一种微机械电容补偿结构及其制备方法与流程

1.本发明涉及电容式mems(微电子机械系统)结构领域，特别涉及一种微机械电容补偿结构及其制备方法。背景技术：2.电容式mems(微电子机械系统)结构广泛应用于各类器件，在某些应用场合，采用差分电容结构，有利于进一步提高器件性能。差分电容的运动结构在静止状态时，经常需要两侧结构电容对称，有利于可动结构运动过程中差分电容的测量计算。3.通常，对于实心的电容，通过提高介质的介电常数可以提高电容，本发明中提及的是可动电容，介质为空气，介电常数通常固定，现有技术改变电容的方法多为改变极板面积或者间距，但实际应用中极板面积和间距常常因为器件设计要求，不好改变，本发明提到的通过在极板内侧增加电容补偿结构来改变电容比较巧妙。4.现有技术并没有特别加入高介电常数材料所形成的复合层电容补偿结构,其微凸起结构(dimple)很短且多为单一材料,经常只当成防止运动时沾黏的结构。5.本发明通过在mems结构中设计制作电容补偿结构，实现电容补偿来获得上下对称电容结构，同时该结构亦可作为微凸起结构(dimple)来防止极板运动过程中粘合。技术实现要素：6.本发明的目的在于，克服两侧结构电容不对称的问题，从而提供一种微机械电容补偿结构及其制备方法。本发明在不改变电容极板面积和间距的情况下，通过在极板内侧设置不同尺寸、材料、密度的补偿结构，可以灵活改变电容。7.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电容补偿结构及其制备方法。8.本发明提出了一种微机械电容补偿结构，所述电容补偿结构呈柱体、锥体、台体或倒火山口形状，其材料为高介电常数的介质，设置在电容器的极板内侧，用于改变电容。9.作为上述技术方案的改进之一，所述电容补偿结构的材料为氮化硅(si3n4)或由氮化硅(si3n4)包裹氧化硅(sio2)、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)、氧化铝(al2o3)、三氧化二钇(y2o3)、氧化镧(la2o3)、五氧化二钽(ta2o5)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro)材料中的一种或多种形成的复合层。10.作为上述技术方案的改进之一，所述电容补偿结构设置在上极板下方、下极板上方、中间极板上方或/和中间极板下方，用于实现某一侧电容调整或者两侧电容同时调整。11.作为上述技术方案的改进之一，所述电容补偿结构在极板上的分布密度设置为：均匀分布或两侧密集中间疏松。12.作为上述技术方案的改进之一，所述电容补偿结构的长度设置为：整个极板上的电容补偿结构长度相同或极板中间的电容补偿结构短、极板两侧的电容补偿结构长。13.本发明提出了一种微机械电容补偿结构的制备方法，在电容极板下方设置电容补偿结构时，包括以下步骤：14.a)在与该电容极板相邻的下极板上沉积牺牲层并图形化，形成辅助实现后续电容补偿结构的凹坑；15.b)沉积比空气介电常数大的薄膜材料，填充凹坑形成凸起结构；利用终点刻蚀(end-point-detection,epd)功能，刻蚀去除牺牲层表面介质薄膜材料，保留凹坑内介质材料；16.c)沉积该电容极板薄膜材料，并图形化形成释放腐蚀孔；17.d)利用湿法或者干法腐蚀通过释放孔释放牺牲层后得到电容补偿结构。18.作为上述技术方案的一种改进，步骤b)中去除牺牲层表面介质薄膜材料方式为化学机械抛光cmp，并且磨平至牺牲层表面。19.作为上述技术方案的又一种改进，电容极板的材料为硅、多晶硅(polysilicon)、非晶硅(amorphous silicon)、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层。20.本发明提出了一种微机械电容补偿结构的制备方法，在电容极板上方设置电容补偿结构时，包括以下步骤：21.a)在该电容极板上沉积比空气介电常数大的薄膜材料，光刻刻蚀形成凸起结构；22.b)沉积牺牲层并利用cmp平坦化牺牲层；23.c)沉积与该电容极板相邻的上极板并图形化，完成电容补偿结构制作。24.作为上述技术方案的一种改进，沉积牺牲层时，牺牲层的材料为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)或硼磷硅玻璃(bpsg)的单一材料，或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，其沉积方式为化学气相沉积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。25.本发明所述微机械电容补偿结构实现的技术效果具体表现为：26.1.实现电容补偿，达到上下对称电容结构的效果；27.2.电容补偿结构也可用作微凸起结构(dimple)来避免可动结构与邻近结构粘合；28.3.电容补偿结构配合cmp实现结构层平坦化，方便后续小线条图形化。附图说明29.图1为本发明提出的微机械电容补偿结构设置在电容极板上的截面示意图；30.图2a)、b)、c)、d)依次分别为在电容上极板下方设置本发明所述电容补偿结构的步骤a)、b)、c)、d)的示意图；31.图3a)、b)、c)依次分别为在电容下极板上方设置本发明所述电容补偿结构的步骤a)、b)、c)的示意图；32.图4为本发明实施例1的截面示意图：下电容(电容1)极板间距小，上电容(电容2)极板间距大，上电容上极板下方设置电容补偿结构，上下电容相等；33.图5为本发明实施例2的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有电容补偿结构，上下电容相等；34.图6为本发明实施例3的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有电容补偿结构，上下电容相等；35.图7为本发明实施例4的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有电容补偿结构，补偿结构密度分布不均匀，中间补偿结构密度低,越往两侧边缘越密集分布，上下电容相等；36.图8为本发明实施例5的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有电容补偿结构，补偿结构密度分布不均匀，中间补偿结构密度低，两侧边缘密集分布，上下电容相等；37.图9为本发明实施例6的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；38.图10为本发明实施例7的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；39.图11为本发明实施例8的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有复合材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；40.图12为本发明实施例9的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有复合材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；41.图13为本发明实施例10的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的下极板上方均设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；42.图14为本发明实施例11的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的下极板上方均设有复合材质的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，中间补偿结构长度短，两侧边缘补偿结构长度长，上下电容相等；43.图15为本发明实施例12的截面示意图：下电容(电容1)极板间距比上电容(电容2)极板间距小，上电容的上极板设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构呈倒火山口形状，上下电容相等；44.图16为本发明实施例13的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构呈锥体形状，上下电容相等；45.图17为本发明实施例14的截面示意图：下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有单一材质的电容补偿结构，电容补偿结构呈台体形状，上下电容相等。具体实施方式46.以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。47.如图1所示，为本发明提出的微机械电容补偿结构设置在电容极板上的截面示意图，基于影响电容的因素包括正对极板的面积、极板间距、以及极板间介质的介电常数，固定极板面积及间距，通过在极板内侧表面设置与原有电容介质不同介电常数的微凸起结构(dimple结构)，实现极板间介质介电常数的改变，进而实现电容改变。48.如图2a)、b)、c)、d)所示，依次分别为在电容极板下方设置本发明所述电容补偿结构的步骤a)、b)、c)、d)的示意图，具体包括以下步骤：49.在电容极板下方设置微电容补偿结构(dimple)时，50.a)在下电容结构制作完成后，沉积上牺牲层并图形化，形成辅助实现后续dimple结构的凹坑；51.b)沉积比空气介电常数大的薄膜材料，填充凹坑形成dimple，电容之间采用高介电常数的介质，来提高上电容结构的电容。利用终点刻蚀epd功能，刻蚀去除牺牲层表面介质薄膜材料，保留凹坑内介质材料。52.c)沉积上结构薄膜材料，并图形化形成释放腐蚀孔；53.d)利用湿法或者干法腐蚀通过释放孔释放牺牲层后得到可动电容结构。54.优选的，牺牲层为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，其沉积方式为化学气相沉积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；55.优选的，微凸起结构(dimple)为氮化硅(si3n4)或由氮化硅(si3n4)包裹氧化硅(sio2)、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)、氧化铝(al2o3)、三氧化二钇(y2o3)、氧化镧(la2o3)、五氧化二钽(ta2o5)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪((hfo2)、氧化锆(zro)材料中的一种或多种形成的复合层等材料；56.优选的，b)中去除牺牲层表面介质薄膜材料方式为化学机械抛光(cmp)，cmp磨平至牺牲层表面，更平坦。57.优选的，上结构为硅、多晶硅、非晶硅、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层等材料。58.如图3a)、b)、c)所示，依次分别为在电容极板上方设置本发明所述电容补偿结构的步骤a)、b)、c)的示意图，具体包括以下步骤：59.在电容极板上方设置微电容补偿结构(dimple)时，60.a)在下电容下极板结构制作完成后，沉积比空气介电常数大的薄膜材料，光刻刻蚀形成dimple结构；61.b)沉积牺牲层与cmp平坦化牺牲层；62.c)沉积电容中间极板并图形化，完成下电容结构制作；63.之后可以再继续参照前面在电容极板下方设置dimple时的各道工艺形成上电容结构，进而再安排释放形成差分电容整体结构。64.优选的，牺牲层为氧化硅、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)或由至少其中两种随机堆叠的复合材料，其沉积方式为化学气相沉积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；65.优选的，dimple为氮化硅或者由氮化硅(si3n4)包裹氧化硅(sio2)、硼硅玻璃(bsg)、磷硅玻璃(psg)、硼磷硅玻璃(bpsg)、氧化铝(al2o3)、三氧化二钇(y2o3)、氧化镧(la2o3)、五氧化二钽(ta2o5)、二氧化钛(tio2)、二氧化铪(hfo2)、氧化锆(zro)的一种或者多种形成的复合层；66.优选的，步骤b)中牺牲层沉积后，采用化学机械抛光(cmp)将牺牲层磨平至dimple结构表面，再沉积牺牲层，这样牺牲层表面更平坦。67.优选的，电容极板结构为硅、多晶硅、非晶硅、多晶硅和氮化硅复合层、非晶硅和氮化硅复合层等材料。68.如图4所示，为本发明实施例1的截面示意图：69.如图2中所示的步骤d)即为实施例1，上下电容相等，下电容(电容1)极板间距小，下电容极板没有电容补偿结构，上电容(电容2)极板间距大，上电容上极板下方设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构为单一或者复合材质。70.如图5所示，为本发明实施例2的截面示意图：71.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的dimple结构，dimple长度相同，dimple为单一或者复合材质。72.如图6所示，为本发明实施例3的截面示意图：上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构长度相同，电容补偿结构为单一或者复合材质。73.如图7所示，为本发明实施例4的截面示意图：74.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构长度相同，密度分布不均匀，中间补偿结构密度低，两侧边缘有密集补偿结构分布，电容补偿结构为单一或者复合材质。75.如图8所示，为本发明实施例5的截面示意图：76.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构长度相同，密度分布不均匀，中间补偿结构密度低，两侧边缘有密集补偿结构分布，电容补偿结构为单一或者复合材质。77.如图9所示，为本发明实施例6的截面示意图：(图中虚线指的是中间极板振动时的边界)78.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为单一材质。79.如图10所示，为本发明实施例7的截面示意图：80.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为单一材质。81.如图11所示，为本发明实施例8的截面示意图：(图中虚线指的是中间极板振动时的边界)82.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为复合材质。83.如图12所示，为本发明实施例9的截面示意图：84.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为复合材质。85.如图13所示，为本发明实施例10的截面示意图：86.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的下极板上方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为单一材质。87.如图14所示，为本发明实施例11的截面示意图：88.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的下极板上方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构有多种不同长度分布，两侧边缘补偿结构长度较长，中间补偿结构长度较短，电容补偿结构为复合材质。89.以上实施例1-11中的电容补偿结构均呈柱体形状。90.如图15所示，为本发明实施例12的截面示意图：91.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距小于上电容(电容2)极板间距，上电容的上极板下方设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构呈倒火山口形状，均匀分布，电容补偿结构为单一或者复合材质。92.如图16所示，为本发明实施例13的截面示意图：93.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的下极板上方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构呈锥体形状，均匀分布，电容补偿结构为单一或者复合材质。94.如图17所示，为本发明实施例14的截面示意图：95.上下电容相等，下电容(电容1)极板间距和上电容(电容2)极板间距相等，下电容的上极板下方和上电容的上极板下方均设有高介电常数的电容补偿结构，电容补偿结构呈台体形状，均匀分布，电容补偿结构为单一或者复合材质。96.台体形状的电容补偿结构的制备方法可以基于图2中的步骤a)沉积牺牲层后，光刻刻蚀形成侧面为斜面的凹坑，之后经过步骤b)便能形成台体形状的补偿结构；97.锥体形状的电容补偿结构的制备方法可以基于图2中的步骤a)沉积牺牲层分为两层，首先沉积第一层牺牲层，光刻刻蚀形成侧面为垂直或者斜面的凹坑，接下来沉积第二层牺牲层的厚度大于前一层牺牲层光刻刻蚀形成的凹坑上开口宽度的两倍以上,之后经过步骤b)便能形成锥体形状的补偿结构；98.对应的，如果基于图2中的步骤a)沉积牺牲层后，光刻刻蚀形成侧面垂直的凹坑，接下来b)之后便能形成柱体形状的补偿结构；99.对于倒火山口形状的电容补偿结构，可以通过两次牺牲层实现，第一层牺牲层沉积后，光刻刻蚀形成凹坑(侧面垂直倾斜都可以)，再沉积第二层牺牲层，第二牺牲层的厚度小于前一层牺牲层光刻刻蚀形成的凹坑上开口宽度的一半，接下来再进行沉积电容补偿结构膜层，然后再沉积完电容极板膜层，进行相应腐蚀便能形成倒火山口形状的补偿结构。100.一般而言，柱体(或者台体，比如梯形绕中轴旋转一圈形成的圆台体)的补偿结构较为容易制备；倒火山口形状的补偿结构的结构强度最为优异；锥体防粘附的效果最佳。在实际应用中可以根据具体情况进行选择制备。101.另外,本发明不局限应用于双振膜硅麦克风,也可使用于双背极硅麦克风或是双电容传感器。102.从上述对本发明的具体描述可以看出，本发明所述微机械电容补偿结构能够实现电容匹配与补偿，特别是针对差分电容结构，达到上下对称电容结构的效果，使得可动电容极版在致动时,可达到差分电容感应输出的效果,可提高电容感应装置的灵敏度与信噪比。103.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。