CN1694576A - 单片硅基微型电容式麦克风及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明属电声技术领域，具体为一种结构新型的单片硅基微型电容式麦克风。其中，振膜采用弹性系数高的单晶硅膜制作，背极板采用聚酰亚胺厚膜制成，振膜电极和背电极均采用浓硼埋层电极引出，仅在热压脚上制作厚度大于1μm的金属层。在背极板上有微型声学孔。此外，在形成振膜的单晶硅衬底正面集成一个JFET源极跟随器，以达到阻抗变换的目的。单晶硅膜的释放采用HF汽相腐蚀工艺，在振膜与背极板之间不会产生粘连现象，使芯片成品率大大提高。本发明提出的单片硅基微型电容式麦克风，制作工艺简单，成品率高，生产成本低，适宜于大规模生产。

Description

单片硅基微型电容式麦克风及其制作方法

技术领域

本发明属电声技术领域，具体涉及一种单片硅基微型电容式麦克风及其制作方法。

背景技术

硅基微型麦克风是世界各国在电声技术领域的一个研究热点，是未来取代传统FEP话筒的方向。其优点是：体积小，耐高温，适宜于大规模自动化生产线，易于批量生产，而且还可与IC集成在一起，构成微系统。现有的硅基微型电容话筒的振膜都采用氮化硅/二氧化硅复合膜、多晶硅/氮化硅复合膜、多晶硅膜、聚酰亚胺膜等材料。用复合膜主要是考虑到单一膜材料在与硅衬底脱离时会存在张应力或压应力，造成振膜不平整，器件特性变坏。用两种互补应力的膜材料组成复合膜，只要匹配好，是可以使振膜表面平整，但对工艺制作的精度和设备要求都比较高。本发明采用单晶硅材料作振膜，目前尚无专利报导。此外，有些麦克风的背极板均做在硅单晶片上，声学孔的刻蚀场需采用昂贵的ICP深刻蚀设备，制作成本较高，形成麦克风中空气间隙的牺牲层均采用湿法腐蚀去除，这将带来振膜与背极板的粘连问题，使成品率下降。

发明内容

本发明的目的在于提出一种制作精度要求低，而灵敏度高的单片硅基微型电容式麦克风及其制作方法。

本发明提出的单片硅基微电容式麦克风，其结构如图1所示，其芯片包括一个N^-型或P^-型硅基片1、在硅基片1的正面经扩散硼形成的高电导的硅单晶振膜2、一个背极板6和一个由背极板6支撑的背电极5，其中，硅基片1背面具有方形开口3，深度到达硅单晶振膜2；在硅基片1背面有一层二氧化硅和氮化硅的复合膜4作为保护层；硅基片1正面淀积有1-5μm的SiO₂作牺牲层，在牺牲层上淀积有低阻多晶硅作背电极5；在背电极上面有耐高温的聚酰亚胺膜作背极板6，厚度为6-10微米；背极板6上面开有孔径为Φ5-10微米、孔间距≤5-10微米的大量圆形声学孔7；背极板6面对振膜2的表面设有大量圆形的防粘连的支撑点8；在振膜2与背电极5之间有二氧化硅和氮化硅的复合膜4作为绝缘层；中间有圆形面积的气隙9。

本发明中，背极板上的声学孔的直径与孔间距相等，并且声学孔均匀分布。在背极板靠近气隙的一圈声学孔，其直径是中间声学孔直径的2-3倍，以进一步降低话筒噪声。

本发明中，背极板面对振膜的表面设有很多圆形支撑点，支撑点高度为0.5-1.5μm，直径为声学孔的1.2-1.5倍。

本发明中，是在单晶硅衬底1表面掺硼形成的埋层电极，其引线表面有Si₃N₄/SiO₂复合膜覆盖作为绝缘层，在热压脚处引出电极。

本发明中，单晶硅振膜接近边缘处制作有4条(宽度为8-12μm，深度为1.1-1.5μm，间距为8-12μm)封闭式波纹槽，以进一步改善单晶硅振膜的弹性系数。

本发明中，每个单元芯片之间设有分片槽。分片槽与背腔可采用各向异性湿法腐蚀工艺同时形成。

本发明中，在形成振膜的单晶硅基片上表面边缘平台上集成了JFET源极跟随器；源极跟随器的源极电阻R_S和漏极电阻R_D采用硼扩散电阻制作，硼扩散电阻位于N^-阱区；栅偏电阻R_G采用多晶硅本征电阻制作。

上述麦克风的制作方法包括以下步骤：

(1)取一片厚度为0.3-1毫米双面抛光的单晶硅作衬底基片，采用常规的氧化扩散光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后氧化生成SiO₂层，并在其上淀积氮化硅薄膜；在衬底正面光刻出振膜2区域，然后离子束掺杂或热扩散硼杂质，形成深度为0.5-1.0微米的扩散区；

(2)在衬底正面淀积0.5-4.0微米厚度的疏松SiO₂层作牺牲层，通过光刻把牺牲层刻成圆形，直径与振膜2区域边长相等；再在牺牲层上光刻支撑点8空穴，深度0.5-1.5微米。

(3)淀积多晶硅层0.3-1.0微米，氧化并光刻出背电极和多晶硅电阻，通过离子束掺杂或硼热扩散，形成高电导的背电极5和一定阻值的电阻R_D、R_G和R_S；然后光刻基片背面方形开口区3，为湿法腐蚀方形开口作准备；

(4)基片表面经等离子轰击处理，用匀胶机把聚酰亚铵胶均匀地覆盖在基片表面，厚度为6-10微米，并经烘烤处理，使聚酰亚铵胶与基片表面熔为一体，形成背极板6；然后真空镀铝膜作等离子体刻蚀掩蔽层，经光刻声学孔和等离子体刻蚀，在聚酰亚铵背极板上开出无数个声学孔7，直到与牺牲层相通；

(5)对基片背面方形开口区进行湿法腐蚀，直至振动薄膜区自终止；

(6)用HF汽相腐蚀法，通过声学孔7把牺牲层腐蚀干净，在单晶硅振膜2与多晶硅背电极6之间形成直径为0.5-4.0微米的圆形空气间隙。

本发明采用单晶硅作振膜有以下优点：

1、单晶硅的杨氏模量是162GPa，氮化硅(LPCVD)的杨氏模量是290GPa，根据弹性力学的计算，可得到膜上距中心为r处的位移量为

$W\left(r\right)$ $=\frac{P}{64D}{(a^2-r^2)}^2$

式中P为膜两边压差，a为硅膜半径，而D为：

$D=\frac{{\mathrm{EH}}^3}{12(1-{\mathrm{\υ}}^2)},$

式中E是杨氏模量，H是振膜厚度，υ是泊松比。由此可见，W(r)与E成反比，在相同膜厚条件下，单晶硅的位移量几乎是氮化硅的两倍。这对提高话筒的灵敏度极为有利。

2、单晶硅振膜与单晶硅衬底是一体化的同一种材料，不存在残余应力问题，这就大大降低了对工艺制作精度和设备的要求。实验证明：膜厚仅0.6μm左右的单晶硅振膜成形后的平整度与周围边框的单晶硅衬底没有差异。

3、单晶硅振膜区注入硼离子，并通过硅衬底表面的硼埋层引线与热压脚电极相连，埋层引线宽度仅20μm左右，所以寄生电容面积很小，相对振膜区的有效面积可忽略不计。

4、单晶硅振膜具有电极和振膜的两个功能，与常规的绝缘材料复合膜结构相比，不需要在振膜背面另行蒸上金属电极。

本发明中的单晶硅振膜的制作过程如下：先在单晶硅衬底表面的振膜区和埋层引线区扩入硼原子，浓度≥10¹⁹cm^-3，深度为0.4-1.0μm，然后在振膜区以外的单晶硅衬底表面覆盖绝缘层，在振膜区上面覆盖牺牲层和背极板，厚度≥6μm。一般为6μm-10μm。因此当从单晶硅衬底背面窗口区进行各向异性腐蚀至振膜浓硼区发生自终止腐蚀时，单晶硅振膜依靠牺牲层和背极板作支撑，是不会发生碎裂现象。腐蚀是在一种专用的夹具中进行，使正面聚酰亚胺背极板不与TMAH或KOH腐蚀液相接触，以避免碱性腐蚀液对聚酰亚胺的水解作用，防止背极板被破坏。单晶硅振膜的释放不是通过湿法腐蚀牺牲层实现，而是通过HF酸汽相腐蚀工艺实现单晶硅振膜的释放，避免了因腐蚀液或清洗液的表面张力造成振膜与背极板之间的粘连现象(sticking)，因此振膜的成功率可达到90％以上。

本发明比较已公布的“单片集成电容式硅基微传声器及其制作”发明专利的另一个区别是背极板不是在单晶硅衬底上制作，而是用聚酰亚胺材料作背极板。对比之下，有以下优点：

1、背极板厚度可以精确控制，并能任意调节，而对工艺制作和设备要求却很低，只需要一台价格低廉的匀胶台(转速可调)即可实现。实验证明在转速为5400转/分条件下，采用耐高温聚酰亚胺制作背极板，一次成形厚度即可达2μm以上。经过几次匀胶，厚度即可达10μm以上。通过调节聚酰亚胺的粘稠度，即可调节一次的成形厚度。在一台普通的坚膜烘箱内实现坚膜工艺。坚膜后的表面，光洁平整，外观与热生长SiO₂层表面相似。

2、背极板上声学孔不需要价格昂贵的ICP DRIE深刻蚀机刻蚀，只需要价格低廉的等离子体刻蚀机刻蚀即可实现Φ≤10μm的微声学孔。发明人在等离子体刻蚀机内实验，用空气(含氧气成份)作刻蚀气体，厚度为5μm的聚酰亚胺膜只需15分钟即可刻蚀干净，因此生产成本极低。

3、聚酰亚胺表面淀积铝层作等离子体刻蚀时的掩蔽膜，厚度无严格要求，工艺要求很低。一般大于1000即可足以抵挡等离子体的长时间刻蚀。

4、背电极埋于背极板下面，是由0.5-1μm厚度的低阻的多晶硅膜组成，背电极的面积和振膜电极面积相当，两者面对面，间距为0.5～4μm，两电极间的间隙大小由牺牲层厚度决定。

5、聚酰亚胺材料具有耐酸，耐高温(T≥450℃)，抗震等特性，所以在本发明中它既作为背极板材料，又作为器件的表面钝化材料。除了声学孔和热压脚以外，其他广大区均被聚酰亚胺所覆盖，这对器件的稳定性带来好处。

本发明的第三个特点是把传统的结型场效应晶体管直接与单片硅基微型电容话筒集成在一起，它位于单晶硅衬底的正面边框上，与多晶硅薄膜电阻一起组成源极跟随器，起阻抗变换作用。这对降低寄生电容，提高信噪比，拓宽频响带来好处。在工艺上，是先在单晶硅衬底上形成n沟的结型场效应晶体管，然后再制作电容话筒和R_D、R_S、R_G电阻。JFET源极跟随器的等效线路图如1图示。

附图说明

图1为本发明结构图示。

图2为JFET源极跟随器等效线路图。

图3为工艺流程示意图。

图中标号：1为硅基片，2为振动薄膜，3为方形开口，4为复合膜，5为背电极，6为背极板，7为声学孔，8为支撑点，9为气隙，10为热压脚，11为多晶硅电阻，12为浓硼扩散电阻。

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施方式。

1.双面热生长SiO₂

2.双面光刻，形成正反面光刻对准记号，见图3(1)

3.双面热生长SiO₂

4.光刻JFET场效应晶体管的N^-阱和电阻区的N^-阱，见图3(2)

5.As离子注入，高温话化处理，将表面注入的As离子推进到设计的阱深

6.光刻JFET场效应晶体管的栅区和硼扩散电阻区

7.硼扩散，形成JFET场效应晶体管的栅区和硼扩散电阻R_D和R_S

8.光刻JFET场效应晶体管的漏源区

9.As离子注入，高温话化处理，形成漏极和源极的N⁺接触孔，见图3(3)

10.光刻振膜区和振膜电极埋层引线区，见图3(4)

11.硼离子注入，形成N_A≥10¹⁹cm^-3的P⁺区，见图3(5)

12.LPCVD淀积Si₃N₄，见图3(7)

13.光刻振膜区和振膜电极埋层引线的热压脚孔，见图3(7)

14.PECVD淀积SiO₂牺牲层1-2μm，见图3(8)

15.反刻SiO₂牺牲层，见图3(9)

16.在SiO₂牺牲层表面光刻支撑点，形成深度为0.5-1μm的孔穴，见图3(9)

17.LPCVD淀积多晶硅膜0.6μm，见图3(10)

18.PECVD淀积SiO₂膜0.5μm，见图3(10)

19.反刻背电极区、背电极埋层引线和多晶硅电阻条，见图3(11)

20.TMAH腐蚀多晶硅膜，形成背电极和多晶硅电阻条，见图3(12)

21.光刻背电极、背电极埋层引线表面SiO₂膜

22.硼离子注入，形成导电的背电极和背电极的埋层引线

23.光刻正面热压脚孔和背面的大膜区(与振膜区吻合)，见图3(12)

24.蒸铝、反刻、合金化

25.正面涂敷PI聚酰亚胺膜，厚度≥10μm，并坚膜处理，见图3(13)

26.正面蒸铝层，d≥0.2μm

27.光刻声学孔，见图3(14)

28.等离子刻蚀声学孔内的PI聚酰亚胺膜和多晶硅膜

29.光刻热压脚，见图3(14)

30.等离子刻蚀热压脚内的PI聚酰亚胺膜，保留多晶硅膜

31.正面蒸铝层，d≥1μm

32.反刻热压脚，并保留热压脚上的光刻胶，见图3(15)

33.在特制夹具内，用TMAH腐蚀液对背大膜进行湿法腐蚀，直至腐蚀自终止，见图3(16)

34.腐蚀后的硅片用2号液煮沸2次，每次3分钟，然后用去离子水冲20分钟

35.用HF汽相法腐蚀牺牲层，使振膜被释放成自由振动膜，见图3(17)

36.等离子去除热压脚表面的光刻胶

Claims (8)

1、一种单片硅基微型电容式麦克风，其特征在于其芯片包括一个N^-型或P^-型硅基片(1)、在硅基片(1)的正面经扩散硼形成的高电导的硅单晶振膜(2)、一个背极板(6)和一个由背极板(6)支撑的背电极(5)，其中，硅基片(1)背面具有方形开口(3)，深度到达硅单晶振膜(2)；在硅基片(1)背面有一层二氧化硅和氮化硅的复合膜(4)作为保护层；硅基片(1)正面淀积有1-5μm的SiO₂作牺牲层，在牺牲层上淀积有低阻多晶硅作背电极(5)；在背电极上面有耐高温的聚酰亚胺膜作背极板(6)，厚度为6-10微米；背极板(6)上面开有孔径为Φ5-10微米、孔间距≤5-10微米的大量圆形声学孔(7)；背极板(6)面对振膜(2)的表面设有大量圆形的防粘连的支撑点(8)；在振膜(2)与背电极(5)之间有二氧化硅和氮化硅的复合膜(4)作为绝缘层；中间有圆形面积的气隙(9)。

2、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于所述芯片中，振膜电极是在单晶硅基片(1)表面掺硼形成的埋层电极，埋层电极引出线表面有Si₃N₄/SiO₂复合膜覆盖作绝缘层，在热压脚处引出电极。

3、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于所述背极板(6)上的声学孔直径和孔间距相等，并均匀分布；在背极板(6)靠气隙边缘的一圈声学孔直径是中间的2-3倍。

4、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于所述背极板(6)面对振膜(2)的表面的防粘连支撑点高度为0.5～1.5微米，直径是声学孔的1.2-1.5倍。

5、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于在形成振膜(2)的单晶硅基片上表面边缘平台上集成有JFET源极跟随器，该源极跟随器的源极电阻Rs、漏极电阻R_D和栅偏电阻R_G采用多晶硅膜制作。

6、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于所述每个单元芯片之间具有分片槽。

7、根据权利要求1所述的麦克风，其特征在于所述单晶硅振膜(2)靠边缘处制作有四条封闭式波纹槽。

8、一种根据权利要求1所述的麦克风的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)取一片厚度为0.3-1毫米双面抛光的单晶硅作衬底基片(1)，采用常规的氧化扩散光刻工艺，在衬底两面先形成双面光刻对准记号，然后氧化生成SiO₂层，并在其上淀积氮化硅薄膜；在衬底正面光刻出振膜(2)区域，然后离子束掺杂或热扩散硼杂质，形成深度为0.5-1.0微米的扩散区；

(2)在基片正面淀积0.5-4.0微米厚度的SiO₂层作牺牲层，通过光刻把牺牲层刻成圆形，直径与振膜(2)区域边长相等；再在牺牲层上光刻支撑点(8)空穴，深度0.5-1.5微米。

(3)淀积多晶硅层0.3-1.0微米，氧化并光刻出背电极和多晶硅电阻，通过离子束掺杂或硼热扩散，形成高电导的背电极(5)和电阻R_D，R_G和R_S；然后光刻基片背面方形开口区(3)，为湿法腐蚀方形开口作准备；

(4)基片表面经等离子轰击处理，用匀胶机把聚酰亚铵胶均匀地覆盖在基片表面，厚度为6-10微米，并经烘烤处理，使聚酰亚铵胶与基片表面熔为一体，形成背极板(6)；然后真空镀铝膜作等离子体刻蚀掩蔽层，经光刻声学孔和等离子体刻蚀，在聚酰亚铵背极板上开出无数个声学孔(7)，直到与牺牲层相通；

(5)对基片背面方形开口区进行湿法腐蚀，直至振动薄膜区自终止；

(6)用HF汽相腐蚀法，通过声学孔(7)把牺牲层腐蚀干净，在单晶硅振膜(2)与多晶硅背电极(6)之间形成直径为0.5-4.0微米的圆形空气间隙。

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