专利名称：静电电容式振动传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及静电电容式传感器，特别是，涉及使用MEMS (Micro Electro Mechanical System)技术或微型机械技术制作的微小尺寸的静电电容式传感器。
背景技术：
(制作方法)微小尺寸的静电电容式传感器如上所述利用MEMS技术或微型机械技术来制作。 例如现有的静电电容式振动传感器(微型话筒)通过图1(a) (f)所示的工序进行制作。 以下，对该工序进行简单地说明。首先，如图1(a)所示，通过热氧化法使Si基板11的表面氧化，通过热氧化膜(S^2 膜)12对Si基板11的表面进行保护。然后，如图1 (b)所示，在Si基板11的上表面在热 氧化膜12之上通过多晶硅膜形成振动电极板13 (可动电极板)。如图1(c)所示，从振动 电极板13之上在Si基板11的上表面堆积由SW2构成的保护层14，通过对该保护层14进 行蚀刻而形成台面型的保护层14。另外，从其上向Si基板11的上表面堆积SiN，由此形成 背板15，在背板15之上形成由金属薄膜构成的固定电极16，形成由背板15以及固定电极 16构成的固定电极板17。然后，如图1(d)所示，通过蚀刻在固定电极板17上开设多个音 响孔18。然后，如图1 (e)所示，在背面侧的热氧化膜12上开设窗19，从该窗19对Si基板 11进行各向异性蚀刻，由此形成空洞部20。使空洞部20到达Si基板11的上表面而使空 洞部20贯通Si基板11。接着，如图1 (f)所示，通过空洞部20和音响孔18将保护层14蚀 刻除去，在Si基板11与固定电极板17之间的空间设置可振动的振动电极板13，得到片状 的振动传感器23。图2 (a)表示如上制作的振动传感器23的示意俯视图，图2(b)是将固定电极板17 除去而使振动电极板13露出的状态的俯视图。在此，符号M是与固定电极板17的固定电 极16导通的电极盘，符号25是与振动电极板13导通的电极盘。另外，振动电极板13的四 角部分成为固定在Si基板11上的支承脚26。(问题点)但是，在现有的振动传感器23中，由于如图1(a) (f)所示地进行制作，故而背 板15的固定部附近、特别是从固定部的端立起的侧壁部的强度容易下降。图3(a)、(b)是 说明在振动传感器的制作工序中侧壁部的强度下降的理由的图。图3(a)是在台面型保护层14之上堆积SiN而形成有背板15的状态的局部放大 剖面图，表示图1(c)的初始工序。在SiN的堆积工序中，膜生长速度在竖直方向上最大，故 而在背板15中的水平面，膜厚变得最大，在侧壁部21，膜厚比水平面的薄。并且，在侧壁部 21，膜质比水平面的差。另夕卜，在图1(e)的形成空洞部20的工序中，利用TMAH或KOH液对Si基板11进 行湿式蚀刻，或使用XeF2气体进行干式蚀刻，形成空洞部20，但此时，同时地也对背板15多少进行蚀刻，特别是侧壁部21的厚度容易变薄。另外，在将图1(f)的保护层14蚀刻除去的工序中，利用氢氟酸水溶液进行湿式蚀 刻或使用CF系气体进行干式蚀刻将保护层14除去，但与此同时液对背板15多少进行蚀 刻，特别是侧壁部21的厚度容易变薄。这样，如图3(b)中的箭头标记所示地，背板15被蚀刻的结果，侧壁部21的厚度变 薄，膜质也差，故而背板15的侧壁部21的强度比其他部位的强度小。并且，如图3(b)所示， 在背板15的固定部22与侧壁部21的边界部，在形成背板15时、对Si基板11和保护层14 进行蚀刻时容易产生裂纹α。因此，对振动传感器23施加来自外部的冲击时，没有释放应力的部位，应力集中 在背板15的侧壁部21和侧壁部21与固定部22的边界部，会在背板15上产生裂纹或破碎。另外，通过将背板15成膜时的膜厚增大，能够提高背板15的强度，但在这样的对 策方法中，由于成膜时间变长，振动传感器23的生产性变差，背板的加工精度降低，故而不 实用。(专利文献1的公开)在专利文献1中公开有如下的传感器，S卩，通过将背板(氮化硅的薄膜板)的侧壁 部形成肋结构，提高背板的刚性，防止背板翘曲。在这样的构造中，在背板的侧壁部形成有 肋结构，故而看起来似乎侧壁部的强度提高。但是，如该构造这样地将侧壁部形成肋结构，不能够防止对基板和保护层蚀刻时 的背板的蚀刻，不能够使形成背板时的侧壁部的膜质良好，对于提高侧壁部的强度是无效 的。通过将侧壁部形成肋结构，在从外部施加冲击时，应力容易集中在肋上，容易在侧 壁部和其基部等产生裂纹或破损。专利文献1 日本特开2007-116721号公报(图13、图14)
发明内容
本发明是鉴于上述技术课题而提出的，其目的在于提供一种静电电容式传感器， 使构成电容器的可动电极板和固定电极板中位于外侧的固定电极板的强度提高，并且可提 高耐冲击性和耐破损性。本发明的静电电容式传感器具有基板、配置在所述基板的上表面的可动电极板、 将所述可动电极板覆盖而配置在所述基板上表面的固定电极板，所述静电电容式传感器根 据所述可动电极板与所述固定电极板之间的静电容量或其变化来检测物理量或其变化，其 中，所述固定电极板通过侧壁部支承隔着空间与所述基板的上表面相对的部分，所述侧壁 部设置在不隔着空间而固定在所述基板的上表面的部分的内缘，在所述侧壁部的至少一部 分形成有加强膜。在本发明的静电电容式传感器中，由于在固定电极板中、位于固定在所述基板的 区域的内缘的侧壁部形成有加强膜，故而通过加强膜可提高固定电极板的侧壁部的强度。 另外，在静电电容式传感器的制造工序中对基板等进行蚀刻时，在被加强膜覆盖的区域，能 够抑制固定电极板与基板等一同被蚀刻而使厚度变薄的状况。因此，在本发明中，能够防止 由来自外部的冲击等使固定电极板破损的问题，能够提高静电电容式传感器的耐冲击性和耐破损性。本发明的静电电容式传感器的一方面，所述加强膜由金属形成，所述加强膜与所 述可动电极板及所述固定电极板都电绝缘。根据该方面，由于由金属形成加强膜，故而在形 成固定电极板之外的电极时，能够同时地形成加强膜，能够将静电电容式传感器的制造工 序简单化。另外，即使在形成固定电极板时在固定电极板上产生裂纹，在固定电极板上形成 加强膜时，作为加强膜的材料的具有塑性的金属也会侵入裂纹内而将裂纹埋住，故而对裂 纹进行一定程度的修复。并且，由于金属制的加强膜不与固定电极板和可动电极板导通，故 而通过形成有加强膜而对固定电极板与可动电极板之间的电容造成影响。另外，所述加强膜由从Au、Cr及Pt中选择的至少一种材料形成为好。由于Au、 Cr、Pt具有耐化学药品性，故而若由Au、Cr、Pt形成加强膜，则在形成有加强膜后的蚀刻工 序(例如基板和保护层的蚀刻工序)中将加强膜蚀刻而不易变薄，加强膜的强度不易降低。另外，所述加强膜与所述可动电极板的导电区域以及所述固定电极板的导电区域 都不重合为好。由于金属制的加强膜与可动电极板的导电区域以及固定电极板的导电区 域都不重合，故而在加强膜与可动电极板之间或加强膜与固定电极板之间不易产生寄生容 量，能够抑制由寄生容量引起的静电电容式传感器的灵敏度降低。本发明的静电电容式传感器的另一方面，所述加强膜设置在所述侧壁部的外表 面。由于固定电极板大多将外周部固定在基板上，固定电极板的裂纹和破损容易在固定电 极板的侧壁部产生，故而根据该方面，通过将加强膜设置在侧壁部的外表面，能够有效地防 止固定电极板的裂纹和破损。另外，由于将加强膜设置在固定电极板的外表面，故而能够将 加强膜与固定电极板的固定电极同时形成，可将静电电容式传感器的制造工序简单化。本发明的静电电容式传感器的又一方面，所述加强膜设置在所述侧壁部的内表 面。由于固定电极板大多将外周部固定在基板上，固定电极板的裂纹和破损容易在固定电 极板的侧壁部产生，故而根据该方面，通过将加强膜设置在侧壁部的内表面，能够有效地防 止固定电极板的裂纹和破损。另外，所述加强膜形成在所述侧壁部的外表面或内表面中的至少任一方的、与所 述可动电极板的导电区域及所述固定电极板的导电区域都不重合的区域中除了与该区域 相邻的用于绝缘的区域之外的整体上为好。加强膜如前所述地不与固定电极板和可动电极 板导通，另外不与固定电极板的导电区域和可动电极板的导电区域重合而设置在尽可能宽 的面积，由此，能够尽可能地提高侧壁部的强度。另外，本发明的用于解决上述课题的方式具有将以上说明的构成要素适当组合的 特征，本发明能够通过将上述构成要素组合而进行多种变更。
图1(a) (f)是说明现有的静电电容式振动传感器的制作工序的概略剖面图；图2(a)是由图1(a) (f)的工序制作的振动传感器的概略俯视图，图2 (b)是从 图2(a)的振动传感器除去固定电极板而使振动电极板露出的状态的概略俯视图；图3(a)、(b)是说明在振动传感器的制作工序中固定电极板的强度降低的理由的 图；图4是表示本发明实施方式1的振动传感器的立体图5是实施方式1的振动传感器的分解立体图；图6是沿图4的X-X线的概略剖面图；图7 (a)是示意地表示实施方式1的振动传感器的俯视图，图7 (b)是从图7 (a)的 振动传感器除去固定电极板而使振动电极板露出的状态的概略俯视图；图8是表示比较例的振动传感器的概略俯视图9是沿图8的Y-Y线的剖面图10(a) (f)是说明实施方式1的静电电容式振动传感器的制作工序的概略剖面图11是示意地表示本发明实施方式2的振动传感器的俯视图12是示意地表示本发明实施方式3的振动传感器的俯视图13是实施方式3的振动传感器的概略剖面图14(a) (f)是说明实施方式3的静电电容式振动传感器的制作工序的概略剖面图。
符号说明
31、51、61 振动传感器
32娃基板
34振动电极板
35固定电极板
37支承脚
38膜片
39背板
40固定电极
41音响孔
42固定部
43侧壁部
44加强膜
45引出部
46电极盘
47延伸部
48电极盘
49保护层
具体实施例方式以下，参照
本发明的优选实施方式。在以下的实施方式中，将作为静电电 容式传感器的一种的静电电容式振动传感器(特别是音响传感器)作为例子进行说明，但 本发明也可适用于振动传感器以外的部件。(第一实施方式)以下，参照图4 图7说明本发明实施方式1的振动传感器31。图4是表示实施 方式1的振动传感器31的立体图，图5是其分解立体图。图6是沿图4的X-X线的概略剖面图。另外，图7(a)是示意地表示实施方式1的振动传感器的俯视图。图7(b)是从图 7 (a)的振动传感器取下固定电极板后使振动电极板露出的状态的概略俯视图。该振动传感器31为静电电容式传感器，在硅基板32的上表面经由绝缘覆膜33设 置振动电极板34(可动电极板)，在其之上隔开微小间隙(空隙)设有固定电极板35。如图5所示，在硅基板32之上设有由棱柱状的贯通孔或截棱锥形状的凹部等构成 的空洞部36 (在图中表示上下贯通的空洞部36)。硅基板32的尺寸在俯视时为1 1. 5mm 见方(也可以更小)，硅基板32的厚度为400 500 μ m左右。在硅基板32的上表面形成 有由氧化膜(SiO2膜)等构成的绝缘覆膜33。振动电极板34由膜厚为Iym左右的多晶硅薄膜形成。振动电极板34为大致矩 形的薄膜，在其四角部分朝向对角方向外侧而延伸有支承脚37。另外，从支承脚37之一延 伸有延伸部47。振动电极板34将空洞部36的上表面覆盖而配置在硅基板32的上表面，将 四角的各支承脚37和延伸部47固定在绝缘覆膜33之上。在振动电极板34中空洞部36 的上方被悬空支承的部分(在本实施方式中，支承脚37以及延伸部47以外的部分)构成 为膜片38 (振动膜)，其感应音压而振动。固定电极板35在由氮化膜构成的背板39的上表面设有由金属薄膜构成的固定电 极40。如图6所示，固定电极板35在与膜片38相对的区域隔开3 μ m左右的微小间隙而将 膜片38覆盖，固定电极40与膜片38相对而构成电容器。固定电极板35的外周部、即与膜 片38相对的区域的外侧部分经由氧化膜等构成的绝缘覆膜33而固定在硅基板32的上表 面。以下将该被固定的部分称为固定部42。从固定电极40延伸出引出部45，在引出部45的前端设有与固定电极40导通的电 极盘46 (Au膜)。此外，在固定电极板35上设有与振动电极板34的延伸部47相接合并使 之与振动电极板；34导通的电极盘48 (Au膜)。电极盘46配置在背板39的上表面，电极盘 48位于背板39的开口内。另外，固定部42的沿内周缘的区域的一部分利用由金属膜构成 的加强膜44将背面39的外表面覆盖。在固定电极40及背板39上，从上表面贯通到下表面而开设有多个用于使音压 (振动)通过的音响孔41 (音孔)。另外，振动电极板34与音压共振而振动，因此，虽然为 Ιμπι左右的薄膜，但是固定电极板35是不能被音压而激振的电极，所以其厚度较厚，例如 为2μπι以上。但是，该振动传感器31中，若音响振动(空气的疏密波)从表面侧到达，则该音响 振动通过固定电极板35的音响孔41而到达膜片38并使膜片38振动。若膜片38振动，则 膜片38与固定电极板35之间的间隙距离变化，故而由此使膜片38与固定电极40之间的 静电容量变化。由此，对电极盘46、48之间施加直流电压，若将该静电电容的变化作为电信 号而获得，则能够将声音的振动转换成电信号而检测出。(加强膜的构成)图7(a)、(b)为了便于理解实施方式1的基本结构而将图4及图5所示的构造简 单化而表示。以下，代替图4及图5，使用图7(a)、(b)说明加强膜44的构成。另外，关于 后述的实施方式2、3也同样地使用简略化的图进行说明。如图6及图7(a)所示，背板39的外周部、即固定部42固定在硅基板32的上表面， 其内侧的区域从硅基板32的上表面浮起而与振动电极板34相对。从硅基板32浮起的背板39的上表面与固定部42之间成为相对于水平面倾斜的侧壁部43。如背景技术中说明 地，固定电极板35的侧壁部43的强度容易下降，故而在本实施方式中，沿侧壁部43在其一 部分形成有加强膜44。加强膜44使用在对硅基板32和保护层等进行蚀刻时不易被蚀刻(或者蚀刻率 小)的材料为好。另外，加强膜44为在冲击下不易破损的材料为好，故而不为脆性材料，为 具有延展性或韧性的材料为好。因此，作为加强膜44，使用金属材料为好，特别是Au、Cr、Pt 等不易被蚀刻液侵蚀的材料为好。加强膜44的理想材料为Au膜。其理由是，通过使用Au膜在制作电极盘46、48时， 可同时地制作加强膜44。另外，Au膜是延展性优良的金属，适用于加强膜44。另外，Au膜 的耐化学药品性优良，不易被蚀刻液侵蚀。加强膜44形成为上层Au膜/下层Cr膜的双层结构为好。Cr膜与其他材料的紧 密贴合性优良，故而通过在下层使用Cr膜，能够提高Au膜与背板39的紧密贴合力。并且， Cr膜的耐化学药品性良好。另外，由于Cr膜的耐化学药品性和与其他材料的紧密贴合性良好，故而加强膜44 也适合单独使用Cr膜。接着，对加强膜44的方式进行说明。如图6所示，加强膜44向固定部42及背板 39的上表面延伸。即，在背板39的成膜时由加强膜44将容易产生裂纹的侧壁部43的上端 和下端的弯曲部分覆盖。另外，如图7(a)所示，加强膜44不与固定电极板35的导电区域(固定电极40、引 出部45、电极盘46)和振动电极板34的导电区域(振动电极板34自身)接触，并且不与固 定电极板35的导电区域和振动电极板34的导电区域重合，以此方式设置在侧壁部43的一 部分。其中，以不与固定电极板35和振动电极板34的导电区域接触且不重合的限度，由加 强膜44将侧壁部43的尽可能大的面积覆盖，增大侧壁部43的强度，故而优选。即，在侧壁 部43的与振动电极板34的导电区域以及固定电极板35的导电区域都不重合的区域中、除 了与该区域邻接的用于绝缘的区域之外的整体上形成有加强膜44为好。加强膜44不与固定电极板35的导电区域和振动电极板34的导电区域接触或重 合的理由通过与图8及图9所示的比较例(不希望的例子)进行比较而说明。另外，图9 是图8的Y-Y线剖面图。在图8及图9所示的比较例中，遍及侧壁部43的整周设有加强膜44。如该比较 例，若金属制的加强膜44通过引出部45，则加强膜44与引出部45接触而使加强膜44和固 定电极板35导通，使振动传感器31的特性变化或灵敏度降低。另外，通过延伸部47上方的加强膜44伸出到电极盘48之上，或由于电极焊盘48 的位置偏移而使电极焊盘48与加强膜44接触的话，通过加强膜44将振动电极板34和固 定电极板35短路，振动传感器31成为不合格件。另外，在加强膜44不与电极盘48接触的情况下，若加强膜44通过延伸部47的上 方，则如图9所示，在加强膜44与振动电极板34之间产生寄生容量C，由寄生容量C会使传 感器灵敏度降低。对此，在本实施方式的振动传感器31中，将加强膜44部分地除去而使加强膜44 不通过振动电极板34的导电区域和固定电极板35的导电区域，故而能够避免加强膜44与固定电极40等的导通、振动电极板34与固定电极板35的短路、产生寄生容量这样的不良 情况，能够良好地保持振动传感器31的灵敏度和特性。(制造方法)由图10(a) (f)说明实施方式1的振动传感器31的制造方法。首先，如图10(a) 所示，通过热氧化法使硅基板32的表面氧化，由绝缘覆膜33 (SW2膜)将硅基板32的表面 覆盖。接着，如图10(b)所示，在硅基板32的上表面，在绝缘覆膜33之上由多晶硅膜形成 振动电极板；34。如图10(c)所示，从振动电极板34之上向硅基板32的上表面堆积由SW2 构成的保护层49，通过将保护层49蚀刻而形成台面型的保护层49。另外，通过从其之上向 硅基板32的上表面堆积SiN，形成背板39，在背板39的上表面形成由金属薄膜构成的固定 电极40，形成由背板39以及固定电极40构成的固定电极板35。另外，通过溅射法等在背 板39的侧壁部43及其附近形成加强膜44。此时，若固定电极40和加强膜44为相同材料， 则能够由一个工序同时制作固定电极40和加强膜44，能够将制作工序简略化。接着，如图10(d)所示，通过蚀刻在固定电极板35上开设多个音响孔41。然后，如 图10(e)所示，在背面侧的绝缘覆膜33上开设窗50，从该窗50对硅基板32进行各向异性 蚀刻，由此形成空洞部36。然后，使空洞部36到达硅基板32的上表面而使空洞部36贯通 硅基板32。接着，如图10(f)所示，通过空洞部36和音响孔41而将保护层49蚀刻除去，在 硅基板32与固定电极板35之间的空间设置可振动的振动电极板34，得到片状的振动传感 器31 ο(作用效果)在本实施方式的振动传感器31中，由于具有上述的构造，故而能够由加强膜44加 强背板39 (特别是在制造工序中强度容易下降的侧壁部4 。另外，在硅基板32开设空洞 部的工序、将保护层49蚀刻除去的工序中，由具有耐蚀刻性的加强膜44将侧壁部43覆盖， 由此能够防止侧壁部43被蚀刻侵蚀而使壁厚变薄。另外，在形成背板39的工序中，会在背 板39的侧壁部43产生裂纹，但若在侧壁部43形成由塑性材料即金属构成的加强膜44，则 裂纹被加强膜44的金属填埋而被修复。这样，能够由加强膜44提高背板39的机械强度， 故而振动传感器31的耐冲击性、耐破损性提高，振动传感器31的耐久性和寿命提高。(第二实施方式)图11是示意地表示本发明实施方式2的振动传感器的俯视图。在该实施方式中， 仅在背板39的侧壁部43及其附近区域中、俯视时相当于侧壁部43的四角部分的区域设有 加强膜44。图11是示意地表示振动传感器51的图，由实施方式1的详细图即图4及图5可 知，侧壁部43的四角部分实际上与振动电极板34的支承脚37对齐而向对角方向外侧突 出。因此，在侧壁部43之中，特别是四角部分的强度容易下降。由此，在实施方式2中，在 侧壁部43中强度最容易下降的最小限区域形成有加强膜44。(第三实施方式)图12是表示本发明实施方式3的振动传感器61的概略俯视图。图13是实施方 式3的振动传感器61的概略剖面图。该实施方式在背板39的侧壁部43及其附近区域的 内表面设有加强膜44。在侧壁部43的内表面设置加强膜44时，与第一实施方式同样地，加强膜44不与固定电极板35的导电区域和振动电极板34的导电区域接触，另外加强膜44不与固定电极 板35的导电区域和振动电极板34的导电区域重合。另外，由于将加强膜44设置在最小限 度的区域，故而也能够仅在侧壁部43的内表面的四角部分设置加强膜44。图14(a) (f)是说明实施方式3的振动传感器61的制造工序的概略剖面图。该 制造工序与图10所示的实施方式1的制造工序大致相同。不同点在于，在图14(c)中在保 护层49的侧壁面预先形成有加强膜44。在形成加强膜44之后如图14(d)所示地在保护层 49之上形成背板39，由此在背板39的侧壁部43的内表面形成加强膜44。在该实施方式中，如图14(f)所示将保护层49蚀刻除去时，能够由加强膜44保护 侧壁部43，故而在相对于用于保护层49的蚀刻的腐蚀剂而言背板39的材料的蚀刻率较高 的情况下是有效的。另外，显然也可以在侧壁部43的内表面和外表面两面分别设有加强膜44。
权利要求
1.一种静电电容式传感器，具有基板、配置在所述基板的上表面的可动电极板、将所述 可动电极板覆盖而配置在所述基板上表面的固定电极板，所述静电电容式传感器根据所述可动电极板与所述固定电极板之间的静电容量或其 变化来检测物理量或其变化，其特征在于，所述固定电极板通过侧壁部支承隔着空间与所述基板的上表面相对的部分，所述侧壁 部设置在不隔着空间而固定在所述基板的上表面的部分的内缘，在所述侧壁部的至少一部分形成有加强膜。
2.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜由金属形成，所述加强膜与所述可动电极板以及所述固定电极板都电绝缘。
3.如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜由从Au、Cr及Pt 中选择的至少一种材料形成。
4.如权利要求2所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜与所述可动电极 板的导电区域以及所述固定电极板的导电区域都不重合。
5.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜设置在所述侧壁 部的外表面。
6.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜设置在所述侧壁 部的内表面。
7.如权利要求1所述的静电电容式传感器，其特征在于，所述加强膜形成在所述侧壁 部的外表面或内表面中的至少任一方的、与所述可动电极板的导电区域及所述固定电极板 的导电区域都不重合的区域中除了与该区域相邻的用于绝缘的区域之外的整体上。
全文摘要
本发明提供一种静电电容式振动传感器。在硅基板(32)上形成贯通其表面背面的贯通孔等空洞部(36)。振动电极板(34)将空洞部(36)的上面侧的开口覆盖而配置在硅基板(32)的上表面。固定电极板(35)与振动电极板(34)隔开微小间隙而将振动电极板(34)的上方覆盖，周边部固定在硅基板(32)的上表面。固定电极板(35)通过侧壁部支承隔着空间与硅基板(32)的上表面相对的部分，所述侧壁部设置在不隔着空间而固定在硅基板(32)上表面的部分的内缘，固定电极板(35)的侧壁部的外表面被Au、Cr、Pt等金属构成的加强膜(44)覆盖。
文档编号H04R19/04GK102124755SQ200980131929
公开日2011年7月13日 申请日期2009年2月20日 优先权日2008年8月27日
发明者笠井隆, 西尾英俊, 饭田信行 申请人:欧姆龙株式会社