JP4950006B2 - 微小コンデンサマイクロホンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、半導体プロセス技術を用いて製作する微小コンデンサマイクロホンの製造方法に関する。

エレクトレット・コンデンサ・マイクロホン（ＥＣＭ）は、エレクトレット化によって半永久的な分極を有するエレクトレット膜を形成し、コンデンサの両電極に印加する直流バイアス電圧を不要とした音響電気変換装置である。エレクトレット膜は、誘電体膜に電荷を帯電させて当該電荷を誘電体膜に固定することで形成され、固定された電荷によって発生する電界によりコンデンサの両極に電位差を与えることができる。なお、以下では、誘電体膜に電荷を帯電させ固定することをエレクトレット化といい、固定された電荷の量を着電量という。

近年、半導体集積回路の微細プロセス技術を用いて、シリコン基板を加工することにより微小コンデンサマイクロホンが製造されている。このような微小コンデンサマイクロホンは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）マイクロホン（以下、ＭＥＭＳマイクという。）として注目されている。ＭＥＭＳマイクは半導体プロセス技術によってシリコン基板に一体的に形成されるため、マイクから誘電体膜だけを取り出して個別にエレクトレット化することはできない。特許文献１には、シリコンウェハを微細加工することで形成されるＭＥＭＳマイクチップを、それぞれ実装基板上に実装した状態、あるいは半導体基板を切断して個片化したＭＥＭＳマイクチップ単体で誘電体膜をエレクトレット化する方法が記載されている。当該技術では、一つの針状電極あるいはワイヤ電極による少なくとも１回のコロナ放電を、一つあるいは同時に複数のＭＥＭＳマイクチップに対して実施することにより、ＭＥＭＳマイクチップが備える誘電体膜をエレクトレット化する。

従来のＭＥＭＳマイクの組立フローを、図５を用いて説明する。まず、拡散工程Ｓ１０１において、多数のＭＥＭＳマイクチップが一体形成されたウェハが、半導体プロセス技術により形成される。拡散工程が完了したウェハは、組立工程に進行する。組立工程では、まず、シート貼付工程Ｓ１０２において、リングフレームに張力を有する状態で固定された粘着性シート上にウェハが貼り付けられる。次いで、プローブ検査工程Ｓ１０３において、粘着性シートに貼り付けられた状態で、ウェハ上に形成されている個々のＭＥＭＳマイクに測定用プローブ針を接触させ、電気的特性が計測される。当該計測結果に基づいて、拡散工程Ｓ１０１終了段階での良品チップが選別される。

続いて、ダイシング工程Ｓ１０４において、ウェハを粘着性シートに張り付けた状態でウェハがＭＥＭＳマイクチップ単体に分割（個片化）される。その後、ＵＶ照射／ピックアップ工程Ｓ１０５において、粘着性シートにＵＶ（Ultra Violet）光を照射して接着力を低下させ、プローブ検査工程Ｓ１０３において良品と判定されたＭＥＭＳマイクチップが一個ずつピックアップされトレイに移載される。

トレイに移載されたＭＥＭＳマイクチップは、エレクトレット化／着電量検査工程Ｓ１０６において、トレイから一個ずつエレクトレット化の処理位置へ移載されて固定される。当該状態で、上述したエレクトレット化処理が実施され、エレクトレット化処理が完了したＭＥＭＳマイクチップは、着電量検査装置の処理位置へ移載されて固定される。当該状態で、エレクトレット膜が所定の着電量になっているか否かの検査が実施される。当該検査の結果に基づいて、ＭＥＭＳマイクチップは、着電量検査に関する良品と不良品に選別され、それぞれ金属トレイに移載される。良品として選別されたＭＥＭＳマイクチップ個片は、アニール工程Ｓ１０７において、金属トレイに載せた状態で熱処理が行われる。その後、ダイスボンド工程Ｓ１０８において、熱処理が完了したＭＥＭＳマイクチップが、金属トレイから実装基板上の取付位置に一個ずつ移載され接着される。最後に、モジュール組立工程Ｓ１０９において、実装されたＭＥＭＳマイクチップと実装基板との間のワイヤボンディングや金属キャップの取り付けが行われる。

以上のように、図５に示す組立工程では、ＵＶ照射／ピックアップ工程Ｓ１０５からダイスボンドＳ１０８までが、個片化したＭＥＭＳマイクチップを、トレイに載せて工程間を移動するとともに各ＭＥＭＳマイクチップを各設備内で移載および処理する工程になる。
特開２００７−２９４８５８号公報

上記のようにシリコンウェハを、半導体プロセスを用いて加工して製作するＭＥＭＳマイクは、ＭＥＭＳマイクチップを実装基板上に実装した状態あるいはＭＥＭＳマイクチップ単体でコンデンサを構成する誘電体膜をエレクトレット化する。このため、組立工程では実装基板に実装した状態や個片化されたチップ状態で搬送および処理する工程が多くなる。ＭＥＭＳマイクチップは薄層を壁面の１つとして有する中空部を有しているため、チップ状態では極めて脆い構造である。そのため、移載時にチップを吸着する部位や、実装基板等への固定時にチップを掴む部位が限られる。その限られた支持部位を吸着あるいは掴むためには、位置ズレが発生しないように、画像認識等によって、支持対象のチップの位置を認識する精度を高めるとともに、支持したときにチップに加わる圧力も狭い範囲で厳密に制御する必要がある。このため、チップ状態で処理を行う工程の処理設備が複雑化し、生産性を向上させることが困難になっている。また、設備も高額になる。

本発明は、上記従来の事情を鑑みて提案されたものであって、微小コンデンサマイクロホンの組立工程の生産性を向上させるとともに設備費用を低減することができる微小コンデンサマイクロホンの製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決し目的を達成するために、本発明は以下の技術的手段を採用している。まず、本発明は、基板上に形成された第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の上方に中空部を介して形成された第２の電極膜とを有し、前記第１の電極膜の下部の基板が、前記第１の電極膜の周辺部を除いて除去されてなる微小コンデンサマイクロホンの製造方法を前提としている。そして、本発明に係る微小コンデンサマイクロホンの製造方法では、複数の前記微小コンデンサマイクロホンが、同一基板上に形成される。次いで、形成された各微小コンデンサマイクロホンが備える誘電体膜に、それぞれ電荷を固定する着電が行われる。そして、各誘電体膜の着電量を検査する着電量検査が実施された後、複数の微小コンデンサマイクロホンが形成された基板をダイシングすることにより、各微小コンデンサマイクロホンが個片に分離される。本発明では、少なくとも上記電着を行う工程が、複数の微小コンデンサマイクロホンが同一基板上に形成された基板状態で実施される。

この微小コンデンサマイクロホンの製造方法において、上記電着を実施した後、各微小コンデンサマイクロホンに基板状態でアニール処理を施す工程が実施されてもよい。また、以上の微小コンデンサマイクロホンの製造方法において、各誘電体膜の着電量を検査する着電量検査は、基板状態で行うこともできる。さらに、以上の微小コンデンサマイクロホンの製造方法は、個片に分離された各微小コンデンサマイクロホンを、実装基板にダイスボンドする工程を含んでもよい。

本発明によれば、基板状態で搬送ならびに処理を行う構成であるため、ウェハ単位で連続的に微小コンデンサマイクロホンを製造することが可能であり、生産性が向上する。また、設備の複雑化を抑制して設備費用を低減することができる。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。本発明に係る微小コンデンサマイクロホン（ＭＥＭＳマイク）の製造方法は、エレクトレット化／着電量検査工程ならびにアニール工程をウェハ状態で処理し、実装基板へのダイスボンド工程直前までの工程をウェハ状態で連続処理することを可能にして生産性を向上させるものである。

（第１の実施形態）
図１は、半導体プロセス技術を用いてシリコンウェハを加工して製作されるＭＥＭＳマイクチップの構造を示す断面図である。図１に示すように、ＭＥＭＳマイクチップ４３は、中央部に開口を有するシリコンウェハ（シリコンダイヤフラム）からなる基台３４を備える。基台３４の開口部は、振動膜３３により閉塞されている。振動膜３３の基台３４と反対側の面には、エレクトレット化の対象の無機誘電体膜３２が形成されている。無機誘電体膜３２と対向する位置には、スペーサ部３７により支持された固定電極３１が配置されている。固定電極３１には、複数の音孔（音波を振動膜３３に伝える開口部）３５が設けられている。無機誘電体膜３２と固定電極３１との間にはエアギャップ３６が設けられている。エアギャップ３６は、拡散工程途中において、この部分を埋めていた犠牲層をエッチング除去することにより形成される。なお、本構成では、振動膜３３がコンデンサの一方の電極として機能し、固定電極３１がコンデンサの他方の電極として機能する。また、振動膜３３は、振動膜３３の周辺部のみがシリコンウェハに支持されており、シリコンウェハの開口から振動膜３３の一面が露出している。

また、図２は、図１に示すＭＥＭＳマイクチップ４３の平面図である。なお、図２に示すＡ−Ａ線における断面が図１の断面図に対応する。図２に示すように、基台３４の無機誘電体膜３２が形成された側には、電極パッド４０、４１、４２が設けられている。図示を省略しているが、パッド４０は固定電極３１に電気的に接続されている。また、パッド４１は、スペーサ部３７を貫通する配線により振動膜３３に電気的に接続されており、パッド４２は基台３４に電気的に接続されている。各パッド４０、４１、４２は、検査時のプローブ針の接触ならびに組立時のワイヤボンディングに用いられる。

図１および図２から、ＭＥＭＳマイクチップ４３は額縁状の基台３４、エアギャップ３６ならびに薄い膜厚からなる固定電極３１、振動膜３３を備える構造体であることがわかる。したがって、外部からの圧力に対して極めて破損しやすい。このため、従来、組立工程で使用される設備は、この極めて弱い構造のＭＥＭＳマイクチップを移載ならびに固定するための、繊細で複雑なメカニズムを備える必要があり、高価であった。また、高速での移載処理が困難なため処理スピードも遅く、さらに故障頻度が高いため、保守保全に多大な工数が必要であった。

図３は、本実施の形態によるＭＥＭＳマイクの組立手順を示すフロー図である。本実施形態では、まず、拡散工程Ｓ１において、ウェハ（シリコン基板）上に、半導体プロセス技術を用いて複数のＭＥＭＳマイクチップが形成される。拡散工程Ｓ１が完了すると、シート貼付工程Ｓ２において、リングフレームに張力を有する状態で固定された粘着性シート上に、ＭＥＭＳマイクチップが形成されたウェハが貼り付けられる。ここでは、ウェハは、図１に示すシリコン基板３４側の面が粘着性シートに接触する状態で貼り付けられる。これにより、以降で実施されるエレクトレット化および着電量検査を行う工程において、エレクトレット化および着電量検査を行うプローバのステージ上にウェハが吸着固定された際に、振動膜３３等の破損を防止することができる。なお、粘着シートは、一方面のみが粘着性を有するシートであり、紫外光を照射することにより粘着性を低下させることができるようになっている。

エレクトレット化／着電量検査工程Ｓ３では、プローバのステージ上に、粘着性シートのウェハが貼り付けられていないシート裏面が吸着固定される。この状態で、無機誘電体膜３２がエレクトレット化される。

図４は、当該工程で使用されるプローバの構成を模式的に示す要部断面図である。図４に示すように、プローバは、粘着性シート８０に貼り付けられたウェハが載置されるステージ８１を備える。ステージ８１と対向する位置には、針状電極５１が配置されている。針状電極５１には、針状電極５１にコロナ放電を発生させるための高圧電源５３が接続されている。また、ステージ８１と針状電極５１との間には、ＭＥＭＳマイクチップ４３に形成されているパッド４０、４１の配置に対応して配設されたプローブピン７０、７１を備えるプローブカード７５固定されている。プローブピン７１は接地電位に接続されており、プローブピン７０、７１には、プローブピン７０とプローブピン７１との間に電位差を付与する可変電圧電源５５が接続されている。また、プローブカード７５は、同一ウェハ上で既にエレクトレット化が完了したＭＥＭＳマイクチップ４４が備えるパッド４０、４１、４２の配置に対応して配設されたプローブピン７２、７３、７４を備えている。プローブピン７２、７３、７４は着電量を検査する着電量検査機５６に接続されている。

上述のプローバを用いてエレクトレット化および着電量検査を行う場合、粘着シート８０に貼り付けられたウェハがステージ８１上に載置され、ステージ８１上に固定される。そして、最初にエレクトレット化されるＭＥＭＳマイクチップ４３ａが針状電極５１の直下に位置する状態にステージ８１が水平移動する。その後、ステージ８１が上昇し、エレクトレット化対象のＭＥＭＳマイクチップ４３ａのパッド４０、４１に、プローブカード７５のプローブピン７０、７１が接触する。

プローブピン７０、７１がパッド４０、４１に接触すると、可変電圧電源５５が電圧を印加し、プローブピン７０とプローブピン７１との間に電位差を付与する。上述のように、プローブピン７０が接触するパッド４０は固定電極３１（図１参照）に電気的に接続され、プローブピン７１が接触するパッド４１は振動膜３３（図１参照）に電気的に接続されている。このため、可変電圧電源５５により、固定電極３１と振動膜３３との間に電位差が付与される。

この状態で、高圧電源５３が針状電極５１に電圧を印加する。これにより、針状電極５１にコロナ放電が発生する。図４に示すプローバでは、針状電極５１に負電位が印加され、固定電極３１に負電位が印加され、振動膜３３に接地電位が印加されている。このため、コロナ放電による負イオンは、プローブカード７５に設けられた開口およびエレクトレット化対象のＭＥＭＳマイクチップ４３ａの固定電極３１が備える音孔３５（図１参照）を通じて、無機誘電体膜３２に照射される。無機誘電体膜３２がエレクトレット化されるにつれて、固定電極３１と無機誘電体膜３２との間の電位差は減少する。そして、最終的に、固定電極３１と無機誘電体膜３２との間の電位差がゼロになると、コロナ放電による負イオンが無機誘電体膜３２に到達しなくなる。これにより、ＭＥＭＳマイクチップ４３ａの無機誘電体膜３２が負電荷でエレクトレット化される。なお、プローブカード７５の開口には、比較的高い抵抗体を介して接地電位に接続されたカバー５７が配置されている。カバー５７は、ウェハ上で、ＭＥＭＳマイクチップ４３ａに隣接するＭＥＭＳマイクチップへ向かうイオンの経路を遮断している。

所定の着電量に達するに十分な時間が経過し、無機誘電体膜３２のエレクトレット化が完了すると、ステージ８１は、下降するとともに、半導体基板上でエレクトレット化が完了したＭＥＭＳマイクチップに隣接するＭＥＭＳマイクチップが針状電極５１の開口の直下に位置する状態にステージ８１が水平移動する。そして、ステージ８１が上昇し、上述した手法により、当該ＭＥＭＳマイクチップのエレクトレット化が実施される。

また、図４に示すプローバでは、エレクトレット化対象のＭＥＭＳマイクチップ４３ａのパッド４０、４１にプローブピン７０、７１が接触しているとき、プローブピン７２、７３、７４は、ウェハ上での他のＭＥＭＳマイクチップ４４の各パッド４０、４１、４２に接触する。したがって、プローブピン７２は、当該ＭＥＭＳマイクチップ４４の固定電極３１に、プローブピン７３は、ＭＥＭＳマイクチップ４４の振動膜３３に、プローブピン７４は、ＭＥＭＳマイクチップ４４の基台（シリコン基板）３４にそれぞれ接続される。このため、着電量検査機５６により、エレクトレット化対象のＭＥＭＳマイクチップ４３ａのエレクトレット化と並行して、同一ウェハ上で既にエレクトレット化が完了したＭＥＭＳマイクチップ４４の着電量検査を順次実施することができる。

続いて、ＵＶ照射／シート剥離工程Ｓ４において、粘着性シートのシート裏面にＵＶ光が照射される。これにより、粘着性シートの粘着力を弱め、粘着性シートからウェハが剥離される。剥離されたウェハは、アニール工程Ｓ５において、約２００℃でアニールされる。当該アニール処理により、無機誘電体膜３２のエレクトレット化をより強固なものとするとともに、無機誘電体膜３２以外の部位に帯電した電荷が除去される。

第２のシート貼付工程Ｓ６では、上述したシート貼付工程Ｓ２と同様に、ウェハを粘着シートが張られたリング上に貼り付ける。貼り付けられたウェハは、ダイシング工程Ｓ７においてウェハのダイシングを行い、ＭＥＭＳマイクチップが個片チップに分離される。

次にＵＶ照射／ダイスボンド工程Ｓ８においてＭＥＭＳマイクチップとは反対側の粘着シート面からＵＶ照射を行いシートの接着力を弱めて、エレクトレット化／着電量検査工程Ｓ３で良品と判断された良品チップ個片のみを、リング上の粘着シートから実装基板上の取付位置に移載し接着する。本工程では、ＭＥＭＳマイクチップから出力される信号を増幅するＣＭＯＳ・ＡＭＰチップも、ＭＥＭＳマイクチップと同様に実装基板に接着される。ここで、ＣＭＯＳ・ＡＭＰチップとは、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）プロセスにより形成された増幅回路が形成された半導体チップである。

次にモジュール組立工程Ｓ９では、実装基板に接着されたＭＥＭＳマイクチップおよびＣＭＯＳ・ＡＭＰチップと実装基板間、および両チップ間をワイヤボンディングで配線し、封止用金属キャップの取り付けを行う。

以上のように本発明によるＭＥＭＳマイクチップの組立工程では、従来の工程と比較してエレクトレット化／着電量検査工程ならびにアニール工程をウェハ状態のまま行うことができる。また、一方で、個片化したＭＥＭＳマイクチップを単体で処理する工程はＵＶ照射／ダイスボンド工程Ｓ８において、個片にしたそれぞれのＭＥＭＳマイクチップをピックアップして実装基板へ移載する１回だけとなり、工程Ｓ２〜Ｓ７がウェハ状態での連続処置とすることができる。このため、個片化により中空状態で脆くなったＭＥＭＳマイクチップをトレイに載せて、工程間を移動する作業をなくすことができる。

さらに従来のプローブ検査工程Ｓ１０３において、固定電極３１と振動膜３３間の容量測定を行い、良品、不良品を判定していたが、本発明の工程ではエレクトレット化／着電量検査工程Ｓ３の着電量検査において、固定電極３１と振動膜３３間にバイアスを印加して容量を測定し、これから演算で着電量を求めるようにした、すなわち容量測定と着電量検査の両方を実施するようにしたことでプローブ検査工程を削除できるという利点も有している。

ここで、従来の組立工程と本発明の組み立て工程とを比較すると次のようになる。図５に示す従来の組立フローでは、ＵＶ照射／ピックアップ工程Ｓ１０５で、粘着シートからＭＥＭＳマイクチップ個片をトレイに移載する工程が１回、移載後トレイをエレクトレット化装置まで搬送し、そこで個片をエレクトレット化装置へ移載・固定する工程が１回、エレクトレット化装置から個片を着電検査装置へ移載・固定する工程が１回行われる。次に、着電検査装置から個片をピックアップし金属トレイに移載する工程が１回、移載後に金属トレイをアニール装置まで搬送する工程が１回、アニール後、アニール装置から金属トレイをダイスボンド装置まで搬送して個片をダイスボンド装置に移載する工程が１回行われる。すなわち、従来の組立工程は、個片状態での移載工程を５回、金属トレイで個片を搬送する工程を３回実施する必要がある。これに対し、本発明では上に述べたように移載工程は１回であり、金属トレイによる搬送工程は存在しない。

各組立設備での個片化したＭＥＭＳマイクチップの移載には、図１のエアギャップ３６上部の固定電極３１を吸着すると破損させるため、スペーサ部３７上面の固定電極３１（チップ外周部）をコレットで吸着しなければならない。また、吸着時の位置ズレを防止するために画像認識等を使用してコレットの位置精度を高める必要がある。また、組立設備の処理位置に個片を固定するために、基台３４の最も厚い部分を側面から掴む必要があるが、基台３４は圧力に対する強度がないため、チャック位置精度と厳しい圧力管理が要求される。このため高価なメカニズムが必要で、固定処理に時間も要する。本発明の組立工程では個片の移載や固定回数を大幅に低減するとともにトレイによる搬送をなくしたので大幅な設備費用の削減と生産性の向上が達成できる。

なお、以上で説明した実施形態は本発明の技術的範囲を制限するものではなく、既に記載したもの以外でも、本発明の範囲内で種々の変形や応用が可能である。例えば、上記実施形態では、エレクトレット化と着電量検査とを並行して実施したが、エレクトレット化と着電量検査とは、個別に行われてもよい。また、上記では、エレクトレット化対象の誘電体膜が無機誘電体膜である場合について説明したが、本発明は、エレクトレット化対象の誘電体膜が有機誘電体膜である場合にも適用可能である。

本発明は、シリコンの微細加工技術を用いて製作するＭＥＭＳマイクの組立における生産性向上と設備費用削減という効果を奏し、移動体通信機に搭載される超小型のＭＥＭＳマイク等の微小コンデンサマイクの製造方法として有用である。

ＭＥＭＳマイクチップを示す断面図 ＭＥＭＳマイクチップを示す平面図 本発明の一実施形態におけるＭＥＭＳマイクの組立フローを示すフロー図 本発明の一実施形態におけるエレクトレット化装置を示す要部断面図 従来のＭＥＭＳマイクの組立フローを示すフロー図

符号の説明

３１ 固定電極
３２ 無機誘電体膜
３３ 振動膜
３４ シリコン基板
３５ 音孔
３６ エアギャップ
３７ スペーサ部
４０ 固定電極パッド
４１ 変動膜バッド
４２ シリコン基板パッド
４３ ＭＥＭＳマイクチップ
４３ａ エレクトレット化対象のＭＥＭＳマイクチップ
４４ エレクトレット化が完了したＭＥＭＳマイクチップ
５１ 針状電極
５３ 高圧電源
５５ 可変電圧電源
５６ 着電量検査機
５７ カバー
７０ プローブピン（ＭＥＭＳマイクチップ４３ａのパッド４０に接触）
７１ プローブピン（ＭＥＭＳマイクチップ４３ａのパッド４１に接触）
７２ プローブピン（ＭＥＭＳマイクチップ４４のパッド４０に接触）
７３ プローブピン（ＭＥＭＳマイクチップ４４のパッド４１に接触）
７４ プローブピン（ＭＥＭＳマイクチップ４４のパッド４２に接触）
７５ プローブカード
８０ 粘着シート
８１ ステージ

Claims (4)

1. 基板上に形成された第１の電極膜と、前記第１の電極膜上に形成された誘電体膜と、前記誘電体膜の上方に中空部を介して形成された第２の電極膜とを有し、前記第１の電極膜の下部の基板が、前記第１の電極膜の周辺部を除いて除去されてなる微小コンデンサマイクロホンの製造方法であって、
   複数の前記微小コンデンサマイクロホンを、同一基板上に形成する工程（ａ）と、
   形成された各微小コンデンサマイクロホンの前記誘電体膜にそれぞれ電荷を固定する着電を行う工程（ｂ）と、
   前記各誘電体膜の着電量を検査する着電量検査工程（ｃ）と、
   前記複数の微小コンデンサマイクロホンが形成された基板をダイシングし、各微小コンデンサマイクロホンを個片に分離する工程（ｄ）と、
   を含み、
   少なくとも前記工程（ｂ）を複数の微小コンデンサマイクロホンが同一基板上に形成された基板状態で行うことを特徴とする微小コンデンサマイクロホンの製造方法。
2. 前記工程（ｂ）を実施した後、各微小コンデンサマイクロホンに基板状態でアニール処理を施す工程（ｅ）をさらに含む請求項１に記載の微小コンデンサマイクロホンの製造方法。
3. 前記工程（ｃ）を基板状態で行う請求項１または請求項２に記載の微小コンデンサマイクロホンの製造方法。
4. 前記工程（ｄ）において個片に分離された各微小コンデンサマイクロホンを、実装基板にダイスボンドする工程（ｆ）をさらに含む請求項１から３のいずれか１項に記載の微小コンデンサマイクロホンの製造方法。

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