MEMS芯片及MEMS传感器的制作方法

本发明涉及微机电系统（mems,micro-electro-mechanicalsystem）技术领域，特别涉及一种mems芯片及mems传感器。

背景技术：

mems麦克风传感器已广泛的应用于各种可携式行动装置，例如移动电话，用户对移动电话的要求已不仅满足于通话，而且要求能够提供高质量的通话效果，尤其是目前移动多媒体技术的发展，移动电话的通话质量更显重要，移动电话的麦克风作为移动电话的语音拾取装置，其设计好坏直接影响通话质量。因此，传感器组件的可靠性已成为关键指标。

对于微观尺寸的mems结构，常因大面积接触而产生两结构吸附导致组件失效的问题，给用户的使用带来不良影响。图1为现有mems芯片的侧向防吸附结构的示意图。由图可知，现有的mems芯片是直接在膜片侧壁上设置凸出于壁面的侧向凸起，如此设计需加大制程线宽，例如，图1中mems芯片的制程线宽，即膜片感测部1与弹簧结构2之间的间隔宽度为侧向凸起3与弹簧结构2侧壁之间的宽度a和侧向凸起3本身的宽度b之和，加大制程线宽将会影响膜片低频表现，无法满足制程裕度的需求。

前期mems麦克风传感器对于出平面方向的防粘黏结构已有许多文献及专利发布，但对于同平面方向的位移风险，因侧向结构设计需加大制程线宽将影响膜片低频表现，因此较少关注。

因此，如何提供一种可在相同的制程线宽工艺下同时满足，低频信号稳定及制程裕度需求的mems结构，成了业界亟需解决的问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提出一种具有侧向防吸附功能的mems芯片。

本发明还提出一种应用上述mems芯片的mems传感器。

本发明提供一种mems芯片，包括膜片，所述膜片包括感测部和围绕在所述感测部外围的外围部，所述感测部与所述外围部之间设有开槽，所述感测部具有朝向所述开槽的第一侧壁，所述外围部具有朝向所述开槽的第二侧壁，所述第一侧壁和/或所述第二侧壁设有防吸附结构，所述防吸附结构包括两个沟槽及形成于两个所述沟槽之间的侧向凸起，所述沟槽与所述开槽相连通，所述侧向凸起的顶端略凸出于该侧向凸起所在侧壁的壁面，所述侧向凸起凸出于该侧向凸起所在侧壁壁面的距离小于等于该侧向凸起所对应开槽宽度的1/5。

在一实施例中，两个所述沟槽分别为弧形状、三角状、梯形状或方形；所述侧向凸起为球顶状、锥状、柱状、圆台或棱台。

在一实施例中，所述侧向凸起的顶端表面包含绝缘材料镀层。

在一实施例中，所述感测部与所述外围部之间设有若干开槽形成的弹簧结构，所述开槽包括位于所述感测部与所述弹簧结构之间的内槽、位于所述外围部与所述弹簧结构之间的外槽和位于所述弹簧结构间的中间槽。

在一实施例中，所述防吸附结构设置于所述感测部朝向所述弹簧结构的侧壁和/或设置于所述外围部朝向所述弹簧结构的侧壁。

在一实施例中，所述防吸附结构设置于所述弹簧结构间中间槽的相对侧壁的其中之一或多个，所述弹簧结构间中间槽的所述防吸附结构的沟槽深度小于等于所述弹簧结构间中间槽的侧壁宽度的1/2。

在一实施例中，所述侧向凸起的根部设置应力释放孔，所述应力释放孔与相邻两侧的两个所述沟槽中的至少其中之一连通。

在一实施例中，所述mems芯片还包括基板和背板，所述背板和所述膜片安装于所述基板上，所述基板设有背室，所述感测部可相对所述外围部运动，所述感测部与所述背室相对，沿所述膜片的振动方向朝向所述膜片投影，所述背室靠近所述膜片一端的边界的投影位于所述感测部的边界以内。

在一实施例中，所述感测部靠近其边界处设有若干第一通孔，所述第一通孔位于所述背室的边界外侧。

本发明还提供一种mems传感器，所述mems传感器包括上述mems芯片。

综上所述，本发明提供一种mems芯片，在膜片的感测部、外围部及弹簧结构三者之间互相相对的侧壁的至少其中之一上设置防吸附结构，防吸附结构包括侧向凸起及位于侧向凸起两侧的预腐蚀沟槽，侧向凸起的顶端略凸出于该侧向凸起所在侧壁的壁面，使得膜片在运动过程中可减少侧壁接触面积，避免三者在侧向接触过程中产生吸附而影响产品性能，预腐蚀沟槽可确保半导体腐蚀工艺的特性。本发明的mems芯片及mems传感器通过设置防吸附结构可于相同的制程线宽工艺下同时满足低频信号稳定及制程裕度的需求，提高产品性能。

在另一些实施例中，通过缩小背室尺寸，缩小的尺寸差值即为加工裕度之范围，可依机台特性及需求来决定缩小范围。膜片感测部边界内设置一圈至数圈的第一通孔，可以为蚀刻液体或气体提供更多的蚀刻路径，补偿工艺偏移时牺牲层无法释放的区域，避免感测部上牺牲层残留问题。第一通孔位于所述背室边界外侧，可视机台状况由一圈增加到数圈，直接对应制程裕度，避免低频讯号流失问题。

附图说明

图1为现有mems芯片的防吸附结构的示意图。

图2为本发明一实施例中mems传感器的侧向剖视图。

图3为本发明一实施例中mems芯片的防吸附结构的示意图。

图4为本发明另一实施例中mems芯片的防吸附结构的示意图。

图5为本发明又一实施例中mems芯片理想状态下的侧视示意图。

图6为本发明又一实施例中mems芯片背室左边的边界超出膜片感测部左边的边界的侧视示意图。

图7为本发明又一实施例中mems芯片背室左边的边界超出膜片感测部左边的边界的俯视示意图。

图8为本发明又一实施例中mems芯片背室右边的边界超出膜片感测部右边的边界的侧视示意图。

图9为本发明又一实施例中mems芯片背室右边的边界超出膜片感测部右边的边界的俯视示意图。

具体实施方式

在详细描述实施例之前，应该理解的是，本发明不限于本申请中下文或附图中所描述的详细结构或元件排布。本发明可为其它方式实现的实施例。而且，应当理解，本文所使用的措辞及术语仅仅用作描述用途，不应作限定性解释。本文所使用的“包括”、“包含”、“具有”等类似措辞意为包含其后所列出之事项、其等同物及其它附加事项。特别是，当描述“一个某元件”时，本发明并不限定该元件的数量为一个，也可以包括多个。

本发明的mems芯片可应用于微机电装置中，例如应用在微机电传感器中，特别是微机电麦克风中。如图2所示，为本发明的mems芯片的剖视图。该mems芯片包括基板10和安装在基板10上的膜片12，其中，基板10的材料可以采用硅材料，还可以采用石英、gaas、聚合物等。膜片12的材质可以采用碳基聚合物、硅、氮化硅、多晶硅、二氧化硅、碳化硅、砷化物、碳，以及锗、镓、钛、金、铁、铜、铬、钨、铝、铂、镍、钽等金属或其合金。膜片12的形状可以为方形，圆形，或者其他形状。本实施例中，以圆形为例进行说明。

基板10具有背室14，膜片12固定于基板10的一侧并覆盖背室14，例如膜片12通过固支点固定于基板10的一侧，在所示的实施例中，膜片12通过绝缘层16支撑固定在基板10的上方。

更具体地，背室14形成于基板10的中央位置，例如通过蚀刻的方式贯通基板10形成。膜片12包括感测部18和围绕在感测部18外围的外围部20，感测部18与外围部20之间设有开槽，感测部18具有朝向开槽的第一侧壁22，外围部20具有朝向开槽的第二侧壁24。背室14正对感测部18的中间位置，感测部18用于感测外部的压力，例如感测声压，当应用于微机电麦克风时，感测部18受到声压作用时将相对背板运动，从而使得感测部18与背板之间的电容发生变化而产生相应的电信号。绝缘层16连接在外围部20底面与基板10的顶面之间用于支撑固定外围部20，外围部20用于连接并支撑感测部18。

在所示的实施例中，膜片12还包括连接于感测部18与外围部20之间的弹簧结构26，当感测部18受到声压作用运动时会带动弹簧结构26随之运动。所述开槽被弹簧结构26分隔成靠近感测部18一侧的内槽28和靠近外围部20一侧的外槽30。第一侧壁22、第二侧壁24及弹簧结构26的侧壁均为沿竖直方向延伸，因此，第一侧壁22、第二侧壁24及弹簧结构26的侧壁互相平行。

第一侧壁22和/或第二侧壁24上设有防吸附结构32，每一侧壁上的防吸附结构32根据具体设计需求可以设置一个或多个。本实施例中，第一侧壁22和第二侧壁24上均设有防吸附结构32。

请同时参考图3，图3示出了弹簧结构26和感测部18及设置于感测部18上的防吸附结构32，如图所示，弹簧结构26相对于感测部18一侧的侧壁与感测部18的第一侧壁22之间的间隔距离为a^，。防吸附结构32包括沿第一侧壁22向内凹陷形成的两个沟槽34及形成于两个沟槽34之间的侧向凸起36，沟槽34与开槽，也即内槽28连通，侧向凸起36的顶端略凸出于第一侧壁22的壁面，例如，侧向凸起36凸出于该侧向凸起36所在的侧壁壁面的距离小于等于该侧向凸起36所对应开槽宽度的1/5。在所示的实施例中，侧向凸起36与弹簧结构26侧壁之间的最小间隔距离为a，a小于a^，，a大于等于4/5a^，。其中，所述侧向凸起36的顶端为侧向凸起36凸出于第一侧壁22的壁面的部分。当感测部18在运动过程中与弹簧结构26侧壁发生侧向接触时，侧向凸起36凸出于第一侧壁22的部分可起到阻隔作用，减少侧壁接触面积，避免在侧向接触过程中产生吸附。

更具体地，两个沟槽34关于垂直于第一侧壁22或第二侧壁24的方向对称设置，且两个沟槽34为弧形状，使得侧向凸起36呈球顶状。本实施例中，两个沟槽34实施为预腐蚀沟槽，可确保半导体腐蚀工艺的特性。应当理解的是，在其他实施例中，两个沟槽34也可以设置为不对称，沟槽34及侧向凸起36也可以设计为其他形状，例如，沟槽34还可为三角状、梯形状、方形，侧向凸起36还可为锥状、柱状、圆台、棱台。

在一些实施例中，请参考图4，侧向凸起36的顶端表面可以包含绝缘材料镀层39，绝缘材料镀层39例如为氮化硅、sam(self-assembledmonolayer自组装分子膜）等。

在另一些实施例中，请参考图3，可在侧向凸起36的根部设置若干应力释放孔37，应力释放孔37与相邻两侧的两个沟槽34中的至少其中之一连通，用于释放应力，增强防吸附性能。其中，所述侧向凸起36的根部为侧向凸起36与所述侧壁相连接的部分。

在另一些实施例中，感测部18与外围部20之间还可以设置若干开槽形成的弹簧结构，开槽包括位于感测部18与弹簧结构之间的内槽、位于外围部20与弹簧结构之间的外槽及位于弹簧结构间的中间槽。防吸附结构可以设置于感测部18朝向弹簧结构的侧壁和/或设置于外围部20朝向弹簧结构的侧壁，还可以设置于弹簧结构间中间槽的相对侧壁的其中之一或多个，增强侧壁之间防吸附性能，进而提升产品性能。弹簧结构间中间槽的防吸附结构的沟槽深度可设置为小于等于弹簧结构间中间槽的侧壁宽度的1/2。

在另一些实施例中，感测部18与外围部20之间也可以设置多个弹簧结构，多个弹簧结构间隔设置，弹簧结构的侧壁可设置为与第一侧壁22或第二侧壁24平行，防吸附结构32可设置于多个弹簧结构相对的侧壁其中之一或多个。

图5所示为依照本发明一实施例的mems芯片理想状态下的侧视示意图。可以理解地，本发明的mems芯片可以用作mems传感器芯片、mems电容式麦克风芯片等。

请参阅图5，mems芯片包括基板10、安装于基板10上的膜片12和背板38。膜片12包括固定连接至基板10的外围部20、可相对外围部20运动的感测部18、及连接于外围部20与感测部18之间的弹簧结构26。沿所述膜片12的振动方向也即沿膜片12的轴向，感测部18与背室14相对。感测部18用于感测外部的压力，当接收到外部压力时可相对背板38沿膜片12的轴向上下振动，从而使得感测部18与背板38之间的电容发生变化从而产生相应的电信号。外围部20位于膜片12的外侧并围绕在感测部18外围，通过弹簧结构26与感测部18连接。

背板38位于膜片12的远离基板10的一侧，当然背板38还可以位于靠近基板10的一侧。沿膜片12的振动方向，背板38与感测部18相对的部位设第二通孔40，以便在芯片的去除位于背板38与膜片12之间的牺牲层的过程中，可为蚀刻液体或气体提供蚀刻路径。而且，第二通孔40也可为外部压力信号进入感测部18提供路径。

优选地，沿膜片12的振动方向朝向膜片12投影，背室14靠近膜片12一端的边界的投影位于感测部18的边界以内。

在一些实施例中，沿膜片12的振动方向朝向膜片12投影，背室14的截面面积小于感测部18的面积。

在一些实施例中，背室14为圆柱形，感测部18为圆形，背室14的直径小于感测部18的直径，在向膜片12的投影面内，背室14靠近膜片12一端的边界的投影完全位于感测部18的边界内侧。在其他一些实施例中，感测部18也可以为非圆形，例如为方形或多边形等。

在所示的实施例中，感测部18靠近其边界处设若干第一通孔42，优选地，沿所述膜片12的振动方向，即在感测部18的轴向上，第一通孔42与基板10的临近背室14的部分重叠，第一通孔42位于所述背室14边界外侧，可视机台状况由一圈增加到数圈，直接对应制程裕度，避免低频讯号流失问题。由于背室14的边界位于感测部18的边界内侧，位于膜片12两侧的牺牲层有可能会蚀刻不完全，第一通孔42的设置，相当于在感测部18的临近其边界处增设一圈或若干圈牺牲层释放孔，为蚀刻液体或气体提供更多的蚀刻路径，以便膜片12两侧的牺牲层能释放完全。

在一些实施例中，第一通孔42位于一同心圆上。

在一些实施例中，第一通孔42位于多个同心圆上。

图6所示为依照本发明另一实施例的mems芯片背室靠近膜片的一端向左边倾斜的侧视示意图。图7所示为依照本发明另一实施例的mems芯片背室靠近膜片的一端向左边倾斜的俯视示意图。请参阅图6和图7，在一些实施例中，背室14为斜圆柱形，其中心轴线相对感测部18的中心轴线倾斜，基板10围绕背室14的表面形成倾斜圆柱面，在本实施例中，倾斜圆柱面靠近膜片12的一端相对倾斜圆柱面远离膜片12的一端向左倾斜。倾斜圆柱面靠近膜片12的一端的离膜片12中心的最远处（图6中的最左端）未超出感测部18的边界。

图8所示为依照本发明又一实施例的mems芯片背室靠近膜片的一端向右边倾斜的侧视示意图。图9所示为依照本发明又一实施例的mems芯片背室靠近膜片的一端向右边倾斜的俯视示意图。请参阅图8和图9，在本实施例中，倾斜圆柱面靠近膜片12的一端相对倾斜圆柱面远离膜片12的一端向右边倾斜。倾斜圆柱面靠近膜片12的一端的离膜片12中心的最远处（图8中的最右端）未超出感测部18的边界。

在一些实施例中，沿垂直膜片12的振动方向，第一通孔42到背室14边界的距离为5~20um。第一通孔42到背室14边界的距离是指从第一通孔42的中心到背室14边界的距离。

综上所述，本发明提供一种mems芯片，在膜片的感测部、外围部及弹簧结构三者之间互相相对的侧壁的至少其中之一上设置防吸附结构，防吸附结构包括侧向凸起及位于侧向凸起两侧的预腐蚀沟槽，侧向凸起的顶端略凸出于该侧向凸起所在侧壁的壁面，使得膜片在运动过程中可减少侧壁接触面积，避免三者在侧向接触过程中产生吸附而影响产品性能，预腐蚀沟槽可确保半导体腐蚀工艺的特性。本发明的mems芯片及mems传感器通过设置防吸附结构可于相同的制程线宽工艺下同时满足低频信号稳定及制程裕度的需求，提高产品性能。

在另一些实施例中，通过缩小背室尺寸，缩小的尺寸差值即为加工裕度之范围，可依机台特性及需求来决定缩小范围。膜片感测部边界内设置一圈至数圈的第一通孔，可以为蚀刻液体或气体提供更多的蚀刻路径，补偿工艺偏移时牺牲层无法释放的区域，避免感测部上牺牲层残留问题。第一通孔位于所述背室边界外侧，可视机台状况由一圈增加到数圈，其内外边界的差值，直接对应制程裕度，避免低频讯号流失问题。

本文所描述的概念在不偏离其精神和特性的情况下可以实施成其它形式。所公开的具体实施例应被视为例示性而不是限制性的。因此，本发明的范围是由所附的权利要求，而不是根据之前的这些描述进行确定。在权利要求的字面意义及等同范围内的任何改变都应属于这些权利要求的范围。