專利名稱：電容式傳聲器陣列芯片的制作方法
技術領域：
本發明涉及MEMS (微機電系統)變換器(transducer)陣列芯片，特別是，涉及用 MEMS電容式傳聲器陣列制造的電容式傳聲器陣列芯片。本申請要求日本專利申請No. 2010-220575的優先權，其全部內容通過引用結合于此。
背景技術：
常規上已知單個傳聲器可包括多個MEMS電容式傳聲器(condenser microphone)。專利文獻1_3公開了其中多個電容式傳聲器形成在單個芯片上的傳聲器。另夕卜，常規上已知S/N比可采用并列方式(a parallel manner)或級聯方式連接的多個電容式傳聲器而改善。制作有包括多個MEMS電容式傳聲器的傳聲器陣列的單個基板遇到其翹曲/彎曲 (在下文，稱為“翹曲”)因陣列結構而隨著芯片面積的增加而增加的問題，其原因將描述如下。電容式傳聲器制作為膜片(用作振動電極)和板(用作靜止電極)由導電多晶娃構成并且形成在基板上，其中由絕緣材料構成的氧化硅膜插設在基板、膜片和板之間的層中。氧化硅膜可通過低應力等離子體CVD法(其中CVD是指化學氣相沉積)增加厚度。需要退火增加厚度以保證足夠的靈敏度，并且減輕施加給膜片的應力。退火能夠減輕施加給由多晶硅構成的膜片的拉應力，因此展示出高靈敏度的聲學性能。然而，施加給氧化硅膜的應力因退火變為高的壓應力被揭示，這會導致大的基板翹曲以及沉積膜的扭曲損壞。另外， 當氧化硅膜不增厚來防止翹曲(warpage)和扭曲(buckling)損壞時難以實現所希望的聲學性能。現有技術文獻專利文獻1 日本專利申請公開No. 2005-110204專利文獻2 日本專利申請公開No. 2007-124449專利文獻3 日本專利申請公開No. 2008-245267專利文獻1公開了具有所希望諧振頻率的微型電容式傳聲器，其由底板(base plate)、后板(back plate)、膜片和梁構成，其中膜片和梁結合在一起。運動電極附接到梁的表面，而固定電極連接到后板的表面。具有不同諧振頻率的多個電容式傳聲器形成在單個基板上，因此構成具有結合多個諧振頻率的連續頻率范圍的傳聲器陣列。專利文獻2公開了配有快門機構的MEMS傳聲器，快門機構當運動膜片電極依賴于所施加的電壓而因靜電吸引吸向導電電極時用于打開或關閉聲壓通道。包括多個傳聲器的陣列能夠改變傳聲器打開聲壓通道的數量和傳聲器關閉聲壓通道的數量之比。專利文獻3公開了一種硅傳聲器，其中具有不同靈敏度的多個子硅傳聲器容納在外殼中以便實現廣泛的動態范圍。
發明內容
本發明的目標是提供電容式傳聲器陣列芯片，其包括基板翹曲被減小的多個MEMS 電容式傳聲器。在本發明的第一方面中，電容式傳聲器陣列芯片包括基板，具有貫通該基板的厚度的多個開口 ；第一絕緣層，形成在基板的每個開口的外周邊中；第一電極層，形成在第一絕緣層之上，并且延伸在基板的每個開口之上；第二絕緣層，在基板的每個開口的外周邊中形成在第一電極層之上；第二電極層，形成在第二絕緣層之上，并且相對于第一電極層定位且第一電極層與第二電極之間隔著空氣間隙。電容式傳聲器陣列芯片包括多個電容式傳聲器結構，該多個電容式傳聲器結構采用在基板的多個開口上方的第一絕緣層、第一電極層、 第二絕緣層和第二電極層形成且具有多個空氣腔。多個電容式傳聲器結構通過多個橋并列連接，并且二維地排列在基板上，且多個電容式傳聲器結構之間具有多個溝槽。多個溝槽形成為圍繞多個橋，從而至少第二絕緣層部分地從多個溝槽去除。多個橋采用用作連接多個電容式傳聲器結構的配線的第二電極層形成。電容式傳聲器的每個都包括相對電極對，即，響應于聲波振動的振動電極和不響應于聲波振動的靜止電極。多個相對電極對并列連接，從而電容式傳聲器的靜止電極連接在一起，并且電容式傳聲器的振動電極電連接在一起。第一電極層和第二電極層之一對應于靜止電極，而另一個對應于振動電極。因為多對相對電極并列連接，所以能夠改善包括多個電容式傳聲器的單個傳聲器的輸出信號的S/N比。包括電容式傳聲器陣列的芯片區域在制造工藝期間容易翹曲或彎曲。本發明能夠減輕芯片的翹曲，因為去除至少第二絕緣層的溝槽形成在電容式傳聲器結構的外周邊中除了橋位置之外的預定位置。電容式傳聲器陣列芯片的制造工藝包括退火，以便減輕施加給第一電極層或第二電極層的應力(用于振動電極)，但退火相反地起到增加施加給第一絕緣層或第二絕緣層的應力的作用，這會導致芯片的翹曲。本發明可減輕芯片的翹曲，因為至少第二絕緣層在溝槽中被部分去除。這樣，通過部分去除至少第二絕緣層的表面形成的凹槽可滿足溝槽的功能性。就是說，能夠用去除第二絕緣層和其中第一絕緣層的部分的凹槽取代溝槽。當然，可去除第一絕緣層和第二絕緣層二者，從而基板的表面部分地暴露在溝槽的底部中。減輕基板翹曲的效果隨著凹槽底部中剩余的第一/第二絕緣層的部分進一步減小厚度而改善。該減輕基板翹曲的效果在基板的表面在凹槽的底部中被部分暴露時變為最大。本發明的特征在于，結構的第二電極層不采用配線接合而是采用由第二電極層構成的薄膜配線連接在一起。因此，能夠在蝕刻第二電極層時同時形成配線。與采用配線接合的傳統技術相比，這可貢獻于降低制造成本。在本發明的第二方面中，多個橋包括第一絕緣層和第二絕緣層，以便支撐配線。這里，由第二電極層構成的薄膜配線幾乎不被破壞，因為它由第一絕緣層和第二絕緣層支撐。在本發明的第三方面中，第一絕緣層和第二絕緣層在多個橋之下的配線和基板之間的預定區域中被去除。這允許配線和基板之間形成空氣間隙。在此情況下，多個溝槽形成為圍繞電容式傳聲器結構的外周邊；因此，能夠進一步減輕芯片的翹曲。在本發明的第四方面中，基板由單晶硅構成，其中第一電極層與基板電導通，從而多個電容式傳聲器結構電連接到基板。這消除了另外形成連接結構的第一電極層的配線的必要性，因此簡化了電容式傳聲器陣列芯片的總體結構。與采用配線接合的傳統技術相比， 這貢獻于降低制造成本。另外，具有簡化結構的電容式傳聲器陣列芯片可改善可靠性。在本發明的第五方面中，構成空氣腔的多個開口連接在一起，從而多個電容式傳聲器結構可共享單個的大空氣腔。大空氣腔幾乎不妨礙膜片的振動；因此，能夠改善傳聲器的靈敏度。
本發明的這些和其它目標、方面和實施例將參考下面的附圖進行詳細的描述。圖IA是根據本發明優選實施例的電容式傳聲器陣列芯片的平面圖；圖IB是沿著圖IA中的線1B-1B剖取的截面圖；圖IC是沿著圖IA中的線1C-1C剖取的橫截面圖；圖ID是沿著圖IA中的線1D-1D剖取的部分截面圖；圖2A是電容式傳聲器陣列芯片中制造的電容式傳聲器的單個結構的平面圖；圖2B是沿著圖2A中的線2B-2B剖取的橫截面圖；圖2C是沿著圖2A中的2C-2C剖取的部分截面圖；圖3是示出構成電容式傳聲器的單個結構的各層分解透視圖；圖4A包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第一步驟的截面圖；圖4B包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第二步驟的截面圖；圖4C包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第三步驟的截面圖；圖4D包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第四步驟的截面圖；圖4E包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第五步驟的截面圖；圖5A包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第六步驟的截面圖；圖5B包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第七步驟的截面圖；圖5C包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第八步驟的截面圖；圖5D包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第九步驟的截面圖；圖5E包括說明電容式傳聲器陣列芯片制造方法的第十步驟的截面圖；圖6A是根據實施例的第一變化的電容式傳聲器陣列芯片的截面圖，其中多個電容式傳聲器結構采用構成橋的第一電極層而不是采用基板連接在一起；圖6B是根據實施例的第二變化的電容式傳聲器陣列芯片的截面圖，其中電容式傳聲器結構中包括的膜片通過焊墊導電層和基板連接在一起；圖6C是根據實施例的第三變化的電容式傳聲器陣列芯片的截面圖，其中空氣腔形成在橋的第二電極層和基板之間，從而電容式傳聲器結構的外周邊由溝槽圍繞；圖7A示出了單晶硅基板，其上氧化硅膜設置多個MEMS元件而不形成切割道，其中 (a)是平面圖，而(b)是側視圖；圖7B示出了單晶硅基板，其上氧化硅膜設置多個MEMS元件且具有多個切割道，其中(a)是平面圖，而(b)是側視圖；圖8示出了對于三個基板樣品翹曲和加熱溫度之間關系的實驗結果，其中(a)是示出三個樣品測量結果的圖，(b)是示出因拉應力向上翹曲的部分中的部分側視圖，以及 (C)是示出因壓應力向下翹曲的部分中的部分側視圖。
具體實施例方式本發明將參考附圖借助于示例進行詳細描述。1.構造圖1A、1B、1C、1D示出根據本發明優選實施例的電容式傳聲器陣列芯片。圖IA是電容式傳聲器陣列芯片的平面圖；圖IB是沿著圖IA中的線1B-1B剖取的截面圖；圖IC是沿著圖IA中的線1C-1C剖取的橫截面圖；而圖ID是沿著圖IA中的線1D-1D剖取的部分截面圖。在電容式傳聲器陣列芯片中，九個結構形成在基板10上。圖2A是電容式傳聲器的單個結構的平面圖；圖2B是沿著圖2A中的線2B-2B剖取的橫截面圖；而圖2C是沿著圖2A 中的線2C-2C剖取的部分截面圖。圖3是示出構成單個結構的各層的分解透視圖。為了圖示的簡便起見，表面絕緣層20和鈍化層22不包括在圖1A、2A和3中。電容式傳聲器陣列芯片與LSI電路(未示出，包括阻抗變換電路)一起容納在封裝(未示出)中。電容式傳聲器陣列芯片具有通過MEMS制造工藝形成的層疊結構。電容式傳聲器的九個結構制作在電容式傳聲器陣列芯片中，從而多個層順序層疊在基板10上。下面主要描述電容式傳聲器的單個結構1。基板10由厚度為200至600 μ m 的單晶硅構成。開口 IOOa形成在基板10中。第一絕緣層11是厚度為1.0至2.0μπι的氧化硅膜。第一絕緣層11用于形成在周圍上以相等間隔布置的多個膜片支撐102、在膜片支撐102的內側且以相等間隔布置在周圍上的多個引導隔離物103以及將保護環125c和保護導引(guard lead) 125d與基板10絕緣的環101。第一電極層12由摻雜有磷⑵雜質的多晶硅構成，且厚度為0.5至1.5 μ m。第一電極層12用于形成膜片123和保護127，保護127包括保護電極12 和保護連接器12 以及保護環125c和保護導引125d。保護127通過接觸孔Ilc連接到基板10，而膜片123 通過接觸孔lib連接到基板10。因此，基板10、保護127和膜片123全部設定到相同的電位。電極焊墊12 連接到第一電極層12。電極焊墊12 和另一個電極焊墊16 采用焊墊導電層21形成，焊墊導電層21是由AlSi構成的導電沉積膜。用于保護電極焊墊123e、 162e側壁的鈍化層22采用厚度為1. 0至2. 0 μ m的氮化硅膜形成。第二絕緣層14是厚度為2. 0至10 μ m的氧化硅膜。第二絕緣層14用于形成排列在周圍上的多個板隔離物131和設置在板隔離物131的外側的環132，從而支撐蝕刻停止件環(etching stopper ring) 161，而使板導引162d與保護導引125d絕緣。第二電極層18由摻雜有磷(P)的多晶硅構成且厚度為1.0至3.(^!11。第二電極層18用于形成板162以及蝕刻停止件環161和板導引162d。絕緣層20是厚度為0. 1至 0. 5 μ m的氧化硅膜，其形成在蝕刻停止件環161外側。板162連接到電極焊墊16 。膜片123包括中心部分123a和從中心部分123a徑向向外延伸的多個臂123c。每一個都為柱狀的多個膜片支撐102設置在膜片123的外邊緣附近的各自位置。膜片支撐 102共同支撐膜片123，該膜片123因此插設在之間具有間隙的板162和基板10之間，并且與板162和基板10絕緣，其中膜片123伸展為平行于基板10。膜片支撐102與膜片123的臂123c在它們的遠端附近接合。多個膜片孔123b，即，通孔，形成在膜片123的臂123c的每一個中。多個膜片支撐102以相等間隔在其周圍方向上布置在空氣腔Cl的開口 IOOa周圍。膜片支撐102為柱狀，且采用絕緣沉積膜形成。膜片123由膜片支撐102支撐，方式為其中心部分123a覆蓋空氣腔Cl的開口 100a。寬度匹配膜片支撐102厚度的空氣間隙C2 插設在基板10和膜片123之間。需要空氣間隙C2來保持空氣腔Cl的空氣壓力和大氣壓之間的平衡。必須增加膜片123的徑向長度，使得空氣間隙C2可在聲路徑(acoustic path) 上提供最大聲阻，在該聲路徑中振動膜片123的聲波朝著空氣腔Cl的開口 IOOa傳播。多個膜片凸塊123f形成在膜片123的后側，以隔著空氣間隙C2面對基板10的表面。膜片凸塊123f是凸起，防止膜片123吸引(或粘附)到基板10。板162包括中心部分162b以及從中心部分162b徑向向外延伸的多個臂16加。多個柱狀板隔離物131在板162的外邊緣附近的各自位置接合。板162由板隔離物131支撐。 板162平行于膜片123伸展，從而板162的中心在平面上看重疊膜片123的中心。多個板孔162c，S卩，通孔，形成在板162中。板孔162c共同用作傳輸聲波到膜片123的通道。板隔離物131接合到與膜片123定位在相同層中的保護電極12fe。多個板隔離物131以相等間隔布置在空氣腔Cl的開口 IOOa周圍。板隔離物131定位在膜片123的臂 123c之間形成的切除區域中。多個板支撐129由保護隔離物103、保護電極12 和板隔離物131構成，它們垂直地結合在一起。板支撐1 將板162支撐在基板10之上。在本實施例中，板支撐1 具有由多層沉積膜構成的結構。板支撐1 提供板162和膜片123之間的空氣間隙C3。就是說，空氣間隙C3和C2形成在板162和基板10之間。板162與基板 10絕緣，這是因為保護隔離物103和板隔離物131的絕緣性。多個凸塊(即板凸塊)162f形成在板162的后側，該凸塊162f隔著空氣間隙C3面對膜片123的表面。板凸塊162f采用絕緣層17和導電層15形成，絕緣層17接合到構成板162的第二電極層18，導電層15接合到絕緣層17。板凸塊162f防止膜片123吸引(或粘附)到板162。導電層15由厚度為0.5至2. Ομπι的多晶硅構成。絕緣層17采用厚度為 0. 1至0. 2μπι的氮化硅膜形成。溝槽Η3在圍繞橋B的預定位置處形成在電容式傳聲器結構之間，該橋B用于將這些結構連接到一起。基板10部分地暴露在溝槽Η3的底部中。就是說，溝槽Η3用于分開第一絕緣層11、第二絕緣層14和絕緣層20。包括在鄰接在一起的結構中的板162(由第二電極層18構成)通過橋B(或者由第二電極層18構成的配線)連接在一起。在本實施例中， 橋B采用基板10上形成的第一絕緣層11、第二絕緣層14、第二電極層18和絕緣層20形成。一個結構的膜片123(由第一電極層12構成)通過基板10連接到另一個結構的膜片 123。為此，電容式傳聲器的結構中包括的成對的相對電極(即，板162和膜片123)并列(in parallel)連接。因為一個結構中包括的相對電極對與另一個單元中的相對電極對并列連接，所以相對于結合多個電容式傳聲器結構的單個傳聲器的輸出信號能夠改善S/N比。另外，能夠擴大整個芯片的面積，因為多個相對電極以陣列方式排列在相同的平面上。然而，大芯片面積可能易于導致芯片在后續工藝(將稍后討論)中翹曲。本實施例能夠借助于形成在電容式傳聲器結構周邊中的溝槽H3減輕電容式傳聲器陣列芯片的翹曲。與板經由配線接合而連接的傳統技術相比，本發明能夠降低制造成本，其中電容式傳聲器結構中包括的板162通過由構成橋B的第二電極層18構成的薄膜配線連接在一起。構成橋B的配線幾乎不會被破壞，因為它由第一絕緣層11和第二絕緣層14支撐。與膜片通過配線接合連接的傳統技術相比，例如，本發明能夠降低制造成本，其中膜片123通過基板10連接。另外，本發明的電容式傳聲器陣列芯片因其結構簡單而能夠改善可靠性。2.制造方法接下來，將參考圖4A-4E和圖5A-5E描述電容式傳聲器陣列芯片的制造方法。圖 4A-4E和圖5A-5E的每一個都包括兩個圖示，其中左側圖示是沿著圖2A中的線2B-2B剖取的橫截面圖，而右側圖示是沿著圖2A中的線2C-2C剖取的部分截面圖。在圖4A所示的第一步驟中，用作第一絕緣層11的氧化硅膜通過等離子體CVD法形成在由單晶硅構成的晶片 (用作基板10)的表面上。隨后，凹陷(dimple) Ila采用掩模(未示出)形成在第一絕緣層11的表面上。另外，接觸孔IlbUlc采用掩模(未示出)形成。為了減小基板10和第一電極層12之間的接觸阻抗，可能有必要摻雜雜質在基板10的接觸孔IlbUlc中。在圖4B所示的第二步驟中，多晶硅膜(用作第一電極層1 通過減壓CVD法形成在第一絕緣層11的表面上。凹陷Ila填充有第一電極層12，從而形成膜片凸塊123f。另外，接觸孔IlbUlc填充有第一電極層12，從而形成用于將在接下來的圖案化中形成的膜片123和保護127連接到基板10的連接部分。同時，導電層13形成在基板10的后側。隨后，第一電極層12采用掩模(未示出)經受圖案化，以形成膜片123、膜片孔12 和保護 127。在圖4C所示的第三步驟中，氧化硅膜(用作第二絕緣層14)通過等離子體CVD法形成在第一絕緣層11和第二電極層12的表面上。凹陷1 采用掩模(未示出)形成在第二絕緣層14中。在圖4D所示的第四步驟中，板凸塊162f形成在第二絕緣層14的凹陷14a中。具體地講，多晶硅膜(用作導電層15)形成在第二絕緣層14的表面上。同時，另一個導電層 16形成在導電層13的后側。隨后，去除除了埋設在凹陷14a中的指定部分之外的導電層 15，而氮化硅膜(用作絕緣層17)通過減壓CVD法形成在第二絕緣層14的包括凹陷1 的埋設部分的表面上。然后，去除除了與凹陷14a的埋設群直接接觸的指定部分外的絕緣層 17。在圖4E所示的第五步驟中，多晶硅膜(用作第二電極層18)通過減壓CVD法形成在第二絕緣層14圍繞絕緣層17的其余部分的表面上。同時，導電層19(由多晶硅構成) 形成在導電層16的后側。隨后，第二電極層18采用掩模(未示出)蝕刻以形成板162、板導引162d和蝕刻停止件環161。此時，用于構成橋B的第二電極層18原樣留下。然后，去除基板10后側沉積的導電層13、16、19。在圖5A所示的第六步驟中，形成接觸孔H1，而第一絕緣層11和第二絕緣層14采用掩模(未示出)被蝕刻，以形成溝槽H3。接觸孔Hl提供第二絕緣層14的開口，因此部分暴露底部中的第一電極層12。如圖IA所示，溝槽H3形成在該結構的周邊中，且圍繞用于形成橋B的指定區域。溝槽H3提供第一絕緣層11和第二絕緣層14的開口，因此部分暴露底部中的基板10。溝槽H3形成為圍繞用于形成橋B的指定區域。在完成溝槽H3的形成后， 在800至1，000°C的溫度下對晶片進行退火。退火能夠減輕第一電極層12形成期間產生的拉應力。這導致由第一電極層12構成的膜片易于響應于聲波而振動。因此，能夠改善傳聲器的靈敏度。另一方面，退火會增加都由氧化硅膜構成的第一絕緣層11和第二絕緣層14中產生的壓應力。因為氧化硅膜具有近于基板10的大的厚度，并且在表面上占據大的面積，所以施加到氧化硅膜的應力導致對晶片的變形(或翹曲)的影響。為此，如果不形成溝槽H3，晶片會產生非常大的翹曲或彎曲。大的晶片翹曲會易于導致隨后工藝上的失敗，例如，光致抗蝕劑掩模的缺陷曝光。另外， 具有大翹曲的晶片在傳輸期間會易于損壞。此外，通過劃片具有大翹曲的晶片形成的電容式傳聲器陣列芯片可能受翹曲的影響。為了解決該缺陷，本實施例設計為在形成接觸孔Hl工藝的同時形成溝槽H3。如圖 IA所示，氧化硅膜通過溝槽H3在基板10上被分成多個部分。與執行退火而不形成溝槽H3 的前述方法相比，本實施例能夠顯著減小晶片的翹曲。因為溝槽H3可在形成接觸孔Hl的工藝中同時形成，所以本實施例不需要另外的工藝形成溝槽H3;因此，能夠防止制造成本的增加。在圖5B所示的第七步驟中，氧化硅膜(用作絕緣層20)通過等離子體CVD法形成在第二絕緣層14的表面上和第二電極層18的表面上。此時，絕緣層20部分地沉積在溝槽 H3的底部中和接觸孔Hl的底部中。隨后，形成接觸孔H4，而采用掩模(未示出)蝕刻絕緣層20，以在接觸孔Hl中和溝槽H3中去除絕緣層20的剩余部分。第二電極層18部分地暴露在接觸孔H4的底部中。在圖5C所示的第八步驟中，焊墊導電層21沉積在接觸孔H1、H4的內部，從而形成電極焊墊12;3e、162e。隨后，形成鈍化層22，且板孔162c形成在絕緣層20和第二電極層18 中。然后，進行隊退火，以于金屬-硅界面形成合金。之后，拋光基板10的后側，使得基板 10的厚度減少到200-600 μ m左右。在圖5D所示的第九步驟中，開口 20a形成在絕緣層20中，從而部分暴露其中的第二電極層18。隨后，開口 IOOa形成在基板10中。在圖5E所示的第十步驟中，開口 20a的外部區域覆蓋有由光致抗蝕劑構成的掩模 R，從而絕緣層20在板162和板導引162d上的多余部分通過各向同性蝕刻去除。另外，部分去除第二絕緣層14，從而形成環132、板隔離物131和空氣間隙C3。此外，第一絕緣層11 被部分去除以形成保護隔離物103、膜片支撐102、環101和空氣間隙C2。此時，蝕刻劑進入掩模R的開口 H5和基板10的開口 100a。在完成蝕刻后，去除掩模R。晶片沿著溝槽H3經受劃片，并且分成單獨的電容式傳聲器陣列芯片產品。3.變化本發明不必限于前述的實施例，其中材料、尺寸和制造步驟是說明性的而不是限制性的；因此，本領域的技術人員可任意改變、刪除和增加制造芯片的步驟。另外，能夠提供有關膜/層的材料、成分、層的厚度和制造上所需的精度的變型。本實施例的電容式傳聲器陣列芯片設計為使基板10的后側通過粘合劑附接到封裝的基底(base)。圖6A示出了基板10的后側通過粘合劑層四附接到封裝的基底30，其中電容式傳聲器的結構通過連接它們的空氣腔Cl而結合在一起。具體地講，基板10設置在電容式傳聲器陣列芯片內的內部厚度薄于基板10設置在電容式傳聲器陣列芯片的外部周邊中的外部厚度，其中基板10的外邊緣的后側通過粘合劑層四接合到封裝的基底30。 這提供了相對大的空氣腔，其由多個電容式傳聲器結構共享，因此改善了傳聲器的靈敏度。電容式傳聲器結構中包括的第一電極層12不必通過基板10連接在一起。例如， 電容式傳聲器結構可直接連接到用作構成橋B的層之一的第一電極層12。在此情況下，接觸孔lib不形成在圖4A的第一步驟中，而是進行預定的圖案化以便在圖4B的第二步驟中將保護127與膜片123分離。為了減少寄生電容，必需使膜片123和保護127與基板10設定到相同的電位，其中連接到基板10的另一個電極提供為獨立于連接到第一電極層12的電極焊墊123e，從而這些電極焊墊設定到相同的電位。可倒置電容式傳聲器陣列芯片的多層構造，從而基板10定位為靠近板162而不是膜片123，其中板162和基板10 二者設定到相同的電位，以便減少寄生電容。可如圖6B所示重構電容式傳聲器陣列芯片，其中電容式傳聲器結構中包括的膜片123通過基板10和構成電極焊墊12 的焊墊導電層21連接。可如圖6C所示重構電容式傳聲器陣列芯片，其中第一絕緣層11和第二絕緣層14 通過在橋B下的指定區域中進行蝕刻而被部分去除，從而腔體形成在基板10和構成橋B的第二電極層18之間。在此情況下，溝槽H3形成為完全圍繞電容式傳聲器結構的外部邊緣。 這可進一步減輕電容式傳聲器陣列芯片的翹曲。前述實施例設計為部分去除溝槽H3中的第一絕緣層11和第二絕緣層14，從而基板10的表面部分地暴露在溝槽H3的底部中。作為選擇，第一絕緣層11可部分地保留在溝槽H3的底部中，或者第二絕緣層14可部分地保留在溝槽H3的底部中。就是說，能夠通過調整圖5A的第六步驟中的蝕刻時間而充分地調整溝槽H3的深度。4.翅曲如上所述，傳統技術已經遭受了設置MEMS元件(例如，電容式傳聲器)的硅基板的翹曲，而本發明通過利用MEMS元件之間形成的溝槽(或切割道(scribe line))能夠減少翹曲。圖7A示出了采用氧化硅膜而不采用切割道設置多個MEMS元件的單晶硅基板。因為氧化硅膜連續地延伸在基板上，所以設置多個MEMS元件的氧化硅膜的多個區域會響應于制造期間產生的壓應力按壓彼此，從而基板顯著地向上翹曲或彎曲，從而導致翹曲。如果壓應力進一步增加，則在膜中會發生扭曲損壞。圖7B示出了采用多個部分設置多個MEMS元件的單晶基板，該多個部分通過沿著 MEMS元件之間形成的多個切割道分開氧化硅膜而形成。因為氧化硅膜根據多個MEMS元件分成多個部分，所以能夠防止壓應力傳輸在氧化硅膜的多個部分之間，這是因為多個切割道不包括氧化硅膜。這減輕了應力且減小了基板的翹曲。另外，能夠防止膜中的扭曲損壞。本發明的發明人已經對基板的翹曲和加熱溫度之間的關系進行了實驗，其結果如圖8所示。圖8(a)是表示三個樣品的翹曲的圖，其中上部與圖8(b)的圖示的拉應力相關， 而下部與圖8(c)的圖示的壓應力相關。圖8(b)是示出覆蓋有薄膜的硅基板因拉應力向上翹曲的部分中的部分側視圖，而圖8(c)是示出覆蓋有薄膜的硅基板因壓應力向下翹曲的部分中的部分側視圖。圖8(a)的圖利用加熱溫度的典型參數通過測量每個樣品的翹曲獲得。具體地講， 本發明人采用沉積在單晶硅基板上的不同氧化物膜制備了三個樣品。第一和第二樣品的每一個都包括氧化硅膜，其通過等離子體CVD法生產，厚度為3 μ m，其中第一樣品(見白點) 在氧化硅膜中沒有切割道，而第二樣品(見黑點)在氧化硅膜中包括多個切割道。第三樣品(見三角形標記)包括厚度為0.5μπι的導電多晶硅膜。第三樣品，其中導電多晶硅膜用于形成膜片，因沉積后的拉應力經受顯著的翹曲。 圖示出了第三樣品需要加熱工藝來減輕拉應力。另外，圖示出了加熱工藝可加強通過等離子體CVD法制成的氧化硅膜上的壓應力，因此增加基板的翹曲。本發明(g卩，第一樣品)能夠減輕壓應力，這是因為多個切割道在加熱工藝前形成，然后，氧化硅膜對應于基板上的多個芯片分成多個部分，從而基板的翹曲可隨著壓應力的減小而減小。本發明人通過實驗確認，當氧化硅膜通過等離子體CVD法形成為厚度為4 μ m而不形成切割道時，扭曲損壞在氧化硅膜于900°C溫度下過熱時發生。最后，本發明不必限于前述的實施例及其變化，而是可在權利要求限定的本發明的范圍內以各種方式進行修改。
權利要求
1.一種電容式傳聲器陣列芯片，包括基板，具有貫通所述基板的厚度的多個開口 ； 第一絕緣層，形成在所述基板的每個所述開口的外周邊中；第一電極層，形成在所述第一絕緣層之上，并且延伸在所述基板的每個所述開口之上；第二絕緣層，在所述基板的每個所述開口的所述外周邊中形成在所述第一電極層之上；第二電極層，形成在所述第二絕緣層之上，并且相對于所述第一電極層定位且所述第一電極層與所述第二電極之間隔著空氣間隙，其中多個電容式傳聲器結構采用在所述基板的所述多個開口上方的所述第一絕緣層、 所述第一電極層、所述第二絕緣層和所述第二電極層形成且具有多個空氣腔，其中所述多個電容式傳聲器結構通過多個橋并列連接，并且二維地排列在所述基板上，且所述多個電容式傳聲器結構之間具有多個溝槽，其中所述多個溝槽形成為圍繞所述多個橋，從而至少所述第二絕緣層部分地從所述多個溝槽去除，并且其中所述多個橋采用用作連接所述多個電容式傳聲器結構的配線的第二電極層形成。
2.根據權利要求1所述的電容式傳聲器陣列芯片，其中所述多個橋包括所述第一絕緣層和所述第二絕緣層以便支撐所述配線。
3.根據權利要求1所述的電容式傳聲器陣列芯片，其中在所述多個橋下方的所述配線和所述基板之間的預定區域中去除所述第一絕緣層和所述第二絕緣層。
4.根據權利要求1所述的電容式傳聲器陣列芯片，其中所述基板由單晶硅構成，并且其中所述第一電極層與所述基板電導通，從而所述多個電容式傳聲器結構電連接到所述基板。
5.根據權利要求1所述的電容式傳聲器陣列芯片，其中構成所述空氣腔的所述多個開口連接在一起，從而所述多個電容式傳聲器結構共享單個的大空氣腔。
6.一種微機電系統變換器陣列芯片的制造方法，該微機電系統變換器陣列芯片包括形成在基板上的多個結構，且所述多個結構的每個包括貫通所述基板的開口、設置在所述開口上方的膜片以及與所述膜片相對設置的板，該制造方法包括在所述基板的表面上形成第一絕緣層； 在所述第一絕緣層上形成第一電極層；通過圖案化所述第一電極層而共同地形成包括在所述多個結構中的多個膜片； 形成覆蓋所述第一絕緣層和所述第一電極層的第二絕緣層； 在所述第二絕緣層上形成第二電極層；通過圖案化所述第二電極層而共同地形成包括在所述多個結構中的多個板以及連接在所述板之間的多個橋；通過去除至少一部分所述第二絕緣層而形成多個溝槽，所述多個溝槽設置在所述結構的外周邊且同時圍繞所述橋；在于所述多個結構周圍形成所述溝槽之后實施退火； 在所述多個膜片下方形成貫通所述基板的通孔；以及部分去除所述第一絕緣層和所述第二絕緣層，從而暴露包括在所述多個結構中的所述多個膜片以及所述多個板。
7.根據權利要求6所述的微機電系統變換器陣列芯片的制造方法，還包括 除了形成所述溝槽之外，進一步去除所述第一絕緣層的至少一部分。
全文摘要
本發明提供一種電容式傳聲器陣列芯片和微機電系統變換器陣列芯片的制造方法。其中多個電容式傳聲器結構制作成單個電容式傳聲器陣列芯片。該電容式傳聲器陣列芯片包括具有用作空氣腔的多個開口的基板、形成在開口的外周邊中的第一絕緣層、延伸在開口的每一個之上的第一電極層、在開口的外周邊中形成在第一電極層之上的第二絕緣層、相對于第一電極層隔著第一電極層與第二電極層之間的空氣間隙形成在第二絕緣層之上的第二電極層。該結構通過多個橋連接，并且通過其間的多個溝槽分開。溝槽圍繞橋，從而至少第二絕緣層部分地從溝槽去除。橋采用用作電連接電容式傳聲器結構的配線的第二電極層形成。
文檔編號H04R19/04GK102448002SQ201110295838
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月28日 優先權日2010年9月30日
發明者櫻內一志, 鈴木幸俊, 鈴木民人 申請人:雅馬哈株式會社