JP2016500501A - トップポートｍｅｍｓマイクロフォン及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

良好な性能を維持しつつ、更なる小型化を可能とするトップポートＭＥＭＳマイクロフォンを提供する。トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、上面に一体的に結合された保護部材ＰＥを有することにより機械的安定性を増大させたＭＥＭＳチップを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、トップポートＭＥＭＳマイクロフォン、即ち、音響導入孔を上面に有し、電気的接続手段または機械的接続手段を下面に有するＭＥＭＳマイクロフォン、及びそのようなマイクロフォンの製造方法に関する。

通常、ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical System、微小電気機械システム）マイクロフォンは、マイクロフォンのＭＥＭＳチップ上に配置された、またはＭＥＭＳチップ内のキャビティに配置された、振動膜とバックプレートとの対（以下、振動膜・バックプレート対）を備えている。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、例えば特許文献１〜３によって知られている。

米国特許第６５２２７６２号明細書 米国特許第６７８１２３１号明細書 米国特許第６７３２５８８号明細書

音響導入孔と振動膜・バックプレート対との間の空間部分は、マイクロフォンのフロント容積部であって、このフロント容積部が大きいほど、マイクロフォンの性能が低下し、マイクロフォンの高音域の特性が悪化する。音響導入孔の近くに振動膜・バックプレート対を配置すれば、小さなフロント容積部を得ることができる。しかしながら、このように音響導入孔に極めて近接して配置することで、音響導入孔に侵入する物体や物質により、振動膜・バックプレート対が破損する可能性が増すことになる。

もう１つの可能な方法として、ＭＥＭＳチップの底部側に振動膜・バックプレート対を配置し、ＭＥＭＳチップの厚みを減らすことにより、フロント容積部の縮小が実現する。しかしながら、この場合には、薄いＭＥＭＳチップが、電気部品の小型化に向かう近年の動向に沿うものとして一般的には好まれるものの、ＭＥＭＳチップの機械的安定性を阻害するものとなる。

また、ＭＥＭＳチップの底部側に振動膜・バックプレート対を配置し、例えば特許文献１に示されるような格子などの保護部材を、ＭＥＭＳチップの上面に設けて、音響導入孔を覆うようにすることが可能である。

本発明の目的は、音響特性、並びに音響的性能及び電気的性能を良好に維持しつつ、小型化が可能なＭＥＭＳマイクロフォンを提供することにある。

更に、本発明の目的は、そのようなＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法を提供することにある。

そのような改善されたＭＥＭＳマイクロフォン、及びこれに対応する製造方法は、独立請求項に記載の発明によって提供される。また、従属請求項に記載の発明は、本発明の好ましい態様を提供するものである。

トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、上面と下面とを有する。トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、上面に一体的に結合された保護部材、バックプレート、及び振動膜を有したＭＥＭＳチップを備える。更に、トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、上面に設けられた音響導入孔と、下面に設けられた機械的接続手段または電気的接続手段とを備える。一体的に結合された保護部材により、ＭＥＭＳチップの一体的な構造部分が形成される。この保護部材は、音響導入孔内に達する物体や物質から、当該音響導入孔を保護する。

また、保護部材は、ＭＥＭＳチップを補強すると共に、ＭＥＭＳチップの機械的安定性を増大させる。この結果、ＭＥＭＳチップの厚みを、従来のＭＥＭＳマイクロフォンに比べて減少させることが可能となり、フロント容積部を縮小することができる。バックプレート及び振動膜は、ＭＥＭＳチップの下部に配置することができる。

一態様において、保護部材は、音響導入孔に配置される。音響導入孔は、振動膜及びバックプレートの上方に設けられたキャビティとすることができる。このキャビティは、ＭＥＭＳチップに形成された穴とすることができる。保護部材が音響導入孔に配置される場合、ＭＥＭＳチップから突出する保護部材の部位はなく、小型化したＭＥＭＳマイクロフォンを得ることができる。

一態様において、音響導入孔は、ＭＥＭＳチップに配置されてフロント容積部を画定する。音響導入孔は内面を有し、保護部材は、この音響導入孔の内面に結合された格子である。この格子は剛性を有し、保護部材がＭＥＭＳチップに一体的結合されているので、保護部材の剛性によって、ＭＥＭＳチップの剛性が増大し、その結果、ＭＥＭＳチップが補強される。

一態様において、保護部材は、ＭＥＭＳチップの上面と面一に設けられる。

一態様において、ＭＥＭＳチップは矩形状の断面形状を有し、フロント容積部及び保護部材は、概ね円形状の断面形状を有する。ＭＥＭＳチップの矩形断面形状は、複数のＭＥＭＳチップからなるウエハから、ＭＥＭＳチップを個々に次々と切り出すことにより得られる。従って、矩形状のＭＥＭＳチップとすることにより、ＭＥＭＳチップの製造工程を単純化することができる。フロント容積部及び保護部材の円形断面形状は、振動膜及びバックプレートがなす一般的な円形形状に対応するものであって、不要な調波共振を生じさせることなく、振動膜の基本振動モードでの振動を可能とするものである。

また、フロント容積部の円形断面形状は、後述する製造工程により、容易に得ることができる。

一態様において、保護部材は、外側から奥に進むにつれて、断面積が増大する孔を有する。

一態様において、トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、支持基板を更に備え、当該支持基板に、ＭＥＭＳチップが電気的または機械的に接続される。

支持基板は、例えばセラミックなどの誘電体層の間に金属膜層を有した、積層セラミック支持基板であってもよい。

トップポートＭＥＭＳマイクロフォンは、ＭＥＭＳチップに隣接して配置可能なＡＳＩＣ（Application-Specific Integration Circuit、専用集積回路）チップを更に備えることが可能である。

ＭＥＭＳチップ、ＡＳＩＣチップ、及び支持基板の一部の少なくともいずれか１つは、ポリマ膜で覆うことが可能である。

更に、ＭＥＭＳチップ、ＡＳＩＣチップ、及び支持基板の一部の少なくともいずれか１つは、金属層で覆うことが可能である。この金属層は、スパッタリングにより形成された薄い金属層の厚みを増大させる電解処理を用いて堆積させることができる。このような電解処理の際に、液体からＭＥＭＳマイクロフォンを保護するため、特に繊細な部材、即ち振動膜及びバックプレートを、ポリマ膜が保護する。

製造工程の間は、ポリマ膜及び金属層がＭＥＭＳチップ全体を覆っているのが好ましいことは当然である。しかしながら、音響導入孔の部分は、開放されている必要がある。このため、後の製造工程において、レーザアブレーション装置を用い、音響導入孔の領域におけるポリマ膜及び金属層の少なくとも一方を除去することができる。ＭＥＭＳマイクロフォンに対し、直角ではなく、例えば４５°以下の角度でビームが当たるように、傾斜させたレーザアブレーション装置を用いることができる。

このようなＭＥＭＳマイクロフォンは、フラットな周波数応答性を有し、従来のトップポートマイクロフォンに比べ、優れたマイクロフォン性能が得られる。特に、このようなＭＥＭＳマイクロフォンは、ボトムポートマイクロフォンと同等のマイクロフォン性能を達成する。

ＭＥＭＳチップの厚みは、３００μｍ〜６００μｍとすることができる。保護部材の厚みは、１０μｍ〜１５μｍとすることができる。保護部材の孔の幅は、２０μｍ〜５０μｍとすることができる。音響導入孔の径、並びに保護部材と振動膜及びバックプレートの対との間に形成されるキャビティの径の少なくとも一方は、６００μｍ〜１５００μｍとすることができる。

レジスト膜の厚みは、１０μｍとすることができる。

保護部材は、ＭＥＭＳチップの本体部分、例えばＭＥＭＳチップの基板に直接的に形成することが可能である。

ＭＥＭＳチップは、シリコンで構成されるようにすることが可能である。ＭＥＭＳチップは、単結晶シリコンチップとすることができる。

ＭＥＭＳチップの基板は、例えばドーピングにより特性を変え、高い導電性を有するようにすることができる。導電性は、保護部材によって、機械的脅威や、例えば静電放電（ＥＳＤ）や電磁妨害（ＥＭＩ）といった電気的脅威から保護可能な程度に高めることができる。

トップポートＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法は、
上面及び下面を有したモノリシックのＭＥＭＳチップを用意する工程と、
前記ＭＥＭＳチップの前記上面の側において前記ＭＥＭＳチップと一体的に結合された保護部材を構築する工程と
を備える。

上記の製造方法の一態様において、前記保護部材を構築する工程の際に、前記ＭＥＭＳチップの前記上面に、孔を形成する。

一態様において、前記孔は、格子状に配置される。

一態様において、上記の製造方法は、前記保護部材の下方にフロント容積部を形成する工程を更に備える。

上記の製造方法の一態様において、前記孔は、エッチング工程により形成され、フロント容積部は、前記孔を形成するのと同じエッチング工程により形成される。

一態様において、上記の製造方法は、
前記ＭＥＭＳチップの上面にレジスト膜を配置する工程と、
前記レジスト膜を加工処理する工程と
を更に備える。

一般的に、厚みの低減は、ＭＥＭＳチップの剛性によって制限される。厚みを減らしたＭＥＭＳチップは、ＭＥＭＳチップを貫通する孔が大きくなるほど、破損しやすくなる。上述した態様の構成とすることにより、しっかりした薄いＭＥＭＳチップを得ることが可能となる。

エッチング技術を用いて保護部材を実現する場合、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）を利用したイオンビームエッチングを適用し、保護部材に孔を食刻することができる。このため、レジスト膜をＭＥＭＳチップの上部に配置することができる。このレジスト膜は、フォトリソグラフィ工程により加工処理することができる。レジスト膜の残存部分により、保護部材の構造が定まり、レジスト膜がない部分では、ＳＦ₆イオンによって、ＭＥＭＳチップの材料を除去することができる。

ＭＥＭＳマイクロフォンの基本動作原理をＡに、ＭＥＭＳチップの上面にレジスト膜を積層する工程をＢに、ＭＥＭＳチップの上面にあるレジスト膜及び保護部材が加工処理された工程をＣに、それぞれ示す図である。 ＭＥＭＳチップ及びＡＳＩＣチップが１つの積層基板上に配置された、ＭＥＭＳマイクロフォンの一実施形態を示す図である。 外側から奥に進むにつれて孔が拡大する保護部材及びＭＥＭＳチップの一実施形態を示す図である。 複数の孔を有した保護部材の平面図である。 保護部材のもう１つの実施形態を示す図である。 保護部材のもう１つの実施形態を示す図である。 保護部材のもう１つの実施形態を示す図である。 保護部材のもう１つの実施形態を示す図である。

トップポートＭＥＭＳマイクロフォンの具体例が、概要図に示されている。

図１は、振動膜ＭとバックプレートＢＰとを有するＭＥＭＳチップＭＣを備えたトップポートＭＥＭＳマイクロフォンＴＰＭＭの全体的な概略断面図である。振動膜ＭとバックプレートＢＰとにより、ＭＥＭＳチップＭＣの下面ＢＳに配置されたトランスデューサ対が形成される。ＭＥＭＳチップＭＣの上面ＵＳには、複数の孔Ｈを備えた保護部材ＰＥが配置されている。保護部材ＰＥは、複数の部材で構成することも可能であり、それら部材は、互いに結合されていてもよいし、互いに結合されていなくてもよい。

保護部材ＰＥと振動膜Ｍ及びバックプレートＢＰからなるトランスデューサ対との間には、フロント容積部ＦＶが形成される。保護部材ＰＥは、当該保護部材ＰＥがないとマイクロフォンの性能を阻害しうる物体や物質から、音響導入孔ＳＩを保護している。

保護部材ＰＥは、ＭＥＭＳチップＭＣに一体的に結合されており、従って、ＭＥＭＳチップＭＣと同じ材料からなる。具体的には、ＭＥＭＳチップＭＣの上部をドリル加工またはエッチング処理し、ＭＥＭＳチップＭＣにそのまま残存する材料の部分を保護部材ＰＥとするようにして、保護部材ＰＥに孔Ｈを形成することが可能である。保護部材ＰＥにより、ＭＥＭＳチップＭＣの機械的安定性が増大し、保護部材が一体的に設けられていないチップに比べ、ＭＥＭＳチップＭＣを薄くすることが可能となる。

図１Ｂは、保護部材ＰＥを形成する前の状態を示しており、ＭＥＭＳチップＭＣの上面ＵＳにレジスト膜ＲＦが積層されている。保護部材ＰＥを形成するためのエッチング工程で、フロント容積部ＦＶを形成することが可能であり、有限のエッチング速度により、保護部材ＰＥの孔をエッチングで形成した直後に、フロント容積部ＦＶが形成される。

図１Ｃは、保護部材ＰＥを形成した後の状態を示しており、レジスト膜ＲＦが加工処理され、加工処理されたレジスト膜ＲＦの孔によって規定される箇所において、ＭＥＭＳチップＭＣを形成する素材に孔を設けることにより、保護部材ＰＥが形成されている。

図２は、保護部材ＰＥを有したＭＥＭＳチップＭＣが、支持基板ＣＳ、例えば誘電体層ＤＬと金属膜層ＭＬとからなる積層基板ＭＬＳの上に配置された、トップポートＭＥＭＳマイクロフォンＴＰＭＭの一実施形態を示す図である。特定の誘電体層ＤＬを貫通するビアＶにより、金属膜層ＭＬがそれぞれ接続される。従って、積層基板ＭＬＳの金属膜層ＭＬに、コイルやコンデンサといった電気回路部品を形成して、ビアＶにより接続することが可能である。

ＡＳＩＣチップＡＣが、ＭＥＭＳチップＭＣに隣接して配置され、電気的及び機械的に積層基板ＭＬＳに接続されている。絶縁層ＩＬが、トップポートＭＥＭＳマイクロフォンＴＰＭＭの音響導入孔を覆わない状態に維持しながら、ＡＳＩＣチップＡＣとＭＥＭＳチップＭＣの一部とを覆っている。更に、金属層ＭＥＬが絶縁層ＩＬを覆っている。この金属層ＭＥＬは、積層基板ＭＬＳの電気回路に接続して、例えば静電遮蔽に好適なアース接続を形成することが可能である。

図３は、ＭＥＭＳチップＭＣ及び保護部材ＰＥの全体的な断面図である。保護部材ＰＥに形成された孔Ｈは、外側から奥に進むにつれて、即ち、ＭＥＭＳチップＭＣの上面ＵＳからの距離が増すほど増大する断面積を有している。このような形状は、イオンビームを様々な角度でＭＥＭＳチップＭＣに当てた場合に得られる。上面ＵＳからある程度の深さに達すると、保護部材ＰＥを形成する素材の幅がなくなり、フロント容積部ＦＶを形成するキャビティが得られる。この深さは、孔Ｈから保護部材ＰＥの中央部までの距離に応じて変化させることができる。

図４は、フロント容積部ＦＶの上方の円形領域に、複数の孔Ｈを備えた、保護部材ＰＥの平面図である。これらの孔Ｈは、六角形状のパターンで配置することができる。

図５は、保護部材ＰＥのもう１つの実施形態を示す図である。本実施形態では、孔Ｈが円形断面を有しておらず、様々な半径の円弧状の断面形状を有する。４つの連結部Ｂが、保護部材ＰＥの孔以外の残存部分を連結している。

図６は、保護部材ＰＥのもう１つの実施形態を示す図であり、孔Ｈが複数の円環状に配置され、複数の連結部Ｂによって分断されている。

図７は、保護部材ＰＥの一実施形態を示す図であり、８本の連結部Ｂによって孔Ｈが区分けされている。

図８は、保護部材ＰＥのもう１つの実施形態を示す図である。図８の実施形態は、図７に示した実施形態に、リング状の連結部分を残すことによって得ることができる。

図５〜図８の実施形態では、保護部材ＰＥの中央孔が、保護部材ＰＥの中央部分に配置されている。この中央孔は、保護部材ＰＥの内側円環状連結部Ｒによって取り囲まれている。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、上述した実施形態や図中に示す実施形態に限定されるものではない。更なる構造的保護部材や電気回路部品を備えたトップポートＭＥＭＳマイクロフォンも、本発明によって構成されるものである。

ＡＣ ＡＳＩＣチップ
Ｂ 保護部材の連結部
ＢＰ バックプレート
ＢＳ 下面
ＣＳ 支持基板
ＤＬ 誘電体層
ＦＶ フロント容積部
Ｈ 孔
ＩＬ 絶縁層
Ｍ 振動膜
ＭＣ ＭＥＭＳチップ
ＭＥＬ 金属層
ＭＬ 金属膜層
ＭＬＳ 積層基板
ＰＥ 保護部材
Ｒ 保護部材の環状連結部
ＲＦ レジスト膜
ＳＩ 音響導入孔
ＴＰＭＭ トップポートＭＥＭＳマイクロフォン
ＵＳ 上面
Ｖ ビア

Claims (13)

1. 上面（ＵＳ）と下面（ＢＳ）とを有したトップポートＭＥＭＳマイクロフォン（ＴＰＭＭ）であって、
   前記上面（ＵＳ）に一体的に結合された保護部材（ＰＥ）、バックプレート（ＢＰ）、及び振動膜（Ｍ）を有したＭＥＭＳチップ（ＭＣ）と、
   前記上面（ＵＳ）に設けられた音響導入孔（ＳＩ）と、
   前記下面（ＢＳ）に設けられた機械的接続手段または電気的接続手段（ＭＣ／ＥＣ）と
   を備えることを特徴とするトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
2. 前記保護部材（ＰＥ）は、前記音響導入孔（ＳＩ）に配置されることを特徴とする請求項１に記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
3. 前記音響導入孔（ＳＩ）は、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）に配置されてフロント容積部（ＦＶ）を画定すると共に内面を有し、
   前記保護部材（ＰＥ）は、前記音響導入孔（ＳＩ）の前記内面に結合された格子である
   ことを特徴とする請求項１または２に記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
4. 前記保護部材（ＰＥ）は、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記上面（ＵＳ）と面一に設けられることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
5. 前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は、矩形状の断面形状を有し、
   前記フロント容積部（ＦＶ）及び前記保護部材（ＰＥ）は円形状の断面形状を有する
   ことを特徴とする請求項３に記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
6. 前記保護部材（ＰＥ）は、外側から奥に進むほど断面積が増大する孔（Ｈ）を有することを特徴とする請求項４に記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
7. 支持基板（ＣＳ）を更に備え、
   前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）は、前記支持基板（ＣＳ）に電気的または機械的に接続される
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のトップポートＭＥＭＳマイクロフォン。
8. トップポートＭＥＭＳマイクロフォン（ＴＰＭＭ）の製造方法であって、
   上面（ＵＳ）及び下面（ＢＳ）を有したモノリシックのＭＥＭＳチップ（ＭＣ）を用意する工程と、
   前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記上面（ＵＳ）の側において前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）と一体的に結合された保護部材（ＰＥ）を構築する工程と
   を備えることを特徴とする製造方法。
9. 前記保護部材（ＰＥ）を構築する工程の際に、前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記上面（ＵＳ）に、孔（Ｈ）を形成することを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
10. 前記孔（Ｈ）は、格子状に配置されることを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
11. 前記保護部材（ＰＥ）の下方にフロント容積部（ＦＶ）を形成する工程を更に備えることを特徴とする請求項８に記載の製造方法。
12. 前記孔（Ｈ）は、エッチング工程により形成され、
    前記フロント容積部（ＦＶ）は、前記孔（Ｈ）を形成するのと同じエッチング工程により形成される
    ことを特徴とする請求項１１に記載の製造方法。
13. 前記ＭＥＭＳチップ（ＭＣ）の前記上面（ＵＳ）にレジスト膜（ＲＦ）を配置する工程と、
    前記レジスト膜（ＲＦ）を加工処理する工程と
    を更に備えることを特徴とする請求項１２に記載の製造方法。

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