專利名稱：電容式硅傳聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳聲器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電容式硅傳聲器及其制作工藝。
背景技術(shù)：
1983年Royer在硅片上制作出第一個(gè)傳聲器，引起了各界重視。各類傳聲器陸續(xù)在硅片上被開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)。其中，最主要最熱門(mén)的一種即電容式硅微傳聲器。電容式硅微傳聲器不僅具有體積小、靈敏度高、頻響特性好、噪聲低等特點(diǎn)，更重要的是具有很寬工作溫度，可適用于SMT等自動(dòng)化生產(chǎn)線作業(yè)和惡劣的工作環(huán)境，是目前任何一種傳聲器所無(wú)法替代的，它將會(huì)開(kāi)拓傳聲器更為廣泛的應(yīng)用空間。
電容式硅傳聲器是在硅片上利用微機(jī)械加工技術(shù)制作出來(lái)的一種聲傳感器，其結(jié)構(gòu)由振膜和背極組成。為了得到靈敏度高、噪聲低的傳聲器，要制作內(nèi)應(yīng)力小的振膜以及剛性背極。
多年來(lái)，已發(fā)表多篇關(guān)于制作低應(yīng)力的振膜硅傳聲器文獻(xiàn)報(bào)道及專利。Sensor and actuators A.31，1992，90-96中描述了把張應(yīng)力和壓應(yīng)力材料制作成低應(yīng)力復(fù)合膜用在傳感器上；專利US6622368B1把低應(yīng)力復(fù)合膜結(jié)構(gòu)用作硅傳聲器的振膜，申請(qǐng)了氮化硅/多晶硅/氮化硅的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)專利；文獻(xiàn)Sensor and actuators A.31，1992，149-152以及專利US6012335中描述了利用單晶硅重?fù)诫s硼的方法制作單晶硅振膜；1998 MEMSConference，Heideberg Germany Jan 25-29，A High Sensitivity PolysiliconDiaphragm Condenser Microphone中報(bào)導(dǎo)采用低應(yīng)力多晶硅做振膜；專利US6535460B2申請(qǐng)了自由振膜結(jié)構(gòu)，這些是目前制作低應(yīng)力振膜的主要方法。
要得到低應(yīng)力剛性背極，在保證薄膜內(nèi)應(yīng)力小的同時(shí)，也要把背極做厚。目前，報(bào)導(dǎo)的方法包括專利US6012335采用厚金層作背極；專利US6677176B2采用復(fù)合金屬膜做背極，減小應(yīng)力的同時(shí)增加厚度；US6140689專利中采用SOI硅片中單晶硅層做背極；US6667189B1采用電化學(xué)腐蝕制作低應(yīng)力厚單晶硅背極；US6532460B2制作特殊結(jié)構(gòu)增加背極強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是采用同時(shí)制作低應(yīng)力振膜和低應(yīng)力剛性背極的方法來(lái)提高硅傳聲器的靈敏度，并降低噪聲。采用SOI的單晶硅層/復(fù)合振膜作為振膜，作為電容的可動(dòng)極板，上面制作氧化硅隔離層，再制作復(fù)合膜作為背極，形成電容的另一個(gè)不動(dòng)極板。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種電容式硅傳聲器，具有高靈敏度、低噪聲的特性，包括硅襯底、體硅腐蝕阻擋層、振膜、低溫二氧化硅或磷硅玻璃隔離層以及背極；在背極正面，向內(nèi)部豎直開(kāi)有上電極孔和下電極孔，上電極孔和下電極孔內(nèi)設(shè)有上下金屬電極；振膜下面中部為體硅腐蝕形成的背腔，振膜和背極之間形成氣隙，背腔與氣隙之間隔著振膜；其為背極在上、振膜在下的電容結(jié)構(gòu)，電容的上極板為低應(yīng)力剛性復(fù)合背極，下極板為低應(yīng)力振膜，隔離層夾在上下極板之間；背極上中部與背腔和氣隙相對(duì)的位置，設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)聲孔，聲孔與氣隙相通。
所述的電容式硅傳聲器，其所述振膜下面有體硅腐蝕二氧化硅阻擋層，層厚≤1微米。
所述的電容式硅傳聲器，其所述低應(yīng)力振膜為SOI硅片的單晶硅層，或者是由三層或三層以上多晶硅和氮化硅形成的復(fù)合振膜。
所述的電容式硅傳聲器，其所述SOI單晶硅層振膜，單晶硅層要摻雜磷或硼，形成n型或p型導(dǎo)電層，作為電容式硅傳聲器的下電極。
所述的電容式硅傳聲器，其所述復(fù)合振膜，其最上面一層為n型或p型多晶硅層，這層作為電容式硅傳聲器的下電極。
所述的電容式硅傳聲器，其所述復(fù)合振膜，其低內(nèi)應(yīng)力是根據(jù)多晶硅層和氮化硅層的內(nèi)應(yīng)力大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
所述的電容式硅傳聲器，其所述復(fù)合背極，是由張應(yīng)力和壓應(yīng)力薄膜交替形成的，其層數(shù)至少為三層，根據(jù)張應(yīng)力和壓應(yīng)力材料應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)減小復(fù)合背極的內(nèi)應(yīng)力；復(fù)合背極的最下一層為局部的導(dǎo)電層，作為電容式硅傳聲器的上電極，該局部導(dǎo)電層上面為絕緣層。
所述的的電容式硅傳聲器，其所述復(fù)合背極至少為三層，為三層或三層以上多晶硅層和氮化硅層交替形成，最下層的局部導(dǎo)電層，為n型或p型局部的多晶硅層。
所述的電容式硅傳聲器，其所述背極上的聲孔，為圓形或者方形的聲孔，該聲孔成陣列排布。
所述的電容式硅傳聲器，其所述聲孔，其直徑或者邊長(zhǎng)為5～20微米，孔間距為10～40微米。
本發(fā)明具有高靈敏度、低噪聲的特性，工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。


圖1本發(fā)明電容式硅傳聲器剖面結(jié)構(gòu)圖；圖2 SOI硅片剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3本發(fā)明在普通硅片上制作復(fù)合振膜剖面結(jié)構(gòu)圖；圖4本發(fā)明電容式硅傳聲器中背極導(dǎo)電層示意圖；圖5本發(fā)明電容式硅傳聲器中背極板上聲孔分布示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，本發(fā)明電容式硅傳聲器，為在硅襯底21上制作的電容式傳聲器，基本結(jié)構(gòu)包括在硅襯底21上，依序?yàn)轶w硅腐蝕阻擋層22、振膜23、隔離層24、背極25，在背極25正面，向內(nèi)部豎直開(kāi)有上電極孔26和下電極孔27，上電極孔26和下電極孔27內(nèi)設(shè)有上下金屬電極28、29。形成了背極25在上、振膜23在下的電容結(jié)構(gòu)，振膜23下面為體硅腐蝕形成的背腔30，振膜23和背極25之間形成氣隙31，背腔30與氣隙31之間隔著振膜23，背極25上與背腔30和氣隙31相對(duì)的位置，設(shè)有大量的聲孔32，聲孔32與氣隙31相通。
本發(fā)明中，涉及兩種制作硅傳聲器振膜的方法。
方法一利用SOI硅片的單晶硅層作為傳聲器振膜23。
如圖2所示，SOI硅片包括三層下面硅襯底21，中間二氧化硅隔離層33，上面薄單晶硅層34，單晶硅層34幾乎不存在內(nèi)應(yīng)力，本發(fā)明正是利用這層低應(yīng)力薄單晶硅層34作為硅傳聲器的振膜23。
根據(jù)靈敏度的要求，上層單晶硅層34的厚度可以選用0.5～2微米。對(duì)單晶硅層34進(jìn)行磷或硼摻雜，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容式硅傳聲器的下電極——振膜23。
二氧化硅層33作為體硅腐蝕阻擋層22，其作用由于二氧化硅的腐蝕速率較慢，二氧化硅層33可以有效阻擋體硅腐蝕，從而有效避免在腐蝕形成背腔30的過(guò)程中對(duì)單晶硅層34的破壞。
方法二用多晶硅/氮化硅/多晶硅復(fù)合膜作振膜23。
如圖3所示，采用(100)普通硅片21，首先用熱氧化的方法在硅片21表面形成1微米厚的氧化硅體硅腐蝕阻擋層22，然后按次序用低壓化學(xué)汽相沉積(LPCVD)的方法沉積多晶硅23a、低應(yīng)力氮化硅23b、多晶硅層23c，形成復(fù)合振膜23。這里使用壓應(yīng)力多晶硅、拉應(yīng)力氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內(nèi)應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)減小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求。之后，對(duì)上層多晶硅層23c進(jìn)行磷或者硼摻雜，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容式硅傳聲器的下電極。
形成振膜23之后，在上面淀積2～3微米厚的低溫二氧化硅(LTO)或者磷硅玻璃(PSG)作為犧牲層24，如圖1所示。
為了使背極25滿足低應(yīng)力、剛性條件，制作復(fù)合層背極25。復(fù)合背極25由兩種或兩種以上內(nèi)應(yīng)力分別為張應(yīng)力和壓應(yīng)力的薄膜交替形成，層數(shù)可以制作成三層或三層以上，這樣可以在保證低應(yīng)力的同時(shí)有效地增加厚度。為了減小寄生電容效應(yīng)，復(fù)合背極25的最下面一層為局部的導(dǎo)電層25a，作為電容式硅傳聲器的上電極，如圖1、圖4所示。
以多晶硅和氮化硅薄膜制作復(fù)合背極25為例進(jìn)行說(shuō)明。如圖1所示，多晶硅層25a、25c和25e，氮化硅層為25b和25d。一方面可以根據(jù)多晶硅層25a、25c和25e與氮化硅層25b和25d的內(nèi)應(yīng)力大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)調(diào)小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求；另一方面可以將復(fù)合背極25的總厚度做厚，而不發(fā)生變形或者碎裂，滿足剛性的要求，其厚度可以制作大于3微米。為了減小寄生電容，復(fù)合層25最下面一層為局部的導(dǎo)電層——摻磷或硼的多晶硅層25a，將其作為電容式硅傳聲器的上電極，多晶硅引出電極35與多晶硅層25a相連，如圖4所示。多晶硅層25a與振膜23自由部分36上下正對(duì)，多晶硅層25a的尺寸不大于自由部分36，導(dǎo)電層25a上為絕緣層25b，如圖1所示。在背極25上開(kāi)圓形或者方形聲孔32，其直徑或者邊長(zhǎng)為5～20微米，間距10～40微米，這些聲孔32成陣列排布且排列成圓形，如圖5所示。為了實(shí)現(xiàn)傳聲器與外部電路的電學(xué)連接，從正面開(kāi)上電極孔26和下電極孔27，并制作上、下金屬電極28、29，如圖1所示，金屬材料可選用金或者鋁。
如圖1所示，從硅片21背面對(duì)應(yīng)振膜23的自由部分36開(kāi)孔，保護(hù)正面，利用干法或者濕法氫氧化鉀溶液進(jìn)行體硅腐蝕，到二氧化硅阻擋層22停止，形成背腔30，此圖示意的背腔30是通過(guò)干法腐蝕形成的。最后用氫氟酸干法或者濕法去掉二氧化硅阻擋層22，同時(shí)通過(guò)聲孔32充分腐蝕二氧化硅隔離層24，形成極板間氣隙31。
權(quán)利要求
1.一種電容式硅傳聲器，具有高靈敏度、低噪聲的特性，包括硅襯底、體硅腐蝕阻擋層、振膜、低溫二氧化硅或磷硅玻璃隔離層以及背極；在背極正面，向內(nèi)部豎直開(kāi)有上電極孔和下電極孔，上電極孔和下電極孔內(nèi)設(shè)有上下金屬電極；振膜下面中部為體硅腐蝕形成的背腔，振膜和背極之間形成氣隙，背腔與氣隙之間隔著振膜；其特征在于為背極在上、振膜在下的電容結(jié)構(gòu)，電容的上極板為低應(yīng)力剛性復(fù)合背極，下極板為低應(yīng)力振膜，隔離層夾在上下極板之間；背極上中部與背腔和氣隙相對(duì)的位置，設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)聲孔，聲孔與氣隙相通。
2.按權(quán)利要求1所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述振膜下面有體硅腐蝕二氧化硅阻擋層，層厚≤1微米。
3.按權(quán)利要求1所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述低應(yīng)力振膜為SOI硅片的單晶硅層，或者是由三層或三層以上多晶硅和氮化硅形成的復(fù)合振膜。
4.按權(quán)利要求3所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述SOI單晶硅層振膜，單晶硅層要摻雜磷或硼，形成n型或p型導(dǎo)電層，作為電容式硅傳聲器的下電極。
5.按權(quán)利要求3所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述復(fù)合振膜，其最上面一層為n型或p型多晶硅層，這層作為電容式硅傳聲器的下電極。
6.按權(quán)利要求3所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述復(fù)合振膜，其低內(nèi)應(yīng)力是根據(jù)多晶硅層和氮化硅層的內(nèi)應(yīng)力大小，通過(guò)調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
7.按權(quán)利要求1所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述復(fù)合背極，是由張應(yīng)力和壓應(yīng)力薄膜交替形成的，其層數(shù)至少為三層，根據(jù)張應(yīng)力和壓應(yīng)力材料應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來(lái)減小復(fù)合背極的內(nèi)應(yīng)力；復(fù)合背極的最下一層為局部的導(dǎo)電層，作為電容式硅傳聲器的上電極，該局部導(dǎo)電層上面為絕緣層。
8.按權(quán)利要求7所述的的電容式硅傳聲器，其特征在于所述復(fù)合背極至少為三層，為三層或三層以上多晶硅層和氮化硅層交替形成，最下層的局部導(dǎo)電層，為n型或p型局部的多晶硅層。
9.按權(quán)利要求1所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述背極上的聲孔，為圓形或者方形的聲孔，該聲孔成陣列排布。
10.按權(quán)利要求1或9所述的電容式硅傳聲器，其特征在于所述聲孔，其直徑或者邊長(zhǎng)為5～20微米，孔間距為10～40微米。
全文摘要
一種電容式硅傳聲器，包括硅襯底、體硅腐蝕阻擋層、振膜、低溫二氧化硅或磷硅玻璃隔離層以及背極；在背極正面，向內(nèi)部豎直開(kāi)有上電極孔和下電極孔，上電極孔和下電極孔內(nèi)設(shè)有上下金屬電極；振膜下面中部為體硅腐蝕形成的背腔，振膜和背極之間形成氣隙，背腔與氣隙之間隔著振膜；其為背極在上、振膜在下的電容結(jié)構(gòu)，電容的上極板為低應(yīng)力剛性復(fù)合背極，下極板為低應(yīng)力振膜，隔離層夾在上下極板之間；背極上中部與背腔和氣隙相對(duì)的位置，設(shè)有復(fù)數(shù)個(gè)聲孔，聲孔與氣隙相通。本發(fā)明具有高靈敏度、低噪聲的特性，工藝簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)。
文檔編號(hào)H04R19/00GK1901758SQ200510084358
公開(kāi)日2007年1月24日 申請(qǐng)日期2005年7月19日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月19日
發(fā)明者宋青林, 梅嘉欣, 喬峰 申請(qǐng)人:青島歌爾電子有限公司