Mems設(shè)備以及工藝的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)設(shè)備以及工藝，且具體地涉及MEMS換能器(尤其MEMS電容式麥克風(fēng))以及制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002]多種MEMS設(shè)備正變得越來越受歡迎。MEMS換能器，尤其是MEMS電容式麥克風(fēng)越來越多被用在便攜式電子設(shè)備(諸如，移動電話)和便攜式計算設(shè)備中。
[0003]使用MEMS制造工藝形成的某些換能器包括一個柔性膜，其具有沉積在該膜上用于讀出/驅(qū)動的一個電極以及在橫向方向上相對于該膜電極以間隔的方式被支撐的另一個電極，該另一個電極典型地被支撐在被稱為背板(back-plate)的結(jié)構(gòu)層上。在MEMS壓力傳感器和麥克風(fēng)的情況下，讀出通常是通過測量所述電極之間的電容完成的。膜通過空氣壓差而移動，所述空氣壓差導(dǎo)致柔性膜相對于固定的背板移動且因此改變電容。
[0004]圖1a以及圖1b分別示出一個已知電容式MEMS麥克風(fēng)設(shè)備100的橫截面視圖和立體圖，圖1c示出其膜和膜電極的平面視圖。電容式MEMS麥克風(fēng)設(shè)備100包括形成一個柔性膜的膜層101，該柔性膜響應(yīng)于由聲波產(chǎn)生的壓差而自由地移動。膜電極102機(jī)械地耦合(couple)至柔性膜101以形成該電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第一電容式板。背板電極103形成該電容式麥克風(fēng)設(shè)備的第二電容式板，背板電極103機(jī)械地耦合至被稱為背板層104的通常剛性的結(jié)構(gòu)層。在圖1a中示出的實(shí)施例中，背板電極103嵌入在背板結(jié)構(gòu)104內(nèi)，但其他布置是可能的，例如，背板電極103在相對于膜電極102的橫向方向上機(jī)械地附接至背板結(jié)構(gòu)104的一個表面。
[0005]在某些應(yīng)用中，麥克風(fēng)100可以在使用中被布置成使得經(jīng)由背板104接收入射聲音。在這樣的實(shí)施方案中，多個孔112(下文稱為聲學(xué)孔)被布置在背板104中以便允許空氣分子的自由移動，使得聲波可以進(jìn)入膜101和背板104之間的腔110。在該膜的另一側(cè)上，在該膜和基底之間的另一個腔109與基底腔108共同允許膜101響應(yīng)于經(jīng)由背板104中的聲學(xué)孔112進(jìn)入的聲波而移動。在這樣的實(shí)例中，基底腔108常規(guī)地被稱為“后體積”，且它可以被大體上密封。
[0006]在其他應(yīng)用中，麥克風(fēng)可以被布置成使得在使用中可以經(jīng)由基底腔108接收聲音。在這樣的應(yīng)用中，背板104典型地仍被設(shè)置有多個聲學(xué)孔以允許空氣在第二腔和背板上方的另一個體積之間自由地移動。在此情況下，基底腔用作前體積且該另一個體積用作后體積。
[0007]在使用中，響應(yīng)于入射在麥克風(fēng)100上的壓力波，膜101從其均衡位置或靜止位置偏斜。膜電極102和背板電極103之間的距離相應(yīng)地被改變，引起兩個電極102和103之間的電容改變，隨后通過電子電路系統(tǒng)(未示出)檢測該電容改變。穿過膜101的排出孔(Bleedhole)允許腔108/109以及110內(nèi)的壓力在相對長的時間范圍內(nèi)(在聲學(xué)頻率方面)相等，這減小了低頻壓力變化(例如，由溫度變化和類似變化引起)的影響，但是不影響在期望的聲學(xué)頻率下的靈敏度。
[0008]在某些MEMS麥克風(fēng)中，柔性膜層101是薄的晶體材料層或多晶材料層，但是該柔性膜層實(shí)際上可以通過以連續(xù)步驟沉積的若干個材料層形成。柔性膜101可以例如是由氮化硅Si3N4或多晶硅形成的。晶體材料和多晶材料具有高強(qiáng)度和低塑性變形，在膜的構(gòu)造中晶體材料和多晶材料都是非常期望的。這樣的麥克風(fēng)中的膜電極102典型地是薄的金屬(例如，鋁)層，如圖1c中例示的，該金屬層位于膜101的中心，S卩，膜的位移最多的部分。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，膜電極可以是由合金(諸如，鋁硅合金)形成的。膜電極可以例如覆蓋膜的中心區(qū)域的近似40%。然而，這樣的材料系統(tǒng)的一個問題是膜電極102的金屬可以經(jīng)歷某些相對高的塑性變形或重復(fù)位移，即，膜電極的金屬會變形，因此其將不會準(zhǔn)確地返回到相同的開始位置。因?yàn)槿嵝阅?01和膜電極102機(jī)械地耦合至彼此，所以這會導(dǎo)致柔性膜101的靜止位置的總體改變和/或整個膜1I /102的應(yīng)力特性的改變。
[0009]典型地，膜層101和膜電極102可以被制造成在靜止位置中是大體平面的，S卩，在整個膜上沒有壓差，如圖1a中例示的。該膜層可以被形成為在此靜止位置中大體上平行于背板層，使得膜電極102平行于背板電極103。然而，如所提到的，由于金屬膜電極102的屬性，隨著時間過去，整個膜1I /102可以從此靜止配置永久地變形。
[0010]圖2例示可以發(fā)生于膜101/102的靜止位置的永久變形，通過虛線例示。在使用過程中，金屬電極102已經(jīng)塑性地變形，導(dǎo)致整個膜結(jié)構(gòu)101/102的應(yīng)力分布改變以及翹曲。
[0011]可以看到，因此在其靜止位置中的膜電極102在制造之后與背板電極103的間隔即不同于在最初靜止位置的間隔。因?yàn)樵陟o止位置處的電容不相同，這會導(dǎo)致來自這樣的換能器的測量信號中的DC偏移。此外，此變形會導(dǎo)致整個膜101/102的應(yīng)力特性的改變，這影響膜101/102如何對可以導(dǎo)致靈敏度改變的給定信號電平作出反應(yīng)。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0012]本發(fā)明的實(shí)施方案涉及至少部分地減輕上文提及的缺點(diǎn)中的一些的MEMS設(shè)備以及工藝。
[0013]因此，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器，包括:一個柔性膜;一個膜電極，其耦合至所述柔性膜；以及一個背板，該背板包括耦合至一個背板電極的至少一個背板層，該背板具有與穿過該背板的多個背板孔相對應(yīng)的在該背板電極中的多個孔;其中所述膜電極包括在該膜電極中的至少一個開口，其中所述開口的區(qū)域的至少一部分在垂直于該膜的方向上對應(yīng)于至少一個背板孔的區(qū)域，并且在該膜電極中的所述開口處該柔性膜中不存在孔。
[0014]該背板電極中的多個孔中的每一個的區(qū)域可以大于所述多個背板孔中的每一個的區(qū)域。
[0015]該柔性膜可以包括晶體材料或多晶材料，諸如，氮化硅。該柔性膜可以具有內(nèi)應(yīng)力。該膜電極可以包括金屬或金屬合金，諸如，鋁，可能地具有硅。
[0016]在該膜電極中可以有多個開口，對于該膜電極中的所述多個開口中的每一個，所述開口的區(qū)域的至少一部分在垂直于該膜的方向上對應(yīng)于至少一個背板孔的區(qū)域，并且在該膜電極中的所述開口處該柔性膜中沒有孔。該膜電極中所述多個開口中的至少一些可以包括一個在所述膜電極中的孔。該膜電極中的所述多個開口中的至少一些的形狀和/或尺寸可以與該背板電極中的所述多個孔中的至少一些大體上相同。
[0017]該膜電極中的所述多個開口中的至少一些的區(qū)域可以在垂直于該膜的方向上與該背板電極中的所述多個孔中的至少一些的區(qū)域?qū)?zhǔn)。該膜電極中的所述多個開口中的至少一些的區(qū)域可以大于該背板電極中的所述多個孔中的至少一些的區(qū)域和/或該膜電極中的所述多個開口中的至少一些的區(qū)域小于該背板電極中的所述多個孔中的至少一些的區(qū)域。該膜電極中的所述多個開口中的至少一些的寬度與該背板電極中的所述多個孔中的至少一些的寬度可以相差最高2微米。
[0018]該膜電極中的所述多個開口中的至少一個可以是大致圓形形狀，和/或該膜電極中的所述多個開口中的至少一個可以是非圓形形狀。
[0019]在一些實(shí)例中，該膜電極中的所述多個開口中的至少一個不完全由電極材料限定邊界。
[0020]該膜電極中的所述多個開口的分布可以被配置成在膜撓曲時提供均勻的應(yīng)力。
[0021]在一些實(shí)施方案中，該柔性膜-膜電極結(jié)構(gòu)中的應(yīng)力的少于20%是由于所述柔性膜造成的，和/或所述柔性膜的表面區(qū)域的少于25%由電極材料覆蓋。該電極的外周界可以封閉一個大于所述膜的區(qū)域的35%的膜區(qū)域。
[0022]該膜電極的厚度可以不大于10nm0
[0023]該換能器可以是電容式換能器和/或可以是麥克風(fēng)。該換能器可以被封裝在一個殼體內(nèi)。在一個實(shí)施方案中，封裝件可以包括:一個基底，所述基底包括多個層，其中至少一個層包括導(dǎo)電材料且至少一個層包括非導(dǎo)電材料，其中該MEMS換能器電耦合至該基底?？梢源嬖诙鄠€電連接件以用于將該MEMS換能器電耦合至該封裝外部的電路系統(tǒng)。該封裝件還可以具有:一個罩，該罩機(jī)械地耦合至該基底，其中該MEMS換能器被封閉在由該基底和該罩所創(chuàng)建的體積內(nèi)；以及一個端口，用于使得信號能夠激勵該MEMS換能器。
[0024]該MEMS換能器可以連接至用于所述換能器的讀出和/或驅(qū)動的集成電路。
[0025]該MEMS換能器可以用在音頻設(shè)備中，該音頻設(shè)備是便攜式設(shè)備、通信設(shè)備、計算設(shè)備、電池供電設(shè)備、音頻播放器、視頻播放器、游戲設(shè)備、移動電話、膝上型電腦、筆記本電腦或平板電腦中的至少一種。
[0026]本發(fā)明還提供一種用于制造微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器的方法，包括:
[0027]形成被耦合至一個膜電極的至少一個膜層以在使用中提供一個柔性膜；
[0028]形成被耦合至一個背板電極的至少一個背板層以在使用中提供一個具有穿過所述至少一個背板層和所述背板電極的多個背板孔的剛性背板；
[0029]其中形成被耦合至一個膜電極的至少一個膜層包括形成一個具有至少一個開口的膜電極，其中所述開口的區(qū)域的至少一部分在垂直于該膜的方向上對應(yīng)于至少一個背板孔的區(qū)域，并且在該膜電極中的所述開口處該柔性膜中沒有孔。
[0030]形成該膜電極可以包括沉積一個膜電極材料層并且使所述膜電極層圖案化以提供所述至少一個開口。
[0031 ]在另一方面，提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器，包括:一個柔性膜；以及一個電極，其耦合至所述柔性膜;其中所述電極包括在該電極中的多個開口，其中在該電極中的所述開口處該柔性膜中沒有孔。
[0032]在另一方面，提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器，包括:一個柔性膜，其包括第一材料；以及一個膜電極，該膜電極耦合至所述柔性膜，該膜電極包括第二材料;其中在該膜電極的外邊界內(nèi)的第一材料的區(qū)域大于在該膜電極的外邊界內(nèi)的第二材料的區(qū)域。
[0033]該第一材料可以占據(jù)該膜電極的外邊界內(nèi)的整個區(qū)域。
[0034]在另一方面，提供一種微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)換能器，包括:一個