用于梳状驱动MEMS装置的系统和方法与流程

本发明一般地涉及被制造的装置，并且在具体实施例中涉及一种用于梳状驱动微机电系统（mems）装置的系统和方法。

背景技术：

换能器将信号从一个域转换到另一域，并且经常在传感器中使用。作为在日常生活中看到的传感器进行操作的一种常见的换能器是将声波转换（即，换能）成电信号的麦克风。常见传感器的另一示例是温度计。存在通过将温度信号换能成电信号来用作温度计的各种换能器。

基于微机电系统（mems）的换能器包括使用微加工技术产生的一系列传感器和致动器。诸如mems麦克风的mems传感器通过测量换能器中的物理状态的变化并且将经换能的信号传递到连接到mems传感器的处理电子装置来收集来自环境的信息。可以使用类似于用于集成电路的那些微加工制造技术来制造mems装置。

mems装置可以被设计为用作例如振荡器、谐振器、加速度计、陀螺仪、压力传感器、麦克风和微反射镜。许多mems装置使用电容感测技术来将物理现象换能成电信号。在这种应用中，使用接口电路来将传感器中的电容变化转换成电压信号。

一种这样的电容式感测装置是mems麦克风。mems麦克风通常具有可偏转膜，该可偏转膜与刚性背板分隔开小的距离。响应于入射在膜上的声压波，其朝向或远离背板偏转，从而改变膜和背板之间的分隔距离。通常，膜和背板由导电材料制成并且形成电容器的“板”。因此，当分隔所述膜和背板的距离响应于入射的声波而改变时，电容在“板”之间改变并且生成电信号。

具有由可偏转膜和刚性背板形成的这种平行板电容结构的mems麦克风可以包括作为平行板结构的结果的各种性能特性。例如，刚性背板通常被穿孔，以便允许空气通过背板，使得刚性背板在声学上是透明的。然而，在实践中，刚性背板通常不是完全声学透明的，并且生成一定量的声学噪声。这通常导致在机械稳健性（诸如通过在刚性背板中包括更少或更小的穿孔）与声学噪声降低（诸如通过在刚性背板中包括更多和更大的穿孔）之间的折衷。

这种平行板结构的另一特性是称为“吸入（pull-in）”的现象。为了作为声学换能器进行操作，在可偏转膜和刚性背板之间应用偏置电压。由于在板之间应用的电压，由可偏转膜的运动导致的板之间的电容变化产生可测量的电压信号，该电压信号对应于入射的声信号。然而，由于应用的偏置电压，随着在可偏转膜和刚性背板之间的分隔距离减小，吸引静电力也增加。吸引静电力通常由可偏转膜中的恢复机械弹性力来平衡，吸引静电力随着距离变小而非线性地增加，同时恢复机械弹性力仅线性地增加。当分隔距离达到一定限制时，与分隔距离有关的差异导致吸引静电力克服恢复机械弹性力，这导致了当可偏转膜一直移动而接触刚性背板时的吸入或塌陷，并且可能导致静摩擦力。吸入现象呈现了对吸入的抵抗（由增加的可偏转膜刚度或较低的偏置电压导致）和更高灵敏度（由减小的可偏转膜刚度或增加的偏置电压导致）之间的另一折衷。

因此，存在具有改进的性能特性的本发明mems装置的机会。

技术实现要素：

根据实施例，形成mems换能器的方法包括在单晶硅层中形成换能器框架，其中形成换能器框架包括形成邻近腔的支撑部分以及形成从支撑部分延伸的第一梳齿集合。形成mems换能器的方法进一步包括形成从锚定装置到支撑部分的弹性支撑，以及在单晶硅层中形成第二梳齿集合。第二梳齿集合与第一梳齿集合交错对插。

附图说明

为了更完整地理解本发明及其优点，现在参考结合附图做出的以下描述，其中：

图1a和1b图示了实施例mems换能器的系统框图和横截面透视图；

图2a和2b图示了另一实施例mems换能器的横截面透视图和俯视图；

图3图示了实施例mems换能器的实施例制造方法的流程图；

图4a、4b、4c、4d、4e和4f图示了实施例制造方法中的步骤的横截面透视图；

图5图示了另一实施例mems换能器的俯视图；

图6图示了附加实施例mems换能器的俯视图；

图7a、7b和7c图示了附加实施例制造方法中的步骤的横截面透视图；以及

图8图示了实施例mems换能器的另一实施例制造方法的流程图。

除非另有说明，否则不同附图中的对应数字和符号通常指代对应部分。附图是为了清楚地说明实施例的相关方面而绘制，并且不一定按比例绘制。

具体实施方式

以下详细讨论各种实施例的制造和使用。然而，应当理解，本文描述的各种实施例可应用于各种各样的特定情境。所讨论的具体实施例仅仅说明制造和使用各种实施例的具体方式，并且不应当在受限的范围内解释。

在具体情境（即麦克风换能器以及更具体地，mems麦克风）中相对于各种实施例进行描述。本文描述的各种实施例中的一些包括mems换能器系统、mems麦克风系统、电容式mems换能器、电容式梳状驱动mems换能器、mems制造方法和空洞层上硅（son）制造方法。在其他实施例中，各方面还可以应用于涉及任何类型的传感器或换能器的其他应用以及根据本领域公知的任何方式的对应制造方法。

mems梳状驱动包括交错对插的梳齿，其中梳齿的第一部分被固定到锚定装置并因此被称为定子，并且梳齿的第二部分被附连到可偏转结构并因此被称为转子。包括梳状驱动的mems可以具有各种优点。例如，与平行板电容式mems麦克风相比，实施例基于梳状驱动的电容式mems麦克风由于没有穿孔的背板电极而可能具有降低的声学噪声下限。

根据各种实施例，mems麦克风包括耦合到可偏转膜的梳状驱动结构。梳状驱动结构可以包括高纵横比的梳齿，在每个梳齿之间具有小的分隔距离。具体来说，实施例梳状驱动结构可以包括导电材料，该导电材料用于形成为同一导电层并且在同一图案化过程期间被图案化的转子梳齿和定子梳齿二者。在本文所描述的具体实施例中，包括梳状驱动结构的mems麦克风使用空洞层上硅（son）过程形成，空洞层上硅（son）过程从单层单晶硅产生转子梳齿和定子梳齿二者。在这样的实施例中，可以以每个梳齿之间的小间隔距离来产生高纵横比的梳齿。

图1a和1b图示了实施例mems换能器的系统框图和横截面透视图。图1a示出了包括mems换能器102、专用集成电路（asic）104和处理器106的换能器系统100。根据各种实施例，mems换能器102接收物理信号108，生成经换能的信号，并且将经换能的信号提供给asic104。在具体实施例中，物理信号108是诸如声压波的压力信号，并且mems换能器102是mems麦克风。在这样的实施例中，作为mems麦克风的mems换能器102将物理信号108（例如，压力信号）转换成供应给asic104的模拟电信号。下面描述实施例mems换能器和mems制造序列。

在各种实施例中，基于来自mems换能器102的模拟电信号，asic104生成输出信号并将其提供给处理器106。asic104可以执行各种功能。在一些实施例中，asic104向mems换能器102提供偏置信号。asic104可以实现用于mems换能器102的恒定电荷或恒定电压读出电路。在其他实施例中，asic104可以包括缓冲电路或放大器电路。在一些实施例中，asic104包括模数转换器（adc）。在这样的实施例中，asic104将对应于物理信号108的数字信号提供给处理器106。此外，asic104还可以包括用于通过通信接口与处理器106通信的i/o接口电路。

根据各种实施例，换能器单元110包括asic104和mems换能器102。在这样的实施例中，换能器单元110可以是封装的装置，诸如封装的麦克风，其包括诸如声音端口的封装开口，用于接收物理信号108。换能器单元110可以包括共享电路板，共享电路板针对被附连到共享电路板的asic104和mems换能器102具有分隔开的半导体管芯。在其他实施例中，asic104和mems换能器102可以诸如通过倒装芯片接合作为片上系统（soc）被组装在芯片堆叠中。在再其他实施例中，asic104和mems换能器102可以被集成在单个半导体管芯上，即作为soc被单片集成。

在各种实施例中，处理器106从asic104接收模拟或数字电信号。处理器106可以是专用音频处理器，诸如音频编码器/解码器（codec）。在其他实施例中，处理器106可以是通用处理器。在这样的各种实施例中，处理器106可以是微处理器、数字信号处理器（dsp）或现场可编程门阵列（fpga）。在替代实施例中，处理器106由分立的逻辑组件形成。

根据各种实施例，asic104可以向处理器106提供代表物理信号108的单个信号（诸如单端信号）或差分信号。在其他实施例中，asic104可以使用包括数据或时钟线的各种通信协议向处理器106提供信号。此外，在各种实施例中，mems换能器102可以向asic104提供代表物理信号108的单个信号（诸如单端信号）或差分信号。

图1b示出了包括膜112、转子梳齿114、定子梳齿116和定子118的mems换能器102。根据各种实施例，mems换能器102是梳状驱动换能器，包括转子梳齿114和定子梳齿116。在具体实施例中，如本文所述，mems换能器102是压力换能器，诸如声压波换能器，例如用作麦克风。在其他替代实施例中，mems换能器102可以是使用梳状驱动机制的另一类型的换能器（诸如例如加速度计）。

在各种实施例中，膜112将膜112上方的第一体积与膜112下方的第二体积分开。如所示的，压力p入射在膜112上。压力p可以是声压波。在所示的实施例中，压力p从膜112的下方入射，该下方对应于封装中的被布置成提供与膜112的底部（第二体积）的流体连通的声音端口或开口。在其他实施例（未示出）中，压力p可以从膜112上方入射，该上方对应于封装中的被布置成提供与膜112的顶部（第一体积）的流体连通的声音端口或开口。当压力p变化时，膜112偏转或振荡。膜112的偏转或振荡由于重叠区域中的对应变化而产生在转子梳齿114与定子梳齿116之间的电容变化。因此，可以生成对应于压力p的变化的电信号。例如，当压力p表示声波时，可以在转子梳齿114和定子梳齿116之间产生表示声音信号的电信号。在这样的实施例中，转子梳齿114和定子梳齿116可以利用偏置电压来被偏置并且被耦合到读出电路，如上文参考图1a中的asic104所描述的。

在各种实施例中，转子梳齿114被附连到膜112，膜112附连到锚定装置120。此外，定子梳齿116被附连到定子118，定子118也可以被称为锚定装置。锚定装置120和定子118可以被固定到衬底或其他刚性支撑结构，以便在膜112被形成为薄的和可偏转的时呈现移动。根据各种实施例，转子梳齿114和定子梳齿116由相同的导电层或半导体层形成，如下文进一步描述的。转子梳齿114和定子梳齿116形成为具有高度h、宽度w、长度l和间隔d。此外，转子梳齿114和定子梳齿116可以被配置为包括偏移的h偏移。在这样的实施例中，通过包括在转子梳齿114和定子梳齿116之间的偏移，与在转子梳齿114和定子梳齿116之间不具有偏移的实施例相比，由膜112的振荡偏转产生的电信号可以是线性的或更线性的。在替代实施例中，在转子梳齿114和定子梳齿116之间不包括偏移。下文中参考各种实施例进一步描述各种尺寸、材料和结构。

图2a和2b图示了另一实施例mems换能器200的横截面透视图和俯视图，mems换能器200包括衬底202、框架204、膜206、转子梳齿208和定子梳齿210。根据各种实施例，mems换能器200是如上文参考图1a和1b所描述的mems换能器102的实现。在各种实施例中，转子梳齿208和定子梳齿210形成为具有高的纵横比，并且包括小的齿间间隔距离d。在这样的实施例中，转子梳齿208和定子梳齿210可以使用空洞层上硅（son）过程或类似过程由单个半导体材料层或导电材料层形成，如下文进一步参考其他附图描述的。

在一些实施例中，在衬底202中形成腔212，并且膜206将腔212与膜206上方的体积分隔开。框架204支撑膜206并且被附连到转子梳齿208，转子梳齿208与定子梳齿210交错对插。在一些实施例中，定子梳齿210被附连到衬底202以便形成定子结构。

根据各种实施例，框架204通过支撑固定件214被耦合到扭转支撑216。在这样的实施例中，扭转支撑216被配置成随着膜206和框架204偏转而扭曲并且用作具有恢复力和弹性常量的扭转弹簧。弹性常量和恢复力基于扭转支撑长度tsl和扭转支撑宽度tsw。扭转沟槽218紧邻扭转支撑216放置，并且与沟槽205一起限定扭转支撑长度tsl和扭转支撑宽度tsw。在其他实施例中，框架204和膜206可以被耦合到悬臂式支撑结构以形成瓣膜。在替代实施例中，框架204和膜206可以被耦合到其他支撑结构，诸如包括本领域技术人员公知的任何弹性结构的多个弹性支撑。

在各种实施例中，接触焊盘220a、220b和220c由导电材料形成，以用于提供与转子梳齿208和定子梳齿210的电接触。例如，接触线222可以将接焊盘220a电耦合到定子梳齿210中的每一个。接触焊盘220b和220c可以被电耦合到衬底202或转子梳齿208。在其他实施例中，接触焊盘220b或接触焊盘220c可以被耦合到框架204。

根据各种实施例，框架204、转子梳齿208和定子梳齿210可以使用son过程或类似过程由相同的半导体层形成。在具体实施例中，衬底202、框架204、转子梳齿208和定子梳齿210中的每一个是单晶的，即单晶硅。在这样的实施例中，框架204、转子梳齿208和定子梳齿210可以在son层中形成。例如，框架204、转子梳齿208和定子梳齿210可以使用用于图案化的单个掩模来同时形成。在各种实施例中，膜206可以由用于形成薄膜的任何适当的材料（诸如例如多晶硅或氮化物）形成。

在各种实施例中，框架204、转子梳齿208和定子梳齿210由具有由高度h给出的层厚度的相同半导体层形成。此外，扭转支撑216和支撑固定件214可以具有由高度h给出的相同的层厚度。转子梳齿208和定子梳齿210具有宽度w、长度l、齿间间隔距离d。在各种实施例中，宽度w范围为10nm至5μm。在具体实施例中，宽度w范围为10nm至1μm。在各种实施例中，长度l范围为0.5μm至50μm。在具体实施例中，长度l范围为2μm至20μm。在各种实施例中，高度h范围为1μm至500μm。在具体实施例中，高度h范围为2μm至30μm。在各种实施例中，齿间间隔距离d范围为10nm至1μm。在具体实施例中，齿间间隔距离d范围为50nm至500nm。在更具体的实施例中，齿间间隔距离d范围为100nm至300nm。在替代实施例中，高度h、宽度w、长度l、齿间间隔距离d可以在指定范围外。

根据各种实施例，通过在son层或类似物中形成转子梳齿208和定子梳齿210，可以关于齿间间隔距离d和高度h实现非常高的纵横比。在一些实施例中，齿间间隔距离d与高度h的纵横比范围为1:10至1:100。在具体实施例中，齿间间隔距离d与高度h的纵横比大于1:30。在具体实施例中，齿间间隔距离d与高度h的纵横比大于或等于1:50，并且范围可以高达1:70或约1:70。在这样的具体实施例中，齿间间隔距离d可以为约140nm，并且高度h为约10μm。

作为进一步说明，通过在son层或类似物中形成转子梳齿208和定子梳齿210，可以使齿间间隔距离d小，诸如小于500nm。在这样的实施例中，可以减少穿过转子梳齿208和定子梳齿210之间的间隙并因此在膜206周围的气流。因此，例如，当mems换能器200被实现为mems麦克风时，可以通过减小可以穿过转子梳齿指208和定子梳齿210之间的间隙而绕过膜206的气流来增加灵敏度。

沟槽宽度tw给出框架204和衬底202之间的间隔。在各种实施例中，沟槽宽度tw的范围为100nm至10μm。在具体实施例中，沟槽宽度tw的范围为500nm至5μm。

根据各种实施例，支撑固定件214和扭转支撑216可以为mems换能器200提供应力解耦功能。例如，衬底202可能产生层应力，例如在封装期间。在这样的实施例中，通过支撑固定件214和扭转支撑216将框架204耦合到衬底202减小了从衬底202传递到框架204的层应力。下文参照图6描述进一步减小应力传递的另一实施例。

下文参考图3中所示的实施例制造方法的流程图和对应的横截面透视图进一步描述关于mems换能器200的制造处理步骤和材料的各种其他细节。

图3图示了用于实施例mems换能器（如上文参考图2a和2b中的mems换能器200所述的）的实施例制造方法300的流程图。图4a、4b、4c、4d、4e和4f图示了制造方法300中的步骤的横截面透视图。根据各种实施例，制造方法300包括步骤305-360。在这样的各种实施例中，步骤305包括形成空洞层上硅（son）结构和氧化物内衬。步骤305的中间结构在图4a中图示，该中间结构包括在衬底202内作为son结构形成的腔230和氧化物内衬232，其中腔230上方的衬底202的顶层被称为son层201。

在各种实施例中，衬底202是半导体衬底。在一些实施例中，衬底202可以被掺杂以改善导电性。在具体实施例中，衬底202是硅。具体地，衬底202是单晶硅。在替代实施例中，衬底202是锗。在又另一替代实施例中，衬底202是碳。在其他替代实施例中，衬底202是诸如砷化镓、碳化硅、硅锗、磷化铟或氮化镓之类的化合物半导体。在又其他替代实施例中，衬底202可以是本领域技术人员已知的其他半导体衬底材料或导电衬底材料。在具体的替代实施例中，衬底可以包括诸如玻璃或陶瓷之类的有机材料。衬底可以是晶圆。

根据衬底202是单晶硅的各种实施例，son结构可以通过包括以下操作的过程来形成：在衬底202中蚀刻沟槽并且回流硅。在这样的实施例中，根据与腔230的期望形状匹配的图案在衬底202中蚀刻沟槽。例如，沟槽可以按照矩形图案、圆形图案或椭圆形图案在衬底202中被蚀刻。为了在衬底202中蚀刻沟槽，可以使用反应离子蚀刻（rie）过程。对于rie过程，可以在衬底202的顶表面上以期望的沟槽图案来形成蚀刻掩模。例如，蚀刻掩模可以是光致抗蚀剂材料、氧化物层（例如二氧化硅）或图案化为蚀刻掩模的氮化物层。

在各种实施例中，一旦在衬底202中蚀刻沟槽，就可以进行退火过程以回流衬底202的硅。例如，退火过程可以在高温下在低氧环境（诸如氢环境）中进行。在具体实施例中，退火过程可以在1000℃以上进行约10分钟。在退火过程期间，沟槽之间的硅柱或柱状物将回流，其中每个沟槽的基部膨胀并且每个沟槽的顶部塌缩。当沟槽被间隔得足够接近在一起时，沟槽的膨胀基部将合并以形成腔230，并且沟槽的塌缩顶部也将合并以形成son层201。在这样的实施例中，son层201是单晶硅。在各种实施例中，可以调整在衬底202中形成的沟槽的间隔以及退火过程期间的压力、温度、定时和气体组成以形成不同形状的腔230，该腔230具有不同厚度和尺寸的son层201，如本领域技术人员将容易理解的。

在各种实施例中，氧化物内衬232也在腔230中形成。在这样的实施例中，当衬底202是单晶硅时，氧化物内衬232是氧化硅，例如二氧化硅。为了形成氧化物内衬232，可以在son层201中形成小开口。例如，son层201可以具有细粒化去除的孔或小孔，所述孔被形成用于将腔230暴露于氧化过程，诸如热氧化过程。

根据各种实施例，当衬底202不是用于形成空洞层上衬底层的单晶硅时，可以实现类似的处理步骤，如上文关于son层201类似地描述的。在这样的实施例中，如本领域技术人员将容易理解的那样，由于用于衬底202的材料的不同材料性质，各种修改可以是适用的。关于son装置的附加细节可以在2012年10月9日提交的并且标题为“silicononnothingdevicesandmethodsofformationthereof”的第9,136,328号美国专利中找到，该专利全部内容通过引用并入本文。

在步骤305之后，步骤310包括在son层201中蚀刻从顶表面到氧化物内衬232的沟槽234和沟槽238。沟槽234和沟槽238可以通过应用湿法蚀刻化学作用或干法蚀刻化学作用进行蚀刻。在各种实施例中，使用rie过程来蚀刻沟槽234和沟槽238。在这样的实施例中，蚀刻掩模被形成在son层201的顶表面上。蚀刻掩模可以是氮化物或氧化物硬掩模，该硬掩模通过使用光刻技术进行图案化来制备，光刻技术包括沉积光致抗蚀剂、将光致抗蚀剂暴露于掩模图案、显影光致抗蚀剂以及蚀刻该蚀刻掩模。一旦已经制备了蚀刻掩模以使沟槽234和沟槽238暴露，就进行rie过程以蚀刻沟槽234和沟槽238。

如上文关于图2a和2b中的转子梳齿208和定子梳齿210所述的，沟槽234和沟槽238可以交错配置以便于在梳状驱动中形成两个交错对插的梳齿集合。在其他实施例中，用于rie过程的蚀刻掩模可以是光致抗蚀剂。在替代实施例中，可以利用光致抗蚀剂掩模使用湿法化学蚀刻剂来蚀刻沟槽234和沟槽238。在各种实施例中，沟槽234或沟槽238可以被蚀刻有大的或非常大的纵横比。

根据各种实施例，步骤315在步骤310之后并且包括形成沟槽填料236。图4b中图示了步骤315的中间结构，其包括在沟槽234和沟槽238内形成的沟槽填料236。沟槽填料236可包括氧化物、氮化物和/或氧氮化物。例如，沟槽填料236可以是例如二氧化硅的氧化硅或原硅酸四乙酯（teos）氧化物。替代地，沟槽填料236可以是氮化硅。沟槽填料236可以被沉积或生长。在一些实施例中，可以通过应用化学气相沉积（cvd）过程、物理气相沉积（pvd）过程、原子层沉积（ald）过程或衬底的湿法或干法氧化来沉积沟槽填料236。在具体实施例中，可以使用化学气相沉积（cvd）来沉积沟槽填料236。

在各种实施例中，步骤320包括平坦化衬底202的顶表面。在这样的实施例中，平坦化可以包括化学机械抛光（cmp）。在一些实施例中，可以省略步骤320。

根据各种实施例，步骤325包括形成蚀刻停止层。在这样的实施例中，蚀刻停止层可以包括氧化物层或氮化物层。蚀刻停止层可以被沉积在衬底202的顶表面上。在步骤325之后，在步骤330中，在衬底202的顶表面上形成膜层240。步骤330的中间结构在图4c中图示，该中间结构包括覆盖衬底202的表面的膜层240。在这样的实施例中，步骤325的蚀刻停止层（未示出）可以在膜层240下方。在各种实施例中，膜层240可以是导电或非导电材料。

在膜层240是导电材料的实施例中，导电材料可以是金属材料。该金属材料可以包括纯金属、合金或化合物。在一些实施例中，该金属材料可以例如包括从由铝、铜、ni和si组成的组中选取的一个或多个元素。具体实施例包括纯铝、铝合金、铝化合物、纯铜、铜合金、铜化合物、纯镍、镍合金和镍化合物。在一个具体实施例中，导电材料是具有硅和铜的铝合金。在其他实施例中，导电材料可以包括导电聚合物。在又其他实施例中，导电材料包括诸如掺杂硅之类的掺杂半导体。掺杂硅可以包括掺杂的多晶硅和/或掺杂的单晶硅。掺杂硅可以是原位掺杂的。在其他实施例中，膜层是未掺杂的多晶硅。

在其他实施例中，膜层240是非导电材料，诸如氧化物、氮化物或氧氮化物。膜层240可以是包括导电材料和非导电材料的层堆叠。在一个这样的实施例中，膜层240包括氮化硅、多晶硅和氮化硅的堆叠。在其他实施例中，膜层240是非导电聚合物。

在各种实施例中，膜层240可以以不同的方式（诸如溅射、pvd、cvd或ald）被沉积。膜层240可以作为单个步骤被沉积。当导电材料包括金属材料时，可以通过电沉积来沉积导电材料。导电材料可以被直接沉积到衬底202或步骤325的蚀刻停止层上。

根据各种实施例，步骤335包括形成框架腔242，框架腔242是mems换能器200中的腔212的一部分，如上文参考图2a和2b所述。图4c中也图示了步骤335的中间结构，该中间结构包括在膜层240下方形成的框架腔242。在各种实施例中，去除沟槽238内的son层201的材料，诸如单晶硅。例如，框架腔242可以通过蚀刻形成。在这种实施例中，可以在步骤325的蚀刻停止层和膜层240中形成小孔或开口，以便暴露在膜层240下方、在腔230上方并由沟槽238包围（沟槽238被填充有沟槽填料236）的材料。通过蚀刻去除穿过孔或开口材料。例如，可以使用湿法化学蚀刻。在son层201是单晶硅的具体实施例中，湿法化学蚀刻可以是针对硅选择的。在一些实施例中，膜层240可以由光致抗蚀剂或其他材料覆盖，以便防止膜层240的蚀刻。用于形成框架腔的蚀刻将进行以去除son层201的所有材料，直到氧化物内衬232和沟槽填料236被暴露。氧化物内衬232和沟槽填料236可以抵抗蚀刻过程，并且因此可以用作蚀刻停止层。

在各种实施例中，在步骤335之后，步骤340包括图案化膜层240以形成膜206，如上文参考图2a和2b所述。在图4d中图示了步骤340的中间结构，该中间结构包括被图案化以覆盖框架腔242的膜层240。在这样的实施例中，图案化膜层240可以包括应用光致抗蚀剂，使用掩模图案显影光致抗蚀剂，以及在暴露的区域中蚀刻膜层240。蚀刻膜层240可以包括湿法化学蚀刻或干法化学蚀刻。除了在框架腔242上方，膜层240可以在衬底202的表面上的任何地方被蚀刻。步骤325的蚀刻停止层（未示出）可以用作针对蚀刻膜层240的蚀刻停止并且防止衬底202（包括由沟槽234形成的转子梳齿208和定子梳齿210的结构）和沟槽填料236被蚀刻。

在各种实施例中，膜层240可以通过应用湿法蚀刻或干法蚀刻化学作用来去除。例如，当膜层240包括半导体（例如多晶硅或诸如掺杂多晶硅之类的掺杂半导体）时，膜层240可以利用koh或hno3和hf的酸溶液来蚀刻。在另一实施例中，可以使用利用由sf6或cl2供应的氯或氟的等离子体过程来去除膜层240。

根据各种实施例，步骤345包括形成接触层。接触层是用于形成接触线和接触焊盘的导电层。在这样的实施例中，形成接触层可以包括通过溅射、pvd、cvd、ald或电沉积来沉积接触层。在各种实施例中，接触层可以包括来自铝、镍、铜、金、铂和钛组成的组的一个或多个元素。

步骤350包括图案化接触层以形成接触焊盘220a、220b和220c以及接触线222。步骤350的中间结构在图4e中图示，该中间结构包括在衬底202上形成的接触焊盘220a、220b和220c以及接触线222。可以通过如下步骤来对接触层进行图案化：应用光致抗蚀剂、使用掩模图案显影光致抗蚀剂以及蚀刻暴露区域中的接触层。在各种实施例中，可以通过应用湿法蚀刻或干法蚀刻化学作用来去除接触层。例如，可以利用koh或hno3和hf的酸溶液来蚀刻接触层。在另一实施例中，可以使用利用由sf6或cl2供应的氯或氟的等离子体过程来去除接触层材料。

在替代实施例中，接触焊盘220a、220b和220c可以使用硅化物来形成。可以通过在导电材料上形成金属材料来形成硅化物接触焊盘。金属材料可以包括来自ni、co和ti组成的组的一个或多个元素。导电材料和金属材料可以被退火以形成硅化物。在一些实施例中，接触焊盘220a、220b和220c被钝化。

在步骤350之后，步骤355包括从背表面或背侧蚀刻衬底202。在这样的实施例中，利用定向蚀刻来蚀刻衬底202。例如，利用bosch过程蚀刻来蚀刻衬底。应用该背侧蚀刻，使得在步骤305中形成的腔230下方的衬底被去除。在具体实施例中，背侧蚀刻由氧化物内衬232停止。在这样的实施例中，son层201中的腔230上方的结构（包括交错对插的转子梳齿208和定子梳齿210的梳齿以及框架204）由氧化物内衬232和沟槽填料236保护并且保持直立和未被蚀刻。

在替代实施例中，用包括例如koh的湿法蚀刻来蚀刻衬底202的背侧。在另一实施例中，例如，用干法蚀刻和随后的湿法刻蚀的组合（衬底202的较高选择度（诸如例如更高的硅选择度）对氧化物内衬232的蚀刻速率）来蚀刻衬底202的背侧。在一些实施例中，可以省略步骤355，如下文参考图7a、7b和7c进一步描述的。

根据各种实施例，步骤360包括使用释放蚀刻去除氧化物内衬232和沟槽填料236。在这样的实施例中，氧化物内衬232和沟槽填料236用湿法蚀刻或干法蚀刻去除。例如，通过应用基于hf的溶液或蒸气来蚀刻氧化物内衬232和沟槽填料236。在步骤360之后，mems换能器200被释放，并且具有框架204和转子梳齿208的膜206自由移动。步骤360的最终结构在图4f中图示，图4f是图2a的重复，并且包括框架204、膜206、转子梳齿208和定子梳齿210。此外，在释放蚀刻之后，具有膜206的框架204可以偏转到静止（atrest）位置，该静止位置具有与定子梳齿210相比的偏移。在各种实施例中，步骤360还包括通过将框架腔242与在步骤355的背侧蚀刻期间在衬底202中形成的腔接合来形成处于膜206下方的腔212、转子梳齿208和定子梳齿210。

根据以上参考图3、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f所示的各种实施例，转子梳齿208、定子梳齿210和框架204由相同的半导体层或导电层形成，即在son层201（诸如在具体实施例中的单晶硅）中形成。

图5图示了包括衬底202、框架204、膜206、转子梳齿208、定子梳齿210和应力层252的另一实施例mems换能器250的俯视图。根据各种实施例，mems换能器250可以类似于上文参考图2a和2b所述的mems换能器200，但增加了应力层252。共同编号的元件在上文中参考mems换能器200进行了描述，并且为了简洁起见将不再描述。

在各种实施例中，转子梳齿208和定子梳齿210可以按照偏移h偏移来偏移，如上文参考图1b中的转子梳齿114和定子梳齿116所描述的。在这样的实施例中，可以包括应力层252以产生偏移h偏移。通过跨扭转沟槽218形成应力层252，可以在扭转支撑216上产生应力，以便产生框架204和转子梳齿208的静止偏转，静止偏转产生偏移h偏移。应力层252可以在制造方法300期间的各个步骤（诸如在步骤360的释放蚀刻之前）处被形成和图案化。一旦进行步骤360的释放蚀刻，应力层252的层应力可能在扭转支撑216上引起力，从而产生偏移h偏移的偏转。

根据各种实施例，应力层252可以使用上文参考图3中的步骤315或步骤330所述的任何处理技术来沉积。应力层252可以包括例如以拉伸应力或压缩应力沉积的材料。在各种实施例中，应力层252是高应力材料。在具体实施例中，应力层252是氮化硅。在另一具体实施例中，应力层252是氮氧化硅。在其他实施例中，应力层252是低应力材料。在具体实施例中，应力层252是teos。在另一具体实施例中，应力层252是具有压缩应力的硅，该压缩应力可能例如取决于诸如磷的掺杂剂注入。在各种实施例中，应力层252可以具有各种不同的形状和尺寸，并且可以针对不同的实施例mems换能器被布置在不同位置处。

图6图示了包括衬底202、框架204、膜206、转子梳齿208、定子梳齿210、应力层252和应力解耦沟槽254的附加实施例mems换能器251的俯视图。根据各种实施例，mems换能器251可以类似于如上文参考图2a、2b和5所述的mems换能器200或mems换能器251，但增加了应力解耦沟槽254。共同编号的元件在上文中参考mems换能器200和mems换能器251进行了描述，并且为了简洁起见将不再描述。在一些实施例中，可以省略应力层252。

根据各种实施例，在制造方法300中的步骤310期间，应力解耦沟槽254可以与沟槽205和扭转沟槽218在相同的蚀刻过程中被形成，如上文参考图3、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f所述。在各种实施例中，应力解耦沟槽254将框架204、膜206和转子梳齿208与衬底202的应力解耦。例如，在诸如mems换能器251的mems换能器的封装期间，衬底202可能经受一些应力。在这样的实施例中，通过包括应力解耦沟槽254，衬底202的应力不会被传递到沟槽205内部的可偏转膜结构。在各种实施例中，应力解耦沟槽254的尺寸和构造可以被修改为具有许多实施例构造，诸如包括对衬底202的多个连接或单个更小的连接。例如，可以诸如通过使用万向支架状支撑来实现中心换能器区域（包括框架204、膜206以及通过扭转支撑216耦合到周围支撑结构的转子梳齿208）和衬底202之间的不同连接结构。

图7a、7b和7c图示了在附加实施例制造方法中的附加实施例mems换能器260的横截面透视图。具体地，图7a中的mems换能器260a、图7b中的mems换能器260b和图7c中的mems换能器260c图示了在制造序列的不同步骤中的mems换能器260。根据各种实施例，mems换能器260可以类似于上文参考图2a和2b所述的mems换能器200。上文参考mems换能器200描述了共同编号的元件，并且为了简洁起见将不再描述。在具体实施例中，使用与上文参考图3、图4a、图4b、图4c、图4d、图4e和图4f所描述的mems换能器200类似的制造方法来形成mems换能器260。在这样的实施例中，如下文所述，可以针对mems换能器260修改制造方法300。

根据各种实施例，mems传感器260a包括腔231，腔231可以与如上文参考图3和4a中的腔230描述的类似地形成，但是可以如图7a中所示那样进一步延伸。因此，步骤305可以被修改为形成作为腔231的延伸腔。此外，支撑柱262可以形成在腔231内部。在各种实施例中，支撑柱262可以是小的硅柱。替代地，支撑柱262可以由另一材料形成。在一些实施例中，如上文参考图3中的制造方法300所述那样包括腔230，并且除了腔230（未示出）之外还添加腔231。在这样的实施例中，腔230可以通过设定腔242的底部边缘来限定框架204的高度和结构，而腔231独立地限定内部衬底203的底部边缘。在这样的实施例中，如上文参考图3中的步骤305所描述的用于形成son层或类似物的两个步骤可以被进行以形成两个son层或类似物。

在各种实施例中，mems换能器260可以根据制造方法300形成，但不包括步骤355的背侧蚀刻。在各种这样的实施例中，mems换能器260b包括围绕整个换能器结构的外部沟槽264。外部沟槽264可以在步骤310期间形成，如上文参考图3所述。在这样的实施例中，外部沟槽264还可以填充有沟槽填料236，如上文参考图3中的步骤315所述。在其他实施例中，外部沟槽264可以在制造方法300期间的另一点处形成。在各种实施例中，外部沟槽264以及腔231使衬底202与内部衬底203分隔。内部衬底203包括整个换能器结构（包括框架204、膜206、转子梳齿208和定子梳齿210）。因此，在步骤360的释放蚀刻（图3）期间，可以释放外部沟槽264，使得内部衬底203与衬底202隔离或分离。在这样的实施例中，支撑柱262是将内部衬底203连接到衬底202的唯一元件。

根据各种实施例，可以进行从衬底202去除内部衬底203的剥离步骤。在这样的实施例中，衬底202可以是诸如体硅晶圆的晶圆，并且可以通过剥离步骤从晶圆去除作为图7c中所示的mems换能器260c的内部衬底203。在这样的实施例中，支撑柱262在剥离步骤期间可能断裂。

在各种实施例中，对应于mems换能器260c的内部衬底203的芯片高度hc可能较小。在具体实施例中，芯片高度hc小于或等于500μm。在一些具体实施例中，芯片高度hc小于或等于300μm。在其他具体实施例中，芯片高度hc小于或等于200μm。在又更具体的实施例中，芯片高度hc小于或等于100μm。在一些实施例中，可能有利的是，诸如通过使用针对mems换能器260的实施例剥离步骤来产生具有小芯片高度的实施例mems换能器，以便减少最终封装和产品厚度。例如，在诸如例如移动电话，平板计算机或膝上型计算机之类的移动计算装置中，产生薄的计算装置可能是合乎期望的。此外，在某一实施例中，可能有利的是，在不进行背侧蚀刻步骤的情况下产生实施例mems换能器。例如，mems换能器260可以在实施例制造方法中使用剥离步骤而不使用用于在膜206下方形成腔212的背侧蚀刻来形成。

图8图示了实施例mems换能器的另一实施例制造方法400的流程图。根据各种实施例，制造方法400包括步骤405、410和415。在这样的实施例中，步骤405包括在单晶硅层中形成换能器框架。形成换能器框架可以包括形成邻近腔的支撑部分和形成从支撑部分延伸的第一梳齿集合。在这种实施例中，换能器框架可被称为转子的一部分，并且第一梳齿集合可以被称为转子梳齿。

在步骤405之后，步骤410包括形成从锚定装置到支撑部分的弹性支撑。例如，弹性支撑可以包括扭转弹性结构。弹性支撑可以被耦合到支撑部分的与第一梳齿集合相同的边缘或不同边缘。在这种实施例中，支撑部分可以具有两个或更多个边缘。在具体实施例中，支撑部分是具有四个边缘的矩形。

根据各种实施例，步骤410包括在单晶硅层中形成第二梳齿集合。在这样的实施例中，第二梳齿集合与第一梳齿集合交错对插。在替代实施例中，单晶硅层可以包括替代材料，诸如例如锗。在具体实施例中，单晶硅层是son层。根据各种实施例，制造方法400可以被修改为包括许多附加的处理步骤，或者可以根据上文参考其他附图描述的任何实施例被重新排列。

根据实施例，形成mems换能器的方法包括在单晶硅层中形成换能器框架，其中形成换能器框架包括形成邻近腔的支撑部分并形成从支撑部分延伸的第一梳齿集合。形成mems换能器的方法还包括从锚定装置到支撑部分形成弹性支撑，以及在单晶硅层中形成第二梳齿集合。第二梳齿集合与第一梳齿集合交错对插。其他实施例包括对应的系统和设备，每一个被配置为进行各种实施例方法。

在各种实施例中，所述第一梳齿集合和所述第二梳齿集合被形成为在所述第一梳齿集合的每个梳齿和所述第二梳齿集合的每个对应的邻近梳齿之间具有在100nm和300nm之间的齿间间隔距离。在一些实施例中，所述第一梳齿集合和所述第二梳齿集合被形成为具有等于或超过1:50的梳齿纵横比，其中所述梳齿纵横比是在第一梳齿集合的每个梳齿和所述第二梳齿集合的每个对应邻近梳齿之间的齿间间隔距离与所述第一梳齿集合和所述第二梳齿集合的层厚度的比率。

在各种实施例中，形成所述换能器框架进一步包括在所述支撑部分上并覆盖所述腔形成膜层。在一些实施例中，形成mems换能器的方法进一步包括形成应力层，所述应力层被机械地耦合到所述弹性支撑并且被配置为使所述换能器框架静止偏转。形成所述弹性支撑可以包括对在所述锚定装置和所述支撑部分之间的扭转弹性支撑进行图案化。

在各种实施例中，形成mems换能器的方法还包括形成具有小于或等于300μm的芯片厚度的mems换能器。在一些实施例中，形成mems换能器的方法进一步包括形成从所述锚定装置延伸并且围绕所述换能器框架、所述弹性支撑和所述第二梳齿集合的应力解耦间隙，其中，所述应力解耦间隙被配置为减少从所述mems换能器的衬底到所述换能器框架、所述弹性支撑和所述第二梳齿集合的层应力传递。

根据实施例，形成mems换能器的方法包括：在单晶硅衬底中形成空洞层上硅结构；穿过所述空洞层上硅结构蚀刻高纵横比沟槽；在所述空洞层上硅结构上形成膜；在空洞层上硅结构中邻近所述高纵横比沟槽并且在所述膜下方形成腔；以及通过去除所述单晶硅衬底的背侧部分来暴露所述腔。其他实施例包括对应的系统和设备，每一个被配置为进行各种实施例方法。

在各种实施例中，蚀刻高纵横比沟槽包括蚀刻具有等于或超过1:50的纵横比的沟槽。在一些实施例中，通过去除所述单晶硅衬底的背侧部分来暴露所述腔包括：进行穿过所述单晶硅衬底的背侧蚀刻。在其他实施例中，通过去除所述单晶硅衬底的背侧部分来暴露所述腔包括：围绕所述空洞层上硅结构蚀刻沟槽；以及进行剥离步骤以从所述单晶硅衬底去除所述空洞层上硅结构。在一些这样的实施例中，在进行所述剥离步骤之后，所述空洞层上硅结构具有小于或等于300μm的层厚度。

在各种实施例中，在所述空洞层上硅结构上形成膜包括：形成框架以及在所述框架上形成所述膜，并且在所述空洞层上硅结构中形成所述腔包括：在所述框架中形成所述腔，使得所述框架围绕所述腔。在一些实施例中，形成mems换能器的方法进一步包括：在所述空洞层上硅结构中形成扭转弹簧，其中，所述扭转弹簧被耦合到所述框架并且支撑所述框架。形成mems换能器的方法还可以包括：形成机械地耦合到所述扭转弹簧的应力层。在其他实施例中，形成mems换能器的方法进一步包括：形成应力解耦间隙，该应力解耦间隙从耦合到所述扭转弹簧的锚定装置延伸并且围绕所述空洞层上硅结构，其中，所述应力解耦间隙被配置为减少从所述单晶硅衬底到所述空洞层上硅结构的层应力传递。

根据实施例，一种形成mems装置的方法包括：在半导体衬底中蚀刻多个沟槽；使所述多个沟槽回流以从所述多个沟槽的顶部形成空洞层上衬底结构并且从所述多个沟槽的底部在所述半导体衬底中形成空的空间；在所述空的空间中形成刻蚀停止内衬；在所述空洞层上衬底结构中形成多个梳齿；在所述空洞层上衬底结构上形成膜；在空洞层上衬底结构中在所述膜下方形成腔；从所述半导体衬底的底表面到所述空的空间去除所述半导体衬底的背侧部分；以及释放所述膜和所述多个梳齿的第一部分以偏转。空洞层上衬底结构中的腔从半导体衬底的顶表面延伸到刻蚀停止内衬。其他实施例包括对应的系统和设备，每一个被配置为进行各种实施例方法。

在各种实施例中，所述多个梳齿被形成为具有等于或超过1:50的梳齿纵横比，其中所述梳齿纵横比是所述多个梳齿的邻近梳齿之间的齿间间隔距离与所述多个梳齿的层厚度的比率。在一些实施例中，形成mems装置的方法还包括形成支撑弹簧，其中在所述空洞层上衬底结构上形成所述膜包括：形成耦合到所述支撑弹簧的框架以及在所述框架上形成膜，并且在所述空洞层上衬底结构中形成所述腔包括：在所述框架中形成腔，使得所述框架围绕所述腔。在一些这样的实施例中，形成mems装置的方法还包括形成机械地耦合到所述支撑弹簧的应力层。形成mems装置的方法还可以包括：形成应力解耦间隙，所述应力解耦间隙从耦合到所述支撑弹簧的锚定装置延伸并且围绕所述空洞层上衬底结构，其中，所述应力解耦间隙被配置为减少从所述半导体衬底到所述空洞层上衬底结构的层应力传递。

在各种实施例中，从所述半导体衬底的底表面到所述空的空间去除所述半导体衬底的背侧部分包括穿过所述半导体衬底进行背侧蚀刻。在其他实施例中，从所述半导体衬底的底表面到所述空的空间去除所述半导体衬底的背侧部分包括：围绕所述空洞层上衬底结构蚀刻沟槽，以及进行剥离步骤以从所述半导体衬底去除所述空洞层上衬底结构。

根据实施例，mems换能器包括在单晶硅层中形成的换能器框架，其中换能器框架包括围绕腔的支撑部分以及从支撑部分延伸的第一梳齿集合。mems换能器还包括从锚定装置耦合到所述支撑部分的弹性支撑以及形成在所述单晶硅层中的第二梳齿集合，其中第二梳齿集合与所述第一梳齿集合交错对插。其他实施例包括对应的系统和设备，每一个被配置为进行各种实施例方法。

在各种实施例中，第一梳齿集合的每个梳齿与第二梳齿集合的每个对应邻近梳齿之间的齿间间隔距离在100nm和300nm之间。在一些实施例中，梳齿纵横比等于或超过1:50，其中所述梳齿纵横比是第一梳齿集合的每个梳齿和第二梳齿集合的每个对应邻近梳齿之间的齿间间隔距离与所述第一梳齿集合和所述第二梳齿集合的层厚度的比率。

在各种实施例中，换能器框架还包括在支撑部分上并覆盖腔的膜层。在一些实施例中，mems换能器还包括应力层，所述应力层机械地耦合到所述弹性支撑并且被配置成使所述换能器框架静止偏转。弹性支撑可以包括扭转弹性结构。在其他实施例中，所述mems换能器具有小于或等于300μm的芯片厚度。在一些其他实施例中，mems换能器还包括应力解耦间隙，应力解耦间隙从所述锚定装置延伸并且围绕所述换能器框架、所述弹性支撑和所述第二梳齿集合，其中，所述应力解耦间隙被配置为减少从所述mems换能器的衬底到所述换能器框架、所述弹性支撑和所述第二梳齿集合的层应力传递。

本文描述的一些实施例的优点可以包括具有由低噪声下限和高灵敏度导致的大snr的mems换能器。例如，与穿孔背板和膜结构相比，使用实施例梳状驱动的实施例mems声学换能器可以具有降低的声学噪声。这种实施例mems声学换能器还可以具有由如本文所述的减小的齿间间隔距离而导致的穿过对应梳状驱动结构的减少的通气路径。其他优点可以包括具有用于薄产品封装的小芯片高度的实施例mems换能器。

虽然已经参考说明性实施例描述了本发明，但是本描述并不意图以限制意义被解释。通过参考说明书，对于本领域技术人员来说，说明性实施例以及本发明的其他实施例的各种修改和组合将是显而易见的。因此，意图是所附权利要求包含任何这样的修改或实施例。