JP4264103B2

JP4264103B2 - エレクトレットコンデンサーマイクロホン

Info

Publication number: JP4264103B2
Application number: JP2006510648A
Authority: JP
Inventors: 洋小倉; 徹山岡
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2005-02-24
Publication date: 2009-05-13
Anticipated expiration: 2025-02-24
Also published as: TW200531572A; US20070217635A1; JPWO2005086534A1; US7706554B2; WO2005086534A1

Description

本発明は、振動電極を有するエレクトレットコンデンサーに関し、特にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いて形成されるエレクトレットコンデンサーに関する。

従来、コンデンサー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（Fluorinated Ethylene Propylene）材などの有機系の高分子重合体が使用されていた。しかし、これらの材料は耐熱性に劣るため、基板実装されるリフロー用素子として使用することが困難であるという問題があった。

近年、マイクロホンの小型化を達成するために、エレクトレット素子として、有機系の高分子重合体に代えて、微細加工技術により加工されるシリコン酸化膜を用いたエレクトレットコンデンサーマイクロホンが提案されている（特許文献１参照）。具体的には、当該エレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいては、２枚のシリコン基板を用いて当該各基板を張り合わせることによりコンデンサーが構成されていると共に、シリコン酸化膜をエレクトレット材とするエレクトレット膜が一方の基板に配置されている。
特開平１１−３３１９８８号公報

しかしながら、特許文献１に開示された構造を持つエレクトレットコンデンサーマイクロホンは、次の様な問題点を有している。

すなわち、エレクトレットとしてシリコン酸化膜を採用した場合、シリコン酸化膜は大気中の水分等を吸着する働きを有するので、エレクトレットから電荷が抜けてしまう。また、シリコン酸化膜の成膜方法の工夫のみによって、経時変化のないエレクトレットを形成することはできない。さらに、エレクトレットを加熱した際に、シリコン酸化膜の露出部から電荷が抜ける現象が生じる。例えば、エレクトレットコンデンサーを搭載したマイクロホンを他の基板にリフロー工法を使って実装する際に、シリコン酸化膜の露出部からエレクトレットの電荷が抜けるため、マイクとして充分な機能を発揮することができなくなる。

本発明は、耐湿性に優れた構造を有するエレクトレットコンデンサーを提供すると共に、耐熱性が高く且つ永久電荷を持つエレクトレットから構成されたエレクトレットコンデンサーを提供することを目的としている。

前記の目的を達成するために、本発明に係る第１のエレクトレットコンデンサーは、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成され且つエレクトレット化された第１の絶縁膜と、前記第１の絶縁膜を覆うように形成された第２の絶縁膜とを備え、前記第２の絶縁膜により覆われた前記第１の絶縁膜は前記第２の電極上に形成されている。

また、本発明に係る第２のエレクトレットコンデンサーは、第１の電極と、第２の電極と、前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成され且つエレクトレット化された第１の絶縁膜とを備え、前記第１の絶縁膜は前記第２の電極と第２の絶縁膜とによって覆われており、前記第２の電極はポリシリコンからなる。

また、第１又は第２のエレクトレットコンデンサーにおいて、前記第１の絶縁膜は、５００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン酸化膜であってもよい。

また、第１又は第２のエレクトレットコンデンサーにおいて、前記第２の絶縁膜は、６００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン窒化膜であってもよい。

また、第１又は第２のエレクトレットコンデンサーにおいて、前記第２の電極、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜は振動膜を構成してもよい。この場合、前記第１の絶縁膜の平面形状は前記振動膜の平面形状と比べて小さいと共に当該第１の絶縁膜は前記振動膜の中央部に配置されていることが好ましい。

本発明によれば、エレクトレット化された第１の絶縁膜、つまり、電荷を着電させることによりエレクトレットとなったシリコン酸化膜等を、例えばシリコン窒化膜等の第２の絶縁膜によって又は第２の絶縁膜と第２の電極とによって覆うため、第１の絶縁膜が大気中の水分等を吸収したり、又は加熱時に第１の絶縁膜から電荷が抜けてしまうことを抑制することができる。従って、耐湿性及び耐熱性等の信頼性に優れたエレクトレットコンデンサーを提供することができる。

以下、本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーについて図面を参照しながら説明する。

まず、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーを搭載したエレクトレットコンデンサーマイクロホン（ＥＣＭ）について説明する。

図１は、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーを搭載したＥＣＭの構成を示す断面図である。図１に示すように、樹脂基板１上にエレクトレットコンデンサー（本実施形態に係るエレクトレットコンデンサー）２及びＩＣ（Integrated circuit）３が設置されていると共に、エレクトレットコンデンサー２及びＩＣ３を覆うように樹脂基板１にシールドケース４が取り付けられている。エレクトレットコンデンサー２とＩＣ３とはボンディングワイヤ１５によって電気的に接続されている。

エレクトレットコンデンサー２は、主として振動電極５と固定電極６とから構成されている。

具体的には、樹脂基板１上に設置され且つ空孔２２を有する基板２１上に、空孔２２を覆うように振動電極５が形成されている。振動電極５上にはシリコン窒化膜９を介して、エレクトレット化された（電荷を帯びてエレクトレットとなった）シリコン酸化膜７が形成されている。シリコン酸化膜７は、振動電極５の中央部の上に形成されている。また、シリコン酸化膜７を覆うようにシリコン窒化膜８が形成されている。すなわち、シリコン酸化膜７はシリコン窒化膜８及びシリコン窒化膜９によって完全に囲まれている。本実施形態では、振動電極５、シリコン窒化膜９、シリコン酸化膜７及びシリコン窒化膜８は、一体となって振動する振動膜３０を構成している。

振動膜３０の上方には、スペーサとなる絶縁膜２３を介して固定電極６が形成されている。すなわち、振動電極５と固定電極６との間には、シリコン窒化膜８及び９によって覆われたシリコン酸化膜７と、絶縁膜２３が部分的に除去されてなるエアギャップ２４とが介在する。固定電極６には、エアギャップ２４と接続する複数の音孔６ａが設けられている。また、シールドケース４における固定電極６と対向する部分には、音孔６ａが外部空間からの音圧を受けられるように開口部４ａが設けられている。

図２（ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係るエレクトレットコンデンサーにおける振動膜の膜構成のバリエーションを示す図であり、図２（ｂ）は、図１に示す振動膜３０の膜構成を拡大して示す断面図である。

図２（ａ）に示すように、振動電極５の上に、帯電させたシリコン酸化膜７を形成し、さらにこのシリコン酸化膜７を覆うようにシリコン窒化膜８を形成することによって、振動膜３０を構成してもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、振動電極５の上にシリコン窒化膜９を形成し、その上に、帯電させたシリコン酸化膜７を形成し、さらにこのシリコン酸化膜７を覆うようにシリコン窒化膜８を形成することによって、振動膜３０を構成してもよい。

図２（ａ）に示す振動膜３０の構成においては、帯電させたシリコン酸化膜７からなるエレクトレットが、振動電極５とシリコン窒化膜８とによって完全に覆われている。また、図２（ｂ）に示す振動膜３０の構成においては、帯電させたシリコン酸化膜７からなるエレクトレットが、シリコン窒化膜９とシリコン窒化膜８とによって完全に覆われている。図２（ａ）及び（ｂ）に示すいずれの構成によっても、シリコン酸化膜７が大気中の水分等を吸着したり、又は加熱時にシリコン酸化膜７から電荷が抜けてしまうことを抑制することができる。

以下、図２（ａ）又は（ｂ）に示すように、振動電極５とシリコン窒化膜８とによって又はシリコン窒化膜９とシリコン窒化膜８とによってシリコン酸化膜７を完全に覆うことにより得られる効果について、本願発明者らが実験を用いて検証した結果を図３（ａ）及び（ｂ）を参照しながら説明する。

図３（ａ）は、本実施形態のエレクトレットコンデンサー２における帯電したシリコン酸化膜７をシリコン窒化膜８及び９によって完全に覆うことによる効果の検証に用いた膜構成を示す断面図である。また、図３（ｂ）は、前述の検証において比較例として用いた、帯電したシリコン酸化膜７が雰囲気中に露出した膜構成を示す断面図である。尚、図３（ａ）及び（ｂ）のいずれの膜構成においても、裏面に導電膜（Ａｌ膜）１０が形成されたシリコン基板１１の表面上にシリコン酸化膜７が形成されている。

具体的には、シリコン酸化膜７は、減圧下で形成された厚さ１．５μｍのＬＰ−ＴＥＯＳ（low pressure - tetraethylorthosilicate）膜である。ここで、例えば減圧ＣＶＤ（chemical vapor deposition ）法によりシリコン酸化膜７を成長させる際の温度を５００℃以上で且つ８００℃以下に設定することが好ましい。

また、図３（ａ）に示す膜構成においては、前述のシリコン酸化膜７が、減圧下で形成されたＬＰ−ＳｉＮ膜であるシリコン窒化膜８及び９によって完全に覆われている。このように、シリコン窒化膜８及び９として、例えば減圧ＣＶＤ法により高温で形成されたＬＰ−ＳｉＮ膜を用いることによって、ピンホールなどがない緻密な保護膜となるシリコン窒化膜８及び９を形成することができる。具体的には、例えば減圧ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜８及び９を成長させる際の温度を６００℃以上で且つ８００℃以下に設定することが好ましい。

本願発明者らの検証によると、図３（ｂ）に示す、電荷が着電したシリコン酸化膜７が雰囲気中に露出した膜構成（つまり比較例の膜構成）においては、例えば４４時間の自然放置によって、シリコン酸化膜７の着電量が約８ｄＢ減少した。これに対して、図３（ａ）に示す、電荷が着電したシリコン酸化膜７がシリコン窒化膜８及びシリコン窒化膜９によって完全に覆われた膜構成（つまり本実施形態の膜構成）においては、例えば４４時間の自然放置によっても、シリコン酸化膜７の着電量の減少は約０．４ｄＢであった。さらに、本実施形態の膜構成に対して１５０℃の雰囲気中で１時間の加熱処理を加えた場合においても、シリコン酸化膜７の着電量の減少は高々０．１ｄＢ程度であった。すなわち、比較例の膜構成と比べて、本実施形態の膜構成によると、シリコン酸化膜７が大気中の水分等を吸着したり、又は加熱時にシリコン酸化膜７から電荷が抜けてしまうことを顕著に抑制することができる。

以上に説明したように、本実施形態によると、エレクトレット化されたシリコン酸化膜７を、シリコン窒化膜８及び９によって、又はシリコン窒化膜８及び振動電極５によって覆うため、シリコン酸化膜７が大気中の水分等を吸着したり、又は加熱時にシリコン酸化膜７から電荷が抜けてしまうことを抑制することができる。従って、耐湿性及び耐熱性等の信頼性に優れたエレクトレットコンデンサー２を提供することができる。

以下、本実施形態の振動膜３０が、ＬＰ−ＴＥＯＳ膜からなるシリコン酸化膜７、ＬＰ−ＳｉＮ膜からなるシリコン窒化膜８及び９、並びに不純物をドーピングしたポリシリコン膜（いわゆるドープドポリ）からなる振動電極５から構成されている場合（図２（ｂ）参照）を例として、当該振動膜３０における共振周波数制御の原理について説明する。

図４は、本実施形態の振動膜３０の形状を模式的に示す図である。図４に示すように、振動膜３０が、１辺の長さａの正方形状と厚さｄとを有する方形膜であるとすると、当該方形膜の共振周波数ｆは、
ｆ＝１／｛２π・（Ｍ・Ｃ）^１／２｝・・・（式１）
で表すことができる。ここで、Ｍは振動膜３０の質量であり、Ｃは振動膜３０の動きやすさを表すコンプライアンスである。また、Ｍ及びＣはそれぞれ、
Ｍ＝（π^４・ρ・ｄ・ａ^２）／６４・・・（式２）
Ｃ＝３２／（π^６・Ｔ）・・・（式３）
により求められる。ここで、ρは振動膜３０の密度であり、Ｔは振動膜３０の張力である。さらに、張力Ｔは、
Ｔ＝σ・ｄ・・・（式４）
により求めることができる。ここで、σは振動膜３０の応力である。

（式１）に（式２）、（式３）及び（式４）を代入することによって、ｆは、
ｆ＝（０．７１／ａ）・（σ／ρ）^１／２・・・（式５）
として表すことができる。

尚、（式１）〜（式５）は、振動膜３０が単層膜である場合の式であるが、振動膜３０が多層膜（ｎ（ｎは２以上の整数）層の膜）の場合、ｄ、σ及びρをそれぞれ、
ｄ＝Σｄｉ（ｉは１からｎまでの整数）・・・（式６）
σ＝Σ（σｉ／ｄｉ）／ｄｉ（ｉは１からｎまでの整数）・・・（式７）
ρ＝Σ（ρｉ／ｄｉ）／ｄｉ（ｉは１からｎまでの整数）・・・（式８）
として求めて、（式１）〜（式５）において用いればよい。

例えば、振動膜３０となる方形膜の面積を１ｍｍ^２（ａ＝１ｍｍ）とし、シリコン酸化膜７となるＬＰ−ＴＥＯＳ膜（応力（（式７）のσ１）：−１１０×１０^６［Ｎ／ｍ^２］、密度（（式８）のρ１）：２．５×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）の膜厚ｄ１を１５００ｎｍとし、シリコン窒化膜８及び９となるＬＰ−ＳｉＮ膜（応力（（式７）のσ２）：１２００×１０^６［Ｎ／ｍ^２]、密度（（式８）のρ２）：３．１×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）の膜厚ｄ２を２００ｎｍ、振動電極５となるポリシリコン膜（応力（（式７）のσ３）：−０．３［Ｎ／ｍ^２]、密度（（式８）のρ３）：２．３×１０^３［ｋｇ／ｍ^３］）の膜厚ｄ３を２００ｎｍとすると、（式１）〜（式８）から、共振周波数ｆは１７８ｋＨｚとなる。従って、この値を基準の共振周波数ｆ０として、ＬＰ−ＴＥＯＳ膜及びＬＰ−ＳｉＮ膜のそれぞれの膜厚を変化させることによって、共振周波数ｆを制御することが可能となる。

図１に示すように、本実施形態のエレクトレットコンデンサー２は、マイクロホンの構成部品となる。マイクロホンは、可聴領域である２〜２０ｋＨｚの周波数帯で音圧を電気信号に変換する。従って、エレクトレットコンデンサー２の振動膜３０は、前記周波数帯の上限値よりも高い共振周波数ｆ、つまり２０ｋＨｚよりも高い共振周波数ｆを持つ必要がある。そうでなければ、感度を得ることができないので、マイクロホンの構成部品として使用することができない。本実施形態においては、前述のように、振動膜３０を構成するシリコン酸化膜７並びにシリコン窒化膜８及び９のそれぞれの膜厚を調整することによって、２０ｋＨｚを超える共振周波数ｆを持つ振動膜３０を作製することが可能となる。

尚、振動電極５となるポリシリコン膜については、その応力が小さいため、振動膜３０の共振周波数ｆの制御にはほとんど寄与しない。

以上に説明したように、本実施形態によれば、振動膜３０を構成する多層膜（シリコン酸化膜７並びにシリコン窒化膜８及び９等）の各膜厚を制御することによって、振動膜３０の共振周波数ｆを制御することが可能となる。

尚、本実施形態において、シリコン酸化膜７の平面形状を、振動膜３０となる例えば方形膜の平面形状と比べて小さく設定すると共に、当該シリコン酸化膜７を振動膜３０の中央部に配置することが好ましい。このようにすると、エレクトレットとなるシリコン酸化膜７を振動膜３０においてマス（重量）として用いることができるので、本実施形態のエレクトレットコンデンサー２の感度を向上させることができる。また、シリコン酸化膜７が形成されていない領域においては、振動膜３０を構成する多層膜の厚さ小さくすることができる。

また、本実施形態において、エレクトレットとして、シリコン酸化膜７を用いたが、これに代えて、ポリテトラフルオロエチレン又はＦＥＰ等からなる他の絶縁膜を用いてもよい。

また、本実施形態において、シリコン酸化膜７からなるエレクトレットを覆う絶縁膜として、シリコン窒化膜８及び９を用いたが、これに代えて、ポリイミド又はベンゾシクロブテン等からなる他の絶縁膜を用いてもよい。

本発明は、振動電極を有するエレクトレットコンデンサーに関し、ＭＥＭＳ技術を用いて形成されるエレクトレットコンデンサーに適用した場合、耐湿性及び耐熱性等の信頼性に優れたデバイス、特にＥＣＭを提供できるという効果が得られ、非常に有用である。

図１は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーを搭載したエレクトレットコンデンサーマイクロホン（ＥＣＭ）の断面図である。図２（ａ）及び（ｂ）は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーにおける振動膜の断面構成のバリエーションを示す図である。図３（ａ）は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーにおけるエレクトレット化されたシリコン酸化膜を他の絶縁膜によって覆うことによる効果の検証に用いた膜構成を示す断面図であり、図３（ｂ）は前述の検証において比較例として用いた、エレクトレット化されたシリコン酸化膜が雰囲気中に露出した膜構成を示す断面図である。図４は本発明の一実施形態に係るエレクトレットコンデンサーにおける振動膜の形状を模式的に示す図である。

符号の説明

１樹脂基板
２エレクトレットコンデンサー
３ＩＣ
４シールドケース
４ａ開口部
５振動電極
６固定電極
６ａ音孔
７シリコン酸化膜
８シリコン窒化膜
９シリコン窒化膜
１０導電膜
１１シリコン基板
１５ボンディングワイヤ
２１基板
２２空孔
２３絶縁膜
２４エアギャップ
３０振動膜

Claims

第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成され且つエレクトレット化された第１の絶縁膜と、
前記第１の絶縁膜の上面、下面及び側面を覆うように形成された第２の絶縁膜とを備え、
前記第２の絶縁膜により覆われた前記第１の絶縁膜は前記第２の電極上に形成されており、
前記第１の電極と前記第２の絶縁膜との間に形成された第３の絶縁膜を部分的に除去することによってエアギャップが形成されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第１の絶縁膜は、５００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン酸化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第２の絶縁膜は、６００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン窒化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項１に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第２の電極、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜は振動膜を構成することを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項４に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第１の絶縁膜の平面形状は前記振動膜の平面形状と比べて小さいと共に当該第１の絶縁膜は前記振動膜の中央部に配置されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に形成され且つエレクトレット化された第１の絶縁膜とを備え、
前記第１の絶縁膜の下面は前記第２の電極によって覆われていると共に前記第１の絶縁膜の上面及び側面は第２の絶縁膜によって覆われており、
前記第１の電極と前記第２の絶縁膜との間に形成された第３の絶縁膜を部分的に除去することによってエアギャップが形成されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項６に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第１の絶縁膜は、５００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン酸化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項６に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第２の絶縁膜は、６００℃以上で且つ８００℃以下の雰囲気中で成長させたシリコン窒化膜であることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項６に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第２の電極、前記第１の絶縁膜及び前記第２の絶縁膜は振動膜を構成することを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。
請求項９に記載のエレクトレットコンデンサーマイクロホンにおいて、
前記第１の絶縁膜の平面形状は前記振動膜の平面形状と比べて小さいと共に当該第１の絶縁膜は前記振動膜の中央部に配置されていることを特徴とするエレクトレットコンデンサーマイクロホン。