JP2005535152A - シリコンマイクロホン - Google Patents

Abstract

ソリッドステートトランスデューサ。トランスデューサは、支持構造を形成し、開口部を有する基体を備える。流体伝達音圧に応答するダイヤフラムを形成する薄膜構造が、開口部の上に配置される。トランスデューサは更に、ダイヤフラムの周縁部を支持体に結合するため、複数の半導体支持体と、ダイヤフラムの縁部から接線方向に延びるアームとを含む。アームは、ダイヤフラムが支持体に対して回転できるようにし、ダイヤフラム内のフィルム応力を緩和する。トランスデューサは更に、基体とダイヤフラムの間に配置された複数のストップバンプを備える。ストップバンプは、トランスデューサにバイアスがかけられるとき、基体からダイヤフラムの分離を決める。

Description

本発明は、シリコンマイクロホンに関し、より具体的には、残留応力の少ないダイヤフラムを有するシリコンマイクロホンに関する。

マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、マイクロエレクトロニクスの精密製造技術を使用して、小さい（ミクロンから数百ミクロン）電気機械部品を製造できる。ＭＥＭＳ製造プロセスを記述するのにしばしば使用される言葉は、マイクロ機械加工である。市場のＭＥＭＳデバイスの主な例には、圧力センサーと加速度計がある。L. SpanglerとC.J. KempによるISAAC-integrated silicon automotive accelerometer, Tech. Dig. 8^th Int. Conf. On Solid-State Sensor and Actuators (Transducers '95)、Stockholm, June 1995, pp. 585-588.を参照されたい。また、W.S. CzarnockiとJ.P. Schusterによる”Robust, Modular, Integrated Pressure Sensor,” Proc 7^th Intl Cong on Sensors, Nuremberg, Germanyを参照されたい。

これらのデバイスは、典型的にはフィルムからマイクロ機械加工された薄い膜とビームからなり、これらは基体上に堆積されるか又はラミネートされる。又は、基体自体からエッチングされる。これらのマイクロ機械加工されたフィルムは、最終的には機械的構造及び／又は電気的接続として作用する。フィルムが堆積されるか又はラミネートされる場合は、最初に犠牲層が堆積され、次にフォトリソグラフィーを使用してパターン化されてから、フィルム堆積又はラミネートが行われる。パターニングは、基体上に犠牲層のない領域を作り、従って基体上に直接フィルムを堆積させる、即ち基体に固定することができる。フィルムが所望の構造に機械加工された後、マイクロ機械加工された構造の下にある犠牲層を除去することにより、基体に固定されていない構造の一部が、基体から物理的に分離される、即ち離される。

マイクロ機械加工でしばしば出会う１つの主な問題点は、フィルム応力の制御である。フィルム応力とは、成形後のフィルムに存在する残留応力である。フィルムの引張り応力の場合は、マイクロ機械加工された構造を歪ませ応力を緩和するように設計されていなければ、出来たマイクロ機械加工された構造もまた、引張り応力がある。マイクロ機械加工された片持ち梁は、残留応力を緩和できる構造の典型的な例である。

ＭＥＭＳマイクロホン（コンデンサーマイクロホン）では、音響信号で作動するマイクロ機械加工された構造の部分は、ダイヤフラムである。ダイヤフラム上の応力は、マイクロホンの感度に直接的に影響する。引張り応力は、マイクロホンのダイヤフラムの機械的コンプライアンスを大きく低下させる。次の理想化した式は、機械的コンプライアンスの減少がキャパシターマイクロホンの感度を低下させることを示す。

ここに、Ｃ_MSは機械的コンプライアンス（メートル／ニュートン）、Ｓは面積、Ｅはバイアス、ｘ₀はマイクロホンのダイヤフラムとバックプレートの距離、Sensはマイクロホンの開路感度である。感度がフィルムの応力の影響を受けにくいＭＥＭＳマイクロホンを作るためには、フィルム応力が機械的コンプライアンスに影響を与えないように、ダイヤフラムを設計する必要があることは明らかである。ダイヤフラムはまさに残留応力を有するフィルムから作られることを心にとめる必要がある。

フィルムの応力を最小にする１つの方法は、フリープレート方式である。LoeppertらのMiniature Silicon Condenser Microphone、米国特許第5,490,220号と2001年8月10日出願のＰＣＴ出願01/25184号（米国出願09/637,401号と、09/910,110号に基づき優先権主張）を参照されたい。この方法では、ダイヤフラムは、狭いアームを除いて大体はフリーである。狭いアームの機能は、単純にダイヤフラムの電気接続を提供することである。このようにして、機械的にフリーなダイヤフラムは、歪んで残留応力を開放することができる。ダイヤフラムは、基体に堅固には取付けられていないので、基体上にダイヤフラムを機械的に閉じ込め、取り扱い中にダイヤフラムが完全に外れることがないようにする必要がある。フリープレートの設計では、ダイヤフラムは、基体にエッチングされた音響ポート上にある。（音響ポートとして作用する基体の開口部は、ダイヤフラムの直径より小さい。）フリープレートの設計では、バックプレートがダイヤフラムを覆い、必要な閉じ込めを行う。従って、ダイヤフラムは、ダイヤフラムのどちらかの側にある基体とバックプレートにより拘束される。

フリープレート設計のようなマイクロホンのダイヤフラムの設計は、多数の薄膜のコンフォーマル層を堆積することのできる製造プロセスを使用することにより可能である。（上述したＰＣＴ出願を参照されたい）。

あるマイクロホンでは、ダイヤフラムと基体の間にバックプレートを置くことが望ましい。他のデバイスでは、バックプレートはないかもしれない。これらの状況では、十分に拘束せず、フリープレートのダイヤフラムを、基体から引き離されないように、また処理中又は完成したデバイスを取り扱い中に損傷を受けないように保持することができない。本発明は、面の外への移動を拘束してダイヤフラムを保護し、しかも歪んで面内の応力を緩和する手段を記述する。

製造工程を簡単にするためには、機械的構造の幾つかの機能性を組合わせることが必要である。本発明によれば、ダイヤフラムを本質的に自由にする、即ちフィルムの応力が緩和され、しかもダイヤフラム全体は基体上の場所に固定されるダイヤフラム固定方式が提供される。このダイヤフラムの設計は、（ダイヤフラムの）残留フィルム応力に比較的無感応な特性音響感度を有するＭＥＭＳマイクロホンを作るのに使用することができる。この設計では、残留フィルム応力へのダイヤフラムのコンプライアンスの無感応は、特定の固定方式により達成される。ダイヤフラムは、支持基体に物理的に固定される即ち取付けられるので、ダイヤフラムを包含する追加の構造は必要ない。従って、製造方法は、前節で述べた自由プレートの設計より簡単に製造できる。
従って、本発明の目的は、トランスデューサを提供することである。

本発明によれば、トランスデューサは、支持構造を形成し、開口部を有する基体を備える。基体が適当な絶縁膜層を有するなら、基体は、導電性材料で、又はシリコン等の半導体材料で作ることができる。又は、基体は、基体は完全に電気絶縁材料で作ることもできる。流体伝達される音圧に応答するダイヤフラムを形成する薄膜構造が、開口部の上に配置される。トランスデューサは更に、複数の支持体と、ダイヤフラムの周縁部を支持体に結合する手段を含む。結合手段は、歪んで、ダイヤフラムが動けるようにし、ダイヤフラムのフィルム応力を緩和することができる。トランスデューサは更に、基体とダイヤフラムの間に配置された複数のストップバンプを備える。ストップバンプは、トランスデューサにバイアスがかけられるとき、基体からダイヤフラムの分離を決める。

トランスデューサはマイクロホンであってもよい。
ストップバンプは、絶縁材料で作られるか、又は絶縁材料の外側層を有する導電性材料で作られる。
各ストップバンプは、ダイヤフラムではなく基体に固定されてもよく、又は各ストップバンプは基体ではなくダイヤフラムに固定されてもよい。

結合手段は、ダイヤフラムの縁部からほぼ接線方向に延びる複数のアームであってもよい。
トランスデューサはバックプレートを含み、バックプレートはダイヤフラムより小さく、バックプレートの中心はダイヤフラムの中心と整列し、寄生キャパシタンスを最小にするようにしてもよい。

本発明の他の目的、特徴、利点は、発明の詳細な説明と図面からわかるであろう。
本発明は、他の多くの実施の形態が可能であるが、ここに本発明の好適な実施の形態を説明する。この開示は、本発明の原理を例示するためのものであり、本発明の広い態様を例示される実施の形態に限定することを意図するものではない。

図１に、本発明によるソリッドステートトランスデューサ10を示す。この説明では、トランスデューサ10はコンデンサーマイクロホンとして示される。しかし、トランスデューサは圧力センサー又は加速度計等の他のデバイスでもよい。トランスデューサ10は、支持構造を形成し開口部12aを有する半導体基体12を備える。トランスデューサ10は更に、流体伝達される音圧に応答するダイヤフラム14を形成する薄膜構造を備える。ダイヤフラム14は、開口部12aの上に配置される。ダイヤフラム14は、接線方向に延びる複数のアーム14aを含む。絶縁材料でコーティングされたバックプレート16が、基体12に取付けられる。バックプレート16は、基体12と同じシリコンで形成されていてもよい。

トランスデューサ10は更に、各アーム14aを基体12に結合する複数の半導体支持体18を含む。複数のストップバンプ20が、基体12とダイヤフラム14の間に配置される。ストップバンプ20は、トランスデューサ10にバイアスがかけられているとき、基体12からまたバックプレート16から、ダイヤフラム14の分離を決定する。バック容積24が、バックプレート16の下に位置してもよく、開放式の空洞をカバーするため、基体開口部12aを使用して画定されてもよい。

図２に、ダイヤフラム14の３つの異なる面の図を示す。上面図により、らせん形アーム14aにより基体12に固定されるダイヤフラム14を示す。全体構造が基体12から解放されると（固定点を除いて）、らせん形アーム14aは歪んで、ダイヤフラム14の生来のフィルム応力を緩和する。らせん形アーム14aを含むダイヤフラム14全体は導体であり、ドープしたシリコン、ポリシリコン、又はシリコンゲルマニウムでもよい。

図２の下面図により、ストップバンプ20を示す。ストップバンプ20は、絶縁体から製造される。又は、ストップバンプ20は外側絶縁層を有する導体である。
好適な実施の形態では、トランスデューサ10は２０のストップバンプ20を有する。各ストップバンプ20は、基体12に固定され、バンプのすぐ上にあるダイヤフラム14には取付けられない。ストップバンプ20をダイヤフラム14には取付けないので、フィルム応力を緩和するときダイヤフラム14が移動することができる。ストップバンプ20は、ダイヤフラム14が音波に応答し、ダイヤフラム14にバイアスがかけられているとき、制御された境界条件として作用する。特に、ストップバンプは、応力緩和されたダイヤフラム14に、簡単に支持された境界を提供し、またダイヤフラム14にバイアスがかけられているとき、ダイヤフラム14とバックプレート16の間の公称の距離を決める。ダイヤフラム14にバイアスがかけられていないときのストップバンプ20の頂部とダイヤフラム14の底部との距離は、またバンプ20の直径は、利用可能な製造技術による。

変化する環境圧力に適応させるために、環境からバンプ20とダイヤフラム14と基体12により囲まれるバック容積への経路により画定される音響の経路即ちリークが必要である。このリークの音響抵抗を制御するため、ダイヤフラム14の下又はダイヤフラム14の外辺に追加のバンプ20を置き、環境からバック容積24への音響リークを制限してもよい。又は、バンプ20の高さにより設定される間隙を調節してもよく、ダイヤフラム14の重なり合い又は基体の孔を変化させてもよい。

図２の下の側面図により、バックプレート16の位置を示す。バックプレート16は導体である。バックプレート16は、孔又は溝をあけ、動作中のダイヤフラム14の移動の所望の減衰を提供し、また音響ノイズを低下させるようにしてもよい。バックプレート16は、ダイヤフラム14よりずっと厚く堅くなければならない。更に、バックプレート16は、ダイヤフラム14より小さくなければならず、バックプレート16の中心は、ダイヤフラム14の中心と整列し、寄生キャパシタンスを最小にしなければならない。

再度図１を参照すると、基体12はテーパのついた孔、即ち音響ポートを有する。これは、シリコン異方性エッチングの特徴であり、バルクをマイクロ機械加工したシリコン構造に普通に見られる。ダイヤフラム14の厚さは、見やすいように誇張してある。前述したように、バックプレートはダイヤフラムよりずっと厚く（又は堅く）なければならない。

図１をみると、ダイヤフラム14は、らせん形アーム14aの端部で基体12に固定される。基体12は絶縁体の層でコーティングされ、バックプレート16とダイヤフラム14の間の電気的短絡を防止する。バックプレート16とダイヤフラム14の両方に、電気接続（図示せず）が提供される。電気接続は、単に導電ランナにより達成してもよい。それゆえ、電位接続は図示していない。

図１に示すように、マイクロホンとして作用するため、トランスデューサ10は、バック容積がわかった空洞の孔の上に置かれる。次に、ダイヤフラム14は、バックプレート16に対して電気的にバイアスをかけられる。ダイヤフラム14を固定するらせん形アーム14aが、バイアスをかける前、ダイヤフラム14を殆ど応力のない状態にする。バイアスをかけると、ダイヤフラム14はバンプ20に対して静止する。ダイヤフラム14を音波に晒すと、ダイヤフラム14の作動が起こり、移動するダイヤフラムの中心により生じる電気信号が、高インピーダンスアンプを使用して検出される。上述したように、バックプレート16はダイヤフラム14より堅い。作動するダイヤフラム14と静止したバックプレート16とで、可変キャパシターを形成し、キャパシタンスの変化は音響信号により誘導される。

図３は、ダイヤフラムの設計を取り入れたマイクロホンのバージョンの幾何学的寸法を示す。これはダイヤフラム14の上面図である。ダイヤフラム14は、550μｍの有効寸法30を有する。接線方向のアーム14aを含むダイヤフラム14の全体の直径32は、710μｍである。各接線方向のアーム14aの幅34は16μｍ、曲率半径36は150μｍである。バックプレート16の直径38は400μｍ、ダイヤフラム14とバックプレート16の間の距離は4μｍである。また図３に、ダイヤフラム14の下にあるバックプレート16の外形を示す。前述したように、バックプレート16の直径は、ダイヤフラム14の直径より小さくし、寄生キャパシタンスを最小にする。

特定の実施の形態を例示し記述してきたが、本発明の精神から離れずに多くの改変を思いつくことができ、保護の範囲は、特許請求の範囲のみにより制限される。

本発明によるトランスデューサの破断斜視図である。 図１のトランスデューサのダイヤフラムの上面図、下面図、側面図である。 図１のトランスデューサの上面図である。

Claims (33)

1. ソリッドステートトランスデューサであって、
   支持構造を形成し、開口部を有する基体、
   流体伝達される音圧に応答し前記開口部の上に配置されたダイヤフラムを形成する薄膜構造、
   複数の支持体、
   前記ダイヤフラムの周縁部を前記支持体に結合する手段であって、歪んで、前記支持体に対して前記ダイヤフラムが動けるようにし、前記ダイヤフラムのフィルム応力を緩和することができる前記結合手段、及び、
   前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されて、前記トランスデューサにバイアスがかけられるとき、前記基体から前記ダイヤフラムの分離を決める複数のストップバンプを備えることを特徴とするトランスデューサ。
2. 前記基体は半導体で出来ている請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記半導体はシリコンである請求項２に記載のトランスデューサ。
4. 前記トランスデューサはマイクロホンである請求項１に記載のトランスデューサ。
5. 前記ストップバンプは絶縁材料から作られる請求項１に記載のトランスデューサ。
6. 前記ストップバンプは絶縁材料の外側層を有する導電材料から作られる請求項１に記載のトランスデューサ。
7. ２０の前記ストップバンプを含む請求項１に記載のトランスデューサ。
8. 各ストップバンプは前記ダイヤフラムではなく前記基体に固定される請求項１に記載のトランスデューサ。
9. 各ストップバンプは前記基体ではなく前記ダイヤフラムに固定される請求項１に記載のトランスデューサ。
10. 前記結合手段は、前記ダイヤフラムの縁部から接線方向に延びる複数のアームを供える請求項１に記載のトランスデューサ。
11. 前記アームは、ほぼ弓形である請求項１０に記載のトランスデューサ。
12. バックプレートを含み、前記バックプレートは前記ダイヤフラムより小さく、前記バックプレートの中心は前記ダイヤフラムの中心と整列し、寄生キャパシタンスを最小にする請求項１に記載のトランスデューサ。
13. 前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されたバックプレートを含み、前記トランスデューサにバイアスがかけられているとき、前記ストップバンプが前記バックプレートからの前記ダイヤフラムの分離を決める請求項１に記載のトランスデューサ。
14. ソリッドステートトランスデューサであって、
    支持構造を形成し、開口部を有する半導体基体、
    流体伝達される音圧に応答し前記開口部の上に配置され、複数の接線方向に延びるアームを含むダイヤフラムを形成する薄膜構造、
    各アームを前記基体に結合する複数の半導体支持体、及び、
    前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されて、前記トランスデューサにバイアスがかけられるとき、前記基体から前記ダイヤフラムの分離を決める複数のストップバンプを備えることを特徴とするトランスデューサ。
15. 前記トランスデューサはマイクロホンである請求項１４に記載のトランスデューサ。
16. 前記ストップバンプは絶縁材料から作られる請求項１４に記載のトランスデューサ。
17. 前記ストップバンプは絶縁材料の外側層を有する導電材料から作られる請求項１４に記載のトランスデューサ。
18. ２０の前記ストップバンプを含む請求項１４に記載のトランスデューサ。
19. 各ストップバンプは前記ダイヤフラムではなく前記基体に固定される請求項１４に記載のトランスデューサ。
20. 各ストップバンプは前記基体ではなく前記ダイヤフラムに固定される請求項１４に記載のトランスデューサ。
21. バックプレートを含み、前記バックプレートは前記ダイヤフラムより小さく、前記バックプレートの中心は前記ダイヤフラムの中心と整列し、寄生キャパシタンスを最小にする請求項１４に記載のトランスデューサ。
22. 前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されたバックプレートを含み、前記トランスデューサにバイアスがかけられているとき、前記ストップバンプが前記バックプレートからの前記ダイヤフラムの分離を決める請求項１４に記載のトランスデューサ。
23. ソリッドステートトランスデューサであって、
    支持構造を形成し、開口部を有する半導体基体、
    流体伝達される音圧に応答し前記開口部の上に配置されたダイヤフラムを形成する薄膜構造、
    複数の半導体支持体、及び、
    前記ダイヤフラムの周縁部を前記支持体に結合する手段を備え、前記結合手段は、歪んで、前記ダイヤフラムのフィルム応力を緩和することができることを特徴とするトランスデューサ。
24. 前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されて、前記トランスデューサにバイアスがかけられるとき、前記基体から前記ダイヤフラムの分離を決める複数のストップバンプを含む請求項２３に記載のトランスデューサ。
25. 前記トランスデューサはマイクロホンである請求項２３に記載のトランスデューサ。
26. 前記ストップバンプは絶縁材料から作られる請求項２３に記載のトランスデューサ。
27. 前記ストップバンプは絶縁材料の外側層を有する導電材料から作られる請求項２３に記載のトランスデューサ。
28. ２０の前記ストップバンプを含む請求項２３に記載のトランスデューサ。
29. 各ストップバンプは前記ダイヤフラムではなく前記基体に固定される請求項２３に記載のトランスデューサ。
30. 各ストップバンプは前記基体ではなく前記ダイヤフラムに固定される請求項２３に記載のトランスデューサ。
31. 前記結合手段は、前記ダイヤフラムの縁部から接線方向に延びる複数のアームを備える請求項２３に記載のトランスデューサ。
32. バックプレートを含み、前記バックプレートは前記ダイヤフラムより小さく、前記バックプレートの中心は前記ダイヤフラムの中心と整列し、寄生キャパシタンスを最小にする請求項２３に記載のトランスデューサ。
33. 前記基体と前記ダイヤフラムの間に配置されたバックプレートを含み、前記トランスデューサにバイアスがかけられているとき、前記ストップバンプが前記バックプレートからの前記ダイヤフラムの分離を決める請求項２３に記載のトランスデューサ。

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