JP2018098591A - Capacitive transducer and manufacturing method thereof - Google Patents

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倉島 玲伊
Tamayoshi Kurashima
玲伊 倉島
虎島 和敏
Kazutoshi Torashima
和敏 虎島
丸山 綾子
Ayako Maruyama
綾子 丸山
隆行 角田
Takayuki Tsunoda
隆行 角田
豊 瀬戸本
Yutaka Setomoto
豊 瀬戸本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a capacitive transducer capable of restraining deterioration in transmission efficiency and reception sensitivity by restraining deterioration in membrane utilization efficiency, and a method of manufacturing the capacitive transducer.SOLUTION: A capacitive transducer includes one or more elements 104 each having a cell 101 including a structure supporting a vibration film at least including a second electrode 205 provided facing a first electrode 210 with an air gap 203 in between. The cell 101 of an element 104 is electrically connected with an adjacent cell with wiring 102 linked to the second electrode 205. The shape of the second electrode 205 in plan view viewed from above is nearly the same as the shape of the air gap 203.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、超音波変換素子などとして用いられる静電容量型トランスデューサ、その製造方法などに関する。   The present invention relates to a capacitive transducer used as an ultrasonic transducer, a manufacturing method thereof, and the like.

近年、微細加工技術の発展に伴い、マイクロメータオーダの精度で加工された様々な微小機械素子が実現されている。このような技術を用いて、静電容量型トランスデューサ(例えば、CMUT:Capasitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer)の開発が盛んとなっている。CMUTは、空隙(キャビティ)を挟んで対向する層に一対の電極が設けられた構成を有する。そのメンブレン状の薄膜を振動させて超音波を送信、受信する超音波デバイスであり、液中および空気中で優れた広帯域特性が得られる。このため、従来から使用されている圧電素子からなる超音波デバイスよりも、分解能の高い測定が可能となるため、その代替として注目を集めている。   In recent years, with the development of microfabrication technology, various micromechanical elements processed with micrometer order accuracy have been realized. Development of a capacitive transducer (for example, CMUT: Capacitive-Micromachined-Ultrasonic-Transducer) has been actively performed using such a technique. The CMUT has a configuration in which a pair of electrodes are provided in layers facing each other with a gap (cavity) interposed therebetween. It is an ultrasonic device that transmits and receives ultrasonic waves by vibrating the membrane-like thin film, and has excellent broadband characteristics in liquid and air. For this reason, it is possible to perform measurement with higher resolution than an ultrasonic device made of a piezoelectric element that has been used in the past.

一般的にCMUTは、マイクロメータオーダの複数のセル構造を集合させた状態で駆動する。その際に、上記のような優れた特性を得るには、複数のセル構造においてメンブレンの径や厚さ、及び空隙距離(空隙の厚さ)が略均一であることが求められる。それを実現するための製造方法として、セルの空隙部を構成する領域に予め犠牲層を設け、セルのメンブレン構造を形成してから、犠牲層を除去することでメンブレン下の空隙を形成する方法がある(特許文献1参照)。   In general, the CMUT is driven in a state in which a plurality of cell structures on the order of micrometers are assembled. In that case, in order to obtain the above excellent characteristics, it is required that the diameter and thickness of the membrane and the gap distance (void thickness) are substantially uniform in a plurality of cell structures. As a manufacturing method for realizing it, a method of forming a void under the membrane by providing a sacrificial layer in advance in a region constituting a void portion of the cell, forming a membrane structure of the cell, and then removing the sacrifice layer (See Patent Document 1).

特開2008−85246号公報JP 2008-85246 A

しかし、デバイスを上方から平面視したメンブレン上層の電極の領域が、空隙の領域より内側に位置している(つまり電極領域が空隙領域より小さい)場合においては、メンブレンの利用効率が低下し超音波デバイスの送信効率や受信感度が低下することがある。また、セルのメンブレンに含まれる電極と、セル間を電気的に接続する配線と、の間において段差が形成される場合においては、ステップカバレージが悪化することがある。その影響で配線抵抗が大きくなり、送信効率や受信感度が低下することがある。   However, when the electrode area on the upper layer of the membrane when the device is viewed from above is located on the inner side of the gap area (that is, the electrode area is smaller than the gap area), the use efficiency of the membrane decreases and the ultrasonic wave The transmission efficiency and reception sensitivity of the device may decrease. Further, when a step is formed between the electrode included in the cell membrane and the wiring that electrically connects the cells, step coverage may be deteriorated. As a result, wiring resistance increases, and transmission efficiency and reception sensitivity may decrease.

上記課題に鑑み、本発明の一側面による静電容量型トランスデューサは、第一の電極に対して空隙を挟んで設けられた第二の電極を少なくとも含む振動膜が支持された構造を含むセルを有する素子を1以上備え、前記素子の前記セルは、隣接するセルと、前記第二の電極に繋がる配線で電気的に接続されている静電容量型トランスデューサであって、上方から平面視される前記第二の電極の形状が、前記空隙の形状と略一致している。   In view of the above problems, a capacitive transducer according to an aspect of the present invention includes a cell including a structure in which a vibration film including at least a second electrode provided with a gap between the first electrode and a first electrode is supported. 1 or more element, and the cell of the element is a capacitive transducer that is electrically connected to an adjacent cell by a wiring connected to the second electrode, and is seen in plan view from above The shape of the second electrode substantially matches the shape of the gap.

また上記課題に鑑み、本発明の他の側面による静電容量型トランスデューサの製造方法は、第一の電極に対して空隙を挟んで設けられた第二の電極を少なくとも含む振動膜が支持された構造を含むセルを有する素子を1以上備える静電容量型トランスデューサの製造方法である。そして、少なくとも、前記第一の電極の上に犠牲層を形成する工程、前記犠牲層の上に第一の絶縁層を形成する工程、前記第一の絶縁層の上に前記第二の電極を形成する工程、前記第二の電極の上に第二の絶縁層を形成する工程、前記犠牲層を除去して前記空隙を形成する工程、前記第二の絶縁層の上に第三の絶縁層を形成し前記犠牲層を除去するために用いた開口部を封止する工程を含み、前記犠牲層を除去して前記空隙を形成する工程において、前記第二の電極を形成するマスク形状を用いて、前記第二の電極の下部領域に位置する前記犠牲層を含む位置までエッチング加工する。   In addition, in view of the above problems, the capacitive transducer manufacturing method according to another aspect of the present invention supports a vibrating membrane including at least a second electrode provided with a gap between the first electrode and the first electrode. A method for manufacturing a capacitive transducer including one or more elements each having a cell including a structure. And at least a step of forming a sacrificial layer on the first electrode, a step of forming a first insulating layer on the sacrificial layer, and the second electrode on the first insulating layer. A step of forming, a step of forming a second insulating layer on the second electrode, a step of removing the sacrificial layer to form the gap, and a third insulating layer on the second insulating layer And a step of sealing the opening used for removing the sacrificial layer, and using the mask shape for forming the second electrode in the step of removing the sacrificial layer and forming the gap Then, etching is performed up to a position including the sacrificial layer located in the lower region of the second electrode.

本発明によれば、セルを上方から平面視したときの空隙領域に対応するメンブレン領域の略全てに電極を形成することができるため、メンブレンの利用効率の低下を抑制し、超音波デバイスとしての送信効率や受信感度の低下を抑制することが可能となる。   According to the present invention, an electrode can be formed in almost all of the membrane region corresponding to the void region when the cell is viewed in plan view from above. It is possible to suppress a decrease in transmission efficiency and reception sensitivity.

本発明の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの構成を示す上面図。The top view which shows the structure of the capacitive transducer which concerns on embodiment of this invention. 図1の静電容量型トランスデューサの構成を示すA−B断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AB, showing the configuration of the capacitive transducer of FIG. 図1の静電容量型トランスデューサの構成を示すC−D断面図。CD sectional drawing which shows the structure of the capacitive transducer of FIG. 図1の静電容量型トランスデューサの製造方法の工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of the manufacturing method of the capacitive transducer of FIG. 図1の静電容量型トランスデューサの製造方法の工程を示す断面図。Sectional drawing which shows the process of the manufacturing method of the capacitive transducer of FIG. 図1の静電容量型トランスデューサの電源との接続を示すC−D断面図。CD sectional drawing which shows the connection with the power supply of the capacitive transducer of FIG. 静電容量型トランスデューサの製造工程の詳細を示す断面図。Sectional drawing which shows the detail of the manufacturing process of an electrostatic capacitance type transducer. 静電容量型トランスデューサの製造工程の詳細を示す断面図。Sectional drawing which shows the detail of the manufacturing process of an electrostatic capacitance type transducer. 本発明の実施形態に係る静電容量型トランスデューサを含むプローブを示す図。The figure which shows the probe containing the capacitive transducer which concerns on embodiment of this invention. プローブを含む情報取得装置の構成図。The block diagram of the information acquisition apparatus containing a probe. 静電容量型トランスデューサの製造方法におけるアンダーカットを示す断面図。Sectional drawing which shows the undercut in the manufacturing method of an electrostatic capacitance type transducer. アンダーカットがある静電容量型トランスデューサのA−B断面図。FIG. 6 is a cross-sectional view of the capacitive transducer A-B having an undercut. アンダーカットがある静電容量型トランスデューサのC−D断面図。CD sectional drawing of a capacitive transducer with an undercut. 本発明の他の実施形態に係る静電容量型トランスデューサの構成の上面図。The top view of the structure of the capacitive transducer which concerns on other embodiment of this invention.

本発明の一側面によれば、静電容量型トランスデューサにおいて、セルを上方から平面視したときの空隙領域に対応するメンブレン領域の略全てに電極が形成されている。一方、本発明の他の側面によれば、次の製造方法が提供される。即ち、この製造方法では、第一の電極上の犠牲層上に形成した第一の絶縁層上に形成した第二の電極の上に第二の絶縁層を形成した後に、犠牲層を除去して空隙を形成する。そして、空隙の形成に際し、第二の電極を形成するマスク形状を共通に用いて、第二の電極の下部領域に位置する犠牲層を含む位置までエッチング加工する。前記構成の静電容量型トランスデューサは、この製造方法により作製することができる。   According to one aspect of the present invention, in the capacitive transducer, electrodes are formed in substantially all of the membrane region corresponding to the void region when the cell is viewed from above. On the other hand, according to the other aspect of this invention, the following manufacturing method is provided. That is, in this manufacturing method, after forming the second insulating layer on the second electrode formed on the first insulating layer formed on the sacrificial layer on the first electrode, the sacrificial layer is removed. To form voids. Then, when forming the gap, the mask shape for forming the second electrode is commonly used, and etching is performed to a position including the sacrificial layer located in the lower region of the second electrode. The capacitive transducer having the above-described configuration can be manufactured by this manufacturing method.

[実施形態1]
本発明を実施するための一形態について図面を参照して説明する。図1は、実施形態1の静電容量型トランスデューサを説明する上面図である。静電容量型トランスデューサは、空隙ないし間隙を隔てて設けられた一対のうちの一方の電極を含む振動膜(メンブレン)が振動可能に支持されたセル101を有する素子104が1以上集まって構成されている。セル101は、隣接のセル101と配線102にて電気的に接続されており、複数のセル101を含む各素子104の信号を集約する引き出し配線領域105と電気的に接続されている。引き出し配線領域105の端部には、外部基板へ配線するために用いる開口部106がある。開口部106は、配線領域105上に形成される後述の層206、207が除去されて、配線領域105が露出した領域である。後述の犠牲層を除去する際に用いるエッチングホール103は、図1に示すように各セル101に1:1で配置してもよいし、複数セルに対して1つになるように配置しても構わない。
[Embodiment 1]
An embodiment for carrying out the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a top view illustrating the capacitive transducer according to the first embodiment. The electrostatic capacity type transducer is formed by collecting one or more elements 104 each having a cell 101 on which a vibrating membrane (membrane) including one electrode of a pair provided with a gap or gap is supported so as to vibrate. ing. The cell 101 is electrically connected to the adjacent cell 101 by a wiring 102 and is electrically connected to a lead-out wiring region 105 that collects signals of each element 104 including the plurality of cells 101. At the end of the lead-out wiring area 105, there is an opening 106 used for wiring to an external substrate. The opening 106 is an area where the wiring area 105 is exposed by removing later-described layers 206 and 207 formed on the wiring area 105. Etching holes 103 used for removing a sacrificial layer, which will be described later, may be arranged 1: 1 for each cell 101 as shown in FIG. 1, or arranged so as to be one for a plurality of cells. It doesn't matter.

図1では1つの素子104のみを示しているが、素子数は1以上備えればよく、幾つでも構わない。素子104を構成するセル101の個数も幾つであっても構わない。セル101の配列は格子状の配置でも千鳥配置などでも、どのような配列でも構わない。本実施形態では、セル101を上方から見て平面視した形状は円形であり、振動するメンブレン部の形状は円形であるが、正方形、長方形、多角形等の形状でも構わない。   Although only one element 104 is shown in FIG. 1, the number of elements may be one or more, and any number is possible. Any number of cells 101 may be included in the element 104. The arrangement of the cells 101 may be any arrangement such as a lattice arrangement or a staggered arrangement. In the present embodiment, the shape of the cell 101 viewed from above when viewed from above is a circle, and the shape of the vibrating membrane portion is a circle, but it may be a square, a rectangle, a polygon, or the like.

1個のセル101の層構成について図2及び図3を参照して説明する。図2はセル101の図1のAB方向のA−B断面図、図3はセル101の図1のCD方向のC−D断面図である。セル101は、第一の電極201(下電極)、絶縁層202、空隙ないし空隙層203、絶縁層204(第一の絶縁層)、第二の電極205(上電極)、絶縁層206(第二の絶縁層)、絶縁層207(第三の絶縁層)、エッチングホール208を含む。セル101を構成する各層について以下詳細に述べる。   The layer structure of one cell 101 will be described with reference to FIGS. 2 is a cross-sectional view of the cell 101 taken along the line AB in FIG. 1, and FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell 101 taken along the line CD in FIG. The cell 101 includes a first electrode 201 (lower electrode), an insulating layer 202, a void or void layer 203, an insulating layer 204 (first insulating layer), a second electrode 205 (upper electrode), and an insulating layer 206 (first electrode). A second insulating layer), an insulating layer 207 (third insulating layer), and an etching hole 208. Each layer constituting the cell 101 will be described in detail below.

下電極201は、熱酸化膜を形成したシリコン基板(図示なし)上に配置され、バイアス電圧を印加するために用いる。上電極205を含むメンブレン部は、このバイアス電圧により下電極201から静電引力を受ける。下電極201は、W、Ti、Al、若しくはこれらの何れか1つを主成分とする材料の合金などから選択することが可能である。セルにおける下電極201は、この上に複数の膜を積層していくために、下地膜としては平坦性が高いこと、後工程における耐熱性が十分に確保されていること、電気抵抗の低いことが求められる。これらを満たしていれば他金属でも使用可能である。下電極201と上電極205との間での不要な寄生容量を低減するために、素子104のある領域以外への下電極の形成面積はできるだけ少なくすることが好ましい。   The lower electrode 201 is disposed on a silicon substrate (not shown) on which a thermal oxide film is formed, and is used for applying a bias voltage. The membrane part including the upper electrode 205 receives electrostatic attraction from the lower electrode 201 by this bias voltage. The lower electrode 201 can be selected from W, Ti, Al, or an alloy of a material whose main component is any one of these. Since the lower electrode 201 in the cell is formed by laminating a plurality of films thereon, the base film has high flatness, sufficient heat resistance in the subsequent process, and low electrical resistance. Is required. Other metals can be used as long as these conditions are satisfied. In order to reduce unnecessary parasitic capacitance between the lower electrode 201 and the upper electrode 205, it is preferable to reduce the formation area of the lower electrode in a region other than the region where the element 104 exists.

絶縁層202は下電極201の上に配置される。この層202は、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で形成されることが一般的である。絶縁層202は、上の絶縁層204とは異なる材料を用いる方が、静電容量型トランスデューサを製造する際には好適である。その理由は後述する。仮に絶縁層204をSiN化合物で形成するならば、絶縁層202をシリコン酸化物で形成する。但し、製造上のマージンが確保でき、更に上電極205と下電極201との間の絶縁性が確保できるならば、絶縁層202は無くても構わない。メンブレン下の空隙203は絶縁層202の上層に配置される。メンブレン下の空隙203は、後述するようにメンブレン構造を形成したのち犠牲層209を除去することで形成される。   The insulating layer 202 is disposed on the lower electrode 201. This layer 202 is typically formed of silicon oxide or silicon nitride. The insulating layer 202 is preferably made of a material different from that of the upper insulating layer 204 when manufacturing a capacitive transducer. The reason will be described later. If the insulating layer 204 is formed of a SiN compound, the insulating layer 202 is formed of silicon oxide. However, the insulating layer 202 may be omitted as long as a manufacturing margin can be ensured and further insulation between the upper electrode 205 and the lower electrode 201 can be ensured. The void 203 under the membrane is disposed in the upper layer of the insulating layer 202. The void 203 under the membrane is formed by removing the sacrificial layer 209 after forming the membrane structure as will be described later.

メンブレンを構成する絶縁層204は空隙層203の上層に配置される。メンブレンの構成材料、及び上電極205と下電極201との間に位置する材料としては、シリコン酸化物、シリコン窒化物、これらを組み合わせた構成が一般的であり、その理由を以下に述べる。   The insulating layer 204 constituting the membrane is disposed on the upper layer of the gap layer 203. As a constituent material of the membrane and a material positioned between the upper electrode 205 and the lower electrode 201, a silicon oxide, a silicon nitride, or a combination of these is generally used, and the reason will be described below.

まず、メンブレン構造を構成する膜を全体として弱引っ張り応力に調整でき、メンブレンの反りを防ぎ、空隙構造を保つことができるからである。次に、上電極205と下電極201間に位置する材料の絶縁性を高くでき、駆動時の膜中への電荷注入を抑制し、メンブレンの帯電を抑制できるからである。帯電が発生するとデバイス特性がドリフトするため、それを防ぐために帯電を抑制することが求められる。次に、メンブレンを構成する各層の表面を平坦に形成できるからである。メンブレン下の空隙の厚さ(高さ)はナノメートルオーダーであり、所望通りの空隙を確保し、メンブレンの動きを阻害しないことが必要である。次に、シリコン酸化物やシリコン窒化物は一般に広く普及している材料であり、コンフォーマルで緻密な成膜が可能であり、加工性も高いことが挙げられる。次に、メンブレン可動部を構成する材料として、密度を小さく且つヤング率を高くできることも挙げられる。これはCMUTの広帯域性を実現することに寄与する。これらを総合的に勘案してメンブレン材料や構成を決定することになるが、メンブレンの構成材料としては、シリコン窒化物を主体に構成することが好適である。   First, the membrane constituting the membrane structure can be adjusted to a weak tensile stress as a whole, the membrane can be prevented from warping, and the void structure can be maintained. Next, it is because the insulating property of the material located between the upper electrode 205 and the lower electrode 201 can be increased, charge injection into the film during driving can be suppressed, and charging of the membrane can be suppressed. Since device characteristics drift when charging occurs, it is required to suppress charging in order to prevent it. This is because the surface of each layer constituting the membrane can be formed flat. The thickness (height) of the void under the membrane is on the order of nanometers, and it is necessary to ensure the desired void and not hinder the movement of the membrane. Next, silicon oxide and silicon nitride are generally widely used materials, and can be conformally and densely formed, and have high workability. Next, as a material constituting the membrane movable part, the density can be reduced and the Young's modulus can be increased. This contributes to the realization of CMUT broadband. Considering these comprehensively, the membrane material and configuration are determined, but it is preferable that the membrane is mainly composed of silicon nitride.

続いて、第二の電極205(上電極)は絶縁層204の上層に配置される。第二の電極205は、セル101の上電極、隣接セル同士を電気的に接続する配線102、また素子104の信号の入出力配線(引き出し配線領域105に配置)を兼ねる。第二の電極205は、W、Ti、Al、Au若しくはこれらの何れか1つを主成分とする材料の合金を選択することが可能である。第二の電極205上にも複数の膜を積層していくため、平坦性が高いこと、後工程における耐熱性が十分に確保されていること、電気抵抗の低いことが求められる。これらを満たしていれば他金属でも使用可能である。   Subsequently, the second electrode 205 (upper electrode) is disposed in the upper layer of the insulating layer 204. The second electrode 205 also serves as an upper electrode of the cell 101, a wiring 102 that electrically connects adjacent cells, and a signal input / output wiring (arranged in the lead-out wiring region 105) of the element 104. For the second electrode 205, W, Ti, Al, Au, or an alloy of a material mainly containing any one of them can be selected. Since a plurality of films are stacked also over the second electrode 205, high flatness, sufficient heat resistance in a subsequent process, and low electrical resistance are required. Other metals can be used as long as these conditions are satisfied.

絶縁層206は第二の電極205上に配置される。メンブレン構造を担うこと、犠牲層209をエッチングする際の開口部(103、208)を形成する役割を担う。一般的にシリコン窒化膜を使用するが、設計上の特性を満たす材料なら他材料も使用可能である。絶縁層207は絶縁層206上に配置される。膜厚は、エッチングホールを封止できることと、メンブレンの振動特性と、を両立できる条件を満たすことが必要である。一般的にシリコン窒化膜を使用するが、これらの特性を満たす材料なら他材料も使用可能である。   The insulating layer 206 is disposed on the second electrode 205. It plays the role of forming the opening (103, 208) when etching the sacrificial layer 209, taking the membrane structure. Generally, a silicon nitride film is used, but other materials can be used as long as they satisfy the design characteristics. The insulating layer 207 is disposed on the insulating layer 206. It is necessary for the film thickness to satisfy a condition that allows the etching hole to be sealed and the vibration characteristics of the membrane. In general, a silicon nitride film is used, but other materials can be used as long as they satisfy these characteristics.

本実施形態におけるセル101の特徴は、セル上方から見て、上電極205、絶縁層204、空隙203の形状が略同じであることである。つまり、全方向について、これらの層の縁が、一致しているか、微小な等距離を隔てて平行に画される(後述の図6−2(d)参照)。このように空隙203の略全領域に上電極205を配置したい理由について述べる。   The feature of the cell 101 in the present embodiment is that the shapes of the upper electrode 205, the insulating layer 204, and the gap 203 are substantially the same as viewed from above the cell. That is, in all directions, the edges of these layers coincide with each other or are drawn in parallel with a minute equidistant distance (see FIG. 6D described later). The reason why the upper electrode 205 is desired to be disposed in substantially the entire region of the gap 203 will be described.

本実施形態のメンブレン部は、主に、絶縁層204、上電極205、絶縁層206、絶縁層207で構成される。CMUTが超音波を発生することは、静電引力によって、MHz帯域の周波数を持つ速度でメンブレンを変形させ、メンブレンが接触する媒質に変位を与えることにより実現される。より大きな超音波を発生させるには、メンブレンを大きく変位させることが必要である。そのためには、メンブレンの全領域で静電引力を発生させ、その力をメンブレンに与えることが好ましい。よって、メンブレンの略全領域に上電極を配置しておくことが好ましい。   The membrane part of this embodiment is mainly composed of an insulating layer 204, an upper electrode 205, an insulating layer 206, and an insulating layer 207. The generation of ultrasonic waves by the CMUT is realized by deforming the membrane at a speed having a frequency in the MHz band by electrostatic attraction, and giving displacement to the medium in contact with the membrane. In order to generate a larger ultrasonic wave, it is necessary to greatly displace the membrane. For this purpose, it is preferable to generate an electrostatic attractive force in the entire region of the membrane and apply the force to the membrane. Therefore, it is preferable to arrange the upper electrode in substantially the entire region of the membrane.

また超音波の受信感度は、CMUTの静電容量の変化で発生した電荷の時間変化(電流)に比例する。そのため、メンブレンの全領域において電極が配置されていれば、メンブレンが変位する領域で発生した電荷を余すことなく活用することができ、受信感度を高くできて、好ましい。   The ultrasonic wave reception sensitivity is proportional to the time change (current) of the charge generated by the change in the capacitance of the CMUT. For this reason, it is preferable that electrodes be arranged in the entire region of the membrane, since charges generated in the region where the membrane is displaced can be used without any loss, and reception sensitivity can be increased.

本実施形態において、CMUTのセル101の径は最大で50μm〜100μm程度であり得るが、CMUTの特徴である広帯域性を維持するためには約5μm〜40μmの範囲を選択する場合が多い。従来技術では犠牲層209の形状と上電極205の形状を別々のアライメント工程で製造していた。その場合は、各種誤差を見込むことで、上電極205の形状を犠牲層209の形状より小さく設計する必要があった。したがって、上電極205の面積が、空隙層203の面積に対して、80%〜90%まで、場合によっては70%程度にしかできなかった。本実施形態によれば、メンブレンの面積の略100%まで上電極205を配置することが可能となり、送受信の効率向上に寄与するものとなる。   In the present embodiment, the diameter of the CMUT cell 101 may be about 50 μm to 100 μm at the maximum, but in order to maintain the broadband property that is a characteristic of the CMUT, a range of about 5 μm to 40 μm is often selected. In the prior art, the shape of the sacrificial layer 209 and the shape of the upper electrode 205 are manufactured by separate alignment processes. In that case, it is necessary to design the shape of the upper electrode 205 to be smaller than the shape of the sacrificial layer 209 by allowing for various errors. Therefore, the area of the upper electrode 205 can be 80% to 90% with respect to the area of the gap layer 203, and in some cases only about 70%. According to the present embodiment, the upper electrode 205 can be disposed up to approximately 100% of the area of the membrane, which contributes to improvement in transmission / reception efficiency.

次に、本実施形態における静電容量型トランスデューサの製造方法の各工程について図を参照して説明する。図4−1と図4−2は、セル101の図2の断面位置における製造工程の経過を示したものである。ここでは本実施形態における製造方法の特徴を主に説明する。図4−1(a)は、熱酸化膜が形成された半導体基板(図示なし)上に、下電極201、絶縁層202、犠牲層209、絶縁層204、上電極205が成膜された断面を示す。各層の形成方法として一般的には、物理蒸着、物理スパッタ成膜、CVD(主にPE-CVD(plasma-enhanced chemical vapor deposition))を使用する。膜の物性、成膜ムラ、平坦性等の項目が設計仕様に収まるならば、どのような成膜手段を用いても構わない。   Next, each process of the manufacturing method of the capacitive transducer according to this embodiment will be described with reference to the drawings. 4A and 4B show the progress of the manufacturing process at the cross-sectional position of the cell 101 in FIG. Here, the characteristics of the manufacturing method in the present embodiment will be mainly described. FIG. 4A shows a cross section in which a lower electrode 201, an insulating layer 202, a sacrificial layer 209, an insulating layer 204, and an upper electrode 205 are formed on a semiconductor substrate (not shown) on which a thermal oxide film is formed. Indicates. In general, physical vapor deposition, physical sputtering film formation, or CVD (mainly PE-CVD (plasma-enhanced chemical vapor deposition)) is used as a method for forming each layer. Any film forming means may be used as long as items such as film physical properties, film formation unevenness, and flatness fall within the design specifications.

図4−1(b)は、第二の電極205の形状をエッチング加工するためにホトレジストパターン501を配置した工程を示す。本実施形態においては、第二の電極205を加工するためのホトレジストパターン501を用いて、下層に位置する絶縁層204、犠牲層209までを一括で加工する。そのようにすることで、ホトレジストパターン501の形状で規定される第二の電極205の形状を、ほぼ維持したまま絶縁層204、犠牲層209まで転写することが可能となる。上電極205、絶縁層204、犠牲層209の合計厚さにもよるが、全ての層をプラズマエッチングで加工するならば、エッチング選択比を鑑みて、一般的なポジ型レジストで3μm〜4μm程度の厚さが必要となる。   FIG. 4B shows a process in which a photoresist pattern 501 is disposed in order to etch the shape of the second electrode 205. In the present embodiment, using the photoresist pattern 501 for processing the second electrode 205, the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209 located at the lower layer are processed at once. By doing so, it is possible to transfer the shape of the second electrode 205 defined by the shape of the photoresist pattern 501 to the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209 while substantially maintaining the shape. Depending on the total thickness of the upper electrode 205, the insulating layer 204, and the sacrificial layer 209, if all the layers are processed by plasma etching, a general positive resist is about 3 μm to 4 μm in view of the etching selectivity. The thickness of is required.

図4−1(c)は、ホトレジストパターン501を用い、第二の電極205をエッチングした工程の断面図である。電極材料を加工するには塩素系ガスを用いたプラズマエッチングが一般的であるが、主に加工精度が許容できるならばウェットエッチングでも構わない。もちろん電極材料によっては、Arガスのような物理スパッタのみでのエッチング加工も可能である。   FIG. 4C is a cross-sectional view of the step of etching the second electrode 205 using the photoresist pattern 501. Plasma etching using a chlorine-based gas is generally used to process the electrode material. However, wet etching may be used as long as processing accuracy is mainly acceptable. Of course, depending on the electrode material, etching by only physical sputtering such as Ar gas is possible.

図4−1(d)は、ホトレジストパターン501を用い、連続的に絶縁層204をエッチングした工程の断面図である。ホトレジストパターン501のまま加工することで第二の電極205とほぼ同じ形状(上方から見た平面視でほぼ重なる形状)を形成することができる。絶縁層204として、シリコン窒化膜を選択した場合は、フッ素系のガス(SFやCF等)に切り替えてエッチングすることになる。第二の電極205のエッチングにおいて塩素系ガスでエッチングを行った場合は、第二の電極205の腐食を防ぐためにも基板を大気解放せず、連続的にエッチングを行うことが好ましい。その場合、同一のエッチング装置で塩素系ガス及びフッ素系ガスが使用できる環境が必要である。 FIG. 4D is a cross-sectional view of a process in which the insulating layer 204 is continuously etched using the photoresist pattern 501. By processing the photoresist pattern 501 as it is, it is possible to form substantially the same shape as the second electrode 205 (a shape that substantially overlaps in plan view as viewed from above). When a silicon nitride film is selected as the insulating layer 204, etching is performed by switching to a fluorine-based gas (such as SF 6 or CF 4 ). In the etching of the second electrode 205, when etching is performed with a chlorine-based gas, it is preferable to perform the etching continuously without releasing the substrate to the atmosphere in order to prevent the corrosion of the second electrode 205. In that case, an environment where chlorine-based gas and fluorine-based gas can be used in the same etching apparatus is required.

図4−2(e)は、ホトレジストパターン501を用い、連続的に犠牲層209をエッチングした工程の断面図である。この工程もホトレジストパターン501をそのままで加工することで、第二の電極205とほぼ同じ形状を形成することができる。犠牲層209としてシリコン系材料(a−Si、p−Si)を用いるならば、塩素系若しくはフッ素系のガスを用いてプラズマエッチングすることが可能である。塩素系ガスでエッチングする場合は、犠牲層209の下地としてシリコン酸化膜(絶縁層202)を形成しておけばエッチング選択比が確保できる。よって、絶縁層202がエッチングストップ層として機能するため、製造の観点から好ましい。もちろんエッチング選択比を確保できるなら、犠牲層209の下層の絶縁層202は無くても構わない。   FIG. 4E is a cross-sectional view of a process in which the sacrificial layer 209 is continuously etched using the photoresist pattern 501. In this process as well, the photoresist pattern 501 is processed as it is, so that substantially the same shape as the second electrode 205 can be formed. If a silicon-based material (a-Si, p-Si) is used as the sacrificial layer 209, plasma etching can be performed using a chlorine-based or fluorine-based gas. When etching with a chlorine-based gas, an etching selectivity can be ensured by forming a silicon oxide film (insulating layer 202) as a base for the sacrificial layer 209. Therefore, since the insulating layer 202 functions as an etching stop layer, it is preferable from the viewpoint of manufacturing. Needless to say, the insulating layer 202 below the sacrificial layer 209 may be omitted as long as the etching selectivity can be secured.

図4−2(f)は、前工程で製造した構造を絶縁層206で覆い、犠牲層209を除去するための開口(エッチングホール208)を形成した断面図である。絶縁層206は、前工程の構造をムラ無く、隙間なく、均一に覆うためにも、CVDやPE-CVD等の気相成膜法で形成するのが好ましい。エッチングホール208の形成は、絶縁層206をエッチングし、露出した下層の第二の電極205をエッチングし、下層の絶縁層204をエッチングすることで行い、犠牲層209を露出させる。加工精度を鑑みて、1つのホトレジストパターンで連続的に加工することが好ましい。プラズマエッチングにて、各層毎に最適なガス種に切り替えながら加工するのが一般的である。   FIG. 4B is a cross-sectional view in which the structure manufactured in the previous step is covered with an insulating layer 206 and an opening (etching hole 208) for removing the sacrificial layer 209 is formed. The insulating layer 206 is preferably formed by a vapor deposition method such as CVD or PE-CVD in order to uniformly cover the structure of the previous process without any gaps and without gaps. The etching hole 208 is formed by etching the insulating layer 206, etching the exposed second electrode 205, and etching the lower insulating layer 204, thereby exposing the sacrificial layer 209. In view of processing accuracy, it is preferable to continuously process with one photoresist pattern. In general, plasma etching is performed while switching to an optimum gas type for each layer.

図4−2(g)は、前工程で製造した構造に対して犠牲層209を除去し、空隙203を形成した断面図である。犠牲層209として用いる材料は、主にアモルファス・シリコン(a−Si)、ポリ・シリコン(p−Si)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)等、が一般的である。a−Si、p−Siであれば、XeFガスを用いたドライエッチングで選択的に除去が可能である。a−Si、p−Siに対してエッチング選択比が高く、一般的に用いられる材料としてシリコン酸化物、シリコン窒化物、これらを組み合わせた構成がある。ドライエッチングで犠牲層209を除去する利点は、ウェットエッチング時に発生し得る空隙におけるメンブレンのスティッキングを防止できることである。この製造方法は、近年の製造装置の発展に伴い用いられることが多い。 FIG. 4G is a cross-sectional view in which the sacrificial layer 209 is removed from the structure manufactured in the previous step, and the gap 203 is formed. The material used for the sacrificial layer 209 is generally amorphous silicon (a-Si), poly silicon (p-Si), chromium (Cr), molybdenum (Mo), or the like. If it is a-Si or p-Si, it can be selectively removed by dry etching using XeF 2 gas. The etching selectivity is high with respect to a-Si and p-Si, and silicon oxide, silicon nitride, and a combination of these are commonly used materials. The advantage of removing the sacrificial layer 209 by dry etching is that it can prevent sticking of the membrane in the voids that may occur during wet etching. This manufacturing method is often used with the recent development of manufacturing apparatuses.

図5は、絶縁層207を成膜することで各セル101の空隙203を減圧封止した断面図である。エッチングホール208を封止するために、絶縁層207は、CVDやPE-CVD等の気相成膜の手法で形成するのが好ましい。必要な絶縁層207の膜厚の目安は、空隙203の厚さ(高さ)の3倍程度としている。封止の確認は、封止面を表面張力の低い液体(イソプロピルアルコール等)に浸漬し、セル面の光学的な反射状況を確認することで可能である。あくまでエッチングホール208を封止するために必要な膜厚であり、メンブレンの機械特性を実現するために、封止後に絶縁層207を機械研磨、ドライエッチング等で薄化しても構わない。薄化すると、絶縁層207の厚さは空隙203の厚さの3倍以下にもなり得る。   FIG. 5 is a cross-sectional view in which the gap 203 of each cell 101 is sealed under reduced pressure by forming an insulating layer 207. In order to seal the etching hole 208, the insulating layer 207 is preferably formed by a vapor deposition method such as CVD or PE-CVD. A necessary standard for the thickness of the insulating layer 207 is about three times the thickness (height) of the gap 203. The sealing can be confirmed by immersing the sealing surface in a liquid having a low surface tension (such as isopropyl alcohol) and confirming the optical reflection state of the cell surface. The film thickness is only necessary for sealing the etching hole 208, and the insulating layer 207 may be thinned by mechanical polishing, dry etching, or the like after sealing in order to realize the mechanical characteristics of the membrane. When the thickness is reduced, the thickness of the insulating layer 207 can be three times or less the thickness of the gap 203.

本実施形態の製造方法の特徴である、上電極205から犠牲層209まで、上電極205のマスクパターンを用いて一括してドライエッチング加工した場合の特徴について図を参照して説明する。   A feature of the manufacturing method according to the present embodiment when dry etching is performed collectively from the upper electrode 205 to the sacrificial layer 209 using the mask pattern of the upper electrode 205 will be described with reference to the drawings.

図6−1(a)は、上電極205のエッチング工程のセル101の断面を示した図である。プラズマ1201から電離したガスのイオン種がエッチング装置の基板間のバイアスに引かれ、またガスのラジカル種にて、エッチングが進行する様子を示している。ここで、上電極205の領域端部(上方から見た領域の外周縁部)の微細なスジ形状1202などの痕跡に起因した跡が下層に転写される。微細なスジ形状1202などの痕跡は、レジストマスク501のエッジ起因であるもの、上電極205の結晶粒界によるもの等が考えられる。膜面に対する側壁の角度については、上から基板に対して裾広がりとなる順テーパーの角度が生じることが多い。もちろん、レジスト501の露光端面(図6−1に示すレジストの側壁の斜面)やエッチング条件を最適化することで、膜面に対する側壁の角度を垂直(90°)に近づけることは可能である。製造方法によっては、逆テーパーの角度が生じることもある。   FIG. 6A is a diagram showing a cross section of the cell 101 in the etching process of the upper electrode 205. The figure shows that the ion species of the gas ionized from the plasma 1201 are attracted by the bias between the substrates of the etching apparatus, and the etching proceeds with the gas radical species. Here, a trace resulting from a trace such as a fine streak shape 1202 at the end of the region of the upper electrode 205 (the outer peripheral edge of the region viewed from above) is transferred to the lower layer. The trace such as the fine streak shape 1202 may be due to the edge of the resist mask 501 or due to the crystal grain boundary of the upper electrode 205. As for the angle of the side wall with respect to the film surface, there is often a forward taper angle that spreads from the top to the substrate. Of course, by optimizing the exposure end face of the resist 501 (the slope of the side wall of the resist shown in FIG. 6A) and the etching conditions, the angle of the side wall with respect to the film surface can be close to vertical (90 °). Depending on the manufacturing method, a reverse taper angle may occur.

図6−1(b)は、絶縁層204のエッチング工程のセル101の断面を示した図である。第二の電極205の加工で用いたホトレジストパターン501を用いて、絶縁層204をエッチング加工する。すると、マスク501により第二の電極層205で刻まれた前記外周縁部の微細なスジ形状1202などの痕跡の一部は引き継がれ、絶縁層204にも形成される。絶縁層204は、一般的にフッ素系ガスでドライエッチングすることが多く、上層の第二の電極205のエッチングは殆ど進行しない。その場合、絶縁層204のエッチングにおいては、ホトレジストパターン501と第二の電極205の2つがマスク材料となる。ここでも膜面に対する側壁の角度は、上から基板に対して裾広がりとなる順テーパーの角度が生じることが多い。もちろん、ここでもレジストの露光端面やエッチング条件を最適化することで垂直(90°)に近づけることは可能である。また、エッチングガス成分にラジカル種が多い場合は、第二の電極205に対して若干のアンダーカット形状が生じる場合もある。このような場合、アンダーカット形状を避けるようにエッチング条件を調整することが好ましい。   FIG. 6B is a diagram illustrating a cross section of the cell 101 in the etching process of the insulating layer 204. The insulating layer 204 is etched using the photoresist pattern 501 used in the processing of the second electrode 205. Then, a part of the trace such as the fine streak shape 1202 of the outer peripheral edge carved by the mask 501 in the second electrode layer 205 is taken over and formed in the insulating layer 204 as well. In general, the insulating layer 204 is often dry-etched with a fluorine-based gas, and the etching of the upper second electrode 205 hardly proceeds. In that case, in etching of the insulating layer 204, the photoresist pattern 501 and the second electrode 205 serve as mask materials. In this case as well, the angle of the side wall with respect to the film surface often has a forward taper angle extending from the top to the substrate. Of course, it is possible to approach the vertical (90 °) by optimizing the resist exposure end face and etching conditions. In addition, when the etching gas component contains a large amount of radical species, a slight undercut shape may occur with respect to the second electrode 205. In such a case, it is preferable to adjust the etching conditions so as to avoid the undercut shape.

図6−2(c)は、犠牲層209のエッチング工程のセル101の断面を示した図である。上層のマスク501を用いて犠牲層209をエッチング加工するため、前記領域端部の微細なスジ形状1202などの痕跡に起因した跡が転写される。この工程においても側壁のアンダーカット形状を避けるようにエッチング条件を調整することが好ましい。図6−2(c)に示されるように、第二の電極205、絶縁層204、犠牲層209の側壁角度は、殆ど連続的に滑らかに形成される場合もあるが、エッチング選択比や各層のエッチング条件における影響もあり、若干の側壁角度の違いが発生することもあり得る。   FIG. 6C is a diagram illustrating a cross section of the cell 101 in the etching process of the sacrificial layer 209. Since the sacrificial layer 209 is etched using the upper layer mask 501, traces due to traces such as the fine stripe shape 1202 at the end of the region are transferred. Also in this step, it is preferable to adjust the etching conditions so as to avoid the undercut shape of the side wall. As shown in FIG. 6C, the side wall angles of the second electrode 205, the insulating layer 204, and the sacrificial layer 209 may be formed almost continuously and smoothly. There is also an influence on the etching conditions, and a slight difference in side wall angle may occur.

図6−2(d)は、上電極205のマスクパターン501を用いて、第二の電極205、絶縁層204、犠牲層209を一括してドライエッチング加工した構造の上面相関図を示す。1501は絶縁層204と犠牲層209の形状差を示し、1502は第二の電極205と絶縁層204の形状差を示す。   FIG. 6D shows a top correlation diagram of a structure in which the second electrode 205, the insulating layer 204, and the sacrificial layer 209 are collectively dry-etched using the mask pattern 501 of the upper electrode 205. 1501 indicates the shape difference between the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209, and 1502 indicates the shape difference between the second electrode 205 and the insulating layer 204.

高解像度の走査型電子顕微鏡(FE-SEM)で観察した場合において、上層から基板に向かって緩やかに広がる形状が観察される。例えば側壁の角度が45°だとすると片側で膜厚の7割程度の広がりが形成される。仮に犠牲層209の膜厚が200nmの場合、犠牲層の広がりは片側で140nm程度となる。側壁角度を略垂直に形成できれば、広がり幅は非常に小さくなる。また基板に対し上方から見た場合において、絶縁層204と犠牲層209の加工領域は、上電極205のマスクパターン501に対して略等方的な形状となる。つまり、図6−2(d)に示す様に、全方向について、絶縁層204と犠牲層209の加工領域の縁はマスクパターン501の縁に対して微小な等距離を隔てて平行に画される。上方から見た空隙203の面積と第二の電極205の面積の差(絶対値)は、空隙203の面積の少なくとも5%以下、望ましくは1%以下に収めることが好ましい。セル径が10μmの場合において、1%以内であればアンダーカット量は約25nm、5%以内であれば125nm程度となる。このアンダーカット量は、おおよそ、面積差(%で示す)の1/2にセル半径を掛けて計算することができる。面積差が1%である場合、セルの半径が5μmで面積差の1/2が0.5%であるのでアンダーカット量は約25nmとなり、面積差が5%である場合、セルの半径が5μmで面積差の1/2が2.5%であるのでアンダーカット量は約125nmとなる。セル径が40μmの場合、1%以内であればアンダーカット量は約100nm、5%以内であれば480nm程度となる。本実施形態においては、セル径すなわち空隙の径は、5μm以上40μm以下の範囲においても設計することができる。   When observed with a high-resolution scanning electron microscope (FE-SEM), a shape that gently spreads from the upper layer toward the substrate is observed. For example, if the angle of the side wall is 45 °, a spread of about 70% of the film thickness is formed on one side. If the thickness of the sacrificial layer 209 is 200 nm, the spread of the sacrificial layer is about 140 nm on one side. If the side wall angle can be formed substantially vertically, the spread width becomes very small. Further, when viewed from above the substrate, the processed regions of the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209 have a substantially isotropic shape with respect to the mask pattern 501 of the upper electrode 205. That is, as shown in FIG. 6D, the edges of the processing regions of the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209 are drawn in parallel at a minute equidistant distance from the edge of the mask pattern 501 in all directions. The The difference (absolute value) between the area of the gap 203 and the area of the second electrode 205 as viewed from above is preferably at least 5% or less, preferably 1% or less of the area of the gap 203. When the cell diameter is 10 μm, the undercut amount is about 25 nm if it is within 1%, and about 125 nm if it is within 5%. This undercut amount can be calculated by multiplying approximately 1/2 of the area difference (in%) by the cell radius. When the area difference is 1%, since the cell radius is 5 μm and 1/2 of the area difference is 0.5%, the undercut amount is about 25 nm. When the area difference is 5%, the cell radius is Since 1/2 of the area difference is 2.5% at 5 μm, the undercut amount is about 125 nm. When the cell diameter is 40 μm, the undercut amount is about 100 nm if it is within 1%, or about 480 nm if it is within 5%. In the present embodiment, the cell diameter, that is, the void diameter can be designed in the range of 5 μm to 40 μm.

次に、本発明の静電容量型トランスデューサを用いた被検体情報取得装置の一実施形態について図を参照して説明する。図7は本発明の静電容量型トランスデューサを用いた超音波プローブの斜視図である。超音波プローブは、静電容量型トランスデューサ1601と音響マッチング層1602と音響レンズ1603と回路基板1604を含む。トランスデューサ1601は、図7に示すように素子1605が1次元アレイのようにX方向に多数個並んでいる。図7では1次元アレイであるが、素子を2次元アレイにしてもよいし、コンベックス型など他の形状としてもよい。トランスデューサ1601は、回路基板1604に実装され、電気的に接続される。回路基板1604は、送受信回路と一体となった基板でも良いし、回路基板を介して送受信回路と接続させてもよい。トランスデューサ1601が音響波を送信する表面側には、被検体と音響インピーダンスの整合を取る為に、音響マッチング層1602を設けている。音響マッチング層1602は、被検体への漏電を防止する為の保護膜として設けてもよい。音響マッチング層1602を介して音響レンズ1603が配置されている。音響レンズ1603は被検体と音響マッチング層1602との間で、音響インピーダンスの整合が取れるものを用いるのが好ましい。図7のようにY方向に曲率を持つ音響レンズ1603を設けると、Y方向に広がる音響波を音響レンズ1603の焦点位置で絞る事ができる。X方向に広がる音響波ついては、そのままでは絞る事が出来ない為、素子1605毎に音響波を送信するタイミングをずらしてビームフォーミングで送信駆動する事で、焦点位置で音響波を絞ることができる。音響レンズ1603の形状は、所望の音響波の分布特性が得られる形状にするのが好ましい。また、用いる被検体の種類に応じて、音響マッチング層1602や音響レンズ1603の種類や形状を選択すれば良いし、またこれらを設けなくてもよい。   Next, an embodiment of an object information acquiring apparatus using the capacitive transducer of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a perspective view of an ultrasonic probe using the capacitive transducer of the present invention. The ultrasonic probe includes a capacitive transducer 1601, an acoustic matching layer 1602, an acoustic lens 1603, and a circuit board 1604. As shown in FIG. 7, the transducer 1601 has a large number of elements 1605 arranged in the X direction like a one-dimensional array. Although the one-dimensional array is shown in FIG. 7, the elements may be a two-dimensional array or may have other shapes such as a convex type. The transducer 1601 is mounted on the circuit board 1604 and is electrically connected. The circuit board 1604 may be a board integrated with the transmission / reception circuit, or may be connected to the transmission / reception circuit via the circuit board. An acoustic matching layer 1602 is provided on the surface side where the transducer 1601 transmits acoustic waves in order to match the acoustic impedance with the subject. The acoustic matching layer 1602 may be provided as a protective film for preventing electrical leakage to the subject. An acoustic lens 1603 is disposed via the acoustic matching layer 1602. As the acoustic lens 1603, it is preferable to use a lens that can match the acoustic impedance between the subject and the acoustic matching layer 1602. When an acoustic lens 1603 having a curvature in the Y direction as shown in FIG. 7 is provided, an acoustic wave spreading in the Y direction can be narrowed at the focal position of the acoustic lens 1603. Since the acoustic wave spreading in the X direction cannot be narrowed as it is, the acoustic wave can be narrowed at the focal position by performing transmission driving by beam forming while shifting the timing of transmitting the acoustic wave for each element 1605. The shape of the acoustic lens 1603 is preferably a shape that provides a desired acoustic wave distribution characteristic. In addition, the type and shape of the acoustic matching layer 1602 and the acoustic lens 1603 may be selected according to the type of the object to be used, or these may not be provided.

プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザーが被検体に対して移動させるもの(ハンドヘルド)であってもよい。音響波を送信する静電容量型トランスデューサは、受信する静電容量型トランスデューサ兼用であってもよいし、これらが別々であっても構わない。また、被検体にパルス光のエネルギーを照射し、発生した光音響波を受信するためのプローブとして使用しても構わない。   The probe may be mechanically scanned or may be moved (handheld) by a user such as a doctor or engineer relative to the subject. The capacitive transducer that transmits the acoustic wave may be used also as the receiving capacitive transducer, or may be separate. Further, the subject may be used as a probe for irradiating the subject with pulsed light energy and receiving the generated photoacoustic wave.

図8に、前記超音波プローブ1705を用いた被検体情報取得装置の処理・制御部の構成のブロック図を示す。システム制御部1701から、バイアス電圧制御部1702と送信駆動電圧制御部1703に制御信号が送信され、送受信回路1704を通じて静電容量型トランスデューサ(超音波プローブ)1705へ電圧が印加され、音響波が発生する。所望の送信音圧を発生するために、例えば、マイナス電位のDCバイアス電圧が素子の一方の電極に印加され、必要なパルス幅を持った双極波若しくは単極波が素子の他方の電極に印加される。   FIG. 8 shows a block diagram of the configuration of the processing / control unit of the subject information acquiring apparatus using the ultrasonic probe 1705. A control signal is transmitted from the system control unit 1701 to the bias voltage control unit 1702 and the transmission drive voltage control unit 1703, and a voltage is applied to the capacitive transducer (ultrasonic probe) 1705 through the transmission / reception circuit 1704 to generate an acoustic wave. To do. In order to generate the desired transmission sound pressure, for example, a negative DC bias voltage is applied to one electrode of the element, and a dipole wave or monopolar wave having a required pulse width is applied to the other electrode of the element. Is done.

被検体に対して音響波を照射した後、被検体の体内から反射して超音波プローブで受信された受信信号は、送受信回路1704で信号増幅処理及びA/D変換された後、画像処理部1706へ伝送される。画像処理部1706においては、各素子1605の時間信号が2次元の画像に再構成され、ユーザーにとって視認しやすくなるための処理が行われる。処理された画像情報が表示部1707でユーザーに視認される。このブロック図は被検体情報取得装置としては一般的に公知であり、超音波プローブ1705の音響波の送信性能と受信性能、及び信頼性や安全性を保証するために必要となる機能を加えても構わない。   After irradiating the subject with acoustic waves, the reception signal reflected from the inside of the subject and received by the ultrasonic probe is subjected to signal amplification processing and A / D conversion by the transmission / reception circuit 1704, and then the image processing unit 1706. In the image processing unit 1706, the time signal of each element 1605 is reconstructed into a two-dimensional image, and processing is performed to make it easy for the user to visually recognize. The processed image information is visually recognized by the user on the display unit 1707. This block diagram is generally known as an object information acquisition apparatus, and adds the functions necessary for guaranteeing the transmission and reception performance of acoustic waves of the ultrasonic probe 1705, and reliability and safety. It doesn't matter.

本実施形態によれば、セルを上方から平面視したときのメンブレン領域の略全てに電極を形成することができるため、メンブレンの利用効率の低下を抑制し、超音波デバイスとしての送信効率や受信感度の低下を抑制することができる。また、セルのメンブレンにある電極と、セル間を電気的に接続する配線と、の段差が略発生しないようにできるため、ステップカバレージの悪化に伴う電気抵抗の増加を抑制することが可能となる。これも送信効率や受信感度の低下の抑制に寄与する。更に、メンブレン領域の電極パターンを用いてその下層を加工するため、製造歩留まりの向上や、露光工程の削減による低コスト化にも寄与する。   According to the present embodiment, since the electrodes can be formed in almost all of the membrane region when the cell is viewed in plan view from above, it is possible to suppress a decrease in the utilization efficiency of the membrane, and to perform transmission efficiency and reception as an ultrasonic device. A decrease in sensitivity can be suppressed. In addition, since the step between the electrode on the cell membrane and the wiring that electrically connects the cells can be substantially prevented, an increase in electrical resistance due to deterioration in step coverage can be suppressed. . This also contributes to suppression of a decrease in transmission efficiency and reception sensitivity. Furthermore, since the lower layer is processed using the electrode pattern in the membrane region, it contributes to an improvement in manufacturing yield and cost reduction by reducing the exposure process.

[実施形態2]
実施形態2について説明する。第二の電極205を形成する工程までは、実施形態1に記載した説明と同じである。以下に記載する事項以外は実施形態1に準ずる。
[Embodiment 2]
Embodiment 2 will be described. The process up to forming the second electrode 205 is the same as that described in the first embodiment. The items other than those described below are the same as in the first embodiment.

本実施形態では、犠牲層209にCr、Moを使用する場合、図4−2(e)の犠牲層209の加工工程において、ドライエッチングだけでなく、市販されている専用の混酸溶液を用いて選択的に除去することも可能である。特にシリコン酸化物やシリコン窒化物に対するエッチング選択比が略無限大に確保できるため、セル101やメンブレンの構造次第ではこの方法も選択しうる。但し、犠牲層209のエッチングで酸系溶液を用いる場合は、第二の電極205の側壁が露出しているので、第二の電極205は、エッチング選択比の高い材料を選択することが好ましい。またエッチング選択比から見て、絶縁層204は、シリコン酸化物、シリコン窒化物が適当である。   In the present embodiment, when Cr or Mo is used for the sacrificial layer 209, not only dry etching but also a commercially available mixed acid solution is used in the processing step of the sacrificial layer 209 in FIG. It can also be selectively removed. In particular, since the etching selectivity with respect to silicon oxide or silicon nitride can be ensured to be almost infinite, this method can be selected depending on the structure of the cell 101 or the membrane. However, when an acid solution is used for etching the sacrificial layer 209, the second electrode 205 is exposed, and therefore, it is preferable to select a material with a high etching selectivity for the second electrode 205. In view of the etching selectivity, the insulating layer 204 is suitably made of silicon oxide or silicon nitride.

図9は、第二の電極205をウェットエッチングで加工し、絶縁層204をドライエッチングで加工し、犠牲層209をウェットエッチングで加工した場合の断面相関図を示す。1802は第二の電極205と絶縁層204の形状差を示し、1801は絶縁層204と犠牲層209の形状差を示す。形状差1801及び1802は、ウェットエッチング加工に伴うアンダーカットを反映したものである。   FIG. 9 shows a cross-sectional correlation diagram when the second electrode 205 is processed by wet etching, the insulating layer 204 is processed by dry etching, and the sacrificial layer 209 is processed by wet etching. 1802 shows the shape difference between the second electrode 205 and the insulating layer 204, and 1801 shows the shape difference between the insulating layer 204 and the sacrificial layer 209. The shape differences 1801 and 1802 reflect the undercut accompanying wet etching.

犠牲層209の加工で酸系ウェットエッチングを選択する場合、第二の電極205にAl合金を用いることは難しい。そのため、Au等のエッチング選択比のある材料を選択することになる。その場合、第二の電極205の加工において、ドライエッチング若しくはウェットエッチングを選択しても構わない。ここでは、第二の電極205の加工をウェットエッチングで加工した場合を示す。   When acid-based wet etching is selected in the processing of the sacrificial layer 209, it is difficult to use an Al alloy for the second electrode 205. Therefore, a material having an etching selectivity such as Au is selected. In that case, dry etching or wet etching may be selected in the processing of the second electrode 205. Here, a case where the second electrode 205 is processed by wet etching is shown.

第二の電極205の加工においてウェットエッチングを用いると、上層のホトレジストマスク501に対しては、若干のアンダーカット形状になる場合が多い。そして第二の電極205を加工した際のホトレジストを用いて、絶縁層204を形成するので、第二の電極205のアンダーカット形状がテラス形状(図9において1805で示す)として残る場合が多い。一般的にアンダーカット量は、最低でも膜厚の1倍以上は形成される。そして、犠牲層209の加工においてウェットエッチングを用いると、上層の絶縁層204に対しては、若干のアンダーカット形状(図9において1806で示す)になることが想定される。ここでも、アンダーカット量は、最低でも膜厚の1倍以上は形成されることが多い。   When wet etching is used in the processing of the second electrode 205, the upper photoresist mask 501 often has a slightly undercut shape. Then, since the insulating layer 204 is formed using a photoresist obtained by processing the second electrode 205, the undercut shape of the second electrode 205 often remains as a terrace shape (indicated by 1805 in FIG. 9). In general, the undercut amount is at least 1 times the film thickness. When wet etching is used in the processing of the sacrificial layer 209, it is assumed that the upper insulating layer 204 has a slightly undercut shape (indicated by 1806 in FIG. 9). In this case as well, the undercut amount is often formed to be at least one times the film thickness.

このようにドライエッチングだけでなく、一部の加工工程でウェットエッチングを用いる場合は、マスク501に対してのアンダーカットが形成され、最終的には断面に不連続な段差が形成される。但し、第二の電極205及び犠牲層209の厚さは大凡100nmから数100nm程度と薄いので、上層204の形状に対してのアンダーカットは小さいものとなる。この場合の側壁形状は不連続な凹み段差になるが、下層の形状は上電極205の形状に対して上述した様に略等方的な形状となる。この場合も、空隙203の面積と第二の電極205の面積の差を、少なくとも5%以内、望ましくは1%以内に収めることが好ましい。この前提で形成したセル構造について図を参照して説明する。   As described above, when wet etching is used in some processing steps as well as dry etching, an undercut with respect to the mask 501 is formed, and a discontinuous step is finally formed in the cross section. However, since the thickness of the second electrode 205 and the sacrificial layer 209 is as thin as about 100 nm to several 100 nm, the undercut with respect to the shape of the upper layer 204 is small. In this case, the shape of the side wall is a discontinuous concave step, but the shape of the lower layer is substantially isotropic as described above with respect to the shape of the upper electrode 205. Also in this case, it is preferable that the difference between the area of the gap 203 and the area of the second electrode 205 is at least within 5%, desirably within 1%. The cell structure formed on this premise will be described with reference to the drawings.

図10はセル101のAB方向の断面図、図11はセル101のCD方向の断面図である。第二の電極205と犠牲層209の形状をウェットエッチングで形成した場合において、セル部の側壁に不連続な段差が形成される。最終的なメンブレン構造においては犠牲層209が除去され空隙203となるが、犠牲層209のあった側壁部の対向側に位置するメンブレン支持部(図10、図11において1901で示す)にその形状は転写される。このように本実施形態の製造方法で形成したCMUTのセル101の構造及び配線(102、105、106)の側壁部においては、特徴的な微細構造が形成される。これらの特徴は、高解像度の走査型電子顕微鏡(FE-SEM)で容易に確認できる。   10 is a cross-sectional view of the cell 101 in the AB direction, and FIG. 11 is a cross-sectional view of the cell 101 in the CD direction. When the shape of the second electrode 205 and the sacrificial layer 209 is formed by wet etching, a discontinuous step is formed on the side wall of the cell portion. In the final membrane structure, the sacrificial layer 209 is removed to form a gap 203, but the shape is formed on the membrane support portion (indicated by 1901 in FIGS. 10 and 11) located on the opposite side of the side wall portion where the sacrificial layer 209 is located. Is transcribed. As described above, a characteristic microstructure is formed in the structure of the CMUT cell 101 formed by the manufacturing method of the present embodiment and the side wall of the wiring (102, 105, 106). These characteristics can be easily confirmed with a high-resolution scanning electron microscope (FE-SEM).

本実施形態によっても、セルを上方から平面視したときの空隙領域に対応するメンブレン領域の略全てに電極を形成することができるため、メンブレンの利用効率の低下を抑制し、超音波デバイスとしての送信効率や受信感度の低下を抑制することができる。また、ステップカバレージの悪化に伴う電気抵抗の増加を抑制し、製造歩留まりの向上や、露光工程の削減による低コスト化にも寄与する。   Also according to the present embodiment, since electrodes can be formed in almost all membrane regions corresponding to the void regions when the cell is viewed from above, it is possible to suppress a decrease in the utilization efficiency of the membrane, A decrease in transmission efficiency and reception sensitivity can be suppressed. In addition, an increase in electrical resistance due to a deterioration in step coverage is suppressed, which contributes to an improvement in manufacturing yield and a reduction in cost by reducing the exposure process.

[実施形態3]
実施形態3について説明する。構成、製造方法は、実施形態1に記載した説明とほぼ同じであり、以下に記載した事項以外は実施形態1に準ずる。図12は、本実施形態の静電容量型トランスデューサを説明する上面図である。複数のセル構造の信号を集約して引き出す引き出し配線領域105の下層の犠牲層209を除去した構成となっている。
[Embodiment 3]
A third embodiment will be described. A structure and a manufacturing method are substantially the same as the description described in Embodiment 1, and it applies to Embodiment 1 except the matter described below. FIG. 12 is a top view illustrating the capacitive transducer according to the present embodiment. In this configuration, the sacrificial layer 209 under the lead-out wiring region 105 that collects and draws signals having a plurality of cell structures is removed.

一般的に受信感度を高めるにはCMUTのアクティブ容量に対する寄生容量の低減が必要で、そのため引き出し配線領域105にある下電極201は通常除去する。但し、半導体基板そのものを電気的にグランド設置とする場合においては、配線は完全にフロート状態にならず、基板を通じた寄生容量が若干残る。これに対し、配線領域105の下部領域7の犠牲層209を除去することで配線と基板間に空隙203を設け、膜中にかかる電界強度を減らし寄生容量を更に低減することが可能である。副次的な効果として、半導体基板直上の熱酸化膜を薄くすることができ(熱酸化工程の短縮)、また基板をグランド設置とするために熱酸化膜を開口する加工工程の時間も短縮することができる。   Generally, in order to increase the reception sensitivity, it is necessary to reduce the parasitic capacitance with respect to the active capacitance of the CMUT, and therefore the lower electrode 201 in the lead-out wiring region 105 is usually removed. However, when the semiconductor substrate itself is electrically grounded, the wiring is not completely floated and some parasitic capacitance remains through the substrate. On the other hand, by removing the sacrificial layer 209 in the lower region 7 of the wiring region 105, it is possible to provide a gap 203 between the wiring and the substrate, thereby reducing the electric field strength applied in the film and further reducing the parasitic capacitance. As a secondary effect, the thermal oxide film directly on the semiconductor substrate can be thinned (shortening the thermal oxidation process), and the processing time for opening the thermal oxide film in order to place the substrate on the ground is also shortened. be able to.

本実施形態において、例えば、犠牲層除去工程においてXeFガスを用いる場合は、エッチングガス供給口(エッチングホール103)からの距離、犠牲層209の断面積に依存してエッチング速度を推測することが可能である。そのため、配線下で犠牲層を除去したい領域に対しては、エッチングホール103を近接して配置する。引き出し配線領域105における犠牲層209を除去したい場合は、エッチングホール103を図12のように引き出し配線領域105の配線に沿って配置する。逆に、引き出し配線領域105で犠牲層209を残しておきたい場合は、実施形態1に示すようエッチングホール103を遠ざけてエッチング時間に対し余裕をもたせることで、犠牲層の除去されない領域を残すことも可能である。 In this embodiment, for example, when XeF 2 gas is used in the sacrificial layer removal step, the etching rate can be estimated depending on the distance from the etching gas supply port (etching hole 103) and the cross-sectional area of the sacrificial layer 209. Is possible. Therefore, the etching hole 103 is disposed close to a region where the sacrificial layer is to be removed under the wiring. When it is desired to remove the sacrificial layer 209 in the lead-out wiring region 105, the etching hole 103 is disposed along the wiring in the lead-out wiring region 105 as shown in FIG. Conversely, when it is desired to leave the sacrificial layer 209 in the lead-out wiring region 105, as shown in the first embodiment, the etching hole 103 is moved away to allow an etching time, thereby leaving a region where the sacrificial layer is not removed. Is also possible.

本実施形態によっても、セルを上方から平面視したときの空隙領域に対応するメンブレン領域の略全てに電極を形成することができるため、メンブレンの利用効率の低下を抑制し、超音波デバイスとしての送信効率や受信感度の低下を抑制することができる。また、寄生容量の更なる低減が可能となる。   Also according to the present embodiment, since electrodes can be formed in almost all membrane regions corresponding to the void regions when the cell is viewed from above, it is possible to suppress a decrease in the utilization efficiency of the membrane, A decrease in transmission efficiency and reception sensitivity can be suppressed. Further, the parasitic capacitance can be further reduced.

以下、本発明の実施例を説明するが、本発明は実施例によって何ら限定されるものではない。
(実施例1)
図1は実施例1における静電容量型トランスデューサの上面図を示す。図2はセル101の断面図(AB断面)、図3はセル101の断面図(CD断面)を示す。本実施例においては、第二の電極205を加工するホトレジストパターン501を用いて、第二の電極205と絶縁層204と犠牲層209をドライエッチング加工する。セル径は50μmであり、0.3mm×4.0mmの範囲にセル101を450個配置した1素子104を、196個配列する。
Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the examples.
(Example 1)
FIG. 1 is a top view of the capacitive transducer according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view of the cell 101 (AB cross-section), and FIG. 3 is a cross-sectional view of the cell 101 (CD cross-section). In this embodiment, the second electrode 205, the insulating layer 204, and the sacrificial layer 209 are dry-etched using a photoresist pattern 501 for processing the second electrode 205. The cell diameter is 50 μm, and 196 one element 104 in which 450 cells 101 are arranged in a range of 0.3 mm × 4.0 mm is arranged.

製造した静電容量型トランスデューサの構成及び製造方法について具体的に説明する。まず、図4−1(a)までの工程を具体的に説明する。図4−1(a)は、半導体基板の上層に第二の電極205を形成するまでの工程となる。Si基板を1100℃の水蒸気雰囲気で2時間30分酸化し、熱酸化膜を1000nm成膜する。Si基板にGND(グランド)電位を確保するためのホール部を形成し、ホール部にAl膜をスパッタ成膜し、汎用のホトリソグラフィ工程、真空プラズマによるドライエッチング加工にて電極部を形成する。   The structure and manufacturing method of the manufactured capacitive transducer will be specifically described. First, the steps up to FIG. 4A will be described in detail. FIG. 4A is a process until the second electrode 205 is formed on the upper layer of the semiconductor substrate. The Si substrate is oxidized in a steam atmosphere at 1100 ° C. for 2 hours and 30 minutes to form a thermal oxide film of 1000 nm. A hole portion for securing a GND (ground) potential is formed in the Si substrate, an Al film is formed by sputtering in the hole portion, and an electrode portion is formed by a general photolithography process or a dry etching process using vacuum plasma.

次に静電容量型トランスデューサの素子領域に、W膜を100nm、その上層にTi膜を10nmスパッタリング装置にて成膜し、ホトリソグラフィ工程、真空プラズマによるドライエッチング加工にて下電極201を形成する。デバイスの寄生容量を抑制するために、外部基板へ配線を引き出しする配線領域105には下電極を配置しない。   Next, in the element region of the capacitive transducer, a W film is formed with a thickness of 100 nm, and a Ti film is formed thereon with a 10 nm sputtering apparatus, and a lower electrode 201 is formed by a photolithography process and a dry etching process using vacuum plasma. . In order to suppress the parasitic capacitance of the device, the lower electrode is not disposed in the wiring region 105 where the wiring is drawn out to the external substrate.

次に下電極201の上層に、絶縁膜202としてSiO膜をPE-CVDにて700nm成膜し、下電極201と電気コンタクトをとるためのホールをホトリソ工程にて形成する。次に犠牲層209としてa−Si膜をPE-CVDにて240nm成膜する。次に絶縁層204として、引っ張り応力(200MPa以下)のSiN膜をPE-CVDにて400nm成膜する。この上層に、上電極205としてAlNd膜をスパッタリング装置にて100nm成膜する。   Next, an SiO film as an insulating film 202 is formed to a thickness of 700 nm by PE-CVD on the lower electrode 201, and a hole for making electrical contact with the lower electrode 201 is formed by a photolithography process. Next, an a-Si film is deposited as a sacrificial layer 209 by 240 nm by PE-CVD. Next, as the insulating layer 204, a SiN film having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 400 nm by PE-CVD. On this upper layer, an AlNd film is deposited as an upper electrode 205 to a thickness of 100 nm using a sputtering apparatus.

図4−1(b)の工程で、上電極205に対して、セル径として50μmの丸形状、隣接セルを電気接続する配線、各セルに隣接するエッチングホール用の構造、配線を集約して外部基板へ接続するための配線のホトレジストパターン501を形成する。このパターン501を用いて複数の層をエッチングすることから、エッチング選択比を考慮しレジスト厚を3.5μmとする。   In the process of FIG. 4-1 (b), the upper electrode 205 is integrated with a round shape having a cell diameter of 50 μm, wiring for electrically connecting adjacent cells, structures for etching holes adjacent to each cell, and wiring. A photoresist pattern 501 of wiring for connecting to an external substrate is formed. Since a plurality of layers are etched using this pattern 501, the resist thickness is set to 3.5 μm in consideration of the etching selectivity.

図4−1(c)から図4−2(e)の工程で、高密度プラズマのドライエッチング装置にて、上電極205のAlNd膜から犠牲層209のa−Si膜まで連続してエッチングを行う。上電極205のAlNd膜のエッチングは、RFパワー600W、基板バイアス200W、エッチングガスはClとBClの混合ガスを用いて行う。 4-1 (c) to 4-2 (e), etching is continuously performed from the AlNd film of the upper electrode 205 to the a-Si film of the sacrificial layer 209 by a high-density plasma dry etching apparatus. Do. Etching of the AlNd film of the upper electrode 205 is performed using an RF power of 600 W, a substrate bias of 200 W, and an etching gas using a mixed gas of Cl 2 and BCl 3 .

図4−1(d)の工程で、上電極205の下層のSiN膜204は、塩素系ガスによるエッチングレートが低いので、ガス種をSFに切り替えてエッチングする。図4−2(e)の工程で、絶縁層204のSiN膜の下層の犠牲層209のa−Si膜は塩素系ガスにてエッチングを行う。a−Si膜の下層としてSiO膜202を形成してあり、塩素系ガスに対するSiO膜のエッチングレートは低いため、エッチングストップ層として良好に機能する。このように、プロセス歩留を考慮する。 In the process of FIG. 4D, the SiN film 204 below the upper electrode 205 has a low etching rate due to the chlorine-based gas, so that the gas type is switched to SF 6 for etching. In the step of FIG. 4E, the a-Si film of the sacrificial layer 209 under the SiN film of the insulating layer 204 is etched with a chlorine-based gas. Since the SiO film 202 is formed as the lower layer of the a-Si film and the etching rate of the SiO film with respect to the chlorine-based gas is low, it functions well as an etching stop layer. Thus, process yield is considered.

以上のように上電極205/絶縁層204/犠牲層209を一括してエッチング加工し、上方から平面視した上電極205と犠牲層209の形状が略一致した形状を製造した。各層の側壁部のテーパー形状は80°程度で、上電極205から犠牲層209まで略連続した滑らかな側壁形状が得られた。上電極205を形成するためのホトレジストマスク501を用いて下層を加工するので、上方から平面視した犠牲層209の形状は上電極205の形状に対して、上述したような略等方的な形状となった。   As described above, the upper electrode 205 / insulating layer 204 / sacrificial layer 209 were collectively etched to produce a shape in which the shapes of the upper electrode 205 and the sacrificial layer 209 in plan view from above are substantially the same. The taper shape of the side wall portion of each layer was about 80 °, and a smooth side wall shape substantially continuous from the upper electrode 205 to the sacrificial layer 209 was obtained. Since the lower layer is processed using the photoresist mask 501 for forming the upper electrode 205, the shape of the sacrificial layer 209 in plan view from above is substantially isotropic as described above with respect to the shape of the upper electrode 205. It became.

さらに、図4−2(f)の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層206であるSiN膜をPE-CVDにて450nm成膜する。次に犠牲層209を除去するための開口部(エッチングホール208)を形成する。まずSiN膜206はSFでエッチングを行い、露出した上電極205のAlNd膜はClとBClの混合ガスにて連続的にエッチングを行う。更に、下層に露出したSiN膜204はSFでエッチングを行い、犠牲層209のa−Si膜を露出させる。 Further, in the process of FIG. 4-2 (f), a SiN film which is an insulating layer 206 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed by PE-CVD to a thickness of 450 nm. Next, an opening (etching hole 208) for removing the sacrificial layer 209 is formed. First, the SiN film 206 is etched with SF 6 , and the exposed AlNd film of the upper electrode 205 is continuously etched with a mixed gas of Cl 2 and BCl 3 . Further, the SiN film 204 exposed in the lower layer is etched with SF 6 to expose the a-Si film of the sacrificial layer 209.

図4−2(g)の工程で、犠牲層209のa−Siは、Memsstar社製のエッチング装置でXeFガスを用いてエッチングを行う。エッチング条件は、9.5Torr、基板温度15℃、キャリアガスとしてのNガスであり、SiN膜204、206の選択比確保のため若干のHガスを添加した。XeFガスにおける犠牲層のa−SiとSiNの選択比を無限大に確保できないので、エッチング時間は素子104の領域がエッチングされる程度にとどめ、引き出し配線領域105の犠牲層209のa−Siは除去しない。このように犠牲層209のa−Siを除去することでメンブレン下の空隙203が形成される。 In the process of FIG. 4G, the a-Si of the sacrificial layer 209 is etched using XeF 2 gas with an etching apparatus manufactured by Memsstar. The etching conditions were 9.5 Torr, substrate temperature 15 ° C., N 2 gas as a carrier gas, and a slight amount of H 2 gas was added to ensure the selection ratio of the SiN films 204 and 206. Since the selection ratio between the a-Si and SiN of the sacrificial layer in the XeF 2 gas cannot be ensured infinitely, the etching time is limited to the extent that the region of the element 104 is etched, and the a-Si of the sacrificial layer 209 in the extraction wiring region 105 Is not removed. Thus, by removing a-Si from the sacrificial layer 209, the void 203 under the membrane is formed.

図5の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層207のSiN膜をPE-CVDにて2000nm成膜して、エッチングホール208を封止する。次に外部の電気基板へ実装するために引き出し配線領域105の配線を集約した開口部106と、下電極201を引き出し配線するための開口部、基板GND(グランド)を引き出し配線するための開口部を汎用のホトリソグラフィ工程で形成する。そしてAl膜を500nmスパッタ成膜し、汎用のホトリソグラフィ工程、真空プラズマによるドライエッチング加工で、外部基板へ引き出す配線(図示なし)を形成する。これは、外部信号線を素子部へ電気実装するために必要な配線の延長であり、延長に際して配線抵抗を上げないこと、及びワイヤーボンダ領域において必要となる下地の柔軟性を確保する機能を有する。その後にレジストで保護して、ダイシング装置にてウエハを各静電容量型トランスデューサに分割する。   In the process of FIG. 5, an SiN film of an insulating layer 207 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 2000 nm by PE-CVD, and the etching hole 208 is sealed. Next, an opening 106 in which wirings in the lead-out wiring region 105 are gathered for mounting on an external electric substrate, an opening for drawing out the lower electrode 201, and an opening for wiring out the substrate GND (ground). Are formed by a general-purpose photolithography process. Then, an Al film is formed by sputtering with a thickness of 500 nm, and wiring (not shown) to be drawn to the external substrate is formed by a general-purpose photolithography process and dry etching using vacuum plasma. This is an extension of wiring necessary to electrically mount the external signal line to the element portion, and has the function of not increasing the wiring resistance during the extension and ensuring the flexibility of the base necessary in the wire bonder region. . Thereafter, it is protected with a resist, and the wafer is divided into capacitive transducers by a dicing apparatus.

次に、製造した静電容量型トランスデューサを外部基板に固定し、ワイヤーボンダにて外部基板へ配線接続を行う。下電極201には全素子に共通して負のDC電圧を印加し、上電極205は各素子104へ独立に信号を入力できる構成となっている。静電容量型トランスデューサ面を油(セバシン酸ジイソデシルエステル)に浸し、バイアス電圧-290V、AC波形±100Vを印加して駆動したところ、デバイス直上2mmの位置にて送信音圧約0.9MPa(平面波換算)を得た。また、受信感度の目安であるノイズ特性(NEP;Noise Equivalent)についても約2.5Paと良好な値を得た。   Next, the manufactured capacitive transducer is fixed to an external substrate, and wiring is connected to the external substrate with a wire bonder. A negative DC voltage is applied to the lower electrode 201 in common to all elements, and the upper electrode 205 is configured to be able to input a signal to each element 104 independently. When the capacitive transducer surface is immersed in oil (diisodecyl sebacate) and driven by applying a bias voltage of -290 V and an AC waveform of ± 100 V, the transmitted sound pressure is approximately 0.9 MPa (converted to a plane wave) at a position 2 mm directly above the device. ) Also, a good value of about 2.5 Pa was obtained for noise characteristics (NEP; Noise Equivalent) which is a measure of reception sensitivity.

図7は本実施例による静電容量型トランスデューサを用いた超音波プローブを示したものであり、図8は前記超音波プローブを用いた被検体情報取得装置を示したものである。超音波プローブについて図7で説明する。セルで構成された0.3mm×4mm程度の素子1605を、1次元方向に196個配列し、その上層に音響マッチング層1602及び音響レンズ1603を配置した超音波プローブを含む被検体情報取得装置を製造する。音響マッチング層1602は、音響インピーダンスが1.082MRayls、減衰係数が1.47×(周波数)1.44dB/cm/MHzのシリコーン接着剤を用いる。さらに音響レンズ1603は、音響インピーダンスが1.22MRayls、減衰係数が3.1×(周波数)1.4dB/cm/MHz、平均厚さが530μmの形状を用いる。 FIG. 7 shows an ultrasonic probe using a capacitive transducer according to the present embodiment, and FIG. 8 shows an object information acquiring apparatus using the ultrasonic probe. The ultrasonic probe will be described with reference to FIG. An object information acquisition apparatus including an ultrasonic probe in which 196 elements 1605 each having a size of about 0.3 mm × 4 mm constituted by cells are arranged in a one-dimensional direction and an acoustic matching layer 1602 and an acoustic lens 1603 are arranged on the upper layer. To manufacture. The acoustic matching layer 1602 uses a silicone adhesive having an acoustic impedance of 1.082 MRayls and an attenuation coefficient of 1.47 × (frequency) 1.44 dB / cm / MHz. Further, the acoustic lens 1603 has a shape with an acoustic impedance of 1.22 MRayls, an attenuation coefficient of 3.1 × (frequency) 1.4 dB / cm / MHz, and an average thickness of 530 μm.

半導体基板の共通電極を介して各素子の下電極201へバイアス電位を供給できるようにし、上電極205は素子毎に引き出し、外部基板とワイヤーボンダにより配線接続する。その外部基板に送受信回路を配置し、全196チャンネルとシステム側でこれらに対応するチャンネルとをAWG40サイズの同軸細線ケーブルで結線する。   A bias potential can be supplied to the lower electrode 201 of each element through the common electrode of the semiconductor substrate, and the upper electrode 205 is drawn out for each element and connected to the external substrate by a wire bonder. Transmission / reception circuits are arranged on the external substrate, and all 196 channels and corresponding channels on the system side are connected by coaxial thin cables of AWG 40 size.

次に被検体情報取得装置について図8で説明する。本システムでは、バイアス電圧制御部1702へプルイン電圧比80%のDC負電圧を出力するよう制御する。そして、ユーザーからのトリガー信号をもとに、送信駆動電圧制御部1703へトランスデューサの各チャンネルから、必要な位相差を持った音響波を発生させるよう制御する。ここでは45nsecのパルス幅で、プルイン電圧の20%の双極波(AC)を出力するよう制御する。送受信回路1704は、静電容量型トランスデューサ1705へ入出力される双極波の電圧閾値によって、音響波を送信する状態か、受信する状態かを自動的に判断できる機能を含む。   Next, the subject information acquisition apparatus will be described with reference to FIG. In this system, the bias voltage control unit 1702 is controlled to output a DC negative voltage with a pull-in voltage ratio of 80%. Based on the trigger signal from the user, the transmission drive voltage control unit 1703 is controlled to generate an acoustic wave having a necessary phase difference from each channel of the transducer. Here, control is performed so that a bipolar wave (AC) of 20% of the pull-in voltage is output with a pulse width of 45 nsec. The transmission / reception circuit 1704 includes a function that can automatically determine whether the acoustic wave is transmitted or received based on a voltage threshold value of a bipolar wave input / output to / from the capacitive transducer 1705.

プローブ1705を医療画像用ファントムに接触させ、音響波を送信し、音響インピーダンスの違いを反映した波を受信した。チャンネル毎の時間軸画像を、X-Yの2次元画像に再構成し、必要なフィルタ等の画像処理を行い表示部1707に超音波像を得た。   The probe 1705 was brought into contact with the medical image phantom, an acoustic wave was transmitted, and a wave reflecting the difference in acoustic impedance was received. The time axis image for each channel was reconstructed into an XY two-dimensional image, and image processing such as necessary filtering was performed to obtain an ultrasonic image on the display unit 1707.

(実施例2)
実施例2におけるセル101の断面構成について図10、図11を用いて説明する。図10はセル101の断面図(図1のA−B断面)、図11はセル101の断面図(図1のC−D断面)を示す。実施例1との違いは、第二の電極205を加工するホトレジストパターンを用いて、第二の電極205をウェットエッチング加工、絶縁層204をドライエッチング加工、犠牲層209をウェットエッチング加工する点である。つまり、ドライエッチングとウェットエッチングを併用して加工する。そのため、上電極205と空隙層203には、絶縁層204に対して若干のアンダーカット形状がある。セル径等の構成は実施例1と同等である。
(Example 2)
A cross-sectional configuration of the cell 101 according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 10 is a cross-sectional view of cell 101 (A-B cross section in FIG. 1), and FIG. 11 is a cross-sectional view of cell 101 (C-D cross section in FIG. 1). The difference from Example 1 is that, using a photoresist pattern for processing the second electrode 205, the second electrode 205 is wet-etched, the insulating layer 204 is dry-etched, and the sacrificial layer 209 is wet-etched. is there. That is, the dry etching and wet etching are used in combination. Therefore, the upper electrode 205 and the gap layer 203 have a slight undercut shape with respect to the insulating layer 204. The configuration such as the cell diameter is the same as that of the first embodiment.

まず図4−1(a)までの工程を具体的に説明する。図4−1(a)は、半導体基板の上層に第二の電極205を形成するまでの工程を示す。実施例1と同様に、Si半導体基板上に、基板GNDに繋がる開口パターンを有する熱酸化膜を1000nm形成し、素子104の領域へ下電極のWを100nm、Tiを10nm形成し、絶縁層202のSiO膜を700nm形成する。   First, the process up to FIG. 4A will be described in detail. FIG. 4A shows a process until the second electrode 205 is formed on the upper layer of the semiconductor substrate. Similar to the first embodiment, a thermal oxide film having an opening pattern connected to the substrate GND is formed on the Si semiconductor substrate by 1000 nm, the lower electrode W is formed by 100 nm, and Ti is formed by 10 nm in the region of the element 104. A SiO film of 700 nm is formed.

次に犠牲層209としてCr膜をスパッタリング装置にて240nm成膜する。次に絶縁層204として引っ張り応力200MPa程度のSiN膜をPE-CVDにて400nm成膜する。次に上電極205としてAu膜をスパッタリング装置にて100nm成膜する。   Next, a Cr film having a thickness of 240 nm is formed as a sacrificial layer 209 using a sputtering apparatus. Next, a SiN film having a tensile stress of about 200 MPa is formed as an insulating layer 204 by PE-CVD to a thickness of 400 nm. Next, an Au film is formed as an upper electrode 205 to a thickness of 100 nm using a sputtering apparatus.

図4−1(b)の工程で、上電極205上に、セル径の50μmの丸形状、隣接セルを電気接続する配線102、各セルに隣接するエッチングホール用の構造103、配線を集約して外部基板へ接続するための配線領域105のレジストパターンを形成する。図4−1(c)の工程で、このパターンを用いて複数層をエッチングする。上電極205のAuと犠牲層209のCrはウェットエッチング、上電極205下の絶縁層204のSiNをドライエッチングで加工するため、エッチングの選択比等を考慮しレジスト501の厚さを2.5μmとする。上電極205のAuで構成される形状を市販溶液にてウェットエッチング加工したところ、マスク501に対して約200nmのアンダーカットが発生する(アンダーカット形状は図示なし)。   In the step of FIG. 4B, the round shape with a cell diameter of 50 μm, the wiring 102 for electrically connecting adjacent cells, the structure 103 for etching holes adjacent to each cell, and the wiring are integrated on the upper electrode 205. Then, a resist pattern of the wiring region 105 for connecting to the external substrate is formed. In the process of FIG. 4C, a plurality of layers are etched using this pattern. Since Au of the upper electrode 205 and Cr of the sacrificial layer 209 are processed by wet etching and SiN of the insulating layer 204 under the upper electrode 205 are processed by dry etching, the thickness of the resist 501 is set to 2.5 μm in consideration of the etching selectivity. And When the shape of the upper electrode 205 made of Au is wet-etched with a commercially available solution, an undercut of about 200 nm occurs on the mask 501 (the undercut shape is not shown).

図4−1(d)の工程で、上電極205を含むマスク形状のまま、下の絶縁層204のSiNをドライエッチング装置でエッチング加工する。絶縁層204のSiNにおいて約200nmのテラス領域が形成される。図4−2(e)の工程で、そのマスク形状のまま、市販溶液にて犠牲層209のCrをエッチング加工する。犠牲層209のCrの側壁には、上電極205のマスク形状に対して約250nmのアンダーカットが形成される。上電極205を形成するためのホトレジストマスク501を用いて下層を加工するので、アンダーカット形状のnmオーダーの段差はあるものの、犠牲層209の形状は、上述した様に上電極205の形状に対して略等方的な形状となる。   In the process of FIG. 4D, the SiN of the lower insulating layer 204 is etched by a dry etching apparatus while keeping the mask shape including the upper electrode 205. A terrace region of about 200 nm is formed in the SiN of the insulating layer 204. In the process of FIG. 4-2 (e), Cr of the sacrificial layer 209 is etched with a commercially available solution in the mask shape. An undercut of about 250 nm is formed on the Cr side wall of the sacrificial layer 209 with respect to the mask shape of the upper electrode 205. Since the lower layer is processed using the photoresist mask 501 for forming the upper electrode 205, the shape of the sacrificial layer 209 is as compared with the shape of the upper electrode 205 as described above, although there is a nano-order step in the undercut shape. And is approximately isotropic.

図4−2(f)の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層206のSiN膜をPE-CVDにて450nm成膜する。次に犠牲層209を除去するための開口部(エッチングホール208)を形成する。まずSiN膜はSFでエッチングを行い、露出した上電極205のAuは同一マスクのままウェットエッチングでエッチングを行い、更に下層に露出した絶縁層204のSiN膜はSFでエッチングを行い、犠牲層209のCrを露出させる。 In the process of FIG. 4B, a SiN film of the insulating layer 206 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 450 nm by PE-CVD. Next, an opening (etching hole 208) for removing the sacrificial layer 209 is formed. First, the SiN film is etched by SF 6 , the exposed Au of the upper electrode 205 is etched by wet etching while keeping the same mask, and further, the SiN film of the insulating layer 204 exposed to the lower layer is etched by SF 6 and sacrificed. The Cr of layer 209 is exposed.

図4−2(g)の工程で、犠牲層209のCrをエッチングするが、犠牲層209のCrと絶縁層204のSiNの選択比は略無限大に確保できるので、エッチャントに約5時間浸漬する。このように犠牲層209のCrを除去することでメンブレン下の空隙203が形成される。メンブレンを形成後の洗浄工程では、メンブレンのスティッキングを防ぐため、水洗後に段階的に表面張力の低い液体(イソプロピルアルコール、3M社製HFE)へ置換し、最後はHFE雰囲気にてメンブレンの内部を乾燥する。   In the process of FIG. 4-2 (g), Cr of the sacrificial layer 209 is etched, but the selection ratio between the Cr of the sacrificial layer 209 and the SiN of the insulating layer 204 can be secured infinitely, so it is immersed in the etchant for about 5 hours. To do. In this way, by removing Cr from the sacrificial layer 209, the void 203 under the membrane is formed. In the washing process after forming the membrane, in order to prevent sticking of the membrane, the liquid is gradually replaced with a low surface tension liquid (isopropyl alcohol, 3M HFE) after washing, and finally the inside of the membrane is dried in an HFE atmosphere. To do.

図5の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層207のSiN膜をPE-CVDにて2000nm成膜して、エッチングホール208を封止する。次に、上電極205を引き出す配線を形成するための開口部と、下電極201を引き出す配線を形成するための開口部、基板GNDを引き出す配線を形成するための開口部をホトリソグラフィ工程で形成する。そしてAl膜を500nmスパッタ成膜し、ホトリソグラフィ工程、真空プラズマによるドライエッチング加工で、外部基板へ引き出す配線(図示なし)を形成する。   In the process of FIG. 5, an SiN film of an insulating layer 207 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 2000 nm by PE-CVD, and the etching hole 208 is sealed. Next, an opening for forming a wiring for extracting the upper electrode 205, an opening for forming a wiring for extracting the lower electrode 201, and an opening for forming a wiring for extracting the substrate GND are formed by a photolithography process. To do. Then, an Al film is formed by sputtering with a thickness of 500 nm, and wiring (not shown) to be drawn out to the external substrate is formed by a photolithography process and a dry etching process using vacuum plasma.

実施例1と同様にウエハを分割して、静電容量型トランスデューサに電気配線を実装し、油中にて特性評価を行ったところ、NEPが2.1Paと実施例1に対して若干の向上がみられた。実施例1では、露出するSiN膜のXeFに対する選択比が1000以上の一定範囲程度であったが、本実施例ではSiN膜のCrエッチャント溶液に対する選択比が無限大に近いので、引き出し配線領域までの犠牲層も除去することができる。この結果、寄生容量を削減することができ受信感度の更なる向上に寄与する。 As in Example 1, the wafer was divided, electric wiring was mounted on the capacitive transducer, and characteristics were evaluated in oil. NEP was 2.1 Pa, which is a slight improvement over Example 1. Was seen. In Example 1, the selection ratio of the exposed SiN film to XeF 2 was about a certain range of 1000 or more. However, in this example, the selection ratio of the SiN film to the Cr etchant solution is close to infinity. Up to the sacrificial layer can also be removed. As a result, parasitic capacitance can be reduced, which contributes to further improvement in reception sensitivity.

(実施例3)
図12は実施例3における静電容量型トランスデューサの上面図を示したものである。実施例1と類似の構成及び製造方法のため、セルの断面構造は図2及び図3で兼ねる。本実施例においては、実施例1と同様に、第二の電極205を加工するホトレジストパターン501を用いて、第二の電極205と絶縁層204と犠牲層209をドライエッチング加工する。また寄生容量を削減するため、犠牲層除去工程において、引き出し配線領域105にある犠牲層も除去する。また、セル径を実施例1の50μmから30μmに変更したため、複数個のセルに対して1個のエッチングホール103を分担させる構成とする。セル径は30μmで、0.2mm×4.0mm範囲にセル101を700個配置した1素子104を、196個配列する。各層の膜厚はセル径の違いを反映して変更する。
(Example 3)
FIG. 12 is a top view of the capacitive transducer according to the third embodiment. Since the structure and the manufacturing method are similar to those of the first embodiment, the cross-sectional structure of the cell is also shown in FIGS. In this embodiment, as in the first embodiment, the second electrode 205, the insulating layer 204, and the sacrificial layer 209 are dry-etched using the photoresist pattern 501 for processing the second electrode 205. In order to reduce parasitic capacitance, the sacrificial layer in the lead-out wiring region 105 is also removed in the sacrificial layer removal step. In addition, since the cell diameter is changed from 50 μm of Example 1 to 30 μm, one etching hole 103 is assigned to a plurality of cells. The cell diameter is 30 μm, and 196 one element 104 in which 700 cells 101 are arranged in a range of 0.2 mm × 4.0 mm is arranged. The film thickness of each layer is changed to reflect the difference in cell diameter.

まず図4−1(a)までの工程を具体的に説明する。図4−1(a)は次の状態を示す。すなわち、素子104の領域へ、下電極201のWを100nm、Tiを10nm、絶縁層202のSiO膜を300nm、犠牲層209のa−Siを200nm、上層の絶縁層204のSiNを400nm、上電極205のAlNdを100nm形成する。   First, the process up to FIG. 4A will be described in detail. FIG. 4A shows the next state. That is, in the region of the element 104, W of the lower electrode 201 is 100 nm, Ti is 10 nm, the SiO film of the insulating layer 202 is 300 nm, the a-Si of the sacrificial layer 209 is 200 nm, and the SiN of the upper insulating layer 204 is 400 nm. An AlNd of the electrode 205 is formed to 100 nm.

次に図4−1(b)の工程で次の形成を行う。すなわち、上電極205上に、セル径としての30μmの丸形状、隣接セルを電気接続する配線102、各セル101に隣接するエッチングホール103用の構造、配線を集約して外部基板へ接続するための配線領域105のレジストパターン501を形成する。このパターンを用いて複数の層をエッチングすることから、エッチング選択比を考慮しレジスト厚を3.0μmとする。   Next, the next formation is performed in the step of FIG. That is, on the upper electrode 205, a round shape with a cell diameter of 30 μm, a wiring 102 for electrically connecting adjacent cells, a structure for the etching hole 103 adjacent to each cell 101, and wiring are collected and connected to an external substrate. A resist pattern 501 of the wiring region 105 is formed. Since a plurality of layers are etched using this pattern, the resist thickness is set to 3.0 μm in consideration of the etching selectivity.

図4−1(c)〜図4−2(e)の工程で、高密度プラズマを用いたドライエッチング装置にて、上電極205のAlNd膜から犠牲層209のa−Si膜まで連続してエッチングを行う。このようにして上電極205/絶縁層204/犠牲層209を一括してエッチング加工し、上電極205と犠牲層209の形状が略一致した形状を製造する。側壁部のテーパー形状は、80°程度で、上電極205から犠牲層209まで略連続した滑らかな側壁形状が得られる。上電極205を形成するためのホトレジストマスク501を用いて下層を加工するので、犠牲層209の形状は上電極205の形状に対して、上述した様に略等方的な形状となる。   In the process of FIGS. 4-1 (c) to 4-2 (e), the dry etching apparatus using high-density plasma continuously performs from the AlNd film of the upper electrode 205 to the a-Si film of the sacrificial layer 209. Etching is performed. In this manner, the upper electrode 205 / insulating layer 204 / sacrificial layer 209 are collectively etched to produce a shape in which the shapes of the upper electrode 205 and the sacrificial layer 209 are substantially the same. The taper shape of the side wall portion is about 80 °, and a smooth side wall shape substantially continuous from the upper electrode 205 to the sacrificial layer 209 is obtained. Since the lower layer is processed using the photoresist mask 501 for forming the upper electrode 205, the shape of the sacrificial layer 209 is substantially isotropic with respect to the shape of the upper electrode 205 as described above.

図4−2(f)の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層206のSiN膜をPE-CVDにて350nm成膜する。次に犠牲層209を除去するための開口部(エッチングホール208)を形成する。まずSiN膜はSFでエッチングを行い、露出した上電極205のAlNd膜はClとBClの混合ガスにて連続的にエッチングを行い、更に下層に露出したSiN膜はSFでエッチングを行い、犠牲層209のa−Si膜を露出させる。 In the step of FIG. 4B, a SiN film of the insulating layer 206 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 350 nm by PE-CVD. Next, an opening (etching hole 208) for removing the sacrificial layer 209 is formed. First, the SiN film is etched with SF 6 , the exposed AlNd film of the upper electrode 205 is continuously etched with a mixed gas of Cl 2 and BCl 3 , and the SiN film exposed to the lower layer is etched with SF 6. Then, the a-Si film of the sacrificial layer 209 is exposed.

図4−2(g)の工程で、犠牲層209のa−Siは、Memsstar社製のエッチング装置でXeFガスを用いてエッチングを行う。エッチング条件は、9.5Torr、基板温度15℃、キャリアガスとしてのNガスの導入であり、SiN膜の選択比確保のため若干のHガスを添加する。実施例1に対してセル径を小さくしたため、1個のエッチングホール103が受け持つエッチング面積量の減少を考慮し、エッチングホール103は数を減らし配置を変更する。また本実施例では、引き出し配線領域105の犠牲層209のa−Siも除去するため、配線領域105にエッチングホール103を積極的に配置する構成とする。このような構成で犠牲層209のa−Siを除去することで、メンブレン下の空隙203を形成する。 In the process of FIG. 4G, the a-Si of the sacrificial layer 209 is etched using XeF 2 gas with an etching apparatus manufactured by Memsstar. Etching conditions are 9.5 Torr, a substrate temperature of 15 ° C., introduction of N 2 gas as a carrier gas, and a slight amount of H 2 gas is added to ensure the selectivity of the SiN film. Since the cell diameter is smaller than that in the first embodiment, the number of the etching holes 103 is reduced and the arrangement thereof is changed in consideration of the reduction of the etching area amount that the single etching hole 103 is responsible for. In this embodiment, the etching hole 103 is positively arranged in the wiring region 105 in order to remove the a-Si in the sacrifice layer 209 in the lead-out wiring region 105. By removing a-Si in the sacrificial layer 209 with such a configuration, the void 203 under the membrane is formed.

次に図5の工程で、引っ張り応力(200MPa以下)の絶縁層207のSiN膜をPE-CVDにて800nm成膜して、エッチングホール208を封止する。次に、上電極205を引き出す配線を形成するための開口部、下電極を引き出す配線を形成するための開口部、基板GNDを引き出す配線を形成するための開口部を汎用のホトリソグラフィ工程で形成する。そしてAl膜を500nmスパッタ成膜し、汎用のホトリソグラフィ工程、真空プラズマによるドライエッチング加工で、外部基板へ引き出す配線(図示なし)を形成する。これは、素子部へ電気実装するために必要な配線の延長であり、延長に際して配線抵抗を上げないこと、及びワイヤーボンダ領域において必要となる下地の柔軟性を確保する機能を有する。   Next, in the process of FIG. 5, an SiN film of an insulating layer 207 having a tensile stress (200 MPa or less) is formed to 800 nm by PE-CVD, and the etching hole 208 is sealed. Next, an opening for forming a wiring for extracting the upper electrode 205, an opening for forming a wiring for extracting the lower electrode, and an opening for forming a wiring for extracting the substrate GND are formed by a general-purpose photolithography process. To do. Then, an Al film is formed by sputtering with a thickness of 500 nm, and wiring (not shown) to be drawn to the external substrate is formed by a general-purpose photolithography process and dry etching using vacuum plasma. This is an extension of wiring necessary for electrical mounting to the element portion, and has a function of not increasing the wiring resistance during the extension and ensuring the flexibility of the foundation required in the wire bonder region.

製造した静電容量型トランスデューサに対して、実施例1と同様の電気的な実装を施し、油(セバシン酸ジイソデシルエステル)に浸し、バイアス電圧-170V、AC波形±60Vを印加し駆動した。このとき、デバイス直上2mmの位置にて送信音圧約0.5MPa(平面波換算)を得た。本実施例では、実施例1や実施例2よりもセル径を小さくしたため、受信感度の比帯域、送信効率の比帯域が、120%以上と広帯域な特性が得られた。また受信感度の目安であるノイズ特性(NEP)についても約2.2Paと良好な値が得られた。   The manufactured capacitive transducer was electrically mounted in the same manner as in Example 1, dipped in oil (diisodecyl sebacate), and driven by applying a bias voltage of −170 V and an AC waveform of ± 60 V. At this time, a transmission sound pressure of about 0.5 MPa (plane wave conversion) was obtained at a position 2 mm directly above the device. In the present embodiment, since the cell diameter was made smaller than those in the first and second embodiments, characteristics with a wide bandwidth of 120% or more in the reception sensitivity ratio band and the transmission efficiency ratio band were obtained. Also, a good value of about 2.2 Pa was obtained for the noise characteristic (NEP) which is a measure of the reception sensitivity.

本実施例では、SiN膜のXeFに対する選択比が1000以上の一定範囲程度であることを考慮し、引き出し配線領域105の犠牲層を除去するためのエッチングホール103を配線領域105に配置する。この結果、寄生容量を更に削減することができ、受信感度の更なる向上に寄与する。 In this embodiment, considering that the selection ratio of the SiN film to XeF 2 is about a certain range of 1000 or more, an etching hole 103 for removing the sacrificial layer in the lead-out wiring region 105 is disposed in the wiring region 105. As a result, the parasitic capacitance can be further reduced, which contributes to further improvement in reception sensitivity.

101:セル、102:配線、104:素子、201:第一の電極(下電極)、203:空隙、204:絶縁層、205:第二の電極(上電極)、209:犠牲層、501:ホトレジストパターン(マスクパターン)   101: cell, 102: wiring, 104: element, 201: first electrode (lower electrode), 203: gap, 204: insulating layer, 205: second electrode (upper electrode), 209: sacrificial layer, 501: Photoresist pattern (mask pattern)

Claims (16)

第一の電極に対して空隙を挟んで設けられた第二の電極を少なくとも含む振動膜が支持された構造を含むセルを有する素子を1以上備え、前記素子の前記セルは、隣接するセルと、前記第二の電極に繋がる配線で電気的に接続されている静電容量型トランスデューサであって、
上方から平面視される前記第二の電極の形状が、前記空隙の形状と略一致していることを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
One or more elements having a cell including a structure in which a vibration film including at least a second electrode provided with a gap between the first electrode and the first electrode is supported, and the cell of the element includes an adjacent cell and , A capacitive transducer electrically connected by a wire connected to the second electrode,
The capacitance type transducer, wherein the shape of the second electrode viewed from above is substantially the same as the shape of the gap.
前記第一の電極は半導体基板上に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型トランスデューサ。   The capacitive transducer according to claim 1, wherein the first electrode is formed on a semiconductor substrate. 上方から平面視される前記配線の形状が、前記空隙と繋がる空隙層の形状と略一致していることを特徴とする請求項1または2に記載の静電容量型トランスデューサ。   3. The capacitive transducer according to claim 1, wherein a shape of the wiring viewed from above is substantially the same as a shape of a void layer connected to the void. 4. 前記配線及び前記素子に含まれる前記セルの前記第二の電極を集約し引き出す配線領域の下部に空隙が含まれることを特徴とする請求項1から3の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   4. The capacitance according to claim 1, wherein a gap is included in a lower portion of a wiring region that collects and draws out the second electrode of the cell included in the wiring and the element. 5. Type transducer. 前記振動膜は、前記空隙を形成する際に、前記空隙にあった犠牲層を除去するために用いた開口部を封止する絶縁層を含むことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   5. The vibration film includes an insulating layer that seals an opening used to remove a sacrificial layer in the gap when the gap is formed. 2. The capacitive transducer according to item 1. 前記第二の電極の下層において前記振動膜に含まれる膜の形状は、上方から平面視される前記第二の電極の形状に対し、縁が微小な等距離を隔てて平行に画されて順テーパーの側壁を有するか、または縁が微小な等距離を隔てて平行に画されて逆テーパーの側壁を有するか、または重なるか、または縁が微小な等距離を隔てて平行に画されてアンダーカットの側壁を有することを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   The shape of the film included in the vibration film in the lower layer of the second electrode is such that the edge is drawn parallel to the shape of the second electrode viewed in plan from above with a minute equidistant distance. Have tapered sidewalls, or edges are defined in parallel at a minute equidistant and have opposite tapered sidewalls, or overlap, or edges are depicted in parallel at a minute equidistant under 6. The capacitive transducer according to claim 1, further comprising a cut side wall. 前記空隙の径が5μm以上40μm以下の範囲にあることを特徴とする請求項1から6の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   7. The capacitive transducer according to claim 1, wherein a diameter of the gap is in a range of 5 μm to 40 μm. 上方から平面視される前記空隙の面積と前記第二の電極の面積の差が、前記空隙の面積の5%以下であることを特徴とする請求項1から7の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   8. The difference between the area of the gap and the area of the second electrode as viewed in plan from above is 5% or less of the area of the gap. 9. Capacitive transducer. 上方から平面視される前記空隙の面積と前記第二の電極の面積の差が、前記空隙の面積の1%以下であることを特徴とする請求項8に記載の静電容量型トランスデューサ。   9. The capacitive transducer according to claim 8, wherein a difference between the area of the gap viewed from above and the area of the second electrode is 1% or less of the area of the gap. 前記振動膜は、前記第二の電極、及び前記第二の電極の下層にある絶縁層を含み、前記絶縁層には、前記第二の電極の外周縁部に形成された微細な痕跡を引き継いだ痕跡が転写されていることを特徴とする請求項1から9の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   The vibrating membrane includes the second electrode and an insulating layer under the second electrode, and the insulating layer takes over fine traces formed on the outer peripheral edge of the second electrode. The capacitive transducer according to any one of claims 1 to 9, wherein the trace is transferred. 前記第一の電極の上に絶縁層が形成され、前記振動膜は別の絶縁層を含み、前記絶縁層と前記別の絶縁層は、それぞれ、シリコン酸化物またはシリコン窒化物で形成されていることを特徴とする請求項1から10の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサ。   An insulating layer is formed on the first electrode, the vibration film includes another insulating layer, and the insulating layer and the other insulating layer are each formed of silicon oxide or silicon nitride. The capacitive transducer according to any one of claims 1 to 10, wherein: 前記絶縁層と前記別の絶縁層は、異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項11に記載の静電容量型トランスデューサ。   The capacitive transducer according to claim 11, wherein the insulating layer and the other insulating layer are formed of different materials. 第一の電極に対して空隙を挟んで設けられた第二の電極を少なくとも含む振動膜が支持された構造を含むセルを有する素子を1以上備える静電容量型トランスデューサの製造方法であって、
少なくとも、前記第一の電極の上に犠牲層を形成する工程、前記犠牲層の上に第一の絶縁層を形成する工程、前記第一の絶縁層の上に前記第二の電極を形成する工程、前記第二の電極の上に第二の絶縁層を形成する工程、前記犠牲層を除去して前記空隙を形成する工程、前記第二の絶縁層の上に第三の絶縁層を形成し前記犠牲層を除去するために用いた開口部を封止する工程を含み、
前記犠牲層を除去して前記空隙を形成する工程において、前記第二の電極を形成するマスク形状を用いて、前記第二の電極の下部領域に位置する前記犠牲層を含む位置までエッチング加工することを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。
A method for manufacturing a capacitive transducer comprising at least one element having a cell including a structure in which a vibrating membrane including at least a second electrode provided with a gap between the first electrode and a first electrode is supported,
At least a step of forming a sacrificial layer on the first electrode, a step of forming a first insulating layer on the sacrificial layer, and forming the second electrode on the first insulating layer. Forming a second insulating layer on the second electrode; removing the sacrificial layer to form the gap; forming a third insulating layer on the second insulating layer; And sealing the opening used to remove the sacrificial layer,
In the step of forming the gap by removing the sacrificial layer, etching is performed to a position including the sacrificial layer located in a lower region of the second electrode, using a mask shape that forms the second electrode. A method of manufacturing a capacitive transducer characterized by the above.
前記配線の領域の下部に位置する前記犠牲層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項13に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。   14. The method of manufacturing a capacitive transducer according to claim 13, further comprising a step of removing the sacrificial layer located under the wiring region. 前記セルの前記第二の電極を集約し引き出す配線領域の下部に位置する前記犠牲層を除去する工程を含むことを特徴とする請求項14に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。   15. The method of manufacturing a capacitive transducer according to claim 14, further comprising a step of removing the sacrificial layer located below a wiring region that collects and draws out the second electrodes of the cell. 前記エッチング加工する工程において、前記第二の電極及び前記配線の下部領域に位置する前記犠牲層を含む位置までドライエッチングにより加工するか、若しくはドライエッチングとウェットエッチングを併用して加工することを特徴とする請求項13から15の何れか1項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。   In the etching process, the dry etching is performed up to a position including the sacrificial layer located in the lower region of the second electrode and the wiring, or the dry etching and the wet etching are used in combination. The method for manufacturing a capacitive transducer according to any one of claims 13 to 15.
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