特許 7514672 圧電素子およびその製造方法

(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】2024-07-03

(45)【発行日】2024-07-11

(54)【発明の名称】圧電素子およびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 30/80 20230101AFI20240704BHJP

   H10N 30/30 20230101ALI20240704BHJP

   H10N 30/01 20230101ALI20240704BHJP

   H10N 30/074 20230101ALI20240704BHJP

   H04R 17/02 20060101ALI20240704BHJP

【ＦＩ】

H10N30/80

H10N30/30

H10N30/01

H10N30/074

H04R17/02

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2020114145

(22)【出願日】2020-07-01

(65)【公開番号】P2022012349

(43)【公開日】2022-01-17

【審査請求日】2023-05-30

(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

(74)【代理人】

【識別番号】110001896

【氏名又は名称】弁理士法人朝日奈特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】口地 博行

【審査官】加藤 俊哉

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－１３７２９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１７９５７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２５３０８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１４－５１５２１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ ３０／８０

Ｈ１０Ｎ ３０／３０

Ｈ１０Ｎ ３０／０１

Ｈ１０Ｎ ３０／０７４

Ｈ０４Ｒ １７／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一端が固定され、他端が自由端となる圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置された一対の電極とを備えた圧電素子において、
前記振動板は、前記圧電膜の一部が、前記振動板の振動方向の反りを緩和する、応力緩和領域となり、
該応力緩和領域は、イオン注入領域であることを特徴とする圧電素子。

【請求項2】

請求項１記載の圧電素子において、
前記振動板は、キャビティを有する支持基板に支持された圧電膜が、該圧電膜を貫通するスリットにより区画されており、
前記応力緩和領域は、前記振動板の前記自由端側に配置していることを特徴とする圧電素子。

【請求項3】

一端が固定され、他端が自由端となる圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置された一対の電極とを備えた圧電素子の製造方法において、
支持基板上に前記圧電膜を積層形成する工程と、
前記圧電膜を挟んで配置された前記一対の電極を形成する工程と、
少なくとも一端が前記支持基板に固定され他端が自由端となるように前記圧電膜を区画し、前記振動板を形成する工程と、
前記振動板の振動方向の反りが生じている前記振動板の前記圧電膜の一部に、イオンを注入し、前記反りを緩和する応力緩和領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする圧電素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は圧電素子およびその製造方法に関し、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およびそ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３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３（ａ）では四角形の２枚の振動板２が、図３（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４は圧電素子の断面図である。図４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、他端が自由端となる振動板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。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特許第５９３６１５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

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。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およびそ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】

【0009】

上記目的を達成するため、本願請求項１に係る発明は、一端が固定され、他端が自由端となる圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置された一対の電極とを備えた圧電素子において、前記振動板は、前記圧電膜の一部が、前記振動板の振動方向の反りを緩和する、応力緩和領域となり、該応力緩和領域は、イオン注入領域であることを特徴とする。

【0010】

本願請求項２に係る発明は、請求項１記載の圧電素子において、前記振動板は、キャビティを有する支持基板に支持された圧電膜が、該圧電膜を貫通するスリットにより区画されており、前記応力緩和領域は、前記振動板の前記自由端側に配置していることを特徴とする。

【0012】

本願請求項３に係る発明は、一端が固定され、他端が自由端となる圧電膜からなる振動板と、前記圧電膜を挟んで配置された一対の電極とを備えた圧電素子の製造方法において、支持基板上に前記圧電膜を積層形成する工程と、前記圧電膜を挟んで配置された前記一対の電極を形成する工程と、少なくとも一端が前記支持基板に固定され他端が自由端となるように前記圧電膜を区画し、前記振動板を形成する工程と、前記振動板の振動方向の反りが生じている前記振動板の前記圧電膜の一部に、イオンを注入し、前記反りを緩和する応力緩和領域を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の圧電素子は、圧電膜の一部に応力緩和領域を備えることで反りの無い振動板とすることができ、音響圧力等が効率的に振動板２に伝わり大きな出力信号を得ることが可能となる。

【0015】

特に圧電膜をスリットで区画した構成の振動板では、反りの無い振動板とすることで、スリットの開口幅が設計通りとなり、所望の特性の圧電素子とすることが可能となる。このような圧電素子を音響トランスデューサとして使用した場合、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。

【0016】

本発明の圧電素子の製造方法は、圧電膜にイオンを注入することで応力緩和領域を形成することができ、簡便で制御性の良い方法である。特に注入条件を変更することで、応力緩和領域を所望の応力とすることができるので、反りの程度に合わせた振動板の反りの緩和を容易に行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。

【図2】本発明の実施例の圧電素子の製造方法の説明図である。

【図3】従来の圧電素子の説明図である。

【図4】従来の圧電素子の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明に係る圧電素子は、振動板の一部を応力緩和領域とし、反りの無い振動板を備えた圧電素子としている。以下、本発明の実施例について製造工程に従い詳細に説明する。

【実施例】

【0019】

本発明の圧電素子は、図３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となる。

【0020】

まず、シリコン基板からなる支持基板３上に絶縁膜４を介して電極となる金属膜を形成して通常のフォトリソグラフ法により電極６ａを形成し、電極６ａおよび絶縁膜４上に圧電膜５ａを形成する。次に、圧電膜５ａ上に電極となる金属膜を形成して通常のフォトリソグラフ法により電極６ｂを形成し、電極６ｂおよび圧電膜５ａ上に圧電膜５ｂを形成する。次に、圧電膜５ｂ上に電極となる金属膜を形成して通常のフォトリソグラフ法により電極６ｃを形成する。その後、電極６ａと電極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を形成する。

【0021】

圧電膜５ｂ、５ａの一部をエッチング除去し、スリット１を形成する。また支持基板３と絶縁膜４の一部を除去することで、キャビティ７を形成する。この状態で圧電膜５ａ、５ｂは、支持基板３および絶縁膜４上に一端が支持された振動板２となる。以上の形成方法は、従来の圧電素子の製造方法と同一である。

【0022】

一般的に圧電膜は残留応力を有しているため、図１に示すように自由端を有する振動板２には反りが発生する場合がある。図１に示すように振動板２がキャビティ７と逆側に反っている場合、圧電膜５ｂは圧電膜５ａより圧縮応力が大きいことになる。そこで振動板２の反りを緩和するため、具体的には圧電膜５ｂの圧縮応力を小さくするため、図２に示す矢印方向から振動板２の表面にイオンを注入し、応力緩和領域９を形成する。この応力緩和領域９が形成された振動板２（圧電膜５ｂ）の表面は、イオンの注入により圧電膜の結晶性が乱れ圧縮応力が緩和される。結晶性の乱れが回復することは望ましくないので、イオンの注入後、加熱処理は行わないのが好ましい。このように応力緩和領域９を形成することで、振動板２の反りはなくなる。

【0023】

この応力緩和領域９の形成は、例えば、集束イオンビーム装置を用いて、イオン種としてガリウム（Ｇａ）を、加速エネルギー３０ｋｅＶ、電流３０ｎＡの条件で行う。３０μｍ程度の反りの発生している振動板２の自由端側の圧電膜表面に対して、上記条件でイオンを注入することで反りが緩和されることが確認できた。このとき、振動板２の自由端側は圧電素子からの信号出力に対する寄与が小さく、この領域に応力緩和領域９を形成しても圧電素子の出力信号には何ら問題はないことも確認できた。

【0024】

当然ながら、圧電膜の残留応力の大きさによって振動板２の反りの程度は変わる。そこで、加速エネルギー、電流、注入時間、注入領域、走査方向等のイオンの注入条件を振動板２の反りの程度に応じて適宜設定すればよい。振動板２の反りの程度に応じて、イオンの注入を複数回繰り返して行うことも効果的である。

【0025】

なお応力緩和領域９は、図１に示すように圧電膜５ｂの表面の一部に形成される場合に限定されず、圧電膜５ｂ全体、あるいは圧電膜５ｂと圧電膜５ａの両方に形成することも可能である。

【0026】

また図１に示す例では、圧電膜５ｂの表面側から応力緩和領域９を形成する場合について説明したが、キャビティ７側から圧電膜５ａに応力緩和領域９を形成することも可能である。

【0027】

このように応力緩和領域９を備える構成とすると、振動板２の反りが緩和され、設計通通りのスリット幅とすることができ、圧電素子の特性劣化を抑える効果が大きくなる。

【0028】

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、注入するイオンはガリウムに限定されない。また多層構造の圧電膜に限るものでもない。

【符号の説明】

【0029】

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：応力緩和領域

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】