JP2011182299A

JP2011182299A - Ｍｅｍｓトランスデューサとその製造方法

Info

Publication number: JP2011182299A
Application number: JP2010046414A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sugiura; 正浩杉浦; Hironori Sato; 優典佐藤
Original assignee: Yamaha Corp
Current assignee: Yamaha Corp
Priority date: 2010-03-03
Filing date: 2010-03-03
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】ＭＥＭＳとして構成される超音波変換装置においてＱ値と音圧の設計自由度を高め製造コストを低減する。
【解決手段】超音波振動を発生させる超音波素子と、前記超音波素子と一体の隔膜と、前記隔膜を底とする孔が形成された第一基板と、前記第一基板の前記孔の開口が形成された面に接合され、前記孔の開口を閉塞する領域に凹部または凸部が形成された閉塞部材と、を備え、ＭＥＭＳとして構成された超音波変換装置。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳトランスデューサ（Micro Electro Mechanical Systems）とその製造方法に関する。

従来、隔膜を超音波域の２つの周波数で振動させることによって指向性の高い音を発生させるＭＥＭＳトランスデューサとして超音波変換装置が知られている。超音波変換装置の隔膜の後方には、後方への音漏れを防止するための構造体が設けられている（特許文献１参照）。このような構造体と隔膜との間に形成される空洞の容積と形状は超音波変換装置が発生させる音圧の大きさやＱ値に影響する。

特開２００８−２０４２９号公報

このようなＭＥＭＳトランスデューサにおいて、隔膜の後方に形成される空洞の設計自由度はウエハの厚さに支配される。具体的には例えば、シリコンウエハを異方的にエッチングすることによって隔膜を底とするストレート孔を形成し、ストレート孔の開口をパッケージの基板で閉塞することによって空洞を形成する場合、空洞の容積はウエハの厚さとストレート孔の開口面積によってほぼ決まる。ところが、市場に供給されるウエハの厚さの選択肢は限定的である。特にウエハの厚みによってＱ値が過大になると、音波の非線形吸収によって効率が低下したり、異なる周波数の超音波の音圧をそろえることができなくなるという問題が生ずる。

また、ＭＥＭＳトランスデューサにおいて、隔膜後方の空洞はダイシング後の工程で孔の開口を閉塞することによって構成される。しかし、ダイシング後の工程では一製品あたりの工程コストが増大するとともに製造公差も増大する。

本発明は、ＭＥＭＳトランスデューサにおいてＱ値と音圧の設計自由度を高め製造コストを低減することを目的とする。

（１）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサは、主面に開口を有する非貫通孔が形成された基板と、前記非貫通孔の底部と結合した圧電変換部と、前記基板の前記主面に接合され、前記開口を閉塞する領域に凹部または凸部が形成された閉塞部材と、を備える。
本発明によると、閉塞部材に形成された凹部または凸部によって隔膜後方の空洞の容積と形状を調整することができる。したがって本発明によると隔膜後方の空洞の設計自由度を高め、これによりＱ値と音圧の設計自由度を高めることができる。

（２）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサにおいて、前記閉塞部材は前記基板と結合している無機質基板と前記無機質基板と結合している感光性樹脂膜とを含み、前記感光性樹脂膜からなる前記凸部が前記開口を閉塞している領域に形成されていてもよい。
この場合、感光性樹脂膜からなる凸部をウエハ工程での感光性樹脂膜の形成と露光と現像によって形成できるため、隔膜後方に所定の形状と容積の空洞を低いコストで精度よく形成することができる。

（３）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサの製造方法は、第一基板を準備する工程と、前記第一基板の主面に非貫通孔を形成する工程と、前記第一基板の前記主面の裏面の前記非貫通孔上に圧電変換部を形成する工程と、第二基板を準備する工程と、前記第二基板の主面に凹部または凸部を形成する工程と、前記非貫通孔の底部と前記凹部または前記凸部とが対向するように前記第一基板の主面と前記第二基板の主面とを接合する工程と、を含む。
本発明によると、隔膜後方の空洞の設計自由度を高め、これによりＱ値と音圧の設計自由度を高めることができる。

（４）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサの製造方法において、前記第二基板は無機質基板であって、フォトリソグラフィを用いて前記無機質基板をエッチングすることによって前記凹部または前記凸部を形成してもよい。
この場合、隔膜後方の空洞の容積と形状を精度よく形成することができる。

（５）前記目的を達成するためのＭＥＭＳトランスデューサの製造方法において、前記第二基板は無機質基板であって、前記無機質基板上に感光性樹脂膜を形成し、前記感光性樹脂膜を露光し現像することによって前記感光性樹脂膜からなる前記凸部を形成してもよい。
この場合、隔膜後方の空洞の容積と形状を精度よく形成することができる。
なお、請求項に記載された各工程の実施順序は、記載順に限定されず、技術的な阻害要因がない限りにおいて逆順に実施されても良いし、複数の工程が同時に実施されても良い。

図１Ａは本発明の第一実施形態にかかる平面図、図１Ｂは図１Ａに示す１Ｂ−１Ｂ線断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第一実施形態にかかる断面図である。本発明の第二実施形態にかかる断面図である。本発明の第三実施形態にかかる断面図である。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
（構成）
図１に本発明によるＭＥＭＳトランスデューサの第一実施形態としてのパラメトリックスピーカー１を示す。パラメトリックスピーカー１は半導体製造プロセスを用いて製造されるＭＥＭＳトランスデューサであって、図示しないケースに収容され、博物館等の施設での音声ガイド装置、ＡＶ機器、ＩＴ機器などに組み込まれる超指向性スピーカーとして用いられる。パラメトリックスピーカー１は第二基板１６０と第一基板１０と圧電変換部として第一基板１０上に形成された圧電素子１１を備えている。第一基板１０に形成された複数の隔膜１２を圧電素子１１によって駆動することによって２つの周波数成分を持つ超音波を送波すると、パラメトリックアレイ効果によって極めて指向性の高い可聴域の音を発生させることができる。

複数の隔膜１２は第一基板１０に形成された複数の孔１０ａのそれぞれの底を構成している部分である。第一基板１０は相対的に厚い単結晶珪素層１０１と相対的に薄い単結晶珪素層１０３とこれらに挟まれた絶縁層１０２とからなる。厚い単結晶珪素層１０１の厚さは例えば１００〜２０００μｍとし、薄い単結晶珪素層１０３の厚さは例えば０．５〜１０μｍとし、絶縁層１０２は例えば厚さ０．０５〜１０μｍの二酸化珪素とする。隔膜１２は薄い単結晶珪素層１０３からなり、厚さは０．５〜１００μｍとする。孔１０ａは厚い単結晶珪素層１０１と絶縁層１０２とを貫通している。孔１０ａは断面が直径１０〜１００００μｍの円形とし、深さが１００〜２０００μｍのストレート孔とする。隔膜１２の振動端は孔１０ａの断面形状によって決まる。

圧電変換部としての圧電素子１１は各隔膜１２上において第一基板１０の薄い単結晶珪素層１０３の表面に接合されている。圧電素子１１は複数の隔膜１２のそれぞれを同相で駆動する。圧電素子１１は下電極層１１１、上電極層１１３およびこれらの間に挟まれた圧電層１１２とからなる。圧電層１１２は例えば厚さ０．１〜１００μｍとしチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる。下電極層１１１、上電極層１１３はそれぞれ例えば厚さ０．０５〜１０μｍとし、白金、金などからなる。

下電極層１１１は薄い単結晶珪素層１０３の全面に形成されている。圧電層１１２と上電極層１１３には下電極層１１１に導線を接続するための通孔１１ｂが形成されている。また圧電層１１２と上電極層１１３には隔膜１２の中央部と重なる部分において通孔１１ｃが形成されている。第一基板１０は隔膜１２以外の部分においては十分な厚さを有するため実質的に剛体として振る舞う。したがって圧電素子１１と一体に撓むのは第一基板１０のうち隔膜１２の部分のみである。また上電極層１１３と下電極層１１１とに駆動電圧が印加されることによって撓むのは圧電素子１１のうち隔膜１２と重なっている部分のみである。圧電層１１２が面内方向に収縮するとそれぞれの隔膜１２は中央部が圧電素子１１側に盛り上がるように変形する。圧電層１１２が面内方向に膨張するとそれぞれの隔膜１２は中央部が孔１０ａ側に盛り上がるように変形する。したがって圧電素子１１に超音波振動を発生させると、圧電素子１１と一体に振動する隔膜１２から超音波が送波される。

第二基板１６０の主面は第一基板１０の孔１０ａの開口が形成された面（主面）に接合され、孔１０ａの開口を気密に閉塞している。第二基板１６０と第一基板１０とはポリイミドやエポキシ系の樹脂材料からなる接着層１５０を介して接合してもよいし、直接接合してもよい。第二基板１６０は単結晶珪素、ガラス、セラミックス等の無機材料からなる。

第二基板１６０の主面の複数の孔１０ａの開口を閉塞している領域にはそれぞれ凸部１６１が形成されている。凸部１６１は孔１０ａの内側に突出し、孔１０ａが構成している空洞Ｃを狭めている。凸部１６１の形状を調整することによって、空洞Ｃの容積と形状を調整することができる。具体的には凸部１６１を孔１０ａの内側に突出させることによって、孔１０ａの断面と第一基板１０の厚さ（具体的には厚い単結晶珪素層１０１と絶縁層１０２の厚さ）によって決まる容積よりも空洞Ｃの容積を縮小することができる。空洞Ｃの容積を縮小するとＱ値が下がり、その結果、２つの周波数の超音波の音圧が揃うように隔膜１２を駆動することが容易になる。

このように構成されたパラメトリックスピーカー１は次のように作動する。図示しない導線を介して圧電素子１６の下電極層１１１と上電極層１１３に超音波域の搬送波を可聴域の音声波によって振幅変調した変調波の駆動電圧を印加すると圧電素子１６と一体に振動する隔膜１２から前記変調波の超音波が送波され、超音波の強い指向性により隔膜１２の振動軸線近傍の狭い範囲においてパラメトリックアレイ効果によって可聴音が発生する。パラメトリックアレイ効果とは、音波の非線形性に起因して、自己復調によってもとの音声波に相当する可聴音の空中音源が振動軸線近傍の直線的な領域に連続的に発生する現象である。このようなパラメトリックアレイ効果によって、比較的小型のパラメトリックスピーカー１であっても指向性が極めて強く実用的な可聴音の音圧が得られる。なお、可聴域の音声波に相当する周波数差を有する２つの超音波を隔膜１２から送波させ、２つの超音波の間に生じるうなり現象により可聴域の音声波を復調してもよい。この場合、独立して駆動電圧が入力可能な２つの圧電素子１６によって２個以上の隔膜１２を互いに異なる周波数で振動させる必要がある。

パラメトリックスピーカー１のＱ値と音圧は、隔膜１２の後方に形成された空洞Ｃの容積と形状に相関する。本実施形態によると、第二基板１６０の凸部１６１の体積と形状を調整することによって、第一基板１０の厚さや隔膜１２の面積や形状から独立にＱ値と音圧の調整をすることができる。

次に図２から図８を参照しながらパラメトリックスピーカー１の製造方法を説明する。
はじめに第一基板１０となるＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用意し、薄い単結晶珪素層１０３の表面上に下電極層１１１、圧電層１１２、上電極層１１３を図２に示すように順に形成する。下電極層１１１および上電極層１１３は例えば白金をスパッタ法によって積層することによって形成する。圧電層１１２は例えばチタン酸ジルコン酸鉛をスパッタ法によって積層することによって形成する。

次に図３に示すように上電極層１１３の表面にフォトレジストからなる保護膜Ｒ１のパターンを形成し、保護膜Ｒ１を用いたイオンミリングによって上電極層１１３と圧電層１１２をエッチングする。このとき下電極層１１１を露出させない程度に圧電層１１２のエッチング深さを制御する。

次に前工程のイオンミリングによって形成された圧電層１１２の側壁を図４に示すように覆うとともに隔膜１２の中央部と下電極層１１１の導線接続領域とにおいて開口しているフォトレジストからなる保護膜Ｒ２のパターンを上電極層１１３の表面に形成する。続いて、保護膜Ｒ２を用いたウエットエッチングによって圧電層１１２をエッチングして下電極層１１１を露出させる。これにより、圧電素子１１が形成される。

次に図５に示すように第一基板１０の厚い単結晶珪素層１０１の表面（主面）にフォトレジストからなる保護膜Ｒ３のパターンを形成し、保護膜Ｒ３を用いたＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、薄い単結晶珪素層１０３を底とする非貫通孔としての孔１０ａを厚い単結晶珪素層１０１と絶縁層１０２とに形成する。これにより、薄い単結晶珪素層１０３からなる隔膜１２と隔膜１２を底とする孔１０ａが第一基板１０に形成される。

次に第一基板１０となるＳＯＩウエハとは別に第二基板１６０となるウエハを用意し、フォトレジストからなる保護膜Ｒ４を第二基板１６０の主面に形成する。続いて図６に示すように、保護膜Ｒ４を露光し現像することによって凸部１６１を残存させるための保護膜Ｒ４のパターンを形成する。続いて保護膜Ｒ４を用いて第二基板１６０の主面をエッチングすることによって第二基板１６０の主面に凹部１６２および凸部１６１を形成する。第二基板１６０のエッチングはウエットプロセスでもドライプロセスでもよい。このようにダイシング前のウエハ工程におけるフォトリソグラフィを用いて凸部１６１を形成することによって、高い寸法精度の凸部１６１を低いコストで形成することができる。

次に、前工程で凸部１６１と凹部１６２が形成された面に感光性ポリイミドからなる接着層１５０を形成し、図７に示すように露光し現像することによって凸部１６１の表面から接着層１５０を除去する。

次に図８に示すように第一基板１０の主面と第二基板１６０の主面とを接着層１５０を介して圧着し加熱することによって第一基板１０と第二基板１６０とを接合する。これにより、第一基板１０のウエハに形成された多数の孔１０ａの開口が第二基板１６０によって同時に閉塞され、それぞれの隔膜１２と第二基板１６０との間に空洞Ｃが構成され、第二基板１６０の凸部１６１と隔膜１２とが対向する。

以上のウエハ工程が終了した後に、ダイサーによって第一基板１０と第二基板１６０とを個片へと切り分け、パッケージングなどの後工程を実施するとパラメトリックスピーカー１が完成する。

このようにダイシング前に空洞Ｃを形成するとき、多数の空洞Ｃの形状と容積が第二基板１６０のウエハに予め形成された凸部１６１によって同時に調整される。したがって以上説明した製造方法によると、第一基板１０の厚さや隔膜１２の形態とは独立に空洞Ｃの容積と形状を調整するコストを低減することができる。

２．第二実施形態
図９に本発明による超音波変換装置の第二実施形態としてのパラメトリックスピーカー２を示す。図９に示すように第二基板１６０に形成する凹部１６３によって隔膜１２後方の空洞Ｃの容積を拡大してもよい。すなわち、第一基板１０に形成された複数の孔１０ａの開口を閉塞する領域において第二基板１６０に凹部１６３を形成してもよい。隔膜１２後方の空洞Ｃの容積を拡大するとＱ値が高くなる。適正なＱ値を得られる程度に厚い第一基板１０を用意できない場合には、第二基板１６０の凹部１６３によって空洞Ｃの容積を拡大してＱ値を最適化することができる。このような凹部１６３は第一実施形態と同様にフォトリソグラフィを用いて第二基板１６０をエッチングすることによって形成することができる。

３．第三実施形態
図１０に本発明による超音波変換装置の第三実施形態としてのパラメトリックスピーカー３を示す。図１０に示すように第二基板１６０上に感光性樹脂膜からなる凸部１６５を結合することによって、隔膜１２後方の空洞Ｃを狭めてもよい。すなわち、第二基板１６０のウエハの表面にフォトレジスト膜を形成し、フォトレジスト膜を露光し現像することによって感光性樹脂膜からなる凸部１６５を形成してもよい。このように凸部１６５をウエハ工程で形成した後に、凸部１６５が結合した第二基板１６０を第一基板１０と接合する場合も、寸法精度が高い凸部１６５を低いコストで形成することができる。

４．他の実施形態
尚、本発明の技術的範囲は、上述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。例えば前記実施形態で示した材質や寸法や形状や成膜方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

隔膜１２はポリイミド、ＰＶＤＦ（PolyVinylidene DiFluoride）、ゴム等の有機材料から構成してもよいし、酸化珪素、多結晶珪素、セラミック（ジルコニア（ＺｒＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）など）、金属（Ｃｕなど）等の無機材料で構成してもよい。隔膜１２をこれらの材料で形成する場合、隔膜１２となる層と隔膜１２を支える下地層とが積層された板材が本発明にかかる非貫通孔が形成される基板を構成する。そしてこの基板を構成する板材は、ＳＯＩウエハのように一体的に形成される物であっても、単結晶珪素ウエハに膜材料が接合されたものであってもよい。また隔膜１２の外周形態は円形に限らず、矩形であってもよいし、隔膜１２に通孔が形成されていてもよいし、隔膜１２が帯形状であってもよい。隔膜１２の中央部と重なる部分において圧電素子１１の下電極層１１１に通孔を形成してもよい。また上電極層１１３のパターンを変更し隔膜１２の中央部を圧電素子１１によって駆動してもよい。

空洞Ｃを狭める凸部１６１、１６５、空洞Ｃを広げる凹部１６３の形状は、台形であってもよいし、柱形であってもよいし、ドーム形であってもよいし、表面積を拡大するような多数の凹凸を含む形状であってもよいし、多孔質形状であってもよい。また第二基板１６０に接合される凸部１６５に吸音性の高い材料を用いてもよい。また凸部１６１、凹部１６３をサンドブラスト加工やレーザー加工等の機械的な加工方法によって形成してもよい。また凸部１６５を樹脂材料の印刷によって形成してもよい。また凸部１６１、１６５、凹部１６３のパターンを隔膜１２毎に異ならせてもよい。これにより隔膜１２毎にＱ値と音圧の調整をすることができるとともに、低いコストで隔膜１２毎にＱ値と音圧を調整することができる。また凸部１６１、１６５、凹部１６３のパターンを隔膜１２毎に異ならせることによって、１つの圧電素子１１を用いて複数の隔膜１２からそれぞれ異なる超音波を送波することも可能である。

また隔膜１２後方の空洞Ｃと外部空間とを接続する通孔を第二基板１６０に形成してもよい。
また本発明によるＭＥＭＳトランスデューサをソナーなどのセンサに応用してもよい。

１：パラメトリックスピーカー、２：パラメトリックスピーカー、３：パラメトリックスピーカー、１０：第一基板、１０ａ：孔、１１：圧電素子、１１ｂ：通孔、１１ｃ：通孔、１２：隔膜、１６：圧電素子、１０１：単結晶珪素層、１０２：絶縁層、１０３：単結晶珪素層、１１１：下電極層、１１２：圧電層、１１３：上電極層、１５０：接着層、１５０：接着層、１６０：第二基板、１６１：凸部、１６２：凹部、１６３：凹部、１６５：凸部、Ｃ：空洞、Ｒ１：保護膜、Ｒ２：保護膜、Ｒ３：保護膜、Ｒ４：保護膜

Claims

主面に開口を有する非貫通孔が形成された基板と、
前記非貫通孔の底部と結合した圧電変換部と、
前記基板の前記主面に接合され、前記開口を閉塞する領域に凹部または凸部が形成された閉塞部材と、
を備えるＭＥＭＳトランスデューサ。
前記閉塞部材は前記基板と結合している無機質基板と前記無機質基板と結合している感光性樹脂膜とを含み、
前記感光性樹脂膜からなる前記凸部が前記開口を閉塞している領域に形成されている、
請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサ。
第一基板を準備する工程と、
前記第一基板の主面に非貫通孔を形成する工程と、
前記第一基板の前記主面の裏面の前記非貫通孔上に圧電変換部を形成する工程と、
第二基板を準備する工程と、
前記第二基板の主面に凹部または凸部を形成する工程と、
前記非貫通孔の底部と前記凹部または前記凸部とが対向するように前記第一基板の主面と前記第二基板の主面とを接合する工程と、
を含むＭＥＭＳトランスデューサの製造方法。
前記第二基板は無機質基板であって、
フォトリソグラフィを用いて前記無機質基板をエッチングすることによって前記凹部または前記凸部を形成する、
請求項３に記載のＭＥＭＳトランスデューサの製造方法。
前記第二基板は無機質基板であって、
前記無機質基板上に感光性樹脂膜を形成し、前記感光性樹脂膜を露光し現像することによって前記感光性樹脂膜からなる前記凸部を形成する、
請求項３に記載のＭＥＭＳトランスデューサの製造方法。