WO2022264654A1 - トランスデューサおよびその製造方法 - Google Patents

トランスデューサおよびその製造方法 Download PDF

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Definitions

  • the piezoelectric element includes a lower electrode at least partially disposed on the vibrating film, a piezoelectric film formed on the lower electrode, and a piezoelectric film formed on the piezoelectric film. and an upper electrode.
  • the length from the surface of the support substrate to the lower end of the slit is set to 1/3 or more of the thickness of the support substrate.
  • the -X direction is the direction opposite to the +X direction.
  • the -Y direction is the opposite direction to the +Y direction.
  • the -Z direction is the direction opposite to the +Z direction.
  • the +X direction and the -X direction are collectively referred to simply as the "X direction”. When collectively referring to the +Y direction and the -Y direction, it is simply referred to as the "Y direction”.
  • the +Z direction and the -Z direction are collectively referred to simply as the "Z direction”.
  • the cavity 5 has a rectangular shape in a plan view, and has two sides 5a and 5c that face each other with a gap in the X direction and are parallel to the Y direction, and two sides 5a and 5c that face each other with a gap in the Y direction and are parallel to the X direction. It has two sides 5b and 5d. Of the sides 5a and 5c, the side on the -X side is called the first side 5a, and the side on the +X side is called the third side 5c. Of the sides 5b and 5d, the side on the -Y side is called the second side 5b, and the side on the +Y side is called the fourth side 5d.
  • the vibrating membrane 7 has a rectangular shape that is substantially similar to the cavity 5 in plan view.
  • the vibrating membrane 7 has a first side (connecting portion) 7 a along the first side 5 a of the cavity 5 , a second side 7 b along the second side 5 b of the cavity 5 , and a third side 7 b along the third side 5 c of the cavity 5 . It has a side 7 c and a fourth side 7 d along the fourth side 5 d of the cavity 5 .
  • the frame portion 8 has a rectangular annular shape in plan view.
  • the connecting portion 7a matches (matches) the intermediate portion of the first side 5a of the cavity 5 in plan view.
  • a hydrogen barrier film 14 is formed on the vibrating film forming layer 6 so as to cover the piezoelectric element 10 .
  • the hydrogen barrier film 14 is made of Al 2 O 3 (alumina), for example.
  • the thickness of the hydrogen barrier film 14 is approximately 20 nm to 100 nm.
  • the hydrogen barrier film 14 is provided to prevent deterioration of the characteristics of the piezoelectric film 12 due to hydrogen reduction.
  • the vibration film 7 (vibration film forming layer 6) is made of a laminated film in which a silicon oxide film 35 is laminated on a silicon layer 34.
  • the silicon oxide film 35 is formed by heating the silicon layer 34 in an oxygen atmosphere. Therefore, when the temperature of the silicon layer 34 drops to room temperature, a film stress (internal stress) is generated in the silicon oxide film 35 in the direction of contraction in the plane direction, and the vibrating film 7 is stressed in the ⁇ Z direction when viewed from the Y direction. There is a warp that is convex (concave on the +Z direction side). However, depending on the stress of the film forming the device, the vibrating film 7 may warp in the opposite direction.
  • the free end 40b of the cantilever moves to a position higher than the frame portion 8 or to a position lower than the frame portion 8.
  • the gap between the cantilever 40 and the surrounding wall surface becomes wider than the gap at the neutral position, resulting in increased air leakage and energy loss.
  • the SIO substrate includes a silicon substrate 32, an oxide film layer 33 formed on its surface, and a silicon layer 34 formed on its surface.
  • a silicon oxide film 35 is formed on the surface of the silicon layer 34 opposite to the oxide film layer 33 (+Z side surface), and the surface of the silicon substrate 32 opposite to the oxide film layer 33 ( ⁇ Z side surface) is formed.
  • a silicon oxide film 31 is formed on the side surface).
  • the support substrate 4 is composed of the silicon substrate 32 and the oxide film layer 33
  • the vibration film forming layer 6 is composed of the silicon layer 34 and the silicon oxide film 35 .
  • a lower electrode film that is the material film of the lower electrode 11, a piezoelectric material film that is the material film of the piezoelectric film 12, and the upper electrode 13 are formed on the silicon oxide film 35.
  • An upper electrode film, which is a material film of is formed in that order.
  • the upper electrode film, the piezoelectric material film and the lower electrode film are patterned, for example, in that order by photolithography and etching to form the upper electrode 13, the piezoelectric film 12 and the lower electrode 11.
  • the piezoelectric element 10 is formed on the silicon oxide film 35 .
  • an opening 23 is formed in the interlayer insulating film 15 and the passivation film 20 by photolithography and etching.
  • the hydrogen barrier film 14, vibration film forming layer 6 (silicon oxide film 35 and silicon layer 34) and oxide film layer 33 are continuously penetrated.
  • a slit 9 reaching halfway through the thickness of the silicon substrate 32 is formed.
  • the slit 9 is composed of a penetrating portion 91 that continuously penetrates the hydrogen barrier film 14 and the vibrating film forming layer 6, and an extension portion 92 formed in the support substrate 4 (the oxide film layer 33 and the silicon substrate 32).
  • the frame portion 8 formed by the peripheral portion of the vibrating film forming layer 6 and the vibrating film formed by the central portion of the vibrating film forming layer 6 and having a part of the outer peripheral edge connected to the frame portion 8 are formed. 7 is obtained. Also, a substrate assembly work-in-progress 2A in which the cavity 5 is not formed is obtained.

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Abstract

キャビティを有する支持体と、キャビティに対向して設けられ、その対向方向に振動可能な振動膜と、少なくとも一部が振動膜上に形成された圧電素子と、振動膜上に配置された絶縁膜とを含む。振動膜は、振動膜の外周縁の一部に、支持体に接続された接続部を有している。振動膜と、圧電素子における振動膜上に配置された部分と、絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成されている。カンチレバーは、中立位置において、カンチレバーの自由端が固定端に対してキャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される。

Description

トランスデューサおよびその製造方法
　本開示は、トランスデューサおよびそ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、圧電素子と圧電素子によって駆動される膜体（振動膜）とを備え、スピーカまた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）。
特開２０１１－３１３８５号公報
　トランスデューサとして、振動膜および振動膜上に形成された圧電素子等の部材によって、支持体に片持ち支持されたカンチレバーが形成されているものがある。カンチレバーの一端は固定端として支持体に支持され、カンチレバーの他端は自由端とされる。固定端以外のカンチレバーの外周縁は、支持体等によって形成された囲み壁によって間隔をおいて取り囲まれている。カンチレバーの外周縁と囲み壁の間の隙間からは、カンチレバーの振動に起因して空気漏れが発生する。この空気漏れ量が多くなると、トランスデューサが例えばスピーカとして用いられる場合には、本来得られるべき音圧が得られず、音の再現性が低下する可能性がある。また、トランスデューサが例えばマイクロフォンとして用いられる場合には、入力音波に対して本来得られるべきカンチレバーの振動が得られず、感度が悪化する可能性がある。
　本開示の目的は、カンチレバーの振動に起因して発生する空気漏れを抑制することができるトランスデューサおよびその製造方法を提供することである。
　本開示の一実施形態は、キャビティを有する支持体と、前記キャビティに対向して設けられ、その対向方向に振動可能な振動膜と、少なくとも一部が前記振動膜上に形成された圧電素子と、前記振動膜上に配置された絶縁膜とを含み、前記振動膜は、当該振動膜の外周縁の一部に、前記支持体に接続された接続部を有しており、前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成されており、前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対してキャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサを提供する。
　この構成では、カンチレバーの振動に起因して発生する空気漏れを抑制することができる。
　本開示の一実施形態は、支持基板上に形成された振動膜形成層上に圧電素子を形成する工程と、前記振動膜形成層を厚さ方向に貫通するスリットを形成することにより、振動膜と、前記振動膜を取り囲みかつ一部が前記振動膜の外周縁の一部と接続された枠部とを、前記振動膜形成層に形成するスリット形成工程と、前記振動膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記支持基板における前記振動膜形成層とは反対側の表面におけるキャビティ形成予定領域から前記支持基板をエッチングすることにより、前記振動膜に対向する領域に、前記スリットに連通するキャビティを形成する工程とを含み、前記キャビティを形成する工程により、前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成され、前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対して前記キャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサの製造方法を提供する。
　この製造方法では、カンチレバーの振動に起因して発生する空気漏れを抑制することができるトランスデューサを製造できる。
　本開示における上述の、またはさらに他の目的、特徴および効果は、添付図面を参照して次に述べる実施形態の説明により明らかにされる。
図１は、本開示の実施形態に係るトランスデューサの図解的な平面図である。 図２は、本開示の実施形態に係るトランスデューサの図解的な平面図であって、保護基板およびパッシベーション膜が省略された平面図である。 図３は、図１のIII-III線に沿う図解的な断面図である。 図４は、酸化シリコン膜による振動膜の反りの傾向を説明するための模式図である。 図５は、参考例の特徴を説明するための部分拡大断面図である。 図６Ａは、図１のトランスデューサの製造工程の一部を示す図解的な断面図である。 図６Ｂは、図６Ａの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｃは、図６Ｂの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｄは、図６Ｃの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｅは、図６Ｄの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｆは、図６Ｅの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｇは、図６Ｆの次の工程を示す図解的な断面図である。 図６Ｈは、図６Ｇの次の工程を示す図解的な断面図である。 図７Ａは、図１のトランスデューサの製造工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｂは、図７Ａの次の工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｃは、図７Ｂの次の工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｄは、図７Ｃの次の工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｅは、図７Ｄの次の工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｆは、図７Ｅの次の工程を示す図解的な平面図である。 図７Ｇは、図７Ｆの次の工程を示す図解的な平面図である。
　［本開示の実施形態の説明］
　本開示の一実施形態は、キャビティを有する支持体と、前記キャビティに対向して設けられ、その対向方向に振動可能な振動膜と、少なくとも一部が前記振動膜上に形成された圧電素子と、前記振動膜上に配置された絶縁膜とを含み、前記振動膜は、当該振動膜の外周縁の一部に、前記支持体に接続された接続部を有しており、前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成されており、前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対してキャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサを提供する。
　この構成では、カンチレバーの振動に起因して発生する空気漏れを抑制することができる。
　本開示の一実施形態では、前記絶縁膜は、前記振動膜の表面の少なくとも一部および前記圧電素子の表面の少なくとも一部を覆っている。
　本開示の一実施形態では、前記絶縁膜が、アルミナ膜とテトラエトキシシラン膜とを含む。
　本開示の一実施形態では、前記カンチレバーの中立位置において、前記カンチレバーが前記姿勢に保持されるように、前記絶縁膜の膜厚が設定されている。
　本開示の一実施形態では、前記支持体は、前記キャビティを有する支持基板と、前記支持基板上に形成されかつ前記キャビティを取り囲むように形成された枠部とを含み、前記振動膜の前記接続部は、前記枠部に接続されており、前記枠部と、前記振動膜における前記接続部を除いた外周縁との間には、前記キャビティに連通するスリットが形成されている。
　本開示の一実施形態では、前記スリットによって露出している前記枠部の内側面と、前記キャビティの内側面とは、それらの境界部付近においてほぼ面一である。
　本開示の一実施形態では、前記枠部の内側面と、前記キャビティの内側面との境界部での段差が０．５μｍ以下である。
　本開示の一実施形態では、前記圧電素子が、少なくとも一部が前記振動膜上に配置された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とからなる。
　本開示の一実施形態では、前記カンチレバーを覆うように前記支持体に固定された保護基板を含む。
　本開示の一実施形態は、支持基板上に形成された振動膜形成層上に圧電素子を形成する工程と、前記振動膜形成層を厚さ方向に貫通するスリットを形成することにより、振動膜と、前記振動膜を取り囲みかつ一部が前記振動膜の外周縁の一部と接続された枠部とを、前記振動膜形成層に形成するスリット形成工程と、前記振動膜上に絶縁膜を形成する工程と、前記支持基板における前記振動膜形成層とは反対側の表面におけるキャビティ形成予定領域から前記支持基板をエッチングすることにより、前記振動膜に対向する領域に、前記スリットに連通するキャビティを形成する工程とを含み、前記キャビティを形成する工程により、前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成され、前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対して前記キャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサの製造方法を提供する。
　この製造方法では、カンチレバーの振動に起因して発生する空気漏れを抑制することができるトランスデューサを製造できる。
　本開示の一実施形態では、前記絶縁膜の厚さは、前記カンチレバーの中立位置において、前記カンチレバーが前記姿勢に保持されるように設定される。
　本開示の一実施形態では、前記スリット形成工程では、前記スリットの下端が前記振動膜形成層を貫通して、前記支持基板の厚さ途中に達するように、前記スリットが形成され、前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの２倍以上に設定される。
　本開示の一実施形態では、前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの５倍以上に設定される。
　本開示の一実施形態では、前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの８倍以上に設定される。
　本開示の一実施形態では、前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記支持基板の厚さの１／３以上に設定される。
　本開示の一実施形態では、前記キャビティを形成する工程では、平面視において、前記キャビティ形成予定領域の外縁における前記スリットに対向する部分は、前記スリットの外縁よりも内側に後退している。
　［本開示の実施形態の詳細な説明］
　以下では、本開示の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
　図１は、本開示の実施形態に係るトランスデューサの図解的な平面図である。図２は、本開示の実施形態に係るトランスデューサの図解的な平面図であって、保護基板およびパッシベーション膜が省略された平面図である。図３は、図１のIII-III線に沿う図解的な断面図である。
　説明の便宜上、以下では、図１～図３に示した＋Ｘ方向、－Ｘ方向、＋Ｙ方向、－Ｙ方向、＋Ｚ方向および－Ｚ方向を用いることがある。＋Ｘ方向は、平面視において、支持基板４の表面に沿う所定の方向であり、＋Ｙ方向は、平面視において、支持基板４の表面に沿う方向あって、＋Ｘ方向に直交する方向である。＋Ｚ方向は、支持基板４の厚さに沿う方向あって、＋Ｘ方向および＋Ｙ方向に直交する方向である。
　－Ｘ方向は、＋Ｘ方向と反対の方向である。－Ｙ方向は、＋Ｙ方向と反対の方向である。－Ｚ方向は、＋Ｚ方向と反対の方向である。＋Ｘ方向および－Ｘ方向を総称するときには単に「Ｘ方向」という。＋Ｙ方向および－Ｙ方向を総称するときには単に「Ｙ方向」という。＋Ｚ方向および－Ｚ方向を総称するときには単に「Ｚ方向」という。
　トランスデューサ１は、基板アセンブリ２と、保護基板３とを含む。基板アセンブリ２は、支持基板４と、振動膜形成層６と、圧電素子１０とを含む。
　支持基板４は、平面視において、四角形状であり、Ｘ方向に間隔をおいて対向しかつＹ方向に平行な２辺と、Ｙ方向に間隔をおいて対向しかつＸ方向に平行な２辺とを有する。支持基板４は、例えば、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板の一部から作製されている。具体的には、ＳＯＩ基板は、支持層としてのシリコン（Ｓｉ）基板３２と、その表面に形成されたＢＯＸ層としての酸化膜層３３と、その表面に形成された活性層としてのシリコン（Ｓｉ）層３４とを含む。この実施形態では、シリコン層３４の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ２）膜３５が形成されている。そして、支持基板４は、それらのうち、シリコン基板３２と、その表面に形成された酸化膜層３３とを含む。支持基板４の厚さは、３８０μｍ程度である。
　支持基板４は、厚さ方向（Ｚ方向）に貫通する貫通孔によって形成されたキャビティ（空洞）５を有する。キャビティ５は、キャビティ本体５１と、後述するスリット９によって支持基板４に形成された拡張部５２とを有している。キャビティ本体５１は、平面視で、キャビティ５の－Ｚ側の四角形状の開口部５３（裏面開口部）を底面とする直方体状である。拡張部５２は、キャビティ本体５１の側面の一部から外方に張り出している領域である。
　キャビティ５は、平面視において、四角形状であり、Ｘ方向に間隔をおいて対向しかつＹ方向に平行な２辺５ａ，５ｃと、Ｙ方向に間隔をおいて対向しかつＸ方向に平行な２辺５ｂ，５ｄとを有している。辺５ａ，５ｃのうち、－Ｘ側の辺を第１辺５ａといい、＋Ｘ側の辺を第３辺５ｃということにする。また、辺５ｂ，５ｄのうち、－Ｙ側の辺を第２辺５ｂといい、＋Ｙ側の辺を第４辺５ｄということにする。
　振動膜形成層６は、支持基板４上に形成されている。振動膜形成層６は、支持基板４側から順にシリコン層３４および酸化シリコン膜３５を積層した積層膜からなる。シリコン層３４の膜厚は、２０μｍ程度であり、酸化シリコン膜３５の膜厚は、０．５μｍ程度である。
　振動膜形成層６は、平面視において、キャビティ５に対向する振動膜７と、キャビティ５を取り囲むように形成された枠部８とを含む。振動膜７は、振動膜７の外周縁の一部に、枠部８に接続された接続部（後述する第１辺）７ａを有している。枠部８と、振動膜７における接続部７ａを除いた外縁との間には、接続部７ａを除いて、キャビティ５に連通するスリット９が形成されている。
　この実施形態では、振動膜７は、平面視において、キャビティ５とほぼ相似の長方形状である。振動膜７は、キャビティ５の第１辺５ａに沿う第１辺（接続部）７ａと、キャビティ５の第２辺５ｂに沿う第２辺７ｂと、キャビティ５の第３辺５ｃに沿う第３辺７ｃと、キャビティ５の第４辺５ｄに沿う第４辺７ｄとを有している。枠部８は、平面視において矩形環状を有している。接続部７ａは、平面視において、キャビティ５の第１辺５ａの中間部と一致（整合）している。
　製造過程においては、スリット９は、支持基板４にキャビティ５が形成される前に形成される。スリット９が形成される工程においては、スリット９は、振動膜形成層６上に形成される後述する水素バリア膜１４の表面から、水素バリア膜１４および振動膜７を連続して貫通し、支持基板４の厚さ途中に達するように形成される。つまり、スリット９が形成された直後においては、スリット９は、Ｚ方向に関して、水素バリア膜１４および振動膜形成層６を連続して貫通している貫通部９１（図６Ｆ参照）と、貫通部９１から支持基板４内に延びた延長部９２（図６Ｆ参照）とを有している。
　スリット９は、平面視において、キャビティ５の第２辺５ｂに沿う第１部分９ａと、キャビティ５の第３辺５ｃに沿う第２部分９ｂと、キャビティ５の第４辺５ｂに沿う第３部分９ｃとから構成されている。第２部分９ｂは、第１部分９ａの＋Ｘ方向側端と、第３部分９ｃの＋Ｘ方向側端とを連結している。
　第１部分９ａの外縁は、平面視において、裏面開口部５３におけるキャビティ５の第２辺５ｂ側の辺５３ｂよりも外方に進出している。同様に、第２部分９ｂの外縁は、平面視において、裏面開口部５３におけるキャビティ５の第３辺５ｃ側の辺５３ｃよりも外方に進出している。同様に、第３部分９ｃの外縁は、平面視において、裏面開口部５３におけるキャビティ５の第４辺５ｄ側の辺５３ｄよりも外方に進出している。キャビティ５の拡張部５２は、キャビティ本体５１から－Ｙ方向側に張り出している部分と、キャビティ本体５１から＋Ｙ方向側に張り出している部分と、キャビティ本体５１から＋Ｘ方向側に張り出している部分とからなる。
　スリット９によって露出している枠部８の内側面と、支持基板４におけるキャビティ５（拡張部５２）の内側面とは、それらの境界部付近においてほぼ面一である。枠部８の内側面とキャビティ５の内側面との境界部での段差が０．５μｍ以下であることが好ましい。
　振動膜７の接続部７ａは、次のように定義することができる。すなわち、振動膜７の外周縁のうち、キャビティ５の外周縁におけるスリット９の両端の間部分、に対応する部分が接続部７ａである。振動膜７は、主として支持基板４の厚さ方向（Ｚ方向）に変形可能である。この実施形態では、支持基板４と枠部８によって支持体６０が構成され、この支持体６０に振動膜７が片持ち支持されている。支持体６０は、本発明の「支持体」の一例である。
　圧電素子１０は、振動膜形成層６上に、少なくともその一部が振動膜７上に配置されるように形成されている。圧電素子１０は、振動膜形成層６上に形成された下部電極１１と、下部電極１１上に形成された圧電体膜１２と、圧電体膜１２上に形成された上部電極１３とを含む。この実施形態では、圧電素子１０の全体が振動膜７上に配置されている。圧電素子１０は、振動膜７上に配置された主要部と、主要部から接続部７ａを横切って枠部８上に延びた延長部とから構成されてもよい。
　下部電極１１および上部電極１３は、例えば、プラチナ、モリブデン、イリジウム、チタンなどの導電性を有する金属薄膜からなる。下部電極１１の膜厚は、２００μｍ程度あり、上部電極１３の膜厚は、８０μｍ程度ある。
　圧電体膜１２は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって構成される。圧電体膜１２は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）等によって構成されてもよい。圧電体膜１２の膜厚は、２μｍ程度である。
　振動膜形成層６上には、圧電素子１０を覆うように、水素バリア膜１４が形成されている。水素バリア膜１４は、例えば、Ａｌ２Ｏ３（アルミナ）からなる。水素バリア膜１４の厚さは、、２０ｎｍ～１００ｎｍ程度である。水素バリア膜１４は、圧電体膜１２の水素還元による特性劣化を防止するために設けられている。
　水素バリア膜１４上に層間絶縁膜１５が積層されている。層間絶縁膜１５は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を含む膜（ＴＥＯＳ膜）からなる。層間絶縁膜１５の厚さは、０．２μｍ～１．５μｍ程度である。層間絶縁膜１５上には、上部配線１８および下部配線１９が形成されている。上部配線１８および下部配線１９は、Ｙ方向に間隔をおいて、Ｘ方向において互いに平行に延びている。これらの配線１８，１９は、Ａｌ（アルミニウム）を含む金属材料から構成されてもよい。これらの配線１８，１９の厚さは、１μｍ程度である。
　上部配線１８の＋Ｘ側端部は、上部電極１３の－Ｘ側端部の上方に配置されている。上部配線１８と上部電極１３との間において、水素バリア膜１４および層間絶縁膜１５を連続して貫通するコンタクト孔１６が形成されている。上部配線１８の＋Ｘ側端部は、コンタクト孔１６に入り込み、コンタクト孔１６内で上部電極１３に接続されている。上部配線１８は、上部電極１３の上方から、－Ｘ方向に延びている。上部配線１８の－Ｘ側端部には、幅広の上部パッド部１８ａが形成されている。上部パッド部１８ａは、キャビティ５の外方において、枠部８上に配置されている。
　下部配線１９の＋Ｘ側端部は、下部電極１１の－Ｘ側端部の上方に配置されている。下部配線１９と下部電極１１の延長部との間において、水素バリア膜１４および層間絶縁膜１５を連続して貫通するコンタクト孔１７が形成されている。下部配線１９の＋Ｘ側端部は、コンタクト孔１７に入り込み、コンタクト孔１７内で下部電極１１に接続されている。下部配線１９は、下部電極１１の上方から、－Ｘ方向に延びている。下部配線１９の－Ｘ側端部には、幅広の下部パッド部１９ａが形成されている。下部パッド部１９ａは、キャビティ５の外方において、枠部８上に配置されている。
　層間絶縁膜１５上には、上部配線１８および下部配線１９を覆うように、パッシベーション膜２０が形成されている。パッシベーション膜２０は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を含む膜（ＴＥＯＳ膜）からなる。パッシベーション膜２０の厚さは、０．１μｍ～１．０μｍ程度である。パッシベーション膜２０には、上部パッド部１８ａの一部を露出させる上部パッド開口２１と、下部パッド部１９ａの一部を露出させる下部パッド開口２２とが形成されている。
　以下において、水素バリア膜１４、層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０を総称して絶縁膜３０という場合がある。絶縁膜３０のうち、振動膜７上に配置されている部分（以下、「振動膜７上の絶縁膜３０」という場合がある。）は、本発明における「絶縁膜」の一例である。
　振動膜７と、振動膜７上に形成された部材とによって、平面視四角形状のカンチレバー４０が構成されている。カンチレバー４０は、振動膜７と、圧電素子１０における振動膜７上に配置された部分（この実施形態では圧電素子１０全体）と、振動膜７上の絶縁膜３０とを含む。この実施形態では、カンチレバー４０は、振動膜７上に配置された配線も含む。カンチレバー４０は、キャビティ５の第１辺５ａの縁部（接続部７ａ）に固定端４０ａを有し、この固定端４０ａが支持基板４に支持されている。
　カンチレバー４０は、平面視において、キャビティ５の第３辺５ｃの近傍において、第３辺５ｃからキャビティ５の内方に所定距離だけ離隔した位置に自由端４０ｂを有している。平面視において、カンチレバー４０におけるキャビティ５の第２辺５ｂ側の辺は、第２辺５ｂからキャビティ５の内方に離隔している。平面視において、カンチレバー４０におけるキャビティ５の第４辺５ｄ側の辺は、第４辺５ｄからキャビティ５の内方に離隔している。
　この実施形態では、カンチレバー４０の中立位置においては、カンチレバー４０は、自由端４０ｂが固定端４０ａに対してキャビティ５側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される。カンチレバー４０の中立位置とは、入力電気信号または入力音波によって圧電素子が変形していない状態でのカンチレバーの位置（姿勢）をいう。カンチレバー４０の中立位置での姿勢に関する詳細については、後述する。
　保護基板３は、例えば、下面および上面に酸化シリコン膜７２，７３が形成されたシリコン基板７１からなる。保護基板３は、カンチレバー４０を覆うように基板アセンブリ２上に配置されている。保護基板３は、枠部８に接着剤（図示略）を介して接合されている。保護基板３は、基板アセンブリ２に対向する対向面にカンチレバー４０を収容するための収容凹部３ａを有している。収容凹部３ａは、平面視において、キャビティ５および圧電素子１０を含む領域の真上に配置されている。保護基板３の収容凹部３ａの上壁には、収容凹部３ａを外部空間に連通するための貫通孔３ｂが形成されている。
　層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０は、平面視において、保護基板３の収容凹部３ａの外側領域のほぼ全域に形成されている。ただし、この領域において、パッシベーション膜２０には、パッド開口２１，２２が形成されている。
　保護基板３の収容凹部３ａの内側領域においては、層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０は、上部配線１８および下部配線１９が存在する－Ｘ側の端部（以下、「配線領域」という。）にのみ形成されている。言い換えれば、保護基板３の収容凹部３ａの内側領域において、層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０には、配線領域を除いた領域に開口２３（図７Ｅも参照）が形成されている。配線領域において、層間絶縁膜１５には、コンタクト孔１６，１７が形成されている。
　トランスデューサ１が例えばスピーカとして用いられる場合、下部電極１１と上部電極１３との間に電圧が印加されると、逆圧電効果によって、圧電体膜１２が変形する。これにより、カンチレバー４０が固定端４０ａを支点として変形する。下部電極１１と上部電極１３との間に音声信号に応じた電圧が連続的に印加されると、カンチレバー４０の自由端４０ｂがＺ方向に往復移動するように、カンチレバー４０が振動する。このようなカンチレバー４０の振動により、カンチレバー４０の周囲の空気が振動され、音波が発生する。この音波は、保護基板３の貫通孔３ｂを介して外部空間に伝播する。
　カンチレバー４０の中立位置での姿勢に関して詳しく説明する。
　振動膜７（振動膜形成層６）は、シリコン層３４上に酸化シリコン膜３５が積層された積層膜からなる。酸化シリコン膜３５は、酸素雰囲気でシリコン層３４を加熱することによって形成されている。このため、シリコン層３４の温度が常温まで低下すると、酸化シリコン膜３５に面方向に収縮する方向の膜応力（内部応力）が発生し、振動膜７にはＹ方向から見て－Ｚ方向側に凸（＋Ｚ方向側に凹）となるような反りが生じる。ただし、デバイスを構成する膜の応力によっては、振動膜７に逆方向の反りが生じる場合がある。
　したがって、振動膜７上に形成された部材の膜応力を考慮しない場合には、図４に示すように、カンチレバー４０の自由端４０ｂは、カンチレバー４０が水平姿勢（図４に鎖線で示す位置）である場合の自由端４０ｂよりも上方に変位する。図４においては、説明の便宜上、トランスデューサの各部は簡略化して描かれている。
　カンチレバー４０の中立位置での反りの方向および反り量は、酸化シリコン膜３５に発生する膜応力の他、振動膜７上の圧電素子１０による膜応力および振動膜７上の絶縁膜３０による膜応力の影響を受ける。振動膜７上の圧電素子１０による膜応力は、Ｙ方向から見て－Ｚ方向側に凸となるように振動膜７を反らせるように作用する。一方、振動膜７上の絶縁膜３０による膜応力は、Ｙ方向から見て＋Ｚ方向側に凸となるように振動膜７を反らせるように作用する。ただし、絶縁膜の作製条件によっては、膜応力が逆方向となる場合もある。
　キャビティ５の第１辺５ａに対する圧電素子１０の－Ｘ側端のＸ方向位置を固定し、圧電素子１０の幅（Ｙ方向長さ）を一定とすると、圧電素子１０の長さ（Ｘ方向長さ）が長いほど、圧電素子１０の膜応力に基づくカンチレバー４０の反りは大きくなる。一方、振動膜７上の絶縁膜３０による膜応力に基づくカンチレバー４０の反りは、振動膜７上の絶縁膜３０の膜厚（平均膜厚）が大きくなるほど大きくなる。
　したがって、圧電素子１０の長さおよび振動膜７上の絶縁膜３０の膜厚の組合せを変更することによって、中立位置でのカンチレバー４０（振動膜７）の反りの方向および反り量を制御することができる。
　この実施形態では、例えば、圧電素子１０の長さを設定した上で、振動膜７上の絶縁膜３０の膜厚（平均膜厚）を設定することにより、中立位置でのカンチレバー４０（振動膜７）の反りの方向および反り量が調整される。具体的には、中立位置において、自由端４０ｂが固定端４０ａに対してキャビティ５側に垂れ下がるように反った姿勢にカンチレバー４０が保持されるように、振動膜７上の絶縁膜３０の膜厚（平均膜厚）が設定される。
　図５は、参考例の特徴を示す部分拡大断面図である。図５において、前述の図３に対応する部分には、図３の各部と同じ符号を付して示す。
　参考例では、保護基板３の収容凹所３ａの加工マージンにより、スリット９によって露出している枠部８の内側面Ｓ１に対して、収容凹所３ａの内側面Ｓ２が外方に広がっている。また、参考例では、キャビティ５の加工マージンにより、枠部８の内側面Ｓ１に対して、キャビティ５の内側面Ｓ３が外方に広がっている。参考例では、中立位置においてカンチバレー４０が水平姿勢（Ｚ方向に対して直交する方向に沿う姿勢で）に保持される。
　参考例では、カンチバレーの自由端４０ｂが、枠部８よりも高い位置に移動したり、枠部８よりも低い位置に移動したりする。そうすると、カンチバレー４０とその周囲の壁面との間の隙間が中立位置での隙間よりも広くなるので、空気の漏れ量が多くなり、エネルギーロスが生ずる。
　本実施形態では、中立位置において、自由端４０ｂが固定端４０ａに対してキャビティ５側に垂れ下がるように反った姿勢にカンチレバー４０が保持される。これにより、カンチバレーの自由端４０ｂが、枠部８よりも高い位置に移動する頻度を抑制できる。また、カンチバレーの自由端４０ｂが枠部８よりも高い位置に移動するとしても、その高さ位置を全体的に低くすることができる。これにより、参考例のように枠部８の内側面に対して収容凹所３ａの内側面が外方に広がっていたとしても、参考例に比べて空気の漏れ量を低減することができるようになる。
　また、本実施形態では、スリット９によって露出している枠部８の内側面と、キャビティ５の内側面とは、それらの境界部付近においてほぼ面一である。これにより、カンチバレーの自由端４０ｂが枠部８よりも低い位置において移動する際の空気の漏れ量を、参考例に比べて低減できるようになる。
　図６Ａ～図６Ｈは、図１のトランスデューサ１の製造工程を順に示す図解的な断面図である。図７Ａ～図７Ｇは、トランスデューサ１の製造工程を順に示す図解的な平面図である。
　図６Ａおよび図７Ａに示すように、ＳＩＯ基板に対して熱酸化処理が行われる。ＳＩＯ基板は、シリコン基板３２と、その表面に形成された酸化膜層３３とその表面に形成されたシリコン層３４とを含む。熱酸化処理により、シリコン層３４における酸化膜層３３とは反対側の表面（＋Ｚ側表面）に酸化シリコン膜３５が形成され、シリコン基板３２における酸化膜層３３とは反対側の表面（－Ｚ側表面）に酸化シリコン膜３１が形成される。シリコン基板３２と酸化膜層３３とによって支持基板４が構成され、シリコン層３４と酸化シリコン膜３５によって振動膜形成層６が構成される。
　次に、図６Ｂおよび図７Ｂに示されるように、酸化シリコン膜３５上に、下部電極１１の材料膜である下部電極膜、圧電体膜１２の材料膜である圧電体材料膜および上部電極１３の材料膜である上部電極膜が、その順に形成される。そして、上部電極膜、圧電体材料膜および下部電極膜が、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、例えばその順にパターニングされることにより、上部電極１３、圧電体膜１２および下部電極１１が形成される。これにより、酸化シリコン膜３５上に圧電素子１０が形成される。
　次に、図６Ｃおよび図７Ｃに示されるように、酸化シリコン膜３５上に、酸化シリコン膜３５の露出面および圧電素子１０の露出面を覆う水素バリア膜１４が形成される。水素バリア膜１４は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜からなる。水素バリア膜１４上の全面に、層間絶縁膜１５が形成される。そして、水素バリア膜１４および層間絶縁膜１５が連続してエッチングされることにより、コンタクト孔１６，１７が形成される。
　次に、コンタクト孔１６，１７内を含む層間絶縁膜１５上に、上部配線１８および下部配線１９の材料膜である配線膜が形成される。この後、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、配線膜がパターニングされることにより、上部配線１８および下部配線１９が形成される。そして、層間絶縁膜１５上に、上部配線１８および下部配線１９を覆うようにパッシベーション膜２０が形成される。層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０は、例えばテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）を含む膜（ＴＥＯＳ膜）からなる。
　次に、図６Ｄおよび図７Ｄに示されるように、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、パッシベーション膜２０に、上部パッド部１８ａの一部を露出させる上部パッド開口２１が形成されるとともに、下部パッド部１９ａの一部を露出させる下部パッド開口２２が形成される。
　次に、図６Ｅおよび図７Ｅに示されるように、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、層間絶縁膜１５およびパッシベーション膜２０に、開口２３が形成される。
　次に、図６Ｆおよび図７Ｆに示されるように、フォトリソグラフィおよびエッチングによって、水素バリア膜１４、振動膜形成層６（酸化シリコン膜３５およびシリコン層３４）および酸化膜層３３を連続して貫通し、シリコン基板３２の厚さ途中まで達するスリット９が形成される。スリット９は、水素バリア膜１４および振動膜形成層６を連続して貫通する貫通部９１と、支持基板４（酸化膜層３３およびシリコン基板３２）内に形成された延長部９２からなる。
　支持基板４の表面からスリット９の下端までの長さ（延長部９２の長さ）が、振動膜形成層６の厚さの２倍以上であることが好ましく、振動膜形成層６の厚さの５倍以上であることが好ましく、振動膜形成層６の厚さの８倍以上であることがさらに好ましい。また、支持基板４の表面からスリット９の下端までの長さ（延長部９２の長さ）が、最終的な支持基板４の厚さの１／３以上であることが好ましい。
　スリット９が形成されることにより、振動膜形成層６の周縁部からなる枠部８と、振動膜形成層６の中央部からなりかつ外周縁の一部が枠部８に接続された振動膜７とが得られる。また、キャビティ５が形成されていない基板アセンブリ仕掛品２Ａが得られる。
　次に、図６Ｇおよび図７Ｇに示されるように、保護基板３における基板アセンブリ仕掛品２Ａの対向面に接着剤（図示略）が塗布され、基板アセンブリ仕掛品２Ａに保護基板３が固定される。
　次に、図６Ｈに示されるように、シリコン基板３２を薄くするための裏面研削が行われる。つまり、シリコン酸化膜３１におけるシリコン基板３２とは反対側の表面から、シリコン酸化膜３１およびシリコン基板３２が研磨されることにより、シリコン基板３２が薄膜化される。
　最後に、シリコン基板３２の裏面（－Ｚ側表面）側に、キャビティ本体５１の形成予定領域（裏面開口部５３の形成予定領域）に対応する開口を有するレジストマスク（図示略）が形成される。平面視において、キャビティ本体５１の形成予定領域の外縁におけるスリット９に対応する部分は、スリット９の外側縁よりも内側に後退している。このレジストマスクをマスクとして、シリコン基板３２が裏面からエッチングされる。これにより、図１～図３に示されるトランスデューサ１が得られる。
　前述の実施形態では、トランスデューサ１をスピーカとして用いる場合について説明したが、トランスデューサ１は音波を検出するマイクロフォンとして用いることもできる。
　本開示の実施形態について詳細に説明してきたが、これらは本開示の技術的内容を明らかにするために用いられた具体例に過ぎず、本開示はこれらの具体例に限定して解釈されるべきではなく、本開示の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定される。
　この出願は、２０２１年６月１４日に日本国特許庁に提出された特願２０２１－０９８６８７号に対応しており、それらの出願の全開示はここに引用により組み込まれるものとする。
　　１　トランスデューサ
　　２　基板アセンブリ
　　２Ａ　基板アセンブリ仕掛品
　　３　保護基板
　７１　シリコン基板
　７２，７３　酸化シリコン膜
　　３ａ　収容凹部
　　３ｂ　貫通孔
　　４　支持基板
　　５　キャビティ
　５１　キャビティ本体
　５２　拡張部
　５３　裏面開口部
　５３ｂ～５３ｄ　辺
　　５ａ　第１辺
　　５ｂ　第２辺
　　５ｃ　第３辺
　　５ｄ　第４辺
　　６　振動膜形成層
　　７　振動膜
　　７ａ　接続部
　　８　枠部
　　９　スリット
　　９ａ　第１部分
　　９ｂ　第２部分
　　９ｃ　第３部分
　９１　貫通部
　９２　延長部
　１０　圧電素子
　１１　下部電極
　１２　圧電体膜
　１３　上部電極
　１４　水素バリア膜
　１５　層間絶縁膜
　１６　コンタクト孔
　１７　コンタクト孔
　１８　上部配線
　１８ａ　上部パッド部
　１９　下部配線
　１９ａ　下部パッド部
　２０　パッシベーション膜
　２１　上部パッド開口
　２２　下部パッド開口
　２３　開口
　３０　絶縁膜
　３１　酸化シリコン膜
　３２　シリコン基板
　３３　酸化膜層
　３４　シリコン層
　３５　酸化シリコン膜
　４０　カンチレバー
　４０ａ　固定端
　４０ｂ　自由端
　６０　支持体

Claims (16)

  1. 　キャビティを有する支持体と、
    　前記キャビティに対向して設けられ、その対向方向に振動可能な振動膜と、
    　少なくとも一部が前記振動膜上に形成された圧電素子と、
    　前記振動膜上に配置された絶縁膜とを含み、
    　前記振動膜は、当該振動膜の外周縁の一部に、前記支持体に接続された接続部を有しており、
    　前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成されており、
    　前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対してキャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサ。
  2. 　前記絶縁膜は、前記振動膜の表面の少なくとも一部および前記圧電素子の表面の少なくとも一部を覆っている、請求項１に記載のトランスデューサ。
  3. 　前記絶縁膜が、アルミナ膜とテトラエトキシシラン膜とを含む、請求項２記載のトランスデューサ。
  4. 　前記カンチレバーの中立位置において、前記カンチレバーが前記姿勢に保持されるように、前記絶縁膜の膜厚が設定されている、請求項１～３のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
  5. 　前記支持体は、
    　前記キャビティを有する支持基板と、
    　前記支持基板上に形成されかつ前記キャビティを取り囲むように形成された枠部とを含み、
    　前記振動膜の前記接続部は、前記枠部に接続されており、
    　前記枠部と、前記振動膜における前記接続部を除いた外周縁との間には、前記キャビティに連通するスリットが形成されている、請求項１～４のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
  6. 　前記スリットによって露出している前記枠部の内側面と、前記キャビティの内側面とは、それらの境界部付近においてほぼ面一である、請求項５に記載のトランスデューサ。
  7. 　前記枠部の内側面と、前記キャビティの内側面との境界部での段差が０．５μｍ以下である、請求項６に記載のトランスデューサ。
  8. 　前記圧電素子が、少なくとも一部が前記振動膜上に配置された下部電極と、前記下部電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極とからなる、請求項１～７のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
  9. 　前記カンチレバーを覆うように前記支持体に固定された保護基板を含む、請求項１～８のいずれか一項に記載のトランスデューサ。
  10. 　支持基板上に形成された振動膜形成層上に圧電素子を形成する工程と、
    　前記振動膜形成層を厚さ方向に貫通するスリットを形成することにより、振動膜と、前記振動膜を取り囲みかつ一部が前記振動膜の外周縁の一部と接続された枠部とを、前記振動膜形成層に形成するスリット形成工程と、
    　前記振動膜上に絶縁膜を形成する工程と、
    　前記支持基板における前記振動膜形成層とは反対側の表面におけるキャビティ形成予定領域から前記支持基板をエッチングすることにより、前記振動膜に対向する領域に、前記スリットに連通するキャビティを形成する工程とを含み、
    　前記キャビティを形成する工程により、前記振動膜と、前記圧電素子における前記振動膜上に配置された部分と、前記絶縁膜とを含み、固定端と自由端とを有するカンチレバーが形成され、
    　前記カンチレバーは、中立位置において、前記カンチレバーの前記自由端が前記固定端に対して前記キャビティ側に垂れ下がるように反った姿勢に保持される、トランスデューサの製造方法。
  11. 　前記絶縁膜の厚さは、前記カンチレバーの中立位置において、前記カンチレバーが前記姿勢に保持されるように設定される、請求項１０に記載のトランスデューサの製造方法。
  12. 　前記スリット形成工程では、前記スリットの下端が前記振動膜形成層を貫通して、前記支持基板の厚さ途中に達するように、前記スリットが形成され、
    　前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの２倍以上に設定される、請求項１０または１１に記載のトランスデューサの製造方法。
  13. 　前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの５倍以上に設定される、請求項１０または１１に記載のトランスデューサの製造方法。
  14. 　前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記振動膜形成層の厚さの８倍以上に設定される、請求項１０または１１に記載のトランスデューサの製造方法。
  15. 　前記支持基板の表面から前記スリットの下端までの長さが、前記支持基板の厚さの１／３以上に設定される、請求項１０または１１に記載のトランスデューサの製造方法。
  16. 　前記キャビティを形成する工程では、平面視において、前記キャビティ形成予定領域の外縁における前記スリットに対向する部分は、前記スリットの外縁よりも内側に後退している、請求項１０～１５のいずれか一項に記載のトランスデューサの製造方法。
     
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