JP2005051690A - Ultrasonic array sensor and method of manufacturing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサに関する。 The present invention relates to an ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged.
対象物までの距離や対象物が位置する方向を特定するために、発信された超音波の対象物からの反射波を共振現象を利用して検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの実用化が、近年、進められている。 An ultrasonic array in which a plurality of sensor elements are arranged to detect a reflected wave from a transmitted ultrasonic wave object using a resonance phenomenon in order to specify the distance to the object and the direction in which the object is located. The practical application of sensors has been promoted in recent years.
図1および図2は、従来の超音波アレイセンサ9(図2参照)が製造される様子を示す図である。従来の超音波アレイセンサ9を製造する際には、まず、図1に示すSOI(Silicon On Insulator)基板91が準備される。SOI基板91は、シリコン(Si)により形成されるベース層911、酸化シリコン(SiO2)により形成されるボックス層912、および、シリコンにより形成される活性層913により構成される。SOI基板91の上側の主面91a上には、図2に示すように絶縁層92が形成され、絶縁層92上の複数の所定領域(センサ素子が形成される領域)において、下部電極931、圧電膜932および上部電極933からなる振動検出層93が形成される(但し、図2では1つのセンサ素子90のみを図示している。)。
1 and 2 are views showing a state in which a conventional ultrasonic array sensor 9 (see FIG. 2) is manufactured. When manufacturing the conventional
続いて、SOI基板91の下側の主面91b上に対してエッチングを施すことにより複数の凹部910が形成される。このとき、ボックス層912はほとんどエッチングされないため、エッチングの進行を止めるエッチングストップ層としての役割を果たし、凹部910が深さ方向に精度よく形成される(すなわち、ベース層911がその厚みだけエッチングされ、エッチングのばらつきが防止される。)。
Subsequently, a plurality of
このようにして製造された超音波アレイセンサ9では、各凹部910の底面の部分がダイアフラム部を構成し、ダイアフラム部が自己の共振周波数の超音波を受けて共振することにより、電極931,933間に電位差が生じ、電気信号が出力される。
In the
なお、非特許文献1では、ゾルゲル法により形成されるPZT(ジルコン酸チタン酸鉛)薄膜を圧電膜として用いた超音波アレイセンサの構造や製造プロセスについて開示されている。
一般的に、SOI基板はシリコンにより形成される基板(以下、「シリコン基板」という。)の表面を酸化させ、その上に他のシリコン基板を張り合わせた後、一方のシリコン基板を研磨して薄くすることにより作製される。ところが、加工ばらつきによりSOI基板内(または、基板間)の活性層の厚さがばらつくため、製造された超音波アレイセンサのダイアフラム部の厚さもばらついてしまう。これにより、センサ素子間(または、超音波アレイセンサ間)でダイアフラム部の共振周波数に差が生じてしまい、超音波を精度よく検出できない恐れがある。 In general, an SOI substrate is formed by oxidizing the surface of a substrate formed of silicon (hereinafter referred to as a “silicon substrate”), and bonding another silicon substrate thereon, and then polishing one silicon substrate to make it thin. It is produced by doing. However, since the thickness of the active layer in the SOI substrate (or between the substrates) varies due to processing variations, the thickness of the diaphragm portion of the manufactured ultrasonic array sensor also varies. As a result, a difference occurs in the resonance frequency of the diaphragm portion between sensor elements (or between ultrasonic array sensors), and ultrasonic waves may not be detected accurately.
また、SOI基板は、一般的な基板と比較して高価であるため(例えば、シリコン基板の約10倍の価格)、超音波アレイセンサの製造コストも高くなってしまう。 Moreover, since the SOI substrate is more expensive than a general substrate (for example, about 10 times the price of a silicon substrate), the manufacturing cost of the ultrasonic array sensor is also increased.
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、共振周波数のばらつきが小さい超音波アレイセンサを低コストにて製造することを目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to manufacture an ultrasonic array sensor with a small variation in resonance frequency at low cost.
請求項1に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサの製造方法であって、a)シリコン基板の一の主面上に絶縁性を有するエッチングストップ層を形成する工程と、b)前記エッチングストップ層上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記エッチングストップ層側から順に、下部電極、圧電膜および上部電極を形成する工程と、c)前記複数の素子形成領域に対応する前記シリコン基板の他の主面上の複数の領域において、前記エッチングストップ層に至るまでエッチングを行うことにより複数の凹部を形成する工程とを備える。
The invention according to
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記工程a)において、前記シリコン基板の前記一の主面に熱酸化による酸化膜が前記エッチングストップ層として形成され、前記工程a)と前記工程b)との間に、前記酸化膜上に酸化膜を追加形成する工程をさらに備える。
The invention according to
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記工程a)において、前記シリコン基板の前記一の主面に窒化膜が前記エッチングストップ層として形成され、前記工程c)において、水酸化カリウム水溶液によりエッチングが行われる。 A third aspect of the present invention is the method of manufacturing the ultrasonic array sensor according to the first aspect, wherein in the step a), a nitride film is formed as the etching stop layer on the one main surface of the silicon substrate. In step c), etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution.
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の超音波アレイセンサの製造方法であって、前記工程a)と前記工程b)との間に、前記エッチングストップ層上にポリシリコン層を形成する工程と、前記ポリシリコン層上に絶縁層を形成する工程とをさらに備える。
The invention according to claim 4 is the method for manufacturing the ultrasonic array sensor according to
請求項5に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサであって、シリコン基板の一の主面上に酸化膜または窒化膜の絶縁層を形成した基板であり、他の主面に向かって開口するとともに前記絶縁層を底部とする複数の凹部を有するベース部と、前記絶縁層上の少なくとも前記複数の凹部に対応する領域において、前記絶縁層から順に、前記絶縁層に接する下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層とを備える。 The invention according to claim 5 is an ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged, wherein an insulating layer of an oxide film or a nitride film is formed on one main surface of a silicon substrate. A base portion having a plurality of recesses opening toward another main surface and having the insulating layer as a bottom, and at least a region on the insulating layer corresponding to the plurality of recesses from the insulating layer; A vibration detection layer having a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode in contact with the insulating layer is sequentially provided.
請求項6に記載の発明は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列された超音波アレイセンサであって、シリコン基板の一の主面上に酸化膜または窒化膜の絶縁層を形成した基板であり、他の主面に向かって開口するとともに前記絶縁層を底部とする複数の凹部を有するベース部と、前記絶縁層上に前記絶縁層側から順に形成されたポリシリコン層およびもう1つの絶縁層と、前記もう1つの絶縁層上の少なくとも前記複数の凹部に対応する領域において、前記もう1つの絶縁層から順に、下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層とを備える。 The invention according to claim 6 is an ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged, and an oxide film or a nitride film insulating layer is formed on one main surface of a silicon substrate. A base portion having a plurality of recesses opening toward another main surface and having the insulating layer as a bottom portion; a polysilicon layer formed on the insulating layer in order from the insulating layer side; and another one And a vibration detection layer having a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode in that order from the other insulating layer in a region corresponding to at least the plurality of recesses on the other insulating layer.
本発明によれば、シリコン基板を利用して共振周波数のばらつきが小さい超音波アレイセンサを低コストにて製造することができる。 According to the present invention, an ultrasonic array sensor having a small variation in resonance frequency can be manufactured at low cost using a silicon substrate.
また、請求項2、4および6の発明では、超音波アレイセンサの耐環境性を増すことができる。
In the inventions of
図3は、本発明の第1の実施の形態に係る超音波アレイセンサ1を示す縦断面図である。超音波アレイセンサ1は、超音波を検出する複数のセンサ素子が配列されたものであり、図3では、1つのセンサ素子100のみを図示している。実際には、センサ素子100は紙面の左右方向および紙面に垂直な方向に複数配列される。また、図3では図示の便宜上、薄膜部分を厚く強調して示している。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view showing the
図3に示す超音波アレイセンサ1は、シリコン基板11の上側の主面11a上に酸化膜の絶縁層21(例えば、酸化シリコン(SiO2)により形成される層であり、以下、「酸化膜21」とも呼ぶ。)が形成された基板であるベース部10を備える。ただし、以下の説明では下側の主面に形成された酸化膜も含めてベース部10と呼ぶ。ベース部10には下側の主面11bに向かって開口するとともに絶縁層21を底部とする複数の凹部12(例えば、上底が350μm、下底が700μmの台形の断面形状を有する凹部)が形成される。1つの凹部12は1つのセンサ素子100に対応し、図3では1つの凹部12のみが図示されている。
The
ベース部10の絶縁層21上において複数の凹部12にそれぞれ対応する領域(すなわち、複数の凹部12の真上の領域)には、絶縁層21側から順に、主として白金(Pt)により形成されるとともに絶縁層21に接する下部電極31(正確には、絶縁層21側からチタン(Ti)により形成される層と白金により形成される層とが積層されている。)、PZTにより形成される圧電膜41、および、白金により形成される上部電極51が設けられ、下部電極31、圧電膜41および上部電極51により振動を電圧として検出する振動検出層40が構成される。下部電極31は配向性をもってPZTを成膜する観点から白金であることが好ましく、圧電膜41がZnO(酸化亜鉛)により形成される場合も下部電極31が白金であることが好ましいと確認されている。なお、圧電膜41がPVDF(ポリフッ化ビニリデン)等の樹脂である場合には下部電極31は白金である必要はない。上部電極51も必ずしも白金により形成される必要はなく、金やアルミニウム等の他の導体により形成されてよい。
The regions corresponding to the plurality of
超音波アレイセンサ1では、各凹部12の底面(すなわち、絶縁層21により形成される面)から上側の絶縁層21、下部電極31、圧電膜41および上部電極51の部位が超音波を受けて振動する薄いダイアフラム部とされる。
In the
超音波アレイセンサ1は、所定の周波数の超音波を発信する音源装置とともに利用される。例えば、各ダイアフラム部の共振周波数が100kHzの超音波アレイセンサ1に対して、音源装置から100kHzの超音波が発信され、対象物からの反射波を受けて各ダイアフラム部が共振することにより各センサ素子100から電気信号が出力される。そして、出力された複数の信号を解析することにより、対象物までの距離や対象物が位置する方向が特定される。
The
次に、上述の超音波アレイセンサ1を製造する方法について説明する。図4は、超音波アレイセンサ1の製造工程の流れを示す図である。
Next, a method for manufacturing the above-described
超音波アレイセンサ1が製造される際には、まず、図5に示すシリコン基板11が準備される。図5に示すシリコン基板11は厚さが数百μmであり、アニール等の熱処理(例えば、酸素雰囲気中において1200度まで加熱処理)が施されることにより両主面11a,11cが酸化され、図6に示すように酸化シリコンにより形成される酸化膜21,22が、均一な厚さ(例えば、約1μm)にてそれぞれ形成される(ステップS11)。なお、主面11c側の酸化膜22は必要に応じて形成されるのみでもよい。
When the
続いて、主面11a(以下、「上面11a」とも呼ぶ。)側の酸化膜(絶縁層)21上に図7に示すように下部電極31(および、必要な配線パターン)が形成される(ステップS12)。下部電極31を形成する際には、まず、絶縁層21上にスパッタリングによりチタン(Ti)の膜が形成され、チタン膜上には白金の膜が形成される。なお、チタン膜は白金膜の密着性を向上させるための中間層としての役割を果たすものであるため、以下、チタン膜および白金膜を単に白金膜と呼ぶ。
Subsequently, a lower electrode 31 (and a necessary wiring pattern) is formed on the oxide film (insulating layer) 21 on the
図8は、白金膜が形成されたシリコン基板11の一部を例示する平面図である。白金膜上にはフォトリソグラフィ技術を利用してフォトレジストのパターンが形成される。すなわち、白金膜上にフォトレジストが塗布され、ステッパ等においてフォトレジスト上に所定のパターンが描画された後に、現像が施されフォトレジストのパターンが形成される。そして、イオンミリング装置等により白金膜がエッチング(ミリング)され、フォトレジストをシリコン基板11から除去することにより、下部電極31が形成される。
FIG. 8 is a plan view illustrating a part of the
図9は、下部電極31が形成されたシリコン基板11の一部を例示する平面図である。図9では、シリコン基板11上には十字状に配列された複数の下部電極31が形成される。また、複数の下部電極31はそれぞれ配線32を介して離れた位置に配置される接続用電極33に連絡する。図9中において複数の下部電極31をそれぞれ含む二点鎖線にて示す矩形領域71は、以降の工程を経て製造される1つのセンサ素子の形成領域(以下、「素子形成領域」という。)であり、裏面側においては後述する工程により図3に示す凹部12が形成される領域となる。なお、本実施の形態で参照する縦断面図は簡略化されているため図9の平面図とは厳密には対応していない。
FIG. 9 is a plan view illustrating a part of the
図7に示す下部電極31が形成されると、図10に示すように圧電材料により形成される圧電膜41が下部電極31上に形成される(ステップS13)。具体的には、まず、ゾルゲル法によりシリコン基板11上の全面にPZT膜が形成される。このとき、下部電極31を形成する白金膜は配向性が良好であるため、少なくとも下部電極31上においては配向性の高いPZT膜が得られる。続いて、PZT膜上にフォトリソグラフィ技術を利用してフォトレジストによるパターンが形成され、ウエットエッチングが施されてPZT膜のフォトレジストに覆われていない部分が除去される。そして、フォトレジストがシリコン基板11から除去され、圧電膜41の形成が完了する。
When the
図11は、圧電膜41が形成されたシリコン基板11の一部を例示する平面図であり、図9に対応する図である。また、図11では図9の下部電極31が占める矩形領域72(最終的にセンサ素子100のダイアフラム部となる領域である。)を破線により示している。図11に示すように、圧電膜41は全ての素子形成領域71を覆うようにして形成されており、圧電膜41には複数の接続用電極33にそれぞれ連続する複数のスルーホール42が設けられる。
FIG. 11 is a plan view illustrating a part of the
続いて、図10の圧電膜41上に、図12に示すように上部電極51が形成される(ステップS14)。上部電極51は、ステップS12における下部電極31と同様に、スパッタリングにより白金が全面成膜され、白金膜上に塗布されたフォトレジスト上に所定のパターンを描画して現像することにより、フォトレジストのパターンが形成される。そして、ミリングが施された後フォトレジストがシリコン基板11から除去されることにより上部電極51が形成され、下部電極31、圧電膜41および上部電極51による振動検出層40が所定の厚さにて均一に形成される。
Subsequently, the
図13は、上部電極51が形成されたシリコン基板11の一部を例示する平面図であり、図9および図11に対応している。図13に示すように、圧電膜41上には十字状に配列されるとともに複数の素子形成領域71内の下部電極31上の領域72にそれぞれ位置する複数の上部電極51が形成されており、複数の上部電極51は十字状の配線52により、1つの接続用電極53へと連絡する。なお、上部電極51(並びに、配線52および接続用電極53)も下部電極31と同様に、チタン膜が中間層として設けられてもよい。
FIG. 13 is a plan view illustrating a part of the
図12に示す上部電極51が形成されると、酸化膜形成後のシリコン基板11の下側の主面11b(酸化膜22の表面を指し、以下、「下面11b」とも呼ぶ。)上においてフォトレジストのパターンが形成され、エッチング(例えば、フッ酸を利用したウエットエッチング)が施されることにより、下面11b上の複数の素子形成領域71に対応する複数の領域において酸化膜22の一部が除去される。
When the
続いて、酸化膜22をエッチングマスクとしてTMAH(Tetramethylammonium Hydroxide)を用いてシリコン基板11に対して絶縁層21に至るまで異方性エッチングが施されることにより、図3に示すように下面11bに向かって開口するとともに絶縁層21を底部とする複数の凹部12が形成され、ダイアフラム部が形成される(ステップS15)。このとき、絶縁層21はTMAHによりほとんどエッチングされないため、エッチングの進行を止めるエッチングストップ層としての役割を果たし、凹部12が深さ方向に精度よく形成されるとともに、成膜により形成されたダイアフラム部が均一な厚さ(例えば、数μm)となる。また、シリコン基板11上に絶縁層21を形成した基板は凹部12が形成されることにより図3のベース部10となる。
Subsequently, anisotropic etching is performed on the
そして、シリコン基板11は図13に示す大きさを単位とするダイに分割されて、図3に示す超音波アレイセンサ1が完成する。超音波アレイセンサ1は、例えば、所定の回路基板上に貼り付けられる。そして、複数の接続用電極33,53(図13参照)がそれぞれワイヤーボンディングにより金線を介して回路基板上の電極と接続され、超音波検出に利用される。接続用電極33,53上には適宜ポッティングが施される。
Then, the
以上のように、図3に示す超音波アレイセンサ1では、シリコン基板11の上面11a上に絶縁性を有するエッチングストップ層が形成され、エッチングストップ層上に振動検出層40を設けるとともに、シリコン基板11が下面11b(酸化膜22が存在しない場合は図5の主面11c)からエッチングストップ層に至るまでエッチングされることにより、均一な厚みのダイアフラム部が形成される。これにより、超音波アレイセンサ1の複数のセンサ素子100における共振周波数のばらつきを小さく抑えることができる。また、SOI基板と比較して安価なシリコン基板11を利用することにより超音波アレイセンサ1の製造コストを低減することができる。なお、下部電極31、圧電膜41および上部電極51は、絶縁層21上の少なくとも複数の凹部12に対応する領域(領域の一部でもよい。)に形成されるのであるならば、他の領域まで任意に広がっていてもよい。
As described above, in the
また、ステップS11において、シリコン基板11の上面11a上に窒化膜(すなわち、窒化シリコン)がエッチングストップ層である絶縁層21として形成されてもよく、窒化膜は、例えば、CVD法(Chemical Vapor Deposition)を利用して成膜される。この場合、ステップS15において、TMAH以外に水酸化カリウム(KOH)水溶液をエッチャントとして用いて凹部12を形成することができる。水酸化カリウム水溶液によりエッチングされたシリコン基板11の凹部12の表面状態は、一般的に良質なものとなる。なお、異方性エッチングに利用されるエッチャントは、必ずしもTMAHまたは水酸化カリウム水溶液である必要はなく、絶縁層の種類に応じて適宜決定される。
In step S11, a nitride film (that is, silicon nitride) may be formed on the
さらに、凹部12は必ずしもウエットエッチングにより形成される必要はなく、絶縁層21のエッチング速度がシリコン基板11よりも極めて小さければ(すなわち、絶縁層21がエッチングストップ層としての役割を果たすのであれば)、ドライエッチング等他のエッチング手法を利用することも可能である。
Further, the
図14は、他の例に係る超音波アレイセンサ1aを示す縦断面図であり、1つのセンサ素子100のみを示している。図14の超音波アレイセンサ1aでは、図3の超音波アレイセンサ1と比較して、絶縁層21aの厚さが大きく異なっている。絶縁層21aは、シリコン基板11上の熱酸化による酸化膜とCVD法により追加形成された酸化膜とから構成される。他の構成は図3と同様であり、絶縁層21a上には下部電極31、圧電膜41および上部電極51により構成される振動検出層40が形成され、シリコン基板11に絶縁層21aを形成した基板であるベース部10には下側の主面11bに向かって開口する凹部12が形成される。
FIG. 14 is a longitudinal sectional view showing an ultrasonic array sensor 1a according to another example, and shows only one
図15は、超音波アレイセンサ1aの製造工程の流れを示す図であり、図4のステップS11とステップS12との間に行われる工程を示している。 FIG. 15 is a diagram showing a flow of a manufacturing process of the ultrasonic array sensor 1a, and shows a process performed between step S11 and step S12 of FIG.
図14に示す超音波アレイセンサ1aを製造する際には、図3の超音波アレイセンサ1と同様に、シリコン基板11の両主面11a,11cに熱酸化による酸化膜21,22が形成され(図6参照)(図4:ステップS11)、酸化膜21(絶縁層)上にCVD法により酸化膜(例えば、酸化シリコン)が均一な厚さにて追加形成される(ステップS21)。これにより、図16に示すように、酸化膜21がさらに厚くされた絶縁層21aが形成されることとなる。その後、図7ないし図13に示した工程と同様の工程を経て、絶縁層21a上の所定の領域に下部電極31、圧電膜41および上部電極51が形成される(図4:ステップS12〜14)。
When the ultrasonic array sensor 1a shown in FIG. 14 is manufactured, the
さらに、下面11b側の酸化膜22上において、素子形成領域71(図13参照)に対応して凹部を形成する領域のみが露出されたフォトレジストのパターンが形成されて酸化膜22の一部が除去され、ウエットエッチングによる異方性エッチングが施されることにより、図14に示すようにシリコン基板11の下側の酸化膜22側の主面11bに向かって開口する複数の凹部12が形成される(すなわち、ダイアフラム部が形成される。)(ステップS15)。このとき、絶縁層21a中の下側の層である熱酸化により形成された酸化膜が、実質的にエッチングストップ層としての役割を果たすこととなり、比較的強度が高く、均一な厚さのダイアフラム部を有する超音波アレイセンサ1aが完成する。
Further, on the
以上のように、図14の超音波アレイセンサ1aでは、シリコン基板11に形成された酸化膜21上に酸化膜をさらに成膜して比較的厚い絶縁層21aが形成される。これにより、ダイアフラム部の厚さを均一にしつつダイアフラム部の強度を増すことができる。その結果、耐環境性が高く、かつ、共振周波数のばらつきが小さい超音波アレイセンサ1aを安価に製造することができる。なお、酸化膜21上に追加形成される酸化膜は、必ずしもCVD法により形成される必要はなく、例えば、PVD法(Physical Vapor Deposition)等の他の手法により形成されてもよい。
As described above, in the ultrasonic array sensor 1a of FIG. 14, an oxide film is further formed on the
図17は、第2の実施の形態に係る超音波アレイセンサ1bを示す縦断面図であり、1つのセンサ素子100のみを示している。図17の超音波アレイセンサ1bでは、絶縁層21と振動検出層40との間に、絶縁層21側から順にポリシリコン(Poly Silicon)により形成される層(以下、「ポリシリコン層」という。)23、および、酸化シリコンにより形成されるもう1つの絶縁層24が設けられる点で、図3の超音波アレイセンサ1と異なる。他の構成は図3と同様であり、同符号を付している。
FIG. 17 is a longitudinal sectional view showing the ultrasonic array sensor 1 b according to the second embodiment, and shows only one
図18は、超音波アレイセンサ1bの製造工程の流れを示す図であり、図4のステップS11とステップS12との間に行われる工程を示している。 FIG. 18 is a diagram showing the flow of the manufacturing process of the ultrasonic array sensor 1b, and shows the process performed between step S11 and step S12 of FIG.
シリコン基板11の両主面11a,11cに、図3の超音波アレイセンサ1と同様に酸化膜21,22が形成されると(図6参照)(図4:ステップS11)、図19に示すように酸化膜21(絶縁層)上に、例えばCVD法によりポリシリコン層23が形成され(ステップS31)、続いて、ポリシリコン層23上にCVD法により形成される絶縁層24(例えば、酸化膜)が設けられる(ステップS32)。なお、ポリシリコン層23および絶縁層24は均一な厚さにて形成されるのであれば、CVD法以外の手法により成膜されてもよい。
When
絶縁層24上の所定の領域には、第1の実施の形態と同様の手法にて絶縁層24側から順に下部電極31、圧電膜41および上部電極51が積層されて振動検出層40が形成される(図4:ステップS12〜14)。そして、複数の素子形成領域71(図13参照)にそれぞれ対向する下面側の酸化膜22上の領域において、酸化膜21に至るまで異方性エッチングが施されることにより、図17に示すように下面11bに向かって開口するとともに酸化膜21を底部とする複数の凹部12が形成され(すなわち、ダイアフラム部が形成され)、超音波アレイセンサ1bが完成する(ステップS15)。
In a predetermined region on the insulating
以上のように、図17の超音波アレイセンサ1bでは、複数の凹部12を有するシリコン基板11により形成されるベース部10の絶縁層21上にポリシリコン層23およびもう1つの絶縁層24が形成され、厚さを均一に保ちつつダイアフラム部の強度が容易に増される。これにより、耐環境性が高く、かつ、共振周波数のばらつきが小さい超音波アレイセンサ1bを低コストにて製造することができる。
As described above, in the ultrasonic array sensor 1b of FIG. 17, the
以上、本発明の実施の形態について説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。 Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made.
図14および図17に示す超音波アレイセンサ1a,1bにおいても、図3の超音波アレイセンサ1と同様に、絶縁層21が窒化膜により形成されてもよい。なお、窒化膜はCVD法以外の手法により形成されてもよい。
Also in the ultrasonic array sensors 1a and 1b shown in FIGS. 14 and 17, the insulating
また、絶縁層21は、凹部12を形成する際にエッチングの進行を抑制するエッチングストップ層としての機能を果たすものであれば、酸化膜および窒化膜以外の絶縁体であってもよい。すなわち、エッチングストップ層を形成する材料は、エッチング手法の種類に応じて適宜決定されてよい。
The insulating
超音波アレイセンサにおいて、センサ素子は十字状以外の配列とされてもよく、より高精度な超音波アレイセンサを形成するには、センサ素子がマトリックス状に配列されることが好ましい。 In the ultrasonic array sensor, the sensor elements may be arranged in a shape other than a cross shape, and in order to form a highly accurate ultrasonic array sensor, the sensor elements are preferably arranged in a matrix.
上記実施の形態では複数の上部電極51が電気的に接続され、下部電極31が独立して設けられるが、複数の下部電極31を接続して上部電極51が互いに独立していてもよい。また、上部電極51および下部電極31のそれぞれが、互いに独立して設けられてもよい。圧電膜41も素子形成領域71毎に独立して設けられてもよい。なお、素子形成領域71と凹部12とは正確に対応する必要はなく、各素子形成領域71は各センサ素子100におよそ対応する領域を定めるにすぎない。
In the above embodiment, the plurality of
超音波アレイセンサを製造する工程の流れは、可能な範囲内で適宜変更されてよい。 The flow of the process for manufacturing the ultrasonic array sensor may be appropriately changed within a possible range.
1,1a,1b 超音波アレイセンサ
10 ベース部
11 シリコン基板
11a〜11c 主面
12 凹部
21,21a,24 絶縁層
23 ポリシリコン層
31 下部電極
40 振動検出層
41 圧電膜
51 上部電極
71 素子形成領域
100 センサ素子
S11〜S15,S21,S31,S32 ステップ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
a)シリコン基板の一の主面上に絶縁性を有するエッチングストップ層を形成する工程と、
b)前記エッチングストップ層上の少なくとも複数の素子形成領域において、前記エッチングストップ層側から順に、下部電極、圧電膜および上部電極を形成する工程と、
c)前記複数の素子形成領域に対応する前記シリコン基板の他の主面上の複数の領域において、前記エッチングストップ層に至るまでエッチングを行うことにより複数の凹部を形成する工程と、
を備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。 A method of manufacturing an ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged,
a) forming an insulating etch stop layer on one main surface of the silicon substrate;
b) forming a lower electrode, a piezoelectric film and an upper electrode in order from the etching stop layer side in at least a plurality of element formation regions on the etching stop layer;
c) forming a plurality of recesses by performing etching until reaching the etching stop layer in a plurality of regions on the other main surface of the silicon substrate corresponding to the plurality of element formation regions;
A method for manufacturing an ultrasonic array sensor, comprising:
前記工程a)において、前記シリコン基板の前記一の主面に熱酸化による酸化膜が前記エッチングストップ層として形成され、
前記工程a)と前記工程b)との間に、前記酸化膜上に酸化膜を追加形成する工程をさらに備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。 It is a manufacturing method of the ultrasonic array sensor according to claim 1,
In the step a), an oxide film by thermal oxidation is formed on the one main surface of the silicon substrate as the etching stop layer,
A method for manufacturing an ultrasonic array sensor, further comprising a step of additionally forming an oxide film on the oxide film between the step a) and the step b).
前記工程a)において、前記シリコン基板の前記一の主面に窒化膜が前記エッチングストップ層として形成され、
前記工程c)において、水酸化カリウム水溶液によりエッチングが行われることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。 It is a manufacturing method of the ultrasonic array sensor according to claim 1,
In the step a), a nitride film is formed as the etching stop layer on the one main surface of the silicon substrate,
In the step c), the ultrasonic array sensor manufacturing method is characterized in that etching is performed with an aqueous potassium hydroxide solution.
前記工程a)と前記工程b)との間に、
前記エッチングストップ層上にポリシリコン層を形成する工程と、
前記ポリシリコン層上に絶縁層を形成する工程と、
をさらに備えることを特徴とする超音波アレイセンサの製造方法。 It is a manufacturing method of the ultrasonic array sensor according to claim 1,
Between step a) and step b)
Forming a polysilicon layer on the etch stop layer;
Forming an insulating layer on the polysilicon layer;
An ultrasonic array sensor manufacturing method, further comprising:
シリコン基板の一の主面上に酸化膜または窒化膜の絶縁層を形成した基板であり、他の主面に向かって開口するとともに前記絶縁層を底部とする複数の凹部を有するベース部と、
前記絶縁層上の少なくとも前記複数の凹部に対応する領域において、前記絶縁層から順に、前記絶縁層に接する下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層と、
を備えることを特徴とする超音波アレイセンサ。 An ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged,
A substrate having an insulating layer of an oxide film or a nitride film formed on one main surface of a silicon substrate, a base portion having a plurality of recesses opening toward the other main surface and having the insulating layer as a bottom,
In a region corresponding to at least the plurality of recesses on the insulating layer, in order from the insulating layer, a vibration detection layer having a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode in contact with the insulating layer;
An ultrasonic array sensor comprising:
シリコン基板の一の主面上に酸化膜または窒化膜の絶縁層を形成した基板であり、他の主面に向かって開口するとともに前記絶縁層を底部とする複数の凹部を有するベース部と、
前記絶縁層上に前記絶縁層側から順に形成されたポリシリコン層およびもう1つの絶縁層と、
前記もう1つの絶縁層上の少なくとも前記複数の凹部に対応する領域において、前記もう1つの絶縁層から順に、下部電極、圧電膜および上部電極を有する振動検出層と、
を備えることを特徴とする超音波アレイセンサ。 An ultrasonic array sensor in which a plurality of sensor elements for detecting ultrasonic waves are arranged,
A substrate having an insulating layer of an oxide film or a nitride film formed on one main surface of a silicon substrate, a base portion having a plurality of recesses opening toward the other main surface and having the insulating layer as a bottom,
A polysilicon layer and another insulating layer sequentially formed on the insulating layer from the insulating layer side;
A vibration detection layer having a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode in order from the other insulating layer in a region corresponding to at least the plurality of recesses on the other insulating layer;
An ultrasonic array sensor comprising:
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