JP4742972B2 - マイクロフォンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロフォンの製造方法に関し、特に半導体基板の上に振動膜を形成された小型のマイクロフォンの製造方法に関する。

マイクロフォンでは、振動膜の上下の空間で静圧差が生じると、静圧差のために振動膜が撓み、マイクロフォンの感度が低下する。そのため、半導体基板と振動膜との間に静圧の均衡を目的としたベントホールを設けることがある。

しかし、ベントホールのために音圧までもが均衡されてしまうと、振動膜が音圧によって振動しなくなる。よって、ベントホールは高い音響抵抗をもった通路として形成することが望ましい。通路の断面積が小さく、かつ、長いほど音響抵抗が高くなるので、高い音響抵抗を持ったベントホールを形成するためには、断面積が小さくて経路の長いベントホールを形成する必要がある。

半導体基板の上に形成されたマイクロフォンとしては、例えば特表２００４−５０６３９４号公報（特許文献１）に開示されたものがある。このマイクロフォンは、半導体基板と振動膜との間にベントホールが形成されている。しかし、このマイクロフォンでは、裏面側から半導体基板を結晶異方性エッチングすることによって振動膜の下に空洞を形成している。

そのため、このマイクロフォンでは、空洞の周囲に単結晶シリコン（１１１）結晶面又はそれと等価な結晶面による斜面が出現し、半導体基板の裏面側で空洞の開口面積が大きく、表面側で空洞の開口面積が小さな形態となっている。このような形態では、振動膜の大きさに比べて空洞の裏面側の開口面積が大きくなり、マイクロフォンの小型化が難しい。従って、特許文献１に開示されているマイクロフォンでは、音響抵抗の大きなベントホールを実現できたとしても、マイクロフォンの小型化が困難であった。

半導体基板の表面側からエッチングを行なって空洞を形成する方法としては、例えば特開昭６２−７６７８４号公報（特許文献２）に開示された圧力センサの製造方法がある。この方法では、図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、半導体基板１１とダイアフラム１２との間に犠牲層１３を形成しておき、ダイアフラム１２に明けた薬液（エッチャント）投入口（エッチングホール）１４から犠牲層１３を等方性エッチングして半導体基板１１の表面とダイアフラム１２との間にエッチング窓１５を形成する。そして、このエッチング窓１５から半導体基板１１を結晶異方性エッチングして空洞１６を形成している。

しかし、この方法でマイクロフォンを製作しようとすると、振動膜（ダイアフラム）の薬液投入口が直接エッチング窓につながっているので、この薬液投入口をベントホールとして利用すると非常に音響抵抗が小さくなってしまい、振動膜の感度が低下する恐れがある。また、振動膜の中央部に薬液投入口が形成されるので、振動膜の強度が低下したり、音響特性に悪影響を与えたりする恐れがある。

特表２００４−５０６３９４号公報 特開昭６２−７６７８４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、表面側からのエッチングによって半導体基板に空洞を形成することができると共に、音響抵抗の大きなベントホールを容易に作製することのできるマイクロフォンの製造方法を提供することにある。

本発明にかかるマイクロフォンの製造方法は、半導体基板の表面にエッチング保護膜を形成し、当該エッチング保護膜にエッチング窓を開口する工程と、前記エッチング窓の内部と前記エッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続するようにして犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上方に振動膜を形成する工程と、前記エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記犠牲層のうち前記振動膜と前記エッチング保護膜に挟まれた領域に存在する犠牲層のエッチングを、前記エッチング窓から離間した箇所から開始して、前記エッチング窓を開口させる工程と、前記エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記エッチング窓から前記半導体基板を結晶異方性エッチングして前記半導体基板の表面側に空洞を形成する工程とを有することを特徴としている。なお、振動膜とエッチング保護膜に挟まれ、かつ、エッチング窓から離間したエッチング開始箇所とは、犠牲層のエッチングが開始する箇所とは必ずしも一致しない。

本発明にかかるマイクロフォンの製造方法にあっては、振動膜の下方においてエッチング窓の内部とエッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続するようにして犠牲層を形成しておき、エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記犠牲層のうち前記振動膜と前記エッチング保護膜に挟まれた領域に存在する犠牲層のエッチングを、前記エッチング窓から離間した箇所から開始して、エッチング窓を開口させ、エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記エッチング窓から半導体基板を結晶異方性エッチングして空洞を形成しているので、半導体基板の空洞に隣接する位置で振動膜と半導体基板表面との間にベントホールを形成することができる。さらに、容易にベントホールの通路長さを長くすることができるので、音響抵抗の大きなベントホールを得ることができ、低周波特性の良好なマイクロフォンを製造することができる。しかも、半導体基板の表面側から結晶異方性エッチングして半導体基板に空洞を形成することができるので、空洞が裏面側で大きく広がってマイクロフォンの小型化の妨げになることがない。

本発明のマイクロフォンの製造方法のある実施態様は、前記犠牲層を形成した後で、かつ、前記振動膜を形成する前において、前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエッチャントに耐性を有する材料によって前記犠牲層の上に保護膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、振動膜を保護膜によってエッチャントから保護することができるので、振動膜を形成する材料の制約が小さくなり、マイクロフォンの設計時や製造時の制約を緩和できる。

本発明のマイクロフォンの製造方法の別な実施態様は、前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエッチャントに耐性を有する材料によって前記振動膜の上に保護膜を形成したことを特徴としている。かかる実施態様によれば、保護膜によって振動膜をエッチャントから保護することができるので、振動膜を形成する材料の制約が小さくなり、マイクロフォンの設計時や製造時の制約を緩和することができる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、同一のエッチャントによって前記犠牲層を等方性エッチングすると共に前記半導体基板を結晶異方性エッチングすることを特徴としている。かかる実施態様によれば、犠牲層と半導体基板を同一のエッチャントを用いて連続的にエッチングすることができるので、マイクロフォンの製造工程を簡略にすることができる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと異なるエッチャントによって前記半導体基板を結晶異方性エッチングすることを特徴としている。かかる実施態様によれば、犠牲層をエッチングするためのエッチャントや半導体基板をエッチングするためのエッチャントの制約が小さくなる。あるいは、犠牲層を構成する材料に対する制約が小さくなる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記振動膜の上方に、固定電極を備えたバックプレートを形成する工程を備えたことを特徴としている。かかる実施態様によれば、静電容量型のマイクロフォンを製造することができる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記空洞が、前記半導体基板の表裏に貫通していることを特徴としている。かかる実施態様によれば、半導体基板の裏面側からも音響振動を拾うことのできるマイクロフォンを製造することができる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜を屈曲させることを特徴としている。かかる実施態様によれば、振動膜の変位を大きくしたり、応力による撓みを少なくできる。

本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜の表面に突起を形成することを特徴としている。かかる実施態様によれば、振動膜の上方に電極などが配置されている場合に、変形した振動膜が電極などに面接触して貼り付いてしまうのを防止できる。

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、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。

図２（ａ）は、本発明の実施例１によるマイクロフォン２１の構造を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。また、図３はバックプレートを除いた状態におけるマイクロフォン２１の平面図である。

マイクロフォン２１にあっては、（１００）面又は（１１０）面のＳｉ基板２２の表面側に空洞２３が凹設されており、空洞２３を覆うようにしてＳｉ基板２２の上に振動膜２４が配置されている。空洞２３はＳｉ基板２２を表面側から結晶異方性エッチングすることによって形成されており、外周面は（１１１）結晶面又はそれと等価な結晶面による斜面となっており、空洞２３の底面よりも表面側開口の方が広くなっている。振動膜２４は、Ｓｉ基板２２の上面に形成された支持ポスト２５によって４隅を支持されており、振動膜２４下面の四辺とＳｉ基板２２上面との間には厚みが薄くて通路長さの長いベントホール２６が開口している。

Ｓｉ基板２２の上面には、振動膜２４の上方を覆うようにしてバックプレート２７が配置されており、バックプレート２７の外周部下面がＳｉ基板２２の上面に固定されている。バックプレート２７には、複数個のアコースティックホール２８が穿孔されている。さらに、バックプレート２７の上面には、金属材料によって固定電極２９が形成されており、固定電極２９にはアコースティックホール２８に一致させてアコースティックホール３０が穿孔されている。

なお、符号３１は、マイクロフォン２１の製造工程で用いられたバックプレート２７の薬液投入口である。

このマイクロフォン２１にあっては、音響振動が空気中や水中などを伝搬してくると、その音響振動はアコースティックホール３０、２８を通ってマイクロフォン２１の内部に入り、振動膜２４を振動させる。振動膜２４が振動すると、振動膜２４（可動電極）と固定電極２９との間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を検知することによって音響振動を感知することができる。

次に、上記マイクロフォン２１の製造工程を図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ）〜（ｄ）、図７により説明する。ここで、図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）、図６（ａ）〜（ｄ）は、図２のＹ−Ｙ線断面に相当する断面を表わしている。ただし、マイクロフォン２１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個のマイクロフォン２１だけを図示して説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、（１００）面又は（１１０）面のＳｉ基板２２（ウエハ）の表面及び裏面に熱酸化法などでＳｉＯ_２からなる保護膜３２（エッチング保護膜）と保護膜３３を成膜する。ついで、Ｓｉ基板２２の表面において、空洞２３を形成しようとする領域の保護膜３２をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、形成しようとする空洞２３の上面開口に合わせてエッチング窓３４を開口する。

保護膜３２の上からＳｉ基板２２の表面にポリ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ポリシリコン薄膜をパターニングする。これにより、エッチング窓３４内においてＳｉ基板２２の表面にポリシリコン薄膜からなる犠牲層３５を形成する。また、保護膜３２の上面において、ベントホール２６を形成しようとする領域には、犠牲層３５と連続するようにして犠牲層３６を形成する。このときの状態を図４（ｂ）に示す。

ついで、犠牲層３５、３６の上からＳｉ基板２２の表面に、ＳｉＯ_２よりなる保護膜３７を成膜し、図４（ｃ）に示すように、犠牲層３５、３６を保護膜３７で覆い隠す。保護膜３７の上にポリ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ポリシリコン薄膜の不要部分を除去し、図４（ｄ）に示すように、保護膜３７の上にポリシリコン薄膜からなる振動膜２４を形成する。このとき、振動膜２４に垂直な方向から見ると、図７に示すように、犠牲層３５は振動膜２４の周囲よりも内側に引っ込んでおり、犠牲層３６は振動膜２４の隅部を避けるようにして振動膜２４の四辺から振動膜２４の外側へ突出している。

さらに、図５（ａ）に示すように、振動膜２４の上にＳｉＯ_２よりなる保護膜３８を成膜し、振動膜２４を保護膜３８で覆い隠す。

表面側の保護膜３２、３７、３８をバックプレート２７の内面形状に合わせてエッチング加工した後、図５（ｂ）に示すように、保護膜３２、３７、３８の表面にＳｉＮ膜を成膜し、ＳｉＮ膜によってバックプレート２７を形成する。また、バックプレート２７の縁で犠牲層３６の端部に対向する位置に薬液投入口３１を開口し、薬液投入口３１から保護膜３７を露出させる。

さらに、図５（ｃ）に示すように、バックプレート２７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固定電極２９を作製する。

さらに、図５（ｄ）に示すように、エッチングホール３１から保護膜３７にＨＦ水溶液などのエッチャントを接触させて保護膜３７を一部除去し、エッチングホール３１の下に犠牲層３６を露出させる。

犠牲層３６が露出したら、Ｓｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬する。Ｓｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬すると、図６（ａ）に示すように、エッチングホール３１から浸入したＴＭＡＨ等のエッチャントによってポリシリコンの犠牲層３６が等方性エッチングされていく。

犠牲層３６が等方性エッチングされると、除去された跡の空間にエッチャントが浸入し、犠牲層３６がエッチングされた跡にベントホール２６の一部が形成される。ただし、犠牲層３６の跡にエッチャントが浸入しても、そこではＳｉ基板２２の表面が保護膜３２で覆われているので、Ｓｉ基板２２の表面はエッチングされない。

さらに、犠牲層３６がエッチングされてエッチャントが犠牲層３５に達し、犠牲層３５がＴＭＡＨ等のエッチャントによって等方性エッチングされると、図６（ｂ）に示すように、犠牲層３５がエッチングされた後の空間にエッチング窓３４が開口する。ここで、振動膜２４と保護膜３２の間の空間のエッチング開始位置αがエッチング窓３４の端から離れた位置にあるので、振動膜２４と保護膜３２との間の空間にベントホール２６が生じると共にベントホール２６の通路長さを長くすることができる。なお、この実施例では、エッチング開始位置αは、振動膜２４の端に位置していて、犠牲層３６のエッチング開始位置とは異なっている。

エッチング窓３４からＳｉ基板２２の表面が露出すると、エッチング窓３４にＴＭＡＨ等のエッチャントが浸入してＳｉ基板２２が表面側から裏面側へ向けて結晶異方性エッチングされ、さらに水平方向にも犠牲層３５及びＳｉ基板２２のエッチングが進む。その結果、図６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板２２の表面側に空洞２３が形成される。空洞２３は、その上面開口がエッチング窓３４と一致したところでエッチングが停止する。

こうして犠牲層３５、３６が完全にエッチングされ、空洞２３が所望の深さまで達したら、Ｓｉ基板２２をエッチャントから引き上げて空洞２３のエッチング処理を終了する。

ついで、図６（ｃ）に示すように、固定電極２９にエッチングによってアコースティックホール３０をあけ、さらにバックプレート２７にもエッチングによってアコースティックホール２８をあける。

この後、振動膜２４を保護している保護膜３２、３７、３８をＨＦ水溶液などでエッチング除去する。このとき、振動膜２４の四隅に保護膜３２、３７を残して支持ポスト２５を形成する。同時に、裏面側の保護膜３３も除去し、図２（ａ）（ｂ）のような構造のマイクロフォン２１を完成する。

実施例１のマイクロフォン２１にあっては、Ｓｉ基板２２を表面側から結晶異方性エッチングすることによって空洞２３を形成しているので、裏面側で空洞２３が広がらず、空洞２３によってマイクロフォン２１のチップサイズが大型化するのを避けることができる。

また、表面側から空洞２３をエッチングしているにも拘わらず、振動膜２４にエッチングホールを形成する必要がなく、エッチングホールによって振動膜２４の強度を低下させたり、振動膜２４の音響特性を変化させたりする恐れがない。

さらに、振動膜２４は、支持ポスト２５によってその一部分（すなわち、四隅の部分）を固定されているだけであるので、振動膜２４が柔軟に変形することができて弾性変形し易くなり、マイクロフォン２１の感度が向上する。

また、このマイクロフォン２１にあっては、ベントホール２６を通して振動膜２４の上面側と下面側とが連通しているので、振動膜２４の上面側と下面側との静圧差によって振動膜が撓むことによるマイクロフォン２１の感度低下を防ぐことができる。

しかも、このマイクロフォン２１にあっては、薬液投入口３１とエッチング窓３４の縁との距離を長くとることによってベントホール２６の通路長さを長くすることができるので、ベントホール２６の音響抵抗を高くすることができ、それによってマイクロフォン２１の低周波特性を改善することができる。この点を定量的に説明すれば、以下の通りである。

ベントホールの抵抗成分Ｒｖは、
Ｒｖ＝（８μｔａ^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路長さ、ａは振動膜の面積、Ｓｖはベントホールの面積である。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＝２πＲｖ（Ｃbc＋Ｃsp） …（数２）
で表わされる。但し、Ｒｖは上式の抵抗成分、Ｃbcは空洞の音響コンプライアンス、Ｃspは振動膜のスティフネス定数である。

実施例１のマイクロフォン２１では、上述のように薬液投入口３１の位置をエッチング窓３４の縁から離すことにより、Ｓｉ基板２２の上面と振動膜２４との間のベントホール２６の通路長さｔを長くとることができる。よってマイクロフォン２１では、上記（数１）から分かるように、ベントホール２６の通路長さ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、半導体センサ素子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。

米国特許第５,４５２,２６８号などでは、音響抵抗を高めるためにベントホール開口部の断面積を小さくしている。しかし、ベントホールの断面積を小さ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。これに対し、実施例１のマイクロフォン２１ではベントホール２６の通路長さを長くとれるので、図８に示すように、ベントホール２６を通過した後の音響振動を非常に小さくでき、上記のようにマイクロフォン２１の低周波特性を改善できるのである。

図９は実施例１の変形例の製造工程を示す断面図である。この変形例は、空洞２３をＳｉ基板２２の表裏に貫通させたものである。その製造方法としては、前記図４（ａ）〜（ｄ）、図５（ａ）〜（ｄ）及び図６（ａ）（ｂ）のような工程を経た後、図９（ａ）に示すように、エッチング窓３４を通してＳｉ基板２２の表面側から結晶異方性エッチングする。エッチング窓３４は実施例１の場合よりも大きく開口しており、結晶異方性エッチングにより空洞２３を形成する際、長時間ＴＭＡＨ等のエッチャントにＳｉ基板２２を浸漬しておく。その結果、空洞２３はやがてＳｉ基板２２の裏面に達し、Ｓｉ基板２２の表裏に貫通する。この後、図９（ｂ）に示すように、支持ポスト２５を残すようにして、振動膜２４を保護している保護膜３２、３７、３８をＨＦ水溶液などでエッチング除去する。

このような変形例によれば、空洞２３の容積を大きく取れるので、マイクロフォンの音響特性が向上する。すなわち、空洞２３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^２Ｓbc） …（数３）
で表わされる。但し、Ｖbcは空洞２３の体積（バックチャンバー体積）、ρc^２は空気の体積弾性率、Ｓbcは空洞２３の開口部の面積である。

上記変形例では、空洞２３をＳｉ基板２２の表裏両面に貫通させることにより、開口面積に比べて体積の大きな空洞２３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低下しにくくなる。

また、上記変形例では、空洞２３が表裏に貫通しているので、裏面側からも音響振動を感知することができる。

図１０（ａ）〜（ｃ）、図１１（ａ）〜（ｃ）及び図１２（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実施例２によるマイクロフォン４１の製造工程を示す断面図である。この製造工程により得られるマイクロフォン４１では、犠牲層３５、３６やＳｉ基板２２をエッチングする際に振動膜２４をエッチャントから保護するための保護膜が不必要になっているので、マイクロフォン４１の成膜工程が簡略化される。以下、この製造工程を説明する。

まず、図１０（ａ）に示すように、（１００）面又は（１１０）面のＳｉ基板２２（ウエハ）の表面及び裏面にＳｉＮからなる振動膜支持層４２（エッチング保護膜）と保護膜４３を成膜する。ついで、Ｓｉ基板２２の表面において、空洞２３を形成しようとする領域の振動膜支持層４２をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、形成しようとする空洞２３の上面開口に合わせてエッチング窓４４を開口する。

振動膜支持層４２の上からＳｉ基板２２の表面にＳｉＯ_２薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてＳｉＯ_２薄膜をパターニングする。これにより、エッチング窓４４内においてＳｉ基板２２の表面にＳｉＯ_２薄膜からなる犠牲層３５を形成する。また、振動膜支持層４２の上面において、ベントホール２６を形成しようとする領域には、犠牲層３５と連続するようにしてＳｉＯ_２薄膜からなる犠牲層３６を形成する。このときの状態を図１０（ｂ）に示す。

ついで、図１０（ｃ）に示すように、犠牲層３５、３６の上からＳｉ基板２２の表面にＳｉＮからなる振動膜２４を成膜し、犠牲層３５、３６を振動膜２４によって覆う。この後エッチングにより振動膜２４を形成した上で、図１１（ａ）に示すように、振動膜２４の上にＳｉＯ_２薄膜を成膜して保護膜４５を形成し、保護膜４５によって振動膜２４及び振動膜支持層４２を覆う。

図１１（ｂ）に示すように、保護膜４５をバックプレート２７の内面形状に合わせてエッチング加工した後、保護膜４５の表面にＳｉＮ膜を成膜してバックプレート２７を形成する。さらに、バックプレート２７の上にＡｕ／Ｃｒからなる固定電極２９を形成する。

図１１（ｃ）に示すように、エッチングによって固定電極２９にアコースティックホール３０を開口し、ついで、バックプレート２７に薬液投入口３１とアコースティックホール２８を開口する。さらに、薬液投入口３１からその直下の保護膜４５と振動膜２４の端を部分的に開口することによって、薬液投入口３１の直下で振動膜２４にエッチングホール４６を開口し、エッチングホール４６から犠牲層３６を露出させる。

この後、Ｓｉ基板２２をＨＦ水溶液に浸漬すると、ＨＦ水溶液はＳｉＯ_２を等方的にエッチングするので、図１２（ａ）に示すように、薬液投入口３１から浸入したＨＦ水溶液により保護膜４５が等方性エッチングされ、さらにエッチングホール４６から浸入したＨＦ水溶液により犠牲層３６が等方性エッチングされていく。

犠牲層３６が等方性エッチングされると、犠牲層３６が等方性エッチングされた跡にベントホール２６の一部が形成される。さらに、犠牲層３６がエッチングされてＨＦ水溶液が犠牲層３５に達すると、犠牲層３５がＨＦ水溶液によって等方性エッチングされ、犠牲層３５がエッチング除去された跡の空間にエッチング窓３４が開口する。

図１２（ｂ）に示すように、犠牲層３６及び３５が完全にエッチング除去され、また保護膜４５がバックプレート２７の下面の部分を残してエッチングされたら、Ｓｉ基板２２をＨＦ水溶液から引き上げる。ここで、振動膜２４と振動膜支持層４２の間の空間のエッチング開始位置αがエッチング窓３４の端から離れた位置にあるので、振動膜２４と振動膜支持層４２との間の空間にベントホール２６が生じると共にベントホール２６の通路長さを長くすることができる。なお、この実施例では、エッチング開始位置αは、エッチングホール４６の位置にあって、犠牲層３６のエッチング開始位置と一致している。

ついで、Ｓｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬する。このエッチャントは、エッチングホール４６からエッチング窓４４に浸入してＳｉ基板２２を表面側から結晶異方性エッチングする。その結果、図１２（ｃ）に示すように、実施例１の場合と同様に、Ｓｉ基板２２の上面側に空洞２３が形成される。こうして、所望の空洞２３が形成されたらＳｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントから引き上げ、洗浄及び乾燥を行なってマイクロフォン４１を完成する。

このようにしてマイクロフォン４１を製作すれば、Ｓｉ基板２２の表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空洞２３を開口することができ、マイクロフォン４１を小型化することができる。また、振動膜２４には、エッチングホール４６が開口されているが、これはベントホール２６の開口端となるものであって、振動膜２４の振動部分から離れた位置に設けられているので、マイクロフォン４１における振動膜２４の物理的特性を変化させたり、振動膜２４の強度を低下させたりする恐れが小さい。

また、実施例２の場合には、振動膜２４が、Ｓｉ基板２２をエッチングするためのＴＭＡＨ等のエッチャントに耐性を有する材料（ＳｉＮ）で形成されているので、実施例１のように振動膜２４の下面を保護する保護膜が必要なく、マイクロフォン４１の製造工程において成膜作業を簡略にでき、マイクロフォン４１の製造コストを安価にできる。

また、実施例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、実施例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。

図１３（ａ）は本発明の実施例３によるマイクロフォン５１の構造を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＺ−Ｚ線断面図である。このマイクロフォン５１は、振動膜２４にしわ（皺）構造やストッパ５２などの機能部分を設けたものである。

振動膜２４のしわ構造は、四角環状をした屈曲部５３によって構成されている。屈曲部５３は、その断面が振動膜２４の上面側へ突出するように屈曲している。このように振動膜２４にしわ構造を形成すれば、振動膜２４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 maicromachined 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５２は、振動膜２４の表面が丸い突起状に突出したものである。静電容量型のマイクロフォン５１の場合には、振動膜２４が可動電極となり、振動膜２４の上方に固定電極２９が配置される。静電容量型のマイクロフォン５１の場合には、振動膜２４の上面にストッパ５２を設けておけば、振動膜２４が大きく変形した場合でも、ストッパ５２が固定電極に当接することにより、静電力によって振動膜２４が固定電極２９にくっついて戻らなくなるのを防ぐことができる。

図１４（ａ）（ｂ）、図１５（ａ）〜（ｄ）、図１６（ａ）〜（ｄ）、図１７は、上記マイクロフォン５１の製造工程を説明する図である。以下、図１４〜図１７に従ってマイクロフォン５１の製造工程を説明する。まず、図１４（ａ）（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２２の表面及び裏面にＳｉＯ_２薄膜によって保護膜３２（エッチング保護膜）及び保護膜３３を成膜する。ついで、空洞２３の上面開口となる領域内において、屈曲部５３やストッパ５２を設けようとする箇所で保護膜３２をエッチングしてエッチング窓３４を開口する。

そして、保護膜３２の上からＳｉ基板２２の全面にポリシリコン薄膜を形成し、このポリシリコン薄膜を所定パターンとなるようにエッチングし、保護膜３２のエッチング窓３４内に残ったポリシリコン薄膜によって犠牲層３５を形成すると共に、保護膜３２の上面でベントホール２６を形成しようとする領域に犠牲層３６を形成する。

ついで、図１５（ａ）に示すように、犠牲層３５、３６の上からＳｉ基板２２の表面をＳｉＯ_２からなる保護膜３７で覆う。このとき保護膜３７は、各犠牲層３５、３６の上に成膜されるので、各犠牲層３５、３６の部分では保護膜３７は上方に突出している。

図１５（ｂ）に示すように、保護膜３７の上にポリシリコン薄膜からなる振動膜２４を形成する。振動膜２４は、各犠牲層３５、３６の領域では、保護膜３７を介して各犠牲層３５、３６によって持ち上げられるので、犠牲層３５、３６の上で屈曲部５３やストッパ５２が形成される。

さらに、図１５（ｃ）に示すように、振動膜２４の上にＳｉＯ_２からなる保護膜３８を成膜して振動膜２４を覆い隠す。そして、保護膜３７、３８をバックプレート２７の内面形状に合わせてエッチング加工した後、図１５（ｄ）に示すように、保護膜４５の表面にＳｉＮ膜を成膜してバックプレート２７を形成する。さらに、バックプレート２７の上にＡｕ／Ｃｒからなる固定電極２９を形成する。

図１６（ａ）に示すように、エッチングによって固定電極２９にアコースティックホール３０を開口し、ついで、バックプレート２７に薬液投入口３１とアコースティックホール２８を開口する。さらに、薬液投入口３１から直下の保護膜３８、３７を部分的に開口し、薬液投入口３１の下方に犠牲層３６を露出させる。

この後、Ｓｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントに浸漬すると、ＴＭＡＨ等のエッチャントはポリシリコンを等方的にエッチングするので、図１６（ｂ）に示すように、薬液投入口３１から浸入したエッチャントにより犠牲層３６が等方性エッチングされる。

犠牲層３６が等方性エッチングされると、その跡の空間にＴＭＡＨ等のエッチャントが浸入すると共に犠牲層３６が等方性エッチングされた跡にベントホール２６の一部が形成される。さらに、犠牲層３６がエッチングされてエッチャントが犠牲層３５に達すると、図１７において細線の矢印で示すように犠牲層３５がＨＦ水溶液によって等方性エッチングされていき、犠牲層３５がエッチングされた後の空間にエッチング窓３４が開口する。

エッチング窓３４が開口すると、図１７に太線矢印で示すように、エッチング窓３４のエッジ部からＳｉ基板２２の結晶異方性エッチングが進み、図１６（ｃ）に示すように、Ｓｉ基板２２は表面側に空洞２３が形成される。

この結果、Ｓｉ基板２２の表面側には、エッチング窓３４よりも内側の領域でエッチングされた空洞２３ができる。こうして、空洞２３が完全に形成された時点でＳｉ基板２２をＴＭＡＨ等のエッチャントから引き上げる。

Ｓｉ基板２２を洗浄した後、ＨＦ水溶液でＳｉＯ_２からなる保護膜３２、３７、３８をエッチング除去し、図１６（ｄ）に示すように、保護膜３７による支持ポスト２５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マイクロフォン５１を完成する。

なお、実施例１〜３においては、Ｓｉ基板やポリシリコンから成る犠牲層などをＴＭＡＨ等のエッチャントによってエッチングしたが、このエッチャントとしては、ＴＭＡＨ以外にもＫＯＨ、ＥＤＰなども用いることができる。また、半導体基板としては、Ｓｉ基板以外にも、化合物半導体基板などを用いてもよい。

図１（ａ）〜図１（ｄ）は、従来例の圧力センサの製造工程を示す断面図である。 図２（ａ）は本発明の実施例１によるマイクロフォンの構造を示す平面図、図２（ｂ）は図２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。 図３は、バックプレートを除いた状態における実施例１のマイクロフォンの平面図である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、実施例１のマイクロフォンの製造工程を示す断面図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、実施例１のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図４（ｄ）の続図である。 図６（ａ）〜図６（ｄ）は、実施例１のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図５（ｄ）の続図である。 図７は、振動膜と犠牲層との位置関係を表わした平面図である。 図８はベントホールの働きを説明する概略図である。 図９（ａ）及び図９（ｂ）は、実施例１の変形例によるマイクロフォンの製造工程の一部を示す断面図である。 図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、実施例２のマイクロフォンの製造工程を示す断面図である。 図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は、実施例２のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図１０（ｃ）の続図である。 図１２（ａ）〜図１２（ｃ）は、実施例２のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図１１（ｃ）の続図である。 図１３（ａ）は本発明の実施例３によるマイクロフォン（バックプレートを除いている。）の構造を示す平面図、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＺ−Ｚ線断面図である。 図１４（ａ）は、Ｓｉ基板の上に形成された犠牲層の形状を示す平面図、図１４（ｂ）はその断面図である。 図１５（ａ）〜図１５（ｄ）は、実施例３のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図１４の続図である。 図１６（ａ）〜図１６（ｄ）は、実施例３のマイクロフォンの製造工程を示す断面図であって、図１５（ｄ）の続図である。 図１７は、犠牲層が等方性エッチングされる様子と、Ｓｉ基板が結晶異方性エッチングする様子を示す概略図である。

符号の説明

２１ マイクロフォン
２２ Ｓｉ基板
２３ 空洞
２４ 振動膜
２５ 支持ポスト
２６ ベントホール
２７ バックプレート
２９ 固定電極
３１ 薬液投入口
３２、３３ 保護膜
３４ エッチング窓
３５ 犠牲層
３６ 犠牲層
３７ 保護膜
３８ 保護膜
４１ マイクロフォン
４２ 振動膜支持層
４３ 保護膜
４４ エッチング窓
４５ 保護膜
４６ エッチングホール
５１ マイクロフォン
５２ ストッパ
５３ 屈曲部

Claims (9)

1. 半導体基板の表面にエッチング保護膜を形成し、当該エッチング保護膜にエッチング窓を開口する工程と、
   前記エッチング窓の内部と前記エッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続するようにして犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層の上方に振動膜を形成する工程と、
   前記エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記犠牲層のうち前記振動膜と前記エッチング保護膜に挟まれた領域に存在する犠牲層のエッチングを、前記エッチング窓から離間した箇所から開始して、前記エッチング窓を開口させる工程と、
   前記エッチング保護膜が耐性を有するエッチャントを用いて、前記エッチング窓から前記半導体基板を結晶異方性エッチングして前記半導体基板の表面側に空洞を形成する工程と、
   を有することを特徴とするマイクロフォンの製造方法。
2. 前記犠牲層を形成した後で、かつ、前記振動膜を形成する前において、前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエッチャントに耐性を有する材料によって前記犠牲層の上に保護膜を形成する工程をさらに備えたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
3. 前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエッチャントに耐性を有する材料によって前記振動膜の上に保護膜を形成したことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
4. 同一のエッチャントによって前記犠牲層を等方性エッチングすると共に前記半導体基板を結晶異方性エッチングすることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
5. 前記犠牲層をエッチングするための前記エッチャントと異なるエッチャントによって前記半導体基板を結晶異方性エッチングすることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
6. 前記振動膜の上方に、固定電極を備えたバックプレートを形成する工程を備えたことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
7. 前記空洞が、前記半導体基板の表裏に貫通していることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
8. 前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜を屈曲させることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。
9. 前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜の表面に突起を形成することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロフォンの製造方法。

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