JP2009089100A

JP2009089100A - 振動トランスデューサ

Info

Publication number: JP2009089100A
Application number: JP2007256908A
Authority: JP
Inventors: Tamito Suzuki; 民人鈴木; Yukitoshi Suzuki; 幸俊鈴木; Toshinao Suzuki; 利尚鈴木
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2007-09-28
Filing date: 2007-09-28
Publication date: 2009-04-23
Also published as: CN101409856A

Abstract

【課題】振動トランスデューサの感度を高めつつダイヤフラムのスティクションを防止する。
【解決手段】基板と、前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有し、中央部と前記中央部から外側に放射状に延びる複数の腕部とを備えるダイヤフラムと、前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有するプレートと、前記基板上の堆積膜からなり、複数の前記腕部のそれぞれに接合され、前記プレートとの間に空隙を挟んで前記ダイヤフラムを支持するダイヤフラム支持部と、を備え、前記基板または前記プレートに前記ダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起が前記ダイヤフラムの腕部に形成され、前記ダイヤフラムが前記プレートに対して振動することにより前記ダイヤフラムと前記プレートとで形成される静電容量が変化する、振動トランスデューサ。
【選択図】図１

Description

本発明は振動トランスデューサに関し、特にＭＥＭＳセンサとしての微小なコンデンサマイクロホンなどの波動トランスデューサに関する。

従来、半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造される微小なコンデンサマイクロホンが知られている。このようなコンデンサマイクロホンは、ＭＥＭＳマイクロホンといわれ、対向電極を構成するダイヤフラムとプレートは基板上に堆積した薄膜からなるとともに互いに離間した状態で基板上に支持されている。音波によってダイヤフラムがプレートに対して振動すると、その変位によりコンデンサの静電容量が変化し、その容量変化が電気信号に変換される。

電気学会ＭＳＳ−０１−３４特開平９−５０８７７７米国特許第４７７６０１９号特表２００４−５０６３９４

ダイヤフラムとプレートや基板との間隔は数μｍと非常に小さい。このため衝撃がダイヤフラムに加わったときや製造時にダイヤフラムがプレートや基板に接触してそのまま固着するスティクションが起こることがある。しかし、感度を高めるためにはダイヤフラムの剛性を下げる必要があるにも関わらず、ダイヤフラムの剛性が下がるほどスティクションが起きやすくなるという問題がある。

本発明はこの問題を解決するために創作されたものであって、振動トランスデューサの感度を高めつつダイヤフラムのスティクションを防止することを目的とする。

（１）上記目的を達成するための振動トランスデューサは、基板と、基板上の堆積膜からなり、導電性を有し、中央部と中央部から外側に放射状に延びる複数の腕部とを備えるダイヤフラムと、基板上の堆積膜からなり、導電性を有するプレートと、基板上の堆積膜からなり、複数の腕部のそれぞれに接合され、プレートとの間に空隙を挟んでダイヤフラムを支持するダイヤフラム支持部と、を備え、基板またはプレートにダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起がダイヤフラムの腕部に形成され、ダイヤフラムがプレートに対して振動することによりダイヤフラムとプレートとで形成される静電容量が変化する。
本発明による振動トランスデューサのダイヤフラムは、外縁部が環状に接合されるのではなく中央部から放射状に延びる複数の腕部のそれぞれがダイヤフラム支持部に接合される構成である。このようなダイヤフラムは外縁部が環状に固定されるダイヤフラムに比べて剛性が低くなるため本発明の振動トランスデューサは感度が高くなる。通常、ダイヤフラムの振幅は中心から固定端に接近するほど小さくなるため、ダイヤフラムの固定端の近傍におけるスティクションは起こりにくい。しかし本発明の構成ではダイヤフラムの腕部自体の剛性が低くなるため、スティクションの対策が必要になる。そこで本発明では、基板またはプレートにダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起をダイヤフラムの腕部に形成する。したがって本発明によると振動トランスデューサの感度を高めつつダイヤフラムのスティクションを防止することができる。

（２）腕部のダイヤフラムの周方向端の近傍領域は応力によって反りやすい。すなわちダイヤフラムの腕部においては、ダイヤフラムの周方向端

連続にくによく、構造的には、閉じた壁ではなく複数の柱として要素と基板またはプレートとのスティクションが起きやすい。したがって、突起は腕部のダイヤフラムの周方向端の近傍領域に形成されていることが望ましい。

（３）膜の剛性は、突起が形成される領域で局所的に高まる。したがってダイヤフラムの周方向に整列した突起列が腕部に複数形成され、ダイヤフラムの径方向に並ぶ突起列と突起列との間隔が広い場合には、ダイヤフラムの腕部の剛性分布にストライプ状のムラが生じる。すなわちこの場合、剛性が高い帯状の領域と剛性が低い帯状の領域がダイヤフラムの径方向に交互に現れる。すると剛性が低い帯状の領域でダイヤフラムの腕部が折れ曲がりやすくなる。腕部が折れ曲がるとスティクションが起こる。したがって、複数の突起の配列は、ダイヤフラムの径方向において最も近い突起同士を結ぶ方向がダイヤフラムの周方向に対して傾斜する配列であることが望ましい。このように突起を配列することにより、腕部の剛性分布にストライプ状のムラが生じにくくなる。

（４）また、突起は千鳥配列されていてもよい。突起を千鳥配列することによっても、剛性分布にストライプ状のムラが生じにくくなる。なお、ここでいう千鳥配列とは、複数の突起の全てがダイヤフラムの径方向にも周方向にも整列している格子配列でなければよく、例えば各突起が格子点に位置するとともにダイヤフラムの周方向に直線的に並ぶ突起からなる２列の間に、その２列に含まれる突起とはダイヤフラムの径方向に並んでいない別の突起が１つ以上存在すればよい。

（５）上記目的を達成するための振動トランスデューサは、基板と、基板上の堆積膜からなり、導電性を有し、中央部と中央部から外側に放射状に延びる複数の腕部とを備えるダイヤフラムと、基板上の堆積膜からなり、導電性を有するプレートと、基板上の堆積膜からなり、複数の腕部のそれぞれに接合され、プレートとの間に空隙を挟んでダイヤフラムを支持するダイヤフラム支持部と、を備え、基板またはプレートにダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起が中央部の外周の近傍領域に形成され、ダイヤフラムがプレートに対して振動することによりダイヤフラムとプレートとで形成される静電容量が変化する。
本発明による振動トランスデューサのダイヤフラムは、外縁部が環状に接合されるのではなく中央部から放射状に延びる複数の腕部のそれぞれがダイヤフラム支持部に接合される構成である。このようなダイヤフラムは外縁部が環状に接合されるダイヤフラムに比べて剛性が低くなるため本発明の振動トランスデューサは感度が高くなる。通常、ダイヤフラムの振幅は中心から固定端に接近するほど小さくなるため、ダイヤフラムの固定端に近づくほどスティクションは起こりにくくなる。しかし、本発明の構成によると、隣り合う腕部の間に位置するダイヤフラムの中央部の外周近傍領域においては張力が弱くなるため不規則な振動が起こりやすい。また本発明の構成によると、また隣り合う腕部の間に位置するダイヤフラムの中央部の外周近傍領域が製造時の応力で反りやすい。したがって本発明ではダイヤフラムが基板またはプレートに付着することを防止する突起が中央部の外周の近傍領域に形成される。このため本発明によると振動トランスデューサの感度を高めつつダイヤフラムのスティクションを防止することができる。

（６）上記いずれの構成においても、突起は先鋭でない突端を有することが望ましい。突起の突端が先鋭である場合、突起によってプレートや基板が損傷するおそれがあるからである。特にプレートが靱性の低い材料からなる場合、先鋭な突起との衝突によってプレートに亀裂が入るおそれもあるからである。

尚、請求項において「〜上に」というときは、技術的な阻害要因がない限りにおいて「上に中間物を介在させずに」と「〜上に中間物を介在させて」の両方を意味する。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．構成
図１は本発明の一実施形態であるコンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部であるセンサチップを示し、図２はその模式的な断面を示し、図３はその膜の積層構造を示している。図２１および図２２はその一部の詳細な断面を示している。コンデンサマイクロホン１はセンサチップと、電源回路および増幅回路を備えた図示しない回路チップと、これらを収容する図示しないパッケージとから構成される。

コンデンサマイクロホン１のセンサチップは、基板１００と、その上に積層された下層絶縁膜１１０、下層導電膜１２０、上層絶縁膜１３０、上層導電膜１６０、表層絶縁膜１７０などの堆積膜とからなるチップである。はじめにコンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部の膜の積層構造について説明する。

基板１００はＰ型単結晶シリコンからなる。基板の材質はこれに限らず、薄膜を堆積するための下地基板および薄膜からなる構造体を支持する支持基板としての剛性、厚さ、靱性を備えていればよい。基板１００には通孔が形成されており、その通孔の開口１００ａはバックキャビティＣ１の開口を形成している。

基板１００、下層導電膜１２０および上層絶縁膜１３０に接合されている下層絶縁膜１１０は酸化シリコン（ＳｉＯ_ｘ）からなる堆積膜である。下層絶縁膜１１０は円周上に等間隔に配列された複数のダイヤフラム支持部１０２と、ダイヤフラム支持部１０２よりも内側において円周上に等間隔に配列された複数のガードスペーサ１０３と、ガードリング１２５ｃおよびガードリード１２５ｄを基板１００から絶縁している環状の環状部１０１とを構成している。

下層絶縁膜１１０および上層絶縁膜１３０に接合されている下層導電膜１２０はＰなどの不純物が全体にドーピングされた多結晶シリコンからなる堆積膜である。下層導電膜１２０はガード電極１２５ａとガードコネクタ１２５ｂとガードリング１２５ｃとガードリード１２５ｄとからなるガード部１２７と、ダイヤフラム１２３とを構成している。

下層導電膜１２０と上層導電膜１６０と下層絶縁膜１１０とに接合されている上層絶縁膜１３０は酸化シリコンからなる堆積膜である。上層絶縁膜１３０は円周上に配列された複数のプレートスペーサ１３１とプレートスペーサ１３１の外側に位置しエッチストッパリング１６１を支持しプレートリード１６２ｄとガードリード１２５ｄとを絶縁する環状の環状部１３２とを構成している。

上層絶縁膜１３０に接合されている上層導電膜１６０はＰ等の不純物が全体にドーピングされた多結晶シリコンからなる堆積膜である。上層導電膜１６０はプレート１６２と、プレートリード１６２ｄと、エッチストッパリング１６１とを構成している。

上層導電膜１６０および上層絶縁膜１３０に接合されている表層絶縁膜１７０は酸化シリコン膜からなる絶縁性の堆積膜である。

コンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部には４つの端子１２５ｅ、１６２ｅ、１２３ｅ、１００ｂが設けられている。これらの端子１２５ｅ、１６２ｅ、１２３ｅ、１００ｂはＡｌＳｉなどの導電性の堆積膜であるパッド導電膜１８０、Ｎｉなどの導電性の堆積膜であるバンプ膜２１０、Ａｕなどの耐腐食性に優れた導電性の堆積膜であるバンプ保護膜２２０とからなる。端子１２５ｅ、１６２ｅ、１２３ｅ、１００ｂはそれぞれＳｉＮなどの絶縁性の堆積膜であるパッド保護膜１９０と酸化シリコンなどの絶縁性の堆積膜である表層保護膜２００とによって側壁が保護されている。

以上、コンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部の膜の積層構造について説明した。次にコンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部の機械構造について説明する。

ダイヤフラム１２３は全体が導電性を有する単層の薄い堆積膜からなり、中央部１２３ａと、中央部１２３ａから外側に放射状に伸びる複数の腕部１２３ｃとを備える。ダイヤフラム１２３はその外縁近傍の複数箇所に接合されている複数の柱形のダイヤフラム支持部１０２によってプレート１６２との間と基板１００との間とにそれぞれ空隙を挟んでプレート１６２から絶縁して支持され、基板１００と平行に張り渡されている。ダイヤフラム支持部１０２は、ダイヤフラム１２３のそれぞれの腕部１２３ｃの先端部近傍に接合されている。ダイヤフラム１２３は腕部１２３ｃと腕部１２３ｃとの間が切り欠かれているため、切り欠きのない形態に比べて剛性が低くなっている。さらにそれぞれの腕部１２３ｃには通孔であるダイヤフラム孔１２３ｂが複数形成されているため、腕部１２３ｃ自体の剛性も低くなっている。

中央部１２３ａの近傍において、ダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃは中央部１２３ａに接近するほどダイヤフラム１２３の周方向に長くなっている。これにより腕部１２３ｃと中央部１２３ａとの境界における応力集中を緩和できる。また腕部１２３ｃと中央部１２３ａとの境界近傍において腕部１２３ｃの輪郭に屈曲部を形成しないことにより屈曲部において応力集中が起こることを防止できる。

ダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃはダイヤフラム支持部１０２との接合領域において幅が広く、すなわちダイヤフラムの周方向の長さが長くなっている。具体的には、ダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃは、中央部１２３ａの近傍では中央部１２３ａから離れるに従って幅が狭まり、ダイヤフラム支持部１０２の近傍ではダイヤフラム支持部１０２に接近するに従って幅が広がっている。したがってダイヤフラム１２３の周方向における腕部１２３ｃの長さは、ダイヤフラム支持部１０２と中央部１２３ａとの間において最も短くなり、ダイヤフラム支持部１０２に接合される領域においてはダイヤフラム支持部１０２と中央部１２３ａとの間における最短長よりも長くなっている。このため、ダイヤフラム１２３の半径を広げずにダイヤフラム１２３とダイヤフラム支持部１０２との接合面積を広くとり、耐久性を高めることができる。さらに本実施形態の腕部１２３ｃの幅（ダイヤフラム１２３の周方向の長さ）はダイヤフラム支持部１０２と接合される領域において最も長くなっているため、ダイヤフラム１２３の剛性を低く保ちながらダイヤフラム１２３の接合強度を十分に確保できる。

複数のダイヤフラム支持部１０２はバックキャビティＣ１の開口１００ａの周囲において開口１００ａの周方向に等間隔に配列されている。それぞれのダイヤフラム支持部１０２は絶縁性の堆積膜からなり柱形である。ダイヤフラム１２３は、その中央部１２３ａがバックキャビティＣ１の開口１００ａを覆うように、これらのダイヤフラム支持部１０２によって基板１００の上に支持されている。それぞれのダイヤフラム支持部１０２は、プレート１６２の径方向においてプレート１６２の複数の接合部１６２ａの間に位置し、プレート１６２の径方向においてプレート支持部１２９よりも外側に位置する。このためダイヤフラム１２３の剛性はプレート１６２の剛性に比べて低くなっている。またそれぞれのダイヤフラム支持部１０２の幅（ダイヤフラムの周方向の長さ）はダイヤフラム支持部１０２とダイヤフラム１２３の中央部１２３ａとの間における腕部１２３ｃの幅（ダイヤフラムの周方向の長さ）よりも長い。このため、ダイヤフラム１２３とダイヤフラム支持部１０２との十分な接合強度が確保されている。基板１００とダイヤフラム１２３との間にはダイヤフラム支持部１０２の厚さに相当する空隙Ｃ２が形成されている。空隙Ｃ２はバックキャビティＣ１の気圧を大気圧と平衡させるために必要である。空隙Ｃ２はダイヤフラム１２３を振動させる音波がバックキャビティの開口１００ａに至るまでの経路における最大の音響抵抗を形成するように、低く、ダイヤフラム１２３の径方向の長さが長く形成されている。

ダイヤフラム１２３の基板１００と対抗する面には複数のダイヤフラムバンプ１２３ｆが形成されている。ダイヤフラムバンプ１２３ｆの位置は図１において黒丸で示されている。このダイヤフラムバンプ１２３ｆはダイヤフラム１２３が基板１００に付着（スティッキング）することを防止するための突起であり、ダイヤフラム１２３を構成する下層導電膜１２０のうねりによって形成されている。すなわちダイヤフラムバンプ１２３ｆの裏側にはディンプル（凹み）が形成されている。

図１８はダイヤフラム１２３の部分拡大図である。ダイヤフラムバンプ１２３ｆの位置は図１８においても黒丸で示されている。
隣り合う腕部１２３ｃの間においてダイヤフラム１２３の中央部１２３ａの外周の近傍領域は張力が小さくなるため不規則な振動が起こりやすく、また成膜時に生ずる応力によって反りやすい。したがってダイヤフラムバンプ１２３ｆは、隣り合う腕部１２３ｃの間においてダイヤフラム１２３の中央部１２３ａの外周の近傍領域に配列されている。中央部１２３ａのダイヤフラムバンプ１２３ｆから中央部１２３ａの外周までの距離は短ければ短いほどよい。具体的には例えば、中央部１２３ａのダイヤフラムバンプ１２３ｆから中央部１２３ａの外周までの最短距離は、ダイヤフラム１２３とプレート１６２との間隔の最大値よりも小さいことが望ましく、ダイヤフラムバンプ１２３ｆが突出している高さよりも短いことが望ましい。ダイヤフラム１２３の中央部１２３ａにこのように配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆによって、中央部１２３ａと基板１００とのスティクションが防止される。なお、このように配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆがプレート１６２に向かって突出するように形成すれば、ダイヤフラム１２３の中央部１２３ａとプレート１６２とのスティクションを防止することもできる。

ダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃは中央部１２３ａに対して剛性が低いため、ダイヤフラム１２３の固定端を形成するダイヤフラム支持部１０２からの距離が近い割に大きく振動しやすい。したがってダイヤフラムバンプ１２３ｆはダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃにも配列されている。また腕部１２３ｃは成膜時に生ずる応力によって幅方向の端の近傍領域が反りやすい。したがって、それぞれの腕部１２３ｃにおいては、腕部１２３ｃの幅方向（ダイヤフラムの周方向）の両端の近傍領域にそれぞれ１列に並んでダイヤフラムバンプ１２３ｆがダイヤフラム１２３の径方向に配列されている。腕部１２３ｃの幅方向の両端の近傍に配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆから腕部１２３ｃの周方向の端までの距離は短ければ短いほどよい。具体的には例えば、腕部１２３ｃの幅方向の両端の近傍に配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆから腕部１２３ｃの幅方向の端までの距離は、ダイヤフラム１２３とプレート１６２との間隔の最大値よりも小さいことが望ましく、ダイヤフラムバンプ１２３ｆが突出している高さよりも短いことが望ましい。また腕部１２３ｃの幅方向の両端の近傍に配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆはダイヤフラム孔１２３ｂよりも腕部１２３ｃの幅方向の端に近いことが望ましい。ダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃにこのように配列されるダイヤフラムバンプ１２３ｆによって、腕部１２３ｃと基板１００とのスティクションが防止される。

腕部１２３ｃを折れ曲がりにくくするため、腕部１２３ｃの幅方向の中央領域にも２列に並んでダイヤフラムバンプ１２３ｆをダイヤフラム１２３の径方向に配列するとともに、中央の２列のダイヤフラムバンプ１２３ｆに対して両端の２列のダイヤフラムバンプ１２３ｆが互い違いになるように４列のダイヤフラム１２３ｆを配列する。すなわち、少なくとも一部のダイヤフラムバンプ１２３ｆは、ダイヤフラム１２３の径方向において最も近いダイヤフラムバンプ１２３ｆ同士を結ぶ方向（図１８に示すＡＡ線の方向）がダイヤフラム１２３の周方向（図１８に示すＢＢ線の方向）に対して傾斜するように千鳥配列されている。すなわち、ダイヤフラム１２３の中心を中心とし腕部１２３ｃのダイヤフラムバンプ１２３ｆを通る円周のダイヤフラムバンプ１２３ｆを接点とする接線（ＢＢ線）に対し、その接点と、その接点にあるダイヤフラムバンプ１２３ｆからダイヤフラム１２３の径方向において最も近いダイヤフラムバンプ１２３ｆとを結ぶ直線（ＡＡ線）が傾斜している。図１および図１８に示すようにダイヤフラムバンプ１２３ｆを千鳥配列することにより腕部１２３ｃが折れ曲がりにくくなるため、腕部１２３ｃと基板１００とのスティクションがさらに起こりにくくなる。

またダイヤフラムバンプ１２３ｆとの接触によって基板１００やプレート１６２が損傷することを防止するため、ダイヤフラムバンプ１２３ｆの突端は先鋭でない形状にすることが望ましい。具体的には例えば、ダイヤフラムバンプ１２３ｆの突端面は平面または球面であることが望ましい。

ダイヤフラム１２３は複数の腕部１２３ｃのうちの１つの先端から伸びるダイヤフラムリード１２３ｄによってダイヤフラム端子１２３ｅに接続されている。ダイヤフラムリード１２３ｄは腕部１２３ｃより幅が狭くダイヤフラム１２３と同じ下層導電膜１２０によって構成されている。ダイヤフラムリード１２３ｄは環状のガードリング１２５ｃが分断されている領域を通ってダイヤフラム端子１２３ｅまで伸びている。ダイヤフラム端子１２３ｅと基板端子１００ｂとは図示しない回路チップにおいて短絡しているため（図４参照）、ダイヤフラム１２３と基板１００とは同電位である。

なお、ダイヤフラム１２３と基板１００の電位が異なる場合にはダイヤフラム１２３と基板１００とが寄生容量を形成するが、この場合であっても、ダイヤフラム１２３が複数のダイヤフラム支持部１０２によって支持されており、隣り合うダイヤフラム支持部１０２の間には空気層が存在するため、ダイヤフラム１２３が環状の壁構造のスペーサで支持される構造に比べると寄生容量が小さくなる。

プレート１６２は全体が導電性を有する単層の薄い堆積膜からなり、対向部１６２ｂと、対向部１６２ｂから外側に放射状に伸びる接合部１６２ａとを備える。プレート１６２はその外縁近傍の複数箇所に接合されている複数の柱形のプレートスペーサ１３１に支持されている。またプレート１６２はその中心がダイヤフラム１２３の中心と重なるようにダイヤフラム１２３と平行に張り渡されている。プレート１６２の中心（対向部１６２ｂの中心）から対向部１６２ｂの外縁までの距離すなわちプレート１６２の中心から外縁までの最短距離は、ダイヤフラム１２３の中心（中央部１２３ａの中心）から中央部１２３ａの外縁までの距離すなわちダイヤフラム１２３の中心から外縁までの最短距離よりも短い。したがって振幅が小さいダイヤフラム１２３の外縁近傍領域において、プレート１６２はダイヤフラム１２３に対向しない。またプレート１６２の接合部１６２ａと接合部１６２ａとの間には切り欠きが形成されているため、ダイヤフラム１２３の外縁近傍に相当するプレート１６２の切り欠きの領域においてもプレート１６２とダイヤフラム１２３とが対向しない。そしてプレート１６２の切り欠きの領域にダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃが伸びている。このため寄生容量を増大させることなくダイヤフラム１２３の振動の両端の間の距離、すなわちダイヤフラム１２３が張り渡される距離を長くとることができる。

プレート１６２には通孔であるプレート孔１６２ｃが複数形成されている。プレート孔１６２ｃはダイヤフラム１２３に音波を伝搬させる通路として機能するとともに、上層絶縁膜１３０を等方的にエッチングするためのエッチャントを通す孔としても機能する。上層絶縁膜１３０がエッチングされた後に残る部分がプレートスペーサ１３１および環状部１３２となりエッチングによって除去される部分がダイヤフラム１２３とプレート１６２との間の空隙Ｃ３となる。すなわちプレート孔１６２ｃは空隙Ｃ３とプレートスペーサ１３１とを同時に形成できるようにエッチャントを上層絶縁膜１３０に到達させるための通孔である。したがってプレート孔１６２ｃは空隙Ｃ３の高さやプレートスペーサ１３１の形状やエッチング速度に応じて配置されている。具体的にはプレート孔１６２ｃはプレートスペーサ１３１との接合領域とその周辺をのぞく対向部１６２ｂおよび接合部１６２ａのほぼ全域にわたってほぼ等間隔に配列されている。隣り合うプレート孔１６２ｃの間隔を狭めるほど上層絶縁膜１３０の環状部１３２の幅を狭くしてチップの面積を狭くできる。一方、隣り合うプレート孔１６２ｃの間隔を狭めるほどプレート１６２の剛性が低くなる。

プレートスペーサ１３１はダイヤフラム１２３と同じ層に位置するガード電極１２５ａに接合されている（ガード電極１２５ａはダイヤフラム１２３と同じ下層導電膜１２０からなる。）。プレートスペーサ１３１はプレート１６２に接合されている絶縁性の堆積膜である上層絶縁膜１３０からなる。複数のプレートスペーサ１３１はバックキャビティＣ１の開口１００ａの周囲に等間隔に配列されている。それぞれのプレートスペーサ１３１はダイヤフラム１２３の腕部１２３ｃと腕部１２３ｃとの間の切り欠きの領域に位置するため、ダイヤフラム１２３の最大径よりも、プレート１６２の最大径を小さくすることができる。これによりプレート１６２の剛性が上がるとともにプレート１６２と基板１００との寄生容量が小さくなる。

プレート１６２はそれぞれがガードスペーサ１０３とガード電極１２５ａとプレートスペーサ１３１とによって構成される柱形の複数のプレート支持部１２９によって基板１００上に支持されている。すなわち本実施形態においてプレート支持部１２９は複層の堆積膜からなる構造である。プレート支持部１２９によって、プレート１６２とダイヤフラム１２３との間には空隙Ｃ３が形成され、プレート１６２と基板１００との間には空隙Ｃ３と空隙Ｃ２とが形成されている。ガードスペーサ１０３とプレートスペーサ１３１とが絶縁性を有するためプレート１６２は基板１００から絶縁されている。

ガード電極１２５ａがなく、プレート１６２の電位と基板１００の電位とが異なる場合、プレート１６２と基板１００とが対向している領域には寄生容量が生じ、特にこれらの間に絶縁物がある場合には寄生容量が大きくなる（図４Ａ参照）。本実施形態ではガードスペーサ１０３とガード電極１２５ａとプレートスペーサ１３１とからなる、互いに離間した複数の構造体１２９でプレート１６２を基板１００上に支持する構造であるため、ガード電極１２５ａがないとしても、環状の壁構造の絶縁物でプレート１６２が基板１００上に支持される構造に比べると寄生容量が小さくなっている。

プレート１６２のダイヤフラム１２３と対向する面には複数の突起（プレートバンプ）１６２ｆが設けられている。プレートバンプ１６２ｆはプレート１６２を構成する上層導電膜１６０に接合された窒化シリコン（ＳｉＮ）膜と、窒化シリコン膜に接合された多結晶シリコン膜とからなる。プレートバンプ１６２ｆはダイヤフラム１２３がプレート１６２に付着（スティッキング）することを防止する。

プレート１６２の接合部１６２ａの先端からは接合部１６２ａより細いプレートリード１６２ｄがプレート端子１６２ｅまで伸びている。プレートリード１６２ｄはプレート１６２と同じ上層導電膜１６０からなる。プレートリード１６２ｄの配線経路はガードリード１２５ｄの配線経路と重なっている。このためプレートリード１６２ｄと基板１００との寄生容量が低減される。
以上、コンデンサマイクロホン１のＭＥＭＳ構造部の機械構造について説明した。

２．作用
図４は回路チップとセンサチップとが接続されることにより構成される回路を示している。ダイヤフラム１２３には回路チップに備わるチャージポンプＣＰによって安定したバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧が高いほど感度が高くなるがダイヤフラム１２３とプレート１６２とのスティクションが起きやすくなるためプレート１６２の剛性は重要である。

図示しないパッケージの通孔から伝わる音波はプレート孔１６２ｃとプレート１６２の腕部間の切り欠き領域とを通ってダイヤフラム１２３に伝わる。プレート１６２には両面から同位相の音波が伝わるためプレート１６２は実質的に振動しない。ダイヤフラム１２３に伝わった音波はプレート１６２に対してダイヤフラム１２３を振動させる。ダイヤフラム１２３が振動するとプレート１６２とダイヤフラム１２３とを対向電極とする平行平板コンデンサの静電容量が変動する。この静電容量の変動は電圧信号として回路チップのアンプＡに入力されて増幅される。センサチップの出力はハイインピーダンスであるためアンプＡがパッケージ内に必要である。

基板１００とダイヤフラム１２３とが短絡されているため、図３Ａに示すようにガード部１２７のガード電極１２５ａが存在しなければ相対的に振動しないプレート１６２と基板１００とによって寄生容量が形成される。図３Ｂに示すようにアンプＡの出力端をガード部１２７に接続し、アンプＡによってボルテージフォロア回路を構成することによりプレート１６２と基板１００とによって寄生容量が形成されないようになる。すなわちプレート１６２の接合部１６２ａと基板１００とが対向する領域において接合部１６２ａと基板１００との間にガード電極１２５ａを設けることにより、プレート１６２の接合部１６２ａと基板１００とが対向する領域における寄生容量を低減できる。さらに、またプレート１６２から伸びるプレートリード１６２ｄと対向する領域には、ガード電極同士を接続するガードリング１２５ｃからガード端子１２５ｅに伸びるガードリード１２５ｄが配線されているため、プレートリード１６２ｄと基板１００とによっても寄生容量が形成されない。環状のガードリング１２５ｃはダイヤフラム１２３の周囲においてほぼ最短経路で複数のガード電極１２５ａを接続している。またプレート１６２の周方向においてガード電極１２５ａをプレート１６２の接合部１６２ａより長く形成することによりさらに寄生容量が低減される。

なお、チャージポンプＣＰ、アンプＡなどの回路チップに備わる要素をセンサチップ内に設け、１チップ構造のコンデンサマイクロホン１を構成することも可能である。

３．製造方法
次に図５から図１７に基づいてコンデンサマイクロホン１の製造方法を説明する。

図５に示す工程では、まず基板１００の表面全体に酸化シリコンからなる下層絶縁膜１１０を形成する。次に、ダイヤフラムバンプ１２３ｆを形成するためのディンプル１１０ａをフォトレジストマスクを用いたエッチングにより下層絶縁膜１１０に形成する。このときディンプル１１０ａの底が先鋭にならない方法が選択される。例えば等方性エッチングによってディンプル１１０ａを形成したり、底に平坦面が残る範囲で異方性エッチングを終了させる。次に、下層絶縁膜１１０の表面上にＣＶＤ法などを用いて多結晶シリコンからなる下層導電膜１２０を形成する。すると、ディンプル１１０ａの上にダイヤフラムバンプ１２３ｆが形成される。最後に、フォトレジストマスクを用いて下層導電膜１２０をエッチングすることにより、下層導電膜１２０からなるダイヤフラム１２３およびガード部１２７を形成する。

続いて図６に示す工程では、下層絶縁膜１１０と下層導電膜１２０の表面全体に酸化シリコンからなる上層絶縁膜１３０を形成する。次に、プレートバンプ１６２ｆを形成するためのディンプル１３０ａを、フォトレジストマスクを用いたエッチングにより上層絶縁膜１３０に形成する。

続く図７に示す工程では、上層絶縁膜１３０の表面上に多結晶シリコン膜１３５と窒化シリコン膜１３６とからなるプレートバンプ１６２ｆを形成する。多結晶シリコン膜１３５を周知の方法でパターニングした後に窒化シリコン膜１３６が形成されるため、ディンプル１３０ａから突出している多結晶シリコン膜１３５の露出面全体が窒化シリコン膜１３６で覆われる。窒化シリコン膜１３６はスティッキング時にダイヤフラム１２３とプレート１６２とが短絡することを防止する絶縁膜である。

続いて図８に示す工程では、上層絶縁膜１３０の露出面と窒化シリコン膜１３６の表面にＥＣＶＤ法などを用いて多結晶シリコンからなる上層導電膜１６０を形成する。次にフォトレジストマスクを用いて上層導電膜１６０をエッチングすることによりプレート１６２とプレートリード１６２ｄとエッチストッパリング１６１とを形成する。なおこの工程ではプレート孔１６２ｃは形成されない。

続いて図９に示す工程では、上層絶縁膜１３０にコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ３、ＣＨ４が形成され、続いて酸化シリコンからなる表層絶縁膜１７０が表面全体に形成される。さらにフォトレジストマスクを用いたエッチングにより、表層絶縁膜１７０にコンタクトホールＣＨ２を形成すると同時に表層絶縁膜１７０のコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ３、ＣＨ４の底部に形成されている部分を除去する。次にコンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４のそれぞれを埋めるＡｌＳｉからなるパッド導電膜１８０が形成され、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４を覆う部分を残して周知の方法でパターニングされる。さらに窒化シリコンからなるパッド保護膜１９０が表層絶縁膜１７０およびパッド導電膜１８０の上にＣＶＤ法により形成されパット導電膜１８０の周囲にのみを残るようにパッド導電膜１９０が周知の方法によりパターニングされる。

続いて図１０に示す工程では、フォトレジストマスクを用いた異方性エッチングにより、プレート孔１６２ｃに対応する通孔１７０ａが表層絶縁膜１７０に形成され、上層導電膜１６０にはプレート孔１６２ｃが形成される。この工程は連続的に実施され、通孔１７０ａが形成された表層絶縁膜１７０は上層導電膜１６０のレジストマスクとして機能する。

続いて図１１に示す工程では、酸化シリコンからなる表層保護膜２００が表層絶縁膜１７０とパッド保護膜１９０の表面に形成される。このとき表層絶縁膜１７０の通孔１７０ａとプレート孔１６２ｃとは表層保護膜２００によって埋められる。

続いて図１２に示す工程では、コンタクトホールＣＨ１、ＣＨ２、ＣＨ３、ＣＨ４にそれぞれ形成されているパッド導電膜１８０の表面にＮｉからなるバンプ膜２１０を形成し、バンプ膜２１０の表面にＡｕからなるバンプ保護膜２２０を形成する。さらにこの段階で基板１００の裏面を研削し、基板１００の厚さを完成寸法にする。

続いて図１３に示す工程では、フォトレジストマスクを用いたエッチングにより、表層保護膜２００と表層絶縁膜１７０とにエッチストッパリング１６１が露出する通孔Ｈ５を形成する。

以上の工程で基板１００の表面側の成膜プロセスはすべて終了している。基板１００の表面側の成膜プロセスがすべて終了した状態において、図１４に示す工程ではバックキャビティＣ１に対応する通孔を基板１００に形成するための通孔Ｈ６を有するフォトレジストマスクＲ１を基板１００の裏面に形成する。

続いて図１５に示す工程では、基板深掘りエッチング（Ｄｅｅｐ−ＲＩＥ）により基板１００に通孔を形成する。このとき下層絶縁膜１１０がエッチングストッパとなる。

続いて図１６に示す工程では、フォトレジストマスクＲ１を除去し、基板深掘りエッチングにより基板１００に荒く形成された通孔の壁面１００ｃを平滑化する。

続いて図１７に示す工程では、フォトレジストマスクＲ２とＢＨＦ（希フッ酸）を用いた等方性エッチングにより、プレート１６２およびプレートリード１６２ｄの上にある余分な表層保護膜２００および表層絶縁膜１７０を除去し、さらに上層絶縁膜１３０の一部を除去して環状部１３２、プレートスペーサ１３１および空隙Ｃ３を形成し、下層絶縁膜１１０の一部を除去してガードスペーサ１０３、ダイヤフラム支持部１０２、環状部１０１および空隙Ｃ２を形成する。このときエッチャントであるＢＨＦはフォトレジストマスクＲ２の通孔Ｈ６と基板１００の開口１００ａのそれぞれから進入する。上層絶縁膜１３０の輪郭はプレート１６２およびプレートリード１６２ｄによって規定される。すなわちプレート１６２およびプレートリード１６２ｄに対するセルフアラインによって環状部１３２およびプレートスペーサ１３１が形成される。図２１に示すように環状部１３２およびプレートスペーサ１３１の端面には等方性エッチングによりアンダーカットが形成される。また下層絶縁膜１１０の輪郭は基板１００の開口１００ａとダイヤフラム１２３とダイヤフラムリード１２３ｄとガード電極１２５ａとガードコネクタ１２５ｂとガードリング１２５ｃとによって規定される。すなわちダイヤフラム１２３に対するセルフアラインによりガードスペーサ１０３およびダイヤフラム支持部１０２が形成される。ガードスペーサ１０３とププレートスペーサ１３１の端面には等方性エッチングによりアンダーカットが形成される（図２１、図２２参照）。なおこの工程においてガードスペーサ１０３とプレートスペーサ１３１とが形成されるため、プレート１６２を基板１００の上に支持するプレート支持部１２９のガード電極１２５ａを除く部分がこの工程で形成されている。

最後にフォトレジストマスクＲ２を除去し、基板１００をダイシングすると図１に示すコンデンサマイクロホン１のセンサチップが完成する。センサチップと回路チップとを図示しないパッケージ基板に接着し、ワイヤボンディングによって各端子間を接続し、図示しないパッケージカバーをパッケージ基板にかぶせると、コンデンサマイクロホン１が完成する。センサチップがパッケージ基板に接着されることにより、基板１００の裏面側においてバックキャビティＣ１が気密に閉塞される。

４．他の実施形態
図１９、図２０はダイヤフラムバンプ１２３ｆの配列の変形例を示す図である。図１９および図２０においてダイヤフラムバンプ１２３ｆの位置は黒丸で示されている。図１９に示すように、腕部１２３ｃの全てのダイヤフラムバンプ１２３ｆが、ダイヤフラム１２３の径方向において最も近いダイヤフラムバンプ１２３ｆ同士を結ぶ方向（図１９に示すＡＡ線の方向）がダイヤフラム１２３の周方向（図１９に示すＢＢ線の方向）に対して傾斜するように千鳥配列されていてもよい。また図２０に示すようにダイヤフラム１２３の径方向において最も近いダイヤフラムバンプ１２３ｆ同士を結ぶ線がジグザグ線になるように腕部１２３ｃの全てのダイヤフラムバンプ１２３ｆが配列されていてもよい。

尚、本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば、上記実施形態で示した材質や寸法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。例えば、上述した製造工程において、膜の組成、成膜方法、膜の輪郭形成方法、工程順序などは、コンデンサマイクロホンを構成しうる物性を持つ膜材料の組み合わせや、膜厚や、要求される輪郭形状精度などに応じて適宜選択されるものであって、特に限定されない。

本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる模式的な断面図。本発明の実施形態にかかる分解斜視図。本発明の実施形態にかかる回路図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる平面図。本発明の実施形態にかかる断面図。本発明の実施形態にかかる断面図。

符号の説明

１：コンデンサマイクロホン、１００：基板、１００ａ：開口、１００ｂ：基板端子、１０１：環状部、１０２：ダイヤフラム支持部、１０３：ガードスペーサ、１１０：下層絶縁膜、１１０ａ：ディンプル、１２０：下層導電膜、１２３：ダイヤフラム、１２３ａ：中央部、１２３ｂ：ダイヤフラム孔、１２３ｃ：腕部、１２３ｄ：ダイヤフラムリード、１２３ｅ：ダイヤフラム端子、１２３ｆ：ダイヤフラムバンプ（突起）、１２５ａ：ガード電極、１２５ｂ：ガードコネクタ、１２５ｃ：ガードリング、１２５ｄ：ガードリード、１２５ｅ：ガード端子、１２７：ガード部、１２９：プレート支持部、１３０：上層絶縁膜、１３０ａ：ディンプル、１３１：プレートスペーサ、１３２：環状部、１６０：上層導電膜、１６１：エッチストッパリング、１６２：プレート、１６２ａ：接合部、１６２ｂ：対向部、１６２ｃ：プレート孔、１６２ｄ：プレートリード、１６２ｅ：プレート端子、１６２ｆ：プレートバンプ、１７０：表層絶縁膜、１８０：パッド導電膜、１９０：パッド保護膜、２００：表層保護膜、２１０：バンプ膜、２２０：バンプ保護膜、Ａ：アンプ、Ｃ１：バックキャビティ、Ｃ２：空隙、Ｃ３：空隙、ＣＰ：チャージポンプ

Claims

基板と、
前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有し、中央部と前記中央部から外側に放射状に延びる複数の腕部とを備えるダイヤフラムと、
前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有するプレートと、
前記基板上の堆積膜からなり、複数の前記腕部のそれぞれに接合され、前記プレートとの間に空隙を挟んで前記ダイヤフラムを支持するダイヤフラム支持部と、
を備え、
前記基板または前記プレートに前記ダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起が前記ダイヤフラムの腕部に形成され、
前記ダイヤフラムが前記プレートに対して振動することにより前記ダイヤフラムと前記プレートとで形成される静電容量が変化する、
振動トランスデューサ。
前記突起は前記腕部の前記ダイヤフラムの周方向端の近傍領域に形成されている、
請求項１に記載の振動トランスデューサ。
複数の前記突起の配列は、前記ダイヤフラムの径方向において最も近い前記突起同士を結ぶ方向が前記ダイヤフラムの周方向に対して傾斜する配列である、
請求項１または２に記載の振動トランスデューサ。
前記突起は千鳥配列されている、
請求項１または２に記載の振動トランスデューサ。
基板と、
前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有し、中央部と前記中央部から外側に放射状に延びる複数の腕部とを備えるダイヤフラムと、
前記基板上の堆積膜からなり、導電性を有するプレートと、
前記基板上の堆積膜からなり、複数の前記腕部のそれぞれに接合され、前記プレートとの間に空隙を挟んで前記ダイヤフラムを支持するダイヤフラム支持部と、
を備え、
前記基板または前記プレートに前記ダイヤフラムが付着することを防止する複数の突起が前記中央部の外周の近傍領域に形成され、
前記ダイヤフラムが前記プレートに対して振動することにより前記ダイヤフラムと前記プレートとで形成される静電容量が変化する、
振動トランスデューサ。
前記突起は先鋭でない突端を有する、
請求項１から５のいずれか一項に記載の振動トランスデューサ。