JP2008172696A - 音響検出機構及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】信頼性を劣化させることなくヒンジ構造の深い振動膜を容易に形成できるようにし、それによって音響感度が高い音響検出機構を安価に提供する。
【解決手段】基板１０の中央部に貫通穴１２が設けられている。基板１０の上に、貫通穴１２を覆うように、下部電極を含む振動膜１が設けられている。振動膜１の上方にエアギャップ４を介在させて上部固定電極３が配置されている。振動膜１には、５０度以上で且つ８０度以下のテーパ角を持つヒンジ構造１９が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明は、音響検出機構及びその製造方法に関し、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成する音響検出機構及びその製造方法に関する。

音響検出機構の小型化、低価格化及び高信頼性化に伴って、ＭＥＭＳ技術を用いて形成した平行平板コンデンサーを持つ音響検出機構が実用化されている。この音響検出機構においては、音圧の変動に反応してコンデンサーの一方の電極（振動膜）が振動することによってコンデンサーの静電容量が変化し、当該変化は最終的に電圧信号に変換される。

近年、音響信号のデジタル化に伴って、音響検出機構の高Ｓ／Ｎ化が求められている。それに対して、振動膜の低張力化により振動膜を変形させやすくし、それによって音響感度を向上させる技術が提案されている。例えば振動膜にヒンジ構造を設けることにより、振動膜の膜質及び膜厚を同じにしたまま、その張力（引っ張り応力）を低下させることができ、それによって音響感度を向上させることができる。

しかしながら、振動膜にヒンジ構造を設ける方法には、ヒンジ構造の深さ（ヒンジ構造における振動膜から最も離れた箇所の当該振動膜からの距離）を深くするに従って、振動膜の膜厚の不均一性が顕著になり、音響感度のバラツキが発生しやすくなるという問題点がある。

そこで、レジストキャップとシリコンエッチングとを組み合わせた技術が提案されている（例えば特許文献１参照）。

以下、特許文献１に開示されている、ヒンジ構造を有し且つ振動膜の膜厚が均一な従来の音響検出機構について図３を参照しながら説明する。

図３に示すように、上面にリーク防止用シリコン酸化膜１１１が形成されたシリコン基板１１０の中央部には、シリコンウェットエッチングにより開口されたシリコン貫通穴１１２が設けられている。リーク防止用シリコン酸化膜１１１の上には、シリコン貫通穴１１２を覆うように振動膜１０１が設けられている。振動膜１０１は主としてシリコン窒化膜からなり、振動膜１０１のうち少なくともシリコン貫通穴１１２上に位置する部分には下部電極が設けられている。振動膜１０１の上方にはエアギャップ１０４を介在させて上部固定電極１０３が配置されている。上部固定電極１０３は、リーク防止用シリコン酸化膜１１１上に形成されたシリコン酸化膜１０２によって保持されている。すなわち、シリコン基板１１０と上部固定電極１０３とは、リーク防止用シリコン酸化膜１１１及びシリコン酸化膜１０２によって接続されている。

振動膜１０１を構成する下部電極と上部固定電極１０３とは平行平板コンデンサーを形成している。上部固定電極１０３には、エアギャップ１０４と接続するアコースティックホールと呼ばれる貫通穴１０５が設けられており、当該貫通穴１０５を通して音圧が振動膜１０１に伝えられる。シリコン貫通穴１１２上に位置する振動膜１０１の周縁部には、音響感度を向上させるための凹型ヒンジ構造１２０が形成されている。凹型ヒンジ構造１２０は振動膜１０１のその他の部分に対してほぼ垂直に屈曲した形状を持っている。振動膜１０１における隣り合う凹型ヒンジ構造１２０間の部分は、膜厚均一性を向上させるために、上方向に膨らんだ丸みを帯びている。

以下、前記の従来の音響検出機構におけるヒンジ構造を持つ振動膜を形成する方法について図４（ａ）〜（ｅ）を参照しながら説明する。

まず、図４（ａ）に示すように、シリコン基板１１０の上にリーク防止用シリコン酸化膜１１１を成膜した後、リーク防止用シリコン酸化膜１１１の上にレジストパターン１０９を形成し、その後、熱処理によってレジストパターン１０９に丸みを持たせる。

次に、レジストパターン１０９をマスクとして、リーク防止用シリコン酸化膜１１１及びシリコン基板１１０に対して順次ドライエッチングを行った後、レジストパターン１０９を除去する。これにより、図４（ｂ）に示すように、シリコン基板１１０にヒンジ構造形成用の凹部１１０ａが形成されると共に、凹部１１０ａ間に残存するリーク防止用シリコン酸化膜１１１が丸められる。

次に、図４（ｃ）に示すように、凹部１１０ａの壁面及び底面の上並びにリーク防止用シリコン酸化膜１１１の上に、後述するシリコン貫通穴１１２を形成するためのウェットエッチングのストッパーとしても機能する振動膜１０１を成膜する。このとき、振動膜１０１における凹部１１０ａの壁面及び底面の上に形成された部分が凹型ヒンジ構造１２０となる。その後、シリコン基板１１０の裏面に形成したマスク（図示省略）を用いてシリコン基板１１０の裏面側からウェットエッチングを行うことにより、図４（ｄ）に示すように、シリコン基板１１０の中央部に振動膜１０１又はリーク防止用シリコン酸化膜１１１に達するシリコン貫通穴１１２を形成する。

最後に、図４（ｅ）に示すように、リーク防止用シリコン酸化膜１１１におけるシリコン貫通穴１１２に露出する部分をＨＦ等により除去する。これにより、凹型ヒンジ構造１２０を有すると共に凹型ヒンジ構造１２０間の部分が上方向に膨らんだ丸みを帯びている振動膜１０１の形成が完了する。
米国特許６１６８９０６号明細書

しかしながら、音響検出機構の高感度化をより進めるために振動膜のヒンジ構造の深さを一層を深くした場合、特許文献１に開示された音響検出機構によると、ヒンジ構造がその他の振動膜部分に対して垂直に屈曲した形状を持つため、ヒンジ構造の側壁や底部における振動膜の膜厚を均一にすることが困難になるという問題がある。また、ヒンジ構造の深さが深くなるに従って、ヒンジ構造形成用凹部をシリコン基板に形成するためのエッチングも困難になってくる。しかも、より深いヒンジ構造形成用凹部をシリコン基板に形成するためには、対レジスト選択比の高いシリコンエッチングを行える装置を使用した長時間のシリコンエッチングが必要となる結果、ランニングコストが高くなるという問題もある。さらに、特許文献１に開示された音響検出機構によると、振動膜が主としてシリコン窒化膜から構成されているため、振動膜の張力（引っ張り応力）が高くなってベース感度（振動膜にヒンジ構造を設けなかったとした場合の音響感度）が低くなってしまうという根本的な問題がある。

前記に鑑み、本発明は、信頼性を劣化させることなくヒンジ構造の深い振動膜を容易に形成できるようにし、それによって音響感度が高い音響検出機構を安価に提供できるようにすることを目的とする。

前記の目的を達成するため、本発明に係る音響検出機構は、中央部に貫通穴が設けられた基板と、前記貫通穴を覆うように前記基板上に配置され且つ第１の電極を含む振動膜と、エアギャップを介在させて前記振動膜の上方に配置された第２の電極とを備え、前記振動膜はヒンジ構造を有し、前記ヒンジ構造は、前記振動膜のその他の部分に対して５０度以上で且つ８０度以下の角度で屈曲するテーパ形状を持つ。

本発明の音響検出機構によると、振動膜のヒンジ構造がテーパ形状を持つため、当該ヒンジ構造を深くした場合にも、ヒンジ構造部分を含む振動膜の膜厚均一性を向上させることができる。このため、音響感度のバラツキの発生を防止して信頼性を向上させながら、音響感度を高くすることができる。尚、振動膜の膜厚均一性の向上のためには、ヒンジ構造のテーパ角（ヒンジ構造が振動膜のその他の部分に対してなす角度）を８０度程度以下にすべきである。また、ヒンジ構造による振動膜の低張力化つまり音響感度の向上のためには、ヒンジ構造のテーパ角を５０度程度以上にすべきである。

本発明の音響検出機構において、前記ヒンジ構造は凸型ヒンジ構造であることが好ましい。このようにすると、例えば結露環境において振動膜が大きく振動した場合にも、凸型ヒンジ構造が、振動膜と第２の電極（上部電極）とが密着することを防止するストッパーの役割も果たすため、コンデンサーの容量の減少を防止することができるので、信頼性の低下を防止することができる。

本発明の音響検出機構において、前記振動膜は、前記第１の電極となるポリシリコン膜とシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが積層された複合膜であることが好ましい。このようにすると、振動膜の構成材料としてポリシリコン膜を用いているため、振動膜を主としてシリコン窒化膜によって構成した場合と比べて、振動膜の張力（引っ張り応力）を低くしてベース感度を高くすることができる。

本発明に係る音響検出機構の製造方法は、前述の本発明の音響検出機構を製造するための方法であって、前記基板の上にレジストパターンを形成する工程（ａ）と、前記レジストパターンの上を含む前記基板の上に絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、前記絶縁膜の上に前記振動膜を形成する工程（ｃ）と、前記基板の裏面側からエッチングを行うことにより、前記基板の中央部に前記絶縁膜に達する前記貫通穴を形成すると共に前記レジストパターンを除去する工程（ｄ）と、前記絶縁膜における前記貫通穴に露出する部分を除去する工程（ｅ）とを備えている。

本発明の音響検出機構の製造方法によると、基板上に形成したレジストパターンを用いて、第１の電極を含む振動膜に凸型ヒンジ構造を形成するため、凸型ヒンジ構造を深く（つまり高く）する場合にも、対レジスト選択比の高いシリコンエッチング等を長時間行う必要がない。従って、ランニングコストが高い設備が不要となるため、コストを大幅に削減することができる。

本発明の音響検出機構の製造方法において、前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、熱処理により前記レジストパターンを丸める工程をさらに備えていることが好ましい。このようにすると、テーパ角が８０度以下であるヒンジ構造を有する振動膜を確実に形成することができる。

本発明の音響検出機構によると、振動膜のヒンジ構造がテーパ形状を持つため、当該ヒンジ構造を深くした場合にも、ヒンジ構造部分での振動膜の膜厚均一性を向上させることができるので、音響感度のバラツキの発生を防止して信頼性を向上させながら、音響感度を高くすることができる。

また、本発明の音響検出機構によると、振動膜のヒンジ構造を凸型ヒンジ構造とすることにより、振動膜と第２の電極（上部電極）とが密着することを防止できるので、より一層信頼性を向上させることができる。

また、本発明の音響検出機構によると、振動膜、具体的には第１の電極（下部電極）の構成材料としてポリシリコン膜を用いることにより、振動膜の張力（引っ張り応力）を低くしてベース感度を高くすることができる。

また、本発明の音響検出機構の製造方法によると、対レジスト選択比の高いシリコンエッチング等を用いることなく凸型ヒンジ構造を振動膜に形成できるため、ランニングコストが高い設備が不要となるので、コストを大幅に削減することができる。

さらに、本発明の音響検出機構の製造方法によると、凸型ヒンジ構造形成用のレジストパターンを熱処理により丸めることにより、テーパ角が８０度以下であるヒンジ構造を有する振動膜を確実に形成することができる。

以下、本発明の一実施形態に係る音響検出機構について図面を参照しながら説明する。

図１は本実施形態の音響検出機構の断面構造図である。図１に示すように、例えばシリコンからなる基板１０の中央部に、例えばウェットエッチングにより開口された貫通穴１２が設けられている。貫通穴１２を除く基板１０の上面には、例えばシリコン酸化膜からなるリーク防止用絶縁膜１１が成膜されている。リーク防止用絶縁膜１１が形成された基板１０の上には、貫通穴１２を覆うように振動膜１が設けられている。振動膜１は、例えば、下部電極となるポリシリコン膜と、エレクトレットとなるシリコン酸化膜と、シリコン窒化膜とが積層された複合膜である。振動膜１の上方にはエアギャップ４を介在させて上部固定電極３が配置されている。上部固定電極３は、リーク防止用絶縁膜１１上に形成された例えばシリコン酸化膜からなる絶縁膜２によって保持されている。すなわち、基板１０と上部固定電極３とは、リーク防止用絶縁膜１１及び絶縁膜２によって接続されている。

振動膜１を構成する下部電極と上部固定電極３とは平行平板コンデンサーを形成している。上部固定電極３には、エアギャップ４と接続するアコースティックホールと呼ばれる貫通穴５が設けられており、当該貫通穴５を通して音圧が振動膜１に伝えられる。振動膜１には、エアギャップ４と接続するリークホールと呼ばれる貫通穴６が設けられており、これにより振動膜１の膜破れ等の問題発生を防止している。

本実施形態の特徴は、貫通穴１２上に位置する振動膜１の周縁部に、音響感度を向上させるための凸型ヒンジ構造１９が形成されていることである。凸型ヒンジ構造１９の段差の高さ（振動膜１のその他の部分を基準とした高さ）は例えば０．５μｍ以上である。具体的には、凸型ヒンジ構造１９の上部は丸みを帯びていると共に、凸型ヒンジ構造１９の側壁は、振動膜１のその他の部分に対して９０度未満の角度で屈曲するテーパ形状を持つ。これにより、０．５μｍ以上の高さを持つ凸型ヒンジ構造１９を設ける場合にも、ヒンジ構造部分を含む振動膜１の膜厚均一性を向上させることができる。このため、音響感度のバラツキの発生を防止して信頼性を向上させながら、音響感度を高くすることができる。また、ヒンジ構造として凸型ヒンジ構造１９を振動膜１に設けているため、例えば結露環境において振動膜１が大きく振動した場合にも、凸型ヒンジ構造１９が、振動膜１と上部固定電極３とが密着することを防止するストッパーの役割を果たす。このため、コンデンサーの容量の減少を防止できるので、信頼性の低下を防止することができる。

さらに、本実施形態では、振動膜１の構成材料としてポリシリコン膜を用いているため、振動膜１を主としてシリコン窒化膜によって構成した場合と比べて、振動膜１の張力（引っ張り応力）を低くしてベース感度を高くすることができる。

図５は、本実施形態の音響検出機構における凸型ヒンジ構造１９のテーパ角（当該ヒンジ構造が振動膜１のその他の部分に対してなす角度）と音響感度及び振動膜１の膜厚均一性のそれぞれとの関係について本願発明者が調べた結果を示している。図５に示すように、本実施形態においては、振動膜１の膜厚均一性の向上のためには、凸型ヒンジ構造１９のテーパ角を８０度程度以下にすべきである。また、凸型ヒンジ構造１９による音響感度の向上つまり振動膜１の低張力化のためには、凸型ヒンジ構造１９のテーパ角を５０度程度以上にすべきである。

尚、本実施形態において、振動膜１に凸型ヒンジ構造１９に加えて凹型ヒンジ構造を設けてもよい。

以下、本実施形態の音響検出機構の製造方法、特に振動膜の形成方法について図面を参照しながら説明する。

図２（ａ）〜（ｅ）は本実施形態の音響検出機構の製造方法の各工程を示す断面図である。

まず、図２（ａ）に示すように、例えばシリコンからなる基板１０の上にレジストパターン９を形成する。

次に、図２（ｂ）に示すように、熱処理によってレジストパターン９に丸みを持たせ、ヒンジ構造パターンを形成する。その後、レジストパターン９の上を含む基板１０の上に、例えばシリコン酸化膜からなるリーク防止用絶縁膜１１を成膜する。尚、リーク防止用絶縁膜１１は、後述するウェットエッチングのストッパーとしても機能する。

次に、図２（ｃ）に示すように、リーク防止用絶縁膜１１の上に振動膜１を成膜する。振動膜１は、例えば、下部電極となるポリシリコン膜と、エレクトレットとなるシリコン酸化膜と、シリコン窒化膜とが積層された複合膜である。このとき、振動膜１におけるレジストパターン９の上に形成された部分が凸型ヒンジ構造１９となる。

次に、基板１０の裏面に形成したマスク（図示省略）を用いて基板１０の裏面側から例えばＴＭＡＨ（tetramethyl ammonium hydroxide）液を用いてウェットエッチングを行うことにより、図２（ｄ）に示すように、シリコン基板１０の中央部にリーク防止用絶縁膜１１（ストッパー）に達する貫通穴１２を形成する。このとき、レジストパターン９も除去される。

最後に、図２（ｅ）に示すように、リーク防止用絶縁膜１１における貫通穴１２に露出する部分を例えばＨＦ液を用いたウェットエッチングによって除去する。これにより、上部が丸みを帯び且つ側壁がテーパ形状である凸型ヒンジ構造１９を有する振動膜１の形成が完了する。

以上に説明した、本実施形態の音響検出機構の製造方法によると、基板１０上に形成したレジストパターン９を用いて、下部電極を含む振動膜１に凸型ヒンジ構造１９を形成するため、凸型ヒンジ構造１９を高くする場合にも、対レジスト選択比の高いシリコンエッチング等を長時間行う必要がない。従って、ランニングコストが高い設備が不要となるため、コストを大幅に削減することができる。

尚、本実施形態において、凸型ヒンジ構造１９のテーパ角の上限は、レジストパターン９よりなるヒンジ構造パターンを形成するための熱処理工程（図２（ｂ）参照）における熱処理温度とレジスト材料の耐熱性とに依存して決まるが、本願発明者らが種々の条件において凸型ヒンジ構造１９を形成したところ、いずれの場合も凸型ヒンジ構造１９のテーパ角は８０度以下になった。具体的なレジスト材料としては、例えば、封印材として４５０度以下の温度で使用される、耐熱性に優れた芳香族ポリイミド樹脂やポリアミド樹脂等を用いることができる。これらの材料からなるレジストパターン９に対して、例えばシリコン窒化膜を形成できる最低温度である４００度以上で熱処理を実施すると、５０度以上で且つ８０度以下のテーパ角を持つようにレジストパターン９を丸めることができるので、５０度以上で且つ８０度以下のテーパ角を持つ凸型ヒンジ構造１９を確実に形成することができる。

以上に説明したように、本発明は音響検出機構及びその製造方法に関し、信頼性を劣化させることなくヒンジ構造の深い振動膜を容易に形成できるので、音響感度が高い音響検出機構を低コストで提供でき、非常に有用である。

図１は本発明の一実施形態に係る音響検出機構の断面構造図である。 図２（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施形態に係る音響検出機構の製造方法の各工程を示す断面図である。 図３は従来の音響検出機構の断面構造図である。 図４（ａ）〜（ｅ）は従来の音響検出機構の製造方法の各工程を示す断面図である。 図５は本発明の一実施形態に係る音響検出機構における凸型ヒンジ構造のテーパ角と音響感度及び振動膜の膜厚均一性のそれぞれとの関係について本願発明者が調べた結果を示す図である。

符号の説明

１ 振動膜
２ 絶縁膜
３ 上部固定電極
４ エアギャップ
５ 貫通穴（アコースティックホール）
６ 貫通穴（リークホール）
９ レジストパターン
１０ 基板
１１ リーク防止用絶縁膜
１２ 貫通穴
１９ 凸型ヒンジ構造

Claims (5)

1. 中央部に貫通穴が設けられた基板と、
   前記貫通穴を覆うように前記基板上に配置され且つ第１の電極を含む振動膜と、
   エアギャップを介在させて前記振動膜の上方に配置された第２の電極とを備え、
   前記振動膜はヒンジ構造を有し、
   前記ヒンジ構造は、前記振動膜のその他の部分に対して５０度以上で且つ８０度以下の角度で屈曲するテーパ形状を持つことを特徴とする音響検出機構。
2. 請求項１に記載の音響検出機構において、
   前記ヒンジ構造は凸型ヒンジ構造であることを特徴とする音響検出機構。
3. 請求項１又は２に記載の音響検出機構において、
   前記振動膜は、前記第１の電極となるポリシリコン膜とシリコン酸化膜とシリコン窒化膜とが積層された複合膜であることを特徴とする音響検出機構。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の音響検出機構の製造方法であって、
   前記基板の上にレジストパターンを形成する工程（ａ）と、
   前記レジストパターンの上を含む前記基板の上に絶縁膜を形成する工程（ｂ）と、
   前記絶縁膜の上に前記振動膜を形成する工程（ｃ）と、
   前記基板の裏面側からエッチングを行うことにより、前記基板の中央部に前記絶縁膜に達する前記貫通穴を形成すると共に前記レジストパターンを除去する工程（ｄ）と、
   前記絶縁膜における前記貫通穴に露出する部分を除去する工程（ｅ）とを備えていることを特徴とする音響検出機構の製造方法。
5. 請求項４に記載の音響検出機構の製造方法であって、
   前記工程（ａ）と前記工程（ｂ）との間に、熱処理により前記レジストパターンを丸める工程をさらに備えていることを特徴とする音響検出機構の製造方法。

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