CN1802037B - 背极式硅基微型驻极体电容话筒 - Google Patents
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Abstract
本发明属传感器技术领域，具体为一种两片结构的背极式硅基微型驻极体电容话筒。其中，驻极体层位于带有背电极的固定背极板上，以单晶硅或多晶硅为振膜，振膜片上的振膜和硅框架以同种材料组成，以克服因应力不匹配导致的的振膜高破损率；以二氯二甲基硅烷作为对氮氧化硅储电层的化学表面修正试剂，形成具有高抗湿能力的完善驻极体表面疏水层，通过调控栅控恒压或恒流电晕充电参数并组合热处理，以改善因包含大量声学孔的驻极体层所面临的电荷储存能力下降的问题。本发明大大提高了产品成品率。
Description
技术领域
本发明属传感器技术领域，具体涉及一种两片式硅基微型驻极体电容话筒，即含有振膜片和固定的背板电极。其储电的驻极体层位于固定的背极板上。
背景技术
目前的硅基微型驻极体电容话筒，由于其加工技术与平面工艺和微机械加工技术兼容，可能实现器件的微型化、可集成化的全自动化生产；由于运用MEMS工艺，可实现几何尺寸的高度重复性；基于利用在硅基上形成的无机氮氧化硅薄膜作为储存电荷的驻极体层，这种话筒属自偏置式，即无需外加偏压，因此结构简单，节能环保；又由于相对于FEP等聚合物驻极体有更好的电荷储存热稳定性，克服了传统的分立式聚合物薄膜话筒因回流焊工艺中的热过程引起的电荷衰减和结构变形问题，确保了样品的成品率和可靠性。上述诸多优势使得这类硅基驻极体话筒呈现出巨大的商业前景和宽广的应用领域，可能完全取代分立式FEP驻极体话筒，特别适用于航空航天、国防保安和用作微型助听元器件，以及高质量指标的阵列式话筒。
然而，振膜式硅基微型驻极体电容话筒，其储电层(例如氮氧化硅膜)被生长或沉积在振膜片上，振膜片的硅框架和含储电层的氮氧化硅振膜属不同的材料，具有不同的热胀系数，使其在MEMS工艺中，因热处理及驻极体层形成期间的热工艺的特定要求而出现应力不匹配，导致薄膜的破损率高，极大地影响了振膜片的成品率，阻碍了这类话筒的产业化。
将储电的驻极体层移至背极板上，即将振膜和储电层分体设计：以和硅框架具有相同材料组成的单晶硅或多晶硅构成振膜，可能克服上述应力不匹配问题。而通过严格受控的驻极体的形成工艺和调节充电参数，使其在固定背极板上形成具有高电荷稳定性的驻极体层，可能实现上述目标。
发明内容
本发明的目的在于提出一种性能优良，且可避免应力不匹配问题的硅基微型驻极体电容话筒。
本发明技术方案是在电容话筒的结构单元气隙中产生准永久电场的驻极体层和用作接收外界声信号的力-电耦合层的振膜为分体式设计，即储存空间电荷的驻极体层设置在带有背电极的固定背极板上，而以具有优良力学性能(如良好的韧性和机械强度)的非驻极体材料单晶硅或多晶硅作为振膜，使硅框架和用作力-电耦合的振膜以相同的材料组成，并用气隙将背极板和振膜片分开，构成自偏置的背极式硅基微型驻极体电容话筒。
本发明将传统的两片结构的振膜式硅基微型驻极体电容话筒的驻极体层移至背极板上。即将振膜和储电层分体设计，使振膜片的硅框架和振膜以相同材料构成，克服了应力不匹配问题，极大地提高其工艺的成品率。
附图说明
图1为本发明结构剖面图示。
图2为本发明中有Si3N4、SiO2、Si3N4的背极板剖面图示。
图3为背极背的声学孔表面裸露单晶硅剖面图示。
图4为MEMS工艺后经附加的氧化和氮化工艺的背极板剖面图示。
图5为振膜片剖面图示。
图中标号：1为氮化硅，2为二氧化硅，3为边框，4为背极板，5为声学孔，6为振膜，7为铝电极，8为背电极，9为绝缘环，10为间隙，11为焊脚。
具体实施方式
作为一个实施例子，上述背极式硅基微型驻极体电容话筒的结构如图1所示。其芯片是由两片分别制作在单晶硅基片上的振膜6和背极板4组成。振膜6是由与硅基片相同材料的硅单晶膜组成。与振膜6连为一体的硅基片正面存在一个方形开口，深度到达硅振膜6；背极板4也是由与硅基片相同的硅单晶组成，与背极板相连的基片背面具有一个方形开口，深度到达背极板4；位于背极板4表面的储电的驻极体是由氮化硅和二氧化硅的复合膜组成；在背极板4上开有若干个声学孔5；背极板4与振膜6之间存在空气间隙10，间隙10周围设置一个绝缘环9，绝缘环9与振膜6基片连为一体(或与背极板4基片连为一体)；在振膜6背面蒸镀膜厚为60-100nm的铝电极7，为了减小寄生电容，在背极板4的表面制作有高电导的埋层背电极8，背电极8表面被氮化硅和二氧化硅复合膜覆盖，(或被氮化硅/二氧化硅/氮化硅复合膜覆盖，如图2所示)其面积与振膜6的有效面积相等。背电极8通过空气间隙10与振膜6的正面平行相对。背电极8通过高电导埋层引线(宽度为20微米-40微米)引出，仅在背极板边框的平台上引出背电极铝压焊脚11，与JFET场效应管的栅极直接相连；振膜6的上电极通过屏蔽接地的外壳与JFET场效应管的源极相连，电信号通过JFET场效应管的漏极输出，形成一个完整回路。硅基微型驻极体电容话筒的微结构是通过MEMS技术制作。
上述电容话筒制备具体步骤如下：
(1)话筒振膜片的制作
以MEMS工艺制作振膜片，其程序主要包括：硅基片的振膜区扩入硼原子和振膜区外覆盖绝缘层；振膜区上覆盖牺牲层和绝缘层；各向异性刻蚀及蒸镀Al电极等；
(2)话筒背极板片的制作
以MEMS工艺制作带若干个声学孔、含氮化硅和二氧化硅储电驻极体层的背极板(图3)，其步骤包括：形成背极板基本结构；浓硼埋层电极；生长和沉积储电介质二氧化硅和氮化硅；声学孔由微机械加工形成声学孔。
(3)对声学孔内表面的单晶硅裸露层通过热氧化和CVD氮化形成与驻极体层相同结构的氮化硅和二氧化硅薄膜；
(4)对含储电层介质的背极板在真空烘箱内在150～300℃高温区干燥脱水；
(5)在二氯二甲基硅烷(DCDMS)的饱和蒸气气氛中对背极板的氮化硅和二氧化硅膜进行常温化学表面修正，修正时间1～10天；
(6)驻极体的形成，以栅控恒压或恒流正电晕充电并组合热处理技术完成；热处理温度100-250℃；
(7)将背极板和振膜片组合，制备和连接JFET，封装。
本发明中，背极板表面形成一埋层的高电导背电极，其实际面积和振膜的有效面积相等，以减少话筒结构单元的寄生电容。
本发明中，采用用化学气相沉积工艺形成储能介质氮化硅薄膜时，使用的反应气体除N2气和NH3外，必须用SiH4，以替代SiH2Cl2或SiHCl3。
本发明中，在化学表面修正工艺前，对经MEMS工艺后制作的含氮化硅和二氧化硅层的背极板实施附加的热氧化和CVD氮化工艺，使经过上述MEMS工艺后形成的声学孔表面和其与氮化硅和二氧化硅层界面处裸露的单晶硅层上形成一层附加的氮化硅和二氧化硅层，阻断了驻极体的表面脱阱电荷在迁移至孔的界面处，通过硅基向背电极的迁移路径。
本发明中，采用能形成具有强抗湿能力和更完善的疏水表面层的二氯二甲基硅烷(DCDMS)对氮化硅和二氧化硅膜进行化学表面修正，克服了由于背极板上的多个声学孔而导致的电荷稳定性的下降。
本发明中，对以N型单晶硅为基体形成的氮化硅和二氧化硅膜，以正极性充电形成复合膜驻极体，更有利于它们的电荷储存稳定性，和负充电的复合膜相比，这一举措既改善了电荷的俘获态，又能有效地遏制K+，Na+从硅基和Si-SiO2界面层向驻极体的迁移，以及通过调控充电参数以克服背极式话筒的低充电效率问题。
本发明中，在驻极体薄膜的制备和形成工艺中，合理的利用热处理工艺，如在化学表面修正前的热处理(在真空烘箱内经150℃～300℃干燥处理1～3小时)以驱除体内残存 的水分子；经化学表面修正后，对氮化硅和二氧化硅驻极体层的热处理温度应低于300℃；充电过程或充电后的热处理(100℃～250℃)以改善电荷储存的稳定性。
在本发明中，振膜用单晶硅或多晶硅材料制备(图5)，由于与单晶硅基底(即振膜周围的框架)是一体化的同种材料，故不存在因不同材料组成而导致的不同热胀系数，亦即不存在应力不匹配问题。同时由于硅的杨氏模量仅是氮化硅和二氧化硅的一半，薄膜在相同几何尺寸和相同声压条件下，单晶硅振膜中心点位移量几乎是氮化硅和二氧化硅振膜的两倍，这对提高话筒的灵敏度极为有利。为了获得薄而均匀的单晶硅振膜，在工艺上采用SIMOX SOI技术或浓硼自终止技术制备厚度为0.5微米左右的单晶硅振膜6。由于它和衬底(振膜框架)是一体化的同种材料，所以成品率很高，可达90％以上，适宜于大规模生产。
常规的背板电极都在背面蒸镀上金属电极。这种结构必然引进寄生的分布电容(背极板的边框和背极板本体的分布电容)，这将降低话筒的信噪比和频响特性。在本发明中采用浓硼埋层背电极和埋层引线，使寄生的分布电容减小到最小程度。具体措施是在储电的氮氧化膜下面先制作一薄层高电导的浓硼区，取代金属背电极，其面积与振膜有效面积相等，通过空气间隙与振膜的正面平行相对。在空气间隙周围，振膜框架通过绝缘环与背极板的框架相连。绝缘环9可以与振膜框架一体化，也可以与背极板框架一体化，其效果等同。在完成浓硼埋层背电极和微型声学孔的微机械加工以后，最后制作储电的氮化硅和二氧化硅膜和背电极的Al压焊脚11(直接与JFET芯片背面的栅极通过导电胶或银浆相连接)。埋层背电极和埋层引线表面均被储电的氮化硅和二氧化硅膜所覆盖(图1)。
本发明中，利用LPCVD或APCVD在780--850℃温区内形成非晶态氮化硅的工艺中，参加反应的气体除了氮气和氨气外，必须用硅烷SiH4替代传统使用的二氯二氢硅SiH2Cl2或三氯氢硅SiHCl3，以排除反应剩余物氯离子对驻极体层电荷储存的影响；用干氧-湿氧-干氧和氮气保护在1100℃以热湿氧化法形成二氧化硅层。该工艺同样适用于振膜式硅基驻极体电容话筒。
本发明中，对含驻极体层的背极板在MEMS工艺完成后，增加一次高温热氧化和CVD氮化工艺(APCVD或LPCVD)，以使在声学孔的内表面，以及孔与驻极体薄膜界面处由于半导体工艺形成的单晶硅的裸露层上生长出附加的氮化硅和二氧化硅膜，以阻断驻极体的表面脱阱电荷迁移至孔的界面处通过(裸露的单晶硅)硅基向背电极的迁移路径，改善其电荷稳定性。
本发明中，在化学表面修正前，将含驻极体膜的背极板(图4和图2)置于真空烘箱内在150～300℃范围内干燥，一般时间为1～3小时，以驱除驻极体膜内残存的水分子，避免经化学表面修正后被表面疏水层禁锢在驻极体内的水分子串对电荷稳定性的影响。化 学表面修正后对驻极体层的热处理温度不应高于250℃。该项化学表面修正工艺同样适用于振膜式硅基驻极体电容话筒。
本发明中，利用修饰剂二氯二甲基硅烷(dichlorodimethsilane，DCDMS)对氮化硅和二氧化硅复合膜的表面进行化学表面修正处理，以形成表面疏水层，替代传统工艺中应用六甲基二硅胺烷(hexamethyldisilazene，HMDS)对驻极体层的表面由亲水至疏水的改性。以DCDMS作为反应试剂，在氮化硅和二氧化硅表面所形成的单分子疏水层的网络结构，其修正效率比HMDS高出约一个数量级，从而明显地改善了上述驻极体层对环境气氛的隔湿能力，改善了电荷稳定性。例如对背极式话筒结构单元上的驻极体层而言，在35℃的高环境温度和RH＞95％的高湿环境下储存五天，经DCDMS修正的上述样品仍保持电荷密度初值的55％，而HMDS处理的样品已衰减到初值的30％；经过约10天在上述条件下存放，DCDMS处理样品的剩余电荷密度仍有初值的50％，而HMDS样品仅维持初值的10％。
本发明中，对在N型单晶硅上形成的驻极体以栅控恒压正电晕充电结合热处理(热处理温度在100-250℃)作为对上述储电层的充电手段。由于氮化硅和二氧化硅复合膜的体内含有更高比例的深能级陷阱，也可以以栅控恒流正电晕充电结合热处理，以增加体内深阱电荷的含量。以上述充电手段形成的电荷层主要位于在氮化硅层内，足够高的热处理(如经常温充电后的400℃以上的老化)可使本发明的驻极体层中的大部分电荷沉积于氮化硅和二氧化硅的界面处。该工艺同样适用于振膜式硅基驻极体电容话筒。
和相同几何尺寸的振膜式话筒的“不含声学孔”驻极体膜相比，含无数声学孔的背极板上驻极体层面积的明显减小，以及在充电过程中外界注入的部分电荷以背极板上的声学孔作为传输通道直接进入背电极，充电效率降低。本发明通过调控充电参数，如调控栅网的网孔目数(栅网目数从传统的约十目的低限上调至五十目)，提高恒压和恒流充电的栅压或延长充电时间(充电栅压和充电时间分别比传统值调高25％至50％)以改善其充电效率等。例如，在我们的实验系统中。点电晕电压可控制在8～12kV，而当话筒气隙为2～5μm时，栅压取10～50V，充电时间15～20min。
Claims (5)
1.一种背极式硅基微型驻极体电容话筒，其特征在于用于电容话筒的结构单元气隙中产生准永久电场的驻极体层和用作接收外界声信号的力-电耦合层的振膜为分体式设计：储存空间电荷的驻极体层设置在带有背电极的固定背极板上，而以非驻极体材料单晶硅或多晶硅作为振膜，使背极板边框和用作力-电耦合的振膜以相同的材料组成，并用气隙将背极板和振膜片分开，构成自偏置的背极式硅基微型驻极体电容话筒；其中，
所述的振膜(6)和背极板(4)分别制作在单晶硅基片上，与振膜(6)连为一体的硅基片正面存在一个方形开口，深度到达振膜(6)；与背极板相连的基片背面具有一个方形开口，深度到达背极板(4)；位于背极板(4)表面的储电的驻极体是由氮化硅和二氧化硅的复合膜组成；在背极板(4)上开有若干个声学孔(5)；背极板(4)与振膜(6)之间存在空气间隙(10)，间隙(10)周围设置一个绝缘环(9)，绝缘环(9)与振膜(6)基片连为一体或与背极板(4)基片连为一体；在振膜(6)背面蒸镀膜厚为60-100nm的铝电极(7)，在背极板(4)的表面制作有高电导的埋层背电极(8)，背电极(8)表面被氮化硅(1)和二氧化硅(2)复合膜覆盖，其面积与振膜(6)的有效面积相等；背电极(8)通过空气间隙(10)与振膜(6)的正面平行相对；背电极(8)通过高电导埋层引线引出，仅在背极板边框的平台上引出背电极铝压焊脚(11)，与JFET场效应管的栅极直接相连；振膜(6)的上电极通过屏蔽接地的外壳与JFET场效应管的源极相连，电信号通过JFET场效应管的漏极输出，形成一个完整回路。
2.一种如权利要求1所述背极式硅基微型驻极体电容话筒的制备方法，其特征在于具体步骤如下：
(1)话筒振膜片的制作
以MEMS工艺制作振膜片，其程序主要包括：硅基片的振膜区扩入硼原子和振膜区外覆盖绝缘层；振膜区上覆盖牺牲层和绝缘层；各向异性刻蚀及蒸镀Al电极；
(2)话筒背极板片的制作
以MEMS工艺制作带若干个声学孔、含氮化硅和二氧化硅储电驻极体层的背极板，其步骤包括：形成背极板基本结构，浓硼埋层电极，生长和沉积储电介质二氧化硅和氮化硅，由微机械加工形成声学孔；
(3)对声学孔内表面的单晶硅裸露层通过热氧化和CVD氮化形成与驻极体层相同结构的氮化硅和二氧化硅薄膜；
(4)对含储电层介质的背极板在真空烘箱内150～300℃高温区干燥脱水；
(5)在二氯二甲基硅烷的饱和蒸气气氛中对背极板的氮化硅和二氧化硅膜进行常温化学表面修正，修正时间1～10天；
(6)驻极体的形成，以栅控恒压或恒流正电晕充电并组合热处理技术完成；热处理温度100-250℃；
(7)将背极板和振膜片组合，制备和连接JFET，封装。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于形成储电介质氮化硅薄膜时，使用的反应气体除了氮气和氨气，还须用SiH4。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于所述对驻极体以栅控压或恒流正电晕充电时，控制栅网目数的低限为50目，充电栅压和充电时间分别比传统值调高25％至50％。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于正电晕电压控制在8-12kv，当话筒气隙为2-5μm时，栅压取10-50v，充电时间为15-20分钟。
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Address after: 518109 large wave water Wai Industrial Zone, Longhua Town, Guangdong City, Shenzhen province 9 Co-patentee after: Tongji University Patentee after: Shenzhen Horn Audio Co., Ltd. Co-patentee after: Fudan University Address before: 518109 large wave water Wai Industrial Zone, Longhua Town, Guangdong City, Shenzhen province 9 Co-patentee before: Tongji University Patentee before: Shenzhen Horn Electroacoustic Technology Co., Ltd. Co-patentee before: Fudan University |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20110914 Termination date: 20140929 |
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| EXPY | Termination of patent right or utility model |