WO2022075114A1 - 積層構造体および積層構造体の製造方法 - Google Patents

積層構造体および積層構造体の製造方法 Download PDF

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WO2022075114A1
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frame body
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達也 鈴木
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ローム株式会社
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Definitions

  • the present embodiment relates to a laminated structure in which a material containing silicon is laminated and a method for manufacturing the laminated structure.
  • the MEMS transducer includes a piezoelectric element and a film body driven by the piezoelectric element, and is housed as a speaker or a microphone in, for example, a portable electronic device case (see Patent Document 1).
  • the MEMS film body is formed by etching a semiconductor substrate until a film body having a desired thickness is obtained. Along with this etching, a film body and a hollow lined up in the thickness direction of the semiconductor substrate are simultaneously formed on the semiconductor substrate. On the other hand, at the time of this etching, the semiconductor substrate may have a cavity formed on the side opposite to the portion to be etched (that is, the portion where the hollow is formed) sandwiching the film body. This cavity is, for example, a space reserved for installing a piezoelectric element or the like on a film body, and is formed in another semiconductor substrate attached to the semiconductor substrate to be etched.
  • the film body formed by etching is very thin. That is, during the formation of the film body by etching, the film between the cavity and the etching portion becomes thin, and there is a concern that the film may be damaged due to the stress of the film or the pressure difference between the cavity and the external space of the semiconductor substrate. ..
  • An object of the present embodiment is to provide a laminated structure and a method for manufacturing a laminated structure capable of suppressing damage to the film body when the film body is formed.
  • One aspect of the present embodiment is a laminated structure in which a material containing silicon is laminated, and is a frame having a first surface and a second surface facing in opposite directions in the thickness direction.
  • a frame body supported by the body, a frame body located between the film body and the second surface and having a hollow opening to the second surface, and a lid body attached to the frame body.
  • a cavity located above the membrane and a lid having an opening that communicates with the cavity and is formed at a position where at least a part of the membrane is exposed to the external space of the laminated structure.
  • the lid includes a groove formed on the surface of the lid facing the frame, and the cavity and the external space of the laminated structure communicate with each other through the groove.
  • Another aspect of the present embodiment is a method for manufacturing a laminated structure in which a material containing silicon is laminated, in which the lid is placed on the frame with the cavity formed in the lid facing the frame.
  • the support substrate is attached to the lid, and the position is opposite to the first surface to which the lid is attached, with the flow of gas between the cavity and the external space of the laminated structure allowed.
  • a film body is formed on the frame body by etching the second surface of the frame body.
  • the present embodiment it is possible to provide a laminated structure and a method for manufacturing the laminated structure, which can suppress damage to the film body at the time of forming the film body.
  • FIG. 1A is a top view of the laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB in FIG. 1A.
  • FIG. 2A is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2B is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2C is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2D is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2E is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2F is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2G is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 2H is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 3A is a top view of the laminated structure according to the second embodiment.
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
  • FIG. 4A is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a second embodiment.
  • FIG. 4B is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the second embodiment.
  • FIG. 4C is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the second embodiment.
  • FIG. 4D is a diagram showing one step of a method for manufacturing a laminated structure according to a second embodiment.
  • FIG. 5A is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a third embodiment.
  • FIG. 5B is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a third embodiment.
  • FIG. 5C is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the third embodiment.
  • FIG. 5D is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the third embodiment.
  • FIG. 6A is a top view of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6A is a top view of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line VIB-VIB in FIG. 6A.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along the line VIC-VIC in FIG. 6B.
  • FIG. 7A is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7C is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7D is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7E is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7A is a diagram showing one step of the method for manufacturing a laminated structure according to a fourth embodiment.
  • FIG. 7B is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment
  • FIG. 7F is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7G is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 7H is a diagram showing one step of the manufacturing method of the laminated structure according to the fourth embodiment.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of a modified example of the laminated structure according to the first embodiment.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of a modified example of the laminated structure according to the second embodiment.
  • FIG. 9A is a top view of an example of a transducer to which the laminated structure according to the fourth embodiment is applied.
  • 9B is a cross-sectional view taken along the line IXB-IXB in FIG. 9A.
  • FIG. 9C is a cross-sectional view taken along the line IXC-IXC in FIG. 9B.
  • FIG. 10 is a top view of an example of a speaker including the transducer according to the present embodiment.
  • FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view taken along the line XII-XII in FIG.
  • the laminated structure according to each embodiment is a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) having a membrane body configured to be displaceable (flexible and distortable).
  • the laminated structure measures the electrical resistance of the film body according to the displacement (deflection, distortion) of the film body, as well as the speaker and microphone that control or detect the displacement (deflection, distortion) of the film body using a piezoelectric element. It can be applied to transducers such as pressure sensors.
  • FIG. 1A is a top view of the laminated structure 10 according to the present embodiment
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line IB-IB in FIG. 1A.
  • the laminated structure 10 includes a frame body 20, a lid body 30, and a ventilation passage 40A.
  • the frame body 20 and the lid body 30 are made of a material containing, for example, silicon (Si).
  • the direction in which the frame body 20 and the lid body 30 are arranged is the Z direction, two directions orthogonal to the Z direction and orthogonal to each other.
  • the X direction and the Y direction is the direction in which the frame body 20 and the lid body 30 are laminated with each other.
  • the frame body 20 has a front surface (first surface) 20a and a back surface (second surface) 20b facing in opposite directions in the Z direction.
  • the frame body 20 has, for example, a rectangular outer shape that expands in the X direction and the Y direction, and has a hollow portion (first space) 21 that is located between the film body 22 and the back surface 20b and is open to the back surface 20b.
  • the hollow portion 21 is formed by the inner surface 20c of the frame body 20.
  • the frame body 20 has an SOI (Silicon on Insulator) wafer 50 having an interlayer insulating layer 53 formed at the boundary between an active layer 51 on which a film body 22 is formed and a support layer 52 on which a hollow portion 21 is formed (FIG. 2A). See).
  • the wafer constituting the frame 20 is not limited to the SOI wafer, and may be a wafer having no interlayer insulating layer 53.
  • the frame body 20 has a film body 22.
  • the film body 22 is located, for example, at the same height as the front surface 20a in the Z direction. In this case, the surface facing the lid 30 is continuous with the front surface 20a of the frame 20. Further, the film body 22 is supported by the frame body 20 and covers at least a part of the hollow portion 21.
  • the film body 22 is a thin film that develops in the X direction and the Y direction, and has a thickness (for example, 2 to 3 ⁇ m) that can be displaced (flexible and distorted) in the Z direction.
  • the thickness of the film body 22 may be equal to or less than the thickness of the active layer 51 of the SOI wafer.
  • the film body 22 is formed by etching the back surface 20b of the frame body 20, and the inner surface forming the hollow portion 21 between the hollow 21 portion formed by the etching and the cavity (second space) 31 of the lid 30. It is supported by 20c and is integrally formed with the frame body 20. Further, the outer edge 22a of the film body 22 is supported by the frame body 20 over the entire circumference. Alternatively, as described later, only a part of the outer edge 22a of the film body 22 may be supported by the frame body 20.
  • the lid 30 is attached to the front surface 20a of the frame 20, and the lid 30 is integrated with the frame 20. Further, the lid 30 has a cavity 31 located above the membrane 22.
  • the lid 30 has an opening 32 formed in the front surface 30a of the lid 30 and an opening 33 formed in the back surface 30b of the lid 30, which communicate with the cavity 31. That is, the cavity 31 penetrates the lid 30 in the Z direction.
  • the opening 32 is formed at a position where at least a part of the film body 22 is exposed to the external space of the laminated structure 10. In other words, the opening 32 and the film body 22 are located so that at least a part of each other overlaps with each other when viewed from the Z direction.
  • the opening area of the opening 32 is smaller than the area of the membrane body 22, and the opening area of the opening 33 is larger than the area of the membrane body 22.
  • the lid body 30 may also be formed from a silicon wafer.
  • the cavity 31 communicates with the external space of the laminated structure 10 via the groove portion 41A.
  • the cavity 31 communicates with the external space of the laminated structure 10 via the groove portion 41A and the ventilation passage 40A.
  • the groove portion 41A is formed on the surface (hereinafter referred to as the back surface) 30b of the lid 30 facing the front surface 20a of the frame body 20, and is open toward the front surface 20a and the cavity 31.
  • the groove 41A extends from the cavity 31 to a predetermined position in the back surface 30b along the back surface 30b of the lid 30. That is, the groove 41A does not reach the side surface 30c of the lid 30.
  • the ventilation passage 40A extends from this predetermined position to the back surface 20b of the frame body 20 and opens to the back surface 20b. That is, the ventilation path 40A penetrates the frame body 20 along the Z direction.
  • the laminated structure 10 is manufactured by using the frame body 20, the lid body 30, and the support substrate 60.
  • the frame body 20 and the lid body 30 are made of individual silicon wafers. Further, it is assumed that the above-mentioned SOI wafer is used as the silicon wafer constituting the frame body 20. Further, in the lid body 30, the cavity 31 and the groove portion 41A are formed in advance by microfabrication such as etching.
  • each process such as formation of an element such as a piezoelectric element, an electrode, a wiring layer, ion implantation, and formation or removal of a resist or a protective film is appropriately performed.
  • the active layer 51 is etched from the front surface 20a of the frame body 20 to form a bottomed hole 42 that becomes a part of the ventilation path 40A (step SA1). This etching is performed until the bottomed hole 42 reaches a predetermined depth (for example, a depth reaching the interlayer insulating layer 53). If the SOI wafer is not used, this step may be omitted.
  • the lid 30 is attached to the front surface 20a of the frame 20 with the opening 33 of the cavity 31 facing the frame 20 (step SA2).
  • the lid body 30 is positioned with respect to the frame body 20 so that the groove portion 41A is located at the position of the bottomed hole 42.
  • the support substrate 60 is attached to the front surface 30a of the lid 30 (step SA3).
  • the support substrate 60 is provided with an adhesive member 61 such as an adhesive tape, and the support substrate 60 supports the lid 30 via the adhesive member 61. At this time, the opening 32 of the cavity 31 is closed by the support substrate 60, and the flow of gas between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is restricted.
  • an adhesive member 61 such as an adhesive tape
  • the portion corresponding to the groove portion 41A (the bottomed hole 42 when the step SA1 step is executed) is etched on the back surface 20b of the frame body 20.
  • the air passage 40A is formed (step SA4).
  • the region 23 (see FIG. 2E) corresponding to the cavity 31 is etched on the back surface 20b of the frame body 20 (step SA5). Etching is continued until the film thickness of the film body 22 reaches a desired value (in other words, until the depth of the hollow portion 21 in the Z direction reaches a desired value). For example, it continues until the interlayer insulating layer 53 is exposed to the hollow portion 21 or until the interlayer insulating layer 53 is removed.
  • step SA5 While performing the etching of step SA5, there is a concern that the pressure difference between the cavity 31 and the etching atmosphere becomes excessive.
  • the flow of gas between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is allowed through the groove portion 41A and the ventilation passage 40A. Therefore, the pressure difference between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is reduced, and damage to the film body 22 due to an excessive pressure difference at the time of forming the film body 22 can be suppressed.
  • the film thickness of the film body 22 can be made thinner than the conventional value, or the area of the film body 22 can be increased.
  • step SA6 the support substrate 60 is removed from the lid 30 (step SA6), and the manufacturing process according to the present embodiment is completed. Even when the support substrate 60 is removed from the lid 30, gas flow between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is allowed through the ventilation passage 40A. Therefore, even in the step SA6, the film body 22 can be suppressed from being damaged, and the support substrate 60 can be safely removed.
  • FIG. 3A is a top view of the laminated structure 10 according to the second embodiment
  • FIG. 3B is a cross-sectional view taken along the line IIIB-IIIB in FIG. 3A.
  • the groove portion 41B is formed instead of the groove portion 41A.
  • the cavity 31 communicates with the external space of the laminated structure 10 via the groove portion 41B.
  • the groove portion 41B according to the second embodiment is formed on the back surface 30b of the lid 30.
  • the groove 41B extends from the cavity 31 to the external space of the laminated structure 10. That is, the groove portion 41B opens on the side surface 30c of the lid 30 to form a ventilation passage 40B. That is, the ventilation passage 40B is formed only in the lid 30.
  • the vent 40B also allows the flow of gas between the cavity 31 and the exterior space of the laminated structure 10 during the formation of the membrane 22.
  • FIG. 4A to 4D are diagrams showing the main steps of the manufacturing method according to the present embodiment.
  • the manufacturing method according to the present embodiment is substantially the same as the manufacturing method according to the first embodiment. That is, as shown in FIG. 4A, the lid 30 is attached to the front surface (first surface) 20a of the frame 20 with the opening 33 of the cavity 31 facing the frame 20 (step SB1), and then , The support substrate 60 is attached to the front surface 30a of the lid 30 (step SB2).
  • step SB3 is the same as the process of step SA5.
  • step SB4 is the same as the process of step SA6.
  • step SB2 the opening 32 of the cavity 31 is closed by the support substrate 60.
  • the groove 41B is formed in advance in the lid 30, the flow of gas between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is maintained in an allowed state. Therefore, as compared with the manufacturing method according to the first embodiment, in the manufacturing method of the second embodiment, each step of step SA1 for forming the bottomed hole 42 in the frame body 20 and step SA3 for forming the ventilation passage 40A can be omitted. ..
  • damage to the film body 22 due to an excessive pressure difference at the time of forming the film body 22 can be suppressed, and the film thickness of the film body 22 can be reduced. It can be made thinner than the conventional value, or the area of the film body 22 can be expanded.
  • the laminated structure 10 according to the present embodiment does not have the groove portion 41B of the first embodiment and the groove portion 41B of the second embodiment.
  • the adhesive member 61 and the gap 62 are provided between the front surface 30a of the lid 30 and the support substrate 60, and while the support substrate 60 supports the lid 30.
  • the flow of gas between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is ensured through the gap 62. That is, the gap 62 functions as a ventilation passage 40C similar to the ventilation passage of the first embodiment or the second embodiment.
  • 5A to 5D are diagrams showing the main steps of the manufacturing method according to the present embodiment.
  • 5B to 5D are views taken from the SS cross section in FIG. 5A.
  • an adhesive member 61 and a gap 62 as a ventilation passage 40C are provided between the front surface 30a of the lid 30 and the support substrate 60.
  • the gap 62 is formed so as to communicate with the external space of the laminated structure from the cavity 31, and extends in the X direction, for example.
  • gas is released from the cavity 31 through the gap 62, and the increase in the internal pressure of the cavity 31 is suppressed.
  • FIG. 6A is a top view of the laminated structure 10 according to the fourth embodiment
  • FIG. 6B is a sectional view taken along line VIB-VIB in FIG. 6A
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along the line VIC-VIC in FIG. 6B.
  • the ventilation passage 40A includes a groove 41B formed in the back surface 30b of the lid 30, and communicates between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 via the groove 41B. are doing. Further, the ventilation passage 40A extends from the groove portion 41B to the back surface 20b of the frame body 20 and opens to the back surface 20b. That is, the configuration of the ventilation passage 40A of the present embodiment is the same as that of the first embodiment.
  • a slit 25 is formed in a part of the outer periphery of the film body 22 in the frame body 20 (front surface 20a of the frame body 20).
  • the slit 25 is formed so as to form the outer edge 22a of the film body 22 and to support only a part of the outer edge 22a of the film body 22 by the frame body 20.
  • the film body 22 has a rectangular shape extending in the X direction and the Y direction, only one of the four outer edges extending in the X direction or the Y direction is supported by the frame body 20. That is, the film body 22 is configured as a cantilever that can bend in the Z direction.
  • the film body 22 of the present embodiment is more likely to be displaced in the Z direction if the film thickness is the same. Therefore, for example, when the film body 22 is driven by the piezoelectric element, the voltage applied to the piezoelectric element can be reduced. Further, when the displacement of the film body 22 due to the change of the external force is detected, the sensitivity of the film body 22 to the external force is improved.
  • each manufacturing method of the first embodiment to the third embodiment can be applied except that the above-mentioned step of forming the slit 25 is included.
  • FIGS. 7A and 7B are diagrams showing the main steps of the manufacturing method according to the present embodiment. These figures show an example of applying the manufacturing method of the first embodiment in which the air passage 40A is formed for convenience of explanation. That is, as shown in FIGS. 7A and 7B, the active layer 51 is etched from the front surface 20a of the frame body 20 to form the slit 25 and the bottomed hole 42 before the film body 22 is formed (step SC1). This etching is performed until the depth reaches a depth equal to or higher than the film thickness of the film body 22.
  • the lid 30 is attached to the front surface 20a of the frame 20 with the opening 33 of the cavity 31 facing the frame 20 (step SC2).
  • the lid 30 is positioned with respect to the frame 20 so that the groove 41A is located at the position of the bottom hole 42 and the inner peripheral surface of the cavity 31 is separated from the opening surface of the slit 25. ..
  • the support substrate 60 is attached to the front surface 30a of the lid 30 (step SC3).
  • step SC4 the portion corresponding to the groove portion 41A on the back surface 20b of the frame body 20 is etched to form the ventilation path 40A (step SC4).
  • the ventilation path 40A By forming the ventilation path 40A, the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 communicate with each other, and gas flow between them is allowed.
  • step SC5 the region 23 (see FIG. 2E) corresponding to the cavity 31 is etched on the back surface 20b of the frame body 20.
  • Etching is continued until the film thickness of the film body 22 reaches a desired value (in other words, until the depth of the hollow portion 21 in the Z direction reaches a desired value).
  • the slit 25 having a depth equal to or greater than the desired film thickness of the film body 22 has already been formed. Therefore, when the film body 22 having a desired film thickness and the hollow portion 21 are formed by etching in step SC5, the slit 25 communicates with the hollow portion 21, and the outer edge 22a of the film body 22 is formed in the frame body 20 at only one place. It will be supported.
  • step SC5 the flow of gas between the cavity 31 and the external space of the laminated structure 10 is allowed through the ventilation path 40A. Similar to the effects obtained in each of the above-described embodiments, damage during formation of the film body 22 is suppressed, the film thickness of the film body 22 is made thinner than the conventional value, or the area of the film body 22 is expanded. Can be made to.
  • the support substrate 60 is removed from the lid 30 (step SC6), and the manufacturing process according to the present embodiment is completed. At this time as well, damage to the film body 22 can be suppressed, and the support substrate 60 can be safely removed.
  • FIG. 8A is a cross-sectional view of the laminated structure 10 showing a modified example of the first embodiment, and is a diagram corresponding to FIG. 1B.
  • FIG. 8B is a cross-sectional view of the laminated structure 10 showing a modified example of the second embodiment, and is a diagram corresponding to FIG. 3B.
  • the ventilation passage 40A or the ventilation passage 40B may be blocked by the filling member 43.
  • the filling member 43 is a metal paste or a resin paste, and is filled in the ventilation passage 40A or the ventilation passage 40B and cured.
  • the lid 30 according to the first to fourth embodiments may not have the opening 32. That is, the cavity 31 is formed so as to open through the opening 33. Further, the cavity 31 and the film body 22 (and the piezoelectric element 81 in the application example) located below the cavity 31 are covered with the front surface 30a of the lid 30.
  • This transducer 80 constitutes, for example, a speaker 90 (see FIG. 10) described later.
  • FIG. 9A is a top view of the transducer 80
  • FIG. 9B is a cross-sectional view of IXB-IXB in FIG. 9A
  • 9C is a cross-sectional view taken along the line IXC-IXC in FIG. 9B.
  • the transducer 80 applies the laminated structure 10 of the fourth embodiment shown in FIG. 6A.
  • the transducer 80 includes a piezoelectric element 81.
  • the piezoelectric element 81 is installed on the membrane body 22 so as to face the opening 33 of the lid body 30. A part of the piezoelectric element 81 may straddle the connection portion between the film body 22 and the frame body 20. In either case, the entire piezoelectric element 81 faces the opening 33 of the lid 30.
  • the piezoelectric element 81 includes a pair of electrodes 82 and 84 and a piezoelectric film 83 sandwiched between the pair of electrodes 82 and 84.
  • the pair of electrodes 82, 84 and the piezoelectric film 83 have a shape corresponding to the shape of the film body 22.
  • the electrode 82, the piezoelectric film 83, and the electrode 84 are sequentially laminated on the membrane body 22 along the direction (Z direction) from the membrane body 22 toward the opening 32.
  • the piezoelectric element 81 is formed on the membrane body 22 before the lid body 30 is attached to the frame body 20 (before the bottomed hole 42 and the slit 25 are formed).
  • a driving voltage is applied between the pair of electrodes 82 and 84, the film body 22 is displaced due to the expansion and contraction of the piezoelectric film 83. Specifically, the tip end side of the film body 22 is displaced so as to warp along the Z direction.
  • the film body 22 By repeatedly applying the drive voltage to the pair of electrodes 82 and 84, the film body 22 alternately repeats the displacement toward the hollow portion 21 side and the displacement toward the cavity 31 side. Such vibration of the membrane body 22 causes the air around the membrane body 22 to vibrate, and a sound wave is generated. This sound wave propagates to the external space of the transducer 80 (laminated structure 10) through the opening 32 of the cavity 31.
  • the electrodes 82 and 84 are formed of a conductive metal thin film such as platinum, molybdenum, iridium, or titanium.
  • the electrode 82 is located on the upper surface of the piezoelectric film 83 and is connected to the wiring 86.
  • the electrode 84 is located on the lower surface of the piezoelectric film 83 and is connected to the wiring 88.
  • the piezoelectric film 83 is composed of, for example, lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the piezoelectric film 83 may be made of aluminum nitride (AlN), zinc oxide (ZnO), lead titanate (PbTiO 3 ), or the like.
  • a plurality of the above-mentioned transducers 80 may be arranged.
  • the plurality of transducers 80 are arranged linearly or in a matrix.
  • 10 to 12 are examples of a speaker 90 including a plurality of transducers 80, 80, 80 arranged in a straight line.
  • 10 is a top view of the speaker 90
  • FIG. 11 is a sectional view taken along line XI-XI in FIG. 10
  • FIG. 12 is a sectional view taken along line XII-XII in FIG.
  • each lid 30 of the three transducers 80, 80, 80 is formed as a single structure. Further, among the three transducers 80, 80, 80, the partition wall 30d between two adjacent to each other communicates the cavities 31, 31 (in other words, the first cavity and the second cavity), respectively.
  • a communication passage 91 is provided.
  • the communication passage 91 is formed as a groove on the back surface 30b of the lid 30 constituting each transducer 80. The communication passage 91 allows the flow of gas between the two cavities 31 and 31 adjacent to each other.
  • the speaker 90 includes a single groove portion 41A and a ventilation path 40A communicating with the single groove portion 41A.
  • the speaker 90 may be provided with a single groove portion 41B (ventilation path 40B) (see FIG. 3B).
  • the groove 41A and the air passage 40A or the air passage 40B are provided at the end of the array of the plurality of transducers 80, for example, as shown in FIG. 10, and the cavity of the transducer 80 closest to the end is provided. There is communication between 31 and the external space of the transducer 80.
  • each transducer 80 is the same as the configuration shown in FIGS. 9A to 9C, except that the above-mentioned communication passage 91 and the plurality of transducers 80 share a single air passage 40A (40B). .. That is, each transducer 80 includes a film body 22 and a piezoelectric element 81 as a source of sound waves.
  • the communication passage 91 spatially connects the cavities 31 of each transducer 80. Therefore, when manufacturing a plurality of laminated structures 10 (that is, a plurality of transducers 80 constituting the speaker 90) arranged in one direction, one piece is provided by providing a single air passage 40A (40B) shared by these. The number of laminated structures 10 (transducer 80) manufactured per wafer can be increased. In addition, it is possible to suppress damage during formation of the film body 22 obtained in each embodiment, reduce the thickness of the film body 22, and increase the area of the film body 22.
  • Laminated structure 20 Frame 20a Front surface (first surface) 20b back (second side) 20c Inner surface 21 Hollow part (hollow) 22 Membrane 22a Outer edge 23 Region 25 Slit 30 Lid 30a Front surface 30b Back surface 30c Side surface 30d Partition wall 31 Cavity 32 Opening 33 Opening 40A Ventilation 40B Ventilation 40C Ventilation 41A Groove 41B Groove 42 Bottom hole 43 Filling member 50 Wafer 51 Active layer 52 Support layer 53 Interlayer insulation layer 60 Support substrate 61 Adhesive member 62 Gap 80 Transducer 81 Piezoelectric element 82 Electrode 83 Piezoelectric film 84 Electrode 86 Wiring 88 Wiring 90 Speaker 91 Continuous passage

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Abstract

積層構造体（１０）は、厚さ方向において互いに反対方向に面した第１面（２０ａ）及び第２面（２０ｂ）を有する枠体（２０）であって、枠体（２０）に支持される膜体（２２）、並びに、膜体（２２）と第２面（２０ｂ）の間に位置し且つ第２面（２０ｂ）に開口する中空部（２１）を有する枠体（２０）と、枠体（２０）に取り付けられた蓋体（３０）であって、膜体（２２）の上に位置する空洞（３１）と空洞（３１）に連通し且つ膜体（２２）の少なくとも一部が積層構造体（１０）の外部空間に露出する位置に形成された開口部（３２）とを有する蓋体（３０）とを備える。蓋体（３０）は、枠体（２０）に面した蓋体（３０）の表面（背面）（３０ｂ）に形成された溝部（４１Ａ）を含み、溝部（４１Ａ）を介して空洞（３１）と積層構造体（１０）の外部空間とが連通している。

Description

積層構造体および積層構造体の製造方法
　本実施形態は、シリコンを含む材料が積層された積層構造体および積層構造体の製造方法に関する。
　半導体製造プロセスを用いて製造される種々のＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)のうちの１つとして、トランスデューサが知られている。ＭＥＭＳのトランスデューサは、圧電素子と当該圧電素子によって駆動される膜体とを備え、スピーカ又はマイクロフォンとして例えば携帯型電子機器ケース等に収容されている（特許文献１参照）。
国際公開２０１８／０６１８０５号
　ＭＥＭＳの膜体は、所望の厚さの膜体が得られるまで半導体基板をエッチングすることによって形成される。このエッチングに伴い、半導体基板には当該半導体基板の厚さ方向に並ぶ膜体と中空とが同時に形成される。一方、このエッチングの際、半導体基板には、膜体を挟んでエッチングされる部分（即ち、中空が形成される部分）と反対側に空洞が形成されている場合がある。この空洞は、例えば、圧電素子等を膜体に設置するために確保された空間であり、エッチングされる半導体基板に取り付けられた他の半導体基板に形成されている。
　エッチングによって形成される膜体は非常に薄い。つまり、エッチングによる膜体の形成中、空洞とエッチング部の間の膜が薄くなり、当該膜の応力や空洞と半導体基板の外部空間の間の圧力差によって当該膜が破損してしまう懸念がある。
　本実施形態は、膜体の形成時に当該膜体の破損を抑制することが可能な積層構造体および積層構造体の製造方法の提供を目的とする。
　本実施形態の一態様はシリコンを含む材料が積層された積層構造体であって、厚さ方向において互いに反対方向に面した第１面及び第２面を有する枠体であって、前記枠体に支持される膜体、並びに、前記膜体と前記第２面の間に位置し且つ前記第２面に開口する中空を有する枠体と、前記枠体に取り付けられた蓋体であって、前記膜体の上に位置する空洞、及び、前記空洞に連通し且つ前記膜体の少なくとも一部が前記積層構造体の外部空間に露出する位置に形成された開口部を有する蓋体と、を備え、前記蓋体は、前記枠体に面した前記蓋体の表面に形成された溝部を含み、前記溝部を介して前記空洞と前記積層構造体の外部空間とが連通している。
　本実施形態の他の一態様はシリコンを含む材料が積層された積層構造体の製造方法であって、蓋体に形成された空洞が枠体に面した状態で、前記蓋体を前記枠体に取り付け、支持基板を前記蓋体に取り付け、前記空洞と前記積層構造体の外部空間との間の気体の流動を許容した状態で、前記蓋体が取り付けられた第１面と反対側に位置する前記枠体の第２面のエッチングにより前記枠体に膜体を形成する。
　本実施形態によれば、膜体の形成時に当該膜体の破損を抑制することが可能な積層構造体および積層構造体の製造方法を提供することができる。
図１Ａは、第１実施形態に係る積層構造体の上面図である。 図１Ｂは、図１Ａ中のＩＢ－ＩＢ断面図である。 図２Ａは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｂは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｃは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｄは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｅは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｆは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｇは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図２Ｈは、第１実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図３Ａは、第２実施形態に係る積層構造体の上面図である。 図３Ｂは、図３Ａ中のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ断面図である。 図４Ａは、第２実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図４Ｂは、第２実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図４Ｃは、第２実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図４Ｄは、第２実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図５Ａは、第３実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図５Ｂは、第３実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図５Ｃは、第３実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図５Ｄは、第３実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図６Ａは、第４実施形態に係る積層構造体の上面図である。 図６Ｂは、図６Ａ中のＶＩＢ－ＶＩＢ断面図である。 図６Ｃは、図６Ｂ中のＶＩＣ－ＶＩＣ断面図である。 図７Ａは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｂは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｃは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｄは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｅは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｆは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｇは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図７Ｈは、第４実施形態に係る積層構造体の製造方法の一工程を示す図である。 図８Ａは、第１実施形態に係る積層構造体の変形例の断面図である。 図８Ｂは、第２実施形態に係る積層構造体の変形例の断面図である。 図９Ａは、第４実施形態に係る積層構造体を適用したトランスデューサの一例の上面図である。 図９Ｂは、図９Ａ中のＩＸＢ－ＩＸＢ断面図である。 図９Ｃは、図９Ｂ中のＩＸＣ－ＩＸＣ断面図である。 図１０は、本実施形態に係るトランスデューサを備えるスピーカの一例の上面図である。 図１１は、図１０中のＸＩ－ＸＩ断面図である。 図１２は、図１１中のＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。
　実施形態について図面を用いて説明する。なお、各実施形態における構造的或いは機能的に同一の部分については同一の符号を図面に付し、当該部分に関して重複する説明を省略する。
　各実施形態に係る積層構造体は、変位可能（撓み可能、歪み可能）に構成された膜体を備えるＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)である。積層構造体は、圧電素子を用いて当該膜体の変位（撓み、歪み）を制御または検知するスピーカ及びマイクロフォン、並びに、膜体の変位（撓み、歪み）に応じた膜体の電気抵抗を計測する圧力センサ等のトランスデューサに適用できる。
（第１実施形態）
　第１実施形態に係る積層構造体１０の構成について説明する。
　図１Ａは、本実施形態に係る積層構造体１０の上面図、図１Ｂは、図１Ａ中のＩＢ－ＩＢ断面図である。図１Ａ及び図１Ｂに示すように、積層構造体１０は、枠体２０と、蓋体３０と、通気路４０Ａとを備えている。枠体２０及び蓋体３０は例えばシリコン（Ｓｉ）を含む材料により構成される。説明の便宜上、枠体２０と蓋体３０が配列する方向（換言すれば、枠体２０と蓋体３０が互いに積層される方向）をＺ方向、Ｚ方向に直交し且つ互いに直交する２方向をＸ方向及びＹ方向とする。
　枠体２０は、Ｚ方向において互いに反対方向に面する前面（第１面）２０ａ及び背面（第２面）２０ｂを有する。枠体２０は、例えばＸ方向及びＹ方向に展開する矩形の外形を有し、膜体２２と背面２０ｂの間に位置すると共に背面２０ｂに開口した中空部（第１の空間）２１を有する。この中空部２１は、枠体２０の内面２０ｃによって形成される。枠体２０は、膜体２２が形成される活性層５１と中空部２１が形成される支持層５２の境界に形成された層間絶縁層５３とを有するＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハ５０（図２Ａ参照）を用いて形成される。なお、枠体２０を構成するウエハはＳＯＩウエハに限られず、層間絶縁層５３を持たないウエハでもよい。
　枠体２０は膜体２２を有する。膜体２２は、例えば、Ｚ方向において前面２０ａと同じ高さに位置する。この場合、蓋体３０に面した表面は枠体２０の前面２０ａと連続する。また、膜体２２は、枠体２０に支持され、中空部２１の少なくとも一部を覆っている。膜体２２は、Ｘ方向及びＹ方向に展開する薄膜であり、Ｚ方向に変位可能（撓み可能、歪み可能）な厚さ（例えば２～３μｍ）を有する。膜体２２の厚さは、ＳＯＩウエハの活性層５１の厚さに等しくてもよく、それ未満でもよい。
　膜体２２は、枠体２０の背面２０ｂに対するエッチングによって形成され、エッチングによって形成された中空２１部と蓋体３０の空洞（第２の空間）３１との間において、中空部２１を形成する内面２０ｃに支持され、枠体２０と一体に形成されている。また、膜体２２の外縁２２ａは全周に亘って枠体２０に支持されている。或いは、後述の通り、膜体２２の外縁２２ａの一部のみが枠体２０に支持されてもよい。
　蓋体３０は枠体２０の前面２０ａに取り付けられ、蓋体３０は枠体２０と一体化されている。また、蓋体３０は膜体２２の上に位置する空洞３１を有する。蓋体３０は、蓋体３０の前面３０ａに形成された開口部３２と、蓋体３０の背面３０ｂに形成された開口部３３とを有し、これらは空洞３１に連通している。即ち、空洞３１はＺ方向に蓋体３０を貫通している。また、開口部３２は、膜体２２の少なくとも一部が積層構造体１０の外部空間に露出する位置に形成されている。換言すれば、Ｚ方向から見て開口部３２と膜体２２は互いの少なくとも一部が重なって位置している。開口部３２の開口面積は膜体２２の面積よりも小さく、開口部３３の開口面積は膜体２２の面積よりも大きい。枠体２０と同様に、蓋体３０もシリコンウエハから形成されてもよい。
　空洞３１は溝部４１Ａを介して積層構造体１０の外部空間に連通している。本実施形態において、空洞３１は溝部４１Ａと通気路４０Ａを介して積層構造体１０の外部空間に連通している。溝部４１Ａは、枠体２０の前面２０ａに面した蓋体３０の表面（以下、背面と称する）３０ｂに形成され、前面２０ａと空洞３１に向けて開口している。図１Ｂに示すように、溝部４１Ａは蓋体３０の背面３０ｂに沿って空洞３１から背面３０ｂ内の所定の位置まで延伸する。即ち、溝部４１Ａは蓋体３０の側面３０ｃまで達していない。さらに通気路４０Ａは、この所定の位置から枠体２０の背面２０ｂに延伸し、背面２０ｂに開口している。即ち、通気路４０Ａは、Ｚ方向に沿って枠体２０を貫通している。
　次に本実施形態に係る積層構造体１０の製造方法について説明する。
　図２Ａ～図２Ｈは、本実施形態に係る製造方法の主な工程を示す図である。積層構造体１０は、枠体２０、蓋体３０及び支持基板６０を用いて製造される。なお、枠体２０と蓋体３０は個別のシリコンウエハから構成されている。また、枠体２０を構成するシリコンウエハに、上述のＳＯＩウエハを用いるものとする。更に、蓋体３０には、空洞３１と溝部４１Ａがエッチング等の微細加工によって予め形成されている。なお、積層構造体１０の用途に応じて、圧電素子等の素子、電極、配線層の形成、イオン注入、並びにレジストや保護膜などの形成或いは除去等の各処理が適宜行われる。
　まず、図２Ａ及び図２Ｂに示すように、枠体２０の前面２０ａから活性層５１をエッチングし、通気路４０Ａの一部となる有底孔４２を形成する（ステップＳＡ１）。このエッチングは、有底孔４２が所定の深さ（例えば層間絶縁層５３に達する深さ）に達するまで行われる。なお、ＳＯＩウエハを用いない場合、この工程を省略してもよい。
　次に、図２Ｃ及び図２Ｄに示すように、空洞３１の開口部３３が枠体２０に面した状態で、蓋体３０を枠体２０の前面２０ａに取り付ける（ステップＳＡ２）。このとき、蓋体３０は、溝部４１Ａが有底孔４２の位置に位置するよう、枠体２０に対して位置決めされる。次に、支持基板６０を、蓋体３０の前面３０ａに取り付ける（ステップＳＡ３）。
　支持基板６０には、接着テープ等の接着部材６１が設けられており、支持基板６０は、この接着部材６１を介して蓋体３０を支持する。このとき、空洞３１の開口部３２は支持基板６０によって閉塞され、空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動が制限される。
　次に、図２Ｅに示すように、膜体２２の形成前に、枠体２０の背面２０ｂにおいて溝部４１Ａ（ステップＳＡ１の工程を実行した場合は有底孔４２）に対応する部分をエッチングし、通気路４０Ａを形成する（ステップＳＡ４）。通気路４０Ａの形成によって、空洞３１と積層構造体１０の外部空間は連通し、両者間の気体の流動が許容される。
　次に、図２Ｆ及び図２Ｇに示すように、枠体２０の背面２０ｂにおいて空洞３１に対応する領域２３（図２Ｅ参照）をエッチングする（ステップＳＡ５）。エッチングは、膜体２２の膜厚が所望の値になるまで（換言すれば、Ｚ方向における中空部２１の深さが所望の値に達するまで）継続される。例えば、層間絶縁層５３が中空部２１に露出するまで、或いは、層間絶縁層５３が除去されるまで継続される。
　ステップＳＡ５のエッチングを実行している間、空洞３１とエッチング雰囲気の圧力差が過剰となる懸念がある。しかしながら、本実施形態では、溝部４１Ａと通気路４０Ａを介して空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動が許容されている。従って、空洞３１と積層構造体１０の外部空間の間の圧力差が低減され、膜体２２の形成時における過剰な圧力差による膜体２２の破損を抑制することができる。その結果、膜体２２の膜厚を従来の値よりも薄くする、或いは、膜体２２の面積を拡大させることができる。
　次に、図２Ｈに示すように、蓋体３０から支持基板６０を取り外し（ステップＳＡ６）、本実施形態に係る製造工程が終了する。支持基板６０を蓋体３０から取り外す際も、通気路４０Ａを介して、空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動が許容されている。従って、ステップＳＡ６の工程においても、膜体２２の破損を抑制することができ、支持基板６０を安全に取り外すことができる。
（第２実施形態）
　第２実施形態に係る積層構造体１０の構成について説明する。
　図３Ａは第２実施形態に係る積層構造体１０の上面図、図３Ｂは図３Ａ中のＩＩＩＢ－ＩＩＩＢ断面図である。これらの図に示すように、第２実施形態では溝部４１Ａの代わりに溝部４１Ｂが形成される。本実施形態において、空洞３１は溝部４１Ｂを介して積層構造体１０の外部空間に連通している。
　第１実施形態と同様に、第２実施形態に係る溝部４１Ｂは蓋体３０の背面３０ｂに形成されている。しかしながら、図３Ｂに示すように、溝部４１Ｂは、空洞３１から積層構造体１０の外部空間まで延伸している。即ち、溝部４１Ｂは蓋体３０の側面３０ｃに開口し、通気路４０Ｂを構成している。つまり、通気路４０Ｂは蓋体３０のみに形成されている。通気路４０Ａと同様に、通気路４０Ｂも、膜体２２の形成時における空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動を許容する。
　次に本実施形態に係る積層構造体１０の製造方法について説明する。
　図４Ａ～図４Ｄは、本実施形態に係る製造方法の主な工程を示す図である。本実施形態に係る製造方法は、第１実施形態に係る製造方法と概ね同一である。即ち、図４Ａに示すように、空洞３１の開口部３３が枠体２０に面した状態で、蓋体３０が枠体２０の前面（第１面）２０ａに取り付けられ（ステップＳＢ１）、次に、支持基板６０が、蓋体３０の前面３０ａに取り付けられる（ステップＳＢ２）。
　次に、図４Ｂ及び図４Ｃに示すように、枠体２０の背面（第２面）２０ｂにおいて空洞３１に対応する領域２３をエッチングする（ステップＳＢ３）。ステップＳＢ３の工程は、ステップＳＡ５の工程と同一である。ステップＳＢ３のエッチングによって膜体２２が形成された後、図４Ｄに示すように、蓋体３０から支持基板６０が取り外される（ステップＳＢ４）。ステップＳＢ４の工程はステップＳＡ６の工程と同一である。
　ステップＳＢ２の工程において、空洞３１の開口部３２は支持基板６０によって閉塞される。しかしながら、蓋体３０には溝部４１Ｂが予め形成されているので、空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動は許容された状態を維持する。従って、第１実施形態に係る製造方法に比べ、第２実施形態の製造方法では、枠体２０に有底孔４２を形成するステップＳＡ１及び通気路４０Ａを形成するステップＳＡ３の各工程を省略できる。
　なお、本実施形態に係る製造方法でも、第１実施形態と同様に、膜体２２の形成時における過剰な圧力差による膜体２２の破損を抑制することができ、膜体２２の膜厚を従来の値よりも薄くする、或いは、膜体２２の面積を拡大させることができる。
（第３実施形態）
　第３実施形態に係る積層構造体１０の製造方法について説明する。
　本実施形態に係る積層構造体１０は、第１実施形態の溝部４１Ｂ及び第２実施形態の溝部４１Ｂをもたない。その代わりに、第３実施形態の製造方法では、蓋体３０の前面３０ａと支持基板６０の間に接着部材６１と間隙６２とを設け、支持基板６０が蓋体３０を支持している間は、間隙６２を介して、空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動を確保する。つまり、間隙６２が第１実施形態又は第２実施形態の通気路と同様の通気路４０Ｃとして機能する。
　図５Ａ～図５Ｄは、本実施形態に係る製造方法の主な工程を示す図である。なお、図５Ｂ～図５Ｄは、図５Ａ中のＳ－Ｓ断面から見た図である。図５Ａに示すように、蓋体３０の前面３０ａと支持基板６０の間には、接着部材６１と、通気路４０Ｃとしての間隙６２とが設けられている。間隙６２は空洞３１から積層構造体の外部空間に連通するように形成され、例えばＸ方向に延伸している。そして、図５Ｂ及び図５Ｃに示すように、膜体２２の形成時は、空洞３１から間隙６２を介して気体が放出され、空洞３１の内圧の上昇が抑制される。
　その他の工程については、第１実施形態又は第２実施形態に係る製造方法の工程と同一である。従って、第３実施形態の製造方法では、積層構造体１０に通気路４０Ａを形成する工程を省略できる。また、本実施形態でも、上述した第１実施形態と同様の効果が得られる。
（第４実施形態）
　第４実施形態に係る積層構造体１０の構成について説明する。
　第１実施形態～第３実施形態のそれぞれに係る積層構造体１０では、膜体２２の外縁２２ａの全周が枠体２０に支持されていた。一方、本実施形態に係る膜体２２の外縁２２ａは、その一部のみが枠体２０に支持されている。即ち、膜体２２は所謂カンチレバーとして動作することができる。
　図６Ａは第４実施形態に係る積層構造体１０の上面図、図６Ｂは図６Ａ中のＶＩＢ－ＶＩＢ断面図である。図６Ｃは、図６Ｂ中のＶＩＣ－ＶＩＣ断面図である。図６Ａ及び図６Ｂに示すように、通気路４０Ａは、蓋体３０の背面３０ｂに形成された溝部４１Ｂを含み、溝部４１Ｂを介して空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間を連通している。また、通気路４０Ａは、溝部４１Ｂから枠体２０の背面２０ｂに延伸し、背面２０ｂに開口している。即ち、本実施形態の通気路４０Ａの構成は、第１実施形態のものと同一である。
　図６Ｃに示すように、枠体２０（枠体２０の前面２０ａ）における膜体２２の外周の一部にはスリット２５が形成されている。スリット２５は、膜体２２の外縁２２ａを形成し且つ膜体２２の外縁２２ａがその一部のみ枠体２０に支持されるように形成される。例えば、膜体２２がＸ方向及びＹ方向に延伸する矩形の形状を有する場合、Ｘ方向又はＹ方向に延伸する計４辺の外縁のうちの一辺のみが枠体２０に支持される。つまり、膜体２２は、Ｚ方向に撓み可能なカンチレバーとして構成される。
　膜体２２の全周が枠体２０に支持される場合に比べ、同じ膜厚であれば本実施形態の膜体２２はＺ方向に変位しやすくなる。従って、例えば膜体２２が圧電素子によって駆動される場合は、圧電素子への印加電圧を低減することができる。また、外力の変化による膜体２２の変位を検知する場合は、その外力に対する膜体２２の感度が向上する。
　次に本実施形態に係る積層構造体１０の製造方法について説明する。
　本実施形態の製造方法は、上述のスリット２５の形成工程が含まれることを除き、第１実施形態～第３実施形態の各製造方法を適用できる。
　図７Ａ～図７Ｈは、本実施形態に係る製造方法の主な工程を示す図である。これらの図は、説明の便宜上、通気路４０Ａが形成される第１実施形態の製造方法を適用した例を示している。即ち、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、膜体２２の形成前に、枠体２０の前面２０ａから活性層５１をエッチングし、スリット２５及び有底孔４２を形成する（ステップＳＣ１）。このエッチングは、膜体２２の膜厚以上の深さに達するまで行われる。
　次に、図７Ｃ及び図７Ｄに示すように、空洞３１の開口部３３が枠体２０に面した状態で、蓋体３０を枠体２０の前面２０ａに取り付ける（ステップＳＣ２）。このとき、蓋体３０は、溝部４１Ａが有底孔４２の位置に位置するよう、且つ、空洞３１の内周面がスリット２５の開口面から外れるように、枠体２０に対して位置決めされる。さらに、支持基板６０を、蓋体３０の前面３０ａに取り付ける（ステップＳＣ３）。
　次に、図７Ｅに示すように、枠体２０の背面２０ｂにおいて溝部４１Ａに対応する部分をエッチングし、通気路４０Ａを形成する（ステップＳＣ４）。通気路４０Ａの形成によって、空洞３１と積層構造体１０の外部空間は連通し、両者間の気体の流動が許容される。
　次に、図７Ｆ及び７Ｇに示すように、枠体２０の背面２０ｂにおいて空洞３１に対応する領域２３（図２Ｅ参照）をエッチングする（ステップＳＣ５）。エッチングは、膜体２２の膜厚が所望の値になるまで（換言すれば、Ｚ方向における中空部２１の深さが所望の値に達するまで）継続される。なお、ステップＳＣ１の工程によって、膜体２２の所望の膜厚以上の深さをもつスリット２５が既に形成されている。従って、ステップＳＣ５のエッチングにより所望の膜厚を有する膜体２２と中空部２１を形成したとき、スリット２５は中空部２１に連通し、膜体２２の外縁２２ａは一箇所のみで枠体２０に支持されることになる。
　ステップＳＣ５のエッチングを実行している間は、通気路４０Ａを介して空洞３１と積層構造体１０の外部空間との間の気体の流動が許容される。上述の各実施形態で得られる効果と同じく、膜体２２の形成時における破損を抑制し、且つ、膜体２２の膜厚を従来の値よりも薄くする、或いは、膜体２２の面積を拡大させることができる。
　次に、図７Ｈに示すように、蓋体３０から支持基板６０を取り外し（ステップＳＣ６）、本実施形態に係る製造工程が終了する。このときも、膜体２２の破損を抑制することができ、支持基板６０を安全に取り外すことができる。
（変形例）
　図８Ａは、第１実施形態の変形例を示す積層構造体１０の断面図であり、図１Ｂに相当する図である。図８Ｂは、第２実施形態の変形例を示す積層構造体１０の断面図であり、図３Ｂに相当する図である。これらの図に示すように、通気路４０Ａ又は通気路４０Ｂは、充填部材４３によって塞がれていてもよい。充填部材４３は金属ペースト或いは樹脂ペーストであり、通気路４０Ａ又は通気路４０Ｂに充填され、硬化している。
　通気路４０Ａ（４０Ｂ）を充填部材４３で塞ぐことにより、空洞３１への異物の侵入を防止することができる。また、膜体２２の動作（振動や変位）に対する、通気路４０Ａ（４０Ｂ）を介した気体の流動による擾乱を抑制することができる。
　上記第１～第４実施形態係る蓋体３０は、開口部３２を有しなくてもよい。即ち、空洞３１は開口部３３を介して開口するように形成される。また、空洞３１及びその下に位置する膜体２２（並びに適用例における圧電素子８１）は蓋体３０の前面３０ａによって覆われる。
（適用例）
　上述した各実施形態に係る積層構造体１０を、トランスデューサ８０に適用した例について説明する。このトランスデューサ８０は例えば後述のスピーカ９０（図１０参照）を構成する。
　図９Ａはトランスデューサ８０の上面図、図９Ｂは図９Ａ中のＩＸＢ－ＩＸＢ断面図である。図９Ｃは、図９Ｂ中のＩＸＣ－ＩＸＣ断面図である。これらの図に示すように、トランスデューサ８０は図６Ａに示す第４実施形態の積層構造体１０を適用している。
　図９Ｂに示すように、トランスデューサ８０は圧電素子８１を備えている。圧電素子８１は、蓋体３０の開口部３３に面するように、膜体２２上に設置されている。なお、圧電素子８１の一部は、膜体２２と枠体２０の接続部を跨いでいてもよい。何れの場合も、圧電素子８１の全体は蓋体３０の開口部３３に面している。
　圧電素子８１は、一対の電極８２、８４と、一対の電極８２、８４の間に挟まれる圧電膜８３とを備える。一対の電極８２、８４及び圧電膜８３は、膜体２２の形状に対応する形状を有する。
　膜体２２上には、電極８２、圧電膜８３及び電極８４が、膜体２２から開口部３２に向かう方向（Ｚ方向）に沿って順番に積層されている。圧電素子８１は、蓋体３０を枠体２０に取り付ける前に（有底孔４２及びスリット２５が形成される場合はその前に）、膜体２２上に形成される。一対の電極８２、８４間に駆動電圧が印加されると、圧電膜８３の伸縮により膜体２２が変位する。具体的には、膜体２２の先端側がＺ方向に沿って反るように変位する。
　一対の電極８２、８４に対して駆動電圧を繰り返し印加することで、膜体２２は、中空部２１側への変位と空洞３１側への変位を交互に繰り返す。このような膜体２２の振動により、膜体２２の周囲の空気が振動させられ、音波が発生する。この音波は空洞３１の開口部３２を介してトランスデューサ８０（積層構造体１０）の外部空間に伝播する。
　電極８２、８４は、例えば、プラチナ、モリブデン、イリジウム、又はチタンなどの導電性を有する金属薄膜によって形成される。電極８２は、圧電膜８３の上面に位置し、配線８６に接続される。電極８４は、圧電膜８３の下面に位置し、配線８８に接続される。
　圧電膜８３は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって構成される。ただし、圧電膜８３は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）又はチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）などによって構成されてもよい。
　上述のトランスデューサ８０は複数個配列していてもよい。複数のトランスデューサ８０は直線状に或いは行列状に配列する。図１０～図１２は、直線状に配列した複数のトランスデューサ８０、８０、８０を備えるスピーカ９０の一例である。図１０はスピーカ９０の上面図、図１１は、図１０中のＸＩ－ＸＩ断面図、図１２は図１１中のＸＩＩ－ＸＩＩ断面図である。
　図１０～図１２に示すように、３つのトランスデューサ８０、８０、８０の各蓋体３０は単体の構造体として形成されている。また、３つのトランスデューサ８０、８０、８０のうち、互いに隣接する２つの間の仕切壁３０ｄには、それぞれの空洞３１、３１（換言すれば、第１の空洞と第２の空洞）を連通させる連通路９１が設けられている。この連通路９１は各トランスデューサ８０を構成する蓋体３０の背面３０ｂに溝として形成されている。連通路９１は、互いに隣接する２つの空洞３１、３１間の気体の流動を許容する。
　図１１に示すように、スピーカ９０は単一の溝部４１Ａとそれに連通する通気路４０Ａを備えている。なお、スピーカ９０は単一の溝部４１Ｂ（通気路４０Ｂ）（図３Ｂ参照）を備えてもよい。何れの場合も、溝部４１Ａと通気路４０Ａ、或いは、通気路４０Ｂは、例えば図１０に示すように、複数のトランスデューサ８０の配列の端部に設けられ、当該端部に最も近いトランスデューサ８０の空洞３１と、トランスデューサ８０の外部空間との間の連通している。
　上述の連通路９１と、複数のトランスデューサ８０が単一の通気路４０Ａ（４０Ｂ）を共有する構成である点を除き、各トランスデューサ８０の構成は、図９Ａ～図９Ｃに示す構成と同一である。つまり、各トランスデューサ８０は音波の発生源としての膜体２２と圧電素子８１とを備えている。
　図１２に示すように、連通路９１は、各トランスデューサ８０の空洞３１を空間的に接続する。従って、一方向に配列する複数の積層構造体１０（即ちスピーカ９０を構成する複数のトランスデューサ８０）を製造する際、これらが共有する単一の通気路４０Ａ（４０Ｂ）を設けることで、１枚のウエハ当たりの積層構造体１０（トランスデューサ８０）の製造個数を増加させることができる。また、各実施形態で得られる膜体２２の形成時における破損の抑制、膜体２２の薄膜化、膜体２２の面積を拡大化も可能である。
１０　積層構造体
２０　枠体
２０ａ　前面（第１面）
２０ｂ　背面（第２面）
２０ｃ　内面
２１　中空部（中空）
２２　膜体
２２ａ　外縁
２３　領域
２５　スリット
３０　蓋体
３０ａ　前面
３０ｂ　背面
３０ｃ　側面
３０ｄ　仕切壁
３１　空洞
３２　開口部
３３　開口部
４０Ａ　通気路
４０Ｂ　通気路
４０Ｃ　通気路
４１Ａ　溝部
４１Ｂ　溝部
４２　有底孔
４３　充填部材
５０　ウエハ
５１　活性層
５２　支持層
５３　層間絶縁層
６０　支持基板
６１　接着部材
６２　間隙
８０　トランスデューサ
８１　圧電素子
８２　電極
８３　圧電膜
８４　電極
８６　配線
８８　配線
９０　スピーカ
９１　連通路

Claims (16)

  1. シリコンを含む材料が積層された積層構造体であって、
    　厚さ方向において互いに反対方向に面した第１面及び第２面を有する枠体であって、前記枠体に支持される膜体、並びに、前記膜体と前記第２面の間に位置し且つ前記第２面に開口した中空部を有する枠体と、
    　前記枠体に取り付けられた蓋体であって、前記膜体の上に位置する空洞と前記空洞に連通し且つ前記膜体の少なくとも一部が前記積層構造体の外部空間に露出する位置に形成された開口部とを有する蓋体と、を備え、
    　前記蓋体は、前記枠体に面した前記蓋体の表面に形成された溝部を含み、
    　前記溝部を介して前記空洞と前記積層構造体の外部空間とが連通している、
    積層構造体。
  2. 　前記溝部に連通し且つ前記枠体を貫通する通気路によって、前記空洞と前記積層構造体の外部空間とが連通している、
    請求項１に記載の積層構造体。
  3. 　前記溝部は、前記空洞から前記積層構造体の外部空間まで延伸している
    請求項１に記載の積層構造体。
  4. 　前記枠体の前記第１面において前記膜体の外周に形成されたスリット
    を更に備える、
    請求項１～３のうちの何れか一項に記載の積層構造体。
  5. 　前記膜体の外縁はその一部のみが前記枠体に支持されている、
    請求項１～４のうち何れか一項に記載の積層構造体。
  6. 　前記膜体の外縁は、全周に亘って前記枠体に支持されている、
    請求項１～３のうちの何れか一項に記載の積層構造体。
  7. 　前記通気路は充填部材によって塞がれている、
    請求項２に記載の積層構造体。
  8. 　前記蓋体の前記空洞において前記膜体上に設置された圧電素子
    を更に備える、
    請求項１～７のうちの何れか一項に記載の積層構造体。
  9. 　前記空洞を第１の空洞とし、
    　前記蓋体は、他の膜体に面した第２の空洞と、前記第１の空洞と前記第２の空洞とを連通している連通路とを更に含む、
    請求項１～８のうちの何れか一項に記載の積層構造体。
  10. 　前記蓋体の材料はシリコンを含む、
    請求項１～９の内の何れか一項に記載の積層構造体。
  11. シリコンを含む材料が積層された積層構造体の製造方法であって、
    　蓋体に形成された空洞が枠体に面した状態で、前記蓋体を前記枠体に取り付け、
    　支持基板を前記蓋体に取り付け、
    　前記空洞と前記積層構造体の外部空間との間の気体の流動を許容した状態で、前記枠体の厚さ方向において前記蓋体が取り付けられた第１面と反対方向に面した前記枠体の第２面のエッチングにより前記枠体に膜体を形成する、
    積層構造体の製造方法。
  12. 　前記蓋体は、前記枠体に面した当該蓋体の表面に形成された溝部を含み、
    　前記膜体の形成前に、前記枠体の前記第２面から前記溝部を介して前記空洞に連通する通気路を形成する、
    請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
  13. 　前記蓋体は、前記枠体に面した当該蓋体の表面に形成された溝部を含み、
    　前記溝部は、前記空洞から前記積層構造体の外部空間まで延伸している
    請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
  14. 　前記蓋体の前記空洞は、前記支持基板に向けて開口している、
    請求項１１～１３のうちの何れか一項に記載の積層構造体の製造方法。
  15. 　前記蓋体の前記空洞は、前記支持基板に向けて開口しており、
    　前記蓋体と前記支持基板の間には、接着部材と、前記空洞から前記積層構造体の外部空間に連通している間隙とが設けられている
    請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
  16. 　前記膜体の形成前に、前記枠体において前記膜体が形成される領域の外周の一部にスリットを形成する、
    請求項１１～１５のうちの何れか一項に記載の積層構造体の製造方法。
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