JP4273438B2 - マイクロフォン - Google Patents

Description

本発明は、マイクロフォンに関し、特にダイアフラムのような素子薄膜を備えたマイクロフォンに関する。

半導体集積回路製造技術を応用して、シリコン基板上に単結晶シリコンや多結晶シリコンを積層させて薄膜を形成し、この薄膜をダイアフラムとして用いる振動センサが開発されてきている。シリコンから成るダイアフラムはアルミニウムやチタンなどの金属に比べて内部応力が少なく、また密度が低いために、高感度の振動センサが得られるとともに、半導体集積回路製造工程との整合性も良い。このようなダイアフラムを有する振動センサとしては、例えば特許文献１に開示されたコンデンサマイクロフォンがある。このコンデンサマイクロフォンにあっては、単結晶シリコン（１００）面からなる半導体基板の表面にダイアフラム（可動電極）と固定電極を形成した後、当該半導体基板の裏面外周部にエッチング用マスクを形成し、裏面側から表面に達するまで半導体基板をエッチングし、半導体基板の中央部に貫通孔をあけている。その結果、ダイアフラムは、その周囲を半導体基板の表面に固定され、中央部が貫通孔の上で中空支持され、音声振動などによって振動可能となる。

しかしながら、このような構造のコンデンサマイクロフォンでは、（１００）面半導体基板を裏面側から結晶異方性エッチングするため、貫通孔の内周面には（１１１）面による傾斜面が出現し、貫通孔は裏面側で大きく開口した角錐台状の空間となる。そのためダイアフラムの面積に比べて貫通孔の裏面側における開口面積が大きくなり、コンデンサマイクロフォンの小型化が困難であった。なお、半導体基板の厚みを薄くすれば、貫通孔の表面の開口面積に対する裏面の開口面積の比率を小さくすることができるが、半導体基板の強度が低下するために製造時の取り扱いが難しくなり、半導体基板の厚みを薄くするにも限度がある。

また、特許文献２に記載された膜型センサでは、いわゆるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）やＩＣＰ（誘導結合プラズマ）などの垂直エッチングによって、半導体基板に裏面側から貫通孔を開口している。従って、貫通孔が角錐台状に広がらない分だけ膜型センサの小型化を図ることができる。しかしながら、ＤＲＩＥやＩＣＰなどの装置では、装置価格が高価であると共にウエハの加工が枚様式であり、生産性が悪かった。

また、表面側（ダイアフラム側）から半導体基板を結晶異方性エッチングする方法もあるが、このような方法ではダイアフラムにエッチングホールを開口しなければならず、時としてエッチングホールがダイアフラムの振動特性や強度等に悪影響を及ぼす恐れがあった。

なお（１００）面半導体基板を裏面側から結晶異方性エッチングして基板に貫通孔を形成し、かつ表面の開口面積に対する裏面の開口面積の比率を小さくすることができるエッチング方法としては、特許文献３に記載された方法がある。この方法にあっては、半導体基板であるシリコンウエハ表面上の開口させたい矩形領域にまず犠牲層を形成し、その上に窒化シリコンから成る薄膜を蒸着させているので、シリコンウエハ裏面の開口面積は、異方性エッチングによって貫通孔がこの犠牲層に到達することができるだけの大きさがあればよい。

しかしながら、このエッチング方法では、表面の犠牲層をエッチングした後の基板をエッチングする際に、薄膜が基板のエッチャントにさらされるため、薄膜の材料として単結晶シリコンや多結晶シリコンを使用することができない。また、薄膜が基板上に直接形成されるため、薄膜の応力制御やベントホール等、振動センサの特性を向上させるための工程や構造を組み込むことが困難である。よって特許文献３に開示されたエッチング方法は、マイクロフォン等の高い感度を必要とする振動センサの製造方法としては適していなかった。

特表２００４−５０６３９４号公報 特表２００３−５３０７１７号公報 特開平１−３０９３８４号公報 特開２００６−１５７８６３号公報

本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、小型でかつ生産性が高く、しかも振動特性に優れたマイクロフォンを提供することにある。

本発明のマイクロフォンは、単結晶シリコンからなり、表裏に貫通する貫通孔を形成された単一の半導体基板と、前記半導体基板をエッチングして貫通孔を形成するためのエッチャントに対して耐性を有する材料からなり、前記半導体基板の表面上に配設された保持部と、前記保持部によって隅部下面を支持され、前記貫通孔の基板表面側の開口を覆う素子薄膜と、前記半導体基板の表面上に前記素子薄膜と隙間をあけて前記素子薄膜を覆うように配設されたバックプレートとからなり、前記素子薄膜の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが前記保持部間に形成され、前記貫通孔の基板表面と平行な断面の面積が、前記半導体基板の表面から裏面に向かうにつれて次第に増加すると共に、前記半導体基板の表面と裏面の中間において増加から減少に転じていることを特徴としている。

本発明のマイクロフォンによれば、単一の半導体基板に形成された前記貫通孔の基板表面と平行な断面の面積が、前記半導体基板の表面から裏面に向かうにつれて次第に増加すると共に、前記半導体基板の表面と裏面の中間において増加から減少に転じているので、半導体基板の表面における貫通孔の開口面積と裏面における貫通孔の開口面積との比率を１に近づけることができ、マイクロフォンの小型化を図ることができる。また、貫通孔の体積を大きくすることができるので、マイクロフォンを音響センサに用いたときに音響コンプライアンスを大きくできる。また、素子薄膜の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが保持部間に形成されているので、長さの長いベントホールを形成することができ、マイクロフォンなどに用いた場合には、その音響抵抗を大きくでき、良好な音響特性を得ることができる。また、ベントホールで素子薄膜の表面側と裏面側を連通させることができるので、素子薄膜の表裏における静的圧力を均衡させることができる。

なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に従って詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１（ａ）は本発明の実施形態１による振動センサ１１の構造を示す平面図、図１（ｂ）はその断面図である。この振動センサ１１は、例えば半導体マイクロフォンや超音波センサ等の音響センサ、薄膜フィルタ等に用いられるものである。振動センサ１１は、Ｓｉ基板１２と、素子薄膜１３（ダイアフラム）とを有している。このＳｉ基板１２は（１００）面基板である。Ｓｉ基板１２は、裏面側からエッチングすることによって表裏に貫通し、さらに縦横の各方向の辺が（１１０）方向に沿った矩形の貫通孔１４を設けられている。貫通孔１４は、表面側と裏面側とに（１１１）面又はそれと等価な結晶面による傾斜面１５、１７が形成され、両傾斜面１５、１７間には垂直面１６が形成されている。ここで、垂直面１６は実際には（１１０）面、（３１１）面、（４１１）面などの複数の結晶面で構成されているが、簡易的に垂直面で示している。従って、貫通孔１４の縁における基板断面は、表裏でテーパーの付いた形状となっている。

素子薄膜１３は、前記貫通孔１４の表面側開口を覆うようにしてＳｉ基板１２の上面に配置されており、下面の全周を保持部１８によってＳｉ基板１２上面に固定されている。保持部１８により貫通孔１４の表面側開口（あるいは、Ｓｉ基板１２の表面であった面）と素子薄膜１３の裏面との間に狭い隙間１９が形成されている。

このような構造の振動センサ１１であると、裏面側からＳｉ基板１２をエッチングして貫通孔１４を形成しているにも拘わらず、貫通孔１４の表面側開口に比較して裏面側開口の面積があまり大きくならない。従って、最初の従来例のように貫通孔１４のためにＳｉ基板１２の面積が大きくならない。Ｓｉ基板１２は素子薄膜１３及び必要であれば回路部品を実装できるだけの大きさがあれば足り、振動センサ１１を小型化することができる。

次に、図２（ａ）〜（ｄ）、図３（ａ）〜（ｄ）及び図４（ａ）〜（ｃ）により、上記振動センサ１１の製造工程を説明する。ただし、振動センサ１１はウエハ上で多数個一度に製造されるが、以下の説明では、１個の振動センサ１１だけを図示して説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、（１００）面Ｓｉ基板１２の表面及び裏面に熱酸化法などによってＳｉＯ_２からなる保護膜２０、２１を成膜する。ついで、Ｓｉ基板１２の表面において、上記隙間１９を形成しようとする領域の保護膜２０をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、矩形状のエッチング窓２２を開口する。

保護膜２０の上からＳｉ基板１２の表面に多結晶シリコン薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いて保護膜２０の上に乗っている多結晶シリコン薄膜を除去する。これにより、エッチング窓２２内においてＳｉ基板１２の表面に多結晶シリコン薄膜からなる矩形状の犠牲層２３を成膜する。このときの状態を図２（ｂ）に示す。

次に、犠牲層２３の上からＳｉ基板１２の表面に、ＳｉＯ_２よりなる保護膜２４を成膜し、図２（ｃ）に示すように、犠牲層２３を保護膜２４で覆い隠す。

ついで、保護膜２４の上に多結晶シリコン薄膜を形成し、フォトリソグラフィ技術を用いて多結晶シリコン薄膜の不要部分を除去し、図２（ｄ）に示すように、保護膜２４の上に多結晶シリコン薄膜からなる素子薄膜１３を形成する。さらに、図３（ａ）に示すように、素子薄膜１３の上にＳｉＯ_２よりなる矩形状の保護膜２５を成膜し、素子薄膜１３を保護膜２５で覆い隠す。

この後、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１２の裏面において保護膜２１の一部をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、保護膜２１に裏面エッチング窓２６を矩形状に開口する。裏面エッチング窓２６は、裏面エッチング窓２６から開始した結晶異方性エッチングがＳｉ基板１２の表面に達するだけの大きさがあればよく、例えば厚みが４００μｍのＳｉ基板１２であれば、１辺が５７０μｍ程度の比較的小さな裏面エッチング窓２６で十分である。なお、犠牲層２３の縦横サイズの大きさは必要な素子薄膜１３の縦横サイズの大きさで決まり、例えば一辺が６５０μｍ程度である。

裏面エッチング窓２６を開口したら、ＴＭＡＨやＫＯＨ、ＥＤＰ等のエッチャント（以下、ＴＭＡＨ等のエッチャントという。）に浸漬して裏面エッチング窓２６からエッチングを行なう。ＴＭＡＨ等のエッチャントは、Ｓｉに対しては結晶異方性エッチングを行なうので、Ｓｉ基板１２の裏面では、（１１１）面及びそれに等価な結晶面（傾斜面１７）に沿ってエッチングが進み、Ｓｉ基板１２の裏面に角錐台状をした貫通孔１４が形成される。

こうして貫通孔１４がＳｉ基板１２の表面に達すると、図３（ｃ）に示すように、貫通孔１４から犠牲層２３が露出する。ＳｉＯ_２からなる保護膜２０、２１、２４、２５は、ＴＭＡＨ等のエッチャントではエッチングされないが、多結晶シリコンからなる犠牲層２３はＴＭＡＨ等のエッチャントにより等方性エッチングされる。よって、貫通孔１４内に犠牲層２３が露出すると、図３（ｄ）に示すように、犠牲層２３は貫通孔１４内に露出した部分から周囲へとエッチングされていき、保護膜２４とＳｉ基板１２の表面との間に隙間１９が生じる。

この状態では、素子薄膜１３及び保護膜２４、２５は、隙間１９によりＳｉ基板１２の表面から浮いているため、薄膜として機能させることができる。しかし、この隙間１９は厚みの薄い空間であるので、素子薄膜１３及び保護膜２４、２５が振動するとダンピング効果が起こり、周波数の高い帯域の振動特性を劣化させたり、機械的ノイズの原因となったりし、また素子薄膜１３及び保護膜２４、２５がＳｉ基板１２へスティック（貼り付き）しやすくなる。これらを防止するため、素子薄膜１３の下方においてＳｉ基板１２のエッチングをさらに継続する。

なお、隙間１９（犠牲層２３）の厚みは、厚い方がそのエッチング速度は速くなるが、厚すぎると犠牲層２３の成膜時間が多くかかったり、保護膜２４の被膜性が悪くなったりするため、それら加味して設計し、例えば1μm程度とする。一方、素子薄膜１３の厚みは振動センサ１１の感度と強度のトレードオフを考慮して設計し、例えば１μｍ程度とする。

保護膜２４とＳｉ基板１２の表面との間に隙間１９が生じると、エッチャントは隙間１９に浸入し、Ｓｉ基板１２を表面側から結晶異方性エッチングする。この異方性エッチングでは、図４（ａ）において矢印で示した方向にエッチングが進み、貫通孔１４内に傾斜面１５が形成される。さらに、貫通孔１４の縁の尖端部分ではエッチング速度が大きいので、貫通孔１４の内周面は角が取れて垂直面１６が形成され、貫通孔１４はドーナツの孔のような形状にエッチングされる。こうして、図４（ｂ）のように犠牲層２３が完全にエッチング除去された時点でＳｉ基板１２をエッチャントから引き上げる。

Ｓｉ基板１２を洗浄した後、ＨＦ水溶液などでＳｉＯ_２からなる保護膜２０、２１、２４、２５をエッチングし、図４（ｃ）のように保護膜２０、２４の一部による保持部１８だけが残った時点でエッチングを終了し、洗浄及び乾燥を行なって振動センサ１１を完成する。

このようにして振動センサ１１を製作すれば、Ｓｉ基板１２の裏面側からのエッチングのみで、裏面側における広がりの小さな貫通孔１４を開口することができ、振動センサ１１を小型化することができる。また、裏面側からのみのエッチングで貫通孔１４を開口することができるので、素子薄膜１３にエッチングホールを開口する必要が無く、振動センサ１１における素子薄膜１３の物理的特性を変化させたり、素子薄膜１３の強度を低下させたりする恐れが小さくなる。

また、貫通孔１４の裏面側の開口面積は保護膜２１に明けた裏面エッチング窓２６の大きさによって決まり、貫通孔１４の表面側の開口面積は犠牲層２３の大きさによって決まるので、上記のような製造方法によれば、貫通孔１４の開口面積を精度良くコントロールすることができる。

なお、上記実施形態では、犠牲層２３を多結晶シリコンによって成膜したが、アモルファスシリコンを用いてもよい。

（実施形態２）
図５（ａ）は本発明の実施形態２による振動センサ３１を示す平面図、図５（ｂ）はその断面図である。この振動センサ３１では、貫通孔１４の上面を覆うようにしてＳｉ基板１２の上に多結晶シリコンからなる素子薄膜１３が形成されている。素子薄膜１３は、Ｓｉ基板１２の上面で保持部１８によって外周部下面を支持されていてＳｉ基板１２の上面から浮かされており、保持部１８で囲まれた領域が変形可能となっている。

図６（ａ）〜（ｄ）及び図７（ａ）〜（ｄ）は、この振動センサ３１の製造工程を説明する断面図である。以下、図６（ａ）〜（ｄ）及び図７（ａ）〜（ｄ）に従って、振動センサ３１の製造工程を説明する。

まず、Ｓｉ基板１２の上面にＳｉＯ_２薄膜を形成した後、フォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ_２薄膜の不要部分を除去し、図６（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１２の上面から素子薄膜１３を浮かそうとする領域にのみＳｉＯ_２薄膜からなる犠牲層３２を形成する。

次に、犠牲層３２の上からＳｉ基板１２の表面に、ＳｉＮからなる保護膜３４を成膜し、図６（ｂ）に示すように、犠牲層３２を保護膜３４で覆い隠す。ついで、図６（ｃ）に示すように、保護膜３４の表面に多結晶シリコンからなる素子薄膜１３を成膜する。

さらに、図６（ｄ）に示すように、素子薄膜１３の上から保護膜３４の表面にＳｉＮよりなる保護膜３５を成膜し、素子薄膜１３を保護膜３５で覆い隠す。また、Ｓｉ基板１２の裏面にＳｉＯ_２以外の材料からなる保護膜３３を成膜する。このとき、保護膜３３をＳｉＮ薄膜によって形成すれば、保護膜３４もしくは保護膜３５と保護膜３３とを同一工程により一度に形成することができる。Ｓｉ基板１２の裏面に保護膜３３が成膜されたら、図６（ｄ）に示すように保護膜３３の一部をフォトリソグラフィ技術を用いて矩形状に開口し、裏面エッチング窓２６を形成する。裏面エッチング窓２６は、裏面エッチング窓２６からの結晶異方性エッチングがＳｉ基板１２の表面に達するだけの大きさがあればよい。

裏面エッチング窓２６が開口されたら、ＴＭＡＨ等のエッチャントにＳｉ基板１２を浸漬して裏面エッチング窓２６からＳｉ基板１２をエッチングし、Ｓｉ基板１２に貫通孔１４を設ける。ＴＭＡＨ等のエッチャントは、Ｓｉに対しては結晶異方性エッチングとなるので、Ｓｉ基板１２の裏面では、（１１１）面及びそれに等価な結晶面に沿ってエッチングが進み、ついには図７（ａ）に示すように、貫通孔１４がＳｉ基板１２の表面に達して犠牲層３２が貫通孔１４内に露出する。

ＳｉＯ_２からなる犠牲層３２はＴＭＡＨ等のエッチャントではエッチングされないので、犠牲層３２が露出したら当該エッチング処理を終了し、Ｓｉ基板１２を洗浄する。

ついで、Ｓｉ基板１２をＨＦ水溶液に浸漬する。ＨＦ水溶液はＳｉ基板１２を侵さないが、ＳｉＯ_２を等方的にエッチングするので、Ｓｉ基板１２の裏面側から貫通孔１４内に入ったＨＦ水溶液により、犠牲層３２が露出部分から周囲へとエッチングされていき、図７（ｂ）に示すように、素子薄膜１３とＳｉ基板１２の表面との間に隙間１９が生じる。

犠牲層３２がエッチングにより完全に除去されたら、Ｓｉ基板１２を洗浄した後、再びＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬する。このエッチャントは、隙間１９に浸入してＳｉ基板１２を表面側から結晶異方性エッチングする。その結果、実施形態１の場合と同様に、貫通孔１４の内周面でＳｉ基板１２の角が取れて傾斜面１５と垂直面１６が形成され、貫通孔１４がドーナツの孔のような形状にエッチングされる。こうして、図７（ｃ）のように所望の貫通孔１４が形成されたらＳｉ基板１２をエッチャントから引き上げ、洗浄及び乾燥を行なう。最後に図７（ｄ）に示すように、ＳｉＮからなる保護膜３３、３４、３５を、加熱した燐酸水溶液などにより除去し、振動センサ３１を完成する。

このようにして振動センサ３１を製作すれば、Ｓｉ基板１２の裏面側からのエッチングのみで、裏面側における広がりの小さな貫通孔１４を開口することができ、振動センサ３１を小型化することができる。また、裏面側からのみのエッチングで貫通孔１４を開口することができるので、素子薄膜１３にエッチングホールを開口する必要が無く、振動センサ３１における素子薄膜１３の物理的特性を変化させたり、素子薄膜１３の強度を低下させたりする恐れが小さくなる。

また、貫通孔１４の裏面側の開口面積は保護膜３３に明けた裏面エッチング窓２６の大きさによって決まり、貫通孔１４の表面側の開口面積は犠牲層３２の大きさによって決まるので、上記のような製造方法によれば、貫通孔１４の開口面積を精度良くコントロールすることができる。

さらに、貫通孔の結晶異方性エッチングの工程と犠牲層をエッチングする工程とでエッチャントを切り替えているので、それぞれの工程でエッチャントを選択する際の制約が少なくなる。また、結晶異方性エッチングから等方性エッチングへと連続して移行しないために、各エッチング工程で歩留まり検査などの工程管理をすることができるという利点もある。

また、実施形態１の場合には、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを同一のエッチャントによって行なったので、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを同一装置内で連続して行え、作業効率が高かった。これに対し、実施形態２の場合には、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを別工程としているので、結晶異方性エッチングの手段と等方性エッチングの手段の制約が少なくなり、例えば等方性エッチングは水溶液以外の腐食性のガスなどを用いた化学的エッチングとすることもできる。

（実施形態３）
図８（ａ）は本発明の実施形態３による振動センサ４１の構造を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。この振動センサ４１は、素子薄膜１３にしわ（皺）構造やストッパ４３などの機能部分を設けたものである。

素子薄膜１３のしわ構造は、四角環状をした２つの屈曲部４２によって構成されている。各屈曲部４２は、その断面が素子薄膜１３の上面側へ突出するように屈曲している。このように素子薄膜１３にしわ構造を形成すれば、素子薄膜１３の変位が大きくなったり、応力による撓みが少なくなることは、"The fabrication and use of micromachined corrugated silicon diaphragms"（J. H. Jerman, Sensors and Actuators A21-A23 pp.998-992, 1992）に報告されている。

ストッパ４３は、素子薄膜１３の表面が丸い突起状に突出したものである。静電容量型の振動センサ（例えば、後述のマイクロフォンなど）の場合には、素子薄膜１３が可動電極となり、素子薄膜１３の上面に対向電極（固定電極）が配置される。静電容量型の振動センサの場合には、素子薄膜１３の上面にストッパ４３を設けておけば、素子薄膜１３が大きく変形した場合でも、ストッパ４３が固定電極に当接することにより、振動センサ４１の電荷帯電に起因する静電力や、水分固着に起因する毛細管力などによって素子薄膜１３が対向電極に吸着されるのを防ぐことができる。

図９（ａ）（ｂ）、図１０（ａ）〜（ｄ）、図１１（ａ）（ｂ）、図１２（ａ）（ｂ）、図１３（ａ）（ｂ）は、上記振動センサ４１の製造工程を説明する図である。以下、図９〜図１３に従って振動センサ４１の製造工程を説明する。まず、図９（ａ）（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１２の表面に多結晶シリコン薄膜からなる犠牲層を所定パターンに形成する。この犠牲層は、中央部に位置する四角形の犠牲層４４ａ、屈曲部４２の形成領域に形成された四角環状の犠牲層４４ｂ、４４ｃ、犠牲層４４ａ〜４４ｃをつなぐ線状の犠牲層４４ｄ、ストッパ４３の形成領域に形成された犠牲層４４ｅからなる。

ついで、図１０（ａ）に示すように、犠牲層４４ａ〜４４ｅの上からＳｉ基板１２の表面をＳｉＯ_２からなる保護膜４５で覆い、Ｓｉ基板１２の裏面にもＳｉＯ_２からなる保護膜４６を形成する。このとき保護膜４５は、各犠牲層４４ａ〜４４ｅの上に成膜されるので、各犠牲層４４ａ〜４４ｅの部分では保護膜４５は上に突出している。

図１０（ｂ）に示すように、保護膜４５の上に多結晶シリコン薄膜からなる素子薄膜１３を形成する。素子薄膜１３は、各犠牲層４４ａ〜４４ｅの領域では、保護膜４５を介して各犠牲層４４ａ〜４４ｅによって持ち上げられるので、犠牲層４４ｂ、４４ｃの上で屈曲部４２が形成され、犠牲層４４ｅの上にストッパ４３が形成される。なお、犠牲層４４ａ及び４４ｄの上でも素子薄膜１３が上に膨らんで突部４７、４８が形成される。

さらに、図１０（ｃ）に示すように、素子薄膜１３の上から保護膜４５の表面にＳｉＯ_２からなる保護膜４９を成膜して保護膜４９で素子薄膜１３を覆い隠し、Ｓｉ基板１２の裏面の保護膜４６に裏面エッチング窓５０を開口する。

この後、Ｓｉ基板１２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬して裏面エッチング窓５０から結晶異方性エッチングを行ない、Ｓｉ基板１２の裏面に角錐台状をした貫通孔１４を形成する。貫通孔１４は、Ｓｉ基板１２下面におけるエッチングが裏面エッチング窓５０の縁に達すると停止する。

貫通孔１４がＳｉ基板１２の表面に達すると、図１０（ｄ）に示すように、犠牲層４４ａが貫通孔１４に露出する。犠牲層４４ａが露出すると、犠牲層４４ａはＴＭＡＨ等のエッチャントで等方的エッチングされる。こうして犠牲層４４ａから始まった等方的エッチングは、図１１（ａ）に細線矢印で示すように、犠牲層４４ａ→犠牲層４４ｄ→犠牲層４４ｂ→犠牲層４４ｃというように進んでいく。そして、犠牲層４４ａ〜４４ｄがエッチングされた後の隙間にエッチャントが浸入すると、図１１（ａ）（ｂ）及び図１２（ａ）（図１２（ａ）はＳｉ基板１２の表面を表わす。）に太線矢印で示すように、犠牲層４４ａ〜４４ｄの除去された跡の隙間５１ａ〜５１ｄのエッジ部からＳｉ基板１２の結晶異方性エッチングが進み、Ｓｉ基板１２の表面側からも貫通孔１４のエッチングが行なわれる。

この結果、犠牲層４４ｃの外周よりも内側の領域でＳｉ基板１２の上面がエッチングされ、Ｓｉ基板１２には表面側と裏面側とからエッチングされた貫通孔１４ができる。また、この際に犠牲層４４ｅをエッチングにより除去される。こうして、貫通孔１４が完全に形成された時点でＳｉ基板１２をエッチャントから引き上げる。

Ｓｉ基板１２を洗浄した後、ＨＦ水溶液などでＳｉＯ_２からなる保護膜４５、４９をエッチング除去し、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、素子薄膜１３の四隅に保護膜４５による保持部１８だけが残った時点でエッチングを終了し、洗浄及び乾燥を行なって振動センサ４１を完成する。

この実施形態でも、Ｓｉ基板１２の裏面側からのエッチングのみで、裏面側における広がりの小さな貫通孔１４を開口することができ、振動センサ４１を小型化することができる。また、裏面側からのみのエッチングで貫通孔１４を開口することができるので、素子薄膜１３にエッチングホールを開口する必要が無く、振動センサ４１における素子薄膜１３の物理的特性を変化させたり、素子薄膜１３の強度を低下させたりする恐れが小さくなる。また、同じ工程により素子薄膜１３にしわ構造やストッパ等を容易に形成することができる。

（実施形態４）
図１４（ａ）は本発明の実施形態４による振動センサ６１の構造を示す平面図、図１４（ｂ）はその断面図である。実施形態１の振動センサ１１では、素子薄膜１３の下面全周に保持部１８を形成していたが、実施形態４の振動センサ６１では素子薄膜１３のコーナー部（四隅）にのみ保持部１８を形成している。実施形態４の振動センサ６１では、素子薄膜１３のコーナー部にのみ保持部１８を設けているので、４辺において素子薄膜１３の保持部１８間のベントホール６３を通じて素子薄膜１３の上面側と下面側とが連通している。

図１５（ａ）は本発明の実施形態４の別な振動センサ６２の構造を示す平面図、図１５（ｂ）はその断面図である。この振動センサ６２では、素子薄膜１３の一辺にのみ保持部１８を形成している。この振動センサ６２では、素子薄膜１３が保持部１８によって片持ち状に支持されているので、素子薄膜１３の上面側と下面側とが３辺のベントホール６３を通して連通している。

振動センサ６１、６２のように部分的に保持部１８を形成するためには、保持部１８を形成しようとする部分で保護膜の幅を広くしておいたり、エッチャント投入位置からの距離（エッチング開始位置から終了位置までの距離）を大きくしておいたりして、エッチング時間を管理することで一部保護膜を除去し一部保護膜を残してやれば、残った保護膜によって保持部１８を形成することができる。例えば、振動センサ６１では、中心から遠い位置に保持部１８が形成されている。また、振動センサ６２では、１辺の保護膜の幅を他３辺の保護膜の幅よりも大きくしておいてエッチング後に残るようにしている。

振動センサ６１、６２のような構造は、マイクロフォン（音響センサ）としての用途に望ましいものである。すなわち、振動センサ６１、６２では、素子薄膜１３は一部分を固定されているだけであるので、素子薄膜１３が柔軟になって弾性変形し易くなる。従って、動的な圧力差を検知するマイクロフォンなどとして用いるのに適している。

特に素子薄膜１３が矩形の場合に、振動センサ６１のように素子薄膜１３の４つのコーナー部のみを固定すると、素子薄膜１３が柔軟なバネとなる。さらにこの四隅のみの固定方法によると、素子薄膜１３の大部分が平行平板のように変形するために、静電容量式マイクロフォンの感度が飛躍的に向上する。

なお、素子薄膜１３の四隅の固定部分は、変形による外部からの応力が集中しないよう、対角線方向に延伸した形状とするのがよい。またこの延伸した部位に電極パッド７３を接続するようにすれば、素子薄膜１３の振動を阻害せずに素子薄膜１３から電極を取り出すことができる。

また、保持部１８の内部応力は素子薄膜１３の振動特性に影響を与えるため、保持部１８の内部応力を制御することで素子薄膜１３の振動特性を変化させられる。例えば、素子薄膜１３が強い引張応力の場合には、保持部１８を圧縮応力を持った酸化膜とすることで素子薄膜１３の引張応力を弱め、感度を向上させることができる。

また、振動センサ６１、６２のような構造によれば、Ｓｉ基板１２の表面と素子薄膜１３との間で通気性を有するので、素子薄膜１３の両面で静的な圧力差を無くすことができベントホールの機能を持たせることができる。

米国特許第５,４５２,２６８号などでは、音響抵抗を高めるために平面方向のベントホールの幅を短くしている。しかし、ベントホールの幅を狭くするのにはプロセスルール的に限界があり、あまり効果を期待することができない。

ベントホールの抵抗成分Ｒｖは、
Ｒｖ＝（８・μ・ｔ・ａ^２）／（Ｓｖ^２） …（数１）
で表わされる。但し、μはベントホールの摩擦損失係数、ｔはベントホールの通気方向の長さ、ａはダイアフラムの面積、Ｓｖはベントホールの断面積である。また、マイクロフォンのロールオフ周波数ｆＬ（感度の低下する限界周波数）は、
１／ｆＬ＝２π・Ｒｖ（Ｃbc＋Ｃsp） …（数２）
で表わされる。但し、但し、Ｒｖは上式の抵抗成分、Ｃbcは貫通孔１４の音響コンプライアンス、Ｃspは素子薄膜１３のスティフネス定数である。

振動センサ６１、６２では、図１６に示すように、Ｓｉ基板１２の上面と素子薄膜１３との間のベントホール６３の長さｔを長くとることができる。よって振動センサ６１、６２では、上記（数１）から分かるように、ベントホール６３の長さｔを長くとることによって音響抵抗を非常に高くすることができ、また上記（数２）から分かるように、振動センサ６１、６２の低周波特性を改善することができるので、マイクロフォンとして好ましい特性を得ることができる。

また、貫通孔１４の音響コンプライアンス（バックチャンバーの音響コンプライアンス）Ｃcavは、
Ｃcav＝Ｖbc／（ρｃ^２・Ｓbc） …（数３）
で表わされる。但し、Ｖbcは貫通孔１４の体積（バックチャンバー体積）、ρc２は空気の体積弾性率、Ｓbcは貫通孔１４の開口部の面積である。

振動センサ６１、６２では、Ｓｉ基板１２の表裏両面からエッチングすることにより、体積に比べて開口面積の小さな貫通孔１４を形成することができるので、上記（数３）から分かるように、貫通孔１４の音響コンプライアンスを大きくすることができ、ベントホール６３を開口していても感度が下がりにくくできる。

また、図１７（ａ）のように、貫通孔１４がその中央部が内側へ突出するように結晶異方性エッチングされた後、さらにエッチングを継続すると、図１７（ｂ）のような状態を経て最終的に図１７（ｃ）のような状態までエッチングが進み、（１１１）面又はそれに等価な結晶面が現れたところで貫通孔１４のエッチングが停止する。従って、図１７（ｃ）のような状態までエッチングすれば、貫通孔１４の体積がより大きくなり、音響コンプライアンスＣcavをより大きくできる。あるいは、図１７（ａ）の状態から図１７（ｃ）の状態へエッチングする際に、エッチング時間を制御することにより適切な貫通孔１４の体積と振動センサのサイズを得ることができる。

また、図１７（c）の状態は、結晶異方性エッチングの最終形態であり、表面と裏面の開口部の大きさと相対位置によってバックチャンバーの形状が決まる。最終形態となった場合には、それ以上エッチング時間を長くしてもバックチャンバー（貫通孔１４）の形状はほぼ一定に保たれるため、プロセス安定性がよく、歩留まりが高くなる利点がある。

つぎに、上記のような構造の振動センサ６１を利用して構成した静電容量型のマイクロフォン７１の構造とその製造方法を説明する。図１８（ａ）はマイクロフォン７１の平面図、図１８（ｂ）はバックプレート７２を取り除いた状態におけるマイクロフォン７１（つまり、振動センサ６１）の平面図、図１９はマイクロフォン７１の断面図である。このマイクロフォン７１は、素子薄膜１３を覆うようにして振動センサ６１の上にバックプレート７２を固定している。バックプレート７２は下面に凹部を有するキャップ状をしており、凹部内に素子薄膜１３を納めるようにしてＳｉ基板１２の表面に固定されている。また、バックプレート７２の下面と素子薄膜１３との間には、素子薄膜１３の振動を妨げない程度の隙間が形成されている。

バックプレート７２の上面には金属電極７３が設けられている。金属電極７３は、図１８に示す通りバックプレートの全面に設けられているのではなく、バックプレート７２の一部分、特に素子薄膜１３の比較的振幅が大きい部分に対向する部分に設けられている。これは、寄生容量を少なくし、静電容量型のマイクロフォン７１の特性を向上させるためである。本実施形態のように素子薄膜１３が四隅で固定されている場合には、金属電極７３の形状を図１８（ａ）に示すようにほぼ八角形とすると、寄生容量を少なくし、かつ限られた領域を有効に活用することができる。金属電極７３及びバックプレート７２には複数のアコースティックホール７４、７５を開口している。よって、上方からの音響振動は、金属電極７３及びバックプレート７２のアコースティックホール７４、７５を通過して素子薄膜１３に達し、素子薄膜１３を振動させる。多結晶シリコンからなる素子薄膜１３（可動電極）は導電性を有しており、素子薄膜１３が振動すると素子薄膜１３と金属電極７３（固定電極）との間の静電容量が変化するので、これらを素子薄膜１３側の電極パッド７６、バックプレート７２側の電極パッド７７を通じて外部へ電気信号として取り出し、この静電容量の変化を検出することによって音響振動を検知できる。

次に、マイクロフォン７１の製造工程を図２０（ａ）〜（ｄ）及び図２１（ａ）〜（ｄ）により説明する。まず、図２０（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１２の表面に保護膜２０、犠牲層２３、保護膜２４、素子薄膜１３、保護膜２５を順次積層し、またＳｉ基板１２の裏面に保護膜２１を成膜する。これは実施形態１の図３（ａ）と同じ構造であって、実施形態１の図２（ａ）〜図２（ｄ）と同じ工程を経て作製される。

ついで、図２０（ｂ）に示すように、保護膜２５の表面から保護膜２４及び２５の外周面に掛けてＳｉＮ膜を成膜し、ＳｉＮ膜によってバックプレート７２を形成する。その後、図２０（ｃ）に示すように、エッチングによってバックプレート７２にアコースティックホール７５を開口する。この際に、図２０には記載していないが、電極取り出し部分のＳｉＮ膜もエッチングしておく。ついで、図２０（ｄ）に示すように、バックプレート７２の表面にＣｒ膜を成膜し、その上にＡｕを成膜してＡｕ／Ｃｒ膜を得た後、Ａｕ／Ｃｒ膜を所定形状にエッチングして金属電極７３及び電極パッド７６、７７を作製する。

次に、フォトリソグラフィ技術を用いて裏面の保護膜２１に裏面エッチング窓２６を開口する。裏面エッチング窓２６の大きさは、厚み４００μｍの（１００）面Ｓｉ基板１２であれば、１辺５７０μｍ程度で十分である。裏面エッチング窓２６が開口されたら、Ｓｉ基板１２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬して裏面側からＳｉ基板１２を結晶異方性エッチングし、Ｓｉ基板１２に貫通孔１４を開口する。この状態を図２１（ａ）に示す。

図２１（ａ）に示すように、貫通孔１４内に犠牲層２３が露出すると、多結晶シリコンの犠牲層２３がＴＭＡＨ等のエッチャントによって等方性エッチングされ、図２１（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板１２の表面に隙間１９ができる。隙間１９ができると、この隙間１９にＴＭＡＨ等のエッチャントが浸入してＳｉ基板１２を表面側からもエッチングし、さらに水平方向にもエッチングが進むので、貫通孔１４の縁は図２１（ｃ）に示すように表裏にテーパーのついた断面形状となる。

所望の貫通孔１４の形状が得られたらＳｉ基板１２をエッチャントから引き上げる。そして、素子薄膜１３を保護している保護膜２１、２４、２５をＨＦ水溶液などでエッチングし、バックプレート７２の下面の保護膜２０と保持部１８を残して除去する。このとき、保護膜２５は、主にアコースティックホール７４、７５から入り込んだＨＦ水溶液でエッチングされる。よって、アコースティックホール７４、７５の配置間隔は、図１８（ａ）に示される通り、エッチングが均等になされるようにほぼ等間隔とすることが望ましい。ここで配置間隔を小さくするとエッチング時間を短縮できるが、その分アコースティックホール７４、７５の数が増え、電極面積が小さくなって感度が減少してしまう。また、アコースティックホールの配置間隔は保持部１８の大きさにも関係している。すなわち配置間隔が大き過ぎると、エッチング時間が長くなって保持部１８が全てエッチングにされてしまう。これらのことを加味し、アコースティックホール７４、７５の間隔は５０μmとした。保持部１８は素子薄膜１３のコーナー部にのみ形成され、保持部１８間にはベントホール６３が開口される。こうして、図２０（ｄ）のような構造のマイクロフォン７１を完成する。

このようにしてマイクロフォン７１を製作することにより、Ｓｉ基板１２の表面側と裏面側とから貫通孔１４をエッチングでき、貫通孔１４の傾斜面による面積ロスを少なくでき、マイクロフォン７１の小型化を図ることができる。しかも、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを組み合わせることで、裏面側からエッチングを開始して表面側と裏面側からＳｉ基板１２を結晶異方性エッチングして貫通孔１４を開口させることができる。よって、簡略な工程により貫通孔１４を開口することができ、低コスト化と高量産性とを両立できる。また、素子薄膜１３にエッチングホールを開口する必要がないので、素子薄膜１３の強度を低下させたり、振動特性を劣化させたりする恐れも少なくなる。

さらに、素子薄膜１３を保持部１８で部分的に支持しているので、素子薄膜１３が振動しやすくなってマイクロフォン７１の感度が向上し、また保持部１８間で素子薄膜１３とＳｉ基板１２の隙間に長いベントホール６３を形成できるので、マイクロフォン７１の音響抵抗を高くして低周波特性を改善できる。さらに、貫通孔１４の体積を大きくできるので、音響コンプライアンスを大きくしてマイクロフォン７１の特性を改善できる。

なお、上記各実施形態においては、基板として（１００）面Ｓｉ基板を用いた場合について説明したが、（１１０）面Ｓｉ基板などを用いてもよい。

図１（ａ）は、本発明の実施形態１による振動センサの構造を示す平面図、図１（ｂ）はその断面図である。 図２（ａ）〜（ｄ）は、実施形態１の振動センサの製造工程を説明する断面図である。 図３（ａ）〜（ｄ）は、実施形態１の振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図２（ｄ）の続図である。 図４（ａ）〜（ｃ）は、実施形態１の振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図３（ｄ）の続図である。 図５（ａ）は、本発明の実施形態２による振動センサを示す平面図、図５（ｂ）はその断面図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、実施形態２の振動センサの製造工程を説明する断面図である。 図７（ａ）〜（ｄ）は、実施形態２の振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図６（ｄ）の続図である。 図８（ａ）は、本発明の実施形態３による振動センサの構造を示す平面図、図８（ｂ）は図８（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 図９（ａ）（ｂ）は、実施形態３の振動センサの製造工程を説明する平面図及び断面図である。 図１０（ａ）〜（ｄ）は、実施形態３の振動センサの製造工程を説明する断面図であって、図９の続図である。 図１１（ａ）（ｂ）は、実施形態３の振動センサの製造工程を説明する平面図及び断面図であって、図１０（ｄ）の続図である。 図１２（ａ）（ｂ）は、実施形態３の振動センサの製造工程を説明する平面図及び断面図であって、図１１の続図である。 図１３（ａ）（ｂ）は、実施形態３の振動センサの製造工程を説明する平面図及び断面図であって、図１２の続図である。 図１４（ａ）は、本発明の実施形態４による振動センサの構造を示す平面図、図１４（ｂ）はその断面図である。 図１５（ａ）は、本発明の実施形態４の別な振動センサの構造を示す平面図、図１５（ｂ）はその断面図である。 図１６は、ベントホールの働きを説明する図である。 図１７（ａ）（ｂ）（ｃ）は、貫通孔の内周面が窪むまでエッチングを継続する工程を示す断面図である。 図１８（ａ）は、本発明にかかるマイクロフォンの平面図、図１８（ｂ）はバックプレート７２を取り除いた状態におけるマイクロフォンの平面図である。 図１９は、同上のマイクロフォンの断面図である。 図２０（ａ）〜（ｄ）は、本発明にかかるマイクロフォンの製造工程を示す断面図である。 図２１（ａ）〜（ｄ）は、本発明にかかるマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図２０（ｄ）の続図である。

符号の説明

１１ 振動センサ
１２ Ｓｉ基板
１３ 素子薄膜
１４ 貫通孔
１８ 保持部
２０、２１ 保護膜
２２ エッチング窓
２３ 犠牲層
２４、２５ 保護膜
２６ 裏面エッチング窓
３１ 振動センサ
３２ 犠牲層
３３ 保護膜
４１ 振動センサ
４２ 屈曲部
４３ ストッパ
４４ａ〜４４ｅ 犠牲層
４５、４６ 保護膜
４９ 保護膜
５０ 裏面エッチング窓
７１ マイクロフォン
７２ バックプレート
７３ 金属電極
７４ アコースティックホール
７５ アコースティックホール

Claims (1)

1. 単結晶シリコンからなり、表裏に貫通する貫通孔を形成された単一の半導体基板と、
   前記半導体基板をエッチングして貫通孔を形成するためのエッチャントに対して耐性を有する材料からなり、前記半導体基板の表面上に配設された保持部と、
   前記保持部によって隅部下面を支持され、前記貫通孔の基板表面側の開口を覆う素子薄膜と、
   前記半導体基板の表面上に前記素子薄膜と隙間をあけて前記素子薄膜を覆うように配設されたバックプレートとからなり、
   前記素子薄膜の表面側と裏面側とを連通させるためのベントホールが前記保持部間に形成され、
   前記貫通孔の基板表面と平行な断面の面積が、前記半導体基板の表面から裏面に向かうにつれて次第に増加すると共に、前記半導体基板の表面と裏面の中間において増加から減少に転じていることを特徴とするマイクロフォン。

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