背極式矽基微型駐極體電容話筒的製作方法

2023-11-05 03:51:12 2

專利名稱：背極式矽基微型駐極體電容話筒的製作方法
技術領域：
本發明屬傳感器技術領域，具體涉及一種兩片式矽基微型駐極體電容話筒，即含有振膜片和固定的背板電極。其儲電的駐極體層位於固定的背極板上。
背景技術：
目前的矽基微型駐極體電容話筒，由於其加工技術與平面工藝和微機械加工技術兼容，可能實現器件的微型化、可集成化的全自動化生產；由於運用MEMS工藝，可實現幾何尺寸的高度重複性；基於利用在矽基上形成的無機氮氧化矽薄膜作為儲存電荷的駐極體層，這種話筒屬自偏置式，即無需外加偏壓，因此結構簡單，節能環保；又由於相對於FEP等聚合物駐極體有更好的電荷儲存熱穩定性，克服了傳統的分立式聚合物薄膜話筒因回流焊工藝中的熱過程引起的電荷衰減和結構變形問題，確保了樣品的成品率和可靠性。上述諸多優勢使得這類矽基駐極體話筒呈現出巨大的商業前景和寬廣的應用領域，可能完全取代分立式FEP駐極體話筒，特別適用於航空航天、國防保安和用作微型助聽元器件，以及高質量指標的陣列式話筒。
然而，振膜式矽基微型駐極體電容話筒，其儲電層(例如氮氧化矽膜)被生長或沉積在振膜片上，振膜片的矽框架和含儲電層的氮氧化矽振膜屬不同的材料，具有不同的熱脹係數，使其在MEMS工藝中，因熱處理及駐極體層形成期間的熱工藝的特定要求而出現應力不匹配，導致薄膜的破損率高，極大地影響了振膜片的成品率，阻礙了這類話筒的產業化。
將儲電的駐極體層移至背極板上，即將振膜和儲電層分體設計以和矽框架具有相同材料組成的單晶矽或多晶矽構成振膜，可能克服上述應力不匹配問題。而通過嚴格受控的駐極體的形成工藝和調節充電參數，使其在固定背極板上形成具有高電荷穩定性的駐極體層，可能實現上述目標。

發明內容
本發明的目的在於提出一種性能優良，且可避免應力不匹配問題的矽基微型駐極體電容話筒。
本發明技術方案是在電容話筒的結構單元氣隙中產生準永久電場的駐極體層和用作接收外界聲信號的力-電耦合層的振膜為分體式設計，即儲存空間電荷的駐極體層設置在帶有背電極的固定背極板上，而以具有優良力學性能(如良好的韌性和機械強度)的非駐極體材料單晶矽或多晶矽作為振膜，使矽框架和用作力-電耦合的振膜以相同的材料組成，並用氣隙將背極板和振膜片分開，構成自偏置的背極式矽基微型駐極體電容話筒。
本發明將傳統的兩片結構的振膜式矽基微型駐極體電容話筒的駐極體層移至背極板上。即將振膜和儲電層分體設計，使振膜片的矽框架和振膜以相同材料構成，克服了應力不匹配問題，極大地提高其工藝的成品率。


圖1為本發明結構剖面圖示。
圖2為本發明中有Si3N4、SiO2、Si3N4的背極板剖面圖示。
圖3為背極背的聲學孔表面裸露單晶矽剖面圖示。
圖4為MEMS工藝後經附加的氧化和氮化工藝的背極板剖面圖示。
圖5為振膜片剖面圖示。
圖中標號1為氮化矽，2為二氧化矽，3為邊框，4為背極板，5為聲學孔，6為振膜，7為鋁電極，8為背電極，9為絕緣環，10為間隙，11為焊腳。
具體實施例方式
作為一個實施例子，上述背極式矽基微型駐極體電容話筒的結構如圖1所示。其晶片是由兩片分別製作在單晶矽基片上的振膜6和背極板4組成。振膜6是由與矽基片相同材料的矽單晶膜組成。與振膜6連為一體的矽基片正面存在一個方形開口，深度到達矽振膜6；背極板4也是由與矽基片相同的矽單晶組成，與背極板相連的基片背面具有一個方形開口，深度到達背極板4；位於背極板4表面的儲電的駐極體是由氮化矽和二氧化矽的複合膜組成；在背極板4上開有若干個聲學孔5；背極板4與振膜6之間存在空氣間隙10，間隙10周圍設置一個絕緣環9，絕緣環9與振膜6基片連為一體(或與背極板6基片連為一體)；在振膜6背面蒸鍍膜厚為60-100nm的鋁電極7，為了減小寄生電容，在背極板4的表面製作有高電導的埋層背電極8，背電極8表面被氮化矽和二氧化矽複合膜覆蓋，(或被氮化矽/二氧化矽/氮化矽複合膜覆蓋，如圖2所示)其面積與振膜6的有效面積相等。背電極8通過空氣間隙10與振膜6的正面平行相對。背電極8通過高電導埋層引線(寬度為20微米-40微米)引出，僅在背極板邊框的平臺上引出背電極鋁壓焊腳11，與JFET場效應管的柵極直接相連；振膜6的上電極通過屏蔽接地的外殼與JFET場效應管的源極相連，電信號通過JFET場效應管的漏極輸出，形成一個完整迴路。矽基微型駐極體電容話筒的微結構是通過MEMS技術製作。
上述電容話筒製備具體步驟如下(1)話筒振膜片的製作以MEMS工藝製作振膜片，其程序主要包括矽基片的振膜區擴入硼原子和振膜區外覆蓋絕緣層；振膜區上覆蓋犧牲層和絕緣層；各向異性刻蝕及蒸鍍Al電極等；(2)話筒背極板片的製作以MEMS工藝製作帶若干個聲學孔、含氮化矽和二氧化矽儲電駐極體層的背極板(圖3)，其步驟包括形成背極板基本結構；濃硼埋層電極；生長和沉積儲電介質二氧化矽和氮化矽；聲學孔由微機械加工形成聲學孔。
(3)對聲學孔內表面的單晶矽裸露層通過熱氧化和CVD氮化形成與駐極體層相同結構的氮化矽和二氧化矽薄膜；(4)對含儲電層介質的背極板在真空烘箱內在150～300℃高溫區乾燥脫水；(5)在二氯二甲基矽烷(DCDMS)的飽和蒸氣氣氛中對背極板的氮化矽和二氧化矽膜進行常溫化學表面修正，修正時間1～10天；(6)駐極體的形成，以柵控恆壓或恆流正電暈充電並組合熱處理技術完成；熱處理溫度100-250℃；(7)將背極板和振膜片組合，製備和連接JFET，封裝。
本發明中，背極板表面形成一埋層的高電導背電極，其實際面積和振膜的有效面積相等，以減少話筒結構單元的寄生電容。
本發明中，採用用化學氣相沉積工藝形成儲能介質氮化矽薄膜時，使用的反應氣體除N2氣和NH3外，必須用SiH4，以替代SiH2Cl2或SiHCl3。
本發明中，在化學表面修正工藝前，對經MEMS工藝後製作的含氮化矽和二氧化矽層的背極板實施附加的熱氧化和CVD氮化工藝，使經過上述MEMS工藝後形成的聲學孔表面和其與氮化矽和二氧化矽層界面處裸露的單晶矽層上形成一層附加的氮化矽和二氧化矽層，阻斷了駐極體的表面脫阱電荷在遷移至孔的界面處，通過矽基向背電極的遷移路徑。
本發明中，採用能形成具有強抗溼能力和更完善的疏水表面層的二氯二甲基矽烷(DCDMS)對氮化矽和二氧化矽膜進行化學表面修正，克服了由於背極板上的多個聲學孔而導致的電荷穩定性的下降。
本發明中，對以N型單晶矽為基體形成的氮化矽和二氧化矽膜，以正極性充電形成複合膜駐極體，更有利於它們的電荷儲存穩定性，和負充電的複合膜相比，這一舉措既改善了電荷的俘獲態，又能有效地遏制K+，Na+從矽基和Si-SiO2界面層向駐極體的遷移，以及通過調控充電參數以克服背極式話筒的低充電效率問題。
本發明中，在駐極體薄膜的製備和形成工藝中，合理的利用熱處理工藝，如在化學表面修正前的熱處理(在真空烘箱內經150℃～300℃乾燥處理1～3小時)以驅除體內殘存的水分子；經化學表面修正後，對氮化矽和二氧化矽駐極體層的熱處理溫度應低於300℃；充電過程或充電後的熱處理(100℃～250℃)以改善電荷儲存的穩定性。
在本發明中，振膜用單晶矽或多晶矽材料製備(圖5)，由於與單晶矽基底(即振膜周圍的框架)是一體化的同種材料，故不存在因不同材料組成而導致的不同熱脹係數，亦即不存在應力不匹配問題。同時由於矽的楊氏模量僅是氮化矽和二氧化矽的一半，薄膜在相同幾何尺寸和相同聲壓條件下，單晶矽振膜中心點位移量幾乎是氮化矽和二氧化矽振膜的兩倍，這對提高話筒的靈敏度極為有利。為了獲得薄而均勻的單晶矽振膜，在工藝上採用SIMOX SOI技術或濃硼自終止技術製備厚度為0.5微米左右的單晶矽振膜6。由於它和襯底(振膜框架)是一體化的同種材料，所以成品率很高，可達90％以上，適宜於大規模生產。
常規的背板電極都在背面蒸鍍上金屬電極。這種結構必然引進寄生的分布電容(背極板的邊框和背極板本體的分布電容)，這將降低話筒的信噪比和頻響特性。在本發明中採用濃硼埋層背電極和埋層引線，使寄生的分布電容減小到最小程度。具體措施是在儲電的氮氧化膜下面先製作一薄層高電導的濃硼區，取代金屬背電極，其面積與振膜有效面積相等，通過空氣間隙與振膜的正面平行相對。在空氣間隙周圍，振膜框架通過絕緣環與背極板的框架相連。絕緣環9可以與振膜框架一體化，也可以與背極板框架一體化，其效果等同。在完成濃硼埋層背電極和微型聲學孔的微機械加工以後，最後製作儲電的氮化矽和二氧化矽膜和背電極的Al壓焊腳11(直接與JFET晶片背面的柵極通過導電膠或銀漿相連接)。埋層背電極和埋層引線表面均被儲電的氮化矽和二氧化矽膜所覆蓋(圖1)。
本發明中，利用LPCVD或APCVD在780--850℃溫區內形成非晶態氮化矽的工藝中，參加反應的氣體除了氮氣和氨氣外，必須用矽烷SiH4替代傳統使用的二氯二氫矽SiH2Cl2或三氯氫矽SiHCl3，以排除反應剩餘物氯離子對駐極體層電荷儲存的影響；用幹氧-溼氧-幹氧和氮氣保護在1100℃以熱溼氧化法形成二氧化矽層。該工藝同樣適用于振膜式矽基駐極體電容話筒。
本發明中，對含駐極體層的背極板在MEMS工藝完成後，增加一次高溫熱氧化和CVD氮化工藝(APCVD或LPCVD)，以使在聲學孔的內表面，以及孔與駐極體薄膜界面處由於半導體工藝形成的單晶矽的裸露層上生長出附加的氮化矽和二氧化矽膜，以阻斷駐極體的表面脫阱電荷遷移至孔的界面處通過(裸露的單晶矽)矽基向背電極的遷移路徑，改善其電荷穩定性。
本發明中，在化學表面修正前，將含駐極體膜的背極板(圖4和圖2)置於真空烘箱內在150～300℃範圍內乾燥，一般時間為1～3小時，以驅除駐極體膜內殘存的水分子，避免經化學表面修正後被表面疏水層禁錮在駐極體內的水分子串對電荷穩定性的影響。化學表面修正後對駐極體層的熱處理溫度不應高於250℃。該項化學表面修正工藝同樣適用于振膜式矽基駐極體電容話筒。
本發明中，利用修飾劑二氯二甲基矽烷(dichlorodimethsilane，DCDMS)對氮化矽和二氧化矽複合膜的表面進行化學表面修正處理，以形成表面疏水層，替代傳統工藝中應用六甲基二矽胺烷(hexamethyldisilazene，HMDS)對駐極體層的表面由親水至疏水的改性。以DCDMS作為反應試劑，在氮化矽和二氧化矽表面所形成的單分子疏水層的網絡結構，其修正效率比HMDS高出約一個數量級，從而明顯地改善了上述駐極體層對環境氣氛的隔溼能力，改善了電荷穩定性。例如對背極式話筒結構單元上的駐極體層而言，在35℃的高環境溫度和RH＞95％的高溼環境下儲存五天，經DCDMS修正的上述樣品仍保持電荷密度初值的55％，而HMDS處理的樣品已衰減到初值的30％；經過約10天在上述條件下存放，DCDMS處理樣品的剩餘電荷密度仍有初值的50％，而HMDS樣品僅維持初值的10％。
本發明中，對在N型單晶矽上形成的駐極體以柵控恆壓正電暈充電結合熱處理(熱處理溫度在100-250℃)作為對上述儲電層的充電手段。由於氮化矽和二氧化矽複合膜的體內含有更高比例的深能級陷阱，也可以以柵控恆流正電暈充電結合熱處理，以增加體內深阱電荷的含量。以上述充電手段形成的電荷層主要位於在氮化矽層內，足夠高的熱處理(如經常溫充電後的400℃以上的老化)可使本發明的駐極體層中的大部分電荷沉積於氮化矽和二氧化矽的界面處。該工藝同樣適用于振膜式矽基駐極體電容話筒。
和相同幾何尺寸的振膜式話筒的「不含聲學孔」駐極體膜相比，含無數聲學孔的背極板上駐極體層面積的明顯減小，以及在充電過程中外界注入的部分電荷以背極板上的聲學孔作為傳輸通道直接進入背電極，充電效率降低。本發明通過調控充電參數，如調控柵網的網孔目數(柵網目數從傳統的約十目的低限上調至五十目)，提高恆壓和恆流充電的柵壓或延長充電時間(充電柵壓和充電時間分別比傳統值調高25％至50％)以改善其充電效率等。例如，在我們的實驗系統中。點電暈電壓可控制在8～12kV，而當話筒氣隙為2～5μm時，柵壓取10～50V，充電時間15～20min。
權利要求
1.一種背極式矽基微型駐極體電容話筒，其特徵在於用於電容話筒的結構單元氣隙中產生準永久電場的駐極體層和用作接收外界聲信號的力-電耦合層的振膜為分體式設計儲存空間電荷的駐極體層設置在帶有背電極的固定背極板上，而以具有優良力學性能的非駐極體材料單晶矽或多晶矽作為振膜，使矽框架和用作力-電耦合的振膜以相同的材料組成，並用氣隙將背極板和振膜片分開，構成自偏置的背極式矽基微型駐極體電容話筒。
2.根據權利要求1所述的背極式矽基微型駐極體電容話筒，其特徵在於所述的振膜(6)和背極板(4)分別製作在單晶矽基片上，與振膜(6)連為一體的矽基片正面存在一個方形開口，深度到達矽振膜(6)；與背極板相連的基片背面具有一個方形開口，深度到達背極板(4)；位於背極板(4)表面的儲電的駐極體是由氮化矽和二氧化矽的複合膜組成；在背極板(4)上開有若干個聲學孔(5)；背極板(4)與振膜(6)之間存在空氣間隙(10)，間隙(10)周圍設置一個絕緣環(9)，絕緣環(9)與振膜(6)基片連為一體或與背極板(6)基片連為一體；在振膜(6)背面蒸鍍膜厚為60-100nm的鋁電極(7)，在背極板(4)的表面製作有高電導的埋層背電極(8)，背電極(8)表面被氮化矽(1)和二氧化矽(2)複合膜覆蓋，其面積與振膜(6)的有效面積相等；背電極(8)通過空氣間隙(10)與振膜(6)的正面平行相對；背電極(8)通過高電導埋層引線引出，僅在背極板邊框的平臺上引出背電極鋁壓焊腳(11)，與JFET場效應管的柵極直接相連；振膜(6)的上電極通過屏蔽接地的外殼與JFET場效應管的源極相連，電信號通過JFET場效應管的漏極輸出，形成一個完整迴路。
3.一種如權利要求1或2所述背極式矽基微型駐極體電容話筒的製備方法，其特徵在於具體步驟如下(1)話筒振膜片的製作以MEMS工藝製作振膜片，其程序主要包括矽基片的振膜區擴入硼原子和振膜區外覆蓋絕緣層；振膜區上覆蓋犧牲層和絕緣層；各向異性刻蝕及蒸鍍Al電極；(2)話筒背極板片的製作以MEMS工藝製作帶若干個聲學孔、含氮化矽和二氧化矽儲電駐極體層的背極板，其步驟包括；形成背極板基本結構，濃硼埋層電極，生長和沉積儲電介質二氧化矽和氮化矽，由微機械加工形成聲學孔；(3)對聲學孔內表面的單晶矽裸露層通過熱氧化和CVD氮化形成與駐極體層相同結構的氮化矽和二氧化矽薄膜；(4)對含儲電層介質的背極板在真空烘箱內150～300℃高溫區乾燥脫水；(5)在二氯二甲基矽烷的飽和蒸氣氣氛中對背極板的氮化矽和二氧化矽膜進行常溫化學表面修正，修正時間1～10天；(6)駐極體的形成，以柵控恆壓或恆流正電暈充電並組合熱處理技術完成；熱處理溫度100-250℃；(7)將背極板和振膜片組合，製備和連接JFET，封裝。
4.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於形成儲電介質氮化矽薄膜時，使用的反應氣體除了氮氣和氨氣，還須用SiH4。
5.根據權利要求3所述的製備方法，其特徵在於所述對駐極體以柵控壓或恆流正電暈充電時，控制柵網目數的低限為50目，充電柵壓和充電時時間分別比傳統值調高25％至50％。
6.根據權利要求5所述的製備方法，其特徵在於正電暈電壓控制在8-12kv，當話筒氣隙為2-5μmjf，柵壓取10-50v，充電時間為15-20分鐘。
全文摘要
本發明屬傳感器技術領域，具體為一種兩片結構的背極式矽基微型駐極體電容話筒。其中，駐極體層位於帶有背電極的固定背極板上，以單晶矽或多晶矽為振膜，振膜片上的振膜和矽框架以同種材料組成，以克服因應力不匹配導致的振膜高破損率；以二氯二甲基矽烷作為對氮氧化矽儲電層的化學表面修正試劑，形成具有高抗溼能力的完善駐極體表面疏水層，通過調控柵控恆壓或恆流電暈充電參數並組合熱處理，以改善因包含大量聲學孔的駐極體層所面臨的電荷儲存能力下降的問題。本發明大大提高了產品成品率。
文檔編號H04R19/04GK1802037SQ20051003014
公開日2006年7月12日 申請日期2005年9月29日 優先權日2005年9月29日
發明者夏鍾福, 沈紹群, 王飛鵬, 王麗, 李軍, 胡繪鈞 申請人:深圳市豪恩電聲科技有限公司, 同濟大學, 復旦大學