JP2009100460A - 電気機械変換素子及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の電極が設けられている振動膜と、第2の電極が設けられている基板と、これら電極が対向配設されたもとで、前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、を備えた電気機械変換素子であって、
前記振動膜の一部領域と、前記基板の領域とが互いに接触する接触領域を有し、
前記接触領域以外の振動膜の領域が振動可能であり、
前記接触領域において、前記第1の電極と前記第2の電極とが重なる領域があり、
前記重なる領域の少なくとも一部においてこれら電極の少なくともいずれか一方に貫通部が設けられている構成を有する。
【選択図】 図1
Description
以下、この静電容量型超音波変換素子をCMUTと記す。
このようなCMUTによると、振動膜を用いて超音波を送信、受信することによって、液中および空中にも優れている広帯域特性を容易に得ることができる。
そのため、このCMUTを利用した超音波診断は、従来の医用診断モダリティより高精度な超音波診断が可能となり、今日において有望な技術として注目されつつある。
これを作動させる際には、まず、下部電極にDC電圧をかけることにより、両電極間に静電引力を発生させ、振動膜を変形させる。
そして、微小なAC電圧を重畳させることにより、振動膜を振動させて超音波を発信させる。
また、超音波を受信する際には、超音波を受けて振動膜が変形することにより両電極間の間隔が変化し、それによる両電極間の容量変化を、信号により検出する。
そのため、高いDC電圧を印加することによってより大きく振動膜を変形させ、上記電極間の間隔を狭くすることが可能である。
しかし、このような高電圧の印加は、それによる弊害を避けるための変換素子の表面絶縁膜を、実用化することについての問題もあって、このような高電圧によるCMUTを超音波診断に用いた場合、人体に対して好ましくない影響を及ぼす恐れがある。
この特許文献2では、振動膜を下向けに変形し、この変形された状態でレジスト樹脂が加熱され振動膜の周辺に塗布される。
その後、冷却したレジストが硬化し、振動膜の周辺形状が固定され、自然に下向きの変形形状となることで、容量電極の間隔が小さく形成される。
また、この特許文献2においては、突起により電極間隔を制御する構成が採られている。すなわち、振動膜の下に突起を設け、突起だけが下地基板に接触し、振動膜の中央部は下地に接触しないようにした構成が採られている。
このコラプスモードとは、下部電極にDC電圧をかけるに際して、通常のモードであるコンベンショナルモードよりも大きい特定の電圧をかけることによって、 振動膜を下地電極のDC静電力で吸引し、この振動膜を潰したような状態にして下部電極に接触した状態で作動させる作動モードをいう。
また、この特定の電圧をコラプス電圧(Collapse voltage)という。
このコラプスモードでは、上記コンベンショナルモードより感度、駆動能力が高いと言われている(非特許文献1参照)。
このコラプスモードにおいては、振動膜と基板との間に間隙が存在しているコンベンショナルモードとは異なり、上記したように振動膜における上部電極を含む一部領域に、基板における下部電極を含む領域と接触する領域を発生させる。
この状態で微小なAC電圧を重畳し、この微小なAC電圧により接触領域以外の振動膜を振動させることにより、超音波を発信することが可能となる。
また、上記コンベンショナルモードの場合と同じように、超音波受信することも可能である。
ここで必要とされるDC電圧(コラプス電圧)は、約130〜150Vであって、このような電圧を提供できない場合には、このモードを作動させ維持して行くことができない。しかしながら、このような高電圧による回路を実用化することは極めて困難であり、またこのような高電圧によるCMUTを超音波診断に用いた場合、人体に対して好ましくない影響を及ぼす恐れがある。
また、このような高電圧をかけると、振動膜が絶縁破壊を起こし、下部電極と上部電極が短絡してしまう恐れもある。
特許文献3では、磁石を用いて振動膜を引きつけるようにした構成が用いられている。具体的には、外部からの磁場で磁性材料を含む振動膜の一部を吸着し、容量電極の間隔を小さくするようにして、高いDC電圧(コラプス電圧)を不要とし、低電圧化が図られている。
また、特許文献4では、振動膜をコロナ放電処理により帯電させるようにし、高いDC電圧(コラプス電圧)を不要とする構成が採られている。
また、これらの問題に対処するため提案されている上記した従来例においても、つぎのような、振動膜の振動質量、剛性、安定性等について、好ましくない影響を与えるものである。
例えば、磁石を用いて振動膜を引きつけるようにして低電圧化を図るようにした特許文献3のものにおいては、振動膜の上部(もしくは内部、下部)に磁性材料の成膜、着磁が必要となるだけでなく、下地基板に磁場形成手段が必要となり、構造が複雑となる。
また、振動膜の初期変位量は磁場に吸引され、外部磁場、外乱に影響されやすいという問題を有している。
また、振動膜をコロナ放電処理により帯電させるようにした特許文献4のものにおいては、放電による帯電量は湿度、誘電体などの環境要因に影響され易く、振動膜内の帯電量や、初期変位量が不安定であり、素子間のバラツキが大きいという課題を有している。
したがって、これは厳密な意味ではコラプスモードで作動するものとは言い難いが、これをコラプスモードに転用するにしても、つぎのような課題を有している。
すなわち、このようなレジストの硬化により振動膜の変形形状が維持されるようにしたものにおいては、レジストの経時変化、温度変質により、振動膜が変形し、不安定になる。また、レジストは振動膜の外周を覆っているため、実質上、超音波を受ける有効面積(Filling factor)が減るという課題を有している。
すなわち、両電極のうち振動膜と基板とが接触している領域で形成されているコンデンサは、超音波の送信や受信において振動膜が振動して電極間距離が変化するということがなく、容量変化に寄与しないのである。
この寄生容量の増加によって、CMUTの電気機械変換効率を低減させ、また信号検出機能を低下させてしまうという課題が生じる。
本発明の電気機械変換素子は、
第1の電極が設けられている振動膜と、第2の電極が設けられている基板と、これら電極が対向配設されたもとで、前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、を備えた電気機械変換素子であって、
前記振動膜の一部領域と、前記基板の領域とが互いに接触する接触領域を有し、
前記接触領域以外の振動膜の領域が振動可能であり、
前記接触領域において、前記第1の電極と前記第2の電極とが重なる領域があり、
前記重なる領域の少なくとも一部においてこれら電極の少なくともいずれか一方に貫通部が設けられていることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子は、前記振動膜が、前記振動膜に外力が加わらなくても前記基板との接触状態が維持されている領域を有することを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子は、前記接触領域が、前記基板に前記振動膜が融着されていることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子は、前記接触領域が、前記振動膜の上面および下面のうちの少なくとも一方の面に設けられている突起部を介して、前記基板に前記振動膜が接触または融着されていることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子は、前記突起部が、高さが10nmから200nmの範囲であることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子は、前記突起部が、前記接触領域を囲んでリング状に設けられていることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、
第1の電極が設けられている振動膜と、第2の電極が設けられている基板と、これら電極が対向配設されたもとで、前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、を備えた電気機械変換素子の製造方法であって、
前記振動膜の前記第1の電極を含む一部領域と、前記基板の前記第2の電極を含む領域とが、接触して前記各電極が重なりを形成している領域の少なくとも一部において、
これら電極の少なくともいずれか一方に貫通部を形成する工程を有することを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、前記振動膜を塑性変形させ、前記振動膜の一部領域が前記基板の前記第2の電極を含む領域との接触状態を維持してコラプスモードで作動させる構造を形成する工程を有することを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、前記接触状態を維持する構造を形成するに際し、前記塑性変形させた前記振動膜の一部領域を、前記基板の領域に融着させることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、前記接触状態を維持する構造を形成するに際し、前記振動膜の上面および下面のうちの少なくとも一方の面に突起部を形成し、該突起部を介して接触または融着させることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、前記突起部の高さを、10nmから200nmの範囲とすることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換素子の製造方法は、前記突起部を、前記接触領域を囲んでリング状に形成することを特徴とする。
本明細書において音波とは、空気中を伝播する弾性波に限らず、気体、液体、固体を問わず、弾性体を伝播するあらゆる弾性波の総称をいう。つまり、人間の可聴周波数を超える周波数の弾性波である超音波をも含む概念である。
本発明の電気機械変換素子は、超音波探触子として超音波診断装置(エコー)などに適用することができる。以下、超音波を送信または受信する超音波変換素子(超音波センサ)として本発明を説明するが、本発明の音波センサの送信、受信の原理を考慮すれば、検出可能な音波が超音波に限られないことが自明である。
以下に、本発明の実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
まず、実施形態1における静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図1に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための図を示す。
図1(a)は、その静電容量型超音波変換素子(CMUT)の断面概念図である。
また、図1(b)は、その静電容量型超音波変換素子(CMUT)の平面概念図である。
図1において、1は第1の電極である上部電極、2は振動膜支持部、3は振動膜、4は基板、5は突起部、6は絶縁膜、7は振動膜の外周部である。
8は第2の電極である下部電極、9は接触領域(融着領域)、10はキャビティ(Cavity)、24は電極貫通部(電極貫通孔)である。
前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように振動膜を支持する振動膜支持部2と、を備える。振動膜3は超音波を受信するなど機械エネルギーを受けて振動することができる。
また、基板4の上に低抵抗の下部電極が設けられ、さらに上に絶縁膜6が設置されている。
ここで、絶縁膜6は下部電極と上部電極のショートを防ぐ役割を果たしている。振動膜3を支持する振動膜支持部2が、絶縁膜6を介し基板4上に固定されている。なお、下部電極8そのものが基板として用いられても構わないし、振動膜3自体そのものが上部電極として用いられても構わない。
振動膜が「基板と接触」という場合には、絶縁膜6が設けられている場合には基板4のみならず絶縁膜6をも含む全体が下部の基板と捉えられる。
また、前記振動膜は、前記接触状態が維持されている領域以外の振動膜の領域が、超音波の受信または送信に際して振動可能に構成されている。
その際、この基板との接触状態が維持される領域を形成するため、振動膜3は下向けに凹形に変形され、これにより絶縁膜6と接触する接触領域9が形成される。
この下向けの凹形の変形は、例えば、塑性変形によって形成することができ、また、接触領域9は振動膜3を、絶縁膜6と融着させ、融着領域を形成するようにすることができる。
このように、接触領域(融着領域)9が形成されることにより、基板4と、振動膜3と、振動膜支持部2とに囲まれたキャビティ10が形成される。
これにより、振動膜に何らの外力を加えることなく、コラプスモードを実現することができるため、低電圧での駆動が可能となる。ここで、「外力」とは、振動膜3に着目したときの外力であり、振動膜3の外から働く力を意味する。例えば、静電引力や磁力などが例示できる。
例えば、突起部5を、上記接触領域(融着領域)9を形成する前に、上記接触領域(融着領域)9の外縁に設けておく(図1(b)参照)。
そして、この突起部5によって、振動膜3が絶縁膜6に接触(融着)する際に、接触(融着)面積を制御するようにする。
すなわち、この突起部5で接触(融着)面積もしくは接触(融着)形状を制御するようにする。
振動膜3の上面、裏面、内部の中の少なくとも一箇所に、上部電極1を設け、もしくは振動膜3本体自体を上部電極1によって形成する。
さらに、本実施形態のCMUTにおいては、接触状態が維持され、前記上部電極と下部電極の各電極が重なりを形成している領域の少なくとも一部において、これら電極の少なくともいずれか一方に貫通部が設けられる。
例えば、前記上部電極1に貫通部24を設け、下部電極8と対向するように配設することによって、静電容量電極が形成される。
この貫通部24は、貫通孔として形成することができ、上部電極1だけでなく、下部電極8、あるいは上部及び下部の両電極に形成することができる。
このような貫通部(貫通孔)24を設けることにより、電気機械変換効率を低減させることなく、また信号検出機能を低下させることなく、コラプスモードで作動させることが可能となる。
つまり、両電極が重なりを形成している領域の少なくとも一部において、両電極の少なくとも一方の電極が形成されていない点が特徴である。これにより、容量変化に寄与しない部分のコンデンサが形成されないため、寄生容量を減少させることができる。
本実施形態においては、上記接触領域(融着領域)9が、上記振動膜3の中央部における振動膜3と基板4の間に形成され、上記接触領域(融着領域)9の周縁にある突起部5によって、上記接触領域(融着領域)9の面積もしくは形状が制御されている。
さらに、上記貫通部(貫通孔)24が形成された上部電極1が、接触領域9の外周をリング状に取り囲むように形成される。
つぎに、実施形態2における基板自体によって下部電極を構成した静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図2に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、上記した実施形態1との相違点は、基板4自体を低抵抗基板とし、もしくは基板4に高ドープ(Doped)した表面を設けて、基板4自体によって下部電極8を構成したことである。
その際、基板4の抵抗率は、1.0Ω−cm以下がより望ましく、0.02Ω−cm以下がより望ましい。
上記範囲は、プロセスにおいてSiをドーピンクすることが可能な好ましい範囲である。すなわち、Si基板自体を下部電極として利用する場合、できるだけ低抵抗であることが望ましく、低抵抗であれば抵抗による電位差が小さく、基板面内における素子間の容量測定誤差を少なくすることができる。
本実施形態の上記した構成によれば、実施形態1よりも簡単に作製することができ、実用性が高いことから、後述する製造工程については、本実施形態に基づいて説明する。
つぎに、実施形態3における第二絶縁膜を設けた点で実施形態2と異なる構成を有する静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図3に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、上記した実施形態2との相違点は、第二絶縁膜19を設けたことである。
この第二絶縁膜19が設けられていることにより、上部電極1は振動膜3の導電性に依存せず、かつ電極間の漏電流を防ぐことが可能となる。
この第二絶縁膜19を作製する場合、例えば、SiO2、SiNX、Al2O3、Y2O3、又はHfO2、HfSiOX、HfSiON、HfAlOXの1種以上のような高誘電率材料によることが望ましい。
つぎに、実施形態4における下部電極に貫通孔を設けた静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図4に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、実施形態1との相違点は、下部電極8に貫通孔24を設けたことである。
上記貫通孔24付きの下部電極の作製に際しては、基板4に局所的にドーピングする、もしくは高濃度にドーピングされた多結晶Si層を成膜し、パターニングする、等のいくつかの方法を採ることができる。
このように、下部電極8に貫通孔24を設けた場合においても、実施形態1のように上部電極1に貫通孔24を設けた場合と同様に、電気機械変換効率を低減させることなく、また信号検出機能を低下させることなく、コラプスモードで作動させることが可能となる。
つまり、両電極が重なりを形成している領域の少なくとも一部において、下部電極が形成されていない。
つぎに、実施形態5における突起部5を振動膜3の上部に設けた静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図5に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、実施形態4との相違点は、突起部5を振動膜3の上部に設けたことである。
本実施形態の構成によれば、突起部5および上部電極1と下部電極8のアライメント誤差を低減することが可能となる。
また、振動膜3の上部に設けた突起部によって、振動膜が下部基板と接触する際に、局所の曲げ境界条件(flexural boundary condition)が提供される。
従って、突起部が基板と接触した際に、外力による振動膜に対する曲げモーメント(Bending moment)をある程度高くしないと、振動膜の突起部で囲まれた内側の領域を基板と接触させることができない。
即ち、この突起部の配設領域によって接触領域を制御することが可能となる。
その際、上記突起部の配設領域は、実際のプロセスにおいて制御することが可能であり、さらに振動膜に対する曲げモーメントの閾値を決定することにより、接触面積を有効に制御することが可能となる。
つぎに、実施形態6における突起部5を振動膜3の上部に設けた静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図6に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、実施形態2との相違点は、突起部5を振動膜3の上部に設けたことである。
本実施形態によれば、突起部5および上部電極1と下部電極8のアライメント誤差を低減することが可能となる。
つぎに、実施形態7における第二絶縁膜を設けた形態のものにおいて突起部5を振動膜3の上部に設けた静電容量型超音波変換素子(CMUT)について説明する。
図7に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構成を説明するための断面概念図を示す。
本実施形態において、実施形態3との相違点は、第二絶縁膜19を設けた形態のものにおいて突起部5を振動膜3の上部に設けたことである。
本実施形態によれば、突起部5および上部電極1と下部電極8のアライメント誤差を低減することが可能となる。
つぎに、実施形態8における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の製造方法について説明する。
図8〜図11に、本実施形態における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の製造工程を説明する図を示す。
ここで、図9(c)から図9(f)は、本実施形態における図8(a)から図8(b)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図10(g)から図10(j)は、図9(c)から図9(f)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図11(k)から図11(m)は、図10(g)から図10(j)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
以下における説明を簡潔にするため、ここでの「パターニング工程」には、基板上にフォトレジストの塗布、乾燥、露光、現像などのフォトリソグラフィという工程から、エッチング工程、フォトレジストの除去、基板の洗浄、乾燥工程等を含めることとする。
以下に、本実施形態における前記振動膜の前記上部電極を含む一部領域を塑性変形させ、前記基板の前記下部電極を含む領域との接触状態を維持してコラプスモードで作動させる構造を形成する工程について説明する。
次に、図8(b)に示すように、前記Si基板12を熱酸化炉に入れ、Si酸化膜11を形成する。
このSi酸化膜の厚さは、10nmから4000nmの範囲が望ましく、20nmから3000nmの範囲がより望ましく、30nmから2000nmの範囲が最も望ましい。
この上記熱酸化プロセスにより、概略の電極距離を決める。
この上記範囲であれば、実際プロセスにおいて可能な範囲であり、かつリーズナブルな電界が得られる。
次に、図9(c)に示すように、上記Si酸化膜11をパターニングする。
次に、図9(d)に示すように、第2回目の熱酸化工程を行い、薄い熱酸化膜の絶縁膜6を形成する。
前記絶縁膜6の厚さは、1nmから500nmの範囲が望ましく、5nmから300nmの範囲がより望ましく、10nmから200nmの範囲が最も望ましい。
この上記の熱酸化プロセスにより、放電防止用の絶縁膜を決める。絶縁膜が薄すぎると、放電防止の効果がなくて、厚すぎると、電極距離が離れすぎる。
上記の熱酸化膜絶縁膜の膜厚範囲は、実際プロセスにおいて可能な範囲であり、これによりリーズナブルな放電防止効果が得られる。
以下における説明を簡潔にするため、以上の図9(d)までの工程で完成した基板を、A基板16と称する。
このSOI基板のディバイス層15の厚さは、10nmから5000nmが望ましく、20nmから3000nmがより望ましく、30nmから1000nmの範囲が最も望ましい。
上記ディバイス層15の厚さ範囲は、プロセス上において実現可能な範囲である。
なお、振動周波数の平方が、振動膜のばね剛性対有効質量の比に正比例することが知られている。
超音波が出せる振動周波数に対応するばね剛性と有効質量が必要である。上記振動膜のばね剛性と有効質量は共に振動膜の膜厚の関数である。
ディバイス層15における上記した膜厚範囲は、本実施形態でのCMUTの振動膜として、適切なばね剛性と有効質量を提供できる範囲である。
前記SOI基板のボックス層(BOX(Buried Oxide)層)14の厚さは、100nmから3000nmが望ましく、200nmから1000nmの範囲がより望ましい。
上記のボックス(BOX)層は、後記のエッチングストップ層として利用する。酸化膜の内部応力、エッチングの選択性、および実際プロセスの操作便利性などから考慮すると、上記のBOX層の膜厚は適切な範囲である。
突起部を設けるため、図1(b)に示すように前記SiN層17をパターニングされる形状は、多数円形の穴を構成され、この穴群が略リング状で分布する。
前記の円形穴の直径は10nmから3000nmの範囲が望ましい。
上記の円形穴直径の範囲は、実際プロセスにおいて可能な範囲である。
この範囲以下のプロセスは、非常に困難である。この範囲以上の円形穴を作ると、その後に上記円形穴とほぼ同じ形状の突起部が形成され、突起部が大きいほど、振動膜の質量に影響を与え、プロセスの精度が落ちる。
上記の選択酸化工程は、通常半導体プロセスにあるLOCOS(Local Oxidation of Silicon)という工程である。上記の説明により、前記SiN層17から露出されるディバイス層15の部分は、多数円形の穴を構成され、かつこの穴群が略リング状で分布する。
このため、前記突起部5が同じように、多数の略半球状の粒状構造で構成され略リング状で分布する。前記突起部5の高さは、1nmから1000nmの範囲が望ましく、5nmから500nmの範囲がより望ましく、10nmから200nmの範囲が最も望ましい。上記の突起部の高さによって、後述する振動膜が下部基板と接触する際に、局所の曲げ境界条件(flexural boundary condition)が提供される。
従って、突起部が下部基板と接触した際に、外力による振動膜に対する曲げモーメント(Bending moment)をある程度高くしないと、振動膜が突起部を超えて上記した下部基板と接触することができない。
即ち、この突起部の高さによって接触領域を制御することが可能となる。
その際、上記突起部の高さ範囲は、実際のプロセスにおいて制御することが可能であり、さらに振動膜に対する曲げモーメントの閾値を決定することにより、接触面積を有効に制御することが可能となる。
なお、振動膜に外力が加えられ、振動膜が突起部に接触した際に、突起部が強制的にギャップ(Gap)を形成する。
そして、外力が加えられた際に、振動膜の外周部(突起部から支持部の間の振動膜領域)が潰された状態となるには、突起部のない場合と比較すると、さらに大きな外力を振動膜に加えないと、振動膜の外周部は潰された状態とはならない。
また、以降のプロセスにおける突起部の材料として、つぎのようなものを用いることができる。
この突起部5の材料として、Si、Ge、GaAsなどの酸化膜、窒化膜、酸化窒化膜、もしくはCu、W、Sn、Sb、Cd、Mg、In、Al、Cr、Ti、Au、Ptの中の少なくとも一つを用いることができる。
また、上記の材料の組み合わせ、例えば、複層構造などを用いることも可能である。
次に、図10(i)に示すように前記B基板20裏と表を反転させて、前記A基板16の上にアライメントして接合し、キャビティ10が形成される。
前記接合工程の環境圧力条件は、1大気圧でもいいし、真空で接合するのが望ましい。真空で接合する場合、104Pa以下が望ましく、102Pa以下がより望ましく、1Pa以下が最も望ましい。接合する際の真空度は高いほど、水分が少なく、かつその後の工程に脱ガスも少なく、高い歩留まりにつながる。
上記の真空度範囲は、通常の真空接合装置が可能であり、リーズナブルなプロセス操作便利性を提供することができる。
なお、前記接合工程の温度は、室温から1200℃の範囲が望ましく、80℃から1000℃がより望ましく、150℃から800℃が最も望ましい。
接合の温度が高いほど、その後の脱ガスが少なく、かつ接合強度が高く、より好ましい。但し、接合による応力は残留するので、振動膜に好ましくない影響を及ぼす恐れがある。上記の接合温度範囲は適切な接合強度、安定な振動膜内部応力を提供できる。
次に片面エッチング治具を用いて加熱されるアルカリ性の液でハンドリング層13をウェットエッチングする。
アルカリ性の液は、Si対SiOのエッチング選択比が非常に高いから(約100から10000の範囲)、前記のウェットエッチングが前記ハンドリング層13を除去して、ボックス層(BOX層)14に止める。
なお、前記真空接合する場合、大気圧により前記基板のディバイス層15が下に変形されて、凹型である状態になる。
即ち、前記ディバイス層15は特に外力を加えない状態で凹型のままであり、本発明の超音波変換素子の振動膜3とする。前記酸化膜11の厚さ、前記振動膜3の寸法を設計し、かつ適切な外部からの圧力を加えて、振動膜3はさらに下向け変形することが可能である。
従って、上記適切な寸法設計、外圧条件により図11(k)に示すように振動膜3の中央部が酸化膜11に接触し、接触領域9を形成する。
即ち、上記したコラブスモードで作動する形状を形成する。
通常の場合、振動膜3の中央部が最大な変位する場所であって、接触領域9が前記振動膜3の中央部から略同心円形状に形成する。
上記適切な寸法設計、外圧条件により前記接触領域9を形成しながら、この基板を加熱し、前記振動膜3を塑性変形させる。
振動膜3がSiである場合、前記塑性変形させる加熱温度は、600から1500℃の範囲が望ましく、650℃から1400℃の範囲がより望ましく、700℃から1300℃の範囲が最も望ましい。
前記振動膜3であるSiの薄膜は高温により塑性変形して、室温に戻っても潰されたまま、その形状が未塑性変形の形状に戻らない。
Siは所定温度以上に上昇すると塑性現象が発生する。このように、振動膜が基板に接触した状態で、加熱することにより室温に戻ってもコラプスモードを維持することができる。この場合、コラプスモードを維持するのには何らの外力も要しない。
さらに、前記接触領域9の両側にあるSi表面とSi酸化膜表面が上記の高温範囲で化学結合を形成し、接合もしくは融着するようにすることも可能である。温度が高いほど、もしくは接触時間が長いほど、前記化学結合の強度が強くなる。
なお、前記振動膜3の内部Siの塑性変形は、温度、結晶転位密度(dislocation density),ストレイン・レイト(Strain rate)の関数である。
本実施形態における前記の結晶転位密度は、105/cm2以下が望ましく、104/cm2以下がより望ましく、103/cm2以下がもっとも望ましい。
Siの塑性変形特性は、Siの内部初期転位密度に依存する。初期転位密度がない場合、すなわち、ほぼ完璧な単結晶Siの場合、かつ800℃強の場合、約100MPaぐらい外部応力を加えると塑性変形が始まる。
この塑性変形が始まる応力は、塑性変形開始応力といわれる。Si内部初期転位密度が多いほど、この塑性変位開始応力が落ちる。
106/cm2の場合、前記塑性変形開始応力が約35MPaぐらいで、前記の流動応力と同じ値であって、塑性変形の開始点が観測しにくくなる。
また、前記振動膜3の内部Siを塑性変形させるため、外圧を加える場合がある。
本実施形態において、その外圧により発生するSi内部応力は、10MPaから110MPaの範囲が望ましく、20MPaから110MPaの範囲がより望ましく、30MPaから90MPaの範囲が望ましい。
この外圧によるSi内部応力は前記の塑性変形開始応力と同じ意味である。
前記の転位密度の理由と同じ理由により、できれば塑性変形開始点を観測し易くするため、ある程度の塑性変形開始応力を持たすことが望ましい。
このため、800℃附近の場合、塑性変形開始応力が100MPa(ほぼ完璧なSi単結晶)と35MPa(流動応力)の間とするのが望ましい。
このパターニング用のフォトレジストを除去しないで直接に酸化膜11をウェットエッチングでパターニングする。
前記工程により、図11(l)に示すように、エッチング穴21が形成される。次に、電極用の金属膜を成膜してパターニングし、図11(m)に示すように、上部電極1、上部電極パッド23、および下部電極パッド22が形成される。このパターニングによって、貫通部としての電極貫通口25が形成される。
但し、この電気分離の図は省略する。
なお、前記金属膜はAl、Cr、Ti、Au、Pt、Cuなどからなる群から少なくとも一種を選んで使用する。
なお、図11(m)に示すように、本発明の静電容量型超音波変換素子における最適な形態には、下部電極8がSi基板12本体である。
この基板本体を電極とする場合、即ちこの下部電極8とするSi基板12のシート抵抗率は、1.0Ω/□以下が望ましく、0.1Ω/□以下がより望ましく、0.02Ω/□以下が最も望ましい。
また、図2には、基板4自体は下部電極として、下部電極8の領域を表示していない。
また、Si基板12を下部電極としない場合、図1(a)、図4、もしくは図5に示すように導電性が高い下部電極8を基板4の表面に埋め込む、もしくは内蔵することも可能である。
また、前記振動膜3の抵抗率は、100Ω−cm以上が望ましく、1000Ω−cm以上がより望ましく、10000Ω−cm以上がもっとも望ましい。
なお、前記振動膜3は低抵抗のSiである場合は、振動膜自身が上部電極とすることも可能であり、金属電極を振動膜の真上に設けることが必須ではない。
この第二絶縁膜において、例えば、SiN膜、SiO膜、SiNO膜、Y2O3、HfO、HfAlOなどの誘電材料の中の少なくとも一種を設けて、さらにこの絶縁膜の上に上部電極を設置することも可能である。
また、前記振動膜3は絶縁材料である場合、例えば、SiN膜のような高誘電率材料、絶縁膜6を設置しなくても良い。
この場合、振動膜の上に上部電極を設けることが必須である。
例えば、公知のSM法(Surface Micromachining法;犠牲層を除去し、キャビティを形成する方法)等を用いることができる。
なお、以上の説明では、接合技術を用いて製造することについて説明したが、本実施形態の静電容量型超音波変換素子は、他のMEMS技術を利用することによって製造することも可能である。
また、図11(m)に示す断面図は、本実施形態における最適な基本形態が示されている。
この図を簡潔にするため、その上に電気配線の保護膜(Passivation layer)、もしくは上部電極1と上部電極パッド23との電気配線、等については図示していない。
また、基板との接触状態を維持するため、樹脂、レジストのような固定材が不要であることから、このような固定材による影響を受けることがなく、振動のバラツキが少なく、経時変化等のないCMUTを実現することができる。
また、本実施の形態によれば、塑性変形された振動膜が下地基板と接触、融着することによって、DC電圧を大幅に低減でき、絶縁膜の放電による破壊を低減させることができる。
また、本実施の形態によれば、電極に貫通孔を設けることにより、寄生容量を減少させて、下部電極間の可変容量比(Active Ratio)を増加させ、電気機械変換効率の高い、高性能な超音波変換素子(CMUT)を実現することができる。
また、本実施の形態によれば、突起部を設けることにより、振動膜と下地基板との接触面積が制御でき、ダイナミックレンジ(Dynamic Range)、バンド幅、等を大きくすることが可能となる。また、CMUTの製造工程での製造プロセスにおけるバラツキを減少することができ、安定なプロセスによってアレイ化が容易となる。
また、本実施の形態の静電容量型超音波変換素子(CMUT)によれば、医療診断において、人体に対する電気的に好ましくない影響を可及的に抑制することが可能となる。
図12に、本実施例における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の基本構造を説明する図を示す。
図12(a)は、その静電容量型超音波変換素子(CMUT)の平面断面図であり、図12(b)はその平面概念図である。
本実施例のCMUTにおいて、図1で示した本発明の実施形態におけるCMUTとの相違点は、突起部5が振動膜3の上部に略リング状に分布させて形成され、下部電極8が下地の基板内に埋め込まれ、もしくは内蔵されていることである。なお、本実施例では、電極の貫通孔24は上部電極1に設けられる。
基本的に相違する構成は以上の構成だけであるので、図1で示した本発明の実施形態1におけるCMUTの構成に対応する部分には、共通の符号が付されており、重複する部分の説明は省略する。
図13(a)は、本実施例のCMUT素子における電気容量解析を説明するための断面図である。
この図13(a)には、突起部が表示されていないが、接触領域の半径Rcは2μmに設定されている。
前提として、上部電極1の面積及び接触領域を固定し、上部電極1内の貫通孔24の半径Rinの変化によって、容量および可変容量比(Active Ratio)の変化を計算する。
前記上部電極が半径5μmの円形電極の面積を基準とし、かつ接触領域も半径2μm円形電極の面積を基準とする。
以下の表1は、計算用の詳細項目と数値を示すものである。
[表1]
貫通孔半径Rinは接触領域半径Rcより大きくなる場合、CMUT素子の電気容量が激減することが分かった。
例えば、貫通孔半径4μmの容量は、貫通孔半径0μmの容量の約13分の1である。
図13(b)と図13(c)により、貫通孔半径Rinは接触領域半径Rcより大きい場合、容量が少なくなるが、可変容量比(Active ratio)が増える。
例えば、貫通孔半径4μmの可変容量比が1であって、貫通孔半径0μmの可変容量比は僅か約0.21である。
即ち、貫通孔半径は接触領域半径より小さい場合、容量が大きい理由は、接触領域内の容量が大きいことによる。
但し、接触領域内の振動膜は振動できず、可変容量にならず、いわゆる寄生容量になってしまうこととなる。
前記の計算によって、電極貫通孔を設けることにより、寄生容量を低減することができる。
さらに、貫通孔半径を接触領域半径より大きく設置すると、寄生容量が略なくなって、可変容量比が最大値の1に達する。
図14〜図17に、本実施例における静電容量型超音波変換素子(CMUT)の製造工程を説明する図を示す。
ここで、図15(f)から図15(h)は、本実施例における図14(a)から図14(e)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図16(i)から図16(k)は、図15(f)から図15(h)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
また、図17(l)から図17(m)は、図16(i)から図16(k)の製造工程に続く製造工程を説明する図である。
その後、拡散(Diffusion)法、もしくはイオン注入(Ion Implantation)法でSi基板表面を低抵抗化する。
従って、上記低抵抗化された表面領域は、上記した図3に示すように下部電極8として下地の基板内に内蔵される。
この低抵抗化されたSi基板の表面抵抗値は、10Ω−cm以下が望ましく、1Ω−cm以下がより望ましく、0.1Ω−cm以下が最も望ましい。
また、ここでは、下部電極8は基板12の表面であり、特定領域は表示されていない。
図14(a)から(d)の工程は、実施形態8の図8(a)から図9(d)の工程と同じであり、これらにより完成された基板はA基板16と称する。
図14(e)に示すように、一枚のSOI基板(例えば、SIMOX SOI基板、もしくは、Smart−Cut SOI基板)を洗浄、準備する。以下の説明では、この基板をC基板25と称する。
前記の接合工程においては、アライメントする必要はない。なお、前記接合工程では、接合面の表面を室温で活性化して、150℃以下、10−3Paで接合する(例えば、EVG社製EVG810、520)。
その後、片面エッチング治具(例えば、ドイツSilicet社製のウェハホルダー)を用いて、前記研磨された基板の裏面を保護しながら、80℃のKOH液でハンドリング層13をエッチングする。
その後、フッ酸を含む液でボックス層(BOX層)14をエッチングし、図15(g)に示すようにディバイス層15を露出させる。
このディバイス層15は、本実施例の振動膜3とする。
次に、図16(i)に示すように、エピタキシー(Epitaxy)法で突起部5を成長させる。
突起部5が前記SiN膜17に露出されるディバイス層15のSi表面から成長する。前記成長した突起部5の高さは、1nmから1000nmの範囲が望ましく、5nmから500nmの範囲がより望ましく、10nmから200nmの範囲が最も望ましい。
なお、前記のように露出される場所だけから結晶を成長させる方法は、選択エピタキシー(Selective Epitaxy)という。
それで、前記パターニングされたSiN膜17の代わりに、SiO膜、SiON膜などを用いることも可能である。
なお、上記のエピタキシー法は、MBE(Molecular Beam Epitaxy)法、
もしくはLPE(Liquid Phase Epitaxy)法、SPE(Solid Phase Expitaxy)法、等のエピタキシー法の一種を利用する。
なお、前記選択エピタキシー法の代替方法がある。
例えば、PVD(Physical Vapor Deposition)法、もしくはCVD(Chemical Vapor Deposition)法を用いて、
かつエッチング法もしくはリフト・オフ(Lift−off)法を加えて、前記の突起部5をパターニングすることも可能である。
また、本実施例において、前記振動膜3の形状は、厚さ340nmであり、一辺が40μmの正方形である。
また、大気圧による前記振動膜3の中央部変位量は約360nmである。
また、前記基板を圧力釜(Autoclave)に入れて、キャビティ10の高さが600nmである場合、約2.65atm以上の圧力を加えて振動膜3の中央部がキャビティ10下の絶縁膜6に接触させる。
また、前記突起部5の分布は、図12(b)に示すように前記振動膜3の中心部から内径4μm、幅約2μmの略リング状である。
外圧4atmを加える場合、前記振動膜3の中央部が絶縁膜6に接触し、前記突起部5と略同じの直径4μmの接触領域9を形成する。
なお、前記突起部5を設けない場合、前記接触領域9の大きさが外圧分布、微小圧力変動、および振動膜3の寸法、境界条件(Boundary conditions)に強く依存するので、素子間のバラツキが大きくなる。
これに対して、本実施例のように突起部5を設けた場合には、上記したバラツキがあっても、前記接触領域9を突起部5と略同じ形状に形成することができる。前記図11(k)のように、そこで述べた外圧に対応する外圧および約800℃の温度を加えることにより、Siに塑性変形が発現し、接触領域9が形成された図16(k)に示すような素子が完成される。完成した素子は、室温に戻っても振動膜が基板に接触した状態を維持し、何らの外力を要せず、コラプスモードとして作動させることができる。
その後、このパターニング用のフォトレジストを除去しないで直接に酸化膜11をウェットエッチングでパターニングする。
前記工程により図17(l)に示すように、エッチング穴21が形成される。
次に、電極用のAlをスパッタリングで成膜して、ウェットエッチングでパターニングする。
これにより、図17(m)に示すように、上部電極1、上部電極パッド23、および下部電極パッド22が形成される。
なお、上部電極1のパターンはリング状にして、かつこの内径は突起部5の形状より大きくする。
即ち、上部電極1の貫通孔半径は、前記接触領域半径より大きくするので、前記可変容量比(Active ratio)が最大値の1である。
なお、オーミックコンタクト(Ohmic contact)を形成するため、その後に前記Al電極をアニーリングすることも可能である。
前記アニーリングの温度は、200℃から450℃の範囲であることが望ましい。
これは通常のAl電極のオーミックコンタクトする際のアニールの温度範囲である。
また、その上に電気配線の保護膜(Passivation layer)、もしくは上部電極1と上部電極パッド23との電気配線、等を図示することも省略されている。
なお、前記保護膜は、PVD法で低温形成できるSiO膜、SiN膜が望ましい。
2:振動膜支持部
3:振動膜
4:基板
5:突起部 (Dimples or Nubs)
6:絶縁膜
7:振動膜の外周部
8:下部電極
9:接触領域
10:キャビティ(Cavity)
11:Si酸化膜
12:Si基板
13:SOI基板のハンドリング(Handling)層(Si)
14:SOI基板のボックス層(BOX層;Si酸化膜)
15:SOI基板のディバイス層
16:A基板
17:Si窒化膜
19:第二絶縁膜
20:B基板
21:エッチング穴
22:下部電極パッド
23:上部電極パッド
24:電極貫通孔
25:C基板
Claims (12)
- 第1の電極が設けられている振動膜と、第2の電極が設けられている基板と、これら電極が対向配設されたもとで、前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、を備えた電気機械変換素子であって、
前記振動膜の一部領域と、前記基板の領域とが互いに接触する接触領域を有し、
前記接触領域以外の振動膜の領域が振動可能であり、
前記接触領域において、前記第1の電極と前記第2の電極とが重なる領域があり、
前記重なる領域の少なくとも一部においてこれら電極の少なくともいずれか一方に貫通部が設けられていることを特徴とする電気機械変換素子。 - 前記振動膜は、前記振動膜に外力が加わらなくても前記基板との接触状態が維持されている領域を有することを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換素子。
- 前記接触領域は、前記基板に前記振動膜が融着され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素子。
- 前記接触領域は、前記振動膜の上面および下面のうちの少なくとも一方の面に設けられている突起部を介して、前記基板に前記振動膜が接触または融着され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素子。
- 前記突起部は、高さが10nmから200nmの範囲であることを特徴とする請求項4に記載の電気機械変換素子。
- 前記突起部は、前記接触領域を囲んでリング状に設けられていることを特徴とする請求項4または請求項5に記載の電気機械変換素子。
- 第1の電極が設けられている振動膜と、第2の電極が設けられている基板と、これら電極が対向配設されたもとで、前記振動膜と前記基板との間に空隙が形成されるように前記振動膜を支持する支持部と、を備えた電気機械変換素子の製造方法であって、
前記振動膜の前記第1の電極を含む一部領域と、前記基板の前記第2の電極を含む領域とが、接触して前記各電極が重なりを形成している領域の少なくとも一部において、
これら電極の少なくともいずれか一方に貫通部を形成する工程を有することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 前記振動膜を塑性変形させ、前記振動膜の一部領域が前記基板の前記第2の電極を含む領域との接触状態を維持してコラプスモードで作動させる構造を形成する工程を有することを特徴とする請求項7に記載の電気機械変換素子の製造方法。
- 前記接触状態を維持する構造を形成するに際し、前記塑性変形させた前記振動膜の一部領域を、前記基板の領域に融着させることを特徴とする請求項8に記載の電気機械変換素子の製造方法。
- 前記接触状態を維持する構造を形成するに際し、前記振動膜の上面および下面のうちの少なくとも一方の面に突起部を形成し、該突起部を介して接触または融着させることを特徴とする請求項8に記載の電気機械変換素子の製造方法。
- 前記突起部の高さを、10nmから200nmの範囲とすることを特徴とする請求項10に記載の電気機械変換素子の製造方法。
- 前記突起部を、前記接触領域を囲んでリング状に形成することを特徴とする請求項10または請求項11に記載の電気機械変換素子の製造方法。
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