[发明专利]一种无背部大声学腔体的MEMS硅麦克风

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容式硅麦克风，特别是公开一种无背部大声学腔体的MEMS硅麦克风，属于硅麦克风的技术领域。

背景技术

麦克风能把人的语音信号转化为相应的电信号，广泛应用于手机，电脑，电话机，照相机及摄像机等。传统的驻极体电容式麦克风采用特氟龙作为振动薄膜，不能承受在印刷电路板回流焊接工艺近300度的高温，从而只能与集成电路的组装分开，单独手工装配，大大增加了生产成本。

近三十年的MEMS（Microelectromechanical Systems）技术与工艺的发展，特别是基于硅芯片MEMS技术的发展，实现了许多传感器（如压力传感器，加速度计，陀螺仪等）的微型化和低成本。MEMS硅麦克风已开始产业化，在高端手机的应用上，逐渐取代传统的驻极体电容式麦克风。

MEMS麦克风主要还是采用电容式的原理，由一个振动薄膜和背极板组成，振动薄膜与背极板之间有一个几微米的间距，形成电容结构。高灵敏的振动薄膜感受到外部的音频声压信号后，改变振动薄膜与背极板间的距离，从而形成电容变化。MEMS麦克风后接CMOS放大器把电容变化转化成电压信号的变化，再放大后变成电输出。

人的语音声压信号非常微弱，振动薄膜必须非常灵敏。振动膜通常采用常规的半导体加工工艺—淀积得到，材料可采用多种或多层材料得到（比如掺杂多晶硅，金属与氮化硅复合膜等）。由于材料的热膨胀系数不同和高温工艺，制备后的振动薄膜会有不同程度的残留应力，大大影响了振动薄膜的灵敏度。所以，用多晶硅作为振动薄膜时，在制备后一般会采用附加退火工艺，来调节残留应力降到最低；若用氮化硅作为振动薄膜，在制备时通过调节反应气体间的比例来降低残留应力。但采用这种方法对减小残余应力的效果不大，而且重复性不好，实现也较为复杂。另外，也可以采用改变振动薄膜的机械结构，把一般的平板型振动薄膜改为纹膜，浮膜，或在振动薄膜上切割微小的槽，从而达到减少残留应力﹑增加灵敏度的目的。但改变振动薄膜结构的方法会造成制备工艺复杂化，增加成本，降低良率。

背极板除了与振动薄膜形成电容以外，还具有控制麦克风的频带，降低声学噪声等功能。它需要具有一定的刚度，不会因外部的振动或声压而形变。除此以外，一般的设计为了配合前进音的封装形式，还需在背极板上制备一个几百微米的声学腔体，使声波能更好地传达到振膜并获得高的信噪比。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种适合于背进音封装形式的MEMS硅麦克风及其制备方法，以简化制造工艺，且可提高电容式微型硅麦克风的良率和灵敏度。

本发明是这样实现的：一种无背部大声学腔体的MEMS硅麦克风，包括背极板硅基及位于所述背极板硅基上方的振膜，其特征是：背极板硅基和振膜均导电良好，作为麦克风电容的两极板；背极板硅基上沉积有背极板金属电极，背极板金属电极的材质为Al/Cu合金或Al/Cu合金加上Au，背极板金属电极和背极板硅基1电连接；背极板硅基上设有若干个TSV声孔，TSV声孔直接与大气相通；振膜上设有小凸柱，小凸柱的材质为高硅氮化硅，小凸柱阻止振膜和背极板硅基吸合在一起；振膜上沉积有振膜电极，振膜电极和振膜电连接；振膜电极和背极板金属电极分别为麦克风电容两极板的输出信号引出端，用来与CMOS信号放大电路实现电连接；振膜和背极板硅基经硅硅键合工艺键合成一体，振膜由氧化硅层支撑悬于背极板硅基的上方，振膜和背极板硅基之间有气隙，背极板硅基、振膜和气隙形成电容结构。

所述的振膜和背极板硅基之间的气隙由湿法刻蚀氧化硅形成，振膜厚度为1～7μm，背极板硅基的厚度为400μm。所述的无背部大声学腔体的MEMS硅麦克风采用贯通整个背极板硅基的TSV声孔来实现振膜与外界大气间的连通，所述的TSV声孔设有50～150个，单个孔径为20～40μm。

本发明背极板硅基导电作为电容的一极，振动薄膜导电作为电容的另一极。背极板硅基上设有的TSV声孔位于振动薄膜的正下方，TSV声孔贯穿整个背极板硅基。振动薄膜位于TSV声孔的上方且覆盖整个TSV声孔面，振动薄膜由单晶硅片减薄后得到。用于支撑振动薄膜的氧化硅层可实现振动薄膜和背极板硅基的电绝缘，且振动薄膜和背极板硅基间的气隙深度也由该氧化硅层厚度决定。振动薄膜和背极板硅基上均沉积有金属焊盘，分别为振膜电极和背极板金属电极，金属焊盘用来与CMOS信号放大电路实现电连接。