CN102448002A - 电容式传声器阵列芯片 - Google Patents

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CN102448002A CN2011102958384A CN201110295838A CN102448002A CN 102448002 A CN102448002 A CN 102448002A CN 2011102958384 A CN2011102958384 A CN 2011102958384A CN 201110295838 A CN201110295838 A CN 201110295838A CN 102448002 A CN102448002 A CN 102448002A
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铃木民人
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Abstract

本发明提供一种电容式传声器阵列芯片和微机电系统变换器阵列芯片的制造方法。其中多个电容式传声器结构制作成单个电容式传声器阵列芯片。该电容式传声器阵列芯片包括具有用作空气腔的多个开口的基板、形成在开口的外周边中的第一绝缘层、延伸在开口的每一个之上的第一电极层、在开口的外周边中形成在第一电极层之上的第二绝缘层、相对于第一电极层隔着第一电极层与第二电极层之间的空气间隙形成在第二绝缘层之上的第二电极层。该结构通过多个桥连接，并且通过其间的多个沟槽分开。沟槽围绕桥，从而至少第二绝缘层部分地从沟槽去除。桥采用用作电连接电容式传声器结构的配线的第二电极层形成。

Description

电容式传声器阵列芯片
技术领域
本发明涉及MEMS(微机电系统)变换器(transducer)阵列芯片，特别是，涉及用MEMS电容式传声器阵列制造的电容式传声器阵列芯片。
本申请要求日本专利申请No.2010-220575的优先权，其全部内容通过引用结合于此。
背景技术
常规上已知单个传声器可包括多个MEMS电容式传声器(condensermicrophone)。专利文献1-3公开了其中多个电容式传声器形成在单个芯片上的传声器。另外，常规上已知S/N比可采用并列方式(a parallel manner)或级联方式连接的多个电容式传声器而改善。
制作有包括多个MEMS电容式传声器的传声器阵列的单个基板遇到其翘曲/弯曲(在下文，称为“翘曲”)因阵列结构而随着芯片面积的增加而增加的问题，其原因将描述如下。
电容式传声器制作为膜片(用作振动电极)和板(用作静止电极)由导电多晶硅构成并且形成在基板上，其中由绝缘材料构成的氧化硅膜插设在基板、膜片和板之间的层中。氧化硅膜可通过低应力等离子体CVD法(其中CVD是指化学气相沉积)增加厚度。需要退火增加厚度以保证足够的灵敏度，并且减轻施加给膜片的应力。退火能够减轻施加给由多晶硅构成的膜片的拉应力，因此展示出高灵敏度的声学性能。然而，施加给氧化硅膜的应力因退火变为高的压应力被揭示，这会导致大的基板翘曲以及沉积膜的扭曲损坏。另外，当氧化硅膜不增厚来防止翘曲(warpage)和扭曲(buckling)损坏时难以实现所希望的声学性能。
现有技术文献
专利文献1：日本专利申请公开No.2005-110204
专利文献2：日本专利申请公开No.2007-124449
专利文献3：日本专利申请公开No.2008-245267
专利文献1公开了具有所希望谐振频率的微型电容式传声器，其由底板(base plate)、后板(back plate)、膜片和梁构成，其中膜片和梁结合在一起。运动电极附接到梁的表面，而固定电极连接到后板的表面。具有不同谐振频率的多个电容式传声器形成在单个基板上，因此构成具有结合多个谐振频率的连续频率范围的传声器阵列。
专利文献2公开了配有快门机构的MEMS传声器，快门机构当运动膜片电极依赖于所施加的电压而因静电吸引吸向导电电极时用于打开或关闭声压通道。包括多个传声器的阵列能够改变传声器打开声压通道的数量和传声器关闭声压通道的数量之比。
专利文献3公开了一种硅传声器，其中具有不同灵敏度的多个子硅传声器容纳在外壳中以便实现广泛的动态范围。
发明内容
本发明的目标是提供电容式传声器阵列芯片，其包括基板翘曲被减小的多个MEMS电容式传声器。
在本发明的第一方面中，电容式传声器阵列芯片包括：基板，具有贯通该基板的厚度的多个开口；第一绝缘层，形成在基板的每个开口的外周边中；第一电极层，形成在第一绝缘层之上，并且延伸在基板的每个开口之上；第二绝缘层，在基板的每个开口的外周边中形成在第一电极层之上；第二电极层，形成在第二绝缘层之上，并且相对于第一电极层定位且第一电极层与第二电极之间隔着空气间隙。电容式传声器阵列芯片包括多个电容式传声器结构，该多个电容式传声器结构采用在基板的多个开口上方的第一绝缘层、第一电极层、第二绝缘层和第二电极层形成且具有多个空气腔。多个电容式传声器结构通过多个桥并列连接，并且二维地排列在基板上，且多个电容式传声器结构之间具有多个沟槽。多个沟槽形成为围绕多个桥，从而至少第二绝缘层部分地从多个沟槽去除。多个桥采用用作连接多个电容式传声器结构的配线的第二电极层形成。
电容式传声器的每个都包括相对电极对，即，响应于声波振动的振动电极和不响应于声波振动的静止电极。多个相对电极对并列连接，从而电容式传声器的静止电极连接在一起，并且电容式传声器的振动电极电连接在一起。第一电极层和第二电极层之一对应于静止电极，而另一个对应于振动电极。因为多对相对电极并列连接，所以能够改善包括多个电容式传声器的单个传声器的输出信号的S/N比。
包括电容式传声器阵列的芯片区域在制造工艺期间容易翘曲或弯曲。本发明能够减轻芯片的翘曲，因为去除至少第二绝缘层的沟槽形成在电容式传声器结构的外周边中除了桥位置之外的预定位置。电容式传声器阵列芯片的制造工艺包括退火，以便减轻施加给第一电极层或第二电极层的应力(用于振动电极)，但退火相反地起到增加施加给第一绝缘层或第二绝缘层的应力的作用，这会导致芯片的翘曲。本发明可减轻芯片的翘曲，因为至少第二绝缘层在沟槽中被部分去除。这样，通过部分去除至少第二绝缘层的表面形成的凹槽可满足沟槽的功能性。就是说，能够用去除第二绝缘层和其中第一绝缘层的部分的凹槽取代沟槽。当然，可去除第一绝缘层和第二绝缘层二者，从而基板的表面部分地暴露在沟槽的底部中。减轻基板翘曲的效果随着凹槽底部中剩余的第一/第二绝缘层的部分进一步减小厚度而改善。该减轻基板翘曲的效果在基板的表面在凹槽的底部中被部分暴露时变为最大。
本发明的特征在于，结构的第二电极层不采用配线接合而是采用由第二电极层构成的薄膜配线连接在一起。因此，能够在蚀刻第二电极层时同时形成配线。与采用配线接合的传统技术相比，这可贡献于降低制造成本。
在本发明的第二方面中，多个桥包括第一绝缘层和第二绝缘层，以便支撑配线。这里，由第二电极层构成的薄膜配线几乎不被破坏，因为它由第一绝缘层和第二绝缘层支撑。
在本发明的第三方面中，第一绝缘层和第二绝缘层在多个桥之下的配线和基板之间的预定区域中被去除。这允许配线和基板之间形成空气间隙。在此情况下，多个沟槽形成为围绕电容式传声器结构的外周边；因此，能够进一步减轻芯片的翘曲。
在本发明的第四方面中，基板由单晶硅构成，其中第一电极层与基板电导通，从而多个电容式传声器结构电连接到基板。这消除了另外形成连接结构的第一电极层的配线的必要性，因此简化了电容式传声器阵列芯片的总体结构。与采用配线接合的传统技术相比，这贡献于降低制造成本。另外，具有简化结构的电容式传声器阵列芯片可改善可靠性。
在本发明的第五方面中，构成空气腔的多个开口连接在一起，从而多个电容式传声器结构可共享单个的大空气腔。大空气腔几乎不妨碍膜片的振动；因此，能够改善传声器的灵敏度。
附图说明
本发明的这些和其它目标、方面和实施例将参考下面的附图进行详细的描述。
图1A是根据本发明优选实施例的电容式传声器阵列芯片的平面图；
图1B是沿着图1A中的线1B-1B剖取的截面图；
图1C是沿着图1A中的线1C-1C剖取的横截面图；
图1D是沿着图1A中的线1D-1D剖取的部分截面图；
图2A是电容式传声器阵列芯片中制造的电容式传声器的单个结构的平面图；
图2B是沿着图2A中的线2B-2B剖取的横截面图；
图2C是沿着图2A中的2C-2C剖取的部分截面图；
图3是示出构成电容式传声器的单个结构的各层分解透视图；
图4A包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第一步骤的截面图；
图4B包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第二步骤的截面图；
图4C包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第三步骤的截面图；
图4D包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第四步骤的截面图；
图4E包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第五步骤的截面图；
图5A包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第六步骤的截面图；
图5B包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第七步骤的截面图；
图5C包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第八步骤的截面图；
图5D包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第九步骤的截面图；
图5E包括说明电容式传声器阵列芯片制造方法的第十步骤的截面图；
图6A是根据实施例的第一变化的电容式传声器阵列芯片的截面图，其中多个电容式传声器结构采用构成桥的第一电极层而不是采用基板连接在一起；
图6B是根据实施例的第二变化的电容式传声器阵列芯片的截面图，其中电容式传声器结构中包括的膜片通过焊垫导电层和基板连接在一起；
图6C是根据实施例的第三变化的电容式传声器阵列芯片的截面图，其中空气腔形成在桥的第二电极层和基板之间，从而电容式传声器结构的外周边由沟槽围绕；
图7A示出了单晶硅基板，其上氧化硅膜设置多个MEMS元件而不形成切割道，其中(a)是平面图，而(b)是侧视图；
图7B示出了单晶硅基板，其上氧化硅膜设置多个MEMS元件且具有多个切割道，其中(a)是平面图，而(b)是侧视图；
图8示出了对于三个基板样品翘曲和加热温度之间关系的实验结果，其中(a)是示出三个样品测量结果的图，(b)是示出因拉应力向上翘曲的部分中的部分侧视图，以及(c)是示出因压应力向下翘曲的部分中的部分侧视图。
具体实施方式
本发明将参考附图借助于示例进行详细描述。
1.构造
图1A、1B、1C、1D示出根据本发明优选实施例的电容式传声器阵列芯片。图1A是电容式传声器阵列芯片的平面图；图1B是沿着图1A中的线1B-1B剖取的截面图；图1C是沿着图1A中的线1C-1C剖取的横截面图；而图1D是沿着图1A中的线1D-1D剖取的部分截面图。在电容式传声器阵列芯片中，九个结构形成在基板10上。图2A是电容式传声器的单个结构的平面图；图2B是沿着图2A中的线2B-2B剖取的横截面图；而图2C是沿着图2A中的线2C-2C剖取的部分截面图。图3是示出构成单个结构的各层的分解透视图。为了图示的简便起见，表面绝缘层20和钝化层22不包括在图1A、2A和3中。电容式传声器阵列芯片与LSI电路(未示出，包括阻抗变换电路)一起容纳在封装(未示出)中。电容式传声器阵列芯片具有通过MEMS制造工艺形成的层叠结构。
电容式传声器的九个结构制作在电容式传声器阵列芯片中，从而多个层顺序层叠在基板10上。下面主要描述电容式传声器的单个结构1。基板10由厚度为200至600μm的单晶硅构成。开口100a形成在基板10中。第一绝缘层11是厚度为1.0至2.0μm的氧化硅膜。第一绝缘层11用于形成在周围上以相等间隔布置的多个膜片支撑102、在膜片支撑102的内侧且以相等间隔布置在周围上的多个引导隔离物103以及将保护环125c和保护导引(guard lead)125d与基板10绝缘的环101。
第一电极层12由掺杂有磷(P)杂质的多晶硅构成，且厚度为0.5至1.5μm。第一电极层12用于形成膜片123和保护127，保护127包括保护电极125a和保护连接器125b以及保护环125c和保护导引125d。保护127通过接触孔11c连接到基板10，而膜片123通过接触孔11b连接到基板10。因此，基板10、保护127和膜片123全部设定到相同的电位。电极焊垫123e连接到第一电极层12。电极焊垫123e和另一个电极焊垫162e采用焊垫导电层21形成，焊垫导电层21是由AlSi构成的导电沉积膜。用于保护电极焊垫123e、162e侧壁的钝化层22采用厚度为1.0至2.0μm的氮化硅膜形成。
第二绝缘层14是厚度为2.0至10μm的氧化硅膜。第二绝缘层14用于形成排列在周围上的多个板隔离物131和设置在板隔离物131的外侧的环132，从而支撑蚀刻停止件环(etching stopper ring)161，而使板导引162d与保护导引125d绝缘。
第二电极层18由掺杂有磷(P)的多晶硅构成且厚度为1.0至3.0μm。第二电极层18用于形成板162以及蚀刻停止件环161和板导引162d。绝缘层20是厚度为0.1至0.5μm的氧化硅膜，其形成在蚀刻停止件环161外侧。板162连接到电极焊垫162e。
膜片123包括中心部分123a和从中心部分123a径向向外延伸的多个臂123c。每一个都为柱状的多个膜片支撑102设置在膜片123的外边缘附近的各自位置。膜片支撑102共同支撑膜片123，该膜片123因此插设在之间具有间隙的板162和基板10之间，并且与板162和基板10绝缘，其中膜片123伸展为平行于基板10。膜片支撑102与膜片123的臂123c在它们的远端附近接合。多个膜片孔123b，即，通孔，形成在膜片123的臂123c的每一个中。
多个膜片支撑102以相等间隔在其周围方向上布置在空气腔C1的开口100a周围。膜片支撑102为柱状，且采用绝缘沉积膜形成。膜片123由膜片支撑102支撑，方式为其中心部分123a覆盖空气腔C1的开口100a。宽度匹配膜片支撑102厚度的空气间隙C2插设在基板10和膜片123之间。需要空气间隙C2来保持空气腔C1的空气压力和大气压之间的平衡。必须增加膜片123的径向长度，使得空气间隙C2可在声路径(acoustic path)上提供最大声阻，在该声路径中振动膜片123的声波朝着空气腔C1的开口100a传播。多个膜片凸块123f形成在膜片123的后侧，以隔着空气间隙C2面对基板10的表面。膜片凸块123f是凸起，防止膜片123吸引(或粘附)到基板10。
板162包括中心部分162b以及从中心部分162b径向向外延伸的多个臂162a。多个柱状板隔离物131在板162的外边缘附近的各自位置接合。板162由板隔离物131支撑。板162平行于膜片123伸展，从而板162的中心在平面上看重叠膜片123的中心。多个板孔162c，即，通孔，形成在板162中。板孔162c共同用作传输声波到膜片123的通道。
板隔离物131接合到与膜片123定位在相同层中的保护电极125a。多个板隔离物131以相等间隔布置在空气腔C1的开口100a周围。板隔离物131定位在膜片123的臂123c之间形成的切除区域中。多个板支撑129由保护隔离物103、保护电极125a和板隔离物131构成，它们垂直地结合在一起。板支撑129将板162支撑在基板10之上。在本实施例中，板支撑129具有由多层沉积膜构成的结构。板支撑129提供板162和膜片123之间的空气间隙C3。就是说，空气间隙C3和C2形成在板162和基板10之间。板162与基板10绝缘，这是因为保护隔离物103和板隔离物131的绝缘性。
多个凸块(即板凸块)162f形成在板162的后侧，该凸块162f隔着空气间隙C3面对膜片123的表面。板凸块162f采用绝缘层17和导电层15形成，绝缘层17接合到构成板162的第二电极层18，导电层15接合到绝缘层17。板凸块162f防止膜片123吸引(或粘附)到板162。导电层15由厚度为0.5至2.0μm的多晶硅构成。绝缘层17采用厚度为0.1至0.2μm的氮化硅膜形成。
沟槽H3在围绕桥B的预定位置处形成在电容式传声器结构之间，该桥B用于将这些结构连接到一起。基板10部分地暴露在沟槽H3的底部中。就是说，沟槽H3用于分开第一绝缘层11、第二绝缘层14和绝缘层20。包括在邻接在一起的结构中的板162(由第二电极层18构成)通过桥B(或者由第二电极层18构成的配线)连接在一起。在本实施例中，桥B采用基板10上形成的第一绝缘层11、第二绝缘层14、第二电极层18和绝缘层20形成。一个结构的膜片123(由第一电极层12构成)通过基板10连接到另一个结构的膜片123。为此，电容式传声器的结构中包括的成对的相对电极(即，板162和膜片123)并列(in parallel)连接。因为一个结构中包括的相对电极对与另一个单元中的相对电极对并列连接，所以相对于结合多个电容式传声器结构的单个传声器的输出信号能够改善S/N比。
另外，能够扩大整个芯片的面积，因为多个相对电极以阵列方式排列在相同的平面上。然而，大芯片面积可能易于导致芯片在后续工艺(将稍后讨论)中翘曲。本实施例能够借助于形成在电容式传声器结构周边中的沟槽H3减轻电容式传声器阵列芯片的翘曲。
与板经由配线接合而连接的传统技术相比，本发明能够降低制造成本，其中电容式传声器结构中包括的板162通过由构成桥B的第二电极层18构成的薄膜配线连接在一起。构成桥B的配线几乎不会被破坏，因为它由第一绝缘层11和第二绝缘层14支撑。与膜片通过配线接合连接的传统技术相比，例如，本发明能够降低制造成本，其中膜片123通过基板10连接。另外，本发明的电容式传声器阵列芯片因其结构简单而能够改善可靠性。
2.制造方法
接下来，将参考图4A-4E和图5A-5E描述电容式传声器阵列芯片的制造方法。图4A-4E和图5A-5E的每一个都包括两个图示，其中左侧图示是沿着图2A中的线2B-2B剖取的横截面图，而右侧图示是沿着图2A中的线2C-2C剖取的部分截面图。在图4A所示的第一步骤中，用作第一绝缘层11的氧化硅膜通过等离子体CVD法形成在由单晶硅构成的晶片(用作基板10)的表面上。随后，凹陷(dimple)11a采用掩模(未示出)形成在第一绝缘层11的表面上。另外，接触孔11b、11c采用掩模(未示出)形成。为了减小基板10和第一电极层12之间的接触阻抗，可能有必要掺杂杂质在基板10的接触孔11b、11c中。
在图4B所示的第二步骤中，多晶硅膜(用作第一电极层12)通过减压CVD法形成在第一绝缘层11的表面上。凹陷11a填充有第一电极层12，从而形成膜片凸块123f。另外，接触孔11b、11c填充有第一电极层12，从而形成用于将在接下来的图案化中形成的膜片123和保护127连接到基板10的连接部分。同时，导电层13形成在基板10的后侧。随后，第一电极层12采用掩模(未示出)经受图案化，以形成膜片123、膜片孔123b和保护127。
在图4C所示的第三步骤中，氧化硅膜(用作第二绝缘层14)通过等离子体CVD法形成在第一绝缘层11和第二电极层12的表面上。凹陷14a采用掩模(未示出)形成在第二绝缘层14中。
在图4D所示的第四步骤中，板凸块162f形成在第二绝缘层14的凹陷14a中。具体地讲，多晶硅膜(用作导电层15)形成在第二绝缘层14的表面上。同时，另一个导电层16形成在导电层13的后侧。随后，去除除了埋设在凹陷14a中的指定部分之外的导电层15，而氮化硅膜(用作绝缘层17)通过减压CVD法形成在第二绝缘层14的包括凹陷14a的埋设部分的表面上。然后，去除除了与凹陷14a的埋设群直接接触的指定部分外的绝缘层17。
在图4E所示的第五步骤中，多晶硅膜(用作第二电极层18)通过减压CVD法形成在第二绝缘层14围绕绝缘层17的其余部分的表面上。同时，导电层19(由多晶硅构成)形成在导电层16的后侧。随后，第二电极层18采用掩模(未示出)蚀刻以形成板162、板导引162d和蚀刻停止件环161。此时，用于构成桥B的第二电极层18原样留下。然后，去除基板10后侧沉积的导电层13、16、19。
在图5A所示的第六步骤中，形成接触孔H1，而第一绝缘层11和第二绝缘层14采用掩模(未示出)被蚀刻，以形成沟槽H3。接触孔H1提供第二绝缘层14的开口，因此部分暴露底部中的第一电极层12。如图1A所示，沟槽H3形成在该结构的周边中，且围绕用于形成桥B的指定区域。沟槽H3提供第一绝缘层11和第二绝缘层14的开口，因此部分暴露底部中的基板10。沟槽H3形成为围绕用于形成桥B的指定区域。在完成沟槽H3的形成后，在800至1,000℃的温度下对晶片进行退火。
退火能够减轻第一电极层12形成期间产生的拉应力。这导致由第一电极层12构成的膜片易于响应于声波而振动。因此，能够改善传声器的灵敏度。另一方面，退火会增加都由氧化硅膜构成的第一绝缘层11和第二绝缘层14中产生的压应力。因为氧化硅膜具有近于基板10的大的厚度，并且在表面上占据大的面积，所以施加到氧化硅膜的应力导致对晶片的变形(或翘曲)的影响。为此，如果不形成沟槽H3，晶片会产生非常大的翘曲或弯曲。大的晶片翘曲会易于导致随后工艺上的失败，例如，光致抗蚀剂掩模的缺陷曝光。另外，具有大翘曲的晶片在传输期间会易于损坏。此外，通过划片具有大翘曲的晶片形成的电容式传声器阵列芯片可能受翘曲的影响。
为了解决该缺陷，本实施例设计为在形成接触孔H1工艺的同时形成沟槽H3。如图1A所示，氧化硅膜通过沟槽H3在基板10上被分成多个部分。与执行退火而不形成沟槽H3的前述方法相比，本实施例能够显著减小晶片的翘曲。因为沟槽H3可在形成接触孔H1的工艺中同时形成，所以本实施例不需要另外的工艺形成沟槽H3；因此，能够防止制造成本的增加。
在图5B所示的第七步骤中，氧化硅膜(用作绝缘层20)通过等离子体CVD法形成在第二绝缘层14的表面上和第二电极层18的表面上。此时，绝缘层20部分地沉积在沟槽H3的底部中和接触孔H1的底部中。随后，形成接触孔H4，而采用掩模(未示出)蚀刻绝缘层20，以在接触孔H1中和沟槽H3中去除绝缘层20的剩余部分。第二电极层18部分地暴露在接触孔H4的底部中。
在图5C所示的第八步骤中，焊垫导电层21沉积在接触孔H1、H4的内部，从而形成电极焊垫123e、162e。随后，形成钝化层22，且板孔162c形成在绝缘层20和第二电极层18中。然后，进行N2退火，以于金属-硅界面形成合金。之后，抛光基板10的后侧，使得基板10的厚度减少到200-600μm左右。
在图5D所示的第九步骤中，开口20a形成在绝缘层20中，从而部分暴露其中的第二电极层18。随后，开口100a形成在基板10中。
在图5E所示的第十步骤中，开口20a的外部区域覆盖有由光致抗蚀剂构成的掩模R，从而绝缘层20在板162和板导引162d上的多余部分通过各向同性蚀刻去除。另外，部分去除第二绝缘层14，从而形成环132、板隔离物131和空气间隙C3。此外，第一绝缘层11被部分去除以形成保护隔离物103、膜片支撑102、环101和空气间隙C2。此时，蚀刻剂进入掩模R的开口H5和基板10的开口100a。在完成蚀刻后，去除掩模R。晶片沿着沟槽H3经受划片，并且分成单独的电容式传声器阵列芯片产品。
3.变化
本发明不必限于前述的实施例，其中材料、尺寸和制造步骤是说明性的而不是限制性的；因此，本领域的技术人员可任意改变、删除和增加制造芯片的步骤。另外，能够提供有关膜/层的材料、成分、层的厚度和制造上所需的精度的变型。
本实施例的电容式传声器阵列芯片设计为使基板10的后侧通过粘合剂附接到封装的基底(base)。图6A示出了基板10的后侧通过粘合剂层29附接到封装的基底30，其中电容式传声器的结构通过连接它们的空气腔C1而结合在一起。具体地讲，基板10设置在电容式传声器阵列芯片内的内部厚度薄于基板10设置在电容式传声器阵列芯片的外部周边中的外部厚度，其中基板10的外边缘的后侧通过粘合剂层29接合到封装的基底30。这提供了相对大的空气腔，其由多个电容式传声器结构共享，因此改善了传声器的灵敏度。
电容式传声器结构中包括的第一电极层12不必通过基板10连接在一起。例如，电容式传声器结构可直接连接到用作构成桥B的层之一的第一电极层12。在此情况下，接触孔11b不形成在图4A的第一步骤中，而是进行预定的图案化以便在图4B的第二步骤中将保护127与膜片123分离。为了减少寄生电容，必需使膜片123和保护127与基板10设定到相同的电位，其中连接到基板10的另一个电极提供为独立于连接到第一电极层12的电极焊垫123e，从而这些电极焊垫设定到相同的电位。
可倒置电容式传声器阵列芯片的多层构造，从而基板10定位为靠近板162而不是膜片123，其中板162和基板10二者设定到相同的电位，以便减少寄生电容。可如图6B所示重构电容式传声器阵列芯片，其中电容式传声器结构中包括的膜片123通过基板10和构成电极焊垫123e的焊垫导电层21连接。
可如图6C所示重构电容式传声器阵列芯片，其中第一绝缘层11和第二绝缘层14通过在桥B下的指定区域中进行蚀刻而被部分去除，从而腔体形成在基板10和构成桥B的第二电极层18之间。在此情况下，沟槽H3形成为完全围绕电容式传声器结构的外部边缘。这可进一步减轻电容式传声器阵列芯片的翘曲。
前述实施例设计为部分去除沟槽H3中的第一绝缘层11和第二绝缘层14，从而基板10的表面部分地暴露在沟槽H3的底部中。作为选择，第一绝缘层11可部分地保留在沟槽H3的底部中，或者第二绝缘层14可部分地保留在沟槽H3的底部中。就是说，能够通过调整图5A的第六步骤中的蚀刻时间而充分地调整沟槽H3的深度。
4.翘曲
如上所述，传统技术已经遭受了设置MEMS元件(例如，电容式传声器)的硅基板的翘曲，而本发明通过利用MEMS元件之间形成的沟槽(或切割道(scribe line))能够减少翘曲。
图7A示出了采用氧化硅膜而不采用切割道设置多个MEMS元件的单晶硅基板。因为氧化硅膜连续地延伸在基板上，所以设置多个MEMS元件的氧化硅膜的多个区域会响应于制造期间产生的压应力按压彼此，从而基板显著地向上翘曲或弯曲，从而导致翘曲。如果压应力进一步增加，则在膜中会发生扭曲损坏。
图7B示出了采用多个部分设置多个MEMS元件的单晶基板，该多个部分通过沿着MEMS元件之间形成的多个切割道分开氧化硅膜而形成。因为氧化硅膜根据多个MEMS元件分成多个部分，所以能够防止压应力传输在氧化硅膜的多个部分之间，这是因为多个切割道不包括氧化硅膜。这减轻了应力且减小了基板的翘曲。另外，能够防止膜中的扭曲损坏。
本发明的发明人已经对基板的翘曲和加热温度之间的关系进行了实验，其结果如图8所示。图8(a)是表示三个样品的翘曲的图，其中上部与图8(b)的图示的拉应力相关，而下部与图8(c)的图示的压应力相关。图8(b)是示出覆盖有薄膜的硅基板因拉应力向上翘曲的部分中的部分侧视图，而图8(c)是示出覆盖有薄膜的硅基板因压应力向下翘曲的部分中的部分侧视图。
图8(a)的图利用加热温度的典型参数通过测量每个样品的翘曲获得。具体地讲，本发明人采用沉积在单晶硅基板上的不同氧化物膜制备了三个样品。第一和第二样品的每一个都包括氧化硅膜，其通过等离子体CVD法生产，厚度为3μm，其中第一样品(见白点)在氧化硅膜中没有切割道，而第二样品(见黑点)在氧化硅膜中包括多个切割道。第三样品(见三角形标记)包括厚度为0.5μm的导电多晶硅膜。
第三样品，其中导电多晶硅膜用于形成膜片，因沉积后的拉应力经受显著的翘曲。图示出了第三样品需要加热工艺来减轻拉应力。另外，图示出了加热工艺可加强通过等离子体CVD法制成的氧化硅膜上的压应力，因此增加基板的翘曲。本发明(即，第一样品)能够减轻压应力，这是因为多个切割道在加热工艺前形成，然后，氧化硅膜对应于基板上的多个芯片分成多个部分，从而基板的翘曲可随着压应力的减小而减小。
本发明人通过实验确认，当氧化硅膜通过等离子体CVD法形成为厚度为4μm而不形成切割道时，扭曲损坏在氧化硅膜于900℃温度下过热时发生。
最后，本发明不必限于前述的实施例及其变化，而是可在权利要求限定的本发明的范围内以各种方式进行修改。

Claims (7)

1.一种电容式传声器阵列芯片，包括：
基板，具有贯通所述基板的厚度的多个开口；
第一绝缘层，形成在所述基板的每个所述开口的外周边中；
第一电极层，形成在所述第一绝缘层之上，并且延伸在所述基板的每个所述开口之上；
第二绝缘层，在所述基板的每个所述开口的所述外周边中形成在所述第一电极层之上；
第二电极层，形成在所述第二绝缘层之上，并且相对于所述第一电极层定位且所述第一电极层与所述第二电极之间隔着空气间隙，
其中多个电容式传声器结构采用在所述基板的所述多个开口上方的所述第一绝缘层、所述第一电极层、所述第二绝缘层和所述第二电极层形成且具有多个空气腔，
其中所述多个电容式传声器结构通过多个桥并列连接，并且二维地排列在所述基板上，且所述多个电容式传声器结构之间具有多个沟槽，
其中所述多个沟槽形成为围绕所述多个桥，从而至少所述第二绝缘层部分地从所述多个沟槽去除，并且
其中所述多个桥采用用作连接所述多个电容式传声器结构的配线的第二电极层形成。
2.根据权利要求1所述的电容式传声器阵列芯片，其中所述多个桥包括所述第一绝缘层和所述第二绝缘层以便支撑所述配线。
3.根据权利要求1所述的电容式传声器阵列芯片，其中在所述多个桥下方的所述配线和所述基板之间的预定区域中去除所述第一绝缘层和所述第二绝缘层。
4.根据权利要求1所述的电容式传声器阵列芯片，其中所述基板由单晶硅构成，并且其中所述第一电极层与所述基板电导通，从而所述多个电容式传声器结构电连接到所述基板。
5.根据权利要求1所述的电容式传声器阵列芯片，其中构成所述空气腔的所述多个开口连接在一起，从而所述多个电容式传声器结构共享单个的大空气腔。
6.一种微机电系统变换器阵列芯片的制造方法，该微机电系统变换器阵列芯片包括形成在基板上的多个结构，且所述多个结构的每个包括贯通所述基板的开口、设置在所述开口上方的膜片以及与所述膜片相对设置的板，该制造方法包括：
在所述基板的表面上形成第一绝缘层；
在所述第一绝缘层上形成第一电极层；
通过图案化所述第一电极层而共同地形成包括在所述多个结构中的多个膜片；
形成覆盖所述第一绝缘层和所述第一电极层的第二绝缘层；
在所述第二绝缘层上形成第二电极层；
通过图案化所述第二电极层而共同地形成包括在所述多个结构中的多个板以及连接在所述板之间的多个桥；
通过去除至少一部分所述第二绝缘层而形成多个沟槽，所述多个沟槽设置在所述结构的外周边且同时围绕所述桥；
在于所述多个结构周围形成所述沟槽之后实施退火；
在所述多个膜片下方形成贯通所述基板的通孔；以及
部分去除所述第一绝缘层和所述第二绝缘层，从而暴露包括在所述多个结构中的所述多个膜片以及所述多个板。
7.根据权利要求6所述的微机电系统变换器阵列芯片的制造方法，还包括：
除了形成所述沟槽之外，进一步去除所述第一绝缘层的至少一部分。
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C02 Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001)
WD01 Invention patent application deemed withdrawn after publication

Application publication date: 20120509