JP3876915B1

JP3876915B1 - コンデンサマイクロホン及びコンデンサマイクロホンの製造方法

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Publication number: JP3876915B1
Application number: JP2005249458A
Authority: JP
Inventors: 誠治平出
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2005-08-30
Filing date: 2005-08-30
Publication date: 2007-02-07
Anticipated expiration: 2025-08-30
Also published as: JP2007067659A; CN101253805A

Abstract

【課題】感度が高く製造コストが低いコンデンサマイクロホン及びその製造方法を提供する。
【解決手段】固定電極と通孔を有するプレートと、可動電極を有し音波によって振動するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを絶縁しながら支持し、前記固定電極と前記可動電極の間に空隙を形成しているスペーサとを備え、前記プレート、前記ダイヤフラムの少なくとも一方は、前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部の比抵抗が残部領域よりも高い単層半導体膜である、コンデンサマイクロホン。
【選択図】図１

Description

本発明はコンデンサマイクロホン及びその製造方法に関し、特に半導体膜を用いたコンデンサマイクロホン及びその製造方法に関する。

従来、半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造可能なコンデンサマイクロホンが知られている。コンデンサマイクロホンは、プレートと音波によって振動するダイヤフラムのそれぞれに電極を有し、プレートとダイヤフラムとは絶縁性のスペーサによって互いに離間した状態で支持されている。コンデンサマイクロホンは、ダイヤフラムの変位による容量変化を電気信号に変換して出力する。コンデンサマイクロホンの感度は、電極間距離に対するダイヤフラムの変位の割合を増大させ、スペーサのリーク電流を低減し、寄生容量を低減することによって向上する。

非特許文献１には、プレートと音波によって振動するダイヤフラムのそれぞれを導電性の薄膜で構成したコンデンサマイクロホンが開示されている。しかし、ダイヤフラムに音波が伝搬してもスペーサに固定されている外周に近い近端部（近端部とは端に近い部分である。）はほとんど変位しないため、導電性の薄膜で構成されているダイヤフラムとプレートの、スペーサに固定された外周に近いそれぞれの近端部はコンデンサマイクロホンの感度を低下させている。

特許文献１には、絶縁性の膜の中央部に導電性材料からなる電極が固定された構造のダイヤフラムを備えたコンデンサマイクロホンが開示されている。この構造では、コンデンサマイクロホンの感度が高くなるものの、製造工程が複雑であるため、製造歩留まりが低下し、製造コストが増大するという問題がある。また、ダイヤフラムとプレートの間に空隙を形成するための犠牲層をエッチングにより除去する工程において、電極が固定されている絶縁膜も少なからずエッチングされるため、この対策をプロセスに組み入れる必要があることも、製造コストを押し上げる。

電気学会Ｍ２２−０１−３４特表２００４−５０６３９４号公報

本発明は、感度が高く製造コストが低いコンデンサマイクロホン及びその製造方法を提供することを目的とする。

（１）前記課題を解決するためのコンデンサマイクロホンは、固定電極と通孔とを有するプレートと、可動電極を有し音波によって振動するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを絶縁しながら支持し、前記固定電極と前記可動電極の間に空隙を形成しているスペーサを備え、前記プレート、前記ダイヤフラムの少なくとも一方は、前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部の比抵抗が残部よりも高い単層半導体膜である。
通孔を有するプレート、音波によって振動するダイヤフラムの少なくとも一方のスペーサに近い近端部の少なくとも一部の比抵抗を残部よりも高くすることによって、コンデンサマイクロホンの感度が高くなる。比抵抗が領域によって異なる単層半導体膜でプレート又はダイヤフラムを構成することにより、コンデンサマイクロホンの構造が簡素になり、感度が高いコンデンサマイクロホンを低コストで製造することができる。

（２）前記単層半導体膜は、中央部に、ドナー又はアクセプタとなる不純物が、前記近端部の少なくとも一部よりも高濃度に拡散していてもよい。

（３）前記単層半導体膜は、前記中央部の周囲に前記不純物である第一不純物と逆電導型の半導体を形成するための第二不純物が、前記第一不純物よりも低濃度に拡散していてもよい。
第一不純物が拡散している中央部の周囲に、電極を形成している不純物と逆導電型の半導体を形成するための第二不純物を拡散させることにより、第一不純物が拡散している領域の周囲の電気的障壁を大きくできるため、コンデンサマイクロホンの感度がさらに高くなる。

（４）前記課題を解決するためのコンデンサマイクロホンの製造方法は、固定電極と通孔とを有するプレートと、可動電極を有し音波によって振動するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを絶縁しながら支持し、前記固定電極と前記可動電極の間に空隙を形成しているスペーサとを備えるコンデンサマイクロホンの製造方法であって、前記プレート、前記ダイヤフラムの少なくとも一方を構成する半導体膜を形成し、前記半導体膜の前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部を除いた領域に、ドナー又はアクセプタとなる不純物を、前記半導体膜の前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部よりも高濃度にドープする、ことを含む。
通孔を有するプレート、音波によって振動するダイヤフラムの少なくとも一方のスペーサに近い近端部の比抵抗を中央部よりも高くすることによって、コンデンサマイクロホンの感度が高くなる。半導体膜に不純物をドープすることにより比抵抗の低い領域を限定的に形成することにより、コンデンサマイクロホンの構造が簡素になり、プレート又はダイヤフラムのスペーサに近い縁部の比抵抗を残部よりも高くできるため、感度が高いコンデンサマイクロホンの製造コストを低減できる。

（５）前記コンデンサマイクロホンの製造方法は、前記不純物を前記半導体膜にイオン注入し、前記不純物がイオン注入された前記半導体膜をアニールする、ことを含んでもよい。
不純物をイオン注入により半導体膜にドープすることにより、正確に不純物の分布を制御でき、プロセス温度を低減できる。

（６）前記コンデンサマイクロホンの製造方法は、前記不純物である第一の不純物と逆導電型の半導体を形成するための第二不純物を前記半導体膜の前記中央部の周囲にドープする、ことを含んでもよい。
半導体膜の第一不純物がドープされる中央部の周囲に、第一不純物と逆導電型の半導体を形成するための第二不純物をドープすることにより、第一不純物がドープされる領域の周囲の電気的障壁障壁を大きくできるため、コンデンサマイクロホンの感度がさらに高くなる。

尚、請求項に記載された方法の各動作の順序は、技術上の阻害要因がない限り、記載順に限定されるものではなく、どのような順番で実行されてもよく、また同時に実行されてもよい。

以下、複数の実施例に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
（第一実施例）
図１は、第一実施例によるコンデンサマイクロホン１の構成を示す模式図である。コンデンサマイクロホン１は、図１（Ｂ）に断面図として描かれた感音部と図１（Ｂ）に回路図として描かれた検出部とを備えている。

（感音部の構成）
バックプレート１０の端部とダイヤフラム３０の端部とはスペーサ４４にそれぞれ固定されている。すなわち、バックプレート１０とダイヤフラム３０は、スペーサ４４によって両者の間に圧力室４６を形成した状態で互いに平行に支持されている。図１（Ａ）はバックプレート１０及びその周辺部と、バックプレート１０のパッド部１３のみを示している。バックプレート１０とその周辺部の平面視における形状は、特に限定されず、図１（Ａ）に示すように円形であってもよいし、他の形状であってもよい。またバックプレート１０は、バックプレート１０を貫通する通孔としての複数の音響ホール１８を有する。音響ホール１８の平面視における形状は特に限定されず、図１（Ａ）に示すように円形であってもよいし、他の形状であってもよい。

バックプレート１０とそのパッド部１３は、多結晶Ｓｉ等の半導体膜２２で構成される。バックプレート１０は、半導体膜２２の絶縁膜４５に固着していない円盤形の部分で構成されている。半導体膜２２の、バックプレート１０の円盤形の中央部１４と、中央部１４からパッド部１３まで伸びるバックプレート１０の線形の接続部１６と、パッド部１３とに対応する領域には、ドナー又はアクセプタとなる不純物が残部領域よりも高濃度に拡散している。中央部１４の面積は、例えば、ある音波が伝搬しているときにダイヤフラム３０が振動する軌跡の体積をダイヤフラム３０の中心の振幅で割った値とする。具体的には例えば、中央部１４の面積をダイヤフラム３０の面積の３分の１から２分の１とする。中央部１４の外形は、例えばダイヤフラム３０の外形と相似の円盤形とする。ドナーとなる不純物は、例えばＰ、Ａｓ、Ｓｂである。アクセプタとなる不純物は例えばＢである。スペーサ４４に固定される端部に近いバックプレート１０の近端部２０は、ドナー又はアクセプタとなる不純物が拡散していないため、比抵抗が中央部１４に比べて高い。尚、ドナー又はアクセプタとなる不純物がバックプレート１０の近端部２０に中央部１４より低濃度に拡散していてもよい。例えば、中央部１４の不純物濃度のオーダを１０²⁰／ｃｍ³、近端部２０の不純物濃度を１０¹⁶〜１０¹⁷／ｃｍ³とする。

ダイヤフラム３０とそのパッド部３１は、多結晶Ｓｉ等の半導体膜３２で構成される。ダイヤフラム３０は、半導体膜３２の絶縁膜４３、４５に固着していない円盤形の部分で構成されている。ダイヤフラム３０とそのパッド部３１を構成する半導体膜３２の全体にはドナー又はアクセプタとなる不純物が高濃度に拡散している。尚、不純物は、バックプレート１０を構成する半導体膜２２に拡散している不純物と同一でもよいし、異なっていてもよい。また、半導体膜２２のドナー又はアクセプタとなる不純物が高濃度に拡散している領域の電導型は、半導体膜３２の電導型と同一でも良いし、逆でも良い。また、バックプレート１０と同様に、ダイヤフラム３０を構成する半導体膜３２の不純物拡散領域を限定することにより、ダイヤフラム３０の近端部の比抵抗を中央部より高くしてもよい。ただし、ダイヤフラム３０、バックプレート１０のいずれか一方の近端部の比抵抗が中央部より高ければ、たとえ他方の比抵抗が均一でも、コンデンサマイクロホン１の感度は向上する。つまり、ダイヤフラム３０を構成する半導体膜３２の不純物拡散領域を限定し、バックプレート１０を構成する半導体膜２２の全体に不純物を拡散させても同様の効果が得られる。また、近端部の比抵抗が中央部に比べて高い半導体膜をダイヤフラム３０、バックプレート１０の一方のみにすることで、不純物拡散領域を限定するために必要になるマスクのリソグラフィ工程及びマスクの除去工程が不要になるため、コンデンサマイクロホン１の製造プロセスを簡素化することができる。

スペーサ４４は、圧力室４６の側壁面４７を構成している絶縁膜４５と、半導体膜２２、３２の圧力室４６の側壁面４７より外側の部分とで構成されている。
ダイヤフラム３０の端部はベース４０に固定されている。バックプレート１０の音響ホール１８を通過した音波はダイヤフラム３０を振動させる。ベース４０は、ダイヤフラム３０に対応する圧力緩衝室３３を有し、ダイヤフラム３０を構成している半導体膜３２が固定される絶縁膜４３と、絶縁膜４３の反半導体膜３２側に設けられ圧力緩衝室３３の側壁面５２を形成している基膜５１とで構成されている。圧力緩衝室３３の容積を大きくすることにより、圧力緩衝室３３を封止した状態でダイヤフラム３０に音波が伝搬したときに圧力緩衝室３３の内圧によってダイヤフラム３０の振動が抑制されにくくなる。
尚、ダイヤフラム３０がバックプレート１０よりも音源側に位置し、ダイヤフラム３０に直接音波が伝搬するように構成してもよい。この場合、音響ホール１８はバックプレート１０とダイヤフラム３０の間に形成されている圧力室４６とその外部空間とを連通する空気通路として機能する。

（検出部の構成）
ダイヤフラム３０のパッド部３１には、抵抗器１００の一端に接続されるリード線１０４が接続されている。そしてバックプレート１０のパッド部１３には、コンデンサマイクロホン１が実装されている基板のグランドに接続されるリード線１０６が接続されている。抵抗器１００の他端には、バイアス電源回路１０２の出力端に接続されるリード線１０８が接続されている。抵抗器１００としては抵抗値が大きなものを使用する。具体的には、抵抗器１００はＧΩオーダーの電気抵抗を有するものが望ましい。プリアンプ１１０の入力端には、コンデンサ１１２の一端に接続されるリード線１１４が接続されている。そしてダイヤフラム３０と抵抗器１００を接続しているリード線１０４は、コンデンサ１１２の他端にも接続されている。

（コンデンサマイクロホンの作動）
音波がバックプレート１０の音響ホール１８を通過してダイヤフラム３０に伝搬すると、ダイヤフラム３０は音波により振動する。ダイヤフラム３０が振動すると、その振動によりバックプレート１０とダイヤフラム３０との間の距離が変化し、ダイヤフラム３０とバックプレート１０とにより構成されているコンデンサの静電容量が変化する。

ダイヤフラム３０はそのパッド部３１を介して抵抗値が大きい抵抗器１００に接続されているため、コンデンサの静電容量が上述したようにダイヤフラム３０の振動により変化したとしても、コンデンサに蓄積されている電荷が抵抗器１００を流れることは殆どない。すなわち、ダイヤフラム３０とバックプレート１０とにより形成されるコンデンサに蓄積されている電荷は、変化しないものとみなすことができる。したがって、コンデンサの静電容量の変化は、ダイヤフラム３０とバックプレート１０との間の電圧の変化として取り出すことが可能である。

コンデンサマイクロホン１は、ダイヤフラム３０のグランドに対する電圧の変化をプリアンプ１１０で増幅することにより、コンデンサの静電容量の極めてわずかな変化を電気信号として出力する。すなわち、コンデンサマイクロホン１は、ダイヤフラム３０に加わる音圧の変化をコンデンサの静電容量の変化に変換し、コンデンサの静電容量の変化を電圧の変化に変換することにより、音圧の変化に相関する電気信号を出力する。

ダイヤフラム３０は、その端部を固定端として振動する。つまり、ダイヤフラムの端部から最も離れている中心は、最も大きな振幅で振動する。これに対して、ダイヤフラム３０のスペーサ４４に固定されている端部に近い近端部２０の振幅は小さい。
ところで、一様な導電性を有する薄膜電極を備えたコンデンサマイクロホンの図２（Ａ）に示す等価回路は、全く振動しないと考えられるダイヤフラムの近端部とバックプレートによって形成される容量Ｃｓとある振幅で平坦形状を維持して振動すると考えられるダイヤフラムの中央部で形成される容量Ｃｂとが並列接続されたものである。ダイヤフラム３０がある振幅で平坦形状を維持して振動する中央部と全く振動しない近端部とで構成されていると考えるとき、ダイヤフラム３０の振動にともなって近端部と中央部との間で電荷の移動が起こると、バックプレート１０の近端部に対するダイヤフラム３０の近端部の電位が変動し、バックプレート１０の中央部に対するダイヤフラムの中央部の電位変動幅が小さくなる。バックプレート１０の近端部に対するダイヤフラム３０の近端部の電位変動はコンデンサマイクロホン１の出力信号のノイズ成分であり、バックプレート１０の中央部に対するダイヤフラムの中央部の電位変動はコンデンサマイクロホン１の出力信号の真の信号成分である。

本実施例によるコンデンサマイクロホン１は、バックプレート１０のスペーサ４４に固定される端部に近い近端部２０にドナー又はアクセプタとなる不純物が拡散していないため、近端部２０の比抵抗が中央部１４に比べて高い。従って本実施例によるコンデンサマイクロホン１の等価回路は、図２（Ｂ）に示すように、全く振動しないと考えられるダイヤフラム３０の近端部とバックプレート１０によって形成される容量Ｃｓとある振幅で平坦形状を維持して振動すると考えられるダイヤフラム３０中央部で形成される容量Ｃｂとの間に大きい内部抵抗Ｒが接続されたものである。内部抵抗Ｒはダイヤフラム３０の振動にともなって容量Ｃｓと容量Ｃｂとの間に起こる電荷の移動を妨げるため、バックプレート１０の近端部２０に対するダイヤフラム３０の近端部の電位変動を抑制する。したがって、本実施例によるコンデンサマイクロホン１は、一様な導電性を有する薄膜電極を備えたコンデンサマイクロホンに比べて感度が高い。

（製造方法）
図３から図５は、第一実施例によるコンデンサマイクロホン１の製造方法を示す断面図である。
はじめに図３（Ａ）に示すように、基膜５１及び絶縁膜４３を形成する。具体的には例えば基膜５１である単結晶シリコン基板の表面にＣＶＤ法によりＳｉＯ₂を堆積させる。単結晶シリコン基板の熱酸化により絶縁膜４３を形成しても良いが、後述するＳｉＯ₂からなる絶縁膜４５とＳｉＯ₂からなる絶縁膜４３とのエッチングレートを同一にするため、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂を堆積させることが好ましい。

次に図３（Ｂ）に示すように、ダイヤフラム３０及びそのパッド部３１を構成する半導体膜３２を絶縁膜４３上に形成する。具体的には例えばＬＰＣＶＤ法によりＳｉを絶縁膜４３上に堆積させた後、堆積したＳｉ膜に、ドナー又はアクセプタとなる不純物を高濃度のイオン注入によりドープし、Ｓｉ膜をアニールで活性化させることによって半導体膜３２を形成する。尚、ＬＰＣＶＤ法でＳｉを絶縁膜４３上に堆積する際、ドナー又はアクセプタとなる不純物をインサイチュでＳｉにドープしてもよい。

次に図３（Ｃ）に示すように、半導体膜３２を所望の形状にパターニングする。具体的には、まずマスクを半導体膜３２上にリソグラフィで形成した後、Ｃｌ₂とＯ₂の混合ガスによって半導体膜３２をエッチングし、マスクを除去する。
次に図３（Ｄ）に示すように、スペーサ４４を構成する絶縁膜４５を半導体膜３２上に形成する。具体的には例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ₂を半導体膜３２上に堆積させる。

次に図４（Ａ）に示すように、バックプレート１０及びそのパッド部１３を構成する半導体膜２２を絶縁膜４５上に形成する。具体的には例えば、ＣＶＤ法によりＳｉを絶縁膜４５上に堆積させる。
次に図４（Ｂ）に示すように、レジスト等からなる所定のパターンのマスク６０を半導体膜２２上にリソグラフィで形成する。マスク６０は、イオン注入用のマスクであり、バックプレート１０の中央部１４及び接続部１６並びにパッド部１３に対応する開口部６２を有する。不純物をイオン注入でドープすることにより、半導体膜２２内での不純物の量、深さ、分布を正確に制御でき、低温でプロセスを進行できる。尚、拡散で不純物を半導体膜２２にドープしてもよく、その場合、マスク６０にはＳｉ₃Ｎ₄等を用いる。

次に図４（Ｃ）に示すように、半導体膜２２にドナー又はアクセプタとなる不純物を高濃度のイオン注入によりドープし、マスク６０を除去し、アニールにより半導体膜２２を活性化する。
次に図５（Ａ）に示すように、半導体膜２２を所望の形状にパターニングし、半導体膜２２に音響ホール１８を形成する。具体的には、まずマスクを半導体膜２２上にリソグラフィで形成した後、Ｃｌ₂とＯ₂の混合ガスによって半導体膜２２をエッチングし、マスクを除去する。

次に図５（Ｂ）に示すように、基膜５１の表面上に所定のパターンのマスク６４をリソグラフィで形成する。マスク６４は、ベース４０の圧力緩衝室３３の一部を形成するためのエッチング用のマスクであり、圧力緩衝室３３に対応する部位に開口部６６を有する。
次に図５（Ｃ）に示すように、基膜５１の開口部６６内に露出する部位をＤｅｅｐＲＩＥで除去することで基膜５１に圧力緩衝室３３の側壁面５２を形成した後、マスク６４を除去する。

次に、絶縁膜４３及び絶縁膜４５を基膜５１及び半導体膜２２をマスクとしてＢＨＦ等を用いてエッチングすると、図１に示すコンデンサマイクロホン１の感音部が得られる。エッチング液が、基膜５１に形成された圧力緩衝室３３の一部と半導体膜２２に形成された音響ホール１８とを通って絶縁膜４３及び絶縁膜４５に到達し絶縁膜４３及び絶縁膜４５をエッチングすることにより、圧力緩衝室３３の残部と圧力室４６が形成される。
以上説明したように、半導体膜２２の一部に不純物を高濃度にドープするという半導体デバイスの汎用的な製造プロセスを用いることにより、感度の高いコンデンサマイクロホンを低コストで製造することができる。

（第二実施例）
バックプレート１０の近端部２０に、中央部１４と逆の電導型の半導体を形成する第二の不純物を低濃度に拡散させてもよい（図１参照）。例えば上述の製造方法において、半導体膜２２のバックプレート１０の中央部１４に対応する領域に第一の不純物を高濃度にイオン注入するためのマスク６０を形成する（図４（Ｂ）参照）前に、中央部１４と逆の電導型の半導体を形成する第二の不純物を半導体膜２２の全面に低濃度でイオン注入によりドープする。これにより、図２（Ｃ）に示す等価回路のように、バックプレート１０にｐｎ接合ダイオードＤを形成することになる。ｐｎ接合ダイオードＤを逆バイアス状態にすることにより、中央部１４と近端部２０との間の電気的障壁を大きくすることができるため、感度をさらに増大することができる。尚、半導体膜２２のバックプレート１０の中央部１４に対応する領域に第一の不純物をイオン注入した後に、半導体膜２２のバックプレート１０の近端部２０に対応する領域に第二の不純物をイオン注入してもよい。

（Ａ）は本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンのダイヤフラムを示す平面図、（Ｂ）は本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンを示す模式図。本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの等価回路を示す回路図。本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。本発明の第一実施例によるコンデンサマイクロホンの製造方法を示す断面図。

符号の説明

１コンデンサマイクロホン、１０バックプレート、１３パッド部、１４中央部、１６接続部、１８音響ホール、２０近端部、２２半導体膜、３０ダイヤフラム、３２半導体膜、４４スペーサ、４６圧力室

Claims

固定電極と通孔とを有するプレートと、
可動電極を有し音波によって振動するダイヤフラムと、
前記プレートと前記ダイヤフラムとを絶縁しながら支持し、前記固定電極と前記可動電極の間に空隙を形成しているスペーサとを備え、
前記プレート、前記ダイヤフラムの少なくとも一方は、前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部の比抵抗が残部よりも高い単層半導体膜である、
コンデンサマイクロホン。
前記単層半導体膜は、中央部に、ドナー又はアクセプタとなる不純物が、前記近端部の少なくとも一部よりも高濃度に拡散している、
請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
前記単層半導体膜は、前記中央部の周囲に前記不純物である第一不純物と逆電導型の半導体を形成するための第二不純物が、前記第一不純物よりも低濃度に拡散している、
請求項２に記載のコンデンサマイクロホン。
固定電極と通孔とを有するプレートと、可動電極を有し音波によって振動するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを絶縁しながら支持し、前記固定電極と前記可動電極の間に空隙を形成しているスペーサとを備えるコンデンサマイクロホンの製造方法であって、
前記プレート、前記ダイヤフラムの少なくとも一方を構成する半導体膜を形成し、
前記半導体膜の中央部に、ドナー又はアクセプタとなる不純物を、前記半導体膜の前記スペーサに近い近端部の少なくとも一部よりも高濃度にドープする、
ことを含むコンデンサマイクロホンの製造方法。
前記不純物を前記半導体膜にイオン注入し、
前記不純物がイオン注入された前記半導体膜をアニールする、
ことを含む請求項４に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。
前記不純物である第一の不純物と逆電導型の半導体を形成するための第二不純物を前記半導体膜の前記中央部の周囲にドープする、
ことを含む請求項４又は５に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。