JP2007097116A - センサ - Google Patents

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Abstract

【課題】破損しにくく、かつ、感度を向上させることが可能なセンサを提供する。
【解決手段】このセンサ（マイクロホン３０）は、電極板部８ａと、電極板部８ａと対向するように設けられ、中央部に配置された振動部５ａと、振動部５ａの周辺部に配置され、振動部５ａよりも弾性率の低い材料からなる振動部４ｃとを含むダイアフラム６とを備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサに関し、特に、ダイアフラムを有するセンサに関する。
従来、ダイアフラムを有する音響センサなどのセンサが知られている（たとえば、特許文献１参照）。
上記特許文献１に提案された音響センサは、厚みの小さいシリコン膜からなる振動可能なダイアフラムと、ダイアフラムと対向するように設けられた金属からなる固定電極板とを備えている。この音響センサでは、音圧によってダイアフラムが振動すると、その振動によって、ダイアフラムと固定電極板との間の距離が変化する。これにより、ダイアフラムと固定電極板とからなるキャパシタの静電容量が変化するので、この静電容量の変化によるダイアフラムおよび固定電極板の電荷量の変化を電気的な信号として出力することによって、音が電気信号に変換される。
ここで、ダイアフラムおよび固定電極板の表面積Ｓが同じ場合、ダイアフラムと固定電極板との間の誘電率をεとすると、ダイアフラムと固定電極板との間の距離が異なる距離ｄ１およびｄ２（ｄ１＞ｄ２）からなる２つのキャパシタのそれぞれの静電容量Ｃ１およびＣ２は、以下の式（１）および式（２）で表すことができる。
Ｃ１＝εＳ／ｄ１ ・・・（１）
Ｃ２＝εＳ／ｄ２ ・・・（２）
そして、各キャパシタのダイアフラムと固定電極板との間の平均距離が、音により平均変位δｄだけ小さくなった場合の各キャパシタの静電容量Ｃ１ａおよびＣ２ａは、以下の式（３）および式（４）で表すことができる。
Ｃ１ａ＝εＳ／（ｄ１−δｄ） ・・・（３）
Ｃ２ａ＝εＳ／（ｄ２−δｄ） ・・・（４）
したがって、各キャパシタの変化量δＣ１およびδＣ２は、以下の式（５）および式（６）で表すことができる。
δＣ１＝Ｃ１−Ｃ１ａ＝ εＳδｄ／ｄ１（ｄ１−δｄ） ・・・（５）
δＣ２＝Ｃ２−Ｃ２ａ＝ εＳδｄ／ｄ２（ｄ２−δｄ） ・・・（６）
また、仮定よりｄ１＞ｄ２なので、δＣ１＜δＣ２となる。
したがって、式（５）および式（６）からわかるように、ダイアフラムと固定電極板との間が同じ距離δｄだけ小さくなった場合、キャパシタの静電容量の変化δＣ１およびδＣ２は、ダイアフラムと固定電極板との間の距離が小さい方（ｄ２）が大きくなる。この結果、ダイアフラムと固定電極板との間の距離が小さい方（ｄ２）が、出力される電気信号の変化が大きくなるので、音響センサの感度が向上される。
しかしながら、上記特許文献１の音響センサにおいては、シリコン膜からなるダイアフラム全体が同じ材料（シリコン）で、かつ、同じ厚みで形成されているため、ダイアフラム全体に渡って同じ弾性率を有する。このような同じ弾性率を有するダイアフラムでは、音圧による振動によって、ダイアフラムの外周部および中央部がほぼ均等に凸状に湾曲するので、ダイアフラムの中央部の固定電極板側への変位量（湾曲量）が大きくなる。このため、ダイアフラムと固定電極板との間の距離を小さくすることが困難である。このため、上記特許文献１の音響センサでは、感度を向上させるのが困難であるといった不都合がある。
そこで、ダイアフラムの中央部の湾曲を抑制することにより、中央部の変位量（湾曲量）を小さくした音響センサが提案されている（たとえば、特許文献２参照）。上記特許文献２において提案された音響センサは、シリコン膜からなるダイアフラムと、ダイアフラムの外周部の一部に一体的に設けられたシリコン膜からなるスプリング膜と、ダイアフラムと対向するように設けられた固定電極板とを備えている。この音響センサでは、同じシリコン膜からなるダイアフラムおよびスプリング膜のうち、スプリング膜がダイアフラムよりも薄く形成されているので、スプリング膜が音によって振動（湾曲）されやすい構成になっている。一方、ダイアフラムは、スプリング膜よりも厚く形成されているので、湾曲されにくい。したがって、上記特許文献２の音響センサに音が入ってくると、音圧によりスプリング膜が振動（湾曲）される。そして、スプリング膜の振動によって、ダイアフラムは余り湾曲されることなくスプリング膜とともに、振動される。このようにダイアフラムが余り湾曲しないため、スプリング膜の振動（湾曲）のみを考慮してダイアフラムと固定電極板との間の距離を設定すればよいので、ダイアフラムと固定電極板との間の距離を小さく設定することが可能になる。この結果、上記特許文献２の音響センサは、感度を向上させることが可能である。
特開６０−５００８４１号公報 米国特許第５１４６４３５号公報
しかしながら、上記特許文献２に開示された音響センサでは、スプリング膜をダイアフラムより薄く形成することによって、スプリング膜を振動しやすく構成しているため、スプリング膜が破損しやすいといった問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、破損しにくくするとともに、感度を向上させることが可能なセンサを提供することである。
課題を解決するための手段および発明の効果
この発明の一の局面によるセンサは、電極板と、電極板と対向するように設けられ、中央部に配置された第１弾性膜と、少なくとも第１弾性膜の周辺部に配置され、第１弾性膜よりも弾性率の低い材料からなる第２弾性膜とを含むダイアフラムとを備えている。
この発明の一の局面によるセンサでは、第１弾性膜と、第１弾性膜よりも弾性率の低い材料からなる第２弾性膜とを含むダイアフラムを設けることによって、第１弾性膜の周辺部に配置された第２弾性膜が振動して第１弾性膜を振動させることができるとともに、第２弾性膜の弾性率よりも高い弾性率を有する第１弾性膜は第２弾性膜に比べて湾曲を抑制することができる。これにより、第２弾性膜が大きく振動しても、湾曲の小さい第１弾性膜と電極板との接触を抑制することができるので、第１弾性膜と電極板との間の距離を小さくすることができる。この結果、感度を向上させることができる。また、ダイアフラムを、異なる弾性率を有する第１弾性膜と第２弾性膜とによって構成することにより、弾性率を低くするために第２弾性膜を薄く形成したり、細く形成したりする必要がないので、第２弾性膜の機械的強度が低下するのを抑制することができる。これにより、感度を向上させるとともに、第２弾性膜を含むダイアフラムの破損を抑制することができる。
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第２弾性膜の一部は、残留応力が低減するように改質されている。このように構成すれば、残留応力が低減された第２弾性膜はより大きく振動するので、より感度を向上させることができる。
上記第２弾性膜が改質されているセンサにおいて、好ましくは、第２弾性膜は、残留応力が実質的になくなるように改質されている。このように構成すれば、第２弾性膜はさらに大きく振動するので、さらに感度を向上させることができる。
上記第２弾性膜が改質されているセンサにおいて、好ましくは、第２弾性膜は、イオン注入によって改質されている。このように構成すれば、第２弾性膜の深さ方向の改質の制御を高精度に行うことができる。
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第２弾性膜は、第１弾性膜の外周部を囲むように形成されている。このように構成すれば、第２弾性膜の強度をより向上させることができる。
上記一の局面によるセンサにおいて、好ましくは、第２弾性膜と第１弾性膜とは、積層されている。このように構成すれば、第２弾性膜をエッチングなどによってパターニングする必要がないので、製造工程を簡略化することができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１および図２は、本発明の第１実施形態によるマイクロホンの構造を示した断面図である。図３および図４は、図１に示したマイクロホンの平面図である。なお、図１は、図３の１００−１００線に沿った断面を示している。また、図２は、図３の１５０−１５０線に沿った断面を示している。まず、図１〜図４を参照して、本発明の第１実施形態によるマイクロホン３０の構造について説明する。なお、第１実施形態では、センサの一例であるマイクロホン（音響センサ）に本発明を適用した場合について説明する。
第１実施形態によるマイクロホン３０では、図１および図２に示すように、シリコン基板１の表面に、ＳｉＮからなるエッチングストッパ膜２が形成されている。このエッチングストッパ膜２は、約０．０５μｍ〜約０．２μｍの厚みを有する。そして、後述するダイアフラム６が形成される領域に、シリコン基板１とエッチングストッパ膜２とを貫通するように、部分四角錐状（截頭四角錐状）（図１および図３参照）の開口部３が形成されている。この開口部３は、音が入ってきた際に、空気の通り道として機能する。
エッチングストッパ膜２および開口部３の上面の全面に約１．１２５μｍの厚みを有するＳｉＯＣ層４が形成されている。このＳｉＯＣ層４は、約６．８ＧＰａの低い弾性率を有する。このＳｉＯＣ層４は、約１．０μｍの厚みを有する下層の非改質ＳｉＯＣ層４ａと、後述するイオン注入によって改質された約０．１２５μｍの厚みを有する上層の改質ＳｉＯＣ層４ｂとからなる。ここで、改質されていない非改質ＳｉＯＣ層４ａは、５０ＭＰａの残留応力（引張応力）を有する。そして、改質ＳｉＯＣ層４ｂの残留応力は、５０ＭＰａの引張応力から４００ＭＰａの圧縮応力に改質されている。ここで、圧縮応力を負として、非改質ＳｉＯＣ層４ａの残留応力をδＳｔＳｉＯＣ１（＝５０ＭＰａ）、非改質ＳｉＯＣ層４ａの厚みをｔＳｉＯＣ１（＝１μｍ）、改質ＳｉＯＣ層４ｂの残留応力をδＳｔＳｉＯＣ２（＝−４００ＭＰａ）、改質ＳｉＯＣ層４ｂの厚みをｔＳｉＯＣ２（＝０．１２５μｍ）とすると、ＳｉＯＣ層４の全体の残留応力δＳｔは、以下の式（７）により表すことができる。
δＳｔ＝（δＳｔＳｉＯＣ１・ｔＳｉＯＣ１＋δＳｔＳｉＯＣ２・ｔＳｉＯＣ２）
／（ｔＳｉＯＣ１＋ｔＳｉＯＣ２） ・・・（７）
この式（７）に、δＳｔＳｉＯＣ１＝５０ＭＰａ、ｔＳｉＯＣ１＝１μｍ、δＳｔＳｉＯＣ２＝−４００ＭＰａ、ｔＳｉＯＣ２＝０．１２５μｍを代入すると、δＳｔ＝０となり、ＳｉＯＣ層４の全体の残留応力は、「０」Ｐａになる。また、ＳｉＯＣ層４の開口部３の上方に位置する部分およびその外周部には、円板状の振動部４ｃ（図３および図４参照）が形成されている。なお、振動部４ｃは、本発明の「第２弾性膜」の一例である。
ＳｉＯＣ層４の振動部４ｃ上の一部には、ＳｉＯＣ層４の弾性率（約６．８ＧＰａ）に比べて高い弾性率（約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）および約０．５μｍ〜約１μｍの厚みを有するポリシリコン層５が形成されている。このポリシリコン層５は、ｎ型の不純物（リン（Ｐ））がドープされることにより導電性を有している。このポリシリコン層５は、図３および図４に示すように、平面的に見て、振動部４ｃの中心と同じ位置に中心が配置された円板状の振動部５ａと、振動部５ａから延び、コンタクト領域５ｃを含む接続配線部５ｂとを含む。振動部５ａは、約２５０μｍの半径を有する。また、ＳｉＯＣ層４の開口部３の上方に位置する振動部４ｃとポリシリコン層５の振動部５ａとによって、ダイアフラム６が構成されている。なお、ダイアフラム６（振動部４ｃ）は、約４００μｍの半径Ｒを有する。つまり、ポリシリコン層５の約２５０μｍの半径を有する振動部５ａは、約４００μｍの半径を有するダイアフラム６の中央部に配置されており、ＳｉＯＣ層４の約４００μｍの半径を有する振動部４ｃは、ダイアフラム６の全体に渡って配置されている。ダイアフラム６の上方には、エアギャップ７が形成されている。なお、振動部５ａは、本発明の「第１弾性膜」の一例である。
また、図１および図２に示すように、ポリシリコン層８は、エアギャップ７を挟んでダイアフラム６と対向する位置に形成された電極板部８ａと、電極板部８ａから延びるとともに、コンタクト領域８ｃ（図３参照）を含む接続配線部８ｂとを含んでいる。このポリシリコン層８は、ｎ型の不純物（リン（Ｐ））がドープされることにより導電性を有している。このポリシリコン層８は、約１μｍの厚みを有する。ポリシリコン層５の振動部５ａとポリシリコン層８の電極板部８ａとの間の距離は、約２μｍ〜約５μｍであり、エアギャップ７によって絶縁されている。電極板部８ａには、後述する音響孔１０よりも半径が大きい孔８ｄが音響孔１０に対応した位置に形成されている。なお、電極板部８ａは、本発明の「電極板」の一例である。
ＳｉＯＣ層４およびポリシリコン層８などを覆うように、保護膜９が形成されている。この保護膜９は、ＳｉＮからなり、約１μｍの厚みを有する。保護膜９には、外部からエアギャップ７へと繋がる複数の円柱状の音響孔１０が形成されている。この音響孔１０は、音が入ってきた際に、空気の通り道となる機能を有する。また、保護膜９には、コンタクトホール９ａおよび９ｂが形成されている。また、保護膜９と、ＳｉＯＣ層４およびポリシリコン層５との間のうち、エアギャップ７の外周側の部分には、ＰＳＧ（リン添加ＳｉＯ２）からなる犠牲層２０が形成されている。
そして、ポリシリコン層５の接続配線部５ｂのコンタクト領域５ｃ上、および、ポリシリコン層８の接続配線部８ｂのコンタクト領域８ｃ上には、それぞれ、保護膜９のコンタクトホール９ａおよび９ｂを介して、約５００ｎｍの厚みを有する金（Ａｌ）および約１００ｎｍの厚みを有するクロム（Ｃｒ）からなる電極１１および１２が形成されている。
図５は、第１実施形態によるマイクロホンの動作を説明するための断面図である。図１および図５を参照して、第１実施形態によるマイクロホンの動作を説明する。なお、振動部５ａと電極板部８ａとの間には、電極１１および１２を介して一定の電圧が印加されているものとする。
まず、マイクロホン３０に音が入ってきていない状態では、図１に示すように、ダイアフラム６は振動しない。したがって、振動部５ａと電極板部８ａとの間の静電容量が変化しないので、振動部５ａおよび電極板部８ａから電荷が流出（流入）しない。
一方、マイクロホン３０に音が入ってくると、図５に示すように、ダイアフラム６が振動する。したがって、振動部５ａと電極板部８ａとの間の静電容量が変化するので、振動部５ａおよび電極板部８ａから電荷が流出（流入）する。この電荷の流出（流入）が、入ってきた音に対応した電気的な信号として出力される。
次に、第１実施形態によるポリシリコン層５とＳｉＯＣ層４との積層構造からなるダイアフラムを振動させた場合と、弾性率の低い材料の単層からなる比較例１によるダイアフラムを振動させた場合とを比較する。図６は、比較例１によるマイクロホンのダイアフラムを振動させた状態を示した断面図である。なお、比較例１のマイクロホン１００は、図６に示すように、ダイアフラム１０６が弾性率の低い材料からなる単層である以外は、第１実施形態のマイクロホン３０と同様の構成を有する。
図６に示すように、比較例１のマイクロホン１００においては、ダイアフラム１０６が弾性率の低い材料のみによって構成されている。このため、音によってダイアフラム１０６が振動すると、ダイアフラム１０６の周辺部のみならず、中心部も電極板部８ａ側に湾曲される。したがって、比較例１のマイクロホン１００では、ダイアフラム１０６と電極板部８ａとの接触を防ぐためには、ダイアフラム１０６と電極板部８ａとの間の距離を大きく構成する必要がある。
これに対して、第１実施形態では、ダイアフラム６の周辺部を弾性率の低いＳｉＯＣからなる振動部４ｃにより構成するとともに、ダイアフラム６の中央部を、弾性率の低いＳｉＯＣからなる振動部４ｃと弾性率の高いポリシリコンからなる振動部５ａとの積層構造により構成しているので、ダイアフラム６の中心部の弾性率が高くなるとともに、ダイアフラム６の周辺部の弾性率が低くなる。これにより、ダイアフラム６が振動している状態において、図５に示すように、振動部５ａの外周部に位置する振動部４ｃの部分のみが変形して、中心に配置された振動部５ａおよび振動部４ｃの中心部は、ほとんど変形せず、平坦な状態が維持される。したがって、第１実施形態のマイクロホン３０では、ダイアフラム６（振動部５ａ）と電極板部８ａとの接触を防ぐために、比較例１のマイクロホン１００ほど、ダイアフラム６と電極板部８ａとの距離を大きくする必要がない。
第１実施形態では、上記のように、ポリシリコン（弾性率約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）からなる振動部５ａと、ポリシリコンよりも弾性率の低いＳｉＯＣ（弾性率約６．８ＧＰａ）からなる振動部４ｃとを含むダイアフラム６を設けることによって、振動部５ａの周辺部に配置された振動部４ｃが振動して振動部５ａを振動させることができるとともに、振動部４ｃの弾性率よりも高い弾性率を有する振動部５ａは振動部４ｃに比べて湾曲を抑制することができる。これにより、振動部４ｃが大きく振動しても、湾曲の小さい振動部５ａと電極板部８ａとの接触を抑制することができるので、振動部５ａと電極板部８ａとの間の距離を小さくすることができる。この結果、感度を向上させることができる。また、ダイアフラム６を、高い弾性率（約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）を有するポリシリコンかなる振動部５ａとポリシリコンの弾性率よりも低い弾性率（約６．８ＧＰａ）を有するＳｉＯＣからなる振動部４ｃとによって構成することにより、弾性率を低くするために振動部４ｃを薄く形成したり、細く形成したりする必要がないので、振動部４ｃの機械的強度が低下するのを抑制することができる。これにより、感度を向上させるとともに、振動部４ｃを含むダイアフラム６の破損を抑制することができる。
また、第１実施形態では、振動部４ｃの残留応力が「０」Ｐａになるように、振動部４ｃを含むＳｉＯＣ層４を改質しているので、残留応力が存在しない振動部４ｃはより大きく振動することができるので、マイクロホン３０の感度をより向上させることができる。また、ＳｉＯＣ層４の改質をイオン注入によって行っているので、改質の深さの制御を高精度に行うことができる。また、振動部４ｃを振動部５ａの外周部を囲うように、かつ、下面を覆うように配置することにより形成されているので、振動部４ｃの強度をより向上させることができる。また、ＳｉＯＣ層４をパターニングしていないので、エッチング工程などを省略することにより、後述する製造プロセスを簡略化することができる。
次に、上記した第１実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。図７は、シミュレーションによって求めた、ダイアフラムを構成する周辺振動膜（振動部４ｃ）の弾性率と、ダイアフラムの平均変位をダイアフラムの最大変位（中心部の変位）で割った値との関係を示すグラフである。なお、このシミュレーションは、中央部の高弾性率膜（ポリシリコンからなる振動部５ａ）の弾性率を１８０ＧＰａ、ダイアフラムの半径を約４００μｍ、ダイアフラムの膜厚を約１μｍとし、音圧を約１０Ｐａに設定した状態で各値をシミュレーションにより計算した。
次に、図７を参照して、周辺振動膜の弾性率と、マイクロホンの感度との関係について説明する。まず、電極板部８ａと振動部５ａとの静電容量の変化量は、ダイアフラム６の平均変位（電極板部８ａと振動部５ａとの距離の平均変位）が大きいほど大きくなるので、ダイアフラム６の平均変位が大きいほどマイクロホン３０の感度が向上する。また、ダイアフラム６の最大変位が小さいほど、電極板部８ａと振動部５ａとの距離を小さくすることができるので、ダイアフラム６の最大変位が小さいほどマイクロホン３０の感度が向上する（上記式（５）および式（６）参照）。したがって、ダイアフラム６の平均変位をダイアフラム６の最大変位で割った値が大きいほど、マイクロホン３０の感度が向上する。
ここで、図７に示すように、周辺振動膜の弾性率が小さいほど、ダイアフラムの平均変位をダイアフラムの最大変位で割った値が大きくなるので、マイクロホン３０の感度が向上することがわかる。また、周辺振動膜の弾性率が約６０ＧＰａ以下の低い弾性率になると、弾性率が約６０ＧＰａよりも大きい場合と異なり、ダイアフラムの平均変位をダイアフラムの最大変位で割った値が急激に向上することがわかる。すなわち、周辺振動膜の弾性率が約６０ＧＰａとなる点が、マイクロホン３０の感度の変曲点であることがわかる。ここで、第１実施形態の振動部４ｃは、約６．８ＧＰａの低弾性率を有するＳｉＯＣによって構成されているので、このシミュレーションの結果により、第１実施形態のマイクロホン３０では、感度を高くすることができることを確認できた。
図８は、シミュレーションによって求めた、ダイアフラムの各弾性率（１８０ＧＰａ、６０ＧＰａおよび１０ＧＰａ）における残留応力と、中心変位量との関係を示すグラフである。なお、このシミュレーションでは、ダイアフラムを単層に形成するとともに、膜厚を１μｍ、半径を２５０μｍとし、圧力を１０Ｐａに設定した状態で各値をシミュレーションにより計算した。
次に、図８を参照して、ダイアフラムの各弾性率（１８０ＧＰａ、６０ＧＰａおよび１０ＧＰａ）における残留応力と、中心変位量との関係について説明する。まず、残留応力が大きくなるほど、各弾性率を有するダイアフラムの中心変位量が小さくなる。また、この残留応力の増加に対する中心変位量の減少は、ダイアフラムの弾性率が低くなるほど顕著になることがわかる。ここで、第１実施形態によるダイアフラム６は、高弾性率の振動部５ａと、低弾性率の振動部４ｃとを積層した構造を有する。また、ダイアフラム６の変位量は、主に高弾性率の振動部５ａの周辺に形成された低弾性率の振動部４ｃの変位量に依存するので、残留応力により低弾性率の振動部４ｃの変位量が減少するとダイアフラム６の変位量が減少する。したがって、低弾性率の振動部４ｃに残留応力が存在している場合、ダイアフラム６の変位量が大幅に減少するので、ダイアフラム６の感度が大幅に低下することがわかる。ここで、第１実施形態によるマイクロフォン３０では、振動部４ｃの残留応力が「０」Ｐａになるように改質されているので、マイクロフォン３０の感度が大幅に低下するのを回避することができることを確認できた。
図９〜図２４は、第１発明の一実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図１および図９〜図２４を参照して、本発明の第１実施形態によるマイクロホン３０の製造プロセスについて説明する。
まず、シリコン基板１の表面を研磨した後、図９に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：減圧ＣＶＤ）法を用いて、シリコン基板１の表面および裏面の全面上に、約０．０５μｍ〜約０．２μｍの厚みを有するＳｉＮからなるエッチングストッパ膜２およびマスク層１５を形成する。その後、エッチングストッパ膜２の全面上に、プラズマＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法を用いて、約０．５μｍ〜約１μｍの厚みを有するＰＳＧ（リン添加ＳｉＯ２）からなる犠牲層１６を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、犠牲層１６上の所定領域にレジスト膜１７を形成する。
次に、レジスト膜１７をマスクとして、ドライエッチングにより犠牲層１６をパターニングして、図１０に示すような形状の犠牲層１６を得る。その後、レジスト膜１７を除去する。
次に、図１１に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、エッチングストッパ層２および犠牲層１６の全面上に、約１．１２５μｍの厚みを有するＳｉＯＣ層４を形成する。具体的には、トリメチルシランおよび酸素からなる混合ガスを用いて、約３５０℃の成膜温度、約５３２Ｐａ（約４．０Ｔｏｒｒ）の成膜圧力および約６００Ｗの高周波電力の条件下で、ＳｉＯＣ層４を形成する。
次に、図１２に示すように、ＳｉＯＣ層４の上面から約０．１２５の深さまで改質するために、イオン注入を行う。具体的には、ボロンイオン（Ｂ＋）を、約３０ｋｅＶの注入エネルギおよび約２×１０１５ｃｍ−２の注入量の条件下で注入する。これにより、約１．０μｍの厚みを有する下層の非改質ＳｉＯＣ層４ａと、改質された約０．１２５μｍの厚みを有する上層の改質ＳｉＯＣ層４ｂとからなるＳｉＯＣ層４を形成する。
次に、図１３に示すように、モノシラン、または、ジシランを原料ガスとするＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯＣ層４の全面上に、約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａの弾性率および約０．５μｍ〜約１μｍの厚みを有するポリシリコン層５を形成した後、そのポリシリコン層５を、高濃度のｎ＋型にするために、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用いて、約８７５℃の条件下で固相リン拡散を行う。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン層５上の所定領域にレジスト膜１８を形成する。その後、図１４に示すように、レジスト膜１８をマスクとして、ドライエッチング技術を用いて、このポリシリコン層５をパターニングすることによって、平面的に見て円板状の振動部５ａ（図４参照）と、電極１１へ延びる接続配線部５ｂとを含むポリシリコン層５を形成する。この後、レジスト膜１８を除去する。
次に、プラズマＣＶＤ法、または、常圧ＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯＣ層４およびポリシリコン層５の全面上を覆うように、約２μｍ〜約５μｍの厚みを有するＰＳＧからなる犠牲層２０を形成した後、図１５に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、犠牲層２０上の所定領域にレジスト膜１９を形成する。その後、レジスト膜１９をマスクとして、ドライエッチング技術を用いて、その犠牲層２０をパターニングすることによって、開口部２０ａおよび開口部２０ｂを有する犠牲層２０を形成する。これにより、エアギャップ７（図１参照）を形成するためのパターニングされた犠牲層２０が形成される。その後、レジスト膜１９を除去する。
次に、図１６に示すように、モノシランガスまたはジシランによるＣＶＤ法を用いて、ＳｉＯＣ層４、ポリシリコン層５および犠牲層２０の全面上に、約１．０μｍの厚みを有するポリシリコン層８を形成する。その後、そのポリシリコン層８を、高濃度のｎ＋型にするために、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用いて、約８７５℃の条件下で固相リン拡散を行う。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン層８上の所定領域にレジスト膜２１を形成する。その後、図１７に示すように、レジスト膜２１をマスクとして、ポリシリコン層８をパターニングすることによって、音響孔１０に対応する位置に孔８ｄを有する電極板部８ａおよび接続配線部８ｂを含むポリシリコン層８を形成する。その後、レジスト膜２１を除去する。
次に、図１８に示すように、モノシランおよびアンモニア、または、ジクロロシランおよびアンモニアからなる混合ガスによるＣＶＤ法を用いて、約３００℃〜約６００℃の成膜温度で、ＳｉＯＣ層４、ポリシリコン層５、ポリシリコン層８および犠牲層２０の全面上に、約１μｍの厚みを有するＳｉＮからなる保護膜９を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いて、保護膜９上の所定領域にレジスト膜２２を形成する。その後、図１９に示すように、レジスト膜２２をマスクとして、ドライエッチング技術を用いて、保護膜９をパターニングすることにより、音響孔１０と、コンタクトホール９ａおよびコンタクトホール９ｂ（図３参照）とを含む保護膜９を形成する。その後、レジスト膜２２を除去する。
次に、図２０に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、保護膜９上の所定領域にレジスト膜２３を形成する。その後、コンタクトホール９ａおよび開口部２０ａとコンタクトホール９ｂ（図３参照）とを介して、ポリシリコン層５のコンタクト領域５ｃとポリシリコン層８のコンタクト領域８ｃとに接続するように、約５００ｎｍの厚みを有するＡｕおよび約１００ｎｍの厚みを有するＣｒからなる金属層２４を形成する。そして、リフトオフ法を用いて、レジスト膜２３およびレジスト膜２３上に形成された金属層２４を有機溶媒（たとえば、アセトン）を用いて除去することによって、図２１に示すように、電極１１を形成する。なお、電極１１と同時に電極１２（図３参照）も形成する。また、電極１１および１２の形成には、上記形成方法以外に、フォトリソグラフィ法およびドライエッチング法や無電解メッキレジスト法などの技術を用いてもよい。
次に、図２２に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、マスク層１５の表面上の所定領域にレジスト膜２５を形成した後、レジスト膜２５をマスクとして、マスク層１５をフッ素系のガスを用いたドライエッチング技術によりマスク層１５をエッチングすることによって、パターニングされたマスク層１５を形成する。その後、レジスト膜２５を除去する。
次に、図２３に示すように、マスク層１５をマスクとして、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液、または、水酸化カリウム水溶液を用いた異方性ウェットエッチングにより、シリコン基板１に開口部３を形成する。
次に、図２４に示すように、フッ素系のガスを用いたドライエッチング技術により、マスク層１５を除去するとともに、開口部３によって露出している部分のＳｉＮからなるエッチングストッパ膜２を除去する。次に、フッ酸を用いたウェットエッチング技術により、犠牲層１６を除去するとともに、フッ酸を音響孔１０より流入させて、改質ＳｉＯＣ層４ｂおよびダイアフラム６と、固定電極８ａおよび保護膜９との間の犠牲層２０を除去してエアギャップ７を形成する。なお、音響孔１０が形成されていない部分に位置する犠牲層２０は除去されずに残存する。これにより、図２に示したような第１実施形態によるマイクロホン３０が完成する。
（第２実施形態）
図２５は、本発明の第２実施形態による圧力センサの構造を示した断面図である。図２５を参照して、この第２実施形態では、上記第１実施形態と異なり、本発明を圧力センサ５０に適用した場合について説明する。まず、図２５を参照して、本発明の第２実施形態による圧力センサ５０の構造について説明する。
第２実施形態による圧力センサ５０では、図２５に示すように、シリコン基板５１と、シリコン酸化膜５２と、ＳｉＯＣ層５３と、ポリシリコン層５４と、ガラス基板５５と、固定電極５６とを備えている。
シリコン基板５１は、ｐ型シリコン基板からなるとともに、両面が鏡面加工されている。また、シリコン基板５１の上面には、凹部５１ａが形成されていることにより、センサギャップ５７が設けられている。この凹部５１ａの深さは、好ましくは、約１μｍ〜約５０μｍであり、より好ましくは、約２０μｍである。また、シリコン基板５１には、後述するダイアフラム５８が形成される領域に、シリコン基板５１を貫通するように、部分四角錐状（截頭四角錐状）の開口部５１ｂが形成されている。この開口部５１ｂは、ダイアフラム５８が圧力（外力）を受けるために設けられている。
また、シリコン酸化膜５２は、シリコン基板５１の凹部５１ａの底面上に開口部５１ｂを取り囲むように形成されている。このシリコン酸化膜５２は、シリコン基板５１を熱酸化することにより形成されている。また、シリコン酸化膜５２の厚みは、好ましくは、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍであり、より好ましくは、約３００ｎｍである。
また、ＳｉＯＣ層５３は、シリコン酸化膜５２の上面上に形成されるとともに、開口部５１ｂを塞ぐように形成されている。このＳｉＯＣ層５３は、約６．８ＧＰａの低い弾性率を有している。また、ＳｉＯＣ層５３の厚みは、好ましくは、約０．５μｍ〜約５μｍであり、より好ましくは、約１μｍである。また、ＳｉＯＣ層５３は、下層の非改質ＳｉＯＣ層５３ａと、後述するイオン注入によって改質された上層の改質ＳｉＯＣ層５３ｂとからなる。ここで、改質されていない非改質ＳｉＯＣ層５３ａは、５０ＭＰａの残留応力（引張応力）を有している。そして、改質ＳｉＯＣ層５３ｂの残留応力は、上記第１実施形態の式（７）により表されたＳｉＯＣ層５３の全体の残留応力が「０」Ｐａになるような圧縮応力を有するように改質されている。また、ＳｉＯＣ層５３の開口部５１ｂの上方に位置する部分には、振動部５３ｃが形成されている。この振動部５３ｃは、平面的に見て一辺の長さＳ（第２実施形態では、約４００μｍ）を有する正方形状に形成されている。なお、ＳｉＯＣ層５３の振動部５３ｃは、本発明の「第２弾性膜」の一例である。
ここで、第２実施形態では、ＳｉＯＣ層５３の振動部５３ｃの下面の中央部には、ＳｉＯＣ層５３の弾性率（約６．８ＧＰａ）に比べて高い弾性率（約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）を有するポリシリコン層５４が形成されている。また、ポリシリコン層５４の厚みは、好ましくは、約０．５μｍ〜約５μｍであり、より好ましくは、約１μｍである。また、ポリシリコン層５４は、ｎ型の不純物（リン（Ｐ））がドープされることにより導電性を有している。また、ポリシリコン層５４は、平面的に見て振動部５３ｃの中心と同じ位置に中心が配置された振動部５４ａを含んでいる。また、ＳｉＯＣ層５３の開口部５１ｂの上方に位置する振動部５３ｃとポリシリコン層５４の振動部５４ａとによって、ダイアフラム５８が構成されている。また、振動部５４ａは、平面的に見て一辺の長さ約２４０μｍ〜約２８０μｍを有する正方形状に形成されている。すなわち、ダイアフラム５８の振動部５３ｃのみが形成されている低弾性率膜の幅Ｘは、約６０μｍ〜約８０μｍである。また、ダイアフラム５８の上方には、センサギャップ５７が設けられている。なお、ポリシリコン層５４の振動部５４ａは、本発明の「第１弾性膜」の一例である。
また、シリコン基板５１の凹部５１ａ以外の上面上には、約５００μｍの厚みを有するガラス基板５５が接合されている。また、ガラス基板５５の下面には、センサギャップ５７を挟んでダイアフラム５８の振動部５４ａと対向する位置にクロム（Ｃｒ）からなる固定電極５６が形成されている。この固定電極５６の厚みは、好ましくは、約０．１μｍ〜約１．０μｍであり、より好ましくは、約０．５μｍである。また、固定電極５６は、平面的に見てダイアフラム５８の中心と同じ位置に中心が配置された一辺の長さ約２４０μｍを有する正方形状に形成されている。なお、固定電極５６は、本発明の「電極板」の一例である。
図２６は、第２実施形態による圧力センサの動作を説明するための断面図である。図２５および図２６を参照して、第２実施形態による圧力センサ５０の動作を説明する。なお、振動部５４ａと固定電極５６との間には、一定の電圧が印加されているものとする。
まず、圧力センサ５０が圧力を受けていない状態では、図２５に示すように、ダイアフラム５８は振動しない。したがって、振動部５４ａと固定電極５６との間の静電容量が変化しないので、振動部５４ａおよび固定電極５６から電荷が流出（流入）しない。
一方、圧力センサ５０が矢印Ｐ方向（図２６参照）から圧力を受けると、図２６に示すように、ダイアフラム５８が振動する。したがって、振動部５４ａと固定電極５６との間の静電容量が変化するので、振動部５４ａおよび固定電極５６から電荷が流出（流入）する。この電荷の流出（流入）が、受けた圧力に対応した電気的な信号として出力される。
第２実施形態では、上記のように、ポリシリコン（弾性率約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）からなる振動部５４ａと、ポリシリコンよりも弾性率の低いＳｉＯＣ（弾性率約６．８ＧＰａ）からなる振動部５３ｃとを含むダイアフラム５８を設けることによって、振動部５４ａの周辺部に配置された振動部５３ｃが振動して振動部５４ａを振動させることができるとともに、振動部５３ｃの弾性率よりも高い弾性率を有する振動部５４ａは振動部５３ｃに比べて湾曲を抑制することができる。これにより、振動部５３ｃが大きく振動しても、ダイアフラム５８と固定電極５６との接触を抑制することができるので、圧力センサ５０のダイアフラム５８と固定電極５６との間の距離を小さくすることができる。この結果、圧力センサ５０の感度を向上させることができる。また、圧力センサ５０のダイアフラム５８を、高い弾性率（約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａ）を有するポリシリコンかなる振動部５４ａとポリシリコンの弾性率よりも低い弾性率（約６．８ＧＰａ）を有するＳｉＯＣからなる振動部５３ｃとによって構成することにより、弾性率を低くするために振動部５３ｃを薄く形成したり、細く形成したりする必要がないので、振動部５３ｃの機械的強度が低下するのを抑制することができる。これにより、感度を向上させるとともに、振動部５３ｃを含むダイアフラム５８の破損を抑制することができる。
また、第２実施形態では、振動部５３ｃの残留応力が「０」Ｐａになるように、振動部５３ｃを含むＳｉＯＣ層５３を改質しているので、残留応力が存在しない振動部５３ｃはより大きく振動することができるので、圧力センサ５０の感度をより向上させることができる。また、ＳｉＯＣ層５３の改質をイオン注入によって行っているので、改質の深さの制御を高精度に行うことができる。また、振動部５３ｃを振動部５４ａの外周部を囲うように、かつ、上面を覆うように配置することにより形成されているので、振動部５３ｃの強度をより向上させることができる。
次に、上記した第２実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションについて説明する。
図２７は、シミュレーションに用いたダイアフラムの構造を示した斜視図である。このダイアフラムは、低い弾性率を有する膜からなる振動部５３ｃと、高い弾性率を有する膜からなる振動部５４ａとを含んでいる。そして、振動部５３ｃは、一辺の長さＬを有する正方形状に形成されている。また、振動部５４ａは、振動部５３ｃの上面上に正方形状に形成されているとともに、平面的に見て振動部５３ｃの中心と同じ位置に中心が配置されるように形成されている。また、図２８は、シミュレーションによって求めた、低い弾性率を有する膜のみが形成された低弾性率膜の幅（図２７のＸ）と、ダイアフラムの最大変位値（中心部の変位）との関係を示すグラフである。なお、このシミュレーションでは、中央部の高弾性率膜（振動部５４ａ）の弾性率を１８０ＧＰａ、膜厚を０．８μｍとするとともに、低弾性率膜（振動部５３ｃ）の弾性率を１０ＧＰａ、膜厚を０．８μｍ、一辺の長さＬを４００μｍとし、印加される圧力を１００Ｐａに設定した状態で各値をシミュレーションにより計算した。
次に、図２８を参照して、低弾性率膜の幅Ｘと、ダイアフラムの最大変位値との関係について説明する。まず、ダイアフラムの最大変位値が小さいほど、固定電極５６と振動部５４ａとの距離を小さくすることができる。そして、固定電極５６と振動部５４ａとの距離を小さくすることにより、ダイアフラムの変位量に対する静電容量の変化を大きくすることができるので、ダイアフラムの最大変位値が小さいほど圧力センサの感度が向上する（上記式（５）および式（６）参照）。また、低弾性率膜の幅Ｘが小さいほど、最大変位値が小さくなることがわかる。また、低弾性率膜の幅Ｘが約１００μｍ以下になると、低弾性率膜の幅Ｘが約１００μｍ以上の場合と異なり、最大変位値の変化量が急激に減少することがわかる。すなわち、低弾性率膜の幅Ｘが約１００μｍとなる点が、最大変位値の変曲点であることがわかる。ここで、第２実施形態の低弾性率膜の幅Ｘは、約６０μｍ〜約８０μｍであるので、このシミュレーションの結果により、第２実施形態の圧力センサ５０では、最大変位値を小さくすることができる。これにより、固定電極５６と振動部５４ａとの距離を小さくすることができるので、圧力センサ５０の感度を高くすることができることを確認できた。
図２９は、シミュレーションによって求めた、振動膜中心からの距離と、ダイアフラムの変位量との関係を示すグラフである。なお、このシミュレーションでは、上記第２実施形態に対応する実施例１によるダイアフラムを、低弾性率膜と高弾性率膜とにより形成するとともに、低弾性率膜の幅Ｘを１００μｍに設定した。また、従来例に対応する比較例２によるダイアフラムを、低弾性率膜を形成することなく全て高弾性率膜により形成するように設定した。この状態で各値をシミュレーションにより計算した。また、実施例１によるダイアフラムと比較例２によるダイアフラムとの変位値を計算するとともに、その計算結果の最大変位値が同じになるように変位値を相対化した。
次に、図２９を参照して、振動膜中心からの距離Ｄと、ダイアフラムの変位量との関係について説明する。まず、固定電極５６と振動部５４ａとの静電容量の変化量は、ダイアフラムの平均変位（固定電極５６と振動部５４ａとの距離の平均変位）が大きいほど大きくなるので、ダイアフラムの平均変位が大きいほど圧力センサの感度が向上する。また、上記のようにダイアフラムの最大変位値が小さいほど、固定電極５６と振動部５４ａとの距離を小さくすることができるので、ダイアフラムの最大変位が小さいほど圧力センサの感度が向上する。ここで、図２９に示すように、実施例１によるダイアフラムを用いた場合は、比較例２によるダイアフラムを用いた場合と比べて、半値幅が大きくなることがわかる。なお、半値幅とは、ピークの高さ（最大変位値）の１／２の高さにおけるピークの広がり幅であり、図２９において、実施例１の半値幅はＷ１であり、比較例２の半値幅はＷ２である。このように、実施例１の半値幅Ｗ１が比較例２による半値幅Ｗ２よりも大きいということは、実施例１によるダイアフラムを用いた場合は、比較例２によるダイアフラムを用いた場合と比べて、最大変位値に対する平均変位がより大きくなることを意味する。
図３０は、シミュレーションによって求めた、低弾性率膜の幅と、半値幅との関係を示すグラフである。次に、図３０を参照して、低弾性率膜の幅Ｘと、半値幅との関係について説明する。まず、図２９から半値幅が大きいほど、最大変位値に対する平均変位が大きくなることがわかる。また、低弾性率膜の幅Ｘが約６０μｍまでは半値幅が増加するとともに、低弾性率膜の幅Ｘが約８０μｍからは半値幅が減少することがわかる。すなわち、低弾性率膜の幅Ｘが約６０μｍ〜約８０μｍの場合に、半値幅が大きくなることがわかる。ここで、第２実施形態の低弾性率膜の幅Ｘは、約６０μｍ〜約８０μｍであるので、このシミュレーションの結果により、第２実施形態の圧力センサ５０では、半値幅を大きくすることができると言える。これにより、最大変位値に対する平均変位を大きくすることができるので、圧力センサ５０の感度を高くすることができることを確認できた。
図３１は、シミュレーションによって求めた、印加された圧力と、センサ出力との関係を示すグラフである。なお、このシミュレーションでは、実施例１による圧力センサと、比較例２による圧力センサとを耐圧力が２００Ｐａとなるようにセンサギャップ値を変更し、固定電極を一辺の長さが２４０μｍの正方形状とし、バイアス電圧を２Ｖに設定した状態で各値をシミュレーションにより計算した。次に、図３１を参照して、印加された圧力と、センサ出力との関係について説明する。まず、実施例１による圧力センサおよび比較例２による圧力センサのセンサ出力は、印加された圧力に正比例して増加していることがわかる。このとき、実施例１による圧力センサの傾き（感度）が約０．０１４５であるのに対して、比較例２による圧力センサの傾き（感度）が約０．０９７５であるので、比較例２による圧力センサに対して実施例１の圧力センサの感度が約５０％向上していることがわかる。
図３２〜図４４は、本発明の第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。次に、図２５および図３２〜図４４を参照して、本発明の第２実施形態による圧力センサ５０の製造プロセスについて説明する。
まず、シリコン基板５１の上面および下面の全面を鏡面加工した後、図３２に示すように、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング技術を用いて、シリコン基板５１の上面に、センサギャップ５７を形成するための凹部５１ａを形成する。この凹部５１ａは、好ましくは、約１μｍ〜約５０μｍの深さ、より好ましくは、約２０μｍの深さを有するように形成する。
次に、図３３に示すように、シリコン基板５１の上面および下面の全面を熱酸化することにより、シリコン酸化膜５２を形成する。このシリコン酸化膜５２は、好ましくは、約１００ｎｍ〜約１０００ｎｍの厚み、より好ましくは、約３００ｎｍの厚みを有するように形成する。そして、図３４に示すように、モノシラン、または、ジシランを原料ガスとするＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、シリコン基板５１の上面側のシリコン酸化膜５２の全面にポリシリコン層５４を形成する。このポリシリコン層５４は、好ましくは、約０．５μｍ〜約５μｍの厚み、より好ましくは、約１μｍの厚みを有するように形成する。また、ポリシリコン層５４は、約１６０ＧＰａ〜約１９０ＧＰａの弾性率を有する。その後、ポリシリコン層５４を、高濃度のｎ＋型にするために、オキシ塩化リン（ＰＯＣｌ３）を用いて、約８７５℃の条件下で固相リン拡散を行う。
次に、図３４に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ポリシリコン層５４上の所定領域にレジスト膜６１を形成する。そして、レジスト膜６１をマスクとして、ポリシリコン層５４をドライエッチングすることによって、図３５に示すような形状のポリシリコン層５４を得る。その後、レジスト膜６１を除去する。
次に、図３６に示すように、プラズマＣＶＤ法を用いて、ポリシリコン層５４およびシリコン酸化膜５２の全面にＳｉＯＣ層５３を形成する。具体的には、トリメチルシランおよび酸素からなる混合ガスを用いて、約３５０℃の成膜温度、約５３２Ｐａ（約４．０Ｔｏｒｒ）の成膜圧力および約６００Ｗの高周波電力の条件下で、ＳｉＯＣ層５３を形成する。このＳｉＯＣ層５３は、好ましくは、約０．５μｍ〜約５μｍの厚み、より好ましくは、約１μｍの厚みを有するように形成する。
次に、図３７に示すように、ＳｉＯＣ層５３の上面から所定の深さまで改質するために、ボロンイオン（Ｂ＋）のイオン注入を行う。これにより、下層の非改質ＳｉＯＣ層５３ａと、上層の改質ＳｉＯＣ層５３ｂとからなるＳｉＯＣ層５３が形成される。
次に、図３８に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて、ＳｉＯＣ層５３上の所定領域にレジスト膜６２を形成する。そして、レジスト膜６２をマスクとして、ＳｉＯＣ層５３をドライエッチングすることによって、図３９に示すような形状のＳｉＯＣ層５３を得る。その後、レジスト膜６２を除去する。
次に、図４０に示すように、プラズマＣＶＤ法、または、スパッタリング法を用いて、ＳｉＯＣ層５３およびシリコン酸化膜５２の全面に、保護膜となるシリコン酸化膜６３を形成する。その後、フォトリソグラフィ技術を用いて、シリコン基板５１の下面側のシリコン酸化膜５２上の所定領域にレジスト膜６４を形成する。そして、レジスト膜６４をマスクとして、シリコン酸化膜５２をドライエッチングすることによって、図４１に示すような形状のシリコン酸化膜５２を得る。その後、レジスト膜６４を除去する。
次に、図４２に示すように、シリコン酸化膜５２をマスクとして、テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液、または、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いた異方性ウェットエッチングにより、シリコン基板５１に開口部５１ｂを形成する。この後、フッ酸（ＨＦ）を用いたウェットエッチング技術により、保護膜であるシリコン酸化膜６３と、シリコン酸化膜５２とを除去することにより、図４３に示すような構造が得られる。このときのエッチング時間は、ＳｉＯＣ層５３とシリコン基板５１との間に形成されたシリコン酸化膜５２が残るように設定される。
次に、図４４に示すようなクロムからなる固定電極５６が形成されたガラス基板５５を、陽極接合技術を用いて、シリコン基板５１の凹部５１ａ以外の上面上に接合する。これにより、図２５に示したような第２実施形態による圧力センサ５０が完成する。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記第１実施形態では、ＳｉＯＣ層４の上層を改質する例を示したが、本発明はこれに限らず、図４５に示す第１実施形態の第１変形例のマイクロホン３０ａのように、ダイアフラム６ａの振動部３１ａを含むＳｉＯＣ層３１を改質しなくてもよい。このように構成すれば、改質工程を省略することができるので、製造プロセスを簡略化することができる。
また、上記第１実施形態では、ＳｉＯＣ層４をパターニングせずにダイアフラム６の全面に形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、図４６に示す第１実施形態の第２変形例のマイクロホン３０ｂのように、振動部５ａの外周部の内側の部分のＳｉＯＣ層３２の振動部３２ａをあらかじめエッチングすることにより、ＳｉＯＣ層３２をパターニングすることによって、ダイアフラム６ｂの周辺部のみに振動部３２ａを形成するようにしてもよい。
また、上記実施形態では、ＳｉＯＣ層の残留応力が「０」Ｐａになるように改質する例を示したが、本発明はこれに限らず、残留応力を低減するように改質してもよい。
また、上記実施形態では、イオン注入によってＳｉＯＣ層の改質を行う例を示したが、本発明はこれに限らず、他の方法によって改質を行ってもよい。
また、上記実施形態では、低弾性率層（ＳｉＯＣ層）の材料としてＳｉＯＣを用いる例を示したが、本発明はこれに限らず、低弾性率の材料として別の材料を用いることもできる。たとえば、有機ＳＯＧ（弾性率：５ＧＰａ）、ポーラスＳｉＯ２（弾性率：７０ＧＰａ以下）、金（弾性率：７５ＧＰａ）、ＢＣＢ（ジビニル・シロキサン・ビス・ペンゾシクロブテン：弾性率：７ＧＰａ）、ポリフェニレン（弾性率：７ＧＰａ）、ポリミド樹脂（弾性率：７ＧＰａ）、エポキシ樹脂（弾性率：７ＧＰａ）、アルミニウム（弾性率：７０ＧＰａ）、白金（弾性率：８０ＧＰａ）およびＴｉ合金（弾性率：３０ＧＰａ〜８０ＧＰａ）などを用いることができる。また、低弾性率層（ＳｉＯＣ層）の材料として、導電性を有するものを適用する場合、この低弾性率層に電極を接続してもよい。
また、上記実施形態では、本発明をマイクロホン（音響センサ）および圧力センサに適用する例を示したが、本発明はこれに限らず、加速度センサなどのその他のダイアフラムを備えたセンサに適用することも可能である。
本発明の第１実施形態によるマイクロホンの構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態によるマイクロホンの構造を示した断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの平面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの平面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの動作原理を説明するための断面図である。 比較例１によるマイクロホンのダイアフラムを振動させた状態を示した断面図である。 シミュレーションによって求めた、ダイアフラムを構成する周辺振動膜の弾性率と、ダイアフラムの平均変位をダイアフラムの最大変位（中心部の変位）で割った値との関係を示すグラフである。 シミュレーションによって求めた、ダイアフラムの各弾性率（１８０ＧＰａ、６０ＧＰａおよび１０ＧＰａ）における残留応力と、中心変位量との関係を示すグラフである。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 図１に示した第１実施形態によるマイクロホンの製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第２実施形態による圧力センサの構造を示した断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの動作原理を説明するための断面図である。 シミュレーションに用いたダイアフラムの構造を示した斜視図である。 シミュレーションによって求めた、低弾性率膜の幅と、最大変位値との関係を示すグラフである。 シミュレーションによって求めた、振動膜中心からの距離と、変位量との関係を示すグラフである。 シミュレーションによって求めた、低弾性率膜の幅と、半値幅との関係を示すグラフである。 シミュレーションによって求めた、印加された圧力と、センサ出力との関係を示すグラフである。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 図２５に示した第２実施形態による圧力センサの製造プロセスを説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態の第１変形例によるマイクロホンの構造を示した断面図である。 本発明の第１実施形態の第２変形例によるマイクロホンの構造を示した断面図である。
符号の説明
４、３１、３２、５３ ＳｉＯＣ層
４ａ、５３ａ 非改質ＳｉＯＣ層
４ｂ、５３ｂ 改質ＳｉＯＣ層
４ｃ、３１ａ、３２ａ、５３ｃ 振動部（第２弾性膜）
５、５４ ポリシリコン層
５ａ、５４ａ 振動部（第１弾性膜）
６、６ａ、６ｂ、５８ ダイアフラム
８ａ 電極板部（電極板）
３０、３０ａ、３０ｂ マイクロホン（センサ）
５０ 圧力センサ（センサ）
５６ 固定電極（電極板）

Claims (4)

  1. 電極板と、
    前記電極板と対向するように設けられ、中央部に配置された第１弾性膜と、少なくとも前記第１弾性膜の周辺部に配置され、前記第１弾性膜よりも弾性率の低い材料からなる第２弾性膜とを含むダイアフラムとを備えた、センサ。
  2. 前記第２弾性膜の一部は、残留応力が低減するように改質されている、請求項１に記載のセンサ。
  3. 前記第２弾性膜は、前記第１弾性膜の外周部を囲むように形成されている、請求項１または２に記載のセンサ。
  4. 前記第２弾性膜と前記第１弾性膜とは、積層されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサ。
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