JP2004096543A - Sound detection mechanism - Google Patents

Abstract

Translated fromJapanese

【課題】簡単なプロセスで製造が可能で寄生容量の低減も可能なコンデンサマイクロホンを構成する。
【解決手段】支持基板と活性層とで成るＳＯＩ基板Ａをエッチング処理することにより、支持基板を取り除いて活性層によって振動板Ｂを形成し、この振動板Ｂと対向する側に低誘電率の有機膜で成る犠牲層を形成し、この外面にめっきの技術により複数のアコースティックホールＣａを有した金属材で成る背電極Ｃを形成した後、犠牲層のうちスペーサＤとして機能する部位以外の領域を取り除く処理により振動板Ｂと背電極Ｃとの間に間隙を形成した。
【選択図】　　　　図２To provide a condenser microphone that can be manufactured by a simple process and that can reduce parasitic capacitance.
An SOI substrate (A) comprising a support substrate and an active layer is etched to remove the support substrate and form a vibrating plate (B) by an active layer. A sacrificial layer made of an organic film is formed, and a back electrode C made of a metal material having a plurality of acoustic holes Ca is formed on the outer surface of the sacrificial layer by a plating technique. A gap was formed between the diaphragm B and the back electrode C by a process of removing the above.
[Selection] Fig. 2

Description

Translated fromJapanese

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶シリコン基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はアコースティクホールに相当する貫通穴を少なくとも１つ形成した背電極であり、他方の電極は振動板である音響検出機構に関し、詳しくは、音響信号を計測するセンサやマイクロホンで代表される音響検出機構に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、上記のように構成された音響検出機構と類似するものとして、支持基板と一体的に振動板を形成し、この支持基板に対して支持部によって形成される空隙層を介して背面板を配置した圧力センサがあり（例えば、特許文献１）、また、シリコンウェハー等の基板上に振動板と電極とを形成する構造のコンデンサマイクロホンとして構成されたものがある（例えば、特許文献２）。
【０００３】
【特許文献１】
特開２００２−２７５９５号公報（請求項４〜５、段落番号〔００３０〕〜〔００４０〕、図１、図３〜図６）
【特許文献２】
特開２００２‐２０９２９８号公報（請求項１、請求項２、請求項１１、請求項１２、段落番号〔００２４〕〜〔００９５〕、図１〜図１０）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献１、特許文献２として挙げたコンデンサマイクロホンの他に、従来から携帯電話機に多用されているエレクトレットコンデンサマイクロホンの構造を図７のように示すことが可能である。このコンデンサマイクロホンは、複数のアコースティックホール１１０を形成した金属製のカプセル１００の内部に固定電極部３００と、固定電極部３００の上に形成されたスペーサ４００と、この固定電極部３００と一定の間隔を持って対向させた振動板５００とを収めると共に、カプセル１００の後部開口に嵌め込む形態で基板６００を備えている。この構造を静電型マイクロホンとも称するものであり、この構造のマイクロホンでは音圧によって振動板５００が振動し、振動板５００と固定電極層３００の距離が変わることで静電容量値が変化し、当該静電容量値の変化を前記基板６００に備えたＪ−ＦＥＴ等の半導体素子７００を介して電気信号に変換するものである。
【０００５】
また、同図に示すエレクトレットコンデンサマイクロホンは振動膜５００上または固定電極３００上に誘電体材料に高電圧を印加し、加熱して内部に分極を発生させ、表面に電荷を残留させたエレクトレット膜５１０を形成することでバイアス電源が不要となる大きな利点を有している。このような利点を有する反面、前記固定電極３００と振動膜５００の間隔は大きくなるほど感度自体の低下を招き、小さくなるほど振動板５００がエレクトレット層５１０側に吸着されて高音領域の感度が低下するという特性がある。このため、前記固定電極３００と振動板５００の間隔を適正にするために、スペーサ４００を固定電極３００とエレクトレット層５１０との間に介在させている。
【０００６】
この種のコンデンサマイクロホンでは、出力を大きくするために静電容量値を大きくする必要があり、静電容量値を大きくするには固定電極層と振動膜５００の重畳面積を大きくする、又は、固定電極３００と振動膜５００との間隔を小さくすることが有効である。しかし、固定電極３００と振動膜５００の面積を大きくすることはマイクロホン自体の大型化を招くものであり、前述したようにスペーサ４００を配する手段では固定電極３００と振動膜５００の間隔を小さくすることについて限界があった。
【０００７】
特に、エレクトレットコンデンサマイクロホンの場合はコンデンサマイクロホンなどの素子に応用される永久的電気分極を有する誘電体であるエレクトレット素子として、ＦＥＰ（Ｆｌｕｏｒｏ　Ｅｔｈｙｌｅｎｅ　Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ）材などの有機系の高分子重合体が使用されていたが、耐熱性に劣る為、基板に実装する場合のリフロー用素子としての使用が困難であるという問題があった。
【０００８】
そこで、特許文献１（特開２００２−２７５９５号公報）に記載されている技術を採用することで、上述した従来の欠点を解消し、耐湿特性に優れ、且つ、リフロー用素子としての使用に耐えうるコンデンサマイクロホンを構成することが考えられる。この特許文献１のコンデンサマイクロホンでは固定電極層と振動板との間隔を小さくすることについてはシリコンマイクロマシニング技術、即ち半導体加工技術を用いたシリコン基板の加工で実現し、このシリコンマイクロマシニング技術により固定電極層と振動板との間隔を任意の間隔に設定できる。また、特許文献１のコンデンサマイクロホンではバイアス電源が必要となるが、エレクトレット素子を用いず、シリコン基板自体が電極層となるためにエレクトレットコンデンサマイクロホンに較べて耐熱性が増し、後工程の基板実装工程で温度上昇に対する問題も解消することが考えられる。
【０００９】
この特許文献１のコンデンサマイクロホンでは、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｏｉｎ）技術等を用いて粉体酸化珪素を主成分とした硼酸またはリンを高濃度に含む接着層を介して振動板と背電極を合わせた後、熱処理を行って接合し、この接合後、研磨によって所望の背電極の厚さに加工し、背電極側にアコースティクホールを形成後、基板裏面から異方性エッチングによって振動板を形成し、最後にフッ酸によって空隙領域と支持部を形成している。
【００１０】
当該手法では、接合工程における振動板と背電極の間隔の信頼性の問題以外に振動板と背電極の間隔を決めるスペーサによる寄生容量が感度を低下させる問題が考えられる。つまり、当該発明に用いられているスペーサの誘電率は４〜４．５と非常に大きく寄生容量が大きくなり感度に著しく影響を与えるのである。また前述の課題の寄生容量低減のための方策として当該特許文献１の他の実施例では振動板に相当する領域が凸状になるように基板をエッチングして段差作成後、背電極との接合用接着層を成膜した後に研磨等の技術によって平坦化させることによって対向電極間隔より大きな間隔を持つ支持部を形成させることによって寄生容量が低減できるという内容の記載がある。しかしながら、当該実施例では寄生容量低減には効果があるものの工程が複雑で生産効率が低く、しかも、研磨等の技術による平坦性の精度の点、均一な接着層の厚さを得難い点が大きな課題となる。
【００１１】
また、前述した不都合を解消する目的で特許文献２（特開２００２−２０９２９８号公報）に記載された構成を採用することも考えられる。しかしながら、この構成ではスペーサ自体が背電極部で形成されていて絶縁膜を挟んで半導体基板と接合しており、絶縁膜自体の膜厚が１μｍ以下であるために接合部領域の寄生容量が発生し感度低下を引き起こしやすい問題がある。
【００１２】
本願発明の目的は、上述した従来の欠点を解消し、接合処理を行わずに、同一基板にて振動板ならび背電極が作製できるプロセスで寄生容量を低減できる音響検出機構を提供する点にある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
単結晶シリコン基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はアコースティクホールに相当する貫通穴を少なくとも１つ形成した背電極であり、他方の電極は振動板である音響検出機構において、前記振動板が単結晶シリコンにて形成されると共に、前記背電極がめっき技術にて形成される金属膜で成り、前記振動板と前記背電極との電極間距離を決めるスペーサが犠牲層の一部から成ることを特徴とする点にある。
【００１４】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、単結晶シリコンによって振動板を形成できるので、振動板を形成するために単結晶シリコンの表面に対して特別に膜や層を形成する必要がない。また、めっき技術により金属膜で背電極を形成するので、従来からの半導体加工技術を用いた簡単な処理により、この背電極を良導体を用いて短時間のうちに必要とする厚さに形成することが可能となる。また、振動板と背電極との電極間のスペーサを犠牲層の一部で形成するので、必要とする厚さのスペーサを形成でき、しかも、エッチングやアッシングにより振動板と背電極との間に簡単に隙間を形成できるものにしながら、この犠牲層の一部によって振動板と背電極とを絶縁状態に維持できる。その結果、従来からの半導体加工技術を用いた簡単な処理で容易に製造できるばかりでなく、スペーサ（犠牲層）として低い誘電率のものを使用することや、スペーサ（犠牲層）の厚さを薄くして寄生容量を低減できる音響検出機構が構成された。
【００１５】
本発明の請求項２に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の音響検出機構において、前記犠牲層が、ＳｉＯ２膜または有機膜で形成されていることを特徴とする点にある。
【００１６】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、従来からの半導体加工技術を用いた簡単な処理によって生成可能なＳｉＯ２膜を用いることや、誘電率を低く抑え得る有機膜を用いることが可能となる。その結果、必要とする性能を現出し得る音響検出機構が構成された。
【００１７】
本発明の請求項３に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の音響検出機構において、前記背電極が平坦な構造であることを特徴とする点にある。
【００１８】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、背電極を平坦にすることで振動板の面の各部位に対する静電容量の偏りを排除できる。その結果、均一な性能で音響性能も高い音響検出機構が構成された。
【００１９】
本発明の請求項４に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の音響検出機構において、前記犠牲層が、低誘電率の材料にて形成されていることを特徴とする点にある。
【００２０】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、コンデンサを形成する部位における寄生容量を積極的に低減することが可能となる。その結果、高感度の音響検出機構が構成された。
【００２１】
本発明の請求項５に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の音響検出機構において、前記基板として活性層を有するＳＯＩウエハーを用い、この活性層にて前記振動板が形成されると共に、この活性層の厚さが１〜１０μｍであることを特徴とする点にある。
【００２２】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、ＳＯＩウエハーのうち活性層を残すエッチングを行うことによって基板と一体化した振動板を形成することが可能になるばかりか、この振動板の厚さを１〜１０μｍの任意の厚さに設定することが可能となる。その結果、必要に応じて１〜１０μｍの任意の厚みの振動板を容易に形成できる音響検出機構が構成された。
【００２３】
本発明の請求項６に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項１記載の音響検出機構において、前記基板が、〈１　０　０〉面方位のシリコン基板であることを特徴とする点にある。
【００２４】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、〈１　０　０〉面方位のシリコン基板特有面方位の方向に選択的にエッチングを進行させ得るので、エッチングパターンに対して忠実となる微細なエッチングを可能にする。その結果、精密加工によって必要とする形状の振動板を有する音響検出機構が構成された。
【００２５】
本発明の請求項７に係る音響検出機構の特徴、作用・効果は次の通りである。
〔特徴〕
請求項５記載の音響検出機構において、前記振動板を形成する活性層に不純物拡散が行われていることを特徴とする点にある。
【００２６】
〔作用・効果〕
上記特徴によると、活性層に不純物拡散を行うことにより、この活性層を異方性エッチング時にエッチングが進まないエッチストップ層として振動板を所望の厚さに設定できる。その結果、所望の厚さの振動板を有する音響検出機構が構成された。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１には本発明の音響検出機構の一例としてのシリコンコンデンサマイクホンの平面図を示し、図２には図１においてＩ−Ｉ線で切断された断面図を示している。このコンデンサマイクロホンは、〈１　０　０〉面方位である単結晶シリコン基板Ａと一体的に振動板Ｂを形成し、この振動板Ｂと対向する位置に背電極Ｃを配置して小型のコンデンサを形成したものである。前記振動板ＢはＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハーの活性層を用い、背電極Ｃはめっき技術によってアコースティクホールに相当する貫通穴Ｃａを多数形成した平坦な（振動板Ｂと平行で均一の厚さとなる）金属膜を用い、振動板Ｂと背電極Ｃとの電極間距離を決めるスペーサＤに低誘電率である感光性有機膜（犠牲層）を用いている。
【００２８】
コンデンサマイクロホンの基板Ａの大きさは平面視で縦横（Ｙ／Ｘ）の寸法が５．５ｍｍの正方形で厚さ（Ｚ）は６２５μｍである。図２では厚さを誇張して描いているが、振動板Ｂの厚さは５μｍで大きさは平面視で縦横（ｙ／ｘ）の寸法が２ｍｍの正方形である。背電極Ｃの厚さは１０μｍで一辺が２０μｍ程度の正方形の前記貫通穴Ｃａが複数個形成されている。この振動板Ｂならびに背電極Ｃの表面には信号取出し用の電極パッドＥ、Ｅが形成されている。前記貫通穴Ｃａは平面視において中央位置に小さい開口となるものを配置し、中心から離間した位置に大きい開口となるものと配置している。このように貫通穴Ｃａを形成することにより、背電極Ｃの側からの音響信号を振動板Ｂへ良好に伝えると同時に、この音響信号に基づく振動板Ｂの軽快な振動を実現するものとなっている。
【００２９】
尚、前記基板Ａに対してコンデンサマイクロホンの静電容量変化を電気信号に変換する変換回路や、この電気信号を増幅する増幅回路等を形成することも可能であり、このように回路を形成した場合には前記電極パッドＥ、Ｅと、これらの回路とがボンディングワイヤ等で結線される。
【００３０】
図３（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び図４（ｅ）、（ｆ）、（ｇ）に本発明のコンデンサマイクロホンの製造工程図を示している。この製造工程図では、（ａ）支持基板１０１と活性層１０２とを有した単結晶シリコン基板（活性層１０μｍ／Ｂｏｘ層１μｍ／支持基板６００μｍ：以下、ＳＯＩ基板と称する）の両面に対して絶縁膜１０３を形成する工程。表面に犠牲層１０４を形成する工程。（ｂ・ｃ）このＳＯＩ基板に保護層１０５を形成した後、振動板Ｂに対応した開口部１０６と、振動板Ｂから導通取出し用のコンタクトホール１０７とを設ける工程。（ｄ）シード層１０８とレジストパターン１０９とを形成した後、めっき技術によって背電極１１０（Ｃ）を形成する工程。（ｅ・ｆ）レジストパターン１０９を取り除いた後、異方性エッチングにより振動板を形成する工程。（ｇ）犠牲層１０４を除去する空隙領域形成工程を順次行うよう設定され、この工程の後に電極パッドＥを形成するよう順序が設定され、以下、この製造工程の詳細を説明する。
【００３１】
（ａ）：支持基板１０１と活性層１０２とを有したＳＯＩ基板Ａの表裏両面に対して熱酸化により酸化膜（ＳｉＯ２膜）を作り出して絶縁膜１０３を形成し、表面側に犠牲層１０４を５μｍの厚さとなるよう塗布により形成する。この犠牲層１０４は低誘電率の有機膜であるＳＵ−８（誘電率３．０／エポキシ系レジスト）を用いている。このＳＵ−８を用いることによって犠牲層の材料の一例としてのＳｉＯ２膜（誘電率３．８）を用いたもの比較すると、本ＳＵ−８は低誘電率であるのでマイクロホンの寄生容量の低減を可能にしている。尚、本発明は、犠牲層１０４としてＳｉＯ２膜を形成することを除外するものでは無い。
【００３２】
また、前記活性層１０１の厚みは１〜１０μｍの範囲で調節することが可能であり、振動板Ｂとして形成した状態における感度や耐久性等を考慮して５μｍに厚さが設定され、前記有機膜ＳＵ−８を用いた場合には粘度によって所望のスペーサ厚さとして層厚を２〜１０μｍに設定することができる。
【００３３】
（ｂ）：次に、裏面側に振動板を形成する際のマスク材料としてＳｉＮで成る保護膜１０５を成膜する。この保護膜１０５はフォトリソグラフィ技術を用いて形成され、レジストパターンとして機能するものであり、この保護層１０５において振動板を形成する部位に開口１０６が形成される。この後（ｆ）で説明するように、このレジストパターンをマスクにしてＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いてエッチングする加工により支持基板１０１部分が除去されて開口部１１１が形成される。
【００３４】
（ｃ）：次に、表面側から活性層１０２、即ち、振動板領域に導通する部位を露出させるためのコンタクトホール１０７を設ける。つまり、同図には示していないが、従来からのフォトリソグラフィ技術を用いて形成されたレジストパターンをマスクにしてＲＩＥ（Ｒｅａｃｔｉｖｅ　Ｉｏｎ　Ｅｔｃｈｉｎｇ）を用いて犠牲層１０４と絶縁膜１０３とをエッチングする加工よりコンタクトホール１０７を形成する。
【００３５】
（ｄ）：次に、表面側にスパッタの技術により、犠牲層１０４の表面、コンタクトホール１０７の部位の全ての表面にシード層１０８をスパッタリングにより形成し、更に、フレーム形成用のレジストパターン１０９（モールド）を形成した後に、めっきによって背電極１１０を形成する。このめっきは、金属材料としてＮｉを用い、応力が緩和される条件にて無電解めっきにより形成する。
【００３６】
（ｅ）：次に、不要となっためっきフレーム形成用レジストパターン１０９を除去し、シード層１０８を除去することで、複数の貫通穴Ｃａを有した背電極Ｃが現れる。
【００３７】
（ｆ）：次に、ウエハー表面側即ち背電極側に保護膜を形成後、裏面からＴＭＡＨ（テトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド）の水溶液にて異方性エッチングを行い、活性層１０２（振動板Ｂ）の部位まで開放する開口部１１１を形成する。この後、不要となった保護膜１０５と酸化膜１０３とを除去する。
【００３８】
（ｇ）：最後に犠牲層１０４をアッシングにより振動板と背電極との電極間距離を決めるスペーサ以外の領域を除去して空隙領域を形成し、電極パッドＥ（図１、図２を参照）を形成してマイクロホンが完成する。尚、犠牲層１０４がＳｉＯ２膜で形成されている場合には、この犠牲層１０４を除去する際にＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ　Ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ　ａｃｉｄ）によるエッチングを行うことになる。
【００３９】
このような製造工程によって図１、図２に示すマイクロホンが製造される。このマイクロホンは、基板Ａと一体的に振動板Ｂを形成し、かつ、この基板Ａの表面側においてスペーサＤを挟み込む位置に背電極Ｃを重畳配置し、この背電極Ｃがアコースティックホールに相当する多数の貫通穴Ｃａを有した構造のものをめっきの技術によって形成したものとなっている。このように製造されたコンデンサマイクロホンは極めて小型にできることから携帯電話機のような小型の機器に対して容易に用いることが可能となるばかりか、プリント基板上に実装する場合にも、高温でのリフロー処理にも耐え得るのでマイクロホンを有した装置の組立を容易にするものになっている。
【００４０】
また、このコンデンサマイクロホンでは、〈１　０　０〉面方位のシリコン基板特有の性質を利用して選択的にエッチングを行うことによりエッチングパターンに従い基板Ａと一体的に精密加工された状態で振動板Ｂを形成できるものにしており、しかも、低誘電率の有機膜で成る犠牲層１０４を塗布により形成するので、この犠牲層１０４を簡単な処理によって任意の厚さに形成できるばかりでなく、この犠牲層１０４をスペーサとして機能させるので振動板Ｂと背電極Ｃとの間隔を比較的大きく設定して寄生容量の低減を可能にしている。また、めっきにより背電極Ｃを形成するので簡単な処理で比較的厚い金属膜として該背電極Ｃを形成できるばかりでなく、応力が作用しない状態で形成するので、この背電極Ｃに変形や歪みを発生させないものにして、高感度のマイクロホンとして機能する。
【００４１】
〔別実施の形態〕
本発明は上記実施の形態以外に、例えば、以下のように構成して実施することも可能である。
【００４２】
（イ）ＳＯＩ基板を用いたが、これに代えて〈１　０　０〉面方位であるシリコン基板Ａを用い、最終的に振動板Ｂが形成される側から（不純物拡散により）不純物を注入して異方性エッチング時にエッチングが進まないエッチストップ層を形成することで異方性エッチング後に所望の振動板Ｂを作製する。このように構成することで、前述した実施の形態と同様にエッチング処理によりエッチングパターンに基づき精密加工によって振動板Ｂを形成することが可能となる。
【００４３】
（ロ）図５及び図６に示すように、背電極Ｃの形状を設定する。これらの図面に示すように背電極Ｃの形状は必ずしも矩形に形成する必要は無く、図６に示すように十字形状に形成することも可能である（この別実施の形態では前記実施の形態と同じ機能を有するものには、実施の形態と共通の番号、符号を付している）。尚、このような形状に背電極Ｃを形成した場合には、振動板Ｂは背電極Ｃの形状と等しいものが良いが、背電極Ｃと異なる形状に形成してもコンデンサマイクロホンとしての機能を損なうものではない。
【００４４】
（ハ）本発明の構成を用いて音圧を検出するセンサを構成する。又、本発明の音響検出機構は基板の形状が正方形である必要は無く、矩形や多角形に形成することも可能である。特に、エッチングパターンの形状の設定により振動板の形状は円形や多角形に形成することも容易に行えるものであり、このように形状を設定することで、必要とする性能を現出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】コンデンサマイクロホンの平面図
【図２】コンデンサマイクロホンの断面図
【図３】コンデンサマイクロホンの製造プロセスを連続的に示す断面図
【図４】コンデンサマイクロホンの製造プロセスを連続的に示す断面図
【図５】別実施の形態の背電極の形状を示す平面図
【図６】別実施の形態の背電極の形状を示す平面図
【図７】従来のコンデンサマイクロホンの構造を示す断面図
【符号の説明】
１０４　　　　　犠牲層
Ａ　　　　　　　基板
Ｂ　　　　　　　振動板
Ｃ　　　　　　　背電極
Ｃａ　　　　　　貫通穴
Ｄ　　　　　　　スペーサ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention has a pair of electrodes forming a capacitor on a single crystal silicon substrate, and one of the pair of electrodes is a back electrode having at least one through hole corresponding to an acoustic hole, and the other is a back electrode. The electrodes are related to an acoustic detection mechanism that is a diaphragm, and more particularly, to an acoustic detection mechanism represented by a sensor for measuring an acoustic signal and a microphone.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as similar to the acoustic detection mechanism configured as described above, a vibration plate is formed integrally with a support substrate, and a back plate is formed on the support substrate via a gap layer formed by a support portion. There is a pressure sensor arranged (for example, Patent Document 1), and there is a pressure sensor configured as a condenser microphone having a structure in which a diaphragm and electrodes are formed on a substrate such as a silicon wafer (for example, Patent Document 2).
[0003]
[Patent Document 1]
JP-A-2002-27595 (Claims 4 to 5, paragraph numbers [0030] to [0040], FIGS. 1, 3 to 6)
[Patent Document 2]
JP-A-2002-209298 (Claims 1, Claims 2, Claims 11, Claims 12, paragraph numbers [0024] to [0095], FIGS. 1 to 10)
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
In addition to the condenser microphones described in Patent Literature 1 and Patent Literature 2, the structure of an electret condenser microphone that has been frequently used in portable telephones can be shown in FIG. The condenser microphone includes afixed electrode portion 300 inside ametal capsule 100 having a plurality ofacoustic holes 110 formed therein, aspacer 400 formed on thefixed electrode portion 300, and a fixed distance from thefixed electrode portion 300. Thesubstrate 600 is provided so as to fit thediaphragm 500 facing the holding member and to fit into the rear opening of thecapsule 100. This structure is also referred to as an electrostatic microphone. In the microphone having this structure, thediaphragm 500 vibrates due to sound pressure, and the capacitance value changes as the distance between thediaphragm 500 and thefixed electrode layer 300 changes. The change in the capacitance value is converted into an electric signal through asemiconductor element 700 such as a J-FET provided on thesubstrate 600.
[0005]
The electret condenser microphone shown in the figure applies anelectret film 510 which applies a high voltage to the dielectric material on the vibratingmembrane 500 or thefixed electrode 300 and heats it to generate polarization inside and leave charges on the surface. Has a great advantage that a bias power supply is not required. On the other hand, the sensitivity is lowered as the distance between thefixed electrode 300 and thediaphragm 500 increases, and thediaphragm 500 is attracted to theelectret layer 510 side as the distance between thefixed electrode 300 and thediaphragm 500 decreases. There are characteristics. Therefore, aspacer 400 is interposed between thefixed electrode 300 and theelectret layer 510 in order to make the distance between thefixed electrode 300 and thediaphragm 500 appropriate.
[0006]
In this type of condenser microphone, it is necessary to increase the capacitance value in order to increase the output. To increase the capacitance value, the overlapping area between the fixed electrode layer and thediaphragm 500 is increased, or the capacitance value is fixed. It is effective to reduce the distance between theelectrode 300 and thediaphragm 500. However, increasing the area between thefixed electrode 300 and thediaphragm 500 causes an increase in the size of the microphone itself, and the means for disposing thespacer 400 reduces the distance between thefixed electrode 300 and thediaphragm 500 as described above. There were limits to that.
[0007]
In particular, in the case of an electret condenser microphone, an organic polymer such as FEP (Fluoro Ethylene Propylene) is used as an electret element which is a dielectric substance having permanent electric polarization applied to elements such as a condenser microphone. However, there is a problem that it is difficult to use as a reflow element when mounted on a substrate due to poor heat resistance.
[0008]
Therefore, by adopting the technology described in Patent Document 1 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-27595), the above-described conventional disadvantages are eliminated, the moisture resistance is excellent, and the device can be used as a reflow element. It is conceivable to construct a possible condenser microphone. In the condenser microphone of Patent Document 1, the distance between the fixed electrode layer and the diaphragm is reduced by silicon micromachining technology, that is, processing of a silicon substrate using a semiconductor processing technology, and fixed by the silicon micromachining technology. The interval between the electrode layer and the diaphragm can be set to an arbitrary interval. In addition, the condenser microphone of Patent Document 1 requires a bias power supply. However, since the electret element is not used and the silicon substrate itself is an electrode layer, the heat resistance is increased as compared with the electret condenser microphone, and the substrate mounting process in a later process is performed. Thus, it is considered that the problem of the temperature rise can be solved.
[0009]
In the condenser microphone disclosed in Patent Document 1, the diaphragm and the back electrode are combined by using a CVD (Chemical Vapor Depositoin) technique or the like via an adhesive layer containing boric acid or phosphorus containing silicon oxide in a high concentration at a high concentration. Thereafter, heat treatment is performed for bonding, and after this bonding, processing is performed by polishing to a desired back electrode thickness, an acoustic hole is formed on the back electrode side, and a diaphragm is formed by anisotropic etching from the back surface of the substrate. Finally, the void region and the support portion are formed by hydrofluoric acid.
[0010]
In this method, in addition to the problem of the reliability of the distance between the diaphragm and the back electrode in the bonding process, there is a problem that the parasitic capacitance due to the spacer that determines the distance between the diaphragm and the back electrode lowers the sensitivity. In other words, the dielectric constant of the spacer used in the present invention is very large, that is, 4 to 4.5, and the parasitic capacitance becomes large, which significantly affects the sensitivity. As another measure for reducing the parasitic capacitance of the above-described problem, in another embodiment of Patent Document 1, a substrate is etched so that a region corresponding to a diaphragm becomes convex, and a step is formed. There is a description that parasitic capacitance can be reduced by forming a support portion having a larger gap than the counter electrode gap by flattening by a technique such as polishing after forming an adhesive layer for use. However, in this embodiment, although effective in reducing the parasitic capacitance, the steps are complicated and the production efficiency is low, and the flatness accuracy by the technique such as polishing and the difficulty in obtaining a uniform adhesive layer thickness are great. Will be an issue.
[0011]
It is also conceivable to adopt the configuration described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2002-209298) for the purpose of solving the above-mentioned inconvenience. However, in this configuration, the spacer itself is formed by the back electrode portion and is bonded to the semiconductor substrate with the insulating film interposed therebetween. Since the thickness of the insulating film itself is 1 μm or less, parasitic capacitance occurs in the bonded region. There is a problem that the sensitivity is easily lowered.
[0012]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional disadvantages and to provide an acoustic detection mechanism capable of reducing a parasitic capacitance by a process in which a diaphragm and a back electrode can be manufactured on the same substrate without performing a bonding process. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 1 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
A single-crystal silicon substrate has a pair of electrodes forming a capacitor, one of the pair of electrodes is a back electrode having at least one through hole corresponding to an acoustic hole, and the other is a vibrating electrode. In the acoustic detection mechanism that is a plate, the diaphragm is formed of single-crystal silicon, and the back electrode is formed of a metal film formed by a plating technique, and an inter-electrode distance between the diaphragm and the back electrode. Is characterized in that the spacer for determining the above is composed of a part of the sacrificial layer.
[0014]
[Action / Effect]
According to the above feature, since the diaphragm can be formed by single crystal silicon, it is not necessary to form a special film or layer on the surface of the single crystal silicon to form the diaphragm. In addition, since the back electrode is formed of a metal film by a plating technique, the back electrode is formed to a required thickness in a short time using a good conductor by a simple process using a conventional semiconductor processing technique. It becomes possible. In addition, the spacer between the diaphragm and the back electrode is formed by a part of the sacrificial layer, so that a spacer having a required thickness can be formed, and between the diaphragm and the back electrode by etching or ashing. The diaphragm and the back electrode can be maintained in an insulated state by a part of the sacrificial layer while a gap can be easily formed. As a result, not only can it be easily manufactured by simple processing using conventional semiconductor processing technology, but also a spacer (sacrificial layer) having a low dielectric constant can be used, and the thickness of the spacer (sacrificial layer) can be reduced. An acoustic detection mechanism that can be thinned to reduce parasitic capacitance has been constructed.
[0015]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 2 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the sacrificial layer is formed of a SiO2 film or an organic film.
[0016]
[Action / Effect]
According to the above features, it is possible to use a SiO2 film that can be formed by a simple process using a conventional semiconductor processing technique, or to use an organic film that can keep the dielectric constant low. As a result, an acoustic detection mechanism capable of exhibiting the required performance was constructed.
[0017]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 3 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The sound detection mechanism according to claim 1, wherein the back electrode has a flat structure.
[0018]
[Action / Effect]
According to the above feature, by making the back electrode flat, it is possible to eliminate bias of the capacitance with respect to each part of the surface of the diaphragm. As a result, an acoustic detection mechanism with uniform performance and high acoustic performance was constructed.
[0019]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 4 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the sacrificial layer is formed of a material having a low dielectric constant.
[0020]
[Action / Effect]
According to the above feature, it is possible to positively reduce the parasitic capacitance at the portion where the capacitor is formed. As a result, a highly sensitive sound detection mechanism was constructed.
[0021]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 5 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein an SOI wafer having an active layer is used as the substrate, and the diaphragm is formed on the active layer, and the thickness of the active layer is 1 to 10 μm. It is a feature.
[0022]
[Action / Effect]
According to the above feature, not only can the diaphragm integrated with the substrate be formed by performing etching that leaves the active layer in the SOI wafer, but the thickness of the diaphragm can be set to an arbitrary thickness of 1 to 10 μm. It becomes possible to set it. As a result, an acoustic detection mechanism capable of easily forming a diaphragm having an arbitrary thickness of 1 to 10 μm as required was constructed.
[0023]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 6 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
2. The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate having a <100> plane orientation.
[0024]
[Action / Effect]
According to the above feature, the etching can be selectively advanced in the direction of the <100> plane orientation peculiar to the silicon substrate, so that fine etching faithful to the etching pattern can be performed. As a result, an acoustic detection mechanism having a diaphragm having a required shape was formed by precision machining.
[0025]
The features, functions and effects of the sound detection mechanism according to claim 7 of the present invention are as follows.
〔Characteristic〕
The acoustic detection mechanism according to claim 5, wherein the active layer forming the diaphragm is diffused with impurities.
[0026]
[Action / Effect]
According to the above-described feature, by diffusing impurities into the active layer, the active layer can be set to a desired thickness as an etch stop layer where etching does not proceed during anisotropic etching. As a result, an acoustic detection mechanism having a diaphragm having a desired thickness was configured.
[0027]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view of a silicon condenser microphone as an example of the sound detection mechanism of the present invention, and FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line II in FIG. In this condenser microphone, a diaphragm B is formed integrally with a single-crystal silicon substrate A having a <100> plane orientation, and a back electrode C is arranged at a position facing the diaphragm B to provide a small capacitor. It was formed. The diaphragm B uses an active layer of an SOI (Silicon on Insulator) wafer, and the back electrode C has a flat (parallel and uniform thickness with the diaphragm B) in which a large number of through holes Ca corresponding to acoustic holes are formed by a plating technique. A photosensitive organic film (sacrifice layer) having a low dielectric constant is used for the spacer D that determines the inter-electrode distance between the diaphragm B and the back electrode C.
[0028]
The size of the substrate A of the condenser microphone is 5.5 mm square in vertical and horizontal (Y / X) dimensions in plan view, and the thickness (Z) is 625 μm. Although the thickness is exaggerated in FIG. 2, the thickness of the diaphragm B is 5 μm, and the size thereof is a square having a size of 2 mm in length and width (y / x) in plan view. The back electrode C has a thickness of 10 μm and a plurality of square through holes Ca each having a side of about 20 μm. On the surfaces of the diaphragm B and the back electrode C, electrode pads E, E for taking out signals are formed. The through hole Ca has a small opening at the center position in plan view, and has a large opening at a position away from the center. By forming the through-holes Ca in this manner, an acoustic signal from the back electrode C side is transmitted well to the diaphragm B, and at the same time, light vibration of the diaphragm B based on the acoustic signal is realized. ing.
[0029]
Note that it is also possible to form a conversion circuit for converting a change in capacitance of the condenser microphone into an electric signal, an amplifier circuit for amplifying the electric signal, and the like on the substrate A, and the circuit is formed in this manner. In this case, the electrode pads E, E and these circuits are connected by bonding wires or the like.
[0030]
3 (a), 3 (b), 3 (c), 3 (d) and 4 (e), 4 (f), 4 (g) show manufacturing process diagrams of the condenser microphone of the present invention. In this manufacturing process diagram, (a) both sides of a single-crystal silicon substrate having asupport substrate 101 and an active layer 102 (active layer 10 μm / Box layer 1 μm /support substrate 600 μm: hereinafter referred to as SOI substrate) are insulated. A step of forming thefilm 103; Forming asacrificial layer 104 on the surface; (Bc) After forming theprotective layer 105 on the SOI substrate, a step of providing anopening 106 corresponding to the diaphragm B and acontact hole 107 for taking out conduction from the diaphragm B. (D) a step of forming a back electrode 110 (C) by a plating technique after forming theseed layer 108 and the resistpattern 109. (Ef) A step of forming a diaphragm by anisotropic etching after removing the resistpattern 109. (G) It is set so that the step of forming the void region for removing thesacrificial layer 104 is sequentially performed, and the order of forming the electrode pads E after this step is set. Hereinafter, the details of this manufacturing step will be described.
[0031]
(A): An oxide film (SiO 2 film) is formed by thermal oxidation on both front and back surfaces of an SOI substrate A having asupport substrate 101 and anactive layer 102 to form an insulatingfilm 103, and asacrifice layer 104 is formed on the front surface. It is formed by coating so as to have a thickness of 5 μm. Thesacrificial layer 104 uses SU-8 (dielectric constant 3.0 / epoxy resist) which is an organic film having a low dielectric constant. By using this SU-8, compared with the case of using a SiO2 film (dielectric constant 3.8) as an example of the material of the sacrificial layer, the SU-8 has a low dielectric constant, so that the parasitic capacitance of the microphone can be reduced. Making it possible. Note that the present invention does not exclude the formation of the SiO 2 film as thesacrificial layer 104.
[0032]
The thickness of theactive layer 101 can be adjusted within a range of 1 to 10 μm. The thickness is set to 5 μm in consideration of sensitivity, durability, and the like in a state where theactive layer 101 is formed as the diaphragm B. When the film SU-8 is used, the desired spacer thickness can be set to 2 to 10 μm depending on the viscosity.
[0033]
(B): Next, aprotective film 105 made of SiN is formed as a mask material when forming the diaphragm on the back surface side. Theprotective film 105 is formed using a photolithography technique and functions as a resist pattern. Anopening 106 is formed in a portion of theprotective layer 105 where a diaphragm is to be formed. Thereafter, as described in (f), anopening 111 is formed by removing the supportingsubstrate 101 by etching using RIE (Reactive Ion Etching) using the resist pattern as a mask.
[0034]
(C): Next, acontact hole 107 for exposing a portion conducting to theactive layer 102, that is, a region of the diaphragm from the surface side is provided. That is, although not shown in the figure, a process of etching thesacrificial layer 104 and the insulatingfilm 103 using RIE (Reactive Ion Etching) using a resist pattern formed using a conventional photolithography technique as a mask. Then, acontact hole 107 is formed.
[0035]
(D): Next, theseed layer 108 is formed on the surface of thesacrificial layer 104 and the entire surface of thecontact hole 107 by sputtering using a sputtering technique, and further a resist pattern 109 ( After the formation of the (mold), theback electrode 110 is formed by plating. This plating is formed by electroless plating using Ni as a metal material under conditions where stress is relaxed.
[0036]
(E): Next, by removing the unnecessary plating frame forming resistpattern 109 and removing theseed layer 108, a back electrode C having a plurality of through holes Ca appears.
[0037]
(F): Next, after forming a protective film on the front surface side of the wafer, that is, on the back electrode side, anisotropic etching is performed from the back surface with an aqueous solution of TMAH (tetramethylammonium hydroxide) to form the active layer 102 (diaphragm B). Anopening 111 is formed to open up to the part. After that, the unnecessaryprotective film 105 andoxide film 103 are removed.
[0038]
(G): Finally, thesacrifice layer 104 is removed by ashing to remove a region other than the spacer that determines the inter-electrode distance between the diaphragm and the back electrode to form a void region, and the electrode pad E (see FIGS. 1 and 2). Is formed to complete the microphone. When thesacrifice layer 104 is formed of a SiO2 film, the removal of thesacrifice layer 104 involves etching with BHF (Buffered Hydrofluoric acid).
[0039]
The microphone shown in FIGS. 1 and 2 is manufactured by such a manufacturing process. In this microphone, a diaphragm B is formed integrally with a substrate A, and a back electrode C is superposed and arranged at a position sandwiching a spacer D on the front side of the substrate A, and the back electrode C corresponds to an acoustic hole. A structure having a large number of through holes Ca is formed by plating technology. Since the condenser microphone manufactured in this way can be made extremely small, it can be easily used for a small device such as a mobile phone, and even when mounted on a printed circuit board, reflow at a high temperature. Since it can withstand processing, it is easy to assemble a device having a microphone.
[0040]
Further, in this condenser microphone, the diaphragm B is processed in a state where it is precision-processed integrally with the substrate A in accordance with the etching pattern by selectively performing etching by using the characteristic property of the silicon substrate having the <100> plane orientation. Is formed, and thesacrifice layer 104 made of a low dielectric constant organic film is formed by coating, so that thesacrifice layer 104 can be formed to an arbitrary thickness by a simple process, Since thelayer 104 functions as a spacer, the distance between the diaphragm B and the back electrode C is set to be relatively large, so that the parasitic capacitance can be reduced. Further, since the back electrode C is formed by plating, not only can the back electrode C be formed as a relatively thick metal film by a simple process, but also the back electrode C is formed in a state where no stress acts, so that the back electrode C can be deformed or distorted. Function as a high-sensitivity microphone.
[0041]
[Another embodiment]
The present invention can be implemented with, for example, the following configuration in addition to the above embodiment.
[0042]
(A) Although an SOI substrate was used, a silicon substrate A having a <100> plane orientation was used instead, and an impurity was implanted (by impurity diffusion) from the side where the diaphragm B was finally formed. Thus, a desired diaphragm B is formed after the anisotropic etching by forming an etch stop layer which does not progress during the anisotropic etching. With this configuration, the diaphragm B can be formed by precision processing based on the etching pattern by the etching process as in the above-described embodiment.
[0043]
(B) As shown in FIGS. 5 and 6, the shape of the back electrode C is set. As shown in these drawings, the shape of the back electrode C does not necessarily need to be formed in a rectangular shape, and may be formed in a cross shape as shown in FIG. 6 (this alternative embodiment differs from the above-described embodiment. Those having the same functions are denoted by the same reference numerals and symbols as in the embodiment. When the back electrode C is formed in such a shape, the diaphragm B preferably has the same shape as the back electrode C. However, even if the diaphragm B is formed in a shape different from the back electrode C, the function as a condenser microphone is obtained. It doesn't hurt.
[0044]
(C) A sensor for detecting sound pressure is configured using the configuration of the present invention. In addition, the sound detection mechanism of the present invention does not need to have a square substrate, but can be formed in a rectangular or polygonal shape. In particular, by setting the shape of the etching pattern, the shape of the diaphragm can easily be formed into a circle or a polygon, and by setting the shape in this way, the required performance can be exhibited. It becomes possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of a condenser microphone. FIG. 2 is a cross-sectional view of a condenser microphone. FIG. 3 is a cross-sectional view continuously showing a manufacturing process of a condenser microphone. FIG. 4 is a cross-sectional view continuously showing a manufacturing process of a condenser microphone. FIG. 5 is a plan view showing the shape of a back electrode according to another embodiment. FIG. 6 is a plan view showing the shape of a back electrode according to another embodiment. FIG. 7 is a cross-sectional view showing the structure of a conventional condenser microphone. Description]
104 sacrificial layer A substrate B diaphragm C back electrode Ca through hole D spacer

Claims (7)

Translated fromJapanese

単結晶シリコン基板にコンデンサを形成する一対の電極を有し、この一対の電極のうち一方の電極はアコースティクホールに相当する貫通穴を少なくとも１つ形成した背電極であり、他方の電極は振動板である音響検出機構において、
前記振動板が単結晶シリコンにて形成されると共に、前記背電極がめっき技術にて形成される金属膜で成り、前記振動板と前記背電極との電極間距離を決めるスペーサが犠牲層の一部から成ることを特徴とする音響検出機構。A single-crystal silicon substrate has a pair of electrodes forming a capacitor, one of the pair of electrodes is a back electrode having at least one through hole corresponding to an acoustic hole, and the other is a vibrating electrode. In the sound detection mechanism that is a plate,
The vibrating plate is formed of single crystal silicon, the back electrode is formed of a metal film formed by a plating technique, and a spacer for determining an inter-electrode distance between the vibrating plate and the back electrode is one of the sacrificial layers. An acoustic detection mechanism comprising:前記犠牲層が、ＳｉＯ２膜または有機膜で形成されていることを特徴とする請求項１記載の音響検出機構。The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the sacrificial layer is formed of a SiO2 film or an organic film.前記背電極が平坦な構造であることを特徴とする請求項１記載の音響検出機構。The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the back electrode has a flat structure.前記犠牲層が、低誘電率の材料にて形成されていることを特徴とする請求項１記載の音響検出機構。The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the sacrificial layer is formed of a material having a low dielectric constant.前記基板として活性層を有するＳＯＩウエハーを用い、この活性層にて前記振動板が形成されると共に、この活性層の厚さが１〜１０μｍであることを特徴とする請求項１記載の音響検出機構。2. The acoustic detection according to claim 1, wherein an SOI wafer having an active layer is used as the substrate, and the diaphragm is formed on the active layer, and the thickness of the active layer is 1 to 10 [mu] m. mechanism.前記基板が、〈１　０　０〉面方位のシリコン基板であることを特徴とする請求項１記載の音響検出機構。The acoustic detection mechanism according to claim 1, wherein the substrate is a silicon substrate having a <1 0 0> plane orientation.前記振動板を形成する活性層に不純物拡散が行われていることを特徴とする請求項５記載の音響検出機構。The acoustic detection mechanism according to claim 5, wherein an impurity is diffused in an active layer forming the diaphragm.

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