JP2007037006A - 超音波センサ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】残響振動を短くするとともに、残留応力を低減することで感度を向上させ、且つ、共振周波数の均一化を図った超音波センサ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】超音波センサＡは、支持層１１の一部を絶縁層１２に達するまでエッチングすることによってメンブレン１５が形成されたＳＯＩ基板１０を備え、活性層１３の表面を熱酸化してシリコン酸化膜１４を形成するとともに、シリコン酸化膜１４の表面に下部電極１６、圧電薄膜１７および上部電極１８を積層してある。メンブレン１５上に形成された下部電極１６および圧電薄膜１７は、上部電極１８とＳＯＩ基板１０との間に存在する部分のみが残るようにパターニングされ、圧電薄膜１７及び両電極１６，１８を覆うようにしてシリコン酸化膜１４の表面全体にＦＣ薄膜１９を形成してある。
【選択図】図１

Description

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。

従来より、半導体基板に薄膜を形成するとともに、薄膜の上面に圧電体を形成した超音波センサが提供されている（例えば特許文献１参照）。

また、図１２（ａ）（ｂ）は従来の超音波センサＡの一例を示しており、ＳＯＩ基板３０の支持層３１を異方性エッチングすることによってダイアフラム構造を形成するとともに、活性層３３の表面（図１２（ａ）中の上面）にＰｔ，Ｔｉからなる下部電極３５と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電薄膜３６と、Ｐｔからなる上部電極３７とを形成して構成される。図１２（ｂ）はＳＯＩ基板３０のメンブレン３４付近の平面図であり、上部電極３７は３４の一部（中央部）のみに存在するようにパターニングされているのに対して、下部電極３５および圧電薄膜３６はＳＯＩ基板３０（つまり活性層３３）の上面全体に蒸着されている。なお上部電極３７は矩形板状であって、左右両側辺から幅狭の導電パターン３７ａが延出している。この導電パターン３７ａはメンブレン３４の外側まで延長形成されており、メンブレン３４の外側部分においてボンディングワイヤ４０がワイヤボンドされている。また下部電極３５には、圧電薄膜３６に形成されたコンタクトホール３６ａを通してボンディングワイヤ４０がワイヤボンドされている。

この超音波センサＡは、例えば空気中に送波された超音波の反射波を受波することによって、超音波の伝搬時間から三次元空間における物体の位置や形状を検出するものであって、超音波を受波する際にメンブレン３４が振動して、メンブレン３４に撓みが発生すると、圧電薄膜３６の圧電効果によって電極３５，３７間に電圧が発生するので、受波した超音波振動を電気信号として取り出すことができる。
特開平１０−２５６５７０号公報

上述した超音波センサＡが備えるメンブレン３４は、圧電薄膜３６と、両電極３５，３７と、Ｓｉの活性層３３と、ＳｉＯ_２の絶縁層３２とで構成される多層膜構造となっていた。メンブレン３４が上述のような多層膜構造となっている場合は、各々の薄膜層毎に熱膨張率やヤング率やポアソン比が異なり、また製造プロセス中に高温の作製工程が存在するため、最終的に製造されるデバイス構造には相当の残留応力が発生していた。ここで、多層膜構造に発生する残留応力は、作製温度と、各薄膜の熱膨張率の差と、界面の面積とに比例している。なお超音波センサＡの製造プロセスでは、シリコンウェハーの表面を熱酸化する工程と、ＰＺＴからなる圧電薄膜３６の蒸着工程とがそれぞれ１１４０℃と６００℃で行われるため、これらの製造工程が残留応力の発生する主な要因となっていた。

ところで、メンブレン３４に発生する残留応力としては引張応力と圧縮応力とがあるが、メンブレン３４に引張応力又は圧縮応力が発生する場合、センサの特性に以下のような影響が発生する。

メンブレン３４に発生する残留応力が引張応力の場合、メンブレン３４の剛性が高まり、機械的振動に対する抵抗が増加するため、感度が低下する。一方、メンブレン３４に発生する残留応力が圧縮応力の場合は、メンブレン３４の剛性が低下して、機械的振動に対する抵抗が減少するため、感度が向上する。

またメンブレン３４が音圧によって振動する際には、メンブレン３４の伸びが発生し、メンブレン３４の変位量と与えられる圧力（音圧）とに比例した引張応力がメンブレン３４のエッジ部分に発生する。この引張応力は、メンブレン３４が機械的に振動する際に抵抗として働くが、残留応力として圧縮応力が発生している場合はメンブレン３４に撓みが発生し、この撓みによってエッジ部分の応力が分散されて抵抗が減少するので、音圧によってメンブレン３４が撓みやすくなる、つまり感度が向上するという利点がある。尚、メンブレン３４が撓む方向は応力状態によって決定されるのであるが、上下何れの方向に撓んだとしても、メンブレン３４の振動に対する抵抗が撓み量に比例して減少されるのである。

また更に、圧電薄膜３６の圧電特性は、メンブレン３４に発生する引張応力に比例して低下する。メンブレン３４に引張応力が発生した場合、各原子レベルのセルが圧縮され、分極特性を決定する内部の電子とイオンが非常に動き難い状態になる。一方、メンブレン３４に圧縮応力が発生した場合、セル内部のイオン等が動きやすい状態になるから、分極特性が向上し、残留分極量Ｐｒや抗電界Ｅｃが非常に増加することになる。

以上説明したようにメンブレン３４に発生する残留応力が圧縮応力の場合は、超音波センサＡの感度が高くなり、残留応力が引張応力の場合は感度が低下する傾向があるが、上述の超音波センサＡではＳＯＩ基板３０の表面全体に下部電極３５と圧電薄膜３６とを形成しているために界面の面積が広く、且つ、高温の製造工程が存在するために、熱膨張率の差によってメンブレン３４に非常に大きな引張応力が発生し、感度が低下するという問題があった。

また、上述の超音波センサＡは共振型のメンブレン３４を有しており、Ｑ値が比較的高く、リンギング（残響振動）が長いので（約１．５ｍＳ以上）、リアルタイムで信号処理を行うことが困難であった。

また、ＳＯＩ基板３０は、例えば表面を酸化したＳｉ基板をもう１枚のＳｉ基板と貼り合わせて作製されるのであるが、貼り合わせの際に行う熱処理により応力が発生して、支持層に歪が発生する場合がある。そのため、ダイアフラム作製時に支持層を結晶異方性エッチングすると、エッチングの深さにばらつきが生じて、ダイアフラムの形状にばらつきが発生し、ダイアフラムの振動の共振周波数にばらつきが生じるという問題もあった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたものであり、その目的とするところは、残響振動を短くするとともに、残留応力を低減することで感度を向上させた超音波センサ及びその製造方法を提供するにある。さらに、請求項３の発明の目的とするところは、上記の目的に加えて、共振周波数の均一化を図った超音波センサを提供するにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、裏面をエッチングすることによってメンブレンが形成された半導体基板と、半導体基板の表面においてメンブレン上に少なくとも一部が形成された下部電極と、下部電極の表面に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜の表面に形成された上部電極とを備え、メンブレン上に形成された下部電極および圧電薄膜は、上部電極と半導体基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングされ、且つ、圧電薄膜および両電極を覆うようにして半導体基板の表面の略全体に形成されたフロロカーボンの薄膜を備えて成ることを特徴とする。

この発明によれば、メンブレンに形成された下部電極および圧電薄膜は、上部電極と半導体基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングされているので、半導体基板の表面全体に下部電極および圧電薄膜が形成された場合に比べて、残留応力が発生しやすい界面の面積を小さくでき、その結果残留応力として発生する引張応力が低減されるから、感度の低下を抑制した超音波センサを実現できる。しかも、半導体基板の他面側の略全体にフロロカーボンの薄膜を形成しているので、この薄膜によってメンブレンのダンピング効果を得ることができ、超音波を受波した際の残響振動を抑制できるから、従来の超音波センサに比べて比較的短い時間で信号処理を行える超音波センサを実現できる。さらに、フロロカーボンの薄膜は高分子ポリマーであり、圧電薄膜に比べて低密度で薄膜内部の音速が遅くなるから、この薄膜の音響インピーダンスが非常に小さくなり、空気との音響マッチングが良いので、音圧に対する受信感度を向上させた超音波センサを提供できる。さらに半導体基板の他面側の略全体をフロロカーボンの薄膜で覆っているので、異方性エッチングによりダイアフラム構造を作製する際にフロロカーボンの薄膜を圧電薄膜や両電極の保護膜として利用することができ、且つ、実環境で使用する際に空気中の様々な不純物や水分から圧電薄膜を保護することもでき、さらにフロロカーボンは絶縁性が高いため、圧電薄膜を電気的に絶縁することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、半導体基板が、支持層と活性層との間に絶縁層が形成されるとともに、支持層の一部を絶縁層に到達するまでエッチングすることによってメンブレンが形成されたＳＯＩ基板からなることを特徴とする。

この発明によれば、エッチングによりメンブレンを形成する際に、ＳＯＩ基板の絶縁層がエッチングのストッパとして機能するから、エッチングストッパを別途形成する必要が無く、より少ない製造工程で製造可能な超音波センサを実現できる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、半導体基板が、表面にシリコン酸化膜が形成されるとともに、裏面側からシリコン酸化膜に到達するまでエッチングすることによってメンブレンが形成されたシリコン単結晶基板からなることを特徴とする。

この発明によれば、ＳＯＩ基板に比べて安価なシリコン単結晶基板を用いているので、製造コストの安価な超音波センサを実現できる。さらに、２枚の基板を貼り合わせて作製されるＳＯＩ基板のように基板を貼り合わせる工程がないから、貼り合わせの際の熱処理によって生じる基板の歪みがないので、ダイアフラムの形状のばらつきが小さく、ダイアフラムの振動の共振周波数を均一にできる。

請求項４の発明は、請求項３記載の超音波センサの製造方法であって、シリコン単結晶基板の表面にシリコン酸化膜を形成するとともに、シリコン酸化膜の表面に下部電極と圧電薄膜と上部電極とを積層し、圧電薄膜および下部電極を、上部電極とシリコン単結晶基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングした後、圧電薄膜および上下の両電極を覆うようにしてシリコン単結晶基板の表面の略全体にフロロカーボンの薄膜を形成し、フロロカーボンの薄膜をエッチングの保護膜として、シリコン単結晶基板を裏面側から異方性エッチングすることでメンブレンを形成することを特徴とすることを特徴とする。

この発明によれば、半導体基板としてシリコン単結晶基板を用い、シリコン単結晶基板の表面にシリコン酸化膜を形成するとともに、シリコン単結晶基板を裏面側からシリコン酸化膜に達するまでエッチングすることでメンブレンを形成しており、メンブレンの膜厚がシリコン酸化膜とフロロカーボンの薄膜の膜厚で決定されるから、メンブレンの膜厚を精度良く制御することができ、且つ、ＳＯＩ基板に比べてシリコン単結晶基板は安価なので、超音波センサの製造コストを低減できる。さらにシリコン酸化膜の表面にフロロカーボンの薄膜を形成しているので、フロロカーボンの薄膜によってメンブレンの機械的強度を確保でき、またシリコン単結晶基板をエッチングする際の保護膜として利用でき、さらに実使用時に圧電薄膜や上下両電極の保護膜としても用いることができる。また、フロロカーボンは絶縁性が高いため、圧電薄膜を電気的に絶縁することができる。

請求項１の発明によれば、メンブレンに形成された下部電極および圧電薄膜は、上部電極と半導体基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングされているので、半導体基板の表面全体に下部電極および圧電薄膜が形成された場合に比べて、残留応力が発生しやすい界面の面積を小さくでき、その結果残留応力として発生する引張応力が低減されるから、感度の低下を抑制した超音波センサを実現できる。しかも、半導体基板の他面側の略全体にフロロカーボンの薄膜を形成しているので、この薄膜によってメンブレンのダンピング効果を得ることができ、超音波を受波した際の残響振動を抑制できるから、従来の超音波センサに比べて比較的短い時間で信号処理を行える超音波センサを実現できる。さらに、フロロカーボンの薄膜は高分子ポリマーであり、圧電薄膜に比べて低密度で薄膜内部の音速が遅くなるから、この薄膜の音響インピーダンスが非常に小さくなり、空気との音響マッチングが良いので、音圧に対する受信感度を向上させた超音波センサを提供できる。さらに半導体基板の他面側の略全体をフロロカーボンの薄膜で覆っているので、異方性エッチングによりダイアフラム構造を作製する際にフロロカーボンの薄膜を圧電薄膜や両電極の保護膜として利用することができ、且つ、実環境で使用する際に空気中の様々な不純物や水分から圧電薄膜を保護することもでき、さらにフロロカーボンは絶縁性が高いため、圧電薄膜を電気的に絶縁することができる。

請求項２の発明によれば、エッチングによりメンブレンを形成する際に、ＳＯＩ基板の絶縁層がエッチングのストッパとして機能するから、エッチングストッパを別途形成する必要が無く、より少ない製造工程で製造可能な超音波センサを実現できる。

請求項３の発明によれば、ＳＯＩ基板に比べて安価なシリコン単結晶基板を用いているので、製造コストの安価な超音波センサを実現できる。さらに、２枚の基板を貼り合わせて作製されるＳＯＩ基板のように基板を貼り合わせる工程がないから、貼り合わせの際の熱処理によって生じる基板の歪みがないので、ダイアフラムの形状のばらつきが小さく、ダイアフラムの振動の共振周波数を均一にできる。

請求項４の発明によれば、半導体基板としてシリコン単結晶基板を用い、シリコン単結晶基板の表面にシリコン酸化膜を形成するとともに、シリコン単結晶基板を裏面側からシリコン酸化膜に達するまでエッチングすることでメンブレンを形成しており、メンブレンの膜厚がシリコン酸化膜とフロロカーボンの薄膜の膜厚で決定されるから、メンブレンの膜厚を精度良く制御することができ、且つ、ＳＯＩ基板に比べてシリコン単結晶基板は安価なので、超音波センサの製造コストを低減できる。さらにシリコン酸化膜の表面にフロロカーボンの薄膜を形成しているので、フロロカーボンの薄膜によってメンブレンの機械的強度を確保でき、またシリコン単結晶基板をエッチングする際の保護膜として利用でき、さらに実使用時に圧電薄膜や上下両電極の保護膜としても用いることができる。また、フロロカーボンは絶縁性が高いため、圧電薄膜を電気的に絶縁することができる。

以下に本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（実施形態１）
本発明の実施形態１を図１〜図６に基づいて説明する。本実施形態の超音波センサＡの断面図を図１（ａ）に、メンブレン付近の平面図を図１（ｂ）に、要部拡大断面図を図２にそれぞれ示す。この超音波センサＡは、Ｓｉからなる支持層１１及び活性層１３の間にＳｉＯ_２からなる絶縁層１２が形成されたＳＯＩ基板１０を用いて形成され、支持層１１の一部を絶縁層１２に到達するまでエッチングすることによってダイアフラム構造を形成してある。活性層１３の表面（図１（ａ）中の上面）には熱酸化によってシリコン酸化膜１４が形成されており、シリコン酸化膜１４においてメンブレン１５に対応する部位には、ＰｔとＴｉ薄膜とを積層して形成される下部電極１６と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電材料からなる圧電薄膜１７と、Ｐｔ単体、或いは、ＰｔとＴｉ薄膜とを積層して形成される上部電極１８とが積層されている。ここで、メンブレン１５上に形成された下部電極１６および圧電薄膜１７は、上部電極１８とＳＯＩ基板１０との間に存在する部分（すなわち上部電極１８の投影範囲内に存在する部分）のみを残し、それ以外の部分をエッチングして除去してある。尚、圧電薄膜１７及び上下両電極１６，１８の形状は実施形態の形状に限定されるものではなく、測定対象の波長や使用用途に応じて適宜の形状に設定すれば良い。

そして、ＳＯＩ基板１０において活性層１３側の表面（つまりシリコン酸化膜１４の表面）の略全体に、圧電薄膜１７および上下両電極１６，１８を覆うようにして、例えばフロロカーボン（ＦＣ）のようなフッ素系樹脂からなるＦＣ薄膜１９を形成してある。而して、メンブレン１５は、圧電薄膜１７が存在する部位はＦＣ／Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ／ＳｉＯ_２の多層膜構造となり、圧電薄膜１７が存在しない部位（図１（ｂ）中の斜線部分）はＦＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ／ＳｉＯ_２の多層膜構造となっている。

この超音波センサＡは、例えば空気中に送波された超音波の反射波を受波することによって、超音波の伝搬時間から三次元空間における物体の位置や形状を検出するものであって、メンブレン１５が超音波を受波した場合、音圧によってメンブレン１５が撓められ、圧電薄膜１７の圧電効果によって撓み量に応じた電圧が電極１６，１８間に発生するので、受波した超音波振動を電気信号として取り出すことができる。

次に、本実施形態の超音波センサＡの製造プロセスについて図３〜図６を参照して説明する。

先ず、面方位が（１００）の４インチＳＯＩウェハ１０’を用意し（図３（ａ）参照）、このＳＯＩウェハ１０’を熱酸化炉に入れ、水蒸気雰囲気下で炉内を約１１４０℃に加温した状態で約３時間保持して、熱酸化を行い、ＳＯＩウェハ１０’の上下両面に厚さが約１μｍのシリコン酸化膜１４，１４ａを形成する（図３（ｂ）参照）。そして、活性層１３側のシリコン酸化膜１４の表面に、下部電極１６となるＰｔ／Ｔｉ薄膜１６ａをＲＦマグネトロンスパッタにて作製する（図３（ｃ）参照）。

次に、シリコン異方性エッチング窓のフォトリソグラフを行い、レジストをマスクとして、下側のシリコン酸化膜１４ａを例えばＢＨＦ（弗酸系緩衝溶液）によりエッチングし、エッチング窓を作製した後（図３（ｄ）参照）、ＳＯＩウェハ１０’を例えば濃度約２５％、約９０℃のＴＭＡＨ溶液（水酸化テトラメチルアンモニウム水溶液）に浸して、支持層１１の異方性エッチングを途中まで行い、ダイアフラム構造１１ａを形成する（図３（ｅ）参照）。

ダイアフラム構造１１ａが形成されると、Ｐｔ／Ｔｉ薄膜１６ａの上面に、圧電薄膜１７となるＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3）薄膜１７ａをゾルゲル法により成膜する（図４（ａ）参照）。ここで、ＰＺＴ薄膜１７ａの形成にあたってはＰＺＴのゾルゲル液を１２層塗布することで、膜厚が約０．８μｍのＰＺＴ薄膜１７ａを作製する。乾燥は１層毎に約４００℃で約１０分間行い、燒結は４層毎に酸素雰囲気下約６００℃で約１０分間行う。その後、ＰＺＴ薄膜１７ａの上面に上部電極１８となるＰｔ薄膜１８ａをＲＦマグネトロンスパッタにて作製する（図４（ｂ）参照）。なおＰｔ薄膜１８ａに加えてＴｉ薄膜を積層し、ＰｔおよびＴｉの薄膜から上部電極１８を形成しても良い。

Ｐｔ薄膜１８ａの成膜が終了すると、エッチング窓のフォトリソグラフを行い、レジストをマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いたドライエッチングを行い、上部電極１８を所望の形状、大きさに形成する（図４（ｃ）参照）。

次に、ＰＺＴ薄膜１７ａのエッチング窓をフォトリソグラフにより作製し、レジストをマスクとして、希フッ硝酸を用いたウェットエッチングを行い、圧電薄膜１７を所望の形状、大きさに形成する（図４（ｄ）参照）。

その後、Ｐｔ／Ｔｉ薄膜１６ａのエッチング窓をフォトリソグラフにより作製し、レジストをマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いたドライエッチングを行い、下部電極１６を所望の形状、大きさに形成する（図４（ｅ）参照）。

以上のようにして圧電薄膜１７および上下両電極１６，１８を所望の形状に形成すると、フロロカーボンのようなフッ素系樹脂をスピンコート法により塗布して、ＳＯＩ基板１０の表面全体にＦＣ薄膜１９を形成する（図５（ａ）参照）。ＦＣ薄膜１９の作製にあたっては、１層塗布する毎に約１００℃の温度で約１０分間乾燥を行い、キュアを約２００℃の温度で約１２０分間行った後、全２層塗布することにより、膜厚が約６μｍのＦＣ薄膜１９を作製する。

ＦＣ薄膜１９の作製が終了すると、ＦＣ薄膜１９をエッチング保護膜とし、ＳＯＩウェハ１０’をＴＭＡＨ溶液（濃度２５％、９０℃）に浸して、絶縁層１２に達するまで支持層１１の異方性エッチングを行い、メンブレン１５を形成する（図５（ｂ）参照）。その後、下部電極１６および上部電極１８とのコンタクトのために、ＦＣ薄膜１９にコンタクトホール１９ａ，１９ｂを酸素プラズマアッシングにより作製し（図５（ｃ）参照）、ダイシングを行って個々のチップに分割した後、コンタクトホール１９ａ，１９ｂ内にそれぞれ臨む電極１６，１８の部位にボンディングワイヤ２０，２０ボンディングして、組立を終了する（図５（ｄ）参照）。

以上説明したように本実施形態の超音波センサＡでは、音圧によって撓みが発生するメンブレン１５上に形成された下部電極１６および圧電薄膜１７が、上部電極１８とＳＯＩ基板１０との間に存在する部分（上部電極１８の投影範囲内に存在する部分）のみを残し、それ以外の部分をエッチングにより除去しているので、ＳＯＩ基板１０の表面全体に下部電極１６および圧電薄膜１７が形成された場合に比べて、残留応力の発生しやすい界面の面積を小さくでき、その結果残留応力として引張応力の発生する部位が小さくなるから、感度の低下を抑制することができる。また下部電極１６を、圧電薄膜１７および上部電極１８が存在する部分だけ残してエッチングにより除去することで、メンブレン１５の引張応力が低減し、圧縮応力が増加する。すなわち、下部電極１６が除去された部位では、メンブレン１５がＦＣ／ＳｉＯ_２／Ｓｉ／ＳｉＯ_２の多層構造となっているので、製造プロセス中の加熱工程により残留応力として圧縮応力が発生し、メンブレン１５が上方向に撓むことになり、センサの感度が向上するという利点がある。

また、活性層１３の表面の略全体にＦＣ薄膜１９を形成しているので、メンブレン１５のダンピング効果を得ることができ、超音波を受波した際の残響振動を抑制できるから、従来の超音波センサＡに比べて比較的短い時間で信号処理を行うことができる。図６（ａ）（ｂ）は膜厚が約６μｍのＦＣ薄膜１９を形成した場合の測定データを示しており、同図（ａ）のイは、超音波を受波した際に電極１６，１８間に発生する出力電圧、同図（ｂ）のロは、センサの出力電圧をＦＦＴ処理した結果をそれぞれ示している。これらの結果より本実施形態の超音波センサＡでは、Ｑ値が１１〜１５と比較的低いものの、残響振動が約３００〜４００μＳと非常に短いので、従来に比べて比較的短時間で信号処理が行える。

またＦＣ薄膜１９は高分子ポリマーであるから、ＰＺＴのような圧電薄膜１７に比べて密度が低く、そのためＦＣ薄膜１９内での音速が遅くなる。その結果、ＦＣ薄膜１９の音響インピーダンスが非常に小さく、空気との音響マッチングが良いので、音圧に対する受信感度が良くなるという利点もある。また、活性層１３の表面の略全体をＦＣ薄膜１９で覆っているので、ＴＭＡＨを用いた異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する際に、圧電薄膜１７や上下の電極１６，１８を保護する保護膜としてＦＣ薄膜１９を利用でき、エッチングの保護膜を別途成膜して除去する工程が不要になる。また超音波センサＡを実環境で使用する際に、空気中の様々な不純物や水分が圧電薄膜１７に接触するのをＦＣ薄膜１９で遮断しているので、ＦＣ薄膜１９を保護膜としても利用することができ、且つ、ＦＣ薄膜１９は絶縁性が高いので、圧電薄膜１７を電気的に絶縁することができる。

（実施形態２）
本発明の実施形態２を図７〜図１１に基づいて説明する。本実施形態の超音波センサＡの断面図を図７（ａ）に、メンブレン付近の平面図を図７（ｂ）に、要部拡大断面図を図８にそれぞれ示す。この超音波センサＡは、シリコン単結晶基板（以下、Ｓｉ基板と言う）１０ａを用いて形成され、Ｓｉ基板１０ａの表面（図７（ａ）中の上面）を熱酸化してシリコン酸化膜１４を形成するとともに、Ｓｉ基板１０ａの一部をシリコン酸化膜１４に到達するまでエッチングすることによってダイアフラム構造を形成してある。シリコン酸化膜１４の表面において少なくともメンブレン１５に対応する部位には、ＰｔとＴｉ薄膜とを積層して形成される下部電極１６と、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のような圧電材料からなる圧電薄膜１７と、Ｐｔ単体、或いは、ＰｔとＴｉ薄膜とを積層して形成される上部電極１８とが積層されている。ここで、メンブレン１５上に形成された下部電極１６および圧電薄膜１７は、上部電極１８とＳｉ基板１０ａとの間に存在する部分（すなわち上部電極１８の投影範囲内に存在する部分）のみを残し、それ以外の部分を略全てエッチングにより除去してある。尚、圧電薄膜１７及び上下両電極１６，１８の形状は実施形態の形状に限定されるものではなく、測定対象の波長や使用用途に応じて適宜の形状に設定すれば良い。

そして、Ｓｉ基板１０ａの表面（つまりシリコン酸化膜１４の表面）の略全体に、圧電薄膜１７および上下両電極１６，１８を覆うようにして、例えばフロロカーボン（ＦＣ）のようなフッ素系樹脂からなるＦＣ薄膜１９を形成してある。而して、メンブレン１５は、圧電薄膜１７が存在する部位はＦＣ／Ｐｔ／ＰＺＴ／Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ_２の多層膜構造となり、圧電薄膜１７が存在しない部位（図７（ｂ）中の斜線部分）はＦＣ／ＳｉＯ_２の積層構造となっている。

この超音波センサＡは、例えば空気中に送波された超音波の反射波を受波することによって、超音波の伝搬時間から三次元空間における物体の位置や形状を検出するものであって、メンブレン１５が超音波を受波した場合、音圧によってメンブレン１５が撓められ、圧電薄膜１７の圧電効果によって撓み量に応じた電圧が電極１６，１８間に発生するので、受波した超音波振動を電気信号として取り出すことができる。

次に、本実施形態の超音波センサＡの製造プロセスについて図９〜図１１を参照して説明する。

先ず、面方位が（１００）の４インチＳｉウェハ１０”を用意し（図９（ａ）参照）、このＳｉウェハ１０”を熱酸化炉に入れ、水蒸気雰囲気下で炉内を約１１４０℃に加温した状態で約３時間保持して、熱酸化を行い、Ｓｉウェハ１０”の上下両面に厚さが約１μｍのシリコン酸化膜１４，１４ａを形成する（図９（ｂ）参照）。そして、シリコン酸化膜１４の表面に、下部電極１６となるＰｔ／Ｔｉ薄膜１６ａをＲＦマグネトロンスパッタにて作製する（図９（ｃ）参照）。

次に、シリコン異方性エッチング窓のフォトリソグラフを行い、レジストをマスクとして、下側のシリコン酸化膜１４ａをエッチング液（例えばＢＨＦ）にてエッチングし、エッチング窓を作製した後（図９（ｄ）参照）、Ｓｉウェハ１０”をＴＭＡＨ溶液（例えば濃度約２５％、約９０℃）に浸して、支持層１１の異方性エッチングを途中まで行い、ダイアフラム構造１０ｂを形成する（図９（ｅ）参照）。

ダイアフラム構造１０ｂが形成されると、Ｐｔ／Ｔｉ薄膜１６ａの上面に、圧電薄膜１７となるＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48）Ｏ3）薄膜１７ａをゾルゲル法により成膜する（図１０（ａ）参照）。ここで、ＰＺＴ薄膜１７ａの形成にあたってはＰＺＴのゾルゲル液を１２層塗布することで、膜厚が約０．８μｍのＰＺＴ薄膜１７ａを作製する。乾燥は１層毎に約４００℃で約１０分間行い、燒結は４層毎に酸素雰囲気下約６００℃で約１０分間行う。その後、ＰＺＴ薄膜１７ａの上面に上部電極１８となるＰｔ薄膜１８ａをＲＦマグネトロンスパッタにて作製する（図１０（ｂ）参照）。なおＰｔ薄膜１８ａに加えてＴｉ薄膜を積層し、ＰｔおよびＴｉの薄膜から上部電極１８を形成しても良い。

Ｐｔ薄膜１８ａの成膜が終了すると、エッチング窓のフォトリソグラフを行い、レジストをマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いたドライエッチングを行い、上部電極１８を所望の形状、大きさに形成する（図１０（ｃ）参照）。

次に、ＰＺＴ薄膜１７ａのエッチング窓をフォトリソグラフにより作製し、レジストをマスクとして、希フッ硝酸を用いたウェットエッチングを行い、圧電薄膜１７を所望の形状、大きさに形成する（図１０（ｄ）参照）。

その後、Ｐｔ／Ｔｉ薄膜１６ａのエッチング窓をフォトリソグラフにより作製し、レジストをマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥを用いたドライエッチングを行い、下部電極１６を所望の形状、大きさに形成する（図１０（ｅ）参照）。

以上のようにして圧電薄膜１７および上下両電極１６，１８を所望の形状に形成すると、フロロカーボンのようなフッ素系樹脂をスピンコート法により塗布して、ＳＯＩ基板１０の表面全体にＦＣ薄膜１９を形成する（図１１（ａ）参照）。ＦＣ薄膜１９の作製にあたっては、１層塗布する毎に約１００℃の温度で約１０分間乾燥を行い、キュアを約２００℃の温度で約１２０分間行った後、全２層塗布することにより、膜厚が約６μｍのＦＣ薄膜１９を作製する。

ＦＣ薄膜１９の作製が終了すると、ＦＣ薄膜１９をエッチング保護膜とし、Ｓｉウェハ１０”をＴＭＡＨ溶液（濃度２５％、９０℃）に浸して、シリコン酸化膜１４に達するまでＳｉウェハ１０”のシリコン異方性エッチングを行い、メンブレン１５を形成する（図１１（ｂ）参照）。その後、下部電極１６および上部電極１８とのコンタクトのために、ＦＣ薄膜１９にコンタクトホール１９ａ，１９ｂを酸素プラズマアッシングにより作製し（図１１（ｃ）参照）、ダイシングを行って個々のチップに分割した後、コンタクトホール１９ａ，１９ｂ内にそれぞれ臨む電極１６，１８の部位にボンディングワイヤ２０，２０ボンディングして、組立を終了する（図１１（ｄ）参照）。

以上説明したように本実施形態の超音波センサＡでは、音圧によって撓みが発生するメンブレン１５上に形成された下部電極１６および圧電薄膜１７が、上部電極１８とＳＯＩ基板１０との間に存在する部分（上部電極１８の投影範囲内に存在する部分）のみを残し、それ以外の部分をエッチングにより除去しているので、ＳＯＩ基板１０の表面全体に下部電極１６および圧電薄膜１７が形成された場合に比べて、残留応力の発生しやすい界面の面積を小さくできる。したがって、残留応力として引張応力の発生する部位が小さくなり、圧縮応力が相対的に増加するので、メンブレン１５の振動に対する抵抗が小さくなり、且つ、圧電薄膜１７の圧電特性が向上するから、センサの感度が向上する。

また、本実施形態の超音波センサＡでは、半導体基板としてＳｉ基板１０ａを用い、Ｓｉ基板１０ａの表面にシリコン酸化膜１４を形成するとともに、Ｓｉ基板１０ａを裏面側からシリコン酸化膜１４に達するまでエッチングすることでメンブレン１５を形成している。実施形態１の超音波センサＡでは、メンブレン１５の膜厚が、ＳＯＩ基板１０の絶縁層１２および活性層１３とシリコン酸化膜１４とＦＣ薄膜１９の膜厚で決定されるが、活性層１３の膜厚のばらつきが比較的大きいため、メンブレン１５の膜厚のばらつきも大きくなる。それに対して、本実施形態ではメンブレン１５の膜厚がシリコン酸化膜１４とＦＣ薄膜１９の膜厚だけで決定されることになり、シリコン酸化膜１４とＦＣ薄膜１９の膜厚は比較的高精度に制御できるので、メンブレン１５の膜厚のばらつきを低減することが可能になる。またＳＯＩ基板１０は、例えば表面を酸化したＳｉ基板ともう一枚のＳｉ基板とを貼り合わせて作製されるため、貼り合わせの際の熱処理により応力が発生して、支持層に歪みが生じる可能性があるが、Ｓｉ基板１０ａを用いる場合はＳＯＩ基板１０のように基板を貼り合わせる製造工程が無く、貼り合わせによって発生する基板の歪が無い。したがって、結晶異方性エッチングの際に、エッチングの深さのばらつきが抑制され、ダイアフラムの形状のばらつきが低減されるから、ダイアフラムの振動の共振周波数を均一化できる。また本実施形態ではＳＯＩ基板１０に比べて安価なＳｉ基板１０ａを用いているので、超音波センサＡの製造コストを低減することもできる。

また、本実施形態ではシリコン酸化膜１４の表面の略全体にＦＣ薄膜１９を形成しているので、ＦＣ薄膜１９によりメンブレン１５の機械的強度を確保するとともに、メンブレン１５のダンピング効果を高めることができ、超音波を受波した際の残響振動を抑制できるから、実施形態１と同様に、従来の超音波センサＡに比べて比較的短い時間で信号処理を行うことができる。

また、ＦＣ薄膜１９は高分子ポリマーであるから、ＰＺＴのような圧電薄膜１７に比べて密度が低く、そのためＦＣ薄膜１９内での音速が遅くなる。その結果、ＦＣ薄膜１９の音響インピーダンスが非常に小さく、空気との音響マッチングが良いので、音圧に対する受信感度が良くなるという利点もある。また、シリコン酸化膜１４の表面の略全体をＦＣ薄膜１９で覆っているので、ＴＭＡＨを用いた異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する際に、圧電薄膜１７や上下の電極１６，１８を保護する保護膜としてＦＣ薄膜１９を利用でき、エッチングの保護膜を別途成膜して除去する工程が不要になる。また超音波センサＡを実環境で使用する際に、空気中の様々な不純物や水分が圧電薄膜１７に接触するのをＦＣ薄膜１９で遮断しているので、ＦＣ薄膜１９を保護膜としても利用することができる。

なお、本発明の精神と範囲に反することなしに、広範に異なる実施形態を構成することができることは明白なので、この発明は、特定の実施形態に制約されるものではない。

実施形態１の超音波センサを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部の平面図である。 同上の超音波センサを示し、図１（ｂ）中の断面Ｂ−Ｂ’図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造プロセスを説明する断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の他の製造プロセスを説明する断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は同上のまた別の製造プロセスを説明する断面図である。 （ａ）（ｂ）は同上の超音波センサの出力特性を示す図である。 実施形態２の超音波センサを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部の平面図である。 同上の超音波センサを示し、図１（ｂ）中の断面Ｂ−Ｂ’図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の製造プロセスを説明する断面図である。 （ａ）〜（ｅ）は同上の他の製造プロセスを説明する断面図である。 （ａ）〜（ｄ）は同上のまた別の製造プロセスを説明する断面図である。 従来の超音波センサを示し、（ａ）は断面図、（ｂ）は要部の平面図である。

符号の説明

Ａ 超音波センサ
１０ ＳＯＩ基板
１１ 支持層
１２ 絶縁層
１３ 活性層
１４ シリコン酸化膜
１５ メンブレン
１６ 下部電極
１７ 圧電薄膜
１８ 上部電極
１９ ＦＣ薄膜
２０ ボンディングワイヤ

Claims (4)

1. 裏面をエッチングすることによってメンブレンが形成された半導体基板と、半導体基板の表面において前記メンブレン上に少なくとも一部が形成された下部電極と、下部電極の表面に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜の表面に形成された上部電極とを備え、前記メンブレン上に形成された前記下部電極および前記圧電薄膜は、前記上部電極と前記半導体基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングされ、且つ、前記圧電薄膜および前記両電極を覆うようにして前記半導体基板の表面の略全体に形成されたフロロカーボンの薄膜を備えて成ることを特徴とする超音波センサ。
2. 前記半導体基板が、支持層と活性層との間に絶縁層が形成されるとともに、支持層の一部を絶縁層に到達するまでエッチングすることによってメンブレンが形成されたＳＯＩ基板からなることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
3. 前記半導体基板が、表面にシリコン酸化膜が形成されるとともに、裏面側からシリコン酸化膜に到達するまでエッチングすることによってメンブレンが形成されたシリコン単結晶基板からなることを特徴とする請求項１記載の超音波センサ。
4. 請求項３記載の超音波センサを製造するに当たり、シリコン単結晶基板の表面にシリコン酸化膜を形成するとともに、シリコン酸化膜の表面に下部電極と圧電薄膜と上部電極とを積層し、圧電薄膜および下部電極を、上部電極とシリコン単結晶基板との間に存在する部分のみが残るようにパターニングした後、圧電薄膜および上下の両電極を覆うようにしてシリコン単結晶基板の表面の略全体にフロロカーボンの薄膜を形成し、フロロカーボンの薄膜をエッチングの保護膜として、シリコン単結晶基板を裏面側から異方性エッチングすることでメンブレンを形成することを特徴とすることを特徴とする超音波センサの製造方法。
   

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