CN101682821A - 振动膜构造及声波传感器 - Google Patents

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CN101682821A CN200780053193A CN200780053193A CN101682821A CN 101682821 A CN101682821 A CN 101682821A CN 200780053193 A CN200780053193 A CN 200780053193A CN 200780053193 A CN200780053193 A CN 200780053193A CN 101682821 A CN101682821 A CN 101682821A
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竹内祐介
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Abstract

本发明公开了一种振动膜构造及声波传感器。形成有从基板101的上表面贯穿到底面的通孔(102)。在基板(101)上形成有覆盖通孔(102)的振动电极膜(103)。位于通孔(102)上的那一部分振动电极膜(103)起振动膜(104)的作用。基板(101)上表面的通孔(102)的开口形状为六角形。

Description

振动膜构造及声波传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种利用了微电子机械技术(MEMS：Micro ElectroMechanical Systems)技术的传感器，特别涉及一种具有检测到压力变化后便振动的振动膜且将该振动转换为电信号的声波传感器。
背景技术
[0002]近年来，利用硅等半导体LSI制造领域中所用的微细加工技术而被称为MEMS的技术领域正在不断发展深入。已提出有利用该MEMS技术的加速度传感器、压力传感器、声波传感器等各种微细元器件且所述各种微细元器件正逐步被商品化。
[0003]例如，象在专利文献1及专利文献2等中所公开的那样，为检测加速度变化和压力变化，利用MEMS技术制造的传感器都是具有会成为振动部位的振动膜的结构(以下，称为振动膜构造)。
[0004]以下，一边参照图3(a)～图3(c)，一边对现有传感器中的振动膜构造加以说明。图3(a)为现有传感器中的振动膜构造的俯视图。图3(b)为现有传感器中的振动膜构造的剖视图。图3(c)为现有传感器中的振动膜构造的下表面图。
[0005]如图3(a)～图3(c)所示，现有传感器中的振动膜构造为在具有通孔302的基板301上形成有薄膜303的构造，位于通孔302上的那一部分薄膜303作为振动膜304工作。由于振动膜304依存于加速度变化、压力变化而振动，因此，通过对该振动变位进行电检测，振动膜304就能够作各种传感器用。
[0006]一般用硅基板作基板301，用的更多的是晶面(100)的硅基板。当在晶面(100)的硅基板上图案形成掩膜，并对该硅基板进行利用了氢氧化钾等的碱性蚀刻时，一边让蚀刻速度比晶面(100)要慢50～100倍的晶面(111)露出，一边对晶面(100)进行蚀刻，因此能够进行尺寸控制性良好的各向异性湿蚀刻。当蚀刻进行到通孔302穿透硅基板301时，就形成了四角形振动膜304，如图3(a)及图3(c)所示。另外，通孔302的内壁，形成为与晶面(100)的夹角为54.7度的晶面(111)倾斜面305。
[0007]在专利文献2中公开了一种用晶面(110)的硅基板代替晶面(100)的硅基板形成的四角形振动膜。
专利文献1：日本特开昭60-138434号公报
专利文献2：日本特开2002-223499号公报
专利文献3：日本特开2007-67659号公报
发明内容
-本发明要解决的技术问题-
[0008]然而，在现有传感器所用的振动膜构造中，由于使振动膜形状为四角形，因此就会在该四个角部产生应力集中，振动特性会因该应力集中而不均匀，这是存在的问题。或者，在制造振动膜和实际使用振动膜时，振动膜自产生应力集中的角部开始破损，这也是存在的问题。
[0009]在用于现有传感器的振动膜构造中，存在有这样的问题：由于将通孔内壁的(111)倾斜部的大小和硅基板的基部(没有形成通孔的部分)的大小都加到振动膜的尺寸(大小)上所得到的尺寸即为芯片尺寸，因此为了制作所希望尺寸的振动膜，需要使实际的芯片尺寸比振动膜的尺寸大数倍左右。例如，当制作大小1.0mm的振动膜时，由于对振动膜的每一侧而言，都需要将(111)倾斜部的宽度443μm(直径6英寸、厚度625μm的硅基板)和硅基板基部的宽度200μm加在振动膜的大小上，因此实际的芯片尺寸为2.29mm(＝1.0mm+443μm×2+200μm×2)，实际上必须是振动膜尺寸的2.3倍(面积比为5.2倍)。因此，在用于现有传感器的振动膜构造中存在以下问题，振动膜相对于芯片面积的有效面积率小，而不利于为实现小型化和低成本化的芯片缩小。
[0010]该问题，随着基板厚度伴随晶圆大口径化增加而变得更加显著。例如，当为6英寸硅晶圆(厚度625μm)时，(111)倾斜部宽度为443μm；而当为8英寸晶圆(厚度725μm)时，(111)倾斜部宽度为513μm，增加了71μm。因此，振动膜两侧的(111)倾斜部宽度的合计也从885μm增大到1027μm，增加了142μm。即，当将6英寸晶圆大口径化而成为8英寸晶圆时，必须要使芯片尺寸增大142μm，这将成为为实现低成本化的晶圆大口径化的巨大障碍。
[0011]作为在硅基板形成通孔的形成技术，已有人提议用干蚀刻法(一般被称为深反应离子蚀刻：Deep-RIE(Deep-Reactive ionetching))代替利用硅基板的晶面的碱湿蚀刻法，在专利文献3等中公开有使用了借助此法形成的振动膜的MEMS传感器。使用深反应离子蚀刻法，能够制作出的振动膜的形状不包括四角形。并且，由于能够形成具有无(111)倾斜面的垂直内壁的通孔，因此能够抑制(111)倾斜面引起的芯片尺寸的增大。
[0012]但是，由于使用深反应离子蚀刻法，硅的蚀刻速率最高为10微米/分左右，因此为了形成贯穿例如直径6英寸、厚度625μm的芯片的通孔，一枚晶圆需要花75分钟的时间(＝625μm×1.2倍/(10微米/分)，20％过度蚀刻时)，当一批的批量为25枚时，那么大约就需要30个小时。为了弥补这样的生产能力下降，就需要配置多台每台价格为1～2亿日元的深反应离子蚀刻设备，因此使用深反应离子蚀刻法的成本就很高，这是一个问题；当使用深反应离子蚀刻法时，去掉(111)倾斜部，仅由基部构成硅基板框时，又会出现芯片自身强度下降这样的新问题。
[0013]本发明的目的在于：提供一种优良的振动膜构造及使用了该振动膜构造的MEMS声波传感器。在该振动膜构造下，能够边抑制在振动膜角部的应力集中、芯片尺寸增大及芯片强度下降，边提高振动膜在芯片面积中所占的有效面积率。
-用以解决技术问题的技术方案-
[0014]为了达到上述目的，本申请发明者们做了很多研究探讨，得知了使振动膜的平面形状为六角形，且使其所有的内角都大于90度，就能够抑制在振动膜角部的应力集中；用(110)硅基板做成具有垂直面和倾斜面的通孔的构造，就能够边抑制由通孔内的(111)倾斜部引起的芯片尺寸增大，边抑制芯片强度下降；使芯片的平面形状为菱形，就能够提高振动膜在芯片面积中所占的有效面积率。
[0015]具体而言，本发明所涉及的振动膜构造包括：从硅基板的上表面贯穿形成到底面的通孔，以及形成在上述硅基板的上表面上覆盖上述通孔的振动电极膜。上述硅基板上表面的上述通孔的开口形状为六角形。
[0016]本发明所涉及的声波传感器包括：从硅基板上表面贯穿形成到底面的通孔、形成在上述硅基板的上表面上且覆盖上述通孔的振动电极膜、形成在上述硅基板的上方且夹着气隙与上述振动电极膜正对着的固定电极以及形成在上述固定电极上的多个孔。上述硅基板上表面的上述通孔的开口形状为六角形。
[0017]在本发明所涉及的声波传感器中，优选上述通孔的开口形状即六角形的所有角部的内角都大于90度。
[0018]在本发明所涉及的声波传感器中，优选，上述硅基板的晶面为(110)，并且，上述通孔的内壁具有垂直于上述硅基板的上表面的垂直面和与上述硅基板的上表面倾斜的倾斜面。
[0019]本发明所涉及的声波传感器中，优选，上述硅基板的晶面在(110)±1度的范围内，并且，上述通孔的开口形状即六角形角部中彼此正对着的两个角部的内角分别在109.4±1度的范围内，该六角形角部中其他四个角部的内角分别在125.3±1度的范围内。
[0020]在本发明所涉及的声波传感器中，优选，上述硅基板的平面形状为菱形。此时，优选上述硅基板的平面形状即菱形角部中彼此正对着的两个角部的内角分别在70.6±1°的范围内，该菱形角部中其他两个角部的内角分别在109.4±1°的范围内。
-发明效果-
[0021]根据本发明，在用于各种传感器的振动膜构造中，能够减少在振动膜角部的应力集中，由此防止振动膜自该角部破损；能够抑制通孔内的(111)倾斜部引起的芯片尺寸的增大，同时抑制芯片强度下降；能够提高振动膜在芯片面积中所占的有效面积率。
[0022]根据本发明实现的声波传感器，在不缩小振动膜，维持灵敏度特性不变的情况下，就能够缩小芯片尺寸。
附图说明
[0023]图1(a)为本发明的第一实施方式所涉及的传感器用振动膜构造的俯视图，图1(b)为图1(a)的A-A’线的剖视图，图1(c)为图1(a)的B-B’线的剖视图，图1(d)为本发明的第一实施方式所涉及的传感器用的振动膜构造的仰视图。
图2(a)为本发明的第二实施方式所涉及的声波传感器的俯视图，图2(b)为图2(a)的A-A’线的剖视图，图2(c)为图2(a)的B-B’线的剖视图，图2(d)为本发明的第二实施方式所涉及的声波传感器的仰视图。
图3(a)为现有传感器用的振动膜构造的俯视图，图3(b)为现有传感器用的振动膜构造的剖视图，图3(c)为现有传感器用的振动膜构造的仰视图。
-符号说明-
[0024]101    硅基板
      102    通孔
      103    振动电极膜
      104    振动膜
      105    倾斜面
      106    垂直面
      207    固定电极
      208    隔离件
      209    气隙
      210    孔
      301    硅基板
      302    通孔
      303    薄膜
      304    振动膜
      305    倾斜面
具体实施方式
[0025](第一实施方式)
以下，参照附图对本发明的第一实施方式所涉及的振动膜构造(用在各种传感器中的振动膜构造)加以说明。
[0026]图1(a)为本发明的第一实施方式所涉及的传感器用的振动膜构造的俯视图。图1(b)为图1(a)的A-A’线的剖视图。图1(c)为图1(a)的B-B’线的剖视图。图1(d)为本发明的第一实施方式所涉及的传感器用的振动膜构造的仰视图。
[0027]如图1(a)～图1(d)所示，形成有从基板101上表面贯穿到底面的通孔102。在基板101上形成有覆盖通孔102的振动电极膜103。位于通孔102上的那一部分振动电极膜103(图1(a)的用虚线围起来的区域)起振动膜104的作用。由于振动膜104根据加速度变化和压力变化而振动，因此能够通过电检测该振动变位，作为各种传感器使用。
[0028]本实施方式的特征在于：使基板101上表面的通孔102的开口形状为六角形。这样一来，振动膜104的形状也成为六角形。特别是，因为能够通过使六角形振动膜104的所有角部的内角都大于90度，来减少在振动膜104角部的应力集中，所以能够获得均匀的振动特性。并且，能够抑制制造振动膜时和实际使用振动膜时，振动膜自角部破损。
[0029]为了实现六角形振动膜104，用晶面(110)的硅基板作基板101。具体地说，当在基板101的底面一侧图案形成例如菱形的掩膜，用例如氢氧化钾等蚀刻溶液进行碱蚀刻时，一边让与晶面(110)相比，蚀刻速率慢50～100倍左右的晶面(111)露出，一边对晶面(110)进行蚀刻。这里，例如以正对着的两个角部的内角分别设定在70.6±1度的范围内且将剩余的两个角部的内角分别设定在109.4±1度的范围内的菱形作为菱形掩膜图案。另外，菱形掩膜图案的角部的内角角度是在考虑了制造硅基板时的晶面误差的基础上设定出来的。
[0030]伴随着上述碱蚀刻的进行，在与菱形掩膜图案中的内角70.6度的地方相对应的那一部分基板101上(111)倾斜面105作为通孔102的内壁形成，该(111)倾斜面105与(110)面所成的角度为35.3度。并且，在基板101的除上述部分以外的部分形成有垂直于(110)面的(111)垂直面106作通孔102的内壁。因此，通过对通孔102进行蚀刻一直蚀刻到贯穿硅基板101为止，就能够形成六角形振动膜104，如图1(a)及图1(d)所示。假定此时硅基板即基板101的晶面在(110)±1度的范围内，那么，就能够将六角形振动膜104角部中彼此正对着的两个角部的内角分别设定在109.4±1度的范围内，同时，将其他四个角部的内角分别设定在125.3±1度的范围内。
[0031]根据本实施方式中的传感器用振动膜构造，通孔102的内壁具有垂直面106和倾斜面105，所以能够利用垂直面106的存在抑制通孔102内的(111)倾斜部引起的芯片尺寸的增大，同时还能够利用倾斜面105的存在抑制芯片强度下降。并且，能够利用垂直面106的存在提高振动膜104在芯片面积中所占的有效面积率。例如，在现有例中，当在直径为6英寸、厚度为625μm的硅基板上制作面积2.25mm2(1.5mm×1.5mm)的振动膜时，所需要的芯片面积就是7.76mm2(2.79mm×2.79mm)，振动膜在芯片面积中所占的有效面积率为29％。相对于此，在本实施方式中，在面积4.92mm2的芯片上即能够实现面积为2.25mm2的振动膜104，与现有例相比，能够使振动膜104的有效面积率提高到46％。
[0032]另外，在本实施方式中，通过使基板101的平面形状为菱形，就能够进一步提高振动膜104在芯片面积中所占的有效面积率。特别是，在使基板101的平面形状与上述菱形掩膜图案的形状相似的情况下，也就是说，当将基板101的平面形状即菱形角部中彼此正对着的两个角部的内角分别设定在70.6±1度的范围内，且将其他两个角部的内角分别设定在109.4±1度的范围内的情况下，能够进一步提高振动膜104的有效面积率。
[0033](第二实施方式)
以下，参照附图对本发明的第二实施方式所涉及的声波传感器加以说明。第二实施方式的声波传感器为使用了上述第一实施方式的传感器用的振动膜构造的声波传感器。
[0034]图2(a)为本发明的第二实施方式的声波传感器的俯视图。图2(b)为图2(a)的A-A’线的剖视图。图2(c)为图2(a)的B-B’线的剖视图。图2(d)为本发明的第二实施方式所涉及的声波传感器的仰视图。另外，在图2(a)～图2(d)中，用同一个符号表示与图1(a)～图1(d)所示的第一实施方式相同的构成要素，因此在此不再做说明。
[0035]如图2(a)～图2(d)所示，固定电极207配置在基板101的上方，在固定电极207和第一实施方式中说明的六角形振动膜104(即振动电极膜103)之间夹有一个利用隔离件208设定为一定厚度的气隙209，该固定电极207固定在基板101上方，在固定电极207上开有多个孔210。因此，音压等压力变化会经由该各孔210传递给六角形振动膜104，六角形振动膜104会振动，气隙209的厚度(距离)也就会跟着发生变化。并且，将该厚度的变化作为由振动电极膜103和固定电极207构成的电容器的电容变化检测出来，就能够作声波传感器用了。
[0036]根据本实施方式的声波传感器，因为使用本发明所涉及的传感器用振动膜构造即六角形振动膜104，所以现有四角形振动膜那样的由在角部的应力集中引起的振动特性的失真就非常少，因此能够获得良好的振动特性；能够防止制造时和使用时振动膜自角部的破损；通过使通孔102内壁的一部分为垂直面106能够抑制芯片尺寸的增大；通过使通孔102内壁的一部分为(111)倾斜面105能够保持芯片框的强度；通过使芯片(基板101)的形状为菱形，能够提高振动膜104在芯片面积中所占的有效面积率，因此所实现优良的声波传感器，在不缩小振动膜104，维持灵敏度特性不变的情况下，会使芯片尺寸缩小。
[0037]-产业实用性-
综上所述，本发明对实现压力变化的检测性能优良的传感器用振动膜构造及使用了该振动膜构造的MEMS声波传感器很有用。

Claims (7)

1、一种振动膜构造，包括：从硅基板的上表面贯穿形成到底面的通孔以及形成在所述硅基板的上表面上且将所述通孔覆盖起来的振动电极膜，其特征在于：
所述硅基板上表面上的所述通孔的开口形状为六角形。
2、一种声波传感器，包括：从硅基板的上表面贯穿形成到底面的通孔、形成在所述硅基板的上表面上且将所述通孔覆盖起来的振动电极膜、形成在所述硅基板的上方且夹着气隙与所述振动电极膜正相对的固定电极以及形成在所述固定电极上的多个孔，其特征在于：
所述硅基板上表面上的所述通孔的开口形状为六角形。
3、根据权利要求2所述的声波传感器，其特征在于：
所述通孔的开口形状即六角形的所有角部的内角大于90度。
4、根据权利要求2所述的声波传感器，其特征在于：
所述硅基板的晶面为(110)，且所述通孔的内壁相对于所述硅基板的上表面具有垂直面及倾斜面。
5、根据权利要求2所述的声波传感器，其特征在于：
所述硅基板的晶面在(110)±1度的范围内，且所述通孔的开口形状即六角形角部中彼此正对着的两个角部的内角分别在109.4±1度的范围内，该六角形角部中其他四个角部的内角分别在125.3±1度的范围内。
6、根据权利要求2所述的声波传感器，其特征在于：
所述硅基板的平面形状为菱形。
7、根据权利要求6所述的声波传感器，其特征在于：
所述硅基板的平面开口形状即菱形角部中彼此正对着的两个角部的内角分别在70.6±1度的范围内，该菱形角部中其他两个角部的内角分别在109.4±1度的范围内。
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