JP2010506532A - 極低圧力センサーおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
センサーは、複数の背面板孔を有し、導電性または半導電性材料で形成された背面板と、前記背面板と絶縁されて前記背面板に接続され、導電性または半導電性材料で形成され、可撓性部材および前記可撓性部材に対応するエアギャップを定めるダイアフラムと、前記背面板の、キャビティを囲む領域に形成されたボンドパッドと、前記ダイアフラムの、前記エアギャップを囲む領域に形成されたボンドパッドとを有し、前記可撓性部材および前記エアギャップは、前記背面板孔の下に延びる前記ダイアフラムによって定められることを特徴とする。
【選択図】図11
【選択図】図11
Description
本発明は、センサー、特に、極低圧力センサーおよびその製造方法に関する。特に、本発明は、音響用途(例えば、シリコンマイク)に用いられる極低圧力センサーおよびその製造方法に関する。
容量性のマイクロフォンは、典型的には、柔軟性のある部材に設けられた電極と、別の電極に取り付けられたその部材に平行なバックプレートを有するダイアフラムを有する。背面板は相対的に堅く、典型的には、背面板と可撓性部材の間で空気を移動させるための複数の孔を有する。背面板と可撓性部材とは、平行平板コンデンサを形成する。音波の圧力は、ダイアフラムを屈折させ、コンデンサの容量を変化させる。容量変化は電子回路で処理され、その変化に応じた電気信号が供給される。
小型のマイクロフォンを含むMEMS(Microelectronic mechanical devices)は、集積回路の作製に用いられている技術を用いて製造される。MEMSマイクロフォンの潜在的な用途としては、聴力補助のためのマイクロフォン、携帯電話機、車両の圧力センサーがある。
現在利用可能なMEMSマイクロフォンは、多くのマスキングおよびエッチング過程を含む複雑な製造プロセスにより製造される。製造プロセスが複雑なため、試験工程に失敗し、装置が使用不能となってしまうリスクが増大している。
出願人は、シリコンマイクロフォンのような圧力センサーの製造方法を多数提案してきた。例えば、WO2004/105428号国際公開パンフレットには、開口部上に延びた、柔軟性のあるダイアフラムを含むシリコンマイクロフォンが記載されている。背面板は、マイクロフォンの平行平板コンデンサを形成するため、可撓性部材と組み合わせられている。しかし、この先行技術文献や他の先行技術文献は、いわゆる「トップサイド」用途のセンサーを例示している。すなわち、使用時にセンサーは装置(例えば携帯電話機)内にパッケージされ、音響信号が装置の孔を介して伝達され、センサーにより間接的に受信されるようになっている。この配置については後述する。
本発明は、センサーの使用時に信号の経路(例えば音波の信号経路)を短くし、センサーのボトムサイド用途を容易にする配置を提供する。
本発明の一実施形態において、複数の背面板孔を有し、導電性または半導電性材料で形成された背面板と、前記背面板と絶縁されて前記背面板に接続され、導電性または半導電性材料で形成され、可撓性部材および前記可撓性部材に対応するエアギャップを定めるダイアフラムと、前記背面板の、キャビティを囲む領域に形成されたボンドパッドと、前記ダイアフラムの、前記エアギャップを囲む領域に形成されたボンドパッドとを有し前記可撓性部材および前記エアギャップは、前記背面板孔の下に延びる前記ダイアフラムによって定められることを特徴とするセンサーが提供される。
センサーを機能させるため、前記ダイアフラムは、酸化物層により前記背面板と絶縁されてもよい。これは、いかなる手段で行われてもよい。好ましい態様において、ダイアフラムは、酸化物層により背面板から絶縁される。
背面板およびダイアフラムを形成する材料は、当業者に知られたものが用いられる。すなわち、背面板およびダイアフラムを形成する材料は、ハイドープ材料、例えばいかなるp+またはn+材料であってもよい。好ましい態様において、背面板は、少なくとも一の面に酸化物層が形成されたシリコンウエハーにより形成され、ダイアフラムは、ヘビードープシリコン層、シリコン層および中間酸化物層を含むシリコン・オン・インシュレーター(SOI)ウエハー、またはドープされたポリシリコンウエハーによりにより形成される。
センサーは、前記ダイアフラムに対応する支持部材を有してもよい。この場合、前記支持部材が、前記ダイアフラムに接合されたガラスウエハーを含んでもよい。ガラスウエハーは、Schott社のBorofloat(登録商標)、またはCorning社のPyrex(登録商標)のようなホウケイ酸塩ガラスであってもよい。
好ましい態様において、前記背面板が、前記複数の背面板孔の上に延びるキャビティを含んでもよい。この構造は、複数の孔の開口部からエアギャップまでの距離(すなわちダイアフラムの可撓性部材までの距離)を最小化する効果がある。
本発明の別の実施形態において、第1の表面を定めるヘビードープシリコン層、第2の表面を定める第2のシリコン層および中間酸化物層を有する第1のウエハーを準備する工程と、第1の表面および第2の表面を定めるヘビードープシリコンを有する第2のウエハーを準備する工程と、前記第1のウエハーの前記第1の表面上に酸化物層を形成する工程と、前記第2のウエハーの前記第1の表面上に酸化物層を形成する工程と、前記第1のウエハーの前記第1の表面上の前記酸化物層を介し、前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングする工程と、前記第1のウエハーの前記第1の表面上の前記酸化物層を介し、前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングする工程と、前記第1のウエハーの前記第1の表面と、前記第2のウエハーの前記第1の表面とを、前記第1のウエハーの前記第1の表面に形成された前記キャビティが前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間のエアギャップを定めるように接合する工程と、前記第1のウエハーの前記第2の表面を定める前記シリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングし、前記第1のウエハーのヘビードープ層からなり、前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間の前記エアギャップに対応する可撓性部材を形成する工程と、前記第2のウエハーを前記第2の表面において薄くする工程と、前記第2のウエハーの前記第2の表面において、前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間の前記エアギャップに対応する複数の孔をパターニングおよびエッチングする工程と、前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層に少なくとも一のボンドパッドを、および前記第2のウエハーに少なくとも一のボンドパッドを形成する工程とを有する、センサーの製造方法が提供される。
上述の各工程は、記載された順序で行われる必要はない。当業者であれば、同じ結果を得るために工程の順序を変更することができる。そのような変更は本発明の範囲に含まれる。
実施形態において、支持部材を含んでもよい。前記第1のウエハーの前記第2の表面を定める前記シリコン層内に前記キャビティがパターニングおよびエッチングされた後のいずれかの段階で、前記第1のウエハーの前記第2の表面に支持部材を接合する工程を有してもよい。支持部材は、前述のとおりいかなる材料で形成されてもよい。
第2のウエハーの第2の表面に形成された複数の孔の開口部と可撓性部材との間の伝達距離を最小化するため、すでに強調したように、前記第2のウエハーの前記第2の表面において前記複数の孔をパターニングおよびエッチングする工程の前に、前記第2のウエハーの第2の表面においてキャビティをパターニングおよびエッチングする工程を有してもよい。
本発明のさらに別の実施形態において、プリント基板(PCB)と、前記プリント基板と対応する、前述のセンサーとを有し、前記プリント基板が開口部を有し、前記開口部を通った信号が直接前記センサーの前記可撓性部材に伝達されるように前記センサーが前記開口部の上に配置されることを特徴とする装置が提供される。
既に述べたように、音響センサーは、本発明に係るセンサーの用途のひとつである。したがって、前記信号が、音響信号であってもよい。
センサーおよびそのセンサーを製造する方法は、特定の実施形態を用いて説明される。以下の説明においては本発明を限定する意図は無い。また、図面においてスケールは正確ではなく、説明のためだけに用いられる。
図1は、センサーの製造に用いられる第1のウエハー10および第2のウエハー11の側面図である。第1のウエハー10は、高ドープシリコンの第1の層12と、シリコン基板の第2の層13と、中間酸化物層14とを有する。第1の層12はp++ドープシリコンを含んでもよく、第2の層13はn型基板を含んでもよい。あるいは、第1の層12はn++シリコンを含んでもよく、第2の層13はp型基板を含んでもよい。
典型的には、第1の層12は4ミクロン程度の厚さを有し、酸化物層14は2ミクロン程度の厚さを有する。これらの層の厚さは、センサーに要求される特性に応じて決められる。第2の層13は、第1の層12および酸化物層14よりも厚くてもよい。例えば、第2の層13は400−600ミクロンの厚さであってもよい。
第2のウエハー11はシリコンで形成されている。第2のウエハー11は、ヘビードープであり、p型またはn型のどちらでもよい。一実施形態において、第2のウエハー11は、<100>シリコンである。他の実施形態において、他の面または他の結晶構造のものが用いられてもよい。
第1のウエハー10は、第1の層12のヘビードープシリコンで形成された第1の表面15と、第2の層13のシリコンで形成された第2の表面16とを含む。同様に、第2のウエハー11は、第2のウエハー11のヘビードープシリコンで形成された表面17および表面18を含む。
センサーの製造において、第1のウエハー10および第2のウエハー11は、接合されてさらなる処理をされるまでは別々に処理される。
図2は、ウエハー10および11の表面15−17上に酸化物層19が形成された後の第1のウエハー10と第2のウエハー11を示す図である。酸化物層19は、典型的には、ウエハー10および11の表面15−17上に熱成長プロセスまたは堆積プロセスを用いて形成される。第1のウエハー10および第2のウエハー11上の表面15−16および17−18上に酸化物層19を形成すると、ウエハーの歪み(各ウエハーの片面にしか酸化物層を形成しないと、ウエハーがひずむ可能性がある)を減少させられる。別の実施形態において、酸化物層19は、第1のウエハーの第1の表面15および第2のウエハーの第2の表面17にのみ形成されてもよい。酸化物層19の厚さは、第1のウエハー10および第2のウエハー11の厚さよりも薄い。
酸化物層19の代わりに、他の誘電性または絶縁性の材料、例えば、窒化シリコンが用いられてもよい。
図3は、キャビティ20がパターニングされ、エッチングされた第1のウエハー10を示す。特に、キャビティ20はパターニングされ、第1のウエハー10の、第1の層12の第1の表面15上に形成された酸化物層19を介して、第1のウエハー10の第1の層12内部までエッチングされる。このステップにおいて、第1の層12を形成するヘビードープシリコンの一部は、第1の層12のヘビードープシリコンの薄い部分21を形成するため、エッチングにより削り取られる。
薄い部分21の厚さは、センサー(以下の図面において示されるように、ハイドープシリコンの薄い部分21が、センサーのダイヤフラムの可撓性部材を形成する)の特性を決定する。
このステップにおいては、ウェットエッチングまたはドライエッチングが用いられてもよい。一実施形態において、キャビティ20の形成には反応性イオンエッチング(Reactive Ion Etch、RIE)が用いられる。一般的に、エッチングは時間に依存している。したがって、薄い部分21(およびダイアフラムの可撓性部材)の最終的な厚さは、エッチング時間に依存している。さらに、キャビティの形は、センサーに要求される特性に応じて設計される。
第1のウエハー10の第1の層12内にキャビティ20をエッチングした後、図4に示されるコンタクトキャビティ22がパターニングされ、酸化物層19を通って第1のウエハー10の第1の層12内までエッチングされる。キャビティ22は、第1の層12を通って第1のウエハー10の酸化物層14まで達している。なお、キャビティ22の形成には、他のいかなるエッチングプロセスが用いられてもよい。
図4Aを参照する。この段階において、第1のウエハー10の第1の層12の第1の表面15上に形成された酸化物層19にパターニングおよびエッチングすることにより、ボンドパッドキャビティ23が形成されてもよい。
図5に示されるように、第1のウエハー10および第2のウエハー11は接合される。互いの酸化物層19を介して接合される表面は、第1のウエハー10においては第1の表面15であり、第2のウエハー11においては第1の表面17である。一実施形態において、ウエハー10および11は、溶解接合を用いて酸化物層19を介して接合される。
図6を参照する。ウエハー10および11の接合の後、キャビティ25がパターニングされ、第1のウエハー10の第2の表面16上に形成された酸化物層19が、第2の層13のシリコンおよび第1のウエハー10の中間の酸化物層14を介してエッチングされる。キャビティはエアギャップ24に対応する位置に形成される。こうして、先に形成された薄い部分21は、キャビティ25に露出する。
ガラスウエハーのような支持部材が要求されるときは、図6Aおよび6Bに示されるように用いられる。この実施形態において、酸化物層19は第1のウエハー10の第2の表面16上に形成される。第2の表面16の一部は、第2の層13を薄くするために研磨される。これにより、第1のウエハー10上にグランド表面26が形成される。しかし、酸化物層19を除去し、第2の層13を薄くする他のいかなる方法が用いられてもよい。
第2の層13を薄くした後、事前に準備されたガラスウエハー27が、グランド表面26に接合される。ガラスウエハー27は、既に形成されているキャビティ25と協働する中央開口部28を含む。このような場合、ガラスウエハー27上にクロムのマスク層が堆積され、例えばフッ酸(HF)を用いたウェットエッチングまたはドライエッチングにより開口部28が形成される。
図7に示されるように、第1のウエハー10の第2の層13におけるキャビティ25のエッチングの後(および、ガラスウエハー27を用いる場合はガラスウエハー27を第2のウエハー13に接合した後)、第2のウエハー11の第2の表面18およびその上に形成された酸化物層19が、研磨される。これは、第2のウエハー11のグランド表面26を露出したままにする。第2のウエハー11のグランド表面29をパターニングおよびエッチングすることにより、第2のウエハー11内にキャビティ30が形成されてもよい。なお、第2のウエハー11の第2の表面18およびその上に形成された酸化物層19の研磨は、キャビティ25のエッチングの前に行われてもよい。
次に、第2のウエハー11のハイドープシリコンの、エアギャップ24と対応する領域(すなわち薄い部分21と対応する領域)に、複数の孔31がパターニングされエッチングされる。さらに小さいキャビティ32が、第2のウエハー11においてエッチングされる。図5に示されるように第1のウエハー10と第2のウエハー11とが接合された場合、キャビティ32は、ボンドパッドキャビティ23(図4A参照)により形成されるエアギャップ33と対応している。孔31とキャビティ32が形成されると、孔31がエアギャップ24に貫通し、キャビティ32がエアギャップ33に貫通するように、全体エッチングが行われる。その結果、第2のウエハー11とエアギャップ24を貫通するチャンネル34と、キャビティ35とが形成される。
図10を参照する。全体エッチングによりチャンネル34が形成された後、第2のウエハー11の上にシャドウマスク36が置かれ、ボンドパッド37および38が堆積される(例えば、アルミニウムの堆積による)。第1のボンドパッド37は、第1のウエハー10上のキャビティ35に露出している領域に堆積される。第2のボンドパッド38は、第2のウエハー11上の領域に形成される。
製造が終了すると、図11に示されるセンサー40が得られる。これは、複数のチャンネル34を有する第2のウエハー11から形成された背面板39を含む。複数のチャンネル34は、第1のウエハー10により定められるエアギャップ24まで貫通している。薄い部分21は、エアギャップ24に対応し、ダイアフラム41の可撓性部材を形成している。ボンドパッド37および38の組は、それぞれ、第1のウエハー10および第2のウエハー11に対応している。図11からわかるように、センサーは、背面板39が、薄い部分21で定められる可撓性部材の上に位置するように(すなわち、チャンネル34が可撓性部材の上に位置するように)形成される。これにより、図12に示されるような、いわゆる「ボトムサイド」用途のセンサーが製造される。
図示されるように、センサー40はPCB42上に、開口部43をまたぐように取り付けられる。その結果、開口部43を通る信号はすべて、センサー40のダイアフラム41の薄い部分21で定められる可撓性部材に直接伝達される。ボンドパッド37および38にはワイヤが接続され、装置の他の部品45に接続される。装置のキャップ46により、背面の空間47が確保される。
図13−14を参照する。いくつかのパッケージが図示されている。図13では、先行技術に係る「トップサイド」用途のセンサー40’がPCB42上に取り付けられる配置が図示されている。開口部48により、信号(例えば音響信号。図13−15において矢印で示されている)が、キャップ46を介してセンサー40’に伝達される。
図14は別の先行技術を示している。ここで、センサー40”がPCB42に取り付けられている。この配置では、開口部43が、キャップ46ではなくPCB42に形成されている。しかし、センサー40”は「トップサイド」用途のセンサーであるから、開口部43をまたぐように配置することはできず、開口部43から離れた位置に取り付けられる必要がある。
既に説明したように、本発明に係るセンサー40は、図15に示されるように開口部43をまたぐようにして配置できるという利点がある。したがって、図中矢印で示される信号は、センサー40(特に、可撓性部材)に直接伝達される。
本発明に係るセンサーによれば、数々の利益がもたらされる。特に、PCB上のセンサーの位置は、パッケージ内に侵入する湿度の問題を緩和する。より重要なことは、このセンサーによれば、背面の空間を広くとることができる。音響用途に関しては、背面の空間は、感度に影響するので音響特性上重要である。「ボトムサイド」用途の方法は、装置全体の大きさがほぼ背面の空間の大きさとなるので、感度を改善できる。また、「ボトムサイド」用途では、孔は装置正面(例えば、携帯電話機前面のキーパッドの部分)に開けられ、PCBに開けられた孔によって、音は直接センサーに伝達される。信号の経路が短くなることによって、孔の下にエアチャンネルが必要なくなるので装置の外形を小さくすることができる。
以上の説明は、本発明の好適な実施形態を含む。当業者に自明の変形や改良は、特許請求の範囲で定義される技術範囲に含まれる。
Claims (12)
- 複数の背面板孔を有し、導電性または半導電性材料で形成された背面板と、
前記背面板と絶縁されて前記背面板に接続され、導電性または半導電性材料で形成され、可撓性部材および前記可撓性部材に対応するエアギャップを定めるダイアフラムと、
前記背面板の、キャビティを囲む領域に形成されたボンドパッドと、
前記ダイアフラムの、前記エアギャップを囲む領域に形成されたボンドパッドと
を有し、
前記可撓性部材および前記エアギャップは、前記背面板孔の下に延びる前記ダイアフラムによって定められる
ことを特徴とするセンサー。 - 前記ダイアフラムは、酸化物層により前記背面板と絶縁される
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサー。 - 前記背面板は、少なくとも一の面に酸化物層が形成されたシリコンウエハーにより形成される
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサー。 - 前記ダイアフラムは、ヘビードープシリコン層、シリコン層および中間酸化物層を含むシリコン・オン・インシュレーター(SOI)ウエハー、またはドープされたポリシリコンウエハーによりにより形成される
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサー。 - 前記ダイアフラムに対応する支持部材を有する
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサー。 - 前記支持部材が、前記ダイアフラムに接合されたガラスウエハーを含む
ことを特徴とする請求項3に記載のセンサー。 - 前記背面板が、前記複数の背面板孔の上に延びるキャビティを含む
ことを特徴とする請求項1に記載のセンサー。 - 第1の表面を定めるヘビードープシリコン層、第2の表面を定める第2のシリコン層および中間酸化物層を有する第1のウエハーを準備する工程と、
第1の表面および第2の表面を定めるヘビードープシリコンを有する第2のウエハーを準備する工程と、
前記第1のウエハーの前記第1の表面上に酸化物層を形成する工程と、
前記第2のウエハーの前記第1の表面上に酸化物層を形成する工程と、
前記第1のウエハーの前記第1の表面上の前記酸化物層を介し、前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングする工程と、
前記第1のウエハーの前記第1の表面上の前記酸化物層を介し、前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングする工程と、
前記第1のウエハーの前記第1の表面と、前記第2のウエハーの前記第1の表面とを、前記第1のウエハーの前記第1の表面に形成された前記キャビティが前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間のエアギャップを定めるように接合する工程と、
前記第1のウエハーの前記第2の表面を定める前記シリコン層内にキャビティをパターニングおよびエッチングし、前記第1のウエハーのヘビードープ層からなり、前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間の前記エアギャップに対応する可撓性部材を形成する工程と、
前記第2のウエハーを前記第2の表面において薄くする工程と、
前記第2のウエハーの前記第2の表面において、前記第1のウエハーと前記第2のウエハーとの間の前記エアギャップに対応する複数の孔をパターニングおよびエッチングする工程と、
前記第1のウエハーの前記ヘビードープシリコン層に少なくとも一のボンドパッドを、および前記第2のウエハーに少なくとも一のボンドパッドを形成する工程と
を有する、センサーの製造方法。 - 前記第1のウエハーの前記第2の表面を定める前記シリコン層内に前記キャビティがパターニングおよびエッチングされた後のいずれかの段階で、前記第1のウエハーの前記第2の表面に支持部材を接合する工程
を有する請求項8に記載の製造方法。 - 前記第2のウエハーの前記第2の表面において前記複数の孔をパターニングおよびエッチングする工程の前に、前記第2のウエハーの第2の表面においてキャビティをパターニングおよびエッチングする工程
を有する請求項8に記載の製造方法。 - プリント基板(PCB)と、
前記プリント基板と対応する、請求項1−7のいずれかの項に記載のセンサーと
を有し、
前記プリント基板が開口部を有し、
前記開口部を通った信号が直接前記センサーの前記可撓性部材に伝達されるように前記センサーが前記開口部の上に配置される
ことを特徴とする装置。 - 前記信号が、音響信号である
ことを特徴とする請求項11に記載の装置。
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