JP4771290B2

JP4771290B2 - 圧力センサの製造方法

Info

Publication number: JP4771290B2
Application number: JP2006196578A
Authority: JP
Inventors: 夕輝植屋
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2011-09-14
Anticipated expiration: 2026-07-19
Also published as: JP2008028512A

Description

本発明は圧力センサの製造方法に関し、特に半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造可能なコンデンサマイクロホンの製造方法に関する。

従来、半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造可能なコンデンサ型の圧力センサが知られている。コンデンサ型の圧力センサは、検出対象である圧力変化によって振動するダイアフラムと、空気などの誘電体を間に挟んでダイアフラムに対向するプレートとを備え、ダイアフラムとプレートとの間の静電容量の変化を電気信号に変換する。
特許文献１には、音波による空気圧の変化を検出するコンデンサマイクロホンが開示されている。特許文献１に記載されているコンデンサマイクロホンでは、基板に形成した凹部とそれを覆うダイアフラムとの内側に気室を形成している。しかしながら、特許文献１に記載されている気室の容量は一定である。したがって、低域特性を高めるために気室の容量を大きくすると高域特性が低下し、高域特性を高めるために気室の容量を小さくすると低域特性が低下する。

特表２００４−５３７１８２号公報

本発明は上述の問題を解決するためになされたものであって、低域特性及び高域特性の高い圧力センサの製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記目的を達成するための圧力センサの製造方法は、固定電極を有するプレートと、前記固定電極に対向する可動電極を有し圧力変化によって変位するダイアフラムと、前記プレートを支持し内側に気室を形成する支持体とを備える圧力センサの製造方法であって、前記支持体を構成する基板の第一面上に、前記プレートを構成する薄膜と前記ダイアフラムを構成する薄膜とを堆積により形成し、前記基板の前記第一面と反対側の第二面上に、前記基板の前記プレートを構成する前記薄膜及び前記ダイアフラムを構成する前記薄膜上の部位を露出させる第一開口部と、スリット状の第二開口部と、前記第一開口部から前記第二開口部まで延びるスリット状の第三開口部とを有するマスクを形成し、前記マスクを用いた前記基板の異方性エッチングにより、前記基板の前記第一開口部に対応する部位に穴部を形成し、前記基板の前記第二開口部に対応する前記第二面に第一凹部を形成し、前記基板の前記第三開口部に対応する前記第二面に前記穴部から前記第一凹部まで延びる第二凹部を形成することにより、前記気室を形成する気室形成部を前記基板に形成する、ことを含む。
マスクの第二開口部及び第三開口部はスリット状である。また、マスクの第三開口部は第一開口部から第二開口部まで延びている。したがって、第一開口部から第三開口部を有するマスクを用いて、基板の第一開口部に対応する部位に穴部が形成されるまで基板を異方性エッチングすると、主気室を形成する穴部を基板に形成し、基板の第二開口部及び第三開口部に対応する第二面に上述した副気室形成部を構成する第一凹部及び第二凹部が形成される。これはアスペクト依存エッチング効果によるものである。このように、半導体製造プロセスを応用した簡素な工程によって、主気室と主気室に流路を経由して連通する副気室とで構成される気室を有する圧力センサを製造することができる。

（２）複数の前記第二開口部が短手方向に配列された前記マスクを用いた前記基板の異方性エッチングにより、前記基板に複数の前記第一凹部を形成し、前記基板の隣り合う前記第一凹部の間の壁部を除去する、ことを含んでもよい。
複数の第一凹部を繋げて容量の大きな副気室を形成することができる。
尚、本明細書において、「・・・上に形成する」とは、技術上の阻害要因がない限りにおいて、「・・・上に直に形成する」と、「・・・上に中間物を介して形成する」の両方を含む意味とする。
また、請求項に記載された方法の各動作の順序は、技術上の阻害要因がない限り、記載順に限定されるものではなく、どのような順番で実行されてもよく、また同時に実行されてもよい。

以下、本発明の複数の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態において同一の符号が付された構成要素は、その符号が付された他の実施形態の構成要素と対応する。
（第一実施形態）
図２に示す第一実施形態のコンデンサマイクロホン１は、半導体製造プロセスを用いて製造される所謂シリコンマイクロホンである。コンデンサマイクロホン１は、プレート２２側から到達する音波を電気信号に変換する。

１．感音部の構成
コンデンサマイクロホン１の感音部は、基板１０及び第一膜〜第四膜からなる積層構造を有している。
基板１０は例えば単結晶シリコン基板である。基板１０には、穴部１１、凹部１２、複数の凹部１３が板厚方向に形成されている。凹部１２は穴部１１を囲む環状である。凹部１３は、穴部１１から凹部１２まで穴部１１の径方向に延びる線状である。

第一膜は二酸化シリコン等からなる絶縁性の薄膜である。第一膜はダイアフラム２０と基板１０との間に空隙が形成されるように第二膜を基板１０上に支持している。第一膜には円形の開口１４が形成されている。
第二膜は例えばＰ（リン）が不純物として添加されたポリシリコンからなる導電性の薄膜である。第二膜の第三膜に固着していない部分はダイアフラム２０を構成している。ダイアフラム２０は第一膜とも第三膜とも固着しておらず、音波によって振動する可動電極として機能する。ダイアフラム２０は第一膜の開口１４を覆う円形である。

第三膜は第一膜と同様に例えば二酸化シリコンからなる絶縁性の薄膜である。第三膜は、導電性の第二膜と第四膜とを絶縁し、第四膜を第二膜上に支持している。第三膜には円形の開口１５が形成されている。
第四膜は、第二膜と同様に例えばＰが不純物として添加されたポリシリコンからなる導電性の薄膜である。第四膜の第三膜に固着していない部分はプレート２２を構成している。プレート２２には複数の通孔２３が形成されている。

基板１０と第一膜と第三膜と第二膜及び第四膜の第三膜に固着していない部分とは支持体２４を構成している。図１に示すように、支持体２４は、主気室４１と、流路４３を経由して主気室４１に連通する副気室４２とからなる背部気室４０を形成する。背部気室４０は音波の進行方向の反対側からダイアフラム２０が受ける圧力を緩和する。主気室４１は、ダイアフラム２０と第二膜の開口１４と基板１０の穴部１１とコンデンサマイクロホン１が実装されているプリント基板６０との内側に形成される。副気室４２は、基板１０の凹部１２とプリント基板６０との内側に形成される。流路４３は、基板１０の凹部１３とプリント基板６０との内側に形成される。基板１０の凹部１２及び凹部１３が請求項に記載の「副気室形成部」に相当し、基板１０の穴部１１、凹部１２及び凹部１３が請求項に記載の「気室形成部」に相当する。

２．検出部の構成
次に、図２（Ａ）に示す回路図に基づいて、コンデンサマイクロホン１の検出部の一例を説明する。ダイアフラム２０はバイアス電源に接続されている。具体的には、バイアス電源の端子１０２に接続されているリード１０４及びリード１０６がそれぞれ第二薄膜及び基板１０に接続されている。この結果、ダイアフラム２０と基板１０とは実質的に同じ電位となる。また、プレート２２はオペアンプ１００の入力端子に接続されている。具体的には、オペアンプ１００の入力端子に接続されているリード１０８が第四膜に接続されている。オペアンプ１００の入力インピーダンスは高い。

３．コンデンサマイクロホンの作動
音波がプレート２２の通孔２３を通過してダイアフラム２０に伝搬すると、ダイアフラム２０は音波により振動する。ダイアフラム２０が振動すると、その振動によりダイアフラム２０とプレート２２との間の距離が変化し、ダイアフラム２０とプレート２２とにより形成される静電容量が変化する。

プレート２２は、上述したように入力インピーダンスの高いオペアンプ１００に接続されている。そのため、ダイアフラム２０とプレート２２とにより形成される静電容量が変化したとしても、プレート２２に存在する電荷のオペアンプ１００への移動量は極わずかである。したがって、プレート２２及びダイアフラム２０に存在する電荷は変化しないものとみなすことができる。これにより、ダイアフラム２０とプレート２２とにより形成される静電容量の変化をプレート２２の電位変化として取り出すことができる。このようにしてコンデンサマイクロホン１は、ダイアフラム２０とプレート２２とにより形成される静電容量の極めてわずかな変化を電気信号として出力する。すなわち、コンデンサマイクロホン１は、ダイアフラム２０に加わる音圧の変化を静電容量の変化に変換し、静電容量の変化を電圧の変化に変換することにより、音圧の変化に相関する電気信号を出力する。

一方、背部気室４０内の圧力（以下、背圧という。）は、ダイアフラム２０の振動により変化する。したがって、背部気室４０の容量はダイアフラム２０の振動に影響し、コンデンサマイクロホン１の出力特性に影響する。具体的には、背部気室４０の容量を大きくするとコンデンサマイクロホン１の低域特性を改善することができ、背部気室４０の容量を小さくするとコンデンサマイクロホン１の高域特性を改善することができる。

ここで、背部気室４０の主気室４１及び副気室４２を連通させる流路４３の流路抵抗は、流路４３を流れる空気の流通速度に応じて増大する。したがって、背圧変化の周波数が高くなると、すなわち周波数の高い音波によってダイアフラム２０の変位の周波数が高くなると、主気室４１と副気室４２との間の空気の流通が殆どなくなる。この結果、背部気室４０の実質的な容量は、主気室４１の容量と見なすことができる。一方、背圧変化の周波数が低くなると、すなわち周波数の低い音波によってダイアフラム２０の変位の周波数が低くなると、主気室４１と副気室４２との間を空気が十分に流通する。この結果、背部気室４０の実質的な容量は、主気室４１及び副気室４２の容量の和と見なすことができる。

このように背部気室４０の実質的な容量が音波の周波数に応じて変化するため、低域特性及び高域特性の両方を高めることができる。コンデンサマイクロホン１では、主気室４１の容量、副気室４２の容量、流路４３の流路抵抗を設定することにより、出力特性の調整が可能である。流路４３の流路抵抗は、基板１０に形成する凹部１３の長さ、幅、深さ等で設定可能である。凹部１３の基板１０の板厚方向の大きさは凹部１２よりも小さくなくてもよい。尚、図２に示すコンデンサマイクロホン１において、凹部１３の長さとは凹部１３の穴部１１の径方向の大きさを意味し、凹部１３の幅とは凹部１３の穴部１１の周方向の大きさを意味し、凹部１３の深さとは凹部１３の基板１０の板厚方向の大きさを意味する。

４．コンデンサマイクロホンの製造方法
はじめに、図３（Ａ１）に示すように、基板１０（図２参照）となるウェハ５０上に第一膜５１を堆積により形成する。例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）で単結晶シリコンウェハ５０上に二酸化シリコンを堆積させることにより第一膜５１を形成する。

次に、第一膜５１上に第二膜５２を堆積により形成する。具体的には、例えば次のとおりである。減圧ＣＶＤ法を用いてＰが添加されたポリシリコンを第一膜５１上に堆積させることにより、第二膜５２を形成する。次に、第二膜５２の表面全体にフォトレジスト膜を塗布した後、所定のレジストマスクを用いた露光及び現像を行うフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成する。そして、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等の異方性エッチングによって第二膜５２を選択的に除去することにより、円形の第二膜５２を形成する。
次に、図３（Ａ２）に示すように、第二膜５２上に第三膜５３を堆積により形成する。例えばプラズマＣＶＤを用いて第二膜５２上に二酸化シリコンを堆積させることにより第三膜５３を形成する。

次に、図３（Ａ３）に示すように、第三膜５３上に第四膜５４を堆積により形成する。具体的には、例えば次のとおりである。減圧ＣＶＤ法を用いてＰが添加されたポリシリコンを第三膜５３上に堆積させることにより第四膜５４を形成する。次に、第四膜５４の表面全体にフォトレジスト膜を塗布した後、所定のレジストマスクを用いた露光及び現像を行うフォトリソグラフィによりレジストパターンを形成する。そして、ＲＩＥ等の異方性エッチングによって第四膜５４を選択的に除去することにより、多数の通孔２３を有する円形の第四膜５４を形成する。

次に、図４（Ａ４）に示すように、ウェハ５０の第一膜５１〜第四膜５４を積層した第一面５０ａと反対側の第二面５０ｂ上に、第一開口部５５ａ〜第三開口部５５ｃを有するマスク５５を形成する。例えばウェハ５０の第二面５０ｂ全体にフォトレジスト膜を塗布した後、所定のレジストマスクを用いた露光及び現像を行うフォトリソグラフィによりマスク５５を形成する。第一開口部５５ａはウェハ５０の第二膜５２及び第四膜５４の一部上の部位を露出させる円状である。第二開口部５５ｂは第一開口部５５ａの外側を囲む環状のスリットである。複数の第三開口部５５ｃは、第二開口部５５ｂよりもスリット幅の狭いスリットであり、第一開口部５５ａから第二開口部５５ｂまで放射状に延びている。例えば、第二開口部５５ｂのスリット幅は１μｍ〜１００μｍ（好ましくは１μｍ〜７０μｍ）であり、第三開口部５５ｃのスリット幅は１μｍ〜５０μｍμｍ（好ましくは１μｍ〜４０μｍ）である。尚、図２に示すコンデンサマイクロホン１において、第二開口部５５ｂのスリット幅とは第二開口部５５ｂの第一開口部５５ａの径方向の大きさを意味し、
第三開口部５５ｃのスリット幅とは第三開口部５５ｃの第一開口部５５ａの周方向の大きさを意味する。

次に、図４（Ａ５）に示すように、マスク５５を用いてウェハ５０を異方性エッチングすることにより、ウェハ５０に穴部１１、凹部１２及び凹部１３を形成する。具体的には、例えばＤｅｅｐ−ＲＩＥによってマスク５５から露出するウェハ５０を選択的に除去する。この異方性エッチングは、ウェハ５０の第一開口部５５ａに対応する部位に穴部１１が形成されるまで行う。ここで第二開口部５５ｂ及び第三開口部５５ｃのスリット幅は第一開口部５５ａの直径より狭い。そして、第三開口部５５ｃのスリット幅は第二開口部５５ｂよりも狭い。したがって、アスペクト依存エッチング効果によって、ウェハ５０の第二開口部５５ｂ及び第三開口部５５ｃに対応する部位のエッチング速度は、第一開口部５５ａに対応する部位よりも遅くなる。そして、ウェハ５０の第三開口部５５ｃに対応する部位のエッチング速度は第二開口部５５ｂに対応する部位よりも遅くなる。この結果、ウェハ５０の第二開口部５５ｂに対応する部位には凹部１２が形成される。そして、ウェハ５０の第三開口部５５ｃに対応する部位には、凹部１２より深さが小さい凹部１３が形成される。

次に、マスク５５を除去する。例えばマスク５５の除去にはＮＭＰ（Ｎ−メチル−２−ピロリドン）等のレジスト剥離液を用いる。
次に、例えばバッファードフッ酸（Buffered HF）等のエッチング液を使用した等方的なウェットエッチング、若しくは等方的なエッチングと異方的なエッチングの組み合わせにより、シリコン酸化膜である第一膜５１及び第三膜５３を選択的に除去する。このときエッチング液は、第四膜５４の通孔２３及びウェハ５０の穴部１１から浸入し、第一膜５１及び第三膜５３を溶解させる。通孔２３及び穴部１１の形状及び配置を適切に設計することにより、第一膜５１及び第三膜５３にはそれぞれ開口１４及び開口１５が形成され、感音部のダイアフラム２０、プレート２２、支持体２４が形成される（図１参照）。
その後のダイシング、パッケージング等の工程を経て、コンデンサマイクロホン１が完成する。

５．コンデンサマイクロホンの製造方法の変形例
はじめに、上述した製造方法と同様にしてウェハ５０の第一面５０ａ上に第一膜５１〜第四膜５４を堆積により形成する。
次に、図５（Ａ１）に示すように、ウェハ５０の第二面５０ｂ上にマスク２５５を形成する。マスク２５５には、第二開口部５５ｂが第一開口部５５ａの外側に多重に形成されている。隣り合う第二開口部５５ｂの間隔は、第一開口部５５ａと第二開口部５５ｂとの間隔より狭い。具体的には例えば、第一開口部５５ａと第二開口部５５ｂとの間隔は２０μｍより大きく、隣り合う第二開口部５５ｂの間隔は２０μｍ以下である。

次に、上述した製造方法と同様にして、マスク２５５を用いてウェハ５０を異方性エッチングする。この結果、ウェハ５０には穴部１１と、穴部１１を多重に囲む複数の凹部２１２と、凹部１３とが形成される。隣り合う凹部２１２の間の壁部２７２は、穴部１１と凹部２１２との間の壁部２７１よりも薄い。
次に、図５（Ａ２）に示すように、隣り合う凹部２１２の間の壁部２７２を除去することにより、副気室４２（図２参照）を形成する凹部１２をウェハ５０に形成する。具体的には、例えば次のとおりである。単結晶シリコンのウェハ５０の第二面５０ｂを熱酸化させることにより、壁部２７２全体を酸化シリコンに変質させる。次に、バッファードフッ酸等のエッチング液を用いたウェットエッチングにより、壁部２７２を選択的に除去する。
その後の工程は、上述した製造方法と実質的に同一である。尚、上記製造方法の変形例では、壁部２７２が壁部２７１よりも薄くなるように複数の凹部２１２をウェハ５０に形成した。しかし、隣り合う凹部２１２の間の壁部２７２を壁部２７１に対して選択的に除去可能な限り、複数の凹部２１２はどのような配置で形成してもよい。

（第二実施形態）
第二実施形態のコンデンサマイクロホンの構成要素は、支持体２４の形状が異なることを除き、第一実施形態のコンデンサマイクロホン１の対応する構成要素と実質的に同一である。第二実施形態に係る支持体２４は、主気室４１と主気室４１に連通する複数の副気室４２とから構成される背部気室を形成する。各副気室４２は流路抵抗の異なる流路４３を経由して主気室４１に連通している。このようなコンデンサマイクロホンは、例えば穴部１１と、複数の円弧状の凹部１２と、穴部１１から各凹部１２に延びる凹部１３とをウェハ５０の第二面５０ｂに形成することにより製造することができる。
コンデンサマイクロホンに要求する出力特性に応じて複数の流路４３の流路抵抗を個別に設定することにより、出力特性を微妙に調整することができる。複数の副気室４２は同一容量でもよいし、互いに異なる容量でもよい。複数の副気室４２の容量を個別に設定することにより、出力特性をさらに微妙に調整することができる。

（他の実施形態）
上記複数の実施形態では、圧力センサとしてのコンデンサマイクロホンの製造方法を説明した。しかし、本発明は音圧以外の圧力変化を検出する圧力センサの製造方法にも適用可能である。
また、上記複数の実施形態では、支持部に全周で固定された円形のダイアフラム２０及びプレート２２を備えるコンデンサマイクロホンを例示したが、ダイアフラム及びプレートにより構成されるセンサ部の構成はこれに限定されない。例えばダイアフラム及びプレートの板厚方向の端の一部を支持部に固定してもよい。具体的には両持ち梁状にダイアフラムを支持部に固定してもよいし、片持ち梁状にダイアフラムを支持部に固定してもよい。また、ダイアフラム及びプレートの形状は円形に限定されない。具体的にはダイアフラム及びプレートは多角形でもよい。また、プレートをダイアフラムより背部気室側に設けてもよい。また、ダイアフラムを支持部に直に固定しなくてもよい。具体的にはダイアフラムをプレートに吊り下げてもよいし、ダイアフラムをプレートに担持させてもよい。

また、上記複数の実施形態では、副気室形成部を基板１０の第二面に形成した凹部１２及び凹部１３で構成した。しかし、副気室形成部は支持体２４以外の物で構成してもよい。例えば、コンデンサマイクロホンのパッケージの一部に副気室を設け、その副気室と主気室とを基板１０に設けた流路で連通させてもよい。

また、上記第一実施形態では、円柱形の主気室４１を例示したが、主気室の形状はこれに限定されない。また、環状の副気室４２を例示したが、副気室はＣ字状でもよいし柱状でもよい。また、線状の流路４３を例示したが、流路は屈曲してもよい。
また、上記第一実施形態では、主気室４１と副気室４２とを複数の流路４３で連通させたが、主気室と副気室とを１つの流路で連通させてもよい。
また、上記第二実施形態では、主気室４１と複数の副気室４２とをそれぞれ流路抵抗の異なる流路４３で連通させたが、これらを同一流路抵抗の流路で連通させてもよい。主気室と１つの副気室とで背部気室を形成する場合よりも、副気室の配置の自由度を高めることができる。

第一実施形態のコンデンサマイクロホンを説明するための断面図。（Ａ）は（Ｂ）のＡ２−Ａ２線による断面図。（Ｂ）は第一実施形態のコンデンサマイクロホンの底面図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す模式図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す模式図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法の変形例を示す模式図。

符号の説明

１：コンデンサマイクロホン、１０：基板、１１：穴部（気室形成部）、１２、２１２：凹部（副気室形成部、気室形成部）、１３：凹部（副気室形成部、気室形成部）、２０：ダイアフラム、２２：プレート、２４：支持体、４０：背部気室（気室）、４１：主気室、４２：副気室、４３：流路、５０：ウェハ（基板）、５０ａ：第一面、５０ｂ：第二面、５１：第一膜、５２：第二膜（ダイアフラムを構成する薄膜）、５３：第三膜、５４：第四膜（プレートを構成する薄膜）、５５、２５５：マスク、５５ａ：第一開口部、５５ｂ：第二開口部、５５ｃ：第三開口部、２７２：壁部

Claims

固定電極を有するプレートと、前記固定電極に対向する可動電極を有し圧力変化によって変位するダイアフラムと、前記プレートを支持し内側に気室を形成する支持体とを備える圧力センサの製造方法であって、
前記支持体を構成する基板の第一面上に、前記プレートを構成する薄膜と前記ダイアフラムを構成する薄膜とを堆積により形成し、
前記基板の前記第一面と反対側の第二面上に、前記基板の前記プレートを構成する前記薄膜及び前記ダイアフラムを構成する前記薄膜上の部位を露出させる第一開口部と、スリット状の第二開口部と、前記第一開口部から前記第二開口部まで延びるスリット状の第三開口部とを有するマスクを形成し、
前記マスクを用いた前記基板の異方性エッチングにより、前記基板の前記第一開口部に対応する部位に穴部を形成し、前記基板の前記第二開口部に対応する前記第二面に第一凹部を形成し、前記基板の前記第三開口部に対応する前記第二面に前記穴部から前記第一凹部まで延びる第二凹部を形成することにより、前記気室を形成する気室形成部を前記基板に形成する、
ことを含む圧力センサの製造方法。
複数の前記第二開口部が短手方向に配列された前記マスクを用いた前記基板の異方性エッチングにより、前記基板に複数の前記第一凹部を形成し、
前記基板の隣り合う前記第一凹部の間の壁部を除去する、ことを含む請求項１に記載の圧力センサの製造方法。