)明產品麥克風靈敏度高、一致性好且生產優(yōu)良率高，可和ASIC封裝為一體，使用SMT工藝進行后續(xù)印刷電路板貼裝。
【權利要求】
1.一種無背部大聲學腔體的MEMS娃麥克風,包括背極板娃基(I)及位于所述背極板娃基(I)上方的振膜(2)，其特征在于:背極板硅基(I)和振膜(2)均導電良好，作為麥克風電容的兩極板；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)上設有若干個TSV聲孔(3)，TSV聲孔(3)直接與大氣相通；振膜(2)上設有小凸柱(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 )分別為麥克風電容兩極板的輸出信號引出端，用來與CMOS信號放大電路實現(xiàn)電連接；振膜(2)和背極板娃基(I)經(jīng)娃娃鍵合工藝鍵合成一體,振膜(2)由氧化娃層(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 )形成電容結構。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種無背部大聲學腔體的MEMS硅麥克風，其特征在于:所述振膜(2 )上設有的小凸柱(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)權利要求1所述的一種無背部大聲學腔體的MEMS硅麥克風，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,背極板娃基(I)的厚度為400 μ m。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種無背部大聲學腔體的MEMS娃麥克風,其特征在于:所述的無背部大聲學腔體的MEMS硅麥克風采用貫通整個背極板硅基(I)的TSV聲孔(3)來實現(xiàn)振膜(2)與外界大氣間的連通，所述的TSV聲孔(3)設有50?150個，單個孔徑為20?.40 μ m0
【文檔編號】H04R19/04GK104378724SQ201410653763
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權日:2014年11月18日
【發(fā)明者】繆建民 申請人:繆建民