WO2004107810A1 - 音響検出機構及びその製造方法 - Google Patents

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silicon
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oxide film
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Yoshiaki Ohbayashi
Mamoru Yasuda
Shinichi Saeki
Masatsugu Komai
Kenichi Kagawa
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Hosiden Corporation
Tokyo Electron Limited
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Definitions

  • the present invention has a pair of electrodes forming a capacitor on a substrate, one of the pair of electrodes is a back electrode having a through hole corresponding to an acoustic hole, and the other electrode is a back electrode.
  • the present invention relates to a sound detection mechanism that is a diaphragm and a method of manufacturing the same.
  • a condenser microphone has been frequently used in a cellular phone, and a typical structure of the condenser microphone is shown in FIG. 5 as an example.
  • this condenser microphone is configured such that the fixed electrode section 300 and the diaphragm 500 are sandwiched between the spacer 400 inside a metal capsule 100 having a plurality of through holes h corresponding to acoustic holes.
  • a substrate 600 is fixed in a form in which the substrate 600 is fitted into a rear opening of the capsule 100, and an impedance conversion element 700 made of JFET or the like is provided on the substrate 600.
  • a high voltage is applied to the dielectric material formed on the fixed electrode section 300 or the diaphragm 500, and the electret film is heated to generate electric polarization and leave electric charges on the surface.
  • the electret film 510 is formed on the vibrating body 520 made of a metal or a conductive film constituting the diaphragm 500), so that the structure does not require a bias voltage.
  • the acoustic detection mechanism is configured such that a substrate (110) serving as a diaphragm and a substrate (108) serving as a back plate (103) (back electrode of the present invention) are overlapped with each other via an adhesive layer (109) and subjected to heat treatment. After bonding, the substrate (108) serving as the back plate is polished to a desired thickness. Next, after forming an etching mask (112) on each of the substrates (108) and (109), the substrate is treated with an alkaline etching solution to obtain a diaphragm (101) and a back plate (103).
  • the back plate (103) are formed into a mesh structure (through holes according to the present invention), and the insulating layer (111) is etched with hydrofluoric acid using the back plate (103) as an etching mask to form a void layer (104).
  • Patent Document 1 Numbers are quoted in the literature).
  • Patent Document 1 JP-A-2002-27595 (Paragraph No. [0030]-[0035], FIGS. 1 and 3) Disclosure of the Invention
  • an organic polymer such as FEP (Fluoro Ethylene Propylene) is often used to create permanent electric polarization. Because of the poor heat resistance, FEP (Fluoro Ethylene Propylene) is often used to create permanent electric polarization. Because of the poor heat resistance, FEP (Fluoro Ethylene Propylene) is often used to create permanent electric polarization. Because of the poor heat resistance, FEP (Fluoro Ethylene Propylene) is often used to create permanent electric polarization. Because of the poor heat resistance,
  • Patent Document 1 a structure in which a back electrode and a diaphragm are formed on a silicon substrate by micromachining technology as shown in Patent Document 1 as an acoustic detection mechanism.
  • the sound detection mechanism with this structure can increase the sensitivity by reducing the distance between the back electrode and the diaphragm, even though it is a J-type.
  • the power reflow process which requires a bias power supply can be performed.
  • the diaphragm is formed by etching the single-crystal silicon substrate with an alkaline etchant, it is difficult and necessary to control the thickness of the diaphragm. It is difficult to obtain a thick diaphragm.
  • the thickness of the diaphragm can be controlled by setting the thickness of the active layer of the S ⁇ I wafer because the oxide film carried on the SOI wafer can be used as a stop layer for etching with the alkaline etchant. be able to.
  • the internal stress from the embedded oxide film or the like distorts the vibration plate. Therefore, when the vibration plate is formed thin, the vibration characteristics deteriorate. If the thickness of the diaphragm is set to reduce the distortion due to the internal stress, it is necessary to make the diaphragm thicker than necessary. There was room for improvement just by increasing (only by increasing the process load).
  • An object of the present invention is to rationally configure a sound detection mechanism that suppresses distortion of a diaphragm while forming the diaphragm to a required thickness and has high sensitivity.
  • a first characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention has a pair of electrodes forming a capacitor on a substrate, and one of the pair of electrodes has a through hole corresponding to an acoustic hole.
  • the back electrode is formed, and the other electrode is formed of silicon nitride on the base side of the substrate with respect to the film as the diaphragm formed on the substrate in an acoustic detection mechanism that is a diaphragm. In that it has a membrane.
  • the film since a film body as a diaphragm is formed on the outer surface side of the silicon nitride film, the film is removed in a state where the substrate is removed by etching and the film body is exposed to form the diaphragm. Even when stress is applied to the body from the substrate, the silicon nitride film relieves the stress, thereby suppressing unnecessary stress on the diaphragm and the phenomenon of distorting the diaphragm. This vibrates the diaphragm faithfully in response to the pressure signal. Further, according to the above feature, since the structure has no electret layer, it can withstand heat during reflow when mounted on a printed circuit board.
  • a highly sensitive sound detection mechanism could be constructed by improving the extremely simple structure of forming a silicon nitride film between the film body forming the diaphragm and the supporting substrate.
  • a small acoustic detection mechanism can be formed on the supporting substrate using the technology, it can be easily used for small devices such as mobile phones, and even when mounted on a printed circuit board, reflow processing can be performed. It becomes possible.
  • a second characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention is that the substrate is a support substrate based on a single crystal silicon substrate, and the support substrate is provided between an active layer and a buried oxide film layer.
  • the vibrating plate is formed by the active layer.
  • an acoustic detection mechanism using an active layer as a diaphragm can be formed. Even when a stress acts on the diaphragm, the silicon nitride film relaxes the stress. As a result, an acoustic detection mechanism was easily configured using an SOI wafer on which necessary films had been formed in advance.
  • a third characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention is that the substrate is a support substrate based on a single crystal silicon substrate, and the support substrate includes a buried oxide film layer and the base.
  • An SOI wafer having a structure in which the silicon nitride film is interposed therebetween is used.
  • a film formed on the outer surface side of a buried oxide film is formed on a diaphragm.
  • the used acoustic detection mechanism can be formed, and even when a stress acts on the diaphragm, the silicon nitride film relieves the stress.
  • an acoustic detection mechanism was easily constructed using an SOI wafer on which necessary films had been formed in advance.
  • a fourth characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention is that the substrate is formed of a support substrate made of a single-crystal silicon substrate, a silicon oxide film is formed on the support substrate, and the silicon oxide film is formed on the support substrate.
  • the silicon nitride film is formed on the silicon nitride film, and a silicon film is further formed on the silicon nitride film.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, and a silicon film are formed in this order on a single crystal silicon substrate as a support substrate.
  • an acoustic detection mechanism using a silicon film as a diaphragm can be formed. Even when stress acts on this diaphragm, the silicon nitride film relieves the stress. It becomes.
  • an acoustic detection mechanism was configured by performing a film forming process on a single crystal silicon substrate and a process of removing a film at a specific portion.
  • a fifth characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention is that the substrate is a support substrate based on a single crystal silicon substrate, and a support is provided between the film body as the diaphragm and the support substrate.
  • a stacked film composed of a silicon oxide film and the silicon nitride film is formed, and the thickness range of the silicon nitride film is set to 0.1 ⁇ m and 0.6 ⁇ m.
  • the single crystal silicon can be formed.
  • the stress acting on the diaphragm can be controlled by controlling the stress acting on the diaphragm from the substrate.
  • Figure 4 shows the experimental results to prove the controllability of the stress acting on the diaphragm. In other words, when the thickness of the diaphragm is set to 2 / m and the thickness of the silicon nitride film is changed to manufacture a condenser microphone, the radius of the diaphragm when the condenser microphone is manufactured is clearly shown in the figure.
  • the thickness range of the silicon nitride film is set to 0.1xm-O.
  • a sixth characteristic configuration of the acoustic detection mechanism according to the present invention is as follows. The point is that a silicon substrate having a (100) plane orientation is used.
  • etching can be selectively advanced in the direction of the plane orientation peculiar to the single crystal silicon substrate having the (100) plane orientation, thereby enabling precise etching faithful to the etching pattern.
  • a seventh characteristic configuration of the sound detection mechanism according to the present invention lies in that an impurity diffusion process is performed on the diaphragm.
  • a characteristic configuration of the method for manufacturing an acoustic detection mechanism according to the present invention includes a pair of electrodes forming a capacitor on a single crystal silicon substrate, and one of the pair of electrodes corresponds to an acoustic hole.
  • a back electrode having a through hole formed therein, and the other electrode is a method for manufacturing an acoustic detection mechanism which is a diaphragm, wherein a silicon oxide film is formed on the surface side of the single crystal silicon substrate, and the silicon oxide film is formed.
  • a silicon nitride film on the film Forming a silicon nitride film on the film, forming a polycrystalline silicon film serving as a diaphragm on the silicon nitride film, forming a silicon oxide film serving as a sacrificial layer on the polycrystalline silicon film, A polycrystalline silicon film serving as a back electrode is formed on the silicon oxide film, and thereafter, the polycrystalline silicon film serving as the back electrode is formed in a desired shape by photolithography to form a pattern.
  • the region corresponding to the lower part of the diaphragm is removed by etching from the side, the silicon oxide film and the silicon nitride film present on the lower surface side of the diaphragm are removed with hydrofluoric acid, and the silicon oxide film serving as the sacrificial layer is removed. Is to do.
  • a silicon oxide film, a silicon nitride film, a polycrystalline silicon film serving as a diaphragm, a silicon oxide film functioning as a sacrificial layer, and a back electrode are provided on the surface side of the single crystal silicon substrate. Then, a silicon oxide film to be formed is formed in this order, and thereafter, the acoustic detection mechanism can be manufactured by performing etching using a photolithography technique or the like. As a result, it is possible to create a small-sized capacitor on a single-crystal silicon substrate and create an acoustic detection mechanism only by using the conventional technology that exists for forming a semiconductor on a silicon substrate.
  • FIG. 1 shows a cross section of a silicon condenser microphone (hereinafter abbreviated as a microphone) as an example of an acoustic detection mechanism of the present invention.
  • This microphone forms a diaphragm B and a back electrode C with a polycrystalline silicon film formed by LP_CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition) on a support substrate A based on single crystal silicon.
  • LP_CVD Low Pressure Chemical Vapor Deposition
  • a sacrificial layer made of silicon oxide (SiO 2) is placed between B and back electrode C.
  • the diaphragm B and the back electrode C function as a capacitor, and the condenser when the diaphragm B vibrates due to the sound pressure signal.
  • the size of the support substrate A is 5.5 mm square and the thickness is
  • Diaphragm B is square with a side of 2. Omm and has a thickness of 2 ⁇ m.
  • the back electrode C is formed with a plurality of through holes Ca corresponding to a square acoustic hole with a side of about 10 ⁇ m. In the figure, the thickness of some films and layers is exaggerated.
  • This microphone is formed by laminating a silicon oxide film 302, a silicon nitride film 303, a polycrystalline silicon film 304, a sacrificial layer 305, and a polycrystalline silicon film 306 on the surface side of a single crystal silicon substrate 301.
  • a back electrode C and a plurality of through holes Ca are formed by etching the polycrystalline silicon film 306 on the front side, and a polycrystalline silicon film 304 (vibrating plate B is formed from the back of the single crystal silicon substrate 301).
  • the acoustic aperture E is formed by etching to a portion of the film body), the diaphragm B is formed by the polycrystalline silicon film 304 exposed at the portion of the acoustic aperture E, and further, the sacrificial layer 305 is formed. Diaphragm B and back current by etching A gap D is formed between the electrode C and the electrode C, and a spacer D is formed by a sacrifice layer 305 remaining on the outer peripheral portion of the diaphragm B after the etching.
  • the manufacturing process (manufacturing method) of this microphone will be described based on FIGS. 2 (a)-(f) and FIGS. 3 (g)-(k).
  • the substrate formed in this manner becomes a support substrate A made of an SOI wafer.
  • the film thickness of the silicon nitride film 303 is not limited to 0.2 / m, but may be in the range of 0.1 / im-0.6 ⁇ .
  • a part of the polycrystalline silicon film 304 thus formed functions as the diaphragm B, but a monocrystalline silicon film is formed instead of the polycrystalline silicon film 304, and a part of the monocrystalline silicon is formed.
  • Etching is performed to form a pattern of the back electrode C from the polycrystalline silicon film 306 on the upper surface side (patterning).
  • patterning is performed in this way.
  • a plurality of through holes Ca are simultaneously formed.
  • the polycrystalline silicon films 306 and 304 on the rear surface side are removed.
  • RIE Reactive Ion Etching
  • TMAH tetramethyl ammonium hydroxide
  • the acoustic aperture E is formed by removing 301. During this etching, the etching rate of the silicon oxide film 302 (the buried oxide film) is sufficiently lower than the etching rate of the single-crystal silicon substrate 301, so that the silicon oxide film 302 serves as a stop layer for silicon etching. Function.
  • HF hydrogen fluoride
  • the thickness of silicon nitride film 303 functioning as a stress relaxation layer is set to 0 (no silicon nitride film 303).
  • the condenser microphones were manufactured respectively, and the results of measuring the radius of diaphragm B with a laser displacement meter are shown in FIG.
  • the radius of the diaphragm B is suppressed, and it can be seen that the radius of the diaphragm is controlled by the silicon nitride film 303. .
  • the sound detection mechanism of the present invention employs a structure in which the diaphragm B and the back electrode C are formed with respect to the support substrate A by using the fine processing technology.
  • the device can be configured to be extremely small and can be easily incorporated into small devices such as mobile phones, and can withstand reflow processing at high temperatures even when mounted on a printed circuit board. Can be easily assembled.
  • a stress relaxation layer made of a silicon nitride film at a position close to the film body forming diaphragm B, stress acting on diaphragm B is suppressed, and distortion of diaphragm B is reduced. Aside from that, it is possible to configure an acoustic detection mechanism that produces a vibration faithful to the sound pressure signal.
  • the manufacturing process becomes complicated because the stress relaxation layer is formed only by a simple improvement of a process to add one process when manufacturing a microphone. There is no.
  • the stress acting on the diaphragm can be suppressed by forming the stress relaxation layer, the thickness of the diaphragm B can be reduced, and an extremely sensitive acoustic detection mechanism can be configured. .
  • the present invention can be configured, for example, as follows, in addition to the above-described embodiment. (In this alternative embodiment, those having the same functions as those of the above-described embodiment are denoted by the same reference numerals as those of the embodiment.) , With a sign).
  • (1) As the support substrate A an SOI wafer having a structure in which a silicon nitride film is interposed between an active layer and a buried oxide film is used.
  • an active layer can be used as a diaphragm to form an acoustic detection mechanism. Even when stress is applied to the diaphragm, the silicon nitride film relieves the stress. It will be.
  • an SOI wafer having a structure in which a silicon nitride film is sandwiched between a buried oxide film layer and a base of the support substrate is used.
  • an S ⁇ I wafer having this structure for example, it is possible to use a film formed on the outer surface side of the buried oxide film as a diaphragm, and stress acts on the diaphragm. Even in this case, the silicon nitride film relieves the stress.
  • the silicon nitride film 303 is formed on the silicon oxide film 302.
  • a silicon oxide film 302 may be formed on the silicon nitride film 303.
  • the polycrystalline silicon film 304 is used as the material of the diaphragm B.
  • the material of the diaphragm B is a conductive film such as a metal film, a metal film or the like. It may be a laminated film of a conductive film and an insulating film such as a resin film. In particular, it is conceivable to use a high melting point material such as tungsten as the metal film.
  • the present invention realizes the reduction (control) of the stress acting on the diaphragm B by forming the silicon nitride film 311 as described above.
  • boron is introduced into the vibrating film at an energy of 30 kV and a dose of 2E16 cm- 2 by ion implantation, and heat treatment is performed at 1150 ° C for 8 hours in a nitrogen atmosphere as an activation heat treatment.
  • the tension of diaphragm B is controlled comprehensively by combining the thickness ratio of the silicon oxide film or silicon nitride film, the impurity diffusion, and the thickness of the back electrode, which is the stop layer of silicon etching with the alkaline etchant, Acts on diaphragm B External force can be reduced.
  • This sound detection mechanism includes a microphone.
  • it can also be used as a sensor that responds to air vibrations and changes in air pressure.
  • FIG. 1 Cross-sectional view of a condenser microphone
  • FIG. 2 is a diagram showing a continuous process of manufacturing a condenser microphone.
  • FIG. 3 is a view showing a continuous process of manufacturing a condenser microphone.

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Abstract

　振動板を必要な厚さに形成しながら、振動板の歪みが抑制される音響検出機構を構成する。　基板Ａにコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はアコースティックホールに相当する貫通穴Ｃａを形成した背電極Ｃであり、他方の電極は振動板Ｂである音響検出機構であって、基板Ａに形成される振動板Ｂとしての膜体を基準にして、基板Ａのベース側にシリコン窒化膜３０３を備える。

Description

明 細 書
音響検出機構及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち 一方の電極はアコースティックホールに相当する貫通穴を形成した背電極であり、他 方の電極は振動板である音響検出機構及びその製造方法に関する。
背景技術
[0002] 例えば、携帯電話機には従来からコンデンサマイクロホンが多用され、そのコンデ ンサマイクロホンの代表的な構造として、図 5に示すものを例に挙げることができる。 つまり、このコンデンサマイクロホンは、アコースティックホールに相当する複数の貫 通穴 hを形成した金属製のカプセル 100の内部に、固定電極部 300と振動板 500と を、スぺーサ 400を挟み込む形態で一定間隔を持って対向配置すると共に、カプセ ル 100の後部開口に基板 600を嵌め込む形態で固定し、この基板 600に対して J-F ET等で成るインピーダンス変換素子 700を備えている。この種のコンデンサマイクロ ホンでは固定電極部 300又は振動板 500上に形成した誘電体材料に高電圧を印加 し、加熱して電気的な分極を発生させて、表面に電荷を残留させたエレクトレット膜を 生成することにより（同図では、振動板 500を構成する金属や導電性のフィルムで成 る振動体 520にエレクトレット膜 510を形成している）、バイアス電圧が不要な構造と なっている。そして、音による音圧信号によって振動板 500が振動した場合には、振 動板 500と固定電極部 300との距離が変化することで静電容量が変化し、この静電 容量の変化をインピーダンス変換素子 700を介して出力するよう機能する。
[0003] また、別の音響検出機構の従来技術として、以下のような構成のものを挙げることが できる。すなわち、この音響検出機構は、振動板となる基板（110)と背面板（103) ( 本発明の背電極）となる基板（108)とを接着層（109)を介して重ね合わせ、熱処理 により接着した後に、背面板となる基板（108)を研磨して所望の厚さとする。次に、そ れぞれの基板（108) · (109)にエッチングマスク（112)を形成した後に、アルカリエ ツチング液で処理して、振動板（101)と背面板（103)とを得る。次に、背面板（103) を網目構造にし (本発明の貫通穴）、背面板（103)をエッチングマスクにして絶縁層（ 111)をフッ化水素酸でエッチングすることにより空隙層（104)を形成して構成されて いる（例えば、特許文献 1参照 ·番号は文献中のものを引用）。
特許文献 1 :特開 2002- 27595号公報 （段落番号〔0030〕一〔0035〕、図 1、図 3) 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0004] 図 5に示す従来からのマイクロホンの出力を大きくする（感度を高める）ためには、固 定電極部 300と振動板 500との間の静電容量を大きくする必要がある。そして、静電 容量を大きくするには、固定電極部 300と振動板 500との重畳面積を大きくする、又 は、固定電極部 300と振動板 500との間隔を小さくすることが有効となる。しかし、固 定電極部 300と振動板 500との重畳面積を大きくすることはマイクロホン自体の大型 化を招くものである。一方、前述したようにスぺーサ 400を配置する構造では、固定 電極部 300と振動板 500との距離を小さくすることについても限界があった。
[0005] また、エレクトレットコンデンサマイクロホンでは、永久的電気分極を作り出すために FEP (Fluoro Ethylene Propylene)材等の有機系の高分子重合体が使用されることも 多ぐこの有機系の高分子重合体を用いたものは耐熱性に劣るため、例えば、プリン ト基
板に実装する場合にリフロー処理時の熱に耐え難ぐ実装する際にリフロー処理を行 えないものであった。
[0006] そこで、音響検出機構として、特許文献 1に示されるようにシリコン基板に対して微 細加工技術によって背電極と振動板とを形成した構造を採用することが考えられる。 この構造の音響検出機構は J、型でありながら背電極と振動板との距離を小さくして 感度を高めることができる。また、バイアス電源を必要とするものである力 リフロー処 理を可能とするものとなる。しカゝしながら、特許文献 1に記載される技術では、アルカリ エッチング液で単結晶シリコン基板をエッチングすることによって振動板を形成する ので、振動板の厚さの制御が困難で、必要とする厚さの振動板を得ることが困難であ つに。
[0007] ここで、振動板の厚さの制御について考えると、アルカリエッチング液でシリコン基 板をエッチングすることによって振動板を形成するプロセスでは、振動板の厚さ制御 性を向上させるために SOIウェハーを利用することが有効である。つまり、この手法で は、 SOIウェハーの坦め込み酸化膜をアルカリエッチング液によるエッチングの停止 層として利用できるため、 S〇Iウェハーの活性層の厚みを設定することにより振動板 の厚みを制御することができる。
[0008] し力、しながら、このような手法を用いても、坦め込み酸化膜等からの内部応力が振 動板を歪ませるため、振動板を薄く形成した場合には振動特性を悪化させるものとな り、この内部応力による歪みを軽減するために振動板の厚みを設定した場合には、 振動板の厚みを必要以上に厚く形成する必要から、振動板を薄くできず、プロセスを 増大させるだけで（プロセス負荷を高めるだけで）改善の余地があった。
[0009] 本発明の目的は、振動板を必要な厚さに形成しながら、振動板の歪みを抑制し、 高感度となる音響検出機構を合理的に構成する点にある。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明に係る音響検出機構の第 1の特徴構成は、基板にコンデンサを形成する一 対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はアコースティックホールに相当 する貫通穴を形成した背電極であり、他方の電極は振動板である音響検出機構にお いて、前記基板に形成される前記振動板としての膜体を基準にして、前記基板のベ ース側にシリコン窒化膜を備えた点にある。
[0011] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、シリコン窒化膜の外面側に振動板としての膜体を形成した 構造となるので、基板をエッチングによって除去し、膜体を露出させて振動板を形成 した状態において、この膜体に対して基板から応力が作用する場合でも、シリコン窒 化膜が応力を緩和することにより振動板に対して不要な応力を作用させる現象や、 振動板を歪ませる現象を抑制して、音圧信号に対して振動板を忠実に振動させるも のとなる。また、上記特徴によると、エレクトレット層を形成しない構造となるので、プリ ント基板に実装する場合にリフロー時の熱にも耐えるものとなる。そして、振動板を形 成する膜体と支持基板との間にシリコン窒化膜を形成すると云う極めて簡単な構造の 改良によって高感度な音響検出機構を構成できた。特に、この構成によると、微細加 ェ技術を用いて支持基板に対して小型の音響検出機構を形成できるので、例えば 携帯電話機のように小型の機器に容易に用いることが可能で、プリント基板に実装す る場合でも、リフロー処理が可能となる。
[0012] 本発明に係る音響検出機構の第 2の特徴構成は、前記基板が単結晶シリコン基板 をベースとした支持基板で成り、この支持基板として、活性層と埋め込み酸化膜層と の間に前記シリコン窒化膜が挟み込まれた構造の SOIウェハーを用レ、、前記活性層 で前記振動板を
形成している点にある。
[0013] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、単結晶シリコン基板をベースとした S〇Iウェハーに対してェ ツチング等の必要な処理を行うことにより、例えば、活性層を振動板に用いた音響検 出機構を形成でき、この振動板に応力が作用する場合でも、シリコン窒化膜が応力 を緩和するものとなる。その結果、予め必要な膜が形成された SOIウェハーを用いて 容易に音響検出機構が構成された。
[0014] 本発明に係る音響検出機構の第 3の特徴構成は、前記基板が単結晶シリコン基板 をベースとした支持基板で成り、この支持基板として、埋め込み酸化膜層と前記べ一 スとの間に前記シリコン窒化膜が挟み込まれた構造の SOIウェハーを用いている点 にある。
[0015] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、単結晶シリコン基板をベースとした SOIウェハーに対してェ ツチング等の必要な処理を行うことにより、例えば、坦め込み酸化膜の外面側に形成 した膜体を振動板に用いた音響検出機構を形成でき、この振動板に応力が作用す る場合でも、シリコン窒化膜が応力を緩和するものとなる。その結果、予め必要な膜 が形成された SOIウェハーを用いて容易に音響検出機構が構成された。
[0016] 本発明に係る音響検出機構の第 4の特徴構成は、前記基板が単結晶シリコン基板 で成る支持基板で構成され、この支持基板にシリコン酸化膜を成膜し、このシリコン 酸化膜上に前記シリコン窒化膜を成膜し、更に、このシリコン窒化膜上にシリコン膜を 成膜している点にある。 [0017] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、支持基板としての単結晶シリコン基板に対して、シリコン酸 化膜、シリコン窒化膜、シリコン膜 (単結晶シリコン、多結晶シリコンの何れであっても 良い）をこの順序で形成した基板を用レ、、必要な処理を行うことにより、シリコン膜を 振動板に用いた音響検出機構を形成でき、この振動板に応力が作用する場合でも、 シリコン窒化膜が応力を緩和するものとなる。その結果、単結晶シリコン基板に対す る成膜処理と、特定部位の膜を除去する処理とを行うことにより音響検出機構が構成 された。
[0018] 本発明に係る音響検出機構の第 5の特徴構成は、前記基板が単結晶シリコン基板 をベースとした支持基板で成り、前記振動板としての膜体と前記支持基板との間に、 シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜とで成る積層膜を形成し、前記シリコン窒化膜の 膜厚範囲を 0. 1 μ m 0. 6 μ mに設定し、これらの膜厚比率である（シリコン酸化膜 ) / (シリコン窒化膜） =Rが 0<R≤4となるように構成した点にある。
[0019] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、シリコン酸化膜の膜厚と、シリコン窒化膜の膜厚との設定よ り、シリコン酸化膜とシリコン窒化膜とで成る積層膜の合成応力を制御することにより、 単結晶シリコン基板から振動板に対して作用する応力を制御して振動板に作用する 応力を制御できる。このように振動板に作用する応力の制御性を証明するための実 験結果を図 4のように表すことがきる。つまり、振動板の厚みを 2 / mに設定し、シリコ ン窒化膜の膜厚を変化させてコンデンサマイクロホンを製造した際の振動板の橈み 量は、同図から明らかなようにシリコン窒化膜を具備しない場合と比べて小さくなるも のであり、シリコン窒化膜の膜厚範囲を 0. l x m—O. に設定し、これらの膜厚 比率である（シリコン酸化膜) / (シリコン窒化膜） =Rが 0<R≤4となるように構成す ることにより、振動板の橈み量を 6 x m以下の小さい値に維持できる。その結果、シリ コン酸化膜の膜厚と、シ
リコン窒化膜の膜厚との設定より、振動板の橈み量を低減して支障なく使用できる音 響検出機構を構成できた。
[0020] 本発明に係る音響検出機構の第 6の特徴構成は、前記単結晶シリコン基板として、 (100)面方位のシリコン基板を用いている点にある。
[0021] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、 (100)面方位の単結晶シリコン基板特有の面方位の方向 に選択的にエッチングを進行させ得るので、エッチングパターンに対して忠実となる 精密なエッチングを可能にする。その結果、精密可能によって必要とする形状の加 ェを実現できるものとなった。
[0022] 本発明に係る音響検出機構の第 7の特徴構成は、前記振動板に対して不純物拡 散処理が施されてレ、る点にある。
[0023] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、振動板に対する不純物拡散処理を行うことにより、振動板 に対して圧縮応力を作り出し、単結晶シリコン基板から振動板に対して作用する応力 を打ち消す方向に作用させることが可能となる。その結果、振動板に作用する応力を 一層低減し、高感度の音響検出機構を構成できた。
[0024] 本発明に係る音響検出機構の製造方法の特徴構成は、単結晶シリコン基板にコン デンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はァコース ティックホールに相当する貫通穴を形成した背電極であり、他方の電極は振動板で ある音響検出機構の製造方法であって、前記単結晶シリコン基板の表面側にシリコ ン酸化膜を成膜し、該シリコン酸化膜上にシリコン窒化膜を成膜し、該シリコン窒化膜 上に振動板となる多結晶シリコン膜を成膜し、該多結晶シリコン膜上に犠牲層となる シリコン酸化膜を成膜し、該シリコン酸化膜上に背電極となる多結晶シリコン膜を成 膜し、この後、前記背電極となる多結晶シリコン膜をフォトリソグラフィ技術により所望 の形状にパターンを形成し、前記単結晶シリコン基板の裏面側から振動板下部に相 当する領域をエッチングにより除去し、フッ酸により振動板下面側に存在するシリコン 酸化膜とシリコン窒化膜とを除去し、かつ、前記犠牲層であるシリコン酸化膜を除去 する点にある。
[0025] 〔作用'効果〕
上記特徴構成によると、単結晶シリコン基板の表面側にシリコン酸化膜、シリコン窒 化膜、振動板となる多結晶シリコン膜、犠牲層として機能するシリコン酸化膜、背電極 となるシリコン酸化膜をこの順序で成膜し、この後には、フォトリソグラフィ技術等を用 レ、たエッチングを行うことにより音響検出機構を製造できる。その結果、シリコン基板 に対して半導体を形成するために存在する従来からの技術を用いるだけで、単結晶 シリコン基板に対して小型のコンデンサを形成して音響検出機構を作り出すことがで きる。
発明を実施するための最良の形態
[0026] 以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図 1には本発明の音響検出機構の一例としてのシリコンコンデンサマイクロホン（以 下、マイクロホンと略称する）の断面を示している。このマイクロホンは単結晶シリコン をベースにした支持基板 Aに対して、 LP_CVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition)法により成膜した多結晶シリコン膜によって振動板 Bと背電極 Cとを形成 し、この振動板 Bと背電極 Cとの間に対してシリコン酸化膜（SiO )で成る犠牲層をス
2
ぺーサ Dとして配置した構造を有している。このマイクロホンは、振動板 Bと背電極 C とをコンデンサとして機能させるものであり、音圧信号によって振動板 Bが振動する際 のコンデン
サの静電容量の変化を電気的に取り出すようにして使用される。
[0027] このマイクロホンにおける支持基板 Aの大きさは一辺が 5. 5mmの正方形で厚さが
600 z m程度に形成されている。振動板 Bの大きさは一辺が 2. Ommの正方形で厚 さが 2 μ mに設定されている。背電極 Cには一辺が 10 μ m程度の正方形のァコース ティックホールに相当する複数の貫通穴 Caが形成されている。尚、同図では一部の 膜や層の厚さを誇張して描レ、てレ、る。
[0028] このマイクロホンは、単結晶シリコン基板 301の表面側にシリコン酸化膜 302、シリコ ン窒化膜 303、多結晶シリコン膜 304、犠牲層 305、多結晶シリコン膜 306を積層し て形成し、この表面側の多結晶シリコン膜 306に対するエッチングにより背電極 C、及 び、複数の貫通穴 Caを形成し、また、単結晶シリコン基板 301の裏面から多結晶シリ コン膜 304 (振動板 Bを形成する膜体の一例）の部位までエッチングを行うことにより 音響開口 Eを形成し、この音響開口 Eの部位に露出する多結晶シリコン膜 304で前 記振動板 Bを形成し、更に、犠牲層 305のエッチングを行うことにより振動板 Bと背電 極 Cとの間に空隙領域 Fを形成し、かつ、このエッチングの後に振動板 Bの外周部位 に残留する犠牲層 305でスぺーサ Dを形成した構造を具備したものであり、以下に、 このマクロホンの製造工程 (製造方法）を図 2 (a)— (f)及び図 3 (g)— (k)に基づいて 説明する。
[0029] 工程（a)： (100)面方位の単結晶シリコン基板 301の両面に厚さ 0. 8 x mのシリコ ン酸化膜 302を熱酸化により形成する。このシリコン酸化膜 302は後述するようにァ ルカリエッチング液によるエッチングの停止層として機能する。また、このシリコン酸化 膜 302の膜厚は 0. 8 z mに限定されるものではなレ、。すなわち、シリコン酸化膜 302 の膜厚は、次の工程 (b)で形成するシリコン窒化膜 303の膜厚との関係で、これらの 膜厚比率である（シリコン酸化膜) / (シリコン窒化膜） =Rが 0 < R≤4となるように構 成されているのが好適である。また、このような条件を満たす中で、シリコン酸化膜 30 2の膜厚としては、 2 μ m以下とするのがより好適である。
[0030] 工程 (b)：工程 (a)で形成したシリコン酸化膜 302の膜面上 (基板の両面）に応力緩 和層として機能する厚さ 0· 2 μ ΐηのシリコン窒化膜 303を LP_CVD (Low Pressure Chemical Vapor D印 osition)法により开成する。このように形成されたものが SOIゥェ ハーで成る支持基板 Aとなる。前記シリコン窒化膜 303の膜厚は 0. 2 / mに限定さ れるものではなぐ 0· 1 /i m— 0. 6 μ πιの範囲内であれば良い。
[0031] 工程 (c)：工程 (b)で形成した支持基板 Aのシリコン窒化膜 303の膜面上（基板の 両面）に多結晶シリコン膜 304を LP— CVD法により形成する。このように形成した多 結晶シリコン膜 304の一部が振動板 Bとして機能するものとなるが、この多結晶シリコ ン膜 304に代えて単結晶シリコン膜を形成し、この単結晶シリコンの一部を振動板 B として用いることも可能である。
[0032] 工程 (d)：工程 (c)で形成した多結晶シリコン膜 304のうち表面側（図面では上側） の膜面上に犠牲層として機能する厚さ 5 μ mのシリコン酸化膜 305を P—CVD ( Plasma Chemical Vapor Deposition)法により形成する。
[0033] 工程 (e)：次に、工程 (d)で形成したシリコン酸化膜 305の膜面上、及び、裏面側（ 多結晶シリコン膜 304の膜面上）に厚さ 4 μ mの多結晶シリコン膜 306を Ρ— CVD法 により形成する。 [0034] 工程 (f)：工程 ）で形成した多結晶シリコン膜 306のうち表面側にフォトレジ ストを塗布し、フォトリソグラフィの技術によって不要な部位を除去してレジストパター ン 307を形成する。
[0035] 工程（g)：工程（f)で形成したレジストパターン 307をマスクにして RIE (Reactive Ion
Etching)の技術によるエッチングを行うことにより、上面側の多結晶シリコン膜 306か ら背電極 Cのパターンを形成する（パターユング)。このように背電極 Cのパターンを 形成する際には、複数の貫通穴 Caが同時に形成される。また、このようにエッチング を行うことにより裏面側（図面では下側）の多結晶シリコン膜 306、多結晶シリコン膜 3 04は除去される。
[0036] 工程 (h)：次に、裏面（図面では下側）に形成したシリコン窒化膜 303の表面にフォ トレジストを塗布し、フォトリソグラフィの技術によって不要な部位を除去してレジストパ ターンを形成する。この後、レジストパターンをマスクにして RIE (Reactive Ion Etching)の技術によるエッチングを行うことにより、シリコン窒ィ匕膜 303と、この下層の シリコン酸化膜 302とを除去して、後述する工程 (j)において行われるアルカリエッチ ング液によるエッチングを実現するシリコンエッチング用の開口パターン 309を形成 する。
[0037] 工程 (i)：次に、表面側に（工程 (g) )で背電極 Cが形成された側に保護膜としてシリ コン窒化膜 311を形成する。
[0038] 工程 (j)：次に、裏面側から、エッチング液として TMAH (テトラメチルアンモニゥム ハイド口オキサイド）の水溶液を用いて異方性エッチングを行うことによりシリコン基板
301を除去して前記音響開口 Eを形成する。このエッチングの際にはシリコン酸化膜 302 (坦め込み酸化膜）のエッチング速度が単結晶シリコン基板 301のエッチング速 度より充分に低速であるため、このシリコン酸化膜 302がシリコンエッチングの停止層 として機能する。
[0039] 工程 (k)：次に、保護膜として形成したシリコン窒化膜 311と、犠牲層 305と、音響 開口 Eの側に露出するシリコン酸化膜 302と、シリコン窒化膜 303とを除去する。更に 、単結晶シリコン基板 301の裏面に残存するシリコン窒化膜 303と、シリコン酸化膜 3 02とを HF (フッ化水素）によるエッチングによって除去する。これにより、多結晶シリコ ン膜 304によって振動板 Bを形成し、この振動板 Bと背電極 Cとの間に間隙領域 Fを 形成し、残存する犠牲層 305によってスぺーサ Dを形成するものとなる。この後、ステ ンシノレマスクを用いて Au (金）を所望の位置に蒸着して取出し用電極 314を形成し てマイクロホンが完成するのである。
[0040] このような工程に従って製造する際に、振動板 Bの厚みを 2 μ mに維持した状態で 、応力緩和層として機能するシリコン窒化膜 303の膜厚を 0 (シリコン窒化膜 303なし )、 0.3 μ m、 0.4 μ m及び 0.6 μ mに変化させてそれぞれコンデンサマイクロホンを製 造し、振動板 Bの橈み量をレーザ変位計により測定した結果を図 4に示している。同 図に示されるように、シリコン窒化膜 303を具備することにより振動板 Bの橈み量が抑 制され、このシリコン窒化膜 303によって振動板の橈みが制御されていることが分か る。
[0041] このように、本発明の音響検出機構は、微細加工技術を用いて支持基板 Aに対し て振動板 Bと背電極 Cとを形成した構造を採用しているので、音響検出機構全体を 極めて小型に構成することが可能となり、携帯電話機のような小型の機器に対して容 易に組込めるばかりか、プリント基板に実装する場合にも、高温でのリフロー処理に 耐え得るので、装置の組立を容易にするものとなる。
[0042] 特に、振動板 Bを形成する膜体に近接する位置にシリコン窒化膜で成る応力緩和 層を形成することで、振動板 Bに作用する応力を抑制して振動板 Bの歪みを取除き、 音圧信号に対して忠実な振動を現出する音響検出機構を構成し得るのである。そし て、本発明の音響検出機構では、例えば、マイクロホンを製造する際に 1つの工程を 付加する程度の工程の簡単な改良だけで応力緩和層を形成するので、製造プロセ スが複雑になることがない。また、応力緩和層を形成することによって振動板に作用 する応力を抑制できるので、振動板 Bの膜厚を薄くすることも可能となり、極めて高感 度の音響検出機構を構成できるのものとなる。
[0043] 〔別実施の形態〕
本発明は上記実施の形態以外に、例えば、以下のように構成することも可能である (この別実施の形態では前記実施の形態と同じ機能を有するものには、実施の形態 と共通の番号、符号を付している)。 [0044] (1)支持基板 Aとして、活性層と埋め込み酸化膜との間にシリコン窒化膜が挟み込ま れた構造の SOIウェハーを用いる。この構造の SOIウェハーを用いた場合には、活 性層を振動板に用レ、た音響検出機構を形成でき、この振動板に応力が作用する場 合でも、シリコン窒化膜が応力を緩和するものとなる。
[0045] (2)前記支持基板 Aとして、埋め込み酸化膜層と支持基板のベースとの間にシリコン 窒化膜が挟み込まれた構造の SOIウェハーを用いる。この構造の S〇Iウェハーを用 いた場合には、例えば、坦め込み酸化膜の外面側に形成した膜体を振動板として用 レ、ることが可能となり、この振動板に応力が作用する場合でも、シリコン窒化膜が応力 を緩和するものとなる。
[0046] (3)本発明の実施の形態では、単結晶シリコン基板 301にシリコン酸化膜 302を成膜 した後に、このシリコン酸化膜 302上にシリコン窒化膜 303を成膜していたが、単結 晶シリコン基板 301にシリコン窒化膜 303を成膜した後、このシリコン窒化膜 303上に シリコン酸化膜 302を形成しても良レ、。また、シリコン窒化膜 303の膜厚を 0. Ι μ ΐη— 0. 6 / mの範囲内に設定し、これらの膜厚比率である（シリコン酸化膜) / (シリコン 窒化膜） =Rが 0 < R≤ 4であることが応力緩和の観点から望ましレ、。
[0047] (4)上記の実施の形態では振動板 Bの材料として多結晶シリコン膜 304を用いている 、振動板 Bの材料は、金属膜等の導電性のある膜、あるいは、金属膜等の導電性 のある膜と樹脂膜等の絶縁性の膜との積層膜であっても良い。特に、金属膜としてタ ングステンのように高融点材料を用いることも考えられる。
[0048] (5)本発明は前述したようにシリコン窒化膜 311を形成することにより、振動板 Bに作 用する応力の軽減 (制御）を実現するものであるが、このようにシリコン窒化膜 311を 形成する構成に加えて、振動板 Bに不純物拡散を施すことで振動板 Bの応力制御を 行うことも可能である。具体的な処理の一例を挙げると、イオン注入法により、ホウ素 をエネルギー 30kV、ドーズ量 2E16cm— 2で振動膜中に導入し、活性化熱処理とし て窒素雰囲気にて 1150°C、 8時間の熱処理を施すことで、圧縮応力を有する振動 板 Bを形成することができる。従って、アルカリエッチング液によるシリコンエッチング の停止層であるシリコン酸化膜やシリコン窒化膜の膜厚比と不純物拡散と背電極の 厚さとを組み合わせることで総合的に振動板 Bの張力を制御して、振動板 Bに作用す る外力を低減できるのである。
[0049] (6)音響検出機構を構成する支持基板 Aに対して、振動板 Bと背電極 Cとの間の静 電容量変化を電気信号に変換して出力するよう機能する集積回路を形成することも 可能である
。このように集積回路を形成したものでは振動板 Bと背電 C極との間の静電容量の変 化を電気信号に変換して出力する電気回路をプリント基板上等に形成する必要がな ぐ本構造の音響検出機構を用いる機器の小型化、構造の簡素化を実現することが できる。
産業上の利用可能性
[0050] 本発明によれば、振動板を必要な厚さに形成しながら、振動板の歪みを抑制し、高 感度となる音響検出機構を構成することができ、この音響検出機構は、マイクロホン の他に、空気振動や空気の圧力変化に感応するセンサとして利用することも可能で ある。
図面の簡単な説明
[0051] [図 1]コンデンサマイクロホンの断面図
[図 2]コンデンサマイクロホンの製造工程を連続的に示す図
[図 3]コンデンサマイクロホンの製造工程を連続的に示す図
[図 4]シリコン窒化膜厚と振動板橈み量との関係をグラフ化した図
[図 5]従来のコンデンサマイクロホンの断面図
符号の説明
[0052] 301 単結晶シリコン基板
302 シリコン酸化膜
303 シリコン窒化膜
304 膜体 '多結晶シリコン膜
305 犠牲層
306 多結晶シリコン膜
A 支持基板
B 振動板 背電極 貫通穴

Claims

請求の範囲
[1] 基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電 極はアコースティックホールに相当する貫通穴を形成した背電極であり、他方の電極 は振動板である音響検出機構であって、
前記基板に形成される前記振動板としての膜体を基準にして、前記基板のベース 側にシリコン窒化膜を備えたことを特徴とする音響検出機構。
[2] 前記基板が単結晶シリコン基板をベースとした支持基板で成り、この支持基板とし て、活性層と埋め込み酸化膜層との間に前記シリコン窒化膜が挟み込まれた構造の SOIウェハーを用い、前記活性層で前記振動板を形成していることを特徴とする請求 項 1記載の音響検出機構。
[3] 前記基板が単結晶シリコン基板をベースとした支持基板で成り、この支持基板とし て、坦め込み酸化膜層と前記ベースとの間に前記シリコン窒化膜が挟み込まれた構 造の SOIウェハーを用いていることを特徴とする請求項 1記載の音響検出機構。
[4] 前記基板が単結晶シリコン基板で成る支持基板で構成され、この支持基板にシリコ ン酸化膜を成膜し、このシリコン酸化膜上に前記シリコン窒化膜を成膜し、更に、この シリコン窒化膜上にシリコン膜を成膜していることを特徴とする請求項 1記載の音響検 出機構。
[5] 前記基板が単結晶シリコン基板をベースとした支持基板で成り、前記振動板として の膜体と前記支持基板との間に、シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜とで成る積層 膜を形成し、前記シリコン窒化膜の膜厚範囲を 0. l x m—0. に設定し、これら の膜厚比率である（シリコン酸化膜) Z (シリコン窒化膜） =Rが 0<R≤4となるように 構成したことを特徴とする請求項 1記載の音響検出機構。
[6] 前記単結晶シリコン基板として、（100)面方位のシリコン基板を用いていることを特 徴とする請求項 2 5のいずれか 1項に記載の音響検出機構。
[7] 前記振動板に対して不純物拡散処理が施されていることを特徴とする請求項 1記 載の音響検出機構。
[8] 単結晶シリコン基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極の うち一方の電極はアコースティックホールに相当する貫通穴を形成した背電極であり 、他方の電極は振動板である音響検出機構の製造方法であって、
前記単結晶シリコン基板の表面側にシリコン酸化膜を成膜し、該シリコン酸化膜上 にシリコン窒化膜を成膜し、該シリコン窒化膜上に振動板となる多結晶シリコン膜を成 膜し、該多結晶シリコン膜上に犠牲層となるシリコン酸化膜を成膜し、該シリコン酸化 膜上に背電極となる多結晶シリコン膜を成膜し、 この後、前記背電極となる多結晶 シリコン膜をフォトリソグラフィ技術により所望の形状にパターンを形成し、前記単結 晶シリコン基板の裏面側から振動板下部に相当する領域をエッチングにより除去し、 フッ酸により振動板下面側に存在するシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とを除去し、か つ、前記犠牲層であるシリコン酸化膜を除去することを特徴とする音響検出機構の製 造方法。
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