JP2009033698A

JP2009033698A - ダイアフラム構造及び音響センサ

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Publication number: JP2009033698A
Application number: JP2007315540A
Authority: JP
Inventors: Yuichi Miyoshi; 裕一三由; Toru Yamaoka; 徹山岡; Yusuke Takeuchi; 祐介竹内; Hiroshi Ogura; 洋小倉
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2009-02-12
Also published as: TW200901803A; EP2173114A1; EP2173114A4; US20100077863A1; CN101682821A; WO2009001488A1; US8146437B2

Abstract

【課題】ダイアフラム角部での応力集中、チップサイズの増大及びチップ強度の低下を抑制しつつ、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率を向上させる。
【解決手段】基板１０１の上面から底面まで貫通するように貫通孔１０２が形成されている。基板１０１上には貫通孔１０２を覆うように振動電極膜１０３が形成されている。貫通孔１０２上に位置する部分の振動電極膜１０３がダイアフラム１０４として機能する。基板１０１の上面における貫通孔１０２の開口形状は六角形である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（ＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）技術を利用したセンサに係わるものであり、特に、圧力変動を検知して振動するダイアフラムを有し且つ当該振動を電気信号に変換する音響センサに関する。

近年、シリコンなどの半導体ＬＳＩ製造分野で使用される微細加工技術を利用して、ＭＥＭＳと呼ばれる技術分野が進展している。このＭＥＭＳ技術を利用することにより、加速度センサ、圧力センサ、音響センサなどの各種微細部品が提案・商品化されはじめている。

これらＭＥＭＳ技術を利用したセンサは、例えば特許文献１及び特許文献２等に開示されているように、加速度変動や圧力変動を検知するために、振動する部位となるダイアフラムを有する構造（以下、ダイアフラム構造と称する）となっている。

以下、図３（ａ）〜（ｃ）を参照しながら、従来のセンサにおけるダイアフラム構造について説明する。図３（ａ）は従来のセンサにおけるダイアフラム構造の上面図である。図３（ｂ）は従来のセンサにおけるダイアフラム構造の断面図である。図３（ｃ）は従来のセンサにおけるダイアフラム構造の底面図である。

図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、従来のセンサにおけるダイアフラム構造は、貫通孔３０２を有する基板３０１上に薄膜３０３を形成した構造であり、貫通孔３０２上に位置する部分の薄膜３０３がダイアフラム３０４として働く。ダイアフラム３０４は加速度変動や圧力変動に依存して振動するため、この振動変位を電気的に検知することにより各種センサとして利用することが可能となる。

基板３０１としては、一般的にシリコン基板が使われるが、特に（１００）面方位のシリコン基板が使用される。（１００）面方位のシリコン基板に対してマスク膜をパターン形成し、ＫＯＨなどのアルカリエッチングを行うと、（１００）面と比較してエッチングレートが５０〜１００倍遅い（１１１）面を露出させながら（１００）面がエッチングされるので、寸法制御性良く異方性ウェットエッチングを行うことができる。貫通孔３０２がシリコン基板３０１を貫通するまでエッチングすると、図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、四角形のダイアフラム３０４が形成される。尚、貫通孔３０２の内壁としては、（１００）面に対して５４．７度の角度を持つ（１１１）面の傾斜面３０５が形成される。

特許文献２には、（１００）面方位のシリコン基板の代わりに（１１０）面方位のシリコン基板を用いて形成した四角形のダイアフラムが開示されている。
特開昭６０−１３８４３４号公報特開２００２−２２３４９９号公報特開２００７−６７６５９号公報

しかしながら、従来のセンサに用いられているダイアフラム構造においては、ダイアフラムの形状を四角形とすることに起因して、その四隅の角部に応力集中が生じ、この応力集中により振動特性が不均一になるという問題点、或いは、ダイアフラム製造時や実使用時に応力集中が生じた角部からダイアフラムの破損が誘発されるという問題点がある。

また、従来のセンサに用いられているダイアフラム構造においては、ダイアフラムのサイズ（大きさ）に貫通孔内壁の（１１１）傾斜部の大きさとシリコン基板の土台部（貫通孔が形成されていない部分）の大きさとを加算した大きさがチップサイズとなるため、所望サイズのダイアフラムを作製するためには、実際のチップサイズをダイアフラムのサイズよりも数倍程度大きくする必要があるという問題点がある。例えば、１．０ｍｍ寸法のダイアフラムを作製する場合には、ダイアフラムの一側方につき、（１１１）傾斜部の幅４４３μｍ（直径６インチ、厚さ６２５μｍのシリコン基板の場合）とシリコン基板の土台部の幅２００μｍとをダイアフラムのサイズに加算する必要があるため、実際のチップサイズは２．２９ｍｍ（＝１．０ｍｍ＋４４３μｍ×２＋２００μｍ×２）となり、実にダイアフラムサイズの２．３倍（面積比では５．２倍）にしなければならない。このように、従来のセンサに用いられているダイアフラム構造においては、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率が小さいことが、小型化や低コスト化を実現するためのチップ縮小化に対しての障害となるという問題点がある。

さらに、この問題点は、ウェハ大口径化に伴う基板厚の増加に伴って顕著になり、例えば６インチシリコンウェハ（６２５μｍ厚）の場合には（１１１）傾斜部幅が４４３μｍであったのに対して、８インチウェハ（７２５μｍ厚）の場合には（１１１）傾斜部幅が５１３μｍと７１μｍも増大する。従って、ダイアフラムの両側の（１１１）傾斜部幅の合計については８８５μｍから１０２７μｍへと１４２μｍも増大する。すなわち、６インチウェハから８インチウェハへと大口径化すると、チップサイズを１４２μｍ大きくしなければならず、低コスト化を実現するためのウェハ大口径化に対する大きな障害となる。

ところで、シリコン基板への貫通孔形成技術として、シリコン基板の面方位を利用するアルカリウェットエッチング法の代わりに、ドライエッチングによる方法（一般的にＤｅｅｐ−ＲＩＥ（reactive ion etching）と呼ばれている）が提案されており、これにより形成されたダイアフラムを用いたＭＥＭＳセンサが特許文献３などに開示されている。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法を使うと、四角形以外のダイアフラム形状を作製することができる。また、（１１１）傾斜面の無い垂直な内壁を持つ貫通孔を形成できるので、（１１１）傾斜面に起因したチップサイズの増大を抑制することができる。

しかしながら、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法によれば、シリコンのエッチングレートが高々１０μｍ／ｍｉｎ程度であるため、例えば６インチ径６２５μｍ厚のウェハを貫通するホール形成に、ウェハ１枚当り７５ｍｉｎ（＝６２５μｍ×１．２倍／（１０μｍ／ｍｉｎ）、２０％オーバーエッチングの場合）の時間がかかることになり、１ロット２５枚では約３０時間が必要になる。このような生産能力の低さをカバーするためには、１台１〜２億円するＤｅｅｐ−ＲＩＥ装置を複数台揃える必要があるので、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法には高コストとなってしまうという問題点がある。また、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ法を使い、（１１１）傾斜部を無くしてシリコン基板枠が土台部のみからなる構造とすると、チップ自体の強度が低下してしまうという新たな問題点も生じる。

前記に鑑み、本発明は、ダイアフラム角部での応力集中、チップサイズの増大及びチップ強度の低下を抑制しつつ、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率を向上させることができる優れたダイアフラム構造及びそれを用いたＭＥＭＳ音響センサを提供することを目的とする。

本願発明者らは、前記の目的を達成するために、種々の検討を重ねた結果、ダイアフラムの平面形状を六角形とし、その全内角を９０度よりも大きくすることにより、ダイアフラム角部での応力集中を抑制できること、また、（１１０）シリコン基板を用いて垂直面と斜方面とを有する貫通孔を形成した構造とすることにより、貫通孔内の（１１１）傾斜部に起因するチップサイズの増大を抑制しつつチップ強度の低下を抑制できること、さらに、チップの平面形状を菱型とすることにより、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率を向上させることができることを見出した。

具体的には、本発明に係るダイアフラム構造は、シリコン基板の上面から底面まで貫通するように形成された貫通孔と、前記シリコン基板の上面に前記貫通孔を覆うように形成された振動電極膜とを備え、前記シリコン基板の上面における前記貫通孔の開口形状が六角形である。

また、本発明に係る音響センサは、シリコン基板の上面から底面まで貫通するように形成された貫通孔と、前記シリコン基板の上面に前記貫通孔を覆うように形成された振動電極膜と、前記シリコン基板の上方において前記振動電極膜とエアギャップを挟んで対向するように形成された固定電極と、前記固定電極に形成された複数の孔とを備え、前記シリコン基板の上面における前記貫通孔の開口形状が六角形である。

本発明に係る音響センサにおいて、前記貫通孔の開口形状である六角形の全ての角部の内角が９０度よりも大きいことが好ましい。

本発明に係る音響センサにおいて、前記シリコン基板の面方位は（１１０）であり、且つ、前記貫通孔の内壁は前記シリコン基板の上面に対して垂直面及び傾斜面を有することが好ましい。

本発明に係る音響センサにおいて、前記シリコン基板の面方位は（１１０）±１度の範囲内であり、且つ、前記貫通孔の開口形状である六角形の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角は１０９．４±１度の範囲内であると共に当該六角形の角部のうちその他の４つの角部の内角は１２５．３±１度の範囲内であることが好ましい。

本発明に係る音響センサにおいて、前記シリコン基板の平面形状は菱形であることが好ましい。この場合、前記シリコン基板の平面形状である菱形の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角は７０．６±１度の範囲内であると共に当該菱形の角部のうちその他の２つの角部の内角は１０９．４±１度の範囲内であることが好ましい。

本発明によると、各種センサに用いられるダイアフラム構造において、ダイアフラム角部での応力集中を低減させ、それによって当該角部からのダイアフラムの破損を防止することができる。また、貫通孔内の（１１１）傾斜部に起因するチップサイズの増大を抑制しつつ、チップ強度の低下を抑制することができる。さらに、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率を向上させることができる。

また、本発明によると、ダイアフラムを縮小せずに感度特性を維持したままチップサイズを小さくできる音響センサを実現することができる。

（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係るダイアフラム構造（各種センサに用いられるダイアフラム構造）について、図面を参照しながら説明する。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサ用のダイアフラム構造の上面図である。図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面図である。図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面図である。図１（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサ用のダイアフラム構造の底面図である。

図１（ａ）〜（ｄ）に示すように、基板１０１の上面から底面まで貫通するように貫通孔１０２が形成されている。基板１０１上には貫通孔１０２を覆うように振動電極膜１０３が形成されている。貫通孔１０２上に位置する部分の振動電極膜１０３（図１（ａ）の破線で囲んだ領域）がダイアフラム１０４として機能する。ダイアフラム１０４は、加速度変動や圧力変動により振動するため、この振動変位を電気的に検知することにより、各種センサとして利用することができる。

本実施形態の特徴は、基板１０１の上面における貫通孔１０２の開口形状を六角形としていることである。これにより、ダイアフラム１０４の形状も六角形となる。特に、六角形状のダイアフラム１０４の全ての角部の内角を９０度よりも大きくすることによって、ダイアフラム１０４の角部での応力集中を低減することができるので、均一な振動特性を得ることができる。また、ダイアフラム製造時や実使用時における角部からのダイアフラム破損を抑制することができる。

六角形状のダイアフラム１０４を実現するために、基板１０１としては（１１０）面方位のシリコン基板を使用する。具体的には、基板１０１の底面側に例えば菱形状のマスク膜をパターン形成し、例えばＫＯＨ等のエッチング溶液を用いてアルカリエッチングを行うと、（１１０）面と比較してエッチングレートが５０〜１００倍程度遅い（１１１）面を露出させながら（１１０）面がエッチングされる。ここで、菱形状マスクパターンとしては、例えば、対向する２つの角部の内角を７０．６±１度の範囲内に設定し且つ残り２つの角部内角を１０９．４±１度の範囲内に設定したものを使用する。尚、菱形状マスクパターンの角部の内角の角度は、シリコン基板製造時の結晶面誤差を考慮した上で設定される。

前述のアルカリエッチングが進行するに伴い、菱形状マスクパターンにおける内角７０．６度の箇所と対応する部分の基板１０１には、（１１０）面に対して３５．３度の角度を持つ（１１１）傾斜面１０５が貫通孔１０２の内壁として形成される。また、基板１０１のそれ以外の部分には、（１１０）面に対して垂直な（１１１）垂直面１０６が貫通孔１０２の内壁として形成される。このため、貫通孔１０２が最終的にシリコン基板１０１を貫通するまでエッチングを行うことにより、図１（ａ）及び（ｄ）に示すように、六角形状のダイアフラム１０４を形成することができる。このとき、シリコン基板である基板１０１の面方位が（１１０）±１度の範囲内であるとすると、六角形状のダイアフラム１０４の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角を１０９．４±１度の範囲内に設定できると共にその他の４つの角部の内角を１２５．３±１度の範囲内に設定できる。

本実施形態のセンサ用のダイアフラム構造によると、貫通孔１０２の内壁が垂直面１０６と傾斜面１０５とを有するため、貫通孔１０２内の（１１１）傾斜部に起因するチップサイズの増大を垂直面１０６の存在により抑制しながら、チップ強度の低下を傾斜面１０５の存在により抑制することができる。さらに、垂直面１０６の存在により、チップ面積に対するダイアフラム１０４の有効面積率を向上させることができる。例えば、従来例において面積２．２５ｍｍ²（１．５ｍｍ□）のダイアフラムを６インチ径６２５μｍ厚のシリコン基板に作成する場合、チップ面積としては７．７６ｍｍ²（２．７９ｍｍ□）が必要であり、チップ面積に対するダイアフラムの有効面積率は２９％であった。それに対して、本実施形態では、面積２．２５ｍｍ²のダイアフラム１０４をチップ面積４．９２ｍｍ²で実現することができ、従来例と比較して、ダイアフラム１０４の有効面積率を４６％まで向上させることできる。

尚、本実施形態において、基板１０１の平面形状を菱形とすることにより、チップ面積に対するダイアフラム１０４の有効面積率をさらに向上させることができる。特に、基板１０１の平面形状を前述の菱形状マスクパターンの相似形とした場合、つまり、基板１０１の平面形状である菱形の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角を７０．６±１度の範囲内に設定し且つその他の２つの角部の内角を１０９．４±１度の範囲内に設定した場合には、ダイアフラム１０４の有効面積率をより一層向上させることができる。

（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る音響センサについて、図面を参照しながら説明する。第２の実施形態に係る音響センサは、前述の第１の実施形態に係るセンサ用のダイアフラム構造を用いた音響センサである。

図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る音響センサの上面図である。図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面図である。図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面図である。図２（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る音響センサの底面図である。尚、図２（ａ）〜（ｄ）において、図１（ａ）〜（ｄ）に示す第１の実施形態と同一の構成要素には同一の符号を付すことにより、重複する説明を省略する。

図２（ａ）〜（ｄ）に示すように、第１の実施形態において説明した六角形状のダイアフラム１０４（つまり振動電極膜１０３）との間に、スペーサ２０８により所定厚さに設定したエアギャップ２０９を挟むように、基板１０１の上方に固定電極２０７が配置されている。固定電極２０７には複数の孔２１０が開口されている。これにより、当該各孔２１０を通して音圧などの圧力の変動が六角形状のダイアフラム１０４を振動させると、エアギャップ２０９の厚さ（距離）が変化する。そして、その厚さの変化を、振動電極膜１０３と固定電極２０７とから構成されるコンデンサの容量変化として検出することにより、音響センサとして機能する。

本実施形態の音響センサによると、本発明に係るセンサ用のダイアフラム構造つまり六角形状のダイアフラム１０４を用いるため、従来の四角形状のダイアフラムのような角部での応力集中に起因する振動特性のゆがみが非常に少なくなるため、良好な振動特性が得られる。さらに、製造時や使用時における角部からのダイアフラム破損を防止できる。また、貫通孔１０２の内壁の一部を垂直面１０６にすることにより、チップサイズの増大を抑制することができる。また、貫通孔１０２の内壁の一部を（１１１）傾斜面１０５にすることにより、チップ枠強度も保持することができる。さらに、チップ（基板１０１）の形状を菱形とすることにより、チップ面積に対するダイアフラム１０４の有効面積率を向上させることができるので、ダイアフラム１０４を縮小することなく感度特性を維持したままチップサイズを小さくできる優れた音響センサを実現することができる。

以上に説明したように、本発明は、圧力変動を検知する優れたセンサ用のダイアフラム構造及びそれを用いたＭＥＭＳ音響センサの実現に有用である。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサ用のダイアフラム構造の上面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面図であり、図１（ｃ）は図１（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面図であり、図１（ｄ）は本発明の第１の実施形態に係るセンサ用のダイアフラム構造の底面図である。図２（ａ）は本発明の第２の実施形態に係る音響センサの上面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）におけるＡ−Ａ’線の断面図であり、図２（ｃ）は図２（ａ）におけるＢ−Ｂ’線の断面図であり、図２（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る音響センサの底面図である。図３（ａ）は従来のセンサ用のダイアフラム構造の上面図であり、図３（ｂ）は従来のセンサ用のダイアフラム構造の断面図であり、図３（ｃ）は従来のセンサ用のダイアフラム構造の底面図である。

符号の説明

１０１シリコン基板
１０２貫通孔
１０３振動電極膜
１０４ダイアフラム
１０５傾斜面
１０６垂直面
２０７固定電極
２０８スペーサ
２０９エアギャップ
２１０孔
３０１シリコン基板
３０２貫通孔
３０３薄膜
３０４ダイアフラム
３０５傾斜面

Claims

シリコン基板の上面から底面まで貫通するように形成された貫通孔と、
前記シリコン基板の上面に前記貫通孔を覆うように形成された振動電極膜とを備え、
前記シリコン基板の上面における前記貫通孔の開口形状が六角形であることを特徴とするダイアフラム構造。
シリコン基板の上面から底面まで貫通するように形成された貫通孔と、
前記シリコン基板の上面に前記貫通孔を覆うように形成された振動電極膜と、
前記シリコン基板の上方において前記振動電極膜とエアギャップを挟んで対向するように形成された固定電極と、
前記固定電極に形成された複数の孔とを備え、
前記シリコン基板の上面における前記貫通孔の開口形状が六角形であることを特徴とする音響センサ。
請求項２に記載の音響センサにおいて、
前記貫通孔の開口形状である六角形の全ての角部の内角が９０度よりも大きいことを特徴とする音響センサ。
請求項２に記載の音響センサにおいて、
前記シリコン基板の面方位は（１１０）であり、且つ、前記貫通孔の内壁は前記シリコン基板の上面に対して垂直面及び傾斜面を有することを特徴とする音響センサ。
請求項２に記載の音響センサにおいて、
前記シリコン基板の面方位は（１１０）±１度の範囲内であり、且つ、前記貫通孔の開口形状である六角形の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角は１０９．４±１度の範囲内であると共に当該六角形の角部のうちその他の４つの角部の内角は１２５．３±１度の範囲内であることを特徴とする音響センサ。
請求項２に記載の音響センサにおいて、
前記シリコン基板の平面形状は菱形であることを特徴とする音響センサ。
請求項６に記載の音響センサにおいて、
前記シリコン基板の平面形状である菱形の角部のうち互いに対向する２つの角部の内角は７０．６±１度の範囲内であると共に当該菱形の角部のうちその他の２つの角部の内角は１０９．４±１度の範囲内であることを特徴とする音響センサ。