一种双背板结构的MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风

摘要

本发明提供一种双背板结构的MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风，所述MEMS芯片包括具有背腔的衬底以及设于所述衬底一侧的振膜、第一背板和第二背板；所述第一背板间隔设置在所述振膜邻近衬底的一侧，且完全嵌入所述衬底的背腔中，与所述振膜形成第一电容；所述第二背板间隔设置在所述振膜远离衬底的一侧，与所述振膜形成第二电容；所述第一电容、第二电容构成一对差分电容。本发明的MEMS麦克风可输出差分信号，有利于消除外界的干扰信号，提高信噪比，减少谐波失真；此外，本发明的形成于背腔中的第一背板可实现较大的厚度和较好的均匀性，因此机械强度高，且有利于保证后续形成更为均匀的振膜，提高MEMS麦克风电声性能的稳定性和准确性。

说明书

技术领域

本发明属于电声器件技术领域，特别是涉及一种双背板结构的MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风。

背景技术

MEMS电容式麦克风以其灵敏度高、功耗低、频率响应平坦等诸多优点而备受人们的关注，并成为当今麦克风市场的主流。MEMS麦克风的工作原理是：振膜在声波的作用下产生振动，使振膜与背板之间的距离发生变化，从而改变电容，将声波信号转化为电信号。

传统的MEMS麦克风通常采用单背板结构，这种结构的麦克风线性度较低，总谐波失真较大，且单背板结构对外界的干扰信号无法滤除，信噪比有待提高。尤其是随着MEMS麦克风不断地向小型化和轻薄化发展，在更小的封装尺寸内维持较小的失真和较高的信噪比变得更加困难。双背板结构的MEMS麦克风设计有一层振膜和两层背板，振膜设置于两层背板之间，与背板形成差分电容。这种结构的麦克风能够大幅度减少失真，提高声学过载点，同时实现高于当前市场上其它产品的信噪比。目前，普遍采用在基底上进行材料沉积、刻蚀的方法形成双背板结构，但通过沉积方法得到的第一层背板厚度较薄且不均匀，厚度薄则强度小，容易损坏；厚度不均匀对后续振膜的均匀性影响较大，进而影响麦克风的灵敏度。因此，有必要优化双背板结构的MEMS麦克风的制作工艺，以实现更好的机械性能和电声性能。

发明内容

本发明的目的在于克服上述传统技术的不足之处，提供一种改进的双背板结构的MEMS芯片及其制作方法、MEMS麦克风，以实现更好的机械性能和电声性能。

本发明的目的是通过以下技术措施来达到的：

一种双背板结构的MEMS芯片，包括：

衬底，所述衬底设有沿上下向贯穿的背腔；

振膜，所述振膜间隔设于所述衬底的一侧，至少部分所述振膜可振动地设于所述背腔上方；

背板，所述背板包括第一背板和第二背板，所述第一背板间隔设置在所述振膜邻近所述衬底的一侧，且完全嵌入到所述背腔中；所述第二背板间隔设置在所述振膜远离所述衬底的一侧；

振动间隙，所述振动间隙包括第一振动间隙和第二振动间隙，所述第一振动间隙设于所述第一背板与所述振膜之间，所述第二振动间隙设于所述第二背板与所述振膜之间；

电极，形成于所述第二背板上，并分别与所述第二背板、振膜和第一背板连接；

所述第一背板与所述振膜通过第一振动间隙形成第一电容，所述第二背板与所述振膜通过第二振动间隙形成第二电容，所述第一电容与第二电容构成一对差分电容。

可选地，所述MEMS芯片还包括：

牺牲层，所述牺牲层包括第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层设于所述第一背板与所述振膜之间，所述第二牺牲层设于所述第二背板与所述振膜之间；所述振动间隙通过释放部分所述牺牲层形成。

可选地，所述牺牲层内形成有多个导孔，所述电极分别经所述导孔的表面延伸到所述振膜、第一背板表面，所述导孔的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种。

可选地，所述振膜邻近所述第一背板的一侧表面设有若干第一凸起，所述第一凸起的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形中的一种；

所述第二背板邻近所述振膜的一侧表面分别设有若干第二凸起，所述第二凸起的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形中的一种。

所述第一凸起和第二凸起的作用是防止所述振膜与所述第一背板、第二背板发生粘附。

可选地，所述背板中还设有一个或多个间隔排列的通孔，所述通孔沿上下向贯穿所述背板；所述通孔的形状包括但不限于圆形、多边形、十字花孔的一种或多种组合。

可选地，所述第一背板、振膜和第二背板由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层。

可选地，所述背腔的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明还提供一种双背板结构的MEMS芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一衬底，由所述衬底的上表面向内形成具有一定深度的凹槽；

S2：于所述衬底及所述凹槽的上表面形成热氧化硅，并于所述氧化硅的上表面沉积、刻蚀出具有第一通孔的第一背板；

S3：于所述衬底及第一背板的上表面依次沉积、刻蚀出第一牺牲层和振膜，部分所述振膜通过所述第一牺牲层内的第一导孔连接第一背板上表面；

S4：于所述振膜的上表面依次沉积、刻蚀出第二牺牲层和具有第二通孔的第二背板；

S5：于所述第二背板的上表面形成电极，部分所述电极通过所述第二牺牲层内的第二导孔连接振膜上表面；

S6：于所述衬底的下表面向内形成背腔，并对部分所述第一牺牲层和第二牺牲层进行释放，形成第一振动间隙和第二振动间隙，完成MEMS芯片的制作。

可选地，步骤S1中，所述凹槽的数量为一个或多个，所述凹槽的深度相同，且具有矩形截面。

可选地，步骤S3及步骤S5中，所述第一导孔、第二导孔的数量为一个或多个，所述第一导孔、第二导孔的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形的一种。

可选地，步骤S3中，所述振膜邻近所述第一背板的一侧表面设有若干第一凸起，所述第一凸起的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形的一种。

可选地，步骤S4中，所述第二背板邻近所述振膜的一侧表面分别设有若干第二凸起，所述第二凸起的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形的一种。

所述第一凸起和第二凸起的作用是防止所述振膜与所述第一背板、第二背板发生粘附。

可选地，步骤S2及步骤S4中，所述第一通孔、第二通孔的数量为一个或多个，所述第一通孔、第二通孔的形状包括但不限于圆形、多边形、十字花孔的一种或多种组合。

可选地，步骤S2、步骤S3及步骤S4中，所述第一背板、振膜和第二背板由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层。

可选地，步骤S6中，所述背腔的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种。

一种MEMS麦克风，其特征在于：所述MEMS麦克风包括如上所述的MEMS芯片或由上述MEMS芯片的制作方法制作的MEMS芯片。

如上所述，本发明公开的具有双背板结构的MEMS麦克风可输出差分信号，有利于消除外界的干扰信号，提高信噪比，减少总谐波失真；此外，本发明中形成于背腔中的第一背板可实现较大的厚度和较好的均匀性，因此机械强度高，且有利于保证后续形成更为均匀的振膜，提高MEMS麦克风电声性能的稳定性和准确性。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

图1为本发明MEMS芯片实施例的剖面示意图；

图2为本发明MEMS芯片实施例的制作方法流程图；

图3a-图3n为本发明MEMS芯片实施例的具体工艺步骤图。

图中：10-衬底；12-背腔；20-第一背板；21-第一通孔；30-振膜；31-第一凸起；40-第二背板；41-第二凸起；42-第二通孔；50-氧化硅；60-第一牺牲层；61-第一导孔；62-第一振动间隙；70-第二牺牲层；71-第二导孔；72-第二振动间隙；80-电极。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是，本发明实施例中方向性指示诸如上、下、左、右……仅用于解释在某一特定姿态下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

实施例1：请参阅图1，一种双背板结构的MEMS芯片，包括：

衬底10，衬底10设有沿上下向贯穿的背腔12；

振膜30，振膜30间隔设于所述衬底10的一侧，至少部分所述振膜30可振动地设于所述背腔12上方；

背板，包括第一背板20和第二背板40，所述第一背板20间隔设置在所述振膜30邻近所述衬底10的一侧，且完全嵌入到所述背腔11中；所述第二背板40间隔设置在所述振膜30远离所述衬底10的一侧；

振动间隙，振动间隙包括第一振动间隙62和第二振动间隙72，分别设于所述第一背板20与所述振膜30、所述第二背板40与所述振膜30之间；

电极80，电极80形成于所述第二背板40上，并分别与所述第二背板40、振膜30和第一背板20连接；

牺牲层，牺牲层包括第一牺牲层60和第二牺牲层70，所述第一牺牲层60设于所述第一背板20与所述振膜30之间，所述第二牺牲层70设于所述第二背板40与所述振膜30之间；

所述第一振动间隙62、第二振动间隙72分别通过释放部分所述第一牺牲层60、第二牺牲层70形成。

需要说明的是，在MEMS芯片通电工作时，第一背板20、第二背板40均会带上与振膜30极性相反的电荷，其中，第一背板20与振膜30通过第一振动间隙62形成第一电容，第二背板40与振膜30通过第二振动间隙72形成第二电容，第一电容与第二电容构成一对差分电容。振膜30在静电力的作用下会相对第一背板20、第二背板40移动，改变振膜30与第一背板20、第二背板40的电容，形成差分电信号，从而有利于消除外界的干扰信号，提高信噪比，减少总谐波失真。

需要说明的是，与在衬底上进行材料沉积、刻蚀形成第一背板的方法相比，本发明的形成于背腔中的第一背板20可实现较大的厚度和较好的均匀性，因此机械强度高，且有利于保证后续形成更为均匀的振膜30，提高MEMS麦克风电声性能的稳定性和准确性。

具体地，如附图1、附图3e和附图3k所示，所述第一牺牲层60和第二牺牲层70内形成有第一导孔61、第二导孔71，所述电极80分别经所述第一导孔61、第二导孔71的表面延伸到所述振膜30、第一背板20表面，所述第一导孔61、第二导孔71的截面形状包括但不限于矩形、梯形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，所述第一导孔61、第二导孔71的截面形状均为矩形。

具体地，所述振膜30邻近所述第一背板20的一侧表面设有若干第一凸起31，所述第一凸起31的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形中的一种；

所述第二背板40邻近所述振膜30的一侧表面分别设有若干第二凸起41，所述第二凸起41的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形中的一种。

第一凸起31和第二凸起41的作用是防止所述振膜与所述第一背板20、第二背板40发生粘附；在本发明的实施例中，所述第一凸起31、第二凸起41的截面形状分别为三角形和矩形。

所述背板中还设有一个或多个间隔排列的通孔，具体地，所述第一背板20、第二背板40中分别设有一个或多个间隔排列的第一通孔21、第二通孔42，所述第一通孔21、第二通孔42分别沿上下向贯穿所述第一背板20、第二背板40；所述第一通孔21、第二通孔42的形状包括但不限于圆形、多边形、十字花孔的一种或多种组合；在本发明的实施例中，所述第一通孔21、第二通孔42的形状均为正六边形。

具体地，所述衬底10为双抛的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本发明的实施例中，所述衬底10为双抛的硅衬底。

具体地，所述第一背板20、振膜30和第二背板40由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层；在本发明的实施例中，所述振膜30的材料为多晶硅，所述第一背板20和第二背板40的材料为氮化硅下附着多晶硅层。

具体地，所述第一牺牲层60、第二牺牲层70的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅的一种；在本发明的实施例中，所述第一牺牲层60、第二牺牲层70的材料均为氧化硅。

具体地，所述电极80的材料包括但不限于Cr/Au、Ti-W/Au或Ti/Pt/Au的一种；在本发明的实施例中，所示电极80的材料为Cr/Au。

具体地，所述背腔12的截面形状包括但不限于矩形、梯形的一种；在本发明的实施例中，所述背腔12的截面形状为矩形。

实施例2：参考附图2，如上述一种双背板结构的MEMS芯片的制作方法，包括如下步骤：

S1：提供一衬底10，由所述衬底的上表面向内形成具有一定深度的凹槽11；

S2：于所述衬底10及所述凹槽11的上表面形成热氧化硅50，并于所述氧化硅50的上表面沉积、刻蚀出具有第一通孔21的第一背板20；

S3：于所述衬底10及第一背板20的上表面依次沉积、刻蚀出第一牺牲层60和具有第一凸起31的振膜30，部分所述振膜30通过所述第一牺牲层60内的第一导孔61连接第一背板20上表面；

S4：于所述振膜30的上表面依次沉积、刻蚀出第二牺牲层70和具有第二凸起41、第二通孔42的第二背板40；

S5：于所述第二背板的上表面形成电极80，部分所述电极80通过所述第二牺牲层内的第二导孔71连接振膜30上表面；

S6：于所述衬底10的下表面向内形成背腔12，并对部分所述第一牺牲层60和第二牺牲层70进行释放，形成第一振动间隙62和第二振动间隙72，完成MEMS芯片的制作。

下面结合图3a-图3n进一步详细说明本发明实施例的具体工艺步骤：

首先，如图3a所示，执行步骤S1，提供一衬底10，由所述衬底的上表面向内形成具有一定深度的凹槽11。

具体地，所述衬底10为双抛的半导体衬底，包括但不限于硅衬底、锗衬底、碳化硅衬底、SOI衬底、GeOI衬底的一种；在本实施例中，所述衬底10为双抛的硅衬底。

具体地，所述凹槽11的数量为一个或多个，所述凹槽11的深度相同，且具有矩形截面。

具体地，可采用深反应离子刻蚀Deep Reactive Ion Etching, DRIE形成所述凹槽11。

然后，如图3b-3d所示，执行步骤S2，于所述衬底10及所述凹槽11的上表面形成热氧化硅50，并于所述氧化硅50的上表面沉积、刻蚀出具有第一通孔21的第一背板20。

具体地，所述第一背板20由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层；在本发明的实施例中，所述第一背板20的材料为氮化硅下附着多晶硅层。

具体地，可采用低压力化学气相淀积Low Pressure Chemical VaporDeposition, LPCVD、等离子体增强化学气相沉积Plasma Enhanced Chemical VaporDeposition, PECVD的一种或两种沉积所述第一背板20；在本发明的实施例中，采用LPCVD形成所述第一背板20中的多晶硅，采用PECVD形成所述第一背板20中的氮化硅。

具体地，可采用离子束刻蚀Ion Beam Etching, IBE、反应离子刻蚀Reactive IonEtching, RIE以及DRIE的一种或几种刻蚀所述第一背板20；在本发明的实施例中，采用RIE和DRIE的组合刻蚀所述第一背板20。

具体地，所述第一通孔21的数量为一个或多个，所述第一通孔21的形状包括但不限于圆形、多边形、十字花孔的一种或多种组合；在本发明的实施例中，所述第一通孔21的数量为多个，且其形状为圆形。

接下来，如图3e-图3g所示，执行步骤S3，于所述衬底10及第一背板20的上表面依次沉积、刻蚀出第一牺牲层60和具有第一凸起31的振膜30，部分所述振膜30通过所述第一牺牲层60内的第一导孔61连接第一背板20上表面。

具体地，所述第一牺牲层60的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅的一种，所述振膜30由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层；在本发明的实施例中，所述第一牺牲层60的材料为氧化硅，所述振膜30的材料为多晶硅。

具体地，可采用LPCVD、PECVD的一种或两种沉积所述第一牺牲层60、振膜30；在本发明的实施例中，采用PECVD形成所述第一牺牲层60，采用LPCVD形成所述振膜30。

具体地，可采用IBE、RIE及DRIE的一种或几种刻蚀所述第一牺牲层60、振膜30；在本发明的实施例中，采用RIE刻蚀所述第一牺牲层60以形成所述第一导孔61，采用DRIE刻蚀所述振膜30。

具体地，所述第一凸起31的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形的一种；在本发明的实施例中，所述第一凸起31的截面形状为三角形。

具体地，所述第一导孔61的数量为一个或多个，所述第一导孔61的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，所述第一导孔61的数量为两个，且具有矩形截面。

接下来，如图3h-图3k所示，执行步骤S4，于所述振膜30的上表面依次沉积、刻蚀出第二牺牲层70和具有第二凸起41、第二通孔42的第二背板40。

具体地，所述第二牺牲层70的材料包括但不限于氧化硅、氮化硅的一种，所述第二背板40由下列材料任意之一形成：多晶硅、氮化硅上/下附着多晶硅层、氮化硅上/下附着金属层；在本发明的实施例中，所述第二牺牲层70的材料为氧化硅，所述第二背板40的材料为氮化硅下附着多晶硅层。

具体地，可采用LPCVD、PECVD的一种或两种沉积所述第二牺牲层70、第二背板40；在本发明的实施例中，采用PECVD形成所述第二牺牲层70和第二背板40中的氮化硅，采用LPCVD形成所述第二背板40中的多晶硅。

具体地，可采用IBE、RIE以及DRIE的一种或几种刻蚀所述第二牺牲层70、第二背板40；在本发明的实施例中，采用RIE刻蚀所述第二牺牲层70以助于后续形成所述第二凸起41，采用RIE和DRIE的组合刻蚀所述第二背板40以形成所述第二通孔42。

具体地，所述第二凸起41的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形、三角形的一种；在本发明的实施例中，所述第二凸起41的截面形状为矩形。

具体地，所述第二通孔42的数量为一个或多个，所述第二通孔42的形状包括但不限于圆形、多边形、十字花孔的一种或多种组合；在本发明的实施例中，所述第二通孔42的数量为多个，且其形状为正六边形。

接下来，如图3k-图3l所示，执行步骤S5，于所述第二背板的上表面形成电极80，部分所述电极80通过所述第二牺牲层内的第二导孔71连接振膜30上表面。

具体地，可采用剥离工艺或电镀工艺形成所述电极80，所述电极80的材料需具备良好的粘附性和导电性，包括但不限于Cr/Au、Ti-W/Au或Ti/Pt/Au的一种或几种；在本实施例中，采用剥离工艺形成所述电极80，所述电极80的材料为Cr/Au。

具体地，所述剥离工艺的步骤为：喷胶、光刻定义出电极50的图形、溅射Cr/Au、丙酮超声去胶。

具体地，可采用IBE、RIE及DRIE的一种或几种刻蚀所述第二牺牲层70、第二背板40以形成所述第二导孔71；在本发明的实施例中，采用RIE和DRIE的组合形成所述第二导孔71。

具体地，所述第二导孔71的数量为一个或多个，所述第二导孔71的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形的一种；在本发明的实施例中，所述第二导孔71的数量为两个，且具有矩形截面。

最后，如图3m-图3n所示，执行步骤S6，于所述衬底10的下表面向内形成背腔12，并对部分所述第一牺牲层60和第二牺牲层70进行释放，形成第一振动间隙62和第二振动间隙72，完成MEMS芯片的制作。

具体地，采用KOH湿法腐蚀、TMAH湿法腐蚀、XeF2干法化学腐蚀或DRIE的一种形成所述背腔12，所述背腔11沿上下向贯穿所述衬底10，暴露所述第一背板20，所述背腔12的截面形状包括但不限于矩形、倒梯形的一种；在本实施例中，采用DRIE形成所述背腔12，所述背腔12具有矩形截面。

具体地，可采用BOE溶液、HF溶液的一种通过所述第一通孔21、第二通孔42释放部分所述第一牺牲层60、第二牺牲层70以形成所述第一振动间隙61和第二振动间隙71；在本实施例中，采用BOE溶液形成所述第一振动间隙61和第二振动间隙71。

实施例3：一种MEMS麦克风，所述MEMS麦克风包括如上所述的MEMS芯片或由上述MEMS芯片的制作方法制作的MEMS芯片。由于本MEMS麦克风采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

综上所述，本发明的具有双背板结构的MEMS麦克风可输出差分信号，有利于消除外界的干扰信号，提高信噪比，减少总谐波失真；此外，本发明的形成于背腔中的第一背板可实现较大的厚度和较好的均匀性，因此机械强度高，且有利于保证后续形成更为均匀的振膜，提高MEMS麦克风电声性能的稳定性和准确性。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。