一種矽微電容傳聲器晶片及其製備方法
2023-07-19 14:02:46
專利名稱：一種矽微電容傳聲器晶片及其製備方法
技術領域：
本發明涉及微機電器件領域，具體地說，本發明涉及一種矽微電容傳聲器晶片及其製備方法。
背景技術：
矽微電容傳聲器是一種新型的傳聲器，它通常由形成矽微電容的矽晶片部分和外圍電路部分組成。其中矽微電容晶片部分是傳聲器的核心，它是利用集成電路工藝在矽基片上製作而成。矽微電容晶片部分由矽基片及其上的穿孔背板或者說聲學孔背板、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示出了通常矽微電容傳聲器晶片10的剖面圖，包括有一個矽片11。該矽片11具有一空心部12，空心部12的上端具有一個成形在矽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孔14。在矽片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上分別設置有電極18和18』。
通常的矽微電容傳聲器晶片由於受材料特性和製備方法的限制，圖1所示傳聲器晶片中的空氣隙17通常為方形邊界。圖2是在製備圖1的傳聲器晶片10的過程中的一個剖面圖，如圖2所示，在矽片11上通過摻雜形成一個摻雜層13』，該摻雜層13』在後續製備過程將成形為穿孔背板13，然後在摻雜層13』上形成一犧牲層15』，並在犧牲層15』上形成振動膜16。然後從矽片11的下表面開始進行體刻蝕，先腐蝕出圖1中所示的空心部12，然後繼續向上將摻雜層13』中未摻雜的矽材料腐蝕掉，形成圖1中的聲學孔14，然後繼續向上腐蝕直至將位於摻雜層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，由於矽片11本身各向異性腐蝕的特性，從矽片11下表面開始體刻蝕只能產生稜台形的空心部12(圖1)，該空心部12橫截面的邊界為一正方形。這樣，當體刻蝕向上腐蝕至時犧牲層15』時，由於腐蝕方向的限定，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。
由於空氣隙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承受的應力較大，產生應力集中，進而導致傳聲器的靈敏度下降，有時甚至會導致振動膜16的破裂。可見，在現有技術中，空氣隙17的形狀特別是其邊界形狀基本上是不可控的，受材料特性和製備方法的限制，通常使得空氣隙17的邊界具有尖角，從而產生應力集中。
發明內容
本發明的目的在於提供一種矽微電容傳聲器晶片，該傳聲器晶片可避免產生應力集中；本發明的另一目的在於提供一種矽微電容傳聲器晶片的製備方法，在該方法中可以控制空氣隙的邊界形狀。
為了實現上述目的，本發明提供一種矽微電容傳聲器晶片，包括矽基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位於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，且所述振動膜具有一凸環。
優選地，所述空氣隙具有光滑邊界。所述空氣隙最好具有圓形邊界。
本發明還提供一種矽微電容傳聲器晶片的製備方法，包括提供一具有上表面和下表面的矽基片；從所述矽基片的上表面對矽基片進行摻雜，形成一摻雜層；在所述矽基片的上表面之上形成一隔離層，該隔離層環繞限定了一空心區域；在所述矽基片的上表面之上形成一比所述隔離層更易於被刻蝕的犧牲層，至少一部分犧牲層填充在所述空心區域內；在所述犧牲層之上形成一振動膜；從所述矽基片的下表面開始對所述矽基片進行體刻蝕，並刻蝕去除所述犧牲層；最終，所述摻雜層形成為矽微電容傳聲器晶片的穿孔背板，被刻蝕去除的犧牲層所在的位置形成矽微電容傳聲器晶片的空氣隙；在所述振動膜和穿孔背板上分別設置電極。
所述犧牲層在其橫向上具有光滑的邊界。所述犧牲層在其橫向上具有圓形邊界。所述犧牲層在其邊界具有縱向的凸出部分，以便在所述犧牲層之上形成的振動膜具有一凸環。所述隔離層為二氧化矽材料，所述犧牲層為氧化鋅或磷矽玻璃材料。
在本發明中，矽微電容傳聲器晶片的空氣隙形狀由易腐蝕的犧牲層形狀來限定，技術人員可通過設計犧牲層的形狀來獲得所需要的空氣隙形狀，從而使得空氣隙的形狀是可控的。特別是，通過本發明，可以使得空氣隙的邊界沒有尖角，從而避免振動膜的應力集中。此外，本發明的矽微電容傳聲器晶片振動膜上的凸環結構可以提高振動膜的振動幅度限度，降低振動膜在振動時發生破裂的可能性。
圖1是一種常規的矽微電容傳聲器晶片的剖面圖；圖2是在製備圖1的矽微電容傳聲器晶片過程中的剖面圖；圖3是沿圖1的I-I線提取的剖面圖；圖4～圖7是本發明的矽微電容傳聲器晶片製備方法的製備流程，其中圖7為根據本發明的方法製備好的傳聲器晶片；圖8是圖7所示矽微電容傳聲器晶片的俯視圖；圖9是在圖7中沿II-II線提取的剖面圖；圖10是本發明的矽微電容傳聲器晶片製備方法中犧牲層的邊界形狀的示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發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明的矽微電容傳聲器晶片的製備流程，其中圖7為根據本發明的方法製備好的傳聲器晶片。
如圖4所示，首先選取一個矽基片100，該矽基片100為100n-型矽片。矽基片100具有一個上表面101和一個下表面102，在一個實施例中，該矽基片100的厚度為400微米，但是可以理解，本領域的技術人員可根據需要選擇不同厚度的矽基片100。矽基片100經過高溫氧化工藝生長一層高溫二氧化矽，示例性地，該高溫二氧化矽的厚度為1.5微米；在矽基片100的上表面101上對該層高溫二氧化矽光刻，利用氫氟酸腐蝕高溫二氧化矽製成掩膜103。然後從上表面101開始向下對矽基片100進行摻雜，這樣掩膜103未覆蓋的區域將被摻雜而形成摻雜層104。在該實施例中，對矽基片100進行的是選擇性摻雜，即對於在後續步驟中將要形成為矽微電容傳聲器晶片的聲學孔的位置106』不進行摻雜。在本實施例中，矽基片100的摻雜是對從上表面101對矽基片100進行硼擴散，擴散深度可在1微米至20微米之間選擇，本領域的技術人員也可根據實際需要作出其它選擇。
如圖5所示，用氫氟酸去除圖4中的高溫二氧化矽掩膜103，然後在矽基片100的上表面101形成一隔離層105。在圖8中看得更清楚，該隔離層105優選為圓環形，可通過如下方法形成在矽基片100的上表面101形成一層低溫二氧化矽，然後對該層低溫二氧化矽進行光刻後用氫氟酸腐蝕出圓環形的隔離層105。這樣，以隔離層105為邊界限定了一個空心區域107』。
然後，如圖5所示，在隔離層105所圍繞的空心區域107』處形成一犧牲層107，犧牲層107中至少一部分填充在該空心區域107』處。在圖5的實施例中，犧牲層107不僅填充了空心區域107』，並且在其邊緣處還覆蓋了部分隔離層105。在一個實施例中，當隔離層為低溫二氧化矽時，犧牲層107則可選用氧化鋅或者磷矽玻璃，從下文的描述將可知道，在進行腐蝕時，氧化鋅或者磷矽玻璃被腐蝕的速度要遠大於低溫二氧化矽被腐蝕的速度。在形成犧牲層107的過程中，當採用磷矽玻璃材料時，可用LPCVD或PECVD工藝將磷矽玻璃澱積在矽基片100的上表面101，然後用緩衝氫氟酸將其腐蝕為與隔離層105同心的圓形；當採用氧化鋅材料時，可用磁控濺射工藝將氧化鋅澱積在矽基片100的上表面101，然後用磷酸將其腐蝕為與隔離層105同心的圓形。
然後，如圖5所示，利用低壓化學氣相澱積設備(LPCVD)在矽基片100的上表面101和下表面102雙面分別澱積一層氮化矽，示例性地，該氮化矽層的厚度為0.5微米。在矽基片100的上表面101光刻後，上表面101的氮化矽層被等離子體刻蝕機(ICP)刻蝕成圓形振動膜108；在矽基片100的下表面102光刻後，下表面102的氮化矽層被等離子體刻蝕機(ICP)刻蝕成掩膜109，掩膜109的未覆蓋區域為一正方形，以便從該正方形區域開始對矽基片100進行體刻蝕。
此外，如圖5所示，犧牲層107在其邊緣附近最好具有一凸出部分112』，這樣，當在形成振動膜108時，振動膜108將會具有一個與犧牲層107的凸出部分112』相對應的凸環結構112。
結合圖5和圖6，從矽基片100的下表面102開始對矽基片100用氫氧化鉀進行矽體刻蝕。在氫氧化鉀向上的腐蝕過程中，首先腐蝕出一個空心部113，由於矽基片100本身各向異性腐蝕的特性，類似於圖1中的空心部12，該空心部113也通常為稜台形，其橫向(矽基片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。然後，氫氧化鉀繼續向上腐蝕，由於氫氧化鉀對未進行硼擴散摻雜區域的腐蝕速度遠高於進行硼擴散摻雜的區域，因此，摻雜層104中處於聲學孔位置106』(圖4)的矽材料被很快腐蝕去除，以形成矽微電容傳聲器晶片的聲學孔106，從而使得摻雜層104形成穿孔背板。
然後，將緩衝氫氟酸通過聲學孔106到達隔離層105所包圍的犧牲層107。如前所述，犧牲層107採用了比隔離層105更易被腐蝕的材料，例如氧化鋅或磷矽玻璃，因此，犧牲層107很快就被腐蝕完，而留下與犧牲層107形狀相同的空氣隙110。因此可知，空氣隙110的形狀將由之前所形成的犧牲層107的形狀來限定。這樣，本領域的技術人員則可通過預先設定犧牲層107的形狀來得到所希望的空氣隙110的形狀。
最後，如圖7所示，在振動膜108以及摻雜層104的表面分別設置一金屬電極111，完成矽微電容傳聲器晶片的製備。電極111的設置在圖8的俯視圖中看得更清楚，這兩個金屬電極111可通過在矽基片100的上表面101蒸鍍一層金屬薄膜，例如鋁膜，然後對該金屬薄膜光刻並用磷酸腐蝕成電極111。
如圖7所示，本發明的矽微電容傳聲器晶片包括矽基片100。在矽基片100的上表面101上，具有由多個聲學孔106的摻雜層104形成穿孔背板，摻雜層104上設有隔離層105，隔離層105之上設有振動膜108，振動膜108以及摻雜層104的表面分別設有電極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是由犧牲層107被腐蝕後形成的。
特別是在圖7中，如前所述，該空氣隙110的形狀由犧牲層107的形狀限定。在一個實施例中，犧牲層107的橫向邊界為圓形，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，本領域的技術人員很容易理解，可通過設置不同形狀的犧牲層107，來製備具有不同空氣隙110形狀的矽微電容傳聲器。在其他實施例中，可以設置無尖角邊界的犧牲層107來使得矽微電容傳聲器的空氣隙110的邊界也沒有尖角，從而避免振動膜108的應力集中，例如，犧牲層107可以具有光滑的邊界(在數學上稱為邊界上各點都可導)，使得空氣隙110也具有基本上為光滑曲線的邊界。圖10示出了幾種犧牲層107的光滑邊界形狀，相應地，製備好的矽微電容傳聲器的空氣隙110也具有基本相同的邊界。
權利要求
1.一種矽微電容傳聲器晶片，包括矽基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，所述隔離層位於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；其特徵在於，所述空氣隙具有無尖角的邊界，且所述振動膜具有一凸環。
2.根據權利要求1所述的矽微電容傳聲器晶片，其特徵在於，所述空氣隙具有光滑邊界。
3.根據權利要求2所述的矽微電容傳聲器晶片，其特徵在於，所述空氣隙具有圓形邊界。
4.一種矽微電容傳聲器晶片的製備方法，包括提供一具有上表面和下表面的矽基片；從所述矽基片的上表面對矽基片進行摻雜，形成一摻雜層；在所述矽基片的上表面之上形成一隔離層，該隔離層環繞限定了一空心區域；在所述矽基片的上表面之上形成一比所述隔離層更易於被刻蝕的犧牲層，至少一部分犧牲層填充在所述空心區域內；在所述犧牲層之上形成一振動膜；從所述矽基片的下表面開始對所述矽基片進行體刻蝕，並刻蝕去除所述犧牲層；最終，所述摻雜層形成為矽微電容傳聲器晶片的穿孔背板，被刻蝕去除的犧牲層所在的位置形成矽微電容傳聲器晶片的空氣隙；在所述振動膜和穿孔背板上分別設置電極。
5.根據權利要求4所述的矽微電容傳聲器晶片的製備方法，其特徵在於，所述犧牲層在其橫向上具有光滑的邊界。
6.根據權利要求5所述的矽微電容傳聲器晶片的製備方法，其特徵在於，所述犧牲層在其橫向上具有圓形邊界。
7.根據權利要求5所述的矽微電容傳聲器晶片的製備方法，其特徵在於，所述犧牲層在其邊界具有縱向的凸出部分，以便在所述犧牲層之上形成的振動膜具有一凸環。
8.根據權利要求4所述的矽微電容傳聲器晶片的製備方法，其特徵在於，所述隔離層為二氧化矽材料，所述犧牲層為氧化鋅或磷矽玻璃材料。
全文摘要
本發明公開了一種矽微電容傳聲器晶片以及製備方法。該傳聲器晶片包括矽基片及其上的穿孔背板、隔離層、振動膜和電極，隔離層位於穿孔背板和振動膜之間以便在其間形成空氣隙，該空氣隙具有無尖角的邊界，且振動膜具有一凸環。本發明的製備方法包括在矽基片的上表面之上形成一隔離層，該隔離層環繞限定了一空心區域；在矽基片的上表面之上形成一比隔離層更易於被刻蝕的犧牲層，至少一部分犧牲層填充在該空心區域內；從矽基片的下表面開始對所述矽基片進行體刻蝕，並刻蝕去除犧牲層，在犧牲層所在位置形成空氣隙。本發明中的空氣隙形狀由易腐蝕的犧牲層形狀來限定，可通過設計犧牲層的形狀來獲得所需要的空氣隙形狀，從而使得空氣隙的形狀是可控的。
文檔編號H04R31/00GK1816222SQ20051000538
公開日2006年8月9日 申請日期2005年2月5日 優先權日2005年2月5日
發明者徐聯, 田靜, 汪承灝, 黃歆, 魏建輝, 李俊紅 申請人:中國科學院聲學研究所