WO2023135853A1 - トランスデューサ - Google Patents

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WO2023135853A1
WO2023135853A1 PCT/JP2022/032400 JP2022032400W WO2023135853A1 WO 2023135853 A1 WO2023135853 A1 WO 2023135853A1 JP 2022032400 W JP2022032400 W JP 2022032400W WO 2023135853 A1 WO2023135853 A1 WO 2023135853A1
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WO
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lower electrode
slit
piezoelectric layer
along
transducer
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PCT/JP2022/032400
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French (fr)
Inventor
亮介 丹羽
伸介 池内
弘 松原
宗人 茶谷
Original Assignee
株式会社村田製作所
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R17/00—Piezoelectric transducers; Electrostrictive transducers

Definitions

  • the present invention relates to transducers.
  • Patent Document 1 Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-170697 (Patent Document 1) is a prior art document that discloses the configuration of a piezoelectric element.
  • a piezoelectric element disclosed in Patent Document 1 includes a piezoelectric film and a pair of electrodes.
  • the piezoelectric film is supported and fixed at its peripheral portion by the support substrate, and constitutes a vibration plate.
  • the pair of electrodes are arranged with the piezoelectric film interposed therebetween.
  • a slit is formed through the piezoelectric film or the piezoelectric film and the pair of electrodes.
  • the transmission sound pressure and reception sensitivity may decrease due to air leakage through the slit. Moreover, the residual stress acting on the interface between the piezoelectric layer and the lower electrode along the slit or the stress generated during vibration increases, and delamination may occur at the interface.
  • An object of the present invention is to provide a transducer that can suppress the occurrence of delamination at interfaces.
  • a transducer comprises a base and a plurality of beams.
  • the base is frame-shaped.
  • Each of the plurality of beams has an edge along the slit while extending from above the base toward the inside of the base.
  • Each of the plurality of beams includes an upper electrode and a lower electrode facing each other with the piezoelectric layer interposed therebetween. The piezoelectric layer overhangs the lower electrode at the edges of each of the plurality of beams.
  • the present invention it is possible to suppress a decrease in transmission sound pressure and reception sensitivity due to air leakage through the slit, and to suppress the occurrence of delamination at the interface between the piezoelectric layer and the lower electrode at the edge along the slit.
  • FIG. 1 is a plan view of a transducer according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of the transducer of FIG. 1 as seen from the direction of arrows on line II-II; It is a partial plan view which expands and shows the III section of FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line IV-IV in FIG. 3;
  • FIG. 4 is a cross-sectional view seen from the direction of the arrows on line VV in FIG. 3;
  • FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a laminate of a base, a piezoelectric layer, and a lower electrode before slits are formed; 4 is a longitudinal sectional view showing a state in which slits are formed in the piezoelectric layer and the lower electrode; FIG. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a state in which sidewalls appearing on ⁇ 110 ⁇ planes of slits formed along the ⁇ 100> direction are etched. FIG. 4 is a vertical cross-sectional view showing a state in which sidewalls appearing on ⁇ 111 ⁇ planes of slits formed along the ⁇ 011> direction are etched.
  • FIG. 10 is a plan view of a plurality of beams included in a transducer according to Embodiment 2 of the present invention; FIG. 11 is a cross-sectional view taken along the line XI-XI in FIG. 10;
  • FIG. 1 is a plan view of a transducer according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the transducer of FIG. 1 as viewed in the direction of arrows II-II.
  • FIG. 3 is a partial plan view showing an enlarged portion III of FIG. 1.
  • the transducer 100 includes a frame-shaped base 110 and a plurality of beams 120 .
  • the transducer 100 has four beams 120 .
  • the number of beams 120 is not limited to four, and may be any number.
  • Transducer 100 further includes four connecting portions 121 that connect tip portions of beam portions 120 to each other.
  • each of the plurality of beams 120 is capable of flexural vibration, and can be used as an ultrasonic transducer.
  • the base 110 has a rectangular annular shape extending in the X-axis direction and the Y-axis direction when viewed from the axial direction of the central axis C shown in FIG.
  • the shape of the base 110 when viewed from the central axis direction is not particularly limited as long as it is a frame shape.
  • the base 110 may have a polygonal or circular outer peripheral side surface and a polygonal or circular inner peripheral side surface 110a when viewed from the central axis direction.
  • Base portion 110 includes main portion 111 and surface layer portion 112 .
  • the main portion 111 is made of single crystal Si.
  • the surface layer portion 112 is formed on the main portion 111 and is made of SiO 2 .
  • Each of the plurality of beams 120 has an edge along the slit 141 and the slit 142 while extending from above the base 110 toward the inside of the base 110 .
  • the slit 141 extends along the diagonal line of the inner peripheral side surface 110 a when viewed from the central axis direction of the base 110 .
  • a proximal end portion of the slit 141 is located on the inner peripheral side surface 110 a when viewed from the central axis direction of the base portion 110 .
  • a tip of the slit 141 is connected to the slit 142 .
  • the slits 142 are formed in a comb shape extending along either the X-axis direction or the Y-axis direction.
  • each of the plurality of beam portions 120 is formed in an isosceles trapezoidal shape, and the connection portion 121 is formed in a meandering shape. Tip portions of beam portions 120 that are adjacent to each other in the circumferential direction of base portion 110 among a plurality of beam portions 120 are connected to each other by connection portion 121 .
  • each of the plurality of beams 120 includes an upper electrode 140 and a lower electrode 150 facing each other with the piezoelectric layer 130 interposed therebetween.
  • a first connection electrode 160 is provided on the upper electrode 140 .
  • a second connection electrode 170 is provided on the lower electrode 150 . In FIG. 1, the first connection electrode 160 and the second connection electrode 170 are not illustrated.
  • the piezoelectric layer 130 is composed of a single crystal piezoelectric material.
  • the cut orientation of the piezoelectric layer 130 is appropriately selected so as to exhibit desired device characteristics.
  • the piezoelectric layer 130 is a thinned single-crystal substrate, and the single-crystal substrate is specifically a rotated Y-cut substrate. Specifically, the cut direction of the rotated Y-cut substrate is 30°.
  • the thickness of piezoelectric layer 130 is, for example, 0.3 ⁇ m or more and 5.0 ⁇ m or less.
  • the piezoelectric layer 130 is made of an inorganic material. Specifically, the piezoelectric layer 130 is composed of an alkali niobate-based compound or an alkali tantalate-based compound. In the present embodiment, the alkali metal contained in the alkali niobate-based compound or the alkali tantalate-based compound comprises at least one of lithium, sodium and potassium. In this embodiment, the piezoelectric layer 130 is made of lithium niobate (LiNbO 3 ) or lithium tantalate (LiTaO 3 ). The piezoelectric layer 130 may be made of lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • Adhesion layers are arranged between the upper electrode 140 and the piezoelectric layer 130 and between the lower electrode 150 and the piezoelectric layer 130 .
  • the upper electrode 140 is made of Pt.
  • the top electrode 140 may be composed of other materials such as Al.
  • the lower electrode 150 is composed of single crystal Si.
  • the lower electrode 150 may be made of the same material as the upper electrode 140 .
  • the adhesion layer is made of Ti.
  • the adhesion layer may be composed of other materials such as NiCr alloys.
  • Each of the upper electrode 140, the lower electrode 150 and the adhesion layer may be an epitaxially grown film.
  • the piezoelectric layer 130 is made of lithium niobate (LiNbO 3 )
  • the adhesion layer It is preferably composed of NiCr. This improves the reliability of the transducer 100 .
  • each of the upper electrode 140 and the lower electrode 150 is, for example, 0.05 ⁇ m or more and 0.2 ⁇ m or less.
  • the thickness of the adhesion layer is, for example, 0.005 ⁇ m or more and 0.05 ⁇ m or less.
  • the first connection electrode 160 is exposed to the outside while being electrically connected to the upper electrode 140 via an adhesion layer (not shown).
  • the second connection electrode 170 is exposed to the outside while being electrically connected to the lower electrode 150 via an adhesion layer (not shown).
  • Each thickness of first connection electrode 160 and second connection electrode 170 is, for example, 0.1 ⁇ m or more and 1.0 ⁇ m or less.
  • the thickness of each of the adhesion layer connected to first connection electrode 160 and the adhesion layer connected to second connection electrode 170 is, for example, 0.005 ⁇ m or more and 0.1 ⁇ m or less.
  • each of the first connection electrode 160 and the second connection electrode 170 is made of Au.
  • the first connection electrode 160 and the second connection electrode 170 may be made of other conductive materials such as Al.
  • Each of the adhesion layer connected to the first connection electrode 160 and the adhesion layer connected to the second connection electrode 170 is made of Ti, for example. These adhesion layers may be composed of NiCr.
  • the piezoelectric layer 130 overhangs the lower electrode 150 at each edge of the plurality of beams 120 . Specifically, the piezoelectric layer 130 overhangs the lower electrode 150 at the tip of each of the plurality of beams 120 along the slit 142 .
  • a maximum width D2 of the slit 142 in the piezoelectric layer 130 is smaller than a maximum width D1 of the slit 142 in the lower electrode 150 .
  • the maximum width D2 is, for example, 10 ⁇ m or less, and may be 1 ⁇ m or less. Note that the maximum width D2 of the slit 142 in the piezoelectric layer 130 is smaller than the maximum width of the slit 142 in the upper electrode 140 .
  • the piezoelectric layer 130 overhangs the lower electrode 150 at the edges along the slits 141 in each of the plurality of beams 120 .
  • the lower electrode 150 is formed from a Si substrate having a ⁇ 100 ⁇ substrate surface orientation. Therefore, the single-crystal Si forming the lower electrode 150 has a ⁇ 100 ⁇ plane orientation at the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130 .
  • the extending direction of each of the slits 141 and 142 is along one of the crystal plane orientations of the single crystal Si.
  • the extending direction of the slit 142 is along the ⁇ 100> direction.
  • the extending direction of the slit 141 is along the ⁇ 011> direction.
  • the ⁇ 100 ⁇ plane includes the (100) plane and the (010) plane, (001) plane, (-100) plane, (0-10) plane, which have symmetry equivalent to the (100) plane. ) and (00-1) planes.
  • the meaning of the notation of this crystal plane is the same for other crystal planes.
  • the ⁇ 100> direction includes the [100] direction and the [010] direction, [001] direction, [-100] direction, [0-10] direction and [00-1] direction, which are equivalent to the [100] direction. ] direction is included.
  • the meaning of the notation of this crystal orientation is the same for other crystal orientations.
  • the parallel accuracy of the extending direction of each slit with respect to the crystal direction is within ⁇ 1°.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view seen from the direction of arrows on line IV-IV in FIG.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view seen from the direction of the arrows on line VV in FIG. 4 and 5, the upper electrode 140 is not shown.
  • the sidewall 152 of the slit 142 in the lower electrode 150 forms an angle of 45 degrees with respect to the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, that is, with respect to the main surface of the Si substrate. It is a ⁇ 110 ⁇ plane.
  • the sidewall 151 of the slit 141 in the lower electrode 150 forms an angle of 55 degrees with respect to the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, that is, with respect to the main surface of the Si substrate. It is a ⁇ 111 ⁇ plane.
  • the amount of overhang of the piezoelectric layer 130 with respect to the lower electrode 150 is greater at the edge of the beam 120 along the slit 142 than at the edge of the beam 120 along the slit 141 .
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view showing the laminate of the base, piezoelectric layer and lower electrode before slits are formed.
  • FIG. 7 is a longitudinal sectional view showing a state in which slits are formed in the piezoelectric layer and the lower electrode.
  • the slits 141 and 142 are formed by removing portions of the piezoelectric layer 130 and the lower electrode 150 using reactive ion etching or ion milling. At this time, the slit 141 is formed along the ⁇ 011> direction, and the slit 142 is formed along the ⁇ 100> direction. Alternatively, only a portion of the piezoelectric layer 130 may be removed using reactive ion etching or ion milling. In this case, slits 141 and 142 are not formed in lower electrode 150 when reactive ion etching or ion milling is used.
  • the etchant includes a potassium hydroxide aqueous solution or a tetramethylammonium hydroxide (TMAH) aqueous solution.
  • TMAH tetramethylammonium hydroxide
  • Table 1 shows the etching rate ratio of the ⁇ 100 ⁇ plane to the ⁇ 111 ⁇ plane and the etching rate ratio of the ⁇ 110 ⁇ plane to the ⁇ 111 ⁇ plane in each of an 80 ° C. potassium hydroxide aqueous solution and a 90 ° C. TMAH aqueous solution.
  • the etching rate for each crystal plane of the potassium hydroxide aqueous solution and the TMAH aqueous solution is ⁇ 110 ⁇ plane> ⁇ 100 ⁇ plane> ⁇ 111 ⁇ plane in order of earliest. Note that when a nonionic surfactant is added to the TMAH aqueous solution, the etching rate of each crystal plane is ⁇ 100 ⁇ plane> ⁇ 110 ⁇ plane> ⁇ 111 ⁇ plane in ascending order.
  • FIG. 8 is a vertical cross-sectional view showing a state in which sidewalls appearing on the ⁇ 110 ⁇ plane of the slit formed along the ⁇ 100> direction are etched.
  • FIG. 9 is a vertical cross-sectional view showing a state in which sidewalls appearing on the ⁇ 111 ⁇ plane of the slit formed along the ⁇ 011> direction are etched.
  • the sidewall 152 appearing on the ⁇ 110 ⁇ plane of the slit 142 formed along the ⁇ 100> direction corresponds to the ⁇ 110 ⁇ plane of the slit 141 formed along the ⁇ 011> direction.
  • the sidewall 152 is etched more than the sidewall 151 because the etching rate is higher than that of the sidewall 151 appearing on the 111 ⁇ plane.
  • the amount of overhang of the piezoelectric layer 130 with respect to the lower electrode 150 is greater at the edge of the beam 120 along the slit 142 than at the edge of the beam 120 along the slit 141 .
  • the piezoelectric layer 130 overhangs the lower electrode 150 at each edge of the plurality of beams 120 .
  • the widths of the slits 141 and 142 in the piezoelectric layer 130 can be narrowed, thereby suppressing deterioration in transmission sound pressure and reception sensitivity due to air leakage through the slits 141 and 142 .
  • the residual stress acting on the interface between the piezoelectric layer 130 and the lower electrode 150 at the edge along each of the slits 141 and 142 and the stress generated during vibration are released, thereby suppressing the occurrence of delamination at the interface. can do.
  • the lower electrode 150 is made of single crystal Si. As a result, since the single crystal has no grain boundary and has a stable structure, the reliability of each of the plurality of beams 120 can be improved.
  • the extending direction of each of the slits 141 and 142 is along one of the crystal plane orientations of single crystal Si.
  • the overhang amount of the piezoelectric layer 130 with respect to the lower electrode 150 at the edge of the beam 120 along the slit 141 and the edge of the beam 120 along the slit 142 is adjusted. Can be controlled collectively.
  • the single crystal Si has a ⁇ 100 ⁇ plane orientation at the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, and the extending direction of the slit 142 is along the ⁇ 100> direction.
  • crystal anisotropic etching can be used to increase the amount of overhang of the piezoelectric layer 130 with respect to the lower electrode 150 at the tip of each of the plurality of beams 120 along the slit 142 .
  • the tip of each of the plurality of beams 120 can be softened, the stress generated at the tip of the beam 120 during vibration can be reduced, and the reliability of each of the plurality of beams 120 can be improved.
  • the single crystal Si has a ⁇ 100 ⁇ plane orientation at the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, and the extending direction of the slit 141 is along the ⁇ 011> direction.
  • crystal anisotropic etching can be used to reduce the amount of overhang of the piezoelectric layer 130 with respect to the lower electrode 150 at the edges along the slits 141 in each of the plurality of beams 120 .
  • the sidewall 151 of the slit 141 in the lower electrode 150 is an inclined surface forming an angle of 55 degrees with respect to the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130 .
  • the slit 141 in the lower electrode 150 is wider than the minimum width of the slit 141 in the piezoelectric layer 130 . can be reduced. Therefore, the minimum width of the slit 141 can be made smaller than the minimum patterning dimension of the piezoelectric layer 130 by photolithography when using reactive ion etching or ion milling. As a result, it is possible to suppress a decrease in transmission sound pressure and reception sensitivity due to air leakage through the slit 141 .
  • Embodiment 2 a transducer according to Embodiment 2 of the present invention will be described with reference to the drawings.
  • the transducer according to Embodiment 2 of the present invention differs from the transducer according to Embodiment 1 of the present invention in the shape of the beam and the plane orientation of the Si substrate that constitutes the lower electrode. Descriptions of similar configurations will not be repeated.
  • FIG. 10 is a plan view of a plurality of beams included in the transducer according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 11 is a cross-sectional view seen from the direction of the arrows XI--XI in FIG. 10. FIG. In FIG. 11, the upper electrode is not shown.
  • the transducer according to Embodiment 2 of the present invention includes a frame-shaped base 110 and a plurality of beams 120a.
  • no connecting portion is formed to connect the ends of the beams 120a to each other, and each of the plurality of beams 120a is formed in a triangular cantilever shape.
  • Each of the plurality of beams 120 a has an edge along the slit 143 while extending from above the base 110 toward the inside of the base 110 .
  • the slit 143 extends along the diagonal line of the rectangular inner peripheral side surface 110a when viewed from the central axis direction of the base portion 110 .
  • the piezoelectric layer 130 overhangs the lower electrode 150 at each edge of the plurality of beams 120 a along the slit 143 .
  • the lower electrode 150 is formed from a Si substrate having a ⁇ 110 ⁇ substrate surface orientation. Therefore, the single-crystal Si forming the lower electrode 150 has a ⁇ 110 ⁇ plane orientation at the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130 .
  • the extending direction of the slit 143 is along any crystal plane orientation of the single crystal Si.
  • the extending direction of the slit 143 is along the ⁇ 111> direction.
  • the side wall 153 of the slit 143 in the lower electrode 150 forms an angle of 90 degrees with respect to the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, that is, with respect to the main surface of the Si substrate. It is a vertical plane that forms a ⁇ 111 ⁇ plane.
  • Table 1 the etching rate of the ⁇ 111 ⁇ plane in each of the potassium hydroxide aqueous solution at 80° C. and the TMAH aqueous solution at 90° C. is small. The amount of overhang with respect to the lower electrode 150 is reduced.
  • single crystal Si has a ⁇ 110 ⁇ plane orientation at the contact surface of the lower electrode 150 with the piezoelectric layer 130, and the extending direction of the slit 143 is ⁇ 111> direction.
  • the piezoelectric layer 130 slightly overhangs the lower electrode 150 at the edge of the beam portion 120 a along the slit 143 , and the residual current acting on the interface between the piezoelectric layer 130 and the lower electrode 150 is reduced. Stresses and stresses generated during vibration can be released to suppress the occurrence of delamination at the interface.
  • 100 transducer 110 base, 110a inner peripheral side, 111 main part, 112 surface layer, 120, 120a beam, 121 connection, 130 piezoelectric layer, 140 upper electrode, 141, 142, 143 slit, 150 lower electrode, 151 , 152, 153 side wall, 160 first connection electrode, 170 second connection electrode.

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Abstract

基部(１１０)と、複数の梁部とを備える。基部(１１０)は、枠状である。複数の梁部の各々は、基部(１１０)上から基部(１１０)の内側に向けて延出しつつ、スリット(１４２)に沿う縁部を有する。複数の梁部の各々は、圧電体層(１３０)を挟んで互いに対向する上部電極(１４０)および下部電極(１５０)を含む。複数の梁部の各々の縁部において、圧電体層(１３０)は、下部電極(１５０)に対してオーバーハングしている。

Description

トランスデューサ
　本発明は、トランスデューサに関する。
　圧電素子の構成を開示した先行技術文献として、特開２０１８－１７０６９７号公報(特許文献１)がある。特許文献１に記載された圧電素子は、圧電膜と一対の電極とを備えている。圧電膜は、支持基板に周縁部が支持固定され、振動板を構成する。一対の電極は、圧電膜を挟んで配置されている。圧電膜または、圧電膜および一対の電極を、貫通するスリットが形成されている。
特開２０１８－１７０６９７号公報
　スリットを通じた空気漏れによって送信音圧および受信感度が低下することがある。また、スリットに沿う縁部における圧電体層と下部電極との界面に作用する残留応力または振動時に生ずる応力が高くなって当該界面において層間剥離が生ずることがある。
　本発明は上記の問題点に鑑みてなされたものであって、スリットを通じた空気漏れによる送信音圧および受信感度の低下を抑制するとともに、スリットに沿う縁部における圧電体層と下部電極との界面での層間剥離の発生を抑制できる、トランスデューサを提供することを目的とする。
　本発明に基づくトランスデューサは、基部と、複数の梁部とを備える。基部は、枠状である。複数の梁部の各々は、基部上から基部の内側に向けて延出しつつ、スリットに沿う縁部を有する。複数の梁部の各々は、圧電体層を挟んで互いに対向する上部電極および下部電極を含む。複数の梁部の各々の縁部において、圧電体層は、下部電極に対してオーバーハングしている。
　本発明によれば、スリットを通じた空気漏れによる送信音圧および受信感度の低下を抑制するとともに、スリットに沿う縁部における圧電体層と下部電極との界面での層間剥離の発生を抑制できる。
本発明の実施形態１に係るトランスデューサの平面図である。 図１のトランスデューサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。 図１のＩＩＩ部を拡大して示す部分平面図である。 図３のＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。 図３のＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。 スリットが形成される前の、基部、圧電体層および下部電極の積層体を示す縦断面図である。 圧電体層および下部電極にスリットを形成した状態を示す縦断面図である。 <１００>方向に沿うように形成されたスリットの{１１０}面に現れた側壁がエッチングされた状態を示す縦断面図である。 <０１１>方向に沿うように形成されたスリットの{１１１}面に現れた側壁がエッチングされた状態を示す縦断面図である。 本発明の実施形態２に係るトランスデューサが備える複数の梁部の平面図である。 図１０のＸＩ－ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。
　以下、本発明の各実施形態に係るトランスデューサについて図面を参照して説明する。以下の実施形態の説明においては、図中の同一または相当部分には同一符号を付して、その説明は繰り返さない。
　(実施形態１)
　図１は、本発明の実施形態１に係るトランスデューサの平面図である。図２は、図１のトランスデューサをＩＩ－ＩＩ線矢印方向から見た断面図である。図３は、図１のＩＩＩ部を拡大して示す部分平面図である。
　図１から図３に示すように、本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００は、枠状の基部１１０と、複数の梁部１２０とを備える。本実施形態においては、トランスデューサ１００は、４つの梁部１２０を備えている。ただし、梁部１２０の数は、４つに限られず、複数であればよい。トランスデューサ１００は、梁部１２０の先端部同士を互いに接続する４つの接続部１２１をさらに備える。本実施形態に係るトランスデューサ１００は、複数の梁部１２０の各々が屈曲振動可能であり、超音波トランスデューサとして用いることができる。
　本実施形態においては、基部１１０は、図２に示す中心軸Ｃの軸方向から見て、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に延在する矩形環状の形状を有している。なお、基部１１０を中心軸方向から見たときの形状は、枠状であれば特に限定されない。基部１１０は、中心軸方向から見て、外周側面が多角形状または円形状であってもよく、内周側面１１０ａが多角形状または円形状であってもよい。
　基部１１０は、主部１１１および表層部１１２を含む。主部１１１は、単結晶Ｓｉで構成されている。表層部１１２は、主部１１１上に形成されており、ＳｉＯ2で構成されている。
　複数の梁部１２０の各々は、基部１１０上から基部１１０の内側に向けて延出しつつ、スリット１４１およびスリット１４２に沿う縁部を有する。スリット１４１は、基部１１０の中心軸方向から見て、内周側面１１０ａの対角線に沿って延在している。スリット１４１の基端部は、基部１１０の中心軸方向から見て、内周側面１１０ａ上に位置している。スリット１４１の先端部は、スリット１４２と繋がっている。スリット１４２は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向のいずれかに沿って延在しつつ櫛歯状に形成されている。
　これにより、複数の梁部１２０の各々は等脚台形状に形成されており、接続部１２１はミアンダ状に形成されている。複数の梁部１２０のうち基部１１０の周方向において互いに隣り合う梁部１２０の先端部同士は、接続部１２１によって互いに接続されている。
　図２に示すように、複数の梁部１２０の各々は、圧電体層１３０を挟んで互いに対向する上部電極１４０および下部電極１５０を含む。上部電極１４０上に、第１接続電極１６０が設けられている。下部電極１５０上に、第２接続電極１７０が設けられている。図１においては、第１接続電極１６０および第２接続電極１７０を図示していない。
　圧電体層１３０は、単結晶圧電体で構成されている。圧電体層１３０のカット方位は、所望のデバイス特性を発現するように適宜選択される。本実施形態において、圧電体層１３０は単結晶基板を薄化したものであり、単結晶基板は具体的には回転Ｙカット基板である。回転Ｙカット基板のカット方位は具体的には３０°である。圧電体層１３０の厚さは、たとえば０．３μｍ以上５．０μｍ以下である。
　圧電体層１３０を構成する材料は、トランスデューサ１００が所望のデバイス特性を発現するように適宜選択される。本実施形態においては、圧電体層１３０は、無機材料で構成されている。具体的には、圧電体層１３０は、ニオブ酸アルカリ系の化合物またはタンタル酸アルカリ系の化合物で構成されている。本実施形態においては、ニオブ酸アルカリ系の化合物またはタンタル酸アルカリ系の化合物に含まれるアルカリ金属は、リチウム、ナトリウムおよびカリウムの少なくとも１つからなる。本実施形態において、圧電体層１３０は、ニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)、または、タンタル酸リチウム(ＬｉＴａＯ3)で構成されている。なお、圧電体層１３０は、チタン酸ジルコン酸鉛(ＰＺＴ)で構成されていてもよい。
　上部電極１４０と圧電体層１３０との間、および、下部電極１５０と圧電体層１３０との間の各々には、図示しない密着層が配置されている。
　本実施形態において、上部電極１４０はＰｔで構成されている。上部電極１４０は、Ａｌなどの他の材料で構成されていてもよい。下部電極１５０は、単結晶Ｓｉで構成されている。下部電極１５０は、上部電極１４０と同じ材料で構成されていてもよい。密着層は、Ｔｉで構成されている。密着層は、ＮｉＣｒ合金など他の材料で構成されていてもよい。上部電極１４０、下部電極１５０および上記密着層の各々は、エピタキシャル成長膜であってもよい。圧電体層１３０がニオブ酸リチウム(ＬｉＮｂＯ3)で構成されている場合には、密着層を構成する材料が上部電極１４０または下部電極１５０に拡散することを抑制するという観点から、密着層は、ＮｉＣｒで構成されることが好ましい。これにより、トランスデューサ１００の信頼性が向上する。
　本実施形態においては、上部電極１４０および下部電極１５０の各々の厚さは、たとえば０．０５μｍ以上０．２μｍ以下である。密着層の厚さは、たとえば０．００５μｍ以上０．０５μｍ以下である。
　第１接続電極１６０は、図示しない密着層を介して、上部電極１４０に電気的に接続されつつ外部に露出している。第２接続電極１７０は、図示しない密着層を介して、下部電極１５０に電気的に接続されつつ外部に露出している。第１接続電極１６０および第２接続電極１７０の各々の厚さは、たとえば０．１μｍ以上１．０μｍ以下である。第１接続電極１６０と接続している密着層および第２接続電極１７０と接続している密着層の各々の厚さはたとえば０．００５μｍ以上０．１μｍ以下である。
　本実施形態において、第１接続電極１６０および第２接続電極１７０の各々は、Ａｕで構成されている。第１接続電極１６０および第２接続電極１７０は、Ａｌなどの他の導電材料で構成されていてもよい。第１接続電極１６０と接続している密着層および第２接続電極１７０と接続している密着層の各々は、たとえばＴｉで構成されている。これらの密着層はＮｉＣｒで構成されていてもよい。
　図２に示すように、複数の梁部１２０の各々の縁部において、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対してオーバーハングしている。具体的には、複数の梁部１２０の各々におけるスリット１４２に沿う先端部において、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対してオーバーハングしている。圧電体層１３０におけるスリット１４２の最大幅Ｄ２は、下部電極１５０におけるスリット１４２の最大幅Ｄ１より小さい。最大幅Ｄ２は、たとえば、１０μｍ以下であり、１μｍ以下であってもよい。なお、圧電体層１３０におけるスリット１４２の最大幅Ｄ２は、上部電極１４０におけるスリット１４２の最大幅より小さい。また、複数の梁部１２０の各々におけるスリット１４１に沿う縁部においても、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対してオーバーハングしている。
　本実施形態においては、下部電極１５０は、基板面方位が{１００}であるＳｉ基板から形成されている。よって、下部電極１５０を構成する単結晶Ｓｉは、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面において、{１００}面方位を有している。
　スリット１４１およびスリット１４２の各々の延在方向は、単結晶Ｓｉのいずれかの結晶面方位に沿っている。本実施形態においては、スリット１４２の延在方向は、<１００>方向に沿っている。スリット１４１の延在方向は、<０１１>方向に沿っている。
　ここで、たとえば、{１００}面には、(１００)面並びに、(１００)面と等価な対称性をもつ、(０１０)面、(００１)面、(－１００)面、(０－１０)面および(００－１)面のすべてが含まれる。この結晶面の表記の意味は、他の結晶面についても同様である。また、<１００>方向には、[１００]方向並びに、[１００]方向と等価な、[０１０]方向、[００１]方向、[－１００]方向、[０－１０]方向および[００－１]方向のすべてが含まれる。この結晶方向の表記の意味は、他の結晶方向についても同様である。なお、各スリットの延在方向の結晶方向に対する平行精度は、±1°以内である。
　図４は、図３のＩＶ－ＩＶ線矢印方向から見た断面図である。図５は、図３のＶ－Ｖ線矢印方向から見た断面図である。図４および図５においては、上部電極１４０は図示していない。
　図４に示すように、下部電極１５０におけるスリット１４２の側壁１５２は、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面に対して、すなわち、Ｓｉ基板の主表面に対して、４５度の角度をなす傾斜面であり、{１１０}面である。
　図５に示すように、下部電極１５０におけるスリット１４１の側壁１５１は、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面に対して、すなわち、Ｓｉ基板の主表面に対して、５５度の角度をなす傾斜面であり、{１１１}面である。
　図４および図５に示すように、圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量は、スリット１４１に沿う梁部１２０の縁部よりスリット１４２に沿う梁部１２０の縁部の方が大きい。
　ここで、上記のように圧電体層１３０が下部電極１５０に対してオーバーハングした梁部１２０を形成する方法について説明する。図６は、スリットが形成される前の、基部、圧電体層および下部電極の積層体を示す縦断面図である。図７は、圧電体層および下部電極にスリットを形成した状態を示す縦断面図である。
　図６および図７に示すように、反応性イオンエッチングまたはイオンミリング法を用いて、圧電体層１３０および下部電極１５０の各々の一部を除去することにより、スリット１４１およびスリット１４２を形成する。このとき、スリット１４１は、<０１１>方向に沿うように形成され、スリット１４２は、<１００>方向に沿うように形成される。なお、反応性イオンエッチングまたはイオンミリング法を用いて、圧電体層１３０の一部のみ除去してもよい。この場合は、反応性イオンエッチングまたはイオンミリング法を用いた際に、下部電極１５０にはスリット１４１およびスリット１４２は形成されていない。
　次に、圧電体層１３０をほとんどエッチングせずに下部電極１５０を構成する単結晶Ｓｉをエッチングすることができるエッチング液を用いてウエットエッチングする。エッチング液としては、水酸化カリウム水溶液、または、水酸化テトラメチルアンモニウム(ＴＭＡＨ)水溶液がある。エッチング液の種類によって、結晶面ごとのエッチングレートが決まっている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１は、８０℃の水酸化カリウム水溶液および９０℃のＴＭＡＨ水溶液の各々における、{１１１}面に対する{１００}面のエッチングレート比、および、{１１１}面に対する{１１０}面のエッチングレート比をまとめたものである。
　水酸化カリウム水溶液およびＴＭＡＨ水溶液の結晶面ごとのエッチングレートは、早い順に、{１１０}面＞{１００}面＞{１１１}面である。なお、ＴＭＡＨ水溶液にノニオン系界面活性剤を添加した場合、結晶面ごとのエッチングレートは、早い順に、{１００}面＞{１１０}面＞{１１１}面となる。
　図８は、<１００>方向に沿うように形成されたスリットの{１１０}面に現れた側壁がエッチングされた状態を示す縦断面図である。図９は、<０１１>方向に沿うように形成されたスリットの{１１１}面に現れた側壁がエッチングされた状態を示す縦断面図である。
　図８および図９に示すように、<１００>方向に沿うように形成されたスリット１４２の{１１０}面に現れた側壁１５２は、<０１１>方向に沿うように形成されたスリット１４１の{１１１}面に現れた側壁１５１よりもエッチングレートが高いため、側壁１５２の方が側壁１５１よりもより多くエッチングされる。その結果、圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量は、スリット１４１に沿う梁部１２０の縁部よりスリット１４２に沿う梁部１２０の縁部の方が大きくなる。
　本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００においては、複数の梁部１２０の各々の縁部において、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対してオーバーハングしている。これにより、圧電体層１３０におけるスリット１４１およびスリット１４２の幅を狭くして、スリット１４１およびスリット１４２を通じた空気漏れによる送信音圧および受信感度の低下を抑制することができる。また、スリット１４１およびスリット１４２の各々に沿う縁部における圧電体層１３０と下部電極１５０との界面に作用する残留応力および振動時に生ずる応力を解放して、当該界面での層間剥離の発生を抑制することができる。
　本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００においては、下部電極１５０は、単結晶Ｓｉで構成されている。これにより、単結晶は粒界がなく構造が安定しているため、複数の梁部１２０の各々の信頼性を向上することができる。
　本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００においては、スリット１４１およびスリット１４２の各々の延在方向は、単結晶Ｓｉのいずれかの結晶面方位に沿っている。これにより、結晶異方性エッチングを用いて、スリット１４１に沿う梁部１２０の縁部と、スリット１４２に沿う梁部１２０の縁部とにおける、圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量を一括で制御することができる。
　本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００においては、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面において、単結晶Ｓｉは{１００}面方位を有しており、スリット１４２の延在方向は、<１００>方向に沿っている。これにより、結晶異方性エッチングを用いて、複数の梁部１２０の各々におけるスリット１４２に沿う先端部において、圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量を大きくすることができる。その結果、複数の梁部１２０の各々の先端部を柔らかくすることができ、振動時に当該先端部に生ずる応力を低くして、複数の梁部１２０の各々の信頼性を向上することができる。
　本発明の実施形態１に係るトランスデューサ１００においては、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面において、単結晶Ｓｉは{１００}面方位を有しており、スリット１４１の延在方向は、<０１１>方向に沿っている。これにより、結晶異方性エッチングを用いて、複数の梁部１２０の各々におけるスリット１４１に沿う縁部において、圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量を小さくすることができる。また、下部電極１５０におけるスリット１４１の側壁１５１は、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面に対して５５度の角度をなす傾斜面である。そのため、上記のように反応性イオンエッチングまたはイオンミリング法を用いた際に下部電極１５０にスリット１４１が形成されていない場合、圧電体層１３０におけるスリット１４１の最小幅よりも下部電極１５０におけるスリット１４１の最小幅を小さくすることができる。よって、反応性イオンエッチングまたはイオンミリング法を用いる際のフォトリソグラフィによる圧電体層１３０の最小パターニング寸法よりスリット１４１の最小幅を小さくすることができる。ひいては、スリット１４１を通じた空気漏れによる送信音圧および受信感度の低下を抑制することができる。
　(実施形態２)
　以下、本発明の実施形態２に係るトランスデューサについて図を参照して説明する。本発明の実施形態２に係るトランスデューサは、梁部の形状および下部電極を構成するＳｉ基板の面方位が本発明の実施形態１に係るトランスデューサと異なるため、本発明の実施形態１に係るトランスデューサと同様である構成については説明を繰り返さない。
　図１０は、本発明の実施形態２に係るトランスデューサが備える複数の梁部の平面図である。図１１は、図１０のＸＩ－ＸＩ線矢印方向から見た断面図である。図１１においては、上部電極は図示していない。
　図１０および図１１に示すように、本発明の実施形態２に係るトランスデューサは、枠状の基部１１０と、複数の梁部１２０ａとを備える。本実施形態においては、梁部１２０ａの先端部同士を互いに接続する接続部は形成されておらず、複数の梁部１２０ａの各々は、三角形の片持ち梁状に形成されている。
　複数の梁部１２０ａの各々は、基部１１０上から基部１１０の内側に向けて延出しつつ、スリット１４３に沿う縁部を有する。スリット１４３は、基部１１０の中心軸方向から見て、矩形状の内周側面１１０ａの対角線に沿って延在している。図１１に示すように、スリット１４３に沿う複数の梁部１２０ａの各々の縁部において、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対してオーバーハングしている。
　本実施形態においては、下部電極１５０は、基板面方位が{１１０}であるＳｉ基板から形成されている。よって、下部電極１５０を構成する単結晶Ｓｉは、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面において、{１１０}面方位を有している。
　スリット１４３の延在方向は、単結晶Ｓｉのいずれかの結晶面方位に沿っている。本実施形態においては、スリット１４３の延在方向は、<１１１>方向に沿っている。
　図１１に示すように、下部電極１５０におけるスリット１４３の側壁１５３は、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面に対して、すなわち、Ｓｉ基板の主表面に対して、９０度の角度をなす垂直面であり、{１１１}面である。表１に示すように、８０℃の水酸化カリウム水溶液および９０℃のＴＭＡＨ水溶液の各々における{１１１}面のエッチングレートは小さいため、スリット１４３に沿う梁部１２０の縁部における圧電体層１３０の下部電極１５０に対するオーバーハング量は小さくなる。
　本発明の実施形態２に係るトランスデューサにおいては、下部電極１５０における圧電体層１３０との接触面において、単結晶Ｓｉは{１１０}面方位を有しており、スリット１４３の延在方向は、<１１１>方向に沿っている。これにより、スリット１４３に沿う梁部１２０ａの縁部において、圧電体層１３０は、下部電極１５０に対して僅かにオーバーハングしており、圧電体層１３０と下部電極１５０との界面に作用する残留応力および振動時に生ずる応力を解放して、当該界面での層間剥離の発生を抑制することができる。
　上述した実施形態の説明において、組み合わせ可能な構成を相互に組み合わせてもよい。
　今回開示された実施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と考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて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が含まれることが意図される。
　１００　トランスデューサ、１１０　基部、１１０ａ　内周側面、１１１　主部、１１２　表層部、１２０，１２０ａ　梁部、１２１　接続部、１３０　圧電体層、１４０　上部電極、１４１，１４２，１４３　スリット、１５０　下部電極、１５１，１５２，１５３　側壁、１６０　第１接続電極、１７０　第２接続電極。

Claims (6)

  1. 　枠状の基部と、
    　前記基部上から前記基部の内側に向けて延出しつつ、スリットに沿う縁部を有する複数の梁部とを備え、
    　前記複数の梁部の各々は、圧電体層を挟んで互いに対向する上部電極および下部電極を含み、
    　前記複数の梁部の各々の前記縁部において、前記圧電体層は、前記下部電極に対してオーバーハングしている、トランスデューサ。
  2. 　前記下部電極は、単結晶Ｓｉで構成されている、請求項１に記載のトランスデューサ。
  3. 　前記スリットの延在方向は、前記単結晶Ｓｉのいずれかの結晶面方位に沿っている、請求項２に記載のトランスデューサ。
  4. 　前記下部電極における前記圧電体層との接触面において、前記単結晶Ｓｉは{１００}面方位を有しており、
    　前記スリットの延在方向は、<１００>方向に沿っている、請求項３に記載のトランスデューサ。
  5. 　前記下部電極における前記圧電体層との接触面において、前記単結晶Ｓｉは{１００}面方位を有しており、
    　前記スリットの延在方向は、<０１１>方向に沿っている、請求項３に記載のトランスデューサ。
  6. 　前記下部電極における前記圧電体層との接触面において、前記単結晶Ｓｉは{１１０}面方位を有しており、
    　前記スリットの延在方向は、<１１１>方向に沿っている、請求項３に記載のトランスデューサ。
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JPH07274288A (ja) * 1994-03-30 1995-10-20 Sanyo Electric Co Ltd シリコンカンチレバー及びこれを用いた超音波センサー
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