JP5130225B2 - 音響的な信号を受信および／または発生させるためのマイクロマシニング構造体、マイクロマシニング構造体を製造するための方法、およびマイクロマシニング構造体の使用法 - Google Patents

Description

背景技術
本発明は、請求項１の上位概念部に記載した、媒体内で音響的な信号を受信および／または発生させるためのマイクロマシニング構造体であって、該マイクロマシニング構造体が前記媒体によって少なくとも部分的に取り囲まれている形式のものに関する。

アメリカ合衆国特許出願第２００２０１５１１００号明細書によれば、マイクロフォンキャビティを有する、モノリシックに一体化された圧力センサが公知である。このような圧力センサでは、バックプレートが、中間レベルに位置する音響的なダイヤフラムの上方に配置されていて、ダイヤフラムが、キャビティの上方に配置されていて、キャビティが下側に向かって基板で閉鎖されている。このようなセンサでは、下側に向かって閉鎖された基板のために、音響的な信号を上側もしくは下側の面で入力結合および／または出力結合ができないことが不利である。これによって、この配置の感度が減じられていることも不利である。

発明の利点
本発明の請求項に記載した、マイクロマシニング構造体を少なくとも部分的に取り囲んでいる媒体内で、音響的な信号を受信および／または発生させるための、本発明によるマイクロマシニング構造体もしくは、マイクロマシニング構造体を製造するための方法もしくは、本発明によるマイクロマシニング構造体の使用法は、前記従来技術のものに対して、次のような利点がある。すなわち、簡単な方法でマイクロマシニング構造体の音響特性を改善することができるにもかかわらず、このマイクロマシニング構造体は比較的簡単かつ頑丈な製造工程によって製造可能である。本発明によるマイクロマシニング構造体は、第１の対向エレメントと第２の対向エレメントとの間にダイヤフラムを埋め込む（埋設ダイヤフラム）ことによって、高い機械的な安定性を有している。

第１の対向エレメントとダイヤフラムとの間に第１のキャビティが形成されていて、ダイヤフラムと第２の対向エレメントとの間に第２のキャビティが形成されていて、第１の対向エレメントが、ダイヤフラムと比較して数倍大きい質量を有していておよび／または第２の対向エレメントが、ダイヤフラムと比較して数倍大きい質量を有していると、特に有利である。これによって、簡単な方法でマイクロマシニング構造体の音響特性をさらに改善することが可能である。

マイクロマシニング構造体を、電子回路とモノリシックに一体化して設けることも可能である。これによっていわゆるワンチップ化によって、音響的な信号と電気的な信号の間の変換のためのマイクロマシニング構造体と、電子信号を評価もしくは提供するための電子回路とを有する一式のユニットにまとめることが可能である。

第１の対向エレメントおよび／または第２の対向エレメントが実質的に半導体材料で形成されていて、ダイヤフラムが半導体材料を有していて、第１の対向エレメントが第１の電極を有していて、第２の対向エレメントが第２の電極を有していて、ダイヤフラムが第３の電極を有しているとさらに有利である。これによって、電極間で容量変化の差分評価が可能にされているという点では、マイクロマシニング構造体の電気的な特性を最適化することが有利な形式で可能となる。

冒頭に記載した発明の別の課題は、本発明によるマイクロマシニング構造体を製造する方法である。本発明による方法では、第１のキャビティを形成するために、第１の犠牲層を未加工基板上に微細加工して被着する、もしくは未加工基板内に微細加工して導入し、それによって第１の前駆構造体を提供し、次いでダイヤフラムを形成するために、少なくとも第１のダイヤフラム層を第１の前駆構造体上に被着し、次いで第１のキャビティを形成するために、第２の犠牲層を被着し、次いで第１の対向エレメントを形成するために、エピタキシャル層を被着し、次いで第１の開口および第２の開口を対向エレメント内に設け、第１のキャビティおよび第２のキャビティを形成するために、第１の犠牲層および第２の犠牲層を除去する。これによって、本発明によるマイクロマシニング構造体を、比較的頑丈で、かつ比較的廉価な製造工程によって製造することが有利な形式で可能である。

マイクロマシニング構造体を形成した後に、マイクロマシニング構造体に電子回路をモノリシックに一体化して形成することも可能である。この場合、電子回路は第１の面もしくは第２の面に配置されている。電子回路をモノリシックに一体化することで、一式のセンサユニット、もしくは一式のマイクロフォンユニットを１つの部品として形成することができる。

図面
以下に本発明の実施例を図面につき詳しく説明する。

図１および図２は、先行技術による公知のマイクロマシニング構造体を示す概略図であり、図３は、本発明によるマイクロマシニング構造体を示す概略図であり、図４および図５は、本発明によるマイクロマシニング構造体の前駆構造体を示す概略図である。

図１および図２には、先行技術により公知の２つのマイクロマシニング構造体１００が図示されている。これらのマイクロマシニング構造体１００はそれぞれ、ダイヤフラム（薄膜）１２０と格子状の対向電極１３０とを有している。一方では、ダイヤフラム１２０が第１の面１１１でマイクロマシニング構造体の表面を形成していて（図１）、他方では、ダイヤフラム１２０が埋設されている、つまりマイクロマシニング構造体１００の対向電極１３０が、第１の面１１１でマイクロマシニング構造体の表面を形成している（図２）。

図３には、本発明によるマイクロマシニング構造体１０が図示されている。図４には、第１の前駆構造体５０が図示されていて、図５には、第２の前駆構造体６０が図示されている。図３および図５は、以下で一緒に説明される。本発明によるマイクロマシニング構造体１０は、第１の対向エレメント２０と、ダイヤフラム３０と、第２の対向エレメント４０とを有する。第１の対向エレメント２０は第１の開口２１を有していて、第２の対向エレメント４０は第２の開口４１を有している。第１の開口２１および第２の開口４１は本発明では特に、第１の対向エレメント２０および第２の対向エレメント４０が格子状の構造を有することによって実現されている。第１の対向エレメント２０が、本発明によって、マイクロマシニング構造体１０の第１の面１１を形成し、第２の対向エレメント４０が、本発明によって、マイクロマシニング構造体１０の第２の面１２を形成している。

本発明によるマイクロマシニング構造体１０は、特にマイクロフォン、あるいはスピーカとして使用されることに適している。特にこのように使用される場合、このマイクロマシニング構造体１０は、マイクロマシニング構造体１０を取り囲む媒体の材料振動に対する高い感度と、特に機械的な影響に対する高い頑丈さを兼ね備える。というのは、（比較的壊れやすい）ダイヤフラム３０が、マイクロマシニング構造体１０内で、両対向エレメント２０，４０の間に埋め込まれて、もしくは一般的に保護されて、配置されているからである。本発明では特に、第１の対向エレメント２０の厚さや、第２の対向エレメント４０の厚さよりも比較的薄いダイヤフラム３０が、背面（第２の面）１２に対しても保護されているように設けられている。このことによって、半導体製造工程でも、試験工程でも、パッケージング工程でもウェハを取り扱う際に、ダイヤフラム３０が直接に機械的な接触にさらされることがない。取り付けた状態では、対向エレメント２０，４０の比較的剛性な構造がマイクロマシニング構造体の頑丈性を高める。本発明によるマイクロマシニング構造体１０の構造は、マイクロフォンとしての使用だけでなく、スピーカとしての使用の際もフリップチップ接合が可能である。というのは、表面上のトポグラフィ（Ｔｏｐｏｇｒａｐｈｉｅ）が比較的小さく、そのために最新の低電圧のＣＭＯＳプロセスと組合せ可能だからである。フリップチップ接合は、金属接続部分（図示せず）を介して、構造体１０の第１の面１１にわたって行うことができる。以下では、第１の対向エレメント２０は第１の対向電極２０、第２の対向エレメント４０は第２の対向電極４０として表される。第１のキャビティもしくは第２のキャビティと、本発明によるマイクロマシニング構造体１０の外面との間の圧力補償を行うために、第１の開口２１は第１の対向電極２０内に設けられ、第２の開口４１は第２の対向電極４０内に設けられている。本発明では、ダイヤフラム３０が部分的に開かれて設けられている、もしくはダイヤフラム３０が、静力学的な圧力補償ための開口（図示せず）を備えていることも可能である。ダイヤフラム３０内の開口の代わりに、マイクロマシニング構造体１０の別の領域に、圧力補償のための開口を設けてもよい。

ダイヤフラム３０は、自由に運動可能に設けられていて、マイクロマシニング構造体１０を取り囲んでいる媒体、特にガス、あるいは特に空気の、音響的な信号（波）によって励起されて運動をせしめられ、それによってダイヤフラム３０が振動する。ダイヤフラム３０のこの運動によって、ダイヤフラム３０にわたって（つまり、マイクロマシニング構造体１０の第１の面の上に）設置されている第１の対向エレメント２０に対する間隔が減少されるか、もしくは増大される。この間隔の変化が本発明に従って、容量的に評価される。このため本発明によれば、有利な形式で第１の対向エレメント２０が第１の電極を有し、ダイヤフラム３０が第２の電極を有し、第２の対向エレメント４０が第３の電極を有している。図３にはさらに、これらの電極に対応しているコンデンサ配列C１，C２が概略的に図示されている。これらのコンデンサ配列C１，C２は、対向エレメント２０，対向エレメント４０およびダイヤフラム３０の形式で構成されている。この図では第１のコンデンサC１が、第１の対向エレメント２０とダイヤフラム３０との間に形成され、第２のコンデンサC２が、ダイヤフラム３０と第２の対向エレメント４０との間に形成されている。ダイヤフラム３０と第１の対向エレメント２０との間隔が小さいことで、高い電気的な感度を引き出すことが有利な形式で可能となる。これによって、ダイヤフラム３０は制御された張力下で形成することができるにもかかわらず、高い感度を得ることができる。

ダイヤフラム３０と相対的に対向エレメント２０，４０を両面に配置することによって、本発明によるマイクロマシニング構造体１０を容量変化の差分評価のために適用することが可能であり、これによってより高い感度が得られる。さらに、構造体１０の第１の面１１だけでなく、構造体１０の第２の面１２の、マイクロマシニング構造体１０を取り囲む媒体の音響的な振動もしくは音響的な信号を入力結合させることができる。ダイヤフラム３０が、測定電極として接触せしめられると、さらに、第１の対向エレメント２０および第２の対向エレメント４０がアースに接続され、それによって、周囲の汚れや電荷に対する電気的な感度が低下する。第１の対向エレメント２０は、上記の機能の他にも、マイクロフォン設計における他の機械的または電気的な機能のための第１の電極として使用されてよい（ばねの形成や運動可能なダイヤフラムの張設、たとえば感度の電気的な調整のための、個別の構成要素の電気的な接触）。

本発明による、マイクロマシニング構造体１０を製造するための方法を具体的に示すために、図４にマイクロマシニング構造体１０の第１の前駆構造体５０が図示されている。第１の前駆構造体５０は、マイクロマシニング構造体１０の未加工基板１５を有している。未加工基板１５には、第１の犠牲層４９が導入されている。この未加工基板１５は、特に、ドープされたシリコン基板である。第１の犠牲層４９は、たとえば、未加工基板の酸化された領域であり、つまり第１の犠牲層４９は未加工基板１５内に導入されて設けられている。択一的には、第１の犠牲層４９は未加工基板１５上に微細加工されて、たとえば析出されて被着されていてよい。

図５には、第２の前駆構造体６０が図示されている。この場合、第１の犠牲層４９上のダイヤフラム領域内でしかも未加工基板１５上のダイヤフラム領域の外に、少なくとも第１のダイヤフラム層３１が、第１の前駆構造体５０上に被着されている。本発明では特に、複数の、たとえば３つ（あるいは３つ以上または３つ以下）のダイヤフラム層が被着されている。図５では、第１のダイヤフラム層３１の他に第２のダイヤフラム層３２および第３のダイヤフラム層３３が図示されている。これらのダイヤフラム層３１，３２，３３は一緒にダイヤフラム３０を形成している。本発明によるとダイヤフラム３０上に第２の犠牲層２９が被着されている。次いで犠牲層２９に、第２の前駆構造体５０を形成するためにエピタキシャル層１６が被着されている。

本発明によるマイクロマシニング構造体１０を形成するために、第１の面１１の第１の開口２１が、エピタキシャル層１６内に、特に異方性トレンチエッチングプロセスによって設けられている。次いで、同じように第１の面から、第２の犠牲層２９がエッチングされ、それによって第１のキャビティ２５が形成される。続いて、第２の面１２の第２の開口４１が、未加工基板１５内に、特に異方性トレンチエッチングプロセスによって設けられている。その後に、同じように第２の面１２から、第１の犠牲層４９がエッチングされ、それによって第２のキャビティ３５が形成される。当業者には、第２の面１２の加工を第１の面１１の加工前に行ってもよいということがわかる。

第１の電極を形成するために、エピタキシャル層１６が、その場でドープされて（ｉｎ−ｓｉｔｕ−ｄｏｔｉｅｒｔ）設けられているか、またはエピタキシャル層１６内にドープした領域が導入されている。第３の電極を形成するために、第２の対向エレメント４０もしくは未加工基板１５は、ドープして設けられているか、または第２の対向エレメント４０内にドープした領域が導入されている。図示された例では、ダイヤフラム３０内に第２のダイヤフラム層３２が、特に多結晶シリコンから成り、相応のドーピング部を有する、相応の導電性の層として設けられている。

第１のダイヤフラム層３１と、第２のダイヤフラム層３２と、第３のダイヤフラム層３３から成るダイヤフラム３０の積層は、たとえば、シリコン窒化物、ポリシリコン、シリコン窒化物の順番より成っている。５つのダイヤフラム層を有するダイヤフラム構造は、たとえば、窒化物、酸化物、ポリシリコン、酸化物、窒化物の連続を有することができる。４つのダイヤフラム層から成るダイヤフラム構造は、たとえば酸化物、ポリシリコン、窒化物、再酸化された窒化物から成っていてよい。ダイヤフラムを形成する際には、ダイヤフラムが一般的に張力下に置かれるように留意すると有利である。これはたとえば、ダイヤフラム３０の積層内に引っ張られた層を、たとえば、ＬＰＣＶＤ（低圧化学気相成長）によるシリコン窒化物層によって導入することで達成される。ダイヤフラム内に張力を形成するためには、機械的な特性が良好に調節可能である材料が用いられる（たとえば、熱酸化物やＬＰＣＶＤによる窒化物）。ポリシリコン層は、いかなる場合でもドープされ、第２の電極３２の導電性のコンデンサ板として役立つ。ポリシリコン層の厚さは、ポリシリコン層の張力が、全張力にほとんど影響を与えることがない程度に選定されている。

先行技術による公知のマイクロマシニング構造体を示す概略図である。 先行技術による公知のマイクロマシニング構造体を示す概略図である。 本発明によるマイクロマシニング構造体を示す概略図である。 本発明によるマイクロマシニング構造体の前駆構造体を示す概略図である。 本発明によるマイクロマシニング構造体の前駆構造体を示す概略図である。

Claims (17)

1. 媒体内で音響的な信号を受信および／または発生させるためのマイクロマシニング構造体（１０）であって、該マイクロマシニング構造体（１０）が前記媒体によって少なくとも部分的に取り囲まれている形式のものにおいて、
   マイクロマシニング構造体（１０）が、第１の対向エレメント（２０）を有していて、該第１の対向エレメント（２０）は、該第１の対向エレメント（２０）が格子状の構造を有するように第１の開口（２１）を有していて、第１の対向エレメント（２０）が、該マイクロマシニング構造体（１０）の第１の面（１１）を実質的に形成しており、
   マイクロマシニング構造体（１０）が、第２の対向エレメント（４０）を有していて、該第２の対向エレメント（４０）は、該第２の対向エレメント（４０）が格子状の構造を有するように第２の開口（４１）を有していて、第２の対向エレメント（４０）が、該マイクロマシニング構造体（１０）の第２の面（１２）を実質的に形成しており、
   マイクロマシニング構造体（１０）が、前記第１の対向エレメント（２０）と前記第２の対向エレメント（４０）との間に配置されている、実質的に閉鎖されたダイヤフラム（３０）を有しており、
   第１の対向エレメント（２０）とダイヤフラム（３０）との間に第１のキャビティ（２５）が形成されていて、ダイヤフラム（３０）と第２の対向エレメント（４０）との間に第２のキャビティ（３５）が形成されていて、第２のキャビティ（３５）は、未加工の基板（１５）内に第１の犠牲層（４９）を導入し、該犠牲層（４９）を除去することで、未加工の基板（１５）内に形成されており、
   ダイヤフラム（３０）が、複数のダイヤフラム層を有している、ことを特徴とするマイクロマシニング構造体。
2. 第１の対向エレメント（２０）が、ダイヤフラム（３０）と比較して数倍大きい質量を有しており、および／または、第２の対向エレメント（４０）が、ダイヤフラム（３０）と比較して数倍大きい質量を有している、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
3. 第１の対向エレメント（２０）が第１の電極を有していて、第２の対向エレメント（４０）が第２の電極を有しており、ダイヤフラム（３０）が第３の電極を有している、請求項２記載のマイクロマシニング構造体。
4. マイクロマシニング構造体（１０）がマイクロフォンおよび／またはスピーカとして構成されている、請求項２記載のマイクロマシニング構造体。
5. 第１の対向エレメント（２０）および第２の対向エレメント（４０）がアースに接続されている、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
6. ダイヤフラム（３０）が張力を有している、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
7. 少なくとも２つのダイヤフラム層が、互いに異なる材料から成っている、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
8. 複数のダイヤフラム層が、３つのダイヤフラム層を有しており、該３つのダイヤフラム層が、２つのシリコン窒化物層と、ポリシリコン層とを有している、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
9. ポリシリコン層が、２つのシリコン窒化物層の間に配置されている、請求項８記載のマイクロマシニング構造体。
10. 複数のダイヤフラム層が、４つのダイヤフラム層を有していて、該４つのダイヤフラム層が、酸化物層、ポリシリコン層、窒化物層、再酸化された窒化物層を有している、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
11. 複数のダイヤフラム層が、ＬＰＣＶＤ−シリコン窒化物層である、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
12. 複数のダイヤフラム層が、ドープされたポリシリコン層を有しており、導電性のコンデンサ板として役立つ、請求項１記載のマイクロマシニング構造体。
13. マイクロマシニング構造体（１０）であって、第１の側（１１）を形成する第１の対向エレメント（２０）と、第２の側（１２）を形成する第２の対向エレメント（４０）と、前記第１の対向エレメント（２０）と前記第２の対向エレメント（４０）との間に配置されている、実質的に閉鎖されたダイヤフラム（３０）と、
    第１の対向エレメント（２０）とダイヤフラム（３０）との間に形成された第１のキャビティ（２５）と、ダイヤフラム（３０）と第２の対向エレメント（４０）との間に形成された第２のキャビティ（３５）とを有するマイクロマシニング構造体（１０）を製造するための方法において、
    第２のキャビティ（３５）を形成するために、第１の犠牲層（４９）を未加工の基板（１５）内に導入し、それによって第１の前駆構造体（５０）を提供し、
    次いでダイヤフラム（３０）を形成するために、複数のダイヤフラム層を前記第１の前駆構造体（５０）上に被着し、
    次いで第１のキャビティ（２５）を形成するために、第２の犠牲層（２９）を被着し、
    エピタキシャル層（１６）を被着し、
    次いで第１の開口（２１）をエピタキシャル層（１６）内に設け、第１のキャビティ（２５）形成するために、第２の犠牲層（２９）を除去し、この場合、第１の開口（２１）に隣接したエピタキシャル層（１６）の残りの部分が、第１の対向エレメント（２０）を形成し、
    かつ第２の開口（４１）を前記基板（１５）内に設け、
    第２のキャビティ（３５）を形成するために、第１の犠牲層（４９）を除去し、この場合、第２の開口（４１）に隣接した前記基板（１５）の残りの部分が、第２の対向エレメント（４０）を形成することを特徴とする、マイクロマシニング構造体を製造するための方法。
14. マイクロマシニング構造体（１０）と電子回路（７０）とをモノリシックに一体化して形成し、電子回路（７０）を第１の面（１１）上または第２の面（１２）上に配置する、請求項１３記載の方法。
15. ダイヤフラム（３０）が張力を有している、請求項１３記載の方法。
16. 複数のダイヤフラム層が、３つのダイヤフラム層を有していて、該３つのダイヤフラム層が、２つのシリコン窒化物層と、ポリシリコン層とを有している、請求項１３記載の方法。
17. 複数のダイヤフラム層が、４つのダイヤフラム層を有していて、該４つのダイヤフラム層が、酸化物層、ポリシリコン層、窒化物層、再酸化された窒化物層を有している、請求項１３記載の方法。

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