WO2006049100A1 - 容量型振動センサ及びその製造方法 - Google Patents

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etching
capacitive
counter electrode
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Takashi Kasai
Fumihito Kato
Hiroshi Imamoto
Fumihiko Sato
Masaki Munechika
Toshiyuki Takahashi
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Definitions

  • the present invention relates to a capacitive vibration sensor and a method for manufacturing the same. More specifically, the present invention relates to a capacitive vibration sensor for detecting vibrations such as sound waves propagating in a medium such as air or water, and a method for manufacturing the same. About.
  • FIG. 1 (a), FIG. 1 (b), and FIG. 1 (c) are diagrams for explaining the general principle of a capacitor-type microphone that is a type of vibration sensor.
  • the capacitor-type microphone 11 is one in which a counter electrode plate 12 and a vibrating electrode plate 13 are opposed to each other with a minute gap, and a DC voltage is applied between the electrode plates 12 and 13 by a DC power source 14.
  • the counter electrode plate 12 has rigidity or is fixed so as not to vibrate, and the vibration electrode plate 13 has a small thickness and is excited by sound vibration.
  • FIG. 1 (a) As shown in Fig. 1 (a), when the sound vibration is transmitted to the condenser microphone 11, the thin vibrating electrode plate 13 is vibrated by the sound vibration as shown in Fig. 1 (b). The capacitance between the counter electrode plate 12 and the vibrating electrode plate 13 changes. Therefore, by electrically detecting this change in capacitance, sound (change in sound pressure) can be taken out as shown in FIG. 1 (c).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional capacitor-type microphone manufactured using a micromachining technology.
  • the condenser microphone 21 is formed by covering the upper surface of a silicon substrate 22 having a through hole 27 in the center with an insulating film 23, forming a vibration electrode plate 24 on the through hole 27, and forming the vibration electrode plate 24.
  • the counter electrode plate 26 is formed on the lower surface of the perforating member 25 covering the upper side.
  • the capacitance between the vibrating electrode plate 24 and the counter electrode plate 26 changes, and sound vibration is output as a change in capacitance.
  • the insulating film 23, the vibrating electrode plate 24, and the like are formed on the upper surface of the silicon substrate 22, and then the silicon substrate 22 is etched from the lower surface side to form a through hole 27. Is open.
  • the silicon substrate 22 is easily available and relatively inexpensive, a (100) plane silicon wafer is generally used. Therefore, when the back side force is also etched on the silicon substrate 22, the [111] orientation, which is the dense surface of the (100) plane silicon wafer, or a plane with an equivalent orientation appears in the through hole 27 and becomes an inclined surface.
  • a through-hole 27 having a truncated pyramid shape is formed in 22.
  • the through hole 27 has a larger width on the lower surface side of the silicon substrate 22 and a smaller width on the upper surface side.
  • the opening area on the lower surface side of the through hole 27 is larger than the area of the substantial vibration portion of the vibration electrode plate 24, and the area of the silicon substrate 22 is correspondingly increased.
  • the thickness of the silicon substrate 22 is reduced, the ratio of the opening area between the upper surface side and the lower surface side of the through hole 27 is close to 1.
  • the strength of the silicon substrate 22 the thickness of the silicon substrate 22 is reduced. There is also a limit.
  • Patent Document 1 discloses a piezoresistive pressure sensor that detects a pressure of air or the like by converting a displacement of a thin film portion formed on a semiconductor substrate into a resistance value change.
  • the thin film portion is formed by etching the semiconductor substrate from the upper surface side in order to solve the above-mentioned problems caused by etching the semiconductor substrate from the lower surface side to form the thin film portion. ing.
  • an opening is formed in a part of the thin film portion to expose the silicon wafer, and so on.
  • the cavity is formed in the semiconductor substrate by performing isotropic etching, and the thin film portion is supported with the upper surface force of the silicon substrate also floating.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 9 82983
  • Patent Document 2 Special Table 2004-506394
  • Patent Document 3 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-128957
  • Patent Document 4 Japanese Patent Laid-Open No. 2002-27595
  • Patent Document 5 Japanese Patent Laid-Open No. 62-284233
  • Patent Document 6 Japanese Patent Publication No. 9-508777
  • Patent Document 7 Japanese Patent Laid-Open No. 2001-13156
  • An object of the present invention is to etch a semiconductor substrate from the side where the two electrode plates are formed over a capacitive vibration sensor including a vibrating electrode plate and a counter electrode plate.
  • the purpose is to achieve further miniaturization without lowering the sensitivity and frequency characteristics of capacitive vibration sensors manufactured using micromachining technology.
  • a capacitive vibration sensor is a capacitive vibration sensor in which a vibration electrode plate and a counter electrode plate are provided to face each other on a surface of a semiconductor substrate so as to cover a space formed in the semiconductor substrate.
  • a plurality of etching holes are opened in the vibration electrode plate, and a part of the vibration electrode plate is separated from the semiconductor substrate by the etching hole of the vibration electrode plate leaving a holding portion to form a diaphragm.
  • the counter electrode plate has an etching hole that overlaps with the etching hole of the vibrating electrode plate when viewed from a direction perpendicular to the surface of the semiconductor substrate, and circumscribes the etching hole of the counter electrode plate.
  • the adjacent rectangles are in contact with each other or overlap each other, and the space of the semiconductor substrate includes the counter electrode plate and the vibration electrode plate.
  • Ru Through each Etsu quenching hole, as characterized by comprising been etched ring toward the surface of the double electrode plate side surface opposite to the electrode plates, Ru.
  • the semiconductor substrate is etched from the surfaces on both electrode plates toward the surfaces opposite to both electrode plates, and a space (for example, a through hole) is formed on the semiconductor substrate. Or the concave portion), the capacitive vibration sensor can be made smaller than before.
  • the vibration electrode plate is also reduced.
  • the resonance frequency is excessively increased and sensitivity to sound is lowered.
  • an etching hole is formed in the vibration electrode plate, its rigidity is lowered, so that the resonance frequency can be lowered and the detection sensitivity of the capacitive vibration sensor can be improved.
  • the space of the semiconductor substrate is a concavity that is closed on the other hand, if air is trapped in the space, it acts as an air damper and the sensitivity of the vibrating electrode plate is reduced, but etching is performed on the vibrating electrode plate.
  • the vibration electrode plate is also separated from the silicon substrate force by the etching hole of the vibration electrode plate, leaving the holding portion.
  • the area is increased, and the sensitivity of the capacitive vibration sensor can be improved.
  • the plurality of etching holes provided in the counter electrode plate are opened such that the circumscribed rectangles are in contact with or overlap each other, the space of the semiconductor substrate formed by each etching hole is connected to each other, and finally A large space is formed. Therefore, the etching hole of the counter electrode plate can be reduced, and the counter electrode plate is less likely to vibrate due to the vibration of sound waves.
  • a capacitive vibration sensor is characterized in that the etching hole of the counter electrode plate is formed in a slit shape.
  • the etching hole of the counter electrode plate since the etching hole of the counter electrode plate has a slit shape, the resistance of the fluid passing through the etching hole of the counter electrode plate is increased, and the low frequency characteristics of the capacitive vibration sensor are increased. Is improved.
  • a capacitive vibration sensor is characterized in that the area of the etching hole of the counter electrode plate is 1Z2 times the area of the etching hole of the vibration electrode plate.
  • the etching hole of the counter electrode plate Since this area is half of the etching hole of the vibrating electrode plate, the resistance of the fluid passing through the etching hole of the counter electrode plate is increased, and the low frequency characteristics of the capacitive vibration sensor are improved.
  • the rigidity of the vibration electrode plate is improved, and the durability of the capacitive vibration sensor is improved.
  • the etching hole of the vibration electrode plate is formed at the center of the four sides of the vibration region of the vibration electrode plate so that the edge has an arc shape. It is characterized by being. According to the embodiment, since the holding portions of the vibrating electrode plate formed between the etching holes are located at the four corners of the vibrating region of the vibrating electrode plate, the capacitive type that is unlikely to cause stress concentration in the holding portion. The durability of the vibration sensor is improved.
  • the semiconductor substrate is characterized in that a through-hole communicating with the space is formed on the opposite side to the two electrode plates.
  • both electrode plates are provided on the semiconductor substrate! /, And the side force is propagated only by vibrations such as sound waves. The vibration propagating from the opposite side of both electrode plates can also be detected, and vibration can be detected on both sides.
  • An acoustic transducer includes a capacitive vibration sensor according to the present invention, an output circuit that converts an audio signal detected by the capacitive vibration sensor into an electrical signal, and outputs the electrical signal. And an input circuit for generating sound vibration by inputting the capacitive vibration sensor.
  • the capacitive vibration sensor can be miniaturized, so that the microfan and acoustic transducer can be reduced in size and weight.
  • a method for manufacturing a capacitive vibration sensor according to the present invention includes a vibrating electrode plate and a counter electrode plate which are opposed to each other on the surface of a semiconductor substrate so as to cover a space formed in the semiconductor substrate. And a step of forming a vibrating electrode plate having an etching hole so as to cover the surface of the semiconductor substrate, and a sacrificial layer.
  • etching holes are provided in the vibrating electrode plate and the counter electrode plate, and wet etching is performed by bringing an etching solution into contact with the semiconductor substrate from the etching holes.
  • wet etching is performed by bringing an etching solution into contact with the semiconductor substrate from the etching holes.
  • the manufactured capacitive vibration sensor can be reduced in size.
  • the etching hole of the vibration electrode plate remains as a hole, the resonance frequency of the vibration electrode plate can be lowered and the detection sensitivity of the capacitive vibration sensor can be improved.
  • FIG. 1 (a), FIG. 1 (b), and FIG. 1 (c) are diagrams for explaining the general principle of a capacitor-type microphone that is a type of vibration sensor.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional capacitor type microfon manufactured using micromachining technology.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view of the capacitive vibration sensor according to Example 1 of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of the capacitive vibration sensor of Example 1.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the capacitive vibration sensor of Example 1.
  • FIG. 6 is a plan view of the counter electrode plate constituting the capacitive vibration sensor of Example 1
  • FIG. 6 (b) is a plan view of the vibration electrode plate constituting the capacitive vibration sensor of Example 1.
  • FIG. 6 (c) is a plan view of the silicon substrate constituting the capacitive vibration sensor of Example 1.
  • FIG. 7 shows the area of use of the capacitive vibration sensor when a vibrating electrode plate with a small holding part is used, and the area of use of a capacitive vibration sensor when a vibrating electrode plate with a large holding part is used.
  • FIG. 8 (a) to FIG. 8 (d) are cross-sectional views schematically showing a process for manufacturing the capacitive vibration sensor of Example 1 using the micromachining technology.
  • FIG. 9 (a) to FIG. 9 (d) are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process subsequent to the process of FIG. 8 (d).
  • FIG. 10 (a) to FIG. 10 (d) are cross-sectional views schematically showing a manufacturing process subsequent to the process of FIG. 9 (d).
  • FIG. 12 FIG. 12 (a) to FIG. 12 (c) and FIG. 12 (a to FIG. 12 ()) schematically show how the silicon substrate is gradually etched through the etching holes of the counter electrode plate. It is a top view and each sectional drawing.
  • FIGS. 13 (a) and 13 (b) are plan views schematically showing the state after FIG. 12 (c), and FIG. 13 (a and FIG. 13 () are the same as FIG. FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing the subsequent state.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating a modification of the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining another modification of the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 17 (a) shows a counter electrode plate constituting a capacitive vibration sensor according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 17 (b) is a plan view showing a vibrating electrode plate constituting the capacitive vibration sensor according to Example 3.
  • FIG. 17 (b) is a plan view showing a vibrating electrode plate constituting the capacitive vibration sensor according to Example 3.
  • FIG. 18 shows that the silicon substrate was etched in the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to Example 3.
  • FIG. 4 is a plan view and a cross-sectional view schematically showing the state of going.
  • FIGS. 20 (a) to 20 (c) are plan views showing etching holes of various shapes on the counter electrode plate, and FIGS. 20 (a ') to 20 () are FIGS.
  • FIG. 21 is a plan view showing the shape of a recess formed in the silicon substrate by each etching hole in FIG.
  • FIG. 21 is an exploded perspective view schematically showing a capacitive vibration sensor according to Example 4 of the present invention.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining how the silicon substrate is etched in the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the fourth embodiment.
  • FIG. 25 is an exploded perspective view schematically showing a capacitive vibration sensor according to Example 5.
  • FIGS. 27 (a) to 27 (d) are cross-sectional views illustrating a manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the fifth embodiment.
  • FIGS. 28 (a) to 28 (d) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the fifth embodiment, and show the process subsequent to FIG. 27 (d).
  • FIGS. 29 (a) to 29 (d) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the fifth embodiment, and show the process subsequent to FIG. 28 (d).
  • FIG. 30 (a) and FIG. 30 (b) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to Example 5 and represent the process after FIG. 29 (d). Yes.
  • 32 (a) to 32 (d) are cross-sectional views schematically showing a part of the manufacturing process of the capacitive vibration sensor according to the sixth embodiment.
  • FIG. 33 is a cross-sectional view showing a modification of Embodiment 6 of the present invention.
  • FIG. 34 is a cross-sectional view showing a condenser microphone in which a capacitive vibration sensor is housed in a housing.
  • FIG. 35 is a cross-sectional view showing another capacitor type microphone in which a capacitive vibration sensor is housed in a housing.
  • FIG. 37 is a circuit diagram showing an example of a frequency change type output circuit.
  • FIG. 3 is a schematic exploded perspective view showing the capacitive vibration sensor 301 according to the first embodiment of the present invention.
  • 4 is a plan view of the capacitive vibration sensor 301
  • FIG. 5 is a cross-sectional view of the capacitive vibration sensor 301.
  • 6A, 6B, and 6C are plan views of the counter electrode plate 113, the vibrating electrode plate 112, and the silicon substrate 32, respectively.
  • the capacitive vibration sensor 301 has a vibration electrode plate 112 formed on an upper surface of a silicon substrate 32 via an insulating coating 35, an electrode pad 43 for taking out a detection signal of the sensor on the upper surface, and a recess.
  • a counter electrode plate 113 is formed on a vibrating electrode plate 112 on 37 with a space therebetween, and an electrode pad 42 for taking out a sensor detection signal is provided on the upper surface.
  • a concave portion 37 having an inverted truncated pyramid shape is formed on the upper surface of the silicon substrate 32, and the space in the concave portion 37 is widened upward and narrowed downward, and the bottom surface of the concave portion 37 is the silicon substrate 32. It is blocked by.
  • the silicon substrate 32 is constituted by a silicon substrate (silicon wafer) having a (100) plane or a (110) plane.
  • the size of the silicon substrate 32 (individually cut from a silicon wafer) is l to 1.5 mm square (which can be smaller than this) in plan view, and the thickness of the silicon substrate 32 Is 400-500 ⁇ m, and the depth force of ⁇ is 200-300 ⁇ m.
  • An insulating film 35 that also has an oxide film isotropic force is formed on the upper surface of the silicon substrate 32, and a thin-film vibrating electrode plate 112 made of polysilicon is formed on the insulating film 35.
  • the upper surface of the recess 37 is covered with a vibrating electrode plate 112, and a portion of the vibrating electrode plate 112 that is supported above the recess 37 in the air is a diaphragm (vibrating region) 34.
  • An electrode pad 43 is formed on the vibrating electrode plate 112.
  • a plurality of etching holes 36 are opened in a region above the recess 37.
  • the diaphragm 34 is separated from the silicon substrate 32 by these etching holes 36, leaving the holding portions 117 at the four corners. For this reason, the diaphragm 34 is supported by the holding portion 117 in an inertial manner, so that the diaphragm 34 having a high rigidity is provided with appropriate flexibility, and the effective area of the diaphragm 34 is increased, so that the capacitive vibration sensor 301 is increased.
  • the sensitivity can be improved. Also, since fluid (air) passes through the etching hole 36, it is possible to balance the fluid on both sides of the diaphragm 34. it can.
  • the shape of the etching hole 36 is formed in a substantially semi-elliptical shape.
  • the edge of the diaphragm 34 By thus configuring the edge of the diaphragm 34 in a curved shape, the risk of damage due to stress concentration when the diaphragm 34 vibrates can be reduced.
  • the portion that does not constitute the edge of the diaphragm 34 is linear. In this way, useless concave portions 37 are not formed in portions other than the region of the diaphragm 34, and size efficiency and sensor strength are increased.
  • the recesses 37 formed by etching are necessarily square when viewed from above, so that it is efficient to form the etching holes 36 on the sides of the rectangle forming the recesses 37.
  • the sensitivity of the capacitive vibration sensor 301 varies depending on the size of the holding portion 117 of the vibrating electrode plate 112 (or the size of the etching hole 36).
  • FIG. 7 shows the frequency-sensitivity characteristics of the capacitive vibration sensor 301 when the holding part 117 is made smaller like the upper right vibrating electrode plate 112 and when the holding part 117 is made larger like the lower right vibrating electrode plate 112. Represent.
  • the holding portion 117 is made small like the vibrating electrode plate 112 on the upper right, the sensitivity in the flat usage band is increased and the low frequency response is also improved.
  • the size of the etching hole 36 is selected by simulation or experiment in consideration of the size of the holding portion 117.
  • the counter electrode plate 113 is provided with a fixed electrode 115 made of a metal thin film on the upper surface of an insulating support layer 114 made of a nitride film.
  • a plurality of acoustic holes (acoustic holes) 40 for allowing air vibrations to pass therethrough are perforated.
  • an electrode pad 42 that is electrically connected to the fixed electrode 115 is provided at the end of the counter electrode plate 113 so that the electrode pad 43 of the vibration electrode plate 112 is exposed.
  • An opening 116 is formed.
  • the conductive counter electrode plate 113 is insulated from the vibrating electrode plate 112 by an insulating film 35 that also has an oxide film isotropic force in the region outside the diaphragm 34, and in the region facing the diaphragm 34, the diaphragm 34 It is supported in the air with a predetermined gap.
  • an etching hole 104 is also provided in the counter electrode plate 113 in order to etch the upper surface side force of the silicon substrate 32.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is formed in a shape that fits within the region of the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112 when viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is formed in the same shape as the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112. Thereby, the etching holes 36 and 104 can be easily formed by the manufacturing process of the capacitive vibration sensor 301 described later.
  • the etching liquid can easily go outside the etching holes 36 and 104 when the silicon substrate 32 is etched, and the recess 37 is formed in the silicon substrate 32. It becomes easy to do.
  • the vibrating electrode plate 112 vibrates in resonance with the vibration of sound, the vibrating electrode plate 112 is a thin film of, for example, 1 to 2 m, but the counter electrode plate 113 is not excited by the vibration of sound. V, because it is an electrode, its thickness is 10 ⁇ t, for example.
  • both electrodes are charged positively and negatively, respectively. For this reason, if the vibrating electrode plate 112 and the counter electrode plate 113 are too close to each other, they are attracted to and brought into close contact with each other by electrostatic attraction.
  • the capacitive vibration sensor 301 becomes inoperable, and the battery that supplies a DC voltage to the vibrating electrode plate 112 and the counter electrode plate 113 is also consumed. Resulting in. Furthermore, the circuit connected to the capacitive vibration sensor 301 may be short-circuited and damaged.
  • the gap between the diaphragm 34 and the counter electrode plate 113 is a distance that is less likely to collide with the counter electrode plate 113 when the diaphragm 34 vibrates.
  • a stop with a protruding length of 1 to 2 ⁇ m is provided at the position facing the diaphragm 34 on the lower surface of the counter electrode plate 113.
  • One or more pars 62 are projected.
  • the stopper 62 is provided on the lower surface of the counter electrode plate 113, but the stopper 62 may protrude from the upper surface of the diaphragm 34. It is desirable to form an insulating protective film on the lower surface of the stopper 62.
  • the vibrating electrode portion 112 is larger than the concave portion 37 and the silicon substrate 32 The area is smaller than the outer shape.
  • the counter electrode plate 113 is formed to have a size substantially equal to the outer shape of the silicon substrate 32 larger than the vibration electrode plate 112. The counter electrode plate 113 covers the entire vibration electrode plate 112 so that a space is formed between the counter electrode plate 113 and the vibration electrode plate 112 at least above the recess 37.
  • the electrode pads 42 and 43 are made of a metal material.
  • the electrode pad 42 is provided on the upper surface of the counter electrode plate 113 and is electrically connected to the fixed electrode 115.
  • the electrode pad 43 is provided on the upper surface of the vibration electrode plate 112, is in an insulated state from the counter electrode plate 113, and is electrically connected to the vibration electrode plate 112 (diaphragm 34)! /
  • the capacitive vibration sensor 301 of the first embodiment when sound vibration (air density wave) is incident from the upper surface side, the sound vibration is transmitted to the acoustic hole 40 of the counter electrode plate 113. Or around the edge of the counter electrode plate 113 to reach the diaphragm 34, and the diaphragm 34 is vibrated.
  • the diaphragm 34 vibrates, the distance between the diaphragm 34 and the counter electrode plate 113 changes, so that the capacitance between the diaphragm 34 and the fixed electrode 115 changes. Therefore, if a DC voltage is applied between the electrode pads 42 and 43 and the change in capacitance is extracted as an electrical signal, the vibration of the sound is converted into an electrical signal and the vibration of the sound is Can be detected.
  • a single crystal silicon substrate having a (100) plane or (110) plane orientation (actually, a large number of capacitive vibration sensors 301 are manufactured at once on a silicon wafer. ) (Fig. 8 (a)).
  • An insulating film 35 made of a silicon oxide film is formed on the upper and lower surfaces of the silicon substrate 32 by a method such as thermal oxidation or CVD (FIG. 8B).
  • polysilicon polycrystalline silicon
  • CVD chemical vapor deposition
  • a resist mask 52 having a predetermined opening pattern is formed on the vibrating electrode plate 112 by photolithography (FIG. 9).
  • the silicon oxide film 51a and the vibrating electrode plate 112 are etched through the opening of the resist mask 52, and the silicon oxide film 51a and the vibrating electrode plate 112 are patterned into a predetermined shape and an etching hole 36 is obtained. To open.
  • a silicon oxide film 51b as a sacrificial layer is deposited on the vibrating electrode plate 112 by a CVD method, a thermal oxidation method, etc.
  • the upper surfaces of the plate 112 and the silicon oxide film 51a are covered with the silicon oxide film 51b, and the silicon oxide film 51b is embedded in the etching hole 36 (FIG. 9C).
  • PSG SiO 2 containing phosphorus
  • a resist mask is formed and sacrificed
  • a part of the silicon oxide film 51b as a layer is etched to remove the resist mask (FIG. 9 (d)).
  • an opening 63 is formed by etching at a location where the stopper 62 of the silicon oxide film 51a is to be formed. Further, also in other places, the silicon oxide film 51a and the insulating film 35 are appropriately removed by etching.
  • a silicon oxide film 51c serving as a sacrificial layer is laminated (FIG. 10 (a)).
  • the recess 63 having a stopper shape is formed by partially filling the inside of the opening 63 with the silicon oxide film 51c.
  • a resist mask is formed again, and a portion of the silicon oxide film 51c, which is a sacrificial layer, is etched to form an opening 65 (FIG. 10 (b)).
  • a silicon nitride film is deposited on the silicon oxide film 51c by a CVD method or the like to form a support layer 114 made of a silicon nitride film on the entire upper surface of the silicon oxide film 51c (see FIG. Figure 10 (c)).
  • the recess 64 is filled with the support layer 114 to form the stopper 62.
  • the support layer 114 on the surface is covered with a predetermined mask and dry-etched, and the support layer 114 is processed into a shape as shown in FIG. 3 to form an etching hole 104.
  • an acoustic hole is formed in the support layer 114. Open 40 (Fig. 10 (d)).
  • the upper surface is covered with another predetermined mask, and a metal material such as chromium or copper is vapor-deposited to form the fixed electrode 115 and the electrode pads 42 and 43 (FIG. 11 (a)).
  • a metal material such as chromium or copper is vapor-deposited to form the fixed electrode 115 and the electrode pads 42 and 43 (FIG. 11 (a)).
  • a part of the silicon oxide films 51b and 51c in the etching hole 36 is opened to expose the silicon substrate 32 in the etching hole 36 (FIG. 11 (b)).
  • a portion where the silicon oxide film 51c covers the side wall of the vibration electrode plate 112 is left.
  • the silicon oxide film 51c which is a sacrificial layer, also acts as a protective film for the vibrating electrode plate 112 in the anisotropic etching described below.
  • the silicon substrate 32 is anisotropically etched from the etching holes 104 and 36 using an etchant such as TMAH aqueous solution (optimum), KOH, hydrazine, or the like.
  • TMAH aqueous solution optimum
  • KOH KOH
  • hydrazine or the like.
  • the [111] orientation which is the dense surface of the (100) plane silicon substrate or the (110) plane silicon substrate or a plane with an equivalent orientation appears.
  • the substrate 32 has a truncated pyramid-shaped recess 37 (FIG. 11 (c)).
  • the unnecessary silicon oxide film 51a, 51b, 51c is removed by wet etching using a hydrofluoric acid-based aqueous solution or dry etching, whereby the vibrating electrode plate 112 and the counter electrode plate 113 are removed. And the capacitive vibration sensor 301 is completed (FIG. 11 (d)).
  • Fig. 12 (a) ⁇ Fig. 12 (b) ⁇ Fig. 12 (c) (), Fig. 13 (a) () and Fig. 13 (b) (b') are etched in each etching hole 104. It explains how the concave portion 37 spreads out.
  • Fig. 12 (a ') ⁇ diagram 12 (b ') ⁇ Fig. 12 (), Fig. 13 (a and Fig. 13 (b') are both cross-sectional views of the capacitive vibration sensor 301.
  • 12 (a) (a shows the state before etching.
  • the position of the etching hole 104 is represented by a two-dot chain line, and when etching is started, the etching also progresses at the point force of the etching hole 104, so that it is shown in FIG. Circumscribe each etching hole 104 In the quadrangular region, the truncated pyramid-shaped recess 37 is etched. Next, the portion force of each concave portion 37 in contact with the corner is etched toward the corner portion and the central direction, and the concave portion 37 as shown in FIG. 12 (c) () is formed, and the central portion is not etched. The area will also be smaller. As the etching proceeds further, as shown in Fig.
  • the outer peripheral portion is etched into a truncated pyramid shape, and the unetched region at the center is further reduced.
  • the target recess 37 is formed by etching up to a square region circumscribing the entire etching hole 104.
  • each etching hole 104 is determined on condition that the circumscribed rectangle of each etching hole 104 is in contact with another adjacent circumscribed rectangle, finally, 1 is obtained.
  • Two concave portions 37 can be formed, and as a result, a diaphragm 34 that is a vibration region in the vibrating electrode plate 112 can be formed.
  • a commercially available SOI (silicon on insulator) weno as shown in FIG. 14 may be used as a starting material. Since an SOI wafer is formed by forming single crystal silicon 56 (this will be the vibrating electrode plate 112) on a single crystal silicon substrate 54 via a silicon oxide film 55, an SOI wafer is used. For example, an insulating film 35 made of a silicon oxide film is formed on both the upper and lower surfaces of the silicon substrate 32, and a polysilicon vibrating electrode plate 112 is formed on the insulating film 35 on the upper surface side. The process of FIG. 8 (c) can be omitted.
  • a B-doped layer 57 may be formed by doping a silicon substrate (silicon wafer) 32 with a large amount of B (boron). Since the B-doped layer 57 cannot be wet-etched and can be used as an etching stop layer, the steps shown in FIGS. 8B and 8C can be omitted by using such a wafer. .
  • the silicon substrate 32 is etched from the side of the vibration electrode plate 1 12 side as described above, so that the spatial sectional area (parallel to the vibration electrode plate 1 12 is obtained).
  • the recess 37 is formed so that the cross-sectional area on the other surface is narrower on the side opposite to the vibrating electrode plate 112 widened on the vibrating electrode plate 112 side. Therefore, in the capacitive vibration sensor 301, the space in the recess 37 becomes narrower as it moves away from the vibration electrode plate 112.
  • the silicon substrate 22 is etched from the back surface side, so that A through hole 27 is formed so that the area is narrower on the side opposite to the vibrating electrode plate 24, which is narrower on the vibrating electrode plate 24 side. Therefore, in the structure as in Conventional Example 2, the thicker the silicon substrate 22 is, the larger the space is compared to the vibrating electrode plate 24, and the chip size of the silicon substrate 22 is increased due to this space. On the other hand, in the case of Example 1, since the space of the recess 37 is smaller than the area of the diaphragm 34, if the diaphragm 34 has the same size as the vibrating electrode plate 24, the chip size can be reduced. The size of the capacitive vibration sensor 301 can be reduced.
  • the etching time of the silicon substrate 22 becomes longer.
  • the etching time of the silicon substrate 32 can be shortened by simply etching the recess 37 to the middle of the silicon substrate 32. Becomes higher.
  • the counter electrode plate 113 is formed by being laminated on the vibrating electrode plate 112 via a sacrificial layer (silicon oxide film). As shown in (d), the sacrificial layer is removed at the end of the manufacturing process, so that the vibration electrode plate 112 and the counter electrode plate 113 are less likely to stick because they are separated from the vibration electrode plate 112. The yield of the capacitive vibration sensor 301 can be increased and the reliability can be improved.
  • the through hole 27 is provided at the center of the silicon substrate 22 and the silicon substrate 22 is annular, the rigidity of the silicon substrate 22 is reduced, and the capacitor type microfon The thickness of the central portion (that is, the sum of the thicknesses of the vibrating electrode plate 24 and the perforated member 25) is reduced as a whole, and the strength of the condenser microphone 21 is reduced.
  • the silicon substrate 22 is easily twisted, the thin vibrating electrode plate 24 is easily damaged.
  • the capacitive vibration sensor 301 of the first embodiment the silicon substrate 32 has a plate shape only by forming the recess 37 on the upper surface side of the silicon substrate 32, and thus the rigidity of the silicon substrate 32 is increased.
  • the overall thickness of the capacitive vibration sensor 301 is also increased. Therefore, the strength of the capacitive vibration sensor 301 is increased and the reliability is increased. In particular, since the rigidity of the silicon substrate 32 is increased, the thin vibrating electrode plate 112 held on the silicon substrate 32 is not easily damaged. [0060] Further, in the condenser microphone 21 of FIG. 2, the vibration electrode plate 24 is exposed on the lower surface side, and therefore, the vibration electrode plate 24 is easily damaged by being damaged from the back surface side. For example, when cleaning the wafer on which the condenser microphone 21 is manufactured, the vibrating electrode plate 24 may be damaged due to water flow on the front and back surfaces.
  • the back side is often damaged during processing on the front side. For this reason, if the structure has to be covered on both sides, there is a risk of scratching the front side when processing the back side, resulting in a defective product.
  • the structure like the capacitive vibration sensor 301 of Example 1 is processed only from the upper surface side, so that the product yield without such a fear is improved.
  • the vibration electrode plate 112 When the capacitive vibration sensor 301 is reduced in size, the vibration electrode plate 112 is also reduced, so that the resonance frequency of the vibration electrode plate 112 becomes excessively high and sensitivity to sound is lowered.
  • the capacitive vibration sensor 301 of Example 1 since the etching hole 36 is formed in the vibration electrode plate 112 as shown in FIG. 6B, the rigidity of the vibration electrode plate 112 is reduced accordingly. Further, if the etching hole 36 is formed in the vibration electrode plate 112, the internal stress generated in the vibration electrode plate 112 is released, and the influence of the internal stress can be reduced. As a result, the vibrating electrode plate 112 is affected by the internal stress and the resonance frequency is lowered.
  • 16 (a) and 16 (b) are plan views showing the counter electrode plate 113 and the vibration electrode plate 112 used in the capacitive vibration sensor according to the second embodiment of the present invention.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is formed in a semi-elliptical arc-shaped slit shape while the etching hole 36 of the vibrating electrode plate 112 is maintained in a semi-elliptical shape.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is approximately the same size as the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112. 113 may also vibrate.
  • the fluid flows directly from the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 to the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112, the fluid resistance in the low frequency band is reduced, and the low frequency characteristics of the capacitive vibration sensor are degraded. There is a fear.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 has a smaller area than the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112 and is viewed from a direction perpendicular to the upper surface of the silicon substrate 32.
  • the vibration electrode plate 112 is formed in a shape that fits in the region of the etching hole 36.
  • the region actually etched in the silicon substrate 32 is a region where the etching holes 104 and 36 overlap (that is, the region of the etching hole 104)
  • the rigidity of the counter electrode plate 113 is increased and etching is performed. If the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is reduced in order to reduce the resistance of the fluid passing through the hole 104, the recesses etched through the etching holes 104 are not connected, and a desired recess 37 is formed in the silicon substrate 32. There is a risk that it will not be possible.
  • the rectangles circumscribing the etching holes 104 overlap each other, and the rectangle circumscribing the entire etching holes 104 is substantially equal to the outer shape of the opening of the recess 37. Further, the shape of the etching hole 104 is determined. Although details are omitted, also in Example 2, a predetermined recess 37 can be formed in the silicon substrate 32 in the same manner as shown in FIGS. Example 3
  • FIGS. 17 (a) and 17 (b) are plan views showing the counter electrode plate 113 and the vibration electrode plate 112 used in the capacitive vibration sensor according to the third embodiment of the present invention.
  • the etching hole 36 of the vibrating electrode plate 112 is kept in a semi-elliptical shape
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is set to the length of 1Z2 in the case of the second embodiment!
  • FIG. 18 (a) is a plan view of the capacitive vibration sensor according to Example 3
  • FIGS. 18 (b) to 18 (d) are plan views of the silicon substrate 32.
  • FIG. 18 (a ′) to FIG. 18 (d ') represents the cross section of the capacitive vibration sensor along line A–A in Figs. 18 (a) to 18 (d).
  • 18 (a) When the state force of (a ') is also started, the etching also proceeds at the etching hole 104. Therefore, as shown in FIG.
  • a square circumscribing each etching hole 104 In this region, a truncated pyramid-shaped recess 37 is etched. Then, etching proceeds toward the corner force portion and the center direction where the corners of the respective concave portions 37 overlap with each other, and the concave portions 37 are formed in the region of 1Z4 as shown in FIG. Next, etching progresses in the diagonal direction at the point where the corner 37 of each recess 37 is in contact, and finally, a rectangular area circumscribing the entire etching hole 104 as shown in FIG. 18 (d) (cT).
  • the target recess 37 is formed by etching.
  • the rigidity of the counter electrode plate 113 can be further increased.
  • FIG. 19A and FIG. 19B are plan views of the counter electrode plate 113 and the vibrating electrode plate 112 in a modification of the third embodiment.
  • the etching hole 36 of the vibrating electrode plate 112 is formed in a 1Z2 elliptical arc shape.
  • the effect of reducing the rigidity of the vibrating electrode plate 112 is the same as the semicircular etching hole 36.
  • the shape of the recess 37 formed in the silicon substrate 32 does not depend on the shape of the etching hole 104 itself due to the characteristics of the silicon substrate.
  • This situation is shown in Fig. 20. 20 (a), 20 (b) and 20 (c) shown on the left side show various shapes of etching holes 104 formed in the counter electrode plate 113, and FIG. 20 (a ') shown on the right side.
  • Fig. 20 () and Fig. 20 () represent the shapes of the recesses 37 formed in the silicon substrate 32 by the etching holes 104 in FIGS. 20 (a), 20 (b) and 20 (c), respectively.
  • the concave portion 37 having the same shape can be formed.
  • the etching holes in the capacitive vibration sensor according to the present invention are arranged so that the circumscribed square is in contact with each other in order to form the concave portion 37 as described above, and at the same time, the diaphragm is held at the four corners from the vibrating electrode plate. It is characterized in that it is separated and formed leaving a part.
  • FIG. 21 is a schematic exploded perspective view showing a capacitive vibration sensor 304 according to Embodiment 4 of the present invention.
  • slit-shaped etching holes 36 and 104 are opened in the diagonal direction at the corners of the vibrating electrode plate 112 and the counter electrode plate 113, respectively.
  • the rigidity of the vibration electrode plate 112 can be further reduced.
  • the etching holes 104 in the diagonal direction at the corners of the counter electrode plate 113, the area of the trapezoidal etching holes 104 provided on the four sides can be reduced.
  • the rigidity of the etching hole 104 can be further increased, and the fluid resistance in the etching hole 104 can be further increased.
  • FIG. 22 illustrates a state in which the intended recess 37 is formed by the etching hole 104 having such a pattern. Since etching is performed through the etching hole 104, the silicon substrate 32 has a rectangular area circumscribing each diagonal etching hole 104 and a trapezoidal etching hole 104 as shown by a one-dot chain line in FIG. A recess 37 is formed in the rectangular area. Since these concave portions 37 are in contact with each other or overlap each other, the etching further proceeds from the contact or overlapping portions, and finally circumscribes all the etching holes 104 as shown by the broken lines in FIG. A recess 37 is formed in the rectangular area. In this way, the intended recess 37 is obtained.
  • FIG. 22 illustrates a state in which the intended recess 37 is formed by the etching hole 104 having such a pattern. Since etching is performed through the etching hole 104, the silicon substrate 32 has a rectangular area circumscribing each diagonal etch
  • FIG. 23 shows a modification of the capacitive vibration sensor according to the fourth embodiment. This is the result of moving a slit-like etching hole 104 that is long in the diagonal direction further to the corner side. Even with such a pattern, the target recess 37 can be obtained in the same manner as in the fourth embodiment.
  • FIG. 24 shows another modification of the fourth embodiment.
  • the trapezoidal etching hole 104 of the fourth embodiment is half of one side of the fourth embodiment and has an area of 1Z2.
  • a rectangular area circumscribing each diagonal etching hole 104 and a quadrangular area circumscribing the trapezoidal etching hole 104 are formed.
  • a recess 37 is formed. Since these concave portions 37 are in contact with each other or overlap each other, etching further proceeds from the contact or overlapping portion, and the area of 1Z4 of the target concave portion 37 as indicated by a two-dot chain line in FIG. Are formed in two places.
  • a target recess 37 is formed in a rectangular region circumscribing all the etching holes 104 as shown by broken lines in FIG.
  • Example 2 to Example 4 the vibrating electrode plate 112 was formed on the silicon substrate 32 and the counter electrode plate 113 was formed thereon. However, the order of the electrode plates was changed, and the counter electrode plate was changed. A vibrating electrode plate 112 may be provided on the first and third 13s.
  • FIG. 25 is a schematic exploded perspective view showing the capacitive vibration sensor 30 5 of the fifth embodiment, and FIG. 26 is a cross-sectional view thereof, and a counter electrode having an electrode plate 115 on a silicon substrate 32 in which a recess 37 is formed. A plate 113 is formed, and a vibrating electrode plate 112 is formed on the counter electrode plate 113.
  • the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is within the region where the etching hole 36 of the vibration electrode plate 112 is formed, In addition, the total area of the etching hole 104 of the counter electrode plate 113 is smaller than the total area of the etching hole 36 of the vibrating electrode plate 112. Further, when viewed from the direction perpendicular to the silicon substrate 32, the rectangles circumscribing each etching hole 104 provided in the counter electrode plate 113 are in contact with each other or overlap each other, and the etching hole provided in the counter electrode plate 113. The rectangle circumscribing the entire 104 matches the region of the intended recess 37. In Example 5, the opening 116 exposes the electrode pad 42 of the counter electrode plate 113. And is provided on the vibrating electrode plate 112.
  • the rigidity of the vibrating electrode plate 112 is reduced by providing the etching electrode 36 in the vibrating electrode plate 112 and forming the holding portion 117 in a part, and the force is also reduced by the counter electrode.
  • the etching hole 104 of the electrode plate 113 As small as possible, it is possible to prevent the counter electrode plate 113 from having low rigidity and to easily vibrate, and to increase the fluid resistance of the etching hole 104. Therefore, it is possible to obtain a capacitive vibration sensor 305 with good low frequency characteristics.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating a manufacturing process of the capacitive vibration sensor 305.
  • FIG. 27 (a) shows a single crystal silicon substrate 32 (silicon well) having a plane orientation of (100) or an equivalent plane orientation.
  • An SiO film is formed on each of the upper and lower surfaces of the silicon substrate 32 by thermal oxidation, CVD, or the like, and the SiO film on the upper surface side is used as an insulating film 35 (FIG. 27 (b)).
  • Silicon base Silicon base
  • a SiN layer is formed on the entire surface of the insulating coating 35 on both the upper and lower surfaces of the plate 32 (FIG. 27 (c)).
  • the SiN layer on the upper surface side is used as the support layer 114, and polysilicon is formed on the surface of the support layer 114.
  • a layer is formed (FIG. 27 (d)), and the polysilicon layer on the upper surface side is used as the electrode plate 115.
  • the electrode plate 115 is dry-etched to pattern the electrode plate 115 into a desired shape, and the acoustic hole 40 is opened in the electrode plate 115 (FIG. 28 ( a)). Further, the support layer 114 under the electrode plate 115 is dry-etched, and the etching hole 104 and the acoustic hole 40 are opened in the support layer 114 (FIG. 28 (b)).
  • the sacrificial layer 132 is formed by depositing SiO on the electrode plate 115 by using a CVD method or a thermal oxidation method.
  • sacrificial layer 132 PSG (SiO containing phosphorus) is used.
  • a polysilicon film is formed on the sacrificial layer 132 by the CVD method to obtain the vibrating electrode plate 112 (FIG. 28 (d)).
  • the etching electrode 36 and the opening 116 are opened by dry-etching the vibrating electrode plate 112, and the vibrating electrode plate 112 is patterned into a desired shape (FIG. 29 (a)).
  • the patterned vibrating electrode plate 112 is covered with a protective film 133 having SiO force (see FIG.
  • etching hole 36 of vibrating electrode plate 112 and etching of counter electrode plate 113 A protective film 133, a sacrificial layer 132, and an insulating film 35 are opened in the hole 104 to form a through hole 134 for etching, and the silicon substrate 32 is exposed on the bottom surface of the through hole 134.
  • a window 135 for forming the electrode pad 43 is opened in the protective film 133 to expose a part of the vibrating electrode plate 112, and the protective film 133 and the sacrificial layer 132 are formed at the position of the opening 116 of the vibrating electrode plate 112.
  • a window 136 for forming the electrode pad 42 is opened to expose a part of the electrode plate 115 (FIG. 29 (c)). Then, the electrode pad 43 is formed of Au on the vibrating electrode plate 112 through the window 135, and the electrode pad 42 is formed of Au on the electrode plate 115 through the window 136 (FIG. 29 (d)).
  • the etching solution passes through the through hole 134 and contacts the silicon substrate 32, and a recess 37 is formed in the silicon substrate 32. ( Figure 30 (a)).
  • the silicon substrate 32 is used for etching SiO.
  • etching hole 104 has the etching hole 36 of the vibrating electrode plate 112 opened so as to overlap, when etching the sacrificial layer 132, the etching solution or the like passes straight without remaining. it can. For this reason, the sacrificial layer 132 is not left unetched between the diaphragm 34 and the counter electrode plate 113, and the diaphragm 34 and the counter electrode plate 113 are not easily fixed.
  • FIG. 31 is a cross-sectional view showing a structure of a capacitive vibration sensor 306 according to Embodiment 6 of the present invention.
  • a through hole 72 for collecting sound that communicates with the bottom surface of the recess 37 is provided on the lower surface of the silicon substrate 32.
  • the through-hole 72 is a reverse taper with the force concave portion 37 having a truncated pyramid shape.
  • the shape of the through-hole 72 is not particularly limited, and the size of the opening of the through-hole 72 may be large on the bottom surface of the recess 37 that is small on the bottom surface of the silicon substrate 32.
  • Example 6 a through-hole 72 communicating with the recess 37 is provided on the bottom surface of the silicon substrate 32. Therefore, the force on the lower surface side of the capacitive vibration sensor 306 can also be guided to the vibration electrode plate 112 through the through-hole 72, and the capacitive vibration sensor 306 can receive sound vibration on both sides. Sound collection from both sides is possible.
  • FIG. 32 is a schematic view showing a part of the manufacturing process of the capacitive vibration sensor 306.
  • FIG. 32 (a) shows a process corresponding to the process of FIG. 11 (b) of the first embodiment.
  • the etching hole 36 to the silicon substrate 32.
  • a part of the upper surface of the silicon substrate 32 is exposed and a part of the insulating film 35 and the like is etched on the lower surface of the silicon substrate 32 to open an etching window 73.
  • the silicon substrate 32 is anisotropically formed from the etching hole 36 and the etching window 73 by using an etchant such as a TMAH aqueous solution (optimum), KOH, or hydrazine.
  • an etchant such as a TMAH aqueous solution (optimum), KOH, or hydrazine.
  • the concave portion 37 and the through-hole 72 can be formed simultaneously by coating the silicon substrate 32 with both sides, thereby reducing the etching time and reducing the capacitance.
  • the production efficiency of the mold vibration sensor 306 is improved.
  • FIG. 34 shows an example in which a capacitive vibration sensor 212 according to the present invention capable of receiving sound vibrations is housed in a housing 213.
  • a capacitive vibration sensor 212 and a circuit element 214 such as an IC are mounted on the circuit board 215 and connected to the circuit wiring 216 of the circuit board 215 by bonding wires 217.
  • a circuit board 215 on which the capacitive vibration sensor 2 12 and the circuit element 214 are mounted is housed in the bottom surface of the housing 213.
  • the circuit wiring 216 is led to the lower surface of the housing 213, and the condenser microphone 211 is configured as a surface mounting type.
  • a vibration intrusion opening 218 is opened at a position displaced from the capacitive vibration sensor 212, and the vibration of sound that has entered the housing 213 through the vibration intrusion opening 218 is capacitive. It is detected by the vibration sensor 212 and output as a voltage change or a frequency change by the circuit element 214.
  • FIG. 35 shows a capacitive vibration sensor 220 according to the present invention having a through hole 72 for collecting sound on the lower surface of the silicon substrate and capable of receiving sound vibration from the lower surface.
  • a condenser-type microphone 219 in a case 213.
  • This condenser-type microphone mouthphone 219 also has the same structure as the condenser-type microphone 211 shown in FIG. 34, but the capacitive vibration sensor 220 has a through-hole 72 for collecting sound on the lower surface.
  • the vibration entry port 221 is opened in the lower surface of the housing 213 and the circuit board 215.
  • a vibration entry port 218 may also be provided on the upper surface of the housing 213.
  • FIG. 36 is a diagram showing a circuit example of the circuit element 214, and represents a voltage change type output circuit that converts sound vibration detected by the capacitive vibration sensor into a voltage change.
  • the variable capacitor 222 is composed of a vibrating electrode plate and a counter electrode plate of a capacitive vibration sensor, and the capacitance changes depending on the sound intensity (sound pressure). .
  • the variable capacitor 222 and the resistor 223 are connected in series, and a constant voltage is applied to the upper end of the resistor 223 by a DC power source 224.
  • the capacitance of the variable capacitor 222 changes due to the vibration of sound, the voltage between the resistor 223 and the variable capacitor 222 changes. By using this voltage as the output, the vibration of the sound is output as a voltage change. thing Can do.
  • Capacitor 225 cuts the DC component.
  • FIG. 37 is a diagram showing another circuit example of the circuit element 214, and shows a frequency change type output circuit that converts the vibration of sound detected by the capacitive vibration sensor into a change in frequency.
  • the variable capacitor 222 shown in FIG. 37 also represents a capacitive vibration sensor.
  • a variable capacitor 222, which is a capacitive vibration sensor, and a coil 226 are connected in parallel to form an LC resonance circuit. The lower end of the coil 226 is connected to the ground, and the upper end voltage of the coil 226 passes through the DC cut capacitor 225. It is output.
  • this circuit when the capacitance of the variable capacitor 222 changes due to sound vibration, the resonance frequency of the LC resonance circuit changes, so that sound vibration can be output as a frequency change.
  • the vibration electrode plate can be vibrated by inputting an electric signal between the vibration electrode plate and the counter electrode plate of the capacitive vibration sensor, the electric signal is further added to the capacitor-type microphone configuration. If an input circuit that causes the vibration electrode plate to vibrate is added to the type vibration sensor, it can have a function as a speakerphone in addition to the microphone, and can be used as an acoustic transducer.
  • the capacitive vibration sensor according to the present invention can be used as an ultra-small microphone as described above, it can be used as a microphone for various devices. It can also be used as a sensor for detecting sound and vibration in hearing aids, cochlear implants, ultrasonic diagnostic equipment, pulse wave sensors, bone densitometers, microcapsule endoscopes, and the like. It can also be used for FA equipment such as abnormal sound inspection equipment and ultrasonic rangefinders, security equipment such as intrusion detection equipment and sensors for indoor monitoring of elderly people.
  • an acoustic transducer having the functions of a microphone and a speaker can be used for electronic devices such as a mobile phone, a personal computer, a digital camera, and an IC recorder. Also, by arranging this acoustic transducer in an array, it is possible to configure a device for sound source localization (estimating the detection time differential force position of a plurality of microphones). Furthermore, if used underwater, it can also be used as an underwater microphone.

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Abstract

　シリコン基板３２の上面には、絶縁被膜３５を介して振動電極板１１２が形成されている。振動電極板１１２の上には、絶縁被膜を介して対向電極板１１３が配置されており、対向電極板１１３には音響孔４０が穿孔されている。振動電極板１１２及び対向電極板１１３には、それぞれ半楕円状をしたエッチングホール３６、１０４が、上下に対向するようにして開口されている。シリコン基板３２の上面には、エッチングホール３６、１０４を通してエッチングすることにより、角錐台状をした凹部３７が形成されている。振動電極板１１２は、エッチングホール３６間の保持部１１７によってシリコン基板３２に保持されている。

Description

容量型振動センサ及びその製造方法
技術分野
[0001] 本発明は容量型振動センサ及びその製造方法に関し、具体的にいうと、空気や水 等の媒質中を伝搬する音波等の振動を検知するための容量型振動センサと、その 製造方法に関する。
背景技術
[0002] 図 1 (a)、図 1 (b)及び図 1 (c)は振動センサの一種であるコンデンサ型マイクロフォ ンの一般的な原理を説明する図である。コンデンサ型マイクロフォン 11は、対向電極 板 12と振動電極板 13を微小間隙を隔てて対向させ、両電極板 12、 13間に直流電 源 14により直流電圧を印加したものである。対向電極板 12は剛性を有しているか、 振動しないように固定されており、振動電極板 13は厚みが薄くなつていて音声振動 によって励振される。
[0003] しかして、図 1 (a)に示すようにコンデンサ型マイクロフォン 11に音声振動が伝わる と、図 1 (b)のように音声振動によって薄い振動電極板 13が振動させられ、それによ つて対向電極板 12と振動電極板 13の間の静電容量が変化する。よって、この静電 容量の変化を電気的に検出することにより、図 1 (c)のように音声 (音圧の変化)を取り 出すことができる。
[0004] 図 2はマイクロマシユング技術を利用して製造された従来のコンデンサ型マイクロフ オンの構造を示す断面図である。このコンデンサ型マイクロフォン 21は、中央部に貫 通孔 27を開口されたシリコン基板 22の上面を絶縁膜 23で覆い、貫通孔 27の上に振 動電極板 24を形成すると共に振動電極板 24の上方を覆う穿孔部材 25の下面に対 向電極板 26を形成したものである。しかして、このコンデンサ型マイクロフォン 21にあ つては、穿孔部材 25及び対向電極板 26の孔から内部に音声振動が侵入して、ある いは下面の貫通孔 27から音声振動が侵入して振動電極板 24を振動させると、振動 電極板 24と対向電極板 26との間の静電容量が変化し、音声振動が静電容量の変 ィ匕として出力される。 [0005] このコンデンサ型マイクロフォン 21は、その製造工程においては、シリコン基板 22 の上面に絶縁膜 23や振動電極板 24等を形成したのち、シリコン基板 22を下面側か らエッチングして貫通孔 27を開口している。一方、シリコン基板 22としては、入手が 容易で比較的価格も安価であることから、一般に（100)面シリコンウェハが用いられ ている。そのため、シリコン基板 22を裏面側力もエッチングすると、（100)面シリコン ウェハの稠密面である [111]方位又はそれと等価な方位の面が貫通孔 27内に現わ れて傾斜面となり、シリコン基板 22には角錐台状の貫通孔 27が形成される。しかも、 シリコン基板 22を下面側力もエッチングしているので、貫通孔 27はシリコン基板 22の 下面側で幅が大きぐ上面側で幅が狭くなつている。
[0006] このため、貫通孔 27の下面側の開口面積は、振動電極板 24の実質的な振動部分 の面積よりも大きくなり、その分シリコン基板 22の面積が大きくなる。この結果、従来 のような構造では、コンデンサ型マイクロフォン 21の小型化が困難であった。なお、シ リコン基板 22の厚みを薄くすれば、貫通孔 27の上面側と下面側の開口面積比率は 1に近くなるが、シリコン基板 22の強度を考えると、シリコン基板 22の厚みを薄くする ことにも限度がある。
[0007] また、特許文献 1には、半導体基板上に形成された薄膜部の変位を抵抗値変化に 変換して空気等の圧力を検出するピエゾ抵抗式圧力センサが開示されている。この ピエゾ抵抗式圧力センサでは、半導体基板を下面側からエッチングして薄膜部を形 成することによる上記のような課題を解決するため、上面側から半導体基板をエッチ ングして薄膜部を形成している。これ〖こよると、半導体基板 (シリコンウェハ）上に成膜 処理して薄膜部を形成した後、薄膜部の一部に開口部を形成してシリコンウェハを露 出させ、この開口部より等方性エッチングを行って半導体基板に空洞部を設け、薄膜 部をシリコン基板の上面力も浮 、た状態で支持させて 、る。
[0008] しかし、空気の絶対圧を測定するのではなぐより微小な空気圧変動としての音をと らえる必要のあるマイクロフォンにお 、ては、 1枚の薄膜から成るピエゾ抵抗式ではヒ ステリシス等の問題がある。そのため、 2枚の薄膜から成る静電容量式を採用するの が一般的である。その際、特許文献 1に開示されているような矩形状もしくは口の字状 の開口部によっては、マイクロフォンとして良好な感度と周波数特性を備えた薄膜部 (振動電極板)を形成することができなカゝつた。
[0009] 特許文献 1 :特開平 9 82983号公報
特許文献 2：特表 2004— 506394号公報
特許文献 3 :特開 2004— 128957号公報
特許文献 4：特開 2002— 27595号公報
特許文献 5：特開昭 62— 284233号公報
特許文献 6：特表平 9 - 508777号公報
特許文献 7 :特開 2001— 13156号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0010] 本発明の目的とするところは、振動電極板および対向電極板からなる容量型振動 センサにぉ ヽて、当該 2つの電極板が形成される側から半導体基板をエッチングす ることにより、マイクロマシユング技術を利用して製作される容量型振動センサの感度 および周波数特性を低下させることなぐより一層の小型化を図ることにある。
課題を解決するための手段
[0011] 本発明にカゝかる容量型振動センサは、半導体基板に形成された空間を覆うようにし て、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板を設けた容量 型振動センサにおいて、前記振動電極板には複数のエッチングホールが開口され、 前記振動電極板のエッチングホールによって前記振動電極板の一部が保持部を残 して前記半導体基板から切り離されてダイヤフラムが形成され、前記対向電極板に は、前記半導体基板の表面に垂直な方向から見たときに、前記振動電極板のエッチ ングホールと重なり合うようにしてエッチングホールが開口され、前記対向電極板の エッチングホールの外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合つ ており、前記半導体基板の空間は、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エツ チングホールを通して、両電極板側の面から両電極板と反対側の面に向けてエッチ ングされて成ることを特徴として 、る。
[0012] 本発明にカゝかる容量型振動センサにおいては、両電極板側の面から両電極板と反 対側の面に向けて半導体基板をエッチングして半導体基板に空間（例えば、貫通孔 や凹部）を形成しているので、容量型振動センサを従来よりも小型化することが可能 になる。
[0013] また、容量型振動センサが小型化されるに従って振動電極板も小さくなるが、振動 電極板が小さくなると、過度に共振周波数が高くなり、音に対する感度が低くなる。こ れに対し、振動電極板にエッチングホールがあいていると、その剛性が低下するので 、共振周波数を低くすることができると共に容量型振動センサの検出感度を向上させ ることができる。また、半導体基板の空間が一方で閉じた凹部である場合には、当該 空間に空気が閉じ込められているとエアダンバの働きをして振動電極板の感度が低 下するが、振動電極板にエッチングホールをあけることで、空間内の空気を逃がすこ とができ、容量型振動センサの検出感度を向上させることができる。また、振動電極 板にエッチングホールをあけることにより、温度変化によるセンサ感度の変動や破損 の危険性を抑制できる。
[0014] また、本発明の容量型振動センサによれば、振動電極板は、保持部を残して振動 電極板の前記エッチングホールによりシリコン基板力も切り離されて 、るので、振動 電極板の有効振動面積が増加し、容量型振動センサの感度を良好にすることができ る。一方、対向電極板に設けた複数のエッチングホールは、外接長方形が互いに接 触し又は重なり合うようにして開口されているので、各エッチングホールにより形成さ れる半導体基板の空間が互いにつながり、最終的には大きな空間が形成される。よ つて、対向電極板のエッチングホールを小さくすることができ、音波の振動等によって 対向電極板が振動しにくくなる。
[0015] 本発明の実施態様による容量型振動センサは、前記対向電極板のエッチングホー ルが、スリット形状に形成されていることを特徴としている。力かる実施態様にあって は、対向電極板のエッチングホールがスリット形状をしているので、対向電極板のェ ツチングホールを通過する流体の抵抗が大きくなり、容量型振動センサの低周波特 性が改善される。
[0016] 本発明の別な実施態様による容量型振動センサは、前記対向電極板のエッチング ホールの面積が、前記振動電極板のエッチングホールの面積の 1Z2倍となっている ことを特徴としている。力かる実施態様にあっては、対向電極板のエッチングホール の面積が振動電極板のエッチングホールの半分になっているので、対向電極板のェ ツチングホールを通過する流体の抵抗が大きくなり、容量型振動センサの低周波特 性が改善される。また、振動電極板の剛性が向上して、容量型振動センサの耐久性 が向上する。
[0017] 本発明のさらに別な実施態様による容量型振動センサにおいては、前記振動電極 板のエッチングホールは、縁が円弧状となるようにして振動電極板の振動領域の四 辺中央部に形成されていることを特徴としている。力かる実施態様によれば、エッチ ングホール間に形成される振動電極板の保持部が振動電極板の振動領域の四隅に 位置することになるので、保持部に応力集中が発生しにくぐ容量型振動センサの耐 久性が向上する。
[0018] 本発明のさらに別な実施態様による容量型振動センサにおける前記半導体基板は 、前記両電極板と反対側において、前記空間と連通した貫通孔を形成されていること を特徴としている。力かる実施態様によれば、半導体基板の空間が半導体基板を貫 通して 、るので、半導体基板に対して両電極板が設けられて!/、る側力 伝搬してきた 音波等の振動だけでなぐ両電極板と反対側から伝搬してきた振動も検出することが でき、両面で振動を検出可能となる。
[0019] 本発明に力かるマイクロフォンは、本発明に力かる容量型振動センサと、前記容量 型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路とを備 えたものである。
[0020] 本発明に力かる音響トランスデューサは、本発明に力かる容量型振動センサと、前 記容量型振動センサで検出した音声信号を電気信号に変換して出力する出力回路 と、電気信号を前記容量型振動センサに入力させて音声振動を生成する入力回路と を備えたものである。
[0021] 本発明のマイクロフォンや音響トランスデューサによれば、容量型振動センサを小 型化することができるので、マイクロファンや音響トランスデューサの小型軽量化も図 ることがでさる。
[0022] 本発明に力かる容量型振動センサの製造方法は、半導体基板に形成された空間 を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向させて振動電極板と対向電極板 を設けた容量型振動センサを製造するための方法であって、半導体基板の表面を覆 うようにして、エッチングホールを有する振動電極板を半導体基板の上方に形成する 工程と、犠牲層を介して振動電極板の上方に対向電極板を形成する工程と、前記対 向電極板に、外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合うようにし て、かつ、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにして複数のエツチン グホールを開口する工程と、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチング ホールを通して前記半導体基板をウエットエッチング又はドライエッチングすることに より前記空間を前記半導体基板に形成する工程と、前記空間を形成した後に、前記 振動電極膜と前記対向電極膜との間の犠牲層を除去する工程とを備えたものである
[0023] 本発明による容量型振動センサの製造方法によれば、振動電極板および対向電 極板にエッチングホールを設けておき、このエッチングホールから半導体基板にエツ チング液を接触させてウエットエッチングすることにより、ある 、はガスを接触させてド ライエッチングすることにより、振動電極板および対向電極板側から半導体基板に空 間を形成することが可能になる。その結果、製造された容量型振動センサを小型化 することができる。また、振動電極板のエッチングホールは孔として残るので、振動電 極板の共振周波数を下げ、容量型振動センサの検出感度を向上させることができる
[0024] なお、本発明の以上説明した構成要素は、可能な限り任意に組み合わせることが できる。
図面の簡単な説明
[0025] [図 1]図 1 (a)、図 1 (b)及び図 1 (c)は、振動センサの一種であるコンデンサ型マイク 口フォンの一般的な原理を説明する図である。
[図 2]図 2は、マイクロマシユング技術を利用して製造された従来のコンデンサ型マイ クロフオンの構造を示す断面図である。
[図 3]図 3は、本発明の実施例 1による容量型振動センサの概略分解斜視図である。
[図 4]図 4は、実施例 1の容量型振動センサの平面図である。
[図 5]図 5は、実施例 1の容量型振動センサの断面図である。 [図 6]図 6 (a)は実施例 1の容量型振動センサを構成する対向電極板の平面図、図 6 (b)は実施例 1の容量型振動センサを構成する振動電極板の平面図、図 6 (c)は実 施例 1の容量型振動センサを構成するシリコン基板の平面図である。
[図 7]図 7は、保持部分の小さな振動電極板を用いた場合の容量型振動センサの使 用領域と、保持部分の大きな振動電極板を用いた場合の容量型振動センサの使用 領域とを表わした図である。
[図 8]図 8 (a)〜図 8 (d)は、実施例 1の容量型振動センサをマイクロマシユング技術を 用いて製造する工程を模式的に表わした断面図である。
[図 9]図 9 (a)〜図 9 (d)は、図 8 (d)の工程に続く製造工程を模式的に表わした断面 図である。
[図 10]図 10 (a)〜図 10 (d)は、図 9 (d)の工程に続く製造工程を模式的に表わした 断面図である。
[図 11]図 11 (a)〜図 11 (d)は、図 10 (d)の工程に続く製造工程を模式的に表わした 断面図である。
[図 12]図 12 (a)〜図 12 (c)及び図 12 (a 〜図 12 ( ）は、対向電極板のエッチング ホールを通してシリコン基板が次第にエッチングされていく様子を模式的に表わした 各平面図と各断面図である。
[図 13]図 13 (a)及び図 13 (b)は、図 12 (c)の後の様子を模式的に表わした平面図、 図 13 (a 及び図 13 ( ）は、図 12 ( ）の後の様子を模式的に表わした断面図であ る。
[図 14]図 14は、実施例 1の容量型振動センサの製造工程の変形例を説明する図で ある。
[図 15]図 15は、実施例 1の容量型振動センサの製造工程の別な変形例を説明する 図である。
圆 16]図 16 (a)は本発明の実施例 2による容量型振動センサを構成する対向電極板 を示す平面図、図 16 (b)は実施例 2による容量型振動センサを構成する振動電極板 を示す平面図である。
圆 17]図 17 (a)は本発明の実施例 3による容量型振動センサを構成する対向電極板 を示す平面図、図 17 (b)は実施例 3による容量型振動センサを構成する振動電極板 を示す平面図である。
[図 18]図 18 (a)〜図 18 (d)及び図 18 (a')〜図 18 (d')は、実施例 3による容量型振 動センサの製造工程において、シリコン基板がエッチングされていく様子を模式的に 表わした各平面図と各断面図である。
[図 19]図 19 (a)は実施例 3の変形例による容量型振動センサの対向電極板を示す 平面図、図 19 (b)は実施例 3の変形例による容量型振動センサの振動電極板を示 す平面図である。
[図 20]図 20 (a)〜図 20 (c)は、対向電極板の種々の形状のエッチングホールを示す 平面図、図 20 (a')〜図 20 ( ）は図 20 (a)〜図 20 (c)の各エッチングホールにより シリコン基板に形成される凹部の形状を示す平面図である。
[図 21]図 21は、本発明の実施例 4による容量型振動センサを模式的に表わした分解 斜視図である。
[図 22]図 22は、実施例 4による容量型振動センサの製造工程において、シリコン基 板がエッチングされる様子を説明する図である。
[図 23]図 23は、実施例 4の変形例による容量型振動センサの製造工程において、シ リコン基板がエッチングされる様子を説明する図である。
[図 24]図 24は、実施例 4の別な変形例による容量型振動センサの製造工程におい て、シリコン基板がエッチングされる様子を説明する図である。
[図 25]図 25は、実施例 5による容量型振動センサを模式的に表わした分解斜視図で ある。
[図 26]図 26は、実施例 5による容量型振動センサの断面図である。
圆 27]図 27 (a)〜図 27 (d)は、実施例 5による容量型振動センサの製造工程を説明 する断面図である。
圆 28]図 28 (a)〜図 28 (d)は、実施例 5による容量型振動センサの製造工程を説明 する断面図であって、図 27 (d)の後の工程を表わしている。
圆 29]図 29 (a)〜図 29 (d)は、実施例 5による容量型振動センサの製造工程を説明 する断面図であって、図 28 (d)の後の工程を表わしている。 [図 30]図 30 (a)及び図 30 (b)は、実施例 5による容量型振動センサの製造工程を説 明する断面図であって、図 29 (d)の後の工程を表わしている。
[図 31]図 31は、本発明の実施例 6による容量型振動センサの構造を示す断面図で ある。
[図 32]図 32 (a)〜図 32 (d)は、実施例 6による容量型振動センサの製造工程の一部 を模式的に表わした断面図である。
[図 33]図 33は、本発明の実施例 6の変形例を示す断面図である。
[図 34]図 34は、容量型振動センサを筐体内に納めたコンデンサ型マイクロフォンを 示す断面図である。
[図 35]図 35は、容量型振動センサを筐体内に納めた別なコンデンサ型マイクロフォ ンを示す断面図である。
[図 36]図 36は、電圧変化型の出力回路の例を示す回路図である。
[図 37]図 37は、周波数変化型の出力回路の例を示す回路図である。
符号の説明
[0026] 301、 304〜307、 212、 220 容量型振動センサ
32 シリコン基板
112 振動電極板
34 ダイァフラム
36、 104 エッチングホール
37 凹部
113 対向電極板
40 音響孔
62 ストッノ一
72 貫通孔
発明を実施するための最良の形態
[0027] 以下、本発明の実施例を図面に従って詳細に説明する。但し、以下に示す実施例 は一例であって、本願発明は以下の実施例に限定されるものではない。
実施例 1 [0028] 図 3は本発明の実施例 1による容量型振動センサ 301を示す概略分解斜視図であ る。図 4は容量型振動センサ 301の平面図、図 5は容量型振動センサ 301の断面図 である。また、図 6 (a)、図 6 (b)及び図 6 (c)は、それぞれ対向電極板 113、振動電極 板 112及びシリコン基板 32の平面図である。
[0029] 容量型振動センサ 301は、シリコン基板 32の上面に絶縁被膜 35を介して振動電 極板 112を形成し、その上面にセンサの検出信号を取り出すための電極パッド 43を 設けるとともに、凹部 37上にある振動電極板 112に空間を隔てて対向電極板 113を 形成し、その上面にセンサの検出信号を取り出すための電極パッド 42を設けた構造 となっている。
[0030] シリコン基板 32の上面には逆角錐台状をした凹部 37が凹設されており、凹部 37内 の空間は上方で広ぐ下方で狭くなつており、凹部 37の底面はシリコン基板 32によつ て塞がれている。結晶方位的には、このシリコン基板 32は、表面が（100)面又は（1 10)面のシリコン基板 (シリコンウエノ、）によって構成されている。例えば、シリコン基 板 32 (シリコンウェハから個々に断裁されたもの）のサイズは、平面視で l〜1.5mm 角（これよりも小さくすることも可能である。）であり、シリコン基板 32の厚みが 400〜5 00 μ m、 咅 の深さ力 200〜300 μ mである。
[0031] シリコン基板 32の上面には酸ィ匕膜等力もなる絶縁被膜 35が形成されており、その 上にポリシリコンカゝらなる薄膜状の振動電極板 112が形成されている。凹部 37の上 面は振動電極板 112によって覆われており、振動電極板 112のうちこの凹部 37の上 方で宙空に支持された部位がダイアフラム (振動領域) 34となる。また振動電極板 11 2の上には電極パッド 43が形成されている。
[0032] 振動電極板 112には、凹部 37の上方にあたる領域内において、複数のエッチング ホール 36が開口されている。ダイアフラム 34はこれらのエッチングホール 36によって 、 4隅の保持部 117を残してシリコン基板 32から切り離される。このため、ダイアフラム 34は保持部 117によって弹性的〖こ支持されることとなり、剛性の高!ヽダイアフラム 34 に適度の柔軟性が与えられ、ダイアフラム 34の有効面積が増すことから容量型振動 センサ 301の感度を向上させることができる。また、エッチングホール 36を通して流 体 (空気）が通過するので、ダイアフラム 34の両面において流体を均衡させることが できる。ダイアフラム 34を 4隅を残してシリコン基板 32から切り離すことによる上記の ような効果は、特開昭 62— 284233号公報 (特許文献 5)や特表平 9 - 508777号公 報 (特許文献 6)に開示されているが、本発明による容量型振動センサ 301では、後 述するようにダイァフラム 34を切り離すための開口部が同時にダイアフラム 34を上面 力も形成するためのエッチングホール 36を兼ねていることを特徴とする。
[0033] 実施例 1の容量型振動センサ 301においては、エッチングホール 36の形状を略半 楕円状に形成している。このようにダイアフラム 34のエッジを曲線状に構成することに よって、ダイアフラム 34が振動する際の応力集中による破損の恐れを少なくすること ができる。なお、エッチングホール 36の形状において、ダイアフラム 34のエッジを構 成しない部分は直線状としている。こうすることで、ダイアフラム 34の領域以外の部分 に無駄な凹部 37が形成されないようにし、サイズ効率やセンサ強度を高めている。ま た、シリコンの性質上、エッチングによって形成する凹部 37は必ず上面視にて四角 形となるため、エッチングホール 36は凹部 37を形成する四角形の辺上に形成するの が効率的である。
[0034] ここで、容量型振動センサ 301の感度は振動電極板 112の保持部 117の大きさ（あ るいは、エッチングホール 36の大きさ）で変化する。図 7は右上の振動電極板 112の ように保持部 117を小さくした場合と、右下の振動電極板 112のように保持部 117を 大きくした場合の容量型振動センサ 301の周波数—感度特性を表わして 、る。右上 の振動電極板 112のように保持部 117を小さくした場合には、フラットな使用帯域に おける感度が高くなり、また低周波数応答性も良好となる。しかし、保持部 117が小さ くなり過ぎると、フラットな使用領域の帯域幅が小さくなる。したがって、エッチングホ ール 36の大きさは、保持部 117の大きさを考慮して、シミュレーション又は実験により 最適な大きさのものを選択する。
[0035] 対向電極板 113は、窒化膜からなる絶縁性支持層 114の上面に金属製薄膜からな る固定電極 115を設けたものであり、固定電極 115及び支持層 114には、上面から 下面に貫通するようにして、空気の振動を通過させるための音響孔 (アコースティック ホール) 40が複数穿孔されている。また対向電極板 113の端部には、固定電極 115 に導通した電極パッド 42が設けられ、振動電極板 112の電極パッド 43を露出させる ための開口 116が形成されている。導電性を有する対向電極板 113は、ダイアフラム 34の外側の領域においては酸ィ匕膜等力もなる絶縁被膜 35によって振動電極板 112 と絶縁されており、ダイアフラム 34と対向する領域においてはダイアフラム 34と所定 の間隙をあけて宙空に支持されている。
[0036] 振動電極板 112は対向電極板 113で覆われているので、シリコン基板 32を上面側 力もエッチングするために、対向電極板 113にもエッチングホール 104を設ける。対 向電極板 113のエッチングホール 104は、シリコン基板 32の上面に垂直な方向から 見たとき、振動電極板 112のエッチングホール 36の領域内に収まるような形状に形 成する。実施例 1の容量型振動センサ 301においては、対向電極板 113のエツチン グホール 104は、振動電極板 112のエッチングホール 36と同一形状にて形成してい る。これにより、後述する容量型振動センサ 301の製造工程によって容易にエツチン グホール 36、 104を形成することができる。また、エッチングホール 36、 104の開口 面積を広くしておくことにより、シリコン基板 32をエッチングする際にエッチング液が エッチングホール 36、 104の外側に回り込み易くなり、シリコン基板 32に凹部 37を形 成し易くなる。
[0037] 振動電極板 112は、音の振動に共鳴して振動するものであるから、例えば 1〜2 mというような薄膜となっているが、対向電極板 113は音の振動によって励振されな V、電極であるので、その厚みは例えば 10 μ t 、うように厚くなつて!/、る。
[0038] 振動電極板 112と対向電極板 113の間には直流電圧が印加されているので、両電 極はそれぞれ正と負に帯電している。そのため、振動電極板 112と対向電極板 113 が近づきすぎると、互いの静電引力で引き合って密着してしまう。こうして振動電極板 112と対向電極板 113が密着してしまうと、容量型振動センサ 301が動作不能になる と共に、振動電極板 112と対向電極板 113に直流電圧を供給しているバッテリーも消 耗してしまう。さらには、容量型振動センサ 301に接続されている回路がショートして 破損する恐れがある。
[0039] そこで、ダイァフラム 34と対向電極板 113との間の間隙は、ダイァフラム 34が振動 したときに対向電極板 113に衝突する恐れの少ない距離となっている。また、対向電 極板 113の下面のうちダイアフラム 34と対向する位置に 1〜2 μ mの突出長のストッ パー 62 (突起）を 1個又は 2個以上突出させている。図 5に示す図示例では、対向電 極板 113の下面にストッパー 62を設けたが、ダイアフラム 34の上面にストッパー 62を 突出させてもよい。このストッパー 62の下面には、絶縁保護膜を形成しておくことが 望ましい。ストッパー 62を設けることにより、振動電極板 112と対向電極板 113がー 定距離以上近づけな！/ヽようにし、上記のような問題の解決を図って！/、る。
[0040] 容量型振動センサ 301の浮遊容量を減らすためには、振動電極板 112の面積は できるだけ小さくすることが望ましいので、振動電極部 112は凹部 37よりも大きぐか つ、シリコン基板 32の外形よりも小さな面積に形成されている。一方、対向電極板 11 3は、振動電極板 112よりも大きぐシリコン基板 32の外形とほぼ等しい大きさに形成 されている。そして、対向電極板 113は、少なくとも凹部 37の上方において振動電極 板 112との間に空間を形成するようにして、振動電極板 112全体を覆って ヽる。
[0041] 電極パッド 42、 43は金属材料によって形成されている。電極パッド 42は、対向電 極板 113の上面に設けられていて、固定電極 115と電気的に導通している。電極パ ッド 43は、振動電極板 112の上面に設けられており、対向電極板 113とは絶縁状態 にあり、振動電極板 112 (ダイァフラム 34)と電気的に導通して！/、る。
[0042] しかして、実施例 1の容量型振動センサ 301にあっては、上面側から音の振動（空 気の疎密波）が入射すると、この音の振動は対向電極板 113の音響孔 40を通過して 、あるいは対向電極板 113の縁を回り込んでダイアフラム 34に達し、ダイアフラム 34 を振動させる。ダイアフラム 34が振動すると、ダイアフラム 34と対向電極板 113との 間の距離が変化するので、それによつてダイアフラム 34と固定電極 115の間の静電 容量が変化する。よって、電極パッド 42、 43間に直流電圧を印加しておき、この静電 容量の変化を電気的な信号として取り出すようにすれば、音の振動を電気的な信号 に変換し、音の振動を検出することができる。なお、このように電極パッド 42、 43間に 直流電圧を印加すると、振動電極板 112と対向電極板 113の間に静電気力が働き、 振動電極板 112が対向電極板 113の方向に変位することによって両者の間隔が縮 まるため、感度がより向上する。
[0043] 次に、上記容量型振動センサ 301をマイクロマシユング技術を用いて製造するェ 程を図 8〜図 11の断面図に従って説明する。ただし、図 8から図 11に示した断面図 は、説明の便宜のために模式的に表わしたものであって、図 3から図 6に示した容量 型振動センサ 301の特定の断面を表わしたものではない。
[0044] シリコン基板 32としては、面方位が（100)面又は（110)面の単結晶シリコン基板（ 実際には、容量型振動センサ 301は、シリコンウェハ上に多数個一度に製作される。 )を用いる（図 8 (a) )。このシリコン基板 32の上下両面に熱酸ィ匕又は CVD等の方法 によってシリコン酸ィ匕膜からなる絶縁被膜 35を形成する（図 8 (b) )。
[0045] ついで、上下両面の絶縁被膜 35の表裏両面の全体に、 CVD法によってポリシリコ ン（多結晶シリコン)を堆積させ、表面側にポリシリコンの振動電極板 112を形成する（ 図 8 (c) )。次に、上下両面にさらにシリコン酸ィ匕膜 51aを形成した後（図 8 (d) )、振動 電極板 112の上にフォトリソグラフィ法により所定開口パターンを有するレジストマスク 52を形成し（図 9 (a) )、レジストマスク 52の開口を通してシリコン酸ィ匕膜 51a及び振 動電極板 112をエッチングし、シリコン酸ィ匕膜 51a及び振動電極板 112を所定形状 にパター-ングすると共にエッチングホール 36を開口する。
[0046] レジストマスクを除去した（図 9 (b) )後、 CVD法や熱酸化法などにより、犠牲層とな るシリコン酸ィ匕膜 51bを振動電極板 112の上に堆積させ、振動電極板 112及びシリ コン酸化膜 51aの上面をシリコン酸化膜 51bで覆うと共にエッチングホール 36内にシ リコン酸ィ匕膜 51bを埋め込む（図 9 (c) )。なお、この犠牲層となるシリコン酸ィ匕膜 51b には、 PSG (リンを含んだ SiO )が最適である。次に、レジストマスクを形成して犠牲
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層であるシリコン酸ィ匕膜 51bの一部をエッチングし、レジストマスクを除去する（図 9 (d ) )。ここで、ダイアフラム 34の上面において、シリコン酸化膜 51aのストッパー 62を形 成しようとする個所にエッチングで開口 63をあけておく。また、その他の箇所におい ても適宜シリコン酸ィ匕膜 51aと絶縁被膜 35をエッチングにより除去しておく。
[0047] ついで、犠牲層となるシリコン酸ィ匕膜 51cを積層する（図 10 (a) )。この際、開口 63 内が一部シリコン酸ィ匕膜 51cで埋められてストッパー形状をした凹所 64が形成される 。続いて、再びレジストマスクを形成して犠牲層であるシリコン酸ィ匕膜 51cの一部をェ ツチングして開口 65を形成する（図 10 (b) )。
[0048] この後、シリコン酸ィ匕膜 51cの上に、 CVD法などによってシリコン窒化膜を堆積させ 、シリコン酸ィ匕膜 51cの上面全体にシリコン窒化膜から成る支持層 114を形成する（ 図 10 (c) )。この際、凹所 64内が支持層 114で埋められてストッパー 62が形成される 。ついで、表面の支持層 114を所定のマスクで覆ってドライエッチングし、支持層 11 4を図 3に示したような形状に加工してエッチングホール 104を形成すると同時に、支 持層 114に音響孔 40を開口する（図 10 (d) )。
[0049] マスクを除去した後、上面を別の所定のマスクで覆い、クロムや銅などの金属材料 を蒸着させて固定電極 115と電極パッド 42、 43を形成する（図 11 (a) )。次に、エツ チングホール 36内のシリコン酸化膜 51b、 51cの一部を開口させてエッチングホール 36内にシリコン基板 32を露出させる（図 l l (b) )。このとき、シリコン酸ィ匕膜 51cが振 動電極板 112の側壁を覆っている部分は残すようにする。これにより、犠牲層である シリコン酸ィ匕膜 51cは、次に述べる異方性エッチングにおいて、振動電極板 112の 保護膜としても作用する。
[0050] つ!、で、 TMAH水溶液（最適）や KOH、ヒドラジン等のエツチャントを用いて、エツ チングホール 104、 36からシリコン基板 32を異方性エッチングする。このとき、シリコ ン基板 32のエッチング面には、（100)面シリコン基板や（110)面シリコン基板の稠 密面である [111]方位又はそれと等価な方位の面が現われ、最終的にシリコン基板 32に角錐台状の凹部 37が生じる（図 11 (c) )。
[0051] 最後に、フッ酸系水溶液を用いたウエットエッチング、あるいは、ドライエッチングに より不要なシリコン酸ィ匕膜 51a、 51b、 51cを除去することにより、振動電極板 112と対 向電極板 113とを分離し、容量型振動センサ 301を完成する（図 11 (d) )。
[0052] ここで、図 11 (c)に示したエッチングによる凹部 37の形成について詳述する。図 12
(a) (a')ゝ図 12 (b) ( ）、図 12 (c) ( ）、図 13 (a) ( ）及び図 13 (b) (b')は、各ェ ツチングホール 104でエッチングされた凹部 37が全体に広がっていく様子を説明し ている。図 12 (a)ゝ図 12 (b)ゝ図 12 (c)ゝ図 13 (a)及び図 13 (b)は、いずれもシリコン 基板 32の平面図であり、図 12 (a')ゝ図 12 (b')ゝ図 12 ( ）、図 13 (a 及び図 13 (b ')は、いずれも容量型振動センサ 301の断面図である。図 12 (a) (a はエッチング 前の状態を表わしており、図 12 (a)ではエッチングホール 104の位置は 2点鎖線で 表わしている。エッチングを開始すると、エッチングホール 104の箇所力もエッチング が進行するので、図 12 (b) ( ）に示すように、各エッチングホール 104に外接する 四角形の領域で角錐台状の凹部 37がエッチングされる。ついで、各凹部 37のコー ナの接した箇所力 コーナ部及び中心方向に向けてエッチングが進行し、図 12 (c) ( )に示すような凹部 37が形成され、中心部のエッチングされていない領域も小さく なる。さらにエッチングが進行すると、図 13 (a) (a に示すように、外周部が角錐台 状にエッチングされると共に中心のエッチングされていない領域もさらに小さくなり、 最終的には図 13 (b) ( ）に示すように、エッチングホール 104全体に外接する四角 形の領域までエッチングされて目的とする凹部 37が形成される。
[0053] このように、それぞれのエッチングホール 104の形状および大きさを、それぞれのェ ツチングホール 104の外接四角形が他の隣接する外接四角形に接することを条件と して決定すれば、最終的に 1つの凹部 37を形成することができ、結果として振動電極 板 1 12における振動領域であるダイアフラム 34を形成することができる。
[0054] なお、この容量型振動センサ 301の製造方法には、種々の変形例が可能である。
例えば、出発材料として、図 14に示すような市販の SOI (silicon on insulator)ウエノ、 を用いてもよい。 SOIウェハは、単結晶シリコン基板 54の上にシリコン酸ィ匕膜 55を介 して単結晶シリコン 56 (これが振動電極板 1 12となる。）を形成したものであるから、 S OIウェハを用いれば、シリコン基板 32の上下両面にシリコン酸ィ匕膜からなる絶縁被 膜 35を形成し、上面側の絶縁被膜 35の上にポリシリコンの振動電極板 1 12を形成 する図 8 (a)〜図 8 (c)の工程を省略することができる。
[0055] また、図 15に示すように、シリコン基板 (シリコンウェハ） 32に B (ホウ素）を大量にド ープして Bドープ層 57を形成してもよい。 Bドープ層 57はウエットエッチングすること ができず、エッチングストップ層として用いることができるので、このようなウェハを用い れば図 8 (b)及び図 8 (c)の工程を省略することができる。
[0056] 実施例 1の容量型振動センサ 301にあっては、上記のようにシリコン基板 32を振動 電極板 1 12側カゝらエッチングすることにより、空間断面積 (振動電極板 1 12と平行な 面における断面積)が、振動電極板 1 12側で広ぐ振動電極板 1 12と反対側で狭くな るように凹部 37を形成している。したがって、容量型振動センサ 301では、振動電極 板 1 12から離れると凹部 37内の空間が狭くなる。これに対し、図 2に示した従来例 2 のような構造であると、裏面側からシリコン基板 22をエッチングしているので、空間断 面積が振動電極板 24側で狭ぐ振動電極板 24と反対側で広くなるように貫通孔 27 が形成され、振動電極板 24から離れると空間が広くなる。よって、従来例 2のような構 造であると、シリコン基板 22が厚くなるほど振動電極板 24に比べて空間が大きくなり 、この空間のためにシリコン基板 22のチップサイズが大きくなる。これに対し、実施例 1の場合には、ダイアフラム 34の面積に比べて凹部 37の空間が小さくなるので、振 動電極板 24と同じ大きさのダイアフラム 34であれば、チップサイズを小さくでき、容量 型振動センサ 301の小型化を図ることができる。
[0057] また、同じ厚みのシリコン基板を使用する場合、従来例のような構造ではシリコン基 板 22に貫通孔 27を設けなければならな!/、ので、シリコン基板 22のエッチング時間が 長くなる。これに対し、実施例 1の容量型振動センサ 301では、シリコン基板 32の途 中まで凹部 37をエッチングするだけでよぐシリコン基板 32のエッチング時間が短く なるので、容量型振動センサ 301の製造効率が高くなる。
[0058] カロえて、図 11 (c)に示したように、対向電極板 113は犠牲層（シリコン酸ィ匕膜)を介 して振動電極板 112の上に積層して形成され、図 11 (d)に示したように、製造工程の 最後に犠牲層を除去することによって振動電極板 112から分離されるため、振動電 極板 112と対向電極板 113とがステイツキングする恐れが少なぐ容量型振動センサ 301の歩留まりを上げ、また信頼性を高めることができる。
[0059] また、図 2のような構造では、シリコン基板 22の中央部に貫通孔 27があいてシリコン 基板 22が環状となっているので、シリコン基板 22の剛性が低下し、コンデンサ型マイ クロフオン 21全体でも中央部の厚み（つまり、振動電極板 24と穿孔部材 25の厚みの 和）が薄くなり、コンデンサ型マイクロフォン 21の強度が低下する。特に、シリコン基板 22が捻れ易くなるので、厚みの薄い振動電極板 24は破損し易くなる。これに対し、 実施例 1の容量型振動センサ 301では、シリコン基板 32の上面側に凹部 37が形成 されているだけで、シリコン基板 32は板状をしているので、シリコン基板 32の剛性が 高ぐまた、容量型振動センサ 301全体の外観の厚みも厚くなる。従って、容量型振 動センサ 301の強度が高くなり、信頼性が高くなる。特に、シリコン基板 32の剛性が 高くなるので、シリコン基板 32に保持されている、厚みの薄い振動電極板 112が破 損しにくくなる。 [0060] さらに、図 2のコンデンサ型マイクロフォン 21では、下面側で振動電極板 24が露出 しているので、振動電極板 24が裏面側からダメージを受けて壊れやすい。例えば、 コンデンサ型マイクロフォン 21を作製されたウェハの洗浄時に、表裏力も水流を受け て振動電極板 24が破損する恐れがある。これに対し、実施例 1の容量型振動センサ 301では、振動電極板 112の下面側がシリコン基板 32で覆われているので、振動電 極板 112が裏面側力もダメージを受けることがなぐ振動電極板 112が壊れに《なる 。例えばウェハの洗浄時にも、振動電極板 112には上面側力もしか水流があたらな V、ので、振動電極板 112が破損する確率が少なくなる。
[0061] また、一般に製造プロセスにおいては、表面側の加工中に裏面側に傷が入ることが 多い。そのため、両面をカ卩ェしなければならない構造であると、裏面に加工を施して いるときに表面側に傷が入り、不良品となる恐れがある。これに対し、実施例 1の容量 型振動センサ 301のような構造であると、上面側からのみの加工であるので、このよう な恐れがなぐ製品歩留まりが向上する。
[0062] 容量型振動センサ 301が小型化されると、振動電極板 112も小さくなるので、振動 電極板 112の共振周波数が過度に高くなり、音に対する感度が低くなる。しかし、実 施例 1の容量型振動センサ 301では、図 6 (b)に示すように振動電極板 112にエッチ ングホール 36があいているので、その分振動電極板 112の剛性が低下する。また、 振動電極板 112にエッチングホール 36がぁ 、て!/、ると、振動電極板 112に発生して いる内部応力を逃がし、内部応力の影響を小さくできる。その結果、振動電極板 112 が内部応力の影響を受けに《なり、共振周波数が低くなる。よって、容量型振動セ ンサ 301の小型化による共振周波数の上昇と、振動電極板 112に孔がぁ ヽて 、るこ とによる共振周波数の低下とを相殺させることが可能になる。さらに、振動電極板 11 2の内部応力を緩和できるので、容量型振動センサ 301の高歩留まり、高信頼ィ匕にも 寄与する。
[0063] また、シリコン基板 32の凹部 37が振動電極板 112で塞がれると、凹部 37に空気が 閉じ込められる結果、内部のエアがエアダンバの働きをして容量型振動センサ 301 の周波数帯域が狭くなる力 振動電極板 112にエッチングホール 36 (孔）をあけるこ とにより、凹部 37内の空気を外部に逃がすことができ、容量型振動センサ 301の周 波数帯域が狭くなるのを防止することができる。また、振動電極板 112にエッチングホ ール 36をあけることにより、温度変化によるセンサ感度の変動や破損の危険性を抑 制できる。
実施例 2
[0064] 図 16 (a)及び図 16 (b)は本発明の実施例 2による容量型振動センサに用いられる 対向電極板 113及び振動電極板 112を示す平面図である。実施例 2では、振動電 極板 112のエッチングホール 36を半楕円状に保ったまま、対向電極板 113のエッチ ングホール 104を半楕円円弧状のスリット形状にしている。
[0065] 実施例 1による容量型振動センサ 301では、対向電極板 113のエッチングホール 1 04が振動電極板 112のエッチングホール 36と同程度の大きさであるため、音圧によ つて対向電極板 113も振動する恐れがある。また、対向電極板 113のエッチングホー ル 104から振動電極板 112のエッチングホール 36へ直接流体が抜けてしまい、低周 波数帯域での流体抵抗が小さくなり、容量型振動センサの低周波特性が低下する恐 れがある。そのため、実施例 2による容量型振動センサでは、対向電極板 113のエツ チングホール 104を振動電極板 112のエッチングホール 36よりも小さな面積としてお り、シリコン基板 32の上面に垂直な方向から見たとき、振動電極板 112のエッチング ホール 36の領域内に納まるような形状に形成している。
[0066] しかし、シリコン基板 32において実際にエッチングされる領域は、エッチングホール 104と 36が重なり合った領域（つまり、エッチングホール 104の領域）となるので、対 向電極板 113の剛性を高めると共にエッチングホール 104を通過する流体の抵抗を 小さくするために、対向電極板 113のエッチングホール 104を小さくすると、各エッチ ングホール 104を通じてエッチングされた凹部がつながらず、シリコン基板 32に目的 とする凹部 37を作製できなくなる恐れがある。そのため、実施例 2においても実施例 1と同様に、各エッチングホール 104に外接する四角形が互いに重なり合い、かつ、 エッチングホール 104全体に外接する四角形が凹部 37の開口部分の外形とほぼ等 しくなるように、エッチングホール 104の形状を定めている。詳細は省略するが、実施 例 2においても、図 12及び図 13に示したものと同様に、シリコン基板 32に所定の凹 部 37を作製することができる。 実施例 3
[0067] 図 17 (a)及び図 17 (b)は本発明の実施例 3による容量型振動センサに用 、られる 対向電極板 113及び振動電極板 112を示す平面図である。実施例 3では、振動電 極板 112のエッチングホール 36を半楕円状に保ったまま、対向電極板 113のエッチ ングホール 104を実施例 2の場合の 1Z2の長さにして!/、る。
[0068] このような実施例 3では、 018 (a) (a')ゝ図 18 (b) ( ）、図 18 (c) ( ）及び図 18 ( d) (cT)に示すようにして凹部 37のエッチングが進行する。図 18 (a)は実施例 3によ る容量型振動センサの平面図、図 18 (b)〜図 18 (d)はシリコン基板 32の平面図であ り、図 18 (a')〜図 18 (d')は図 18 (a)〜図 18 (d)の A— A線における容量型振動セ ンサの断面を表わしている。図 18 (a) (a')の状態力もエッチングを開始すると、エツ チングホール 104の箇所力もエッチングが進行するので、図 18 (b) ( ）に示すよう に、各エッチングホール 104に外接する四角形の領域で角錐台状の凹部 37がエツ チングされる。ついで、各凹部 37のコーナの重なり合った箇所力 コーナ部及び中 心方向に向けてエッチングが進行し、図 18 (c) ( ）に示すように 1Z4の領域に凹部 37が形成される。ついで、各凹部 37のコーナの接した箇所力も対角方向に向けてェ ツチングが進行し、最終的に、図 18 (d) (cT)に示すようにエッチングホール 104全体 に外接する四角形の領域までエッチングされて目的とする凹部 37が形成される。
[0069] このような実施例 3の容量型振動センサによれば、対向電極板 113の剛性をより一 層高めることができる。
[0070] また、図 19 (a)及び図 19 (b)は実施例 3の変形例における対向電極板 113と振動 電極板 112の平面図である。この変形例では、振動電極板 112のエッチングホール 36を 1Z2楕円円弧状に形成している。このようにエッチングホール 36を 1Z2楕円 円弧状に形成していても、振動電極板 112の剛性を低くする効果においては、半円 状のエッチングホール 36と変わりがない。
[0071] ここで、シリコン基板 32に形成される凹部 37の形状は、シリコン基板の特性上、エツ チングホール 104の形状そのものには依存しない。この様子を図 20に示す。左側に 示した図 20 (a)、図 20 (b)及び図 20 (c)は対向電極板 113にあけた種々の形状の エッチングホール 104を表わし、右側に示した図 20 (a')、図 20 ( ）及び図 20 ( ） はそれぞれ図 20 (a)、図 20 (b)及び図 20 (c)のエッチングホール 104によりシリコン 基板 32に形成された凹部 37の形状を表わしている。このように、エッチングホール 1 04の形状が異なっても、同一形状の凹部 37を形成することができる。すなわち、特 開 2001— 13156 (特許文献 7)にも開示されているように、エッチングホール 104に 外接する四角形が、隣接するもの同士で重なり合い、あるいは接触していれば、エツ チングホール 104全体に外接する四角形とほぼ同一の領域において凹部 37が形成 される。
[0072] 本発明による容量型振動センサにおけるエッチングホールは、上記のような凹部 3 7を形成するために外接四角形が接するように配されると同時に、振動電極板からダ ィャフラムを 4隅の保持部を残して切り離して形成していることを特徴とする。
実施例 4
[0073] 図 21は本発明の実施例 4による容量型振動センサ 304を示す概略分解斜視図で ある。実施例 4は、振動電極板 112及び対向電極板 113のそれぞれのコーナ部にも スリット状をしたエッチングホール 36、 104を対角方向に向けて開口したものである。 このような構造によれば、振動電極板 112の保持部 117にさらにスリット状のエツチン グホール 36が開口されるので、振動電極板 112の剛性をさらに低減させることができ る。また、対向電極板 113のコーナ部に対角方向のエッチングホール 104を形成す ることで、 4辺に設けられている台形をしたエッチングホール 104の面積を小さくする ことができ、対向電極板 113の剛性をより高くし、また、エッチングホール 104におけ る流体抵抗をより大きくすることができる。
[0074] 図 22はこのようなパターンのエッチングホール 104により目的とする凹部 37が形成 される様子を説明して 、る。エッチングはエッチングホール 104を通して行なわれる ので、シリコン基板 32には図 22で 1点鎖線で表わしたように、各対角方向のエツチン グホール 104に外接する四角形の領域と台形をしたエッチングホール 104に外接す る四角形の領域に凹部 37が形成される。これらの凹部 37は互いに接触し、あるいは 重なりあっているので、接触又は重なり合つている箇所からさらにエッチングが進行し 、最終的には図 22に破線で示したような全エッチングホール 104に外接する四角形 の領域に凹部 37が形成される。こうして目的とする凹部 37が得られる。 [0075] 図 23は実施例 4による容量型振動センサの変形例を表わしている。これは対角方 向に長いスリット状のエッチングホール 104をさらにコーナ部側へ移動させたもので ある。このようなパターンでも実施例 4と同様にして目的とする凹部 37を得ることがで きる。
[0076] 図 24は実施例 4の別な変形例を表わしている。この変形例では、実施例 4の台形を したエッチングホール 104を実施例 4の片側半分にして 1Z2の面積としている。この ような変形例でも、最初に図 24で 1点鎖線で表わしたように、各対角方向のエツチン グホール 104に外接する四角形の領域と台形をしたエッチングホール 104に外接す る四角形の領域に凹部 37が形成される。これらの凹部 37は互いに接触し、あるいは 重なりあっているので、接触又は重なり合つている箇所からさらにエッチングが進行し 、図 24に 2点鎖線で表わしたように目的とする凹部 37の 1Z4の面積の凹部 37が 2 箇所に形成される。ついで、図 24に破線で示したような全てのエッチングホール 104 に外接する四角形の領域に目的とする凹部 37が形成される。
実施例 5
[0077] 実施例 2〜実施例 4においては、シリコン基板 32の上に振動電極板 112を形成し、 その上に対向電極板 113を形成したが、電極板の順序を入れ替えて、対向電極板 1 13の上に振動電極板 112を設けてもよい。図 25は実施例 5の容量型振動センサ 30 5を表わした概略分解斜視図、図 26はその断面図であり、凹部 37を形成されたシリ コン基板 32の上に電極板 115を有する対向電極板 113が形成され、対向電極板 11 3の上に振動電極板 112が形成されている。この場合にも、容量型振動センサ 305を シリコン基板 32に垂直な方向力も見たとき、対向電極板 113のエッチングホール 104 は、振動電極板 112のエッチングホール 36が形成された領域内に納まり、かつ、対 向電極板 113のエッチングホール 104の全面積は、振動電極板 112のエッチングホ ール 36の全面積よりも小さくなつている。また、シリコン基板 32に垂直な方向から見 たとき、対向電極板 113に設けられた各エッチングホール 104に外接する四角形が 互いに接触し又は重なり合い、かつ、対向電極板 113に設けられたエッチングホー ル 104全体に外接する四角形が目的とする凹部 37の領域と一致するようになってい る。なお、実施例 5では、開口 116は対向電極板 113の電極パッド 42を露出させるた めの開口となっており、振動電極板 112に設けられている。
[0078] このような実施例 5においても、振動電極板 112にエッチングホール 36を設けて保 持部 117を一部に形成することで振動電極板 112の剛性を小さくし、し力も、対向電 極板 113のエッチングホール 104をできるだけ小さくすることで対向電極板 113の剛 性が低くなつて振動し易くなるのを防止すると共にエッチングホール 104の流体抵抗 を大きくすることができる。よって、低周波数特性の良好な容量型振動センサ 305を 得ることができる。
[0079] 図 27 (a)〜図 27 (d)、図 28 (a)〜図 28 (d)、図 29 (a)〜図 29 (d)及び図 30 (a)〜 図 30 (b)は、容量型振動センサ 305の製造工程を表わした断面図である。以下、こ れらの図に従って、容量型振動センサ 305の製造工程を説明する。図 27 (a)は面方 位が（100)又はそれと等価な面方位の単結晶シリコン基板 32 (シリコンウエノ、）を表 わしている。シリコン基板 32の上下両面には、それぞれ熱酸化や CVD法などにより SiO被膜を形成し、上面側の SiO被膜を絶縁被膜 35とする（図 27 (b) )。シリコン基
2 2
板 32の上下両面にぉ 、て絶縁被膜 35の表面全面に SiN層を形成して（図 27 (c) ) 上面側の SiN層を支持層 114とし、さらに、支持層 114の表面にポリシリコン層を形 成して（図 27 (d) )上面側のポリシリコン層を電極板 115とする。
[0080] この後、シリコン基板 32の上面側において、電極板 115をドライエッチングして目的 とする形状に電極板 115をパターユングすると共に電極板 115に音響孔 40を開口す る（図 28 (a) )。さらに、電極板 115の下の支持層 114をドライエッチングし、支持層 1 14にエッチングホール 104と音響孔 40を開口させる（図 28 (b) )。
[0081] 電極板 115の上に CVD法や熱酸化法などを用いて SiOを堆積させて犠牲層 132
2
を作製する（図 28 (c) )。犠牲層 132としては、特に PSG (リンを含んだ SiO )を用い
2 るのが好ましい。さらに、犠牲層 132の上に CVD法によりポリシリコンを成膜して振動 電極板 112を得る（図 28 (d) )。ついで、振動電極板 112をドライエッチングすること によりエッチングホール 36及び開口 116を開口させ、目的とする形状に振動電極板 112をパター-ングする（図 29 (a) )。
[0082] ついで、パターユングされた振動電極板 112を SiO力もなる保護膜 133で覆い（図
2
29 (b) )、振動電極板 112のエッチングホール 36及び対向電極板 113のエッチング ホール 104内で保護膜 133、犠牲層 132及び絶縁被膜 35を開口してエッチング用 の貫通孔 134を形成し、貫通孔 134の底面にシリコン基板 32を露出させる。同時に、 保護膜 133に電極パッド 43を形成するための窓 135を開口して振動電極板 112の 一部を露出させ、また、振動電極板 112の開口 116の位置で保護膜 133及び犠牲 層 132に電極パッド 42を形成するための窓 136を開口して電極板 115の一部を露 出させる（図 29 (c) )。そして、窓 135を通して振動電極板 112の上に Auによって電 極パッド 43を形成し、また、窓 136を通して電極板 115の上に Auによって電極パッド 42を形成する（図 29 (d) )。
[0083] この後、シリコン基板 32をエッチングするためのエッチング液に浸漬すると、エッチ ング液は貫通孔 134を通過してシリコン基板 32に接触し、シリコン基板 32には凹部 3 7が形成される（図 30 (a) )。ついで、シリコン基板 32を SiOをエッチングするための
2
エッチング液 (フッ酸系水溶液）に浸漬するか、ドライエッチングすると、保護膜 133、 犠牲層 132及び絶縁被膜 35の一部がエッチング除去され、振動電極板 112と対向 電極板 113の間に空間が形成されると共に対向電極板 113の音響孔 40が開口され 、図 30 (b)に示すような容量型振動センサ 305が製作される。ここで、エッチングホー ル 104には、重なり合うようにして振動電極板 112のエッチングホール 36が開口され ているので、犠牲層 132をエッチングする際には、エッチング液等が滞留することなく 真っ直ぐに通過できる。そのため、ダイアフラム 34と対向電極板 113との間で犠牲層 132がエッチングされず残ることがなくなり、ダイァフラム 34と対向電極板 113が固着 しにくくなる。
実施例 6
[0084] 図 31は本発明の実施例 6による容量型振動センサ 306の構造を示す断面図であ る。実施例 6にあっては、凹部 37の底面に連通する集音用の貫通孔 72をシリコン基 板 32の下面に設けている。貫通孔 72は角錐台状をしている力 凹部 37とは逆テー パーとなっている。もっとも、貫通孔 72の形状は特に限定されるものではなぐまた、 貫通孔 72の開口の大きさはシリコン基板 32の下面で小さぐ凹部 37の底面で大きく なっていてもよい。
[0085] 実施例 6にあっては、シリコン基板 32の底面に、凹部 37と連通した貫通孔 72を設 けて 、るので、貫通孔 72を通じて容量型振動センサ 306の下面側力もも振動電極板 112に音の信号を導くことができ、容量型振動センサ 306は両面で音声振動を受け ることができ、両面からの集音が可能になる。
[0086] 容量型振動センサ 306に貫通孔 72を設けるには、実施例 1における容量型振動セ ンサ 306の製造工程に若干の変更をカ卩えるだけでよい。すなわち、実施例 1の図 8 (a )から図 11 (c)までの工程にお!、て、エッチングホール 36を形成するのと同様に下面 にエッチング窓 73を形成すればよい。図 32は容量型振動センサ 306の製造工程の 一部を示す模式図であって、図 32 (a)は実施例 1の図 11 (b)の工程に相当する工程 を表わしている。実施例 1の図 11 (b)ではエッチングホール 36からシリコン基板 32の 上面の一部を露出させただけであった力 実施例 6の図 32 (a)では、エッチングホー ル 36からシリコン基板 32の上面の一部を露出させると共に、シリコン基板 32の下面 でも絶縁被膜 35等の一部をエッチングしてエッチング窓 73を開口して 、る。
[0087] つ!、で、図 32 (b)に示すように、 TMAH水溶液（最適）や KOH、ヒドラジン等のェ ッチャントを用いて、エッチングホール 36及びエッチング窓 73からシリコン基板 32を 異方性エッチングすると、図 32 (c)に示すように、シリコン基板 32の上面の角錐台状 の凹部 37が形成されると共にシリコン基板 32の下面に貫通孔 72が開口される。
[0088] 最後に、フッ酸系水溶液を用いたウエットエッチング、あるいは、ドライエッチングに より不要なシリコン酸ィ匕膜 51b等を除去し、図 32 (d)に示すように容量型振動センサ 306を完成する。但し、シリコン基板 32と振動電極板 112との間には絶縁被膜 35を 残し、振動電極板 112と対向電極板 113の間にはシリコン酸ィ匕膜 51cを残す。
[0089] このようにして容量型振動センサ 306を製造すれば、シリコン基板 32を両面カもェ ツチングして凹部 37と貫通孔 72を同時に形成することができるので、エッチング時間 が短くなり、容量型振動センサ 306の生産効率が向上する。
[0090] 図 33は実施例 6の変形例による容量型振動センサ 307の構造を示す断面図であ る。上記実施例 6では、シリコン基板 32を上面側と下面側とからエッチングして凹部 3 7と貫通孔 72とを形成したが、この変形例による容量型振動センサ 307では、シリコ ン基板 32を上面側からのみエッチングすることにより、シリコン基板 32に角錐台状を した貫通孔 77を形成して 、る。 実施例 7
[0091] つぎに、本発明の容量型振動センサ 308を筐体内に実装したコンデンサ型マイクロ フォン 211の実施例を説明する。図 34は、音声振動を受けることのできる本発明にか かる容量型振動センサ 212を筐体 213内に納めた例を示して 、る。容量型振動セン サ 212と IC等の回路素子 214は、回路基板 215の上に実装され、ボンディングワイヤ 217によって回路基板 215の回路配線 216に接続されている。容量型振動センサ 2 12と回路素子 214を実装した回路基板 215は筐体 213内の底面に納められている。 回路配線 216は筐体 213の下面へ導かれており、コンデンサ型マイクロフォン 211は 表面実装タイプとして構成されて 、る。
[0092] 筐体 213の上面には、容量型振動センサ 212からずれた位置において振動侵入 口 218力開口されており、この振動侵入口 218から筐体 213内に侵入した音の振動 は容量型振動センサ 212によって検知され、回路素子 214によって電圧変化又は周 波数変化として出力される。
[0093] また、図 35に示すものは、シリコン基板の下面に集音用の貫通孔 72を有していて 下面からも音の振動を受けることのできる、本発明にかかる容量型振動センサ 220を 筐体 213内に納めたコンデンサ型マイクロフォン 219である。このコンデンサ型マイク 口フォン 219も、図 34のコンデンサ型マイクロフォン 211と同様な構造を有して 、るが 、容量型振動センサ 220が下面に集音用の貫通孔 72を備えているのに合わせて、 筐体 213の下面及び回路基板 215に振動侵入口 221を開口している。なお、図 35 の実施例において、筐体 213の上面にも振動侵入口 218を設けてもよい。
[0094] 図 36は回路素子 214の回路例を示す図であって、容量型振動センサで検出され た音の振動を電圧の変化に変換する電圧変化型の出力回路を表わしている。図 36 に表わされて 、る可変コンデンサ 222は、容量型振動センサの振動電極板と対向電 極板によって構成されたものであり、音の強さ (音圧）によって静電容量が変化する。 可変コンデンサ 222と抵抗 223は直列に接続されており、抵抗 223の上端には直流 電源 224により一定電圧が印加されている。音の振動によって可変コンデンサ 222の 静電容量が変化すると、抵抗 223と可変コンデンサ 222の間の電圧が変化するので 、この個所の電圧を出力とすることにより、音の振動を電圧変化として出力させること ができる。なお、コンデンサ 225は直流成分をカットするものである。
[0095] また、図 37は回路素子 214の別な回路例を示す図であって、容量型振動センサで 検出された音の振動を周波数の変化に変換する周波数変化型の出力回路を表わし ている。図 37に表わされている可変コンデンサ 222も、容量型振動センサを表わして いる。容量型振動センサである可変コンデンサ 222とコイル 226は並列に接続されて LC共振回路を構成しており、コイル 226の下端がグランドに接続され、コイル 226の 上端電圧が直流カット用のコンデンサ 225を通して出力されている。この回路によれ ば、音の振動によって可変コンデンサ 222の静電容量が変化すると、 LC共振回路の 共振周波数が変化するので、音の振動を周波数変化として出力させることができる。
[0096] なお、回路素子 214の出力回路には、増幅回路なども含まれていてもよい。
[0097] また、容量型振動センサの振動電極板と対向電極板の間に電気信号を入力させる ことによって振動電極板を振動させることができるから、上記コンデンサ型マイクロフ オンの構成に、さらに電気信号を容量型振動センサに入力させて振動電極板を振動 させる入力回路を付加すれば、マイクロフォンに加えてスピーカーゃィァホンとしての 機能も持たせることができ、音響トランスデューサとして使用することができる。
[0098] 本発明に力かる容量型振動センサは、上記のように超小型のマイクロフォンとして 用いることができるので、各種機器のマイクロフォンとして使用することができる。また 、補聴器、人工内耳、超音波診断機器、脈波センサ、骨密度計、マイクロカプセル内 視鏡などにおいて音や振動を検知するためのセンサとしても用いることができる。また 、異音検査装置や超音波測距計などの FA (ファ外リ 'オートメーション)機器、侵入 検知装置や高齢者の室内モニタリング用センサなどのセキュリティ機器などにも用い ることがでさる。
[0099] さらに、マイクロフォンとスピーカの機能を備えた音響トランスデューサは、携帯電話 、パーソナルコンピュータ、デジタルカメラ、 ICレコーダ等の電子機器に用いることが できる。また、この音響トランスデューサをアレイ化することにより音源定位 (複数のマ イク口フォンの検出時間差力 位置推定を行なう。 )のための装置を構成することがで きる。さらに、水中で使用すれば、水中マイクゃソナ一としても使用できる。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向 させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサにおいて、
前記振動電極板には複数のエッチングホールが開口され、前記振動電極板のエツ チングホールによって前記振動電極板の一部が保持部を残して前記半導体基板か ら切り離されてダイヤフラムが形成され、
前記対向電極板には、前記半導体基板の表面に垂直な方向から見たときに、前記 振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにしてエッチングホールが開口され、 前記対向電極板のエッチングホールの外接長方形が隣接するもの同士で互いに接 触し又は重なり合っており、
前記半導体基板の空間は、前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチング ホールを通して、両電極板側の面から両電極板と反対側の面に向けてエッチングさ れて成ることを特徴とする容量型振動センサ。
[2] 前記対向電極板のエッチングホールが、スリット形状に形成されていることを特徴と する、請求項 1に記載の容量型振動センサ。
[3] 前記対向電極板のエッチングホールの面積力 前記振動電極板のエッチングホー ルの面積の 1Z2倍となっていることを特徴とする、請求項 1に記載の容量型振動セ ンサ。
[4] 前記振動電極板のエッチングホールは、縁が円弧状となるようにして振動電極板の 振動領域の四辺中央部に形成されていることを特徴とする、請求項 1に記載の容量 型振動センサ。
[5] 前記半導体基板は、前記両電極板と反対側にぉ 、て、前記空間と連通した貫通孔 を形成されて ヽることを特徴とする、請求項 1に記載の容量型振動センサ。
[6] 請求項 1〜5に記載の容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音 声信号を電気信号に変換して出力する出力回路とを備えたマイクロフォン。
[7] 請求項 1〜5に記載の容量型振動センサと、前記容量型振動センサで検出した音 声信号を電気信号に変換して出力する出力回路と、電気信号を前記容量型振動セ ンサに入力させて音声振動を生成する入力回路とを備えた音響トランスデューサ。 [8] 半導体基板に形成された空間を覆うようにして、半導体基板の表面に互いに対向 させて振動電極板と対向電極板を設けた容量型振動センサを製造するための方法 であって、
半導体基板の表面を覆うようにして、エッチングホールを有する振動電極板を半導 体基板の上方に形成する工程と、
犠牲層を介して振動電極板の上方に対向電極板を形成する工程と、
前記対向電極板に、外接長方形が隣接するもの同士で互いに接触し又は重なり合 うようにして、かつ、前記振動電極板のエッチングホールと重なり合うようにして複数の エッチングホールを開口する工程と、
前記対向電極板及び前記振動電極板の各エッチングホールを通して前記半導体 基板をウエットエッチング又はドライエッチングすることにより前記空間を前記半導体 基板に形成する工程と、
前記空間を形成した後に、前記振動電極膜と前記対向電極膜との間の犠牲層を 除去する工程と、
を備えたことを特徴とする容量型振動センサの製造方法。
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