TW200901803A - Diaphragm structure and acoustic sensor - Google Patents

Description

200901803 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係關於一種利用了 MEMS (Micro Electro Mechanical Systems)技術的感測器，特別關於具有檢測壓力變動、震 動的震動膜且將該震動變換為電信號的聲響感測器。 【先前技術】

近年來，使用在矽等半導體的LSI (large_scaie integmed， 大型積體）製造領域中所用的微細加工技術，被稱為MEMS 的技術領域正在不斷發展。因利用該MEMS技術而提出有 加速度感測器、Μ力感測器、聲響感測器等各種微細零 件’且上述各種微細零件正被逐步商品化。 例如，如專利文獻丨及專利文獻2等所揭示的那樣，為了 用這些利用了 MEMS技術的感測器檢測出加速度變動和| 力變動，而使其具有震動部位#震動膜的構造（以 下，稱為震動膜構造 以下，-邊參照圖3⑷〜圖3⑷，一邊對先前感測器中的 震動膜構造加以說明。圖3⑷為先前感測器中的震動膜構 造的上表面圖。圖3(b)為先前感測器中的震動膜構造 面圖。圖3(c)為先前感測器中的震動膜構造的底面圖。° 如圖3⑷〜圖3⑷所示，先前感測器中的震動膜構造 具有貫通孔302的基板3G1上形成有薄膜3G3的構造，位於 貫通孔302上的部分的薄膜3〇3作為震動膜3〇4作用。由於 震動膜304依存於加速度變動和麼力變動而震動 二 夠藉由對該震動變位進行電檢測，來作為各種感測器： 128299.doc 200901803 用。 一般將矽基板用作基板301，尤其將（i〇0)面方位的矽基 板用做基板30 1。當對於（1 〇〇)面方位的碎基板圖案形成遮 罩膜（mask film) ’進行K0H等鹼濕式蝕刻時，由於與（1〇〇) 面相比’钱刻速度要慢50〜100倍，一邊讓（111)面露出， 一邊對（100)面進行蝕刻，因此能夠進行尺寸控制性較好的 各向異性濕式蝕刻。當將蝕刻進行到貫通孔3〇2貫通矽基 板301時，如圖3(a)及圖3(c)所示’形成了四角形震動膜 304。另外，貫通孔302的内壁對於（1〇〇)面形成具有54 7度 的角度的（Π1)面傾斜面305。 在專利文獻2中揭示了用（11〇)面方位的矽基板代替（1〇〇) 面方位的石夕基板所形成的四角形震動膜。 [專利文獻1]日本特開昭60-138434號公報 [專利文獻2]日本特開2002-223499號公報 [專利文獻3]日本特開2〇〇7·67659號公報 【發明内容】 [發明欲解決之問題] 不過’在用在先前感測器的震動膜構造中，存在有由於 使震動膜形狀為四角形，因此應力集中在該四個角落的角 郤，因該應力的集中而使震動特性不均勻的問題，或者， 在製造震動膜和實際使用時震動膜自產生應力集中的角部 開始破損的問題。 並且’在用在先前感測器的震動膜構造中，存在有這樣 的問題：由於將貫通孔内壁的（Π1)傾斜部的大小和矽基板 128299.doc 200901803

的基邛（a有开> 成貫通孔的部分）的大小加在震動膜的尺寸 (大j )上而得到的大小為晶片大小，因此為了製作所期望 的尺寸的震動膜，需要使實際的芯片尺寸比震動膜的尺寸 大數倍左右。例如，當製作1G mm大小的震動膜時，由於 對震動臈的每個側方’需要將（11 1)傾斜部的寬度443 μιη (直徑6夬吋、厚度625 4以的矽基板）和矽基板底部的寬度 2〇〇 μΐΏ加在震動膜的大小上，因此實際晶片尺寸為2 29 mm(=l.〇 mm+443 μηιχ2+2〇() μηιχ2)，實際上必須是震動膜 尺寸的2.3倍(面積比為5·2倍)。目此，在用在先前感測器 的震動膜構造中，存在有震動膜對晶片面積的有效面積率 較小而成為不利於為了實現小型化和低成本化而使晶片小 型化這樣的問題。 而且違問題隨著大晶片（wafer)大口徑化所帶來的基板 厚度的增加而變得顯著’例如，當為6英忖石夕大晶片（厚度 625 /m)時，（111)傾斜部寬度為443 μηι，當為8英吋大晶 片（厚度725㈣時’⑴υ傾斜部寬度為513叫，增加了71 因此’震動膜兩側的（111)傾斜部寬度的合計也從⑻ Ρ曰大到1027 μηι ’增加了 142 μιη。即，當使作对大晶 片大口控化，增大到8英对大晶片時，必須要使晶片尺寸 增大142㈣’這將不利於實現低成本化的大晶片大口徑 化。 但是，作為切基板形成貫通孔的形成技術，提出了用 式钱刻法（一般被稱為⑽Ρ初（reaetive ion etehing))來 利用石夕基板的面方位的驗濕式姓刻法這樣的方法在 128299.doc 200901803 專利文獻3等中揭示有使用藉此方法形成的震動膜的 MEMS感測器。當使用Deep-RIE法時，能夠製作四角形以 外的震動膜形狀。並且’由於能夠形成具有無（1 u)傾斜面 的垂直内壁的貫通孔，因此能夠抑制由（丨u)傾斜面所帶來 的晶片尺寸的增大。 不過，由於使用Deep-RIE法，矽的蝕刻速度最多為1〇 μιη/nim左右，因此為了形成貫通例如直徑為6英吋、厚度 為6Z5 μπι的大晶片的孔（hole)，每枚大晶片需要花75瓜匕 的時間（ = 625 μηιΧ1·2 倍/(10 nm/min)，2〇%過蝕刻（〇ver etching)時），在一個批量（1〇〇為25枚的過程中，大約需要 30個小時。存在有這樣的問題：由於為了避免這樣的生產 能力的下降，必須要具備複數台每台為卜2億日元的Deep-RIE裝置 ，因 此使用 Deep_RIE法的成本較高 。並且 ，當使 用Deep-ME法，除去（111)傾斜部，使碎基板框為僅:基 部構成的構造時，還會產生晶片自身的強度下降這樣的：

O 問題。 本發明的目的在於：提供-種能夠在抑制震動膜角部的 應力集中、晶片尺寸增大及晶片強度下降的同肖，提高震 動膜對於晶片面積的有效面積率的優良震動膜構造及:用 了該震動膜構造的MEMS聲響感測器。 [用以解決問題之手段] 過了種種研究和討 六角形，使其全内 力集中’而藉由用 為了達到上述目的’本案發明者們經 論’得知了藉由使震動膜的平面形狀為 角大於90度，能夠抑制震動膜角部的應 128299.doc 200901803 ::1〇)矽基板來形成具有垂直面和斜方面的貫通孔的構造， 此夠在抑制由貝通孔内的⑴丨）傾斜部所帶來的晶片尺寸增 大的同時二抑制晶片強度的下降，而且，藉由使晶片的平 =形狀為菱形’能夠提高震動膜對於晶片面積的有效面積 率。 、 /、體而5 ’本發明的震動膜構造包括：從矽基板上表面 貝通到底面形成的貫通孔，以及在上述石夕基板的上表面形 成的覆蓋上述貫通孔的震動電極膜。上述石夕基板上表面的 上述貫通孔的開口形狀為六角形。 並且，本發明的聲響感測器包括：從石夕基板上表面貫通 到底面形成的貫通孔’在上述石夕基板的上表面形成的覆蓋 上述貝通孔的震動電極膜’在上述石夕基板的上方與上述震 動電極膜夾著氣隙（air㈣而對著形成的固定電極，以及 形成在上述固定電極的複數個孔。上述石夕基板上表面的上 述貫通孔的開口形狀為六角形。 在本發明的聲響感測器中，最好上述貫通孔的開口形狀 即六角形的所有角部的内角大於90度。 在本發明的聲響感測器中，最好上述石夕基板的面方位為 (110) ’並且’上述貫通孔的内壁相對於上述梦基板的上表 面具有垂直面及傾斜面。 在本發明的聲響感測器中，最好上述碎基板的面方位在 ⑴咖度的範圍内，並且，上述貫通孔的開口形狀即六角 形角部中彼此對著的兩個角部的内角在ι〇9·4±ι度的範圍 内’該六角形角部中其他4個角部的内角在ΐ25.3±ι度的範 128299.doc 200901803 圍内。 :本發明的聲響感測器中，最好上述石夕基板的平面形狀 爱形”匕時，最好上述矽基板的平面形狀即菱形角部中 彼：對著的兩個角部的内角在7〇6±1度的範圍内，該菱形 角邛中其他兩個角部的内角在109.4±1度的範圍内。 [發明之效果] 使用本發明，能夠在用在各種感測H的震動膜構造中， 減：震動膜角部的應力集中，藉此防止震動膜自該角部的 ，貝。並且’能夠抑制由貫通孔内的(111)傾斜部所帶來的 寸纟大同時，抑制晶片強度下降《能夠提高震動 膜對於晶片面積的有效面積率。 並且，使用本發明，能夠在不縮小震動膜，維持感度特 性的情況下，縮小晶片尺寸，實現聲響感測器。 【實施方式】 (第1實施形態） 乂下參…、附圖對本發明的第1實施形態的震動膜構造 (用在各種感測器中的震動膜構造）加以說明。 圖1 (a)為本發明的第i實施形態的感測器用的震動膜構造 的上表面圖。® 1(b)為圖i⑷的A-A,線的剖面冑。圖i⑷為 圖1(a)的B-B’線的剖面圖。圖1(句為本發明的第1實施形態 的感測器用的震動膜構造的底面圖。 如圖1(a)〜圖1(d)所示，形成有從基板1〇1上表面貫通到 底面的貫通孔102。在基板1〇1上形成有覆蓋貫通孔1〇2的 震動電極膜103。位於貫通孔1〇2上的部分的震動電極膜 128299.doc • 11 - 200901803 1〇3(圖1⑷的用虛線圍、繞#區域）作4震動膜U)4發揮作 用。由於震動膜104因加速度變動和壓力變動而震動，因 此能夠藉由電檢測該震動變位，來將其作為各種感測器使 用。 本實施形態的特徵在於：使基板1〇1上表面的貫通孔1〇2 的開口形狀為六角开》。藉此方法，使震動膜1〇4的形狀也 為六角形。尤其是由於能夠藉由使六角形震動膜1〇4的所 有角部的内角大於90度，來減少震動膜104角部的應力集 中，因此能夠獲得均勾的震動特性。並且，能夠抑制製造 震動膜時和實際使用時震動膜自角部的破損。 為了實現六角形震動膜104，將〇1〇)面方位的石夕基板用 作基板101。具體地說，當在基板1〇1的底面一側圖案形成 例如菱形的遮罩膜’例如，用K0Hf_溶液進行驗姓刻 時，與（110)面相比，蝕刻速度慢50〜100倍左右，一邊讓 ⑴1)面露出，-邊對⑴0)面進行㈣。這裡，例如，將 對著的兩個角部的内角設定在70·6±1度的範圍内且將剩餘 的兩個角部的内角設定在109_4±1度的範圍内的圖案用作 菱形遮罩圖案。另夕卜，在考慮到製造矽基板時的結晶面誤 差的情況下來設定菱形遮罩圖案角部的内角角度。 隨著上述鹼蝕刻的進行，在與菱形遮罩圖案中的内角 70.6度之處相對應的部分的基板1〇1形成作為貫通孔1〇2的 内壁的（111)傾斜面105，該（1 η)傾斜面1〇5對於（11㈠面具 有35.3度的角度。並且，在基板1〇1的那部分之外的部分 形成作為貫通孔102的内壁的垂直於（11〇)面的（111)垂直面 128299.doc •12- 200901803 106。因此，能夠藉由對貫通孔ι〇2進行直到貫通矽基板 1〇1為止的蝕刻，來如圖Ua)及圖1(d)所示，形成六角形震 動膜m。此時’當使矽基板即基板101的面方位在⑴0)±1 度的範圍内時’能夠將六角形震動膜104角部中彼此對著 的兩個角部的内角設定在1〇9 4±1度的範圍内，同時，能 夠將其他4個角部的内角設定在125 3±1度的範圍内。 使用本實施形態的感測器用的震動膜構造，由於貫通孔 ^的内壁/、有垂直面106和傾斜面105，因此能夠在藉由 垂直面106的存在抑制因貫通孔丨〇2内的〇丨丨）傾斜部所帶來 的曰曰片尺寸的增大的同時，藉由傾斜面1〇5的存在抑制晶 又的下降。並且，能夠因垂直面} 的存在而提高震 動膜104對於晶接& 士 丁瓦日日片面積的有效面積率。例如，在先前例 中，當將面積為2.25随2(1.5 mm[])的震動膜製作成直徑 為6英吋、厚度為625 μιη的矽基板時，需要7 76 mm2(279 随口)的晶片面積’震動膜對於晶片面積的有效面積率為 29%。而在本實施形態中，能夠狀92 ‘的晶片面積實 現面積為2.25 mm2的震動膜1〇4，與先前例相比，能夠使 震動膜104的有效面積率提高46〇/〇。 另外，在本實施形態中，能夠藉由使基板101的平面形 狀為菱也’來進一步提高震動膜104對於晶片面積的有效 面積率。尤其是當使基板1〇1的平面形狀與上述菱形遮罩 圖案相似時，纟就是說，當將基板1〇1的平面形狀即菱形 角部中彼此對著的兩個角部的内角設定在7〇 6±1度的範圍 内’且將其他兩個角部的内角設定在1〇9 4±1度的範圍内 128299.doc 200901803 時，能夠進一步提高震動膜104的有效面積率。 (第2實施形態） 以下，參照附圖對本發明的第2實施形態的聲響感測器 加以說明。第2實施形態的聲響感測器為使用了上述第i實 施形態的感測益用的震動膜構造的聲響感測号。 圖2(a)為本發明的第2實施形態的聲響感測器的上表面 圖。圖2(b)為圖2(a)的A-A，線的剖面圖。圖2(c)為圖2⑷的 B-B’線的剖面圖。圖2(d)為本發明的第2實施形態的聲響感 ( 调J器的底面®。另外’在圖2⑷〜圖2⑷中，由於對與圖 1⑷〜圖1 (d)所示的第i實施#態相同的構成要素標註相同 的付號，因此在此不再加以說明。 如圖2⑷〜圖2⑷所示，在第i實施形態中說明的六角形 震動膜104(即，震動電極膜1〇3)與固定電極2〇7之間夾著藉 由隔離物208設定為規定厚度的氣隙209配置有固定電^ 該固定電極207位於基板1〇1的上方。在固定電極2〇7 〇 開有複數個孔210。因此，當經由該各孔21〇’音壓等壓力 «動讓六角形震動膜104震動時，氣隙2〇9的厚度（距離）產 生憂化。並且’藉由將該厚度的變化作為由震動電極膜 1〇3和固定電極207構成的電容器的容量變化檢測出來，來 作為聲響感測器發揮作用。 」吏用本實施形態的聲響感測器，由於使用本發明的感測 盗用的震動膜構造即六角形震動膜104,使由先前的四角 形震動膜那樣的角部的應力集中而引起的震動特性的歪曲 非常少，因此能夠獲得良好的震動特性。並且，能夠防止 128299.doc .14- 200901803 製造時和使用時震動膜自备 勒膜目角。[5的破扣。而且，能夠藉由使 貫通孔 102 内壁的—-J- -rriA/^ 、 ㈣刀為垂直面106,來抑制晶片尺寸的 增大。並且’能夠藉由使貫通孔1〇2内壁的一部分為。") 傾斜面1〇5,來保持晶片框的強度。由於能夠藉由使晶片 (基板101)的形狀為菱形，來提高震動臈1〇4對於晶片面積 的有效面積率，因此能夠實現在不縮小震動膜刚，維持 感度特性的情況下，可缩，丨a 縮J日日片尺寸的性能優良的聲響感 測器。 [工業實用性] 所述纟發明有用於實現檢測壓力變動的性能優良 響感測器。 【圖式簡單說明】 圖1⑷為本發明的第1實施形態的感測器用震動膜構造的 上表面圖，圖1(b)為圖1(a)的Α δ丨括& 圆（）的Α·Α線的剖面圖，圖1(c)為圖 1(a)的B-B'線的剖面圖，圖 圃圍1(d)為本發明的第丨實施形態的 感測器用的震動膜構造的底面圖。 圖2⑷為本發明的第2實施形態的聲響感測器的上表面 圖’，圖2⑻為圖2⑷的A_A’線的剖面圖，圖2⑷為圖2⑷的 B-B’線的剖面圖’圖2(幻為本 I月的第2實施形態的聲響咸 測器的底面圖。 Λ 圖3(a)為先前感測器用的 、 与7蜗攝造的上表面圖，圖 3(b)為先前感測器用的震動 ◎㈣造的剖面圖’圖3(c)為先 别感測器用的震動膜構造的底面圖。 128299.doc 15 200901803 【主要元件符號說明】 101 矽基板 102 貫通孔 103 震動電極膜 104 震動膜 105 傾斜面 106 垂直面 207 固定電極 208 隔離物 209 氣隙 210 子L 301 $夕基板 302 貫通孔 303 薄膜 304 震動膜 305 傾斜面 128299.doc - 16-

Claims (1)

1. 200901803 十、申請專利範圍： 1. 一種震動膜構造，其包括： 從石夕基板上表面貫通到底面形成的貫通孔，以及 在上述矽基板的上表面形成的覆蓋上述貫通孔的震動 電極膜； 上述矽基板上表面的上述貫通孔的開口形狀為六角 形。 2. —種聲響感測器，其包括： 從石夕基板的上表面貫通到底面形成的貫通孔， 在上述矽基板的上表面形成的覆蓋上述貫通孔的震動 電極膜， 在上述矽基板的上方與上述震動電極膜夾著氣隙而對 著形成的固定電極，以及 形成在上述固定電極的複數個孔； 上述矽基板上表面的上述貫通孔的開口形狀為六角 形。 3. 如申明專利範圍第2項所記載之聲響感測器，其申： 上述貫通孔的開口形狀即六角形的所有角部的内角大 於90度。 4 ·如申明專利範圍第2項所記載之聲響感測器，其中： 上述石夕基板的面方位為⑴〇)，並且，上述貫通孔的内 壁相對於上述矽基板的上表面具有垂直面及傾斜面。 5.如申請專利範圍第2項所記載之聲響感測器，其中： 上述矽基板的面方位在（11〇)±1度的範圍内，並且，上 128299.doc 200901803 述貝通孔的開σ形狀即六角形角部中彼此對著的兩個角 4的内角在1G9.4±1度的範圍内，該六角形角部中其他4 個角部的内角在125_3±1度的範圍内。 、 6·如申請專利範圍第2項所記載之聲響感測器’其中： 上述矽基板的平面形狀為菱形。 7.如申晴專利範圍第6項所記載之聲響感測器，其中： 上述梦基板的開口形狀即菱形角部中彼此對著的兩個 角部的内角在70·6±1度的範圍内，該菱形角部中其他兩 個角部的内角在1 09·4±1度的範圍内。 128299.doc