JP2015502692A - 寄生容量が低減されたｍｅｍｓマイクロフォン - Google Patents

Abstract

寄生容量を低減したＭＥＭＳマイクロフォンが提供される。このため、このマイクロフォンは、バックプレートの音響的に活性な部分を、このバックプレートの音響的に不活性な部分から電気的に分離するトレンチをそなえる。【選択図】 図１

Description

本発明は、寄生容量が低減されたＭＥＭＳマイクロフォンに関し、またこのようなマイクロフォンの製造方法に関する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、通常、導電性のバックプレートと、このバックプレートから距離を置いて配設された導電性の可撓性膜とを備えている。このバックプレートおよびメンブレンは、コンデンサの電極となっている。バイアス電圧がこれらの電極に印加されると、受信した音響信号信号により生じたメンブレンの振動が電気信号に変換される。さらなる信号処理のために、ＭＥＭＳマイクロフォンは、ＡＳＩＣ（Application-specific Integrated Circuit）チップを備えてよい。

このマイクロフォンは、中央区域と縁部区域とを有する。この中央区域は、マイクロフォンの音響的な活性区域として画定される。この中央区域は、音響的に不活性な縁部区域で包囲されている。縁部区域内には、バックプレートとメンブレンとを機械的および／または電気的に接続する接続手段が、基板材料の上に配設されている。ＭＥＭＳマイクロフォンを構築するために、層の堆積、フォトレジストフィルムの堆積、フォトレジストフィルムのパターニング、およびパターニングされた層の部分的除去のような半導体デバイスの製造プロセスが用いられる。コンデンサは、マイクロフォンの音響的な活性な区域として画定される音響的活性部を有する。さらに、このコンデンサは、縁部区域内のコンデンサの部分として画定される、音響的不活性部を有する。

ＭＥＭＳマイクロフォンは、積層体を備える。しかしながら、このコンデンサの音響的不活性部は、寄生容量のためにマイクロフォンの性能を低下させる。これに対応した信号の減衰は式（１）のようになり、
Ｈ_c＝Ｃ_m／（Ｃ_m＋Ｃ_i＋Ｃ_p） ．．． （１）
ここでＣ_iは、電気信号の処理に適合したＡＳＩＣチップの入力容量であり、Ｃ_pは、寄生容量、すなわちこのコンデンサの音響的不活性部の容量である。Ｃ_mは、縁部区域の容量と中央区域の容量とを含む全容量である。寄生容量を低減することが、信号の劣化を低減することが分かるので、したがってマイクロフォンの信号品質を改善することになる。

Ｃ_pは、主に音響的に不活性な、バックプレートとメンブレンとの重なり領域に依存する。

したがって、本発明の課題は、寄生容量を低減したＭＥＭＳマイクロフォンおよびこのようなマイクロフォンの製造方法を提供することである。

このため、ＭＥＭＳマイクロフォンおよびこのようなマイクロフォンの製造方法が独立請求項に記載されている。従属請求項は、本発明の好ましい実施形態を記載する。ＭＥＭＳマイクロフォンは、音響的活性区域と縁部区域とを備える。縁部区域は、この音響的活性区域を包囲している。

このマイクロフォンは、さらにメンブレン層にあるメンブレンを備え、このメンブレンは、上記の音響的活性区域における部分と、上記の縁部区域における部分とを有する。このマイクロフォンは、さらに、第１のバックプレート層にある第１のバックプレートを備え、この第１のバックプレートは、上記の音響的活性区域における部分と、上記の縁部区域における部分とを有する。第１のトレンチは、上記の縁部区域のメンブレン部分を上記の音響的活性区域から分離し、および／または上記の縁部区域の第１のバックプレートの部分を上記の音響的活性区域の第１のバックプレートの部分から分離している。

上記の音響的活性区域は、上記のメンブレンが振動する領域である。上記の縁部区域は、このメンブレンがマイクロフォンの本体に強固に接続され、振動できなくなっている領域である。分離とは主に電気的分離を意味する。上記の分離された区域は、直流的に絶縁されていてよい。しかしながら、さらにこれらの分離された区域の間の電気抵抗が大きくされてよい。この抵抗は１０ＧΩ，１００ＧΩ，１０００ＧΩ，または１００００ＧΩであってよい。

電気的にほぼ分離されているが、この音響的活性区域の分離部分とこのマイクロフォンの本体との間には、まだ機械的接続が存在している。もちろん、この縁部区域内の小さな領域は、上記の音響的活性区域内のそれぞれの部分から必ずしも分離される必要はない。これは、たとえばそれぞれの部分をバイアスするための電気的接続手段がこの縁部区域に配設されるためである。

これに伴い、寄生容量が減少されたＭＥＭＳマイクロフォンが得られるが、これはこのコンデンサの電極の縁部区域内のそれぞれの領域がこのマイクロフォンのコンデンサから電気的にほぼデカップリングされているからである。

１つの実施形態においては、この第１のバックプレートは、さらに第１のバックプレート絶縁層と第１の導電性バックプレート層とを備える。第１の導電性バックプレート層は、第１のバックプレート絶縁層とメンブレンとの間に配設されている。第１のバックプレート絶縁層は、上記の音響的活性区域の第１の導電性バックプレートの部分をマイクロフォンの本体に機械的に接続する。

したがって、このバックプレートの音響的活性部分は、電極の不活性領域から電気的にほぼ分離されるが、絶縁層はバックプレートを保持するための機械的接続を形成する。

１つの実施形態においては、マイクロフォンはさらにアンカー層の縁部区域にアンカー部材（anchor element）を備える。このアンカー層は、第１のバックプレートとメンブレンとの間に配設されている。このアンカー層は、第１のバックプレートとメンブレンとの間の機械的接続を形成する。さらにこのアンカー部材の厚みは、バックプレートとメンブレンとの平衡距離を画定する。このアンカー部材は、第１のバックプレートとメンブレンとの機械的接続を形成するので、このアンカー部材は良好な接着特性を提供することが好ましい。このため、このアンカー部材は、酸化シリコン、たとえば二酸化シリコンＳｉＯ₂からなっていてよい。

第１のバックプレート絶縁層は、このアンカー部材によって機械的に支持されてよい。第１の導電性バックプレート層を、第１のバックプレート絶縁層とアンカー部材との間に配設することが可能である。

１つの実施形態においては、マイクロフォンは、第１のバックプレート絶縁層と第１の導電性バックプレート層とを備える。このマイクロフォンは、さらにメンブレンが配設された基板を備える。この基板はＳｉ（シリコン）から成っている。この基板は多結晶シリコンから成っている。アンカー層はＳｉＯ₂（二酸化シリコン）から成っている。第１の導電性バックプレート層は、多結晶シリコンＳｉから成っている。第１のバックプレート絶縁層は、低引張応力あるいは低圧縮応力の材料から成っている。このような材料は、非化学量論的なシリコンリッチな窒化物のようなシリコン窒化物から成っていてよい。このような材料が好ましいのは、これがバックプレートにおける引張応力を保持することを助けるからである。こうして平坦なバックプレートが得られる。

製造の間に、このような材料は、ＬＰ（低圧）ＣＶＤ法またはＰＥ（Plasma Enhanced）ＣＶＤのようなＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法を用いて堆積することができる。

１つの実施形態においては、マイクロフォンは、さらに第２のバックプレートを備える。この第２のバックプレートは、第２のバックプレート絶縁層と第２の導電性バックプレート層とを備える。第２の導電性バックプレート層は、第２のバックプレート絶縁層とメンブレンとの間に配設されている。

他の実施形態においては、この第２の導電性バックプレート層は異なる位置にあってよい。

このようにしてダブルバックプレートマイクロフォンが得られる。ダブルバックプレートマイクロフォンは、バランス信号で動作する信号増幅器を必要とするが、一般的に良好なシグナル／ノイズ比および改善されたＴＨＤ（Total Harmonic Distortion）特性をもたらす。

音響的活性区域の第２のバックプレートの部分は、メンブレンおよびこの電極としての第２のバックプレートを含むそれぞれのコンデンサの寄生容量を低減するために、トレンチによって縁部区域の部分から分離されてよい。

１つの実施形態においては、ダブルバックプレートマイクロフォンは、さらに第２の導電性バックプレート層の縁部区域に絶縁部材を備える。この絶縁部材は、音響的活性区域の第２の導電性バックプレートの部分を縁部区域の第２の導電性バックプレートの部分から電気的に分離している。言い換えれば、この絶縁部材は、導電性バックプレートと同じ層に配設されるが、ＳｉＯ₂または化学量論的Ｓｉ₃Ｎ₄または非化学量論的Ｓｉ_xＮ_yのようなシリコン窒化物の電気絶縁材料を含み、音響的活性区域の第２のバックプレートのそれぞれの導電性部材を包囲している。このようにして、この縁部区域の第２のバックプレートの導電性部材は、第２のバックプレートと電極としてのメンブレンとを備えるコンデンサから電気的にデカップリングされる。

１つの実施形態においては、マイクロフォンのメンブレンは、さらに第１のメンブレン絶縁層と、第２のメンブレン絶縁層と、これらの２つのメンブレン絶縁層との間に配設された導電性メンブレン層とを備える。第２のトレンチは、縁部区域の導電性メンブレン層の部分を、活性区域の導電性メンブレン層の部分から分離する。このようにして、メンブレンの非活性部から電気的にデカップリングされて、ここでもそれぞれの寄生容量が低減される。

このようなＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法は、以下のステップを備える。
−基板を準備するステップ。
−この基板上にメンブレンを準備してパターニングするステップ。
−このメンブレンにアンカー層を堆積するステップ。
−このアンカー層にバックプレート層を堆積するステップ。
−バックプレートとアンカー部材とをパターニングするステップ。
−バックプレートの縁部側の部分からバックプレートの中央部分を分離するトレンチをこのバックプレートにおいてパターニングするステップ。

バックプレートの数は制限されない。１つの第２のバックプレートあるいはさらなるバックプレートとさらなるメンブレンとが堆積されてパターニングされ、トレンチと共に設けられてよい。

本発明の基本的アイデアと実施形態が以下の図に示される。
縁部区域にあるバックプレートの部分から音響的活性区域にあるバックプレートの部分を分離するトレンチを含むマイクロフォンの断面の一部を示す図である。 ＭＥＭＳマイクロフォンの上面を示す図である。 もう１つ別の実施形態によるマイクロフォンの断面を示す図である。 メンブレンの断面を示す図である。 ２つの電気的接続手段を備えるマイクロフォンの上面を示す図である。 １つの電気的接続手段の近傍にあるトレンチの詳細を示す図である。

図１は、メンブレンＭと、第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１と、第１のバックプレート絶縁層ＢＩＬ１とを備えたＭＥＭＳマイクロフォンのセグメントの断面を示す。第１の導電性バックプレートＣＢＬ１および第１のバックプレート絶縁層ＢＩＬ１はマイクロフォンのバックプレートを形成する。第１のアンカー部材ＡＮ１は、第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１とメンブレンＭとの間に配設されている。このメンブレンＭ、第１のバックプレートの層、および第１のアンカー部材は、基板ＳＵ上に配設されている。基板ＳＵの内部の面ＩＳは、音響的活性区域ＡＡＲを包囲する縁部区域ＲＲからの音響的活性区域ＡＡＲの分離をほぼ画定する。第１のバックプレートにある第１のトレンチＴＲ１は、音響的活性区域の第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１の部分を、縁部区域ＲＲの部分から電気的に分離する。この第１のバックプレートの第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１およびメンブレンＭは、ＭＥＭＳマイクロフォンのコンデンサのそれぞれの電極を形成する。第１の導電性バックプレートＣＢＬ１の縁部側の部分は、音響信号を電気信号に変換することに寄与しない。従来のマイクロフォンにおいては、このバックプレートの音響的不活性部は、寄生容量Ｃ_pをもたらし、マイクロフォンの信号品質を低下させていた（上記式（１）参照）。第１のトレンチＴＲ１は、この音響的に不活性な部分を音響的に活性な部分から電気的にデカップリングするので、この寄生容量Ｃ_pが低減される。このようにしてマイクロフォンの信号品質が改善される。この第１のバックプレート絶縁層ＢＩＬ１の材料は、このバックプレートの音響的に活性な部分をマイクロフォンの本体、たとえば第１の導電性バックプレートＣＢＬ１の縁部側の部分に機械的に接続する。

図２は、ＭＥＭＳマイクロフォンの上面を示す。このマイクロフォンは、その上にメンブレンＭが配設された基板ＳＵを備える。メンブレンＭは、基板ＳＵとバックプレートＢＰとの間に配設されている。基板の内部の面ＩＳは、音響的活性区域ＡＡＲとその外部である縁部側の音響的不活性区域ＲＲとの間の境界をほぼ画定している。第１のトレンチＴＲ１は、バックプレートの縁部側の部分をこのバックプレートの音響的に活性な部分から電気的に分離している。このようにして、このマイクロフォンのコンデンサの寄生容量が低減されて、信号品質が改善される。このマイクロフォンは、さらにバックプレートの電気導電性部材ＥＣＢを備える。この電気導電性部材ＥＣＢは、縁部側の部分に配設され、音響的活性区域ＡＡＲのバックプレートＢＰに電気的に接続されている。バックプレートの電気導電性部材ＥＣＢは、上記の第１のトレンチＴＲ１によってバックプレートの中央部分から分離されたこのバックプレートの縁部側の部分に電気的に接続されている。

図３は、２つのバックプレートを備えたマイクロフォンの断面の一部を示す。第１のバックプレートは、第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１と、第１のバックプレート絶縁層ＢＩＬ１とを備える。第２のバックプレートは、第２の導電性バックプレート層ＣＢＬ２と第２のバックプレート絶縁層ＢＩＬ２とを備える。メンブレンは、両方のバックプレートの間に配設され、導電性メンブレン層ＣＭＬを備える。図４は、このメンブレンの断面を示す。

図３の実施形態は、さらに、第１のバックプレートとメンブレンとの間に配設されている第１のアンカー部材ＡＮ１と、第２のバックプレートと基板ＳＵとの間に配設されている第２のアンカー部材ＡＮ２とを備える。第１のトレンチＴＲ１は、第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１の、中央の音響的に活性な部分を、縁部側区域ＲＲの部分から電気的に分離している。第２のトレンチＴＲ２は、音響的活性区域ＡＡＲ内の導電性メンブレン層ＣＭＬ（図４参照）を、縁部区域ＲＲのそれぞれの層から分離している。これにより、縁部側の第１のバックプレートと縁部側のメンブレン部分とによる寄生容量、およびメンブレンの縁部側の部分と第２のバックプレートの縁部側の部分との間の第２の寄生容量が音響変換システムから電気的にデカップリングされる。

第２の導電性バックプレート層ＣＢＬ２の層における絶縁用の絶縁部材ＩＥは縁部区域ＲＲに配設され、音響的活性区域ＡＲＲの第２の導電性バックプレート層ＣＢＬ２の部分を包囲している。

従来のＭＥＭＳマイクロフォンにおいては、バックプレートとメンブレンとはカップリングされていた。このカップリングは、製造工程の後もしくはその間にこの構造を開放した後で、バックプレートおよびメンブレンの形状に影響する可能性がある。このように、バックプレートからの応力は、たとえばメンブレンにこの応力を与えることにより、メンブレンに影響を与える。たとえば図１−図３の各トレンチの位置およびサイズは、バックプレートとメンブレンとの間の機械的カップリングの度合を低減するように選択されてよい。このようにして、バックプレートからメンブレンへの、あるいはこの逆の、影響が低減されたマイクロフォンを得ることができる。

図４は、図３のマイクロフォンの断面を示す。このメンブレンは、第１のメンブレン絶縁層ＭＩＬ１と第２のメンブレン絶縁層ＭＩＬ２とを備え、これらの間に導電性メンブレン層ＣＭＬが配設されている。

図５は、電気的接続部材ＥＣＢを備えるＭＥＭＳマイクロフォンの上面を概略的に示す。このバックプレートの電気的接続部材ＥＣＢは、バックプレートに電気的に接続されているが、大部分はこのバックプレートの縁部側の部分から分離されている。メンブレンに接続している電気的接続部材は、メンブレンの音響的に活性な部分に電気的に接続されているが、メンブレンの縁部側の部分からは電気的に分離されている。第１のトレンチＴＲ１は、バックプレートの縁部側の部分を、このバックプレートの中央部分から分離している。

図６は、バックプレートの電気的接続部材ＥＣＢと第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１との間の電気的接続部材ＣＥを示す。第１のトレンチＴＲ１は、マイクロフォンの音響的活性区域をほぼ包囲している。基板の内部の面ＩＳは、音響的活性区域と縁部側区域との間の境界を画定している。第１のトレンチＴＲ１は、音響的活性区域を完全には包囲しておらず、小さな部分が残されている。このようにして、接続部材ＣＥがバックプレートの電気的接続部材ＥＣＢを第１のバックプレート層ＣＬＢ１に接続することを可能としている。この第１のトレンチＴＲ１は、内部の面ＩＳと空間的に一致していても、また一致していなくともよい。たとえこの第１のトレンチＴＲ１が縁部区域ＲＲ内に配設されていても、これに対応した寄生容量は低減され、信号品質は改善される。

ＭＥＭＳマイクロフォンは本明細書に記載された実施形態あるいは図示された実施形態に限定されない。さらなる層，さらなるトレンチ，電気的絶縁部材または電気的接続手段、あるいはこれらの組み合わせが本発明に含まれてもよい。

ＡＡＲ：音響的活性領域
ＡＮ１，ＡＮ２：第１、第２のアンカー部材
ＢＩＬ１：第１のバックプレート絶縁層
ＢＩＬ２：第２のバックプレート絶縁層
ＢＰ１：第１のバックプレート
ＣＢＬ１：第１の導電性バックプレート層
ＣＢＬ２：第２の導電性バックプレート層
ＣＥ：バックプレートの電気的接続部材ＥＣＢと第１の導電性バックプレート層ＣＢＬ１との間の電気的接続部材ＣＥ
ＣＭＬ：導電性メンブレン層
ＥＣＢ：バックプレートの導電性接続部材
ＩＥ：絶縁部材
ＩＳ：基板の内部の面
Ｍ：メンブレン
ＭＩＬ１，ＭＩＬ２：第１,第２のメンブレン絶縁層
ＲＲ：縁部区域
ＳＵ：基板
ＴＲ１：第１のトレンチ
ＴＲ２：第２のトレンチ

Claims (8)

1. ＭＥＭＳマイクロフォンであって、
   音響的活性区域（ＡＡＲ）と、
   当該音響的活性区域（ＡＡＲ）を包囲する縁部区域（ＲＲ）と、
   メンブレン層にあるメンブレン（Ｍ）であって、当該メンブレンは、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）における部分と、前記縁部区域（ＲＲ）における部分とを有するメンブレンと、
   第１のバックプレート層にある第１のバックプレートであって、当該第１のバックプレートは、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）における部分と、前記縁部区域（ＲＲ）における部分とを有する第１のバックプレートと、
   を備え、
   第１のトレンチ（ＴＲ１）は、前記縁部区域（ＲＲ）の前記メンブレン（Ｍ）の部分を、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）のメンブレン（Ｍ）の部分から分離し、および／または、前記縁部区域（ＲＲ）の前記第１のバックプレートの部分を、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）の前記第１のバックプレートの部分から分離することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   前記第１のバックプレートは、さらに、第１のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ１）と第１の導電性バックプレート層（ＣＢＬ１）とを備え、
   前記第１の導電性バックプレート層（ＣＢＬ１）は、前記第１のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ１）とメンブレン（Ｍ）との間に配設されており、
   前記第１のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ１）は、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）の前記第１の導電性バックプレート（ＣＢＬ１）の部分を前記マイクロフォンの本体に機械的に接続することを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
3. 請求項１または２に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、さらに、
   アンカー層の前記縁部区域（ＲＲ）に第１のアンカー部材（ＡＮ１）を備え、
   前記アンカー層は、前記第１のバックプレートと前記メンブレン（Ｍ）との間に配設されていることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
4. 請求項３に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   第１のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ１）と、
   第１の導電性バックプレート層（ＣＢＬ１）とを備え、さらに、
   その上にメンブレン（Ｍ）が配設されている基板（ＳＵ）を備え、
   前記基板（ＳＵ）はＳｉから成り、
   前記メンブレン（Ｍ）は多結晶Ｓｉから成り、
   前記アンカー層はＳｉＯ２から成り、
   前記第１の導電性バックプレート層（ＣＢＬ１）は、多結晶Ｓｉから成り、
   前記第１のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ１）は、シリコンリッチなシリコン窒化物から成る、ことを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、
   前記第２のバックプレートは、第２のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ２）と第２の導電性バックプレート層（ＣＢＬ２）とを備え、
   前記第２の導電性バックプレート層（ＣＢＬ２）は、前記第２のバックプレート絶縁層（ＢＩＬ２）と前記メンブレン（Ｍ）との間に配設されていることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
6. 請求項５に記載のＭＥＭＳマイクロフォンにおいて、さらに、
   絶縁部材（ＩＥ）を前記第２の導電性バックプレート層（ＣＢＬ２）の前記縁部区域に備え、
   前記絶縁部材（ＩＥ）は、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）の前記第２の導電性バックプレートの部分を前記縁部区域（ＲＲ）の前記第２の導電性バックプレートの部分から分離していることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
7. 請求項１乃至６のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォン（Ｍ）において、さらに、
   第１のメンブレン絶縁層（ＭＩＬ１）と、
   第２のメンブレン絶縁層（ＭＩＬ２）と、
   前記第１のメンブレン絶縁層（ＭＩＬ１）と前記第２のメンブレン絶縁層（ＭＩＬ２）との間に配設された導電性メンブレン層（ＣＭＬ）とを備え、
   第２のトレンチ（ＴＲ２）が、前記縁部区域（ＲＲ）の前記導電性メンブレン層（ＣＭＬ）の部分を、前記音響的活性区域（ＡＡＲ）の前記導電性メンブレン層（ＣＭＬ）の部分から分離していることを特徴とするＭＥＭＳマイクロフォン。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳマイクロフォンの製造方法であって、
   基板（ＳＵ）を準備するステップと、
   前記基板（ＳＵ）上のメンブレン（Ｍ）をパターニングするステップと、
   前記メンブレン（Ｍ）にアンカー層を堆積するステップと、
   前記アンカー層にバックプレート層を堆積するステップと、
   バックプレートおよびアンカー部材をパターニングするステップと、
   前記バックプレートの前記縁部側の部分（ＲＲ）から前記バックプレートの中央部分（ＡＡＲ）を分離するトレンチ（ＴＲ１）を前記バックプレートにおいてパターニングするステップと、を備えることを特徴とする方法。

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