JP2016516326A - マイクロアコースティック部品および製造方法 - Google Patents
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Abstract
密閉封止を可能にするカバー（ＣＡＰ）を備えており、かつ例えばカバーの配置によって改善された音響特性を有しているマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）を提示する。この部品は、機能性音響領域（ＦＡＳ）と、内側の周縁領域（ＩＲＳ）と、外側の周縁領域（ＯＲＳ）とを含んでいる。カバー（ＣＡＰ）は、機能性音響領域（ＦＡＳ）を覆っており、かつ薄膜および載置面（ＲＳ）を有している。内側の周縁領域（ＩＲＳ）は、機能性音響領域（ＦＡＳ）と音響的に結合されており、かつ載置面（ＲＳ）は、少なくとも内側の周縁領域（ＩＲＳ）の一部の上に直接的に載っている。【選択図】 図１
Description
本発明は、機能領域がキャップによって覆われているマイクロアコースティック部品、例えば電気音響活性領域を有する部品、およびそのような部品の製造方法に関する。
マイクロアコースティック部品は機能領域を含んでおり、機能領域内では音波が伝播可能である。このような部品は、例えば、電極パターンおよび圧電材料を備えた電気音響変換器を内包することができ、ＳＡＷ（ＳＡＷ＝Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ＝表面弾性波）によって、ＢＡＷ（ＢＡＷ＝Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ＝バルク弾性波）によって、またはＧＢＡＷ（ＧＢＡＷ＝Ｇｕｉｄｅｄ Ｂｕｌｋ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ＝ガイドされたバルク弾性波）によって動作することができる。このような部品はＨＦフィルタであることができ、例えばモバイル通信機器において使用することができる。
音波によって動作するＨＦフィルタの特徴的な寸法は、実質的には、凝縮物質中の音波の伝播速度および周波数によってもたらされている。１ＧＨｚの周波数および１０００ｍ／ｓの伝播速度の場合、特徴的な寸法は１μｍとなる。こうして例えばＳＡＷ部品の隣接する電極フィンガまたはＢＡＷ共振器の圧電膜厚が、１μｍの寸法における構造サイズを通じて決定される。
マイクロアコースティック部品における根本的な問題は、機能領域が外部からの影響に敏感に反応することである。したがって機能領域を覆うカバーが必要である。しかしながら従来のカバーは、製造費を上昇させ、かつ／または継続的な小型化傾向の妨げとなっている。
マイクロアコースティック部品におけるさらなる問題は、信号品質に高い要求が課される場合に、音響信号にとって最適な媒体を準備するための、労力のかかる技術的措置が必要なことである。したがって、例えばＳＡＷ部品のための措置は、導波路特性を音響軌道の様々な領域のために最適に調整することにある。その際、例えば圧電材料中または圧電材料表面での音波の伝播は、例えば媒体の密度、質量分布、媒体の弾性率、または機能領域の、つまり波が伝播する領域の幾何形状のような、多数のパラメータに依存している。
したがって本発明の課題は、カバーが部品のサイズをさほど拡大させず、かつ部品が小さな寸法にもかかわらず優れた音響特性を有している、カバーを備えたマイクロアコースティック部品を提示することである。さらにそのような部品の製造方法が提示される。
これらの課題は独立請求項によって解決される。従属請求項は、有利な形態を提示している。
部品は、機能性音響領域、および機能性音響領域を囲んでいる内側の周縁領域を含んでいる。部品はさらに、内側の周縁領域を囲んでいる外側の周縁領域、およびカバーを含んでおり、このカバーは機能性音響領域を覆い、かつ薄膜および載置面を有している。内側の周縁領域は、機能性音響領域と音響的に結合されている。載置面は、少なくとも内側の周縁領域の一部の上に直接的に載っている。
マイクロアコースティック部品は、電気音響部品とすることができ、例えば圧電基板において電磁ＨＦと音響信号とを変換するための電極パターンを備えたＢＡＷ部品、ＳＡＷ部品、またはＧＢＡＷ部品とすることができる。マイクロアコースティック部品の機能性音響領域は、音波の伝播のために設けられた領域である。通常は、部品の機能性音響領域を、部品内で完全に自由に遊動するように配置してはならない。したがって、部品の機能性音響領域は、この部品のその他の部分と結合されている。このような結合は一般的に、それを通じて音波が機能性音響領域から部品のその他の部分へと放射し得るブリッジである。この部品では、内側の周縁領域が、その他の部品と機能性音響領域との結合の少なくとも一部であり、したがって機能性音響領域と音響的に結合している。その際、外側の周縁領域は、その存在が機能性音響領域内での音波の形成にさほど影響を有さない程度に、機能性音響領域から音響的に切り離されている。機能性音響領域を覆い、かつ少なくとも１つの薄膜を含んでいるカバーは、ＴＦＰカバー（ＴＦＰ＝Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ Ｐａｃｋａｇｅ＝薄膜パッケージ）のカバーである。ＴＦＰカバーは、ほかの小型化された部品を覆うためにも使用することができる。
このカバーは、空洞内の機能性音響領域を密閉して取り囲むことができる。しかしこのカバーが、機能性音響領域を比較的大きな物体から保護し、さらに、それでも機能性音響領域の周囲の雰囲気との接触を可能にすることもできる。
カバーの載置面が少なくとも内側の周縁領域の一部の上に直接的に載っていることにより、カバーまたは少なくともカバーの下部領域が、機能性音響領域に音響的に結合している。
したがってこのマイクロアコースティック部品は、従来のマイクロアコースティック部品に対して以下の利点を有している。
カバーの載置面が従来の部品に比べ、外側の周縁領域から少なくとも部分的に内側の周縁領域へ引き寄せられており、その結果、カバーの下の機能性音響領域が配置されている空洞が、縮小されている。これにより、原理的には縮小された部品が得られる。
さらに、カバーのうち機能性音響領域と直接的には結合されていない面が縮小されている。これにより、例えば部品のモールド成形の際に発生し得るような外部からの力に対するカバーの機械的な抵抗力が改善されている。
載置面を少なくとも部分的に内側の周縁領域へ引き寄せることにより、外側の所要面積も減少している。さらに空洞が縮小されており、これがカバーの下の犠牲層の除去を容易にしている。
カバーの機能性音響領域との音響結合により、機能性音響領域内で、最適化された波動モードを得ることができる。
このための従来の措置、例えば機能性音響領域の周縁での「オーバーラップ」と呼ばれる質量分布は、廃止するかまたは簡略化することができ、これにより、より安価に製造することができる。
とりわけ、機能性音響領域と、通常は可能な限り音響領域から絶縁されているその周囲との間の複雑な相互作用にもかかわらず、カバーを完全に振動モードの改善に使用できるように形成し得ることが分かった。
これらの措置により、特徴的な厚さのカバーまたは特徴的な寸法の高さの空洞を得ることができ、その結果、部品全体の大きさは、音響特性を改善するカバーによって実質的には拡大されない。
一実施形態では、部品は、表面弾性波またはガイドされたバルク弾性波によって動作する。この場合の部品は、圧電材料上の機能性音響領域内で互いに噛み合っている電極フィンガを含んでいる。それに加えてまたはその代わりとして、部品はバルク弾性波によって動作することができ、かつこのために、下の電極面と上の電極面の間の機能性音響領域内に圧電材料を含むことができる。
機能性音響領域または機能性音響領域と境を接する領域は、音響反射器、例えば表面波の場合には縞パターン、バルク波の場合には音響ミラー層を、備えることができる。
一実施形態では、内側の周縁領域内の質量分布が、望ましくない波動モードを抑制するため、または導波を改善するための付加質量体によって、局所的に高められている。この場合、カバーの載置面は、付加質量体の上に載り、かつその作用を改善することができる。
この部品の一実施形態では、フレーム構造の付加質量体が従来の「オーバーラップ」に相応する。
一実施形態では、載置面もフレーム構造も、それぞれ内側のエッジを有している。両方の内側のエッジは、互いに同一平面上で終端している。
一実施形態では、部品が音波を反射する構造物を含んでいる。
一実施形態では、カバーが機能性音響領域の上方の空洞を取り囲んでいる。その際、空洞を、密閉により部品の周囲から分離することができ、または例えばカバーの穴を通じて周囲と接続することができる。
一実施形態では、マイクロアコースティック部品が、さらなる機能性音響領域、およびさらなるカバーを含んでいる。２つのカバーのうち一方は、それが属する機能性音響領域の上方で空洞を取り囲んでいる。もう一方のカバーは、それが属する機能性音響領域の上方で直接的に、さらなる機能性音響領域がカバーに対して間隔をあけて配置されている空洞を取り囲むことなく、配置されている。
さらなるカバーが、さらなる機能性音響領域を、この機能性音響領域とカバーの間に空洞を有することなく取り囲む場合、このカバーは機能性音響領域に音響的に完全に結合している。これにより、ＢＡＷ共振器またはＳＡＷ共振器を、対応する周波数領域内で音響的に不活性であるように変化させることができる。このようにして、簡単なプロセスステップにより、音響活性共振器に加えて容量素子を同じチップ上に形成することができる。
２つの機能領域は、重ね合わせてまたは相並べて配置することができる。
カバーは、単一の薄膜を、または重ね合わせて配置された複数の薄膜を含むことができる。その際、このカバーは、１μｍ〜１０μｍ、例えば３μｍの厚さであることができ、かつ酸化ケイ素、例えばＳｉＯ2、ポリマー、またはフォトリソグラフィプロセスから知られた塗料を含有することができる。さらにカバーは、遮蔽のためまたは密閉性を改善するため、薄い金属層を含むことができる。カバーを覆って、５〜１５μｍの厚さであり得るさらなる膜、例えばポリマー膜を配置することができる。このさらなる膜は、例えば８〜１０μｍの厚さとすることができる。
オーバーラップまたは簡略的に実施されたオーバーラップは、例えば、酸化ケイ素、例えばＳｉＯ2、または窒化ケイ素、例えばＳｉ3Ｎ4を含有することができる。
圧電材料は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、もしくはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、またはこれらの材料の組合せを含有することができる。さらに圧電材料を例えばスカンジウム（Ｓｃ）でドープすることができる。
電気音響部品の製造方法は、
− 支持基板を準備するステップ、
− 基板の内部、上面、または上方の機能性音響領域内で、マイクロ音波が伝播可能な構造物を成形するステップ、
− 機能性音響領域を覆って犠牲層を配置するステップ、
− 犠牲層を覆って薄膜を堆積させるステップ、
− 薄膜と機能性音響領域の間の犠牲層を除去するステップ
を含んでいる。
− 支持基板を準備するステップ、
− 基板の内部、上面、または上方の機能性音響領域内で、マイクロ音波が伝播可能な構造物を成形するステップ、
− 機能性音響領域を覆って犠牲層を配置するステップ、
− 犠牲層を覆って薄膜を堆積させるステップ、
− 薄膜と機能性音響領域の間の犠牲層を除去するステップ
を含んでいる。
その際、犠牲層は、機能性音響領域の周りの内側の周縁領域が犠牲層によって覆われないように、被着される。この場合、その後に堆積される薄膜は、内側の周縁領域の覆われていない部分の上に直接的に載ることができる。犠牲層の除去後、この薄膜は、機能性音響領域を覆うカバーを構成する。カバーは、この薄膜のほかに、なおさらなる膜を含むことができる。
犠牲層の除去は例えば、薄膜が１つまたは複数の穴を有しており、これによりエッチング剤が犠牲層を除去し得ることによって可能である。
犠牲材料は、ケイ素、例えばアモルファスシリコン、二酸化ケイ素、金属、またはリソグラフィプロセスから知られた犠牲材料を含有することができる。
膜の堆積または構造化のための方法には、スピンオン法、ＣＶＤ（化学気相成長）、ＰＶＤ（物理気相成長）、スパッタリング、または蒸着のような従来の措置が含まれ得る。
以下に、部品および実施例を、概略図に基づいてより詳しく説明する。
図１は、マイクロアコースティック部品ＭＡＣの機能性音響領域ＦＡＳと、内側の周縁領域ＩＲＳと、外側の周縁領域ＯＲＳとの関係を示している。機能性音響領域ＦＡＳ内では、音波が伝播可能である。その際、音響エネルギーが、部品のその他の領域に可能な限り僅かしか放射されないことが理想である。したがって、外側の周縁領域ＯＲＳと機能性音響領域ＦＡＳは、実質的には音響的に切り離されている。図１の下部は、部品内の音波の振幅ＡＭＰを示している。理想的には、振幅は機能性音響領域内では実質的に一定であり、かつ外側の周縁領域ＯＲＳ内ではゼロである。その間の移行領域、内側の周縁領域ＩＲＳ内では、振幅は減少している。図１の上部は、部品の対応する技術的特徴を示している。カバーＣＡＰは、機能性音響領域の構造物を覆って配置されている。カバーの載置領域、つまりカバーのうち部品ＭＡＣのその他の部分に載っている領域は、少なくとも部分的に内側の周縁領域ＩＲＳ内にある。カバーが内側の周縁領域ＩＲＳを完全に覆ってもよい。さらに、カバーＣＡＰが外側の周縁領域の部分、例えば支持基板ＳＵに直接的に接触することが可能であるが、必要ではない。カバーＣＡＰが少なくとも部分的に内側の周縁領域ＩＲＳの上に載っていることにより、カバーは機能性音響領域の構造物と音響的に結合しており、したがってカバーの縮小が可能であると共に、カバーは機能性音響領域ＦＡＳ内での音波の伝播を最適化するための簡単な手段であり得る。
図２は、マイクロアコースティック部品の水平断面を示している。電極パターンＥＳが基板ＳＵ上に配置されている。電極パターンは、ＳＡＷ構造物の電極フィンガまたはＢＡＷ構造物の電極面とすることができる。音響的に活性である機能性音響領域ＦＡＳと、音響的に不活性である外側の周縁領域ＯＲＳとの間に、内側の周縁領域ＩＲＳが配置されており、この内側の周縁領域は、少なくとも部分的に機能性音響領域ＦＡＳに音響的に結合している。カバー（図示されていない）の載置領域ＲＳは、内側の周縁領域ＩＲＳの一部を覆っている。
図３は、表面弾性波またはガイドされたバルク弾性波によって動作するマイクロアコースティック部品ＭＡＣを示している。これに関し、部品は電極フィンガＥＦＩを含んでおり、これらの電極フィンガは交互に２つの母線の一方と接続されており、かつインターデジタル構造物ＩＤＳを構成している。音響軌道のそれぞれの側にある局所的な質量層ＭＬは、所望の波動モードを形成するために用いることができ、したがって機能性音響領域ＦＡＳに音響的に結合している。よって、内側の周縁領域ＩＲＳの一部である両方の質量層ＭＬの上に、少なくとも部分的にカバーを載せることができる。
図４は、マイクロアコースティック部品ＭＡＣの垂直断面を示している。波状のパターンは音波の伝播を象徴している。機能性音響領域ＦＡＳ内の太線で描かれた波パターンは高い振幅を象徴しており、その一方で内側の周縁領域ＩＲＳ内のより細く描かれた波線は、同時に低下した振幅で存在している結合を示している。カバーＣＡＰは、載置面ＲＳが内側の周縁領域ＩＲＳ上に直接的に配置されているように、圧電材料ＰＭの上に載っている。圧電材料ＰＭは、少なくとも機能性音響領域ＦＡＳ内では、下の電極ＢＥと上の電極ＴＥの間に配置されており、これらの電極を介し、外部からこの部品に接触することができる。機能性音響領域内の圧電材料ＰＭの下にある交互に変化する音響インピーダンスの膜は、音響エネルギーを機能性音響領域内に保持するために、音響ミラーとして働く。
図５は、マイクロアコースティック部品ＭＡＣ内の振動モードを最適化するため、内側の周縁領域ＩＲＳ内に、上の電極ＴＥに加えて質量層ＭＬを配置した一実施形態を示している。カバーＣＡＰは、カバーの一部が内側の周縁領域ＩＲＳにおいて載っていることにより、質量層ＭＬの金属被覆の作用を補助している。載置領域でのカバーの内側のエッジは、質量層ＭＬの内側のエッジと同一平面上で終端させることができる。
図６は、カバーＣＡＰの載置面の内側のエッジが、圧電材料の傾斜区域上に配置された一実施形態を示している。この傾斜は、音響ミラーのミラー膜の大きさが異なることによって生じている。カバーの内側のエッジが、機能性音響領域ＦＡＳに向かってどのくらい引き寄せられているかに応じ、音響結合がより大きくなり、かつキャップはより強く振動モードに影響を及ぼすことができる。
図７は、カバーＣＡＰが１つまたは複数の開口部Ｏを有する一実施形態を示している。開口部を通じて、機能性音響領域は周囲と相互作用することができ、したがってセンサとして機能することができる。さらに、カバーＣＡＰを犠牲層上に被着した後に、カバーＣＡＰの下の犠牲層を除去することがより容易に可能である。カバーＣＡＰの薄膜を堆積させる前に犠牲層を被着した場合、空洞ＣＡＶを得ることができる。
図８は、カバーＣＡＰの上にさらなるカバーＣＡＰ２が配置された一実施形態を示している。さらなるカバーは、第１のカバーを機械的に補強することができ、密閉性を改善することができ、また場合によっては静電遮蔽部であることができる。
図９は、部品ＭＡＣをセンサとして機能させ得るよう、さらなるカバーＣＡＰ２も１つまたは複数の開口部Ｏを有する一実施形態を示している。
図１０は、カバーＣＡＰが直接的に、つまりカバーＣＡＰと機能性音響領域の間に空洞を有することなく配置された一実施形態を示している。カバーＣＡＰの載置面ＲＳも、空洞を有することなく機能性音響領域と共に直接的に配置されており、これにより機能性音響領域を音響的に変化させることができる。このような積層体は、有効な音響領域を有するまたは有さないもう１つの積層体の隣または上方に配置することができる。
マイクロアコースティック部品は、上述の実施形態または図に示した例の１つに限定されない。個々の特徴の組合せ、および例えばなおさらなる膜、電極パターン、またはカバーを含む変形形態も、さらなる実施形態である。
ＡＭＰ 振幅
ＢＥ 下の電極
ＣＡＰ カバー
ＣＡＶ 空洞
ＥＳ 電極パターン
ＦＡＳ 機能性音響領域
ＩＤＳ インターデジタル構造物
ＩＲＳ 内側の周縁領域
ＭＡＣ マイクロアコースティック部品
ＭＬ 質量層
ＯＲＳ 外側の周縁領域
ＰＭ 圧電材料
ＲＳ 載置面
ＳＵ 基板
ＴＥ 上の電極
ＢＥ 下の電極
ＣＡＰ カバー
ＣＡＶ 空洞
ＥＳ 電極パターン
ＦＡＳ 機能性音響領域
ＩＤＳ インターデジタル構造物
ＩＲＳ 内側の周縁領域
ＭＡＣ マイクロアコースティック部品
ＭＬ 質量層
ＯＲＳ 外側の周縁領域
ＰＭ 圧電材料
ＲＳ 載置面
ＳＵ 基板
ＴＥ 上の電極
Claims (10)
- 機能性音響領域（ＦＡＳ）と、
前記機能性音響領域（ＦＡＳ）を囲んでいる内側の周縁領域（ＩＲＳ）と、
前記内側の周縁領域（ＩＲＳ）を囲んでいる外側の周縁領域（ＯＲＳ）と、
前記機能性音響領域（ＦＡＳ）を覆い、かつ薄膜および載置面（ＲＳ）を備えるカバー（ＣＡＰ）と
を含んでいるマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）であって、
前記内側の周縁領域（ＩＲＳ）が、前記機能性音響領域（ＦＡＳ）と音響的に結合されており、かつ
前記載置面（ＲＳ）が、少なくとも前記内側の周縁領域（ＩＲＳ）の一部に直接的に載っている、マイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。 - 前記部品（ＭＡＣ）が、
圧電材料（ＳＵ）上の前記機能性音響領域（ＦＡＳ）内で互いに噛み合っている電極フィンガ（ＥＦＩ）を含んでおり、かつ表面弾性波もしくはガイドされたバルク弾性波によって動作するか、または
下の電極面（ＢＥ）と上の電極面（ＴＥ）の間の前記機能性音響領域内に圧電材料（ＰＭ）を含んでおり、かつバルク弾性波によって動作する、
請求項１に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。 - 望ましくない波動モードを抑制するため、または導波を改善するために、前記内側の周縁領域（ＩＲＳ）内で付加質量体（ＭＬ）により質量分布局所的に高められており、かつ載置面が前記付加質量体の上に載っている、請求項１または２に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- 前記付加質量体（ＭＬ）がフレーム構造である、請求項３に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- 前記載置面（ＲＳ）および前記フレーム構造がそれぞれ内側のエッジを有しており、かつ両方のエッジが同一平面上で終端している、請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- さらに、音波を反射する構造物を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- 前記カバー（ＣＡＰ）が前記機能性音響領域（ＦＡＳ）の上方の空洞（ＣＡＶ）を取り囲んでいる、請求項１から６のいずれか一項に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- さらなる機能性音響領域およびさらなるカバー（ＣＡＰ２）を含んでいるマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）であって、
前記カバー（ＣＡＰ）および前記さらなるカバー（ＣＡＰ２）から選択された一方のカバーが、それが属する前記機能性音響領域（ＦＡＳ）の上方の空洞（ＣＡＶ）を取り囲んでおり、かつ
それぞれもう一方の前記カバー（ＣＡＰ２）が、それが属する前記機能性音響領域の上方で直接的に、空洞を取り囲むことなく配置されている、
請求項１から７のいずれか一項に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。 - 前記カバー（ＣＡＰ）に開口部（Ｏ）が構造化されており、これにより前記機能性音響領域（ＦＡＳ）が前記電気部品（ＭＡＣ）の周囲と接触している、請求項１から８のいずれか一項に記載のマイクロアコースティック部品（ＭＡＣ）。
- 支持基板（ＳＵ）を準備するステップ、
前記基板（ＳＵ）の内部、上面、または上方の機能性音響領域（ＦＡＳ）内で、マイクロ音波が伝播可能な構造物（ＥＳ）を成形するステップ、
前記機能性音響領域を覆って犠牲層を配置するステップ、
前記犠牲層を覆って薄膜（ＣＡＰ）を堆積させるステップ、
前記薄膜（ＣＡＰ）と前記機能性音響領域（ＦＡＳ）の間の前記犠牲層を除去するステップ
を含んでいる、電気音響部品（ＭＡＣ）の製造方法。
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