振動素子及び振動素子の製造方法
【課題】絶縁性の基板の一面に設けられた基板側電極と、該基板側電極に対向配置された対向電極を有する対向板とを備える振動素子であって、インピーダンスの低減及びキャパシタンス変換、信号増幅などの機能を行うと共に、素子自体のコンパクト化を図ることが出来る振動素子、及び該振動素子を製造する製造方法を提供する。
【解決手段】基板側電極２に対向するように、シリコン単結晶からなる上部板１を配置し、基板３と上部板１との間に、上部板１を保持する保持部３１を介在させる。保持部３１に、例えば、熱拡散法又はイオン注入法によって形成される、ＩＣ回路の不純物領域である集積回路部５を設け、振動素子１０にて変換効率の向上及び生産性向上、実装システムのコンパクト化を実現する。
【解決手段】基板側電極２に対向するように、シリコン単結晶からなる上部板１を配置し、基板３と上部板１との間に、上部板１を保持する保持部３１を介在させる。保持部３１に、例えば、熱拡散法又はイオン注入法によって形成される、ＩＣ回路の不純物領域である集積回路部５を設け、振動素子１０にて変換効率の向上及び生産性向上、実装システムのコンパクト化を実現する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性の基板の一面に設けられた基板側電極と、該基板側電極に対向配置された対向電極を有する対向板とを備える振動素子及び振動素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は従来のＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）型超音波振動子の構成の一例を模式的に示す断面図である。従来のＣＭＵＴ型超音波振動子は、基板１０４と、超音波を送受信する振動膜１０５と、基板１０４の一面に設けられ、基板１０４と対向するように振動膜１０５を支持する振動膜支持部１０１とを備えている。さらに、振動膜１０５に形成された膜側電極１０２と、基板１０４に形成された基板側電極１０３とが対向配置されている。
【０００３】
上述した構成を有するＣＭＵＴ型超音波振動子においては、超音波（音圧）を受信した場合、振動膜１０５及び膜側電極１０２が振動し、この際に起きる膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を発する。また、膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜１０５を振動させ、超音波を送信する。斯かるＣＭＵＴ型超音波振動子は、広帯域、高感度等の優れた周波数応答特性を有している。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、このような従来のＣＭＵＴ型超音波振動子及びその製造方法が開示されている。非特許文献１に記載のＣＭＵＴ型超音波振動子においては、シリコン基板の上に、後述するウェットエッチングの際、基板を保護するための窒化物層を形成し、該窒化物層の上に多結晶シリコンからなるいわゆる犠牲層を蒸着する。その後、該犠牲層の上に窒化物からなる振動膜及び振動膜支持部を共に蒸着し、該振動膜に上記犠牲層を除去するための孔をあけて、ウェットエッチングにて上記犠牲層を除去する。次いで、上記孔を埋めて、上記振動膜の上に膜側電極を蒸着した後、その上に保護層を形成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers:Theory andTechnology」、JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING、USA、April、VOL.１６、NO.２、p.７６−８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、上述したような従来の超音波振動素子においては、実際の使用において、様々な問題が生じていた。より詳しくは、斯かる超音波振動素子の高周波数での使用の場合、インピーダンスが増加し、これによって実際に電極に与えられる駆動電圧が入力電圧に比べて低下される問題があった。また、複数の超音波振動素子を備えるアレイにおいては、振動素子の数が少ない場合に、当該アレイにおける基本キャパシタンスが小さいためにインピーダンスが上昇され、いわゆるS/N比が低下される等の問題が生じていた。
【０００７】
上記超音波振動素子又はアレイを搭載したデバイスからの信号はキャパシタンス変化として現れるため、この信号を電圧信号に変換する変換回路及びその信号の増幅回路、インピーダンス調節用の回路等が必要になる。１ＤアレイのＣＭＵＴデバイスは特にデバイス上に回路を設ける必要は無いが、高周波数用又は２ＤアレイのＣＭＵＴデバイスの場合はインピーダンスマッチング又はＳ／Ｎ比向上のためにデバイス上又はその周辺に回路を設ける必要がある。しかし、デバイスの超小型においては、こういう周辺回路を効率よく設置できるスペースの確保が難しい上に、スペースがあったとしても実装などを行うためのプロセスが複雑であるため、全体システムの生産性低下の原因となっていた。
【０００８】
既存のＣＭＵＴデバイス構造では集積回路が必要な場合、シリコン基板に貫通電極を設け、デバイスの裏側に集積回路を設置していた。しかし、このような構造では貫通電極の作製工程が複雑で生産性が低く、貫通電極から寄生キャパシタンスが発生される虞があった。
【０００９】
更に、基板としてシリコン単結晶を使用する場合には、斯かるシリコン単結晶の伝導性により、いわゆる寄生キャパシタンスが発生するので、当該デバイスの変換効率が低下するといった問題も生じていた。しかしながら、上述の非特許文献１に記載の超音波振動子ではこのような問題を解決することができない。
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、該基板側電極に対向配置された対向電極を有する対向板とを備える振動素子であって、インピーダンスの上昇を改善できると共に、素子自体、ひいては該素子を有するデバイス及び該デバイスを含める実装システムのコンパクト化を図ることが出来る振動素子、及び該振動素子を製造する製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る振動素子は、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子において、前記対向板の一面に突設され、前記対向板を保持する保持部と、該保持部に設けられ、前記信号に係る処理を行う集積回路部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る振動素子は、前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されてあることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る振動素子は、前記保持部は、複数個所にて、前記集積回路部を有してあることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る振動素子は、前記保持部は、多層構造を有しており、複数層に前記集積回路部が設けられてあることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る振動素子は、前記基板の一面には溝部が設けられており、前記保持部は、前記基板側の端部が該溝部に挿入されてあることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る振動素子は、前記溝部は、前記基板側電極及び対向電極の対向方向における寸法が、該対向方向における前記保持部の寸法に応じた寸法であるように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る振動素子の製造方法は、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子の製造方法において、前記対向板の一面に突設されて前記対向板を保持する保持部に、前記信号に係る処理を行う集積回路部を形成する集積回路部形成工程を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る振動素子の製造方法は、前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る振動素子の製造方法は、前記保持部は積層工程にて形成され、該積層工程の中、前記集積回路部形成工程が行われることを特徴とする。
【００２０】
本発明にあっては、上記対向板の一面に上記保持部が突設されており、該保持部には上記集積回路部を設け、当該振動素子に必要な信号処理を行う。例えば、該集積回路部は、インピーダンスを低減させ、キャパシタンスの変換、信号の増幅などの機能を行う。
【００２１】
本発明にあっては、上記集積回路部は、例えば、熱拡散法又はイオン注入法によって形成される、ＩＣ回路の不純物領域であり、上記対向電極と電気的に接続され、当該デバイスに必要な信号処理を行う。例えば、該集積回路部は、インピーダンスを低減させ、キャパシタンスの変換、信号の増幅などの機能を行う。
【００２２】
本発明にあっては、該集積回路部は、上記保持部の複数個所に設けられている。
【００２３】
本発明にあっては、上記保持部は複数の層からなる多層構造をなしており、上記集積回路部は、層毎に又は幾つか複数の層に設けられてある。
【００２４】
本発明にあっては、上記基板及び対向板の対向方向における、上記保持部の端部が上記溝部に挿入されている。すなわち、上記対向方向における、上記溝部の寸法だけ、上記基板及び対向板の間隔を短くできる。
【００２５】
本発明にあっては、上記基板側電極及び対向電極の対向方向における上記溝部の寸法は、上記対向方向における上記保持部の寸法に応じて予め定められる。すなわち、上記対向方向における上記保持部の寸法が、当該基板側電極及び対向電極の間の間隔より大きい場合、斯かる間隔を一定に保つように、上記溝部の斯かる寸法が定められる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、当該集積回路部によってインピーダンス上昇の改善及びキャパシタンス変換、増幅などが可能になり、当該振動素子における電気的特性が高まるという効果を奏する。また、該集積回路部が当該保持部に形成された不純物領域であることから、該効果のために別途の要素を取り付ける必要がないので、素子自体、更に該素子を有するデバイス及び該デバイスを含める実装システムのコンパクト化及び生産性向上を図ることが出来る。
【００２７】
また、本発明によれば、多層構造である保持部を形成する工程の中で、該集積回路部が形成されるので、例えば、層毎に又は幾つか複数の層に集積回路部を形成することができ、該集積回路部の形成において、上記保持部の限られたスペースに複数の集積回路部をより効率的に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のＣＭＵＴ型超音波振動子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの要部構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの一部を省略して、上から見た部分的模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面に基づいて本発明に係る振動素子、及び該振動素子の製造方法について具体的に説明する。説明は、対向配置された２つの電極を有する振動素子を複数備える振動素子アレイを例に挙げて行う。以下においては、説明の便宜上、該振動素子の両電極の対向方向を上下方向として説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの要部構成を示す縦断面図である。図中、１０は、本発明に係る振動素子であり、１００は、振動素子１０を複数備える振動素子アレイである。また、図３は本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の一部を省略して、上から見た部分的模式図である。詳しくは、後述する上部板１を省略した状態の平面図である。以下の説明においては、Ｚ軸方向を上下方向として説明する。
【００３１】
振動素子アレイ１００は、一枚の基板３上に、複数の振動素子１０がＸ軸方向及びＹ軸方向に並設されている。振動素子アレイ１００は、各振動素子１０によって受信された超音波を電気信号に変えて外部装置に送信し、該外部装置は振動素子アレイ１００（振動素子１０）からの電気信号に基づき、画像データを生成する。
【００３２】
図４は本発明の実施の形態１に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００３３】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０は、基板３と、基板３に対向するように基板３の上側に配置された上部板１とを備えている。また、上部板１の下面と対向する基板３の上面には基板側電極２が設けられている。上部板１の下面には、上部板１を保持する保持部３１が基板３に向けて突設されている。換言すれば、上部板１及び基板３の間には保持部３１が介在しており、保持部３１の下端部は基板３に固定され、保持部３１の上端部は、後述する酸化物層６を介して上部板１に固定されている。また、上部板１、基板３及び保持部３１によって空間３２が形成されている。
【００３４】
上部板１は、超音波の送信又は受信の際に振動する振動膜部１１と、振動膜部１１の周囲部であって、上下方向における位置が保持部３１と整合する固定部１２とからなる。固定部１２は酸化物層６を介して保持部３１に固定されている。
【００３５】
振動膜部１１は、基板側電極２と対向する位置に該当する、上部板１の一部分であり、振動膜部１１には基板側電極２と対応するように対向電極４が形成されている。隣り合う振動膜部１１同士は、固定部１２を挟んで、互いに隔てて形成されている。すなわち、振動膜部１１は周囲を固定部１２によって取り囲まれており、固定部１２が保持部３１に固定されているので、送信又は受信の際には、振動膜部１１のみが振動する。
【００３６】
保持部３１は、例えばシリコン単結晶からなり、上下が開放された筒状を有している。また、保持部３１の内側は、周壁によって横断面視六角形をなしている（図３参照）。更に、保持部３１は、Ｚ軸方向において、対向電極４が該六角形の中心に位置するように、設けられている。更に、振動素子アレイ１００においては、複数の保持部３１がハニカムの形状をなしている。
【００３７】
基板３は、例えば、パイレックス（Pyrex）ガラス（登録商標）、石英、テンバックス（登録商標）、Foturanガラス（登録商標）等のガラス製であり、例えば、５００μｍ以上の厚みを有する。また、上述したように、基板３の上面には基板側電極２が蒸着されている。
【００３８】
なお、基板３の厚みは、上述の記載に限るものでなく、１μｍ〜１０ｃｍ範囲の基板を含める。例えば、３００μｍ以上、かつ５００μｍ以下であっても良い。
【００３９】
基板側電極２は、保持部３１に倣う六角形の板状をなしており、面積は、例えば、７００μｍ2 以下である。また、基板側電極２の厚みは、例えば、０．１〜１．０μｍであり、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の材料からなる。また、基板側電極２の上面には、例えば、酸化物からなり、上部板１（振動膜部１１）と基板側電極２とを絶縁させる絶縁膜（図示せず）が蒸着されている。
【００４０】
保持部３１は、例えば、上記六角形の一辺の寸法が２２μｍであって、該六角形の対向辺間の距離は３８μｍである。また、保持部３１の内側の形状は、横断面視六角形に限るものでなく、円形であっても良い。
【００４１】
また、保持部３１の高さ（縦方向における寸法）、換言すれば、上部板１の下面と基板３の上面との間隔は、例えば、０．０５〜１０μｍである。更に望ましくは、０．１〜３μｍである。また、保持部３１は肉厚（横方向における寸法）が、例えば、８〜１６μｍである。なお、保持部３１の下端面には、基板３の上面と、例えば、陽極接合法によって接合されている。
【００４２】
従って、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、高温での接合の工程に発生しがちな変形による応力集中が保持部３１と基板３との接合部にて生じることを抑制でき、上記応力の振動膜部１１への影響により、変換効率又は感度が低下することを防止できるうえに、ひいては製造上の構造再現性に優れている。
【００４３】
本実施の形態においては、保持部３１の肉厚が８〜１６μｍである場合を例として挙げているが、これに限るものでなく、例えば、１〜１６μｍであれば良い。
【００４４】
上部板１は、基板３と対向しており、かつ保持部３１を覆うように設けられている。従って、上述したように、上部板１、基板３及び保持部３１によって空間３２が形成されている。
【００４５】
上部板１の厚みは、例えば、１．５μｍであるが、これに限るものでなく、０．１〜１０μｍであれば良い。
【００４６】
振動膜部１１の下面には、基板側電極２と対応する対向電極４が形成されている。対向電極４は基板側電極２の真上側に形成された不純物領域である。対向電極４は平面視円状をなす範囲に形成されており、例えば、Nタイプ又はPタイプの元素を熱拡散又はイオン注入して形成された、いわゆる導電性型不純物領域である。
【００４７】
保持部３１の下端部には集積回路部５が形成されている。集積回路部５は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う導電性型不純物領域である。詳しくは、集積回路部５は、保持部３１の斯かる位置に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入して形成されたＩＣ回路である。なお、集積回路部５の形成位置については、以上の記載に限るものでなく、保持部３１のあらゆる箇所に形成しても良い。
【００４８】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅、信号処理などの機能を行う。
【００４９】
本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、上述したように集積回路部５を有することから、高周波数又は振動素子の数が少ない場合のインピーダンス増加の問題、振動膜としてシリコン単結晶を使用する場合に、いわゆる寄生キャパシタンスが発生して、効率が低下するといった問題を未然に防止することができる。
【００５０】
また、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、上述したように、集積回路部５が保持部３１の下端部に形成された不純物領域であるので、インピーダンスの低減及び信号処理のための周辺回路構成を付加的に取り付けることを必要とせず、振動膜部１１の振動に影響を及すことなく、素子自体及び機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００５１】
また、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０では、対向電極４及び集積回路部５が、夫々上部板１の下面及び保持部３１の下端部に形成されているので、対向電極４及び集積回路部５を保護するための保護膜を別途必要としない。
【００５２】
なお、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０においては、上部板１に対向電極４が不純物領域として形成されており、上部板１の一部（振動膜部１１）がいわゆる振動膜としての役割を兼ねているので、更に機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００５３】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００においては、複数の振動素子１０の基板側電極２と、該基板側電極２に対応する上部板１の対向電極４との間に電圧を印加することにより振動膜部１１を振動させて超音波を外部に送信し、また、外部から反射してくる超音波による振動膜部１１の振動に伴う基板側電極２と対向電極４との間の静電容量の変化に係る電気信号を取得でき、上記電気信号に基づき、いわゆる超音波像を得ることが出来る。
【００５４】
以下において、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法について説明する。図５及び図６は本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法を説明する説明図である。
【００５５】
まず、上部板１側に関しては、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハＷの一面に熱拡散又はイオン注入を施し、対向電極４になるべき不純物領域を形成する。
【００５６】
続いて、該ＳＯＩウェハＷの一面の上に、酸化物層を形成する。例えば、高温の炉でＳＯＩウェハＷを酸化性雰囲気にさらすことによって、ＳＯＩウェハＷの一面に酸化物層を形成する。斯かる工程によって酸化物層６になるべき酸化物層が生成される。
【００５７】
次に、生成された上記酸化物層の上に、例えば、シリコン単結晶のウェハを接合し、適切な厚みのシリコン層を形成する。斯かる工程によって保持部３１になるべきシリコン単結晶層が生成される。
【００５８】
次いで、生成されたシリコン層の上に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入して不純物領域を形成する（集積回路部形成工程）。該不純物領域が、上述した集積回路部５に該当する。
【００５９】
一方、基板３側に関しては、図５（ｂ）に示すように、パイレックスガラスの基板３の上面に、基板側電極２になるべき蒸着物（例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等）の蒸着を施しておく。その上に、更に、基板側電極２を対向電極４から絶縁する絶縁膜（図示せず）を蒸着する工程を設けても良い。
【００６０】
上述したように、不純物領域の形成が完了した場合、当該シリコン層の面に対して、図６（ａ）に示すように、パターニング及びエッチングを行う。例えば、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチング（図中、矢印にて表示）を施し、保持部３１及び酸化物層６になるべき部分だけを残して、上述のシリコン層及び酸化物層を除去する。ドライエッチング法でパターニングを行っても良い。斯かる工程により保持部３１及び酸化物層６が完成される。
【００６１】
次いで、ＳＯＩウェハＷの上記一面が、既に用意しておいた基板３（図５（ｂ）参照）の上面と対向するように、該ＳＯＩウェハＷの上下を反転させ、保持部３１を介して基板３の上面に該ＳＯＩウェハＷを固定させる。詳しくは、保持部３１の周壁の下端面を上述の陽極接合法によって、基板３の上面に接合する。
【００６２】
この後、図６（ｂ）に示すように、上記ＳＯＩウェハＷの他面側、すなわち、上部のＳｉ層及びｏｘｉｄｅ層に対して、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチング（図中、矢印にて表示）を施し、上部板１になるべき部分だけを残して除去することにより、上部板１が完成される。
【００６３】
なお、これに限るものでなく、ＳＯＩウェハに代えて、Ｓｉ／Ｓｉ３Ｎ４（low stress）構成を有するＳｉウェハを用いても良い。
【００６４】
以下において、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動アレイ１００の作用について説明する。説明の便宜上、上述したように振動素子１０及び振動アレイ１００に電圧を印加して被対象物に向けて超音波を送信し、上記被対象物から反射されてくる超音波を受信する場合を例として説明する。
【００６５】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０が、上記被対象物から反射された超音波を受信した場合、上記超音波（音圧）によって振動膜部１１が振動する。振動膜部１１が振動する際、振動膜部１１と基板３の基板側電極２との間隔が変動する。従って、振動膜部１１の下面に形成された対向電極４と基板側電極２との間の静電容量が変化するようになる。斯かる対向電極４と基板側電極２との間の静電容量変化に基づき、容量変化を電圧変化信号に変換させて電気信号を取得することができ、取得した電気信号に基づき、上記被対象物の超音波像を得ることができる。
【００６６】
また、超音波の送信においては、対向電極４と基板側電極２との間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜部１１が振動され、超音波が送信される。他の作用については超音波を受信した場合と同様であり、詳しい説明は省略する。
【００６７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、実施の形態１の場合と略同様であるが、保持部３１に形成された集積回路部５の構成において異なる。
【００６８】
図７は本発明の実施の形態２に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００６９】
本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、保持部３１の下端部に、２つの集積回路部５、５が形成されている。詳しくは、保持部３１にトレンチ(Trench)６１を設けることによって保持部３１を複数の領域に分け、夫々の集積回路部５を形成している。各集積回路部は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う不純物領域である。なお、トレンチ６１を省略した構成であっても良く、複数のトレンチ６１を設けた構成であっても良い。
【００７０】
２つの集積回路部５の形成方法は、上述した集積回路部形成工程において、シリコン層の２個所に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入することによって形成される。
【００７１】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅などの機能を行う。該機能は、２つの集積回路部５、５が夫々行うように構成しても良く、適宜分担して行うように構成しても良い。
【００７２】
以上においては、保持部３１の下端部に２つの集積回路部５、５が形成された場合を例として説明したが、これに限るものでなく、２つ以上であっても良い。すなわち、保持部３１の上部にも集積回路５の設置が出来るうえに、トレンチ６１等を設けて保持部３１を複数の領域に分け、様々な機能の集積回路部５を多数形成することも可能である。従って、本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、素子自体及び該素子が装着される機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００７３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、本発明の実施の形態１の場合と略同様であるが、保持部３１及び該保持部３１に形成された集積回路部５の構成が異なる。
【００７４】
図８は本発明の実施の形態３に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００７５】
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、保持部３１が複数のシリコン層からなる多層構造を有している。また、シリコン層同士の間には、酸化物層６が介在している。
【００７６】
保持部３１の各シリコン層には集積回路部５が形成されている。換言すれば、保持部３１の各酸化物層６の上方に集積回路部５が形成されている。集積回路部５は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う不純物領域である。
【００７７】
以下、本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００又は振動素子１０における、保持部３１及び集積回路部５の形成方法について説明する。図９は本発明の実施の形態３に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法を説明する説明図である。
【００７８】
図５（ａ）に示すように、上部板１側に関しては、ＳＯＩウェハＷの一面に熱拡散又はイオン注入を施し、対向電極４になるべき不純物領域を形成した後、該ＳＯＩウェハＷの一面の上に、酸化物層６になるべき酸化物層が生成される。
【００７９】
次に、生成された上記酸化物層の上に、例えば、シリコン単結晶のウェハを接合し、エッチング等の方法を用いて該シリコンの厚みを調節してシリコン層のＬａｙｅｒ１を形成する。斯かる工程によって保持部３１の一部になるべきシリコン層が生成される。
【００８０】
次いで、生成されたシリコン層のＬａｙｅｒ１に、上述したように、熱拡散又はイオン注入によって集積回路部５に該当する不純物領域を形成する（集積回路部形成工程）。
【００８１】
この後、シリコン層のＬａｙｅｒ１の上に、再び、酸化物層が形成される。続いて、生成された上記酸化物層の上に、シリコン層のＬａｙｅｒ２を形成する。また、生成されたシリコン層のＬａｙｅｒ２に、他の集積回路部５に該当する不純物領域を形成する。
【００８２】
このような工程を繰り返すことにより、所定数のシリコン層、及び対応する集積回路部５が形成される。この後、図６（ａ）に示すように、パターニング及びエッチングを行う。以降の工程については、既に説明しており、詳しい説明を省略する。
【００８３】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅などの機能を行う。該機能は、２つの集積回路部５、５が夫々行うように構成しても良く、適宜分担して行うように構成しても良い。
【００８４】
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、上述したように、保持部３１に多数の集積回路部５を効率的に形成することが可能であり、素子自体及び該素子が装着される機器のコンパクト化を図ることが出来る。また、各集積回路部５が酸化物層６によって遮られているので、相互干渉を未然に防止できる。
【００８５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、本発明の実施の形態３の場合と略同様であるが、基板３の構成において異なる。
【００８６】
図１０は本発明の実施の形態４に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００８７】
本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、実施の形態３の場合と同様、保持部３１が複数のシリコン層からなる多層構造を有しており、シリコン層同士の間には、酸化物層６が介在している。また、各シリコン層には集積回路部５が形成されている。
【００８８】
一方、基板３の上面には、保持部３１の周壁の下端に沿って溝部３３が設けてられている。溝部３３の内側は、保持部３１の周壁の下端の形状に倣い、縦断面視Ｕ字型を有しており、溝部３３は平面視六角形をなしている。
【００８９】
溝部３３の対向する両側面間の間隔は保持部３１の肉厚の寸法より大きい。従って、保持部３１（周壁）の下端部が、溝部３３に挿入できる。
【００９０】
すなわち、本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００（振動素子１０）の製造工程において、保持部３１の周壁の下端を上記陽極接合法によって、基板３に接合する際、保持部３１の周壁の下端面を溝部３３内に挿入した状態で、溝部３３の底に接合する。これによって、保持部３１の高さより、溝部３３の深さ（Ｚ軸方向の寸法）だけ、上部板１（対向電極４）と基板３（基板側電極２）との間隔を調整することが出来る。
【００９１】
換言すれば、溝部３３の深さは、保持部３１の高さに応じて予め定められた値である。例えば、保持部３１の高さが基板側電極２及び対向電極４の間の間隔より大きい場合、斯かる間隔を一定に保つように、溝部３３の深さが定められる。
【００９２】
このように、本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、多層構造の保持部３１に多くの集積回路部５を形成するために、保持部３１の層の高さ又は数を増やしたことによって、保持部３１の高さが大きくなった場合においても、溝部３３の深さを適宜調整することによって、対向電極４と基板側電極２との間隔を一定に保つことが出来る。すなわち、多層構造にすることによって、又は単層構造であっても該層の厚みが厚いことから、保持部３１の高さが増加された場合においても、適用することができる。
【００９３】
更に、本発明に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の構成は、以上の記載に限るものでない。例えば、以上の記載においては、保持部３１にのみ集積回路部５が形成された場合を例に挙げて説明したが、集積回路部５の一部を上部板１に形成しても良い。すなわち、保持部３１及び上部板１共に不純物領域を形成した構成であっても良い。
【符号の説明】
【００９４】
１ 上部板（対向板）
２ 基板側電極
３ 基板
４ 対向電極
５ 集積回路部
１０ 振動素子
１１ 振動膜部
１２ 固定部
３１ 保持部
３３ 溝部
１００ 振動素子アレイ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁性の基板の一面に設けられた基板側電極と、該基板側電極に対向配置された対向電極を有する対向板とを備える振動素子及び振動素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図１は従来のＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）型超音波振動子の構成の一例を模式的に示す断面図である。従来のＣＭＵＴ型超音波振動子は、基板１０４と、超音波を送受信する振動膜１０５と、基板１０４の一面に設けられ、基板１０４と対向するように振動膜１０５を支持する振動膜支持部１０１とを備えている。さらに、振動膜１０５に形成された膜側電極１０２と、基板１０４に形成された基板側電極１０３とが対向配置されている。
【０００３】
上述した構成を有するＣＭＵＴ型超音波振動子においては、超音波（音圧）を受信した場合、振動膜１０５及び膜側電極１０２が振動し、この際に起きる膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を発する。また、膜側電極１０２及び基板側電極１０３の間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜１０５を振動させ、超音波を送信する。斯かるＣＭＵＴ型超音波振動子は、広帯域、高感度等の優れた周波数応答特性を有している。
【０００４】
例えば、非特許文献１には、このような従来のＣＭＵＴ型超音波振動子及びその製造方法が開示されている。非特許文献１に記載のＣＭＵＴ型超音波振動子においては、シリコン基板の上に、後述するウェットエッチングの際、基板を保護するための窒化物層を形成し、該窒化物層の上に多結晶シリコンからなるいわゆる犠牲層を蒸着する。その後、該犠牲層の上に窒化物からなる振動膜及び振動膜支持部を共に蒸着し、該振動膜に上記犠牲層を除去するための孔をあけて、ウェットエッチングにて上記犠牲層を除去する。次いで、上記孔を埋めて、上記振動膜の上に膜側電極を蒸着した後、その上に保護層を形成している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers:Theory andTechnology」、JOURNAL OF AEROSPACE ENGINEERING、USA、April、VOL.１６、NO.２、p.７６−８４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一方、上述したような従来の超音波振動素子においては、実際の使用において、様々な問題が生じていた。より詳しくは、斯かる超音波振動素子の高周波数での使用の場合、インピーダンスが増加し、これによって実際に電極に与えられる駆動電圧が入力電圧に比べて低下される問題があった。また、複数の超音波振動素子を備えるアレイにおいては、振動素子の数が少ない場合に、当該アレイにおける基本キャパシタンスが小さいためにインピーダンスが上昇され、いわゆるS/N比が低下される等の問題が生じていた。
【０００７】
上記超音波振動素子又はアレイを搭載したデバイスからの信号はキャパシタンス変化として現れるため、この信号を電圧信号に変換する変換回路及びその信号の増幅回路、インピーダンス調節用の回路等が必要になる。１ＤアレイのＣＭＵＴデバイスは特にデバイス上に回路を設ける必要は無いが、高周波数用又は２ＤアレイのＣＭＵＴデバイスの場合はインピーダンスマッチング又はＳ／Ｎ比向上のためにデバイス上又はその周辺に回路を設ける必要がある。しかし、デバイスの超小型においては、こういう周辺回路を効率よく設置できるスペースの確保が難しい上に、スペースがあったとしても実装などを行うためのプロセスが複雑であるため、全体システムの生産性低下の原因となっていた。
【０００８】
既存のＣＭＵＴデバイス構造では集積回路が必要な場合、シリコン基板に貫通電極を設け、デバイスの裏側に集積回路を設置していた。しかし、このような構造では貫通電極の作製工程が複雑で生産性が低く、貫通電極から寄生キャパシタンスが発生される虞があった。
【０００９】
更に、基板としてシリコン単結晶を使用する場合には、斯かるシリコン単結晶の伝導性により、いわゆる寄生キャパシタンスが発生するので、当該デバイスの変換効率が低下するといった問題も生じていた。しかしながら、上述の非特許文献１に記載の超音波振動子ではこのような問題を解決することができない。
【００１０】
本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、該基板側電極に対向配置された対向電極を有する対向板とを備える振動素子であって、インピーダンスの上昇を改善できると共に、素子自体、ひいては該素子を有するデバイス及び該デバイスを含める実装システムのコンパクト化を図ることが出来る振動素子、及び該振動素子を製造する製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る振動素子は、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子において、前記対向板の一面に突設され、前記対向板を保持する保持部と、該保持部に設けられ、前記信号に係る処理を行う集積回路部とを備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る振動素子は、前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されてあることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係る振動素子は、前記保持部は、複数個所にて、前記集積回路部を有してあることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係る振動素子は、前記保持部は、多層構造を有しており、複数層に前記集積回路部が設けられてあることを特徴とする。
【００１５】
本発明に係る振動素子は、前記基板の一面には溝部が設けられており、前記保持部は、前記基板側の端部が該溝部に挿入されてあることを特徴とする。
【００１６】
本発明に係る振動素子は、前記溝部は、前記基板側電極及び対向電極の対向方向における寸法が、該対向方向における前記保持部の寸法に応じた寸法であるように構成されていることを特徴とする。
【００１７】
本発明に係る振動素子の製造方法は、絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子の製造方法において、前記対向板の一面に突設されて前記対向板を保持する保持部に、前記信号に係る処理を行う集積回路部を形成する集積回路部形成工程を有することを特徴とする。
【００１８】
本発明に係る振動素子の製造方法は、前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されることを特徴とする。
【００１９】
本発明に係る振動素子の製造方法は、前記保持部は積層工程にて形成され、該積層工程の中、前記集積回路部形成工程が行われることを特徴とする。
【００２０】
本発明にあっては、上記対向板の一面に上記保持部が突設されており、該保持部には上記集積回路部を設け、当該振動素子に必要な信号処理を行う。例えば、該集積回路部は、インピーダンスを低減させ、キャパシタンスの変換、信号の増幅などの機能を行う。
【００２１】
本発明にあっては、上記集積回路部は、例えば、熱拡散法又はイオン注入法によって形成される、ＩＣ回路の不純物領域であり、上記対向電極と電気的に接続され、当該デバイスに必要な信号処理を行う。例えば、該集積回路部は、インピーダンスを低減させ、キャパシタンスの変換、信号の増幅などの機能を行う。
【００２２】
本発明にあっては、該集積回路部は、上記保持部の複数個所に設けられている。
【００２３】
本発明にあっては、上記保持部は複数の層からなる多層構造をなしており、上記集積回路部は、層毎に又は幾つか複数の層に設けられてある。
【００２４】
本発明にあっては、上記基板及び対向板の対向方向における、上記保持部の端部が上記溝部に挿入されている。すなわち、上記対向方向における、上記溝部の寸法だけ、上記基板及び対向板の間隔を短くできる。
【００２５】
本発明にあっては、上記基板側電極及び対向電極の対向方向における上記溝部の寸法は、上記対向方向における上記保持部の寸法に応じて予め定められる。すなわち、上記対向方向における上記保持部の寸法が、当該基板側電極及び対向電極の間の間隔より大きい場合、斯かる間隔を一定に保つように、上記溝部の斯かる寸法が定められる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、当該集積回路部によってインピーダンス上昇の改善及びキャパシタンス変換、増幅などが可能になり、当該振動素子における電気的特性が高まるという効果を奏する。また、該集積回路部が当該保持部に形成された不純物領域であることから、該効果のために別途の要素を取り付ける必要がないので、素子自体、更に該素子を有するデバイス及び該デバイスを含める実装システムのコンパクト化及び生産性向上を図ることが出来る。
【００２７】
また、本発明によれば、多層構造である保持部を形成する工程の中で、該集積回路部が形成されるので、例えば、層毎に又は幾つか複数の層に集積回路部を形成することができ、該集積回路部の形成において、上記保持部の限られたスペースに複数の集積回路部をより効率的に形成できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】従来のＣＭＵＴ型超音波振動子の構成の一例を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの要部構成を示す縦断面図である。
【図３】本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの一部を省略して、上から見た部分的模式図である。
【図４】本発明の実施の形態１に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図５】本発明の実施の形態１に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図６】本発明の実施の形態１に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図７】本発明の実施の形態２に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図８】本発明の実施の形態３に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【図９】本発明の実施の形態３に係る振動素子及び振動素子アレイの製造方法を説明する説明図である。
【図１０】本発明の実施の形態４に係る振動素子の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、図面に基づいて本発明に係る振動素子、及び該振動素子の製造方法について具体的に説明する。説明は、対向配置された２つの電極を有する振動素子を複数備える振動素子アレイを例に挙げて行う。以下においては、説明の便宜上、該振動素子の両電極の対向方向を上下方向として説明する。
【００３０】
（実施の形態１）
図２は本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイの要部構成を示す縦断面図である。図中、１０は、本発明に係る振動素子であり、１００は、振動素子１０を複数備える振動素子アレイである。また、図３は本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の一部を省略して、上から見た部分的模式図である。詳しくは、後述する上部板１を省略した状態の平面図である。以下の説明においては、Ｚ軸方向を上下方向として説明する。
【００３１】
振動素子アレイ１００は、一枚の基板３上に、複数の振動素子１０がＸ軸方向及びＹ軸方向に並設されている。振動素子アレイ１００は、各振動素子１０によって受信された超音波を電気信号に変えて外部装置に送信し、該外部装置は振動素子アレイ１００（振動素子１０）からの電気信号に基づき、画像データを生成する。
【００３２】
図４は本発明の実施の形態１に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００３３】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０は、基板３と、基板３に対向するように基板３の上側に配置された上部板１とを備えている。また、上部板１の下面と対向する基板３の上面には基板側電極２が設けられている。上部板１の下面には、上部板１を保持する保持部３１が基板３に向けて突設されている。換言すれば、上部板１及び基板３の間には保持部３１が介在しており、保持部３１の下端部は基板３に固定され、保持部３１の上端部は、後述する酸化物層６を介して上部板１に固定されている。また、上部板１、基板３及び保持部３１によって空間３２が形成されている。
【００３４】
上部板１は、超音波の送信又は受信の際に振動する振動膜部１１と、振動膜部１１の周囲部であって、上下方向における位置が保持部３１と整合する固定部１２とからなる。固定部１２は酸化物層６を介して保持部３１に固定されている。
【００３５】
振動膜部１１は、基板側電極２と対向する位置に該当する、上部板１の一部分であり、振動膜部１１には基板側電極２と対応するように対向電極４が形成されている。隣り合う振動膜部１１同士は、固定部１２を挟んで、互いに隔てて形成されている。すなわち、振動膜部１１は周囲を固定部１２によって取り囲まれており、固定部１２が保持部３１に固定されているので、送信又は受信の際には、振動膜部１１のみが振動する。
【００３６】
保持部３１は、例えばシリコン単結晶からなり、上下が開放された筒状を有している。また、保持部３１の内側は、周壁によって横断面視六角形をなしている（図３参照）。更に、保持部３１は、Ｚ軸方向において、対向電極４が該六角形の中心に位置するように、設けられている。更に、振動素子アレイ１００においては、複数の保持部３１がハニカムの形状をなしている。
【００３７】
基板３は、例えば、パイレックス（Pyrex）ガラス（登録商標）、石英、テンバックス（登録商標）、Foturanガラス（登録商標）等のガラス製であり、例えば、５００μｍ以上の厚みを有する。また、上述したように、基板３の上面には基板側電極２が蒸着されている。
【００３８】
なお、基板３の厚みは、上述の記載に限るものでなく、１μｍ〜１０ｃｍ範囲の基板を含める。例えば、３００μｍ以上、かつ５００μｍ以下であっても良い。
【００３９】
基板側電極２は、保持部３１に倣う六角形の板状をなしており、面積は、例えば、７００μｍ2 以下である。また、基板側電極２の厚みは、例えば、０．１〜１．０μｍであり、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等の材料からなる。また、基板側電極２の上面には、例えば、酸化物からなり、上部板１（振動膜部１１）と基板側電極２とを絶縁させる絶縁膜（図示せず）が蒸着されている。
【００４０】
保持部３１は、例えば、上記六角形の一辺の寸法が２２μｍであって、該六角形の対向辺間の距離は３８μｍである。また、保持部３１の内側の形状は、横断面視六角形に限るものでなく、円形であっても良い。
【００４１】
また、保持部３１の高さ（縦方向における寸法）、換言すれば、上部板１の下面と基板３の上面との間隔は、例えば、０．０５〜１０μｍである。更に望ましくは、０．１〜３μｍである。また、保持部３１は肉厚（横方向における寸法）が、例えば、８〜１６μｍである。なお、保持部３１の下端面には、基板３の上面と、例えば、陽極接合法によって接合されている。
【００４２】
従って、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、高温での接合の工程に発生しがちな変形による応力集中が保持部３１と基板３との接合部にて生じることを抑制でき、上記応力の振動膜部１１への影響により、変換効率又は感度が低下することを防止できるうえに、ひいては製造上の構造再現性に優れている。
【００４３】
本実施の形態においては、保持部３１の肉厚が８〜１６μｍである場合を例として挙げているが、これに限るものでなく、例えば、１〜１６μｍであれば良い。
【００４４】
上部板１は、基板３と対向しており、かつ保持部３１を覆うように設けられている。従って、上述したように、上部板１、基板３及び保持部３１によって空間３２が形成されている。
【００４５】
上部板１の厚みは、例えば、１．５μｍであるが、これに限るものでなく、０．１〜１０μｍであれば良い。
【００４６】
振動膜部１１の下面には、基板側電極２と対応する対向電極４が形成されている。対向電極４は基板側電極２の真上側に形成された不純物領域である。対向電極４は平面視円状をなす範囲に形成されており、例えば、Nタイプ又はPタイプの元素を熱拡散又はイオン注入して形成された、いわゆる導電性型不純物領域である。
【００４７】
保持部３１の下端部には集積回路部５が形成されている。集積回路部５は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う導電性型不純物領域である。詳しくは、集積回路部５は、保持部３１の斯かる位置に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入して形成されたＩＣ回路である。なお、集積回路部５の形成位置については、以上の記載に限るものでなく、保持部３１のあらゆる箇所に形成しても良い。
【００４８】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅、信号処理などの機能を行う。
【００４９】
本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、上述したように集積回路部５を有することから、高周波数又は振動素子の数が少ない場合のインピーダンス増加の問題、振動膜としてシリコン単結晶を使用する場合に、いわゆる寄生キャパシタンスが発生して、効率が低下するといった問題を未然に防止することができる。
【００５０】
また、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０は、上述したように、集積回路部５が保持部３１の下端部に形成された不純物領域であるので、インピーダンスの低減及び信号処理のための周辺回路構成を付加的に取り付けることを必要とせず、振動膜部１１の振動に影響を及すことなく、素子自体及び機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００５１】
また、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０では、対向電極４及び集積回路部５が、夫々上部板１の下面及び保持部３１の下端部に形成されているので、対向電極４及び集積回路部５を保護するための保護膜を別途必要としない。
【００５２】
なお、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０においては、上部板１に対向電極４が不純物領域として形成されており、上部板１の一部（振動膜部１１）がいわゆる振動膜としての役割を兼ねているので、更に機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００５３】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００においては、複数の振動素子１０の基板側電極２と、該基板側電極２に対応する上部板１の対向電極４との間に電圧を印加することにより振動膜部１１を振動させて超音波を外部に送信し、また、外部から反射してくる超音波による振動膜部１１の振動に伴う基板側電極２と対向電極４との間の静電容量の変化に係る電気信号を取得でき、上記電気信号に基づき、いわゆる超音波像を得ることが出来る。
【００５４】
以下において、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法について説明する。図５及び図６は本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法を説明する説明図である。
【００５５】
まず、上部板１側に関しては、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウェハＷの一面に熱拡散又はイオン注入を施し、対向電極４になるべき不純物領域を形成する。
【００５６】
続いて、該ＳＯＩウェハＷの一面の上に、酸化物層を形成する。例えば、高温の炉でＳＯＩウェハＷを酸化性雰囲気にさらすことによって、ＳＯＩウェハＷの一面に酸化物層を形成する。斯かる工程によって酸化物層６になるべき酸化物層が生成される。
【００５７】
次に、生成された上記酸化物層の上に、例えば、シリコン単結晶のウェハを接合し、適切な厚みのシリコン層を形成する。斯かる工程によって保持部３１になるべきシリコン単結晶層が生成される。
【００５８】
次いで、生成されたシリコン層の上に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入して不純物領域を形成する（集積回路部形成工程）。該不純物領域が、上述した集積回路部５に該当する。
【００５９】
一方、基板３側に関しては、図５（ｂ）に示すように、パイレックスガラスの基板３の上面に、基板側電極２になるべき蒸着物（例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ、Ｐｔ、Ａｕ等）の蒸着を施しておく。その上に、更に、基板側電極２を対向電極４から絶縁する絶縁膜（図示せず）を蒸着する工程を設けても良い。
【００６０】
上述したように、不純物領域の形成が完了した場合、当該シリコン層の面に対して、図６（ａ）に示すように、パターニング及びエッチングを行う。例えば、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチング（図中、矢印にて表示）を施し、保持部３１及び酸化物層６になるべき部分だけを残して、上述のシリコン層及び酸化物層を除去する。ドライエッチング法でパターニングを行っても良い。斯かる工程により保持部３１及び酸化物層６が完成される。
【００６１】
次いで、ＳＯＩウェハＷの上記一面が、既に用意しておいた基板３（図５（ｂ）参照）の上面と対向するように、該ＳＯＩウェハＷの上下を反転させ、保持部３１を介して基板３の上面に該ＳＯＩウェハＷを固定させる。詳しくは、保持部３１の周壁の下端面を上述の陽極接合法によって、基板３の上面に接合する。
【００６２】
この後、図６（ｂ）に示すように、上記ＳＯＩウェハＷの他面側、すなわち、上部のＳｉ層及びｏｘｉｄｅ層に対して、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ、ＨＦ等を用いてウェットエッチング（図中、矢印にて表示）を施し、上部板１になるべき部分だけを残して除去することにより、上部板１が完成される。
【００６３】
なお、これに限るものでなく、ＳＯＩウェハに代えて、Ｓｉ／Ｓｉ３Ｎ４（low stress）構成を有するＳｉウェハを用いても良い。
【００６４】
以下において、本発明の実施の形態１に係る振動素子１０及び振動アレイ１００の作用について説明する。説明の便宜上、上述したように振動素子１０及び振動アレイ１００に電圧を印加して被対象物に向けて超音波を送信し、上記被対象物から反射されてくる超音波を受信する場合を例として説明する。
【００６５】
本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０が、上記被対象物から反射された超音波を受信した場合、上記超音波（音圧）によって振動膜部１１が振動する。振動膜部１１が振動する際、振動膜部１１と基板３の基板側電極２との間隔が変動する。従って、振動膜部１１の下面に形成された対向電極４と基板側電極２との間の静電容量が変化するようになる。斯かる対向電極４と基板側電極２との間の静電容量変化に基づき、容量変化を電圧変化信号に変換させて電気信号を取得することができ、取得した電気信号に基づき、上記被対象物の超音波像を得ることができる。
【００６６】
また、超音波の送信においては、対向電極４と基板側電極２との間にＤＣ及びＡＣ電圧を印加することによって振動膜部１１が振動され、超音波が送信される。他の作用については超音波を受信した場合と同様であり、詳しい説明は省略する。
【００６７】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、実施の形態１の場合と略同様であるが、保持部３１に形成された集積回路部５の構成において異なる。
【００６８】
図７は本発明の実施の形態２に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００６９】
本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、保持部３１の下端部に、２つの集積回路部５、５が形成されている。詳しくは、保持部３１にトレンチ(Trench)６１を設けることによって保持部３１を複数の領域に分け、夫々の集積回路部５を形成している。各集積回路部は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う不純物領域である。なお、トレンチ６１を省略した構成であっても良く、複数のトレンチ６１を設けた構成であっても良い。
【００７０】
２つの集積回路部５の形成方法は、上述した集積回路部形成工程において、シリコン層の２個所に、例えば、５族（Ｎ−ｔｙｐｅ）であるＡｓ、Ｐ、Ｓｂ等、又は３族（Ｐ−ｔｙｐｅ）であるＡｌ、Ｂ、Ｇａ等の元素を熱拡散又はイオン注入することによって形成される。
【００７１】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅などの機能を行う。該機能は、２つの集積回路部５、５が夫々行うように構成しても良く、適宜分担して行うように構成しても良い。
【００７２】
以上においては、保持部３１の下端部に２つの集積回路部５、５が形成された場合を例として説明したが、これに限るものでなく、２つ以上であっても良い。すなわち、保持部３１の上部にも集積回路５の設置が出来るうえに、トレンチ６１等を設けて保持部３１を複数の領域に分け、様々な機能の集積回路部５を多数形成することも可能である。従って、本発明の実施の形態２に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、素子自体及び該素子が装着される機器のコンパクト化を図ることが出来る。
【００７３】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、本発明の実施の形態１の場合と略同様であるが、保持部３１及び該保持部３１に形成された集積回路部５の構成が異なる。
【００７４】
図８は本発明の実施の形態３に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００７５】
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、保持部３１が複数のシリコン層からなる多層構造を有している。また、シリコン層同士の間には、酸化物層６が介在している。
【００７６】
保持部３１の各シリコン層には集積回路部５が形成されている。換言すれば、保持部３１の各酸化物層６の上方に集積回路部５が形成されている。集積回路部５は基板側電極２及び対向電極４の間の静電容量変化によって発せられる電気信号に係る処理を行う不純物領域である。
【００７７】
以下、本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００又は振動素子１０における、保持部３１及び集積回路部５の形成方法について説明する。図９は本発明の実施の形態３に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の製造方法を説明する説明図である。
【００７８】
図５（ａ）に示すように、上部板１側に関しては、ＳＯＩウェハＷの一面に熱拡散又はイオン注入を施し、対向電極４になるべき不純物領域を形成した後、該ＳＯＩウェハＷの一面の上に、酸化物層６になるべき酸化物層が生成される。
【００７９】
次に、生成された上記酸化物層の上に、例えば、シリコン単結晶のウェハを接合し、エッチング等の方法を用いて該シリコンの厚みを調節してシリコン層のＬａｙｅｒ１を形成する。斯かる工程によって保持部３１の一部になるべきシリコン層が生成される。
【００８０】
次いで、生成されたシリコン層のＬａｙｅｒ１に、上述したように、熱拡散又はイオン注入によって集積回路部５に該当する不純物領域を形成する（集積回路部形成工程）。
【００８１】
この後、シリコン層のＬａｙｅｒ１の上に、再び、酸化物層が形成される。続いて、生成された上記酸化物層の上に、シリコン層のＬａｙｅｒ２を形成する。また、生成されたシリコン層のＬａｙｅｒ２に、他の集積回路部５に該当する不純物領域を形成する。
【００８２】
このような工程を繰り返すことにより、所定数のシリコン層、及び対応する集積回路部５が形成される。この後、図６（ａ）に示すように、パターニング及びエッチングを行う。以降の工程については、既に説明しており、詳しい説明を省略する。
【００８３】
集積回路部５は、例えば、インピーダンスを低減させる可変容量コンデンサ、抵抗、キャパシター等の役割をなすように形成されている。集積回路部５は対向電極４と電気的に接続されており、振動素子１０又は振動素子アレイ１００において発生するインピーダンスを低減させ、キャパシタンス変換、信号増幅などの機能を行う。該機能は、２つの集積回路部５、５が夫々行うように構成しても良く、適宜分担して行うように構成しても良い。
【００８４】
本発明の実施の形態３に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、上述したように、保持部３１に多数の集積回路部５を効率的に形成することが可能であり、素子自体及び該素子が装着される機器のコンパクト化を図ることが出来る。また、各集積回路部５が酸化物層６によって遮られているので、相互干渉を未然に防止できる。
【００８５】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０の構成は、本発明の実施の形態３の場合と略同様であるが、基板３の構成において異なる。
【００８６】
図１０は本発明の実施の形態４に係る振動素子１０の構成を説明するための模式的要部断面図である。
【００８７】
本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、実施の形態３の場合と同様、保持部３１が複数のシリコン層からなる多層構造を有しており、シリコン層同士の間には、酸化物層６が介在している。また、各シリコン層には集積回路部５が形成されている。
【００８８】
一方、基板３の上面には、保持部３１の周壁の下端に沿って溝部３３が設けてられている。溝部３３の内側は、保持部３１の周壁の下端の形状に倣い、縦断面視Ｕ字型を有しており、溝部３３は平面視六角形をなしている。
【００８９】
溝部３３の対向する両側面間の間隔は保持部３１の肉厚の寸法より大きい。従って、保持部３１（周壁）の下端部が、溝部３３に挿入できる。
【００９０】
すなわち、本発明の実施の形態１に係る振動素子アレイ１００（振動素子１０）の製造工程において、保持部３１の周壁の下端を上記陽極接合法によって、基板３に接合する際、保持部３１の周壁の下端面を溝部３３内に挿入した状態で、溝部３３の底に接合する。これによって、保持部３１の高さより、溝部３３の深さ（Ｚ軸方向の寸法）だけ、上部板１（対向電極４）と基板３（基板側電極２）との間隔を調整することが出来る。
【００９１】
換言すれば、溝部３３の深さは、保持部３１の高さに応じて予め定められた値である。例えば、保持部３１の高さが基板側電極２及び対向電極４の間の間隔より大きい場合、斯かる間隔を一定に保つように、溝部３３の深さが定められる。
【００９２】
このように、本発明の実施の形態４に係る振動素子アレイ１００の振動素子１０においては、多層構造の保持部３１に多くの集積回路部５を形成するために、保持部３１の層の高さ又は数を増やしたことによって、保持部３１の高さが大きくなった場合においても、溝部３３の深さを適宜調整することによって、対向電極４と基板側電極２との間隔を一定に保つことが出来る。すなわち、多層構造にすることによって、又は単層構造であっても該層の厚みが厚いことから、保持部３１の高さが増加された場合においても、適用することができる。
【００９３】
更に、本発明に係る振動素子１０及び振動素子アレイ１００の構成は、以上の記載に限るものでない。例えば、以上の記載においては、保持部３１にのみ集積回路部５が形成された場合を例に挙げて説明したが、集積回路部５の一部を上部板１に形成しても良い。すなわち、保持部３１及び上部板１共に不純物領域を形成した構成であっても良い。
【符号の説明】
【００９４】
１ 上部板（対向板）
２ 基板側電極
３ 基板
４ 対向電極
５ 集積回路部
１０ 振動素子
１１ 振動膜部
１２ 固定部
３１ 保持部
３３ 溝部
１００ 振動素子アレイ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子において、
前記対向板の一面に突設され、前記対向板を保持する保持部と、
該保持部に設けられ、前記信号に係る処理を行う集積回路部と
を備えることを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されてあることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記保持部は、複数個所にて、前記集積回路部を有してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記保持部は、
多層構造を有しており、
複数層に前記集積回路部が設けられてあることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の振動素子。
【請求項５】
前記基板の一面には溝部が設けられており、
前記保持部は、
前記基板側の端部が該溝部に挿入されてあることを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の振動素子。
【請求項６】
前記溝部は、
前記基板側電極及び対向電極の対向方向における寸法が、
該対向方向における前記保持部の寸法に応じた寸法であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の振動素子。
【請求項７】
絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子の製造方法において、
前記対向板の一面に突設されて前記対向板を保持する保持部に、前記信号に係る処理を行う集積回路部を形成する集積回路部形成工程を有することを特徴とする振動素子の製造方法。
【請求項８】
前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項７に記載の振動素子の製造方法。
【請求項９】
前記保持部は積層工程にて形成され、該積層工程の中、前記集積回路部形成工程が行われることを特徴とする請求項７又は８に記載の振動素子の製造方法。
【請求項１】
絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子において、
前記対向板の一面に突設され、前記対向板を保持する保持部と、
該保持部に設けられ、前記信号に係る処理を行う集積回路部と
を備えることを特徴とする振動素子。
【請求項２】
前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されてあることを特徴とする請求項１に記載の振動素子。
【請求項３】
前記保持部は、複数個所にて、前記集積回路部を有してあることを特徴とする請求項１又は２に記載の振動素子。
【請求項４】
前記保持部は、
多層構造を有しており、
複数層に前記集積回路部が設けられてあることを特徴とする請求項１から３の何れか１つに記載の振動素子。
【請求項５】
前記基板の一面には溝部が設けられており、
前記保持部は、
前記基板側の端部が該溝部に挿入されてあることを特徴とする請求項１から４の何れか１つに記載の振動素子。
【請求項６】
前記溝部は、
前記基板側電極及び対向電極の対向方向における寸法が、
該対向方向における前記保持部の寸法に応じた寸法であるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載の振動素子。
【請求項７】
絶縁性基板の一面に設けられた基板側電極と、前記基板側電極に対向配置された対向電極を一面に有する対向板とを備え、前記基板側電極及び対向電極の間隔変化に基づく信号を発する振動素子の製造方法において、
前記対向板の一面に突設されて前記対向板を保持する保持部に、前記信号に係る処理を行う集積回路部を形成する集積回路部形成工程を有することを特徴とする振動素子の製造方法。
【請求項８】
前記集積回路部は不純物領域であり、前記対向電極と電気的に接続されることを特徴とする請求項７に記載の振動素子の製造方法。
【請求項９】
前記保持部は積層工程にて形成され、該積層工程の中、前記集積回路部形成工程が行われることを特徴とする請求項７又は８に記載の振動素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−９２３４（Ｐ２０１３−９２３４Ａ）
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４１５８２（Ｐ２０１１−１４１５８２）
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（５１００５４６４７）株式会社Ｉｎｇｅｎ ＭＳＬ (6)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月１０日（２０１３．１．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２７日（２０１１．６．２７）
【出願人】（５１００５４６４７）株式会社Ｉｎｇｅｎ ＭＳＬ (6)
【Ｆターム（参考）】
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