JP5070026B2

JP5070026B2 - コンデンサマイクロホン及びその製造方法

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Publication number: JP5070026B2
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Inventors: 政明佐藤
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Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）を用いて製造される感度の高いコンデンサマイクロホン及びその製造方法に関する。

近年、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるコンデンサマイクロホンが、これまで使用されてきたエレクトレットコンデンサマイクロホンに置き換わり市場を拡大している。特に、小型化及び薄型化が必要な分野で、コンデンサマイクロホンの使用が、拡大している。このコンデンサマイクロホンにおいては、音圧に対して可動なダイアフラム電極と固定電極とが平行に設けられ、音圧によりダイアフラム電極を振動させて、ダイアフラム電極と固定電極との間の容量の変化を電圧の変化に変換することにより、音を電気信号に変換している。このコンデンサマイクロホンの感度は、ある音圧での平行平板電極間の容量値（Ｃｐ）に対する容量変化（△Ｃｐ）の割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）に比例する。

図１５は、従来の一般的なコンデンサマイクロホンの断面図、図１６は、その平面図である。図１５は、図１６のＤ−Ｄ断面を示す断面図である。従来の一般的なコンデンサマイクロホンは、基板４１と、基板４１の上に設けられるダイアフラム電極４２と、スペーサ４３を介してダイアフラム電極４２と平行に配置される固定電極４４とを有する。また、固定電極４４の上には、絶縁膜４５が設けられている。従来の一般的なコンデンサマイクロホンの構造においては、ダイアフラム電極４２は、円形又は方形に形成され、ダイアフラム電極４２の周囲で、例えば、基板４１及び／又はスペーサ４３により固定されている。ダイアフラム電極４２は、ダイアフラム電極用引き出し電極４６に接続され、ダイアフラム電極部４７が形成されている。他方、固定電極４４は、固定電極用引き出し電極４８に接続され、固定電極部４９が形成されている。

従来の一般的なコンデンサマイクロホンにおいては、ダイアフラム電極４２を薄くすることにより、ダイアフラム電極４２が音圧に対して、可動しやすく形成され、ダイアフラム電極４２の容量変化を大きくして、コンデンサマイクロホンの感度の向上を図っている。しかしながら、従来の一般的なコンデンサマイクロホンにおいては、ダイアフラム電極４２の周囲が固定されているので、ダイアフラム電極４２の周辺部分において、音圧変化に対する容量の変化が少なく、コンデンサマイクロホンの感度を向上させることが困難であった。

また、従来の一般的なコンデンサマイクロホンにおいては、ダイアフラム膜の引っ張り応力が大きいと、コンデンサマイクロホンの感度が低下する。そこで、ダイアフラム膜の引っ張り応力を小さくしていくと、ダイアフラム電極の性能のばらつきが大きくなり、それに伴って感度のばらつきも大きくなってしまう。一方、ダイアフラム膜の応力が圧縮側になると、ダイアフラム電極が撓んで、コンデンサマイクロホンとして動作しなくなる。このため、ダイアフラム膜の引っ張り応力を小さくしていくことには限界があった。他方、ダイアフラム膜を薄くすることによっても、感度を向上させることができる。しかしながら、ダイアフラム膜を薄くすると、ダイアフラム電極の機械的強度も低下し、ダイアフラム膜を薄くすることにも限界があった。

これらを解決するために、様々な試みがなされてきた。これらの試みについて以下に簡単に説明する。

特許文献１及び特許文献２のコンデンサマイクロホンにおいて、多数の孔を有する固定電極に対して、クランプを介してダイアフラム電極が作動関係を有して保持される。ダイアフラム電極の周辺部での変位が、クランプ及び／又はバネにより制約されるために、コンデンサマイクロホンの感度の向上に制約があった。

特許文献３のコンデンサマイクロホンにおいて、固定電極に対して、ダイアフラム電極が十字形状の梁により吊持される。十字形状の梁の部分は、音圧に対して動作しないので、コンデンサマイクロホンの感度の向上に制約があった。

特許文献４のコンデンサマイクロホンにおいて、ダイアフラム電極の周囲の抵抗率を増加させることにより、周囲の容量を低下させて、実質的な容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）の増加を図っている。しかしながら、ダイアフラム電極の有する応力のために、感度の向上に制約があった。

特許文献５のコンデンサマイクロホンにおいて、ダイアフラムによって可動電極を吊り持つ構成とすることにより容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）の増加を図っている。しかしながら、構造が複雑で製造が難しくなるという問題を有していた。また、ダイアフラムの周囲が固定されているので、感度の向上に制約があった。

非特許文献１のコンデンサマイクロホンにおいて、歯車状の固定電極と歯車状のダイアフラム電極を交互に配置することが提案されている。ダイアフラム電極の固定されて変位しない部分と対応する位置に固定電極部分が存在しないので、必然的に容量（Ｃｐ）が減少し、容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）が増加する。しかし、ダイアフラム電極の周囲の全てが固定されている場合より感度が向上するが、ダイアフラム電極の周囲が依然として部分的に固定さているので感度の向上に制約がある。
特許第３４５１５９３号公報特表２００４−５０６３９４号公報特開２００５−１１０２０４号公報特開２００７−０６７６５９号公報特開２００７−０６７４８３号公報平出誠治、「音響メーカーのＳｉマイク最新技術」、MENS International 2007、C7−１、２００７年６月７日

ＭＥＭＳ技術を用いて製造されるコンデンサマイクロホンにおいては、感度を向上させるため、ダイアフラムを固定する方法について様々な工夫がなされ、ダイアフラムの引っ張り応力、ダイアフラムの厚さについても様々な検討がなされてきたが、それぞれについてトレードオフとなる問題があり、この問題を解決することが課題となっている。

また、コンデンサマイクロホンの容量（Ｃｐ）は、平行電極間の容量だけではなく、パッド電極、配線、及び基板の浮遊容量も含んでいる。このような浮遊容量を低減することによって、同じ容量の変化（△Ｃｐ）でも容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）を増加して感度を向上することができる。このため、感度を向上させるために、浮遊容量を低減させることが課題となっている。浮遊容量を低減させるためには、従来のコンデンサマイクロホンのレイアウトを工夫するだけではなく、コンデンサマイクロホンの基本的な構造について根本的に検討することが必要となっている。

さらに、コンデンサマイクロホンの周波数特性については、ダイアフラムを介して音圧感知側とバックキャビティーとの間の通気をどのように制御するかが課題となっている。通気口を設けないと、気圧変化の問題及び極低音でのノイズ発生の問題が生じる。しかしながら、通気口が大きすぎると、低音での感度が低下するとういう問題を生じる。

本発明は、これらの課題を解決し、ＭＥＭＳ技術を用いて、感度が高く、周波数特性に優れたコンデンサマイクロホン及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のコンデンサマイクロホンは、音波が通過する複数の穴を有する絶縁膜と、前記絶縁膜によって保持され、音波が通過する複数の穴を有する固定電極と、前記固定電極の裏面の中心部に設けられる固定部と、前記固定電極と平行に配置され、前記固定部により中心部のみが前記固定電極に固定され、前記固定電極を通過した音波を受けて振動し、振動の振幅が中心から外周に近づくにしたがって増加するダイアフラム電極と、を具備し、音波を前記固定電極と前記ダイアフラム電極との間の容量変化に変換して電気信号として検出することを特徴とする。

また、本発明のコンデンサマイクロホンは、音波が通過する複数の穴を有する絶縁膜と、前記絶縁膜によって保持され、音波が通過する複数の穴を有する固定電極と、前記固定電極の裏面の中心部に設けられる固定部と、前記固定電極と平行に配置され、前記固定部により中心部のみが前記固定電極に固定され、前記固定電極を通過した音波を受けて振動し、振動の振幅が中心から外周に近づくにしたがって増加するダイアフラム電極と、前記ダイアフラム電極と同一の平面に形成され、ダイアフラム電極との間に通気口を形成する外側電極と、を具備し、音波を前記固定電極と前記ダイアフラム電極との間の容量変化に変換して電気信号として検出することを特徴とする。

本発明のコンデンサマイクロホンは、請求項１又は２いずれか記載のコンデンサマイクロホンにおいて、前記固定電極と同一の平面に形成され、前記固定電極と電気的に絶縁され、前記固定部から前記固定電極の外周方向に延びる形状を有し、前記固定部を介して前記ダイアフラム電極と電気的に接続されるダイアフラム電極用電気接続部を具備することを特徴とする。

本発明のコンデンサマイクロホンの製造方法は、基板の表面に、第１絶縁膜及び第１導電性膜を成膜する工程と、前記第１導電性膜を所定の形状に加工してダイアフラム電極の形状を形成する工程と、前記第１導電性膜の上に犠牲層を成膜する工程と、前記ダイアフラム電極の中心部の前記犠牲層に、該犠牲層を貫通する溝を形成する工程と、前記犠牲層の上及び前記溝の内部に、第２導電性膜を成膜する工程と、前記第２導電性膜に固定電極の形状とダイアフラム電極用電気接続部の形状とを形成する工程と、前記第２導電性膜の上に、第２絶縁膜を成膜する工程と、前記第２絶縁膜と前記固定電極の形状の第２導電性膜とを貫通して前記犠牲層に達する複数の穴を形成する工程と、前記基板の裏面からエッチングすることにより、前記基板に、前記ダイアフラム電極より面積が大きく、前記第１絶縁膜に達する開口を形成する工程と、前記複数の穴と前記基板の前記開口からエッチングすることにより、前記第１絶縁膜及び前記犠牲層を部分的に除去して、前記ダイアフラム電極を前記固定電極に固定する固定部と、前記固定電極を前記基板の上に支持するスペーサと、通気口とを形成する工程と、を具備することを特徴とする。

また、本発明のコンデンサマイクロホンの製造方法は、基板の表面に、第１絶縁膜及び第１導電性膜を成膜する工程と、前記第１導電性膜に、前記第１導電性膜を貫通し、後の通気口となる第１の溝を形成し、前記第１の溝の内側にダイアフラム電極の形状を形成し、前記第１の溝の外側に前記ダイアフラム電極と同一の平面に設けられる外側電極の形状を形成する工程と、前記第１導電性膜の上に犠牲層を成膜し、前記第１導電性膜を貫通する前記第１の溝を前記犠牲層により充填する工程と、前記ダイアフラム電極の中心部の前記犠牲層に、該犠牲層を貫通する第２の溝を形成する工程と、前記犠牲層の上及び前記第２の溝の内部に、第２導電性膜を形成する工程と、前記第２導電性膜に固定電極の形状とダイアフラム電極用電気接続部の形状とを形成する工程と、前記第２導電性膜の上に、第２絶縁膜を形成する工程と、前記第２絶縁膜と前記固定電極の形状の第２導電性膜とを貫通して前記犠牲層に達する複数の穴を形成する工程と、前記基板の裏面からエッチングすることにより、前記基板に、前記ダイアフラム電極より面積が大きく、前記第１絶縁膜に達する開口を形成する工程と、前記複数の穴と前記基板の前記開口からエッチングすることにより、前記第１絶縁膜及び前記犠牲層を部分的に除去して、前記ダイアフラム電極を前記固定電極に固定する固定部と、前記固定電極を前記基板の上に支持するスペーサと、前記通気口とを形成する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明によれば、ダイアフラム電極が中心部でのみ固定され、ダイアフラム電極の外周では固定されないので、音波によるダイアフラム電極の振動の振幅は中心から外周に近づくにしたがって大きくなる。このため、音圧により周辺部ほど大きな容量変化を生じる。そして、ダイアフラム電極は、周辺部ほど面積が大きくなるので、容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）を大きくすることが可能となり、コンデンサマイクロホンの感度を向上させることが可能となる。

本発明によれば、ダイアフラム電極の中心部でダイアフラム電極を固定する固定部と、固定電極と同一平面にある電気接続部とを介して、ダイアフラム電極をダイアフラム電極用引き出し電極と電気的に接続するので、ダイアフラム電極の外周周辺の構造を簡単なものとすることができる。これにより、浮遊容量を低減し、同じダイアフラム電極の面積でも、容量（Ｃｐ）を低減することが可能となり、容量変化割合（△Ｃｐ／Ｃｐ）を大きくして、コンデンサマイクロホンの感度を向上させることが可能となる。

本発明によれば、成膜とリソグラフィーの工程を用いることにより、基板とダイアフラム電極との間に設けられる通気口の加工精度を向上することが可能となるので、ダイアフラム電極を介する音圧感知側とバックキャビティー間の通気の制御性が向上する。これにより、コンデンサマイクロホンの周波数特性を向上させ、ノイズを低減し、感度を向上させることにより、コンデンサマイクロホンの音響特性を向上させることが可能となる。

以下、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、同一の構成要素については同一の参照符号を付して説明を省略する。

本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンについて説明する。図１は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図、図２は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す平面図、図３は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの固定電極とダイアフラム電極用電気接続部の両方の断面を示す断面図、図４は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの断面を斜め上から示す斜視断面図、図５、図６は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図、図７は、本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を斜め上から示す斜視図である。

ここで、図１は、図２のＡ−Ａ断面から見た本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図、図３は、図２のＢ−Ｂ断面から見た本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図である。図４は、図２のＡ−Ａ断面を斜め上から見た第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの形状を示す図である。

図１に示すように、本願発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンは、中央に貫通する開口を有する基板１と、基板１の上に形成され、中央に貫通する開口を有するスペーサ２と、スペーサ２の上に形成され、導電性膜３により形成される固定電極４と、固定電極４の上に形成され固定電極４を保持する絶縁膜５と、固定電極４の絶縁膜５と接する面と反対側の面の中心部に設置される固定部６と、固定電極４と平行に配置され、固定部６により中心部のみが固定電極４に固定されるダイアフラム電極７とを有する。固定電極４とその上に設けられた絶縁膜５には、固定電極４と絶縁膜５とを貫通する複数の穴８が設けられる。固定電極４とダイアフラム電極７との間に、ギャップ９が形成されている。

音波は、絶縁膜５の表面側から入射し、絶縁膜５と固定電極４とを貫通する複数の穴８を通過する。ダイアフラム電極７は、穴８を通過した音波を受けて振動する。ダイアフラム電極７は、固定部６により中心部のみが固定電極４に固定され、外周は固定されずに可動とされているので、音波による振動の振幅は中心から外周に近づくにしたがって大きくなる。本実施形態に係るコンデンサマイクロホンは、ダイアフラム電極７が音波を受けて振動することにより生じる固定電極４とダイアフラム電極７との間の容量変化を電気信号に変換することにより動作する。通気口１０を設けることで、スペース９とキャビティー１１との間の気圧差をなくすことができる。

図２及び図３に示すように、導電性膜３は、固定電極４と、固定電極４と電気的に絶縁されるダイアフラム電極用電気接続部１２とに分離されている。固定電極４は、ダイアフラム電極７と一対のコンデンサを形成しコンデンサマイクロホンとして動作させるのに必要な表面積を有する。ダイアフラム電極用電気接続部１２は、コンデンサマイクロホンの中心から外周に延びる形状を有し、固定電極４より小さな面積を有する。固定部６は、絶縁材料により形成され、固定部６の側面に導電性膜１３が形成される。

ダイアフラム電極７は、固定部６の側面に形成される導電性膜１３とダイアフラム電極用電気接続部１２とを介してダイアフラム電極用引き出し電極１４と接続され、ダイアフラム電極部１５が形成されている。他方、固定電極４は、固定電極用引き出し電極１６と接続され、固定電極部１７が形成されている。ダイアフラム電極７を、固定部６の側面の導電性膜１３と、ダイアフラム電極用電気接続部１２とを通して電気的に接続することにより、ダイアフラム電極７の外周近傍の構造が簡単になり、浮遊容量を低減することが可能となる。

ダイアフラム電極７を、固定電極４と同一平面にあるダイアフラム電極用電気接続部１２を介してダイアフラム電極用引き出し電極１４と電気的に接続する場合について説明したが、ダイアフラム電極７を、ダイアフラム電極７と同一平面にある電気接続部を介してダイアフラム電極用引き出し電極１４と電気的に接続するようにしても良い。

本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの１実施例においては、基板１としてシリコン基板２１が用いられ、スペーサ２は、熱酸化膜２２の上にＣＶＤ酸化膜からなる犠牲層２４が積層して形成され、スペーサ２の上の導電性膜３と絶縁膜５は、それぞれ導電性ポリシリコン膜と窒化シリコン膜によりそれぞれ形成され、固定部６は、ＣＶＤ酸化膜により形成され、固定部の側面の導電性膜１３は、導電性ポリシリコンにより形成され、ダイアフラム電極７は、導電性ポリシリコンにより形成されるようにしても良い。

次に、図５、図６及び図７を参照して、本願発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造方法を、本実施形態に係るコンデンサマイクロホンの１実施例を一例として説明する。

シリコン基板２１の上に、シリコン基板２１を熱酸化して、熱酸化膜２２を成膜する。この熱酸化膜２２の上に、不純物を添加した第１導電性ポリシリコン膜２３を成膜する。第１導電性ポリシリコン膜２３は、不純物を添加しながらポリシリコン膜を堆積して成膜しても良く、又は、ノンドープのポリシリコン膜を成膜した後にイオン注入等の公知の方法を用いることにより成膜しても良い。その後、応力調整のために、熱処理を行う（図５ａ）。

次に、通常のホトリソグラフィーを用いて第１導電性ポリシリコン膜２３をダイアフラム電極７の形状に加工する。ここでは、ダイアフラム電極７の形状を円形に加工する場合について説明しているが、ダイアフラム電極の形状は円形に限らず、使用法に応じたダイアフラム電極の動作に適する多角形、楕円形等の任意の形状に加工しても良い（図５ｂ、図７ａ）。

次に、犠牲層２４を形成する。犠牲層２４は、例えば、熱ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜を成膜することにより形成される（図５ｃ）。

次に、ダイアフラム電極７の中心部に、ダイアフラム電極７を固定電極に固定する固定部を形成するため、犠牲層２４を貫通する溝２４ａを形成し、犠牲層２４を、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂと溝２４ａの外側にある犠牲層２４ｃとに分離する。溝２４ａは、例えば、円環形状に形成されるが、犠牲層２４を、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂと溝２４ａの外側にある犠牲層２４ｃとに分離する閉ループ形状であれば多角形を含めて任意の形状に形成されても良い（図５ｄ、図７ｂ）。ここで、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂは、必ずしも必要ではないが、ダイアフラム電極７との接着強度を増すため、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂを残すのが好ましい。

次に、固定電極となる不純物を添加した第２導電性ポリシリコン膜２５を成膜する。第２導電性ポリシリコン膜２５は、不純物を添加しながらポリシリコン膜を堆積して成膜しても良く、又はノンドープのポリシリコン膜を成膜した後にイオン注入等の公知の方法を用いることにより不純物を添加して成膜しても良い。ここで、第２導電性ポリシリコン膜２５は、犠牲層２４に設けられた溝２４ａを充填し、溝２４ａの底部でダイアフラム電極７と導通し、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂの側壁を覆うように形成される。図１に示すように、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂは後の工程で固定部６に加工され、溝２４ａの内側にある犠牲層２４ｂの側壁に形成された第２導電性ポリシリコン膜２５（図１：１３）は、ダイアフラム電極７とダイアフラム電極用電気接続部（図１：１２）とを電気的に接続する（図５ｅ、図１）。

次に、固定電極となる第２導電性ポリシリコン膜２５を、エッチングにより加工する。図７（ｃ）に示すように、この第２導電性ポリシリコン膜２５は、固定電極４とダイアフラム電極用電気接続部１２とに分離され絶縁される。ダイアフラム電極用電気接続部１２は、中心からの径と面積がその下に設けられる溝２４ａより大きい中心部１２ａと、中心部１２ａと接続され中心から外側に延びる接続部１２ｂとを備えるように形成される。ダイアフラム電極用電気接続部１２は、ダイアフラム電極用引き出し電極１４に接続され、固定電極４は、固定電極用引き出し電極１６に接続されている（図６ａ、図７ｃ）。

次に、プラズマＣＶＤ法を用いて、窒化シリコン膜２６を成膜する。この窒化シリコン膜２６は、固定電極４とダイアフラム電極用電気接続部１２とを担持する。次に、図２に示すように、第２導電性ポリシリコン膜が表面に露出するように、窒化シリコン膜２６を加工し、ダイアフラム電極部１５と固定電極部１７とを形成する（図６ｂ、図２）。

その後、金属膜を堆積し、ダイアフラム電極部１５と固定電極部１７上にのみ金属膜を残すパターン加工をして金属電極を形成する（図示せず）。金属膜として、例えば、アルミニウム膜を用いることができる。

通常のホトリソグラフィーを用いて、窒化シリコン膜２６と第２導電性ポリシリコン膜２５との両方を貫通して犠牲層２４に達する複数の穴８を形成する。これにより、穴８を通してダイアフラム電極７まで音波を通過させる穴あきの固定電極４の形状が形成される（図６ｃ）。なお、図２及び図４では、ダイアフラム電極用引き出し電極１２にも複数の穴が形成されているが、この複数の穴は、後述する犠牲層２４を除去する際に、エッチング液を通過させるために形成されたものである。

次に、シリコン基板２１の裏面からアルカリ液を用いてシリコン基板２１を加工し、熱酸化膜２２まで到達するダイアフラム電極７より径の大きな開口を形成する。これにより、シリコン基板２１の裏面に、キャビティー１１が形成される（図６ｃ）。

緩衝弗酸液によるウエットエッチングにより窒化シリコン膜２６と第２導電性ポリシリコン膜２５に形成された穴８を通して犠牲層２４を部分的に除去する。この際、シリコン基板２１の裏面の開口から熱酸化膜２２も除去され、犠牲層２４は、この開口からも除去される。犠牲層２４ｂは、犠牲層２４ｂの側壁に形成されたポリシリコン膜２５によって保護されているので、エッチングされない。これにより、ダイアフラム電極７が、その中心部のみで、ダイアフラム電極用電気接続部１２の中心部１２ａに、固定部６によって固定されて、周辺部は固定されない形状に加工される。ウエットエッチングにより溝２４ａの外側にある犠牲層２４ｃの大部分が除去されることにより、固定電極４とダイアフラム電極７との間にギャップ９が形成されるが、外周部分は除去されずに残り、スペーサ２が形成される。また、このウエットエッチングにより、シリコン基板２１とダイアフラム電極７との間に、通気口１０が形成される。成膜とホトリソグラフィーの工程を用いることにより、通気口を精度良く形成することができるので、コンデンサマイクロホンの音響性能を向上することができる（図６ｄ、図４）。

本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの動作と、図１５に示す周辺部を固定されたダイアフラム電極を有する従来型のコンデンサマイクロホンの動作とを比較して説明する。

第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンと図１５の従来のコンデンサマイクロホンの構造と動作を比較するために、軸対象３次元有限要素法を用いて一定音圧を印加したときのダイアフラム電極の変位量を計算した。図８は、この計算結果の１例を示す。縦軸の変化を識別できるように、軸方向（Ｚ方向）の変位を１０００倍にして示している。

図８（ａ）に示すように、第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンは、ダイアフラム電極の中心部が固定され、周辺部が固定されていないので、周辺部が大きく変位する。一方、従来のコンデンサマイクロホンは、図８（ｂ）に示すように、ダイアフラム電極の周辺部が固定され、中心部が固定されていないので、中心部が変位し、ダイアフラム電極の膜が音圧で伸びて軸方向（Ｚ方向）に変化するものの、ダイアフラム電極の膜の中心部の変位が固定されている周辺部により拘束されている。そのため、中心部の変位の量は、本発明の固定されずに自由に変位する周辺部の変位量と比較してかなり小さいことがわかる。

図９は、同一音圧での本発明の中心固定型のダイアフラム電極と従来の周辺固定型のダイアフラム電極のその半径に対する最大変位量を比較して示す。図９に示すように、ダイアフラム電極の径の増加とともに、ダイアフラム電極の最大変位量は非線形的に増加する。そして、いずれの径においても、本発明の中心固定型の最大変位量は、従来の周辺固定型の最大変位量に対して、計算の範囲で５から７倍大きく、径が小さいほどこの比（倍率の値）が大きくなる。このように、本発明の中心固定型は、従来の周辺固定型に比較して、ダイアフラム電極の径が小さいほど最大変位量を大きくできる効果を奏するので、マイクロホンを小型化するのに非常に有利である。

次に、実際に作成した本発明のマイクロホンと従来のマイクロホンとの間で、同一音圧に対する感度を比較した。図１０は、その感度の比較の一例である。同一径のダイアフラム電極を用いた場合に、本発明の中心固定型の感度は、従来の周辺固定型の感度と比較して約１６倍大きいことを示している。変位量に比較して感度の増大効果が大きいのは、中心部よりも周辺部の方が面積が大きく、周辺部で変位量の大きい本発明の方が、容量変化量が大きくなることと、本発明のマイクロホンでは、浮遊容量が極めて小さいためと考えられる。このように、本発明を用いることにより、マイクロホンの感度を大きくすることができる。また、マイクロホンの感度が同じならば、マイクロホンを小型化することが可能になる。

第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造方法の変形例について説明する。第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造方法において、積層する膜を一層追加して、加工精度をさらに向上しても良い。例えば、熱酸化膜２２の上に、ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を成膜して設ける。この窒化シリコン膜を、ダイアフラム電極の径より大きく取り除く。その上に、第１導電性ポリシリコン膜２３を成膜して、ダイアフラム電極の形状に加工する。その後、前述の工程に従い、溝２４ａの外側にある犠牲層２４ｃを除去すると、ダイアフラム電極の音圧感知側とキャビティー間の通気口が、ダイアフラム電極と窒化シリコン膜との間に形成され、表面と裏面との位置合わせ及び厚いシリコンの加工の影響を受けることなく、基板の表面側から窒化シリコン膜とダイアフラム電極の位置合わせ精度で形成されるので、通気口の寸法精度がさらに向上する。これにより、マイクロホンの通気口の寸法のバラツキを低減し、ダイアフラム電極の音圧感知側と裏面キャビティー間の通気制御の精度を向上し、コンデンサマイクロホンの音響性能を向上することが可能となる。

本願発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンについて説明する。図１１は、本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図、図１２は、本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す平面図、図１３、図１４は、本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図である。ここで、図１１は、図１２のＣ−Ｃ断面から見た本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図である。

図１１及び図１２を参照して、本願発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンについて説明する。なお、第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンと同一の構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。本願発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンは、ダイアフラム電極７の外側に、ダイアフラム電極７とほぼ同一の平面に形成された外側電極３０を有する。ダイアフラム電極７と外側電極３０との間には、通気口３１が形成される。また、本願発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンは、スペーサ２の側壁に導電性膜３２を設けるようにしても良い。外側電極３０とスペーサ２の側壁に導電性膜３２とを有するそれぞれの効果については、以下の本実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造方法を説明するなかで説明する。

図１３及び図１４を参照して、本願発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造方法の一例について説明する。第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程のうち、第１の実施形態と同一の製造工程については、説明を省略して記載する。

第１の実施形態と同様に、シリコン基板２１の上に、シリコン基板２１を熱酸化して熱酸化膜２２を成膜し、この熱酸化膜２２の上に、不純物を添加した第１導電性ポリシリコン膜２３を成膜する。その後、応力調整のために、熱処理を行う（図１３ａ）。

次に、通常のホトリソグラフィーを用いて第１導電性ポリシリコン膜２３に第１導電性ポリシリコン膜２３を貫通する溝３３ａを形成して、溝３３ａの内側にある第１導電性ポリシリコン膜３３ｂをダイアフラム電極７の形に加工する。本実施形態において、溝３３ａは、本実施形のコンデンサマイクロホンが完成した後に、ダイアフラム電極７の音圧感知側とキャビティー間の通気口３１（図１１）となる。溝３３ａの外側にある第１導電性ポリシリコン膜３３ｃは、後に、外側電極３０（図１１）となる。ここでは、ダイアフラム電極の形を円形に加工する場合について説明したが、ダイアフラム電極の形状は円形に限らず、使用法に応じたダイアフラム電極の動作に適する多角形、楕円形等の任意の閉ループの形状に形成されても良い。ダイアフラム電極の形状に応じて、溝３３ａも任意の形状に形成されて良い（図１３ｂ）。

次に、第１の実施形態と同様に、犠牲層２４を形成する。犠牲層２４は、例えば、熱ＣＶＤ法により酸化シリコン膜を成膜することにより形成される。本実施形態において、前工程で形成された溝３３ａは、犠牲層により充填される（図１３ｃ）。

次に、ダイアフラム電極７の中心部に、ダイアフラム電極７を固定電極に固定する固定部６（図１１）を形成するための犠牲層２４を貫通する溝３４ａと、側壁スペーサ３２（図１１）を形成するための溝３４ｂとを形成し、犠牲層２４を溝３４ａの内側にある犠牲層３４ｃと、溝３４ａと溝３４ｂの中間にある犠牲層３４ｄと、溝３４ｂの外側にある犠牲層３４ｅとの３個に分離する。それぞれの溝３４ａ、３４ｂは、例えば、円環形状に形成されるが、犠牲層２４を分離する閉ループ形状であれば多角形を含めて任意の形状に形成されても良い（図１３ｄ）。

次に、不純物を添加した固定電極となる第２導電性ポリシリコン膜２５を成膜する。第２導電性ポリシリコン膜２５は、不純物を添加しながらポリシリコン膜を堆積して成膜しても良く、又はノンドープのポリシリコン膜を成膜した後にイオン注入等の公知の方法を用いることにより不純物を添加して成膜しても良い。ここで、犠牲層２４に設けられた内側の溝３４ａと外側の溝３４ｂは、第２導電性ポリシリコン膜２５により充填され、第２導電性ポリシリコン膜２５は、溝３４ａの底面でダイアフラム電極７と導通し、内側にある犠牲層３４ｃの側面を覆うように形成される。また、第２導電性ポリシリコン膜２５は、溝３４ｂの底面で外側電極３０と導通し、外側にある犠牲層３４ｅの側壁を覆うように形成される。図１１に示すように、溝３４ａの内側にある犠牲層３４ｃの側壁に形成された第２導電性ポリシリコン膜は、ダイアフラム電極７とダイアフラム電極用電気接続部１２とを電気的に接続する導電成膜１３となる。犠牲層３４ｅの側壁に形成された第２導電性ポリシリコン膜は、固定電極４と外側電極３０とを電気的に接続する。また、溝３４ｂの外側にある犠牲層３４ｅの側壁に形成された第２導電性ポリシリコン膜は、溝３４ａと溝３４ｂの中間にある犠牲層３４ｄを除去する際、溝３４ｂの外側にある犠牲層３４ｅのサイドエッチングを防止し、スペーサ２の形状（図１４ｄ）を制御する。なお、固定電極４と外側電極３０とを電気的に接続しない場合には、溝３４ｂの形成を省略しても良い（図１３ｅ、図１１）。

次に、図６（ａ）から図６（ｃ）に示した第１の実施形態の製造工程と同様な製造工程を実施する（図１４ａから図１４ｃ）。

最後に、図６（ｄ）に示した第１の実施形態の製造工程と同様な製造工程を実施して、第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンが形成される。第２の実施形態の最後の工程について以下に簡単に説明する。

複数の穴８とシリコン基板２１の開口から緩衝弗酸液によるウエットエッチングをすることにより、導電性膜１３を保護膜として、第１導電性ポリシリコン膜２３と第２導電性ポリシリコン膜２５との間にある犠牲層２４を部分的に除去して、ダイアフラム電極７を固定電極４に固定する固定部６とギャップ９とが形成される。これとともに、固定電極４を基板１の上に支持するスペーサ２が形成される。溝３４ｂの外側にある犠牲層３４ｅの側壁に導電性膜３２が形成されている場合は、この導電性膜３２を保護膜としてスペーサ２が形成されるので、スペーサ２の形状を制御することができる。この工程で、導電性膜２３の溝３３ａを充填する犠牲層２４が除去されて、通気口３１が形成される（図１４ｄ）。

次に、第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホン及びその製造方法の特有の効果について説明する。

ダイアフラム電極７の音圧感知側とキャビティー１１との間の通気口３１が、基板の表面側からの同一のマスクによるリソグラフィーを用いて第１導電性ポリシリコン膜２３を加工することによって形成される。これにより、通気口を、リソグラフィーの限界に達するまで微細に精度良く加工することが可能となり、通気口３１の寸法制度を向上することが可能となる。この結果、通気口３１の寸法のバラツキを低減し、ダイアフラム電極７の音圧感知側とキャビティー１１との間の通気制御の精度を向上することが可能となる。

本実施形態では、電極間の溝は、例えば、円形に形成されているが、多角形、又は歯車形状等を含む任意の形状に形成されるようにして、特性の最適化を図ることが可能である。電極間の溝の幅は、一定としても良いが、通気制御を最適化するために、場所によって溝の幅を変えても良い。

また、第２の実施形態においては、第１の実施形態の変形例のように成膜数を増加することにより製造工程を複雑化することなく、通気口３１の加工精度を向上することが可能となる。

第２の実施形態において、外側電極３０と固定電極４とを電気的に接続する場合について説明した。外側電極３０と固定電極４とを電気的に接続することにより、外側電極３０と固定電極４との電位を固定して、電位の不安定要因を除去し、ダイアフラム電極７の周囲（キャップ９）の電位を安定化することが可能となる。したがって、外側電極３０を、固定電極４の代わりにダイアフラム電極７と電気的に接続しても良く、これによっても電位の不安定要因を除去し、ダイアフラム電極７の周囲（キャップ９）の電位を安定化することが可能となる。

外側電極３０と固定電極４とを電気的に接続する場合には、コンデンサマイクロホンの実際の使用時に、外側電極３０と、外側電極３０と逆の極性を有するダイアフラム電極７との間に静電引力が働き、ダイアフラム電極７の動作に制動が加えられる。静電引力によりダイアフラム電極７の動作に制動が加えられることは、コンデンサマイクロホンの感度を向上するうえでは逆効果である。しかし、静電引力によりダイアフラム電極７の動作に制動が加えられることは、動作時にダイアフラム電極に生じる物理的揺れや加速度から、ダイアフラム電極７を保護する効果を生じる。静電引力とダイアフラム電極７の動作の自由度との間の関係をトレードオフとして最適設計をすることにより、感度が十分に高く機械的にも強固なコンデンサマイクロホンを実現することができる。

本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す平面図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの固定電極とダイアフラム電極用電気接続部とを示す断面図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの断面を斜め上から示す斜視断面図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を斜め上から示す斜視図である。一定音圧を印加したときのダイアフラム電極の変位量を比較して示す図である。同一音圧での本発明のダイアフラム電極と従来のダイアフラム電極のその半径に対する最大変位量を比較して示す図である。本発明のマイクロホンと従来のマイクロホンの同一音圧に対する感度を比較して示す図である。本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す断面図である。本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンを示す平面図である。本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図である。本発明の第２の実施形態に係るコンデンサマイクロホンの製造工程を示す図である。従来の一般的なコンデンサマイクロホンを示す断面図である。従来の一般的なコンデンサマイクロホンを示す平面図である。

符号の説明

１：基板、２：スペーサ、３：導電性膜、４：固定電極、５：絶縁膜、６：固定部、７：ダイアフラム電極、８：穴、９：ギャップ、１０：通気口、１１：キャビティー、１２：ダイアフラム電極用電気接続部、１３：導電性膜、１４：ダイアフラム電極用引き出し電極、１５：ダイアフラム電極部、１６：固定電極用引き出し電極、１７：固定電極部、２１：シリコン基板、２２：熱酸化膜、２３：第１導電性ポリシリコン膜、２４：犠牲層、２４ａ：溝、２４ｂ：溝２４ａの内側にある犠牲層、２４ｃ：溝２４ａの外側にある犠牲層、２５：第２導電性ポリシリコン膜、２６：窒化シリコン膜、３０：外側電極、３１：通気口、３２：導電性膜、３３ａ：溝、３３ｂ：溝３３ａの内側にある第１導電性ポリシリコン膜、３３ｃ：溝３３ａの外側にある第１導電性ポリシリコン膜、３４ａ、３４ｂ：溝、３４ｃ：溝３４ａの内側にある犠牲層、３４ｄ：溝３４ａと溝３４ｂの中間にある犠牲層、３４ｅ：溝３４ｂの外側にある犠牲層、４１：基板、４２：ダイアフラム電極、４３：スペーサ、４４：固定電極、４５：絶縁膜、４６：ダイアフラム電極用引き出し電極、４７：ダイアフラム電極部、４８：固定電極用引き出し電極、４９：固定電極部

Claims

音波が通過する複数の穴を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜によって保持され、音波が通過する複数の穴を有する固定電極と、
前記固定電極の裏面の中心部に設けられる固定部と、
前記固定電極と平行に配置され、前記固定部により中心部のみが前記固定電極に固定され、前記固定電極を通過した音波を受けて振動し、振動の振幅が中心から外周に近づくにしたがって増加するダイアフラム電極と、
を具備し、音波を前記固定電極と前記ダイアフラム電極との間の容量変化に変換して電気信号として検出することを特徴とするコンデンサマイクロホン。
音波が通過する複数の穴を有する絶縁膜と、
前記絶縁膜によって保持され、音波が通過する複数の穴を有する固定電極と、
前記固定電極の裏面の中心部に設けられる固定部と、
前記固定電極と平行に配置され、前記固定部により中心部のみが前記固定電極に固定され、前記固定電極を通過した音波を受けて振動し、振動の振幅が中心から外周に近づくにしたがって増加するダイアフラム電極と、
前記ダイアフラム電極と同一の平面に形成され、ダイアフラム電極との間に通気口を形成する外側電極と、
を具備し、音波を前記固定電極と前記ダイアフラム電極との間の容量変化に変換して電気信号として検出することを特徴とするコンデンサマイクロホン。
前記固定電極と同一の平面に形成され、前記固定電極と電気的に絶縁され、前記固定部から前記固定電極の外周方向に延びる形状を有し、前記固定部を介して前記ダイアフラム電極と電気的に接続されるダイアフラム電極用電気接続部を具備することを特徴とする請求項１又は２いずれか記載のコンデンサマイクロホン。
基板の表面に、第１絶縁膜及び第１導電性膜を成膜する工程と、
前記第１導電性膜を所定の形状に加工してダイアフラム電極の形状を形成する工程と、
前記第１導電性膜の上に犠牲層を成膜する工程と、
前記ダイアフラム電極の中心部の前記犠牲層に、該犠牲層を貫通する溝を形成する工程と、
前記犠牲層の上及び前記溝の内部に、第２導電性膜を成膜する工程と、
前記第２導電性膜に固定電極の形状とダイアフラム電極用電気接続部の形状とを形成する工程と、
前記第２導電性膜の上に、第２絶縁膜を成膜する工程と、
前記第２絶縁膜と前記固定電極の形状の第２導電性膜とを貫通して前記犠牲層に達する複数の穴を形成する工程と、
前記基板の裏面からエッチングすることにより、前記基板に、前記ダイアフラム電極より面積が大きく、前記第１絶縁膜に達する開口を形成する工程と、
前記複数の穴と前記基板の前記開口からエッチングすることにより、前記第１絶縁膜及び前記犠牲層を部分的に除去して、前記ダイアフラム電極を前記固定電極に固定する固定部と、前記固定電極を前記基板の上に支持するスペーサと、通気口とを形成する工程と、
を具備することを特徴とするコンデンサマイクロホンの製造方法。
基板の表面、第１絶縁膜及び第１導電性膜を成膜する工程と、
前記第１導電性膜に、該第１導電性膜を貫通し、後の通気口となる第１の溝を形成し、前記第１の溝の内側にダイアフラム電極の形状を形成し、前記第１の溝の外側に前記ダイアフラム電極と同一の平面に設けられる外側電極の形状を形成する工程と、
前記第１導電性膜の上に犠牲層を成膜し、前記第１導電性膜を貫通する前記第１の溝を前記犠牲層により充填する工程と、
前記ダイアフラム電極の中心部の前記犠牲層に、該犠牲層を貫通する第２の溝を形成する工程と、
前記犠牲層の上及び前記第２の溝の内部に、第２導電性膜を形成する工程と、
前記第２導電性膜に固定電極の形状とダイアフラム電極用電気接続部の形状とを形成する工程と、
前記第２導電性膜の上に、第２絶縁膜を形成する工程と、
前記第２絶縁膜と前記固定電極の形状の第２導電性膜とを貫通して前記犠牲層に達する複数の穴を形成する工程と、
前記基板の裏面からエッチングすることにより、前記基板に、前記ダイアフラム電極より面積が大きく、前記第１絶縁膜に達する開口を形成する工程と、
前記複数の穴と前記基板の前記開口からエッチングすることにより、前記第１絶縁膜及び前記犠牲層を部分的に除去して、前記ダイアフラム電極を前記固定電極に固定する固定部と、前記固定電極を前記基板の上に支持するスペーサと、前記通気口とを形成する工程と、
を具備することを特徴とするコンデンサマイクロホンの製造方法。