具有改进灵敏度的集成电声MEMS换能器及其制造工艺制造技术

本公开涉及具有改进灵敏度的集成电声MEMS换能器及其制造工艺。例如，一种电声MEMS换能器，该电声MEMS换能器具有：半导体材料的衬底(23)；在该衬底中的贯通空腔(24)；背板(25)，该背板由该衬底通过板锚定结构(26)承载，该背板具有面向该贯通空腔的表面(25A)；固定电极(33)，该固定电极在该背板的该表面之上延伸；采用导电材料的薄膜(22)，该薄膜具有面向该固定电极的中心部分(22A)以及通过薄膜锚定结构(26)固定到该背板(25)的该表面(25A)上的外围部分(22B)；以及在该薄膜(22)与该背板(25)之间的腔室(28)，该腔室由该薄膜锚定结构外围地界定。

【技术实现步骤摘要】
具有改进灵敏度的集成电声MEMS换能器及其制造工艺
本专利技术涉及一种具有改进灵敏度的MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)型集成电声换能器及其制造工艺。具体地，本专利技术涉及一种具有固定背板和悬置薄膜移动电极的电容式声换能器。
技术介绍
如已知的，微加工半导体器件的MEMS技术使能够在牺牲层和/或其它半导体或绝缘层之上沉积(例如，多硅晶层)或生长(例如，外延层)的半导体材料层内产生测微结构，通过化学蚀刻至少部分地移除这些测微结构以形成移动或柔性区域。具体地，包括集成在半导体裸片之中或之上的柔性薄膜的MEMS电声换能器是已知的。图1通过示例的方式示意性地表示了背板和半夹紧型换能器1。换能器1包括由衬底3承载并悬置在形成于衬底3中的空腔4之上的薄膜2。薄膜2面向也被称为“背板”的参考固定板5。背板5通过板锚定部分5A锚定至衬底3并且具有多个通孔7，这些通孔具有在制造期间方便移除下面的牺牲层并且在使用中允许空气通过背板5朝着薄膜2自由循环的功能。在实践中，当声压波首先撞击到背板5上并且然后撞击到薄膜2上时，薄膜2直接面向空腔4(也被称为“背腔室”)。在这种情况下，背板5与薄膜2之间的空间8也被称为“气隙”。薄膜2和背板5至少部分地采用导电材料或承载导电区域以便形成感测电容器的极板。在使用中，撞击到薄膜2上的声波造成薄膜弯曲并且因此引起薄膜与背板的距离的变化以及随之发生的感测电容器的电容变化；这种电容变化决定了被输出并发送到适当的处理电子装置(未示出)的电信号(例如，电压)的变化。在图1的实施例中，薄膜2以悬臂方式安排并且仅由衬底3通过例如与薄膜2一体形成的薄膜锚定结构6支撑在其周界的一部分上(在图1中，在其左侧)。薄膜2进一步具有自由端部分2A(在图1中的右侧)，该自由端部分在衬底之上延伸并且能够摆动。自由端部分2A与衬底3之间的区域形成通风孔9，该通风孔引起噪声。实际上，如在放大细节中所示出的，从空腔4流到前腔室8并且通过背板5的孔7流到换能器1的另一侧的空气在通风孔9的区域中经受湍流运动。因此，这种类型的换能器具有不是非常高的信噪比(SNR)。换能器1进一步受以下问题的影响：其声学特性(具体地，其频率响应)取决于工艺扩展。实际上，换能器1具有通常低于100Hz的低值滚降(Roll-off)(即，频率响应相对于1kHz的参考值下降3dB的频率)，并且其值取决于几何量，其中包括薄膜2与衬底3之间的重叠的长度L，该长度取决于工艺扩展。为了解决以上噪声问题，已经提出了一种完全夹紧型换能器，其中，整个薄膜沿其外围被锚定。在以本申请人的名义提交的US2010/0158279A1中描述了这种类型的换能器的示例，该换能器具有图2中所示出的简化结构。此处，换能器10具有例如圆形形状的薄膜12，整个薄膜沿其外围被支撑。为此目的，此处由13标示的并且固定到薄膜12的外围部分上的衬底的顶表面在通常采用如氧化硅等绝缘材料的环形形状的薄膜锚定结构16上延伸。此处，薄膜12具有用于“均衡”薄膜12的面上的静态压力的一个或多个贯通开口19。背板15也通过板锚定区域11锚定至衬底13。背板15与薄膜22之间的空间28限定了前腔室；衬底23中的空腔24形成了背腔室。尽管图2的换能器10关于噪声而构成了图1的部分锚定的换能器的明确改进，但是可以关于灵敏度和鲁棒性对工艺扩展的依赖性而对其进行改进。实际上，这些参数取决于薄膜12的大小，并且该大小可能在从背面对衬底13进行蚀刻期间以及在释放薄膜时由于工艺扩展而变化。实际上，薄膜12的大小由其“自由”区域给定，即，由薄膜层的不受薄膜锚定结构16约束的部分给定。如从图2的放大细节中清楚的，以上大小取决于对衬底13的蚀刻点和时间，该蚀刻点和时间决定了薄膜12下面的空腔(此处由14标示)的壁的如通过示出了角度α的放大细节突显的垂直度。进一步地，薄膜12的大小还取决于薄膜锚定结构16距衬底13的顶部边缘的距离d，该距离以本身已知的方式由对旨在形成薄膜锚定结构16的绝缘材料层的蚀刻时间决定。
技术实现思路
因此，本专利技术的目的是提供一种如与现有技术设备相比具有改进电气特性的电声换能器。根据本专利技术，提供了一种如在所附权利要求中所限定的MEMS换能器及其制造工艺。附图说明为了更好地理解本专利技术，现在仅通过非限制性示例的方式、参照附图来描述本专利技术的优选实施例，在附图中：-图1是已知的半夹紧型换能器的示意性表示；-图2是已知的完全夹紧型换能器的示意性表示；-图3是本换能器的基本结构的示意性表示；-图4是图3的换能器的一部分的沿着图5的线IV-IV截取的更详细的横截面；-图5是沿着图4的线V-V截取的平面截面；-图6A至图6J是本换能器的实施例在连续制造步骤中的横截面；-图7示出了图4的换能器的部分的不同实施例；-图8是包括本换能器的声换能器的框图；并且-图9是具有本换能器的电子装置的简化框图。具体实施方式图3示意性地示出了总体上由20标示的本换能器的结构。换能器20属于完全夹紧背板型并且包括采用诸如硅等半导体材料的衬底23，容纳有贯通型空腔24并且通过板锚定区域30承载背板25。采用诸如氮化硅等绝缘材料的背板25具有面向衬底23的第一表面25A以及面向相反方向的第二表面25B。采用导电材料(例如，掺杂多晶硅)的固定电极33在第一表面25A之上延伸。采用导电材料(例如，掺杂多晶硅)的薄膜22面向固定电极33并由背板25通过薄膜锚定结构26承载。采用绝缘材料的(例如，采用与背板25相同材料的)并且与背板同时且单片地形成的薄膜锚定结构26从背板的第一表面25A朝着薄膜22延伸。例如，薄膜锚定结构26由沿着如下文中更详细地讨论的闭合线(例如，圆周)延伸的一个或多个连续区域形成并且布置在板锚定区域30内部。薄膜锚定结构26围绕固定电极33，并且被固定或被键合到薄膜22的面向固定电极33的在薄膜22的外围部分上的第一面22A上。薄膜22进一步具有面向空腔24的第二面22B。空间28在背板25与薄膜22之间延伸并形成前腔室。空腔24形成换能器20的背腔室。均衡开口29延伸穿过薄膜22，并且多个孔27延伸穿过背板25和固定电极33。以此方式，从空腔24朝着背板25的第二表面25B引导穿过空间28和孔27(或反之亦然)的空气流遵循基本上线性且非曲折的路径，显着地减少了湍流和噪声。进一步地，固定到背板25上在外围位置中的薄膜22由固定且非振动的结构承载，该结构因此进而不会引起任何实质噪声。可以形成薄膜锚定结构26以便精确地控制薄膜22的振动部分(有效部分)的大小。实际上，薄膜锚定结构26将薄膜22的中心部分22A(振动部分)与不振动的外围部分22B分开。通过提供薄膜锚定结构26使得其内径小于空腔24，并且在任何情况下，使得薄膜22的至少中心部分22A完全面向空腔24，而不与衬底23重叠，有可能精确地控制换能器20的电气特性，这些电气特性取决于薄膜22的有效部分(中心或振动部分22A)的大小。进一步地，如下文中更好地阐明的，换能器20使得对电气、机械和声学结构的分离和独立限定以及因此对这些结构中的每一个结构独立于其他结构的优化成为可能。薄膜锚定结构26可以如图4和图5中所示出的那样被制造，这本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电声MEMS换能器，包括：采用半导体材料的衬底(23)；在所述衬底中的贯通空腔(24)；背板(25)，所述背板由所述衬底通过板锚定结构(26)承载，所述背板具有面向所述贯通空腔的表面(25A)；固定电极(33)，所述固定电极在所述背板的所述表面之上延伸；采用导电材料的薄膜(22)，所述薄膜具有面向所述固定电极的中心部分(22A)以及通过薄膜锚定结构(26)固定到所述背板(25)的所述表面(25A)上的外围部分(22B)；以及在所述薄膜(22)与所述背板(25)之间的腔室(28)，所述腔室由所述薄膜锚定结构外围地界定。

【技术特征摘要】
2016.11.30 IT 1020160001215331.一种电声MEMS换能器，包括：采用半导体材料的衬底(23)；在所述衬底中的贯通空腔(24)；背板(25)，所述背板由所述衬底通过板锚定结构(26)承载，所述背板具有面向所述贯通空腔的表面(25A)；固定电极(33)，所述固定电极在所述背板的所述表面之上延伸；采用导电材料的薄膜(22)，所述薄膜具有面向所述固定电极的中心部分(22A)以及通过薄膜锚定结构(26)固定到所述背板(25)的所述表面(25A)上的外围部分(22B)；以及在所述薄膜(22)与所述背板(25)之间的腔室(28)，所述腔室由所述薄膜锚定结构外围地界定。2.根据权利要求1所述的换能器，包括采用绝缘材料的单片结构层(35)，所述单片结构层形成所述背板(25)、所述板锚定结构(30)以及所述薄膜锚定结构(26)，所述板锚定结构以一定距离围绕所述薄膜锚定结构。3.根据权利要求1或权利要求2所述的换能器，其中，所述薄膜(22)和所述固定电极(33)采用半导体材料。4.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述薄膜锚定结构(26)相对于所述固定电极(33)被外部地安排。5.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述背板(25)和所述固定电极(33)是被穿孔的(27)，并且所述薄膜(22)在所述中心部分(22A)中具有均衡开口(29)。6.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述薄膜锚定结构(26)包括至少两个凸块(26A，26B)，所述至少两个凸块沿着所述薄膜(22)的所述外围部分(22B)彼此相隔某个距离地延伸并且在其之间容纳了绝缘结构(38)，所述绝缘结构容纳了与所述薄膜(22)直接接触的采用导电材料的薄膜触点(39)。7.根据以上权利要求中任一项所述的换能器，其中，所述衬底(23)采用硅，所述背板(25)、所述板锚定结构(30)以及所述薄膜锚定结构(26)采用氮化硅，并且所述薄膜(22)和所述固定电极(33)采用硅。8.根据权利要求2至7中任一项所述的换能器，包括解耦结构(70)，所述解耦结构安排在所述背板(25)与所述板锚定结构(26)之间。9.根据权利要求8所述的换能器，其中，所述解耦结构包括弹性区域(70)。10.根据权利要求9所述换能器，其中，所述弹性区域(70)包括在不同层级处并且以基本上之字形图案延伸的多个结构层部分(71，72)...

【专利技术属性】
技术研发人员：M·佩尔勒蒂，S·洛萨，L·滕托里，M·C·图里，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：意大利,IT