專利名稱：帶有附加極板的可變形彈性薄膜電容器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種帶有附加極板的可變形彈性薄膜電容器件，屬微機(jī)電器件領(lǐng)域。
目前已有的微型電容式彈性薄膜器件種類很多，其薄膜結(jié)構(gòu)大多與圖1所示的美國專利U.S.Patent 4203128相同。圖1中01是帶有硅薄膜的硅片，03是硅片，02是厚度為1μ的sio2間隔絕緣層。兩硅片即是電容器的兩個(gè)極板，間距僅為1μ因而整個(gè)器件可以做得很小而仍具有較大的本底電容量。但用這種薄膜結(jié)構(gòu)制成的電容式微機(jī)電器件有一個(gè)共同性的問題—電容相對變化量較小。因?yàn)闊o論是在機(jī)械外力還是在電場力作用下薄膜形變位移時(shí)，越是靠近膜的邊緣部分。其位移越小直至為零。這種情況極大地降低了器件的靈敏度。
本發(fā)明的目的是提出一種新的微小極間距彈性薄膜電容結(jié)構(gòu)。采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的彈性薄膜電容式微機(jī)電器件不但外型小而且靈敏度高。
本發(fā)明的內(nèi)容是帶有附加極板的可變形彈性薄膜電容器件由帶有厚邊框的彈性薄膜，固支在彈性薄膜中心部位的附加電容極板以及另一電容極板組成。附加極板僅與彈性薄膜中心部位保持很小的接觸面積且附加極板的面積可大于彈性薄膜的面積。另一電容極板與附加極板保持微小間距，它可以是導(dǎo)電性的平基片，也可以是另一個(gè)彈性薄膜上帶有附加極板的基片。
本發(fā)明的帶有附加極板的周邊固支可變形彈性薄膜電容器件，當(dāng)彈性薄膜在外界壓力或電場力作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，附著在彈性薄膜中心部位的附加極板產(chǎn)生最大位移而保持原有形狀，與彈性薄膜本身作為電容器極板的情況相比，前者顯然會(huì)產(chǎn)生大得多的電容量的變化，從而極大地提高器件的靈敏度而相對降底器件固有的各種漂移從而明顯提高器件的性能。


圖1是已有技術(shù)示意圖。
圖2-圖11是本發(fā)明的8個(gè)實(shí)施例。
圖12-圖15是本發(fā)明基本制造過程示意圖。
圖17-圖20是本發(fā)明的另外4個(gè)實(shí)施例。
下面結(jié)合附圖詳細(xì)介紹本發(fā)明的內(nèi)容。
圖2是本發(fā)明的第一個(gè)實(shí)施例。圖中1是帶有硅薄膜的硅片，2是Sio2絕緣層，3是帶有凹坑的硅片，4是帶有中心支點(diǎn)的附加電容電極板。極板4的中心支點(diǎn)固定在硅薄膜的中心部位，故當(dāng)薄膜形變時(shí)，附加電極板4的位移與硅薄膜中心部位的最大位移相等，而且由于附加極板的支點(diǎn)橫截面積很小，又處于薄膜中心部位所以位移過程中它的形狀始終不變。只要硅片3凹坑深度適當(dāng)，使附加電極4與作為另一容極板的凹坑底部之間具有微小極間距，就可以使該器件僅有很小的體積而同時(shí)具有大的本底電容量及電容相對變化量。如圖2所示，附加極板4的面積大于硅薄膜的面積，這不但可使硅薄膜的邊框更牢固從而減少遲滯并且加大了器件的電容相對變化量，而且還減少了Sio2絕緣層的面積提高了器件長期穩(wěn)定性。
圖3是本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例。它由圖2所示的單獨(dú)器件陣列化并聯(lián)而成。這樣制成的器件具有更大的本底電容量以便于用較簡單的驅(qū)動(dòng)電路獲得更高的分辯率，還提高了產(chǎn)品的一致性。
圖4-圖6是本發(fā)明的第三個(gè)實(shí)施例。圖中附加極板5與附加極板4的區(qū)別是它為多個(gè)單獨(dú)的彈性薄膜所共有。硅片3的凹坑內(nèi)有高度與邊框相等的截頂金字塔狀突起，突起通過附加極板5上的開孔支撐在硅片1薄膜之間的位置。這種結(jié)構(gòu)的器件的本底電容量及電容相對變化量進(jìn)一步加大或者是在保證一定電容量的基礎(chǔ)上把器件的橫截面做得更小。圖5中可見附加極板5上的方形開孔。圖中的方形黑點(diǎn)為附加電極5的支點(diǎn)也即它與硅薄膜的接點(diǎn)。圖6為硅片3的截面圖。從A-A斷面沿箭頭方向觀看整個(gè)器件，即可見到圖4所示的截面圖。2為Sio2間隔絕緣層。
圖7是本發(fā)明的第4個(gè)實(shí)施例。圖中硼硅玻璃7代替了硅片3，其上的導(dǎo)電層8是電容的另一極板。圖中6為兩電容極板之間的間隔絕緣層，它可以由硅片氧化出的Sio2層光刻形成，也可以是低熔點(diǎn)玻璃層。
圖8是本發(fā)明的第5個(gè)實(shí)施例。該器件由兩片帶有硅薄膜的硅片1組成，薄膜上都有附加極板4以進(jìn)一步提高其電容相對變化量。同樣6既可以是Sio2層也可以是低熔點(diǎn)玻璃層。
圖9是本發(fā)明的第六個(gè)實(shí)施例。圖中作為電容極板之一的硅片9的截頂金字塔型突出部伸入到附加極板10的凹坑內(nèi)以保證較大的本底電容量。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)是彈性薄膜外表面平整對外界干撓小。圖中2是Sio2絕緣間隔層。
圖10是本發(fā)明的第七個(gè)實(shí)施例。圖中硼硅玻璃7上的金屬導(dǎo)電層8是電容極板之一。附加極板11與圖9中的附加極板10的區(qū)別是它伸出硅片1的凹坑且伸出部分與硅片平面平行。這種結(jié)構(gòu)可用平極板7代替帶有突出部的極板9，更主要是它進(jìn)一步減少了薄膜面積從而在不增加器件面積的情況下使邊框部分更堅(jiān)固，而更堅(jiān)固的邊框則降低了對間隔絕緣層6的強(qiáng)度要求，甚至使用簡單的有機(jī)粘接劑粘接基片6和硅片1也可使該器件的遲滯很小?；?當(dāng)然也可用平硅片代替。
圖11是本發(fā)明第八個(gè)實(shí)施例。本實(shí)施例的特點(diǎn)是硅片1的薄膜兩側(cè)都具有附加極板4。把絕緣層2和6的開口(圖中未畫出)分別連通到不同部位，可用來測量這兩處的壓力差，也可使兩個(gè)腔體中的一個(gè)密封，從而成為測量絕對壓力的傳感器。這是一個(gè)具有兩個(gè)傳感電容的差動(dòng)式電容傳感器，靈敏度及線性均較好。
圖12-16是說明本發(fā)明基本制作過程的示意圖。這一基本制作過程是1、制備如圖12所示的帶有硅薄膜的硅片。
具體步驟是a、取通常制作集成電路的(100)硅片清洗干凈后一面氧化出1μ厚的Sio2層，另一個(gè)面向內(nèi)擴(kuò)散硼。護(hù)散濃度應(yīng)達(dá)到1019/cm3，深度為所希望得到的薄膜厚度。
b、在此硅片的帶有Sio2層的面光刻出方孔。方孔大小決定薄膜面積。通過方孔對硅進(jìn)行各向異性腐蝕最終形成帶有硅薄膜的硅片1。詳細(xì)工藝過程可參見Volume MAG-11 IEEE Transactions onMagnetics Mar.2,1975“single Crystal Silicon BarrierJosephson Junction,”P766，也可參見J.Electrochem.Soc.:SOLID STATE SIENCE AND TECHNOLOGY August 1978“TheFabrication of Highprecision nozzles by the AnisotropicEtching of(100)Silicon p1321.
2、如圖13所示在硅薄膜的下表面涂敷過渡層12，并在與硅薄膜中心對應(yīng)的位置光刻出邊長3-5μ的小孔。過渡層可以是二氧化硅、氮化硅，也可以是光致抗蝕劑AZ-1350，厚度0.5μ至幾個(gè)μ。
3、如圖14所示，在過渡層12上再涂敷一層導(dǎo)電層，其厚度應(yīng)超過過渡層2倍以上以保證附加極板支點(diǎn)的強(qiáng)度和防止附加極板在電場力作用下明顯形變。如果過渡層是二氧化硅或氧化硅，則導(dǎo)電層采用多晶硅，如果過渡層是AZ-1350光致抗蝕劑，則可采用鋁為導(dǎo)電層。把導(dǎo)電層光刻成附加極板并把過渡層蝕去或溶解掉，附加極板便制作完成，如圖15所示。二氧化硅層可由硅片熱氧化獲得，氮化硅、多晶硅可用CVD法獲得，三者均采用常規(guī)半導(dǎo)體制造工藝可參見“集成電路制造技術(shù)—原理與實(shí)踐”(著者莊同曾等)一書有關(guān)章節(jié)。
4、圖16所示的帶凹坑的硅片3同樣是用各向異性腐蝕法產(chǎn)生的，它的腐蝕深度由腐蝕時(shí)間控制。硅片上表面附著的Sio2層2是硅片熱氧化后光刻成的，它既是腐蝕凹坑的掩膜又是器件電容極板間的間隔絕緣層，厚度為1μ左右。
5、在絕緣層2上涂少量低熔點(diǎn)玻璃，把上下硅片對準(zhǔn)壓緊升溫使玻璃溶化，即把兩個(gè)基片封接到一起。
如果要制造測量相對壓力的傳感器，可以在方框型的絕緣層2上光刻出缺口并注意不要在缺口上涂敷低熔點(diǎn)玻璃以使封接后腔內(nèi)與外界連通。
圖1-圖11所示的各實(shí)施例制作起來基本采用上述步驟。制作中部下凹的附加極板10和11時(shí)，光刻過渡層中心孔及附加極板宜采用投影曝光，還應(yīng)注意保證附加電極斜面的厚度，為此可用真空離子鍍膜或化學(xué)鍍或CVD技術(shù)來涂敷形成附加極板的導(dǎo)電層。間隔6如果超過幾微米時(shí)宜采用低熔點(diǎn)玻璃封接。圖9中硅片9上的截頂金字塔型凸臺(tái)的形成與凹坑的形成方法相同，只要把掩膜由透明方孔變?yōu)椴煌该鞯姆綁K即可。圖11中硅薄膜兩面都帶有附加極板4，其制作可兩面同時(shí)進(jìn)行，并無特殊之處。
圖17是又一種硅薄膜電容器件。其特點(diǎn)是硅片1的兩個(gè)表面都向內(nèi)凹。這既加強(qiáng)了硅片邊框部分對薄膜的支撐強(qiáng)度，也便于控制附加極板4與另一電容極板8之間的間距。由于支撐強(qiáng)度大，硅片1與基片7的封接可使用普通的有機(jī)粘接劑如氰基丙稀酸酯而保持良好性能。當(dāng)然也可以把兩片如圖17所示的帶有附加極板4的硅片1封接到一起制成遲滯小靈敏度高的器件。
圖18所示的薄膜電容器件的特點(diǎn)是它的薄膜不是Si而百Sio2、金剛石、氧化鋁等彈性材料用以滿足特定場合的需求。它的好處還在于膜厚便于精確控制。Sio2膜可由熱氧化生成，金剛石、氧化鋁薄膜則用CVD法先在Si片上生成然后從背面把相應(yīng)部位的硅蝕去，其工藝過程與前述基本相同。
圖19所示的硅薄膜器件的特點(diǎn)是附加極板4位于硅薄膜的凹坑內(nèi)，該器件的外表面平整，對外界撓動(dòng)小，失真小。
圖20所示實(shí)施例是圖17及圖10實(shí)施例的結(jié)合，當(dāng)然也可以把兩片圖20所示的帶附加極板11的硅片1封接到一起形成一種靈敏度高遲滯小的器件。
以上所有實(shí)施例都可作為電容式壓力傳感器使用，如腔體密封可測絕對壓，腔體開口可測相對壓。它們也可用作聲強(qiáng)計(jì)、話簡、如對它們的兩個(gè)極板施加交變電壓信號(hào)，還可以用作聲發(fā)射壯置及諧振器件。
權(quán)利要求
1.一種可變形彈性薄膜電容式微機(jī)電器件，包括基片及間隔絕緣層，其中至少有一個(gè)基片具有周邊固支的可變形彈性薄膜，其特征在于它至少還包括有一個(gè)附加電容極板，附加電容極板的中心支點(diǎn)固定在彈性薄膜中心處，其面積可大于硅薄膜面積。
2.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于其可變形彈性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的一個(gè)面與硅片齊平另一面內(nèi)凹，附加電容極板支撐在此凹坑內(nèi)的硅薄膜表面上。附加電容極板可伸出凹坑而含有與硅片表面平行部分。
3.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于可變形彈性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的一個(gè)面與硅片齊平另一面內(nèi)凹，附加電容極板處于與硅片齊平的硅薄膜表面上。
4.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于其可變形彈性薄膜是在硅片上形成的硅薄膜，硅薄膜的兩個(gè)表面都是由硅片表面內(nèi)凹形成的，至少有一個(gè)表面中心處支撐著帶有中心支點(diǎn)的附加電容極板，附加電容極板可以伸出凹坑并與硅片表面平行。
5.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于薄膜兩個(gè)表面的中心部位各支撐一個(gè)帶有中心支點(diǎn)的附加電容極板。
6.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于其可變形彈性薄膜是以硅片為邊框的二氧化硅薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于可變形彈性薄膜是以硅片為邊框的氧化鋁薄膜。
8.如權(quán)利要求1所述的微機(jī)電器件，其特征在于可變形彈性薄膜是以硅片為邊框的金剛石薄膜。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種帶有附加電容極板的可變形薄膜電容器件,屬微機(jī)電器件領(lǐng)域。該器件的兩個(gè)電容極板中至少有一個(gè)是由附著在可變形彈性薄膜上的附加極板。附加極板的面積可大于薄膜面積且不隨薄膜的形變而形變。按照本發(fā)明可制成多種體積小,靈敏度高的電容式微機(jī)電器件,如壓力傳感器、話筒、聲發(fā)射、聲測量、諧振器件等。
文檔編號(hào)H01G5/00GK1225494SQ9810018
公開日1999年8月11日 申請日期1998年2月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年2月4日
發(fā)明者胡耿 申請人:胡耿