CN102209287B - Mems麦克风芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MEMS麦克风芯片及其制造方法，其中的MEMS麦克风芯片包括基底以及设置在基底上的平行板电容器，平行板电容器的一侧相对于基底，另一侧外部设置有保护装置，用于保护MEMS麦克风芯片的主体结构。本发明通过对振动膜设置保护装置，将平行板电容器中较为脆弱的振动膜等结构与MEMS麦克风芯片的外部空间分隔开，不仅能够避免了MEMS麦克风芯片在切割过程中受到污染，有效提高制作过程的效率，降低生产成本、提高生产成品率；而且在MEMS麦克风芯片后续的安装使用过程中也能够对芯片提供足够的保护。

Description

MEMS麦克风芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及麦克风芯片及其制造方法，尤其涉及一种MEMS麦克风芯片及其制造封装方法。

背景技术

近年来，随着手机、笔记本等电子产品体积不断减小、性能越来越高，相应地要求配套的电子零部件的体积不断减小、且性能和一致性提高，并且利用MEMS(微机电系统)工艺集成的MEMS麦克风开始被批量应用到手机、笔记本等电子产品中。在这种背景下，对利用MEMS工艺技术生产的MEMS麦克风的需求正在快速增加。MEMS麦克风的一个核心器件就是利用MEMS工艺制作的MEMS麦克风芯片，此芯片可以完成声-电转换功能。

图1为现有的一种MEMS麦克风芯片的结构示意图，如图1所示，该MEMS麦克风芯片包括一个基底1，基底1上设置有上下贯通的孔11，基底上方设置有一个由固定极板2、隔离层3和振动膜4构成的一个平行板电容器，平行板电容器中的振动膜4可以从上方或者下方接受外界的声音信号并发生振动，从而使平行板电容器产生一个电信号，实现声-电转换功能。固定极板2上设置有一个金属连接点21，振动膜4上设置有一个金属连接点41，连接点21和41可以分别将平行板电容器的两个电极引出。

一般这种芯片的制作是在晶圆上利用MEMS工艺制作出多个MEMS芯片来，然后进行切割，分散为多个独立的MEMS芯片单元。图2为MEMS麦克风芯片未切割前连接在一起的两个MEMS芯片单元的结构示意图，如图2所示，若沿虚线位置处进行切割，就能成为两个独立的MEMS芯片单元。为便于表示，此处仅用两个尚未切割的MEMS芯片单元加以表示，实际生产中，会有较多数量的MEMS芯片单元一起进行切割工艺。对于这种结构的MEMS芯片，主要有两种切割工艺，一种是水切割，这种切割工艺成本较为低廉，但是平行板电容器中的振动膜等区域非常脆弱，切割过程中很容易受到污染；另一种切割工艺为激光切割，激光切割可以避免MEMS芯片受到污染的问题，但是成本非常高昂，不适合大批量投入生产。

并且，MEMS芯片制作过程中，基底中的贯穿孔需要通过蚀刻工艺形成，基底厚度较大的问题也给腐蚀工艺带来了困难，造成蚀刻效率低下并且MEMS芯片的成品率较低；另外，MEMS芯片制作过程中还要求基底具备一定的厚度，以防止芯片损坏或者破碎，这样就进一步增加了MEMS芯片单元的切割成本，降低了切割的效率。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供一种新型MEMS麦克风芯片以及制造这种MEMS麦克风芯片的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的一种MEMS麦克风芯片，包括基底以及设置在基底上的平行板电容器，平行板电容器的一侧相对于基底，另一侧外部设置有保护装置，用于保护MEMS麦克风芯片的主体结构。

此外，优选的结构是，平行板电容器包括固定极板、振动膜和设置在所述固定极板和振动膜之间的隔离层；并且，固定极板和振动膜上分别设置有将所述平行板电容器的两个电极引出的金属连接点。

再者，优选的结构是，所述保护装置安装在振动膜上，并且所述固定极板以及振动膜上的金属连接点均设置在所述保护装置外部。

优选的，保护装置为金属帽。

优选的，保护装置包括一环形支撑圈和固定在所述环形支撑圈外部的平板。

优选的，基底的厚度范围为50-200微米。

另一方面，本发明还提供了一种上述MEMS麦克风芯片的制造方法，包括如下步骤：

S1：对晶圆进行蚀刻，在基板材料层上制作出带有平行板电容器的MEMS麦克风芯片单元；

S2：将保护装置固定在所述平行板电容器外部。

优选的，在步骤S1中，进一步包括：

制作带孔的固定极板、隔离层以及振动膜的步骤；

分别在固定极板以及振动膜上设置金属连接点的步骤。

优选的，在步骤S2之后，还包括：

S3：研磨基板材料层使其变薄，作为MEMS麦克风芯片的基底。

优选的，在步骤S3之后，还包括：

S4：通过蚀刻工艺在基底上设置贯通穿孔；

S5：对完成上述S1～S4步骤的晶圆进行切割，分离MEMs麦克风芯片单元。

采取了以上的技术后，一方面，保护装置的设置，能够将平行板电容器中较为脆弱的振动膜等结构与MEMS麦克风芯片的外部空间分隔开，不仅有效避免了MEMS麦克风芯片在切割过程中受到污染，有效提高制作过程的效率，降低生产成本、提高生产成品率；而且在MEMS麦克风芯片后续的安装使用过程中也能够对芯片提供足够的保护。另一方面，厚度变薄的基底也使得设置贯通孔的蚀刻工艺以及分离多个MEMS麦克风芯片单元的切割工艺变得更加容易，并且可以采用钻石刀轮进行成本低廉的水切割，从另一角度提高了生产效率、降低了成本，并使产品的成品率得到提高。

附图说明

下面结合附图对其实施例进行描述，结合附图，本发明的上述特征和技术优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1是表示一种现有的MEMS麦克风芯片的结构示意图；

图2是表示一种现有MEMS麦克风芯片未切割前的结构示意图；

图3表示本发明第一实施例的MEMS麦克风芯片的结构示意图；

图4a-图4e表示本发明第一实施例的MEMS麦克风芯片的制作过程示意图；

图5是表示本发明MEMS麦克风芯片制作流程的示意图；

图6表示本发明第二实施例的MEMS麦克风芯片的结构示意图；

图7表示本发明第三实施例的MEMS麦克风芯片的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的描述。

(第一实施例)

图3是表示本发明的第一实施例涉及的MEMS麦克风芯片的结构图。如图3所示，MEMS麦克风芯片包括一个基底1，基底1上设置有上下贯通的孔11，基底上方设置有一个固定极板2、隔离层3和振动膜4构成的一个平行板电容器，平行板电容器中的振动膜4可以从上方或者下方接受外界的声音信号并发生振动，从而平行板电容器产生一个电信号，实现声-电转换功能。固定极板2上设置有一个金属连接点21，振动膜4上设置有一个金属连接点41，连接点21和41可以分别将平行板电容器的两个电极引出。并且，在平行板电容器与基板1相对的一侧、振动膜4上方设置有一个保护装置5。保护装置5的设置，将平行板电容器中较为脆弱的振动膜等结构与MEMS麦克风芯片的外部空间分隔开，不仅能够有效避免MEMS麦克风芯片在切割过程中受到污染，降低生产成本、提高生产率；而且在MEMS麦克风芯片后续的安装使用过程中也能够对芯片提供足够的保护。

在本实施例中，保护装置5为一个金属帽，金属帽的开口端安装在振动膜4上，并且振动膜4上的金属连接点41设置在金属帽以外。

图4a-图4e表示了本实施例的MEMS麦克风芯片的制作过程示意图。

步骤1：如图4a所示，图4表示没有进行蚀刻、切割的晶圆，可以用来制作多个MEMS芯片单元，包括基板材料层1’、极板材料层2’、隔离材料层3’以及振动膜材料层4’。

步骤2：如图4b所示，将图4a表示的晶圆进行蚀刻，制作出带孔的固定极板2、隔离层3以及振动膜4，并且分别在固定极板2以及振动膜4上设置金属连接点21和金属连接点41用于连接外部电路。晶圆上可以同时制作出多个MEMS麦克风芯片单元，此处，用两个MEMS麦克风芯片单元代表。

步骤3：如图4c所示，将两个保护装置5分别黏贴安装在MEMS麦克风芯片单元的振动膜4上方，金属连接点21和41设置在保护装置5以外，可以与外部电路连接。在本实施例中，将保护装置5设计为金属帽的形式。

步骤4：如图4d所示，将基底1沿虚线位置进行研磨，可以将基板材料层1’的厚度变薄。因为保护装置5可以保障MEMS麦克风芯片的强度，使得将基板材料层1’变薄的工艺得以实现，而相对薄的基底更易于基底贯穿孔的蚀刻，并且便于MEMS麦克风芯片单元的切割。研磨前，基板材料层1’的厚度范围一般为400-1200微米，而研磨后的厚度范围一般为50-200微米。

步骤5：如图4e所示，通过蚀刻工艺在基底1上设置贯通孔11，并且将变薄后的基底1沿虚线位置进行切割分离多个MEMS麦克风芯片单元，因为上一步骤中基板材料层1’的厚度变薄，设置贯通孔11的蚀刻工艺以及分离多个MEMS麦克风芯片单元的切割工艺变得更容易，并且可以采用钻石刀轮进行成本低廉的水切割，从另一角度提高了生产效率、降低了成本，并使产品的成品率得到提高。

需要说明的是，上述各步骤所示的制作过程只是对本发明一个具体是实施例的表述，并不是对本发明的限制，其中各步骤的具体操作并不是唯一的。比如，在步骤1中，根据MEMS麦克风芯片结构的不同，晶圆的各个具体结构层内容可能存在一定的区别；在步骤2中，根据晶圆各个结构层存在的差异，其蚀刻的内容也可能存在一定的调整；在步骤3中，可以将保护装置逐一设置在MEMS麦克风芯片上，也可以批量设置，例如：将多个保护装置附着在离型纸上后一并设置在MEMS麦克风芯片上，然后取下离型纸，或者也可以采用胶带来代替离型纸。

图5是本发明制作MEMS麦克风芯片的流程图，如图5所示，首先，对晶圆进行蚀刻，在基板材料层上制作出带有平行板电容器的MEMS麦克风芯片单元(步骤S1)；然后，将保护装置固定在所述平行板电容器外部(步骤S2)；在具有保护装置保护平行板电容器的基础上，研磨基板材料层使其变薄，作为MEMS麦克风芯片的基底(步骤S3)；然后，通过蚀刻工艺在基底上设置贯通穿孔(步骤S4)；最后对完成上述S1～S4步骤的晶圆进行切割，分离MEMS麦克风芯片单元(步骤S5)。

其中，在步骤S1中，进一步包括制作带孔的固定极板、隔离层以及振动膜的步骤；以及分别在固定极板以及振动膜上设置金属连接点以便将平行板电容器的两个电极引出的步骤。

本发明这种结构的MEMS麦克风芯片，因为采用的保护装置5密闭设置在振动膜4上，保护装置5和振动膜4形成的空腔就成为MEMS芯片的声腔，所以适用于声音信号从MEMS芯片下方进入、透过基底1上的贯穿孔11以及固定极板2、最终作用于振动膜4上的产品结构。

(第二实施例)

图6是表示本发明的第二实施例涉及的MEMS麦克风芯片的结构图。如图6所示，MEMS麦克风芯片包括一个基底1，基底1上设置有上下贯通的孔11，基底上方设置有一个固定极板2、隔离层3和振动膜4构成的一个平行板电容器，固定极板2和振动膜4上分别设置有一个用于将平行板电容器的两个电极引出的金属连接点21和金属连接点41，并且，在平行板电容器与基板1相对的一侧、振动膜4上方设置有一个保护装置5，用于将平行板电容器中较为脆弱的振动膜等结构与MEMS麦克风芯片的外部空间分隔开，从而避免MEMS麦克风芯片在切割过程中受到污染，以及在MEMS麦克风芯片后续的安装使用过程中对芯片提供足够的保护。

同第一实施例的结构相比，本第二实施例涉及的MEMS麦克风芯片的区别之处在于，采用的保护装置5上设置有声孔51，声音信号可以从保护装置5外部透过声孔51作用到振动膜4上，所以这种产品结构适用于声音信号从MEMS芯片上方或者下方进入的两种产品结构。

(第三实施例)

图7是表示本发明的第三实施例涉及的MEMS麦克风芯片的结构图。如图7所示，MEMS麦克风芯片包括一个基底1，基底1上设置有上下贯通的孔11，基底上方设置有一个固定极板2、隔离层3和振动膜4构成的一个平行板电容器，固定极板2和振动膜4上分别设置有一个用于将平行板电容器的两个电极引出的金属连接点21和金属连接点41，并且，在平行板电容器与基板1相对的一侧、振动膜4上方设置有环形支撑圈52和平板53。环形支撑圈52和平板53与振膜形成一个能够将振动膜4密闭其中的保护结构，用于将平行板电容器中较为脆弱的振动膜等结构与MEMS麦克风芯片的外部空间分隔开，从而避免MEMS麦克风芯片在切割过程中受到污染，以及在MEMS麦克风芯片后续的安装使用过程中对芯片提供足够的保护。

同上述的第二实施例相比，本第三实施例涉及的MEMS麦克风芯片的主要区别点在于保护装置的具体结构不同。在本实施例中，保护装置由两部分构成，即一个环形支撑圈52和固定在支撑圈上的平板53。环形支撑圈52为利用半导体工艺在MEMS麦克风芯片上生成，平板53为另外粘结安装。

在上述各实施例中，举例说明了一种MEMS麦克风芯片的电容组件部分结构，但本发明不限定其具体形式。

虽然上面针对MEMS麦克风芯片的具体结构描述了本发明具体实施方式，但是，在本发明的上述教导下，本领域技术人员可以在上述实施方式的基础上进行各种改进和变形。本领域技术人员应该明白，上面的具体描述只是为了解释本发明的目的，并非用于限制本发明。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (6)

1.一种MEMS麦克风芯片，包括基底(1)以及设置在基底上的平行板电容器，其特征在于，所述MEMS麦克风芯片还包括：

保护装置(5)，设置在所述平行板电容器外部,所述保护装置(5)为金属帽；

所述平行板电容器包括固定极板(2)、振动膜(4)和设置在所述固定极板和振动膜之间的隔离层(3)；

所述基底(1)上设置有上下贯通的孔(11)；

所述固定极板(2)和振动膜(4)上分别设置有将所述平行板电容器的两个电极引出的金属连接点；

所述保护装置(5)安装在所述振动膜(4)上，并且所述固定极板以及振动膜上的金属连接点均设置在所述保护装置外部；

所述保护装置(5)上设置有声孔(51)，所述MEMS麦克风芯片适用于声音信号从MEMS芯片上方或者下方进入的两种产品结构。

2.按照权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，

所述保护装置(5)包括一环形支撑圈(52)和固定在所述环形支撑圈(52)外部的平板(53)。

3.按照权利要求1所述的MEMS麦克风芯片，其特征在于，

所述基底的厚度范围为50-200微米。

4.权利要求1至3中任意一项所述MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，

S1：对晶圆进行蚀刻，在基板材料层上制作出带有平行板电容器的MEMS麦克风芯片单元；

S2：将设置有声孔的保护装置固定在所述平行板电容器外部；

S3：研磨基板材料层使其变薄，作为MEMS麦克风芯片的基底；

S4：通过蚀刻工艺在基底上设置贯通穿孔；

所述MEMS麦克风芯片适用于声音信号从MEMS芯片上方或者下方进入的两种产品结构。

5.按照权利要求4所述的MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，在步骤S1中，进一步包括：

制作带孔的固定极板、隔离层以及振动膜的步骤；

分别在固定极板以及振动膜上设置金属连接点的步骤。

6.按照权利要求4所述的MEMS麦克风芯片的制造方法，其特征在于，在步骤S4之后，还包括：

S5：对完成上述S1～S4步骤的晶圆进行切割，分离MEMS麦克风芯片单元。