超音波センサ及びその製造方法
【課題】長期にわたって共振周波数を制御できる超音波センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】一部に薄肉部１２０が形成された基板１１０と、基板１１０の厚さ方向において、２つの検出用電極１３２，１３３間に圧電体薄膜１３１を配置してなり、薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、メンブレン構造体を構成する薄肉部１２０と圧電振動子１３０のうち、薄肉部１２０に所定電圧を印加するための調整用電極１４１，１４２と、を含み、印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体が変形する。
【解決手段】一部に薄肉部１２０が形成された基板１１０と、基板１１０の厚さ方向において、２つの検出用電極１３２，１３３間に圧電体薄膜１３１を配置してなり、薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、メンブレン構造体を構成する薄肉部１２０と圧電振動子１３０のうち、薄肉部１２０に所定電圧を印加するための調整用電極１４１，１４２と、を含み、印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体が変形する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の障害物検知システム等に超音波センサが採用されている。このような超音波センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された圧電式の超音波センサが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に示される超音波センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板に薄肉部（半導体活性層と絶縁膜層）を形成し、強誘電体を２つの電極（上部検出用電極、下部検出用電極）で挟設する圧電振動子を、強誘電体の上下面に各電極が配置される態様で、薄肉部を覆うように形成してなるものである。
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化されたセンサにおいては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある
これに対し、特許文献１においては、センサの動作中において、２つの電極間に所定電圧を印加することにより、センサの共振周波数を調整する方法が提案されている。この場合、強誘電体内に生じる自発分極の変化に伴って、剛性に関わる物性値（例えば膜応力、ヤング率）が変化し、共振周波数が変化する。しかしながら、電圧を印加し続けると分極の状態が徐々に変化するため、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。
【０００５】
また、特許文献１においては、センサの動作前において、２つの電極間に所定電圧を印加し、予め強誘電体の自発分極を変化させる（ポーリングする）ことで、センサの共振周波数を調整する方法も提案されている。しかしながら、この方法の場合、例えば室温で放置しておくと、自発分極が弱まることが知られており、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。
【０００６】
なお、これらの方法では、強誘電体のように自発分極を持つ材料でないと調整することができず、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体には適用することができない。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、長期にわたって共振周波数を制御できる超音波センサ及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】
【０００８】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の超音波センサは、一部に薄肉部が形成された基板と、基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、薄肉部上に形成された圧電振動子と、メンブレン構造体を構成する薄肉部と圧電振動子のうち、薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を含み、印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体が変形することを特徴とする。
【０００９】
このように本発明によれば、メンブレン構造体を構成する薄肉部に所定電圧を印加することが可能であり、所定電圧を印加すると、静電気力が生じてメンブレン構造体が変形（変位）する。すなわち、メンブレン構造体のばね定数が実質的に変化するので（所謂負の静電ばね効果）、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００１０】
なお、上述したように、共振周波数の制御に圧電体薄膜の自発分極を利用しないので、圧電体薄膜として、ＰＺＴのような強誘電体以外にも、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体を適用することができる。
【００１１】
例えば請求項２に記載のように、調整用電極として、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、第１調整用電極と第２調整用電極との間に、所定電圧を印加する構成を採用することができる。
【００１２】
具体的には、請求項３に記載のように、基板が第１導電型の半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、第１調整用電極が、半導体基板の圧電振動子側の表層において、第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、第２調整用電極が、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間された構成とすると良い。
【００１３】
このように本発明によれば、メンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されている（すなわち、メンブレン構造体と第１調整用電極との間に空隙がある）ので、所定電圧の印加によりメンブレン構造体を変形させ、共振周波数を調整することができる。なお、半導体基板と第１調整用電極とは、ＰＮ接合にて絶縁分離されている。
【００１４】
また、請求項４に記載のように、半導体基板がシリコンからなる場合には、第１導電型としてＮ導電型、第２導電型としてＰ導電型を採用すると良い。このように構成すると、強アルカリ液によって半導体基板をエッチングし、薄肉部を形成するに当たり、半導体基板のみを除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。
【００１５】
また、請求項５に記載のように、基板が、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、第１調整用電極が、半導体層に不純物を導入することにより構成され、第２調整用電極が、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間された構成としても良い。
【００１６】
このように、埋め込み絶縁膜を有する半導体基板（例えばＳＯＩ構造半導体基板）を採用しても、請求項３に記載の発明と同様の構造を実現することができる。
【００１７】
なお、請求項３〜５いずれかに記載の発明においては、請求項６に記載のように、基板の厚さ方向において、第１調整用電極の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚くした構成とすることが好ましい。これにより、電圧印加時の第１調整用電極の変形を抑え、第２調整用電極を含むメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。
【００１８】
次に、請求項２に記載の発明とは異なる構成として、請求項７に記載のように、調整用電極として第１調整用電極を含み、２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と第１調整用電極との間に、所定電圧を印加する構成を採用することもできる。
【００１９】
このように、検出用電極を構成する下部検出用電極と第１調整用電極との間に所定電圧を印加することによっても、負の静電ばね効果によって、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００２０】
さらには、調整用電極の一方と検出用電極の一方を共通化しているので、請求項２に記載の発明に比べて、構成を簡素化することができる。
【００２１】
請求項８，９に記載の発明の作用効果は、それぞれ請求項３，４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００２２】
なお、メンブレン構造体は超音波の受信や所定電圧の印加による静電気力によって変形する。したがって、変形による応力によって下部検出用電極が破壊されないようにすることが好ましい。請求項１０に記載のように、下部検出用電極として、粒界のない単結晶シリコンに不純物を導入してなる構成を採用すると、粒界が存在する多結晶シリコンを採用する構成に比べて、下部検出用電極を破壊されにくくすることができる。すなわち経時的な安定性を高めることができる。
【００２３】
請求項１１に記載の発明の作用効果は、それぞれ請求項６に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００２４】
請求項１〜１１いずれかに記載の発明において、メンブレン構造体の個数は特に限定されない。例えば請求項１２に記載のように、メンブレン構造体が複数形成され、メンブレン構造体を構成する薄肉部ごとに所定電圧を印加できる構成としても良い。このように、メンブレン構造体が複数形成された（換言すれば超音波素子がアレイ化された）超音波センサにおいても、上述した発明を適用することができる。この場合、１つの超音波センサに形成された、複数のメンブレン構造体（超音波素子）の共振周波数のばらつきを調整することができる。例えば請求項１３に記載のように、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。
【００２５】
次に、請求項１４に記載の発明は、基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、第１調整用電極の形成後、薄肉部が形成される基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる圧電振動子を形成する振動子形成工程と、第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、薄肉部の形成領域において、絶縁膜のうち、少なくとも第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、メンブレン構造体と第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする。
【００２６】
このように本発明によれば、強アルカリ液によって薄肉部の形成領域に対応する第１シリコン基板を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極と薄肉部を効率よく形成することができる
なお、請求項１５に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板の表面上に、基板の厚さ方向において、多層に積層された絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えると良い。これにより、第１調整用電極と第２調整用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。
【００２７】
また、請求項１６に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板に対し、表面に絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、圧電振動子側表面とシリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、振動子形成工程において、第２シリコン基板に不純物を導入し、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な下部検出用電極を形成しても良い。これにより、第１調整用電極と下部検出用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１を圧電振動子側から見た平面図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ１００は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板１１０と、基板１１０の薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、薄肉部１２０に所定電圧を印加するための調整用電極１４０とを含んでいる。本実施形態に係る調整用電極１４０は、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２の２つの電極からなる。
【００３０】
基板１１０は、第１導電型の半導体基板１１１を含んでいる。本実施形態においては、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板１１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極１４１が形成されている。また、半導体基板１１１には、薄肉部１２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極１４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極１４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、基板１１０の平面方向において、メンブレン構造体の形成領域の一部に配置されている。より具体的には、図２に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図２中の破線で囲んだ領域）において、第１調整用電極１４１は格子状に構成されている。
【００３１】
なお、半導体基板１１１には、図１に示すように、第１調整用電極１４１の形成部位とは異なる圧電振動子側の表層に、Ｎ＋拡散領域１１１ａが形成されている。そして、第１調整用電極１４１のパッド１４１ａに対してＮ＋拡散領域１１１ａのパッド１１１ｂの電位が例えば数Ｖ以上高く設定され、半導体基板１１１と第１調整用電極１４１とがＰＮ接合にて絶縁分離されている。
【００３２】
また、基板１１０は、半導体基板１１１とともに、半導体基板１１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極１４２とを含んでいる。
【００３３】
本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板１１１の表面から、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を順に積層して構成されている。そして、第２酸化膜１１４と第３酸化膜１１５に挟まれる態様で、不純物（例えばボロンやリン）の導入された多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）からなる第２調整用電極１４２が配置されている。本実施形態においては、多結晶シリコン膜にボロンが導入され、所定濃度に調整されている。
【００３４】
第１酸化膜１１２は、半導体基板１１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜１１２上に積層された上述の絶縁膜１１３〜１１５と第２調整用電極１４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部１２０となっている。すなわち、薄肉部１２０の下面（窒化膜１１３）と第１調整用電極１４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子１３０が振動しない状態で、両者が離間されている。
【００３５】
窒化膜１１３は、第１酸化膜１１２に空間Ｓを構成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすとともに、自身の膜応力が引張であることを利用して、圧電振動子１３０が振動しない状態におけるメンブレン構造体（薄肉部）の坐屈を防ぐ機能を果たしている。
【００３６】
圧電振動子１３０は、圧電体薄膜１３１を２つの検出用電極１３２，１３３間に配置してなるものである。本実施形態においては、図３に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図３中の破線で囲んだ領域）を覆うように、第３酸化膜１１５上に、下部検出用電極１３２、圧電体薄膜１３１、上部検出用電極１３３の順で積層配置されている。
【００３７】
圧電体薄膜１３１の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。また、検出用電極１３２，１３３の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。本実施形態においては、圧電体薄膜１３１の構成材料としてＰＺＴを採用し、検出用電極１３２，１３３の構成材料として、Ｐｔを採用している。なお、図１に示す符号１３２ａ，１３３ａ，１４２ａは、それぞれパッドであり、符号１１８は、貫通孔Ｈを形成する際のマスクとなるシリコン窒化膜１１８である。
【００３８】
このように本実施形態に係る超音波センサ１００は、薄肉部１２０と圧電振動子１３０とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体が構成され、このメンブレン構造体が超音波等の外力印加にともなって変形可能に構成されている。
【００３９】
このように、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化された超音波センサ１００においては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある。
【００４０】
これに対し、本実施形態に係る超音波センサ１００においては、薄肉部１２０を構成する第２調整用電極１４２と、薄肉部１２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極１４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部１２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加し、両電極１４１，１４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。
【００４１】
ここで、垂直方向（基板１１０の厚さ方向）に作用する静電気力は、両電極１４１，１４２間の間隔に２乗に反比例し、印加電圧の２乗に比例して増大する。したがって、印加電圧が大きく、間隔が狭くなるほど、正味のばねの復元力は小さくなり、共振周波数が低周波側へシフトする。このように、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。例えば、所定の周波数の超音波を受信した状態で、超音波センサ１００の出力が最大となるように、両電極１４１，１４２間に印加する電圧を調整すれば良い。
【００４２】
特に本実施形態においては、第１調整用電極１４１を薄肉部１２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極１４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、両電極１４１，１４２間に静電気力（静電引力）を生じさせた際に、第１調整用電極１４１は変位せず、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形（変位）する。このように、第１調整用電極１４１の変位を抑制し、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形するように構成すると、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、圧電振動子１３０を構成する圧電体薄膜１３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜１３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００４４】
このように構成される超音波センサ１００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図４は、図１に示す超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図５は、図４（ｃ）に続く、超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【００４５】
先ず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極１４０の一方である第１調整用電極１４１を形成する。具体的には、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜からなるマスク（図示略）を形成して、所定位置に不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）し、熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）する。これにより、厚さ（深さ）約３μｍの第１調整用電極１４１が形成される。以上が、第１調整用電極形成工程である。
【００４６】
また、第１調整用電極１４１の形成領域とは異なる半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に不純物をイオン注入（本実施形態においてはリンイオンを注入）し、半導体基板１１１の電位取り出し用のＮ＋拡散領域１１１ａを形成する。なお、第１調整用電極１４１、Ｎ＋拡散領域１１１ａの形成に当たっては、イオン注入法以外にも、拡散法を適用することもできる。
【００４７】
第１調整用電極１４１形成後、図４（ｂ）に示すように、第１調整用電極１４１が形成された半導体基板１１１の表面上に、調整用電極１４０の他方である第２調整用電極１４２を形成する。具体的には、半導体基板１１１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ４μｍ程度の第１酸化膜１１２を形成する。プラズマＣＶＤ以外にも、熱酸化によって形成しても良い。第１酸化膜１１２形成後、第１酸化膜１１２上に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３を形成する。本実施形態においては、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、厚さ０．４μｍ程度の窒化膜１１３を形成する。このとき、半導体基板１１１の裏面に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１６が形成される。窒化膜１１３形成後、窒化膜１１３上に、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第２酸化膜１１４を形成する。
【００４８】
第２酸化膜１１４形成後、第２酸化膜１１４上に、例えばポリシリコン膜を堆積させ、不純物イオンを注入する。本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量２×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、ポリシリコン膜に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。また、不純物の導入されたポリシリコン膜の形成方法も上記例に限定されるものではない。不純物がドープされたポリシリコン膜を形成しても良い。このように、不純物が導入されたポリシリコン膜１４２を形成後、ポリシリコン膜１４２上に、シリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第３酸化膜１１５を形成する。なお、このとき、半導体基板１１１の裏面に、ポリシリコン膜１１７が形成される。
【００４９】
そして、第３酸化膜１１５、ポリシリコン膜１４２、第２酸化膜１１４、窒化膜１１３、第１酸化膜１１２の順で、不要部を例えばドライエッチングにより除去し、図４（ｂ）に示すようにそれぞれをパターニングする。これにより、ポリシリコン膜１４２がパターニングされて、上下面を第３酸化膜１１５と第２酸化膜１１４に挟まれ、薄肉部１２０を覆う態様の、第２調整用電極１４２が形成される。以上が第２調整用電極形成工程である。
【００５０】
第２調整用電極１４２形成後、図４（ｃ）に示すように、第２調整用電極１４２上に、薄肉部１２０の形成領域を覆うように、圧電振動子１３０を形成する。具体的には、第３酸化膜１１５上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた下部検出用電極１３２が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の下部検出用電極１３２を形成する。下部検出用電極１３２形成後、下部検出用電極１３２上に、圧電体薄膜１３１としてのＰＺＴ膜を、薄肉部１２０を覆うように、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、スパッタ法を用いて、厚さ１．０μｍ程度の圧電体薄膜１３１を形成する。圧電体薄膜１３１形成後、圧電体薄膜１３１上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた上部検出用電極１３３が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の上部検出用電極１３３を形成する。以上が、圧電振動子形成工程である。
【００５１】
圧電振動子１３０形成後、図５（ａ）に示すように、半導体基板１１１の裏面を研削・研磨し、窒化膜１１６及びポリシリコン膜１１７を除去する。その後、半導体基板１１１の裏面にシリコン窒化膜１１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部１２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜１１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、半導体基板１１１の裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、第１酸化膜１１２をエッチングストッパとして、半導体基板１１１を異方性エッチングする。これにより、半導体基板１１１に貫通孔Ｈが形成される。なお、Ｎ導電型の半導体基板１１１は強アルカリ性溶液によって異方性エッチングされるが、Ｐ導電型である第１調整用電極１４１はエッチングされず、貫通孔Ｈ内に残る。以上がエッチング工程である。
【００５２】
なお、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極１４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極１４１を介して、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位を除去する。具体的には、半導体基板１１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、第１酸化膜１１２を除去する。これにより、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板１１０に薄肉部１２０が形成される。すなわち、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部１２０と第１調整用電極１４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００５３】
このように本実施形態に係る超音波センサ１００の製造方法によれば、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００（図１参照）を形成することができる。
【００５４】
また、強アルカリ液によって薄肉部１２０の形成領域に対応する半導体基板１１１を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極１４１を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極１４１と薄肉部１２０を効率よく形成することができる。
【００５５】
なお、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００は、上記例に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、図１に示す構成に対して、第２調整用電極１４２と窒化膜１１３の積層順を入れ替えた構成としても良い。この場合、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間の間隔が縮まるので、図１に示す構成よりも低電圧で共振周波数を調整することができる。図６は、変形例を示す断面図である。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【００５７】
第２実施形態に係る超音波センサは、第１実施形態に係る超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態に係る超音波センサ２００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板２１０と、基板２１０の薄肉部２２０上に形成された圧電振動子２３０と、薄肉部２２０に所定電圧を印加するための調整用電極２４０とを含んでおり、調整用電極２４０は、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２の２つの電極からなる。
【００５９】
基板２１０は、埋め込み絶縁膜（シリコン酸化膜）２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層を配置してなる半導体基板２１１を含んでいる。この半導体層に、不純物（本実施形態においてはボロン）が導入され、所定形状にパターニングされて、図７に示す第１調整用電極２４１が構成されている。また、支持基板２１１ｂには、薄肉部２２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されている。
【００６０】
基板２１０は、半導体基板２１１とともに、半導体基板２１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極２４２とを含んでいる。絶縁膜及び第２調整用電極２４２の構成は、第１実施形態に示した超音波センサ１００の絶縁膜及び第２調整用電極１４２と基本的に同じである。異なる点は、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２が、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１上に形成されている点である。そして、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位がそれぞれ除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。したがって、本実施形態においても、第１酸化膜２１２上に積層された窒化膜２１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜２１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜２１５と第２調整用電極２４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部２２０となっている。すなわち、薄肉部２２０の下面（窒化膜２１３）と第１調整用電極２４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子２３０が振動しない状態で、両者が離間されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。
【００６１】
このように本実施形態に係る超音波センサ２００においても、薄肉部２２０を構成する第２調整用電極２４２と、薄肉部２２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極２４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部２２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加し、両電極２４１，２４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。
【００６２】
また、本実施形態においても、第１調整用電極２４１を薄肉部２２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極２４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極２４１の変位を抑制し、第２調整用電極２４２を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００６３】
また、圧電振動子２３０を構成する圧電体薄膜２３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜２３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００６４】
このように構成される超音波センサ２００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図８は、図７に示す超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図９は、図８（ｃ）に続く、超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【００６５】
先ず、図８（ａ）に示すように、半導体基板２１１として、シリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁膜２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層２１１ｃを配置してなる半導体基板（ＳＯＩ基板）２１１を準備する。本実施形態においては、半導体層２１１ｃの厚さを３．５μｍ、埋め込み絶縁膜２１１ａの厚さを０．５μｍ程度としている。そして、半導体層２１１ｃに、不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）して熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）し、所定形状にパターニングする。これにより、第１調整用電極２４１が形成される。本実施形態においては、第１調整用電極２４１の構造を、第１実施形態に示した第１調整用電極１４１の構造とほぼ同じとしている。すなわち、メンブレン構造体の形成領域において、第１調整用電極２４１は格子状に構成される。なお、不純物としてはボロンに限定されるものではなく、それ以外にも例えばリンを採用することができる。以上が、第１調整用電極形成工程である。
【００６６】
第１調整用電極２４１形成後、調整用電極２４０の他方である第２調整用電極２４２を形成する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を成膜し、エッチバックによる平滑化処理をして、厚さ５μｍ程度の第１酸化膜２１２を形成する。なお、平滑化処理を省略しても良い。第１酸化膜２１２形成後、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、シリコン窒化膜からなる窒化膜２１３、第２酸化膜２１４、第２調整用電極２４２、第３酸化膜２１５を積層形成する。以上が第２調整用電極形成工程である。なお、図８（ｂ）に示す符号２１６は、窒化膜２１３の形成に伴って、支持基板２１１ｂの埋め込み絶縁膜２１１ａ配置面の裏面に形成された窒化膜であり、符号２１７は、第２調整用電極２４２の形成に伴って形成されたポリシリコン膜である。
【００６７】
第２調整用電極２４２形成後、図８（ｃ）に示すように、第２調整用電極２４２上に、薄肉部２２０の形成領域を覆うように、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、圧電振動子２３０を形成する。したがって、その記載を省略する。
【００６８】
圧電振動子２３０形成後、図９（ａ）に示すように、支持基板２１１ｂの裏面を研削・研磨し、窒化膜２１６及びポリシリコン膜２１７を除去する。その後、支持基板２１１ｂの裏面にシリコン窒化膜２１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部２２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜２１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、支持基板２１１ｂの裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａをエッチングストッパとして、支持基板２１１ｂを異方性エッチングする。これにより、支持基板２１１ｂに貫通孔Ｈが形成される。以上がエッチング工程である。
【００６９】
貫通孔Ｈ形成後、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位を除去する。具体的には、支持基板２１１ｂの裏面側を例えばフッ酸液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２を除去する。これにより、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板２１０に薄肉部２２０が形成される。すなわち、薄肉部２２０と圧電振動子２３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部２２０と第１調整用電極２４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００７０】
このように本実施形態に係る超音波センサ２００の製造方法によれば、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ２００（図７参照）を形成することができる。
【００７１】
また、本実施形態においては、半導体基板２１１として、ＳＯＩ構造の半導体基板２１１を採用しており、半導体層２１１ｃに不純物を導入し、パターニングして第１調整用電極２４１を形成する。したがって、第１実施形態に示す超音波センサ１００のように、ＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域やパッドを不要とすることができる。
【００７２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【００７３】
第２実施形態に係る超音波センサは、第１，第２実施形態に係る超音波センサ１００，２００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００７４】
図１０に示すように、本実施形態に係る超音波センサ３００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板３１０と、基板３１０の薄肉部３２０上に形成された圧電振動子３３０と、薄肉部３２０に所定電圧を印加するための調整用電極３４０とを含んでいる。そして、２つの調整用電極３４０のうち、第２調整用電極３４２が、圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２と共通化されている。
【００７５】
基板３１０は、第１実施形態同様、第１導電型の半導体基板３１１を含んでいる。本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板３１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極３４１が形成されている。また、半導体基板３１１には、薄肉部３２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極３４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極３４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、格子状に構成されている。なお、図１０に示す符号３１１ａは、半導体基板３１１と第１調整用電極３４１とをＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域であり、符号３１１ｂはパッドである。
【００７６】
また、基板３１０は、半導体基板３１１とともに、半導体基板３１１上に配置された絶縁膜と、絶縁膜上に配置された圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２とを含んでいる。
【００７７】
本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板３１１の表面に配置された、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜３１３である。そして、第１酸化膜３１３上に、不純物（例えばボロンやリン）の導入された単結晶シリコンからなる下部検出用電極３３２が配置されている。
【００７８】
第１酸化膜３１３は、半導体基板３１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜３１３上に積層された下部検出用電極３３２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部３２０となっている。すなわち、薄肉部３２０の下面（下部検出用電極３３２）と第１調整用電極３４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子３３０が振動しない状態で、両者が離間されている。このように、本実施形態においては、下部検出用電極３３２が、第２調整用電極３４２としての機能と薄肉部３２０としての機能を果たすように構成されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。
【００７９】
このように本実施形態に係る超音波センサ３００においても、薄肉部３２０を構成する下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）と、薄肉部３２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部３２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極３４１と下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）との間に所定電圧を印加し、両電極３４１，３３２（３４２）間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。
【００８０】
また、本実施形態においても、第１調整用電極３４１を薄肉部３２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極３４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極３４１の変位を抑制し、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００８１】
また、圧電振動子３３０を構成する圧電体薄膜３３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜３３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００８２】
また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、構造を簡素化することができる。
【００８３】
なお、本実施形態においては、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が、単結晶シリコンに不純物を導入してなる例を示した。それ以外にも、第１実施形態同様、ポリシリコン膜に不純物を導入してなる構成とすることも可能である。しかしながら、ポリシリコン膜は粒界が存在するため、メンブレン構造体の変形にともなって、粒界を起点とし、粒界に沿って亀裂が生じやすい。したがって、本実施形態に示すように、粒界のない単結晶シリコンを用いて、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を構成することが好ましい。
【００８４】
このように構成される超音波センサ３００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図１１は、図１０に示す超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。図１２は、図１１（ｄ）に続く、超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。
【００８５】
先ず、図１１（ａ）に示すように、本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板３１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極３４０の一方である第１調整用電極３４１を形成する。この工程は、第１実施形態に示す第１調整用電極形成工程と同様であるので、その記載を省略する。なお、第１実施形態同様、第１調整用電極３４１と併せて、半導体基板３１１に電位取り出し用のＮ＋拡散領域３１１ａも形成する。
【００８６】
また、本実施形態においては、第１調整用電極形成工程と並行して、図１１（ｂ）に示すように、第２シリコン基板３１２を準備し、当該基板３１２の表面にシリコン酸化膜からなる酸化膜３１３を形成する。本実施形態においては、熱酸化によって、厚さ２μｍ程度の酸化膜３１３を形成する。なお、第２シリコン基板３１２の準備は、第１調整用電極３４１の形成前後に実施しても良い。以上が、第２シリコン基板準備工程である。
【００８７】
次に、図１１（ｃ）に示すように、第１調整用電極３４１が形成された半導体基板３１１の表面上に、第２シリコン基板３１２を、酸化膜３１３が第１調整用電極形成面に接するように配置し、両者を貼り合わせて接合する。そして、第２シリコン基板３１２の厚さが所定厚さとなるように、酸化膜形成面の裏面から研削・研磨する。本実施形態においては、この研削・研磨により、第２シリコン基板３１２の厚さ（酸化膜３１３除く）を１μｍ程度とする。以上が、貼り合せ工程である。
【００８８】
貼り合せ終了後、所定厚さに調整された第２シリコン基板３１２に対し、不純物を導入して熱処理し、不要部を例えばドライエッチングして所定形状にパターニングする。これにより、図１１（ｄ）に示すように、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が形成される。本実施形態においては、ボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、第２シリコン基板３１２に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。以上が、振動子形成工程のうち、下部検出用電極３３２の形成部分である。なお、この下部検出用電極の形成が、第１、第２実施形態に記載の第２調整用電極形成工程に相当する。また、この工程において、酸化膜３１３の不要部を例えばドライエッチングし、酸化膜３１３をパターニングする。図１１（ｄ）においては、パッド３４１ａ，３１１ｂ用のコンタクトホールが形成される。
【００８９】
下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）の形成後、図１２（ａ）に示すように、下部検出用電極３３２上に、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の順に積層配置し、圧電振動子３３０を形成する。なお、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の構成及び製造方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上が、圧電振動子形成工程である。
【００９０】
圧電振動子３３０形成後、半導体基板３１１の裏面を研削・研磨した後、半導体基板３１１の裏面にシリコン窒化膜３１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部３２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、図１２（ｂ）に示すように、半導体基板３１１に貫通孔Ｈが形成される。貫通孔Ｈの形成方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上がエッチング工程である。
【００９１】
なお、本実施形態においても、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極３４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極３４１を介して、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位を除去する。具体的には、半導体基板３１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、酸化膜３１３を除去する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板３１０に薄肉部３２０が形成される。すなわち、薄肉部３２０（下部検出用電極３３２）と圧電振動子３３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部３２０と第１調整用電極３４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００９２】
このように本実施形態に係る超音波センサ３００の製造方法によれば、調整用電極３４０として第１調整用電極３４１を含み、下部検出用電極３３２と第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加する構成の超音波センサ３００（図１０参照）を形成することができる。
【００９３】
また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、製造工程を簡素化することができる。
【００９４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。なお、本発明の主旨は、メンブレン構造体を構成する薄肉部のみに所定電圧を印加し、それにより生じる静電気力によって、メンブレン構造体全体を変位（変形）させ、共振周波数を調整できる点にある。
【００９５】
本実施形態においては、基板１１０，２１０，３１０に構成されるメンブレン構造体の個数については特に限定しなかった。メンブレン構造体は、１つの超音波素子として構成されている。例えば、１つの基板１１０，２１０，３１０に構成された１つのメンブレン構造体に対して、上述した本発明を適用しても良い。また、１つの基板１１０，２１０，３１０に複数のメンブレン構造体がアレイ化された超音波センサに対して、それぞれのメンブレン構造体の共振周波数を調整し、共振周波数のばらつきを低減することができる。すなわち、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１を圧電振動子側から見た平面図である。
【図４】図１に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。
【図５】図４（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【図６】変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。
【図９】図８（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。
【図１２】図１１（ｄ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。
【符号の説明】
【００９７】
１００・・・超音波センサ
１１０・・・基板
１１１・・・半導体基板
１２０・・・薄肉部
１３０・・・圧電振動子
１３１・・・圧電体薄膜
１３２・・・下部検出用電極
１３３・・・上部検出用電極
１４０・・・調整用電極
１４１・・・第１調整用電極
１４２・・・第２調整用電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサ及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、車両の障害物検知システム等に超音波センサが採用されている。このような超音波センサとして、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて作製された圧電式の超音波センサが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１に示される超音波センサは、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）構造の半導体基板に薄肉部（半導体活性層と絶縁膜層）を形成し、強誘電体を２つの電極（上部検出用電極、下部検出用電極）で挟設する圧電振動子を、強誘電体の上下面に各電極が配置される態様で、薄肉部を覆うように形成してなるものである。
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部と圧電振動子からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化されたセンサにおいては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある
これに対し、特許文献１においては、センサの動作中において、２つの電極間に所定電圧を印加することにより、センサの共振周波数を調整する方法が提案されている。この場合、強誘電体内に生じる自発分極の変化に伴って、剛性に関わる物性値（例えば膜応力、ヤング率）が変化し、共振周波数が変化する。しかしながら、電圧を印加し続けると分極の状態が徐々に変化するため、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。
【０００５】
また、特許文献１においては、センサの動作前において、２つの電極間に所定電圧を印加し、予め強誘電体の自発分極を変化させる（ポーリングする）ことで、センサの共振周波数を調整する方法も提案されている。しかしながら、この方法の場合、例えば室温で放置しておくと、自発分極が弱まることが知られており、長期にわたって共振周波数を制御するのが困難である。
【０００６】
なお、これらの方法では、強誘電体のように自発分極を持つ材料でないと調整することができず、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体には適用することができない。
【０００７】
本発明は上記問題点に鑑み、長期にわたって共振周波数を制御できる超音波センサ及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】
【０００８】
上記目的を達成する為に請求項１に記載の超音波センサは、一部に薄肉部が形成された基板と、基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、薄肉部上に形成された圧電振動子と、メンブレン構造体を構成する薄肉部と圧電振動子のうち、薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を含み、印加された所定電圧に応じて、メンブレン構造体が変形することを特徴とする。
【０００９】
このように本発明によれば、メンブレン構造体を構成する薄肉部に所定電圧を印加することが可能であり、所定電圧を印加すると、静電気力が生じてメンブレン構造体が変形（変位）する。すなわち、メンブレン構造体のばね定数が実質的に変化するので（所謂負の静電ばね効果）、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００１０】
なお、上述したように、共振周波数の制御に圧電体薄膜の自発分極を利用しないので、圧電体薄膜として、ＰＺＴのような強誘電体以外にも、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）といった圧電体を適用することができる。
【００１１】
例えば請求項２に記載のように、調整用電極として、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、第１調整用電極と第２調整用電極との間に、所定電圧を印加する構成を採用することができる。
【００１２】
具体的には、請求項３に記載のように、基板が第１導電型の半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、第１調整用電極が、半導体基板の圧電振動子側の表層において、第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、第２調整用電極が、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間された構成とすると良い。
【００１３】
このように本発明によれば、メンブレン構造体と第１調整用電極とが離間されている（すなわち、メンブレン構造体と第１調整用電極との間に空隙がある）ので、所定電圧の印加によりメンブレン構造体を変形させ、共振周波数を調整することができる。なお、半導体基板と第１調整用電極とは、ＰＮ接合にて絶縁分離されている。
【００１４】
また、請求項４に記載のように、半導体基板がシリコンからなる場合には、第１導電型としてＮ導電型、第２導電型としてＰ導電型を採用すると良い。このように構成すると、強アルカリ液によって半導体基板をエッチングし、薄肉部を形成するに当たり、半導体基板のみを除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。
【００１５】
また、請求項５に記載のように、基板が、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、第１調整用電極が、半導体層に不純物を導入することにより構成され、第２調整用電極が、基板の厚さ方向において、絶縁膜に挟まれて配置され、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して半導体基板が除去され、絶縁膜のうち、少なくとも半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、第２調整用電極を含むメンブレン構造体と第１調整用電極とが離間された構成としても良い。
【００１６】
このように、埋め込み絶縁膜を有する半導体基板（例えばＳＯＩ構造半導体基板）を採用しても、請求項３に記載の発明と同様の構造を実現することができる。
【００１７】
なお、請求項３〜５いずれかに記載の発明においては、請求項６に記載のように、基板の厚さ方向において、第１調整用電極の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚くした構成とすることが好ましい。これにより、電圧印加時の第１調整用電極の変形を抑え、第２調整用電極を含むメンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。
【００１８】
次に、請求項２に記載の発明とは異なる構成として、請求項７に記載のように、調整用電極として第１調整用電極を含み、２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と第１調整用電極との間に、所定電圧を印加する構成を採用することもできる。
【００１９】
このように、検出用電極を構成する下部検出用電極と第１調整用電極との間に所定電圧を印加することによっても、負の静電ばね効果によって、共振周波数を調整することができる。また、圧電振動子を構成する圧電体薄膜には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００２０】
さらには、調整用電極の一方と検出用電極の一方を共通化しているので、請求項２に記載の発明に比べて、構成を簡素化することができる。
【００２１】
請求項８，９に記載の発明の作用効果は、それぞれ請求項３，４に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００２２】
なお、メンブレン構造体は超音波の受信や所定電圧の印加による静電気力によって変形する。したがって、変形による応力によって下部検出用電極が破壊されないようにすることが好ましい。請求項１０に記載のように、下部検出用電極として、粒界のない単結晶シリコンに不純物を導入してなる構成を採用すると、粒界が存在する多結晶シリコンを採用する構成に比べて、下部検出用電極を破壊されにくくすることができる。すなわち経時的な安定性を高めることができる。
【００２３】
請求項１１に記載の発明の作用効果は、それぞれ請求項６に記載の発明の作用効果と同様であるので、その記載を省略する。
【００２４】
請求項１〜１１いずれかに記載の発明において、メンブレン構造体の個数は特に限定されない。例えば請求項１２に記載のように、メンブレン構造体が複数形成され、メンブレン構造体を構成する薄肉部ごとに所定電圧を印加できる構成としても良い。このように、メンブレン構造体が複数形成された（換言すれば超音波素子がアレイ化された）超音波センサにおいても、上述した発明を適用することができる。この場合、１つの超音波センサに形成された、複数のメンブレン構造体（超音波素子）の共振周波数のばらつきを調整することができる。例えば請求項１３に記載のように、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。
【００２５】
次に、請求項１４に記載の発明は、基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、第１調整用電極の形成後、薄肉部が形成される基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる圧電振動子を形成する振動子形成工程と、第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、薄肉部の形成領域において、第１調整用電極を残して第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、薄肉部の形成領域において、絶縁膜のうち、少なくとも第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、メンブレン構造体と第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする。
【００２６】
このように本発明によれば、強アルカリ液によって薄肉部の形成領域に対応する第１シリコン基板を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極と薄肉部を効率よく形成することができる
なお、請求項１５に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板の表面上に、基板の厚さ方向において、多層に積層された絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えると良い。これにより、第１調整用電極と第２調整用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。
【００２７】
また、請求項１６に記載のように、振動子形成工程の前に、第１調整用電極が形成された第１シリコン基板に対し、表面に絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、圧電振動子側表面とシリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、振動子形成工程において、第２シリコン基板に不純物を導入し、第１調整用電極との間で、薄肉部に所定電圧の印加が可能な下部検出用電極を形成しても良い。これにより、第１調整用電極と下部検出用電極との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、本発明の実施形態を図に基づいて説明する。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。図２は、図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図３は、図１を圧電振動子側から見た平面図である。
【００２９】
図１に示すように、本実施形態に係る超音波センサ１００は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板１１０と、基板１１０の薄肉部１２０上に形成された圧電振動子１３０と、薄肉部１２０に所定電圧を印加するための調整用電極１４０とを含んでいる。本実施形態に係る調整用電極１４０は、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２の２つの電極からなる。
【００３０】
基板１１０は、第１導電型の半導体基板１１１を含んでいる。本実施形態においては、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板１１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極１４１が形成されている。また、半導体基板１１１には、薄肉部１２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極１４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極１４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、基板１１０の平面方向において、メンブレン構造体の形成領域の一部に配置されている。より具体的には、図２に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図２中の破線で囲んだ領域）において、第１調整用電極１４１は格子状に構成されている。
【００３１】
なお、半導体基板１１１には、図１に示すように、第１調整用電極１４１の形成部位とは異なる圧電振動子側の表層に、Ｎ＋拡散領域１１１ａが形成されている。そして、第１調整用電極１４１のパッド１４１ａに対してＮ＋拡散領域１１１ａのパッド１１１ｂの電位が例えば数Ｖ以上高く設定され、半導体基板１１１と第１調整用電極１４１とがＰＮ接合にて絶縁分離されている。
【００３２】
また、基板１１０は、半導体基板１１１とともに、半導体基板１１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極１４２とを含んでいる。
【００３３】
本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板１１１の表面から、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を順に積層して構成されている。そして、第２酸化膜１１４と第３酸化膜１１５に挟まれる態様で、不純物（例えばボロンやリン）の導入された多結晶シリコン膜（ポリシリコン膜）からなる第２調整用電極１４２が配置されている。本実施形態においては、多結晶シリコン膜にボロンが導入され、所定濃度に調整されている。
【００３４】
第１酸化膜１１２は、半導体基板１１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜１１２上に積層された上述の絶縁膜１１３〜１１５と第２調整用電極１４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部１２０となっている。すなわち、薄肉部１２０の下面（窒化膜１１３）と第１調整用電極１４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子１３０が振動しない状態で、両者が離間されている。
【００３５】
窒化膜１１３は、第１酸化膜１１２に空間Ｓを構成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすとともに、自身の膜応力が引張であることを利用して、圧電振動子１３０が振動しない状態におけるメンブレン構造体（薄肉部）の坐屈を防ぐ機能を果たしている。
【００３６】
圧電振動子１３０は、圧電体薄膜１３１を２つの検出用電極１３２，１３３間に配置してなるものである。本実施形態においては、図３に示すように、メンブレン構造体の形成領域（図３中の破線で囲んだ領域）を覆うように、第３酸化膜１１５上に、下部検出用電極１３２、圧電体薄膜１３１、上部検出用電極１３３の順で積層配置されている。
【００３７】
圧電体薄膜１３１の構成材料としては、強誘電体であるＰＺＴや、窒化アルミニウム（ＡｌＮ），酸化亜鉛（ＺｎＯ）等を採用することができる。また、検出用電極１３２，１３３の構成材料しては、白金（Ｐｔ），金（Ａｕ），アルミニウム（Ａｌ）等を採用することができる。本実施形態においては、圧電体薄膜１３１の構成材料としてＰＺＴを採用し、検出用電極１３２，１３３の構成材料として、Ｐｔを採用している。なお、図１に示す符号１３２ａ，１３３ａ，１４２ａは、それぞれパッドであり、符号１１８は、貫通孔Ｈを形成する際のマスクとなるシリコン窒化膜１１８である。
【００３８】
このように本実施形態に係る超音波センサ１００は、薄肉部１２０と圧電振動子１３０とにより、他の部位よりも薄肉のメンブレン構造体が構成され、このメンブレン構造体が超音波等の外力印加にともなって変形可能に構成されている。
【００３９】
このように、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサにおいては、製造ばらつきによって、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体の共振周波数が所望の共振周波数からずれる恐れがある。また、メンブレン構造体がアレイ化された超音波センサ１００においては、メンブレン構造体間に共振周波数のばらつきが生じる（すなわち、センサ感度にばらつきが生じる）という問題がある。
【００４０】
これに対し、本実施形態に係る超音波センサ１００においては、薄肉部１２０を構成する第２調整用電極１４２と、薄肉部１２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極１４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部１２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加し、両電極１４１，１４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。
【００４１】
ここで、垂直方向（基板１１０の厚さ方向）に作用する静電気力は、両電極１４１，１４２間の間隔に２乗に反比例し、印加電圧の２乗に比例して増大する。したがって、印加電圧が大きく、間隔が狭くなるほど、正味のばねの復元力は小さくなり、共振周波数が低周波側へシフトする。このように、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。例えば、所定の周波数の超音波を受信した状態で、超音波センサ１００の出力が最大となるように、両電極１４１，１４２間に印加する電圧を調整すれば良い。
【００４２】
特に本実施形態においては、第１調整用電極１４１を薄肉部１２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極１４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、両電極１４１，１４２間に静電気力（静電引力）を生じさせた際に、第１調整用電極１４１は変位せず、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形（変位）する。このように、第１調整用電極１４１の変位を抑制し、第２調整用電極１４２を含むメンブレン構造体が変形するように構成すると、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００４３】
また、本実施形態によれば、圧電振動子１３０を構成する圧電体薄膜１３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜１３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００４４】
このように構成される超音波センサ１００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図４は、図１に示す超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図５は、図４（ｃ）に続く、超音波センサ１００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【００４５】
先ず、図４（ａ）に示すように、半導体基板１１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極１４０の一方である第１調整用電極１４１を形成する。具体的には、半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に例えば厚さ１μｍのシリコン酸化膜からなるマスク（図示略）を形成して、所定位置に不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）し、熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）する。これにより、厚さ（深さ）約３μｍの第１調整用電極１４１が形成される。以上が、第１調整用電極形成工程である。
【００４６】
また、第１調整用電極１４１の形成領域とは異なる半導体基板１１１の圧電振動子配置面側の表面に不純物をイオン注入（本実施形態においてはリンイオンを注入）し、半導体基板１１１の電位取り出し用のＮ＋拡散領域１１１ａを形成する。なお、第１調整用電極１４１、Ｎ＋拡散領域１１１ａの形成に当たっては、イオン注入法以外にも、拡散法を適用することもできる。
【００４７】
第１調整用電極１４１形成後、図４（ｂ）に示すように、第１調整用電極１４１が形成された半導体基板１１１の表面上に、調整用電極１４０の他方である第２調整用電極１４２を形成する。具体的には、半導体基板１１１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜１１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ４μｍ程度の第１酸化膜１１２を形成する。プラズマＣＶＤ以外にも、熱酸化によって形成しても良い。第１酸化膜１１２形成後、第１酸化膜１１２上に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１３を形成する。本実施形態においては、ＬＰ−ＣＶＤ法を用いて、厚さ０．４μｍ程度の窒化膜１１３を形成する。このとき、半導体基板１１１の裏面に、シリコン窒化膜からなる窒化膜１１６が形成される。窒化膜１１３形成後、窒化膜１１３上に、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜１１４を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第２酸化膜１１４を形成する。
【００４８】
第２酸化膜１１４形成後、第２酸化膜１１４上に、例えばポリシリコン膜を堆積させ、不純物イオンを注入する。本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量２×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、ポリシリコン膜に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。また、不純物の導入されたポリシリコン膜の形成方法も上記例に限定されるものではない。不純物がドープされたポリシリコン膜を形成しても良い。このように、不純物が導入されたポリシリコン膜１４２を形成後、ポリシリコン膜１４２上に、シリコン酸化膜からなる第３酸化膜１１５を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いて、厚さ０．２μｍ程度の第３酸化膜１１５を形成する。なお、このとき、半導体基板１１１の裏面に、ポリシリコン膜１１７が形成される。
【００４９】
そして、第３酸化膜１１５、ポリシリコン膜１４２、第２酸化膜１１４、窒化膜１１３、第１酸化膜１１２の順で、不要部を例えばドライエッチングにより除去し、図４（ｂ）に示すようにそれぞれをパターニングする。これにより、ポリシリコン膜１４２がパターニングされて、上下面を第３酸化膜１１５と第２酸化膜１１４に挟まれ、薄肉部１２０を覆う態様の、第２調整用電極１４２が形成される。以上が第２調整用電極形成工程である。
【００５０】
第２調整用電極１４２形成後、図４（ｃ）に示すように、第２調整用電極１４２上に、薄肉部１２０の形成領域を覆うように、圧電振動子１３０を形成する。具体的には、第３酸化膜１１５上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた下部検出用電極１３２が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の下部検出用電極１３２を形成する。下部検出用電極１３２形成後、下部検出用電極１３２上に、圧電体薄膜１３１としてのＰＺＴ膜を、薄肉部１２０を覆うように、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等により形成し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、スパッタ法を用いて、厚さ１．０μｍ程度の圧電体薄膜１３１を形成する。圧電体薄膜１３１形成後、圧電体薄膜１３１上に、Ｐｔ膜を蒸着法により堆積し、不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、薄肉部１２０を覆うようにパターニングされた上部検出用電極１３３が形成される。なお、本実施形態においては、厚さ０．２５μｍ程度の上部検出用電極１３３を形成する。以上が、圧電振動子形成工程である。
【００５１】
圧電振動子１３０形成後、図５（ａ）に示すように、半導体基板１１１の裏面を研削・研磨し、窒化膜１１６及びポリシリコン膜１１７を除去する。その後、半導体基板１１１の裏面にシリコン窒化膜１１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部１２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜１１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、半導体基板１１１の裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、第１酸化膜１１２をエッチングストッパとして、半導体基板１１１を異方性エッチングする。これにより、半導体基板１１１に貫通孔Ｈが形成される。なお、Ｎ導電型の半導体基板１１１は強アルカリ性溶液によって異方性エッチングされるが、Ｐ導電型である第１調整用電極１４１はエッチングされず、貫通孔Ｈ内に残る。以上がエッチング工程である。
【００５２】
なお、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極１４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極１４１を介して、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位を除去する。具体的には、半導体基板１１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、第１酸化膜１１２を除去する。これにより、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する第１酸化膜１１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板１１０に薄肉部１２０が形成される。すなわち、薄肉部１２０と圧電振動子１３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部１２０と第１調整用電極１４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００５３】
このように本実施形態に係る超音波センサ１００の製造方法によれば、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００（図１参照）を形成することができる。
【００５４】
また、強アルカリ液によって薄肉部１２０の形成領域に対応する半導体基板１１１を除去し、Ｐ導電型の第１調整用電極１４１を選択的に残すことができる。したがって、第１調整用電極１４１と薄肉部１２０を効率よく形成することができる。
【００５５】
なお、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ１００は、上記例に限定されるものではない。例えば、図６に示すように、図１に示す構成に対して、第２調整用電極１４２と窒化膜１１３の積層順を入れ替えた構成としても良い。この場合、第１調整用電極１４１と第２調整用電極１４２との間の間隔が縮まるので、図１に示す構成よりも低電圧で共振周波数を調整することができる。図６は、変形例を示す断面図である。
【００５６】
（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態を、図７に基づいて説明する。図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【００５７】
第２実施形態に係る超音波センサは、第１実施形態に係る超音波センサ１００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００５８】
図７に示すように、本実施形態に係る超音波センサ２００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板２１０と、基板２１０の薄肉部２２０上に形成された圧電振動子２３０と、薄肉部２２０に所定電圧を印加するための調整用電極２４０とを含んでおり、調整用電極２４０は、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２の２つの電極からなる。
【００５９】
基板２１０は、埋め込み絶縁膜（シリコン酸化膜）２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層を配置してなる半導体基板２１１を含んでいる。この半導体層に、不純物（本実施形態においてはボロン）が導入され、所定形状にパターニングされて、図７に示す第１調整用電極２４１が構成されている。また、支持基板２１１ｂには、薄肉部２２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されている。
【００６０】
基板２１０は、半導体基板２１１とともに、半導体基板２１１上に多層に積層配置された絶縁膜と、絶縁膜に挟まれて配置された第２調整用電極２４２とを含んでいる。絶縁膜及び第２調整用電極２４２の構成は、第１実施形態に示した超音波センサ１００の絶縁膜及び第２調整用電極１４２と基本的に同じである。異なる点は、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２が、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１上に形成されている点である。そして、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の、薄肉部１２０（メンブレン構造体）に対応する部位がそれぞれ除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。したがって、本実施形態においても、第１酸化膜２１２上に積層された窒化膜２１３、シリコン酸化膜からなる第２酸化膜２１４、及びシリコン酸化膜からなる第３酸化膜２１５と第２調整用電極２４２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部２２０となっている。すなわち、薄肉部２２０の下面（窒化膜２１３）と第１調整用電極２４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子２３０が振動しない状態で、両者が離間されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。
【００６１】
このように本実施形態に係る超音波センサ２００においても、薄肉部２２０を構成する第２調整用電極２４２と、薄肉部２２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極２４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部２２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加し、両電極２４１，２４２間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。
【００６２】
また、本実施形態においても、第１調整用電極２４１を薄肉部２２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極２４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極２４１の変位を抑制し、第２調整用電極２４２を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００６３】
また、圧電振動子２３０を構成する圧電体薄膜２３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜２３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００６４】
このように構成される超音波センサ２００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図８は、図７に示す超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。図９は、図８（ｃ）に続く、超音波センサ２００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【００６５】
先ず、図８（ａ）に示すように、半導体基板２１１として、シリコン酸化膜からなる埋め込み絶縁膜２１１ａを介して、支持基板２１１ｂ上に半導体層２１１ｃを配置してなる半導体基板（ＳＯＩ基板）２１１を準備する。本実施形態においては、半導体層２１１ｃの厚さを３．５μｍ、埋め込み絶縁膜２１１ａの厚さを０．５μｍ程度としている。そして、半導体層２１１ｃに、不純物をイオン注入（本実施形態においてはボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入）して熱処理（例えば１１５０℃で１０ｈ）し、所定形状にパターニングする。これにより、第１調整用電極２４１が形成される。本実施形態においては、第１調整用電極２４１の構造を、第１実施形態に示した第１調整用電極１４１の構造とほぼ同じとしている。すなわち、メンブレン構造体の形成領域において、第１調整用電極２４１は格子状に構成される。なお、不純物としてはボロンに限定されるものではなく、それ以外にも例えばリンを採用することができる。以上が、第１調整用電極形成工程である。
【００６６】
第１調整用電極２４１形成後、調整用電極２４０の他方である第２調整用電極２４２を形成する。具体的には、図８（ｂ）に示すように、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１調整用電極２４１の表面上に、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜２１２を形成する。本実施形態においては、プラズマＣＶＤ法を用いてシリコン酸化膜を成膜し、エッチバックによる平滑化処理をして、厚さ５μｍ程度の第１酸化膜２１２を形成する。なお、平滑化処理を省略しても良い。第１酸化膜２１２形成後、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、シリコン窒化膜からなる窒化膜２１３、第２酸化膜２１４、第２調整用電極２４２、第３酸化膜２１５を積層形成する。以上が第２調整用電極形成工程である。なお、図８（ｂ）に示す符号２１６は、窒化膜２１３の形成に伴って、支持基板２１１ｂの埋め込み絶縁膜２１１ａ配置面の裏面に形成された窒化膜であり、符号２１７は、第２調整用電極２４２の形成に伴って形成されたポリシリコン膜である。
【００６７】
第２調整用電極２４２形成後、図８（ｃ）に示すように、第２調整用電極２４２上に、薄肉部２２０の形成領域を覆うように、第１実施形態同様の製造方法及び構成で、圧電振動子２３０を形成する。したがって、その記載を省略する。
【００６８】
圧電振動子２３０形成後、図９（ａ）に示すように、支持基板２１１ｂの裏面を研削・研磨し、窒化膜２１６及びポリシリコン膜２１７を除去する。その後、支持基板２１１ｂの裏面にシリコン窒化膜２１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部２２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。なお、本実施形態においては、厚さ０．５μｍ程度のシリコン窒化膜２１８を形成し、エッチング時のマスクとする。マスク形成後、支持基板２１１ｂの裏面側をＴＭＡＨやＫＯＨ等の強アルカリ性溶液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａをエッチングストッパとして、支持基板２１１ｂを異方性エッチングする。これにより、支持基板２１１ｂに貫通孔Ｈが形成される。以上がエッチング工程である。
【００６９】
貫通孔Ｈ形成後、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位を除去する。具体的には、支持基板２１１ｂの裏面側を例えばフッ酸液に浸し、埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２を除去する。これにより、薄肉部２２０（メンブレン構造体）に対応する埋め込み絶縁膜２１１ａ及び第１酸化膜２１２の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板２１０に薄肉部２２０が形成される。すなわち、薄肉部２２０と圧電振動子２３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部２２０と第１調整用電極２４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００７０】
このように本実施形態に係る超音波センサ２００の製造方法によれば、第１調整用電極２４１と第２調整用電極２４２との間に所定電圧を印加する構成の超音波センサ２００（図７参照）を形成することができる。
【００７１】
また、本実施形態においては、半導体基板２１１として、ＳＯＩ構造の半導体基板２１１を採用しており、半導体層２１１ｃに不純物を導入し、パターニングして第１調整用電極２４１を形成する。したがって、第１実施形態に示す超音波センサ１００のように、ＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域やパッドを不要とすることができる。
【００７２】
（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態を、図１０に基づいて説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【００７３】
第２実施形態に係る超音波センサは、第１，第２実施形態に係る超音波センサ１００，２００と共通するところが多いので、以下、共通部分については詳しい説明は省略し、異なる部分を重点的に説明する。
【００７４】
図１０に示すように、本実施形態に係る超音波センサ３００も、ＭＥＭＳ技術を用いて作製された圧電式の超音波センサであり、基板３１０と、基板３１０の薄肉部３２０上に形成された圧電振動子３３０と、薄肉部３２０に所定電圧を印加するための調整用電極３４０とを含んでいる。そして、２つの調整用電極３４０のうち、第２調整用電極３４２が、圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２と共通化されている。
【００７５】
基板３１０は、第１実施形態同様、第１導電型の半導体基板３１１を含んでいる。本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を採用しており、半導体基板３１１の圧電振動子側の表層に、Ｐ導電型の拡散領域として第１調整用電極３４１が形成されている。また、半導体基板３１１には、薄肉部３２０に対応して、貫通孔Ｈが形成されており、第１調整用電極３４１の一部が、貫通孔Ｈ内に露出している。第１調整用電極３４１は、貫通孔Ｈを完全に塞がないように、格子状に構成されている。なお、図１０に示す符号３１１ａは、半導体基板３１１と第１調整用電極３４１とをＰＮ接合にて絶縁分離するための、Ｎ＋拡散領域であり、符号３１１ｂはパッドである。
【００７６】
また、基板３１０は、半導体基板３１１とともに、半導体基板３１１上に配置された絶縁膜と、絶縁膜上に配置された圧電振動子３３０の下部検出用電極３３２とを含んでいる。
【００７７】
本実施形態に係る絶縁膜は、圧電振動子側の半導体基板３１１の表面に配置された、シリコン酸化膜からなる第１酸化膜３１３である。そして、第１酸化膜３１３上に、不純物（例えばボロンやリン）の導入された単結晶シリコンからなる下部検出用電極３３２が配置されている。
【００７８】
第１酸化膜３１３は、半導体基板３１１に貫通孔Ｈを形成する際のエッチングストッパとしての機能を果たすものであり、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する部位が除去され、除去された部分に空間Ｓが構成されている。そして、第１酸化膜３１３上に積層された下部検出用電極３３２のうち、空間Ｓ上の部分が薄肉部３２０となっている。すなわち、薄肉部３２０の下面（下部検出用電極３３２）と第１調整用電極３４１との間には空間Ｓが構成され、少なくとも圧電振動子３３０が振動しない状態で、両者が離間されている。このように、本実施形態においては、下部検出用電極３３２が、第２調整用電極３４２としての機能と薄肉部３２０としての機能を果たすように構成されている。それ以外の構成については、第１実施形態に示した超音波センサ１００と同様であるので、その記載を省略する。
【００７９】
このように本実施形態に係る超音波センサ３００においても、薄肉部３２０を構成する下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）と、薄肉部３２０と空間Ｓを介して離間された第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加することができる。すなわち、メンブレン構造体のうち、薄肉部３２０に所定電圧を印加することができる。そして、第１調整用電極３４１と下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）との間に所定電圧を印加し、両電極３４１，３３２（３４２）間に、超音波を受けた際のメンブレン構造体のばねの復元力とは逆向きの静電気力（静電引力）を生じさせて、メンブレン構造体を変形（変位）させることができる。したがって、所謂負の静電ばね効果によって、メンブレン構造体のばね定数を実質的に変化させて、共振周波数を所望の値に調整することができる。
【００８０】
また、本実施形態においても、第１調整用電極３４１を薄肉部３２０（メンブレン構造体）と離間し、第１調整用電極３４１の厚さを、メンブレン構造体の厚さよりも厚く設定している。したがって、第１調整用電極３４１の変位を抑制し、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を含むメンブレン構造体を変形させることができるので、メンブレン構造体の変形量を大きくすることができる。すなわち、効率よく共振周波数を調整することができる。
【００８１】
また、圧電振動子３３０を構成する圧電体薄膜３３１には所定電圧を印加しない（すなわち、圧電体薄膜３３１の自発分極を利用するものではない）ので、長期にわたって共振周波数を制御することができる。
【００８２】
また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、構造を簡素化することができる。
【００８３】
なお、本実施形態においては、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が、単結晶シリコンに不純物を導入してなる例を示した。それ以外にも、第１実施形態同様、ポリシリコン膜に不純物を導入してなる構成とすることも可能である。しかしながら、ポリシリコン膜は粒界が存在するため、メンブレン構造体の変形にともなって、粒界を起点とし、粒界に沿って亀裂が生じやすい。したがって、本実施形態に示すように、粒界のない単結晶シリコンを用いて、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）を構成することが好ましい。
【００８４】
このように構成される超音波センサ３００は、例えば以下に示す製造方法によって形成することができる。図１１は、図１０に示す超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。図１２は、図１１（ｄ）に続く、超音波センサ３００の一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。
【００８５】
先ず、図１１（ａ）に示すように、本実施形態においても、半導体基板３１１として、面方位（１００）のＮ型シリコン基板を準備し、半導体基板３１１の圧電振動子配置面側の表層に、調整用電極３４０の一方である第１調整用電極３４１を形成する。この工程は、第１実施形態に示す第１調整用電極形成工程と同様であるので、その記載を省略する。なお、第１実施形態同様、第１調整用電極３４１と併せて、半導体基板３１１に電位取り出し用のＮ＋拡散領域３１１ａも形成する。
【００８６】
また、本実施形態においては、第１調整用電極形成工程と並行して、図１１（ｂ）に示すように、第２シリコン基板３１２を準備し、当該基板３１２の表面にシリコン酸化膜からなる酸化膜３１３を形成する。本実施形態においては、熱酸化によって、厚さ２μｍ程度の酸化膜３１３を形成する。なお、第２シリコン基板３１２の準備は、第１調整用電極３４１の形成前後に実施しても良い。以上が、第２シリコン基板準備工程である。
【００８７】
次に、図１１（ｃ）に示すように、第１調整用電極３４１が形成された半導体基板３１１の表面上に、第２シリコン基板３１２を、酸化膜３１３が第１調整用電極形成面に接するように配置し、両者を貼り合わせて接合する。そして、第２シリコン基板３１２の厚さが所定厚さとなるように、酸化膜形成面の裏面から研削・研磨する。本実施形態においては、この研削・研磨により、第２シリコン基板３１２の厚さ（酸化膜３１３除く）を１μｍ程度とする。以上が、貼り合せ工程である。
【００８８】
貼り合せ終了後、所定厚さに調整された第２シリコン基板３１２に対し、不純物を導入して熱処理し、不要部を例えばドライエッチングして所定形状にパターニングする。これにより、図１１（ｄ）に示すように、下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）が形成される。本実施形態においては、ボロンイオンをドーズ量８×１０１６／ｃｍ２で注入し、その後熱処理（例えば１１５０℃で２ｈ）している。なお、第２シリコン基板３１２に注入される不純物はボロンに限定されるものではない。例えばリンでも良い。以上が、振動子形成工程のうち、下部検出用電極３３２の形成部分である。なお、この下部検出用電極の形成が、第１、第２実施形態に記載の第２調整用電極形成工程に相当する。また、この工程において、酸化膜３１３の不要部を例えばドライエッチングし、酸化膜３１３をパターニングする。図１１（ｄ）においては、パッド３４１ａ，３１１ｂ用のコンタクトホールが形成される。
【００８９】
下部検出用電極３３２（第２調整用電極３４２）の形成後、図１２（ａ）に示すように、下部検出用電極３３２上に、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の順に積層配置し、圧電振動子３３０を形成する。なお、圧電体薄膜３３１、上部検出用電極３３３の構成及び製造方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上が、圧電振動子形成工程である。
【００９０】
圧電振動子３３０形成後、半導体基板３１１の裏面を研削・研磨した後、半導体基板３１１の裏面にシリコン窒化膜３１８をプラズマＣＶＤ法により形成し、薄肉部３２０の形成部位に対応する不要部を例えばドライエッチングにより除去する。これにより、図１２（ｂ）に示すように、半導体基板３１１に貫通孔Ｈが形成される。貫通孔Ｈの形成方法は、第１実施形態と同様であるので、その記載を省略する。以上がエッチング工程である。
【００９１】
なお、本実施形態においても、貫通孔Ｈ内に在る（すなわちメンブレン構造体の形成領域に在る）第１調整用電極３４１の部分は、格子状となっている。したがって、貫通孔Ｈ形成後、格子状の第１調整用電極３４１を介して、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位を除去する。具体的には、半導体基板３１１の裏面側を例えばフッ酸液に浸し、酸化膜３１３を除去する。これにより、図１２（ｃ）に示すように、薄肉部３２０（メンブレン構造体）に対応する酸化膜３１３の部位が除去されて空間Ｓが形成され、基板３１０に薄肉部３２０が形成される。すなわち、薄肉部３２０（下部検出用電極３３２）と圧電振動子３３０からなるメンブレン構造体が形成される。また、薄肉部３２０と第１調整用電極３４１とが離間される。以上が離間工程である。
【００９２】
このように本実施形態に係る超音波センサ３００の製造方法によれば、調整用電極３４０として第１調整用電極３４１を含み、下部検出用電極３３２と第１調整用電極３４１との間に、所定電圧を印加する構成の超音波センサ３００（図１０参照）を形成することができる。
【００９３】
また、下部検出用電極３３２と第２調整用電極３４２を共通化しているので、第１、第２実施形態に示した構成に比べて、製造工程を簡素化することができる。
【００９４】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態になんら制限されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々変形して実施することが可能である。なお、本発明の主旨は、メンブレン構造体を構成する薄肉部のみに所定電圧を印加し、それにより生じる静電気力によって、メンブレン構造体全体を変位（変形）させ、共振周波数を調整できる点にある。
【００９５】
本実施形態においては、基板１１０，２１０，３１０に構成されるメンブレン構造体の個数については特に限定しなかった。メンブレン構造体は、１つの超音波素子として構成されている。例えば、１つの基板１１０，２１０，３１０に構成された１つのメンブレン構造体に対して、上述した本発明を適用しても良い。また、１つの基板１１０，２１０，３１０に複数のメンブレン構造体がアレイ化された超音波センサに対して、それぞれのメンブレン構造体の共振周波数を調整し、共振周波数のばらつきを低減することができる。すなわち、所定電圧の印加により、複数のメンブレン構造体を、共振周波数が同一の周波数に調整された構成とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】本発明の第１実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】図１を圧電振動子側から見た平面図である。
【図４】図１に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。
【図５】図４（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【図６】変形例を示す断面図である。
【図７】本発明の第２実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図８】図７に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２調整用電極形成工程、（ｃ）は振動子形成工程を示している。
【図９】図８（ｃ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）はエッチング工程、（ｂ）は離間工程を示している。
【図１０】本発明の第３実施形態に係る超音波センサの概略構成を示す断面図である。
【図１１】図１０に示す超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は第１調整用電極形成工程、（ｂ）は第２シリコン基板準備工程、（ｃ）は貼り合せ工程、（ｄ）は振動子形成工程のうち、下部検出用電極（第２調整用電極）の形成部分を示す図である。
【図１２】図１１（ｄ）に続く、超音波センサの一製造方法の一部を示す断面図であり、（ａ）は振動子形成工程、（ｂ）はエッチング工程、（ｃ）は離間工程を示している。
【符号の説明】
【００９７】
１００・・・超音波センサ
１１０・・・基板
１１１・・・半導体基板
１２０・・・薄肉部
１３０・・・圧電振動子
１３１・・・圧電体薄膜
１３２・・・下部検出用電極
１３３・・・上部検出用電極
１４０・・・調整用電極
１４１・・・第１調整用電極
１４２・・・第２調整用電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一部に薄肉部が形成された基板と、
前記基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、前記薄肉部上に形成された圧電振動子と、
メンブレン構造体を構成する前記薄肉部と前記圧電振動子のうち、前記薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を含み、
印加された前記所定電圧に応じて、前記メンブレン構造体が変形することを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、
前記第１調整用電極と前記第２調整用電極との間に、前記所定電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記基板は、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体層に不純物を導入することにより構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記調整用電極は、第１調整用電極を含み、
前記２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と前記第１調整用電極との間に、前記所定電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項８に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記下部検出用電極は、単結晶シリコンに不純物を導入してなることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項８〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記メンブレン構造体が複数形成されており、
前記メンブレン構造体を構成する前記薄肉部ごとに前記所定電圧を印加できることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記所定電圧の印加により、複数の前記メンブレン構造体の共振周波数が同一の周波数に調整されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、前記基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、
前記基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、前記薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、
前記第１調整用電極形成工程後、前記薄肉部が形成される前記基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる前記圧電振動子を形成する振動子形成工程と、
前記第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、
前記薄肉部の形成領域において、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする超音波センサの製造方法。
【請求項１５】
前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板の表面上に、前記基板の厚さ方向において、多層に積層された前記絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項１６】
前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板に対し、表面に前記絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、前記圧電振動子側表面と前記シリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、
前記振動子形成工程において、前記第２シリコン基板に不純物を導入し、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な前記下部検出用電極を形成することを特徴とする請求項１４に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項１】
一部に薄肉部が形成された基板と、
前記基板の厚さ方向において、２つの検出用電極間に圧電体薄膜を配置してなり、前記薄肉部上に形成された圧電振動子と、
メンブレン構造体を構成する前記薄肉部と前記圧電振動子のうち、前記薄肉部に所定電圧を印加するための調整用電極と、を含み、
印加された前記所定電圧に応じて、前記メンブレン構造体が変形することを特徴とする超音波センサ。
【請求項２】
前記調整用電極は、第１調整用電極と第２調整用電極を含み、
前記第１調整用電極と前記第２調整用電極との間に、前記所定電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項３に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記基板は、支持基板上に埋め込み絶縁膜を介して半導体層を配置してなる半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に多層に積層配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体層に不純物を導入することにより構成され、
前記第２調整用電極は、前記基板の厚さ方向において、前記絶縁膜に挟まれて配置され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記第２調整用電極を含む前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項３〜５いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記調整用電極は、第１調整用電極を含み、
前記２つの検出用電極の一方である基板側の下部検出用電極と前記第１調整用電極との間に、前記所定電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記基板は、第１導電型の半導体基板と、前記半導体基板の圧電振動子側の表面上に配置された絶縁膜を含み、
前記第１調整用電極は、前記半導体基板の圧電振動子側の表層において、前記第１導電型とは反対の、第２導電型の拡散領域として構成され、
前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記半導体基板が除去され、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記半導体基板の表面に接する絶縁膜が除去され、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とが離間されていることを特徴とする請求項７に記載の超音波センサ。
【請求項９】
前記半導体基板はシリコンからなり、
前記第１導電型は、Ｎ導電型であり、
前記第２導電型は、Ｐ導電型であることを特徴とする請求項８に記載の超音波センサ。
【請求項１０】
前記下部検出用電極は、単結晶シリコンに不純物を導入してなることを特徴とする請求項９に記載の超音波センサ。
【請求項１１】
前記基板の厚さ方向において、前記第１調整用電極の厚さが、前記メンブレン構造体の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項８〜１０いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１２】
前記メンブレン構造体が複数形成されており、
前記メンブレン構造体を構成する前記薄肉部ごとに前記所定電圧を印加できることを特徴とする請求項１〜１１いずれか１項に記載の超音波センサ。
【請求項１３】
前記所定電圧の印加により、複数の前記メンブレン構造体の共振周波数が同一の周波数に調整されていることを特徴とする請求項１２に記載の超音波センサ。
【請求項１４】
基板の厚さ方向において２つの検出用電極間に圧電体薄膜が配置された圧電振動子を、前記基板に形成された薄肉部上に配置してなる超音波センサの製造方法であって、
前記基板を構成するＮ導電型の第１シリコン基板の、圧電振動子側の表層に、前記薄肉部に所定電圧を印加するための第１調整用電極として、Ｐ導電型の拡散領域を形成する第１調整用電極形成工程と、
前記第１調整用電極形成工程後、前記薄肉部が形成される前記基板の部位上に、絶縁膜を介して、下部検出用電極、圧電体薄膜、上部検出用電極の順に積層してなる前記圧電振動子を形成する振動子形成工程と、
前記第１シリコン基板の圧電振動子側表面の裏面から強アルカリ液によるエッチング処理を実施し、前記薄肉部の形成領域において、前記第１調整用電極を残して前記第１シリコン基板を除去するエッチング工程と、
前記薄肉部の形成領域において、前記絶縁膜のうち、少なくとも前記第１シリコン基板の表面に接する絶縁膜を除去して、前記メンブレン構造体と前記第１調整用電極とを離間させる離間工程を備えることを特徴とする超音波センサの製造方法。
【請求項１５】
前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な第２調整用電極を、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板の表面上に、前記基板の厚さ方向において、多層に積層された前記絶縁膜間に挟まれる態様で形成する第２調整電極形成工程を備えることを特徴とする請求項１４に記載の超音波センサの製造方法。
【請求項１６】
前記振動子形成工程の前に、前記第１調整用電極が形成された前記第１シリコン基板に対し、表面に前記絶縁膜としてシリコン酸化膜の形成された第２シリコン基板を、前記圧電振動子側表面と前記シリコン酸化膜形成面が接触するように貼り合せる貼り合せ工程を備え、
前記振動子形成工程において、前記第２シリコン基板に不純物を導入し、前記第１調整用電極との間で、前記薄肉部に所定電圧の印加が可能な前記下部検出用電極を形成することを特徴とする請求項１４に記載の超音波センサの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２９５４０５（Ｐ２００７−２９５４０５Ａ）
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１２２５７７（Ｐ２００６−１２２５７７）
【出願日】平成１８年４月２６日（２００６．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１１月８日（２００７．１１．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年４月２６日（２００６．４．２６）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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