JP6675181B2 - トランスデューサ装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

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。

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行う信号処理回路、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。

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。

特表２０１４−５２３８１５号公報

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。

また、上記変換部３の製作では、固定電極１と可動電極２の間に犠牲層を形成することで、この固定電極１と可動電極２の間に所定の空間を形成しており、犠牲層を形成する工程があることで、製造も煩雑になる。
更に、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。

また、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。

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、モノリシック加工等による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及びその製造方法を提供することにある。

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、変換部の可動電極、絶縁膜リング、配線層及びこの配線層を介して上記変換部に接続される信号処理回路を形成した第１基板と、上記変換部の固定電極、上記絶縁膜リングに当接する突起部及び上記固定電極に連通して内部に配置されるキャビティを形成すると共に、このキャビティの周辺部にアコースティックポートから上記変換部へ連通する空気通路を形成した第２基板とを設け、上記固定電極と可動電極との間に所定の空間を確保しかつこの両電極を平行に配置しながら、上記絶縁膜リングと上記突起部とが当接し、上記空気通路が上記可動電極の上記第１基板側に連通するように上記第１基板と第２基板を接合してなることを特徴とする。

請求項２の発明に係るトランスデューサ装置の製造方法は、変換部の可動電極、絶縁膜リング、配線層及びこの配線層を介して上記変換部に接続される信号処理回路を有する複数の第１基板を第１ウェーハに形成し、上記変換部の固定電極、上記絶縁膜リングに当接する突起部、上記固定電極に連通して内部に配置されるキャビティ及びこのキャビティの周辺部に配置されてアコースティックポートから上記変換部へ連通する空気通路を有する複数の第２基板を第２ウェーハに形成し、上記複数の第１基板の各々の上記可動電極と上記複数の第２基板の各々の上記固定電極との間に所定の空間を確保しかつこの両電極を平行に配置しながら、上記複数の第１基板の各々の上記絶縁膜リングと上記複数の第２基板の各々の上記突起部とが当接し、上記複数の第２基板の各々の空気通路が上記複数の第１基板の各々の上記可動電極の上記第１基板側に連通するように上記第１ウェーハと第２ウェーハを重ねて接合し、接合した第１及び第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３の発明は、上記第１ウェーハの第１基板の縦方向において、上記変換部と並ぶ位置に上記信号処理回路を設け、この信号処理回路と上記変換部とを配線層にて接続したことを特徴とする。

上記の構成によれば、例えばシリコンからなる第１ウェーハ（又は第１基板）に、変換部の可動電極、信号処理回路、この信号処理回路と変換部とを接続する配線層、その他の素子、外部電極等を形成し、またシリコンからなる第２ウェーハ（又は第２基板）に、変換部の固定電極、この固定電極の前側等において素子中心に配置されるキャビティ（又はバックチャンバー）、このキャビティの外側に配置されるアコースティックポート（ホール）等を形成する。そして、変換部を構成する固定電極と可動電極とをそれらの間に所定の空間を確保しながら重ねるように配置し、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装置が製作される。

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、チップスケールで接合しパッケージ化することにより、トランスデューサ装置が製作できるので、製造が容易で、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、変換部と信号処理回路を縦方向に並べることで、更なる装置の小型化を図ることができ、変換部と信号処理回路とを絶縁層を介した配線層にて接続することを含め、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、製造の更なる容易化、低コスト化を図ることが可能となり、設計の自由度も増すという利点がある。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。

更に、２枚のウェーハ又は基板を重ねることで、固定電極−可動電極間の空間が確保できるので、従来のように犠牲層を形成する必要がなく、犠牲層レスとなり、接続線を半導体基板として作り込むことで、変換部と信号処理回路をワイヤボンディングする必要もなく、ワイヤボンディングレスとすることができる。
また、トランスデューサ装置のキャビティ（例えばバックチャンバー）とアコースティックポートから変換部へ連通する空気通路とを、１つの第２基板に形成することにより、実装密度が向上し、低コスト化に寄与できるという利点がある。

本発明の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。 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〜ｃ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。 実施例のトランスデューサ装置の第１基板の製造工程（ｄ〜ｉ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。 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〜ｄ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。 実施例のトランスデューサ装置の第２基板の製造工程（ｅ〜ｇ工程）を示す断面図（一部のみ断面表示）である。 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。 実施例の第１基板の上面の接合部を示す平面図である。 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。

図１に、実施例のトランスデューサ装置（マイクロフォン装置等）の構成が示されており、この図１において、１６はシリコンからなる第１基板、１７はシリコンからなる第２基板、１８は第１基板１６に設けられた可動電極（メンブレン）、１９は第２基板１７に設けられた固定電極（バックプレート）であり、この固定電極１９と可動電極１８で変換部（トランスデューサ）が構成される。この第１基板１６には、可動電極１８に配線層部２１（この配線層部２１に形成された図示しない配線）によって接続された信号処理回路２２、抵抗２３、容量２４、スルーホールビア（貫通電極）２６、外部端子２７等が形成される。

上記第２基板１７には、トランスデューサ装置のバックチャンバー３０、アコースティックポート（入口）３１、このアコースティックポート３１から可動電極１８へ連通する空気通路（孔）３２が形成される。なお、空気通路３２から可動電極１８へ図示しない空気通路（孔）が形成されている。

そして、上記第１基板１６と第２基板１７は、内側の接合部３４ａと外側の接合部３４ｂにて接合されることにより、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、上記固定電極１９と可動電極１８は平行配置されると共に、これらの間に所定の空間１００が形成・確保される。

図２、図３には、実施例の第１基板の製造工程、図４、図５には、第２基板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。

図２（ａ）に示されるように、シリコンからなる第１基板１６に、通常の半導体装置の製造プロセスにより、信号処理回路２２、抵抗２３、容量２４が形成されると共に、配線パターン２１ａ，２１ｂを含む配線層部２１が形成される。また、図３（ｇ）で説明する接合部３４ｂの第１基板側部分２５も形成される。この配線層部２１では、配線パターン２１ａ，２１ｂが図示しない別の配線により信号処理回路２２等に接続され、また図３（ｄ），（ｅ）で後述するが、変換部に接続される。
次に、図２（ｂ）に示されるように、第１基板１６の上面にレジスト３６を形成し、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりスルーホールビアのための開口溝２６ｃを形成する。ここで、開口溝２６ｃの深さは、最終的な基板仕上げ厚より少し深めにしておく。
図２（ｃ）は、開口溝２６ｃの埋込み工程（スルーホールビア形成工程）を示しており、この埋込みはメッキ埋込み法やDoped Poly-Silicon埋込み法によって行われる。この段階では、ブラインドビアとなっている。

図３（ｄ）は、可動電極１８の形成の準備工程が示されており、ここでは、アルミニウム（Ａｌ）からなる仮台座３８、酸化膜３９を形成する。次に、ＰＡＤ４０を開口し、配線パターン２１ａ，２１ｂの一部を露出させる。
図３（ｅ）は、可動電極１８の形成工程であり、既に信号処理回路２２の形成完了後であるため高温プロセスはできないので、可動電極１８として、基本的にはアルミニウム、チタン等の金属膜やプラズマ系の不純物を添加したアモルファスシリコン膜等が形成される。この可動電極１８は、上記ＰＡＤ４０を介して配線層部２１の配線パターン２１ａに接続され、この配線層部２１から信号処理回路２２等に接続される。
図３（ｆ）は、第２基板１７側との絶縁分離に必要な絶縁分離酸化膜リングの形成工程であり、第２基板１７と接合する際に上記固定電極１９と可動電極１８とを絶縁分離するために絶縁膜リング４２（図７参照）が形成される。

図３（ｇ），（ｈ）は、外部端子２７を形成するための準備工程で、まず図３（ｇ）では、フォトレジスト４３を塗布した後、チップ周辺のパッシベーション膜をエッチングし、接合部３４ｂの第１基板側部分２５を露出させた後、第１基板１６のバックグラインドを行うことで、スルーホールビア２６を形成する。そして、図３（ｈ）では、フォトレジスト４３と仮台座３８を除去した後、第１基板１６の裏面に酸化膜（又は永久レジスト膜）４５を形成し、この酸化膜４５にて外部端子２７と基板との分離を行う。
図３（ｉ）は、外部端子形成工程であり、ここでは、メッキ材（ソルダー材）を使って金属の外部端子２７がスルーホールビア２６の下部に形成される。

次に、図４及び図５により第２基板１７の製作を説明する。
図４（ａ）は、１回のドライエッチングで段差のあるエッチ形状を形成するための準備工程であり、エッチング前の断面形状を示している。この工程では、シリコンからなる第２基板１７に対し酸化を行い、レジストパターニングによって所望の位置に酸化膜４６を残すと共に、チップエッジ部（周端部）の縁に沿ってレジストパターン４７を形成する。ＲＩＥ法によるエッチングでは、上記酸化膜４６の存在によりシリコンエッチの開始を遅らせることができ、この酸化膜４６はエッチングの進行と共に消滅する。そこで、この酸化膜４６の高さにより、図４（ｂ）に示すシリコン突起部４９が所望の高さになるように調節する。

図４（ｂ）は、シリコンエッチング後の構成であり、第２基板１７の下面には、図４（ａ）のレジストパターン４７によりエッジ部１７ｅを残した所定の深さの溝が形成され、このチップエッジ部１７ｅは元々のウェーハ表面となる。通常、半導体プロセスでは加工面を上にして断面を表現するが、実施例では、加工面を下にした状態で表現している。なお、この下面側が第１基板１６との接合面となる。シリコン突起部４９は、両基板接合時に上記図３の絶縁膜リング４２に当接するように設計される。また、酸化膜４８は、後述する固定電極１９とシリコン第２基板１７との絶縁をとる役目をする。

図４（ｃ）は、固定電極及びバックチャンバーの形成準備工程であり、図示されるように、第２基板１７の下側の段差面に、例えばアルミニウムをスパッタリングしてレジストパターニングした後にウェットエッチングにてアルミニウムと酸化膜４８をパターニングすることで、アコースティック孔５０を備えた固定電極１９形成する。なお、実施例の本工程では、上記シリコン突起部４９の表面とエッジ部１７ｅの表面にもアルミニウム膜が形成される。これは、シールド膜として機能させるためである。また、第２基板１７の上面に、酸化膜を成膜してレジストパターニングし、エッチングすることで、酸化膜５２ａを形成し、続いてもう一度酸化膜を成膜し、上記酸化膜５２ａの上に更に酸化膜５２ｂを形成する。この酸化膜５２ｂは、時間差を付けてエッチング量をコントロールするために形成する。なお、この第２基板１７の上面のエッジ部は、シリコン基板の元々の表面に位置し、ＲＩＥ法にて加工されないようにレジスト５３で保護する。

図４（ｄ）は、ＲＩＥ法による加工工程であり、ここでは、円柱形空間のバックチャンバー（キャビティ）３０、音圧の通り道となる空気通路（孔）３２を形成しており、この空気通路３２の直径は、例えば５０〜１００ミクロン程度とされ、バックチャンバー３０の周囲に、その縁に沿って複数本が設けられる。また、図４（ｃ）の酸化膜５２ａ，５２ｂを形成することにより、図４（ｄ）に示されるように、シリコン突起部４９を支持するように第２基板１７の一部を残すことができる。

次に、図５（ｅ）では、図４（ｄ）の第２基板１７の下面側エッジ部１７ｅの端面にハンドルウェーハ５５を取り付ける。
図５（ｆ）では、図４（ｄ）で形成した空気通路３２の入口であるアコースティックポート（音圧入口）３１となる穴３１ａが加工されたシリコン蓋５６を取り付ける。このシリコン蓋５６の穴３１ａは、空気通路３２の位置に一致するように設計される。
図５（ｇ）では、上記シリコン蓋５６の上部をバックグラインドにて切削し、アコースティックポート３１となる穴３１ａを貫通しない程度に削り出し、その後ドライエッチングにて丁度貫通する程度にまでエッチングを行うことで、アコースティックポート３１を形成する。

図６は、第１基板１６と第２基板１７を接合するときの状態であり、図７は、第１基板１６の接合部分の位置を示したものであり、上述のように、第１基板１６には、基板周縁に沿って接合部３４ｂの第１基板側部分２５が形成され、可動電極１８の周縁に沿って絶縁膜リング４２が形成される。

一方、上述のように、第２基板１７のシリコン突起部４９の先端アルミニウム膜に接合材（例えば金：Ａｕ）５８が付設され、周縁のエッジ部１７ｅの先端アルミニウム膜に接合材（例えば金）５９が付けられており、接合材５８を介して絶縁膜リング４２とシリコン突起部４９（の先端アルミニウム膜）を接合し（接合部３４ａ）、接合材５９を介して第１基板側部分２５とエッジ部１７ｅ（の先端アルミニウム膜）を接合する（接合部３４ｂ）ことにより、第１基板１６と第２基板１７とを貼り合わせて接合する。この接合は、金（Ａｕ）等の金属ではなく、樹脂系のフィルムを用いて実施することも可能である。

このようにして、第１基板１６と第２基板１７が接合されると、図１に示されるように、変換部の可動電極１８と固定電極１９が平行配置され、かつこれら電極の間には所定の空間１００が形成されることになり、装置においては、音圧により可動電極１８が変動し、空間１００を介した容量変化が電気信号として捉えられる。そして、この変換部からの信号は、信号処理回路２２にて増幅等の処理が施される。

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となり、図６で示される第１基板１６の複数を形成したウェーハと、第２基板１７の複数を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（パッケージ）が得られる。

上記実施例では、第１基板１６に可動電極１８、第２基板１７に固定電極１９を設けたが、これとは逆に、第１基板１６に固定電極１９、第２基板１７に可動電極１８を設けるようにしてもよく、また信号処理回路２２やバックチャンバー３０、アコースティックポート３１等についても、実施例とは反対側の基板に配置してもよく、これらの構成要素は各種の配置に設計することが可能である。

以上のように、実施例では、シリコンを用いた２枚のウェーハ又は基板（１６，１７）を重ね、チップスケールでの接合によりパッケージ化し、更には変換部（１８，１９）と信号処理回路２２を縦方向に並べて配置するので、製造の容易化、小型化を図ることでき、温度使用範囲も広くなる。
また、変換部（１８，１９）と信号処理回路２２とを配線層部２１を介して接続することで、ボンディングワイヤレスとなり、第１基板１６と第２基板１７を貼り合わせて変換部の空間１００形成するので、犠牲層レスとなる。
更に、バックチャンバー３０、アコースティックポート３１及び空気通路３２をまとめて第２基板１７に形成するので、実装密度向上、低コスト化を促進できるという利点がある。

１，１９…固定電極、 ２，１８…可動電極、
３…変換部、 ４，２２…信号処理回路、
１３…バックチャンバー、
１６…第１基板、 １７…第２基板、
１７ｅ…エッジ部、 ２１…配線層部、
２５…接合部３４ｂの第１基板側部分、
２６…スルーホールビア、 ２７…外部端子、
３０…バックチャンバー（キャビティ）、
３１…アコースティックポート、 ３２…空気通路、
３４ａ，３４ｂ…接合部、 ４２…絶縁膜リング、
４９…シリコン突起部、 １００…空間。

Claims (3)

1. 変換部の可動電極、絶縁膜リング、配線層及びこの配線層を介して上記変換部に接続される信号処理回路を形成した第１基板と、
   上記変換部の固定電極、上記絶縁膜リングに当接する突起部及び上記固定電極に連通して内部に配置されるキャビティを形成すると共に、このキャビティの周辺部にアコースティックポートから上記変換部へ連通する空気通路を形成した第２基板とを設け、
   上記固定電極と可動電極との間に所定の空間を確保しかつこの両電極を平行に配置しながら、上記絶縁膜リングと上記突起部とが当接し、上記空気通路が上記可動電極の上記第１基板側に連通するように上記第１基板と第２基板を接合してなるトランスデューサ装置。
2. 変換部の可動電極、絶縁膜リング、配線層及びこの配線層を介して上記変換部に接続される信号処理回路を有する複数の第１基板を第１ウェーハに形成し、
   上記変換部の固定電極、上記絶縁膜リングに当接する突起部、上記固定電極に連通して内部に配置されるキャビティ及びこのキャビティの周辺部に配置されてアコースティックポートから上記変換部へ連通する空気通路を有する複数の第２基板を第２ウェーハに形成し、
   上記複数の第１基板の各々の上記可動電極と上記複数の第２基板の各々の上記固定電極との間に所定の空間を確保しかつこの両電極を平行に配置しながら、上記複数の第１基板の各々の上記絶縁膜リングと上記複数の第２基板の各々の上記突起部とが当接し、上記複数の第２基板の各々の空気通路が上記複数の第１基板の各々の上記可動電極の上記第１基板側に連通するように上記第１ウェーハと第２ウェーハを重ねて接合し、
   接合した第１及び第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。
3. 上記第１ウェーハの第１基板の縦方向において、上記変換部と並ぶ位置に上記信号処理回路を設け、この信号処理回路と上記変換部とを配線層にて接続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の製造方法。

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