JP2017513333A - Ｍｅｍｓマイクロホン - Google Patents

Abstract

ＭＥＭＳマイクロホンは、基板（１００）、支持部（２００）、上部極板（３００）、及び、下部極板（４００）を含む。基板（１００）は、その中央部を貫通する開口部（１２０）を備え、下部極板（４００）は、開口部（１２０）を跨いで設けられ、支持部分（２００）は、下部極板（４００）上に固定され、上部極板（３００）は、支持部分（２００）に固着され、収容キャビティ（５００）が、支持部分（２００）、上部極板（３００）、及び、下部極板（４００）との間に形成され、収容キャビティ（５００）に向いた凹部（６００）が、上部極板（３００）及び下部極板（４００）の少なくとも一方の中央領域に配置され、上部極板（３００）と下部極板（４００）との間で絶縁がもたらされる。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体デバイスの技術分野に関し、より具体的にはＭＥＭＳマイクロホンに関する。

ＭＥＭＳマイクロホンチップの研究は、約２０年前から続けられており、この間、ピエゾ抵抗チップ、圧電チップ、及び容量式マイクロホンチップなど、様々なマイクロホンチップが開発され、その中で、容量式ＭＥＭＳマイクロホンの用途が最も広範囲である。容量式ＭＥＭＳマイクロホンは、小体積、高感度、良好な周波数特性、及び低雑音などの利点を有する。さらに、容量式ＭＥＭＳマイクロホンは、広範な作動温度を有し、劣悪な環境下で機能することができる。容量式マイクロホンは、ダブルダイアフラム容量構造及びシングルダイアフラム容量構造に区別することができ、容量式マイクロホンの大部分は、ダブルダイアフラム容量構造を採用する。

容量式シリカベースＭＥＭＳマイクロホンは、一般的にバックプレート及び振動ダイアフラムで構成される。振動ダイアフラムは、所定の可撓性を有し、空気によって振動させることができる。バックプレートは、所定の剛性を有し、全体にいわゆる音響孔と呼ばれる複数の孔を形成する。空気は、複数の孔を貫通して、振動ダイアフラムが振動するのを可能にするようになっており、バックプレートは、振動ダイアフラムに付随して振動することはない。平板コンデンサは、バックプレートと振動ダイアフラムとによって構成され、音声は、空気によって可撓性振動ダイアフラムの振動を引き起こし、その結果、平板コンデンサのキャパシタンス値が変わる。このキャパシタンス値の変化は、外部回路によって検出可能な電気信号を生成し、その結果、音声信号から電気信号への変換を行うことができる。シリカベースのマイクロホンを含むＭＥＭＳデバイスは、一般的に集積回路製造技術によって製作される。シリカベースのマイクロホンは、補聴器及び移動通信装置等の分野において幅広い用途可能性を有する。

容量式シリカベースＭＥＭＳマイクロホンに関して、可撓性が高いほど振動ダイアフラムの長手方向の変位が大きくなり発生する電気信号が大きくなるので、振動ダイアフラムの可撓性はマイクロホンの感度を決定する。しかしながら、振動ダイアフラムは、軟質であるほどバックプレートに付着しやすくなり、ＭＥＭＳマイクロホンが正しく機能せず、歩留まりに大きく影響を与える原因となる。バックプレートと振動ダイアフラムとの付着を防ぐ様々な方法が存在し、現在、最も効果的な方法は、付着防止用の膨出部を形成することであるが、プロセスステップが増えてコストが高くなる。別の方法は、バックプレートの中心領域を取り除くことである。振動ダイアフラムの中心領域は最大の機械的感度を有しかつ最大の変形が生じるので、バックプレートに容易に付着する。バックプレートの中心領域を取り除くと、振動ダイアフラムとバックプレートとの付着を効果的に防ぐことができる。しかしながら、振動ダイアフラムの中心領域は最大の機械的感度を有し、縁部はより低い機械的感度を有し、バックプレートの中央領域を取り除く場合、振動ダイアフラムの中心位置は無駄になり、ＭＥＭＳマイクロホンの感度が低下する。

従って、振動ダイアフラムとバックプレートとの間で生じる付着の可能性を効果的に低減して歩留まりを高めることができるＭＥＭＳマイクロホンを提供することが必要である。

ＭＥＭＳマイクロホンは、中央部分を貫通して延びる開口部を定める基板と、開口部を跨いで設けられた下部極板と、下部極板に固定された支持部分と、支持部分に積層された上部極板とを含み、支持部分、上部極板、及び下部極板は、協働して収容キャビティを形成し、上部極板及び／又は下部極板の中央領域は、収容キャビティに向いた凹部を備え、上部極板は、下部極板から絶縁される。

上記のＭＥＭＳマイクロホンにおいて、上部極板の中央領域又は下部極板の中心領域は凹部を備えるので、上部極板の中心領域と下部極板の中心領域との間の距離は比較的大きく、可変キャパシタンス構造体を形成する上部極板（例えば、振動ダイアフラムとして機能する）及び下部極板（例えば、バックプレートとして機能する）は、互いに付着し難くいので、結果的に、振動ダイアフラムとバックプレートとの間で生じる付着の可能性が効果的に低減して歩留まりが高くなる。同時に、可変キャパシタンスの極板の中心領域を取り除く必要がないので、最大の機械的感度を有する振動ダイアフラムの領域を効果的に利用して、ＭＥＭＳマイクロホンの感度が最大限に維持される。

本発明又は従来技術の技術的解決策をより明確に示すために、以下、実施形態又は従来技術の説明で用いる添付図面を簡単に説明する。以下で説明する添付図面は、単なる本発明の一部の実施形態であることは明らかである。当業者であれば、創造的な作業を行うことなく、添付図面に照らして他の図面を得ることができる。

実施形態によるＭＥＭＳマイクロホンの平面図である。 図１の線Ａ−Ａ’に沿って切り取った垂直断面図である。 別の実施形態によるＭＥＭＳマイクロホンの平面図である。 図３の線Ａ−Ａ’に沿って切り取った垂直断面図である。

本発明の実施形態は、添付図面を参照して以下により完全に説明される。しかしながら、本発明の様々な実施形態は、多数の異なる形態で実施することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈すべきではない。むしろ、これらの実施形態は、本開示が詳細かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に完全に伝えるように提示される。同じ又は類似の参照符号を用いて特定される要素は、同じ又は類似の要素を指す。

別段の定義がない限り、本明細書で使用する全ての用語（専門用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者により一般に理解されるものと同じ意味を有する。さらに、一般的に用いられる辞書で定義されるような用語は、関連技術との関連における意味と一致する意味をもつと解釈すべきであり、本明細書において明示的に定義されていない限り、理想的な又は過度に形式的な意味で解釈されないことを理解されたい。

本発明の実施形態は、以下の説明を参照して具体的に例示する。

図１は、実施形態によるＭＥＭＳマイクロホンの平面図である。図２を合わせて参照する。

ＭＥＭＳマイクロホンは、基板１００、支持部分２００、上部極板３００、及び下部極板４００を含む。基板１００は、該基板の中央部を貫通して延びる開口部１２０を定め、下部極板４００は開口部１２０を跨いで設けられる。支持部分２００は、下部極板４００に固定され、上部極板３００は、支持部分２００に積層される。支持部分２００、上部極板３００、及び下部極板４００は、協働して収容キャビティ５００を形成する。上部極板３００及び下部極板４００の少なくとも１つの中央領域には、収容キャビティ５００に向いた凹部６００を備える。上部極板３００は、下部極板４００から絶縁される。

前記のＭＥＭＳマイクロホンにおいて、上部極板３００の中心領域又は下部極板４００の中心領域は凹部を備えるので、上部極板３００の中心領域と下部極板４００の中心領域との間の距離は比較的大きく、可変キャパシタンス構造体を形作る上部極板３００（例えば、振動ダイアフラムとして機能する）及び下部極板４００（例えば、バックプレートとして機能する）は、互いに付着し難いので、振動ダイアフラムとバックプレートとの間で生じる付着の可能性が効果的に低下して歩留まりが向上する。同時に、可変キャパシタンスの上部／下部極板の中心領域を取り除く必要がないので、最大の機械的感度を有する振動ダイアフラムの領域を効果的に利用することができ、ＭＥＭＳマイクロホンの感度は、最大限に維持される。

本実施形態は、以下の説明を参照して具体的に例示される。

図３は、別の実施形態によるＭＥＭＳマイクロホンの平面図であり、図４は、図３の線Ａ−Ａ’に沿って切り取った垂直断面図である。図１及び図３に示す実施形態において、上部極板３００の中央領域は、収容キャビティ５００に向いた凹部６００を備えており、下部極板４００は、凹部を有していない。別の実施形態において、下部極板４００の中央領域は、収容キャビティ５００に向いた凹部を備えることができ、上部極板３００は、凹部を有しておらず、又は、上部極板３００の中央領域及び下部極板４００の中央領域の両方が、収容キャビティ５００に向いた凹部を備える。上部極板３００の中央領域及び下部極板４００の中央領域の両方が凹部を備える場合、これにより、振動ダイアフラムとバックプレートとの間で生じる付着の可能性が相対的に効果的に低下して歩留まりが高くなる。

実施形態において、基板１００の材料はシリコンであるが、この材料は、他の半導体又は半導体化合物とすることができ、例えば、基板１００は、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂及びＳｉ₃Ｎ₄から成るグループから選択された１つで製作される。また、基板１００上には、第２の絶縁層を設けることができ、下部極板４００は、第２の絶縁層をまたぎ、第２の絶縁層は、基板１００を下部極板４００から絶縁する機能を有する。

図１及び図２に示すように、上部極板３００が振動ダイアフラムとして機能し、下部極板４００がバックプレートとして機能する場合、上部極板３００は可撓性ダイアフラム、下部極板４００は剛性ダイアフラムである。図３及び図４に示すように、上部極板３００がバックプレートとして機能し、下部極板４００が振動ダイアフラムとして機能する場合、上部極板３００は剛性ダイアフラム、下部極板４００は可撓性ダイアフラムである。剛性ダイアフラムは、音波を受けた際に変形し難しく、可撓性ダイアフラムは、音波を受けた際に変形しやすい。振動ダイアフラムとして機能する上部極板３００又は下部極板４００は、複数の均一に分布した音響孔７００を備える。もちろん、音響孔７００を非均一に、例えば、音響孔７００が上部極板３００の中央領域又は下部極板４００の中央領域に集中するように、分布させることもできる。可撓性ダイアフラムは、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、又は、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉ、又は、Ａｌ、Ｗ、Ｔｉの窒化物から成るグループから選択された１つで製作される。上部極板３００及び下部極板４００は、導電層を含む。上部極板３００又は下部極板４００は、全体として導電構造とすることができ、また、導電層を含む複合層構造とすることができる。

支持部分２００、上部極板３００、及び下部極板４００は、協働して収容キャビティ５００を形成し、この収容キャビティは、実際には犠牲層を放出することにより形成される。放出プロセスにおいて、犠牲層はエッチングされて収容キャビティを形成する。実施形態において、凹部６００は円形形状である。他の実施形態において、正方形、正六角形、及び正八角形等の多角形とすることもできる。

支持部分２００は、第１の絶縁層２２０を含み、この第１の絶縁層２２０は、上部極板３００と下部極板４００とを互いに絶縁することを可能にする。支持部分２００は、完全に絶縁材料で作ることができ、絶縁層を含む複合層構造とすることもできる。実施形態において、支持部分２００は、正方形フレーム構造を有し、その中心を貫通して延びる開口部２８０を定める。支持部分２００の開口部２８０は、図１及び図３に示すように、基板１００の開口部１２０より僅かに大きい。支持部分２００は、支持支柱２４０を含み、この支柱は、支持部分２００の正方形フレーム構造本体から独立している。支持支柱２４０と正方形フレーム構造本体との間には間隙２６０が形成されている。支持支柱２４０は、主として上部電極８００を取り付けるために用いられ、間隙２６０の機能は、電極８００を支持部分２００の正方形フレーム構造本体から離間させるものであり、その結果、電極８００を、支持部分２００の正方形フレーム構造本体上の比較的大きな面積の上部極板３００から離間することができ、寄生容量の影響が低減される。さらに、支持部分２００は開口２５０を定め、この開口は、下部電極９００を製作する目的で下部極板４００を露出させるために用いられる。実施形態において、開口２５０は、スルーホール構造を有する。他の実施形態において、開口２５０は、支持部分２００の辺上の切欠きとすることもできる。

他の実施形態において、支持部分２００は、正六角形フレーム構造、正八角形フレーム構造等の他の多角形フレーム構造又は環状構造とすることができる。

ＭＥＭＳマイクロホンは、上部電極８００及び下部電極９００を含む。上部電極８００及び下部電極９００は、Ｐ型シリコン及びＮ型シリコンから成るグループから選択された１つで製作される。上部電極８００は、支持支柱２４０上の上部極板３００上に位置決めされて、上部極板３００に電気結合する。下部電極９００は、支持部分２００の開口２５０内に位置決めされて、下部極板４００に電気結合する。

最後に、基板１００は、支持を可能にするための支持構造として機能し、基板１００は、１つの独立した構成要素に相当する必要はない点に留意されたい。基板１００は、多層構造とすることができ、その多層構造は、エピタキシー、蒸着、及びボンディング等の技術によって形成することができる。図１から図４は、単に装置の一部の主要構造を例示するものであり、装置の全て構造を表すものではないことを理解されたい。

前記は、本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明するものであり、本発明の範囲を限定すると見なすべきではない。当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく変形例及び改善点が明らかとなることに留意されたい。従って、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲により定義される。

１００ 基板
２００ 支持部分
３００ 上部極板
４００ 下部極板
５００ 収容キャビティ
６００ 凹部
７００ 音響孔
８００ 上部電極
９００ 下部電極

Claims (11)

1. 中央部を貫通して延びる開口部を定める基板と、
   前記開口部を跨いで設けられた下部極板と、
   前記下部極板に固定された支持部分と、
   前記支持部分に積層された上部極板と、
   を備える、ＭＥＭＳマイクロホンであって、
   前記支持部分、前記上部極板、及び前記下部極板は、協働して収容キャビティを形成し、前記上部極板及び前記下部極板の少なくとも一方の中央領域は、前記収容キャビティに向いた凹部を備え、前記上部極板は、前記下部極板から絶縁される、ＭＥＭＳマイクロホン。
2. 前記上部極板は、可撓性ダイアフラムであり、前記下部極板は、剛性ダイアフラムである、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
3. 前記上部極板は、剛性ダイアフラムであり、前記下部極板は、可撓性ダイアフラムである、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
4. 前記上部極板又は前記下部極板は、複数の音響孔を定める、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
5. 前記凹部の形状は、円形及び多角形の１つから選択される、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
6. 前記上部極板及び前記下部極板は、導電層を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
7. 前記基板は、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＳｉＣ、ＳｉＯ₂及びＳｉ₃Ｎ₄から成るグループから選択された１つで作られる、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
8. 前記支持部分は、前記上部極板と前記下部極板とを絶縁するように構成された第１の絶縁層を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
9. 前記支持部分は、環状構造及び多角形フレーム構造のうちの１つを含む、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
10. 前記支持部分は、前記支持部分の本体から独立した１つの支持支柱を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。
11. 上部電極及び下部電極をさらに備え、前記上部電極及び前記下部電極は、Ｐ型シリコン及びＮ型シリコンから成るグループから選択された１つで作られ、前記上部電極は、前記上部極板に電気結合し、前記下部電極は、前記下部極板に電気結合する、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロホン。

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