WO2020027138A1 - Ｍｅｍｓデバイス - Google Patents

Ｍｅｍｓデバイス Download PDF

Info

Publication number
WO2020027138A1
WO2020027138A1 PCT/JP2019/029845 JP2019029845W WO2020027138A1 WO 2020027138 A1 WO2020027138 A1 WO 2020027138A1 JP 2019029845 W JP2019029845 W JP 2019029845W WO 2020027138 A1 WO2020027138 A1 WO 2020027138A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
electrode
mems device
piezoelectric layer
piezoelectric
layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2019/029845
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
諭卓 岸本
伸介 池内
藤本　克己
木村　哲也
文弥 黒川
Original Assignee
株式会社村田製作所
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 株式会社村田製作所 filed Critical 株式会社村田製作所
Publication of WO2020027138A1 publication Critical patent/WO2020027138A1/ja
Priority to US17/161,724 priority Critical patent/US11746000B2/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • B06B1/0644—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element
    • B06B1/0662—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction using a single piezoelectric element with an electrode on the sensitive surface
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2047—Membrane type
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/02—Sensors
    • B81B2201/0271—Resonators; ultrasonic resonators
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/04—Electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/01—Manufacture or treatment

Definitions

  • the present invention relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device.
  • the device manufactured here includes a piezoelectric thin film, a lower electrode film arranged so as to cover the lower surface of the piezoelectric thin film, and an upper electrode film arranged so as to cover the upper surface of the piezoelectric thin film.
  • the lower electrode film is formed by once forming a conductive material film over a wide area of the surface of the support substrate and removing unnecessary portions.
  • the lower electrode film, the piezoelectric thin film, and the upper electrode film may have the same shape.
  • the symmetry of the upper and lower structures sandwiching is reduced, and the vibration efficiency is not good.
  • an object of the present invention is to improve the vibration efficiency of a MEMS device.
  • a MEMS device is a MEMS device having a membrane portion, wherein a MEMS device includes a piezoelectric layer made of a single crystal of a piezoelectric body, and a MEMS device disposed on a surface of the piezoelectric layer in a first direction.
  • a first layer, at least a part of the piezoelectric layer is included in the membrane part, and when viewed in a cross section taken along a plane perpendicular to the surface in the first direction, the first electrode and the second electrode are Each of them has a tapered cross-sectional shape whose width becomes narrower as the distance from the piezoelectric layer increases.
  • the vibration efficiency is improved.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 2 is a partially enlarged view of the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 2 is a plan view of the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a first step of the method for manufacturing the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a second step of the method for manufacturing the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 8 is an explanatory diagram of a third step in the method for manufacturing the MEMS device in the first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram of a first step of the method for manufacturing the MEMS device according to the first embodiment based on the present invention.
  • FIG. 4 is an explanatory diagram of a second step of the method for manufacturing the MEMS
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a fourth step in the method for manufacturing the MEMS device in the first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a fifth step in the method for manufacturing the MEMS device in the first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 13 is an explanatory diagram of a sixth step in the method for manufacturing the MEMS device in the first embodiment according to the present invention.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view of a MEMS device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a partially enlarged view of a MEMS device according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the MEMS device 101 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 shows an enlarged view of the vicinity of the lower electrode 4 and the upper electrode 5 in FIG.
  • FIG. 3 shows a top view of the MEMS device 101.
  • the MEMS device 101 is a MEMS device having the membrane unit 6.
  • the membrane portion 6 is a portion of the piezoelectric device 101 that is thin and easily deformed.
  • the substrate 1 includes a thin portion 1e and a thick portion 1f.
  • the thin portion 1e is thinner than the thick portion 1f and is easily deformed.
  • the thin portion 1e is surrounded by the thick portion 1f.
  • the membrane part 6 includes a thin part 1e.
  • the substrate 1 has a space 21 because the thin portion 1e is formed at a location surrounded by the thick portion 1f.
  • the MEMS device 101 includes a piezoelectric layer 10 made of a piezoelectric single crystal, a lower electrode 4 as a first electrode disposed on the surface of the piezoelectric layer 10 in a first direction 91, and a first direction 91 of the piezoelectric layer 10.
  • a first direction 91 of the piezoelectric layer 10 Comprises an upper electrode 5 as a second electrode disposed on the surface in the second direction 92 on the opposite side.
  • the “first direction 91” is one of the directions in the stacking direction of the MEMS devices 101.
  • the first direction 91 is a concept pointing downward in the figure, as indicated by arrows and reference numerals.
  • the wiring connected to the lower electrode 4 may be formed integrally with the lower electrode 4, but the concept of the lower electrode 4 does not include the wiring.
  • the lower electrode 4 only refers to the shape of only the electrode body having a unitary shape.
  • the upper electrode 5 only needs to roughly match the projection of the lower electrode 4 in the thickness direction of the piezoelectric layer 10, and does not necessarily have to exactly match.
  • the “piezoelectric body” here is a single crystal material having a cleavage direction, and may be, for example, any of LiTaO 3 , LiNbO 3 , ZnO, and PMN-PT.
  • the MEMS device 101 includes an intermediate layer 3 as a first layer disposed so as to cover the surface of the piezoelectric layer 10 in the first direction 91.
  • the intermediate layer 3 is an insulating layer.
  • the intermediate layer 3 may be formed of, for example, SiO 2 or the like.
  • the intermediate layer 3 may be provided as a plurality of layers.
  • the intermediate layer 3 may include a metal layer.
  • an SOI substrate is used as the substrate 1.
  • the membrane part 6 includes a part of the piezoelectric layer 10 and a part of the intermediate layer 3 in addition to the thin part 1 e of the substrate 1.
  • the substrate 1 includes an active layer 1a and a base 1b, and an insulating film 13 is interposed between the two.
  • An electrode 14 is disposed on the lower surface of the piezoelectric layer 10 in addition to the lower electrode 4.
  • An electrode 15 is arranged on the upper surface of the piezoelectric layer 10 in addition to the upper electrode 5.
  • the lower electrode 4 and the electrode 14 are illustrated in different places in FIG. 1, they may be electrically connected, and may be directly or indirectly physically connected by a conductor. In the example shown in FIG. 1, the lower electrode 4 and the electrode 14 are connected at a position not shown in the sectional view. The same can be said for the lower electrode 4 and the first electrode 14 between the upper electrode 5 and the electrode 15.
  • the upper electrode 5 and the electrode 15 are drawn in different places in FIG. 1, they may be electrically connected. In the example shown in FIG.
  • the upper electrode 5 and the electrode 15 are connected to each other at a position not shown in the sectional view.
  • a through hole 18 is formed in the piezoelectric layer 10 so that the electrode 14 is exposed.
  • the through hole 18 penetrates the piezoelectric layer 10 in the thickness direction.
  • An electrode (not shown) may be further arranged so as to be connected to the electrode 14 from the upper surface of the piezoelectric layer 10 near the upper end of the through hole 18 through the inside of the through hole 18. By arranging such an electrode, the electrode 14 can be pulled out above the piezoelectric layer 10.
  • each of the lower electrode 4 as the first electrode and the upper electrode 5 as the second electrode becomes narrower as the distance from the piezoelectric layer 10 increases. It has a tapered cross-sectional shape. Similarly, the electrodes 14 and 15 may have a tapered cross section.
  • the membrane portion 6 is circular when viewed in plan.
  • the shape of the membrane portion 6 when viewed in plan is not limited to a circle. It may be a square, rectangle, polygon, or the like.
  • the upper electrode 5 is arranged in a fixed pattern on the upper surface of the piezoelectric layer 10, but the upper electrode 5 is not shown in FIG.
  • one or more slits may be provided inside the membrane unit 6 when viewed in plan. The slit may be provided intermittently, for example, along the outline of the membrane portion 6 when viewed in plan.
  • the upper electrode 5 serving as the second electrode is arranged in a region substantially coinciding with the lower electrode 4 serving as the first electrode, and furthermore, sandwiches the piezoelectric layer 10 when viewed in a sectional view. Since the shapes of the two electrodes are symmetrical, the structure of the vibrating part is almost vertically symmetric, and the vibration efficiency is improved. Therefore, device characteristics are improved.
  • the piezoelectric layer 10 by applying a potential difference between the upper electrode 5 and the lower electrode 4, the piezoelectric layer 10 can be distorted, and the membrane portion 6 can be flexibly vibrated.
  • the bending vibration generated in the membrane part 6 by the action of the external force can be taken out as an electric signal between the upper electrode 5 and the lower electrode 4.
  • the membrane portion 6 bends and vibrates.
  • the MEMS device 101 may be a PMUT (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer) that uses bending vibration.
  • the upper electrode 5 as the second electrode is arranged so as to correspond to the projection area of the lower electrode 4 as the first electrode.
  • the second electrode is arranged so as to have the same area as the first electrode.
  • “the same area” allows a difference of up to ⁇ 5%.
  • the lower electrode 4 as the first electrode and the upper electrode 5 as the second electrode are preferably epitaxially grown layers. By employing this configuration, the power handling resistance is improved.
  • the configuration in which the substrate 1 includes the thin portion 1e and the membrane portion 6 includes the thin portion 1e has been exemplified.
  • the substrate 1 may not have the thin portion 1e.
  • the thickness of the thin portion 1e is zero.
  • the membrane portion 6 does not include the thin portion 1e of the substrate 1.
  • the membrane part 6 includes a part of the piezoelectric layer 10 and a part of the intermediate layer 3. The intermediate layer 3 may be exposed on the lower surface of the membrane 6.
  • a piezoelectric single crystal substrate 17 is prepared.
  • the piezoelectric single crystal substrate 17 may be a substrate formed of, for example, LiTaO 3 or LiNbO 3 .
  • the lower electrode 4 and the electrode 14 are formed by film formation, and are patterned into a desired shape.
  • the lower electrode 4 and the electrode 14 may be formed of Pt or the like.
  • a Ti layer or the like may be interposed as an adhesion layer.
  • patterning is performed so that the outer peripheries of the lower electrode 4 and the electrode 14 are inclined.
  • the etching conditions used for patterning are appropriately adjusted, and the etching is performed so that the outer periphery is surely a slope.
  • the intermediate layer 3 is formed so as to cover the lower electrode 4.
  • the intermediate layer 3 may be formed of SiO 2 or the like. After the intermediate layer 3 is formed once, the surface of the intermediate layer 3 is flattened by CMP (Chemical Mechanical Polishing).
  • this structure is bonded to the substrate 1.
  • This bonding is performed such that the intermediate layer 3 is in contact with the substrate 1.
  • a metal layer may be interposed at the interface where the intermediate layer 3 and the substrate 1 are joined.
  • Substrate 1 may be a silicon substrate.
  • An intermediate layer may be arranged inside the substrate 1.
  • the intermediate layer 3 may be formed by thermally oxidizing a part of the substrate 1.
  • the upper electrode 5 is formed on the upper surface of the piezoelectric single crystal substrate 17 and patterned into a desired shape.
  • the upper electrode 5 may be formed of Pt or the like.
  • a Ti layer or the like may be interposed as an adhesion layer.
  • patterning is performed so that the outer peripheries of the upper electrode 5 and the electrode 15 are inclined.
  • the etching conditions used for patterning are appropriately adjusted, and the etching is performed so that the outer periphery is surely a slope.
  • the piezoelectric single crystal substrate 17, the intermediate layer 3, and the substrate 1 are patterned into desired shapes.
  • the membrane portion 6 is formed by removing a part of the base portion 1b of the substrate 1 by DRIE (Deep Reactive-Ion @ Etching). Further, the MEMS device 101 shown in FIG. 1 can be obtained by removing the insulating film 13 from the lower surface of the membrane 6. Note that a structure in which the insulating film 13 is left on the lower surface of the membrane section 6 may be employed. If necessary, an electrode for electrically extracting the electrode 14 from the upper surface of the piezoelectric layer 10 may be formed in the through hole 18.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view of the MEMS device 102 according to the present embodiment.
  • FIG. 11 shows an enlarged view of the vicinity of the lower electrode 4 and the upper electrode 5 in FIG.
  • the MEMS device 102 is a MEMS device in which the membrane unit 6 uses a bulk wave.
  • the MEMS device 102 includes the lower electrode 4, the upper electrode 5, and the electrodes 14, 15 as in the MEMS device 101 described in the first embodiment.
  • each of the lower electrode 4 as the first electrode and the upper electrode 5 as the second electrode becomes narrower as the distance from the piezoelectric layer 10 increases. It is similar to the first embodiment in having a tapered cross-sectional shape. Also in the MEMS device 102, the piezoelectric layer 10 has the through hole 18 as in the MEMS device 101.
  • the substrate 1 is not an SOI substrate but a silicon substrate.
  • the substrate 1 of the MEMS device 102 does not include the insulating film 13.
  • the intermediate layer 3 is exposed as the lower surface of the membrane 6.
  • upper electrode 5 as the second electrode is arranged in a region substantially coincident with lower electrode 4 as the first electrode, and sandwiches piezoelectric layer 10 when viewed in a cross-sectional view. Since the shapes of the two electrodes are symmetric, the structure of the vibrating portion is almost vertically symmetric, so that the vibration efficiency is improved and the resonance characteristics are improved. Therefore, device characteristics are improved. Further, the electrode structure of the vibrating part is almost vertically symmetric, and the strain due to the film stress does not become non-uniform. Therefore, cracks hardly occur in the piezoelectric body, and the reliability of the device is improved.
  • Reference Signs List 1 substrate, 1a active layer, 1b basic part, 1e thin part, 1f thick part, 3 intermediate layer, 4 lower electrode, 5 upper electrode, 6 membrane part, 13 insulating film, 14, 15 electrode, 18 through hole, 21 Space, 91 ⁇ first direction, 92 ⁇ second direction, 101, 102 ⁇ MEMS device.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Piezo-Electric Or Mechanical Vibrators, Or Delay Or Filter Circuits (AREA)
  • Micromachines (AREA)

Abstract

ＭＥＭＳデバイス（１０１）は、メンブレン部（６）を有するＭＥＭＳデバイスであって、圧電体の単結晶からなる圧電層（１０）と、圧電層（１０）の第１方向（９１）の表面に配置された第１電極としての下部電極（４）と、圧電層（１０）の第１方向（９１）とは反対側である第２方向（９２）の表面に配置された第２電極としての上部電極（５）と、圧電層（１０）の第１方向（９１）の表面を覆うように配置された第１層としての中間層（３）とを備え、前記圧電層の少なくとも一部は前記メンブレン部に含まれ、前記第１方向の表面に垂直な面で切った断面で見たとき、前記第１電極および前記第２電極はいずれも、前記圧電層から遠ざかるほど幅が狭くなるテーパ状の断面形状を有する。

Description

ＭＥＭＳデバイス
　本発明は、ＭＥＭＳ（Micro　Electro　Mechanical　Systems）デバイスに関するものである。
　バルク弾性波装置の製造方法と称するものが、特開２０１０－１３６３１７号公報（特許文献１）に記載されている。ここで製造される装置は、圧電体薄膜と、圧電体薄膜の下面を覆うように配置された下部電極膜と、圧電体薄膜の上面を覆うように配置された上部電極膜とを備える。下部電極膜は支持基板の表面の広い範囲に導電材料膜を一旦形成し、不要部分を除去することによって形成されている。
特開２０１０－１３６３１７号公報
　支持基板の表面に各種層を順に形成して積み上げていく方法で作製された装置においては、下部電極膜、圧電体薄膜および上部電極膜が同様の形状となることがあり、その結果、圧電層を挟む上下の構造の対称性が低くなり、振動効率が良くない。
　そこで、本発明は、ＭＥＭＳデバイスにおける振動効率を向上させることを目的とする。
　上記目的を達成するため、本発明に基づくＭＥＭＳデバイスは、メンブレン部を有するＭＥＭＳデバイスであって、圧電体の単結晶からなる圧電層と、上記圧電層の第１方向の表面に配置された第１電極と、上記圧電層の上記第１方向とは反対側である第２方向の表面に配置された第２電極と、上記圧電層の上記第１方向の表面を覆うように配置された第１層とを備え、上記圧電層の少なくとも一部は上記メンブレン部に含まれ、上記第１方向の表面に垂直な面で切った断面で見たとき、上記第１電極および上記第２電極はいずれも、上記圧電層から遠ざかるほど幅が狭くなるテーパ状の断面形状を有する。
　本発明によれば、断面図で見たときに圧電層を挟み込む２つの電極の形状の対称性が高くなっているので、振動効率が向上する。
本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの部分拡大図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの平面図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第１の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第２の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第３の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第４の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第５の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスの製造方法の第６の工程の説明図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるＭＥＭＳデバイスの断面図である。 本発明に基づく実施の形態２におけるＭＥＭＳデバイスの部分拡大図である。
　図面において示す寸法比は、必ずしも忠実に現実のとおりを表しているとは限らず、説明の便宜のために寸法比を誇張して示している場合がある。以下の説明において、上または下の概念に言及する際には、絶対的な上または下を意味するとは限らず、図示された姿勢の中での相対的な上または下を意味する場合がある。
　（実施の形態１）
　図１～図３を参照して、本発明に基づく実施の形態１におけるＭＥＭＳデバイスについて説明する。本実施の形態におけるＭＥＭＳデバイス１０１の断面図を図１に示す。図１における下部電極４および上部電極５の近傍を拡大したところを図２に示す。ＭＥＭＳデバイス１０１を上から見たところを図３に示す。
　ＭＥＭＳデバイス１０１は、メンブレン部６を有するＭＥＭＳデバイスである。メンブレン部６は、圧電デバイス１０１の中で薄くなっていて変形しやすくなっている部分である。図１に示した例では、基板１は薄肉部１ｅと厚肉部１ｆとを備える。薄肉部１ｅは厚肉部１ｆより薄くなっており、変形しやすくなっている。図１における真下から見れば、薄肉部１ｅは厚肉部１ｆによって取り囲まれている。図１に示した例では、メンブレン部６は、薄肉部１ｅを含む。厚肉部１ｆによって取り囲まれた場所に薄肉部１ｅが形成されていることによって、基板１は空間２１を有する。
　ＭＥＭＳデバイス１０１は、圧電体の単結晶からなる圧電層１０と、圧電層１０の第１方向９１の表面に配置された第１電極としての下部電極４と、圧電層１０の第１方向９１とは反対側である第２方向９２の表面に配置された第２電極としての上部電極５とを備える。ここでいう「第１方向９１」とは、ＭＥＭＳデバイス１０１の積層方向におけるいずれか一方の向きである。図１においては、矢印および符号で示すように、第１方向９１は図中の下を向く概念である。下部電極４においては、下部電極４につながる配線が下部電極４と一体的に形成されていてもよいが、下部電極４の概念には配線は含まない。下部電極４といった場合、あくまで下部電極４としてひとまとまりの形状を有する電極本体のみの形状を指す。上部電極５に関しても同様である。上部電極５は、下部電極４を圧電層１０の厚み方向に投影したものに大まかに一致していればよく、必ずしも厳密に一致していなくてもよい。ここでいう「圧電体」とは、劈開方向を有する単結晶の材料であり、たとえばＬｉＴａＯ3、ＬｉＮｂＯ3、ＺｎＯ、またはＰＭＮ－ＰＴのいずれかであってよい。
　ＭＥＭＳデバイス１０１は、圧電層１０の第１方向９１の表面を覆うように配置された第１層としての中間層３とを備える。中間層３は絶縁層である。中間層３はたとえばＳｉＯ2などで形成されていてよい。中間層３は複数の層として設けられていてもよい。中間層３は金属層を含んでいてもよい。ＭＥＭＳデバイス１０１では、基板１としてＳＯＩ基板が用いられている。図１に示した例では、メンブレン部６は、基板１の薄肉部１ｅの他に、圧電層１０の一部と中間層３の一部とを含む。基板１は、活性層１ａと基礎部１ｂとを含み、両者の間には絶縁膜１３が介在している。
　圧電層１０の下面には、下部電極４の他に電極１４が配置されている。圧電層１０の上面には、上部電極５の他に電極１５が配置されている。下部電極４と電極１４とは図１においては別々の場所に描かれているが、両者は電気的に接続されていてよく、直接または間接的に導体によって物理的に接続されていてよい。図１に示した例では、下部電極４と電極１４とは断面図に表れないところで接続されている。上部電極５と電極１５との間でも、下部電極４と第１電極１４とについて上述したのと同様のことがいえる。上部電極５と電極１５とは図１においては別々の場所に描かれているが、両者は電気的に接続されていてよい。図１に示した例では、上部電極５と電極１５とは断面図に表れないところで接続されている。電極１４を露出させるように、圧電層１０に貫通孔１８が形成されている。貫通孔１８は、圧電層１０を厚み方向に貫通している。貫通孔１８の上端の近傍における圧電層１０の上面から貫通孔１８の内部を経由して電極１４に対して接続されるように、図示しない電極がさらに配置されてもよい。このような電極を配置することによって、電極１４を圧電層１０の上側に引き出すことができる。
　圧電層１０の少なくとも一部はメンブレン部６に含まれる。第１方向９１の表面に垂直な面で切った断面で見たとき、第１電極としての下部電極４および第２電極としての上部電極５はいずれも、圧電層１０から遠ざかるほど幅が狭くなるテーパ状の断面形状を有する。電極１４，１５も同様にテーパ状の断面形状を有していてもよい。
　図３に示すように、ここで示した例では、メンブレン部６が平面的に見て円形であるものとしたが、メンブレン部６の平面的に見たときの形状は、円形に限らず、正方形、長方形、多角形などであってもよい。本来、圧電層１０の上面には上部電極５が一定のパターンで配置されているが、図３では、上部電極５は図示省略されている。ＭＥＭＳデバイス１０１としてはスリットが設けられていない例を示したが、平面的に見てメンブレン部６の内部に１以上のスリットが設けられていてもよい。スリットは、たとえば平面的に見てメンブレン部６の外形線に沿って断続的に設けられていてもよい。
　本実施の形態では、第２電極としての上部電極５は、第１電極としての下部電極４とほぼ一致する領域に配置されており、しかも、断面図で見たときに圧電層１０を挟み込む２つの電極の形状が対称となっているので、振動する部分の構造が上下対称に近い状態となり、振動効率が向上する。したがって、デバイス特性が改善する。
　本実施の形態では、上部電極５と下部電極４との間に電位差を与えることにより、圧電層１０を歪ませて、メンブレン部６を屈曲振動させることができる。あるいは、外部からの力が作用してメンブレン部６に発生した屈曲振動を上部電極５と下部電極４との間の電気信号として取り出すことができる。本実施の形態で示したように、メンブレン部６が屈曲振動をするものであることが好ましい。ＭＥＭＳデバイス１０１は、屈曲振動を利用するＰＭＵＴ（Piezoelectric　Micromachined　Ultrasonic　Transducer）であってよい。
　本実施の形態で示したように、第２電極としての上部電極５が、第１電極としての下部電極４の投影領域に対応するように配置されていることが好ましい。あるいは、第２電極が、第１電極と同じ面積となるように配置されていることが好ましい。ここでいう「同じ面積」とは、±５％までの差を許容するものとする。この構成を採用することにより、断面図で見たときに圧電層を挟み込む２つの電極の形状の対称性がさらに高くなるので、振動効率がさらに向上する。さらに、圧電層を挟み込む２つの電極の形状の対称性が高くなっているので、膜応力によるひずみが不均一とならず、デバイスの信頼性が改善する。本実施の形態で示した例では、下部電極４の外形線を圧電層１０の厚み方向に投影したものは、上部電極５の外形線とほぼ一致する。
　第１電極としての下部電極４および第２電極としての上部電極５は、エピタキシャル成長層であることが好ましい。この構成を採用することにより、耐電力特性が向上する。
　本実施の形態では、基板１が薄肉部１ｅを含んでおり、メンブレン部６が薄肉部１ｅを含んでいる構成を例示した。しかし、基板１が薄肉部１ｅを備えない構成であってもよい。言い換えれば薄肉部１ｅの厚みが０である構成である。この場合、メンブレン部６は基板１の薄肉部１ｅを含まない構成となる。この場合であっても、メンブレン部６は、圧電層１０の一部と、中間層３の一部とを含む。メンブレン部６の下面には中間層３が露出していてもよい。
　（製造方法）
　図４～図９を参照して、本実施の形態におけるＭＥＭＳデバイス１０１の製造方法について説明する。
　まず、図４に示すように、圧電単結晶基板１７を用意する。圧電単結晶基板１７は、たとえばＬｉＴａＯ3またはＬｉＮｂＯ3によって形成された基板であってよい。次に、図５に示すように、圧電単結晶基板１７の一方の面において、下部電極４および電極１４を成膜によって形成し、所望の形状にパターニングする。下部電極４および電極１４は、Ｐｔなどによって形成してよい。圧電単結晶基板１７と下部電極４および電極１４との界面には、密着層としてＴｉ層などが介在していてもよい。このパターニングの際には、図５に示すように、下部電極４および電極１４の外周が斜面となるようにパターニングする。パターニングに用いるエッチングの条件を適宜調整して、外周が確実に斜面となるようにエッチングする。
　図６に示すように、下部電極４を覆うように中間層３を形成する。中間層３は、ＳｉＯ2などによって形成されたものであってよい。中間層３を一旦形成した後で、ＣＭＰ（Chemical　Mechanical　Polishing）によって中間層３の表面を平坦化する。
　図７に示すように、この構造体を基板１と貼り合わせる。この貼合せは、中間層３が基板１と接するように行なわれる。貼り合わせた結果、図８に示すようになる。中間層３と基板１とが接合する界面に金属層が介在していてもよい。基板１はシリコン基板であってよい。基板１の内部にも中間層が配置されていてもよい。中間層３は、基板１の一部を熱酸化して形成されたものであってよい。
　図９に示すように、圧電単結晶基板１７の上面に上部電極５を成膜し、所望の形状にパターニングする。上部電極５は、Ｐｔなどによって形成してよい。圧電単結晶基板１７と上部電極５および電極１５との界面には、密着層としてＴｉ層などが介在していてもよい。このパターニングの際には、図９に示すように、上部電極５および電極１５の外周が斜面となるようにパターニングする。パターニングに用いるエッチングの条件を適宜調整して、外周が確実に斜面となるようにエッチングする。
　圧電単結晶基板１７、中間層３、基板１を所望の形状にパターニングする。基板１の基礎部１ｂの一部をＤＲＩＥ（Deep　Reactive-Ion　Etching）によって除去することによって、メンブレン部６を形成する。さらにメンブレン部６の下面において絶縁膜１３を除去することによって、図１に示したＭＥＭＳデバイス１０１を得ることができる。なお、メンブレン部６の下面において絶縁膜１３を残した構造としてもよい。必要に応じて、電極１４を圧電層１０の上面に電気的に取り出すための電極を貫通孔１８に形成してもよい。
　（実施の形態２）
　図１０～図１１を参照して、本発明に基づく実施の形態２におけるＭＥＭＳデバイスについて説明する。本実施の形態におけるＭＥＭＳデバイス１０２の断面図を図１０に示す。図１０における下部電極４および上部電極５の近傍を拡大したところを図１１に示す。ＭＥＭＳデバイス１０２は、メンブレン部６がバルク波を用いるＭＥＭＳデバイスである。ＭＥＭＳデバイス１０２は、実施の形態１で説明したＭＥＭＳデバイス１０１と同様に、下部電極４と、上部電極５と、電極１４，１５とを備える。第１方向９１の表面に垂直な面で切った断面で見たとき、第１電極としての下部電極４および第２電極としての上部電極５はいずれも、圧電層１０から遠ざかるほど幅が狭くなるテーパ状の断面形状を有するという点は、実施の形態１と同様である。ＭＥＭＳデバイス１０２においても、ＭＥＭＳデバイス１０１と同様に、圧電層１０は貫通孔１８を有する。
　ＭＥＭＳデバイス１０２においては、基板１にはＳＯＩ基板ではなく、シリコン基板が用いられている。ＭＥＭＳデバイス１０２の基板１には絶縁膜１３が含まれていない。メンブレン部６の下面として中間層３が露出している。
　本実施の形態においても、第２電極としての上部電極５は、第１電極としての下部電極４とほぼ一致する領域に配置されており、しかも、断面図で見たときに圧電層１０を挟み込む２つの電極の形状が対称となっているので、振動する部分の構造が上下対称に近い状態となり、振動効率が向上し、共振特性が向上する。したがって、デバイス特性が改善する。さらに、振動する部分の電極構造が上下対称に近い状態となり、膜応力によるひずみが不均一とならない。したがって、圧電体に対して亀裂が生じにくくなり、デバイスの信頼性が改善する。
　なお、上記実施の形態のうち複数を適宜組み合わせて採用してもよい。
　なお、今回開示した上記実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではない。本発明の範囲は請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
　１　基板、１ａ　活性層、１ｂ　基礎部、１ｅ　薄肉部、１ｆ　厚肉部、３　中間層、４　下部電極、５　上部電極、６　メンブレン部、１３　絶縁膜、１４，１５　電極、１８　貫通孔、２１　空間、９１　第１方向、９２　第２方向、１０１，１０２　ＭＥＭＳデバイス。

Claims (7)

  1. 　圧電体の単結晶からなる圧電層と、
    　前記圧電層の第１方向の表面に配置された第１電極と、
    　前記圧電層の前記第１方向とは反対側である第２方向の表面に配置された第２電極と、
    　前記圧電層の前記第１方向の表面を覆うように配置された第１層とを備え、
    　前記圧電層の少なくとも一部は、他の部分より薄くなっていて変形しやすくなっている部分であるメンブレン部に含まれ、
    　前記第１方向の表面に垂直な面で切った断面で見たとき、前記第１電極および前記第２電極はいずれも、前記圧電層から遠ざかるほど幅が狭くなるテーパ状の断面形状を有する、ＭＥＭＳデバイス。
  2. 　厚み方向から見たとき、前記第２電極は、前記第１電極と重なる、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
  3. 　前記第２電極が、前記第１電極の投影領域に対応するように配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
  4. 　前記第２電極が、前記第１電極と同じ面積となるように配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
  5. 　前記第１電極および前記第２電極は、エピタキシャル成長層である、請求項１から４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
  6. 　前記メンブレン部が屈曲振動をする、請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
  7. 　前記メンブレン部がバルク波を利用する、請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
PCT/JP2019/029845 2018-07-30 2019-07-30 Ｍｅｍｓデバイス WO2020027138A1 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US17/161,724 US11746000B2 (en) 2018-07-30 2021-01-29 MEMS device

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2018142878 2018-07-30
JP2018-142878 2018-07-30

Related Child Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US17/161,724 Continuation US11746000B2 (en) 2018-07-30 2021-01-29 MEMS device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2020027138A1 true WO2020027138A1 (ja) 2020-02-06

Family

ID=69232254

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2019/029845 WO2020027138A1 (ja) 2018-07-30 2019-07-30 Ｍｅｍｓデバイス

Country Status (2)

Country Link
US (1) US11746000B2 (ja)
WO (1) WO2020027138A1 (ja)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007081645A (ja) * 2005-09-13 2007-03-29 Murata Mfg Co Ltd 圧電装置およびその製造方法
JP2009054786A (ja) * 2007-08-27 2009-03-12 Seiko Epson Corp 圧電素子およびその製造方法、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッド
JP2013046086A (ja) * 2011-08-22 2013-03-04 Seiko Epson Corp 超音波アレイセンサーおよびその製造方法
JP2014013842A (ja) * 2012-07-04 2014-01-23 Ricoh Co Ltd 圧電素子及びその製造方法、並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
JP2015035516A (ja) * 2013-08-09 2015-02-19 セイコーエプソン株式会社 圧電素子の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、及び超音波デバイス

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4793568B2 (ja) * 2005-07-08 2011-10-12 セイコーエプソン株式会社 アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP5270412B2 (ja) 2008-03-24 2013-08-21 日本碍子株式会社 バルク弾性波装置の製造方法
JP5900505B2 (ja) * 2011-09-30 2016-04-06 株式会社大真空 電子部品パッケージ、電子部品パッケージ用封止部材、および前記電子部品パッケージ用封止部材の製造方法
US10355659B2 (en) * 2016-03-11 2019-07-16 Akoustis, Inc. Piezoelectric acoustic resonator manufactured with piezoelectric thin film transfer process

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007081645A (ja) * 2005-09-13 2007-03-29 Murata Mfg Co Ltd 圧電装置およびその製造方法
JP2009054786A (ja) * 2007-08-27 2009-03-12 Seiko Epson Corp 圧電素子およびその製造方法、アクチュエータ、並びに、液体噴射ヘッド
JP2013046086A (ja) * 2011-08-22 2013-03-04 Seiko Epson Corp 超音波アレイセンサーおよびその製造方法
JP2014013842A (ja) * 2012-07-04 2014-01-23 Ricoh Co Ltd 圧電素子及びその製造方法、並びに液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置
JP2015035516A (ja) * 2013-08-09 2015-02-19 セイコーエプソン株式会社 圧電素子の製造方法、圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、及び超音波デバイス

Also Published As

Publication number Publication date
US20210147217A1 (en) 2021-05-20
US11746000B2 (en) 2023-09-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5677016B2 (ja) 電気機械変換装置及びその作製方法
JP4766052B2 (ja) 電気音響変換器
JP5478406B2 (ja) リング状の振動膜を有する圧電型マイクロスピーカ及びその製造方法
JP5513287B2 (ja) ピストン・ダイアフラムを有した圧電型マイクロスピーカ及びその製造方法
US20090185700A1 (en) Vibration transducer and manufacturing method therefor
US8363864B2 (en) Piezoelectric micro-acoustic transducer and method of fabricating the same
US20090190782A1 (en) Vibration transducer
US11806750B2 (en) MEMS device
JP7091699B2 (ja) 超音波センサー、超音波装置、及び超音波センサーの製造方法
JP5288080B1 (ja) 指向性スピーカ
KR20130031206A (ko) 전기기계 변환장치의 제조 방법
EP2043385A2 (en) Vibration transducer and manufacturing method therefor
WO2017110666A1 (ja) スピーカ装置及びスピーカ装置の製造方法
WO2020027138A1 (ja) Ｍｅｍｓデバイス
TW202114257A (zh) 壓電元件
JP6833544B2 (ja) 静電容量型トランスデューサおよびその製造方法
JP2011182298A (ja) Ｍｅｍｓトランスデューサおよび超音波パラメトリックアレイスピーカー。
WO2021106266A1 (ja) 圧電デバイス
JP2011139267A (ja) 圧電型発音装置
US20220045261A1 (en) Piezoelectric device
JP2018110282A (ja) 静電容量型トランスデューサ、及びその製造方法
TWI803124B (zh) 具多重振動部的微機電裝置
WO2021100248A1 (ja) 圧電デバイス
CN112470298B (zh) Mems器件
JP6673479B2 (ja) 圧電トランス

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 19844710

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 19844710

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: JP