CN1816221A - 一种硅微电容传声器芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅微电容传声器芯片及制备方法。该传声器芯片包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，隔离层位于穿孔背板和振动膜之间以便在它们之间形成空气隙，该空气隙具有无尖角的边界。在该制备方法中，在硅基片的上表面之上形成一第一牺牲层，该第一牺牲层具有无尖角的边界；在第一隔离层之上形成一第二牺牲层，该第一牺牲层的被腐蚀速度大于第二牺牲层的被腐蚀速度，从所述硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，去除第一牺牲层和一部分第二牺牲层以形成空气隙。本发明用于硅微电容传声器中的芯片及其制备方法，减小了振动膜的应力，大大提高了振动膜的灵敏度，避免了时效破裂。

Description

一种硅微电容传声器芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电器件领域，具体地说，本发明涉及一种硅微电容传声器芯片及其制备方法。

背景技术

硅微电容传声器是一种新型的传声器，它通常由形成硅微电容的硅芯片部分和外围电路部分组成。其中硅微电容芯片部分是传声器的核心，它是利用集成电路工艺在硅基片上制作而成。硅微电容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、振动膜及电极组成，可参见Micro Electro MechanicalSystems(MEMS)，1998 IEEE 11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，and K.D.Wise所著的《A HIGH SENSITIVITY POLYSILICONDIAPHRAGM CONDENSER MICROPHONE》。

图1示出了通常硅微电容传声器芯片10的剖面图，包括有一个硅片11。该硅片11具有一空心区域12，空心区域12的上端具有一个成形在硅片上表面的穿孔背板13，该穿孔背板13上具有多个成阵列分布的声学孔14。在硅片11上表面还形成有一个隔离层15，而隔离层15上形成有一个振动膜16。通过隔离层15，在穿孔背板13和振动膜16之间提供了一个空气隙17。穿孔背板13和振动膜16上分别设置有电极18和18’。

通常的硅微电容传声器芯片由于受材料特性和制备方法的限制，图1所示传声器芯片中的空气隙17通常为方形边界。图2是在制备图1的传声器芯片10的过程中的一个剖面图，如图2所示，在硅片11上通过掺杂形成一个掺杂层13’，该掺杂层13’在后续制备过程将成形为穿孔背板13，然后在掺杂层13’上形成一牺牲层15’，并在牺牲层15’上形成振动膜16。然后从硅片11的下表面开始进行体刻蚀，先腐蚀出图1中所示的空心区域12，然后继续向上将掺杂层13’中未掺杂的硅材料腐蚀掉，形成图1中的声学孔14，然后继续向上腐蚀直至将位于掺杂层13’和振动膜16之间的一部分牺牲层15’腐蚀掉形成图1中的空气隙17，而残留的一部分牺牲层15’则形成图1中的隔离层15。值得注意的是，由于硅片11本身各向异性腐蚀的特性，从硅片11下表面开始体刻蚀只能产生棱台形的空心区域12(图1)，该空心区域12横截面的边界为一正方形。这样，当体刻蚀向上腐蚀至时牺牲层15’时，由于腐蚀方向的限定，形成的空气隙17的边界通常也为正方形。如图3所示的从图1中沿I-I截取的剖面图所示，由隔离层15限定的空气隙17的闭合边界17’通常为正方形。

由于空气隙17具有方形边界，在其边界的尖角处(例如图3中所示空气隙17的四个边角)，振动膜16承受的应力较大，产生应力集中，进而导致传声器的灵敏度下降，有时甚至会导致振动膜16的破裂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅微电容传声器芯片，该传声器芯片可避免产生应力集中；本发明的另一目的在于提供一种硅微电容传声器芯片的制备方法，该方法可以制备出无应力集中的传声器芯片。

为了实现上述目的，本发明提供的一种硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，所述隔离层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，以便在所述穿孔背板和所述振动膜之间形成空气隙；所述空气隙具有无尖角的边界。优选地，所述空气隙具有光滑边界，所述空气隙最好具有圆形边界。

本发明还提供一种硅微电容传声器芯片的制备方法，包括：

提供一具有上表面和下表面的硅基片；

从所述硅基片的上表面对硅基片进行掺杂，形成一掺杂层；

在所述硅基片的上表面之上形成一第一牺牲层，所述第一牺牲层具有无尖角的边界；

在所述第一隔离层之上形成一第二牺牲层，所述第一牺牲层的被腐蚀速度大于所述第二牺牲层的被腐蚀速度；

在所述第二牺牲层之上形成一振动膜；

从所述硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，去除第一牺牲层和一部分第二牺牲层；最终，所述掺杂层形成为硅微电容传声器芯片的穿孔背板，被刻蚀去除的第一牺牲层和一部分第二牺牲层所在的位置形成硅微电容传声器芯片的空气隙，残留的另一部分第二牺牲层形成为硅微电容传声器芯片的隔离层；

在所述振动膜和穿孔背板上分别设置电极。

优选地，所述第一牺牲层具有光滑的边界，所述第一牺牲层最好具有圆形边界。

所述第二牺牲层为二氧化硅材料，所述第一牺牲层为氧化锌或磷硅玻璃材料。

本发明在硅微电容传声器芯片的制备方法中采用了一种新的工艺，通过设置一个更容易被腐蚀的第一牺牲层来引导腐蚀方向，摆脱了由于硅片各向异性腐蚀特性导致只能产生方形结构的限制，制成诸如圆形等结构的空气隙、隔离层和振动膜，避免了振动膜在方形空气隙的边角处产生的应力集中，大大提高了振动膜的灵敏度，避免了时效破裂。同时，由于二氧化硅牺牲层的腐蚀方向不是以往尺度较大的水平方向，而是尺度较小的垂直方向，腐蚀的速度较快，减小了以往氢氟酸释放牺牲层时对氮化硅振动膜较强的腐蚀。

附图说明

图1是一种常规的硅微电容传声器芯片的剖面图；

图2是在制备图1的硅微电容传声器芯片过程中的剖面图；

图3是沿图1的I-I线提取的剖面图；

图4～图7是本发明的硅微电容传声器芯片制备方法的制备流程，其中图7为根据本发明的方法制备好的传声器芯片；

图8是图7所示硅微电容传声器芯片的俯视图；

图9是在图7中沿II-II线提取的剖面图；

图10是在一些实施例中第一牺牲层的边界形状示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

图4～图7示出了在一个实施例中本发明的硅微电容传声器芯片的制备流程，其中图7为根据本发明的方法制备好的传声器芯片。

如图4所示，首先选取一个硅基片100，该硅基片100为<100>n^-型硅片。硅基片100具有一个上表面101和一个下表面102，在一个实施例中，该硅基片100的厚度为400微米，但是可以理解，本领域的技术人员可根据需要选择不同厚度的硅基片100。硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅，示例性地，该高温二氧化硅的厚度为1.5微米；在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅光刻，利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜103。然后从上表面101开始向下对硅基片100进行掺杂，这样掩膜103未覆盖的区域将被掺杂而形成掺杂层104。在该实施例中，对硅基片100进行的是选择性掺杂，即对于在后续步骤中将要形成为硅微电容传声器芯片的声学孔的位置106’不进行掺杂。在本实施例中，硅基片100的掺杂是对从上表面101对硅基片100进行硼扩散，扩散深度可在1微米至20微米之间选择，本领域的技术人员也可根据实际需要作出其它选择。

如图5所示，用氢氟酸去除图4中的高温二氧化硅掩膜103，然后在硅基片100的上表面101淀积一第一牺牲层107，光刻后将第一牺牲层107腐蚀成为圆形。然后，在第一牺牲层107之上再淀积出一第二牺牲层112，该第二牺牲层112覆盖住了整个第一牺牲层107。第一牺牲层107的厚度最好小于第二牺牲层112的厚度，在一个示例性的实施例中，该圆形的第一牺牲层107的厚度为0.5微米，直径为1000微米，而第二牺牲层112的厚度为3微米。需要特别注意的是，在本发明中，第一牺牲层107要比第二牺牲层112更容易被腐蚀，在一个实施例中，第二牺牲层112可为低温二氧化硅材料，而第一牺牲层107则可选用氧化锌或者磷硅玻璃，从下文的描述将可知道，在进行腐蚀时，氧化锌或者磷硅玻璃被腐蚀的速度要远大于低温二氧化硅被腐蚀的速度。在形成第一牺牲层107的过程中，当采用磷硅玻璃材料时，可用LPCVD或PECVD工艺将磷硅玻璃淀积在硅基片100的上表面101，然后用缓冲氢氟酸将其腐蚀为圆形；当采用氧化锌材料时，可用磁控溅射工艺将氧化锌淀积在硅基片100的上表面101，然后用磷酸将其腐蚀为圆形。

然后，如图5所示，利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)在硅基片100的上表面101和下表面102双面分别淀积一层氮化硅，示例性地，该氮化硅层的厚度为0.5微米。在硅基片100的上表面101光刻后，上表面101的氮化硅层被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成圆形振动膜108；在硅基片100的下表面102光刻后，下表面102的氮化硅层被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成掩膜109，掩膜109的未覆盖区域为一正方形，以便从该正方形区域开始对硅基片100进行体刻蚀。其中，在刻蚀出圆形振动膜108的同时，振动膜108之下的第二牺牲层112也被ICP刻蚀为同样的圆形，而且此圆形的直径大于第一牺牲层107，示例性地，最终形成的振动膜108和第二牺牲层112的直径为1500微米，比第一牺牲层107直径的直径大500微米。这样，从下文的描述将可知，第二牺牲层112中与第一牺牲层107对应的部分112’将被腐蚀掉，而第二牺牲层112外围的一部分105’将会残留下来作为硅微电容传声器芯片的隔离层。

结合图5和图6，从硅基片100的下表面102开始对硅基片100用氢氧化钾进行硅体刻蚀。在氢氧化钾向上的腐蚀过程中，首先腐蚀出一个空心区域113，由于硅基片100本身各向异性腐蚀的特性，类似于图1中的空心区域12，该空心区域113也通常为棱台形，其横向(硅基片100的上表面101和/或下表面102所在平面的方向)截面为正方形。然后，氢氧化钾继续向上腐蚀，由于氢氧化钾对未进行硼扩散掺杂区域的腐蚀速度远高于进行硼扩散掺杂的区域，因此，掺杂层104中处于声学孔位置106’(图4)的硅材料被很快腐蚀去除，以形成硅微电容传声器芯片的声学孔106，从而使得掺杂层104形成穿孔背板。

然后，用氢氟酸通过声学孔106到达第一牺牲层107，如前所述，第一牺牲层107采用了更易被腐蚀的材料，例如氧化锌或磷硅玻璃，因此，第一牺牲层107很快就被腐蚀完，而留下与第一牺牲层107形状相同的空气隙。之后，氢氟酸将继续向上开始腐蚀第二牺牲层112。需要注意的是，在腐蚀第二牺牲层112时，由于第一牺牲层107已经基本上被腐蚀完，因此，氢氟酸将沿着与第一牺牲层107被腐蚀完后留下的空气隙限定的边界向上腐蚀第二牺牲层112。例如，在前述第一牺牲层107为圆形的实施例中，氢氟酸将基本上沿着第一牺牲层107所在位置的圆形边界向上腐蚀第二牺牲层112，这样，图6中硅微电容传声器芯片的空气隙110的形状将由第一牺牲层107的形状来限定。如图5所示，在第二牺牲层112中，基本上是位于第一牺牲层107正上方的区域112’被腐蚀掉，而第二牺牲层112外围部分105’(基本上是围绕第一牺牲层107的区域)残留下来形成图6中硅微电容传声器芯片的隔离层105。第一牺牲层107和一部分第二牺牲层112’被腐蚀掉后，其所在空间形成了图6中硅微电容传声器芯片的空气隙110。

最后，如图7所示，在振动膜108以及掺杂层104的表面分别设置一金属电极111，完成硅微电容传声器芯片的制备。电极111的设置在图8的俯视图中看得更清楚，这两个金属电极111可通过在硅基片100的上表面101蒸镀一层金属薄膜，例如铝膜，然后对该金属薄膜光刻并用磷酸腐蚀成电极111。

如图7所示，本发明的硅微电容传声器芯片包括硅基片100。在硅基片100的上表面101上，具有由多个声学孔106的掺杂层104形成穿孔背板，第二牺牲层112的残留部分形成隔离层105，隔离层105之上设有振动膜108，振动膜108以及掺杂层104的表面分别设有电极111，而在振动膜108和掺杂层104之间具有空气隙110，该空气隙110是由第一牺牲层107和一部分第二牺牲层102’被腐蚀后形成的。

特别是在图7中，如前所述，该空气隙110的形状由第一牺牲层107的形状限定。在前述实施例中，第一牺牲层107为圆形或者说具有圆形边界，因此空气隙110的边界110’也为圆形，如图9所示的从图7中沿II-II截取的剖面图所示。事实上，本领域的技术人员很容易理解，可通过设置不同边界形状的第一牺牲层107，来制备具有不同空气隙110边界形状的硅微电容传声器。在其他实施例中，可以设置无尖角边界的第一牺牲层107来使得硅微电容传声器的空气隙110边界也没有尖角，从而避免振动膜108的应力集中，例如，第一牺牲层107可以具有光滑的边界(在数学上称为边界上各点都可导)，使得空气隙110也具有基本上为光滑曲线的边界。图10示出了几种第一牺牲层107的光滑边界形状，相应地，制备好的硅微电容传声器的空气隙110也具有基本相同的边界。

Claims (7)

1、一种硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，所述隔离层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，以便在所述穿孔背板和所述振动膜之间形成空气隙；其特征在于，所述空气隙具有无尖角的边界。

2、根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述空气隙具有光滑边界。

3、根据权利要求2所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述空气隙具有圆形边界。

4、一种权利要求1所述硅微电容传声器芯片的制备方法，包括：

提供一具有上表面和下表面的硅基片；

从所述硅基片的上表面对硅基片进行掺杂，形成一掺杂层；

在所述硅基片的上表面之上形成一第一牺牲层，所述第一牺牲层具有无尖角的边界；

在所述第一隔离层之上形成一第二牺牲层，所述第一牺牲层的被腐蚀速度大于所述第二牺牲层的被腐蚀速度；

在所述第二牺牲层之上形成一振动膜；

从所述硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，去除第一牺牲层和一部分第二牺牲层；最终，所述掺杂层形成为硅微电容传声器芯片的穿孔背板，被刻蚀去除的第一牺牲层和一部分第二牺牲层所在的位置形成硅微电容传声器芯片的空气隙，残留的另一部分第二牺牲层形成为硅微电容传声器芯片的隔离层；

在所述振动膜和穿孔背板上分别设置电极。

5、根据权利要求4所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层具有光滑的边界。

6、根据权利要求5所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述第一牺牲层具有圆形边界。

7、根据权利要求4所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述第二牺牲层为二氧化硅材料，所述第一牺牲层为氧化锌或磷硅玻璃材料。

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