JP2008113057A

JP2008113057A - エレクトレットコンデンサー

Info

Publication number: JP2008113057A
Application number: JP2004253895A
Authority: JP
Inventors: Toru Yamaoka; 徹山岡; Yuichi Miyoshi; 裕一三由; Hiroshi Ogura; 洋小倉
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2008-05-15
Also published as: WO2006025211A1; TW200616488A

Abstract

【課題】生産性に優れ、小型、高信頼性、高性能なエレクトレットコンデンサーを提供する。
【解決手段】周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、領域を覆うように半導体基板上に形成された振動膜と、領域と重なるように振動膜上に設けられたエアギャップと、エアギャップ上に設けられた上部電極とを備え、領域内の前記振動膜に下部電極が形成され、下部電極、振動電極、エアギャップ及び音孔領域のパターンの輪郭は、直線及び曲線からなる。このようにすることで、膜応力を分散させることができ製造時の不良を低減することができる。
【選択図】図３

Description

本発明は振動電極と固定電極を有するエレクトレットコンデンサーに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成するエレクトレットコンデンサーに関する。

従来、コンデンサーマイクロホンなどの素子に応用される永久的電気分極を有する誘電体であるエレクトレットコンデンサーでは、平行平板型コンデンサーを構成する固定電極と可動電極の間に、エレクトレット膜とエアギャップ（空洞）層を備えた構造を有する。

近年、エアギャップ層厚さを薄くかつばらつきを低減するために、微細加工技術を利用したエアギャップ層の構造及び製造方法が提案されている。具体例としては、特許文献１に示すようなＳｉ基板の一部を水酸化カリウムを用いたウェットエッチングにより除去して凹部を形成するものである。また、特許文献２に示すような、スペーサとなるポリイミド表面に平坦化膜であるシリコン窒化膜を設けることにより、ポリイミド膜厚のばらつきを抑制するものである。
特開２００２−３４５０８８号公報特開２００２−３１５０９７号公報

しかしながら、近年の機器の小型化、高性能化を実現するため、より小型で高性能なエレクトレットコンデンサーの実現が望まれている。本発明は、小型かつ高性能であり、生産性に優れたエレクトレットコンデンサーを提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明の第１のエレクトレットコンデンサーは、周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、領域を覆うように半導体基板上に形成された振動膜と、領域と重なるように振動膜上に設けられたエアギャップと、エアギャップ上に設けられた上部電極とを備え、領域内の振動膜に下部電極が形成され、下部電極、振動電極及びエアギャップのパターンの輪郭は、直線及び曲線からなることを特徴とする。

本発明の第２のエレクトレットコンデンサーは、周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、領域を覆うように前記半導体基板上に形成された振動膜と、領域と重なるように振動膜上に設けられたエアギャップと、エアギャップ上に設けられた上部電極とを備え、領域内の振動膜に下部電極が形成され、下部電極、振動電極及びエアギャップのパターンは、角部が円弧になっている正方形であることを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、小型かつ高性能であり、生産性に優れたエレクトレットコンデンサーの実現が可能となる。さらに、それらを搭載した各種応用装置を広く社会に供給することが可能となる。

最初に、エレクトレットコンデンサーの応用例であるエレクトレットコンデンサーマイクロフォン（以下、ＥＣＭ）について説明する。

図１にＥＣＭの構成図を示す。図１（ａ）はＥＣＭの上面図を、図１（ｂ）はＥＣＭの断面図を示している。図１（ａ）において、プリント基板２１上にマイク部１８、コンデンサーなどのＳＭＤ（表面実装部品）１９、ＦＥＴ（電界効果型トランジスタ）２０が搭載されている。また、図１（ｂ）において、ＥＣＭのケース２２を示している。

図２は、ＥＣＭの回路ブロック図である。ＥＣＭの内部回路２３は、マイク部１８、ＳＭＤ１９、ＦＥＴ２０より構成されており、出力端子２４及び出力端子２５から、外部端子２６および外部端子２７へ信号を出力する構成となっている。実際の動作としては、端子２８より２Ｖ程度の入力信号がなされ、端子２９に数十ｍＶの交流の信号出力がなされる。端子２７と端子３０は、ＥＣＭの内部回路２３の中のＧＮＤ端子である出力端子２５に接続される。

以下に、本発明のエレクトレットコンデンサーの実施の形態について詳細に説明する。

図３は、本発明のエレクトレットコンデンサーの断面図である。図３に示すように、半導体基板１０１の上にシリコン酸化膜１０２が形成され、半導体基板１０１及びシリコン酸化膜１０２の周辺を残すように除去してメンブレン領域１１３を形成している。ここで、メンブレン領域１１３とは、振動膜１１２が外部から圧力を受けて振動することを可能とするために半導体基板１０１が周辺を残すように部分的に除去されている領域である。そして、シリコン窒化膜１０３がシリコン酸化膜１０２上及びメンブレン領域１１３中に形成されている。その上に、下部電極１０４及び引出し配線１１５が、１つの導電膜から形成されている。そして、シリコン窒化膜１０３、下部電極１０４及び引出し配線１１５の上に、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６が形成されている。ここで、下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５にはリークホール１０７が形成されている。そして、シリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６は、リークホール１０７が形成されたメンブレン領域１１３の下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５を覆うように形成されている。ここで、メンブレン領域１１３に位置するシリコン窒化膜１０３、導電膜からなる下部電極１０４、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６は、振動膜１１２となる。また、シリコン酸化膜１０５は、電荷を蓄えたエレクトレット膜である。さらに、シリコン窒化膜１０６の上方には、シリコン窒化膜１１４で覆われた導電膜からなる固定膜１１０が形成されている。振動膜１１２と固定膜１１０の間は、エアギャップ層１０９が形成されており、それ以外のシリコン窒化膜１０６と固定膜１１０の間には、シリコン酸化膜１０８が形成されている。このエアギャップ層１０９は、少なくともメンブレン領域１１３を含むように形成されている。また、エアギャップ層１０９の上方の固定膜１１０には、複数のアコースティックホール１１１が形成されている。また、引出し配線１１５が露出するようにシリコン窒化膜１１４、固定膜１１０及びシリコン酸化膜１０８に開口部１１６が設けられている。そして、下部電極１０４は、引出し配線１１５を介して、図２に示したＦＥＴ２０のゲートと電気的に接続されている。また、固定膜１１０は、シリコン窒化膜１１４に設けられた開口部１１７により露出しており、図２のＧＮＤ端子２５に接続されている。

ここで、図４を用いて振動膜１１２について説明する。図４は、振動膜１１２を示す平面図である。メンブレン領域１１３の内側に下部電極１０４が形成されている。図３の断面図においては、下部電極１０４が外部と電気的に接続するための引出し配線１１５を記載しているが図４では省略している。シリコン窒化膜１０３、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６は、メンブレン領域１１３より大きく、メンブレン領域１１３を覆うように形成されている。また、シリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６は、シリコン酸化膜１０５を覆うように形成するためさらに外側にまで形成されている。リークホール１０７は、下部電極１０４及びシリコン酸化膜１０５を貫くように形成されている。このリークホール１０７の内側もまたシリコン窒化膜１０３及びシリコン窒化膜１０６によって覆われている。

ここで、シリコン窒化膜１０３、下部電極１０４、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６のパターンの角部１２０は、丸くして角を無くす形としている。この角部１２０の形状として円弧であることが好ましい。この理由について以下に説明する。シリコン窒化膜１０３、下部電極１０４、シリコン酸化膜１０５及びシリコン窒化膜１０６は、メンブレン領域１１３の形状（正方形）とするのがコンデンサーとして好ましい。しかし、角部１２０が尖っていると、膜の応力集中により製造時に膜に対してクラックが発生したり、完成後に膜剥がれを誘発しやすくなる。このため、振動膜１１２の角部１２０を丸くして角を無くすことで膜応力を緩和する。これにより、小型、高性能で生産性に優れたエレクトレットコンデンサーを実現することができる。

次に、図５を用いて、エアギャップ層１０９及びシリコン窒化膜１１４に形成されるアコーステッィクホール１１１が形成される領域について説明する。エアギャップ層１０９はアコースティックホール１１１と重なる領域に設けられる。

このエアギャップ層１０９は、メンブレン領域１１３より大きく、メンブレン領域１１３の外側にまで形成されている。また、図４に示した振動膜１１２と同様に角部１２１は、丸くして角を無くす形としている。この角部１２１の形状として円弧であることが好ましい。この理由についても振動膜１１２と同様であり、角部１２１が尖っていると、膜の応力集中により製造時に膜に対してクラックが発生したり、完成後に膜剥がれを誘発しやすくなる。このため、エアギャップ層１０９の角部１２１を丸くして角を無くすことで膜応力を緩和する。これにより、小型、高性能で生産性に優れたエレクトレットコンデンサーを実現することができる。

なお、下部電極１０４を形成する導電膜は、不純物をドーピングしたポリシリコンや金、アルミニウム、アルミニウム系合金などの金属で形成することができる。

最後に、エレクトレットコンデンサーの動作について説明する。図３において、アコースティックホール１１１を通して、振動膜１１２が上方から音圧を受けたとき、その音圧に応じて振動膜１１２が機械的に上下に振動する。図３においては、下部電極１０４と固定膜１１０を電極とする平行平板型のコンデンサー構造を形成している。振動膜１１２が振動すると下部電極１０４と固定膜１１０との電極間距離が変化することで、コンデンサーの容量（Ｃ）が変化する。コンデンサーに蓄えられる電荷（Ｑ）は一定であるため、下部電極１０４と固定膜１１０との間の電圧（Ｖ）に変化が生じる。この理由は、物理的に、以下の式（１）の条件を満足する必要があるためである。

Ｑ＝Ｃ・Ｖ・・・・（１）
固定膜１１０は、図２のＦＥＴ２０のゲートと電気的に接続しているので、ＦＥＴ２０のゲート電位は、振動膜の振動により変化する。ＦＥＴ２０のゲートの電位変化は外部出力端子２９に電圧変化として出力されることとなる。

以上説明したように、本発明のエレクトレットコンデンサーは、小型、高性能で生産性に優れたＥＣＭの実現に有用である。

エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの構成図エレクトレットコンデンサーマイクロフォンの回路図本発明の実施の形態のエレクトレットコンデンサーの断面図本発明の実施の形態のエレクトレットコンデンサーの振動膜の構成を示す平面図本発明の実施の形態のエレクトレットコンデンサーのエアギャップの位置を示す平面図

符号の説明

１８マイク部
１９ＳＭＤ
２０ＦＥＴ
２１プリント基板
２２ＥＣＭのケース
２３ＥＣＭの内部回路
２４出力端子
２５出力端子
２６外部端子
２７外部端子
２８端子
２９端子
３０端子
１０１半導体基板
１０２シリコン酸化膜
１０３シリコン窒化膜
１０４下部電極
１０５シリコン酸化膜
１０６シリコン窒化膜
１０７リークホール
１０８シリコン酸化膜
１０９エアギャップ層
１１０固定膜
１１１アコースティックホール
１１２振動膜
１１３メンブレン領域
１１４シリコン窒化膜
１１５引出し配線
１１６開口部
１１７開口部
１２０角部
１２１角部

Claims

周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、
前記領域を覆うように前記半導体基板上に形成された振動膜と、
前記領域と重なるように前記振動膜上に設けられたエアギャップと、
前記エアギャップ上に設けられた上部電極と
前記上部電極に設けられた音孔領域とを備え、
前記領域内の前記振動膜に下部電極が形成され、
前記下部電極、前記振動電極、前記エアギャップ及び前記音孔領域のパターンの輪郭は、直線及び曲線からなることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。
周辺部を残すように除去された領域を有する半導体基板と、
前記領域を覆うように前記半導体基板上に形成された振動膜と、
前記領域と重なるように前記振動膜上に設けられたエアギャップと、
前記エアギャップ上に設けられた上部電極と
前記領域内の前記振動膜に下部電極が形成され、
前記下部電極、前記振動電極及び前記エアギャップのパターンは、角部が円弧になっている正方形であることを特徴とするエレクトレットコンデンサー。