CN1787692A - 一种微型麦克风膜片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微型麦克风膜片，其中膜片上加有压应力，且压应力在1～100MPa之间。本发明通过采用复合膜片，或者通过调整掺杂剂量、退火温度和退火时间等工艺参数，在膜片内引入适当的压应力，在不改变麦克风膜片大小的条件下，提高微型麦克风膜片的机械灵敏度。

Description

一种微型麦克风膜片

技术领域

本发明涉及麦克风膜片，特别是指一种微型麦克风膜片。

背景技术

在微电子机械系统(MEMS)领域，由于硅工艺具有微型化、批量生产、成本低的优点，采用硅工艺将功能产品微型化的MEMS技术得到了深入的发展。自从罗伊(Royer)等于1983年第一次提出采用硅工艺制作微型麦克风以来，微型麦克风的结构设计和加工工艺已经得到广泛的研究。

在硅基麦克风发展的初期，采用的是平膜片。当工艺引起的残余拉应力较小时，平膜片的机械灵敏度大于浅波纹的膜片。但为了避免其屈曲，膜片内一般具有较大的拉应力，而残余拉应力较大时，平膜片的机械灵敏度会大大降低。准确控制表面硅工艺残余应力比较困难，因此要得到机械灵敏度高、性能可重复的平模片是很困难的。为了解决这个问题，波纹膜片被广泛地采用，由于波纹结构会大大降低膜片内部的残余应力，所以在有较大的残余拉应力时，波纹膜片的机械灵敏度大大高于同样尺寸的平膜片，而且性能的可重复性也更好，线性范围更大。但在无初应力和小残余应力的情况下，浅波纹膜片的灵敏度比平膜片低。

为了保证大批量生产和低成本的优势，在不增加麦克风膜片几何尺寸的情况下，对平膜片与波纹膜片的几何形状、力学特性、材料和低拉伸残余应力的控制，提高微型麦克风膜片的机械灵敏度方面还需要进行研究。

发明内容

针对上述问题，本发明所要解决的技术问题在于提供一种微型麦克风膜片，其可在不改变麦克风膜片几何尺寸及生产成本的条件下，提高微型麦克风膜片的机械灵敏度。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种微型麦克风膜片，其特征在于：所述膜片上加有压应力，所述压应力在1～100MPa之间。

其中，所述压应力在20～50MPa之间为最佳。

采用以上技术方案，本发明具有以下优点：1、本发明巧妙地利用了工艺引起的残余压应力，提高了麦克风的灵敏度和器件性能的可重复性。2、本发明在膜片内引入压应力的方法既可用于平膜片，也可用于波纹膜片，适用范围广，实用性强。3、本发明利用成熟的硅加工工艺，在工艺上易于实施，且工艺过程简单、有效，不增加成本并可保证大量生产，有利于本发明的推广使用。

附图说明

图1是本发明微型硅基麦克风的断面示意图

图2是本发明刻蚀波纹步骤的示意图

图3是本发明形成背板电极过程的示意图

图4是本发明刻出膜片区和引线孔的示意图

图5是本发明刻蚀声孔的示意图

图6是本发明淀积和刻蚀牺牲层图形的示意图

图7是本发明形成多晶硅膜片的示意图

图8是本发明形成金属电极的示意图

图9是本发明腐蚀背腔直到声孔牺牲层出现的示意图

具体实施方式

本发明在微型麦克风膜片上引入适当的压应力来达到提高微型麦克风膜片的机械灵敏度的目的。本发明通过调整工艺参数或采用多层材料组成的复合膜片，在膜片上产生适当的压应力，在膜片的自振频率满足听力辅助的要求和膜片不失稳的情况下大大提高麦克风的灵敏度。

本发明根据微加工条件和工艺实验决定采用的膜片材料和相应的工艺残余压应力，然后根据麦克风的性能要求和工艺的可实现性，决定膜片的形状(直径或边长，厚度，波纹深度及宽度等)，为了提高膜片的屈曲应力，可以采用波纹膜片，计算在相应的残余压应力作用下，膜片的机械灵敏度和频率，如果不满足设计要求，则需要对膜片的几何形状进行重新设计，然后设计膜片与背板间的距离、背板厚度和声孔，以满足麦克风的动态性能要求。

平膜片的屈曲压应力很小，一般只有几MPa，残余压应力的变化对平膜片机械灵敏度的影响很大，另外，平膜片的线性范围也比较小。由于工艺残余应力的准确控制比较困难，其波动范围一般只能控制在几MPa的范围内，因此采用波纹膜片更有优势。波纹膜片的屈曲压应力比平膜片更大，其性能受到残余应力波动的影响又相对较小，因此采用波纹膜片来制作性能可重复的、机械灵敏度高的压应力膜片更具优越性。

下面以一个多晶硅麦克风膜片为例，并配合附图对本发明的制作步骤进行说明。

如图1所示，为本发明所提供的硅基麦克风，其包括硅基片1，基片1上刻有很多声孔9，在基片1的一面上依序有扩硼层2、氧化硅3、氮化硅4，多晶硅膜片6则设置在氮化硅4上，膜片上有波纹5。下面根据附图进行详细说明：

(1)如图2所示，首先在基片1上采用感应耦合等离子体法(ICP)或氢氧化钾刻蚀法(KOH)进行刻蚀，在基片1上形成波纹槽50；

(2)如图3所示，将已形成波纹槽的基片1氧化，刻蚀氧化硅，并在刻蚀区内注入硼，设定浓硼扩散时间为40分钟，温度控制在1100℃，形成扩硼层2，然后去掉氧化硅，形成背板电极；

(3)如图4所示，在基片1上依次淀积形成氧化硅3、氮化硅4，刻出膜片区10和引线孔11；

(4)如图5所示，采用感应耦合等离子体法(ICP)在基片1上刻出声孔9；

(5)如图6所示，通过淀积和刻蚀，在膜片区10及扩硼层2(背板电极)上形成磷硅玻璃(PSG)牺牲层8；

(6)如图7所示，在牺牲层8的上面淀积多晶硅，再注入磷，其能量为100Kev，剂量为8E15/cm²，之后快速退火，将退火温度控制在1000℃，退火时间为30秒，刻蚀形成多晶硅膜片6。

(7)如图8所示，在多晶硅膜片6上依次淀积厚度为500的金属铬(Cr)，3000的金(Au)，并采用剥离法剥离生成金属电极7。

(8)如图9所示，用氢氧化钾刻蚀法(KOH)腐蚀基片1的背腔，直到声孔9的牺牲层8出现，然后采用置换升华法去除磷硅玻璃(PSG)牺牲层8释放结构，制成硅基麦克风膜片。

控制膜片内预压应力的方法有多种，对于采用多晶硅、氮化硅以及其它的材料和多种材料的复合膜片，通过对工艺参数进行控制就可以制作出带有所需要预压应力的膜片，从而提高膜片的机械灵敏度。这种控制技术在目前多晶硅制作工艺中已是成熟的技术，比如传统的IC工艺制作的多晶硅膜片就带有预压应力。但在一般的MEMS工艺中，为了避免膜片的屈曲，一般是通过调整工艺参数(注入剂量、退火温度、退火时间等)，使膜片带有较小的预张应力。若采用多晶硅作膜片，在多晶硅层淀积并进行离子注入后，根据离子注入的剂量调整退火的温度和时间就可以在多晶硅膜片内产生所需的预压应力。比如，以100Kev的能量注入磷，剂量为8E15/cm2，采用快速退火，退火温度1000℃，退火30秒，得到的膜片内的预压应力约为20MPa。

在具体实施中，膜片内的预压应力控制在1～100MPa之间可获得较为明显的提高机械灵敏度的效果。特别是将压应力在20～50MPa之间，更可获得明显的效果。

实施例一：平膜片

对于直径为1mm的圆形多晶硅膜片，若膜片的厚度为2微米，背板与膜片的距离为2微米。若多晶硅的弹性模量取为1.7E5MPa，伯松比取为0.23，则膜片的线性屈曲压应力约为3.51MPa。当膜片内没有初始应力时，在1Pa的声压作用下，膜片中点的机械灵敏度为8.161nm/Pa，膜片的平均机械灵敏度为2.720nm/Pa，一阶频率为33171Hz。如果使膜片具有2.5MPa的初始压应力，则在1Pa的声压作用下，膜片中点的机械灵敏度为28.85nm/Pa，膜片的平均机械灵敏度为8.757nm/Pa，一阶频率为18007Hz。由此可见，膜片的平均机械灵敏度提高了约2.22倍，中点的机械灵敏度提高了约2.54，而且膜片的频率也基本满足麦克风的要求。因此，通过在平膜片内引入预压应力是能够大大提高膜片的机械灵敏度的。

实施例二：波纹膜片

若电容式微型硅基麦克风采用直径为1.5mm的圆形多晶硅膜作为膜片，膜片上设有轴对称的波纹，膜片的厚度为1.5微米，背板与膜片的距离为2微米。若波纹的深度为4微米，并沿半径方向设计1个梯形波纹，波纹的波长为281微米，上半波纹的上底宽度为80.5微米，下半波纹的上、下底宽分别200.5微米和194.8微米。若多晶硅的弹性模量取为1.7E5MPa，伯松比取为0.23，则膜片的线性屈曲压应力约为42.53MPa。当膜片内没有初始应力时，在1Pa的声压作用下，膜片中点的机械灵敏度为34.39nm/Pa，膜片的平均机械灵敏度为10.36nm/Pa，一阶频率为19251Hz。如果通过对一些工艺参数(如退火时间、退火温度等)进行控制，使膜片具有30MPa的初始压应力，则在1Pa的声压作用下，膜片中点的机械灵敏度为78.84nm/Pa，膜片的平均机械灵敏度为17.65nm/Pa，一阶频率为10644Hz。由此可见，膜片的平均机械灵敏度提高了约70.4％，中点的机械灵敏度提高了约129％，而且膜片的频率也基本满足麦克风的要求。如果引入的压应力还高一点，则膜片机械灵敏度的增加量会更大。因此，通过在这种波纹膜片内引入预压应力是能够大大提高膜片的机械灵敏度的。

综上所述，本发明可在不改变麦克风膜片的大小的条件下，通过在膜片内引入适当的压应力，提高微型麦克风膜片的机械灵敏度。

Claims (1)

1、一种微型麦克风膜片，其特征在于：为了提高膜片的机械灵敏度，在所述膜片上加有压应力，所述压应力在1～100MPa之间。

2、如权利要求1所述的微型麦克风膜片，其特征在于：所述压应力在20～50MPa之间为最佳。