JP2007329560A

JP2007329560A - コンデンサ型マイクロホンの製造方法及びコンデンサ型マイクロホン

Info

Publication number: JP2007329560A
Application number: JP2006157324A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamamoto; 山本　　明; Shinichi Saeki; 真一佐伯; Seisaku Hirai; 誠作平井; Takahisa Otsuji; 貴久大辻
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 2006-06-06
Filing date: 2006-06-06
Publication date: 2007-12-20

Abstract

【課題】安価且つ簡単に、振動板の機械的強度が確保されたコンデンサ型マイクロホンを製造する方法を提供する。
【解決手段】コンデンサ型マイクロホンの製造方法であって、単結晶シリコンからなる基板１の一方の表面に第１キャビティ１ｂを形成する工程と、基板１の他方の表面の、第１キャビティ１ｂが形成される領域に対応する部分にイオン注入を行って犠牲層２を形成する工程と、犠牲層２上に単結晶シリコン層３を堆積させる工程と、単結晶シリコン層３に複数の孔７を形成する工程と、複数の孔７を介して犠牲層２の一部をエッチングして基板１と単結晶シリコン層３との間に空間８を設けることで、第１キャビティ１ｂが形成される領域に対応する部分の基板１からなる振動板Ｍと、複数の孔７を有する単結晶シリコン層３からなる背極板Ｂと、犠牲層２からなるスペーサ部材Ｓとを形成する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響により振動する振動板と、複数の孔を有する背極板と、前記振動板と前記背極板との間に配置されるスペーサ部材とを有するコンデンサ部を備えるコンデンサ型マイクロホンの製造方法及びその製造方法により得られるコンデンサ型マイクロホンに関する。

音響により振動する振動板と、複数の孔を有する背極板と、前記振動板と前記背極板との間に配置されるスペーサ部材とを有するコンデンサ部を備えるコンデンサ型マイクロホンがある。そして、ＭＥＭＳ技術を用いて、携帯電話などの小型の電気機器で用いるための非常に小型のコンデンサ型マイクロホンが製造される。

例えば、特許文献１（特開２００２−２２３４９９号公報）には、ＭＥＭＳ技術を用いたコンデンサ型マイクロホンの製造方法が記載されている。
具体的には、特許文献１に記載のコンデンサ型マイクロホンの製造方法は、単結晶シリコンからなる基板の一方の表面を熱酸化する工程と、熱酸化により形成されたＳｉＯ_２層をパターン化する工程と、ＳｉＯ_２層をパターン化することにより露出した基板の表面にイオン注入を行って、パターン化されたイオン注入層を基板に形成する工程と、ＳｉＯ_２層を除去して、パターン化された基板表面及びイオン注入層表面を露出させる工程と、露出された基板表面及びイオン注入層表面上に、ＳｉＯ_２からなる犠牲層を成膜する工程と、犠牲層上に多結晶シリコン層を成膜する工程と、基板の他方の表面側を選択的にエッチングして、パターン化された部分の基板を除去し、パターン化された孔を有するイオン注入層を選択的に残す工程と、孔を介してイオン注入層と多結晶シリコン層との間の犠牲層を選択的にエッチングして、イオン注入層と多結晶シリコン層との間に空間を設ける工程とを有する。
その結果、特許文献１に記載のコンデンサ型マイクロホンは、音響により振動する振動板（多結晶シリコン層）と、複数の孔を有する背極板（イオン注入層）と、振動板と背極板との間に配置されるスペーサ部材（犠牲層）とを有するコンデンサ部を備えている。
また、コンデンサ型マイクロホンの音響特性を調節するためのキャビティは、背極板と一体形成されている基板に設けられている。

特許文献２（特開２００５−３２３１９３号公報）には、上述した特許文献１とは別のコンデンサ型マイクロホンの製造方法が記載されています。
具体的には、単結晶シリコンからなる活性層と、単結晶シリコンからなる支持層と、それらの間に挟まれたＳｉＯ_２からなる絶縁層との３層からなるＳＯＩ（ＳｉｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）基板が用いられている。そして、支持層の複数の箇所を絶縁層までエッチングして、支持層に複数の孔を形成する工程と、孔を介して絶縁層を選択的にエッチングして支持層と活性層との間に空間を設けることで、活性層を用いた振動板と、支持層を用いた背極板と、絶縁層を用いたスペーサ部材とを形成する工程とが行われている。

特許文献３（特開２００３−７８９８１号公報）のコンデンサ型マイクロホンの製造方法では、シリコン層の表面に不純物が高濃度にドーピングされたエッチストップ層を有する振動膜基板を用意する工程と、シリコン層の表面に酸化物からなる接合膜を有する背極板基板を用意する工程と、上記エッチストップ層と上記接合膜とを接合して、結果的に上記振動膜基板と上記背極板基板とを接合することで、シリコン層とエッチストップ層と接合膜とシリコン層とが順に積層された構造を形成する工程と、背極板基板の接合膜をエッチストップとして用いて背極板基板のシリコン層をパターン化して、パターン化された複数の孔を有するシリコン基板を形成する工程と、それら複数の孔を介してエッチストップ層とパターン化されたシリコン基板との間の接合膜を選択的にエッチングする工程と、振動板基板のシリコン層をエッチングして、パターン化されたシリコン基板を用いた背極板と、絶縁層を用いたスペーサ部材と、エッチストップ層を用いた振動板とを形成する工程とが行われている。
また、コンデンサ型マイクロホンの音響特性を調節するためのキャビティは、振動板と一体形成されているシリコン基板に設けられている。

特許文献４（特開２００２−９５０９３号公報）のコンデンサ型マイクロホンの製造方法では、１枚のシリコン基板を出発材料としている。具体的には、ホウ素注入工程と注入されたホウ素の熱拡散工程と用いて、シリコン基板の一方の表面から所定の深さにまでホウ素ドーピングされた背極板を形成し、シリコン基板の他方の表面から所定の深さにまでホウ素ドーピングされた振動膜を形成している。よって、背極板の厚さはホウ素ドーピングされた深さによって決定され、振動膜の厚さもホウ素ドーピングされた厚さによって決定される。そして、背極板と振動板との間の、ホウ素ドーピングされていない部分がスペーサ部材として機能する。

特開２００２−２２３４９９号公報特開２００５−３２３１９３号公報特開２００３−７８９８１号公報特開２００２−９５０９３号公報

特許文献１に記載のコンデンサ型マイクロホンでは、振動板に多結晶シリコンを用いているため、振動板の機械的強度が充分ではないという問題がある。
また、犠牲層（スペーサ部材）の成膜及び多結晶シリコン層（振動板）の成膜という少なくとも二つの成膜工程が必須になるので、コンデンサ型マイクロホンの製造工程が複雑になる点で不利である。

特許文献２に記載のコンデンサ型マイクロホンでは、振動板が単結晶シリコンで形成されるため、振動板の機械的強度を確保できる点で好ましい。
しかし、高価なＳＯＩを用いているため、コンデンサ型マイクロホンを製造するのに要するコストが大きくなってしまうという問題がある。

特許文献３に記載のコンデンサ型マイクロホンでは、イオン注入を行ったシリコン基板と、表面に酸化物を形成したシリコン基板を夫々用意した後、両者を接合するという複雑な工程が必要になるという問題がある。

特許文献４に記載のコンデンサ型マイクロホンでは、背極板の厚さを調節するためにホウ素注入及び注入されたホウ素の熱拡散を厳密に制御する必要があり、且つ、振動膜の厚さを調節するためにもホウ素注入及び注入されたホウ素の熱拡散を厳密に制御する必要がある。しかし、ホウ素の拡散深さを厳密に制御することは困難であり、特に、シリコン基板の両面からのホウ素の拡散深さを厳密に制御することは非常に困難である。

以上のように、従来のコンデンサ型マイクロホンの製造方法は、手順が複雑であり、大きなコストが必要になっていた。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、安価且つ簡単に、振動板の機械的強度が確保されたコンデンサ型マイクロホンを製造する方法及びそれにより得られるコンデンサ型マイクロホンを提供する点にある。

上記目的を達成するための本発明に係るコンデンサ型マイクロホンの製造方法の特徴構成は、音響により振動する振動板と、複数の孔を有する背極板と、前記振動板と前記背極板との間に配置されるスペーサ部材とを有するコンデンサ部を備えるコンデンサ型マイクロホンの製造方法であって、
単結晶シリコンからなる基板の一方の表面に、一方向に開口した第１キャビティを形成する工程と、
前記基板の他方の表面の、前記第１キャビティが形成される領域に対応する部分にイオン注入を行って、当該基板の他方の表面に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に単結晶シリコン層を堆積させる工程と、
前記単結晶シリコン層の複数の箇所を前記単結晶シリコン層の表面から前記犠牲層までエッチングして、前記単結晶シリコン層に複数の孔を形成する工程と、
前記複数の孔を介して前記犠牲層の一部をエッチングして前記基板と前記単結晶シリコン層との間に空間を設けることで、前記第１キャビティが形成される領域に対応する部分の前記基板からなる前記振動板と、前記複数の孔を有する前記単結晶シリコン層からなる前記背極板と、残された前記犠牲層からなる前記スペーサ部材とを形成する工程とを含む点にある。

上記特徴構成によれば、ＳＯＩなどの高価な基板ではなく、単結晶シリコンからなる基板が出発材料となるので、コンデンサ型マイクロホンを低コストで製造できる。また、成膜工程の実施が１回だけで構わないので、複数回の成膜工程が必要である場合に比べて簡単にコンデンサ型マイクロホンの製造を行える。更に、振動板が単結晶シリコンからなるので、音響による振動に対する機械的強度を確保できる。その結果、安定した性能を長期間に渡って発揮できることになる。
従って、安価且つ簡単に、振動板の機械的強度が確保されたコンデンサ型マイクロホンを製造する方法を提供できる。

本発明に係るコンデンサ型マイクロホンの製造方法の別の特徴構成は、前記単結晶シリコンからなる基板の面方位が（１００）である点にある。

上記特徴構成によれば、安価で入手が容易である、面方位が（１００）の単結晶シリコンからなる基板を出発材料とできるので、コンデンサ型マイクロホンを低コストで製造できる。

上記目的を達成するための本発明に係るコンデンサ型マイクロホンの特徴構成は、上記コンデンサ型マイクロホンの製造方法により得られるコンデンサ型マイクロホンであって、
一方向に開口した第２キャビティを有する基材に対して、当該第２キャビティの開口部と前記第１キャビティの開口部とが相対するように前記基板が組み合わされている点にある。

キャビティが基板に形成される構造となっている場合、基板をエッチングする必要が生じると共に、キャビティの形状、容積などのキャビティ設計が基板の大きさによって制限されるという問題がある。
ところが、上記特徴構成によれば、キャビティはコンデンサ部ではなくて基材に形成されているので、コンデンサ部の形状とは別に、キャビティの形状の設計を自由に行うことができる。

以下に図面を参照して本発明に係るコンデンサ型マイクロホンの構成について説明する。図１は、本発明に係るコンデンサ型マイクロホンの断面図であり、図２〜図９は、コンデンサ型マイクロホンの製造方法を説明する工程図である。

図１に示すように、コンデンサ型マイクロホンは、音響により振動する振動板Ｍと、複数の孔７を有する背極板Ｂと、これら振動板Ｍと背極板Ｂとの間に配置されるスペーサ部材Ｓとを有するコンデンサ部Ｃを備える。そして、コンデンサ部Ｃは、音孔１０ａが設けられた筐体１０と基材１１とによって形成される内部空間１７に収容される。筐体１０は、有底筒状の金属又は導電性樹脂を用いて作製され、その開口部が基材１１で覆われることで上記内部空間１７が形成される。また、基板１の一方の表面には、一方向に開口した第１キャビティ１ｂが形成されている。この第１キャビティ１ｂは、振動板Ｍが音響により振動するときの音響特性を調節するために設けられている。そして、第１キャビティ１ｂが形成される領域に対応する部分の基板１は、振動板Ｍとして機能する。よって、筐体１０の外部で発生した音響が、筐体１０の底部１０ｂの端部に設けられた音孔１０ａから内部空間１７に侵入すると、その音は背極板Ｂの孔７及び振動板Ｍと背極板Ｂとの間の空間８を介して振動板Ｍに到達する。そして、その音によるコンデンサ部Ｃの振動板Ｍの振動（つまり、変位）によって背極板Ｂと振動板Ｍとの間隔が変化し、その変化に応じてコンデンサ部Ｃの静電容量が変化する。
また、コンデンサ部Ｃは、平板状の基材１１に対して、コンデンサ部Ｃの基板１に設けられた第１キャビティ１ｂの開口部が基材１１によって覆われるように組み合わされている。
このように、コンデンサ部Ｃの振動板Ｍの振動特性は、音孔１０ａから侵入してきた音が反響する内部空間１７の形状と、背極板Ｂが有する複数の孔７の形状と、振動板Ｍと背極板Ｂとの間の空間８の形状と、基板１に設けられた第１キャビティ１ｂの形状と、振動板Ｍ自体の形状とによって変化する。

内部空間１７において、ＩＣからなる変換回路部９も基材１１上に設けられている。この変換回路部９は、コンデンサ部Ｃにおいて発生した静電容量の変化を電気信号に変換して出力する。変換回路部９が備える端子９ｂは、背極板Ｂに設けられた電極５との間でワイヤ１５を用いて電気的に接続され、端子９ｃは振動板Ｍ（基板１）に設けられた電極４との間でワイヤ１４を用いて電気的に接続される。

基材１１の内部空間１７側とは逆の表面には複数の電極パッド１２が設けられており、これら電極パッド１２は、図１に示すコンデンサ型マイクロホンを他の装置に搭載して電気的な導通を達成するために用いられる。また、電極パッド１２と変換回路部９とは、基材１１に設けられた回路パターン（図示せず）と基材１１上に設けられた端子１３とワイヤ１６と変換回路部９に設けられた端子９ａとを介して電気的に接続される。
コンデンサ部Ｃの基板１と基材１１とはエポキシ系やシリコン系の接着剤を用いて接着される。また、ＩＣからなる変換回路部９は、基材１１上のグランドに対して導電性接着剤で接着される。更に、基材１１に設けられた電極パッド１２は、電源用電極パッド、接地用電極パッド、マイクロホン出力用電極パッドなどであるので、図１に示したコンデンサ型マイクロホンを回路基板に直接実装することができる。

次に、図２〜図９を参照してコンデンサ型マイクロホンの製造方法について説明する。
本発明のコンデンサ型マイクロホンの製造方法は、単結晶シリコンを出発材料として用いるものである。図２に示すように、厚さが５００μｍ〜６００μｍの単結晶シリコンからなる基板１を用意する。具体的には、面方位が（１００）である単結晶シリコンウェハからなる基板１上に２ｍｍ角のコンデンサ部Ｃを多数形成し、その後、各コンデンサ部Ｃをダイシングするのだが、本実施形態では、１つのコンデンサ部Ｃの製造工程のみを図示する。但し、基板１は、（１００）とは異なる面方位を有するものであってもよい。

次に、図３に示すように、基板１の一方の表面に、一方向に開口した第１キャビティ１ｂを形成する。この第１キャビティ１ｂの形成工程は、ＫＯＨやＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）などを用いたウェットエッチングによって行われる。第１キャビティ１ｂの形状は、単結晶シリコンからなる基板１の面方位により決定される。次に、図４に示すように、基板１の他方の表面の、第１キャビティ１ｂが形成される領域に対応する部分にイオン注入を行って、この基板１の表面に犠牲層２を形成する。例えば、基板１の他方の表面の、犠牲層２を形成しない部分（ドーピングを行わない部分）にマスク（図示せず）を形成した後、ホウ素ドーピング及び熱拡散を行う。このドーピング工程により、基板１の表面に深さが１μｍ〜１０μｍの犠牲層２が形成される。
その後、図５に示すように、基板１の他方の表面に形成された犠牲層２上に単結晶シリコン層３を堆積させる。この単結晶シリコン層３は後に背極板Ｂとして作用するものであり、この堆積工程において成膜される単結晶シリコン層３の厚さは１０μｍ〜５０μｍである。

次に、図６に示すように、単結晶シリコン層３の複数の箇所を単結晶シリコン層３の表面から犠牲層２までエッチングして、単結晶シリコン層３に複数の孔７を形成する。例えば、単結晶シリコン層３の表面に上述した複数の孔７に対応するパターンのマスク（図示せず）を形成した上で、反応性イオンエッチングにより単結晶シリコン層３のエッチングを行って、単結晶シリコン層３に複数の孔７を形成する。このとき、犠牲層２は反応性イオンエッチングのエッチストップ層として機能する。
図６に示した構造において、最終的に、基板１の一部は振動板Ｍとして機能し、犠牲層２の一部はスペーサ部材Ｓとして機能し、単結晶シリコン層３は背極板Ｂとして機能することになる。そのため、図７に示すように、基板１及び単結晶シリコン層３の夫々の表面に電極４、５を形成する。この電極４、５は基板１及び単結晶シリコン層３の夫々との間にオーミック接触を形成する。よって、電極材料としてはオーミック接触を形成できる材料であればよく、本実施形態では金（Ａｕ）電極をスパッタリングにより作製した。

図８は、単結晶シリコン層３に形成された複数の孔７を介して犠牲層２の一部をエッチングすることで、単結晶シリコン層３と基板１との間に空間８を設けた状態を示す図である。この工程を具体的に説明すると、先ず図７に示した構造の周囲に孔７の部分を除いてマスク層６を形成する。その後、ＴＭＡＨを用いたアルカリエッチングが行われる。つまり、ＴＭＡＨが複数の孔７を介して犠牲層２に達することで、犠牲層２のウェットエッチングがその一部を残して行われる。その結果、図８に示したように、単結晶シリコン層３と基板１との間に空間８が形成される。
そして、マスク層６を除去すると、図９に示したような構造が得られる。つまり、図１にも示したように、第１キャビティ１ｂが形成される領域に対応する部分の基板１からなる振動板Ｍと、複数の孔７を有する単結晶シリコン層３からなる背極板Ｂと、残された犠牲層２からなるスペーサ部材Ｓとを備えるコンデンサ部Ｃが得られる。

以上のように、本発明に係るコンデンサ型マイクロホンは、ＳＯＩなどの高価な基板ではなく、単結晶シリコンからなる基板１が出発材料となるので、コンデンサ型マイクロホンを低コストで製造できる。このとき、（１００）の面方位を有する安価な単結晶シリコンからなる基板１を用いることが好ましい。また、成膜工程の実施が１回だけ（単結晶シリコン層３の成膜だけ）で構わないので、複数回の成膜工程が必要である場合に比べて簡単にコンデンサ型マイクロホンの製造を行える。更に、振動板Ｍが単結晶シリコン（基板１）からなるので、音響による振動に対する機械的強度を充分に確保できる。その結果、コンデンサ型マイクロホンは、安定した性能を長期間に渡って発揮できることになる。

＜別実施形態＞
＜１＞
上記実施形態において、基材１１の形状を変更してもよい。例えば、図１０に示すように、基材１１が一方向に開口した第２キャビティ１１ａを有するように構成してもよい。図１０に示した例では、第２キャビティ１１ａを有する基材１１に対して、この第２キャビティ１１ａの開口部と第１キャビティ１ｂの開口部とが相対するように基板１が組み合わされている。よって、第２キャビティ１１ａの形状を変更することで、振動板Ｍが音響により振動するときの音響特性を調節できる。このように、第２キャビティ１１ａはコンデンサ部Ｃとは別体の基材１１に形成されているので、コンデンサ部Ｃの形状とは別に、第２キャビティ１１ａの形状の設計を自由に行うことができる。

＜２＞
上記実施形態において、筐体１０に１つの音孔１０ａが設けられた場合について説明したが、筐体１０に複数の音孔を設けてもよい。また、音孔１０ａを形成する部位は、筐体１０の底部１０ｂの端や中央部、又は、筐体１０の側部に変更しても構わない。

＜３＞
コンデンサ型マイクロホンの音響特性を調節するために、複数の孔７の夫々の直径や数などを適宜変更可能であり、第１キャビティ１ｂや第２キャビティ１１ａの形状を適宜変更可能であり、及び、空間８の形状を適宜変更可能である。

本発明のコンデンサ型マイクロホンは、音の強さや周波数などを検出して電気信号に変換するために利用できる。特に、コンデンサ部がＭＥＭＳ技術を利用して製造されるので、小型且つ安定した性能のコンデンサ型マイクロホンが得られる。

コンデンサ型マイクロホンの断面図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図コンデンサ型マイクロホンの製造工程を説明する工程図別のコンデンサ型マイクロホンの断面図

符号の説明

１基板
１ｂ第１キャビティ
２犠牲層
３背極板
７孔
８空間
Ｃコンデンサ部
Ｍ振動板
Ｓスペーサ部材
Ｂ背極板

Claims

音響により振動する振動板と、複数の孔を有する背極板と、前記振動板と前記背極板との間に配置されるスペーサ部材とを有するコンデンサ部を備えるコンデンサ型マイクロホンの製造方法であって、
単結晶シリコンからなる基板の一方の表面に、一方向に開口した第１キャビティを形成する工程と、
前記基板の他方の表面の、前記第１キャビティが形成される領域に対応する部分にイオン注入を行って、当該基板の他方の表面に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に単結晶シリコン層を堆積させる工程と、
前記単結晶シリコン層の複数の箇所を前記単結晶シリコン層の表面から前記犠牲層までエッチングして、前記単結晶シリコン層に複数の孔を形成する工程と、
前記複数の孔を介して前記犠牲層の一部をエッチングして前記基板と前記単結晶シリコン層との間に空間を設けることで、前記第１キャビティが形成される領域に対応する部分の前記基板からなる前記振動板と、前記複数の孔を有する前記単結晶シリコン層からなる前記背極板と、残された前記犠牲層からなる前記スペーサ部材とを形成する工程とを含むコンデンサ型マイクロホンの製造方法。
前記単結晶シリコンからなる基板の面方位が（１００）である請求項１記載のコンデンサ型マイクロホンの製造方法。
請求項１又は２に記載のコンデンサ型マイクロホンの製造方法により得られるコンデンサ型マイクロホンであって、
一方向に開口した第２キャビティを有する基材に対して、当該第２キャビティの開口部と前記第１キャビティの開口部とが相対するように前記基板が組み合わされているコンデンサ型マイクロホン。