JP4592585B2

JP4592585B2 - 音響センサ

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Publication number: JP4592585B2
Application number: JP2005376057A
Authority: JP
Inventors: 直輝松原
Original assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Current assignee: Sanyo Electric Co Ltd
Priority date: 2005-12-27
Filing date: 2005-12-27
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2025-12-27
Also published as: JP2007180821A

Description

本発明は、音響センサに関し、特に半導体基板上に形成された音響センサに関する。

従来、音響振動を検出する半導体センサとして、コンデンサ型シリコンマイクロフォンが提案されている（例えば、特許文献１参照）。このマイクロフォンは、振動電極（ダイアフラム電極）と、振動電極に対向し、所定の間隔を隔てて配置された固定電極（バックプレート電極）とを備え、振動電極と固定電極とにより、キャパシタが形成される。固定電極には複数の音響ホールが設けられ、この音響ホールを外部から振動電極に至る音圧の伝達経路としている。

そして、マイクロフォンに音圧がかかると、振動電極が振動し、この振動による振動電極と固定電極との間隔の変化に起因して、静電容量が変化する。さらに、静電容量の変化に伴う２電極間の電圧の変化を電気的に読み取ることで、音響信号を得る。

ここで、シリコンマイクロフォンの感度は、以下の式（１）で示される。なお、Ｓは感度、Ｃ_ｍは振動電極と固定電極との間の静電容量、Ｃ_ｐａｒは配線などの寄生容量、Ｃ_ｔｒは静電容量変化を電圧変化に変換するトランジスタの容量である。

Ｓ∽Ｃ_ｍ／（Ｃ_ｍ＋Ｃ_ｐａｒ＋Ｃ_ｔｒ）・・・（１）
この式（１）から明らかなように、静電容量Ｃ_ｍを大きくすることで感度Ｓが大きくなり、シリコンマイクロフォンの高感度化を実現できる。

さらに、固定電極（固定電極が振動電極と対向する部分）の表面積をＳ_ｍ、振動電極と固定電極との間の誘電率をεとすると、振動電極と固定電極との間の距離が異なる距離ｄからなるキャパシタの静電容量Ｃ_ｍは、以下の式（２）で表すことができる。

Ｃ_ｍ＝εＳ_ｍ／ｄ・・・（２）
この式（２）から明らかなように、静電容量Ｃ_ｍを大きくするためには、固定電極の表面積Ｓ_ｍを大きく、距離ｄを小さくすることが有効である。
特表昭６０−５００８４１号公報

しかしながら、振動電極と固定電極との間の距離ｄを小さくする場合には、音圧による振動によって振動電極が湾曲して固定電極と接触する可能性が生ずるので、電極間距離ｄを小さくすることには限界があった。

また、固定電極の表面積Ｓ_ｍを大きくする場合には、マイクロフォン自体の大きさが大きくなってしまう問題があった。これに対し、マイクロフォンの大きさを変更せずに表面積Ｓ_ｍを大きくするには、音響ホールの大きさを小さくする必要があった。しかしながら、音響ホールの大きさを小さくした場合には、高周波音のカットオフ現象により低周波音のみ検出されるようになり、高周波音の感度が著しく低下してしまう問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、感度を向上させることが可能な音響センサの構造を提供することである。

上記目的を達成するため、本発明のある態様の音響センサは、半導体基板の上に設けられた第１電極と、第１電極とキャパシタを構成するように第１電極に対向し、所定の間隔を隔てて配置された第２電極と、第２電極の上に設けられ、第２電極を半導体基板に固定する絶縁膜と、第２電極および絶縁膜を貫通し、外部から第１電極に至る音圧の伝達経路となる孔部と、を備え、孔部の寸法は、電極間の所定の間隔よりも小さいことを特徴とする。

この態様によれば、第２電極に孔部を設けることによる静電容量の低下なしにマイクロフォンを構成することができるので、従来構造に比べて感度性能に優れた音響センサを提供することができる。

また別の態様によると、孔部の寸法は、第１電極側に向かって徐々に小さくなっていることを特徴とする。

この態様によれば、従来構造では孔部の上部側（第１電極とは反対側）で反射されていた、斜めから入射される直進性の強い高周波音が、孔部を通過して第１電極に到達するようになるので、高周波音に対する実質的な感度が向上し、マイクロフォンの周波数特性を一定に保持することが可能となる。

上記構成において、孔部は、第１電極側の開口部端と第１電極とは反対側の開口部端を結んだ傾斜に対して凸型の曲率を有していてもよい。さらに、この曲率は、傾斜と同じ角度となる変曲点を有し、この変曲点が第１電極側の開口部端と第１電極とは反対側の開口部端の中間点よりも反対側の開口部端側にずれていてもよい。このようにすることで、斜めから入射される高周波音が、孔部内の凸型の曲率を有する曲面に反射して孔部を通過するようになるので、音響センサの高周波音に対する感度および音響センサの周波数特性がさらに向上する。

本発明によると、感度を向上させることが可能な音響センサの構造を提供することができる。

以下、本発明を具現化した実施形態について図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る音響センサ１００の構成を示す上面図であり、図２は、図１の音響センサ１００のＡ−Ａ’断面図であり、図３は、図１の音響センサ１００のＢ−Ｂ’断面図である。

本発明の第１実施形態に係る音響センサ１００は、図１〜図３に示すように、シリコン基板１上に形成された振動電極４と、振動電極４に対向し、所定の間隔ｄを隔てて配置された固定電極６とを備え、振動電極４と固定電極６によりキャパシタを構成する。固定電極６には複数の音響ホール７ａが設けられ、この音響ホール７ａを外部から振動電極４に至る音圧の伝達経路としている。

音響センサ１００は、エアギャップ層１１、絶縁層８、犠牲層５、固定電極６、振動電極４、基板開口部１０ａ、音響ホール７ａ、振動電極用パッド電極９ａ、固定電極用パッド電極９ｂ、エッチストッパ２ａ、シリコン基板１等を含む。なお、図２および図３から明らかなように、図１において、エアギャップ層１１等は上面から直接見ることができない。しかしながら、ここでは構造の理解を容易にするために、直接見えない部分も適宜見えるように示してある。

シリコン基板１は、音響センサ１００の基板となる。シリコン基板１には、図２および図３に示すように、シリコン基板１の上側から下側に音孔１０が穿設されている。また、図１に示すように、シリコン基板１の上側の表面における音孔１０の基板開口部１０ａは、四角形の形状を有している。また、シリコン基板１の上側の表面は、エッチストッパ２ａを備える。

振動電極４は、図２および図３に示すように、シリコン基板１の断面における音孔１０を覆うように形成されている。具体的には、振動電極４は、音孔１０を覆う領域は浮動状態に形成し、音孔１０の外周領域においてシリコン基板１（エッチストッパ２ａ）上に固定されている。

固定電極６は、図２および図３に示すように、振動電極４の上方に設けられて、振動電極４と共にキャパシタを形成する。当該キャパシタは、音圧によって振動電極４が振動すれば、静電容量の値が変化する特性を有する。また、固定電極６は、基板開口部１０ａ、即ち音孔１０の少なくとも一部分を占めるような大きさで設計されている。

絶縁層８は、図２および図３に示すように、固定電極６を覆うように形成され、固定電極６の外周部において固定電極６をシリコン基板１に固定している。ここで、絶縁層８は、たとえばシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）を用いる。

犠牲層５は、図２および図３に示すように、振動電極４と固定電極６とを絶縁するように形成されている。ここで、絶縁層８および固定電極６が、振動電極４との間に作ったスペースをエアギャップ層１１と呼ぶ。また、絶縁層８および固定電極１４には、それらを貫通する複数の音響ホール７ａが形成されている。

この音響ホール７ａは、外部側（上部側）から振動電極４に至る音圧の伝達経路となる。また、音響ホール７ａの寸法は、外部側から振動電極４に向かって徐々に小さくなる順テーパな形状に形成されている。

振動電極用パッド電極９ａと、固定電極用パッド電極９ｂは、振動電極４と固定電極６にそれぞれ接続して、所定の電圧を印加する。また、振動電極４と固定電極６によるキャパシタの静電容量が変化すれば、振動電極用パッド電極９ａと固定電極用パッド電極９ｂとの間の電位差も変化するので、当該変化した電位差を音声信号として出力する。即ち、振動電極用パッド電極９ａと固定電極用パッド電極９ｂは、キャパシタの静電容量の変化を間接的に検出する。出力した音声信号は、例えば、スピーカによって出力されたり、デジタル信号に変換して記憶されたりする。

なお、シリコン基板１は本発明の「半導体基板」、振動電極４は本発明の「第１電極」、固定電極６は本発明の「第２電極」、絶縁層８は本発明の「絶縁膜」及び音響ホール７ａは本発明の「孔部」の一例である。

第１実施形態では、固定電極６に音響ホール７ａを設けることによる静電容量の低下なしにマイクロフォンを構成することができるので、従来構造に比べて感度性能に優れた音響センサ１００を提供することができる。

また、音響ホール７ａの寸法が、外部側から振動電極４側に向かって徐々に小さくなっているため、斜めから入射される直進性の強い高周波音が、音響ホール７ａを通過して振動電極４に到達しやすくなるので、高周波音に対する実質的な感度が向上し、音響センサ１００の周波数特性を一定に保持することが可能となる。

図４は、音響ホール寸法と電極間静電容量の関係を示すシミュレーション結果（固定電極幅依存性）である。なお、図中には、音響ホール７ａの寸法に対してそれぞれ等倍、２倍、４倍の場合の結果を示した。また、図４（Ａ）〜（Ｄ）は、固定電極と振動電極との間の距離ｄを（Ａ）１μｍ、（Ｂ）３μｍ、（Ｃ）１０μｍ、及び（Ｄ）３０μｍとした場合である。

図４から明らかなように、音響ホール７ａが小さい領域では、固定電極の寸法幅によらず静電容量がほぼ一定であり、それ以上の寸法である領域Ｂでは静電容量が大きく低下することが分かる。それぞれ電極間距離ｄが異なる場合を比較すると、領域Ａと領域Ｂの境界はそれぞれ電極間距離ｄと同じ値であることが分かる。このように、マイクロフォンの音響ホールの寸法を少なくとも電極間距離ｄよりも小さくすることで、固定電極６に音響ホール７ａを設けることによる静電容量の低下なしにマイクロフォンを構成することができる。

以下に、図４における静電容量の結果について説明する。

図５は、固定電極と振動電極の間の電気力線を示した音響センサの構造図である。図中には、（Ａ）孤立固定電極の場合、（Ｂ）音響ホールの寸法が領域Ａにある場合、（Ｃ）音響ホールの寸法が領域Ｂにある場合を示す。さらに、それぞれに対して、固定電極の直下の領域Ｘ、固定電極の近隣周辺領域Ｙ、固定電極から離れた領域Ｚとした。ただし、説明の便宜上、三つの領域に分割しただけであり、実際は連続的で境界を有しているわけではない。

（Ａ）の場合を用いて、それぞれの領域の電気力線と静電容量の寄与について説明する。まず、固定電極の真下の領域Ｘは電気力線の密度が高く電界が大きいため、静電容量としての寄与は大きい。一方、固定電極の外部の領域Ｙは電気力線の密度が低くなり電界が小さいため、静電容量としての寄与は小さくなる。さらに、領域Ｚの電界は極めて小さいため、静電容量としてほとんど寄与しない。

（Ｂ）の領域Ａの場合、音響ホールの寸法が狭いため、それぞれの隣接する固定電極から発生する電界はそれぞれ相互作用を受けることになる。つまり、音響ホールの寸法が多少変化したとしても、領域Ｙ’の大きさが変化するだけであり、振動電極側から見ると、ほぼ一様の電界分布となる。したがって、図４における領域Ａの静電容量がほぼ一定の値となったと考えられる。

（Ｃ）の領域Ｂの場合、音響ホールの寸法が十分に広いため、隣り合う固定電極の相互作用は小さく、それぞれの固定電極としては、（Ａ）とほぼ同じ電界分布となる。この場合、その静電容量の値は固定電極の面積で決定されることになる。したがって、図４における領域Ｂのように、音響ホールの寸法を大きくすると静電容量が小さくなったと考えられる。

図６は、外部から入射する高周波音の伝達経路を示した音響センサの構造図である。図中には、（Ａ）音響ホールが垂直な場合、及び（Ｂ）音響ホールがテーパ形状の場合を示す。なお、図中では、電極間距離ｄ、固定電極幅Ｗ、及び音響ホール底部での寸法ａはすべて同じとした。

一般的な音の特性として、低周波数の音波は陰になる部分に音が回り込む回折現象が起こるが、高周波数の音波は波長が短く直進性が強いために回折現象が起こりにくい。このため、音響ホールに対してある程度の角度を有して音が入射する場合には、低周波音のみが感度よく検出され、高周波音の感度は著しく低下してしまう現象（高周波音のカットオフ現象）が生じる。

図６から明らかなように、従来構造の音響ホール（Ａ）の場合には、直進性の高い高周波音がある角度で入射されると、ある部分では高周波音はその表面で反射され、振動電極に到達しない。これに対し、本発明の音響ホール（Ｂ）では、音響ホールの底部の寸法を変えずに、音響ホールの側壁に傾斜をかけることで、従来構造で反射していた高周波音がそのまま入射し、振動電極に到達するようになる。両構造において固定電極の下部面積は等しいので、静電容量はほぼ同じであるが、振動電極に到達する音波の量が増えるので、高周波音に対する実質的な感度が向上し、結果として音響センサの周波数特性を一定に保持することが可能となる。

図７は、従来構造と傾斜構造における高周波音に対するカットオフの度合いのシミュレーション結果（入射角度依存）を示す。なお、これらの構造では、音響ホール寸法３μｍ（下部）、固定電極高さ（絶縁膜含む）２μｍ、固定電極幅３μｍとし、傾斜構造での傾斜角度を７５度とした。

図７から明らかなように、入射角度が９０度（音響ホールに対して真正面）に近い領域では傾斜構造の効果が大きいことが分かる。一般的にマイクロフォンや超音波センサを使用する場合、９０度に近い領域を主に使用するため、傾斜構造の効果は顕著である。しかしながら、低入射角度（約５０度以下）では、高周波音のカットオフが増加している。これは、従来構造での音響ホールの側面に到達した高周波音は、多重反射を繰り返して音響ホールを通過し、振動電極に達するが、傾斜構造では傾斜角度と入射角度との関係によっては、多重反射によって音響ホール外に高周波音が反射してしまい振動電極に達しないためである。

次に、本発明の第１実施形態に係る音響センサ１００の製造方法について、図８〜図１１を用いて説明する。なお、図８〜図１１は、図２と同様に、図１の音響センサ１００でのＡ−Ａ’断面に対応する。

まず、図８（Ａ）に示す工程１において、両面研磨シリコン基板１上に、減圧ＣＶＤ法を用いて、エッチストッパ２ａ，２ｂを約２００ｎｍ成膜する。エッチストッパ２ｂは、シリコン基板１を裏面からエッチングする際のマスクとなり、エッチストッパ２ａは、後にシリコン基板１を裏面からエッチングする際のストッパとなる。エッチストッパ２ａ，２ｂには、シリコン窒化膜を用いることが一般的である。シリコン窒化膜を形成する際に用いるガスは、モノシランとアンモニア、ジクロロシランとアンモニアなどであり、成膜温度は、３００〜６００℃である。

図８（Ｂ）に示す工程２において、エッチストッパ２ａの全面上に、プラズマＣＶＤ法または常圧ＣＶＤ法を用いて、約５００ｎｍの厚みを有する犠牲層３を形成する。犠牲層３には、リン（Ｐ）を含むシリコン酸化膜を用いることが一般的であるが、フッ酸（ＨＦ）に可溶であればどの膜を用いてもよい。この犠牲層３は、後にＨＦによるエッチングで除去するため、最終的な構造体には残らない膜である。その後、犠牲層３に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。

図８（Ｃ）に示す工程３において、エッチストッパ２ａおよび犠牲層３の全面上に、振動電極４を約１μｍ成膜する。振動電極４には、ポリシリコンを用いることが一般的であるが、その他の導電性のある材料を用いてもよい。そして、振動電極４に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。

図９（Ｄ）に示す工程４において、振動電極４の上に３μｍ程度の犠牲層５を成膜する。犠牲層５には、犠牲層３と同様、リン（Ｐ）を含むシリコン酸化膜を用いることが一般的であるが、フッ酸（ＨＦ）に可溶であればどの膜を用いてもよい。後工程でエアギャップ層１１（図２参照）となる部分の犠牲層５は、後にＨＦによるエッチングで除去するため、最終的な構造体には残らない。なお、最終的な構造体には残る部分の犠牲層５については、振動電極４と固定電極６とを絶縁する絶縁層として機能する。そして、犠牲層５に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて周辺部を除去し、開口部を有する犠牲層５を形成する。ここで、犠牲層５の膜厚は、最終的な電極間のエアギャップ距離となることから、容量（Ｃ＝ｅ＊Ｓ／ｄ、ｅ：誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：エアギャップ距離）、つまり感度に反映されるとともに、音響センサ１００の構造の強固性にも大きな影響を及ぼす。例えば、エアギャップ層１１が狭すぎると振動電極４と固定電極６が接触してしまい、センシング出来なくなる。

図９（Ｅ）に示す工程５において、犠牲層５の上に、固定電極６を形成する導電膜を成膜する。機械強度の観点から、本導電膜は、ポリシリコンが望ましい。そして、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。このパターニングの際、エアギャップ層内の空気が振動電極４の変位に応じて移動するための音響ホール７を同時にパターニングしておく。

図９（Ｆ）に示す工程６において、固定電極６および犠牲層５の上に、モノシランおよびアンモニアからなる混合ガスによるプラズマＣＶＤ法（ＰＥ−ＣＶＤ法）を用いて、約１μｍの厚みを有するシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる絶縁層８を形成する。

図１０（Ｇ）に示す工程７において、絶縁膜８に対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。ここでの不要な部分とは、周辺部だけでなく、パッド部分２０と音響ホール７ａを含む。この絶縁膜８のパターニングの際、先に加工した音響ホール７に位置を整合し、ホール底部において導電膜により形成したものより径が小さい音響ホール７ａを同時に形成する。この音響ホール７ａの寸法は、絶縁膜８の上部から下部（振動電極４の方向）に向かって徐々に小さくなる順テーパな形状に仕上げておく。なお、この音響ホール７ａは、後述する工程を経て、外部側（上部側）から振動電極４に至る音圧の伝達経路となる。

図１０（Ｈ）に示す工程８において、パッド部分２０に、振動電極用パッド電極９ａや固定電極用パッド電極９ｂ（図示せず）のパッド電極を形成する。パッド電極には、アルミニウム、銅、金などの低抵抗金属膜が特に適している。形成方法としては、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いる方法もあるが、いわゆるメッキレジスト法やレジストエッチオフ方などの技術を適用してもよい。

図１１（Ｉ）に示す工程９において、シリコン基板１の裏面側のエッチストップ２ｂに対して、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する。

図１１（Ｊ）に示す工程１０において、パターニングされたエッチストップ２ａをマスクとして用いて、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）や水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液（ＴＭＡＨ）などのアルカリエッチング液で等方性エッチングを行う。この等方性エッチングは、工程１において成膜したエッチストッパ２ａで自動的にエッチングストップされる。これにより、シリコン基板１に基板開口部１０が形成される。

図１１（Ｋ）に示す工程１１において、シリコン基板１の裏面側からこの開口した部分のエッチストッパ２ａをエッチング液（例えば、リン酸）やドライエッチにより除去する。その後に、シリコン基板１の裏面側から、ＨＦを用いて犠牲膜３を除去するとともに、音響ホール７ａ側から犠牲膜５を選択的にエッチング除去して、エアギャップ層１１を最終的に形成する。

以上の工程により、図２および図３に示す音響センサ１００が製造される。

（第２実施形態）
図１２は、本発明の第２実施形態に係る音響センサ１００ａを示した断面図である。第１実施形態と異なる箇所は、固定電極６を半導体基板１に固定する絶縁膜が、固定電極６上のシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）８ａと、固定電極６およびシリコン窒化膜８ａの側壁をスペーサ状に覆うシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）８ｂから構成されていることである。それ以外については第１実施形態と同様である。なお、音響ホール７ｂは、シリコン窒化膜８ｂの上部側の開口部端と下部側の開口部端を結んだ直線状の傾斜に対して凸型の曲率を有しており、この曲率面の各点における接線は上部側から連続的に急峻に変化することになる。スペーサ形状では、この曲率面における接線に傾斜と同じ角度となる変曲点が存在し、この変曲点が音響ホール７ｂの中間点よりも外部側（上側）に位置するように形成される。

第２実施形態では、斜めから入射される高周波音によっては、音響ホール７ｂ内の凸型の曲率を有する曲面に反射して音響ホール７ｂを通過するようになるので、音響センサ１００ａの高周波音に対する感度および音響センサの周波数特性が向上する。

図１３は、第２実施形態における外部から入射する高周波音の伝達経路を示した音響センサの構造図である。図中には、（Ａ）音響ホールが傾斜構造の場合、及び（Ｂ）音響ホールの側壁が従来の傾斜構造に対し凸状の曲率を有する場合を示す。なお、図中では、音響ホールの寸法は上部および底部で同じとした。

図１３から明らかなように、傾斜構造の音響ホール（Ａ）の場合には、高周波音がある角度で入射されると、ある部分（音波Ｄ）では反射によって音響ホールを通過して振動電極に到達するが、ある部分（音波Ａ〜Ｃ）では多重反射によって高周波音が音響ホール外に反射され、振動電極に到達しない。これに対し、側壁が曲率を有する音響ホール（Ｂ）では、入射された音波は曲率部の接線に対して反射するため、音波が広がることになる。このため、音響ホール（Ｂ）では、音響ホールの下部に達した音波はより下方向（振動電極の方向）に、上部に達した音波はより上方向（外部の方向）に反射する。この結果、単純な傾斜構造（Ａ）の場合とは異なり、入射された音波が音響ホールをより通過しやすくなり、振動電極に到達する音波の量がさらに増えるので、高周波音に対する実質的な感度が向上し、マイクロフォンの周波数特性を一定に保持することが可能となる。

なお、音響ホールの側壁が従来の傾斜構造に対し凸状の曲率をもたせた場合には、この曲率面の各点における接線に、傾斜構造の傾斜と同じ角度となる変曲点が存在する。この変曲点は音波の反射に関する境界となり、この変曲点よりも上部の領域では音波はより上方向に反射しやすく、その下部の領域ではより下方向に反射しやすい。本発明に係る音響センサでは、音波をできるだけ下方向に反射させて音響ホールを通過させた方が、感度向上効果が大きくなることから、この変曲点をできるだけ上部に配置した方がより有効である。第２実施形態では、この変曲点が音響ホール７ｂの中間点よりも外部側（上側）に位置するように形成されているので、感度向上効果を顕著に得ることができる。

図１４は、傾斜構造と曲率構造における高周波音に対するカットオフの度合いのシミュレーション結果（入射角度依存）を示す。なお、傾斜構造（Ａ）では、音響ホール寸法３μｍ（下部）、固定電極高さ（絶縁膜含む）２μｍ、固定電極幅３μｍとし、傾斜構造での傾斜角度を７５度とし、曲率構造（Ｂ）では、傾斜構造に曲率４μｍの円を追加した。

図１４から明らかなように、約６０度以下の入射角度において、曲率構造（Ｂ）における高周波音のカットオフが増加している。これは、音響ホールの側壁に凸状の曲率を持たせることで、高周波音の音波がより集音されていることを示す。この結果、音響ホールの側壁に凸状の曲率を持たせた場合には、感度および周波数特性が向上した音響センサを得ることができる。

図１５は、本発明の第２実施形態に係る音響センサ１００ａの製造方法の一部を示す断面図である。

先の第１実施形態では工程７において、ホール底部において導電膜６により形成したホール７より径が小さい音響ホール７ａを形成したが、第２実施形態では、図１５（Ａ）に示す工程７Ａにおいて、通常のフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて不要な部分を除去する際、それと同じ寸法の音響ホール７を形成する。この際の音響ホール形状は、実質的に垂直に形成する。

次に、図１５（Ｂ）に示す工程７Ｂにおいて、絶縁膜８ａの上に、モノシランおよびアンモニアからなる混合ガスによるＰＥ−ＣＶＤ法を用いて、約０．４μｍの厚みを有するシリコン窒化膜（ＳｉＮ膜）からなる絶縁層８’をコンフォーマルに形成する。

次に、図１５（Ｃ）に示す工程７Ｃにおいて、シリコン窒化膜８’に対してドライエッチングを用いて全面エッチバックすることにより、固定電極６およびシリコン窒化膜８ａの周囲に、サイドウォールと呼ばれるシリコン窒化膜８ｂを形成する。

この後の工程に関しては、第１実施形態での工程８に続き、図１２に示す音響センサ１００ａが製造される。

なお、第２実施形態に記載した製造方法を用いることにより、第１実施形態に記載した製造方法に比べて、音響センサとしての感度の向上だけでなく、歩留りを向上させることが可能となる。これは、第１実施形態の固定電極６の側壁に存在する絶縁膜８の厚さが、フォトリソグラフィの合わせマージンで決定されるためウエハ面内のばらつきが大きくなるのに対して、第２実施形態の固定電極６の側壁に存在する絶縁膜８ｂの厚さは、成膜時の膜厚ばらつきで決定されるためウエハ面内のばらつきを比較的小さくすることができるからである。また、側壁の絶縁膜の厚さが歩留りに影響する原因としては、工程１０に記載のウエットエッチングの際に、側壁の絶縁膜の厚さが不十分な場所があると薬液が固定電極６まで浸入し、固定電極６を溶解してしまうからである。

以上、実施の形態により本発明を詳細に説明したが、本発明はこれに限定されることなく、当業者の知識に基づいて各種の設計変更等の変形を加えることも可能であり、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、種々の音響センサに適用することができる。

上述の実施形態では、変曲点が1箇所である単純な凸状の曲率面を有する音響ホールについて説明しているが、これに限られない。入射された音波を下方向に反射させて音響ホールを通過させることができれば、音響ホールの側壁面が、変曲点を２箇所有する略Ｓ字状であってもよい。また、音響ホールの側壁面に変曲点を３箇所以上有していてもよい。

また、上述の実施形態では、１種類の音響ホールを用いた場合について説明しているが、音響センサの感度を向上させるために、複数の側壁形状を有する音響ホールを組み合わせて音響センサを構成してもよい。

本発明の第１実施形態に係る音響センサの構成を示す上面図である。図１の音響センサのＡ―Ａ’断面図である。図１の音響センサのＢ―Ｂ’断面図である。音響ホール寸法と電極間静電容量の関係を示すシミュレーション結果（固定電極幅依存性）である。固定電極と振動電極との間の電気力線を示した音響センサの構造図である。外部から入射する高周波音の伝達経路を示した音響センサの構造図である。従来構造と傾斜構造における高周波音に対するカットオフの度合いのシミュレーション結果（入射角度依存）である。本発明の第１実施形態に係る音響センサの製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態に係る音響センサの製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態に係る音響センサの製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第１実施形態に係る音響センサの製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の第２実施形態に係る音響センサを示した断面図である。第２実施形態における外部から入射する高周波音の伝達経路を示した音響センサの構造図である。傾斜構造と曲率構造における高周波音に対するカットオフの度合いのシミュレーション結果（入射角度依存）である。本発明の第２実施形態に係る音響センサの製造方法の一部を示す断面図である。

符号の説明

１シリコン基板
２ａ，２ｂエッチストッパ
３犠牲層
４振動電極
５犠牲層
６固定電極
７ａ音響ホール
８絶縁膜
９ａ振動電極用パッド電極
１０ａ基板開口部
１１エアギャップ層
１００音響センサ

Claims

半導体基板の上に設けられた第１電極と、
前記第１電極とキャパシタを構成するように前記第１電極に対向し、所定の間隔を隔てて配置された第２電極と、
前記第２電極の上に設けられ、前記第２電極を前記半導体基板に固定する絶縁膜と、
前記第２電極および絶縁膜を貫通し、外部から前記第１電極に至る音圧の伝達経路となる孔部と、
を備え、
前記孔部の寸法は、電極間の前記所定の間隔よりも小さいことを特徴とした音響センサ。
前記孔部の寸法は、前記第１電極側に向かって徐々に小さくなっていることを特徴とした請求項１に記載の音響センサ。
前記孔部は、前記第１電極側の開口部端と前記第１電極とは反対側の開口部端とを結んだ傾斜に対して凸型の曲率を有していることを特徴とした請求請２に記載の音響センサ。
前記曲率は、前記傾斜と同じ角度となる変曲点を有し、この変曲点が前記第１電極側の開口部端と前記第１電極とは反対側の開口部端の中間点よりも前記反対側の開口部端側にずれていることを特徴とした請求項３に記載の音響センサ。