JP4466231B2

JP4466231B2 - 圧力波発生素子およびその製造方法

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Publication number: JP4466231B2
Application number: JP2004188785A
Authority: JP
Inventors: 祥文渡部; 由明本多
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006013961A

Description

本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や、超音波や単パルス的な粗密波などの圧力波を発生する圧力波発生素子およびその製造方法に関するものである。

従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生素子が広く知られている。この種の超音波発生素子としては、例えば、チタン酸バリウムのような圧電材料からなる結晶の両面に電極を設けた構成のものが知られており、この超音波発生素子では、両電極間に電気エネルギを与えて機械的振動を発生させることにより、空気などの媒体を振動させて超音波を発生させることができる。

上述のような機械的振動を利用した超音波発生素子は、固有の共振周波数をもつので周波数帯域が狭い、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやすい、などの問題があった。

一方、近年、機械的振動を伴わずに超音波を発生させることができる素子として、媒体に熱を与える熱励起により空気の粗密を形成する方法を利用した圧力波発生素子が提案されている（例えば、特許文献１、２）。

この種の圧力波発生素子は、図９に示すように、単結晶のシリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の厚み方向の一表面から所定深さまで形成された多孔質シリコン層からなり半導体基板１に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな熱絶縁層２’と、熱絶縁層２’上に形成された金属薄膜（例えば、Ａｌ薄膜など）からなる発熱体３と、発熱体３の両端部それぞれの上に形成されたパッド４，４とを備え、発熱体３への交流電流の通電に伴う発熱体３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波を発生するものである。すなわち、図９に示した構成の圧力波発生素子では、交流電源から一対のパッド４，４を介して発熱体３へ交流電流を通電することにより発熱体３が発熱する一方で、発熱体３の直下には熱絶縁層２’が形成されて発熱体３が半導体基板１から熱的に絶縁されているので、発熱体３近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こり、空気の膨張・圧縮の結果、超音波などの圧力波が発生する。ここにおいて、熱絶縁層２’は、半導体基板１の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより形成されている。

なお、図９に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体３に印加する交流電圧（駆動電圧）の周波数を調整することにより、発生する圧力波の周波数を広範囲にわたって変化させることができ、例えば、超音波音源やスピーカの音源として用いることができる。
特開平１１−３００２７４号公報特開２００２−１８６０９７号公報

ところで、本願発明者らは、図９に示した構成の圧力波発生素子に関して、圧力波発生素子のサイズを広く活用されている機械的振動を利用した超音波発生素子の一般的なサイズである１５ｍｍ□程度とし、上記超音波発生素子と同等の音圧（例えば、周波数が４０ｋＨｚで３０ｃｍ離れた位置において２０Ｐａ程度）を発生させるように駆動した場合、発熱体３が破断されてしまうことがあるという実験結果を得た。

そこで、本願発明者らは、図９に示した構成の圧力波発生素子に関して鋭意研究した結果、例えば周波数が４０ｋＨｚの超音波を発生させるために発熱体３へ周波数が２０ｋＨｚの矩形波電圧を印加した場合、発熱体３の温度が３００度を超える非常に高い温度となるという知見を得るとともに、高速での発熱体３の温度上昇・下降に伴う発熱体３の膨張収縮により、発熱体３とは異種材料により形成された多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２’に非常に大きな熱応力が発生するという知見を得た。

上述の２つの知見は、本願発明者らが図９に示した構成の圧力波発生素子に関して種々のシミュレーションを行った中で、熱絶縁層として全体にわたって均一な物性値（熱伝導率、熱容量）を有する多孔度が６０％の多孔質シリコン層を想定して、発熱体３へ周波数が４０ｋＨｚの矩形波電圧を印加した場合の発熱体３の温度、熱絶縁層２’の深さ方向の温度分布を、有限要素法を利用してシミュレーションした結果に基づいて導き出したものである。ここにおいて、熱絶縁層２’の深さ方向の温度分布に関しては、発熱体３の温度が最高温度に到達した時点で図１０に示すような温度分布になるという結果が得られた。なお、図１０の横軸は熱絶縁層２’と発熱体層３との界面からの深さであり、縦軸は熱絶縁層の温度を上記界面での温度により正規化した正規化温度である。

図１０の結果から、図９に示した構成の圧力波発生素子の発熱体３へ周波数が４０ｋＨｚの矩形波電圧を印加した場合、熱絶縁層２’の表面から２μｍの深さまでの領域に急激な温度分布が生じていることが分かり、本願発明者らは、この急激な温度分布により熱絶縁層２の厚み方向における発熱体３側の部分に熱応力が集中して、この熱応力が熱絶縁層２のクラックの原因となり、熱絶縁層２’に発生したクラックが発熱体３の破断の一因となっていることを見出した。また、図９に示した構成の圧力波発生素子では熱絶縁層２’が半導体基板１により支持されているので、上述の熱応力に起因して熱絶縁層２’における半導体基板１との境界近傍にかかる負荷が大きく、熱絶縁層２’の剥離を招きやすいという知見を得た。

また、本願発明者らは、図９に示した構成の圧力波発生素子では、多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２の形成にあたって、電解液中で半導体基板の一部を陽極酸化処理工程にて多孔質化することにより熱絶縁層２’を形成し、その後、洗浄工程、乾燥工程を順次行っているが、発生させる圧力波の振幅を高めるために熱絶縁層２’の多孔度を高くして熱絶縁層２’の熱絶縁性を向上させるように設計した場合、つまり、熱絶縁層２’の多孔度を比較的高い値に設計した場合、上述の乾燥工程において、直前の洗浄工程で用いた液体の表面張力の影響により熱絶縁層２’にクラックが発生したり熱絶縁層２’が半導体基板１から剥離してしまうことがあるという実験結果を得て、製造工程の途中で熱絶縁層２’に発生したクラックも発熱体３の破断の一因となっていることを見出した。なお、このような製造工程途中での熱絶縁層２’へのクラックの発生や半導体基板１からの熱絶縁層２’の剥離は熱絶縁層２’の厚み寸法が大きくなるほど起こりやすいという傾向があった。

本発明は上記事由に鑑みて為されたものであり、その目的は、製造時や駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止することにより発熱体の破断を防止することができる圧力波発生素子およびその製造方法を提供することにある。

請求項１の発明は、基板と、基板の厚み方向の一表面側に形成された薄膜からなる発熱体と、基板と発熱体との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体への通電に伴う発熱体と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、前記厚み方向において基板側の部分の多孔度が発熱体側の部分の多孔度よりも小さいことを特徴とする。

この発明によれば、熱絶縁層における発熱体側の部分での熱絶縁性能の低下を抑制しつつ、熱絶縁層における基板の境界近傍の機械的強度を高めることができ、しかも、熱絶縁層における基板との境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止することができて発熱体の破断を防止することができる。その結果、製造歩留まりの向上および信頼性の向上を図れる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成された低多孔度層とからなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層の熱絶縁性能を高多孔度層の多孔度および厚み寸法により決定することが可能となり、前記熱絶縁層における前記基板側の部分の機械的強度を低多孔度層の多孔度および厚み寸法により設計することが可能となるから、前記熱絶縁層の熱絶縁性能の設計が容易になるとともに、前記熱絶縁層の形成が容易になる。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成され前記基板に近づくほど多孔度が小さくなった低多孔度傾斜層とからなることを特徴とする。

この発明によれば、請求項２の発明のように前記基板の厚み方向において多孔度がステップ状に変化している場合に比べて、前記熱絶縁層における前記基板との境界近傍および前記発熱体側の部分の機械的強度を高めることができるとともに、前記境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における前記基板からの前記熱絶縁層の剥離をより確実に防止することができる。

請求項４の発明は、請求項３の発明において、前記熱絶縁層は、前記厚み方向における前記高多孔度層と前記低多孔度傾斜層との境界で多孔度が連続していることを特徴とする。

この発明によれば、前記高多孔度層と前記低多孔度傾斜層との境界近傍で発生する応力を分散して小さくでき、前記熱絶縁層の機械的強度を高めることができる。

請求項５の発明は、請求項２ないし請求項４の発明において、前記高多孔度層の厚み寸法を熱拡散長以上の値に設定してなることを特徴とする。

この発明によれば、前記発熱体への通電時に発生する圧力波の振幅の大幅な低下を防止することができる。

請求項６の発明は、請求項１の発明において、前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側から前記基板側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっていることを特徴とする。

この発明によれば、請求項２の発明に比べて、前記熱絶縁層の機械的強度をより高めることができるとともに、前記熱絶縁層における前記基板との境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生、熱絶縁層のクラックに起因した発熱体の破断や前記基板からの前記熱絶縁層の剥離をより確実に防止することができる。

請求項７の発明は、請求項３または請求項６の発明において、前記低多孔度傾斜層は、前記厚み方向において前記基板との境界近傍で多孔度が零になるように形成されてなることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層における前記基板との境界近傍の機械的強度をより高めることができるとともに、前記境界近傍で発生する応力をより緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生、熱絶縁層のクラックに起因した発熱体の破断や前記基板からの前記熱絶縁層の剥離をより確実に防止することができる。

請求項８の発明は、請求項２記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第１の電流密度で第１の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度層の形成用に規定した第２の電流密度で第２の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする。

この発明によれば、製造時に、高多孔度層と低多孔度層とからなる熱絶縁層を連続的に形成することができ、高多孔度層と低多孔度層との両方を形成した後に洗浄工程、乾燥工程を順次行えばよいから、製造時に熱絶縁層にクラックが発生したり熱絶縁層が基板から剥離するのを防止することができて製造歩留まりを向上でき、また、駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止できて発熱体の破断を防止することができる圧力波発生素子を提供することができる。

請求項９の発明は、請求項３記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第１の電流密度で第１の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度傾斜層の形成用に規定した電流密度の減少パターンで第２の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする。

この発明によれば、製造時に、高多孔度層と低多孔度傾斜層とからなる熱絶縁層を連続的に形成することができ、高多孔度層と低多孔度傾斜層との両方を形成した後に洗浄工程、乾燥工程を順次行えばよいから、製造時に熱絶縁層にクラックが発生したり熱絶縁層が基板から剥離するのを防止することができて製造歩留まりを向上でき、また、駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止できて発熱体の破断を防止することができる圧力波発生素子を提供することができる。

請求項１０の発明は、請求項６記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理時の電流密度を時間経過とともに連続的に低下させることを特徴とする。

この発明によれば、多孔度が連続的に変化した多孔質層からなる熱絶縁層を１回の陽極酸化処理にて形成することができ、基板に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなる多孔質層からなる熱絶縁層を形成した後に洗浄工程、乾燥工程を行えばよいから、製造時に熱絶縁層にクラックが発生したり熱絶縁層が基板から剥離するのを防止することができて製造歩留まりを向上でき、また、駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止できて発熱体の破断を防止することができる圧力波発生素子を提供することができる。

請求項１の発明では、熱絶縁層における発熱体側の部分での熱絶縁性能の低下を抑制しつつ、熱絶縁層における基板の境界近傍の機械的強度を高めることができ、しかも、熱絶縁層における基板との境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における製造時や駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止することができて発熱体の破断を防止することができるという効果がある。

請求項８，９，１０の発明は、製造時に熱絶縁層にクラックが発生したり熱絶縁層が基板から剥離するのを防止することができて製造歩留まりを向上でき、また、駆動時における熱絶縁層へのクラックの発生を防止できて発熱体の破断を防止することができる圧力波発生素子を提供することができるという効果がある。

（実施形態１）
本実施形態の圧力波発生素子は、図１に示すように、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１と、半導体基板１の厚み方向の一表面（図１における上面）側に形成された多孔質層からなる熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された薄膜（例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄膜など）からなる発熱体３と、発熱体３の両端部それぞれの上に形成されたパッド４，４とを備えており、一対のパッド４，４を介した発熱体３への通電（電気エネルギの供給）に伴う発熱体３と媒体（例えば、空気）との熱交換により圧力波（例えば、超音波など）を発生する。ここに、半導体基板１の平面形状は長方形状であって、熱絶縁層２および発熱体３の平面形状も長方形状に形成してある。なお、発熱体３は、熱絶縁層２よりも平面サイズが小さく（熱絶縁層２は発熱体３の外周よりも内側に形成されている）、長辺の長さ寸法を１２ｍｍ、短辺の長さ寸法を１０ｍｍに設定してあるが、これらの寸法は特に限定するものではない。また、本実施形態では、半導体基板１が基板を構成している。

熱絶縁層２を構成する多孔質層は、半導体基板１としてのｐ形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理することにより形成されており、発熱体３側の高多孔度層（例えば、多孔度が７０％の多孔質シリコン層）２１と基板１側の低多孔度層（例えば、多孔度が４０％の多孔質シリコン層）２２とにより構成されている。ここに、多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率および熱容量が小さくなり、多孔度を適宜設定することにより熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。なお、上記特許文献１には、熱伝導率が１６８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化処理して形成される多孔度が６０％の多孔質シリコン層は、熱伝導率が１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となることが報告されている。また、本実施形態の圧力波発生素子では、半導体基板１の厚さを５２５μｍ、熱絶縁層２の高多孔度層２１の厚さを５μｍ、熱絶縁層２の低多孔度層２２の厚さを５μｍ、発熱体３の厚さを５０ｎｍとしてあるが、これらの厚さは一例であって特に限定するものではない。ただし、発熱体３直下の高多孔度層２１の熱伝導率をα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、熱容量をＣ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とするとともに、発熱体３への電気的な入力の波形（電圧波形または電流波形）を周波数がｆ’〔Ｈｚ〕の交流の正弦波として、発熱体３の温度変化の波形の周波数をｆ（＝２ｆ’）、発熱体３の温度変化の波形の角周波数をω（＝２πｆ）とし、発熱体３の温度をＴ（ω）とした（つまり、温度Ｔがωの関数とした）ときに、高多孔度層２１の表面から深さ方向への距離に関して高多孔度層２１の表面の温度の１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）になる距離を熱拡散長Ｌと定義すると、
Ｌ≒√（２α／ωＣ）
となり、高多孔度層２１の厚みは熱拡散長Ｌ以上の値に設定することが望ましい。ここで、発熱体３から発生する圧力波の周波数は上記周波数ｆに等しい。なお、本実施形態の圧力波発生素子は、一使用例として、発熱体３への電気的な入力の波形の周波数ｆ’を２０ｋＨｚとし、圧力波として周波数が４０ｋＨｚの超音波を発生させる超音波発生素子として使用することを想定しており、熱絶縁層２を多孔度が６０％の多孔質シリコン層と仮定し、熱伝導率を１Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量を０．７×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）、周波数ｆを４０ｋＨｚとして求めた熱拡散長Ｌ＝３．３７μｍに基づいて高多孔度層２１の厚さを設定してある。

以下、本実施形態の圧力波発生素子の製造方法について簡単に説明する。

まず、半導体基板１の他表面（図１における下面）側に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず）を形成した後、半導体基板１の上記一表面側における高多孔度層２１の形成予定部位および低多孔度層２２の形成予定部位を陽極酸化処理にて多孔質化することで高多孔度層２１と低多孔度層２２とからなる熱絶縁層を形成する陽極酸化処理工程を行う。ここにおいて、陽極酸化処理工程では、電解液として５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエタノールとを１：１で混合した混合液を用い、半導体基板１を主構成とする被処理物を処理槽に入れられた電解液に浸漬し、通電用電極を陽極、半導体基板１の上記一表面側に対向配置された白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度の電流を流すことにより高多孔度層２１と低多孔度層２２とを連続的に形成している。ただし、熱絶縁層２の形成時には、図２に示すように、高多孔度層２１の形成用に規定した第１の電流密度Ｊ１（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ^２）で第１の所定時間Ｔ１（例えば、２分）の陽極酸化処理を行い、低多孔度層２２の形成時は低多孔度層２２の形成用に規定した第２の電流密度Ｊ２（例えば、１０ｍＡ／ｃｍ^２）で第２の所定時間Ｔ２（例えば、１５分）の陽極酸化処理を行っている。

上述の陽極酸化処理工程の通電終了後、電解液から被処理物を取り出し、洗浄工程、乾燥工程を順次行ってから、発熱体３を形成する発熱体形成工程、パッド４，４を形成するパッド形成工程を順次行うことによって、圧力波発生素子が完成する。なお、乾燥工程では、窒素ガスによる乾燥、遠心乾燥機による乾燥など各種の乾燥方法を適宜採用すればよい。また、発熱体形成工程では、メタルマスクなどを利用して蒸着法などによって発熱体３を形成すればよく、パッド形成工程でも、メタルマスクなどを利用して蒸着法などによってパッド４，４を形成すればよい。

以上説明した本実施形態の圧力波発生素子における熱絶縁層２は、熱絶縁層２が半導体基板１の厚み方向において発熱体３側に形成された高多孔度層２１と半導体基板１側に形成された低多孔度層２２とで構成されており、上記厚み方向において半導体基板１側の部分の多孔度が発熱体３側の部分の多孔度よりも小さくなっているので、熱絶縁層２における発熱体３側の部分での熱絶縁性能の低下を抑制しつつ、熱絶縁層２における半導体基板１の境界近傍の機械的強度を高めることができ、しかも、熱絶縁層２における半導体基板１との境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層２へのクラックの発生を防止できて発熱体３の破断を防止することができ、また、半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離を防止することができる。その結果、製造歩留まりの向上および信頼性の向上を図れる。

ここで、本実施形態の圧力波発生素子では、上述のように熱絶縁層２が半導体基板１の厚み方向において発熱体３側に形成された高多孔度層２１と、半導体基板１側に形成された低多孔度層２２とで構成されているので、熱絶縁層２の熱絶縁性能を高多孔度層２１の多孔度および厚み寸法により決定することが可能となり、熱絶縁層２における半導体基板１側の部分の機械的強度を低多孔度層２２の多孔度および厚み寸法により設計することが可能となるから、熱絶縁層２の熱絶縁性能の設計が容易になるとともに、熱絶縁層２の形成が容易になる。ここにおいて、上述のように熱絶縁層２の高多孔度層２１の厚さを上記熱拡散長Ｌ以上の値に設定することにより、半導体基板１側への熱伝導に起因した圧力波の振幅の大幅な低下を防止することができるから、高多孔度層２１により熱絶縁性能を決めることができる一方で、低多孔度層２１により熱絶縁層２の機械的強度を決めることができるのである。言い換えれば、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２の深さ方向において多孔度を一様とするときよりも、熱絶縁性能を低下させることなく、製造時および駆動時の機械的強度を高めることができるのである。

したがって、本実施形態の圧力波発生素子では、従来に比べて耐熱性が向上するので、通電時に発熱体３へ与える電力を増加させることによる圧力波の振幅の増大を図れる。

ところで、本実施形態では、半導体基板１として単結晶のｐ形シリコン基板を採用しているが、半導体基板１は単結晶のｐ形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはアモルファスのｐ形シリコン基板でもよいし、また、ｐ形に限らず、ｎ形あるいはノンドープであってもよく、半導体基板１の種類に応じて陽極酸化処理の条件を適宜変更すればよい。したがって、熱絶縁層２を構成する多孔質層も多孔質シリコン層に限らず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化処理することにより形成した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料からなる多孔質半導体層でもよい。また、発熱体３の材料もＡｌに限定するものではなく、Ａｌに比べて耐熱性の高い金属材料（例えば、Ｗ，Ｍｏ，Ｐｔ，Ｉｒなど）を採用するのが好ましい。

（実施形態２）
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は実施形態１と略同じであり、図３に示すように、熱絶縁層２が半導体基板１の厚み方向において発熱体３側に形成された高多孔度層２１と、半導体基板１側に形成され半導体基板１に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなった低多孔度傾斜層２３とで構成されている点が相違する。ここにおいて、低多孔度傾斜層２３は、高多孔度層２１との境界で多孔度が連続し、半導体基板１との境界近傍で多孔度が零となるように多孔度の深さプロファイルを設定してある。他の構成は実施形態１と同じなので、実施形態１と同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の圧力波発生素子の製造方法は実施形態１にて説明した製造方法と略同じであって、熱絶縁層２の形成時には、図４に示すように、高多孔度層２１の形成用に規定した第１の電流密度Ｊ１（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ^２）で第１の所定時間Ｔ１（例えば、２分）の陽極酸化処理を行い、低多孔度傾斜層２３の形成時は低多孔度傾斜層２３の形成用に規定した電流密度の減少パターンで第２の所定時間Ｔ３（例えば、１０分）の陽極酸化処理を行っている点が相違するだけである。ここにおける減少パターンは、電流密度を第２の所定時間Ｔ３かけて第１の電流密度Ｊ１から第２の電流密度Ｊ３（例えば、０ｍＡ／ｃｍ^２）まで連続的に小さくする単調減少パターンに規定されている。なお、図４における単調減少パターンは傾きが一定となっているが、単調減少パターンは、例えば図５（ａ）に示すように時間経過とともに傾きが大きくなるような単調減少パターンでもよいし、図５（ｂ）に示すように時間経過とともに傾きが小さくなるような単調減少パターンでもよい。

しかして、本実施形態の圧力波発生素子においても、実施形態１と同様に、半導体基板１の厚み方向において半導体基板１側の部分の多孔度が発熱体３側の部分の多孔度よりも小さくなっているので、熱絶縁層２における発熱体３側の部分での熱絶縁性能の低下を抑制しつつ熱絶縁層２における半導体基板１側の部分の機械的強度を高めることができ、製造時や駆動時における熱絶縁層２へのクラックの発生を防止できて発熱体３の破断を防止することができ、また、半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離を防止することができる。その結果、製造歩留まりの向上および信頼性の向上を図れる。

また、本実施形態の圧力波発生素子では、実施形態１のように熱絶縁層２の多孔度が深さ方向（半導体基板１の厚み方向）においてステップ状に変化している場合に比べて、熱絶縁層２における半導体基板１との境界近傍および発熱体３側の部分の機械的強度を高めることができるとともに、境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離をより確実に防止することができる。

また、本実施形態の圧力波発生素子では、半導体基板１の厚み方向において熱絶縁層２は高多孔度層２１と低多孔度傾斜層２３との境界で多孔度が連続しているので、高多孔度層２１と低多孔度傾斜層２３との境界近傍で発生する応力を分散して小さくでき、熱絶縁層２の機械的強度を高めることができ、しかも、低多孔度傾斜層２３は半導体基板１との境界近傍で多孔度が零になるように形成されているので、熱絶縁層２における半導体基板１との境界近傍の機械的強度をより高めることができるとともに、境界近傍で発生する応力をより緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層２へのクラックの発生、熱絶縁層２のクラックに起因した発熱体３の破断や半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離をより一層確実に防止することができる。

（実施形態３）
本実施形態の圧力波発生素子の構成構成は実施形態１と略同じであり、図６に示すように、熱絶縁層２が半導体基板１の厚み方向において発熱体３側から半導体基板１側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっている点が相違する。要するに、熱絶縁層２は、半導体基板１の厚み方向において発熱体３に近い部位ほど多孔度が高く、半導体基板１に近い部位ほど多孔度が低くなっている。ここにおいて、熱絶縁層２は、半導体基板１との境界近傍で多孔度が零となるように多孔度の深さプロファイルを設定してある。他の構成は実施形態１と同じなので説明を省略する。

本実施形態の圧力波発生素子の製造方法は実施形態１にて説明した製造方法と略同じであって、熱絶縁層２の形成時には、図７に示すように、熱絶縁層２の形成用に規定した電流密度の減少パターンで所定時間Ｔ４（例えば、１０分）の陽極酸化処理を行っている点が相違するだけである。ここにおける減少パターンは、電流密度を所定時間Ｔ４かけて第１の電流密度Ｊ４（例えば、１００ｍＡ／ｃｍ^２）から第２の電流密度Ｊ５（例えば、０ｍＡ／ｃｍ^２）まで連続的に小さくする単調減少パターンに規定されている。なお、図７における単調減少パターンは傾きが一定となっているが、単調減少パターンは、例えば図８（ａ）に示すように時間経過とともに傾きが大きくなるような単調減少パターンでもよいし、図８（ｂ）に示すように時間経過とともに傾きが小さくなるような単調減少パターンでもよい。

しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、半導体基板１の厚み方向において発熱体３側から半導体基板１側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっているので、実施形態１に比べて熱絶縁層２の機械的強度をより高めることができるとともに、熱絶縁層２における半導体基板１との境界近傍で発生する応力を緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層２へのクラックの発生、熱絶縁層２のクラックに起因した発熱体３の破断や半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離をより確実に防止することができる。しかも、本実施形態の圧力波発生素子では、熱絶縁層２は半導体基板１との境界近傍で多孔度が零になるように形成されているので、熱絶縁層２における半導体基板１との境界近傍の機械的強度をより高めることができるとともに、境界近傍で発生する応力をより緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層２へのクラックの発生、熱絶縁層２のクラックに起因した発熱体３の破断や半導体基板１からの熱絶縁層２の剥離をより一層確実に防止することができる。

ところで、上記各実施形態では、半導体基板１の材料としてＳｉを採用しているが、半導体基板１の材料はＳｉに限らず、例えば、Ｇｅ，ＳｉＣ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＩｎＰなどの陽極酸化処理による多孔質化が可能な他の半導体材料でもよい。

実施形態１における圧力波発生素子の概略断面図である。同上の製造方法の説明図である。実施形態２における圧力波発生素子の概略断面図である。同上の製造方法の説明図である。同上の製造方法の説明図である。実施形態３における圧力波発生素子の概略断面図である。同上の製造方法の説明図である。同上の製造方法の説明図である。従来例を示す圧力波発生素子の概略断面図である。同上における熱絶縁層の深さ方向の温度分布の一例を示すグラフである。

符号の説明

１半導体基板
２熱絶縁層
３発熱体
４パッド
２１高多孔度層
２２低多孔度層

Claims

基板と、基板の厚み方向の一表面側に形成された薄膜からなる発熱体と、基板と発熱体との間に介在する熱絶縁層とを備え、発熱体への通電に伴う発熱体と媒体との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子であって、熱絶縁層は、前記厚み方向において基板側の部分の多孔度が発熱体側の部分の多孔度よりも小さいことを特徴とする圧力波発生素子。
前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成された低多孔度層とからなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側に形成された高多孔度層と、前記基板側に形成され前記基板に近づくほど多孔度が小さくなった低多孔度傾斜層とからなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
前記熱絶縁層は、前記厚み方向における前記高多孔度層と前記低多孔度傾斜層との境界で多孔度が連続していることを特徴とする請求項３記載の圧力波発生素子。
前記高多孔度層の厚み寸法を熱拡散長以上の値に設定してなることを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の圧力波発生素子。
前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記発熱体側から前記基板側に近づくにつれて多孔度が連続的に小さくなっていることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
前記熱絶縁層は、前記厚み方向において前記基板との境界近傍で多孔度が零になるように形成されてなることを特徴とする請求項３または請求項６記載の圧力波発生素子。
請求項２記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第１の電流密度で第１の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度層の形成用に規定した第２の電流密度で第２の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
請求項３記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理による高多孔度層の形成用に規定した第１の電流密度で第１の所定時間の陽極酸化処理を行った後、陽極酸化処理による低多孔度傾斜層の形成用に規定した電流密度の減少パターンで第２の所定時間の陽極酸化処理を行うことを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。
請求項６記載の圧力波発生素子の製造方法であって、基板の前記一表面側の一部を陽極酸化処理にて多孔質化することにより熱絶縁層を形成するようにし、熱絶縁層の形成にあたっては、陽極酸化処理時の電流密度を時間経過とともに連続的に低下させることを特徴とする圧力波発生素子の製造方法。