專利名稱：硅傳聲器的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及傳聲器技術領域，特別涉及電容式硅傳聲器結構及其制作工藝。
背景技術：
1983年Royer在硅片上制作出第一個傳聲器，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，更重要的是具有很寬工作溫度，可適用于SMT等自動化生產(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，它將會開拓傳聲器更為廣泛的應用空間。
電容式硅傳聲器是在硅片上利用微機械加工技術制作出來的一種聲傳感器，其功能結構是由振膜和背極組成的電容。振膜的內應力直接影響著傳聲器的靈敏度，內應力越大靈敏度越低，低內應力振膜對制作傳聲器產(chǎn)品來講至關重要。對低應力振膜的研究已有很多，從效果來看，采用自由振膜結構可以完全消除振膜的內應力，但是同時還要考慮工藝實現(xiàn)難易問題。權衡工藝難度和振膜靈敏度的改善效果兩個方面，采用低應力振膜與襯底局部相連是不錯的方法。
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，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，硅傳聲器芯片在進一步小型化時也存在難度。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，封裝技術不斷的進步，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)的設計結構難以實現(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57.4度腐蝕角，背面開孔邊長a的計算公式如下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。背面腐蝕開口會比腐蝕形成的薄膜面積大的多，處于芯片結構的最外邊?？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)的設計中，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)明內容
本實用新型的目的是為了解決現(xiàn)有技術存在的問題，提供一種可以減小振膜內應力，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。
為達到上述目的，本實用新型的技術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構，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜；振膜上設有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結構充分釋放振膜的內應力，減小振膜的剛性，提高振膜的機械靈敏度；振膜上的小孔同時作為減小聲阻的聲孔和腐蝕犧牲層的孔，以制作出小背極結構，增加背極的剛性，同時也減小芯片的尺寸。
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，引線端頭設有下金屬電極；背極上設有大量的聲孔，聲孔排成陣列，且與氣隙直接相通；振膜通過復數(shù)個懸梁與周圍邊框相連，各懸梁相互之間設有懸梁隔離孔；振膜上的復數(shù)個凹槽呈環(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，為平面結構或者褶皺結構。
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，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構，為一字形或S形平面；褶皺結構，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、氮化硅形成的復合膜。
所述的硅傳聲器，其所述背極為單層多晶硅時，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23摻雜磷或者硼，形成n型或p型導體，作為電容的下電極；背極為復合膜時，在體硅腐蝕阻擋層上制作多晶硅、氮化硅的的復合膜，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型導體，作為電容的下電極。
所述的硅傳聲器，其所述振膜為復合膜時，首先在犧牲層上表面制作一層多晶硅，并進行磷或硼摻雜，使之成為導電層，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，共同構成了振膜；所生長的為壓應力的多晶硅、拉應力的氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內應力的大小，調節(jié)它們的厚度比來減小復合膜內應力，達到低應力的要求。
所述的硅傳聲器，其所述犧牲層，為2～4微米厚的二氧化硅。
本實用新型的小背極，在材料和厚度相同時，與大背極相比剛性更好。腐蝕小背極腐蝕開孔相應變小，芯片尺寸隨之可以減小。
本實用新型具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，芯片的體積小，制作工藝簡單，容易批量實現(xiàn)。


圖1本實用新型電容式硅傳聲器結構剖面圖；圖2本實用新型電容式硅傳聲器俯視圖；圖3本實用新型中懸梁結構示意圖，其中，圖3a是平面結構懸梁俯視圖，圖3b是褶皺結構懸梁剖面圖；圖4本實用新型中背極俯視圖；圖5本實用新型中一種背極制作工藝示意圖；圖6本實用新型中一種犧牲層制作工藝示意圖；圖7本實用新型中一種振膜制作工藝圖示意圖；圖8本實用新型中復合振膜結構示意圖；圖9本實用新型中一種硅傳聲器結構剖面圖。
具體實施方式
如圖1～圖4所示，為本實用新型的電容式硅傳聲器，其基本結構為在硅襯底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在下的電容結構，振膜26和背極23為導電層或導電復合層，作為電容的兩個電極，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的內應力，在振膜26邊緣設計懸梁29與周圍邊框相連，懸梁29包括平面結構和上下褶皺結構兩種，如圖3所示，圖3a為兩種平面結構懸梁的俯視圖，為一字形或S形平面；圖3b為上下褶皺結構懸梁的剖面圖，為連續(xù)的槽狀褶皺。為了進一步釋放振膜26的內應力以及減小振膜26的剛性，在振膜26的邊緣附近設計數(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；為了支撐這個軟振膜26，在其邊緣附近設計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導通。背極23位于凹槽31向下投影所環(huán)繞的區(qū)域之內，背極23邊緣延伸出引線32。背極23上面設有數(shù)個陣列排布的聲孔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時的聲阻，同時也滿足腐蝕犧牲層25，形成氣隙35的需要。這種在振膜26上制作小孔30的設計可以有效減小背極23的尺寸，增加背極23的剛度，減小整個芯片的尺寸。
下面為了使本實用新型的結構描述更明確，對實現(xiàn)本實用新型的一種具體工藝過程進行說明。
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滿足低應力、剛性條件，制作多晶硅和氮化硅的復合背極23，在腐蝕阻擋層22上交替生長多晶硅和氮化硅層，形成復合膜且最后一層為多晶硅層。這里以三層復合膜為例，從下往上依次為多晶硅、氮化硅，多晶硅。一方面可以根據(jù)氮化硅和多晶硅內應力大小，調節(jié)它們的厚度比來調小復合膜內應力，達到低應力的要求；另一方面可以將復合膜的總厚度做厚，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，開槽的深度至復合膜的氮化硅層，絕緣槽37把復合薄膜隔離成背極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、多晶硅的復合膜結構。這里以復合膜作為振膜26為例，如圖8所示，首先制作一層多晶硅26a，并進行磷或硼摻雜，使之成為導電層，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，共同構成了振膜層。這里生長的為壓應力的多晶硅、拉應力的氮化硅，根據(jù)多晶硅和氮化硅層內應力的大小，調節(jié)它們的厚度比來減小復合膜內應力，達到低應力的要求。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背面對應背極23的部分開孔，保護正面，利用濕法氫氧化鉀溶液進行體硅腐蝕。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，此時振膜26成為了有懸梁29支撐的懸膜結構。形成了振膜26在上、小背極23在下的電容式硅傳聲器。
以上附圖所示和本實用新型的詳細描述，是本實用新型的一優(yōu)選實施例，它并不將本實用新型局限于此實施例。
權利要求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構，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜；振膜上設有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結構充分釋放振膜的內應力，減小振膜的剛性，提高振膜的機械靈敏度；振膜上的小孔同時作為減小聲阻的聲孔和腐蝕犧牲層的孔，以制作出小背極結構，增加背極的剛性，同時也減小芯片的尺寸。
2.如權利要求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，引線端頭設有下金屬電極；背極上設有大量的聲孔，聲孔排成陣列，且與氣隙直接相通；振膜通過復數(shù)個懸梁與周圍邊框相連，各懸梁相互之間設有懸梁隔離孔；振膜上的復數(shù)個凹槽呈環(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，為平面結構或者褶皺結構。
4.如權利要求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，與絕緣層之間有一間隙。
5.如權利要求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.如權利要求3所述的硅傳聲器，其特征在于所述懸梁的平面結構，為一字形或S形平面；褶皺結構，為連續(xù)的槽狀褶皺。
8.如權利要求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、氮化硅形成的復合膜。
10.如權利要求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、氮化硅形成的復合膜。
11.如權利要求9所述的硅傳聲器，其特征在于所述背極為單層多晶硅時，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型導體，作為電容的下電極；背極為復合膜時，在體硅腐蝕阻擋層上制作多晶硅、氮化硅的的復合膜，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型導體，作為電容的下電極。
12.如權利要求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。
專利摘要本實用新型硅傳聲器，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構，振膜通過懸梁與周圍邊框相連，振膜上有凹槽支撐振膜。振膜上設有無數(shù)小孔，配合懸臂梁結構充分釋放振膜的內應力，減小振膜的剛性，提高振膜的機械靈敏度；這些小孔同時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構，增加背極的剛性，同時也可以減小芯片的尺寸。本實用新型具有高靈敏度、低噪聲、頻帶寬的特性，芯片的體積小，制作工藝簡單，容易批量實現(xiàn)。
文檔編號H04R31/00GK2935691SQ20062008448
公開日2007年8月15日 申請日期2006年5月22日 優(yōu)先權日2006年5月22日
發(fā)明者宋青林, 梅嘉欣 申請人:濰坊歌爾電子有限公司