JP5177311B1 - 静電容量型センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】落下衝撃耐性を維持又は向上させつつ可動電極膜と基板上面との間の間隙における抵抗を小さくでき、しかも、製造工程を煩雑にすることのない静電容量型センサを提供する。
【解決手段】シリコン基板３２には上下に開口した貫通孔３３が形成されている。シリコン基板３２の貫通孔３３の上方にはダイアフラム３５が配置されている。ダイアフラム３５の周縁部は、シリコン基板３２の上面と間隙をあけて対向しており、ダイアフラム３５の周縁部下面とシリコン基板３２の上面との間には音響振動を通過させるためのベントホール３６が形成されている。また、ダイアフラム３５の上方には、エアギャップを介して固定電極膜４６が配設される。シリコン基板３２の上面には、少なくとも一部が傾斜面によって構成された空気逃げ部３４が、シリコン基板３２の上面に垂直な方向から見て少なくとも一部がベントホール３６と重なりあうように設けられている。
【選択図】図５

Description

本発明は静電容量型センサに関し、具体的には、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される音響センサや圧力センサなどの静電容量型センサに関する。

（従来の音響センサ）
ＭＥＭＳ技術を用いて製造される静電容量型センサとしては、音響センサがよく知られている。従来の静電容量型の音響センサの一部を図１Ａに示す。この音響センサは、貫通孔１２を有するシリコン基板１１の上にダイアフラム１３（可動電極膜）を設け、ダイアフラム１３の上に空隙をあけて固定電極膜１６を対向させたものである。固定電極膜１６は、ダイアフラム１３を覆うようにして貫通孔１２の上方に設けられたドーム状の保護膜１５の下面に設けられている。保護膜１５及び固定電極膜１６には、固定電極膜１６とダイアフラム１３の間の空隙に音響振動を導入するために、多数の音響孔１７が開口されている。

音響孔１７を通過して固定電極膜１６とダイアフラム１３の間の空隙に音響振動が入ると、音響振動によってダイアフラム１３が振動する。ダイアフラム１３の振動によってダイアフラム１３と固定電極膜１６の間のキャパシタンスが変化し、音響振動が電気信号に変換される。また、ダイアフラム１３の周縁部下面とシリコン基板１１の上面との間にはベントホール１４が設けられており、ダイアフラム１３の上面側と下面側はベントホール１４を通じて連通し、ダイアフラム１３の上下面での圧力差を緩和している。

このような構造の音響センサにおいては、音響抵抗を小さくすれば、音響ノイズが低減してＳ／Ｎ比が向上する。音響センサの音響抵抗は、音響振動の通路のうち狭小箇所で高くなることが分かっており、特にベントホールで音響抵抗が最も高いことが知られている。よって、音響センサの音響抵抗を小さくするためには、ベントホールの音響抵抗を小さくすることが効果的である。

ベントホールの音響抵抗を小さくする方法としては、シリコン基板１１の貫通孔１２を広げてベントホール１４の長さＬを短くする方法が一般的である。しかし、ベントホール１４の長さＬを短くする方法では、以下に述べるように音響センサを落下させたときの落下衝撃耐性が問題となる。

図１Ａに示すように、ベントホール１４の長さＬが十分に確保されていれば、音響センサを落下させてダイアフラム１３が下方へ大きく撓もうとした場合でも、図１Ａに破線で示すようにダイアフラム１３の周縁部（ダイアフラム１３の固定箇所と固定箇所の中間部分）がシリコン基板１１の上面に当接する。その結果、ダイアフラム１３の周縁部が比較的広い範囲にわたってシリコン基板１１の上面で支持され、ダイアフラム１３の撓みが抑制され、ダイアフラム１３の破損を防ぐことができる。これに対し、図１Ｂに示すように貫通孔１２を広げてベントホール１４の長さＬを短くした場合には、図１Ｂに破線で示すように、落下時にダイアフラム１３は周縁部のさらにその端しかシリコン基板１１の上面で支持されなくなる。その結果、音響センサの落下時に、ダイアフラム１３は下方へ大きく撓んで破損しやすくなる。

このように、従来の音響センサでは、音響センサの音響抵抗の低減（Ｓ／Ｎ比の向上）と落下衝撃耐性の維持又は向上とはトレードオフの関係にあり、両者を同時に改善することが困難であった。

（特許文献１の音響センサ）
特許文献１に記載された音響センサでは、図２に示すように、ベントホール１４内においてシリコン基板１１の上面に縦穴または断面矩形の溝からなる空気逃げ部１９を設けている。このような構造によれば、空気逃げ部１９の位置において部分的にベントホール１４の断面積が大きくなっているので、ベントホール１４の音響抵抗を小さくできる。

しかし、このような構造の音響センサは、つぎのようにして製造しなければならない。この音響センサを作製するには、ドライエッチングによってシリコン基板１１の上面に縦穴または断面矩形の溝からなる空気逃げ部１９をあけておき、シリコン基板１１の上面に下犠牲層、ダイアフラム層、上犠牲層を積層する。これらの層を所定形状にエッチングした後、上犠牲層の上から保護膜１５と固定電極膜１６を形成する。ついで、下面側からシリコン基板１１をエッチングして貫通孔１２を開口し、上犠牲層と下犠牲層をエッチング除去し、ダイアフラム１３と保護膜１５の間の空隙とベントホール１４を形成する。

このようにして製造される特許文献１の音響センサでは、ベントホール１４の音響抵抗を低減するためには、空気逃げ部１９をある程度深くする必要がある。そのため、空気逃げ部１９の位置に対応して下犠牲層の上面に凹みが生じ、さらにダイアフラム層の上面にも凹みが生じる。その結果、ダイアフラム１３に空気逃げ部１９の形が転写され、最終的にはダイアフラム１３の上面及び下面にそれぞれ凹部と凸部が生じる。この凹部と凸部がダイアフラム１３の応力状態に影響を与え、ひいては音響センサの感度に影響を与える。

かといって、ダイアフラム１３に形が転写しない程度に空気逃げ部１９の深さを小さくした場合には、ベントホール１４の音響抵抗を小さくする効果を得ることができない。

さらに、特許文献１の音響センサでは、上記のようにドライエッチングによって空気逃げ部１９を設けておかなければならないので、製造工程数が増加し、製造コストが上昇する。

特開２０１０−３４６４１号公報（図１０）

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って、その目的とするところは、落下衝撃耐性を維持又は向上させつつ可動電極膜と基板上面との間の間隙における抵抗を小さくでき、しかも、製造工程を煩雑にすることのない静電容量型センサとその製造方法を提供することにある。

本発明に係る静電容量型センサは、上下に開口した貫通孔を有する半導体基板と、周縁部が前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向するように、前記貫通孔の上方に配置された可動電極膜と、前記可動電極膜と空隙を介して、前記可動電極膜の上方に配置された固定電極膜とを備え、前記半導体基板の上面のうち前記可動電極膜の周縁部と重なり合った領域において、前記半導体基板の上面に、少なくとも一部が傾斜面によって構成された凹部が設けられ、前記凹部は、前記凹部の上面開口から前記半導体基板の下面側へ向かうとき、その少なくとも一部において、前記半導体基板上面と平行な前記凹部の断面積が、前記凹部の上面開口から前記半導体基板の下面側へ向かうに従って小さくなるように形成され、前記凹部の傾斜面は、前記半導体基板の最稠密面によって構成されていることを特徴とする。

本発明に係る静電容量型センサにあっては、可動電極膜の周縁部と半導体基板の上面が重なり合った領域、すなわちベントホールと少なくとも一部が重なり合うようにして、半導体基板の上面に凹部を設けているので、凹部を設けた箇所においてベントホールの断面積が大きくなり、ベントホールの抵抗（音響抵抗など）が小さくなる。よって、ベントホールの長さを短くすることなくベントホールの抵抗を小さくすることができる。その結果、静電容量型センサの落下衝撃耐性を劣化させることなくベントホールの抵抗を小さくでき、静電容量型センサのノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、本発明にかかる静電容量型センサにあっては、前記凹部の上面開口から前記基板の下面側へ向かうとき、その少なくとも一部において、前記半導体基板上面と平行な前記凹部の断面積が、前記凹部の上面開口から前記基板の下面側へ向かうに従って小さくなるように形成されているので、ベントホールに接する側で凹部が広くり、ベントホールの抵抗を小さくする効果が高い。

さらに、本発明にかかる静電容量型センサにあっては、前記凹部の少なくとも一部が、半導体基板の最稠密面によって構成された傾斜面によって形成されている。たとえば、半導体基板が（１００）面基板であれば、傾斜面は（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面となる。その結果、異方性ウェットエッチングによって（必要に応じて、等方性ウェットエッチングを併用して）安定した形状の凹部を作製することができ、静電容量型センサの製造工程が煩雑になりにくい。

本発明にかかる静電容量型センサのある実施態様は、前記凹部が、溝状または逆四角錐形状に形成されていることを特徴とする。ここで、溝状とは、ある断面形状が任意の直線又は曲線に沿って連続的に移動した軌跡によって構成された凹形状である。ただし、断面形状は一定である必要はなく、任意の直線又は曲線に沿って移動しながら大きさ又は形状を変化させてもよい。かかる実施態様において凹部が溝状に形成されていれば凹部の容積を大きくできるので、ベントホールの抵抗を低減する効果が高くなる。また、逆四角錐形状の凹部を並べるようにすれば、凹部を並べる間隔を調節することにより、ベントホールの抵抗を調節する自由度が向上する。

本発明にかかる静電容量型センサの別な実施態様は、前記半導体基板の上面において、直線状に延びた複数の凹部が前記貫通孔の縁に沿って設けられていることを特徴とする。かかる実施態様によれば、基板上面に垂直な方向から見たとき、凹部が屈曲部分を有していないので、凹部を異方性エッチングしたときに凹部の屈曲部分から内隅方向へ向けて異方性エッチングが進行する問題がなくなる。

本発明にかかる静電容量型センサのさらに別な実施態様は、前記可動電極膜が、前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向している領域において、前記半導体基板の上面のうち前記凹部の設けられていない水平面にむけて突出する少なくとも１つのストッパを有していることを特徴とする。かかる実施態様によれば、可動電極膜が下方へ大きく撓んだときにはストッパが半導体基板の上面に当接し、可動電極膜の周縁部が半導体基板の上面に固着する現象を防ぐことができる。

本発明にかかる静電容量型センサの製造方法は、上下に開口した貫通孔を有する半導体基板と、周縁部が前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向するように、前記貫通孔の上方に配置された可動電極膜と、前記可動電極膜と空隙を介して、前記可動電極膜の上方に配置された固定電極膜とを備え、前記半導体基板の上面のうち前記可動電極膜の周縁部と重なり合った領域において、前記半導体基板の上面に、少なくとも一部が傾斜面によって構成された凹部を有する静電容量型センサの製造方法であって、前記貫通孔の上面開口となる領域と前記凹部を形成される領域とに挟まれた領域において、前記半導体基板の上面に第１の犠牲層を形成する工程と、前記凹部を形成される領域の上面を覆い、かつ、前記凹部を形成された領域の上面と前記貫通孔の上面開口となる領域の少なくとも一部をつなぐようにして第２の犠牲層を形成する工程と、前記第１及び第２の犠牲層の上方に可動電極膜を設けるとともに、前記第１及び第２の犠牲層と前記可動電極膜とを覆うようにして第３の犠牲層を形成する工程と、前記第３の犠牲層の上方に固定電極膜を設ける工程と、前記半導体基板を下面からエッチングして前記半導体基板内に前記貫通孔の一部又は全体を形成して、前記貫通孔の上面に前記第２の犠牲層を露出させる工程と、前記貫通孔から前記第２の犠牲層に第１のエッチング液を接触させて前記第２の犠牲層を除去する工程と、前記第２の犠牲層が除去された後の空洞部分を通じて前記半導体基板の上面に第２のエッチング液を接触させ、前記半導体基板の上面に前記凹部を形成する工程と、前記第１及び第３の犠牲層をエッチングにより除去する工程とを有することを特徴とする。

本発明にかかる静電容量型センサの製造方法にあっては、シリコン基板にあけた貫通孔と第２の犠牲層を除去した後の空洞部分を通じて、凹部を作製しようとする領域へエッチング液を送ることができるので、ウェットエッチングによって半導体基板の上面の貫通孔の周縁部に容易に凹部を形成することができる。しかも、その際、異方性ウェットエッチングなどで（必要に応じて、等方性ウェットエッチングを併用して）凹部を形成すれば、下端における前記半導体基板上面と平行な断面積が上面開口の開口面積よりも小さな凹部を簡単に作製することができる。たとえば半導体基板として（１００）面シリコン基板を用いた場合には、異方性エッチングによってシリコン基板の（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面を凹部表面に露出させることができ、（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面によって傾斜面を作製することができる。しかも、異方性エッチングを利用して半導体基板の結晶面（最稠密面）で傾斜面を作製すれば、凹部の形状が安定し、ひいては静電容量型センサの特性が安定する。

また、この製造方法で作製した静電容量型センサにあっては、可動電極膜の周縁部と半導体基板の上面が重なり合った領域、すなわちベントホールと少なくとも一部が重なり合うようにして、半導体基板の上面に凹部を設けているので、凹部を設けた箇所においてベントホールの断面積が大きくなり、ベントホールの抵抗が小さくなる。よって、ベントホールの長さを短くすることなくベントホールの抵抗を小さくすることができる。その結果、静電容量型センサの落下衝撃耐性を劣化させることなくベントホールの抵抗を小さくでき、静電容量型センサのノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。

本発明にかかる静電容量型センサの製造方法のある実施態様は、前記第２の犠牲層が、前記第１の犠牲層の上面を通過して前記凹部を形成された領域の上面と前記貫通孔の上面開口となる領域の少なくとも一部との間に形成されていることを特徴とする。かかる実施形態によれば、第２の犠牲層を除去した後の空洞部分に流れ込むエッチング液によって凹部以外の箇所で半導体基板の上面がエッチングされるのを防ぐことができる。

本発明にかかる静電容量型センサの製造方法の別な実施態様は、前記貫通孔の形成と前記第２の犠牲層の除去に、同じエッチング液を用いることを特徴とする。かかる実施形態によれば、エッチングにより半導体基板に貫通孔をあける工程と、第２の犠牲層を除去する工程と、異方性エッチングにより半導体基板の上面に凹部を形成する工程を連続的に、あるいは同時に行わせることができ、静電容量型センサの製造工程を簡略化し、製造コストを低減することができる。

なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。

図１Ａ及び図１Ｂは、従来の音響センサの一部を示す断面図である。 図２は、特許文献１に記載された音響センサの一部を示す断面図である。 図３は、本発明の実施形態１による音響センサの平面図である。 図４は、図３のＸ−Ｘ線に沿った断面図である。 図５は、図４のＹ部拡大図である。 図６Ａは、シリコン基板の上に設けたダイアフラムを示す平面図である。図６Ｂは、シリコン基板の上面に形成された空気逃げ部を示す平面図である。 図７Ａ−図７Ｄは、本発明の実施形態１による音響センサの製造工程を模式的に示す概略断面図である。 図８Ａ−図８Ｄは、図７Ａ−図７Ｄの続図である。 図９Ａ−図９Ｃは、図８Ａ−図８Ｃの続図である。 図１０Ａは、表面に第１犠牲層を形成されたシリコン基板の平面図である。図１０Ｂは、表面に第２犠牲層を形成されたシリコン基板の平面図である。 図１１Ａは、本発明の異なる実施形態において、シリコン基板の上面に形成された空気逃げ部を示す平面図である。図１１Ｂは、本発明のさらに異なる実施形態において、シリコン基板の上面に形成された空気逃げ部を示す平面図である。 図１２Ａは、本発明のさらに異なる実施形態において、シリコン基板の上面に形成された空気逃げ部を示す平面図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示す空気逃げ部のうちの１つを示す斜視図である。 図１３は、本発明のさらに異なる実施形態による音響センサの一部を示す断面図である。 図１４は、本発明のさらに異なる実施形態による音響センサの一部を示す断面図である。 図１５は、本発明のさらに異なる実施形態による音響センサの一部を示す断面図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。なお、本発明は、静電容量型の音響センサや圧力センサなどの静電容量型センサに適用することができるが、以下においては静電容量型センサの典型的なものとして音響センサに適用した場合を説明する。

（実施形態１）
以下、図３−図６を参照して本発明の実施形態１による音響センサの構造を説明する。図３は、本発明の実施形態１による音響センサ３１の平面図である。図４は、図３のＸ−Ｘ線に沿って破断した音響センサ３１の断面図である。図５は、図４のＹ部を示す拡大図である。図６Ａは、シリコン基板３２の上に設けたダイアフラム３５を示す平面図である。図６Ｂは、シリコン基板３２の上面に形成された空気逃げ部３４を示す平面図である。

この音響センサ３１は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製された微小な静電容量型素子であり、図４に示すように、シリコン基板３２（半導体基板）の上面にアンカー３９を介してダイアフラム３５を設け、その上に微小なエアギャップ（空隙）を介してバックプレート４４を設けたものである。

シリコン基板３２は、（１００）面シリコン基板からなる。図３及び図４に示すように、シリコン基板３２は矩形板状に形成されており、上面から下面に貫通した貫通孔３３を有している。貫通孔３３は、シリコン基板３２をウエットエッチングすることにより形成されており、（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面からなる８つの傾斜面によって構成されている。貫通孔３３は、シリコン基板３２の上面に垂直な方向から見たときには矩形状となっており（図６Ｂ参照）、シリコン基板３２の上半分が角錐台状に形成され、下半分が逆角錐台状に形成されている。なお、この貫通孔３３は、音響センサ３１の実装形態によってバックチャンバとなり、あるいはフロントチャンバとなるものである。

図４、図５及び図６Ｂに示すように、シリコン基板３２の上面における貫通孔３３の周囲には、貫通孔３３の各辺と平行に空気逃げ部３４が延びている。空気逃げ部３４の各部分は、２つの傾斜面３４ａによって形成されており、Ｖ溝状となっている。後述のように、各傾斜面３４ａは、シリコン基板３２の（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面によって構成されており、シリコン基板３２の上面に対して約５４.７°の傾斜角を有している。また、空気逃げ部３４は貫通孔３３を囲むようにして四角環状に形成されている。

ダイアフラム３５は、膜厚の小さなポリシリコン薄膜によって形成されており、導電性を有している。図６Ａに示すように、ダイアフラム３５は、矩形状をした振動薄膜部３５ａの四隅から対角方向外側に向けて梁部３７を延出したものである。さらに、梁部３７の一つからは、引出し配線４０が延びている。

図４及び図６Ａに示すように、ダイアフラム３５は、振動薄膜部３５ａが貫通孔３３と空気逃げ部３４を覆うようにしてシリコン基板３２の上方に配置されている。ダイアフラム３５の各梁部３７は、シリコン基板３２の上面に設けられたアンカー３９の上に固定されている。従って、ダイアフラム３５の振動薄膜部３５ａは、貫通孔３３の上方でシリコン基板３２の上面から離間しており、音響振動（空気振動）に感応して膜振動可能になっている。

シリコン基板３２の上面には、ダイアフラム３５の周囲を囲むようにして、かつ、ダイアフラム３５に接触しないようにして厚膜の土台部４１が形成されている。アンカー３９及び土台部４１は、酸化膜（ＳｉＯ_２）によって形成されている。

バックプレート４４は、窒化膜（ＳｉＮ）からなるプレート部４５（保護膜）の下面にポリシリコンからなる固定電極膜４６を設けたものである。バックプレート４４は、ドーム状をしていてその下に空洞部分を有しており、ダイアフラム３５を覆っている。バックプレート４４の下面（すなわち、固定電極膜４６の下面）とダイアフラム３５の上面との間には微小なエアギャップが形成されている。また、プレート部４５の隅部に形成されている梁部カバー領域４７は、微小なエアギャップをあけて梁部３７を覆っている。固定電極膜４６は、可動電極膜である振動薄膜部３５ａと対向してキャパシタを構成している。また、固定電極膜４６からは、引出し配線５０が延びている。

プレート部４５の外周部分４５ａは、土台部４１を覆っており、さらにその外側はシリコン基板３２の上面に固定されている。プレート部４５の外周部分４５ａの上面には、電極パッド５１、５２が設けられている。一方の電極パッド５１は、プレート部４５を貫通して引き出し配線４０と電気的に導通しており、プレート部４５に設けたスルーホール（図示せず）を通してシリコン基板３２と導通している。また、他方の電極パッド５２は、プレート部４５を貫通して引出し配線５０と電気的に導通しており、シリコン基板３２からは絶縁されている。

バックプレート４４には、上面から下面に貫通するようにして、音響振動を通過させるためのアコースティックホール４８が多数穿孔されている。また、梁部３７と梁部３７の間において振動薄膜部３５ａの周縁部下面とシリコン基板３２の上面との間には、音響振動の通路となる小さな隙間、すなわちベントホール３６が形成されている。

しかして、この音響センサ３１にあっては、音響振動がアコースティックホール４８を通過してバックプレート４４とダイアフラム３５の間の空間に入ると、薄膜であるダイアフラム３５が音響振動に励起されて膜振動する。また、アコースティックホール４８を通ってバックプレート４４内に入った音響振動は、振動薄膜部３５ａを振動させるとともに、一部はベントホール３６を通って貫通孔３３へ抜けてゆく。ダイアフラム３５の振動によってダイアフラム３５と固定電極膜４６の間のギャップ距離が変化すると、ダイアフラム３５と固定電極膜４６の間のキャパシタンスが変化する。この結果、ダイアフラム３５を振動させている音響振動（音圧の変化）がダイアフラム３５と固定電極膜４６の間のキャパシタンスの変化となり、電気的な信号として出力される。

また、上記空気逃げ部３４は、ベントホール３６の長さ方向（図５に示す長さＬを測る方向）と直交する方向に沿って、ベントホール３６の下面を横切るように形成されている。したがって、ベントホール３６の長さ方向と垂直な断面を考えたとき、空気逃げ部３４の設けられた位置では他の箇所よりもベントホール３６の断面積が大きくなっている。このように空気逃げ部３４によってベントホール３６の断面積を部分的に広くすることができるので、ベントホール３６の音響抵抗を小さくすることができ、音響センサ３１のノイズを低減してＳ／Ｎ比を向上させることができる。しかも、ベントホール１４の長さＬを短くする必要がないので、音響センサ３１が落下してダイアフラム１３が下方へ撓もうとしたとき、ダイアフラム１３の周縁部が比較的広い面積にわたってシリコン基板３２の上面で支持される。そのため、ダイアフラム１３が下方へ大きく撓むのを阻止してダイアフラム１３の破損を防ぐことができ、ダイアフラム１３の落下衝撃耐性を維持又は向上させることができる。

さらに、この音響センサ３１では、後述のようにシリコン基板３２の上面に犠牲層やダイアフラム層などを成膜した後に空気逃げ部３４を形成することができるので、空気逃げ部３４の形状がダイアフラム３５に転写されることがなく、ダイアフラム３５の応力を安定させることができる。その結果、音響センサ３１の感度ばらつきを小さくすることができる。

また、ベントホール３６内において、ダイアフラム３５の下面からは、シリコン基板３２の平坦な領域（空気逃げ部３４以外の領域）に向けて突起３８（ストッパ）が突出している。したがって、ダイアフラム３５が下方へ大きく撓んだときには突起３８の下端がシリコン基板３２の上面に当接し、ダイアフラム３５の周縁部がシリコン基板３２の上面に密着して離れなくなる現象を防ぐことができる。

上記のような構造の音響センサ３１の寸法例を挙げると、つぎのとおりである。図５に示すベントホール３６の長さＬは６０μｍ、ベントホール３６の高さＨは２μｍとなる。また、空気逃げ部３４の幅ｑは２０μｍ、空気逃げ部３４の深さＤは１４μｍであって、空気逃げ部３４は貫通孔３３の縁からｒ＝２０μｍだけ離して設けられている。よって、空気逃げ部３４の端からダイアフラム３５の端までの距離ｐ（＝Ｄ−ｑ−ｒ）も２０μｍとなり、空気逃げ部３４はベントホール３６の長さ方向の中央に設けられている。

空気逃げ部３４を形成された部分（図５のｑ部分）の音響抵抗はベントホール３６の他の部分（図５のｐ、ｒ部分）に比べてほぼ無視できるので、このような寸法例によれば、空気逃げ部３４を設けていない場合に比べて、ベントホール３６における音響抵抗はほぼ２／３に低減する。しかし、ベントホール３６の長さＬとしては６０μｍあるので、音響センサ３１の落下時には、ダイアフラム３５の周縁部をシリコン基板３２の上面でしっかりと保持させることができ、十分な落下衝撃耐性を得ることができる。

（音響センサの製造方法）
つぎに、音響センサ３１のＭＥＭＳ技術による製造方法を図７Ａ−７Ｄ、図８Ａ−８Ｄ、図９Ａ−９Ｃ及び図１０Ａ−１０Ｂを参照して説明する。なお、これらの図は説明図であるので、土台部などは省略している。

まず、図７Ａ及び図１０Ａに示すように、（１００）面シリコン基板３２の表面にＣＶＤ法などによって酸化膜（ＳｉＯ_２）からなる第１犠牲層６１を成膜する。この第１犠牲層６１は、もともとは貫通孔３３をエッチングにより開口するときに貫通孔３３の上面開口のサイズを決定するものであって、貫通孔３３となる領域６４で開口している。さらに、本発明においては、第１犠牲層６１は空気逃げ部３４となる領域６５でも開口している。

図７Ｂに示すように、第１犠牲層６１の上からシリコン基板３２の上面にポリシリコンからなる第２犠牲層６２を成膜する。そして、空気逃げ部３４となる領域６５よりも外側に位置する第１犠牲層６１をシリコン基板３２の上面から剥離させることにより、その上の第２犠牲層６２をリフトオフ法により除去する。この結果、図１０Ｂに示すように、シリコン基板３２の上面のうち、空気逃げ部３４となる領域６５及びそれよりも内側の領域が第２犠牲層６２によって覆われ、空気逃げ部３４となる領域６５の外側が第２犠牲層６２から露出させられる。また、第２犠牲層６２は、貫通孔３３となる領域６４及び空気逃げ部３４となる領域６５ではシリコン基板３２の上面に密着しているが、両領域６４、６５の中間では第１犠牲層６１を跨いでいる。

この後、図７Ｃに示すように、第２犠牲層６２の上から、シリコン基板３２の上面全体にＳｉＯ_２を堆積させて第３犠牲層６３ａを形成する。さらに、図７Ｄに示すように、第３犠牲層６３ａの上にポリシリコン層を成膜し、ポリシリコン層をエッチングによってパターニングし、図７Ｄに示すように、第３犠牲層６３の上面にポリシリコンからなるダイアフラム３５を形成する。

図８Ａに示すように、ダイアフラム３５の上からシリコン基板３２の上方にさらにＳｉＯ_２からなる第３犠牲層６３ｂを堆積させて第３犠牲層６３ｂによってダイアフラム３５を覆う。ついで、第２犠牲層６２やダイアフラム３５などを包んでいる第３犠牲層６３ａ、６３ｂをエッチングし、第３犠牲層６３ａ、６３ｂによりバックプレート４４の内面形状を作製する。この第３犠牲層６３ｂの上面にポリシリコン膜を成膜し、図８Ｂに示すように、ポリシリコン膜をエッチングによりパターニングして固定電極膜４６を作製する。このとき固定電極膜４６にはアコースティックホール４８を開口する。

この後、図８Ｃに示すように、固定電極膜４６の上からＳｉＮを堆積させてプレート部４５を形成する。また、プレート部４５にも、固定電極膜４６のアコースティックホール４８と位置合わせしてアコースティックホール４８を形成し、バックプレート４４にアコースティックホール４８を貫通させる。

こうしてバックプレート４４が完成したら、シリコン基板３２の下面をレジスト膜６７で覆い、レジスト膜６７の開口を通してＴＭＡＨなどのエッチング液でシリコン基板３２を下面側から異方性エッチングする。（１００）面シリコン基板３２を異方性エッチングすると、その（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面ではエッチング速度が極端に遅くなるので、シリコン基板３２内には（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面からなる角錐状の貫通孔３３が形成される。

異方性エッチングが進んで、図８Ｄのように貫通孔３３がシリコン基板３２の上面に達すると、貫通孔３３の上面にポリシリコンの第２犠牲層６２が露出する。貫通孔３３の上面に第２犠牲層６２が露出すると、ＴＭＡＨなどのエッチング液が第２犠牲層６２に接触するので、図９Ａに示すように第２犠牲層６２がエッチング液によって等方性エッチングされる。このとき、第２犠牲層６２の等方性エッチングが進行するとともに、シリコン基板３２の異方性エッチングが進んで貫通孔３３がさらに横に広がっていく。しかも、貫通孔３３がシリコン基板３２の上面まで達すると、貫通孔３３は上端から下方へ向けても異方性エッチングが始まる。ただし、第１犠牲層６１や第３犠牲層６３はＴＭＡＨなどのエッチング液に対してエッチング耐性を有するので、このときのエッチング液によってはエッチングされない。

第２犠牲層６２がエッチングされて第２犠牲層６２の存在した部分が空隙６６になると、ＴＭＡＨなどのエッチング液が空隙６６を通って第１犠牲層６１を越え、第１犠牲層６１の向こうのシリコン基板上面（図１０Ａの領域６５）に達する。その結果、領域６５からシリコン基板３２が異方性エッチングされ、図９Ｂに示すように、領域６５に空気逃げ部３４が形成される。空気逃げ部３４の異方性エッチングでも、（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面でエッチング速度が極端に遅いので、空気逃げ部３４は、２つの傾斜面３４ａ、すなわち（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面で構成されたＶ溝状となる。

なお、第２犠牲層６２の上面とダイアフラム３５の下面の間には第３犠牲層６３が形成されているので、上記異方性エッチング工程においてはダイアフラム３５はエッチング液に接触せず、第２犠牲層６２をエッチング除去するときにダイアフラム３５がエッチングされることはない。

この後、図９Ｂのように、バックプレート４４のアコースティックホール４８やシリコン基板３２の貫通孔３３からフッ酸などのエッチング液を導いて第１犠牲層６１と第３犠牲層６３を選択的にウェットエッチングし、図９Ｃに示すように、梁部３７の下の第３犠牲層６３だけをアンカー３９として残し、他の第３犠牲層６３と第１犠牲層６１を除去する。この結果、ダイアフラム３５は、アンカー３９によってシリコン基板３２の上面から浮かせられ、貫通孔３３の上で振動が可能なように支持され、固定電極膜４６とダイアフラム３５の間にエアギャップが形成される。

本発明の実施形態１による音響センサ３１は上記のようにして製造することができるので、ダイアフラム３５などを成膜する工程よりも前に、予めドライエッチング等によって空気逃げ部３４を設けておく必要がなく、音響センサ３１の製造工程を簡略化することができ、製造コストを抑制することができる。

また、シリコン基板の異方性エッチングにおいては、その最稠密面すなわち（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面が現れるとエッチング速度が極端に遅くなるので、異方性エッチングによって空気逃げ部３４を作製することによって安定した形状の空気逃げ部３４を作製することができ、音響センサ３１の品質が安定する。

さらに、第１犠牲層６１は、貫通孔３３と空気逃げ部３４の間の領域を覆って当該領域の異方性エッチングを阻止できればいいので、厚みの非常に薄い膜で足りる。そのため、第１犠牲層６１の段差がダイアフラム３５に転写されにくく、第１犠牲層６１の形状がダイアフラム３５に転写されてダイアフラム３５の応力状態に影響を与えにくくなり、音響センサの感度が安定する。

なお、第１犠牲層６１のためにダイアフラム３５に段差が生じ、音響センサ３１の特性や強度に影響を与える場合には、第３犠牲層６３の上面にダイアフラム３５を設ける前に、第３犠牲層６３の上面を化学機械研磨法（ＣＭＰ法；Chemical Mechanical Polishing法）などによって研磨し、第３犠牲層６３の表面を平らに均してからダイアフラム３５を形成してもよい。

また、上記の製造方法では、シリコン基板３２と第２犠牲層６２を同時にエッチングすることのできるエッチング液を用いたので、貫通孔３３の開口から第２犠牲層６２の除去、さらに空気逃げ部３４の作製まで同一のエッチング工程で行うことができ、音響センサ３１の製造工程を簡単にすることができる。

これに対し、第２犠牲層６２がエッチング耐性を有するエッチング液を用いてシリコン基板３２を異方性エッチングする場合には、貫通孔３３のエッチングと、第２犠牲層６２のエッチングと、空気逃げ部３４のエッチングを個々に行わねばならない。そのため工程数は増加するが、貫通孔３３のサイズと空気逃げ部３４の深さを独立して決めることが可能になる。

（その他の実施形態）
本発明にかかる音響センサにおいては、種々の異なる形態の空気逃げ部を有する実施形態が可能である。

たとえば、空気逃げ部３４は貫通孔３３の周囲の全周にわたって連続的に設けられている必要はなく、図１１Ａに示すように、適宜箇所で空気逃げ部３４が途切れていても差し支えない。

特に、空気逃げ部３４はコーナーが生じないように、コーナーとなる箇所で途切れていることが望ましい。貫通孔３３のコーナー部の近くで、空気逃げ部３４もコーナーとなるように連続していると、空気逃げ部３４を異方性エッチングしたとき、空気逃げ部３４がコーナーの内隅側へ広がってしまうため、空気逃げ部３４は上方から見てコーナーのない平面形状となっていることが望ましい。

また、空気逃げ部３４は、図１１Ｂに示すように、ランダムに形成しても差し支えない。特に、貫通孔３３の各辺の周縁部に配置される空気逃げ部３４の長さ、本数、位置は問わない

また、図１２Ａは、シリコン基板３２に設けた空気逃げ部３４のさらに異なる形態を表わしている。この空気逃げ部３４は、図１２Ｂに示すように４つの傾斜面３４ａによって逆四角錐形状状に形成されており、その逆四角錐形状に凹設された空気逃げ部３４を貫通孔３３の外周縁に沿って等間隔に、あるいはランダムに配置している。このような実施形態によれば、空気逃げ部３４の開口面積や深さの他、空気逃げ部３４の配列ピッチによっても音響センサの音響抵抗を調節することができる。

図１３は、音響センサに設けた空気逃げ部３４のさらに異なる形態を示す断面図である。この実施形態では、貫通孔３３の周囲に断面が逆台形状をした空気逃げ部３４を設けている。すなわち、この空気逃げ部３４は、（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面からなる２つの傾斜面３４ａと、（１００）面からなる水平面３４ｂによって構成されている。このような形態の典型的なものは、２つの傾斜面３４ａと１つの水平面３４ｂからなる溝状の空気逃げ部３４であり、また、４つの傾斜面３４ａと１つの水平面３４ｂからなる逆四角錐台状の空気逃げ部３４である。

図１４は、音響センサに設けた空気逃げ部３４のさらに異なる形態を示す断面図である。この実施形態では、貫通孔３３の全周に沿って環状に形成されたＶ溝状の空気逃げ部３４、貫通孔３３の周囲に沿って部分的に形成されたＶ溝状の空気逃げ部３４、逆四角錐形状の空気逃げ部３４、断面皿状の空気逃げ部３４などを幅方向に並べて複数列に形成したものである。図１４においては、幅方向に並んだ空気逃げ部３４は互いに隣接しているが、それぞれの間に平面部分を挟んでいて互いに離間していてもよい。なお、各空気逃げ部３４は、少なくとも一部がベントホール３６に掛かるように設けられていればよい。

図１５は、音響センサに設けた空気逃げ部３４のさらに異なる形態を示す断面図である。この実施形態では、貫通孔３３の周囲に断面が五角形状をした空気逃げ部３４を設けている。すなわち、この空気逃げ部３４は、（１００）面と等価な結晶面からなる２つの垂直面３４ｃと、（１１１）面及び（１１１）面と等価な結晶面からなる２つの傾斜面３４ａによって構成されている。このような形態の典型的なものは、２つの傾斜面３４ａと２つの垂直面３４ｃからなる溝状の空気逃げ部３４であり、また、４つの傾斜面３４ａと４つの垂直面３４ｃからなる空気逃げ部３４である。

図１３のような空気逃げ部３４や図１５のような空気逃げ部３４を作製するには、たとえば異方性ウェットエッチングと等方性ウェットエッチングを組み合わせてシリコン基板３２をエッチングすればよい。

なお、空気逃げ部３４のその他の形態としては、異方性エッチングの進行具合によっては、ある深さで傾斜面の向きが反対方向に変化していてもよい。すなわち、空気逃げ部３４の上半分では、下方へ向かうに従って空気逃げ部３４の水平断面積が次第に増加するような傾斜面によって空気逃げ部３４が構成され、空気逃げ部３４の下半分では、下方へ向かうに従って空気逃げ部３４の水平断面積が次第に減少するような傾斜面によって空気逃げ部３４が構成されていてもよい（すなわち、図４に示されている貫通孔３３に似た形状となる）。

また、空気逃げ部３４における面と面の間の稜線や頂点は丸味（アール）を帯びていてもよい。たとえば、逆四角錐形状の空気逃げ部３４の最下端が、尖端でなく、球面状に湾曲していてもよい。また、Ｖ溝状の逃げ部３４の最下端が、円弧状に湾曲した断面を有していてもよい。

さらに、空気逃げ部３４は、複数の平面（傾斜面、水平面、垂直面など）によって構成されている場合に限らず、球面や放物面などの曲面によって構成されていても差し支えない。

３１ 音響センサ
３２ シリコン基板
３３ 貫通孔
３４ 空気逃げ部
３４ａ 傾斜面
３４ｂ 水平面
３４ｃ 垂直面
３５ ダイアフラム
３６ ベントホール
３８ 突起
４４ バックプレート
４５ プレート部
４６ 固定電極膜
４８ アコースティックホール
６１、６１ａ、６１ｂ 第１犠牲層
６２ 第２犠牲層
６３ 第３犠牲層
６４ 貫通孔となる領域
６５ 空気逃げ部となる領域
６６ 空隙

Claims (9)

1. 上下に開口した貫通孔を有する半導体基板と、
   周縁部が前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向するように、前記貫通孔の上方に配置された可動電極膜と、
   前記可動電極膜と空隙を介して、前記可動電極膜の上方に配置された固定電極膜とを備え、
   前記半導体基板の上面のうち前記可動電極膜の周縁部と重なり合った領域において、前記半導体基板の上面に、少なくとも一部が傾斜面によって構成された凹部が設けられ、
   前記凹部は、前記凹部の上面開口から前記半導体基板の下面側へ向かうとき、その少なくとも一部において、前記半導体基板上面と平行な前記凹部の断面積が、前記凹部の上面開口から前記半導体基板の下面側へ向かうに従って小さくなるように形成され、
   前記凹部の傾斜面は、前記半導体基板の最稠密面によって構成されていることを特徴とする静電容量型センサ。
2. 前記凹部は、溝状または逆四角錐形状に形成されていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
3. 前記半導体基板の上面において、直線状に延びた複数の凹部が前記貫通孔の縁に沿って設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
4. 前記可動電極膜は、前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向している領域において、前記半導体基板の上面のうち前記凹部の設けられていない水平面にむけて突出する少なくとも１つのストッパを有していることを特徴とする、請求項１に記載の静電容量型センサ。
5. 上下に開口した貫通孔を有する半導体基板と、周縁部が前記半導体基板の上面と間隙をあけて対向するように、前記貫通孔の上方に配置された可動電極膜と、前記可動電極膜と空隙を介して、前記可動電極膜の上方に配置された固定電極膜とを備え、前記半導体基板の上面のうち前記可動電極膜の周縁部と重なり合った領域において、前記半導体基板の上面に、少なくとも一部が傾斜面によって構成された凹部を有する静電容量型センサの製造方法であって、
   前記貫通孔の上面開口となる領域と前記凹部を形成される領域とに挟まれた領域において、前記半導体基板の上面に第１の犠牲層を形成する工程と、
   前記凹部を形成される領域の上面を覆い、かつ、前記凹部を形成された領域の上面と前記貫通孔の上面開口となる領域の少なくとも一部をつなぐようにして第２の犠牲層を形成する工程と、
   前記第１及び第２の犠牲層の上方に可動電極膜を設けるとともに、前記第１及び第２の犠牲層と前記可動電極膜とを覆うようにして第３の犠牲層を形成する工程と、
   前記第３の犠牲層の上方に固定電極膜を設ける工程と、
   前記半導体基板を下面からエッチングして前記半導体基板内に前記貫通孔の一部又は全体を形成して、前記貫通孔の上面に前記第２の犠牲層を露出させる工程と、
   前記貫通孔から前記第２の犠牲層に第１のエッチング液を接触させて前記第２の犠牲層を除去する工程と、
   前記第２の犠牲層が除去された後の空洞部分を通じて前記半導体基板の上面に第２のエッチング液を接触させ、前記半導体基板の上面に前記凹部を形成する工程と、
   前記第１及び第３の犠牲層をエッチングにより除去する工程と、
   を有することを特徴とする静電容量型センサの製造方法。
6. 前記凹部を前記半導体基板の上面に形成する工程におけるエッチングは、異方性エッチングと等方性エッチングのうち少なくとも異方性エッチングを含んでいることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサの製造方法。
7. 前記第２の犠牲層は、前記第１の犠牲層の上面を通過して前記凹部を形成された領域の上面と前記貫通孔の上面開口となる領域の少なくとも一部との間に形成されていることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサの製造方法。
8. 前記貫通孔の形成と前記第２の犠牲層の除去には、同じエッチング液を用いることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサの製造方法。
9. 前記半導体基板が（１００）面シリコン基板であることを特徴とする、請求項５に記載の静電容量型センサの製造方法。

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