| 【発明の名称】 |
コンデンサマイクロホン及びその製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】佐藤 明善
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| 【要約】 |
【課題】コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域域で向上させフラットな特性に近づける。
【構成】コンデンサマイクロホンは、静止電極と、開口を形成しているストッパプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの前記ストッパプレートと反対側の面の前記ダイヤフラムの外周より内側に密着した膜からなり前記ダイヤフラムが架設されている環状の架設部と、を備え、前記ダイヤフラムの内部応力によって、前記ダイヤフラムの前記架設部に密着している領域より外側の外周部が前記ストッパプレートに接近した形状に変形した結果、前記外周部が前記ストッパプレートの前記開口の周囲領域に付着し、前記ストッパプレートの前記開口のある空間と、前記ダイヤフラムによって前記開口のある空間と仕切られているキャビティと、を連絡している音響抵抗通路が前記ダイヤフラムの前記外周部と前記ストッパプレートの前記周囲領域との非付着部分によって形成されている。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】
静止電極と、
開口を形成しているストッパプレートと、
前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの前記ストッパプレートと反対側の面の前記ダイヤフラムの外周より内側に密着した膜からなり前記ダイヤフラムが張り渡されている環状の架設部と、
を備え、
前記ダイヤフラムの内部応力によって、前記ダイヤフラムの前記架設部に密着している領域より外側の外周部が前記ストッパプレートに接近した形状に変形した結果、
前記外周部が前記ストッパプレートの前記開口の周囲領域に付着し、
前記ストッパプレートの前記開口のある空間と、前記ダイヤフラムによって前記開口のある空間と仕切られているキャビティと、を連絡している音響抵抗通路が前記ダイヤフラムの前記外周部と前記ストッパプレートの前記周囲領域との非付着部分によって形成されている、
コンデンサマイクロホン。
【請求項２】
静止電極と、
開口を形成しているストッパプレートと、
前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムの前記ストッパプレートと反対側の面の前記ダイヤフラムの外周より内側に密着した膜からなり前記ダイヤフラムの周方向に互いに離間して形成されている複数の架設部と、
を備え、
前記ダイヤフラムの内部応力によって、前記ダイヤフラムの前記架設部に密着している領域より外側の外周部が前記ストッパプレートに接近した形状に変形した結果、
前記外周部が前記ストッパプレートの前記開口の周囲領域に付着し、
前記ストッパプレートの前記開口のある空間と、前記ダイヤフラムによって前記開口のある空間と仕切られているキャビティと、を連絡している音響抵抗通路が前記ダイヤフラムの前記外周部と前記ストッパプレートの前記周囲領域との非付着部分によって形成されている、
コンデンサマイクロホン。
【請求項３】
前記ダイヤフラムの前記外周部は、外周端から内側に向かって頂部が延びる起伏を有し、
前記音響抵抗通路は、前記起伏と前記ストッパプレートの周囲領域とによって形成されている、
請求項１又は２に記載のコンデンサマイクロホン。
【請求項４】
前記ストッパプレートの前記周囲領域は、内周から外側に向かう方向に延びる溝を有し、
前記音響抵抗通路は、前記ストッパプレートの前記溝と前記ダイヤフラムの前記外周部とによって前記側壁が形成されている、
請求項１又は２に記載のコンデンサマイクロホン。
【請求項５】
前記ダイヤフラムの前記外周部は、外周端面に凹部を有し、
前記音響抵抗通路は、前記ダイヤフラムの前記凹部と前記ストッパプレートの前記周囲領域とによって開口端が形成されている、
請求項１又は２に記載のコンデンサマイクロホン。
【請求項６】
前記静止電極を形成している膜を前記ストッパプレート上に支持している支持部と、
前記静止電極を形成している前記膜に形成され前記キャビティに音波を進入させる音孔と、
をさらに備え、
前記架設部は、前記静止電極を形成している膜に密着し前記支持部を形成している膜から形成され、
前記ストッパプレートの前記開口はバックキャビティの開口であって、
前記ダイヤフラムは、前記静止電極の前記ストッパプレート側に前記架設部によって架設され前記キャビティと前記バックキャビティとを仕切っている、
請求項１〜５のいずれか一項に記載のコンデンサマイクロホン。
【請求項７】
前記音響抵抗通路を形成するための突部を有する犠牲膜を前記ストッパプレートを形成するための基板上に形成し、
前記バックキャビティの開口を囲める外形を有し引っ張り応力が残留する前記ダイヤフラムを前記犠牲膜上の前記突部を含む領域に形成し、
前記ダイヤフラムの上と前記犠牲膜の上とに前記支持部及び前記架設部を形成するための前記膜を形成し、
前記支持部及び前記架設部を形成するための前記膜の上に、前記静止電極を形成するための前記膜を形成し、
前記犠牲膜を露出させる前記バックキャビティを前記基板に形成し、
前記バックキャビティと前記音孔とからエッチャントを供給することにより、前記支持部と前記架設部とを形成するための前記膜と、前記犠牲膜とをエッチングし、
前記ダイヤフラムと前記基板との間から前記犠牲膜が除去され、前記支持部と前記架設部とが残存するようにエッチングの終点を制御する、
ことを含む請求項６に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。
【請求項８】
前記音響抵抗通路を形成するための溝を前記基板上に形成し、
前記溝を埋め表面が平坦な犠牲膜を前記基板上に形成し、
前記バックキャビティの開口を囲める外形を有し引っ張り応力が残留する前記ダイヤフラムを前記溝上の領域を含む前記犠牲膜上の領域に形成し、
前記ダイヤフラムの上と前記犠牲膜の上とに前記支持部及び前記架設部を形成するための前記膜を形成し、
前記支持部及び前記架設部を形成するための前記膜の上に、前記静止電極を形成するための前記膜を形成し、
前記犠牲膜を露出させる前記バックキャビティを前記基板に形成し、
前記バックキャビティと前記音孔とからエッチャントを供給することにより、前記支持部と前記架設部とを形成するための前記膜と、前記犠牲膜とをエッチングし、
前記ダイヤフラムと前記基板との間から前記犠牲膜が除去され、前記支持部と前記架設部とが残存するようにエッチングの終点を制御する、
ことを含む請求項６に記載のコンデンサマイクロホンの製造方法。
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【発明の詳細な説明】【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンデンサマイクロホン及びその製造方法に関し、特にＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されるコンデンサマイクロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＭＥＭＳ製造プロセスによって製造されるコンデンサマイクロホンが知られている。このようなコンデンサマイクロホンは、微細な輪郭形成が可能な薄膜の積層により構造を形成できるため、小さく構成することができる。
【０００３】
コンデンサマイクロホンは、検出対象の音波が伝搬する音響空間と検出される音波が到達しない非音響空間であるバックキャビティとを仕切る膜に形成された振動電極と、それと平行な静止電極とを備え、振動電極と静止電極とによって容量が形成されている。バックキャビティと大気圧の音響空間とに静圧の差が生ずると、ダイヤフラムの振動が妨げられて感度が不安定になったり、ダイヤフラムが破壊されるおそれがあるため、バックキャビティは大気に対して開放される必要がある。ダイヤフラムでバックキャビティと音響空間とを仕切る場合、バックキャビティを大気に対して開放するための通路が必要になる。一方、ダイヤフラムによって仕切られるバックキャビティに音波が進入すると、コンデンサマイクロホンの感度が低下するという問題がある。このため、検出対象の周波数領域の音波に対してはその通路の音響抵抗を高く設定することが望ましい。通路の音響抵抗は細く長いほど低い周波数まで高くなる。しかし、例えば２０Ｈｚから２０ｋＨｚまである可聴域の全域に対して音響抵抗が高くなるような細く長い通路を形成することは従来困難であった。
【０００４】
また、堆積によってダイヤフラムを構成する薄膜を形成すると、その薄膜に強い引っ張り応力が生ずることがある。ダイヤフラムに引っ張り応力が残留している場合、ダイヤフラムが振動しにくくなるため、コンデンサマイクロホンの感度が全周波数域で低下するという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記の問題に鑑みて創作されたものであって、コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域で向上させフラットな特性に近づけることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（１）ＭＥＭＳ製造プロセスによって膜を貫通する孔を形成する場合、孔の径に対して膜厚を大きくすることは困難である。また膜の表面と平行な方向に細長い孔を穿孔することも困難である。また、膜の表面に溝を形成しておき、その溝だけを犠牲膜で埋めた状態でさらに別の膜を堆積させることも困難であるため、密着している膜の間に細長い孔を形成することも困難である。本発明では、ダイヤフラムが形成された後にダイヤフラムの外周部がストッパプレートの表面に付着し、両者が付着した状態で残存する隙間によって、ダイヤフラムの表裏両側の静圧を平衡させる、音響抵抗通路を細く長く形成することを可能にする。
【０００７】
すなわち、上記目的を達成するコンデンサマイクロホンは、静止電極と、開口を形成しているストッパプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの前記ストッパプレートと反対側の面の前記ダイヤフラムの外周より内側に密着した膜からなり前記ダイヤフラムが架設されている環状の架設部と、を備え、前記ダイヤフラムの内部応力によって、前記ダイヤフラムの前記架設部に密着している領域より外側の外周部が前記ストッパプレートに接近した形状に変形した結果、前記外周部が前記ストッパプレートの前記開口の周囲領域に付着し、前記ストッパプレートの前記開口のある空間と、前記ダイヤフラムによって前記開口のある空間と仕切られているキャビティと、を連絡している音響抵抗通路が前記ダイヤフラムの前記外周部と前記ストッパプレートの前記周囲領域との非付着部分によって形成されている。
【０００８】
ストッパプレートに形成されている開口はバックキャビティや音波の取り入れ口として機能し得る。音響抵抗通路はストッパプレートの開口の周囲領域とそこに付着しているダイヤフラムの外周部とによって形成される。すなわち、ストッパプレートの開口の周囲領域とそこに付着しているダイヤフラムの外周部との間には隙間が形成されており、この隙間が音響抵抗通路を構成している。
【０００９】
このような隙間は、ダイヤラフラムの成膜時にはストッパプレートとダイヤフラムの間にあってその隙間に対応する微小な突部を有する膜を、ダイヤフラムの成膜後に除去し、その結果ダイヤフラムとストッパプレートとを付着させることによって形成できるため、任意の形状に形成することができる。例えば、ダイヤフラムがストッパプレートに付着する前に、ダイヤフラムの外周端から内側に向かって頂部が延びる微小な起伏を形成しておけば微小な起伏の凹みとストッパプレートの間にのみ隙間が形成される。
【００１０】
そしてダイヤフラムの外周部をストッパプレートに付着させるため、本発明では、ダイヤフラムの内部応力を用いている。すなわち、ダイヤフラムの形成後にその内部応力が架設部の変形によって解放されるようにダイヤフラムが架設部に架設され、架設部が変形することによってダイヤフラムの外周部がストッパプレートに接近する構成が採用される。具体的には、ダイヤフラムは環状の架設部によって架設される。ダイヤフラムの内部応力が架設部のダイヤフラムと密着している側の径を縮小させる張力として作用する構成である。したがって、ダイヤフラムを構成する膜が形成された後にダイヤフラムとストッパプレートに密着している膜が除去されると、ダイヤフラムに密着している架設部の端面が内周から外周に向かってストッパプレートの表面高さに接近する傾斜形状に変形する。そのとき、ダイヤフラムは架設部に密着しているため架設部に密着している領域よりも外側の外周部がストッパプレートに接近することになる。
【００１１】
したがって、本発明によるコンデンサマイクロホンの構造では、ダイヤフラムの外周部とストッパプレートの開口の周囲領域とがダイヤフラムの応力によって付着するように構成することができる。このため、非付着部分に低い周波数の音波に対しても音響抵抗が高い音響抵抗通路を形成することができる。したがって、この構造を採用することにより、コンデンサマイクロホンの感度をフラットな特性に近づけることができる。
またこのコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラム及び架設部の変形によってダイヤフラムの応力が低減されるため、このマイクロホンの構造を採用することにより、コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域で向上させることができる。
【００１２】
（２）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンは、静止電極と、開口を形成しているストッパプレートと、前記静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラムと、前記ダイヤフラムの前記ストッパプレートと反対側の面の前記ダイヤフラムの外周より内側に密着した膜からなり前記ダイヤフラムの周方向に互いに離間して形成されている複数の架設部と、を備え、前記ダイヤフラムの内部応力によって、それぞれの前記架設部が、前記ダイヤフラムに密着している端面の前記ダイヤフラムの外周から遠い側の辺から前記ダイヤフラムに密着している端面の前記ダイヤフラムの外周から近い側の辺に向かって前記ストッパプレートに近づく傾斜状態に変形又は回転するとともに、前記ダイヤフラムの前記架設部に密着している領域より外側の外周部が前記ストッパプレートに接近した形状に変形した結果、前記外周部が前記ストッパプレートの前記開口の周囲領域に付着し、前記ストッパプレートの前記開口のある空間と、前記ダイヤフラムによって前記開口のある空間と仕切られているキャビティと、を連絡している音響抵抗通路が前記ダイヤフラムの前記外周部と前記ストッパプレートの前記周囲領域との非付着部分によって形成されている。
【００１３】
このコンデンサマイクロホンでは、ダイヤフラムの周方向に互いに離間している架設部によってダイヤフラムが架設される。このコンデンサマイクロホンではダイヤフラムの内部応力が架設部のダイヤフラムと密着している端面のダイヤフラムの外周から遠い側の辺同士を接近させる張力として作用する。したがって、ダイヤフラムを構成する膜が形成された後にダイヤフラムとストッパプレートに密着している膜が除去されると、複数の架設部は、ダイヤフラムに密着している架設部の端面がダイヤフラムの外周に遠い側の辺からダイヤフラムの外周から近い側の辺に向かってストッパプレートに接近する傾斜形状に変形又は回転する。そのとき、ダイヤフラムは架設部に密着しているため、ダイヤフラムは架設部より外側の外周部がストッパプレートに接近する。
【００１４】
したがって、このコンデンサマイクロホンの構造でも、ダイヤフラムの外周部とストッパプレートの開口の周囲領域とがダイヤフラムの応力によって付着するように構成することができる。このため、非付着部分に高い周波数の音波に対しても音響抵抗が高い音響抵抗通路を形成することができる。したがって、この構造を採用しても、コンデンサマイクロホンの感度をフラットな特性に近づけることができる。
またこのコンデンサマイクロホンでは、架設部の変形又は回転によってダイヤフラムの応力が低減されるため、このマイクロホンの構造を採用することにより、コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域で向上させることができる。
【００１５】
（３）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムの前記外周部は、外周端から内側に向かう方向に頂部が延びる起伏を有してもよいし、前記音響抵抗通路は、前記起伏と前記ストッパプレートの周囲領域とによって形成されていてもよい。
【００１６】
このコンデンサマイクロホンの構造では、ダイヤフラムとストッパプレートの間に犠牲膜を用いることによってダイヤフラムの外周部に幅の細い線状の起伏を形成することができるため、音響抵抗通路を細く長く形成することができる。
【００１７】
（４）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ストッパプレートの前記周囲領域は、内周から外側に向かう方向に延びる溝を有してもよいし、前記音響抵抗通路は、前記ストッパプレートの前記溝と前記ダイヤフラムの前記外周部とによって前記側壁が形成されていてもよい。
【００１８】
ストッパプレートの表面には例えばエッチングによって幅の細い溝を形成することができ、この構造ではストッパプレートとダイヤフラムの間に犠牲膜を用いることができるため、このコンデンサマイクロホンの構造を採用することにより、音響抵抗通路を細く長く形成することができる。
【００１９】
（５）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記ダイヤフラムの前記外周部は、外周端面に凹部を有してもよいし、前記音響抵抗通路は、前記ダイヤフラムの前記凹部と前記ストッパプレートの前記周囲領域とによって開口端が形成されていてもよい。
【００２０】
例えばフォトリソグラフィにより形成したマスクを用いてダイヤフラムの輪郭を形成することにより、ダイヤフラムの外周端面には微小な凹部を形成することができる。したがって音響抵抗通路の開口端をダイヤフラムの凹部を用いて形成することにより微小にすることができる。ダイヤフラムの外周端面の凹部からストッパプレートの開口までわずかな隙間が残る程度にダイヤフラムの外周部の外周端近傍のみがストッパプレートの周囲領域に付着するようにダイヤフラムの形成時に生ずる内部応力や架設部の剛性などを設計することにより、高い周波数の音波に対しても音響抵抗通路の音響抵抗を高くすることができる。
【００２１】
（６）上記目的を達成するためのコンデンサマイクロホンにおいて、前記静止電極を形成している膜を前記ストッパプレート上に支持している支持部と、前記静止電極を形成している前記膜に形成され前記キャビティに音波を進入させる音孔と、をさらに備えてもよい。この場合、前記架設部は、前記静止電極を形成している膜に密着し前記支持部を形成している膜から形成されても良いし、前記ストッパプレートの前記開口はバックキャビティの開口であっても良いし、前記ダイヤフラムは、前記静止電極の前記ストッパプレート側に前記架設部によって架設され前記キャビティと前記バックキャビティとを仕切っていても良い。
【００２２】
このようにコンデンサマイクロホンが構成される場合、静止電極と架設部とが同一の膜で形成されており、架設部は、静止電極を形成している膜に密着し支持部を形成している膜から形成されており、また広いバックキャビティを形成するためには一般に必要とされる例えばＳｉ基板等でストッパプレートを構成できるため、構造が簡素になる。
【００２３】
（７）このコンデンサマイクロホンの製造方法は、前記音響抵抗通路を形成するための突部を有する犠牲膜を前記ストッパプレートを形成するための基板上に形成し、前記バックキャビティの開口を囲める外形を有し引っ張り応力が残留する前記ダイヤフラムを前記犠牲膜上の前記突部を含む領域に形成し、前記ダイヤフラムの上と前記犠牲膜の上とに前記支持部及び前記架設部を構成するための前記膜を形成し、前記支持部及び前記架設部を構成するための前記膜の上に、前記静止電極を形成するための前記膜を形成し、前記犠牲膜を露出させる前記バックキャビティを前記基板に形成し、前記バックキャビティと前記音孔とからエッチャントを供給することにより、前記支持部と前記架設部とを形成するための前記膜と、前記犠牲膜とをエッチングし、前記ダイヤフラムと前記基板との間から前記犠牲膜が除去され、前記支持部と前記架設部とが残存するようにエッチングの終点を制御する、ことを含んでも良い。
【００２４】
この製造方法によると、ダイヤフラムの外周部とストッパプレートの開口の周囲領域とをダイヤフラムの応力によって付着させることができる。このため、非付着部分に高い周波数の音波に対しても音響抵抗が高い音響抵抗通路を形成することができる。したがって、この製造方法によると、コンデンサマイクロホンの感度をフラットな特性に近づけることができる。
またこの製造方法によると、架設部の変形又は回転によってダイヤフラムの応力が低減されるため、コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域で向上させることができる。
【００２５】
（８）このコンデンサマイクロホンの製造方法は、前記音響抵抗通路を形成するための溝を前記基板上に形成し、前記溝を埋め表面が平坦な犠牲膜を前記基板上に形成し、前記バックキャビティの開口を囲める外形を有し引っ張り応力が残留する前記ダイヤフラムを前記溝上の領域を含む前記犠牲膜上の領域に形成し、前記ダイヤフラムの上と前記犠牲膜の上とに前記支持部及び前記架設部を構成するための前記膜を形成し、前記支持部及び前記架設部を構成するための前記膜の上に、前記静止電極を形成するための前記膜を形成し、前記犠牲膜を露出させる前記バックキャビティを前記基板に形成し、前記バックキャビティと前記音孔とからエッチャントを供給することにより、前記支持部と前記架設部とを形成するための前記膜と、前記犠牲膜とをエッチングし、前記ダイヤフラムと前記基板との間から前記犠牲膜が除去され、前記支持部と前記架設部とが残存するようにエッチングの終点を制御する。
【００２６】
この製造方法によると、ダイヤフラムの外周部とストッパプレートの開口の周囲領域とをダイヤフラムの応力によって付着させることができる。このため、非付着部分に高い周波数の音波に対しても音響抵抗が高い音響抵抗通路を形成することができる。したがって、この製造方法によると、コンデンサマイクロホンの感度をフラットな特性に近づけることができる。
またこの製造方法によると、架設部の変形又は回転によってダイヤフラムの応力が低減されるため、コンデンサマイクロホンの感度を全周波数領域で向上させることができる。
【００２７】
尚、請求項において「〜上に」というときは、技術的な阻害要因がない限りにおいて「上に中間物を介在させずに」と「〜上に中間物を介在させて」の両方を意味する。また、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。各実施形態において対応している構成要素には共通の符号を付し、重複する説明は省略する。
【００２９】
１．第一実施形態：
・構成
図１Ａ、図２は、それぞれ本発明のコンデンサマイクロホンの第一実施形態を示す断面図、上面図である。図１の切断面は図２に矢印で示されている。各図に示すようにコンデンサマイクロホン１は、静止電極を形成しているプレート１４、静止電極に対する振動電極を形成しているダイヤフラム１５、ストッパプレートとしての基板２３などを備え、実装基板２７に接着などによって固定されている。
【００３０】
基板２３には、円形の通孔が形成されており、その通孔はバックキャビティ２２を構成している。プレート１４は、エッチストッパ膜１０１と絶縁膜１０５とからなる支持部２１を間に挟んで基板２３の上に固定されている。支持部２１には円形の通孔が形成されており、支持部２１の内周壁１７で囲まれたその通孔はダイヤフラム１５によってバックキャビティ２２と仕切られた音響キャビティを形成している。プレート１４には複数の通孔が形成され、それらの通孔が音孔１３を構成している。音孔１３は、音波を音響キャビティ１１に進入させる。
【００３１】
プレート１４は導電膜で構成されている。プレート１４を構成している導電膜は信号処理回路と静止電極とを接続するためのパッド１０に接続しているリード２９をも構成している。プレート１４の厚さは例えば２ミクロン程度に設定される。尚、プレート１４を導電層を含む複層の膜で構成しても良い。
【００３２】
ダイヤフラム１５もまた導電膜で構成されている。ダイヤフラム１５を構成している導電膜は信号処理回路と振動電極を接続するためのパッド１８に接続しているリード２８をも構成している。ダイヤフラム１５の厚さは例えば０．６〜１μｍに設定される。尚、ダイヤフラム１５を導電層を含む複層の膜で構成しても良い。
【００３３】
ダイヤフラム１５とプレート１４との間には絶縁層が存在するため、ダイヤフラム１５とプレート１４は静電容量を形成する。ダイヤフラム１５とプレート１４との間隔は１〜４μｍ程度に設定されている。ダイヤフラム１５はプレート１４に比べて十分薄い膜からなるため、音波を受けるとプレート１４に対して相対的に振動する。すなわち、導電膜からなるダイヤフラム１５によって形成される電極（振動電極）が導電膜からなるプレート１４によって形成される電極（静止電極）を基準とする座標系において振動することにより、コンデンサマイクロホン１の静電容量が変化する。
【００３４】
図示されているダイヤフラム１５の輪郭は円形であるが、円形である必要はなく、バックキャビティ２２の開口を囲める外形を有していればよい。ダイヤフラム１５の直径は例えば１〜１．５ｍｍに設定される。
【００３５】
ダイヤフラム１５は、架設部１６によって架設されているとともに、外周部が基板２３のバックキャビティ２２の開口の周囲領域に付着している。ダイヤフラム１５の外周部と基板２３とはごくわずかな隙間である音響抵抗通路２５（図１Ｂ参照）を残してほぼ環状に付着している。すなわち、バックキャビティ２２はわずかな隙間である音響抵抗通路２５によって大気に対して開放されてはいるものの、ダイヤフラム１５によってほぼ密封されている状態に近い。
【００３６】
ダイヤフラム１５が振動すると、バックキャビティ２２において圧力振動が生ずる。この圧力振動は検出対象の音波によるダイヤフラム１５の振動を妨げる反力として作用するため、バックキャビティ２２の容量は十分大きく設定される。
【００３７】
バックキャビティ２２が完全に密封されると、バックキャビティ２２の圧力と大気圧との圧力差によりダイヤフラム１５が破壊されたり、大気圧の変化によってコンデンサマイクロホン１の感度が変化するという問題がある。そこで、バックキャビティ２２の圧力を大気圧と平衡させるために、バックキャビティ２２を大気に対して開放する通路が必要になる。しかし、バックキャビティ２２を大気に対して開放すると、ダイヤフラム１５のプレート１４と反対側の面にも音波が到達するため、コンデンサマイクロホン１の感度が低下する。そこで、音響抵抗通路２５は検出対象の波長領域の音波に対しては抵抗が大きく、音波としては実質的に直流成分の圧力変動に対しては抵抗が小さい形状になっている。
【００３８】
音響抵抗通路２５はダイヤフラム１５の外周部に形成されている起伏２６（図１Ｂ及び図１Ｃ参照）と基板２３の周囲領域とによってその側壁が形成されている。起伏２６はその頂部がダイヤフラム１５の外周端から内側に向かって延びている。音響抵抗通路２５の断面は矩形でも部分円形でも三角形でも何でも良い。また音響抵抗通路２５の断面形状は一定であっても一定でなくても良い。また、音響抵抗通路２５の側壁の一部が起伏２６によって構成され、残部はダイヤフラム１５の平坦面と基板２３の平坦面とで構成されても良い。起伏２６断面矩形の音響抵抗通路２５は、例えば高さ（Ｈ）が０．５μｍ、幅（Ｗ）が１０μｍ、長さ（Ｌ）が２０μｍに設定される。このように音響抵抗通路２５の寸法が設定される場合、コンデンサマイクロホン１のカットオフ周波数は約１０Ｈｚとなる。音響抵抗通路２５の高さ（Ｈ）と幅（Ｗ）を変えず、長さ（Ｌ）を変えた場合、コンデンサマイクロホン１のカットオフ周波数はおよそ次のように変化する。尚、これらのカットオフ周波数の算出条件として、ダイヤフラム１５の直径は７００μｍ、バックキャビティ２２の深さ（基板２３の厚さ）は５５５μｍに設定されている。
Ｌ＝２μｍ：カットオフ周波数＝１００Ｈｚ
Ｌ＝５μｍ：カットオフ周波数＝４０Ｈｚ
Ｌ＝１０μｍ：カットオフ周波数＝２０Ｈｚ
【００３９】
ダイヤフラム１５は、その外周より内側に密着している環状の架設部１６によって架設されている。架設部１６は、ダイヤフラム１５とプレート１４との間隔を確保するための厚みを有し、ダイヤフラム１５とプレート１４とを絶縁している絶縁膜からなる。この絶縁膜は支持部２１を構成している絶縁膜１０５と同一の膜である。架設部１６は、膜厚に相当する軸長がごく短いテーパ管の形状を呈している。すなわち、架設部１６は、プレート１４側の直径がダイヤフラム１５側の直径より広い管状である。
【００４０】
架設部１６の反基板側端面である上端面１２及び基板型端面である下端面２４は、それぞれ外周が内周よりも基板２３に近い環状斜面を形成している。このため、架設部１６の下端面２４に密着しているダイヤフラム１５は、架設部１６の下端面２４にならって架設部１６の内周にそって基板２３側に曲がっている。そして、ダイヤフラム１５の架設部１６の外周より外側の外周部は基板２３に付着している。
【００４１】
架設部１６によってダイヤフラム１５が架設され、ダイヤフラム１５の外周部が基板２３に付着している、このような構成は、次のようにプレート１４、架設部１６、ダイヤフラム１５がそれぞれ変形した結果である。すなわち、図１Ｄに破線で示す領域に存在していた、ダイヤフラム１５を構成する膜を堆積させた下地膜と、ダイヤフラム１５を構成する膜の上に堆積された被覆膜とが、ダイヤフラム１５を構成する膜が形成された後に除去され、その結果、ダイヤフラム１５を構成する膜が堆積していく過程などで生じた引張応力が解放されるとき、ダイヤフラム１５、架設部１６、プレート１４がそれぞれ次のように変形する。
【００４２】
架設部１６はダイヤフラム１５と環状に密着し、架設部１６はダイヤフラム１５に対して垂直な方向の厚みを持つ膜で構成されており、プレート１４はダイヤフラム１５よりヤング率が高いため、ダイヤフラム１５の内部応力によって、ダイヤフラム１５は径方向に縮み、架設部１６はダイヤフラム１５側の径が縮む。架設部１６のダイヤフラム１５側の径が縮むとき、架設部１６の管状の下端面２４は内周から外周に向かって基板２３に接近する方向に傾斜する。その結果、ダイヤフラム１５の架設部１６の内周より外側が基板２３に近づくように折れ曲がり、ダイヤフラム１５の外周部はある幅をもって基板２３のバックキャビティ２２の開口の周囲領域に付着する。
【００４３】
ダイヤフラム１５がこのように構成されるため、コンデンサマイクロホン１には次の特徴がある。
第一に、ダイヤフラム１５の内部応力が自身の変形によって低減されているため、コンデンサマイクロホン１の感度はダイヤフラムの外周全体が固定されている構成に比べて全波長領域で高くなる。
【００４４】
第二に、バックキャビティ２２はダイヤフラム１５によってほとんど密閉され、バックキャビティ２２を大気に対して開放する音響抵抗通路２５の断面積を小さく通路長を長く形成できるため、コンデンサマイクロホン１のカットオフ周波数を高くすることができる。すなわち、コンデンサマイクロホン１の感度特性はフラットになる。
【００４５】
第三に、ダイヤフラム１５によって形成される振動電極と信号処理回路とを接続するためのリード２８がダイヤフラム１５の撓みに影響を与えるとしても、ダイヤフラム１５の外周部が基板２３に付着しているため、リード２８の存在はダイヤフラム１５の最終形状に実質的な影響を与えない。つまり、ダイヤフラム１５が円形である場合に基板２３の表面に対して等高線を描くとすればダイヤフラム１５に描かれる等高線が同心円となるような、歪みのない形状にダイヤフラム１５は形成されている。
【００４６】
第四に、ダイヤフラム１５が基板２３と導通するため、絶縁膜であるエッチストッパ膜１０１を間に挟んでいるダイヤフラム１５と基板２３によって容量が形成されることがない。
【００４７】
このように構成されたダイヤフラム１５は、プレート１４に形成されている音孔１３から音波が進入すると、主に架設部１６の内周よりも内側部分がその音波によって振動する。ダイヤフラム１５が振動するとコンデンサマイクロホン１の静電容量が変化し、この静電容量の変化が音響信号として出力される。
【００４８】
・変形例
図３Ａ、図３Ｂは、それぞれコンデンサマイクロホン１の変形例を示す断面図、上面図である。図３Ａの切断面は図３Ｂに矢印で示されている。
架設部１６は、環状でなくとも良い。すなわち、架設部１６はダイヤフラム１５の周方向に分断されていても良い。例えば、周方向に互いに離間した複数の架設部１６によってダイヤフラム１５が架設されていても良い。この場合、それぞれの架設部１６がダイヤフラム１５の内部応力によってダイヤフラム１５の周方向と平行な軸を中心として回転することにより、ダイヤフラム１５の外周部が基板２３に付着する。
【００４９】
また、この場合、プレート１４には図３Ｂに示す切り欠き３０が形成されていても良い。切り欠き３０によってダイヤフラム１５は、片持ち梁状の膜と架設部１６とによって架設され、これらは撓み剛性が低い構造体を構成するため、内部応力がさらに低減される。
【００５０】
・製造方法
図４及び図５は、上述のコンデンサマイクロホン１の製造工程を示す断面図である。図４及び図５においてはウェハの１チップ領域内が断面図として示されている。
【００５１】
はじめに、単結晶Ｓｉウェハなどの基板１００の上にエッチストッパ膜１０１を形成する。エッチストッパ膜１０１は後述するＤｅｅｐ−ＲＩＥの終点制御のための例えばＳｉＯ２からなる絶縁性の犠牲膜である。
【００５２】
次に図４Ａに示すように、リソグラフィでレジストマスク１０２をエッチストッパ膜１０１の上に形成する。
【００５３】
次に図４Ｂに示すように、レジストマスク１０２のパターンをエッチストッパ膜１０１にウェットエッチングなどにより転写し、エッチストッパ膜１０１に突部９９を形成する。突部９９は、ダイヤフラム１５の外周部に微小な起伏２６を形成するための微小な突部である。突部９９の高さは音響抵抗通路２５の高さ（Ｈ）に対応し、エッチングの終点制御によって設定される。
【００５４】
次に図４Ｃ、図４Ｄに示すように、エッチストッパ膜１０１の突部９９に重なる領域上にダイヤフラム１５とリード２８とを構成する導電膜１０３を形成する。ダイヤフラム１５の起伏２６がダイヤフラム１５の外周に至るように、突部９９上に導電膜１０３の輪郭を形成する必要がある。導電膜１０３は例えばＰを高濃度にドープした多結晶Ｓｉからなる膜である。導電膜１０３の成膜条件は、成膜後に引張応力が残存するように設定される。
【００５５】
次に図５Ａに示すように、導電膜１０３及びエッチストッパ膜１０１の上に絶縁膜１０５を形成する。絶縁膜１０５は架設部１６を構成するための膜であって、例えばＳｉＯ２からなる膜である。絶縁膜１０５の厚さによってプレート１４とダイヤフラム１５との間隔が設定される。
【００５６】
次に図５Ｂに示すように、絶縁膜１０５の上にプレート１４及びリード２９を形成するための導電膜１０６が形成される。具体的にはたとえば、絶縁膜１０５の表面全体上にＰを高濃度にドープした多結晶Ｓｉからなる膜を積層し、レジストマスクのパターンをＲＩＥによって転写することにより、プレート１４及びリード２９の輪郭を有する導電膜１０６が形成される。
【００５７】
次に図５Ｃに示すように、パッド１０及びパッド１８が形成される。続いて基板１００の下面側にリソグラフィによりレジストマスク１０８が形成され、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって基板１００に通孔が形成されると、その通孔によってバックキャビティ２２が構成され、バックキャビティ２２からエッチストッパ膜１０１が露出する。
【００５８】
次に図５Ｄに示すように、導電膜１０３に形成されているダイヤフラム１５の音孔１３から絶縁膜１０５を露出させるレジストマスク１０９がリソグラフィにより形成される。続いてエッチストッパ膜１０１と絶縁膜１０５とを例えばＨＦエッチャントによりウェットエッチングする。本工程では、音孔１３及びバックキャビティ２２からエッチャントがエッチストッパ膜１０１と絶縁膜１０５とに供給され、設計通りの架設部１６が残存するように終点制御される。このため、音孔１３の配置や大きさや絶縁膜１０５の厚さは架設部１６の形状と密接に関連する。エッチングの進行中には上述したようにダイヤフラム１５などの変形が起こり、エッチングが終了する時点ではダイヤフラム１５の外周部が基板２３に付着した状態になり、その結果、設計通りの音響抵抗通路２５が形成される。
【００５９】
最後に、基板１００をダイシングにより分断すると、コンデンサマイクロホン１が完成する。
【００６０】
上述したコンデンサマイクロホン１の製造方法によると、犠牲膜としてのエッチストッパ膜１０１の突部９９の形状通りに音響抵抗通路２５を形成することができるとともに、ダイヤフラム１５の内部応力は低減される。その理由は次の通りである。エッチストッパ膜１０１は導電膜１０３のダイヤフラム１５に相当する部分全体において導電膜１０３と基板２３との間に犠牲膜として形成されるため、ダイヤフラム１５と基板２３とが導電膜１０３の成膜時に密着することはない。そして、エッチストッパ膜１０１の一部と絶縁膜１０５の一部とがウェットエッチングによって除去されることにより、ダイヤフラム１５が変形してその外周部が基板２３に付着し、その結果として音響抵抗通路２５が形成されるからである。
【００６１】
２．第二実施形態
図６Ａは本発明のコンデンサマイクロホンの第二実施形態を示す断面図である。コンデンサマイクロホン２では、基板２３に形成される溝３０によって音響抵抗通路２５が形成される。
【００６２】
すなわち図６Ｂに示すように、基板２３のバックキャビティ２２の開口の周囲領域には微小な溝３０が形成されている。ダイヤフラム１５の外周部に起伏はない。図６Ｃに示すように、ダイヤフラム１５の外周は溝３０のバックキャビティ２２から遠い側の端部よりもバックキャビティ２２に近い位置で基板２３に付着している。したがって、溝３０とダイヤフラム１５によって側壁が形成されている音響抵抗通路２５はダイヤフラム１５より外側において開口している。
【００６３】
基板２３に溝を形成するとともに起伏のないダイヤフラム１５を形成するには、基板２３にエッチングにより溝を形成し、エッチストッパ膜１０１を基板２３の上に形成した後、エッチストッパ膜１０１を平坦化する必要がある。
【００６４】
３．第三実施形態
図７Ａは本発明のコンデンサマイクロホンの第三実施形態を示す断面図である。コンデンサマイクロホン３では、図７Ｂ、図７Ｃに示すように、ダイヤフラム１５の外周端面に形成される凹部３３によって音響抵抗通路２５の開口が形成される。
【００６５】
すなわち、ダイヤフラム１５の外周端面には微小な凹部３３が形成されている。ダイヤフラム１５の外周部に起伏はない。音響抵抗通路２５の開口は凹部３３によって形成されている。凹部３３のダイヤフラム１５の外周から最も離れた部分において、ダイヤフラム１５は基板２３から離れている。
【００６６】
４．第四実施形態
図８Ａは、本発明のコンデンサマイクロホンの第四実施形態を示す断面図である。コンデンサマイクロホン４は、プレート１４がダイヤフラム１５より実装基板２７側に位置する構造である。
【００６７】
プレート１４は、エッチストッパ膜２０１を間に挟んで基板２３の上に固定されている。プレート１４には複数の通孔４２が形成されている。ダイヤフラム１５は架設部１６によってプレート１４の基板２３と反対側に架設されているとともにその外周部がストッパプレート４１によって押さえつけられている。ストッパプレート４１はエッチストッパ膜２０１と絶縁膜２０２とで構成される支持部２１と支持部２１の上に形成されている犠牲膜２１１とによって基板２３の上に支持されている。ストッパプレート４１にはダイヤフラム１５をコンデンサマイクロホン４の表面に露出させるための開口をバックキャビティ２２の真上に形成している内周壁４３が形成されている。ダイヤフラム１５の外周はストッパプレート４１の内周壁４３を囲んでおり、ダイヤフラム１５の外周部はストッパプレート４１を構成している絶縁膜２１８に付着している。絶縁膜２１８は例えばＳｉＯ２などのダイヤフラム１５とエッチング選択性のある材料で構成されている。絶縁膜２１８の厚さだけでストッパプレート４１の撓み剛性と破壊強度を確保できる場合、補強膜２１７は不要である。
【００６８】
ダイヤフラム１５の外周部とストッパプレート４１との非付着部分には図示しない音響抵抗通路が形成されている。この音響抵抗通路は第一実施形態から第三実施形態に準じて構成できるため、説明を省略する。
【００６９】
ダイヤフラム１５を架設している架設部１６は環状に形成されている。尚、架設部１６はダイヤフラム１５の周方向に分断されていても良い。架設部１６の基板側端面である下端面４５及び反基板側端面である上端面４４はそれぞれ外周が内周よりストッパプレート４１に近い環状斜面を形成している。このため、架設部１６に密着しているダイヤフラム１５は架設部１６の上端面４４にならって架設部１６の内周に沿ってストッパプレート４１側に折れ曲がっている。そして、ダイヤフラム１５の架設部１６の外周より外側の外周部はストッパプレート４１に付着している。
【００７０】
架設部１６によってダイヤフラム１５が架設され、ダイヤフラム１５の外周部がストッパプレート４１に付着している、このような構成は、次のようにプレート１４、架設部１６、ダイヤフラム１５がそれぞれ変形した結果である。すなわち、図８Ｂに破線で示すように存在していた、ダイヤフラムを構成する膜を堆積させた下地膜と、ダイヤフラム１５を構成する膜の上に堆積された膜とが、ダイヤフラム１５を構成する膜が形成された後に除去され、その結果、ダイヤフラム１５を構成する膜が堆積していく過程などで生じた引張応力が開放されるとき、第一実施形態と同様にしてダイヤフラム１５が変形するのである。
【００７１】
図９及び図１０は、コンデンサマイクロホン４の製造工程を示す断面図である。図９及び図１０においてはウェハの１チップ領域内が断面図として示されている。
【００７２】
はじめに図９Ａに示すように、単結晶Ｓｉウェハなどの基板２００の上にエッチストッパ膜２０１を形成する。次にレジストマスクを用いてプレート１４及びリード２９を構成する導電膜２０７をエッチストッパ膜２０１の上に形成する。次に架設部１６を構成するための絶縁膜２０２を導電膜２０７の上に形成する。次にレジストマスク２０８を絶縁膜２０２の上に形成する。
【００７３】
次に図９Ｂに示すように、レジストマスク２０８のパターンを犠牲膜としての絶縁膜２０２にウェットエッチングなどにより転写し、絶縁膜２０２に凹部２０９を形成する。凹部２０９はダイヤフラム１５の外周部に微小な起伏を形成するための微小な凹部である。
【００７４】
次に図９Ｃ及び図９Ｄに示すように、絶縁膜２０２の凹部２０９に重なる領域上にダイヤフラム１５とリード２８とを構成する導電膜２１０を形成する。ダイヤフラム１５の起伏が外周に至るように、凹部２０９上に導電膜２１０の輪郭を形成する必要がある。導電膜２１０の成膜条件は、成膜後に引っ張り方向の内部応力が残存するように設定される。
【００７５】
次に図９Ｅに示すように、導電膜２１０の上に犠牲膜２１１が形成されるとともに、パッド１０及びパッド１８を形成するための開口部２１２、開口部２１４が犠牲膜２１１に形成され、パッド１０を形成するための開口部２１３が絶縁膜２０２に形成される。続いて犠牲膜２１１の表面が平坦化される。この平坦化工程は、次に形成される絶縁膜２１８に犠牲膜２１１の凹部２０９にならって突部が形成されないようにするために実施される。
【００７６】
次に図１０Ａに示すように、平坦化された犠牲膜２１１の上に絶縁膜２１８が形成され、絶縁膜２１８の上に補強膜２１７が形成される。また、補強膜２１７の上に形成されるレジストマスク２２４のパターンをＲＩＥなどで転写することにより、補強膜２１７及び絶縁膜２１８に開口部２１５、開口部２１６、開口部２２２、開口部２２１、開口部２１７及び開口部２１８が形成される。開口部２１７及び開口部２１８はダイヤフラム１５をコンデンサマイクロホンの表面に露出させる開口を構成するものであるとともに、後続工程で犠牲膜２１１をエッチングするために犠牲膜２１１を露出させるものである。開口部２１５、開口部２１６、開口部２２２及び開口部２２１は、パッド１０及びパッド１８を後続工程で形成するためのものである。
【００７７】
次に図１０Ｂに示すように、パッド１０及びパッド１８が形成される。続いて基板２００の下面側にレジストマスク２２３が形成され、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって基板２００に通孔が形成されると、その通孔によってバックキャビティ２２が構成され、バックキャビティ２２からエッチストッパ膜２０１が露出する。
【００７８】
次に図１０Ｃに示すように、補強膜２１７及び絶縁膜２１８のそれらの端面を含む全体を覆い、犠牲膜２１１を露出させるレジストマスク２２４を形成し、犠牲膜２１１とエッチストッパ膜２０１と絶縁膜２０２と犠牲膜２１１とを例えばＨＦエッチャントによりウェットエッチングする。本工程では、まずレジストマスク２２４の開口から露出している犠牲膜２１１とバックキャビティ２２から露出しているエッチストッパ膜２０１とが侵蝕される。エッチストッパ膜２０１が侵蝕され、通孔４２から絶縁膜２０２が露出すると、絶縁膜２０２の侵蝕が始まる。本工程では、設計通りの架設部１６が残存するようにエッチングの終点が制御される。エッチングの進行中には、ダイヤフラム１５などの変形が起こり、エッチングが終了する時点ではダイヤフラム１５の外周部が図８Ａに示すようにストッパプレート４１に付着した状態になり、その結果、設計通りに図示しない音響抵抗通路２５が形成される。
【００７９】
最後に、基板２００をダイシングにより分断すると、コンデンサマイクロホン４が完成する。
【００８０】
以上、本発明の実施形態を詳細に説明したが、本発明は、上記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。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。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】分図１Ａ、１Ｂ及び１Ｄは第一実施形態にかかる断面図。分図１Ｃは第一実施形態にかかる斜視図。
【図２】第一実施形態にかかる上面図。
【図３】分図３Ａは第一実施形態にかかる断面図。分図３Ｂは第一実施形態にかかる上面図。
【図４】第一実施形態にかかる断面図。
【図５】第一実施形態にかかる断面図。
【図６】分図６Ａ及び分図６Ｂは第二実施形態にかかる断面図。分図６Ｃは第二実施形態にかかる斜視図。
【図７】分図７Ａ及び分図７Ｂは第二実施形態にかかる断面図。分図７Ｃは第三実施形態にかかる斜視図。
【図８】第四実施形態にかかる断面図。
【図９】第四実施形態にかかる断面図。
【図１０】第四実施形態にかかる断面図。
【符号の説明】
【００８２】
１、２、３、４：コンデンサマイクロホン、１３：音孔、１４：プレート、１５：ダイヤフラム、１６：架設部、２１：支持部、２２：バックキャビティ、２３：基板、２５：音響抵抗通路、２６：起伏、３０：溝、３３：凹部、４１：ストッパプレート、４２：通孔、９９：突部、１００：基板、１０１：エッチストッパ膜、１０２：レジストマスク、１０３：導電膜、１０５：絶縁膜、１０６：導電膜、１０８：レジストマスク、２００：基板、２０１：エッチストッパ膜、２０２：絶縁膜、２０６：犠牲膜、２０７：導電膜、２０８：レジストマスク、２０９：凹部、２１０：導電膜、２１１：犠牲膜、２１２：開口部、２１３：開口部、２１４：開口部、２１７：補強膜、２１７：開口、２１８：絶縁膜
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| 【出願人】 |
【識別番号】０００００４０７５
【氏名又は名称】ヤマハ株式会社
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| 【出願日】 |
平成１８年６月２９日（２００６．６．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１００１１７３９６
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 大
【識別番号】１００１１７４６６
【弁理士】
【氏名又は名称】岩上 渉
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| 【公開番号】 |
特開２００８−１１１３９（Ｐ２００８−１１１３９Ａ） |
| 【公開日】 |
平成２０年１月１７日（２００８．１．１７） |
| 【出願番号】 |
特願２００６−１７９１０４（Ｐ２００６−１７９１０４） |
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