電気機械変換装置及びその作製方法
【課題】 電気機械変換装置の振動膜の機械特性ばらつきを低減する。
【解決手段】 本発明の電気機械変換装置の作製方法は、第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の電気機械変換装置の作製方法は、第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換装置及びその作製方法に関する。特に、超音波トランスデューサとして用いられる電気機械変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニング技術によって作製されるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の電気機械変換装置は、圧電素子の代替品として研究されている。このような静電容量型の電気機械変換装置は、振動膜の振動により超音波を送信、受信することができる。
【０００３】
電気機械変換装置であるＣＭＵＴの作製方法として、犠牲層エッチングによりキャビティを作製する方法がある。特許文献１では、上部電極（第二の電極）が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするために、第一のメンブレンと第二のメンブレンとの間に第二の電極を形成し、犠牲層をエッチングする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１７７０４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＭＵＴ等の電気機械変換装置は、液中で使用することも考えられるため、キャビティは密閉されていることが好ましい。つまり、犠牲層エッチングによりキャビティを形成した後、エッチングホールを封止することが好ましい。特許文献１では、第二の電極を形成した後に第二のメンブレンを形成し、その後、犠牲層のエッチングを行う。そして、エッチングホールを封止膜により封止している。しかしながら、特許文献１のようにエッチングホールを封止するために成膜を行うと、第二のメンブレン上にも封止膜が堆積する。第二のメンブレン上に堆積した封止膜をエッチング等により除去すると、振動膜としての厚みばらつき、応力ばらつき等により、電気機械変換装置の感度、帯域が素子毎にばらつくことがある。
【０００６】
そこで、本発明は、振動膜の厚みばらつきや応力ばらつきを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電気機械変換装置の作製方法であって、第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の電気機械変換装置は、第一の電極と、前記第一の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜と間隙を隔てて形成された第一のメンブレンと、前記第一のメンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、前記間隙とは反対側の前記第二の電極上に形成された第二のメンブレンと、からなる振動膜と、を備える電気機械変換装置であって、前記間隙は、前記絶縁膜上に設けられた犠牲層を、前記第一のメンブレンと同じ層に形成されたエッチングホールを介して除去することにより形成された間隙であり、前記エッチングホールを封止している封止部の厚みは、前記第二の電極上の前記第二のメンブレンの厚みと同じであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動膜の厚みばらつきや応力ばらつきを低減することができるため、電気機械変換装置の素子毎の感度や帯域ばらつきが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施例２が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置の作製方法を説明するためのＡ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置を説明するためのＣ−Ｄ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
（電気機械変換装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、それぞれ、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。本発明の電気機械変換装置は、セル構造１を有する素子２を複数有している。素子２は、電気的に接続された複数のセル構造１からなる。図１では、素子２は、９個のセル構造から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、素子数も、４つの素子のみ記載しているが、個数はいくつでも構わない。セル構造の形状は、図１では円形であるが、四角形、六角形等の形状でも構わない。
【００１３】
セル構造１は、基板１１、基板上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜上に形成される第一の電極１３、第一の電極上の第二の絶縁膜１４を有している。さらに、セル構造１は、第一のメンブレン１６と第二のメンブレン１８と第二の電極４とで構成される振動膜を有する。第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８は絶縁膜である。第一のメンブレン１６は、メンブレン支持部２０により支持されており、振動膜は、間隙であるキャビティ３を隔てて配置されている。第一の電極１３と第二の電極４とは対向しており、第一の電極１３と第二の電極４との間には、不図示の電圧印加手段により電圧が印加される。
【００１４】
また、電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎に電気信号を引き出すことができる。ただし、本実施形態では、引き出し配線６により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第一の電極１３を共通電極とし、第二の電極４を素子毎に配置することで、第二の電極４から電気信号を引き出しているが、逆の構成にしても構わない。つまり、第二の電極４を共通電極とし、第一の電極１３を素子毎に配置することで、素子毎の電気信号を引き出してもよい。
【００１５】
（電気機械変換装置の駆動原理）
本発明の駆動原理を説明する。電気機械変換装置で超音波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、第一の電極と第二の電極との間に電位差が生じるように、第一の電極１３に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極４を有する振動膜が撓むため、第二の電極４と第一の電極１３との間隔（キャビティ３の深さ方向の距離）が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線６に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧に変換し、超音波の受信信号とする。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極４に直流電圧を印加し、第一の電極１３から素子毎に電気信号を引き出してもよい。
【００１６】
また、超音波を送信する場合、第一の電極に直流電圧を、第二の電極に交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることができる。この振動によって、超音波を送信することができる。超音波を送信する場合も、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極に直流電圧を、第一の電極に交流電圧を印加し、振動膜を振動させてもよい。また、第一の電極あるいは第二の電極に直流電圧と交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることもできる。
【００１７】
（作製方法）
次に、図３、図４を用いて、本発明の作製方法を説明する。図３は、電気機械変換装置の断面図であり、図１とほぼ同様の構成である。図３は、図１のＡ−Ｂ断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｄ断面図である。
【００１８】
図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。基板５０がシリコン基板のような導電性を有する基板の場合、第一の絶縁膜５１は、第一の電極と絶縁するために形成する。基板５０がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜５１は形成しなくともよい。また、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さの影響が残り、第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。このばらつきは、変換効率のばらつきとなるため、感度、帯域ばらつきとなる。従って、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。
【００１９】
次に、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミ等である。基板と同様に、第一の電極５２の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。
【００２０】
次に、図３（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましい。第二の絶縁膜５３は、第一の電極５２と第二の電極５６との間に電圧が印加された場合に、電極間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、第一のメンブレン５５が絶縁体であるため、第二の絶縁膜５３を形成しなくともよい。基板５０と同様に、第二の絶縁膜５３の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。よって、表面粗さが小さい材料で第二の絶縁膜を形成することが望ましい。例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。
【００２１】
次に、図３（ｄ）、図４（ｄ）に示すように、犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、表面粗さが小さい材料が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。さらに、犠牲層を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン、第二の電極がほとんどエッチングされないよう、犠牲層の材料を選択することが好ましい。犠牲層を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン、第二の電極がエッチングされる場合、振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきが発生する。第二の絶縁膜と第一のメンブレンとがシリコン窒化膜、あるいはシリコン酸化膜の場合、犠牲層としてはクロムが望ましい。
【００２２】
次に、図３（ｅ）、図４（ｅ）に示すように、犠牲層上に第一のメンブレン５５を形成する。メンブレン支持部は、このメンブレン５５と同一工程により形成される。第一のメンブレン５５は、小さい引張り応力が望ましい。例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。シリコン窒化膜は応力コントロールが可能であり、３００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。第一のメンブレンが圧縮応力を有する場合、第一のメンブレンがスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。スティッキングとは、第一のメンブレン５５が第一の電極側に付着してしまうことである。また、大きな引張り応力の場合、第一のメンブレンが破壊されることがある。従って、第一のメンブレン５５は、低い引張り応力となるように形成することが望ましい。
【００２３】
次に、図３（ｆ）、図４（ｆ）に示すように、第一のメンブレン上に第二の電極５６を形成する。そして、図４（ｆ）に示すように、エッチングホール５８を形成する。その後、エッチングホールを介して、犠牲層５４を除去する。第二の電極５６は、残留応力が小さく、耐熱性、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性を有する材料が望ましい。エッチング耐性が低い場合、犠牲層を除去する際に、第二の電極を保護するフォトレジスト等を塗布したまま、犠牲層エッチングを行う必要がある。しかしながら、フォトレジスト等を塗布すると、フォトレジスト等の応力によって、第一のメンブレンがスティッキングしやすくなる。よって、第二の電極が露出した状態で犠牲層エッチングできるよう、エッチング耐性を有する第二の電極が望ましい。
【００２４】
また、第二の電極の残留応力が大きい場合、振動膜の大きな変形を引き起こすため、残留応力の小さな第二の電極が望ましい。さらに、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレンを成膜する際の温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。第二の電極の材料としては、チタンが好ましい。
【００２５】
次に、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７の形成とエッチングホール５８の封止を行う。本工程では、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を形成する工程と、エッチングホール５８を封止する工程とを同一工程で行う。つまり、本工程により、第二の電極上（第二の電極のキャビティとは反対側の面上）に第二のメンブレン５７を形成することで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができ、エッチングホール５８を封止する封止部を形成することができる。
【００２６】
第二のメンブレン５７を形成する工程の後に、エッチングホール５８を封止する工程を行った場合、エッチングホール５８を封止するための膜が第二のメンブレン５７上に堆積する。この堆積した膜を除去するために、エッチングを行うと振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生する。一方、本発明は、エッチングホール５８の封止工程と第二のメンブレン５７を形成する工程が同じであるため、振動膜は成膜工程だけで形成することができる。つまり、本発明は、第二の電極上に形成した膜をエッチング等で除去しないため、振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生しにくい。
【００２７】
本工程の後、図示しない工程により、第一の電極や、第二の電極と接続する配線を形成する。配線材料はアルミ等でよい。
【００２８】
以上、説明したように、本作製方法で電気機械変換装置を作製することにより、第二のメンブレンを形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができる。よって、電気機械変換装置の振動膜の厚みばらつきや、応力ばらつきを低減できる。従って、電気機械変換装置の感度、帯域のばらつきを低減することができる。
【００２９】
図１において、本形態により作製された電気機械変換装置は、エッチングホール１９を封止している封止部の厚さが、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じである。ここで、封止部の厚さとは、第一の電極が形成された面と垂直な方向におけるエッチングホール中心部の厚みであり、図１（ｃ）において矢印５で示す厚さである。また、「封止部の厚さが第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じ」とは、「厚さが厳密に同じ」である場合に限定されず、「成膜ばらつきの範囲内で厚みの違いがある場合」も、「厚さが同じ」であるものとする。具体的に、成膜ばらつきの範囲内の厚みの違いとしては、封止部の厚さが、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚みの±１０％の範囲内である場合である。
【００３０】
（本発明の好適な形態）
次に、本発明において好適な形態を説明する。本発明では、第一のメンブレン５５の厚さは犠牲層５４の厚さの２倍以上となるように形成することが好ましい。第一のメンブレン５５の厚さが犠牲層５４の深さの２倍より薄い場合、犠牲層形成時の段差部分を第一のメンブレン５５によって良好に覆うことができない可能性がある。特に、犠牲層５４の側面と上面との角部の被覆状態が悪いと、犠牲層エッチングしてキャビティを形成した場合、各セル間、各素子間での第一のメンブレン５５の機械特性がばらついてしまう。
【００３１】
そこで、第一のメンブレン５５の厚さ（図１（ｂ）の矢印７で示す厚み）を犠牲層５４の厚さ（図１（ｃ）の矢印９で示す厚み）の２倍以上となるように形成することで、第一のメンブレン５５によって、犠牲層５４の段差部分を良好に覆うことができる。よって、各セル間、各素子間での第一のメンブレン５５の機械特性ばらつきを低減することができる。図１において、この形態で作製した電気機械変換装置は、第一のメンブレン１６の厚さが、キャビティ３の深さの２倍以上である。本発明において、第一のメンブレン１６等の「厚さ」とは、第一の電極が形成された面と垂直な方向における厚みを示す。キャビティ３の「深さ」とは、電極間に電圧を印加していない状態の第二の絶縁膜１４から第一のメンブレン１６までの間隙の距離である。
【００３２】
また、第二の電極４上の第二のメンブレン５７の厚さ（図１（ｂ）の矢印８で示す厚み）は、キャビティの深さ（図１（ｂ）の矢印９で示す厚み）の３倍以上となるように形成することが好ましい。第二のメンブレン５７の厚さが、キャビティの深さの３倍より薄い場合、第二のメンブレン５７を形成する絶縁膜によりエッチングホール５８を塞いで、キャビティを良好に封止することができない可能性がある。そこで、第二のメンブレン５７の厚さを、キャビティの深さの３倍以上とすることで、第二のメンブレン５７を形成する絶縁膜によりエッチングホール５８を塞いで、キャビティを良好に封止することができる。図１において、この形態で作製した電気機械変換装置は、第二のメンブレン１８の厚さが、キャビティ３の深さの３倍以上である。
【００３３】
さらに、第二のメンブレン５７の厚さは、第一のメンブレン５５の厚さより厚くなるように形成することが好ましい。第一のメンブレン５５の厚みを薄くすることにより電極間距離を小さくできる。また、振動膜のばね定数は、振動膜の厚みによって変わってくる。そこで、第一のメンブレン５５を薄くしておき、第二のメンブレン５７で振動膜全体の厚みを調整するほうが、所望なばね定数に調整しやすい。図１において、本形態により作製した電気機械変換装置は、第二のメンブレン１８の厚さが、第一のメンブレン１６の厚さより厚い。
【００３４】
また、第二の電極５６を、犠牲層５４の全面を覆うように形成することが好ましい（後述する実施例２参照）。第二の電極５６を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生する場合、犠牲層５４の中心軸（つまりキャビティの中心軸）と第二の電極５６の中心軸がずれることがある。第二の電極の面積がキャビティの面積より小さく、キャビティの中心軸と第二の電極の中心軸がずれると、第一のメンブレン５５に作用する第二の電極５６の応力が変わるため、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつきが発生する可能性がある。そこで、犠牲層５４の全面を覆うよう第二の電極５６を形成することによって、第二の電極５６を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレによる振動膜のたわみばらつきをより低減することができる。図１において、本形態により作製した電気機械変換装置は、第二の電極４はキャビティ３の面積より大きく、キャビティ３の全面を覆うように形成されている。特に、第二の電極４の中心軸から外周までの距離は、第二の電極と第一の電極との間で発生する寄生容量（振動膜が振動する時に、静電容量が変化しない容量）を大きくしないように、キャビティ３の中心軸から外周までの距離より３ｕｍ程度大きいことが望ましい。
【００３５】
さらに、第二の電極５６としてチタンを用いることが望ましい。チタンは残留応力が小さいため、振動膜の大きな変形を防止することができる。また、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７としてシリコン窒化膜を用いる場合、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７より、第二の電極５６のヤング率は小さい。従って、第二のメンブレン５７の厚さにより所望のばね定数を有する振動膜を形成しやすい。また、チタンは熱耐性が高いため、第二のメンブレンを形成する際の温度による変質を防止することができる。また、チタンは表面粗さも小さくできるため、メンブレンのたわみばらつきを抑制できる。
【００３６】
さらに、第一のメンブレン５５として窒化シリコンを用いることも好ましい。窒化シリコンは、応力コントロールが容易であり、低い引張り応力、例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することができる。従って、シリコン窒化膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止することができる。また、Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＬＰＣＶＤ）と比較して、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）によるシリコン窒化膜は低温（２００〜４００度）で成膜できる。ＰＥＣＶＤにより成膜するシリコン窒化膜のヤング率は、１８０ＧＰａ以上にすることが可能であり、薄い第一のメンブレンで剛性を高めることができる。
【００３７】
さらに、第一のメンブレン５５のばね定数が５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下となるように形成することも好ましい。ここで、ばね定数（ｋ）とは、等分布荷重（Ｆ）が振動膜全体にかかった時の最大変位（ｘ）から算出しており、ｋ＝Ｆ／ｘである。例えば、１０ｕＮの等分布荷重が印加された場合に、最大変位が１０ｎｍであれば、ばね定数は１０００Ｎ／ｍである。
【００３８】
第一のメンブレン５５のばね定数が大きい場合、第一のメンブレン５５の剛性が高くなる一方、厚さが厚くなる。第一のメンブレン５５の厚さが大きくなると、第一の電極５２と第二の電極５６との距離が大きくなり、変換効率が低下する。ここでの変換効率とは、振動膜の振動を電気信号に変換する効率のことであり、第一の電極５２と第二の電極５６との間の距離が狭いほど変換効率が高い。一方、第一のメンブレン５５のばね定数が小さい場合、犠牲層５４のエッチング後、第一のメンブレン５５が第一の電極側に付着してしまう（スティッキング）。
【００３９】
スティッキングは、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７の残留応力、犠牲層エッチング時の水分の蒸発による表面張力、静電気力、あるいは、表面の水酸基による水分吸着等によって発生する。特に犠牲層エッチングをウェットエッチングで行う場合、スティッキングは発生しやすい。特に、振動膜の振動の周波数帯域が０．３〜２０ＭＨｚの電気機械変換装置では、キャビティ深さが５０から３００ｎｍであって、スティッキングが発生しやすい。そこで、第一のメンブレン５５のばね定数を５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下となるように第一のメンブレン５５を形成することにより、変換効率の低下を抑制でき、スティッキングを防止することができる。
【００４０】
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】
【００４１】
実施例１について図１、３、４を用いて説明する。まず図１を用いて本実施例の電気機械変換装置について説明し、次に、この電気機械変換装置の作製方法について図３，４を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、それぞれ、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。本実施例の電気機械変換装置は、セル構造１を有する素子２を４つ有している。また、１つの素子２は、９個のセル構造から構成される。
【００４２】
セル構造１は、３００ｕｍ厚さのシリコン基板である基板１１、シリコン基板上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜１２上に形成される第一の電極１３、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４を有する。さらに、第二の絶縁膜１４と間隙を隔てて配置された第一のメンブレン１６と、第二のメンブレン１８と、第二の電極４と、で構成される振動膜を有する。第一のメンブレン１６は、メンブレン支持部２０により支持されている。エッチングホール１９を封止している封止部の厚さは、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じである。よって、第二のメンブレン１８を形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができる。
【００４３】
第一の絶縁膜１２は、熱酸化により形成した厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜１４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成したシリコン酸化膜である。第一の電極１３は厚さが５０ｎｍのチタンであり、第二の電極４は厚さが１００ｎｍのチタンである。第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８はＰＥ−ＣＶＤにより作製したシリコン窒化膜であり、１００ＭＰａ以下の引張り応力で形成されている。
【００４４】
また、第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８の直径は、４５ｕｍであり、それぞれの厚さは、０．４ｕｍ、０．７ｕｍである。第二の電極４の直径は４０ｕｍであり、キャビティの深さは、０．１８ｕｍである。第一のメンブレン１６のばね定数は１２００Ｎ／ｍであり、これにより、キャビティ３を形成後の第一のメンブレンのスティッキングを防止することができる。
【００４５】
本実施例のように、第一のメンブレン１６の厚さはキャビティ深さの２倍以上であるため、第一のメンブレン１６によって、キャビティ形成時の段差部分を良好に覆うことができる。
【００４６】
また、第二のメンブレン１８の厚さは、キャビティ３の深さの３倍以上である。これにより、第二のメンブレン１８を形成する絶縁膜によりエッチングホール１９を塞いで、良好にキャビティ３を封止することができる。また、第一のメンブレン１６は、第二のメンブレン１８より薄い。よって、第二のメンブレン１８の厚さによりメンブレンのばね定数を所望の値に調整しやすい。また、本実施例の電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎の電気信号を引き出すことができる。
【００４７】
次に、本実施例の電気機械変換装置の作製方法を図３、図４を用いて説明する。図３は、図１のＡ−Ｂ断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｄ断面図である。
【００４８】
まず、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。基板５０は厚さ３００ｕｍのシリコン基板である。また、第一の絶縁膜５１は第一の電極５２と基板５０との絶縁を形成するための熱酸化によるシリコン酸化膜であり、厚さ１ｕｍである。
【００４９】
次に、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、厚さ５０ｎｍのチタンであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。
【００５０】
次に、図３（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、ＰＥ−ＣＶＤにより成膜した厚さ０．１ｕｍのシリコン酸化膜であり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。絶縁膜５３は、第一の電極５２と第二の電極５６間の電気的短絡あるいは第一の電極５２と第二の電極５６との間に電圧がかかった時の絶縁破壊を防止するために形成する。
【００５１】
次に、図３（ｄ）、図４（ｄ）に示すように、犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、厚さ０．２ｕｍのクロムであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は、１．５ｎｍ以下である。また、犠牲層の直径は４０ｕｍである。
【００５２】
次に、図３（ｅ）、図４（ｅ）に示すように、第一のメンブレン５５を形成する。第一のメンブレン５５は、ＰＥＣＶＤにより成膜した厚さ０．４ｕｍの窒化膜である。第一のメンブレン５５の残留応力は２００ＭＰａである。
【００５３】
次に、図３（ｆ）、図４（ｆ）に示すように、第二の電極５６を形成し、さらにエッチングホール５８を形成する。第二の電極５６は、厚さ０．１ｕｍのチタンであり、残留応力は、２００ＭＰａ以下である。チタンは、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を成膜する際の温度により、表面粗さの増大や応力の変化がない。また、犠牲層を除去する際にエッチングされないため、レジスト等を塗布して保護することなく、犠牲層を除去できる。
【００５４】
その後、エッチングホールを介して、犠牲層５４を除去する。犠牲層５４の除去は、クロムエッチング液（硝酸第二アンモニウムセリウム、過塩素酸、水の混酸）により行う。特に、犠牲層５４の除去後の乾燥工程により、第一のメンブレン５５は、第一の電極５２側に付着しやすくなるが、第一のメンブレンのばね定数を１２５０Ｎ／ｍにしているため、スティッキングを防止して、キャビティを形成することができる。さらに、クロムエッチング液は、窒化シリコン、チタン、シリコン酸化膜をエッチングしないため、振動膜の厚みばらつきや第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきを防止することができる。
【００５５】
次に、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を形成するとともに、エッチングホール５８を封止する。第二のメンブレン形成と同一工程で、エッチングホールを封止するため、振動膜をエッチングすることなく、形成することができる。
【００５６】
本実施例の電気機械変換装置の作製方法により、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができるので、セル間、素子間の感度、帯域のばらつきの小さな電気機械変換装置を作製できる。以上のような作製方法で作製した電気機械変換装置は素子間の感度ばらつきを１ｄＢ以下にすることができる。
【実施例２】
【００５７】
次に、実施例２について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施例の電気機械変換装置の上面図であり、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、それぞれ、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。実施例２の電気機械変換装置は、第二の電極２４の面積に特徴がある。それ以外の構成は、実施例１とほぼ同様である。
【００５８】
セル構造２１は、３００ｕｍ厚さのシリコン基板３１、シリコン基板３１上に形成される第一の絶縁膜３２、第一の絶縁膜３２上に形成される第一の電極３３、第一の電極３３上の第二の絶縁膜３４を有している。さらに、第二の絶縁膜３４とキャビティ２３を隔てて設けられた第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８、第二の電極２４とで構成される振動膜と、第一のメンブレン３６を支持するメンブレン支持部４０を有している。素子２２は、電気的に接続された複数のセル構造２１からなる。
【００５９】
第一の絶縁膜３２は、熱酸化により形成される厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜であり、第二の絶縁膜３４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成される厚さ０．１ｕｍのシリコン酸化膜である。第一の電極２４は厚さ５０ｎｍのチタンであり、第二の電極２４も厚さ１００ｎｍのチタンである。第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８は、ＰＥ−ＣＶＤにより２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成するシリコン窒化膜である。また、第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８の直径は、５０ｕｍであり、それぞれの厚さは、０．４ｕｍ、０．７ｕｍであり、第二の電極２４の直径は５６ｕｍである。また、キャビティ深さは０．２ｕｍである。
【００６０】
本実施例では、第二の電極２４の直径が、第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８の直径より大きく、第二の電極がキャビティを覆う構成としている。本構成により、第二の電極を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生しても、振動膜のたわみばらつきを低減することができる。
【００６１】
以上のような構成の本実施例の電気機械変換装置では、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができる。さらに、第二の電極を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生しても、振動膜のたわみばらつきを低減することができるので、素子間の感度ばらつきを０．５ｄＢ以下にすることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ セル構造
２ 電気機械変換装置素子
３ キャビティ
４ 第二の電極
５ 封止部の厚み
６ キャビティ深さ
７ 第一のメンブレンの厚さ
８ 第二のメンブレンの厚さ
１１ 基板
１２ 第一の絶縁膜
１３ 第一の電極
１４ 第二の絶縁膜
１６ 第一のメンブレン
１８ 第二のメンブレン
１９ エッチングホール
２０ メンブレン支持部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換装置及びその作製方法に関する。特に、超音波トランスデューサとして用いられる電気機械変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニング技術によって作製されるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の電気機械変換装置は、圧電素子の代替品として研究されている。このような静電容量型の電気機械変換装置は、振動膜の振動により超音波を送信、受信することができる。
【０００３】
電気機械変換装置であるＣＭＵＴの作製方法として、犠牲層エッチングによりキャビティを作製する方法がある。特許文献１では、上部電極（第二の電極）が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするために、第一のメンブレンと第二のメンブレンとの間に第二の電極を形成し、犠牲層をエッチングする方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１７７０４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＭＵＴ等の電気機械変換装置は、液中で使用することも考えられるため、キャビティは密閉されていることが好ましい。つまり、犠牲層エッチングによりキャビティを形成した後、エッチングホールを封止することが好ましい。特許文献１では、第二の電極を形成した後に第二のメンブレンを形成し、その後、犠牲層のエッチングを行う。そして、エッチングホールを封止膜により封止している。しかしながら、特許文献１のようにエッチングホールを封止するために成膜を行うと、第二のメンブレン上にも封止膜が堆積する。第二のメンブレン上に堆積した封止膜をエッチング等により除去すると、振動膜としての厚みばらつき、応力ばらつき等により、電気機械変換装置の感度、帯域が素子毎にばらつくことがある。
【０００６】
そこで、本発明は、振動膜の厚みばらつきや応力ばらつきを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の電気機械変換装置の作製方法であって、第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明の電気機械変換装置は、第一の電極と、前記第一の電極上に形成された絶縁膜と、前記絶縁膜と間隙を隔てて形成された第一のメンブレンと、前記第一のメンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、前記間隙とは反対側の前記第二の電極上に形成された第二のメンブレンと、からなる振動膜と、を備える電気機械変換装置であって、前記間隙は、前記絶縁膜上に設けられた犠牲層を、前記第一のメンブレンと同じ層に形成されたエッチングホールを介して除去することにより形成された間隙であり、前記エッチングホールを封止している封止部の厚みは、前記第二の電極上の前記第二のメンブレンの厚みと同じであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、振動膜の厚みばらつきや応力ばらつきを低減することができるため、電気機械変換装置の素子毎の感度や帯域ばらつきが低減される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施例２が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【図３】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置の作製方法を説明するためのＡ−Ｂ断面図である。
【図４】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置を説明するためのＣ−Ｄ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
（電気機械変換装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、それぞれ、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。本発明の電気機械変換装置は、セル構造１を有する素子２を複数有している。素子２は、電気的に接続された複数のセル構造１からなる。図１では、素子２は、９個のセル構造から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、素子数も、４つの素子のみ記載しているが、個数はいくつでも構わない。セル構造の形状は、図１では円形であるが、四角形、六角形等の形状でも構わない。
【００１３】
セル構造１は、基板１１、基板上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜上に形成される第一の電極１３、第一の電極上の第二の絶縁膜１４を有している。さらに、セル構造１は、第一のメンブレン１６と第二のメンブレン１８と第二の電極４とで構成される振動膜を有する。第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８は絶縁膜である。第一のメンブレン１６は、メンブレン支持部２０により支持されており、振動膜は、間隙であるキャビティ３を隔てて配置されている。第一の電極１３と第二の電極４とは対向しており、第一の電極１３と第二の電極４との間には、不図示の電圧印加手段により電圧が印加される。
【００１４】
また、電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎に電気信号を引き出すことができる。ただし、本実施形態では、引き出し配線６により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第一の電極１３を共通電極とし、第二の電極４を素子毎に配置することで、第二の電極４から電気信号を引き出しているが、逆の構成にしても構わない。つまり、第二の電極４を共通電極とし、第一の電極１３を素子毎に配置することで、素子毎の電気信号を引き出してもよい。
【００１５】
（電気機械変換装置の駆動原理）
本発明の駆動原理を説明する。電気機械変換装置で超音波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、第一の電極と第二の電極との間に電位差が生じるように、第一の電極１３に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極４を有する振動膜が撓むため、第二の電極４と第一の電極１３との間隔（キャビティ３の深さ方向の距離）が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線６に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧に変換し、超音波の受信信号とする。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極４に直流電圧を印加し、第一の電極１３から素子毎に電気信号を引き出してもよい。
【００１６】
また、超音波を送信する場合、第一の電極に直流電圧を、第二の電極に交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることができる。この振動によって、超音波を送信することができる。超音波を送信する場合も、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極に直流電圧を、第一の電極に交流電圧を印加し、振動膜を振動させてもよい。また、第一の電極あるいは第二の電極に直流電圧と交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることもできる。
【００１７】
（作製方法）
次に、図３、図４を用いて、本発明の作製方法を説明する。図３は、電気機械変換装置の断面図であり、図１とほぼ同様の構成である。図３は、図１のＡ−Ｂ断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｄ断面図である。
【００１８】
図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。基板５０がシリコン基板のような導電性を有する基板の場合、第一の絶縁膜５１は、第一の電極と絶縁するために形成する。基板５０がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜５１は形成しなくともよい。また、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さの影響が残り、第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。このばらつきは、変換効率のばらつきとなるため、感度、帯域ばらつきとなる。従って、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。
【００１９】
次に、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミ等である。基板と同様に、第一の電極５２の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。
【００２０】
次に、図３（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましい。第二の絶縁膜５３は、第一の電極５２と第二の電極５６との間に電圧が印加された場合に、電極間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、第一のメンブレン５５が絶縁体であるため、第二の絶縁膜５３を形成しなくともよい。基板５０と同様に、第二の絶縁膜５３の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。よって、表面粗さが小さい材料で第二の絶縁膜を形成することが望ましい。例えば、シリコン窒化膜、シリコン酸化膜等である。
【００２１】
次に、図３（ｄ）、図４（ｄ）に示すように、犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、表面粗さが小さい材料が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。さらに、犠牲層を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン、第二の電極がほとんどエッチングされないよう、犠牲層の材料を選択することが好ましい。犠牲層を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜、第一のメンブレン、第二の電極がエッチングされる場合、振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきが発生する。第二の絶縁膜と第一のメンブレンとがシリコン窒化膜、あるいはシリコン酸化膜の場合、犠牲層としてはクロムが望ましい。
【００２２】
次に、図３（ｅ）、図４（ｅ）に示すように、犠牲層上に第一のメンブレン５５を形成する。メンブレン支持部は、このメンブレン５５と同一工程により形成される。第一のメンブレン５５は、小さい引張り応力が望ましい。例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。シリコン窒化膜は応力コントロールが可能であり、３００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。第一のメンブレンが圧縮応力を有する場合、第一のメンブレンがスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する。スティッキングとは、第一のメンブレン５５が第一の電極側に付着してしまうことである。また、大きな引張り応力の場合、第一のメンブレンが破壊されることがある。従って、第一のメンブレン５５は、低い引張り応力となるように形成することが望ましい。
【００２３】
次に、図３（ｆ）、図４（ｆ）に示すように、第一のメンブレン上に第二の電極５６を形成する。そして、図４（ｆ）に示すように、エッチングホール５８を形成する。その後、エッチングホールを介して、犠牲層５４を除去する。第二の電極５６は、残留応力が小さく、耐熱性、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性を有する材料が望ましい。エッチング耐性が低い場合、犠牲層を除去する際に、第二の電極を保護するフォトレジスト等を塗布したまま、犠牲層エッチングを行う必要がある。しかしながら、フォトレジスト等を塗布すると、フォトレジスト等の応力によって、第一のメンブレンがスティッキングしやすくなる。よって、第二の電極が露出した状態で犠牲層エッチングできるよう、エッチング耐性を有する第二の電極が望ましい。
【００２４】
また、第二の電極の残留応力が大きい場合、振動膜の大きな変形を引き起こすため、残留応力の小さな第二の電極が望ましい。さらに、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレンを成膜する際の温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。第二の電極の材料としては、チタンが好ましい。
【００２５】
次に、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７の形成とエッチングホール５８の封止を行う。本工程では、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を形成する工程と、エッチングホール５８を封止する工程とを同一工程で行う。つまり、本工程により、第二の電極上（第二の電極のキャビティとは反対側の面上）に第二のメンブレン５７を形成することで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができ、エッチングホール５８を封止する封止部を形成することができる。
【００２６】
第二のメンブレン５７を形成する工程の後に、エッチングホール５８を封止する工程を行った場合、エッチングホール５８を封止するための膜が第二のメンブレン５７上に堆積する。この堆積した膜を除去するために、エッチングを行うと振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生する。一方、本発明は、エッチングホール５８の封止工程と第二のメンブレン５７を形成する工程が同じであるため、振動膜は成膜工程だけで形成することができる。つまり、本発明は、第二の電極上に形成した膜をエッチング等で除去しないため、振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生しにくい。
【００２７】
本工程の後、図示しない工程により、第一の電極や、第二の電極と接続する配線を形成する。配線材料はアルミ等でよい。
【００２８】
以上、説明したように、本作製方法で電気機械変換装置を作製することにより、第二のメンブレンを形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができる。よって、電気機械変換装置の振動膜の厚みばらつきや、応力ばらつきを低減できる。従って、電気機械変換装置の感度、帯域のばらつきを低減することができる。
【００２９】
図１において、本形態により作製された電気機械変換装置は、エッチングホール１９を封止している封止部の厚さが、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じである。ここで、封止部の厚さとは、第一の電極が形成された面と垂直な方向におけるエッチングホール中心部の厚みであり、図１（ｃ）において矢印５で示す厚さである。また、「封止部の厚さが第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じ」とは、「厚さが厳密に同じ」である場合に限定されず、「成膜ばらつきの範囲内で厚みの違いがある場合」も、「厚さが同じ」であるものとする。具体的に、成膜ばらつきの範囲内の厚みの違いとしては、封止部の厚さが、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚みの±１０％の範囲内である場合である。
【００３０】
（本発明の好適な形態）
次に、本発明において好適な形態を説明する。本発明では、第一のメンブレン５５の厚さは犠牲層５４の厚さの２倍以上となるように形成することが好ましい。第一のメンブレン５５の厚さが犠牲層５４の深さの２倍より薄い場合、犠牲層形成時の段差部分を第一のメンブレン５５によって良好に覆うことができない可能性がある。特に、犠牲層５４の側面と上面との角部の被覆状態が悪いと、犠牲層エッチングしてキャビティを形成した場合、各セル間、各素子間での第一のメンブレン５５の機械特性がばらついてしまう。
【００３１】
そこで、第一のメンブレン５５の厚さ（図１（ｂ）の矢印７で示す厚み）を犠牲層５４の厚さ（図１（ｃ）の矢印９で示す厚み）の２倍以上となるように形成することで、第一のメンブレン５５によって、犠牲層５４の段差部分を良好に覆うことができる。よって、各セル間、各素子間での第一のメンブレン５５の機械特性ばらつきを低減することができる。図１において、この形態で作製した電気機械変換装置は、第一のメンブレン１６の厚さが、キャビティ３の深さの２倍以上である。本発明において、第一のメンブレン１６等の「厚さ」とは、第一の電極が形成された面と垂直な方向における厚みを示す。キャビティ３の「深さ」とは、電極間に電圧を印加していない状態の第二の絶縁膜１４から第一のメンブレン１６までの間隙の距離である。
【００３２】
また、第二の電極４上の第二のメンブレン５７の厚さ（図１（ｂ）の矢印８で示す厚み）は、キャビティの深さ（図１（ｂ）の矢印９で示す厚み）の３倍以上となるように形成することが好ましい。第二のメンブレン５７の厚さが、キャビティの深さの３倍より薄い場合、第二のメンブレン５７を形成する絶縁膜によりエッチングホール５８を塞いで、キャビティを良好に封止することができない可能性がある。そこで、第二のメンブレン５７の厚さを、キャビティの深さの３倍以上とすることで、第二のメンブレン５７を形成する絶縁膜によりエッチングホール５８を塞いで、キャビティを良好に封止することができる。図１において、この形態で作製した電気機械変換装置は、第二のメンブレン１８の厚さが、キャビティ３の深さの３倍以上である。
【００３３】
さらに、第二のメンブレン５７の厚さは、第一のメンブレン５５の厚さより厚くなるように形成することが好ましい。第一のメンブレン５５の厚みを薄くすることにより電極間距離を小さくできる。また、振動膜のばね定数は、振動膜の厚みによって変わってくる。そこで、第一のメンブレン５５を薄くしておき、第二のメンブレン５７で振動膜全体の厚みを調整するほうが、所望なばね定数に調整しやすい。図１において、本形態により作製した電気機械変換装置は、第二のメンブレン１８の厚さが、第一のメンブレン１６の厚さより厚い。
【００３４】
また、第二の電極５６を、犠牲層５４の全面を覆うように形成することが好ましい（後述する実施例２参照）。第二の電極５６を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生する場合、犠牲層５４の中心軸（つまりキャビティの中心軸）と第二の電極５６の中心軸がずれることがある。第二の電極の面積がキャビティの面積より小さく、キャビティの中心軸と第二の電極の中心軸がずれると、第一のメンブレン５５に作用する第二の電極５６の応力が変わるため、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつきが発生する可能性がある。そこで、犠牲層５４の全面を覆うよう第二の電極５６を形成することによって、第二の電極５６を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレによる振動膜のたわみばらつきをより低減することができる。図１において、本形態により作製した電気機械変換装置は、第二の電極４はキャビティ３の面積より大きく、キャビティ３の全面を覆うように形成されている。特に、第二の電極４の中心軸から外周までの距離は、第二の電極と第一の電極との間で発生する寄生容量（振動膜が振動する時に、静電容量が変化しない容量）を大きくしないように、キャビティ３の中心軸から外周までの距離より３ｕｍ程度大きいことが望ましい。
【００３５】
さらに、第二の電極５６としてチタンを用いることが望ましい。チタンは残留応力が小さいため、振動膜の大きな変形を防止することができる。また、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７としてシリコン窒化膜を用いる場合、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７より、第二の電極５６のヤング率は小さい。従って、第二のメンブレン５７の厚さにより所望のばね定数を有する振動膜を形成しやすい。また、チタンは熱耐性が高いため、第二のメンブレンを形成する際の温度による変質を防止することができる。また、チタンは表面粗さも小さくできるため、メンブレンのたわみばらつきを抑制できる。
【００３６】
さらに、第一のメンブレン５５として窒化シリコンを用いることも好ましい。窒化シリコンは、応力コントロールが容易であり、低い引張り応力、例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することができる。従って、シリコン窒化膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止することができる。また、Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＬＰＣＶＤ）と比較して、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）によるシリコン窒化膜は低温（２００〜４００度）で成膜できる。ＰＥＣＶＤにより成膜するシリコン窒化膜のヤング率は、１８０ＧＰａ以上にすることが可能であり、薄い第一のメンブレンで剛性を高めることができる。
【００３７】
さらに、第一のメンブレン５５のばね定数が５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下となるように形成することも好ましい。ここで、ばね定数（ｋ）とは、等分布荷重（Ｆ）が振動膜全体にかかった時の最大変位（ｘ）から算出しており、ｋ＝Ｆ／ｘである。例えば、１０ｕＮの等分布荷重が印加された場合に、最大変位が１０ｎｍであれば、ばね定数は１０００Ｎ／ｍである。
【００３８】
第一のメンブレン５５のばね定数が大きい場合、第一のメンブレン５５の剛性が高くなる一方、厚さが厚くなる。第一のメンブレン５５の厚さが大きくなると、第一の電極５２と第二の電極５６との距離が大きくなり、変換効率が低下する。ここでの変換効率とは、振動膜の振動を電気信号に変換する効率のことであり、第一の電極５２と第二の電極５６との間の距離が狭いほど変換効率が高い。一方、第一のメンブレン５５のばね定数が小さい場合、犠牲層５４のエッチング後、第一のメンブレン５５が第一の電極側に付着してしまう（スティッキング）。
【００３９】
スティッキングは、第一のメンブレン５５、第二のメンブレン５７の残留応力、犠牲層エッチング時の水分の蒸発による表面張力、静電気力、あるいは、表面の水酸基による水分吸着等によって発生する。特に犠牲層エッチングをウェットエッチングで行う場合、スティッキングは発生しやすい。特に、振動膜の振動の周波数帯域が０．３〜２０ＭＨｚの電気機械変換装置では、キャビティ深さが５０から３００ｎｍであって、スティッキングが発生しやすい。そこで、第一のメンブレン５５のばね定数を５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下となるように第一のメンブレン５５を形成することにより、変換効率の低下を抑制でき、スティッキングを防止することができる。
【００４０】
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】
【００４１】
実施例１について図１、３、４を用いて説明する。まず図１を用いて本実施例の電気機械変換装置について説明し、次に、この電気機械変換装置の作製方法について図３，４を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）、図１（ｃ）は、それぞれ、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。本実施例の電気機械変換装置は、セル構造１を有する素子２を４つ有している。また、１つの素子２は、９個のセル構造から構成される。
【００４２】
セル構造１は、３００ｕｍ厚さのシリコン基板である基板１１、シリコン基板上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜１２上に形成される第一の電極１３、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４を有する。さらに、第二の絶縁膜１４と間隙を隔てて配置された第一のメンブレン１６と、第二のメンブレン１８と、第二の電極４と、で構成される振動膜を有する。第一のメンブレン１６は、メンブレン支持部２０により支持されている。エッチングホール１９を封止している封止部の厚さは、第二の電極４上の第二のメンブレン１８の厚さと同じである。よって、第二のメンブレン１８を形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができる。
【００４３】
第一の絶縁膜１２は、熱酸化により形成した厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜１４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成したシリコン酸化膜である。第一の電極１３は厚さが５０ｎｍのチタンであり、第二の電極４は厚さが１００ｎｍのチタンである。第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８はＰＥ−ＣＶＤにより作製したシリコン窒化膜であり、１００ＭＰａ以下の引張り応力で形成されている。
【００４４】
また、第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８の直径は、４５ｕｍであり、それぞれの厚さは、０．４ｕｍ、０．７ｕｍである。第二の電極４の直径は４０ｕｍであり、キャビティの深さは、０．１８ｕｍである。第一のメンブレン１６のばね定数は１２００Ｎ／ｍであり、これにより、キャビティ３を形成後の第一のメンブレンのスティッキングを防止することができる。
【００４５】
本実施例のように、第一のメンブレン１６の厚さはキャビティ深さの２倍以上であるため、第一のメンブレン１６によって、キャビティ形成時の段差部分を良好に覆うことができる。
【００４６】
また、第二のメンブレン１８の厚さは、キャビティ３の深さの３倍以上である。これにより、第二のメンブレン１８を形成する絶縁膜によりエッチングホール１９を塞いで、良好にキャビティ３を封止することができる。また、第一のメンブレン１６は、第二のメンブレン１８より薄い。よって、第二のメンブレン１８の厚さによりメンブレンのばね定数を所望の値に調整しやすい。また、本実施例の電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎の電気信号を引き出すことができる。
【００４７】
次に、本実施例の電気機械変換装置の作製方法を図３、図４を用いて説明する。図３は、図１のＡ−Ｂ断面図であり、図４は、図１のＣ−Ｄ断面図である。
【００４８】
まず、図３（ａ）、図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。基板５０は厚さ３００ｕｍのシリコン基板である。また、第一の絶縁膜５１は第一の電極５２と基板５０との絶縁を形成するための熱酸化によるシリコン酸化膜であり、厚さ１ｕｍである。
【００４９】
次に、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、厚さ５０ｎｍのチタンであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。
【００５０】
次に、図３（ｃ）、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、ＰＥ−ＣＶＤにより成膜した厚さ０．１ｕｍのシリコン酸化膜であり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。絶縁膜５３は、第一の電極５２と第二の電極５６間の電気的短絡あるいは第一の電極５２と第二の電極５６との間に電圧がかかった時の絶縁破壊を防止するために形成する。
【００５１】
次に、図３（ｄ）、図４（ｄ）に示すように、犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、厚さ０．２ｕｍのクロムであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は、１．５ｎｍ以下である。また、犠牲層の直径は４０ｕｍである。
【００５２】
次に、図３（ｅ）、図４（ｅ）に示すように、第一のメンブレン５５を形成する。第一のメンブレン５５は、ＰＥＣＶＤにより成膜した厚さ０．４ｕｍの窒化膜である。第一のメンブレン５５の残留応力は２００ＭＰａである。
【００５３】
次に、図３（ｆ）、図４（ｆ）に示すように、第二の電極５６を形成し、さらにエッチングホール５８を形成する。第二の電極５６は、厚さ０．１ｕｍのチタンであり、残留応力は、２００ＭＰａ以下である。チタンは、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を成膜する際の温度により、表面粗さの増大や応力の変化がない。また、犠牲層を除去する際にエッチングされないため、レジスト等を塗布して保護することなく、犠牲層を除去できる。
【００５４】
その後、エッチングホールを介して、犠牲層５４を除去する。犠牲層５４の除去は、クロムエッチング液（硝酸第二アンモニウムセリウム、過塩素酸、水の混酸）により行う。特に、犠牲層５４の除去後の乾燥工程により、第一のメンブレン５５は、第一の電極５２側に付着しやすくなるが、第一のメンブレンのばね定数を１２５０Ｎ／ｍにしているため、スティッキングを防止して、キャビティを形成することができる。さらに、クロムエッチング液は、窒化シリコン、チタン、シリコン酸化膜をエッチングしないため、振動膜の厚みばらつきや第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきを防止することができる。
【００５５】
次に、図３（ｇ）、図４（ｇ）に示すように、第二のメンブレン５７を形成するとともに、エッチングホール５８を封止する。第二のメンブレン形成と同一工程で、エッチングホールを封止するため、振動膜をエッチングすることなく、形成することができる。
【００５６】
本実施例の電気機械変換装置の作製方法により、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができるので、セル間、素子間の感度、帯域のばらつきの小さな電気機械変換装置を作製できる。以上のような作製方法で作製した電気機械変換装置は素子間の感度ばらつきを１ｄＢ以下にすることができる。
【実施例２】
【００５７】
次に、実施例２について図２を用いて説明する。図２（ａ）は、本実施例の電気機械変換装置の上面図であり、図２（ｂ）、図２（ｃ）は、それぞれ、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図、Ｃ−Ｄ断面図である。実施例２の電気機械変換装置は、第二の電極２４の面積に特徴がある。それ以外の構成は、実施例１とほぼ同様である。
【００５８】
セル構造２１は、３００ｕｍ厚さのシリコン基板３１、シリコン基板３１上に形成される第一の絶縁膜３２、第一の絶縁膜３２上に形成される第一の電極３３、第一の電極３３上の第二の絶縁膜３４を有している。さらに、第二の絶縁膜３４とキャビティ２３を隔てて設けられた第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８、第二の電極２４とで構成される振動膜と、第一のメンブレン３６を支持するメンブレン支持部４０を有している。素子２２は、電気的に接続された複数のセル構造２１からなる。
【００５９】
第一の絶縁膜３２は、熱酸化により形成される厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜であり、第二の絶縁膜３４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成される厚さ０．１ｕｍのシリコン酸化膜である。第一の電極２４は厚さ５０ｎｍのチタンであり、第二の電極２４も厚さ１００ｎｍのチタンである。第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８は、ＰＥ−ＣＶＤにより２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成するシリコン窒化膜である。また、第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８の直径は、５０ｕｍであり、それぞれの厚さは、０．４ｕｍ、０．７ｕｍであり、第二の電極２４の直径は５６ｕｍである。また、キャビティ深さは０．２ｕｍである。
【００６０】
本実施例では、第二の電極２４の直径が、第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８の直径より大きく、第二の電極がキャビティを覆う構成としている。本構成により、第二の電極を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生しても、振動膜のたわみばらつきを低減することができる。
【００６１】
以上のような構成の本実施例の電気機械変換装置では、成膜工程だけで所望のばね定数を有するメンブレンを形成することができる。さらに、第二の電極を形成する際のフォトリソグラフィでのアライメントズレが発生しても、振動膜のたわみばらつきを低減することができるので、素子間の感度ばらつきを０．５ｄＢ以下にすることができる。
【符号の説明】
【００６２】
１ セル構造
２ 電気機械変換装置素子
３ キャビティ
４ 第二の電極
５ 封止部の厚み
６ キャビティ深さ
７ 第一のメンブレンの厚さ
８ 第二のメンブレンの厚さ
１１ 基板
１２ 第一の絶縁膜
１３ 第一の電極
１４ 第二の絶縁膜
１６ 第一のメンブレン
１８ 第二のメンブレン
１９ エッチングホール
２０ メンブレン支持部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気機械変換装置の作製方法であって、
第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、
前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、
前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、
前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、
前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする電気機械変換装置の作製方法。
【請求項２】
前記第一のメンブレンの厚さを、前記犠牲層の厚さの２倍以上に形成す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の作製方法。
【請求項３】
前記第二のメンブレンの厚さを、前記犠牲層の厚さの３倍以上に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項４】
前記第二のメンブレンの厚さを、前記第一のメンブレンの厚さより厚く形成す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の作製方法。
【請求項５】
前記第一のメンブレンとして、ＰＥＣＶＤによりシリコン窒化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項６】
前記犠牲層としてクロムを用い、前記犠牲層をウェットエッチングにより除去することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項７】
第一の電極と、
前記第一の電極上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜と間隙を隔てて形成された第一のメンブレンと、前記第一のメンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、前記間隙とは反対側の前記第二の電極上に形成された第二のメンブレンと、からなる振動膜と、
を備える電気機械変換装置であって、
前記間隙は、前記絶縁膜上に設けられた犠牲層を、前記第一のメンブレンと同じ層に形成されたエッチングホールを介して除去することにより形成された間隙であり、
前記エッチングホールを封止している封止部の厚みは、前記第二の電極上の前記第二のメンブレンの厚みと同じであることを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項８】
前記第一のメンブレンの厚さは、前記間隙の厚さの２倍以上であ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。
【請求項９】
前記第二のメンブレンの厚さは、前記間隙の厚さの３倍以上であることを特徴とする請求項７又は８のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項１０】
前記第二のメンブレンの厚さは、前記第一のメンブレンの厚さより厚いことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項１１】
前記第一のメンブレンのばね定数が５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項１】
電気機械変換装置の作製方法であって、
第一の電極上に絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、
前記第一のメンブレンに第二の電極を形成する工程と、
前記第一のメンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、
前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを封止する工程と、を有し、
前記第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチングホールを形成する工程とは、同一工程であることを特徴とする電気機械変換装置の作製方法。
【請求項２】
前記第一のメンブレンの厚さを、前記犠牲層の厚さの２倍以上に形成す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の作製方法。
【請求項３】
前記第二のメンブレンの厚さを、前記犠牲層の厚さの３倍以上に形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項４】
前記第二のメンブレンの厚さを、前記第一のメンブレンの厚さより厚く形成す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の作製方法。
【請求項５】
前記第一のメンブレンとして、ＰＥＣＶＤによりシリコン窒化膜を形成することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項６】
前記犠牲層としてクロムを用い、前記犠牲層をウェットエッチングにより除去することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
【請求項７】
第一の電極と、
前記第一の電極上に形成された絶縁膜と、
前記絶縁膜と間隙を隔てて形成された第一のメンブレンと、前記第一のメンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、前記間隙とは反対側の前記第二の電極上に形成された第二のメンブレンと、からなる振動膜と、
を備える電気機械変換装置であって、
前記間隙は、前記絶縁膜上に設けられた犠牲層を、前記第一のメンブレンと同じ層に形成されたエッチングホールを介して除去することにより形成された間隙であり、
前記エッチングホールを封止している封止部の厚みは、前記第二の電極上の前記第二のメンブレンの厚みと同じであることを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項８】
前記第一のメンブレンの厚さは、前記間隙の厚さの２倍以上であ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。
【請求項９】
前記第二のメンブレンの厚さは、前記間隙の厚さの３倍以上であることを特徴とする請求項７又は８のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項１０】
前記第二のメンブレンの厚さは、前記第一のメンブレンの厚さより厚いことを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【請求項１１】
前記第一のメンブレンのばね定数が５００Ｎ／ｍ以上３０００Ｎ／ｍ以下であることを特徴とする請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１２−２２２５１５（Ｐ２０１２−２２２５１５Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８４６７４（Ｐ２０１１−８４６７４）
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【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２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月６日（２０１１．４．６）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
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