CN1960581B - 一种电容式硅传声器 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电容式硅传声器，由自由振膜为电容的一个可动极板，以消除振膜内应力，以复合层厚背极，形成电容的另一个不动极板。在自由振膜边缘设计锯齿，减少释放牺牲层所需时间，避免由于长时间释放牺牲层而造成对其它结构的破坏，且提高振膜的振动灵敏度。本发明包括硅衬底、绝缘层、自由振膜、牺牲层以及背极；振膜下面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；在背极上与振膜形状相对应的位置，有大量的声孔，声孔与气隙直接相通；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背极，下极板为自由振膜。本发明具有高灵敏度、低噪声的特性，制作工艺简单，容易实现。
Description
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结构及其制作工艺。
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，其主要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，但是以上诸方法中无论用何种方式来调解薄膜内应力，都无法做到零内应力的效果，而且对薄膜的生长工艺要求严格，一致性很难保证。专利US6535460B2申请了自由振膜结构，可以得到零内应力振膜的硅微传声器，但完成相应的结构所需工艺复杂，同时释放自由振膜需要的时间较长，释放工艺过程中可能会破坏、影响其它结构。
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
本发明的目的是制作高灵敏度、低噪声的硅传声器。采用制作自由振膜结构的方法来消除振膜内应力，作为电容的一个可动极板，在振膜边缘设计锯齿结构，一是减少释放牺牲层所需时间，避免由于长时间释放牺牲层而造成对其它结构的破坏；二是可提高振膜的振动灵敏度；制作复合层厚背极，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，包括：硅衬底、绝缘层、自由振膜、牺牲层以及背极，具有高灵敏度、低噪声的特性；其自由振膜下面为体硅腐蚀形成的背腔，自由振膜和背极之间为气隙，背腔与气隙之间隔着自由振膜；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背极，下极板为自由振膜；
在背极上与自由振膜形状相对应的位置，设有复数个声孔，声孔与气隙直接相通。
所述的电容式硅传声器，其所述绝缘层位于硅衬底上表面，同时作为体硅腐蚀的阻止层。
所述的电容式硅传声器，其所述绝缘层为氧化硅膜或是多晶硅和氮化硅的复合膜。
所述的电容式硅传声器，其所述自由振膜，其边缘有复数个锯齿，自由振膜通过引线电极和周围相连，振膜形状是方形、圆形或其它多边形。
所述的电容式硅传声器，其背极上面有方形或者圆形的凹槽，凹槽的数目与自由振膜边缘锯齿的数目相同，凹槽的位置和自由振膜边缘锯齿相对应，凹槽的外形尺寸不大于锯齿的外形尺寸。
所述的电容式硅传声器，其所述上电极在背极中心部分的下表面，上电极与自由振膜上下中心相对，被凹槽环绕。
所述的电容式硅传声器，其所述自由振膜是由三层或三层以上多晶硅和氮化硅形成的复合振膜，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；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，其所述背极为复合背极，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。
所述的电容式硅传声器，其所述复合背极由张应力和压应力薄膜交替形成，是至少为三层氮化硅层和多晶硅层交替形成。
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，该声孔按振膜的形状排布成阵列，其边界形状和振膜的形状一致，上下相对；声孔的直径或者边长为5～20微米，孔间距为10～40微米。
所述的电容式硅传声器，其在电容式硅传声器的制作工艺流程中，于自由振膜与绝缘层之间、自由振膜与凹槽之间各制作有一层牺牲层；于自由振膜和背极之间制作有另一层牺牲层。
所述的电容式硅传声器，其所述牺牲层为氧化硅。
本发明具有高灵敏度、低噪声的特性，制作工艺简单，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本发明电容式硅传声器制作工艺示意图；
图3本发明中复合振膜剖面结构示意图；
图4本发明中方形自由振膜示意图；
图5本发明中圆形自由振膜示意图；
图6本发明中制作完方形上电极工艺后俯视示意图；
图7本发明中制作完圆形上电极工艺后俯视示意图；
图8本发明中复合背极剖面结构示意图；
图9本发明方形振膜电容式硅传声器俯视示意图；
图10本发明圆形振膜电容式硅传声器俯视示意图。
具体实施方式
如图1和图2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，依序为绝缘层22、牺牲层23、边缘带有锯齿24的自由振膜25、牺牲层26、27、上电极28以及背极29。形成了背极29和上电极28在上、自由振膜25在下的电容结构。自由振膜25局部与周围相连，自由振膜25边缘有锯齿24(如图4、图5所示)；背极上有凹槽30，凹槽30分布在锯齿24的正上方(如图9、图10所示)；自由振膜25下面为体硅腐蚀形成的背腔31；自由振膜25和背极29之间形成气隙32，背腔31与气隙32之间隔着自由振膜25，在背极29上和自由振膜25形状相对应的位置，设有大量的声孔33(如图9、图10所示)，声孔33与气隙32直接相通。
具体的工艺步骤：
如图2所示，选用双面抛光(100)硅片21，首先在硅片21上制作绝缘层22，绝缘层22在后面的体硅腐蚀的工艺中同时作为阻挡层，以免腐蚀时损坏上层的结构。针对所选牺牲层23的不同，绝缘层22可选择不同的材料。采用氧化硅作为牺牲层23，可以用氮化硅和多晶硅双层复合结构作为绝缘层22；采用铝、光刻胶、聚酰亚胺等材料作为牺牲层23，可以用氧化硅作为绝缘层22。
这里以氧化硅作牺牲层23为例，来说明制作工艺过程。在硅片衬底21表面利用低压化学汽相沉积(LPCVD)的方法依次双面沉积一层氮化硅和一层多晶硅，共同构成了绝缘层22。氮化硅层作用是电绝缘，要求氮化硅层的厚度达到电学绝缘的需要即可；多晶硅层作用是在氢氟酸释放牺牲层23的过程中，保护下面氮化硅层不被腐蚀掉，要求其厚度能够满足保护氮化硅即可。
在绝缘层22上面生长一薄层氧化硅牺牲层23，生长方法可采用低温氧化或热氧化的方法，作为自由振膜25下方牺牲层23，确保在释放完氧化硅后，自由振膜25下面能够和绝缘层22分离。
在牺牲层23上面制作振膜层，振膜层可以是单层多晶硅，也可以是多晶硅、氮化硅、多晶硅的复合膜结构。为了说明具体的工艺，这里以复合膜作为自由振膜25为例。交替生长内应力性质不同的薄膜，形成拉应力和压应力交替变换的复合薄膜，通过调节不同薄膜层的厚度对比可以有效的控制复合薄膜的内应力大小。用低压化学汽相沉积(LPCVD)的方法依次沉积多晶硅层25a、氮化硅25b、多晶硅层25c，如图3所示，共同构成了振膜层，这里生长的为压应力的多晶硅、拉应力的氮化硅，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，避免释放后薄膜卷曲。经过甩胶、光刻、显影、刻蚀等工艺，刻出自由振膜25的形状，如图4和图5所示。两图中分别示意方形或圆形振膜，其边缘设有复数个锯齿24，同时从边缘延伸出下引线电极34。自由振膜25除方形、圆形结构以外，也可以是其它多边形结构。之后，对上层多晶硅层25c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。
形成自由振膜25之后，在上面淀积2～4微米厚的低温二氧化硅(LTO)或者磷硅玻璃(PSG)作为牺牲层27，如图2所示。在与自由振膜锯齿24相对的位置刻方形或者圆形的孔，刻透牺牲层27，到自由振膜25停止，形成的刻蚀槽35的外形尺寸小于锯齿24的外形尺寸，刻蚀槽35的数目与锯齿24的数目相同(如图6、7所示)。
在刻蚀槽35底部制作一层薄氧化硅牺牲层26，作为自由振膜25和背极29的凹槽30之间的牺牲层26，确保在释放完氧化硅后，自由振膜25上表面与凹槽30底部分离。
在牺牲层27上面制作导电层作为电容式硅传声器的上电极28，为了减小寄生电容，上电极28中心与自由振膜25中心相对应，制作方形、圆形或者是多边形的导电层，如图6，7所示分别为方形和圆形上电极28。上电极28边缘延伸出上引线电极36，上电极28可以是金、铂金等金属材料，也可以是掺磷或硼的多晶硅，上电极28中心与振膜25中心共一中心轴，上电极28在刻蚀槽35所围内部，其尺寸不超过刻蚀槽35围成的区域。
为了使背极29满足低应力、刚性条件，可以制作低应力单一厚绝缘层作为背极29或者复合层背极29，单一绝缘层材料可以选用低应力氮化硅、聚酰亚胺。这里以复合背极为例说明，复合背极29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。
以多晶硅和氮化硅薄膜制作复合背极29为例进行说明。选择了掺磷或硼的多晶硅层作为上电极28。在牺牲层26、27和上电极28上表面顺序制作氮化硅层为29a和29c，多晶硅层29b、29d，如图8所示。一方面可以根据氮化硅层29a、29c和多晶硅层29b、29d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29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。在刻蚀槽35的位置背极29上形成了凹槽30，凹槽30的深度确定了自由振膜25和背极29的间距。除凹槽位置外，振膜25和背极29之间充满了牺牲层27。
在背极29上开圆形或者方形声孔33，其直径或者边长为5～20微米，间距10～40微米，在有上电极28的区域开孔要穿透上电极28，如图2所示。这些声孔33按自由振膜25形状排布，其边界形状和自由振膜25的形状一致，目的是把自由振膜25均匀释放，实现与周围脱离。方形和圆形自由振膜25所对应的声孔33的分布形状分别如图9和图10所示。
为了实现传声器与外部电路的电学连接，从正面开上电极孔和下电极孔，并制作上、下金属电极37、38，如图9和图10中所示。上、下金属电极37、38分别与上电极28和下电极25c相连，金属电极材料可选用金。
如图1所示，从硅片21背面对应自由振膜25的部分开孔，保护正面，利用干法或者湿法氢氧化钾溶液进行体硅腐蚀，到绝缘层22停止，形成背腔31，绝缘层22暴露出的形状要与振膜的形状相对应，其尺寸不超过振膜25锯齿24的边缘，此图示意的背腔31是通过氢氧化钾湿法腐蚀形成的体结构。去掉绝缘层22暴露部分，下面暴露出牺牲层23。
最后，经过声孔33和背腔31用氢氟酸干法或者湿法腐蚀二氧化硅牺牲层23、26、27。由于振膜25边缘有锯齿24，氢氟酸通过锯齿24的边缘很快腐蚀完锯齿24下面的牺牲层23，使振膜25很容易成为自由状态。腐蚀完牺牲层23、26、27之后，在背极29和振膜25之间形成气隙32，此时振膜25成为自由振膜，只有延伸出去的下引线电极34与周围相连。形成了自由振膜在下，背极在上的电容式硅传声器。
附图所示和以上详细描述的是本发明的一个实施例，为本发明原理的一个范例，它并不将本发明局限于此实施例。
Claims (11)
1.一种电容式硅传声器，包括：硅衬底、绝缘层、自由振膜、牺牲层，上电极以及背极；其特征在于：自由振膜下面为体硅腐蚀形成的背腔，自由振膜和背极之间为气隙，背腔与气隙之间隔着自由振膜；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背极，下极板为自由振膜；
在背极上与自由振膜形状相对应的位置，设有多个声孔，声孔与气隙直接相通；
所述自由振膜，其边缘有多个锯齿，自由振膜通过引线电极和周围相连，振膜形状是方形、圆形或其它多边形。
2.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述绝缘层位于硅衬底上表面，同时作为体硅腐蚀的阻止层。
3.按权利要求2所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述绝缘层，为氧化硅膜或者是多晶硅和氮化硅的复合膜。
4.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述背极上面有方形或者圆形的凹槽，凹槽的数目与自由振膜边缘锯齿的数目相同，凹槽的位置和自由振膜边缘锯齿相对应，凹槽的外形尺寸不大于锯齿的外形尺寸。
5.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述上电极在背极中心部分的下表面，上电极与自由振膜上下中心相对，被凹槽环绕。
6.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述自由振膜是由三层或三层以上多晶硅和氮化硅形成的复合振膜，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；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。
7.按权利要求4所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述背极为复合背极，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。
8.按权利要求7所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述复合背极由张应力和压应力薄膜交替形成，是至少为三层氮化硅层和多晶硅层交替形成。
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，该声孔按振膜的形状排布成阵列，其边界形状和振膜的形状一致，上下相对；声孔的直径或者边长为5～20微米，孔间距为10～40微米。
10.按权利要求1所述的电容式硅传声器，其特征在于：在电容式硅传声器的制作工艺流程中，于自由振膜与绝缘层之间、自由振膜与凹槽之间各制作有一层牺牲层；于自由振膜和背极之间制作有另一层牺牲层。
11.按权利要求10所述的电容式硅传声器，其特征在于：所述牺牲层为氧化硅。
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