Mems器件以及制造mems器件的方法
【技术领域】
[0001]本发明的实施例涉及一种MEMS (微机电系统)器件以及制造该MEMS器件的方法，更确切地，涉及一种包括至少部分地由石墨烯加固的隔膜的MEMS器件。
【背景技术】
[0002]MEMS技术可以用来实施各种器件，例如传感器和声学致动器。例如，在MEMS压力传感器中，小的隔膜位移可以相对于参考电极被电容性地感测，并且在MEMS微型扬声器中，隔膜可以由两个定子之间的静电驱动而被静电地致动从而提供大的冲程位移。
【发明内容】
[0003]根据一个实施例，一种MEMS器件包括:具有贯穿其中的空腔的支撑，以及在所述支撑的空腔上方延伸的隔膜，其中所述隔膜至少部分地由石墨烯加固。
[0004]根据另一个实施例，一种用于制造MEMS器件的方法包括:提供具有贯穿其中的空腔的支撑，提供在所述支撑的空腔上方延伸的隔膜，以及至少部分地通过石墨烯对所述隔膜进行加固。
【附图说明】
[0005]图1示出了指示石墨烯与硅相比较时的机械属性的表；
[0006]图2不出了根据一个实施例的MEMS器件的横截面视图；
[0007]图3示出了根据一个实施例的MEMS器件的部分的顶视图；
[0008]图4不出了根据一个实施例的MEMS压力传感器的横截面视图；
[0009]图5示出了根据一个实施例的包括利用石墨烯加固的隔膜的MEMS麦克风的横截面视图；
[0010]图6示出了根据另一个实施例的具有利用石墨烯加固的隔膜的MEMS麦克风的横截面视图；
[0011]图7示出了根据另一个实施例的MEMS麦克风的横截面视图，该实施例为图5和图6所描述的实施例的组合，在于其中提供了包括两个背板的双背板结构，在这两个背板之间夹有由石墨稀加固的隔I旲；以及
[0012]图8示出了根据一个实施例的用于制造MEMS器件的方法的流程图。
【具体实施方式】
[0013]下面，将进一步对本发明的实施例进行详细描述。在各个图中所示出的具有相同或相似功能性的元素将与相同的参考标号相关联。
[0014]传统上，采用硅技术制造MEMS传感器和MEMS声学致动器。在MEMS器件中的硅隔膜非常脆弱并且在处理期间由于操作中的机械震动而会容易被毁坏。
[0015]这样，就需要提供一种改进的MEMS器件。
[0016]实施例提供一种MEMS器件，所述MEMS器件包括具有贯穿其中的空腔的支撑，以及在所述支撑的空腔上方延伸的隔膜，其中所述隔膜至少部分地由石墨烯加固。
[0017]石墨烯被认为是比较奇异的材料，尤其是单层或单层的堆叠。弹性约为20%并且看起来是用以加固隔膜的完美材料。该构思是在隔膜(例如，多晶硅隔膜)的顶部或底部上沉积石墨烯层，以机械地强化这种构造或这种构造的锚定点。可以例如采用已知的半导体工艺来对石墨烯层进行结构化。
[0018]由于单层的石墨烯非常地薄，所以虽然将赋予增加的稳定性，但是预期没有隔膜性能的严重劣化。此外，石墨烯层是电传导的并且增强的构造可以改善可变电容传感器。
[0019]图1示出了指示石墨烯与硅相比较时的机械属性的表。可以看出，石墨烯在杨氏模量、断裂强度、泊松比和密度的值方面其性能优异于硅。因此，出于上面所列举的原因，当在MEMS技术中实现传感器或声致动器时采用石墨烯来加固隔膜具有优势。
[0020]图2示出了根据一个实施例的MEMS器件100的横截面视图。所述MEMS器件100包括具有贯穿其中的空腔128的支撑116，以及在所述支撑的空腔128上方延伸的隔膜121，其中所述隔膜121至少部分地由(或采用)石墨烯120加固。
[0021]在实施例中，隔膜121可以包括与石墨烯不同的材料。例如，隔膜121可以包括(多晶)硅或可以由(多晶)硅组成。
[0022]此外，隔膜121可以由石墨烯层120进行加固。所述石墨烯层120可以覆盖整个隔膜121。自然地，所述石墨烯层120也可以仅部分地覆盖隔膜121，例如在隔膜121的悬空区域中(或在隔膜121的锚定点处)。
[0023]如箭头126所描绘的，隔膜121在垂直方向上依据例如压力变化而可偏转。
[0024]图3示出了根据一个实施例的MEMS器件100的部分的顶视图。在图3中，隔膜121由石墨烯层进行加固，所述石墨烯层由在隔膜121上方延伸的栅格121来描绘。石墨烯层121可以被结构化为使得石墨烯层仅部分地覆盖隔膜121。进一步，石墨烯层121可以被结构化为使得隔膜121的悬空区域(或锚定点)123被加固。
[0025]换句话说，图2和图3所示出的MEMS器件100可以包括在隔膜121的顶部侧或底部侧处或在隔膜121的锚定点123处的结构化或非结构化的单层或多层石墨烯加固。
[0026]下面，将描述MEMS器件100作为压力传感器的实施例。不言而喻的是，下面的描述同样适用于上面所描述的MEMS器件100。
[0027]图4示出了根据一个实施例的MEMS压力传感器100的横截面视图。如图4所示，MEMS压力传感器100可以进一步包括导电的背板单元114，其中所述支撑116可以被布置在所述导电的背板单元114之上。
[0028]此外，MEMS压力传感器100可以包括第一电极122和第二电极124。所述第一电极122可以布置为与所述导电的背板单元114相接触，其中所述第二电极124可以布置为与利用石墨烯120加固的隔膜121相接触。图3中所示的所述支撑116可以是电介质间隔物，即，将利用石墨烯120加固的隔膜121与导电的背板单元114相隔离。
[0029]此外，所述MEMS压力传感器100可以包括具有前侧106和背侧108的衬底102。所述导电的背板单元114可以布置为在衬底102上方延伸。在衬底102的前侧106上可以布置电介质间隔物110，其中所述导电的背板单元114可以布置在电介质间隔物110上。
[0030]利用石墨烯120加固的隔膜121、支撑116以及导电的背板单元114可以形成为使得空腔128被完全封闭，从而使得包含在空腔128中的气体不会排放或逸出。在MEMS压力传感器100中，隔膜121和传导性背板单元114可以形成电容器，该电容器的电容值取决于隔膜121和导电的背板单元114之间的距离。MEMS压力传感器100的环境中的压力变化将导致隔膜121的位移，该位移接着被电容性地感测。
[0031]以下，将描述作为声学换能器，例如麦克风或微型扬声器的MEMS器件100的实施例。然而，本发明的实施例并不限于MEMS声学换能器。相反，下面的描述也适用于上面所描述的MEMS器件100。
[0032]传统上，以硅技术制造MEMS麦克风/微型扬声器。硅微机械加工的麦克风为包括在声场中移动的柔性隔膜和被称为背板的静态穿孔电极的电容性换能器。在极端压力的情况下，所述隔膜将遭受高达10巴的压力差。在这类情况下，通常的隔膜发生故障。
[0033]反向换能器为微型扬声器，其需要通过例如电容性致动而被致动以达到大冲程位移，从而驱动大的空气位移以及因此的可接受声压。
[0034]为了解决硅麦克风隔膜的过压力问题，有可能在麦克风的前方插入一减震垫，然而这将引入附加的不期望的噪声。还有可能的是增加麦克风的前方容积，然而这就增加了包括麦克风的应用中所需要的空间。另外一种用于解决过压力问题的可能在于经由弹簧支撑的隔膜或通过提供排风通道来提供通风，然而这就需要结构的特殊设计以及低应力梯度。另一种实施通风的可能在于通过在压力之下打开的隔膜中的阀瓣，然而这要求附加的设计区域并且应力梯度同样关键。
[0035]在硅微型扬声器中，通过包括引入(pull-1n)结构的多晶硅隔膜，例如通过提供压曲定子扬声器，可以产生大的声压。
[0036]石墨烯的机械属性对于产生具有非常高的柔量和大的断裂强度的麦克风隔膜而言具有优势，从而允许设计对于任何大的冲程位移都表现鲁棒的高度敏感的麦克风。另一方面，微型扬声器可以从高柔量获益，原因在于用以获得高冲程的致动电压可以被降低，并且同时高的断裂强度降低了故障风险并且实现了高的耐用性。根据实施例，隔膜的强度可以利用石墨烯进行加固。
[0037]石墨烯作为纯净的碳化合物表现出高的疏水性，这对于在可以包括湿法处理的制造工艺期间防止隔膜粘附以及避免在成品器件中的粘附而言具有优势。通过对石墨烯进行部分或全部化学功能性处理可以对疏水性进行改良，例如通过氟化处理，其中完全氟化处理会产生具有增加的疏水性的所谓的氟化石墨烯。同样可以执行氢化处理并且完全的氢化处理会产生具有适当增加的疏水性的石墨烯。还可以进行氧化处理并且完全的氧化处理会产生具有急剧降低的疏水性的氧化石墨烯。根据实施例，还可以使用化学地改良的单层石墨烯膜或包括夹在化学地改良的石墨烯膜之间的石墨烯的复合膜。
[0038]图5示出了根据一个实施例的包括利用石墨烯120加固的隔膜121的MEMS麦克风100的横截面视图。所述麦克风100包括衬底102，例如硅衬底，其中形成有空腔104。空腔104从衬底102上的第一表面106延伸到与第一表面相对的衬底的第二表面108。第一表面106也称为衬底102的前侧，并且第二表面108也称为衬底102的背侧。在衬底的前侧106上布置有电介质间隔物层110。电介质间隔物层110布置在衬底102的前侧106上，使得围绕空腔104并且从空腔朝向衬底102的外围112延伸。电介质间隔物层110可以一直延伸到外围112或可以布置为在衬底的特定部分处从外围112凹入，如图2的右手部分所示。麦克风100进一步包括导电穿孔背板114，导电穿孔背板114包括外围区域114a和穿孔区域114b。背板114可以由多晶硅形成，并且穿孔区域114b包括多个延伸穿过背板114的空腔114c。背板114布置为使得其穿孔区域114b被布置为在衬底102的空腔104上方延伸或跨越衬底102的空腔104延伸，并且背板114的外围区域114a被布置在电介质间隔物层110上。麦克风100包括在背板114的穿孔区域114a上形成的另一个电介质间隔物层116。根据实施例，电介质间隔物层116并不延伸进空腔104上方的区域中，并且至少部分地覆盖背板114的外围区域114a。麦克风包括由背板之上的间隔物116支撑的由石墨烯120加固的隔膜121。所述隔膜121以如下这样的方式布置在衬底104之上，即其在空腔104上方并且也在导电穿孔背板114上