專利名稱：具有帶錐形表面的薄膜支撐的微機械聲換能器的制作方法
技術領域：
根據本發明的一些實施方式涉及一種用于制造微機械聲換能器的方法。根據本發明的一些實施方式涉及一種微機械聲換能器。
背景技術：
當今制造且使用的大量電子設備支持捕捉聲音信號和/或再現聲音信號的能力。其中，兩個目標促進了電子設備領域中正在進行的深入研究，即進一步小型化和提高效率以延長電池壽命。電子設備的聲音子系統通常需要滿足一定規格，這些規格主要由被捕捉和/或再現的聲音信號的物理特性(例如頻率范圍和聲壓級(SPL))預先確定。基于微機械結構的聲換能器能夠提供期望的關于小型化和提聞效率的特性。一些解決方案提出在娃制成的微機械薄膜上使用壓電或鐵電材料。由于壓電或鐵電材料，通常需要將新材料系統整合在用于制造這種微機械揚聲器的半導體制造過程中。相對照，由于所接收的聲音信號 或電輸入信號，基于電容檢測/產生薄膜偏斜的聲換能器通常可以利用常規半導體制造工藝可用的或與之兼容的材料分別構造。
發明內容
根據本發明的一些實施方式，提供一種用于制造微機械聲換能器的方法，該方法包括在襯底裝置的第一主表面上沉積第一薄膜支撐材料層；在第一薄膜支撐材料層的主表面上沉積第二薄膜支撐材料層；在第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層；在襯底裝置中形成凹腔；借助于通過凹腔施加特定蝕刻劑而蝕刻第一薄膜支撐材料層和第二薄膜支撐材料層；以及繼續蝕刻，至少直到去除第一區中的第二薄膜支撐材料層，以露出薄膜材料層。第一薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有或呈現出第一蝕刻率。第二薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有或呈現出低于第一蝕刻率的第二蝕刻率。襯底裝置中的凹腔從襯底裝置的與第一薄膜支撐材料層、第二薄膜支撐材料層和薄膜材料層相對的一側形成。在完成形成凹腔的操作之后，使凹腔至少延伸至第一薄膜支撐材料層。第一薄膜支撐材料層和第二薄膜支撐材料層的蝕刻發生在至少一個第一區中，其中該第一區沿著基本垂直于襯底裝置的第一主表面的方向位于凹腔的延伸部分中。還發生在環繞第一區的第二區中，其中，蝕刻在第二區中形成第二薄膜支撐材料層上的錐形表面。該錐形表面由于第一蝕刻率與第二蝕刻率之間的差異而產生。在根據此處公開教導的另一實施方式中，一種用于制造微機械聲換能器的方法包括在襯底裝置的第一主表面上沉積第三薄膜支撐材料層；在第三薄膜支撐材料層的主表面上沉積輔助材料層；部分地掩蓋輔助材料層的主表面；通過施加特定蝕刻劑，蝕刻至少一個第一區中以及環繞該至少一個第一區的第二區中的輔助材料層和第三薄膜支撐材料層；繼續蝕刻，至少直到去除該至少一個第一區中的第三薄膜支撐材料層，以露出該至少一個第一區中的襯底裝置；去除輔助材料和掩蓋輔助材料層的主表面期間所形成的掩模；在第三薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層；以及在襯底裝置中形成凹腔。第三薄膜支撐材料層對于特定蝕刻劑具有或呈現出第三蝕刻率，并且輔助材料對于特定蝕刻劑具有或呈現出高于第三蝕刻率的第四蝕刻率。在完成輔助材料層的主表面的部分掩蓋之后，露出至少一個第一區中的輔助材料層，并且掩蓋該至少一個第一區外部的輔助材料層。蝕刻操作在第二區中形成第三薄膜支撐材料層的錐形表面。當在第三薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層時，該薄膜材料基本上再現或遵循第三薄膜支撐材料的錐形表面。從襯底裝置的與輔助材料層、第三薄膜支撐材料層和薄膜材料層相對的一側執行襯底裝置中的凹腔的形成，至少直到該凹腔延伸至該至少一個第一區中的薄膜材料。注意到，第三薄 膜支撐材料的存在并不必然意味著第一和第二薄膜支撐材料的存在。應將術語“第三薄膜支撐材料”、“第三蝕刻率”、“第四蝕刻率”、“第五薄膜支撐材料”以及“第五蝕刻率”看作是標識符，而不是計數器。為清楚起見，對不同元件選擇了唯一的標識符，特別是在兩個或多個實施方式的特征結合的情況下。根據此處公開教導的微機械聲換能器包括襯底裝置、薄膜支撐結構、薄膜支撐結構中的孔、以及薄膜。薄膜支撐結構包括與襯底裝置相鄰的第一薄膜支撐材料層以及位于第一薄膜材料層的與襯底裝置相對的界面處的第二薄膜支撐材料層。第一薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有第一蝕刻率，并且第二薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有低于第一蝕刻率的第二蝕刻率。通過第二薄膜支撐材料層的錐形表面，至少部分地限定薄膜支撐結構中的孔。該薄膜露出于該孔，并且該薄膜在第二薄膜支撐材料層的與錐形表面相對的表面處固定至第二薄膜支撐材料層。根據此處公開教導的另一實施方式的微機械聲換能器包括襯底裝置、薄膜支撐結構、以及薄膜。薄膜支撐結構包括固定至襯底裝置的第三薄膜支撐材料層，其中第三薄膜支撐材料層包括錐形表面。該薄膜設置在薄膜支撐結構的與襯底裝置相對的一側。第一區中的薄膜露出，該第一區由襯底裝置和薄膜支撐結構中的至少一個中的孔限定。此外，薄膜被固定至錐形表面。
圖I示出了未采用此處公開教導的微機械聲換能器的示意性截面；圖2示出了未采用此處公開教導的微機械聲換能器的立體截面；圖3的下部示出了聲換能器的部分截面，并且上部示出了用于三種不同結構的根據位置變化的機械應力的示圖；圖4示出了根據此處公開教導的第一實施方式的微機械聲換能器的示意性部分截面；圖5示出了根據此處公開教導的第二實施方式的微機械聲換能器的示意性部分截面；圖6示出了根據此處公開教導的第三實施方式的微機械聲換能器的示意性部分截面；圖I示出了當沒有外部壓力或作用力施加在薄膜上時，薄膜的一部分及其支撐結構的力學模擬結果；圖8A中示出了未實施此處公開的教導時所形成的薄膜及其支撐結構的力學模擬結果；圖SB中示出了根據此處公開的教導構造的從頂部引發的薄膜及其薄膜支撐結構的力學模擬；并且圖SC中示出了根據此處公開的教導構造的從下方引發的薄膜及其薄膜支撐結構的力學模擬；圖9A中示出了未采用此處公開教導時從上方引發的薄膜及其薄膜支撐結構的力學模擬結果，并且圖9B中示出了根據此處公開的教導從上方引發的薄膜及其薄膜支撐結構的力學模擬結果，特別包括加強環；圖10示出了當執行根據此處公開教導的第一實施方式的方法時，可觀察到的蝕刻過程的進程；圖11示出了在執行根據此處公開教導的第二實施方式的方法期間，可觀察到的蝕刻過程的進程；圖12在上部示出了根據此處公開教導的微機械換能器的示意性部分截面，并且在下部示出了相應的光柵電子顯微鏡(REM)圖像； 圖13示出了根據此處公開教導的第四實施方式的微機械換能器的示意性部分截面；圖14示出了用于制造微機械聲換能器的過程；以及圖15A至圖15M示出了用于制造根據此處公開教導的微機械聲換能器的方法的多個處理步驟。
具體實施例方式圖I不出了微機械聲換能器的不意性截面,其中未實施此處公開教導的一些核心特征。該微機械聲換能器可以是麥克風、擴音器、或者麥克風和擴音器的組合。該微機械聲換能器包括襯底10、定子或反電極16、以及薄膜14。薄膜14和反電極16固定至支撐結構32，該支撐結構進而固定至襯底10。取代基本同質的襯底(例如硅)，在這種或其他構造中，襯底裝置可以呈現為例如在其主表面上具有一層氧化硅SiO2的硅錠(silicon bulk)。術語“被固定至”可以表示“安裝至”、“附接至”等。通常，反電極16基本為剛性的，這可以通過恰當地選擇反電極16的厚度和/或材料實現。薄膜14可變形，以便尤其是薄膜14的中心部分可以從靜止位置移動至受激位置(excited position),在受激位置,薄膜14朝向反電極16彎曲，或者甚至接觸反電極16。薄膜14在薄膜14的周緣部分機械地連接至支撐結構32。通過在薄膜14上施加靜電力，可以實現薄膜14或其中心部分朝向反電極16的移動。具體地，反電極16可以靜電地吸引薄膜14。通過向反電極16和薄膜14施加不同的電勢，實現反電極16與薄膜14之間的靜電作用。支撐結構32通常用作反電極16與薄膜14之間的電絕緣體。圖I中未示出的是電連接和連接盤，通過該電連接和連接盤，薄膜14和反電極16可以電連接至其他元件，例如放大器(未示出)。襯底10具有位于薄膜14的第一區下方的凹腔22。凹腔22用作微機械聲換能器的背部空間，并且允許薄膜14相對自由地朝向反電極16移動和遠離。反電極16中形成有多個氣孔I。因此，當朝向反電極16移動時，薄膜14不必克服較強的背壓(counterpressure)，或者當遠離反電極16移動時，薄膜不必克服負壓(真空)。在圖I示出的結構中，凹腔22在相對于薄膜-定子裝置而言的相對側開口，例如在相對于圖I視圖的凹腔22的下端。凹腔22在支撐結構32中延伸，但具有較大的橫截面。第一自由空間出現在薄膜14的上方，并且第二自由空間出現在薄膜14的下方，或者更準確地，分別出現在薄膜14的中心部分的上方/下方。這些自由空間允許薄膜14的中心部分向上和向下移動。可以將凹腔22的穿過支撐結構32的延伸部分看做微機械聲換能器的聲音轉換區，并且在本公開的其他部分將其稱為“第一區。”通常，靜電聲換能器包括至少一個電容器，在該電容器中其中一個板(即薄膜)可移動。當作為擴音器操作這種結構時，電容器通常被電偏壓，并且表示待轉換的音頻數據的電輸入信號調制電場。電容器中的這種電場的調制使得薄膜振動。通常，這種結構具有平方律作用力/電壓特征，并且由于該平方律作用力/電壓特征，可能發生明顯失真，特別是對于音頻輸入信號的高輸入電壓。另一方面，當作為麥克風操作這種結構時，電容器通常也被電偏壓。撞擊在薄膜14上的聲音信號使得薄膜14振動。這種振動導致電容器中的電場的調制，微機械聲換能器的電連接盤會感測到這種調制。圖I下部的插圖以示意性截面圖示出了微機械聲換能器的細節。在薄膜14的周緣區域與襯底10之間，薄膜支撐材料層502用于支撐薄膜14。薄膜支撐材料層502屬于薄膜支撐結構32。薄膜支撐材料502通常是氧化物，例如二氧化硅Si02。薄膜14在底側上 由氧化物層502支撐，該氧化物層呈現出基本垂直的邊緣。凹腔22在襯底10內具有基本一致的截面，在薄膜支撐材料層502的高度位置處，該截面加寬至孔503。孔503在周向上由薄膜支撐材料的基本垂直的邊緣界定，并且通常利用各向同性蝕刻而形成，各向同性蝕刻基本上只影響薄膜支撐材料層502的氧化物材料，而不會影響薄膜14和襯底10。通過對各向同性蝕刻過程定時并且控制各向同性蝕刻過程的其他參數，例如蝕刻劑的溫度和濃度，可相對精確地控制孔503的尺寸。孔503的尺寸影響薄膜的一些物理特性，例如共振頻率和剛度。當從前側(從上方)施加壓縮載荷時，如圖I中示出的薄膜支撐結構或“夾持裝置”32對于給定的換能器結構產生5巴的高抗壓強度，而當從后側(從下方)施加壓縮載荷時，產生I. 5巴的低抗壓強度。實際上，微機械聲換能器的當前制造方式表明當從后側施加壓縮載荷時薄膜夾持裝置關于抗壓強度的薄弱。因此，具有圖I中所示結構的微機械聲換能器表明當從后側施加壓縮載荷時薄膜支撐結構關于抗壓強度的薄弱。圖2示出了圖I中所示的微機械聲換能器的截面的立體圖。薄膜14包括通風孔4，該通風孔主要用于均衡凹腔22與薄膜14上方空間之間的靜壓力差。圖3在下部示出了穿過薄膜支撐材料層502和薄膜14的部分示意性截面。在圖3中，示出了用于薄膜支撐材料層502與薄膜14之間的過渡的三種不同結構。假定從下方向薄膜14施加壓力P，由此在薄膜14上施加壓縮載荷。圖3的上部中對比了三種對應的應力曲線。在第一種結構中，薄膜支撐材料層502和薄膜14基本上形成直角，即，薄膜支撐材料層502的邊緣基本上為豎直的(實線)。在圖3的上部中，代表切向應力ot的應力曲線321對應于薄膜支撐材料層502與薄膜14之間的基本上為直角的結構。第一應力曲線321在基本上為直角的位置處具有高且陡的尖峰。第一應力曲線321中的尖峰使薄膜14固定至薄膜支撐材料層502的抗壓強度降低。當薄膜14承受過大的壓縮載荷時，在應力特別高的位置可能出現裂縫。這種效應被稱為“應力集中”或“缺口效應”。圖3的下部中通過虛線302示出了第二種結構。根據該第二種結構，薄膜支撐材料層502與薄膜14之間的過渡適度地彎曲。在圖3的上部中，應力線322示出了用于該第二種結構的切向應力ot。如箭頭331所示，通過選擇第二種結構，可實現相比于第一種結構的應力最大值的顯著減小。應力曲線322還表明與應力曲線321相比,該應力分布在較大的區域上，用于第二種結構的區域大致對應于圓角302的延伸部分。通過選擇圖3的下部中通過虛線303示出的第三種結構，可實現切向應力O 1最大值的進一步減小。在圖3的上部中，應力曲線323示出相應的應力分布。箭頭332示出了第二種結構與第三種結構之間的最大應力值的進一步減小。應力曲線323相對平坦，并且可以看出該應力分布在相對更大的區域上。此處公開的教導通過優化薄膜支撐結構的邊緣形狀，提供缺口效應或應力集中的降低，并且因此，實現薄膜支撐結構內的更均勻的應變分布。此外，材料及其對不同蝕刻劑的不同反應的特定順序或序列使得可以相互獨立地蝕刻聲換能器的所選擇的子結構。在這種方式中，可控制一些蝕刻過程，以提供相對高的精確度，同時加快其他蝕刻過程。可以利用相對高精確度的蝕刻工藝來蝕刻靠近薄膜的結構，例如薄膜的釋放蝕刻(releaseetch)。 根據這些教導，通過構造薄膜支撐結構的邊緣以便降低缺口效應，可以解決從后側施加壓縮載荷時抗壓強度較低的問題。對于第一種結構，如果薄膜14由于壓縮載荷而從下方偏斜，缺口效應將直接在薄膜支撐結構32處造成較大的機械張力。通過設置具有圖3中分別用于第二和第三種結構的曲線302和303示出的薄軸環(collar)的薄膜支撐結構，可以減小張力的最大值。該軸環使得機械張力更廣泛地分布，大致分布至軸環結構的區域，因此降低了張力的最大值，并且進而增大了抗壓強度。圖4示出了根據此處公開教導下的第一種可能結構的微機械聲換能器的部分示意性截面。根據第一種可能結構，制造的薄膜支撐結構包括軸環。在襯底10的上部第一主表面上，設置有第一薄膜支撐材料層402。在微機械聲換能器的制造過程中構造第一薄膜支撐材料層402，使得在所示出的成品聲換能器中，存在第一薄膜材料層的保持貼片(patch)。在第一薄膜材料層402的上方，即在第一薄膜支撐材料層的與襯底10相對的主表面上，設置有第二薄膜支撐材料層404。第二薄膜材料層404可形成軸環或類似軸環的結構。在圖4中，在示出的第一薄膜支撐材料層402和第二薄膜材料層404的左邊，形成有孔403。第二薄膜支撐材料層404具有限定孔403的錐形表面。薄膜14設置在第二薄膜材料層404的上主表面上，即與第一薄膜支撐材料層402相對。由于第二薄膜支撐材料層404的錐形表面，所以第二薄膜支撐材料層404的寬度在第二薄膜支撐材料層404的下主表面和上主表面之間增加值L。術語“錐形”或“錐形的”可包括連續的表面或邊緣、彎曲的表面或邊緣、以及臺階狀表面或邊緣。錐形表面/邊緣的其他實施例也可歸入術語“錐形”和“錐形的”中。利用各向同性蝕刻工藝在微機械聲換能器的制造過程中獲得孔403。第一薄膜支撐材料層對于各向同性蝕刻過程中所使用的蝕刻劑具有第一蝕刻率。第一蝕刻率通常相對較高。第二薄膜支撐材料層404對于所使用的蝕刻劑具有相對較低的第二蝕刻率。在任何情況下，第二蝕刻率通常低于第一蝕刻率。蝕刻劑通常不會明顯地蝕刻薄膜14和襯底10。以上提及的第二薄膜材料層404的錐形表面的寬度L取決于第二薄膜材料層404的厚度以及第一蝕刻率與第二蝕刻率之比，即，L =厚度第二薄膜支撐材料*蝕刻率J蝕刻率2。
第一薄膜材料可以是例如氧化硅Si02。第二薄膜材料可以是例如氮氧化硅SiON。因此，形成包含氧化物(SiO2)和氮氧化物(SiON)的雙層結構。對于某些蝕刻劑，SiO2的蝕刻率明顯高于SiON的蝕刻率。如以上所解釋的，如果利用掩模執行各向同性濕化學蝕刻，則形成SiON的三角形突懸(overhang)，其寬度對應于層厚度和蝕刻率之比。示出了一種包括3 y m的軸環寬度和190nm的軸環厚度的可能實現結果。通過選擇層厚度和蝕刻率/材料，也可以調整軸環。利用支撐環也可以優化薄膜支撐結構，并且因此薄膜支撐結構可以設置在薄膜層內部。圖5示出了根據此處公開教導下的第 二種可能結構的微機械聲換能器的部分示意性截面，該第二種可能結構的特征是用加強環取代了軸環。同樣，第一薄膜支撐材料層512設置在襯底10的上部第一主表面上。在第一薄膜材料層512的與襯底10相對的主表面上，設置有第三薄膜支撐材料層514。第三薄膜支撐材料層514可形成加強環或支撐環。通常，第三薄膜支撐材料層514包括至少一個錐形表面。在圖5中，第三薄膜支撐材料層514包括兩個錐形表面。第一錐形表面設置在由第三薄膜支撐材料層514形成的加強環的徑向內偵U。第一錐形表面具有寬度L。第二錐形表面設置在加強環的徑向外側。薄膜材料層14覆蓋第三薄膜材料層514并且還局部地覆蓋第一薄膜材料層512。在這種方式中，薄膜材料層14在某些區域遵循或再現第三薄膜支撐材料層514的錐形表面。孔513下界限由襯底10的上主表面限定，徑向外界限由第一薄膜材料層512限定，并且上界限由第三薄膜支撐材料層514以及薄膜14限定。利用各向同性蝕刻形成孔513。利用輔助層形成第三薄膜支撐材料層514的錐形表面，該輔助層在第三薄膜支撐材料的上主表面與之相鄰。該輔助層對于特定蝕刻劑具有的蝕刻率高于第三薄膜支撐材料514的蝕刻率。通過加強環的區域中的輔助層的掩模，可獲得錐形表面。第三薄膜支撐材料層514具有的厚度范圍可以從IOOnm至800nm,優選地從300nm至800nm。輔助薄膜支撐材料層具有的厚度范圍可以從IOOnm至IOOOnm,優選地從IOOnm至 500nm。圖6示出了根據此處公開教導下的第三種可能結構的微機械聲換能器的部分示意性截面，該第三種可能結構結合了圖4和圖5中分別示出的第一和第二種可能結構。第一薄膜支撐材料層402 (例如氧化硅SiO2)設置在襯底10的第一主表面上。第二薄膜支撐材料層404設置在第一薄膜支撐材料層402的與襯底10相對的表面上。與之前一樣，第二薄膜支撐材料層404形成軸環或類似軸環的結構。第二薄膜支撐材料404可以是例如氮氧化硅SiON并且具有錐形表面。第三薄膜支撐材料層514設置于第二薄膜支撐材料404的上表面，該第三薄膜支撐材料層已經在圖5中示出并且在相應說明中進行了描述，并且該第三薄膜支撐材料層可以形成例如加強環。薄膜材料層14設置在第三薄膜支撐材料層514的上表面上。第二薄膜支撐材料層404包括錐形表面，該錐形表面部分地限定第二薄膜支撐材料404與襯底10之間的孔603。在徑向方向上，孔603由第一薄膜支撐材料層402限定。第二薄膜支撐材料層404的錐形表面具有寬度L_w。第三薄膜支撐材料層514也包括錐形表面，其中，在該錐形表面上設置有薄膜材料層14。第三薄膜材料514的錐形表面的寬度為
L加強環。通過包括以下操作的方法，可獲得圖6中示出的結構
-在襯底裝置的第一主表面上沉積第一薄膜支撐材料層,第一襯底材料對于特定蝕刻劑具有第一蝕刻率；-在第一薄膜支撐材料層的主表面上沉積第二薄膜支撐材料層，第二薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有低于第一蝕刻率的第二蝕刻率；-在第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積第三薄膜支撐材料層；-在第三薄膜支撐材料層的第一主表面上沉積輔助材料層，該輔助材料對于特定蝕刻劑具有高于第三蝕刻率的第四蝕刻率，其中薄膜材料也沉積在第三薄膜支撐材料層上的第三薄膜支撐材料層覆蓋第二薄膜支撐材料層的位置；-部分地掩蓋輔助材料層的主表面，以便露出至少一個第一區中的輔助材料層，并且掩蓋該至少一個第一區外部的輔助材料層；-通過施加特定蝕刻劑，蝕刻該至少一個第一區中以及第二區中的輔助材料層和 第三薄膜支撐材料層，其中該蝕刻在第二區中形成第三薄膜支撐材料層的錐形表面；-繼續蝕刻，至少直到去除該至少一個第一區中的第三支撐材料層，以露出該至少一個第一區中的第二薄膜支撐材料層；以及-去除輔助材料以及在掩輔助材料層的主表面期間所形成的掩模；-在第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層；-從襯底裝置的一側在襯底裝置中形成凹腔，至少直到該凹腔延伸至第一薄膜支撐材料層，其中該側與第一薄膜支撐材料層、第二薄膜支撐材料層和薄膜材料層相對；-借助于通過凹腔施加特定蝕刻劑而蝕刻第一薄膜支撐材料層和第二薄膜支撐材料層，蝕刻發生在至少一個第一區中，該至少一個第一區沿著基本垂直于襯底裝置的第一主表面的方向設置在凹腔的延伸部分中，并且蝕刻還發生在環繞該第一區的第二區中，其中蝕刻在第二區中形成第二薄膜支撐材料層上的錐形表面，該錐形表面因第一蝕刻率與第二蝕刻率之間的差異而產生；以及-繼續蝕刻，至少直到去除第一區中的第二薄膜支撐材料層，以露出薄膜材料層。結合圖4至圖6公開的教導旨在改進薄膜固定(fixation)的抗壓強度；與具有基本上垂直邊緣的薄膜支撐相比，當前實驗顯示出2-3倍的改進(a factor of 2-3) 0圖7示出了根據第一種可能結構的微機械聲換能器的部分示意性截面。具體地，圖7示出了當薄膜14處于未承載狀態時，薄膜14中、第一薄膜支撐材料層402 (SiO2)中以及第二薄膜支撐材料層404(SiON)中的應力分布。不存在外部引發的應力，并且各種材料的內在(intrinsic)機械張力均勻地分布。圖8A至圖SC示出了當壓力撞擊薄膜14時軸環結構的力學模擬結果。在圖8A中，示出了不具有錐形表面或類似結構的構造的模擬結果。可以看出，在由薄膜支撐材料502的基本垂直邊緣和薄膜14的基本水平表面所形成的拐角處，薄膜14和薄膜支撐材料502內的機械應力分別達到相對高的絕對值2. 2GPa和3. 9GPa。標記“MX”和“MN”大約指明了分別出現最大應力和最小應力的區域。在圖SB中，示出了從頂部施加壓力時具有帶錐形表面的軸環的構造的力學模擬結果。最大應力達到I. 8GPa，并且該最大應力可在薄膜14的上表面觀察到。在圖8C中，示出了從下方施加壓力的情況下具有軸環或類似軸環結構的相同構造的力學模擬結果。最大應力達到約2. 6GPa，并且該最大應力可在第二薄膜支撐材料404的錐形表面的尖端附近觀察到。圖9A和圖9B示出了沒有加強環和具有加強環的構造的力學模擬結果的對比。圖9A對應于圖8A，S卩，當從頂部向沒有錐形加強環的薄膜結構施加I巴的壓力時的力學模擬結果。圖9B示出了在相同情況(即從頂部施加I巴的壓力)下具有錐形加強環的結構的力學模擬結果。在薄膜支撐結構與薄膜14之間的拐角處，對于沒有加強環的結構，應力達到最大絕對值3. 9GPa。這與具有錐形加強環的結構的最大絕對值2. 8GPa形成對比。在薄膜的上側，對于沒有加強環的結構(圖9A)，最大絕對值為2. 2巴，而對于具有加強環的結構(圖9B)，最大絕對值為I. 7GPa。張力或應力的最大值取決于(尤其)錐形表面的角度。下表示出這種依存關系
權利要求
1.一種用于制造微機械聲換能器的方法，所述方法包括 在襯底裝置的第一主表面上沉積第一薄膜支撐材料層，第一薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有第一蝕刻率； 在所述第一薄膜支撐材料層的主表面上沉積第二薄膜支撐材料層，第二薄膜支撐材料對于所述特定蝕刻劑具有低于所述第一蝕刻率的第二蝕刻率； 在所述第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層； 從所述襯底裝置的與所述第一薄膜支撐材料層相對的一側形成所述襯底裝置中的凹腔，至少直到所述凹腔延伸至所述第一薄膜支撐材料層； 借助于通過所述凹腔施加所述特定蝕刻劑而蝕刻所述第一薄膜支撐材料層和所述第二薄膜支撐材料層，所述蝕刻發生在至少一個第一區中，所述至少一個第一區沿著基本垂 直于所述襯底裝置的第一主表面的方向位于所述凹腔的延伸部分中，所述蝕刻還發生在環 繞所述第一區的第二區中，其中，所述蝕刻在所述第二區中形成所述第二薄膜支撐材料層上的錐形表面；以及 繼續所述蝕刻，直到去除所述第一區中的所述第二薄膜支撐材料層，以露出所述薄膜材料層。
2.根據權利要求I所述的方法，在沉積所述第二薄膜支撐材料層和沉積所述薄膜材料層之間，進一步包括以下操作 在所述第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積第三薄膜支撐材料層，第三薄膜支撐材料對于所述特定蝕刻劑具有第三蝕刻率； 在所述第三薄膜支撐材料層的第一主表面上沉積輔助材料層，輔助材料對于所述特定蝕刻劑具有高于所述第三蝕刻率的第四蝕刻率； 部分地掩蓋所述輔助材料層的主表面，以便露出所述至少一個第一區中的輔助材料層，并且掩蓋所述至少一個第一區外部的輔助材料層； 通過施加所述特定蝕刻劑，蝕刻所述至少一個第一區中以及所述第二區中的所述輔助材料層和所述第三薄膜支撐材料層，其中所述蝕刻在所述第二區中形成所述第三薄膜支撐材料層的錐形表面； 繼續所述蝕刻，至少直到從所述至少一個第一區中去除所述第三薄膜支撐材料層，以露出所述至少一個第一區中的第二薄膜支撐材料層；以及 去除所述輔助材料和掩蓋所述輔助材料層的主表面期間所形成的掩模， 其中，還在所述第三薄膜支撐材料層上的所述第三薄膜支撐材料層覆蓋所述第二薄膜支撐材料層的位置處沉積所述薄膜材料。
3.根據權利要求I所述的方法，進一步包括 在所述薄膜材料層的與所述襯底裝置相對的主表面上形成電極支撐和電極，其中，利用犧牲材料在所述第一區中限定所述薄膜材料與所述電極之間的將來的間隙，通過在所述電極中或與所述電極相鄰的進入孔，從與所述凹腔相對的一側蝕刻所述犧牲材料。
4.根據權利要求I所述的方法，其中，蝕刻所述第一薄膜支撐材料層和所述第二薄膜支撐材料層包括執行各向同性蝕刻工藝。
5.根據權利要求I所述的方法，其中，所述錐形表面限定用于所述第一和第二薄膜支撐材料與所述薄膜材料之間的機械連接的加強軸環，所述加強軸環使得機械應力廣泛空間地分布在所述機械連接附近。
6.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第一薄膜支撐材料包含氧化娃或原娃酸四乙酯中的至少一種，并且其中，所述第二薄膜支撐材料包含氮氧化物。
7.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第一薄膜支撐材料層具有的厚度在400nm至800nm之間。
8.根據權利要求I所述的方法，其中，所述第二薄膜支撐材料層具有的厚度在IOOnm至200nm之間。
9.根據權利要求I所述的方法，進一步包括 在所述第二薄膜支撐材料層的主表面上沉積第五薄膜支撐材料層，第五薄膜支撐材料層對于所述特定蝕刻劑具有低于所述第二蝕刻率的第五蝕刻率； 其中，在蝕刻所述第一薄膜支撐材料層和所述第二薄膜支撐材料層的同時，蝕刻所述第五薄膜支撐材料層，其中，所述蝕刻在所述第二區中形成所述第五薄膜支撐材料層上的第二錐形表面，所述第二錐形表面具有的角度不同于所述第二薄膜支撐材料層上的錐形表面的角度。
10.一種用于制造微機械聲換能器的方法，所述方法包括 在襯底裝置的第一主表面上沉積第三薄膜支撐材料層，第三薄膜支撐材料層對于特定蝕刻劑具有第三蝕刻率； 在所述第三薄膜支撐材料層的主表面上沉積輔助材料層，輔助材料對于所述特定蝕刻劑具有高于所述第三蝕刻率的第四蝕刻率； 部分地掩蓋所述輔助材料層的主表面，以便露出至少一個第一區中的輔助材料層，并且掩蓋所述至少一個第一區外部的輔助材料層； 通過施加所述特定蝕刻劑，蝕刻所述至少一個第一區中以及環繞所述至少一個第一區的第二區中的所述輔助材料層和所述第三薄膜支撐材料層，其中，所述蝕刻在所述第二區中形成所述第三薄膜支撐材料層的錐形表面； 繼續蝕刻，至少直到去除所述至少一個第一區中的所述第三薄膜支撐材料層，以露出所述至少一個第一區中的襯底裝置； 去除所述輔助材料和掩蓋所述輔助材料層的主表面期間所形成的掩模； 在所述第三薄膜支撐材料層的主表面上沉積薄膜材料層，使得所述薄膜材料基本上再現所述第三薄膜支撐材料的錐形表面；以及 從與所述輔助材料層、所述第三薄膜支撐材料層和所述薄膜材料層相對的一側形成所述襯底裝置中的凹腔，至少直到所述凹腔延伸至所述至少一個第一區中的所述薄膜材料。
11.根據權利要求10所述的方法，進一步包括 在所述薄膜材料層的與所述襯底裝置相對的主表面上形成電極支撐和電極，其中，利用犧牲材料在所述至少一個第一區中限定所述薄膜材料與所述電極之間的將來的間隙，通過所述電極中或與所述電極相鄰的進入孔，從與所述凹腔相對的一側蝕刻所述犧牲材料。
12.根據權利要求10所述的方法，其中，蝕刻所述輔助材料層和所述第三薄膜支撐材料層包括執行各向同性蝕刻工藝。
13.根據權利要求10所述的方法，其中，所述錐形表面限制用于所述薄膜支撐材料與所述薄膜材料之間的機械連接的加強環，所述加強環使得機械應力廣泛空間地分布在所述機械連接附近。
14.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第三薄膜支撐材料包含氧化硅或原硅酸四乙酯中的至少一種，并且其中，所述第二薄膜支撐材料包含氮氧化物。
15.根據權利要求10所述的方法，其中，所述第三薄膜支撐材料層具有的厚度在IOOnm至800nm之間。
16.根據權利要求10所述的方法，其中，所述輔助材料層具有的厚度在IOOnm至IOOOnm 之間。
17.—種微機械聲換能器,包括 襯底裝置； 薄膜支撐結構，所述薄膜支撐結構包括與所述襯底裝置相鄰的第一薄膜支撐材料層以及位于所述第一薄膜支撐材料層的與所述襯底裝置相對的界面處的第二薄膜支撐材料層，其中第一薄膜支撐材料對于特定蝕刻劑具有第一蝕刻率，并且第二薄膜支撐材料對于所述特定蝕刻劑具有低于所述第一蝕刻率的第二蝕刻率； 所述薄膜支撐結構中的孔，其由所述第二薄膜支撐材料層的錐形表面限定；以及 薄膜，所述薄膜露出于所述孔，并且所述薄膜在所述第二薄膜支撐材料的與所述錐形表面相對的表面處固定至所述第二薄膜支撐材料層。
18.根據權利要求17所述的微機械聲換能器，其中，所述襯底裝置包括硅錠和與所述硅錠的主表面相鄰的氧化物層。
19.根據權利要求17所述的微機械聲換能器，其中，所述薄膜支撐結構在所述第二薄膜支撐材料層的與所述第一薄膜支撐材料層相對的界面處包括第五薄膜支撐材料層，其中，所述第五薄膜支撐材料對于所述特定蝕刻劑具有低于所述第二蝕刻率的第五蝕刻率，并且其中，所述第五薄膜支撐材料層包括第二錐形表面，所述第二錐形表面限定所述孔，并且所述第二錐形表面具有的角度不同于所述第二薄膜支撐材料層上的錐形表面的角度。
20.根據權利要求17所述的微機械聲換能器，其中，所述薄膜支撐結構進一步包括與所述第二薄膜支撐材料相鄰且具有另一錐形表面的第三薄膜支撐材料，并且其中，所述薄膜還固定至所述第三薄膜支撐材料的所述另一錐形表面。
21.根據權利要求17所述的微機械聲換能器，其中，所述第一薄膜支撐材料具有的厚度在400nm至800nm之間。
22.根據權利要求17所述的微機械聲換能器，其中，所述第二薄膜支撐材料具有的厚度在IOOnm至200nm之間。
23.—種微機械聲換能器,包括 襯底裝置； 薄膜支撐架構，所述薄膜支撐結構包括固定至所述襯底裝置的第三薄膜支撐材料層，其中，所述第三薄膜支撐材料層在與所述襯底裝置相對的一側包括錐形表面；以及 薄膜，所述薄膜位于所述薄膜支撐結構的與所述襯底裝置相對的一側，所述薄膜固定至所述錐形表面。
24.根據權利要求23所述的微機械聲換能器，其中，所述襯底裝置包括硅錠和與所述硅錠的主表面相鄰的氧化物層。
25.根據權利要求23所述的微機械聲換能器，其中，所述第三薄膜支撐材料包含氮氧化物，并且具有的厚度在IOOnm至300nm之間。
26.根據權利要求23所述的微機械聲換能器，進一步包括至少由所述襯底裝置、所述薄膜支撐結構和所述薄膜限定的孔，其中，所述孔位于所述薄膜支撐結構的與所述錐形表面相對的一側。
全文摘要
本發明公開一種具有帶錐形表面的薄膜支撐的微機械聲換能器，還公開一種用于制造微機械聲換能器的方法，該方法包括在襯底裝置的第一主表面上順序沉積分別具有第一蝕刻率和較低的第二蝕刻率的第一和第二薄膜支撐材料層。接著沉積薄膜材料層。從襯底裝置的與薄膜支撐材料和薄膜材料相對的一側形成襯底裝置中的凹腔，至少直到該凹腔延伸至第一薄膜支撐材料層。通過位于凹腔的延伸部分中的至少一個第一區和環繞該第一區的第二區中的凹腔，通過施加蝕刻劑來蝕刻第一和第二薄膜支撐材料層。該蝕刻在第二區中形成第二薄膜支撐材料層上的錐形表面。繼續蝕刻，至少直到從第一區中去除第二薄膜支撐材料層，以露出薄膜材料層。
文檔編號B81C1/00GK102740200SQ20121008279
公開日2012年10月17日 申請日期2012年3月26日 優先權日2011年3月31日
發明者烏韋·賽德爾, 斯特凡·巴澤恩, 沃爾夫岡·克萊因, 沃爾夫岡·弗里扎, 程序, 莫辛·納瓦茲, 阿爾方斯·德赫 申請人:英飛凌科技股份有限公司