一种微机械泄气结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及mems(微电子机械系统)泄气领域，特别涉及一种微机械泄气结构及其制备方法。背景技术：2.mems(微电子机械系统)可动结构经常会面临结构周围气压变化带来的气流冲击，当气压变化较大，导致瞬间气流过大时，容易发生可动结构损坏。如图10(a)所示，为传统结构剖面示意图，传统结构的空腔为整体空腔，在气压变化较大时，容易因为气流过大，导致结构损坏，如图10(b)所示。为了解决该问题，现有解决方法大多在可动结构上设置泄气孔或泄气孔和泄气阀门，但目前的解决方案都是将泄气孔或泄气孔和泄气阀门设置在可动结构区域，器件性能以及可靠性无法得到有效保障。技术实现要素：3.本发明的目的在于，克服现有技术中泄气时因气流过大导致结构损坏，解决典型如硅麦克风器件使用时有效声压损失大的问题，从而提供一种微机械泄气结构及其制备方法。4.为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供了一种微机械泄气结构，所述泄气结构包括泄气孔1-1、连接区1-2、泄气通道主体2和空腔4，5.所述泄气孔1-1设置在上结构层7，正对下结构层5上方的可动结构层固定区域旁；所述可动结构层的固定区域为牺牲层锚区8；6.所述连接区1-2设置在所述泄气孔1-1的正下方，用于连接泄气孔1-1和泄气通道主体2；7.所述泄气通道主体2设置有若干弯折或绕折形成微泄气通道，用于连接气体流动通道3和连接区1-2。8.作为上述技术方案的改进之一，所述泄气孔1-1设置为火焰形状的缝隙，形成泄气阀门9；所述泄气阀门在不排气时，可以使泄气孔关闭；在排气时，泄气阀门因受到压力发生形变，并且其张开角度可以受流速大小自适应调节，实现快速排气。9.作为上述技术方案的改进之一，所述泄气通道主体2通过直角或弧角弯折的方式形成呈“弓”字形路径的微泄气通道。10.作为上述技术方案的改进之一，所述泄气通道主体2通过环形弯折的方式形成呈螺旋形的微泄气通道。11.作为上述技术方案的改进之一，所述泄气通道主体2的横截面为长方形或正方形、梯形、倒梯形或跑道形。12.作为上述技术方案的改进之一，所述泄气通道主体2的高度与牺牲层锚区8的高度相同。13.本发明还提供了一种以上之一所述的微机械泄气结构的制备方法，包括以下步骤：14.1)在下结构层5上沉积牺牲层，光刻刻蚀形成凹槽，形成连接区1-2、泄气通道主体2、空腔4和牺牲层锚区8；15.2)沉积锚区释放停止结构6的膜层，光刻刻蚀或者利用化学机械抛光cmp去除部分释放停止膜层，保留锚区释放停止结构6也同时定义连接区1-2边界、泄气通道主体2边界、空腔4边界和牺牲层锚区8边界；16.3)沉积上结构层7，光刻刻蚀形成结构层有效区域以及泄气孔1-1；17.4)下结构层5背面光刻刻蚀，刻蚀停止在牺牲层，形成气体流动通道3；18.5)利用湿法或是干法腐蚀释放牺牲层部分材料，形成空腔4、连接区1-2和泄气通道主体2。19.作为上述技术方案的改进之一，所述下结构层5为硅；所述上结构层7为硅、多晶硅、非晶硅的单一材料或者多晶硅和氮化硅堆叠形成的多层复合材料或者非晶硅和氮化硅堆叠形成的多层复合材料；所述释放停止结构6膜层的材料为多晶硅、非晶硅、氮化硅。20.作为上述技术方案的改进之一，所述牺牲层的材料为氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃，或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，其沉积方式为热氧化或化学气相沉积cvd；所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd。21.本发明通过在可动结构层固定区域设置气压释放通道，实现可动结构周围气压变化较大时，瞬间过大气流通过气压释放通道经泄气孔或泄气阀门释放，保护可动结构免受冲击损坏，维持正常工作。同时，本发明通过设计距离较长，以及各种弯折或绕折形式的微泄气通道，增加流阻(声阻)使声波不易经微泄气通道传递到泄气孔或泄气阀门而流失，针对声学应用，可以有效减少正常声压条件下，器件工作时的有效声压损失，特别是低频衰减。22.本文提到的可动结构是上结构层7中的部分区域，这部分区域下方的牺牲层在加工过程中会被腐蚀释放掉，实现该部分的悬空和可上下振动形变，这部分区域为上结构层7对应气体流动通道3和空腔4的这部分区域。而可动结构的固定区域是上结构层7中的对应绝缘层锚区8和锚区释放停止结构6的这部分区域。23.泄气孔和泄气阀门设置在上结构层对应着空腔4之外的区域；泄气通道主体实际也是设置在牺牲层上空腔4之外的区域；所以都是设置在空腔4之外的区域以及空腔4之外的区域对应着其他层次的这部分区域。空腔4之外的区域也正好是和结构层可动结构区域互补的(结构层可动结构区域是位于上结构层7对应气体流动通道3和空腔4的这部分区域，相当于空腔4及之内的区域)。本发明提出针对声学应用，在微机械可动结构层的固定区域设置气压释放通道及泄气孔，或泄气孔加设泄气阀门或泄气阀门阵列，实现在可动结构受到大声压时或大气流时可同快速泄压,降低可动结构受大声压或大气流冲击破裂的风险，另外,在正常声压条件下，长气压释放通道结合泄气孔或泄气阀门可有效减少器件工作时的有效声压损失，特别是低频衰减。24.本发明提供的微机械泄气通道的技术效果：25.1.通过在可动结构层固定区域中设置气压释放通道，实现可动结构周围气压变化较大时，瞬时过大气流通过气压释放通道释放，保护可动结构免受气流冲击损坏，维持正常工作；26.2.将气压释放通道及泄气孔，或泄气孔加设泄气阀门设置在可动结构层外围与下结构层上方的固定区域，避免在气流通道正上方的可动结构层上设置泄气孔或泄气孔加设泄气阀门图形而导致的可动结构强度降低；27.3.该泄气通道结构作为声学器件(比如麦克风)应用时，泄气孔或泄气孔加设泄气阀门设置在下结构层上方的可动结构层固定区域，而非正对下结构层的气体流动通道，可以有效避免正常声压条件下的有效声压损失；28.4.该泄气通道结构作为声学器件(比如麦克风)应用时，通过设计距离较长，以及各种弯折或绕折形式的微泄气通道，增加流阻(声阻)使声波不易经微泄气通道传递到泄气孔或泄气孔加设泄气阀门而流失，可以有效减少正常声压条件下，器件工作时的有效声压损失，特别是低频衰减。附图说明29.图1为本发明所述微机械泄气通道与泄气孔的剖面结构示意图；30.图2-5为本发明所述微机械泄气通道与连接区的四种典型设计的通道俯视示意图；31.图6(a)为泄气孔俯视示意图，图6(b)为泄气孔设置为火焰形状的缝隙形成泄气阀门的俯视示意图，图6(c)为根据实际需要设置多个泄气阀门的俯视示意图；32.图7为在泄气孔中间设置泄气阀门结构剖面结构示意图；33.图8为在泄气孔中间设置泄气阀门的泄气结构在排气时的剖面结构示意图；34.图9(a)、(b)、(c)、(d)依次分别为本发明所述微机械泄气通道设置泄气阀门阵列在受到不同大声压时或大气流在排气时泄气阀门阵列打开程度不同的剖面示意图；35.图10(a)为传统结构的截面示意图；图10(b)为在气流过大时导致结构损坏的截面示意图；36.图11为泄气通道主体的剖面结构为跑道形的示意图。37.附图标记38.1-1、泄气孔ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ1-2、连接区ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ2、泄气通道主体39.3、气体流动通道ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ4、空腔ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ5、下结构层40.6、锚区释放停止结构ꢀꢀꢀꢀꢀ7、上结构层ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ8、牺牲层锚区41.9、泄气阀门具体实施方式42.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。43.如图1所示，为本发明所述微机械泄气通道的剖面结构示意图：44.(1)下结构层5中设有气体流动通道3；45.(2)牺牲层设于下结构层5和上结构层7之间，牺牲层中设有锚区释放停止结构6，锚区释放停止结构6平面图形化形成牺牲层锚区8平面图形、连接区1-2平面图形以及泄气通道主体2平面图形，牺牲层部分刻蚀去除，形成空腔4、连接区1-2、和泄气通道主体2，牺牲层保留部分形成牺牲层锚区8，牺牲层锚区8连接下结构层5与上结构层7，空腔4为上结构层7提供运动空间；46.(3)上结构层7设在牺牲层上面，上结构层7固定区域中设有泄气孔1-1或泄气孔1-1中间设置泄气阀门9；47.(4)泄气通道主体2一端与气体流动通道3相连，另一端通过连接区1-2与泄气孔1-1相连；48.(5)上结构层7上方还可以设有其他牺牲层、结构层组合实现更多器件功能；49.如图2-5所示，为本发明所述微机械泄气通道以牺牲层膜层横切的俯视平面示意图的4种典型设计，其中，图2将泄气通道主体2设置为长条形，为最典型容易实现的形状，图3将泄气通道主体2通过环形弯折设置成盘旋形，图4将泄气通道主体2通过直角弯折成“弓”字形；图5将泄气通道主体通过弧角弯折成“弓”字形；主要差异在于泄气体通道主体2的不同弯折形式及尺寸。50.如图6所示，以上结构层的膜层做俯视图，图6(a)为泄气孔1-1俯视示意图，图6(b)为泄气孔1-1设置为火焰形状的缝隙形成泄气阀门9的俯视示意图，图6(c)为根据实际需要设置多个火焰形状缝隙的泄气孔1-1及对应泄气阀门9的俯视示意图，它们分别连接各自形状相同或不同的泄气通道主体2；这些泄气阀门9在上结构层的位置及火焰形状缝隙的泄气孔1-1的摆放位置与角度均可以根据实际情况进行调整；图中8个火焰形的泄气缝隙呈对称性环绕排列，此种泄气口形状可以实现快速泄放气压，结构强度好。在实际制备时，火焰形泄气缝隙可以根据需要类似这里任何角度放置，按照放置的排列进行图形化刻蚀得到泄气阀门。51.如图7所示，为在泄气孔中间设置泄气阀门结构剖面结构示意图；如图8所示，为在泄气孔中间设置泄气阀门的泄气结构在排气时的剖面结构示意图；将泄气孔设置成火焰形状形成泄气阀门后，因为泄气阀门在上结构层上形成的透气缝隙特别小，在不排气时，可以起到关闭的作用；在泄气时，泄气阀门在气流压力的作用下产生形变，并能够自适应根据流速调节张开的角度大小，能够很好起到对气流流速控制使能够均匀排放，避免结构因排气不当产生损坏。52.并且，可根据实际情况需求，在具体实施时，设置多个连接区1-2与分别对应的多个泄气孔1-1，同时与一个泄气通道主体2相连。如图9(a)-(d)所示，为本发明在上结构层上依次排列设置了四个呈火焰形状缝隙的泄气孔1-1与对应的四个泄气阀门9；这些阀门在受到不同大声压时或大气流在排气时泄气阀门阵列可顺应大气流每个阀门可逐个打开到全开以达到快速泄压的效果。在排气时，靠近气体流动通道的泄气阀门先张开；当气流速度较大时，靠近气体流动通道的泄气阀门的张开程度大，远离气体流动通道的泄气阀门的张开程度小；各阀门的打开程度能够自适应随排气流速调节，从而实现在不同情形下对于气体进行快速排放。53.本发明所述泄气通道主体2的横截面可为长方形、正方形、梯形、倒梯形或跑道形，如图11所示，即为泄气通道主体横截面为跑道形的示意图。54.优选的，本发明所述泄气通道主体2的横截面选择长方体形状；对于长方体形状的气流通道，其流阻的大小计算公式为：55.56.其中，h为通道高度，w为通道宽度，l为通道长度，η为流体黏度；57.当通道高度与宽度相同，即h＝w时，气流通道的截面呈正方形，此时流阻的计算公式为：[0058][0059]由此可知，在一定宽度w和厚度h时，流阻随长度l增加而增加；[0060]本发明通过设计距离较长的的泄气通道，有助于增加流阻(声阻)使声波不易经微泄气通道传递到泄气孔或泄气阀门而流失。[0061]本发明所述微机械泄气通道的关键制程和顺序如下：[0062](1)在下结构层5上沉积牺牲层，光刻刻蚀形成凹槽，凹槽用于后续沉积填充锚区释放停止结构6的膜层，并形成连接区1-2、泄气通道主体2、空腔4和牺牲层锚区8；[0063](2)沉积锚区释放停止结构6的膜层，光刻刻蚀或者利用cmp去除部分释放停止膜层，保留锚区释放停止结构6也同时定义连接区1-2边界、泄气通道主体2边界、空腔4边界和牺牲层锚区8边界；[0064](3)沉积上结构层7，光刻刻蚀形成结构层有效区域以及泄气孔1-1或泄气孔1-1中间设置有泄气阀门9；[0065](4)下结构层5背面光刻刻蚀，刻蚀停止在牺牲层，形成气体流动通道3；[0066](5)利用湿法腐蚀释放牺牲层部分材料，形成空腔4，为上结构层7提供运动空间，以及形成连接区1-2和泄气通道主体2。[0067]优选的，下结构层为硅；[0068]优选的，牺牲层为氧化硅、硼硅玻璃、磷硅玻璃、硼磷硅玻璃，或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，其沉积方式为热氧化或化学气相沉积cvd；所述cvd包括低压化学气相沉积lpcvd、常压化学气相沉积apcvd、亚常压化学气相沉积sacvd或等离子增强化学气相沉积pecvd；[0069]优选的，锚区释放停止结构为多晶硅、非晶硅或氮化硅等材料；[0070]优选的，上结构层为硅、多晶硅、非晶硅的单一材料或多晶硅和氮化硅的复合层或非晶硅和氮化硅的复合层等材料；[0071]从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明所述的微机械泄气通道结构作为声学器件(比如麦克风)应用时，通过设计距离较长，以及各种弯折或绕折形式的微泄气通道，增加流阻(声阻)使声波不易经微泄气通道传递到泄气孔或泄气阀门而流失，可以有效减少正常声压条件下，器件工作时的有效声压损失，特别是低频衰减。[0072]最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。