專利名稱：一種硅微電容傳聲器芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微機電器件領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種硅微電容傳聲器芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
硅微電容傳聲器是一種新型的傳聲器，它通常由形成硅微電容的硅芯片部分和外圍電路部分組成。其中硅微電容芯片部分是傳聲器的核心，它是利用集成電路工藝在硅基片上制作而成。硅微電容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者說聲學(xué)孔背板、空氣隙、隔離層、振動膜及電極組成，可參見Micro Electro MechanicalSystems(MEMS)，1998 IEEE 11th International Workshop p580-585，由P.-C.Hsu，C.H.Mastrangelo，and K.D.Wise所著的《A HIGH SENSITIVITY POLYSILICONDIAPHRAGM CONDENSER MICROPHONE》。
圖1示出了通常硅微電容傳聲器芯片10的剖面圖，包括有一個硅片11。該硅片11具有一空心區(qū)域12，空心區(qū)域12的上端具有一個成形在硅片上表面的穿孔背板13，該穿孔背板13上具有多個成陣列分布的聲學(xué)孔14。在硅片11上表面還形成有一個隔離層15，而隔離層15上形成有一個振動膜16。通過隔離層15，在穿孔背板13和振動膜16之間提供了一個空氣隙17。穿孔背板13和振動膜16上分別設(shè)置有電極18和18’。
通常的硅微電容傳聲器芯片由于受材料特性和制備方法的限制，圖1所示傳聲器芯片中的空氣隙17通常為方形邊界。圖2是在制備圖1的傳聲器芯片10的過程中的一個剖面圖，如圖2所示，在硅片11上通過摻雜形成一個摻雜層13’，該摻雜層13’在后續(xù)制備過程將成形為穿孔背板13，然后在摻雜層13’上形成一犧牲層15’，并在犧牲層15’上形成振動膜16。然后從硅片11的下表面開始進行體刻蝕，先腐蝕出圖1中所示的空心區(qū)域12，然后繼續(xù)向上將摻雜層13’中未摻雜的硅材料腐蝕掉，形成圖1中的聲學(xué)孔14，然后繼續(xù)向上腐蝕直至將位于摻雜層13’和振動膜16之間的一部分犧牲層15’腐蝕掉形成圖1中的空氣隙17，而殘留的一部分犧牲層15’則形成圖1中的隔離層15。值得注意的是，由于硅片11本身各向異性腐蝕的特性，從硅片11下表面開始體刻蝕只能產(chǎn)生棱臺形的空心區(qū)域12(圖1)，該空心區(qū)域12橫截面的邊界為一正方形。這樣，當(dāng)體刻蝕向上腐蝕至?xí)r犧牲層15’時，由于腐蝕方向的限定，形成的空氣隙17的邊界通常也為正方形。如圖3所示的從圖1中沿I-I截取的剖面圖所示，由隔離層15限定的空氣隙17的閉合邊界17’通常為正方形。
由于空氣隙17具有方形邊界，在其邊界的尖角處(例如圖3中所示空氣隙17的四個邊角)，振動膜16承受的應(yīng)力較大，產(chǎn)生應(yīng)力集中，進而導(dǎo)致傳聲器的靈敏度下降，有時甚至?xí)?dǎo)致振動膜16的破裂。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種硅微電容傳聲器芯片，該傳聲器芯片可避免產(chǎn)生應(yīng)力集中；本發(fā)明的另一目的在于提供一種硅微電容傳聲器芯片的制備方法，該方法可以制備出無應(yīng)力集中的傳聲器芯片。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的一種硅微電容傳聲器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位于所述穿孔背板和所述振動膜之間，以便在所述穿孔背板和所述振動膜之間形成空氣隙；所述空氣隙具有無尖角的邊界。優(yōu)選地，所述空氣隙具有光滑邊界，所述空氣隙最好具有圓形邊界。
本發(fā)明還提供一種硅微電容傳聲器芯片的制備方法，包括提供一具有上表面和下表面的硅基片；從所述硅基片的上表面對硅基片進行摻雜，形成一摻雜層；在所述硅基片的上表面之上形成一第一犧牲層，所述第一犧牲層具有無尖角的邊界；在所述第一隔離層之上形成一第二犧牲層，所述第一犧牲層的被腐蝕速度大于所述第二犧牲層的被腐蝕速度；在所述第二犧牲層之上形成一振動膜；從所述硅基片的下表面開始對所述硅基片進行體刻蝕，去除第一犧牲層和一部分第二犧牲層；最終，所述摻雜層形成為硅微電容傳聲器芯片的穿孔背板，被刻蝕去除的第一犧牲層和一部分第二犧牲層所在的位置形成硅微電容傳聲器芯片的空氣隙，殘留的另一部分第二犧牲層形成為硅微電容傳聲器芯片的隔離層；在所述振動膜和穿孔背板上分別設(shè)置電極。
優(yōu)選地，所述第一犧牲層具有光滑的邊界，所述第一犧牲層最好具有圓形邊界。
所述第二犧牲層為二氧化硅材料，所述第一犧牲層為氧化鋅或磷硅玻璃材料。
本發(fā)明在硅微電容傳聲器芯片的制備方法中采用了一種新的工藝，通過設(shè)置一個更容易被腐蝕的第一犧牲層來引導(dǎo)腐蝕方向，擺脫了由于硅片各向異性腐蝕特性導(dǎo)致只能產(chǎn)生方形結(jié)構(gòu)的限制，制成諸如圓形等結(jié)構(gòu)的空氣隙、隔離層和振動膜，避免了振動膜在方形空氣隙的邊角處產(chǎn)生的應(yīng)力集中，大大提高了振動膜的靈敏度，避免了時效破裂。同時，由于二氧化硅犧牲層的腐蝕方向不是以往尺度較大的水平方向，而是尺度較小的垂直方向，腐蝕的速度較快，減小了以往氫氟酸釋放犧牲層時對氮化硅振動膜較強的腐蝕。


圖1是一種常規(guī)的硅微電容傳聲器芯片的剖面圖；圖2是在制備圖1的硅微電容傳聲器芯片過程中的剖面圖；圖3是沿圖1的I-I線提取的剖面圖；圖4～圖7是本發(fā)明的硅微電容傳聲器芯片制備方法的制備流程，其中圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法制備好的傳聲器芯片；圖8是圖7所示硅微電容傳聲器芯片的俯視圖；圖9是在圖7中沿II-II線提取的剖面圖；圖10是在一些實施例中第一犧牲層的邊界形狀示意圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細描述。
圖4～圖7示出了在一個實施例中本發(fā)明的硅微電容傳聲器芯片的制備流程，其中圖7為根據(jù)本發(fā)明的方法制備好的傳聲器芯片。
如圖4所示，首先選取一個硅基片100，該硅基片100為<100>n-型硅片。硅基片100具有一個上表面101和一個下表面102，在一個實施例中，該硅基片100的厚度為400微米，但是可以理解，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可根據(jù)需要選擇不同厚度的硅基片100。硅基片100經(jīng)過高溫氧化工藝生長一層高溫二氧化硅，示例性地，該高溫二氧化硅的厚度為1.5微米；在硅基片100的上表面101上對該層高溫二氧化硅光刻，利用氫氟酸腐蝕高溫二氧化硅制成掩膜103。然后從上表面101開始向下對硅基片100進行摻雜，這樣掩膜103未覆蓋的區(qū)域?qū)⒈粨诫s而形成摻雜層104。在該實施例中，對硅基片100進行的是選擇性摻雜，即對于在后續(xù)步驟中將要形成為硅微電容傳聲器芯片的聲學(xué)孔的位置106’不進行摻雜。在本實施例中，硅基片100的摻雜是對從上表面101對硅基片100進行硼擴散，擴散深度可在1微米至20微米之間選擇，本領(lǐng)域的技術(shù)人員也可根據(jù)實際需要作出其它選擇。
如圖5所示，用氫氟酸去除圖4中的高溫二氧化硅掩膜103，然后在硅基片100的上表面101淀積一第一犧牲層107，光刻后將第一犧牲層107腐蝕成為圓形。然后，在第一犧牲層107之上再淀積出一第二犧牲層112，該第二犧牲層112覆蓋住了整個第一犧牲層107。第一犧牲層107的厚度最好小于第二犧牲層112的厚度，在一個示例性的實施例中，該圓形的第一犧牲層107的厚度為0.5微米，直徑為1000微米，而第二犧牲層112的厚度為3微米。需要特別注意的是，在本發(fā)明中，第一犧牲層107要比第二犧牲層112更容易被腐蝕，在一個實施例中，第二犧牲層112可為低溫二氧化硅材料，而第一犧牲層107則可選用氧化鋅或者磷硅玻璃，從下文的描述將可知道，在進行腐蝕時，氧化鋅或者磷硅玻璃被腐蝕的速度要遠大于低溫二氧化硅被腐蝕的速度。在形成第一犧牲層107的過程中，當(dāng)采用磷硅玻璃材料時，可用LPCVD或PECVD工藝將磷硅玻璃淀積在硅基片100的上表面101，然后用緩沖氫氟酸將其腐蝕為圓形；當(dāng)采用氧化鋅材料時，可用磁控濺射工藝將氧化鋅淀積在硅基片100的上表面101，然后用磷酸將其腐蝕為圓形。
然后，如圖5所示，利用低壓化學(xué)氣相淀積設(shè)備(LPCVD)在硅基片100的上表面101和下表面102雙面分別淀積一層氮化硅，示例性地，該氮化硅層的厚度為0.5微米。在硅基片100的上表面101光刻后，上表面101的氮化硅層被等離子體刻蝕機(ICP)刻蝕成圓形振動膜108；在硅基片100的下表面102光刻后，下表面102的氮化硅層被等離子體刻蝕機(ICP)刻蝕成掩膜109，掩膜109的未覆蓋區(qū)域為一正方形，以便從該正方形區(qū)域開始對硅基片100進行體刻蝕。其中，在刻蝕出圓形振動膜108的同時，振動膜108之下的第二犧牲層112也被ICP刻蝕為同樣的圓形，而且此圓形的直徑大于第一犧牲層107，示例性地，最終形成的振動膜108和第二犧牲層112的直徑為1500微米，比第一犧牲層107直徑的直徑大500微米。這樣，從下文的描述將可知，第二犧牲層112中與第一犧牲層107對應(yīng)的部分112’將被腐蝕掉，而第二犧牲層112外圍的一部分105’將會殘留下來作為硅微電容傳聲器芯片的隔離層。
結(jié)合圖5和圖6，從硅基片100的下表面102開始對硅基片100用氫氧化鉀進行硅體刻蝕。在氫氧化鉀向上的腐蝕過程中，首先腐蝕出一個空心區(qū)域113，由于硅基片100本身各向異性腐蝕的特性，類似于圖1中的空心區(qū)域12，該空心區(qū)域113也通常為棱臺形，其橫向(硅基片100的上表面101和/或下表面102所在平面的方向)截面為正方形。然后，氫氧化鉀繼續(xù)向上腐蝕，由于氫氧化鉀對未進行硼擴散摻雜區(qū)域的腐蝕速度遠高于進行硼擴散摻雜的區(qū)域，因此，摻雜層104中處于聲學(xué)孔位置106’(圖4)的硅材料被很快腐蝕去除，以形成硅微電容傳聲器芯片的聲學(xué)孔106，從而使得摻雜層104形成穿孔背板。
然后，用氫氟酸通過聲學(xué)孔106到達第一犧牲層107，如前所述，第一犧牲層107采用了更易被腐蝕的材料，例如氧化鋅或磷硅玻璃，因此，第一犧牲層107很快就被腐蝕完，而留下與第一犧牲層107形狀相同的空氣隙。之后，氫氟酸將繼續(xù)向上開始腐蝕第二犧牲層112。需要注意的是，在腐蝕第二犧牲層112時，由于第一犧牲層107已經(jīng)基本上被腐蝕完，因此，氫氟酸將沿著與第一犧牲層107被腐蝕完后留下的空氣隙限定的邊界向上腐蝕第二犧牲層112。例如，在前述第一犧牲層107為圓形的實施例中，氫氟酸將基本上沿著第一犧牲層107所在位置的圓形邊界向上腐蝕第二犧牲層112，這樣，圖6中硅微電容傳聲器芯片的空氣隙110的形狀將由第一犧牲層107的形狀來限定。如圖5所示，在第二犧牲層112中，基本上是位于第一犧牲層107正上方的區(qū)域112’被腐蝕掉，而第二犧牲層112外圍部分105’(基本上是圍繞第一犧牲層107的區(qū)域)殘留下來形成圖6中硅微電容傳聲器芯片的隔離層105。第一犧牲層107和一部分第二犧牲層112’被腐蝕掉后，其所在空間形成了圖6中硅微電容傳聲器芯片的空氣隙110。
最后，如圖7所示，在振動膜108以及摻雜層104的表面分別設(shè)置一金屬電極111，完成硅微電容傳聲器芯片的制備。電極111的設(shè)置在圖8的俯視圖中看得更清楚，這兩個金屬電極111可通過在硅基片100的上表面101蒸鍍一層金屬薄膜，例如鋁膜，然后對該金屬薄膜光刻并用磷酸腐蝕成電極111。
如圖7所示，本發(fā)明的硅微電容傳聲器芯片包括硅基片100。在硅基片100的上表面101上，具有由多個聲學(xué)孔106的摻雜層104形成穿孔背板，第二犧牲層112的殘留部分形成隔離層105，隔離層105之上設(shè)有振動膜108，振動膜108以及摻雜層104的表面分別設(shè)有電極111，而在振動膜108和摻雜層104之間具有空氣隙110，該空氣隙110是由第一犧牲層107和一部分第二犧牲層102’被腐蝕后形成的。
特別是在圖7中，如前所述，該空氣隙110的形狀由第一犧牲層107的形狀限定。在前述實施例中，第一犧牲層107為圓形或者說具有圓形邊界，因此空氣隙110的邊界110’也為圓形，如圖9所示的從圖7中沿II-II截取的剖面圖所示。事實上，本領(lǐng)域的技術(shù)人員很容易理解，可通過設(shè)置不同邊界形狀的第一犧牲層107，來制備具有不同空氣隙110邊界形狀的硅微電容傳聲器。在其他實施例中，可以設(shè)置無尖角邊界的第一犧牲層107來使得硅微電容傳聲器的空氣隙110邊界也沒有尖角，從而避免振動膜108的應(yīng)力集中，例如，第一犧牲層107可以具有光滑的邊界(在數(shù)學(xué)上稱為邊界上各點都可導(dǎo))，使得空氣隙110也具有基本上為光滑曲線的邊界。圖10示出了幾種第一犧牲層107的光滑邊界形狀，相應(yīng)地，制備好的硅微電容傳聲器的空氣隙110也具有基本相同的邊界。
權(quán)利要求
1.一種硅微電容傳聲器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位于所述穿孔背板和所述振動膜之間，以便在所述穿孔背板和所述振動膜之間形成空氣隙；其特征在于，所述空氣隙具有無尖角的邊界。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述空氣隙具有光滑邊界。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅微電容傳聲器芯片，其特征在于，所述空氣隙具有圓形邊界。
4.一種權(quán)利要求1所述硅微電容傳聲器芯片的制備方法，包括提供一具有上表面和下表面的硅基片；從所述硅基片的上表面對硅基片進行摻雜，形成一摻雜層；在所述硅基片的上表面之上形成一第一犧牲層，所述第一犧牲層具有無尖角的邊界；在所述第一隔離層之上形成一第二犧牲層，所述第一犧牲層的被腐蝕速度大于所述第二犧牲層的被腐蝕速度；在所述第二犧牲層之上形成一振動膜；從所述硅基片的下表面開始對所述硅基片進行體刻蝕，去除第一犧牲層和一部分第二犧牲層；最終，所述摻雜層形成為硅微電容傳聲器芯片的穿孔背板，被刻蝕去除的第一犧牲層和一部分第二犧牲層所在的位置形成硅微電容傳聲器芯片的空氣隙，殘留的另一部分第二犧牲層形成為硅微電容傳聲器芯片的隔離層；在所述振動膜和穿孔背板上分別設(shè)置電極。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅微電容傳聲器芯片的制備方法，其特征在于，所述第一犧牲層具有光滑的邊界。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅微電容傳聲器芯片的制備方法，其特征在于，所述第一犧牲層具有圓形邊界。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的硅微電容傳聲器芯片的制備方法，其特征在于，所述第二犧牲層為二氧化硅材料，所述第一犧牲層為氧化鋅或磷硅玻璃材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅微電容傳聲器芯片及制備方法。該傳聲器芯片包括硅基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，隔離層位于穿孔背板和振動膜之間以便在它們之間形成空氣隙，該空氣隙具有無尖角的邊界。在該制備方法中，在硅基片的上表面之上形成一第一犧牲層，該第一犧牲層具有無尖角的邊界；在第一隔離層之上形成一第二犧牲層，該第一犧牲層的被腐蝕速度大于第二犧牲層的被腐蝕速度，從所述硅基片的下表面開始對所述硅基片進行體刻蝕，去除第一犧牲層和一部分第二犧牲層以形成空氣隙。本發(fā)明用于硅微電容傳聲器中的芯片及其制備方法，減小了振動膜的應(yīng)力，大大提高了振動膜的靈敏度，避免了時效破裂。
文檔編號H04R31/00GK1816221SQ20051000538
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月5日 優(yōu)先權(quán)日2005年2月5日
發(fā)明者徐聯(lián), 汪承灝, 魏建輝, 黃歆, 李俊紅, 田靜 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所