麦克风的制作方法

专利名称：麦克风的制作方法
技术领域：
本发明涉及麦克风，特别是涉及具有膜片这样的元件薄膜 的麦克风。
背景技术：
目前正应用半导体集成电路制造技术对如下的振动传感器进行开发，该振动传感 器在硅基板上层积单晶硅或多晶硅而形成薄膜，并且将该薄膜用作膜片。由硅构成的膜片 与铝或钛等金属相比，内部应力少且密度低，因此能够得到灵敏度高的振动传感器，并且与 半导体集成电路制造工序的匹配性良好。作为这样的具有膜片的振动传感器，具有例如专 利文献1所公开的电容式麦克风。在该电容式麦克风中，在由单晶硅(100)面构成的半导 体基板的表面形成有膜片(可动电极)和固定电极之后，在该半导体基板的背面外周部形 成蚀刻用掩模，从背面侧到表面蚀刻半导体基板，在半导体基板的中央部开设有贯通孔。其 结果是，膜片将其周围固定在半导体基板的表面，中央部中空地支承在贯通孔之上，可由声 音振动等而振动。但是，在这种结构的电容式麦克风中，对(100)面半导体基板从背面侧进行晶体 各向异性蚀刻，因此在贯通孔的内周面出现基于(111)面的倾斜面，贯通孔成为在背面侧 较大开口的截棱锥形的空间。因此，与膜片的面积相比，贯通孔背面侧的开口面积变大，难 以将电容式麦克风小型化。另外，若减小半导体基板的厚度，则能够减小贯通孔背面的开口 面积相对于表面的开口面积的比率，但是由于半导体基板的强度降低，故而制造时的处理 变难，对半导体基板厚度减薄也有限。另外，在专利文献2记载的膜型传感器中，通过所谓的DRIE(De印Reactive Ion Etching 深度反应离子蚀刻)或ICP (电感耦合等离子体)等的垂直蚀刻，在半导体基板从 背面侧开设有贯通孔。因此，贯通孔不扩展成截棱锥形状，相应地，能够谋求膜型传感器的 小型化。但是，在DRIE或ICP等装置中，装置价格较高且晶片的加工多样，生产性不佳。另外，也具有从表面侧(膜片侧)对半导体基板进行晶体各向异性蚀刻的方法，但 在这样的方法中，不得不在膜片上开设蚀刻孔，随时间的增加，蚀刻孔会对膜片的振动特性 和强度等造成不良影响。另外，作为对(100)面半导体基板从背面侧进行晶体各向异性蚀刻而在基板上形 成贯通孔、并且可减少背面的开口面积相对于表面的开口面积的比率的蚀刻方法，具有专 利文献3记载的方法。在该方法中，在作为半导体基板的硅晶片表面上未开设的矩形区域 首先形成保护层，在其之上蒸镀由氮化硅构成的薄膜，故而硅晶片背面的开口面积只要是 可通过各向异性蚀刻使贯通孔到达该保护层的大小即可。但是，在该蚀刻方法中，在对蚀刻表面的保护层之后的基板进行蚀刻时，薄膜曝露在基板的蚀刻剂中，故而作为薄膜的材料不能够使用单晶硅或多晶硅。另外，由于薄膜直接形成在基板上，故而难以增设用于薄膜的应力控制、用于提高通气孔等、振动传感器的特性 的工序及结构。因此，专利文献3公开的蚀刻方法不适用于麦克风等需要高灵敏度的振动 传感器的制造方法。专利文献1 (日本)特表2004-506394号公报专利文献2 (日本)特表2003-530717号公报专利文献3 (日本)特开平1-309384号公报

发明内容
本发明是鉴于上述技术问题而作出的，其目的在于提供一种小型且生产性高、振 动特性优良的振动传感器及其制造方法。本发明第一方面的振动传感器的制造方法，其特征在于，包括如下工序在由单晶 硅构成的半导体基板的一部分表面由如下材料形成保护层，所述材料被用于蚀刻所述半导 体基板的蚀刻剂各向同性地蚀刻；在所述保护层及所述保护层周围的所述半导体基板的表 面之上，由对所述蚀刻剂具有抗蚀性的材料形成元件薄膜保护膜；在所述保护层的上方形 成由单晶硅、多晶硅或非晶硅构成的元件薄膜；在形成于所述半导体基板背面的背面保护 膜开设背面蚀刻窗，所述背面保护膜对蚀刻所述半导体基板用的蚀刻剂具有抗蚀性；通过 利用蚀刻剂从所述背面蚀刻窗对所述半导体基板从背面侧进行晶体各向异性蚀刻，在该蚀 刻到达所述半导体基板的表面后，利用所述蚀刻剂对所述保护层进行各向同性蚀刻，并且 利用在所述保护层被蚀刻除去后的印记空间中扩展的所述蚀刻剂，对所述半导体基板从表 面侧进行晶体各向异性蚀刻，在所述半导体基板形成贯通孔；将所述元件薄膜保护膜部分 地除去而使其一部分残留，利用残留的所述元件薄膜保护膜在所述半导体基板的上面设置 用于支承所述元件薄膜的保持部。根据本发明第一方面的振动传感器的制造方法，由于对由单晶硅构成的半导体基 板从表背两面进行晶体各向异性蚀刻而形成有贯通孔，故而贯通孔的开口面积不会比元件 薄膜的面积大很多，能够实现振动传感器的小型化。因此，由一张晶片可制作的元件数量增 力口，能够降低振动传感器的成本。另外，根据本发明第一方面的振动传感器的制造方法，能 够通过一次蚀刻工序从两面形成贯通孔，故而制造工序简单化。另外，由于在保护层与元件 薄膜之间形成有保护膜，故而所述元件薄膜在由对半导体基板的蚀刻剂具有抗蚀性的材料 形成的情况下，也能够防止在形成贯通孔时元件薄膜被蚀刻剂侵蚀。另外，由于所述元件薄 膜由单晶硅、多晶硅或非晶硅形成，故而能够得到生产性高且灵敏度高的振动传感器。本发明第二方面的振动传感器的制造方法，其特征在于，包括如下工序在由单晶 硅构成的半导体基板的一部分表面由如下材料形成保护层，所述材料对蚀刻所述半导体基 板用的第一蚀刻剂具有抗蚀性；在所述保护层及所述保护层周围的所述半导体基板的表面 之上，由对所述第一蚀刻剂具有抗蚀性的材料形成元件薄膜保护膜；在所述保护层的上方 形成由单晶硅、多晶硅或非晶硅构成的元件薄膜；在形成于所述半导体基板背面的背面保 护膜开设背面蚀刻窗，所述背面保护膜对蚀刻所述半导体基板用的蚀刻剂具有抗蚀性；利 用第一蚀刻剂从所述背面蚀刻窗对所述半导体基板从背面侧进行晶体各向异性蚀刻；在基 于所述第一蚀刻剂进行的蚀刻到达所述半导体基板的表面之后，利用第二蚀刻剂从所述半导体基板的背面侧对所述保护层进行各向同性蚀刻；在所述保护层被蚀刻之后，通过在所 述保护层被蚀刻除去后的印记空间中从所述半导体基板的背面侧开始再次使用所述第一 蚀刻剂，对所述半导体基板从表面侧进行晶体各向异性蚀刻，在所述半导体基板形成贯通 孔；将所述元件薄膜保护膜部分地除去而使其一部分残留，通过残留的所述元件薄膜保护 膜在所述半导体基板的上面设置用于支承所述元件薄膜的保持部。根据本发明第二方面的振动传感器的制造方法，由于对半导体基板从表背两面进 行晶体各向异性蚀刻而形成有贯通孔，故而贯通孔的开口面积不会比元件薄膜的面积大很 多，能够实现振动传感器的小型化。因此，由一张晶片可制作的元件数量增加，并且能够降 低振动传感器的成本。根据第二方面的振动传感器的制造方法，由于在贯通孔的晶体各向 异性蚀刻的工序和蚀刻保护层的工序中更换蚀刻剂，故而选择第一蚀刻剂和第二蚀刻剂时 的制约减少。另外，由于所述元件薄膜由单晶硅、多晶硅或非晶硅形成，故而能够得到生产 性高且灵敏度高的振动传感器。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的实施方式，其特征在于， 在所述保持部之间形成使所述元件薄膜的表面侧与背面侧连通的通气孔。根据该实施方 式，由于能够形成长度长的通气孔，故而在用于麦克风等时，能够增大其音响电阻，可得到 良好的音响特性。另外，由于能够由通气孔将元件薄膜的表面侧和背面侧连通，故而能够使 元件薄膜表背的静压力均衡。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的另一实施方式，其特征在 于，所述元件薄膜为矩形。根据该实施方式，能够有效地利用对单晶硅基板进行晶体各向异 性蚀刻而形成的开口部。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的又一实施方式，其特征在 于，在所述元件薄膜的四角部设有所述保持部。根据该实施方式，由于元件薄膜能够柔软地 变形，故而振动传感器的灵敏度提高。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的再一实施方式，其特征在 于，通过将所述保护层形成在所述元件薄膜的形成区域的一部分，使所述元件薄膜弯曲。根 据该实施方式，能够增大元件薄膜的位移或减少由应力引起的挠曲。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的其它实施方式，其特征在 于，通过将所述保护层设置在所述元件薄膜的形成区域的一部分，在所述元件薄膜的表面 形成有突起。根据该实施方式，在元件薄膜的上方配置有电极等的情况下，能够防止变形了 的元件薄膜与电极等面接触而粘贴于其上。本发明第一方面或第二方面的振动传感器的制造方法的其它实施方式，其特征在 于，所述贯通孔内部的与所述开口平行的截面的面积比所述贯通孔表面的开口面积大。根 据该实施方式，由于能够增大贯通孔的体积，故而在将振动传感器用于音响传感器时、能够 增大音响声顺。本发明第一方面的振动传感器的制造方法的其它实施方式，其特征在于，所述保护层为多晶硅或非晶硅。根据该实施方式，能够与蚀刻由单晶硅构成的半导体基板同时地 蚀刻保护层，可简化工序。另外，由于多晶硅或非晶硅的温度耐受性高，能够在之后的工序 中使用高温工艺，并且与半导体集成电路制造工序的匹配性也良好。本发明第三方面提供一种麦克风的制造方法，包括如下工序在由单晶硅构成的半导体基板的一部分表面由如下材料形成保护层，所述材料被用于蚀刻所述半导体基板的 蚀刻剂各向同性地蚀刻；在所述保护层及所述保护层周围的所述半导体基板的表面之上， 由对所述蚀刻剂具有抗蚀性的材料形成元件薄膜保护膜；在所述保护层的上方形成由单晶 硅、多晶硅或非晶硅构成的元件薄膜；在所述元件薄膜的上方形成固定电极；在形成于所 述半导体基板背面的背面保护膜开设背面蚀刻窗，所述背面保护膜对蚀刻所述半导体基板 用的蚀刻剂具有抗蚀性；通过利用蚀刻剂从所述背面蚀刻窗对所述半导体基板从背面侧进 行晶体各向异性蚀刻，在该蚀刻到达所述半导体基板的表面后，利用所述蚀刻剂对所述保 护层进行各向同性蚀刻，并且利用在所述保护层被蚀刻除去后的印记空间中扩展的所述蚀 亥IJ剂，对所述半导体基板从表面侧进行晶体各向异性蚀刻，在所述半导体基板形成贯通孔； 将所述元件薄膜保护膜部分地除去而使其一部分残留，利用残留的所述元件薄膜保护膜在 所述半导体基板的上面设置用于支承所述元件薄膜的保持部。根据本发明第三方面的麦克风，由于对半导体基板从表背两面进行晶体各向异性 蚀刻而形成有贯通孔，故而贯通孔的开口面积不会比元件薄膜的面积大很多，能够实现振 动传感器的小型化。由此，由一张晶片可制作的元件数量增加，能够降低振动传感器的成 本。另外，根据本发明第三方面的麦克风的制造方法，由于能够从半导体基板的背面侧开始 晶体各向异性蚀刻而对半导体基板从表背两面进行晶体各向异性蚀刻，故而无需在元件薄 膜上设置蚀刻孔，不会降低元件薄膜的强度或使元件薄膜的特性变化。并且，根据该制造方 法 ，能够通过一次蚀刻工序从两面形成贯通孔，故而制造工序简单化。本发明第四方面提供一种麦克风的制造方法，包括如下工序在由单晶硅构成的 半导体基板的一部分表面由如下材料形成保护层，所述材料对蚀刻所述半导体基板用的第 一蚀刻剂具有抗蚀性；在所述保护层及所述保护层周围的所述半导体基板的表面之上，由 对所述第一蚀刻剂具有抗蚀性的材料形成元件薄膜保护膜；在所述保护层的上方形成由单 晶硅、多晶硅或非晶硅构成的元件薄膜；在所述元件薄膜的上方形成固定电极；在形成于 所述半导体基板背面的背面保护膜开设背面蚀刻窗，所述背面保护膜对蚀刻所述半导体基 板用的蚀刻剂具有抗蚀性；利用第一蚀刻剂从所述背面蚀刻窗对所述半导体基板从背面侧 进行晶体各向异性蚀刻；在基于所述第一蚀刻剂进行的蚀刻到达所述半导体基板的表面之 后，利用第二蚀刻剂从所述半导体基板的背面侧对所述保护层进行各向同性蚀刻；在所述 保护层被蚀刻除去之后，在所述保护层被蚀刻除去后的印记空间中从所述半导体基板的背 面侧开始再次使用所述第一蚀刻剂，对所述半导体基板从表面侧进行晶体各向异性蚀刻， 在所述半导体基板形成贯通孔；将所述元件薄膜保护膜部分地除去而使其一部分残留，通 过残留的所述元件薄膜保护膜在所述半导体基板的上面设置用于支承所述元件薄膜的保 持部。根据本发明四方面的麦克风，由于对半导体基板从表背两面进行晶体各向异性蚀 刻而形成有贯通孔，故而贯通孔的开口面积不会比元件薄膜的面积大很多，能够实现振动 传感器的小型化。因此，由一张晶片可制作的元件数量增加，并且能够降低振动传感器的成 本。根据第四方面的制造方法，由于能够从半导体基板的背面侧开始晶体各向异性蚀刻而 对半导体基板从表背两面进行晶体各向异性蚀刻，故而无需在元件薄膜设置蚀刻孔，不会 降低元件薄膜的强度或使元件薄膜的特性变化。并且，根据该制造方法，由于在贯通孔的晶 体各向异性蚀刻的工序和蚀刻保护层的工序更换蚀刻剂，故而选择第一蚀刻剂和第二蚀刻剂时的制约减少。本发明提供一种振动传感器，其特征在于，包括半导体基板，其由单晶硅构成，形成有贯通表面背面的贯通孔；保持部，其配置在所述半导体基板的表面上，通过对蚀刻所述 半导体基板而形成贯通孔的蚀刻剂具有抗蚀性的材料而构成；元件薄膜，其覆盖所述贯通 孔的基板表面侧的开口，角部被所述保持部支承，所述贯通孔的与基板表面平行的截面的 面积随着从所述半导体基板的表面朝向背面而逐渐减少或增加，并且在所述半导体基板的 表面与背面的中间，从减少转为增加或从增加转为减少。根据本发明的振动传感器，由于所述贯通孔的与基板表面平行的截面的面积随着 从所述半导体基板的表面朝向背面而逐渐减少或增加，并且在所述半导体基板的表面与背 面的中间，从减少转为增加或从增加转为减少，故而能够使半导体基板表面的贯通孔的开 口面积与背面的贯通孔的开口面积的比率接近1，可实现振动传感器的小型化。另外，由于 可增大贯通孔的体积，故可在将振动传感器用于音响传感器时增大音响声顺。另外，本发明以上说明的构成要素可在适当范围内任意地组合。


图1 (a)是表示本发明第一实施方式的振动传感器的构造的平面图，图1 (b)是其 剖面图；图2(a) (d)是说明第一实施方式的振动传感器的制造工序的剖面图；图3 (a) (d)是接着图2 (d)来说明第一实施方式的振动传感器的制造工序的剖 面图；图4(a) (c)是接着图3(d)来说明第一实施方式的振动传感器的制造工序的剖 面图；图5(a)是表示本发明第二实施方式的振动传感器的平面图，图5(b)是其剖面 图；图6(a) (d)是说明第二实施方式的振动传感器的制造工序的剖面图；图7(a) (d)是接着图6(d)来说明第二实施方式的振动传感器的制造工序的剖 面图；图8(a)是表示本发明第三实施方式的振动传感器的构造的平面图，图8(b)是其 X-X线剖面图；图9(a)、(b)是说明第三实施方式的振动传感器的制造工序的平面图及剖面图；图10(a) (d)是接着图9来说明第三实施方式的振动传感器的制造工序的剖面 图；图ll(a)、(b)是接着图10(d)来说明第三实施方式的振动传感器的制造工序的平 面图及剖面图；图12(a)、(b)是接着图11来说明第三实施方式的振动传感器的制造工序的平面 图及剖面图；图13(a)、(b)是接着图12来说明第三实施方式的振动传感器的制造工序的平面 图及剖面图；图14(a)是表示本发明第四实施方式的振动传感器的构造的平面图，图14(b)是其剖面图；图15(a)是表示本发明第四实施方式的其它振动传感器的构造的平面图，图15(b)是其剖面图；图16是说明通气孔的作用的图；图17(a) (C)是表示继续进行蚀刻直至贯通孔的内周面凹陷的工序的剖面图；图18(a)是本发明的麦克风的平面图，图18 (b)是去掉背板72后的状态的麦克风 的平面图；图19是上述麦克风的剖面图；图20(a) (d)是表示本发明的麦克风的制造工序的剖面图；图21(a) (d)是接着图20(d)来表示本发明的麦克风的制造工序的剖面图。附图标记说明11 振动传感器12 硅基板13 元件薄膜14 贯通孔18 保持部20、21 保护膜22 蚀刻窗23 保护层24、25:保护膜26 背面蚀刻窗31 振动传感器32 保护层33 保护膜41 振动传感器42:弯曲部43 挡块44a 44e:保护层45、46 保护膜49:保护膜50 背面蚀刻窗71 麦克风72 背板73:金属电极74 声孔75 声孔
具体实施例方式以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。但本发明不限于以下的实施方式。
(第一实施方式)图1 (a)是表示本发明第一实施方式的振动传感器的构造的平面图，图1 (b)是其 剖面图。该振动传感器11例如用于半导体麦克风、超声波传感器等音响传感器、薄膜滤波 器等。振动传感器11具有硅基板12和元件薄膜13(膜片)。该硅基板12是(100)面基 板。硅基板12通过从背面侧蚀刻而设有贯通表背且纵横各向的边沿着(110)方向的矩形 贯通孔14。贯通孔14在表面侧和背面侧形成由(111)面构成的、或者由与(111)面等效的 晶体面构成的倾斜面15、17，在两倾斜面15、17之间形成有垂直面16。在此，垂直面16实 际上由(110)面、(311)面、(411)面等多个晶体面构成，但简单地由垂直面表示。因此，贯 通孔14边缘的基板截面形成在表面背面带锥形的形状。元件薄膜13覆盖上述贯通孔14的表面侧开口而配置在硅基板12的上面，下面的 整周通过保护部18被固定在硅基板12上面。通过保护膜18在贯通孔14的表面侧开口 (或者为硅基板12的表面的面)与元件薄膜13的背面之间形成有狭窄的间隙19。若为这种构造的振动传感器11，则尽管从背面侧蚀刻硅基板12而形成有贯通孔 14，与贯通孔14的表面侧开口相比，背面侧开口的面积并未变大。因此，不会像最初的现有 例那样为了形成贯通孔14而增大硅基板12的面积。硅基板12只要是能够安装元件薄膜 13以及根据需要还安装电路零件的大小即可，能够将振动传感器11小型化。接着，根据图2(a) (d)、图3(a) (d)以及图4(a) (c)说明上述振动传感器 11的制造工序。振动传感器11虽然在晶片上一次制造多个，但在以下的说明中，仅图示一 个振动传感器11进行说明。首先，如图2(a)所示，通过热氧化法等在(100)面硅基板12的表面及背面形成由 SiO2构成的保护膜20、21。然后，在硅基板12的表面使用光刻技术部分地除去欲形成上述 间隙19的区域的保护膜20，开设矩形的蚀刻窗22。从保护膜20之上开始在硅基板12的表面形成多晶硅薄膜，使用光刻技术除去盖 在保护膜20之上的多晶硅薄膜。由此，在蚀刻窗22内，在硅基板12的表面形成由多晶硅 薄膜构成的矩形保护层23。此时的状态表示在图2(b)中。接着，从保护层23之上开始在硅基板12的表面形成由SiO2构成的保护膜24，如 图2(c)所示，由保护膜24覆盖并遮住保护层23。然后，在保护膜24之上形成多晶硅薄膜，使用光刻技术将多晶硅薄膜的不需要部 分除去，如图2(d)所示，在保护膜24之上形成由多晶硅薄膜构成的元件薄膜13。另外，如 图3(a)所示，在元件薄膜13之上形成由SiO2构成的矩形保护膜25，由保护膜25覆盖并遮 住元件薄膜13。之后，如图3(b)所示，在硅基板12的背面使用光刻技术将保护膜21的一部分部 分地去除，在保护膜21矩形地开设背面蚀刻窗26。背面蚀刻窗26只要为使从背面蚀刻窗 26开始的晶体各向异性蚀刻到达硅基板12表面的大小即可，例如若为厚400 μ m的硅基板 12，则背面蚀刻窗26为一边长570 μ m左右的较小的背面蚀刻窗便足够。另外，保护层23 的纵横尺寸的大小由必须的元件薄膜13的纵横尺寸的大小决定，例如其一边为650μπι左 右ο开设背面蚀刻窗26之后，浸渍ΤΜΑΗ、Κ0Η、EDP等蚀刻剂(以下称为TMAH等蚀刻 齐U)而从背面蚀刻窗26进行蚀刻。TMAH等蚀刻剂对硅进行晶体各向异性蚀刻，故而在硅基板12的背面沿着(111)面及与其等效的晶体面(倾斜面17)进行蚀刻，在硅基板12的背 面形成截棱锥形的贯通孔14。这样，贯通孔14若到达硅基板12的表面，则如图3(c)所示，保护层23从贯通孔 14露出。由SiO2构成的保护膜20、21、24、25不被TMAH等蚀刻剂蚀刻，但由多晶硅构成的 保护层23被TMAH等蚀刻剂各向同性蚀刻。由此，若保护层23在贯通孔14内露出，则如图 3(d)所示，从在贯通孔14内露出的部分向周围蚀刻保护层23，在保护膜24与硅基板12的 表面之间形成间隙19。在该状态下，元件薄膜13以及保护膜24、25通过间隙19而自硅基板12的表面浮 起，故而能够作为薄膜起作用。但由于该间隙19为厚度薄的空间，故而若元件薄膜13以及 保护膜24、25振动，则引起衰减效果，使频率高的频带的振 动特性变差、或成为机械噪音的 原因，元件薄膜13及保护膜24、25容易向硅基板12粘附。为了防止上述状况，在元件薄膜 13的下方进一步继续进行硅基板12的蚀刻。另外，考虑如下的因素将间隙19 (保护层23)的厚度例如设计成1 μ m左右，即，厚 度较厚、其蚀刻速度加快，但厚度过厚则保护层23的成膜时间增加，或保护膜24的覆膜性 变差。另一方面，考虑振动传感器11的灵敏度和强度的综合调整而将元件薄膜13的厚度 设计成例如Iym左右。若在保护膜24与硅基板12的表面之间产生间隙19，则蚀刻剂侵入间隙19中并从 表面侧对硅基板12进行晶体各向异性蚀刻。该各向异性蚀刻中，在图4(a)中沿箭头标记 所示的方向进行蚀刻，在贯通孔14内形成倾斜面15。另外，在贯通孔14的边缘的尖端部分 蚀刻速度快，故而贯通孔14的内周面被倒角后形成垂直面16，贯通孔14被蚀刻成环形孔这 样的形状。这样，如图4(b)这样将保护层23完全蚀刻除去的时刻，从蚀刻剂中取出硅基板 12。在将硅基板12洗净之后，由HF水溶液等蚀刻由SiO2构成的保护膜20、21、24、25， 并且在如图4(c)所示在仅将保护膜24、24的一部分构成的保持部18残留时，蚀刻结束，进 行洗净及干燥而制成振动传感器11。这样若制作振动传感器11，则仅自硅基板12的背面侧进行蚀刻，能够开设背面侧 的面积小的贯通孔14，可将振动传感器11小型化。另外，通过仅从背面侧蚀刻能够开设贯 通孔14，故而无需在元件薄膜13开设蚀刻孔，减小了使振动传感器11的元件薄膜13的物 理特性变化或使元件表面13的强度降低的可能性。另外，贯通孔14背面侧的开口面积由在保护膜21开设的背面蚀刻窗26的大小决 定，贯通孔14表面侧的开口面积由保护层23的大小决定，故而根据上述制作方法，能够精 度良好地控制贯通孔14的开口面积。另外，在上述实施方式中，通过多晶硅形成保护层23，但也可以使用非晶硅。(第二实施方式)图5(a)是表示本发明第二实施方式的振动传感器31的平面图，图5 (b)是其剖面 图。在该振动传感器31中，覆盖贯通孔14的上面而在硅基板12之上形成由多晶硅构成的 元件薄膜13。元件薄膜13在硅基板12的上面通过保持部18支承外周部下面而从硅基板 12的上面浮起，被保持部18包围的区域可变形。图6(a) (d)及图7(a) (d)是说明该振动传感器31的制造工序的剖面图。以下，基于图6(a) (d)及图7(a) (d)说明振动传感器31的制造工序。首先，在硅基板12的上面形成SiO2薄膜之后，使用光刻技术除去SiO2薄膜的不需 要部分，如图6(a)所示，仅在欲使元件薄膜13从硅基板12的上面浮起的区域形成由SiO2 薄膜构成的保护层32。然后，从保护层32之上开始在硅基板12的表面形成由SiN构成的保护膜34，如图 6(b)所示，由保护膜34覆盖并遮住保护层32。接着，如图6(c)所示，在保护膜34的表面 形成由多晶硅构成的元件薄膜13。如图6(d)所示，从元件薄膜13之上开始在保护膜34的表面形成由SiN构成的保 护膜35，由保护膜35覆盖并遮住元件薄膜13。另外，在硅基板12的背面形成由SiO2之外 的材料构成的保护膜33。此时，若通过SiN薄膜形成保护膜33，则能够利用同一工序一次形 成保护膜34或保护膜35和保护膜33。在硅基板12的背面形成保护膜33之后，如图6 (d) 所示，使用光刻技术将保护膜 33的一部分矩形地开口，形成背面蚀刻窗26。背面蚀刻窗26 只要为使自背面蚀刻窗26的晶体各向异性蚀刻到达硅基板12表面的大小即可。开设有背面蚀刻窗26之后，将硅基板12浸渍在TMAH等蚀刻剂中而从背面蚀刻窗 26蚀刻硅基板12，并且在硅基板12上设置贯通孔14。TMAH等蚀刻剂是对硅进行晶体各向 异性蚀刻，故而在硅基板12的背面沿着(111)面及与其等效的晶体面进行蚀刻，然后如图 7(a)所示，贯通孔14到达硅基板12的表面而使保护层32在贯通孔14内露出。由SiO2构成的保护层32不被TMAH等蚀刻剂被蚀刻，故而保护层32露出后结束 该蚀刻处理，洗净硅基板12。然后，将硅基板12浸渍在HF水溶液中。
水溶液不侵入硅基板12，但将SiO2各 向同性地蚀刻，故而通过从硅基板12的背面侧进入贯通孔14中的HF水溶液，从露出部分 向周围蚀刻保护层32，如图7 (b)所示，在元件薄膜13与硅基板12的表面之间产生间隙19。通过蚀刻将保护层32完全除去之后，将硅基板12洗净，然后再次浸渍在TMAH等 蚀刻剂中。该蚀刻剂浸入间隙19中而从表面侧对硅基板12进行晶体各向异性蚀刻。其结 果，与实施方式1同样地，在贯通孔14的内周面对硅基板12的角进行倒角而形成倾斜面15 和垂直面16，贯通孔14被蚀刻成环形孔这样的形状。这样，如图7(c)所示形成有希望的贯 通孔14之后，从蚀刻剂中取出硅基板12，进行洗净以及干燥。最后，如图7(d)所示，通过加 热的磷酸水溶液等将由SiN构成的保护膜33、34、35除去，并且完成振动传感器31。若这样制作振动传感器31，则仅通过自硅基板12背面侧的蚀刻就能够开设背面 侧的面积小的贯通孔14，能够将振动传感器31小型化。另外，能够通过仅自背面侧的蚀刻 开设贯通孔14，故而无需在元件薄膜13上开设蚀刻孔，减小了使振动传感器13的元件薄膜 13的物理特性变化或使元件薄膜13的强度降低的可能性。另外，贯通孔14背面侧的开口面积由在保护膜33开设的背面蚀刻窗26的大小决 定，并且贯通孔14表面侧的开口面积由保护层32的大小决定，故而根据上述制造方法，能 够精度良好地控制贯通孔14的开口面积。另外，由于在贯通孔的晶体各向异性蚀刻的工序和蚀刻保护层的工序中更换蚀刻 齐IJ，故而减少在不同的工序选择蚀刻剂时的制约。另外，由于不从晶体各向异性蚀刻向各向 同性蚀刻连续进行，故而也具有能够在各蚀刻工序进行成品率检查等工序管理。另外，第一实施方式的情况下，由于通过同一蚀刻剂进行晶体各向异性蚀刻和各向同性蚀刻，故而在同一装置内连续进行晶体各向异性蚀刻和各向同性蚀刻，操作效率提 高。对此，在第二实施方式的情况下，晶体各向异性蚀刻和各向同性蚀刻为不同的工序，故 而晶体各向异性蚀刻的方法和各向同性蚀刻的方法的制约减少，例如各向同性蚀刻也可以 为使用除了水溶液之外的腐蚀性气体等的化学蚀刻。(第三实施方式)图8(a)是表示本发明第三实施方式的振动传感器41的构造的平面图，图8 (b)是图8(a)的X-X线剖面图。该振动传感器41在元件薄膜13上设有褶皱(皱)构造和挡块 43等功能部分。元件薄膜13的褶皱构造通过形成四边环状的两个弯曲部42而构成。各弯曲部42 使其截面向元件薄膜13的上面侧突出而弯曲。若这样在元件薄膜13上形成褶皱构造，则 使元件薄膜13的位移变大、或由应力引起的挠曲减少的技术内容记载在“The fabrication and use of micromachined corrugatedsilicon diaphragms" (J. H. Jerman, Sensors and Actuators A21_A23pp. 998—992，1992)。挡块43为使元件薄膜13的表面突出成圆形突起状的结构。在电容式振动传感器 (例如后述的麦克风等)的情况下，元件薄膜13为可动电极，在元件薄膜13的上面配置对 置电极(固定电极)。在电容式振动传感器的情况下，若在元件薄膜13的上面设置有挡块 43，则在元件薄膜13较大变形的情况下，通过使挡块43与固定电极抵接，能够防止由振动 传感器41的带电而引起的静电力、由附着水分而引起的毛细管力等使得元件薄膜13被吸 附在对置电极上的状况。图9(a)、(b)、图 10(a) (d)、图 11(a)、(b)、图 12(a)、(b)、图 13(a)、(b)是说明 上述振动传感器41的制造工序的图。以下，基于附图9 图13说明振动传感器41的制造 工序。首先，如图9(a)、(b)所示，在硅基板12的表面将由多晶硅薄膜构成的保护层形成为 规定图案。该保护层由位于中央部的四边形保护层44a、形成在弯曲部42的形成区域的四 边环状保护层44b、44c、将保护层44a 44c连接的线状的保护层44d、形成在挡块43的形 成区域的保护层44e构成。接着，如图10(a)所示，利用SiO2构成的保护膜45从保护层44a 44e之上覆盖 硅基板12的表面，在硅基板12的背面也形成由SiO2构成的保护膜46。此时，保护膜45形 成在各保护层44a 44e之上，故而在各保护层44a 44e的部分，保护膜45向上方突出。如图10(b)所示，在保护膜45之上形成由多晶硅薄膜构成的元件薄膜13。元件薄 膜13在各保护层44a 44e的区域隔着保护膜45而被各保护层44a 44e抬起，故而在 保护层44b、44c之上形成弯曲部42，在保护层44e之上形成挡块43。另外，在保护层44a 及44d之上也使元件薄膜13向上鼓起而形成突部47、48。另外，如图10 (c)所示，从元件薄膜13之上开始在保护膜45的表面形成由SiO2构 成的保护膜49，由保护膜49覆盖并遮住元件薄膜13，并且在硅基板12背面的保护膜46开 设背面蚀刻窗50。之后，将硅基板12浸渍在TMAH等蚀刻剂中而从背面蚀刻窗50进行晶体各向异性 蚀刻，在硅基板12的背面形成截棱锥形的贯通孔14。贯通孔14在硅基板12下面的蚀刻到 达背面蚀刻窗50的边缘时停止。若贯通孔14到达硅基板12的表面，则如图10(d)所示，保护层44a在贯通孔14露出。若保护层44a露出，则保护层44a被TMAH等蚀刻剂各向同性蚀刻。这样，从保护层44a 开始的各向同性的蚀刻，如图11 (a)中细线箭头标记所示，以保护层44a —保护层44d —保 护层44b —保护层44c这样的顺序进行。若蚀刻剂侵入将保护层44a 44d蚀刻后的间隙 中，则如图ll(a)、(b)及图12(a)(图12(a)表示硅基板12的表面)中粗线箭头标记所示， 从保护层44a 44d的被除去的痕迹的间隙51a 51d的边缘部进行硅基板12的晶体各 向异性蚀刻，从硅基板12的表面侧也进行贯通孔14的蚀刻。结果，在保护层44c外周的内侧区域，硅基板12的上面被蚀刻，在硅基板12形成被从表面侧和背面侧蚀刻的贯通孔14。另外，此时，通过蚀刻将保护层44e除去。这样，在 贯通孔14完全形成的时刻，从蚀刻剂中取出硅基板12。在洗净硅基板12之后，利用HF水溶液等蚀刻除去由SiO2构成的保护膜45、49，如 图13(a)、(b)所示，在元件薄膜13的四角部仅残留由保护膜45构成的保持部18时结束蚀 亥IJ，进行洗净及干燥而完成振动传感器41。在该实施方式中，也能够仅利用自硅基板12背面侧的蚀刻开设背面侧的面积小 的贯通孔14，能够将振动传感器41小型化。另外，由于能够利用仅自背面侧的蚀刻开设贯 通孔14，故而无需在元件薄膜13开设蚀刻孔，能够降低使振动传感器41的元件薄膜13的 物理特性变化、或使元件薄膜13的强度降低的可能性。另外，能够利用相同的工序容易地 在元件薄膜13上形成褶皱构造及挡块等。(第四实施方式)图14(a)是表示本发明第四实施方式的振动传感器61的构造的平面图，图14(b) 是其剖面图。在第一实施方式的振动传感器11中，在元件薄膜13的下面整周形成有保持 部18，但在第四实施方式的振动传感器61中仅在元件薄膜13的角部(四角部)形成有保 持部18。在第四实施方式的振动传感器61中，由于仅在元件薄膜13的角部设有保持部18， 故而在四边，通过元件薄膜13的保持部18间的通气孔63而将元件薄膜13的上面侧和下 面侧连通。图15(a)是表示本发明第四实施方式的其他振动传感器62的构造的平面图，图 15(b)是其剖面图。在该振动传感器62中，仅在元件薄膜13的一边形成有保持部18。在 该振动传感器62中，通过保持部18单臂状地支承元件薄膜13，故而元件薄膜13的上面侧 和下面侧通过三边的通气孔63而连通。如振动传感器61、62这样部分地形成保持部18时，在要形成保持部18的部分增 大保护膜的宽度，或增大距离蚀刻剂投入位置的距离(从蚀刻开始位置到终止位置的距 离)，若通过管理蚀刻时间而将一部分保护膜除去、将一部分保护膜残留，则可由残留的保 护膜形成保持部18。例如，在振动传感器61中，在远离中心的位置形成有保持部18。另 夕卜，在振动传感器62中，使一边的保护膜的宽度比其他三边的保护膜的宽度大而在蚀刻后 使其残留。振动传感器61、62这样的构造在作为麦克风(音响传感器)的用途中是理想的。 艮口，在振动传感器61、62中，元件薄膜13仅将一部分固定，故而元件薄膜13变得柔软而容 易弹性变形。因此，适于作为检测动压力差的麦克风等而使用。特别是在元件薄膜13为矩形的情况下，如振动传感器61这样仅将元件薄膜13 的四个角部固定，则元件薄膜13成为柔软的弹簧。另外，若基于仅将该四角部固定的固定方法，则元件薄膜13的大部分像平行平板那样地变形，故而电容式麦克风的灵敏度显著提
尚ο另外，元件薄膜13的四角部的固定部分形成向对角线方向延伸的形状以不使由 变形引起的来自外部的应力集中为好。另外，若在该延伸的部位连接电极焊盘73，则能够不 阻碍元件薄膜13的振动而从元件薄膜13取出电极。另外，由于保持部18的内部应力对元件薄膜13的振动特性产生影响，故而通过控 制保持部18的内部应力而使元件薄膜13的振动特性变化。例如，在元件薄膜13的拉伸应 力强的情况下，通过将保持部18形成具有压缩应力的氧化膜来减弱元件薄膜13的拉伸应 力，能够提高灵敏度。另外，根据振动传感器61、62这样的构造，由于在硅基板12的表面与元件薄膜13 之间具有通气性，故而能够在元件薄膜13的两面消除静压力差，能够起到通气孔的功能。在美国专利第5452268号等中，为了提高音响电阻而缩窄平面方向的通气孔的宽 度。但是，在缩窄通气孔宽度时具有工艺规则上的限度，并不能够起到多少效果。通气孔的电阻成分Rv由下式表示Rv = (8 · μ · t · a2) / (Sv2) ......(式 1)其中，μ为通气孔的摩擦损失系数、t为通气孔的通气方向长度、a为膜片的面积、 Sv为通气孔的截面面积。另外，麦克风的衰减频率fL(灵敏度降低的界限频率)由下式表 示Ι/fL = 2 π · Rv(Cbc+Csp) ......(式 2)其中，Rv为式(1)的电阻成分，Cbc为贯通孔14的音响声顺，Csp为元件薄膜13 的刚性常数。在振动传感器61、62中，如图16所示，能够增长硅基板12的上面与元件薄膜13 之间的通气孔63的长度t。由此，在振动传感器61、62中，由上述(式1)可知，能够通过增 长通气孔63的长度t来显著提高音响电阻。另外如上述(式2)可知，由于能够改善振动 传感器61、62的低频特性，故而作为麦克风可得到理想的特性。另外，贯通孔14的音响声顺(背腔的音响声顺)的Ccav由下式表示Ccav = Vbc/ ( P C2 · Sbc) ......(式 3)其中，Vbc为贯通孔14的体积(背腔体积)、P C2为空气的体积弹性率、Sbc为贯通孔14的开口部的面积。在振动传感器61、62中，通过从硅基板12的表背两面进行蚀刻，能够形成开口面 积比体积小的贯通孔14，故而由上述(式3)可知，能够提高贯通孔14的音响声顺，即使开 设通气孔63也不易降低灵敏度。另外，如图17(a)所示，在使贯通孔14的中央部向内侧突出而对贯通孔14进行晶 体各向异性蚀刻之后，继续进行蚀刻，直至经由图17(b)的状态最终成为图17(c)的状态， 在(111)面或与其等效的晶体面显现时停止贯通孔14的蚀刻。因此，若进行蚀刻直至形成 图17(c)的状态，则能够进一步增大贯通孔14的体积，可进一步提高音响声顺Ccav。或者， 在从图17(a)的状态向图17(c)的状态蚀刻时，可通过控制蚀刻时间而得到适当的贯通孔 14的体积和振动传感器的尺寸。另外，图17(c)的状态为晶体各向异性蚀刻的最终状态，由表面和背面的开口部大小和相对位置而决定背腔的形状。在成为最终状态时，即使增长蚀刻时间，也能够将背腔 (贯通孔14)的形状保持为大致一定，故而工艺稳定性良好，成品率提高。接着，对利用上述构造的振动传感器61构成的电容式麦克风71的构造及其制造 方法进行说明。图18(a)是麦克风71的平面图，图18(b)是去掉背板72后的状态下的麦 克风71 (即振动传感器61)的平面图，图19是麦克风71的剖面图。该麦克风71覆盖元件 薄膜13而在振动传感器61之上固定有背板72。背板72形成下面具有凹部的罩形状，在凹 部内收纳元件薄膜13而固定在硅基板12的表面。另外，在背板72的下面与元件薄膜13 之间形成有不妨碍元件薄膜13的振动程度的间隙。在背板72的上面设有金属电极73。金属电极73不如图18所示地设置在背板的 整个面上，而是设置在背板72的一部分、特别是与元件薄膜13的振幅较大的部分相对的部 位。这是为了减少寄生电容，提高静电式麦克风71的特性。如本实施方式这样地在四角部 固定元件薄膜13的情况下，若将金属电极73的形状形成为图18(a)所示地大致八边形，则 能够减少寄生电容并有效地活用有限的区域。在金属电极73及背板72上开设有多个声孔 74、75。由此，自上方的音响振动通过金属电极73及背板72的声孔74、75而到达元件薄膜 13，使元件薄膜13振动。由多晶硅构成的元件薄膜13(可动电极)具有导电性，元件薄膜 13振动，则元件薄膜13与金属电极73 (固定电极)之间的电容变化，故而将其作为电信号 通过元件薄膜13侧的电极焊盘76、背板72侧的电极焊盘77而在外部取出，通过检测该电 容的变化而可检测音响振动。接着，通过图20(a) (d)及图21(a) (d)说明麦克风71的制造工序。首先， 如图20(a)所示，在硅基板12的表面依次层积保护膜20、保护层23、保护膜24、元件薄膜 13、保护膜25，在硅基板12的背面形成保护膜21。其与第一实施方式的图3(a)的结构相 同，经由与第一实施方式的图2(a) 图2(d)相同的工序制作。接着，如图20(b)所示，从保护膜25的表面开始遍及保护膜24及25的外周面而 形成SiN膜，由SiN膜形成背板72。之后，如图20(c)所示，通过蚀刻在背板72上开设声 孔75。此时，虽然在图20中未作记载，对电极取出部分的SiN膜也进行蚀刻。然后，如图 20(d)所示，在背板72的表面形成Cr膜，在其之上形成Au膜而得到Au/Cr膜，之后将Au/ Cr膜蚀刻成规定形状而制作金属电极73及电极焊盘76、77。接着，使用光刻技术在背面的保护膜21上开设背面蚀刻窗26。若为厚400μπι的 (100)面硅基板12的话，则背面蚀刻窗26的大小为一边长570 μ m左右就足够了。开设有 背面蚀刻窗26之后，将硅基板12浸渍在TMAH等蚀刻剂中而从背面侧对硅基板12进行晶 体各向异性蚀刻，在硅基板12上开设贯通孔14。该状态表示在图21(a)中。如图21 (a)所示，若保护层23在贯通孔14内露出，则多晶硅的保护层23通过TMAH 等蚀刻剂而被各向同性蚀刻，如图21(b)所示，在硅基板12的表面形成间隙19。若形成间 隙19，则在该间隙19中侵入TMAH等蚀刻剂，从表面侧也蚀刻硅基板12，进而在水平方向上 也进行蚀刻，故而贯通孔14的边缘如图21(c)所示地形成在表背带锥形的截面形状。从蚀刻剂中取出形成希望的贯通孔14形状的硅基板12。然后，由HF水溶液等蚀刻保护元件薄膜13的保护膜21、24、25，将背板72下面的保护膜20和保持部18残留而进行 除去。此时，保护膜25主要利用从声孔74、75进入的HF水溶液进行蚀刻。由此，声孔74、 75的配置间隔如图18(a)所示地成为使蚀刻均勻地进行的大致等间隔为好。在此，若减小配置间隔，则能够缩短蚀刻时间，但相应地，声孔74、75的数量增加，减小电极面积而使得 灵敏度降低。另外，声孔的配置间隔也关系到保持部18的大小。即，配置间隔过大，则蚀刻 时间增长，保持部18全部被蚀刻。考虑这些因素，将声孔74、75的间隔设为50 μ m。保持部 18仅形成在元件薄膜13的角部，在保持部18之间开设通气孔63。这样，完成图20(d)的 构造的麦克风71。这样，通过制作麦克风71，能够从硅基板12的表面侧和背面侧蚀刻贯通孔14，能 够减小贯通孔14的倾斜面引起的面积损失，可实现麦克风71的小型化。并且，通过将晶体 各向异性蚀刻和各向同性蚀刻组合，能够从背面侧开始蚀刻而从背面侧和表面侧开始对硅 基板12进行晶体各向异性蚀刻而开设贯通孔14。由此，能够通过简单的工序开设贯通孔 14，可实现低成本化和高量产性。另外，由于无需在元件薄膜13上开设蚀刻孔，故而降低了 使元件薄膜13的强度降低或使振动特性变差的可能性。另外，由于由保持部18部分地支承元件薄膜13，故而元件薄膜13容易振动，麦克 风71的灵敏度提高，在保持部18之间，在元件薄膜13与硅基板12的间隙可形成长的通气 孔63，故而能够提高麦克风71的音响电阻来改善低频特性。另外，由于能够增大贯通孔14 的体积，故而可增大音响声顺而改善麦克风71的特性。另外，在上述各实施方式中，对于使用(100)面硅基板作为基板的情况进行了说 明，但也可以使用(110)面硅基板等。
权利要求
一种麦克风，其特征在于，包括单一的半导体基板，其由单晶硅构成，形成有贯通表面背面的贯通孔；保持部，其配置在所述半导体基板的表面上，通过对蚀刻所述半导体基板而形成贯通孔的蚀刻剂具有抗蚀性的材料而构成；元件薄膜，其覆盖所述贯通孔的基板表面侧的开口，角部下面被所述保持部支承；及背板，其在所述半导体基板的表面上配置为与所述元件薄膜隔着间隙而覆盖所述元件薄膜；用于连通所述元件薄膜的表面侧与背面侧的通气孔形成在所述保持部之间；所述贯通孔的与基板表面平行的截面的面积随着从所述半导体基板的表面朝向背面而逐渐增加，并且在所述半导体基板的表面与背面的中间，从增加转为减少。
全文摘要
本发明提供一种麦克风。在硅基板(12)的表面形成由SiO2薄膜构成的保护膜(20)，在将保护膜的一部分除去而开设的蚀刻窗(22)成膜由多晶硅构成的保护层(23)。从保护层(23)之上开始在硅基板表面形成由SiO2构成的保护膜(24)，从保护膜之上形成由多晶硅构成的元件薄膜(13)。在背面的保护膜(21)开设背面蚀刻窗(26)。将硅基板浸渍在TMAH中而从背面蚀刻窗对硅基板进行晶体各向异性蚀刻，在硅基板设置贯通孔(14)。保护层在贯通孔内露出时，将保护层蚀刻除去，在保护膜与硅基板之间生成间隙(19)，从表面侧和背面侧对硅基板进行晶体各向异性蚀刻。
文档编号H04R19/04GK101820570SQ20101016354
公开日2010年9月1日 申请日期2007年7月20日 优先权日2006年10月13日
发明者加藤史仁, 堀本恭弘, 宗近正纪, 犬贺正幸, 笠井隆, 若林秀一, 高桥敏幸 申请人:欧姆龙株式会社