CN1901758A - 电容式硅传声器 - Google Patents

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宋青林
梅嘉欣
乔峰
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Abstract

一种电容式硅传声器，包括：硅衬底、体硅腐蚀阻挡层、振膜、低温二氧化硅或磷硅玻璃隔离层以及背极；在背极正面，向内部竖直开有上电极孔和下电极孔，上电极孔和下电极孔内设有上下金属电极；振膜下面中部为体硅腐蚀形成的背腔，振膜和背极之间形成气隙，背腔与气隙之间隔着振膜；其为背极在上、振膜在下的电容结构，电容的上极板为低应力刚性复合背极，下极板为低应力振膜，隔离层夹在上下极板之间；背极上中部与背腔和气隙相对的位置，设有复数个声孔，声孔与气隙相通。本发明具有高灵敏度、低噪声的特性，工艺简单，容易实现。

Description

电容式硅传声器
技术领域
本发明涉及传声器技术领域，特别涉及电容式硅传声器及其制作工艺。
背景技术
1983年Royer在硅片上制作出第一个传声器，引起了各界重视。各类传声器陆续在硅片上被开发实现。其中，最主要最热门的一种即电容式硅微传声器。电容式硅微传声器不仅具有体积小、灵敏度高、频响特性好、噪声低等特点，更重要的是具有很宽工作温度，可适用于SMT等自动化生产线作业和恶劣的工作环境，是目前任何一种传声器所无法替代的，它将会开拓传声器更为广泛的应用空间。
电容式硅传声器是在硅片上利用微机械加工技术制作出来的一种声传感器，其结构由振膜和背极组成。为了得到灵敏度高、噪声低的传声器，要制作内应力小的振膜以及刚性背极。
多年来，已发表多篇关于制作低应力的振膜硅传声器文献报道及专利。Sensor and actuators A.31，1992，90-96中描述了把张应力和压应力材料制作成低应力复合膜用在传感器上；专利US6622368B1把低应力复合膜结构用作硅传声器的振膜，申请了氮化硅/多晶硅/氮化硅的复合膜结构专利；文献Sensor and actuators A.31，1992，149-152以及专利US6012335中描述了利用单晶硅重掺杂硼的方法制作单晶硅振膜；1998 MEMSConference，Heideberg Germany Jan 25-29，A High Sensitivity PolysiliconDiaphragm Condenser Microphone中报导采用低应力多晶硅做振膜；专利US6535460B2申请了自由振膜结构，这些是目前制作低应力振膜的主要方法。
要得到低应力刚性背极，在保证薄膜内应力小的同时，也要把背极做厚。目前，报导的方法包括：专利US6012335采用厚金层作背极；专利US6677176B2采用复合金属膜做背极，减小应力的同时增加厚度；US6140689专利中采用SOI硅片中单晶硅层做背极；US6667189B1采用电化学腐蚀制作低应力厚单晶硅背极；US6532460B2制作特殊结构增加背极强度。
发明内容
本发明的目的是采用同时制作低应力振膜和低应力刚性背极的方法来提高硅传声器的灵敏度，并降低噪声。采用SOI的单晶硅层/复合振膜作为振膜，作为电容的可动极板，上面制作氧化硅隔离层，再制作复合膜作为背极，形成电容的另一个不动极板。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种电容式硅传声器，具有高灵敏度、低噪声的特性，包括：硅衬底、体硅腐蚀阻挡层、振膜、低温二氧化硅或磷硅玻璃隔离层以及背极；在背极正面，向内部竖直开有上电极孔和下电极孔，上电极孔和下电极孔内设有上下金属电极；振膜下面中部为体硅腐蚀形成的背腔，振膜和背极之间形成气隙，背腔与气隙之间隔着振膜；其为背极在上、振膜在下的电容结构，电容的上极板为低应力刚性复合背极，下极板为低应力振膜，隔离层夹在上下极板之间；
背极上中部与背腔和气隙相对的位置，设有复数个声孔，声孔与气隙相通。
所述的电容式硅传声器，其所述振膜下面有体硅腐蚀二氧化硅阻挡层，层厚≤1微米。
所述的电容式硅传声器，其所述低应力振膜为SOI硅片的单晶硅层，或者是由三层或三层以上多晶硅和氮化硅形成的复合振膜。
所述的电容式硅传声器，其所述SOI单晶硅层振膜，单晶硅层要掺杂磷或硼，形成n型或p型导电层，作为电容式硅传声器的下电极。
所述的电容式硅传声器，其所述复合振膜，其最上面一层为n型或p型多晶硅层，这层作为电容式硅传声器的下电极。
所述的电容式硅传声器，其所述复合振膜，其低内应力是根据多晶硅层和氮化硅层的内应力大小，调节它们的厚度比来实现的。
所述的电容式硅传声器，其所述复合背极，是由张应力和压应力薄膜交替形成的，其层数至少为三层，根据张应力和压应力材料应力的大小，调节它们的厚度比来减小复合背极的内应力；复合背极的最下一层为局部的导电层，作为电容式硅传声器的上电极，该局部导电层上面为绝缘层。
所述的的电容式硅传声器，其所述复合背极至少为三层，为三层或三层以上多晶硅层和氮化硅层交替形成，最下层的局部导电层，为n型或p型局部的多晶硅层。
所述的电容式硅传声器，其所述背极上的声孔，为圆形或者方形的声孔，该声孔成阵列排布。
所述的电容式硅传声器，其所述声孔，其直径或者边长为5～20微米，孔间距为10～40微米。
本发明具有高灵敏度、低噪声的特性，工艺简单，容易实现。
附图说明
图1本发明电容式硅传声器剖面结构图；
图2 SOI硅片剖面结构示意图；
图3本发明在普通硅片上制作复合振膜剖面结构图；
图4本发明电容式硅传声器中背极导电层示意图；
图5本发明电容式硅传声器中背极板上声孔分布示意图。
具体实施方式
如图1所示，本发明电容式硅传声器，为在硅衬底21上制作的电容式传声器，基本结构包括：在硅衬底21上，依序为体硅腐蚀阻挡层22、振膜23、隔离层24、背极25，在背极25正面，向内部竖直开有上电极孔26和下电极孔27，上电极孔26和下电极孔27内设有上下金属电极28、29。形成了背极25在上、振膜23在下的电容结构，振膜23下面为体硅腐蚀形成的背腔30，振膜23和背极25之间形成气隙31，背腔30与气隙31之间隔着振膜23，背极25上与背腔30和气隙31相对的位置，设有大量的声孔32，声孔32与气隙31相通。
本发明中，涉及两种制作硅传声器振膜的方法。
方法一：利用SOI硅片的单晶硅层作为传声器振膜23。
如图2所示，SOI硅片包括三层：下面硅衬底21，中间二氧化硅隔离层33，上面薄单晶硅层34，单晶硅层34几乎不存在内应力，本发明正是利用这层低应力薄单晶硅层34作为硅传声器的振膜23。
根据灵敏度的要求，上层单晶硅层34的厚度可以选用0.5～2微米。对单晶硅层34进行磷或硼掺杂，形成n型或p型导体，作为电容式硅传声器的下电极——振膜23。
二氧化硅层33作为体硅腐蚀阻挡层22，其作用：由于二氧化硅的腐蚀速率较慢，二氧化硅层33可以有效阻挡体硅腐蚀，从而有效避免在腐蚀形成背腔30的过程中对单晶硅层34的破坏。
方法二：用多晶硅/氮化硅/多晶硅复合膜作振膜23。
如图3所示，采用(100)普通硅片21，首先用热氧化的方法在硅片21表面形成1微米厚的氧化硅体硅腐蚀阻挡层22，然后按次序用低压化学汽相沉积(LPCVD)的方法沉积多晶硅23a、低应力氮化硅23b、多晶硅层23c，形成复合振膜23。这里使用压应力多晶硅、拉应力氮化硅，根据多晶硅和氮化硅层内应力的大小，调节它们的厚度比来减小复合膜内应力，达到低应力的要求。之后，对上层多晶硅层23c进行磷或者硼掺杂，形成n型或p型导体，作为电容式硅传声器的下电极。
形成振膜23之后，在上面淀积2～3微米厚的低温二氧化硅(LTO)或者磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层24，如图1所示。
为了使背极25满足低应力、刚性条件，制作复合层背极25。复合背极25由两种或两种以上内应力分别为张应力和压应力的薄膜交替形成，层数可以制作成三层或三层以上，这样可以在保证低应力的同时有效地增加厚度。为了减小寄生电容效应，复合背极25的最下面一层为局部的导电层25a，作为电容式硅传声器的上电极，如图1、图4所示。
以多晶硅和氮化硅薄膜制作复合背极25为例进行说明。如图1所示，多晶硅层25a、25c和25e，氮化硅层为25b和25d。一方面可以根据多晶硅层25a、25c和25e与氮化硅层25b和25d的内应力大小，调节它们的厚度比来调小复合膜内应力，达到低应力的要求；另一方面可以将复合背极25的总厚度做厚，而不发生变形或者碎裂，满足刚性的要求，其厚度可以制作大于3微米。为了减小寄生电容，复合层25最下面一层为局部的导电层——掺磷或硼的多晶硅层25a，将其作为电容式硅传声器的上电极，多晶硅引出电极35与多晶硅层25a相连，如图4所示。多晶硅层25a与振膜23自由部分36上下正对，多晶硅层25a的尺寸不大于自由部分36，导电层25a上为绝缘层25b，如图1所示。在背极25上开圆形或者方形声孔32，其直径或者边长为5～20微米，间距10～40微米，这些声孔32成阵列排布且排列成圆形，如图5所示。为了实现传声器与外部电路的电学连接，从正面开上电极孔26和下电极孔27，并制作上、下金属电极28、29，如图1所示，金属材料可选用金或者铝。
如图1所示，从硅片21背面对应振膜23的自由部分36开孔，保护正面，利用干法或者湿法氢氧化钾溶液进行体硅腐蚀，到二氧化硅阻挡层22停止，形成背腔30，此图示意的背腔30是通过干法腐蚀形成的。最后用氢氟酸干法或者湿法去掉二氧化硅阻挡层22，同时通过声孔32充分腐蚀二氧化硅隔离层24，形成极板间气隙31。

Claims (10)

1.一种电容式硅传声器，具有高灵敏度、低噪声的特性，包括：硅衬底、体硅腐蚀阻挡层、振膜、低温二氧化硅或磷硅玻璃隔离层以及背极；在背极正面，向内部竖直开有上电极孔和下电极孔，上电极孔和下电极孔内设有上下金属电极；振膜下面中部为体硅腐蚀形成的背腔，振膜和背极之间形成气隙，背腔与气隙之间隔着振膜；其特征在于：为背极在上、振膜在下的电容结构，电容的上极板为低应力刚性复合背极，下极板为低应力振膜，隔离层夹在上下极板之间；
背极上中部与背腔和气隙相对的位置，设有复数个声孔，声孔与气隙相通。
2.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述振膜下面有体硅腐蚀二氧化硅阻挡层，层厚≤1微米。
3.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述低应力振膜为SOI硅片的单晶硅层，或者是由三层或三层以上多晶硅和氮化硅形成的复合振膜。
4.按权利要求3所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述SOI单晶硅层振膜，单晶硅层要掺杂磷或硼，形成n型或p型导电层，作为电容式硅传声器的下电极。
5.按权利要求3所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述复合振膜，其最上面一层为n型或p型多晶硅层，这层作为电容式硅传声器的下电极。
6.按权利要求3所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述复合振膜，其低内应力是根据多晶硅层和氮化硅层的内应力大小，通过调节它们的厚度比来实现的。
7.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述复合背极，是由张应力和压应力薄膜交替形成的，其层数至少为三层，根据张应力和压应力材料应力的大小，调节它们的厚度比来减小复合背极的内应力；复合背极的最下一层为局部的导电层，作为电容式硅传声器的上电极，该局部导电层上面为绝缘层。
8.按权利要求7所述的的电容式硅传声器，其特征在于：所述复合背极至少为三层，为三层或三层以上多晶硅层和氮化硅层交替形成，最下层的局部导电层，为n型或p型局部的多晶硅层。
9.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述背极上的声孔，为圆形或者方形的声孔，该声孔成阵列排布。
10.按权利要求1或9所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述声孔，其直径或者边长为5～20微米，孔间距为10～40微米。
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