JP2010109416A - 圧力トランスデューサおよび圧力トランスデューサの製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】寄生容量を抑制しつつダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止する。
【解決手段】カバー161とプレート162の間に形成されているスリットSを介してカバーとプレートとが絶縁されているためカバーとダイヤフラム123a・123cとの間に寄生容量は発生しない。そしてプレートの対向部とともに一対の対向電極を形成するダイヤフラムの受圧部123aから突出するバンド123cはカバーによって覆われ、カバーとプレートの間の空隙はスリットである。したがってプレートによって覆われないダイヤフラムの領域の大部分はカバーによって覆われることになる。このためダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止することができる。
【選択図】図1
【解決手段】カバー161とプレート162の間に形成されているスリットSを介してカバーとプレートとが絶縁されているためカバーとダイヤフラム123a・123cとの間に寄生容量は発生しない。そしてプレートの対向部とともに一対の対向電極を形成するダイヤフラムの受圧部123aから突出するバンド123cはカバーによって覆われ、カバーとプレートの間の空隙はスリットである。したがってプレートによって覆われないダイヤフラムの領域の大部分はカバーによって覆われることになる。このためダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止することができる。
【選択図】図1
Description
本発明は圧力トランスデューサおよび圧力トランスデューサの製造方法に関し、特にMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)センサとしての微小なコンデンサマイクロホンに関する。
従来、半導体デバイスの製造プロセスを応用して製造されるMEMSが知られている。MEMSマイクロホンともいわれる微小なコンデンサマイクロホンにおいて、対向電極を構成するダイヤフラムとプレートは薄膜からなるとともに互いに離間した状態で基板上に固定されている。コンデンサマイクロホン等の圧力トランスデューサでは、圧力に応じてダイヤフラムが変形すると、ダイヤフラムとプレートの静電容量が変化し、その容量変化が電気信号に変換される。
電気学会MSS−01−34
特開平9−508777
米国特許第4776019号
特表2004−506394
MEMSセンサとしての微小なコンデンサマイクロホンでは、僅かな圧力変動を検知するために、ダイヤフラムの全周を固定せずに切り欠き等をダイヤフラムに形成することがある。しかしながらダイヤフラムに切り欠き等が形成されたこのようなコンデンサマイクロホンでは、通孔が形成されているパッケージ内においてダイの表面にダイヤフラムが露出するため、ダイヤフラムとプレートの間の空隙層に異物が進入するおそれがある。
本発明はこの問題を解決するために創作されたものであって、寄生容量を抑制しつつダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止することを目的とする。
(1)上記目的を達成するための圧力トランスデューサは、開口が形成されている基板と、前記基板の前記開口が形成されている面である主面に対して垂直な方向から見て前記開口と重なる対向部と、前記対向部から前記主面に対して平行な方向に突出し突端部が前記基板に対して固定されている複数の突部とが形成されているプレートと、前記開口および前記開口の縁部とを覆い前記対向部とともに1対の対向電極を形成する受圧部と、前記主面に対して平行であって前記主面に対して垂直な方向から見て前記突部と重ならない方向に前記受圧部から突出し可撓性を有し突端部が前記基板に対して固定されている複数のバンドとが形成され、前記受圧部が受ける圧力に応じて前記基板と前記プレートの間において変形するダイヤフラムと、隣り合う前記突部の間に設けられスリットを介して前記プレートから絶縁され前記バンドを覆っている複数のカバーと、前記主面に対して平行な方向において前記バンドの突端部よりも前記受圧部に近い領域において、前記ダイヤフラムから離して前記ダイヤフラムの前記基板と反対側に前記カバーを支持するカバー支持部と、を備える。
本発明によると、カバーとプレートの間に形成されているスリットを介してカバーとプレートとが絶縁されているためカバーとダイヤフラムとの間に寄生容量は発生しない。そ
してプレートの対向部とともに一対の対向電極を形成するダイヤフラムの受圧部から突出するバンドはカバーによって覆われ、カバーとプレートの間の空隙はスリットである。したがってプレートによって覆われないダイヤフラムの領域の大部分はカバーによって覆われることになる。このため本発明によるとダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止することができる。さらに本発明によると、カバー支持部が基板の主面に対して平行な方向においてバンドの突端部よりも受圧部に近い領域においてダイヤフラムの基板と反対側にカバーを支持するため、カバーの対向部に近い領域が変形してダイヤフラムに接触することを防止できる。尚、「基板に対して固定されている」とは、基板に対し
てプレートの突部またはダイヤフラムのバンドを直接結合することを限定的に意味するものではなく、それらが中間物を介して間接的に固定されている状態を含む。
してプレートの対向部とともに一対の対向電極を形成するダイヤフラムの受圧部から突出するバンドはカバーによって覆われ、カバーとプレートの間の空隙はスリットである。したがってプレートによって覆われないダイヤフラムの領域の大部分はカバーによって覆われることになる。このため本発明によるとダイヤフラムとプレートの間の空隙層への異物の進入を防止することができる。さらに本発明によると、カバー支持部が基板の主面に対して平行な方向においてバンドの突端部よりも受圧部に近い領域においてダイヤフラムの基板と反対側にカバーを支持するため、カバーの対向部に近い領域が変形してダイヤフラムに接触することを防止できる。尚、「基板に対して固定されている」とは、基板に対し
てプレートの突部またはダイヤフラムのバンドを直接結合することを限定的に意味するものではなく、それらが中間物を介して間接的に固定されている状態を含む。
(2)上記目的を達成するための圧力トランスデューサにおいて、前記ダイヤフラム、前記プレートおよび前記カバーはそれぞれ単層の導電膜からなり、前記プレートおよび前記カバーは同一層に位置する前記導電膜からなることが好ましい。
本発明によると層構造が簡素化されるため圧力トランスデューサの製造コストを低減できる。また本発明においてダイヤフラムのバンドはプレートに対向していないため、ダイヤフラムの全体およびカバーの全体がそれぞれ単層の導電膜から形成されていたとしても、ダイヤフラムの固定端であるバンドの突端に対して近傍の振幅が小さい領域において寄生容量が形成されることはない。
(3)上記目的を達成するための圧力トランスデューサにおいて、前記プレートおよび前記カバーには前記プレートと前記ダイヤフラムの間の空隙と前記カバーと前記ダイヤフラムの間の空隙と前記カバー支持部とをエッチングにより自己整合的に形成するためのエッチャントが通る通孔が複数形成されていることが好ましい。
この場合、プレート及びカバーをマスクとして用いる等方性エッチングによってプレートとダイヤフラムの間の空隙とカバーとダイヤフラムの間の空隙とカバー支持部とを自己整合的に形成できる。したがって圧力トランスデューサの製造コストを低減できる。尚、プレートとカバーとに形成される通孔は、エッチャントを通す程度の大きさがあればよいため、圧力トランスデューサの機能を損なう大きさの塵埃などの異物が通らない程度に小さくすることができる。
(4)上記目的を達成するための圧力トランスデューサの製造方法は、前記基板となるウエハの表面に下層絶縁膜を形成し、前記下層絶縁膜の表面に前記ダイヤフラムとなる下層導電膜を形成し、前記下層導電膜の表面に、上層絶縁膜を形成し、前記上層絶縁膜の表面に前記プレート及び前記カバーとなる上層導電膜を形成し、前記開口が形成された前記基板と前記通孔が形成されたプレートと前記通孔が形成された前記カバーとをマスクとして用いる等方性エッチングによって前記下層絶縁膜の一部と前記上層絶縁膜の一部とを除去することにより、前記基板と前記ダイヤフラムの間の空隙と前記ダイヤフラムとプレートの間の空隙とを形成するとともに前記下層絶縁膜および前記上層絶縁膜の残部を含む前記カバー支持部を形成する、ことを含む。
この方法によると、プレートとダイヤフラムの間の空隙とカバーとダイヤフラムの間の空隙とカバー支持部とを自己整合的に形成できるため、圧力トランスデューサの製造コストを低減できる。
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら説明する。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。
(第一実施形態)
1.構成
図1は本発明の圧力トランスデューサの一実施形態であるコンデンサマイクロホンの固体素子部であるセンサダイ1の主要部を示し、図2はその模式的な断面を示し、図3はその積層構造を示している。図1においてハッチングは下層導電膜120が形成されている領域を示している。図2A、図2B、図2C、図2Dはそれぞれ図1に示すAA線、BB線、CC線、DD線の断面に対応している。コンデンサマイクロホンはセンサダイ1と、電源回路および増幅回路を備えた図示しない回路ダイと、これらを収容する空間とセンサダイ1に音波を伝搬する通孔とが形成されている図示しないパッケージとから構成される。
1.構成
図1は本発明の圧力トランスデューサの一実施形態であるコンデンサマイクロホンの固体素子部であるセンサダイ1の主要部を示し、図2はその模式的な断面を示し、図3はその積層構造を示している。図1においてハッチングは下層導電膜120が形成されている領域を示している。図2A、図2B、図2C、図2Dはそれぞれ図1に示すAA線、BB線、CC線、DD線の断面に対応している。コンデンサマイクロホンはセンサダイ1と、電源回路および増幅回路を備えた図示しない回路ダイと、これらを収容する空間とセンサダイ1に音波を伝搬する通孔とが形成されている図示しないパッケージとから構成される。
はじめにコンデンサマイクロホンのセンサダイ1を構成している各膜について説明する。
コンデンサマイクロホンのセンサダイ1は、基板100と、その上に積層された下層絶縁膜110、下層導電膜120、上層絶縁膜130、上層導電膜160などからなる固体素子である。尚、図1から図3において上層導電膜160より上の層は示されていない。
コンデンサマイクロホンのセンサダイ1は、基板100と、その上に積層された下層絶縁膜110、下層導電膜120、上層絶縁膜130、上層導電膜160などからなる固体素子である。尚、図1から図3において上層導電膜160より上の層は示されていない。
基板100はP型単結晶ケイ素(Si)からなる。基板の材質はこれに限らず、薄膜を堆積するための下地基板および薄膜からなる構造体を支持する支持基板としての機械的特性を備えていればよい。基板100の厚さは例えば625μmとする。下層絶縁膜110は酸化ケイ素(SiOx)からなる堆積膜である。下層絶縁膜110の厚さは例えば1.5〜2.0μmとする。下層導電膜120はリン(P)などの不純物が全体にドーピングされた多結晶ケイ素からなる堆積膜である。下層導電膜120は図1においてハッチングが付された領域に形成されている。下層導電膜120の厚さは例えば0.5〜0.7μmとする。上層絶縁膜130は、酸化ケイ素からなる絶縁性の堆積膜である。上層絶縁膜130の厚さは例えば4.0〜5.0μmとする。上層導電膜160は、リンなどの不純物が全体にドーピングされた多結晶ケイ素からなる堆積膜である。上層導電膜160の厚さは例えば1.0〜2.0μmとする。
次にコンデンサマイクロホンのセンサダイ1の機械構造について説明する。
基板100には通孔が形成されており、その通孔の開口100aはバックキャビティC1の開口を形成している。開口100aが形成されている基板100の面を主面というものとする。バックキャビティC1の開口100aと反対側の端部は図示しないパッケージによって閉塞される。したがって開口100aと反対側の端部からはバックキャビティC1に音波が実質的に伝搬しない。基板100は柔軟なダイヤフラム123に対しては実質的に剛体として振る舞う。
基板100には通孔が形成されており、その通孔の開口100aはバックキャビティC1の開口を形成している。開口100aが形成されている基板100の面を主面というものとする。バックキャビティC1の開口100aと反対側の端部は図示しないパッケージによって閉塞される。したがって開口100aと反対側の端部からはバックキャビティC1に音波が実質的に伝搬しない。基板100は柔軟なダイヤフラム123に対しては実質的に剛体として振る舞う。
ダイヤフラム123は、基板100に比べて十分薄く可撓性を有する下層導電膜120からなり、受圧部123aと複数のバンド123cとを備える。ダイヤフラム123は受圧部123aが基板100の開口100aを覆う位置において基板100の主面に対して平行に固定されている。受圧部123aはおよそ円又は正多角形の形態を有し、基板100の開口100aと開口100aの縁部とを覆っている。複数のバンド123cは受圧部123aから基板100の主面に対して平行な方向に放射状に伸びている。それぞれのバンド123cの突端部はハンマーヘッド形に拡幅している。バンド123cの突端部は下層絶縁膜110と上層絶縁膜130との間に挟まれ、下層絶縁膜110と上層絶縁膜130とに結合している。下層絶縁膜110は基板100に結合しているため、バンド123cの突端部は下層絶縁膜110を介して基板100に間接的に固定されていることになる。以下、バンド123cの下層絶縁膜110にも上層絶縁膜130にも接触していない部位を可撓部というものとする。ダイヤフラム123は隣り合うバンド123cの間が切り欠かれ、バンド123cの突端部のみが固定されているため、外周全体が固定される円又は多角形の形態に比べて変形しやすくなっている。さらにそれぞれのバンド123cには通孔であるダイヤフラム孔123bが複数形成されているため、バンド123c自体の剛性も低くなっている。
基板100の開口100aの縁部とダイヤフラム123の受圧部123aとの間には下層絶縁膜110の厚さと等しい高さの空隙層C2が形成されている。空隙層C2はバックキャビティC1の気圧を大気圧と平衡させる通路である。また空隙層C2は、パッケージの通孔からパッケージ内に進入した音波がバックキャビティの開口100aに至るまでの経路における最大の音響抵抗を形成している。ダイヤフラム123の基板100と対向する面には複数のダイヤフラムバンプ123fが形成されている。このダイヤフラムバンプ123fはダイヤフラム123が基板100に付着すること(スティクション)を防止するための突起である。
ダイヤフラム123は複数のバンド123cのうちの1つの突端から伸びるダイヤフラムリード123dによって図示しない端子に接続されている。ダイヤフラムリード123dは環状のガードリング125cが分断されている領域を通って図示しない端子まで伸びている。ダイヤフラム123と基板100とは図示しない回路ダイにおいて短絡しているため(図4B参照)、ダイヤフラム123と基板100とは同電位である。
プレート162は全体が下層導電膜120より厚い上層導電膜160からなり、対向部162bと、複数の突部162aとを備える。プレート162には、通孔であるプレート孔162cが多数形成されている。プレート孔162cはダイヤフラム123に音波を伝搬させる通路として機能する。対向部162bは、およそ円又は多角形の形態を有する。対向部162bはダイヤフラム123の受圧部123aに対向し、受圧部123aのほぼ全体を覆っている。複数の突部162aは対向部162bから基板100の主面に対して平行な方向に放射状に伸びている。プレート162の突部162aとダイヤフラム123のバンド123cとの位置関係は、図1および図3に示すように基板100の主面に対して垂直な方向から見たときに、突部162aとバンド123cとが重ならず、突部162aとバンド123cとが互い違いになり、隣り合う突部162aの間の切り欠きの真下にバンド123cが位置する関係である。それぞれの突部162aの突端部は、上層絶縁膜130からなり島状に形成されているプレート支持部131と下層導電膜120からなるガード電極125aと下層絶縁膜110とを介して基板100に固定されている。したがって基板100の主面に対して垂直な方向から見たときに、対向部162bが基板100の開口100aに重なる位置においてプレート162は基板100の主面に対して平行に固定されている。プレート162とダイヤフラム123との間にはプレート支持部131の厚さと等しい厚さの空隙層C3が形成されている。基板100の主面に対して垂直な方向から見たとき、ダイヤフラム123の固定端であるバンド123cの突端部よりも受圧部123aに近い領域であって隣り合うバンド123cの間の切り欠きと重なる領域に、それぞれのプレート支持部131は位置する。これによりプレート162の剛性が上がる。プレート162のダイヤフラム123と対向する面には複数のプレートバンプ162fが設けられている。プレートバンプ162fはダイヤフラム123がプレート162に付着すること(スティクション)を防止する突起である。プレート162の突部162aの突端からは突部162aより細いプレートリード162dが図示しない端子まで伸びている。プレートリード162dはプレート162と同じ上層導電膜160からなる。基板100の主面に対して垂直な方向から見てプレートリード162dの配線経路は後述するガードリード125dと重なっている。
図2Bに示すように、上層導電膜160からなるカバー161は、カバー支持部132と下層絶縁膜110とによって、ダイヤフラム123から見て基板100と反対側に支持されている。またカバー161は、図1、図2A、図2B、図2Cに示すように、スリットSによってプレート162から分断されている。すなわち上層導電膜160からなるプレート162とカバー161とはスリットSを介して互いに絶縁されている。カバー161の内側の輪郭はプレート162の輪郭に沿って形成されている。具体的にはカバー161の内縁の複数の突部161aは、プレート162の隣り合う突部162aの間においてプレート162の対向部162bに向かって突出している。プレート162とカバー161との間にあるスリットSの幅は、異物がプレート162とダイヤフラム123との間の空隙層C3に進入しない程度に狭くほぼ一定に設定される。カバー161は、周方向の一カ所で分断されており、カバー161が分断されている領域をプレートリード162dが延伸している。
図1、図2Bに示すように、カバー161の内縁の突部161aは、カバーの対向部162bに向かって突出し、バンド123cの可撓部を覆っている。そして図1、図2Dに示すように、基板100の主面に対して平行な方向においてバンド123cの突端部より受圧部123aに近い領域において、カバー161の内縁の突部161aは、カバー支持部132の内縁の隣り合う突部132bによってその両縁部を支持されている。このように、カバー161の内縁の複数の突部161aは、外力や応力によって変形することによってダイヤフラム123のバンド123cの可撓部と接触しないように、カバー支持部132の内縁の突部132bによって支持されている。そしてカバー161の内縁の複数の突部161aは、基板100の主面を基準としてダイヤフラム123のバンド123cよりも高い位置に固定されている。ダイヤフラム123のバンド123cとカバー161との間の空隙の高さ(基板100の主面に対して垂直な方向の長さ)hはバンド123cの可撓部の定格範囲内の振幅よりも十分に大きい。
カバー支持部132は上層絶縁膜130からなる。カバー支持部132の内縁の突部132bは、図2Bおよび図2Dに示すようにカバー161の内縁の複数の突部161aの基板側の面に結合している。図2Bおよび図2Dに示すように、下層絶縁膜110の内縁には、カバー支持部132の突部132bに対応する突部110aが形成されており、カバー支持部132の内縁の複数の突部132bはそれぞれ下層絶縁膜110の内縁の突部110aを間に挟んで基板100に固定されている。すなわちバンド123cの可撓部を覆っているカバー161の内縁の突部132bはカバー支持部132の内縁の突部132bと下層絶縁膜110の内縁の突部110aとからなる2層構造の壁によって基板100上に支持されている。また下層絶縁膜110により支持されているバンド123cを覆うためのカバー161は、その下層絶縁膜110とその上の上層絶縁膜130とで支持されている。
カバー支持部132の内縁の複数の突部132bと下層絶縁膜110の内縁の突部110aとによって構成されている2層構造の壁とカバー161の内縁の突部161aと基板100とで囲まれた空隙は、ダイヤフラム123の受圧部123aの近傍において開口しているおよそ直方体の横穴となっている。ダイヤフラム123のバンド123cの突端部はこの横穴の開口側から見て横穴の壁の最も奥の部分に固定されている。すなわち前述したとおり、バンド123cの突端部は、カバー支持部132を構成している上層絶縁膜130と、下層絶縁膜110との間に挟まれることによって固定されている。バンド123cの可撓部は、図2Dに示すように、このような横穴に収容され、カバー支持部132の内縁の突部132bと下層絶縁膜110の内縁の突部110aとによって構成されている2層構造の壁と、カバー161の内縁の突部161aと、基板100とによって囲まれている。また図2Dに示すように、バンド123cの可撓部は、カバー支持部132の内縁の複数の突部132bと下層絶縁膜110の内縁の突部110aとによって構成されている2層構造の壁からも、カバー161の内縁の突部161aからも、基板100からも離れている。
カバー支持部132の内縁の隣り合う突部132bの間の空隙は、カバー161に形成されているカバー孔161cから供給されるエッチャントによる上層絶縁膜130のエッチングにより自己整合的に形成される。すなわちカバー支持部132の内縁の複数の突部132bの間の空隙は、カバー孔161cの形状と配列とによって確定する。下層絶縁膜110の内縁の突部110aの間の空隙はダイヤフラム123のバンド123cに形成されているダイヤフラム孔123bから供給されるエッチャントによる下層絶縁膜110のエッチングにより自己整合的に形成される。すなわち下層絶縁膜110の内縁の突部110aの間の空隙、ダイヤフラム孔123bの形状と配列とによって確定する。
カバー孔161cの形状と配列の一例を図22に示す。図22はプレートを外した状態でダイヤフラム123に対して垂直な方向からセンサダイ1を見た平面図である。カバー孔161cはバンド123cの可撓部と受圧部123aとに対向する領域に分布している。カバー孔161cの中心間距離はほぼ均一である。受圧部123aと対向するカバー161の内縁の突部161aの突端近傍においては、カバー孔161cはカバー161のほぼ全域に分布している。カバー161の内縁の突部161aの突端から基端に向かって、突部161aの幅(周方向の長さ)よりもカバー孔161cの分布幅が狭くなっている。そしてカバー161の内縁の突部161aにおいてカバー孔161cが分布していない範囲にカバー支持部132の内縁の突部132bが形成される。カバー161の内縁の突部161aにおいてカバー孔161cの分布幅はバンド123cの可撓部の幅より広い。このためバンド123cの可撓部とカバー支持部132との間に十分な空隙が形成される。
ダイヤフラム孔123bの形状と配列の一例を図23に示す。図23はプレートおよびカバーが外されたセンサダイ1をダイヤフラム123に対して垂直な方向から見た平面図である。ダイヤフラム孔123bはバンド123cの可撓部の全体に分布している。ダイヤフラム孔123bの中心間距離はほぼ均一である。
以上、コンデンサマイクロホンのセンサダイ1の機械構造について説明した。
以上、コンデンサマイクロホンのセンサダイ1の機械構造について説明した。
2.作用
図4Bは回路ダイとセンサダイ1とが接続されることにより構成される回路を示している。ダイヤフラム123には回路ダイに備わるチャージポンプCPによって安定したバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧が高いほど感度が高くなるがダイヤフラム123とプレート162とのスティクションが起きやすくなるためプレート162の剛性は重要である。
図4Bは回路ダイとセンサダイ1とが接続されることにより構成される回路を示している。ダイヤフラム123には回路ダイに備わるチャージポンプCPによって安定したバイアス電圧が印加される。このバイアス電圧が高いほど感度が高くなるがダイヤフラム123とプレート162とのスティクションが起きやすくなるためプレート162の剛性は重要である。
図示しないパッケージの通孔から伝わる音波はプレート孔162cとスリットSとカバー孔161cとを通ってダイヤフラム123に伝搬する。プレート162には両面から同位相の音波が伝搬するためプレート162は実質的に振動しない。ダイヤフラム123に伝搬した音波はプレート162および基板100に対してダイヤフラム123を振動させる。ダイヤフラム123が振動するとプレート162とダイヤフラム123とを対向電極とする平行平板コンデンサの静電容量が変動する。この静電容量の変動は電圧信号として回路ダイのアンプAに入力されて増幅される。
カバー161とプレート162とはスリットSによって電気的に切り離されており、カバー161は電気的に浮いているため、対向しているカバー161とダイヤフラム123のバンド123cとによって寄生容量は形成されない。
基板100とダイヤフラム123とが短絡されているため、図2Aに示すガード電極125aが存在しなければ、図4Aに示すように振動しないプレート162と基板100とによって寄生容量が形成される。図4Bに示すようにアンプAの出力端をガード電極125aに接続し、アンプAによってボルテージフォロア回路を構成することによりプレート162と基板100とによって寄生容量が形成されないようになる。すなわち図2Aに示すように、基板100の主面に対して垂直な方向から見てプレート162と基板100とが重なる領域において上層絶縁膜130からなるプレート支持部131と下層絶縁膜110との間にダイヤフラム123から絶縁されたガード電極125aを設け、ガード電極125aをガードコネクタ125b、ガードリング125cおよびガードリード125dを介してアンプAの出力端に接続することにより、プレート162と基板100とが重なる領域における寄生容量を低減できる。さらに、図1および図3に示すようにプレート162から伸びるプレートリード162dと対向する領域にガードリード125dを配線すれば、プレートリード162dと基板100とによっても寄生容量は形成されない。
コンデンサマイクロホンは電話機、ビデオカメラ、パーソナルコンピュータなどの様々な電子機器に搭載することができる。電子機器の筐体にはコンデンサマイクロホンに音波を伝搬するための通孔が必要である。したがって電子機器の筐体に形成された通孔とコンデンサマイクロホンのパッケージに形成された通孔とを通じてコンデンサマイクロホンのパッケージ内に塵埃が進入するおそれがある。しかし本実施形態によると、塵埃は、ダイヤフラム123とプレート162との間の空隙C3に進入する前にスリットS、プレート孔162c、カバー孔161cのいずれかを通過することになる。スリットSの幅、プレート孔162cの直径、カバー孔161cの直径はエッチャントが通る範囲で狭くすることができる。したがって本実施形態によるとダイヤフラム123とプレート162の間の空隙層C3またはダイヤフラム123と基板100との間の空隙層C2への異物の進入を防止できる。そしてプレート162の対向部162bに向かって突出しダイヤフラム123のバンド123cを覆っているカバー161の部分は、カバー支持部132の突部132bによってプレート162の対向部162bに近い領域において支持されることにより、変形しにくくなっている。したがって、ダイヤフラム123のバンド123cを覆っているカバー161の部分がダイヤフラム123に接触することが防止される。
3.製造方法
次に、図5から図21に基づいてコンデンサマイクロホンの製造方法を説明する。図5から図21は図1に示すEE線の断面に対応している。
まず図5に示す工程において、基板100の表面全体に酸化ケイ素からなる下層絶縁膜110を形成する。次に、ダイヤフラムバンプ123fを形成するための型110bをフォトレジストマスクを用いたエッチングにより下層絶縁膜110に形成する。次に、下層絶縁膜110の表面上にCVD法などを用いて多結晶ケイ素の堆積膜である下層導電膜120を形成する。このとき、型110bに対応した位置にダイヤフラムバンプ123fが形成される。さらに、フォトレジストマスクを用いて下層導電膜120を所定形状になるようにエッチングすることにより、下層導電膜120からなるダイヤフラム123などを形成する。
次に、図5から図21に基づいてコンデンサマイクロホンの製造方法を説明する。図5から図21は図1に示すEE線の断面に対応している。
まず図5に示す工程において、基板100の表面全体に酸化ケイ素からなる下層絶縁膜110を形成する。次に、ダイヤフラムバンプ123fを形成するための型110bをフォトレジストマスクを用いたエッチングにより下層絶縁膜110に形成する。次に、下層絶縁膜110の表面上にCVD法などを用いて多結晶ケイ素の堆積膜である下層導電膜120を形成する。このとき、型110bに対応した位置にダイヤフラムバンプ123fが形成される。さらに、フォトレジストマスクを用いて下層導電膜120を所定形状になるようにエッチングすることにより、下層導電膜120からなるダイヤフラム123などを形成する。
続いて図6に示す工程では、下層絶縁膜110と下層導電膜120の表面全体に酸化ケイ素からなる上層絶縁膜130を形成する。さらに、プレートバンプ162fを形成するための型130aを、フォトレジストマスクを用いたエッチングにより上層絶縁膜130に形成する。
続く図7に示す工程では、上層絶縁膜130の表面上に多結晶ケイ素膜135とこれを覆う窒化ケイ素膜136とからなるプレートバンプ162fを形成する。
続いて図8に示す工程では、上層絶縁膜130の表面と窒化ケイ素膜136の表面にCVD法などを用いて多結晶ケイ素からなる上層導電膜160を形成する。次にフォトレジストマスクを用いて上層導電膜160をエッチングすることによりプレート162とカバー161とを形成する。このときプレート162とカバー161とはスリットSにより分離される。なおこの工程ではプレート孔162cは形成されない。
続いて図9に示す工程では、通孔H1、H3、H4がフォトレジストマスクを用いた異方性エッチングにより下層絶縁膜110と上層絶縁膜130とに形成される。通孔H1、H3、H4は、ダイヤフラムリード123d、ガードリード125d、基板100をそれぞれ露出させる。
続いて図10に示す工程では、酸化ケイ素からなる表層絶縁膜170がプラズマCVD法によって上層絶縁膜130の表面全体と上層導電膜160の表面全体と通孔H1、H3、H4の内側とに形成される。さらにフォトレジストマスクを用いたエッチングにより、表層絶縁膜170の通孔H1、H3、H4の底に形成された部分を除去し、コンタクトホールCH1、CH2、CH3、CH4を表層絶縁膜170に形成する。その結果、ダイヤフラムリード123d、プレートリード162d、ガードリード125dおよび基板100が露出する。
続いて図11に示すようにコンタクトホールCH1、CH2、CH3、CH4のそれぞれを覆うとともにダイヤフラムリード123d、プレートリード162d、ガードリード125dおよび基板100に接合されるAlSiからなる導電膜を表層絶縁膜170の表面全体にスパッタ法により形成する。さらにコンタクトホールCH1、CH2、CH3、CH4を覆う部分を残してAlSiの導電膜を部分的に除去するためにフォトレジストマスクを用いたエッチングを施すと、AlSiの導電膜からなるパッド180が形成される。
続いて図12に示すように、パッド180の側面を保護するための窒化ケイ素からなるパッド保護膜190が低応力プラズマCVD法により表層絶縁膜170の表面とパッド180の表面とに形成される。
続いて図13に示すように、それぞれのパッド180の縁部上の領域とそれぞれのパッド180の周囲の領域とだけを残してパッド保護膜190をフォトレジストマスクを用いたドライエッチングにより部分的に除去する。
続いて図14に示す工程では、フォトレジストマスクを用いた異方性エッチングにより、プレート孔162cおよびカバー孔161cに対応する通孔が表層絶縁膜170に形成される。次に、通孔が形成された表層絶縁膜170を上層導電膜160のエッチング用マスクとして上層導電膜160にプレート孔162cおよびカバー孔161cを形成する。
続いて図15に示す工程では、表層絶縁膜170の表面全体とパッド180の表面全体とパッド保護膜190の表面全体とに酸化ケイ素からなるメッキ保護膜200を形成する。次にフォトレジストマスクを用いたエッチングによりメッキ保護膜200をパターニングし、表層絶縁膜170とパッド保護膜190とを覆う部分を残しつつ、パッド180の表面中央部を露出させる。
続いて図16に示す工程では、メッキ保護膜200の通孔から露出しているパッド180の表面にニッケル(Ni)からなるバンプ膜210を無電解メッキ法にて形成する。さらにバンプ膜210の表面に金(Au)からなるバンプ保護膜220を形成する。次に基板100の裏面を研削し、基板100の厚さを所定の寸法にする。
続いて図17に示す工程では、フォトレジストマスクを用いたエッチングにより、メッキ保護膜200と表層絶縁膜170とにカバー161が露出する環状の通孔H5を形成する。
続いて図18に示す工程ではバックキャビティC1に対応する通孔を基板100に形成するための通孔H6を有するフォトレジストマスクR1を基板100の裏面に形成する。
続いて図19に示す工程では、基板深掘りエッチング(Deep−RIE;所謂ボッシュプロセス)により基板100にバックキャビティC1に対応する通孔を形成する。このとき下層絶縁膜110がエッチングストッパとなる。
続いて図20および図21に示すように、フォトレジストマスクR2とBHF(希フッ酸)を用いた等方性エッチングにより、フォトレジストマスクR2の通孔H6から露出しているメッキ保護膜200および表層絶縁膜170を除去し、さらに上層絶縁膜130の一部を除去してカバー支持部132、プレート支持部131および空隙層C3を形成し、同時にバックキャビティC1から下層絶縁膜110の一部を除去してダイヤフラム123と基板100との間に空隙層C2を形成する。上層絶縁膜130の輪郭はプレート162およびカバー161によって自己整合的に形成され、下層絶縁膜110の輪郭は基板100の開口100aとダイヤフラム123とガード電極125aとガードコネクタ125bとガードリング125cとによって自己整合的に形成される。上層絶縁膜130がエッチングされた後に残る部分がプレート支持部131およびカバー支持部132となる。すなわち図8に示す工程において形成されたスリットSと図14に示す工程において形成されたプレート孔162cおよびカバー孔161cは、空隙層C3とプレート支持部131とを同時に形成できるようにエッチャントを上層絶縁膜130に到達させるための通孔として機能する。したがってプレート孔162cはプレート支持部131の形状やエッチング速度に応じて配置されている。具体的にはプレート孔162cはプレート支持部131との接合領域とその周辺をのぞく対向部162bおよび突部162aのほぼ全域にわたってほぼ等間隔に配列され、カバー孔161cはプレート162の対向部162bに向かって突出している部分の幅方向中央部にほぼ等間隔に配列されている。
ダイヤフラム123のバンド123cの近傍において上層絶縁膜130と下層絶縁膜110がエッチングされる過程を図22Aから図22Eに詳細に示す。エッチャントであるBHFは図28Aに示すようにカバー孔161cとスリットSのそれぞれに埋まっているメッキ保護膜200をエッチングすることによって上層絶縁膜130に達する。このときメッキ保護膜200と同じ酸化ケイ素からなる表層絶縁膜170も除去される。続いて上層絶縁膜130の表面に達したエッチャントは図28Bに示すようにカバー孔161cの端部とスリットSの端部とから等方的に上層絶縁膜130をエッチングする。上層絶縁膜130のエッチングは上層導電膜160と上層絶縁膜130との界面と平行な方向にも進行するため、カバー161の内縁の突部161aとバンド123cの可撓部との間からは図28Cに示すように上層絶縁膜130が除去される。その結果、カバー161の内縁の突部161aは、その両縁部を除いて支持を失う。続いて上層絶縁膜130と下層絶縁膜110との界面に達したエッチャントは図28Dに示すように上層絶縁膜130とともに下層絶縁膜110も等方的にエッチングし続ける。このとき、ダイヤフラム孔123bの端部とバンド123cの両縁部とからは、上層絶縁膜130と下層絶縁膜110との界面と平行な方向にもエッチングが進行する。その結果、バンド123cの可撓部と基板100との間からは図28Eに示すように下層絶縁膜110が除去される。バンド123cの可撓部の上下両側において上層絶縁膜130と下層絶縁膜110とが完全に除去されるときに、カバー161の内縁の突部161aの両縁部の直下においてはなお上層絶縁膜130と下層絶縁膜110とがカバー支持部として残り、バンド123cの突端部の直下においてはなお下層絶縁膜110がダイヤフラム支持部として残るように、スリットS及びカバー孔161cの寸法と配置が設定されている。このように上層絶縁膜130と下層絶縁膜110とが等方的にエッチングされると、ダイヤフラム123はバンド123cのハンマーヘッド形の突端部が上層絶縁膜130と下層絶縁膜110とによって挟まれることによって、支持されることになる。
最後にフォトレジストマスクR2を除去し、ダイシングするとコンデンサマイクロホンのセンサダイ1が完成する。センサダイ1と図示しない回路ダイとを図示しないパッケージ基板に接着し、ワイヤボンディングによってセンサダイ1の端子と回路ダイの端子とパッケージ基板とを電気的に接続し、図示しないパッケージカバーをパッケージ基板にかぶせると、コンデンサマイクロホンが完成する。センサダイ1がパッケージ基板に接着されることにより、基板100の主面の裏側においてバックキャビティC1が閉塞される。
(第二実施形態)
カバー孔161cの形状と配列の他の一例を図24に示す。図24はプレートを外した状態でダイヤフラム123に対して垂直な方向からセンサダイ1を見た平面図である。カバー孔161cはハンマーヘッド形の突端部を含むバンド123cの全体と受圧部123aとに対向する領域において分布させてもよい。この場合、バンド123cのハンマーヘッド形の突端部にはダイヤフラム孔123bが形成されていないため、バンド123cの突端部は下層絶縁膜110(ダイヤフラム支持部)にのみ結合し、バンド123cの突端部とカバー161との間には空隙が形成されることになる。そして図25に示すように、カバー支持部132の内縁はバンド123cを取り囲む形態となる。図25はプレートおよびカバーが外されたセンサダイ1をダイヤフラム123に対して垂直な方向から見た平面図である。
カバー孔161cの形状と配列の他の一例を図24に示す。図24はプレートを外した状態でダイヤフラム123に対して垂直な方向からセンサダイ1を見た平面図である。カバー孔161cはハンマーヘッド形の突端部を含むバンド123cの全体と受圧部123aとに対向する領域において分布させてもよい。この場合、バンド123cのハンマーヘッド形の突端部にはダイヤフラム孔123bが形成されていないため、バンド123cの突端部は下層絶縁膜110(ダイヤフラム支持部)にのみ結合し、バンド123cの突端部とカバー161との間には空隙が形成されることになる。そして図25に示すように、カバー支持部132の内縁はバンド123cを取り囲む形態となる。図25はプレートおよびカバーが外されたセンサダイ1をダイヤフラム123に対して垂直な方向から見た平面図である。
(第三実施形態)
図26はプレートを外した状態でダイヤフラム123に対して垂直な方向からセンサダイ1を見た平面図である。図27はプレートおよびカバーが外されたセンサダイ1をダイヤフラム123に対して垂直な方向から見た平面図である。
カバー支持部132には、図26、図27に示すように周辺部132dから分断されている柱状の部分132c(柱部)を形成しても良い。すなわちカバー支持部132を互いに分断されている周辺部132dと複数の柱部132cとから構成し、カバー161の内縁の突部161aは柱部132cによって支持しても良い。この場合、図26に示すようにカバー支持部132を周辺部132dと柱部132cとに分断する領域上にもカバー孔161cを分布させればよい。
図26はプレートを外した状態でダイヤフラム123に対して垂直な方向からセンサダイ1を見た平面図である。図27はプレートおよびカバーが外されたセンサダイ1をダイヤフラム123に対して垂直な方向から見た平面図である。
カバー支持部132には、図26、図27に示すように周辺部132dから分断されている柱状の部分132c(柱部)を形成しても良い。すなわちカバー支持部132を互いに分断されている周辺部132dと複数の柱部132cとから構成し、カバー161の内縁の突部161aは柱部132cによって支持しても良い。この場合、図26に示すようにカバー支持部132を周辺部132dと柱部132cとに分断する領域上にもカバー孔161cを分布させればよい。
(他の実施形態)
尚、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。たとえばプレート162とカバー161との間のスリットSの幅は一定である必要はなく、スリットの幅が一部で広がっていてもよい。また、チャージポンプCP、アンプAなどの回路ダイに備わる要素をセンサダイ1内に設け、1チップ構造のコンデンサマイクロホンを構成することも可能である。
尚、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。たとえばプレート162とカバー161との間のスリットSの幅は一定である必要はなく、スリットの幅が一部で広がっていてもよい。また、チャージポンプCP、アンプAなどの回路ダイに備わる要素をセンサダイ1内に設け、1チップ構造のコンデンサマイクロホンを構成することも可能である。
また、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し、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。例えば、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。
1:センサダイ、100:基板、100a:開口、101:下層絶縁膜、103:ガード支持部、110:下層絶縁膜、110a:突部、120:下層導電膜、123:ダイヤフラム、123a:受圧部、123b:ダイヤフラム孔、123c:バンド、123d:ダイヤフラムリード、123f:ダイヤフラムバンプ、125:ガードコネクタ、125a:ガード電極、125b:ガードコネクタ、125c:ガードリング、125d:ガードリード、130:上層絶縁膜、130a:型、131:プレート支持部、132:カバー支持部、132b:突部、135:多結晶ケイ素膜、136:窒化ケイ素膜、160:上層導電膜、161:カバー、161c:カバー孔、162:プレート、162a:突部、162b:対向部、162c:プレート孔、162d:プレートリード、162f:プレートバンプ、170:表層絶縁膜、180:パッド、190:パッド保護膜、200:メッキ保護膜、210:バンプ膜、220:バンプ保護膜、A:アンプ、C1:バックキャビティ、C2:空隙層、C3:空隙、C3:空隙層、CH1:コンタクトホール、CP:チャージポンプ、H1:通孔、H5:通孔、H6:通孔、R1:フォトレジストマスク、R2:フォトレジストマスク、S:スリット
Claims (4)
- 開口が形成されている基板と、
前記基板の前記開口が形成されている面である主面に対して垂直な方向から見て前記開口と重なる対向部と、前記対向部から前記主面に対して平行な方向に突出し突端部が前記基板に対して固定されている複数の突部とが形成されているプレートと、
前記開口および前記開口の縁部とを覆い前記対向部とともに1対の対向電極を形成する受圧部と、前記主面に対して平行であって前記主面に対して垂直な方向から見て前記突部と重ならない方向に前記受圧部から突出し可撓性を有し突端部が前記基板に対して固定されている複数のバンドとが形成され、前記受圧部が受ける圧力に応じて前記基板と前記プレートの間において変形するダイヤフラムと、
隣り合う前記突部の間に設けられスリットを介して前記プレートから絶縁され前記バンドを覆っている複数のカバーと、
前記主面に対して平行な方向において前記バンドの突端部よりも前記受圧部に近い領域において、前記ダイヤフラムから離して前記ダイヤフラムの前記基板と反対側に前記カバーを支持するカバー支持部と、
を備える圧力トランスデューサ。 - 前記ダイヤフラム、前記プレートおよび前記カバーはそれぞれ単層の導電膜からなり、
前記プレートおよび前記カバーは同一層に位置する前記導電膜からなる、
請求項1に記載の圧力トランスデューサ。 - 前記プレートおよび前記カバーには前記プレートと前記ダイヤフラムの間の空隙と前記カバーと前記ダイヤフラムの間の空隙と前記カバー支持部とをエッチングにより自己整合的に形成するためのエッチャントが通る通孔が複数形成されている、
請求項2に記載の圧力トランスデューサ。 - 請求項3に記載の圧力トランスデューサを製造する方法であって、
前記基板となるウエハの表面に下層絶縁膜を形成し、
前記下層絶縁膜の表面に前記ダイヤフラムとなる下層導電膜を形成し、
前記下層導電膜の表面に、上層絶縁膜を形成し、
前記上層絶縁膜の表面に前記プレート及び前記カバーとなる上層導電膜を形成し、
前記開口が形成された前記基板と前記通孔が形成されたプレートと前記通孔が形成された前記カバーとをマスクとして用いる等方性エッチングによって前記下層絶縁膜の一部と前記上層絶縁膜の一部とを除去することにより、前記基板と前記ダイヤフラムの間の空隙と前記ダイヤフラムとプレートの間の空隙とを形成するとともに前記下層絶縁膜および前記上層絶縁膜の残部を含む前記カバー支持部を形成する、
ことを含む圧力トランスデューサの製造方法。
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- 2008-10-28 JP JP2008276488A patent/JP2010109416A/ja not_active Withdrawn
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