专利名称：硅麦克风的制作方法
技术领域：
本发明涉及硅麦克风，尤其涉及具有背极板芯片的硅麦克风。
背景技术：
电容式麦克风典型地包括一个振膜，该振膜包括一个连在弹性元件上的电极，以及连在另一个电极上，与弹性元件平行的背极板。该背极板的刚性相对较强，并且典型地包括多个孔以允许空气可以在背极板和弹性元件之间运动。背极板和弹性元件形成了电容器的平行板。在振膜上的声压会引起平行板的偏移，使电容器的电容发生变化。电容的变化由电路来处理，从而提供与变化相对应的电信号。
包括微型麦克风的微型机电系统(MEMS)是利用通常用于制造集成电路的技术制造的。MEMS微型麦克风的可能应用包括应用于助听器和移动电话，以及车辆压力传感器的麦克风。
一旦硅麦克风的制作完成，就必须封装进一个设备中。在封装处理过程中，硅麦克风的背极板会移动或发生变形。封装期间背极板的任何移动都会降低麦克风的灵敏度，或者妨碍麦克风的操作。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低封装期间背极板变形风险的硅麦克风，或者是至少向公众提供一种有用的选择。
从广义上讲，在一个方面，本发明包括一个硅麦克风，该麦克风包括一个能够在一个孔上方弯曲的振膜、一个允许电连接该振膜的区域、一个平行于振膜并与之间隔且在该孔上方延伸的背极板，该背极板是固定的，背极板与振膜构成平行电容板，背极板和振膜彼此相连，并至少在孔的部分边界周围互相绝缘，在孔的边界周围背极板支撑与背极板相连，背极板支撑不构成与背极板的电连接。
在一个实施例中，背极板支撑由一个绝缘体制成。在另一个实施例中，硅麦克风包括背极板和背极板支撑之间的绝缘材料层。
从广义上讲，本发明包括一种制造硅麦克风的方法，包括下面的步骤提供第一晶片，该晶片包括重掺杂硅层、硅层和在两个硅层之间的中间氧化层，并且在重掺杂硅层的一个表面上具有第一主表面，而在硅层上具有第二主表面，提供重掺杂硅的第二晶片，该晶片具有第一主表面和第二主表面，在第一晶片的至少第一主表面上形成一个氧化层，在第二晶片的至少第一主表面上形成一个氧化层，蚀刻空腔，其穿过第一晶片的第一主表面上的氧化层并进入重掺杂硅层，将第一晶片的第一主表面与第二晶片的第一主表面结合，削薄第一晶片的第二主表面，在第二晶片的第二主表面上形成图案并蚀刻出声孔，蚀刻掉第一晶片上的中间氧化层，在第一晶片的第二主表面上形成金属层，及在第一晶片的重掺杂硅层上至少形成一个电极，在第二晶片上至少形成一个电极。
将背极板支撑与第二晶片的第二主表面结合的步骤可以发生在第二晶片上形成声孔之后的任何阶段。
将背极板支撑与第二晶片的第二主表面结合的步骤可以包括将有一个孔的绝缘体与第二晶片的第二主表面结合和将背极板支撑与绝缘体结合的步骤。
通过参考附图仅仅示例性而非限制性地进一步描述制造硅麦克风的方法，其中图1A是制造之前第一晶片的侧视图；图1B是制造之前第二晶片的侧视图；图1C是制造之前第三晶片的侧视图；图2A是沉积或生成氧化层之后的第一晶片的侧视图；图2B是沉积或生成氧化层之后的第二晶片的侧视图；图2C是掩模之后的第三晶片的侧视图；图2D是钻孔或蚀刻之后的第三晶片的侧视图；图3是形成图案并蚀刻出空腔之后的第一晶片的侧视图；图4是结合在一起的两个晶片的侧视图；图5是剥去氧化层之后的两个晶片的侧视图；图6是削薄第一晶片之后的两个晶片的侧视图；图7是在第二晶片上形成金属层及在第二晶片上形成声孔之后两个晶片的侧视图；图8是两个晶片之间的结合处蚀刻掉氧化层之后的侧视图；图8A是增加了第三晶片之后图8中设备的侧视图；图9是在第一晶片的重掺杂层上形成金属之后两个晶片的侧视图；图9A是增加了第三晶片之后图9中设备的侧视图；图10是形成电极之后两个晶片的侧视图；图10A是增加了第三晶片之后图10中设备的侧视图；图11是完成的硅麦克风的俯视图；图12是没有电极的硅麦克风的第二实施例的侧视图；
图12A是增加了第三晶片之后图12的设备的侧视图；图13是图12中具有电极的麦克风的侧视图；图13A是增加了第三晶片的图13中的麦克风的侧视图；图14是振膜上具有皱折的硅麦克风的侧视图；及图14A是增加了第三晶片的图14中的硅麦克风的侧视图。
具体实施例方式
将参考硅麦克风的一个具体实施例描述硅麦克风和制造硅麦克风的方法。这不作为对本发明的限制。
在这里结合了本申请人的描述并要求保护制造硅麦克风的方法的(没有背极板支撑)PCT专利申请PCT/SG2004/000152，并作为参考。
图1A是用于制造硅麦克风的第一晶片的侧视图。该晶片由重掺杂硅的第一层1、中间氧化层2和硅衬底的第三层3组成。在一个实施例中，第一层是p++掺杂硅，第三层是n型衬底。在一个可替换实施例中，第一层可以是n++掺杂硅，第三层可以是p型衬底。典型地，第一层1约为4微米厚，第二层约为2微米厚。用于硅麦克风的这两层的厚度取决于所需的麦克风的特性。衬底层比其他两层厚，例如，可以约为400到600微米厚。
应该注意的是，所示的侧视图不是按比例绘制的，而仅仅用于说明的目的。
图1B是用于制造硅麦克风的第二晶片的侧视图。该晶片包括一个硅片4。该硅片是重掺杂硅，可以为p型或n型硅。在优选实施例中，该硅片是<100>硅。在其他实施例中，可以使用不同的硅表面或结构。
图1C是用于为硅麦克风提供背极板支撑的第三晶片的侧视图。该晶片优选为Pyrex或硅酸硼玻璃，但可替换为任何合适的材料，可以是绝缘的或非绝缘的。
图1A、1B和1C都是三个晶片的侧视图，这些晶片是立体的，具有两个主表面。第一晶片的两个主表面是顶面和底面(图1A中没有示出)。第一主表面，即顶面，包括重掺杂硅。第二主表面，即底面，包括硅衬底。
在图1B中，主表面位于晶片的顶部和底部，都包括重掺杂硅片。
在图1C中，主表面位于晶片的顶部和底部。
在制造硅麦克风的过程中，三个晶片在结合在一起并进一步被处理之前分别被进行最初的处理。
图2A和2B示出了在晶片的主表面上形成氧化层5之后的第一和第二晶片。氧化层典型地通过热生长或沉积处理形成在两个晶片的两个表面上。在每个晶片的两个主表面上形成氧化层降低了晶片变形的风险，如果氧化层仅仅形成在每个晶片的一侧，晶片就会发生变形。在一个可替换实施例中，氧化层仅仅形成在每个晶片的一个主表面上。如图2A和2B所示，氧化层5的厚度小于硅片的厚度。
可以理解，任何其他合适的电介质或绝缘材料，例如氮化硅，都可用于代替氧化层。
第三晶片必须包括一个中心孔，从而当制造完成时，麦克风可以正常地工作。如果第三晶片不具有中心孔，则晶片上会形成一个孔。图2C示出了在形成图案之后及进行蚀刻形成一个中心孔之前的第三晶片。晶片上的掩模层可以是铬层。接着，可以利用浓缩HF对硅酸硼玻璃进行蚀刻而形成该孔。中心孔可以通过湿蚀刻或干蚀刻形成。如果利用干蚀刻，可以是等离子蚀刻。在可替换实施例中，中心孔可以通过机械设备，例如超声钻形成。
图2D是在晶片上形成孔之后的第三晶片的侧视图。该孔不必完全穿过晶片延伸，但必须提供一个适合整个硅麦克风的背部体积。背部体积的典型厚度可以约为200微米。处理好第三晶片之后，清洗该晶片。
图3示出了一个实施例，在该实施例中，在第一晶片的第一主表面上形成图案并蚀刻出空腔6。在该步骤中，重掺杂硅层的一部分被蚀刻掉，形成重掺杂部分1的薄剖面。可以使用湿硅蚀刻或干硅蚀刻。因为这个剖面将最终形成麦克风的振膜，所以这个薄剖面的厚度决定了硅麦克风的特性。在一个实施例中，利用反应离子蚀刻(RIE)形成空腔。
这个蚀刻是一个时间蚀刻，所以重掺杂部分的这个薄剖面的最终厚度取决于蚀刻时间。
空腔的期望形状根据硅麦克风的期望特性决定。
在一个实施例中，可以从衬底3到掺杂部分1蚀刻晶片的一部分，从而在最后处理阶段时在掺杂部分1上形成一个电极。
如图4所示，第一和第二晶片结合在一起。结合在一起的主表面是第一晶片的第一主表面1和第二晶片4的一个主表面。在优选实施例中，两个晶片用熔焊方法结合在一起。如图4所示，是第二晶片4的氧化层5和第一晶片形成图案的氧化层5结合在一起。
图5示出了从这些晶片暴露在外的主表面上剥离氧化层之后的第一和第二晶片。氧化层剥离是公知的，任何合适的技术都可以用于从暴露表面上剥离氧化层。
图6示出了从第一晶片除去硅衬底之后的第一和第二晶片。在优选实施例中，以一个简单的操作执行这个削薄的处理。任何合适的技术都可以用于从第一晶片上除去衬底层。
在削薄第一晶片之后，如图7所示，在第二晶片上形成图案并蚀刻出声孔。为了形成图案并蚀刻出声孔，第一步骤是在第二晶片4的外主表面上形成氧化层7。然后用一个保护层覆盖该氧化层，接着对保护层形成图案。进行蚀刻，穿过氧化层7和硅层4蚀刻出声孔。蚀刻操作还在声孔的底部蚀刻氧化层5，从而在声孔和第一晶片重掺杂硅层1上形成的空腔之间提供通路。
图11示出了穿孔的硅层和背极板支撑13。在硅麦克风上提供背极板支撑的优点是在硅麦克风被封装时减少或防止背极板的移动，从而可以提供一个更结实的硅麦克风。背极板支撑为背极板提供强度。使用绝缘材料的背极板支撑的优点包括允许将背极板4和振膜设计成是分开的，这降低了寄生电容。背极板支撑13还增加了通过第二晶片上的孔形成的硅麦克风的背部体积。图11示出了硅层4的轮廓，其形成了声孔。如图11所示，在这个实施例中，在硅层4上形成通道，使包含声孔的部分硅层固定在硅麦克风的一个角上。包含声孔的硅层4的稳定性是必须的，以防止硅层4移动出硅麦克风。这个稳定性由背极板支撑13提供。
硅晶片上的声孔或开口可以是圆形的，设置在硅晶片的矩形内，其中心位于硅晶片堆叠的中心，而其长度和宽度小于硅晶片堆叠的长度和宽度。孔的形状和布置是可选择的，以提供合适的麦克风的声音性能。
如图7所示，第一晶片上的空腔大于第二晶片的声孔界定的区域。通过为第一晶片的振膜1提供一个比较大的空腔6，可以降低定位声孔所需的精确度。
如图7所示，在蚀刻声孔期间，还可以在硅麦克风周边周围蚀刻出一个小区域或间隙。在优选实施例中，这个蚀刻操作是通过反应离子蚀刻延迟(RIE-lag)完成的。在这种情况下，RIE-lag是一种现象，通过这种现象使抗蚀剂掩模较小尺寸的周边缺口蚀刻成深度小于较大标定尺寸的声孔的深度。由于RIE-lag，硅麦克风周边周围的间隙不完全穿过硅层4蚀刻。这个间隙显示为图7到10A的侧视图的一个步骤。该不完全蚀刻的周长提供了弱化线，在这里当结合的晶片受到压力的作用，即，当承受辊子施加压力时，将会发生断裂。该不完全蚀刻的形成允许晶片在不使用研磨或湿法处理的情况下，切割为单个的麦克风芯片，从而减少了对易碎振膜的可能损坏。部分蚀刻应该足够深以允许晶片在切割过程中易于断裂，但又应该足够浅使得切割之前，允许在不使晶片破损的情况下易于处理晶片。
图8示出了在结合的晶片上进一步形成图案并进行蚀刻的步骤的结果。在这些步骤中，将氧化层2形成图案，从而定义了接着将要被蚀刻的重掺杂硅层1的绝缘区域。然后，将氧化层从重掺杂硅层1上蚀刻掉。将振膜绝缘区域周围的氧化层5蚀刻掉，从而暴露出第二晶片4通常意义上内侧主表面的部分。将声孔内的氧化层5蚀刻掉。在使用RIE的情况下，在单独的步骤中蚀刻结合的硅片的相对面。这些蚀刻步骤之后，重掺杂硅层1的剩余部分，定义为绝缘区域，小于第二晶片的大部分硅层4(不包括硅麦克风周边上被部分蚀刻了的硅)的长度。
图8A示出了将第三晶片、背极板支撑13与第二晶片的第二主表面结合之后图8中的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在第二晶片上蚀刻出声孔之后的任何阶段与第二晶片结合。如果第三晶片是非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后将第三晶片结合到绝缘层上。
图9示出了具有在第一晶片的重掺杂硅层和第二晶片的暴露硅层上形成的金属层的一个实施例。如图9所示，该金属层是整体溅射的。然后，蚀刻该金属层形成如图10所示的至少两个电极10、11。至少一个电极11形成在重掺杂硅层上，至少一个电极10形成在第二晶片硅层4暴露在外的第一主表面，即，内侧主表面上。
在另一个实施例中，电极10、11是通过利用遮蔽掩模直接将金属沉积在所需图案上形成的。
图9A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图9的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在第一晶片的重掺杂硅层及第二晶片的暴露硅层上形成金属层的步骤之前或之后与第二晶片结合。如果第三晶片是非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后将第三晶片结合到该绝缘层上。
如图10所示，电极11与第一晶片1的重掺杂层接触，电极10与第二晶片的硅层4接触。这样就使麦克风可以仅通过麦克风一侧的连接与另一个设备相连。
图10A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图10的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在第一晶片和第二晶片的暴露硅上形成电极之前或之后与第二晶片结合。如果第三晶片是非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后将第三晶片结合到该绝缘层上。
在硅麦克风的一侧上提供两个电极还有利于探察硅麦克风，例如，在将麦克风连接到运输设备或其他系统上之前。探察硅麦克风可以仅通过麦克风一侧的探针代替使用麦克风两侧的探针而完成。
在可替换实施例中，硅衬底3在将两个晶片结合在一起之后没有变薄。在该实施例中，衬底3可选择性地在空腔周围和任何将形成电极的区域处削薄。该实施例的一个优点是最终的硅麦克风具有提高了的机械强度。另一个优点是当在振膜蚀刻(蚀刻衬底3)之前将第三晶片与硅麦克风结合时，晶片比预先蚀刻衬底3的情况更厚并不易碎。在这个实施例中，在衬底3上蚀刻背极板和在晶片上蚀刻孔的顺序是不重要的。图12示出了蚀刻部分衬底3以形成电极的位置之后该硅麦克风的侧视图。这个蚀刻操作可以与在衬底3上蚀刻振膜的背极板同时进行。然后，在从电极位置除去氧化层之后，利用遮蔽掩模将用于电极的金属沉积到硅麦克风上。图13示出了形成电极之后硅麦克风的最终视图。
图12A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图12的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在振膜蚀刻完成之前或之后与第二晶片结合。如果第三晶片为非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后在该绝缘层上结合第三晶片。
图13A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图13的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在第一晶片上形成电极之前或之后与第二晶片结合。如果第三晶片为非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后在该绝缘层上结合第三晶片。
在另一个可替换实施例中，如图4所示，在将晶片结合在一起之前，将衬底3削薄达到氧化层2或重掺杂硅层1。
在又一个可替换实施例中，在将晶片结合在一起之前或之后，将衬底3削薄达到一个预定厚度。接着，可选择地对衬底3形成图案并进行蚀刻。
在另一个可替换实施例中，在处理这些晶片之前，一个或全部两个晶片可以具有最终的晶片厚度。
在这些实施例中的任何一个中，第三晶片可以在背极板上形成声孔之后的任何阶段与第二晶片结合。
图14示出了本发明硅麦克风的可替换实施例。在这个实施例中，硅麦克风的振膜可以是过度蚀刻的，从而在振膜上形成一系列皱折。皱折的优点是它提高了硅麦克风的强度。应该注意，图14的硅麦克风不是完整的，没有示出任何电极。在振膜上形成皱折可以与本发明硅麦克风的任何其他实施例相结合。例如，皱折可以与图11或图13的麦克风结合。
图14A示出了在第二晶片的第二主表面上结合第三晶片之后图14的硅麦克风。在优选实施例中，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。第三晶片可以在振膜上形成皱折之后与第二晶片结合。如果第三晶片为非绝缘材料，则在第二晶片上结合一个绝缘层，然后在该绝缘层上结合第三晶片。
下面将通过实例进一步说明本发明的实施例。
实施例提供三个晶片；第一晶片包括4微米的p++掺杂硅层、2微米的氧化层和n型衬底；第二晶片包括p型硅；第三晶片包括硅酸硼玻璃。
通过热生长法在两个晶片的每个主表面上生长大约1微米的氧化层。然后，从部分第一晶片上蚀刻掉该氧化层，还蚀刻掉下面的部分p++掺杂硅层，在p++掺杂硅上形成一个大约2微米的空腔。该蚀刻是反应离子干蚀刻。
接着，熔化第一晶片的空腔侧将其与第二晶片的由氧化层覆盖的表面结合，剥离每个晶片的外氧化层。第一晶片的硅衬底也利用合适的剥离技术剥离掉，例如研磨、磨削或蚀刻。
进行反应离子蚀刻，在硅层上蚀刻声孔。反应离子蚀刻延迟使得硅麦克风晶片周边的蚀刻以一个较慢的速度进行，由于保护层为蚀刻提供了一个比声孔更小的表面区域，因此反应离子蚀刻产生一个更小的深度。
之后，从声孔上蚀刻掉氧化层，第一晶片的外氧化层也被蚀刻掉。这个步骤之后，在晶片周边附近蚀刻两个晶片之间的p++硅层和氧化层，暴露出第二晶片的硅层的前部，此时为内表面。
对第三晶片进行超声钻孔，在该晶片上形成一个孔。然后，将第三晶片与第一和第二晶片对齐，从而使第三晶片上的孔在第二晶片的声孔上方。接着，第三晶片以阳极结合的方式与第二晶片结合。
然后，在p++硅层和第二晶片暴露在外的部分硅层上溅射金属。按照图案对金属进行蚀刻，形成两个电极。
上文描述了包括其优选形式的本发明。如本领域技术人员能够理解的那样，对本发明的变化和改进将并入由所附权利要求定义的本发明的范围内。
权利要求
1.一种硅麦克风，包括能够在一个孔的上方弯曲的振膜；允许与振膜电连接的区域；背极板，平行于振膜并与其间隔，背极板在该孔上延伸，背极板是固定的；背极板和振膜形成电容器的平行板；背极板和振膜至少在孔的部分边界周围彼此相连并互相绝缘；及背极板支撑，其在孔的边界周围与背极板相连，背极板支撑不形成与背极板的电连接。
2.如权利要求1所述的硅麦克风，其中背极板支撑由绝缘体制成。
3.如权利要求1或2所述的硅麦克风，其中硅麦克风包括背极板和背极板支撑之间的绝缘材料层。
4.一种制造硅麦克风的方法，其包括下列步骤提供第一晶片，该第一晶片包括重掺杂硅层、硅层和两个硅层之间的中间氧化层，并且在重掺杂硅层的一个表面上具有第一主表面，且在所述硅层上具有第二主表面；提供重掺杂硅的第二晶片，该第二晶片具有第一主表面和第二主表面；至少在第一晶片的第一主表面上形成氧化层；至少在第二晶片的第一主表面上形成氧化层；蚀刻出一个穿过第一晶片的第一主表面上的氧化层并进入重掺杂硅层的空腔；将第一晶片的第一主表面与第二晶片的第一主表面结合；在其第二主表面处削薄第一晶片；在第二晶片的第二主表面上形成图案并蚀刻声孔；从第一晶片上蚀刻中间氧化层；在第一晶片的第二主表面上形成金属层；及至少在第一晶片的重掺杂硅层上形成一个电极，并至少在第二晶片上形成一个电极。
5.如权利要求4所述的制造硅麦克风的方法，其中将背极板支撑与第二晶片的第二主表面结合的步骤发生在第二晶片上形成声孔之后的任何阶段。
6.如权利要求4或5所述的制造硅麦克风的方法，其中将背极板支撑与第二晶片的第二主表面结合的步骤包括将包括一个孔的绝缘体与第二晶片的第二主表面结合以及将背极板支撑与该绝缘体结合的步骤。
全文摘要
一种硅麦克风，包括能够在一个孔的上方弯曲的振膜、允许电连接振膜的区域、平行于振膜并与其间隔开且在该孔上延伸的背极板和背极板支撑，背极板是固定的，背极板和振膜形成平行电容板，背极板和振膜至少在该孔的部分边界周围彼此相连并互相绝缘，背极板支撑不构成与背极板的电连接。
文档编号H04R19/00GK101044791SQ200580035567
公开日2007年9月26日 申请日期2005年10月18日 优先权日2004年10月18日
发明者郭杰伟, 王国民, 卡瑟加玛桑达拉姆·苏里亚库玛, 布赖恩·基思·帕特曼 申请人:森斯费伯私人有限公司