MEMS麦克风、电子设备及MEMS麦克风的制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(MEMS)技术领域，更具体地，本发明涉及一种MEMS麦克风、电子设备及MEMS麦克风的制备方法。

背景技术

现有技术中SDM(Sealed Dual Diaphragm Microphone，密封双振膜麦克风)因其超优的高性能，例如信噪比、最大声压级等而正在不断地扩大市场份额。但是，由于其较高的芯片成本和价格也限制了SDM在很多领域的广泛应用。

SDM成本高的主要原因在于其晶圆制作工艺的高度复杂性，现有的常规晶圆制作工艺包括共晶键合和阳极键合，然而两者在量产上都具有较大的难度。因此，提供一种新型的MEMS麦克风、电子设备及MEMS麦克风的制备方法，实属必要。

发明内容

鉴于上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种新型的MEMS麦克风、电子设备及MEMS麦克风的制备方法，旨在解决现有技术中的至少一个问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS麦克风。所述MEMS麦克风包括：

基底和第一振膜，所述第一振膜设置于所述基底上，所述第一振膜远离所述基底的一侧具有第一支撑件，所述基底上形成有声腔，所述第一振膜与所述声腔相对；

背板结构和第二振膜，所述背板结构设置于所述第一支撑件远离所述基底的一侧，所述背板结构远离所述第一振膜的一侧还具有第二支撑件，所述第二振膜设置于所述第二支撑件远离所述背板结构的一侧，且所述第一振膜和所述第二振膜之间连通；

所述背板结构包括背板和电极层，所述电极层连接于所述背板上，所述电极层为金属键合层，所述第一振膜、所述第二振膜、所述第一支撑件、所述第二支撑件、所述背板和所述电极层之间形成真空间隙。

可选地，所述电极层的厚度范围为0.5微米至2微米。

可选地，所述电极层包括两层铝材料层，两层所述铝材料层之间相互键合。

可选地，所述背板包括第一背板和第二背板，所述第一背板位于所述第一支撑件远离所述第一振膜的一侧，所述第二背板位于所述第二支撑件远离所述第二振膜的一侧，所述电极层设置于所述第一背板和所述第二背板之间。

可选地，所述电极层包括第一金属和第二金属，所述第一金属和所述第二金属叠设于所述第一背板和所述第二背板之间，且所述第一金属和所述第二金属之间相互键合。

可选地，所述第一振膜包括固定部和悬空部，所述固定部连接于所述基底上，所述悬空部的一侧与所述声腔相对，所述悬空部的另一侧与所述第二振膜相对，所述悬空部与所述第二振膜之间连通，所述悬空部、所述第二振膜、所述第一支撑件、所述第二支撑件、所述背板和所述电极层之间形成所述真空间隙。

可选地，所述真空间隙的厚度范围为4微米至8微米。

可选地，所述第二振膜的结构至少与所述第一振膜的所述悬空部的结构相同。

可选地，所述MEMS麦克风为差压麦克风。

根据本发明的另一个方面，提供了一种电子设备。该电子设备包括上述任意一项所述的MEMS麦克风。

根据本发明的再一个方面，提供了一种MEMS麦克风的制备方法。所述制备方法包括：

制作第一基底；

在所述第一基底上沉积第一振膜；

在所述第一振膜上沉积第一支撑件；

在所述第一支撑件上依次沉积第一背板和第一金属；

制作第二基底；

在所述第二基底上依次沉积第二振膜和第二支撑件；

在所述第二支撑件上依次沉积第二背板和第二金属；

翻转所述第二基底，并将所述第二金属与所述第一金属键合，所述第一背板、所述第二背板、所述第二金属与所述第一金属共同形成背极结构。

可选地，在所述翻转所述第二基底，并将所述第二金属与所述第一金属键合，所述第一背板、所述第二背板、所述第二金属与所述第一金属共同形成背极结构之后，还包括：

去除所述第二基底；

在所述第一基底上开设声腔，并形成所述MEMS麦克风。

本发明的一个技术效果在于，通过在第一支撑件远离基底的一侧设置背板结构，背板结构包括背板和电极层，电极层连接于背板上，电极层为金属键合层，且第一振膜、第二振膜、第一支撑件、第二支撑件、背板和电极层之间形成真空间隙，以能够实现第一振膜和第二振膜的连接，并能够便携地制成MEMS麦克风结构。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是本公开实施例的一种MEMS麦克风的结构示意图；

图2是本公开实施例的一种MEMS麦克风的制备过程示意图。

附图标记说明：

1、基底；11、声腔；2、第一振膜；21、固定部；22、悬空部；3、第一支撑件；4、背板结构；41、第二背板；42、电极层；421、第一金属；422、第二金属；43、第一背板；5、第二支撑件；6、第二振膜。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本发明提供了一种MEMS(Micro-Electro-Mechanical System，微机电系统)麦克风。MEMS麦克风是基于MEMS技术制造的麦克风。采用微机电工艺形成的微机电系统麦克风具有体积小、灵敏度高的特点，并且微机电麦麦克风具有良好的射频干扰(RFI)及电磁干扰(EMI)抑制能力。MEMS麦克风也常用于中高端手机等电子设备中。

如图1所示，根据本发明的一个方面，提供了一种MEMS麦克风。所述MEMS麦克风包括：

基底1和第一振膜2，所述第一振膜2设置于所述基底1上，所述第一振膜2远离所述基底1的一侧具有第一支撑件3，所述基底1上形成有声腔11，所述第一振膜2与所述声腔11相对；

背板结构4和第二振膜6，所述背板结构4设置于所述第一支撑件3远离所述基底1的一侧，所述背板结构4远离所述第一振膜2的一侧还具有第二支撑件5，所述第二振膜6设置于所述第二支撑件5远离所述背板结构4的一侧，且所述第一振膜2和所述第二振膜6之间连通；

所述背板结构4包括背板和电极层42，所述电极层42连接于所述背板上，所述电极层42为金属键合层，所述第一振膜2、所述第二振膜6、所述第一支撑件3、所述第二支撑件5、所述背板和所述电极层42之间形成真空间隙。

如图1所示，本发明实施例设置基底1上开设有声腔11，声腔11用于接收外界的声音信号。将第一振膜2设置于基底1上，比如可以先在基底1沉积一层二氧化硅层，再于其上沉积第一振膜2并进行刻蚀。设置第一振膜2与声腔11相对，使得第一振膜2能够感知到通过声腔11传递来的声音信号并相应发生振动。在第一振膜2远离基底1的一侧设置有第一支撑件3，第一支撑件3可以为环状结构或者柱状结构。其中，基底1可以采用硅材料制成，第一振膜2可以采用多晶硅材料制成，第一支撑件3可以采用低温氧化物沉积制成。

在第一支撑件3远离基底1的一侧设置背板结构4，背板结构4包括背板和电极层42，将电极层42连接于背板上，以能够形成背板结构4。背板结构4的一侧可以通过第一支撑件3和第一振膜2相连，当第一振膜2感知到声腔11传递的声音信号并发生振动时，第一振膜2能够通过第一支撑件3带动其上的背板结构4共同振动。

其中，背板可以采用氮化硅材料制成，也即背板为绝缘板。电极层42为金属键合层，也即电极层42可以为多种金属材料键合而成的结构层。比如，电极层42可以包括由两层金属材料键合而成的结构层，以能够利用金属热压键合工艺来提高MEMS麦克风的性能，同时也能够简化MEMS麦克风的加工工艺，便于MEMS麦克风的量产。比如，可以采用铝、钛钨、金、铬、镍、铜等金属材料相组合并键合制成。

如图1所示，本发明实施例在背板结构4远离第一振膜2的一侧还设置有第二支撑件5，并将第二振膜6设置于第二支撑件5远离背板结构4的一侧，也即第二振膜6位于第二支撑件5的上方，第二支撑件5用于连接并支撑第二振膜6。其中，第二振膜6可以采用多晶硅材料制成，第二支撑件5可以采用低温氧化物沉积制成。

并且，设置第一振膜2和第二振膜6之间连通，且第一振膜2、第二振膜6、第一支撑件3、第二支撑件5和背板结构4之间形成真空间隙。一方面，第二振膜6能够通过第二支撑件5、背板结构4、第一支撑件3与第一振膜2相连，第一振膜2和第二振膜6之间保持连通，当第一振膜2感知到声腔11传递的声音信号并发生振动时，第一振膜2能够依次通过第一支撑件3、背板结构4和第二支撑件5带动第二振膜6共同发生振动，从而形成具有第一振膜2和第二振膜6的双振膜差压感知结构。另一方面，第一振膜2、第二振膜6、第一支撑件3、第二支撑件5和背板结构4之间为真空间隙，也能够降低第一振膜2和第二振膜6之间区域的空气阻力，提高该MEMS麦克风的信噪比，从而提高该MEMS麦克风的声学性能。

可选地，所述电极层42的厚度范围为0.5微米至2微米。

具体地，本发明实施例设置电极层42也即金属键合层的厚度范围为0.5微米至2微米，也即电极层42的厚度在0.5微米至2微米之间，以能够对背板结构4的厚度进行控制，能够在利用金属键合工艺提高MEMS麦克风的性能的同时，也控制MEMS麦克风的厚度，避免MEMS麦克风的整体尺寸过大而影响应用范围。

可选地，本发明实施例设置所述电极层42可以包括两层铝材料层，也即该电极层42为铝－铝键合层，能够利用铝材料经济价廉的优点降低MEMS麦克风的生产成本，同时采用铝材料来制作金属键合层，也便于加工过程中的刻蚀与牺牲，也降低了MEMS麦克风的加工难度。

值得注意的是，根据实际MEMS麦克风的加工需求，也可以采用铝、钛钨、金、铬、镍、铜等金属材料相组合并键合制成金属键合层。

可选地，所述背板包括第一背板43和第二背板41，所述第一背板43位于所述第一支撑件3远离所述第一振膜2的一侧，所述第二背板41位于所述第二支撑件5远离所述第二振膜6的一侧，所述电极层42设置于所述第一背板43和所述第二背板41之间。

具体地，本发明实施例设置背板可以包括第一背板43和第二背板41，第一背板43和第二背板41均可以采用氮化硅等绝缘材料制成，也即第一背板43和第二背板41均为绝缘板。

如图1所示，第一背板43位于第一支撑件3远离第一振膜2的一侧，也即第一背板43位于第一支撑件3的上方，第二背板41位于第二支撑件5远离第二振膜6的一侧，也即第二背板41位于第二支撑件5的下方。电极层42夹设于第一背板43和第二背板41之间，以能够利用第一背板43和第二背板41来隔离并保护电极层42，保证了该MEMS麦克风的工作可靠性，也提高了该背板结构4的结构对称性。

可选地，所述电极层42包括第一金属421和第二金属422，所述第一金属421和所述第二金属422叠设于所述第一背板43和所述第二背板41之间，且所述第一金属421和所述第二金属422之间相互键合。

如图1所示，本发明实施例设置电极层42可以包括第一金属421和第二金属422。第一金属421可以为金属材料件，比如铝、钛钨、金、铬、镍、铜等金属材料件，第二金属422也可以为金属材料件，比如铝、钛钨、金、铬、镍、铜等金属材料件，以便于第一金属421和第二金属422之间的热压键合。

第一金属421和第二金属422叠设于第一背板43和第二背板41之间，第一金属421位于第二金属422的下方，且第一金属421和第二金属422之间键合，以能够通过第一背板43、第二背板41、第一金属421和第二金属422将第一支撑件3和第二支撑件5相连，从而能够将第一振膜2和第二振膜6相连。当第一振膜2感知到声腔11传递的声音信号并发生振动时，第一振膜2能够依次通过第一支撑件3、背板结构4和第二支撑件5带动第二振膜6共同发生振动，从而实现差压感知。

另外，第一金属421和第二金属422之间的键合连接，也便于在第一振膜2和第二振膜6形成真空间隙，以能够降低第一振膜2和第二振膜6之间区域的空气阻力，提高该MEMS麦克风的信噪比，从而提高该MEMS麦克风的声学性能。

可选地，所述第一振膜2包括固定部21和悬空部22，所述固定部21连接于所述基底1上，所述悬空部22的一侧与所述声腔11相对，所述悬空部22的另一侧与所述第二振膜6相对，所述悬空部22与所述第二振膜6之间连通，所述悬空部22、所述第二振膜6、所述第一支撑件3、所述第二支撑件5、所述背板和所述电极层42之间形成所述真空间隙。

如图1所示，本发明实施例设置第一振膜2可以包括固定部21和悬空部22，固定部21连接于基底1上并保持静止，而悬空部22与声腔11相对，悬空部22能够感知到声腔11传递的声音信号并相应发生振动。悬空部22远离基底1的一侧与第二振膜6相对，使得当悬空部22感知到声腔11传递的声音信号并发生振动时，悬空部22能够依次通过第一支撑件3、背板结构4和第二支撑件5带动第二振膜6共同发生振动，从而形成具有第一振膜2和第二振膜6的双振膜差压感知结构。

另外，设置悬空部22、第二振膜6、第一支撑件3、第二支撑件5和背板结构4之间能够形成真空间隙，也能够降低悬空部22和第二振膜6之间区域的空气阻力，提高该MEMS麦克风的信噪比，从而提高该MEMS麦克风的声学性能。

可选地，本发明实施例设置所述真空间隙的厚度范围可以为4微米至8微米，使得能够利用该真空间隙极大地降低第一振膜2的悬空部22和第二振膜6之间区域的空气阻力，提高该MEMS麦克风的信噪比，从而提高该MEMS麦克风的声学性能。同时通过该设置也能够避免该真空间隙的厚度过大带来的MEMS麦克风的封装尺寸过大，提高MEMS麦克风的声学可靠性，也便于MEMS麦克风的小型化发展。

可选地，所述第二振膜6的结构至少与所述第一振膜2的所述悬空部22的结构相同。

具体地，本发明实施例设置第二振膜6的结构至少与第一振膜2的悬空部22的结构相同，比如第二振膜6的结构与第一振膜2的悬空部22的结构完全相同，以能够提高第二振膜6和第一振膜2的结构对称性，从而也提高了第二振膜6和第一振膜2的差分感知能力。另外，设置第二振膜6的结构至少与第一振膜2的悬空部22的结构相同，也提高了该MEMS麦克风的整体美观性。

可选地，所述MEMS麦克风为差压麦克风，该差压麦克风能够通过第一振膜2和第二振膜6实现良好地差压感知。

本发明还提供了一种电子设备，所述电子设备包括上述的MEMS麦克风，所述电子设备应该具有上述MEMS麦克风所具备的技术效果。

在本实施例中，当电子设备工作时，其内部的MEMS麦克风能够接收用户的声音信号，并完成声音信号向电信号的转变。其中，电子设备可为手机、电视、电脑、蓝牙无线耳机、智能手表等等。

如图2所示，本发明还提供了一种MEMS麦克风的制备方法，包括：

制作第一基底(即为基底1)；

在所述第一基底上沉积第一振膜2；

在所述第一振膜2上沉积第一支撑件3；

在所述第一支撑件3上依次沉积第一背板43和第一金属421；

如图2中(a)所示，首先，以硅作为第一基底，在第一基底上沉积一层二氧化硅，选择性地掩蔽和刻蚀，该层二氧化硅层的厚度范围可以为0.1微米至1微米。然后，沉积多晶硅，掺杂并退火得到第一振膜2，其中第一振膜2的厚度范围可以为0.5微米至1微米。之后，在第一振膜2上沉积富硅低应力氮化硅，并得到图形化绝缘层，该图形化绝缘层的厚度范围为0.15微米至0.5微米。之后，继续沉积牺牲层，这些牺牲层可以是低温沉积的氧化硅、氮化硅等，刻蚀后得到第一支撑件3，第一支撑件3的厚度范围可以为1.5微米至3微米。之后，在第一支撑件3上依次沉积氮化硅和第一金属421，并选择性地掩蔽和刻蚀，其中氮化硅所制成的第一背板43的厚度范围可以为0.3微米至1微米，第一金属421的厚度范围可以为0.3微米至1微米，第一金属421的材料可以为铝、钛钨、金、铬、镍、铜等金属材料。最后，选择性地释放牺牲层，可以通过氢氟酸、气相氟化氢等进行释放。

制作第二基底；

在所述第二基底上依次沉积第二振膜6和第二支撑件5；

在所述第二支撑件5上依次沉积第二背板41和第二金属422；

这些在第二基底上的沉积步骤可以与在第一基底上的沉积步骤相同，并能够得到与第一基底上完全相同的层结构，在此不做赘述。

翻转所述第二基底，并将所述第二金属422与所述第一金属421键合，所述第一背板43、所述第二背板41、所述第二金属422与所述第一金属421共同形成背极结构。

如图2中(b)所示，翻转通过前述步骤得到的第二基底，并将第二金属422与第一金属421键合，使得第一背板43、第二背板41、第二金属422与第一金属421共同形成背极结构(也即背板结构4)，第二金属422与第一金属421形成电极层42，以能够利用金属热压键合工艺来提高MEMS麦克风的性能，同时也能够简化MEMS麦克风的加工工艺。

可选地，在所述翻转所述第二基底，并将所述第二金属422与所述第一金属421键合，所述第一背板43、所述第二背板41、所述第二金属422与所述第一金属421共同形成背极结构之后，还包括：

去除所述第二基底；

如图2中(c)和图2中(d)所示，在翻转第二基底，并将第二金属422与第一金属421键合，使得第一背板43、第二背板41、第二金属422与第一金属421共同形成背极结构之后，可以依次去除第二基底和第二基底上的二氧化硅层，使得第二振膜6露出。

之后，如图2中(e)和图2中(f)所示，依次制作通道和焊盘，焊盘可以采用铬镍铝等材料制成。其中，可以分别在第一振膜2、第二振膜6和第二金属422上沉积焊盘，以便于MEMS麦克风的差分感知。

在所述第一基底上开设声腔11，并形成所述MEMS麦克风。

如图2中(g)所示，释放部分第一基底和第一基底上的二氧化硅层，以形成声腔11，并形成MEMS麦克风。

上文实施例中重点描述的是各个实施例之间的不同，各个实施例之间不同的优化特征只要不矛盾，均可以组合形成更优的实施例，考虑到行文简洁，在此则不再赘述。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。