本发明属于传感器和微机电系统技术领域，具体涉及一种电容式mems麦克风及其制造方法。
背景技术
语音交流是人类沟通最直接的方式，因此，麦克风在通讯和娱乐等传统消费电子领域一直扮演着重要角色。麦克风本质上是一种声学传感器，是一种将外部声学信号转换为电信号的换能器。按照信号转换原理或方式，麦克风可大致分为电容式、压电式和光电式三种类型，其中，电容式麦克风在市场上占有主流地位。
驻极体电容式麦克风(ecm)和微机电系统(mems)电容式麦克风是最常见的两种电容式麦克风。经过几十年的发展，传统的ecm已经被广泛应用于各个领域。然而，ecm的振动膜采用具有永久电荷的聚合材料，不能经受高温处理，而目前大量的自动化表面贴装工艺都需要经过260℃高温焊接，因此，ecm在消费电子领域已经丧失了大批量生产的优势。相对于ecm，电容式mems麦克风的噪声消除性能更好，温度范围更宽，可扩展性高，声音品质好，体积小，产品性能稳定，有利于大批量自动化生产。
电容式mems麦克风是一种可以将声音信号转换为电信号的微型换能器。电容的两个极板(即振膜和背电极)是它的基本结构，一般情况下，振膜是可动的，背电极是固定不动的，不同声音的输入会使得振膜产生相应的振动，导致电容值发生相应的变化，经过后续电路处理后即可得到相对应的电信号。
灵敏度作为衡量麦克风性能是否优良的一个最重要的参数，可以从电学灵敏度和机械灵敏度两方面做定性分析。从电学灵敏度的角度出发，可以通过提高电容元件的电容值和直流偏置电压来提升灵敏度；从机械灵敏度的角度出发，可以通过降低振膜的应力提升灵敏度。减小振膜与背电极之间的距离或者增加振膜与背电极的表面面积能够提高电容的容值，但是振膜与背电极之间的距离过小容易导致振膜与背电极在麦克风工作时粘连在一起，而过大的表面积容易导致振膜与背电极破裂损坏；当直流偏置电压过大并且大于吸合电压时，振膜与背电极会在静电力的作用下吸附在一起。薄膜应力的降低导致薄膜刚性减弱，容易导致薄膜的破裂或者产生凹陷的结果。因此，需要平衡电学灵敏度与机械灵敏度，以进一步提升麦克风的性能。此外，由于振膜边缘不容易振动，背电极边缘部分与振膜边缘形成的电容大小对灵敏度有很大的影响。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种电容式mems麦克风及其制作方法。
本发明电容式mems麦克风，包括衬底、振膜、背电极、接线组件、刻蚀停止环、振膜支撑环、第一绝缘环和第二绝缘环。所述的衬底、刻蚀停止环、振膜支撑环、第一绝缘环、第二绝缘环依次排列并固定在一起。振膜固定在振膜支撑环上。振膜的两个侧面上均开设有多个环形槽。所有环形槽均与振膜同轴设置。振膜的边缘处开设有通气孔。
所述的背电极与第二绝缘环的内侧壁固定。背电极与振膜间隔设置。背电极包括阻隔绝缘层、导电层和氮化硅钝化保护层。氮化硅钝化保护层由保护环和保护盘组成。保护环与第二绝缘环固定。保护盘的靠近振膜的那侧侧面外凸设置，另一侧侧面内凹设置。
所述的导电层由导电环和导电片组成。所述的导电环及导电片均与保护盘固定。导电环的内径大于或等于导电片的直径。导电片及导电环均与保护盘固定。导电环与振膜的间距大于导电片与振膜的间距。阻隔绝缘层由阻隔绝缘环和阻隔绝缘片组成。阻隔绝缘环与导电环固定。阻隔绝缘片与导电片固定。阻隔绝缘环及导电环均与保护环固定。背电极上开设有多个声孔。所有声孔均贯穿背电极。阻隔绝缘层靠近振膜的侧面上设置有多个防粘着凸块。
所述的接线组件包括第一接线柱和第四接线柱。第一接线柱、第四接线柱与振膜、导电层分别连接。
进一步地，所述振膜、降噪带、降噪环及导电层的材质均为多晶硅。所述阻隔绝缘层及氮化硅钝化保护层的材质均为氮化硅。所述刻蚀停止环、振膜支撑环、第一绝缘环和第二绝缘环的材质均为二氧化硅。
进一步地，所述衬底的外端面上开设贯穿衬底的背腔。
进一步地，所述振膜的外边缘与第一绝缘环的内侧壁之间设置有降噪带。所述的刻蚀停止环与振膜支撑环之间设置有降噪环。所述的接线组件还包括第二接线柱和第三接线柱。第二接线柱与降噪带连接。第三接线柱与降噪环连接。
进一步地，所述振膜同一侧面上各环形槽的内径沿振膜中心向边缘的方向依次等差递增。
该mems麦克风的制造方法具体如下：
步骤一、在衬底上电沉积一层厚度为300nm～500nm的二氧化硅，得到刻蚀停止环雏形体。
步骤二、在刻蚀停止环雏形体上电沉积一层厚度为300nm～500nm的非晶硅材料，得到第一非晶硅层。通过光刻后刻蚀的方式将第一非晶硅层上分割为第三接线柱以及互相独立且同轴设置的降噪环雏形体、多个辅助加工环。将降噪环雏形体进行退火，得到降噪环。
步骤三、在降噪环上电沉积一层厚度为500nm～800nm的二氧化硅，得到振膜支撑环雏形体。
步骤四、在振膜支撑环雏形体上电沉积一层厚度为300nm～500nm的非晶硅材料，得到第二非晶硅层。
步骤五、通过光刻后刻蚀的方式将第二非晶硅层分割为第一接线柱、第二接线柱、振膜雏形体和降噪带雏形体。振膜雏形体与降噪带雏形体互相独立。第一接线柱与振膜连接。第二接线柱与降噪带连接。振膜雏形体上带有通气孔。降噪带雏形体环住振膜雏形体。将振膜雏形体和降噪带中进行退火，到振膜和降噪带。
步骤六、在振膜上电沉积一层厚度为500nm～800nm的二氧化硅绝缘材料，得到第一绝缘环雏形体。
步骤七、通过光刻后刻蚀的方式在第一绝缘环雏形体上开设多个防粘着辅助孔。
步骤八、在第一绝缘环雏形体上电沉积一层厚度为1000nm～2000nm的二氧化硅绝缘材料，得到第二绝缘环雏形体。
步骤九、通过光刻后刻蚀的方式在第二绝缘环雏形体上开设盲孔。
步骤十、在第二绝缘环雏形体上电沉积一层厚度为100nm～200nm的氮化硅绝缘材料，得到阻隔绝缘层雏形体。阻隔绝缘层雏形体由阻隔绝缘环雏形体和阻隔绝缘片组成。阻隔绝缘层雏形体靠近振膜的侧面上形成多个防粘着凸块。
步骤十一、在阻隔绝缘层雏形体上电沉积一层厚度为500～1000nm的非晶硅材料，得到导电层雏形体。导电层雏形体由导电环雏形体和位于盲孔内的导电片组成。
步骤十二、通过光刻后刻蚀的方式去除阻隔绝缘环雏形体及导电环雏形体的边缘部分，并得到第四接线柱。第四接线柱与导电层雏形体连接。将导电层雏形体进行退火，得到阻隔绝缘层和导电层。
步骤十三、通过光刻后刻蚀的方式去除第一接线柱、第二接线柱和第三接线柱上覆盖的二氧化硅绝缘材料。然后通过溅射工艺在第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱以及第四接线柱上覆盖金属。
步骤十四、在导电层远离衬底及第二绝缘环的侧面上电沉积一层厚度为500nm～1000nm的氮化硅，得到氮化硅钝化保护层。氮化硅绝缘环、导电层及氮化硅钝化保护层组成背电极。
步骤十五、通过光刻后刻蚀的方式在背电极上开设出多个声孔，并去除掉在第一接线柱、第二接线柱、第三接线柱以及第四接线柱上覆盖的氮化硅。
步骤十六、通过光刻后刻蚀的方式在衬底的外端面刻蚀出背腔。背腔贯穿衬底。
步骤十七、用氢氟酸腐蚀掉刻蚀停止环雏形体及振膜支撑环雏形体中部，得到刻蚀停止环及振膜支撑环。
步骤十八、用氢氟酸通过声孔腐蚀掉第一绝缘环雏形体及第二绝缘环雏形体的中心部位，得到第一绝缘环和第二绝缘环。
进一步地，步骤二中，在电沉积第一非晶硅层的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。步骤四中，在电沉积第二非晶硅层的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。步骤十一中，在电沉积导电层雏形体的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过将振膜制作成环状结构实现麦克风的高灵敏度。
2、本发明的背电极呈现中心部分靠近振膜，边缘部分远离振膜的状态。由于振膜边缘不容易振动，背电极边缘部分与振膜边缘形成的电容大小对灵敏度有很大的影响。使得背电极的边缘部分远离振膜后，能够有效减小背电极边缘部分与振膜边缘形成的电容，有效提高麦克风的灵敏度。
3、本发明通过设置降噪带、降噪环进一步减弱噪声对信号的影响，实现较高的信噪比。
4、本发明的制造方法易于操作，有利于大批量生产。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的俯视示意图；
图3为本发明的断面示意图；
图4为本发明中振膜的局部剖面图；
图5为本发明的制造方法步骤一完成后的示意图；
图6为本发明的制造方法步骤二完成后的示意图；
图7为本发明的制造方法步骤二完成后的辅助加工环与刻蚀停止环雏形体的组合局部剖面图；
图8为本发明的制造方法步骤三完成后的示意图；
图9为本发明的制造方法步骤四完成后的示意图；
图10为本发明的制造方法步骤五完成后的示意图；
图11为本发明的制造方法步骤五完成后通风孔的示意图；
图12为本发明的制造方法步骤六完成后的示意图；
图13为本发明的制造方法步骤七完成后的示意图；
图14为本发明的制造方法步骤八完成后的示意图；
图15为本发明的制造方法步骤九完成后的示意图；
图16为本发明的制造方法步骤十完成后的示意图；
图17为本发明的制造方法步骤十一完成后的示意图；
图18为本发明的制造方法步骤十二完成后的示意图；
图19为本发明的制造方法步骤十四完成后的示意图；
图20为本发明的制造方法步骤十五完成后的示意图；
图21为本发明的制造方法步骤十六完成后的示意图；
图22为本发明的制造方法步骤十七完成后的示意图；
图23为本发明的制造方法步骤十八完成后的示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
参见图1、2和3，电容式mems麦克风，包括衬底1、振膜2、背电极、降噪带4、降噪环5、接线组件、刻蚀停止环9、振膜支撑环10、第一绝缘环11和第二绝缘环12。
衬底1的外端面上开设贯穿衬底1的背腔6。衬底1、刻蚀停止环9、振膜支撑环10、第一绝缘环11、第二绝缘环12依次排列叠置并同轴固定在一起。刻蚀停止环9与振膜支撑环10之间设置有降噪环5。振膜2与振膜支撑环10远离衬底1的一侧固定。振膜2的外边缘与第一绝缘环11的内侧壁之间设置有降噪带4。
参见图1和4，振膜2的两个侧面上均开设有多个环形槽。所有环形槽均与振膜2同轴设置。振膜2同一侧面上各环形槽的内径沿振膜2中心向边缘的方向依次等差递增。振膜表面呈环状的结构，能够提高器件灵敏性，降噪带接入信号处理电路中降低噪音的影响。振膜2的边缘处开设有通气孔21，防止麦克风在封装后形成密封空间。
背电极与第二绝缘环12的内侧壁固定。背电极与振膜2间隔设置，形成振动空腔7(背电极、振膜2、第一绝缘环11及第二绝缘环12合围成的空间)。背电极包括阻隔绝缘层、导电层和氮化硅钝化保护层。
氮化硅钝化保护层由保护环316和保护盘313组成。保护环316与第二绝缘环固定。保护盘313的靠近振膜的那侧侧面外凸设置，另一侧侧面内凹设置，形成位于保护盘313中心部位的近膜部33和位于保护盘313边缘部位的远膜部34。
导电层由导电环312和导电片315组成。导电环312与保护盘313上远膜部34靠近振膜2的侧面固定，且环住近膜部33。导电片315与保护盘313上近膜部33靠近振膜2的侧面固定。导电环312与振膜2的间距大于导电片315与振膜2的间距。
阻隔绝缘层由阻隔绝缘环311和阻隔绝缘片314组成。阻隔绝缘环311与导电环312靠近振膜2的侧面固定，且环住近膜部33。阻隔绝缘片314与导电片315靠近振膜2的侧面固定。阻隔绝缘环及导电环均与保护环固定。
背电极上开设有多个声孔32。所有声孔32均贯穿背电极。阻隔绝缘层靠近振膜2的侧面上设置有多个防粘着凸块31。背电极呈现中心部分靠近振膜2，边缘部分远离振膜2的状态。由于振膜边缘不容易振动，背电极边缘部分与振膜边缘形成的电容大小对灵敏度有很大的影响，使得背电极的边缘部分远离振膜2后，能够有效减小背电极边缘部分与振膜边缘形成的电容，有效提高麦克风的灵敏度。
接线组件包括第一接线柱84、第二接线柱81、第三接线柱83和第四接线柱82。第一接线柱84、第二接线柱81、第三接线柱83、第四接线柱82均与保护环316固定，且与振膜2、降噪带4、降噪环5、导电层分别连接。
振膜2、降噪带4、降噪环5及导电层的材质均为多晶硅。阻隔绝缘层及氮化硅钝化保护层的材质均为氮化硅。刻蚀停止环9、振膜支撑环10、第一绝缘环11和第二绝缘环12的材质均为二氧化硅。
参见图5至图23，该mems麦克风的制造方法具体如下：
步骤一、参照图5，在衬底的内端端面上电沉积一层厚度为300nm～500nm的二氧化硅绝缘材料，得到刻蚀停止环9雏形体。刻蚀停止环9雏形体的作用是防止在形成背腔的过程中过刻损坏麦克风。
步骤二、参照图6，在刻蚀停止环9雏形体远离衬底1的侧面上电沉积一层厚度为300nm～500nm的非晶硅材料(amorphoussiliconα-si，又称无定形硅)，得到第一非晶硅层。在电沉积第一非晶硅层的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。通过光刻后刻蚀的方式将第一非晶硅层上分割为第三接线柱以及互相独立且同轴设置的降噪环5雏形体和多个辅助加工环。多个辅助加工环与振膜2上的多个环形槽分别位置对应。降噪环5雏形体环住所有辅助加工环。降噪环5雏形体和多个辅助加工环的位置关系如图7所示。
将降噪环5雏形体在快速退火炉中进行退火，使得非晶硅转变为多晶硅，得到降噪环5。降噪环5接入信号处理电路中能够消除器件噪音。多个辅助加工环在步骤十四后将经衬底1的背腔中掉落，此外，辅助加工环还能固定二氧化硅腐蚀区域以消除步骤十四中的对准误差；
步骤三、参照图8，在降噪环5远离衬底1的侧面上电沉积一层厚度为500nm～800nm的二氧化硅绝缘材料，得到振膜支撑环10雏形体。由于电沉积得到的振膜支撑环10雏形体各处厚度一致，故振膜支撑环10雏形体上存在与各辅助加工环分别形状相同的多个环形凸起。
步骤四、参照图9，在振膜支撑环10雏形体远离衬底1的侧面上电沉积一层厚度为300nm～500nm的非晶硅材料，得到第二非晶硅层。由于电沉积得到的第二非晶硅层各处厚度一致，故第二非晶硅层的两个侧面上均存在多个环形槽。在电沉积第二非晶硅层的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。
步骤五、参照图10和11，通过光刻后刻蚀的方式将第二非晶硅层分割为第一接线柱、第二接线柱、振膜2雏形体和降噪带4雏形体。振膜2雏形体和降噪带4雏形体与互相独立。第一接线柱与振膜2连接。第二接线柱与降噪带4连接。振膜2雏形体上带有通气孔21。降噪带4雏形体环住振膜2雏形体。将振膜2雏形体和降噪带4在快速退火炉中进行退火，使得非晶硅转变为多晶硅，得到振膜2和降噪带4。
步骤六、参照图12，在振膜2远离衬底1的侧面上用正硅酸乙酯(teos)热分解法电沉积一层厚度为500nm～800nm的二氧化硅绝缘材料，得到第一绝缘环11雏形体。
步骤七、参照图13，通过光刻后刻蚀的方式在第一绝缘环11雏形体上开设多个防粘着辅助孔111。
步骤八、参照图14，在第一绝缘环11雏形体远离衬底1的侧面上电沉积一层厚度为1000nm～2000nm的二氧化硅绝缘材料，得到第二绝缘环12雏形体。由于电沉积得到的第二绝缘环12雏形体各处厚度一致，故第二绝缘环12雏形体上存在与第一绝缘环11雏形体上防粘着辅助孔111相同的辅助加工孔。
步骤九、参照图15，通过光刻后刻蚀的方式在第二绝缘环12雏形体远离衬底1侧面的中心位置上开设盲孔121。光刻后刻蚀的加工深度一致，故盲孔121底部保留辅助加工孔。
步骤十、参照图16，在第二绝缘环12雏形体远离衬底1的侧面上用正硅酸乙酯(teos)热分解法电沉积一层厚度为100nm～200nm的氮化硅绝缘材料，得到阻隔绝缘层雏形体。阻隔绝缘层雏形体由阻隔绝缘环311雏形体和位于盲孔内的阻隔绝缘片314组成。阻隔绝缘层雏形体靠近振膜的侧面上形成多个防粘着凸块31。防粘着凸块31可以防止振膜与背电极粘连。
步骤十一、参照图17，在阻隔绝缘层雏形体远离衬底1的侧面上电沉积一层厚度为500～1000nm的非晶硅材料，得到导电层雏形体。在电沉积导电层雏形体的同时通过在位掺杂的方式掺入离子。导电层雏形体由导电环312雏形体和位于盲孔内的导电片315组成。
步骤十二、参照图18，通过光刻后刻蚀的方式去除阻隔绝缘环311雏形体及导电环312雏形体的边缘部分，并得到第四接线柱。第四接线柱与导电层雏形体连接。将导电层雏形体在快速退火炉中进行退火，使得非晶硅转变为多晶硅，得到阻隔绝缘层和导电层，形成背电极结构。
步骤十三、通过光刻后刻蚀的方式去除第一接线柱84、第二接线柱81和第三接线柱83上覆盖的二氧化硅绝缘材料，露出多晶硅导电材料。然后通过溅射工艺在第一接线柱84、第二接线柱81、第三接线柱83以及第四接线柱82上覆盖用于引线封装的金属。
步骤十四、参照图19，在导电层远离衬底1及第二绝缘环12的侧面上电沉积一层厚度为500nm～1000nm的氮化硅绝缘材料，得到氮化硅钝化保护层。氮化硅绝缘环、导电层及氮化硅钝化保护层组成背电极。
步骤十五、参照图20，通过光刻后刻蚀的方式在背电极上开设出多个声孔，并去除掉在第一接线柱84、第二接线柱81、第三接线柱83以及第四接线柱82上覆盖的氮化硅。所有声孔均贯穿背电极。
步骤十六、参照图21通过光刻后刻蚀的方式在衬底1的外端面刻蚀出背腔6。背腔6贯穿衬底1。
步骤十七、参照图22，用氢氟酸腐蚀掉刻蚀停止环9雏形体及振膜支撑环10雏形体中心部位的二氧化硅绝缘材料，露出振膜2。得到刻蚀停止环9和振膜支撑环，此时，多个辅助加工环均从衬底1的背腔6中掉出。
步骤十八、参照图23，用氢氟酸通过声孔腐蚀掉第一绝缘环11雏形体及第二绝缘环12雏形体的中心部位，得到第一绝缘环11和第二绝缘环12，并形成振动空腔7。背极板3与振膜2构成电容两极。