JP2011182299A - Mems transducer and method for manufacturing the same - Google Patents

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正浩 杉浦
Hironori Sato
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce manufacturing cost by enhancing the flexibility of design of a Q-value and sound pressure in an ultrasonic conversion device configured as an MEMS. <P>SOLUTION: An ultrasonic conversion device configured of an MEMS is provided with an ultrasonic element for generating ultrasonic vibration, a barrier formed integrally with the ultrasonic element, a first substrate formed with holes with the barrier as a bottom, and a closing member jointed to the face with the openings of the holes of the first substrate and formed, with recessed parts or projecting parts in a region where the openings of the holes are closed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

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。   The present invention relates to a MEMS transducer (Micro Electro Mechanical Systems) and a manufacturing method thereof.

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。   Conventionally, an ultrasonic transducer is known as a MEMS transducer that generates sound with high directivity by vibrating a diaphragm at two frequencies in the ultrasonic range. A structure for preventing backward sound leakage is provided behind the diaphragm of the ultrasonic transducer (see Patent Document 1). The volume and shape of the cavity formed between such a structure and the diaphragm affect the magnitude and Q value of the sound pressure generated by the ultrasonic transducer.

特開2008−20429号公報JP 2008-20429 A

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。   In such a MEMS transducer, the design freedom of the cavity formed behind the diaphragm is governed by the thickness of the wafer. Specifically, for example, when a silicon wafer is anisotropically etched to form a straight hole with the diaphragm as the bottom, and the cavity is formed by closing the opening of the straight hole with a package substrate, the volume of the cavity Is substantially determined by the thickness of the wafer and the opening area of the straight hole. However, the options for wafer thickness supplied to the market are limited. In particular, when the Q value becomes excessive due to the thickness of the wafer, there arises a problem that the efficiency decreases due to nonlinear absorption of sound waves, and the sound pressures of ultrasonic waves having different frequencies cannot be made uniform.

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。   Further, in the MEMS transducer, the cavity behind the diaphragm is configured by closing the opening of the hole in a process after dicing. However, in the process after dicing, the process cost per product increases and the manufacturing tolerance also increases.

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。   An object of the present invention is to increase the design freedom of the Q value and sound pressure in a MEMS transducer and reduce the manufacturing cost.

(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。
(1) A MEMS transducer for achieving the object includes a substrate on which a non-through hole having an opening on a main surface, a piezoelectric conversion unit coupled to a bottom portion of the non-through hole, and the main surface of the substrate And a closing member having a recess or a protrusion formed in a region closing the opening.
According to the present invention, the volume and shape of the cavity behind the diaphragm can be adjusted by the concave portion or the convex portion formed in the closing member. Therefore, according to the present invention, the degree of freedom in designing the cavity behind the diaphragm can be increased, thereby increasing the degree of freedom in designing the Q value and the sound pressure.

(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。
(2) In the MEMS transducer for achieving the above object, the closing member includes an inorganic substrate bonded to the substrate and a photosensitive resin film bonded to the inorganic substrate, and is formed from the photosensitive resin film. The convex portion may be formed in a region closing the opening.
In this case, since the convex portion made of the photosensitive resin film can be formed by forming the photosensitive resin film in the wafer process, exposure and development, a cavity having a predetermined shape and volume can be accurately formed at a low cost behind the diaphragm. Can do.

(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。
(3) A method for manufacturing a MEMS transducer for achieving the object includes a step of preparing a first substrate, a step of forming a non-through hole in a main surface of the first substrate, and the main substrate of the first substrate. Forming a piezoelectric conversion portion on the non-through hole on the back surface of the surface, preparing a second substrate, forming a concave or convex portion on the main surface of the second substrate, and the non-through hole Joining the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate so that the bottom of the substrate and the concave portion or the convex portion face each other.
According to the present invention, the degree of freedom in designing the cavity behind the diaphragm can be increased, thereby increasing the degree of freedom in designing the Q value and the sound pressure.

(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。
(4) In the method of manufacturing a MEMS transducer for achieving the above object, the second substrate is an inorganic substrate, and the concave portion or the convex portion is formed by etching the inorganic substrate using photolithography. May be.
In this case, the volume and shape of the cavity behind the diaphragm can be accurately formed.

(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。
(5) In the method of manufacturing a MEMS transducer for achieving the above object, the second substrate is an inorganic substrate, a photosensitive resin film is formed on the inorganic substrate, and the photosensitive resin film is exposed and developed. By doing so, the convex portion made of the photosensitive resin film may be formed.
In this case, the volume and shape of the cavity behind the diaphragm can be accurately formed.
In addition, the execution order of each process described in the claims is not limited to the description order, and may be performed in reverse order as long as there is no technical obstruction factor, or a plurality of processes may be performed simultaneously.

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。1A is a plan view according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B shown in FIG. 1A. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第一実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 1st embodiment of this invention. 本発明の第二実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 2nd embodiment of this invention. 本発明の第三実施形態にかかる断面図である。It is sectional drawing concerning 3rd embodiment of this invention.

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。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in the following order with reference to the accompanying drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the corresponding component in each figure, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

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。
1. First embodiment (Configuration)
FIG. 1 shows a parametric speaker 1 as a first embodiment of a MEMS transducer according to the present invention. The parametric speaker 1 is a MEMS transducer manufactured using a semiconductor manufacturing process. The parametric speaker 1 is housed in a case (not shown) and is a super-directional speaker incorporated in a voice guide device, AV equipment, IT equipment, etc. in a facility such as a museum. Used. The parametric speaker 1 includes a second substrate 160, a first substrate 10, and a piezoelectric element 11 formed on the first substrate 10 as a piezoelectric conversion unit. When an ultrasonic wave having two frequency components is transmitted by driving a plurality of diaphragms 12 formed on the first substrate 10 by a piezoelectric element 11, a sound having an extremely audible range is generated by a parametric array effect. be able to.

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。   The plurality of diaphragms 12 are portions constituting the bottoms of the plurality of holes 10 a formed in the first substrate 10. The first substrate 10 includes a relatively thick single crystal silicon layer 101, a relatively thin single crystal silicon layer 103, and an insulating layer 102 sandwiched therebetween. The thickness of the thick single crystal silicon layer 101 is, for example, 100 to 2000 μm, the thickness of the thin single crystal silicon layer 103 is, for example, 0.5 to 10 μm, and the insulating layer 102 is, for example, silicon dioxide having a thickness of 0.05 to 10 μm. To do. The diaphragm 12 is made of a thin single crystal silicon layer 103 and has a thickness of 0.5 to 100 μm. The hole 10 a penetrates the thick single crystal silicon layer 101 and the insulating layer 102. The hole 10a is a circular hole having a cross section of 10 to 10,000 μm in diameter and a straight hole having a depth of 100 to 2000 μm. The vibration end of the diaphragm 12 is determined by the cross-sectional shape of the hole 10a.

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。   A piezoelectric element 11 as a piezoelectric conversion unit is bonded to the surface of the thin single crystal silicon layer 103 of the first substrate 10 on each diaphragm 12. The piezoelectric element 11 drives each of the plurality of diaphragms 12 in the same phase. The piezoelectric element 11 includes a lower electrode layer 111, an upper electrode layer 113, and a piezoelectric layer 112 sandwiched therebetween. The piezoelectric layer 112 has a thickness of 0.1 to 100 μm and is made of lead zirconate titanate (PZT) or the like. The lower electrode layer 111 and the upper electrode layer 113 each have a thickness of 0.05 to 10 μm, for example, and are made of platinum, gold, or the like.

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。   Lower electrode layer 111 is formed on the entire surface of thin single crystal silicon layer 103. The piezoelectric layer 112 and the upper electrode layer 113 are formed with through holes 11 b for connecting a conductive wire to the lower electrode layer 111. A through hole 11 c is formed in the piezoelectric layer 112 and the upper electrode layer 113 at a portion overlapping the central portion of the diaphragm 12. Since the first substrate 10 has a sufficient thickness at portions other than the diaphragm 12, it behaves substantially as a rigid body. Therefore, only the part of the diaphragm 12 of the first substrate 10 is bent integrally with the piezoelectric element 11. Further, only the portion of the piezoelectric element 11 that overlaps the diaphragm 12 is bent when a driving voltage is applied to the upper electrode layer 113 and the lower electrode layer 111. When the piezoelectric layer 112 contracts in the in-plane direction, each of the diaphragms 12 is deformed so that the central portion rises toward the piezoelectric element 11 side. When the piezoelectric layer 112 expands in the in-plane direction, each of the diaphragms 12 is deformed so that the center portion rises toward the hole 10a. Therefore, when ultrasonic vibration is generated in the piezoelectric element 11, the ultrasonic wave is transmitted from the diaphragm 12 that vibrates integrally with the piezoelectric element 11.

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。   The main surface of the second substrate 160 is joined to the surface (main surface) in which the opening of the hole 10a of the first substrate 10 is formed, and the opening of the hole 10a is airtightly closed. The second substrate 160 and the first substrate 10 may be joined via an adhesive layer 150 made of polyimide or an epoxy resin material, or may be joined directly. The second substrate 160 is made of an inorganic material such as single crystal silicon, glass, ceramics.

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。   Convex portions 161 are respectively formed in regions that block the openings of the plurality of holes 10 a on the main surface of the second substrate 160. The convex portion 161 protrudes inside the hole 10a and narrows the cavity C formed by the hole 10a. By adjusting the shape of the convex portion 161, the volume and shape of the cavity C can be adjusted. Specifically, by projecting the convex portion 161 to the inside of the hole 10a, depending on the cross section of the hole 10a and the thickness of the first substrate 10 (specifically, the thickness of the thick single crystal silicon layer 101 and the insulating layer 102). The volume of the cavity C can be reduced more than the determined volume. When the volume of the cavity C is reduced, the Q value decreases, and as a result, it becomes easy to drive the diaphragm 12 so that the sound pressures of the ultrasonic waves of two frequencies are equal.

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。   The parametric speaker 1 configured as described above operates as follows. When a driving voltage of a modulated wave obtained by amplitude-modulating an ultrasonic wave carrier wave with an audible sound wave is applied to the lower electrode layer 111 and the upper electrode layer 113 of the piezoelectric element 16 via a lead wire (not shown), the piezoelectric element 16 vibrates integrally. The modulated ultrasonic wave is transmitted from the diaphragm 12, and an audible sound is generated by the parametric array effect in a narrow range near the vibration axis of the diaphragm 12 due to the strong directivity of the ultrasonic wave. The parametric array effect is a phenomenon in which an audible aerial sound source corresponding to the original sound wave is continuously generated in a linear region near the vibration axis by self-demodulation due to nonlinearity of sound waves. Due to such a parametric array effect, even a relatively small parametric speaker 1 has a very strong directivity and a practical sound pressure of audible sound can be obtained. Note that two ultrasonic waves having a frequency difference corresponding to an audio wave in the audible range may be transmitted from the diaphragm 12, and the audio wave in the audible range may be demodulated by a beating phenomenon generated between the two ultrasonic waves. In this case, it is necessary to vibrate two or more diaphragms 12 at different frequencies by the two piezoelectric elements 16 to which drive voltages can be input independently.

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。   The Q value and sound pressure of the parametric speaker 1 correlate with the volume and shape of the cavity C formed behind the diaphragm 12. According to the present embodiment, the Q value and the sound pressure are adjusted independently from the thickness of the first substrate 10 and the area and shape of the diaphragm 12 by adjusting the volume and shape of the convex portion 161 of the second substrate 160. Can do.

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。
Next, a method for manufacturing the parametric speaker 1 will be described with reference to FIGS.
First, an SOI (Silicon On Insulator) wafer to be the first substrate 10 is prepared, and a lower electrode layer 111, a piezoelectric layer 112, and an upper electrode layer 113 are sequentially formed on the surface of the thin single crystal silicon layer 103 as shown in FIG. To do. The lower electrode layer 111 and the upper electrode layer 113 are formed, for example, by stacking platinum by a sputtering method. The piezoelectric layer 112 is formed, for example, by laminating lead zirconate titanate by sputtering.

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。   Next, as shown in FIG. 3, a pattern of a protective film R1 made of a photoresist is formed on the surface of the upper electrode layer 113, and the upper electrode layer 113 and the piezoelectric layer 112 are etched by ion milling using the protective film R1. At this time, the etching depth of the piezoelectric layer 112 is controlled so that the lower electrode layer 111 is not exposed.

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。   Next, as shown in FIG. 4, the side wall of the piezoelectric layer 112 formed by ion milling in the previous step is covered, and the protective layer is made of a photoresist opened in the central portion of the diaphragm 12 and the conductive wire connection region of the lower electrode layer 111. A pattern of the film R2 is formed on the surface of the upper electrode layer 113. Subsequently, the lower electrode layer 111 is exposed by etching the piezoelectric layer 112 by wet etching using the protective film R2. Thereby, the piezoelectric element 11 is formed.

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。   Next, as shown in FIG. 5, a pattern of a protective film R3 made of a photoresist is formed on the surface (main surface) of the thick single crystal silicon layer 101 of the first substrate 10, and Deep-RIE (Reactive) using the protective film R3 is formed. A hole 10a as a non-through hole with the thin single crystal silicon layer 103 as a bottom is formed in the thick single crystal silicon layer 101 and the insulating layer 102 by Ion Etching. As a result, the diaphragm 12 made of the thin single crystal silicon layer 103 and the hole 10 a having the diaphragm 12 as a bottom are formed in the first substrate 10.

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。   Next, a wafer to be the second substrate 160 is prepared separately from the SOI wafer to be the first substrate 10, and a protective film R <b> 4 made of a photoresist is formed on the main surface of the second substrate 160. Next, as shown in FIG. 6, the protective film R4 is exposed and developed to form a pattern of the protective film R4 for leaving the convex portions 161. Subsequently, the concave surface 162 and the convex portion 161 are formed on the main surface of the second substrate 160 by etching the main surface of the second substrate 160 using the protective film R4. Etching of the second substrate 160 may be a wet process or a dry process. Thus, by forming the convex part 161 using photolithography in the wafer process before dicing, the convex part 161 with high dimensional accuracy can be formed at low cost.

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。   Next, an adhesive layer 150 made of photosensitive polyimide is formed on the surface on which the convex portion 161 and the concave portion 162 are formed in the previous step, and exposure and development are performed as shown in FIG. 7 to expose the adhesive layer from the surface of the convex portion 161. 150 is removed.

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。   Next, as shown in FIG. 8, the first substrate 10 and the second substrate 160 are bonded to each other by pressing and heating the main surface of the first substrate 10 and the main surface of the second substrate 160 through the adhesive layer 150. . As a result, the openings of the numerous holes 10a formed in the wafer of the first substrate 10 are simultaneously closed by the second substrate 160, and a cavity C is formed between each of the diaphragms 12 and the second substrate 160. The convex portion 161 of the substrate 160 and the diaphragm 12 face each other.

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。   After the above wafer process is completed, the parametric speaker 1 is completed when the first substrate 10 and the second substrate 160 are cut into individual pieces by a dicer and a subsequent process such as packaging is performed.

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。   When the cavities C are thus formed before dicing, the shapes and volumes of the cavities C are simultaneously adjusted by the protrusions 161 formed in advance on the wafer of the second substrate 160. Therefore, according to the manufacturing method described above, the cost of adjusting the volume and shape of the cavity C can be reduced independently of the thickness of the first substrate 10 and the form of the diaphragm 12.

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。
2. Second Embodiment FIG. 9 shows a parametric speaker 2 as a second embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention. As shown in FIG. 9, the volume of the cavity C behind the diaphragm 12 may be enlarged by a recess 163 formed in the second substrate 160. That is, the concave portion 163 may be formed in the second substrate 160 in a region that closes the openings of the plurality of holes 10 a formed in the first substrate 10. When the volume of the cavity C behind the diaphragm 12 is enlarged, the Q value increases. When the first substrate 10 that is thick enough to obtain an appropriate Q value cannot be prepared, the volume of the cavity C can be enlarged by the recess 163 of the second substrate 160 to optimize the Q value. Such a recess 163 can be formed by etching the second substrate 160 using photolithography as in the first embodiment.

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。
3. Third Embodiment FIG. 10 shows a parametric speaker 3 as a third embodiment of the ultrasonic transducer according to the present invention. As shown in FIG. 10, the cavity C behind the diaphragm 12 may be narrowed by coupling a convex portion 165 made of a photosensitive resin film on the second substrate 160. That is, a convex film 165 made of a photosensitive resin film may be formed by forming a photoresist film on the surface of the wafer of the second substrate 160 and exposing and developing the photoresist film. Thus, after forming the convex part 165 by a wafer process, also when joining the 2nd board | substrate 160 which the convex part 165 couple | bonded with the 1st board | substrate 10, the convex part 165 with high dimensional accuracy can be formed at low cost. it can.

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。
4). Other Embodiments The technical scope of the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the scope of the present invention. For example, the materials, dimensions, shapes, film forming methods, and pattern transfer methods shown in the above embodiment are merely examples, and descriptions of addition and deletion of processes and replacement of process order that are obvious to those skilled in the art are omitted. Has been.

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)、アルミナ(Al)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。 The diaphragm 12 may be made of an organic material such as polyimide, PVDF (PolyVinylidene DiFluoride), rubber, silicon oxide, polycrystalline silicon, ceramic (zirconia (ZrO 2 ), alumina (Al 2 O 3 ), etc.), metal You may comprise with inorganic materials, such as (Cu etc.). When the diaphragm 12 is formed of these materials, a plate material in which a layer to be the diaphragm 12 and a base layer that supports the diaphragm 12 are stacked constitutes a substrate on which non-through holes according to the present invention are formed. And the board | plate material which comprises this board | substrate may be the thing integrally formed like the SOI wafer, or the thing which joined the film | membrane material to the single crystal silicon wafer. Further, the outer peripheral form of the diaphragm 12 is not limited to a circle, but may be a rectangle, a through-hole may be formed in the diaphragm 12, or the diaphragm 12 may be a band shape. A through hole may be formed in the lower electrode layer 111 of the piezoelectric element 11 at a portion overlapping the central portion of the diaphragm 12. Further, the pattern of the upper electrode layer 113 may be changed, and the central portion of the diaphragm 12 may be driven by the piezoelectric element 11.

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。   The shapes of the convex portions 161 and 165 that narrow the cavity C and the concave portion 163 that widens the cavity C may be trapezoidal, columnar, dome-shaped, or increase the surface area. Such a shape including many irregularities may be used, or a porous shape may be used. Further, a material with high sound absorption may be used for the convex portion 165 joined to the second substrate 160. Further, the convex portion 161 and the concave portion 163 may be formed by a mechanical processing method such as sandblasting or laser processing. Further, the convex portion 165 may be formed by printing a resin material. Further, the pattern of the convex portions 161 and 165 and the concave portion 163 may be different for each diaphragm 12. Thus, the Q value and the sound pressure can be adjusted for each diaphragm 12, and the Q value and the sound pressure can be adjusted for each diaphragm 12 at a low cost. Further, by making the patterns of the convex portions 161 165 and the concave portion 163 different for each diaphragm 12, it is possible to transmit different ultrasonic waves from the plurality of diaphragms 12 using one piezoelectric element 11.

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。
Further, a through hole connecting the cavity C behind the diaphragm 12 and the external space may be formed in the second substrate 160.
The MEMS transducer according to the present invention may be applied to a sensor such as a sonar.

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 1: parametric speaker, 2: parametric speaker, 3: parametric speaker, 10: first substrate, 10a: hole, 11: piezoelectric element, 11b: through hole, 11c: through hole, 12: diaphragm, 16: piezoelectric element, 101 : Single crystal silicon layer, 102: insulating layer, 103: single crystal silicon layer, 111: lower electrode layer, 112: piezoelectric layer, 113: upper electrode layer, 150: adhesive layer, 150: adhesive layer, 160: second substrate , 161: convex portion, 162: concave portion, 163: concave portion, 165: convex portion, C: cavity, R1: protective film, R2: protective film, R3: protective film, R4: protective film

Claims (5)

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。
A substrate in which a non-through hole having an opening on a main surface is formed;
A piezoelectric transducer coupled to the bottom of the non-through hole;
A closing member bonded to the main surface of the substrate and having a recess or a protrusion formed in a region closing the opening;
A MEMS transducer comprising:
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。
The closing member includes an inorganic substrate bonded to the substrate and a photosensitive resin film bonded to the inorganic substrate,
The convex portion made of the photosensitive resin film is formed in a region closing the opening,
The MEMS transducer according to claim 1.
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。
Preparing a first substrate;
Forming a non-through hole in the main surface of the first substrate;
Forming a piezoelectric conversion part on the non-through hole on the back surface of the main surface of the first substrate;
Preparing a second substrate;
Forming a concave portion or a convex portion on the main surface of the second substrate;
Bonding the main surface of the first substrate and the main surface of the second substrate so that the bottom of the non-through hole and the concave portion or the convex portion face each other;
A method of manufacturing a MEMS transducer including:
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。
The second substrate is an inorganic substrate,
Forming the concave portion or the convex portion by etching the inorganic substrate using photolithography;
A method for manufacturing the MEMS transducer according to claim 3.
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。
The second substrate is an inorganic substrate,
Forming a photosensitive resin film on the inorganic substrate, and exposing and developing the photosensitive resin film to form the convex portion made of the photosensitive resin film;
A method for manufacturing the MEMS transducer according to claim 3.
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