專利名稱：含預定張力的膜的轉(zhuǎn)換器的制造方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及具有預定張力的膜片的轉(zhuǎn)換器，諸如話筒的制造方法。多數(shù)話筒都有一個膜片，它由于聲壓的作用而運動，如電動式、壓電式，壓電電阻式或電容式讀出的話筒。本發(fā)明的方法適用于所有這類帶膜片的轉(zhuǎn)換器。
特別指出的是，電容式話筒具有膜片或隔膜作為其基本部件，這些部件安裝于信號板附近。膜片沿其周圍固定并可由于作用于其表面的聲壓而運動或撓曲。膜片和信號板一起組成一個電容器，當膜片由于聲壓而發(fā)生撓曲，電容器的電容會發(fā)生變化。在使用中，相應于直流電壓的電荷使電容器充電，當聲壓的變化使電容改變時，聲壓變化產(chǎn)生的交流電壓會疊加在直流電壓上。這個交流電壓即作為來自話筒的輸出信號。
帶較低張力的膜片很“軟”，并且比有較高張力的膜片產(chǎn)生更大的撓曲，從而導致更高的靈敏度，而這正是所需要的。因此，這種話筒的膜片應明確地具有低張力。
許多研究機構(gòu)已經(jīng)開發(fā)出了顯微機械加工的話筒，它應用于通訊及聽覺產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)市場。而這種顯微機加話筒在設計和制造中最具挑戰(zhàn)性的問題之一就是膜片的可控低張力。人們提出了各種聲音探測原理，如電容性，壓電式，壓電電阻式，光學式及隧道式讀取等。它們中的多數(shù)需要一種低于50N/m的膜片。需要特別說明的是，對于電池供電帶幾伏低偏壓的電容性話筒來說，則需要非常精確地控制膜片內(nèi)的應力級。
通常情況下，膜片粘于金屬框，利用框邊緣的負荷來調(diào)整膜片的張力。這種方法不適合于顯微機加工技術(shù)。
在顯微技術(shù)中，可通過以下方法來調(diào)節(jié)膜片張力開發(fā)新型材料(如富含硅的氧化硅)，新的沉積技術(shù)(如等離子體增強化學汽相淀積)、新式沉積條件(如改變低壓化學汽相淀積爐內(nèi)的溫度)、或后繼溫度處理(退火處理)等。懸掛膜片也可減輕張力，例如，通過皺褶、鉸接、彈簧，或在最極端的情況下懸掛極板。
然而，目前顯微技術(shù)中使用的方法或是對話筒在上述應用中沒有足夠的重復性和可控制性或產(chǎn)生其它技術(shù)問題，例如由于膜片內(nèi)應力分布/梯度而使懸掛裝置和膜片彎曲。
“傳感器和調(diào)節(jié)器”A.31，1992，90-96描述了一種轉(zhuǎn)換器，它具有一種復合膜，由分別具有內(nèi)壓應力和內(nèi)張應力的兩層組成。它還指出，通過改變層的相對厚度，可控制內(nèi)部合應力。但沒有披露這樣做的方法。
本發(fā)明提出了一種新方法在話筒顯微機加工過程中或以后，可以將膜片應力調(diào)整為預先設置的值。
由本發(fā)明方法制做的話筒膜片是一個兩層或多層(多層，迭層，或復合層)的夾層結(jié)構(gòu)。它沉積在堅固或剛性的基片上。在基片上蝕刻一個孔，將多層結(jié)構(gòu)跨孔而放即形成膜片。一般地講，膜片各層具有不同的應力等級。比如，有壓應力材料層和拉應力材料層，但各層可同時具有壓應力或拉應力。通過選擇這些材料合適的厚度比例，可獲得所希望的張力級別(張力＝應力×厚度)。厚些的拉力層使膜片的總拉力趨于更強，而厚一些的壓應力材料使壓應力趨于加強。
根據(jù)本發(fā)明的方法調(diào)整各層厚度比例，可比其它方式更能精確地控制張力以達到一定的應力或張力級別。這是因為，在顯微技術(shù)領域厚度向小幾乎可控制到原子級別。它可在穩(wěn)定的狀況下沉積各層而材料的機械性質(zhì)幾乎沒有變化。調(diào)節(jié)合適的應力級別是通過正確地混合不同的材料而不是選擇材料的性質(zhì)。此外，選擇膜片的總厚度與應力/張力級別無關(guān)。
沉積各層后，通過改變外部兩層或其中一層的厚度，可改變總應力。已知的方法可做到這一點。比如通過干式或濕式蝕刻來從外層除去材料，或通過沉積/吸收材料來加厚外層。外層的沉積或蝕刻將改變厚度比例。復合膜片的應力或張力級別也因此改變。蝕刻方法可以是濕式蝕刻，使用試劑如HF，磷酸，KOH等；或干式蝕刻法，如活性離子蝕刻?？扇菀椎氐玫降臀g刻率以維持受控、準確和均勻地除去材料。沉積方法調(diào)節(jié)包括物理和化學汽相淀積。
根據(jù)本發(fā)明用于批量生產(chǎn)轉(zhuǎn)換器的方法很精確并可重復。同一批內(nèi)生產(chǎn)的轉(zhuǎn)換器偏差很小。這就意味著，按所要求的方法在調(diào)整張力前不必要測量每個轉(zhuǎn)換器上的實際膜片張力。在每批內(nèi)選擇的晶片上，只要對選擇的轉(zhuǎn)換器測量實際膜片張力就行了。運用足夠準確和可預測的工藝，甚至不需要測量每批轉(zhuǎn)換器膜片實際張力。
由此制成的膜片可用于多種類型的轉(zhuǎn)換器，如電容器話筒和其它類型話筒。特別地用于基于半導體技術(shù)的顯微機加話筒、電池供電設備話筒，高靈敏話筒以及高信噪比話筒。
以下舉例并參考


本發(fā)明。
圖1是電容話筒的剖面圖，圖2示意在膜片調(diào)整厚度中圖1的話筒。
圖1的話筒具有以下結(jié)構(gòu)。基片10通過它與膜片11之間的中間墊層12來承載膜片或隔膜11。在膜片的另一面有中間隔層14，在其上有信號板13。膜片具有三層11a、11b和11c。
基片10由大塊晶態(tài)硅組成。信號板13由多晶硅組成。墊層12和14由電絕緣材料組成，在本例中為二氧化硅(SiO2)。而膜片的三層中，中間層11b由多晶硅組成，而兩個外層11a和11b由氮化硅組成。膜片11很薄，張力很小，因此它很“軟”，相對于所示的位置可動。在此位置處于平衡狀態(tài)。
在信號板13與膜片11之間絕緣隔層14提供一個空隙15。信號板13有一些孔16，使聲音達到空隙15和膜片11。在膜片的另一面有一個底腔17，這是基片中的一個孔洞17。如需要，該孔洞可出于聲學方面的目的連接于更大的體積。
膜片11和信號板13都是可導電的，它們一起組成了一個電容。聲音穿入信號板13內(nèi)的孔16到達膜片11，使膜片響應聲壓而產(chǎn)生運動。因此，話筒的電容量會相應地變化，這是因為空隙決定電容量。在工作中，由膜片11和信號板13組成的電容器以相應于直流電壓的電荷充電；當電容量響應變化的聲壓而改變時，對應聲壓變化的交流電壓將疊加在直流電壓上。該交流電壓即為話筒的輸出信號。
制造圖1所示結(jié)構(gòu)的話筒及上述結(jié)構(gòu)的話筒的方法主要涉及已知的技術(shù)。多晶硅本身是一種半導體；但如需要可通過摻入合適的雜質(zhì)如硼(B)或磷(P)制成導體。膜片兩個外層11a和11c由氮化硅構(gòu)成，它與膜片中間層中摻硼或摻磷的多晶硅結(jié)合在一起特別有利。這一點以后會解釋。
如圖所示，由摻硼或磷多晶硅組成的膜片中間層11b的內(nèi)壓應力σ＜0；而由氮化硅組成的兩個外層11a和11c都有拉應力σ＞0，它們不必具有同樣的大小。膜片的總張力或合張力為11a、11b和11c3層張力的和。在每一層，應力取決于兩個因素。一個因素是淀積或制做層時所采用的技術(shù)，由此產(chǎn)生的應力叫做固有應力。另一個因素是由不同材料熱膨脹系數(shù)的差異而引起的應力，稱作熱應力。正象以下解釋的那樣，兩種應力影響均可控制。
固有應力可由以下方法釋放。固定膜片的隔層材料含二氧化硅，這是一種具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的玻璃狀物質(zhì)。通過加熱圖1所示的單個話筒，或者是包括幾個一樣的話筒的整個晶片，將其加熱超過隔層材料玻璃轉(zhuǎn)化溫度，隔層材料將會變得粘稠并失去其硬度。因此，在這種狀態(tài)下，膜片內(nèi)的張力將完全釋放，這是因為粘稠的隔層材料不能傳遞任何應變。接下來，晶片冷卻下來。在冷卻中，隔層材料將凝固，在低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度時，膜片將再次被固定。在低于玻璃轉(zhuǎn)化溫度的冷卻過程中，由于熱膨脹和收縮，膜片會重新獲得一些張力，這是由于材料的性質(zhì)決定的，即上述所說的熱應力。
下述方法可以控制熱應力。首先，測量實際張力和膜片厚度，計算實際應力?？紤]實際應力，通過計算必要的厚度調(diào)節(jié)以達到所需的張力。有幾種適用的方法可測量實際膜片張力。
一種測量方法涉及給話筒膜片加壓使其隆起，即使膜片產(chǎn)生單向撓曲。在實踐中，可通過加壓晶片上的實驗膜片來實現(xiàn)。圖2表示一束光18，最好是一束激光投向試驗膜片。這個工作是在非加壓并也在加壓狀態(tài)下進行。激光束18會在膜片表面形成反射。加壓形成的膜片隆起可由自動對焦系統(tǒng)記錄。當知道膜片的撓曲和造成隆起的氣壓，就可計算膜片的實際張力。
在另一種測量張力的方法中，膜片被激發(fā)而振蕩。可用電或機械的形式產(chǎn)生這種激發(fā)。當以脈沖短時間激發(fā)膜片時，膜片以共振頻率振蕩，這種共振頻率可被測出。激發(fā)信號也可是正弦振蕩力或電壓，掃描所關(guān)心的整個頻率范圍以測量共振頻率。當知道了膜片的共振頻率，它可與膜片的其它機械參數(shù)如尺寸和材質(zhì)等一道用于計算膜片的實際張力。
第三種求張力的方法是在晶片上使用實驗裝置，它起應變儀的作用。
當知道了膜片的實際張力和厚度，可計算實際應力。然后可計算要調(diào)節(jié)出多少厚度以得到所需的張力。
話筒最好這時具有較厚的膜片，因此具有較高的張力。從上述計算所需厚度得知，接下來的蝕刻工藝能除去多少材料；該工藝可以是干式或濕式的。如圖3，具有拉應力的11a被蝕刻。這是一個經(jīng)良好控制的慢慢蝕刻的過程，直到根據(jù)計算的量精確地蝕刻掉層11a所需的部分，膜片即得到預定的張力。
如果膜片張力太低，具有拉應力的額外材料可由已知方法沉積以得到預定張力。
另一方面，如果膜片只有具有相反內(nèi)應力的兩層，蝕刻具有壓應力的那一層以增加張力。
總之，用此方法，蝕刻具有相對壓應力的一層或沉積具有相對拉應力的材料，可使膜片獲得較高的張力。相應地，蝕刻具有相對拉應力的一層或沉積相對壓應力的材料，可使膜片獲得較低的張力。
上述釋放材料應力和控制熱應力的方法可相互獨立地進行?？梢灾皇褂闷渲械囊环N方法而不用另一種方法，也可兩種結(jié)合起來使用。
權(quán)利要求
1.一種制造具有膜片(11)和基片(10)的微型機加工的轉(zhuǎn)換器的方法，其中，膜(11)保持在相對基片(10)的預定位置上并隔開；在這個位置上，膜片(11)處于平衡狀態(tài)并具有預定張力使膜片(11)在平衡位置附近運動。該方法包括以下步驟提供基片(10)，提供保持在相對于基片(10)預定位置上的膜片(11)，以及在預定位置上，調(diào)節(jié)膜片(11)以獲得預定張力。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其中，膜片通過具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的物質(zhì)(12，14)保持；該方法進一步包括將該物質(zhì)(12，14)加熱到至少達到玻璃轉(zhuǎn)化溫度的溫度的步驟。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的方法，其中，具有玻璃轉(zhuǎn)化溫度的物質(zhì)(12，14)是SiO2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2的方法，還包括以下步驟測量膜片(11)的張力，以及調(diào)節(jié)膜片(11)的厚度以得到預定的張力。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，通過蝕刻膜片(11)的表面來調(diào)整膜片(11)的厚度。
6.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，通過在膜片(11)表面沉積材料來調(diào)整膜片(11)的厚度。
7.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，其中，膜片(11)至少有兩層(11a，11b，11c)并各具有不同的應力性質(zhì)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的方法，其中，膜片(11)具有中間層(11b)，由多晶硅組成；以及分別在兩側(cè)的外層(11a，11c)，由氮化硅組成。
9.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括步驟加壓膜片(11)以使其撓曲，測量膜片(11)的撓曲，根據(jù)測得的撓曲計算膜片(11)的張力。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的方法，其中，光束(18)投射到膜片上并從膜片上反射，膜片的撓曲造成反射光束(18)改變，并且根據(jù)光束(18)的改變計算膜片的撓曲。
11.根據(jù)權(quán)利要求4的方法，包括步驟激發(fā)膜片(11)使其振動，測量膜片(11)的共振頻率，根據(jù)測得的共振頻率計算膜片(11)的張力。
全文摘要
含預定張力膜(11)的轉(zhuǎn)換器的制造方法。在轉(zhuǎn)換器基本結(jié)構(gòu)制成后,調(diào)整膜片使之具有預定張力,此張力最好較低,以便獲得較高的靈敏度。公開了兩個實施方案。一種方法包括加熱轉(zhuǎn)換器,使之高于固定膜片的材料(12,14)的玻璃轉(zhuǎn)化溫度。另一種包括測量膜片的實際張力,可用于計算膜片厚度的調(diào)整量以達到要求的張力。
文檔編號H04R19/04GK1308832SQ99808419
公開日2001年8月15日 申請日期1999年6月10日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月11日
發(fā)明者馬西爾斯·穆倫伯恩, 皮爾敏·羅姆巴奇 申請人:微電子公司