JP2015502693A - 寄生容量が低減されたｍｅｍｓマイクロフォン - Google Patents

Abstract

寄生容量を低減したＭＥＭＳマイクロフォンが提供される。このため、マイクロフォンは、バックプレートの縁部側領域を覆う保護フィルムを備える。【選択図】 図１

Description

本発明は、寄生容量が低減されたＭＥＭＳマイクロフォンに関し、またこのようなマイクロフォンの製造方法に関する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、通常、導電性のバックプレートと、このバックプレートから距離を置いて配設された導電性の可撓性膜とを備えている。このバックプレートおよびメンブレンは、コンデンサの電極となっている。バイアス電圧がこれらの電極に印加されると、受信した音響信号信号により生じたメンブレンの振動が電気信号に変換される。さらなる信号処理のために、ＭＥＭＳマイクロフォンは、ＡＳＩＣ（Application-specific Integrated Circuit）チップを備えてよい。

このマイクロフォンは、中央領域と縁部領域とを有する。この中央領域は、マイクロフォンの音響的な活性領域として画定される。この中央領域は、音響的な不活性領域である縁部領域で包囲されている。縁部領域内には、バックプレートとメンブレンとを機械的および／または電気的に接続する接続手段が、基板材料の上に配設されている。ＭＥＭＳマイクロフォンを構築するために、層の堆積、フォトレジストフィルムの堆積、フォトレジストフィルムのパターニング、およびパターニングされた層の部分的除去のような半導体デバイスの製造プロセスが用いられる。コンデンサは、マイクロフォンの音響的な活性領域として画定される音響活性部を有する。さらに、このコンデンサは、縁部領域内のコンデンサの部分として画定される、音響的不活性部を有する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、積層体を備える。しかしながら、このコンデンサの音響的不活性部は、寄生容量のためにマイクロフォンの性能を低下させる。これに対応した信号の減衰は式（１）のようになり、
Ｈ_c＝Ｃ_m／（Ｃ_m＋Ｃ_i＋Ｃ_p） ．．． （１）
ここでＣ_iは、電気信号の処理に適合したＡＳＩＣチップの入力容量であり、Ｃ_pは、寄生容量、すなわちこのコンデンサの音響的不活性部の容量である。Ｃ_mは、縁部領域の容量と中央領域の容量とを含む全容量である。寄生容量を低減することが、信号の劣化を低減することが分かるので、したがってマイクロフォンの信号品質を改善することになる。

Ｃ_pは、主に音響的に不活性な、バックプレートとメンブレンとの重なり領域に依存する。

したがって、本発明の課題は、寄生容量を低減したＭＥＭＳマイクロフォンおよびこのようなマイクロフォンの製造方法を提供することである。

このため、ＭＥＭＳマイクロフォンおよびこのようなマイクロフォンの製造方法が独立請求項に記載されている。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態を記載する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、メンブレン層にあるメンブレンと、第１のバックプレート層にある第１のバックプレートと、これらのメンブレン層と第１のバックプレート層との間のアンカー層にあるアンカー部材と、保護フィルムとを備える。このマイクロフォンは、さらに活性領域と縁部領域とを備える。縁部領域は、活性領域を包囲している。保護フィルムは、縁部領域において第１のバックプレートおよび／またはアンカー部材を覆っている。

このように、このＭＥＭＳマイクロフォンは、それぞれの機能素子、メンブレン、バックプレートおよびアンカー部材が形成された層の積層体を備える。活性領域は、音響的活性領域として画定される。縁部領域は、バックプレートとメンブレンとをマイクロフォンのボディおよび／またはＡＳＩＣのような外部の電子回路に、機械的および／または電気的に接続するための手段を備える。

バックプレートの不活性部は、メンブレンと重なる所定の幅を有している。保護フィルムは、少なくともバックプレートの不活性部の影響の出る領域を覆っている。この結果、バックプレートの不活性部、およびこのバックプレートとメンブレンとの間のアンカー部材は、環境の影響に対して保護されている。このアンカー部材は、バックプレートとメンブレンとを機械的に接続する接続手段として機能する。さらに、このアンカー部材は、バックプレートをメンブレンから空間的に分離し、電気短絡を防いでいる。

このようなＭＥＭＳマイクロフォンの製造工程中に、バックプレートからメンブレンを分離するために、中央部のアンカー層の材料が除去される。しかしながら、この縁部内でアンカー部材を形成するために、アンカー層の材料がバックプレートとメンブレンの間に残っていなければならない。通常、縁部内のバックプレートの部材は、この工程中でアンカー部材を保護している。このアンカー部材の機械的安定性のために、バックプレートの縁部の所定の幅が必要である。幅広のバックプレートの縁部は、大きな寄生容量Ｃ_pをもたらす。大きな寄生容量Ｃ_pは、信号品質の劣化をもたらす。

保護フィルムは、縁部において小さな領域を有するバックプレートを備えたマイクロフォンに対し、悪影響無くアンカー部材の機械的安定性を実現することが見出された。このようにして、良好な機械的安定性および良好な電気信号品質を備えたＭＥＭＳマイクロフォンが得られる。

１つの実施形態では、この保護フィルムは、ＶＨＦ環境（フッ化水素酸を用いたＨＦ気相エッチング環境、Vapour Phase HF etching environment）に耐性のある材料から成っている。ＶＨＦ環境は、音響的活性領域内のアンカー層の材料を除去するのに用いられる。この保護フィルムは、このようなエッチング環境に耐性があり、このためエッチング処理後も残っていなければならないアンカー部材が保護される。

１つの実施形態では、この保護フィルムは、光感応性である。これよりこの保護フィルムは、フォトリソグラフィー処理を用いてパターニングすることができる。

この保護フィルムはポリマー材料から成っていてよい。

１つの実施形態では、この保護フィルムはｐｒｏＴＥＫ（登録商標）ＰＳＢフィルムであってよい。

このようなフィルムは、ＶＨＦ環境に耐性のある光感応性ポリマーフィルムである。

１つの実施形態では、アンカー部材は、第１のバックプレートと揃っている。これより、このアンカー部材の縁部表面と第１のバックプレートの縁部表面とは直接上下に配置される。これによって、この保護フィルムはこれら２つの部材を容易に同時に被覆でき、簡素でありながら効果的な形態とすることができる。

さらに、このマイクロフォンの縁部領域内のバックプレートの不活性部の面積およびこれに対応する寄生容量Ｃ_pは、このマイクロフォンの安定性を損なうことなく低減される。

１つの実施形態では、このアンカー部材は、酸化珪素、たとえば二酸化珪素ＳｉＯ₂からなっている。ＳｉＯ₂は絶縁材料である。これよりバックプレートとメンブレンとは電気的に絶縁される。さらにＳｉＯ₂は、バックプレートとメンブレンとの間の機械的に安定な接合を形成するための良好な接着特性を備えている。さらには、ＳｉＯ₂は、マイクロフォンの音響的活性領域内で、ＶＨＦ技術を用いて容易に除去可能である。

１つの実施形態では、ＭＥＭＳマイクロフォンは、さらに追加のバックレートを追加のバックプレート層に備える。メンブレン層は、第１のバックプレート層と追加のバックプレート層の間に配設される。こうしてさらに信号品質が改善された２重バックプレートマイクロフォンが得られる。このメンブレンは、さらなる絶縁層によって、この追加のバックプレートから、電気的および機械的に分離されてよい。

１つの実施形態では、ＭＥＭＳマイクロフォンは、さらに追加のバックプレート層に円環形状の絶縁部材を備える。この円環形状の絶縁部材は、絶縁材料を備え、この追加のバックプレートを包囲している。この円環形状の絶縁部材は、酸化珪素、たとえば二酸化珪素から成っていてよい。

縁部領域内のこの追加のバックプレートの部分と、この縁部領域のメンブレンの部分とは、さらにマイクロフォンの信号品質を劣化させる寄生容量を形成する。円環形状の絶縁部材は、縁部領域における追加のバックプレートの主要部分を、この音響的不活性領域の追加のバックプレートの部分から電気的に分離するので、望ましくない寄生容量がさらに低減される。

ＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法は、以下のステップを備える。
−メンブレン層にメンブレンを形成するステップ。
−このメンブレン層の上にアンカー層を堆積するステップ。
−このアンカー層の上に第１のバックプレート層を堆積するステップ。
−この第１のバックプレート層において、第１のバックプレートをパターニングするステップ。
−第１のバックプレートおよび／またはアンカー層に、縁部領域における保護フィルムを堆積するステップ。
−中央領域におけるアンカー層の材料を除去するステップ。

第１のバックプレートおよび／またはアンカー層に、保護フィルムが堆積されるので、エッチング剤は、後でアンカー部材を形成する、縁部に位置するアンカー部材の材料を損傷することができない。

１つの実施形態では、中央領域におけるアンカー層の材料を除去するために、ＶＨＦ法が用いられる。ＭＥＭＳマイクロフォンの例を図に示す。

バックプレートの不活性部の部分を覆う保護フィルムを備えたＭＥＭＳマイクロフォンの断面図を示す。 ２重バックプレートマイクロフォンの断面図を示す。 プリエッチング状態のＭＥＭＳマイクロフォンの断面図を示す。 図３に示すマイクロフォンのエッチング工程後の断面図を示す。

図１は、バックプレートＢＰと、メンブレンＭとを備えたＭＥＭＳマイクロフォンの断面を示す。このマイクロフォンは、音響的活性領域ＡＡＲと、この音響的活性領域ＡＡＲを包囲する縁部領域ＲＲとを有する。縁部領域ＲＲ内で、バックプレートＢＰおよびメンブレンＭがマイクロフォンのボディに機械的に接続されている。アンカー部材ＡＮは、バックプレートＢＰをメンブレンＭから電気的に絶縁し、かつバックプレートＢＰをメンブレンＭに機械的に接続する。縁部領域ＲＲ内のバックプレートＢＰの音響的不活性部は、幅Ｗを有し、このメンブレンＭの対応する部分と重なっている。このようにして、このマイクロフォンの総容量は、幅Ｗに依存した寄生容量を含む。保護フィルムＰＦは、とくに製造工程中に縁部に位置する部位から作用する侵襲的な環境に対してアンカー部材ＡＮを保護するので、悪影響無くこの幅Ｗを極小とすることができ、このためマイクロフォンの安定性に悪影響を与えない。バックプレートＢＰは、アンカー部材ＡＮと揃っている。

基板ＳＵとメンブレンＭとの間に酸化層を配設することが可能である。もし基板ＳＵが珪素から成る場合、この酸化層は酸化珪素の層であってよい。

図２は、２重バックプレートマイクロフォンの断面を示す。二酸化珪素ＳｉＯ₂を含む接着層が、基板ＳＵの上に直接設けられる。この２重バックプレートマイクロフォンは、補償層ＣＬおよび追加のバックプレート層ＡＢＬを備えた追加のバックプレートを有する。この補償層ＣＬは、化学量論的窒化物Ｓｉ₃Ｎ₄または非化学量論的窒化物Ｓｉ_xＮ_yを含んでよい。珪素リッチな窒化物のような非化学量論的窒化物は、化学量論敵窒化物層の引張応力より小さい引張応力を有する低応力窒化物とすることができる。追加のバックプレート層ＡＢＬは、ポリシリコンのような珪素から成ってよい。珪素と窒化物とを備えた追加のバックプレートは、引張応力を有してよい。

当然ながら、第１のバックプレートもまた、圧縮応力成分を有するヤング率を有する材料を備えてよい。

円環形状であってよい絶縁部材ＩＥは、追加のバックプレートに設けられ、音響的活性部を追加のバックプレートの音響的不活性部から絶縁している。こうして寄生容量がさらに低減される。

さらに、メンブレンＭと追加のバックプレート層ＡＢＬとの間に絶縁層ＩＬが設けられている。

図３は、音響的活性領域においてアンカー層の材料が除去される前のＭＥＭＳマイクロフォンの断面を示す。

図４は、図３に示すＭＥＭＳマイクロフォンの適切なエッチング処理後の断面を示す。このエッチング処理では、音響的活性部におけるアンカー層の材料を除去するために、ＨＦのような化学剤がこのマイクロフォンに適用されてよい。

この化学的に最も不活性な部分である縁部側バックプレートＲＳＢは、アンカー部材ＡＮをエッチングから保護するシールドとして機能する。しかしながら、エッチング剤は縁部側の位置からアンカー部材ＡＮを侵襲し得る。充分に幅広のアンカー部材ＡＮを得るためには、バックプレートＲＳＢの縁部側領域ＲＳＢは、アンカー部材より大きな幅を有しなければならない。このバックプレートＲＳＢは、アンカー部材ＡＮと揃っていなくてよい。こうして寄生容量Ｃ_pとマイクロフォンの安定性との間の関係は完璧なものではなくなる。

たとえば、アンカーが保護フィルムによって保護されている場合は、縁部側バックプレートＲＳＢの幅は、２３μｍから１６μｍに減らしてよい。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、本明細書またはこれらの図に記載した実施形態に限定されない。さらなる部材または層、またはさらなる活性領域または不活性領域または保護膜、またはこれらの組み合わせもまた本発明に含まれる。

ＡＡＲ ：音響的活性領域
ＡＢＬ ：追加のバックプレート層
ＡＬ ：接着層
ＡＮ ：アンカー部材
ＢＰ ：バックプレート
ＨＦ ：エッチング剤
ＩＥ ：絶縁部材（円環形状）
ＩＬ ：絶縁層
Ｍ ：メンブレン
ＰＦ ：保護フィルム
ＲＲ ：縁部領域
ＲＳＢ ：バックプレートの縁部側部
ＲＳＭ ：メンブレンの縁部側部
ＳＵ ：基板
Ｗ ：縁部側バックプレートの幅

Claims (10)

1. ＭＥＭＳマイクロフォンであって、
   メンブレン層にあるメンブレン（Ｍ）と、第１のバックプレート層にある第１のバックプレート（ＢＰ）と、当該メンブレン層と当該第１のバックプレート層との間のアンカー層にあるアンカー部材（ＡＮ）と、保護フィルム（ＰＦ）とを備え、
   活性領域（ＡＡＲ）と当該活性領域（ＡＡＲ）を包囲する縁部領域（ＲＲ）とを備え、
   前記保護フィルム（ＰＦ）は、前記縁部領域（ＲＲ）において前記第１のバックプレート（ＢＰ）および／または前記アンカー部材（ＡＮ）を覆っていることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   前記保護フィルム（ＰＦ）は、ＶＨＦ環境に耐性のある材料から成ることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
3. 前記保護フィルム（ＰＦ）は光感応性であることを特徴とする、請求項１または２に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
4. 前記保護フィルム（ＰＦ）はｐｒｏＴＥＫ ＰＳＢフィルムであることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
5. 前記アンカー部材（ＡＮ）は、前記第１のバックプレートと揃っていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
6. 前記アンカー部材（ＡＮ）は、ＳｉＯ₂から成ることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   追加のバックプレート層における、追加のバックプレート（ＡＢＬ）をさらに備え、
   前記メンブレン層が、前記第１のバックプレート層と前記追加のバックプレート層との間に設けられることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
8. 請求項７に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   さらに、前記追加のバックプレート層（ＡＢＬ）における円環形状の絶縁部材（ＩＥ）を備え、
   前記円環形状の絶縁部材（ＩＥ）は、絶縁材料から成り、前記追加のバックプレート（ＡＢＬ）の中央部を包囲することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
9. ＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法であって、
   メンブレン層にメンブレン（Ｍ）を形成するステップと、
   当該メンブレン層の上にアンカー層を堆積するステップと、
   当該アンカー層の上に第１のバックプレート層を堆積するステップと、
   当該第１のバックプレート層において、第１のバックプレート（ＢＰ）をパターニングするステップと、
   前記第１のバックプレート（ＢＰ）および／または前記アンカー層に、縁部領域における保護フィルム（ＰＦ）を堆積するステップと、
   中央領域（ＡＡＲ）におけるアンカー層の材料を除去するステップと、
   を備えることを特徴とする方法。
10. 前記中央領域（ＡＡＲ）における前記アンカー層の材料を除去するために、ＶＨＦ法が用いられることを特徴とする、請求項９に記載の方法。

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