WO2007125675A2 - マイクロフォンの製造方法 - Google Patents

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WO2007125675A2
WO2007125675A2 PCT/JP2007/053401 JP2007053401W WO2007125675A2 WO 2007125675 A2 WO2007125675 A2 WO 2007125675A2 JP 2007053401 W JP2007053401 W JP 2007053401W WO 2007125675 A2 WO2007125675 A2 WO 2007125675A2
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sacrificial layer
film
microphone
etchant
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Yasuhiro Horimoto
Takashi Kasai
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Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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    • Y10T29/4908—Acoustic transducer

Definitions

  • the present invention relates to a method for manufacturing a microphone, and more particularly to a method for manufacturing a small microphone in which a vibration film is formed on a semiconductor substrate.
  • a vent hole may be provided between the semiconductor substrate and the diaphragm for the purpose of balancing the static pressure.
  • the vent hole As a passage with high acoustic resistance.
  • the acoustic resistance increases as the cross-sectional area of the passage is smaller and longer. Therefore, in order to form a vent hole with high acoustic resistance, it is necessary to form a vent hole with a small cross-sectional area and a long path.
  • JP-T-2004-506394 Patent Document 1
  • a vent hole is formed between the semiconductor substrate and the vibration film.
  • a cavity is formed under the diaphragm by crystal anisotropic etching of the semiconductor substrate from the back side.
  • Patent Document 2 As a method for forming a cavity by etching from the surface side of a semiconductor substrate, for example, a method for manufacturing a pressure sensor disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-76784 (Patent Document 2) is available. is there.
  • a sacrificial layer 13 is formed between the semiconductor substrate 11 and the diaphragm 12, and a chemical solution (etchant) input port (etching) opened on the diaphragm 12 is etched.
  • Hole) 14 isotropically etches sacrificial layer 13 to form etching window 15 between the surface of semiconductor substrate 11 and diaphragm 12.
  • the cavity 16 is formed by crystal anisotropic etching of the semiconductor substrate 11 from the etching window 15.
  • the chemical solution inlet of the diaphragm (diaphragm) is directly connected to the etching window. May decrease, and the sensitivity of the diaphragm may decrease.
  • the chemical solution inlet is formed at the center of the vibration film, the strength of the vibration film may be reduced, or the acoustic characteristics may be adversely affected.
  • Patent Document 1 Japanese Translation of Special Publication 2004-506394
  • Patent Document 2 JP-A 62-76784
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and an object of the present invention is to form a cavity in a semiconductor substrate by etching from the surface side, and to achieve acoustic properties. It is an object of the present invention to provide a microphone manufacturing method capable of easily producing a vent hole having a large resistance.
  • a method for manufacturing a microphone according to the present invention includes a step of forming an etching protective film on a surface of a semiconductor substrate, opening an etching window in the etching protective film, the inside of the etching window, and the etching protective film.
  • the step of forming the sacrificial layer so that at least a part of the sacrificial layer is continuous on the upper surface, the step of forming a vibration film above the sacrificial layer, and the etchant having resistance to the etching protective film A step of opening the etching window by starting etching the sacrificial layer from a position sandwiched between the film and the etching protective film and spaced from the etching window, and using an etchant having resistance to the etching protective film
  • the sacrificial layer is formed so that at least part of the sacrificial layer is continuous with the inside of the etching window and the upper surface of the etching protection film below the vibration film.
  • the etching protective film is used to etch the etching window force, the separated force, the etching starts the sacrificial layer to open the etching window, and the etching protective film is used to etch the etching window. Since the cavity is formed by crystal anisotropic etching of the semiconductor substrate, a vent hole can be formed between the vibration film and the surface of the semiconductor substrate at a position adjacent to the cavity of the semiconductor substrate.
  • the passage length of the vent hole can be easily increased, a vent hole having a large acoustic resistance can be obtained, and a microphone with good low frequency characteristics can be manufactured. Since the cavity can be formed in the semiconductor substrate by crystal anisotropic etching from the front surface side of the semiconductor substrate, the cavity does not spread widely on the back surface side and does not hinder downsizing of the microphone. ,.
  • a protective film on the sacrificial layer with a material resistant to an etchant for etching the etchant since the vibration film can be protected from the etchant by the protective film, restrictions on the material forming the vibration film are reduced, and restrictions on designing and manufacturing the microphone can be eased.
  • Another embodiment of the method for manufacturing a microphone according to the present invention is to protect the vibration film with a material resistant to the etchant for etching the sacrificial layer and the etchant for etching the semiconductor substrate. It is characterized by the formation of a film. According to the embodiment, since the vibration film can be protected from the etchant by the protective film, the restriction on the material forming the vibration film is reduced, and the restriction at the time of designing and manufacturing the microphone can be eased. .
  • Yet another embodiment of the microphone manufacturing method of the present invention is characterized in that the sacrificial layer is isotropically etched and the semiconductor substrate is crystal-anisotropically etched by the same etchant. According to this embodiment, since the sacrificial layer and the semiconductor substrate can be continuously etched using the same etchant, the manufacturing process of the microphone can be simplified.
  • Yet another embodiment of the microphone manufacturing method of the present invention is characterized in that the semiconductor substrate is crystal-anisotropically etched by an etchant different from the etchant for etching the sacrificial layer.
  • the restriction of the etchant for etching the sacrificial layer and the etchant for etching the semiconductor substrate is reduced.
  • restrictions on the material constituting the sacrificial layer are reduced.
  • Still another embodiment of the microphone manufacturing method of the present invention is characterized in that it includes a step of forming a back plate including a fixed electrode above the vibrating membrane. According to a powerful embodiment, a capacitive microphone can be manufactured.
  • Still another embodiment of the microphone manufacturing method of the present invention is characterized in that the cavity penetrates through the front and back of the semiconductor substrate. According to the embodiment, it is possible to manufacture a microphone that can pick up acoustic vibration from the back side of the semiconductor substrate.
  • Still another embodiment of the microphone manufacturing method of the present invention is characterized in that the sacrificial layer is provided in a part of the formation region of the vibration film to bend the vibration film.
  • the displacement of the vibrating membrane can be increased or the sag due to stress can be reduced.
  • the sacrificial layer is provided in a part of a region where the vibration film is formed, thereby forming protrusions on the surface of the vibration film. It is a feature. According to this embodiment, when an electrode or the like is disposed above the vibration film, it is possible to prevent the deformed vibration film from sticking in contact with the electrode or the like.
  • FIGS. 1 (a) to 1 (d) are cross-sectional views showing a manufacturing process of a conventional pressure sensor.
  • FIG. 2 (a) is a plan view showing the structure of the microphone according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 2 (a).
  • FIG. 3 is a plan view of the microphone according to the first embodiment in a state where a knock plate is removed.
  • FIG. 4 (a) to FIG. 4 (d) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the first embodiment.
  • FIG. 5 (a) to FIG. 5 (d) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of Embodiment 1, and are continued from FIG. 4 (d).
  • Fig. 6 are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the embodiment 1, and are continued from Fig. 5 (d).
  • FIG. 7 is a plan view showing the positional relationship between the vibration film and the sacrificial layer.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining the function of a vent hole.
  • FIG. 9 (a) and FIG. 9 (b) are cross-sectional views showing a part of the manufacturing process of the microphone according to the modification of the first embodiment.
  • FIG. 10 (a) to FIG. 10 (c) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the second embodiment.
  • FIGS. 11 (a) to 11 (c) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the second embodiment, and are continued from FIG. 10 (c).
  • FIGS. 12 (a) to 12 (c) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the second embodiment, and are continued from FIG. 11 (c).
  • FIG. 13 (a) is a plan view showing the structure of the microphone (excluding the back plate) according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 13 (b) is a Z-Z line in FIG. 13 (a). It is sectional drawing.
  • FIG. 14 (a) is a plan view showing the shape of the sacrificial layer formed on the Si substrate, and FIG. 14 (b) is a sectional view thereof.
  • FIG. 15 (a) to FIG. 15 (d) are cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the microphone according to the third embodiment, and are continued from FIG. [FIG. 16]
  • FIGS. 16 (a) to 16 (d) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone of the third embodiment, and are continued from FIG. 15 (d).
  • FIG. 17 is a schematic diagram showing a state in which a sacrificial layer is isotropically etched and a state in which a Si substrate is subjected to crystal anisotropic etching.
  • FIG. 2 (a) is a plan view showing the structure of the microphone 21 according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 2 (b) is a cross-sectional view taken along the line XX of FIG. 2 (a).
  • FIG. 3 is a plan view of the microphone 21 with the back plate removed.
  • a cavity 23 is recessed on the surface side of the (100) surface or (110) surface of the Si substrate 22, and vibration is generated on the Si substrate 22 so as to cover the cavity 23.
  • a membrane 24 is arranged.
  • the cavity 23 is formed by crystal anisotropic etching of the Si substrate 22 also with the surface side force, and the outer peripheral surface is a slope with a (111) crystal plane or an equivalent crystal plane. However, the opening on the front side is wider.
  • the diaphragm 24 is supported at four corners by support posts 25 formed on the upper surface of the Si substrate 22. The thickness between the four sides of the lower surface of the diaphragm 24 and the upper surface of the Si substrate 22 is small and the passage length is long. The long vent hole 26 is opened.
  • a back plate 27 is disposed on the upper surface of the Si substrate 22 so as to cover the upper side of the vibration film 24, and the lower surface of the outer peripheral portion of the back plate 27 is fixed to the upper surface of the Si substrate 22.
  • a plurality of acoustic holes 28 are drilled in the knock plate 27.
  • a fixed electrode 29 is formed on the upper surface of the knock plate 27 by a metal material, and an acoustic hole 30 is drilled in the fixed electrode 29 so as to coincide with the acoustic hole 28.
  • Reference numeral 31 denotes a chemical solution inlet of the back plate 27 used in the manufacturing process of the microphone 21.
  • the acoustic vibration when acoustic vibration propagates in the air or water, the acoustic vibration enters the inside of the microphone 21 through the acoustic holes 30 and 28, and passes through the vibrating membrane 24. Vibrate.
  • the vibrating membrane 24 vibrates, the capacitance between the vibrating membrane 24 (movable electrode) and the fixed electrode 29 changes. Accordingingly, the acoustic vibration is detected by detecting this change in capacitance. be able to.
  • FIGS. 4 (a) to (d) FIGS. 5 (a) to (d), FIGS. 6 (a) to (d), and FIG.
  • FIGS. 4 (a) to (d) the manufacturing process of the microphone 21 will be described with reference to FIGS. 4 (a) to (d), FIGS. 5 (a) to (d), FIGS. 6 (a) to (d), and FIG.
  • FIGS. 4 (a) to (d) the manufacturing process of the microphone 21 will be described with reference to FIGS. 4 (a
  • 4 (a), 4 (d), 5 (a)-(d), and 6 (a)-(d) represent cross sections corresponding to the Y-Y line cross section of FIG.
  • many microphones 21 are manufactured on the wafer at a time, but in the following description, only one microphone 21 is illustrated and described.
  • a protective film made of SiO is formed on the front and back surfaces of the (100) or (110) Si substrate 22 (wafer) by thermal oxidation or the like. (Etching protective film) and protective film 33
  • the protective film 32 in the region where the cavity 23 is to be formed is partially removed on the surface of the Si substrate 22 by using a photolithography technique, and the etching window 34 is aligned with the upper surface opening of the cavity 23 to be formed. To open.
  • a polysilicon thin film is formed on the surface of the Si substrate 22, and the polysilicon thin film is patterned using a photolithography technique.
  • a sacrificial layer 35 made of a polysilicon thin film is formed on the surface of the Si substrate 22 in the etching window 34.
  • a sacrificial layer 36 is formed in a region where the vent hole 26 is to be formed so as to be continuous with the sacrificial layer 35. The state at this time is shown in Fig. 4 (b).
  • a protective film 37 made of SiO is formed on the surface of the Si substrate 22 from above the sacrificial layers 35 and 36.
  • the sacrificial layers 35 and 36 are covered with a protective film 37 as shown in FIG.
  • a polysilicon thin film is formed on the protective film 37, and unnecessary portions of the polysilicon thin film are removed by photolithography, and the polysilicon thin film is formed on the protective film 37 as shown in FIG.
  • the vibration film 24 is formed.
  • the sacrificial layer 35 is retracted inward from the periphery of the vibration film 24, and the sacrificial layer 36 avoids the corner of the vibration film 24. In this way, the four-sided force of the vibration film 24 also protrudes to the outside of the vibration film 24.
  • a protective film 38 made of SiO is formed on the vibration film 24, and the vibration film 24 is vibrated.
  • the SiN film is formed on the surfaces of the protective films 32, 37, and 38.
  • a back plate 27 is formed with a SiN film.
  • a chemical solution inlet 31 is opened at a position facing the edge of the sacrificial layer 36 at the edge of the knock plate 27, and a protective film 37 is inserted from the chemical solution inlet 31. Expose.
  • a Cr film is formed on the surface of the knock plate 27, Au is formed thereon to obtain an AuZCr film, and then the AuZCr film is formed into a predetermined shape. Etch to produce fixed electrode 29.
  • an etchant such as an HF solution is brought into contact with the protective film 37 from the etching hole 31 to partially remove the protective film 37, and the sacrificial layer is formed under the etching hole 31. Expose 36.
  • the Si substrate 22 is immersed in an etchant such as TMAH.
  • TMAH etchant such as TMAH
  • the sacrificial layer 36 of polysilicon is isotropically etched by the etchant such as TMAH entering from the etching hole 31 as shown in FIG.
  • the etchant enters the space of the removed trace, and a part of the vent hole 26 is formed in the trace of the etched sacrificial layer 36.
  • the surface of the Si substrate 22 is covered with the protective film 32! /, So the surface of the Si substrate 22 is not etched! /.
  • the sacrificial layer 35 is etched and the etchant reaches the sacrificial layer 35, and the sacrificial layer 35 is isotropically etched by an etchant such as TMAH, as shown in FIG. 6B, the sacrificial layer 35 An etching window 34 opens in the space after the etching.
  • the etching start position oc of the space between the vibration film 24 and the protective film 32 is located at a position where the end force of the etching window 34 is also separated, the vent hole 26 is formed in the space between the vibration film 24 and the protective film 32.
  • the etching start position ⁇ is located at the end of the vibration film 24 and is different from the etching start position of the sacrificial layer 36.
  • an etchant such as TMAH enters the etching window 34, and the Si substrate 22 is etched toward the surface side force toward the rear surface side by crystal anisotropic etching.
  • the sacrificial layer 35 and the Si substrate 22 are also etched in the direction.
  • Etching of the cavity 23 stops when the opening on the upper surface coincides with the etching window 34.
  • the acoustic hole 30 is opened by etching in the fixed electrode 29, and the acoustic hole 28 is also opened in the back plate 27 by etching.
  • the protective films 32, 37, and 38 protecting the vibration film 24 are removed by etching with an HF aqueous solution or the like.
  • the support posts 25 are formed leaving the protective films 32 and 37 at the four corners of the vibration film 24.
  • the protective film 33 on the back side is also removed to complete the microphone 21 having the structure shown in FIGS. 2 (a) and 2 (b).
  • the cavity 23 is formed by crystal anisotropic etching of the Si substrate 22 from the front surface side, the cavity 23 does not expand on the back surface side. Therefore, it is possible to avoid an increase in the chip size of the microphone 21.
  • the strength of the vibration film 24 is reduced by the etching hole that does not require the formation of an etching hole in the vibration film 24, and the acoustic characteristics of the vibration film 24 are reduced. There is no fear of changing the characteristics.
  • the diaphragm 24 is only fixed by a part of the support post 25 (that is, the four corners), the diaphragm 24 can be flexibly deformed and easily elastically deformed. Thus, the sensitivity of the microphone 21 is improved.
  • the upper surface side and the lower surface side of the vibration film 24 communicate with each other through the vent hole 26, so that vibration occurs due to a static pressure difference between the upper surface side and the lower surface side of the vibration film 24. It is possible to prevent the sensitivity of the microphone 21 from being lowered due to the film stagnation.
  • the passage length of the vent hole 26 can be increased by increasing the distance between the chemical inlet 31 and the edge of the etching window 34. Therefore, the vent hole 26 Therefore, the low frequency characteristics of the microphone 21 can be improved. If this point is explained quantitatively, it is as follows.
  • ⁇ is the friction loss coefficient of the vent hole
  • t is the passage length of the vent hole
  • a is the area of the vibrating membrane
  • Sv is the area of the vent hole.
  • fL the critical frequency at which the sensitivity decreases
  • Rv is the resistance component of the above equation
  • Cbc is the acoustic compliance of the cavity
  • Csp is the stiffness constant of the diaphragm.
  • the vent hole 26 between the upper surface of the Si substrate 22 and the vibration film 24 is formed by separating the position of the chemical solution inlet 31 from the edge of the etching window 34 as described above.
  • the passage length t can be increased. Therefore, in the microphone 21, the acoustic resistance can be made extremely high by increasing the passage length t of the vent hole 26 so that the above (Equation 1) force is also distributed, and the above (Equation 2) force is also applied to the component force.
  • the preferred characteristics can be obtained as a microphone.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the modification of the first embodiment.
  • the cavity 23 is penetrated through the front and back of the Si substrate 22.
  • the manufacturing method is as shown in FIG. 4 (a)-(d), FIG. 5 (a)-(d) and FIG. 6 (a) (b) and then in step 09 (a).
  • crystal anisotropic etching is performed from the surface side of the Si substrate 22 through the etching window 34.
  • the etching window 34 has a larger opening than in the first embodiment.
  • the cavity 23 eventually reaches the back surface of the Si substrate 22 and penetrates through the front and back surfaces of the Si substrate 22. Thereafter, as shown in FIG. 9 (b), the vibrating membrane 24 is protected by leaving the support posts 25.
  • the protective films 32, 37, and 38 are removed by etching with HF solution.
  • Vbc is the volume of the cavity 23 (one volume of the back chamber)
  • c 2 is the volume modulus of air
  • Sbc is the area of the opening of the cavity 23.
  • the cavity 23 having a larger volume than the opening area can be formed by penetrating the cavity 23 on both the front and back surfaces of the Si substrate 22. Therefore, the above (Equation 3) force is also a component force. Thus, the acoustic compliance of the through hole 14 can be increased, and even if the vent hole 63 is opened, the sensitivity is lowered.
  • the cavity 23 penetrates the front and back, so that the acoustic vibration can be sensed from the back side.
  • FIG. 10 (a)-(c), FIG. 11 (a)-(c) and FIG. 12 (a)-(c) are cross-sectional views showing the manufacturing process of the microphone 41 according to Embodiment 2 of the present invention. is there.
  • the microphone 41 obtained by this manufacturing process does not require a protective film for protecting the vibration film 24 from the etchant when the sacrificial layers 35 and 36 and the Si substrate 22 are etched.
  • the film forming process 1 is simplified. Hereinafter, this manufacturing process will be described.
  • a vibrating membrane support layer 42 (etching protective film) having SiN force on the front and back surfaces of the (100) or (110) Si substrate 22 (wafer), and A protective film 43 is formed.
  • the diaphragm supporting layer 42 in the region where the cavity 23 is to be formed is partially removed by photolithography, and etching is performed in accordance with the upper surface opening of the cavity 23 to be formed. Open window 44.
  • the upper force of the vibration film support layer 42 is also obtained by forming a SiO thin film on the surface of the Si substrate 22 and photolithography.
  • a sacrificial layer 35 made of a SiO thin film is formed on the surface of the Si substrate 22.
  • the region where the vent hole 26 is to be formed is continuous with the sacrificial layer 35.
  • a sacrificial layer 36 made of a SiO thin film is formed. The state at this time is shown in Fig. 10 (b).
  • the vibrating film 24 made of SiN force is formed on the surface of the Si substrate 22 from the upper force of the sacrificial layers 35 and 36, and the sacrificial layers 35 and 36 are turned to the vibrating film. Cover with 24. After that, the vibration film 24 is formed by etching, and then the SiO thin film is formed on the vibration film 24 as shown in FIG.
  • a film is formed to form a protective film 45, and the vibration film 24 and the vibration film support layer 42 are covered with the protective film 45.
  • a SiN film is formed on the surface of the protective film 45 to form the back plate 27.
  • a fixed electrode 29 made of AuZCr is formed on the back plate 27.
  • the acoustic hole 30 is opened in the fixed electrode 29 by etching, and then the chemical solution inlet 31 and the acoustic hole 28 are opened in the back plate 27. Furthermore, by partially opening the edges of the protective film 45 and the diaphragm 24 immediately below the chemical inlet 31 from the chemical inlet 31, an etching hole 46 is opened in the diaphragm 24 immediately below the chemical inlet 31 for etching. The sacrificial layer 36 is exposed from the hole 46.
  • the protective film 45 is isotropically etched by the HF aqueous solution entering from the chemical solution inlet 31, and the sacrificial layer 36 is equalized by the HF aqueous solution entering from the etching hole 46. Isotropic etching.
  • the sacrificial layer 36 is isotropically etched, a part of the vent hole 26 is formed at the trace of the sacrificial layer 36 being isotropically etched. Further, when the sacrificial layer 36 is etched and the HF aqueous solution reaches the sacrificial layer 35, the sacrificial layer 35 is isotropically etched with the HF aqueous solution, and an etching window 34 is opened in a space where the sacrificial layer 35 is etched away. To do.
  • the Si substrate 22 is removed from the HF aqueous solution. Increase your power.
  • the etching start position of the space between the vibrating membrane 24 and the vibrating membrane support layer 42 (X is located at a position where the end force of the etching window 34 is also separated, so A vent hole 26 is created in the space and the passage of the vent hole 26 The length can be increased.
  • the etching start position ⁇ is at the etching hole 46 and coincides with the etching start position of the sacrificial layer 36.
  • the Si substrate 22 is immersed in an etchant such as a bag.
  • This etchant penetrates into the etching window 44 from the etching hole 46 and etches the Si substrate 22 by surface anisotropic force as well.
  • the cavity 23 is formed on the upper surface side of the Si substrate 22 as in the case of the first embodiment.
  • an etchant such as TMAH
  • the cavity 23 having a small spread on the back surface side can be opened only by etching from the front surface side of the Si substrate 22, and the microphone 41 can be downsized. be able to.
  • an etching hole 46 is opened in the vibration film 24. This is an opening end of the vent hole 26, and is provided at a position away from the vibration part of the vibration film 24. There is little risk of changing the physical characteristics of the diaphragm 24 in the microphone 41 or reducing the strength of the diaphragm 24.
  • the vibration film 24 is formed of a material (SiN) resistant to an etchant such as TMAH for etching the Si substrate 22.
  • TMAH etchant
  • the film forming operation can be simplified in the manufacturing process of the microphone 41 that requires a protective film that protects the lower surface of the vibration film 24 as in 1, and the manufacturing cost of the microphone 41 can be reduced.
  • Embodiment 1 since crystal anisotropic etching and isotropic etching are performed by the same etchant, crystal anisotropic etching and isotropic etching are continuously performed in the same apparatus. The work efficiency was high.
  • Embodiment 2 since the crystal anisotropic etching and the isotropic etching are separate processes, the restrictions on the means for crystal anisotropic etching and the means for isotropic etching are reduced.
  • the isotropic etching can be an etching using a corrosive gas.
  • FIG. 13 (a) is a plan view showing the structure of the microphone 51 according to Embodiment 3 of the present invention
  • FIG. 13 (b) is a sectional view taken along the line Z-Z of FIG. 13 (a).
  • This microphone 51 has wrinkles on the diaphragm 24.
  • (Iii) It is provided with functional parts such as the structure and stagger 52.
  • the wrinkle structure of the vibrating membrane 24 is constituted by a bent portion 53 having a quadrangular annular shape.
  • the bent portion 53 is bent so that its cross section protrudes to the upper surface side of the vibrating membrane 24. If the wrinkle structure is formed in the vibrating membrane 24 in this way, the displacement of the vibrating membrane 24 is increased or the squeezing force due to stress is reduced. and Actuators A21-A23 pp.998-992, 1992).
  • the stagger 52 is one in which the surface of the vibrating membrane 24 is round and protrudes in a protruding shape.
  • the vibrating membrane 24 becomes a movable electrode, and the fixed electrode 29 is disposed above the vibrating membrane 24.
  • the electrostatic capacity type microphone 51 if the strobe 52 is provided on the upper surface of the vibrating membrane 24, even if the vibrating membrane 24 is greatly deformed, the stubber 52 comes into contact with the fixed electrode, thereby causing an electrostatic force. It is possible to prevent the vibrating membrane 24 from coming back to the fixed electrode 29 while being returned to V.
  • FIGS. 14 (a) and 14 (b) are diagrams for explaining the manufacturing process of the microphone 51.
  • the manufacturing process of the microphone 51 will be described with reference to FIGS.
  • a protective film 32 (etching protective film) and a protective film 33 are formed on the front and back surfaces of the Si substrate 22 with a SiO 2 thin film.
  • the protective film 32 is etched at a location where the bent portion 53 and the stopper 52 are to be provided, thereby opening the etching window 34.
  • a polysilicon thin film is formed on the entire surface of the Si substrate 22 from above the protective film 32, and this polysilicon thin film is etched so as to have a predetermined pattern.
  • a sacrificial layer 35 is formed by a silicon thin film, and a sacrificial layer 36 is formed in a region where a vent hole 26 is to be formed on the upper surface of the protective film 32.
  • the surface of the Si substrate 22 is made of SiO over the sacrificial layers 35 and 36.
  • the vibration film 24 made of a polysilicon thin film is formed on the protective film 37.
  • the vibration film 24 is provided with the sacrificial layers 35 and 36 through the protective film 37. Since it is lifted by 36, the bent portion 53 and the stopper 52 are formed on the sacrificial layers 35, 36.
  • a protective film 38 having a SiO force is formed on the vibration film 24.
  • a SiN film is formed on the surface of the protective film 45 as shown in FIG. Form. Further, a fixed electrode 29 made of AuZCr is formed on the back plate 27.
  • the acoustic hole 30 is opened in the fixed electrode 29 by etching, and then the chemical solution inlet 31 and the acoustic hole 28 are opened in the back plate 27. Further, the protective films 38 and 37 directly below the chemical solution inlet 31 are partially opened, and the sacrificial layer 36 is exposed below the chemical solution inlet 31.
  • the Si substrate 22 is immersed in an etchant such as TMAH, the etchant such as TMAH etches the polysilicon isotropically, so that as shown in FIG.
  • TMAH etchant
  • the sacrificial layer 36 is isotropically etched by the infiltrated etchant.
  • an etchant such as TMAH enters the trace space, and a part of the vent hole 26 is formed in the trace of the sacrificial layer 36 being isotropically etched.
  • an etchant such as TMAH enters the trace space, and a part of the vent hole 26 is formed in the trace of the sacrificial layer 36 being isotropically etched.
  • the sacrificial layer 36 is etched and the etchant reaches the sacrificial layer 35, the sacrificial layer 35 is isotropically etched by the HF aqueous solution as shown by the thin line arrows in FIG.
  • An etching window 34 opens in the space after the etching.
  • etching window 34 When the etching window 34 is opened, crystal anisotropic etching of the Si substrate 22 proceeds from the edge of the etching window 34 as shown by a thick arrow in FIG. 17, and as shown in FIG.
  • the substrate 22 has a cavity 23 formed on the surface side.
  • TMAH TMAH
  • KOH KOH
  • EDP etc.
  • a compound semiconductor substrate or the like may be used as the semiconductor substrate.

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Description

明 細 書
マイクロフォンの製造方法
技術分野
[0001] 本発明は、マイクロフォンの製造方法に関し、特に半導体基板の上に振動膜を形 成された小型のマイクロフォンの製造方法に関する。
背景技術
[0002] マイクロフォンでは、振動膜の上下の空間で静圧差が生じると、静圧差のために振 動膜が橈み、マイクロフォンの感度が低下する。そのため、半導体基板と振動膜との 間に静圧の均衡を目的としたベントホールを設けることがある。
[0003] しかし、ベントホールのために音圧までもが均衡されてしまうと、振動膜が音圧によ つて振動しなくなる。よって、ベントホールは高い音響抵抗をもった通路として形成す ることが望ましい。通路の断面積が小さぐかつ、長いほど音響抵抗が高くなる。その ため、高い音響抵抗を持ったベントホールを形成するためには、断面積が小さくて経 路の長 、ベントホールを形成する必要がある。
[0004] 半導体基板の上に形成されたマイクロフォンとしては、例えば特表 2004— 50639 4号公報 (特許文献 1)に開示されたものがある。このマイクロフォンは、半導体基板と 振動膜との間にベントホールが形成されている。しかし、このマイクロフォンでは、裏 面側から半導体基板を結晶異方性エッチングすることによって振動膜の下に空洞を 形成している。
[0005] そのため、このマイクロフォンでは、空洞の周囲に単結晶シリコン（111)結晶面又 はそれと等価な結晶面による斜面が出現し、半導体基板の裏面側で空洞の開口面 積が大きぐ表面側で空洞の開口面積が小さな形態となる。このような形態では、振 動膜の大きさに比べて空洞の裏面側の開口面積が大きくなり、マイクロフォンの小型 化が難しい。従って、特許文献 1に開示されているマイクロフォンでは、音響抵抗の 大きなベントホールを実現できたとしても、マイクロフォンの小型化が困難であった。
[0006] 半導体基板の表面側からエッチングを行なって空洞を形成する方法としては、例え ば特開昭 62— 76784号公報 (特許文献 2)に開示された圧力センサの製造方法が ある。この方法では、図 1 (a) - (d)に示すように、半導体基板 11とダイアフラム 12と の間に犠牲層 13を形成しておき、ダイアフラム 12に明けた薬液 (エツチャント)投入 口（エッチングホール） 14から犠牲層 13を等方性エッチングして半導体基板 11の表 面とダイアフラム 12との間にエッチング窓 15を形成する。そして、このエッチング窓 1 5から半導体基板 11を結晶異方性エッチングして空洞 16を形成している。
[0007] しかし、この方法でマイクロフォンを製作しょうとすると、振動膜 (ダイァフラム)の薬 液投入口が直接エッチング窓につながって ヽるので、この薬液投入口をベントホー ルとして利用すると非常に音響抵抗が小さくなり、振動膜の感度が低下する恐れがあ る。また、振動膜の中央部に薬液投入口が形成されるので、振動膜の強度が低下し たり、音響特性に悪影響を与えたりする恐れがある。
[0008] 特許文献 1 :特表 2004— 506394号公報
特許文献 2：特開昭 62— 76784号公報
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0009] 本発明は上記のような技術的課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするとこ ろは、表面側からのエッチングによって半導体基板に空洞を形成することができると 共に、音響抵抗の大きなベントホールを容易に作製することのできるマイクロフォンの 製造方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0010] 本発明にかかるマイクロフォンの製造方法は、半導体基板の表面にエッチング保護 膜を形成し、当該エッチング保護膜にエッチング窓を開口する工程と、前記エツチン グ窓の内部と前記エッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続するようにして犠 牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上方に振動膜を形成する工程と、前記エッチ ング保護膜が耐性を有するエツチャントを用いて、前記振動膜と前記エッチング保護 膜に挟まれ、かつ、前記エッチング窓から離間した箇所から前記犠牲層をエッチング 開始して前記エッチング窓を開口させる工程と、前記エッチング保護膜が耐性を有 するエツチャントを用いて、前記エッチング窓から前記半導体基板を結晶異方性エツ チングして前記半導体基板の表面側に空洞を形成する工程とを有することを特徴と している。なお、振動膜とエッチング保護膜に挟まれ、かつ、エッチング窓力も離間し たエッチング開始箇所とは、犠牲層のエッチングが開始する箇所とは必ずしも一致し ない。
[0011] 本発明に力かるマイクロフォンの製造方法にあっては、振動膜の下方においてエツ チング窓の内部とエッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続するようにして犠 牲層を形成しておき、エッチング保護膜が耐性を有するエツチャントを用いて、前記 エッチング窓力 離間した箇所力 犠牲層をエッチング開始してエッチング窓を開口 させ、エッチング保護膜が耐性を有するエツチャントを用いて、前記エッチング窓から 半導体基板を結晶異方性エッチングして空洞を形成して 、るので、半導体基板の空 洞に隣接する位置で振動膜と半導体基板表面との間にベントホールを形成すること ができる。さらに、容易にベントホールの通路長さを長くすることができるので、音響 抵抗の大きなベントホールを得ることができ、低周波特性の良好なマイクロフォンを製 造することができる。し力も、半導体基板の表面側から結晶異方性エッチングして半 導体基板に空洞を形成することができるので、空洞が裏面側で大きく広がってマイク 口フォンの小型化の妨げになることがな 、。
[0012] 本発明のマイクロフォンの製造方法のある実施態様は、前記犠牲層を形成した後 で、かつ、前記振動膜を形成する前において、前記犠牲層をエッチングするための 前記エツチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエツチャントに耐性を有 する材料によって前記犠牲層の上に保護膜を形成する工程をさらに備えたことを特 徴としている。力かる実施態様によれば、振動膜を保護膜によってエツチャントから保 護することができるので、振動膜を形成する材料の制約が小さくなり、マイクロフォン の設計時や製造時の制約を緩和できる。
[0013] 本発明のマイクロフォンの製造方法の別な実施態様は、前記犠牲層をエッチング するための前記エツチャントと前記半導体基板をエッチングするためのエツチャントに 耐性を有する材料によって前記振動膜の上に保護膜を形成したことを特徴としてい る。力かる実施態様によれば、保護膜によって振動膜をエツチャントから保護すること ができるので、振動膜を形成する材料の制約が小さくなり、マイクロフォンの設計時や 製造時の制約を緩和することができる。 [0014] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、同一のエツチャント によって前記犠牲層を等方性エッチングすると共に前記半導体基板を結晶異方性 エッチングすることを特徴としている。力かる実施態様によれば、犠牲層と半導体基 板を同一のエツチャントを用いて連続的にエッチングすることができるので、マイクロ フォンの製造工程を簡略にすることができる。
[0015] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層をエッチ ングするための前記エツチャントと異なるエツチャントによって前記半導体基板を結晶 異方性エッチングすることを特徴としている。力かる実施態様によれば、犠牲層をエツ チングするためのエツチャントや半導体基板をエッチングするためのエツチャントの制 約が小さくなる。あるいは、犠牲層を構成する材料に対する制約が小さくなる。
[0016] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記振動膜の上方 に、固定電極を備えたバックプレートを形成する工程を備えたことを特徴として 、る。 力かる実施態様によれば、静電容量型のマイクロフォンを製造することができる。
[0017] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記空洞が、前記半 導体基板の表裏に貫通し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 導体基板の裏面側からも音響振動を拾うことのできるマイクロフォンを製造することが できる。
[0018] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層を前記 振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜を屈曲させることを特 徴としている。力かる実施態様によれば、振動膜の変位を大きくしたり、応力による橈 みを少なくできる。
[0019] 本発明のマイクロフォンの製造方法のさらに別な実施態様は、前記犠牲層を前記 振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜の表面に突起を形成 することを特徴としている。力かる実施態様によれば、振動膜の上方に電極などが配 置されている場合に、変形した振動膜が電極などに面接触して貼り付いてしまうのを 防止できる。
[0020] 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
[図 1]図 1 (a)—図 1 (d)は、従来例の圧力センサの製造工程を示す断面図である。
[図 2]図 2 (a)は本発明の実施形態 1によるマイクロフォンの構造を示す平面図、図 2 ( b)は図 2 (a)の X— X線断面図である。
[図 3]図 3は、ノ ックプレートを除いた状態における実施形態 1のマイクロフォンの平面 図である。
[図 4]図 4 (a)—図 4 (d)は、実施形態 1のマイクロフォンの製造工程を示す断面図で ある。
[図 5]図 5 (a)—図 5 (d)は、実施形態 1のマイクロフォンの製造工程を示す断面図で あって、図 4 (d)の続図である。
[図 6]図 6 (a) -図 6 (d)は、実施形態 1のマイクロフォンの製造工程を示す断面図で あって、図 5 (d)の続図である。
[図 7]図 7は、振動膜と犠牲層との位置関係を表わした平面図である。
[図 8]図 8はベントホールの働きを説明する概略図である。
[図 9]図 9 (a)及び図 9 (b)は、実施形態 1の変形例によるマイクロフォンの製造工程の 一部を示す断面図である。
[図 10]図 10 (a)—図 10 (c)は、実施形態 2のマイクロフォンの製造工程を示す断面 図である。
[図 11]図 11 (a)—図 11 (c)は、実施形態 2のマイクロフォンの製造工程を示す断面 図であって、図 10 (c)の続図である。
[図 12]図 12 (a)—図 12 (c)は、実施形態 2のマイクロフォンの製造工程を示す断面 図であって、図 11 (c)の続図である。
[図 13]図 13 (a)は本発明の実施形態 3によるマイクロフォン (バックプレートを除いて いる。）の構造を示す平面図、図 13 (b)は図 13 (a)の Z—Z線断面図である。
[図 14]図 14 (a)は、 Si基板の上に形成された犠牲層の形状を示す平面図、図 14 (b) はその断面図である。
[図 15]図 15 (a)—図 15 (d)は、実施形態 3のマイクロフォンの製造工程を示す断面 図であって、図 14の続図である。 [図 16]図 16 (a)—図 16 (d)は、実施形態 3のマイクロフォンの製造工程を示す断面 図であって、図 15 (d)の続図である。
[図 17]図 17は、犠牲層が等方性エッチングされる様子と、 Si基板が結晶異方性エツ チングする様子を示す概略図である。
符号の説明
21 マイクロフォン
22 Si基板
23 空洞
24 振動膜
25 支持ポスト
26 ベントホーノレ
27 ノ ックプレ一卜
29 固定電極
31 薬液投入口
32、 33 保護膜
34 エッチング窓
35 犠牲層
36 犠牲層
37 保護膜
38 保護膜
41 マイクロフォン
42 振動膜支持層
43 保護膜
44 エッチング窓
45 保護膜
46 エッチングホーノレ
51 マイクロフォン
52 ストッパ 53 屈曲部
発明を実施するための最良の形態
[0023] 以下、本発明の実施形態を図面に従って詳細に説明する。
[0024] (実施形態 1)
図 2 (a)は、本発明の実施形態 1によるマイクロフォン 21の構造を示す平面図、図 2 (b)は図 2 (a)の X— X線断面図である。また、図 3はバックプレートを除いた状態にお けるマイクロフォン 21の平面図である。
[0025] マイクロフォン 21にあっては、（100)面又は（110)面の Si基板 22の表面側に空洞 23が凹設されており、空洞 23を覆うようにして Si基板 22の上に振動膜 24が配置され ている。空洞 23は Si基板 22を表面側力も結晶異方性エッチングすることによって形 成されており、外周面は（111)結晶面又はそれと等価な結晶面による斜面となって おり、空洞 23の底面よりも表面側開口の方が広くなつている。振動膜 24は、 Si基板 2 2の上面に形成された支持ポスト 25によって 4隅を支持されており、振動膜 24下面の 四辺と Si基板 22上面との間には厚みが薄くて通路長さの長いベントホール 26が開 口して ヽる。
[0026] Si基板 22の上面には、振動膜 24の上方を覆うようにしてバックプレート 27が配置さ れており、バックプレート 27の外周部下面が Si基板 22の上面に固定されている。ノ ックプレート 27には、複数個のアコースティックホール 28が穿孔されている。さらに、 ノ ックプレート 27の上面には、金属材料によって固定電極 29が形成されており、固 定電極 29にはアコースティックホール 28に一致させてアコースティックホール 30が 穿孔されている。
[0027] なお、符号 31は、マイクロフォン 21の製造工程で用いられたバックプレート 27の薬 液投入口である。
[0028] このマイクロフォン 21にあっては、音響振動が空気中や水中などを伝搬してくると、 その音響振動はアコースティックホール 30、 28を通ってマイクロフォン 21の内部に入 り、振動膜 24を振動させる。振動膜 24が振動すると、振動膜 24 (可動電極)と固定電 極 29との間の静電容量が変化するので、この静電容量の変化を検知することによつ て音響振動を感知することができる。 [0029] 次に、上記マイクロフォン 21の製造工程を図 4 (a) - (d)、図 5 (a) - (d)、図 6 (a) (d)、図 7により説明する。ここで、図 4 (a) (d)、図 5 (a) - (d)、図 6 (a) - (d)は、 図 2の Y—Y線断面に相当する断面を表わしている。ただし、マイクロフォン 21はゥェ ハ上で多数個一度に製造されるが、以下の説明では、 1個のマイクロフォン 21だけを 図示して説明する。
[0030] まず、図 4 (a)に示すように、（100)面又は（110)面の Si基板 22 (ウェハ）の表面及 び裏面に熱酸化法などで SiOカゝらなる保護膜 32 (エッチング保護膜)と保護膜 33を
2
成膜する。ついで、 Si基板 22の表面において、空洞 23を形成しょうとする領域の保 護膜 32をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、形成しょうとする空洞 23の 上面開口に合わせてエッチング窓 34を開口する。
[0031] 保護膜 32の上力も Si基板 22の表面にポリシリコン薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ 技術を用いてポリシリコン薄膜をパターユングする。これにより、エッチング窓 34内に おいて Si基板 22の表面にポリシリコン薄膜からなる犠牲層 35を形成する。また、保 護膜 32の上面において、ベントホール 26を形成しょうとする領域には、犠牲層 35と 連続するようにして犠牲層 36を形成する。このときの状態を図 4 (b)に示す。
[0032] ついで、犠牲層 35、 36の上から Si基板 22の表面に、 SiOよりなる保護膜 37を成
2
膜し、図 4 (c)に示すように、犠牲層 35、 36を保護膜 37で覆い隠す。保護膜 37の上 にポリシリコン薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ技術を用いてポリシリコン薄膜の不要 部分を除去し、図 4 (d)に示すように、保護膜 37の上にポリシリコン薄膜からなる振動 膜 24を形成する。このとき、振動膜 24に垂直な方向から見ると、図 7に示すように、 犠牲層 35は振動膜 24の周囲よりも内側に引っ込んでおり、犠牲層 36は振動膜 24 の隅部を避けるようにして振動膜 24の四辺力も振動膜 24の外側へ突出している。
[0033] さらに、図 5 (a)に示すように、振動膜 24の上に SiOよりなる保護膜 38を成膜し、振
2
動膜 24を保護膜 38で覆 、隠す。
[0034] 表面側の保護膜 32、 37、 38をバックプレート 27の内面形状に合わせてエッチング 加工した後、図 5 (b)に示すように、保護膜 32、 37、 38の表面に SiN膜を成膜し、 Si N膜によってバックプレート 27を形成する。また、ノ ックプレート 27の縁で犠牲層 36 の端部に対向する位置に薬液投入口 31を開口し、薬液投入口 31から保護膜 37を 露出させる。
[0035] さらに、図 5 (c)に示すように、ノ ックプレート 27の表面に Cr膜を成膜し、その上に Auを成膜して AuZCr膜を得た後、 AuZCr膜を所定形状にエッチングして固定電 極 29を作製する。
[0036] さらに、図 5 (d)に示すように、エッチングホール 31から保護膜 37に HF水溶液など のエツチャントを接触させて保護膜 37を一部除去し、エッチングホール 31の下に犠 牲層 36を露出させる。
[0037] 犠牲層 36が露出したら、 Si基板 22を TMAH等のエツチャントに浸漬する。 Si基板 22を TMAH等のエツチャントに浸漬すると、図 6 (a)〖こ示すように、エッチングホール 31から浸入した TMAH等のエツチャントによってポリシリコンの犠牲層 36が等方性 エッチングされていく。
[0038] 犠牲層 36が等方性エッチングされると、除去された跡の空間にエツチャントが浸入 し、犠牲層 36がエッチングされた跡にベントホール 26の一部が形成される。ただし、 犠牲層 36の跡にエツチャントが浸入しても、そこでは Si基板 22の表面が保護膜 32で 覆われて!/、るので、 Si基板 22の表面はエッチングされな!/、。
[0039] さらに、犠牲層 36がエッチングされてエツチャントが犠牲層 35に達し、犠牲層 35が TMAH等のエツチャントによって等方性エッチングされると、図 6 (b)に示すように、 犠牲層 35がエッチングされた後の空間にエッチング窓 34が開口する。ここで、振動 膜 24と保護膜 32の間の空間のエッチング開始位置 ocがエッチング窓 34の端力も離 れた位置にあるので、振動膜 24と保護膜 32との間の空間にベントホール 26が生じる と共にベントホール 26の通路長さを長くすることができる。なお、この実施形態では、 エッチング開始位置 αは、振動膜 24の端に位置していて、犠牲層 36のエッチング開 始位置とは異なっている。
[0040] エッチング窓 34から Si基板 22の表面が露出すると、エッチング窓 34に TMAH等 のエツチャントが浸入して Si基板 22が表面側力 裏面側へ向けて結晶異方性エッチ ングされ、さらに水平方向にも犠牲層 35及び Si基板 22のエッチングが進む。その結 果、図 6 (c)に示すように、 Si基板 22の表面側に空洞 23が形成される。空洞 23は、 その上面開口がエッチング窓 34と一致したところでエッチングが停止する。 [0041] こうして犠牲層 35、 36が完全にエッチングされ、空洞 23が所望の深さまで達したら 、 Si基板 22をエツチャントから引き上げて空洞 23のエッチング処理を終了する。
[0042] ついで、図 6 (c)に示すように、固定電極 29にエッチングによってアコースティックホ ール 30をあけ、さらにバックプレート 27にもエッチングによってアコースティックホー ノレ 28をあける。
[0043] この後、振動膜 24を保護している保護膜 32、 37、 38を HF水溶液などでエツチン グ除去する。このとき、振動膜 24の四隅に保護膜 32、 37を残して支持ポスト 25を形 成する。同時に、裏面側の保護膜 33も除去し、図 2 (a) (b)のような構造のマイクロフ オン 21を完成する。
[0044] 実施形態 1のマイクロフォン 21にあっては、 Si基板 22を表面側から結晶異方性エツ チングすることによって空洞 23を形成しているので、裏面側で空洞 23が広がらず、 空洞 23によってマイクロフォン 21のチップサイズが大型化するのを避けることができ る。
[0045] また、表面側から空洞 23をエッチングしているにも拘わらず、振動膜 24にエツチン グホールを形成する必要がなぐエッチングホールによって振動膜 24の強度を低下 させたり、振動膜 24の音響特性を変化させたりする恐れがない。
[0046] さらに、振動膜 24は、支持ポスト 25によってその一部分 (すなわち、四隅の部分)を 固定されて 、るだけであるので、振動膜 24が柔軟に変形することができて弾性変形 し易くなり、マイクロフォン 21の感度が向上する。
[0047] また、このマイクロフォン 21にあっては、ベントホール 26を通して振動膜 24の上面 側と下面側とが連通して 、るので、振動膜 24の上面側と下面側との静圧差によって 振動膜が橈むことによるマイクロフォン 21の感度低下を防ぐことができる。
[0048] し力も、このマイクロフォン 21にあっては、薬液投入口 31とエッチング窓 34の縁との 距離を長くとることによってベントホール 26の通路長さを長くすることができるので、 ベントホール 26の音響抵抗を高くすることができ、それによつてマイクロフォン 21の低 周波特性を改善することができる。この点を定量的に説明すれば、以下の通りである
[0049] ベントホールの抵抗成分 Rvは、 Κν= (8 ^ ί& 2) / (8ν2) …（数 1)
で表わされる。但し、 μはベントホールの摩擦損失係数、 tはベントホールの通路長さ 、 aは振動膜の面積、 Svはベントホールの面積である。また、マイクロフォンのロール オフ周波数 fL (感度の低下する限界周波数）は、
1 /f L = 2 π Rv (Cbc + Csp) …（数 2)
で表わされる。但し、 Rvは上式の抵抗成分、 Cbcは空洞の音響コンプライアンス、 Cs pは振動膜のスティフネス定数である。
[0050] 実施形態 1のマイクロフォン 21では、上述のように薬液投入口 31の位置をエツチン グ窓 34の縁から離すことにより、 Si基板 22の上面と振動膜 24との間のベントホール 2 6の通路長さ tを長くとることができる。よってマイクロフォン 21では、上記 (数 1)力も分 力るように、ベントホール 26の通路長さ tを長くとることによって音響抵抗を非常に高く することができ、また上記 (数 2)力も分力るように、半導体センサ素子 61、 62の低周 波特性を改善することができるので、マイクロフォンとして好ま 、特性を得ることがで きる。
[0051] 米国特許第 5,452,268号などでは、音響抵抗を高めるためにベントホール開口部 の断面積を小さくしている。しかし、ベントホールの断面積を小さくするのにはプロセ スルール的に限界があり、あまり効果を期待することができない。これに対し、実施形 態 1のマイクロフォン 21ではベントホール 26の通路長さを長くとれるので、図 8に示す ように、ベントホール 26を通過した後の音響振動を非常に小さくでき、上記のようにマ イク口フォン 21の低周波特性を改善できるのである。
[0052] 図 9は実施形態 1の変形例の製造工程を示す断面図である。この変形例は、空洞 2 3を Si基板 22の表裏に貫通させたものである。その製造方法としては、前記図 4 (a) - (d) ,図 5 (a)— (d)及び図 6 (a) (b)のような工程を経た後、 09 (a)に示すように、 エッチング窓 34を通して Si基板 22の表面側から結晶異方性エッチングする。エッチ ング窓 34は実施形態 1の場合よりも大きく開口しており、結晶異方性エッチングにより 空洞 23を形成する際、長時間 TMAH等のエツチャントに Si基板 22を浸漬しておく。 その結果、空洞 23はやがて Si基板 22の裏面に達し、 Si基板 22の表裏に貫通する。 この後、図 9 (b)に示すように、支持ポスト 25を残すようにして、振動膜 24を保護して いる保護膜 32、 37、 38を HF水溶液などでエッチング除去する。
[0053] このような変形例によれば、空洞 23の容積を大きく取れるので、マイクロフォンの音 響特性が向上する。すなわち、空洞 23の音響コンプライアンス (バックチャンバ一の 音響コンプライアンス） Ccavは、
Ccav=Vbc/ ( c2Sbc) …（数 3)
で表わされる。但し、 Vbcは空洞 23の体積 (バックチャンバ一体積）、 c2は空気の体 積弾性率、 Sbcは空洞 23の開口部の面積である。
[0054] 上記変形例では、空洞 23を Si基板 22の表裏両面に貫通させることにより、開口面 積に比べて体積の大きな空洞 23を形成することができるので、上記 (数 3)力も分力る ように、貫通孔 14の音響コンプライアンスを大きくすることができ、ベントホール 63を 開口して 、ても感度が低下しに《なる。
[0055] また、上記変形例では、空洞 23が表裏に貫通して 、るので、裏面側からも音響振 動を感知することができる。
[0056] (実施形態 2)
図 10 (a)—（c)、図 11 (a)—（c)及び図 12 (a)— (c)は、本発明の実施形態 2によ るマイクロフォン 41の製造工程を示す断面図である。この製造工程により得られるマ イク口フォン 41では、犠牲層 35、 36や Si基板 22をエッチングする際に振動膜 24を エツチャントから保護するための保護膜が不必要になっているので、マイクロフォン 4 1の成膜工程が簡略化される。以下、この製造工程を説明する。
[0057] まず、図 10 (a)に示すように、（100)面又は（110)面の Si基板 22 (ウェハ）の表面 及び裏面に SiN力もなる振動膜支持層 42 (エッチング保護膜)と保護膜 43を成膜す る。ついで、 Si基板 22の表面において、空洞 23を形成しょうとする領域の振動膜支 持層 42をフォトリソグラフィ技術を用いて部分的に除去し、形成しょうとする空洞 23の 上面開口に合わせてエッチング窓 44を開口する。
[0058] 振動膜支持層 42の上力も Si基板 22の表面に SiO薄膜を成膜し、フォトリソグラフィ
2
技術を用いて SiO薄膜をパターユングする。これにより、エッチング窓 44内において
2
Si基板 22の表面に SiO薄膜からなる犠牲層 35を形成する。また、振動膜支持層 42
2
の上面において、ベントホール 26を形成しょうとする領域には、犠牲層 35と連続する ようにして SiO薄膜からなる犠牲層 36を形成する。このときの状態を図 10 (b)に示す
2
[0059] ついで、図 10 (c)に示すように、犠牲層 35、 36の上力ら Si基板 22の表面に SiN力 らなる振動膜 24を成膜し、犠牲層 35、 36を振動膜 24によって覆う。この後エツチン グにより振動膜 24を形成した上で、図 11 (a)に示すように、振動膜 24の上に SiO薄
2 膜を成膜して保護膜 45を形成し、保護膜 45によって振動膜 24及び振動膜支持層 4 2を覆う。
[0060] 図 11 (b)に示すように、保護膜 45をバックプレート 27の内面形状に合わせてエツ チング加工した後、保護膜 45の表面に SiN膜を成膜してバックプレート 27を形成す る。さらに、バックプレート 27の上に AuZCrからなる固定電極 29を形成する。
[0061] 図 11 (c)に示すように、エッチングによって固定電極 29にアコースティックホール 3 0を開口し、ついで、バックプレート 27に薬液投入口 31とアコースティックホール 28を 開口する。さら〖こ、薬液投入口 31からその直下の保護膜 45と振動膜 24の端を部分 的に開口することによって、薬液投入口 31の直下で振動膜 24にエッチングホール 4 6を開口し、エッチングホール 46から犠牲層 36を露出させる。
[0062] この後、 Si基板 22を HF水溶液に浸漬すると、 HF水溶液は SiOを等方的にエッチ
2
ングするので、図 12 (a)に示すように、薬液投入口 31から浸入した HF水溶液により 保護膜 45が等方性エッチングされ、さらにエッチングホール 46から浸入した HF水溶 液により犠牲層 36が等方性エッチングされていく。
[0063] 犠牲層 36が等方性エッチングされると、犠牲層 36が等方性エッチングされた跡に ベントホール 26の一部が形成される。さらに、犠牲層 36がエッチングされて HF水溶 液が犠牲層 35に達すると、犠牲層 35が HF水溶液によって等方性エッチングされ、 犠牲層 35がエッチング除去された跡の空間にエッチング窓 34が開口する。
[0064] 図 12 (b)に示すように、犠牲層 36及び 35が完全にエッチング除去され、また保護 膜 45がバックプレート 27の下面の部分を残してエッチングされたら、 Si基板 22を HF 水溶液力も引き上げる。ここで、振動膜 24と振動膜支持層 42の間の空間のエツチン グ開始位置 (Xがエッチング窓 34の端力も離れた位置にあるので、振動膜 24と振動 膜支持層 42との間の空間にベントホール 26が生じると共にベントホール 26の通路 長さを長くすることができる。なお、この実施形態では、エッチング開始位置 αは、ェ ツチングホール 46の位置にあって、犠牲層 36のエッチング開始位置と一致している
[0065] ついで、 Si基板 22を ΤΜΑΗ等のエツチャントに浸漬する。このエツチャントは、エツ チングホール 46からエッチング窓 44に浸入して Si基板 22を表面側力も結晶異方性 エッチングする。その結果、図 12 (c)に示すように、実施形態 1の場合と同様に、 Si 基板 22の上面側に空洞 23が形成される。こうして、所望の空洞 23が形成されたら Si 基板 22を TMAH等のエツチャントから引き上げ、洗浄及び乾燥を行なってマイクロ フォン 41を完成する。
[0066] このようにしてマイクロフォン 41を製作すれば、 Si基板 22の表面側からのエツチン グのみで、裏面側における広がりの小さな空洞 23を開口することができ、マイクロフォ ン 41を小型化することができる。また、振動膜 24には、エッチングホール 46が開口さ れているが、これはベントホール 26の開口端となるものであって、振動膜 24の振動 部分から離れた位置に設けられているので、マイクロフォン 41における振動膜 24の 物理的特性を変化させたり、振動膜 24の強度を低下させたりする恐れが小さい。
[0067] また、実施形態 2の場合には、振動膜 24が、 Si基板 22をエッチングするための TM AH等のエツチャントに耐性を有する材料 (SiN)で形成されて!ヽるので、実施形態 1 のように振動膜 24の下面を保護する保護膜が必要なぐマイクロフォン 41の製造ェ 程において成膜作業を簡略にでき、マイクロフォン 41の製造コストを安価にできる。
[0068] また、実施形態 1の場合には、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを同一 のエツチャントによって行なったので、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを 同一装置内で連続して行え、作業効率が高力つた。これに対し、実施形態 2の場合 には、結晶異方性エッチングと等方性エッチングとを別工程としているので、結晶異 方性エッチングの手段と等方性エッチングの手段の制約が少なくなり、例えば等方性 エッチングは腐食性のガスなどを用いたィ匕学的エッチングとすることもできる。
[0069] (実施形態 3)
図 13 (a)は本発明の実施形態 3によるマイクロフォン 51の構造を示す平面図、図 1 3 (b)は図 13 (a)の Z—Z線断面図である。このマイクロフォン 51は、振動膜 24にしわ (皺)構造やストツバ 52などの機能部分を設けたものである。
[0070] 振動膜 24のしわ構造は、四角環状をした屈曲部 53によって構成されている。屈曲 部 53は、その断面が振動膜 24の上面側へ突出するように屈曲している。このように 振動膜 24にしわ構造を形成すれば、振動膜 24の変位が大きくなつたり、応力による 橈み力少なくなることは、 rhe fabrication and use of maicromachined corrugated sill con diaphragms" (J. H. Jerman, Sensors and Actuators A21-A23 pp.998- 992, 1992) に報告されている。
[0071] ストツバ 52は、振動膜 24の表面が丸 、突起状に突出したものである。静電容量型 のマイクロフォン 51の場合には、振動膜 24が可動電極となり、振動膜 24の上方に固 定電極 29が配置される。静電容量型のマイクロフォン 51の場合には、振動膜 24の 上面にストツバ 52を設けておけば、振動膜 24が大きく変形した場合でも、ストツバ 52 が固定電極に当接することにより、静電力によって振動膜 24が固定電極 29にくつつ V、て戻らなくなるのを防ぐことができる。
[0072] 014 (a) (b)、図 15 (a)—（d)、図 16 (a)—（d)、図 17は、上記マイクロフォン 51の 製造工程を説明する図である。以下、図 14—図 17に従ってマイクロフォン 51の製造 工程を説明する。まず、図 14 (a) (b)に示すように、 Si基板 22の表面及び裏面に Si O薄膜によって保護膜 32 (エッチング保護膜)及び保護膜 33を成膜する。ついで、
2
空洞 23の上面開口となる領域内において、屈曲部 53やストッパ 52を設けようとする 箇所で保護膜 32をエッチングしてエッチング窓 34を開口する。
[0073] そして、保護膜 32の上から Si基板 22の全面にポリシリコン薄膜を形成し、このポリ シリコン薄膜を所定パターンとなるようにエッチングし、保護膜 32のエッチング窓 34 内に残ったポリシリコン薄膜によって犠牲層 35を形成すると共に、保護膜 32の上面 でベントホール 26を形成しょうとする領域に犠牲層 36を形成する。
[0074] ついで、図 15 (a)〖こ示すように、犠牲層 35、 36の上から Si基板 22の表面を SiOか
2 らなる保護膜 37で覆う。このとき保護膜 37は、各犠牲層 35、 36の上に成膜されるの で、各犠牲層 35、 36の部分では保護膜 37は上方に突出している。
[0075] 図 15 (b)に示すように、保護膜 37の上にポリシリコン薄膜からなる振動膜 24を形成 する。振動膜 24は、各犠牲層 35、 36の領域では、保護膜 37を介して各犠牲層 35、 36によって持ち上げられるので、犠牲層 35、 36の上で屈曲部 53やストッパ 52が形 成される。
[0076] さらに、図 15 (c)に示すように、振動膜 24の上に SiO力もなる保護膜 38を成膜し
2
て振動膜 24を覆い隠す。そして、保護膜 37、 38をバックプレート 27の内面形状に合 わせてエッチング加工した後、図 15 (d)に示すように、保護膜 45の表面に SiN膜を 成膜してバックプレート 27を形成する。さらに、バックプレート 27の上に AuZCrから なる固定電極 29を形成する。
[0077] 図 16 (a)〖こ示すように、エッチングによって固定電極 29にアコースティックホール 3 0を開口し、ついで、バックプレート 27に薬液投入口 31とアコースティックホール 28を 開口する。さらに、薬液投入口 31から直下の保護膜 38、 37を部分的に開口し、薬液 投入口 31の下方に犠牲層 36を露出させる。
[0078] この後、 Si基板 22を TMAH等のエツチャントに浸漬すると、 TMAH等のエツチヤ ントはポリシリコンを等方的にエッチングするので、図 16 (b)に示すように、薬液投入 口 31から浸入したエツチャントにより犠牲層 36が等方性エッチングされる。
[0079] 犠牲層 36が等方性エッチングされると、その跡の空間に TMAH等のエツチャント が浸入すると共に犠牲層 36が等方性エッチングされた跡にベントホール 26の一部 が形成される。さらに、犠牲層 36がエッチングされてエツチャントが犠牲層 35に達す ると、図 17にお ヽて細線の矢印で示すように犠牲層 35が HF水溶液によって等方性 エッチングされていき、犠牲層 35がエッチングされた後の空間にエッチング窓 34が 開口する。
[0080] エッチング窓 34が開口すると、図 17に太線矢印で示すように、エッチング窓 34の エッジ部から Si基板 22の結晶異方性エッチングが進み、図 16 (c)に示すように、 Si 基板 22は表面側に空洞 23が形成される。
[0081] この結果、 Si基板 22の表面側には、エッチング窓 34よりも内側の領域でエッチング された空洞 23ができる。こうして、空洞 23が完全に形成された時点で Si基板 22を T
MAH等のエツチャントから引き上げる。
[0082] Si基板 22を洗浄した後、 HF水溶液で SiO力もなる保護膜 32、 37、 38をエツチン
2
グ除去し、図 16 (d)に示すように、保護膜 37による支持ポスト 25だけが残った時点で エッチングを終了し、洗浄及び乾燥を行なってマイクロフォン 51を完成する。
なお、実施形態 1— 3にお 、ては、 Si基板やポリシリコン力 成る犠牲層などを TM AH等のエツチャントによってエッチングした力 このエツチャントとしては、 TMAH以 外にも KOH、 EDPなども用いることができる。また、半導体基板としては、 Si基板以 外にも、化合物半導体基板などを用いてもよい。

Claims

請求の範囲
[1] 半導体基板の表面にエッチング保護膜を形成し、当該エッチング保護膜にエッチ ング窓を開口する工程と、
前記エッチング窓の内部と前記エッチング保護膜の上面に少なくとも一部が連続す るようにして犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上方に振動膜を形成する工程と、
前記エッチング保護膜が耐性を有するエツチャントを用いて、前記振動膜と前記ェ ツチング保護膜に挟まれ、かつ、前記エッチング窓力 離間した箇所力 前記犠牲層 をエッチング開始して前記エッチング窓を開口させる工程と、
前記エッチング保護膜が耐性を有するエツチャントを用いて、前記エッチング窓か ら前記半導体基板を結晶異方性エッチングして前記半導体基板の表面側に空洞を 形成する工程と、
を有することを特徴とするマイクロフォンの製造方法。
[2] 前記犠牲層を形成した後で、かつ、前記振動膜を形成する前において、前記犠牲 層をエッチングするための前記エツチャントと前記半導体基板をエッチングするため のエツチャントに耐性を有する材料によって前記犠牲層の上に保護膜を形成するェ 程をさらに備えたことを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォンの製造方法。
[3] 前記犠牲層をエッチングするための前記エツチャントと前記半導体基板をエツチン グするためのエツチャントに耐性を有する材料によって前記振動膜の上に保護膜を 形成したことを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォンの製造方法。
[4] 同一のエツチャントによって前記犠牲層を等方性エッチングすると共に前記半導体 基板を結晶異方性エッチングすることを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォン の製造方法。
[5] 前記犠牲層をエッチングするための前記エツチャントと異なるエツチャントによって 前記半導体基板を結晶異方性エッチングすることを特徴とする、請求項 1に記載のマ イク口フォンの製造方法。
[6] 前記振動膜の上方に、固定電極を備えたバックプレートを形成する工程を備えたこ とを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォンの製造方法。
[7] 前記空洞が、前記半導体基板の表裏に貫通していることを特徴とする、請求項 1に 記載のマイクロフォンの製造方法。
[8] 前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜 を屈曲させることを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォンの製造方法。
[9] 前記犠牲層を前記振動膜の形成領域の一部に設けておくことにより、前記振動膜 の表面に突起を形成することを特徴とする、請求項 1に記載のマイクロフォンの製造 方法。
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