微机电电容式麦克风及微机电电容式麦克风的制作方法

技术领域

本发明涉及一种麦克风技术领域，尤其涉及一种微机电(Micro ElectroMechanical System，MEMS)电容式麦克风及微机电电容式麦克风的制作方法。

背景技术

微机电(MEMS)麦克风对于高灵敏度、高信噪比、较广动态范围及高结构可靠度的要求日渐提升，但其中不仅灵敏度与动态范围存在权衡关系，微机电电容式麦克风在低空气阻抗(高背板开孔率)、高背板刚性及大背板电极面积间亦存在两难的权衡关系，此三者会明显影响微机电电容式麦克风的信噪比。

具体而言，在微机电电容式麦克风中，若为了达到可收集到微小声音的高灵敏度时，振膜的柔度需变大，即较易受声压作用而产生形变，因此可允许的声压等级将会降低，从而使动态范围变窄，因此，在产生大音量时，输出信号失真将会变大，从而产生破音。相反的，若增加振膜的刚性，即较不易受声压作用而产生形变，使其在大音量下也不容易产生非线性变形，失真度较小，而可允许声压等级也会变高，其动态范围也会变宽，但缺点是灵敏度会下降，而灵敏度的降低也直接影响到信噪比。另外，为了提升微机电电容式麦克风的信噪比，必须思考如何降低杂讯来源，如：电路中的约翰逊－奈奎斯特噪声(Johnson–Nyquistnoise)、微机电结构耦合的寄生电容、空气阻抗或背板刚性不足产生的声压变形等。

因此，如何改善MEMS麦克风的结构设计，以解决传统MEMS麦克风在空气阻抗、背板电极面积或背板刚性之间存在高度的权衡关系的抉择困境，乃为目前业者所极力追求的。

发明内容

本发明提供了一种微机电电容式麦克风及微机电电容式麦克风的制作方法，其中微机电电容式麦克风具有较高的背板刚性，且可大幅降低空气阻抗而提升微机电电容式麦克风的信噪比。同时微机电电容式麦克风亦具有感测效率佳的优点。

本发明所提供的微机电电容式麦克风包括衬底、振膜、背板结构以及多个支撑结构。衬底具有空腔及多个闸板结构，空腔贯穿衬底，多个闸板结构由空腔的内壁朝空腔的中央延伸；振膜可振动地设置于衬底的一侧，振膜包含主要变形区及非主要变形区，非主要变形区围绕主要变形区；背板结构设置于振膜的一侧，且振膜位于衬底及背板结构之间；多个支撑结构设置于背板结构，穿设于振膜的主要变形区的周缘，并分别抵于多个闸板结构。

在本发明的一实施例中，上述的背板结构包含背板主体及背板电极，振膜为振动电极，振动电极与背板电极相面对且振动电极与背板电极之间存在一气隙。

在本发明的一实施例中，上述的背板结构更包含多个防粘附挡块，穿设于背板电极，且突出朝向振动电极。

在本发明的一实施例中，上述的背板结构界定第一区域及第二区域，第一区域对应振膜的主要变形区，第二区域对应振膜的非主要变形区，第一区域形成有多个第一声孔，第二区域形成有多个第二声孔，每一第二声孔的面积大于每一第一声孔的面积。

在本发明的一实施例中，上述的多个第二声孔在第二区域的开孔率大于60％，第二声孔的形状选自圆形、椭圆形或多边形其中之一或其组合。

在本发明的一实施例中，上述的微机电电容式麦克风更包含第一绝缘间隔层及第二绝缘间隔层，第一绝缘间隔层及第二绝缘间隔层分别具有第一开孔及第二开孔，第一绝缘间隔层设置于振膜的非主要变形区与衬底之间，且第一开孔连通空腔，第二绝缘间隔层设置于振膜的非主要变形区与背板结构的第二区域之间，且第二开孔连通第一声孔及第二声孔。

在本发明的一实施例中，上述的多个闸板结构呈向心状均匀分布于空腔的内壁。

在本发明的一实施例中，上述的闸板结构的形状选自长条形、圆形、环形、椭圆形、蜂巢形、方形、三角形、多边形其中之一或其组合。

在本发明的一实施例中，上述的振膜上形成多个振膜通孔，分别供多个支撑结构穿过，其中，每一支撑结构与每一振膜通孔的内壁间存在有间隙。

本发明所提供的微机电电容式麦克风的制作方法包括：提供一衬底；形成第一牺牲层于衬底上；形成振膜于第一牺牲层上，振膜包含主要变形区及非主要变形区，非主要变形区围绕主要变形区，振膜的主要变形区的周缘形成有多个振膜通孔；形成第二牺牲层于第一牺牲层上并覆盖振膜且填充多个振膜通孔；形成第三牺牲层于第二牺牲层上，且第三牺牲层上形成有多个防粘附挡块凹槽；形成背板电极于第三牺牲层上，背板电极形成有多个防粘附挡块通孔，多个防粘附挡块通孔分别对应多个防粘附挡块凹槽；形成多个支撑结构通槽，每一支撑结构通槽贯穿背板电极、第三牺牲层、振膜通孔内的第二牺牲层及第一牺牲层，其中振膜通孔的内壁残留有一部分第二牺牲层；形成背板主体、多个支撑结构及多个防粘附挡块，其中背板主体设置于背板电极上，背板主体及背板电极构成背板结构，多个支撑结构分别形成于多个支撑结构通槽，每一防粘附挡块形成于每一防粘附挡块通孔及每一防粘附挡块凹槽；于背板结构形成多个第一声孔及多个第二声孔，其中，第一声孔的位置对应振膜的主要变形区，第二声孔的位置对应振膜的非主要变形区，每一第二声孔的面积大于每一第一声孔的面积；于衬底形成空腔及多个闸板结构，空腔贯穿衬底，多个闸板结构由空腔的内壁朝空腔的中央延伸，多个闸板结构分别对应多个支撑结构；以及移除部分第一牺牲层、部分第二牺牲层及部分第三牺牲层，其中，于第一牺牲层形成第一开孔连通空腔，于第二牺牲层及第三牺牲层形成第二开孔连通第一声孔及第二声孔。

在本发明的一实施例中，在移除上述的部分第二牺牲层时，并将振膜通孔的内壁残留的一部分第二牺牲层移除，使每一支撑结构与每一振膜通孔的内壁间存在有间隙。

在本发明的一实施例中，于上述的衬底形成空腔及多个闸板结构前，先对衬底的远离第一牺牲层的背面进行抛光制程，以减薄衬底。

在本发明的一实施例中，上述的第一牺牲层为氧化硅、氮化硅或其组合。

在本发明的一实施例中，上述的振膜为多晶硅层、金属层、绝缘层及多晶硅层的叠合、或者绝缘层及金属层的叠合。

在本发明的一实施例中，形成上述的背板主体、支撑结构及防粘附挡块的步骤包含：沉积非导电材料于第三牺牲层上，非导电材料覆盖背板电极，且填充进防粘附挡块通孔、防粘附挡块凹槽及支撑结构通槽。

本发明因借由闸板结构的设置，可提供支撑结构于背板及闸板结构之间，因此背板结构较内侧的区域可以得到支撑，防止过多的变形及提供背板结构较高的刚性。也因为背板结构较内侧区域得到支撑，因此可以在支撑处的外围区域打开大面积的声学孔(即较大面积的第二声孔)，以可大幅降低空气阻抗而提升微机电电容式麦克风的信噪比。又在本发明实施例微机电电容式麦克风的结构中，可依照振膜的变形曲线变化程度，将振膜分为主要变形区及非主要变形区，同时背板结构亦可分为主要电极区及非主要电极区，其中由于背板电极主要设置于对应主要变形区的主要电极区，可将微机电电容式麦克风的灵敏度依振膜的变形区域而得到最佳的电容变化比率，可增加微机电电容式麦克风的感测效率。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图,详细说明如下。

附图说明

图1A至图1J所示是本发明一实施例微机电电容式麦克风的制作方法的剖面示意图。

图2所示是本发明一实施例背板结构的俯视示意图。

图3A至图3C所示分别是本发明一实施例空腔及硅闸板结构的俯视示意图。

具体实施方式

图1A至图1J所示是本发明一实施例微机电电容式麦克风的制作方法的剖面示意图。如图1A所示，提供一衬底100。具体地，衬底100用于为微机电电容式麦克风的形成提供工艺平台，衬底100的材料可以采用硅衬底、锗衬底、硅锗衬底、碳化硅衬底、绝缘体上硅衬底、绝缘体上锗衬底、玻璃衬底、III-V族化合物衬底(例如氮化镓衬底或砷化镓基衬底等)或其它合适的衬底。本实施例中，衬底100以硅衬底为例，但并非局限于此。

接着，如图1B所示，于衬底100上形成第一牺牲层200。具体地，第一牺牲层200通过采用化学气相沉积或其它合适的方法形成于衬底100上，第一牺牲层200的材料优选采用二氧化硅，以便与后续形成的振膜300(绘示于图1C)形成绝缘，且在结构释放过程具较高的蚀刻选择比，以避免对振膜300在结构释放时被化学溶液造成损伤。但第一牺牲层的材料的选择并非局限于此，还可以包括如氮化硅、氧化硅与氮化硅的叠层，或其它合适的材料，具体可以根据需要进行选择，此处不作限制。

接着，如图1C所示，于第一牺牲层200上形成振膜300。具体地，先采用物理气相沉积或其它合适的方法形成振膜材料层,然后采用光刻和刻蚀等工艺图形化以得到振膜300。其中，振膜300作为微机电电容式麦克风的振动电极，振膜300的材料可包括多晶硅层、金属层、绝缘层及多晶硅层的叠合、绝缘层及金属层的叠合、或者其它具有弹性的金属。于一实施例中，振膜300包含主要变形区300a及非主要变形区300b，非主要变形区300b围绕主要变形区300a，其中，在振膜300的主要变形区300a的周缘形成有多个振膜通孔310。

接着，如图1D所示，形成第二牺牲层400于第一牺牲层200上并覆盖振膜300且填充多个振膜通孔310；之后，形成第三牺牲层410于第二牺牲层400上，且第三牺牲层410上形成有多个防粘附挡块凹槽411。具体地，于一实施例中，第二牺牲层400及第三牺牲层410逐层堆叠于第一牺牲层200上并覆盖振膜300，其中，通过采用化学气相沉积、物理气相沉积或其它合适的方法形成第二牺牲层400及第三牺牲层410，第二牺牲层400及第三牺牲层410的材料可包括二氧化硅或其它合适的材料，第二牺牲层400及/或第三牺牲层410的材料可以与第一牺牲层200的材料相同，也可以互为不同，此处不作限制。但作为一优选，第二牺牲层400或第三牺牲层410的材料与振膜300的材料之间具有较高的选择蚀刻比，避免后续刻蚀时对振膜300的损伤。又于一实施例中，防粘附阻挡块凹槽411通过光刻、刻蚀等工艺形成于第三牺牲层410中。又可选择的，更可依据后续所述气隙的空间需求在第三牺牲层410上形成第四牺牲层等。

之后，如图1E所示，形成背板电极700于第三牺牲层410上以及形成多个支撑结构通槽600，每一支撑结构通槽600贯穿背板电极700、第三牺牲层410、振膜通孔310(标示于图1C、1D)内的部分第二牺牲层400、及第一牺牲层200，其中，支撑结构通槽600贯穿振膜通孔310内的部分第二牺牲层400，使得振膜通孔310的内壁残留有一部分第二牺牲层400a。又背板电极700形成有多个防粘附挡块通孔701，多个防粘附挡块通孔701分别对应多个防粘附挡块凹槽411。具体地，于一实施例中，可在背板电极700形成于第三牺牲层410上之后，再形成多个直接贯穿背板电极700、第三牺牲层410、振膜通孔310内的部分第二牺牲层400及第一牺牲层200的支撑结构通槽600，惟不限于此；于又一实施例中，如图1E所示，可于形成第三牺牲层410后，先行定义形成部分支撑结构通槽600'以贯穿第三牺牲层410、振膜通孔310内的部分第二牺牲层400及第一牺牲层200，并于背板电极700形成后再行定义形成背板电极通孔710以贯穿背板电极700，支撑结构通槽600'及背板电极通孔710连通以构成支撑结构通槽600；于又一实施例中，亦可在各别牺牲层(如第一牺牲层200、第二牺牲层400、第三牺牲层410)沉积后，独立定义局部的支撑结构通槽600，使形成支撑结构通槽600的工艺具有高度弹性。

其中，背板电极700的形成例如先形成背板导电层(未绘示)于第三牺牲层410上，并图形化背板导电层以形成背板电极700。具体地，通过物理气相沉积或其它合适的方法沉积导电材料以形成背板导电层，背板导电层的材料可包括多晶硅或其它合适的材料，然后通过光刻、刻蚀等工艺去除背板导电层的对应支撑结构通槽600'的部分区域以形成上述的背板电极通孔710以及背板电极700。于一实施例中，背板电极700在第三牺牲层410上的覆盖区域对应微机电电容式麦克风的感测区域，以和作为振动电极的振膜300形成电容结构，也就是微机电电容式麦克风的有效电容区域。

其中，支撑结构通槽600可以为柱状、中空环状、环形或断续环状分布等。于一实施例中，支撑结构通槽600的纵截面可为阶梯状或直线状，而支撑结构通槽600的单一横截面可以为圆形、中空环形、椭圆形、蜂巢形、蛋形、方形、三角形、多边形或是其他任意形状。

接着，形成背板主体800(标示于后述的图1G)、多个支撑结构840(标示于后述的图1G)及多个防粘附挡块850(标示于后述的图1G)，于一实施例中，背板主体800、支撑结构840及防粘附挡块850的制作如图1F所示，沉积非导电材料800'于第三牺牲层410上，非导电材料800'覆盖背板电极700，且填充进防粘附挡块通孔701(标示于图1E)、防粘附挡块凹槽411(标示于图1E)及支撑结构通槽600(标示于图1E)。具体地，采用化学气相沉积、物理气相沉积或其它合适的方法沉积非导电材料800'覆盖第三牺牲层410的顶面与侧面，并填充进支撑结构通槽600、防粘附挡块通孔701及防粘附挡块凹槽411，非导电材料800'例如可使用绝缘材料或其它合适的材料。

之后，去除位于第三牺牲层410侧面的部分非导电材料800'，如图1G所示，而形成背板主体800、多个支撑结构840及多个防粘附挡块850，支撑结构840及防粘附挡块850连接于背板主体800。其中背板主体800设置于背板电极700上，背板主体800及背板电极700构成背板结构900，多个支撑结构840分别形成于多个支撑结构通槽600(标示于图1E)，每一防粘附挡块850形成于每一防粘附挡块通孔701(标示于图1E)及每一防粘附挡块凹槽411(标示于图1E)。于一实施例中，背板主体800的区域可以大于背板电极700的区域，亦即背板主体800的部分区域并不一定存在背板导电700。

其中，支撑结构840连接背板主体800和衬底100。于一实施例中，借由非导电材料800'的填充进支撑结构通槽600，支撑结构840可以一次形成，惟不限于此；于一未绘示的实施例中，对应于支撑结构通槽600b在各牺牲层的独立定义形成，支撑结构840支撑结构也可以分阶段形成。

图2所示是本发明一实施例背板结构的俯视示意图，请同时参阅图1G及图2所示，界定背板结构900包含第一区域及第二区域，其中第一区域为主要电极区900a，第二区域为非主要电极区900b，主要电极区900a例如对应振膜300的主要变形区300a，非主要电极900b例如对应振膜300的非主要变形区300b。主要电极区900a上形成有多个第一声孔910，非主要电极区900b上形成有多个第二声孔920，亦即第一声孔910的分布位置对应振膜300的主要变形区300a，第二声孔920的分布位置对应振膜300的非主要变形区300b，每一第二声孔920的面积大于每一第一声孔910的面积。于一实施例中，第二声孔920的形状可为圆形、扇形、椭圆、多边形或是任意形状等形状组合而成，惟不限于此，又第二声孔920的开孔面积占非主要电极区900b的面积的60％以上。又如图2所示，支撑结构840例如为均匀分布于主要电极区900a的外围。

之后，进行微机电电容式麦克风的主要电气结构的制作，例如以一般常见工艺定义导电接触窗极导电层等，于此不再赘述。接着，如图1H所示，对衬底100的远离第一牺牲层200的背面101进行抛光制程，以获得减薄的衬底100'。于一实施例中，可采用化学机械抛光或其它合适的工艺减薄衬底100。之后，如图1I所示，于衬底100'形成空腔110及多个闸板结构120，其中空腔110贯穿衬底100'，多个闸板结构120由空腔110的内壁111朝空腔110的中央延伸，于一实施例中，多个闸板结构120朝中央延伸的终端例如对应于振膜300的主要变形区300a的外围分布，且多个闸板结构120分别对应多个支撑结构840，以借由闸板结构120提供予支撑结构840稳定支撑的效果，而使整体机械结构更加稳定。

具体地，采用深反应离子蚀刻或其它合适的工艺形成空腔110于衬底100'中，空腔110在垂直方向贯穿衬底100'，其中，在对衬底100'的背面101'进行图形化时可借由不同的掩模组合形成高低落差，以在空腔110的底部形成闸板结构120。于一实施例中，闸板结构120以外的空腔110区域为贯穿衬底100'，而对于非贯穿衬底100'所在的闸板结构120，其离衬底100'的正面102的最远距离不大于5um，而闸板结构120的厚度为任何衬底100'可定义的厚度，在此不作限制。

其中，请同时参阅图3A至图3C所示分别是本发明一实施例空腔及硅闸板结构的俯视示意图，如图3A所示，多个闸板结构120由空腔110的内壁111呈向心状朝空腔110的中央延伸；如图3B所示，多个闸板结构120朝中央延伸的终端120a并可以一环形结构121连接在一起；如图3C所示，利用支架结构122将部分闸板结构120的终端120a相互连接。于一实施例中，闸板结构120可以由长条形、圆形、环形、椭圆、多边形或是任意形状等形状组合而成。

之后，如图1J所示，移除部分第一牺牲层200(标示于图1I)、部分第二牺牲层400(标示于图1I)及部分第三牺牲层410(标示于图1I)，其中，于第一牺牲层200形成第一开孔201连通空腔110，于第二牺牲层400及第三牺牲层410形成第二开孔412连通第一声孔910及第二声孔920。于一实施例中，在移除部分第二牺牲层400时，并将振膜通孔310的内壁残留的一部分第二牺牲层400a(标示于图1I)移除，使支撑结构840与振膜通孔310的内壁间存在有间隙311。于一实施例中，在移除部分第一牺牲层200以形成第一开孔201时，于振膜300的非主要变形区300b与衬底100之间保留部分的第一牺牲层200作为第一绝缘间隔层200a；在移除部分第二牺牲层400及部分第三牺牲层410以形成第二开孔412时，于振膜300的非主要变形区300b与背板结构900的非主要电极区900b之间保留部分的第二牺牲层400及部分的第三牺牲层410作为第二绝缘间隔层400b。又借由第二开孔412的形成，振动电极(振膜300)与背板电极700相面对且振动电极(振膜300)与背板电极700之间存在一气隙G，气隙G所在处将可做为微机电电容式麦克风10的结构运作区。

如图1J所示即为本发明一实施例微机电电容式麦克风的剖面示意图，微机电电容式麦克风10主要包括衬底100'、振膜300、背板结构900以及多个支撑结构840。衬底100具有空腔110及多个闸板结构120，空腔110贯穿衬底100'，多个闸板结构120由空腔110的内壁111朝空腔110的中央延伸；振膜300可振动地设置于衬底100'的一侧，振膜300包含主要变形区300a及非主要变形区300b，非主要变形区300b围绕主要变形区300a；背板结构900设置于振膜300的一侧，且振膜300位于衬底100及背板结构900之间；多个支撑结构840设置于背板结构900，穿设于振膜300的主要变形区300a的周缘，并分别抵于多个闸板结构120。

其中，背板结构900包含背板主体800及背板电极700，作为振动电极的振膜300与背板电极700相面对且振膜300与背板电极700之间存在气隙G。背板结构900的主要电极区900a上形成有多个第一声孔910，背板结构900的非主要电极区900b上形成有多个第二声孔920，每一第二声孔920的面积大于每一第一声孔910的面积。

又，振膜300的非主要变形区300b与衬底100之间设置有第一绝缘间隔层200a，第一绝缘间隔层200a具有第一开孔201连通空腔110，振膜300的非主要变形区300b与背板结构900的非主要电极区900b之间设置第二绝缘间隔层400b，第二绝缘间隔层400b具有第二开孔412连通第一声孔910及第二声孔920。其中，与背板主体800连接的防粘附挡块850，穿设于背板电极700，且朝向振膜300凸出至气隙G。

在本发明实施例微机电电容式麦克风的结构中，借由闸板结构的设置，可提供支撑结构于背板及闸板结构之间，因此背板结构较内侧的区域可以得到支撑，防止过多的变形及提供背板结构较高的刚性。也因为背板结构较内侧区域得到支撑，因此可以在支撑处的外围区域打开大面积的声学孔(即较大面积的第二声孔)，以可大幅降低空气阻抗而提升微机电电容式麦克风的信噪比。因此，本发明实施例微机电电容式麦克风针对背板刚性提高以减少变形量而影响声学输出的问题、或者因背板刚性不足而造成结构崩溃的问题，提出了改良；同时也可以再不降低背板有效电极的前提下，在背板上大幅增加开孔率，以降低气隙的空气挤压膜阻尼和背板声学孔的空气粘滞阻尼来增加微机电电容式麦克风的信噪比。

再者，在本发明实施例微机电电容式麦克风的结构中，可依照振膜的变形曲线变化程度，将振膜分为主要变形区及非主要变形区，同时背板结构亦可分为主要电极区及非主要电极区，即振膜的非主要变形区对应背板结构的非主要电极区，振模的主要变形区对应于背板结构的主要电极区。其中在非主要电极区的背板电极对于微机电电容式麦克风的感测效率较无帮助，所以可在非主要电极区打开大幅比率的声学孔(即较大面积的第二声孔)，从而降低空气阻抗以提升信噪比。又由于背板电极主要设置于对应主要变形区的主要电极区，可将微机电电容式麦克风的灵敏度依振膜的变形区域而得到最佳的电容变化比率，可增加微机电电容式麦克风的感测效率。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明,任何熟悉本专业的技术人员,在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的方法及技术内容作出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。