WO2013031811A1 - 音響センサ及びその製造方法 - Google Patents

音響センサ及びその製造方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2013031811A1
WO2013031811A1 PCT/JP2012/071800 JP2012071800W WO2013031811A1 WO 2013031811 A1 WO2013031811 A1 WO 2013031811A1 JP 2012071800 W JP2012071800 W JP 2012071800W WO 2013031811 A1 WO2013031811 A1 WO 2013031811A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
substrate
cavity
acoustic sensor
back surface
cross
Prior art date
Application number
PCT/JP2012/071800
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
佑将 中河
多田羅　佳孝
信行 飯田
浩一 石本
剛 ▲濱▼口
肇 叶
Original Assignee
オムロン株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by オムロン株式会社 filed Critical オムロン株式会社
Priority to CN201280021455.0A priority Critical patent/CN103503481A/zh
Priority to EP20120828211 priority patent/EP2753099A4/en
Priority to US14/112,219 priority patent/US20140225204A1/en
Publication of WO2013031811A1 publication Critical patent/WO2013031811A1/ja

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • B81B3/0027—Structures for transforming mechanical energy, e.g. potential energy of a spring into translation, sound into translation
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/04—Microphones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C1/00—Manufacture or treatment of devices or systems in or on a substrate
    • B81C1/00436—Shaping materials, i.e. techniques for structuring the substrate or the layers on the substrate
    • B81C1/00523—Etching material
    • B81C1/00531—Dry etching
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R19/00—Electrostatic transducers
    • H04R19/005—Electrostatic transducers using semiconductor materials
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R31/00—Apparatus or processes specially adapted for the manufacture of transducers or diaphragms therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R1/00—Details of transducers, loudspeakers or microphones
    • H04R1/20—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics
    • H04R1/22—Arrangements for obtaining desired frequency or directional characteristics for obtaining desired frequency characteristic only 
    • H04R1/28—Transducer mountings or enclosures modified by provision of mechanical or acoustic impedances, e.g. resonator, damping means
    • H04R1/2807—Enclosures comprising vibrating or resonating arrangements

Definitions

  • the present invention relates to an acoustic sensor and a manufacturing method thereof, and more particularly to an acoustic sensor that can be used as a highly sensitive microphone and a manufacturing method thereof.
  • FIGS. 1A, 1B, and 1C are cross-sectional views showing a microphone module in which a conventional acoustic sensor is housed in a casing.
  • the acoustic sensor 11 has a thin film diaphragm 13 (movable electrode) and a fixed electrode 14 provided on the surface of a substrate 12, and a cavity 15 is formed in the substrate 12 on the back side of the diaphragm 13.
  • the acoustic sensor 11 is a capacitance type sensor that detects acoustic vibration by a change in capacitance between the diaphragm 13 and the fixed electrode 14.
  • the casing 16 includes a base 17 and a cover 18 that covers the base 17.
  • the acoustic sensor 11 was originally one in which the back surface of the substrate 12 was mounted on the top surface of the base 17 and the acoustic introduction port 19 was opened in the cover 18 as shown in FIG.
  • the space 20 in the casing 16 serves as an acoustic front chamber
  • the cavity 15 of the acoustic sensor 11 serves as an acoustic back chamber.
  • the front chamber is a space located in front of the diaphragm with respect to the direction of acoustic vibration (indicated by a white arrow).
  • the back chamber is a space located behind the diaphragm with respect to the direction in which the acoustic vibration enters, and is a space through which the acoustic vibration that vibrates the diaphragm escapes.
  • This back chamber plays the role of an “air spring” in the microphone module, and as the volume of the back chamber increases, the “air spring” becomes softer and the sensitivity of the acoustic sensor 11 can be increased.
  • the acoustic introduction port 19 is opened in the base 17, and the acoustic sensor 11 is mounted on the upper surface of the base 17 to form the cavity 15 and the acoustic introduction port. 19 is in communication.
  • the acoustic introduction port 19 is opened in the cover 18, and the acoustic sensor 11 is mounted on the lower surface of the cover 18 so that the cavity 15 and the acoustic introduction port 19 are communicated.
  • the acoustic vibration that has entered from the sound introduction port 19 enters the diaphragm 13 from the cavity 15 side, so the space 20 in the casing 16 becomes the back chamber.
  • the volume of the back chamber (space 20) can be increased and the sensitivity of the acoustic sensor 11 can be increased as compared with the case where the cavity 15 is a back chamber as shown in FIG. Therefore, in recent years, a microphone module having a structure as shown in FIGS. 1B and 1C has attracted attention.
  • an inexpensive (100) plane Si substrate is generally used as the substrate 12.
  • a back surface opening an opening on the back surface of the substrate 12 (hereinafter referred to as a back surface opening) is formed on the substrate 12 as in the acoustic sensor 21 shown in FIG.
  • a tapered cavity 15 that is wider than an opening on the surface (hereinafter referred to as a surface opening) is formed. This is because wet etching proceeds from the back surface side of the substrate 12, and the etching rate is small in the direction perpendicular to the (111) surface which is the most dense surface, and the wall surface of the cavity 15 is formed by the (111) surface. is there.
  • the thickness of the substrate 12 is d
  • the surface opening width of the cavity 15 is U
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the acoustic sensor 22 described in Patent Document 1.
  • the cavity 15 of the acoustic sensor 22 has a barrel shape. That is, in this cavity 15, the width of the cross section parallel to the surface of the substrate 12 gradually increases from the surface of the substrate 12 to the central portion in the thickness direction toward the back surface of the substrate 12. From the back surface to the back surface, the distance gradually decreases toward the back surface of the substrate 12.
  • the opening width of the back surface of the cavity 15 can be reduced as compared with a tapered cavity as shown in FIG.
  • the portion (node) where the width of the cross section parallel to the substrate surface turns from increasing to decreasing is closer to the back surface side than the center in the thickness direction of the substrate 12.
  • the opening width is wider than the surface opening width.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the MEMS device 23 described in Patent Document 2.
  • FIG. 4A the width of the cross section parallel to the surface of the substrate 12 gradually increases from the surface of the substrate 12 to the central portion in the thickness direction toward the back surface of the substrate 12, and from the central portion in the thickness direction of the substrate 12 to the back surface.
  • the cavity 15 is formed so as to gradually decrease toward the back surface of the substrate 12.
  • FIG. 4B illustrates a method for forming the cavity 15 in the MEMS device 23. That is, when the cavity 15 is formed in the substrate 12, the substrate 12 is dry-etched from the back surface side so that the substrate 12 is rectangular with an opening width D larger than the width G of the diaphragm 13 as shown in FIG. A cross-sectional cavity 15 is formed. At this time, the cavity 15 has such a depth that the innermost corner is in contact with the (111) plane passing through the end of the diaphragm 13. Thereafter, the inside of the cavity 15 is expanded by wet etching, and each (111) plane appears to form the cavity 15 in a barrel-shaped cross section. In the MEMS device 23 of Patent Document 2, the back surface opening width D of the cavity 15 is larger than the surface opening width U of the cavity 15 due to such a manufacturing process.
  • the back surface opening width of the cavity 15 is wider than the front surface opening width. Therefore, when these acoustic sensors 21, 22 or the MEMS device 23 are mounted on the cover 18 or the base 17 at the position of the acoustic introduction port 19, and the acoustic introduction port 19 and the cavity 15 are continuous, the following description will be given. As such, new challenges arise.
  • FIG. 5 shows a case where the acoustic sensor 22 of FIG. 3 is mounted on the lower surface of the cover 18 at the position of the acoustic introduction port 19.
  • the cavity 15 of the acoustic sensor 22 serves as a front chamber, and acoustic vibration enters the diaphragm 13 from the back side. Therefore, if the volume of the cavity 15 is large, the acoustic characteristics in the high frequency region of the acoustic sensor 22 are affected, and the high frequency characteristics are easily affected by resonance (the broken line portion in FIG. 13).
  • the sound introduction port 19 is located on the upper surface of the microphone module or faces the opening of the device in which the microphone module is incorporated. If so, dust or dust enters from the cavity 15 and easily adheres to the diaphragm 13. When dust or dirt adheres to the diaphragm 13, the vibration characteristics of the diaphragm 13 change and the acoustic sensor 22 is affected.
  • the acoustic sensor 36 disclosed in Patent Document 3 has a reverse-tapered cavity 15 as shown in FIG. That is, the cavity 15 is gradually narrowed as the width of the cross section parallel to the surface of the substrate 12 moves from the substrate surface to the substrate back surface. In the case of the cavity 15 having such a shape, the width of the back surface opening is narrowed and the volume of the cavity 15 is also reduced. Therefore, the above problem does not occur.
  • an etching solution is introduced into the surface of the substrate 12 from the etching hole 25 opened in the back plate 24 or the etching hole 26 opened in the diaphragm 13.
  • the cavity 15 is formed by advancing the etching of the substrate 12 from the front surface to the back surface side.
  • the acoustic sensor 36 of Patent Document 3 when the acoustic sensor 36 is mounted on the casing so as to close the acoustic inlet, the cavity 15 (front chamber) and the space in the casing (back chamber) have a small acoustic resistance through the etching holes 25 and 26. Communicate with Therefore, the acoustic vibration that has entered the cavity 15 easily passes through the etching holes 25 and 26 as indicated by arrows in FIG. As a result, acoustic vibrations are likely to leak, and as a result, it is difficult for acoustic vibrations to be applied to the diaphragm 13, leading to a decrease in sensitivity.
  • Patent Document 4 discloses an acoustic sensor 37 having a reverse-tapered cavity 15 as shown in FIG.
  • the acoustic sensor 37 is manufactured through the steps shown in FIGS. 9 (A) to 9 (D). That is, as shown in FIG. 9A, the sacrificial layer 27 is formed in the cavity forming region on the surface of the substrate 12 and a part of the sacrificial layer 27 is extended from the substrate 12 to the end of the substrate 12. Keep it. Further, the protective film 28 is formed on the sacrificial layer 27, and the diaphragm 13 is formed on the protective film 28.
  • a protective film 28 is further formed on the diaphragm 13, a back plate 24 is formed thereon, and a fixed electrode 14 is provided on the upper surface of the back plate 24.
  • An etching hole 29 is opened in the back plate 24 above the extended portion of the sacrificial layer 27.
  • the protective film 28 is etched immediately below the etching hole 29, and a hole is formed in the protective film 28 to expose the extended portion of the sacrificial layer 27.
  • the sacrificial layer 27 is etched by introducing an etchant from the etching hole 29. Since this etching solution has etching characteristics on the sacrificial layer 27 and the substrate 12, as shown in FIG. 9C, when the etching solution enters the passage 30 formed by etching the sacrificial layer 27 and touches the substrate 12.
  • the substrate 12 is etched from the surface side.
  • FIG. 9D the inversely tapered cavity 15 is gradually formed deeper in the substrate 12.
  • the vent hole of the acoustic sensor is formed in a very narrow space, high acoustic resistance cannot be obtained as the acoustic sensor, and acoustic vibration leaks through the vent hole.
  • the extended portion of the sacrificial layer 27 serves as an etching solution passage 30, and therefore requires a certain large cross-sectional area. If the etching solution passage 30 is narrow, the circulation of the etching solution is hindered, so that the etching rate of the substrate 12 is lowered and the productivity of the acoustic sensor is lowered.
  • Patent Document 4 as shown in FIG.
  • the extended portion of the sacrificial layer 27 passes through the portion where the vent hole 31 is formed. For this reason, the thickness of the vent hole 31 becomes larger than the thickness of the extended portion of the sacrificial layer 27, and the vent hole 31 cannot be narrowed. Further, the etching hole 29 opened in the back plate 24 also obstructs the circulation of the etching solution unless the opening is somewhat large, and the etching rate of the substrate 12 is lowered, so that the productivity of the acoustic sensor is lowered.
  • acoustic resistance decreases from the vent hole 31 to the etching hole 29. Therefore, as in the acoustic sensor of Patent Document 3, the acoustic vibration that has entered the cavity 15 easily passes through the vent hole 31 and the etching hole 29 as shown by arrows in FIG. As a result, the sensitivity of the acoustic sensor is lowered, and the sensitivity characteristic is significantly deteriorated particularly in a low frequency region.
  • the acoustic sensor cavity be made by processing only from the back side of the substrate.
  • the present invention has been made in view of the technical problems as described above, and the object is to etch from the back side of the substrate so that the opening area on the back surface of the substrate is larger than the opening area on the substrate surface. It is another object of the present invention to provide an acoustic sensor capable of forming a small cavity in a substrate and a manufacturing method thereof.
  • An acoustic sensor is based on a substrate having a cavity penetrating from the front surface to the back surface, a thin film diaphragm disposed on the front surface side of the substrate so as to cover the cavity, and displacement of the diaphragm
  • An acoustic sensor comprising a converting means for converting acoustic vibration into an electrical signal, wherein the cavity has a plurality of wall surfaces, and at least one of the wall surfaces is a surface of the substrate and a thickness direction of the substrate.
  • the intermediate portion Between the intermediate portion, between the first inclined surface that gradually spreads toward the outside of the substrate from the surface of the substrate toward the intermediate portion, and between the intermediate portion and the back surface of the substrate, the intermediate portion And a second inclined surface that gradually narrows toward the inner side of the substrate as it goes from the back surface to the back surface of the substrate, and is perpendicular to the wall surface formed by the first inclined surface and the second inclined surface.
  • the opening width of the cavity in the rear surface of the substrate is being smaller than the opening width of the cavity in the surface of the substrate.
  • the opening width on the back side of the substrate of the cavity is smaller than the opening width on the side of the substrate surface, the back side of the acoustic sensor is mounted on the casing at the position of the acoustic inlet opened in the casing. Even in this case, it becomes difficult for dust and dirt to enter the cavity. Therefore, it is possible to prevent dust or dirt that has entered the cavity from adhering to the diaphragm and changing or deteriorating the characteristics of the acoustic sensor.
  • the back surface area of the substrate can be increased by the size of the back opening of the cavity, the fixing strength and stability when the acoustic sensor is mounted on the casing are improved.
  • the volume of the cavity can be reduced by making the back surface opening width of the cavity smaller than the front surface opening width, so that the high frequency characteristics of the acoustic sensor can be improved.
  • At least one wall surface of the hollow wall surfaces gradually spreads outward from the substrate surface toward the intermediate portion in the thickness direction, and between the intermediate portion and the back surface of the substrate, Since it is composed of the second inclined surface that gradually narrows toward the inside of the substrate from the intermediate portion toward the substrate back surface, the cavity can be opened by etching only from the back surface side of the substrate as described later, There is no need to open an etching hole in the sensor structure on the substrate surface. Therefore, there is no possibility that the acoustic vibration that has entered from the cavity does not enter the diaphragm and leak from the etching hole, and the acoustic resistance of the acoustic sensor is increased, so that deterioration of sensitivity characteristics in the low frequency region can be prevented.
  • At least a pair of wall surfaces facing each other among the wall surfaces is constituted by the first slope and the second slope, and a boundary between the first slope and the second slope.
  • the height measured from the back surface of the substrate may be different between the wall surfaces facing each other.
  • the thickness of the substrate is d
  • the inclination angle of the first and second inclined surfaces is ⁇
  • the cavity has a cross-sectional area parallel to the substrate surface in the vicinity of the opening on the surface of the substrate.
  • the area of the cross section parallel to the substrate surface gradually decreases in the region near the opening on the back surface of the substrate from the front surface side to the back surface.
  • the area of the cross section parallel to the substrate surface of the cavity gradually increases from the front surface to the back surface of the substrate, the area of the cross section increases between the front surface and the back surface of the substrate. There is a case where it has turned to decrease.
  • the height of the boundary between the first slope and the second slope is the same on each wall surface.
  • the area of the cross section parallel to the substrate surface of the cavity gradually increases at a relatively large increase rate from the front surface to the back surface of the substrate, and after the increase or decrease of the cross section area becomes small, In some cases, the area gradually decreases at a relatively large reduction rate.
  • the height of the boundary between the first slope and the second slope is different depending on the wall surface.
  • the thickness of the area of the cavity where the area of the cross section parallel to the substrate surface increases from the front surface to the back surface of the substrate is directed from the front surface to the back surface of the substrate. If the area of the cross section parallel to the substrate surface is smaller than the thickness of the region, the cavity opening area on the back surface of the substrate can be made smaller than the cavity opening area on the substrate surface.
  • the capacitance type conversion means can be constituted by a fixed electrode arranged on the surface side of the substrate so as to be parallel to the diaphragm formed of a conductive material.
  • the diaphragm is bent by acoustic vibration, an electrical signal is output as a change in the capacitance between the diaphragm and the fixed electrode.
  • the acoustic sensor manufacturing method includes a step of producing a sacrificial layer on the surface of the substrate, a step of producing a thin-film diaphragm above the sacrificial layer, and acoustic vibration based on displacement of the diaphragm.
  • a step of producing conversion means for converting into an electrical signal and by dry etching the substrate from the back surface of the substrate, through the hole from the back surface to the front surface along the thickness direction of the substrate, the substrate Forming a through hole in the substrate whose opening width in one direction parallel to the back surface of the substrate is smaller than the width of the sacrificial layer, and introducing the etching solution into the through hole and removing the sacrificial layer by etching.
  • the first inclined surface can be formed by anisotropically etching the substrate from the surface of the substrate while etching and removing the sacrificial layer with the etching solution introduced into the through hole.
  • the second inclined surface can be formed by anisotropically etching the substrate from the inner wall surface of the sacrificial layer, so that a cavity composed of the first inclined surface and the second inclined surface is formed by etching only from the back surface. can do.
  • the sacrificial layer is formed in a region corresponding to the surface opening of the cavity, and the opening of the through hole on the back surface side of the substrate is formed in a region corresponding to the back surface opening of the cavity. It is formed.
  • the opening width or opening area on the substrate surface of the cavity is determined by the width or area of the sacrificial layer, and the opening width or opening area on the substrate back surface of the cavity is determined by the opening width or opening area of the through hole on the substrate back surface.
  • the size of the front surface opening and the rear surface opening can be easily controlled.
  • the through hole in the step of forming the through hole, may be formed by shifting the center of the through hole from the center in the horizontal direction of the sacrificial layer. .
  • the position of the through hole is shifted from the center of the sacrificial layer, the height of the boundary between the first slope and the second slope on the pair of wall surfaces located in the direction in which the through hole is shifted is different. Can be made.
  • the sacrificial layer is removed by the etching solution introduced into the through hole as long as at least a part of the through hole overlaps the sacrificial layer when viewed from the direction perpendicular to the surface of the substrate. Etching can be removed.
  • the means for solving the above-described problems in the present invention has a feature in which the above-described constituent elements are appropriately combined, and the present invention enables many variations by combining such constituent elements. .
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a microphone module in which a conventional acoustic sensor is mounted on a casing such that a cavity inside the sensor serves as a back chamber.
  • 1B and 1C are cross-sectional views of a microphone module in which a conventional acoustic sensor is mounted on a casing so that a cavity inside the sensor serves as a front chamber.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a conventional acoustic sensor having a tapered cavity.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the acoustic sensor described in Patent Document 1.
  • FIG. 4A is a cross-sectional view of the acoustic sensor described in Patent Document 2.
  • FIG. 4B is a diagram illustrating a method for manufacturing the acoustic sensor of Patent Document 2.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing a state in which the acoustic sensor of FIG. 3 described in Patent Document 1 is mounted on a casing such that a cavity inside the sensor becomes a front chamber.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view of the acoustic sensor described in Patent Document 3.
  • FIG. 7 is a diagram showing frequency-sensitivity characteristics of the acoustic sensor of FIG. 6 described in Patent Document 3.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of the acoustic sensor described in Patent Document 4.
  • FIG. 9A to 9D are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the acoustic sensor shown in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the acoustic sensor according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 11 is a plan view of a substrate used in the acoustic sensor of the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing a state in which the acoustic sensor of Embodiment 1 shown in FIG. 10 is mounted on a casing such that the cavity inside the sensor becomes a front chamber.
  • FIG. 13 is a diagram illustrating frequency-sensitivity characteristics of the acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention.
  • 14A and 14B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the acoustic sensor shown in FIG.
  • FIG. 15A and 15B are cross-sectional views illustrating a method for manufacturing the acoustic sensor shown in FIG. 10, and show a step that follows the step of FIG.
  • FIG. 16 is a schematic diagram for explaining how a barrel-type cavity is formed in a substrate by anisotropic etching.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing an acoustic sensor according to a modification of the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 18 (A) is a schematic view showing a XX section (FIG. 11) of a substrate used in another modification of Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 18B is a schematic view showing a YY cross section (FIG. 11) of the substrate.
  • FIG. 19A is a cross-sectional view showing an acoustic sensor according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 19B is a schematic diagram illustrating a method for manufacturing the acoustic sensor shown in FIG.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view showing the structure of the acoustic sensor 41 according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the acoustic sensor 41 includes a substrate 42, a thin film diaphragm 43, a back plate 45, and a fixed electrode 46.
  • the substrate 42 is a (100) plane Si substrate whose front and back surfaces are (100) planes.
  • the substrate 42 is formed with a cavity 44 penetrating front and back by etching from the back side.
  • the cavity 44 has wall surfaces in four directions. When viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate 42, each side is oriented in the (110) direction or a direction equivalent to the (110) direction as shown in FIG. It has a rectangular shape.
  • FIG. 10 shows a cross section of the acoustic sensor 41 taken along the line KK in FIG.
  • Each wall surface of the cavity 44 is constituted by a first inclined surface 47a and a second inclined surface 47b made of a (111) plane or a crystal plane equivalent to the (111) plane.
  • the second inclined surface 47b is inclined between the intermediate portion (node P) and the back surface of the substrate 42 so as to gradually narrow toward the inside of the substrate 42 from the intermediate portion toward the back surface of the substrate 42. .
  • a portion at the boundary between the first inclined surface 47a and the second inclined surface 47b and where the inclination direction of the inclined surface changes is referred to as a node P.
  • the cavity 44 is inversely tapered by the second inclined surface 47b from the back surface of the substrate 42 to the node P. Further, the portion from the node P to the surface of the substrate 42 is tapered by the first inclined surface 47a. As a whole, the cavity 44 has a wide barrel shape in the middle part.
  • the heights H (the heights in the thickness direction measured from the back surface of the substrate) of the nodes P on the opposing wall surfaces are equal to each other. Further, the height H of the node P in the XX section is equal to the height H of the node P in the YY section. Accordingly, the cavity 44 gradually increases in area of a cross section parallel to the surface of the substrate 42 from the surface of the substrate toward the back surface, and from an increase to a decrease at the node P located between the front surface and the back surface of the substrate. It is gradually decreasing. Further, in the first embodiment, the height H of the node P is larger than 1 ⁇ 2 of the thickness d of the substrate 42. That is, since H> d / 2, the area of the opening in the back surface of the substrate (back surface opening 44b) of the cavity 44 is smaller than the area of the opening on the substrate surface (surface opening 44a).
  • the thickness of the substrate 42 is d
  • the height of the node P is H
  • the opening width of the cavity 44 on the substrate surface (hereinafter referred to as surface opening width)
  • U the opening width of the cavity 44 on the back surface of the substrate.
  • D (hereinafter referred to as the back surface opening width)
  • ⁇ 54 °.
  • the diaphragm 43 is a thin film having a substantially rectangular conductive shape, and leg portions 48 extend diagonally from the four corners.
  • the diaphragm 43 is disposed above the substrate 42 so as to cover the surface opening 44 a of the cavity 44, and each leg portion 48 is fixed to the surface of the substrate 42 by a support base 49.
  • a rigid back plate 45 is provided on the surface of the substrate 42 so as to cover the upper side of the diaphragm 43 with a gap from the diaphragm 43.
  • a fixed electrode 46 is provided on the upper surface of the back plate 45 by a metal material. Further, the back plate 45 is provided with an electrode pad 51 conducted to the fixed electrode 46 and an electrode pad 52 conducted to the diaphragm 43. A plurality of acoustic holes 50 are opened in the back plate 45 and the fixed electrode 46.
  • the diaphragm 43 vibrates in response to the acoustic vibration. Since the distance between the diaphragm 43 and the fixed electrode 46 changes due to the displacement of the diaphragm 43 due to vibration, the capacitance between the diaphragm 43 and the fixed electrode 46 changes, thereby converting the acoustic vibration into an electrical signal. And output from the acoustic sensor 41.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of the microphone module 61 in which the acoustic sensor 41 is mounted in the casing 62.
  • the casing 62 includes a flat base 63 and a lid-like cover 64 that covers the upper surface of the base 63, and an acoustic introduction port 65 is opened on the upper surface of the cover 64.
  • the acoustic sensor 41 is fixed to the lower surface of the cover 64 while being turned upside down.
  • the acoustic sensor 41 is mounted such that the cavity 44 is continuous with the acoustic introduction port 65, and the cavity 44 is a front chamber of the acoustic sensor 41.
  • a space 66 formed in the casing 62 serves as a back chamber for the acoustic sensor 41.
  • the back surface opening width and the back surface opening area of the cavity 44 can be reduced, so that it is difficult for dust and dust to enter the cavity 44 from the back surface opening 44b. It can be suppressed that dust adheres and the characteristics of the acoustic sensor 41 change or deteriorate.
  • the mounting surface of the acoustic sensor 41 can be widened.
  • the fixing strength and stability when the acoustic sensor 41 is die-bonded to the casing 62 can be improved.
  • the inclination of the die-bonded acoustic sensor 41 can be reduced, and the mounting posture of the acoustic sensor 41 can be stabilized.
  • a curve indicated by a solid line in FIG. 13 represents the frequency-sensitivity characteristic of the acoustic sensor 41.
  • a curve indicated by a broken line in FIG. 13 represents frequency-sensitivity characteristics when the back surface opening area of the cavity 44 is larger than the front surface opening area and the volume of the cavity 44 is large.
  • the resonance part (peak part) of the frequency-sensitivity characteristic is shown on the high frequency side as shown by the solid line in FIG. Therefore, the flat region of the frequency-sensitivity characteristic extends to the high frequency side from the upper limit of the audible band, and a good characteristic can be obtained.
  • the back surface opening width or the back surface opening area of the cavity 44 can be changed by changing the height H of the node P, whereby the volume of the cavity 44 can also be adjusted.
  • the cavity 44 can be formed in the substrate 42 only by etching from the back surface side, so that it is not necessary to open an etching hole in the diaphragm 43 or the back plate 45. Therefore, there is no possibility that the acoustic vibration that has entered from the cavity 44 leaks from the etching hole without being applied to the diaphragm 43, the acoustic resistance of the acoustic sensor 41 is increased, and deterioration of sensitivity characteristics in the low frequency region (see FIG. 7) is prevented. be able to.
  • a sensor structure is formed on the surface of a (100) plane Si substrate 42 by using a general MEMS technique. That is, on the surface of the substrate 42, a sacrificial layer 71 made of polysilicon, a diaphragm 43, a support base 49 for supporting the leg portions 48 of the diaphragm 43, a support portion 72 for supporting the lower surface of the outer peripheral portion of the back plate 45, Protective films 73 and 74 made of SiO 2 , a back plate 45 made of SiN, a fixed electrode 46 and electrode pads 51 and 52 made of a metal film (for example, a lower layer Cr / upper layer Au two-layer film) are prepared.
  • the sacrificial layer 71 is formed in substantially the same area as the diaphragm 43 in a region where the surface opening 44 a of the cavity 44 is to be formed.
  • the protective films 73 and 74 cover the surface of the diaphragm 43.
  • a plurality of acoustic holes 50 are opened in the back plate 45 and the fixed electrode 46. Further, the back surface of the substrate 42 is kept covered with a protective film 75 made of SiO 2.
  • the substrate 42 is dry-etched upward from the back side by a method such as DRIE, and a columnar through hole 76 is formed in the substrate 42 as shown in FIG.
  • a method such as DRIE
  • a columnar through hole 76 is formed in the substrate 42 as shown in FIG.
  • the sacrificial layer 71 may be etched immediately above the through hole 76 by dry etching, the etching depth is precise. No control is required.
  • the through hole 76 is formed so that the horizontal cross section is substantially equal to the back surface opening 44 b of the cavity 44.
  • an etching solution such as TMAH is introduced into the through hole 76 from the back side of the substrate 42.
  • the etching solution has etching characteristics with respect to the substrate 42 and the sacrificial layer 71, but does not have etching characteristics with respect to the protective layers 73 and 75. Therefore, the sacrificial layer 71 is etched away by the etchant that has entered the through hole 76, and the etchant spreads along the surface of the substrate 42.
  • the etchant etches the substrate 42 from the surface side. In this way, as shown in FIG. 15A, the substrate 42 is anisotropically etched from the front surface to the back surface around the through-hole 76 and at the same time anisotropically etched from the inner wall surface of the through-hole 76.
  • a slope 47 a passing through the end of the sacrificial layer 71 is formed by anisotropic etching from the surface of the substrate 42, and the through hole is formed by anisotropic etching from the inner wall surface of the through hole 76.
  • a slope 47b passing through the lower end of the inner wall surface of 76 is formed.
  • a barrel-shaped cavity 44 is formed by the space extending from the through hole 76 as shown in FIG.
  • the protective films 73 and 74 on the front surface side and the protective film 75 on the back surface side are removed by etching, whereby the acoustic sensor 41 as shown in FIG. 10 is manufactured.
  • the barrel-shaped cavity 44 can be formed only by dry etching and wet etching from the back surface side of the substrate 42, the sensor structure on the front surface side of the substrate 42 has a cavity 44. There is no need to make an etching hole for manufacturing the film. Therefore, the acoustic resistance against the acoustic vibration that has entered from the cavity 44 side can be increased, and a decrease in sensitivity in the low frequency region can be suppressed.
  • the surface opening width of the cavity 44 is determined by the width of the sacrificial layer 71, and the back surface opening width of the cavity 44 is determined by the width of the through hole 76 opened by dry etching.
  • the back surface opening width of the cavity 44 is slightly wider than the width of the through hole 76 due to over-etching.
  • the acoustic sensor 41 shown in FIG. 10 has a barrel-type cavity 44.
  • a substantially tapered cavity 44 can be formed by etching only from the back side as shown in FIG. Can do.
  • the height of the node P may be different depending on the direction of the cross section.
  • the height of the node P in the XX section is H1
  • the height of the node P in the YY section is H2
  • the heights H1 and H2 of the node P are different from each other. It may be.
  • FIG. 18A shows an XX section of the substrate 42
  • FIG. 18B shows a YY section of the substrate 42.
  • the cross-sectional area of the cavity 44 parallel to the surface of the substrate 42 hereinafter referred to as horizontal sectional area
  • the width of the cross section gradually increases from the front surface to the back surface in the XX cross section, and the width of the cross section gradually increases from the front surface to the back surface in the YY cross section. Therefore, the horizontal cross-sectional area of the cavity 44 gradually increases at a relatively large increase rate. Between the height H2 and the height H1, the width of the cross section gradually increases from the front surface to the back surface in the XX cross section, but the cross section width gradually increases from the front surface to the back surface in the YY cross section. Since it decreases, the increase or decrease in the horizontal cross-sectional area of the cavity 44 becomes almost zero or a small increase or decrease.
  • the width of the cross section gradually decreases from the front surface to the back surface in the XX cross section, and the width of the cross section gradually decreases from the front surface to the back surface in the YY cross section. Therefore, the horizontal cross-sectional area of the cavity 44 gradually decreases at a relatively large reduction rate.
  • the conversion means for converting the acoustic vibration into the electric signal is not limited to the capacitance type using the fixed electrode as described above, but for example, a type that detects the distortion of the diaphragm using a piezoresistor. Good.
  • FIG. 19A is a cross-sectional view of an acoustic sensor 81 according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the heights H3 and H4 of the nodes P are made different between the opposing wall surfaces of the cavity 44, and the cross-sectional shapes of the wall surfaces are made different from each other.
  • the height H4 of one node P is higher than 1/2 of the thickness of the substrate 42, but the height H3 of the other node P is higher than 1/2 of the thickness of the substrate 42. It may be in a lower position.
  • the through hole 76 when the through hole 76 is formed in the substrate 42 by dry etching in the method for manufacturing the acoustic sensor described in the first embodiment, as shown in FIG.
  • the center of the through hole 76 may be shifted from the center of the sacrificial layer 71 in the horizontal direction.
  • the through hole 76 does not necessarily overlap the sacrificial layer 71 as a whole when viewed from a direction perpendicular to the surface of the substrate 42, and at least a part of the through hole 76 only needs to overlap the sacrificial layer 71.
  • the opening width or opening area of the through hole 76 must be smaller than the width or area of the sacrificial layer 71.
  • the cavity 44 has the same cross-sectional shape as shown in FIG. 19A in both the XX and YY sections, assuming that the height is H3 ⁇ H4, the cavity 44
  • the horizontal cross-sectional area changes as follows from the front surface to the back surface of the substrate 42. Between the surface of the substrate 42 and the height H4, the horizontal cross-sectional area of the cavity 44 gradually increases at a relatively large increase rate. Between the height H4 and the height H3, the increase or decrease in the horizontal cross-sectional area of the cavity 44 becomes almost zero or a small increase or decrease. Further, between the height H3 and the back surface of the substrate 42, the horizontal sectional area of the cavity 44 gradually decreases at a relatively large reduction rate.
  • the heights of the nodes P are different between the opposing wall surfaces as shown in FIG. 19A, and each node is different in the XX section and the YY section. It does not matter if the height of P is different and the cavity 44 has four different height nodes P.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)

Abstract

　基板４２には、その表面から裏面へ貫通するように空洞４４を設ける。空洞４４の上方において、基板４２の上方には音響振動を感知する薄膜のダイアフラム４３を設ける。空洞４４の少なくとも１つの壁面は、基板４２の表面とその厚み方向中間部との間において、基板４２の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に基板４２の外側へ向かって広がった第１の斜面４７ａと、前記中間部と基板４２の裏面との間において、前記中間部から基板４２の裏面へ向かうにつれて次第に基板４２の内側へ向かって狭まった第２の斜面４７ｂとで構成される。また、空洞４４の裏面開口幅が表面開口幅よりも小さくなっている。

Description

音響センサ及びその製造方法
　本発明は音響センサ及びその製造方法に関し、特に高感度なマイクロフォンとして用いることのできる音響センサとその製造方法に関する。
　図１（Ａ）、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、従来例の音響センサをケーシング内に納めたマイクロフォンモジュールを示す断面図である。音響センサ１１は、基板１２の表面に薄膜状のダイアフラム１３（可動電極）と固定電極１４を設けたものであって、ダイアフラム１３の裏面側において基板１２内に空洞１５が形成されている。この音響センサ１１は、ダイアフラム１３と固定電極１４との間の静電容量の変化によって音響振動を検知する静電容量式のセンサである。ケーシング１６は、ベース１７と当該ベース１７の上方を覆うカバー１８からなる。
　音響センサ１１は、当初は、図１（Ａ）のように基板１２の裏面をベース１７の上面に実装し、カバー１８に音響導入口１９を開口したものであった。このような実装形態では、ケーシング１６内の空間２０が音響的なフロントチャンバとなり、音響センサ１１の空洞１５が音響的なバックチャンバとなっている。
　フロントチャンバとは、音響振動（白抜き矢印で示す。）の進入方向に対してダイアフラムの前方に位置する空間である。バックチャンバとは、音響振動の進入方向に対してダイアフラムの後方に位置する空間であって、ダイアフラムを振動させた音響振動が逃げていく空間である。このバックチャンバは、マイクロフォンモジュールにおいて「空気バネ」の役割を果たし、バックチャンバの容積が大きくなるほど、「空気バネ」が柔らかくなり、音響センサ１１の感度を高めることができる。
　そのため、一部のマイクロフォンモジュールでは、図１（Ｂ）に示すように、ベース１７に音響導入口１９を開口しておき、ベース１７の上面に音響センサ１１を実装して空洞１５と音響導入口１９を連通させている。あるいは、図１（Ｃ）に示すように、カバー１８に音響導入口１９を開口しておき、カバー１８の下面に音響センサ１１を実装して空洞１５と音響導入口１９を連通させている。
　図１（Ｂ）や図１（Ｃ）のようなマイクロフォンモジュールでは、音響導入口１９から進入した音響振動は空洞１５側からダイアフラム１３に進入するので、ケーシング１６内の空間２０がバックチャンバとなる。このような構造によれば、図１（Ａ）のように空洞１５をバックチャンバとする場合と比べて、バックチャンバ（空間２０）の容積を大きくでき、音響センサ１１の感度を高くできる。そのため、近年においては、図１（Ｂ）や図１（Ｃ）のような構造のマイクロフォンモジュールが注目されている。
　一方、音響センサを作製する場合、基板１２としては、一般に安価な（１００）面Ｓｉ基板が用いられる。この基板１２を裏面側からウェットエッチングすることによって空洞１５を形成した場合には、図２に示す音響センサ２１のように、基板１２の裏面における開口（以下、裏面開口という。）が基板１２の表面における開口（以下、表面開口という。）よりも広くなったテーパー状の空洞１５が形成される。これは、ウェットエッチングが基板１２の裏面側から進行するとともに、最稠密面である（１１１）面と垂直な方向でエッチングレートが小さく、（１１１）面によって空洞１５の壁面が形成されるためである。
　いま、図２に示すように、（１００）面Ｓｉ基板において（１１１）面が基板１２の裏面となす角度をα＝５４°、基板１２の厚みをｄとし、空洞１５の表面開口幅をＵ、空洞１５の裏面開口幅をＤとすると、裏面開口幅Ｄは、
　　　Ｄ＝Ｕ＋２×ｄ／tanα≒Ｕ＋１.５×ｄ
となる。よって、表面開口幅Ｕがダイアフラム１３の幅とほぼ等しくなるように空洞１５を形成した場合、空洞１５の裏面開口幅Ｄはかなり大きなものとなる。
　また、図３は特許文献１に記載された音響センサ２２の断面図である。この音響センサ２２の空洞１５はバレル状となっている。すなわち、この空洞１５では、基板１２の表面と平行な断面の幅が、基板１２の表面から厚み方向中央部までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に増加しており、基板１２の厚み方向中央部から裏面までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に減少している。特許文献１に開示されている音響センサ２２では、図２のようなテーパー状の空洞と比較すると、空洞１５の裏面開口幅を小さくできる。しかし、特許文献１の音響センサ２２では、基板表面と平行な断面の幅が増加から減少へ転じる箇所（節）が基板１２の厚み方向中央よりも裏面側に近くなっており、空洞１５の裏面開口幅は表面開口幅よりも広くなっている。
　図４（Ａ）は特許文献２に記載されたＭＥＭＳデバイス２３の断面図である。ＭＥＭＳデバイス２３も、基板１２の表面と平行な断面の幅が、基板１２の表面から厚み方向中央部までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に増加し、基板１２の厚み方向中央部から裏面までは基板１２の裏面へ向かうにつれて次第に減少するようにして、空洞１５が形成されている。
　図４（Ｂ）は、ＭＥＭＳデバイス２３における空洞１５の形成方法を説明している。すなわち、基板１２に空洞１５を形成する際には、裏面側から基板１２をドライエッチングすることにより、図４（Ｂ）のようにダイアフラム１３の幅Ｇよりも大きな開口幅Ｄで基板１２に長方形断面の空洞１５を形成する。このとき空洞１５は、最奥部の角がダイアフラム１３の端を通る（１１１）面に接するような深さとする。この後、空洞１５内をウェットエッチングして広げ、各（１１１）面を出現させることにより、空洞１５をバレル形断面に形成している。特許文献２のＭＥＭＳデバイス２３では、このような製造工程のため、空洞１５の裏面開口幅Ｄは、空洞１５の表面開口幅Ｕよりも大きくなる。
　図２に示した音響センサ２１、図３に示した音響センサ２２、あるいは図４に示したＭＥＭＳデバイス２３のいずれも、空洞１５の裏面開口幅が表面開口幅よりも広くなっている。そのため、これらの音響センサ２１、２２又はＭＥＭＳデバイス２３を音響導入口１９の位置でカバー１８又はベース１７に実装し、音響導入口１９と空洞１５が連続するようにした場合には、以下に説明するように、新たな解決課題が生じる。
　図５は、音響導入口１９の位置で図３の音響センサ２２をカバー１８の下面に実装した場合を表している。図５のマイクロフォンモジュールでは、音響センサ２２の空洞１５がフロントチャンバとなっていて、裏面側からダイアフラム１３に音響振動が進入する。そのため、空洞１５の容積が大きいと、音響センサ２２の高周波数領域における音響特性に影響が生じ、高周波特性が共振の影響を受け易くなる（図１３の破線部分）。
　また、音響導入口１９に面している空洞１５の裏面開口が広いので、音響導入口１９がマイクロフォンモジュールの上面に位置していたり、マイクロフォンモジュールが組み込まれた機器の開口部に向き合ったりしていると、空洞１５から塵や埃が侵入してダイアフラム１３に付着し易くなる。ダイアフラム１３に塵や埃が付着すると、ダイアフラム１３の振動特性が変化して音響センサ２２が影響を受ける。
　このような問題は、図４のようなＭＥＭＳデバイス２３を用いた場合も同様である。また、図２のようなテーパー状の空洞を有する音響センサ２２を用いた場合には、より顕著になる。
　これに対し、特許文献３に開示されている音響センサ３６では、図６に示すように、逆テーパー状の空洞１５を有している。すなわち、空洞１５は、基板１２の表面に平行な断面の幅が基板表面から基板裏面へ向かうに従って次第に狭くなっている。このような形状の空洞１５であれば、裏面開口幅が狭くなり、空洞１５の容積も小さくなるので、上記のような問題は生じない。
　しかし、特許文献３に記載されている音響センサ３６では、バックプレート２４に開口されたエッチング孔２５やダイアフラム１３に開口されたエッチング孔２６から基板１２の表面へエッチング液を導入し、基板１２の表面から裏面側へ向けて基板１２のエッチングを進行させることで空洞１５を形成している。
　このため特許文献３の音響センサ３６では、音響導入口を塞ぐようにしてケーシングに実装した場合、空洞１５（フロントチャンバ）とケーシング内空間（バックチャンバ）が、エッチング孔２５、２６を通じて小さな音響抵抗で連通する。そのため、空洞１５に進入した音響振動は図６に矢印で示すようにエッチング孔２５、２６を通過してケーシング内空間へ漏れ易くなる。こうして音響振動が漏れ易くなる結果、ダイアフラム１３に音響振動が加わりにくくなって感度低下を招く。特に、図７に実線で示す感度特性のように可聴帯域（２０Ｈｚ～２０ｋＨｚ）の低周波数領域において著しい特性劣化を生じる。なお、図７において破線で示す曲線は、エッチング孔を塞いだときの感度特性である。
　また、特許文献４にも、図８に示すように逆テーパー状の空洞１５を有する音響センサ３７が開示されている。この音響センサ３７は、図９（Ａ）－図９（Ｄ）に示す工程を経て製造される。すなわち、図９（Ａ）に示すように、基板１２の表面の空洞形成領域に犠牲層２７を形成するとともに犠牲層２７の一部を基板１２から浮かせた状態で基板１２の端部へ延長しておく。さらに、犠牲層２７の上に保護膜２８を形成し、保護膜２８の上にダイアフラム１３を形成する。ダイアフラム１３の上には、さらに保護膜２８を形成し、その上にバックプレート２４を形成するとともにバックプレート２４の上面に固定電極１４を設ける。また、犠牲層２７の延長部分の上方において、バックプレート２４にエッチング孔２９を開口しておく。
　エッチング孔２９の直下において保護膜２８をエッチングし、保護膜２８に孔をあけて犠牲層２７の延長部分を露出させる。ついで、図９（Ｂ）に示すように、エッチング孔２９からエッチング液を導入して犠牲層２７をエッチングする。このエッチング液は犠牲層２７と基板１２にエッチング特性を有するので、図９（Ｃ）に示すように、犠牲層２７がエッチングされてできた通路３０にエッチング液が浸入して基板１２に触れると、基板１２が表面側からエッチングされる。この結果、図９（Ｄ）に示すように、基板１２内には逆テーパー状の空洞１５が次第に深く形成されていく。エッチングが基板１２の裏面に達したら基板１２のエッチングを停止し、保護膜２８をエッチングにより除去し、図８のような音響センサ３７を得る。
　一般に、音響センサのベントホールは、非常に狭い空間で形成しないと音響センサとして高い音響抵抗を得ることができず、ベントホールを通って音響振動が漏れる。一方、音響センサ３７では、犠牲層２７の延長部分はエッチング液の通路３０となるので、ある程度大きな断面積を必要とする。エッチング液の通路３０が狭いとエッチング液の循環が阻害されるので、基板１２のエッチング速度が低下して音響センサの生産性が低下する。しかし、特許文献４に開示された音響センサの製造方法では、図９に示すように、犠牲層２７の延長部分は、ベントホール３１が形成される部分を通過している。そのため、ベントホール３１の厚みは犠牲層２７の延長部分の厚みよりも大きくなってしまい、ベントホール３１を狭くすることができない。さらに、バックプレート２４に開口されたエッチング孔２９も、ある程度大きな開口でなければエッチング液の循環を阻害し、基板１２のエッチング速度が低下して音響センサの生産性が低下する。
　そのため、特許文献４の音響センサでは、ベントホール３１からエッチング孔２９にかけて音響抵抗が小さくなる。よって、特許文献３の音響センサと同様、空洞１５に進入した音響振動は、図８に矢印で示すようにベントホール３１とエッチング孔２９を通過してケーシング内空間へ漏れ易くなる。その結果、音響センサの感度低下を招き、特に低周波数領域において著しく感度特性が劣化する。
　以上のような事情から、音響センサの空洞を基板の裏面側からのみの加工によって作製できるようにすることが望まれる。
特許第４２７３４３８号公報 米国特許第７５１４２８７号明細書 特許第４５３９４５０号公報 特開２００７－２９５４８７号公報
　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って、その目的とするところは、基板の裏面側からエッチングすることにより、基板裏面における開口面積が基板表面における開口面積よりも小さな空洞を基板に形成することができる音響センサとその製造方法を提供することにある。
　本発明に係る音響センサは、表面から裏面へ貫通した空洞を有する基板と、前記空洞を覆うようにして前記基板の表面側に配設された薄膜状のダイアフラムと、前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段とを備えた音響センサであって、前記空洞は複数の壁面を有し、前記壁面のうち少なくとも１つの壁面は、前記基板の表面と前記基板の厚み方向中間部との間において、前記基板の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に前記基板の外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と前記基板の裏面との間において、前記中間部から前記基板の裏面へ向かうにつれて次第に前記基板の内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されており、前記第１の斜面及び第２の斜面で構成された壁面に垂直な断面において、前記基板の裏面における前記空洞の開口幅が前記基板の表面における前記空洞の開口幅よりも小さいことを特徴としている。
　本発明に係る音響センサにあっては、空洞の基板裏面側における開口幅が基板表面側における開口幅よりも小さいので、ケーシングに開口された音響導入口の位置において音響センサの裏面をケーシングに実装した場合でも、空洞内に塵や埃が侵入しにくくなる。よって、空洞内に侵入した塵や埃がダイアフラムに付着して音響センサの特性が変化したり、劣化したりするのを防ぐことができる。また、空洞の裏面開口が小さくなる分だけ基板の裏面面積を広くできるので、音響センサをケーシングに実装するときの固定強度や安定性が向上する。
　さらに、本発明の音響センサにあっては、空洞の裏面開口幅を表面開口幅より小さくすることにより、空洞の容積を小さくできるので、音響センサの高周波特性を向上させることができる。
　しかも、空洞の壁面のうち少なくとも１つの壁面が、基板表面から厚み方向の中間部へ向かうにつれて次第に基板外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と基板裏面との間において、前記中間部から基板裏面へ向かうにつれて次第に基板内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されているので、後述のように基板の裏面側からのみのエッチング加工によって空洞を開口することができ、基板表面のセンサ構造物にエッチング孔を開口する必要が無い。そのため、空洞から進入した音響振動がダイアフラムに加わらないでエッチング孔から漏れるおそれがなく、音響センサの音響抵抗が大きくなって、低周波数領域における感度特性の劣化を防ぐことができる。
　また、本発明に係る音響センサにおいては、前記壁面のうち対向する少なくとも一対の壁面が、前記第１の斜面と前記第２の斜面で構成され、第１の斜面と第２の斜面との境界の、前記基板の裏面から測った高さが、互いに対向する前記壁面どうしで異なっていてもよい。
　さらに、本発明に係る音響センサにおいては、前記基板の厚みをｄ、前記第１及び第２の斜面の傾斜角をα、前記第１及び第２の斜面で構成された前記壁面に垂直な断面における前記空洞の前記基板の表面における開口幅と前記基板の裏面における開口幅をそれぞれＵ、Ｄとするとき、つぎの条件
　　　Ｄ ＞　Ｕ－２×ｄ／tanα
を満たしていることが望ましい。この条件を満たすことにより、第１の斜面と第２の斜面を形成することが可能になる。
　また、本発明に係る音響センサを空洞の断面積に関して表現すれば、前記空洞が、前記基板の表面における開口の近傍領域において、前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面から裏面側へ向かうにつれて次第に増加し、前記基板の裏面における開口の近傍領域において、前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面側から裏面へ向かうにつれて次第に減少している。
　より具体的に言えば、前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が次第に増加した後、前記基板の表面と裏面の中間において当該断面の面積が増加から減少に転じている場合がある。たとえば、第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さが各壁面で同一である場合である。
　また、前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が比較的大きな増加率で次第に増加し、当該断面の面積の増減が小さくなった後、当該断面の面積が比較的大きな減少率で次第に減少している場合もある。たとえば、第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さが壁面によって異なる場合である。
　これらの具体的な態様においては、前記空洞のうち、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が増加している領域の厚みが、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が減少している領域の厚みよりも小さくなっていれば、基板の裏面における空洞の開口面積を基板の表面における空洞の開口面積よりも小さくできる。
　音響振動を電気信号に変換する手段としては、静電容量式のものやピエゾ抵抗式のものがある。たとえば、静電容量式の前記変換手段は、基板の表面側において、導電材料によって形成された前記ダイアフラムと平行となるように配置された固定電極で構成することができる。このような変換手段では、音響振動によってダイアフラムが撓むと、ダイアフラムと固定電極との間の静電容量の変化として電気信号が出力される。
　本発明に係る音響センサの製造方法は、前記基板の表面に犠牲層を作製する工程と、前記犠牲層の上方に薄膜状のダイアフラムを作製する工程と、前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段を作製する工程と、前記基板の裏面から前記基板をドライエッチングすることにより、前記基板の厚み方向に沿って裏面から表面まで前記基板に孔を貫通させて、前記基板の裏面に平行な一方向における開口幅が前記犠牲層の幅よりも小さな貫通孔を前記基板に形成する工程と、前記貫通孔へエッチング液を導入し、前記犠牲層をエッチング除去しながら前記基板の表面から前記基板を異方性エッチングするとともに、前記貫通孔の内壁面から前記基板を異方性エッチングして前記基板に前記空洞を形成する工程とを備える。
　本発明に係る音響センサの製造方法によれば、貫通孔に導入したエッチング液によって犠牲層をエッチング除去しながら基板の表面から基板を異方性エッチングすることによって第１の斜面を形成することができ、犠牲層の内壁面から基板を異方性エッチングすることにより第２の斜面を形成することができるので、裏面からのみのエッチング加工によって第１の斜面と第２の斜面からなる空洞を形成することができる。
　しかも、この製造方法においては、前記犠牲層が、前記空洞の表面開口に対応する領域に形成され、前記貫通孔の、前記基板の裏面側における開口が、前記空洞の裏面開口と対応する領域に形成される。そして、空洞の基板表面における開口幅又は開口面積は犠牲層の幅や面積によって定まり、空洞の基板裏面における開口幅又は開口面積は、貫通孔の基板裏面における開口幅や開口面積によって定まるので、空洞の表面開口や裏面開口のサイズを容易に制御することができる。
　また、本発明に係る音響センサの製造方法においては、前記貫通孔を形成する工程において、前記貫通孔の中心を前記犠牲層の水平方向における中心からずらせて、前記貫通孔を形成してもよい。このように貫通孔の位置を犠牲層の中心からずらせておけば、貫通孔をずらせた方向に位置する一対の壁面における第１の斜面と第２の斜面との間の境界の高さを異ならせることができる。
　こうして貫通孔の位置をずらせる場合でも、基板の表面に垂直な方向から見て、貫通孔の少なくとも一部が犠牲層と重なり合うようにしてあれば、貫通孔へ導入したエッチング液によって犠牲層をエッチング除去することができる。
　なお、本発明における前記課題を解決するための手段は、以上説明した構成要素を適宜組み合せた特徴を有するものであり、本発明はかかる構成要素の組合せによる多くのバリエーションを可能とするものである。
図１（Ａ）は、従来例の音響センサを、センサ内部の空洞がバックチャンバとなるようにしてケーシングに実装したマイクロフォンモジュールの断面図である。図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、それぞれ、従来例の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装したマイクロフォンモジュールの断面図である。 図２は、テーパー状の空洞を有する従来例の音響センサを示す断面図である。 図３は、特許文献１に記載された音響センサの断面図である。 図４（Ａ）は、特許文献２に記載された音響センサの断面図である。図４（Ｂ）は、特許文献２の音響センサの製造方法を説明する図である。 図５は、特許文献１に記載された図３の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装した状態を示す断面図である。 図６は、特許文献３に記載された音響センサの断面図である。 図７は、特許文献３に記載された図６の音響センサの周波数－感度特性を示す図である。 図８は、特許文献４に記載された音響センサの断面図である。 図９（Ａ）－図９（Ｄ）は、特許文献４に記載された図８の音響センサの製造方法を説明する断面図である。 図１０は、本発明の実施形態１による音響センサの断面図である。 図１１は、図１０に示す実施形態１の音響センサに用いられている基板の平面図である。 図１２は、図１０に示す実施形態１の音響センサを、センサ内部の空洞がフロントチャンバとなるようにしてケーシングに実装した状態を示す断面図である。 図１３は、本発明の実施形態１による音響センサの周波数－感度特性を示す図である。 図１４（Ａ）及び図１４（Ｂ）は、図１０に示す音響センサの製造方法を説明する断面図である。 図１５（Ａ）及び図１５（Ｂ）は、図１０に示す音響センサの製造方法を説明する断面図であって、図１４（Ｂ）の工程に続く工程を示す。 図１６は、異方性エッチングによって基板内にバレル型の空洞が形成される様子を説明する概略図である。 図１７は、本発明の実施形態１の変形例による音響センサを示す断面図である。 図１８（Ａ）は、本発明の実施形態１の別な変形例に用いる基板のＸ－Ｘ断面（図１１）を示す概略図である。図１８（Ｂ）は、当該基板のＹ－Ｙ断面（図１１）を示す概略図である。 図１９（Ａ）は、本発明の実施形態２による音響センサを示す断面図である。図１９（Ｂ）は、図１９（Ａ）に示す音響センサの製造方法を説明する概略図である。
　４１、８１　　　音響センサ
　４２　　　基板
　４３　　　ダイアフラム
　４４　　　空洞
　４４ａ　　　表面開口
　４４ｂ　　　裏面開口
　４６　　　固定電極
　４７ａ　　　第１の斜面
　４７ｂ　　　第２の斜面
　６１　　　マイクロフォンモジュール
　６２　　　ケーシング
　６３　　　ベース
　６４　　　カバー
　６５　　　音響導入口
　７１　　　犠牲層
　７６　　　貫通孔
　以下、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態を説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々設計変更することができる。
（実施形態１の音響センサ）
　図１０は、本発明の実施形態１による音響センサ４１の構造を示す断面図である。音響センサ４１は、基板４２、薄膜のダイアフラム４３、バックプレート４５及び固定電極４６を有している。基板４２は、表面及び裏面が（１００）面となった（１００）面Ｓｉ基板である。基板４２には、裏面側からエッチングすることによって表裏に貫通した空洞４４が形成されている。空洞４４は４方向に壁面を有しており、基板４２の表面に垂直な方向から見たとき、図１１に示すように各辺が（１１０）方向又は（１１０）方向と等価な方向を向いた矩形状となっている。
　図１０は、音響センサ４１の図１１のＫ－Ｋ線に沿った断面を表している。空洞４４の各壁面は、（１１１）面又は（１１１）面と等価な結晶面からなる第１の斜面４７ａと第２の斜面４７ｂによって構成されている。斜面４７ａ、４７ｂはいずれも基板４２の裏面に対してα＝５４°の傾斜角を有しており、互いに異なる方向に傾斜している。すなわち、第１の斜面４７ａは、基板４２の表面と基板４２の厚み方向中間部（節Ｐ）との間において、基板４２の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に基板４２の外側へ向かって広がるように傾斜している。第２の斜面４７ｂは、前記中間部（節Ｐ）と基板４２の裏面との間において、前記中間部から基板４２の裏面へ向かうにつれて次第に基板４２の内側へ向かって狭まるように傾斜している。以下においては、第１の斜面４７ａと第２の斜面４７ｂとの境界にあって、斜面の傾斜方向が変化する箇所を節Ｐと呼ぶことにする。
　したがって、空洞４４は、図１１における基板４２のＸ－Ｘ断面又はＹ－Ｙ断面においては、基板４２の裏面から節Ｐまでは、第２の斜面４７ｂによって逆テーパー状となっている。また、節Ｐから基板４２の表面までは、第１の斜面４７ａによってテーパー状となっている。全体として、空洞４４は中間部で幅の広いバレル状となっている。
　実施形態１では、対向する壁面における節Ｐの高さＨ（基板の裏面から測った厚み方向における高さ）は互いに等しくなっている。さらに、Ｘ－Ｘ断面における節Ｐの高さＨとＹ－Ｙ断面における節Ｐの高さＨも等しくなっている。したがって、空洞４４は、基板４２の表面に平行な断面の面積が、基板の表面から裏面に向かうにつれて次第に増加するとともに、前記基板の表面と裏面の中間に位置する節Ｐにおいて増加から減少に転じて次第に減少している。さらに、実施形態１では、節Ｐの高さＨは、基板４２の厚みｄの１／２よりも大きくなっている。すなわち、Ｈ＞ｄ／２となっているので、空洞４４の、基板裏面における開口（裏面開口４４ｂ）の面積は基板表面における開口（表面開口４４ａ）の面積よりも小さくなっている。
　図１０に示すように、基板４２の厚みをｄ、節Ｐの高さをＨ、空洞４４の基板表面における開口幅（以下、表面開口幅という。）をＵ、空洞４４の基板裏面における開口幅（以下、裏面開口幅という。）をＤとすれば、第１及び第２の斜面４７ａ、４７ｂの傾斜角はα＝５４°であるから、空洞４４の裏面開口幅Ｄは、つぎの数式１で表される。
　　　Ｄ＝Ｕ＋２×（ｄ－Ｈ）／tanα－２×Ｈ／tanα
　　　　＝Ｕ＋２×（ｄ－２×Ｈ）／tanα　　　　　　　…（数式１）
よって、数式１によれば、裏面開口幅Ｄを表面開口幅Ｕよりも小さく（Ｄ＜Ｕ）した場合には、ｄ／２＜Ｈとなることが分かる。すなわち、節Ｐが基板４２の厚み方向の中心よりも上に位置する。また、節Ｐの高さＨは基板４２の表面よりも下に位置していなければならない（Ｈ＜ｄ）ので、空洞４４の空洞幅Ｄは、
　　　Ｄ＞Ｕ－２×ｄ／tanα　　　　　　　…（数式２）
となる。
　ダイアフラム４３はほぼ矩形状の導電性を有する薄膜であって、四隅からそれぞれ対角方向へ向けて脚部４８が延出している。ダイアフラム４３は、空洞４４の表面開口４４ａを覆うようにして基板４２の上方に配置され、各脚部４８は支持台４９によって基板４２の表面に固定されている。
　基板４２の表面には、ダイアフラム４３と間隙を隔ててダイアフラム４３の上方を覆うようにして剛性を有するバックプレート４５を設けている。バックプレート４５の上面には金属材料によって固定電極４６が設けられている。また、バックプレート４５には、固定電極４６に導通した電極パッド５１と、ダイアフラム４３と導通した電極パッド５２を設けている。バックプレート４５及び固定電極４６には、複数の音響孔５０が開口されている。
　この音響センサ４１に空洞４４側から音響振動が進入し、あるいは音響孔５０を通過してバックプレート４５側から音響振動が進入すると、音響振動に感応してダイアフラム４３が振動する。振動によってダイアフラム４３が変位することによってダイアフラム４３と固定電極４６との距離が変化するので、ダイアフラム４３と固定電極４６との間の静電容量が変化し、それによって音響振動が電気信号に変換されて音響センサ４１から出力される。
　図１２は、音響センサ４１をケーシング６２内に実装したマイクロフォンモジュール６１の断面図である。ケーシング６２は、平板状のベース６３と、ベース６３の上面を覆う蓋状のカバー６４からなり、カバー６４の上面には音響導入口６５が開口している。音響センサ４１は、上下反転させた状態でカバー６４の下面に固定されている。音響センサ４１は、空洞４４が音響導入口６５と連続するように実装されており、空洞４４が音響センサ４１のフロントチャンバとなっている。また、ケーシング６２内に形成された空間６６が音響センサ４１のバックチャンバとなっている。
　音響センサ４１を用いたマイクロフォンモジュール６１によれば、空洞４４の裏面開口幅や裏面開口面積を小さくできるので、裏面開口４４ｂから空洞４４内に塵や埃が侵入しにくくなり、ダイアフラム１３に塵や埃が付着して音響センサ４１の特性が変化したり、劣化したりするのを抑制することができる。
　また、空洞４４の裏面開口を小さくした分だけ基板４２の裏面の面積が広くなるので、音響センサ４１の実装面を広くすることができる。その結果、音響センサ４１をケーシング６２にダイボンドするときの固定強度や安定性を向上させることができる。特に、ダイボンドされた音響センサ４１の傾きを小さくでき、音響センサ４１の実装姿勢を安定させることができる。
　さらに、空洞４４の表面開口面積はダイアフラム４３の面積にほぼ等しいので、空洞４４の裏面開口面積を表面開口面積より小さくすることにより、空洞４４の容積を小さくできる。その結果、音響センサ４１の高周波特性が向上する。図１３に実線で示す曲線は、音響センサ４１の周波数－感度特性を表す。図１３に破線で示す曲線は、空洞４４の裏面開口面積が表面開口面積よりも大きくて空洞４４の容積が大きい場合の周波数－感度特性を表している。このように空洞４４の裏面開口面積を表面開口面積よりも小さくし、空洞４４の容積を小さくすると、図１４に実線で示す曲線のように周波数－感度特性の共振部分（ピーク部）が高周波側へシフトするので、周波数－感度特性のフラットな領域が可聴帯域の上限よりも高周波側へ延び、良好な特性を得ることができる。
　また、音響センサ４１では、節Ｐの高さＨを変化させることで空洞４４の裏面開口幅又は裏面開口面積を変化させることができ、それによって空洞４４の容積も調整することができる。
　さらに、音響センサ４１では、以下に説明するように、裏面側からのエッチングのみによって基板４２に空洞４４を形成することができるので、ダイアフラム４３やバックプレート４５にエッチング孔を開口する必要が無い。そのため、空洞４４から進入した音響振動がダイアフラム４３に加わらないでエッチング孔から漏れるおそれがなく、音響センサ４１の音響抵抗が大きくなって、低周波数領域における感度特性の劣化（図７参照）を防ぐことができる。
（実施形態１の音響センサの製造方法）
　つぎに、図１４及び図１５に従って、本発明の実施形態１による音響センサ４１の製造方法を説明する。音響センサ４１はウエハ上で多数個一度に製造されるが、以下の説明では、１個の音響センサ４１だけを図示して説明する。
　まず、一般的なＭＥＭＳ技術を用いて、図１４（Ａ）に示すように、（１００）面Ｓｉ基板４２の表面にセンサ構造物を作製しておく。すなわち、基板４２の表面に、ポリシリコンからなる犠牲層７１、ダイアフラム４３、ダイアフラム４３の脚部４８を支持させるための支持台４９、バックプレート４５の外周部下面を支持させるための支持部７２、ＳｉＯ２からなる保護膜７３、７４、ＳｉＮからなるバックプレート４５、金属膜（たとえば下層Ｃｒ／上層Ａｕの二層膜）からなる固定電極４６や電極パッド５１、５２を作製しておく。ここで、犠牲層７１は、空洞４４の表面開口４４ａを形成しようとする領域において、ダイアフラム４３とほぼ同じ面積に形成される。保護膜７３、７４はダイアフラム４３の表面を覆っている。バックプレート４５及び固定電極４６には、複数の音響孔５０を開口しておく。また、基板４２の裏面はＳｉＯ２からなる保護膜７５によって覆っておく。
　この後、ＤＲＩＥなどの方法によって基板４２を裏面側から上方へ向けてドライエッチングし、図１４（Ｂ）に示すように、基板４２に柱状の貫通孔７６を明ける。この際、ドライエッチングによって犠牲層７１を貫通孔７６の上面に露出させる必要があるが、ドライエッチングにより貫通孔７６の直上で犠牲層７１がエッチングされても差し支えないので、エッチング深さについては精密な制御は必要ない。また、この貫通孔７６は、水平断面が空洞４４の裏面開口４４ｂとほぼ等しくなるように形成する。
　ついで、基板４２の裏面側から貫通孔７６内にＴＭＡＨなどのエッチング液を導入する。エッチング液は、基板４２と犠牲層７１に対してエッチング特性を有するが、保護層７３、７５に対してはエッチング特性を有しないものである。よって、貫通孔７６内に浸入したエッチング液によって犠牲層７１がエッチング除去され、基板４２の表面に沿ってエッチング液が広がっていき、エッチング液は基板４２を表面側からエッチングする。こうして基板４２は、図１５（Ａ）に示すように、貫通孔７６の周囲においてその表面から裏面側へ向けて異方エッチングされると同時に、貫通孔７６の内壁面からも異方性エッチングされる。
　この結果、図１６に示すように、基板４２の表面からの異方性エッチングによって、犠牲層７１の端を通る斜面４７ａが形成され、貫通孔７６の内壁面からの異方性エッチングによって貫通孔７６の内壁面の下端を通る斜面４７ｂが形成される。こうして、図１５（Ｂ）のように貫通孔７６から広がった空間によってバレル状の空洞４４が形成される。
　この後、表面側の保護膜７３、７４や裏面側の保護膜７５をエッチングにより除去することで、図１０のような音響センサ４１が作製される。
　上記のような製造方法によれば、基板４２の裏面側からのドライエッチング及びウェットエッチングだけでバレル状の空洞４４を形成することができるので、基板４２の表面側のセンサ構造物には空洞４４を作製するためのエッチング孔をあける必要がない。そのため、空洞４４側から進入した音響振動に対する音響抵抗を高めることでき、低周波数領域における感度の低下を抑制できる。
　上記製造方法から分かるように、空洞４４の表面開口幅は犠牲層７１の幅によって決まり、空洞４４の裏面開口幅はドライエッチングにより開口された貫通孔７６の幅によって決まる。ただし、空洞４４の裏面開口幅は、オーバーエッチングのために、貫通孔７６の幅よりも若干広くなる。
（実施形態１の変形例）
　図１０に示した音響センサ４１は、バレル型の空洞４４を有している。これに対し、節Ｐをできるだけ基板４２の表面に近づけ、第１の斜面４７ａの領域を小さくすれば、図１７に示すようにほぼテーパー状の空洞４４を裏面側からのみのエッチングによって形成することができる。
　また、断面の方向によって節Ｐの高さが異なっていてもよい。たとえば、図１１の基板４２において、Ｘ－Ｘ断面における節Ｐの高さがＨ１、Ｙ－Ｙ断面における節Ｐの高さがＨ２となっていて、節Ｐの高さＨ１、Ｈ２が互いに異なっていてもよい。図１８（Ａ）は、この基板４２のＸ－Ｘ断面を表し、図１８（Ｂ）は基板４２のＹ－Ｙ断面を表す。節Ｐの高さがＨ１＜Ｈ２であるとすると、このような形状の空洞４４では、空洞４４の、基板４２の表面に平行な断面の面積（以下、水平断面積という。）は、基板４２の表面から裏面へ向かうにつれて、以下のように変化する。基板４２の表面から高さＨ２までの間では、Ｘ－Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加し、Ｙ－Ｙ断面でも表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加するので、空洞４４の水平断面積は比較的大きな増加率で次第に増加する。高さＨ２から高さＨ１までの間では、Ｘ－Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に増加しているが、Ｙ－Ｙ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少するので、空洞４４の水平断面積の増減はほぼゼロになるか、小さな増減となる。高さＨ１から基板４２の裏面までの間では、Ｘ－Ｘ断面では表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少し、Ｙ－Ｙ断面でも表面から裏面へむけて断面の幅が次第に減少するので、空洞４４の水平断面積は比較的大きな減少率で次第に減少する
　なお、音響振動を電気信号に変換する変換手段としては、上記のように固定電極を用いた静電容量式のものに限らず、たとえばピエゾ抵抗を用いてダイアフラムの歪みを検出するタイプのものでもよい。
（実施形態２）
　図１９（Ａ）に示すものは、本発明の実施形態２による音響センサ８１の断面図である。この音響センサ８１では、空洞４４の対向する壁面どうしの間で節Ｐの高さＨ３、Ｈ４を異ならせ、壁面の断面形状を互いに異ならせている。このとき一方の節Ｐの高さＨ４は、基板４２の厚みの１／２よりも高い位置にあるが、他方の節Ｐの高さＨ３は基板４２の厚みの１／２よりも高い位置にあってもよく、低い位置にあってもよい。
　このような非対称な空洞４４を形成するには、実施形態１に述べた音響センサの製造方法において、ドライエッチングによって基板４２に貫通孔７６を明ける際に、図１９（Ｂ）に示すように、貫通孔７６の中心を犠牲層７１の水平方向の中心からずらせておけばよい。
　また、貫通孔７６は、基板４２の表面に垂直な方向から見て、全体が犠牲層７１と重なり合っている必要はなく、少なくとも一部が犠牲層７１と重なり合っていればよい。ただし、貫通孔７６の開口幅又は開口面積は、犠牲層７１の幅又は面積よりも小さくなければならない。
　空洞４４が、Ｘ－Ｘ断面においても、Ｙ－Ｙ断面においても図１９（Ａ）のような同じ断面形状を有している場合には、高さがＨ３＜Ｈ４であるとすると、空洞４４の水平断面積は、基板４２の表面から裏面へ向かうにつれて、以下のように変化する。基板４２の表面から高さＨ４までの間では、空洞４４の水平断面積は比較的大きな増加率で次第に増加する。高さＨ４から高さＨ３までの間では、空洞４４の水平断面積の増減はほぼゼロになるか、小さな増減となる。また、高さＨ３から基板４２の裏面までの間では、空洞４４の水平断面積は比較的大きな減少率で次第に減少する。
　また、Ｘ－Ｘ断面においてもＹ－Ｙ断面においても図１９（Ａ）のように対向する壁面どうしで節Ｐの高さが異なっており、さらにＸ－Ｘ断面とＹ－Ｙ断面で各節Ｐの高さがことなっていて空洞４４が４つの異なる高さの節Ｐを有していても差し支えない。

Claims (12)

  1. 　表面から裏面へ貫通した空洞を有する基板と、
    　前記空洞を覆うようにして前記基板の表面側に配設された薄膜状のダイアフラムと、
    　前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段と、
    を備えた音響センサであって、
    　前記空洞は複数の壁面を有し、
    　前記壁面のうち少なくとも１つの壁面は、前記基板の表面と前記基板の厚み方向中間部との間において、前記基板の表面から前記中間部へ向かうにつれて次第に前記基板の外側へ向かって広がった第１の斜面と、前記中間部と前記基板の裏面との間において、前記中間部から前記基板の裏面へ向かうにつれて次第に前記基板の内側へ向かって狭まった第２の斜面とで構成されており、
    　前記第１の斜面及び第２の斜面で構成された壁面に垂直な断面において、前記基板の裏面における前記空洞の開口幅が前記基板の表面における前記空洞の開口幅よりも小さいことを特徴とする音響センサ。
  2. 　前記壁面のうち対向する少なくとも一対の壁面が、前記第１の斜面と前記第２の斜面で構成され、
    　前記第１の斜面と第２の斜面で構成された壁面のうち少なくとも一対の対向する壁面においては、第１の斜面と第２の斜面との境界の、前記基板の裏面から測った高さが、互いに対向する前記壁面どうしで異なっていることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  3. 　前記基板の厚みをｄ、前記第１及び第２の斜面の傾斜角をα、前記第１及び第２の斜面で構成された前記壁面に垂直な断面における前記空洞の前記基板の表面における開口幅と前記基板の裏面における開口幅をそれぞれＵ、Ｄとするとき、つぎの条件
    　　　Ｄ ＞　Ｕ－２×ｄ／tanα
    を満たすことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  4. 　前記空洞は、
    　前記基板の表面における開口の近傍領域においては、前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面から裏面側へ向かうにつれて次第に増加し、
    　前記基板の裏面における開口の近傍領域においては、前記基板表面に平行な断面の面積が、前記基板の表面側から裏面へ向かうにつれて次第に減少している
    ことを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  5. 　前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が次第に増加した後、前記基板の表面と裏面の中間において当該断面の面積が増加から減少に転じていることを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
  6. 　前記基板の表面から裏面へ向かうにつれて、前記空洞の前記基板表面に平行な断面の面積が比較的大きな増加率で次第に増加し、当該断面の面積の増減が小さくなった後、当該断面の面積が比較的大きな減少率で次第に減少していることを特徴とする、請求項４に記載の音響センサ。
  7. 　前記空洞のうち、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が増加している領域の厚みが、前記基板の表面から裏面に向けて前記基板表面に平行な断面の面積が減少している領域の厚みよりも小さいことを特徴とする、請求項５又は６に記載の音響センサ。
  8. 　前記ダイアフラムは、導電性材料によって形成され、
    　前記変換手段は、前記基板の表面側において、前記ダイアフラムと平行となるように配置された固定電極であることを特徴とする、請求項１に記載の音響センサ。
  9. 　請求項１に記載した音響センサを製造するための方法であって、
    　前記基板の表面に犠牲層を作製する工程と、
    　前記犠牲層の上方に薄膜状のダイアフラムを作製する工程と、
    　前記ダイアフラムの変位に基づいて音響振動を電気信号に変換する変換手段を作製する工程と、
    　前記基板の裏面から前記基板をドライエッチングすることにより、前記基板の厚み方向に沿って裏面から表面まで前記基板に孔を貫通させて、前記基板の裏面に平行な一方向における開口幅が前記犠牲層の幅よりも小さな貫通孔を前記基板に形成する工程と、
    　前記貫通孔へエッチング液を導入し、前記犠牲層をエッチング除去しながら前記基板の表面から前記基板を異方性エッチングするとともに、前記貫通孔の内壁面から前記基板を異方性エッチングして前記基板に前記空洞を形成する工程と、
    を備えた音響センサの製造方法。
  10. 　前記犠牲層は、前記空洞の表面開口に対応する領域に形成され、
    　前記貫通孔は、前記基板の裏面側における開口が、前記空洞の裏面開口と対応する領域に形成されることを特徴とする、請求項９に記載の音響センサの製造方法。
  11. 　前記貫通孔を形成する工程において、前記貫通孔の中心を前記犠牲層の水平方向における中心からずらせて、前記貫通孔を形成することを特徴とする、請求項９に記載の音響センサの製造方法。
  12. 　前記貫通孔は、前記基板の表面に垂直な方向から見て、少なくとも一部が前記犠牲層と重なり合っていることを特徴とする、請求項１１に記載の音響センサの製造方法。
PCT/JP2012/071800 2011-08-30 2012-08-29 音響センサ及びその製造方法 WO2013031811A1 (ja)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201280021455.0A CN103503481A (zh) 2011-08-30 2012-08-29 声音传感器及其制造方法
EP20120828211 EP2753099A4 (en) 2011-08-30 2012-08-29 ACOUSTIC SENSOR AND METHOD FOR MANUFACTURING SAME
US14/112,219 US20140225204A1 (en) 2011-08-30 2012-08-29 Acoustic sensor and method for manufacturing same

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2011-186833 2011-08-30
JP2011186833A JP5267627B2 (ja) 2011-08-30 2011-08-30 音響センサ及びその製造方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2013031811A1 true WO2013031811A1 (ja) 2013-03-07

Family

ID=47756292

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2012/071800 WO2013031811A1 (ja) 2011-08-30 2012-08-29 音響センサ及びその製造方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20140225204A1 (ja)
EP (1) EP2753099A4 (ja)
JP (1) JP5267627B2 (ja)
CN (1) CN103503481A (ja)
WO (1) WO2013031811A1 (ja)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103281661A (zh) * 2013-05-09 2013-09-04 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems麦克风结构及其制造方法
US9681234B2 (en) 2013-05-09 2017-06-13 Shanghai Ic R&D Center Co., Ltd MEMS microphone structure and method of manufacturing the same

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014143218A1 (en) * 2013-03-13 2014-09-18 Rolls-Royce North American Technologies, Inc. Gas turbine engine and electrical system comprising electrical buses
CN103686568B (zh) * 2013-12-23 2017-01-18 山东共达电声股份有限公司 一种指向性mems传声器及受音装置
CN105203235B (zh) * 2014-06-19 2018-04-13 中芯国际集成电路制造(上海)有限公司 一种mems压力传感器的制造方法和电子装置
WO2017015516A1 (en) * 2015-07-23 2017-01-26 Knowles Electronics, Llc Microphone with humidity sensor
CN107548000B (zh) * 2016-06-29 2019-12-03 中芯国际集成电路制造(北京)有限公司 一种mems麦克风及其制作方法
KR101776752B1 (ko) 2016-09-02 2017-09-08 현대자동차 주식회사 마이크로폰
US9961464B2 (en) * 2016-09-23 2018-05-01 Apple Inc. Pressure gradient microphone for measuring an acoustic characteristic of a loudspeaker
KR102035242B1 (ko) * 2017-06-08 2019-10-22 (주)다빛센스 음향전달장치 및 그 제조방법
CN113412579B (zh) * 2019-02-12 2024-08-27 株式会社村田制作所 压电装置
US11804416B2 (en) * 2020-09-08 2023-10-31 UTAC Headquarters Pte. Ltd. Semiconductor device and method of forming protective layer around cavity of semiconductor die
CN112995865A (zh) * 2021-02-23 2021-06-18 荣成歌尔微电子有限公司 Mems芯片及其加工方法、及mems麦克风
CN112995870B (zh) * 2021-03-01 2022-11-22 歌尔微电子股份有限公司 Mems芯片及其加工方法、以及mems麦克风
EP4380182A1 (en) * 2022-12-01 2024-06-05 Infineon Technologies AG Monolithic integration of mems sound transducer and environmental barrier

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007295487A (ja) 2006-04-27 2007-11-08 Omron Corp マイクロフォンの製造方法
JP2008271568A (ja) * 2008-04-28 2008-11-06 Omron Corp 振動センサ
US7514287B2 (en) 2005-10-03 2009-04-07 Touch Micro-System Technology Inc. Method of forming a cavity by two-step etching and method of reducing dimension of a MEMS device
JP4539450B2 (ja) 2004-11-04 2010-09-08 オムロン株式会社 容量型振動センサ及びその製造方法

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AU4801297A (en) * 1996-10-07 1998-05-05 Lucas Novasensor Silicon at least 5 micron high acute cavity with channel by oxidizing fusion bonding and stop etching
CN100455142C (zh) * 2005-06-03 2009-01-21 瑞声声学科技(深圳)有限公司 电容式微机电结构声音传感器
JP4144640B2 (ja) * 2006-10-13 2008-09-03 オムロン株式会社 振動センサの製造方法
JP2009033698A (ja) * 2007-06-22 2009-02-12 Panasonic Corp ダイアフラム構造及び音響センサ
KR100970894B1 (ko) * 2008-09-19 2010-07-20 주식회사 씨에스티 음／전 변환 소자 및 그 제조방법
JP5158442B2 (ja) * 2009-02-27 2013-03-06 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP5092167B2 (ja) * 2009-03-24 2012-12-05 三菱電機株式会社 半導体圧力センサおよびその製造方法
JP5299254B2 (ja) * 2009-12-14 2013-09-25 三菱電機株式会社 半導体圧力センサ及びその製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4539450B2 (ja) 2004-11-04 2010-09-08 オムロン株式会社 容量型振動センサ及びその製造方法
US7514287B2 (en) 2005-10-03 2009-04-07 Touch Micro-System Technology Inc. Method of forming a cavity by two-step etching and method of reducing dimension of a MEMS device
JP2007295487A (ja) 2006-04-27 2007-11-08 Omron Corp マイクロフォンの製造方法
JP2008271568A (ja) * 2008-04-28 2008-11-06 Omron Corp 振動センサ
JP4273438B2 (ja) 2008-04-28 2009-06-03 オムロン株式会社 マイクロフォン

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2753099A4

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103281661A (zh) * 2013-05-09 2013-09-04 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems麦克风结构及其制造方法
WO2014180131A1 (zh) * 2013-05-09 2014-11-13 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems麦克风结构及其制造方法
US9681234B2 (en) 2013-05-09 2017-06-13 Shanghai Ic R&D Center Co., Ltd MEMS microphone structure and method of manufacturing the same
CN103281661B (zh) * 2013-05-09 2019-02-05 上海集成电路研发中心有限公司 一种mems麦克风结构及其制造方法

Also Published As

Publication number Publication date
EP2753099A4 (en) 2015-04-29
JP5267627B2 (ja) 2013-08-21
JP2013051465A (ja) 2013-03-14
CN103503481A (zh) 2014-01-08
EP2753099A1 (en) 2014-07-09
US20140225204A1 (en) 2014-08-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5267627B2 (ja) 音響センサ及びその製造方法
US8502329B2 (en) Micro-electro-mechanical systems (MEMS) device and method for fabricating the same
US8415717B2 (en) Acoustic sensor
US9756430B2 (en) MEMS process and device
US8094844B2 (en) Micro acoustic transducer and manufacturing method therefor
JP2008099212A (ja) コンデンサマイクロホン及びその製造方法
US9326081B2 (en) Microphone, acoustic sensor, and method of manufacturing acoustic sensor
KR101431370B1 (ko) 음향 트랜스듀서, 및 그 음향 트랜스듀서를 이용한 마이크로폰
US20080006093A1 (en) Pressure sensor and manufacturing method therefor
KR20130039504A (ko) 멤스 마이크로폰 및 그 제조 방법
KR20140000173A (ko) 조절 가능한 통기 개구부를 갖는 ｍｅｍｓ 구조물
JP6390423B2 (ja) 音響センサおよび音響センサの製造方法
KR101764314B1 (ko) 음향 센서 및 그 제조 방법
CN102963856B (zh) 微机电系统装置及其制造方法
JP2009033698A (ja) ダイアフラム構造及び音響センサ
TWI448165B (zh) 麥克風元件及其製造方法
JP2007194913A (ja) コンデンサマイクロホン及びその製造方法
US12069455B2 (en) Process of fabricating lateral mode capacitive microphone including a capacitor plate with sandwich structure
KR101700571B1 (ko) 멤스 마이크로폰
JP2008244752A (ja) 静電型圧力変換器
JP2008022501A (ja) コンデンサマイクロホン及びその製造方法
JP6662509B2 (ja) Ｍｅｍｓ素子
US20110141854A1 (en) Acoustic sensor and method of fabricating the same
TWI697999B (zh) Ｍｅｍｓ裝置及製程
JP2008054307A (ja) シリコンマイクロホン

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 12828211

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2012828211

Country of ref document: EP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 14112219

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE