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随着微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)技术的发展,传统传感器的核心传感部件正逐步走向微型化,被与微电子工艺兼容、与专用集成电路高度集成的高性能MEMS芯片所替代。例如,传统驻极体麦克风已经逐步被MEMS麦克风所替代。近年来,智能物联网技术的兴起,不仅为MEMS麦克风提供了更大的增长空间,也对MEMS麦克风提出了更多更高的技术要求。因此,即便MEMS麦克风经历了三十多年的长期研发,其研究仍然面临新的挑战。目前,国内大多数厂商只能做MEMS麦克风的产品封装以及模块开发,并没有掌握其MEMS芯片的核心技术,在核心技术上长期受制于国外MEMS芯片研发公司。因此,对MEMS麦克风的研究以及对MEMS器件核心结构和工艺的探索具有重要的意义。本文将从MEMS麦克风的仿真设计、工艺设计及加工、电学声学测试三个方面探究MEMS麦克风器件的实现。仿真设计主要通过有限元仿真软件COMSOL对麦克风器件进行三维建模,仿真计算麦克风的pull-in电压、振膜谐振频率、频率响应等主要性能,得到最优的器件结构参数,例如薄膜应力、振膜厚度等。工艺设计及加工部分根据仿真的器件参数,设计详细的工艺流程,并通过半导体工艺加以实现。在工艺和器件结构的实现中,本文详细研究了薄膜应力和薄膜气泡缺陷问题,提出了MEMS工艺中权衡应力和气泡缺陷的方法。另外,本文也做了大量研究实验,探索了反应离子刻蚀(Reactive-Ion-Etching,RIE)氮化硅和硅的刻蚀选择比问题,并提出了详细实验数据。通过这个实验,得到了应力达到23.5 MPa多晶硅振膜,并通过反应离子刻蚀将MEMS麦克风振膜的厚度从400 nm减薄至100 nm。MEMS麦克风的电学声学测试主要对麦克风进行C-V测试、D-f测试、灵敏度测试、失真度测试等等,并分析对比了在振膜减薄之后麦克风灵敏度、信噪比、失真度的变化。本文成功设计并实现了麦克风MEMS芯片,其特点在于具有低应力、超薄振膜。MEMS麦克风振膜的尺寸和应力大体上决定了该器件的性能,在麦克风芯片越来越小型化的过程中,降低振膜的尺寸会导致信噪比下降。本文的创新在于,提出的小尺寸振膜,其应力通过优化沉积参数和采用快速热退火技术降至较低的水平,本实验样品的振膜应力为23.5 MPa。且,详细研究了反应离子刻蚀中氮化硅与硅的刻蚀选择比,将振膜减薄至100 nm,几乎是最极限厚度。第一,振膜减薄提高了MEMS麦克风的信噪比,本实验样品的信噪比最高达到64.18d BA,平均62.3 d BA;第二,振膜减薄大幅度降低了MEMS麦克风的偏置电压,本实验样品的偏置电压在3.5 V左右,很大程度上降低了芯片的功耗。本文实现的MEMS麦克风整体性能参数达到了较高的水平,灵敏度为-38 d BV,总谐波失真小于0.5%,最大声压级为121.6d BSPL。并且,低应力、超薄振膜的实现,对于MEMS器件来说具有更广泛的应用价值。