JP2007037005A

JP2007037005A - 超音波センサ

Info

Publication number: JP2007037005A
Application number: JP2005221003A
Authority: JP
Inventors: Tsunehisa Tanaka; 恒久田中; Shiyouboku Ri; 昇穆李; Kyoko Ikoma; 京子生駒; Michio Nishimura; 三千雄西村
Original assignee: PROASSIST KK; Osaka Prefecture; Proassist Ltd
Current assignee: PROASSIST KK; Osaka Prefecture; Proassist Ltd
Priority date: 2005-07-29
Filing date: 2005-07-29
Publication date: 2007-02-08

Abstract

【課題】従来よりも検出感度を向上した超音波センサを提供する。
【解決手段】半導体基板を加工して薄膜状に形成されるダイアフラム１と、半導体基板からなりダイアフラム１の周囲を囲み且つ支持する枠部２と、ダイアフラム１の表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極３と、ダイアフラム１と反対側の下部電極３表面に密着して設けられる薄膜状の圧電膜４と、下部電極３と反対側の圧電膜４表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５とを備える。ダイアフラム１の表面において上部電極５と圧電膜４と下部電極３をダイアフラム１よりも狭い範囲に設けているので、上部電極５、圧電膜４、下部電極３の残留応力がダイアフラム１に与える影響が小さくなってダイアフラム１が撓み易くなり、その結果、従来よりも検出感度を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体基板を加工して形成される超音波センサに関し、特に圧電効果を利用する圧電式の超音波センサに関するものである。

従来、超音波を検出する超音波センサとして、半導体基板を加工して形成される圧電式のものが提供されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は従来の超音波センサの一例を示す側断面図である。この従来例は、半導体基板を加工して薄膜状に形成されるダイアフラム１と、半導体基板からなりダイアフラム１の周囲を囲み且つ支持する枠部２と、ダイアフラム１の表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極３と、ダイアフラム１と反対側の下部電極３表面に密着して設けられる薄膜状の圧電膜４と、下部電極３と反対側の圧電膜４表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５とを備える。なお、圧電膜４は、圧電効果を生じる材料、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）をゾルゲル法により下部電極３の表面に成膜することで形成される。

而して、空気などの媒体を伝搬する超音波を受けてダイアフラム１並びにダイアフラム１上に設けられている圧電膜４が撓み、その撓みに応じて圧電膜４に発生する電圧（電荷）を下部電極３並びに上部電極５を通して取り出すことで超音波の強度（音圧）を検出することができる。
特開平１０−２５６５７０号公報

ところで、ダイアフラム１を構成する半導体（例えば、シリコン）とダイアフラム１上に形成される下部電極３、圧電膜４、上部電極５の各薄膜とで熱膨張率やヤング率、ポアソン比などが互いに異なっており、しかも、これらの薄膜が比較的に高温のプロセスで形成されるためにそれぞれの薄膜に固有の残留応力が発生する。かかる残留応力は薄膜形成時の温度と各薄膜の熱膨張率差や界面の面積に比例することが判っている。特に、シリコン基板に熱酸化膜を形成する工程と圧電膜４を形成する工程は、それぞれ約１１００℃と６００℃で行われるために残留応力発生の主な原因となっている。そして、このような残留応力によって個々の薄膜の剛性が高くなり、結果としてダイアフラム１が撓み難くなるために感度が低下するという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みて為されたものであり、その目的は、従来よりも検出感度を向上した超音波センサを提供することにある。

請求項１の発明は、上記目的を達成するために、半導体基板を加工して薄膜状に形成されるダイアフラムと、半導体基板からなりダイアフラムの周囲を囲み且つ支持する枠部と、ダイアフラムの表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極と、ダイアフラムと反対側の下部電極表面に密着して設けられる薄膜状の圧電膜と、下部電極と反対側の圧電膜表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極とを備え、超音波を受けてダイアフラムが撓んだときに圧電膜に発生する電圧を下部電極並びに上部電極を通して取り出す超音波センサであって、ダイアフラムの表面においては上部電極と圧電膜と下部電極がダイアフラムよりも狭い範囲に設けられたことを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、圧電膜がジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、ダイアフラム表面の面積を、ダイアフラム表面における圧電膜の面積の３３倍以上としたことを特徴とする。

本発明によれば、ダイアフラムの表面においては上部電極と圧電膜と下部電極がダイアフラムよりも狭い範囲に設けられているので、上部電極と圧電膜と下部電極がダイアフラムと同じ若しくは広い範囲に設けられている従来例に比較して、上部電極、圧電膜、下部電極の残留応力がダイアフラムに与える影響が小さくなってダイアフラムが撓み易くなり、その結果、従来よりも検出感度を向上させることができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。但し、従来例と共通の構成要素については同一の符号を付して適宜説明を省略する。

本実施形態は、図２に示すように半導体基板（ＳＯＩ基板）を加工して薄膜状に形成されるダイアフラム１（図１（ａ）において破線で囲まれた部分）と、半導体基板からなりダイアフラム１の周囲を囲み且つ支持する枠部２と、ダイアフラム１の表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極３と、ダイアフラム１と反対側の下部電極３の表面に密着して設けられる薄膜状の圧電膜４と、下部電極３と反対側の圧電膜４の表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極５と、枠部２の表面とダイアフラム１の裏面を含む枠部２内に設けられる薄膜状の酸化膜６とを備える。また、枠部２の表面における圧電膜４に窓孔４ａが設けられ、この窓孔４ａ内で下部電極３の表面に接合されたランド３ａと上部電極５の表面端部に接合されたランド５ａを介して圧電膜４に発生する電圧(電荷）が外部に取り出される。

次に本実施形態の製造プロセスを簡単に説明する。

まず、半導体基板表面の酸化膜６上に白金とチタンの多層薄膜をＲＦマグネトロンスパッタにて成膜することで下部電極３を形成する。そして、半導体基板の裏面（図２における下面）にシリコン異方性エッチング窓のフォトリソグラフィを行い、レジストをマスクにして半導体基板裏面の酸化膜をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）でエッチングした後、半導体基板をＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）水溶液（濃度２５％、９０℃）に浸してシリコン異方性エッチングを行うことによって薄膜状のダイアフラム１と矩形枠状の枠部２を形成する。続いて、ゾルゲル法によってＰＺＴの薄膜を下部電極３の表面に成膜することで圧電膜４を形成する。この成膜工程においては、ＰＺＴを１２層に塗布することで圧電膜４の膜厚を約０．８μｍとしており、各層毎に４００℃で１０分間ずつ乾燥させるとともに４層ごとに６００℃の酸素雰囲気下で１０分間ずつ焼結させる。

そして、圧電膜４の表面に白金とチタンの多層薄膜をＲＦマグネトロンスパッタにて成膜した後、フォトリソグラフィとＩＣＰ型ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングにより所望の大きさに加工することで上部電極５を形成する。さらに、フォトリソグラフィと希フッ硝酸を用いたウェットエッチングにより圧電膜４を所望の大きさに加工するとともに、フォトリソグラフィとＩＣＰ型ＲＩＥ装置を用いたドライエッチングによって下部電極３を所望の大きさに加工して本実施形態が完成する。

ここで従来技術で説明したように、上述の製造プロセスにおいて下部電極３、圧電膜４、上部電極５の各薄膜に残留応力（膜応力）が発生する。この残留応力が圧縮応力である場合はダイアフラム１の剛性が減少して機械的振動に対する抵抗が低下するが、残留応力が引張り応力である場合はダイアフラム１の剛性が増加して機械的振動に対する抵抗が増大してしまうためにダイアフラム１が撓み難くなって検出感度が低下する。また、圧電膜４に発生する残留応力が引張り応力である場合は単位格子が圧縮されて分極特性を決める単位格子内部の荷電粒子（電子あるいはイオン）が非常に動き難い状態になるが、圧電膜４に発生する残留応力が圧縮応力である場合は単位格子が膨張して単位格子内部の荷電粒子が動き易い状態になるため、分極特性が向上して残留分極Ｐｒ［Ｃ／ｍ²］や抗電界Ｅｃ［Ｖ／ｍ］の値が大幅に増加する。図３に示した従来例においては、ダイアフラム１の表面における下部電極３と圧電膜４と上部電極５がダイアフラム１よりも広い範囲（面積）となる大きさに形成されているため、非常に大きな引張り応力が圧電膜４に発生して分極特性を大幅に低下させていた。

これに対して本実施形態では、図１（ａ）に示すようにダイアフラム１の表面における下部電極３と圧電膜４と上部電極５をダイアフラム１よりも狭い範囲（面積）となる大きさ（上記所望の大きさ）に形成しているので、従来例と比較して圧電膜４に発生する引張り応力が減少するとともに圧縮応力が増大し、圧電膜４の分極特性が向上するとともにダイアフラム１の機械的振動に対する抵抗が低下するため、従来例に比較して検出感度を大幅に向上することができる。

ここで、ダイアフラム１の表面における圧電膜４の面積Ａｐとダイアフラム１の面積Ａｍの比Ａｒ（＝Ａｍ／Ａｐ）が互いに異なる数種類のサンプル（サンプル番号１〜５）を作成し、これらのサンプルについて検出感度［μＶ／Ｐａ］を調べる実験を本発明者らが行ったところ、下記の表１に示す結果が得られた。但し、ダイアフラム１並びに圧電膜４の外形は正方形とみなしている。

上記実験結果によれば、サンプル番号３の検出感度が５０〜６０［μＶ／Ｐａ］と最も高く、それに次いでサンプル番号４の検出感度が３０［μＶ／Ｐａ］と２番目に高く、それ以外のサンプル（サンプル番号１，２，５）については検出感度が１０［μＶ／Ｐａ］以下とかなり低くなっている。つまり、ダイアフラム１の面積が同じであれば圧電膜４の面積が小さいサンプルの方が検出感度が高くなり、圧電膜４の面積が同じであればダイアフラム１の面積が大きいサンプルの方が検出感度が高くなることが判る。ここで、各々のサンプル番号１〜５の面積比Ａｒ１〜Ａｒ５を求めると、Ａｒ１＝９５０²／２００²≒２２．６、Ａｒ２＝１０５０²／２００²≒２７．６、Ａｒ３＝１１５０²／２００²≒３３．１、Ａｒ４＝１１５０²／３００²≒１４．７、Ａｒ５＝１１５０²／４００²≒８．３となる。したがって、圧電膜４をＰＺＴで形成した場合にはダイアフラム１表面の面積Ａｍを、ダイアフラム１表面における圧電膜４の面積Ａｐの３３倍以上とすれば検出感度を大幅に向上させることが可能である。

なお、本実施形態ではダイアフラム１や圧電膜４の外形を正方形とみなしたが、正方形以外の多角形若しくは円形や楕円形としても構わない。また、圧電膜４をＰＺＴ以外の材料で形成してもよく、ダイアフラム１の表面における圧電膜４の面積Ａｐとダイアフラム１の面積Ａｍの比Ａｒは当該他の材料で圧電膜４を形成した場合の最適値を選択すればよい。

本発明の実施形態を示し、（ａ）はダイアフラムを含む要部の平面図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ’線断面矢視図である。同上の側断面図である。従来例を示す側断面図である。

符号の説明

１ダイアフラム
２枠部
３下部電極
４圧電膜
５上部電極

Claims

半導体基板を加工して薄膜状に形成されるダイアフラムと、半導体基板からなりダイアフラムの周囲を囲み且つ支持する枠部と、ダイアフラムの表面に密着して設けられる薄膜状の下部電極と、ダイアフラムと反対側の下部電極表面に密着して設けられる薄膜状の圧電膜と、下部電極と反対側の圧電膜表面に密着して設けられる薄膜状の上部電極とを備え、超音波を受けてダイアフラムが撓んだときに圧電膜に発生する電圧を下部電極並びに上部電極を通して取り出す超音波センサであって、
ダイアフラムの表面においては上部電極と圧電膜と下部電極がダイアフラムよりも狭い範囲に設けられたことを特徴とする超音波センサ。
圧電膜がジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、ダイアフラム表面の面積を、ダイアフラム表面における圧電膜の面積の３３倍以上としたことを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。