专利名称：电声换能器及其制造方法和使用该器件的电声换能装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电声换能器及其制造方法和使用该电声换能器的电声换能装置。
已经提出一种半导体器件，其中的电容器能起电声换能器的作用，例如在半导体芯片上集成微音器(例如见WO84/03410)。
如图21(e)所示，这种电容器包括作为电容器的一个电极的振动膜82；一个氮化硅膜制成的支持部分83；作为电容器另一个电极的多晶硅膜85和在多晶硅膜85上面形成的绝缘膜87，其中，振动膜82在有空腔81a的半导体衬底81上形成，支持部分83保证了在与半导体衬底81的空腔81a对应的区域处形成空腔84a，多晶硅膜85从支持部分83的上面伸展到空腔84a的一部分之上，绝缘膜87基本上覆盖空腔84a，只在空腔84a上方留有小孔87a。
这电容器用下面的工艺制成，请参考图21(a)到图21(e)。
首先，如图21(a)所示，在半导体衬底81的顶面上形成作为电容器的一个电极的扩散层，它是振动膜82，然后在扩散层上以所需要的形状有选择地形成氮化硅膜制成的支持部分83。
随后，如图21(b)所示，在所形成的半导体衬底81中的不存在支持部分83而又露出扩散层的部位上填上PSG膜84，后者有与支持部分83相同的表面高度。
跟着，如图21(c)所示，在PSG膜84以及支持部分83的上面形成作为电容器的另一个电极的多晶硅膜85。这时多晶硅膜85被加工成把PSG膜84的表面的一部分暴露出来。
随后，如图21(d)所示，在所形成的半导体衬底81的顶表面和底表面上形成绝缘膜87。在半导体衬底81的顶表面的绝缘膜87处形成小孔87a，而在半导体衬底81的底表面的绝缘膜87处形成开口87b。
此后，如图21(e)所示，经小孔87a通过刻蚀PSG膜84而在扩散层与多晶硅膜85之间形成空腔84a，同时刻蚀半导体衬底81的底表面，直到露出扩散层为止，从而形成开口81a。这样，就形成了振动膜82。
在上述的电容器中，在离所形成的半导体衬底81的表面某一距离处，在里面形成了作为电容器的一个电极的振动膜82。在所形成的半导体衬底81的表面形成了作为电容器的另一个电极的多晶硅膜85。在这样的结构中，从开口81a输入的声波(声信号)使振动膜82振动，从而改变了均为电容器电极的振动膜82和多晶硅膜85之间的距离，因而改变了电容器的电容量。这样就产生了等效于声信号的电信号。
可是，具有上述结构的电容器有难以控制振动膜82厚度的问题，因为作为一个电极的振动膜82是通过刻蚀使半导体衬底81变薄而形成的。
另一方面，提出了能容易地控制振动膜厚度的电容器，它在半导体衬底上有两个电极，虽然这种电容器不起电声换能器作用，但是起探测外部压力的压力传感器的作用(见日本公开特许公报No.HEI4(1992)-127479)。
如图22所示，这种电容器有作为电容器的一个电极的p型扩散层92、支持层94和作为电容器的另一个电极的多晶硅膜96，其中p型扩散层92在n型硅衬底91上形成，在p型扩散层92上隔着一层氧化物层93形成支持层94，而隔着一层氧化物层95在支持层94上形成多晶硅膜96。形成氧化物层95以便完全覆盖支持层94，并确保在支持层94内有一个空腔94a。在空腔94a上的氧化物层95处形成多个小孔95a。均为电容器电极的p型扩散层92和多晶硅膜96分别连接到不同的布线层97和98。
这种电容器用下面的工艺生产。
首先通过把高浓度杂质注入到n型硅衬底91的表面来形成p型扩散层92。此后，以氧化物膜93完全覆盖所得的硅衬底91，在此氧化物膜93上形成凸台形状的多晶硅支持层94。以氧化物膜95完全覆盖支持层94。在氧化物膜95处形成多个小孔95a。通过这些小孔95a把支持层94的多晶硅部分刻蚀掉，以便形成空腔94a。
进而，用CVD方法来生长多晶硅膜96，以便覆盖氧化物膜95并封闭空腔94a。用光刻方法使多晶硅膜96形成图案，以便在空腔94a上形成电容器的另一电极。这时在封闭的空腔94a内所封闭的压力就是压力探测的基准压力。
随后，在多晶硅膜96上形成另一氧化物膜99，并在多晶硅膜96和p型扩散层92之上的氧化物膜99内形成开口。形成导电膜，并使其形成图案，以便制成布线层97和98，它们分别通过开口连接到p型扩散层92和多晶硅膜96。
在这种压力传感器中，在空腔94a之上的多晶硅膜96构成弹性另件形式的振动膜。当外压力使多晶硅膜96变形时，通过把p型扩散层92和多晶硅膜96之间的静电电容的变化与对应于基准压力力的静电电容作比较来检测或测量压力。
可是，在这种压力传感器中，因为在形成空腔94a之后才形成作为电容器的另一电极的多晶硅膜96，多晶硅膜96向半导体衬底91弯曲，并且不能保证足够的张力。如果多晶硅膜96的张力非常小，氧化膜95就会与作为电容器的一个电极的p型扩散层92接触。为此，如果把这种压力传感器用作电容器来产生等效于声信号的电信号，则频率特性就被限制在某一范围内。因此不能获得足够好的声特性，并且不能产生等效于声信号本身的电信号。因此，这种电容器不能应用于例如微音器或类似器件的电声换能器。
此外，因为空腔94a完全被多晶硅膜96封闭，所以，如果外压力变得低于空腔94a内的压力，则空腔94a膨胀，而如果外压力变得高于空腔94a内的压力，则空腔94a收缩。因此，声特性恶化。
鉴于上述情况，本发明的一个目的是提供这样一种电声换能器和它的制造工艺，这种电声换能器有易于控制作为电容器的一个电极的振动膜的厚度，保证振动膜有适当的张力，因而表现出良好的声特性。
本发明提供一种电声换能器，它包括下电极、上电极和绝缘层，其中，上电极包括振动部分和用来在振动部分周边起码一部分支持振动部分的支持部分，而绝缘层用来把下电极与上电极绝缘开，其中上电极在振动部分和/或支持部分有一个起伏部分、以便在上电极和下电极之间形成空腔。
在另一方面，本发明提供一种生产电声换能器的工艺过程，它包括下面的步骤(a)在下电极上有选择地形成绝缘层，使得下电极表面部分地暴露出来；(b)在下电极暴露的表面和下电极暴露的表面周围的绝缘层区域有选择地形成反应(sacrificial)膜；(c)在反应(sacrificial)膜上形成上电极，上电极把反应膜的一部分暴露出来，并复盖反应膜的周边部分，以便延伸到绝缘层上；和(d)采用经由反应膜暴露的部分用去掉反应膜的方法，在上电极和下电极之间形成空腔。
从下面所作的详细描述，将更清楚本申请的这些和其它的目的。可是，应该理解到，表示本发明的最佳实施例的详细描述和特殊例子只是为了说明，因为对于本专业的技术人员来说，根据这种详细描述，在本发明的精神和范围内的各种变化和修改将变得显而易见。
图1(a)是用来说明根据本发明的电声换能器的第一实施例的主要部分的示意的平面图，图1(b)是沿着图1(a)中的A-A’线所取的剖面图，而图1(c)是沿着图1(a)中的B-B’线所取的剖面图；图2(a)到图2(e)和图2(a’)到图2(b’)是用来说明图1(a)到图1(c)所示电声换能器的生产工艺的主要部分的示意的剖面图；图3(a)到图3(b)是说明反应膜热处理效应的主要部分的示意的剖面图4是说明当空气摩擦阻力变化时的灵敏度-频率特性的曲线图；图5是说明根据本发明的电声换能器的工作原理的示意图；图6是说明根据本发明的电声换能器的第二实施例的主要部分的示意的剖面图；图7是说明根据本发明的电声换能器的第三实施例的主要部分的示意的剖面图；图8是说明根据本发明的电声换能器的第四实施例的主要部分的示意的剖面图；图9是说明根据本发明的电声换能器的第五实施例的主要部分的示意的剖面图；图10是说明根据本发明的电声换能器的第六实施例的主要部分的示意的剖面图；图11是说明根据本发明的电声换能器的第七实施例的主要部分的示意的剖面图；图12(a)和图12(b)是说明根据本发明的电声换能器的第八实施例的主要部分的示意的剖面图；图13(a)和图13(b)分别是说明根据本发明的电声换能器的第九实施例的主要部分的示意的平面图和示意的剖面图；图14(a)至图14(e)和图14(a’)至图14(e’)是说明生产图13(a)到图13(b)所示电声换能器的工艺的主要部分的示意的剖面图；图15(a)和图15(b)分别是说明根据本发明的电声换能器的第十实施例的主要部分的示意的平面图和示意的剖面图；图16(a)，图16(b)和图16(c)是说明生产图15(a)和图15(b)所示电声换能器的工艺的主要部分的示意的平面图和示意的剖面图；图17(a)，图17(b)和图17(c)分别是说明根据本发明的电声换能器的第十一实施例的主要部分的示意的平面图和示意的剖面图；图18(a)到图18(g)是说明生产根据本发明的电声换能器的第十二实施例的工艺的主要部分的示意的剖面图；图19是说明根据本发明的电声换能器的第十三实施例的主要部分的示意的剖面图；图20(a)和图20(b)分别是说明根据本发明的电声换能器的第十四实施例的主要部分的示意的平面图和示意的剖面图；图21(a)到图21(e)是传统的电声换能器的主要部分的示意的剖面图；和图22是传统的压力传感器的主要部分的示意的剖面图。
本发明的电声换能器有电容器类型的结构，其电容量由空腔(空气)形成，它主要包括下电极；上电极；和处在下电极和上电极之间的绝缘层。
对下电极材料没有特别的限制，只要它们是导电的即可。下电极材料的例子包括非晶、单晶或多晶的n型或p型元素半导体(例如硅、锗等)或化合物半导体(例如GaAs、InP、ZnSe、CsS等)；例如金、铂、银、铜、铝之类的金属；例如钛、钽、钨之类的难熔金属；以及难熔金属的硅化物和polycides，等等。下电极可以用上述的一种材料的单层膜构成或上述的一些材料的多层膜构成。在这些材料中间，最好采用用作半导体器件衬底的材料。更详细地说，最好采用单晶或多晶的n型或p型半导体衬底，特别是硅衬底。下电极也可以由上述的导电材料的一层膜构成，它与半导体衬底之间插入一层绝缘膜，从而成为所谓多层布线结构，在这种结构中，混合形成例如晶体管和电容器这样的半导体器件、电路、绝缘膜、布线层等等。下电极也可以以SOI衬底或多层SOI衬底的顶层半导体层的形式形成。在这情况下，下电极的厚度没有特别的限制。在下电极由半导体衬底构成的情况下，半导体器件、电路、绝缘层、布线层等等可以在下电极以外的半导体衬底其它区域混合形成，可以在半导体衬底表面形成n型或p型扩散层，并且可以在半导体衬底表面上形成沟槽、小岛等等。
对上电极材料没有特别的限制，只要是导电的即可。与上述下电极材料相同的材料也可以用于上电极。特别是，上电极最好用多晶硅膜制成。如果多晶硅膜用作上电极，则多晶硅膜的表面电阻最好调节到这样的程度，以便如此抑制寄生电阻、使得电声换能器的输出灵敏度不减小，例如把所述表面电阻调节到到几到几十Ω·cm-2。上电极最好有均匀的厚度，但可以局部地厚些或薄些。上电极的厚度在大约1到2μm范围比较合适。
上电极包括振动部分和支持部分。
振动部分指的是上电极中正好在空腔(例如见图1(b)的3c)之上的部分，即，与空腔从下电极一侧向上电极投影的图像面积相对应的上电极部分。振动部分具有借助外部声音引起振动而改变上和下电极之间的电容的功能。对振动部分的形状没有特别的限制，但根据随后详细描述的支持部分的位置、数目、尺寸等等来适当地设置振动部分的形状。例如，振动部分可以是圆形的或多边形的。从振动部分的中心到它的边(或圆周)的距离相等(例如在图1(a)中P=Q=O)比较合适，并且振动部分最好是圆形的、基本上圆形的、等边多边形的或基本上等边多边形的，所谓基本上等边多边形就是对应的等边的多边形的角被切掉，其中，等边六边形和等边八边形更好，而特别好的是等边六边形。对振动部分的尺寸没有特别限制，但可以是例如大约1.0×105到大约40.0×105μm2，更具体地说，大约2.5×105到大约14.4×105μm2。
振动部分最好有一个或多个小孔，例如，其直径最好是例如大约2到大约10μm。小孔的数目可以根据振动部分的尺寸而变，但如果振动部分具有上述范围内的尺寸，则小孔的数目可以是大约100或更少，最好是大约60到大约90。
支持部分用来在振动部分周边的起码一部分支持振动部分。支持部分占有除上述振动部分以外的上电极的其余部分。在起码两个位置上形成支持部分是合适的，最好是在三个位置上形成，这些位置离振动部分中心有相同的距离。最好根据下面的原则来确定支持振动部分的支持部分相对于振动部分总周边的比率，即，支持部分能有效地保持振动部分的振动，并且能向振动部分提供适当的张力，例如大约是振动部分总周边的50％或小些。
上电极呈钟形(is contoured)。换而言之，上电极具有起伏。上电极有起伏指的是，只是上电极的底面(对着下面要详细描述的下电极的面)、只是上电极的顶面(对着下电极的面的相反的面)或上电极的底面和顶面两者有阶梯状或逐渐改变离下电极的顶面(对着下电极的面)的距离。
在此，“阶梯状”表达的意思是上电极的底面和/或顶面与下电极的顶面之间的距离突然改变，即，上电极的底面和/或顶面起码有两个面，它们离下电极的顶面有不同距离。“逐渐”表达的意思是上电极的底面和/或顶面与下电极的顶面之间的距离缓慢地变化，即，上电极的底面和/或顶面与下电极的顶面之间的距离有变化，但这种距离变化不是基于不同的表面。只在上电极的底面或只在上电极的顶面有起伏的意思是上电极的厚度部分地改变，因而在底面或顶面形成起伏、即形成突出或凹陷部分。在上电极的底面和上电极的顶面都有起伏的意思是上电极的厚度基本上均匀，而通过使上电极弯曲来形成起伏。
通过使其起伏，上电极可以具有仅仅一个凹陷或一个凸起(例如见图7或9)、多个凹陷和/或多个凸起、在一个凹陷处有一个或多个凹陷和/或凸起、以及在一个凸起处有一个或多个凹陷和/或凸起(例如见图1(b))。可以只在支持部分的顶面(见图7)、只在支持部分的底面或只在支持部分的顶和底面；只在振动部分的顶面、只在振动部分的底面或只在振动部分的顶和底面(例如见图9)；或在支持部分的顶面、在支持部分的底面或在支持部分的顶和底面，以及在振动部分的顶面、在振动部分的底面或在振动部分的顶和底面(例如见图1(b)、6和8)形成起伏。最好是，只在支持部分的顶面(例如见图7)、只在振动部分的顶和底面(例如见图9)，或在支持部分的顶面和在振动部分的顶和底面(例如见图1(b)、6和8)形成起伏。如果起伏是在振动部分，则最好通过使后面详细叙述的绝缘层的边缘附近的振动部分弯曲来形成起伏。在上电极绝缘层的边缘附近的意思是指这样的上电极区域这区域位置离处于上电极之下的绝缘层的边缘的距离为振动部分最大宽度的大约1％。更具体地说，这指的是离绝缘层的边缘大约10μm距离内的上电极区域。
此外，通过使上电极有起伏，振动部分的端部的底面最好处在高于正好在绝缘膜上方延伸的支持部分的一个区域的顶面的位置(例如见图6、7和8)，或处在比所述顶面低或处在与支持部分的所述顶面相同高度的位置(例如见图1(b))。在此，对振动部分端部的底面与正好在绝缘膜上方延伸的支持部分区域的顶面之间的高度差没有特别的限制，但可以根据上电极的厚度、空腔的高度等作适当的调整。这样，就有可能在给振动部分提供适当张力和防止上电极与下电极接触的同时，保证声音引起的振动均匀地传输。特别是，在振动部分的端部的底面高于正好在绝缘膜上方延伸的支持部分区域的顶面的情况下，支持部分还能吸收振动膜的过大的振动，从而防止上电极破裂。在另一方面，在振动部分的端部的底面低于正好在绝缘膜上方延伸的支持部分区域的顶面或处在与其相同的高度的情况下，可以减小空腔的体积，从而能改进输出灵敏度。
振动部分的中心部分最好有均匀的厚度而没有起伏。但是，除了绝缘层的边缘附近的起伏外，在其周边处，振动部分可以有多个小面(多个区域)，它们离下电极的顶面有不同距离(例如见图12(b))。在此，振动部分周边指的是振动部分的这样的区域，该区域处于离振动部分的外边缘向振动部分的中心的距离大约为振动部分最大宽度的10％，最好是8％的位置。更具体地说，它指的是这样的区域，它离开振动部分外边缘向振动部分中心的距离大约为100μm，最好是大约80μm。离下电极的顶面有不同距离的所述多个小面可以通过形成一个或多个，最好是两到三个凹陷或凸起来形成。在这情况下，凹陷或凸起之间的间隔例如大约为10μm到20μm是适当的。
通过上电极的起伏而在下电极和上电极之间形成空腔。空腔是一个张开的空间，在空腔的一个部分与空气接触。空腔最好基本上只通过上电极的起伏来形成，但除了通过上电极的起伏来形成外，也可以通过在下电极和上电极之间插入随后要详细描述的绝缘膜来形成。根据下电极不接触上电极，同时又能获得所需要的声特性来确定空腔的高度。例如，高度可以在1到3μm之间的范围内。空腔可以有均匀的高度，但也可以局部地低些或高些。空腔的尺寸可以根据加到要制造的电声换能器上的电压大小、所需要的声特性等等而变化。例如，空腔可以有大约1.0×105到40.0×105μm2的面积。
绝缘层有防止下电极和上电极接触以及保证它们之间绝缘的作用。在某些情况下，绝缘层可以起到构成空腔的一部分的功能。只要是绝缘的，对绝缘层没有特别的限制。例如，绝缘层可以用例如氮化硅膜、氧化硅膜、这些膜的叠层等制成。绝缘层的厚度可以是例如大约0.5到大约1.2μm。起码在能防止下电极和上电极接触的区域形成绝缘层就足够了，但绝缘层也可以在起下电极作用的区域以外的区域上形成。
本发明的电声换能器可以有一个壁，它围绕着上电极的振动部分、上电极的支持部分和/或延伸在上电极的振动部分和支持部分上方的区域。所述壁可以用导电的或绝缘的材料制成，例如硅、锗等的半导体素，例如Au,Ni,Ag,Cu等的金属，例如钛、钽、钨等的难熔金属，这些金属的合金等，在这些金属中，最好用能以电镀方法容易地成形的例如Au,Ni,Ag等金属。
可以把壁做成例如绕着整个上电极的闭合曲线、做成例如绕着上电极的多个矩形、做成双重、三重…闭合曲线或开放的壁。最好把壁做成闭合曲线。对壁的形状没有特别的限制。虽然壁可以有基本上平行于下电极表面的平的顶面，但是，最好把壁做成向着振动部分的中心其高度变小。在此，向着振动部分的中心其高度变小的意思是，单壁或多个壁中的每个壁可向着中心阶梯状地或向着中心倾斜地减小其高度，这意思也是，多个壁可向着中心阶梯状地或向着中心倾斜地减小它们的高度。在形成多个壁的情况下，所有的壁不需要有相同的高度、宽度等。把壁的高度和宽度分别调整到大约5到30μm的范围和大约20到100μm的范围为合适。通过调整壁的高度、间隔、宽度等，就可以优化声音收集效率、方向性和/或类似的参数。
此外，在本发明的电声换能器中，下电极和上电极最好分别连接到各自的用于加电压的端子。端子可以用通常用作电极端子的任何导电材料做成，但最好用不能氧化的抗腐蚀的金属，例如金、铂等金属制成。如果上电极和/或下电极用半导体材料制成，则在与端子接触的区域最好形成高掺杂层，以便减小与端子的接触电阻。在这情况下，杂质浓度可以在大约1.0×1019到大约1.0×1020离子/cm3数量级。
本发明的电声换能器可用于微音器、喇叭等。特别是，通过把该换能器与半导体器件集成在一起能够减小其尺寸和改善这种装置的性能。更具体地说，电声换能器可用于便携电话、计算机的声音输入/输出装置、在半导体信息装置中的小尺寸的记录/重放装置等等。
也可以通过把许多上述的电声换能器组合起来或任选地把电声换能器与其它需要的器件组合起来实现本发明的电声换能装置。
为了制造本发明的电声换能器，首先在步骤(a)，在下电极上有选择地形成绝缘膜，使得下电极部分地暴露出来。可以用已知的方法来形成下电极。例如，在下电极由半导体衬底形成的情况下，可以通过用所需要的杂质掺杂半导体衬底并使其具有某一电阻率来形成下电极。或在用导电的单层或多层膜形成下电极的情况下，可以通过以喷镀、汽相淀积、化学汽相淀积(CVD)法等在适当的衬底上形成导电材料膜、并把所形成的膜做成所需要的形状的图案来形成下电极。
可以用已知的方法，例如用在下电极的整个表面上形成一层绝缘材料的膜、并用光刻(影印)和刻蚀方法把这膜变成所需要的形状的图案的方法，来有选择地形成绝缘层。这里，可以用只在下电极的一部分的上面有开孔的掩模图案，或用只覆盖下电极的一部分的掩模图案来使绝缘层形成图案。对绝缘层的厚度没有特别的限制，可以是大约0.5到1.2μm。
在步骤(b)，在下电极的暴露部分和在围绕着下电极暴露部分的绝缘层的区域有选择地形成反应膜。可用与步骤(a)中所述的形成绝缘层的基本上相同的方法来有选择地形成反应膜。这里，需要形成从下电极正上方延伸到与绝缘层重叠的反应膜。在此，重叠的范围或重叠部分的宽度可以根据要制造的电声换能器的尺寸、特性等等来调整到合适的值，可以是例如大约5到大约50μm，在大约10到大约30μm更好。反应膜最好用这样的材料制成，在某刻蚀条件下用某种刻蚀方法刻蚀时，它比下电极、上电极、绝缘膜等具有更大的刻蚀率。这种材料的例子包括掺磷二氧化硅玻璃(PSG)，旋涂玻璃(SOG)，掺硼磷硅玻璃(BPSG),SiO2等。对反应膜的厚度没有特别的限制，但例如可以是大约1到3μm。
如果使用磷掺杂的氧化硅膜作为反应膜，最好在整个下电极表面上形成反应膜之后，在能使膜表面平滑的温度下对反应膜作热处理。在此，可根据反应膜的类型、厚度等，适当地设定热处理，可以在大约900到大约1000℃温度下进行热处理10到100分钟。
如果使用SOG作为反应膜，则不需要分开进行热处理。此外，因为SOG有相当大的刻蚀率，所以可以减少刻蚀时间。因此，可以简化生产工艺。
如果如上所述的那样，在上电极的振动部分的外周边形成多个到下电极有不同距离的小面，则最好是在反应膜的适当地方形成具有预定的线宽度的抗蚀剂图案，然后用这抗蚀剂图案作为掩模，把反应膜刻蚀到预定的深度，以便在其上形成起伏或凸起和凹陷。从而，在后面的一个步骤中，在其表面有起伏或凸起和凹陷的反应膜上形成上电极，结果，上电极依照反应膜上的起伏或凸起和凹陷而本身出现起伏或凸起和凹陷。对在反应膜上的起伏或凸起和凹陷的高度没有特别的限制，但可以这样来考虑，即，能在后面的一个步骤中为上电极的振动部分提供足够的张力，这高度例如是大约0.3到1.0μm。此外，在反应膜上的起伏或凸起和凹陷的形成包括了对一次形成的反应膜的刻蚀，这刻蚀减小了反应膜的厚度。因此，考虑到用刻蚀方法减小厚度，有必要首先形成较厚的反应膜。
在步骤(c)，在反应膜上形成上电极。上电极把反应膜的一部分暴露出来，覆盖反应膜的周边部分，并延伸到绝缘层上。如上所述，上电极做成这样的形状，使得振动部分起码在一个地方，通常在两个或更多地方被支持部分所支持。因此，在此，上电极做成这样的形状，以便把反应膜局部地暴露出来，并延伸到绝缘层，局部地覆盖反应膜的周边。即，上电极从振动部分的形成支持部分的区域突出/伸展，覆盖形成振动部分的反应膜区域，并进一步在形成振动部分的区域的外周边处暴露出反应膜。可以用类似于形成单层或多层导电材料膜的下电极的方法来形成上电极。
在形成上电极之后或同时，最好在限定振动部分的区域形成够到反应膜的一些小孔，以便在下一个步骤易于去掉反应膜。通过在整个表面形成上电极材料膜、并利用具有对应于上电极的图案以及对应于小孔的开口的掩模来使所述上电极材料膜形成所需图案的方法，在形成上电极的同时形成小孔。另一种方法是，在形成上电极图案之后，利用只在要形成小孔的位置有开口的掩模，通过刻蚀上电极来形成小孔。
在步骤(d)，通过反应膜暴露的地方把反应膜去掉。最好把反应膜基本上完全去掉。可以用各种方法去掉反应膜，例如干法刻蚀、湿法刻蚀等。但是，最好是使用有选择地只刻蚀反应膜的刻蚀剂的湿法刻蚀来去掉反应膜。更具体地说，可以一提的方法是，把反应膜浸没在含有HF、磷酸、硫酸、硝酸等中一种或多种酸的刻蚀剂中，最好是浸没在含HF的刻蚀剂中大约1到10分钟。在上电极上形成小孔的情况下，能用较短时间去掉反应膜，因为反应膜能大面积地接触刻蚀剂。这样，就在下和上电极之间形成空腔。
现在来参考附图详细地描述本发明的电声换能器和生产这种器件的工艺。
第一实施例如图1(a)到1(c)所示，本实施例的电声换能器包括硅衬底1构成的下电极；包括振动部分3c和支持部分3b的多晶硅膜3构成的上电极；在下电极和上电极之间形成的空腔4a；以及设置在下电极和上电极之间的SiN膜2的绝缘层，其中支持部分3b从在振动部分3c周边上的四个地方延伸。除了正好在上电极的振动部分3c下面的开口和用于把端子连接到下电极的区域外，在图1(a)中以长短交替的虚线表示的绝缘层几乎复盖了整个硅衬底1的表面。
上电极的振动部分3c基本上呈等边八边形，从它的中心到支持部分3b的距离O,P和Q相等。每个支持部分3b从绝缘层正上方朝着空腔4a的中心的正上方有起伏X和Y。上电极在四个地方有这种起伏。在振动部分3c上有多个小孔3a。此外，振动部分3c的端部的底面与延伸到绝缘层的支持部分3b的上表面处在相同的高度。
在这电声换能器的周边处形成Au/TiW膜5的端子，后者连接到下电极(硅衬底1)。在支持部分3b上形成另一个Au/TiW膜5的端子，后者连接到上电极。
这种电声换能器用下面的生产工艺来生产。
首先如图2(a)和2(a’)所示，利用气体NH3+SiH2Cl2在大约750到850℃的淀积温度下，在作为电声换能器一个电极的n型硅衬底1(有大约625μm厚和3到6Ω/□的电阻率)的整个表面上用LP-CVD法形成大约1.2μm厚的SiN膜2。随后，用光刻法使SiN膜2形成所需要的形状的图案(在图1(a)上用长短交替的虚线表示)，这图案有基本上是等边的八边形的开口和用于连接到下电极的开口。
随后，如图2(b)和2(b’)所示，利用绝缘层作为掩模，以大约1到8×1015离子/cm2的剂量进行砷或磷离子注入，以便在n型硅衬底1的表面上形成n型扩散层1a。应当指出，起码在用于连接到下电极的开口正下方形成n型扩散层1a就足够了。随后，利用气体SiH4+PH3在大约350到450℃的淀积温度下，在所形成的硅衬底1的整个表面上淀积大约1到3μm厚的PSG膜4作为反应膜。PSG膜4的厚度能决定在下电极和上电极之间形成的空腔的高度。此后，为了减小PSG膜4的高度差，在大约900到大约1000℃的温度范围内进行热处理大约几十分钟。
在此，对PSG膜4的热处理减小了在绝缘膜与硅衬底1之间的PSG膜4上的高度差M，如图3(b)所示。但是，如果不进行热处理，则在下一步要在PSG膜4上形成的多晶硅膜3将涉及代表绝缘膜与硅衬底1之间的PSG膜4的高度差的L部分，如图3(a)所示。当刻蚀PSG膜4而形成空腔时，在L部分有高度差的多晶硅膜3就接触硅衬底1，并在上电极与下电极之间造成短路。
跟着，用光刻方法使PSG膜4形成图案，以便保留在下一步形成空腔的地方。用把PSG膜4浸没在HF刻蚀剂大约四分钟的方法来形成图案。这样形成PSG膜4的图案，使得PSG膜4与绝缘膜重叠大约10到30μm。这种重叠是用来在上电极形成起伏，从而使振动膜(即上电极)容易振动。如果这时PSG膜4不与绝缘膜重叠，当在下一步刻蚀掉PSG膜4并干燥时，下电极和上电极就会彼此接触和短路。
随后，如图2(c)和(c’)所示，利用气体SiH4在大约550到大约700℃的淀积温度下，在所形成的硅衬底1的整个表面上淀积大约1到3μm厚的多晶硅膜3。此外，在大约850到大约950℃的掺杂温度下，利用气体POCl3以磷掺杂多晶硅膜3以便提高其导电性。从而，多晶硅膜3的表面电阻变为大约几Ω·cm-2到几十Ω·cm-2。随后，用光刻的方法使多晶硅膜3形成有所需要形状的图案，以便形成有支持部分3b和振动部分3c的上电极。振动部分3c的形状是有例如大约2.5×105到大约14.4×105μm2面积的一个等边八边形。支持部分3b的形状是矩形，其长边与振动部分3c的一个边一致。支持部分3b处在振动部分3c的边上，每隔一边有一个支持部分延伸的地方。此外，在PSG膜4上的多晶硅膜3上形成六十到八十个直径大约6到10μm的小孔3a。这些小孔用来使下一步的PSG膜4刻蚀更快。还有，通过形成小孔3a，就有可能使上电极与下电极之间的空气摩擦阻力优化，从而，使声特性变平，并改进高音调声音(高频)区域的灵敏度，如图4所示。
此外，如图2(d)和2(d’)所示，用Au/TiW膜5(大约2到大约4μm/大约0.2到大约0.3μm厚)形成端子，以便从下电极和上电极取出信号。在此，Au膜用来在下一步用HF刻蚀剂刻蚀PSG膜4时，防止端子被刻蚀掉，而在形成Au膜之前形成TiW膜，用以防止Au膜扩散到下电极和上电极。
随后，如图2(e)和2(e’)所示，把所形成的硅衬底1浸没在5到10％HF刻蚀剂中几小时，并用IPA(异丙醇)置换进行干燥，从而用刻蚀法去掉PSG膜4来形成空腔4a。
现在参考图5来解释上述的电声换能器的工作原理。
把电压ED(即大约3到大约6V的DC)加到上电极3和下电极1。当从外面加上对应于声音的振动F时，作为振动膜的上电极3被振动，从上电极3到下电极1的距离改变(如图5中的α、β等所示)。从而，电极1和3之间的静电电容量被改变，电荷量跟着改变。进而随电荷量改变而发生电流。这电流通过电阻R(例如大约1到3kΩ)，从而输出对应于声音的电压E。
第二实施例如图6所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是在形成上电极的多晶硅膜13中，振动部分13c(上电极的在空腔14a正上方的部分)的底面在支持部分13b的顶面的上方，而所述支持部分13b在绝缘层SiN膜2正上方延伸。
第三实施例如图7所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是绝缘层SiN膜22复盖作为下电极的硅衬底1的整个表面，结果上电极只在支持部分23b处有起伏。
在该电声换能器中，因为绝缘层复盖下电极的整个表面，即使当电声换能器用作电声换能器，突然大的声音造成振动时，电声换能器也能防止上电极与下电极之间的短路。因此，有可能避免损坏电声换能器本身。
第四实施例如图8所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是在硅衬底31的不存在绝缘层SiN膜22的表面处形成凹入的部分，因此振动部分33c的表面按照凹入的部分的深度下沉。
该电声换能器可以用除了下面的区别外的与第一实施例的相同的生产工艺来生产，即，在图2(a)和2(a’)中，当用光刻法使SiN膜2形成图案时用刻蚀把硅衬底1去掉大约0.5到大约2.0μm，然后在图2(b)和2(b’)中，在凹入的部分的底部注入离子，并在包括凹入的部分的硅衬底1的整个表面上形成PSG膜4。
第五实施例如图9所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是绝缘层SiN膜42与上电极的支持部分43b接触，在支持部分43b中没有形成起伏，而振动部分43c有一个起伏，此起伏在接近绝缘层的边缘的振动部分43c的顶面和底面上通过弯曲而形成。
第六实施例如图10所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是多晶硅膜53的上电极有一个呈基本上等边的六边形的振动部分53c，在振动部分53c的周边上的三个地方延伸出三个支持部分53b。
从振动部分53c的中心到支持部分53b的距离R,S和T相同。
三个支持部分53b对振动部分53c的支持以较强的张力保持着振动部分53c，因而增强了对由声音产生的振动的灵敏度。
第七实施例如图11所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是几乎只在支持部分63b的正下方设置绝缘层62。
通过只在支持部分63b的正下方设置绝缘层62，就有可能在电声换能器的生产工艺中，以绝缘层作为掩模，在图2(b)和2(b’)中，用离子注入的方法，连续地从振动部分的下面到用于连接到下电极的端子的下面形成n型扩散层。因而，能减小下电极的电阻率。
第八实施例如图12(b)所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是由多晶硅膜制成的上电极的振动部分73c在其周边处有多个凸起和凹陷。
除了下面的区别之外，这电声换能器能够用与第一实施例中的相同的生产工艺来生产，即，在图2(b)和2(b’)中，在淀积PSG膜74(到大约2.0μm厚)和形成所需要的图案后，在PSG膜74的周边形成如图12(a)所示的有线宽G(大约10到20μm)的光刻掩模77，利用光刻掩模77、通过把PSG膜74浸泡在HF刻蚀剂中大约两分钟，刻蚀PSG膜74大约0.3到1.0μm，以便在PSG膜74的周边表面形成多个凸起和凹陷。
第九实施例如图13(a)和13(b)所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是多晶硅膜3制成的上电极的振动部分3c全都被带形壁6a所包围。
壁6a由18μm高和40μm宽的镀金膜制成。
该电声换能器用下面的生产工艺生产在第一实施例中的图2(c)和2(c’)之后，如图14(a)和14(a’)所示，在所得的硅衬底1的整个表面上形成大约0.05到0.2μm/0.1到0.4μm厚的Au/TiW膜7。
随后，如图14(b)和14(b’)所示，在整个Au/TiW膜7表面上形成大约10到30μm的抗蚀膜，并在要形成壁和提取信号的端子的区域形成开口，从而形成抗蚀剂图案8。
此后，如图14(c)和14(c’)所示，利用镀金溶液淀积金镀膜，然后去掉抗蚀剂图案8。
随后，如图14(d)和14(d’)所示，利用镀金膜作为掩模刻蚀Au/TiW膜7来形成壁6a和信号输出端子5a。
此后，如图14(e)和14(e’)所示，把所得的硅衬底1浸泡在5到10％HF刻蚀剂中几小时，并用IPA置换来干燥，以便用刻蚀方法去掉PSG膜4而形成空腔4a。
第十实施例如图15(a)和15(b)所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是这器件在多晶硅膜3制成的上电极的支持部分3b的所有周边上有如第九实施例所描述的壁6a。
应当指出，图15(a)和15(b)表示用刻蚀方法去掉PSG膜4a后的电声换能器，而图16(a)到16(c)表示用刻蚀方法去掉PSG膜4a前的电声换能器。
这电声换能器能够用与第九实施例相同的生产工艺来生产。
第十一实施例如图17(a)和17(c)所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是该器件在多晶硅膜3制成的上电极的振动部分3c和支持部分3b上延伸的区域的所有周边上有壁6b。壁6b用18μm高和60μm宽的镀金膜制成。
应当指出，图17(a)和17(c)表示用刻蚀方法去掉PSG膜4a后的电声换能器，而图17(b)表示用刻蚀方法去掉PSG膜4a前的电声换能器。
第十二实施例如图18(g)所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图1的电声换能器基本上相同，这区别是在多晶硅膜3制成的上电极的支持部分的周边形成金隆起块(bumps)的三个壁6c,6d和6e。在这些壁6c,6d和6e中，较接近振动部分的中心的壁比其它壁有较小的高度。壁6c,6d和6e分别是18μm高和30μm宽，12μm高和30μm宽和6μm高和30μm宽。它们之间的间隔是20μm。
最高的壁6c能改善方向性，其它壁6d和6e能改善声音收集效果。
该电声换能器可以用下面的生产工艺生产在直到第九实施例中的图14(a)和14(a’)之后，把25μm厚的抗蚀剂涂敷到Au/TiW膜7的整个表面上，并在要形成壁6e和形成输出信号的端子的区域处形成开口，从而形成抗蚀剂图案9a，如图18(a)和18(a’)所示。
此后，如图18(b)和18(b’)所示，利用镀金溶液淀积金镀膜6e’，然后去掉抗蚀剂图案9a。
随后，如图18(c)和18(c’)所示，如上所述地涂敷抗蚀剂，并在要形成壁6d的区域处形成开口，从而形成抗蚀剂图案9b。
此后，如图18(d)和18(d’)所示，利用镀金溶液淀积金镀膜6d’，然后去掉抗蚀剂图案9b。
随后，如图18(e)和18(e’)所示，如上所述地涂敷抗蚀剂，并在要形成壁6c的区域处形成开口，从而形成抗蚀剂图案9c。
此后，如图18(f)和18(f’)所示，利用镀金溶液淀积金镀膜6c’，然后去掉抗蚀图案9c。
随后，如图18(g)和18(g’)所示，利用金镀膜6c’,6d’和6e’作为掩模刻蚀Au/TiW膜7来形成壁6c,6d和6e和信号输出端子5a(未示出)。
此后，用与第一实施例同样的方式通过刻蚀PSG膜4来形成空腔4a。
第十三实施例如图19所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图18(g)的电声换能器基本上相同，这区别是在多晶硅膜3制成的上电极的支持部分3b的所有周边上形成壁6f，此壁的顶部有阶梯。壁6f高18μm,12μm和6μm而宽90μm。
该电声换能器能够用与第十二实施例相同的生产工艺来生产。
第十四实施例如图20所示，除了下面的区别之外，这实施例中的电声换能器与图13(a)的电声换能器基本上相同，这区别是多晶硅膜3制成的上电极的振动部分3c几乎是圆形的，并且在支持部分3b的整个周边上形成壁6a。
第十五实施例可以利用多个在第一到第十四实施例中制造的电声换能器产生电信号-声信号变换装置。
这种电信号-声信号变换装置的例子包括配备有两个或三个或更多没有壁的电声换能器的电信号-声信号变换装置；配备有两个或三个或更多有壁的电声换能器的电信号-声信号变换装置；以及配备有一个或两个或更多没有壁的电声换能器、并且配备有一个或两个或更多有壁的电声换能器的电信号-声信号变换装置。
根据本发明的电声换能器，可以容易地控制作为电容器的一个电极的上电极的厚度，还有，通过形成起伏使上电极保持适当的张力，从而能防止上电极与下电极短路。因此，有可能获得有良好的声特性的高度可靠的电声换能器。
在振动部分的端部的底面处于在绝缘层正上方延伸的支持部分的顶面之上的情况下，可以进一步改善上电极的张力，从而获得良好的声特性。
在振动部分的端部的底面处于在绝缘层正上方延伸的支持部分的顶面以下或处于相同高度的情况下，空腔体积减小。因此，对于相同的振动，输出电压可以增大。因此，有可能获得有更高灵敏度的电声换能器。
在振动部分在其周边处有多个距下电极有不同距离的小面的情况下，上电极能保持更好的张力，从而导致进一步改善声特性。
在振动部分有起码一个小孔的情况下，能优化上与下电极之间的空气摩擦阻力。因而，有可能使声特性变平，并改善高音调乐音的灵敏度。
在支持部分在离振动部分中心等距离的三个地方支持振动部分的情况下，能进一步改善上电极的张力。
在振动部分基本上是圆形或基本上等边多边形的情况下，声音能均匀地传输到振动部分，因而，除了进一步改善张力外，还能提高声音的灵敏度。这就有可能进一步改善声音效果。
在下电极由半导体衬底构成的情况下，就易于与其它半导体器件的高度集成和结合。
在上与下电极都连接到加电压用的以金隆起块(bumps)制成的端子的情况下，就有可能防止被生产过程中的刻蚀剂和生产后的空气和湿气所氧化和腐蚀。因此，不需要形成附加的保护膜。因此，就有可能改善上电极随输入声音的振动，并且还能提供高可靠性的电声换能器。
在变换器件的上电极的振动部分的周边处配备有壁的情况下，可以切断来自上电极四周的噪声，并可改善输入声音的方向性，这导致进一步改善上电极随输入声音所产生的振动。在支持部分被壁包围的情况下，可以防止因振动部分的厚度变化而造成的振动效率损失，这导致进一步改善上电极随输入声音所产生的振动。在振动部分和支持部分之上延伸的周边区域有壁的的情况下，可以减小上电极的支持部分的面积而不降低壁的强度。因此，有可能因为减少了寄生电容而改善电容器转换效率，改善振动效率和减小尺寸。
在上电极配备有多个壁的情况下，在上电极有多个这样的壁，即随着壁越靠近振动部分的中心、壁的高度越小的情况下，和/或在上电极配备有这样的壁，即所述壁的顶面的高度朝着振动部分的中心降低的情况下，能进一步改善方向性和声音收集效果。
此外，根据本发明的生产电声换能器的工艺，可以用简化的工艺来生产高可靠高性能的电声换能器。
采用只加入一个抗蚀掩模的简单工艺，就有可能生产高质量的具有改善了上电极张力的电声换能器。
在上电极有小孔的情况下，能减少刻蚀反应膜所需的时间，这简化了生产工艺和导致生产成本的降低。
在用以磷掺杂的氧化硅膜制成反应膜的情况下，更容易简化生产工艺和降低生产成本。
权利要求
1．一种电声换能器，它包括下电极；上电极，它包括振动部分和用作在振动部分周边起码一部分支持振动部分的支持部分；和绝缘层，用来把下电极与上电极绝缘开，其中所述上电极在所述振动部分和/或所述支持部分具有起伏，以便在所述上电极和所述下电极之间形成空腔。
2．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述上电极起码在所述支持部分的顶面有起伏。
3．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述上电极的起伏是通过使所述绝缘层的端部附近的所述振动部分弯曲来形成的。
4．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述振动部分的端部的底面高于所述支持部分在所述绝缘层正上方延伸的区域的顶面。
5．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述振动部分的端部的底面低于所述支持部分在所述绝缘层正上方延伸的区域的顶面或者处在与其相同的高度。
6．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述在其周边区域，所述振动部分有多个小面，它们离下电极有不同距离。
7．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述振动部分起码有一个小孔。
8．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述支持部分在离所述振动部分中心等距离的三个地方支持所述振动部分。
9．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述振动部分基本上是圆形。
10．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述振动部分的形状是基本上等边的多边形。
11．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述下电极由半导体衬底构成。
12．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述上电极与所述下电极各自连接到用于加电压的以金隆起块(bumps)制成的端子。
13．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述电声换能器在所述上电极的所述振动部分的周边配备有壁。
14．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述电声换能器在所述上电极的所述支持部分的周边配备有壁。
15．根据权利要求1的电声换能器，其特征在于所述电声换能器在所述上电极的所述振动部分和所述支持部分之上延伸的周边区域配备有壁。
16．据权利要求13到15中的任何一个权利要求的电声换能器，其特征在于所述上电极配备有多个壁。
17．根据权利要求16的配备有多个壁的电声换能器，其特征在于越靠近所述振动部分的中心的所述壁越短。
18．根据权利要求13到15中的任何一个权利要求的电声换能器，其特征在于所述上电极配备有一个这样的壁，向着所述振动部分的中心，所述壁的顶面的高度减小。
19．一种电声换能装置，它包括多个权利要求1中所述的电声换能器。
20．一种生产电声换能器的工艺过程，它包括下面的步骤(a)在下电极上有选择地形成绝缘层，使得所述下电极表面部分地暴露出来；(b)在所述下电极的所述暴露的表面上以及所述下电极的所述暴露的表面周围的所述绝缘层区域有选择地形成反应(sacrificial)膜；(c)在所述反应(sacrificial)膜上形成上电极，所述上电极把所述反应膜的一部分暴露出来、并复盖所述反应膜的延伸在所述绝缘层上的周边部分；和(d)经由所述反应膜的所述暴露的部分、采用去除所述反应膜的方法，在所述上电极和所述下电极之间形成空腔。
21．根据权利要求20的工艺过程，其特征在于在所述步骤(b)中形成所述反应膜之后以及所述步骤(c)之前，利用在所述反应膜上形成的呈所需要的形状的抗蚀剂图案，刻蚀所述反应膜的表面，以便在所述绝缘层的边缘附近的所述反应膜的表面上形成起伏。
22．根据权利要求20的工艺过程，其特征在于在所述步骤(c)中形成上电极的同时，或在所述步骤(c)中形成所述上电极之后以及所述步骤(d)之前，在所述上电极上形成小孔，并且在所述步骤(d)中通过所述小孔去除所述反应膜。
23．根据权利要求20的工艺过程，其特征在于在所述步骤(b)中，在整个下电极表面上淀积用磷掺杂的氧化硅的反应膜，在使所述反应膜表面平滑的温度下对所述反应膜作热处理，并且使所述反应膜形成所需要的图案。
全文摘要
一种电声换能器包括下电极、上电极和绝缘层,其中,上电极包括振动部分和用来在振动部分周边起码一部分支持振动部分的支持部分,而绝缘层用来把下电极和上电极绝缘开,其中上电极在振动部分和/或支持部分具有起伏,以便在上电极和下电极之间形成空腔。
文档编号H04R19/04GK1299152SQ0013496
公开日2001年6月13日 申请日期2000年12月11日 优先权日1999年12月9日
发明者广崎有史, 田中清公, 木村史郎, 山本郁夫 申请人:夏普公司