特許 6132047 圧力センサとその製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6132047

(24)【登録日】2017年4月28日

(45)【発行日】2017年5月24日

(54)【発明の名称】圧力センサとその製造方法

(51)【国際特許分類】

   G01L 9/00 20060101AFI20170515BHJP

   G01L 9/12 20060101ALI20170515BHJP

   G01L 23/12 20060101ALI20170515BHJP

   H04R 19/04 20060101ALI20170515BHJP

   H04R 31/00 20060101ALI20170515BHJP

   H04R 19/00 20060101ALI20170515BHJP

   H04R 7/04 20060101ALI20170515BHJP

【ＦＩ】

   G01L9/00 305C

   G01L9/12

   G01L23/12

   H04R19/04

   H04R31/00 C

   H04R19/00 330

   H04R31/00 330

   H04R7/04

【請求項の数】12

【全頁数】20

(21)【出願番号】特願2016-64778(P2016-64778)

(22)【出願日】2016年3月28日

【審査請求日】2016年10月19日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】504157024

【氏名又は名称】国立大学法人東北大学

(73)【特許権者】

【識別番号】503306168

【氏名又は名称】フラウンホーファー・ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デア・アンゲヴァンテン・フォルシュング・エー・ファウ

(74)【代理人】

【識別番号】100082876

【弁理士】

【氏名又は名称】平山 一幸

(74)【代理人】

【識別番号】100184262

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 義則

(72)【発明者】

【氏名】田中 秀治

(72)【発明者】

【氏名】ヨーク フロメル

(72)【発明者】

【氏名】トーマス ゲスナー

【審査官】 森 雅之

(56)【参考文献】

【文献】 特許第４７７０６０５（ＪＰ，Ｂ２）

【文献】 特開２００８−１５５３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−４５０４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｌ

Ｈ０４Ｒ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

キャビティを有するシリコン基板と、
金属ガラスからなり、可聴域より共振周波数が高くなる範囲の引張応力を有するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと絶縁され、複数のホールを有する対向電極と、
を備え、
前記ダイヤフラムと前記対向電極とが隙間を有して対向するように前記シリコン基板上に設けられ、前記ダイヤフラム及び前記対向電極が前記キャビティにより前記シリコン基板からリリースされている、圧力センサ。

【請求項2】

前記ダイヤフラムが複数に分割されており、各分割されたダイヤフラムのそれぞれが片持ちで保持されている、請求項１に記載の圧力センサ。

【請求項3】

前記ダイヤフラムの厚さが場所によって異なる、請求項１又は２に記載の圧力センサ。

【請求項4】

前記ダイヤフラムが、蜂巣状、格子状若しくは放射状、又はそれらの組み合わせ形状で厚い部分と当該厚い部分を囲む薄い部分とからなる、請求項３に記載の圧力センサ。

【請求項5】

前記ダイヤフラムの振動信号を読み出す読み出し回路を備え、
前記読み出し回路と前記ダイヤフラムが同一のダイに設けられている、請求項１乃至４の何れかに記載の圧力センサ。

【請求項6】

前記ダイヤフラムが０より大きく５００ＭＰａ以下の引張応力を有する、請求項１乃至５の何れかに記載の圧力センサ。

【請求項7】

同一のダイの上に２個以上１６個以下のダイヤフラムを有する、請求項１乃至６の何れかに記載の圧力センサ。

【請求項8】

前記金属ガラスが、Ｚｒ系金属ガラス、Ｐｄ系金属ガラス、Ｐｔ系金属ガラス、Ａｕ系金属ガラス、Ｆｅ系金属ガラス、Ｎｉ系金属ガラス、Ｍｇ系金属ガラス、Ｃｏ系金属ガラス、Ｃｕ系金属ガラスの何れかである、請求項１乃至７の何れかに記載の圧力センサ。

【請求項9】

前記金属ガラスが、Ｚｒ、Ｃｏ、ＣｕＺｒの何れかを主成分とする、請求項１乃至８の何れかに記載の圧力センサ。

【請求項10】

請求項１乃至９の何れかに記載の圧力センサを製造する方法であり、
対向電極となる層に複数の前記ホールを設けるステップと、
前記ホールを埋めると共に前記対向電極となる層上に犠牲層を設けるステップと、
前記対向電極となる層の一部及び犠牲層上に金属ガラスを層状に設けるステップと、
前記対向電極、犠牲層、金属ガラス層を、基板の裏面エッチングによって基板からリリースするステップと、
前記犠牲層を取り除くステップと、
を備える、圧力センサの製造方法。

【請求項11】

前記金属ガラスがスパッタリング法により設けられる、請求項１０に記載の圧力センサの製造方法。

【請求項12】

前記犠牲層が樹脂からなる、請求項１０又は１１に記載の圧力センサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高性能な圧力センサとその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

圧力センサは、例えば空気の圧力変化によるダイヤフラムの振動を測定するマイクロフォンとして利用されている。マイクロフォンの小型用途では、伝統的に、Ｅｌｅｃｔｒｅｔ Ｃｏｎｄｅｎｓｅｒ Ｍｉｃｒｏｐｈｏｎｅ（ＥＣＭ）が用いられており、ヘッドセットからモバイルデバイスまでの広い範囲において使用されていた。しかし、ＥＣＭは、エレクトレットの耐熱性の問題から半田実装のために温度を上げられないことが問題であり、また、小型化・低背化に限界がある。そこで、特に小型化・低コスト化が求められる用途では、ＥＣＭは急速にＭｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）技術によるマイクロフォンに置き換えられた。

【0003】

現在、ＭＥＭＳマイクロフォンは、小型、かつ低コストであり、耐衝撃性、音響位相特性などに優れることから、モバイルフォン、スマートフォン、タブレットコンピュータなどに広く搭載されている。多くの場合、ノイズキャンセリングのために、複数のＭＥＭＳマイクロフォンが搭載される。ＭＥＭＳマイクロフォンには、静電型、圧電型及びピエゾ抵抗型があるが、現在、市場を占めているものは静電型である。静電型は、バックチャンバーとバックプレート（対向電極）とセンシング用ダイヤフラムとを備え、バックプレートとダイヤフラムとの距離変化に応じて静電容量が変化し、その容量変化が読み出し回路によって電流、電圧又は周波数の変化に変換される。バックプレートには、空気が通過するための多数の穴（パーフォレーションホール）が設けられている。

【0004】

マイクロフォンの性能指標としては、感度、信号／ノイズ比（ＳＮＲ）、最大音圧レベル、ダイナミックレンジ、指向性、周波数特性、消費電力などがあるが、どこまで小さな音を拾えるかを示す指標がＳＮＲである。現在、ＭＥＭＳマイクロフォンのＳＮＲは６５ｄＢ程度であるが、今後、音声認識等の応用が広がると、より高いＳＮＲを有するＭＥＭＳマイクロフォンが必要になる。

【0005】

静電型ＭＥＭＳマイクロフォンには、構造・構成についていくつかの種類がある。最も代表的には、ダイヤフラムとバックプレートはポリシリコン製である。ダイヤフラムの支え方には、一か所で支えるもの（特許文献１、非特許文献１）、四方で支えるもの（非特許文献２）、その他、全周で支えるものなどがある。これらのＭＥＭＳマイクロフォンでは、ダイヤフラム変位の読み出し回路（ＡＳＩＣ）は別のダイに形成され、ダイヤフラムを有するＭＥＭＳダイとワイヤボンディングで配線接続される（非特許文献１、３、４）。つまり、マイクロフォンのパッケージ内には、ＭＥＭＳダイとＡＳＩＣダイの二つのダイが搭載される。一方、ＳＮＲを向上させるためには、ダイヤフラム−バックプレート間の静電容量と読み出し回路とはできる限り近い方がよく、そのため、ダイヤフラムと読み出し回路を含む必要な全ての回路とが同一ダイに形成された集積化ＭＥＭＳマイクロフォンもある（特許文献２、非特許文献５）。このようなマイクロフォンでは、パッケージ内にはダイが一つだけ搭載される。ただし、読み出し回路を形成後、それを損傷させないような低温でダイヤフラムなどのＭＥＭＳ構造を形成しなくてはならないため、独Ａｋｕｓｔｉｃａ社の集積化ＭＥＭＳマイクロフォンでは、ダイヤフラムに高温成膜されるポリシリコンが利用できず、低温形成できる有機・無機ハイブリッド構造が利用されている（非特許文献６）。ダイヤフラムの機械特性の点からは、この材料はポリシリコンと比べて望ましくない。あるいは、ポリシリコンの成膜温度に耐えられるように、回路を形成するのがもう１つの方法であり（非特許文献７）、このような集積化ＭＥＭＳの製造法は、かつて慣性センサに広く適用されていたが、特殊な回路を用いなくてはならず、性能とコストの面から淘汰されている。

【0006】

ＭＥＭＳマイクロフォンのＳＮＲを向上させるには、感度を上げるか、あるいはデバイスが発生する雑音を下げるか、どちらかが必要である。雑音には電気的雑音と機械的雑音がある。前述の集積化ＭＥＭＳマイクロフォンでは、ＭＥＭＳ構造と読み出し回路の一体化によって前者を下げている。後者のうち多くを占めるのが、バックプレートにあけられた穴（パーフォレーションホール）で空気流が絞られることによって発生する流体雑音である。したがって、機械的雑音を減らすためには、バックプレートが不要である構造が望ましい。バックプレートをなくす方法としては、静電容量の読み出しをダイヤフラム周囲に設けた櫛歯電極によって行う方法（特許文献３、４）、圧電型（特許文献５、６、非特許文献８）やピエゾ抵抗型（非特許文献９）とする方法が知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】ＵＳ５８７０４８２

【特許文献2】ＵＳ７８６３７１４Ｂ２

【特許文献3】ＵＳ２０１４／０１９７５０２Ａ１

【特許文献4】ＵＳ２０１５／００２１７２２Ａ１

【特許文献5】ＵＳ２０１０／０２５４５４７Ａ１

【特許文献6】ＵＳ９０５５３７２Ｂ２

【非特許文献】

【0008】

【非特許文献1】Peter V. Loeppert and Sung B. Lee, “SiSonicTM-THE FIRST COMMERCIALIZED MEMS MICROPHONE”, Solid-State Sensors, Actuators, and Microsystems Workshop, Hilton Head Island, South Carolina, June 4-8, 2006, pp.27-30

【非特許文献2】村上歩, 井上匡志, 笠井隆, “ベンチレーション構造によるＭＥＭＳマイクロホンの機械強度向上”, 第32回「センサ・マイクロマシンと応用システム」シンポジウム, (2015) 28pm1-B-3

【非特許文献3】Gregor Feiertag, Matthias Winter, Anton Leidl, “Flip chip packaging for MEMS microphones”, Microsystem Technologies, 16 (2010) pp.817-823

【非特許文献4】Alfons Dehe, “Silicon microphone development and application”, Sensors and Actuators A, 133 (2007) pp.283-287

【非特許文献5】John J. Neumann Jr., Kaigham J. Gabriel, “CMOS-MEMS membrane for audio-frequency acoustic actuation”, Sensors and Actuators A, 95 (2002) pp.175-182

【非特許文献6】M. Brauer, A.Dehe, T. Bever, S. Barzen, S. Schmitt, M. Fuldner and R. Aigner, “Silicon microphone based on surface and bulk micromachining”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 11 (2001) pp.319-322

【非特許文献7】Stephan Horowitz, Toshikazu Nishida, Louis Cattafesta and Mark Sheplak, “Development of a micromachined piezoelectric microphone for aeroacoustics applications”, Journal of the Acoustical Society of America, 122 (2007) pp.3428-3436

【非特許文献8】R. Schellin and G. Hess, “A silicon subminiature microphone based on piezoresistive polysilicon strain gauges”, Sensors and Actuators A, 32 (1992) pp.555-559

【非特許文献9】Sharpe Jr.N., Turner, K.T., Edwards, R.L., “Tensile testing of polysilicon”, Experimental Mechanics, 39 (1999) pp.162-170

【非特許文献10】Wei Hua Wang, “The elastic properties, elastic models and elastic perspectives of metallic glasses”, Progress in Materials Science, 57 (2012) pp.487-656

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

特許文献３、４、非特許文献７、８に開示されたバックプレートをなくす方法を用いると、流体雑音を下げられる一方で感度も下がり、必ずしもＳＮＲが向上するとは限らない。感度を上げるには、ダイヤフラムを薄くするか、あるいは大きくすればよいが、それによって、大きな圧力が加わることでダイヤフラムが壊れやすくなるという信頼性低下の問題がある。ダイヤフラムの大型化は、ダイの大型化に繋がり、結果的にコストが増大する。また、それによって、ダイヤフラムの共振周波数が可聴域まで下がり、マイクロフォンとして用いたときの周波数特性が悪化することも起こりうる。

【0010】

以上に述べたように、音声認識の高度化と普及に向けてＭＥＭＳマイクロフォンのＳＮＲ向上が求められているものの、信頼性低下、大型化、あるいはコスト増といった不利益なしに、それを実現しうるマイクロフォンは知られていない。このようなマイクロフォンでの課題は、気圧センサ、超音波センサなど、圧力センサの場合においても当てはまる。

【0011】

そこで、本発明では、高性能な特性を有する圧力センサ及びその製造方法を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明者らは、国立大学法人東北大学の研究者らにより研究開発されて近年広まった金属ガラスに着目し、その材料が圧力センサのダイヤフラムに適するという発想から本発明を完成するに至った。

【0013】

金属ガラスという材料は、金属元素のみ又は金属元素が主成分であるにもかかわらず、従来型アモルファス金属に比べて、比較的遅い冷却速度でもガラス化する。金属ガラス、アモルファス金属、何れも無秩序な原子スケール構造を有している点では共通しているが、金属ガラスは過冷却液体からガラス遷移を示してガラス（固体）になるという点でアモルファス合金とは異なる。

【0014】

本発明は、次のコンセプトを有する。
［１］ キャビティを有するシリコン基板と、
金属ガラスからなり、可聴域より共振周波数が高くなる範囲の引張応力を有するダイヤフラムと、
前記ダイヤフラムと絶縁され、複数のホールを有する対向電極と、
を備え、
前記ダイヤフラムと前記対向電極とが隙間を有して対向するように前記シリコン基板上に設けられ、前記ダイヤフラム及び前記対向電極が前記キャビティにより前記シリコン基板からリリースされている、圧力センサ。
［２］ 前記ダイヤフラムが複数に分割されており、各分割されたダイヤフラムのそれぞれが片持ちで保持されている、前記［１］に記載の圧力センサ。
［３］ 前記ダイヤフラムの厚さが場所によって異なる、前記［１］又は［２］に記載の圧力センサ。
［４］ 前記ダイヤフラムが、蜂巣状、格子状若しくは放射状、又はそれらの組み合わせ形状で厚い部分と当該厚い部分を囲む薄い部分とからなる、前記［３］に記載の圧力センサ。
［５］ 前記ダイヤフラムの振動信号を読み出す読み出し回路を備え、
前記読み出し回路と前記ダイヤフラムが同一のダイに設けられている、前記［１］乃至［４］の何れかに記載の圧力センサ。
［６］ 前記ダイヤフラムが０より大きく５００ＭＰａ以下の引張応力を有する、前記［１］乃至［５］の何れかに記載の圧力センサ。
［７］ 同一のダイの上に２個以上１６個以下のダイヤフラムを有する、前記［１］乃至［６］の何れかに記載の圧力センサ。
［８］ 前記金属ガラスが、Ｚｒ系金属ガラス、Ｐｄ系金属ガラス、Ｐｔ系金属ガラス、Ａｕ系金属ガラス、Ｆｅ系金属ガラス、Ｎｉ系金属ガラス、Ｍｇ系金属ガラス、Ｃｏ系金属ガラス、Ｃｕ系金属ガラスの何れかである、前記［１］乃至［７］の何れかに記載の圧力センサ。
［９］ 前記金属ガラスが、Ｚｒ、Ｃｏ、ＣｕＺｒの何れかを主成分とする、前記［１］乃至［８］の何れかに記載の圧力センサ。
［１０］ 前記［１］乃至［９］の何れかに記載の圧力センサを製造する方法であり、
対向電極となる層に複数の前記ホールを設けるステップと、
前記ホールを埋めると共に前記対向電極となる層上に犠牲層を設けるステップと、
前記対向電極となる層の一部及び犠牲層上に金属ガラスを層状に設けるステップと、
前記対向電極、犠牲層、金属ガラス層を、基板の裏面エッチングによって基板からリリースするステップと、
前記犠牲層を取り除くステップと、
を備える、圧力センサの製造方法。
［１１］ 前記金属ガラスがスパッタリング法により設けられる、前記［１０］に記載の圧力センサの製造方法。
［１２］ 前記犠牲層が樹脂からなる、前記［１０］又は［１１］に記載の圧力センサの製造方法。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、圧力センサが金属ガラスからなるダイヤフラムを備えているので、実用化しているＳｉのダイヤフラムと比べ、同じ寸法であれば、圧力に対する変位が大きくなり、圧力を高感度に電気信号に変換することができる。これは、金属ガラスのヤング率がＳｉのそれの三分の一程度であることによる。また、Ｓｉは脆性材料であるのに対して、金属ガラスは延性材料であり，しかも金属ガラスの引張強度は、Ｓｉのそれと同等かそれ以上であるため、金属ガラスからなるダイヤフラムはＳｉのそれと比べて壊れにくく、信頼性が高い。

【0016】

また、本発明によれば、金属ガラスは低温スパッタで成膜することができ、ダイヤフラムと読み出し回路の集積化が容易になる。前述の独Ａｋｕｓｔｉｃａ社の集積化ＭＥＭＳマイクロフォンでは、読み出し回路形成後にダイヤフラム等のＭＥＭＳ構造を同一ウェハ上に形成するため、ダイヤフラムの材料として機械特性に必ずしも優れない有機・無機ハイブリッド材料を用いている。一方、本発明によれば、機械特性に優れる金属ガラスのダイヤフラムをもって集積化ＭＥＭＳ圧力センサを実現でき、ＳＮＲの向上が可能である。

【0017】

また、本発明によれば、圧力センサをマイクロフォンとして用いるとき、ダイヤフラムの共振周波数を可聴域より高くし、かつダイヤフラムの耐圧を保つように設計すると、上述の金属ガラスの材料特性から、ＳＮＲを悪化させずに、ダイヤフラムの直径を大幅に小さくでき、ダイの小形化が可能である。ダイヤフラムが小さくなると、静電容量が小さくなるが、同一ダイの上に読み出し回路を形成することによって、寄生容量も下げることができるため問題ない。

【0018】

前述の設計によれば、ダイヤフラムが大幅に小さくなることから、同一ダイに複数のダイヤフラムを搭載することが可能になり、同じ大きさのダイを用いてＳＮＲの向上が可能である。また、本発明による圧力センサを超音波センサとして用いるとき、複数のダイヤフラムによってフェーズドアレイを構成できる。

【0019】

以上のように、本発明によれば、高性能な特性を有するマイクロフォン及びその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】本発明の実施形態に係る圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である。

【図2】本発明の実施形態に係るマイクロフォンを構成するダイヤフラムを示す図であり、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3A】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp１を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3B】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp２を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3C】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp３を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3D】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp４を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3E】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp５を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3F】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp６を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図3G】本発明の実施形態に係るマイクロフォンの製造方法に関するＳｔｅp７を示し、上段に平面図を、下段に断面図を示す。

【図4】本発明の実施形態に係る圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である。

【図5】本発明の実施形態に係る、図４とは異なる圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である

【図6】実施例に関し、ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスのＡＦＭ像である。

【図7】実施例に関し、ＺｒＣｕＡｌＮｉ金属ガラスのＡＦＭ像である。

【図8】実施例に関し、金属ガラス製ダイヤフラムをＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ５により作製する方法を示す図である。

【図9】実施例に関し、図８とは異なる金属ガラス製ダイヤフラムをＳｔｅｐ１〜Ｓｔｅｐ５により作製する方法を示す図である。

【図10】実施例で作製したダイヤフラムのＳＥＭ像である。

【図11】ダイヤフラムのバリエーションを示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明を実施するための形態として、圧力センサがマイクロフォンである場合を想定して図面を参照しながら説明する。図示した形態は本発明を実施するための最良の形態の一つであって、本発明の範囲において適宜変更したものも含まれる。圧力センサがマイクロフォンである場合のみならず、気圧センサ、超音波センサの場合でも適用することができる。

【0022】

［基本的な構造とその製造方法］
図１は、本発明の実施形態に係る圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である。本発明の実施形態に係るマイクロフォン１０は、図１に示すように、円筒形の支持枠１１に、金属ガラスからなるダイヤフラム１２と、対向電極１３とを備える。支持枠１１はキャビティ１１ａを備え、対向電極１３は複数のパーフォレーションホール１３ａを備える。図１に示す形態では、ダイヤフラム１２と対向電極１３とが対向しており、ダイヤフラム１２の音圧による変位を静電容量として計測し、図示しない読み取り回路により電圧に変換する。

【0023】

本発明の実施形態では、ダイヤフラム１２を金属ガラス膜で構成する。ここで、金属ガラスでダイヤフラムを構成することで、感度が良くなることを材料力学に基づいて説明する。

【0024】

面積Ａを有するダイヤフラム１２と対向電極１３とで構成される隙間ｄの静電容量Ｃは、ε_ｏを空気の誘電率として式１で記述される。ここで、ダイヤフラム１２及び対向電極１３との間にＤＣ電圧Ｖ_ＤＣを印加すると、静電力によって間隔ｄがｘ_ＤＣだけ小さくなり、そのときの静電容量Ｃ_０は式２で記述される。また、そのときに蓄積される電荷Ｑ_ＤＣは式３で記述される。

【数1】

【数2】

【数3】

音圧がダイヤフラム１２に到達し、それによってダイヤフラム１２がｘ_ＡＣの変位で振動すると、ダイヤフラム１２の変位ｘは式４で記述され、
そのとき生じる電圧Ｖ_ＡＣは式５で記述される。マイクロフォン１０の出力電流はインピーダンスＺ_Ｉとすると、式６の電流Ｉ_ＡＣで示される。

【数4】

【数5】

【数6】

【0025】

一方、ダイヤフラム１２に圧力Ｐを印加したときの変形は材料力学の式によって見積もることができ、中心から距離ｒの位置での変位ｘ（ｒ）は、ａ、ｔをそれぞれダイヤフラム１２の半径、厚さとして、式７で記述される。ここでＤはダイヤフラム１２の曲げ剛性であり、式８で記述される。Ｅはダイヤフラム１２の材料のヤング率、νはダイヤフラム１２の材料のポアソン比である。平均的な変位ｘは式９で求まる。

【数7】

【数8】

【数9】

ただし、ｘ_ｐはダイヤフラム１２の中心（ｒ＝０）での変位（最大変位）である。

【0026】

よって、式６と式９とから、式１０に示す関係が得られる。

【数10】

この式から、寸法が同じであれば、出力電流はダイヤフラム１２の材料のヤング率Ｅにおおよそ反比例することがわかる。つまり、感度はダイヤフラム１２の材料のヤング率Ｅにおおよそ反比例する。

【0027】

マイクロフォンの相対的な感度について、ダイヤフラム１２の材料がポリシリコン、金属ガラスとしてＰｄＳｉＣｕとＺｒＣｕＡｌＮｉである場合を比較したのが表１である。なお、ポリシリコンのデータ（＊）は非特許文献９から引用している。金属ガラスのデータ（＊＊）は非特許文献１０から引用している。

【0028】

【表1】

【0029】

表１から、相対感度（（１−ν^２）／Ｅ）は、ポリシリコンを金属ガラスに置き換えることにより、大雑把に約２倍になることが分かる。

【0030】

ダイヤフラム１２は過大圧力や衝撃に耐える必要があるため、ダイヤフラム１２の機械強度も重要である。表２に、ポリシリコン、金属ガラスとしてＰｄＳｉＣｕとＺｒＣｕＡｌＮｉの引張強度を示す。なお、ポリシリコンのデータ（＊）は非特許文献９から引用している。金属ガラスのデータ（＊＊）は非特許文献１０から引用している。

【表2】

【0031】

金属ガラスは、ポリシリコンと同じか又はそれ以上の引張強度を有する。さらに重要なことに、金属ガラスは延性材料であり、脆性材料であるポリシリコンと比べて衝撃や応力集中で破壊しにくい。したがって、ダイヤフラム１２の材料をポリシリコンから金属ガラスに変更することで、信頼性を保ちつつ、ダイヤフラム１２を薄くできると考えられる。あるいは、同じダイヤフラム厚さであれば、信頼性を高くできる。

【0032】

次に、ダイヤフラム１２の周波数特性について検討する。ダイヤフラム１２の一次曲げ共振角振動数ω₀は式１１で与えられ、ｋ_１はダイヤフラム１２の等価ばね定数、ｍは等価質量、ρは密度である。

【数11】

ただし、

【数12】

これから、寸法が同じ場合、金属ガラス製ダイヤフラムに対するポリシリコン製ダイヤフラムの共振周波数の比は、式１３で表される。

【数13】

【0033】

表３は、ポリシリコン、金属ガラスとしてＰｄＳｉＣｕとＺｒＣｕＡｌＮｉについての密度、相対感度（（１−ν^２）／Ｅ）、共振周波数比を示す。なお、金属ガラスのデータ（＊＊）は非特許文献１０から引用している。

【0034】

【表3】

【0035】

表３から、同じ寸法でダイヤフラムを作製すると、金属ガラス製はポリシリコン製と比べて、圧力センサとしての感度がおおよそ２倍になるものの、共振周波数が１／２から１／３に下がる。圧力センサをマイクロフォンとして用いる場合、設計によっては共振周波数が音声周波数内に入ってきて問題になる可能性がある。したがって、金属ガラスを用いてマイクロフォンのダイヤフラムを作製する際には、材料特性に応じて寸法を最適設計しなくてはならない。式７と式８と式１１から分かるように、ダイヤフラムの共振周波数を保ったまま、厚さをＸ倍にすると、それに応じてダイヤフラムの半径ａが√Ｘ倍に変化し、相対的な感度は１／Ｘ倍になる。このことから、ダイヤフラムを薄くし、それに合わせてダイヤフラムを小さくすれば、感度を向上できることがわかる。ただし、ダイヤフラムが薄くなっても十分な耐圧が確保できる必要がある。

【0036】

ここで、Ｚｒ_５３Ｔｉ５Ｃｕ_２０Ｎｉ_１２Ａｌ_１０金属ガラス製ダイヤフラムを想定し、材料力学に基づいて具体的な設計を行うと、ポリシリコン製ダイヤフラムに比べて厚さを０．３３倍、直径を０．３９倍にすれば、おおよそ同じ共振周波数と耐圧が得られる。このとき、相対的な感度はポリシリコン製のそれと比べてほぼ同じ（１．０３倍）になる。一方、ダイヤフラムの面積はおおよそ０．１５倍になり、感度を保ったままダイの大幅な小型化が可能である。

【0037】

上述の設計では、ダイヤフラムが大幅に小さくなるので、同一ダイの上に複数のダイヤフラムを搭載することが可能になるが、マトリックス状にＭ行×Ｎ列のダイヤフラムを同一のダイに配置することも可能になり、例えば２行×４列のダイヤフラムを同一ダイの上に配すると、ダイの面積はおおよそ２０％しか増えないのに対して、感度は８倍以上に向上する。また、本発明による圧力センサを超音波センサとして用いる場合、複数のダイヤフラムを用いてフェーズドアレイを構成することが可能であり、超音波による物体の距離と方向が測定できる。

【0038】

さらに、本発明によれば、ダイヤフラムの厚さをダイヤフラム内で変化させ、たとえば、蜂巣状、格子状、放射状、同心円状、あるいはそれらの組み合わせ形状に厚い部分を配置させ、共振周波数と機械的強度を高く保ちつつ、感度を向上できる。

【0039】

図２は、本発明の実施形態に係るマイクロフォン２０を構成するダイヤフラム２１を示す図であり、上段に平面図を、下段に断面図を示す。マイクロフォン２０は、ＭＥＭＳダイ２２を備え、キャビティ２３を有する基板２４と、基板２４上に複数のパーフォレーションホール２５を有する対向電極２６と、ダイヤフラム２１とを備え、少なくともダイヤフラム２１と対向電極２６とが絶縁されている。ダイヤフラム２１は、厚い部分２１ａが蜂巣状に配置されており、薄い部分２１ｂを区画している。パーフォレーションホール２５と厚い部分２１ａとが対向するようにしてもよいし、厚い部分がダイヤフラム２１の反対側に形成されていてもよい。これにより、ダイヤフラム２１を金属ガラスで形成しても、確実に強度を持たせることができる。

【0040】

ダイヤフラムの剛性、またそれと関係する共振周波数は、ダイヤフラムの応力によっても変化する。したがって、ダイヤフラムの特性を制御するパラメータの１つに応力がある。上記の共振周波数低下の問題を解決する方法の一つに、金属ガラス製のダイヤフラムにおける共振周波数が、Ｓｉ製のダイヤフラムにおける共振周波数と同程度になるように、ダイヤフラムの応力を引張にする方法がある。ダイヤフラムが引っ張られていることにより、共振周波数が高くなるが、０〜５００ＭＰａの引張応力が好ましい。引張応力とすることで、ダイヤフラムが破壊しやすくなるという問題があるが、この範囲の引張応力であれば、金属ガラスの優れた機械特性によって解決できる。

【0041】

図３Ａ乃至図３Ｇは、本発明の実施形態に係るマイクロフォン３０の製造方法を示す図である。図３Ａ乃至図３Ｇでは、それぞれ上段に平面図を、下段にＡ−Ａ線に沿った断面図を示している。
Ｓｔｅｐ１として、対向電極となる層（「対向電極層」と呼ぶ。）３１ｃを有する基板３１を用意する。具体的には、図３Ａに示すように、Ｓｉ基板３１ａ上にＳｉＯ_２層３１ｂを有しさらにＳｉＯ_２層３１ｂ上にＳｉ半導体層３１ｃを有するＳＯＩ基板３１を用意する。
Ｓｔｅｐ２として、対向電極層３１ｃに複数のホール（パーフォレーションホール）３２を設ける。具体的には、図３Ｂに示すように、ＳＯＩ基板３１の表面のＳｉ半導体層３１ｃに複数のホール（パーフォレーションホール）３２をエッチングによって設ける。また、Ｓｉ半導体層３１ｃ各隅の部分を矩形状にエッチングし、ＳｉＯ_２層３１ｂを露出させている。
Ｓｔｅｐ３として、ホール３２を埋めると共に対向電極層３１ｃ上に犠牲層３３を設ける。具体的には、図３Ｃに示すように、ホール３２を埋めると共にＳｉ半導体層３１ｃ上に樹脂（フォトレジスト）の犠牲層３３を設ける。必要に応じて、リフローによって樹脂の表面を平坦化する。
Ｓｔｅｐ４として、対向電極層３１ｃの一部及び犠牲層３３上に金属ガラスを層状に設ける。具体的には、図３Ｄに示すように、Ｓｉ半導体層３１ｃの一部及び犠牲層３３上に金属ガラス層３４を設ける。ここで、金属ガラスはスパッタ法で成膜できる。金属ガラス層３４の一部はＳｉＯ_２層３１ｂ上に設けられて支持部３４ａとなる。ダイヤフラムの厚さを場所によって変える場合には、既設の金属ガラス上にフォトレジストをパターニングし、その上に金属ガラスをスパッタ法で成膜してリフトオフする。
次に、対向電極、犠牲層３３、金属ガラス層２４を、基板３１の裏面エッチングによって基板３１からリリースする。
具体的には、Ｓｔｅｐ５として、図３Ｅに示すように、ＳＯＩ基板３１の裏側のＳｉ基板３１ａの一部をエッチングによって取り除き、キャビティの一部３５ａを構成する。
Ｓｔｅｐ６として、図３Ｆに示すように、Ｓｉ半導体層３１ｃの裏面側まで基板３１を取り除き、キャビティ３５を形成する。
Ｓｔｅｐ７として、図３Ｇに示すように、犠牲層３３を酸素アッシング、有機溶媒によるエッチング、あるいは原子状水素エッチングによって取り除き、ダイヤフラム３６をリリースする。

【0042】

この一連のプロセスは、高温プロセスを用いておらず低温成膜プロセスであるため、容易にマイクロフォン上に回路を集積化できる。

【0043】

金属ガラスとしては、前述では、ＰｄＳｉＣｕとＺｒＣｕＡｌＮｉの場合を例にあげたが、Ｚｒ系金属ガラス、Ｐｄ系金属ガラス、Ｐｔ系金属ガラス、Ａｕ系金属ガラス、Ｆｅ系金属ガラス、Ｎｉ系金属ガラス、Ｍｇ系金属ガラス、Ｃｏ系金属ガラス、Ｃｕ系金属ガラスの何れかであってもよい。
Ｚｒ系金属ガラスとして、Ｚｒ_５３Ｔｉ_５Ｃｕ_２０Ｎｉ_１２Ａｌ_１０、Ｚｒ_５５Ｃｕ_３
０Ａｌ_１０Ｎｉ_５、Ｚｒ_７５Ｃｕ_１９Ａｌ_６などがあり、
Ｐｄ系金属ガラスとして、Ｐｄ_４０Ｎｉ_１０Ｃｕ_３０Ｐ_２０、Ｐｄ_７８Ｃｕ_６Ｓｉ_１６
などがあり、
Ｐｔ系金属ガラスとして、Ｐｔ_５８Ｃｕ_１５Ｎｉ_５Ｐ_２３などがあり、
Ａｕ系金属ガラスとして、Ａｕ_４９Ａｇ_６Ｐｄ_２Ｃｕ_２７Ｓｉ_１６などがあり、
Ｆｅ系金属ガラスとして、Ｆｅ_７６Ｓｉ_９Ｂ_１０Ｐ_５などがあり、
Ｎｉ系金属ガラスとして、Ｎｉ_６０Ｎｂ_１５Ｔｉ_２０Ｚｒ_５などがあり、
Ｍｇ系金属ガラスとして、Ｍｇ_５７Ｃｕ_３４Ｎｄ_９、Ｍｇ_６４Ｎｉ_２１Ｎｄ_１５などが
あり、
Ｃｏ系金属ガラスとして、Ｃｏ_５６Ｔａ_９Ｂ_３５などがあり、
Ｃｕ系金属ガラスとして、Ｃｕ_５０Ｚｒ_５０、Ｃｕ_５０Ｚｒ_４５Ａｌ_５などがある。
これらの金属ガラスはスパッタリング法で膜状に作製できる。

【0044】

金属ガラスがＺｒを主元素とするとよい。これは、引張強度が高く、密度が小さく、機械特性に優れるだけではなく、Ｐｄ、Ａｕ、Ｐｔを主成分とする金属ガラスと比べ、原材料を安価に入手でき、製造コストを削減するからである。また、磁性がないため、磁気ノイズの影響を受けない。Ｃｏ系の金属ガラスとＣｕ系金属ガラスは密度に対する強度（比強度）が大きく、前者は特に大きい。

【0045】

［具体的な実施形態］
図４は、本発明の実施形態に係る圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である。本発明の具体的な圧力センサとしてのマイクロフォン４０は、パッケージのベース４１の上に、ダイ４２を搭載して構成されている。ダイ４２は、対向電極４３と、ＭＥＭＳ構造を有し金属ガラスで構成したダイヤフラム４４とを備える。ダイ４２は読み出し回路４５を備える。ダイ４２上のダイヤフラム４４は読み出し回路４５に接続され、読み出し回路４５は、ワイヤボンディングなどの配線４６によりベース４１に接続されている。

【0046】

よって、音波がダイヤフラム４４に到達して、ダイヤフラム４４が変位し、その変位により生じる静電容量変化を読み出し回路４５で読み出すことができる。

【0047】

図５は、図４とは異なる本発明の実施形態に係る具体的な圧力センサとしてのマイクロフォンの構成を示す図である。圧力センサとしてのマイクロフォン５０は、パッケージのベース５１の上に、ダイ５２を搭載して構成されている。ベース５１にはサウンドホール５１ａが形成されている。ダイ５２は、対向電極５３と、ＭＥＭＳ構造を有し金属ガラスで構成したダイヤグラム５４とを備える。ダイ５２は読み出し回路５５を備える。ダイヤフラム５４の振動信号は読み出し回路５５に出力される。図５においては、配線５１ｂがベース５１上に形成されており、バンプ５６が配線５１ｂに搭載され、各バンプ５６がダイヤフラム５４、読み出し回路５５に接続されている。必要に応じて、パッケージのベース５１とダイ５２との間の隙間を樹脂などの封止材５７で封じ、音圧が漏れないようにする。
以下、実施例によりさらに具体的に説明する。

【実施例】

【0048】

先ず、ＭＥＭＳマイクロフォン用の新しい材料として、ＰｄＣｕＳｉとＺｒＣｕＡｌＮｉを選択した。金属ガラス膜がスパッタリング法によって堆積できることは従来から知られていたが、ＭＥＭＳ材料としては一般的ではない上、膜応力制御が容易ではなく、０応力から適切な引張応力に膜応力を精密制御しなくてはならないＭＥＭＳマイクロフォンに適用するという発想はなく、その可能性も示されていなかった。本発明者らは、基礎検討を行い、スパッタリング法によって成膜した金属ガラスがＭＥＭＳマイクロフォンに適用できることを見出した。

【0049】

ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスを次の条件でスパッタリング法により堆積した。スパッタリングにおいて、高周波電力を１００Ｗとし、Ａｒガス流量を１０ｓｃｃｍとし、堆積圧力を１.３４Ｐａとし、堆積時間を５０分とし、１サイクルを３００秒とし、クールダウン時間を３００秒とした。基板の回転速度を２０ｒｐｍとした。ＰｄＣｕＳｉ金属ガラスの堆積速度は１６．６ｎｍ／分であった。その後、３５０℃乃至４１０℃でアニーリングを行い、膜応力を上記の範囲に調整した。

【0050】

図６はＰｄＣｕＳｉ金属ガラスのＡＦＭ像である。この像から、表面粗さＲａは０．１ｎｍ程度であり、十分平滑な金属ガラス薄膜が形成されていることが分かった。

【0051】

ＺｒＣｕＡｌＮｉ金属ガラスを次の条件でスパッタリング法により堆積した。スパッタリングにおいて、高周波電力を１００Ｗとし、Ａｒガス流量を１５ｓｃｃｍとし、堆積圧力を０．４Ｐａとし、堆積時間を６０分とし、１サイクルを３００秒とし、クールダウン時間を３００秒とした。基板は回転させなかった。ＺｒＣｕＡｌＮｉ金属ガラスの堆積速度は１１．８３ｎｍ／分であった。その後、４００℃乃至４８０℃でアニーリングを行い、膜応力を上記の範囲に調整した。

【0052】

図７はＺｒＣｕＡｌＮｉ金属ガラスのＡＦＭ像である。この像から、表面粗さＲａは０
．２ｎｍ程度であり、十分平滑な金属ガラス薄膜が形成されていることが分かった。

【0053】

次に、ＭＥＭＳマイクロフォン構造の試験のために、金属ガラス製ダイヤフラムを次の要領で試作した。図８は、実施例としての金属ガラス製ダイヤフラムの作製方法を示す図である。

【0054】

Ｓｔｅｐ１として、Ｓｉ基板６１上に犠牲層としてフォトレジト６２を堆積し、パターニングした。
Ｓｔｅｐ２として、加熱してフォトレジスト６２をリフローした。
Ｓｔｅｐ３として、金属ガラス膜６３を堆積し、基板裏面にマスク６４をパターニングした。ダイヤフラムの厚さを場所によって変化させる場合、この上にパターニングされた金属ガラス膜をフォトレジストを用いたリフトオフ法によって形成する。
Ｓｔｅｐ４として、基板６１のＳｉをエッチングし、キャビティ６５を構成した。
Ｓｔｅｐ５として、酸素アッシング又はアセトンにより、犠牲層としてのフォトレジスト６２及びマスク６４を除去した。

【0055】

図９は、実施例としての金属ガラス製ダイヤフラムの別の試作方法を示す図である。
Ｓｔｅｐ１として、Ｓｉ基板７１の両面を酸化してＳｉＯ_２層７２，７３とし、一方の面のＳｉＯ_２層７２をパターニングした。
Ｓｔｅｐ２として、ＳｉＯ_２層７２を設けた側のホールにフォトレジスト７４を設けるようパターニングし、リフローした。
Ｓｔｅｐ３として、スパッタリング法によって金属ガラス膜７５を堆積した。
Ｓｔｅｐ４として、バックサイド側のＳｉＯ_２層７３をパターニングした。
Ｓｔｅｐ５として、Ｓｉ基板７１の一部を、ＫＯＨによりエッチングし、キャビティ７６を形成し、フォトレジスト７４を除去した。

【0056】

図１０は実施例で作製したダイヤフラムのＳＥＭ像である。ダイヤフラムが設計通り作製されていることが分かった。また、空気ノズルで圧力流を加えても破損せず、ダイヤフラムは高い機械的強度を有していることを確認した。

【0057】

以上、本発明の実施形態及び実施例について圧力センサとしてマイクロフォンを例にとって説明したが、空圧センサや超音波センサなどの圧力センサにおいても適用することができる。特に微弱な圧力をダイヤフラムの変位で測定するには、ダイヤフラムが変形し易いことと、機械強度を維持することが、ダイヤフラムを金属ガラスで構成したことにより達成される。本発明の実施形態は上述した事項に限定されることなく、例えば次のようにしてもよい。
図示したダイヤフラムは、バックプレート（対向電極）の後ろ側に配置されているが、ダイヤフラムと対向電極の上下の位置関係は逆でも良い。
ダイヤフラムの枠体への固定は、一か所でも複数箇所でもよく、ダイヤフラムの周縁部を周状に固定してもよい。
ダイヤフラムは、一様な厚みであっても、図２に示すように部分的に厚い部位を設けてもよい。さらには、図１１に示すように、ダイヤフラム６０，７０，８０にスリット６１，７１，８１を設けて、ダイヤフラムを２分割、３分割、４分割又はそれ以上に分割してもよい。その場合、ダイヤフラムは片持ち式で保持される。また、ダイヤフラムは、平面視で、円形、矩形等の各種形状を有するようにしてもよい。

【符号の説明】

【0058】

１０：マイクロフォン
１１：支持枠
１２：ダイヤフラム
１３：対向電極
１３ａ：パーフォレーションホール
２０：マイクロフォン
２１：ダイヤフラム
２２：ＭＥＭＳダイ
２３：キャビティ
２４：基板
２５：パーフォレーションホール
２６：対向電極
２１ａ：厚い部分
２１ｂ：薄い部分
３０：マイクロフォン
３１：基板（ＳＯＩ基板）
３１ａ：基板
３１ｂ：ＳｉＯ_２層
３１ｃ：対向電極層（半導体層）
３２：ホール（パーフォレーションホール）
３３：犠牲層
３４：金属ガラス層
３４ａ：支持部
３５：キャビティ
３５ａ：キャビティの一部
３６：ダイヤフラム
４０：マイクロフォン
４１：パッケージのベース
４２：ダイ
４３：対向電極
４４：ダイヤフラム
４５：読み出し回路
４６：配線
５０：マイクロフォン
５１：パッケージのベース
５１ａ：サウンドホール
５１ｂ：配線
５２：ダイ
５３：対向電極
５４：ダイヤフラム
５５：読み出し回路
５６：バンプ
５７：封止材（樹脂）
６０，７０，８０：ダイヤフラム
６１，７１，８１：スリット

【要約】

【課題】高性能な特性を有する圧力センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】圧力センサとしてのマイクロフォン２０は、金属ガラスからなるダイヤフラム２１を備える。好ましくは、ダイヤフラム２１と対向するように電極２５を備え、ダイヤフラム２１と電極２５とで静電容量を形成するようにするとよい。ダイヤフラム２１が金属ガラスからなることにより、圧力の変形に耐えて機械強度が向上する。ダイヤフラム２１は、厚い部分２１ａと薄い部分２１ｂとを有することにより機械強度を増しても良いし、ダイヤフラム２１の引張強度が調整されることで、所定の共振周波数を有するようにしても良い。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図3C】

【図3D】

【図3E】

【図3F】

【図3G】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】