代尔夫特理工大学Vollebregt团队：高灵敏度、晶圆级的无转移石墨烯MEMS电容麦克风 | MINE推荐

Highly-sensitive wafer-scale transfer-free graphene MEMS condenser microphones

https://doi.org/10.1038/s41378-024-00656-x

代尔夫特理工大学Vollebregt团队描述了一种新颖的无需转移的基于石墨烯的MEMS麦克风制造过程，使得在减小体积的同时实现高灵敏度。这种创新方法允许定制设计以优化性能并实现ASIC兼容性，同时石墨烯的薄度允许调谐超出可听带宽的共振频率。

文章亮点

• 在MEMS电容麦克风制造中创新性地实现了无需转移的晶圆级石墨烯集成。
• 微机械加工流程，允许在设备设计中自由发挥，以实现最佳的最终性能。
• 拉入电压与商业应用特定集成电路（ASICs）兼容，进一步实现系统级封装集成。
• 膜片的高机械柔顺性，导致其灵敏度高于基于硅的MEMS麦克风。

文章简介

文章展示了一种创新方法，即直接在钼（Mo）金属催化剂上生长石墨烯，用于创建无需转移过程的晶圆级石墨烯基MEMS麦克风。将石墨烯集成到MEMS技术中的传统方法受到与转移步骤相关的限制。提出的新技术规避了这些挑战，允许更显著的设计和制造自由度。石墨烯的卓越特性，特别是其最小张力、厚度和电流传导能力，使其作为振膜材料时具有高灵敏度，显著提高了MEMS麦克风的性能。与传统的硅振膜不同，石墨烯能够检测微小声音，可能导致更高的信噪比。这是因为输入到相关集成电路（ASIC）的信号高，且在放大过程中增加的任何噪声由于放大幅度较低而可以进一步减轻。这一优势还允许减小尺寸，使得能够生产更小的MEMS麦克风而不降低性能——开创了紧凑而强大声学设备的新时代。此外，尽管张力和刚度低，但提出的多层石墨烯振膜具有与现有ASIC技术兼容的拉入电压。这表明其未来集成到当前批量生产制造中的积极前景。此外，石墨烯的最小厚度允许设计在可听频率范围外运行的振膜。总之，利用石墨烯的独特性质，可以制造出更小、更灵敏、更高效的麦克风，有可能改变音频捕捉设备的格局。

值得注意的是，这项研究开发的制造技术不仅限于麦克风，而且有更广泛的应用。它可以适用于其他高灵敏度的MEMS设备，如依赖于电容读出机制和可移动板的压力和气体传感器。这种多功能性强调了这种方法改变MEMS技术各个方面的潜力，为更高效、紧凑和灵敏的设备铺平了道路。

图文导读

图1：微机械加工流程。展示了制造无转移多层石墨烯电容麦克风的过程步骤。(1) 定义1um SiO₂层和100nm LPCVD SiN_x蚀刻掩模，用于最终背面DRIE的多晶硅通气孔。(2) LPCVD多晶硅(1um)和图案化，(3) PECVD TEOS (5um)和LPCVD SiN_x (100nm)，(4) 干法蚀刻SiN_x以定义膜区域和底部电极接触的通孔。(5) Mo溅射(50nm)和图案化，(6) CVD生长石墨烯，(7) Cr/Au 20/200nm 蒸发和剥离，(8) Bosch工艺和SiO₂去除，(9) DRIE多晶硅，(10) VHF牺牲层蚀刻。

此过程详细描述了使用体微机械加工技术制造基于石墨烯的MEMS电容麦克风的步骤。首先，在 1000°C下对 100mm P型硅晶圆进行热氧化，形成 1um 厚的SiO₂ 膜。这层膜具有双重用途：作为背板的绝缘层和后续硅蚀刻的着陆层。接下来，在 850°C 下使用SiH₂Cl₂ 和 NH₃ 沉积 100nm 的LPCVD SiN_x 层。此层按照未来悬浮背板中的通气孔进行图案化。此外，通过LPCVD在 605°C 下沉积 1um 的多晶硅，并经过硼掺杂后，使用 Cl/HBr 化学过程定义背板区域的图案。然后，沉积 5um TEOS膜作为牺牲层。这之后是第二层LPCVD SiN_x膜，作为最终蚀刻的覆盖层。过程继续进行，低温下溅射 50nm 的Mo 层，然后通过干蚀刻进行图案化。在935°C下使用AIXTRON “Black Magic Pro” 反应器实现石墨烯合成。该过程涉及用H₂ 还原氧化的 Mo 并使用 CH₄ 进行生长。然后，蒸发 Cr/Au 层并使用剥离技术进行图案化。在晶圆背面进行Bosch空腔蚀刻，用缓冲氧化蚀刻（BOE）湿蚀刻着陆层（SiO₂）。最后一步是使用DRIE通过背面蚀刻，针对暴露的多晶硅，并使用SiN_x 层作为掩模。最后的步骤包括蚀刻Mo层、清洗以去除副产品，并将晶圆切割成 1cm ×1cm 的芯片。最后，使用Primaxx μEtch系统进行蒸气氢氟酸（VHF）蚀刻。

图5：基本电容和拉入。（a）与FEA结果比较了三种几何结构的C₀ − V_bias曲线。这些设备使用V_AC = 100 mV和f₁ = 100 kHz进行驱动。（b）C₀ − V_bias从-9.5 V到9.5 V的线性扫描描述了几何结构（b, d）的非对称膜片位移。蓝色数字描述了在V_bias增加时检测到的几何结构A的膜片动态。（c）两个电极均使用从0 V到8 V的V_bias线性扫描进行驱动。尽管V_bias = 3.8 V时膜片部分崩塌，但由于残留的TEOS薄层（几何结构A），未发现短路。（d）在非均匀静电力下的膜片偏转。

该图表呈现电容-电压（C₀ – V_bias）曲线，比较了制造的设备的电压窗口与有限元分析（FEA）模拟结果。这些曲线是使用Cascade Summit探针站连接到安捷伦4294A精密阻抗分析仪获得的。基本电容（C₀）随偏置电压（V_bias）非线性增加，这归因于静电力诱导的能量梯度，有效减小了膜片和背板之间的间隙。调查关注三种设备几何结构（标记为A、B、C），每种结构在十个设备中显示出2.0 – 9.5 V范围内的拉入电压（V_pull−in）。C₀和V_pull−in的实验发现与FEA结果并置，考虑到从图4中提取的预张力（n₀）。此外，由于电极和背板之间的公共区域产生的寄生电容（C_p）使用平行板近似计算并包括在FEA中。实验电容与FEA预测紧密对齐，显示出不到15%的误差幅度，这可能是由于应力诱导的薄膜变形等缺陷。值得注意的是，最小电容与零V_bias不对齐，导致在三种几何结构中建立的电压（V_bi）范围从-316到-219 mV。这种差异可能是由于金属-石墨烯/Si连接不佳或TEOS层中的残余电荷造成的。完全夹紧的几何结构显示出最高的V_pull−in（约8.5 V），与预期的静态位移约 1.65um 相关，大约是间隙的三分之一。如图5b所示，V_pull−in以上，C₀继续上升，可能是由于随着电压增加而增加的接触面积。有趣的是，V_pull−in后的膜片行为偏离了通常假设的圆板典型抛物线偏转模式。此外，所有检查的膜片在坍塌后恢复到原始状态，显示出典型的滞后行为，这是由静电力的非线性特性引起的。此外，显示出顶部和底部电极之间几乎没有电气泄漏（Ileakage < 0.20 pA）的V – I曲线，可能是由背板上残留的TEOS层限制的。这项综合分析，结合了实验和FEA数据，为设备在不同条件下的电气行为和结构完整性提供了宝贵的见解。

图6：在1Pa和10Hz – 10kHz下的机械灵敏度。图例中描述了拟合数据时使用的主要参数（公式4）。在f >10 Hz时的斜率响应主要受到n₀和品质因数（Q）的影响。对于f >800 Hz的斜率，在低Q（过阻尼系统）和原始自然模式f₀₁值的情况下，发现了所有提出的几何结构的更好拟合。截止频率为1500 Hz（几何结构A）、940 Hz（几何结构B）和620 Hz（几何结构C）。

文中，标记为几何结构A、B和C的三种不同的膜片几何形状进行了声学测试。这些测试涉及在10至10,000 Hz的宽频率范围内，对膜片施加恒定的 1Pa 声压。经过精心校准的实验设置采用激光多普勒振动仪（LDV）准确捕获所产生的膜片运动。这些测试中的一个显著观察是膜片的一致低通响应，未检测到低频滚降（LFRO）的证据。鉴于膜片的机械柔顺性，这一发现尤为重要——分别为几何结构A、B和C在1 kHz频率和1 Pa声压条件下的1.07、0.081和0.56um。这些柔顺性值与之前对类似自由悬浮石墨烯结构的研究结果密切一致，凸显了它们的卓越机械柔韧性，即使没有对电极或电容配置。此外，尤其是对于较小直径（2R < 320um）的高柔顺性，在现有文献中并未发现。实验数据与阻尼谐振振荡器的解析模型相比较时，与FEA固有频率导出的预张力（n₀）显示出合理的匹配。这些比较表明误差范围在6-25%之间，并考虑到了各自几何结构的半径（R）。观察到的低通响应主要归因于设备的背板设计，引入了声学阻抗。这种阻抗主要是由于背板的孔隙中的空气容积，影响了通过这些孔的空气质量运动，从而导致阻尼效应。尽管具有这种固有的低通特性，这些设备在10 kHz的高达794、31和19nm 的显著振幅上仍保持相当的柔顺性，分别对应于几何结构A、B和C。这些柔顺性水平显著超过了通常报告的基于硅的振膜，后者的膜片直径通常比文中的大3-4倍。要提高麦克风响应的平坦度，需要进一步的工程努力，或可能从信号处理技术中受益，以调整频率响应。该研究的测量范围限制在10 kHz，受到用于监测压力变化的密封室设置的限制。这种限制来自于此频率下的亥姆霍兹共振，是由于室内扬声器区域与固定样品的较大开口之间的体积差异引起的。这种设置确保了最小的压力泄漏和一致的1 Pa压差。

作者及实验室介绍

第一作者：

Roberto Pezone，代尔夫特理工大学微电子系。主要研究领域为MEMS、声学设备、石墨烯。

通讯作者：

Sten Vollebregt，代尔夫特理工大学微电子系。主要研究领域为石墨烯和二维材料、碳纳米管、传感器、宽禁带半导体互连。

实验室简介：

荷兰代尔夫特理工大学也因其洁净室设施而闻名，尤其是卡夫利纳米实验室（KNL）和埃尔斯·库伊实验室（EKL）。这些实验室在提供先进的工艺和检查设备方面发挥着关键作用，服务于学术研究和工业应用。大学的洁净室基础设施作为荷兰国家纳米技术研究设施NanoLabNL的合作伙伴，发挥着关键作用。这种合作将其设施和专业知识的使用扩展到广泛的用户，包括其他大学、研究机构、初创企业和行业。NanoLabNL设施在将想法从构思到具体产品的过程中发挥着重要作用，支持基础研究、工艺和产品开发，甚至小规模生产。EKL作为荷兰最大的洁净室之一，拥有超过600平方米的100级（ISO 5）洁净室和400平方米的10,000级（ISO 7）洁净室空间。位于EWI学院36号楼的EKL配备了从硅晶圆开始的活性和被动纳米结构的完整制造和表征能力。实验室的能力包括亚微米分辨率光刻、薄膜沉积、蚀刻、体和表面微机械加工，以及最终设备的封装和组装。值得注意的是，EKL还专门从事聚合物基、生物兼容和生物可降解设备的制造和合成。EKL与许多研究小组合作，如生物电子学、ECTM、EI、PME、PVMD、QuTech和太赫兹感测。此外，它还提供代工和联合开发服务，与不同领域的各种公司建立伙伴关系。EKL团队提供全面的设计、制造和设备表征援助。在EKL完全制造的设备示例包括MEMS、透射电子显微镜纳米反应器、石墨烯传感器、用于微创医疗仪器的柔性传感器、与活体组织相互作用的器官芯片、基于硅的柔性LED。