KR101185291B1 - 음향 센서 및 그 제조 방법 - Google Patents

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오므론 가부시키가이샤
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Abstract

[과제]
들보부의 강도나 다이어프램의 지지 강도를 저하시키는 일 없이, 들보부의 앵커로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 할 수 있는 음향 센서를 제공한다.
[해결 수단]
실리콘 기판(32)의 상면에 있어서, 폴리실리콘으로 이루어지는 제 1 희생층(48)의 연출부(48a)의 위에, 실리콘 산화막으로 이루어지는 제 2 희생층(47)을 통하여 폴리실리콘으로 이루어지는 다이어프램(33)의 들보부(36a)를 형성한다. 연출부(48a)는, 들보부(36a)의 선단부를 제외한 영역의 아래에 형성되어 있다. 실리콘 기판(32)에 마련한 백챔버(35)로부터 연출부(48a)를 에칭 제거하여 들보부(36a)의 하면의 선단부를 제외한 영역에 공동부(50)를 형성한 후, 또한 제 2 희생층(47)을 에칭에 의해 제거한다. 이 때, 들보부(36a)의 선단부 하면에 제 2 희생층(47)을 남겨서 앵커(37)로 한다.

Description

음향 센서 및 그 제조 방법{ACOUSTIC SENSOR AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
본 발명은 음향 센서 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 구체적으로는, MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 방식의 음향 센서와, MEMS 기술에 의한 음향 센서의 제조 방법에 관한 것이다.
소형 마이크로폰으로서는, 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰과 MEMS 마이크로폰이 사용되고 있는데, 본 발명은 MEMS 기술을 이용하여 제조된 MEMS 마이크로폰에 사용되는 음향 센서(마이크로폰 칩)에 관한 것이다. 우선, 본 발명과 관련되는 종래의 음향 센서를 설명한다.
(종래의 일반적인 MEMS 방식의 음향 센서)
도 1의 (A)는 MEMS 방식의 종래의 음향 센서(11)의 대각 방향에서의 단면도(도 1의 (B)의 X-X선 단면도)이고, 도 1의 (B)는 음향 센서(11)의 백플레이트를 제외한 상태에서의 평면도이다. 주로, 음향 센서(11)는, 단결정 실리콘으로 이루어지는 실리콘 기판(12), 폴리실리콘으로 이루어지는 다이어프램(13), 백플레이트(14)로 이루어진다. 실리콘 기판(12)에는, 그 표리(表裏)에 관통하는 백챔버(15)가 개구하고, 실리콘 기판(12)의 상면에는 백챔버(15)의 상방을 덮도록 하여 다이어프램(13)이 마련되어 있다. 다이어프램(13)은 개략 사각형 형상으로 되어 있고, 각각의 구석부(隅部)로부터 대각 방향 외측을 향하여 들보부(梁部)(16)가 연출(延出)되어 있다. 각 들보부(16)는, 각각의 하면에 마련한 앵커(17)에 의해 실리콘 기판(12)의 상면에 고정되어 있고, 다이어프램(13)은 앵커(17)에 의해 실리콘 기판(12)의 상면으로부터 들 띄워져 있다.
다이어프램(13)은, 실리콘 기판(12)의 상면에 고정된 백플레이트(14)에 의해 덮혀 있고, 백플레이트(14)에는 음향 진동을 통과시키기 위한 어쿠스틱 홀(18)(음향구멍)이 다수 개구되어 있다. 또한, 백플레이트(14)는, SiN으로 이루어지는 강성이 높은 플레이트부(19)의 내면에 폴리실리콘으로 된 고정 전극막(20)을 마련한 것이다.
이 음향 센서(11)는, MEMS 기술을 이용하여, 예를 들면 도 2의 (A) 내지 도 2의 (D)와 같은 제조 공정에 의해 제조된다(도 2 이후의 단면도에서는, 알기 쉽게 하기 위해, 단면의 방향을 나타내는 선을 생략한 것이 있다). 우선, 도 2의 (A)에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(12)의 상면에 희생층(21)(SiO2층)을 쌓고, 그 위에 폴리실리콘 박막을 성막하고, 소정의 다이어프램 형상이 되도록 폴리실리콘 박막을 에칭하여 다이어프램(13)을 형성한다.
계속해서, 다이어프램(13) 및 희생층(21)의 위에 또 희생층(21)(SiO2층)을 쌓고 다이어프램(13)을 희생층(21)으로 덮고, 백플레이트(14)의 내면 형상에 맞추어서 희생층(21)을 에칭한다. 그리고, 희생층(21)의 위에 폴리실리콘층을 성막하고, 이 폴리실리콘층을 소정의 고정 전극막 형상이 되도록 에칭하여 고정 전극막(20)을 형성한다. 이 후, 도 2의 (B)에 도시하는 바와 같이, 고정 전극막(20) 및 희생층(21)의 위에 SiN층을 쌓고, 이 SiN층을 소정 형상이 되도록 에칭하여 플레이트부(19)를 형성한다. 플레이트부(19)와 고정 전극막(20)으로 된 백플레이트(14)에 다수의 어쿠스틱 홀(18)을 개구한다.
계속해서, 도 2의 (C)에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(12)의 중앙부를 하면측에서 선택적으로 에칭하여 실리콘 기판(12)에 백챔버(15)를 관통시켜, 백챔버(15)의 상면에 희생층(21)을 노출시킨다.
이후, 백플레이트(14)의 어쿠스틱 홀(18)이나 실리콘 기판(12)의 백챔버(15) 등을 통하여 희생층(21)을 웨트 에칭하여, 도 2의 (D)에 도시하는 바와 같이, 들보부(16)의 아래의 희생층(21)만을 앵커(17)로서 남기고 다른 희생층(21)을 제거한다. 이 결과, 다이어프램(13)은, 앵커(17)에 의해 실리콘 기판(12)의 상면에서 들떠져서 백챔버(15)의 위에서 막진동이 가능하게 지지되고, 고정 전극막(20)과 다이어프램(13)의 사이에 에어 갭이 형성된다.
이와 같은 음향 센서(11)에서는, 음압에 의한 다이어프램(13)의 변위를 크게 하여 다이어프램(13)을 고감도화 하기 위해, 다이어프램(13)으로부터 들보부(16)를 연출되고, 희생층의 일부를 남겨 둠으로써 형성된 앵커(17)에 의해 들보부(16)를 실리콘 기판(12)에 고정하고 있다. 다이어프램(13)을 더욱 고감도화 하기 위해서는, 들보부(16)를 길게 함과 함께 앵커(17)를 백챔버(15)의 언저리(緣)로부터 멀리에 위치시켜, 들보부(16) 중 앵커(17)로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 하는 것이 바람직하다.
그러나, 앵커(17)는, 도 3의 (A)에 화살표로 나타내는 바와 같이 어쿠스틱 홀(18)로부터 침입한 에칭액이나 백챔버(15)로부터 도입된 에칭액에 의해 희생층(21)을 에칭하여, 도 3의 (B)와 같이 들보부(16)의 아래에 남는 희생층(21)에 의해 형성되어 있다. 그 때문에, 들보부(16)를 길게 하여도 앵커(17)도 길어져, 들보부(16)의 앵커(17)로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 할 수가 없다. 또한, 앵커(17)를 백챔버(15)의 언저리로부터 멀리에 위치시키도록 하여 에칭 시간을 길게 하면, 도 3의 (C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(16)의 아래의 희생층(21)이 측면으로부터도 에칭되어 앵커(17)가 가늘고 짧아져 버려, 앵커(17)로 들보부(16)를 지지할 수가 없게 된다.
(특허 문헌 1의 음향 센서)
들보부의 앵커로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 한 음향 센서로서는, 특허 문헌 1에 개시된 것이 있다. 특허 문헌 1의 음향 센서에서는, 들보부 중 앵커로 고정되지 않은 부분에 복수 개의 통공(通孔)을 개구하고, 또한, 들보부의 단부(端部)의 면적을 크게 함에 의해, 들보부의 앵커로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 하고 있다. 이하에서는, 들보부 중 앵커로 고정되지 않은 부분에 통공을 개구한 경우의 문제점과, 들보부의 단부의 면적을 크게 한 경우의 문제점을 나누어서 설명한다.
도 4의 (B) 및 도 4의 (C)는, 앵커(17)로 고정되지 않은 부분에 복수 개의 통공(22)을 뚫은 들보부(16)를 모식적으로 도시한 단면도 및 평면도이다. 들보부(16)에 통공(22)이 뚫려 있으면, 희생층(21)의 에칭시에, 도 4의 (A)에 도시하는 바와 같이, 통공(22)으로부터 침입한 에칭액에 의해 들보부(16)의 하면의 희생층(21)이 에칭된다. 그 때문에, 통공(22)이 뚫리지 않는 단부에만 희생층(21)이 남고, 도 4의 (B) 및 도 4의 (C)에 도시하는 바와 같이 들보부(16)의 단부에 앵커(17)가 형성된다.
그러나, 이와 같이 들보부(16)에 통공(22)을 뚫은 경우에는, 들보부(16)의 기계적 강도의 저하를 초래하고, 낙하 시험시나 음향 센서를 조립한 기기를 떨어뜨린 때 등에 들보부(16)가 파손될 우려가 있다.
다음에, 도 5의 (A) 및 도 5의 (B)는, 단부(23)의 면적을 크게 한 들보부(16)를 모식적으로 도시한 단면도 및 평면도이다. 이와 같은 구조에 의하면, 들보부(16) 중 단부 이외의 영역에서 희생층이 제거된 후에도, 단부(23)에는 희생층이 남기 때문에, 다이어프램(13)의 단부(23)에 앵커(17)를 형성할 수 있다.
그러나, 이와 같은 구조에서는, 들보부(16)의 면적이 커지기 때문에 음향 센서의 소형화에 방해가 된다. 또한, 단부(23) 이외의 희생층을 완전히 제거하여야 하기 때문에, 단부(23)의 면적에 비하여 앵커(17)의 면적이 작아지고, 다이어프램(13)의 지지가 불안정하게 될 우려가 있다.
[특허 문헌]
특허 문헌 1: 일본 특개2009-89097호 공보
본 발명은, 상기한 바와 같은 기술적 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는, 들보부의 강도나 다이어프램의 지지 강도를 저하시키는 일 없이, 들보부의 앵커로 고정되지 않은 부분의 길이를 길게 할 수 있는 음향 센서를 제공하는 것에 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법은, 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출(延出)되어 있고 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서의 제조 방법으로서, 상기 반도체 기판의 표면과 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 하면 사이에 제 1의 희생층과 제 2의 희생층을 형성함과 함께, 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 상면을 상기 제 2의 희생층으로 덮어서, 상기 제 1의 희생층 및 제 2의 희생층으로 이루어지는 희생층 내에 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 마련하는 공정과, 상기 희생층의 위에 상기 백플레이트를 형성하는 공정과, 상기 반도체 기판에 상기 백챔버를 형성하는 공정과, 상기 제 1의 희생층을 에칭에 의해 제거하는 공정과, 상기 제 1의 희생층을 에칭 제거한 후, 상기 제 2의 희생층의 일부를 에칭에 의해 제거하여 남은 제 2의 희생층에 의해 상기 들보부의 선단부 하면과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 상기 앵커를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법에서는, 미리 제 1의 희생층을 에칭 제거함에 의해 희생층 내에 공동부를 형성하여 둘 수 있기 때문에, 해당 공동부로부터 임의의 위치에 에칭액을 유도함으로써 제 2의 희생층의 에칭 부분을 컨트롤할 수 있다. 따라서, 들보부의 선단부에 앵커를 마련하는 것이 가능해지고, 들보부중 앵커로 고정되지 않은 영역을 길게 할 수 있고, 음향 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 들보부에 통공을 뚫는 종래예와 같이 들보부의 강도를 저하시키는 일도 없고, 또한 들보부의 선단부의 면적을 크게 한 종래예와 같이 들보부의 지지가 불안정하게 될 우려도 없다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법의 어느 실시 형태는, 상기 제 1의 희생층이, 상기 반도체 기판의 표면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 들보부의 선단부 하면을 제외하고, 또한, 적어도 상기 들보부의 선단부 이외의 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 형태에 의하면, 제 1의 희생층을 에칭 제거함에 의해 들보부의 선단부 이외의 영역에 공동을 형성할 수 있기 때문에, 들보부의 길이를 길게 한 경우에도 들보부의 선단부에 용이하게 앵커를 형성할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법의 다른 실시 형태는, 상기 제 1의 희생층이, 상기 진동 박막 및 상기 들보부에 접촉하지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 형태에 의하면, 제 1의 희생층을 에칭할 때에 진동 박막이나 들보부가 에칭되는 일이 없다. 따라서, 제 1의 희생층으로서 진동 박막이나 들보부와 같은 재료를 이용할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법의 또 다른 실시 형태는, 상기 제 1의 희생층이, 상기 반도체 기판에 접촉하지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 형태에 의하면, 제 1의 희생층을 에칭할 때에 반도체 기판의 표면이 에칭되는 일이 없고, 음향 센서의 특성을 저하시킬 우려가 없다.
또한, 본 발명에 관한 음향 센서의 제 1의 제조 방법에 있어서 상기 반도체 기판이 실리콘 기판인 경우에는, 제 1의 희생층으로서는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2의 희생층으로서는, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 2의 제조 방법은, 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출되어서 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서의 제조 방법으로서, 상기 들보부의 하면 또는 상기 반도체 기판의 상기 들보부와 대향하는 영역 중 적어도 한쪽을 제 2의 희생층으로 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 표면과 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 하면 사이에 제 1의 희생층과 제 2의 희생층을 형성함과 함께, 상기 제 1의 희생층과 동일재료에 의해 상기 제 1의 희생층과 분리하여 상기 들보부의 선단부와 상기 반도체 기판의 사이에 앵커층을 형성하고, 또한 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 상면을 상기 제 2의 희생층으로 덮어서, 상기 제 1의 희생층 및 제 2의 희생층으로 이루어지는 희생층 내에 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 마련하는 공정과, 상기 희생층의 위에 상기 백플레이트를 형성하는 공정과, 상기 반도체 기판에 상기 백챔버를 형성하는 공정과, 상기 제 1의 희생층을 에칭에 의해 제거하는 공정과, 상기 제 1의 희생층을 에칭 제거한 후, 상기 제 2의 희생층의 일부를 에칭에 의해 제거하여 남은 제 2의 희생층과 상기 앵커층에 의해 상기 들보부의 선단부 하면과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 상기 앵커를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 2의 제조 방법에서는, 미리 제 1의 희생층을 에칭 제거함에 의해 희생층 내에 공동부를 형성하여 둘 수 있기 때문에, 해당 공동부로부터 임의의 위치에 에칭액을 유도함으로써 제 2의 희생층의 에칭 부분을 컨트롤할 수 있다. 따라서, 들보부의 선단부에 앵커를 마련하는 것이 가능해지고, 들보부 중 앵커로 고정되지 않은 영역을 길게 할 수 있고, 음향 센서의 감도를 향상시킬 수 있다. 게다가, 앵커층은 제 1의 희생층과 동일재료이기 때문에, 제 1의 희생층과 동시에 형성할 수 있고, 제 2의 희생층의 표면을 평평하게 하여 들보부를 플랫하게 할 수 있고, 들보부의 강도를 높일 수 있다. 또한, 앵커의 높이가 커짐으로써, 앵커에서의 기생 용량을 작게 할 수 있다.
본 발명에 관한 음향 센서의 제 2의 제조 방법의 어느 실시 형태는, 상기 제 1의 희생층이, 상기 반도체 기판의 표면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 들보부의 선단부 하면을 제외하고, 또한, 적어도 상기 들보부의 선단부 이외의 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하고 있다. 이러한 실시 형태에 의하면, 제 1의 희생층을 에칭 제거함에 의해 들보부의 선단부 이외의 영역에 공동을 형성할 수 있기 때문에, 들보부의 길이를 길게 한 경우에도 들보부의 선단부에 용이하게 앵커를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 음향 센서의 제 2의 제조 방법에 있어서 상기 반도체 기판이 실리콘 기판인 경우에는, 제 1의 희생층으로서는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2의 희생층으로서는, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 이용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 관한 음향 센서는, 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출되어서 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서, 상기 앵커는, 상기 반도체 기판의 상면에 마련된 비도전성 재료로 이루어지는 하(下) 앵커층과, 상기 들보부의 선단부 하면에 마련된 비도전성 재료로 이루어지는 상(上) 앵커층과, 상기 상 앵커층 및 상기 하 앵커층과 다른 재료에 의해 형성되고, 또한, 상기 상 앵커층과 상기 하 앵커층의 사이에 끼여진 중앙 앵커층으로 이루어지는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 음향 센서에서는, 앵커를 3층 구조로 하고 있기 때문에, 앵커의 높이를 높게 할 수 있고, 앵커에서의 기생 용량을 작게 하여 기생 용량에 의한 음향 센서의 감도 감소를 경감할 수 있다.
또한, 본 발명에 관한 음향 센서에 있어서 상기 반도체 기판이 실리콘 기판인 경우에는, 제 1의 희생층으로서는, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘을 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 제 2의 희생층으로서는, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막을 이용하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명에 있어서 상기 과제를 해결하기 위한 수단은, 이상 설명한 구성 요소를 적절히 조합한 특징을 갖는 것이고, 본 발명은 이러한 구성 요소의 조합에 의한 많은 변화를 가능하게 하는 것이다.
도 1의 (A)는, 종래의 음향 센서의 단면도. 도 1의 (B)는, 종래의 음향 센서의 백플레이트를 제외한 상태의 평면도.
도 2의 (A) 내지 도 2의 (D)는, 종래의 음향 센서의 제조 방법의 한 예를 도시하는 단면도.
도 3의 (A) 및 도 3의 (B)는, 도 2의 제조 방법에 있어서, 다이어프램의 들보부의 아래에 앵커가 형성되는 양상을 설명하는 개략도. 도 3의 (C)는, 희생층의 에칭 시간을 길게 하여 앵커를 작게 한 상태를 도시하는 평면도.
도 4의 (A)는, 특허 문헌 1에 개시된 음향 센서에 있어서, 통공이 뚫린 들보부의 아래에 앵커가 형성되는 양상을 설명하는 개략도. 도 4의 (B) 및 도 4의 (C)는, 해당 방법에 의해 형성된 들보부를 도시하는 단면도 및 평면도.
도 5의 (A) 및 도 5의 (B)는, 특허 문헌 1에 개시된 음향 센서에서의, 단부가 크게 된 들보부를 도시하는 단면도 및 평면도.
도 6은, 본 발명의 실시 형태 1에 의한 음향 센서의 일부 분해한 사시도.
도 7은, 실시 형태 1의 음향 센서의 대각 방향에서의 단면도.
도 8은, 실시 형태 1의 음향 센서의 구체적인 형태를 도시하는 평면도, 아울러서 그 일부를 확대하여 도시한 도면.
도 9의 (A)는, 상동의 음향 센서의 플레이트부를 제거한 상태의 평면도. 도 9의 (B)는, 상동의 음향 센서의 백플레이트를 제거한 상태의 평면도. 도 9의 (C)는, 상동의 음향 센서의 백플레이트 및 다이어프램을 제거한 상태의 평면도.
도 10의 (A) 내지 도 10의 (D)는, 실시 형태 1의 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 개략 단면도.
도 11의 (A) 내지 도 11의 (C)는, 실시 형태 1의 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 개략 단면도로서, 도 10의 (D)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 12의 (A) 내지 도 12의 (C)는, 실시 형태 1의 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 개략 단면도로서, 도 11의 (C)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 13의 (A)는, 도 10의 (A)의 공정에서의 개략 평면도. 도 13의 (B)는, 도 10의 (B)의 공정에서의 개략 평면도. 도 13의 (C)는, 도 10의 (C)의 공정에서의 개략 단면도.
도 14의 (A)는, 도 10의 (D)의 공정에서의 개략 단면도. 도 14의 (B)는, 도 12의 (B)의 공정에서의 개략 단면도. 도 14의 (C)는, 도 12의 (C)의 공정에서의 개략 단면도.
도 15의 (A) 내지 도 15의 (C)는, 제 1 희생층을 에칭하여 들보부의 아래에 공동부를 형성하는 공정을 구체적으로 설명하는 도면으로서, 도 15의 (C)는 도 15의 (B)의 Y-Y선에 따른 단면을 도시하는 도면.
도 16의 (A) 내지 도 16의 (C)는, 제 2 희생층을 에칭하여 들보부의 아래에 앵커를 형성하는 공정을 구체적으로 설명하는 도면으로서, 도 16의 (C)는 도 15의 (B)의 Y-Y선에 따른 단면을 도시하는 도면.
도 17의 (A)는, 본 발명의 실시 형태 2에 의한 음향 센서의 일부를 도시하는 단면도. 도 17의 (B)는, 백플레이트를 제외한 상태에서의 해당 음향 센서의 일부를 도시하는 평면도.
도 18의 (A)는, 실시 형태 1의 앵커 구조를 도시하는 단면도. 도 18의 (B)는, 실시 형태 2의 앵커 구조를 도시하는 단면도.
도 19의 (A) 내지 도 19의 (C)는, 실시 형태 2의 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 개략 단면도.
도 20의 (A) 내지 도 20의 (C)는, 실시 형태 2의 음향 센서의 제조 공정을 설명하기 위한 개략 단면도로서, 도 19의 (C)에 계속된 공정을 도시하는 도면.
도 21의 (A)는, 도 20의 (A)의 공정에서의 음향 센서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도. 도 21의 (B)는, 도 21의 (A)의 Z-Z선 단면도.
도 22의 (A)는, 도 20의 (B)의 공정에서의 음향 센서의 일부를 확대하여 도시하는 단면도. 도 22의 (B)는, 도 22의 (A)의, 도 21의 (A)의 Z-Z선에 상당하는 위치에서의 단면도.
도 23의 (A) 및 도 23의 (B)는, 제 1 희생층의 단부와 중앙 앵커층(37b) 사이의 간극이 좁은 경우의 들보부 형상과, 제 1 희생층의 단부와 중앙 앵커층(37b) 사이의 간극이 넓은 경우의 들보부 형상을 도시하는 단면도.
도 24의 (A) 내지 도 24의 (C)는, 실시 형태 2의 음향 센서의 다른 제조 공정을 설명하는 단면도.
도 25는, 실시 형태 2의 변형예를 설명하기 위한 개략도.
도 26의 (A) 및 도 26의 (B)는 상동(上同)의 변형예를 설명하는 단면도.
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 알맞은 실시 형태를 설명한다. 단, 본 발명은 이하의 실시 형태로 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러가지로 설계 변경할 수 있다.
(제 1의 실시 형태의 구조)
도 6 내지 도 16을 참조하여 본 발명의 실시 형태 1에 의한 음향 센서(31)의 구조와 제조 방법을 설명한다.
우선, 본 발명에 관한 실시 형태 1의 음향 센서(31)의 구조를 설명한다. 도 6은, 음향 센서(31)를 일부 분해하여 도시하는 사시도이다. 도 7은, 음향 센서(31)의 구조를 도시하는 대각 방향에서의 단면도이다. 도 8은, 음향 센서(31)의 더 구체적이면서 상세한 형태를 도시하는 평면도이다. 또한, 도 9의 (A)는, 도 8에 있어서 플레이트부(39)를 제거한 상태의 평면도이다. 도 9의 (B)는, 도 8에서 백플레이트(34)를 제거한 상태의 평면도이다. 도 9의 (C)는, 도 8에서 백플레이트(34) 및 다이어프램(33)을 제거한 상태의 평면도이다.
이 음향 센서(31)는 MEMS 기술을 이용하여 제작된 미소한 정전용량형 소자이고, 도 7에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)의 상면에 앵커(37)를 통하여 다이어프램(33)을 마련하고, 그 위에 미소(微小) 갭(공극)을 통하여 백플레이트(34)를 마련한 것이다.
실리콘 기판(32)은, 단결정 실리콘으로 이루어진다. 도 6에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)은 사각형 판형상으로 형성되어 있고, 표면부터 이면으로 관통한 각(角)구멍 형상의 백챔버(35)를 갖고 있다. 백챔버(35)는 내주면이 수직면으로 되어 있어도 좋고, 테이퍼 형상에 경사하여 있어도 좋다. 또한, 도시하지 않지만, 백챔버(35)의 하면 개구는, 통상은, 음향 센서(31)를 패키지 내에 실장한 때에, 패키지 등에 의해 막혀진다.
또한, 실리콘 기판(32)의 상면에는, 다이어프램(33)의 들보부(36a)를 하면에서 지지하기 위한 4개의 앵커(37)가 마련되어 있고, 또한 백챔버(35) 및 앵커(37)를 둘러싸도록 하여 토대부(41)가 형성되어 있다. 특히, 앵커(37)는, 백챔버(35)의 대각 방향에서의 토대부(41)의 내주연을 잘라 들어가도록 형성된 오목개소(41a) 내에 위치하고 있다. 이 앵커(37)와 토대부(41)는, SiO2 등의 절연성 재료에 의해 형성되어 있다.
다이어프램(33)은, 막두께가 0.7㎛ 정도의 폴리실리콘 박막에 의해 형성되어 있고, 도전성을 갖는다. 다이어프램(33)은, 사각형 형상을 한 진동 박막(36b)의 4 모퉁이로부터 대각 방향 외측을 향하여 들보부(36a)를 연출(延出)한 것이다. 또한, 들보부(36a)의 하나로부터는, 인출 배선(43)이 늘어나 있다.
도 7에 도시하는 바와 같이, 다이어프램(33)은, 진동 박막(36b)이 백챔버(35)의 상면을 덮도록 하여 실리콘 기판(32)의 상면에 배치되어 있다. 다이어프램(33)의 각 들보부(36a)는 오목개소(41a) 내에 위치하고, 각 들보부(36a)의 선단부 하면이 앵커(37)에 고정되어 있다. 따라서, 다이어프램(33)의 진동 박막(36b)은, 백챔버(35)의 상방에서 주공(宙空)으로 들떠 있고, 음향 진동(공기 진동)에 감응하여 막진동한다.
백플레이트(34)는, 질화막(SiN)으로 이루어지는 플레이트부(39)의 하면에 폴리실리콘으로 이루어지는 고정 전극막(40)을 마련한 것이다. 백플레이트(34)는, 다이어프램(33)과 대향하는 영역에서는 3 내지 4㎛ 정도의 미소 갭을 비우고 다이어프램(33)을 덮고 있다. 또한, 플레이트부(39)의 구석부에 마련한 들보부 커버 영역(39a)은, 들보부(36a)를 덮고 있다. 고정 전극막(40)은, 가동 전극막인 진동 박막(36b)과 대향하여 커패시터를 구성하고 있다.
백플레이트(34)(플레이트부(39) 및 고정 전극막(40))에는, 상면부터 하면으로 관통하도록 하여, 음향 진동을 통과시키기 위한 어쿠스틱 홀(38)이 다수 천공되어 있다(플레이트부(39)의 어쿠스틱 홀과 고정 전극막(40)의 어쿠스틱 홀은 동일한 부호로 나타낸다). 또한, 진동 박막(36b)의 외주부 하면과 실리콘 기판(32)의 상면 사이에도, 작은 간극이 열려 있다. 따라서, 어쿠스틱 홀(38)을 통과하고 백플레이트(34) 내에 들어간 음향 진동은, 진동 박막(36b)을 진동시킴과 함께, 진동 박막(36b)의 외주부와 실리콘 기판(32) 사이의 간극을 통과하여 백챔버(35)로 빠져 나간다.
또한, 백플레이트(34)의 내면에는 미소한 스토퍼(42)가 다수 돌출하고 있고, 다이어프램(33)이 백플레이트(34)의 하면에 흡착 또는 고정(스틱)되는 것을 막고 있다.
실리콘 기판(32)의 상면에 형성된 토대부(41)는, 백플레이트(34) 내의 공간의 높이와 거의 같은 높이(두께)를 갖고 있다. 플레이트부(39)의 내측 밀착 영역(39b)은, 토대부(41)의 내주부에서 실리콘 기판(32)의 상면에 밀착하고 있고, 플레이트부(39)의 외측 밀착 영역(39c)은 토대부(41)의 외주부에서 실리콘 기판(32)의 상면에 밀착하고 있고, 토대부(41)는 플레이트부(39)와 실리콘 기판(32)의 상면 사이에 둘러싸여 밀봉되어 있다.
도 9의 (A) 및 도 9의 (B)에 도시하는 바와 같이, 인출 배선(43)은 토대부(41)의 상면에 고정되어 있고, 고정 전극막(40)으로부터 연출된 인출 배선(44)도 토대부(41)의 상면에 고정되어 있다. 한편, 도 8에 도시하는 바와 같이, 내측 밀착 영역(39b)과 외측 밀착 영역(39c)의 사이에서 플레이트부(39)에 개구가 열려져 있고, 해당 개구를 통하여 인출 배선(43)의 상면에 가동측 패드(46)(Au막)가 형성되고, 가동측 패드(46)는 인출 배선(43)에(따라서 다이어프램(33)에) 도통하고 있다. 또한, 플레이트부(39)의 상면에 마련된 고정측 패드(45)는, 스루홀 등을 통하여 인출 배선(44)에(따라서 고정 전극막(40)에) 도통하고 있다.
그리하여, 이 음향 센서(31)에서는, 음향 진동이 어쿠스틱 홀(38)을 통과하여 백플레이트(34)와 다이어프램(33) 사이의 공간에 들어가면, 박막인 다이어프램(33)이 음향 진동에 공진하여 막진동 한다. 다이어프램(33)이 진동하여 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 갭 거리가 변화하면, 다이어프램(33)과 고정 전극막(40) 사이의 정전용량이 변화한다. 이 결과, 이 음향 센서(31)에서는, 다이어프램(33)이 감지하고 있는 음향 진동(음압의 변화)이 다이어프램(33)과 고정 전극막(40)의 사이의 정전용량의 변화로 되어, 전기적인 신호로서 출력된다.
게다가, 이 음향 센서(31)에서는, 다이어프램(33)의 4 모퉁이로부터 들보부(36a)가 늘어나 있고, 들보부(36a)의 선단이 앵커(37)로 고정되어 있고 들보부(36a)의 앵커(37)로 고정되지 않은 영역의 길이가 길게 되어 있다. 그 때문에, 다이어프램(33)이 진동하기 쉽게 되어 있어서 음향 센서(31)를 고감도화할 수 있다.
(제 1의 실시 형태의 제조 방법)
다음에, 음향 센서(31)에서 들보부(36a)의 앵커(37)로 고정되지 않은 영역의 길이를 길게 하는 방법을, 음향 센서(31)의 MEMS 기술에 의한 제조 방법과 함께 설명한다. 도 10의 (A) 내지 도 10의 (D), 도 11의 (A) 내지 도 11의 (C) 및 도 12의 (A) 내지 도 12의 (C)는, 음향 센서(31)의 제조 공정의 전체적인 흐름을 도시하는 개략 단면도이다. 또한, 도 13의 (A)는, 도 10의 (A)의 개략 평면도이다. 도 13의 (B)는, 도 10의 (B)의 개략 평면도이다. 도 13의 (C)는 도 10의 (C)의 개략 수평 단면도이다. 도 14의 (A)는 도 10의 (D)의 개략 수평 단면도이다. 도 14의 (B)는 도 12의 (B)의 개략 수평 단면도이다. 도 14의 (C)는 도 12의 (C)의 개략 수평 단면도이다. 또한, 도 13의 (C) 및 도 14의 (A) 내지 도 14의 (C)는 모두 같은 높이에서의 단면이고, 제 1 희생층(48)의 표면에 따른, 또는 제 1 희생층(48)의 표면이었던 높이에서의 수평 단면을 나타내고 있다. 도 15의 (A) 내지 도 15의 (C) 및 도 16의 (A) 내지 도 16의 (C)는, 앵커가 형성되는 양상을 도시하고 있다.
우선, 도 10의 (A) 및 도 13의 (A)에 도시하는 바와 같이, 단결정 실리콘 기판(32)의 표면에 열산화나 CVD법 등에 의해 실리콘 산화막(SiO2)이나 실리콘 질화막(SiN)으로 이루어지는 제 2 희생층(47)을 성막하고, 제 2 희생층(47)에 사각형 형상의 개구(47a)를 마련하고 개구(47a)로부터 실리콘 기판(32)의 표면을 노출시킨다. 이 개구(47a)는, 백챔버(35)의 상면 개구와 동등한 치수거나, 그보다도 약간 작은 치수로 되어 있다.
제 2 희생층(47)의 위부터 실리콘 기판(32)의 위에 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘을 퇴적시켜서 제 1 희생층(48)을 성막한 후, 제 1 희생층(48)을 에칭하여 도 10의 (B) 및 도 13의 (B)에 도시하는 바와 같이 패터닝한다. 이 결과, 제 1 희생층(48)은, 개구(47a) 내의 실리콘 기판(32) 전체를 덮음과 함께, 제 2 희생층(47)의 개구연부를 덮고, 또한 대각 방향에서는 제 2 희생층(47)의 위에 연출부(48a)가 형성된다. 도 10의 (C) 및 도 13의 (C)에 도시하는 바와 같이, 이 위에서 실리콘 기판(32)의 상면 전체에 SiO2로 이루어지는 제 2 희생층(47)을 한번 더 퇴적시켜서 제 1 희생층(48)을 제 2 희생층(47) 사이에 끼워 넣는다.
계속해서, 제 2 희생층(47)의 위에 폴리실리콘층을 형성하고, 도 10의 (D) 및 도 14의 (A)에 도시하는 바와 같이, 이 폴리실리콘층을 에칭에 의해 패터닝하여 다이어프램(33)을 형성한다. 이 때 다이어프램(33)의 들보부(36a)는 제 1 희생층(48)의 연출부(48a)에 겹쳐지고, 또한 들보부(36a)의 선단부는 연출부(48a)보다도 길게 늘어나 있다.
또한, 연출부(48a) 때문에 그 위의 제 2 희생층(47)의 표면에 단차가 생겨서, 특성이나 강도에 영향을 주는 경우에는, 제 2 희생층(47)의 표면을 화학 기계 연마법(CMP법; Chemical Mechanical Polishing 법) 등에 의해 연마하고, 제 2 희생층(47)의 표면을 평평하게 고르게 하고 나서 다이어프램(33)을 형성하여도 좋다.
다이어프램(33)의 위에서 실리콘 기판(32)의 상방에 또한 제 2 희생층(47)을 퇴적시켜서 제 2 희생층(47)에 의해 다이어프램(33)을 덮고, 도 11의 (A)에 도시하는 바와 같이, 제 2 희생층(47)을 에칭하여 제 2 희생층(47)에 의해 백플레이트(34)의 내면 형상을 제작한다. 이 제 2 희생층(47)의 상면에 폴리실리콘막을 성막하고, 도 11의 (B)에 도시하는 바와 같이, 폴리실리콘막을 에칭에 의해 패터닝하여 고정 전극막(40)을 제작한다. 이때 고정 전극막(40)에는 어쿠스틱 홀(38)을 개구함과 함께, 고정 전극막(40)으로부터 제 2 희생층(47)의 상층부에 걸쳐서 구멍부(49)를 뚫어 둔다.
이 후, 도 11의 (C)에 도시하는 바와 같이, 고정 전극막(40)의 위에서 SiN층을 퇴적시켜서 플레이트부(39)를 형성한다. 이때, 구멍부(49) 내에 퇴적한 SiN층에 의해 고정 방지용의 스토퍼(42)가 형성된다. 또한, 플레이트부(39)에도, 고정 전극막(40)의 어쿠스틱 홀(38)과 위치 맞춤하여 어쿠스틱 홀(38)을 형성하고, 백플레이트(34)에 어쿠스틱 홀(38)을 관통시킨다.
이렇게 하여 백플레이트(34)가 완성되면, 도 12의 (A)에 도시하는 바와 같이, 실리콘 기판(32)의 중앙부를 하면측으로부터 도려내어 실리콘 기판(32)에 백챔버(35)를 관통시키고, 백챔버(35)의 상면에 제 1 희생층(48)을 노출시킨다. 또한, 실리콘 기판(32)을 도려내는 방법으로서는, 이른바 DRIE법 등을 적용할 수 있다.
다음에, 도 12의 (B) 및 도 14의 (B)에 도시하는 바와 같이, 백챔버(35)로부터 도입한 에칭액에 의해 제 1 희생층(48)을 선택적으로 웨트 에칭하여 제 1 희생층(48)을 제거한다. 제 1 희생층(48)을 에칭 제거한 흔적에는, 실리콘 기판(32)의 상방에서 공동부(50)가 생긴다. 제 1 희생층(48)의 에칭에 이용한 에칭액은, 제 2 희생층(47)이 에칭 내성을 갖는 것을 이용한다.
도 15의 (A)에 도시하는 바와 같이, 제 1 희생층(48)의 상면과 다이어프램(33)의 하면 사이에는 제 2 희생층(47)이 형성되어 있고 제 1 희생층(48)과 다이어프램(33)은 접촉하고 있지 않기 때문에, 제 1 희생층(48)을 에칭 제거할 때에 다이어프램(33)이 에칭되는 일은 없다. 또한, 도 15의 (A)에 도시하는 바와 같이, 백플레이트(34) 내에서는 실리콘 기판(32)의 표면은 제 2 희생층(47)으로 덮여 있고 제 1 희생층(48)과 실리콘 기판(32)은 접촉하고 있지 않기 때문에, 도 15의 (B)에 도시하는 바와 같이, 제 1 희생층(48)을 에칭 제거하여도 실리콘 기판(32)의 표면은 제 2 희생층(47)으로 덮여 있고 노출하지 않는다. 따라서 제 1 희생층(48)을 에칭 제거할 때에, 실리콘 기판(32)의 상면이 에칭액으로 침해되거나, 황폐해지거나 하는 일이 없고, 음향 센서(31)의 특성을 양호하게 유지할 수 있다. 이때, 백챔버(35)의 측면이 에칭되지 않도록 측면을 보호막으로 덮고 있어도 좋다. 예를 들면, 백챔버(35)를 DRIE법으로 제작할 때에 측면에 부여되는 보호막을, 제 1의 희생층을 에칭할 때에 남겨 두면, 백챔버(35)의 측면이 보호된다. 또한, 다이어프램(33)과 제 1 희생층(48)이 다른 재료로 형성되어 있고, 제 1 희생층(48)을 에칭할 때에 다이어프램(33)이 에칭액에 침해되는 일이 없고, 또한 실리콘 기판(32)의 표면도 에칭액으로 침해되거나, 황폐해지거나 할 우려가 없는 경우에는, 들보부(36a)의 선단부 이외의 영역에서 다이어프램(33)과 실리콘 기판(32) 기판의 표면 사이의 전 두께에 제 1 희생층(48)을 형성하도록 하여도 좋다.
이 후, 백플레이트(34)의 어쿠스틱 홀(38)이나 실리콘 기판(32)의 백챔버(35) 등으로부터 불화수소산 등의 에칭액을 유도하여 제 2 희생층(47)을 선택적으로 웨트 에칭하여, 도 12의 (C) 및 도 14의 (C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(36a)의 아래의 제 2 희생층(47)만을 앵커(37)로서 남겨 두고, 다른 제 2 희생층(47)을 제거한다. 이 결과, 다이어프램(33)은, 앵커(37)에 의해 실리콘 기판(32)의 상면에서 들띄워지고, 백챔버(35) 상에서 진동이 가능하도록 지지되고, 고정 전극막(40)과 다이어프램(33) 사이에 에어 갭이 형성된다.
또한, 도 15의 (B) 및 도 15의 (C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(36a)의 아래의 선단부를 제외한 영역에는 미리 공동부(50)가 형성되어 있고, 게다가, 제 2 희생층(47)의 에칭 제거 공정에서는, 공동부(50) 내에 에칭액이 침입한다. 그리고, 이들의 도면에 화살표로 나타내는 바와 같이 제 2 희생층(47)이 공동부(50)부터 에칭되어 가기 때문에, 도 16의 (A)에 도시하는 바와 같이 들보부(36a)의 선단부 하면의 제 2 희생층(47)은 신속하게 에칭 제거되고, 최후에 들보부(36a)의 선단부의 하면에 제 2 희생층(47)이 남게 된다. 그 결과, 들보부(36a)의 길이를 어떻게 길게 하고 있어도 도 16의 (B) 및 도 16의 (C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(36a)의 선단부 하면에 앵커(37)를 형성하는 것이 가능해진다. 또한, 연출부(48a)의 길이를 조정함에 의해 앵커(37)의 위치나 크기를 자유롭게 조정하는 것도 가능해진다.
또한, 상기 제조 방법에서는, 제 1 희생층(48)의 언저리나 연출부(48a)가 제 2 희생층(47)의 위에 겹쳐지도록 제 1 희생층(48)을 형성하였지(도 10의 (B) 참조)만, 제 2 희생층(47)의 개구(47a)를 제 1 희생층(48)의 형상에 맞추어 개구하여 두고, 제 1 희생층(48)이 1회째에 성막된 제 2 희생층(47)에 겹쳐지지 않도록 하여 같은 두께로 하여도 좋다. 이와 같이 하면, 2회째에 성막된 제 2 희생층(47)의 상면을 평평하게 할 수 있기 때문에, 다이어프램(33)을 보다 플랫하게 형성할 수 있다.
또한, 상기 제조 방법에서는, 에칭액에 의한 웨트 에칭을 사용하고 있지만, 이것은 웨트 에칭으로 한정되는 것이 아니고, 에칭 내성이나 에칭 특성을 감안함으로써 반도체 가스 등에 의한 드라이 에칭을 선택하는 것도 가능하다.
(제 2의 실시 형태의 구조)
다음에, 본 발명의 실시예 2에 의한 음향 센서의 구조를 설명한다. 도 17의 (A)는, 실시 형태 2에서의 다이어프램(33)의 들보부 구조를 도시하는 단면도이다. 도 17의 (B)는, 백플레이트를 제외한 상태에서의 들보부의 평면도이다.
실시 형태 1에서는, 앵커(37)는 동일 재질(제 2 희생층(47))에 의한 2층 구조로 되어 있지만, 실시 형태 2에서는 앵커(37)를 다층 구조로 하고 있다. 즉, 앵커(37)는, 도 17에 도시하는 바와 같이, 제 2 희생층(47)으로 형성된 하 앵커층(37a)과, 제 1 희생층(48)으로부터 형성된 중앙 앵커층(37b)과, 제 2 희생층(47)으로 형성된 상 앵커층(37c)의 3층 구조로 되어 있다. 따라서 제 2 희생층(47)이나 제 1 희생층(48)의 퇴적 두께가 실시 형태 1과 같으면, 실시 형태 2의 앵커(37)는, 중앙 앵커층(37b)의 두께만큼만 실시 형태 1의 앵커(37)보다도 높아진다.
또한, 실시 형태 2의 앵커(37)에서는, 중앙 앵커층(37b)이 하 앵커층(37a)이나 상 앵커층(37c)보다도 큰 면적이 되도록 설계하고 있다. 이것은 제 2 희생층(47)을 에칭할 때의 편차에 의해 하 앵커층(37a)나 상 앵커층(37c)이 중앙 앵커층(37b)보다도 큰 면적이 되어, 앵커(37)가 불안정한 형상이 되는 것을 막기 위해서다.
도 18은, 실시 형태 1과 비교하고 실시 형태 2의 특징을 설명하는 도면이다. 도 18의 (A)는 실시 형태 1에서의 2층 구조의 앵커(37)를 도시한다. 도 18의 (B)는 실시 형태 2에서의 3층 구조의 앵커(37)를 도시한다. 또한, 도 18의 (A) 및 도 18의 (B)에서, 두께(t1)는 1회째에 성막된 제 2 희생층(47)의 퇴적 두께를 나타내고, 두께(t3)는 2회째에 성막된 제 2 희생층(47)의 퇴적 두께를 나타내고, 두께(t2)는 제 1 희생층(48)의 퇴적 두께를 나타낸다.
제 2 희생층(47)의 비유전율을 ε1, 제 1 희생층(48)의 비유전율을 ε2, 진공중의 유전율을 εo, 앵커(37)의 면적을 S라고 하면, 도 18의 (A)의 실시 형태 1의 앵커(37)에서의 기생 용량(C1)은, 다음 수식 1로 표시된다.
Figure 112011023116885-pat00001
또한, 도 18의 (B)의 실시 형태 2의 앵커(37)에서의 기생 용량(C2)은, 다음 수식 2로 표시된다.
Figure 112011023116885-pat00002
수식 2의 분모는 수식 1의 분모보다도 크기 때문에, C1>C2가 된다. 즉, 실시 형태 2와 같은 앵커 구조에 의하면, 앵커(37)의 기생 용량을 작게 할 수 있고, 기생 용량에 의한 음향 센서의 감도 감소를 경감할 수 있다.
또한, 실시 형태 2에 의하면 중앙 앵커층(37b)의 두께(t2)만큼 앵커(37)의 높이가 커지기 때문에, 실시 형태 1의 경우보다도 들보부(36a)와 실리콘 기판(32)의 표면과의 거리를 크게 할 수 있고, 수분이나 정전기 등에 의해 다이어프램(33)이 실리콘 기판(32)에 고착되는 리스크를 경감할 수 있다. 또한, 들보부(36a)와 실리콘 기판(32)의 사이에 미세한 먼지가 꽉 차기 어려워진다.
(제 2의 실시 형태의 제조 방법)
다음에, 도 19 내지 도 22에 의해 실시 형태 2의 음향 센서의 제조 공정을 설명한다. 도 19의 (A) 내지 도 19의 (C) 및 도 20의 (A) 내지 도 20의 (C)는, 실시 형태 2의 음향 센서의 전체적인 제조 공정을 설명하는 개략 단면도이다. 도 21의 (A)는 도 20의 (A)의 일부분을 확대하여 도시하는 개략 단면도로서, 도 21의 (B)는 도 21의 (A)의 Z-Z선에 따른 단면도이다. 도 22의 (A)는 도 20의 (B)의 일부분을 확대하여 도시하는 개략 단면도, 도 22의 (B)는 도 21의 (B)에 상당하는 높이에서의 도 22의 (A)의 수평 단면도이다.
실시 형태 2의 경우에는, 제 2 희생층(47)(SiO2 또는 SiN)이 형성된 실리콘 기판(32)의 위에 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘으로 이루어지는 제 1 희생층(48)을 마련할 때, 도 9의 (A)에 도시하는 바와 같이, 연출부(48a)의 앞에 연출부(48a)와 분리하여(도 21의 (B)참조) 폴리실리콘층을 남겨서 중앙 앵커층(37b)을 형성하여 둔다.
계속해서, 도 19의 (B)에 도시하는 바와 같이, 제 1 희생층(48)과 중앙 앵커층(37b)을 덮도록 하여 실리콘 기판(32)의 위에 제 2 희생층(47)을 퇴적시키고, 또한 제 2 희생층(47)의 위에 폴리실리콘에 의해 다이어프램(33)을 형성한다. 제 2 희생층(47)은 백플레이트(34)의 내면 형상이 되도록 패터닝된 후, 도 19의 (C)에 도시하는 바와 같이, 그 위에 백플레이트(34)가 제작된다.
이 후, 도 20의 (A)에 도시하는 바와 같이 실리콘 기판(32)을 DRIE법 등으로 드라이 에칭하여 백챔버(35)를 수직하게 형성하고, 또한 도 20의 (B)에 도시하는 바와 같이 제 1 희생층(48)을 선택적으로 에칭 제거한다. 도 21의 (A) 및 도 21의 (B)는, 제 1 희생층(48)을 에칭 제거하기 전의 상태를 나타내고 있고, 중앙 앵커층(37b)은 제 2 희생층(47)에 의해 제 1 희생층(48)과 분리되어 있기 때문에, 제 1 희생층(48)을 에칭 제거하여도, 도 22의 (A) 및 도 22의 (B)에 도시하는 바와 같이 중앙 앵커층(37b)은 에칭되는 일 없이 남는다.
어쿠스틱 홀(38)이나 공동부(50)부터 침입한 에칭액에 의해 제 2 희생층(47)을 에칭 제거할 때, 도 20의 (C)에 도시하는 바와 같이, 들보부(36a)의 선단부에는 제 2 희생층(47)이 남기 때문에, 들보부(36a)의 선단부에는, 제 2 희생층(47)에 의한 하 앵커층(37a)과, 폴리실리콘으로 이루어지는 중앙 앵커층(37b)과, 제 2 희생층(47)에 의한 상 앵커층(37c)이 적층한 앵커(37)가 형성된다.
또한, 연출부(48a) 및 중앙 앵커층(37b)과 들보부(36a)의 간격(δ)은, 1㎛ 내지 수㎛정도이기 때문에, 연출부(48a)와 중앙 앵커층(37b)의 사이의 간극(γ)도 수㎛이하로 하는 것이 바람직하다(도 23의 (A)참조). 즉, 연출부(48a)와 중앙 앵커층(37b)의 사이의 간극(γ)이 넓은 경우에는, 도 23의 (B)에 도시하는 바와 같이, 제 1 희생층(48)의 위에 제 2 희생층(47)을 성막할 때에 제 2 희생층(47)의 표면에 선형상(線狀)의 홈가 생기고, 그 결과 들보부(36a)에 선형상의 단차(51)가 발생한다. 이와 같은 단차(51)가 발생하면, 다이어프램(33)의 진동시에 단차(51)의 부분에 응력 집중이 발생하여 기계적 강도의 저하를 가져온다. 따라서, 연출부(48a)와 중앙 앵커층(37b) 사이의 간극(γ)은 2㎛ 이하가 바람직하다.
또한, 실시 형태 2의 음향 센서로는, 들보부(36a)의 하방 전체 길이에 걸쳐서 폴리실리콘층(연출부(48a) 및 중앙 앵커층(37b))을 형성하고 있기 때문에, CMP법 등으로 연마하지 않아도, 들보부(36a)의 선단부(중앙 앵커층(37b)의 위의 들보부(36a))와 들보부(36a)의 선단부 이외의 영역 사이(연출부(48a)의 위의 들보부(36a))에 단차가 발생하지 않고, 그 때문에 들보부(36a)를 전체 길이에 걸쳐 플랫하게 형성할 수 있다. 따라서, 들보부(36a)에 응력 집중이 발생하기 어렵게 되고, 들보부(36a)의 기계적 강도가 향상하고, 낙하 충격 등에 대해서도 강해진다. 또한, 실시 형태 2에서는, CMP법 등으로 연마를 행하지 않는 경우에는, 도 17의 (A)에 도시하는 바와 같이 진동 박막(36b)에 단차부분이 생기는 경우가 있지만, 들보부(36a)에서의 단차가 아니기 때문에 응력 집중은 생기기 어렵고, 기계적 강도가 향상하고, 낙하 충격 등에 대해 강해진다.
(변형예)
도 24의 (A) 내지 도 24는, 음향 센서의 변형예를 설명하는 도면이다. 이 변형예에서는, TMAH액 등에 의해 실리콘 기판(32)을 웨트 에칭하여 백챔버(35)를 개구하고 있다. TMAH액 등에 의해 실리콘 기판(32)을 이면측에서 에칭하면, 우선 도 24의 (A)에 도시하는 바와 같이 테이퍼 형상의 백챔버(35)이 생기고, 다시 에칭을 계속하면 백챔버(35)는 도 24의 (B)에 도시하는 바와 같이 측면 중앙부가 패여진 형상이 된다. 따라서, 도 24의 (C)와 같은 음향 센서가 제작되고, 백챔버(35)의 체적을 크게 하여 음향 센서의 감도를 향상시킬 수 있다.
또한, 도 25, 도 26의 (A) 및 도 26의 (B)는, 다른 변형예를 나타내고 있다. 이 변형예에서는, 도 25 및 도 26의 (A)에 도시하는 바와 같이, 제 1 희생층(48)의 언저리나 연출부(48a)에 다수의 구멍(52)를 개구하고 있다. 제 1 희생층(48)의 언저리나 연출부(48a)에 구멍(52)를 개구하고 있으면, 그 위에 퇴적한 제 2 희생층(47)이 둥글게 패여지기 때문에, 그 위에 성막한 다이어프램(33)(진동 박막(36b)의 언저리나 들보부(36a))의 하면에는, 도 26의 (B)에 도시하는 바와 같이 돌기 형상의 스토퍼(53)가 형성된다. 따라서, 스토퍼(53)가 실리콘 기판(32)의 상면에 맞닿음으로써, 다이어프램(33)이 실리콘 기판(32)에 너무 가까워지는 것을 막을 수 있고, 다이어프램(33)이 실리콘 기판(32)에 고착되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 도 24 내지 도 26에서는, 실시 형태 2의 경우를 나타내고 있지만, 이들의 변형예는 실시 형태 1에서 적용할 수도 있다.
31 : 음향 센서
32 : 실리콘 기판
33 : 다이어프램
34 : 백플레이트
35 : 백챔버
36a : 들보부
36b : 진동 박막
37 : 앵커
37a : 하 앵커층
37b : 중앙 앵커층
37c : 상 앵커층
40 : 고정 전극막
47 : 제 2 희생층
48 : 제 1 희생층
48a : 연출부

Claims (13)

  1. 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출되어서 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서의 제조 방법으로서,
    상기 반도체 기판의 표면과 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 하면 사이에 제 1의 희생층과 제 2의 희생층을 형성함과 함께, 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 상면을 상기 제 2의 희생층으로 덮어서, 상기 제 1의 희생층 및 제 2의 희생층으로 이루어지는 희생층 내에 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 마련하는 공정과,
    상기 희생층의 위에 상기 백플레이트를 형성하는 공정과,
    상기 반도체 기판에 상기 백챔버를 형성하는 공정과,
    상기 제 1의 희생층을 에칭에 의해 제거하는 공정과,
    상기 제 1의 희생층을 에칭 제거한 후, 상기 제 2의 희생층의 일부를 에칭에 의해 제거하여 남은 제 2의 희생층에 의해 상기 들보부의 선단부 하면과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 상기 앵커를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 희생층은, 상기 반도체 기판의 표면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 들보부의 상기 연출부의 위에 위치하는 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 희생층은, 상기 진동 박막 및 상기 들보부에 접촉하지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 제 1의 희생층은, 상기 반도체 기판에 접촉하지 않도록 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 제 1의 희생층은, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 제 2의 희생층은, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  7. 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출되어서 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서의 제조 방법으로서,
    상기 들보부의 하면 또는 상기 반도체 기판의 상기 들보부와 대향하는 영역중 적어도 한쪽을 제 2의 희생층으로 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 표면과 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 하면 사이에 제 1의 희생층과 제 2의 희생층을 형성함과 함께, 상기 제 1의 희생층과 동일 재료에 의해 상기 제 1의 희생층과 분리하여 상기 들보부의 선단부와 상기 반도체 기판의 사이에 앵커층을 형성하고, 또한 상기 진동 박막 및 상기 들보부의 상면을 상기 제 2의 희생층으로 덮어서, 상기 제 1의 희생층 및 제 2의 희생층으로 이루어지는 희생층 내에 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 마련하는 공정과,
    상기 희생층의 위에 상기 백플레이트를 형성하는 공정과,
    상기 반도체 기판에 상기 백챔버를 형성하는 공정과,
    상기 제 1의 희생층을 에칭에 의해 제거하는 공정과,
    상기 제 1의 희생층을 에칭 제거한 후, 상기 제 2의 희생층의 일부를 에칭에 의해 제거하여 남은 제 2의 희생층과 상기 앵커층에 의해 상기 들보부의 선단부 하면과 상기 반도체 기판의 표면 사이에 상기 앵커를 형성하는 공정을 갖는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제 1의 희생층은, 상기 반도체 기판의 표면에 수직한 방향에서 본 때, 상기 들보부의 상기 연출부의 위에 위치하는 영역에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 제 1의 희생층은, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 제 2의 희생층은, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 음향 센서의 제조 방법.
  11. 백챔버를 갖는 반도체 기판과, 상기 반도체 기판의 상방에 배설된 진동 박막과, 상기 반도체 기판의 상면에 마련한 앵커와, 상기 진동 박막으로부터 일체적으로 연출되어서 선단부를 상기 앵커에 의해 지지된 들보부와, 공간을 사이에 두고 상기 진동 박막 및 상기 들보부를 덮도록 하여 상기 반도체 기판의 상면에 고정된 백플레이트를 구비하고, 상기 진동 박막이 검지한 음향 진동을 상기 백플레이트에 마련한 고정 전극막과 상기 진동 박막 사이의 정전용량의 변화로 변환하는 음향 센서로서,
    상기 앵커는, 상기 반도체 기판의 상면에 마련된 비도전성 재료로 이루어지는 하 앵커층과, 상기 들보부의 선단부 하면에 마련된 비도전성 재료로 이루어지는 상 앵커층과, 상기 상 앵커층 및 상기 하 앵커층과 다른 재료에 의해 형성되고, 또한, 상기 상 앵커층과 상기 하 앵커층의 사이에 끼여진 중앙 앵커층으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 중앙 앵커층은, 폴리실리콘 또는 어모퍼스 실리콘인 것을 특징으로 하는 음향 센서.
  13. 제 11항에 있어서,
    상기 반도체 기판은 실리콘 기판이고,
    상기 하 앵커층 및 상기 상 앵커층은, 실리콘 산화막 또는 실리콘 질화막인 것을 특징으로 하는 음향 센서.
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