JP5258908B2 - Monolithic capacitive transducer - Google Patents
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Description
本特許文献は、小型静電容量トランスデューサなどのモノリシック静電容量トランスデューサに関する。 This patent document relates to monolithic capacitive transducers such as small capacitive transducers.
小型微小マイクロホンは、種々の用途において大変な好評を得ている。このような微小マイクロホンは、サブミリメートルサイズ、大量生産による低コスト、より低い電力消費量、より高い感度および信頼性のため、例えば、補聴器、携帯電話、PDA、ラップトップコンピュータ、MP3、デジタルカメラその他の用途において、従来のエレクトレットコンデンサ・マイクロホン(ECM)に取って代わる次世代製品として広く認識されている。すべての微小マイクロホンの中でも、静電容量コンデンサ型マイクロホンは、より小さいサイズおよびより高感度その他のために、圧電式またはマグネット式微小マイクロホンなどの他の技術方式に勝る多くの利点を有する。 Miniature microphones have gained great popularity in various applications. Such micro-microphones are sub-millimeter size, low cost due to mass production, lower power consumption, higher sensitivity and reliability, for example, hearing aids, mobile phones, PDAs, laptop computers, MP3, digital cameras etc. Is widely recognized as a next-generation product that replaces the conventional electret condenser microphone (ECM). Among all micro microphones, capacitive condenser microphones have many advantages over other technical schemes such as piezoelectric or magnet micro microphones due to their smaller size and higher sensitivity and others.
微小コンデンサマイクロホンは通常、音圧検知素子(一般的に可変キャパシタ)とプリアンプIC回路から成る。平行平板キャパシタを有するコンデンサマイクロホンの1つの先行技術の例が特許文献1に開示されている。先行技術によるコンデンサマイクロホンは、平行平板可変キャパシタの構造および検知動作のため、以下に述べるいくつかまたはすべての欠点を有する。 A micro condenser microphone usually comprises a sound pressure sensing element (generally a variable capacitor) and a preamplifier IC circuit. One prior art example of a condenser microphone having a parallel plate capacitor is disclosed in US Pat. Prior art condenser microphones have some or all of the disadvantages described below due to the structure and sensing behavior of parallel plate variable capacitors.
第一に、ダイヤフラム上の残留膜応力は、マイクロホンの感度を低下させる。柔軟なダイヤフラムは通常、誘電材料と導電材料の薄膜から作られているので、膜形成後にも残留応力が存在するため、この残留応力を制御および低減することは非常に困難である。ダイヤフラム上の応力はマイクロホンの感度に直接影響する。圧縮残留応力により、不良の、座屈したダイヤフラムが生じる。引張り応力は、マイクロホンの感度を極度に低下させるかまたは、最悪の場合にはダイヤフラムを完全に破壊する。 First, residual film stress on the diaphragm reduces microphone sensitivity. Since flexible diaphragms are usually made from thin films of dielectric and conductive materials, there is residual stress even after film formation, so it is very difficult to control and reduce this residual stress. The stress on the diaphragm directly affects the microphone sensitivity. The compressive residual stress results in a defective, buckled diaphragm. Tensile stress severely reduces the sensitivity of the microphone or, in the worst case, completely destroys the diaphragm.
第二に、可撓性ダイヤフラムと剛性のバックプレートとの間の吸着により、微細加工中に欠陥デバイスを生じるか、または操作中に誤動作を生じる可能性がある。柔軟なダイヤフラムとバックプレートとの間の隙間が約数ミクロンである場合、体積に対する表面積の比が増加し、それに応じて吸着を引き起こす表面力が増加するため、ダイヤフラムはより大きな確率で固定されたバックプレートに付着するであろう。吸着は犠牲層エッチングの湿式工程中に吊り下げられた柔軟なダイヤフラムの十分な分離を妨げ、固定されたバックプレートへの永続的な付着を生じる可能性がある。操作中に、マイクロホンが湿った環境に曝される場合、水蒸気が凝結し、ダイヤフラムおよびバックプレート面上に水の膜を形成する可能性がある。2つの表面間の隙間が操作中に低減すると、1つの表面の水の膜は反対の表面に接触し、2つの表面は密着するであろう。 Second, the adsorption between the flexible diaphragm and the rigid backplate can cause defective devices during microfabrication or malfunction during operation. If the gap between the flexible diaphragm and the backplate is about a few microns, the ratio of surface area to volume increases and the surface forces that cause adsorption increase accordingly, so the diaphragm is fixed with a greater probability Will adhere to the back plate. Adsorption prevents full separation of the flexible diaphragm suspended during the wet process of sacrificial layer etching and can result in permanent attachment to the fixed backplate. During operation, if the microphone is exposed to a moist environment, water vapor can condense and form a film of water on the diaphragm and backplate surface. If the gap between the two surfaces is reduced during operation, the water film on one surface will contact the opposite surface and the two surfaces will adhere.
第三に、「スクイーズ膜」空気制動は、高周波応答に影響を及ぼし、マイクロホン構造に圧力変化を生成することにより、マイクロホン出力にノイズを生じる原因となる。サブミリメートルサイズの静電容量コンデンサマイクロホンについては、緩衝増幅器の入力を効果的に駆動できる範囲内に静電容量値を維持するために、空隙を数ミクロンまで狭める必要がある。しかし、空隙が狭まるに伴い、「スクイーズ膜」制動効果は、ダイヤフラムとバックプレート間に封入された空気の粘性流のために急速に増加する。「スクイーズ膜」空気制動はまた、マイクロホンの感度に影響を及ぼす。 Third, “squeeze membrane” air braking affects the high frequency response and causes noise in the microphone output by generating pressure changes in the microphone structure. For sub-millimeter size capacitive condenser microphones, the air gap needs to be reduced to a few microns to maintain the capacitance value within a range that can effectively drive the input of the buffer amplifier. However, as the air gap narrows, the “squeeze film” braking effect increases rapidly due to the viscous flow of air enclosed between the diaphragm and the backplate. “Squeeze membrane” air braking also affects the sensitivity of the microphone.
第四に、ダイヤフラムの「引き込み」効果はDCバイアス電圧を低減し、したがって、マイクロホンの感度を低下させる。ダイヤフラムとバックプレート間のDCバイアス電圧が高くなると、感度がより高くなる。DCバイアス電圧が高くなると、ダイヤフラムとバックプレート間により大きな静電引力が発生する。しかし、いくつかの先行技術の例では、ダイヤフラムとバックプレート間の隙間は数ミクロンまで狭められており、また、一定の音圧レベルの下で若干の撓みを持たせるために、ダイヤフラムの機械的コンプライアンスはかなり低く維持されている。より大きな静電引力は、ダイヤフラムの機械的復元力に打ち勝って、柔軟なダイヤフラムを小さい隙間を越えて吸引し、バックプレートに接触させる可能性がある。この現象は「引き込み」効果と称される。 Fourth, the “pull-in” effect of the diaphragm reduces the DC bias voltage, thus reducing the sensitivity of the microphone. The sensitivity increases as the DC bias voltage between the diaphragm and the backplate increases. When the DC bias voltage increases, a large electrostatic attraction is generated between the diaphragm and the back plate. However, in some prior art examples, the gap between the diaphragm and the backplate is narrowed to a few microns, and the diaphragm mechanically is allowed to have some deflection under a certain sound pressure level. Compliance remains fairly low. Greater electrostatic attraction can overcome the mechanical restoring force of the diaphragm, attracting the flexible diaphragm through a small gap and contacting the back plate. This phenomenon is called the “pull-in” effect.
第五に、周囲のフレームにより完全に拘束されるサブミリメートルサイズのダイヤフラムは、マイクロホンの感度を低下させる。ダイヤフラムのコンプライアンスは、所定のダイヤフラム材料のサイズおよび厚さが低減するに伴い、急激に減少する傾向がある。音圧に対するダイヤフラムの機械的コンプライアンス/剛性は、ダイヤフラムのサイズの4乗で大きさが変化する。 Fifth, a submillimeter size diaphragm that is fully constrained by the surrounding frame reduces the sensitivity of the microphone. Diaphragm compliance tends to decrease rapidly as the size and thickness of a given diaphragm material decreases. Diaphragm mechanical compliance / stiffness to sound pressure varies with the fourth power of the diaphragm size.
第六に、平行平板型静電容量コンデンサマイクロホンの小さい空隙および柔軟なダイヤフラムは、高い音圧レベルが可撓性ダイヤフラムを駆動して、小さい空隙を越えてバックプレートに接触させるため、大きなダイナミックレンジを提供することができない。
第七に、可撓性ダイヤフラムと剛性の固定されたバックプレート間の寄生容量はマイクロホンの性能を劣化させる。ダイヤフラムとバックプレート間の静電容量は2つの部分を有する。第1部分は音響信号によって変動し、マイクロホンにとって好ましい。第2部分は、音響信号によって変化しない寄生容量である。寄生容量は性能を劣化させるので、最小化する必要がある。しかし、寄生容量は先行技術における平行平板型シリコンマイクロホンの構成に関係している。
Sixth, the small air gap and flexible diaphragm of the parallel plate capacitive condenser microphone has a large dynamic range because the high sound pressure level drives the flexible diaphragm to contact the back plate across the small air gap. Can not provide.
Seventh, the parasitic capacitance between the flexible diaphragm and the rigid fixed backplate degrades the performance of the microphone. The capacitance between the diaphragm and the back plate has two parts. The first part varies with the acoustic signal and is preferred for the microphone. The second part is a parasitic capacitance that does not change depending on the acoustic signal. Parasitic capacitance degrades performance and must be minimized. However, the parasitic capacitance is related to the configuration of the parallel plate type silicon microphone in the prior art.
最後に重要なこととして、平行平板型静電容量コンデンサマイクロホンは、製造するのがかなり複雑であり、高コストになる。現時点では、先行技術では、マイクロホンの大量生産のための経済的な製造方法を提供することが不可能である。先行技術において開示されている検知素子のいくつかの製造方法は、標準的なIC CMOS製造工程と互換性がなく、より大きなハイブリッドパッケージおよびより高い製造コストをもたらす。 Last but not least, parallel plate capacitive condenser microphones are quite complex to manufacture and costly. At present, the prior art cannot provide an economical manufacturing method for mass production of microphones. Some methods of manufacturing sensing elements disclosed in the prior art are not compatible with standard IC CMOS manufacturing processes, resulting in larger hybrid packages and higher manufacturing costs.
静電容量トランスデューサは第1面と第2面を有する基体を含む。基体の第1面は第1平面を画定する。基体は、内側周辺縁を備える空洞を有する。空洞は第1面と第2面との間に広がる。外側周辺縁を有する本体が設けられる。本体は第1面に対して平行であり、空洞を少なくとも部分的に閉鎖している。本体は弾力性のあるヒンジ、即ちバネ力を有するヒンジにより基体に接続されており、力を加えると、本体が第1面と垂直に移動する。第1の一連の櫛形フィンガは基体に取り付けられる。第1の一連の櫛形フィンガは第1電気接続体に接続される。第2の一連の櫛形フィンガは本体に取り付けられ、本体の外側周辺縁を越えて延びる。第2の一連の櫛形フィンガは、第1接続体から分離されている第2電気接続体に接続される。第1の一連の櫛形フィンガおよび第2の一連の櫛形フィンガは、本体が移動すると、第1の一連の櫛形フィンガおよび第2の一連の櫛形フィンガが相対間隔を維持するように、相互に入り込む。第1の一連の櫛形フィンガおよび第2の一連の櫛形フィンガは静電容量を生成する。静電容量は、第1の一連の櫛形駆動フィンガと第2の一連の櫛形駆動フィンガとの相対位置に関係する。 The capacitive transducer includes a substrate having a first surface and a second surface. The first surface of the substrate defines a first plane. The substrate has a cavity with an inner peripheral edge. The cavity extends between the first surface and the second surface. A body having an outer peripheral edge is provided. The body is parallel to the first surface and at least partially closes the cavity. The main body is connected to the base body by an elastic hinge , that is, a hinge having a spring force. When a force is applied, the main body moves perpendicularly to the first surface. A first series of comb fingers are attached to the substrate. The first series of comb fingers is connected to the first electrical connection. A second series of comb fingers are attached to the body and extend beyond the outer peripheral edge of the body. The second series of comb fingers is connected to a second electrical connection that is separated from the first connection. The first series of comb fingers and the second series of comb fingers interpenetrate as the body moves so that the first series of comb fingers and the second series of comb fingers maintain a relative spacing. The first series of comb fingers and the second series of comb fingers generate a capacitance. The capacitance is related to the relative position of the first series of comb drive fingers and the second series of comb drive fingers.
これらおよび他の特徴は、添付図面を参照してなされる、以下の説明からより明らかになるであろう。図面は単に例示のためであり、限定を意図するものではない。 These and other features will become more apparent from the following description, made with reference to the accompanying drawings. The drawings are for illustration only and are not intended to be limiting.
以下に説明されるデバイスは、先行技術において開示された平行平板コンデンサ型シリコンマイクロホンの欠点を克服する、より高感度、より大きなダイナミック測定レンジを備える、サブミリメートルサイズの微小静電容量コンデンサである。マイクロホンの検知素子構造は、残留応力効果、吸着、「スクイーズ膜」空気制動および「引き込み」を低減または解消する。この種のトランスデューサは、補聴器、携帯電話、PDA、ラップトップコンピュータ、MP3プレイヤ、デジタルカメラおよび他の用途に用いられる、マイクロホンおよびマイクロスピーカにおいて使用される。これはまた、加速度計、圧力センサ、ポンプのアクチュエータ、光スイッチおよび光干渉計として使用されてもよい。以下に説明される設計および製作方法はまた、小型低電圧静電駆動マイクロスピーカ、加速度計その他に対して使用される。1つの実施形態では、検知および動作構造体の製造方法は、モノリシック集積小型シリコン静電容量トランスデューサを形成する、標準的なIC COMSプロセスと互換性がある。 The device described below is a sub-millimeter sized micro-capacitance capacitor with higher sensitivity and greater dynamic measurement range that overcomes the shortcomings of the parallel plate capacitor silicon microphone disclosed in the prior art. The microphone sensing element structure reduces or eliminates residual stress effects, adsorption, “squeeze film” air braking and “retraction”. This type of transducer is used in microphones and microspeakers used in hearing aids, cell phones, PDAs, laptop computers, MP3 players, digital cameras and other applications. It may also be used as an accelerometer, pressure sensor, pump actuator, optical switch and optical interferometer. The design and fabrication methods described below are also used for small low voltage electrostatic drive microspeakers, accelerometers and others. In one embodiment, the sensing and operating structure fabrication method is compatible with a standard IC COMS process that forms a monolithically integrated miniature silicon capacitive transducer.
検知または作動を可能にする垂直櫛形駆動構造は、先行技術の例における平行平板型の静電容量検知および作動において、ダイヤフラム上の薄膜応力、「引き込み」効果および「スクイーズ膜」空気制動を解消する。デバイスの作用静電容量は、インターデジタル垂直櫛形フィンガにより得られる。垂直櫛形フィンガ構造は、微細加工上の難題および性能の犠牲を伴う、バックプレートの必要性をなくする。ここでの説明は、より高い感度、より広いダイナミックレンジを備えるサブミリメートルサイズのシリコン静電容量マイクロホンと、低電力消費および低駆動電圧の小型静電駆動マイクロスピーカと、更には小型静電容量加速度計等との両方に対する、設計および微細加工方法を提供する。 Vertical comb drive structure that enables sensing or actuation eliminates thin film stress, "pull-in" effect and "squeeze membrane" air braking on diaphragm in parallel plate capacitive sensing and actuation in prior art examples . The working capacitance of the device is obtained by interdigital vertical comb fingers. The vertical comb finger structure eliminates the need for a backplate, with micromachining challenges and performance sacrifices. The discussion here includes sub-millimeter size silicon capacitive microphones with higher sensitivity and wider dynamic range, small electrostatic drive microphone speakers with low power consumption and low drive voltage, and even small capacitance acceleration. Provides design and microfabrication methods for both metering and the like.
同じ構造設計の原理は、マイクロホンまたは加速度計その他に対して適用できる検知モード、またはマイクロスピーカその他に対して適用できる作動モードのいずれにも使用できる。 The same structural design principles can be used for either a sensing mode that can be applied to a microphone or accelerometer or the like, or an operating mode that can be applied to a microphone speaker or the like.
検知モード
図1、図11および図12は、例えばマイクロホンまたは加速度計として有用である、検知のために用いられるデバイス構造、設計の適切な例を示している。この実施形態では、デバイスはSOI(Siliconon Inslator:絶縁物の上のシリコン)基体を使用して形成される。静電容量トランスデューサは、基体上に付着された導電性バルクシリコンから作られ、これはまた、以下においてはキャリアウェハ12と称される。ダイヤフラム32は、長方形ダイヤフラム32のコーナー部に接続される、4つのヒンジ29a、29b、29cおよび29dにより支持される。ダイヤフラム32は力が加わると運動する物体であり、蛇行形状のシリコンヒンジ29a、29b、29cおよび29dのそれぞれによって、基体上に取り付けられる固定アンカー37a、37b、37cおよび37dに接続される。アンカー(A)37a、37b、37cおよび37dは、酸化物などの、誘電材料層11上に位置している。検知素子は、第1の一連の固定櫛形フィンガ35および下側の第2の一連の可動櫛形フィンガ36を含む、垂直櫛形駆動構造で構成されている。
Detection Mode FIGS. 1, 11 and 12 show suitable examples of device structures and designs used for detection that are useful, for example, as microphones or accelerometers. In this embodiment, the device is formed using an SOI (Silicon Insulator) substrate. The capacitive transducer is made from conductive bulk silicon deposited on a substrate, also referred to below as
可動櫛形フィンガ36のすべては、ダイヤフラム32の外側縁部上に形成される。櫛形フィンガ35および36は、図示されるように、ダイヤフラム32のすべての側面上に配置される必要はないことは理解されるであろう。例えば、フィンガは、ダイヤフラム32の2つの平行縁部上に配置されてもよい。固定櫛形フィンガ構造35は、ダイヤフラム32の周りに形成され、アンカー(B)38a、38b、38cおよび38dにより誘電材料11上に固定される。ダイヤフラム32、ヒンジ29a、29b、29cおよび29d、アンカー(A)37a、37b、37c、37d、アンカー(B)38a、38b、38cおよび38d、垂直櫛形フィンガ35および36、ならびに電気相互接続構造体39a、39bおよび39cは、同一の導電性材料の層から作られている。この導電性材料は、例えば、SOI構造におけるベースの基体12からシリコン層10を分離する、誘電材料11の層の上面に存在する、導電性単結晶シリコン10である。
All of the
電気相互接続構造体39a、39bおよび39cは、ダイヤフラム32の周りに存在する4つの固定櫛形フィンガ構造35のすべてに電気的に接続される。一方、可動櫛形フィンガ構造36はダイヤフラム32により電気的に接続される。したがって、任意のアンカー(A)37a、37b、37cおよび37dは、電気接続点として使用でき、任意のアンカー(B)38a、38b、38cおよび38dは、ハイブリッドパッケージがトランスデューサに対して要求される場合、集積オンチップIC回路に対してまたはワイヤボンディング・パッドに対して、別の電気接続点として使用できる。
図1で明らかなように、ダイヤフラム32の外側周辺縁は、空洞40の内側周辺縁に一部重なる。マイクロホンとして使用される場合、ダイヤフラム32とキャリアウェハ12とのこの重なり部分は、可動フィンガ36を備えるダイヤグラム32とキャリアウェハ12との間に長い空気流路33を形成して、ダイヤフラム32周りの漏れを低減するために必要とされる。これによりかなり高い流体抵抗を生成し、トランスデューサの低周波応答を向上させる。漏れを低減する別の方法は、可動フィンガ36を備えるダイヤグラム32とキャリアウェハ12と間の隙間を低減するために、ポリマー(図示せず)などの軽量材料を用いて、空洞40側のダイヤフラム32をコーティングすることである。これは、例えば、スパッタリングまたは他の堆積手法により実行されてもよい。堆積中、材料はまた、空洞の側面上に堆積されてもよい。しかし、これは、また隙間を低減するため、望ましくないことではない。
As apparent from FIG. 1, the outer peripheral edge of the
静電容量は櫛形フィンガの数と共に増加する。サブミリメートルサイズのダイヤフラムについては、十分な数の可動櫛形フィンガ36を形成することにより、先行技術の平行平板構造により実現される静電容量と同等のピコファラッドの作用静電容量を得ることが可能である。ダイヤフラム32は音圧などの圧力波、または加速/減速を受けると、ダイヤフラム32はピストン運動で上下に動く。ばね29a、29b、29cおよび29d、即ちバネ力を有するヒンジの蛇行形状は、全体にほぼ直線運動を生成するのに役立つ。ダイヤフラム32の運動は、可動櫛形フィンガ36と固定櫛形フィンガ35との間の静電容量の変化を監視することにより検出できる。加えて、可動櫛形フィンガ36と固定キャリアウェハ12との間の静電容量の変化が測定されてもよく、この測定方法は、例えば、静電容量の変化の差を測定することによりセンサの感度を増加させることができる。さらに、垂直櫛形フィンガ構造および柔軟なヒンジが使用されるため、静電容量の変化は、小さい櫛形フィンガのフリンジ効果によって、音圧34または加速/減速に対してより敏感になり、結果的にトランスデューサの感度がより高くなる。柔軟なヒンジは、先行技術においてダイヤフラムが放物線状の変形をする代わりに、ダイヤフラム32がピストン運動を維持するのを助ける。
The capacitance increases with the number of comb fingers. For sub-millimeter sized diaphragms, it is possible to obtain a picofarad working capacitance equivalent to that achieved by the prior art parallel plate structure by forming a sufficient number of
ダイヤフラム32上のエッチング穴20a、20b、20cおよび20dは、より優れた高周波応答を得るためにダイヤフラム32の質量を低減するためのものである。トランスデューサは、トランスデューサのダイヤフラム32がキャリアウェハ12の空洞40上に吊り下げられた状態で支持されているため、バックプレートを必要としない。気圧の開放はこのマイクロホンでは必要ではない。
The etching holes 20a, 20b, 20c and 20d on the
作動モード
図14、図15および図16には、例えばマイクロスピーカに対して、作動モードで使用されるように設計されているデバイスを示す。上記に説明された実施形態と同じ参照符号が使用されている。シリコン製の静電容量トランスデューサ(マイクロスピーカ)は4つのヒンジ29a、29b、29cおよび29dにより支持されるダイヤフラム32を備える。ダイヤフラム32は、蛇行形状のシリコンヒンジ29a、29b、29cおよび29dにより固定アンカーに接続される、バルク導電性シリコンから作られる。4つのヒンジは、誘電材料11上に位置する、アンカー(A)37a、37b、37cおよび37dに接続される。作動素子は、垂直櫛形駆動構造であり、複数の可動櫛形フィンガ36および複数の固定櫛形フィンガ35を含む。可動櫛形フィンガ36は、ダイヤフラム32の外側縁上に形成される。固定櫛形フィンガ35はダイヤフラム32周りに形成され、アンカー(B)38a、38b、38cおよび38dにより誘電材料11上に固定される。
Mode of Operation FIGS. 14, 15 and 16 show a device designed to be used in the mode of operation, for example for a microspeaker. The same reference numerals are used as in the embodiment described above. The silicon capacitive transducer (microspeaker) includes a
ダイヤフラム32と、ヒンジ29a、29b、29cおよび29dと、アンカー(A)37a、37b、37c、37d、アンカー(B)38a、38b、38cおよび38dと、垂直櫛形フィンガ35および36と、電気相互接続構造体39a、39bおよび39cとは、誘電材料11の上面にある導電性シリコン10の層と同一の層から作られる。電気相互接続構造体39a、39bおよび39cは、ダイヤフラム32の周りの4つの固定櫛形フィンガ構造35のすべてを電気的に接続する。アンカー(A)37およびアンカー(B)38は、集積オンチップIC回路のための、或いはトランスデューサにハイブリッドパッケージが必要な場合は結合パッドのための、電気接続点として使用される。サブミリメートルサイズまたはミリメートルサイズのダイヤフラムについては、十分な数の可動櫛形フィンガ36をダイヤフラムの縁部に形成することにより、先行技術の平行平板構造により実現される静電容量と同等の、ピコファラッドの作用静電容量を得ることが可能である。
アンカー(A)37とアンカー(B)38の間に作動電圧が加えられると、固定櫛形フィンガ35と可動フィンガ36との間に高電界が形成される。結果として生じる静電力がダイヤフラム32を駆動して、音圧波を生成する。弾力性のあるヒンジ29a、29b、29cおよび29dは、多くの先行技術のデバイスで共通である、放物線状の変形の代わりにダイヤフラム32のピストン運動を維持する。ダイヤフラム32上のエッチング穴20a、20b、20cおよび20dは、より優れた高周波応答を得るためにダイヤフラム32の質量を低減するためのものである。トランスデューサは、トランスデューサのダイヤフラム32がキャリアウェハ12の空洞40上に吊り下げられた状態で支持されているため、バックプレートを有していない。
When an operating voltage is applied between the anchor (A) 37 and the anchor (B) 38, a high electric field is formed between the fixed
上記の作動モードの実施形態と、その前に説明した検知モードの実施形態とを比較することにより、いくつかの差を示すことができる。作動モードの実施形態では、外側周辺縁は、ダイヤフラム32が空洞12を単に部分的に覆うように、空洞12の内側周辺縁内に存在する。加えて、固定櫛形フィンガ35は、その前に説明した実施形態の場合より高さが高い。これらの差は、以下により詳細に説明されるように、作動モードにおける性能を向上させることを意図している。
By comparing the above operating mode embodiment with the previously described sensing mode embodiment, several differences can be shown. In an operational mode embodiment, the outer peripheral edge is present in the inner peripheral edge of the
製造
図2から図11は検知または作動デバイスのどちらかを製造するために使用される、主プロセスの工程を示している。
Manufacturing FIGS. 2-11 illustrate the main process steps used to manufacture either sensing or actuation devices.
静電容量トランスデューサを製造するための一般的な工程は、第1に、一連の可動フィンガおよび一連の固定フィンガのうちの一方の位置を画定するために、基体上に付着される層上に第1エッチングマスクを適用することを含む。本体およびばねの位置はまた、第1マスクにより画定される。次に、第2エッチングマスクは、一連の可動フィンガ、一連の固定フィンガ、本体およびバネの位置を決めるために適用され、本体は一連の可動フィンガおよびばねに接続され、一連の可動フィンガは一連の固定フィンガに相互に入り込む。第2エッチングマスクはつぎに、層および第1エッチングマスクをエッチングするために使用される。第2エッチングマスクは除去され、層は次に、一連の可動フィンガおよび一連の固定フィンガのうちの一方の高さが、一連の可動フィンガおよび一連の固定フィンガのうちの他方の高さより低くなるように、第1エッチングマスクを使用してエッチングされる。本体、ばねおよび一連の可動フィンガは、本体へ力を加えると、本体が基体と垂直に動くように、エッチングを用いて切り離される。様々な実施形態を実現するためのこのプロセスにおける変形例は、以下の説明から明らかにされるであろう。 The general process for manufacturing a capacitive transducer is firstly on a layer deposited on a substrate to define the position of one of a series of movable fingers and a series of fixed fingers. Applying one etching mask. The location of the body and spring is also defined by the first mask. A second etch mask is then applied to position the series of movable fingers, the series of fixed fingers, the body and the spring, the body connected to the series of movable fingers and the spring, and the series of movable fingers Interpenetrates the fixed fingers. The second etch mask is then used to etch the layer and the first etch mask. The second etch mask is removed and the layer is then such that the height of one of the series of movable fingers and the series of fixed fingers is lower than the other of the series of movable fingers and the series of fixed fingers. The first etching mask is used for etching. The body, spring, and series of movable fingers are separated using etching so that when a force is applied to the body, the body moves perpendicular to the substrate. Variations in this process for implementing various embodiments will be apparent from the description below.
図2はトランスデューサに用いるウェハを示している。このようなウェハを作るためのプロセスはここに説明されていない。層10は、好ましくは単結晶バルクシリコンまたは低応力のポリシリコンなどの導電性材料の層である。層11は、酸化物または窒化物などの誘電材料の層である。キャリアウェハ12の材料は、通常のシリコンまたはガラスである。基体はまた、任意のSOI(絶縁物の上のシリコン)ベンダから購入することができる。様々な材料を使用できるが、SOI構造のウェハは第1の実施形態のプロセスを説明するために使用される。
FIG. 2 shows a wafer used for the transducer. The process for making such a wafer is not described here.
図3は、ウェハの上面および底面上に酸化物13および16の層を成長させた後のSOIウェハを示している。熱酸化プロセスは酸化物を成長させるために使用される。図4は、KOH(水酸化カリウム)またはTMAH(水酸化テトラメチルアンモニウム)内でのシリコン異方性エッチングと、その後にSOIウエハの上面を保護して行なわれた緩衝HF(フッ化水素酸)溶液内での酸化物エッチングの後の基板を示す。空洞14は酸化物層11に形成され、空洞40はキャリアシリコンウェハ12に形成される。空洞40はまた、シリコンの深い反応性イオンエッチング(DRIE)などの任意の他の異方性エッチング方法を用いてエッチングされる。
FIG. 3 shows the SOI wafer after growth of layers of
垂直櫛形駆動構造を形成するための重要な処理は、固定フィンガ35と可動フィンガ36の完全な位置合わせを保証することである。両方のフィンガが位置合わせされていないと、1つの可動フィンガとこれに隣接する2つの固定フィンガとの間の空隙またはその逆の空隙(1つの固定フィンガとこれに隣接する2つの可動フィンガとの間の空隙)が等しくなり、この結果、フィンの右側および左側において異なる静電力が作用して、可動フィンガ36の横方向の運動を発生させる。この望ましくない横方向の運動は、櫛形駆動構造の動作不良を引き起こす。
An important process for forming a vertical comb drive structure is to ensure perfect alignment of the fixed and
製造工程は、垂直櫛形駆動構造を微細加工するためにセルフアライメントプロセスを適用する。図5は、SOIウェハの上面における酸化物層のパターン形成を示している。酸化物のパターン形成は、通常のリソグラフィおよびRIE(反応性イオンエッチング)などの酸化物エッチングプロセスを用いて実行される。可動フィンガ上に酸化物22のパターンが形成される。領域17a、17b、17c、17d、18a、18b、18cおよび18dには、アンカー(A)37およびアンカー(B)38のためのパターンが形成される。領域21a、21bおよび21cには、電気相互接続構造体39のためのパターンが形成される。領域201a、201b、201cおよび201dには、ダイヤフラム32上にシリコンの穴20を形成するために、酸化物が存在しない。
The manufacturing process applies a self-alignment process to finely process the vertical comb drive structure. FIG. 5 shows the patterning of the oxide layer on the top surface of the SOI wafer. Oxide patterning is performed using conventional lithography and oxide etching processes such as RIE (Reactive Ion Etching). A pattern of
図6aは、フォトレジストパターン形成後の図5に示したSOIウェハを示している。このリソグラフィ工程は、可動フィンガおよびヒンジの形状を画定し、図5に示した酸化物パターンを再画定する。プロセス中の予想される大きな整列の許容差に対応するために、図5の酸化物パターンの幾何寸法は、望ましいデバイスの形状寸法より大きい。図6aに示した櫛形フィンガ25および27ならびにヒンジ26の部分Cの拡大斜視図が図6bに示されている。可動櫛形フィンガ36、固定櫛形フィンガ35、ダイヤフラム32、ならびにヒンジ29a、29b、29cおよび29dの最終形状は、それぞれ、フォトレジスト25、27、23および26により適切に画定される。酸化物層13の余分の酸化物24は、この後の酸化物RIEプロセスにより除去される。図7は、酸化物RIEエッチングプロセス後の図6におけるSOIウェハを示している。図7aに示した櫛形フィンガ25および27ならびにヒンジ26の部分Dの拡大斜視図は、図7bに示されている。
FIG. 6a shows the SOI wafer shown in FIG. 5 after formation of the photoresist pattern. This lithography process defines the shape of the movable fingers and hinges and redefines the oxide pattern shown in FIG. In order to accommodate the expected large alignment tolerances during the process, the geometry of the oxide pattern of FIG. 5 is larger than the desired device geometry. An enlarged perspective view of the
パターン形成されたフォトレジスト層は、第1シリコンDRIEエッチングに対するエッチングマスク材料として使用される。酸化物層11は第1シリコンDRIEに対するエッチング停止層として使用される。図8は第1シリコンDRIE後の基体を示している。
フォトレジストは第1シリコンDRIEエッチング後に除去される。図9bは、図9aに示される櫛形フィンガ28および30ならびにヒンジ29aの部分Eの拡大斜視図である。ヒンジ29aおよび固定櫛形フィンガ28は上面に酸化物を有していないが、可動フィンガ30およびダイヤフラム32は上面に、後続の第2シリコンDRIEエッチングのための酸化物を有する。第2シリコンDRIEエッチングにより、下側の固定櫛形フィンガ、弾力性のあるヒンジ29a、29b、29cおよび29dならびに穴20が形成される。図10bは、図10aに示した櫛形フィンガ28および30、ならびにヒンジ29aの部分Fの拡大斜視図を示している。
The patterned photoresist layer is used as an etch mask material for the first silicon DRIE etch. The
The photoresist is removed after the first silicon DRIE etch. FIG. 9b is an enlarged perspective view of the
緩衝HFによるエッチング後は、ダイヤフラム32、ヒンジ29a、29b、29cおよび29dならびに可動櫛形フィンガ36は、酸化物層11を除去された形である。完成したトランスデューサは図11および図1に示される。ここに説明された微細加工プロセスは、標準的なIC COMSプロセスと一体化するためのプロセスを含まない。しかし、当業者にとってこのような一体化を達成することは極めて容易である。図12は櫛形フィンガの構成が異なる、第2の実施形態によるマイクロホンの断面斜視図を示している。図1および図11では、可動フィンガ35は固定フィンガ36より高さが高いのに対して、図12では、可動フィンガ35と固定フィンガ36とはオフセット(offset)されている。一連のフィンガをもう一方の一連のフィンガより高さを高くしても、または高位置に配置してもよい。オフセットされたフィンガは製造するのはより困難であるが、より大きな効果的な運動範囲を有し、または作動モードにおいてより消費電力が少ない。
After the etching with buffered HF, the
図13を参照すると、櫛形フィンガ35と36の間の空隙41と、ヒンジ29a、29b、29cおよび29dと櫛形フィンガ36との間の空隙42とをそれぞれ約2μmとすることにより、トランスデューサの低周波応答に対して十分な抵抗を提供する。現在の微細加工技術を用いて空隙41および42に対して2μmが達成可能であれば、ダイヤフラム32とキャリアウェハ12間に示される長い空気流路33は不要になる。
Referring to FIG. 13, the
デバイスがマイクロスピーカとして使用されることを意図している場合、作動中にダイヤフラム32のより大きな並進により、小型のシリコンマイクロスピーカからより高い音波の圧力レベルを生成することが好ましい。そのため、図14に示されるようにより厚いシリコン層10を使用して、固定フィンガ35と可動フィンガ36との高さの差がより大きくなるようにしなければならない。このようにすると、固定フィンガ35と可動フィンガ36間の、より大きな静電力および対応するより大きな作動並進運動が期待される。より大きなシリコンの空洞40はまたキャリアウェハ12に形成され、そのため、ダイヤフラム32は、機械的な妨害なく、より大きな上下の並進運動を得る。小型のマイクロスピーカの実施形態は図14に示されている。
If the device is intended to be used as a microspeaker, it is preferable to generate higher sonic pressure levels from a small silicon microspeaker due to greater translation of
シリコン製のマイクロスピーカの利点の1つは、静電駆動のため、電力消費がより少ないことである。加えて、同一のヒンジの設計では、固定櫛形フィンガと可動櫛形フィンガとがオフセットされるように、固定櫛形フィンガと可動櫛形フィンガと間の重なり領域を低減することにより、シリコン製マイクロスピーカに対する駆動電圧を更に下げることができる。この理由は、固定櫛形フィンガと可動櫛形フィンガ35および36との間の重なり領域における電界が、ダイヤフラム32の構造的な動きを妨げるからである。固定櫛形フィンガ35と可動櫛形フィンガ36との間の重なり領域を低減するための1つの方法は、設計されたSOIウェハの製造中に、固定櫛形フィンガ35の下側部分をエッチングで取り除くことである。例えば、デバイス層は、キャリアシリコンウェハに接合される前に事前にエッチングされてもよい。図15および図16は、固定櫛形フィンガ35または可動フィンガ36のどちらかの下側部分がエッチングで取り除かれている実施形態を示している。
One advantage of silicon microspeakers is that they consume less power due to electrostatic drive. In addition, the same hinge design reduces the overlap area between the fixed and movable comb fingers so that the fixed and movable comb fingers are offset, thereby reducing the drive voltage for the silicon microspeaker. Can be further reduced. This is because the electric field in the overlap region between the fixed comb fingers and the
別の代替の実施形態は図20に示されており、この実施形態は、N型基体と複数のP型構造とで構成されている。図17の通常のN型シリコンウェハ18はトランスデューサの出発材料である。P++シリコン49の層は、図18に示されるように、エピタキシャル成長またはドーピング/拡散または注入/拡散のいずれかによりN型シリコン48の上面に形成される。P++シリコン49はトランスデューサを形成するために使用される。図19を参照すると、KOHまたはTMAHのどちらか一方でのシリコン異方性エッチングによってダイヤフラム50を形成するために、P++シリコン49をシリコンエッチング停止層として使用している。このシリコン異方性エッチングは、N型基体18をエッチングするが、P++シリコン49をエッチングしない。
Another alternative embodiment is shown in FIG. 20, which is composed of an N-type substrate and a plurality of P-type structures. The normal N-type silicon wafer 18 in FIG. 17 is the starting material for the transducer. A layer of P ++
図20に示される実施形態は、図3〜図11を参照して上記に説明されたセルフアライメントプロセス方法を使用して形成される。固定櫛形フィンガ35は、N型層とP型層の間で形成されるPN接合により、可動櫛形フィンガ36およびダイヤグラム32から電気的に絶縁される。この実施形態に基づいて作られるトランスデューサは、ウェハのコストを低減し、IC CMOSプロセスとの統合に対する適応性を増す。
The embodiment shown in FIG. 20 is formed using the self-alignment process method described above with reference to FIGS. The fixed
本特許文献において、用語の「備える(comprising)」は、非限定的な意味において使用され、この用語に続く項目が含まれるが、特別に言及されていない項目が除外されないことを意味する。不定冠詞「a」による要素の参照は、文脈が1つおよびただ1つの要素が存在することを明確に要求しない限り、1つ以上の要素が存在する可能性を排除しない。 In this patent document, the term “comprising” is used in a non-limiting sense and includes items that follow this term, but does not exclude items that are not specifically mentioned. Reference to an element by the indefinite article “a” does not exclude the possibility that more than one element exists unless the context explicitly requires that only one element exist.
特許請求の範囲において定義される精神および範囲から逸脱することなく説明した実施形態に対して変更が可能であることは、当業者には明らかであろう。 It will be apparent to those skilled in the art that modifications can be made to the embodiments described without departing from the spirit and scope as defined in the claims.
12 基体
29a、29b、29c、29d ヒンジ
32 ダイヤフラム
35 固定櫛形フィンガ
36 可動櫛形フィンガ
40 空洞
12
Claims (18)
外側周辺縁を有する長方形状に形成された本体であって、前記本体は前記第1面に対して平行であり、前記空洞を少なくとも部分的に閉鎖し、前記本体は、力を加えると、前記本体が前記第1面に対して垂直にピストン運動するように、弾力性のあるばね力を有する蛇行形状に形成されたヒンジが前記本体の各コーナーに取り付けられ、前記ヒンジが前記基体上において誘電材料層の上に位置するように取り付けられているアンカー(A)に接続されることにより前記基体の前記空洞上に吊り下げられた状態で支持される本体と、
前記基体に取り付けられ、前記本体の周りに形成され、アンカー(B)により誘電材料層上に固定される複数の第1の一連の櫛形フィンガと、
前記複数の第一の一連の櫛形フィンガのすべてを電気的に接続する第1電気接続体と、
前記本体の少なくとも2つの平行縁部上に取り付けられ、かつ前記本体の外側周辺縁を越えて延びる複数の第2の一連の櫛形フィンガであって、この第2の一連の前記櫛形フィンガは、前記第1電気接続体から絶縁されている第2電気接続体に接続され、
前記第1の一連櫛形フィンガおよび前記第2の一連の櫛形フィンガは、前記本体が移動すると、前記第1の一連の櫛形フィンガおよび前記第2の一連の櫛形フィンガが相対間隔を維持するように、相互に入り込み、前記第1の一連の櫛形フィンガおよび前記第2の一連の櫛形フィンガは、前記第1の一連の櫛形フィンガおよび前記第2の一連の櫛形フィンガとの間の相対位置に関係する静電容量を画定し、前記第2の一連の櫛形フィンガおよび前記基体は、前記第2の一連の櫛形フィンガおよび前記基体の前記第1面との相対位置との間に関係している静電容量の変化を測定する、静電容量トランスデューサ。 A substrate having a first surface and a second surface, wherein the first surface defines a first plane, the substrate having a cavity with an inner peripheral edge, the cavity having the first surface and the first surface. A base that extends between two surfaces and is tapered from the second surface toward the first surface ;
A body formed in a rectangular shape having an outer peripheral edge, wherein the body is parallel to the first surface and at least partially closes the cavity; A hinge formed in a meandering shape having an elastic spring force is attached to each corner of the main body so that the main body moves in a piston motion perpendicular to the first surface, and the hinge is dielectric on the base. A body supported in a suspended state on the cavity of the base body by being connected to an anchor (A) mounted so as to be located above the material layer ;
A plurality of first series of comb fingers attached to the substrate, formed around the body and secured on the dielectric material layer by anchors (B) ;
A first electrical connection that electrically connects all of the plurality of first series of comb fingers;
A plurality of second series of comb fingers mounted on at least two parallel edges of the body and extending beyond an outer peripheral edge of the body, the second series of comb fingers comprising: is connected to a second electric connecting member which is insulated from the first electrical connection member,
The first series of comb fingers and the second series of comb fingers are such that, as the body moves, the first series of comb fingers and the second series of comb fingers maintain a relative spacing. Interpenetrating, the first series of comb fingers and the second series of comb fingers are static in relation to a relative position between the first series of comb fingers and the second series of comb fingers. A capacitance defining a capacitance, wherein the second series of comb fingers and the substrate are related to a relative position of the second series of comb fingers and the first surface of the substrate. Capacitive transducer that measures changes in
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