(57)【要約】      （修正有）【課題】ＭＥＭＳデバイスであるマイクロスピーカにおいて、可動部背面の音響キャビティー、可動部格納部背後のチャンバ、およびキャビティーとチャンバをつなぐ音響波を生じさせるための通気口を容易に形成する。【解決手段】シリコン基板１２上に可動部となるメッシュ状の第１金属層１６をあらかじめ設ける。異方性ドライエッチングでシリコン基板１２の背面に音響キャビティーを形成する。第１金属層１６側からはメッシュ状の第１金属層をマスクとして異方性ドライエッチングで第１金属層を露出させるとともにメッシュの一部の隙間部分はシリコン基板の音響キャビティーに達する案内開口の孔をあける。さらに等方性エッチングで第１金属層のメッシュ下部を彫り込みチャンバを形成する。案内開口の孔は大きさを広げて通気口とする。【選択図】図１
2004223710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の通気孔が形成されるべき領域の裏面の厚さを薄くする工程、
基板の上面からメッシュをリリースする工程、及び、
リリースされたメッシュと薄肉化された領域に連通する開口を形成する工程と、
を有するプロセス。
【請求項２】
エッチマスクとしてメッシュを用い、薄肉化された領域の基板に案内開口を形成する工程をさらに含んでおり、
リリース工程は、メッシュの下にある基板部分を除去する工程を含み、
形成工程は、リリース工程とほぼ同時に行なわれる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
エッチマスクとして作用するようにメッシュの所定部分を選択し、レジスト層を形成しパターニングする工程をさらに有している、請求項２に記載のプロセス。
【請求項４】
異方性エッチングは、案内開口を形成するために用いられ、等方性エッチングは、メッシュリリース工程及び通気開口形成工程に用いられる、請求項２に記載のプロセス。
【請求項５】
形成工程は、リリース工程の後に行なわれる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項６】
形成工程は、エッチマスクとしてメッシュを用いることを含んでいる、請求項５に記載のプロセス。
【請求項７】
等方性エッチングは、メッシュリリース工程に用いられ、異方性エッチングは、形成工程に用いられる、請求項６に記載のプロセス。
【請求項８】
形成工程は、リリース工程の前に、基板の裏面から行なわれる、請求項１に記載のプロセス。
【請求項９】
異方性エッチングは、形成工程に用いられ、等方性エッチングは、リリース工程に用いられる、請求項８に記載のプロセス。
【請求項１０】
基板上に構造物を形成し接続するプロセスであって、
音響キャビティを基板の裏面から形成する工程、
基板の上面からマイクロ加工メッシュの下にチャンバーを形成する工程、及び、
チャンバーを音響キャビティに音響的に接続する工程と、
を含んでいるプロセス。
【請求項１１】
音響キャビティの位置する領域の基板に、エッチマスクとしてメッシュを用いることによって、案内孔を形成する工程をさらに含んでおり、
チャンバー形成工程は、メッシュの下にある基板部分を除去する工程を含み、
接続工程は、案内孔を用いて、チャンバーの形成とほぼ同時に通気開口を形成する工程を含んでいる、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
エッチマスクとして作用するようにメッシュの所定部分を選択し、レジスト層を使用しパターニングする工程をさらに有している、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１３】
異方性エッチングは、案内孔を形成するために用いられ、等方性エッチングは、チャンバー形成工程及び通気開口を形成するために用いられる、請求項１１に記載のプロセス。
【請求項１４】
接続工程は、チャンバー形成工程の後に行なわれる、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１５】
接続工程は、エッチマスクとしてメッシュを用い、通気開口を形成する工程を含んでいる、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
等方性エッチングは、チャンバー形成工程に用いられ、異方性エッチングは、通気開口を形成するために用いられる、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
接続工程は、チャンバー形成工程の前に、通気開口を基板の裏面から形成する工程を含んでおり、
チャンバー形成工程は、メッシュの下にある基板部分を除去する工程を含み、
接続工程は、チャンバーの形成工程の間に、チャンバーを通気開口と交差させる工程を含んでいる、請求項１０に記載のプロセス。
【請求項１８】
異方性エッチングは、通気開口形成工程に用いられ、等方性エッチングは、チャンバー形成工程に用いられる、請求項１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
チャンバーをマイクロ加工メッシュの下方に形成する工程と、
チャンバーの形成とほぼ同時に、チャンバーを基板の裏面に形成されたキャビティと連通する工程と、を有しているプロセス。
【請求項２０】
連通工程は、チャンバーとキャビティの間に、通気開口を形成する工程を含んでいる、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２１】
チャンバー形成工程及び通気開口形成工程は、等方性エッチングを含んでいる、請求項２０に記載のプロセス。
【請求項２２】
基板の裏面からキャビティに通気開口を形成する工程をさらに含んでおり、連通工程は、チャンバーを形成する間に、チャンバーと通気開口を交差させる工程を含んでいる、請求項１９に記載のプロセス。
【請求項２３】
チャンバー形成工程及び連通工程は、等方性エッチングを含んでいる、請求項２２に記載のプロセス。
【請求項２４】
マイクロ加工メッシュの下に形成されたチャンバーと、基板の裏面に形成されたキャビティとを音響接続するプロセスであって、
チャンバーとキャビティを接続するために、基板の上面からエッチングする工程を含んでいるプロセス。
【請求項２５】
エッチング工程は、エッチマスクとしてマイクロ加工メッシュを用いることにより、基板のキャビティの領域に通気開口を形成する工程を含んでいる、請求項２４に記載のプロセス。
【請求項２６】
エッチングは、異方性エッチングを含んでいる、請求項２５に記載のプロセス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ電気機械システム(ＭＥＭＳ)デバイスに関するものであり、より具体的には、チャンバーとキャビティを基板中に形成して、これら構造物を音響的に相互接続するプロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
ミクロン単位の可動部品を形成できることによって、非常に多くの応用分野が開拓されてきた。このような可動部品は、一般的にビーム(beam)又はメッシュ(mesh)の形状をしており、例えば、可変コンデンサ、スイッチ、又はその他のコンポーネントを形成している。近年、マイクロ加工(micro-machined)メッシュをシールすることが可能になっており、マイクロフォン及びマイクロスピーカを製造できるようになっている。例えば、２００１年３月２２日に発行された国際公開公報ＷＯ/０１/２０９４８Ａ２(題名「MEMS Digital-to-Acoustic Transducer With Error Cancellation」)を参照のこと。この公報は、引用をもって本明細書の一部とする。
【０００３】
シールされたメッシュは、可変コンデンサの可動板として機能し、故に、マイクロホンとして動作可能である。シールされたメッシュがマイクロスピーカとして動作するためには、マイクロスピーカは、大きなスピーカの対応部品が空気を押して音響波を生成するのと同じように、空気を押して音響波を生成可能である必要がある。一般的なスピーカの格納壁(enclosure)は、後部にポートを有しており、スピーカが自由に移動可能になっている。マイクロスピーカの場合、シールされたメッシュの下のチャンバーが、通気孔(vent)、又は外気に通じるその他の開口を有していない場合、チャンバー内の空気を押せないので、シールされたメッシュの内側への動きは妨げられ、また、真空が生じて、メッシュの外側への動きは妨げられる。従って、マイクロスピーカが音響波を生成する場合、チャンバーに通気孔を形成する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
現在、このような通気孔は、基板に後ろから孔を開けて形成されている。それには、基板の後ろ側をパターニングし、続いて、チャンバーに達するように、基板を貫通するエッチングを施す必要がある。シールされたメッシュの下のチャンバーに達するためには、数百ミクロンの厚さの基板がエッチングされる必要があるので、このような技術では、通気孔はゆっくりと形成される。また、通気孔の直径は、その深さと比較して小さい。さらに、目印のない基板の後ろ側から作業をする必要があるので位置決めの問題もあり、数十ミクロンのチャンバーに達するために、数百ミクロンがエッチングされる必要もある。従って、容易で繰り返し可能な速いプロセスで、スピーカとして機能するシールされたメッシュのチャンバーに通気孔を形成する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、通気孔が形成されるべき領域にて、基板の後ろ側の厚さを低減する工程を含むプロセスに関する。マイクロ加工されたメッシュは、基板の上側からリリース(release)される。通気開口が形成されて、リリースされたメッシュと厚さが低減された領域は繋がれる。本発明について、幾つかの実施例が開示されている。ある実施例では、メッシュの少なくとも一部をエッチマスクとして用いて、厚さが低減された領域にて、案内開口が基板に形成される。このプロセスは、通気開口を確実に正確な位置決めする。メッシュのリリースは、メッシュの下から基板の一部を除去することを含んでいる。メッシュのリリースが行われている間、案内開口は大きさを広げて、通気孔が形成される。
【０００６】
別の実施例では、メッシュがリリースされた後に、通気開口が形成される。その実施例では、メッシュは、等方性エッチングを用いてリリースされる。メッシュがリリースされた後、メッシュが、異方性エッチングのマスクとして用いられて、厚みが低減された領域にチャンバーを繋げるように通気開口が形成される。エッチマスクとしてメッシュを使用することによって、リソグラフィー工程が無くなり、確実に通気開口の正確な位置決めがなされる。
【０００７】
本発明の別の実施例では、メッシュをリリースする前に、異方性エッチングを用いて、通気開口は、厚さが低減された領域にて基板の後ろ側から形成される。メッシュが等方性エッチングを用いてリリースされると、メッシュの下方でチャンバーが形成される間に、チャンバーは通気開口と交わる。
【０００８】
本発明の種々の実施例で共通する工程は、通気開口の領域にて基板の厚さを低減することである。それは、大きなキャビティをエッチングして達成される。キャビティの直径は深さに対して大きいので、この工程は効率良く行われる。例えば、エッチマスクとしてメッシュを用いて案内開口を形成して、又は、チャンバーが形成されている際にチャンバーを通気開口と交わらせて、このキャビティへの接続は、基板の上側から行われる。エッチマスクとしてメッシュを用いるそれらの実施例では、リソグラフィー工程が無くなって、処理速度が増加する。それらの利点、利益、及びその他は、以下に記載の発明を実施するための最良の形態から明らかになるであろう。本発明が容易に理解されて簡単に実施されるために、本発明は、限定ではなく説明の目的で、添付の図面に関連して説明されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明の第１実施例を、図１乃至図９と共に説明する。図１では、ダイ(10)は、ＣＭＯＳ製造設備から受け取られる。ＣＭＯＳ製造設備では、シリコン基板(12)が処理されて、例えば、誘電体材料及び金属が交互に重なった層が形成されている。図１に示すダイ(10)は、第１金属層(16)を支える第１誘電体材料層(14)を具えている。第１金属層(16)はパターニングされて、その一部はマイクロ加工されたメッシュ(micro-machined mesh)(18)を成している。第２誘電体層(20)は、第１金属層(16)上に形成されている。第２誘電体層(20)は第２金属層(22)を支えており、該第２金属層(22)はパターニングされて、開口(24)が設けられている。第２金属層(22)は、第３誘電体層(26)を支えている。第３誘電体層(26)は、第３金属層(28)を支えており、該第３金属層(28)はパターニングされて、開口(30)が設けられている。最上層の誘電体層(32)は、第３金属層(28)の上に形成されている。
【００１０】
本発明は、図示された金属層の配置及び構成に限定されない。例えば、図１に示すパターンは、２番目、３番目、４番目の金属層に実施でき、従って、ここで言及する第１、第２及び第３金属層は、１番目、２番目及び３番目の金属層に夫々対応している必要はない。さらに、金属層の構成は、図示した構成である必要はなく、むしろ、製造しようとしているデバイスに応じて変化するであろう。
【００１１】
上述したように、ダイ(10)は、例えば、図１に示すようにＣＭＯＳ製造設備から受け取られる。その後、ダイ(10)には、ポストプロセス製造工程が施される。ポストプロセス製造工程は、ＣＭＯＳ製造設備と異なる設備で行われることが想定されるが、それは、本発明の必要事項ではない。
【００１２】
図２を参照すると、レジスト層(34)は、基板(12)の後部に形成されており、音響キャビティを形成するために用いられるマスクでパターニングされている。当該技術分野で通常の知識を有する者は、ダイ(10)の上側からの目印は、基板(12)の底側に移動される必要があることを認識するであろう。このような目印の移動は公知であるので、説明を省略する。
【００１３】
図３では、基板(12)に、異方性エッチングが施されている。異方性エッチングは、基板(12)へのドライで深いリアクティブイオンエッチング(ＤＲＩＥ)とすることができ、これによって、音響キャビティ(36)が生じる。エッチングは、基板−誘電体の界面に至る前の数十乃至数百ミクロン(図３の寸法Ｈ)で停める。
【００１４】
図４は、図３の基板(12)に対し、基板(12)の後ろ側のレジストが除去され、新しいレジスト層(38)が上側に形成されて、メッシュ(18)の領域にて開口(40)が設けられるようにパターニングされた状況を示す。図５には、図４の基板(12)に、誘電体層(32)(26)(20)(14)を貫く異方性のＲＩＥドライエッチングが施されている状況が示されている。パターニングされたレジスト(38)及び第１金属層(16)は、第１誘電体層(14)をパターニングするために用いられる。最上層の誘電体層(32)を保護する必要がない場合には、レジスト層(38)は必要ではない。
【００１５】
図６は、図５の基板が、レジスト層(42)によって上面がパターニングされ、メッシュ(18)のある部分がエッチマスクとして機能し、キャビティ(36)の領域中にて基板(12)に案内孔を形成するようにした状況を示している。図７は、図６の基板(12)について、ＤＲＩＥ異方性エッチングを施して、キャビティ(36)の領域中で、案内開口(44)をシリコン基板(12)を通って延びるように形成した基板を示したものである。図７Ａは、図７のプロセスと同様の工程を示している。しかしながら、図７Ａでは、メッシュの幅は、厚さを低減した基板(例えば１００ミクロン)よりも極めて小さい(例えば６ミクロン)。これらの状況において、案内孔(44)を形成することにより、通気開口が形成される。図８及び図８Ａは、図７及び図７Ａの基板(12)から夫々レジスト(42)を取り除いた図である。
【００１６】
図９及び図９Ａは、図８及び図８Ａの基板に夫々等方性エッチングを施して、メッシュ(18)の下にチャンバーを形成したものである。チャンバー(50)は、メッシュ(18)を基板(12)からリリースすることによって形成される。図９に示すように、チャンバー(50)を形成すると、案内孔(44)は大きさが広がって、通気開口(52)を形成する。図９Ａでは、すでに形成された通気孔は大きさが広がっている。従って、図１乃至図９に示す本発明の実施例では、チャンバー(50)を形成するのとほぼ同時に、チャンバー(50)は、通気開口(52)の形成又は拡大によってキャビティ(36)と連通する。通気開口(52)は、案内孔(44)の大きさを広げることによって形成され、案内孔(44)は、エッチマスクのようにメッシュ(18)の部分を利用することによって形成されるので、通気開口(52)は、チャンバー(50)をキャビティ(36)に連通させるよう一直線に揃う。
【００１７】
図１０乃至図１５は、本発明の他の実施例を示している。図１０は、図２の基板について、第２レジスト層(54)を基板の裏面に配置して(deposited)、パターニングし、以下に述べる方法で、音響キャビティ(36)及び通気開口(52)とを形成した基板を示している。２つの別個の層(34)(54)を用いたり、層(34)(54)の配置を逆にしたり、１つの層のみを用いることは、レジストがいかなる方法であってもそれが形成されており、後述する機構を具えている限り、本発明にとって問題でないことは当業者に理解されるであろう。
【００１８】
図１１及び図１２は、基板(12)の裏面に異方性エッチングを施す過程を示している。エッチングは、ＤＲＩＥとすることができ、エッチングが進むにつれて、レジスト層(54)は、徐々に除去される。層(54)が徐々に除去されると、通気開口(52)が形成される。最終的には、層(54)は完全に除去され、エッチングが進むにつれて、通気開口(52)が深くなり続けて、キャビティ(36)が形成される。この間、レジスト層(34)の一部分は、図１２に示すように除去されることがある。エッチングは、誘電体とシリコンの境界面よりも数十から数百ミクロン下方(図１２中、Ｈで示す)で止めることができる。
【００１９】
図１３は、図１２の基板(12)について、レジスト(34)が基板(34)の裏面から除去され、基板(34)の上面に開口(58)を有するレジスト層(56)を形成した基板を示している。開口(58)は、メッシュ(18)を露出させるようにデザインされる。最上層の誘電体層(32)を保護する必要の有無によっては、レジスト(56)を設けたりパターニングしなくてもよい。
【００２０】
図１４は、図１３の基板(12)に誘電体材料の異方性エッチングを施したものである。さらに、図１４では、レジスト(56)を除去している。
【００２１】
図１５では、シリコン基板(12)の等方性エッチングは、メッシュ(18)の下部から材料を除去し、メッシュをリリースするために行なわれる。メッシュ(18)の下部から材料を除去することにより、チャンバー(50)が形成される。チャンバー(50)が形成されると、通気開口(52)と交差する。
【００２２】
図１６及び図１７は、本発明のさらに異なる実施例である。図１６は、図５の基板を示したものである。しかしながら、図５で示した異方性エッチングを行なう代わりに、等方性エッチングを行なっている。例えば、誘導結合プラズマ(ＩＰＣ)ＲＩＥを行なうことができる。図１６に示す等方性エッチングは、チャンバー(50)をメッシュ(18)の下方に形成し、メッシュをリリースするようにしている。その後、図１７では、エッチマスクとしてメッシュ(18)を用いて、ＤＲＩＥエッチングのような異方性エッチングを行なっている。図１７の異方性エッチングは、音響キャビティ(36)を有するチャンバー(50)に連通する複数の通気開口(60)を形成している。当業者は、メッシュ(18)をエッチマスクとして用いると、エッチング工程を行なうに際して、レジスト層を設けたりパターニングを行なう必要がないので、リソグラフィー工程が省略できることを理解すべきである。
【００２３】
工程を完了すると、図９のメッシュ(18)、図１５のメッシュ(18)、又は、図１７のメッシュ(18)は、公知の形成技術(deposition technique)によりシールされ、スピーカやマイクロフォンの如き動作をするメンブレンを形成する。
【００２４】
本発明は、一連のドライエッチング工程について記載しており、音響キャビティ(36)、チャンバー(50)及び通気開口(52)(60)を形成し、チャンバー(50)を音響キャビティ(36)と音響的に接続している。ドライエッチング工程は、反応性イオンエッチングを用いることができ、一般的な平行平板型(parallel plate)ＲＩＥドライエッチング工程や、前処理ディープ及び誘導結合プラズマＲＩＥ工程(advanced deep and inductively coupled plasma RIE processes)が含まれる。本発明の３つの実施例は、本発明がどのように改良されて、チャンバーをマイクロ加工メッシュの下方に形成することとなったのか、メッシュをリリースして、チャンバーを基板の裏面に形成された音響キャビティと音響的に接続したのかを説明したものである。基板の裏面にキャビティを形成することによって、通気開口の深さを減じることができる。さらに、通気開口のエッチマスクにマイクロ加工メッシュを用いることによって、プロセスは自己整合(self-aligning)させることができる。
【００２５】
本発明について、好ましい実施例と共に説明したが、当業者は、多くの改良、変更を行なうことができることを理解すべきである。本発明は、特許請求の範囲によってのみ限定され、今の好ましい実施例を述べる目的で記載された上記の説明によっては限定されない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、デバイスを形成するためにパターニングされた複数の金属層を有する基板を示す。
【図２】図２は、図１の基板の後ろ側がレジストでパターニングされた状況を示す。
【図３】図３は、図２の基板に異方性エッチングを施された結果、基板の後ろ側にキャビティが形成された状況を示す。
【図４】図４は、図３の基板の後ろ側のレジストが除去されて、上側がレジストでパターニングされた状況を示す。
【図５】図５は、図４の基板に異方性エッチングが行われた状況を示す。
【図６】図６は、図５の基板の上側がレジストでパターニングされ、メッシュのある部分は、キャビティの領域にて案内開口が基板に形成されるように、エッチマスクとして機能する状況を示す。
【図７】図７は、図６の基板に異方性エッチングが施された結果、案内開口が形成された状況を示す。
【図７Ａ】図７Ａは、図６の基板に異方性エッチングが施された結果、案内開口が形成された状況を示す。
【図８】図８は、図７の基板の上側からレジストを除去した状況を示す。
【図８Ａ】図８Ａは、図７Ａの基板の上側からレジストを除去した状況を示す。
【図９】図９は、図８の基板の上側がレジストでパターニングされて、等方性エッチングの結果、メッシュの下にチャンバーが形成された状況を示す。
【図９Ａ】図９Ａは、図８Ａの基板の上側がレジストでパターニングされて、等方性エッチングの結果、メッシュの下にチャンバーが形成された状況を示す。
【図１０】図１０は、図２の基板に第２レジスト層が配置されて、基板の後ろ側がパターニングされた状況を示す。
【図１１】図１１は、基板の後ろ側に施された異方性エッチングが進行して、キャビティ及び通気開口が形成される状況を示す。
【図１２】図１２は、基板の後ろ側に施された異方性エッチングが進行して、キャビティ及び通気開口が形成される状況を示す。
【図１３】図１３は、図１２の基板の後ろ側からレジストが除去されて、上側がレジストでパターニングされた状況を示す。
【図１４】図１４は、図１３の基板に異方性エッチングが行われてレジストが上側から除去された状況を示す。
【図１５】図１５は、図１４の基板に等方性エッチングが行われてメッシュの下にチャンバーが形成された状況を示す。チャンバーが形成されている間に、チャンバーは、通気開口と交わる。
【図１６】図１６は、図５の基板に等方性エッチングが行われて、メッシュの下にチャンバーが形成された状況を示す。
【図１７】図１７は、図１６の基板に異方性エッチングが行われて、エッチマスクを用いて通気開口が形成された状況を示す。
【符号の説明】
【００２７】
(10)  ダイ
(12)  基板
(14)  第１誘電体層
(16)  第１金属層
(18)  メッシュ
(20)  第２誘電体層
(22)  第２金属層
(24)  開口
(26)  第３誘電体層
(28)  第３金属層
(30)  開口
(32)  最上層の誘電体層
【図１】
2004223710.tif 000003
【図２】
2004223710.tif 000004
【図３】
2004223710.tif 000005
【図４】
2004223710.tif 000006
【図５】
2004223710.tif 000007
【図６】
2004223710.tif 000008
【図７】
2004223710.tif 000009
【図７Ａ】
2004223710.tif 000010
【図８】
2004223710.tif 000011
【図８Ａ】
2004223710.tif 000012
【図９】
2004223710.tif 000013
【図９Ａ】
2004223710.tif 000014
【図１０】
2004223710.tif 000015
【図１１】
2004223710.tif 000016
【図１２】
2004223710.tif 000017
【図１３】
2004223710.tif 000018
【図１４】
2004223710.tif 000019
【図１５】
2004223710.tif 000020
【図１６】
2004223710.tif 000021
【図１７】
2004223710.tif 000022