專利名稱：含預(yù)定張力的膜的轉(zhuǎn)換器的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有預(yù)定張力的膜片的轉(zhuǎn)換器，諸如話筒的制造方法。多數(shù)話筒都有一個(gè)膜片，它由于聲壓的作用而運(yùn)動(dòng)，如電動(dòng)式、壓電式，壓電電阻式或電容式讀出的話筒。本發(fā)明的方法適用于所有這類帶膜片的轉(zhuǎn)換器。
特別指出的是，電容式話筒具有膜片或隔膜作為其基本部件，這些部件安裝于信號(hào)板附近。膜片沿其周圍固定并可由于作用于其表面的聲壓而運(yùn)動(dòng)或撓曲。膜片和信號(hào)板一起組成一個(gè)電容器，當(dāng)膜片由于聲壓而發(fā)生撓曲，電容器的電容會(huì)發(fā)生變化。在使用中，相應(yīng)于直流電壓的電荷使電容器充電，當(dāng)聲壓的變化使電容改變時(shí)，聲壓變化產(chǎn)生的交流電壓會(huì)疊加在直流電壓上。這個(gè)交流電壓即作為來(lái)自話筒的輸出信號(hào)。
帶較低張力的膜片很“軟”，并且比有較高張力的膜片產(chǎn)生更大的撓曲，從而導(dǎo)致更高的靈敏度，而這正是所需要的。因此，這種話筒的膜片應(yīng)明確地具有低張力。
許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了顯微機(jī)械加工的話筒，它應(yīng)用于通訊及聽(tīng)覺(jué)產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)。而這種顯微機(jī)加話筒在設(shè)計(jì)和制造中最具挑戰(zhàn)性的問(wèn)題之一就是膜片的可控低張力。人們提出了各種聲音探測(cè)原理，如電容性，壓電式，壓電電阻式，光學(xué)式及隧道式讀取等。它們中的多數(shù)需要一種低于50N/m的膜片。需要特別說(shuō)明的是，對(duì)于電池供電帶幾伏低偏壓的電容性話筒來(lái)說(shuō)，則需要非常精確地控制膜片內(nèi)的應(yīng)力級(jí)。
通常情況下，膜片粘于金屬框，利用框邊緣的負(fù)荷來(lái)調(diào)整膜片的張力。這種方法不適合于顯微機(jī)加工技術(shù)。
在顯微技術(shù)中，可通過(guò)以下方法來(lái)調(diào)節(jié)膜片張力開(kāi)發(fā)新型材料(如富含硅的氧化硅)，新的沉積技術(shù)(如等離子體增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積)、新式沉積條件(如改變低壓化學(xué)汽相淀積爐內(nèi)的溫度)、或后繼溫度處理(退火處理)等。懸掛膜片也可減輕張力，例如，通過(guò)皺褶、鉸接、彈簧，或在最極端的情況下懸掛極板。
然而，目前顯微技術(shù)中使用的方法或是對(duì)話筒在上述應(yīng)用中沒(méi)有足夠的重復(fù)性和可控制性或產(chǎn)生其它技術(shù)問(wèn)題，例如由于膜片內(nèi)應(yīng)力分布/梯度而使懸掛裝置和膜片彎曲。
“傳感器和調(diào)節(jié)器”A.31，1992，90-96描述了一種轉(zhuǎn)換器，它具有一種復(fù)合膜，由分別具有內(nèi)壓應(yīng)力和內(nèi)張應(yīng)力的兩層組成。它還指出，通過(guò)改變層的相對(duì)厚度，可控制內(nèi)部合應(yīng)力。但沒(méi)有披露這樣做的方法。
本發(fā)明提出了一種新方法在話筒顯微機(jī)加工過(guò)程中或以后，可以將膜片應(yīng)力調(diào)整為預(yù)先設(shè)置的值。
由本發(fā)明方法制做的話筒膜片是一個(gè)兩層或多層(多層，迭層，或復(fù)合層)的夾層結(jié)構(gòu)。它沉積在堅(jiān)固或剛性的基片上。在基片上蝕刻一個(gè)孔，將多層結(jié)構(gòu)跨孔而放即形成膜片。一般地講，膜片各層具有不同的應(yīng)力等級(jí)。比如，有壓應(yīng)力材料層和拉應(yīng)力材料層，但各層可同時(shí)具有壓應(yīng)力或拉應(yīng)力。通過(guò)選擇這些材料合適的厚度比例，可獲得所希望的張力級(jí)別(張力＝應(yīng)力×厚度)。厚些的拉力層使膜片的總拉力趨于更強(qiáng)，而厚一些的壓應(yīng)力材料使壓應(yīng)力趨于加強(qiáng)。
根據(jù)本發(fā)明的方法調(diào)整各層厚度比例，可比其它方式更能精確地控制張力以達(dá)到一定的應(yīng)力或張力級(jí)別。這是因?yàn)?，在顯微技術(shù)領(lǐng)域厚度向小幾乎可控制到原子級(jí)別。它可在穩(wěn)定的狀況下沉積各層而材料的機(jī)械性質(zhì)幾乎沒(méi)有變化。調(diào)節(jié)合適的應(yīng)力級(jí)別是通過(guò)正確地混合不同的材料而不是選擇材料的性質(zhì)。此外，選擇膜片的總厚度與應(yīng)力/張力級(jí)別無(wú)關(guān)。
沉積各層后，通過(guò)改變外部?jī)蓪踊蚱渲幸粚拥暮穸?，可改變總?yīng)力。已知的方法可做到這一點(diǎn)。比如通過(guò)干式或濕式蝕刻來(lái)從外層除去材料，或通過(guò)沉積/吸收材料來(lái)加厚外層。外層的沉積或蝕刻將改變厚度比例。復(fù)合膜片的應(yīng)力或張力級(jí)別也因此改變。蝕刻方法可以是濕式蝕刻，使用試劑如HF，磷酸，KOH等；或干式蝕刻法，如活性離子蝕刻。可容易地得到低蝕刻率以維持受控、準(zhǔn)確和均勻地除去材料。沉積方法調(diào)節(jié)包括物理和化學(xué)汽相淀積。
根據(jù)本發(fā)明用于批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換器的方法很精確并可重復(fù)。同一批內(nèi)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換器偏差很小。這就意味著，按所要求的方法在調(diào)整張力前不必要測(cè)量每個(gè)轉(zhuǎn)換器上的實(shí)際膜片張力。在每批內(nèi)選擇的晶片上，只要對(duì)選擇的轉(zhuǎn)換器測(cè)量實(shí)際膜片張力就行了。運(yùn)用足夠準(zhǔn)確和可預(yù)測(cè)的工藝，甚至不需要測(cè)量每批轉(zhuǎn)換器膜片實(shí)際張力。
由此制成的膜片可用于多種類型的轉(zhuǎn)換器，如電容器話筒和其它類型話筒。特別地用于基于半導(dǎo)體技術(shù)的顯微機(jī)加話筒、電池供電設(shè)備話筒，高靈敏話筒以及高信噪比話筒。
以下舉例并參考


本發(fā)明。
圖1是電容話筒的剖面圖，圖2示意在膜片調(diào)整厚度中圖1的話筒。
圖1的話筒具有以下結(jié)構(gòu)?；?0通過(guò)它與膜片11之間的中間墊層12來(lái)承載膜片或隔膜11。在膜片的另一面有中間隔層14，在其上有信號(hào)板13。膜片具有三層11a、11b和11c。
基片10由大塊晶態(tài)硅組成。信號(hào)板13由多晶硅組成。墊層12和14由電絕緣材料組成，在本例中為二氧化硅(SiO2)。而膜片的三層中，中間層11b由多晶硅組成，而兩個(gè)外層11a和11b由氮化硅組成。膜片11很薄，張力很小，因此它很“軟”，相對(duì)于所示的位置可動(dòng)。在此位置處于平衡狀態(tài)。
在信號(hào)板13與膜片11之間絕緣隔層14提供一個(gè)空隙15。信號(hào)板13有一些孔16，使聲音達(dá)到空隙15和膜片11。在膜片的另一面有一個(gè)底腔17，這是基片中的一個(gè)孔洞17。如需要，該孔洞可出于聲學(xué)方面的目的連接于更大的體積。
膜片11和信號(hào)板13都是可導(dǎo)電的，它們一起組成了一個(gè)電容。聲音穿入信號(hào)板13內(nèi)的孔16到達(dá)膜片11，使膜片響應(yīng)聲壓而產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)。因此，話筒的電容量會(huì)相應(yīng)地變化，這是因?yàn)榭障稕Q定電容量。在工作中，由膜片11和信號(hào)板13組成的電容器以相應(yīng)于直流電壓的電荷充電；當(dāng)電容量響應(yīng)變化的聲壓而改變時(shí)，對(duì)應(yīng)聲壓變化的交流電壓將疊加在直流電壓上。該交流電壓即為話筒的輸出信號(hào)。
制造圖1所示結(jié)構(gòu)的話筒及上述結(jié)構(gòu)的話筒的方法主要涉及已知的技術(shù)。多晶硅本身是一種半導(dǎo)體；但如需要可通過(guò)摻入合適的雜質(zhì)如硼(B)或磷(P)制成導(dǎo)體。膜片兩個(gè)外層11a和11c由氮化硅構(gòu)成，它與膜片中間層中摻硼或摻磷的多晶硅結(jié)合在一起特別有利。這一點(diǎn)以后會(huì)解釋。
如圖所示，由摻硼或磷多晶硅組成的膜片中間層11b的內(nèi)壓應(yīng)力σ＜0；而由氮化硅組成的兩個(gè)外層11a和11c都有拉應(yīng)力σ＞0，它們不必具有同樣的大小。膜片的總張力或合張力為11a、11b和11c3層張力的和。在每一層，應(yīng)力取決于兩個(gè)因素。一個(gè)因素是淀積或制做層時(shí)所采用的技術(shù)，由此產(chǎn)生的應(yīng)力叫做固有應(yīng)力。另一個(gè)因素是由不同材料熱膨脹系數(shù)的差異而引起的應(yīng)力，稱作熱應(yīng)力。正象以下解釋的那樣，兩種應(yīng)力影響均可控制。
固有應(yīng)力可由以下方法釋放。固定膜片的隔層材料含二氧化硅，這是一種具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的玻璃狀物質(zhì)。通過(guò)加熱圖1所示的單個(gè)話筒，或者是包括幾個(gè)一樣的話筒的整個(gè)晶片，將其加熱超過(guò)隔層材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度，隔層材料將會(huì)變得粘稠并失去其硬度。因此，在這種狀態(tài)下，膜片內(nèi)的張力將完全釋放，這是因?yàn)檎吵淼母魧硬牧喜荒軅鬟f任何應(yīng)變。接下來(lái)，晶片冷卻下來(lái)。在冷卻中，隔層材料將凝固，在低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，膜片將再次被固定。在低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度的冷卻過(guò)程中，由于熱膨脹和收縮，膜片會(huì)重新獲得一些張力，這是由于材料的性質(zhì)決定的，即上述所說(shuō)的熱應(yīng)力。
下述方法可以控制熱應(yīng)力。首先，測(cè)量實(shí)際張力和膜片厚度，計(jì)算實(shí)際應(yīng)力?？紤]實(shí)際應(yīng)力，通過(guò)計(jì)算必要的厚度調(diào)節(jié)以達(dá)到所需的張力。有幾種適用的方法可測(cè)量實(shí)際膜片張力。
一種測(cè)量方法涉及給話筒膜片加壓使其隆起，即使膜片產(chǎn)生單向撓曲。在實(shí)踐中，可通過(guò)加壓晶片上的實(shí)驗(yàn)?zāi)て瑏?lái)實(shí)現(xiàn)。圖2表示一束光18，最好是一束激光投向試驗(yàn)?zāi)て?。這個(gè)工作是在非加壓并也在加壓狀態(tài)下進(jìn)行。激光束18會(huì)在膜片表面形成反射。加壓形成的膜片隆起可由自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)記錄。當(dāng)知道膜片的撓曲和造成隆起的氣壓，就可計(jì)算膜片的實(shí)際張力。
在另一種測(cè)量張力的方法中，膜片被激發(fā)而振蕩?？捎秒娀驒C(jī)械的形式產(chǎn)生這種激發(fā)。當(dāng)以脈沖短時(shí)間激發(fā)膜片時(shí)，膜片以共振頻率振蕩，這種共振頻率可被測(cè)出。激發(fā)信號(hào)也可是正弦振蕩力或電壓，掃描所關(guān)心的整個(gè)頻率范圍以測(cè)量共振頻率。當(dāng)知道了膜片的共振頻率，它可與膜片的其它機(jī)械參數(shù)如尺寸和材質(zhì)等一道用于計(jì)算膜片的實(shí)際張力。
第三種求張力的方法是在晶片上使用實(shí)驗(yàn)裝置，它起應(yīng)變儀的作用。
當(dāng)知道了膜片的實(shí)際張力和厚度，可計(jì)算實(shí)際應(yīng)力。然后可計(jì)算要調(diào)節(jié)出多少厚度以得到所需的張力。
話筒最好這時(shí)具有較厚的膜片，因此具有較高的張力。從上述計(jì)算所需厚度得知，接下來(lái)的蝕刻工藝能除去多少材料；該工藝可以是干式或濕式的。如圖3，具有拉應(yīng)力的11a被蝕刻。這是一個(gè)經(jīng)良好控制的慢慢蝕刻的過(guò)程，直到根據(jù)計(jì)算的量精確地蝕刻掉層11a所需的部分，膜片即得到預(yù)定的張力。
如果膜片張力太低，具有拉應(yīng)力的額外材料可由已知方法沉積以得到預(yù)定張力。
另一方面，如果膜片只有具有相反內(nèi)應(yīng)力的兩層，蝕刻具有壓應(yīng)力的那一層以增加張力。
總之，用此方法，蝕刻具有相對(duì)壓應(yīng)力的一層或沉積具有相對(duì)拉應(yīng)力的材料，可使膜片獲得較高的張力。相應(yīng)地，蝕刻具有相對(duì)拉應(yīng)力的一層或沉積相對(duì)壓應(yīng)力的材料，可使膜片獲得較低的張力。
上述釋放材料應(yīng)力和控制熱應(yīng)力的方法可相互獨(dú)立地進(jìn)行?？梢灾皇褂闷渲械囊环N方法而不用另一種方法，也可兩種結(jié)合起來(lái)使用。
權(quán)利要求
1.一種制造具有膜片(11)和基片(10)的微型機(jī)加工的轉(zhuǎn)換器的方法，其中，膜(11)保持在相對(duì)基片(10)的預(yù)定位置上并隔開(kāi)；在這個(gè)位置上，膜片(11)處于平衡狀態(tài)并具有預(yù)定張力使膜片(11)在平衡位置附近運(yùn)動(dòng)。該方法包括以下步驟提供基片(10)，提供保持在相對(duì)于基片(10)預(yù)定位置上的膜片(11)，以及在預(yù)定位置上，調(diào)節(jié)膜片(11)以獲得預(yù)定張力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，膜片通過(guò)具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的物質(zhì)(12，14)保持；該方法進(jìn)一步包括將該物質(zhì)(12，14)加熱到至少達(dá)到玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的物質(zhì)(12，14)是SiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，還包括以下步驟測(cè)量膜片(11)的張力，以及調(diào)節(jié)膜片(11)的厚度以得到預(yù)定的張力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，通過(guò)蝕刻膜片(11)的表面來(lái)調(diào)整膜片(11)的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，通過(guò)在膜片(11)表面沉積材料來(lái)調(diào)整膜片(11)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，膜片(11)至少有兩層(11a，11b，11c)并各具有不同的應(yīng)力性質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，膜片(11)具有中間層(11b)，由多晶硅組成；以及分別在兩側(cè)的外層(11a，11c)，由氮化硅組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括步驟加壓膜片(11)以使其撓曲，測(cè)量膜片(11)的撓曲，根據(jù)測(cè)得的撓曲計(jì)算膜片(11)的張力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，光束(18)投射到膜片上并從膜片上反射，膜片的撓曲造成反射光束(18)改變，并且根據(jù)光束(18)的改變計(jì)算膜片的撓曲。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括步驟激發(fā)膜片(11)使其振動(dòng)，測(cè)量膜片(11)的共振頻率，根據(jù)測(cè)得的共振頻率計(jì)算膜片(11)的張力。
全文摘要
含預(yù)定張力膜(11)的轉(zhuǎn)換器的制造方法。在轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)制成后,調(diào)整膜片使之具有預(yù)定張力,此張力最好較低,以便獲得較高的靈敏度。公開(kāi)了兩個(gè)實(shí)施方案。一種方法包括加熱轉(zhuǎn)換器,使之高于固定膜片的材料(12,14)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。另一種包括測(cè)量膜片的實(shí)際張力,可用于計(jì)算膜片厚度的調(diào)整量以達(dá)到要求的張力。
文檔編號(hào)H04R19/04GK1308832SQ99808419
公開(kāi)日2001年8月15日 申請(qǐng)日期1999年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月11日
發(fā)明者馬西爾斯·穆倫伯恩, 皮爾敏·羅姆巴奇 申請(qǐng)人:微電子公司