電気機械変換装置、及びその製造方法
【課題】特性ばらつきの小さい電気機械変換装置及びその製造方法を提供することである。
【解決手段】電気機械変換装置１は、第１電極４と、間隙５を隔てて第１電極４と対向して設けられた第２電極６を備える振動膜７と、振動膜７を支持する支持部８と、で構成されるセルを複数有する。間隙５の外周部に、間隙５との間で支持部８の一部を介在させて、振動膜７と支持部８との間の段差を小さくするための構造物１０が設けられている。
【解決手段】電気機械変換装置１は、第１電極４と、間隙５を隔てて第１電極４と対向して設けられた第２電極６を備える振動膜７と、振動膜７を支持する支持部８と、で構成されるセルを複数有する。間隙５の外周部に、間隙５との間で支持部８の一部を介在させて、振動膜７と支持部８との間の段差を小さくするための構造物１０が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型超音波トランスデューサなどの超音波等の弾性波の送信と受信の少なくとも一方を行う電気機械変換装置、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うもので、例えば生体内の腫瘍などの診断装置に用いられている。近年、マイクロマシンニング技術を用いて作製される静電容量型超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers : CMUT）の開発が進められている。ＣＭＵＴは、従来の圧電体を利用した超音波トランスデューサと比較して、広帯域特性が容易に得られる点や振動モードが少なく低ノイズである点などが優れている。このＣＭＵＴの特徴は、軽量の振動膜を用いて超音波を送信もしくは受信することである。よって、このＣＭＵＴを利用した、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が、有望な技術として注目されつつある。
【０００３】
ＣＭＵＴの１つの製法としては、犠牲層エッチングを特徴とするサーフェスマイクロマシニング技術が用いられる。サーフェスマイクロマシニング技術には、犠牲層エッチングのほかに、薄膜の応力制御に高度な技術が要求される。特に、ＣＭＵＴは、少なくとも１つのセルを含む単一エレメントが複数の振動膜で構成されるため、薄膜である振動膜における応力分布の大きさはＣＭＵＴの性能を決定する。ＣＭＵＴのみならず、メンブレン（薄膜）構造を作製する方法としては化学気相成長（Chemical Vapor Deposition : CVD）が一般的に用いられ、材料としては窒化ケイ素（SiN）が主に用いられる。
【０００４】
上記技術について、犠牲層を形成後、その上にSiN、金属（電極層）、SiNを形成し、応力による撓みの制御をしたＣＭＵＴの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。また、犠牲層にパターンを形成せずに、エッチング孔の配置とエッチング時間の制御により犠牲層を制御してエッチングし、振動膜を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。この方法によれば、振動膜支持部と振動膜との上面をほぼ同一面とできるため、応力による振動膜の撓みが抑制された構造になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開2005/0177045
【特許文献２】米国特許第5894452号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電容量型超音波トランスデューサは、メンブレンの寸法ばらつきがエレメントの性能を劣化させることから、サーフェスマイクロマシニングによる製法では、犠牲層をパターニングして形成した後に、薄膜を成膜し、犠牲層エッチングを行うのが一般的である。その際、セルの断面において、振動膜支持部と振動膜との間に犠牲層の厚さとほぼ等しい段差が生じることがある。この段差によって、薄膜と電極で形成される振動膜の応力による撓みが大きくなりやすい。このような場合、振動膜の応力がエレメント内もしくは複数のエレメント間で分布を有するとき、振動膜の撓み分布が発生する。これは、上下電極間距離の分布となり、エレメントの変換効率にばらつきをもたらす。超音波トランスデューサは複数のエレメントを用いて、超音波信号を発信もしくは受信するので、変換効率にばらつきがあると、発信される超音波に強度斑や位相ズレが生じたり、受信信号に分布が存在したりするなど、性能を著しく低下させる。静電容量型超音波トランスデューサは電極間距離を小さくすることによって高変換効率化を実現することができる。その際、振動膜の撓みばらつきは、即ち、電極間距離のばらつきになるため、性能が均一で変換効率の高い超音波トランスデューサを実現するためにはメンブレンの撓みばらつきを小さくすることが課題となる。上記特許文献１の技術では、セルのキャビティ径のばらつきは小さくできるが、振動膜の応力による撓みを充分抑制できるとは言えない。他方、上記特許文献２の技術では、振動膜の応力による撓みは抑制できるが、セルのキャビティ径をエッチングの制御により決めるため、ばらつきが出やすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は、第１電極と、間隙を隔てて第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する。そして、間隙の外周部に、間隙との間に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられている。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置の本発明の製造方法は、以下の工程を有する。第１電極を形成する工程。第１電極の上に犠牲層を形成する工程。犠牲層の上に、第１電極とは絶縁された第２電極を形成する工程。前記犠牲層を除去して、第１電極と第２電極との間の間隙と第２電極を備える振動膜を形成する工程。そして、犠牲層を形成する工程で、複数のセルの間の領域に、犠牲層を形成する材料で、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物を形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、間隙の外周部に上記の如き構造物を配設して、振動膜の応力による撓みを抑制する。その結果、応力分布が生じたときの撓み分布を小さくすることが可能になり、電気機械変換装置の特性ばらつきを低減する効果が奏される。また、特性ばらつきの小さな電気機械変換装置をエレメントとして複数用いることで、広い領域で同等の信号の受信や送信が可能になる。例えば、多くの位置においてむらの無い送信や受信が可能となって、多次元の超音波信号を同時的に取得したり、高精度な多次元の被検体物理情報を取得したりすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電気機械変換装置の実施形態である超音波トランスデューサを示す図。
【図２】本発明の効果を説明する段差とメンブレン撓みの関係のグラフ。
【図３】本発明の他の実施形態である超音波トランスデューサアレイの上面図。
【図４】本発明の他の実施形態である超音波トランスデューサの製造方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、間隙の外周部に、間隙との間に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられることである。構造物の高さは、振動膜と支持部との間の段差を抑制するという効果の観点から、典型的には、間隙の高さ前後（例えば、間隙の高さ（例えば１８５ｎｍ）を中心として、その表面粗さ（３ｎｍ以下程度）が加味された程度の高さ）である。しかし、場合によっては、そうした範囲外の高さであってもよい。ただし、極端に高かったり（例えば、間隙の２倍の高さ）極端に低かったりすると、効果が十分得られないことになる。よって、効果達成の観点から、材料、他の部分の構造などを考慮して、仕様に従って構造物の高さを設定するのが良く、具体的には、間隙の高さ±１０％の範囲の高さの構造物であればよい。また、構造物を設ける場所としての支持部の外周部とは、間隙の側面との間で支持部の一部を介在させた所であるが、必ずしも間隙を隙間なく囲んだ外周に沿った所とは限らず、後述の実施形態の如く、一部が途切れていてもよい。この構造物の形成範囲も、効果達成の観点から、材料、他の部分の構造などを考慮して、仕様に従って決めるのが良い。
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態である超音波トランスデューサ１を示す。図１（a）は上面図であり、（b）は断面図である。超音波トランスデューサ１は複数のセル２で構成される。図１ではセル２が正方格子状に配設されているが、千鳥状などでもよく、並べ方は問わない。セル２は、基板３上に形成された第１電極４、犠牲層エッチングによって形成される間隙５（一定程度大気圧から減圧された空隙など）、第２電極６と絶縁層９（第１のメンブレン）とを備える振動膜７、振動膜７を支持する支持部８で構成される。振動膜７は、図１では円形であるが、四角形、六角形、楕円形などでもよい。また、基板３は、一般的な集積回路や光デバイスを作製するために使用されるウエハであってもよく、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガラス（ＳｉＯ２）、ＳｉＣ、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）などでもよい。第１電極４、第２電極６は、金属薄膜ならばよく、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗやその化合物であるＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＴｉＣなどでもよい。第１電極４は、基板３とは絶縁されていても、或いは基板が電気を導通する物質であれば接続していてもよい。また、基板３が第１電極４と一体であってもよく、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板そのものを第１電極として機能させてもよい。
【００１３】
セル２は、超音波トランスデューサ１内で第１電極４同士、第２電極６同士はそれぞれ導通しており、第１電極４と第２電極６とは絶縁膜９により絶縁されている。超音波トランスデューサ１は電気的にはキャパシタとして機能し、可動な振動膜７により静電容量が時間的に変動する。振動膜７を周期的に振動させることで超音波を発生し、また、超音波を受けると振動膜７が振動し、電極に交流電流が発生する。
【００１４】
上記課題を解決する本実施形態は、構造物１０を支持部８の外周部に（すなわち、間隙５の周りに間隙に対して支持部８の一部を介在させて）配設している。通常、支持部８は、振動膜７の絶縁膜９と一体となっており、図１（ｂ）に示すように、基板３上に形成された第１電極４上、もしくは、第１電極４上に成膜された絶縁膜上や基板上に形成されることで振動膜７を支持する。ここでは、前述した様に、構造物１０は、間隙５とは支持部８の部分で離されて存在している。構造物１０の存在により、通常、支持部８上部に生じる犠牲層高さ分の段差が緩和される。この段差と振動膜の撓みとの関係を示した図２から、構造物１０の効果は明らかである。すなわち、図２に示す如く、構造物の幅は大きいほど振動膜の撓みも小さくなる。ここで、「構造物１０の幅」の方向は、間隙５の側面に対する法線方向（図１（b）の左右方向）と一致する。この様に、本実施形態では、セルは、第１電極と、間隙を隔てて第１電極と対向して第１電極とは絶縁されて設けられた第２電極と、第２電極を備え間隙上に形成された振動膜と、支持部と、で構成され、電気機械変換装置はセルを複数有する。そして、支持部の外周部に、間隙との間で幅の方向に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするために間隙の第１電極側の底面のレベルから第２電極のあるレベルの方向に突出している構造物が設けられる。例えば、この構造物の間隙の底面のレベルからの高さは、間隙の高さと等しい。
【００１５】
構造物１０は、間隙５とは上記幅の方向に離れているが、間隙高さの２倍以下の距離に存在する。間隙５上に成膜される層によって振動膜７と支持部８が形成されるが、間隙５を完全に被覆するためには振動膜７の厚さが間隙５の高さの２倍程度必要である。構造物１０と間隙５との距離が、振動膜７の最小厚さと比較して同等もしくは小さければ、構造物１０と間隙５の間を支持部８の一部で埋めることができ、段差を小さくできる。それ以上離れると、構造物１０の有無にかかわらず、支持部上部に段差が生じるため、効果は減少することになる。つまり、支持部の一部を介在させた構造物と間隙との距離は、間隙の高さの２倍以下であり、間隙の側面の法線方向における構造物の幅は、振動膜の厚さ以上であることが好ましい。図１では、各構造物１０が各セル２の外周付近に存在しているが、セル間において構造物は繋がって一体となっていてもよい。
【００１６】
図３に本発明の第２の実施形態である超音波トランスデューサアレイ２１を示す。超音波トランスデューサアレイは、図１に示す様な超音波トランスデューサ１を水平方向に、一次元もしくは二次元的に配列した電気機械変換装置である。図３では超音波トランスデューサ１が二次元的に正方格子状に配列されているが、千鳥状であっても、六方格子状などであっても構わない。同様に、図３では、超音波トランスデューサ１が正方形をしているが、円形でも、６角形でも、短冊形状などであってもよい。構造物１０は、複数の超音波トランスデューサ１（以下では、エレメントとも称する）を跨いで存在していても構わない。つまり、構造物１０はエレメントで分離されている必要はない。このとき複数のトランスデューサ１の信号のクロストーク要因にならないためには、構造物１０は電気的に浮遊もしくは絶縁である必要がある。図３の構成では、各エレメントの第２電極６が信号線２２で引き出されている。
【００１７】
セルを１つ以上含むエレメントが複数配設されて構成された電気機械変換装置であるトランスデューサアレイは、複数のエレメントで弾性波を同時的に受信すること及び複数のエレメントから弾性波を同時的に送信すること、の少なくとも一方を行うことができる。そして、特性ばらつきの小さな電気機械変換装置をエレメントとして複数用いることで、広い領域で同等の信号の受信や送信が可能になって、多次元の超音波信号を同時的に取得したり、高精度な多次元の物理情報を取得したりすることが可能になる。
【００１８】
次に、上述した超音波トランスデューサの製造方法に係る第３の実施形態を図４を用いて説明する。超音波トランスデューサの製法は、アレイ素子である図３に示した超音波トランスデューサアレイの製法と同様であり、トランスデューサアレイの製法にも適用できる。
【００１９】
まず、図４に示す様に、基板３１上に、導体の成膜、フォトリソグラフィ、パターニングにより、第１電極３２を形成する（図４（ａ））。このとき、第１電極３２と基板３１は導通していても、絶縁していても構わない。次に、第１電極３２上への成膜、フォトリソグラフィ、パターニングにより、犠牲層３３を形成する（図４（ｂ））。第１電極３２と犠牲層３３との間に絶縁膜があってもよい。犠牲層３３の材料は、犠牲層がキャビティ（間隙）形状を決定することを考慮して、周囲の材料との加工選択比が良好であり、パターニングばらつきが小さいものであることが必要である。犠牲層３３を形成すると同時に、構造物３４も形成される。これにより、工程数が増加することなく、本発明の効果を達成可能な構成が製造される。次に、犠牲層３３、構造物３４の上に第１のメンブレン３５を成膜する（図４（ｃ））。続けて、導体を成膜、フォトリソグラフィ、パターニングすることにより、第２電極３６を形成する（図４（ｄ））。
【００２０】
次に、第１のメンブレン３５に孔３７をあけて、犠牲層３３の一部を露出させる。そして、犠牲層３３をエッチングし、間隙３８を形成する（図４（e））。その後、孔３７を封止すると同時に第２のメンブレン３９を成膜する（図４（ｆ））。第２電極３６を形成した後に、第２のメンブレンを形成し、第２のメンブレンと第１のメンブレンに孔をあけて犠牲層エッチングを行い、更に孔を封止するという製法でもよい。この様に、本実施形態の製造方法は、第１電極の形成工程と、犠牲層の形成工程と、第１電極とは絶縁した第２電極の形成工程と、犠牲層を除去して、電極間の間隙と第２電極を含有する振動膜を形成する工程と、を有する。そして、犠牲層の形成工程において、複数のセルの間の領域に、犠牲層を形成する材料で、振動膜と支持部との間の段差を小さくするために間隙の第１電極側の底面のレベルから第２電極のあるレベルの方向に突出している構造物を同時に形成する。
【００２１】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）（構造物を含むトランスデューサ）
本発明の第１の実施例である超音波トランスデューサを説明する。本実施例を最もよく表す図１において、犠牲層３３（図４参照）によって形成される間隙５の高さは１００乃至３００ナノメートルである。振動膜７或いは間隙５の形状を円形とすると、その直径は２０乃至７０マイクロメートルである。図１の例では、振動膜７は第２電極６を含む３層構成であるが、第２電極６以外の部分の材料としては窒化シリコン、ダイヤモンド、炭化シリコン、酸化シリコン、ポリシリコンなどが挙げられる。例えば、PECVD（Plasma-enhanced-chemical-vapor-deposition）で成膜された窒化シリコンを振動膜７の主要材料とするとき、振動膜７の厚さは５００ナノメートル乃至２０００ナノメートル程度である。第２電極６の厚さは、振動膜７全体の２０％未満であればよい。これは、電極材料による応力から生じる撓みの影響を小さくするためである。窒化シリコンは、撓みの制御性が良く、好ましい材料である。
【００２２】
第１電極４と第２電極６とは絶縁されていなくてはならないが、振動膜７が窒化シリコンであれば絶縁される。また、第１電極４と間隙５との間に別の絶縁層があってもよい。構造物１０の材料は、犠牲層材料と同じでも異なっていてもよい。犠牲層材料と同じであれば、構造物１０の有無にかかわらず工程数を増加することなく、また間隙５と同じ高さの構造物１０を配置することができる。犠牲層及び構造物１０の材料としては、振動膜７を構成する材料や該材料との加工選択比や加工温度により決定される。例えば、クロム、モリブデン、アルミニウム、或いはそれらの化合物のほか、ポリシリコン、アモルファスシリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどであればよい。
【００２３】
図２のグラフから段差は小さければよく、そのためには、構造物１０の高さは間隙５の底面を基準としての間隙５の高さと同程度ならばよい。同様に、図２は、構造物１０の水平方向の幅が大きいほど撓みが小さくなることを示しており、幅は振動膜７の厚さ以上が望ましい。間隙５の側面に垂直に振動膜７の厚さ以上の幅があれば、撓みが小さくなる効果を有する。構造物１０は、水平方向（前記幅の方向）には間隙５の側面から、支持部８の部分を介在させて、間隙５の高さの２倍以下の距離を隔てて存在するとよい。構造物１０の間隙５からの距離は、好ましくは間隙５の高さ以下の距離を隔てて存在するとよい。構造物１０はセル２に対してだけでなく、複数のセル２の間に存在しても同様の効果を有する。
【００２４】
本実施例では、応力の分布に起因する振動膜の撓み分布・ばらつきを抑制する効果により、高変換効率を有する高性能の超音波トランスデューサを実現できる。
【００２５】
（実施例２）（トランスデューサアレイ）
本発明の第２の実施例である超音波トランスデューサアレイを説明する。本実施例は第１の実施例の変形である。本実施例を表す図３において、アレイ２１全体の大きさは、一辺の長さが１０乃至４０ミリメートルであり、その中に、上記超音波トランスデューサ（エレメント）１が一次元または二次元的に配設されている。超音波トランスデューサの内部構成は実施例１と同等である。各トランスデューサへ外部から駆動信号を入力、或いは受信信号を出力する配線が存在するが、これらは超音波トランスデューサアレイの目的によって変わる。図３では、超音波トランスデューサ１が二次元正方格子状に配列された例を示す。例えば、超音波トランスデューサ１の一辺が１ミリメートルとして、１辺が２０ミリメートルの正方形の二次元アレイならば、その大きさは２０ミリメートル×２０ミリメートルとなる。
【００２６】
このような寸法の超音波トランスデューサアレイ２１では、図１における振動膜７の応力に分布が存在する場合、この応力分布は超音波トランスデューサ１間での特性ばらつきの要因となる。構造物１０の効果により、電極間距離の超音波トランスデューサ１間ばらつきを低減できる。また、構造物１０は２つの超音波トランスデューサ１を跨いで存在してもよい。これにより、超音波トランスデューサ１の最外周のセル２にも内部のセル２と同様の効果を与えることができるのと同時に、隣接する超音波トランスデューサ１との距離を空けることなく構造物を配設可能になる。
【００２７】
本実施例では、複数の超音波トランスデューサによって構成される超音波トランスデューサアレイの特性ばらつきを低減することができる。その結果、強度斑の小さい超音波を生成し、また、受音面積の大きな超音波トランスデューサアレイを実現できる。これにより、広い領域においてむらが無く同等な信号受信や信号送信ができて、高精細な高次元の超音波信号の送信や受信ができる。
【００２８】
（実施例３）（製法）
本発明の第３の実施例である超音波トランスデューサの製造方法を説明する。静電容量型超音波トランスデューサは半導体製造プロセスを応用して製造されるのが一般的である。本実施例における製造方法では、中でも、犠牲層エッチングを主体とする表面マイクロマシニング技術を用いる。本実施例を最もよく表す図４において、基板３１は、単結晶シリコン基板が好ましいが、ガラス基板、ＳＯＩ基板などでも同様に作製できる。
【００２９】
基板３１上に、真空蒸着またはＣＶＤ法またはスパッタリング或いはメッキなどの成膜方法で導体を成膜し、フォトリソグラフィ、エッチングにより、第１電極３２を形成する（図４（ａ））。第１電極３２の構成に求められるのは、低電気抵抗・耐熱性・平滑性である。以上から、シリコン基板もしくはＳＯＩを使う場合には、Ｓｉ自体を第１電極とすることもできる。また、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗといった高融点金属、或いはこれらの化合物、更にはこれらをバリアとして第１電極を構成することもできる。ただし、平滑性を満たすためには、成膜で作製する場合、ごく薄くする必要がある。当然、以降のプロセス選択性も求められる。本実施例では、第１電極としてＴｉを真空蒸着もしくはスパッタリングで５０〜１００ナノメートル成膜する。或いは、厚めに成膜して、研磨することで平坦にしてもよい。基板３１を単結晶シリコンとするときは、予め熱酸化工程により０．５〜２．０マイクロメートルのシリコン酸化膜を成膜したものを用いる。これにより、第１電極をパターニングで分離形成可能になる。
【００３０】
次に犠牲層を形成する（図４（ｂ））。この工程の前に、ＣＶＤなどで絶縁層を成膜してもよい。犠牲層は先述のとおり１００〜３００ナノメートルとする。犠牲層３３の構成に求められるのは、エッチング選択性・耐熱性・平滑度・エッチング均一性である。フォトリソグラフィ、エッチングにより犠牲層のパターンを形成する。このパターンで、図１における間隙５の形状が決定される。間隙５の形状は、円形、四角形、六角形などでよい。例えば円形とすると、その直径は２０乃至７０マイクロメートルである。犠牲層に用いる材料は、Ｃｒ、Ｍｏ、アモルファスＳｉ、酸化シリコンなどである。構造物３４に求められる構成は、材料については犠牲層３３に対する要求条件を超えるものはない。例えば、犠牲層３３と同程度の厚みや、前述した間隙３８となる犠牲層３３に対する位置関係や、前述した寸法を有すればよい。
【００３１】
本実施例では、犠牲層３３を形成すると同時に構造物３４を形成する。これにより、工程を増やすことなく上記効果を奏する超音波トランスデューサ１を作製できる。次に、犠牲層３３、構造物３４の上に第１のメンブレン３５を成膜する（図４（ｃ））。メンブレンとしての材料に対する要求は、軽量で硬く、応力制御が容易で、厚さ分布が小さいことである。例えば、ＰＥＣＶＤで窒化シリコンを４００〜７００ナノメートル成膜する。応力は０〜１５０MPaの範囲であればよい。ここで、第１のメンブレン３５が絶縁体のときは問題ないが、半導体や導体材料、例えば多結晶シリコンなどを選択する場合、第１電極と後述する第２電極との間に絶縁膜が必要となる。この場合は犠牲層３３、構造物３４の形成前に絶縁層を成膜することが必須となる。
【００３２】
第１のメンブレン３５を成膜後、真空蒸着またはＣＶＤ法またはスパッタリング或いはメッキなどの成膜方法で導体を成膜し、フォトリソグラフィ、エッチングにより、第２電極３６を形成する（図４（ｄ））。第２電極３６の構成に求められるのは、エッチング選択性・耐熱性・エッチング均一性・低応力・低抵抗である。耐熱性は、この後に封止膜の成膜工程があるためである。また、電極面積は静電容量の変数であるため、エッチングばらつきが小さいことが要求される。ただし、反応性イオンエッチングを中心とするドライエッチングでは選択比が一般的に小さく、フォトレジストで保護をしていたとしても第１のメンブレン３５の材料に損傷を与える恐れがある。これにより応力が大きくなると振動膜が撓み、間隙５の高さ制御が困難になる。以上のことから、第２電極３６の材料はＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、或いはそれらの化合物が最適であり、またＡｌなどの低融点の金属を用いる際でもＴｉやＴｉＮなどをバリアメタルとすることが必須である。同時に、第２電極３２が第１のメンブレン３５に対して厚いと応力による撓みが生じ、場合によっては次工程の犠牲層エッチングが困難になる。第２電極３２の厚さは５０〜２００ナノメートルであればよい。図４では第１のメンブレン３５上の第２電極３６の面積は犠牲層３３よりも小さくなっているが、大きくてもよい。
【００３３】
次に、第１のメンブレン３５に孔３７をあけて、犠牲層３３を露出させる。そして、犠牲層３３をエッチングし、間隙３８を形成する（図４（e））。その後、孔３７を封止すると同時に第２のメンブレン３９を成膜する（図４（ｆ））。封止の密着性を保ち、応力制御が可能で、均一性が求められる第２のメンブレン３９は第１のメンブレン３５と同じ材料であることが望ましい。例えば、窒化シリコンをＣＶＤにより成膜する。このとき、第２のメンブレン３９は、間隙３８の高さに起因する段差を埋めるに十分な厚さ以上が必要であり、６００乃至１５００ナノメートルの範囲であればよい。
【００３４】
第２電極３６を形成した後に、第２のメンブレンを形成し、第２のメンブレンと第１のメンブレンに孔をあけて犠牲層エッチングを行い、更に孔を封止するという製法でもかまわない。この方法であれば、第２電極３６のエッチング選択性は問われなくなる。また、孔３７周囲以外の部分の第２のメンブレン３９をエッチングして、薄くしてもよい。本実施例によって、高い変換効率を有する超音波トランスデューサ及び特性ばらつきの小さい超音波トランスデューサアレイを製造できる。
【符号の説明】
【００３５】
１・・超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）、４・・第１電極、５・・間隙、６・・第２電極、７・・振動膜、８・・支持部、１０・・構造物
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電容量型超音波トランスデューサなどの超音波等の弾性波の送信と受信の少なくとも一方を行う電気機械変換装置、及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、超音波の送信及び受信の少なくとも一方を行うもので、例えば生体内の腫瘍などの診断装置に用いられている。近年、マイクロマシンニング技術を用いて作製される静電容量型超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers : CMUT）の開発が進められている。ＣＭＵＴは、従来の圧電体を利用した超音波トランスデューサと比較して、広帯域特性が容易に得られる点や振動モードが少なく低ノイズである点などが優れている。このＣＭＵＴの特徴は、軽量の振動膜を用いて超音波を送信もしくは受信することである。よって、このＣＭＵＴを利用した、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が、有望な技術として注目されつつある。
【０００３】
ＣＭＵＴの１つの製法としては、犠牲層エッチングを特徴とするサーフェスマイクロマシニング技術が用いられる。サーフェスマイクロマシニング技術には、犠牲層エッチングのほかに、薄膜の応力制御に高度な技術が要求される。特に、ＣＭＵＴは、少なくとも１つのセルを含む単一エレメントが複数の振動膜で構成されるため、薄膜である振動膜における応力分布の大きさはＣＭＵＴの性能を決定する。ＣＭＵＴのみならず、メンブレン（薄膜）構造を作製する方法としては化学気相成長（Chemical Vapor Deposition : CVD）が一般的に用いられ、材料としては窒化ケイ素（SiN）が主に用いられる。
【０００４】
上記技術について、犠牲層を形成後、その上にSiN、金属（電極層）、SiNを形成し、応力による撓みの制御をしたＣＭＵＴの製造方法が提案されている（特許文献１参照）。また、犠牲層にパターンを形成せずに、エッチング孔の配置とエッチング時間の制御により犠牲層を制御してエッチングし、振動膜を形成する方法も提案されている（特許文献２参照）。この方法によれば、振動膜支持部と振動膜との上面をほぼ同一面とできるため、応力による振動膜の撓みが抑制された構造になるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許公開2005/0177045
【特許文献２】米国特許第5894452号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
静電容量型超音波トランスデューサは、メンブレンの寸法ばらつきがエレメントの性能を劣化させることから、サーフェスマイクロマシニングによる製法では、犠牲層をパターニングして形成した後に、薄膜を成膜し、犠牲層エッチングを行うのが一般的である。その際、セルの断面において、振動膜支持部と振動膜との間に犠牲層の厚さとほぼ等しい段差が生じることがある。この段差によって、薄膜と電極で形成される振動膜の応力による撓みが大きくなりやすい。このような場合、振動膜の応力がエレメント内もしくは複数のエレメント間で分布を有するとき、振動膜の撓み分布が発生する。これは、上下電極間距離の分布となり、エレメントの変換効率にばらつきをもたらす。超音波トランスデューサは複数のエレメントを用いて、超音波信号を発信もしくは受信するので、変換効率にばらつきがあると、発信される超音波に強度斑や位相ズレが生じたり、受信信号に分布が存在したりするなど、性能を著しく低下させる。静電容量型超音波トランスデューサは電極間距離を小さくすることによって高変換効率化を実現することができる。その際、振動膜の撓みばらつきは、即ち、電極間距離のばらつきになるため、性能が均一で変換効率の高い超音波トランスデューサを実現するためにはメンブレンの撓みばらつきを小さくすることが課題となる。上記特許文献１の技術では、セルのキャビティ径のばらつきは小さくできるが、振動膜の応力による撓みを充分抑制できるとは言えない。他方、上記特許文献２の技術では、振動膜の応力による撓みは抑制できるが、セルのキャビティ径をエッチングの制御により決めるため、ばらつきが出やすい。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は、第１電極と、間隙を隔てて第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する。そして、間隙の外周部に、間隙との間に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられている。
【０００８】
また、上記課題に鑑み、第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置の本発明の製造方法は、以下の工程を有する。第１電極を形成する工程。第１電極の上に犠牲層を形成する工程。犠牲層の上に、第１電極とは絶縁された第２電極を形成する工程。前記犠牲層を除去して、第１電極と第２電極との間の間隙と第２電極を備える振動膜を形成する工程。そして、犠牲層を形成する工程で、複数のセルの間の領域に、犠牲層を形成する材料で、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物を形成する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、間隙の外周部に上記の如き構造物を配設して、振動膜の応力による撓みを抑制する。その結果、応力分布が生じたときの撓み分布を小さくすることが可能になり、電気機械変換装置の特性ばらつきを低減する効果が奏される。また、特性ばらつきの小さな電気機械変換装置をエレメントとして複数用いることで、広い領域で同等の信号の受信や送信が可能になる。例えば、多くの位置においてむらの無い送信や受信が可能となって、多次元の超音波信号を同時的に取得したり、高精度な多次元の被検体物理情報を取得したりすることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の電気機械変換装置の実施形態である超音波トランスデューサを示す図。
【図２】本発明の効果を説明する段差とメンブレン撓みの関係のグラフ。
【図３】本発明の他の実施形態である超音波トランスデューサアレイの上面図。
【図４】本発明の他の実施形態である超音波トランスデューサの製造方法を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の特徴は、間隙の外周部に、間隙との間に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられることである。構造物の高さは、振動膜と支持部との間の段差を抑制するという効果の観点から、典型的には、間隙の高さ前後（例えば、間隙の高さ（例えば１８５ｎｍ）を中心として、その表面粗さ（３ｎｍ以下程度）が加味された程度の高さ）である。しかし、場合によっては、そうした範囲外の高さであってもよい。ただし、極端に高かったり（例えば、間隙の２倍の高さ）極端に低かったりすると、効果が十分得られないことになる。よって、効果達成の観点から、材料、他の部分の構造などを考慮して、仕様に従って構造物の高さを設定するのが良く、具体的には、間隙の高さ±１０％の範囲の高さの構造物であればよい。また、構造物を設ける場所としての支持部の外周部とは、間隙の側面との間で支持部の一部を介在させた所であるが、必ずしも間隙を隙間なく囲んだ外周に沿った所とは限らず、後述の実施形態の如く、一部が途切れていてもよい。この構造物の形成範囲も、効果達成の観点から、材料、他の部分の構造などを考慮して、仕様に従って決めるのが良い。
【００１２】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
図１に、本発明の第１の実施形態である超音波トランスデューサ１を示す。図１（a）は上面図であり、（b）は断面図である。超音波トランスデューサ１は複数のセル２で構成される。図１ではセル２が正方格子状に配設されているが、千鳥状などでもよく、並べ方は問わない。セル２は、基板３上に形成された第１電極４、犠牲層エッチングによって形成される間隙５（一定程度大気圧から減圧された空隙など）、第２電極６と絶縁層９（第１のメンブレン）とを備える振動膜７、振動膜７を支持する支持部８で構成される。振動膜７は、図１では円形であるが、四角形、六角形、楕円形などでもよい。また、基板３は、一般的な集積回路や光デバイスを作製するために使用されるウエハであってもよく、例えばシリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、ガラス（ＳｉＯ２）、ＳｉＣ、Ｓｉｌｉｃｏｎ−ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）などでもよい。第１電極４、第２電極６は、金属薄膜ならばよく、例えばＡｌ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｍｏ、Ｗやその化合物であるＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＳｉＣｕ、ＴｉＷ、ＴｉＮ、ＴｉＣなどでもよい。第１電極４は、基板３とは絶縁されていても、或いは基板が電気を導通する物質であれば接続していてもよい。また、基板３が第１電極４と一体であってもよく、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板そのものを第１電極として機能させてもよい。
【００１３】
セル２は、超音波トランスデューサ１内で第１電極４同士、第２電極６同士はそれぞれ導通しており、第１電極４と第２電極６とは絶縁膜９により絶縁されている。超音波トランスデューサ１は電気的にはキャパシタとして機能し、可動な振動膜７により静電容量が時間的に変動する。振動膜７を周期的に振動させることで超音波を発生し、また、超音波を受けると振動膜７が振動し、電極に交流電流が発生する。
【００１４】
上記課題を解決する本実施形態は、構造物１０を支持部８の外周部に（すなわち、間隙５の周りに間隙に対して支持部８の一部を介在させて）配設している。通常、支持部８は、振動膜７の絶縁膜９と一体となっており、図１（ｂ）に示すように、基板３上に形成された第１電極４上、もしくは、第１電極４上に成膜された絶縁膜上や基板上に形成されることで振動膜７を支持する。ここでは、前述した様に、構造物１０は、間隙５とは支持部８の部分で離されて存在している。構造物１０の存在により、通常、支持部８上部に生じる犠牲層高さ分の段差が緩和される。この段差と振動膜の撓みとの関係を示した図２から、構造物１０の効果は明らかである。すなわち、図２に示す如く、構造物の幅は大きいほど振動膜の撓みも小さくなる。ここで、「構造物１０の幅」の方向は、間隙５の側面に対する法線方向（図１（b）の左右方向）と一致する。この様に、本実施形態では、セルは、第１電極と、間隙を隔てて第１電極と対向して第１電極とは絶縁されて設けられた第２電極と、第２電極を備え間隙上に形成された振動膜と、支持部と、で構成され、電気機械変換装置はセルを複数有する。そして、支持部の外周部に、間隙との間で幅の方向に支持部の一部を介在させて、振動膜と支持部との間の段差を小さくするために間隙の第１電極側の底面のレベルから第２電極のあるレベルの方向に突出している構造物が設けられる。例えば、この構造物の間隙の底面のレベルからの高さは、間隙の高さと等しい。
【００１５】
構造物１０は、間隙５とは上記幅の方向に離れているが、間隙高さの２倍以下の距離に存在する。間隙５上に成膜される層によって振動膜７と支持部８が形成されるが、間隙５を完全に被覆するためには振動膜７の厚さが間隙５の高さの２倍程度必要である。構造物１０と間隙５との距離が、振動膜７の最小厚さと比較して同等もしくは小さければ、構造物１０と間隙５の間を支持部８の一部で埋めることができ、段差を小さくできる。それ以上離れると、構造物１０の有無にかかわらず、支持部上部に段差が生じるため、効果は減少することになる。つまり、支持部の一部を介在させた構造物と間隙との距離は、間隙の高さの２倍以下であり、間隙の側面の法線方向における構造物の幅は、振動膜の厚さ以上であることが好ましい。図１では、各構造物１０が各セル２の外周付近に存在しているが、セル間において構造物は繋がって一体となっていてもよい。
【００１６】
図３に本発明の第２の実施形態である超音波トランスデューサアレイ２１を示す。超音波トランスデューサアレイは、図１に示す様な超音波トランスデューサ１を水平方向に、一次元もしくは二次元的に配列した電気機械変換装置である。図３では超音波トランスデューサ１が二次元的に正方格子状に配列されているが、千鳥状であっても、六方格子状などであっても構わない。同様に、図３では、超音波トランスデューサ１が正方形をしているが、円形でも、６角形でも、短冊形状などであってもよい。構造物１０は、複数の超音波トランスデューサ１（以下では、エレメントとも称する）を跨いで存在していても構わない。つまり、構造物１０はエレメントで分離されている必要はない。このとき複数のトランスデューサ１の信号のクロストーク要因にならないためには、構造物１０は電気的に浮遊もしくは絶縁である必要がある。図３の構成では、各エレメントの第２電極６が信号線２２で引き出されている。
【００１７】
セルを１つ以上含むエレメントが複数配設されて構成された電気機械変換装置であるトランスデューサアレイは、複数のエレメントで弾性波を同時的に受信すること及び複数のエレメントから弾性波を同時的に送信すること、の少なくとも一方を行うことができる。そして、特性ばらつきの小さな電気機械変換装置をエレメントとして複数用いることで、広い領域で同等の信号の受信や送信が可能になって、多次元の超音波信号を同時的に取得したり、高精度な多次元の物理情報を取得したりすることが可能になる。
【００１８】
次に、上述した超音波トランスデューサの製造方法に係る第３の実施形態を図４を用いて説明する。超音波トランスデューサの製法は、アレイ素子である図３に示した超音波トランスデューサアレイの製法と同様であり、トランスデューサアレイの製法にも適用できる。
【００１９】
まず、図４に示す様に、基板３１上に、導体の成膜、フォトリソグラフィ、パターニングにより、第１電極３２を形成する（図４（ａ））。このとき、第１電極３２と基板３１は導通していても、絶縁していても構わない。次に、第１電極３２上への成膜、フォトリソグラフィ、パターニングにより、犠牲層３３を形成する（図４（ｂ））。第１電極３２と犠牲層３３との間に絶縁膜があってもよい。犠牲層３３の材料は、犠牲層がキャビティ（間隙）形状を決定することを考慮して、周囲の材料との加工選択比が良好であり、パターニングばらつきが小さいものであることが必要である。犠牲層３３を形成すると同時に、構造物３４も形成される。これにより、工程数が増加することなく、本発明の効果を達成可能な構成が製造される。次に、犠牲層３３、構造物３４の上に第１のメンブレン３５を成膜する（図４（ｃ））。続けて、導体を成膜、フォトリソグラフィ、パターニングすることにより、第２電極３６を形成する（図４（ｄ））。
【００２０】
次に、第１のメンブレン３５に孔３７をあけて、犠牲層３３の一部を露出させる。そして、犠牲層３３をエッチングし、間隙３８を形成する（図４（e））。その後、孔３７を封止すると同時に第２のメンブレン３９を成膜する（図４（ｆ））。第２電極３６を形成した後に、第２のメンブレンを形成し、第２のメンブレンと第１のメンブレンに孔をあけて犠牲層エッチングを行い、更に孔を封止するという製法でもよい。この様に、本実施形態の製造方法は、第１電極の形成工程と、犠牲層の形成工程と、第１電極とは絶縁した第２電極の形成工程と、犠牲層を除去して、電極間の間隙と第２電極を含有する振動膜を形成する工程と、を有する。そして、犠牲層の形成工程において、複数のセルの間の領域に、犠牲層を形成する材料で、振動膜と支持部との間の段差を小さくするために間隙の第１電極側の底面のレベルから第２電極のあるレベルの方向に突出している構造物を同時に形成する。
【００２１】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
（実施例１）（構造物を含むトランスデューサ）
本発明の第１の実施例である超音波トランスデューサを説明する。本実施例を最もよく表す図１において、犠牲層３３（図４参照）によって形成される間隙５の高さは１００乃至３００ナノメートルである。振動膜７或いは間隙５の形状を円形とすると、その直径は２０乃至７０マイクロメートルである。図１の例では、振動膜７は第２電極６を含む３層構成であるが、第２電極６以外の部分の材料としては窒化シリコン、ダイヤモンド、炭化シリコン、酸化シリコン、ポリシリコンなどが挙げられる。例えば、PECVD（Plasma-enhanced-chemical-vapor-deposition）で成膜された窒化シリコンを振動膜７の主要材料とするとき、振動膜７の厚さは５００ナノメートル乃至２０００ナノメートル程度である。第２電極６の厚さは、振動膜７全体の２０％未満であればよい。これは、電極材料による応力から生じる撓みの影響を小さくするためである。窒化シリコンは、撓みの制御性が良く、好ましい材料である。
【００２２】
第１電極４と第２電極６とは絶縁されていなくてはならないが、振動膜７が窒化シリコンであれば絶縁される。また、第１電極４と間隙５との間に別の絶縁層があってもよい。構造物１０の材料は、犠牲層材料と同じでも異なっていてもよい。犠牲層材料と同じであれば、構造物１０の有無にかかわらず工程数を増加することなく、また間隙５と同じ高さの構造物１０を配置することができる。犠牲層及び構造物１０の材料としては、振動膜７を構成する材料や該材料との加工選択比や加工温度により決定される。例えば、クロム、モリブデン、アルミニウム、或いはそれらの化合物のほか、ポリシリコン、アモルファスシリコン、酸化シリコン、窒化シリコンなどであればよい。
【００２３】
図２のグラフから段差は小さければよく、そのためには、構造物１０の高さは間隙５の底面を基準としての間隙５の高さと同程度ならばよい。同様に、図２は、構造物１０の水平方向の幅が大きいほど撓みが小さくなることを示しており、幅は振動膜７の厚さ以上が望ましい。間隙５の側面に垂直に振動膜７の厚さ以上の幅があれば、撓みが小さくなる効果を有する。構造物１０は、水平方向（前記幅の方向）には間隙５の側面から、支持部８の部分を介在させて、間隙５の高さの２倍以下の距離を隔てて存在するとよい。構造物１０の間隙５からの距離は、好ましくは間隙５の高さ以下の距離を隔てて存在するとよい。構造物１０はセル２に対してだけでなく、複数のセル２の間に存在しても同様の効果を有する。
【００２４】
本実施例では、応力の分布に起因する振動膜の撓み分布・ばらつきを抑制する効果により、高変換効率を有する高性能の超音波トランスデューサを実現できる。
【００２５】
（実施例２）（トランスデューサアレイ）
本発明の第２の実施例である超音波トランスデューサアレイを説明する。本実施例は第１の実施例の変形である。本実施例を表す図３において、アレイ２１全体の大きさは、一辺の長さが１０乃至４０ミリメートルであり、その中に、上記超音波トランスデューサ（エレメント）１が一次元または二次元的に配設されている。超音波トランスデューサの内部構成は実施例１と同等である。各トランスデューサへ外部から駆動信号を入力、或いは受信信号を出力する配線が存在するが、これらは超音波トランスデューサアレイの目的によって変わる。図３では、超音波トランスデューサ１が二次元正方格子状に配列された例を示す。例えば、超音波トランスデューサ１の一辺が１ミリメートルとして、１辺が２０ミリメートルの正方形の二次元アレイならば、その大きさは２０ミリメートル×２０ミリメートルとなる。
【００２６】
このような寸法の超音波トランスデューサアレイ２１では、図１における振動膜７の応力に分布が存在する場合、この応力分布は超音波トランスデューサ１間での特性ばらつきの要因となる。構造物１０の効果により、電極間距離の超音波トランスデューサ１間ばらつきを低減できる。また、構造物１０は２つの超音波トランスデューサ１を跨いで存在してもよい。これにより、超音波トランスデューサ１の最外周のセル２にも内部のセル２と同様の効果を与えることができるのと同時に、隣接する超音波トランスデューサ１との距離を空けることなく構造物を配設可能になる。
【００２７】
本実施例では、複数の超音波トランスデューサによって構成される超音波トランスデューサアレイの特性ばらつきを低減することができる。その結果、強度斑の小さい超音波を生成し、また、受音面積の大きな超音波トランスデューサアレイを実現できる。これにより、広い領域においてむらが無く同等な信号受信や信号送信ができて、高精細な高次元の超音波信号の送信や受信ができる。
【００２８】
（実施例３）（製法）
本発明の第３の実施例である超音波トランスデューサの製造方法を説明する。静電容量型超音波トランスデューサは半導体製造プロセスを応用して製造されるのが一般的である。本実施例における製造方法では、中でも、犠牲層エッチングを主体とする表面マイクロマシニング技術を用いる。本実施例を最もよく表す図４において、基板３１は、単結晶シリコン基板が好ましいが、ガラス基板、ＳＯＩ基板などでも同様に作製できる。
【００２９】
基板３１上に、真空蒸着またはＣＶＤ法またはスパッタリング或いはメッキなどの成膜方法で導体を成膜し、フォトリソグラフィ、エッチングにより、第１電極３２を形成する（図４（ａ））。第１電極３２の構成に求められるのは、低電気抵抗・耐熱性・平滑性である。以上から、シリコン基板もしくはＳＯＩを使う場合には、Ｓｉ自体を第１電極とすることもできる。また、Ｔｉ、Ｍｏ、Ｗといった高融点金属、或いはこれらの化合物、更にはこれらをバリアとして第１電極を構成することもできる。ただし、平滑性を満たすためには、成膜で作製する場合、ごく薄くする必要がある。当然、以降のプロセス選択性も求められる。本実施例では、第１電極としてＴｉを真空蒸着もしくはスパッタリングで５０〜１００ナノメートル成膜する。或いは、厚めに成膜して、研磨することで平坦にしてもよい。基板３１を単結晶シリコンとするときは、予め熱酸化工程により０．５〜２．０マイクロメートルのシリコン酸化膜を成膜したものを用いる。これにより、第１電極をパターニングで分離形成可能になる。
【００３０】
次に犠牲層を形成する（図４（ｂ））。この工程の前に、ＣＶＤなどで絶縁層を成膜してもよい。犠牲層は先述のとおり１００〜３００ナノメートルとする。犠牲層３３の構成に求められるのは、エッチング選択性・耐熱性・平滑度・エッチング均一性である。フォトリソグラフィ、エッチングにより犠牲層のパターンを形成する。このパターンで、図１における間隙５の形状が決定される。間隙５の形状は、円形、四角形、六角形などでよい。例えば円形とすると、その直径は２０乃至７０マイクロメートルである。犠牲層に用いる材料は、Ｃｒ、Ｍｏ、アモルファスＳｉ、酸化シリコンなどである。構造物３４に求められる構成は、材料については犠牲層３３に対する要求条件を超えるものはない。例えば、犠牲層３３と同程度の厚みや、前述した間隙３８となる犠牲層３３に対する位置関係や、前述した寸法を有すればよい。
【００３１】
本実施例では、犠牲層３３を形成すると同時に構造物３４を形成する。これにより、工程を増やすことなく上記効果を奏する超音波トランスデューサ１を作製できる。次に、犠牲層３３、構造物３４の上に第１のメンブレン３５を成膜する（図４（ｃ））。メンブレンとしての材料に対する要求は、軽量で硬く、応力制御が容易で、厚さ分布が小さいことである。例えば、ＰＥＣＶＤで窒化シリコンを４００〜７００ナノメートル成膜する。応力は０〜１５０MPaの範囲であればよい。ここで、第１のメンブレン３５が絶縁体のときは問題ないが、半導体や導体材料、例えば多結晶シリコンなどを選択する場合、第１電極と後述する第２電極との間に絶縁膜が必要となる。この場合は犠牲層３３、構造物３４の形成前に絶縁層を成膜することが必須となる。
【００３２】
第１のメンブレン３５を成膜後、真空蒸着またはＣＶＤ法またはスパッタリング或いはメッキなどの成膜方法で導体を成膜し、フォトリソグラフィ、エッチングにより、第２電極３６を形成する（図４（ｄ））。第２電極３６の構成に求められるのは、エッチング選択性・耐熱性・エッチング均一性・低応力・低抵抗である。耐熱性は、この後に封止膜の成膜工程があるためである。また、電極面積は静電容量の変数であるため、エッチングばらつきが小さいことが要求される。ただし、反応性イオンエッチングを中心とするドライエッチングでは選択比が一般的に小さく、フォトレジストで保護をしていたとしても第１のメンブレン３５の材料に損傷を与える恐れがある。これにより応力が大きくなると振動膜が撓み、間隙５の高さ制御が困難になる。以上のことから、第２電極３６の材料はＴｉ、Ｍｏ、Ｗ、或いはそれらの化合物が最適であり、またＡｌなどの低融点の金属を用いる際でもＴｉやＴｉＮなどをバリアメタルとすることが必須である。同時に、第２電極３２が第１のメンブレン３５に対して厚いと応力による撓みが生じ、場合によっては次工程の犠牲層エッチングが困難になる。第２電極３２の厚さは５０〜２００ナノメートルであればよい。図４では第１のメンブレン３５上の第２電極３６の面積は犠牲層３３よりも小さくなっているが、大きくてもよい。
【００３３】
次に、第１のメンブレン３５に孔３７をあけて、犠牲層３３を露出させる。そして、犠牲層３３をエッチングし、間隙３８を形成する（図４（e））。その後、孔３７を封止すると同時に第２のメンブレン３９を成膜する（図４（ｆ））。封止の密着性を保ち、応力制御が可能で、均一性が求められる第２のメンブレン３９は第１のメンブレン３５と同じ材料であることが望ましい。例えば、窒化シリコンをＣＶＤにより成膜する。このとき、第２のメンブレン３９は、間隙３８の高さに起因する段差を埋めるに十分な厚さ以上が必要であり、６００乃至１５００ナノメートルの範囲であればよい。
【００３４】
第２電極３６を形成した後に、第２のメンブレンを形成し、第２のメンブレンと第１のメンブレンに孔をあけて犠牲層エッチングを行い、更に孔を封止するという製法でもかまわない。この方法であれば、第２電極３６のエッチング選択性は問われなくなる。また、孔３７周囲以外の部分の第２のメンブレン３９をエッチングして、薄くしてもよい。本実施例によって、高い変換効率を有する超音波トランスデューサ及び特性ばらつきの小さい超音波トランスデューサアレイを製造できる。
【符号の説明】
【００３５】
１・・超音波トランスデューサ（電気機械変換装置）、４・・第１電極、５・・間隙、６・・第２電極、７・・振動膜、８・・支持部、１０・・構造物
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置であって、
前記間隙の外周部に、前記間隙との間に前記支持部の一部を介在させて、前記振動膜と前記支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられていることを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項２】
前記構造物は、前記間隙の前記第１電極側の底面のレベルから前記第２電極のあるレベルの方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
【請求項３】
前記構造物の前記間隙の底面のレベルからの高さが前記間隙の高さと等しいことを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換装置。
【請求項４】
前記支持部の一部を介在させた前記構造物と前記間隙との距離が、前記間隙の高さの２倍以下であり、
前記間隙の側面の法線方向における前記構造物の幅が、前記振動膜の厚さ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置が、前記セルを１つ以上含むエレメントとして複数配設されており、
前記複数のエレメントで弾性波を受信すること及び前記複数のエレメントから弾性波を送信すること、の少なくとも一方を行うことを特徴とするトランスデューサアレイ。
【請求項６】
第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置を製造する製造方法であって、
前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に前記第１電極とは絶縁された第２電極を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記第１電極と前記第２電極の間の間隙と前記第２電極を備える振動膜を形成する工程と、
を有し、
前記犠牲層を形成する工程において、前記複数のセルの間の領域に、前記犠牲層を形成する材料で、前記振動膜と前記支持部との間の段差を小さくするための構造物を形成することを特徴とする電気機械変換装置の製造方法。
【請求項７】
前記構造物を、前記間隙の前記第１電極側の底面のレベルから前記第２電極のあるレベルの方向に突出するよう形成することを特徴とする請求項６に記載の電気機械変換装置の製造方法。
【請求項８】
前記構造物の前記間隙の底面のレベルからの高さが前記間隙の高さと等しくなるように、前記構造物を形成することを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置の製造方法。
【請求項１】
第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置であって、
前記間隙の外周部に、前記間隙との間に前記支持部の一部を介在させて、前記振動膜と前記支持部との間の段差を小さくするための構造物が設けられていることを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項２】
前記構造物は、前記間隙の前記第１電極側の底面のレベルから前記第２電極のあるレベルの方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
【請求項３】
前記構造物の前記間隙の底面のレベルからの高さが前記間隙の高さと等しいことを特徴とする請求項２に記載の電気機械変換装置。
【請求項４】
前記支持部の一部を介在させた前記構造物と前記間隙との距離が、前記間隙の高さの２倍以下であり、
前記間隙の側面の法線方向における前記構造物の幅が、前記振動膜の厚さ以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置が、前記セルを１つ以上含むエレメントとして複数配設されており、
前記複数のエレメントで弾性波を受信すること及び前記複数のエレメントから弾性波を送信すること、の少なくとも一方を行うことを特徴とするトランスデューサアレイ。
【請求項６】
第１電極と、間隙を隔てて前記第１電極と対向して設けられた第２電極を備える振動膜と、前記振動膜を支持する支持部と、で構成されるセルを複数有する電気機械変換装置を製造する製造方法であって、
前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極の上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に前記第１電極とは絶縁された第２電極を形成する工程と、
前記犠牲層を除去して、前記第１電極と前記第２電極の間の間隙と前記第２電極を備える振動膜を形成する工程と、
を有し、
前記犠牲層を形成する工程において、前記複数のセルの間の領域に、前記犠牲層を形成する材料で、前記振動膜と前記支持部との間の段差を小さくするための構造物を形成することを特徴とする電気機械変換装置の製造方法。
【請求項７】
前記構造物を、前記間隙の前記第１電極側の底面のレベルから前記第２電極のあるレベルの方向に突出するよう形成することを特徴とする請求項６に記載の電気機械変換装置の製造方法。
【請求項８】
前記構造物の前記間隙の底面のレベルからの高さが前記間隙の高さと等しくなるように、前記構造物を形成することを特徴とする請求項７に記載の電気機械変換装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−６５９８３（Ｐ２０１３−６５９８３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０２４９４（Ｐ２０１１−２０２４９４）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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