專利名稱：硅傳聲器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳聲器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及電容式硅傳聲器結(jié)構(gòu)及其制作工藝。
背景技術(shù)：
1983年Royer在硅片上制作出第一個(gè)傳聲器，引起了各界重視。各類傳聲器陸續(xù)在硅片上被開發(fā)實(shí)現(xiàn)。其中，最主要最熱門的一種即電容式硅微傳聲器。電容式硅微傳聲器不僅具有體積小、靈敏度高、頻響特性好、噪聲低等特點(diǎn)，更重要的是具有很寬工作溫度，可適用于SMT等自動(dòng)化生產(chǎn)線作業(yè)和惡劣的工作環(huán)境，是目前任何一種傳聲器所無法替代的，它將會(huì)開拓傳聲器更為廣泛的應(yīng)用空間。
電容式硅傳聲器是在硅片上利用微機(jī)械加工技術(shù)制作出來的一種聲傳感器，其功能結(jié)構(gòu)是由振膜和背極組成的電容。振膜的內(nèi)應(yīng)力直接影響著傳聲器的靈敏度，內(nèi)應(yīng)力越大靈敏度越低，低內(nèi)應(yīng)力振膜對制作傳聲器產(chǎn)品來講至關(guān)重要。對低應(yīng)力振膜的研究已有很多，從效果來看，采用自由振膜結(jié)構(gòu)可以完全消除振膜的內(nèi)應(yīng)力，但是同時(shí)還要考慮工藝實(shí)現(xiàn)難易問題。權(quán)衡工藝難度和振膜靈敏度的改善效果兩個(gè)方面，采用低應(yīng)力振膜與襯底局部相連是不錯(cuò)的方法。
剛性背極是傳聲器有良好頻率特性以及低噪聲的前提條件。振膜接受聲波產(chǎn)生振動(dòng)，若要使傳聲器正常工作，必須減小氣流阻力，所以需要在與振膜正對的背極上開數(shù)個(gè)聲孔來滿足低聲阻要求，但這樣也使背極的剛性降低。增厚背極可以有效增強(qiáng)背極的剛性，但是制作厚背極的工藝難度大。
除上述要解決問題，硅傳聲器芯片在進(jìn)一步小型化時(shí)也存在難度。隨著各類電子產(chǎn)品的小型化發(fā)展，要求傳聲器的體積也越來越小。對硅傳聲器來講，封裝技術(shù)不斷的進(jìn)步，制作更小的硅傳聲器芯片成了目前需要解決的問題。在保證傳聲器高靈敏度的前提下，制作更小的硅傳聲器芯片，傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)。在硅傳聲器的制作中，考慮成本不得不采用濕法腐蝕工藝制作芯片的背腔，濕法腐蝕并不是直上直下，有一個(gè)57.4度腐蝕角，背面開孔邊長a的計(jì)算公式如下a＝l+d其中，l表示腐蝕形成的薄膜的邊長，d表示硅片的厚度。背面腐蝕開口會(huì)比腐蝕形成的薄膜面積大的多，處于芯片結(jié)構(gòu)的最外邊?？梢?，芯片尺寸減小依賴于腐蝕形成的薄膜面積的減小，但在傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，為了滿足靈敏度的要求，腐蝕形成薄膜的面積難以減小，所以芯片也不易減小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種可以減小振膜內(nèi)應(yīng)力，增加背極的剛性，并且能夠減小芯片尺寸的硅傳聲器，其具有高靈敏度、低噪聲、寬頻帶、尺寸小的特性。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提供一種硅傳聲器，為電容式硅傳聲器，包括硅襯底、體硅腐蝕阻擋層、背極、絕緣層、犧牲層、振膜以及金屬電極，其為振膜在上、背極在下的硅傳聲器結(jié)構(gòu)，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜；振膜上設(shè)有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結(jié)構(gòu)充分釋放振膜的內(nèi)應(yīng)力，減小振膜的剛性，提高振膜的機(jī)械靈敏度；振膜上的小孔同時(shí)作為減小聲阻的聲孔和腐蝕犧牲層的孔，以制作出小背極結(jié)構(gòu)，增加背極的剛性，同時(shí)也減小芯片的尺寸。
所述的硅傳聲器，其所述硅襯底中心部有體硅腐蝕形成的背腔，背腔四周圍的硅襯底上表面與阻擋層固連，阻擋層上表面是背極和絕緣層，絕緣層圍于背極四周，背極覆蓋于背腔上口；絕緣層上表面四周圓固連有犧牲層，犧牲層的上表面固接有振膜，振膜的任一邊設(shè)有上金屬電極；為了減小寄生電容，背極和振膜中心上下正對，背極和振膜之間有氣隙，背極邊緣延伸出引線，引線端頭設(shè)有下金屬電極；
背極上設(shè)有大量的聲孔，聲孔排成陣列，且與氣隙直接相通；振膜通過復(fù)數(shù)個(gè)懸梁與周圍邊框相連，各懸梁相互之間設(shè)有懸梁隔離孔；振膜上的復(fù)數(shù)個(gè)凹槽呈環(huán)形分布，振膜邊緣附近有數(shù)排環(huán)狀分布的小孔，小孔和氣隙相通；絕緣層位于腐蝕阻擋層上面、振膜上的凹槽下面，以絕緣振膜和背極。
所述的硅傳聲器，其所述懸梁，為平面結(jié)構(gòu)或者褶皺結(jié)構(gòu)。
所述的硅傳聲器，其所述振膜上的凹槽均勻分布，且與振膜邊緣等距，其底部在沒通電時(shí)，與絕緣層之間有一間隙。
所述的硅傳聲器，其所述背極，位于振膜上的凹槽在其平面上的投影所環(huán)繞的范圍里。
所述的硅傳聲器，其所述振膜上的小孔、懸梁隔離孔和背極上的聲孔，為方形、圓形或多邊形，作減小聲阻及腐蝕犧牲層之用。
所述的硅傳聲器，其所述懸梁的平面結(jié)構(gòu)，為一字形或S形平面；褶皺結(jié)構(gòu)，為連續(xù)的槽狀褶皺。
所述的硅傳聲器，其所述體硅腐蝕阻擋層，為氮化硅或者氧化硅。
所述的硅傳聲器，其所述背極，為單層多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的復(fù)合膜。
所述的硅傳聲器，其所述振膜，為單層多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的復(fù)合膜。
所述的硅傳聲器，其所述背極為單層多晶硅時(shí)，在體硅腐蝕阻擋層上直接制作單層多晶硅，開絕緣槽，以形成背極和絕緣層，再對背極摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極；背極為復(fù)合膜時(shí)，在體硅腐蝕阻擋層上制作多晶硅、氮化硅的的復(fù)合膜，開絕緣槽，以形成背極和絕緣層，對背極最上層的多晶硅摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極。
所述的硅傳聲器，其所述振膜為復(fù)合膜時(shí)，首先在犧牲層上表面制作一層多晶硅，并進(jìn)行磷或硼摻雜，使之成為導(dǎo)電層，將其作為電容式硅傳聲器的上電極；之后，再依次沉積氮化硅、多晶硅層，共同構(gòu)成了振膜；所生長的為壓應(yīng)力的多晶硅、拉應(yīng)力的氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內(nèi)應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來減小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求。
所述的硅傳聲器，其所述犧牲層，為2～4微米厚的二氧化硅。
本發(fā)明的小背極，在材料和厚度相同時(shí)，與大背極相比剛性更好。腐蝕小背極腐蝕開孔相應(yīng)變小，芯片尺寸隨之可以減小。
本發(fā)明具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，芯片的體積小，制作工藝簡單，容易批量實(shí)現(xiàn)。


圖1本發(fā)明電容式硅傳聲器結(jié)構(gòu)剖面圖；圖2本發(fā)明電容式硅傳聲器俯視圖；圖3本發(fā)明中懸梁結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖3a是平面結(jié)構(gòu)懸梁俯視圖，圖3b是褶皺結(jié)構(gòu)懸梁剖面圖；圖4本發(fā)明中背極俯視圖；圖5本發(fā)明中一種背極制作工藝示意圖；圖6本發(fā)明中一種犧牲層制作工藝示意圖；圖7本發(fā)明中一種振膜制作工藝圖示意圖；圖8本發(fā)明中復(fù)合振膜結(jié)構(gòu)示意圖；圖9本發(fā)明中一種硅傳聲器結(jié)構(gòu)剖面圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1～圖4所示，為本發(fā)明的電容式硅傳聲器，其基本結(jié)構(gòu)為在硅襯底21上，依序固接有體硅腐蝕阻擋層22，背極23和絕緣層24、犧牲層25、振膜26、上金屬電極27以及下金屬電極28。其中，硅襯底21中心部有體硅腐蝕形成的背腔36，背腔36四周圍的硅襯底21上表面與阻擋層22固連，阻擋層22上表面是背極23和絕緣層24，絕緣層24圍于背極23四周，背極23覆蓋于背腔36上口。絕緣層24上表面四周圓固連有犧牲層25，犧牲層25的上表面固接有振膜26，振膜26的任一邊設(shè)有上金屬電極27。為了減小寄生電容，背極23和振膜26中心上下正對，背極23邊緣延伸出引線32，引線32端頭設(shè)有下金屬電極28。這樣就形成了振膜26在上，背極23在下的電容結(jié)構(gòu)，振膜26和背極23為導(dǎo)電層或?qū)щ姀?fù)合層，作為電容的兩個(gè)電極，它們分別與各自的上金屬電極27、下金屬電極28相連。
為了減小振膜26的內(nèi)應(yīng)力，在振膜26邊緣設(shè)計(jì)懸梁29與周圍邊框相連，懸梁29包括平面結(jié)構(gòu)和上下褶皺結(jié)構(gòu)兩種，如圖3所示，圖3a為兩種平面結(jié)構(gòu)懸梁的俯視圖，為一字形或S形平面；圖3b為上下褶皺結(jié)構(gòu)懸梁的剖面圖，為連續(xù)的槽狀褶皺。為了進(jìn)一步釋放振膜26的內(nèi)應(yīng)力以及減小振膜26的剛性，在振膜26的邊緣附近設(shè)計(jì)數(shù)排環(huán)狀分布的小孔30，小孔的形狀可以是圓形、方形或者其它多邊形；為了支撐這個(gè)軟振膜26，在其邊緣附近設(shè)計(jì)一圈分布均勻的凹槽31，凹槽31的底部和絕緣層24分離，位于絕緣層24的上面，當(dāng)振膜26和背極23上加電壓后，凹槽31底部壓在絕緣層24上，絕緣層24防止振膜26與背極23導(dǎo)通。背極23位于凹槽31向下投影所環(huán)繞的區(qū)域之內(nèi)，背極23邊緣延伸出引線32。背極23上面設(shè)有數(shù)個(gè)陣列排布的聲孔33，背極23上聲孔和振膜26上的小孔30、懸梁隔離孔34相配合共同減小懸膜振動(dòng)時(shí)的聲阻，同時(shí)也滿足腐蝕犧牲層25，形成氣隙35的需要。這種在振膜26上制作小孔30的設(shè)計(jì)可以有效減小背極23的尺寸，增加背極23的剛度，減小整個(gè)芯片的尺寸。
下面為了使本發(fā)明的結(jié)構(gòu)描述更明確，對實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一種具體工藝過程進(jìn)行說明。
具體的工藝步驟如圖5所示，選用雙面拋光(100)硅片21，首先在硅片21上制作一層腐蝕阻擋層22，腐蝕阻擋層22可為氧化硅、氮化硅材料，其厚度要滿足阻擋體硅腐蝕的要求即可。為了使背極23滿足低應(yīng)力、剛性條件，制作多晶硅和氮化硅的復(fù)合背極23，在腐蝕阻擋層22上交替生長多晶硅和氮化硅層，形成復(fù)合膜且最后一層為多晶硅層。這里以三層復(fù)合膜為例，從下往上依次為多晶硅、氮化硅，多晶硅。一方面可以根據(jù)氮化硅和多晶硅內(nèi)應(yīng)力大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來調(diào)小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求；另一方面可以將復(fù)合膜的總厚度做厚，而不發(fā)生變形或者碎裂，滿足剛性的要求。沿如圖4所示的背極形狀開絕緣槽37，開槽的深度至復(fù)合膜的氮化硅層，絕緣槽37把復(fù)合薄膜隔離成背極23和絕緣層24，對背極23最上層的多晶硅摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極。之后，在背極23上開聲孔33，開孔的深度到腐蝕阻擋層22停止。當(dāng)然，也可以在體硅腐蝕阻擋層22上直接制作單層多晶硅，用上述開絕緣槽37的方法，形成背極23和絕緣層24，再對背極23摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極。
如圖6所示，形成背極23和絕緣層24之后，在上面淀積2～4微米厚的二氧化硅作為犧牲層25。為了制作振膜26上的凹槽31，在犧牲層上刻蝕凹孔38，刻透犧牲層25，到絕緣層24停止。然后，在凹孔底部制作一層薄氧化硅犧牲層39，作為凹槽31與絕緣層24之間的犧牲層，確保在釋放完氧化硅后，振膜26上凹槽31底部與絕緣層24分離。
如圖7所示，在犧牲層25上面制作振膜層，振膜層可以是單層多晶硅，也可以是多晶硅、氮化硅、多晶硅的復(fù)合膜結(jié)構(gòu)。這里以復(fù)合膜作為振膜26為例，如圖8所示，首先制作一層多晶硅26a，并進(jìn)行磷或硼摻雜，使之成為導(dǎo)電層，將其作為電容式硅傳聲器的上電極。之后，再依次沉積氮化硅26b、多晶硅層26c，共同構(gòu)成了振膜層。這里生長的為壓應(yīng)力的多晶硅、拉應(yīng)力的氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內(nèi)應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來減小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求。用刻蝕方法去掉部分振膜層，形成懸梁隔離孔34和小孔30，如圖2所示。
通過刻蝕，使多晶硅層26a和引線32部分暴露，在暴露位置制作上、下金屬電極27、28，并分別與振膜26的導(dǎo)電層26a、背極23相連，如圖2所示。
如圖9所示，從硅片21背面對應(yīng)背極23的部分開孔，保護(hù)正面，利用濕法氫氧化鉀溶液進(jìn)行體硅腐蝕。腐蝕到阻擋層22停止，然后再刻蝕去掉阻擋層22，形成了背腔36。最后，經(jīng)過聲孔33和小孔30、隔離孔34，用氫氟酸干法或者濕法腐蝕去掉振膜下面的二氧化硅犧牲層25，在振膜26和背極23之間形成氣隙35，此時(shí)振膜26成為了有懸梁29支撐的懸膜結(jié)構(gòu)。形成了振膜26在上、小背極23在下的電容式硅傳聲器。
以上附圖所示和本發(fā)明的詳細(xì)描述，是本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例，它并不將本發(fā)明局限于此實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種硅傳聲器，為電容式硅傳聲器，包括硅襯底、體硅腐蝕阻擋層、背極、絕緣層、犧牲層、振膜以及金屬電極，其特征在于為振膜在上、背極在下的硅傳聲器結(jié)構(gòu)，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜；振膜上設(shè)有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結(jié)構(gòu)充分釋放振膜的內(nèi)應(yīng)力，減小振膜的剛性，提高振膜的機(jī)械靈敏度；振膜上的小孔同時(shí)作為減小聲阻的聲孔和腐蝕犧牲層的孔，以制作出小背極結(jié)構(gòu)，增加背極的剛性，同時(shí)也減小芯片的尺寸。
2.如權(quán)利要求1所述的硅傳聲器，其特征在于所述硅襯底中心部有體硅腐蝕形成的背腔，背腔四周圍的硅襯底上表面與阻擋層固連，阻擋層上表面是背極和絕緣層，絕緣層圍于背極四周，背極覆蓋于背腔上口；絕緣層上表面四周圓固連有犧牲層，犧牲層的上表面固接有振膜，振膜的任一邊設(shè)有上金屬電極；為了減小寄生電容，背極和振膜中心上下正對，背極和振膜之間有氣隙，背極邊緣延伸出引線，引線端頭設(shè)有下金屬電極；背極上設(shè)有大量的聲孔，聲孔排成陣列，且與氣隙直接相通；振膜通過復(fù)數(shù)個(gè)懸梁與周圍邊框相連，各懸梁相互之間設(shè)有懸梁隔離孔；振膜上的復(fù)數(shù)個(gè)凹槽呈環(huán)形分布，振膜邊緣附近有數(shù)排環(huán)狀分布的小孔，小孔和氣隙相通；絕緣層位于腐蝕阻擋層上面、振膜上的凹槽下面，以絕緣振膜和背極。
3.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述懸梁，為平面結(jié)構(gòu)或者褶皺結(jié)構(gòu)。
4.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述振膜上的凹槽均勻分布，且與振膜邊緣等距，其底部在沒通電時(shí)，與絕緣層之間有一間隙。
5.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述背極，位于振膜上的凹槽在其平面上的投影所環(huán)繞的范圍里。
6.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述振膜上的小孔、懸梁隔離孔和背極上的聲孔，為方形、圓形或多邊形，作減小聲阻及腐蝕犧牲層之用。
7.如權(quán)利要求3所述的硅傳聲器，其特征在于所述懸梁的平面結(jié)構(gòu)，為一字形或S形平面；褶皺結(jié)構(gòu)，為連續(xù)的槽狀褶皺。
8.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述體硅腐蝕阻擋層，為氮化硅或者氧化硅。
9.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述背極，為單層多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的復(fù)合膜。
10.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述振膜，為單層多晶硅或者是多晶硅、氮化硅形成的復(fù)合膜。
11.如權(quán)利要求9所述的硅傳聲器，其特征在于所述背極為單層多晶硅時(shí)，在體硅腐蝕阻擋層上直接制作單層多晶硅，開絕緣槽，以形成背極和絕緣層，再對背極摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極；背極為復(fù)合膜時(shí)，在體硅腐蝕阻擋層上制作多晶硅、氮化硅的復(fù)合膜，開絕緣槽，以形成背極和絕緣層，對背極最上層的多晶硅摻雜磷或者硼，形成n型或p型導(dǎo)體，作為電容的下電極。
12.如權(quán)利要求10所述的硅傳聲器，其特征在于所述振膜為復(fù)合膜時(shí)，首先在犧牲層上表面制作一層多晶硅，并進(jìn)行磷或硼摻雜，使之成為導(dǎo)電層，將其作為電容式硅傳聲器的上電極；之后，再依次沉積氮化硅、多晶硅層，共同構(gòu)成了振膜；所生長的為壓應(yīng)力的多晶硅、拉應(yīng)力的氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內(nèi)應(yīng)力的大小，調(diào)節(jié)它們的厚度比來減小復(fù)合膜內(nèi)應(yīng)力，達(dá)到低應(yīng)力的要求。
13.如權(quán)利要求1或2所述的硅傳聲器，其特征在于所述犧牲層，為2～4微米厚的二氧化硅。
全文摘要
本發(fā)明硅傳聲器，是一種工藝簡單的電容式硅傳聲器，其為振膜在上、背極在下的硅傳聲器結(jié)構(gòu)，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜。振膜上設(shè)有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結(jié)構(gòu)充分釋放振膜的內(nèi)應(yīng)力，減小振膜的剛性，提高振膜的機(jī)械靈敏度；這些小孔同時(shí)作為減小聲阻的聲孔和腐蝕犧牲層的孔，可以制作出小背極結(jié)構(gòu)，增加背極的剛性，同時(shí)也可以減小芯片的尺寸。本發(fā)明具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，芯片的體積小，制作工藝簡單，容易批量實(shí)現(xiàn)。
文檔編號H04R19/01GK1968547SQ200510114889
公開日2007年5月23日 申請日期2005年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年11月18日
發(fā)明者宋青林, 喬峰, 梅嘉欣 申請人:青島歌爾電子有限公司