JP3338376B2

JP3338376B2 - 音響センサ及びこの製造方法並びに前記音響センサを用いた半導体エレクトレットコンデンサーマイクロホン

Info

Publication number: JP3338376B2
Application number: JP19499498A
Authority: JP
Inventors: 孝夫河村; 義昭大林; 護安田
Original assignee: Hosiden Corp
Current assignee: Hosiden Corp
Priority date: 1998-06-24
Filing date: 1998-06-24
Publication date: 2002-10-28
Anticipated expiration: 2018-06-24
Also published as: JP2000013894A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、音響センサと、こ
の音響センサの製造方法と、前記音響センサを用いた半
導体エレクトレットコンデンサーマイクロホンとに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来のエレクトレットコンデンサーマイ
クロホンとしては、図８に示すようなものがある。この
エレクトレットコンデンサーマイクロホンは、ケース１
と、このケース１の内部に設けられた振動膜７と、この
振動膜７と対向して設けられたエレクトレット材５（ケ
ース１の内面に形成されている。）と、前記振動膜７と
エレクトレット材５とで構成されたコンデンサーの静電
容量の変化に起因する電圧の変化を増幅する増幅素子９
とを有している。そして、前記増幅素子９はケース１に
内蔵されるようになっている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来のエレクトレットコンデンサーマイクロホンは、
増幅素子とコンデンサーを構成する部分とはまったくの
別体であり、小型化には一定の限度があった。

【０００４】本発明は上記事情に鑑みて創案されたもの
で、半導体エレクトレットコンデンサーマイクロホンを
大幅に小型化することが可能な音響センサと、この音響
センサの製造方法と、この前記音響センサを用いた半導
体エレクトレットコンデンサーマイクロホンとを提供す
ることを目的としている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明に係る音響センサ
は、必要な電子回路が形成されるとともに、前記電子回
路を避けて貫通孔が開口された半導体チップと、この半
導体チップの表面に前記貫通孔を避けて形成された電極
層と、この電極層の一部と前記貫通孔とを避けて積層さ
れたエレクトレット材と、このエレクトレット材との間
に所定の間隔を有して設けられた振動膜とを有してい
る。

【０００６】また、本発明に係る音響センサの製造方法
は、ウエハに必要な電子回路を形成するとともに、前記
電子回路を避けた貫通孔を開設する工程と、ウエハの表
面に電極層を形成する工程と、前記電極層の一部と貫通
孔とを避けてエレクトレット材を積層する工程と、前記
エレクトレット材の上にスペーサを積層する工程と、前
記スペーサの上に前記エレクトレット材との間に所定の
間隔を有して振動膜を取り付ける工程と、個々の音響セ
ンサとして分割する工程とを有している。

【０００７】なお、前記貫通孔を開設する工程は、エレ
クトレット材の上にスペーサを積層する工程の後に行っ
てもよい。

【０００８】さらに、本発明に係る半導体エレクトレッ
トコンデンサーマイクロホンは、前記音響センサと、こ
の音響センサを収納するケースとを備えており、前記エ
レクトレット材から露出された電極層は、ケースを介し
て前記電子回路の電極に接続されている。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態に係る
音響センサの概略的断面図、図２は本発明の実施の形態
に係る音響センサの製造方法の各工程を示す概略的断面
図、図３は本発明の実施の形態に係る音響センサの製造
途中の図面であって、同図（Ａ）は概略的平面図、同図
（Ｂ）は概略的底面図、図４は本発明の他の実施の形態
に係る音響センサの製造方法の各工程を示す概略的断面
図、図５は本発明の実施の形態に係る音響センサのその
他の製造方法を示す概略的説明図、図６は本発明の実施
の形態に係る半導体エレクトレットコンデンサーマイク
ロホンの概略的断面図、図７は本発明の実施の形態に係
る半導体エレクトレットコンデンサーマイクロホンに用
いられるケースのケース本体の図面であって、同図
（Ａ）は正面側からの概略的斜視図、同図（Ｂ）は底面
側からの概略的斜視図である。

【００１０】本発明の実施の形態に係る音響センサ１０
０は、必要な電子回路としてのＦＥＴ回路１１１Ａ、応
答ゲインコントロール回路１１１Ｂ、増幅回路１１１Ｃ
等が形成されるとともに、前記ＦＥＴ回路１１１Ａ等を
避けて貫通孔１１２が開口された半導体チップ１１０
と、この半導体チップ１１０に形成されたＦＥＴ回路１
１１Ａのゲート電極１１１ａと前記貫通孔１１２とを避
けて積層されたエレクトレット材１３０と、このエレク
トレット材１３０との間に所定の間隔を有して設けられ
た振動膜１４０とを有している。

【００１１】かかる音響センサ１００の構成をその製造
方法に沿って説明する。この音響センサ１００は、１枚
のウエハ５００に同時に多数個形成されるものである。
ウエハ５００に、複数個の貫通孔１１２を開設する（図
２（Ａ）参照）。この貫通孔１１２は、１つの音響セン
サ１００の中央となる部分に超音波加工やレーザ加工で
開設される。なお、この貫通孔１１２は、望ましくは
０．５ｍｍ以下の径とする。また、個々の音響センサ１
００は、図５（Ｇ）に示すように、幅寸法２ｍｍ、奥行
き寸法２ｍｍ、厚さ寸法０．３ｍｍ程度の大きさに設定
されている。

【００１２】次に、複数個の貫通孔１１２が開設された
ウエハ５００に裏面側から周知のフォトリソグラフィ手
法でもって必要な電子回路としてのＦＥＴ回路１１１
Ａ、応答ゲインコントロール回路１１１Ｂ、増幅回路１
１１Ｃ等を形成する（図２（Ａ）参照）。この各回路１
１１Ａ〜１１１Ｃや、各回路１１１Ａ〜１１１Ｃ間を接
続する配線 (図示省略) は、前記貫通孔１１２を避ける
ようにして形成されることは勿論である。

【００１３】また、図３（Ｂ）に示すように、各回路１
１１Ａ〜１１１Ｃの電極である電源電極Ｖｃｃ、出力電
極ＯＵＴ、アース電極ＧＮＤ及びゲート電極１１１ａ
は、１つの音響センサ１００の裏面側の４隅に１つずつ
形成するのが望ましい。

【００１４】次に、ウエハ５００の表面に、前記貫通孔
１１２を避けてアルミニウムによる電極層１２０を形成
する（図２（Ｂ）参照）。この電極層１２０は、後述す
る半導体エレクトレットコンデンサーマイクロホン６０
０におけるケース２００を介して前記ゲート電極１１１
ａと接続される部分である。また、この電極層１２０
は、前記貫通孔１１２を塞がないように、貫通孔１１２
を避けて形成される。

【００１５】前記電極層１２０の上にエレクトレット材
１３０を積層する（図２（Ｃ）参照）。従って、このエ
レクトレット材１３０は、電極層１２０と電気的に接続
されていることになる。このエレクトレット材１３０
は、厚さ２〜３μｍのＳｉＯ₂をプラズマＣＶＤや高周
波マグネトロンスパッタ等で形成したものや、ＦＥＰ溶
剤をスピンオンコート法で塗布して得た厚さが１０μｍ
以下の薄膜等が用いられる。

【００１６】また、このエレクトレット材１３０は、貫
通孔１１２を塞がないように、貫通孔１１２を避けて形
成される。さらに、このエレクトレット材１３０は、裏
面に形成された前記ゲート電極１１１ａの真上に相当す
る隅部とを避けて形成される。従って、電極層１２０
は、ゲート電極１１１ａの真上の隅部では、エレクトレ
ット材１３０から露出していることになる。

【００１７】前記エレクトレット材１３０の上に、スペ
ーサ１５０を形成する。このスペーサ１５０は、エレク
トレット材１３０と後述する振動膜１４０との間に所定
の間隔１６０を形成するものであって、ホトレジストに
よって形成される。かかるスペーサ１５０は、図３
（Ａ）に示すように、貫通孔１１２を中心とした径１．
５ｍｍの円の内側と、裏面に形成された前記ゲート電極
１１１ａの真上に相当する隅部とを避けて形成される。
従って、電極層１２０は、図３（Ａ）に示すように、ゲ
ート電極１１１ａの真上の隅部では、エレクトレット材
１３０のみならず、スペーサ１５０からも露出している
ことになる。

【００１８】このようにして形成されたスペーサ１５０
の上には、振動膜１４０が設けられる。この振動膜１４
０は、一面側にＮｉ蒸着による電極１４１が形成された
ＰＰＳフィルムである。そして、かかる振動膜１４０
は、電極１４１が表面になるようにスペーサ１５０に取
り付けられる。従って、振動膜１４０とエレクトレット
材１３０との間には、スペーサ１５０の厚さ寸法に相当
する間隔１６０が形成されることになる。

【００１９】さらに、ウエハ５００がダイシングされて
個々の音響センサ１００となる。

【００２０】ところで、上述した実施の形態に係る製造
方法では、各回路１１１Ａ〜１１１Ｃを形成するのと同
時期に貫通孔１１２を開設しているが、貫通孔１１２を
開設する工程は、エレクトレット材１３０の上にスペー
サ１５０を積層する工程の次であってもよい。このよう
にした製造方法を図４を参照しつつ次に説明する。

【００２１】すなわち、まず、ウエハ５００の裏面側か
ら各回路１１１Ａ〜１１１Ｃを形成する（図４（Ａ）参
照）。

【００２２】次に、ウエハ５００の表面の全面に、アル
ミニウムによる電極層１２０を形成する（図４（Ｂ）参
照）。この電極層１２０の上にエレクトレット材１３０
を積層する（図４（Ｃ）参照）。

【００２３】前記エレクトレット材１３０の上に、スペ
ーサ１５０を形成する。かかるスペーサ１５０は、この
後の工程において開設する貫通孔１１２を中心とした径
１．５ｍｍの円の内側と、裏面に形成された前記ゲート
電極１１１ａの真上に相当する隅部とを避けて形成され
る。

【００２４】スペーサ１５０を形成した後に、１つの音
響センサ１００の中央となる部分に超音波加工やレーザ
加工で貫通孔１１２が開設される。

【００２５】この後の工程、すなわちスペーサ１５０の
上への振動膜１４０の取り付けや、ウエハ５００がダイ
シング等は上述した製造方法と同様である。

【００２６】なお、上述した２種類の実施の形態では、
振動膜１４０は、一面側にＮｉ蒸着による電極１４１が
形成されたＰＰＳフィルムをウエハ５００に張り付ける
とした説明を行った。しかしながら、図５に示すように
して振動膜１４０を形成することも可能である。

【００２７】この方法では、振動膜１４０を張り付ける
前に、個々の半導体チップ１９０に分割する点が上述し
たものと相違する。まず、この方法では、振動膜１４０
を張り付ける前、すなわちスペーサ１５０を形成した時
点で、ダイシングを行って個々の半導体チップ１９０に
分割する（図５（Ｃ）参照）。そして、ダイシングによ
って発生した微細なダイシング屑等を洗浄工程にて洗い
落とす。

【００２８】次に、個々の半導体チップ１９０をスペー
サ１５０を上向きにして粘着フィルム３００に張り付
け、マスク３１０を介して接着剤をスキージ３２０でス
ペーサ１５０に塗布する（図５（Ｄ）参照）。さらに、
リング状の治具３３０に取り付けられた膜、すなわち表
面にＮｉ蒸着による電極が形成されたＰＰＳフィルム３
４０を個々の半導体チップ１９０に張り付ける（図５
（Ｅ）参照）。その後、カッター３５０によって前記Ｐ
ＰＳフィルム３４０をカットして（図５（Ｆ）参照）、
個々の半導体チップ１９０に張り付けられた振動膜１４
０とする（図５（Ｇ）参照）。

【００２９】また、このように振動膜１４０を張り付け
る前に、個々の半導体チップ１９０に分割する製造方法
であっても、スペーサ１５０を形成した後に貫通孔１１
２を超音波加工やレーザ加工で開設することも可能であ
る。

【００３０】次に、このように構成された音響センサ１
００を用いた半導体エレクトレットコンデンサーマイク
ロホン６００について説明する。この半導体エレクトレ
ットコンデンサーマイクロホン６００は、前記音響セン
サ１００と、この音響センサ１００を収納するケース２
００とを備えており、前記エレクトレット材１３０から
露出された電極層１２０は、ケース２００を介して前記
ＦＥＴ回路１１１Ａのゲート電極１１１ａに接続されて
おり、前記貫通孔１１２は、ケース２００に形成された
背室２３０に連通している。

【００３１】前記ケース２００は、ケース本体２１０
と、このケース本体２１０に取り付けられる蓋体２２０
とを有している。

【００３２】前記ケース本体２１０は、平面視四角形の
薄皿状のアルミナパッケージであって、内側の４隅には
突出したアース端子２１１、出力端子２１２、電源端子
２１３及びゲート端子２１４が形成されている。アース
端子２１１は音響センサ１００のアース電極ＧＮＤに、
出力端子２１２は音響センサ１００の出力電極ＯＵＴ
に、電源端子２１３は音響センサ１００の電源電極Ｖｃ
ｃに、ゲート端子２１４は音響センサ１００のゲート電
極１１１ａにそれぞれ接続される部分である。

【００３３】そして、このケース本体２１０に音響セン
サ１００を収納すると、音響センサ１００は上述したよ
うに各電極１１１ａ、Ｖｃｃ、ＯＵＴ、ＧＮＤを各端子
２１１、２１２、２１３、２１４の上に載せた状態にな
る。従って、音響センサ１００の底面とケース本体２１
０の底面との間には、背室２３０となる空間が形成され
る。

【００３４】さらに、このケース本体２１０の内側に
は、導電層２１５が形成されている。この導電層２１５
は、音響センサ１００の電極層１２０と前記ゲート電極
１１１ａとを接続する部分であり、ゲート端子２１４に
接続されている。そして、前記導電層２１５は、ボンデ
ィングワイヤ２１６によって電極層１２０と接続され
る。

【００３５】一方、蓋体２２０の裏面側には、音響セン
サ１００の振動膜１４０の縁部に接触する突脈２２１が
形成されている。従って、音響センサ１００が収納され
たケース本体２１０にこの蓋体２２０を取り付けると、
振動膜１４０と蓋体２２０との間に空間できる。また、
この蓋体２２０の中央には、音孔２２２が開設されてい
る。音波は、この音孔２２２を介して振動膜１４０に伝
わるのである。

【００３６】振動膜１４０の振動によって、エレクトレ
ット材１３０と振動膜１４０との間の間隔１６０の容積
が変化する。この容積の変化は、エレクトレット材１３
０と振動膜１４０の電極１４１とで構成されたコンデン
サーの静電容量の変化となり、結果として電圧の変化で
出力される。

【００３７】出力された電圧はボンディングワイヤ２１
６、導電層２１５及びゲート端子２２１４を介して音響
センサ１００のゲート電極１１１ａに入力され、前記Ｆ
ＥＴ回路１１１Ａ等を経て出力電極ＯＵＴから出力され
る。

【００３８】なお、上述した音響センサ１００は、半導
体エレクトレットコンデンサーマイクロホン６００に使
用するものとして説明したが、圧力センサや加速度セン
サとしても応用することができるのは勿論である。

【００３９】

【発明の効果】本発明に係る音響センサは、必要な電子
回路が形成された半導体チップと、この半導体チップの
表面に形成された電極層と、この電極層の一部を避けて
積層されたエレクトレット材と、このエレクトレット材
との間に所定の間隔を有して設けられた振動膜とを有し
ている。

【００４０】かかる音響センサは、増幅等に必要な電子
回路がエレクトレット材等と一体に形成されたものであ
るので、これを利用すると従来より小型かつ多機能化さ
れた半導体エレクトレットコンデンサーマイクロホンを
得ることができる。

【００４１】また、本発明に係る音響センサの製造方法
は、ウエハに必要な電子回路を形成する工程と、ウエハ
の表面に電極層を形成する工程と、前記電極層の一部を
避けてエレクトレット材を積層する工程と、前記エレク
トレット材の上にスペーサを積層する工程と、前記スペ
ーサの上に前記エレクトレット材との間に所定の間隔を
有して振動膜を取り付ける工程と、個々の音響センサと
して分割する工程とを有している。

【００４２】この製造方法によると、上述したような音
響センサを得ることができる。

【００４３】また、本発明に係る他の音響センサの製造
方法は、ウエハに必要な電子回路を形成する工程と、ウ
エハの表面に電極層を形成する工程と、前記電極層の一
部を避けてエレクトレット材を積層する工程と、前記エ
レクトレット材の上にスペーサを積層する工程と、ウエ
ハをダイシングして個々の半導体チップとする工程と、
個々の半導体チップを洗浄する工程と、洗浄した個々の
半導体チップをスペーサを上側にして配列する工程と、
配列された個々の半導体チップのスペーサに接着剤を塗
布する工程と、前記接着剤を用いて振動膜となる１枚の
膜を個々の半導体チップのスペーサに張り付ける工程
と、前記膜をカットして振動膜とする工程とを有してい
る。

【００４４】この製造方法による場合には、ダイシング
後の純水による洗浄に起因する振動膜の破損やエレクト
レット材の減衰等が生じることがなく、より良好な音響
センサを製造することが可能となる。

【００４５】また、スペーサを形成した後に貫通孔を開
設する製造方法では、電極層、エレクトレット材を形成
する際に貫通孔を避ける必要がなく、全面に形成するこ
とができるので、より製造工程的には簡素化されるとい
う効果がある。

【００４６】さらに、本発明に係る半導体エレクトレッ
トコンデンサーマイクロホンは、前記音響センサと、こ
の音響センサを収納するケースとを備えており、前記エ
レクトレット材から露出された電極層は、ケースを介し
て前記電子回路の電極に接続されている。

【００４７】従って、この半導体エレクトレットコンデ
ンサーマイクロホンは、前記音響センサを使用すること
により、従来より小型かつ多機能化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る音響センサの概略的
断面図である。

【図２】本発明の実施の形態に係る音響センサの製造方
法の各工程を示す概略的断面図である。

【図３】本発明の実施の形態に係る音響センサの製造途
中の図面であって、同図（Ａ）は概略的平面図、同図
（Ｂ）は概略的底面図である。

【図４】本発明の他の実施の形態に係る音響センサの製
造方法の各工程を示す概略的断面図である。

【図５】本発明の実施の形態に係る音響センサのその他
の製造方法を示す概略的説明図である。

【図６】本発明の実施の形態に係る半導体エレクトレッ
トコンデンサーマイクロホンの概略的断面図である。

【図７】本発明の実施の形態に係る半導体エレクトレッ
トコンデンサーマイクロホンに用いられるケースのケー
ス本体の図面であって、同図（Ａ）は正面側からの概略
的斜視図、同図（Ｂ）は底面側からの概略的斜視図であ
る。である。

【図８】従来のエレクトレットコンデンサーマイクロホ
ンの概略的断面図である。

【符号の説明】

１００音響センサ１１０半導体チップ１１２貫通孔１２０電極層１３０エレクトレット材１４０振動膜１６０間隔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開平６−217397（ＪＰ，Ａ) 特開昭54−127316（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−133491（ＪＰ，Ａ) 特開昭59−38621（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04R 19/01 G01H 1/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】必要な電子回路が形成されるとともに、
前記電子回路を避けて貫通孔が開設された半導体チップ
と、この半導体チップの表面に前記貫通孔を避けて形成
された電極層と、この電極層の一部と前記貫通孔とを避
けて積層されたエレクトレット材と、このエレクトレッ
ト材との間に所定の間隔を有して設けられた振動膜とを
具備したことを特徴とする音響センサ。
【請求項２】ウエハに必要な電子回路を形成するとと
もに、前記電子回路を避けた貫通孔を開設する工程と、
ウエハの表面に前記貫通孔を避けて電極層を形成する工
程と、前記電極層の一部と前記貫通孔とを避けてエレク
トレット材を積層する工程と、前記エレクトレット材の
上にスペーサを積層する工程と、前記スペーサの上に前
記エレクトレット材との間に所定の間隔を有して振動膜
を取り付ける工程と、個々の音響センサとして分割する
工程とを具備したことを特徴とする音響センサの製造方
法。
【請求項３】ウエハに必要な電子回路を形成する工程
と、ウエハの表面に電極層を形成する工程と、前記電極
層の一部を避けてエレクトレット材を積層する工程と、
前記エレクトレット材の上にスペーサを積層する工程
と、前記電子回路を避けてウエハ、電極層及びエレクト
レット材を貫通する貫通孔を開設する工程と、前記スペ
ーサの上に前記エレクトレット材との間に所定の間隔を
有して振動膜を取り付ける工程と、個々の音響センサと
して分割する工程とを具備したことを特徴とする音響セ
ンサの製造方法。
【請求項４】ウエハに必要な電子回路を形成するとと
もに、前記電子回路を避けた貫通孔を開設する工程と、
ウエハの表面に前記貫通孔を避けて電極層を形成する工
程と、前記電極層の一部と前記貫通孔とを避けてエレク
トレット材を積層する工程と、前記エレクトレット材の
上にスペーサを積層する工程と、ウエハをダイシングし
て個々の半導体チップとする工程と、個々の半導体チッ
プを洗浄する工程と、洗浄した個々の半導体チップをス
ペーサを上側にして配列する工程と、配列された個々の
半導体チップのスペーサに接着剤を塗布する工程と、前
記接着剤を用いて振動膜となる１枚の膜を個々の半導体
チップのスペーサに張り付ける工程と、前記膜をカット
して振動膜とする工程とを具備したことを特徴とする音
響センサの製造方法。
【請求項５】ウエハに必要な電子回路を形成する工程
と、ウエハの表面に電極層を形成する工程と、前記電極
層の一部を避けてエレクトレット材を積層する工程と、
前記エレクトレット材の上にスペーサを積層する工程
と、前記電子回路を避けてウエハ、電極層及びエレクト
レット材を貫通する貫通孔を開設する工程と、ウエハを
ダイシングして個々の半導体チップとする工程と、個々
の半導体チップを洗浄する工程と、洗浄した個々の半導
体チップをスペーサを上側にして配列する工程と、配列
された個々の半導体チップのスペーサに接着剤を塗布す
る工程と、前記接着剤を用いて振動膜となる１枚の膜を
個々の半導体チップのスペーサに張り付ける工程と、前
記膜をカットして振動膜とする工程とを具備したことを
特徴とする音響センサの製造方法。
【請求項６】請求項１記載の音響センサと、この音響
センサを収納するケースとを具備しており、前記エレク
トレット材から露出された電極層は、ケースを介して前
記電子回路の電極に接続されていることを特徴とする半
導体エレクトレットコンデンサーマイクロホン。