Mems声换能器、mems麦克风、mems微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造声换能器的方法

Mems声换能器、mems麦克风、mems微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造声换能器的方法
【专利摘要】一种MEMS声换能器，包括具有从中穿过的空腔，以及包括多个在衬底空腔上方进行延伸的传导穿孔背板部分的传导背板单元。布置在相邻的传导穿孔背板部分之间的背板单元上的电介质间隔体，以及由电介质间隔体所支撑并且在传导穿孔背板部分上进行延伸的一个或多个石墨烯薄膜。
【专利说明】MEMS声换能器、MEMS麦克风、MEMS微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造声换能器的方法

【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及MEMS (MEMS=微电子机械系统)声换能器、MEMS麦克风、MEMS微型扬声器、扬声器阵列以及用于制造声换能器的方法，尤其涉及包括石墨烯薄膜的MEMS声换能器、MEMS麦克风和微型扬声器。

【背景技术】
[0002]使用MEMS技术实施的麦克风和微型扬声器通常使用硅来实现。MEMS麦克风/微型扬声器可以通过提供具有被硅质薄膜所覆盖的空腔的硅质衬底来实现。在MEMS麦克风中，小幅薄膜位移相对基准电极而被电容地感应，并且在MEMS微型扬声器中，该薄膜通过例如用于提供大行程位移的两个定子之间的静电驱动而被静电地驱动。


【发明内容】

[0003]一种MEMS声换能器，包括具有从中穿过的空腔的衬底，包括多个在衬底空腔上方进行延伸的传导穿孔背板部分的传导背板单元，布置在相邻的传导穿孔背板部分之间的该背板单元上的电介质间隔体，以及被该电介质间隔体所支撑并且在该传导穿孔背板部分上进行延伸的一个或多个石墨烯薄膜。
[0004]—种MEMS微型扬声器,包括传导衬底,其包括在该衬底前侧形成的多个空腔，以及在该多个空腔上进行延伸并且由该衬底以及该空腔周围的衬底部分以电绝缘方式所支撑的一个或多个石墨烯薄膜。
[0005]一种扬声器阵列，包括衬底，该衬底包括在该衬底前侧形成的多个空腔以及多个微型扬声器，其中每个微型扬声器包括在该多个空腔中的一个或多个上进行延伸并且由该衬底以及该空腔周围的衬底部分以电绝缘方式所支撑的一个或多个石墨烯薄膜。
[0006]一种用于制造声换能器的方法，包括将石墨烯薄膜沉积在衬底上，并且构造一个或多个MEMS结构。

【专利附图】

【附图说明】
[0007]图1示出了指示石墨烯在与硅进行比较时的机械属性的表格；
[0008]图2示出了在顶部包括石墨烯薄膜的麦克风的实施例；
[0009]图3不出了在底部具有石墨稀薄I旲的麦克风的另一个实施例；
[0010]图4示出了具有双背板结构的麦克风的另一个实施例，该双背板结构包括具有被包夹在其间的薄膜的两个背板；
[0011]图5示出了在顶部包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风的另一个实施例；
[0012]图6示出了在底部包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风；
[0013]图7示出了包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风，该多薄膜麦克风结构具有双背板结构，该结构包括具有被包夹在其间的薄膜的两个背板；
[0014]图8以顶部视图示出了蜂巢结构的背板的示例；
[0015]图9示出了包括石墨烯薄膜的微型扬声器的实施例；
[0016]图10，包括图10 (a)和10 (b)，示出了具有不同形状的空腔的示例，其中图10(a)示出了具有阶梯形横截面的空腔，并且其中图10 (b)示出了具有倾斜空腔壁的空腔的示例；
[0017]图11示出了包括允许薄膜的对称驱动的石墨烯薄膜的微型扬声器的另一个实施例；
[0018]图12不出了依据一个实施例的扬声器阵列的不意性表不形式；
[0019]图13 (a)示出了如关于图2所描述的实施例中的“多部分”薄膜的示例；
[0020]图13 (b)示出了如关于图9所描述的实施例中的“多部分”薄膜的示例；
[0021]图14，包括图14 (a)至14 (d)，示出了用于实现石墨烯薄膜的各种选择，其中图14 (a)示出了单层石墨烯材料，图14 (b)示出了多层石墨烯材料，图14 (c)示出了化学官能化的单层石墨烯，而图14 Cd)示出了纯石墨烯层和化学官能化的石墨烯层的合成物；
[0022]图15示出了针对石墨烯薄膜指示薄膜顺应度对比薄膜厚度的表格；
[0023]图16示出了依据本发明实施例的表面微加工的压力传感器，其使用石墨烯薄膜和阱部电极作为压力敏感元件；
[0024]图17示出了依据本发明实施例的表面微加工的压力传感器，其使用石墨烯薄膜作为压力敏感元件并被集成到金属叠层BEOL中；
[0025]图18 (a)至18 (k)示出了用于制造与图3相类似的在底部具有其石墨烯薄膜的声换能器的实施例；
[0026]图19 (a)和19 (b)示出了用于制造与图18相类似(只是该过程开始于不同衬底)的声换能器的实施例；
[0027]图20 Ca)至20 Cf)示出了用于制造与图9相类似的声换能器的实施例；
[0028]图21示出了用于获得图11所示的设备的第二晶片或衬底；和
[0029]图22示出了用于制造与图21相类似(只是使用了不同的衬底)的声换能器的实施例。

【具体实施方式】
[0030]在下文中，将以进一步的细节对本发明的实施例进行描述。相应附图中所示出的具有相同或相似功能的要素将具有与之相关联的相同附图标记。
[0031]传统上,MSMS麦克风/微型扬声器以娃技术进行制造。娃微加工的麦克风是包括在声场中移动的柔性薄膜以及被称作背板的静态穿孔电极的电容换能器。在压力过度的情况下，该薄膜会经受到高达1bar的压力差。在该情况下，通常的薄膜会由于其断裂强度过低而失效。
[0032]反向换能器是需要被驱动从而实现大行程位移的微型扬声器，例如通过电容驱动以驱动大幅空气位移并因此驱动可接受的声压。
[0033]为了解决硅麦克风薄膜中的压力过度的问题，可能在麦克风前部插入阻尼垫圈，然而这引入了额外的不期望出现的噪声。这还可能增加麦克风的前部体积，然而这增加了包括该麦克风的应用中所需的空间。解决压力过度问题的另外的可能方式是经由弹簧支撑的薄膜或者通过提供排气通道来提供透气，然而这需要特殊的设计以及结构的低应力梯度。用于实施透气的另一种可能方式是通过薄膜中在压力下打开的副翼实施透气，然而这需要附加的设计面积并且应力梯度也是关键所在。
[0034]在硅微型扬声器中，例如能够通过提供曲折定子扬声器由包括吸合(pull-1n)结构的多晶娃薄膜生成大的声压。
[0035]因此，需要提供一种有所改进的MEMS麦克风/微型扬声器。
[0036]本发明的实施例提供了一种包括由石墨烯所制成的薄膜(而不是硅薄膜或多晶硅薄膜)的MEMS麦克风/MEMS扬声器。石墨烯的机械特性对于生产非常高柔度和大断裂强度的麦克风薄膜而言是有利的，由此允许设计相对任何大行程位移均具有鲁棒性的高度敏感的麦克风。另一方面，微型扬声器可以从高柔度所获得的益处在于，可以减少用于获得高行程的驱动电压，同时高的断裂强度降低了故障风险并且实现了高耐久性。依据实施例，可以通过形成两个或更多单层石墨烯膜或层的叠层而增大石墨烯薄膜的强度。
[0037]石墨烯是表现出高疏水性的纯碳化合物，其对于防止薄膜在包括润湿法工艺的制造过程期间被刺破是有利的，并且还避免了在完成设备中被刺破。疏水性可以例如通过氟化作用而对石墨烯进行部分或完全的化学官能化而改变，其中完全氟化导致了所谓的疏水性有所增大的氟化石墨烯(flurographene)。而且,可以执行氢化作用并且完全氢化导致了亲水性适当升高的石墨烯。此外，氧化是可能的，并且完全的氧化导致石墨烯氧化物具有大幅减小的疏水性。还可以依据实施例使用经化学修改的单层石墨烯膜或者由被包夹在经化学修改的石墨烯膜之间的石墨烯所构成的复合膜。
[0038]图1示出了指示石墨烯在与硅进行比较时的机械属性的表格。可以看出，在其杨氏模量、断裂强度、泊松比(Poisson rat1)和密度的数值方面，石墨烯胜过硅。因此，出于以上所概述的原因，在以MEMS技术实现麦克风/微型扬声器时使用石墨烯作为薄膜材料是有利的。
[0039]图2示出了在顶部具有薄膜的包括石墨烯薄膜的麦克风的实施例。麦克风100包括例如硅衬底的衬底102，其具有形成于其中的空腔104。空腔104从衬底102上的第一表面106延伸至衬底上与第一表面相对的第二表面108。第一表面106也被称作衬底102的前侧，而第二表面108也被称作衬底102的背侧。在衬底的前侧106上布置有电介质间隔体层110。电介质间隔体层110被布置在衬底102的前侧106上以便包围空腔104并且从空腔向衬底102的外围112进行延伸。电介质间隔体层110可以始终向外围112延伸，或者如图2右手部分所示出的，可以被布置为使得其在衬底的具体部分从外围112凹进。麦克风100进一步包括传导穿孔背板114，其包括外围区114a和穿孔区114b。背板114可以由多晶硅形成，并且穿孔区114b包括多个通过背板114延伸的空腔114c。背板114被布置为使得其穿孔区114b被布置为在衬底102的空腔104上延伸或者跨过其进行延伸，并且背板114的外围区114a被布置在电介质间隔体层110上。麦克风100包括形成在背板114的外围区114a上的另外的电介质间隔体层116。依据实施例，电介质间隔体层116并不延伸到空腔104上方的区域中并且至少部分覆盖背板114的外围区114a。该麦克风包括在背板上方被间隔体116所支撑的石墨烯薄膜120。石墨烯薄膜120以在空腔104上方延伸并且还在传导穿孔背板114上方延伸的方式被布置在衬底102上。该麦克风包括与背板114的外围区114a相接触的第一电极122。此外，第二电极与石墨烯薄膜120相接触。在图2的实施例中，第二电极124被布置在与石墨烯薄膜120相接触的电介质间隔体上。如箭头126所描绘的，石墨烯薄膜120可根据压力变化而在垂直方向偏离。利用可以由相应金属垫所形成的电极122和124，可以检测薄膜的垂直位移。
[0040]此外，可以通过提供从背板缩进在背板114和薄膜120之间的空隙128的防刺穿凸块或者通过为背板设置如SAMS涂层或OTS涂层的防刺穿涂层而对图2中所描绘的MEMS结构进行保护以防止刺穿。
[0041]在下文中，将给出用于制造图2所描绘的麦克风100的示例。该工艺流程以在其上沉积例如500nm厚度的阻止氧化层的衬底102作为开始。厚度大约为I μ m的多晶硅层连同例如具有10nm厚度的SiN层一起被沉积在氧化层上。这种层结构定义了背板114。在沉积了用于背板114的材料之后，执行背板构建工艺以便在背板114的穿孔区114b中打开空腔114c。在背板构建之后，具有大约I至5μπι厚度的电介质材料被沉积在背板上并且被构建形成图2中所描绘的另外的电介质间隔体116。在构建间隔体116之后，形成了金属焊盘122、124。在此之后，对衬底102执行背侧空腔蚀刻，即从衬底的背侧108向其前侧蚀刻出空腔104而使得空腔104到达提供在前侧上的阻止氧化层。通过进一步的蚀刻工艺去除空腔区域中的阻止氧化层。在此之后，通过将石墨烯材料传输至间隔体116和焊盘124而提供石墨烯薄膜120。依据实施例，石墨烯在输送晶片上进行构建并且在与包括麦克风结构的其余元件的目标晶片对准时完成传输。
[0042]依据可替换的工艺，衬底102、背板114、间隔体116和金属焊盘122、124如以上所描述地形成，然而并不构建间隔体116。在此之后，执行背板空腔蚀刻以便从衬底102的背侧108形成空腔104而并不从前侧去除阻止氧化层。随后，执行石墨烯传输处理以及使用常规的照相平板印刷工艺构建出石墨烯层。在此之后，从衬底背侧通过阻止氧化层和穿孔开孔114c执行牺牲氧化蚀刻，由此去除穿孔区114b和石墨烯薄膜120之间的区域中的电介质间隔体116而因此定义出空气间隙128。
[0043]图3示出了具有石墨烯薄膜的麦克风的另一个实施例，其与图2的不同之处在于示出了在底部具有薄膜的麦克风。如可以从图3所看到的，该结构基本上对应于图2的结构，区别在于薄膜120现在由在衬底102上所形成的电介质间隔体110所支撑，并且具有在背板114和薄膜120之间布置的附加间隔体116的背板114被接合到薄膜120上，更具体地是接合到包围空腔104的衬底区域所支撑的薄膜的外围部分120a。石墨烯薄膜120进一步具有在空腔104上方延伸的中心区120b。该中心区120b进一步利用在薄膜120和背板114之间的空气间隙128与穿孔区114b相对布置。因此，在图3中，薄膜120被包夹在衬底和背板之间。当提供非传导性衬底102时，薄膜120可以被直接安装到衬底，即可以省略层110。
[0044]图3中所描绘的麦克风可以通过提供衬底102被制造，该衬底102可以设置有定义出层110的阻止氧化层。然而，如以上所提到的，在其它情况下这并非是必需的，而且对于处理步骤而言，由于硅衬底102的蚀刻将在石墨烯层120上停止，所以这也并非是必须的。石墨烯被沉积到衬底102上或者被传输到包括要被制造的多个麦克风结构的整个晶片上，随后进行石墨烯构建步骤，除非石墨烯已经在传输层上进行过构建。在此之后，如以上所描述的，沉积间隔体116并且在间隔体116上沉积背板114并对其进行构建。随后形成焊盘122和124。在此之后，依据第一种可能性，从背侧蚀刻出空腔104并且通过用于形成空气间隙128的牺牲氧化蚀刻工艺去除部分电介质间隔体116。此外，可以将防刺穿涂层应用于背板。可替换地，该蚀刻工艺可以以用于去除部分层116以便定义空气间隙128的牺牲氧化蚀刻作为开始，随后进行用于定义空腔104的背侧蚀刻，其可以包括附加的阻止氧化蚀刻，假设这样的附加氧化层110已经被布置在衬底表面上。随后，可以将防刺穿涂层应用于背板。
[0045]图4示出了作为图2和3中所描绘的实施例的组合的麦克风100的另一个实施例，其中提供了包括具有被包夹在其间的薄膜的两个背板的双背板结构。已经关于图2和3进行了描述的要素已经在图4中被指定以相同的附图标记并且省略对其新的描述。当与图2相比较时，图4中所描绘的麦克风100包括布置在薄膜120的外围120a上的附加电介质间隔体130。间隔体130支撑与背板114相类似的另外的背板132，其中其包括包围穿孔区132b的外围区132a，该穿孔区132b包括多个空腔或开口 132c。以以上所描述的方式布置背板132在薄膜120的中心区120b中在石墨烯薄膜120的上表面与背板132之间导致了空气间隙134。另外的背板132以外围区132a和穿孔区132与背板114的相应分区相对准并且开口 /空腔132c也与开口 114c相对准的方式进行布置和构建。此外，另外的背板132在其外围区132a上设置有另外的电极136。
[0046]图4所描绘的麦克风100可以通过将以上关于图2和3所定义的工艺步骤进行合并来制造。
[0047]图5示出了包括多薄膜麦克风结构的MEMS麦克风的另一个实施例。当与关于图2至4所描述的实施例相比较时，背板114和电介质间隔体116有所修改。更具体地，背板114包括多个穿孔区IHb1UHb2和 114b3，其中每个穿孔区包括相应的开口 /空腔114Cl、11如2和114c3。最外侧的穿孔区IHb1和114b3与背板114的外围区114a相邻并且通过分别布置在第一和第二穿孔区IHb1和114b2之间以及第二和第三穿孔区114b2和114b3之间的中间区IHd1和114d2而彼此分离。
[0048]电介质层116被构建为使得其包括布置在背板114的外围区114a上的外围区116a。另外,层116被构建为使得形成第一柱体I^b1和第二柱体116b2,其中第一柱体I^b1形成在背板114的第一中间区IHd1上，并且第二柱体116b2形成在第二中间区114d2上。
[0049]石墨烯薄膜120由电介质间隔体116所支撑，更具体地，其被形成为使得其外围部分120a由间隔体116的外围部分116b所支撑。薄膜120包括在衬底102的空腔104上方延伸的可偏转区域UOb1至120b3。薄膜120进一步被柱体IWb1和116b2所支撑，由此定义了利用设置于其间的相应空气间隙US1至1283而与背板114的相应穿孔区IHb1至IHb3相对布置的相应可偏转薄膜部分UOb1至120b3。因此，当与图2至4的实施例相比较时，在图5的实施例中，薄膜120被分为多个薄膜，也就是均利用间隔体116的外围区116a和/或柱体Iieb1Uieb2所单独悬浮的薄膜部分UOb1至i20b3。
[0050]图5的配置是有利的，因为通过提供多薄膜麦克风，由于石墨烯材料的顺应性非常高，所以使用多个悬浮薄膜由于允许获得整体MEMS设备高的总体顺应性而会是有益的。由小薄膜1201^至120b3所获得的信号被线性相加，从而例如当提供9个薄膜时，敏感度相对于单个薄膜增大9倍。另外，噪声如下相加IsumO1isei2)1/2,由此在与单个薄膜相比时产生了 1/3的噪声(例如，-9.5dB)。
[0051]图5的实施例示出了如图2那样在顶部具有多个薄膜的多薄膜麦克风，然而以与以上关于图3所描述的相类似的方式，背板114可以被提供在顶部，由此提供如图6中进一步详细示出的使得其薄膜处于底部的多薄膜麦克风。而且，还可以在图5的实施例中提供如关于图4所描述的附加背板，由此提供如图7中进一步详细示出的具有被包夹在相应背板之间的多薄膜的双背板多薄膜麦克风。当与图5相比时，图7所描绘的麦克风100包括附加的电介质间隔体130，其外围区130a处于薄膜120的外围120a上。间隔体130包括柱体1301^130?并且支撑与背板114相类似的另外的背板132,其包括外围区132a和穿孔区1321^至132b3，其中每个穿孔区包括多个空腔或开口 132(^至132c3。背板132还包括支撑柱体1301^130?的中间区132(^1324。以以上所描述的方式布置背板132导致在薄膜120的中心区UOb1至120b3中在石墨烯薄膜120的上表面和背板132之间形成了空气间隙131至1343。另外的背板132以其外围区和其穿孔区与背板114的相应分区相对准并且开口 /空腔也互相对准的方式进行布置和构建。此外，另外的背板132在其外围区132a上设置有另外的电极136。
[0052]依据一个实施例，图5中所描绘的多薄膜麦克风可以由布置在蜂巢结构中的直径50 μ m的子单元所构成，该蜂巢结构建立了具有直径大约为1mm的活动区域的MEMS。
[0053]图8以顶部视图示出了蜂巢结构的背板示例。背板114包括多个单元US1至1387。单元US1至1387中的每一个具有相同结构并且每个单元包括穿孔背板部分/分区，其在图8中作为示例性部件指示出了单元1383的穿孔区114b3。在图8中，背板的穿孔区114a和中间区114d并不可见，因为图8中的这些区域被电介质间隔体116所覆盖。在图8中，示出了电介质间隔体的外围区域116a以及布置在相应穿孔区114b之间的柱体IWb1和116b2。
[0054]在图8所示的实施例中，每个腔室具有大约50 μ m的直径。每个腔室具有六边形形状，并且穿孔区中的背板以每个腔室包括六边形形状的外边框140和内边框142的方式进行构建，这两个边框关于彼此同中心地进行布置。两个边框140、142通过在腔室的中心区146连接至彼此并且从中心146延伸至外边框140的相应角同时还在内边框142的角部上方进行延伸的相应杆体144所连接。利用这种配置，在外边框140和内边框142和杆体144之间以及内边框142和中心146和杆体144之间的区域中形成了相应的开口 /空腔114c。在图8所描绘的实施例中，外边框具有大于内边框142的水平厚度的水平厚度，并且杆体144逐渐变细而使得其水平厚度在从外边框140的角向中心146的方向有所减小。
[0055]在图8所示的实施例中，已经描述了具有蜂巢结构的背板单元，该蜂巢结构具有多个六边形腔室。然而，要注意的是，本发明可以以不同方式来实施。背板单元可以包括任意形状的腔室，例如，传导背板单元的腔室可以包括圆形周界或弯曲形状(例如，圆形)或者多边形形状(例如，方形或三角形)。
[0056]以上对图2至8的描述涉及麦克风100，然而相同的结构可以被实现为微型扬声器。当实现微型扬声器时，信号生成器被连接在相应电极122、124和136之间以便以所期望的方式施加用于使得薄膜120发生偏转的驱动信号。
[0057]图9示出了包括石墨烯薄膜的微型扬声器的实施例。已经关于之前附图进行了描述的部件具有与之相关联的相同附图标记并且省略了对其的附加描述。
[0058]如能够从图9看到的，与其它实施例不同，衬底102包括从衬底102的前侧406延伸至衬底102的背侧108的多个空腔/开口 KM1至1043。衬底102包括外围区102a以及相应的中间区K^b1至102b2。空腔KM1至1043通过中间区K^b1至102b2而彼此分离。更具体地，第一空腔KM1布置在外围区102a和第一中间区102bi之间，而第三空腔1043则布置在外围区102a和第二中间区102b2之间。第二空腔1042布置在两个中间区K^b1和102b2之间。在衬底102的前侧106提供有电介质间隔体层110，其被构建为包括布置在衬底102的外围区102a上的外围区110a。另外，电介质间隔体层110包括布置在衬底102的中间区1021^102?上的多个柱体IlOb1和110b2。由石墨烯材料所形成的薄膜120由电介质间隔体层110所支撑，更具体地，它由其外围区IlOa以及相应柱体IlObJP 110132所支撑。通过这种配置，薄膜120包括外围的固定区120a以及三个可偏转区UOb1至120b3，它们能够如箭头1263所示垂直偏转而导致可移动部分如在120b/至120b/所指示的形变。在图8中，作为示例，相应空腔KM1至1043的横向尺寸为200 μ m,并且还描绘了当薄膜部分偏转时的电场线。
[0059]在图9中，衬底120是传导衬底并且在其外围区布置了电极150。另外，如之前所描述的实施例中，该薄膜具有与之相接合的电极124。在两个电极124和128之间，连接了包括AC信号源152a和DC信号源152b的信号生成器152以便对薄膜进行驱动而造成如图9中所描绘的偏转。
[0060]由于石墨烯薄膜120的高度顺应性，依据图9的实施例，该薄膜可以相对其衬底的空腔被驱动而无需提供所构建并穿孔的背板。虽然图9示出了排成一行的3个空腔，但是所要注意的是，该结构可以包括例如以阵列排列的多个空腔。
[0061]在图9中，空腔KM1至1043被示为“垂直”空腔，即空腔壁垂直于衬底的前侧和后侧延伸。然而，其它形状的空腔也是可能的。图10示出了具有不同形状的空腔的示例。在图10 (a)中，空腔KM1至1043具有阶梯形状的横截面，其中衬底102的前侧106的直径较大而背侧108的直径较小。例如，空腔较大直径的部分可以为如图9所示的200 μ m,然而较小直径的部分则仅具有50 μ m的直径。该结构允许场强度有所增加。图10 (a)中所示的结构可以通过氧化物间隔体而使用前侧设计的空腔的处理获得，或者通过相结合的前侧和背侧凹槽蚀刻以及后续石墨烯沉积而获得。
[0062]图10 (b)示出了具有倾斜空腔壁的空腔的示例，其中空腔被形成为使得空腔直径在从前表面106向后表面108的方向中有所减小。可以通过例如使用KOH或TMAH对空腔进行非均质蚀刻而获得具有倾斜凹槽壁的凹槽KM1至1043。
[0063]图11示出了允许薄膜的对称驱动的包括石墨烯薄膜的微型扬声器的另一个实施例。从关于图9所描述的微型扬声器开始，图11的微型扬声器包括附加的衬底或板202,其包括通过衬底202从其前侧206向其背侧208延伸的多个空腔20七至2043。与第一衬底102 —样，第二衬底202也包括外围区202a以及分开相应空腔的中间区2021^和202b2。如能够从图11所看到的，第二衬底202的外围区202a关于第一衬底102的外围区102a凹进以便露出电极124和150。衬底202被布置为使得空腔2041至2043以及中间区2021^至202b2与衬底102的相对应开口和中间部分对准。另外的衬底202利用布置在薄膜120和衬底202之间的附加电介质间隔体层210而被布置在石墨烯薄膜120上。更具体地，另外的电介质间隔体层210包括被包夹在薄膜的外围区120a和另外衬底202的外围区202a之间的外围区210a。此外，电介质层210包括处于衬底202的相应中间部分2021^和202b2上的柱体210bi和210b2。衬底202在其背侧206上包括另外的电极220。在电极150和220之间连接有AC信号生成器150a，并且DC信号生成器150b连接在电极124和AC信号生成器150a之间ο
[0064]图11的配置允许石墨烯薄膜如偏转部分UOb1’至120b/以及120b/’至120b2’’所描绘的向上和向下对称偏转。
[0065]依据实施例，可以以以上所描述的方式在衬底上形成多个微型扬声器而形成例如要在数字声音重构装置中使用的具有独立驱动薄膜的扬声器阵列。
[0066]图12示出了依据一个实施例的扬声器阵列的示意性表示形式。阵列200包括衬底102，其包括在衬底102的前侧中形成的多个空腔(例如，参见亦在以上所描述的空腔KM1至1043)。为了定义阵列的相应微型麦克风202，提供多个石墨烯薄膜120而以如以上所描述的方式在多个空腔104中的一个或多个上进行延伸。每个薄膜120具有其电极124从而相应微型扬声器202的石墨烯薄膜120能够被独立驱动。
[0067]要注意的是，虽然图12明确涉及微型扬声器的阵列，但是依据实施例，也可以以上述方式在衬底上形成多个麦克风而形成具有独立薄膜的麦克风阵列。
[0068]在以上所描述的实施例中，石墨烯薄膜120已经被描述并描绘为在衬底的外围区之间进行延伸的单个薄膜，然而要注意的是，其它实施例可以使用两个或更多的石墨烯薄膜来实现。图13(a)示出了用于在如关于图2所描述的实施例中提供“多部分'multipart)薄膜的示例。如所能够看到的，示意性示出的薄膜120由在第一穿孔背板区IHb1上方延伸的第一薄膜UO1所形成，并且其包括在第二和第三穿孔背板的部分IHb2和IHb3上方延伸的第二薄膜1202。如在160所示出的，两个薄膜UO1和1202互相连接。
[0069]图13 (b)示出了与图9相类似的微型扬声器的示例，其中不同于单个石墨烯薄膜而提供了三个薄膜UO1至1203。第一薄膜UO1在第一空腔KM1的上方从衬底102的外围区102a延伸至第一中间区102blt)第二薄膜1202在第二空腔1042上方延伸并且第三薄膜1203在第三和第四空腔1043和1044上方延伸。如在WO1和1602所描绘的，薄膜互相连接。
[0070]图14示出了以上关于优选实施例所描绘的用于实现石墨烯薄膜120的各种选项。图14 (a)示出了包括单层石墨烯材料的石墨烯薄膜120。图14 (b)示出了包括多层石墨烯材料的石墨烯薄膜120，在图14 (b)中为三层1、ii和iii。图14 (c)示出了包括例如氟化石墨烯的化学官能化的单层石墨烯的石墨烯薄膜120。图14(d)示出了作为纯石墨烯层和化学官能化石墨烯层的化合物的石墨烯薄膜120，例如处于两个如图14 (c)所描述的化学官能化单层石墨烯之间的图14 Ca)中所描绘的单层石墨烯的组合形式。
[0071]图15示出了针对石墨烯薄膜指示薄膜顺应度对比薄膜厚度的表格。如所能够看到的，使用石墨烯薄膜是有利的，因为尽管薄膜厚度小但实现了高的顺应度由此避免了常规的硅质薄膜中如以上所讨论的问题。
[0072]图16和17示出了使用石墨烯薄膜作为压力敏感部件的依据本发明实施例的表面微加工压力传感器，其具有阱电极(图16)或者被集成到金属叠层BEOL (无半导体效应)中。
[0073]图16示出了具有阱电极的压力换能器300的实施例。压力换能器300包括例如娃衬底的衬底302,其具有第一表面306 (前侧)和与第一表面相对的第二表面308 (背侧)。在前侧306中形成阱电极309，例如通过在阱中引入掺杂物以便获得所期望的传导性。在衬底302的前侧306上布置有电介质间隔体层310。电介质间隔体层310包括在阱电极309之外布置在衬底102的前侧106上的第一或外围部分310a，以及与第一部分310a横向间隔开来并且布置在阱电极309上的第二部分310b。可替换地，电介质间隔体层310的第二部分也可以布置在电极309之外。该传感器包括石墨烯薄膜320，该石墨烯薄膜320由衬底302上方的间隔体310的相应部分310a、310b利用其相应外围区320a进行支撑而使得其中心的可偏转部分320b利用其间的间隙328与阱电极309相对布置。该传感器包括与阱电极309相接触的第一电极322，以及与石墨烯薄膜320相接触的第二电极324。利用可以由相应金属焊盘或线路所形成的电极322和324，可以检测到由于所施加的压力而导致的薄膜320的垂直位移。
[0074]图17示出了被集成到金属叠层BEOL (无半导体效应)中的压力换能器300的实施例。与图16的传感器类似，图17的压力换能器300也包括衬底302。与图16中不同，在图17中，在衬底302的前侧上形成电介质层330。在层330背离衬底302的表面上形成例如金属电极的电极332。在层330上布置电介质间隔体层310。在图17中，电介质间隔体层310包括(定义间隔328的)空腔，并且第一或外围部分310a被布置在层330上并且部分覆盖电极332。石墨烯薄膜320由电极332上方的间隔体310的外围部分31a利用其外围区320a进行支撑而使得其中心的可偏转部分320b利用其间的间隙328与电极332的暴露区域相对布置。该传感器包括形成于层310上并且经由通路334与电极332相接触的第一电极322，以及与石墨烯薄膜320相接触的第二电极324。利用可以由相应金属焊盘或线路所形成的电极322和324，能够检测到由于所施加的压力而导致的薄膜320的垂直位移。
[0075]在下文中，将对本发明对用于制造声换能器的实施例进行描述。
[0076]在迄今为止所使用的常规处理中，石墨烯被沉积在具有不同种子层(例如，金属)的晶片上。MEMS设备使用单独晶片进行构造。在该处理中的某点，石墨烯层将被传输至MEMS晶片。这样的常规方法是不利的，因为其必须提供附加晶片或衬底以便沉积及构建石墨烯层。例如由于可能向层中引入张力的传输问题，石墨烯的机械参数在被传输至MEMS晶片之后并未被妥善定义。此外，需要适当定义与石墨烯层的电接触。
[0077]依据实施例，这样的缺陷和问题得以被避免。依据本发明的实施例，通过将石墨烯材料沉积在衬底上并且通过使用已经具有提供于其上的石墨烯材料的衬底构造一个或多个MEMS结构来制造声换能器。换句话说，石墨烯被沉积于其上的晶片或衬底是MEMS晶片或衬底。该方法由于不需要附加晶片或衬底而是有利的，石墨烯的机械参数通过沉积而被妥善定义，任何传输问题都得以被避免，并且与石墨烯层的电接触也已经完善。
[0078]依据一个实施例，石墨烯层可以被沉积在衬底上所形成的金属表面上(例如，金属层)。这可以通过例如碳氢化合物的碳源的催化分解或者在金属层块中分解的碳被隔离到金属表面来执行。依据另一个实施例，石墨烯层可以被沉积在由衬底上的金属层和电介质层所形成的金属电介质界面。这可以通过经金属膜散播到金属层和电介质层之间的界面的例如碳氢化合物的碳源的催化分解或者在金属层块中分解的碳被隔离到金属层和电介质层之间的界面来执行。在两个实施例中，在石墨烯层沉积之后都形成了附加的MEMS组件。
[0079]在下文中，将参考图18对用于制造与图3相类似的使得其石墨烯薄膜处于底部的声换能器的实施例进行描述。将使用与图3中相同的附图标记。
[0080]图18 Ca)示出了衬底102。在衬底102的前侧106，形成例如S12层的绝缘层110。在绝缘层110背离衬底102的表面上形成例如Cu层或Ni层的金属层111。在金属层111背离绝缘层110的表面上沉积石墨烯材料120。
[0081]在石墨烯材料120的沉积之后，如图18 (b)所示，在石墨烯层120上形成电介质间隔体或牺牲层116，并且在牺牲层116上形成传导层114。
[0082]传导层114随后被形成图案而形成外围区114a、穿孔区114b以及通过层114延伸的多个空腔114c。图18 (c)中示出了所产生的包括传导穿孔背板114的结构。
[0083]随后，如图18 (d)所示，牺牲层116被形成图案以便从衬底102的外围112凹进。在对牺牲层116进行构建之后，如图18 (e)所示，石墨烯层120被形成图案以便也从衬底102的外围112凹进。如所能够看到的，石墨烯层120被形成图案而使得其一部分在牺牲层116以外延伸从而得以被暴露(并不被牺牲层116所覆盖)。
[0084]随后，如图18 (f)所示，金属层111被形成图案以便从衬底102的外围112凹进。金属层111被形成图案而使得第一部分Illa比第二部分Illb更接近于衬底外围112。此夕卜，金属层111被形成图案而使得第一部分仅部分被石墨烯层120所覆盖，而第二部分11 Ib则完全被石墨烯层120所覆盖。
[0085]在下一个步骤，如图18 (g)所示，绝缘层110被形成图案而使得其外围区IlOa的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴露出衬底102的前侧106的一部分106a。
[0086]如图18 (h)所示，形成例如金属焊盘的触点。触点122形成在背板114的外围区114a上。触点124形成在金属层111的第一部分Illa上。附加触点125形成在衬底102的暴露部分106a上。
[0087]如图18 (i)所示，衬底102在衬底102的中心区102c从其背侧106进行蚀刻以便定义出从背侧106向绝缘层110延伸的空腔104。
[0088]在图18 (j)中，示出了进一步蚀刻处理的结果，其从衬底的背侧108完成并且去除了绝缘层110的中心部分I1c以及金属层111的中心部分111c。该蚀刻处理在石墨烯层120停止，由此暴露出石墨烯薄膜120中心的可偏转部分120b的下表面。因此，空腔104从衬底的背侧108延伸至石墨烯层120。
[0089]在从背侧进行蚀刻之后，进行从衬底前侧的蚀刻。蚀刻通过背板114的空腔114c进行，由此去除了牺牲层116的中心部分116c以便定义出间隙128，由此完成了具有如图18 (k)所示结构的设备。
[0090]在下文中，参考图19中与图18相类似的用于制造声换能器的实施例。该处理基本上与以上所描述的相同，其区别在于该处理以图19 (a)所示的在其前侧106上形成有例如S12层的绝缘层110的衬底102开始。在绝缘层110背离衬底102的表面上，使用例如Cu层或Ni层的金属层111沉积石墨烯材料120。
[0091]在实质上对应于关于图18所描述的处理之后，获得了如图19 (b)所示的完成设备。当与图18 (k)比较时，其差异在于已经构建了金属层111而使得其仅在石墨烯层120的一部分上得以保留并且带有薄膜触点124。
[0092]在下文中，将参考图20对用于制造与图9相类似的声换能器的实施例进行描述。将使用与图9中相同的附图标记。
[0093]图20 Ca)示出了衬底102。在衬底102的前侧106上形成例如S12层的绝缘层110。在绝缘层110背离衬底102的表面上，形成例如Cu层或Ni层的金属层111。在金属层111背离绝缘层110的表面上沉积石墨烯材料120。
[0094]如图20 (b)所示，石墨烯层120被形成图案从而也从衬底102的外围112凹进。
[0095]在下一个步骤，如图20 (C)所示，金属层111被形成图案而使得其外围区Illc的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴露出绝缘层110的一部分110a。
[0096]随后，如图20 (d)所示，绝缘层110被形成图案而使得其外围区IlOa的至少一部分从衬底102的外围112凹进，由此暴露出衬底102的前侧106的一部分106a。还形成例如金属焊盘的触点。触点124形成在金属层111的第一部分Illa上,而触点152形成在衬底102的暴露部分106a上。
[0097]如图20 Ce)所示，衬底102在衬底102的中心区102c从其背侧106进行蚀刻以便定义出从后侧106延伸至绝缘层110的空腔KM1至1043以及中间区K^b1和102b2。
[0098]从衬底的后侧108进行进一步的蚀刻处理，其去除了绝缘层110和金属层111的中心部分。该蚀刻处理在石墨烯层120停止，由此暴露出石墨烯薄膜120的中心可偏转部分102bi至102b3的下表面。因此，空腔现从衬底的背侧108延伸至石墨烯层120，由此完成了具有如图20 (f)所示结构的设备。
[0099]为了获得如图11所示的设备，提供如图21所示的第二晶片或衬底，其例如通过晶片键合而被设置在图20 (f)的结构上。图21的衬底通过在衬底202的前侧206上设置绝缘层210并且在后侧208上设置金属层220而获得。对衬底202进行蚀刻以形成空腔20+至2043而使得当将衬底202布置在石墨烯层120上时，衬底中的空腔互相对准。
[0100]图22示出了用于制造与图20相类似的声换能器的实施例。该处理基本上与以上所描述的相同，其区别在于该处理以图19 (a)所示的在其前侧106上形成有例如S12层的绝缘层110的衬底102开始。在绝缘层110背离衬底102的表面上沉积石墨烯材料120。在石墨烯材料的表面上形成例如 Cu层或Ni层的金属层111。
[0101]在实质上对应于关于图20所描述的处理之后，获得了如图22所示的完成设备。当与图20 (f)比较时，其差异在于已经构建了金属层111而使得其仅在石墨烯层120的一部分上得以保留并且带有薄膜触点122。
[0102]在进一步的实施例中，可以将如图21所示的附加衬底布置在图22的设备上。
[0103]虽然已经以装置为背景对一些方面进行了描述，但是这些方面显然还表示对相对应方法的描述，其中模块或设备对应于方法步骤或方法步骤的特征。同样，以方法步骤为背景所描述的方面也表示对于相对应模块或事项或者相对应装置的特征的描述。
[0104]以上所描述的实施例仅是为了说明本发明的原理。所要理解的是，这里所描述的布置形式和细节的修改和变化对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，其意在仅由所附专利权利要求的范围所限制而并不被通过对本文的实施例的描述和解释所给出的具体细节所限制。
【权利要求】
1.一种MEMS声换能器，包括: 衬底，具有从中穿过的空腔； 传导背板单元，包括在所述衬底的空腔之上延伸的多个传导穿孔背板部分； 电介质间隔体，被布置在相邻的传导穿孔背板部分之间的所述背板单元上；以及一个或多个石墨烯薄膜，由所述电介质间隔体所支撑并且在所述传导穿孔背板部分之上延伸。
2.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述背板单元包括阵列结构，所述阵列结构包括多个相邻腔室，每个腔室包括传导穿孔背板部分，并且其中所述电介质间隔体包括在所述阵列结构的所述相邻腔室之间并且在所述阵列结构周围排列的离散柱体或连续肋部。
3.根据权利要求2所述的MEMS声换能器，其中所述阵列结构包括蜂巢结构。
4.根据权利要求3所述的MEMS声换能器，其中所述蜂巢结构的腔室包括大约50μ m的直径，并且其中对腔室数量进行选择以便获得具有大约Imm的直径的所述蜂巢结构。
5.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述石墨烯薄膜被布置在所述衬底和所述传导背板单元之间。
6.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述传导背板单元被布置在所述衬底和所述石墨烯薄膜之间 。
7.根据权利要求6所述的MEMS声换能器，包括另外的传导背板单元，所述另外的传导背板单元包括多个传导穿孔背板部分并且被布置为使得所述石墨烯薄膜被包夹在所述传导背板单元之间。
8.根据权利要求7所述的MEMS声换能器，其中所述背板单元被布置为使得相应的穿孔背板部分互相对准。
9.根据权利要求7所述的MEMS声换能器，包括被布置在所述另外的背板单元和所述石墨烯薄膜之间的另外的电介质间隔体。
10.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，包括被布置为与所述传导背板单元相接触的第一电极，以及被布置为与所述石墨烯薄膜相接触的第二电极。
11.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述石墨烯薄膜包括单层石墨烯、多层石墨烯、经化学官能化的单层石墨烯或者其组合。
12.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，包括: 单个石墨烯薄膜，或 多个石墨烯薄膜，其中石墨烯薄膜在一个或多个所述传导穿孔背板部分之上延伸，并且其中所述多个石墨烯薄膜互相连接。
13.根据权利要求1所述的MEMS声换能器，其中所述声换能器被配置为麦克风或微型扬声器。
14.一种MEMS麦克风，包括: 衬底，具有空腔； 传导背板单元，包括多个相邻腔室，每个腔室包括穿孔背板； 电介质间隔体，在所述相邻腔室之间被布置在所述背板单元上； 石墨烯薄膜，由所述电介质间隔体所支撑并且在所述背板单元的所述腔室之上延伸；第一电极，被布置为与所述传导背板单元相接触；以及 第二电极，被布置为与所述石墨烯薄膜相接触。
15.根据权利要求14所述的MEMS麦克风，其中所述传导背板单元的所述腔室包括圆形周界或多边形形状。
16.根据权利要求14所述的MEMS麦克风，其中所述背板单元的每个所述腔室包括六边形背板，其中所述背板包括六边形外边框和六边形内边框，并且其中所述外边框和所述内边框通过在所述背板的中心处互相连接的多个杆体进行连接，每个杆体从所述中心经由所述内边框的一个角延伸至所述外边框的一个角。
17.根据权利要求16所述的MEMS麦克风，其中所述外边框具有大于所述内边框的水平厚度的水平厚度，并且其中相应杆体在从所述外边框向所述中心的方向上变细。
18.—种MEMS微型扬声器,包括: 传导衬底，包括在所述衬底的前侧形成的多个空腔；以及 一个或多个石墨烯薄膜，在所述多个空腔之上延伸并且由所述衬底以及所述空腔周围的衬底部分以电隔离方式所支撑。
19.根据权利 要求18所述的MEMS微型扬声器，其中所述空腔从所述衬底的所述前侧延伸至所述衬底的后侧。
20.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，其中所述空腔包括空腔壁，所述空腔壁通过所述衬底者关于所述衬底的所述前侧和后侧垂直或倾斜延伸。
21.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，其中所述空腔在所述前侧的开口具有与在后侧的开口的尺寸不同的尺寸。
22.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，其中所述空腔包括阶梯形或V形截面。
23.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，包括: 第一电极，被布置为与所述衬底相接触；以及 第二电极，被布置为与所述石墨烯薄膜相接触。
24.根据权利要求23所述的MEMS微型扬声器，包括被耦合在所述第一电极和所述第二电极之间的信号生成器。
25.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，包括薄板，所述薄板包括多个开口并且被布置为与所述石墨烯薄膜电绝缘，以使得所述石墨烯薄膜被包夹在所述衬底和所述薄板之间。
26.根据权利要求25所述的MEMS微型扬声器,包括: 第一电极，被布置为与所述石墨烯薄膜相接触； 第二电极，被布置为与所述衬底相接触； 第三电极，被布置为与所述薄板相接触； AC信号生成器，被耦合在所述第二电极和所述第三电极之间；以及 DC信号生成器,被稱合在所述第一电极和所述AC信号生成器之间。
27.根据权利要求18所述的MEMS微型扬声器，包括: 单个石墨烯薄膜，或 多个石墨烯薄膜，其中石墨烯薄膜在所述空腔的一个或多个空腔之上延伸，并且其中所述多个石墨烯薄膜互相连接。
28.—种MEMS微型扬声器,包括: 衬底，具有从所述衬底的前侧延伸至所述衬底的后侧的多个空腔； 多个电介质间隔体，被布置在所述衬底的所述前侧上； 石墨烯薄膜，在所述空腔之上延伸，其中所述石墨烯薄膜由被布置在所述空腔周围的衬底部分上的所述电介质间隔体所支撑； 第一电极，被布置为与所述衬底相接触； 第二电极，被布置为与所述石墨烯薄膜相接触；以及 信号生成器，被耦合在所述第一电极和所述第二电极之间。
29.—种扬声器阵列,包括: 衬底，包括在所述衬底的前侧形成的多个空腔；以及 多个微型扬声器，每个微型扬声器包括在所述多个空腔中的一个或多个空腔之上延伸并且由所述衬底以及所述空腔周围的衬底部分以电隔离方式所支撑的一个或多个石墨烯薄膜。
30.根据权利要求29所述的阵列，其中相应麦克风的所述石墨烯薄膜是独立驱动的薄膜。
31.一种用于制造声换能器的方法，所述方法包括: 将石墨烯薄膜沉积在衬底上；并且 制作一个或多个MEMS结构。
32.根据权利要求31所述的方法，其中将所述石墨烯薄膜沉积在所述衬底上包括将所述石墨烯薄膜沉积在所述衬底的表面上所形成的金属层上，或者将所述石墨烯薄膜沉积在由所述衬底的所述表面上的金属层和电介质层所形成的金属-电介质界面。
33.根据权利要求32所述的方法，其中 将所述石墨烯薄膜沉积在所述衬底上包括: 在所述衬底上形成石墨烯层，并且 制作一个或多个MEMS结构包括: 在所述石墨烯层上形成牺牲层， 在所述牺牲层上形成传导层， 图案化所述传导层，以用于定义出具有穿孔背板部分的背板单元， 图案化所述牺牲层、所述石墨烯层和所述金属层， 从衬底后侧对衬底进行蚀刻以用于去除所述衬底和所述金属层的一部分，以用于暴露出所述石墨烯层的一部分的第一表面，并且 通过所述背板单元的所述穿孔背板部分进行蚀刻以便去除所述牺牲层的一部分，以用于暴露出所述石墨烯层的所述部分的第二表面。
34.根据权利要求32所述的方法，其中 将所述石墨烯薄膜沉积在所述衬底上包括: 在所述衬底上形成石墨烯层，并且 制作一个或多个MEMS结构包括: 图案化所述石墨烯层和所述金属层，并且 从衬底后侧对所述衬底进行蚀刻以用于去除所述衬底和所述金属层的一部分，以用于形成暴露出所述石墨烯层的相应部分的第一表面的多个空腔。
35.根据权利要求34所述的方法，进一步包括: 提供另外的衬底，所述另外的衬底具有在其第一表面上形成的绝缘层以及从通过所述衬底并且通过所述绝缘层而从所述衬底的第二表面延伸的多个空腔，并且 利用所述石墨烯层和所述另外的衬底之间的所述绝缘层将所述另外的衬底布置在所述石墨烯层上，其中所述衬底中的所述空腔以及所述另外的衬底中的所述空腔互相对准。
36.根据权利要求31所述的方法，其中所述声换能器包括一个或多个麦克风或者一个或多个微型扬 声器。
【文档编号】H04R9/06GK104053100SQ201410090491
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月12日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】A·德厄, G·鲁尔 申请人:英飞凌科技股份有限公司