JP2018510533A - Memsマイクロフォンと圧力センサの集積構造及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

本発明はMEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造及びその製造方法を開示するものである。共通基板に絶縁層、第1多結晶シリコン層、犠牲層と第2多結晶シリコン層をこの順で堆積する。第2多結晶シリコン層をエッチングして、振動膜、上部電極を形成する。犠牲層を腐食して、マイクロフォンと圧力センサの収容キャビティを形成すると共に、マイクロフォンと圧力センサとの間の犠牲層を腐食する。第1多結晶シリコン層をエッチングして、マイクロフォンの背後電極及び圧力センサの下部電極を形成する。共通基板におけるマイクロフォンの背後電極の下方に位置する部位をエッチングして、バックキャビティを形成する。背後電極の下方に位置する絶縁層をエッチングする。マイクロフォンのコンデンサ構造、圧力センサのコンデンサ構造を共通基板に集積することにより、マイクロフォンと圧力センサの集積度を向上させ、パッケージ構造全体のサイズを大幅に減らすことができる。また、共通基板にマイクロフォンと圧力センサを同時に製造することができ、生産効率の向上が図られている。

Description

本発明はセンサ分野に関し、より具体的には、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造に関する。本発明は、さらに、MEMSマイクロフォンと圧力センサを集積する製造方法に関する。
近年、科学技術の発展に伴い、携帯電話、ノートパソコンなどの電子機器の体積は縮小し続け、人々のこれらの携帯用電子機器の性能に対する要求も日々高くなり、それに付属する電子部品の体積も縮小しなければならないことが求められる。
センサは測定素子として、携帯電話、ノートパソコンなどの電子機器に一般的に適用されている。従来の工程構造において、圧力センサとMEMSマイクロフォンをそれぞれ2つの独立した別体の形式によりPCBにパッケージした後、DB、WBなどの一連の工程を実施するとされている。このようなパッケージ形式はサイズが大きく、民生用電子機器に適用するのに不利である。現在の課題は、各センサのパッケージ工程は比較的に成熟し、工程能力も限界に近く、システムメーカーの要求に応じてチップのサイズをさらに縮小することが難しいことである。
本発明の1つの目的は、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造の製造方法の新しい技術的解決手段を提供することである。
本発明の第1態様によれば、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造の製造方法であって、
ステップa)共通基板に絶縁層と第1多結晶シリコン層をこの順で堆積するステップと、
ステップb)続いて第1多結晶シリコン層の上方に犠牲層と第2多結晶シリコン層をこの順で堆積するステップと、
ステップc)第2多結晶シリコン層をエッチングして、MEMSマイクロフォンの振動膜及び圧力センサの上部電極を形成するステップと、
ステップd)犠牲層を腐食して、MEMSマイクロフォンと圧力センサの収容キャビティを形成し、MEMSマイクロフォンと圧力センサとの間の犠牲層を腐食するステップと、
ステップe)第1多結晶シリコン層をエッチングして、MEMSマイクロフォンの背後電極及び圧力センサの下部電極を形成するステップと、
ステップf)共通基板におけるMEMSマイクロフォンの背後電極の下方に位置する部位をエッチングして、バックキャビティを形成するステップと、
ステップg)背後電極の下方に位置する絶縁層をエッチングするステップと、を含む製造方法を提供する。
好ましくは、前記ステップc)は、第2多結晶シリコン層をエッチングし、振動膜、上部電極の領域に腐食材料が貫通する腐食孔を形成するステップをさらに含み、前記ステップd)とステップe)の間には、続いて振動膜、上部電極に多結晶シリコン膜を堆積し、腐食孔の位置に振動膜、上部電極の下端に位置するフランジを形成するステップをさらに含む。
好ましくは、フランジを形成した後、振動膜を薄くするステップをさらに含む。
好ましくは、前記ステップd)は、犠牲層を腐食し、犠牲層にそれぞれ振動膜と第1多結晶シリコン層、上部電極と第1多結晶シリコン層を貫通する貫通孔を形成するステップをさらに含み、第1多結晶シリコン層の電気信号を導出するために、貫通孔に金属部を作製するステップをさらに含む。
好ましくは、前記ステップg)において、先ず背後電極及び背後電極の下方に位置する絶縁層に気流導通孔をエッチングした後、背後電極の下方に位置する絶縁層をエッチングする。
本発明は、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造であって、MEMSマイクロフォンを構成する振動膜、背後電極、及び振動膜と背後電極との間に支持される犠牲層が設置されている共通基板を備えて、前記共通基板には、圧力センサを構成する上部電極、下部電極、及び上部電極と下部電極との間に支持される犠牲層がさらに設置されており、前記共通基板における背後電極に対応する位置にはバックキャビティが設置され、前記背後電極はバックキャビティの上方で懸架されている集積構造を提供する。
好ましくは、前記背後電極、下部電極が共通基板に接触する位置には絶縁層が設置されている。
好ましくは、前記MEMSマイクロフォンと圧力センサの犠牲層にはそれぞれ背後電極と振動膜、下部電極と上部電極を貫通する貫通孔が設置され、前記貫通孔内にはそれぞれ背後電極、下部電極の電気信号を導出する金属部が設置されている。
好ましくは、前記振動膜における背後電極に隣接する側の端面には背後電極に伸びるフランジが複数設置され、前記上部電極における下部電極に隣接する側の端面には下部電極に伸びるフランジが複数設置されている。
好ましくは、前記フランジは逆立ち円錐状とされている。
本発明の集積構造は、MEMSマイクロフォンのコンデンサ構造、圧力センサのコンデンサ構造を共通基板に集積することで、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積度を向上させ、パッケージ構造全体のサイズを大幅に減らすことができる。同時に、MEMSマイクロフォンの振動膜、圧力センサの上部電極は、同じ材料と製造工程を採用することができ、MEMSマイクロフォンの背後電極、圧力センサの下部電極は同じ材料と製造工程を採用することができ、共通基板にMEMSマイクロフォンと圧力センサを同時に製造することができ、生産効率の向上が図られている。
本発明者らは、従来技術において、各センサのパッケージ工程は比較的に成熟し、工程能力も限界に近く、システムメーカーの要求に応じてチップのサイズをさらに縮小することが難しいことを見出した。従って、本発明が実現しようとする技術的任務または解決しようとする技術的課題は、当業者が想到したことのないまたは予期したことのないものであり、それ故、本発明は新しい技術的解決手段である。
以下、図面を参照しながら本発明の例示的な実施例を詳細に説明することにより、本発明のその他の特徴及び利点は明らかになる。
明細書に編入され明細書の一部を構成する図面は本発明の実施例を示し、その説明と共に本発明の原理を解釈するのに用いられる。
本発明の集積構造を模式的に示す図である。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。 本発明の集積構造の製造方法の工程のフローチャートである。
以下、図面を参照しながら本発明の様々な例示的な実施例を詳細に説明する。別途に具体的な説明がない限り、これらの実施例に記載された部品とステップにおける対応配置、数式と数値は本発明の範囲を限定するものではないことに注意されたい。
以下、少なくとも1つの例示的な実施例に対する説明は、実はあくまでも説明的なものに過ぎず、決して本発明及びその適用または使用を限定するものではない。
当業者の既知の技術、方法及び設備に対しては詳細に検討していないかもしれないが、適当な場合、前記技術、方法及び設備は明細書の一部と見なされるべきである。
ここで示され検討される全ての例において、如何なる具体的な値は限定するためのものではなく、例示的なものに過ぎないと解釈されるべきである。従って、例示的な実施例のその他の例は異なる値を有することができる。
類似する符号とアルファベットは以下の図面において類似する要素を示しているため、ある要素が一旦1つの図面に定義された場合、以降の図面においてさらに検討する必要がないことに注意されたい。
図1に示すように、パッケージ全体のサイズを小さくするために、本発明は、上端にMEMSマイクロフォンのコンデンサ構造及び圧力センサのコンデンサ構造が設置されている共通基板1を備えるMEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造を提供する。
具体的には、本発明の圧力センサのコンデンサ構造は、共通基板1に設置される下部電極3b、上部電極6b、及び上部電極6bを下部電極3bの上方に支持する犠牲層7を含む。該犠牲層7を介して、上部電極6bと下部電極3bとの間に一定の距離を持たせ、従来のリード線を介して、圧力を電気信号に変換する部品を構成することができる。例えば、外部の圧力を受けた時、上部電極6bが変形し、上部電極6bと下部電極3bとの間の距離が変わり、最終的に変化した電気信号を出力するようになっている。
本発明のMEMSマイクロフォンのコンデンサ構造は、共通基板1の上方に設置される背後電極3a、振動膜6a、及び背後電極3aと振動膜6aとの間に支持される犠牲層7を備える。当業者にとって、本発明のMEMSマイクロフォンのコンデンサ構造は、振動膜6aが上にあり、背後電極3aが下にある形態を採用してもよく、振動膜6aが下にあり、背後電極3aが上にある形態を採用してもよい。本発明の一具体的な実施形態において、圧力センサに対応させるために、MEMSマイクロフォンのコンデンサ構造は、振動膜6aが上にあり、背後電極3aが下にある構造を採用している。つまり、背後電極3aが共通基板1に設置され、振動膜6aが犠牲層7を介して背後電極3aの上方に支持されることによって、振動膜6aと背後電極3aとの間には一定の距離を持たせ、従来のリード線を利用すれば、音響信号を電気信号に変換する部材を構成することができる。MEMSマイクロフォンのコンデンサ構造の動作原理は、当業者の周知技術に属し、ここでその説明を省略する。
MEMSマイクロフォンのコンデンサ構造が作用するように、前記共通基板1における背後電極3aに対応する位置にはバックキャビティ10が設置され、該背後電極3aがバックキャビティ10の上方で懸架されるようにしている。同時に、MEMSマイクロフォンのフロントキャビティとリアキャビティの気流を均等にするために、前記背後電極3aにさらに複数の気流導通孔30が設置されている。
本発明において、共通基板1は単結晶シリコン材料を採用して製造してもよく、背後電極3a、振動膜6a、下部電極3b、上部電極6bはいずれも多結晶シリコン材料を採用することができ、これは当業者にとって、従来技術に属する。ここで、絶縁のために、前記背後電極3a、下部電極3bが共通基板1に接触する部位には絶縁層2が設置され、好ましくは、該絶縁層2は二酸化ケイ素材料を採用することができる。
本発明の集積構造は、MEMSマイクロフォンのコンデンサ構造、圧力センサのコンデンサ構造を共通基板に集積することで、MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積度を向上させ、パッケージ構造全体のサイズを大幅に減らすことができる。同時に、MEMSマイクロフォンの振動膜、圧力センサの上部電極は同じ材料と製造工程を採用することができ、MEMSマイクロフォンの背後電極、圧力センサの下部電極は同じ材料と製造工程を採用することができ、共通基板にMEMSマイクロフォンと圧力センサを同時に製造することができ、生産効率の向上が図られている。
本発明の集積装置は、上述のように、従来のリード線によって振動膜と背後電極、上部電極と下部電極を接続することができる。本発明の一具体的な実施形態において、前記MEMSマイクロフォンと圧力センサの犠牲層7にはそれぞれ背後電極3aと振動膜6a、下部電極3bと上部電極6bを貫通する貫通孔が設置され、前記貫通孔内にはそれぞれ背後電極3aと下部電極3bを電気的に接続する金属部8が設置され、該金属部8を介して背後電極3aと下部電極3bの電気信号を導出する。
本発明のもう1つの実施形態において、前記振動膜6aにおける背後電極3aに隣接する側の端面には背後電極3aに伸びるフランジ61が複数設置され、前記上部電極6bにおける下部電極3bに隣接する側の端面には下部電極3bに伸びるフランジ61が複数設置され、好ましくは該フランジ61の形状は逆立ち円錐状を採用し、該フランジ61は振動膜6aと上部電極6bの表面に均一に分布されるようにしてもよい。振動膜6aと上部電極6bが受けた圧力が大きく、振動膜6aと上部電極6bが大きく変形した時、振動膜6aと上部電極6bが背後電極3aと下部電極3bに貼りつけられることを防止することができ、MEMSマイクロフォン及び圧力センサが失効することを回避することができる。
本発明は、さらに、以下のステップを含むMEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造の製造方法を提供するものである。
a)図2に示すように、共通基板1に絶縁層2と第1多結晶シリコン層3をこの順で堆積する。該絶縁層2は共通基板1と第1多結晶シリコン層3との間の絶縁を確保すると共に、後続のバルクシリコンエッチング工程において、上層の構造が破壊されることを回避するためのバリア層とすることもできる。
b)図3に示すように、続けて第1多結晶シリコン層3の上表面に犠牲層7と第2多結晶シリコン層6をこの順で堆積する。
c)図4に示すように、第2多結晶シリコン層6をエッチングし、MEMSマイクロフォンの振動膜6a及び圧力センサの上部電極6bを形成する。このステップにおいて、MEMSマイクロフォン及び圧力センサの動作パラメータ要求に基づいて、所定の位置に第2多結晶シリコン層6をエッチングし、MEMSマイクロフォンの振動膜6a及び圧力センサの上部電極6bをそれぞれ形成する。
d)図5に示すように、犠牲層7を腐食し、振動膜6aと第1多結晶シリコン層3との間の一部の犠牲層7を腐食し、振動膜6aがその周縁位置の犠牲層だけにより第1多結晶シリコン層3に支持されるようにする。同様に、上部電極6bと第1多結晶シリコン層3との間の一部の犠牲層7を腐食し、上部電極6bがその周縁位置の犠牲層だけにより第1多結晶シリコン層3に支持されるようにして、図4に示すようなMEMSマイクロフォンと圧力センサの収容キャビティ4を形成する。このステップにおいて、MEMSマイクロフォンと圧力センサとが離間されるように、MEMSマイクロフォンと圧力センサとの間の犠牲層をエッチングする。
e)図7に示すように、MEMSマイクロフォンと圧力センサとの間の第1多結晶シリコン層3をエッチングすることにより、MEMSマイクロフォンと圧力センサの信号を独立させ、MEMSマイクロフォンの背後電極3a及び圧力センサの下部電極3bを形成する。
f)図9に示すように、共通基板1におけるMEMSマイクロフォン背後電極3aの下方に位置する部位をエッチングし、バックキャビティ10を形成する。
g)背後電極3aの下方に位置する絶縁層2をエッチングし、背後電極3aがバックキャビティ10の上方で懸架されるようにする。
上述のように、犠牲層7を腐食することにより振動膜6a、上部電極6bを開放する技術は、当業者の周知技術に属する。本発明の一好ましい実施形態において、図4に示すように、前記ステップc)は、振動膜6a、上部電極6bの領域に腐食孔60を形成するために、第2多結晶シリコン層6をエッチングするステップをさらに含む。該腐食孔60を介して、腐食材料をスムーズに犠牲層7に入らせ、犠牲層7を腐食することができる。
この場合、図6に示すように、前記ステップd)とステップe)の間は、続けて振動膜6a、上部電極6bに多結晶シリコン膜を堆積するステップをさらに含み、多結晶シリコン膜は腐食孔60に入り、腐食孔60の位置に、振動膜6a、上部電極6bの下端に位置するフランジ61を形成する。該フランジ61を介して、振動膜6aと上部電極6bが背後電極3aと下部電極3bに貼りつけられ、MEMSマイクロフォン及び圧力センサが失効することを回避することができる。
本発明の製造方法において、MEMSマイクロフォンの振動膜6aと圧力センサの上部電極6bは同じ材料を採用している。それぞれの動作パラメータを実現するために、ステップc)において第2多結晶シリコン層6をエッチングする時、上部電極6bが大きい寸法面積を有するように選択し、振動膜6aが小さい寸法面積を有するように選択することができる。本発明の一好ましい実施形態において、フランジ61を形成した後、振動膜6aの上表面を薄くするステップをさらに含む。それぞれの感知構造膜層の厚さによって、MEMSマイクロフォンと圧力センサの動作パラメータの要求を実現する。
上記のように、背後電極3aと振動膜6aとの間、下部電極3bと上部電極6bとの間は従来のリード線を採用して接続することができる。本発明の製造方法において、前記ステップd)は、さらに、犠牲層7にそれぞれ振動膜6aと第1多結晶シリコン層3、上部電極6bと第1多結晶シリコン層3を貫通する貫通孔5を形成するように犠牲層7を腐食し、図8に示すように、第1多結晶シリコン層3における背後電極3aと下部電極3bを形成するための位置の信号を導出するように、該貫通孔5に例えば堆積の方式によって金属部8を作製し、その後、第1多結晶シリコン層3をエッチングすることにより、互いに独立する背後電極3aと下部電極3bを形成し、それぞれの信号が互いに独立するようにするステップを含む。当業者にとって、金属部8と振動膜6a、上部電極6bの間には絶縁層を設置して、金属部8と振動膜6a、上部電極6bが導通することを防止する必要があり、同時に、それぞれの信号を有利に導出するように、振動膜6a、上部電極6bにはさらに金属電極が設置されていることは言うまでもない。
本発明の製造方法のステップg)において、先ず背後電極3a及び背後電極3aの下方に位置する絶縁層2に気流導通孔30をエッチングした後、背後電極3aの下方に位置する絶縁層2をエッチングすることにより、エッチング過程において背後電極3aを損傷することを回避することができる。
本発明の製造方法は、共通基板にMEMSマイクロフォン及び圧力センサのコンデンサ構造を同時に製造することができ、製造の効率を向上させると共に、製造のコストを節約している。
例を挙げて本発明の幾つかの特定の実施例を詳細に説明したが、当業者であれば、以上の例は説明するためのものに過ぎず、本発明の範囲を限定するためのものではないことを理解すべきである。当業者であれば、本発明の趣旨と範囲を逸脱しない限り、上記実施例を変更することができることを理解すべきである。本発明の範囲は添付の請求項により限定されたものである。

Claims (10)

  1. MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造の製造方法であって、
    ステップa)共通基板(1)に絶縁層(2)と第1多結晶シリコン層(3)をこの順で堆積するステップと、
    ステップb)続けて第1多結晶シリコン層(3)の上方に犠牲層(7)と第2多結晶シリコン層(6)をこの順で堆積するステップと、
    ステップc)第2多結晶シリコン層(6)をエッチングして、MEMSマイクロフォンの振動膜(6a)及び圧力センサの上部電極(6b)を形成するステップと、
    ステップd)犠牲層(7)を腐食して、MEMSマイクロフォンと圧力センサの収容キャビティ(4)を形成し、MEMSマイクロフォンと圧力センサとの間の犠牲層(7)を腐食するステップと、
    ステップe)第1多結晶シリコン層(3)をエッチングして、MEMSマイクロフォンの背後電極(3a)及び圧力センサの下部電極(3b)を形成するステップと、
    ステップf)共通基板(1)におけるMEMSマイクロフォン背後電極(3a)の下方に位置する部位をエッチングして、バックキャビティ(10)を形成するステップと、
    ステップg)背後電極(3a)の下方に位置する絶縁層(2)をエッチングするステップと、
    を含むことを特徴とする製造方法。
  2. 前記ステップc)は、第2多結晶シリコン層(6)をエッチングし、振動膜(6a)、上部電極(6b)の領域に腐食材料が貫通する腐食孔(60)を形成するステップをさらに含み、
    前記ステップd)とステップe)の間には、続けて振動膜(6a)、上部電極(6b)に多結晶シリコン膜を堆積し、腐食孔(60)の位置に振動膜(6a)、上部電極(6b)の下端に位置するフランジ(61)を形成するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  3. フランジ(61)を形成した後、振動膜(6a)を薄くするステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項2に記載の製造方法。
  4. 前記ステップd)は、犠牲層(7)を腐食し、犠牲層(7)にそれぞれ振動膜(6a)と第1多結晶シリコン層(3)、上部電極(6b)と第1多結晶シリコン層(3)を貫通する貫通孔(5)を形成するステップをさらに含み、第1多結晶シリコン層(3)の電気信号を導出するために、貫通孔(5)に金属部(8)を作製するステップをさらに含む
    ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  5. 前記ステップg)において、先ず背後電極(3a)及び背後電極(3a)の下方に位置する絶縁層(2)に気流導通孔(30)をエッチングした後、背後電極(3a)の下方に位置する絶縁層(2)をエッチングする
    ことを特徴とする請求項1に記載の製造方法。
  6. MEMSマイクロフォンと圧力センサの集積構造であって、
    MEMSマイクロフォンを構成する振動膜(6a)、背後電極(3a)、及び振動膜(6a)と背後電極(3a)との間に支持される犠牲層(7)が設置されている共通基板(1)を備えて、
    前記共通基板(1)には、圧力センサを構成する上部電極(6b)、下部電極(3b)、及び上部電極(6b)と下部電極(3b)との間に支持される犠牲層(7)がさらに設置されており、
    前記共通基板(1)における背後電極(3a)に対応する位置にはバックキャビティ(10)が設置され、前記背後電極(3a)はバックキャビティ(10)の上方で懸架されている
    ことを特徴とする集積構造。
  7. 前記背後電極(3a)、下部電極(3b)が共通基板(1)に接触する位置には絶縁層(2)が設置されている
    ことを特徴とする請求項6に記載の集積構造。
  8. 前記MEMSマイクロフォンと圧力センサの犠牲層(7)にはそれぞれ背後電極(3a)と振動膜(6a)、下部電極(3b)と上部電極(6b)を貫通する貫通孔が設置され、前記貫通孔内にはそれぞれ背後電極(3a)、下部電極(3b)の電気信号を導出する金属部(8)が設置されている
    ことを特徴とする請求項6に記載の集積構造。
  9. 前記振動膜(6a)における背後電極(3a)に隣接する側の端面には背後電極(3a)に伸びるフランジ(61)が複数設置され、前記上部電極(6b)における下部電極(3b)に隣接する側の端面には下部電極(3b)に伸びるフランジ(61)が複数設置されている
    ことを特徴とする請求項6に記載の集積構造。
  10. 前記フランジ(61)は逆立ち円錐状とされていることを特徴とする請求項6に記載の集積構造。
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