(57)【要約】【課題】小型化、製造の容易化、低コスト化を図ることが可能となり、温度使用範囲も広くすることができるようにする。【解決手段】シリコン第１基板（第１ウェーハ）１６にアコースティックポート１８を形成し、シリコン第２基板（第２ウェーハ）１７にバックチャンバー１９を形成すると共に、例えば第１基板１６には、可動電極２１と固定電極２２を有する変換部２３、信号処理回路２４を搭載し、第１基板１６と第２基板１７を重ねて接合する。即ち、第１基板１６の周辺部に内側接合材３３ａと外側接合材３３ｂを配置し、第１基板１６の周辺部と第２基板１７のバックチャンバー１９の縁である基端部を向い合せ、接合材３３ａ，３３ｂにより接合する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部と内部を繋ぐための開口を形成した第１基板と、キャビティを形成した第２基板とを備え、
上記開口と上記キャビティとの間に固定電極及び可動電極を有する変換部を配置して、上記第１基板と上記第２基板とを接合してなるトランスデューサ装置。
【請求項２】
上記第１基板及び第２基板をシリコンとし、この第１基板又は第２基板のいずれか一方に、上記固定電極及び可動電極を有する変換部並びに信号処理回路を搭載すると共に、上記第１基板又は第２基板のいずれか一方に、上記信号処理回路に接続されるスルーホールビア及び外部端子を形成し、これら第１基板と第２基板とを接合してなることを特徴とする請求項１記載のトランスデューサ装置。
【請求項３】
上記第２基板のキャビティの内面に、第１基板に設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成し、又は第１基板に設けられた凹部の内面に、第２基板に設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成したことを特徴とする請求項２記載のトランスデューサ装置。
【請求項４】
第１ウェーハに外部と内部を繋ぐための複数の開口を形成し、
第２ウェーハに、上記開口に対応した複数のキャビティを形成し、
上記開口と上記キャビティとの間に固定電極及び可動電極を有する変換部を配置して、上記第１ウェーハと上記第２ウェーハとを重ねて接合し、
接合した第１ウェーハと第２ウェーハを個片化して製作するトランスデューサ装置の製造方法。
【請求項５】
上記第１ウェーハ又は第２ウェーハのいずれか一方の個々の装置単位において、上記固定電極及び可動電極を有する変換部並びに信号処理回路を搭載すると共に、上記第１ウェーハ又は第２ウェーハのいずれか一方の個々の装置単位において、上記信号処理回路に接続されるスルーホールビア及び外部端子を形成し、これら第１ウェーハと第２ウェーハを接合して個片化することを特徴とする請求項４記載のトランスデューサ装置の製造方法。
【請求項６】
上記第２ウェーハの個々の装置単位のキャビティの内面に、第１ウェーハの個々の装置単位で設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成し、又は第１ウェーハの個々の装置単位で設けられた凹部の内面に、第２基板ウェーハの個々の装置単位で設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成したことを特徴とする請求項５記載のトランスデューサ装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はトランスデューサ装置及びその製造方法、特に物理量−電気間の変換を行うＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）装置であり、またチップスケールでパッケージされるトランスデューサ装置の構成及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に、従来のトランスデューサ装置の一例であるマイクロフォン装置の構成が示されており、この図８において、１は固定電極、２は可動電極（メンブレン）、３は固定電極１と可動電極２を有する変換部（トランスデューサ）、４は変換部３からの信号の増幅等の信号処理をする信号処理回路、６は外付けコンデンサ７や外部端子８等を形成したプリント基板（ＰＣＢ）、９はボンディングワイヤ、１０は保護樹脂、１１はアコースティックポート１２を形成した金属蓋（シールド部材）、１３はバックチャンバーである。
【０００３】
このようなマイクロフォン装置では、アコースティックポート１２からの音圧により可動電極２が振動すると、このときの容量変化が変換部３で捉えられ、この変換部３からの信号が信号処理回路４で増幅されることにより、音声を電気信号とし出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２０１４−５２３８１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、図８に示されるマイクロフォン装置では、既存のプリント基板６の上に、ＭＥＭＳとしての変換部３や信号処理回路４のチップをボンディングワイヤ９にて搭載し、またアコースティックポート１２を形成した金属蓋１１を被せるという構造が採用されており、このような構造では、近年の小型化に対応するには物理的な限界がある。
【０００６】
また、プリント基板６を用いることで、装置としての温度使用範囲が狭くなるという不都合もある。
【０００７】
更に、上記プリント基板６には、変換部３や信号処理回路４から見て外付け部品としてコンデンサ７等の各種の素子が組み込まれており、近年のプリント基板の薄板化に伴ってコストが相対的に上昇しているという問題がある。
また、マイクロフォン等の装置では、市場のニーズに応じて、例えば外部端子（８）とアコースティックポート（１２）が異なる面に設けられているタイプ（図８のトップポートタイプ）に限らず、外部端子（８）とアコースティックポート（１２）が同一の面に設けられているタイプ（ボトムポートタイプ）も必要とされており、これらの各種のタイプへの対応は煩雑であり、コストも高くなるという問題があった。
【０００８】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、小型化、製造の容易化、低コスト化を図ることが可能となり、温度使用範囲も広くすることができるトランスデューサ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明に係るトランスデューサ装置は、外部と内部を繋ぐための開口を形成した第１基板と、キャビティを形成した第２基板とを備え、上記開口と上記キャビティとの間に固定電極及び可動電極を有する変換部を配置して、上記第１基板と上記第２基板とを接合してなることを特徴とする。
請求項２のトランスデューサ装置は、上記第１基板及び第２基板をシリコンとし、この第１基板又は第２基板のいずれか一方に、上記固定電極及び可動電極を有する変換部並びに信号処理回路を搭載すると共に、上記第１基板又は第２基板のいずれか一方に、上記信号処理回路に接続されるスルーホールビア及び外部端子を形成し、これら第１基板と第２基板とを接合してなることを特徴とする。
請求項３のトランスデューサ装置は、上記第２基板のキャビティの内面に、第１基板に設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成し、又は第１基板に設けられた凹部の内面に、第２基板に設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成したことを特徴とする。
【００１０】
請求項４の発明に係るトランスデューサ装置の製造方法は、第１ウェーハに外部と内部を繋ぐための複数の開口を形成し、第２ウェーハに、上記開口に対応した複数のキャビティを形成し、上記開口と上記キャビティとの間に固定電極及び可動電極を有する変換部を配置して、上記第１ウェーハと上記第２ウェーハとを重ねて接合し、接合した第１ウェーハと第２ウェーハを個片化して製作することを特徴とする。
請求項５のトランスデューサ装置の製造方法は、上記第１ウェーハ又は第２ウェーハのいずれか一方の個々の装置単位において、上記固定電極及び可動電極を有する変換部並びに信号処理回路を搭載すると共に、上記第１ウェーハ又は第２ウェーハのいずれか一方の個々の装置単位において、上記信号処理回路に接続されるスルーホールビア及び外部端子を形成し、これら第１ウェーハと第２ウェーハを接合して個片化することを特徴とする。
請求項６のトランスデューサ装置の製造方法は、上記第２ウェーハの個々の装置単位のキャビティの内面に、第１ウェーハの個々の装置単位で設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成し、又は第１ウェーハの個々の装置単位で設けられた凹部の内面に、第２基板ウェーハの個々の装置単位で設けられた上記変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成したことを特徴とする。
【００１１】
上記の構成によれば、例えばシリコンの第１ウェーハ（又は第１基板）に、開口（アコースティックポート等）、固定電極と可動電極を有する変換部、信号処理回路、コンデンサ等の各素子を形成し、またシリコンの第２ウェーハ（又は第２基板）に、キャビティ（又はバックチャンバー）、シールド膜、上記信号処理回路に接続されるスルーホールビア及び外部電極を形成する。そして、第１ウェーハ（又は第１基板）上の変換部や信号処理回路に蓋をするように第２ウェーハ（又は第２基板）のキャビティを重ね（向い合せて重ね）、これら第１ウェーハ（又は第１基板）と第２ウェーハ（又は第２基板）を接合し、最後に個片化すれば、多数のトランスデューサパッケージ（装置）が製作される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、例えばシリコンを用いた２枚のウェーハ又は基板を重ね、個片化することにより、トランスデューサ装置が製作できるので、製造が容易となり、実装密度を上げることにより小型化も可能になり、第１及び第２基板をシリコン基板とすることで、温度使用範囲が広くなり、高温での使用が可能となる。
また、シリコン基板を用いて、トランスデューサ装置（ＭＥＭＳ装置）をモノリシック製法（半導体マイクロプロセス）で製作することで、製造の容易化、低コスト化を図ることが可能となる。即ち、従来のプリント基板（ＰＣＢ）を用いた装置では、変換部や信号処理回路から見て外付け部品として各素子が組み込まれており、近年のプリント基板の薄板化に伴ってコストが相対的に上がっているが、本発明は、シリコン基板（半導体基板）を用いたモノリシックでの加工が可能となるので、設計の自由度が増し更なるコスト低減が可能になる。
【００１３】
更に、第２ウェーハ又は第２基板の基端部に、キャビティとは反対側に変換部を設けることにより、例えばマイクロフォンとして使う場合には、バックチャンバーが広くなり、特性を良好にすることができる。
また、第２ウェーハ又は第２基板のキャビティの内面に、第１ウェーハ又は第１基板に設けられた変換部及び信号処理回路を保護するシールド膜を形成すること、或いは第１ウェーハ又は第１基板に設けられた凹部の内面に、第２ウェーハ又は第２基板に設けられた変換部及び信号処理回路をシールドするシールド膜を形成することができ、これにより、シールド部材を兼ねる従来の金属蓋が不要となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１実施例のトランスデューサ装置の構成を示す断面図（断面表示は一部のみとした）である。
【図２】第１実施例のトランスデューサ装置の第１基板の製造工程（ａ〜ｄ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図３】第１実施例のトランスデューサ装置の第２基板の製造工程（ａ〜ｃ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図４】第１実施例のトランスデューサ装置において第１基板と第２基板を接合するときの状態を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図５】第２実施例のトランスデューサ装置の構成を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図６】第３実施例のトランスデューサ装置の構成を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図７】第４実施例のトランスデューサ装置の構成を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【図８】従来のトランスデューサ装置の構成を示す断面図（一部のみ断面表示）である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１に、第１実施例のトランスデューサ装置（マイクロフォン装置等）の構成が示され、図２乃至図４に、第１実施例装置の製造方法が示されており、この実施例は、外部端子とアコースティックポートが異なる面に設けられるトップポートタイプのものである。
図１において、１６はシリコンからなる第１基板（回路素子搭載基板）でマザーボードの役割をしており、この基板上に主な付属部品を形成し、部品間等の配線工程を行う。１７はシリコンからなる第２基板（Ｌｉｄ基板）、１８は音（振動）の入口であるアコースティックポート（開口）、１９はバックチャンバー（キャビティ）で、振動特性上重要な空間となる。
【００１６】
上記第１基板１６において、２１は可動電極（メンブレン）、２２は固定電極（バックプレート）であり、この可動電極２１と固定電極２２で変換部（トランスデューサ）２３が構成される。２４は第１基板１６の配線層に直接接続される信号処理回路で、増幅等の信号処理をするものであり、２５は信号処理回路２４と変換部を接続するボンディングワイヤ、２６は付属部品であるコンデンサであり、ＭＯＳ型、ＭＩＳ型、ＭＩＭ型等のコンデンサが形成される。
上記第２基板１７において、２８ａ，２８ｂは第１基板１６の出力電極層等に接続されるスルーホールビア（貫通電極：ＴＳＶ）、２９ａ，２９ｂはスルーホールビア２８ａ，２８ｂに接続される外部端子であり、実施例では、内部の回路（部品）がスルーホールビア２８ａ，２８ｂを介して外部端子２９ａ，２９ｂに接続される。また、３０はスルーホールビア端子、３１はバックチャンバーの内面に形成された電磁シールド膜である。
【００１７】
そして、上記第１基板１６と第２基板１７は、第１基板１６の周辺部で第２基板１７の基端部（バックチャンバー１９の縁）に配置された内側の接合材３３ａと外側の接合材３３ｂを用い、内側と外側の２箇所で接合することにより、シリコン基板によりパッケージされたトランスデューサ装置が製作される。上記接合材３３ａ，３３ｂとしては、アルミニウム、金、プラチナ、銅、チタン、不純物を添加したポリシリコン、化合物半導体、高濃度シリコン結晶等の導電性のあるものを用いているが、目的によっては絶縁性材料を用いてもよい。
【００１８】
図２に、第１実施例の第１基板１６の製造工程、図３に、第２基板１７の製造工程が示されており、実施例では、シリコンの第１ウェーハに上述した第１基板１６を複数個形成し、シリコンの第２ウェーハに上述の第２基板１７を複数個形成し、この第１ウェーハと第２ウェーハを重ねて接合し、個片化することで、多数の装置（パッケージ）を製作するが、各図では装置単位の構成を示すものとする。
【００１９】
図２（ａ）〜（ｄ）において、図２（ａ）は、第１基板１６におけるコンデンサ素子、配線、保護膜の形成工程である。まず第１基板１６を酸化し、コンデンサ素子形成領域に、コンデンサ用の下部電極及び配線材２６１、コンデンサ用の誘電材２６２、コンデンサ用の上部電極及び配線材２６３を通常のフォトリソグラフ法により形成し、その上に保護膜３５を付けることにより、コンデンサ２６を形成する。このとき、同時に必要な配線も行われる。上記の誘電材２６２として、酸化膜（ＳｉＯ２）、窒化膜（ＳｉＮ）、五酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、アルミナ（ＡＬ２Ｏ３）、アルミナイトライド（ＡＬＮ）、バリウムストロンチウムチタン（ＢａＯ，６ＳｒＯ，４ＴｉＯ３）やポリイミド樹脂等が用いられる。
【００２０】
図２（ｂ）は、第１基板１６と第２基板１７との接合部の形成工程であり、実施例では、変換部２３及び信号処理回路２４等の内部回路の端子と外部端子２９ａ，２９ｂをスルーホールビア２８ａ，２８ｂを介して接続するための内側接合部と、チップ周辺の外側接合部の２ヶ所を接合する構成としており、内側接合部の接合材３３ａと外側接合部の接合材３３ｂを同時に形成する。この接合材３３ａ，３３ｂとしては、金やソルダー等の金属系や導電性を有する樹脂系のものがある。
【００２１】
図２（ｃ）は、アコースティックポートの形成及び第１基板１６の薄板化の工程であり、通常のフォトリソグラフ法によって所望の部位をエッチングし、アコースティックポート１８を構成する深い穴を形成しておき、次にグラインド加工によって第１基板１６を薄膜化する。その結果、先に形成した深い穴が露出し、アコースティックポート１８が形成される。
図２（ｄ）は、内部回路のマウントとワイヤボンディング工程で、図示のように、可動電極２１及び固定電極２２を有する変換部（トランスデューサ）２３を形成したチップと信号処理回路２４のチップをマウントする。その後、ワイヤボンディングを行い、変換部２３の端子と信号処理回路２４の端子がワイヤ２５にて接続される。また、形成した配線によってコンデンサ素子と接続される。
【００２２】
図３（ａ）〜（ｃ）の第２基板（Ｌｉｄ基板）の製造工程において、図３（ａ）は、スルーホールビア（ＴＳＶ）の形成工程であり、第２基板１７に、内部回路を外部電極２９ａ，２９ｂに接続するためのスルーホールビア２８ａ，２８ｂを形成する。即ち、第２基板１７の表面にレジストパターンを形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法により第２基板１７をエッチングし、深い貫通孔を形成し、この貫通孔の表面には酸化膜を形成しておく。その後、深い貫通孔に導電性の材料を埋め込むことで、スルーホールビア２８ａ，２８ｂを介した接続が可能となる。この埋込みとしては、メッキ法で金属材を埋める方法や不純物を添加したシリコン材で埋める方法がある。
【００２３】
図３（ｂ）は、バックチャンバー（キャビティ）の形成工程であり、ここでは、ＲＩＥ法により、第２基板１７を所定の深さにエッチングすることで、凹状に除去された内部がバックチャンバー１９となる。
図３（ｃ）は、スルーホールビアの端子及び電磁シールド膜の形成工程であり、例えばアルミニウムを使用してスルーホールビア端子３０とシールド膜３１を形成する。また、ここでは、同時に外側接合部の第２基板側接合面３６が形成される。上記シールド膜３１等は、上記アルミニウムの他に、アルミニウム合金、銅、銅合金、銀、プラチナ、プラチナシリサイド、金等の導電性材料を用い、スパッタ法、プラズマ法、気相成長法、液体スピン塗布法、メッキ法、ドライフィルム接着法により形成することができる。
【００２４】
図４には、第１基板１６と第２基板１７を接合するときの状態が示されており、ここでは、第１基板１６の上面に搭載された変換部２３、信号処理回路２４等をバックチャンバー１９で覆い、蓋をする形で第２基板１７を重ね合せ（第１基板１６の周辺部と第２基板１７のバックチャンバー１９の縁である基端部を向い合せ）、第１基板１６に設けたアルミニウム、金等の接合材３３ａ（内側接合部）に、第２基板１７のスルーホールビア端子３０を当接し、第１基板１６の周辺に設けた接合材３３ｂ（外側接合部）に、第２基板側接合面３６を当接して接合を行う。この接合は、４００℃以下の温度にて実施される。
【００２５】
その後、第２基板１７の上面に、スルーホールビア２８ａ，２８ｂに接続する外部端子２９ａ，２９ｂを形成することで、図１に示されるトランスデューサパッケージが完成する。この外部端子２９ａ，２９ｂは、Ｓｎ、Ｎｉ、Ａｕ等の金属を用い、メッキ法やスパッタ法で形成される。
【００２６】
上記のトランスデューサ装置の製造は、ウェーハレベルでの接合により行われ、図４で示される第１基板１６を複数個形成したウェーハと、第２基板１７を複数個形成したウェーハとをアライメントをしながら貼り合わせ、接合した後に個片化することにより、多数のトランスデューサ装置が得られる。
【００２７】
図５に、第２実施例のトランスデューサ装置の構成が示されており、この実施例は、外部端子とアコースティックポートが異なる面に設けられる構成となる。
図５に示されるように、第１基板２１６にアコースティックポート１８が形成され、第２基板２１７に凹状のバックチャンバー１９が形成されるが、この第２基板２１７がマザーボード（回路素子搭載基板）とされる。即ち、この第２基板２１７の凹状の縁（基端部）と同一の高さの面から上側に、コンデンサ２６、可動電極２１と固定電極２２を有する変換部（トランスデューサ）２３、信号処理回路２４が搭載され、この信号処理回路２４と変換部２３がボンディングワイヤ２５で接続される。また、この第２基板１７には、スルーホールビア２８ａ，２８ｂを介して外部端子２９ａ，２９ｂが接続される。
【００２８】
上記第１基板１６には、上記変換部（トランスデューサ）２３と信号処理回路２４を収納するため、第２基板１７のバックチャンバー１９の深さより浅い凹部（凹状空間）４０が形成され、この凹部４０の内面にシールド膜３１が形成される。
そして、上記第１基板２１６と第２基板２１７は、内側の接合材３３ａと外側の接合材３３ｂにより２箇所で接合されることで、シリコンパッケージとしてのトランスデューサ装置が製作される。
【００２９】
この第２実施例は、外部端子２９ａ，２９ｂがアコースティックポート１８とは異なる面に設けられ、第１実施例と同様にトップポートタイプとなるが、変換部２３を接合面（キャビティ基端面）より上側へ配置（バックチャンバー１９とは反対側に配置）したので、変換部２３からバックチャンバー１９側の空間が広くなり、実質的なバックチャンバーが広くなることで、音質特性を良好にできるという利点がある。
【００３０】
図６に、第３実施例のトランスデューサ装置の構成が示されており、この実施例は、外部端子とアコースティックポートが同一の面に設けられるボトムポートタイプとなる。
図６に示されるように、第１基板３１６と第２基板３１７における基本的な要素の配置は、第１実施例（図１）と同様となるが、この例では、第１基板３１６側に、内部回路に接続されるスルーホールビア２８ａ，２８ｂ及び外部端子２９ａ，２９ｂが設けられる。
【００３１】
図７に、第４実施例のトランスデューサ装置の構成が示されており、この実施例も、外部端子とアコースティックポートが同一の面に設けられるボトムポートタイプとなる。
図７に示されるように、第１基板４１６と第２基板４１７における基本的な要素の配置は、第２実施例（図５）と同様となるが、この例でも、第１基板４１６側に、内部回路に接続されるスルーホールビア２８ａ，２８ｂ及び外部端子２９ａ，２９ｂが設けられる。
【符号の説明】
【００３２】
１，２２…固定電極、        ２，２１…可動電極、
３，２３…変換部、          ４，２４…信号処理回路、
１２，１８…アコースティックポート（開口）、
１３，１９…バックチャンバー（キャビティ）、
１６，２１６，３１６，４１６…第１基板、
１７，２１７，３１７，４１７…第２基板、
２６…コンデンサ、        ２８ａ，２８ｂ…スルーホールビア、
２９ａ，２９ｂ…外部電極、  ３１…電磁シールド膜、
３３ａ，３３ｂ…接合材、    ４０…凹部。
【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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【図７】
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【図８】
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