JP6658126B2 - 静電容量型トランスデューサ及び音響センサ - Google Patents

Description

本願は、静電容量型トランスデューサ及び、該静電容量型トランスデューサを有する音響センサに関する。より具体的には、本発明は、ＭＥＭＳ技術を用いて形成された振動電極膜とバックプレートからなるコンデンサ構造によって構成された静電容量型トランスデューサ及び音響センサに関する。

従来から、小型のマイクロフォンとしてＥＣＭ（Electret Condenser Microphone）と
呼ばれる音響センサを利用したものが使用される場合があった。しかし、ＥＣＭは熱に弱く、また、デジタル化への対応や小型化といった点で、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて製造される静電容量型トランスデューサを利用したマイクロフォン（以下、ＭＥＭＳマイクロフォンともいう。）の方が優れていることから、近年では、ＭＥＭＳマイクロフォンが採用されつつある（例えば、特許文献１を参照）。

上記のような静電容量型トランスデューサにおいては、圧力を受けて振動する振動電極膜を、電極膜が固定されたバックプレートに空隙を介して対向配置させた形態をＭＥＭＳ技術を用いて実現したものがある。このような静電容量型トランスデューサの形態は、例えば、シリコン基板の上に振動電極膜、および振動電極膜を覆うような犠牲層を形成した後、犠牲層の上にバックプレートを形成し、その後に犠牲層を除去するといった工程により実現できる。ＭＥＭＳ技術はこのように半導体製造技術を応用しているので、極めて小さい静電容量型トランスデューサを得ることが可能である。

一方で、ＭＥＭＳ技術を用いて作製した静電容量型トランスデューサは、薄膜化した振動電極膜やバックプレートで構成されるため、過大な圧力が作用した場合等に振動電極膜が大きく変形し、破損してしまう虞があった。このような不都合は、例えば静電容量型トランスデューサ内に、大音圧が加わった場合の他、実装工程でエアブローされた場合や、当該静電容量型トランスデューサが落下した場合にも生じ得る。

これに対し、振動電極膜に圧力を解放する孔を設け、過大な圧力が作用した際に当該孔から圧力を解放する対策が考えられるが、この対策では、特に低音域での感度の低下など、静電容量型トランスデューサとしての周波数特性の悪化を招く場合があった。

また、振動電極膜と、該振動電極膜をスリットで区切って分離した一画であるプラグ部とを有しており、プラグ部はバックプレートまたは基板に対して支持構造によって振動電極膜の他の部分と同じ高さに支持されたＭＥＭＳトランスデューサの発明が公知である。この発明では、振動電極膜が膜の両側の圧力差に応答して変位することで、プラグ部との間の流動経路が拡大することによって、過大な圧力を解放する（例えば、特許文献２を参照）。

また、音響振動を振動電極膜とバックプレートにおける固定電極膜の間の静電容量の変化に変換して検出する音響センサにおいて、振動電極膜の変形前においては、バックプレートに一体に設けられた凸部が、振動電極膜に設けられた圧力解放孔に侵入した状態となっており、振動電極膜が過大な圧力を受けてバックプレートと反対側に変形した際に、凸部の圧力解放孔への侵入が解除されることによって、空気流路の流路面積を増大させることで、振動電極膜に印加された圧力を解放する技術もある。

しかしながら、上記の、振動電極膜が過大な圧力を受けてバックプレートと反対側に変
形した際に、凸部の圧力解放孔への侵入が解除されることによって、空気流路の流路面積を増大させる技術では、バックプレートに一体に設けられた凸部の形状は、円柱状若しくは、バックプレートから離れるに従って径が小さくなるテーパ状になっていることが多かった。

そうすると、音響センサにおいて振動電極膜側から圧力が作用した場合に、振動電極膜がバックプレート側に移動するので、空気流路の流路面積が一定となるか逆に小さくなり、圧力を解放することが困難となる場合があった。

特開２０１１−２５０１７０号公報 米国特許第８７３７１７１号明細書

本発明は、上記のような状況を鑑みて発明されたものであり、その目的は、過大な圧力が音響センサに作用した場合に、振動電極膜がいずれの方向に変形したとしても、振動電極膜の過剰な変形を抑制し振動電極膜の破損を回避することのできる技術を提供することである。

上記課題を解決するための本発明は、表面に開口を有する基板と、
前記基板の開口に対向するように配設されたバックプレートと、
前記バックプレートとの間に空隙を介して該バックプレートに対向するように配設された振動電極膜と、
を備え、
前記振動電極膜の変形を該振動電極膜と前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換する静電容量型トランスデューサにおいて、
前記振動電極膜に設けられた貫通孔である圧力解放孔と、
前記バックプレートと同一部材によりに該バックプレートと一体に設けられ前記振動電極膜の変形前の状態では前記圧力解放孔に侵入する凸状の部分と、
前記圧力解放孔と前記凸状の部分との隙間により形成される空気の流路である圧力解放流路と、をさらに備え、
前記凸状の部分は、該凸状の部分における前記バックプレート側の所定の領域に、該凸状の部分における該所定の領域より先端側の領域と比較して、前記バックプレートに平行な方向の断面の断面積が小さい断面積減少部を有することを特徴とする静電容量型トランスデューサである。

これによれば、過大な圧力がバックプレートと反対側から振動電極膜に作用し、振動電極膜がバックプレート側に大きく変形した状態においては、凸状の部分の所定の領域に設けられた断面積減少部が圧力解放孔を貫通している状態となり、圧力を解放する空気の流路面積が増大するので、振動電極膜の過剰な変形を防止することができる。

また、過大な圧力がバックプレート側から振動電極膜に作用し、振動電極膜がバックプレートと反対側に大きく変形した状態においては、凸状の部分の先端側の断面積の大きな部分が圧力解放孔を貫通している状態となり、圧力を解放する空気の流路面積が一旦減少するが、凸状の部分が、振動電極膜の圧力解放孔から抜けた時点で、圧力を解放するのに十分な大きさの空気の流路面積を得ることが可能である。結果として、本発明によれば、過大な圧力がバックプレート側または、その反対側のいずれの方向から振動電極膜に作用
したとしても、振動電極膜の過剰な変形を防止することができる。

また、本発明においては、前記凸状の部分は、前記バックプレートに近づくにつれて前記断面積が小さくなるように変化するテーパ形状を有するようにしてもよい。これによれば、振動電極膜がバックプレート側に変形した際に、変形量に応じて連続的に空気の流路面積を増加させることができる。その結果、過大な圧力がバックプレートと反対側から振動電極膜に作用し、振動電極膜がバックプレート側に変形する際に、より円滑に、振動電極膜の過剰な変形を防止することができる。

また、本発明においては、前記凸状の部分には、前記バックプレートの該凸状の部分と反対側の面と該凸状の部分における前記所定の領域の側面とを貫通する空間が設けられるようにしてもよい。これによれば、バックプレートに凸状の部分を形成した後に、音孔を形成するのと同じプロセスによって、断面積減少部を形成することができる。

また、本発明においては、前記凸状の部分は、平板状の形状を有し、該平板状の形状の側面は前記バックプレートに垂直に形成されるようにしてもよい。これによれば、凸状の部分はバックプレートの他の部分より垂直方向の厚みが厚いため、バックプレートの他の部分に音孔を形成するプロセスで同様に凸部に孔を形成することで、凸状の部分の先端側に、エッチングされずに大きな断面積を有する部分を自動的に残すことが可能となる。すなわち、ドライエッチングなど、垂直方向の指向性の強いエッチング手法を用いることで、より確実に、音孔を形成するのと同じプロセスによって、断面積減少部を形成することが可能となる。

また、本発明においては、前記バックプレート及び前記振動電極膜の少なくとも一方には、前記振動電極膜が該バックプレート側に変位した際に前記バックプレート及び前記振動電極膜の他方に当接するストッパが設けられ、前記凸状の部分における、前記空間の前記バックプレートに垂直方向の深さは、前記ストッパの高さと、前記振動電極膜の膜厚の合計値より大きいようにしてもよい。

これによれば、振動電極膜にバックプレートと反対側から過大な圧力が作用して振動電極膜がバックプレート側に変形し、前記バックプレート及び前記振動電極膜の一方に設けられたストッパが、前記バックプレート及び前記振動電極膜の他方に当接した状態において、より確実に、凸状の部分における空間が、振動電極膜を貫通してバックプレートの反対側に開口するようにできる。その結果、振動電極膜がストッパに当接した状態において、より確実に、振動電極膜の、バックプレートと反対側の空気に前記空間を通過させて逃がすことが可能となり、より確実に圧力を解放することが可能となる。

また、本発明においては、前記空間は、前記バックプレートに垂直方向から見て円形の形状を有するようにしてもよい。そうすれば、バックプレート及び凸状の部分における前記空間の近傍において応力集中が起こることを可及的に防止することができる。その結果、バックプレートの凸状の部分の強度を相対的に高めることが可能となる。

また、本発明は、上記の静電容量型トランスデューサを有し、音圧を前記振動電極膜と前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換して検出する音響センサであってもよい。これによれば、音響センサについて、音響の検出時における周波数特性を良好に維持しつつ、いずれの方向から過大な圧力が作用したときであっても、振動電極膜の過剰な変形を抑制することによって振動電極膜の破損を回避することができる。その結果、周波数特性が良好で、信頼性の高い音響センサを得ることが可能となる。

なお、上述した、課題を解決するための手段は適宜組み合わせて使用することが可能で
ある。

本発明によれば、静電容量型トランスデューサについて、圧力の検出時における周波数特性を良好に維持しつつ、過大な圧力が音響センサに作用した場合に、振動電極膜がいずれの方向に変形したとしても、振動電極膜の過剰な変形を抑制し振動電極膜の破損を回避することができる。その結果、静電容量型トランスデューサの性能をより良好に維持しつつ、信頼性を向上させることが可能である。

ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサの一例を示した斜視図である。 従来の音響センサの内部構造の一例を示した分解斜視図である。 音響センサに過大な圧力が急激に作用した場合について説明するための図である。 音響センサに過大な圧力が急激に作用した場合に対する従来の対策について説明するための図である。 音響センサに過大な圧力が急激に作用した場合に対する従来の対策の他の例について説明するための図である。 音響センサに過大な圧力が急激に作用した場合に対する従来の対策における圧力解放孔及び凸部の作用について説明するための図である。 音響センサに過大な圧力が急激に作用した場合に対する従来の対策における圧力解放孔及び凸部の作用について説明するための図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の作用について説明するための図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の形成プロセスについて説明するための第１の図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の形成プロセスについて説明するための第２の図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の形成プロセスについて説明するための第３の図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の形成プロセスについて説明するための第４の図である。 本発明の実施例１における圧力解放孔及び凸部の形成プロセスについて説明するための第５の図である。 実施例２におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の断面図である。 実施例３におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の断面図である。 実施例３のバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔において、バックプレートに設けられたストッパの作用について説明するための断面図である。 実施例４におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の断面斜視図である。 実施例４におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の作用について説明するための図である。 実施例４におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の形成プロセスについて説明するための図である。 実施例４におけるバックプレートに形成された凸部と、振動電極膜に設けられた圧力解放孔の形成プロセスについて説明するための第２の図である。

＜実施例１＞
以下、本願発明の実施形態について図を参照しながら説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様であり、本願発明の技術的範囲を限定するものではない。なお、本発明は、静電トランスデューサ全体に適用することが可能であるが、以下においては、静電トランスデューサを音響センサとして用いる場合について説明する。しかしながら、本発明に係る音声トランスデューサは、振動電極膜の変位を検出するものであれば、音響センサ以外のセンサとしても利用できる。例えば、圧力センサの他、加速度センサや慣性センサ等として使用しても構わない。また、センサ以外の素子、例えば、電気信号を変位に変換するスピーカ等として使用しても構わない。また、以下の説明におけるバックプレート、振動電極膜、バックチャンバー、基板等の配置は一例であり、同等の機能を有せばこれらに限られない。例えば、バックプレートと振動電極膜の配置が逆転していても構わない。

図１は、ＭＥＭＳ技術により製造された従来の音響センサ１の一例を示した斜視図である。また、図２は、音響センサ１の内部構造の一例を示した分解斜視図である。音響センサ１は、バックチャンバー２が設けられたシリコン基板（基板）３の上面に、絶縁膜４、振動電極膜（ダイヤフラム）５、およびバックプレート７を積層した積層体である。バックプレート７は、固定板６に固定電極膜８を成膜した構造を有しており、固定板６のシリコン基板３側に固定電極膜８が配置されたものである。バックプレート７の固定板６には多数の穿孔としての音孔が全面的に設けられている（図１や図２に示す固定板６の網掛けの各点が個々の音孔に相当する）。また、固定電極膜８の四隅のうち１つには、出力信号を取得するための固定電極パッド１０が設けられている。

ここで、シリコン基板３は、例えば単結晶シリコンで形成することができる。また、振動電極膜５は、例えば導電性の多結晶シリコンで形成することができる。振動電極膜５は、略矩形状の薄膜であり、振動する略四辺形の振動部１１の四隅に固定部１２が設けられている。そして、振動電極膜５は、バックチャンバー２を覆うようにシリコン基板３の上面に配置され、アンカー部としての４つの固定部１２においてシリコン基板３に固定されている。振動電極膜５の振動部１１は、音圧に感応して上下に振動する。

また、振動電極膜５は、４つの固定部１２以外の箇所においては、シリコン基板３にも、バックプレート７にも接触していない。よって、音圧に感応してより円滑に上下に振動可能になっている。また、振動部１１の四隅にある固定部１２のうちの１つに振動膜電極パッド９が設けられている。バックプレート７に設けられている固定電極膜８は、振動電極膜５のうち四隅の固定部１２を除いた振動する部分に対応するように設けられている。振動電極膜５のうち四隅の固定部１２は音圧に感応して振動せず、振動電極膜５と固定電極膜８との間の静電容量が変化しないためである。

音響センサ１に音が届くと、音が音孔を通過し、振動電極膜５に音圧を加える。すなわち、この音孔により、音圧が振動電極膜５に印加されるようになる。また、音孔が設けられることにより、バックプレート７と振動電極膜５との間のエアーギャップ中の空気が外部に逃げ易くなり、熱雑音が軽減され、ノイズを減少することができる。

音響センサ１は、上述した構造により、音を受けて振動電極膜５が振動し、振動電極膜５と固定電極膜８との間の距離が変化する。振動電極膜５と固定電極膜８との間の距離が変化すると、振動電極膜５と固定電極膜８との間の静電容量が変化する。よって、振動電極膜５と電気的に接続された振動膜電極パッド９と、固定電極膜８と電気的に接続された固定電極パッド１０との間に直流電圧を印加しておき、上記静電容量の変化を電気的な信
号として取り出すことにより、音圧を電気信号として検出することができる。

次に、上記の従来の音響センサ１において生じ得る不都合について説明する。図３は、音響センサ１に過大な圧力が作用した場合について記載した模式図である。図３に示すように、過大な圧力が音響センサ１に作用した場合には、大圧力がバックプレート７に設けられた音孔７ａから振動電極膜５の振動部１１に作用し、振動部１１に大きな歪が生じ、振動電極膜５が破損してしまう場合があった。このような不都合は、例えば音響センサ１に過大な空気圧が作用した場合の他、音響センサ１が落下した場合等にも生じ得る。

これに対し、図４に示すような対策が考えられる。すなわち、図４（ａ）に示すように、振動電極膜５に対して、作用した圧力を解放するための孔５ａを設けておくことで、図４（ｂ）に示すように、音響センサ１のバックプレート７の音孔７ａから過大な圧力が作用した場合には、孔５ａから圧力を解放させることで、振動電極膜５の破損を防止することが可能である。しかしながら、振動電極膜５に上記のような常時開放している孔５ａを設けると、圧力に対する耐性は向上するものの、特に低音域での感度低下、すなわちロールオフが発生し易くなり、音響センサ１の周波数特性が悪化するという不都合があった。

また、振動電極膜と、該振動電極膜をスリットで区切って分離した一画であるプラグ部とを有しており、プラグ部を、バックプレートに対して支持構造によって振動電極膜の他の部分と同じ高さに支持されるようにする対策が考えられる。この対策においては、振動電極膜が膜の両側の圧力差に応答して変位することで、プラグ部との間の流路が拡大することによって、過大な圧力を解放する（例えば、特許文献２を参照）。

しかし、この対策には以下のような不都合があった。まず、プラグ部は、非常に薄い振動電極膜の一画を用いて構成されているので、破損し易い。また、蓋状のプラグ部がバックプレートに対して、棒状の別部材からなる支持構造を用いて支持されているので、製造工程が複雑化するばかりでなく、支持構造からプラグ部が破損脱落する虞がある。

また、この対策では、振動電極膜が膜の両側の圧力差に応答して変位することで、該振動電極膜と、該振動電極膜をスリットで区切って分離した一画であるプラグ部との間の流動経路を拡大させ、過大な圧力を解放している。すなわち、振動電極膜及び、該振動電極膜をスリットで区切って分離した一画であるプラグ部という、薄膜どうしの間の隙間を流路として利用しているので、比較的大きな圧力を受けて振動電極膜の振幅が大きくなると、使用圧力範囲内であっても、プラグ部と振動電極膜の位置が膜厚以上にずれ、流路がやや拡大した状態となり、音響センサ１の周波数特性が不安定になる虞がある。

上記のような不具合に対し、印加された圧力を解放する孔を振動電極膜に備えることとし、そして、振動電極膜の変形前の状態においては、バックプレートの一部であり凸状に形成された柱構造が孔を貫通して少なくともその一部を閉鎖するとともに、振動電極膜が圧力を受けて変形した状態においては、振動電極膜とバックプレートとの相対移動によって、バックプレートの柱構造による孔の貫通が解除されて孔の全体が露出することにより、振動電極膜に印加された圧力が解放されるようにする対策が考えられた。

図５には、上記のような対策を講じた場合の、音響センサの振動電極膜１５及びバックプレート１７付近の概略図を示す。図５（ａ）は、振動電極膜１５の平面図、図５（ｂ）は、振動電極膜１５及びバックプレート１７、基板１３の断面Ｂ−Ｂ´についての断面図である。図５（ａ）に示すように、この対策においては、振動電極膜１５の振動部２１の四隅には、圧力解放孔１５ｂが設けられている。そして、図５（ｂ）に示すように、振動電極膜１５に過大な圧力が作用する前の状態では、バックプレート１７に一体的に凸状に設けられた柱構造である凸部１７ｂが圧力解放孔１５ｂを貫通することで、圧力解放孔１
５ｂを閉鎖するように構成されている。なお、この凸部１７ｂは、バックプレート１７が半導体製造工程で形成される際に、同時にバックプレート１７の一部として形成されたものである。

次に、図６を用いて、上記の圧力解放孔１５ｂ及び凸部１７ｂの作用について説明する。図６（ａ）は、振動電極膜１５に過大な圧力が作用する前の状態を示す。図６（ｂ）は、振動電極膜１５に過大な圧力が作用することにより、振動電極膜１５が大きく変形した状態を示す。図６（ａ）に示すように、振動電極膜１５の変形前の状態においては、バックプレート１７の凸部１７ｂが振動電極膜１５に設けられた圧力解放孔１５ｂを貫通して閉鎖した状態となっており、この状態においては、振動電極膜１５にバックプレート１７側から圧力が作用した場合に、圧力解放孔１５ｂを通過する空気の量は少なく、圧力は充分に解放されない。

しかしながら、振動電極膜１５に過大な圧力が作用した場合には、当該圧力によって振動電極膜１５が大きく変形し図６（ｂ）に示すようにバックプレート１７から離れる方向に変形する。そうすると、凸部１７ｂが圧力解放孔１５ｂから抜け（貫通が解除され）、圧力解放孔１５ｂの閉鎖が解消される。そのことにより、振動電極膜１５に圧力を作用させている空気が圧力解放孔１５ｂから図中下側に抜けることで、振動電極膜１５に作用する圧力が瞬時に解放される。これにより、凸部１７ｂが圧力解放孔１５ｂから抜けた後の振動電極膜１５の更なる変形が抑制され、振動電極膜１５の破損を回避することが可能となる。

次に、図７には、上述した対策において、凸部２７ｂの径が、無段階で直線的に先端へいくほど細くなる例について図示する。このような場合には、過大な圧力が振動電極膜２５に作用し、振動電極膜２５が大きく変形した状態においては、凸部２７ｂの先端側の小径の部分が圧力解放孔２５ｂを貫通している状態となり、圧力を解放する空気の流路面積が増大するので、振動電極膜２５の過剰な変形を防止できる。

ところで、上記のような従来の対策においては、圧力が上（すなわち、バックプレート側）から作用することにより、振動電極膜が上側から下側に移動した場合には、良好に圧力を解放することが可能であるが、圧力が下から作用することにより、振動電極膜が下側から上側に移動した場合には、圧力を解放する空気の流路面積を増大させることができず、振動電極膜の上側への過剰な変形を防止することができなかった。

例えば、凸部２７ｂの径が、無段階で直線的に先端へいくほど細くなる例においては、図８（ａ）に示すように、振動電極膜２５が下側から上側に移動した場合には、圧力を解放する空気の流路面積が逆に減少してしまい、振動電極膜２５の上側への過剰な変形を防止することができなかった。

これに対し、本実施例においては、図８（ｂ）に示すように、凸部３７ｂのバックプレート３７に平行方向の断面積が、無段階で直線的に根元、すなわちバックプレート３７側にいくほど小さくなるようにした。これによれば、過大な圧力が下側から振動電極膜３５に作用し、振動電極膜３５が上側に大きく変形した状態においても、凸部３７ｂの根元側の断面積が小さい部分が圧力解放孔３５ｂを貫通している状態となり、圧力を解放する空気の流路面積が増大するので、振動電極膜３５の過剰な変形を防止できる。

一方、本実施例において、過大な圧力が上側（すなわちバックプレート３７側）から振動電極膜３５に作用し、振動電極膜３５が下側に大きく変形した状態においては、凸部３７ｂの先端側の断面積の大きい部分が圧力解放孔３５ｂを貫通している状態となり、圧力を解放する空気の流路面積が一旦減少するが、凸部３７ｂが、振動電極膜３５の圧力解放
孔３５ｂから抜けた時点で、圧力を解放する十分な大きさの空気の流路面積を得ることが可能である。結果として、本実施例によれば、過大な圧力が上下いずれの方向から振動電極膜３５に作用したとしても、振動電極膜３５の過剰な変形を防止できる。

次に、本実施例における図９〜図１０を用いて、本実施例における凸部と、圧力解放孔の形成プロセスについて説明する。まず、図９（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板４３の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層４４ａが形成され、絶縁層４４ａの上に振動電極膜となるべきポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）膜４５が形成される。次に、振
動電極膜となるべきポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）の膜４５がエッチングにより部分的
に除去されて圧力解放孔４５ｂとなる部分が形成される。

次に、図９（ｂ）に示すように、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）の膜４５の上に凸部
を形成するための窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４６が形成される。そして、図９（ｃ）に示すように、フォトレジストを使ったエッチングにより、凸部４７ｂとなる部分のみを残して窒化シリコン（ＳｉＮ）膜４６を除去する。その際、エッチングの垂直方向の指向性を弱める手法によりテーパ形状を実現することができる。

次に、図１０（ａ）に示すように、さらに酸化シリコン（ＳｉＯ２）の犠牲層４４ｂを製膜する。そして、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法などの平坦化手法を適
用することで、窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる凸部４７ｂが酸化シリコン（ＳｉＯ２）の中に埋もれる形となる。次に、図１０（ｂ）に示すように、バックプレート４７となる窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を製膜することで、逆テーパ型の凸部４７ｂを有するパックプレート４７が形成される。

次に、一般的な音響センサの製造プロセスと同様に、Ｓｉ基板４３をエッチングにより除去し、フッ酸（ＨＦ）により酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層４４ａ及び犠牲層４４ｂをエッチングして除去することで、図１０（ｃ）に示すような凸部４７ｂを有するバックプレート４７と、圧力解放孔４５ｂを有する振動電極膜４５を形成することが可能である。

次に、図１１〜図１２を用いて、本実施例における凸部と、圧力解放孔の形成プロセスの第２の例について説明する。まず、図１１（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板５２の表面にＰＳＧ（リンを含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜５３）が形成され、膜５３の上に不純物を含まない酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜であるＮＳＧ５４ａ形成される。また、ＮＳＧ５４ａ上には、振動電極膜となるべきポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）
の膜５５が形成されさらにエッチングにより部分的に除去されて圧力解放孔５５ｂとなる部分が形成される。さらに、その上にＮＳＧ５４ｂ形成される。

次に、図１１（ｂ）に示すように、ＮＳＧ５４ａ上に、凸部を形成する部分に開口が設けられたフォトレジストを形成し、ＨＦ水溶液でＮＳＧ５４ａ、５４ｂの凸部に相当する部分をエッチングにより除去する。ＨＦ水溶液によるエッチングは等方的に進行し、図１１（ｃ）に示すように、ＰＳＧ５３をも除去して、シリコン（Ｓｉ）基板５２の表面に達する。

次に、図１２（ａ）に示すように、ＰＳＧ膜５３においては、ＮＳＧ膜５４ａ、５４ｂと比較してエッチングレートが数倍程度速いため、水平方向にエッチングが速く進行する。また、ＮＳＧ膜５４ａ、５４ｂにおいては、下層よりエッチングが進行するため、ＮＳＧ膜５４ａ、５４ｂには図１２（ｂ）に示すような、図１２（ａ）とは逆のテーパ形状の空間が形成される。

次に、図１２（ｃ）に示すように、フォトレジストを除去した後に、バックプレート５７及び凸部５７ｂとなる窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を製膜することで、逆テーパ型の凸部５７ｂを有するパックプレート５７が形成される。

なお、本実施例においては、ＰＳＧ膜５３及び、ＮＳＧ膜５４ａ、５４ｂを用いてプロセスを実行したが、これは一例に過ぎない。エッチングレートの異なる組み合わせであれば、他の材質の組み合わせを用いても構わない。例えば、アニールを行うことでエッチングレートを高めた酸化シリコン（ＳｉＯ２）と、アニールを行っていない酸化シリコン（ＳｉＯ２）の組み合わせや、エッチングレートの高いＴＥＯＳ膜とエッチングレートの低い熱酸化膜の組み合わせを用いても良い。

次に、図１３を用いて、本実施例における凸部と、圧力解放孔の形成プロセスの第３の例について説明する。まず、図１３（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板６３の表面にＰＳＧ膜（リンを含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜６４）が形成され、膜６４の上には、振動電極膜となるべきポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）の膜６５が形成されさら
にエッチングにより部分的に除去されて圧力解放孔６５ｂとなる部分が形成される。また、膜６４の上には不純物を含まない酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜であるＮＳＧ膜６６が形成される。また、ＮＳＧ膜６６上には、さらに、ＰＳＧ（リンを含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜６８が形成され、その上には、凸部を形成する部分に開口が設けられたフォトレジストが６９形成される。

次に、図１３（ｂ）に示すように、フッ酸（ＨＦ）水溶液で、ＰＳＧ膜（リンを含んだ酸化シリコン（ＳｉＯ２）の膜６４、６８）と、ＮＳＧ膜６６の凸部に相当する部分をエッチングにより除去する。この場合、各層におけるエッチングレートの相違により、斜面の形状が様々に調整可能である。そして、ＨＦ水溶液によるエッチングは、ＰＳＧ膜６４をも除去して、シリコン（Ｓｉ）基板６３の表面に達する。

次に、図１３（ｃ）に示すように、フォトレジストを除去した後に、バックプレート６７及び凸部６７ｂとなる窒化シリコン（ＳｉＮ）膜を製膜することで、逆テーパ型の凸部６７ｂを有するパックプレート６７が形成される。

なお、本実施例においては、最も上側の層をＰＳＧ膜６８としたが、このＰＳＧ膜６８は必ずしも必要ではない。ＰＳＧ膜６８を省略したとしても、一般的にフォトレジスト６９の密着面はエッチングレートが局所的に早くなる傾向があるので、このエッチングレートの傾向を利用して、同等の形状を生成することが可能である。

なお、本実施例の凸部６７ｂにおいて、少なくとも平均より水平方向の断面積が小さくなるバックプレート６７側の領域は本発明の所定の領域に相当する。また、凸部６７ｂにおいて少なくとも平均より水平方向の断面積が小さくなる部分は断面積減少部に相当する。

＜実施例２＞
次に、本発明の実施例２について説明する。本実施例においては、バックプレートに一体に設けられた略円柱状の凸部に対して、水平方向については凸部の側面を含む形で、垂直方向については凸部の途中までの領域に音孔を形成することで、凸部の根元側においては圧力解放のための流路面積を増加させた例について説明する。

図１４には、本実施例におけるバックプレート７７に形成された凸部７７ｂと、振動電極膜７５に設けられた圧力解放孔７５ｂの断面図を示す。本実施例における凸部７７ｂは、概略円柱状の形状を形成し、バックプレート７７における音孔をエッチングで形成する
際に、水平方向については円柱状の凸部７７ｂの側面を含む形で、垂直方向については円柱状の凸部７７ｂの途中まで、凸部７７ｂの先端部を残す形で空間７７ｃを形成することで完成する。

これによれば、凸部７７ｂの側面における、バックプレート７７側の領域には、空間７７ｃが凸部７７ｂの側面と交差することにより形成される開口部７７ｄが開口している形状となる。そうすると、図１４に示す状態より、振動電極膜７５にバックプレート７７とは反対側（図中下側）から過大な圧力が作用した場合に、振動電極膜７５がバックプレート７７側（図中上側）に変形する。そして、振動電極膜７５が開口部７７ｄの下端よりさらにバックプレート７７側まで変形した際には、振動電極膜７５に圧力を作用させている空気が開口部７７ｄから空間７７ｃを通じてバックプレート７７の上側に逃げることで、振動電極膜７５にバックプレート７７と逆側から作用している圧力は解放される。

これによれば、凸部７７ｂが形成されたバックプレート７７に音孔を形成するプロセスにおいて、同時に、平面視において凸部７７ｂの側面を含むように空間７７ｃを形成することで、凸部７７ｂのバックプレート７７側の領域において容易に凸部７７ｂの断面積を減少させることが可能である。ここで、凸部７７ｂの高さ方向の領域であって、空間７７ｃが形成された領域は、本発明の所定の領域に相当する。また、凸部７７ｂにおいて空間７７ｃが形成された部分は断面積減少部に相当する。

＜実施例３＞
次に、本発明の実施例３として、バックプレートから離れ先端側にいくに従って径が小さくなるようなテーパ状の形状を有する凸部に対して、側面の途中からバックプレート側において開口する開口部と、この開口部とバックプレートの上側とを貫通する空間とを形成した例について説明する。

図１５は、従来の、バックプレートから離れ先端側にいくに従って径が小さくなるようなテーパ状の形状を有する凸部を有する場合と、当該凸部に対して、側面の途中からバックプレート側において開口する開口部と、この開口部とバックプレートの上側とを貫通する空間とを形成した場合の作用を示す図である。

図１５（ａ）は、通常のテーパ状の凸部を有する場合、図１５（ｂ）は、テーパ状の凸部に上記の開口部と、開口部とバックプレートの上側とを貫通する空間とを形成した場合について示す。図１５（ａ）に示すように、凸部８７ｂが単なるテーパ形状を有する場合には、振動電極膜８５にバックプレート８７と反対側から過大な圧力が作用した場合には、振動電極膜８５がバックプレート８７側に変形する。そして、その際、振動電極膜８５がバックプレート８７側に変形すればする程、凸部８７ｂと圧力解放孔８５ｂとの間の隙間の面積が減少するため、さらに圧力を解放しづらくなる。

それに対して、図１５（ｂ）に示すように、テーパ状の凸部のバックプレート８７側の領域に開口部８７ｄと、開口部８７ｄとバックプレート８７の上側とを貫通する空間８７ｃとを形成した場合については異なる挙動が示される。すなわち、振動電極膜８５にバックプレート８７と反対側から過大な圧力が作用した場合には、振動電極膜８５がバックプレート８７側に変形するが、振動電極膜８５が開口部８７ｄの存在する領域に達した際には、開口部８７ｄ、空間８７ｃを介して、振動電極膜８５に作用している圧力に係る空気をバックプレート８７の上側に逃がすことができる。

よって、この時点で振動電極膜８５に作用している圧力を解放することができ、それ以上の振動電極膜８５の変形を防止することが可能となる。また、本実施例においては、バックプレート８７と反対側からの圧力を振動電極膜８５に作用させる空気に異物等が混入
していた場合には、上記の開口部８７ｄ及び空間８７ｃを介して異物を逃がすことができるため、凸部８７ｂと、圧力解放孔８５ｂの間や、その近傍に異物が挟まったり堆積したりするリスクを低減することが可能である。

なお、本実施例の構成を採用した場合には、バックプレート８７に、図１６に示すようなストッパ８７ｅを設けてもよい。本来、ストッパ８７ｅは、バックプレート８７と、振動電極膜８５とが固着したり、両者の接触時に電気的にショートしたりすることを防止するためのものであるが、本実施例においては、このストッパ８７ｅの高さをｈ１、開口部８７ｄのバックプレート８７からの深さをｄ１、振動電極膜８５の厚みをｔ１とした場合に、
ｄ１＞ｈ１＋ｔ１・・・・・（１）
が成立するようにした。

これによれば、過大な圧力がバックプレート８７の反対側から振動電極膜８５に作用した場合には、振動電極膜８５がバックプレート８７側に変位するが、その際、振動電極膜８５がバックプレート８７のストッパ８７ｅに当接するまで変位し、当接したところで安定した姿勢が維持される。そして、その状態において確実に、開口部８７ｅの一部が、振動電極膜８５のバックプレート８７の反対側に開口される。よって、過大な圧力がバックプレート８７の反対側から振動電極膜８５に作用した場合に、より確実に、開口部８７ｄ及び空間８７ｃを介して、空気をバックプレート８７の上側に逃がし、振動電極膜８５に作用している圧力を解放することが可能となる。なお、図１５においては、開口部８７ｄの下端部の高さは、凸部８７ｂの内壁の底部と同一面となっていたが、開口部８７ｄの下端部の高さは、必ずしも凸部８７ｂの内壁の底部と同一面でなくてもよい。図１６に示すように、別面としても構わない。

また、本実施例においてはバックプレート８７にストッパ８７ｅが設けられているが、ストッパとして機能する突起は振動電極膜８５に設けられていてもよい。振動電極膜８５の一部を突出させるもしくは振動電極膜８５の上部に別途構造体を設けるなどしておくことで、上記したストッパ８７ｅを設けた場合と同様、バックプレート８７との固着を抑制できる等の効果が期待できる。そして、ストッパの高さｈ１、開口部のバックプレートからの深さｄ１、振動電極膜の厚みｔ１の間に（１）式が成立するようにすることで、本実施例の効果を得ることが可能である。

＜実施例４＞
次に、本発明の実施例４について説明する。本実施例においては、振動電極膜に設けられた圧力解放孔をスリット状とし、バックプレートに設けられた凸部は円柱状またはテーパ状ではなく、圧力解放孔に侵入可能な平板状の形状を有する例について説明する。

図１７には、本実施例におけるバックプレート９７及び凸部９７ｂ、振動電極膜９５及び圧力解放孔９５ｂの断面斜視図を示す。本実施例においては、上述のとおり、圧力解放孔９５ｂは、平面視において円形ではなくスリット状である。また、凸部９７ｂは、スリット状の圧力解放孔９５ｂに侵入可能な平板状の形状を有する。図１７においては、振動電極膜９５及びバックプレート９７を、スリット状の圧力解放孔９５ｂと、平板状の凸部９７ｂの中央部で切断した図を示している。スリット状の圧力解放孔９５ｂと、平板状の凸部９７ｂを採用した場合には、それらの幅が狭いことにより、半導体作製プロセスによりバックプレート９７を平坦にし易くなり応力集中を軽減することができる。例えば、スリットの幅を、振動電極膜９５とバックプレート９７との間の距離の２倍以内とすることで、バックプレート９７を平坦にし易くすることが可能である。

本実施例においては、バックプレート９７に音孔９７ａを形成するプロセスにおいて、
平板状の凸部９７ｂに対しても、高さ方向の途中まで到達する空間９７ｃを形成する。そうすると、平板状の凸部９７ｂの左右両側において開口部９７ｄが開口する形となる。なお、本実施例において、音孔９７ａ及び空間９７ｃの平面視による形状は円形が望ましい。これにより、バックプレート９７の各部、特に平板状の凸部９７ｂの近傍における応力集中を回避することが可能である。

図１８は、本実施例におけるバックプレート９７及び振動電極膜９５の作用について説明するための図である。図１８は、図１７におけるバックプレート９７及び振動電極膜９５を断面の法線方向から見た断面図であり、図１８（ａ）は振動電極膜９５の変形前の状態を、図１８（ｂ）は、バックプレート９７の反対側から振動電極膜９５に過大な圧力が作用し振動電極膜９５がバックプレート９７側に変形した状態を示す。

本実施例によれば、バックプレート９７の反対側から振動電極膜９５に過大な圧力が作用し振動電極膜９５がバックプレート９７側に変形した場合に、平板状の凸部９７ｂの左右両側に開口した開口部９７ｄから、振動電極膜９５に圧力を作用させる空気が空間９７ｃを通過してバックプレート９７の上側に逃げることが可能となる。これにより、振動電極膜９５に作用する圧力を解放することができ、振動電極膜９５の過剰な変形を防止することができる。

一方、本実施例において、過大な圧力がバックプレート９７側から振動電極膜９５に作用し、振動電極膜９５がバックプレート９７とは反対側に大きく変形した状態においては、平板状の凸部９７ｂが、振動電極膜９５のスリット状の圧力解放孔９５ｂから抜けた時点で、圧力解放孔９５ｂの全体を空気が通過可能となる。従って、振動電極膜９５に作用している圧力を解放するのに十分な大きさの空気の流路面積を得ることができる。結果として、本実施例によれば、過大な圧力が上下いずれの方向から振動電極膜９５に作用したとしても、振動電極膜９５の過剰な変形を防止することが可能である。

次に、図１９を用いて、本実施例における凸部と、圧力解放孔の形成プロセスについて説明する。まず、図１９（ａ）に示すように、シリコン（Ｓｉ）基板１０３の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層１０４が形成され、絶縁層１０４の上に振動電極膜となるべきポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）膜１０５が形成され、エッチングにより当該ポリシ
リコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）膜１０５が部分的に除去されて圧力解放孔１０５ｂが形成され
る。そして、さらにポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）膜１０５の上に、酸化シリコン（Ｓ
ｉＯ２）の犠牲層１０４ｂが形成された後、凸部となる部分の絶縁層１０４ｂがエッチングにより除去される。

次に、図１９（ｂ）に示すように、固定電極膜となるポリシリコン（Ｐｏｌｙ Ｓｉ）
膜１０６が形成され、さらに、バックプレート及び凸部を形成するための窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１０７、１０７ｂが形成される。この際、凸部を形成するための窒化シリコン（ＳｉＮ）膜１０７ｂが形成される、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁層１０４ａ、１０４ｂのスリット幅が狭いので、バックプレート１０７の成膜時に、当該スリットが完全に窒化シリコン（ＳｉＮ）膜で埋まり、凸部１０７ｂは平板状になる。そして、エッチングによって音孔１０７ｃと、凸部１０７ｂの上部の空間１０７ｃを形成する。次に、図１９（ｃ）に示すように、エッチングにより、バックプレート１０７及び凸部１０７ｂとなる部分と、振動電極膜１０５とをのみを残してＳｉ基板１０３、絶縁層１０４ａ及び犠牲層１０４ｂを除去する。これにより、バックプレート１０７における凸部１０７ｂと、振動電極膜１０５における圧力解放孔１０５ｂが形成される。

なお、本実施例においては、図２０に示すように、平板状の凸部１０７ｂとなる部分は、垂直方向にみると膜厚が厚くなっている。ドライエッチングなどは垂直方向の指向性が
強いため、音孔１０７ａと凸部１０７ｂの上部の空間１０７ｃとを同時にエッチングすると、凸部１０７ｂの先端側のみに膜が残るため、“凸部１０７ｂのバックプレート１０７側の一部にのみ空間が存在する”構造を簡易に作製することができる。なお、これらは必須の要件ではないため、音孔１０７ａと凸部１０７ｂの上部の空間１０７ｃとを別々にエッチングしてもよい。また、凸部１０７ｂの側面は垂直であってもテーパ（斜面）であってもよい。ただし、凸部１０７ｂの側面が垂直の場合には、平板状の凸部１０７ｂとなる部分の垂直方向の膜厚が厚くなっているため、上記エッチング手法をより実行し易くなる。

１・・・音響センサ
２・・・バックチャンバー
３、１３、４３、５２、６３・・・（シリコン）基板
５、１５、２５、３５、４５、５５、６５、７５、８５、９５、１０５・・・振動電極膜７、１７、２７、３７，４７，５７、６７、７７、８７、９７、１０７・・・バックプレート
１５ｂ、２５ｂ、３５ｂ、４５ｂ、５５ｂ、６５ｂ、７５ｂ、８５ｂ、９５ｂ、１０５ｂ・・・圧力解放孔
１７ｂ、２７ｂ、３７ｂ、４７ｂ、５７ｂ、６７ｂ、７７ｂ、８７ｂ、９７ｂ、１０７ｂ・・・凸部

Claims (7)

1. 表面に開口を有する基板と、
   前記基板の開口に対向するように配設されたバックプレートと、
   前記バックプレートとの間に空隙を介して該バックプレートに対向するように配設された振動電極膜と、
   を備え、
   前記振動電極膜の変形を該振動電極膜と前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換する静電容量型トランスデューサにおいて、
   前記振動電極膜に設けられた貫通孔である圧力解放孔と、
   前記バックプレートと同一部材によりに該バックプレートと一体に設けられ前記振動電極膜の変形前の状態では前記圧力解放孔に侵入する凸状の部分と、
   前記圧力解放孔と前記凸状の部分との隙間により形成される空気の流路である圧力解放流路と、をさらに備え、
   前記凸状の部分は、該凸状の部分における前記バックプレート側の所定の領域に、該凸状の部分における該所定の領域より先端側の領域と比較して、前記バックプレートに平行な方向の断面の断面積が小さい断面積減少部を有することを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
2. 前記凸状の部分は、前記バックプレートに近づくにつれて前記断面積が小さくなるように変化するテーパ形状を有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
3. 前記凸状の部分には、前記バックプレートの該凸状の部分と反対側の面と該凸状の部分における前記所定の領域の側面とを貫通する空間が設けられたことを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記凸状の部分は、平板状の形状を有し、該平板状の形状の側面は前記バックプレートに垂直に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記バックプレート及び前記振動電極膜の少なくとも一方には、前記振動電極膜が該バックプレート側に変位した際に前記バックプレート及び前記振動電極膜の他方に当接するストッパが設けられ、
   前記凸状の部分における、前記空間の前記バックプレートに垂直方向の深さは、前記ストッパの高さと、前記振動電極膜の膜厚の合計値より大きいことを特徴とする請求項３または４に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記空間は、前記バックプレートに垂直方向から見て円形の形状を有することを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサを有し、音圧を前記振動電極膜と前記バックプレートの間の静電容量の変化に変換して検出する音響センサ。

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