(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-05-08
(45)【発行日】2024-05-16
(54)【発明の名称】圧電素子の製造方法
(51)【国際特許分類】
H10N 30/02 20230101AFI20240509BHJP
H10N 30/30 20230101ALI20240509BHJP
H04R 17/02 20060101ALI20240509BHJP
B81C 1/00 20060101ALI20240509BHJP
【ＦＩ】
H10N30/02
H10N30/30
H04R17/02
B81C1/00
【請求項の数】
3
(21)【出願番号】P 2020091513
(22)【出願日】2020-05-26
(65)【公開番号】P2021190467
(43)【公開日】2021-12-13
【審査請求日】2023-03-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000191238
【氏名又は名称】日清紡マイクロデバイス株式会社
(72)【発明者】
【氏名】口地 博行
【審査官】小山 満
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１８－１３７２９７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１８－０４８９２５（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－２１００００（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０４７７２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１５／００２１４１０（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２０２０－１３６３８５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ１０Ｎ ３０／０２
Ｈ１０Ｎ ３０／３０
Ｈ０４Ｒ １７／０２
Ｂ８１Ｃ １／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
スリットにより分離された振動板と、前記スリットに沿い前記振動板上に積層した被覆膜とを備えた圧電素子の製造方法において、前記振動板を構成する圧電膜と該圧電膜を挟んで配置される一対の電極とを積層した支持基板を用意する工程と、
前記圧電膜に前記スリットを形成する工程と、
前記圧電膜上に、前記被覆膜を形成する工程と、
前記支持基板の一部を除去してキャビティを形成し、前記振動板を形成する工程と、
該キャビティ内に露出する前記振動板をマスク膜として使用し、前記被覆膜の一部を除去して前記スリットに連続する開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項2】
請求項１記載の圧電素子の製造方法において、前記被覆膜としてポジ型の感光性膜を形成し、
前記振動板を露光マスク膜として使用し前記被覆膜を露光し、現像することで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項3】
請求項１記載の圧電素子の製造方法において、前記振動板をエッチングマスク膜として使用し前記被覆膜をドライエッチングすることで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は圧電素子の製造方法に関し、特に高感度、低雑音となる圧電型ＭＥＭＳマイクロフォン等に利用可能な圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、急速に需要が拡大しているスマートフォンには、小型、薄型で、組立のハンダリフロー工程の高温処理耐性を有するＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いたマイクロフォンが多く使われている。さらにＭＥＭＳマイクロフォンに限らず、その他のＭＥＭＳ素子が様々な分野で急速に普及してきている。
【0003】
この種のＭＥＭＳ素子の多くは、音響圧力等による振動板の変位を、対向する固定板との容量変化としてとらえ、電気信号に変換して出力する容量素子である。しかし容量素子は、振動板と固定板との間隙の空気の流動によって生じる音響抵抗のために、信号雑音比の改善が限界になりつつある。そこで、圧電材料からなる薄膜（圧電膜）で構成される単一の振動板の歪みにより音響圧力等を電圧変化として取り出すことができる圧電素子が注目されている。
【0004】
従来の圧電素子は、圧電膜に図１１に示すような所望の形状のスリット１を形成して片持ち梁構造の振動板２を形成している。図１１（ａ）では四角形の２枚の振動板２が、図１１（ｂ）では三角形の４枚の振動板２がそれぞれ形成されている。この種の圧電素子は、例えば特許文献１に開示されている。
【0005】
図１２は圧電素子の断面図である。図１２に示すようにシリコン基板からなる支持基板３上に絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂが支持固定され、圧電膜５ａは電極６ａと電極６ｂにより、圧電膜５ｂは電極６ｂと電極６ｃによりそれぞれ挟み込まれた構造となっている。支持基板３にはキャビティ７が形成されており、スリット１により区画された圧電膜および電極は、一端が支持基板３に固定され、他端が開放端となる振動板２を構成している。
【0006】
このような圧電素子では、振動板２が音響圧力等を受けると圧電膜５ａが歪み、その内部に分極が起こり、電極６ａに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。同様に圧電膜５ｂが歪むとその内部に分極が起こり、電極６ｃに接続する配線金属８ａと、電極６ｂに接続する配線金属８ｂから電圧信号を取り出すことが可能となる。
【0007】
ところで、このような片持ち梁構造の圧電膜５ａ、５ｂは、スリット１を形成することで残留応力が解放されて反りが生じ、スリット１の開口幅が広がってしまう。スリット１の開口幅が設計値以上となった圧電素子をマイクロフォンとして使用すると、音響抵抗が低下し、低周波領域の感度低下等の特性劣化を招いてしまう。
【0008】
そこで、本願出願人は図１３に示すように圧電膜５ｂ上に薄膜９を積層形成した圧電素子を提案した（特許文献２）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0009】
【文献】特許第５９３６１５４号公報
【文献】特開２０１８－１３７２９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本願出願人が先に提案した圧電素子は、薄膜９を備える構造とすることで圧電膜の残留応力に起因するスリット１の開口幅の広がりを抑制することができ、それに伴う特性劣化も抑制することができる。しかしながらその製造工程において、スリット１を形成した後、そのスリット１に連通するように薄膜９に開口部を形成するため、製造工程のばらつき（位置合わせのずれ等）を考慮し、薄膜９の開口幅をスリット１の開口幅より広く形成する必要があった。そのため薄膜９は振動板の弾性係数を大きくすることにより振動板の変形を抑制するという効果は得られるものの、薄膜９を形成しても振動板の変形が完全に抑えられない場合には、スリット１の開口幅が設計値以上となってしまい、圧電素子をマイクロフォンとして使用した場合、音響抵抗を低下させ、低周波領域の感度低下等の特性劣化を抑制することができなかった。本発明はこのような課題を解決し、圧電膜の残留応力の影響を抑制するとともに、特性劣化を抑制することができる圧電素子の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、スリットにより分離された振動板と、前記スリットに沿い前記振動板上に積層した被覆膜とを備えた圧電素子の製造方法において、前記振動板を構成する圧電膜と該圧電膜を挟んで配置される一対の電極とを積層した支持基板を用意する工程と、前記圧電膜に前記スリットを形成する工程と、前記圧電膜上に、前記被覆膜を形成する工程と、前記支持基板の一部を除去してキャビティを形成し、前記振動板を形成する工程と、該キャビティ内に露出する前記振動板をマスク膜として使用し、前記被覆膜の一部を除去して前記スリットに連続する開口部を形成する工程と、を含むことを特徴とする。
【0012】
本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電素子の製造方法において、前記被覆膜としてポジ型の感光性膜を形成し、前記振動板を露光マスク膜として使用し前記被覆膜を露光し、現像することで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする。
【0013】
本願請求項３に係る発明は、請求項１記載の圧電素子の製造方法において、前記振動板をエッチングマスク膜として使用し前記被覆膜をドライエッチングすることで、前記被覆膜の一部を除去して前記開口部を形成することを特徴とする。
【発明の効果】
【0014】
本発明の圧電素子の製造方法は、キャビティ内に露出する振動板をマスク膜として使用し被覆膜の一部を除去することで、スリットに沿った開口部を自己整合的に形成することができる。特に、振動板を露光マスクとして使用し、あるいはドライエッチングマスクとして使用して被覆膜の一部を除去することで開口部を形成する方法は、制御性がよく、簡便に圧電素子を形成することができる。
【0015】
また被覆膜をポジ型の感光性膜で形成すると、被覆膜のパターニングと開口部の形成を一回の現像工程で同時に行うことができ、簡便な方法となる。被覆膜をドライエッチング除去する場合も、圧電膜上の被覆膜形成予定領域以外のポジ型あるいはネガ型の感光性膜を露光、現像することで除去することができ、容易に被覆膜をパターニングすることができ好ましい。
【0016】
本発明の圧電素子の製造方法では、キャビティを形成するため厚い支持基板をエッチングする必要があるが、圧電膜等の表面前面を被覆膜で覆った状態でエッチングすると、圧電膜にクラック等が発生することを防止できるという利点もある。この際、被覆膜としてポリイミド前駆体を含む樹脂膜を使用すると、耐熱性に優れ、その後の被覆膜のパターニングや開口部の形成を支障なく行うことができ好ましい。
【0017】
またポリイミド前駆体を含む樹脂膜により数μｍ程度の開口幅を形成する製造方法は、通常の電子機器の製造工程で広く採用されており、制御性の良い、簡便な方法である。
【0018】
本発明の製造方法により形成した圧電素子を音響トランスデューサとして使用した場合、残留応力による悪影響を緩和し、音響抵抗を高く維持することができるため、低周波領域の感度低下や信号雑音比の低減を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図2】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図3】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図4】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図5】本発明の第１の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図6】本発明の第１の実施例の被覆膜の配置を説明する図である。
【図7】本発明の第２の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図8】本発明の第２の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図9】本発明の第２の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図10】本発明の第３の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。
【図11】従来の圧電素子の説明図である。
【図12】従来の圧電素子の説明図である。
【図13】従来の別の圧電素子の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
本発明に係る圧電素子の製造方法は、キャビティ内に露出する振動板をマスク膜として使用し、振動板のスリットに沿った開口部を有する被覆膜を形成する製造方法である。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。
【実施例1】
【0021】
本発明の第１の実施例について説明する。本発明の圧電素子は、図１１に示すような所望の形状のスリット１を形成した片持ち梁構造の振動板を備えた圧電素子の製造方法となる。
【0022】
シリコン基板からなる支持基板３上に、絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂと、圧電膜５ａを挟み込むように電極６ａと電極６ｂ、圧電膜５ｂを挟み込むように電極６ｂと電極６ｃを積層形成する。圧電膜５ａ、５ｂには、所望の形状のスリット１を形成する。後述するように支持基板３にキャビティが形成されると、スリット１により区画される圧電膜と電極は、一端が支持基板３に固定され、他端が開放端となる振動板２を構成する。それぞれの振動板２の電極６ａと電極６ｃを接続するように配線金属８ａを形成し、電極６ｂを接続するように配線金属８ｂを形成する(図１)。
【0023】
全面にポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０を塗布する。被覆膜１０はスリット１内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜１０のパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜１０はポジ型を使用し、スリット１の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域以外の領域（除去する領域）に所望の波長の光を照射して露光領域１０ａとする。被覆膜形成予定領域は未露光領域１０ｂとなる（図２）。
【0024】
その後、支持基板３をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜４をウエットエッチング法により除去して、スリット１に充填された被覆膜１０を露出するキャビティ７を形成する（図３）。図３に示すように、キャビティ７内には、振動板２となる圧電膜５ａおよび電極６ａと、スリット１内に被覆膜１０の未露光領域１０ｂの一部が露出した状態となる。ここで被覆膜１０のパターニングを行わず、厚い支持基板３のエッチングや絶縁膜４のエッチングを行うと、被覆膜１０が表面保護膜となり好ましい。
【0025】
次に振動板２を露光マスク膜として使用して被覆膜１０の未露光領域１０ｂをキャビティ７側から露光する。その結果、未露光領域１０ｂが露光され、露光領域１０ａとなる(図４)。
【0026】
その後、被覆膜１０の露光領域１０ａを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜１０が形成される。加熱処理を行う場合は、被覆膜１０の開口部１１が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
【0027】
図５は、完成した圧電素子の断面図である。図６は、スリット１と被覆膜１０の位置関係を説明する図である。図６（ａ）に示す例では、対向する２枚の振動板２間のスリット１に沿って被覆膜１０を配置している。この場合、図面左右方向に延出するスリット１に被覆膜１０を形成していないが、これは振動板２の残留応力が開放され振動板２が変形した場合であっても、このスリットの開口幅が大きく変わることがないからである。当然ながら、被覆膜１０を形成してもよい。図６（ｂ）に示す例では、対向する４枚の振動板２のスリット１に沿って被覆膜１０を配置している。この場合、振動板２の反りは三角形の振動板２の頂点付近が最も大きく、底辺付近は小さくなるため、反りの大きい振動板２上のみに被覆膜１０を形成している。
【0028】
このように被覆膜１０を備える構成とすると、振動板２がキャビティ７と逆側に反った場合、スリット１の開口幅が広がるものの、スリット１から連続する被覆膜１０の開口部１１の音響抵抗等は被覆膜１０がない場合より大きくなり、特性劣化を抑える効果が大きくなる。
【0029】
被覆膜１０の開口部１１の断面形状は、露光条件あるいはさらに現像条件を適宜調整することで変更することが可能である。具体的には、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅と等しくしたり、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅より狭くすることもできる。後者の場合、開口部１１の音響抵抗等が大きくなり、特性劣化を抑える効果が大きくなることが期待される。
【0030】
一方、振動板２がキャビティ７側に反った場合、スリット１の開口幅が広がるものの、被覆膜１０の開口幅が狭くなるため、特性劣化を抑えることができる。
【実施例2】
【0031】
次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、ポジ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０を用いる場合について説明したが、ネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０Ａを用いることも可能である。その場合、被覆膜１０Ａの開口部１１を形成する方法が相違する。
【0032】
まず実施例１同様、シリコン基板からなる支持基板３上に、絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂと、圧電膜５ａを挟み込むように電極６ａと電極６ｂ、圧電膜５ｂを挟み込むように電極６ｂと電極６ｃを積層形成する。圧電膜５ａ、５ｂには、所望の形状のスリット１を形成する。スリット１により区画されたそれぞれの振動板２の電極６ａと電極６ｃを接続するように配線金属８ａを形成し、電極６ｂを接続するように配線金属８ｂを形成する（図１)。
【0033】
全面にネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０Ａを塗布する。被覆膜１０Ａはスリット１内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜１０Ａのパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜１０Ａはネガ型を使用し、スリット１の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域に所望の波長の光を照射して露光領域１０ａとする。被覆膜形成予定領域以外の領域（除去する領域）は未露光領域１０ｂとなる（図７）。
【0034】
その後、支持基板３をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜４をウエットエッチング法により除去して、スリット１に充填された被覆膜１０Ａを露出するキャビティ７を形成する（図８）。図８に示すように、キャビティ７内には、振動板２となる圧電膜５ａおよび電極６ａと、スリット１内に被覆膜１０Ａの露光領域１０ａの一部が露出した状態となる。
【0035】
次に振動板２をエッチングマスク膜として使用して被覆膜１０Ａの露光領域１０ａの一部をキャビティ７側からドライエッチングし、開口部１１を形成する（図９）。被覆膜１０Ａの開口部１１の断面形状は、エッチング条件を適宜調整することで変更することが可能となる。具体的には、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅と等しくしたり、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅より狭くすることもできる。
【0036】
その後、被覆膜１０Ａの未露光領域１０ｂを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜１０Ａが形成される。この加熱処理は、被覆膜１０Ａの開口部１１が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
【0037】
【実施例3】
【0038】
次に第３の実施例について説明する。上記第２の実施例では、被覆膜１０Ａの開口部１１を形成する際、振動板２をエッチングマスク膜として使用する場合について説明したが、上記第１の実施例において、振動板２をエッチングマスク膜として使用することも可能である。即ち、上記第２の実施例ではネガ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０Ａを用いる場合について説明したが、ポジ型のポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０を用いることも可能である。
【0039】
この場合上記第１の実施例において、図４に示す振動板２を露光マスク膜として使用する代わりに、エッチングマスク膜とすれば良い。
【0040】
まず実施例１同様、シリコン基板からなる支持基板３上に、絶縁膜４を介して多層構造の圧電膜５ａ、５ｂと、圧電膜５ａを挟み込むように電極６ａと電極６ｂ、圧電膜５ｂを挟み込むように電極６ｂと電極６ｃを積層形成する。圧電膜５ａ、５ｂには、所望の形状のスリット１を形成する。スリット１により区画されたそれぞれの振動板２の電極６ａと電極６ｃを接続するように配線金属８ａを形成し、電極６ｂを接続するように配線金属８ｂを形成する（図１)。
【0041】
全面にポリイミド前駆体を含む感光性樹脂からなる被覆膜１０を塗布する。被覆膜１０はスリット１内にも充填される。プリベーク等の熱処理を行った後、被覆膜１０のパターニングのため露光する。ここで使用する被覆膜１０はポジ型を使用し、スリット１の開口部に沿って残す被覆膜形成予定領域以外の領域（除去する領域）に所望の波長の光を照射して露光領域１０ａとする。また被覆膜形成予定領域は未露光領域１０ｂとなる（図２）。
【0042】
その後、支持基板３をドライエッチング法により除去し、その後、絶縁膜４をウエットエッチング法により除去して、スリット１に充填された被覆膜１０を露出するキャビティ７を形成する（図３）。図３に示すように、キャビティ７内には、振動板２となる圧電膜５ａおよび電極６ａと、スリット１内に被覆膜１０の未露光領域１０ｂの一部が露出した状態となる。
【0043】
次に振動板２をエッチングマスク膜として使用して被覆膜１０の未露光領域１０ｂの一部をキャビティ７側からドライエッチングし、開口部１１を形成する（図１０）。被覆膜１０の開口部１１の断面形状は、エッチング条件を適宜調整することで変更することが可能である。具体的には、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅と等しくしたり、開口部１１の開口幅をスリット１の開口幅より狭くすることもできる。
【0044】
その後、被覆膜１０の露光領域１０ａを現像処理により除去する。必要な加熱処理を加えることで、ポリイミド前駆体がイミド化し、ポリイミドからなる被覆膜１０が形成される。この加熱処理は、被覆膜１０の開口部１１が大きく広がらない温度範囲に設定するのが好ましい。
【0045】
【0046】
以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。例えば、上記実施例では被覆膜１０、１０Ａを感光性のポリイミド膜で形成する場合について説明したが、振動板２をエッチングマスクとして開口部１１を形成することが可能で、振動板２上で所望の形状にパターニング可能であれば、非感光性膜であっても良いし、ポリイミド膜以外の有機膜あるいは無機膜であっても問題ない。また、被覆膜１０、１０Ａをスリット１の延出方向に沿った細い幅で形成する場合について説明したが、被覆膜１０、１０Ａの面積を広くし配置する位置を調整することで圧電膜の変形を制御することもでき、特性の優れた圧電素子を形成することが可能となる。また、被覆膜１０を複数個に分割して配置することも可能である。さらに多層構造の圧電膜に限るものでもない。
【0047】
また、上記実施例では被覆膜１０、１０Ａを保護膜として使用するため、開口部１１を形成した後、被覆膜１０、１０Ａのパターニングを行う例について説明したが、実施例２あるいは実施例３においては、被覆膜１０、１０Ａを露光し、現像した後、キャビティ７の形成、開口部１１の形成を行うことが可能である。あるいは、実施例１において開口部を形成するための露光の後に、実施例２および実施例３においては開口部１１を形成した後に、被覆膜１０、１０Ａをパターニングするための露光、現像を行うことも可能である。
【0048】
さらにまた、スリット１を形成する工程は、キャビティ７を形成した後、圧電膜５ａ、５ｂの一部を除去してスリット１を形成しても良い。この場合、被覆膜１０、１０Ａの形成はスリットのない圧電膜５ｂ等上に行うことになる。
【符号の説明】
【0049】
１： スリット、２：振動板、３：支持基板、４：絶縁膜、５ａ、５ｂ：圧電膜、６ａ、６ｂ、６ｃ：電極、７：キャビティ、８ａ、８ｂ：配線金属、９：薄膜、１０、１０Ａ：被覆膜、１０ａ：露光領域、１０ｂ：未露光領域、１１：開口部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】