(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイアフラム（１１）が、ガラス転移温度を有する物質（１２、１４）によって、基体（１０）に対して間隔を隔てられた所定位置に保持されており、この位置において、ダイアフラム（１１）が平衡状態にあり、ダイアフラム（１１）が平衡状態位置のまわりに動くことができるような所定張力を有する、ダイアフラム（１１）および基体（１０）を有するタイプの微細機械加工トランスデューサの製造方法において、
基体（１０）を設ける段階と、
基体（１０）に対する所定位置にダイアフラム（１１）を保持する段階と、
この所定位置において、物質（１２、１４）を少なくともガラス転移温度まで加熱して、ダイアフラムのビルトイン材料応力を軽減し、
ダイアフラム（１１）をガラス転移温度よりも低い温度に冷却し、ダイアフラム（１１）の厚さを調整することによって、ダイアフラム（１１）を所定張力を有するように調整する段階と、を包含することを特徴とする方法。
【請求項２】
ガラス転移温度を有する物質（１２、１４）が、ＳｉＯ2であることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
ダイアフラム（１１）の張力を測定する段階と、ダイアフラム（１１）の厚さを、所定張力を生じる厚さに調整する段階とを、さらに包含することを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項４】
ダイアフラム（１１）の厚さを、ダイアフラム（１１）の表面をエッチングすることによって調整することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項５】
ダイアフラム（１１）の厚さを、その表面に材料を堆積させることによって調整することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項６】
ダイアフラム（１１）が、応力特性が異なる少なくとも２枚の層（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）を有することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項７】
ダイアフラム（１１）が、多結晶質シリコンからなる中間層（１１ｂ）と、この中間層のそれぞれの側面に設けた、窒化ケイ素からなる外層（１１ａ、１１ｃ）とを有することを特徴とする請求項６記載の方法。
【請求項８】
ダイアフラム（１１）を加圧して撓ませる段階と、ダイアフラム（１１）の撓みを測定する段階と、測定した撓みに基づいてダイアフラム（１１）の張力を算出する段階とを包含することを特徴とする請求項３記載の方法。
【請求項９】
光線（１８）をダイアフラム上へ放射し、ダイアフラムから反射させ、ダイアフラムの撓みによって、反射光線（１８）に変化を生じさせ、この光線（１８）の変化に基づいてダイアフラムの撓みを算出することを特徴とする請求項８記載の方法。
【請求項１０】
ダイアフラム（１１）を励振して振動させる段階と、ダイアフラム（１１）の共振振動数を測定する段階と、測定した共振振動数に基づいてダイアフラム（１１）の張力を算出する段階とを包含することを特徴とする請求項３記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、所定張力を持つダイアフラムを有するトランスデューサ（たとえば、マイクロホン）を製造する方法に関する。たいていのマイクロホンは、音圧によって動かされるダイアフラムを有する。たとえば、電気力学式、圧電式、圧電抵抗式あるいは容量式読み出しを有するマイクロホンである。本発明の方法は、ダイアフラムを有するこのようなタイプのすべてのトランスデューサに適用できる。
【０００２】
特に、コンデンサ・マイクロホンは、その基本的な構成要素として、バックプレートのきわめて近くに装着したダイアフラムまたは膜を有する。このダイアフラムは、その周縁に沿って保持され、その表面に作用する音圧に応答して動く、すなわち、撓むことができる。ダイアフラムおよびバックプレートが共に電気コンデンサを形成している。ダイアフラムが音圧によって撓んだときに、コンデンサのキャパシタンスが変化することになる。使用時、コンデンサは、直流電圧に対応する電荷によって荷電される。そして、キャパシタンスが音圧の変化に応答して変化するとき、変化する音圧に対応する交流電圧が直流電圧上に重畳されることになる。この交流電圧が、マイクロホンからの出力信号として使用される。
【０００３】
張力が低いダイアフラムは、「ソフト」であり、張力の高いダイアフラムよりも大きく撓むことになり、感度が高くなる。これが望ましい。したがって、このタイプのマイクロホンのダイアフラムは、適正な低い張力を持たなければならない。
【０００４】
微細機械加工マイクロホンが、種々の研究所によって開発されており、電気通信および聴覚産業マーケットで使用されている。微細機械加工マイクロホンの設計および製造における最も難しい問題のうちの１つは、ダイアフラムの低張力制御である。種々の音響検出原理、たとえば、容量式、圧電式、圧電抵抗式、光学式およびトンネル効果式（tunneling）の読出しが提案されている。これらのたいていのものが、５０Ｎ／ｍより低い張力を有するダイアフラムを必要としている。特に、２、３ボルトの低いバイアス電圧を有する電池容量式マイクロホンは、ダイアフラムの応力レベルの非常に正確な制御を必要とする。
【０００５】
従来、ダイアフラムは、金属フレームに接着され、フレームのリムのところでおもりを用いてダイアフラムの張力を調整している。この技術は、微細機械加工技術に応用できない。
【０００６】
マイクロ技術においては、ダイアフラムの張力は、新しい材料（たとえば、シリコンの豊富な（silicon-rich）窒化ケイ素）、新しい堆積技術（たとえば、プラズマ加速化学蒸着）、新しい堆積条件（たとえば、低圧力化学蒸着炉の温度を変化させることによって、）あるいは後続の温度処理（アニーリング処理）を開発することによって調整することができる。また、ダイアフラムの懸架装置は、たとえば、波形部、ヒンジ、ばねによって、あるいは、最も極端な場合には、プレートを吊り下げることによって張力をゆるめることができる。
【０００７】
しかしながら、マイクロ技術において現在使用されている技術は、いずれも、上述した用途のマイクロホンに対して充分に再現可能でも、制御可能でもないし、また、このことは、ダイアフラムの応力プロファイル／勾配のために懸架装置およびダイアフラムが曲るという他の技術的困難を負わせる。
【０００８】
Sensors and Actuators A. 31, 1992, 90-96が、それぞれ、内部圧縮応力、内部引張り応力を有する２枚の層からなる複合膜を有するトランスデューサを記載している。ここには、層の相対的な厚みを変化させることによって、結果として生じた内部応力を制御することができることが記載されているが、これを行う方法または手段は開示されていない。
【０００９】
本発明は、微細機械加工マイクロホンの処理中あるいはその後に、所定レベルまでダイアフラム応力を調整するのに使用できる新しい方法を提案する。
【００１０】
本発明による方法で作ったマイクロホンのダイアフラムは、剛性すなわち固い基体に堆積させた２つまたはそれ以上の層のサンドイッチ構造（多層構造、積層構造あるいは複合構造）である。ダイアフラムは、基体にエッチング加工を施して孔を設け、この孔を渡るように多層構造をダイアフラムとして残すことによって形成される。一般に、ダイアフラムの層は、圧縮応力材料層と引張り応力材料層のように異なった応力レベルを有するが、これらの層は、両方とも、圧縮応力または引張り応力を有する可能性もある。これにより、これらの材料厚みの正しい比率を選ぶことによって、所望の張力レベル（張力=応力×厚さ）を達成することができる。より厚い引張り層がダイアフラムの全張力をより大きい張力側にシフトし、より厚い圧縮応力材料が応力をより大きい圧縮側へシフトすることになる。
【００１１】
本発明による方法によって層の厚さ比率を調整することによって、或る種の応力レベルすなわち張力レベルを達成する他の任意の試みによるよりも、張力をさらにより正確に制御することができる。これは、マイクロ技術においては、厚さをほとんど原子のレベルまで制御することができるからである。マイクロ技術は、材料の機械的特性の変化が少ない安定管理（regime）において層を堆積させることができる。正しい応力レベルは、正しい材料特性よりむしろ材料の正しい混合を選ぶことにより調整される。さらに、ダイアフラムの全厚さは、応力／張力レベルと無関係に選ぶことができる。
【００１２】
全応力は、外層のうちの一方または両方の厚さを変えることによって、層の堆積後に、変えることができる。これは、公知の方法、たとえば、外層から材料を除去する乾式または湿式エッチングによって、あるいは、外層の厚さを増やす材料の堆積／吸収によって行うことができる。外層上への堆積または外層のエッチングは、厚さの比率を変えることになる。複合ダイアフラムの応力レベルまたは張力レベルがそれによって変わることになる。エッチング・プロセスは、反応物（たとえば、ＨＦ、リン酸、ＫＯＨなどを用いる湿式エッチング・プロセスでもよいし、あるいはリアクティブ・イオン・エッチングのような乾式エッチング・プロセスであってもよい。低エッチング速度を容易に達成し、材料の制御された、正確で均一な除去を支援することができる。調整用の堆積プロセスは、物理的、化学蒸着を含む。
【００１３】
本発明によるトランスデューサのバッチ製造のために使用されるプロセスは、非常に正確で再現可能であり、１つのバッチ内で作ったトランスデューサ間のバラツキが非常に小さい。このことは、本願の方法では、張力を調整する前に各個々のトランスデューサの実際のダイアフラム張力を測定する必要がないことを意味する。バッチ内の選択したウェーハの選択したトランスデューサの実際のダイアフラム張力を測定すれば充分であり、充分に精密で予測可能なプロセスにより、すべてのバッチにおいてトランスデューサの実際のダイアフラム張力を測定することすら必要ない。
【００１４】
その結果生じたダイアフラムは、多くのタイプのトランスデューサ、たとえば、コンデンサ・マイクロホンその他のマイクロホン、特に、半導体技術に基づく微細機械加工マイクロホン、電池式機器のマクロホン、感度の高いマイクロホンおよび信号対雑音比の高いマイクロホンに適用可能である。
【００１５】
以下、本発明を、図を参照しながら説明する。
図１のマイクロホンは、以下の構造を有する。基体１０は、中間スペーサ１２によってダイアフラムまたは膜１１を支持しており、中間スペーサ１２は、基体１０とダイアフラム１１との間にある。ダイアフラムの反対側には、バックプレート１３が設けてあり、バックプレート１３とダイアフラム１１の間には中間スペーサ１４がある。ダイアフラム１１は、３つの層１１ａ、１１ｂ、１１ｃを有する。
【００１６】
基体１０は、バルク結晶性（bulk crystalline）シリコンからなり、バックプレート１３は、多結晶シリコンからなる。スペーサ１２、１４は、電気絶縁性材料からなる。この場合、二酸化ケイ素ＳｉＯ2である。ダイアフラムの３つの層のうち、中間層１１ｂは、多結晶シリコンからなり、他の２つの外層１１ａ、１１ｃは、窒化ケイ素からなる。ダイアフラム１１は、薄くて、その張力が低いので、「ソフト」であり、図示した位置のまわりに動くことができ、この位置で、平衡状態になる。
【００１７】
絶縁スペーサ１４は、バックプレート１３とダイアフラム１１との間にエアギャップ１５を設け、バックプレート１３は、このエアギャップ１５およびダイアフラム１１へ音響アクセスを与える多数の開口１６を有する。ダイアフラムの反対側には、後室１７があり、この後室１７は、基体１０にある開口である。所望に応じて、後室１７は、音響目的のための別の体積部に接続していてもよい。
【００１８】
ダイアフラム１１およびバックプレート１３は、共に、導電性であり、電気コンデンサを形成する。バックプレート１３の開口１６を通して入ってくる音響は、ダイアフラム１１に到達し、音圧に応答してダイアフラム１１を動かすことになる。それによって、エアギャップがキャパシタンスを決定するので、マイクロホンのキャパシタンスがそれに応じて変わることになる。作動時、ダイアフラム１１およびバックプレート１３によって形成されるコンデンサは、直流電圧に対応する電荷で荷電され、キャパシタンスが変化する音圧に応答して変化するとき、変化する音圧に対応する交流電圧が直流電圧の上に重畳されることになる。この交流電圧は、マイクロホンからの出力信号として使用される。
【００１９】
図１に示し、先に説明した構造を持つマイクロホンを製造するプロセスは、主として公知の技術を伴う。多結晶シリコンそれ自体は、半導体であるが、所望に応じて、適当な不純物、たとえば、ホウ素（Ｂ）またはリン（Ｐ）を添加して導入することができる。ダイアフラムの２つの外層１１ａ、１１ｃは、窒化ケイ素からなり、この窒化ケイ素は、後に説明するように、ダイアフラムの中間層におけるBドープ（B-doped）またはＰドープ（P-doped）多結晶シリコンとの組み合わせにおいて、特に有利である。
【００２０】
図に示すように、ＢドープまたはＰドープ多結晶シリコンからなるダイアフラムの中間層１１ｂは、内部圧縮応力σ＜０を有し、その一方、窒化ケイ素からなる２つの外層１１ａ、１１ｃは、共に、内部引張り応力σ＞０を有する。これらの応力は同じ大きさである必要はない。ダイアフラムの全張力、即ち合張力は、ダイアフラムの３つの層１１ａ、１１ｂ、１１ｃにおける張力の合計である。各層において、応力は２のファクタに起因する。１つファクタは、層を堆積あるいは構築するときに使用される技術である。この応力は、ビルトイン応力と呼ばれる。別のファクタは、異なる材料の熱膨張係数の差によって生じる応力であって、熱応力と呼ばれる。これら両方の応力の寄与は、以下に説明するように、制御できる。
【００２１】
ビルトイン応力は、以下の方法によって軽減することができる。ダイアフラムを保持しているスペーサ材料を、ガラス転移温度を有するガラス質材料である二酸化ケイ素から作る。図１に示す個々のマイクロホン、あるいは、むしろ、いくつかの同一マイクロホンを含むウェーハ全体を、スペーサ材料のガラス転移温度より高い温度まで加熱することによって、スペーサ材料が粘性となり、その剛性を失う。したがって、この状態において、ダイアフラムの張力は、完全に解放される。その理由は、粘性スペーサ材料はいかなるひずみも伝えることができないからである。これに続いて、ウェーハを冷却する。冷却中、スペーサ材料が固化し、ガラス転移温度より低い温度で、ダイアフラムが再び保持されることになる。ガラス転移温度より低い温度に冷却する間、熱膨張および熱収縮により、ダイアフラムは、材料特性により若干の張力を再獲得する。これを熱応力と呼ぶ。
【００２２】
熱応力は、以下の方法によって制御することができる。まず、ダイアフラムの実際の張力および実際の厚さを測定し、実際の応力を算出する。この実際の応力を考慮して必要な厚さ調整を算出することによって、所望の張力を得ることができる。ダイアフラムの実際の張力を測定するいくつかの使用可能な方法がある。
【００２３】
ダイアフラムの実際の張力を測定する１つの方法は、マイクロホンのダイアフラムを加圧して膨らませるテストである。すなわち、ダイアフラムを一方向に撓ませるのである。実際には、これは、ウェーハのテスト用ダイアフラムを加圧することによって行われる。図２は、光線１８、好ましくはテスト用ダイアフラムへ向けたレーザ光線を示している。これは、非加圧状態でも、加圧状態でも行われ、レーザ光線１８はダイアフラムの表面で反射される。加圧によって生じたダイアフラムの膨らみを、たとえば、オートフォーカス・システムによって記録しても良い。ダイアフラムの撓みおよび膨らみを生じさせる空気圧力が既知であれば、ダイアフラムの実際の張力を算出することができる。
【００２４】
張力を測定する別の方法では、ダイアフラムを励振し、振動させる。この励振は、電気的にも機械的にも実行することができる。短いパルスでダイアフラムを励振すると、ダイアフラムはその共振振動数で振動する。そして、それを測定することができる。励振信号は、また、共振振動数を測定するために関心のある振動数範囲を通して走査される正弦波発振力または電圧にするのがよい。ダイアフラムの共振振動数が既知であると、これを、ダイアフラムの他の機械的なパラメータ、たとえば、その寸法や材料と共に用いてダイアフラムの実際の張力を算出することができる。
【００２５】
張力を測定する第３の方法は、歪み計として作動する、ウェーハ上の試験構造を使用することである。
【００２６】
ダイアフラムの実際の張力および実際の厚さが既知であるならば、実際の応力を算出できる。次いで、所望張力を得るためにどのくらいダイアフラムの厚さを調整する必要があるかを算出することができる。
【００２７】
マイクロホンは、好ましくは、この段階でのそのダイアフラムが厚すぎ、したがって、張力が高すぎるように製造する。所望厚さの上記計算から、続くエッチング・プロセス（乾式、湿式いずれのエッチングでもよい）でどれくらいの材料を除去すべきかを知ることができる。図３に示すように、引張り応力を有する層１１ａをエッチングする。これは、良く制御されたプロセスにおいてゆっくりエッチングすることによって行われ、最終的には、計算に従って必要とされる層１１ａのかなりの部分をエッチングによって精密に除去する。そして、ダイアフラムがその所定張力を得る。
【００２８】
ダイアフラムの張力が低すぎる場合、引張り応力を有する余分な材料を公知の方法で堆積させ、所定張力を得ることができる。
【００２９】
あるいは、ダイアフラムが互いに反対の内部応力を持つ２つだけの層を有する場合、圧縮応力を有する層をエッチングしてその張力を増大させることができる。
【００３０】
一般に、この方法によって、ダイアフラムの張力を、相対的に圧縮応力を有する層をエッチングするか、あるいは、相対的に引張り応力を有する材料を堆積させることによって、より高い張力に向かってシフトさせることができ、それに対して、ダイアフラムの張力を、相対的に引張り応力を有する層をエッチングするか、あるいは、相対的に圧縮応力を有する材料を堆積させることによって、より低い張力に向かってシフトさせることができる。
【００３１】
材料応力を軽減し、そして、熱応力を制御する上記の方法は、互いに独立して実施することができ、単独でいずれかの方法を使用することができる。あるいは、組み合わせて使用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、コンデンサ・マイクロホンの横断面図である。
【図２】  図２は、ダイアフラムの厚さを調整するプロセス中の図１のマイクロホンを概略的に示している。
【図１】
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【図２】
0004233218.tif 000003