JP2008099212A

JP2008099212A - コンデンサマイクロホン及びその製造方法

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Publication number: JP2008099212A
Application number: JP2006281889A
Authority: JP
Inventors: Akiyoshi Sato; 明善佐藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2006-10-16
Filing date: 2006-10-16
Publication date: 2008-04-24
Also published as: CN101203066A

Abstract

【課題】コンデンサマイクロホンの低周波領域での感度を高めてフラットな感度特性を実現する。
【解決手段】複数の通孔を有し、静止電極を形成しているプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に位置し、前記ダイヤフラムの外周端より内側の環状の領域に配置されたスペーサと、前記ダイヤフラムに対し前記プレートと反対側に位置し、開口を有するストッパプレートと、を備え、前記ダイヤフラムは、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によって前記スペーサより内側が前記プレートに接近し前記スペーサより外側が前記プレートと反対側に移動し外周端の少なくとも一部が前記ストッパプレートの開口の縁部に接触した状態において、前記プレートに対して振動する、コンデンサマイクロホン。
【選択図】図１

Description

本発明は、コンデンサマイクロホン及びその製造方法に関し、特にＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されるコンデンサマイクロホンに関する。

従来、ＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されるコンデンサマイクロホンが知られている（例えば特許文献１参照）。このようなコンデンサマイクロホンでは、静止電極を形成するプレートよりも振動電極を形成するダイヤフラムが、コンデンサマイクロホンのダイが接合される基板（以降、配線部という）側に位置する構成と、ダイヤフラムよりもプレートが配線部側に位置する構成のいずれかが採用されている。いずれの構成においても、ダイヤフラムはダイヤフラムの配線部と反対側の空間である音響空間とダイヤフラムの配線部側の空間である非音響空間とを仕切る膜であり、プレートには通孔が形成されている。プレートよりもダイヤフラムが配線部側に位置する構成では、ダイヤフラムの配線部側にキャビティが設けられている。ダイヤフラムよりもプレートが配線部側に位置する構成では、プレートの配線部側にキャビティが設けられている。音響空間と非音響空間とに静的な圧力の差が生じるとマイクロホンの感度が低下するため、非音響空間の気圧を大気圧と平衡させるための通路を確保する必要がある。
特表２００４−５０６３９４

しかし、ダイヤフラムによって仕切られる音響空間と非音響空間とを結ぶ通路を通って非音響空間へ音波が回り込むと、コンデンサマイクロホンの感度が低くなる。この通路の音響抵抗を、低い周波数の音波に対しても高くすることは困難であったため、すなわちこの通路を狭くすることが困難であったため、従来のコンデンサマイクロホンは周波数が低くなるほど感度が低くなる周波数特性を持っていた。
本発明は上記の問題に鑑みて創作されたものであって、コンデンサマイクロホンの低周波領域での感度を高めてフラットな感度特性を実現することを目的とする。

（１）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、複数の通孔を有し、静止電極を形成しているプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に位置し、前記ダイヤフラムの外周端より内側の環状の領域に配置されたスペーサと、前記ダイヤフラムに対し前記プレートと反対側に位置し、開口を有するストッパプレートと、を備え、前記ダイヤフラムは、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によって前記スペーサより内側が前記プレートに接近し前記スペーサより外側が前記プレートと反対側に移動し外周端の少なくとも一部が前記ストッパプレートの開口の縁部に接触した状態において、前記プレートに対して振動する。

ダイヤフラムが振動するための空間は広く形成されることが望ましいが、音響空間と非音響空間とを結ぶ通路は狭く形成されることが望ましい。このコンデンサマイクロホンでは、非音響空間と音響空間とを結ぶ通路はダイヤフラムとストッパプレートの間の空間である。
シリコンウェハなどからなる基板とプレートとの間にダイヤフラムが位置する構成が採用される場合、このコンデンサマイクロホンの構造では、基板がストッパプレートに相当する。バイアス電圧が印加されると、プレートとダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によってプレートに引きつけられるダイヤフラムがスペーサに当たり、ダイヤフラムの外周端の少なくとも一部がストッパプレートの開口縁部に接触し、非音響空間と音響空間とを結ぶ通路を狭めた状態においてダイヤフラムを振動させることができる。その結果、非音響空間と音響空間とを結ぶ通路の音響抵抗を大きくすることができ、より低周波域の音波もこの通路を通過させにくくすることができる。したがってこのコンデンサマイクロホンは、ダイヤフラムの非音響空間側に音波が回り込むことによる感度低下を抑制することができる。なお、ダイヤフラムの全周がストッパプレートとしての基板の開口縁部に接触してもよい。その場合、非音響空間の圧力と大気圧とを平衡させるための細隙が適当な箇所に設けられていることが望ましい。

また、本発明は、シリコンウェハなどからなる基板とダイヤフラムとの間にプレートが位置する構成にも適用できる。この構成が採用される場合、ストッパプレートはプレートよりもダイヤフラムよりも配線部から遠い層に位置する。配線部とは、コンデンサマイクロホンが収容されるパッケージの底部を形成する多層配線基板や、リードフレームを内包しているパッケージの底部などに相当する。コンデンサマイクロホンのダイが、他の電子部品が接合される実装基板に直接接合される場合は、その実装基板が配線部に相当する。バイアス電圧が印加されるとプレートとダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によってプレートに引きつけられるダイヤフラムがスペーサに当たり、ダイヤフラムの外周端の少なくとも一部がストッパプレートの開口に接触し、非音響空間と音響空間とを結ぶ通路を狭めた状態においてダイヤフラムを振動させることができる。その結果、音響空間と非音響空間とを結ぶ通路の音響抵抗を大きくすることができ、より低周波域の音波もこの通路を通過させにくくすることができる。したがってこのコンデンサマイクロホンは、ダイヤフラムの非音響空間側に音波が回り込むことによる感度低下を抑制することができる。

このように、このコンデンサマイクロホンは、低周波域での感度低下を抑制し、周波数特性をフラットにすることが可能である。

また、このコンデンサマイクロホンによると、バイアス電圧が印加されていない状態では、非音響空間は密閉されないため、非音響空間の圧力と大気圧とが平衡する。そのため、気圧差によってダイヤフラムが破壊されることを防止し、気圧差によるコンデンサマイクロホンの感度低下を抑制することができる。

（２）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、複数の通孔を有し、静止電極を形成しているプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に位置し、前記プレートの最も外側に位置する前記通孔よりも外側に位置するほぼ環状の内壁面を有するスペーサと、前記プレートの外周端を支持し、前記ダイヤフラムと前記スペーサと配線部と共に前記ダイヤフラムの前記配線部側の非音響空間を囲む壁部と、を備え、前記ダイヤフラムは、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によって前記プレート側に接近し前記スペーサ内側の開口を閉塞するとともに前記非音響空間をほぼ密閉した状態において、前記プレートに対して振動する。

本発明のコンデンサマイクロホンによると、バイアス電圧が印加されるとプレートとダイヤフラムとの間に作用する静電引力によってプレートに引きつけられるダイヤフラムによって非音響空間がほぼ密閉されるので、ダイヤフラムの非音響空間側に音波が回り込まず、コンデンサマイクロホンの感度低下を抑制することができる。このため、このコンデンサマイクロホンは、低周波域での感度低下を抑制し周波数特性をフラットにすることが可能である。スペーサの内壁面は完全に環状であってもよいが、カットオフ周波数が可聴域より低くなるように形態が設定された細隙を非環状の内壁面を有するスペーサによって形成することが望ましい。すなわち、スペーサの内壁面が「ほぼ環状」であるとは、スペーサが完全に環状である形態と、カットオフ周波数が可聴域より低いか可聴域の下限近くになるような細隙を間にはさんだ２以上の端部を有する非環状であるスペーサの形態の両方を含んでいるものとする。尚、スペーサの内壁面が完全に環状である場合、非音響空間の圧力と大気圧とを平衡させるための細隙がスペーサ以外の箇所に設けられていることが望ましい。
なお、配線部とは、コンデンサマイクロホンが収容されるパッケージの底部を形成する多層配線基板や、リードフレームを内包しているパッケージの底部などに相当する。コンデンサマイクロホンのダイが、他の電子部品が接合される実装基板に直接接合される場合は、その実装基板が配線部に相当する。

このコンデンサマイクロホンによると、バイアス電圧が印加されていない状態では、非音響空間は密閉されないため、非音響空間の圧力と大気圧とが平衡する。そのため、気圧差によりダイヤフラムが破壊されることを防止し、気圧差によるコンデンサマイクロホンの感度低下を抑制することができる。

（３）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムに連結された複数のバネと、前記バネと連結し前記ダイヤフラムを張り渡している支持部と、をさらに備えてもよい。

薄膜はその形成過程において発生する内部応力を有している。このコンデンサマイクロホンによると、薄膜であるダイヤフラムが複数のバネによって支持部に張り渡されているため、ダイヤフラムの応力はこれらのバネによって緩和され、応力の反力である張力もこれらのバネによって緩和される。そのため、このコンデンサマイクロホンによると、ダイヤフラムの振幅が増大し、感度が向上する。

（４）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンの製造方法は、上記（１）に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法であって、前記ダイヤフラムとなる膜を形成し、前記ダイヤフラムとなる膜の上に第一の絶縁膜を形成し、前記第一の絶縁膜の上に前記プレートとなる膜を形成し、前記第一の絶縁膜に孔をレジストのパターニングとエッチングにより形成し、前記第一の絶縁膜と異なる組成の第二の絶縁膜を前記孔の内部に堆積させることにより、前記孔内に前記第二の絶縁膜からなる前記スペーサを形成し、ウェットエッチングにより前記第一の絶縁膜を選択的に前記ダイヤフラムとなる膜と前記プレートとなる膜との間から除去する、ことを含む。

この製造方法によると、絶縁性のスペーサの形状を第一の絶縁膜の残存形状とは無関係に形成することができる。

（５）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンの製造方法は、上記（２）に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法であって、前記ダイヤフラムとなる膜を形成し、前記ダイヤフラムとなる膜の上に第一の絶縁膜を形成し、前記第一の絶縁膜にほぼ環状の溝をレジストのパターニングとエッチングにより形成し、前記第一の絶縁膜と異なる組成の第二の絶縁膜を前記溝の内部に堆積させることにより、前記溝内に前記第二の絶縁膜からなる前記スペーサを形成し、前記第二の絶縁膜の前記スペーサより内側部分を除去し、前記第二の絶縁膜を除去することによって露出した前記第一の絶縁膜の上に前記プレートを形成し、ウェットエッチングにより前記第一の絶縁膜を選択的に前記ダイヤフラムとなる膜と前記プレートとなる膜との間から除去する、ことを含む。

この製造方法によると、ほぼ環状の絶縁性のスペーサを第一の絶縁膜の残存形状とは無関係に形成することができる。

尚、請求項において「〜上に」というときは、技術的な阻害要因がない限りにおいて「上に中間物を介在させずに」と「〜上に中間物を介在させて」の両方を意味する。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。各実施形態において対応している構成要素には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。
１．第一実施形態
・構成
図１Ａ、図１Ｂおよび図１Ｃはそれぞれ本発明のコンデンサマイクロホンの第一実施形態を示す断面図であって、膜の積層構造を省略した模式的な断面図である。図１Ａ及び図１Ｂの切断面はプレート１２の表面と垂直である。図１Ｃの切断面はプレート１２の表面と平行である。図１Ｃはダイヤフラム１６をプレート１２の側から見た状態を示している。図１Ａは図１Ｃに示すＡ−Ａ線における断面図、図１Ｂは図１Ｃに示すＢ−Ｂ線における断面図である。

コンデンサマイクロホン１は、静止電極を形成しているプレート１２と振動電極を形成しているダイヤフラム１６とを備えている。プレート１２は環状の内壁面を有する壁部８に固定されている。ダイヤフラム１６は、壁部８にバネ１９によって張り渡されている。

ストッパプレートとしての基板１４は配線部１７に接着などにより固定されている。基板１４には開口が形成され、その開口がキャビティ１５を形成している。キャビティ１５はダイヤフラム１６のプレート１２と反対側にある非音響空間の容積を増大させる空間であって、ダイヤフラム１６の振動によって生ずる非音響空間の圧力振動の振幅を小さくする。

壁部８は基板１４の上に形成された一層以上の膜から構成され、プレート１２と基板１４とを結合している。本実施形態では、壁部８のバネ１９との連結部分が支持部に相当する。
ダイヤフラム１６は、バネ１９によってキャビティ１５の上に張り渡され、音響空間と非音響空間とを仕切っている。ダイヤフラム１６は振動電極を形成する導電膜を含む一層以上の膜で形成され、基板１４の開口を覆う例えば円形の輪郭を有している。ダイヤフラム１６の厚さは例えば０．５〜１．５μｍに設定される。

バネ１９はダイヤフラム１６の外周の複数箇所から壁部８に向かって延びている。ダイヤフラム１６の内部応力はバネ１９の変形によって緩和される。

プレート１２は静止電極を形成する導電膜を含む一層以上の膜で構成されている。プレート１２には複数の通孔が形成されており、各通孔が音孔１１を形成している。音波は音孔１１を通過してコンデンサマイクロホン１の内部に進行し、ダイヤフラム１６を振動させる。

プレート１２とダイヤフラム１６との間には、ダイヤフラム１６と垂直な方向から見て円環状の領域にスペーサ１０が複数個設けられている。スペーサ１０はダイヤフラム１６と垂直な方向から見て分散している島状に形成されていても良いし円環状に形成されていてもよい。スペーサ１０の基部はプレート１２と結合している。スペーサ１０の高さはプレート１２とダイヤフラム１６との間隔よりも小さいため、ダイヤフラム１６に外力が作用していない状態では、スペーサ１０の先端部はダイヤフラム１６から離れている。スペーサ１０の数や配列は、ダイヤフラム１６の形状、膜厚、内部応力、支持構造、コンデンサマイクロホン１の特性に応じて設計される。

以上の構成において、静電引力によってダイヤフラム１６がプレート１２に付着しないようにするために、バネ１９の形状や、ダイヤフラム１６の内部応力、スペーサ１０が配置される環状領域の内径、スペーサ１０の高さが調整される。また、静電引力によって、ダイヤフラム１６の外周端と基板１４の縁部９との間隔が、静電引力が作用しない状態でのダイヤフラム１６と縁部９との間隔より少なくとも狭くなり、外周端の一部は縁部９に接触するように、ダイヤフラム１６のスペーサ１０との接触部位よりも内側の面積や、ダイヤフラム１６のスペーサ１０との接触部位よりも外側の幅、ダイヤフラム１６の内部応力等が調整される。ダイヤフラム１６の内部応力が小さい場合は、ダイヤフラム１６を構成する膜の材質、ダイヤフラム１６の厚さ、バイアス電圧の値によって調整される。バイアス電圧は例えば５〜１５Ｖ程度である。

本実施形態では、バイアス電圧が印加されていない状態でのプレート１２とダイヤフラム１６との間隔は４μｍ、ダイヤフラム１６と基板１４の縁部との間隔は１．５μｍ、ダイヤフラム１６のスペーサ１０との接触部位からダイヤフラム１６の外周端までの距離は１３０μｍ、スペーサ１０との接触部位が含まれる円周の直径は７００μｍとして設定されている。また、ダイヤフラム１６の中央部は、バイアス電圧非印加状態であるときと比較してバイアス電圧印加状態では、２μｍプレート１２側に接近するように設定されている。
なお、ダイヤフラム１６の全周が基板１４の縁部９に接触してもよい。その場合、非音響空間の圧力と大気圧とを平衡させるための細隙が適当な箇所（例えば縁部９やスペーサ１０）に設けられていることが望ましい。

・作動
コンデンサマイクロホン１は、図示しないチャージポンプなどによって昇圧されたバイアス電圧がプレート１２とダイヤフラム１６とに印加され、静電引力によって図１Ａおよび図１Ｂの破線に示すようにダイヤフラム１６がスペーサ１０に接触した状態で使用される。すなわち、ダイヤフラム１６のスペーサ１０との接触部位より内側の部分はプレート１２に引き寄せられるため、ダイヤフラム１６のスペーサ１０の接触部位より外側の部分は基板１４に接近し、ダイヤフラム１６の外周端は、バネ１９が連結されている付近を除いて基板１４の開口の縁部９に接触した状態で使用される。その状態で音孔１１から進入した音波がダイヤフラム１６に到達すると、プレート１２はダイヤフラム１６に対して十分厚くたわみ剛性が高いため、ダイヤフラム１６はプレート１２に対して振動する。このとき、ダイヤフラム１６は図２Ａの破線で示すようにスペーサ１０に接触した状態で振動する。

このように、ダイヤフラム１６の外周端の少なくとも一部がストッパプレートとしての基板１４の開口縁部９に接触し、非音響空間と音響空間との通路を狭めた状態においてダイヤフラムを振動させることができる。その結果、非音響空間と音響空間を結ぶ通路の音響抵抗を大きくすることができ、より低周波域の音波もこの通路を通過させにくくすることができる。したがって、ダイヤフラムの非音響空間側に音波が回り込むことによる感度低下を抑制することができる。このコンデンサマイクロホンは、低周波域の音波に対して感度が低下するという従来のコンデンサマイクロホンと比較して、高周波域から低周波域までの音波に対し、フラットな周波数特性を実現することができる。
また、バイアス電圧が印加されていない状態では、非音響空間は密閉されないため、非音響空間の圧力と大気圧とが平衡する。バイアス電圧が印加されている状態においても、非音響空間は密閉されないため、非音響空間の圧力と大気圧とが平衡する。そのため、気圧差によってダイヤフラムが破壊されることを防止し、気圧差によるコンデンサマイクロホンの感度低下を抑制することができる。

・製造方法
図３は、本実施形態のコンデンサマイクロホン１を実現するための膜の積層構造の一例を示す断面図である。
基板１４は単結晶Ｓｉなどからなるウェハ１０７から形成される。
ダイヤフラム１６と配線部１７と共にダイヤフラム１６の配線部１７側の非音響空間を囲む壁部８は、スペーサ１０を形成している絶縁膜１０５とエッチストッパ膜１０２と基板１４とから構成されている。

プレート１２は導電膜１０４と絶縁膜１０５とから構成され、導電膜１０４が静止電極を形成する。壁部８とプレート１２の表面層が連続している絶縁膜１０５で構成されているため、プレート１２は壁部８と結合している。

スペーサ１０は絶縁膜１０５から構成されている。プレート１２の表面層を構成し、プレート１２を貫通している絶縁膜１０５の基板１４側に突出している部分がスペーサ１０を構成しているため、スペーサ１０はプレート１２に結合している。

ダイヤフラム１６、バネ１９および支持部１３は振動電極を形成する導電膜１０８から構成される。ダイヤフラム１６とバネ１９とを張り渡している支持部１３は、導電膜１０８の壁部８に埋め込まれている部分である。
以上、コンデンサマイクロホン１を構成している膜の積層構造について説明した。

図４、図５、図６、図７はそれぞれコンデンサマイクロホンの製造工程を示す断面図である。図４、図５、図６、図７の各図においては１チップ領域内が断面図として示されているが、信号処理回路と静止電極および振動電極とを接続するためのパッドは、適宜設計可能な部分であるため、省略されている。

はじめに図４Ａに示すように、単結晶Ｓｉなどからなるウェハ１０７の上にエッチストッパ膜１０２を成膜する。エッチストッパ膜１０２は後述するＤｅｅｐ−ＲＩＥの終点制御のための例えばＳｉＯ_２からなる絶縁性の犠牲膜である。次にレジストマスク２０１のパターンをエッチストッパ膜１０２にウェットエッチングにより転写し、エッチストッパ膜１０２にディンプル３０１を形成する。

次に図４Ｂに示すように、エッチストッパ膜１０２の上に導電膜１０８を成膜し、レジストマスク２０２のパターンを転写することにより導電膜１０８からなるダイヤフラム１６とバネ１９の輪郭を形成する。導電膜１０８は例えば減圧ＣＶＤによって堆積し、Ｐ等の不純物がドープされ、アニール処理された多結晶Ｓｉ膜や金属膜からなる。

次に図４Ｃに示すように、エッチストッパ膜１０２の上と導電膜１０８の上とにスペーサ膜１０３を成膜し、レジストマスク２０３のパターンを転写することによりスペーサ膜１０３にディンプル３０２を形成する。スペーサ膜１０３は例えばＣＶＤでＳｉＯ_２を薄く堆積させてアニールする処理を繰り返すことにより所望の厚さに形成される。

次に図４Ｄに示すように、スペーサ膜１０３の上に導電膜１０４を成膜し、レジストマスク２０４のパターンを転写することにより、導電膜１０４で構成される静止電極などの輪郭を形成する。導電膜１０４は、例えば減圧ＣＶＤによって堆積し、Ｐ（リン）等の不純物がドープされ、アニール処理された多結晶Ｓｉ膜や金属膜からなる。

次に図５Ａに示すように、レジストマスク２０５のパターンをエッチングで転写することによりスペーサ１０を形成するための孔３０４を導電膜１０４とスペーサ膜１０３とに形成する。具体的には、等方性エッチングを用いて導電膜１０４をエッチングした後に異方性ドライエッチングによりスペーサ膜１０３をエッチングする。導電膜１０８に到達する前に異方性ドライエッチングを停止することにより、先端部が先細りしたスペーサ１０を形成するための孔３０４を形成することができる。一方、この孔３０４の深さを導電膜１０８が露出する深さに設定する場合でも、次に形成される絶縁膜１０６が除去されることによってスペーサ１０とダイヤフラム１６とが分離される。
なお、孔３０４は、上記のようにレジストによるパターニングとエッチングによって形成される以外にも、例えばナノインプリント技術を用いて形成されてもよい。

次に図５Ｂに示すように、絶縁膜１０６を成膜し、レジストマスク２０６のパターンを転写して絶縁膜１０６の不要部を除去する。絶縁膜１０６は例えばＣＶＤで堆積したＳｉＯ_２で構成される。絶縁膜１０６はダイヤフラム１６を構成する導電膜１０８とプレート１２を構成する導電膜１０４とを絶縁するための膜である。

次に図５Ｃに示すように、レジストマスク２０８を用いてスペーサ膜１０３とエッチストッパ膜１０２を一部除去することにより、壁部８として絶縁膜１０５が機能する部位を形成するための孔３０６を形成する。具体的には、ウェットエッチングによりスペーサ膜１０３を等方的にエッチングした後に、ドライエッチングによりスペーサ膜１０３とエッチストッパ膜１０２とを異方的にエッチングすることによりウェハ１０７を露出させる孔３０６を形成する。導電膜１０８が存在する部位では、導電膜１０８がエッチングの終点となるため、エッチストッパ膜１０２は除去されない。

次に図６Ａに示すように、スペーサ膜１０３の上と導電膜１０４の上とに絶縁膜１０５を成膜する。絶縁膜１０５はスペーサ膜１０３とエッチング選択性がある材料で構成され、例えば減圧ＣＶＤによる堆積とアニール処理を繰り返すことにより所望の厚さに形成されるＳｉＮ膜からなる。

次に図６Ｂに示すように、レジストマスク２１１のパターンをエッチングにより転写することにより絶縁膜１０５と導電膜１０４とに音孔１１を形成する。具体的には例えば、エッチングガスの異なる２回の異方性ドライエッチングの実施により音孔１１が形成される。

次に、ウェハ１０７の裏面に堆積している導電膜１０８と、導電膜１０４と、絶縁膜１０５とをバックグラインド処理により除去した後に、図７Ａに示すようにウェハ１０７の裏面上にレジストマスク２１２を形成し、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりウェハ１０７にキャビティ１５を形成する。

次に図７Ｂに示すように、絶縁膜１０５をエッチストッパとして用いて、音孔１１とキャビティ１５とからエッチャントを供給し、エッチストッパ膜１０２とスペーサ膜１０３の不要部をウェットエッチングによって除去する。

最後にダイシングによりウェハ１０７を分断すると図３に示すコンデンサマイクロホン１が完成する。

・その他の構成例：
以上の説明では、プレート１２より配線部側にダイヤフラム１６が配置される構成を説明したが、ダイヤフラムよりも配線部側にプレートが配置される構成にも本発明は適用可能である。この構成に本発明を適用する場合の一例を以下、説明する。この構成では、請求項に記載のストッパプレートは、ダイヤフラムを基準として配線部と反対側に位置し、音波を取り入れるための開口を有している。配線部上に開口を有する基板が接着され、基板に結合された壁部によってプレートおよびストッパプレートは支持される。スペーサは、ダイヤフラムの外周端よりも内側の環状の領域に形成されている。ダイヤフラムの外周端にはバネが連結され、ダイヤフラムはバネによって壁部に張り渡されている。

バイアス電圧が印加されていない状態では、ダイヤフラムの外周端はストッパプレートの開口の縁部には接触しない。したがって、音響空間と、ダイヤフラムの配線部側の非音響空間とは、ダイヤフラムとストッパプレートおよび壁部とで形成される通路によって気圧が平衡する。バイアス電圧が印加されている状態では、ダイヤフラムのスペーサとの接触部位よりも内側の部分はプレート側に接近し、スペーサとの接触部位よりも外側の部分はダイヤフラムの剛性によりストッパプレート側に接近し、外周端の一部はストッパプレートの開口の縁部に接触する。このように音響空間と非音響空間とを結ぶ通路を狭めた状態において、音波を受けてダイヤフラムは振動するため、同様の効果を得ることができる。

また、以上の説明では、スペーサ１０はプレート１２と結合している形態を説明したが、例えばスペーサはプレートではなくダイヤフラム１６と結合していてもよい。この場合、バイアス電圧が印加されると、ダイヤフラムがプレート側に接近し、スペーサのダイヤフラムとの結合部の反対側の端がプレートに接触する。そしてダイヤフラムの剛性によりスペーサとの結合部位よりも外側の部分がストッパプレート側に接近し外周端の一部がストッパプレートの開口の縁部に接触してもよい。尚、スペーサは、プレートとダイヤフラムのいずれからも離れて、壁部８に結合されていても良い。

２．第二実施形態
・構成
図８Ａ、図８Ｂおよび図８Ｃはそれぞれ本発明のコンデンサマイクロホンの第二実施形態を示す断面図であって、膜の積層構造を省略した模式的な断面図である。図８Ａおよび図８Ｂの切断面はプレート１２の表面と垂直である。図８Ｃの切断面はプレート１２の表面と平行である。図８Ｃはダイヤフラム１６をプレート１２の側から見た状態を示している。図８Ａは図８Ｃに示すＡ−Ａ線における断面図、図８Ｂは図８Ｃに示すＢ−Ｂ線における断面図である。

本実施形態では、請求項に記載の壁部は、壁部８と、基板１４と、プレート１２のスペーサ１０よりも外側の部分とが相当し、ダイヤフラム１６とスペーサ１０と配線部１７とともに非音響空間を囲む。本実施形態が第一実施形態と異なる点は、最も外側に形成された音孔１１よりも外側においてスペーサ１０がほぼ環状に形成されている点である。
スペーサ１０の径方向の幅は例えば４μｍで、スペーサ１０には細隙としてのスリット１００が設けられている。スリット１００の形状は例えば幅４μｍ、高さ４μｍである。スリット１００がこのような形状である場合、カットオフ周波数は人間の可聴域の下限に近い約３０Ｈｚである。

・作動
バイアス電圧が印加されることによって、ダイヤフラム１６はプレート１２側に接近し、ダイヤフラム１６の外周近傍の環状の領域がほぼ環状のスペーサ１０に接触する。図８Ａおよび図８Ｂに、ダイヤフラム１６がスペーサ１０に接触した状態を破線で示している。音波は、音孔１１を通過してダイヤフラム１６に伝搬し、ダイヤフラム１６を振動させる。ダイヤフラム１６の配線部１７側の非音響空間は、ダイヤフラム１６がスペーサ１０に接触している状態では、音響空間から、スリット１００の部分を除きほぼ断絶されている。検出対象の音波がダイヤフラム１６の非音響空間側に回り込みにくいため、コンデンサマイクロホン２の感度低下が抑制される。バイアス電圧が印加されていない状態では、ダイヤフラム１６とスペーサ１０とは接触しないので、ダイヤフラム１６で仕切られた２つの空間に圧力差がない状態に保つことができる。バイアス電圧が印加されている状態においても、スペーサ１０に設けられたスリット１００によって非音響空間の圧力と大気圧とが平衡する。そのため、気圧差によりダイヤフラム１６が破壊されることを防止し、気圧差によるコンデンサマイクロホン１の感度低下を抑制することができる。
なお、スリット１００の個数は、カットオフ周波数が可聴域外となればよく、複数個設けられてもよい。また、スペーサ１０は環状に形成されてもよい。その場合、非音響空間の圧力と大気圧とを平衡させるための細隙がスペーサ１０以外の箇所（例えばダイヤフラム１６）に設けられていることが望ましい。

・製造方法
図９は、本実施形態のコンデンサマイクロホンを実現するための膜の積層構造の一例を示す断面図である。
基板１４は単結晶Ｓｉなどからなるウェハ１０７から形成される。
壁部８は、エッチストッパ膜１０２、ダイヤフラム１６とプレート１２との間に空隙を形成するためのスペーサ膜１０３、スペーサ１０を形成している絶縁膜１０５等から構成されている。

プレート１２は導電膜１０４から構成され、静止電極を形成する。導電膜１０４は壁部８を形成している絶縁膜１０５に接合されている。
スペーサ１０は絶縁膜１０５から構成されている。
ダイヤフラム１６とバネ１９とは振動電極を形成する導電膜１０８から構成される。導電膜１０８は、エッチストッパ膜１０２とスペーサ膜１０３との間に接合されている。
以上、コンデンサマイクロホン２を構成している膜の積層構造について説明した。

図１０、図１１、図１２はそれぞれコンデンサマイクロホンの製造工程を示す断面図である。図１０、図１１、図１２の各図においては、１チップ領域内が断面図として示されているが、信号処理回路と静止電極および振動電極とを接続するためのパッドは、適宜設計可能な部分であるため、省略されている。

はじめに図１０Ａに示すように、単結晶Ｓｉなどからなるウェハ１０７の上にエッチストッパ膜１０２を成膜する。エッチストッパ膜１０２は後述するＤｅｅｐ−ＲＩＥの終点制御のための例えばＳｉＯ_２からなる絶縁性の犠牲膜である。次にエッチストッパ膜１０２の上に導電膜１０８を成膜する。導電膜１０８は例えば減圧ＣＶＤによって堆積し、Ｐ等の不純物がドープされ、アニール処理された多結晶Ｓｉ膜や金属膜からなる。

次に図１０Ｂに示すように、レジストマスク２０２のパターンをエッチングにより転写することにより導電膜１０８からなるダイヤフラム１６の輪郭およびバネ１９の輪郭を形成する。

次に図１０Ｃに示すように、エッチストッパ膜１０２の上と導電膜１０８の上とにスペーサ膜１０３を成膜し、レジストマスク２０３のパターンを転写することによりスペーサ膜１０３に孔３０４を形成する。孔３０４は、スペーサ１０を形成するための孔であって、スリット１００を形成する部分を除くほぼ環状の孔である。スペーサ膜１０３は例えばＣＶＤでＳｉＯ_２を薄く堆積させてアニールする処理を繰り返すことにより所望の厚さに形成される。孔３０４は、導電膜１０８が露出する地点まで到達するように形成される。尚、孔３０４を導電膜１０８が露出する地点まで形成せず途中でエッチングを終了させてもよい。そうすることによって、後述する図１１Ａの工程を省略するようにしてもよい。
なお、孔３０４は、上記のようにレジストによるパターニングとエッチングによって形成される以外にも、例えばナノインプリント技術を用いて形成されてもよい。

次に図１０Ｄに示すように、スペーサ膜１０３の上に絶縁膜１０６を成膜する。絶縁膜１０６が後述の工程で除去されることによりスペーサ１０とダイヤフラム１６とが分離される。絶縁膜１０６は例えばＣＶＤで堆積したＳｉＯ_２で構成される。

次に図１１Ａに示すように、絶縁膜１０６の上に絶縁膜１０５を成膜する。絶縁膜１０５はスペーサ膜１０３および絶縁膜１０６とエッチング選択性がある材料で構成され、例えば減圧ＣＶＤによる堆積とアニール処理を繰り返すことにより所望の厚さに形成されるＳｉ_３Ｎ_４膜からなる。

次に図１１Ｂに示すように、レジストマスク２０４のパターンを転写することにより絶縁膜１０５の不要部分を除去する。

次に図１１Ｃに示すように、絶縁膜１０５が除去され絶縁膜１０６が露出している部分の上と絶縁膜１０５の上とに、導電膜１０４を成膜し、レジストマスク２１０のパターンを転写することにより、導電膜１０４で構成されるプレート１２の外周輪郭を形成する。導電膜１０４は、例えば減圧ＣＶＤによって堆積し、Ｐ等の不純物がドープされ、アニール処理された多結晶Ｓｉ膜や金属膜からなる。

次に図１１Ｄに示すように、レジストマスク２１１のパターンを転写することにより、導電膜１０４で構成されるプレート１２に音孔１１を形成する。具体的には例えば、異方性ドライエッチングにより音孔１１が形成される。

次に図１２Ａに示すように、ウェハ１０７の裏面上にレジストマスク２１２を形成し、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによりウェハ１０７にキャビティ１５を形成する。

次に図１２Ｂに示すように、絶縁膜１０５をエッチストッパとして用いて、音孔１１とキャビティ１５とからエッチャントを供給し、エッチストッパ膜１０２とスペーサ膜１０３と絶縁膜１０６の不要部をウェットエッチングによって除去する。

最後にダイシングによりウェハ１０７を分断すると図９に示すコンデンサマイクロホン２が完成する。

・その他の構成
以上の説明では、基板１４とプレート１２との間にダイヤフラム１６が配置される構成を説明したが、基板とダイヤフラムとの間にプレートが配置される構成にも本発明は適用可能である。
また、以上の説明では、スペーサ１０がプレート１２と結合している形態を説明したが、例えばスペーサはプレートではなくダイヤフラム１６と結合していてもよいし、プレートとダイヤフラムのいずれからも離れて、壁部８に結合されていても良い。

以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、コンデンサマイクロホンを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。

第一実施形態に係る断面図。第一実施形態に係る断面図。第一実施形態に係る断面図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第一実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第二実施形態に係る断面図。第二実施形態に係る断面図。第二実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第二実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。第二実施形態のコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。

符号の説明

１：コンデンサマイクロホン、２：コンデンサマイクロホン、８：壁部、９：縁部、１０：スペーサ、１１：音孔、１２：プレート、１３：支持部、１４：基板、１５：キャビティ、１６：ダイヤフラム、１７：配線部、１９：バネ、１００：スリット、１０２：エッチストッパ膜、１０３：スペーサ膜、１０４：導電膜、１０５：絶縁膜、１０６：絶縁膜、１０７：ウェハ、１０８：導電膜

Claims

複数の通孔を有し、静止電極を形成しているプレートと、
前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、
前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に位置し、前記ダイヤフラムの外周端より内側の環状の領域に配置されたスペーサと、
前記ダイヤフラムに対し前記プレートと反対側に位置し、開口を有するストッパプレートと、
を備え、
前記ダイヤフラムは、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によって前記スペーサより内側が前記プレートに接近し前記スペーサより外側が前記プレートと反対側に移動し外周端の少なくとも一部が前記ストッパプレートの開口の縁部に接触した状態において、前記プレートに対して振動する、
コンデンサマイクロホン。
複数の通孔を有し、静止電極を形成しているプレートと、
前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、
前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に位置し、前記プレートの最も外側に位置する前記通孔よりも外側に位置するほぼ環状の内壁面を有するスペーサと、
前記プレートの外周端を支持し、前記ダイヤフラムと前記スペーサと配線部と共に前記ダイヤフラムの前記配線部側の非音響空間を囲む壁部と、
を備え、
前記ダイヤフラムは、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間に生ずる静電引力によって前記プレートに接近し前記スペーサ内側の開口を閉塞するとともに前記非音響空間をほぼ密閉した状態において、前記プレートに対して振動する、
コンデンサマイクロホン。
前記ダイヤフラムに連結された複数のバネと、
前記バネと連結し前記ダイヤフラムを張り渡している支持部と、
をさらに備える請求項１または２に記載のコンデンサマイクロホン。
前記ダイヤフラムとなる膜を形成し、
前記ダイヤフラムとなる膜の上に第一の絶縁膜を形成し、
前記第一の絶縁膜の上に前記プレートとなる膜を形成し、
前記第一の絶縁膜に孔をレジストのパターニングとエッチングにより形成し、
前記第一の絶縁膜と異なる組成の第二の絶縁膜を前記孔の内部に堆積させることにより、前記孔内に前記第二の絶縁膜からなる前記スペーサを形成し、
ウェットエッチングにより前記第一の絶縁膜を選択的に前記ダイヤフラムとなる膜と前記プレートとなる膜との間から除去する、
ことを含む請求項１に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。
前記ダイヤフラムとなる膜を形成し、
前記ダイヤフラムとなる膜の上に第一の絶縁膜を形成し、
前記第一の絶縁膜にほぼ環状の溝をレジストのパターニングとエッチングにより形成し、
前記第一の絶縁膜と異なる組成の第二の絶縁膜を前記溝の内部に堆積させることにより、前記溝内に前記第二の絶縁膜からなる前記スペーサを形成し、
前記第二の絶縁膜の前記スペーサより内側部分を除去し、
前記第二の絶縁膜を除去することによって露出した前記第一の絶縁膜の上に前記プレートとなる膜を形成し、
ウェットエッチングにより前記第一の絶縁膜を選択的に前記ダイヤフラムとなる膜と前記プレートとなる膜との間から除去する、
ことを含む請求項２に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。