(57)【要約】【課題】感度特性およびノイズ特性を改善することができる圧電薄膜マイクロフォンおよびその製造方法を提供する。【解決手段】圧電薄膜マイクロフォン１は、開口２を有する支持基板３と、支持基板３に支持された圧電薄膜と、圧電薄膜の一方表面に配置された上部電極７と、圧電薄膜の他方表面に配置された下部電極とを含む。圧電薄膜は、開口２に対向する可動膜部を有し、その可動膜部にスリット２６が形成されている。複数のスリット２６が、所定方向に沿って平行に形成されていて、隣り合うスリット２６の間にそれぞれ等幅のカンチレバー２５が形成されていてもよい。開口２が平面視矩形であって、複数のカンチレバー２５の固定端２５ａが開口２の一辺２ａに沿って配列されていてもよい。【選択図】図１
2017022576.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞を有する基材と、
前記基材に支持され、前記空洞に対向する可動膜部を有し、前記可動膜部にスリットが形成された、圧電薄膜と、
前記圧電薄膜の一方表面に配置された上部電極と、
前記圧電薄膜の他方表面に配置された下部電極と
を含む、圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項２】
所定方向に沿って平行に形成された複数の前記スリットが前記可動膜部に形成されており、前記可動膜部が、隣り合うスリットの間に形成された等幅のカンチレバーを含む、請求項１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項３】
前記可動膜部が、複数の前記カンチレバーを含む、請求項２に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項４】
前記空洞が矩形に形成されており、
前記複数のカンチレバーの固定端が前記矩形の空洞の一辺に沿って配列されている、請求項３に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項５】
前記可動膜部が、固定端と、固定端よりも幅広の部分とを有するカンチレバーを含む、請求項１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項６】
前記カンチレバーが、前記固定端を中心側とする扇形状である、請求項５に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項７】
前記空洞が円形であり、
前記空洞を覆うように円形の前記可動膜部が設けられており、
複数の前記スリットが、前記円形の可動膜部の中心から放射状に形成されて、複数の前記扇形状のカンチレバーを区画している、請求項６に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項８】
前記基材が、前記円形の空洞の中心に支持部を有しており、
前記支持部が複数の前記カンチレバーの固定端を支持している、請求項７に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項９】
前記上部電極が、少なくとも前記固定端を覆うように形成されており、
前記空洞外から隣り合う前記扇形状のカンチレバーの間を通って前記上部電極に至り、当該上部電極に接続された配線をさらに含む、請求項８に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１０】
前記カンチレバーの前記固定端の両端から前記カンチレバーの先端に向かって延びた一対の切り込みスリットが前記可動膜部に形成されている、請求項６〜９のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１１】
前記スリットが、所定の対称中心に対して回転対称に配置された複数のカンチレバーと、前記複数のカンチレバーの先端部に共通に結合され、前記対称中心に重心を有する錘部とを、前記可動膜部に区画している、請求項１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１２】
前記空洞が多角形であり、直線状の前記複数のカンチレバーが前記多角形の辺にそれぞれ沿って配置されている、請求項１１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１３】
前記複数のカンチレバーが互いに噛み合うように配置された２つの鉤状カンチレバーを含む、請求項１１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１４】
前記鉤状カンチレバーが、直線状部と、前記直線状部に連続する円弧状部とを含み、前記錘部が前記一対の鉤状カンチレバーの前記円弧状部に抱えられるように配置された円形錘部を含む、請求項１３に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１５】
前記複数のカンチレバーが互いに対向して円形を成すように配置された一対の半円弧状カンチレバーを含み、前記錘部が前記一対の半円弧状カンチレバーに抱えられるように配置された円形錘部を含む、請求項１１に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１６】
前記カンチレバーが、固定端から先端まで等幅のカンチレバーである、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１７】
前記上部電極が、前記カンチレバーの固定端から先端付近にまで至っている、請求項１１〜１５のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１８】
前記カンチレバーの固定端の厚みが、当該カンチレバーの先端または中間部の厚みよりも大きい、請求項２〜１７のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項１９】
前記圧電薄膜が、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物を含み、膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下である、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項２０】
共振周波数が２０ｋＨｚ以上である、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項２１】
前記圧電薄膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成された薄膜である、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の圧電薄膜マイクロフォン。
【請求項２２】
基板上に下部電極を形成する工程と、
前記下部電極上に圧電薄膜を形成する工程と、
前記圧電薄膜の可動膜領域にスリットを形成する工程と、
前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程と、
前記可動膜領域に対向する空洞を前記基板に形成する工程と
を含む、圧電薄膜マイクロフォンの製造方法。
【請求項２３】
前記圧電薄膜が、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物を含み、膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下に形成される、請求項２２に記載の圧電薄膜マイクロフォンの製造方法。
【請求項２４】
前記圧電薄膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成される、請求項２２または２３に記載の圧電薄膜マイクロフォンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、下部電極および上部電極で圧電薄膜を挟んだ構造の圧電薄膜マイクロフォンの構造およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフォンは音波を振動板で受け、音波による振動板の変位を電気信号へと変換するデバイスである。可聴域の音声を測定するマイクロフォンは、主に音響機器やノイズ低減のための参照信号の取得に利用され、超音波を測定するマイクロフォンは音響センサや医用超音波イメージング等に利用されている。
検出原理の観点からは、マイクロフォンは、主に、ダイナミック型、ピエゾ抵抗型、静電容量型、圧電型に分類される。
【０００３】
ダイナミック型マイクロフォンは、音波による振動を変位に変換することでコイル等の導体が受ける磁束密度を変化させ、発生する誘導電流により音波を検出する。しかし、その検出原理から複雑な三次元構造を必要とするため小型化が難しく、ＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスへの応用例は少ない。
ピエゾ抵抗型マイクロフォンは、機械的応力が印加された際に電気伝導率が変化するピエゾ抵抗効果を利用して音波を検出する。単純な構造による検出が可能であることから、小型化が容易であり、複雑な加工プロセスを必要としないという利点を有する。その反面、消費電力が大きく、感度が小さく、温度変化による影響を大きく受ける。
【０００４】
静電容量型マイクロフォンは、音波を受ける可動電極と固定電極との平行平板電極間の静電容量の変化量によって発生する起電力を検出することにより、可動電極の変位量を検出し、音波を電気信号に変換する。高感度(sensitivity)で低いノイズ特性(Noise floor)を有するのでＳ／Ｎ比（Signal/Noise ratio)が高く、かつ優れた周波数特性を示すことから、現在最も広く用いられている形式である。電極間距離を小さくすることでデバイスの高感度化に有利であるため、近年では電極間距離は１μｍ程度まで微細化が進んでいる。その一方で、犠牲層エッチングの際に平行平板電極同士が密着するstiction問題を回避する必要があるので、高い加工技術を要し、また複雑な構造であることから、さらなる小型化は難しい。そのほか、検出時には平行平板電極間に一定の電界を印加して充電させるための入力電源が必要であり、印加した電界により平行平板電極間に引力が発生するため、ダイナミックレンジが狭いといった特性を持つ。また、可動電極の受ける空気抵抗が特性に大きく影響を与える等の課題が指摘されている。
【０００５】
圧電型マイクロフォンは、音波による変位を圧電効果により電気信号へと変換することで音波を検出する。簡素な構造での検出が可能であるため、デバイス作製プロセスが単純であり、小型化に適している。さらに、入力電源が不要なことから、受動回路も単純となる。しかも、広いダイナミックレンジを持つ。
しかし、静電容量型ＭＥＭＳマイクロフォンと比べ、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンは、感度、ノイズ特性、Ｓ／Ｎ比といった特性が比較的低いことが指摘されている。Ｓ／Ｎ比を向上させるためには，感度を向上させ、かつノイズ特性を改善する必要がある。
【０００６】
特許文献１に、圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンの一つの先行技術が開示されている。この先行技術のマイクロフォンは、厚さ方向に貫通して開口が形成されたシリコン基板と、前記開口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、前記振動膜に形成された圧電素子とを含む。圧電素子は、下部電極と、下部電極上に形成された圧電体と、圧電体上に形成された上部電極とを含む。圧電体は、円板状に形成されており、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）からなっている。音波により振動膜が振動すると、その振動が圧電素子に伝播して、圧電効果によって電圧に変換される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−３１３８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、特許文献１の圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンでは、圧電材料、基板層、電極などの多層構造からなる薄膜を可動部（振動膜および圧電素子）として用いている。そのため、材料間の熱膨張係数の差などに起因して、作製プロセスによって発生する応力が可動部に残留する。この残留応力のために、入力音波に対する可動部の変形に正確な再現性がなく、それにより、感度が悪化したり、ノイズ特性が悪化したりする。したがって、残留応力は、Ｓ／Ｎ比向上の妨げとなる。しかも、残留応力が作製プロセスに依存するので、複数のデバイス間で感度特性およびノイズ特性にばらつきが生じるおそれがあるから、製造歩留まりが悪くなるおそれがある。
【０００９】
そこで、この発明の目的は、感度特性およびノイズ特性を改善することができる圧電薄膜マイクロフォンおよびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
この発明は、空洞を有する基材と、前記基材に支持され、前記空洞に対向する可動膜部を有し、前記可動膜部にスリットが形成された、圧電薄膜と、前記圧電薄膜の一方表面に配置された上部電極と、前記圧電薄膜の他方表面に配置された下部電極とを含む、圧電薄膜マイクロフォンを提供する。
この構成によれば、空洞に対向している圧電薄膜の可動膜部は、音波によって振動し、その振動による圧電効果によって、上部電極と下部電極との間に電圧が生じる。こうして、圧電効果を利用して音波を電気信号に変換する圧電型マイクロフォンが構成されている。可動膜部には、スリットが形成されているので、スリットに交差する方向の残留応力が解放されている。それにより、残留応力に起因する感度低下、ノイズ特性の悪化等を低減できるので、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）の改善された圧電型マイクロフォンを提供できる。また、残留応力を低減できるので、複数のデバイス間での感度特性およびノイズ特性のばらつきを低減でき、それに応じて、製造歩留まりを改善できる。
【００１１】
圧電薄膜の可動膜部に下部電極が配置される場合には、下部電極も可動膜部のスリットに対応するスリットを有することが好ましい。同様に、圧電薄膜の可動膜部に上部電極が配置される場合には、上部電極も可動膜部のスリットに対応するスリットを有することが好ましい。
この発明の一実施形態では、所定方向に沿って平行に形成された複数の前記スリットが前記可動膜部に形成されており、前記可動膜部が、隣り合うスリットの間に形成された等幅のカンチレバーを含む。
【００１２】
この構成では、複数の平行なスリットが形成され、隣り合うスリットの間に等幅のカンチレバーが形成されている。したがって、カンチレバーは、スリットと平行に延びており、その長手方向と交差する方向の残留応力が低減されている。これにより、音波が入力されたときは、カンチレバーは正確な再現性で変形し、それに応じて、安定な電気信号を生成する。したがって、感度およびノイズ特性が改善され、かつ複数の製品間の特性のばらつきを低減できる。
【００１３】
この発明の一実施形態では、前記可動膜部が、複数の前記カンチレバーを含む。この構成により、複数のカンチレバーの変形によりそれぞれ生じる電気信号の重ね合わせによって、感度を高めることができる。
この発明の一実施形態では、前記空洞が矩形に形成されており、前記複数のカンチレバーの固定端が前記矩形の空洞の一辺に沿って配列されている。この構成により、等幅のカンチレバーが矩形の空洞に平行に張り出しているので、空洞が形成されている領域を効率的に利用できる。それにより、基材上の小さな面積の領域で高感度のマイクロフォンを実現できる。すなわち、小型で高感度のマイクロフォンを提供できる。
【００１４】
この発明の一実施形態では、前記可動膜部が、固定端と、固定端よりも幅広の部分（固定端に平行な方向の幅が固定端よりも広い部分）とを有するカンチレバーを含む。この構成では、固定端以外の場所に、固定端よりも幅広の部分が設けられていることによって、カンチレバーの重心を固定端から離れた位置に配置しやすい。すなわち、幅広の部分が、いわば錘部として作用する。それにより、音波が入力されたときのカンチレバーの変形量（とくに固定端付近の歪み量）を大きくすることができるので、高感度なマイクロフォンを実現できる。
【００１５】
この発明の一実施形態では、前記カンチレバーが、前記固定端を中心側とする扇形状である。この構成では、カンチレバーが、固定端から離れるほど幅広の形状であるので、カンチレバーの重心を先端側（固定端とは反対側）に配置しやすい。それにより、音波が入力されたときのカンチレバーの変形量（とくに固定端付近の歪み量）を大きくすることができるので、高感度なマイクロフォンを実現できる。
【００１６】
なお、「扇形状」とは、先端側が円弧形状の扇形のほか、先端側が直線の台形形状（扇形の弧を弦により切り落とした形状）を含む。固定端は、たとえば直線であり、したがって、扇形のカンチレバーであっても、必ずしも完全な扇形を形成していない場合もあり得る。
この発明の一実施形態では、前記空洞が円形であり、前記空洞を覆うように円形の前記可動膜部が設けられており、複数の前記スリットが、前記円形の可動膜部の中心から放射状に形成されて、複数の前記扇形状のカンチレバーを区画している。この構成の場合、カンチレバーは、先端縁が円弧形状の扇形状（すなわち扇形）を有することができる。したがって、円形の空洞に対向する領域を有効に利用できるので、音波に応答してカンチレバーが大きく変形する。それに応じて、感度が高まる。
【００１７】
「空洞が円形」とは、基材の主面の法線方向から見た空洞の平面形状が円形であることをいう。円形の空洞は、全体が連続していてもよいし、中心から円周に向かって延びる梁部によって、仕切られていてもよい。すなわち、円形の空洞は、梁部によって２つの半円形空洞に二等分されていてもよいし、梁部によって３つ以上の扇形空洞に区分されていてもよい。すなわち、円形の空洞は、複数の空洞部の組み合わせによって平面視円形をなす場合を含む。
【００１８】
この発明の一実施形態では、前記基材が、前記円形の空洞の中心に支持部を有しており、前記支持部が複数の前記カンチレバーの固定端を支持している。この構成では、空洞の中心に配置した支持部で複数のカンチレバーの固定端を共通に支持できるので、固定端を支持するために必要な面積が少ない。それにより、小型で高感度なマイクロフォンを提供できる。
【００１９】
この発明の一実施形態では、支持部を空洞の外側の基材に結合して支持するための支持梁部が備えられている。そして、支持梁部によって、円形の空洞の内部が、半円形または扇形の複数の空洞に仕切られている。
この発明の一実施形態では、前記上部電極が、少なくとも前記固定端を覆うように形成されており、前記空洞外から隣り合う前記扇形状のカンチレバーの間を通って前記上部電極に至り、当該上部電極に接続された配線をさらに含む。この構成では、音波が入力されてカンチレバーが変形するとき、固定端において最も大きな歪みが生じる。したがって、少なくとも固定端を覆うように上部電極を配置することによって、感度を高めることができる。円形の空洞の中心に配置された固定端までの配線は、扇形状のカンチレバーの間を通して配置できる。
【００２０】
この発明の一実施形態では、前述の支持梁部上に前記配線が配置されている。
この発明の一実施形態では、前記カンチレバーの前記固定端の両端から前記カンチレバーの先端に向かって延びた一対の切り込みスリットが前記可動膜部に形成されている。これにより、カンチレバーの剛性が低くなるので、音波が入力されたときのカンチレバーの変形量を大きくして、感度を高めることができる。
【００２１】
この発明の一実施形態では、前記スリットが、所定の対称中心に対して回転対称に配置された複数のカンチレバーと、前記複数のカンチレバーの先端部に共通に結合され、前記対称中心に重心を有する錘部とを、前記可動膜部に区画している。この構成では、スリットによって可動膜部の残留応力が緩和されているうえに、複数のカンチレバーが回転対称な位置に配置され、かつ、対称中心に錘部が配置されて、その錘部が複数のカンチレバーによって共有されている。音波が入力されたときに、錘部の作用によって、カンチレバーが大きく変形するので、感度を高めることができる。しかも、錘部の重心が対称中心にあって複数のカンチレバーに対して実質的に等しく作用するので、音波に対して安定した変形をカンチレバーに生じさせることができ、それに応じて、安定した感度特性を実現できる。
【００２２】
この発明の一実施形態では、前記空洞が多角形（好ましくは正多角形）であり、直線状の前記複数のカンチレバーが前記多角形の辺にそれぞれ沿って配置されている。この構成では、多角形の複数の辺に沿って複数のカンチレバーをそれぞれ配置することにより、直線状のカンチレバーを渦状に配置し、その中央に錘部を配置できる。これにより、空洞上の領域を有効に活用でき、かつ各カンチレバーが大きく変形するので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００２３】
この発明の一実施形態では、前記複数のカンチレバーが互いに噛み合うように配置された２つの鉤状カンチレバーを含む。この構成では、２つの鉤状カンチレバーが噛み合い配置されていることにより、小さなスペースで全長の長いカンチレバーを配置でき、それらの先端に共有の錘部を結合できる。これにより、小さな領域内でカンチレバーを大きく変形させることができるので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００２４】
この発明の一実施形態では、前記鉤状カンチレバーが、直線状部と、前記直線状部に連続する円弧状部とを含み、前記錘部が前記一対の鉤状カンチレバーの前記円弧状部に抱えられるように配置された円形錘部を含む。この構成により、さらに効率的に空洞上の領域を有効利用でき、かつ錘部を大きくできるので、カンチレバーを大きく変形させることができる。それによって、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００２５】
この発明の一実施形態では、前記複数のカンチレバーが互いに対向して円形を成すように配置された一対の半円弧状カンチレバーを含み、前記錘部が前記一対の半円弧状カンチレバーに抱えられるように配置された円形錘部を含む。この構成では、円形の領域に効率的にカンチレバーおよび錘部を配置できるので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００２６】
この発明の一実施形態では、前記カンチレバーが、固定端から先端まで等幅のカンチレバーである。この構成によれば、カンチレバーが等幅であるので、カンチレバーを全体に渡って変形させることができる。それにより、大きな圧電出力を取り出すことができるので、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
この発明の一実施形態では、前記上部電極が、前記カンチレバーの固定端から先端付近にまで至っている。この構成では、カンチレバーの全長にわたって上部電極から圧電出力を取り出すことができるので、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００２７】
この発明の一実施形態では、前記カンチレバーの固定端の厚みが、当該カンチレバーの先端または中間部の厚みよりも大きい。この構成によれば、固定端を確実に固定する一方で、カンチレバーの中間部等での変形を確実に生じさせることができるので、大きな圧電出力を取り出すことができる。それにより、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
この発明の一実施形態では、前記圧電薄膜が、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物を含み、膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下である。
【００２８】
この発明の一実施形態では、前記圧電薄膜マイクロフォンの共振周波数が２０ｋＨｚ以上である。この構成では、マイクロフォンの共振周波数が可聴周波数域を超えているので、可聴周波数域内において、音圧に応じてリニアに変化する圧電出力を得ることができる。それにより、音圧に応じた振幅の電気信号を得ることができる。
この発明の一実施形態では、前記圧電薄膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成された薄膜である。
【００２９】
この発明は、基板上に下部電極を形成する工程と、前記下部電極上に圧電薄膜を形成する工程と、前記圧電薄膜の可動膜領域にスリットを形成する工程と、前記圧電薄膜上に上部電極を形成する工程と、前記可動膜領域に対向する空洞を前記基板に形成する工程とを含む、圧電薄膜マイクロフォンの製造方法を提供する。
この発明の一実施形態に係る基板処理方法では、前記圧電薄膜が、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物を含み、膜厚が０．１μｍ以上５μｍ以下に形成される。
【００３０】
この発明の一実施形態に係る基板処理方法では、前記圧電薄膜が、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成される。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、この発明の第１の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図２】図２は、図１のII−II線断面図である。
【図３】図３は、図１のIII−III線断面図である。
【図４】図４は、第１の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの検出原理を説明するための図である。
【図５】図５Ａおよび図５Ｂは、第１の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの特性例を示す図であり、図５Ａに示す試験例の圧電薄膜マイクロフォンについて入力音圧と出力電圧との関係を測定した測定例を図５Ｂに示す。
【図６Ａ】図６Ａは、第１の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの製造工程を示す図解的な断面図である。
【図６Ｂ】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】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】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】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】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】図６Ｇは、図６Ｆの次の工程を示す図解的な断面図である。
【図７】図７は、この発明の第２の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図８】図８は、図７のVIII−VIII線断面図である。
【図９】図９は、第２の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの特性例を示す図である。
【図１０】図１０は、この発明の第３の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図１１】図１１は、図１０のXI−XI線断面図である。
【図１２】図１２は、この発明の第４の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図１３】図１３は、図１２のXIII−XIII線断面図である。
【図１４】図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、第４の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの特性例を示す図であり、図１４Ａおよび図１４Ｂに示す試験例の圧電薄膜マイクロフォンについて入力音圧と出力電圧との関係を測定した測定例を図１４Ｃに示す。
【図１５】図１５は、この発明の第５の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図１６】図１６は、この発明の第６の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォンの構造を説明するための図解的な平面図である。
【図１７】図１７は、膜構造の他の例を示す図解的な断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の第１の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン１の構造を説明するための図解的な平面図であり、図２は、図１のII−II線断面図である。また、図３は、図１のIII−III線断面図である。
圧電薄膜マイクロフォン１は、厚さ方向に貫通する開口２によって形成された空洞を有する支持基板３と、支持基板３上に形成された振動膜４と、振動膜４上に形成された下部電極５と、下部電極５上に形成された圧電薄膜６と、圧電薄膜６上に形成された上部電極７とを含む。振動膜４は、開口２に対向する部分に、主として支持基板３の厚さ方向に変形可能な可動域を有している。圧電薄膜６において、開口２に対向する部分は、振動膜４の可動域とともに可動な可動膜部（可動膜領域）である。
【００３３】
支持基板３は、基材の一例であり、たとえば、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)基板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３１と、その表面に形成された絶縁膜（いわゆる埋込酸化膜）３２と、その表面に形成された活性層としてのシリコン（Ｓｉ）層１１とを含む。そして、支持基板３は、それらのうち、シリコン基板３１と、その表面に形成された絶縁膜３２とを含む。シリコン基板３１の裏面側に熱酸化膜３３が形成されていてもよい。支持基板３の厚さは、たとえば、１００μｍ〜６５０μｍである。
【００３４】
振動膜４は、たとえば、支持基板３側から順にシリコン層１１、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層１２およびアルミナ（ＡｌＯ）層１３を積層した積層膜からなる。それらの膜厚は、たとえば、順に、２．５μｍ、０．１μｍ、０．０８μｍである。
下部電極５は、たとえば、振動膜４側から順に、チタン（Ｔｉ）層１５およびプラチナ（Ｐｔ）層１６を積層した積層電極膜からなる。それらの膜厚は、たとえば、順に、０．０２μｍ、０．２μｍである。上部電極７は、たとえば、圧電薄膜６側から順に酸化イリジウム（ＩｒＯ）層１８、イリジウム（Ｉｒ）層１９、窒化チタン（ＴｉＮ）層２０、アルミニウム銅合金（ＡｌＣｕ）層２１を積層した積層電極膜からなる。それらの膜厚は、たとえば、順に、０．０５μｍ、０．０５μｍ、０．０５μｍ、０．５μｍである。
【００３５】
圧電薄膜６は、たとえば、ペロブスカイト構造の金属酸化物を含む。より具体的には、圧電薄膜６は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、さらに具体的には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）を含んでいてもよい。また、圧電薄膜６は、Ｐｂ，Ｍｇ，Ｎｂ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、さらに具体的には、ＰＭＮＴ（マグネシウム・ニオブ酸鉛とチタン酸鉛の固溶体）を含んでいてもよい。また、圧電薄膜６は、Ｂａ，Ｃａ，Ｔｉを主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、さらに具体的には、チタン酸バリウムカルシウム（ＢＣＴ）を含んでいてもよい。圧電薄膜６の膜厚は、０．１μｍ〜５μｍ（たとえば１μｍ）が好ましい。０．１μｍよりも薄いと上下の電極５，７間でのリークが生じるおそれがある。５μｍよりも厚いと、圧電薄膜６の形成に長時間を要し、生産性が悪くなる。
【００３６】
支持基板３に形成された開口２は、この実施形態では、平面視において矩形に形成されている。この矩形の開口２の第１辺２ａに沿って、１本または複数本のカンチレバー２５が並べて配置されている。複数のカンチレバー２５は、第１辺２ａに直交する第２辺２ｂおよび第３辺２ｃに沿って互いに平行に、第１辺２ａに対向する第４辺２ｄに向かって延びている。各カンチレバー２５は、幅（短手方向の長さ）が長手方向の全長に渡って一様な等幅のカンチレバーである。隣り合うカンチレバー２５を分離するように、第２辺２ｂおよび第３辺２ｃに平行に複数の直線状のスリット２６が形成されている。スリット２６の幅（短手方向の長さ）は、カンチレバー２５の幅よりも狭い。各カンチレバー２５の幅は、たとえば、５０μｍ〜１００μｍ（たとえば５０μｍ）である。各カンチレバー２５の長さは、たとえば３５０μｍ〜５００μｍ（たとえば３５０μｍ）である。カンチレバー２５の数は、図１では、１０であるが、２以上の任意の数であり得、好ましくは５以上である。開口２の第１辺２ａの長さは、たとえば、５０μｍ〜７００μｍ（より好ましくは１２０μｍ〜６９０μｍ）である。
【００３７】
各カンチレバー２５は、開口２の第１辺２ａの縁部に固定端２５ａを有し、この固定端２５ａが支持基板３に支持されている。各カンチレバー２５は、第４辺２ｄの近傍において、第４辺２ｄから開口２の内方に所定距離だけ離隔した位置に自由端２５ｂを有している。各カンチレバー２５は、固定端２５ａ以外の位置では、支持基板３から離隔している。第２辺２ｂに最も近いカンチレバー２５は、第２辺２ｂから開口２の内方に離隔している。同様に、第３辺２ｃに最も近いカンチレバー２５は、第３辺２ｃから開口２の内方に離隔している。
【００３８】
各カンチレバー２５は、振動膜４、下部電極５、圧電薄膜６および上部電極７を積層した積層構造を有している。振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６にスリット２６が形成されており、上部電極７もそれに応じたスリットを有している。下部電極５および上部電極７で圧電薄膜６を挟持した構造は、圧電素子８を構成している。振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６は、実質的に同一パターンに形成されている。それに対して、上部電極７は、圧電薄膜６の周縁から微小距離だけ内方に後退した位置に周縁を有するように、必要な領域に選択的に形成されている。
【００３９】
さらに具体的には、製造工程の中間段階では、振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６は、支持基板３の表面全域に存在し、その後の選択的除去によって、開口２に対向する領域に複数のカンチレバー２５の対応部分が選択的に残される。したがって、振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６は、カンチレバー２５を形成する部分と開口２の外方の部分とを有し、それらの部分が、カンチレバー２５の固定端２５ａにおいて連続している。
【００４０】
一方、上部電極７は、複数のカンチレバー２５のほぼ全長に渡ってそれぞれ延びた複数の歯７ａと、その複数の歯７ａを固定端２５ａ側の開口２外において結合する連結部７ｂとを有する櫛歯パターンに形成されている。連結部７ｂには、配線９が結合されている。配線９は、上部電極７と同一工程で形成され、上部電極７と同一構造の配線膜からなっていてもよい。
【００４１】
図４は、圧電薄膜マイクロフォン１の検出原理を説明するための図である。音波が到来することによって、カンチレバー２５が振動（変形）する。それにより、逆圧電効果によって、圧電素子８の圧電薄膜６が起電力を生じる。この起電力が、圧電素子８の上部電極７と下部電極５との間の電圧Ｖoutとして検出される。こうして、音波が電気信号に変換される。片持ち梁構造のために、圧電薄膜６の歪み量は、固定端２５ａ付近において大きく、したがって、固定端２５ａ付近において大きな起電力が生じる。
【００４２】
図５Ａおよび図５Ｂは、圧電薄膜マイクロフォン１の特性例を示す図であり、図５Ａに示す試験例の圧電薄膜マイクロフォン１について入力音圧と出力電圧との関係を測定した測定例を図５Ｂに示す。図５Ｂに表れているとおり、音圧(Sound Pressure)に対してリニアに変動する電圧(Output Voltage)が出力されており、マイクロフォンとして使用可能な特性を有していることが分かる。
【００４３】
図６Ａ−図６Ｇは、圧電薄膜マイクロフォン１の製造工程を順に示す図解的な断面図である。
図６Ａに示すように、ＳＯＩ基板３０が準備される。ＳＯＩ基板３０は、シリコン基板３１と、その表面に形成された絶縁膜３２（いわゆる埋め込み酸化膜）と、その表面に形成されたシリコン層１１（デバイス層。たとえば、厚さ２．５μｍ）とを含む。シリコン基板３１は、たとえば、厚さ１５０μｍ〜６２０μｍであってもよい。絶縁膜３２は、たとえば、厚さ１．０μｍの酸化シリコン膜であってもよい。
【００４４】
図示は省略するが、シリコン層１１の表面の全域に酸化シリコン層１２（熱酸化膜。たとえば膜厚０．１μｍ）が形成され、さらにその酸化シリコン層１２の表面の全域にアルミナ層１３（たとえば、膜厚０．０８μｍ）が形成される（図２および図３を参照）。アルミナ層１３の表面の全域に、下部電極５が形成され、さらに下部電極５の表面の全域に圧電薄膜６が積層される。
【００４５】
下部電極５は、たとえば、シリコン層１３の表面に、チタン層１５（密着層。たとえば膜厚０．０５μｍ）およびプラチナ層１６（たとえば膜厚０．２μｍ）を順に積層した積層電極膜からなっていてもよい。下部電極５上に、圧電薄膜６を形成するためのシード層３５（図３では図示省略）がさらに形成されてもよい。シード層３５としては、厚さ４５ｎｍ程度の(Pa,La)TiO3（ＰＬＴ）膜が用いられてもよい。チタン層１５、プラチナ層１６、シード層３５は、多元スパッタ装置を用いて連続して成膜することができる。
【００４６】
圧電薄膜６は、たとえばＰＺＴからなる。一般に、圧電薄膜６は、Ｐｂ，ＺｒおよびＴｉ（ＰＺＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、Ｐｂ，Ｍｇ，ＮｂおよびＴｉ（ＰＭＮＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物、またはＢａ，ＣａおよびＴｉ（ＢＣＴ）を主成分とするペロブスカイト構造の酸化物からなっていればよい。このような圧電薄膜６は、ゾルゲル法またはスパッタ法により形成できる。スパッタ法で形成すると、分極の安定性が良く、圧電特性の劣化が少ない圧電薄膜６を形成できる。圧電薄膜６の厚さは、０．１μｍ〜５μｍ（より好ましくは、１．０μｍ〜１．５μｍ）である。
【００４７】
次に、図６Ｂに示すように、ドライエッチングプロセスのためのエッチングマスク４１が形成される。この実施形態では、エッチングマスク４１はクロム（Ｃｒ）からなる。具体的には、圧電薄膜６上にクロム膜がたとえば高周波マグネトロンスパッタリング装置によって形成され、そのクロム膜がパターニングされる。パターニングは、フォトリソグラフィによってレジストマスクを形成し、そのレジストマスクを介するウェットエッチングによって行える。それにより、支持基板３上に選択的に残すべき圧電薄膜６に対応するパターンのエッチングマスク４１が形成される。
【００４８】
こうして形成されたエッチングマスク４１を介してドライエッチングを行った状態が図６Ｃに示されている。すなわち、エッチングマスク４１を共通に用いたドライエッチングによって、圧電薄膜６、シード層３５、下部電極５、アルミナ層１３、酸化シリコン層１２およびシリコン層１１がエッチングされる。圧電薄膜６がＰＺＴからなる場合には、そのエッチングには、ＳＦ６／Ｃ４Ｆ８をエッチングガスとしてとして用いた異方性イオンエッチングが適用されてもよい。また、シリコン層１１のエッチングには、Ｏ２／ＳＦ４／Ｃ４Ｆ８をエッチングガスとして用いた異方性イオンエッチングが適用されてもよい。
【００４９】
圧電薄膜６（たとえばＰＺＴ膜）のエッチングは、ＮＬＤ−ＲＩＥ（magnetic Neutral Loop Discharge Reactive Ion Etching：磁気中性線放電反応性イオンエッチング）装置を用いて行ってもよい。ＮＬＤ−ＲＩＥは、反応室内に磁場を発生させることによって低気圧下でプラズマを発生させ、プラズマの高密度化および面内均一性向上を図ることができる方法である。ＰＬＴからなるシード層３５および下部電極５（Ｐｔ／Ｔｉ）も同装置で同様の条件でエッチングできる。シリコン層１３のエッチングも同装置を用いて行うことができる。
【００５０】
シリコン層１１を圧電薄膜６と同一パターンにエッチングする必要はない。たとえば、シリコン層１１を、圧電薄膜６の縁部からはみ出すパターンにエッチングしてもよい。この場合には、酸化シリコン層１２までエッチングを行った後に、エッチングマスク４１を剥離し、シリコン層１１のパターニングのための別のエッチングマスクを形成し、そのエッチングマスクを介してシリコン層１１のドライエッチングを行えばよい。
【００５１】
次に、図６Ｄに示すように、エッチングマスク４１を剥離した後に、上部電極７が形成される。具体的には、エッチングマスク４１を剥離した後、フォトリソグラフィによって、上部電極７の形成位置に開口を有するパターンのフォトレジストが形成され、その後、全面に上部電極７を構成する電極膜が形成される。この電極膜をフォトレジストとともにリフトオフしてパターニングすることにより、上部電極７が形成される。図２および図３に示すとおり、上部電極７は、この実施形態では、圧電薄膜６側から順に酸化イリジウム層１８（たとえば膜厚０．０５μｍ）、イリジウム層１９（たとえば膜厚０．０５μｍ）、窒化チタン層２０（たとえば膜厚０．０３μｍ）およびアルミニウム銅合金層２１（たとえば膜厚０．５μｍ）を積層した積層電極膜からなる。このような積層電極膜は、たとえば、高周波マグネトロンスパッタリング装置によって形成することができる。
【００５２】
次に、図６Ｅに示すように、表面側を保護するためのフォトレジスト４０が全面に形成され、かつシリコン基板３１を裏面から選択エッチングするためのエッチングマスク４２がシリコン基板３１の裏面に形成される。エッチングマスク４２は、たとえば、Ｃｒ（クロム）膜からなっていてもよい。エッチングマスク４２は、シリコン基板３１を貫通するように形成される開口２に対応した開口４２ａを有する。
【００５３】
次いで、図６Ｆに示すように、エッチングマスク４２をマスクとして、裏面側から、シリコン基板３１がエッチングされる。このエッチングは、たとえば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Couple Plasma Reactive Ion Etching）装置を用いたドライエッチングであってもよい。より具体的には、反応性の高いガスを用いた等方性エッチングプロセスと、シリコン表面にポリマーによる保護膜を堆積するプロセスとを繰り返すことによって、側面のエッチングを抑えつつ高いアスペクト比を実現するBoschプロセスを使用してもよい。たとえば、シリコンの等方性エッチングにはＳＦ６を用いることができ、保護膜生成にはＣ４Ｆ８を用いてもよい。
【００５４】
その後、図６Ｇに示すように、開口２から露出する絶縁膜３２をエッチング除去することにより、開口２と連通するスリット２６が形成され、それによって、固定端２５ａ（図１等参照）以外の縁部が周囲から分離されたカンチレバー２５が得られる。絶縁膜３２のエッチングは、たとえばＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングであってもよい。
その後、表面側のフォトレジスト４０を除去し、裏面側のエッチングマスク４２（Ｃｒ層）をクロム用エッチング液で除去し、必要に応じてシリコン基板３１を裏面側から研削して薄型化し、熱酸化膜３３を裏面側に形成することによって、図１〜図３に示す構造の圧電薄膜マイクロフォン１が得られる。
【００５５】
この実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１によれば、開口２（空洞）に対向している部分の圧電薄膜６（可動膜部）が音波によって振動すると、その振動による圧電効果によって、上部電極７と下部電極５との間に電圧が生じる。こうして、圧電効果を利用して音波を電気信号に変換する圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンが構成されている。圧電薄膜６の開口に対向する領域には、スリット２６が形成されているので、スリット２６に交差する方向の残留応力が解放されている。それにより、残留応力に起因する感度低下、ノイズ特性の悪化等を低減できるので、Ｓ／Ｎ比（信号対ノイズ比）の改善された圧電型ＭＥＭＳマイクロフォンを提供できる。また、残留応力を低減できるので、複数のデバイス間での感度特性およびノイズ特性のばらつきを低減でき、それに応じて、製造歩留まりを改善できる。
【００５６】
また、この実施形態では、振動膜４、下部電極５、圧電薄膜６および上部電極７に複数の平行なスリット２６が形成され、隣り合うスリット２６の間に等幅のカンチレバー２５が形成されている。したがって、カンチレバー２５は、スリット２６と平行に延びており、その長手方向と交差する方向の残留応力が低減されている。これにより、音波が入力されたときは、カンチレバー２５は正確な再現性で変形し、それに応じて、安定な電気信号を生成する。したがって、感度およびノイズ特性が改善され、かつ複数の製品間の特性のばらつきを低減できる。
【００５７】
さらにまた、この実施形態は、複数のカンチレバー２５を有しているので、複数のカンチレバー２５の変形によりそれぞれ生じる電気信号の重ね合わせによって、感度を高めることができる。
また、この実施形態では、開口２（空洞）が矩形に形成されており、複数のカンチレバー２５の固定端２５ａが矩形の開口の一辺２ａに沿って配列されている。したがって、等幅のカンチレバー２５が矩形の開口２に平行に張り出しているので、開口２が形成されている領域を効率的に利用できる。それにより、支持基板３上の小さな面積の領域で高感度のマイクロフォンを実現できる。すなわち、小型で高感度のマイクロフォンを提供できる。
【００５８】
また、この実施形態では、カンチレバー２５が、固定端２５ａから先端（自由端２５ｂ９まで等幅であるので、カンチレバー２５を全体に渡って変形させることができる。それにより、大きな圧電出力を取り出すことができるので、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
また、この実施形態では、上部電極７が、カンチレバー２５の固定端２５ａから先端（自由端２５ｂ）にまで至っており、カンチレバー２５の全長にわたって上部電極７から圧電出力を取り出すことができる。それにより、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００５９】
なお、図２に二点鎖線で示すように、カンチレバー２５の固定端２５ａに、カンチレバー２５の先端または中間部よりも厚い厚膜部２５ｃを設けることが好ましい。これにより、固定端２５ａを確実に固定する一方で、カンチレバー２５の中間部等での変形を確実に生じさせることができるので、大きな圧電出力を取り出すことができる。それにより、感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００６０】
また、圧電薄膜マイクロフォン１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。この場合、共振周波数が可聴周波数域を超えているので、可聴周波数域内において、音圧に応じてリニアに変化する圧電出力を得ることができる。それにより、音圧に応じた振幅の電気信号を得ることができる。
図７は、この発明の第２の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン５１の構造を説明するための図解的な平面図である。また、図８は、図７のVIII−VIII線断面図である。図７および図８において、図１〜図６Ｇに示された各部の対応部分に同一参照符号を付す。
【００６１】
この実施形態では、中心角が９０度の扇形の平面形状を有する、実質的に等価な４つのカンチレバー５５が備えられている。４つのカンチレバー５５は、扇形の中心部（要の部分）を集合させることにより、全体で円形を成すように配置されている。各カンチレバー５５は、扇形の中心部に固定端５５ａを有しており、扇形の弧を成す縁部が自由端５５ｂである。扇形カンチレバー５５の半径は、たとえば、２５０μｍ〜５００μｍ（たとえば４００μｍ）である。
【００６２】
隣り合う一対のカンチレバー５２の下方（下部電極５側）には、支持基板３を厚さ方向に貫通する半円形の開口５２Ａが形成されている。同様に、別の一対のカンチレバー５２の下方（下部電極５側）には、支持基板３を厚さ方向に貫通する半円形の開口５２Ｂが形成されている。カンチレバー５２の円弧状先端縁（自由端５５ｂ）は、開口５２Ａ，５２Ｂの縁部から内方に間隔を開けて配置されている。２つの半円形の開口５２Ａ，５２Ｂは、平面視において円形を形成しており、その内方に、４つのカンチレバー５５が配置されている。２つの半円形開口５２Ａ，５２Ｂが形成する円形の中心には、４つのカンチレバー５５の固定端５５ａを支持する支持部５３が配置されている。そして、２つの半円形開口の間には、支持部５３から半径に沿って互いに正反対方向に延びる一対の支持梁５４が形成されている。一対の支持梁５４は、支持部５３を支持基板３に結合して支持している。
【００６３】
４つのカンチレバー５５は、半円形開口５２Ａ，５２Ｂの半径方向に沿って延びる直線状スリット５６と、半円形開口５２Ａ，５２Ｂの縁部に沿って延びる半円形スリット５７Ａ，５７Ｂとによって、それぞれ扇形に整形されている。直線状スリット５６は、支持梁５４の両側にそれぞれ形成され、かつ２つの半円形開口５２Ａ，５２Ｂをそれぞれ二等分する半径に沿って一つずつ形成されている。一方の半円形開口５２Ａ側の直線状スリット５６の外方端は一方の半円形スリット５７Ａに連続している。同様に、他方の半円形開口５２Ｂ側の直線状スリット５６の外方端は他方の半円形スリット５７Ｂに連続している。これにより、各カンチレバー５５は、固定端５５ａ以外の縁部は、開口５２Ａ，５２Ｂ内で自由に変位可能である。
【００６４】
各カンチレバー５５は、その縁部から微小距離だけ内方に後退した縁部を有する扇形の上部電極７を有している。４つのカンチレバー５５がそれぞれ有する上部電極７は、支持部５３上で合体して互いに連続している。一つの支持梁５４上には、合体した４つの上部電極７に一体的に結合された配線５９が形成されている。
この構成により、音波が入力されると、カンチレバー５５が変形する。すると、カンチレバー５５に組み込まれた圧電素子８が圧電薄膜６の変形に応じた電圧を生成する。この電圧が、配線５９を介して取り出される。こうして、音波を電気信号に変換することができる。
【００６５】
カンチレバー５５は、固定端５５ａから離れるに従って幅広となる扇形であるので、重心位置が固定端５５ａから遠く離れている。それにより、音波に応答するときのカンチレバー５５の変形量が大きいので、感度の高い圧電薄膜マイクロフォン５１を実現できる。
この圧電薄膜マイクロフォン５１は、第１の実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１と同様の製造工程によって作製できる。
【００６６】
図９は、この実施形態の圧電薄膜マイクロフォン５１の特性例を示す図であり、入力音圧と出力電圧との関係を測定した測定例を示す。音圧(Sound Pressure)に対してリニアに変動する電圧(Output Voltage)が出力されており、マイクロフォンとして使用可能な特性を有していることが分かる。
この実施形態の構成によれば、圧電薄膜６の可動膜部（開口５２Ａ，５２Ｂに対向する部分）にスリット５６，５７Ａ，５７Ｂが形成されていることにより、圧電薄膜６等の残留応力が解放されている。それにより、第１の実施形態の場合と同様に、Ｓ／Ｎ比を改善でき、かつ製造歩留まりを改善できる。
【００６７】
一方、この実施形態では、圧電薄膜６等によって形成されるカンチレバー６５が扇形を有しており、固定端５５ａと、固定端５５ａよりも幅広の部分（固定端５５ａに平行な方向の幅が固定端５５ａよりも広い部分）とを有している。ただし、この実施形態では、固定端５５ａの幅とは、カンチレバー６５の扇形の中心を通って当該扇形を二等分する半径に直交する方向に沿う幅である。カンチレバー６５は、扇形の弦によって最大幅が規定され、その最大幅は固定端５５ａの幅よりも広い。
【００６８】
より具体的には、この実施形態では、カンチレバー６５が、固定端５５ａを中心側とする扇形であり、固定端５５ａから離れるほど幅広の形状となっている。それにより、幅広の部分が、いわば錘部として作用する。したがって、カンチレバー６５の重心を先端側（自由端５５ｂ側）に配置しやすいので、音波が入力されたときのカンチレバー５５の変形量（とくに固定端５５ａ付近の歪み量）を大きくすることができる。それによって、高感度なマイクロフォンを実現できる。
【００６９】
また、この実施形態では、２つの半円弧状開口５２Ａ，５２Ｂが全体として円形の空洞を形成しており、この円形の空洞を覆うように４つの扇形カンチレバー５５が配置されて、円形の空洞に整合する円形を形成している。すなわち、直線状スリット５６が、円形の空洞の中心から放射状に形成されて、複数の扇形カンチレバー５５を区画している。これにより、円形の空洞に対向する領域を有効に利用できるので、音波に応答してカンチレバー５５が大きく変形する。それに応じて、感度が高まる。
【００７０】
また、この実施形態では、支持基板３が、前記円形の空洞の中心に支持部５３を有しており、支持部５３が複数のカンチレバー５５の固定端５５ａを支持している。これにより、空洞の中心に配置した支持部５３で複数のカンチレバー５５の固定端５５ａを共通に支持できるので、固定端５５ａを支持するために必要な面積が少ない。それにより、小型で高感度なマイクロフォンを提供できる。
【００７１】
また、この実施形態では、上部電極７が、固定端５５ａにおいて圧電薄膜６を覆うように形成されている。音波が入力されてカンチレバー５５が変形するとき、固定端５５ａにおいて最も大きな歪みが生じる。したがって、上部電極７の上記の配置によって、感度を高めることができる。
なお、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー５５の固定端５５ａに、カンチレバー５５の先端または中間部のよりも厚い厚膜部を設けることが好ましい。また、圧電薄膜マイクロフォン５１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。
【００７２】
図１０は、この発明の第３の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン６１の構造を説明するための図解的な平面図である。また、図１１は、図１０のXI−XI線断面図である。図１０および図１１において、図７および図８に示された各部の対応部分に同一参照符号を付す。
この実施形態では、中心角が１２０度の扇形の平面形状を有する、実質的に等価な３つのカンチレバー６５が備えられている。３つのカンチレバー６５は、扇形の中心部（要の部分）を集合させることにより、全体で円形を成すように配置されている。各カンチレバー６５は、扇形の中心部に固定端６５ａを有しており、扇形の弧を成す縁部が自由端６５ｂである。扇形カンチレバー６５の半径は、たとえば、２５０μｍ〜５００μｍである
各カンチレバー６５の下方（下部電極５側）には、支持基板３を厚さ方向に貫通する扇形の開口６２が形成されている。カンチレバー６５の円弧状先端縁（自由端６５ｂ）は、扇形開口６２の円弧状縁部から内方に間隔を開けて配置されている。また、カンチレバー６５の扇形を区画する２つの半径（直線状縁部）は、対応する開口６２の扇形を区画する２つの半径（直線状縁部）から内方に間隔を開けて配置されている。すなわち、扇形カンチレバー６５と対応する扇形開口６２とは、概ね相似形であり、扇形開口６２の内方に扇形カンチレバー６５が配置されている。
【００７３】
３つの扇形開口６２は、平面視において円形を形成するように配置されており、その内方に３つの扇形カンチレバー６５が配置されている。３つの扇形開口６２が形成する円形の中心には、３つのカンチレバー６５の固定端６５ａを支持する支持部６３が配置されている。そして、隣り合う扇形開口６２を通って支持部６３から半径に沿って延びるように、３つの支持梁６４が形成されている。３つの支持梁６４は、支持部６３を支持基板３に結合して支持している。
【００７４】
各カンチレバー６５は、扇形開口６２を区画する一対の半径に沿ってそれぞれ延びる一対の直線状スリット６６と、扇形開口６２の縁部に沿って延びる円弧状スリット６７とによって、扇形に整形されている。直線状スリット６６は、支持梁６４の両側にそれぞれ形成されている。これにより、各カンチレバー６５は、固定端６５ａ以外の縁部は、対応する開口６２内で自由に変位可能である。
【００７５】
さらに、この実施形態では、各扇形カンチレバー６５は、支持部６３から扇形の弧に向かって当該扇形を二等分する半径の両側に、当該半径に平行に延びる一対の切り込みスリット６８を有している。すなわち、一対の切り込みスリット６８は、固定端６５ａの両端から先端側（自由端６５ｂ側）に向かって、扇形の途中位置まで延びている。この一対の切り込みスリット６８は、カンチレバー６５の剛性を低くしている。それにより、音波が入力されたときに、扇形カンチレバー６５をより大きく変形させることができ、それに応じて、振幅の大きな電気信号を生成させることができる。切り込みスリット６８の長さは、たとえば６０μｍ、一対の切り込みスリット６８の間の距離はたとえば５０μｍである。
【００７６】
各カンチレバー６５は、その縁部から微小距離だけ内方に後退した縁部を有する扇形の上部電極７を有している。３つのカンチレバー６５がそれぞれ有する上部電極７は、支持部６３上で３つの配線６９にそれぞれ連続して結合されている。３つの支持梁６４上には、それらの３つの配線６９が引き回されている。
この実施形態の構成により、第２の実施形態と同様の作用効果を実現できる。加えて、各扇形カンチレバー６５に形成された切り込みスリット６８によって、カンチレバー６５の剛性が低くなっているので、音波の入力に対して大きな変形を確保できる。それにより、一層感度の高い圧電薄膜マイクロフォン６１を実現できる。
【００７７】
この圧電薄膜マイクロフォン６１は、第１の実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１と同様の製造工程によって作製できる。
また、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー６５の固定端６５ａに、カンチレバー６５の先端または中間部よりも厚い厚膜部を設けることが好ましい。また、圧電薄膜マイクロフォン６１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。
【００７８】
図１２は、この発明の第４の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン７１の構造を説明するための図解的な平面図である。また、図１３は、図１２のXIII−XIII線断面図である。図１２および図１３において、図１〜図６Ｇに示された各部の対応部分に同一参照符号を付す。
この実施形態では、支持基板３に正多角形（この実施形態では正方形）の開口７２が貫通して形成されている。その開口７２の中心を対称中心７３として回転対称に複数（この実施形態では４本）のカンチレバー７５が配置されている。複数のカンチレバー７５は、開口７２の平面形状を成す正多角形の複数の辺にそれぞれ沿って配置され、当該正多角形の複数の頂点付近にそれぞれ固定端７５ａを有する等幅の直線帯状カンチレバーである。複数のカンチレバー７５によって取り囲まれた中央の正多角形領域（この実施形態では正方形領域）には、錘部７４が配置されている。複数のカンチレバー７５の先端の自由端７５ｂは、錘部７４の平面形状を成す正多角形（この実施形態では正方形）の複数の頂点にそれぞれ結合されている。すなわち、錘部７４は、複数のカンチレバー７５の先端部に共通に結合されており、それによって、複数のカンチレバー７５によって共有されている。錘部７４は、たとえば、一辺が２００μｍ〜２５０μｍの正方形である。
【００７９】
複数のカンチレバー７５は、正多角形の開口７２の各辺に沿って形成された直線状平行スリット７６と、それらの先端から直角に開口７２の内方へと延びる直線状直交スリット７７とによって等幅帯状に整形されている。４本の直交スリット７７は、開口７２と相似形の正多角形の錘部７４を内側に区画している。これらの４本の直交スリット７７は、それぞれ他の直交スリット７７の中間部から微小距離だけ離隔した位置に先端を有しており、それによって、各カンチレバー７５と錘部７４との結合が達成されている。
【００８０】
各カンチレバー７５には、固定端７５ａから長手方向中間部付近までの領域に上部電極７が配置されている。複数のカンチレバー７５の上部電極７は、開口７２外の圧電薄膜６上に引き回された配線７９によって共通に接続されている。
図１４Ａ、図１４Ｂおよび図１４Ｃは、圧電薄膜マイクロフォンの特性例を示す図であり、図１４Ａおよび図１４Ｂに示す試験例の圧電薄膜マイクロフォンについて入力音圧と出力電圧との関係を測定した測定例を図１４Ｃに示す。図１４Ａは支持基板３の主面の法線方向から撮影した顕微鏡写真である。それに対して、図１４Ｂは、支持基板３の主面に対して４５度の角度から撮影した顕微鏡写真であり、音波の入力によってカンチレバー７５が変形している様子を表す。図１４Ｃに表れているとおり、音圧(Sound Pressure)に対してリニアに変動する電圧(Output Voltage)が出力されており、マイクロフォンとして使用可能な特性を有していることが分かる。
【００８１】
この実施形態の構成によれば、スリット７６，７７によって、開口７２上の振動膜４の残留応力が緩和されているうえに、複数のカンチレバー７５が回転対称な位置に配置され、かつ、対称中心７３に重心が一致するように錘部７４が配置されて、その錘部７４が複数のカンチレバー７５によって共有されている。音波が入力されたときに、錘部７４の作用によって、カンチレバー７５が大きく変形するので、感度を高めることができる。しかも、錘部７４が対称中心７３上に重心を有していて、複数のカンチレバー７５に対して等しく作用するので、音波に対して安定した変形をカンチレバー７５に生じさせることができ、それに応じて、安定した感度特性を実現できる。
【００８２】
また、この構成では、多角形の複数の辺に沿って複数のカンチレバー７５をそれぞれ配置することにより、直線状のカンチレバー７５が渦状に配置されていて、その中央に錘部７４が配置されている。それにより、開口７２上の領域を有効に活用でき、かつ各カンチレバー７５が大きく変形するので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
この圧電薄膜マイクロフォン７１は、第１の実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１と同様の製造工程によって作製できる。
【００８３】
また、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー７５の固定端７５ａに、カンチレバー７５の先端または中間部よりも厚い厚膜部を設けることが好ましい。また、圧電薄膜マイクロフォン７１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。
図１５は、この発明の第５の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン８１の構造を説明するための図解的な平面図である。図１５において、図１２の各部の対応部分に同一参照符号を付す。
【００８４】
この実施形態では、支持基板３に正方形の開口８２が貫通して形成されている。この開口８２の中心を対称中心８３として回転対称に複数のカンチレバー８５が配置されている。複数のカンチレバー８５は、互いに噛み合うように配置された２つの鉤状カンチレバー８５である。各鉤状カンチレバー８５は、直線状部８５ｃと、直線状部８５ｃに連続する円弧状部８５ｄとを含む。一対の鉤状カンチレバー８５の円弧状部８５ｄに抱えられるように、円形錘部８４が配置されている。円形錘部８４の直径は、たとえば、１５０μｍ程度である。
【００８５】
一対の鉤状カンチレバー８５の円弧状部８５ｄは、その先端部（カンチレバー８５の自由端８５ｂ）において、円形錘部８４に共通に結合されている。一対の鉤状カンチレバー８５の円形錘部８４に対する結合位置は、対称中心８３に対して対称な位置にある。直線状部８５ｃの基端部は、正方形の開口８２の対角位置において、すなわち対称中心８３に対して対称な位置において、開口８２外の支持基板３上に支持されている。これにより、直線状部８５ｃの基端部は、固定端８５ａとなっている。鉤状カンチレバー８５は、固定端８５ａから先端（自由端８５ｂ）まで等幅のカンチレバーである。
【００８６】
開口８２上の振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６は、開口８２の縁部と一対のカンチレバー８５との間にそれぞれ形成された一対のスリット８６を有している。各スリット８６は、カンチレバー８５の外側縁部に沿って開口８２の縁部との間に形成されている。各スリット８６は、一方のカンチレバー８５の円弧状部８５ｄの外側縁に沿って回り込むことによって、他方のカンチレバー８５の内側縁部に至る。スリット８６は、さらに、当該他方のカンチレバー８５と円形錘部８４の縁部との間を通って、当該他方のカンチレバー８５の先端付近に達している。一対のスリット８６は、互いに噛み合う渦巻き状に配置されており、それによって、一対の鉤状カンチレバー８５が、互いに噛み合うように、対称中心８３まわりに回転対称（この実施形態では点対称）に配置されている。
【００８７】
上部電極７は、カンチレバー８５の固定端８５ａから先端部（自由端８５ｂ）にまで至る領域に形成されている。これにより、カンチレバー８５のほぼ全部において変形に伴う圧電効果による電圧を発生させ、その電圧信号を取り出すことができる。
この構成では、２つの鉤状カンチレバー８５が噛み合い配置されていることにより、小さなスペースで全長の長いカンチレバー８５を配置でき、それらの先端に共有の錘部８４を結合できる。これにより、小さな領域内でカンチレバー８５を大きく変形させることができるので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。しかも、鉤状カンチレバー８５は、直線状部８５ｃと、直線状部８５ｃに連続する円弧状部８５ｄとを含み、一対の円弧状部８５ｄによって円形錘部８４が抱えられるように配置されている。それにより、開口８２上の領域を有効利用でき、かつ錘部８４を大きくできるので、カンチレバー８５を大きく変形させることができる。それによって、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
【００８８】
鉤状カンチレバー８５は、直線状部８５ｃと円弧状部８５ｄとが滑らかに連なっているので、音波の入力に伴って変形するときに歪みが局在することがなく、それにより、音圧に対して直線性の良好な出力信号を得ることができる。
なお、開口８２の平面形状は、正方形である必要はなく、少なくとも鉤状カンチレバー８５および円形錘部８４の下方に空洞を確保できる平面形状を有していればよい。
【００８９】
この圧電薄膜マイクロフォン８１は、第１の実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１と同様の製造工程によって作製できる。
また、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー８５の固定端８５ａに、カンチレバー８５の先端または中間部よりも厚い厚膜部を設けることが好ましい。また、圧電薄膜マイクロフォン８１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。
【００９０】
図１６は、この発明の第６の実施形態に係る圧電薄膜マイクロフォン９１の構造を説明するための図解的な平面図である。図１６において、図１２の各部の対応部分には同一参照符号を付す。
この実施形態では、支持基板３に円形の開口９２が形成されており、この円形の開口９２に振動膜４、下部電極５および圧電薄膜６が対向している。これらに一対のスリット９６が形成され、それにより、互いに対向して円形を成すように配置された一対の半円弧状カンチレバー９５と、この一対の円弧状カンチレバー９５に抱えられるように配置された円形錘部９４とが区画されている。円形錘部９４の直径は、たとえば、１００μｍ〜１８０μｍである。
【００９１】
半円弧状カンチレバー９５は、円形の開口９２の中心を対称中心９３として点対称の位置に固定端９５ａを有しており、それらの固定端９５ａにおいて、開口９２の外方の構造（支持基板３）に結合されている。半円弧状カンチレバー９５は、円形の開口９２の縁部に沿って、対称中心９３の周りの約１８０度の角度範囲に渡って延び、その先端部（自由端９５ｂ）の内方が円形錘部９４に結合されている。一対の半円弧状カンチレバー９５の先端部（自由端９５ｂ）は、対称中心９３に対して互いに対称な位置にある。半円弧状カンチレバー９５は、固定端９５ａから先端まで等幅のカンチレバーである。
【００９２】
各スリット９６は、一つの半円弧状カンチレバー９５の外側縁と円形開口９２の縁部との間に形成されており、当該一つの半円弧状カンチレバー９５の先端部（自由端９５ｂ）で内方に直角に折れている。スリット９６は、さらに、そこから、他方の半円弧状カンチレバー９５の内側縁と円形錘部８４の縁部との間を通って、当該他方の半円弧状カンチレバー９５の先端（自由端９５ｂ）付近に至っている。一対のスリット９６は、対称中心９３まわりに回転対称（この実施形態では点対称）に配置されており、かつ、互いに噛み合って、ほぼ同心二重円を形成している。それにより、対称中心９３を挟んで対向して円形を成す一対の半円弧状カンチレバー９５が形成されている。
【００９３】
上部電極７は、カンチレバー９５の固定端９５ａから先端部（自由端９５ｂ）にまで至る領域に形成されている。これにより、カンチレバー９５のほぼ全部において変形に伴う圧電効果による電圧を発生させ、その電圧信号を取り出すことができる。上部電極７は、カンチレバーの固定端９５ａにおいて、支持基板３上に形成された配線９９に連続している。
【００９４】
この実施形態の構成では、円形の領域に効率的にカンチレバー９５および錘部９４を配置できるので、小型で感度の高いマイクロフォンを実現できる。
この圧電薄膜マイクロフォン８１は、第１の実施形態の圧電薄膜マイクロフォン１と同様の製造工程によって作製できる。
また、第１の実施形態の場合と同様に、カンチレバー９５の固定端９５ａに、カンチレバー９５の先端または中間部よりも厚い厚膜部を設けることが好ましい。また、圧電薄膜マイクロフォン９１は、共振周波数が２０ｋＨｚ以上となるように設計することが好ましい。
【００９５】
図１７は、膜構造の他の例を示す図解的な断面図である。図１７において、図２の対応部分を同一参照符号で示す。この例では、支持基板３上に、シリコン層１１、下部電極５、圧電薄膜６および上部電極７が順に積層されている。それぞれの膜厚は、順に、２．５μｍ、２００ｎｍ、１μｍ、５００ｎｍであってもよい。下部電極５は、たとえばプラチナ層を含む。また、上部電極７は、たとえば、アルミニウム銅合金層を含む。
【００９６】
以上、この発明の実施形態について説明してきたが、この発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
たとえば、第２の実施形態では、扇形のカンチレバー５５について説明したが、図２に二点鎖線１００で示すように、扇形の円弧部を対応する弦で切り取った三角形または台形形状（扇形形状の一例）のカンチレバーを用いてもよい。これにより、固定端５５ａから先端（自由端）に向かって幅広となるカンチレバーを構成できる。この場合に、開口５２Ａ，５２Ｂは、２つのカンチレバーを包囲する縁を有する三角形の開口に置き換えてもよい。この場合、２つの三角形の開口は、全体として、矩形（正方形）の開口を形成する。同様の変形は、第３の実施形態（図１０等参照）についても可能である。
【００９７】
開口の形状は、矩形や円形に限定されるわけではなく、三角形、台形等の他の平面形状の開口が支持基板に形成されてもよい。
また、前述の実施形態では、基材として、シリコン基板（より正確にはＳＯＩ基板）を用いた例を示したが、半導体材料以外、たとえば金属材料や樹脂材料の基材を用いてもよい。樹脂材料としては、剛性が高くかつ加工が可能なものが好ましく、たとえば感光性エポキシ樹脂を用いることができる。
【００９８】
また、前述の実施形態では、可聴域の音波を検出するマイクロフォンについて説明したが、この発明は、可聴域外の音波を検出するマイクロフォンに対しても適用可能である。すなわち、たとえば、可聴域よりも高い周波数の音波を検出するマイクロフォンである超音波センサに対してこの発明を適用してもよい。
その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００９９】
１  圧電薄膜マイクロフォン
２  開口
３  支持基板
４  振動膜
５  下部電極
６  圧電薄膜
７  上部電極
８  圧電素子
９  配線
２５  カンチレバー
２５ａ  固定端
２５ｂ  自由端
２５ｃ  厚膜部
２６  スリット
３０  ＳＯＩ基板
３１  シリコン基板
３２  絶縁膜
５１  圧電薄膜マイクロフォン
５２Ａ，５２Ｂ  開口
５３  支持部
５４  支持梁
５５  カンチレバー
５５ａ  固定端
５５ｂ  自由端
５６  直線状スリット
５７Ａ，５７Ｂ  半円形スリット
５９  配線
６１  圧電薄膜マイクロフォン
６２  開口
６３  支持部
６４  支持梁
６５  カンチレバー
６６  直線状スリット
６７  円弧状スリット
６８  切り込みスリット
６９  配線
７１  圧電薄膜マイクロフォン
７２  開口
７３  対称中心
７４  錘部
７５  カンチレバー
７６  直線状平行スリット
７７  直線状直交スリット
７９  配線
８１  圧電薄膜マイクロフォン
８２  開口
８３  対称中心
８４  錘部
８５  カンチレバー
８５ａ  固定端
８５ｂ  自由端
８５ｃ  直線状部
８５ｄ  円弧状部
８６  スリット
９１  圧電薄膜マイクロフォン
９２  開口
９３  対称中心
９４  錘部
９５  カンチレバー
９５ａ  固定端
９５ｂ  自由端
９６  スリット
【図１】
2017022576.tif 000003
【図２】
2017022576.tif 000004
【図３】
2017022576.tif 000005
【図４】
2017022576.tif 000006
【図６Ｅ】
2017022576.tif 000007
【図６Ｆ】
2017022576.tif 000008
【図６Ｇ】
2017022576.tif 000009
【図７】
2017022576.tif 000010
【図８】
2017022576.tif 000011
【図９】
2017022576.tif 000012
【図１０】
2017022576.tif 000013
【図１１】
2017022576.tif 000014
【図１２】
2017022576.tif 000015
【図１３】
2017022576.tif 000016
【図１６】
2017022576.tif 000017
【図１７】
2017022576.tif 000018
【図５】
2017022576.tif 000019
【図６Ａ】
2017022576.tif 000020
【図６Ｂ】
2017022576.tif 000021
【図６Ｃ】
2017022576.tif 000022
【図６Ｄ】
2017022576.tif 000023
【図１４】
2017022576.tif 000024
【図１５】
2017022576.tif 000025