JP4649889B2

JP4649889B2 - 圧力波発生素子

Info

Publication number: JP4649889B2
Application number: JP2004188791A
Authority: JP
Inventors: 由明本多; 祥文渡部
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: 2011-03-16
Anticipated expiration: 2024-06-25
Also published as: JP2006013963A

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。

これに対して、機械的振動を伴わずに熱励起により超音波などの圧力波を発生させることができる素子として、図４に示すように、支持基板１と、支持基板１の一表面側に形成された支持基板１に比べて熱伝導率および熱容量が十分に小さな断熱層２と、断熱層２上に形成された発熱体層３とを備え、発熱体層３への交流電流の通電に伴う発熱体層３と空気との熱交換により圧力波を発生する圧力波発生素子が提案されている（特許文献１、２、３）。

図４に示した構成の圧力波発生素子では、発熱体層３の直下には断熱層２が形成されているので、発熱体層３へ例えば交流電源から交流を通電することにより、発熱体層３へ通電される入力波形に応じて発熱体層３の温度が変化する一方で、発熱体層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。なお、図４に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体層３へ通電する交流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。要するに、図４に示した構成の圧力波発生素子では、発熱体層３へ与える電気的な入力（発熱体層３へ印加する電圧または発熱体層３へ供給する電流）の波形を周期波（例えば、正弦波、方形波など）として周期波の周期を変化させることで波形を変化させることによって、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、また、発熱体層３へ与える電気的な入力の波形を孤立波とすれば、圧力波として単パルス的な粗密波（インパルス音波）を発生させることができる。

ここにおいて、上記特許文献１、２に記載された赤外線放射素子では、支持基板１が単結晶のシリコン基板により構成されるとともに、断熱層２がシリコン基板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た多孔質シリコン層により構成されている。また、上記特許文献１には、断熱層２の熱伝導度および熱容量を支持基板１の熱伝導度および熱容量に比べて小さくすることが望ましく、断熱層２の熱伝導度と熱容量との積を支持基板１の熱伝導度と熱容量との積に比べて十分に小さくすることが好ましいことが記載されている。

なお、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子では、発熱体層３の表面（図４における発熱体層３の上面）が露出した構造を採用しており、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、発熱体層３の表面がＳｉＯ_２膜からなる絶縁保護層により覆われた構造を採用している。また、上記特許文献１，２には発熱体層３をアルミニウム薄膜により構成した実施例が記載され、上記特許文献３には発熱体層３を窒化タンタル膜により構成した実施例が記載されている。なお、上記特許文献３の実施例において、発熱体層３を構成する窒化タンタル膜の膜厚は０．５μｍに設定され、絶縁保護層を構成するＳｉＯ_２膜の膜厚は１．５μｍに設定されている。
特開平１１−３００２７４号公報特開２００２−１８６０９７号公報特開平３−１４０１００号公報

ところで、本願発明者らは、図４に示した構成の圧力波発生素子において例えば周波数が６０ｋＨｚの超音波を発生させるような場合、圧力波発生素子から３０ｃｍ離れた位置で、１５Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３の温度を４００℃程度まで上昇させる必要があり、３０Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３の温度を１０００℃を超えるような高温まで上昇させる必要があるという実験結果を得た。しかしながら、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子では、高出力化のために発熱体層３の材料としてアルミニウムに比べて高融点の金属を採用したとしても、発熱体層３の表面が露出して空気に曝されているので、発熱体層３の温度が数百℃を超えると発熱体層３が酸化されて発熱体層３の抵抗値が増加してしまうという不具合があった。ここにおいて、上述の圧力波発生素子を例えば定電圧で駆動する場合、発熱体層３の抵抗値をＲ、発熱体層３への印加電圧をＶとすると、発熱体層３への入力電力をＰとすると、Ｐ＝Ｖ^２／Ｒとなるので、発熱体層３の酸化によって発熱体層３の抵抗値が増加すると、発熱体層３への入力電力が低下し、出力（発生音圧のような圧力）が低下してしまうから、信頼性の向上が望まれている。

また、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、発熱体層３の材料として窒化タンタルを採用しており、発熱体層３が酸化するのを防止することができるが、窒化タンタルはアルミニウムなどの金属に比べて抵抗が高いので、定電圧で駆動する場合、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子に比べて発熱体層３へ高電圧を印加する必要が生じて入力電力が高くなってしまう（つまり、低消費電力化が難しい）という不具合があった。また、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子では、上記特許文献１，２に記載された圧力波発生素子に比べて発熱体層３の熱容量が大きいので、発熱体層３へ与える電気的な入力の波形に対する温度変化の応答が遅くなって発熱体層３の温度が上昇しにくくなり、高出力化および応答速度の高速化が難しいという不具合があった。ここにおいて、上記特許文献３に記載された圧力波発生素子における発熱体層３を高融点の金属により形成することも考えられるが、発熱体層３の表面を覆っている絶縁保護層がＳｉＯ_２膜により構成されているので、発熱体層３の温度が高温になると空気中の酸素が絶縁保護層中へ拡散して発熱体層３と絶縁保護層との界面に到達し、発熱体層３が酸化されてしまい、発熱体層３の抵抗値が増加してしまう。

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、高出力化を図りつつ発熱体層の酸化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にある。

請求項１の発明は、シリコン基板の一表面側に金属膜からなる発熱体層が設けられるとともに、シリコン基板と発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、発熱体層へ与える電気的な入力の波形に応じた発熱体層の温度変化に伴って発熱体層と空気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、シリコンよりも高融点の材料により形成された高融点膜からなるとともに、膜厚が、前記高融点膜の熱伝導率と、前記高融点膜の熱容量と、前記波形の周波数とで決まる熱拡散長以下に設定された酸化防止層を発熱体層の表面に被着してなることを特徴とする。ここにおいて、発熱体層へ与える電気的な入力とは、発熱体層へ印加する電圧または発熱体層へ供給する電流を意味している。

この発明によれば、発熱体層がシリコンよりも高融点の材料により形成されていることにより、発熱体層の温度をシリコンの最高使用温度まで上昇させることができる（シリコンの融点は１４１０℃）から、発熱体層をアルミニウムなどの比較的低融点の金属材料により形成する場合に比べて高出力化を図ることができ、しかも、発熱体層の表面に酸化防止層が被着されていることにより、発熱体層の酸化を防止することができる一方で、酸化防止層の膜厚を熱拡散長以下としてあるので、発熱体層の表面に酸化防止層が被着されていることによる出力の低下を少なくすることができるから、高出力化を図りつつ発熱体層の酸化を防止することができる。

請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記酸化防止層は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料により形成されてなることを特徴とする。ここにおいて、炭化物としては、例えば、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、ＴｈＣ、ＳｉＣなどがあり、窒化物としては、例えば、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などがあり、ホウ化物としては、例えば、ＨｆＢ、ＴａＢ、ＺｒＢ、ＴｉＢ、ＮｂＢ、ＷＢ、ＶＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢなどがあり、シリサイドとしては、例えば、ＷＳｉ、ＭｏＳｉ、ＴｉＳｉなどがある。

この発明によれば、前記酸化防止層を、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの半導体製造プロセスで利用される一般的な薄膜形成法により形成することができる。

請求項１の発明では、高出力化を図りつつ発熱体層の酸化を防止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（ａ），（ｂ）に示すように、単結晶のシリコン基板からなる支持基板１の一表面側に金属膜からなる発熱体層３が設けられるとともに、支持基板１と発熱体層３との間に断熱層２が設けられ、支持基板１の上記一表面側に発熱体層３の両端部（図１（ｂ）における左右両端部）それぞれと接する形で一対のパッド４，４が形成されており、発熱体層３の表面に酸化防止層５が被着されている。ここにおいて、本実施形態の圧力波発生素子は、発熱体層３へ与える電気的な入力（発熱体層３へ印加する電圧または発熱体層３へ供給する電流）の波形に応じた発熱体層３の温度変化に伴って発熱体層３と空気との熱交換により圧力波を発生する。なお、支持基板１の平面形状は長方形状であって、断熱層２、発熱体層３、酸化防止層５それぞれの平面形状も長方形状に形成してある。

ところで、本実施形態では、上述のように支持基板１として単結晶のシリコン基板を用いており、断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成しているので、支持基板１として用いるシリコン基板の一部をフッ化水素水溶液中で陽極酸化処理することにより断熱層２となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここに、陽極酸化処理の条件（例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定することにより、断熱層２となる多孔質シリコン層の多孔度や厚みそれぞれを所望の値とすることができる。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、例えば、熱伝導率が１４８Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が１．６３×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）の単結晶のシリコン基板を陽極酸化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）であることが知られている。なお、本実施形態では、上述のように断熱層２を多孔度が略７０％の多孔質シリコン層により構成してあり、断熱層２の熱伝導率が０．１２Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が０．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。

また、発熱体層３は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成してあり、発熱体層３は、熱伝導率が１７４Ｗ／（ｍ・Ｋ）、熱容量が２．５×１０^６Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）となっている。発熱体層３の材料はタングステンに限らず、シリコンよりも高融点の金属であればよく、例えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを採用してもよい。

酸化防止層５は、シリコンよりも高融点のＨｆＣにより形成してあるが、酸化防止層５の材料は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料を採用すればよく、シリコンよりも高融点の炭化物としては、ＴａＣ、ＨｆＣ、ＮｂＣ、ＺｒＣ、ＴｉＣ、ＶＣ、ＷＣ、ＴｈＣ、ＳｉＣなどが採用可能であり、シリコンよりも高融点の窒化物としては、ＨｆＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＢＮ、Ｓｉ_３Ｎ_４などが採用可能であり、シリコンよりも高融点のホウ化物としては、ＨｆＢ、ＴａＢ、ＺｒＢ、ＴｉＢ、ＮｂＢ、ＷＢ、ＶＢ、ＭｏＢ、ＣｒＢなどが採用可能であり、シリコンよりも高融点のシリサイドとしては、ＷＳｉ、ＭｏＳｉ、ＴｉＳｉなどが採用可能である。

なお、本実施形態の圧力波発生素子では、断熱層２の形成前のシリコン基板の厚さを５２５μｍ、断熱層２の厚さを２μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、各パッド４，４の厚さを０．５μｍ、酸化防止層５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。

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、支持基板１として用いるシリコン基板の他表面（図１（ｂ）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、シリコン基板の一表面側における断熱層２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多孔質シリコンからなる断熱層２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、シリコン基板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、シリコン基板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所定時間だけ流すことにより多孔質シリコンからなる断熱層２を形成している。

上述の陽極酸化処理工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、酸化防止層５を形成する酸化防止層形成工程、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、発熱体層形成工程、酸化防止層形成工程、およびパッド形成工程では、例えば、各種のスパッタ法、各種の蒸着法、各種のＣＶＤ法などによって膜形成を行えばよい。

ところで、本施形態の圧力波発生素子の比較例として、図１の構造において酸化防止層５を設けない素子を試作して、発熱体層３への入力電力を種々変化させた場合の出力音圧および発熱体層３の温度それぞれを測定した結果を図２に示す。ここに、図２の横軸は周波数が３０ｋＨｚの正弦波の電圧を入力としてピーク値を種々変化させた場合の入力電力のピーク値を、左側の縦軸は発熱体層３の表面から３０〔ｃｍ〕だけ離れた位置で測定した周波数が６０ｋＨｚの超音波の音圧（出力音圧）を、右側の縦軸は発熱体層３の表面の温度を、それぞれ示しており、同図中の「イ」が音圧の変化を示し、「ロ」が発熱体層３の温度の変化を示している。

図２から、発熱体層３への入力電力の増加に伴って音圧および発熱体層３の温度が上昇する傾向にあり、１５Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３の温度を４００℃程度まで上昇させる必要があり、３０Ｐａ程度の音圧を得るには発熱体層３の温度を１０００℃を超えるような高温まで上昇させる必要があることが分かる。しかしながら、この比較例のように発熱体層３の表面が露出している構造では、発熱体層３の温度が４００℃程度になると、空気中で酸化が起こり始めるので、発熱体層３の抵抗値が増加してしまう。

これに対して、本実施形態の圧力波発生素子では、シリコンよりも高融点の材料により形成された高融点膜からなる酸化防止層５を発熱体層３の表面に被着してある。ここにおいて、酸化防止層５を構成する高融点膜の膜厚が厚すぎると、発熱体層３近傍の熱容量の増大を招き、発熱体層３の温度上昇を妨げてしまい、また、上記高融点膜の熱伝導率が小さすぎると、発熱体層３で発生した熱が空気へ伝わりにくくなって出力が低下してしまう。そこで、本実施形態では、酸化防止層５として許容される高融点膜の膜厚を、熱伝導率と熱容量と発熱体層３へ与える電気的な入力の波形とで決まる熱拡散長以下に設定してある。ここにおいて、熱拡散長Ｌは、発熱体層３へ与える電気的な入力の波形を例えば周波数がｆ’〔Ｈｚ〕の交流の正弦波とするときには、発熱体層３の温度変化の波形の周波数をｆ（＝２ｆ’）、発熱体層３の温度変化の波形の角周波数をω（＝２πｆ）、酸化防止層５の熱伝導率および熱容量をそれぞれα〔Ｗ／（ｍ・Ｋ）〕、Ｃ〔Ｊ／（ｍ^３・Ｋ）〕とすれば、熱伝導方程式から導出される下記の数式で表される。

なお、上述の熱拡散長Ｌは、酸化防止層５の厚み方向の温度分布に関して、酸化防止層５における発熱体層３との界面の温度の１／ｅ倍（ｅは自然対数の底）となる位置と上記界面との間の距離である。また、発熱体層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。

ここで、本実施形態の圧力波発生素子から超音波を発生させる場合の数値例を挙げれば、酸化防止層５の材料がＨｆＣの場合、周波数ｆが２０ｋＨｚのとき（つまり、周波数が２０ｋＨｚの超音波を発生するとき）には熱拡散長Ｌ＝１１μｍとなるので酸化防止層５の厚みを１１μｍ以下とすればよく、周波数ｆが１００ｋＨｚのとき（つまり、周波数が１００ｋＨｚの超音波を発生するとき）には熱拡散長Ｌが５．１μｍとなるので酸化防止層５の厚みを５．１μｍ以下とすればよい（本実施形態では、上述のように酸化防止層５の材料としてＨｆＣを採用し、酸化防止層５の厚みを５０ｎｍに設定してある）。また、酸化防止層５がＴａＮの場合、周波数ｆが２０ｋＨｚのときには熱拡散長Ｌ＝５．９μｍとなるので酸化防止層５の厚みを５．９μｍ以下とすればよく、周波数ｆが１００ｋＨｚのときには熱拡散長Ｌが２．６μｍとなるので酸化防止層５の厚みを２．６μｍ以下とすればよい。要するに、本実施形態の圧力波発生素子でも、発熱体層３へ与える電気的な入力の波形を周期波（例えば、正弦波、方形波など）として周期波の周期を変化させることで波形を変化させることによって、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、また、発熱体層３へ与える電気的な入力の波形を孤立波とすれば、圧力波として単パルス的な粗密波（インパルス音波）を発生させることができる。

以上説明した本実施形態の圧力波発生素子では、発熱体層３がシリコンよりも高融点の材料により形成されていることにより、発熱体層３の温度をシリコンの最高使用温度まで上昇させることができる（シリコンの融点は１４１０℃）から、発熱体層３をアルミニウムなどの比較的低融点の金属材料により形成する場合に比べて高出力化を図ることができ、しかも、発熱体層３の表面に酸化防止層５が被着されていることにより、発熱体層３の酸化を防止することができる一方で、酸化防止層５の膜厚を上述の熱拡散長Ｌ以下としてあるので、発熱体層３の表面に酸化防止層５が被着されていることによる出力の低下を少なくすることができるから、高出力化を図りつつ発熱体層３の酸化を防止することができる（発熱体層３の酸化による信頼性低下を抑制することができる）。また、上述のように発熱体層３がタングステンなどの高融点の金属により形成されていることにより、上記特許文献３のように発熱体層３が窒化タンタル膜により形成されている場合に比べて、発熱体層３の抵抗値および熱量量を小さくできるので、定電圧で駆動する場合の駆動電圧の低電圧化を図れるとともに、応答速度を速めることができる。

また、酸化防止層５の材料として上述の炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドのいずれかを採用することにより、酸化防止層５を、スパッタ法、蒸着法、ＣＶＤ法などの半導体製造プロセスで利用される一般的な薄膜形成法により形成することができる。

また、本実施形態の圧力波発生素子では、上述のように発熱体層３、断熱層２、酸化防止層５のいずれの平面形状も長方形状となっているが、酸化防止層５の平面形状における長辺、短辺それぞれの長さ寸法を断熱層２の平面形状における長辺、短辺それぞれの長さ寸法よりも大きく設定してあり、断熱層２において発熱体層３が積層されていない部位の表面が酸化防止層５により覆われているので、酸化防止層５によって断熱層２の酸化も防止することができ、断熱層２の酸化による断熱層２の熱容量増加に起因した出力低下を防止することができる。

（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、実施形態１で酸化防止層５の両端部それぞれの一部がパッド４，４により覆われていたのに対して、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各パッド４，４の一部が酸化防止層５により覆われている点が相違するだけである。他の構成は実施形態１と同じである。

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、高出力化を図りつつ発熱体層３および断熱層２の酸化を防止することができる

実施形態１を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。同上の比較例の特性説明図である。実施形態２を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は概略断面図である。従来例を示す概略断面図である。

符号の説明

１支持基板
２断熱層
３発熱体層
４パッド
５酸化防止層

Claims

シリコン基板の一表面側に金属膜からなる発熱体層が設けられるとともに、シリコン基板と発熱体層との間に多孔質シリコン層からなる断熱層が設けられ、発熱体層へ与える電気的な入力の波形に応じた発熱体層の温度変化に伴って発熱体層と空気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、シリコンよりも高融点の材料により形成された高融点膜からなるとともに、膜厚が、前記高融点膜の熱伝導率と、前記高融点膜の熱容量と、前記波形の周波数とで決まる熱拡散長以下に設定された酸化防止層を発熱体層の表面に被着してなることを特徴とする圧力波発生素子。
前記酸化防止層は、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群から選択される材料により形成されてなることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。