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
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Description
[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。
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)。
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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