JP2010074538A - 超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】製造において、基板側に金属性の電極を別度設ける工程を省くことが可能である上に、高温での処理が必要であるセラミックスを振動膜又は犠牲層の材料として選択でき、製造工程において自由度が高まる超音波振動子を提供する。
【解決手段】振動膜１に固着され、振動膜と共に振動する振動電極４と、振動膜１が基板３に対向するように振動膜１を支持する振動膜支持部２とを備え、基板３が振動電極４と対向する部分に導体を有するように構成し、又は基板３の全体を導体とすることにより、例えば、超音波の受信により振動膜１が振動する場合は、振動電極４と基板３（又は導体）との間に生じる静電容量の変化を用い、受信した超音波に係る電気信号を取得する。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を送受する振動膜を備える超音波振動子に関する。

図５は従来の超音波振動子の構成を示す断面図である。従来の超音波振動子は、超音波を送受する振動膜１００と、基板１０４の一面に設けられ、基板１０４と対向するように振動膜１００を支持する振動膜支持部１０１とを備えている。また、一対の電極１０２，１０３を備えており、一方の電極１０２は振動膜１００に形成され、他方の電極１０３は基板１０４に形成されている。

このような従来の超音波振動子は、受信した超音波（音圧）によって振動膜１００及び前記一方の電極１０２が振動し、この際に起きる一対の電極１０２，１０３の間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得し、又は一対の電極１０２，１０３の間に直流及び交流電圧を印加することによって振動膜１００を振動させ、超音波を送信するものである。

また、非特許文献１には、このような従来の超音波振動子及びその製造方法について開示されている。非特許文献１の超音波振動子は、シリコン基板の上に酸化物の絶縁層を形成し、該絶縁層の上に金属性の電極を蒸着した後、前記電極を覆い囲むポリイミドからなるいわゆる犠牲層をコーティングする。その後、前記犠牲層の上にＳｉ₃Ｎ₄からなる振動膜及び振動膜支持部を共に蒸着し、前記振動膜の上にもう一つの電極を蒸着した後、該電極及び前記振動膜を共に貫通する複数の孔を設け、該孔を介して前記犠牲層をエッチングすることにより製造されている。
「Nobel,Wide Bandwidth,Micromachined Ultrasonic Tranducers」、IEEE TRANSACTIONS ON ULTRASONICS,FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL、USA、IEEE Publications、November、VOL.４８、NO.６、p.１４９５−１５０７

しかしながら、上述した従来の超音波振動子においては、振動膜支持部が振動膜の厚みと略等しい肉厚を有する筒状であることから機械的強度が低く、長時間に亘る使用の場合は損傷を受ける恐れがある上に、自由なハンドリングが制限されるといった問題、及び振動膜の振動を安定して支持できず、得られる電気信号にノイズが混入される恐れもあった。なお、基板側に設ける電極が金属性であるので、高温での処理が一般的に要求されるセラミックス製の振動膜又は犠牲層の材料選択が制限され、製造工程において自由度が劣るといった問題もあった。しかし、このような問題は非特許文献１の超音波振動子によっては解決することが出来ない。

本発明は、斯かる事情に鑑みてされたものであり、その目的とするところは、振動膜に固着され、振動膜と共に振動する振動電極と、前記振動膜が基板に対向するように前記振動膜を支持する振動膜支持部とを備え、前記基板が前記振動電極と対向する部分に導体を有することにより、例えば、超音波の受信により前記振動膜が振動する場合は、前記振動電極と前記基板（又は導体）との間に生じる静電容量の変化を用い、受信した超音波に係る電気信号の取得が可能となり、製造工程において、基板側に別度金属性の電極を設ける工程を省くことが可能である上に、高温での処理が必要であるセラミックスを振動膜又は犠牲層の材料として選択でき、製造工程において自由度が高まる超音波振動子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記振動膜の５０倍から６００倍の肉厚の筒状である振動膜支持部を備えることにより、前記振動膜支持部の機械的強度を高め、耐久性、ハンドリングの自由度の向上を図ることが出来る超音波振動子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記振動膜支持部の内周面にセラミックスを成膜することにより、エッチングによる犠牲層の除去の際に、エッチング剤と前記振動膜支持部との接触が遮断され、エッチング剤の選択が制限されず、製造工程において自由度が高まる超音波振動子を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、前記振動膜が、残留引張応力が５０ＭＰａ以下の窒化珪素からなるように構成することにより、高周波数域での使用の際においても、正確に超音波を送受することが出来る超音波振動子を提供することにある。

本発明に係る超音波振動子は、超音波を送受する際に振動する振動膜と、該振動膜に固着された振動電極と、基板の一面に設けられ、前記基板と対向するように前記振動膜を支持する振動膜支持部とを備える超音波振動子において、前記基板は、前記振動電極と対向する部分に導体を有することを特徴とする。

本発明に係る超音波振動子は、前記振動膜支持部は前記振動膜と異なる材料からなり、前記振動膜の５０倍から６００倍の肉厚を有する筒状をなすことを特徴とする。

本発明に係る超音波振動子は、前記振動膜支持部の内周面にはセラミックスが成膜されていることを特徴とする。

本発明に係る超音波振動子は、前記振動膜は残留引張応力が５０ＭＰａ以下の窒化珪素からなることを特徴とする。

本発明に係る超音波振動子は、前記振動膜及び振動電極を共に貫通する複数の貫通孔を有していることを特徴とする。

本発明に係る超音波振動子は、前記振動膜支持部はポリシリコンからなり、前記振動膜支持部の内周面には酸化シリコンが成膜されていることを特徴とする。

本発明にあっては、超音波を受信した場合は、前記振動膜が振動し、前記振動膜に固着されている前記振動電極も共に振動する。この際、前記振動電極と基板（又は前記導体）の導体との間の間隔が変化するので、前記振動電極と基板との間の静電容量が変化する。従って、該静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することができる。

本発明にあっては、前記振動膜支持部は例えばポリシリコンからなり、肉厚を前記振動膜の５０倍から６００倍になるように構成し、前記振動膜支持部の機械的強度を高め、耐久性、ハンドリングの自由度の向上を図る。また、振動膜の振動を安定して支持し、得られる振動膜の刑状が一律的になるので、メンブレンの振動及び出力される前記電気信号が安定になる。

本発明にあっては、前記振動膜支持部の内周面にセラミックス、例えば酸化シリコンを成膜しておき、エッチングによるいわゆる犠牲層の除去の際、エッチング剤によって前記振動膜支持部が腐食されることを防ぐ。

本発明にあっては、前記振動膜として残留引張応力が５０ＭＰａ以下の窒化珪素を用いる。つまり、ヤング率の高い窒化珪素を用いる上に、残留引張応力が５０ＭＰａ以下で低いことによって、機械（振動）−電気的エネルギ（電気信号）変換効率を高め、応力による前記振動膜のそりを最低限化する。

本発明にあっては、前記振動膜及び振動電極を共に貫通する複数の貫通孔を設ける。犠牲層の除去の際、前記貫通孔を通してエッチング剤が注入され、前記犠牲層がエッチングされる。

本発明によれば、超音波の受信により前記振動膜が振動する際、前記振動電極と前記基板（導体）との間に生じる静電容量の変化を用いて受信した超音波に係る電気信号の取得が可能となり、前記振動電極と前記基板（又は導体）との間に直流及び交流電圧を印加することで、前記振動膜を振動させて超音波を送信することができるので、基板側に金属性の電極を別度設ける必要がなくなり、構造が簡単になると共に、高温での処理が必要とされるセラミックス製の振動膜又は犠牲層の選択が可能になり、製造工程において自由度が高まる。

本発明によれば、前記振動膜の５０倍から６００倍の肉厚の筒状である振動膜支持部を備えて前記振動膜支持部の機械的強度を高めるので、耐久性、ハンドリングの自由度、歩留まりの向上を図ることが出来る。

本発明によれば、前記振動膜支持部の内周面にセラミックスを成膜するので、エッチングによる犠牲層の除去の際に、エッチング剤と前記振動膜支持部との接触が遮断され、エッチング剤の選択が制限されず、製造工程において自由度が高くなる。

本発明によれば、前記振動膜が、残留引張応力が５０ＭＰａ以下の窒化珪素であるので、エネルギ変換効率が高く、前記振動膜がそりのない水平状態を維持することが可能になるため、正確に超音波を送受することが出来る。

以下、図面に基づいて本発明に係る超音波振動子を具体的に説明する。図１は本発明に係る超音波振動子の平面図であり、図２は図１のＡ―Ｂ線による縦断面図である。

本発明に係る超音波振動子は、超音波を送受する振動膜１と、振動膜１を支持する振動膜支持部２と、振動膜支持部２を一面に設けている基板３とを備えている。また、振動膜１の一面には振動膜１と共に振動する振動電極４が形成されている。

基板３の前記一面には、セラミックス（例えば、酸化シリコン）からなる絶縁膜５が成膜されており、絶縁膜５の上面には振動膜支持部２が設けられている。振動膜支持部２は例えば円筒状であり、一端の周縁が絶縁膜５と接するように立設されている。また、振動膜支持部２の内周面には、耐食性が優れたセラミックス、例えば酸化シリコンからなる耐食膜６が形成されている。

振動膜１は振動膜支持部２を覆うように設けられている。従って、絶縁膜５、振動膜支持部２の内周面（耐食膜６）及び振動膜１よって空間部７が形成されている。

振動膜１は０．５〜３μｍの厚みを有しており、例えば残留引張応力が５０ＭＰａ以下であり、絶縁性の優れた窒化珪素からなる。また、振動膜１は振動を行う振動部１１（図中のＡ―Ｂ線においては、Ａ２〜Ｂ２）と、振動膜支持部２に保持されている固定部１２（図中のＡ―Ｂ線においては、Ａ１〜Ａ２及びＢ１〜Ｂ２）とを有する。振動部１１は平面視歯車状であり、固定部１２は中央部を丸くくりぬいた円板状である。振動部１１は、円板状であって上面に振動電極４が蒸着されている中央部１１１（図中のＡ―Ｂ線においては、Ａ３〜Ｂ３）と、中央部１１１を固定部１２へ繋ぐ６つの連結部１１２，１１２，１１２，…（図中のＡ―Ｂ線においては、Ａ２〜Ａ３及びＢ２〜Ｂ３）からなる。連結部１１２，１１２，１１２，…は、中央部１１１の周縁部に等間隔にて配設され、中央部１１１の径方向に延出されている。振動膜１の直径（図中のＡ―Ｂ線において、Ａ２〜Ｂ２）は、６００〜７００μｍである。なお、振動部１１及び固定部１２は一体形成されている。本実施の形態においては、振動膜１の直径が６００〜７００μｍである場合を例として挙げているが、振動膜１の直径は、周波数及び帯域によって定まる。

振動膜支持部２は、上述したように、円筒状であり、振動膜と異なる材料である例えば、ポリシリコンからなる。また、振動膜支持部２は軸長方向における寸法（換言すれば、振動膜１及び絶縁膜５の間隔）は２〜３μｍであり、外径は振動膜１の直径と等しい６００〜７００μｍである。また、振動膜支持部２は、振動膜１の厚みに対して５０倍〜６００倍の肉厚を有している。

基板３は、例えば、ｎ型又はｐ型に導電性不純物がドーピングされた、抵抗値が０．１Ωｃｍ以下のシリコンウエハーである。一方、振動電極４は金属薄膜からなり、振動膜１の中央部１１１に蒸着されている。振動電極４は中央部１１１と同じ大きさの円板状であり、振動電極４の一側の周縁部には径方向に延出する短冊形のリードパッド４１が設けられている。リードパッド４１は何れか一つの連結部１１２の上に蒸着されている。基板３及び振動電極４は夫々外部装置に電気的に接続され、基板３と振動電極４との間の静電容量の変化に係る電気信号が出力される。
なお、基板３は内側に空洞（図示せず）を有している。該空洞は、基板３の他面側からの異方性エッチング（又はドライエッチング）によって形成される。前記空洞は、平面視振動膜１と略同一の大きさであり、振動膜１と位置が整合するように形成されている。また、基板３の一面側には絶縁膜５を貫通する貫通孔（図示せず）が設けられており、該貫通孔によって、前記空洞と、空間部７とは連通されている。前記異方性エッチングの際に基板３の他面には孔が形成されるが、エッチング処理後、封止される。

以上のように、本発明に係る超音波振動子は、振動膜１として残留引張応力が５０ＭＰａ以下である窒化珪素を用いており、窒化珪素は他の振動膜材料に比べてヤング率が高い。従って、振動及び電気信号の間の変換効率が高くなる。高周波数域での使用にも対応することが出来るうえ、振動膜１の形状を設計のとおり（水平）維持し、正確な超音波の送受信が可能となり、安定した電子信号のセンシング（出力）が可能である。

また、本発明に係る超音波振動子は、振動膜支持部２の肉厚が薄い場合に生じ得る振動膜１の支持の不安定を解決でき、また、振動膜支持部２の肉厚が厚すぎる場合に生じ得る感度低下を防ぐことが出来る。例えば、従来の超音波振動子のように、振動膜支持部の肉厚が振動膜の厚みと略等しい場合は機械的強度が低く、長時間に亘る使用の場合は、振動膜支持部と振動膜の固定又は振動膜支持部が破壊される可能性がある上に、自由なハンドリングが制限され、歩留まりが低くなるといった問題、及び振動膜の振動を安定して支持できず、得られる電気信号にノイズが混入される等の問題が生じている。また、振動膜支持部２の肉厚が厚すぎる場合において、振動膜支持部２に応力が発生して振動膜の振動を妨害し、感度を低下させる問題が生じる。しかしながら、本発明に係る超音波振動子の振動膜支持部２は、振動膜１の厚みに対して５０倍〜６００倍の肉厚を有するのでこのような問題を解決できる。

なお、本発明に係る超音波振動子は、基板３としてシリコンウエハーを用いるので、該シリコンウエハーがアースの役割をなし、受信する超音波から取得される電気信号のノイズが減少され、Ｓ／Ｎ比が向上する。

なお、振動膜１並びに振動電極４及びリードパッド４１は、例えば直径３μｍの複数の貫通孔８，８，８，…によって厚み方向に貫通されている。従って、貫通孔８，８，８，…を介して空間部７に存在する空気の出入りが可能となり、振動膜１が振動する際に起きる、空間部７内の空気による抵抗を緩和することが出来る。また、後述する犠牲層のエッチングは、貫通孔８，８，８，…を用いて行われる。

以下、本発明に係る超音波振動子の作用について説明する。説明の便宜上、外部から超音波を受信した場合を例として説明する。

本発明に係る超音波振動子が外部から超音波を受信した場合、前記超音波（音圧）によって振動膜１が振動する。振動膜１が振動する際、振動膜１に蒸着されている振動電極４も共に振動するので、振動電極４と基板３との間隔が変動する。従って、振動電極４と基板３との間の静電容量が変化するようになる。この振動電極４と基板３との間の静電容量変化に基づき、受信した超音波に係る電気信号を取得することが出来る。

一方、超音波の送信は、振動電極４と基板３との間に直流及び交流電圧を印加することによって振動膜１を振動させて行われ、他の作用については超音波を受信した場合と同様であり、詳しい説明は省略する。

図３及び図４は本発明に係る超音波振動子製造方法を示す説明図である。以下において、本発明に係る超音波振動子製造方法について説明する。

まず、例えばシリコンウエハーからなる基板３の上にセラミックス（例えば酸化シリコン）膜５を成膜し、絶縁膜５の上に振動膜１（窒化珪素）と異種の材料（例えば、ポリシリコン）層２ｌａｙを形成する（図３（ａ））。以下、説明の便宜上、異種の材料層２ｌａｙを、略して異種層２ｌａｙという。

その後、溝形成工程が行われる。該溝形成工程では、平面視における振動膜支持部２の内周縁に倣って異種層２ｌａｙをくりぬくパターニングが行われ、異種層２ｌａｙに溝２１が形成される（図３（ｂ））。前記溝形成工程後、異種層２ｌａｙは、溝２１によって囲まれた溝２１の内側部分２ｉｎと、溝２１の外側部分２ｏｕｔに分けられる。内側部分２ｉｎは振動膜１を成膜するにおけるいわゆる犠牲層であり、後述するエッチング工程にて除去される。また、外側部分２ｏｕｔの一部は振動膜支持部２となる。

次いで、高密度プラズマによる化学蒸着法（ＨＤＰＣＶＤ）を用いて溝２１に耐食性が優れたセラミックス（例えば、酸化シリコン）を埋め込む埋め込み工程が行われる（図３（ｃ））。このような埋め込み工程によって溝２１に酸化シリコンを埋め込むことができ、耐食膜６が形成されることとなる。

その後、外側部分２ｏｕｔから、振動膜支持部２の肉厚に該当する部分以外を除去する余剰除去工程を行う（図４（ｄ））。該余剰除去工程は、溝２１を振動膜支持部２の内周とした場合、該内周から、外周縁になるべき位置までの部分以外の外側部分２ｏｕｔを除去する工程である。前記余剰除去工程によって、振動膜支持部２が形成される。

続いて、内側部分２ｉｎ及び外側部分２ｏｕｔ（振動膜支持部２）の上に振動膜１を成膜する（図４（ｅ））。振動膜１は例えば、窒化珪素からなり、低圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ）を用いて行われる。その後、蒸着された窒化珪素に対してパターニングが行われ、上述したように、略歯車状をなす振動部１１と、中央部を丸くくりぬいた円板状をなす固定部１２とが一体された振動膜１が得られる。

次いで、振動電極４を設けるために、低圧化学蒸着法を用いて振動膜１の上にＡｌ、Ｐｔ／Ｔｉ、Ｃｒ等の蒸着を行う。その後、パターニングが行われ、上述したように、円板状をなす振動電極４及び振動電極４の一側の周縁部にて径方向に延出する短冊形のリードパッド４１が形成される。その後、振動膜１及び振動電極４を共に貫通する複数の貫通孔８，８，８，…を設けるためのパターニングが更に行われる（図４（ｆ））。

その後、溝２１によって囲まれた溝２１の内側部分２ｉｎ、つまり、犠牲層をドライエッチングにて除去するエッチング工程が行われる。該エッチング工程は、貫通孔８，８，８，…を通してエッチング剤を注入して内側部分２ｉｎ（犠牲層）をエッチングする。図３及び図４の（ｄ）〜（ｇ）から分かるように、内側部分２ｉｎと振動膜支持部２との間には耐食膜６が介在しており、内側部分２ｉｎと基板３との間には、絶縁膜５として耐食性が優れた酸化シリコンが介在しているので、内側部分２ｉｎは耐食性が優れた膜（耐食膜６及び絶縁膜５）によって取り囲まれている。従って、前記ドライエッチングの場合、耐食膜６及び絶縁膜５がエッチング剤に対してストッパーの役割をなし、振動膜支持部２及び基板３を保護する。以上の工程によって、本発明に係る超音波振動子を得ることが出来る（図４（ｇ））。

従来における超音波振動子製造方法においては、ドライエッチングでなくウエットエッチングが用いられていたので、エッチング液の表面張力による振動膜のソリ、又は振動膜が基板側にくっ付くいわゆるスティクション（ｓｔｉｃｔｉｏｎ）が発生するといった問題があった。本発明に係る超音波振動子は、上述したように、ドライエッチングを用いるので、このような問題の発生を防ぐことが出来る。なお、前記溝形成工程（図３（ｂ））又は余剰除去工程（図４（ｄ））を制御することによって、振動膜支持部２の肉厚を変更することも可能である。

上述したように、本発明に係る超音波振動子は、異種層２ｌａｙを基に、犠牲層（内側部分２ｉｎ）及び振動膜支持部２（外側部分２ｏｕｔ）が共に形成されるので、犠牲層を形成するための工程を別に設ける必要がなくなる等、製造工程がより簡単になる。

なお、以上の記述では、基板３がシリコンウエハーであって、全体が導体である場合を例として説明したが、これに限るものでない。例えば、基板３中、振動電極４と対向する部分のみが導体であるように構成しても良く、前記対向する部分のうち一部のみが導体であっても良い。

本発明に係る超音波振動子の平面図である。 図１のＡ―Ｂ線による縦断面図である。 本発明に係る超音波振動子製造方法を示す説明図である。 本発明に係る超音波振動子製造方法を示す説明図である。 従来の超音波振動子の構成を示す断面図である。

符号の説明

１ 振動膜
２ 振動膜支持部
３ 基板
４ 振動電極
５ 絶縁膜
６ 耐食膜
７ 空間部
８ 貫通孔
４１ リードパッド

Claims (6)

1. 超音波を送受する際に振動する振動膜と、該振動膜に固着された振動電極と、基板の一面に設けられ、前記基板と対向するように前記振動膜を支持する振動膜支持部とを備える超音波振動子において、
   前記基板は、前記振動電極と対向する部分に導体を有することを特徴とする超音波振動子。
2. 前記振動膜支持部は
   前記振動膜と異なる材料からなり、
   前記振動膜の５０倍から６００倍の肉厚を有する筒状をなすことを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
3. 前記振動膜支持部の内周面にはセラミックスが成膜されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子。
4. 前記振動膜は残留引張応力が５０ＭＰａ以下の窒化珪素からなることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
5. 前記振動膜及び振動電極を共に貫通する複数の貫通孔を有していることを特徴とする請求項１に記載の超音波振動子。
6. 前記振動膜支持部はポリシリコンからなり、
   前記振動膜支持部の内周面には酸化シリコンが成膜されていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の超音波振動子。

Images