專利名稱：單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)及其制造方法
電容式聲波傳感器或麥克風(fēng)廣泛用于消費(fèi)產(chǎn)品和專用儀器，比如電話裝置，磁帶錄音機(jī)，攝像機(jī)，語言放大器，以及助聽器等。硅微機(jī)械加工技術(shù)已經(jīng)用于制造各種麥克風(fēng)，其工作原理基于可變電容器，由于電容器的一塊電極置于柔性平板之上，能夠隨從傳來的聲頻信號(hào)發(fā)生振動(dòng)。硅微機(jī)械加工技術(shù)的使用主要會(huì)帶來如下益處(1)電容器能夠經(jīng)受高達(dá)100攝氏度的熱沖擊；(2)提高電容器尺寸的控制精度；(3)便于縮小器件以及其它元件的尺度；(4)利于進(jìn)行量產(chǎn)，以降低生產(chǎn)成本；以及(5)容易將聲波傳感器與集成電路整合在一起，成為芯片上的系統(tǒng)。所有這些益處最終效果都是提高麥克風(fēng)的性能價(jià)格比。
從Royer等人做出第一只聲波傳感器以來[M.Royer，J.O.Holmen，M.A.Wurm，O.S.Aadland，and M.Glenn，ZnO on Si integrated acoustic sensor，Sensors and Actuators，4，(1983)，357-362]，許多報(bào)導(dǎo)都是用兩塊硅片組合制作聲波傳感器[W.Kuhnel，and G.Hess，Micro-machined subminiaturecondenser microphones in silicon，Sensors and Actuators A，32(1992)，560-564]。1991年Scheeper等人開始用單一硅片制作聲波傳感器，其方法是用犧牲層和電鍍金形成背面剛性平板，而在硅片內(nèi)部形成柔性平板[P.R.Scheeper，W.Olthuis，and P.Bergveld，F(xiàn)abrication of a subminiaturesilicon condenser microphone using the sacrificial layer technique，Proc.6th Int.Conf.Solid-State Sensors and Actuators(Transducers’91)，SanFrancisco，USA，June 24-28，1991，408-411]。Pedersen等人報(bào)導(dǎo)對(duì)敷覆在集成有電壓變換器和前置放大器的硅片上的聚酰亞胺進(jìn)行微機(jī)械加工制作出的麥克風(fēng)[M.Pedersen，W.Olthuis，P.Bergveld，Integrated siliconcapacitive microphone with frequency-modulated digital output Sensors& Actuators A-Physical.n 3，Sep 15(1998)，267-275]。Bernstein等人報(bào)導(dǎo)結(jié)合使用表面微機(jī)械加工和體微機(jī)械加工技術(shù)制作出高靈敏度的聲波傳感器[A.E.Kabir，R.Bashir，J.Bernstein，J.De Santis，R.Mathews，J.O.O’Boyle，C.Bracken，Very High Sensitivity Acoustic Transducers withThin P+Membrane and Gold Back Plate，Sensors and Actuators-A，Vol.78，issue 2-3，pp.138-142，17th Dec.1999.]。
硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)已經(jīng)經(jīng)歷好幾代的更迭，其最經(jīng)常和最主要的努力一直集中在減小電容器柔性平板和空氣隔層的厚度，以及降低其外加的驅(qū)動(dòng)電壓。雖然硅微機(jī)械加工的麥克風(fēng)的性能總是不斷得到改進(jìn)，但經(jīng)常會(huì)遇到幾個(gè)反復(fù)出現(xiàn)的困難問題。困難問題之一，采用異質(zhì)結(jié)材料制作柔性平板和剛性平板，會(huì)產(chǎn)生促使器件退化的熱失配應(yīng)力。困難問題之二，用單晶硅制作柔性平板時(shí)，其厚度減薄常常受到限制。困難問題之三，由于缺乏腐蝕自停的犧牲材料，空氣隔層橫向長度難以精確控制。諸如此類困難問題都急待發(fā)展新的技術(shù)予以解決，而這正是本發(fā)明的目的之所在。
本發(fā)明的主要目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其電容器的柔性平板和剛性平板都以單晶硅為材料，凡是由不同材料之間的熱失配應(yīng)力引發(fā)的問題都可以從根本上予以消除。
本發(fā)明的另一個(gè)目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其電容器的柔性平板的固有應(yīng)力可以通過改變硅材料的摻雜濃度而調(diào)節(jié)到工作所需的最佳值。
本發(fā)明的第三個(gè)目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其聲波傳入通道開口面積可以小于電容器的柔性平板面積，以使電容器橫向長度的縮小不致于受到通道開口面積的限制。
本發(fā)明的第四個(gè)目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其電容器的柔性平板厚度不僅可以精確控制，而且可以很容易減小到1微米以內(nèi)。
本發(fā)明的第五個(gè)目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其電容器的空氣隔層的橫向長度可以精確控制。
本發(fā)明的第六個(gè)目的，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其電容器可以很容易與其信號(hào)處理電路整合在同一塊單晶硅襯底上。本發(fā)明的總目標(biāo)，就是提供一種全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)，其性能價(jià)格比能夠有比較大的提高。
概括說來，本發(fā)明的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的麥克風(fēng)的電容器主要由單晶硅襯底，單晶硅柔性平板，開有通孔的單晶硅剛性平板，以及由全部或部分單晶硅構(gòu)成的支持邊框組成。柔性平板的周邊固定于單晶硅襯底之內(nèi)，其背面朝向挖掉襯底的部分單晶硅而形成的聲波傳入通道。剛性平板座落在柔性平板之上，由支持邊框從四周支撐，支持邊框之內(nèi)和兩平板之間夾有空氣隔層。支持邊框的上部表面覆蓋有復(fù)合介質(zhì)薄膜，使柔性平板和剛性平板之間實(shí)現(xiàn)電隔離。兩金屬電極布置在剛性平板的周圍區(qū)域，通過溝槽分割出來的單晶硅區(qū)域分別與柔性平板和剛性平板連接。
單晶硅柔性平板由生長在第一多孔單晶硅阱上的第一外延單晶硅層形成。第一多孔單晶硅阱是通過將單晶硅襯底置于HF溶液中進(jìn)行陽極氧化，使部分表層的單晶硅區(qū)域發(fā)生陽極腐蝕而形成的。第一多孔單晶硅阱的所需厚度通過摻雜深度控制或陽極氧化時(shí)間控制加以實(shí)現(xiàn)。
多孔單晶硅的晶格常數(shù)通常大于形成該多孔單晶硅的單晶硅，因而生長在多孔單晶硅層上具有與單晶硅襯底同樣摻雜濃度的外延單晶硅層處于由于晶格失配造成的拉伸狀態(tài)。而摻雜單晶硅的晶格常數(shù)隨著其摻雜濃度降低而增加，從而可以通過調(diào)節(jié)摻雜濃度而使生長在多孔單晶硅層上的外延單晶硅層的晶格失配應(yīng)力得到補(bǔ)償，使器件處于最佳的應(yīng)力狀態(tài)。
剛性平板由生長在第二多孔單晶硅阱上的第二外延單晶硅層形成。第二多孔單晶硅阱的形成分兩步進(jìn)行，第一步將第一外延單晶硅層的上部區(qū)域進(jìn)行摻雜，第二步在HF溶液中進(jìn)行陽極氧化，將摻雜的上部區(qū)域轉(zhuǎn)變成多孔單晶硅阱。
支持邊框的框條可以由多條合并的外延橫向過旺生長的單晶硅區(qū)域形成。在介質(zhì)圖案上進(jìn)行選擇性外延單晶硅生長時(shí)，這種過旺生長會(huì)出現(xiàn)在介質(zhì)層邊緣區(qū)域的上部表面，由此生長的單晶硅區(qū)域會(huì)向介質(zhì)層內(nèi)側(cè)橫向擴(kuò)張。支持邊框也可以由外延橫向過旺生長的單晶硅和純粹在介質(zhì)層上沉積的多晶硅共同形成，這是因?yàn)橥庋訖M向過旺生長的單晶硅區(qū)域通常比較狹窄，由單條過旺生長的單晶硅區(qū)域難以獲得比較寬的支持邊框的框條。
第二外延單晶硅層與復(fù)合介質(zhì)層上的多晶硅層是同時(shí)形成的，只是分別形成在多孔單晶層和介質(zhì)層上。
在將第二外延單晶硅層開通孔后，就可以選擇性腐蝕去除第二多孔單晶硅阱，從而可以在剛性平板之下形成空氣隔層。
聲波傳入通道由腐蝕單晶硅襯底而成。采用選擇性腐蝕或計(jì)時(shí)腐蝕的技術(shù)，使腐蝕終止于第一多孔單晶硅阱的適當(dāng)部位。然后選擇性腐蝕去除第一多孔單晶硅阱，使得由第一外延單晶硅層剩下的薄層部分得以釋放，成為兩面懸空的柔性平板。
本發(fā)明的簡況可以用如下各圖加以說明。


圖1、為在前的硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)的橫截面圖。
圖2、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)部分切除透視圖。
圖3、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第一步加工后形成的橫截面圖，圖中示出第一多孔單晶硅阱形成于單晶硅襯底之內(nèi)。
圖4、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第二步加工后形成的橫截面圖，圖中示出第一外延單晶硅層生長在單晶硅襯底表面，包括在第一多孔單晶硅阱表面。
圖5、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第三步加工后形成的橫截面圖，圖中示出第二多孔單晶硅阱形成于第一外延單晶層之內(nèi)。
圖6、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第四步加工后形成的橫截面圖，圖中示出第二外延單晶硅層生長在第一外延單晶硅層表面，包括在第二多孔單晶硅阱表面，與此同時(shí)在復(fù)合介質(zhì)條表面沉積多晶硅層。
圖7、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第五步加工后形成的橫截面圖，圖中示出在第二外延單晶層上形成的金屬電極圖案。
圖8、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第六步加工后形成的橫截面圖，圖中示出處于第二多孔單晶硅阱上方的第二外延單晶硅層區(qū)域開有均勻分布的通孔，第二多孔單晶硅阱被腐蝕去除后成為空氣隔層，而其上方的開孔硅區(qū)域成為剛性平板。
圖9、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第七步加工后形成的橫截面圖，圖中示出通過腐蝕形成的，用作聲波傳入通道的凹槽，其底部為剩余的單晶硅襯底層。
圖10、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過第八步加工后形成的橫截面圖，圖中示出選擇性腐蝕去除剩余的單晶硅襯底層和第一多孔單晶硅阱，從而形成兩面懸空的柔性平板。
圖11、為本發(fā)明提供的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)在經(jīng)過CMOS制作后形成的橫截面圖，圖中示出CMOS電路形成于麥克風(fēng)電容器區(qū)域以外的第二外延單晶硅層內(nèi)。
在詳細(xì)闡述本發(fā)明的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的麥克風(fēng)之前，簡單介紹如圖1所示的一種在前的典型的硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)。該麥克風(fēng)包括硅襯底101，電介質(zhì)層102，單晶硅層103，多晶硅層104，聲波傳入通道105，柔性平板106，空氣隔層107，開孔的剛性平板108，第一組氧化物隔壁109和110，第二組氧化物隔壁111和112，以及電極對(duì)113和114。柔性平板106由SOI(介質(zhì)層上的硅層)材料形成，其厚度1至3微米。剛性平板108由多晶硅層形成，其厚度10至20微米?？諝飧魧?至5微米，是腐蝕去除犧牲層后而騰出的空間。由圖1不難看出，用作犧牲層的是氧化硅層，其存留的一部分成為第一組氧化物隔壁109和110。
本發(fā)明的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)如圖2所示，其基本構(gòu)成與在前的硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)大致相似。該麥克風(fēng)組成為單晶硅襯底201，第一外延單晶硅層202，第二外延單晶硅層203，介質(zhì)層204，聲波傳入通道205，柔性平板206，空氣隔層207，開有通孔的剛性平板208，以及電極對(duì)209和210。
將圖2與圖1進(jìn)行仔細(xì)比較后，不難找出兩種硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)之間仍然存在明顯區(qū)別。區(qū)別之一，本發(fā)明的麥克風(fēng)的開孔剛性平板由單晶硅制成，在前的麥克風(fēng)的開孔剛性平板由多晶硅制成。區(qū)別之二，本發(fā)明的麥克風(fēng)的空氣隔層由腐蝕去除單晶硅而成，在前的麥克風(fēng)的空氣隔層由腐蝕去除氧化硅而成。區(qū)別之三，本發(fā)明的麥克風(fēng)的兩平板之間的電隔離由比較薄的復(fù)合介質(zhì)層實(shí)現(xiàn)，在前的麥克風(fēng)的兩平板之間的電隔離由比較厚的氧化硅實(shí)現(xiàn)。區(qū)別之四，本發(fā)明的麥克風(fēng)的聲波傳入通道的最大截面積可以小于柔性平板的面積，在前的麥克風(fēng)聲波傳入通道的最大截面積必須大于柔性平板的面積。區(qū)別之五，本發(fā)明的麥克風(fēng)容易與其信號(hào)處理電路集成在硅片的同一平面上，在前的麥克風(fēng)與其信號(hào)處理電路集成在硅片的不同平面上。正是因?yàn)楫a(chǎn)生了上述區(qū)別，本發(fā)明的所有目標(biāo)才得以付諸實(shí)施。
下面參照?qǐng)D3至圖11，詳細(xì)敘述本發(fā)明的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)的制造過程。
為在單晶硅襯底301內(nèi)形成由圖3所示的多孔單晶硅阱303，首先須準(zhǔn)備好一塊單晶硅襯底，其導(dǎo)電類型，晶向，以及電阻率都沒有嚴(yán)格要求，但一般傾向于采用P-型摻雜單晶硅片，晶向?yàn)?100)方向，電阻率范圍在1至10歐姆-厘米之內(nèi)，并且硅片兩面都需要經(jīng)過拋光處理。制作開始用低壓氣相化學(xué)沉積(LPCVD)技術(shù)在單晶硅襯底表面形成由氧化硅和氮化硅組合成的復(fù)合介質(zhì)層302，氧化硅和氮化硅層的厚度分別為500埃和2000埃。接著進(jìn)行光刻腐蝕形成若干橫向長度200至2000微米的陽極氧化窗口，氧化硅的去除用稀釋的HF溶液進(jìn)行濕法腐蝕，氮化硅的去除用CF4氣體進(jìn)行干法腐蝕。陽極氧化采用雙室化學(xué)反應(yīng)池，池內(nèi)由單晶硅片分隔成兩室，兩室的相對(duì)端面設(shè)置鉑電極。電解質(zhì)為49％HF∶C2H5OH(2∶1)溶液，陽極電流密度控制在5至20mA/cm2范圍內(nèi)。陽極氧化限制在單晶襯底301表面所開的陽極氧化窗口內(nèi)進(jìn)行，由此在單晶襯底301內(nèi)形成若干橫向長度200至2000微米的第一多孔單晶硅阱303，如圖3所示。第一多孔單晶硅阱303深度控制為10至20微米，根據(jù)實(shí)驗(yàn)定出生長速率，由計(jì)算陽極氧化經(jīng)歷的時(shí)間獲得所需的深度制造本發(fā)明的麥克風(fēng)的第二步，先是腐蝕去除單晶硅襯底表面剩余的氮化硅和氧化硅層，然后在400℃溫度下，于氧氣氣氛中，將生成的第一多孔單晶硅阱303進(jìn)行1小時(shí)的氧化處理。其作用是在多孔單晶硅的孔壁上生成20至30埃厚的氧化層，以此阻止在隨后的高溫處理過程中發(fā)生多孔結(jié)構(gòu)的塌陷。接著在化學(xué)氣相沉積爐中進(jìn)行外延單晶硅生長，反應(yīng)氣源為SiH2Cl2和H2，反應(yīng)溫度為950至1050℃。生長獲得的第一外延單晶硅層304覆蓋整個(gè)單晶硅襯底表面，包括第一多孔單晶硅阱303表面，如圖4所示。外延層厚度的典型值為3至5微米，電阻率的典型值為1至10歐姆-厘米，摻雜類型不受嚴(yán)格限制，但傾向于與單晶硅襯底相同，即為P-型。
制造本發(fā)明的麥克風(fēng)的第三步，是在第一外延單晶硅層304上形成另一個(gè)氧化硅和氮化硅的復(fù)合介質(zhì)層305，并進(jìn)行光刻腐蝕形成若干橫向長度200至2000微米的陽極氧化窗口。此掩蔽圖案先用作離子注入掩蔽，以向陽極氧化窗口注入離子進(jìn)行選擇性摻雜，注入劑量為1至5×1015/cm2，摻雜類型傾向與第一外延單晶硅層相同，即為P-型。然后在1000℃進(jìn)行退火處理，將摻雜區(qū)范圍向第一外延單晶硅層的深處推進(jìn)，并產(chǎn)生深2.5至4.5微米，平均雜質(zhì)濃度為1018至1019/cm3的摻雜區(qū)，而其剩下的未摻雜區(qū)域的厚度只有0.5至1.5微米。然后在上述相同的條件下進(jìn)行陽極氧化，將摻雜區(qū)域的單晶硅轉(zhuǎn)變成多孔單晶硅，以在第一外延單晶硅層304內(nèi)形成若干圖3標(biāo)出的第二多孔單晶硅阱306。要注意的是，第二多孔單晶硅阱306須座落在第一多孔單晶硅層303的正上方。同時(shí)要注意的是，由于形成了第二多孔單晶硅阱306，第一外延單晶硅層304的相應(yīng)部位的厚度被減小，從而形成如307所標(biāo)示的外延單晶硅薄層。一般情況下，外延單晶硅薄層307的厚度為0.5至1.5微米，此厚度的獲得通過控制第二多孔單晶硅阱306的深度實(shí)現(xiàn)，而第二多孔單晶硅阱306的深度又由離子注入摻雜層的推進(jìn)深度決定。
在制造的第四步中，先讓第二多孔單晶硅阱306經(jīng)歷上述相同的低溫?zé)嵫趸幚恚⒉捎蒙鲜鱿嗤墓に囋诘谝煌庋訂尉Ч鑼由闲纬缮鲜鱿嗤难趸韬偷鑿?fù)合介質(zhì)層。然后對(duì)復(fù)合介質(zhì)層進(jìn)行光刻腐蝕，去除大部分第一外延單晶硅層上的復(fù)合介質(zhì)層，只在第二多孔單晶硅阱的周圍區(qū)域留下至少一道復(fù)合介質(zhì)條308，介質(zhì)條的寬度為20至100微米。接著在上述相同的條件下進(jìn)行外延生長，產(chǎn)生第二外延單晶硅層，其厚度為10至20微米，摻雜與否和摻雜類型都沒有嚴(yán)格要求。只是要注意的是，在第一多孔單晶硅阱306表面生長得到第二多孔單晶硅層309的同時(shí)，在復(fù)合介質(zhì)層條308的邊緣部位表面生長得到外延橫向過旺生長的單晶層310a。如果復(fù)合介質(zhì)條比較寬，則在復(fù)合介質(zhì)層條308的中心部位表面沉積得到多晶硅層310b。在第一外延單晶硅層表面的其它部位表面生長得到外延單晶硅層311，如圖6所示。
制造的第五步，用于形成如圖7所示的金屬電極圖案。為此，先用電子束蒸發(fā)技術(shù)在第二外延單晶硅層和多晶硅層上形成厚1000埃的鉻層，再用電子束蒸發(fā)技術(shù)形成厚5000埃的金層。然后進(jìn)行光刻腐蝕形成電極圖案如312和313所標(biāo)示。要注意的是，此圖案須適合隨后進(jìn)行表面安置封裝(surface mountingpackage)的要求。接著在300至350℃進(jìn)行合金化處理，以在第二外延單晶硅層和金屬層之間形成歐姆接觸。
制造的第六步，是對(duì)第二外延單晶硅層的309部分區(qū)域開穿透外延層的通孔，并腐蝕去除第二多孔單晶硅阱306。通孔形成采用深槽反應(yīng)離子腐蝕(DRIE)技術(shù)，腐蝕氣體為SF6和C4F8。通孔包括兩部分，一部分處于第一和第二多孔單晶硅阱303和306的正上方的第二外延單晶硅層的309部分，孔徑20至100微米，孔中心間隔20至200微米，均勻分布在整個(gè)開孔區(qū)域。另一部分是兩組封閉的深槽，槽寬20至40微米，一組封閉深槽將上述外延單晶硅層開孔區(qū)和復(fù)合介質(zhì)層上的多晶硅區(qū)域與周圍的第二外延單晶硅層區(qū)域分隔開，如316所標(biāo)示。另一組封閉深槽從開孔區(qū)周圍的第二外延單晶硅層區(qū)域分割出一塊區(qū)域(圖中未標(biāo)出)，使其與第二外延單晶硅層的其它區(qū)域分開，而只與其底部的第一外延單晶硅層304相連。然后用49％HF∶30％H2O2(5∶1)溶液腐蝕去除第二多孔單晶硅阱306，從而形成開孔的剛性平板314和空氣隔層315。要強(qiáng)調(diào)的是，49％HF∶30％H2O2(5∶1)溶液只腐蝕多孔單晶硅，而對(duì)由第一外延單晶硅層經(jīng)陽極氧化減薄而保留下來的外延單晶硅層307沒有任何腐蝕作用。多孔單晶硅也可先用稀釋的HF溶液浸泡，以腐蝕去除孔壁表面的薄氧化硅，然后用1至5％KOH溶液，于室溫下腐蝕去除多孔單晶硅。這種稀釋的KOH溶液對(duì)單晶硅腐蝕能力很弱，不會(huì)影響所要保留的外延單晶硅層307。
制造的第七步是從單晶硅襯底的背面腐蝕凹坑，以基本上形成聲波傳入通道。為此須先在單晶硅襯底的背面用LPCVD技術(shù)形成2000至3000埃厚的氮化硅層317。對(duì)氮化硅層317進(jìn)行光刻腐蝕以形成能夠向單晶硅襯底深處腐蝕的窗口，其橫向長度可以小于第一多孔單晶硅阱的橫向長度。腐蝕氮化硅用上述相同的干法腐蝕技術(shù)。隨后進(jìn)行快速濕法腐蝕，腐蝕溶液為40％KOH的水溶液，腐蝕溫度為60℃?？刂聘g時(shí)間，使腐蝕坑318的底部319仍保留大約10至20微米的厚度，如圖9所示。要小心的是不要使腐蝕進(jìn)入第一多孔單晶硅阱303區(qū)域內(nèi)。
制造的第七步，可以采用兩種方案。第一方案是先進(jìn)行慢速濕法腐蝕，腐蝕劑為49％HF∶HNO3∶CH3COOH(1∶3∶5至8)溶液，腐蝕溫度為室溫?？刂聘g時(shí)間，去除上述快速腐蝕遺留下來單晶硅襯底薄層319，并進(jìn)而使腐蝕深入到多孔單晶硅層303內(nèi)，但深入的范圍控制在3至5微米內(nèi)。最后用49％HF∶30％H2O2(1∶5)溶液進(jìn)行選擇性腐蝕，徹底去除剩余的多孔單晶硅層303，使其成為空腔320，并釋放被減薄的第一外延單晶硅層307，使其成為兩面懸空的柔形平板321，如圖10所示。
第二方案是用反應(yīng)離子腐蝕技術(shù)進(jìn)行選擇性干法腐蝕，腐蝕氣體為SF6或SF6/C4F8，此腐蝕氣體只腐蝕單晶硅，而不腐蝕經(jīng)過輕微氧化的多孔單晶硅，因而腐蝕會(huì)自動(dòng)終止在多孔單晶硅層303界面上。然后用49％HF∶30％H2O2(1∶5)溶液進(jìn)行濕法腐蝕，去除多孔單晶硅阱303，使其成為空腔320，釋放被減薄的第一外延單晶硅層307，使其成為兩面懸空的柔形平板321，仍然如圖10所示。
圖11所示的，是在第二外延單晶硅層310部位形成CMOS電路322的制作步驟。此加工步驟可以插在步驟4和步驟5之間進(jìn)行。如圖11所示，CMOS電路322制作在單晶硅襯底301的左邊部分，直接用來制作CMOS電路322的材料是第二外延單晶硅層311的部位區(qū)域。這部份外延單晶硅層是通過第一外延單晶硅層304的相應(yīng)部分而直接從單晶硅襯底301表面開始生長的，因而是單晶硅質(zhì)量最好的區(qū)域。該CMOS電路主要包括直流電壓轉(zhuǎn)換器和前置放大器，可用標(biāo)準(zhǔn)的CMOS技術(shù)制作。完成制作后，用等離子增強(qiáng)氣相沉積(PECVD)技術(shù)形成厚1微米的摻磷氧化硅保護(hù)層323，以便在隨后的制作過程中保護(hù)CMOS電路322，使其不會(huì)受到損壞。
上面敘述的是實(shí)施本發(fā)明的全部由單晶硅微機(jī)械加工而成的電容式麥克風(fēng)的最佳方案，對(duì)此方案進(jìn)行修改和調(diào)整，對(duì)于同領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說是很容易的，但這種修改和調(diào)整都不會(huì)超出本發(fā)明的權(quán)利要求的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其結(jié)構(gòu)特征包括一塊單晶硅襯底；一個(gè)開在單晶硅襯底內(nèi)部的聲波傳入通道；一塊厚0.5至1.5微米和橫向長度200至2000微米的柔性單晶硅平板，邊緣固定在單晶硅襯底內(nèi)部，背面朝向聲波傳入通道；一個(gè)高2至5微米，主要由單晶硅構(gòu)成的支持邊框，底面與柔性單晶硅平板邊緣部分的上部表面結(jié)合，上部表面覆蓋有厚2000至3000埃的復(fù)合介質(zhì)薄膜；一塊厚10至20微米的剛性單晶硅平板，開有橫向長度20至100微米，中心間隔30至100微米的均勻分布的通孔，邊緣的底部表面與支持邊框的上部表面的復(fù)合介質(zhì)薄膜結(jié)合；一個(gè)厚2至5微米的空氣隔層，處于柔性單晶硅平板和剛性單晶硅平板之間，并由主要由單晶硅構(gòu)成的支持邊框所圍繞；以及一組金屬電極，處在剛性單晶硅平板的周邊區(qū)域，分別與柔性單晶硅平板和剛性單晶硅平板實(shí)現(xiàn)電連接。
2.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其結(jié)構(gòu)特征還包括與麥克風(fēng)電容器集成在同一塊硅襯底上，用來處理麥克風(fēng)產(chǎn)生的電信號(hào)的集成電路。
3.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的柔性單晶硅平板由生長在多孔單晶硅阱表面的外延單晶硅層所形成。
4.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的支持邊框的框條由若干條合并的橫向外延過旺生長的單晶硅層單獨(dú)形成。
5.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的支持邊框的框條由單條橫向外延過旺生長的單晶硅層及其內(nèi)夾的沉積在介質(zhì)條上的多晶硅層共同形成。
6.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的剛性平板由生長在多孔單晶硅阱上的外延單晶硅層所形成。
7.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的柔性平板的釋放是通過腐蝕掉其所依附的多孔單晶硅阱而實(shí)現(xiàn)的。
8.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的剛性平板的釋放是通過腐蝕掉其所依附的多孔單晶硅阱而實(shí)現(xiàn)的。
9.按照權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其特征是，所述的聲波傳入通道是通過選擇性腐蝕單晶硅襯底和多孔單晶硅阱而形成的。
10.一種制造權(quán)利要求1所述的單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)的方法，其特征制造步驟包括準(zhǔn)備一塊單晶硅襯底；通過陽極氧化，在單晶硅襯底內(nèi)部形成若干橫向長度200至2000微米，深10至20微米的第一多孔單晶硅阱；在單晶硅襯底表面，包括在若干第一多孔單晶硅阱表面，生長厚3至5微米的第一外延單晶硅層；通過離子注入和高溫退火在第一外延單晶硅層內(nèi)形成若干橫向長度200至2000微米，深2.5至4.5微米，平均雜質(zhì)濃度為1018至1019/cm3的摻雜區(qū)，并使每個(gè)摻雜區(qū)處于一個(gè)第一多孔單晶硅阱的正上方；通過陽極氧化將若干摻雜區(qū)轉(zhuǎn)變成若干第二多孔單晶硅阱；在第一外延單晶硅層上形成若干寬度20至100微米，厚2000至3000埃的復(fù)合介質(zhì)條，使每個(gè)復(fù)合介質(zhì)條圍繞一個(gè)第二多孔單晶硅阱；在第一外延單晶硅層表面，包括在所有第二多孔單晶硅阱表面，生長厚10至20微米的第二外延單晶硅層，而與此同時(shí)在若干復(fù)合介質(zhì)條表面沉積多晶硅層；形成若干橫向長度20至100微米，中心間隔30至100微米的垂直孔群，穿過整個(gè)第二外延單晶硅層，每一垂直孔群處于一個(gè)第二多孔單晶硅阱的正上方，同時(shí)形成若干寬20至40微米的溝渠，將復(fù)合介質(zhì)條上的外延單晶硅層和多晶硅層，以及第二多孔單晶硅阱上的第二外延單晶硅層與其它部位的第二外延單晶硅層區(qū)域分割開來，并分割出若干只連通第一外延單晶硅層的第二外延單晶硅層區(qū)域；形成若干金屬電極對(duì)，分別連接開孔的第二外延單晶硅層區(qū)域和座落在其下部的第一外延單晶硅層區(qū)域；選擇性腐蝕去除第二多孔單晶硅阱，以形成空虛的隔層，并使其所依附的第二外延單晶硅層區(qū)域懸空，而成為厚10至20微米的剛性平板；從單晶硅襯底的背面進(jìn)行選擇性腐蝕，以形成若干聲波傳入通道的主體部分，使每一個(gè)通道與一個(gè)第一多孔單晶硅阱對(duì)準(zhǔn)；以及選擇性腐蝕去除第一多孔單晶硅阱，最終完成聲波傳入通道的形成，并使依附在其上的第二外延單晶硅層區(qū)域懸空，而成為厚0.5至1.5微米的柔性平板。
11.按照權(quán)利要求10所述的一種制造單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)的方法，其特征是所述的選擇性腐蝕形成聲波傳入通道分兩步進(jìn)行的具體安排是第一步采用深槽反應(yīng)離子腐蝕技術(shù)腐蝕去除單晶硅襯底，并自動(dòng)終止在第一多孔單晶硅阱的界面上；第二步用49％HF∶30％H2O2(1∶5)溶液選擇性腐蝕去除第一多孔單晶硅阱。
12.按照權(quán)利要求10所述的一種制造單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)的方法，其特征是所述的選擇性腐蝕形成聲波傳入通道是分二步進(jìn)行的具體安排是第一步先用KOH溶液腐蝕形成凹槽，使其底部剩有10至20微米厚的單晶硅層，然后用49％HF∶HNO3∶CH3COOH(1∶3∶5至8)溶液腐蝕去除剩余的單晶硅層和3至5微米厚的第一多孔單晶硅阱的底層；第二步用49％HF∶30％H2O2(1∶5)溶液選擇性腐蝕去除第一多孔單晶硅阱剩余的厚層。
全文摘要
一種單晶硅微機(jī)械加工的電容式麥克風(fēng)，其電容器的柔性平板，剛性平板，以及將兩平板隔開，并在其內(nèi)部形成空氣隔層的支持邊框都由外延單晶硅層進(jìn)行微機(jī)械加工而成。外延單晶硅層的形成采用了介質(zhì)圖案上外延生長和多孔單晶硅層上外延生長技術(shù)。而其微結(jié)構(gòu)的形成則采用了多孔單晶硅的選擇性形成和腐蝕的微機(jī)械加工技術(shù)。由于構(gòu)成電容器的材料都是同質(zhì)的單晶硅材料，從而消除了所有由異質(zhì)材料熱失配應(yīng)力所引起的有關(guān)問題，使麥克風(fēng)的性能價(jià)格比得到很大提高。
文檔編號(hào)H04R19/04GK1705407SQ20041004260
公開日2005年12月7日 申請(qǐng)日期2004年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年5月27日
發(fā)明者涂相征, 李韞言 申請(qǐng)人:李韞言