CN2935691Y

CN2935691Y - 硅传声器

Info

Publication number: CN2935691Y
Application number: CN 200620084482
Authority: CN
Inventors: 宋青林; 梅嘉欣
Original assignee: Weifang Goertek Electronics Co Ltd
Current assignee: Goertek Inc
Priority date: 2006-05-22
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2007-08-15
Anticipated expiration: 2016-05-22

Abstract

本实用新型硅传声器，是一种工艺简单的电容式硅传声器，其为振膜在上、背极在下的硅传声器结构，振膜通过悬梁与周围边框相连，振膜上有凹槽支撑振膜。振膜上设有无数小孔，配合悬臂梁结构充分释放振膜的内应力，减小振膜的刚性，提高振膜的机械灵敏度；这些小孔同时作为减小声阻的声孔和腐蚀牺牲层的孔，可以制作出小背极结构，增加背极的刚性，同时也可以减小芯片的尺寸。本实用新型具有高灵敏度、低噪声、频带宽的特性，芯片的体积小，制作工艺简单，容易批量实现。

Description

硅传声器

技术领域

本实用新型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，其功能结构是由振膜和背极组成的电容。振膜的内应力直接影响着传声器的灵敏度，内应力越大灵敏度越低，低内应力振膜对制作传声器产品来讲至关重要。对低应力振膜的研究已有很多，从效果来看，采用自由振膜结构可以完全消除振膜的内应力，但是同时还要考虑工艺实现难易问题。权衡工艺难度和振膜灵敏度的改善效果两个方面，采用低应力振膜与衬底局部相连是不错的方法。

刚性背极是传声器有良好频率特性以及低噪声的前提条件。振膜接受声波产生振动，若要使传声器正常工作，必须减小气流阻力，所以需要在与振膜正对的背极上开数个声孔来满足低声阻要求，但这样也使背极的刚性降低。增厚背极可以有效增强背极的刚性，但是制作厚背极的工艺难度大。

除上述要解决问题，硅传声器芯片在进一步小型化时也存在难度。随着各类电子产品的小型化发展，要求传声器的体积也越来越小。对硅传声器来讲，封装技术不断的进步，制作更小的硅传声器芯片成了目前需要解决的问题。在保证传声器高灵敏度的前提下，制作更小的硅传声器芯片，传统的设计结构难以实现。在硅传声器的制作中，考虑成本不得不采用湿法腐蚀工艺制作芯片的背腔，湿法腐蚀并不是直上直下，有一个57.4度腐蚀角，背面开孔边长a的计算公式如下：

a＝l+d

其中，l表示腐蚀形成的薄膜的边长，d表示硅片的厚度。背面腐蚀开口会比腐蚀形成的薄膜面积大的多，处于芯片结构的最外边。可见，芯片尺寸减小依赖于腐蚀形成的薄膜面积的减小，但在传统的设计中，为了满足灵敏度的要求，腐蚀形成薄膜的面积难以减小，所以芯片也不易减小。

发明内容

本实用新型的目的是为了解决现有技术存在的问题，提供一种可以减小振膜内应力，增加背极的刚性，并且能够减小芯片尺寸的硅传声器，其具有高灵敏度、低噪声、宽频带、尺寸小的特性。

为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是提供一种硅传声器，为电容式硅传声器，包括硅衬底、体硅腐蚀阻挡层、背极、绝缘层、牺牲层、振膜以及金属电极，其为振膜在上、背极在下的硅传声器结构，振膜通过悬梁与周围边框相连，振膜上有凹槽支撑振膜；振膜上设有无数小孔，配合悬臂梁结构充分释放振膜的内应力，减小振膜的刚性，提高振膜的机械灵敏度；振膜上的小孔同时作为减小声阻的声孔和腐蚀牺牲层的孔，以制作出小背极结构，增加背极的刚性，同时也减小芯片的尺寸。

所述的硅传声器，其所述硅衬底中心部有体硅腐蚀形成的背腔，背腔四周围的硅衬底上表面与阻挡层固连，阻挡层上表面是背极和绝缘层，绝缘层围于背极四周，背极覆盖于背腔上口；绝缘层上表面四周圆固连有牺牲层，牺牲层的上表面固接有振膜，振膜的任一边设有上金属电极；为了减小寄生电容，背极和振膜中心上下正对，背极和振膜之间有气隙，背极边缘延伸出引线，引线端头设有下金属电极；

背极上设有大量的声孔，声孔排成阵列，且与气隙直接相通；

振膜通过复数个悬梁与周围边框相连，各悬梁相互之间设有悬梁隔离孔；

振膜上的复数个凹槽呈环形分布，振膜边缘附近有数排环状分布的小孔，小孔和气隙相通；

绝缘层位于腐蚀阻挡层上面、振膜上的凹槽下面，以绝缘振膜和背极。

所述的硅传声器，其所述悬梁，为平面结构或者褶皱结构。

所述的硅传声器，其所述振膜上的凹槽均匀分布，且与振膜边缘等距，其底部在没通电时，与绝缘层之间有一间隙。

所述的硅传声器，其所述背极，位于振膜上的凹槽在其平面上的投影所环绕的范围里。

所述的硅传声器，其所述振膜上的小孔、悬梁隔离孔和背极上的声孔，为方形、圆形或多边形，作减小声阻及腐蚀牺牲层之用。

所述的硅传声器，其所述悬梁的平面结构，为一字形或S形平面；褶皱结构，为连续的槽状褶皱。

所述的硅传声器，其所述体硅腐蚀阻挡层，为氮化硅或者氧化硅。

所述的硅传声器，其所述背极，为单层多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的复合膜。

所述的硅传声器，其所述振膜，为单层多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的复合膜。

所述的硅传声器，其所述背极为单层多晶硅时，在体硅腐蚀阻挡层上直接制作单层多晶硅，开绝缘槽，以形成背极和绝缘层，再对背极23掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极；背极为复合膜时，在体硅腐蚀阻挡层上制作多晶硅、氮化硅的的复合膜，开绝缘槽，以形成背极和绝缘层，对背极最上层的多晶硅掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极。

所述的硅传声器，其所述振膜为复合膜时，首先在牺牲层上表面制作一层多晶硅，并进行磷或硼掺杂，使之成为导电层，将其作为电容式硅传声器的上电极；之后，再依次沉积氮化硅、多晶硅层，共同构成了振膜；所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。

所述的硅传声器，其所述牺牲层，为2～4微米厚的二氧化硅。

本实用新型的小背极，在材料和厚度相同时，与大背极相比刚性更好。腐蚀小背极腐蚀开孔相应变小，芯片尺寸随之可以减小。

本实用新型具有高灵敏度、低噪声、频带宽的特性，芯片的体积小，制作工艺简单，容易批量实现。

附图说明

图1本实用新型电容式硅传声器结构剖面图；

图2本实用新型电容式硅传声器俯视图；

图3本实用新型中悬梁结构示意图，其中，图3a是平面结构悬梁俯视图，图3b是褶皱结构悬梁剖面图；

图4本实用新型中背极俯视图；

图5本实用新型中一种背极制作工艺示意图；

图6本实用新型中一种牺牲层制作工艺示意图；

图7本实用新型中一种振膜制作工艺图示意图；

图8本实用新型中复合振膜结构示意图；

图9本实用新型中一种硅传声器结构剖面图。

具体实施方式

如图1～图4所示，为本实用新型的电容式硅传声器，其基本结构为：在硅衬底21上，依序固接有体硅腐蚀阻挡层22，背极23和绝缘层24、牺牲层25、振膜26、上金属电极27以及下金属电极28。其中，硅衬底21中心部有体硅腐蚀形成的背腔36，背腔36四周围的硅衬底21上表面与阻挡层22固连，阻挡层22上表面是背极23和绝缘层24，绝缘层24围于背极23四周，背极23覆盖于背腔36上口。绝缘层24上表面四周圆固连有牺牲层25，牺牲层25的上表面固接有振膜26，振膜26的任一边设有上金属电极27。为了减小寄生电容，背极23和振膜26中心上下正对，背极23边缘延伸出引线32，引线32端头设有下金属电极28。这样就形成了振膜26在上，背极23在下的电容结构，振膜26和背极23为导电层或导电复合层，作为电容的两个电极，它们分别与各自的上金属电极27、下金属电极28相连。

为了减小振膜26的内应力，在振膜26边缘设计悬梁29与周围边框相连，悬梁29包括平面结构和上下褶皱结构两种，如图3所示，图3a为两种平面结构悬梁的俯视图，为一字形或S形平面；图3b为上下褶皱结构悬梁的剖面图，为连续的槽状褶皱。为了进一步释放振膜26的内应力以及减小振膜26的刚性，在振膜26的边缘附近设计数排环状分布的小孔30，小孔的形状可以是圆形、方形或者其它多边形；为了支撑这个软振膜26，在其边缘附近设计一圈分布均匀的凹槽31，凹槽31的底部和绝缘层24分离，位于绝缘层24的上面，当振膜26和背极23上加电压后，凹槽31底部压在绝缘层24上，绝缘层24防止振膜26与背极23导通。背极23位于凹槽31向下投影所环绕的区域之内，背极23边缘延伸出引线32。背极23上面设有数个阵列排布的声孔33，背极23上声孔和振膜26上的小孔30、悬梁隔离孔34相配合共同减小悬膜振动时的声阻，同时也满足腐蚀牺牲层25，形成气隙35的需要。这种在振膜26上制作小孔30的设计可以有效减小背极23的尺寸，增加背极23的刚度，减小整个芯片的尺寸。

下面为了使本实用新型的结构描述更明确，对实现本实用新型的一种具体工艺过程进行说明。

具体的工艺步骤：

如图5所示，选用双面抛光(100)硅片21，首先在硅片21上制作一层腐蚀阻挡层22，腐蚀阻挡层22可为氧化硅、氮化硅材料，其厚度要满足阻挡体硅腐蚀的要求即可。为了使背极23满足低应力、刚性条件，制作多晶硅和氮化硅的复合背极23，在腐蚀阻挡层22上交替生长多晶硅和氮化硅层，形成复合膜且最后一层为多晶硅层。这里以三层复合膜为例，从下往上依次为多晶硅、氮化硅，多晶硅。一方面可以根据氮化硅和多晶硅内应力大小，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膜的总厚度做厚，而不发生变形或者碎裂，满足刚性的要求。沿如图4所示的背极形状开绝缘槽37，开槽的深度至复合膜的氮化硅层，绝缘槽37把复合薄膜隔离成背极23和绝缘层24，对背极23最上层的多晶硅掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极。之后，在背极23上开声孔33，开孔的深度到腐蚀阻挡层22停止。当然，也可以在体硅腐蚀阻挡层22上直接制作单层多晶硅，用上述开绝缘槽37的方法，形成背极23和绝缘层24，再对背极23掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极。

如图6所示，形成背极23和绝缘层24之后，在上面淀积2～4微米厚的二氧化硅作为牺牲层25。为了制作振膜26上的凹槽31，在牺牲层上刻蚀凹孔38，刻透牺牲层25，到绝缘层24停止。然后，在凹孔底部制作一层薄氧化硅牺牲层39，作为凹槽31与绝缘层24之间的牺牲层，确保在释放完氧化硅后，振膜26上凹槽31底部与绝缘层24分离。

如图7所示，在牺牲层25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。这里以复合膜作为振膜26为例，如图8所示，首先制作一层多晶硅26a，并进行磷或硼掺杂，使之成为导电层，将其作为电容式硅传声器的上电极。之后，再依次沉积氮化硅26b、多晶硅层26c，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。用刻蚀方法去掉部分振膜层，形成悬梁隔离孔34和小孔30，如图2所示。

通过刻蚀，使多晶硅层26a和引线32部分暴露，在暴露位置制作上、下金属电极27、28，并分别与振膜26的导电层26a、背极23相连，如图2所示。

如图9所示，从硅片21背面对应背极23的部分开孔，保护正面，利用湿法氢氧化钾溶液进行体硅腐蚀。腐蚀到阻挡层22停止，然后再刻蚀去掉阻挡层22，形成了背腔36。最后，经过声孔33和小孔30、隔离孔34，用氢氟酸干法或者湿法腐蚀去掉振膜下面的二氧化硅牺牲层25，在振膜26和背极23之间形成气隙35，此时振膜26成为了有悬梁29支撑的悬膜结构。形成了振膜26在上、小背极23在下的电容式硅传声器。

以上附图所示和本实用新型的详细描述，是本实用新型的一优选实施例，它并不将本实用新型局限于此实施例。

Claims

1.一种硅传声器，为电容式硅传声器，包括硅衬底、体硅腐蚀阻挡层、背极、绝缘层、牺牲层、振膜以及金属电极，其特征在于：

为振膜在上、背极在下的硅传声器结构，振膜通过悬梁与周围边框相连，振膜上有凹槽支撑振膜；振膜上设有无数小孔，配合悬臂梁结构充分释放振膜的内应力，减小振膜的刚性，提高振膜的机械灵敏度；振膜上的小孔同时作为减小声阻的声孔和腐蚀牺牲层的孔，以制作出小背极结构，增加背极的刚性，同时也减小芯片的尺寸。

2.如权利要求1所述的硅传声器，其特征在于：所述硅衬底中心部有体硅腐蚀形成的背腔，背腔四周围的硅衬底上表面与阻挡层固连，阻挡层上表面是背极和绝缘层，绝缘层围于背极四周，背极覆盖于背腔上口；绝缘层上表面四周圆固连有牺牲层，牺牲层的上表面固接有振膜，振膜的任一边设有上金属电极；为了减小寄生电容，背极和振膜中心上下正对，背极和振膜之间有气隙，背极边缘延伸出引线，引线端头设有下金属电极；

3.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述悬梁，为平面结构或者褶皱结构。

4.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述振膜上的凹槽均匀分布，且与振膜边缘等距，其底部在没通电时，与绝缘层之间有一间隙。

5.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述背极，位于振膜上的凹槽在其平面上的投影所环绕的范围里。

6.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述振膜上的小孔、悬梁隔离孔和背极上的声孔，为方形、圆形或多边形，作减小声阻及腐蚀牺牲层之用。

7.如权利要求3所述的硅传声器，其特征在于：所述悬梁的平面结构，为一字形或S形平面；褶皱结构，为连续的槽状褶皱。

8.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述体硅腐蚀阻挡层，为氮化硅或者氧化硅。

9.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述背极，为单层多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的复合膜。

10.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述振膜，为单层多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的复合膜。

11.如权利要求9所述的硅传声器，其特征在于：所述背极为单层多晶硅时，在体硅腐蚀阻挡层上直接制作单层多晶硅，开绝缘槽，以形成背极和绝缘层，再对背极掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极；背极为复合膜时，在体硅腐蚀阻挡层上制作多晶硅、氮化硅的的复合膜，开绝缘槽，以形成背极和绝缘层，对背极最上层的多晶硅掺杂磷或者硼，形成n型或p型导体，作为电容的下电极。

12.如权利要求1或2所述的硅传声器，其特征在于：所述牺牲层，为2～4微米厚的二氧化硅。