JP2002218594A - シリコン酸化膜エレクトレットの製造方法、同製造方法によって得られたシリコン酸化膜エレクトレット、および、同シリコン酸化膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサマイクロホン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 水分や水素等の挟雑物が少なく、十分に高い
成膜速度が得られるシリコン酸化膜エレクトレットの製
造方法、同製造方法によって得られたシリコン酸化膜エ
レクトレット、および、同シリコン酸化膜エレクトレッ
トを備えたＥＣＭを提供する。 【解決手段】 基板１００が配置された真空の処理チャ
ンバー２内に酸素を導入する工程と、導入された酸素を
プラズマ処理によってイオン化する工程、シリコン単体
乃至はシリコンと酸素を主成分とする固体状のシリコン
化合物に電子を衝突させて気体状シリコンを生成させる
工程、気体状シリコンをプラズマ処理によってイオン化
する工程、イオン化された酸素とシリコンとの反応に基
づいてシリコン酸化膜を基板１００上に成膜する工程、
シリコン酸化膜を分極する工程を備えたシリコン酸化膜
エレクトレットの製造方法とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン酸化膜エ
レクトレットの製造方法、同製造方法によって得られた
シリコン酸化膜エレクトレット、および、同シリコン酸
化膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサ
マイクロホンに関する。

【０００２】

【従来の技術】エレクトレットコンデンサマイクロホン
（ＥＣＭ）用の誘電体として用いることのできるシリコ
ン酸化膜エレクトレットは、そこに形成されている誘電
膜が、従来のＦＥＰフィルム等の有機材料で形成された
エレクトレット（１５０℃前後の温度環境によって誘電
特性が劣化してしまう）と異なり、高い耐熱性を備えて
いる。したがって、ＥＣＭの基板への実装を、予めＥＣ
Ｍの電極部と基板の間に設けたハンダ層を熱風で再溶融
させるリフロー法によって実施できるという非常に有利
な特性を有する。リフロー法は迅速で確実な実装を可能
にし、形成される接合部の電気抵抗も、導電性接着剤な
どによるものに比して低い。

【０００３】また、シリコン酸化膜エレクトレットは、
ＦＥＰフィルム等の有機材料製のエレクトレット（１
２．５μｍ〜２５μｍ以下の薄膜化は困難）よりも大幅
に薄く（２μｍ〜３μｍの薄膜化が可能）成膜された誘
電膜で構成することができるため、このように薄い誘電
膜を備えたシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣ
Ｍは感度特性が優れているという利点をも有する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記のエレ
クトレット用のシリコン酸化膜の製法としては、シラン
（ＳｉＨ₄）やＴＥＯＳ等のガスをシリコン源にしたＣ
ＶＤ法が知られている。しかし、この方法で製造された
シリコン酸化膜は、シリコン源として用いられる原料の
構成成分のために、若干の水分や水素等の不純物を挟雑
物として不可抗力的に含んでしまい、十分に高い特性を
備えたシリコン酸化膜エレクトレットが得られなかっ
た。

【０００５】また、水素や水分などの挟雑物の少ないシ
リコン酸化膜エレクトレットの製造方法として、純粋な
固体状シリコンをシリコン源とした高周波マグネトロン
スパッタリング法がある。この方法では、固体状シリコ
ンを備えた上部電極と、下部電極上の基板との間に高周
波電力を印加することによって、酸素とアルゴンガスの
存在下で固体状シリコンからシリコン原子を飛び出さ
せ、このシリコン原子を酸素と反応させることによっ
て、１．０μｍ〜５．０μｍの厚さのシリコン酸化膜を
基板上に成膜する。しかし、この方法は、十分に高い成
膜速度が得られなかった。

【０００６】したがって、本発明の目的は、上に例示し
た各従来技術によるシリコン酸化膜エレクトレットの製
法の持つ前述した欠点に鑑み、水分や水素等の不純物を
挟雑物として実質的に含まず、十分に高い誘電特性を備
え、しかも、十分に高い成膜速度が得られるシリコン酸
化膜エレクトレットの製造方法を提供することにある。
また、同時に、本発明の目的は、同製造方法によって得
られたシリコン酸化膜エレクトレット、および、同シリ
コン酸化膜エレクトレットを備えたＥＣＭを提供するこ
とにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るシリコン酸化膜エレクトレットの製造
方法は、特許請求の範囲の欄の請求項１から９に記され
た特徴構成を備えている。すなわち、本発明の請求項１
によるシリコン酸化膜エレクトレットの製造方法は、下
記の各工程を備えることを特徴構成としている、基板が
配置された真空の処理チャンバー内に酸素を導入する工
程と、導入された酸素をプラズマ処理によってイオン化
する工程、シリコン単体乃至はシリコンと酸素を主成分
とする固体状のシリコン化合物に電子を衝突させて前記
処理チャンバー内に気体状シリコンを生成させる工程、
前記気体状シリコンをプラズマ処理によってイオン化す
る工程、前記イオン化された酸素と前記イオン化された
気体状シリコンとの反応に基づいて生成されたシリコン
酸化膜を前記基板上に成膜する工程、および前記基板上
の前記シリコン酸化膜を分極する工程。

【０００８】このような特徴構成を備えているために、
本発明の特許請求の範囲第１項によるシリコン酸化膜エ
レクトレットの製造方法では、シリコン単体乃至はシリ
コンと酸素を主成分とする固体状のシリコン化合物をシ
リコンソースとして用いているために、水分や水素等の
不純物を挟雑物として実質的に含まず、十分に高い誘電
特性を備えたシリコン酸化膜エレクトレットが得られ
る。また、プラズマ処理によってイオン化させたシリコ
ン原子と酸素原子の反応によって成膜するので、シリコ
ンと酸素のイオンの存在率を高めることによって、従来
の高周波マグネトロンスパッタリング法などに比して十
分に高い成膜速度が得られる。

【０００９】前記処理チャンバー内に導入された酸素を
イオン化する前記工程と前記気体状シリコンをイオン化
する前記工程とは、ヘリコン波を用いた高密度プラズマ
処理に基づいて実施される構成とすることができる。こ
のように構成すれば、シリコン原子と酸素原子のイオン
化が、他のプラズマを用いた場合に比して特に効率的に
行われるので、より高い成膜速度が得られる。

【００１０】また、上記目的を達成するために、本発明
に係るシリコン酸化膜エレクトレットは、特許請求の範
囲の欄の請求項１０に記された特徴構成を備えている。
すなわち、本発明の請求項１０によるシリコン酸化膜エ
レクトレットは、請求項１から９のいずれか１項に記載
の製造法によって得られたことを特徴構成としている。
このような特徴を備えているために、本発明の請求項１
０によるシリコン酸化膜エレクトレットは、ＦＥＰ等の
有機材料からなるエレクトレットに比して耐熱性が高
く、しかも、高周波マグネトロンスパッタリング法など
で得られたシリコン酸化膜エレクトレットに比して十分
に高い成膜速度で得られるので、より安価なシリコン酸
化膜エレクトレットが得られる。また、本発明による製
造方法では、２μｍ〜３μｍと薄く成膜することができ
るので、一般に１２．５μｍ〜２５μｍ程度の厚さを有
するＦＥＰフィルム等の有機材料製のエレクトレットに
比して、誘電特性に優れたエレクトレットが得られ、こ
れを用いたＥＣＭも感度特性の優れたものとなる。

【００１１】さらに、上記目的を達成するために、本発
明に係るエレクトレットコンデンサマイクロホンは、特
許請求の範囲の欄の請求項１１に記された特徴構成を備
えている。すなわち、本発明の請求項１１によるエレク
トレットコンデンサマイクロホンは、請求項１から９の
いずれか１項に記載の製造法によって得られたシリコン
酸化膜エレクトレットを備えていることを特徴構成とし
ている。このような特徴を備えているために、本発明の
請求項１１によるエレクトレットコンデンサマイクロホ
ンは、耐熱性のある無機材料であるシリコン酸化膜から
なるエレクトレットをコンデンサとして用いているの
で、有機材料のエレクトレットを用いたものと異なり、
リフロー法によって迅速に且つ確実にまた電気抵抗の小
さな接合部によって基板に実装することが可能である。
また、用いられているシリコン酸化膜は、シリコン単体
乃至はシリコンと酸素を主成分とする固体状のシリコン
化合物を唯一のシリコンソースとして用いたシリコン酸
化膜からなるので、シラン等のガスを原料として用いた
ＣＶＤ法によって形成されたシリコン酸化膜に比して、
水分や水素等の不純物を挟雑物として実質的に含まず、
十分に高い誘電特性を備え、エレクトレットコンデンサ
マイクロホンとしてもより高性能の感度を発揮する。

【００１２】本発明によるその他の特徴および利点は、
以下図面を用いた実施形態の説明により明らかになるで
あろう。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明によるシリコン酸化膜エレ
クトレットの製造方法、同製造方法によって得られたシ
リコン酸化膜エレクトレット、および、同シリコン酸化
膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサマ
イクロホンについて図面に照らして解説する。先ず、本
発明によるシリコン酸化膜エレクトレットは、基板１０
０上に、厚さが２〜３μｍの薄いシリコン酸化膜を成膜
する前工程と、この前工程によってシリコン基板上に得
られたシリコン酸化膜を分極する後工程とを経て作製さ
れる。尚、基板１００としては、１０００Å（オングス
トローム）程度の厚さのアルミニウム層が予め表面に蒸
着形成されたシリコン基板の他、アルミニウム、洋白、
ステンレススチール、チタンなど各種の金属材を用いる
ことができる。

【００１４】（シリコン酸化膜の成膜装置）基板１００
上に、シリコン酸化膜を成膜する前工程では、図１に示
すヘリコンプラズマ蒸着装置１（Ｈｅｌｉｃｏｎ Ａｃ
ｔｉｖａｔｅｄ ＲｅａｃｔｉｖｅＥｖａｐｏｒａｔｉ
ｏｎ装置とも称される場合がある）が用いられる。ヘリ
コンプラズマ蒸着装置１は、プロセスチャンバー２（処
理チャンバーの一例）と、前記基板としてのウエハをプ
ロセスチャンバー２内に配置するために、プロセスチャ
ンバー２の上部に連結されたウエハ搬送部（不図示）と
を有する。前記ウエハ搬送部は、ウエハを一枚ずつセッ
ト可能なスペースを備えたロードロックチャンバーと、
前記ロードロックチャンバーにセットされたウエハをプ
ロセスチャンバー２内に運び込むトランスファーチャン
バーとで構成されている。

【００１５】プロセスチャンバー２は、最も下部に配置
された電子銃チャンバー３と、電子銃チャンバー３の上
端に気密状に接続されたヘリコンソース部４と、ヘリコ
ンソース部４のさらに上端に気密状に接続された拡散チ
ャンバー５（デポジションチャンバーと称しても良い）
とからなる。電子銃チャンバー３とヘリコンソース部４
と拡散チャンバー５はいずれも、基本的に、共通の垂直
軸芯Ｘに関して回転対称な内面形状を備えた円筒容器状
を呈している。電子銃チャンバー３を構成する第１筒状
体３１内には、出力が１０ｋＶの電子銃３２が収納され
ており、この電子銃３２はヘリコンソース部４に向けて
上向きに配置されている。ヘリコンプラズマ蒸着装置１
の円筒容器内を実質的な真空状態に保持することが可能
なように、電子銃チャンバー３の底部には高能力の排気
手段が接続されている。前記排気手段は、電子銃チャン
バー３の底部に接続された排気速度が１２００Ｌ／ｓｅ
ｃのターボ分子ポンプ１０ａと、ターボ分子ポンプ１０
ａの排気出口にバックアップとして接続された排気速度
が６００Ｌ／ｍｉｎのロータリポンプ１０ｂとからな
る。電子銃３２には、プロセスチャンバー２の外に設け
られた電子銃電源３５から電力が供給される。前記供給
電力は、電子銃電源３５と接続された電子銃制御装置３
６によって制御することができる。

【００１６】ヘリコンソース部４は、第２筒状体４１
と、第２筒状体４１内に収納されたヘリコンアンテナ４
２と、第２筒状体４１の上下の２箇所の外周を取り囲む
ように水平に延びた一対のソースコイル４３ａ，４３ｂ
とからなる。ヘリコンアンテナ４２の中心には固体ソー
スを配置することができる。ここでは、シリコンと酸素
を主成分とする固体ソースとして、石英製のチューブ
（不図示）を配置する。装置としてのヘリコンプラズマ
蒸着装置１によるシリコン酸化膜の成膜工程では、シラ
ン、ＴＥＯＳ等の反応性の気体をシリコンソースとして
用いる必要がない点で、製造プロセスとしての安全性が
より確保される。ヘリコンアンテナ４２には、プロセス
チャンバー２の外に設けられた高周波電源４６によって
１３．５６ＭＨｚ、２．０ｋＷのＲＦ電力を印加するこ
とができ、ヘリコンアンテナ４２と高周波電源４６の間
には、マッチングネットワーク４５が介装されている。
尚、電子銃チャンバー３の第１筒状体３１とヘリコンソ
ース部４の第２筒状体４１との境界部は、中心に円形の
開口部を備えた薄いプレート状オリフィス３３によって
気体通路が狭められている。このように、電子銃チャン
バー３とヘリコンソース部４の間の気体通路が狭められ
た構造と、前記排気手段が電子銃チャンバー３の底部に
接続されている構造とによって、ヘリコンプラズマ蒸着
装置１の円筒容器内に軸芯方向に沿った差圧を生じさ
せ、その結果、プロセスチャンバー２をヘリコンソース
部４よりも僅かに高圧に保持することができる。

【００１７】拡散チャンバー５は、第３筒状体５１と、
第３筒状体５１の上端部の外周を取り囲むように水平に
延びた閉じ込め用コイル５２とからなる。第３筒状体５
１の天井部の中心には、平面視で円形を呈する開口部５
１ａが形成されており、この開口部５１ａには、基板ホ
ルダー５３が気密状に着脱自在に接続されている。さら
に第３筒状体５１には、拡散チャンバー５内に導入する
ための気体導入口５４ａ，５４ｂ、拡散チャンバー５内
の真空度を測定する真空計５５、蒸着状態モニター用の
エリプソメータを挿入するための少なくとも４つのモニ
ター用ポート５６、拡散チャンバー５内を観察するため
の石英窓５７が設けられている。また、第３筒状体５１
の天井部には、基板１００の露出面をヘリコンソース部
４から遮蔽する遮蔽位置と開放した開放位置の間で切り
換え可能なシャッター５８が設けられている。基板ホル
ダー５２は、長さが最大６インチの基板１００を水平に
取付けることの可能なメカニカルクランプ式の基板保持
装置である。基板ホルダー５２によって保持された基板
１００の中心は、垂直軸芯Ｘに一致するように配置され
る。基板ホルダー５２は成膜中の基板１００を冷却（約
２００℃に冷却可能）する水冷式の冷却装置を備えてお
り、また、基板ホルダー５２上で成膜中の基板１００に
対して、１３．５６ＭＨｚ、１．５ｋＷのバイアスを加
えることの可能な手段が設けられている。成膜中の基板
１００にバイアスを加えることによって、基板１００に
衝突するイオンの衝撃エネルギーを制御することがで
き、結果的に、基板１００上でのシリコンイオンと酸素
イオンの反応が促進され、より緻密なシリコン酸化膜が
成膜される。

【００１８】（シリコン酸化膜エレクトレットの製造方
法）本発明によるシリコン酸化膜エレクトレットの製造
方法は、一例として以下の各工程によって構成すること
ができる。 <１>基板ホルダー５２に基板１００を取付け、この基板
ホルダー５２を拡散チャンバー５の開口部５１ａに気密
状に閉じる。シャッター５８は閉鎖位置に保持してお
く。 <２>着脱ターボ分子ポンプ１０ａとロータリポンプ１０
ｂを運転して、拡散チャンバー５内の圧力を１０^-4から
１０^-5Ｐａに保持する。 <３>基板１００に１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗのバイア
スを加え、気体導入口５４ｂからアルゴンガスのみを導
入しながら、このアルゴンのプラズマ処理を行うために
ヘリコンアンテナ４２に１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗの
高周波電力を印加するという前処理を１０ｍｉｎ実施す
る。 <４>気体導入口５４ａ，５４ｂから夫々、酸素（流量：
１５ｓｃｃｍ）とアルゴン（流量：２ｓｃｃｍ）とを同
時に拡散チャンバー５内に導入し、ヘリコンアンテナ４
２に１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗの高周波電力を印加す
る。同時に、ヘリコンソース部４の上部ソースコイル４
３ａには０．４Ａの、下部ソースコイル４３ｂには０．
８Ａの電流を通電する。また、拡散チャンバー５の閉じ
込め用コイル５２にも、０．５Ａの電流を通電する。

【００１９】<５>ヘリコンアンテナ４２の中心に配置さ
れた石英製のチューブ（固体のシリコンソース）に、電
子銃３２から電子ビームを照射開始する。これによっ
て、石英製チューブからのシリコンの蒸発が開始され
る。

【００２０】<６>電子銃３２からの電子ビームの電流を
徐々に高め（３００〜４００ｍＡ）、電流が４８０ｍＡ
に達して、シリコンの蒸発量が所定量に達したら、基板
１００に１３．５６ＭＨｚ、１００Ｗのバイアスを加
え、シャッター５８を開放位置に切り換える。これによ
って、気体導入口５４ａから導入された酸素がヘリコン
プラズマによってイオン化し、前記差圧に基づいて基板
１００に導かれる作用と、石英製チューブから蒸発した
原子状のシリコンが、更にヘリコンプラズマによってイ
オン化し、前記差圧に基づいて基板１００に導かれる作
用とが進行し、これらイオン化したシリコンと酸素とが
反応してシリコン酸化物を生成しつつ、基板１００上に
デポジットすることで、シリコン酸化膜の成膜工程が開
始される。

【００２１】<７>厚さが２〜３μｍのシリコン酸化膜が
基板１００上に形成されるまで、前記成膜反応を進行さ
せるために、<６>の工程を約３０ｍｉｎにわたって継続
する。これによって、２００〜５００Å／ｍｉｎの成膜
速度が得られる（ＡＮＵ測定によれば約４５０Å／ｍｉ
ｎの成膜速度）。尚、成膜工程中は、高周波電力を印加
されたヘリコンアンテナ４２からヘリコン波が発射さ
れ、プラズマ中に伝播し、気体状の酸素およびシリコン
を効率的にイオン化する。ヘリコン波プラズマを用いて
いるので、通常の容量型プラズマや誘導容量型プラズマ
に比して低圧の条件で、高密度プラズマを形成すること
ができる。 <８>複数のモニター用ポート５６から挿入されている蒸
着状態モニター用のエリプソメータが、基板１００上の
シリコン酸化膜の厚さが２〜３μｍに達していることを
示したら、シャッター５８を閉鎖位置に切り換え、アル
ゴンガスの導入を停止することで、前記成膜工程を終了
する。

【００２２】<９>引き続き、拡散チャンバー５内に気体
導入口５４ａから酸素のみを導入しつつ、ヘリコンアン
テナ４２に１３．５６ＭＨｚ、４００Ｗの高周波電力を
１０ｍｉｎにわたって印加することで、前記酸素をプラ
ズマ処理する後処理工程。 <１０>ヘリコンプラズマ蒸着装置１のプロセスチャンバ
ー２内の真空状態を解いて、基板１００を取出し、基板
１００上のシリコン酸化膜をエレクトレット化するため
に下記の操作を行う。ヘリコンプラズマ蒸着装置１から
取出された基板１００上のシリコン酸化膜は、６インチ
ウエハー内の膜厚分布が５％、屈折率が１．４６〜１．
４８（面内分布：０．０１）、テンシルストレスが０．
３６５ＧＰａ、Ｐ−ｅｔｃｈが８．８Å／ｍｉｎの特性
を示す。プロセスチャンバー２を構成している電子銃チ
ャンバー３とヘリコンソース部４と拡散チャンバー５が
いずれも、基本的に共通の垂直軸芯Ｘに関して回転対称
な内面形状を備えた円筒容器状を呈している事実は、上
記のシリコン酸化膜の膜厚分布や屈折率の面内分布の均
一性に大きく寄与していると考えられる。

【００２３】<１１>シリコン酸化膜を備えた基板１００
を４００℃から５００℃の温度範囲にて２時間から４時
間にわたって焼成する工程。 <１２>シリコン酸化膜をスチーム酸化させるために、シ
リコン酸化膜を備えた基板１００を、約６０℃で相対湿
度が約９０％の養生槽内に保持する工程。 <１３>基板１００上のシリコン酸化膜を、分極電圧が−
５．３ｋＶ、グリッド電圧が−１．０ｋＶ、分極距離が
３〜９ｍｍ、分極速度が１．６ｍｍ／ｓｅｃの条件で分
極する工程。分極法としては、導電性ワイヤからコロナ
放電させて発生した電荷をシリコン酸化膜に導入するコ
ロナ分極法や、シリコン酸化膜に電子ビームを照射して
帯電させる電子ビーム分極法、その他の分極法を用いる
ことができる。これによって、基板１００上にシリコン
酸化膜エレクトレットが得られる。

【００２４】（ＥＣＭの第１実施例）図３は、本発明に
よるシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣＭ（エ
レクトレットコンデンサマイクロホン）の一例として挙
げられるホイルエレクトレットタイプのＥＣＭの外観を
示す。図２（ｂ）は、図３のＥＣＭに用いられている薄
膜振動膜１１の断面を示し、この薄膜振動膜１１は、基
材としてのニッケル製の薄膜１１ａ（基板１００の一
例）の一方の面の周囲にステンレス材（他に、真鍮材な
どが使用可能である）からなる導電性リング状部材１２
を熱硬化性エポキシ剤で接着、または、圧着、溶接、半
田付けし、薄膜１１ａの他方の面に、前述のヘリコンプ
ラズマ蒸着法によってシリコン酸化膜エレクトレット１
３が成膜形成されている。尚、実際の成膜操作では、成
膜用のダミーのシリコンウエハー等に、導電性リング状
部材１２と接合された薄膜１１ａ（図２（ａ）に示され
たもの）を多数仮止めし、このダミーのシリコンウエハ
ーを基板１００に見立てて基板ホルダー５２に取付け、
ヘリコンプラズマ蒸着装置１の拡散チャンバー５に設置
し、成膜後、或いは、分極工程の終了後にダミーのシリ
コンウエハーから処理済みの薄膜振動膜１１を取り外せ
ば良い。薄膜振動膜１１の基材としては、ニッケルの他
に、チタン材、アルミ材、その他の金属材が使用可能で
ある。

【００２５】図３のＥＣＭは、天面中央に音響導入孔１
５ａが形成されたアルミの有底筒状部材１５を有し、音
響導入孔１５ａは、防塵クロス１４によって閉じられて
いる。有底筒状部材１５の内部には、音響導入孔１５ａ
に対向する状態で、振動膜１１が導電性リング状部材１
２を介して配置されている。また、背極１７がリング状
絶縁スペーサ１６を介してエレクトレット面１３に対向
配置してある。背極１７は、有底筒状の樹脂ホルダー１
８の開口部端縁に形成された内側切欠段部１８ａに嵌入
支持され、さらに、樹脂ホルダー１８の底部に有底筒状
部材１５の開口端部を内側に折り曲げ支持されたプリン
ト基板１９を配置してある。樹脂ホルダー１８の中空内
部には、背極１７と振動膜１１との間で形成されるコン
デンサに生じる音響に起因する電気信号を低インピーダ
ンス信号に変換するインピーダンス変換素子としてのＦ
ＥＴ２０を設けてあり、ＦＥＴ２０のゲート電極（入力
電極）２０ｇが背極１７に電気的に接続され、ドレイン
電極２０ｄとソース電極２０ｓがプリント基板１９に半
田接続されている。一方、振動膜１１は、導電性リング
状部材１２、有底筒状部材１５を介してプリント基板１
９にアース接続されている。

【００２６】（ＥＣＭの第２実施例）図５は、本発明に
よるシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣＭの一
例として挙げられるバックエレクトレットタイプのＥＣ
Ｍの外観を示す。図４（ａ）に示される、基材としての
ステンレススチール製の背極１７（基板１００の一例）
を、ＥＣＭの第１実施例の記載内容と同様にダミーのウ
エハーに多数取付けて、背極１７の一面に前述のヘリコ
ンプラズマ蒸着法でシリコン酸化膜１３ｐを成膜形成し
ている。図４（ｂ）は、シリコン酸化膜１３ｐを成膜形
成後の背極１７を示す。基材としての背極１７には、ス
テンレススチールの他に、真鍮、洋白、その他の金属材
が使用可能である。背極１７は、厚さ０．２〜０．４ｍ
ｍの板状体を直径２．０から６．０ｍｍの円盤状で中央
部に直径１．０ｍｍ前後の複数の圧力調整用の通気孔１
７ａを形成するようにプレス加工される。これをＥＣＭ
の第１実施形態で記載したと同様の方法で分極処理する
ことによって、シリコン酸化膜１３ｐをシリコン酸化膜
エレクトレット１３とする。

【００２７】図５に示されたバックエレクトレットタイ
プのＥＣＭは、天面中央に音響導入孔１５ａが形成され
たアルミの有底筒状部材１５を備え、音響導入孔１５ａ
は防塵クロス１４によって閉じられている。有底筒状部
材１５の内部には、振動膜１１が導電性リング状部材１
２を介して音響導入孔１５ａに対向するように配置さ
れ、背極１７は、そのエレクトレット面１３が振動膜１
１に対向するようにリング状絶縁スペーサ１６を介して
配置してある。背極１７は、有底筒状の樹脂ホルダー１
８の開口部端縁に形成された内側切欠段部１８ａに嵌入
支持され、さらに、樹脂ホルダー１８の底部には、有底
筒状部材１５の開口端部を内側に折り曲げすることで、
プリント基板１９が支持されている。

【００２８】樹脂ホルダー１８の中空内部には、背極１
７と振動膜１１との間で形成されるコンデンサに生じる
音響に起因する電気信号を低インピーダンス信号に変換
するインピーダンス変換素子としてのＦＥＴ２０を設け
てあり、ＦＥＴ２０のゲート電極（入力電極）２０ｇが
背極１７に電気的に接続され、ドレイン電極２０ｄとソ
ース電極２０ｓがプリント基板１９に半田接続されてい
る。一方、振動膜１１は、導電性リング状部材１２、有
底筒状部材１５を介してプリント基板１９にアース接続
されている。

【００２９】（ＥＣＭの第３実施例）図７は、本発明に
よるシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣＭの一
例として挙げられるフロントエレクトレットタイプのＥ
ＣＭの外観を示す。図６（ａ）に示される絞り加工で形
成された基材としての厚さ０．３ｍｍの有底筒状部材１
５（基板１００の一例）を、ＥＣＭの第１実施例の記載
内容と同様にダミーのウエハーに多数取付けて、前述の
ヘリコンプラズマ蒸着法によって、有底筒状部材１５の
天面内側部の一面に図６（ｂ）に示されるようにシリコ
ン酸化膜１３ｐを成膜形成し、成膜後、或いは、分極工
程の終了後にダミーのシリコンウエハーから成膜された
有底筒状部材１５を取り外せば良い。有底筒状部材１５
の天面中央には、音響導入孔１５ａが形成されている。
シリコン酸化膜１３ｐは分極工程を経てシリコン酸化膜
エレクトレット１３となる。有底筒状部材１５は、アル
ミニウム、洋白などの金属で構成すれば良い。

【００３０】図７に示されるフロントエレクトレットタ
イプのＥＣＭには、シリコン酸化膜エレクトレット１３
を備えた有底筒状部材１５が、防塵クロス１４が貼られ
た状態で用いられている。有底筒状部材１５の内部に
は、金属製の振動膜１１が、リング状絶縁スペーサ１６
を介して音響導入孔１５ａに対向配置され、金属製の振
動膜１１の他面には、導電性リング状スペーサ１２を介
して、金属製筒状部材２２が配置されている。そして、
金属製筒状部材２２の底部に、有底筒状部材１５の内側
に折り曲げられた開口端部に支持された状態でプリント
基板１９が配置されている。金属製筒状部材２２の中空
内部には、有底筒状部材１５の天面と振動膜１１との間
で形成されるコンデンサに生じる音響に起因する電気信
号を低インピーダンス信号に変換するインピーダンス変
換素子としてのＦＥＴ２０を設けてあり、ＦＥＴ２０の
ゲート電極２０ｇがプリント基板１９の配線パターン、
金属製筒状部材２２、導電性リング状スペーサ１６ａを
介して振動膜１１に電気的に接続され、ドレイン電極２
０ｄとソース電極２０ｓがプリント基板１９に電気的に
接続されている。一方、有底筒状部材１５の天面は、有
底筒状部材１５の周壁を介してプリント基板１９にアー
ス接続されている。

【００３１】（ＥＣＭの第４実施例）図１０は、本発明
によるシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣＭの
一例として挙げられる、バックエレクトレットタイプの
半導体ＥＣＭの外観を示す。この半導体ＥＣＭは下記の
ような構成からなる。先ず、図８（ａ）から（ｃ）に示
すように、５〜６インチのシリコンウェハ２０を２ｍｍ
角の半導体チップに区画し、各半導体チップ２３ａ毎
に、周囲に公知のリソグラフィー技術等を用いて集積回
路部２４を製造し、中央部に絶縁膜２７を介して直径
１．４ｍｍ程度の円形の固定電極２５をアルミ蒸着法等
により形成するとともに、アース電極パット２６ａ、固
定電極２５と接続される固定電極パット２３ｂ、電源電
極パット２６ｃ、出力電極パット２６ｄを形成する。集
積回路部２２は、後述の振動膜と固定電極との間で構成
されるコンデンサに誘起される電気信号を低インピーダ
ンス信号に変換するＦＥＴや、必要に応じてカスタマイ
ズ設計される信号処理回路で構成され、アース電極パッ
ト２６ａと電源電極パット２６ｃを介して電源が供給さ
れ、出力電極パット２６ｄから信号が出力される。

【００３２】次に、基材としてのアルミ薄膜からなる固
定電極２５（基板１００の一例）上に、前述のヘリコン
プラズマ蒸着法によって、２．０μｍ〜５．０μｍの膜
厚のシリコン酸化膜１３ｐを形成する。さらに、ＥＣＭ
の第１実施形態で記載したと同様の方法で熱処理、酸化
処理、および、分極処理することによって、シリコン酸
化膜１３ｐをシリコン酸化膜エレクトレット１３とす
る。最後に、図９（ａ）から（ｂ）に示すように、各半
導体チップ２３ａ上の絶縁膜２７上の対角部位４個所に
１０μｍ〜１５μｍ厚さのポリイミド材でなるスペーサ
２９を形成する。上述した半導体チップ２３ａは、図１
０に示すように、有底筒状のセラミックパッケージ６０
の底部に接着剤６５で固定される。半導体チップ２３ａ
のスペーサ２９上には、上面にタングステン／ニッケル
膜６４が蒸着された振動膜６３を配置し、さらに、その
上に、導電性リング状部材６６を介して、音響導入孔６
１ａが形成された金属キャップ６１が圧接されている。
振動膜６３は、導電性リング状部材６６、金属キャップ
６１の表面に配された導電パターン（不図示）、セラミ
ックパッケージ６０の内周及び端部縁部に配された導電
パターン（不図示）、ボンディングワイヤ６７を介し
て、アース電極パット２６ａに接続されている。

【００３３】（ＥＣＭの第５実施例）図１１は、本発明
によるシリコン酸化膜エレクトレットを用いたＥＣＭの
一例として挙げられる、ホイルエレクトレットタイプの
半導体ＥＣＭの外観を示す。この半導体ＥＣＭは、固定
電極２５上にシリコン酸化膜エレクトレットを形成する
のではなく、振動膜６３（基板１００の一例）上に本発
明によるシリコン酸化膜エレクトレット１３を構成した
点で、図１０のバックエレクトレットタイプの半導体Ｅ
ＣＭと異なる。

【００３４】以上の各ＥＣＭは、基板１００に成膜され
た無機材料からなるシリコン酸化膜をエレクトレット
（誘電体）として用いているので、有機材料（ＦＥＰフ
ィルム等）からなるエレクトレットを備えた従来のＥＣ
Ｍに比して耐熱性が高い。したがって、ハンダを用いた
リフロー法によって基板上に簡単に実装することができ
る。すなわち、リフロー法に際して１５０℃を超える温
度に数十分間にわたって曝されても、エレクトレットの
分極性能が実質的に劣化することがない。リフロー法で
実装するには、予めＥＣＭの電極部の各々に、或いは、
回路構成部材として基板に設けられている一対の銅箔の
各々に、メッキなどでハンダ層を形成しておくと良い。
そして、実装に際しては、ＥＣＭを一対の電極部が一対
の銅箔の各々に接当するように載置固定しておき、ＥＣ
Ｍと基板との境界面を中心に、適切な温度の熱風を一定
時間にわたって供給すれば、ハンダ層が再溶融して再び
固化し、この再溶融から再固化の間に、一旦流動性を得
たハンダがＥＣＭの一対の電極部と基板の銅箔とを接合
して、実装が完了する。

【００３５】また、このＥＣＭにエレクトレットとして
用いられているシリコン酸化膜は、シリコンと酸素を主
成分とするシリコン化合物である石英をシリコンの原料
として用いた一種のプラズマ蒸着によって製造されてい
るので、シラン（ＳｉＨ₄）やＴＥＯＳ等をシリコン源
にしたＣＶＤ法で製造されたシリコン酸化膜と異なり、
水分や水素等の挟雑物を実質的に含有していない。した
がって、本発明の方法によって得られたシリコン酸化膜
からは、より理想的な分極特性を持ったエレクトレット
を作ることができ、より高性能のＥＣＭを構成する部品
となる。さらに、このＥＣＭにエレクトレットとして用
いられているシリコン酸化膜は、ヘリコンプラズマ蒸着
法によって製造されているので、他のプラズマ蒸着法に
よって製造されたシリコン酸化膜に比して、密度の高い
高品位の薄膜となる。したがって、本発明の方法によっ
て得られたシリコン酸化膜からは、この意味からも、よ
り理想的な分極特性を持ったエレクトレットを作ること
ができ、より高性能のＥＣＭを構成する部品となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】ヘリコンプラズマ蒸着装置の概略断面図

【図２】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレット
を備えた薄膜振動膜の製造工程図

【図３】図２の薄膜振動膜を用いたホイルエレクトレッ
トタイプのＥＣＭの断面図

【図４】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレット
を備えた背極の製造工程図

【図５】図４の背極を用いたバックエレクトレットタイ
プのＥＣＭの断面図

【図６】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレット
を備えた有底筒状部材の製造工程図

【図７】図６の有底筒状部材を用いたフロントエレクト
レットタイプのＥＣＭの断面図

【図８】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレット
を備えた半導体チップの製造工程の一部の説明図

【図９】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレット
を備えた半導体チップの製造工程の一部の説明図

【図１０】図９の半導体チップを用いた半導体バックエ
レクトレット型のＥＣＭの断面図

【図１１】本願発明によるシリコン酸化膜エレクトレッ
トを備えた半導体ホイルエレクトレット型のＥＣＭの断
面図

【符号の説明】

１００ 基板 １３ シリコン酸化膜エレクトレット １ ヘリコンプラズマ蒸着装置 ２ プロセスチャンバー（処理チャンバー） ３ 電子銃チャンバー １０ａ ターボ分子ポンプ １０ｂ ロータリポンプ ３２ 電子銃 ３５ 電子銃電源 ３６ 電子銃制御装置 ３３ プレート状オリフィス ４ ヘリコンソース部 ４２ ヘリコンアンテナ ４３ ソースコイル ４５ マッチングネットワーク ４６ 高周波電源 ５ 拡散チャンバー ５２ 閉じ込め用コイル ５３ 基板ホルダー ５４ 気体導入口 ５５ 真空計 ５６ モニター用ポート ５７ 石英窓 ５８ シャッター Ｘ 垂直軸芯

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉森 康雄 大阪府八尾市北久宝寺１丁目４番33号 ホ シデン株式会社内 (72)発明者 佐野 哲生 大阪府八尾市北久宝寺１丁目４番33号 ホ シデン株式会社内 (72)発明者 芹田 功 埼玉県川越市芳野台２丁目８番36号 株式 会社エンヤシステム内 Ｆターム(参考） 5D021 CC03 CC06 CC20 (54)【発明の名称】 シリコン酸化膜エレクトレットの製造方法、同製造方法によって得られたシリコン酸化膜エレク トレット、および、同シリコン酸化膜エレクトレットを備えたエレクトレットコンデンサマイク ロホン

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板が配置された真空の処理チャンバー内
   に酸素を導入する工程と、導入された酸素をプラズマ処
   理によってイオン化する工程、 シリコン単体乃至はシリコンと酸素を主成分とする固体
   状のシリコン化合物に電子を衝突させて前記処理チャン
   バー内に気体状シリコンを生成させる工程、 前記気体状シリコンをプラズマ処理によってイオン化す
   る工程、 前記イオン化された酸素と前記イオン化された気体状シ
   リコンとの反応に基づいて生成されたシリコン酸化膜を
   前記基板上に成膜する工程、および前記基板上の前記シ
   リコン酸化膜を分極する工程を備えたシリコン酸化膜エ
   レクトレットの製造方法。
2. 【請求項２】前記処理チャンバー内に導入された酸素を
   イオン化する前記工程と前記気体状シリコンをイオン化
   する前記工程とは、ヘリコン波を用いた高密度プラズマ
   処理に基づいて実施される請求項１に記載のシリコン酸
   化膜エレクトレットの製造方法。
3. 【請求項３】前記ヘリコン波は、前記処理チャンバー内
   に配置されたヘリコンアンテナに４００Ｗから１０００
   Ｗの高周波電力を印加することに基づいて発生する請求
   項２に記載のシリコン酸化膜エレクトレットの製造方
   法。
4. 【請求項４】前記処理チャンバー内に酸素を導入する前
   記工程より前に、予め前記処理チャンバー内を１０^-4か
   ら１０^-5Ｐａの真空状態にしておいて、前記ヘリコンア
   ンテナに高周波電力を印加する工程が含まれ、 前記処理チャンバー内に酸素を導入する前記工程では、
   酸素と同時にアルゴンが導入される請求項３に記載のシ
   リコン酸化膜エレクトレットの製造方法。
5. 【請求項５】前記処理チャンバー内に気体状シリコンを
   生成させる工程は、電子銃からの電子ビームを前記固体
   状のシリコン化合物に衝突させることに基づいて実施
   し、 前記基板上にシリコン酸化膜を成膜する前記工程は、前
   記電子ビームの電流を次第に増大させて、前記処理チャ
   ンバー内の気体状シリコンの量に応じて、前記基板にＲ
   Ｆバイアスを印加する工程を含む請求項１に記載のシリ
   コン酸化膜エレクトレットの製造方法。
6. 【請求項６】前記成膜工程では、前記処理チャンバー内
   に酸素とアルゴンとを導入しつつ、前記気体状シリコン
   と前記酸素がイオン化され、前記成膜工程の終了後に、
   前記処理チャンバー内に酸素のみを導入しつつこれを前
   記ヘリコン波によってイオン化する工程が含まれる請求
   項４に記載のシリコン酸化膜エレクトレットの製造方
   法。
7. 【請求項７】前記分極工程より前に、前記成膜工程によ
   って前記基板上に得られた前記シリコン酸化膜を４００
   ℃から５００℃の温度範囲にて２時間から４時間にわた
   って焼成する工程が含まれる請求項１に記載のシリコン
   酸化膜エレクトレットの製造方法。
8. 【請求項８】前記焼成工程に引き続き、前記シリコン酸
   化膜を約６０℃で相対湿度が約９０％の養生槽内に保持
   することによってスチーム酸化させる工程が含まれる請
   求項７に記載のシリコン酸化膜エレクトレットの製造方
   法。
9. 【請求項９】前記分極工程は、分極電圧が−５．３ｋ
   Ｖ、グリッド電圧が−１．０ｋＶ、分極距離が３〜９ｍ
   ｍ、分極速度が１．６ｍｍ／ｓｅｃの各条件下で実施さ
   れる請求項１に記載のシリコン酸化膜エレクトレットの
   製造方法。
10. 【請求項１０】請求項１から９のいずれか１項に記載の
    製造法によって得られたシリコン酸化膜エレクトレッ
    ト。
11. 【請求項１１】請求項１から９のいずれか１項に記載の
    製造法によって得られたシリコン酸化膜エレクトレット
    を備えたエレクトレットコンデンサマイクロホン。
12. 【請求項１２】天面に音響導入孔が形成された有底筒状
    部材の内部に、振動膜電極と背極とをリング状絶縁スペ
    ーサを介して対向配置してなるコンデンサを備え、前記
    振動膜電極表面であって前記背極の対向面に前記シリコ
    ン酸化膜エレクトレットを形成した請求項１１に記載の
    エレクトレットコンデンサマイクロホン。
13. 【請求項１３】天面に音響導入孔が形成された有底筒状
    部材の内部に、振動膜電極と背極とをリング状絶縁スペ
    ーサを介して対向配置してなるコンデンサを備え、前記
    背極表面であって前記振動膜電極の対向面に前記シリコ
    ン酸化膜エレクトレットを形成してなる請求項１１に記
    載のエレクトレットコンデンサマイクロホン。
14. 【請求項１４】天面に音響導入孔が形成された金属製の
    有底筒状部材の前記天面と振動膜電極とをリング状絶縁
    スペーサを介して対向配置してなるコンデンサを備え、
    シリコン酸化膜エレクトレットを、前記天面内側面であ
    って前記振動膜電極の対向面に形成してなる請求項１１
    に記載のエレクトレットコンデンサマイクロホン。
15. 【請求項１５】少なくともインピーダンス変換素子が形
    成された半導体チップの所定領域に金属薄膜を形成する
    とともに、前記金属薄膜上に前記シリコン酸化膜エレク
    トレットを形成して、前記金属薄膜電極と振動膜とをス
    ペーサを介して対向配置してなるコンデンサを備えた請
    求項１１に記載のエレクトレットコンデンサマイクロホ
    ン。
16. 【請求項１６】少なくともインピーダンス変換素子が形
    成された半導体チップの所定領域に固定電極となる金属
    薄膜を形成し、前記金属薄膜と振動膜電極とをスペーサ
    を介して対向配置してなるコンデンサを備え、前記振動
    膜上であって、前記金属薄膜の対向面に前記シリコン酸
    化膜エレクトレットを形成してなる請求項１１に記載の
    エレクトレットコンデンサマイクロホン。