(57)【要約】【課題】生産性が優れ、小型で高感度のエレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）を提供することにある。【解決手段】上部電極２３と下部電極１３が中空部１６で対向したエアギャップキャパシタ構造をなし、電極間に電荷保持材料であるエレクトレット膜２０が形成されている。ＥＣＭ１０は、半導体基板１１と一体的に形成されており、エレクトレット膜２０は、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂からなる。このような材料からなるエレクトレット膜２０は、基板１１上にスピンコートにより形成することができるので薄膜化が容易となり、しかも、半導体プロセスで使用するフッ素系ガスで容易にエッチングすることができるので、微細加工が可能となり、コンデンサ面積を縮小することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動電極膜及び固定電極膜間にエレクトレット膜が形成されてなるコンデンサマイクロフォンであって、
前記コンデンサマイクロフォンは、半導体基板と一体的に形成されており、
前記エレクトレット膜は、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂またはベンゾシクロブテンからなることを特徴とする、コンデンサマイクロフォン。
【請求項２】
前記振動電極膜、固定電極膜、及びエレクトレット膜は、前記半導体基板上に積層された膜で構成されており、
前記エレクトレット膜は、前記パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂またはベンゾシクロブテンを含む溶液を、前記半導体基板上に塗布し、該塗布膜をパターニングして形成された膜で構成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンデンサマイクロフォン。
【請求項３】
前記振動電極膜と前記固定電極膜との間に位置する前記半導体基板の一部が、中空になっていることを特徴とする、請求項１に記載のコンデンサマイクロフォン。
【請求項４】
前記中空部は、前記半導体基板上に積層された膜の一部が除去されて形成されたものであることを特徴とする、請求項３に記載のコンデンサマイクロフォン。
【請求項５】
前記エレクトレット膜は、疎水性の絶縁膜で覆われていることを特徴とする、請求項１にコンデンサマイクロフォン。
【請求項６】
前記疎水性の絶縁膜は、シリコン窒化膜であることを特徴とする、請求項５に記載のコンデンサマイクロフォン。
【請求項７】
前記半導体基板には、前記コンデンサマイクロフォンで検出した信号を処理する信号処理回路が集積されて形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のコンデンサマイクロフォン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＭＣ；Electret Condenser Microphone）に関し、特に、半導体基板と一体となった小型化されたエレクトレットコンデンサマイクロフォンに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、広く普及している携帯電話に、音響感応装置であるエレクトレットコンデンサマイクロフォンが搭載されている。
【０００３】
図５は、特許文献１に記載されたエレクトレットコンデンサマイクロフォンの構成を示す断面図で、半導体基板と一体となって形成されたものである。
【０００４】
図５において、パッケージ１０１は、内部が気密にされた収容室１０１ｃ、パッケージ本体１０１ａ、及びその上端を気密に覆う上蓋１０１ｂで構成されている。収容室１０１ｃに外部音圧を導入するために、上蓋１０１ｂに通気孔１０２が設けられ、収容室１０１ｃには、正方形状のシリコンからなる半導体基板１０３が配置されている。半導体基板１０３は、対向する一対の主面１０３ａ、１０３ｂを有し、一方の主面１０３ｂは、樹脂または半田にてパッケージ本体１０１ａの底部に接着されている。
【０００５】
半導体基板１０３の他方の主面１０３ａの中心部には、主面１０３ａと平行な平坦面を有する底面１０４ａと傾斜を有する側面１０４ｂよりなる凹部１０４が形成されている。そして、凹部１０４の底面１０４ａには、アルミニウムよりなる固定電極膜（背面電極）１０５が形成されている。また、半導体基板１０３の周表面１０３ｃ上には、酸化シリコン膜１０６が被着されている。さらに、凹部１０４を覆うようにして半導体基板１０３の周表面１０３ｃ上には、背面電極１０５と空間１０８を介して対向するように、正方形状の振動電極膜１０７が固定されている。振動電極膜１０７の半導体基板１０３の周表面１０３ｃ上への固定は、陽極接合が用いられている。
【０００６】
この振動電極膜１０７は、収容室１０１ｃに導入された外部音圧の変動に応じて振動し、背面電極１０５と共にコンデンサを構成する。振動電極膜１０７は、ポリプロピレン１０７ａにアルミニウムよりなる表面電極１０７ｂがコーティングされたもので、このポリプロピレン１０７ａが、電荷がチャージされたエレクトレット膜を構成する。
【０００７】
図５に示したエレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）においては、コンデンサの容量値を決定する空間１０８が、半導体基板１０３の高精度なエッチングで形成されるので、凹部１０４の深さを精度よく制御することができ、性能バラツキの少ないＥＣＭが実現できる。また、コンデンサが、半導体基板１０３と一体となって形成されているので、コンデンサからの信号を検出する検出回路等を半導体基板１０３に形成することができるので、ＥＣＭをより小型にすることができる。
【特許文献１】特開２００２−３４５０８８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示したＥＣＭは、半導体基板１０３と一体となって形成されることによって、性能バラツキを減らし、より小型化することができるが、エレクトレット膜が形成された振動電極膜（または、固定電極膜）の形成に関して、以下のような問題点がある。
【０００９】
従来のエレクトレット膜はポリプロピレン等を使用しているが、一般に、成型等で形成されたポリプロピレン基板に金属膜を蒸着等で形成して振動電極を形成している。そのため、基板としてある程度厚みを確保する必要があり、ポリプロピレン基板をサブミクロン以下まで薄膜化することが困難になる。それ故、電極間のギャップは、エレクトレット材料のポリプロピレン基板の厚みで律束されるので、コンデンサの容量が小さくなる。すなわち、音波を検出する際の容量変化が小さくなり、その結果、ＥＣＭの感度が低下する。
【００１０】
また、ある程度の厚みを有するポリプロピレン基板がエレクトレット材料であるため、パターン形成のためのエッチングに長時間を有し、微細加工も困難になり、その結果、ＥＭＣの小型化が困難になる。
【００１１】
さらに、ポリプロピレン基板を小型に成型したものを用いると、各コンデンサマイクロフォンを個別に製造するため、生産性が非常に悪くなる。
【００１２】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたもので、その主な目的は、生産性が優れ、小型で高感度のエレクトレットコンデンサマイクロフォンを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係わるコンデンサマイクロフォンは、振動電極膜及び固定電極膜間にエレクトレット膜が形成されてなるコンデンサマイクロフォンであって、当該コンデンサマイクロフォンは、半導体基板と一体的に形成されており、エレクトレット膜は、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂またはベンゾシクロブテンからなることを特徴とする。
【００１４】
このような構成によって、エレクトレット膜の薄膜化及び微細加工が容易になるとともに、コンデンサマイクロフォンが半導体基板と一体となって形成されるので、小型で高感度のコンデンサマイクロフォンを生産性よく製造することができる。
【００１５】
ある好適な実施形態において、上記振動電極膜、固定電極膜、及びエレクトレット膜は、半導体基板上に積層された膜で構成されており、エレクトレット膜は、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂またはベンゾシクロブテンを含む溶液を、半導体基板上に塗布し、当該塗布膜をパターニングした形成した膜で構成されている。
【００１６】
ある好適な実施形態において、上記振動電極膜と固定電極膜との間に位置する半導体基板の一部が、中空になっている。また、当該中空部は、半導体基板上に積層された膜の一部が除去されて形成されたものであることが好ましい。
【００１７】
ある好適な実施形態において、上記エレクトレット膜は、疎水性の絶縁膜で覆われている。かかる疎水性の絶縁膜は、シリコン窒化膜であることが好ましい。
【００１８】
ある好適な実施形態において、上記半導体基板には、コンデンサマイクロフォンで検出した信号を処理する信号処理回路が集積されて形成されている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係わるコンデンサマイクロフォンによれば、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂またはベンゾシクロブテンからなるエレクトレット膜を用いることによって、エレクトレット膜を半導体基板上に塗布により形成することができるので、容易に薄膜化することができる。しかも、半導体プロセスで使用されるエッチングガスを用いて容易に微細加工をすることができるので、小型で高性能なエレクトレットコンデンサマイクロフォンを実現することができる。
【００２０】
また、エレクトレット膜を含め、コンデンサを構成する振動電極膜、固定電極膜、及び中空部を、半導体プロセスで用いられる膜形成やエッチング加工で形成することができるので、半導体基板と一体となったＥＣＭを容易に形成することが可能となり、生産性を大幅に向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の図面においては、説明の簡略化のため、実質的に同一の機能を有する構成要素を同一の参照符号で示す。なお、本発明は以下の実施形態に限定されない。
【００２２】
図１は、本実施形態のエレクトレットコンデンサマイクロフォン（音響感応装置）１０の構成を模式的に示した断面図である。
【００２３】
図１に示すように、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）１０は、上部電極（固定電極膜）２３と下部電極（振動電極膜）１３が中空部１６で対向したエアギャップキャパシタ構造をなし、電極間に電荷保持材料であるエレクトレット膜２０が形成されている。ここで、ＥＣＭ１０は、半導体基板１１と一体的に形成されており、エレクトレット膜２０は、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂からなる。このような材料からなるエレクトレット膜２０は、後述するように、半導体基板１１上にスピンコート（回転塗布）により形成することができるので、薄膜化が容易となり、しかも、半導体プロセスで使用するフッ素系のガスで容易にエッチングすることができるので、微細加工が可能となり、コンデンサ面積を縮小することができる。
【００２４】
以下、図１を参照しながら、本実施形態に係るＥＣＭ１０の具体的な構成を説明する。
【００２５】
図１に示すように、シリコン基板（半導体基板）１１の貫通孔１２が形成されている部分の上に、音波で振動する下部電極（振動電極膜）１３が形成されている。貫通孔１２は、シリコン基板１１の一部をエッチングにより除去された部分で、下部電極１３を振動しやすくするために設けられたものである。ここで、下部電極１３は、テンション膜１３ａ、１３ｃでポリシリコン膜１３ｂを覆う構成となっている。テンション膜１３ａ、１３ｃは、ポリシリコン膜１３ｂが振動しやすいように張りのある状態にするために設けられたもので、テンションの強い膜、例えば、シリコン窒化膜で形成されている。
【００２６】
下部電極１３の上には、第１絶縁層１４、第２絶縁層１５が形成されている。第１絶縁層１４及び第２絶縁層１５は、酸化シリコンで形成されるが、シリコン窒化膜で形成してもよい。
【００２７】
中空部分１６は、第１絶縁層１４および第２絶縁層１５で囲まれて、一部分は、導入孔１７につながっている。ここで、中空部分１６の高さは、約３００ｎｍから２０００ｎｍである。下部電極１３上の第１絶縁層１４および第２絶縁層１５がある領域には、電気配線１８に接続する金属、例えば、タングステン（Ｗ）あるいはポリシリコンが埋め込まれたコンタクトホール１９が形成されている。
【００２８】
第２絶縁層１５上には、疎水性の絶縁膜（以下、疎水膜と言う）２１を介してエレクトレット膜２０が形成されている。エレクトレット膜２０の材料であるパーフルオロ非晶質フッ素ポリマ樹脂は、環状構造のポリマーであるため、結晶構造を構築せず、非晶質である。よって、特殊なフッ素系溶媒を用いて溶解が可能なため、スピンコート法でサブミクロン単位の薄膜コーティングができる。また、このエレクトレット膜２０の材料は、フッ素系のガス、例えば、ＣＦ4ガスを用いて容易にドライエッチングすることができため、エレクトレット膜２０の微細加工が可能となる。
【００２９】
ここで、疎水膜２２は、エレクトレット膜２０を保護するもので、空気中の水分がエレクトレット膜２０に侵入するのを防ぐ役目をなす。シリコン窒化膜は、このエレクトレット材料と化学結合を行うため、疎水膜２２にシリコン窒化膜を用いれば、エレクトレット膜２０との密着性が向上し、保護膜としての機能を高めることができる。
【００３０】
そして、疎水膜２２の上部には、コンデンサの電極となる上部電極（固定電極膜）２３が形成されている。ここで、上部電極２３は、例えば、アルミニウム、白金、銅、金等で形成される。
【００３１】
次に、本実施形態に係るコンデンサマイクロフォンの製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）に示した工程断面図を参照しながら説明する。
【００３２】
まず、図２（ａ）に示すように、半導体基板１１上に、例えば、シリコン窒化膜からなるテンション膜１３ａ、下部電極のポリシリコン膜１３ｂ、テンション膜１３ｃを順に形成する。それぞれの膜厚は、典型的には、テンション膜１３ａを０．１μｍ程度、ポリシリコン膜１３ｂを０．３μｍ程度、テンション膜１３ｃを０．１μｍ程度に形成する。続いて、ドライエッチングにより、下部電極１３に相当する形状を選択的に形成する。次いで、ＣＶＤ法を用いて、下部電極１３を含む半導体基板１１の表面上に、例えば酸化シリコンからなる第１絶縁層１４を形成する。
【００３３】
次に、図２（ｂ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、第１絶縁層１４の表面上に、例えばポリシリコンからなる犠牲層２４を堆積させ、ドライエッチングにより、中空部分１６に相当する形状を選択的に形成する。
【００３４】
ここで、犠牲層２４は、図３の平面図に示すように、正方形の本体部と、本体部から上下左右に伸びる付属部とで構成されている。
【００３５】
次に、中空部分１６の形状に形成した犠牲層２４と第１絶縁層１４の表面上に、ＣＶＤ法を用いて、例えば、酸化シリコンからなる第２絶縁層１５を堆積した後、第２絶縁層１５の上面を、エッチバック又は化学機械的研磨（ＣＭＰ）法等を用いて平坦化する。
【００３６】
次に、図２（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて、シリコン窒化膜からなる疎水膜２１を形成した後、エレクトレット膜２０をスピンコート法で堆積し、さらに、ドライエッチング法を用いてパターニングする。ここで、疎水膜２１は、典型的には０．０５μｍ程度、エレクトレット膜２０は、０．５μｍ程度の膜厚に形成する。
【００３７】
以下、エレクトレット膜２０の形成方法を詳細に説明する。
【００３８】
まず、スピンコート法で形成するために、沸点が１８０℃の特殊溶媒にパーフルオロ非晶質フッ素ポリマー樹脂材料を溶解させる。次に、この溶液を半導体基板１１に垂らしてから、半導体基板１１を、５００ｒｐｍの回転速度で約１０秒間回転させてから、１０００ｒｐｍの回転速度で約２０秒間を回転させる。その後、１８０℃で１時間ホットプレート上に半導体基板１１を置いて乾燥を行う。このような条件の下で、０．５μｍの膜厚のエレクトレット膜２０を均一に再現性よく形成することができる。
【００３９】
本実施形態では、０．５μｍの厚みのエレクトレット膜２０を形成したが、着電する電荷量を増加したい場合は、絶縁破壊が起こらない程度まで厚くすることが可能である。ただし、エレクトレット膜の膜厚が２μｍ以上になると、溶液を基板に垂らしてから、適度な回転速度と適度な時間で半導体基板上に均一に塗布してから、５０℃にて３０分間ホットプレートで乾燥させた後、１８０℃まで１時間ほどゆっくり昇温後、１８０℃で１時間乾燥させることが好ましい。これにより、表面の平滑性が良好なエレクトレット膜が形成できる。
【００４０】
次に、エレクトレット膜２０上にレジストパターンを形成した後、ＣＦ4ガス雰囲気中で、０．５Ｔｏｒｒ、３００Ｗの条件下で、エレクトレット膜２０をドライエッチングする。エッチング速度は、約２μｍ／ｍｉｎで、０．５μｍの厚みのエレクトレット膜２０は、約１５秒のエッチング時間でエッチングが完了する。
【００４１】
以上の方法により形成されたエレクトレット膜２０上に、ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜からなる疎水膜２２を形成する。なお、シリコン窒化膜２２は、ＣＶＤ法を用いて室温で堆積する。続いて、ＣＭＰ法によりシリコン窒化膜２２を平坦化する。その後、ドライエッチングにより、コンタクトホール１９を選択的に形成してタングステン材料を埋め込んでから、ＣＭＰ研磨してプラグを形成する。続いて、スパッタリング法によりアルミニウム材料を堆積させ、ドライエッチングにより、同時に電気配線１８と上部電極２３を選択的に形成する。
【００４２】
次に、図２（ｄ）に示すように、ドライエッチングにより、犠牲層２４をエッチング除去するためのエッチングガスの導入孔１７を選択的に形成する。ここで、導入孔１７は、図４の平面図に示すように、犠牲層２４の付属部の端に設けている。
【００４３】
犠牲層２４として、例えばポリシリコンを用いた場合、エッチングガスとして、三塩化フッ素や弗化キセノンなどを導入孔１７から導入して、ポリシリコンを完全に除去することによって、中空部分１６を形成する。
【００４４】
最後に、半導体基板１１の裏面からドライエッチング、またはＴＭＡＨ液を用いたウエットエッチングにより、選択的に貫通孔１２を形成し、ＥＣＭ１０を完成する。
【００４５】
なお、半導体基板１１に、ＥＣＭ１０で検出した信号を処理する信号処理回路（不図示）を集積して形成しておくことによって、ＥＣＭ１０をより小型にすることができる。
【００４６】
上記の方法によれば、エレクトレット膜２０を含め、コンデンサを構成する下部電極（振動電極膜）１３、上部電極（固定電極膜）２３、及び中空部１６を、半導体プロセスで用いられる膜形成やエッチング加工で形成することができ、半導体基板と一体となったＥＣＭを容易に形成することができ、生産性を大幅に向上させることができる。
【００４７】
以上、説明したように、エレクトレット膜２０の材料として、パーフルオロ非晶質フッ素ポリマー樹脂を用いることによって、半導体プロセスで用いるリソグラフィ法およびドライエッチング法で容易に微細加工が可能となり、コンデンサ面積を小型化することができる。また、スピンコート法で堆積することができるため、薄膜化が可能となり、コンデンサを大容量化することができる。
【００４８】
また、従来のポリプロピレンは耐熱性が低く、製造工程において低温プロセスしか用いることができず、緻密な膜でエレクトレット材料を十分に保護することができない。これだと、空気中の水分がエレクトレット膜まで到達しやすく、水分による電荷消失で電荷保持が困難であった。これに対して、本発明のパーフルオロ非晶質フッ素ポリマー樹脂材料は、３００℃程度まで耐熱性があるため、このエレクトレット膜をＣＶＤ法により緻密な疎水性の絶縁膜であるシリコン窒化膜で覆うことができるので、電荷蓄積時間が長時間となった。
【００４９】
本発明の構造で、従来のポリプロピレンをエレクトレット材料として用いた場合、７０℃の温度、９０％の湿度環境下で、着電直後の表面電位が−２５０Ｖに対し２時間で０Ｖになったのに対し、本発明のアモルファスフッ素樹脂を用いた場合、着電直後の表面電位が−２５０Ｖに対し３０時間で１８０Ｖまでしか低減しなかった。
【００５０】
以上、本発明を好適な実施形態により説明してきたが、こうした記述は限定事項ではなく、勿論、種々の改変が可能である。例えば、上記実施形態においては、エレクトレット膜２０は、上部電極（固定電極膜）２３の方に形成したが、下部電極（振動電極膜）１３の方に形成してもよい。また、疎水膜２２は、シリコン窒化膜を用いていたが、シリコン炭化膜等を用いてもよい。さらに、エレクトレット膜２０の材料として、ベンゾシクロブテンを用いることもできる。本材料を用いた場合にも、７０℃の温度、９０％の湿度環境下において、着電直後の表面電位が−２５０Ｖに対し３０時間で２２０Ｖまでしか低減されなかった。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明によれば、生産性が優れ、小型で高感度のエレクトレットコンデンサマイクロフォンを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】本発明の実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロフォン（音響感応装置）の構成を模式的に示した断面図である。
【図２（ａ）−（ｂ）】本発明の実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロフォン（音響感応装置）の製造工程を示した工程断面図である。
【図２（ｃ）−（ｄ）】本発明の実施形態に係るエレクトレットコンデンサマイクロフォン（音響感応装置）の製造工程を示した工程断面図である。
【図３】図２（ｂ）の工程時におけるエレクトレットコンデンサマイクロフォンの構成を示した平面図である。
【図４】図２（ｄ）の工程時におけるエレクトレットコンデンサマイクロフォンの構成を示した平面図である。
【図５】従来のエレクトレットコンデンサマイクロフォンの構成を示した断面図である。
【符号の説明】
【００５３】
１０    エレクトレットコンデンサマイクロフォン（ＥＣＭ）
１１    半導体基板
１２    貫通孔
１３    下部電極（振動電極）
１３ａ，１３ｃ  テンション膜
１３ｂ  ポリシリコン膜
１４    第１絶縁層
１５    第２絶縁層
１６    中空部分
１７    導入孔
１８    電気配線
１９    コンタクトホール
２０    エレクトレット膜
２１，２２  疎水膜
２３    上部電極
２４    犠牲層
１０１  パッケージ
１０３  半導体基板
１０４  凹部
１０５  背面電極
１０７  振動電極膜
【図１】
2007267272.tif 000003
【図２（ａ）−（ｂ）】
2007267272.tif 000004
【図２（ｃ）−（ｄ）】
2007267272.tif 000005
【図３】
2007267272.tif 000006
【図４】
2007267272.tif 000007
【図５】
2007267272.tif 000008