(57)【要約】【課題】  限られたスペース内で空気室の容積を犠牲にすることなく音響抵抗を大きくする。【解決手段】  中央部に通孔が形成された導電性を有するプレートと、前記プレートと対向し導電性を有するダイヤフラムであって、前記中央部よりも外側に外周が位置しているダイヤフラム中央部と、前記ダイヤフラム中央部の外周と結合し当該外周の外側に延びる腕部と、を有するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを隔てる環状のスペーサであって、前記ダイヤフラムとは前記腕部の先端において結合するスペーサと、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間にあって、前記プレートの前記中央部より外側でかつ前記ダイヤフラム中央部の外周より少なくとも内側において、間隙を介して前記ダイヤフラムと対向する環状の環状部と、前記腕部の先端において前記ダイヤフラムを支持し前記ダイヤフラムと共に空気室を囲む環状の支持部と、を備え、前記環状部と前記ダイヤフラム中央部との間の前記間隙を音響抵抗通路として機能させる。【選択図】図１
2012028900.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中央部に通孔が形成された導電性を有するプレートと、
前記プレートと対向し導電性を有するダイヤフラムであって、前記中央部よりも外側に外周が位置しているダイヤフラム中央部と、前記ダイヤフラム中央部の外周と結合し当該外周の外側に延びる腕部と、を有するダイヤフラムと、
前記プレートと前記ダイヤフラムとを隔てる環状のスペーサであって、前記ダイヤフラムとは前記腕部の先端において結合するスペーサと、
前記プレートと前記ダイヤフラムとの間にあって、前記プレートの前記中央部より外側でかつ前記ダイヤフラム中央部の外周より少なくとも内側において、間隙を介して前記ダイヤフラムと対向する環状の環状部と、
前記腕部の先端において前記ダイヤフラムを支持し前記ダイヤフラムと共に空気室を囲む環状の支持部と、
を備え、
前記環状部と前記ダイヤフラム中央部との間の前記間隙が音響抵抗通路として機能する、
コンデンサマイクロホン。
【請求項２】
前記環状部は、前記スペーサの内周から前記スペーサの中央側に突出するとともに前記プレートと結合している、
請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
【請求項３】
前記環状部は、前記プレートと結合している、
請求項１に記載のコンデンサマイクロホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサマイクロホンに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造プロセスを利用して製造されたコンデンサマイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
コンデンサマイクロホンの構成として、検出対象の音波が伝搬する音響空間と検出される音波が到達しない空気室とを仕切る導電性のダイヤフラムと、当該ダイヤフラムと対向する導電性のプレートとを備え、ダイヤフラムとプレートとによって一対の対向電極が形成される構成が知られている。空気室と大気圧の音響空間とに静圧の差が生ずると、ダイヤフラムの振動が妨げられて感度が不安定になったり、ダイヤフラムが破壊されるおそれがある。そのため、空気室の気圧を大気圧と平衡させるための通路が必要になる。空気室の開口を形成している支持部とダイヤフラムとの間に間隙を形成し、この間隙を前記通路として機能させる構成が知られている。しかし、この通路から空気室内に音波が進入すると、コンデンサマイクロホンの感度が低下するという問題があるため、検出対象の周波数領域の音波に対してはその通路の音響抵抗を高く設定することが望ましい。通路の形状が細く長いほど、通路の音響抵抗は低い周波数まで大きくなる（カットオフ周波数が低くなる）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−０８９０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述のように空気室の開口を形成している支持部とダイヤフラムとの間に通路（以降、音響抵抗通路という）を形成する構成の場合、音響抵抗を大きくするためにこの音響抵抗通路の長さを長くすると、空気室の容積が狭くなる。空気室の容積が狭い場合は広い場合よりも感度が低下する。また、バイアス電圧印加時にダイヤフラムがプレート側に引き寄せられると、音響抵抗通路の断面積が広がるため、音響抵抗が小さくなり、カットオフ周波数が高くなる。
本発明は、限られたスペース内で空気室の容積を犠牲にすることなく音響抵抗を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、中央部に通孔が形成された導電性を有するプレートと、前記プレートと対向し導電性を有するダイヤフラムであって、前記中央部よりも外側に外周が位置しているダイヤフラム中央部と前記ダイヤフラム中央部の外周と結合し当該外周の外側に延びる腕部とを有するダイヤフラムと、前記プレートと前記ダイヤフラムとを隔てる環状のスペーサであって、前記ダイヤフラムとは前記腕部の先端において結合するスペーサと、前記プレートと前記ダイヤフラムとの間にあって、前記プレートの前記中央部より外側でかつ前記ダイヤフラム中央部の外周より少なくとも内側において、間隙を介して前記ダイヤフラムと対向する環状の環状部と、前記腕部の先端において前記ダイヤフラムを支持し前記ダイヤフラムと共に空気室を囲む環状の支持部と、を備え、前記環状部と前記ダイヤフラム中央部との間の前記間隙が音響抵抗通路として機能する。
【０００６】
プレートに形成された通孔と、環状部とダイヤフラムとの間の音響抵抗通路と、ダイヤフラムの腕部と腕部との間に形成された空間（通気口）とによって、音波が伝搬する音響空間の大気圧と空気室の気圧とを平衡させることができる。なお、支持部の底面が例えば半導体パッケージの底部に接着されることにより空気室は半導体パッケージの底部と支持部とダイヤフラムとによって囲まれ、音響抵抗通路と通気口とを経由する以外に音響空間との連絡通路がないことがないことを前提とする。従来の、支持部とダイヤフラムとの間の間隙が音響抵抗通路となる構成と比較すると、本発明の構成は、限られたスペース内で空気室の容積を犠牲にすることなく、音響抵抗通路の音響抵抗を大きくすることができる。また、バイアス電圧印加時には、従来の構成とは逆に間隙の間隔（音響抵抗通路の断面積）が狭まる方向にダイヤフラムが撓むので、カットオフ周波数を下げることができる。
【０００７】
環状部は、プレートとダイヤフラムとの間に設けられ、通孔が形成されたプレートの平面視における中央部より外側であってかつダイヤフラム中央部の外周よりも少なくとも内側においてダイヤフラム中央部と間隙を介して対向する環状の面を有し、当該間隙がなす音響抵抗通路を通過することなしに空気室と音響空間とを連絡しない構成であれば、どのような形態であってもよい。例えば環状部はプレートと結合せずにスペーサの内周から当該スペーサの中央側に突出している構成であってもよいし、後述する（２）や（３）のような構成であってもよい。
【０００８】
（２）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記環状部は、前記スペーサの内周から前記スペーサの中央側に突出するとともに前記プレートと結合していてもよい。
この構成によると、環状のスペーサの内周を従来よりも内側になるように形成することで、ダイヤフラムとともに音響抵抗通路を形成する環状部を容易に形成することができる。
【０００９】
（３）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記環状部は、前記プレートと結合していてもよい。
プレートとダイヤフラムとのスティクションを防止するためにプレートのダイヤフラム側に複数の凸部を設ける構成が従来より知られている。この構成によると、当該凸部の形状を環状とすることで、プレートと結合しプレートから突出する環状部を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（１Ａ）は第一実施形態にかかる断面図、（１Ｂ）は下面図。
【図２】（２Ａ）は第一実施形態にかかる上面図、（２Ｂ）は断面図。
【図３】（３Ａ）〜（３Ｅ）は第一実施形態にかかる製造方法を示す断面図。
【図４】（４Ａ）は他の実施形態にかかる断面図、（４Ｂ）は上面図。
【図５】他の実施形態にかかる下面図。
【図６】（６Ａ）〜（６Ｅ）は他の実施形態にかかる製造方法を示す断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。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。
【００１２】
１．第一実施形態
１−１．構成
図１および図２は、本発明の一実施形態にかかる静電容量型のマイクロホンＭ１を示す図である。図２ＢはマイクロホンＭ１の概略的な断面図である。図２Ｂに示すように、マイクロホンＭ１は、半導体パッケージと積層構造体Ｍ１０とを備えている。半導体パッケージは箱形のパッケージ本体Ｍ１１と蓋Ｍ１２とを備える。蓋Ｍ１２には半導体パッケージの外部空間と内部空間とを連結する音響孔Ｈ４が形成されている。パッケージの外部空間からの音波が音響孔Ｈ４を通じて内部空間に伝搬する。積層構造体Ｍ１０は半導体パッケージに収容されている。積層構造体Ｍ１０はＭＥＭＳ製造プロセスを用いて形成されるダイであって、積層構造体Ｍ１０の底面Ｍ１０１がパッケージ本体の底部に接着剤などで接合されている。
【００１３】
図２Ａは積層構造体Ｍ１０の上面図、図１Ｂは積層構造体Ｍ１０の下面図、図１Ａは図１Ｂおよび図２Ａの１Ａ−１Ａ線における断面図である。積層構造体Ｍ１０は、例えば次に述べる複数の層が順に積層されて構成されている。基板層１０は厚さ５２５μｍの単結晶シリコンウエハからなる。絶縁層１１は厚さ１．５μｍのプラズマシリコン酸化膜（ＰＬ−ＳｉＯ）からなる。半導体層１２はリン（Ｐ）等の不純物が拡散している厚さ０．６６μｍの多結晶シリコン薄膜からなる。絶縁層１３は厚さ１．５μｍのプラズマシリコン酸化膜からなる。導電層１４は厚さ１．０μｍの多結晶シリコン膜からなる。絶縁層１５は厚さ２．５μｍのプラズマシリコン酸化膜からなる。導電層１６は厚さ１．０μｍの多結晶シリコンからなる。絶縁層１７は厚さ０．１７μｍのプラズマシリコン窒化膜（ＰＬ−ＳｉＮ）からなる。半導体層１８はＰ等の不純物が拡散している厚さ１．５μｍの多結晶シリコンからなる。絶縁層１９は厚さ０．３μｍのプラズマシリコン酸化膜からなる。電極パッド部２０はＡｌ−Ｓｉ合金からなる。絶縁層２１は厚さ０．５μｍのプラズマシリコン酸化膜からなる。
【００１４】
積層構造体Ｍ１０は、プレートＰとダイヤフラムＤとスペーサＳと支持部Ｂと環状部Ｃとを備えている。プレートＰは半導体層１８で構成されており、電極パッド部２０と接続している。プレートＰの平面視の形態は図２Ａに示すように円形であり中央部ＰＣには複数の通孔Ｈ１が形成されている（中央部ＰＣは、複数の通孔Ｈ１を少なくとも内包した一つの領域であればよく、どのような形状であってもよいが例えば円形の領域を想定してよい）。通孔Ｈ１を通じて音波は、プレートＰとダイヤフラムＤとの間であって後述する音響抵抗通路より内側の空間に伝搬することができる。音波が伝搬する空間を音響空間ＳＳと呼ぶ。ダイヤフラムＤは半導体層１２で構成されており、もう一つの電極パッド部２０と接続している。ダイヤフラムＤの平面視の形状は図１Ｂに示すように、円形のダイヤフラム中央部ＤＲと、当該ダイヤフラム中央部ＤＲの外周にダイヤフラム中央部ＤＲの径方向に延びる複数の腕部ＤＡとが結合した形状である。複数の腕部ＤＡの先端部が支持部Ｂによって支持されている。腕部ＤＡの支持部Ｂと接する箇所からダイヤフラム中央部ＤＲの外周までの長さＬ６は１００μｍである。腕部ＤＡには複数の孔Ｈ２が形成されている。なお、隣り合う腕部ＤＡ同士の間の空間は、通気口として機能する。
【００１５】
プレートＰとダイヤフラムＤとは環状のスペーサＳによって隔てられ長さＬ３（Ｌ３は４μｍ）の間隔で対向している。スペーサＳは、絶縁層１３，導電層１４，絶縁層１５で構成されている。環状部Ｃは、スペーサＳの内周から径方向中央に向かって突出するとともにプレートＰの外周端部のダイヤフラムＤ側に結合している。環状部Ｃは、導電層１４，絶縁層１５，導電層１６，絶縁層１７で構成されている。環状部Ｃは、間隙Ｇを介してダイヤフラムＤと対向する面を有している。間隙Ｇの間隔Ｌ２は１μｍである。間隙Ｇは音響抵抗通路として機能する。音響抵抗通路の長さ、すなわち、環状部Ｃの内周端とダイヤフラム中央部ＤＲの外周端までの径方向の長さＬ１は２０μｍである。音響抵抗通路が、検出対象の音波が空気室ＢＣ内に伝搬しないように当該音波を減衰させる機能を果たす。
【００１６】
支持部ＢはダイヤフラムＤおよびスペーサＳを支持しており、環状の形態である。支持部Ｂは基板層１０，絶縁層１１で構成されている。支持部ＢはダイヤフラムＤとパッケージ本体Ｍ１１の底部とともに空気室ＢＣを囲っている。開口Ｈ３が形成された基板層１０の内周の直径Ｌ４は１０５０μｍである。ダイヤフラムＤとパッケージ本体Ｍ１１の底部との距離Ｌ５は約５２５μｍである。したがって空気室ＢＣの容積は４．５５ｅ−１０ｍ３である。
【００１７】
本実施形態のようにプレートＰとダイヤフラムＤとの間に音響抵抗通路として機能する間隙Ｇを形成する構成は、基板層１０とダイヤフラムＤとの間に音響抵抗通路が形成されている従来の構成と比較して、支持部Ｂの内周を大きくすることができる。したがって、積層構造体の大きさとして予め決められたスペース内において、音響抵抗通路を備えつつ、空気室ＢＣの容積も大きくすることができる。空気室ＢＣの容積を大きくすることで、マイクロホンＭ１の感度を向上させることができる。また、バイアス電圧印加時には、ダイヤフラムＤがプレートＰ側に引き寄せられるため、間隙Ｇの距離Ｌ２は短くなる。すなわち音響抵抗通路の断面積が小さくなる。すなわち従来の構成とは逆に、バイアス電圧印加時に非印加時よりも音響抵抗は小さくならない。このように、本実施形態では、積層構造体Ｍ１０の限られたスペースの中に、空気室の容積を犠牲にすることなく音響抵抗を高くすることができる。なお、導電層１４はプレートＰとダイヤフラムＤ間にあってガード電極として機能させることができる。
【００１８】
１−２．製造方法
積層構造体Ｍ１０は次のようにして製造することができる。図３Ａ〜図３Ｅは積層構造体Ｍ１０の製造方法を示す断面図である。図３Ａに示すように、まず基板層１０の一方の主面上に絶縁層１１を形成し、絶縁層１１の表面上に半導体層１２を形成する。続いて半導体層１２をパターニングして半導体層１２にダイヤフラム中央部ＤＲ，腕部ＤＡ，孔Ｈ２を形成する。続いて半導体層１２を覆う絶縁層１３を形成した後、絶縁層１３の表面上に導電層１４を形成し、パターニングする。パターニングによって円環状に導電層１４が残存する。続いて導電層１４および絶縁層１３の表面に絶縁層１５を形成する。
【００１９】
続いて図３Ｂに示すように、絶縁層１５をエッチングして、導電層１４の一部を露出させる開口を形成する。この開口は平面視で円環状の形態であり、円環状に導電層１４が露出する。続いて露出している導電層１４の表面および絶縁層１５の表面に導電層１６を形成した後、開口および開口の周囲を除いて導電層１６を除去する。続いて導電層１６および絶縁層１５の表面に絶縁層１７を形成した後、導電層１６を覆う部分を除いて絶縁層１７を除去する。
続いて図３Ｃに示すように、絶縁層１７および絶縁層１５の表面に半導体層１８を形成し、その後、半導体層１８の表面および絶縁層１５の表面に絶縁層１９を形成する。
【００２０】
続いて図３Ｄに示すように、絶縁層１９・絶縁層１５・絶縁層１３をエッチングし、電極パッド部２０を形成するための開口を形成する。そして当該開口を埋めるとともに絶縁層１９の表面に配線層を成膜し、当該配線層をパターニングして電極パッド部２０を形成する。また、絶縁層１９および半導体層１８をエッチングして、プレートＰの中央部に複数の通孔Ｈ１を形成する。
【００２１】
続いて図３Ｅに示すように、通孔Ｈ１を埋め絶縁層１９および電極パッド部２０を覆う絶縁層２１を形成した後、基板層１０をエッチングし、開口Ｈ３を形成する。続いて絶縁層１９および絶縁層２１を、通孔Ｈ１が形成されているプレートＰの中央部を露出させる位置においてエッチングした後、残存する絶縁層２１および絶縁層１９を図示しない保護層によって覆う（通孔Ｈ１が形成されている中央部を除く）。その後、絶縁層１１と絶縁層１３と絶縁層１５とを、開口Ｈ３や通孔Ｈ１からウェットエッチングにより除去する。導電層１４および導電層１６がエッチングストッパとして機能し、図１Ａに示すようにスペーサＳが残存する。続いて絶縁層２１および絶縁層１９を覆っていた保護層を除去し、個々の積層構造体Ｍ１０にダイシングして図１Ａに示す積層構造体Ｍ１０が完成する。その後積層構造体Ｍ１０の底面Ｍ１０１をパッケージ本体Ｍ１１の底部に接着剤などによって取り付ける。
【００２２】
２．他の実施形態
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。
図４および図５は本発明の他の実施形態としてのマイクロホンの積層構造体Ｍ２０を示している。図４Ａは図４Ｂの４Ａ−４Ａ線の断面図、図４Ｂは絶縁層２１と絶縁層１９（図４Ａ参照）を取り払った状態の積層構造体Ｍ２０の上面図、図５は積層構造体Ｍ２０の下面図である。第一実施形態との共通部は同一の符号を付している。図４および図５に示す積層構造体Ｍ２０が第一実施形態と異なる構成は、ダイヤフラムＤとの間に間隙Ｇを形成する環状部Ｃ１の構成である。
【００２３】
図４に示すように、円環状の環状部Ｃ１はプレートＰからダイヤフラムＤ側に突出しており、プレートＰとダイヤフラムＤとを隔てるスペーサＳ１とは接していない。プレートＰとダイヤフラムＤとのスティクションを防止するためにプレートＰからダイヤフラムＤ側に突出する凸部を設ける構成は従来より知られているが、図４および図５に示す実施形態では、プレートＰからダイヤフラムＤ側に突出する環状部Ｃ１を複数の通孔Ｈ１が形成されたプレートＰの中央部を囲む環状の形態とする。環状部Ｃ１のダイヤフラムＤと対向する面とダイヤフラムＤとの間の間隙Ｇが音響抵抗通路として機能する。
【００２４】
なお、環状部Ｃ１は絶縁層３０と導電層３１とからなる。絶縁層３０は例えば厚さ０．１７μｍのプラズマシリコン窒化膜からなり、導電層３１は例えば厚さ１μｍの多結晶シリコンからなる。配線層３２は例えば厚さ１μｍの不純物を導入した多結晶シリコンからなる。
【００２５】
積層構造体Ｍ２０は次のようにして製造することができる。図６は積層構造体Ｍ２０の製造方法を説明するための断面図である。第一実施形態と同様に基板層１０上に絶縁層１１と半導体層１２と絶縁層１３とを形成した後、図６Ａに示すように、絶縁層３０を成膜し円環状にパターニングする。その後、絶縁層１３および絶縁層３０の表面上に絶縁層１５を成膜する。続いて図６Ｂに示すように、半導体層１８を絶縁層１５の表面上に成膜し、パターニングして半導体層１８を円形に成形する。その後、絶縁層３０と重なる位置において半導体層１８および絶縁層１５をエッチングし円環状の凹部を形成する。そして凹部内および半導体層１８の表面上に絶縁層３０を成膜しパターニングする。続いて絶縁層３０上に導電層３１を成膜し、導電層３１をパターニングする。
【００２６】
続いて図６Ｃに示すように、導電層３１，絶縁層３０，半導体層１８，絶縁層１５の表面上に配線層３２を成膜しパターニングした後、絶縁層１９を成膜する。続いて図６Ｄに示すように、絶縁層１９，絶縁層１５，絶縁層１３をエッチングして電極パッド部２０を形成するための開口を形成し、当該開口を埋める配線層を形成して当該配線層をパターニングすることによって電極パッド部２０を形成する。続いて絶縁層１９および半導体層１８をエッチングし円形の半導体層１８の中央部に複数の通孔Ｈ１を形成する。続いて図６Ｅに示すように絶縁層２１を成膜後、基板層１０をエッチングし開口Ｈ３を形成する。続いて絶縁層１９および絶縁層２１を、通孔Ｈ１が形成されているプレートＰの中央部を露出させる位置においてエッチングした後、残存する絶縁層２１および絶縁層１９を図示しない保護層によって覆う（通孔Ｈ１が形成されている中央部を除く）。その後、絶縁層１１と絶縁層１３と絶縁層１５とを、開口Ｈ３や通孔Ｈ１からウェットエッチングにより除去する。絶縁層１３，１５とエッチング選択性のある材料を絶縁層３０に用いることにより絶縁層３０で覆われた環状部Ｃ１が残存する。続いて絶縁層２１および絶縁層１９を覆っていた保護層を除去し、個々の積層構造体Ｍ２０にダイシングして図４Ａに示す積層構造体Ｍ２０が完成する。その後積層構造体Ｍ２０の底面をパッケージ本体の底部に接着剤などによって取り付ける。
【００２７】
なお、上記実施形態では、間隙Ｇを形成するダイヤフラムＤの面と環状部ＣまたはＣ１の面とはともにフラットである構成を説明したが、必ずしもフラットでなくてもよい。例えば、環状部と対向する部分のダイヤフラムＤの面に凹部および凸部の少なくともいずれか一方が形成され、環状部のダイヤフラムＤと対向する面にも、ダイヤフラムの凹部にかみ合う凸部およびダイヤフラムの凸部にかみ合う凹部の少なくともいずれか一方が形成されていてもよい。
【００２８】
なお、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。また、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。また、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。
【符号の説明】
【００２９】
１０：基板層、１１：絶縁層、１２：半導体層、１３：絶縁層、１４：導電層、１５：絶縁層、１６：導電層、１７：絶縁層、１８：半導体層、１９：絶縁層、２０：電極パッド部、２１：絶縁層、３０：絶縁層、３１：導電層、３２：配線層、Ｂ：支持部、ＢＣ：空気室、Ｃ：環状部、Ｃ１：環状部、Ｄ：ダイヤフラム、ＤＡ：腕部、ＤＲ：ダイヤフラム中央部、Ｇ：間隙（音響抵抗通路）、Ｈ１：通孔、Ｈ２：孔、Ｈ３：開口、Ｈ４：音響孔、Ｍ１：マイクロホン、Ｍ１０：積層構造体、Ｍ１０１：底面、Ｍ１１：パッケージ本体、Ｍ１２：蓋、Ｍ２０：積層構造体、Ｐ：プレート、ＰＣ：（プレートの）中央部、Ｓ：スペーサ、Ｓ１：スペーサ、ＳＳ：音響空間。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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