专利名称：一种硅微电容传声器芯片及其制备方法
技术领域：
本发明涉及微机电器件领域，具体地说，本发明涉及一种硅微电容传声器芯片及其制备方法。
背景技术：
硅微电容传声器是一种新型的传声器，它通常由形成硅微电容的硅芯片部分和外围电路部分组成。其中硅微电容芯片部分是传声器的核心，它是利用集成电路工艺在硅基片上制作而成。硅微电容芯片部分由硅基片及其上的穿孔背板或者说声学孔背板、空气隙、隔离层、振动膜及电极组成，可参见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》。
图1示出了通常硅微电容传声器芯片10的剖面图，包括有一个硅片11。该硅片11具有一空心部12，空心部12的上端具有一个成形在硅片上表面的穿孔背板13，该穿孔背板13上具有多个成阵列分布的声学孔14。在硅片11上表面还形成有一个隔离层15，而隔离层15上形成有一个振动膜16。通过隔离层15，在穿孔背板13和振动膜16之间提供了一个空气隙17。穿孔背板13和振动膜16上分别设置有电极18和18’。
通常的硅微电容传声器芯片由于受材料特性和制备方法的限制，图1所示传声器芯片中的空气隙17通常为方形边界。图2是在制备图1的传声器芯片10的过程中的一个剖面图，如图2所示，在硅片11上通过掺杂形成一个掺杂层13’，该掺杂层13’在后续制备过程将成形为穿孔背板13，然后在掺杂层13’上形成一牺牲层15’，并在牺牲层15’上形成振动膜16。然后从硅片11的下表面开始进行体刻蚀，先腐蚀出图1中所示的空心部12，然后继续向上将掺杂层13’中未掺杂的硅材料腐蚀掉，形成图1中的声学孔14，然后继续向上腐蚀直至将位于掺杂层13’和振动膜16之间的一部分牺牲层15’腐蚀掉形成图1中的空气隙17，而残留的一部分牺牲层15’则形成图1中的隔离层15。值得注意的是，由于硅片11本身各向异性腐蚀的特性，从硅片11下表面开始体刻蚀只能产生棱台形的空心部12(图1)，该空心部12横截面的边界为一正方形。这样，当体刻蚀向上腐蚀至时牺牲层15’时，由于腐蚀方向的限定，形成的空气隙17的边界通常也为正方形。如图3所示的从图1中沿I-I截取的剖面图所示，由隔离层15限定的空气隙17的闭合边界17’通常为正方形。
由于空气隙17具有方形边界，在其边界的尖角处(例如图3中所示空气隙17的四个边角)，振动膜16承受的应力较大，产生应力集中，进而导致传声器的灵敏度下降，有时甚至会导致振动膜16的破裂。可见，在现有技术中，空气隙17的形状特别是其边界形状基本上是不可控的，受材料特性和制备方法的限制，通常使得空气隙17的边界具有尖角，从而产生应力集中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种硅微电容传声器芯片，该传声器芯片可避免产生应力集中；本发明的另一目的在于提供一种硅微电容传声器芯片的制备方法，在该方法中可以控制空气隙的边界形状。
为了实现上述目的，本发明提供一种硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，所述隔离层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，以便在所述穿孔背板和所述振动膜之间形成空气隙；所述空气隙具有无尖角的边界，且所述振动膜具有一凸环。
优选地，所述空气隙具有光滑边界。所述空气隙最好具有圆形边界。
本发明还提供一种硅微电容传声器芯片的制备方法，包括提供一具有上表面和下表面的硅基片；从所述硅基片的上表面对硅基片进行掺杂，形成一掺杂层；在所述硅基片的上表面之上形成一隔离层，该隔离层环绕限定了一空心区域；在所述硅基片的上表面之上形成一比所述隔离层更易于被刻蚀的牺牲层，至少一部分牺牲层填充在所述空心区域内；在所述牺牲层之上形成一振动膜；从所述硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，并刻蚀去除所述牺牲层；最终，所述掺杂层形成为硅微电容传声器芯片的穿孔背板，被刻蚀去除的牺牲层所在的位置形成硅微电容传声器芯片的空气隙；在所述振动膜和穿孔背板上分别设置电极。
所述牺牲层在其横向上具有光滑的边界。所述牺牲层在其横向上具有圆形边界。所述牺牲层在其边界具有纵向的凸出部分，以便在所述牺牲层之上形成的振动膜具有一凸环。所述隔离层为二氧化硅材料，所述牺牲层为氧化锌或磷硅玻璃材料。
在本发明中，硅微电容传声器芯片的空气隙形状由易腐蚀的牺牲层形状来限定，技术人员可通过设计牺牲层的形状来获得所需要的空气隙形状，从而使得空气隙的形状是可控的。特别是，通过本发明，可以使得空气隙的边界没有尖角，从而避免振动膜的应力集中。此外，本发明的硅微电容传声器芯片振动膜上的凸环结构可以提高振动膜的振动幅度限度，降低振动膜在振动时发生破裂的可能性。
图1是一种常规的硅微电容传声器芯片的剖面图；图2是在制备图1的硅微电容传声器芯片过程中的剖面图；图3是沿图1的I-I线提取的剖面图；图4～图7是本发明的硅微电容传声器芯片制备方法的制备流程，其中图7为根据本发明的方法制备好的传声器芯片；图8是图7所示硅微电容传声器芯片的俯视图；图9是在图7中沿II-II线提取的剖面图；图10是本发明的硅微电容传声器芯片制备方法中牺牲层的边界形状的示意图。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步详细描述。
图4～图7示出了在一个实施例中本发明的硅微电容传声器芯片的制备流程，其中图7为根据本发明的方法制备好的传声器芯片。
如图4所示，首先选取一个硅基片100，该硅基片100为<100>n-型硅片。硅基片100具有一个上表面101和一个下表面102，在一个实施例中，该硅基片100的厚度为400微米，但是可以理解，本领域的技术人员可根据需要选择不同厚度的硅基片100。硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅，示例性地，该高温二氧化硅的厚度为1.5微米；在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅光刻，利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜103。然后从上表面101开始向下对硅基片100进行掺杂，这样掩膜103未覆盖的区域将被掺杂而形成掺杂层104。在该实施例中，对硅基片100进行的是选择性掺杂，即对于在后续步骤中将要形成为硅微电容传声器芯片的声学孔的位置106’不进行掺杂。在本实施例中，硅基片100的掺杂是对从上表面101对硅基片100进行硼扩散，扩散深度可在1微米至20微米之间选择，本领域的技术人员也可根据实际需要作出其它选择。
如图5所示，用氢氟酸去除图4中的高温二氧化硅掩膜103，然后在硅基片100的上表面101形成一隔离层105。在图8中看得更清楚，该隔离层105优选为圆环形，可通过如下方法形成在硅基片100的上表面101形成一层低温二氧化硅，然后对该层低温二氧化硅进行光刻后用氢氟酸腐蚀出圆环形的隔离层105。这样，以隔离层105为边界限定了一个空心区域107’。
然后，如图5所示，在隔离层105所围绕的空心区域107’处形成一牺牲层107，牺牲层107中至少一部分填充在该空心区域107’处。在图5的实施例中，牺牲层107不仅填充了空心区域107’，并且在其边缘处还覆盖了部分隔离层105。在一个实施例中，当隔离层为低温二氧化硅时，牺牲层107则可选用氧化锌或者磷硅玻璃，从下文的描述将可知道，在进行腐蚀时，氧化锌或者磷硅玻璃被腐蚀的速度要远大于低温二氧化硅被腐蚀的速度。在形成牺牲层107的过程中，当采用磷硅玻璃材料时，可用LPCVD或PECVD工艺将磷硅玻璃淀积在硅基片100的上表面101，然后用缓冲氢氟酸将其腐蚀为与隔离层105同心的圆形；当采用氧化锌材料时，可用磁控溅射工艺将氧化锌淀积在硅基片100的上表面101，然后用磷酸将其腐蚀为与隔离层105同心的圆形。
然后，如图5所示，利用低压化学气相淀积设备(LPCVD)在硅基片100的上表面101和下表面102双面分别淀积一层氮化硅，示例性地，该氮化硅层的厚度为0.5微米。在硅基片100的上表面101光刻后，上表面101的氮化硅层被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成圆形振动膜108；在硅基片100的下表面102光刻后，下表面102的氮化硅层被等离子体刻蚀机(ICP)刻蚀成掩膜109，掩膜109的未覆盖区域为一正方形，以便从该正方形区域开始对硅基片100进行体刻蚀。
此外，如图5所示，牺牲层107在其边缘附近最好具有一凸出部分112’，这样，当在形成振动膜108时，振动膜108将会具有一个与牺牲层107的凸出部分112’相对应的凸环结构112。
结合图5和图6，从硅基片100的下表面102开始对硅基片100用氢氧化钾进行硅体刻蚀。在氢氧化钾向上的腐蚀过程中，首先腐蚀出一个空心部113，由于硅基片100本身各向异性腐蚀的特性，类似于图1中的空心部12，该空心部113也通常为棱台形，其横向(硅基片100的上表面101和/或下表面102所在平面的方向)截面为正方形。然后，氢氧化钾继续向上腐蚀，由于氢氧化钾对未进行硼扩散掺杂区域的腐蚀速度远高于进行硼扩散掺杂的区域，因此，掺杂层104中处于声学孔位置106’(图4)的硅材料被很快腐蚀去除，以形成硅微电容传声器芯片的声学孔106，从而使得掺杂层104形成穿孔背板。
然后，将缓冲氢氟酸通过声学孔106到达隔离层105所包围的牺牲层107。如前所述，牺牲层107采用了比隔离层105更易被腐蚀的材料，例如氧化锌或磷硅玻璃，因此，牺牲层107很快就被腐蚀完，而留下与牺牲层107形状相同的空气隙110。因此可知，空气隙110的形状将由之前所形成的牺牲层107的形状来限定。这样，本领域的技术人员则可通过预先设定牺牲层107的形状来得到所希望的空气隙110的形状。
最后，如图7所示，在振动膜108以及掺杂层104的表面分别设置一金属电极111，完成硅微电容传声器芯片的制备。电极111的设置在图8的俯视图中看得更清楚，这两个金属电极111可通过在硅基片100的上表面101蒸镀一层金属薄膜，例如铝膜，然后对该金属薄膜光刻并用磷酸腐蚀成电极111。
如图7所示，本发明的硅微电容传声器芯片包括硅基片100。在硅基片100的上表面101上，具有由多个声学孔106的掺杂层104形成穿孔背板，掺杂层104上设有隔离层105，隔离层105之上设有振动膜108，振动膜108以及掺杂层104的表面分别设有电极111，而在振动膜108和掺杂层104之间具有空气隙110，该空气隙110是由牺牲层107被腐蚀后形成的。
特别是在图7中，如前所述，该空气隙110的形状由牺牲层107的形状限定。在一个实施例中，牺牲层107的横向边界为圆形，因此空气隙110的边界110’也为圆形，如图9所示的从图7中沿II-II截取的剖面图所示。事实上，本领域的技术人员很容易理解，可通过设置不同形状的牺牲层107，来制备具有不同空气隙110形状的硅微电容传声器。在其他实施例中，可以设置无尖角边界的牺牲层107来使得硅微电容传声器的空气隙110的边界也没有尖角，从而避免振动膜108的应力集中，例如，牺牲层107可以具有光滑的边界(在数学上称为边界上各点都可导)，使得空气隙110也具有基本上为光滑曲线的边界。图10示出了几种牺牲层107的光滑边界形状，相应地，制备好的硅微电容传声器的空气隙110也具有基本相同的边界。
权利要求
1.一种硅微电容传声器芯片，包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，所述隔离层位于所述穿孔背板和所述振动膜之间，以便在所述穿孔背板和所述振动膜之间形成空气隙；其特征在于，所述空气隙具有无尖角的边界，且所述振动膜具有一凸环。
2.根据权利要求1所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述空气隙具有光滑边界。
3.根据权利要求2所述的硅微电容传声器芯片，其特征在于，所述空气隙具有圆形边界。
4.一种硅微电容传声器芯片的制备方法，包括提供一具有上表面和下表面的硅基片；从所述硅基片的上表面对硅基片进行掺杂，形成一掺杂层；在所述硅基片的上表面之上形成一隔离层，该隔离层环绕限定了一空心区域；在所述硅基片的上表面之上形成一比所述隔离层更易于被刻蚀的牺牲层，至少一部分牺牲层填充在所述空心区域内；在所述牺牲层之上形成一振动膜；从所述硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，并刻蚀去除所述牺牲层；最终，所述掺杂层形成为硅微电容传声器芯片的穿孔背板，被刻蚀去除的牺牲层所在的位置形成硅微电容传声器芯片的空气隙；在所述振动膜和穿孔背板上分别设置电极。
5.根据权利要求4所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述牺牲层在其横向上具有光滑的边界。
6.根据权利要求5所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述牺牲层在其横向上具有圆形边界。
7.根据权利要求5所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述牺牲层在其边界具有纵向的凸出部分，以便在所述牺牲层之上形成的振动膜具有一凸环。
8.根据权利要求4所述的硅微电容传声器芯片的制备方法，其特征在于，所述隔离层为二氧化硅材料，所述牺牲层为氧化锌或磷硅玻璃材料。
全文摘要
本发明公开了一种硅微电容传声器芯片以及制备方法。该传声器芯片包括硅基片及其上的穿孔背板、隔离层、振动膜和电极，隔离层位于穿孔背板和振动膜之间以便在其间形成空气隙，该空气隙具有无尖角的边界，且振动膜具有一凸环。本发明的制备方法包括在硅基片的上表面之上形成一隔离层，该隔离层环绕限定了一空心区域；在硅基片的上表面之上形成一比隔离层更易于被刻蚀的牺牲层，至少一部分牺牲层填充在该空心区域内；从硅基片的下表面开始对所述硅基片进行体刻蚀，并刻蚀去除牺牲层，在牺牲层所在位置形成空气隙。本发明中的空气隙形状由易腐蚀的牺牲层形状来限定，可通过设计牺牲层的形状来获得所需要的空气隙形状，从而使得空气隙的形状是可控的。
文档编号H04R31/00GK1816222SQ20051000538
公开日2006年8月9日 申请日期2005年2月5日 优先权日2005年2月5日
发明者徐联, 田静, 汪承灏, 黄歆, 魏建辉, 李俊红 申请人:中国科学院声学研究所