JP2002328117A - 光音響ガスセンサ用マイクロフォンおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光音響ガスセンサの検出感度を高めることの
できる簡易な構成の光音響ガスセンサ用マイクロフォン
を提供する。 【解決手段】 キャビティ１０の壁面の一部をなして設
けられる波形形状の第１の電極２１と、前記キャビティ
に連接されたバックプレート２３により支持されて上記
第１の電極の裏面側に所定の距離を隔てて対向配置され
る第２の電極２２とを備える。特に第１の電極を、キャ
ビティを形成するＳi基板１１の一面を異方性エッチン
グした波形形状を利用して形成し、この上に犠牲層１６
を介して第２の電極を、更にバックプレートを形成す
る。そしてＳi基板を裏面側から選択的にエッチングし
て第１の電極を露出させてキャビティを形成し、また犠
牲層をエッチング除去してマイクロフォンを完成させ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光音響ガスセンサ
に組み込まれて、ガスが導入されるキャビティ内の圧力
に感応するマイクロフォン光音響ガスセンサ用マイクロ
フォンおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【関連する背景技術】光音響ガスセンサは、特定種類の
ガスが特定波長の赤外線を吸収して熱膨張すると言う現
象を利用して、空気等の混合ガス中の特定種類のガス、
例えばＣＯ₂の濃度を検出するものである。即ち、特定
波長を有し、経時的に強さが変化する赤外線を空気に照
射すると、空気中に存在するＣＯ₂濃度が高い程、大き
な熱膨張・熱収縮が発生する。従ってこの現象を気圧
（音圧）の変化として検出すれば、これによって空気中
のＣＯ₂濃度を検出することが可能となる。ちなみにこ
の種の光音響ガスセンサは、基本的には図６に示すよう
にガスが導入されるキャビティ１と、このキャビティ１
内に赤外線を断続的にパルス照射する光源２と、前記キ
ャビティ１の壁面の一部（天井面）をなしてキャビティ
１内の音圧に感応するマイクロフォン３とを備えて構成
される。

【０００３】ところで最近、この種の光音響ガスセンサ
を、半導体デバイス製造技術を応用して小型化すること
が試みられている。この場合、前記キャビティ１は、赤
外光に対して透明なＳi基板をエッチング加工して所定
の空間部を形成し、更にキャビティ１内にガスを導入す
るガス通流路４を設けた構造として製作される。そして
このガス通流路４には、通常、ガス拡散フィルタ５が設
けられる。このガス拡散フィルタ５は、微細な通気孔を
多数有するもので、ガスの通流を制限することでキャビ
ティ１内とその外部との間でのガス（空気）の通流（置
換）を維持しながら、前述した赤外光の吸収によるガス
の熱膨張に応じて、前記キャビティ１内の音圧を変化さ
せる役割を担う。

【０００４】尚、上記ガス拡散フィルタ５は、次の２つ
の役割を担う。その１つは、赤外線のパルス照射により
キャビティ１内に発生する急激な圧力変化（音圧）に対
して大きな気流抵抗体として作用し、キャビティ１内を
実質的に密閉状態に保ってその音圧がキャビティ１の外
部に伝わらないようにする機能である。他の１つは、温
度や気圧等の外部環境変化に起因するキャビティ１内に
おける緩慢な圧力変化（音圧）に対しては気流抵抗体と
して作用することなく、逆にキャビティ１内を外気に開
放した状態に保つ機能である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで光音響ガスセ
ンサの小型化に伴って光源２から断続的に変調して照射
される赤外光のキャビティ１内での光路長が短くなる傾
向がある。この為、ガスによる赤外光の吸収量が減少
し、ガスが十分に熱膨張しないので音圧の変化が小さく
なることが否めない。つまりガス濃度に対する検出感度
が悪くなる。これを補うには、例えば前記マイクロフォ
ン３の感度を高め、キャビティ１内に生じた音圧の変化
を高感度に検出することが必要である。しかしマイクロ
フォン３の感度を高めるにも限界があり、仮にマイクロ
フォン３の感度を高めても、耐雑音性等の新たな問題が
生じることが否めない。

【０００６】本発明はこのような事情を考慮してなされ
たもので、その目的は、ガスが導入されるキャビティの
一部をなして設けられるマイクロフォンであって、上記
キャビティ内に生じた音圧の変化を確実に検出すること
ができ、光音響ガスセンサによるガス検出感度を高める
ことのできる簡易な構成の光音響ガスセンサ用マイクロ
フォンおよびその製造方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上述した目的を達成する
べく本発明に係る光音響ガスセンサ用マイクロフォン
は、ガスが導入されるキャビティの一部をなして設けら
れて該キャビティ内の圧力に感応するものであって、前
記キャビティの壁面の一部をなして設けられる波形形状
の第１の電極と、前記キャビティに連接されたバックプ
レートにより支持されて上記第１の電極に所定の距離を
隔てて対向配置される第２の電極とを具備したことを特
徴としている。尚、上記第２の電極については、キャビ
ティの外側に設けるようにしても良く、逆にキャビティ
の内側に設けるようにしても良い。

【０００８】好ましくは前記キャビティは、半導体基板
に所定の開口面積の透孔を形成して構成されるものであ
って、前記第１の電極は上記透孔の一方の開口部を閉塞
して上記キャビティの一部をなすように設けられる（請
求項２）。また前記第１の電極または前記バックプレー
トは、前記キャビティに露出する側の面にコーテングさ
れたＡu等の赤外光反射膜を備えることが好ましい（請
求項３）。

【０００９】また本発明に係る光音響ガスセンサ用マイ
クロフォンの製造方法は、所定の開口ピッチのマスクを
用いて半導体基板としてのＳi基板等の一面を、例えば
異方性エッチングして該Ｓi基板の一面を波形形状に加
工し（第１の工程）、この波形形状に加工した前記Ｓi
基板の一面に沿って第１の電極を形成（第２の工程）し
た後、上記第１の電極の上面に所定の厚みの犠牲層を形
成する（第３の工程）。次いでこの犠牲層の上に第２の
電極を形成した後（第４の工程）、この第２の電極を覆
ってバックプレートを形成すると共にこのバックプレー
トに所定の開口を形成して音響孔を形成する（第５の工
程）。そして前記Ｓi基板をその裏面側から選択的にエ
ッチングして前記第１の電極を露出させる（第６の工
程）と共に、前記音響孔を介して前記犠牲層をエッチン
グ除去して（第７の工程）、前記キャビティに一体化さ
れる光音響ガスセンサ用マイクロフォンを形成すること
を特徴としている。

【００１０】更に前記第１の電極または前記バックプレ
ートの前記キャビティに露出する側の面にＡu等の赤外
光反射膜をコーティングする（第８の工程）ことを特徴
としている。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施形態に係る光音響ガスセンサ用マイクロフォンとその
製造方法について説明する。この光音響ガスセンサ用マ
イクロフォンは、図１および図２にその製造工程を分解
して示すようにして製造され、最終的には図２(ｄ)に示
すようにガスが導入されるキャビティ１０の一部をなし
て設けられて該キャビティ１０内の圧力に感応するもの
として実現される。特にこのマイクロフォン２０は、キ
ャビティ１０の一部をなす第１の電極２１を波形形状の
ものとし、この第１の電極２１と対をなす第２の電極２
２を、前記キャビティ１０に連接されたバックプレート
２３により支持して上記第１の電極２１の裏面側に所定
の距離を隔てて対向配置した構造を有する。

【００１２】このような特徴的な構造を有するマイクロ
フォン２０の詳細について、その製造工程に従って以下
に説明すると、このマイクロフォン２０は、キャビティ
１０を形成するＳi基板１１上に直接形成される。具体
的にはキャビティ１０を形成するためのＳi基板１１を
準備する。このＳi基板１１としては、例えば（１０
０）面を主面とするＳiウェハが用いられる。そして先
ず、このＳi（１００）基板１１上に熱酸化膜１２を成
長させ、フォトリソグラフィを用いて該熱酸化膜１２
に、図１(ａ)に示すように所定の開口ピッチで長方形状
の孔１３を開ける。

【００１３】この熱酸化膜１２に設ける長方形状の孔１
３については、例えば図３(ａ)に示すように、正方形状
の微小な孔を縦横に等間隔に配列したものであっても良
く、また図３(ｂ)に示すように長方形状の孔を平行に設
けたもの、或いは図３(ｃ)に示すように中央部から外側
に向けて順次その孔形状を長く延ばした枠状のものであ
っても良い。要は後述するように熱酸化膜１２をマスク
としてＳi基板１１を異方性エッチングした際、その表
面に一様な波形形状をなす凹凸が形成されるようなマス
クパターンをなすものとすれば良い。

【００１４】しかる後、この熱酸化膜１２をマスクと
し、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムハ
イドライド）を用いて前記Ｓi基板１１を異方性エッチ
ングする。そして図１(ｂ)に示すように該Ｓi基板１１
の表面に断面三角形状をなす複数の凹部１４を前述した
マイクパターン形状に応じて形成し、マイクロフォン２
０における第１の電極２１の形状を規定する波形形状を
前記Ｓi基板１１の表面に形成する［第１の工程］。

【００１５】次いで上記マスクとして用いた熱酸化膜１
２を一旦除去した後、図１(ｃ)に示すようにＳi基板１
１の表面全体に、該Ｓi基板１１の表面を保護し、且つ
第１の電極２１とＳi基板１１との絶縁をとるためのＳi
Ｏ₂等の熱酸化膜（図示せず）を形成する。そしてこの
熱酸化膜（ＳiＯ₂）上に、例えばＣr／Ａu／Ｃrからな
る第１の電極２１を４／２０／４ｎｍ厚に形成し、更に
この第１の電極２１上にダイヤフラムとして用いる感光
性ポリイミド（図示せず）を１μｍ厚に形成する。即
ち、波形形状に加工したＳi基板１１の一面に沿って、
ダイヤフラムにより裏打ちされた第１の電極２１を前記
Ｓi基板１１と絶縁して波形形状に形成する［第２の工
程］。

【００１６】しかる後、前記第１の電極２１の上面に、
図１(ｄ)に示すように犠牲層１６とするＡlを２μｍ厚
に形成する。この犠牲層（Ａl）１６は、マイクロフォ
ン２０における第２の電極２２と上記第１の電極２１と
の対向間距離（ギャップ）を規定する役割を担うもの
で、真空蒸着またはスパッタリングによりその膜厚を制
御しながら形成される［第３の工程］。

【００１７】その後、上記犠牲層（Ａl）１６の上に図
１(ｅ)に示すように、例えばＡu／Ｃrからなる第２の電
極２２を形成し、この第２の電極２２を覆って図１(ｆ)
に示すようにバックプレート２３をなす感光性ポリイミ
ドを厚み１０〜２０μｍ程度に形成する［第４の工
程］。尚、上記第２の電極２２については、後述するよ
うに犠牲層１６のエッチングによる除去時の耐性を考慮
して、ここではＡu／Ｃrを用いてたが、犠牲層（Ａl）
１６のエッチング液に対して耐性を有するものであれば
他の電極材料を用いることも勿論可能である。

【００１８】しかる後、感光性ポリイミドからなるバッ
クプレート２３をパターニングして所定の開口を形成
し、このバックプレート２３をマスクとして第２の電極
２２を選択的にエッチングして、図２(ａ)に示すように
マイクロフォン２０における空気抜きの機能を果たす複
数の音響孔２４を形成する［第５の工程］。これらの音
響孔２４は、前述した犠牲層（Ａl）１６のエッチング
除去にも利用される。

【００１９】次いで前記Ｓi基板１１の裏面に残されて
いる熱酸化膜１７に、フォトリソグラフィを用いて長方
形状の孔を開ける。そしてこの熱酸化膜１７をマスクと
し、ＫＯＨまたはＴＭＡＨ（トリメチルアンモニウムハ
イドライド）を用いて前記Ｓi基板１１をその裏面側か
ら異方性エッチングして前記第１の電極（ダイヤフラ
ム）２１を露出させ、図２(ｂ)に示すように該Ｓi基板
１１の内側にキャビティ１０をなす空間を形成する［第
６の工程］。このときＳi基板１１の裏面側から上記キ
ャビティ１０の内部にＡuをスパッタリングして、前記
第１の電極（ダイヤフラム）２１の露出面およびＳi基
板１１のキャビティ１０を形成した内壁面に数μｍ厚の
赤外光反射膜１８を形成することが望ましい［第８の工
程］。

【００２０】しかる後、前記音響孔１６を介して図２
(ｃ)に示すように前記犠牲層１６をエッチング除去し、
第１の電極２１と第２の電極２２との間に所定のギャッ
プ（空間）を形成することで［第７の工程］、光音響ガ
スセンサの音響セル（キャビティ）に一体化されたマイ
クロフォン２０が完成される。ちなみにＡlからなる犠
牲層１６をエッチング除去は、そのエッチング液とし
て、例えばリン酸と硝酸との混合液（７０℃）を用いて
行われる。

【００２１】尚、音響セルについては、Ｓi基板１１の
開口された裏面側に光学フィルタ基板（図示せず）を接
合してキャビティ１０を完成させ、この光学フィルタ基
板を介して赤外光を導入し得るように構成するようにす
れば良い。しかし図２(ｄ)に示すように前記Ｓi基板１
１と同様に異方性エッチングによりキャビティ１０をな
す空間を形成した別のＳi基板１９を前記Ｓi基板１１の
裏面側に接合し、より大きな空間（キャビティ）を形成
した音響セルを実現することも可能である。この場合に
は、上記Ｓi基板１９の開口された面に光学フィルタ基
板を接合するようにすれば良い。特にこのような構造と
すれば、キャビティ１０内における赤外光の光路長を稼
ぐことが可能となる。またこのようにして２つのＳi基
板１１,１９を接合してキャビティ１０を形成する場合
には、その間にガス拡散フィルタを形成したスペーサ３
０を介在させるようにしても良い。

【００２２】かくして上述した如くして製造され、キャ
ビティ１０の一部をなす第１の電極２１を波形形状にし
たマイクロフォン２０によれば、キャビティ１０内の音
圧を受ける第１の電極２１の面積を広くすることができ
るので、効果的にその高感度化を図ることができる。し
かも第１の電極（ダイヤフラム）２１のキャビティ１０
側の露出面が赤外光反射膜（Ａu）１８によりコーティ
ングされているので、キャビティ１０内に導入された赤
外光が波形形状をなす上記第１の電極（ダイヤフラム）
２１により反射される。そしてＳi基板１１,１９がなす
キャビティ１０の内壁面にコーティングされた赤外光反
射膜（Ａu）１８と相俟って、上記赤外光がキャビティ
１０内で多重反射を繰り返すことになり、実質的にその
光路長を各段に長くすることが可能となる。

【００２３】この結果、キャビティ１０内に導入された
ガス（例えばＣＯ₂）による赤外光の吸収量が大きくな
り、ガスの熱膨張を大きくすることができるので、その
音圧の変化を大きくすることが可能となる。換言すれば
低濃度のガスであっても、その音圧変化を大きくするこ
とができるので、音響セルとして検出感度を効果的に高
めることが可能となる。

【００２４】また上述した製造方法によれば、波形形状
をなす第１の電極（ダイヤフラム）２１を容易に形成し
て高感度なマイクロフォン２０を構築することができ
る。特にＳiウェハ上で、複数のマイクロフォン２０を
一括して、しかもその品質を揃えて製造することがで
き、また音響セルと一体にマイクロフォン２０を形成す
ることができるので、その工業的利点が絶大である。

【００２５】尚、本発明は上述した実施形態に限定され
るものではない。例えば図４(ａ)に示すようにＳi基板
１１に等方エッチングによって複数の円弧状凹部１４ａ
を形成し、これらの円弧状凹部１４ａにより形成される
波形形状をベースとして、図４(ｂ)に示すような構造の
マイクロフォン２０を実現するようにしても良い。また
図５(ａ)に示すように第２の電極２２およびこの第２の
電極２２を支持するバックプレート２３を前記第１の電
極２１に倣って波形形状として形成し、このバックプレ
ート２３にＡu等からなる赤外光反射膜１８を形成する
ようにしても良い。但し、この場合には、図５(ｂ)に示
すように、バックプレート２３側にキャビティ１０を設
けるようにし、図における上方側から赤外光をキャビテ
ィ１０内に照射する構成とすることが好ましい。この
際、第１の電極（ダイヤフラム）２１の形成に用いたＳ
i基板１１をその裏面側からエッチングして、該第１の
電極（ダイヤフラム）２１を露出させることは言うまで
もない。またキャビティ１０の形成材料としては、Ｓi-
Ｓiのみならず、Ｓiとガラスとを用いることも可能であ
る。

【００２６】また赤外光反射膜１８については、Ａl等
を用いることも可能であり、第１の電極２１の形成材料
自体に赤外光反射機能を有する貴金属材料等を用いるよ
うにしても良い。更には第１の電極２１の大きさや、そ
の波形形状をなす面の深さや波のピッチ等は、マイクロ
フォン２０や音響セルに要求される検出感度仕様等に応
じて決定すればよいものである。またＳi基板１１に代
えて、他の半導体基板を用いてキャビティを形成するこ
とも可能である。その他、本発明はその要旨を逸脱しな
い範囲で種々変形して実施することができる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、キ
ャビティの一部をなす第１の電極が波形形状をなしてい
るのでその検出感度を高めた光音響ガスセンサ用マイク
ロフォンを実現することができ、また第１の電極自体に
赤外光の反射機能を持たせることができるので、音響セ
ルとしてのガス検出感度を容易に高めることができる。
しかもキャビティをなす半導体基板をエッチングして第
１の電極の波形形状を規定してマイクロフォンを製作す
るので、その製造が極めて簡単であり、量産性にも優れ
る等の実用上多大なる効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態に係る光音響ガスセンサ用
マイクロフォンの製造工程を段階的に分解して示す図。

【図２】図１に続く光音響ガスセンサ用マイクロフォン
の製造工程と、これによって製作されるマイクロフォン
の概略的な構造を示す図。

【図３】Ｓi基板の異方性エッチング用マスクとして用
いる熱酸化膜に形成する孔の形状例を示す図。

【図４】本発明の別の実施形態に係る光音響ガスセンサ
用マイクロフォンの製造工程の要部と、マイクロフォン
の構造を示す図。

【図５】本発明の更に別の実施形態に係る光音響ガスセ
ンサ用マイクロフォンの製造工程の要部と、マイクロフ
ォンの構造を示す図。

【図６】光音響ガスセンサの概略的な構造を示す図。

【符号の説明】

１０ キャビティ １１ Ｓi基板 １２ 熱酸化膜（マスク） １４ 凹部（波形形状） １６ 犠牲層 １７ 熱酸化膜 １８ 赤外光反射膜 ２０ マイクロフォン ２１ 第１の電極（波形形状） ２２ 第２の電極 ２３ バックプレート ２４ 音響孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 本田 宣昭 東京都渋谷区渋谷２丁目12番19号 株式会 社山武内 Ｆターム(参考） 2F055 AA39 BB20 CC02 DD05 EE25 FF11 GG01 GG15 HH05 HH19 2G047 AA01 CA04 GB11 GB32 GD02 4M112 AA01 AA03 BA07 CA03 CA04 CA11 CA13 DA04 EA03 EA14 FA01

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガスが導入されるキャビティの一部をな
   して設けられて該キャビティ内の圧力に感応するマイク
   ロフォンであって、 前記キャビティの壁面の一部をなす波形形状の第１の電
   極と、 前記キャビティに連接されたバックプレートにより支持
   されて上記第１の電極に所定の距離を隔てて対向配置さ
   れる第２の電極とを具備したことを特徴とする光音響ガ
   スセンサ用マイクロフォン。
2. 【請求項２】 前記キャビティは、半導体基板に所定の
   開口面積の透孔を形成して構成されるものであって、 前記第１の電極は、上記透孔の一方の開口部を閉塞して
   設けられるものである請求項１に記載の光音響ガスセン
   サ用マイクロフォン。
3. 【請求項３】 前記第１電極または前記バックプレート
   は、前記キャビティに露出する側の面にコーテングされ
   た赤外光反射膜を備えてなる請求項１または２に記載の
   光音響ガスセンサ用マイクロフォン。
4. 【請求項４】 ガスが導入されるキャビティの一部をな
   して設けられて該キャビティ内の圧力に感応するマイク
   ロフォンの製造方法であって、 所定の開口ピッチのマスクを用いて半導体基板の一面を
   エッチングして該半導体基板の一面を波形形状に加工す
   る第１の工程と、 上記波形形状に加工された前記半導体基板の一面に沿っ
   て第１の電極を形成する第２の工程と、 上記第１の電極の上面に所定の厚みの犠牲層を形成する
   第３の工程と、 上記犠牲層の上に第２の電極を形成する第４の工程と、 この第２の電極を覆ってバックプレートを形成すると共
   に、このバックプレートをパターニングして所定の開口
   を形成して音響孔を形成する第５の工程と、 前記半導体基板をその裏面側から選択的にエッチングし
   て前記第１の電極を露出させる第６の工程と前記音響孔
   を介して前記犠牲層をエッチング除去する第７の工程
   と、 を具備したことを特徴とする光音響ガスセンサ用マイク
   ロフォンの製造方法。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の光音響ガスセンサ用マ
   イクロフォンの製造方法において、 更に前記第１の電極または前記バックプレートの前記キ
   ャビティに露出する側の面に赤外光反射膜をコーティン
   グする第８の工程を含むことを特徴とする光音響ガスセ
   ンサ用マイクロフォンの製造方法。
6. 【請求項６】 前記第１の工程は、半導体基板の一面を
   異方性エッチングするものである請求項４に記載の光音
   響ガスセンサ用マイクロフォンの製造方法。