JP2006121616A

JP2006121616A - マイクロホンおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2006121616A
Application number: JP2004310010A
Authority: JP
Inventors: Naoki Ushiyama; 直樹牛山; Mitsuhide Maeda; 光英前田
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-10-25
Filing date: 2004-10-25
Publication date: 2006-05-11

Abstract

【課題】製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきを小さくできて低コスト化を図れるマイクロホンおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】音波導入孔１ａが貫設された支持基板１と、支持スペーサ部２を介して支持基板１に支持され音波により振動する振動板部３と、振動板部３に対向配置され排気穴５ａが厚み方向に貫設された背板部５と、背板部５の周部と振動板部３の周部との間に介在する絶縁スペーサ部４とを備え、支持基板１形成用の第１の半導体層／支持スペーサ部２形成用の第１の絶縁層／振動板部３形成用の第２の半導体層／絶縁スペーサ部４形成用の第２の絶縁層／背板部５形成用の第３の半導体層の５層構造を有する多層構造ウェハを用いて形成され、振動板部３が第２の半導体層の一部により形成されて可動電極を構成し、背板部５が第３の半導体層の一部により形成されて固定電極を構成している。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、携帯電話、補聴器などの音声入力用途に利用され、音響信号を電気信号に変換する小型のマイクロホンおよびその製造方法に関するものである。

従来から、固定電極と固定電極に対向配置される可動電極とを備え、音波による可動電極の振動を可動電極と固定電極との間の静電容量の変化に変換する静電容量型のマイクロホンが知られており、この種のマイクロホンとして、マイクロマシンニング技術を利用して形成した図５に示す構成のものが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

図５に示す構成のマイクロホンは、第１のシリコンウェハを用いて形成され一表面側の中央部に他の部位に比べて薄肉の振動板部１３を有する振動板部形成基板１０を備え、第２のシリコンウェハを用いて形成され厚み方向に貫通する複数の排気穴２１を有する背板部２０が振動板部形成基板１０の上記一表面側に対向配置されるとともに、背板部２０の周部と振動板部形成基板１０の上記一表面との間にシリコン酸化膜からなる絶縁スペーサ部２４が介在しており、振動板部１３が可動電極を構成し、背板部２０が固定電極を構成している。この図５に示す構成のマイクロホンでは、振動板部１３が音波を受波すると、振動板部１３が振動し、振動板部１３からなる可動電極と背板部２０からなる固定電極との間の静電容量が変化する。

ところで、図５に示す構成のマイクロホンでは振動板部１３の厚さを薄くすることにより高感度化を図ることができるので、振動板部１３の厚さを数μｍ程度に設定してある。ここにおいて、振動板部１３の形成にあたっては、まず、厚さが４００μｍ程度の第１のシリコンウェハの上記一表面側に振動板部１３と同じ厚さに設定されｐ形不純物（例えば、ボロン）が高濃度に添加された高濃度不純物拡散層を形成した後、第１のシリコンウェハの他表面側に熱酸化膜を形成し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して上記熱酸化膜をパターニングすることにより上記熱酸化膜の一部からなるエッチングマスク層を形成する。その後、エッチングマスク層をマスクとして、例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）、エチレンジアミンピロカテコール水（ＥＰＷ）、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）などのアルカリ系溶液からなるエッチング液により、第１のシリコンウェハを上記他表面側から上記高濃度不純物拡散層に達する深さまで上記高濃度不純物拡散層をエッチングストッパ層として異方性エッチングすることで音波導入用凹所１２を形成するとともに上記高濃度不純物拡散層の一部からなる振動板部１３を形成する。
特開２００２−３４５０８９号公報特開２００３−３１８２０号公報

ところで、図５に示した構成のマイクロホンの製造にあたっては、第１のシリコンウェハと第２のシリコンウェハとを張り合わせた張り合わせウェハを用いている。すなわち、第１のシリコンウェハの上記一表面側に高濃度不純物拡散層を形成する一方で、第２のシリコンウェハの一表面側にシリコン酸化膜を形成した後で、高濃度不純物拡散層とシリコン酸化膜とが接する形で第１のシリコンウェハと第２のシリコンウェハとを張り合わせることで上記張り合わせウェハを形成してから、マイクロマシンニング技術を利用して上記張り合わせウェハを厚み方向の両面から加工することにより、振動板部１３、排気穴２１、絶縁スペーサ部２４などを形成している。

しかしながら、上述の製造方法では、上記高濃度不純物拡散層の形成時に上記高濃度不純物拡散層の不純物濃度が第１のシリコンウェハの面内でばらついてしまい、その上、上述のエッチング液を用いた異方性エッチングを行う際のエッチングレートのウェハ面内ばらつきが大きいので、ウェハ面内で振動板部１３の厚さのばらつきが大きくなり、結果的に、チップ（多数のマイクロホンを形成した張り合わせウェハから切り出されたマイクロホン）間での振動板部１３の厚さのばらつきが大きく、チップ間の感度のばらつきが大きくなるから、製造歩留まりが低くて低コスト化が難しかった。また、上記熱酸化膜を高温で形成すると、上記高濃度不純物拡散層中の不純物が第１のシリコンウェハにおける低不純物濃度領域や上記シリコン酸化膜中に再拡散して上記高濃度不純物拡散層の不純物濃度分布が変化するので、上記高濃度不純物拡散層の拡散深さを振動板部１３の設計厚さに合わせているにもかかわらず、振動板部１３の厚さが設計厚さからずれてしまう。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきを小さくできて低コスト化を図れるマイクロホンおよびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、音波導入孔が厚み方向に貫設された支持基板と、支持基板の一表面側で音波導入孔を囲む支持スペーサ部を介して支持基板に支持され音波導入孔を通して導入された音波により振動する振動板部と、振動板部における支持基板側とは反対側に対向配置され排気穴が厚み方向に貫設された背板部と、背板部の周部と振動板部の周部との間に介在する絶縁スペーサ部とを備え、支持基板形成用の第１の半導体層／支持スペーサ部形成用の第１の絶縁層／振動板部形成用の第２の半導体層／絶縁スペーサ部形成用の第２の絶縁層／背板部形成用の第３の半導体層の５層構造を有する多層構造ウェハを用いて形成され、振動板部が第２の半導体層の一部により形成されて可動電極を構成し、背板部が第３の半導体層の一部により形成されて固定電極を構成していることを特徴とする。

この発明によれば、製造時において振動板部を形成するために多層構造ウェハを厚み方向の両面それぞれからエッチングする際に、第２の半導体層の厚み方向の両側の第１の絶縁層および第２の絶縁層をそれぞれエッチングストッパ層として利用し、その後、第１の絶縁層および第２の絶縁層の不要部分を各半導体層に対して選択的にエッチング除去することで第２の半導体層と略同じ厚さの振動板部を形成することが可能なので、製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきを小さくできて低コスト化を図れる。また、振動板部と支持基板とが第１の絶縁層の一部からなる支持スペーサ部により電気的に絶縁されているので、支持基板の周部に絶縁構造を設ける必要がないという利点もある。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記背板部は、前記排気穴が複数設けられてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記背板部に前記排気穴を複数設けることにより、前記振動板部が音波により振動する際に前記振動板部と前記背板部との間の空気層により過度に制動を受けないようにすることができ、広い周波数帯域にわたる平坦な周波数特性と広いダイナミックレンジとを得ることが可能となる。また、製造時において前記第２の絶縁層の不要部分をエッチング除去する際にエッチング液の導入孔として利用できるから、前記第２の絶縁層の不要部分を確実にエッチング除去することが可能となり、前記第２の絶縁層の不要部分の一部が残ることによる前記振動板部の厚さのばらつきの発生を防止することが可能となる。

請求項３の発明は、請求項１または請求項２の発明において、前記第２の半導体層は、前記振動板部を所望の剛性とするように不純物が添加されたシリコン層からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の半導体層を前記振動板部の剛性が低下する程度に高濃度の不純物を添加したシリコン層により構成しておくことにより、マイクロホンの感度を高めることが可能となる。

請求項４の発明は、請求項１ないし請求項３の発明において、前記第１の半導体層がシリコン層からなり、前記第１の絶縁層がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、前記第１の絶縁層がシリコン酸化膜である場合には、製造時に、前記第１の半導体層に前記音波導入孔を形成するエッチング工程においてＴＭＡＨをエッチング液として異方性エッチングを行うようにして前記第１の絶縁層をエッチングストップ層として利用することができ、前記第１の絶縁層がシリコン窒化膜である場合には、前記音波導入孔を形成するエッチング工程においてＫＯＨをエッチング液として異方性エッチングを行うようにして前記第１の絶縁層をエッチングストップ層として利用することができる。

請求項５の発明は、請求項１ないし請求項４の発明において、前記第２の絶縁層がリンもしくはボロンが添加されたシリコン酸化膜からなることを特徴とする。

この発明によれば、製造時において、前記多層構造ウェハを複数のウェハの張り合わせにより形成する場合に前記第２の絶縁層の基礎としてリンもしくはボロンが添加されたＳｉＯ_２粉体を堆積させてから張り合わせることにより、前記第２の絶縁層としてシリコン酸化膜を形成してから張り合わせる場合に比べて、張り合わせ時の熱処理による前記第２の絶縁層の流動性が向上するので、ウェハ間に形成される前記第２の絶縁層の厚さの面内均一性が向上するとともにウェハ間の結合強度の面内均一性を向上させることが可能となり、前記振動板部と前記背板部との間のギャップ長の精度の向上が可能となる。

請求項６の発明は、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロホンの製造方法であって、多層構造ウェハのうち支持基板の基礎となる第１の半導体層における音波導入孔の形成予定部位を表面から第１の絶縁層に達する深さまで第１の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去することで音波導入孔を形成する工程と、多層構造ウェハのうち背板部の基礎となる第３の半導体層における排気穴の形成予定部位を表面から第２の絶縁層に達する深さまで第２の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去することで排気穴を形成する工程と、多層構造ウェハの厚み方向の両面側から第１の絶縁層および第２の絶縁層それぞれの不要部分を各半導体層に対して選択的にエッチング除去することにより第１の絶縁層の一部からなる支持スペーサ部および第２の絶縁層の一部からなる絶縁スペーサ部および第２の半導体層の一部からなる振動板部を形成する工程とを備えることを特徴とする。

この発明によれば、多層構造ウェハのうち支持基板の基礎となる第１の半導体層における音波導入孔の形成予定部位を表面から第１の絶縁層に達する深さまで第１の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去し、その後、多層構造ウェハのうち背板部の基礎となる第３の半導体層における排気穴の形成予定部位を表面から第２の絶縁層に達する深さまで第２の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去することで排気穴を形成し、さらにその後で、多層構造ウェハの厚み方向の両面側から第１の絶縁層および第２の絶縁層それぞれの不要部分を各半導体層に対して選択的にエッチング除去することにより第１の絶縁層の一部からなる支持スペーサ部および第２の絶縁層の一部からなる絶縁スペーサ部および第２の半導体層の一部からなる振動板部を形成するので、製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきが小さくなり低コストでマイクロホンを提供することができる。

請求項７の発明は、請求項６の発明において、前記多層構造ウェハの形成にあたっては、３枚の半導体ウェハを張り合わることで形成するようにし、第３の半導体層は、３枚の半導体ウェハのうち第３の半導体層の基礎となる半導体ウェハを第２の半導体層の基礎となる半導体ウェハと第２の絶縁層が介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記第３の半導体層の基礎となる半導体ウェハに張り合わせ時に必要な機械的強度をもたせることができ、しかも、所定厚さまで薄くするための研磨が容易になる。

請求項８の発明は、請求項６の発明において、前記多層構造ウェハの形成にあたっては、１枚のＳＯＩウェハと１枚のシリコンウェハとを張り合わることで形成するようにし、第３の半導体層は、シリコンウェハをＳＯＩウェハと第２の絶縁層が介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記第３の半導体層の基礎となるシリコンウェハに張り合わせ時に必要な機械的強度をもたせることができ、しかも、所定厚さまで薄くするための研磨が容易になる。

請求項９の発明は、請求項７または請求項８の発明において、前記第２の絶縁層を陽極酸化により形成することを特徴とする。

この発明によれば、前記第２の絶縁層を一般的な熱酸化法やＣＶＤ法により形成する場合に比べて、前記第２の絶縁層の形成に要する時間を短縮することができ、前記振動板部と前記背板部との間のギャップ長に対応する前記絶縁スペーサ部の厚さを規定する前記第２の絶縁層の厚さの設計の自由度が高くなる。なお、前記第２の絶縁層の厚さは数μｍ〜十数μｍ程度の範囲で設計するのが望ましいが、このような厚さの絶縁層を一般的な熱酸化法やＣＶＤ法により形成するのは困難である。

請求項１の発明では、第２の半導体層と略同じ厚さの振動板部を形成することが可能なので、製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきを小さくできて低コスト化を図れるという効果がある。

請求項６の発明では、製造時のチップ間での振動板部の厚さのばらつきが小さくなり、低コストでマイクロホンを提供することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態のマイクロホンは、図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、音波導入孔１ａが厚み方向に貫設された支持基板１と、支持基板１の一表面側（図１（ｃ）における下面側）で音波導入孔１ａを囲む支持スペーサ部２を介して支持基板１に支持され音波導入孔１ａを通して導入された音波により振動する振動板部３と、振動板部３における支持基板１側とは反対側に対向配置された背板部５と、背板部５の周部と振動板部３の周部との間に介在する複数（図示例では、４つ）の絶縁スペーサ部４とを備えており、振動板部３と背板部５との間に空気層（エアギャップ）６が形成されている。ここにおいて、複数の絶縁スペーサ部４は、振動板部３の周方向に離間して形成されている。また、背板部５には複数の排気穴５ａが厚み方向に貫設されており、空気層６は、各排気穴５ａおよび振動板部３の周方向において隣り合う絶縁スペーサ部４間の隙間それぞれを通して外部空間と連通している。

本実施形態のマイクロホンでは、振動板部３が可動電極を構成し、背板部５が固定電極を構成しており、音波により振動板部３が振動すると、振動板部３からなる可動電極と背板部５からなる固定電極との間の静電容量が変化する。なお、可動電極および固定電極それぞれには、パッド（図示せず）が設けられている。振動板部３が音波の影響を受けていない状態における振動板部３と背板部５との間のギャップ長（つまり、可動電極と固定電極との間のギャップ長）は、絶縁スペーサ部４の厚さ（図１（ｃ）における上下方向の寸法）によって規定される。

支持基板１の外周形状は矩形状であり、音波導入孔１ａは矩形状に開口され、振動板部３に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなっている。また、支持スペーサ部２は矩形枠状に形成されており、振動板部３のうち支持スペーサ部２に重なる部位の内側部分（音波を受けて振動する部分）の平面形状は矩形板状となっている。また、排気穴５ａは矩形状に開口されており、振動板部３に近づくにつれて開口面積が徐々に小さくなっている。

なお、マイクロホンの各部の寸法は特に限定するものではないが、例えば、支持基板１の平面サイズは２〜５ｍｍ×２〜５ｍｍ程度の範囲で、支持基板１の厚さは３００〜５２５μｍ程度の範囲で、支持スペーサ部２の厚さは０．１〜１μｍ程度の範囲で適宜設定すればよい。また、振動板部３の厚さは、振動板部３の平面サイズや形状、スティフネスなどを考慮してマイクロホンの所望の感度に応じて１〜１０μｍ程度の範囲で設定するのが望ましく、絶縁スペーサ部４の厚さは振動板部３と背板部５との間のギャップ長を規定するので、１〜１５μｍ程度の範囲で設定するのが望ましい。また、背板部５の厚さは、機械的強度の観点や排気穴５ａの形成の容易さなどの観点から、３０〜１００μｍ程度の範囲で設定することが望ましい。

ところで、本実施形態のマイクロホンは、図２（ａ）に示すように第１の半導体層３０ａ／第１の絶縁層３０ｂ／第２の半導体層３０ｃ／第２の絶縁層３０ｄ／第３の半導体層３０ｅの５層構造を有する多層構造ウェハ３０をマイクロマシンニング技術により加工することで形成されており（つまり、多層構造ウェハ３０を用いて形成されており）、支持基板１を第１の半導体層３０ａの一部により形成し、支持スペーサ部２を第１の絶縁層３０ｂの一部により形成し、振動板部３を第２の半導体層３０ｃの一部により形成し、絶縁スペーサ部４を第２の絶縁層３０ｄの一部により形成し、背板部５を第３の半導体層３０ｅの一部により形成している。なお、本実施形態では、第１の半導体層３０ａが第１のシリコン層により構成され、第１の絶縁層３０ｂが第１のシリコン酸化膜により構成され、第２の半導体層が第２のシリコン層により構成され、第２の絶縁層３０ｄが第２のシリコン酸化膜により構成され、第３の半導体層３０ｅが第３のシリコン層により構成されている。

多層構造ウェハ３０は、第１の半導体層３０ａが支持基板１形成用であって第１の半導体層３０ａの厚さ寸法を支持基板１の厚さ寸法と同じ値に設定し、第１の絶縁層３０ｂが支持スペーサ部２形成用であって第１の絶縁層３０ｂの厚さ寸法を支持スペーサ部２の厚さ寸法と同じ値に設定し、第２の半導体層３０ｃが振動板部３形成用であって第２の半導体層３０ｃの厚さ寸法を振動板部３の厚さ寸法と同じ値に設定し、第２の絶縁層３０ｄが絶縁スペーサ部４形成用であって第２の絶縁層３０ｄの厚さ寸法を絶縁スペーサ部４の厚さ寸法と同じ値に設定し、第３の半導体層３０ｅが背板部５形成用であって第３の半導体層３０ｅの厚さ寸法を背板部５の厚さ寸法と同じ値に設定すればよい。したがって、多層構造ウェハ３０は、第１の絶縁層３０ｂの厚さが０．１〜１μｍ程度、第２の絶縁層３０ｄの厚さが１〜１５μｍ程度であり、各絶縁層３０ｂ，３０ｄの厚さが、第１の半導体層３０ａの厚さである３００〜５２５μｍ、第３の半導体層３０ｅの厚さである３０〜１００μｍに比べて十分に薄くなっている。ここにおいて、多層構造ウェハ３０の厚み方向の両面は（１００）面としてあるが、（１１０）面としてもよい。

しかして、本実施形態のマイクロホンでは、製造時において振動板部３を形成するために多層構造ウェハ３０を厚み方向の両面それぞれからエッチングする際に、第２の半導体層３０ｃの厚み方向の両側の第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄをそれぞれエッチングストッパ層として利用し、その後、第１の半導体層３０ａおよび第３の半導体層３０ｅに比べて十分に薄い第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄの不要部分を各半導体層３０ａ，３０ｃ，３０ｅに対して選択的にエッチング除去することで第２の半導体層３０ｃと略同じ厚さの振動板部３が形成することが可能なので、多層構造ウェハ３０内での振動板部３の厚さのばらつきを小さくすることができ、チップ間の感度のばらつきを小さくすることができるから、製造歩留まりの向上による低コスト化を図ることが可能となる。

また、背板部５に複数の排気穴５ａを設けてあるので、振動板部３が音波により振動する際に振動板部３と背板部５との間の空気層６により過度に制動を受けないようにすることができ、広い周波数帯域にわたる平坦な周波数特性と広いダイナミックレンジとを得ることが可能となる。また、排気穴５ａを、製造時において第２の絶縁層３０ｄの不要部分をエッチング除去する際にエッチング液の導入孔として利用できるから、第２の絶縁層３０ｄの不要部分を確実にエッチング除去することが可能となり、第２の絶縁層３０ｄの不要部分の一部が残ることによる振動板部３の厚さのばらつきの発生を防止することが可能となる。

以下、本実施形態のマイクロホンの製造方法について図２を参照しながら説明する。

まず、単結晶の半導体ウェハを３枚用意し、これら３枚の半導体ウェハを周知の張り合わせ技術を利用して張り合わせて図２（ａ）に示す構造の多層構造ウェハ３０を形成する。なお、説明の便宜上、多層構造ウェハ３０における第１の半導体層３０ａの基礎となる半導体ウェハを第１の半導体ウェハ、第２の半導体層３０ｃの基礎となる半導体ウェハを第２の半導体ウェハ、第３の半導体層３０ｅの基礎となる半導体ウェハを第３の半導体ウェハとして説明する。ここに、各半導体ウェハとしては、単結晶で主表面が（１００）面のシリコンウェハを用いている。なお、第１の半導体ウェハおよび第３の半導体ウェハとしては、単結晶のシリコンウェハを用いるのが望ましく、特に、主表面が（１００）面もしくは（１１０）面のシリコンウェハを用いるのがより好ましい。

多層構造ウェハ３０の形成にあたっては、例えば、第１の半導体ウェハと第２の半導体ウェハとを第１の絶縁層３０ｂを介在させた形で張り合わせた後、第２の半導体ウェハを第２の半導体層の設定厚さまで研磨し、その後、第２の半導体ウェハと第３の半導体ウェハとを第２の絶縁層３０ｄを介在させた形で張り合わせてから、第３の半導体ウェハを第３の半導体層の設定厚さ（所定厚さ）まで研磨すればよいが、張り合わせの順序は特に限定するものではない。いずれにしても、第３の半導体層３０ｅは、３枚の半導体ウェハのうち第３の半導体層３０ｅの基礎となる半導体ウェハを第２の半導体層３０ｃの基礎となる半導体ウェハと第２の絶縁層３０ｄが介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで形成すればよく、第３の半導体層３０ｅの基礎となる半導体ウェハに張り合わせ時に必要な機械的強度をもたせることができ、しかも、所定厚さまで薄くするための研磨が容易になる。

ここにおいて、第１の絶縁層３０ｂは、第１の半導体ウェハと第２の半導体ウェハとのいずれか一方における他方との張り合わせ面側に張り合わせ前に形成すればよく、第２の絶縁層３０ｄは、第２の半導体ウェハと第３の半導体ウェハとのいずれか一方における他方との張り合わせ面側に張り合わせ前に形成すればよい。第１の絶縁層３０ｂは、厚さ寸法が０．１〜１μｍ程度の範囲で設定されているので、一般的な熱酸化法やＣＶＤ法などにより成膜すればよいが、第２の絶縁層３０ｄについては、厚さ寸法が数μｍ〜十数μｍ程度に設定してある場合には、一般的な熱酸化法や一般的なＣＶＤ法などでは成膜時間が非常に長くなってしまいスループットが低くなるので、このような厚さの第２の絶縁層３０ｄを一般的な熱酸化法やＣＶＤ法により形成するのは困難である。このように第２の絶縁層３０ｄの設計厚さが比較的厚い場合には、第２の絶縁層３０ｄとして、シリコン酸化膜を陽極酸化法や火炎堆積法により形成するのが望ましい。要するに、第２の絶縁層３０ｄを陽極酸化により形成するようにすれば、第２の絶縁層３０ｄを一般的な熱酸化法やＣＶＤ法により形成する場合に比べて、第２の絶縁層３０ｄの形成に要する時間を短縮することができ、振動板部３と背板部５との間のギャップ長に対応する絶縁スペーサ部４の厚さを規定する第２の絶縁層３０ｄの厚さの設計の自由度が高くなる。

また、多層構造ウェハ３０の形成にあたって、第２の絶縁層３０ｄの基礎としてリンもしくはボロンが添加されたＳｉＯ_２粉体をＣＶＤ法により堆積させてから半導体ウェハ同士を張り合わせることにより、第２の絶縁層３０ｄとしてシリコン酸化膜を形成してから張り合わせる場合に比べて、張り合わせ時の熱処理による第２の絶縁層３０ｄの流動性が向上するので、張り合わせる半導体ウェハ間に形成される第２の絶縁層３０ｄの厚さの面内均一性が向上するとともに半導体ウェハ間の結合強度の面内均一性を向上させることが可能となり、振動板部３と背板部５との間のギャップ長の精度の向上が可能となる。

また、第２のシリコンウェハを第２の半導体層３０ｃの設定厚さまで研磨した後に、後に第２の半導体層３０ｃの一部により形成される振動板部３の剛性を低くするために、イオン注入法や熱拡散法によりボロンを添加してもよく、第２の半導体層３０ｃにボロンを添加する場合の不純物濃度は１×１０^１９〜４×１０^２０ｃｍ^−３程度の高濃度に設定することが好ましい。ただし、第２の半導体層３０ｃに添加する不純物はボロンに限定するものではなく、例えば、インジウム、リン、砒素、アンチモンなどを採用してもよい。

なお、多層構造ウェハ３０は、３枚のシリコンウェハを張り合わせることにより形成する方法に限らず、例えば、市販のＳＯＩウェハの埋込酸化膜を第１の絶縁層３０ｂ、埋込酸化膜上のシリコン層（ＳＯＩ層）を第２の半導体層３０ｃ、埋込酸化膜下のシリコン基板を第１の半導体層３０ａとして利用し、ＳＯＩウェハと第３の半導体層３０ｅとしての第３のシリコン層の基礎となるシリコンウェハとを第２の絶縁層３０ｄを介在させた形で張り合わせてもよく、シリコンウェハをＳＯＩウェハと第２の絶縁層３０ｄが介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで第３の半導体層３０ｅを形成すればよい。このようにして多層構造ウェハ３０を形成する場合にも、第３の半導体層３０ｅの基礎となるシリコンウェハに張り合わせ時に必要な機械的強度をもたせることができ、しかも、所定厚さまで薄くするための研磨が容易になる。

上述のようにして第１の半導体層３０ａ／第１の絶縁層３０ｂ／第２の半導体層３０ｃ／第２の絶縁層３０ｄ／第３の半導体層３０ｅの５層構造を有する多層構造ウェハ３０を形成した後、多層構造ウェハ３０の厚み方向の両面、つまり、第１の半導体層３０ａの表面（図２（ａ）における上面）および第３の半導体層３０ｅの表面（図２（ａ）における下面）に、シリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなるマスク材層を周知の成膜方法により成膜し、リソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して第１の半導体層３０ａ上のマスク材層を音波導入孔１ａ形成用にパターニングする。その後、各マスク材層をエッチングマスクとして、多層構造ウェハ３０の第１の半導体層３０ａのうち音波導入孔１ａの形成予定部位を露出した表面から第１の絶縁層３０ｂに達する深さまで第１の絶縁層３０ｂをエッチングストッパ層としてエッチング除去する（つまり、第１の半導体層３０ａのエッチングレートに比べて第１の絶縁層３０ｂおよびマスク材層それぞれのエッチングレートが十分に小さくなるエッチング液を用いて第１の半導体層３０ａを選択的にエッチングする）ことで音波導入孔１ａを形成することにより、図２（ｂ）に示す構造を得る。ただし、マスク材層の図示は省略してある。ここにおいて、音波導入孔１ａを形成するエッチング工程では、アルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなど）をエッチング液として用いた異方性エッチングを行っており、上述のマスク材層は、エッチング液がＴＭＡＨの場合にはシリコン酸化膜を採用し、エッチング液がＫＯＨの場合にはシリコン窒化膜を採用するのが適している。なお、第１の半導体層３０ａのエッチングレートに比べて第１の絶縁層３０ｂおよびマスク材層それぞれのエッチングレートが十分に小さくなるエッチング液を用いて第１の半導体層３０ａを選択的にエッチングするので、オーバーエッチングの時間を比較的長くすることができ、第１の半導体層３０ａの厚み方向に貫通する音波導入孔１ａの貫通不良の発生を防止することができる。

音波導入孔１ａを形成した後、背板部５および排気穴５ａを形成するために、多層構造ウェハ３０における第３の半導体層３０ｅ上のマスク材層をリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用してパターニングする。続いて、各マスク材層をエッチングマスクとして、多層構造ウェハ３０の第３の半導体層３０ｅのうち排気穴５ａの形成予定部位およびその他の不要部位を露出した表面から第２の絶縁層３０ｄに達する深さまで第２の絶縁層３０ｄをエッチングストッパ層としてエッチング除去する（つまり、第３の半導体層３０ｅのエッチングレートに比べて第２の絶縁層３０ｄおよびマスク材層それぞれのエッチングレートが十分に小さくなるエッチング液を用いて第３の半導体層３０ｅを選択的にエッチングする）ことで複数の排気穴５ａを有する背板部５を形成することにより、図２（ｃ）に示す構造が得られる。ここにおいて、背板部５および排気穴５ａを形成するエッチング工程では、アルカリ系溶液（例えば、ＴＭＡＨ、ＫＯＨなど）をエッチング液として用いた異方性エッチングを行っており、上述のマスク材層は、エッチング液がＴＭＡＨの場合にはシリコン酸化膜を採用し、エッチング液がＫＯＨの場合にはシリコン窒化膜を採用するのが適している。なお、第３の半導体層３０ｅのエッチングレートに比べて第２の絶縁層３０ｄおよびマスク材層それぞれのエッチングレートが十分に小さくなるエッチング液を用いて第３の半導体層３０ｅを選択的にエッチングするので、オーバーエッチングの時間を比較的長くすることができ、第３の半導体層３０ｅの厚み方向に貫通する排気穴５ａの貫通不良の発生を防止することができる。また、排気穴５ａを形成するエッチング工程は、音波導入孔１ａを形成するエッチング工程と同時に行うようにしてもよく、これらの２つのエッチング工程を同時に行うようにすれば、別々に行う場合に比べて製造工程の簡略化を図れる。

次に、多層構造ウェハ３０の厚み方向の両面側から第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄそれぞれの不要部分を各半導体層３０ａ，３０ｃ，３０ｅに対して選択的にエッチング除去することにより第１の絶縁層３０ｂの一部からなる支持スペーサ部２および第２の絶縁層３０ｄの一部からなる絶縁スペーサ部４および第２の半導体層３０ｃの一部からなる振動板部３が形成され、図２（ｄ）に示す構造が得られる。ここにおいて、第１の絶縁層３０ｂは第１の半導体層３０ａに形成されている音波導入孔１ａを通してエッチングされる。一方、第２の絶縁層３０ｄのうち振動板部３に重なる部分は第３の半導体層３０ｅに形成されている各排気穴５ａがエッチング液の導入孔となってエッチングされるので、第２の絶縁層３０ｄの不要部分を確実にエッチング除去することが可能となり、第２の絶縁層３０ｄの不要部分の一部が残ることによる振動板部３の厚さのばらつきの発生を防止することが可能となる。なお、上述のマスク材層は、第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄのエッチング時にエッチング除去される。また、第１の絶縁層３０ｂをエッチングする工程と第２の絶縁層３０ｄをエッチングする工程とは別々に行ってもよいが、同時に行ったほうが製造工程の簡略化を図れる。

その後、ダイシング工程にて、多層構造ウェハ３０に形成されている多数のマイクロホンを個々のマイクロホンに切り出せばよい。

以上説明した製造方法によれば、多層構造ウェハ３０のうち支持基板１の基礎となる第１の半導体層３０ａにおける音波導入孔１ａの形成予定部位を第１の半導体層３０ａの表面から第１の絶縁層３０ｂに達する深さまで第１の絶縁層３０ｂをエッチングストッパ層としてエッチング除去し、その後、多層構造ウェハ３０のうち背板部５の基礎となる第３の半導体層３０ｅにおける各排気穴５ａそれぞれの形成予定部位を第３の半導体層３０ｅの表面から第２の絶縁層３０ｄに達する深さまで第２の絶縁層３０ｄをエッチングストッパ層としてエッチング除去することで各排気穴５ａを形成し、さらにその後で、多層構造ウェハ３０の厚み方向の両面側から第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄそれぞれの不要部分を各半導体層３０ａ，３０ｃ，３０ｅに対して選択的にエッチング除去することにより第１の絶縁層３０ｂの一部からなる支持スペーサ部２および第２の絶縁層３０ｄの一部からなる絶縁スペーサ部４および第２の半導体層３０ｃの一部からなる振動板部３を形成するので、製造時のチップ間での振動板部３の厚さのばらつきが小さくなり低コストでマイクロホンを提供することができる。要するに、上述の製造方法によれば、多層構造ウェハ３０の厚み方向の両面それぞれからのエッチング深さの面内均一性を高めることができるとともに、第２の半導体層３０ｃのエッチング量を無視できる程度に小さくすることができるので、多層構造ウェハ３０面内での振動板部３の厚さのばらつきを小さくすることができ且つ振動板部３の厚さの設計厚さに対する精度を高めることができる。

なお、上述の製造方法では、背板部５および排気穴５ａを形成するエッチング工程においてアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行っているが、マスク材層をマスクとして第３の半導体層３０ｅを第２の絶縁層３０ｄに達する深さまで垂直にエッチングすることにより図３（ａ）に示す構造を得てもよく（ここにおける排気穴５ａは矩形状の開口形状に限らず、円形状の開口形状としてもよい）、この場合には、その後に第１の絶縁層３０ｂおよび第２の絶縁層３０ｄそれぞれの不要部分を選択的にエッチングすることにより、図３（ｂ）に示す構造が得られる。なお、第３の半導体層３０ｅを第２の絶縁層３０ｄに達する深さまで垂直にエッチングするエッチングする工程では、エッチング装置として、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用い、エッチングガスとして例えばＣＨＦ_３ガスを採用すればよく、シリコン酸化膜からなる第２の絶縁層３０ｄのエッチングレートが第３の半導体層３０ｅのエッチングレートの１００分の１程度となるので、第２の絶縁層３０ｄをエッチングストッパ層として利用するすることができる。

また、上述の製造方法では、音波導入孔１ａを形成するエッチング工程においてアルカリ系溶液を用いて異方性エッチングを行っているが、マスク材層をマスクとして第１の半導体層３０ａを第１の絶縁層３０ｂに達する深さまで垂直にエッチングすることにより図４（ａ）に示す構造を得てもよく、この場合には、結果的に多層構造ウェハ３０に図４（ｂ）に示す構造のマイクロホンが多数形成される。なお、第１の半導体層３０ａを第１の絶縁層３０ｂに達する深さまで垂直にエッチングするエッチングする工程では、エッチング装置として、例えば、誘導結合プラズマ型のドライエッチング装置を用い、エッチングガスとして例えばＣＨＦ_３ガスを採用すればよく、シリコン酸化膜からなる第１の絶縁層３０ｂのエッチングレートが第１の半導体層３０ａのエッチングレートの１００分の１程度となるので、第１の絶縁層３０ａをエッチングストッパ層として利用するすることができる。

実施形態におけるマイクロホンを示し、（ａ）は正面側から見た概略斜視図、（ｂ）は背面側から見た概略斜視図、（ｃ）は概略断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。同上の製造方法を説明するための主要工程断面図である。従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１支持基板
１ａ音波導入孔
２支持スペーサ部
３振動板部
４絶縁スペーサ部
５背板部
５ａ排気穴
６空気層

Claims

音波導入孔が厚み方向に貫設された支持基板と、支持基板の一表面側で音波導入孔を囲む支持スペーサ部を介して支持基板に支持され音波導入孔を通して導入された音波により振動する振動板部と、振動板部における支持基板側とは反対側に対向配置され排気穴が厚み方向に貫設された背板部と、背板部の周部と振動板部の周部との間に介在する絶縁スペーサ部とを備え、支持基板形成用の第１の半導体層／支持スペーサ部形成用の第１の絶縁層／振動板部形成用の第２の半導体層／絶縁スペーサ部形成用の第２の絶縁層／背板部形成用の第３の半導体層の５層構造を有する多層構造ウェハを用いて形成され、振動板部が第２の半導体層の一部により形成されて可動電極を構成し、背板部が第３の半導体層の一部により形成されて固定電極を構成していることを特徴とするマイクロホン。
前記背板部は、前記排気穴が複数設けられてなることを特徴とする請求項１記載のマイクロホン。
前記第２の半導体層は、前記振動板部を所望の剛性とするように不純物が添加されたシリコン層からなることを特徴とする請求項１または請求項２記載のマイクロホン。
前記第１の半導体層がシリコン層からなり、前記第１の絶縁層がシリコン酸化膜もしくはシリコン窒化膜からなることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のマイクロホン。
前記第２の絶縁層がリンもしくはボロンが添加されたシリコン酸化膜からなることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のマイクロホン。
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のマイクロホンの製造方法であって、多層構造ウェハのうち支持基板の基礎となる第１の半導体層における音波導入孔の形成予定部位を表面から第１の絶縁層に達する深さまで第１の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去することで音波導入孔を形成する工程と、多層構造ウェハのうち背板部の基礎となる第３の半導体層における排気穴の形成予定部位を表面から第２の絶縁層に達する深さまで第２の絶縁層をエッチングストッパ層としてエッチング除去することで排気穴を形成する工程と、多層構造ウェハの厚み方向の両面側から第１の絶縁層および第２の絶縁層それぞれの不要部分を各半導体層に対して選択的にエッチング除去することにより第１の絶縁層の一部からなる支持スペーサ部および第２の絶縁層の一部からなる絶縁スペーサ部および第２の半導体層の一部からなる振動板部を形成する工程とを備えることを特徴とするマイクロホンの製造方法。
前記多層構造ウェハの形成にあたっては、３枚の半導体ウェハを張り合わることで形成するようにし、第３の半導体層は、３枚の半導体ウェハのうち第３の半導体層の基礎となる半導体ウェハを第２の半導体層の基礎となる半導体ウェハと第２の絶縁層が介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで形成することを特徴とする請求項６記載のマイクロホンの製造方法。
前記多層構造ウェハの形成にあたっては、１枚のＳＯＩウェハと１枚のシリコンウェハとを張り合わることで形成するようにし、第３の半導体層は、シリコンウェハをＳＯＩウェハと第２の絶縁層が介在する形で張り合わせた後に所定厚さまで研磨することで形成することを特徴とする請求項６記載のマイクロホンの製造方法。
前記第２の絶縁層を陽極酸化により形成することを特徴とする請求項７または請求項８記載のマイクロホンの製造方法。