一种硅电容麦克风及其制造方法
【专利摘要】本发明公开一种硅电容麦克风及其制造方法，所述硅电容麦克风包括基底、背极板和振膜，所述振膜位于所述基板和所述背极板之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之间设有固定气隙，所述振膜与所述背极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用，其中所述振膜为圆形，其边缘全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述中心孔同心的一个或多个褶皱环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。本发明通过硅电容麦克风的振膜结构上的改变，能够提高硅电容麦克风受外界冲击和受高压气流吹击时的抗冲击性，帮助导电多晶硅振膜释放应力，保持振膜的高灵敏度，从而达到提高品质、降低成本、拓宽产品应用场合的目的。
【专利说明】一种硅电容麦克风及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微麦克风【技术领域】，特别涉及一种使用多晶硅振膜的硅电容麦克风及 其制造方法。
【背景技术】
[0002] 微机电（MEMS micro-electro-mechanical system)麦克风或称娃麦克风因其体 积小、适于表面贴装等优点而被广泛应用于具声音采集功能的电子装置中，如手机、MP3、录 音笔和监听器材等。硅电容麦克风通常包括基底、背极板和振膜，其中振膜是硅电容麦克风 的核心部件，其既需要灵敏地反映声压信号并将之转化为电信号，又需要在外界风压吹击、 跌落冲击的应力和内部加工工艺释放应力作用后保持性能基本不变地正常工作。
[0003] 传统的娃微麦克风一般包括振膜构成的振动部和与基底相连的支撑部，支撑部的 截面为矩形。这种结构层应力对振膜产生的应力梯度无法释放，振膜屈曲强度低，工艺挑战 度高。为保证多晶硅振膜的灵敏度较高且较为一致，现有技术中多采用应力释放结构制作 振膜，如图1和图2所示，其中01为锚区、02为外围应力释放结构或凹陷部分。再例如，中 国专利CN101572850A和CN102065354A分别给出了一种平面内和平面外消除应力的振膜的 结构方案，美国专利US20060280319更是给出了一种通过振膜边缘悬臂梁上的褶皱消除振 膜应力的方案。
[0004] 然而，上述方案虽然能达到应力消除的效果，但对于多晶硅振膜而言，均使结构成 为了非全封闭的开放性结构，在受到外界风压吹击或跌落冲击的情况下，冲击应力将在振 膜周边悬臂梁与锚区之间的结合面上产生高度应力集中，从而致使结构失效，影响正常使 用。中国专利CN101931852A给出了一种使用单晶硅制作全封闭振膜并在振膜上制作褶皱 消除应力的方案，但相对多晶硅工艺和材料而言，其方案中的自停止腐蚀法制作单晶硅振 膜的工艺相对复杂，成本也较高。若使用多晶硅工艺实现同样目标，在应力一致性控制上存 在着很大的难度。此外，中国专利CN201491265U给出了有褶皱的全封闭振膜，其剖面结构 如图3所示。CN201491265U中所公开的褶皱形式比较简单，从图3中可看出，两个褶皱环 03之间直接相连使得剖面呈V型，且各连接面之间未设置倒角。从振膜的材料特性及现有 工艺下应力离散性控制水平来看，采用这种褶皱形式的振膜只能适合与其文中提及的传统 微型电容式麦克风，而对于含多晶娃振膜的娃电容麦克风而言，由于多晶娃材料的自身特 点及工艺水平的局限性，CN201491265U中所公开的褶皱形式是并不适用的。
[0005] 针对在封闭多晶硅振膜上设置褶皱时的褶皱形状和排布，美国专利 US20120091546给出了一种尽量消除和释放多晶硅应力的方案。但由于其目标是尽量消 除和释放多晶硅振膜的应力，因此为专门追求低应力而对工艺应力控制水平做出了极限规 定，对残余应力的控制范围要求较高，工艺复杂，不利于低成本高合格率的大规模工业化生 产。同时，该专利也未考虑硅麦克风抗吹击性、灵敏度和残余应力一致性的问题，因此应用 时仍存在诸多不便。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于解决目前硅电容麦克风中存在的抗冲击性差、成本较高的缺 陷，提供一种灵敏度高、抗冲击力强、成本低廉、易于生产的硅电容麦克风，并同时提供上述 硅电容麦克风的制作方法。
[0007] 为达上述目的，本发明首先提出一种硅电容麦克风，包括基板、背极板和振膜，所 述振膜位于所述基板和所述背极板之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之 间设有固定气隙，所述振膜与所述背极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用， 其中所述振膜为圆形，其边缘全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述 中心孔同心的一个或多个褶皱环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。
[0008] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述振膜的材料为导电多晶硅，通过 淀积的工艺实现。
[0009] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述褶皱环为一个，其形状为上凸或 下凹形状，所述褶皱环与所述振膜所在平面之间设置有倒角。
[0010] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述褶皱环为多个，彼此之间为上凸 形状和下凹形状交错设置，且每两个褶皱环之间设有过渡平面，相邻的所述褶皱环和所述 过渡平面之间、以及所述褶皱环和所述振膜所在平面之间均设置有倒角。
[0011] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述中心孔的直径为〇. 2-200微米。
[0012] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述振膜的褶皱环的数量、褶皱环之 间的间距以及褶皱环的深度由振膜的厚度及残余应力分布范围决定。
[0013] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风，其中所述背极板上有多个开孔，且所述背 极板靠近所述振膜的一面设有突起。
[0014] 另外，本发明还提供一种硅电容麦克风的制作方法，包括以下步骤：
[0015] S1 :在基板的表面淀积第一层牺牲层，使所述牺牲层具有褶皱环形状；
[0016] S2:在第一层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有褶皱环的振膜，对所述振膜进 行选择性地掩蔽和刻蚀，形成所述振膜的中心通气圆孔；
[0017] S3:在所述振膜表面淀积第二层牺牲层，并对第二层牺牲层进行选择性地掩蔽和 刻蚀，以形成背极板的突起形状；
[0018] S4:在第二层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有突起的背极板，对所述背极板 进行选择性地掩蔽和刻蚀，以在所述背极板上形成多个穿孔；
[0019] S5 :以所述背极板为掩膜，刻蚀第二层牺牲层，使背极板上穿孔部分下方的振膜层 暴露；
[0020] S6:在背极板和振膜的暴露部分上制作金属化的背极电极和振膜电极，对背极电 极和振膜电极分别作电气引出并制作焊盘；
[0021] S7 :在基板背面通过选择性地掩蔽和刻蚀以制作声腔，声腔从基板上对应于设置 振膜的中心区域贯穿整个基板；
[0022] S8:湿法同时刻蚀第一层牺牲层和第二层牺牲层，去除基板与振膜的可动部分之 间的第一层牺牲层，去除振膜的可动部分与背极之间的第二层牺牲层。
[0023] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风的制作方法，其中，所述步骤S1中淀积第一 层牺牲层的过程分两次完成，包括以下步骤：
[0024] Sll :在基板的表面淀积形成部分第一层牺牲层，并选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层， 通过本次刻蚀决定振膜上的褶皱形状、数量、尺寸和分布；
[0025] S12 :在S11形成的部分第一层牺牲层的基础上，再次淀积牺牲层，完成第一层牺 牲层的制作，通过先刻蚀牺牲层再淀积的工艺顺序，根据淀积后二氧化硅材料的表面形状， 使褶皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角，褶皱环与振膜所在平面的过渡面 之间设置有工艺允许的倒角，且由工艺参数确定相应的角度值。
[0026] 根据本发明提出的一种硅电容麦克风的制作方法，其中，所述牺牲层的材料为二 氧化硅。
[0027] 与现有技术相比，本发明提出的硅电容麦克风及其制作方法能够改善硅电容麦克 风受外界冲击和受高压气流吹击时的抗冲击性，帮助振膜释放应力，提高内应力一致性，使 得硅麦克风的灵敏度更为一致，从而提高产品的成品率，降低量产成本，拓宽产品的应用场 口 ο
【专利附图】
【附图说明】
[0028] 图1、图2为现有带释放应力部分的导电多晶硅振膜结构俯视图；
[0029] 图3为现有技术中带褶皱结构的振膜的剖视图；
[0030] 图4Α和图4Β是本发明第一实施例的一种褶皱排布结构剖视示意图和俯视示意 图；
[0031] 图5Α和图5Β是本发明第一实施例的另一种裙皱排布的结构剖视不意图和俯视不 意图；
[0032] 图6Α和图6Β是本发明第一实施例的再一种裙皱排布的结构剖视不意图和俯视不 意图；
[0033] 图7Α和图7Β是本发明第二实施例的一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示意 图；
[0034] 图8Α和图8Β是本发明第二实施例的另一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示 意图；
[0035] 图9Α和图9Β是本发明第二实施例的再一种褶皱排布的结构剖视示意图和俯视示 意图。
[0036] 图10为步骤S11制备过程的示意图；
[0037] 图11为步骤S12制备过程的示意图；
[0038] 图12为步骤S2制备过程的示意图；
[0039] 图13、图14为步骤S3制备过程的示意图；
[0040] 图15为步骤S4制备过程的示意图；
[0041] 图16为步骤S5制备过程的示意图；
[0042] 图17为步骤S6制备过程的示意图；
[0043] 图18为步骤S7制备过程的示意图；
[0044] 图19为步骤S8制备过程的示意图。
【具体实施方式】
[0045] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完 整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于 本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例，都属于本发明保护的范畴。
[0046] 在本发明的附图4至附图9的各相应俯视图中，统一用
【权利要求】
1. 一种硅电容麦克风，包括基板、背极板和振膜，所述振膜位于所述基板和所述背极板 之间，所述基板上设有声腔，所述背极板和所述振膜之间设有固定气隙，所述振膜与所述背 极板上分别设有电极引出的焊盘以作电气连接之用，其特征在于，所述振膜为圆形，其边缘 全封闭固定在所述基底上，所述振膜上包括中心孔和与所述中心孔同心的一个或多个褶皱 环，所述褶皱环位于等于或大于1/2振膜半径的区域内。
2. 根据权利要求1所述的一种娃电容麦克风，其特征在于，所述振膜的材料为导电多 晶硅，通过淀积的工艺实现。
3. 根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述褶皱环为一个，其形状 为上凸或下凹形状，所述褶皱环与所述振膜所在平面之间设置有倒角。
4. 根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述褶皱环为多个，彼此之 间为上凸形状和下凹形状交错设置，且相邻的两个褶皱环之间设有过渡平面，相邻的所述 褶皱环和所述过渡平面之间、以及所述褶皱环和所述振膜所在平面之间均设置有倒角。
5. 根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述中心孔的直径为 0. 2-200 微米。
6. 根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述振膜的褶皱环的数量、 褶皱环之间的间距以及褶皱环的深度由振膜的厚度及残余应力分布范围决定。
7. 根据权利要求1所述的一种硅电容麦克风，其特征在于，所述背极板上有多个开孔， 且所述背极板靠近所述振膜的一面设有突起。
8. -种硅电容麦克风的制作方法，其特征在于，包括以下步骤： S1 :在基板的表面淀积制作第一层牺牲层，使所述牺牲层具有褶皱环形状； S2:在第一层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有褶皱环的振膜，对所述振膜进行选 择性地掩蔽和刻蚀，形成所述振膜的中心通气圆孔； S3 :在所述振膜表面淀积第二层牺牲层，并对第二层牺牲层进行选择性地掩蔽和刻蚀， 以形成背极板的突起形状； S4:在第二层牺牲层的表面利用淀积工艺形成带有突起的背极板，对所述背极板进行 选择性地掩蔽和刻蚀，以在所述背极板上形成多个穿孔； 55 :以所述背极板为掩膜，刻蚀第二层牺牲层，使背极板上穿孔部分下方的振膜层暴 露； 56 :在背极板和振膜的暴露部分上制作金属化的背极电极和振膜电极，对背极电极和 振膜电极分别作电气引出并制作焊盘； 57 :在基板背面通过选择性地掩蔽和刻蚀以制作声腔，声腔从基板上对应于设置振膜 的中心区域贯穿整个基板； S8:湿法同时刻蚀第一层牺牲层和第二层牺牲层，去除基板与振膜的可动部分之间的 第一层牺牲层，去除振膜的可动部分与背极之间的第二层牺牲层。
9. 根据权利要求8所述的一种硅电容麦克风的制作方法，其特征在于，所述步骤S1中 淀积第一层牺牲层的过程分两次完成，包括以下步骤： 511 :在基板的表面淀积形成部分第一层牺牲层，并选择性地掩蔽和刻蚀牺牲层，通过 本次刻蚀决定振膜上的褶皱形状、数量、尺寸和分布； 512 :在S11形成的部分第一层牺牲层的基础上，再次淀积牺牲层，完成第一层牺牲层 的制作，通过先刻蚀牺牲层再淀积的工艺顺序，根据淀积后二氧化硅材料的表面形状，使褶 皱与振膜所在平面间的过渡面与振膜的夹角为钝角，褶皱环与振膜所在平面的过渡面之间 设置有工艺允许的倒角，且由工艺参数确定相应的角度值。
10.根据权利要求8所述的一种娃电容麦克风的制作方法，其特征在于，所述牺牲层的 材料为二氧化硅。
【文档编号】H04R19/04GK104053104SQ201310078621
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2013年3月12日 优先权日:2013年3月12日
【发明者】万蔡辛, 杨少军 申请人:北京卓锐微技术有限公司