專利名稱：振動(dòng)膜構(gòu)造及聲波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種刮用了微電子機(jī)械技術(shù)(MEMS: Micro Electro Mechanical Systems)技術(shù)的傳感器，特別涉及一種具有檢測(cè)到壓力 變化后便振動(dòng)的振動(dòng)膜且將該振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的聲波傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，利用硅等半導(dǎo)體LSI制造領(lǐng)域中所用的微細(xì)加工技術(shù) 而被稱為MEMS的技術(shù)領(lǐng)域正在不斷發(fā)展深入。已提出有利用該MEMS 技術(shù)的加速度傳感器、壓力傳感器、聲波傳感器等各種微細(xì)元器件 且所述各種微細(xì)元器件正逐步被商品化。 例如，象在專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)2等中所公開的那樣，為檢 測(cè)加速度變化和壓力變化，利用MEMS技術(shù)制造的傳感器都是具有會(huì) 成為振動(dòng)部位的振動(dòng)膜的結(jié)構(gòu)(以下，稱為振動(dòng)膜構(gòu)造)。
以下， 一邊參照?qǐng)D3(a) 圖3(c)， 一邊對(duì)現(xiàn)有傳感器中的振動(dòng) 膜構(gòu)造加以說明。圖3(a)為現(xiàn)有傳感器中的振動(dòng)膜構(gòu)造的俯枧圖。 圖3(b)為現(xiàn)有傳感器中的振動(dòng)膜構(gòu)造的剖視圖。圖3(c)為現(xiàn)有傳感 器中的振動(dòng)膜構(gòu)造的下表面圖。 如圖3(a) 圖3(c)所示，現(xiàn)有傳感器中的振動(dòng)膜構(gòu)造為在具有 通孔302的基板301上形成有薄膜303的構(gòu)造，位于通孔302上的 那一部分薄膜303作為振動(dòng)膜304工作。由于振動(dòng)膜304依存于加 速度變化、壓力變化而振動(dòng)，因此，通過對(duì)該振動(dòng)變位進(jìn)行電檢測(cè)， 振動(dòng)膜304就能夠作各種傳感器用。
—般用硅基板作基板301,用的更多的是晶面(100)的硅基板。 當(dāng)在晶面(100)的硅基板上圖案形成掩膜，并對(duì)該硅基板進(jìn)行利用了 氪氧化鉀等的堿性蝕刻時(shí)， 一邊讓蝕刻速度比晶面(100)要慢50 100倍的晶面(lll)露出， 一邊對(duì)晶面(100)進(jìn)行蝕刻，因此能夠進(jìn)行尺寸控制性良好的各向異性濕蝕刻。當(dāng)蝕刻進(jìn)行到通孔302穿透 硅基板301時(shí)，就形成了四角形振動(dòng)膜304，如圖3(a)及圖3(c)所 示。另外，通孔302的內(nèi)壁，形成為與晶面(100)的夾角為54.7度 的晶面(lll)傾斜面305。
在專利文獻(xiàn)2中公開了一種用晶面(110)的硅基板代替晶面 (IOO)的硅基板形成的四角形振動(dòng)膜。
專利文獻(xiàn)l:日本特開昭60-138434號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)2:日本特開2002-223499號(hào)公報(bào)
專利文獻(xiàn)3:日本特開2007-67659號(hào)公報(bào)

發(fā)明內(nèi)容
一本發(fā)明要解決的技術(shù)問題一
然而，在現(xiàn)有傳感器所用的振動(dòng)膜構(gòu)造中，由于使振動(dòng)膜形狀 為四角形，因此就會(huì)在該四個(gè)角部產(chǎn)生應(yīng)力集中，振動(dòng)特性會(huì)因該 應(yīng)力集中而不均勻，這是存在的問題。或者，在制造振動(dòng)膜和實(shí)際 使用振動(dòng)膜時(shí)，振動(dòng)膜自產(chǎn)生應(yīng)力集中的角部開始破損，這也是存 在的問題。 在用于現(xiàn)有傳感器的振動(dòng)膜構(gòu)造中，存在有這樣的問題由于 將通孔內(nèi)壁的(lll)傾斜部的大小和硅基板的基部(沒有形成通孔的 部分)的大小都加到振動(dòng)膜的尺寸(大小)上所得到的尺寸即為芯片 尺寸，因此為了制作所希望尺寸的振動(dòng)膜，需要使實(shí)際的芯片尺寸 比振動(dòng)膜的尺寸大數(shù)倍左右。例如，當(dāng)制作大小1. Omm的振動(dòng)膜時(shí)， 由于對(duì)振動(dòng)膜的每一側(cè)而言，都需要將(lll)傾斜部的寬度443 // m(直徑6英寸、厚度625^m的硅基板)和硅基板基部的寬度200 "m 加在振動(dòng)膜的大小上，因此實(shí)際的芯片尺寸為2. 29mm( = 1.0mm + 443〃mX2 + 200〃mX2)，實(shí)際上必須是振動(dòng)膜尺寸的2. 3倍(面積 比為5. 2倍)。因此，在用于現(xiàn)有傳感器的振動(dòng)膜構(gòu)造中存在以下問 題，振動(dòng)膜相對(duì)于芯片面積的有效面積率小，而不利于為實(shí)現(xiàn)小型 化和低成本化的芯片縮小。
該問題，隨著基板厚度伴隨晶圓大口徑化增加而變得更加顯著。 例如，當(dāng)為6英寸硅晶圓(厚度625/zm)時(shí)，(lll)傾斜部寬度為443//m;而當(dāng)為8英寸晶圓(厚度725〃m)時(shí)，(lll)傾斜部寬度為513 //m,增加了 71//m。因此，振動(dòng)膜兩側(cè)的(lll)傾斜部寬度的合計(jì) 也從885 /zm增大到1027〃m，增加了 142//m。即，當(dāng)將6英寸晶圓 大口徑化而成為8英寸晶圓時(shí)，必須要使芯片尺寸增大142//il,這 將成為為實(shí)現(xiàn)低成本化的晶圓大口徑化的巨大障礙。 作為在硅基板形成通孔的形成技術(shù)，已有人提議用干蝕刻法(一 般被稱為深反應(yīng)離子蝕刻De印一RIE (De印-React ive ion etching))代替利用硅基板的晶面的堿濕蝕刻法，在專利文獻(xiàn)3等 中公開有使用了借助此法形成的振動(dòng)膜的MEMS傳感器。使用深反應(yīng) 離子蝕刻法，能夠制作出的振動(dòng)膜的形狀不包括四角形。并且，由 于能夠形成具有無(lll)傾斜面的垂直內(nèi)壁的通孔，因此能夠抑制 (111)傾斜面引起的芯片尺寸的增大。 但是，由于使用深反應(yīng)離子蝕刻法，硅的蝕刻速率最高為10 微米/分左右，因此為了形成貫穿例如直徑6英寸、厚度625〃m 的芯片的通孔， 一枚晶圓需要花75分鐘的時(shí)間(二625/zmX1.2倍 /(10微米/分)，20%過度蝕刻時(shí))，當(dāng)一批的批量為25枚時(shí)，那 么大約就需要30個(gè)小時(shí)。為了彌補(bǔ)這樣的生產(chǎn)能力下降，就需要配 置多臺(tái)每臺(tái)價(jià)格為1 2億日元的深反應(yīng)離子蝕刻設(shè)備，因此使用深 反應(yīng)離子蝕刻法的成本就很高，這是一個(gè)問題；當(dāng)使用深反應(yīng)離子 蝕刻法時(shí)，去掉(lll)傾斜部，僅由基部構(gòu)成硅基板框時(shí)，又會(huì)出現(xiàn) 芯片自身強(qiáng)度下降這樣的新問題。
本發(fā)明的目的在于提供一種優(yōu)良的振動(dòng)膜構(gòu)造及使用了該振 動(dòng)膜構(gòu)造的MEMS聲波傳感器。在該振動(dòng)膜構(gòu)造下，能夠邊抑制在振 動(dòng)膜角部的應(yīng)力集中、芯片尺寸增大及芯片強(qiáng)度下降，邊提高振動(dòng) 膜在芯片面積中所占的有效面積率。 一用以解決技術(shù)問題的技術(shù)方案一 為了達(dá)到上述目的，本申請(qǐng)發(fā)明者們做了很多研究探討，得知 了使振動(dòng)膜的平面形狀為六角形，且使其所有的內(nèi)角都大于90度， 就能夠抑制在振動(dòng)膜角部的應(yīng)力集中；用(110)硅基板做成具有垂直 面和傾斜面的通孔的構(gòu)造，就能夠邊抑制由通孔內(nèi)的(lll)傾斜部引起的芯片尺寸增大，邊抑制芯片強(qiáng)度下降；使芯片的平面形狀為菱
形，就能夠提高振動(dòng)膜在芯片面積中所占的有效面積率。 具體而言，本發(fā)明所涉及的振動(dòng)膜構(gòu)造包括從硅基板的上表 面貫穿形成到底面的通孔，以及形成在上述硅基板的上表面上覆蓋 上述通孔的振動(dòng)電極膜。上述硅基板上表面的上述通孔的開口形狀 為六角形。 本發(fā)明所涉及的聲波傳感器包括從硅基板上表面貫穿形成到 底面的通孔、形成在上述硅基板的上表面上且覆蓋上述通孔的振動(dòng) 電極膜、形成在上述硅基板的上方且夾著氣隙與上述振動(dòng)電極膜正 對(duì)著的固定電極以及形成在上述固定電極上的多個(gè)孔。上述硅基板 上表面的上述通孔的開口形狀為六角形。 在本發(fā)明所涉及的聲波傳感器中，優(yōu)選上述通孔的開口形狀即 六角形的所有角部的內(nèi)角都大于90度。 在本發(fā)明所涉及的聲波傳感器中，優(yōu)選，上述硅基板的晶面為 (110)，并且，上迷通孔的內(nèi)壁具有垂直于上迷硅基^^反的上表面的垂 直面和與上述硅基板的上表面傾斜的傾斜面。
本發(fā)明所涉及的聲波傳感器中，優(yōu)選，上迷硅基板的晶面在(110) ±1度的范圍內(nèi)，并且，上述通孔的開口形狀即六角形角部中彼此 正對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在109. 4± 1度的范圍內(nèi)，該六角形角 部中其他四個(gè)角部的內(nèi)角分別在125. 3±1度的范圍內(nèi)。
在本發(fā)明所涉及的聲波傳感器中，優(yōu)選，上述硅基板的平面形 狀為菱形。此時(shí)，優(yōu)選上迷硅基板的平面形狀即菱形角部中彼此正 對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在70.6±1°的范圍內(nèi)，該菱形角部中 其他兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在109.4±1°的范圍內(nèi)。 一發(fā)明效果— 根據(jù)本發(fā)明，在用于各種傳感器的振動(dòng)膜構(gòu)造中，能夠減少在 振動(dòng)膜角部的應(yīng)力集中，由此防止振動(dòng)膜自該角部破損；能夠抑制 通孔內(nèi)的(111)傾斜部引起的芯片尺寸的增大，同時(shí)抑制芯片強(qiáng)度下 降；能夠提高振動(dòng)膜在芯片面積中所占的有效面積率。
根據(jù)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的聲波傳感器，在不縮小振動(dòng)膜，維持靈敏度
6特性不變的情況下，就能夠縮小芯片尺寸。


圖l(a)為本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的傳感器用振動(dòng)膜構(gòu) 造的俯視圖，圖l(b)為圖l(a)的A —A'線的剖視圖，圖l(c)為圖 l(a)的B — B'線的剖視圖，圖l(d)為本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及 的傳感器用的振動(dòng)膜構(gòu)造的仰視圖。
圖2(a)為本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的聲波傳感器的俯視 圖，圖2(b)為圖2(a)的A — A'線的剖視圖，圖2(c)為圖2(a)的B 一B'線的剖視圖，圖2(d)為本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的聲波 傳感器的仰視圖。
圖3(a)為現(xiàn)有傳感器用的振動(dòng)膜構(gòu)造的俯視圖，圖3(b)為現(xiàn)有 傳感器用的振動(dòng)膜構(gòu)造的剖視圖，圖3(c)為現(xiàn)有傳感器用的振動(dòng)膜 構(gòu)造的仰;組圖。
一符號(hào)說明一101硅基板
102通孔
103振動(dòng)電極膜
104振動(dòng)膜
105傾斜面
106垂直面
207固定電極
208隔離件
209氣隙
210孔
301硅基板
302通孔
303薄膜
304振動(dòng)膜
305傾斜面
具體實(shí)施方式
(第一實(shí)施方式)
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的振動(dòng)膜構(gòu)造 (用在各種傳感器中的振動(dòng)膜構(gòu)造)加以說明。 圖l(a)為本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的傳感器用的振動(dòng)膜 構(gòu)造的俯視圖。圖l(b)為圖l(a)的A — A'線的剖視圖。圖l(c)為 圖l(a)的B — B'線的剖視圖。圖l(d)為本發(fā)明的第一實(shí)施方式所 涉及的傳感器用的振動(dòng)膜構(gòu)造的仰視圖。 如圖1(a) 圖l(d)所示，形成有從基板101上表面貫穿到底面 .的通孔102。在基板101上形成有覆蓋通孔102的振動(dòng)電極膜103。 位于通孔102上的那一部分振動(dòng)電極膜103(圖l(a)的用虛線圍起來 的區(qū)域)起振動(dòng)膜104的作用。由于振動(dòng)膜104根據(jù)加速度變化和壓 力變化而振動(dòng)，因此能夠通過電檢測(cè)該振動(dòng)變位，作為各種傳感器 使用。 本實(shí)施方式的特征在于使基板101上表面的通孔102的開口 形狀為六角形。這樣一來，振動(dòng)膜104的形狀也成為六角形。特別 是，因?yàn)槟軌蛲ㄟ^使六角形振動(dòng)膜104的所有角部的內(nèi)角都大于90 度，來減少在振動(dòng)膜104角部的應(yīng)力集中，所以能夠獲得均勻的振 動(dòng)特性。并且，能夠抑制制造振動(dòng)膜時(shí)和實(shí)際使用振動(dòng)膜時(shí)，振動(dòng) 膜自角部破損。 為了實(shí)現(xiàn)六角形振動(dòng)膜104，用晶面(110)的硅基板作基板101。 具體地說，當(dāng)在基板101的底面一側(cè)圖案形成例如菱形的掩膜，用 例如氫氧化鉀等蝕刻溶液進(jìn)行堿蝕刻時(shí)， 一邊讓與晶面(IIO)相比， 蝕刻速率慢50 100倍左右的晶面(111)露出， 一邊對(duì)晶面(110)進(jìn) 行蝕刻。這里，例如以正對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在70.6土 1度的范圍內(nèi)且將剩余的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在109. 4± 1度的 范圍內(nèi)的菱形作為菱形掩膜圖案。另外，菱形掩膜圖案的角部的內(nèi) 角角度是在考慮了制造硅基板時(shí)的晶面誤差的基礎(chǔ)上設(shè)定出來的。 伴隨著上述堿蝕刻的進(jìn)行，在與菱形掩膜圖案中的內(nèi)角70.6 度的地方相對(duì)應(yīng)的那一部分基板101上(lll)傾斜面105作為通孔 102的內(nèi)壁形成，該(lll)傾斜面105與(110)面所成的角度為35. 3度。并且，在基板101的除上述部分以外的部分形成有垂直于(110)
面的(lll)垂直面106作通孔102的內(nèi)壁。因此，通過對(duì)通孔102 進(jìn)行蝕刻一直蝕刻到貫穿硅基板101為止，就能夠形成六角形振動(dòng) 膜104，如圖l(a)及圖l(d)所示。假定此時(shí)硅基板即基板101的晶 面在(110)士1度的范圍內(nèi)，那么，就能夠?qū)⒘切握駝?dòng)膜104角部 中彼此正對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在109. 4±1度的范圍內(nèi)， 同時(shí)，將其他四個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在125.3土1度的范圍內(nèi)。 根據(jù)本實(shí)施方式中的傳感器用振動(dòng)膜構(gòu)造，通孔102的內(nèi)壁具 有垂直面106和傾斜面105,所以能夠利用垂直面106的存在抑制 通孔102內(nèi)的(111)傾斜部引起的芯片尺寸的增大，同時(shí)還能夠利用 傾斜面105的存在抑制芯片強(qiáng)度下降。并且，能夠利用垂直面106 的存在提高振動(dòng)膜104在芯片面積中所占的有效面積率。例如，在 現(xiàn)有例中，當(dāng)在直徑為6英寸、厚度為625 //m的硅基板上制作面積 2. 25 mm2 (1. 5mmX1. 5mm)的振動(dòng)膜時(shí)，所需要的芯片面積就是7. 76 mm2 (2. 79腿X2.79腿)，振動(dòng)膜在芯片面積中所占的有效面積率為 29%。相對(duì)于此，在本實(shí)施方式中，在面積4. 92mmS的芯片上即能夠 實(shí)現(xiàn)面積為2. 25mmS的振動(dòng)膜104，與現(xiàn)有例相比，能夠使振動(dòng)膜 104的有效面積率提高到46%。 另外，在本實(shí)施方式中，通過使基板101的平面形狀為菱形， 就能夠進(jìn)一步提高振動(dòng)膜104在芯片面積中所占的有效面積率。特 別是，在使基板IOI的平面形狀與上述菱形掩膜圖案的形狀相似的 情況下，也就是說，當(dāng)將基板101的平面形狀即菱形角部中彼此正 對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在70. 6±1度的范圍內(nèi)，且將其他 兩個(gè)角部的內(nèi)角分別設(shè)定在109. 4±1度的范圍內(nèi)的情況下，能夠進(jìn) 一步提高振動(dòng)膜104的有效面積率。 (第二實(shí)施方式)
以下，參照附圖對(duì)本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的聲波傳感器 加以說明。第二實(shí)施方式的聲波傳感器為使用了上述第一實(shí)施方式 的傳感器用的振動(dòng)膜構(gòu)造的聲波傳感器。
圖2(a)為本發(fā)明的第二實(shí)施方式的聲波傳感器的俯視圖。圖2(b)為圖2(a)的A — A'線的剖視圖。圖2(c)為圖2(a)的B —B'線 的剖視圖。圖2(d)為本發(fā)明的第二實(shí)施方式所涉及的聲波傳感器的 仰視圖。另外，在圖2(a) 圖2(d)中，用同一個(gè)符號(hào)表示與圖l(a) 圖l(d)所示的第一實(shí)施方式相同的構(gòu)成要素，因此在此不再做說 明。 如圖2(a) 圖2(d)所示，固定電極207配置在基板101的上方， 在固定電極207和第一實(shí)施方式中說明的六角形振動(dòng)膜104(即振動(dòng) 電極膜103)之間夾有一個(gè)利用隔離件208設(shè)定為一定厚度的氣隙 209，該固定電極207固定在基板101上方，在固定電極207上開有 多個(gè)孔210。因此，音壓等壓力變化會(huì)經(jīng)由該各孔210傳遞給六角 形振動(dòng)膜104,六角形振動(dòng)膜104會(huì)振動(dòng)，氣隙209的厚度(距離) 也就會(huì)跟著發(fā)生變化。并且，將該厚度的變化作為由振動(dòng)電極膜103 和固定電極2 0 7構(gòu)成的電容器的電容變化檢測(cè)出來，就能夠作聲波 傳感器用了。 根據(jù)本實(shí)施方式的聲波傳感器，因?yàn)槭褂帽景l(fā)明所涉及的傳感 器用振動(dòng)膜構(gòu)造即六角形振動(dòng)膜104,所以現(xiàn)有四角形振動(dòng)膜那樣 的由在角部的應(yīng)力集中引起的振動(dòng)特性的失真就非常少，因此能夠 獲得良好的振動(dòng)特性；能夠防止制造時(shí)和使用時(shí)振動(dòng)膜自角部的破 損；通過使通孔102內(nèi)壁的一部分為垂直面106能夠抑制芯片尺寸 的增大；通過使通孔102內(nèi)壁的一部分為(lll)傾斜面105能夠保持 芯片框的強(qiáng)度；通過使芯片(基板IOI)的形狀為菱形，能夠提高振 動(dòng)膜10 4在芯片面積中所占的有效面積率，因此所實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的聲波 傳感器，在不縮小振動(dòng)膜104,維持炅敏度特性不變的情況下，會(huì) 使芯片尺寸縮小。 —產(chǎn)業(yè)實(shí)用性一
綜上所述，本發(fā)明對(duì)實(shí)現(xiàn)壓力變化的檢測(cè)性能優(yōu)良的傳感器用 振動(dòng)膜構(gòu)造及使用了該振動(dòng)膜構(gòu)造的MEMS聲波傳感器很有用。
權(quán)利要求
1、一種振動(dòng)膜構(gòu)造，包括從硅基板的上表面貫穿形成到底面的通孔以及形成在所述硅基板的上表面上且將所述通孔覆蓋起來的振動(dòng)電極膜，其特征在于所述硅基板上表面上的所述通孔的開口形狀為六角形。
2、 一種聲波傳感器，包括從硅基板的上表面貫穿形成到底面的通孔、 形成在所述硅基板的上表面上且將所述通孔覆蓋起來的振動(dòng)電極膜、 形成在所述硅基板的上方且夾著氣隙與所述振動(dòng)電極膜正相對(duì)的固定電極 以及形成在所述固定電極上的多個(gè)孔，其特征在于所述硅基板上表面上的所述通孔的開口形狀為六角形。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所迷的聲波傳感器，其特征在于 所述通孔的開口形狀即六角形的所有角部的內(nèi)角大于90度。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲波傳感器，其特征在于所述硅基板的晶面為(110)，且所述通孔的內(nèi)壁相對(duì)于所述硅基板的上 表面具有垂直面及傾斜面。
5、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲波傳感器，其特征在于 所述硅基板的晶面在(110)士1度的范圍內(nèi)，且所述通孔的開口形狀即六角形角部中彼此正對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在109. 4±1度的范圍內(nèi)， 該六角形角部中其他四個(gè)角部的內(nèi)角分別在125. 3±1度的范圍內(nèi)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的聲波傳感器，其特征在于 所述硅基板的平面形狀為菱形。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的聲波傳感器，其特征在予 所述硅基4反的平面開口形狀即菱形角部中彼此正對(duì)著的兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在70. 6土1度的范圍內(nèi)，該菱形角部中其他兩個(gè)角部的內(nèi)角分別在 109.4士1度的范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種振動(dòng)膜構(gòu)造及聲波傳感器。形成有從基板101的上表面貫穿到底面的通孔(102)。在基板(101)上形成有覆蓋通孔(102)的振動(dòng)電極膜(103)。位于通孔(102)上的那一部分振動(dòng)電極膜(103)起振動(dòng)膜(104)的作用?；?101)上表面的通孔(102)的開口形狀為六角形。
文檔編號(hào)H01L29/84GK101682821SQ20078005319
公開日2010年3月24日 申請(qǐng)日期2007年12月11日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月22日
發(fā)明者三由裕一, 小倉(cāng)洋, 山岡徹, 竹內(nèi)祐介 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社