CN1162043C - 含预定张力的膜的转换器的制造方法 - Google Patents

Abstract

含预定张力膜(11)的转换器的制造方法。在转换器基本结构制成后，调整膜片使之具有预定张力，此张力最好较低，以便获得较高的灵敏度。公开了两个实施方案。一种方法包括加热转换器，使之高于固定膜片的材料(12，14)的玻璃转化温度。另一种包括测量膜片的实际张力，可用于计算膜片厚度的调整量以达到要求的张力。

Description

含预定张力的膜的转换器的制造方法

技术领域

本发明涉及具有预定张力的膜片的转换器，诸如话筒的制造方法。多数话筒都有一个膜片，它由于声压的作用而运动；如电动式、压电式，压电电阻式或电容式读出的话筒。本发明的方法适用于所有这类带膜片的转换器。

背景技术

特别指出的是，电容式话筒具有膜片或隔膜作为其基本部件，这些部件安装于信号板附近。膜片沿其周围固定并可由于作用于其表面的声压而运动或挠曲。膜片和信号板一起组成一个电容器，当膜片由于声压而发生挠曲，电容器的电容会发生变化。在使用中，相应于直流电压的电荷使电容器充电，当声压的变化使电容改变时，声压变化产生的交流电压会叠加在直流电压上。这个交流电压即作为来自话筒的输出信号。

带较低张力的膜片很“软”，并且比有较高张力的膜片产生更大的挠曲，从而导致更高的灵敏度，而这正是所需要的。因此，这种话筒的膜片应明确地具有低张力。

许多研究机构已经开发出了显微机械加工的话筒，它应用于通讯及听觉产品产业市场。而这种显微机加话筒在设计和制造中最具挑战性的问题之一就是膜片的可控低张力。人们提出了各种声音探测原理，如电容性，压电式，压电电阻式，光学式及隧道式读取等。它们中的多数需要一种低于50N/m的膜片。需要特别说明的是，对于电池供电带几伏低偏压的电容性话筒来说，则需要非常精确地控制膜片内的应力级。

通常情况下，膜片粘于金属框，利用框边缘的负荷来调整膜片的张力。这种方法不适合于显微机加技术。

在显微技术中，可通过以下方法来调节膜片张力：开发新型材料(如富含硅的氧化硅)，新的沉积技术(如：等离子体增强化学汽相淀积)、新式沉积条件(如：改变低压化学汽相淀积炉内的温度)、或后继温度处理(退火处理)等。悬挂膜片也可减轻张力，例如，通过皱褶、铰接、弹簧，或在最极端的情况下悬挂极板。

然而，目前显微技术中使用的方法或是对话筒在上述应用中没有足够的重复性和可控制性或产生其它技术问题；例如由于膜片内应力分布/梯度而使悬挂装置和膜片弯曲。

“传感器和调节器”A.31，1992，90-96描述了一种转换器，它具有一种复合膜，由分别具有内压应力和内张应力的两层组成。它还指出，通过改变层的相对厚度，可控制内部合应力。但没有披露这样做的方法。

发明内容

本发明提出了一种新方法：在话筒显微机加工过程中或以后，可以将膜片应力调整为预先设置的值。

根据本发明的一种显微机加工转换器的制造方法，该显微机加工转换器具有基片和膜片，该膜片相对于基片在平衡位置附近可动，该方法包括以下步骤：提供基片，提供膜片，在膜片和基片之间放置具有玻璃转化温度的物质，将该物质加热到至少等于所述玻璃转化温度的温度，将该物质冷却到低于该玻璃转化温度的温度，和调节该膜片至预定的张力。

根据本发明上述方法的实施例，其中该具有玻璃转化温度的物质是SiO₂。

根据本发明上述方法的实施例，其中调整膜片的步骤包括调整膜片的厚度，该步骤包括蚀刻膜片的表面。

根据本发明上述方法的实施例，其中调整膜片的步骤包括调整膜片的厚度，该步骤包括在膜片的表面上淀积材料。

根据本发明上述方法的实施例，其中膜片具有包含多晶硅的中间层，以及在其两侧的包含氮化硅的外层。

根据本发明上述方法的实施例，包括对膜片加压以使其挠曲，测量膜片的挠曲，根据测得的挠曲计算膜片上的张力的步骤。

根据本发明上述方法的实施例，包括将光束导射到膜片上以便从膜片上反射，根据反射光方向的改变计算膜片的挠曲的步骤。

根据本发明上述方法的实施例，包括激励膜片使其振动，测量膜片的共振频率，根据测得的共振频率计算膜片的张力的步骤。

由本发明方法制做的话筒膜片是一个两层或多层(多层，选层，或复合层)的夹层结构。它沉积在坚固或刚性的基片上。在基片上蚀刻一个孔，将多层结构跨孔而放即形成膜片。一般地讲，膜片各层具有不同的应力等级。比如，有压应力材料层和拉应力材料层，但各层可同时具有压应力或拉应力。通过选择这些材料合适的厚度比例，可获得所希望的张力级别(张力＝应力×厚度)。厚些的拉力层使膜片的总拉力趋于更强，而厚一些的压应力材料使压应力趋于加强。

根据本发明的方法调整各层厚度比例，可比其它方式更能精确地控制张力以达到一定的应力或张力级别。这是因为，在显微技术领域厚度向小几乎可控制到原子级别。它可在稳定的环境中沉积各层而材料的机械性质几乎没有变化。调节合适的应力级别是通过正确地混合不同的材料而不是选择材料的性质。此外，选择膜片的总厚度与应力/张力级别无关。

沉积各层后，通过改变外部两层或其中一层的厚度，可改变总应力。已知的方法可做到这一点。比如通过干式或湿式蚀刻来从外层除去材料，或通过沉积/吸收材料来加厚外层。外层的沉积或蚀刻将改变厚度比例。复合膜片的应力或张力级别也因此改变。蚀刻方法可以是湿式蚀刻，使用试剂如HF，磷酸，KOH等；或干式蚀刻法，如活性离子蚀刻。可容易地得到低蚀刻率以维持受控、准确和均匀地除去材料。沉积方法调节包括物理和化学汽相淀积。

根据本发明用于批量生产转换器的方法很精确并可重复。同一批内生产的转换器偏差很小。这就意味着，按所要求的方法在调整张力前不必要测量每个转换器上的实际膜肼张力。在每批内选择的晶片上，只要对选择的转换器测量实际膜片张力就行了。运用足够准确和可预测的工艺，甚至不需要测量每批转换器膜片实际张力。

由此制成的膜片可用于多种类型的转换器，如电容器话筒和其它类型话筒。特别地用于基于半导体技术的显微机加话筒、电池供电设备，话筒，高灵敏话筒以及高信噪比话筒。

以下举例并参考附图说明本发明。

附图说明

图1是电容话筒的剖面图，

图2示意在膜片调整厚度中图1的话筒。

具体实施方式

图1的话筒具有以下结构。其片10通过它与膜片11之间的中间垫层12来承载膜片或隔膜11。在膜片的另一面有中间隔层14，在其上有信号板13。膜片具有三层：11a、11b和11c。

基片10由大块晶态硅组成。信号板13由多晶硅组成。垫层12和14由电绝缘材料组成，在本例中为二氧化硅(SiO₂)。而膜片的三层中，中间层11b由多晶硅组成，而两个外层11a和11c由氮化硅组成。膜片11很薄，张力很小，因此它很“软”，相对于所示的位置可动。在此位置处于平衡状态。

在信号板13与膜片11之间绝缘层14提供一个空隙15。信号板13有一些孔16，使声音达到空隙15和膜片11。在膜片的另一面有一个底腔17，这是基片中的一个孔洞17。如需要，该孔洞可出于声学方面的目的连接于更大的体积。

膜片11和信号板13都是可导电的，它们一起组成了一个电容。声音穿入信号板13内的孔16到达膜片11，使膜片根据声压而产生运动。因此，话筒的电容量会相应地变化，这是因为空隙决定电容量。在工作中，由膜片11和信号板13组成的电容器以相应于直流电压的电荷充电；当电容量响应变化的声压而改变时，对应声压变化的交流电压将叠加在直流电压上。该交流电压即为话筒的输出信号。

制造图1所示结构的话筒及上述结构的话筒的方法主要涉及已知的技术。多晶硅本身是一种半导体；但如需要可通过掺入合适的杂质如硼(B)或磷(P)制成导体。膜片两个外层11a和11c由氯化硅构成，它与膜片中间层中掺硼或掺磷的多晶硅结合在一起特别有利。这一点以后会提道。

如图所示，由掺硼或磷多晶硅组成的膜片中间层11b的内压应力σ＜0；而由氮化硅组成的两个外层11a和11c都有拉应力σ＞0，它们不必具有同样的大小。膜片的总张力或合张力为11a、11b和11c 3层张力的和。在每一层，应力取决于两个因素。一个因素是淀积或制做层时所采用的技术，由此产生的应力叫做固有应力。另一个因素是由不同材料热膨胀系数的差异而引起的应力，称作热应力。正象以下解释的那样，两种应力影响均可控制。

固有应力可由以下方法释放。固定膜片的隔层材料是二氧化硅，这是一种具有玻璃转化温度的玻璃状物质。通过加热图1所示的单个话筒，或者是包括几个一样的话筒的整个晶片，将其加热超过隔层材料玻璃转化温度，隔层材料将会变得粘稠并失去其硬度。因此，在这种状态下，膜片内的张力将完全释放，这是因为粘稠的隔层材料不能传递任何应变。接下来，晶片冷却下来。在冷却中，隔层材料将凝固，在低于玻璃转化温度时，膜片将再次被固定。在低于玻璃转化温度的冷却过程中，由于热膨胀和收缩，膜片会重新获得一些张力，这是由于材料的性质决定的，即上述所说的热应力。

下述方法可以控制热应力。首先，测量实际张力和膜片厚度，计算实际应力。考虑实际应力，通过计算必要的厚度调节以达到所需的张力。有几种适用的方法可测量实际膜片张力。

一种测量方法涉及给话筒膜片加压使其隆起，即使膜片产生单向挠曲。在实践中，可通过加压晶片上的实验膜片来实现。图2表示一束光18，最好是一束激光投向试验膜片。这个工作是在非加压并也在加压状态下进行。激光束18会在膜片表面形成反射。加压形成的膜片隆起可由自动对焦系统记录。当知道膜片的偏移和造成隆起的气压，就可计算膜片的实际张力。

在另一种测量张力的方法中，膜片被激发而振荡。可用电或机械的形式产生这种激发。当以脉冲短时间激发膜片时，膜片以共振频率振荡，这种共振频率可被测出。激发信号也可是正弦振荡力或电压，扫描所关心的整个频率范围以测量共振频率。当知道了膜片的共振频率，它可与膜片的其它机械参数如尺寸和材质等一道用于计算膜片的实际张力。

第三种求张力的方法是在晶片上使用实验装置，它起应变仪的作用。

当知道了膜片的实际张力和厚度，可计算实际应力。然后可计算要调节出多少厚度以得到所需的张力。

话筒最好这时具有较厚的膜片，因此具有较高的张力。从上述计算所需厚度得知，接下来的蚀刻工艺能除去多少材料；该工艺可以是干式或湿式的。如图2，具有拉应力的11a被蚀刻。这是一个经良好控制的慢慢蚀刻的过程，直到根据计算的量精确地蚀刻掉层11a所需的部分，膜片即得到预定的张力。

如果膜片张力太低，具有拉应力的额外材料可由已知方法沉积以得到预定张力。

另一方面，如果膜片只有具有相反内应力的两层，蚀刻具有压应力的那一层以增加张力。

总之，用此方法，蚀刻具有相对压应力的一层或沉积具有相对拉应力的材料，可使膜片获得较高的张力。相应地，蚀刻具有相对拉应力的一层或沉积相对压应力的材料，可使膜片获得较低的张力。

上述释放材料应力和控制热应力的方法可相互独立地进行。可以只使用其中的一种方法而不用另一种方法，也可两种结合起来使用。

Claims (8)

1.一种显微机加工转换器的制造方法，该显微机加工转换器具有基片和膜片，该膜片相对于基片在平衡位置附近可动，该方法包括以下步骤：

提供基片，

提供膜片，

在膜片和基片之间放置具有玻璃转化温度的物质，

将该物质加热到至少等于所述玻璃转化温度的温度，

将该物质冷却到低于该玻璃转化温度的温度，和

调节该膜片的厚度以获得预定的张力。

2.根据权利要求1的方法，其中该具有玻璃转化温度的物质是SiO₂。

3.根据权利要求1的方法，其中调整膜片的步骤包括调整膜片的厚度，该步骤包括蚀刻膜片的表面。

4.根据权利要求1的方法，其中调整膜片的步骤包括调整膜片的厚度，该步骤包括在膜片的表面上淀积材料。

5.根据权利要求1的方法，其中膜片具有包含多晶硅的中间层，以及在其两侧的包含氮化硅的外层。

6.根据权利要求1的方法，包括对膜片加压以使其挠曲，测量膜片的挠曲，根据测得的挠曲计算膜片上的张力的步骤。

7.根据权利要求6的方法，包括将光束导射到膜片上以便从膜片上反射，根据反射光方向的改变计算膜片的挠曲的步骤。

8.根据权利要求1的方法，包括激励膜片使其振动，测量膜片的共振频率，根据测得的共振频率计算膜片的张力的步骤。