JP5267627B2 - 音響センサ及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は音響センサ及びその製造方法に関し、特に高感度なマイクロフォンとして用いることのできる音響センサとその製造方法に関する。

図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、従来例の音響センサをケーシング内に納めたマイクロフォンモジュールを示す断面図である。音響センサ１１は、基板１２の表面に薄膜状のダイアフラム１３（可動電極）と固定電極１４を設けたものであって、ダイアフラム１３の裏面側において基板１２内に空洞１５が形成されている。この音響センサ１１は、ダイアフラム１３と固定電極１４との間の静電容量の変化によって音響振動を検知する静電容量式のセンサである。ケーシング１６は、ベース１７と当該ベース１７の上方を覆うカバー１８からなる。

音響センサ１１は、当初は、図１（Ａ）のように基板１２の裏面をベース１７の上面に実装し、カバー１８に音響導入口１９を開口したものであった。このような実装形態では、ケーシング１６内の空間２０が音響的なフロントチャンバとなり、音響センサ１１の空洞１５が音響的なバックチャンバとなっている。

フロントチャンバとは、音響振動（白抜き矢印で示す。）の進入方向に対してダイアフラムの前方に位置する空間である。バックチャンバとは、音響振動の進入方向に対してダイアフラムの後方に位置する空間であって、ダイアフラムを振動させた音響振動が逃げていく空間である。このバックチャンバは、マイクロフォンモジュールにおいて「空気バネ」の役割を果たし、バックチャンバの容積が大きくなるほど、「空気バネ」が柔らかくなり、音響センサ１１の感度を高めることができる。

そのため、一部のマイクロフォンモジュールでは、図１（Ｂ）に示すように、ベース１７に音響導入口１９を開口しておき、ベース１７の上面に音響センサ１１を実装して空洞１５と音響導入口１９を連通させている。あるいは、図１（Ｃ）に示すように、カバー１８に音響導入口１９を開口しておき、カバー１８の下面に音響センサ１１を実装して空洞１５と音響導入口１９を連通させている。

図１（Ｂ）や図１（Ｃ）のようなマイクロフォンモジュールでは、音響導入口１９から進入した音響振動は空洞１５側からダイアフラム１３に進入するので、ケーシング１６内の空間２０がバックチャンバとなる。このような構造によれば、図１（Ａ）のように空洞１５をバックチャンバとする場合と比べて、バックチャンバ（空間２０）の容積を大きくでき、音響センサ１１の感度を高くできる。そのため、近年においては、図１（Ｂ）や図１（Ｃ）のような構造のマイクロフォンモジュールが注目されている。

一方、音響センサを作製する場合、基板１２としては、一般に安価な（１００）面Ｓｉ基板が用いられる。この基板１２を裏面側からウェットエッチングすることによって空洞１５を形成した場合には、図２に示す音響センサ２１のように、基板１２の裏面における開口（以下、裏面開口という。）が基板１２の表面における開口（以下、表面開口という。）よりも広くなったテーパー状の空洞１５が形成される。これは、ウェットエッチングが基板１２の裏面側から進行するとともに、最稠密面である（１１１）面と垂直な方向でエッチングレートが小さく、（１１１）面によって空洞１５の壁面が形成されるためである。

いま、図２に示すように、（１００）面Ｓｉ基板において（１１１）面が基板１２の裏面となす角度をα＝５４°、基板１２の厚みをｄとし、空洞１５の表面開口幅をＵ、空洞１５の裏面開口幅をＤとすると、裏面開口幅Ｄは、
Ｄ＝Ｕ＋２×ｄ／tanα≒Ｕ＋１.５×ｄ
となる。よって、表面開口幅Ｕがダイアフラム１３の幅とほぼ等しくなるように空洞１５を形成した場合、空洞１５の裏面開口幅Ｄはかなり大きなものとなる。

また、図３は特許文献１に記載された音響センサ２２の断面図である。この音響センサ２２の空洞１５はバレル状となっている。すなわち、この空洞１５では、基板１２の表面と平行な断面の幅が、基板１２の表面から厚み方向中央部までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に増加しており、基板１２の厚み方向中央部から裏面までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に減少している。特許文献１に開示されている音響センサ２２では、図２のようなテーパー状の空洞と比較すると、空洞１５の裏面開口幅を小さくできる。しかし、特許文献１の音響センサ２２では、基板表面と平行な断面の幅が増加から減少へ転じる箇所（節）が基板１２の厚み方向中央よりも裏面側に近くなっており、空洞１５の裏面開口幅は表面開口幅よりも広くなっている。

図４（Ａ）は特許文献２に記載されたＭＥＭＳデバイス２３の断面図である。ＭＥＭＳデバイス２３も、基板１２の表面と平行な断面の幅が、基板１２の表面から厚み方向中央部までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に増加し、基板１２の厚み方向中央部から裏面までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に減少するようにして、空洞１５が形成されている。

図４（Ｂ）は、ＭＥＭＳデバイス２３における空洞１５の形成方法を説明している。すなわち、基板１２に空洞１５を形成する際には、裏面側から基板１２をドライエッチングすることにより、図４（Ｂ）のようにダイアフラム１３の幅Ｇよりも大きな開口幅Ｄで基板１２に長方形断面の空洞１５を形成する。このとき空洞１５は、最奥部の角がダイアフラム１３の端を通る（１１１）面に接するような深さとする。この後、空洞１５内をウェットエッチングして広げ、各（１１１）面を出現させることにより、空洞１５をバレル形断面に形成している。特許文献２のＭＥＭＳデバイス２３では、このような製造工程のため、空洞１５の裏面開口幅Ｄは、空洞１５の表面開口幅Ｕよりも大きくなる。

図２に示した音響センサ２１、図３に示した音響センサ２２、あるいは図４に示したＭＥＭＳデバイス２３のいずれも、空洞１５の裏面開口幅が表面開口幅よりも広くなっている。そのため、これらの音響センサ２１、２２又はＭＥＭＳデバイス２３を音響導入口１９の位置でカバー１８又はベース１７に実装し、音響導入口１９と空洞１５が連続するようにした場合には、以下に説明するように、新たな解決課題が生じる。

図５は、音響導入口１９の位置で図３の音響センサ２２をカバー１８の下面に実装した場合を表している。図５のマイクロフォンモジュールでは、音響センサ２２の空洞１５がフロントチャンバとなっていて、裏面側からダイアフラム１３に音響振動が進入する。そのため、空洞１５の容積が大きいと、音響センサ２２の高周波数領域における音響特性に影響が生じ、高周波特性が共振の影響を受け易くなる（図１３の破線部分）。

また、音響導入口１９に面している空洞１５の裏面開口が広いので、音響導入口１９がマイクロフォンモジュールの上面に位置していたり、マイクロフォンモジュールが組み込まれた機器の開口部に向き合ったりしていると、空洞１５から塵や埃が侵入してダイアフラム１３に付着し易くなる。ダイアフラム１３に塵や埃が付着すると、ダイアフラム１３の振動特性が変化して音響センサ２２が影響を受ける。

このような問題は、図４のようなＭＥＭＳデバイス２３を用いた場合も同様である。また、図２のようなテーパー状の空洞を有する音響センサ２２を用いた場合には、より顕著になる。

これに対し、特許文献３に開示されている音響センサ３６では、図６に示すように、逆テーパー状の空洞１５を有している。すなわち、空洞１５は、基板１２の表面に平行な断面の幅が基板表面から基板裏面へ向かうに従って次第に狭くなっている。このような形状の空洞１５であれば、裏面開口幅が狭くなり、空洞１５の容積も小さくなるので、上記のような問題は生じない。

しかし、特許文献３に記載されている音響センサ３６では、バックプレート２４に開口されたエッチング孔２５やダイアフラム１３に開口されたエッチング孔２６から基板１２の表面へエッチング液を導入し、基板１２の表面から裏面側へ向けて基板１２のエッチングを進行させることで空洞１５を形成している。

このため特許文献３の音響センサ３６では、音響導入口を塞ぐようにしてケーシングに実装した場合、空洞１５（フロントチャンバ）とケーシング内空間（バックチャンバ）が、エッチング孔２５、２６を通じて小さな音響抵抗で連通する。そのため、空洞１５に進入した音響振動は図６に矢印で示すようにエッチング孔２５、２６を通過してケーシング内空間へ漏れ易くなる。こうして音響振動が漏れ易くなる結果、ダイアフラム１３に音響振動が加わりにくくなって感度低下を招く。特に、図７に実線で示す感度特性のように可聴帯域（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）の低周波数領域において著しい特性劣化を生じる。なお、図７において破線で示す曲線は、エッチング孔を塞いだときの感度特性である。

また、特許文献４にも、図８に示すように逆テーパー状の空洞１５を有する音響センサ３７が開示されている。この音響センサ３７は、図９（Ａ）−図９（Ｄ）に示す工程を経て製造される。すなわち、図９（Ａ）に示すように、基板１２の表面の空洞形成領域に犠牲層２７を形成するとともに犠牲層２７の一部を基板１２から浮かせた状態で基板１２の端部へ延長しておく。さらに、犠牲層２７の上に保護膜２８を形成し、保護膜２８の上にダイアフラム１３を形成する。ダイアフラム１３の上には、さらに保護膜２８を形成し、その上にバックプレート２４を形成するとともにバックプレート２４の上面に固定電極１４を設ける。また、犠牲層２７の延長部分の上方において、バックプレート２４にエッチング孔２９を開口しておく。

エッチング孔２９の直下において保護膜２８をエッチングし、保護膜２８に孔をあけて犠牲層２７の延長部分を露出させる。ついで、図９（Ｂ）に示すように、エッチング孔２９からエッチング液を導入して犠牲層２７をエッチングする。このエッチング液は犠牲層２７と基板１２にエッチング特性を有するので、図９（Ｃ）に示すように、犠牲層２７がエッチングされてできた通路３０にエッチング液が浸入して基板１２に触れると、基板１２が表面側からエッチングされる。この結果、図９（Ｄ）に示すように、基板１２内には逆テーパー状の空洞１５が次第に深く形成されていく。エッチングが基板１２の裏面に達したら基板１２のエッチングを停止し、保護膜２８をエッチングにより除去し、図８のような音響センサ３７を得る。

一般に、音響センサのベントホールは、非常に狭い空間で形成しないと音響センサとして高い音響抵抗を得ることができず、ベントホールを通って音響振動が漏れる。一方、音響センサ３７では、犠牲層２７の延長部分はエッチング液の通路３０となるので、ある程度大きな断面積を必要とする。エッチング液の通路３０が狭いとエッチング液の循環が阻害されるので、基板１２のエッチング速度が低下して音響センサの生産性が低下する。しかし、特許文献４に開示された音響センサの製造方法では、図９に示すように、犠牲層２７の延長部分は、ベントホール３１が形成される部分を通過している。そのため、ベントホール３１の厚みは犠牲層２７の延長部分の厚みよりも大きくなってしまい、ベントホール３１を狭くすることができない。さらに、バックプレート２４に開口されたエッチング孔２９も、ある程度大きな開口でなければエッチング液の循環を阻害し、基板１２のエッチング速度が低下して音響センサの生産性が低下する。

そのため、特許文献４の音響センサでは、ベントホール３１からエッチング孔２９にかけて音響抵抗が小さくなる。よって、特許文献３の音響センサと同様、空洞１５に進入した音響振動は、図８に矢印で示すようにベントホール３１とエッチング孔２９を通過してケーシング内空間へ漏れ易くなる。その結果、音響センサの感度低下を招き、特に低周波数領域において著しく感度特性が劣化する。

以上のような事情から、音響センサの空洞を基板の裏面側からのみの加工によって作製できるようにすることが望まれる。

特許第４２７３４３８号公報 米国特許第７５１４２８７号明細書 特許第４５３９４５０号公報 特開２００７−２９５４８７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って、その目的とするところは、基板の裏面側からエッチングすることにより、基板裏面における開口面積が基板表面における開口面積よりも小さな空洞を基板に形成することができる音響センサとその製造方法を提供することにある。

本発明に係る音響センサは、表面から裏面へ貫通した空洞を有する半導体基板と、前記空洞を覆うようにして前記基板の表面側に配設された薄膜状のダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段とを備えた音響センサであって、前記空洞は複数の壁面を有し、前記壁面のうち少なくとも１つの壁面は、前記基板の表面と前記基板の厚み方向中間部との間において、前記基板の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に前記基板の外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と前記基板の裏面との間において、前記中間部から前記基板の裏面へ向かうにつれて次第に前記基板の内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されており、前記第１の斜面及び第２の斜面で構成された壁面に垂直な断面において、前記基板の裏面における前記空洞の開口幅が前記基板の表面における前記空洞の開口幅よりも小さく、前記基板の表面における開口の近傍領域においては、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面から裏面側へ向かうにつれて次第に増加し、前記基板の裏面における開口の近傍領域においては、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面側から裏面へ向かうにつれて次第に減少していることを特徴としている。

本発明に係る音響センサにあっては、空洞の基板裏面側における開口幅が基板表面側における開口幅よりも小さいので、ケーシングに開口された音響導入口の位置において音響センサの裏面をケーシングに実装した場合でも、空洞内に塵や埃が侵入しにくくなる。よって、空洞内に侵入した塵や埃がダイアフラムに付着して音響センサの特性が変化したり、劣化したりするのを防ぐことができる。また、空洞の裏面開口が小さくなる分だけ基板の裏面面積を広くできるので、音響センサをケーシングに実装するときの固定強度や安定性が向上する。

さらに、本発明の音響センサにあっては、空洞の裏面開口幅を表面開口幅より小さくすることにより、空洞の容積を小さくできるので、音響センサの高周波特性を向上させることができる。

しかも、空洞の壁面のうち少なくとも１つの壁面が、基板表面から厚み方向の中間部へ向かうにつれて次第に基板外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と基板裏面との間において、前記中間部から基板裏面へ向かうにつれて次第に基板内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されているので、後述のように基板の裏面側からのみのエッチング加工によって空洞を開口することができ、基板表面のセンサ構造物にエッチング孔を開口する必要が無い。そのため、空洞から進入した音響振動がダイアフラムに加わらないでエッチング孔から漏れるおそれがなく、音響センサの音響抵抗が大きくなって、低周波数領域における感度特性の劣化を防ぐことができる。

また、本発明に係る音響センサにおいては、前記壁面のうち対向する少なくとも一対の壁面が、前記第１の斜面と前記第２の斜面で構成され、第１の斜面と第２の斜面との境界の、前記基板の裏面から測った高さが、互いに対向する前記壁面どうしで異なっていてもよい。

さらに、本発明に係る音響センサにおいては、前記基板の厚みをｄ、前記第１及び第２の斜面の傾斜角をα、前記第１及び第２の斜面で構成された前記壁面に垂直な断面における前記空洞の前記基板の表面における開口幅と前記基板の裏面における開口幅をそれぞれＵ、Ｄとするとき、つぎの条件
Ｄ ＞ Ｕ−２×ｄ／tanα
を満たしていることが望ましい。この条件を満たすことにより、第１の斜面と第２の斜面を形成することが可能になる。

また、本発明に係る音響センサをより具体的に言えば、前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が次第に増加した後、前記基板の表面と裏面の中間において当該断面の面積が増加から減少に転じている場合がある。たとえば、第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さが各壁面で同一である場合である。

また、前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が比較的大きな増加率で次第に増加し、当該断面の面積の増減が小さくなった後、当該断面の面積が比較的大きな減少率で次第に減少している場合もある。たとえば、第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さが壁面によって異なる場合である。

これらの具体的な態様においては、前記空洞のうち、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が増加している領域の厚みが、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が減少している領域の厚みよりも小さくなっていれば、基板の裏面における空洞の開口面積を基板の表面における空洞の開口面積よりも小さくできる。

音響振動を電気信号に変換する手段としては、静電容量式のものやピエゾ抵抗式のものがある。たとえば、静電容量式の前記変換手段は、基板の表面側において、導電材料によって形成された前記ダイアフラムと平行となるように配置された固定電極で構成することができる。このような変換手段では、音響振動によってダイアフラムが撓むと、ダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化として電気信号が出力される。

本発明に係る音響センサの製造方法は、半導体基板の表面に犠牲層を作製する工程と、前記犠牲層の上方に薄膜状のダイアフラムを作製する工程と、前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段を作製する工程と、前記基板の裏面から前記基板をドライエッチングすることにより、前記基板の厚み方向に沿って裏面から表面まで前記基板に孔を貫通させて、前記基板の裏面に平行な一方向における開口幅が前記犠牲層の幅よりも小さな貫通孔を前記基板に形成する工程と、前記貫通孔へエッチング液を導入し、前記犠牲層をエッチング除去しながら前記基板の表面から前記基板を異方性エッチングするとともに、前記貫通孔の内壁面から前記基板を異方性エッチングして前記基板に前記空洞を形成する工程とを備える。

本発明に係る音響センサの製造方法によれば、貫通孔に導入したエッチング液によって犠牲層をエッチング除去しながら基板の表面から基板を異方性エッチングすることによって第１の斜面を形成することができ、犠牲層の内壁面から基板を異方性エッチングすることにより第２の斜面を形成することができるので、裏面からのみのエッチング加工によって第１の斜面と第２の斜面からなる空洞を形成することができる。

しかも、この製造方法においては、前記犠牲層が、前記空洞の表面開口に対応する領域に形成され、前記貫通孔の、前記基板の裏面側における開口が、前記空洞の裏面開口と対応する領域に形成される。そして、空洞の基板表面における開口幅又は開口面積は犠牲層の幅や面積によって定まり、空洞の基板裏面における開口幅又は開口面積は、貫通孔の基板裏面における開口幅や開口面積によって定まるので、空洞の表面開口や裏面開口のサイズを容易に制御することができる。

また、本発明に係る音響センサの製造方法においては、前記貫通孔を形成する工程において、前記貫通孔の中心を前記犠牲層の水平方向における中心からずらせて、前記貫通孔を形成してもよい。このように貫通孔の位置を犠牲層の中心からずらせておけば、貫通孔をずらせた方向に位置する一対の壁面における第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さを異ならせることができる。

こうして貫通孔の位置をずらせる場合でも、基板の表面に垂直な方向から見て、貫通孔の少なくとも一部が犠牲層と重なり合うようにしてあれば、貫通孔へ導入したエッチング液によって犠牲層をエッチング除去することができる。

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。

（Ａ）は、従来例の音響センサを、センサ内部の空洞がバックチャンバとなるようにしてケーシングに実装したマイクロフォンモジュールの断面図である。（Ｂ）及び（Ｃ）は、それぞれ、従来例の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装したマイクロフォンモジュールの断面図である。 テーパー状の空洞を有する従来例の音響センサを示す断面図である。 特許文献１に記載された音響センサの断面図である。 （Ａ）は、特許文献２に記載された音響センサの断面図である。（Ｂ）は、特許文献２の音響センサの製造方法を説明する図である。 特許文献１に記載された図３の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装した状態を示す断面図である。 特許文献３に記載された音響センサの断面図である。 特許文献３に記載された図６の音響センサの周波数−感度特性を示す図である。 特許文献４に記載された音響センサの断面図である。 （Ａ）−（Ｄ）は、特許文献４に記載された図８の音響センサの製造方法を説明する断面図である。 本発明の実施形態１による音響センサの断面図である。 図１０に示す実施形態１の音響センサに用いられている基板の平面図である。 図１０に示す実施形態１の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装した状態を示す断面図である。 本発明の実施形態１による音響センサの周波数−感度特性を示す図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１０に示す音響センサの製造方法を説明する断面図である。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図１０に示す音響センサの製造方法を説明する断面図であって、図１４（Ｂ）の工程に続く工程を示す。 異方性エッチングによって基板内にバレル型の空洞が形成される様子を説明する概略図である。 本発明の実施形態１の変形例による音響センサを示す断面図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態１の別な変形例に用いる基板のＸ−Ｘ断面（図１１）を示す概略図である。（Ｂ）は、当該基板のＹ−Ｙ断面（図１１）を示す概略図である。 （Ａ）は、本発明の実施形態２による音響センサを示す断面図である。（Ｂ）は、（Ａ）に示す音響センサの製造方法を説明する概略図である。

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。

（実施形態１の音響センサ）
図１０は、本発明の実施形態１による音響センサ４１の構造を示す断面図である。音響センサ４１は、基板４２、薄膜のダイアフラム４３、バックプレート４５及び固定電極４６を有している。基板４２は、表面及び裏面が（１００）面となった（１００）面Ｓｉ基板である。基板４２には、裏面側からエッチングすることによって表裏に貫通した空洞４４が形成されている。空洞４４は４方向に壁面を有しており、基板４２の表面に垂直な方向から見たとき、図１１に示すように各辺が（１１０）方向又は（１１０）方向と等価な方向を向いた矩形状となっている。

図１０は、図１１のＫ−Ｋ線に沿った音響センサ４１の断面を表している。空洞４４の各壁面は、（１１１）面又は（１１１）面と等価な結晶面からなる第１の斜面４７ａと第２の斜面４７ｂによって構成されている。斜面４７ａ、４７ｂはいずれも基板４２の裏面に対してα＝５４°の傾斜角を有しており、互いに異なる方向に傾斜している。すなわち、第１の斜面４７ａは、基板４２の表面と基板４２の厚み方向中間部（節Ｐ）との間において、基板４２の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に基板４２の外側へ向かって広がるように傾斜している。第２の斜面４７ｂは、前記中間部（節Ｐ）と基板４２の裏面との間において、前記中間部から基板４２の裏面へ向かうにつれて次第に基板４２の内側へ向かって狭まるように傾斜している。以下においては、第１の斜面４７ａと第２の斜面４７ｂとの境界にあって、斜面の傾斜方向が変化する箇所を節Ｐと呼ぶことにする。

したがって、空洞４４は、図１１における基板４２のＸ−Ｘ断面又はＹ−Ｙ断面においては、基板４２の裏面から節Ｐまでは、第２の斜面４７ｂによって逆テーパー状となっている。また、節Ｐから基板４２の表面までは、第１の斜面４７ａによってテーパー状となっている。全体として、空洞４４は中間部で幅の広いバレル状となっている。

実施形態１では、対向する壁面における節Ｐの高さＨ（基板の裏面から測った厚み方向における高さ）は互いに等しくなっている。さらに、Ｘ−Ｘ断面における節Ｐの高さＨとＹ−Ｙ断面における節Ｐの高さＨも等しくなっている。したがって、空洞４４は、基板４２の表面に平行な断面の面積が、基板の表面から裏面に向かうにつれて次第に増加するとともに、前記基板の表面と裏面の中間に位置する節Ｐにおいて増加から減少に転じて次第に減少している。さらに、実施形態１では、節Ｐの高さＨは、基板４２の厚みｄの１／２よりも大きくなっている。すなわち、Ｈ＞ｄ／２となっているので、空洞４４の、基板裏面における開口（裏面開口４４ｂ）の面積は基板表面における開口（表面開口４４ａ）の面積よりも小さくなっている。

図１０に示すように、基板４２の厚みをｄ、節Ｐの高さをＨ、空洞４４の基板表面における開口幅（以下、表面開口幅という。）をＵ、空洞４４の基板裏面における開口幅（以下、裏面開口幅という。）をＤとすれば、第１及び第２の斜面４７ａ、４７ｂの傾斜角はα＝５４°であるから、空洞４４の裏面開口幅Ｄは、つぎの数式１で表される。
Ｄ＝Ｕ＋２×（ｄ−Ｈ）／tanα−２×Ｈ／tanα
＝Ｕ＋２×（ｄ−２×Ｈ）／tanα …（数式１）
よって、数式１によれば、裏面開口幅Ｄを表面開口幅Ｕよりも小さく（Ｄ＜Ｕ）した場合には、ｄ／２＜Ｈとなることが分かる。すなわち、節Ｐが基板４２の厚み方向の中心よりも上に位置する。また、節Ｐの高さＨは基板４２の表面よりも下に位置していなければならない（Ｈ＜ｄ）ので、空洞４４の空洞幅Ｄは、
Ｄ＞Ｕ−２×ｄ／tanα …（数式２）
となる。

ダイアフラム４３はほぼ矩形状の導電性を有する薄膜であって、四隅からそれぞれ対角方向へ向けて脚部４８が延出している。ダイアフラム４３は、空洞４４の表面開口４４ａを覆うようにして基板４２の上方に配置され、各脚部４８は支持台４９によって基板４２の表面に固定されている。

基板４２の表面には、ダイアフラム４３と間隙を隔ててダイアフラム４３の上方を覆うようにして剛性を有するバックプレート４５を設けている。バックプレート４５の上面には金属材料によって固定電極４６が設けられている。また、バックプレート４５には、固定電極４６に導通した電極パッド５１と、ダイアフラム４３と導通した電極パッド５２を設けている。バックプレート４５及び固定電極４６には、複数の音響孔５０が開口されている。

この音響センサ４１に空洞４４側から音響振動が進入して、あるいは音響孔５０を通過してバックプレート４５側から音響振動が進入すると、音響振動に感応してダイアフラム４３が振動する。振動によってダイアフラム４３が変位することによってダイアフラム４３と固定電極４６との距離が変化するので、ダイアフラム４３と固定電極４６との間の静電容量が変化し、それによって音響振動が電気信号に変換されて音響センサ４１から出力される。

図１２は、音響センサ４１をケーシング６２内に実装したマイクロフォンモジュール６１の断面図である。ケーシング６２は、平板状のベース６３と、ベース６３の上面を覆う蓋状のカバー６４からなり、カバー６４の上面には音響導入口６５が開口している。音響センサ４１は、上下反転させた状態でカバー６４の下面に固定されている。音響センサ４１は、空洞４４が音響導入口６５と連続するように実装されており、空洞４４が音響センサ４１のフロントチャンバとなっている。また、ケーシング６２内に形成された空間６６が音響センサ４１のバックチャンバとなっている。

音響センサ４１を用いたマイクロフォンモジュール６１によれば、空洞４４の裏面開口幅や裏面開口面積を小さくできるので、裏面開口４４ｂから空洞４４内に塵や埃が侵入しにくくなり、ダイアフラム１３に塵や埃が付着して音響センサ４１の特性が変化したり、劣化したりするのを抑制することができる。

また、空洞４４の裏面開口を小さくした分だけ基板４２の裏面の面積が広くなるので、音響センサ４１の実装面を広くすることができる。その結果、音響センサ４１をケーシング６２にダイボンドするときの固定強度や安定性を向上させることができる。特に、ダイボンドされた音響センサ４１の傾きを小さくでき、音響センサ４１の実装姿勢を安定させることができる。

さらに、空洞４４の表面開口面積はダイアフラム４３の面積にほぼ等しいので、空洞４４の裏面開口面積を表面開口面積より小さくすることにより、空洞４４の容積を小さくできる。その結果、音響センサ４１の高周波特性が向上する。図１３に実線で示す曲線は、音響センサ４１の周波数−感度特性を表す。図１３に破線で示す曲線は、空洞４４の裏面開口面積が表面開口面積よりも大きくて空洞４４の容積が大きい場合の周波数−感度特性を表している。このように空洞４４の裏面開口面積を表面開口面積よりも小さくし、空洞４４の容積を小さくすると、図１４に実線で示す曲線のように周波数−感度特性の共振部分（ピーク部）が高周波数側へシフトするので、周波数−感度特性のフラットな領域が可聴帯域の上限よりも高周波側へ延び、良好な特性を得ることができる。

また、音響センサ４１では、節Ｐの高さＨを変化させることで空洞４４の裏面開口幅又は裏面開口面積を変化させることができ、それによって空洞４４の容積も調整することができる。

さらに、音響センサ４１では、以下に説明するように、裏面側からのエッチングのみによって基板４２に空洞４４を形成することができるので、ダイアフラム４３やバックプレート４５にエッチング孔を開口する必要が無い。そのため、空洞４４から進入した音響振動がダイアフラム４３に加わらないでエッチング孔から漏れるおそれがなく、音響センサ４１の音響抵抗が大きくなって、低周波数領域における感度特性の劣化（図７参照）を防ぐことができる。

（実施形態１の音響センサの製造方法）
つぎに、図１４及び図１５に従って、本発明の実施形態１による音響センサ４１の製造方法を説明する。音響センサ４１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個の音響センサ４１だけを図示して説明する。

まず、一般的なＭＥＭＳ技術を用いて、図１４（Ａ）に示すように、（１００）面Ｓｉ基板４２の表面にセンサ構造物を作製しておく。すなわち、基板４２の表面に、ポリシリコンからなる犠牲層７１、ダイアフラム４３、ダイアフラム４３の脚部４８を支持させるための支持台４９、バックプレート４５の外周部下面を支持させるための支持部７２、ＳｉＯ_２からなる保護膜７３、７４、ＳｉＮからなるバックプレート４５、金属膜（たとえば下層Ｃｒ／上層Ａｕの二層膜）からなる固定電極４６や電極パッド５１、５２を作製しておく。ここで、犠牲層７１は、空洞４４の表面開口４４ａを形成しようとする領域において、ダイアフラム４３とほぼ同じ面積に形成される。保護膜７３、７４はダイアフラム４３の表面を覆っている。バックプレート４５及び固定電極４６には、複数の音響孔５０を開口しておく。また、基板４２の裏面はＳｉＯ_２からなる保護膜７５によって覆っておく。

この後、ＤＲＩＥなどの方法によって基板４２を裏面側から上方へ向けてドライエッチングし、図１４（Ｂ）に示すように、基板４２に柱状の貫通孔７６を明ける。この際、ドライエッチングによって犠牲層７１を貫通孔７６の上面に露出させる必要があるが、ドライエッチングにより貫通孔７６の直上で犠牲層７１がエッチングされても差し支えないので、エッチング深さについては精密な制御は必要ない。また、この貫通孔７６は、水平断面が空洞４４の裏面開口４４ｂとほぼ等しくなるように形成する。

ついで、基板４２の裏面側から貫通孔７６内にＴＭＡＨなどのエッチング液を導入する。エッチング液は、基板４２と犠牲層７１に対してエッチング特性を有するが、保護層７３、７５に対してはエッチング特性を有しないものである。よって、貫通孔７６内に浸入したエッチング液によって犠牲層７１がエッチング除去され、基板４２の表面に沿ってエッチング液が広がっていき、エッチング液は基板４２を表面側からエッチングする。こうして基板４２は、図１５（Ａ）に示すように、貫通孔７６の周囲においてその表面から裏面側へ向けて異方エッチングされると同時に、貫通孔７６の内壁面からも異方性エッチングされる。

この結果、図１６に示すように、基板４２の表面からの異方性エッチングによって、犠牲層７１の端を通る斜面４７ａが形成され、貫通孔７６の内壁面からの異方性エッチングによって貫通孔７６の内壁面の下端を通る斜面４７ｂが形成される。こうして、図１５（Ｂ）のように貫通孔７６から広がった空間によってバレル状の空洞４４が形成される。

この後、表面側の保護膜７３、７４や裏面側の保護膜７５をエッチングにより除去することで、図１０のような音響センサ４１が作製される。

上記のような製造方法によれば、基板４２の裏面側からのドライエッチング及びウェットエッチングだけでバレル状の空洞４４を形成することができるので、基板４２の表面側のセンサ構造物には空洞４４を作製するためのエッチング孔をあける必要がない。そのため、空洞４４側から進入した音響振動に対する音響抵抗を高めることでき、低周波数領域における感度の低下を抑制できる。

上記製造方法から分かるように、空洞４４の表面開口幅は犠牲層７１の幅によって決まり、空洞４４の裏面開口幅はドライエッチングにより開口された貫通孔７６の幅によって決まる。ただし、空洞４４の裏面開口幅は、オーバーエッチングのために、貫通孔７６の幅よりも若干広くなる。

（実施形態１の変形例）
図１０に示した音響センサ４１は、バレル型の空洞４４を有している。これに対し、節Ｐをできるだけ基板４２の表面に近づけ、第１の斜面４７ａの領域を小さくすれば、図１７に示すようにほぼテーパー状の空洞４４を裏面側からのみのエッチングによって形成することができる。

また、断面の方向によって節Ｐの高さが異なっていてもよい。たとえば、図１１の基板４２において、Ｘ−Ｘ断面における節Ｐの高さがＨ１、Ｙ−Ｙ断面における節Ｐの高さがＨ２となっていて、節Ｐの高さＨ１、Ｈ２が互いに異なっていてもよい。図１８（Ａ）は、この基板４２のＸ−Ｘ断面を表し、図１８（Ｂ）は基板４２のＹ−Ｙ断面を表す。節Ｐの高さがＨ１＜Ｈ２であるとすると、このような形状の空洞４４では、空洞４４の、基板４２の表面に平行な断面の面積（以下、水平断面積という。）は、基板４２の表面から裏面へ向かうにつれて、以下のように変化する。基板４２の表面から高さＨ２までの間では、Ｘ−Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加し、Ｙ−Ｙ断面でも表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加するので、空洞４４の水平断面積は比較的大きな増加率で次第に増加する。高さＨ２から高さＨ１までの間では、Ｘ−Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加しているが、Ｙ−Ｙ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少するので、空洞４４の水平断面積の増減はほぼゼロになるか、小さな増減となる。高さＨ１から基板４２の裏面までの間では、Ｘ−Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少し、Ｙ−Ｙ断面でも表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少するので、空洞４４の水平断面積は比較的大きな減少率で次第に減少する

なお、音響振動を電気信号に変換する変換手段としては、上記のように固定電極を用いた静電容量式のものに限らず、たとえばピエゾ抵抗を用いてダイアフラムの歪みを検出するタイプのものでもよい。

（実施形態２）
図１９（Ａ）に示すものは、本発明の実施形態２による音響センサ８１の断面図である。この音響センサ８１では、空洞４４の対向する壁面どうしの間で節Ｐの高さＨ３、Ｈ４を異ならせ、壁面の断面形状を互いに異ならせている。このとき一方の節Ｐの高さＨ４は、基板４２の厚みの１／２よりも高い位置にあるが、他方の節Ｐの高さＨ３は基板４２の厚みの１／２よりも高い位置にあってもよく、低い位置にあってもよい。

このような非対称な空洞４４を形成するには、実施形態１に述べた音響センサの製造方法において、ドライエッチングによって基板４２に貫通孔７６を明ける際に、図１９（Ｂ）に示すように、貫通孔７６の中心を犠牲層７１の水平方向の中心からずらせておけばよい。

また、貫通孔７６は、基板４２の表面に垂直な方向から見て、全体が犠牲層７１と重なり合っている必要はなく、少なくとも一部が犠牲層７１と重なり合っていればよい。ただし、貫通孔７６の開口幅又は開口面積は、犠牲層７１の幅又は面積よりも小さくなければならない。

空洞４４が、Ｘ−Ｘ断面においても、Ｙ−Ｙ断面においても図１９（Ａ）のような同じ断面形状を有している場合には、高さがＨ３＜Ｈ４であるとすると、空洞４４の水平断面積は、基板４２の表面から裏面へ向かうにつれて、以下のように変化する。基板４２の表面から高さＨ４までの間では、空洞４４の水平断面積は比較的大きな増加率で次第に増加する。高さＨ４から高さＨ３までの間では、空洞４４の水平断面積の増減はほぼゼロになるか、小さな増減となる。また、高さＨ３から基板４２の裏面までの間では、空洞４４の水平断面積は比較的大きな減少率で次第に減少する。

また、Ｘ−Ｘ断面においてもＹ−Ｙ断面においても図１９（Ａ）のように対向する壁面どうしで節Ｐの高さが異なっており、さらにＸ−Ｘ断面とＹ−Ｙ断面で各節Ｐの高さがことなっていて空洞４４が４つの異なる高さの節Ｐを有していても差し支えない。

４１、８１ 音響センサ
４２ 基板
４３ ダイアフラム
４４ 空洞
４４ａ 表面開口
４４ｂ 裏面開口
４６ 固定電極
４７ａ 第１の斜面
４７ｂ 第２の斜面
６１ マイクロフォンモジュール
６２ ケーシング
６３ ベース
６４ カバー
６５ 音響導入口
７１ 犠牲層
７６ 貫通孔

Claims (11)

1. 表面から裏面へ貫通した空洞を有する半導体基板と、
   前記空洞を覆うようにして前記基板の表面側に配設された薄膜状のダイアフラムと、
   前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段と、
   を備えた音響センサであって、
   前記空洞は複数の壁面を有し、
   前記壁面のうち少なくとも１つの壁面は、前記基板の表面と前記基板の厚み方向中間部との間において、前記基板の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に前記基板の外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と前記基板の裏面との間において、前記中間部から前記基板の裏面へ向かうにつれて次第に前記基板の内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されており、
   前記第１の斜面及び第２の斜面で構成された壁面に垂直な断面において、前記基板の裏面における前記空洞の開口幅が前記基板の表面における前記空洞の開口幅よりも小さく、
   前記基板の表面における開口の近傍領域においては、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面から裏面側へ向かうにつれて次第に増加し、
   前記基板の裏面における開口の近傍領域においては、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面側から裏面へ向かうにつれて次第に減少していることを特徴とする音響センサ。
2. 前記壁面のうち対向する少なくとも一対の壁面が、前記第１の斜面と前記第２の斜面で構成され、
   前記第１の斜面と第２の斜面で構成された壁面のうち少なくとも一対の対向する壁面においては、第１の斜面と第２の斜面との境界の、前記基板の裏面から測った高さが、互いに対向する前記壁面どうしで異なっていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
3. 前記基板の厚みをｄ、前記第１及び第２の斜面の傾斜角をα、前記第１及び第２の斜面で構成された前記壁面に垂直な断面における前記空洞の前記基板の表面における開口幅と前記基板の裏面における開口幅をそれぞれＵ、Ｄとするとき、つぎの条件
   Ｄ ＞ Ｕ−２×ｄ／tanα
   を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
4. 前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が次第に増加した後、前記基板の表面と裏面の中間において当該断面の面積が増加から減少に転じていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
5. 前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が比較的大きな増加率で次第に増加し、当該断面の面積の増減が小さくなった後、当該断面の面積が比較的大きな減少率で次第に減少していることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
6. 前記空洞のうち、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が増加している領域の厚みが、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が減少している領域の厚みよりも小さいことを特徴とする、請求項４又は５に記載の音響センサ。
7. 前記ダイアフラムは、導電性材料によって形成され、
   前記変換手段は、前記基板の表面側において、前記ダイアフラムと平行となるように配置された固定電極であることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
8. 請求項１に記載した音響センサを製造するための方法であって、
   半導体基板の表面に犠牲層を作製する工程と、
   前記犠牲層の上方に薄膜状のダイアフラムを作製する工程と、
   前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段を作製する工程と、
   前記基板の裏面から前記基板をドライエッチングすることにより、前記基板の厚み方向に沿って裏面から表面まで前記基板に孔を貫通させて、前記基板の裏面に平行な一方向における開口幅が前記犠牲層の幅よりも小さな貫通孔を前記基板に形成する工程と、
   前記貫通孔へエッチング液を導入し、前記犠牲層をエッチング除去しながら前記基板の表面から前記基板を異方性エッチングするとともに、前記貫通孔の内壁面から前記基板を異方性エッチングして前記基板に前記空洞を形成する工程と、
   を備えた音響センサの製造方法。
9. 前記犠牲層は、前記空洞の表面開口に対応する領域に形成され、
   前記貫通孔は、前記基板の裏面側における開口が、前記空洞の裏面開口と対応する領域に形成されることを特徴とする、請求項８に記載の音響センサの製造方法。
10. 前記貫通孔を形成する工程において、前記貫通孔の中心を前記犠牲層の水平方向における中心からずらせて、前記貫通孔を形成することを特徴とする、請求項８に記載の音響センサの製造方法。
11. 前記貫通孔は、前記基板の表面に垂直な方向から見て、少なくとも一部が前記犠牲層と重なり合っていることを特徴とする、請求項１０に記載の音響センサの製造方法。

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