JP5936154B2 - ギャップ制御構造を有する音響トランスデューサおよび音響トランスデューサの製造方法 - Google Patents
ギャップ制御構造を有する音響トランスデューサおよび音響トランスデューサの製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、音響トランスデューサおよびその製造方法に関するものである。
[関連出願の相互参照］
本出願は、発明の名称を“Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｇａｐ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ”とする２０１１年３月３１日に出願された仮出願第６１／４７０，３８４号の優先権を主張する。その全体の内容は、この引用により本明細書に援用されるものである。
[関連出願の相互参照］
本出願は、発明の名称を“Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｇａｐ−Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ ａｎ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ”とする２０１１年３月３１日に出願された仮出願第６１／４７０，３８４号の優先権を主張する。その全体の内容は、この引用により本明細書に援用されるものである。
音響トランスデューサ技術の現在の傾向は、より小さいマイクロフォンに向けられている。現在のところ、電荷を持つ薄膜に基づくエレクトレットマイクロフォンが殆どの用途で使用されている。しかしながら、それらマイクロフォンは、高温に曝された後に劣化するという課題を有する。容量性ＭＥＭＳマイクロフォンは、はんだリフロー中に受ける高温に耐えることができ、その結果、製造コストを低減できるため、人気を得ている。圧電ＭＥＭＳマイクロフォンは、３０年以上研究がなされており、エレクトレットマイクロフォンとＭＥＭＳ容量性マイクロフォンの利点を費用効率的な方法で潜在的に組み合わせることができる。しかしながら、圧電ＭＥＭＳマイクロフォンは、昔から、薄膜の残留応力により引き起こされるダイヤフラムの張力に部分的に起因する高ノイズレベルに悩まされている。例えば、ダイヤフラムマイクロフォンは、すべてのエッジで拘束を受け、それは、感度低下をもたらす高いダイヤフラム張力を引き起こす。矩形片持ち梁マイクロフォンのような従来の片持ち設計もまた、周囲の基板から実質的に解放されるにも関わらず、残留応力の影響を受け、その少量の残留応力が片持ち梁を上方または下方の何れかに曲げて基板面から引き離す。この曲げは、片持ち梁周囲のギャップの増加を引き起こして、音響抵抗を低下させるとともに、低周波感度の望ましくない低下をもたらす。
このため、圧電ＭＥＭＳ音響トランスデューサ分野において、残留応力に関わらず低周波感度を有する新規で有用な音響トランスデューサを作り出す必要性が存在する。
本発明の好ましい実施形態の以下の説明は、それら好ましい実施形態に本発明が限定されることを意図するものではなく、ＭＥＭＳ音響トランスデューサの分野における当業者が本発明を実施および使用できるようにすることを意図するものである。
［音響トランスデューサ］
図２、図３および図４に示すように、好ましい実施形態のトランスデューサ１００は、基板１６０と、ギャップ制御配列で配置された複数の片持ち梁（cantilevered beams）１２０とを含むことができ、各梁１２０がギャップ制御構造（gap-controlling geometry）１３０を含む。好ましいトランスデューサ１００の構造および配置は、ギャップ抵抗が制御されることを可能にし、それは、マイクロフォンの応答が“落ちる”または減少する周波数未満に、周波数の制御を可能にする。トランスデューサ１００は、好ましくは圧電トランスデューサであるが、代替的には、容量性トランスデューサ、光トランスデューサ（例えば、光音響センサ）、または片持ち梁の応力に悩む任意のその他の適当なトランスデューサであってもよい。好ましいトランスデューサ１００は、好ましくは音響トランスデューサであり、より好ましくは音響センサ（すなわち、マイクロフォン）であるが、代替的には、電圧または電圧で駆動されてスピーカとして使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ１００は、好ましくは、携帯電話のような消費者家電に組み込まれるが、医療用途（例えば、補聴器）、光音響検出、超音波用途、またはセンサまたはスピーカとしてその他のトランスデューサ１００ベースの用途で使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ１００の片持ち梁配置は、隣接する片持ち梁１２０間の分離距離にギャップサイズを限定するように機能する。これは、時として基板と片持ち梁間の距離と同じだけ、分離後に、片持ち梁内の残留応力が梁を大幅に屈折させる従来の設計とは対照的である。好ましい実施形態のトランスデューサ１００において、基板１６０上の複数の片持ち梁１２０間の近接が、梁１２０間の残留応力を同程度なものにする。隣接する片持ち梁１２０間の同様の応力プロファイルが、同様の片持ち梁の湾曲をもたらし、それにより、隣接する片持ち梁１２０間の分離距離にギャップサイズが制限される。
図２、図３および図４に示すように、好ましい実施形態のトランスデューサ１００は、基板１６０と、ギャップ制御配列で配置された複数の片持ち梁（cantilevered beams）１２０とを含むことができ、各梁１２０がギャップ制御構造（gap-controlling geometry）１３０を含む。好ましいトランスデューサ１００の構造および配置は、ギャップ抵抗が制御されることを可能にし、それは、マイクロフォンの応答が“落ちる”または減少する周波数未満に、周波数の制御を可能にする。トランスデューサ１００は、好ましくは圧電トランスデューサであるが、代替的には、容量性トランスデューサ、光トランスデューサ（例えば、光音響センサ）、または片持ち梁の応力に悩む任意のその他の適当なトランスデューサであってもよい。好ましいトランスデューサ１００は、好ましくは音響トランスデューサであり、より好ましくは音響センサ（すなわち、マイクロフォン）であるが、代替的には、電圧または電圧で駆動されてスピーカとして使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ１００は、好ましくは、携帯電話のような消費者家電に組み込まれるが、医療用途（例えば、補聴器）、光音響検出、超音波用途、またはセンサまたはスピーカとしてその他のトランスデューサ１００ベースの用途で使用されるものであってもよい。好ましいトランスデューサ１００の片持ち梁配置は、隣接する片持ち梁１２０間の分離距離にギャップサイズを限定するように機能する。これは、時として基板と片持ち梁間の距離と同じだけ、分離後に、片持ち梁内の残留応力が梁を大幅に屈折させる従来の設計とは対照的である。好ましい実施形態のトランスデューサ１００において、基板１６０上の複数の片持ち梁１２０間の近接が、梁１２０間の残留応力を同程度なものにする。隣接する片持ち梁１２０間の同様の応力プロファイルが、同様の片持ち梁の湾曲をもたらし、それにより、隣接する片持ち梁１２０間の分離距離にギャップサイズが制限される。
図４に示すように、好ましいトランスデューサ１００は、基板１６０を含むことができる。好ましいトランスデューサ１００の基板１６０は、製造プロセス中にトランスデューサ１００を支持する機能を果たすとともに、作動中にトランスデューサ１００の片持ち梁１２０を支持する機能を果たす。好ましいトランスデューサ１００の一変形例において、基板１６０は、少なくとも部分的にシリコンまたは任意の適当なシリコン系化合物または派生物（例えば、Ｓｉウェハ、ＳＯＩ、ＳｉＯ２／Ｓｉ上のポリＳｉなど）からなる。代替的には、基板１６０は、少なくとも部分的に繊維ガラス、ガラスまたは材料の任意の適当な組み合わせから構成することができる。好ましいトランスデューサ１００の別の変形例において、基板１６０は、片持ち梁１２０が最大の伝播および応答を有するように、製造プロセス中に片持ち梁１２０の活性領域から実質的に除去される。
図２、図３および図４に示すように、好ましいトランスデューサ１００は、少なくとも１の片持ち梁１２０を含むことができる。より好ましくは、好ましいトランスデューサ１００は、例えば、図３Ａ乃至３Ｅの実施例に示すような適当な配列で配置された複数の片持ち梁１２０、または片持ち梁のアレイを含むことができる。好ましいトランスデューサ１００の片持ち梁１２０は、音圧を電子信号に変換する機能を果たす。片持ち梁１２０は、好ましくは、より多数またはより多くの配列で、各片持ち梁１２０間の合成ギャップを最小化するギャップ制御構造１３０を含む。片持ち梁１２０のギャップ制御構造１３０は、好ましくは、先端部１３２および基端部１３４を含む。好ましい片持ち梁１２０において、先端部１３２は基端部１３４よりも非常に小さく、片持ち梁１２０は、基端部１３４から先端部１３２に向けて先細りする。基端部１３４は、好ましくは基板１６０に実質的に連結されるが、この基端部を除いて、片持ち梁１２０の全体は、好ましくは、付与応力を取り除くために拡大または縮小できるように、周囲の基板１６０から実質的に分離される。
図３Ａ乃至３Ｅに示すように、片持ち梁１２０は、好ましくは、実質的に先の尖ったギャップ制御構造１３０を有し、その結果、基端部１３４は、片持ち梁１２０の伝播方向に対して垂直な方向において、先端部１３２よりも大幅に広い。例えば、好ましいトランスデューサ１００の一変形例において、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示す片持ち梁１２０は、ほぼ三角形の形状を有することができる。好ましいトランスデューサ１００の別の変形例において、片持ち梁１２０は、図３Ｄに示すように実質的に湾曲した基端部１３４を有する扇形またはくさび形状１３０を備えることができる。好ましいトランスデューサ１００の別の変形例において、片持ち梁１２０は、図３Ｅに示すような正方形の形状を有することができる。好ましい実施形態のトランスデューサ１００のその他の変形例において、片持ち梁１２０は、片持ち梁１２０の伝播方向に対して垂直な方向において、先端部１３２が基端部１３４よりも幅が狭い任意の適当な形状を有することができる。適当な代替的な形状には、任意の種類の多角形または扇形が含まれ、アレイを有する各片持ち梁１２０は、実質的に同一の形状または実質的に異なる形状を有することができる。片持ち梁１２０の長さは、好ましくは、マイクロフォンの所望の共振周波数と一致するように調整されるが、代替的には、それよりも長いか、または短くてもよい。基端部１３４は、好ましくはその長さの２倍の幅であるが、代替的には、所望のトランスデューサ１００の外周１０２の形状を達成することを可能にする任意の幅を有することができる。
片持ち梁１２０は、好ましくは、交互に重なった圧電層および電極層１４２から形成される。圧電層１４４は、加えられた圧力を電圧に変換する機能を果たすことができ、電極層１４２は、生成された電圧をＪＦＥＴ、電荷増幅器または集積回路のような増幅器に伝送する機能を果たすことができる。圧電層１４４は、好ましくは、そのＣＭＯＳ適合性により窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むが、代替的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）または任意のその他の適当な圧電性物質を含むことができる。電極層１４２は、好ましくは、モリブデン（Ｍｏ）、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）またはプラチナ（Ｐｔ）を含むが、代替的には、任意のその他の適当な電極材料を含むことができる。片持ち梁１２０は、好ましくは、３つの電極層１４２間に介在する２つの圧電層１４４を含む。しかしながら、片持ち梁１２０は、３つの電極層１４２間に介在する３つの圧電層１４４を含むことができ、あるいは合計で３層のみ（第１電極層１４２、第１圧電層１４４および上部電極層１４２）を含むことができ、あるいは電極層１４２と圧電層１４４の任意の適当な順列の任意の数の層を含むことができる。好ましくは、片持ち梁１２０は、少なくとも１つの圧電層１４４と、１つの電極層１４２とを組み込んでいる。一構成例において、電極層１４２は、好ましくは、ノイズレベルを最小化するために、ほぼ三角形の片持ち梁１２０の面積のほぼ２／３を覆うが、片持ち梁１２０の形状に応じて片持ち梁１２０のより広いまたは少ない範囲を交互に覆うことができる。また、各電極層１４２は、好ましくは電極層１４２毎に一のみの独立の電極を規定するが、電極層１４２は、電極層１４２毎に複数の独立の電極を規定するようにパターン形成されるものであってもよい。電極層１４２は、好ましくは金属配線により互いに直列に接続されるが、並列に接続されるものであっても、直列と並列の両方で接続されるものであってもよい。
図３に示すように、好ましいトランスデューサ１００は、先端部１３２が音響トランスデューサ１００の中心部の近傍の共通領域に集まるようにほぼ同一の片持ち梁１２０が配置されるよう、構成されている。好ましくは、各片持ち梁１２０の自由縁１３６の各々は、隣接する片持ち梁１２０の自由縁１３６にそれぞれ平行である。片持ち梁１２０の各基端部１３４は、好ましくは、正多角形および／または円の形状の外周１０２を形成する。トランスデューサ１００の外周１０２は、トランスデューサ１００が好ましくは（図３Ａに示される）４つの片持ち梁１２０を含むような好ましくは正方形であるが、代替的には、外周１０２は、音響トランスデューサが（図３Ｄに示される）任意の適当な数のくさび状の片持ち梁１２０を含むような円形、あるいはトランスデューサ１００が好ましくは（図３Ｂに示される）３つの片持ち梁１２０を含むような三角形、あるいはトランスデューサ１００が好ましくは８つの片持ち梁１２０を含むような八角形、あるいはトランスデューサ１００が好ましくは（図３Ｃに示される）６つの片持ち梁１２０を含むような六角形、あるいは片持ち梁１２０を任意の必要数含むような任意の幾何学的形状であってもよい。
好ましいトランスデューサにおいて、片持ち梁１２０間のギャップは、製造中、約１ミクロン未満であるが、それよりも僅かに大きくなることもある。製造後、片持ち梁１２０間のギャップは、１ミクロン未満に維持されるのが好ましいが、残留応力により生じる変形によってそれよりもかなり大きくなることもある。片持ち梁１２０は、好ましくは１またはそれ以上の電極層１４２を介して電気的に接続されるが、代替的には、導電性の配線１４６により電気的に接続されるか、あるいは互いに電気的に絶縁されるか、あるいはその組み合わせ、すなわち片持ち梁１２０の一部が電気的に接続される一方で、それ以外が電気的に絶縁されるものであってもよい。片持ち梁１２０は直列に接続されるものであっても、あるいは並列に接続されるものであってもよいが、好ましくは、その極端な二つの混合で接続されるもの、すなわち片持ち梁１２０の一部が直列に接続される一方で、それ以外が並列に接続されるものであってもよい。
［音響トランスデューサの製造方法］
図５および図６に示すように、トランスデューサの好ましい製造方法は、ブロックＳ１００において、基板上に圧電層と電極層を交互に蒸着させるステップと、ブロックＳ２００において、蒸着させた層を処理して片持ち梁形状を規定するステップと、ブロックＳ３００において、金属配線を蒸着させるステップと、ブロックＳ４００において、基板１００から片持ち梁１２０を解放するステップとを含むことができる。トランスデューサ１００は好ましくは標準的なＣＭＯＳプロセスを使用して組み立てられるため、関連する電子機器（例えば、ＪＦＥＴ、電荷増幅器、集積回路）は、同じＣＭＯＳプロセスを使用してトランスデューサ１００と同じ基板上に組み立てることができる。
図５および図６に示すように、トランスデューサの好ましい製造方法は、ブロックＳ１００において、基板上に圧電層と電極層を交互に蒸着させるステップと、ブロックＳ２００において、蒸着させた層を処理して片持ち梁形状を規定するステップと、ブロックＳ３００において、金属配線を蒸着させるステップと、ブロックＳ４００において、基板１００から片持ち梁１２０を解放するステップとを含むことができる。トランスデューサ１００は好ましくは標準的なＣＭＯＳプロセスを使用して組み立てられるため、関連する電子機器（例えば、ＪＦＥＴ、電荷増幅器、集積回路）は、同じＣＭＯＳプロセスを使用してトランスデューサ１００と同じ基板上に組み立てることができる。
好ましい方法のブロックＳ１００には、基板上に圧電と電極が交互に重なった層を蒸着させることが記載されている。ブロックＳ１００は、好ましくは、片持ち梁の層を生成するように機能する。圧電層は、好ましくは、そのＣＭＯＳ適合性により窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含むが、代替的には、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ニオブ酸鉛マグネシウム−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）または任意のその他の適当な圧電性物質を含むことができる。電極層は、好ましくは、モリブデン（Ｍｏ）、チタニウム（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）またはプラチナ（Ｐｔ）を含むが、代替的には、任意のその他の適当な電極材料を含むことができる。片持ち梁は、好ましくは、表面マイクロマシニングを使用して製造されるが、代替的には、バルクマイクロマシニングにより製造されるものであってもよい。各層は、好ましくは、前の層の上に蒸着され（第１層が、ＳｉＯ２層の上に蒸着され）、その後、次の層を蒸着させる前に、所望パターンにエッチングされる。各層は、好ましくは、薄膜蒸着によって蒸着されるが、代替的には、反応性物理蒸着、物理蒸着、化学蒸着、エピタキシ、または任意の適当な方法で蒸着されるものであってもよい。各層は、好ましくは、最初に、フォトリソグラフィによりパターン形成され、その後に、フォトリソグラフィにより曝された領域の材料を取り除くためにマイクロマシン加工される。マイクロマシニング法は、ウェットエッチング（化学エッチング）およびドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチングまたはイオンミリングを介した）を含むが、任意のその他の適当なエッチング法を含むものであってもよい。一実施形態においては、（図６に示すように）交互に重なる層がずらして配置されるように電極層がパターン形成されて、Ｓ３００で蒸着された金属配線によって、電極層が一つおきに並列に接続されるものであってもよい。しかしながら、電極層および圧電層は、任意の適当なパターンでパターン形成されるものであってもよい。
好ましい方法のブロックＳ２００には、蒸着させた層を処理して片持ち梁形状を規定することが記載されている。ブロックＳ２００は、片持ち梁のギャップ制御構造を規定するギャップを生成するように機能する。蒸着された層は、好ましくは、蒸着された層を貫通するギャップをエッチングすることにより（例えば、反応性イオンエッチング、ウェットエッチング、イオンミリングまたは任意のその他のエッチング法で）処理されるが、代替的には、片持ち梁１２０を規定してそれらの隣りからそれらを解放することにより、別の方法で処理されるものであってもよい。ギャップの厚さは、好ましくは１ミクロンまたはそれ未満であるが、代替的には、それよりも僅かに大きいものであってもよい。また、ギャップは、好ましくは、互いに分岐して、実質的に三角形の片持ち梁を形成するが、代替的には、端部で交差して所望のギャップ制御構造を形成するものであってもよい。このステップは、好ましくは少なくとも２つの分岐するギャップを生成して、少なくとも４つの三角形の片持ち梁が形成されるが、代替的には、３、４または任意の数のギャップを生成して、任意の数の片持ち梁を形成するようにしてもよい。
好ましい方法のブロックＳ３００には、金属配線を蒸着させることが記載されている。ブロックＳ３００は、好ましくは、音響トランスデューサを１またはそれ以上の増幅器に電気的に接続するように機能する。ブロックＳ３００は、ブロックＳ２００の前、後、または同時に行われるものであってもよい。金属配線は、好ましくは、一層として蒸着された後にパターン形成されるが、代替的には、予めパターン形成されて音響トランスデューサ上に付着されるものであってもよい。ブロックＳ３００は、好ましくは、各電極または各電極層１４２に対して金属配線を与えるが、複数の電極に対して単一の金属配線を与えて、電極が互いに並列に接続されるものであってもよい。金属配線は、好ましくは、中間の圧電層および／または電極層を通って関連する電極層１４２に延びるが、代替的には、任意の適当な方法でトランスデューサ電極に接続されるものであってもよい。
好ましい方法のブロックＳ４００には、基板から片持ち梁を解放することが記載されている。ブロックＳ４００は、好ましくは、片持ち梁が、必要に応じて拡大、収縮または屈曲することを可能にして、残留応力を実質的に放出するように機能する。片持ち梁は、好ましくは、片持ち梁の下方から基板を取り除くことによって、基板から解放される。これは、好ましくは、ＤＲＩＥ（深掘り反応性イオンエッチング）を使用して達成されるが、ウェットエッチング、ＥＤＭ（放電加工）、マイクロマシニングプロセス、または基板から片持ち梁を解放する任意のその他の処理方法を使用して達成されるものであってもよい。代替的には、片持ち梁は、基板から完全に解放された後に、同じ基板または異なる基板の何れかに再び取り付けられるものであってもよい。片持ち梁は、梁層蒸着の前（すなわち、ブロックＳ１００の前）に基板と片持ち梁との間に犠牲層を提供し、その後、ブロックＳ５００において犠牲層をエッチングで取り除くことによって、完全に解放することができる。犠牲層は、好ましくは、酸化物であるが、選択的に除去できる、圧電層および電極層の材料とは異種の任意の適当な材料であってもよい。犠牲層は、好ましくは、水溶液中のフッ化水素（ＨＦ）のようなエッチング液により、あるいはプラズマエッチングにより、あるいは任意のその他の適当なエッチングプロセスにより、除去される。片持ち梁は、好ましくは、静電クランピングまたは任意の適当な手法により、それらの基端部に沿って、基板に再び取り付けられる。
好ましい方法は、ブロックＳ５００において、基板上に酸化物層を成長させるステップを追加的に含むことができる。ブロックＳ５００は、好ましくは、ブロックＳ１００の前に行われ、好ましくは、Ｓ４００における片持ち梁の解放の量を制御するように機能する。ブロックＳ４００の一変形例において、基板除去プロセスは、好ましくは、酸化物層で終わる。ブロックＳ５００の別の変形例において、酸化物層は、好ましくは、犠牲層として機能する。適当な酸化物は、好ましくは、トランスデューサの所望の活性領域上に成長されるが、代替的には、トランスデューサの所望の解放領域において、あるいは基板全体にわたって、あるいは任意の適当な領域において、成長されるものであってもよい。酸化物は、好ましくは、基板から成長される酸化物であり、より好ましくは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であるが、基板上に成長または蒸着する任意の適当な酸化物であってもよい。酸化物は、好ましくは一般的な熱的酸化を使用して成長されるが、代替的には、プラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ酸化物蒸着）、化学蒸着（ＣＶＤ酸化物蒸着）、物理蒸着（ＰＶＤ酸化物蒸着）または任意のその他の適当な酸化または酸化物蒸着プロセスを使用して成長されるものであってもよい。好ましい方法は、エッチングまたはマイクロマシニングによってトランスデューサから酸化物層を除去するブロックＳ５００Ａにおいて、酸化物層を除去するステップを追加的に含むことができる。
好ましい方法は、ブロックＳ６００において、シード層を蒸着させるステップを追加的に含むことができる。シード層は、好ましくは、その上に片持ち梁を組み立てる活性層として機能する。ブロックＳ６００は、好ましくは、ブロックＳ１００の前に行われる。より好ましくは、ブロックＳ６００は、片持ち梁の圧電または電極層と酸化物層との間にシード層が配置されるように、ブロックＳ５００の後に実行される。シード層は、好ましくは、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）であるが、任意の適当な圧電、電極またはシード材料であってもよい。シード層は、好ましくは、物理的気相成長法（ＰＶＤ）または任意のその他の適当なスパッタリング技術を使用してスパッタされるが、酸化物層または基板上に別の方法で蒸着されるものであってもよい。
［実施例の方法およびトランスデューサ］
図６Ａ乃至６Ｈに示すように、好ましい方法の一実行例は、ブロックＳ５００において、基板上に熱酸化物（ＳｉＯ２）を成長させるステップと、ステップＳ６００において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シード層を蒸着させるステップ（図６Ａ）と、第１電極層（モリブデン）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｂ）と、第１圧電層（ＡｌＮ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｃ）と、第２電極層（ｍｏｂｉｄｕｍ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｃ）と、第２圧電層（ＡｌＮ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｄ）と、ステップＳ１００において、上部電極層（モリブデン）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｄ）とを含む。好ましくは、圧電層（ＡｌＮビア）を通って電極層へとキャビティをエッチングし、ブロックＳ３００において、金属配線を蒸着させることができる（図６Ｅおよび図６Ｆ）。一変形例において、２つの金属配線が蒸着され、第１キャビティ／金属配線は、上部および下部電極まで延びてそれら電極に接続され、第２キャビティ／金属配線は、中間電極まで延びて中間電極に接続される。片持ち梁は、蒸着された層Ｓ２００から規定され（エッチングまたはマイクロマシニングされた）（図６Ｅ）、ブロックＳ４００において、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）で裏面から基板をエッチングすることにより基板から解放される（図６Ｇ）。ＤＲＩＥは、酸化物層で止まり、酸化物層は、基板Ｓ５００Ａからトランスデューサを解放するために除去される（図６Ｈ）。
図６Ａ乃至６Ｈに示すように、好ましい方法の一実行例は、ブロックＳ５００において、基板上に熱酸化物（ＳｉＯ２）を成長させるステップと、ステップＳ６００において、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）シード層を蒸着させるステップ（図６Ａ）と、第１電極層（モリブデン）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｂ）と、第１圧電層（ＡｌＮ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｃ）と、第２電極層（ｍｏｂｉｄｕｍ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｃ）と、第２圧電層（ＡｌＮ）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｄ）と、ステップＳ１００において、上部電極層（モリブデン）を蒸着およびパターニングするステップ（図６Ｄ）とを含む。好ましくは、圧電層（ＡｌＮビア）を通って電極層へとキャビティをエッチングし、ブロックＳ３００において、金属配線を蒸着させることができる（図６Ｅおよび図６Ｆ）。一変形例において、２つの金属配線が蒸着され、第１キャビティ／金属配線は、上部および下部電極まで延びてそれら電極に接続され、第２キャビティ／金属配線は、中間電極まで延びて中間電極に接続される。片持ち梁は、蒸着された層Ｓ２００から規定され（エッチングまたはマイクロマシニングされた）（図６Ｅ）、ブロックＳ４００において、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）で裏面から基板をエッチングすることにより基板から解放される（図６Ｇ）。ＤＲＩＥは、酸化物層で止まり、酸化物層は、基板Ｓ５００Ａからトランスデューサを解放するために除去される（図６Ｈ）。
実施例の方法の実行全体に亘って、残留応力は、好ましくは、ウェハ曲率測定を使用して（例えば、光学的または物理学的測定を介して）監視されるが、代替的には、応力測定（例えば、応力トランスデューサ）、非線形弾性応力測定（例えば、超音波または磁気技術、Ｘ線または中性子回折）または片持ち梁の残留応力または曲率を測定する任意のその他の方法によって測定されるものであってもよい。その後、蒸着パラメータは、好ましくは、片持ち梁のたわみまたは応力を最小化するように調節される。
当業者は、上述した詳細な説明および図面および請求項から、以下の請求項に規定される本発明の範囲を逸脱することなく、本発明の好ましい実施形態に修正および変更を加えることができることを認識するであろう。
Claims (18)
- ＭＥＭＳトランスデューサであって、
基板と、
複数の先細トランスデューサ梁とを備え、
各先細トランスデューサ梁は、加えられた圧力を電圧に変換する圧電層と、前記圧電層を間に挟む一対の電極層とを備え、
各先細トランスデューサ梁は、梁基端部と、梁端部と、前記梁基端部と前記梁端部との間に配置される梁本体部とを有し、前記梁本体部が、前記梁基端部から前記梁端部に向けて先細りし、
前記先細トランスデューサ梁は、前記梁基端部を前記基板に取り付けることにより、片持ち梁構成で前記基板上に連結され、前記複数の先細トランスデューサ梁の梁端部が共通の一点に向けて集まり、各梁本体および梁端部が前記基板に結合されておらず、
前記梁端部が先の尖った梁先端を含み、前記梁先端が共にほぼ一点に集まることを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
隣接する先細トランスデューサ梁の長さ方向に沿って規定されるギャップが、約１ミクロンまたはそれ未満であることを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
各先細トランスデューサ梁がほぼ三角形の表面を有することを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
前記先細トランスデューサ梁の少なくとも２つが互いに直列に電気的に接続されていることを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
前記圧電層が、前記先細トランスデューサ梁の幅および長さのほぼ全体に亘って延在することを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項５に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
前記先細トランスデューサ梁がそれぞれ、２層の圧電層と、３層の電極層とを含むことを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項６に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
各先細トランスデューサ梁の電極層が、金属配線により直列に電気的に接続されていることを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 請求項５に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
前記圧電層が窒化アルミニウムを含み、前記電極層がモリブデンを含むことを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。 - 基板上に、少なくとも第１電極層、圧電層および第２電極層が交互に重なった層を蒸着させるステップと、
蒸着させた層を処理して複数の先細トランスデューサ梁を規定するステップであって、各先細トランスデューサ梁が、加えられた圧力を電圧に変換する前記圧電層と、前記圧電層を間に挟む前記第１電極層および前記第２電極層とを備え、各先細トランスデューサ梁が、梁基端部と、梁端部と、前記梁基端部と前記梁端部との間に配置された梁本体部とを有するステップと、
金属配線を蒸着させるステップと、
前記金属配線をパターニングするステップと、
前記先細トランスデューサ梁を前記基板から解放するステップとを備え、解放された先細トランスデューサ梁が、前記梁基端部を前記基板に取り付けることにより、片持ち梁構成で前記基板上に連結され、前記複数の先細トランスデューサ梁の各梁端部が共通の一点に向けて集まり、各梁本体および梁端部が前記基板に結合されておらず、
前記梁端部が先の尖った梁先端を含み、前記梁先端が共にほぼ一点に集まることを特徴とする方法。 - 請求項９に記載の方法において、
隣接する先細トランスデューサ梁が、蒸着させた層の厚さ方向に延びるギャップを規定することを特徴とする方法。 - 請求項１０に記載の方法において、
前記隣接する先細トランスデューサ梁間のギャップ幅が約１ミクロンまたはそれ未満であることを特徴とする方法。 - 請求項１０に記載の方法において、
前記ギャップがマイクロマシニングで加工されることを特徴とする方法。 - 請求項１０に記載の方法において、
前記先細トランスデューサ梁が、２つの交差する線形ギャップによって規定されることを特徴とする方法。 - 請求項９に記載の方法において、
前記金属配線を蒸着させるステップが、金属配線を各電極層に蒸着させるステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項９に記載の方法において、
前記基板から前記梁を解放するステップが、前記基板をエッチングして前記梁から切り離すステップを含むことを特徴とする方法。 - 請求項１５に記載の方法において、
前記基板をエッチングするステップは、深掘り反応性イオンエッチングを含むことを特徴とする方法。 - 請求項１６に記載の方法において、
前記圧電層および電極層を蒸着およびパターニングする前に、前記基板上に熱酸化物層を成長させるステップをさらに備えることを特徴とする方法。 - 請求項１に記載のＭＥＭＳトランスデューサにおいて、
前記梁端部が、接触することなく、一点に向けて集まることを特徴とするＭＥＭＳトランスデューサ。
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