JP5594986B2 - 機械電気変換素子及び機械電気変換装置の製造方法 - Google Patents
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Description
さらに、本実施形態では上述の工程にて被処理基板を作製したが、Surface Micromachining法(金属層等の犠牲層を除去し、キャビティを形成する方法)等のMEMS技術を利用することによって、被処理基板を作製することも可能である。
図1(D)では、シリコン基板12を所望の厚さまで切削し、切削後の第二の面の表面にシグナルを取り出す為の下部電極層9を形成する。その後、エレメント6毎に下部電極を分離するためのトレンチ28を形成するトレンチ加工を行う。
図1(E)は、フリップチップ接合を行う工程(裏面加工工程の中の一工程)である。集積回路11上にバンプ10を形成し、そこへトレンチ加工済みの被処理基板である機械電気変換素子を接合する。
図4(A)乃至(C)は、機械電気変換素子が有するキャビティの第一の面における形状の一例を示した模式図(上面図)である。図4(A)乃至(C)においては、メンブレンや上部電極などは省略している。
また、被処理基板の機械的強度を向上させるためには、エレメントに対して流路凸部がなるべく多く接合される構成とすることも好ましい。特にエレメントは全てハンドリング部材により支持されていると機械強度が向上する。
さらに図1(B)のように、第三の面側に、金属層24を設け、その上に接着層25を設けても良い。接着層25は流路全面に設けてもよいが、金属層を設けた場合には流路凸部のみに設けるほうが、金属層を除去しやすいため好ましい。
金属層24の溶解液としては、酸性やアルカリ性の溶液が利用でき、接着層25の溶解液としては各種有機溶媒などが利用できる。使用する金属層24や接着層25に応じた溶解液を用いれば良い。上記方法によって被処理基板21から除去したハンドリング部材22は、研磨すること無く被処理基板21から分離することができるので再度利用することができる。
本実施形態では、流路上に接着層を設けたハンドリング部材を用いた場合の機械電気変換素子の製造方法について示す。被処理基板とハンドリング部材の物理パラメーターは、以下の通りである。
被処理基板の基材・・・・・・・・p−Type{100}シリコンウェハ
被処理基板の大きさ・・・・・・・4インチ(10.16cm)
キャビティの形状・大きさ・・・・1辺20μmの正方形
エレメントの形状・幅・・・・・・長方形・縦幅0.505mm、横幅6.005mm
1エレメント内のキャビティ数・・4800個(20行、240列)
メンブレン支持部の幅(キャビティとキャビティの間隔)・・・・・・・・・・5μm
エレメント間の距離・・・・・・・縦間隔5μm、横間隔5μm
トレンチ幅・・・・・・・・・・・5μm
1つの被処理基板内のエレメント数・・・・・1240個(124行、10列)
(ハンドリング部材の設定)
ハンドリング部材の基材・・・・・・合成石英基板
ハンドリング部材の大きさ・・・・直径12cm、厚さ1mm
流路凹部の幅・・・・・200μm
流路凸部の幅・・・・・200μm
流路深さ・・・・・・200μm
流路の本数・・・・・・・300本
流路の形状・・・・・・波状
(接着層の設定)
流路凹凸部へ接着層を形成
接着層の種類・・・・・・・ポジレジスト
レジスト厚さ・・・・・・20μm
(1−1)シリコン基板の用意
図3(A)と同様に、シリコン基板12を洗浄、準備をする。その後、拡散(Diffusion)法、もしくはイオン注入(Ion Implantation)法でSi基板表面を低抵抗化する。
(1−2)メンブレン支持部の作製
図3(B)乃至(D)と同様に、メンブレン支持部を作製し、A基板15を得る。
(1−3)キャビティの作製
図3(E)と同様に、SOIウェハを用意し、(2)で作製したメンブレン支持部表面と接合する。また、EVG社製EVG520等を用いて接合面の表面を室温で活性化し、150℃以下、10−3Paで接合する。次に、接合されたSOI基板のハンドリング層18を数十μmの厚さが残るように研磨し、洗浄する。その後、片面エッチング治具を用いて、前記研磨された基板の裏面を保護しながら、80℃のKOH液でハンドリング層18をエッチングする。その後、フッ酸を含む液でBOX層17をエッチングし、図3(F)に示すようにデバイス層16を露出させる。このデバイス層16を、本実施形態のメンブレン4とする。
(1−4)電極の作製
図3(G)と同様に、メンブレン4の周縁外の付近に、メンブレン4を構成するデバイス層16をドライエッチングでパターニングする。その後、このパターニング用のフォトレジストを除去しないで、直接酸化膜13をウェットエッチングでパターニングする。前記工程により図3(G)に示すように、エッチング穴19が形成される。次に電極用のCrをスパッタリングで成膜して、ウェットエッチングでパターニングし、図3(H)に示すような上部電極5、上部電極パッド20、および下部電極パッド8を形成する。最後に、本実施形態における複数のセルを電気分離するため、デバイス層16をパターニングして、被処理基板を完成する。なお、その上に電気配線の保護膜もしくは上部電極5と上部電極パッド20との電気配線などは図面に表示していない。
実施形態1で作製される被処理基板の模式図を図10(A)から(C)に示す。図10(A)はシリコン基板12上のエレメント形成部37を示した図であり、図10(B)は図10(A)の一部の拡大図である。図10(B)はエレメント6が複数個シリコン基板上に形成されているのを示している。図10(C)は1つのエレメントを拡大した図である。また、図10(C)では、上部電極5や上部電極パッド20、下部電極パッド8などは省略している。
(2−1)流路を設けたハンドリング部材の作製
まず、洗浄済みの合成石英基板を用意する。合成石英基板の大きさは、直径12cm、厚さ1mmである。洗浄は、中性洗剤及び純水で超音波洗浄を行い、アルカリ溶液に短時間浸した後に純水及び超純水で超音波洗浄及び流水洗浄を行う。次に、洗浄済みの合成石英基板の片面に、幅200μm、深さ200μm、の波状の流路を、流路間隔が200μmとなるように、CO2レーザー加工により作製する。レーザー加工では、レーザーの焦点を第三の面の表面から少しずつ第四の面の方向にずらしていくことで、垂直に近い流路壁を形成する。また、レーザー加工を真空中で行うことで、加工中に融解した石英が流路表面へ固着しないようにする。再度加工済みのハンドリング部材を洗浄することで、波状の流路が300本設けられたハンドリング部材が得られる。図11(A)は、実施形態1で作製したハンドリング部材の外観模式図である。図11(B)は図11(A)の一部を拡大した模式図である。
(2−2)接着層の形成
(2−1)で作製される流路を設けたハンドリング部材の流路凹凸部に、ポジレジストをスプレー法で塗布し、厚さ20μmの接着層を形成する。
(3−1)ハンドリング部材の配置
(1)で作製した被処理基板の第一の面に、(2)で作製したハンドリング部材の第三の面を向かい合わせる。この時、被処理基板に対してハンドリング部材を45度回転させて配置する。図12(A)に、実施形態1における被処理基板にハンドリング部材を固定する際の投影図を示す。図12(B)は、図12(A)の一部分の拡大図である。図12(C)は被処理基板に対してハンドリング部材を回転させずに配置した場合(図12(A)で被処理基板のオリフラ42とハンドリング部材のオリフラ40を一致させた場合)の拡大図である。図12(B)(C)ともに、エレメント内の少なくとも一部がハンドリング部材によって支持されている。よってどちらの場合もエレメントにかかる負荷を軽減することが出来る。また、図12(B)のように、角度を設けて配置すると、流路凹部と対応するトレンチ加工部の長さ50がエレメントの最大辺39の長さより小さくなり、ハンドリング部材の流路凸部がトレンチを跨がるように配置できる。よって、薄いトレンチ加工部にかかる負荷を軽減することができる。またこの場合、エレメント毎に、溝のエッジが、少なくとも2つ以上のエレメントの辺と交差するため、各エレメントは必ず流路凸部によって支持される部分があることになる。
(3−2)被処理基板とハンドリング部材の固定
被処理基板にハンドリング部材が配置された状態のまま、115℃程度に加熱したオーブン中で30分間程度ベークすることで、被処理基板21にハンドリング部材22を固定する。
(4−1)集積回路上へのフリップチップパッドの形成
集積回路11を用意し、フリップチップパッドとして5μmのNi/Al層をはんだバンプで形成する。次に直径80μmのSn/Pb共晶はんだ球を、フリップチップパッド上に形成する。
(5−1)バックグラインド工程
(3)でハンドリング部材22が固定される被処理基板の第二の面のシリコン基板を、厚さが150μm程度残るまで研磨を行う。
(5−2)トレンチ加工
キャビティ側の熱酸化膜の層までドライエッチングを行い、各エレメントを分離するようにトレンチを作製する。作製したトレンチの幅は5μmである。
(5−3)下部電極となる下部電極層の形成
第二の面の凸部にシグナルを取り出す下部電極層9を設ける為、Tiを200Å、Cuを500Å、Auを2000Å、成膜する。
(5−4)フリップチップ接合
(4)で用意される集積回路の共晶はんだ球の位置と、シグナル電極層の位置合わせを行った後に、150℃、4g/bump位の力で両者を接合する。
(6−1)集積回路側の保護
(5)で集積回路が接合される被処理基板のハンドリング部材以外の部分を保護ケースで覆う。保護ケースは、エレメントと接触しないよう配置する。
(6−2)溶解液への浸漬
図9(a)のような、アセトン溶液を満たした容器33を用意し、(6−1)にて保護ケースで覆った被処理基板を容器33にセットする。容器33は、循環ポンプと接続されており、内部のアセトン溶液はポンプによって循環させる。ある程度時間が経過した所で、循環させているアセトン溶液の量を減少させて、接着層の溶解具合を確認する。数回目の確認で、容器33内のアセトン溶液の界面の減少と共に保護ケースに覆われた被処理基板が移動していき、ハンドリング部材から分離される。
(7−1)洗浄と保護ケースの除去
保護ケースで覆われたまま被処理基板を洗浄し、保護ケースを取り外すことで機械電気変換装置が完成する。
本実施形態では、流路(波状流路+孔)及び金属層(Ge)を設けたハンドリング部材を用いた機械電気変換装置の製造方法について示す。被処理基板とハンドリング部材の物理パラメーターは、以下の通りである。
被処理基板の基材・・・・・・・・・p−Type(100)シリコンウェハ
被処理基板の大きさ・・・・・・・・4インチ(10.16cm)
キャビティの形状・大きさ・・・・・1辺125μmの正六角形
エレメントの形状・大きさ・・・・・・多角形・縦幅約6mm、横幅約6mm(図13参照)
1エレメント内のキャビティ数・・・780個(図13参照)
メンブレン支持部の幅(キャビティとキャビティの間隔)・・・・・・・・・・5μm
エレメント間の距離・・・・・・・・縦間隔5μm、横間隔5μm
1つの被処理基板内のエレメント数・・・・・・・・100個(10行、10列)
(ハンドリング部材の設定)
ハンドリング部材の基材・・・・・・合成石英基板
ハンドリング部材の大きさ・・・・・直径12cm、厚さ2mm
流路凹部の幅・・・・・1mm
流路凸部の幅・・・・・0.5mm
流路深さ・・・・・・0.4mm
流路の形状・・・・・・波状
流路の本数・・・・・・・80本
流路孔の大きさ・・・・・・直径1mm
流路孔のピッチ・・・・・・5mm(各流路端から各流路に沿って)
(接着層の設定)
第一の面へ接着層を形成
接着層の種類・・・・・・・ポジレジスト
接着層の厚さ・・・・・・20μm
(金属層の設定)
流路凹凸部全体へ形成
金属層の種類・・・・・・・Ge
金属層の厚さ・・・・・・・・2μm
実施形態1の(1−1)乃至(14)と同様に、被処理基板を用意した。なお、実施形態2で作製できる被処理基板の模式図を図13に示す。図13(B)は、図13(A)の一部を拡大した図であり、エレメント6が複数個シリコン基板上に形成されているのを示している。図13(C)は、1つのエレメントの形状の模式図であり、図13(D)にセルの具体的な様子を示している。図13(D)のセル数は省略してあるが、実際は千鳥状に780個セルを作製した。そのときの1エレメントの大きさは、エレメント縦幅が6mm、エレメント横幅が6mmであるため、エレメントの最大辺39もエレメントの最小辺38も同じ長さである。また、図13(D)では、上部電極5や上部電極パッド20、下部電極パッド8などは省略しているまた、作製した第一の面をレーザー干渉計で観察した所、実施形態1と同様に大気圧によって第二の面側へ撓んでいることが確認できた。
(2−1)ハンドリング部材作製工程
まず、直径12cm、厚さ2mmの洗浄済みの合成石英基板を用意する。洗浄は、中性洗剤及び純水で超音波洗浄を行い、アルカリ溶液に短時間浸した後に純水及び超純水で超音波洗浄及び流水洗浄を行う。次に、洗浄済みの合成石英基板の片面に、幅1mm、深さ0.4mm、の波状の流路を、流路間隔が1.5mmとなるように、CO2レーザー加工により作製する。波状の流路を加工後、CO2レーザーにより、流路凹部へ貫通孔を形成する。直径1mmの貫通孔を流路凹部の端から5mm間隔で形成する。レーザー加工では、レーザーの焦点を第三の面から少しずつ第四の面の方向にずらしていくことで、垂直に近い流路壁を形成する。また、レーザー加工を真空中で行うことで、加工中に融解した石英が流路表面へ固着しないようにする。次に、再度加工済みのハンドリング部材を洗浄し、貫通孔を有する直線の流路が80本設けられたハンドリング部材が得られる。図14(A)は、実施形態2で作製したハンドリング部材の外観模式図である。図14(B)は、図14(A)の一部を拡大した模式図である。
(2−2)金属層の形成
(2−1)で作製されるハンドリング部材の流路凹凸部及び貫通孔壁面に、厚さ2μmのGeをスパッタ法で成膜する。
(2−3)接着層の形成
(1)で作製される被処理基板21のメンブレン側に、ポジレジストをスプレー法で塗布し、厚さ20μmの接着層25を形成する。
(3−1)被処理基板とハンドリング部材の配置
(1)で作製される被処理基板の第一の面に、(2)で作製されるハンドリング部材の第三の面を向かい合わせる。ここでも、実施形態1同様に、被処理基板のオリフラとハンドリング部材のオリフラとの間に角度を設けて、ハンドリング部材を配置する。(図15参照)このような配置をとることにより、エレメント内の少なくとも一部がハンドリング部材により支持されるだけでなく、流路凹部と対応するトレンチ加工部の長さがエレメントの最大辺の長さより小さくなる構造となる。つまり、ハンドリング部材によって支持されないトレンチ加工部の長さはエレメントの最大辺の長さより小さくなり、ハンドリング部材の流路凸部は、トレンチを跨がるように配置される。またこの場合も、エレメント毎に、溝のエッジが、少なくとも2つ以上のエレメントの辺と交差するため、各エレメントは必ず流路凸部によって支持される部分があることになる。
(3−2)ハンドリング部材の固定
被処理基板とハンドリング部材をあわせた状態のまま、115℃程度に加熱したオーブン中で30分間程度ベークし、被処理基板にハンドリング部材を固定する。
実施形態1の(4)と同様に、集積回路を用意する。
実施形態1の(5)と同様に、被処理基板の裏面加工を行う。
(6−1)集積回路側の保護
実施形態1の(6)と同様に、集積回路が結合した被処理基板のハンドリング部材以外の部分を保護ケース29で覆う。
(6−2)金属層の溶解液への浸漬
図9(a)のような容器33を用意し、(6−1)にて保護ケースで覆った被処理基板を容器33にセットする。容器33は、循環ポンプと接続されており、内部へ過酸化水素水を供給し、溶液をポンプによって循環させる。ある程度時間が経過した所で、循環させている過酸化水素水の量を減少させて、金属層の溶解具合を確認する。数回目の確認で、容器33内の過酸化水素水の界面の減少と共に保護ケースに覆われた被処理基板が、容器33の下側へ移動していき、ハンドリング部材から分離される。
(6−3)接着層の溶解液への浸漬
ハンドリング部材の除去後、ハンドリング部材を容器33から取り出し、容器33に蓋をする。容器33内の過酸化水素水を除去し、アセトン溶液を供給する。次いでアセトン溶液をポンプによって循環させ、第一の面に付着しているレジストを溶解させる。
(7−1)洗浄と保護ケースの除去
保護ケース29で覆われたまま、加工済みの被処理基板を洗浄し、保護ケースを取り外すことで機械電気変換素子が完成する。
本実施形態では、流路凸部がエレメント及びトレンチ加工部全体に接触するようなハンドリング部材を用いた機械電気変換装置の製造方法について示す。被処理基板とハンドリング部材の物理パラメーターは、以下の通りである。
実施形態2と同様に設定した。
(ハンドリング部材の設定)
ハンドリング部材の基材・・・・・・合成石英基板
ハンドリング部材の大きさ・・・・直径12cm、厚さ2mm
流路凹部の幅・・・・・1mm
第一の流路凸部の幅・・・・・縦幅6.1mm、横幅6.1mm、
第二の流路凸部の幅・・・・・1mm
流路深さ・・・・・・0.4mm
流路の形状・・・・・・直線状(図16参照)
(接着層の設定)
実施形態2と同様に設定した。
(金属層の設定)
実施形態2と同様に設定した。
実施形態2の(1)と同様に用意した。
(2−1)ハンドリング部材作製工程
まず、直径12cm、厚さ2mmの洗浄済みの合成石英基板を用意する。洗浄は、中性洗剤及び純水で超音波洗浄を行い、アルカリ溶液に短時間浸した後に純水及び超純水で超音波洗浄及び流水洗浄を行う。次に、洗浄済みの合成石英基板の片面に、第一の流路凸部を作製する(図16参照)。第一の流路凸部44は、中央に6.1mm四方の流路凸部が形成されるように、4本の直線の流路凹部をCO2レーザー加工により作製する。流路凹部の幅は1mmであり、深さは0.4mmである。さらに第一の流路凸部を形成した4本の各流路凹部に垂直となるような流路凹部を、第一の流路凸部の周辺にCO2レーザー加工により作製することで、第二の流路凸部45を複数個設ける。流路凹部と流路凸部の幅は1mmであり、深さは0.4mmである。これにより、第二の流路凸部を複数個設ける。なお、四隅の流路凸部46には流路凹部を設けない構造とする。レーザー加工では、レーザーの焦点を第三の面から少しずつ第四の面の方向にずらしていくことで、垂直に近い流路壁を形成する。また、レーザー加工を真空中で行うことで、加工中に融解した石英が流路表面へ固着しないようにする。再度加工済みのハンドリング部材を洗浄することで、図16のようなハンドリング部材が得られる。図16(A)は外観模式図であり、図16(B)は、図16(A)の一部を拡大した模式図である。
(2−2)金属層の形成
実施形態2の(2―2)と同様に用意する。
(2−3)接着層の形成
実施形態2の(2―3)と同様に用意する。
(3−1)被処理基板とハンドリング部材の配置
(1)で作製される被処理基板の第一の面に、(2)で作製されるハンドリング部材の第三の面を向かい合わせる。このとき、エレメント及びトレンチの加工部が全てハンドリング部材で支持されるように(流路凸部で覆われるように)配置する。
(3−2)ハンドリング部材の固定
被処理基板とハンドリング部材とをあわせた状態のまま、115℃程度に加熱したオーブン中で30分間程度ベークすることで、被処理基板とハンドリング部材を固定する。
実施形態2の(4)と同様に、集積回路を用意する。
(5)被処理基板の裏面加工工程
実施形態2の(5)と同様に、被処理基板の裏面加工を行う。
(6)ハンドリング部材除去工程
実施形態2の(6)と同様にハンドリング部材の除去を行う。
(7)機械電気変換素子の完成
実施形態2の(7)と同様に機械電気変換素子を完成させる。
2 メンブレン支持部
3 キャビティ
4 メンブレン
5 上部電極
6 エレメント
7 エレメントの辺
9 下部電極層
11 集積回路
21 被処理基板
22 ハンドリング部材
23 流路
28 トレンチ
31 トレンチの加工部
Claims (8)
- 基板と、該基板との間に空隙が形成されるように設けられた振動膜と、を備えた素子を複数有する機械電気変換素子の製造方法であって、
前記複数の素子を備える被処理基板の前記振動膜側の面に、溝が形成されたハンドリング部材を固定する固定工程と、
前記固定工程の後に、前記素子の前記振動膜が形成されている側の面とは反対側の面から、前記基板を素子毎に分離するように前記基板にトレンチを加工する工程と、
前記トレンチを加工する工程の後に、前記複数の素子と前記ハンドリング部材とを分離する工程と、を含み、
前記固定工程では、
前記ハンドリング部材の前記溝は、前記被処理基板と固定された状態で外部と連通する流路の一部を構成し、前記複数の素子のそれぞれが前記ハンドリング部材の凸部と接するように、前記ハンドリング部材を前記被処理基板に固定することを特徴とする機械電気変換素子の製造方法。 - 前記トレンチの加工部が前記ハンドリング部材の凸部に接していない部分の長さが、前記素子の最大辺の長さより小さくなるように、前記ハンドリング部材を前記被処理基板に固定することを特徴とする請求項1に記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 前記固定工程では、前記トレンチの加工部の前記ハンドリング部材の凸部に接していない部分の長さが、前記素子の最小辺の長さより小さくなるように、前記ハンドリング部材を前記被処理基板に固定することを特徴とする請求項1に記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 前記固定工程では、前記トレンチの加工部は全て前記ハンドリング部材の凸部に接するように前記ハンドリング部材を前記被処理基板に固定することを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 前記固定工程では、前記素子毎に、前記溝のエッジが少なくとも2つ以上の前記素子の辺と交差するように、前記ハンドリング部材を前記被処理基板に固定することを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 前記複数の素子のそれぞれの前記振動膜側の面は全て前記ハンドリング部材の凸部に接していることを特徴とする請求項1に記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 前記固定工程では、接着層のみ、又は、接着層と金属層と、を介して前記ハンドリング部材を前記振動膜側の面に接着することを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の機械電気変換素子の製造方法。
- 請求項1乃至7のいずれかに記載の機械電気変換素子の製造方法を用い、前記トレンチを加工する工程の後に、前記反対側の面に集積回路を固定することを特徴とする機械電気変換装置の製造方法。
Priority Applications (1)
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