JP4682573B2

JP4682573B2 - 圧力波発生素子

Info

Publication number: JP4682573B2
Application number: JP2004280413A
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: 2004-09-27
Filing date: 2004-09-27
Publication date: 2011-05-11
Anticipated expiration: 2024-09-27
Also published as: JP2006088126A

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）。

この種の圧力波発生素子は、図４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上に形成されたアルミニウム薄膜からなる発熱体層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。

ところで、上述の圧力波発生素子では、発熱体層３の膜厚が３０ｎｍ程度に設定されており、発熱体層３への通電を行うためには、図５に示すように、発熱体層３の両端部それぞれに接する一対のパッド４，４を設け、各パッド４，４へ金属細線（ボンディングワイヤ）をワイヤボンディングすればよい。

なお、図５に示した構成の圧力波発生素子は、発熱体層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期待されている。
特開平１１−３００２７４号公報

しかしながら、本願発明者らは鋭意研究の結果、上述の圧力波発生素子を強力な超音波が必要な用途に用いる場合には、発熱体層３への通電時に発熱体層３の温度が１０００℃を超える非常に高い温度になるという知見を得た。その知見の一例を図６に示す。図６のグラフの横軸は、周波数が６０ｋＨｚの正弦波電圧を一対のパッド４，４間に印加するにあたって正弦波電圧のピーク値を種々変化させた場合の入力電力の最大値、左側の縦軸は、発熱体層３の表面から３０ｃｍだけ離れた位置で測定した出力音圧、右側の縦軸は、発熱体層３の表面の温度となっており、図６中の「イ」が音圧、「ロ」が温度を示している。

そこで、本願発明者らは、発熱体層３の材料としてタングステンなどの高融点金属を採用した圧力波発生素子について検討したが、上述の圧力波発生素子を強力な超音波が必要な用途に用いる場合には、タングステンを構成材料とする発熱体層３とアルミニウムを構成材料とするパッド４とが反応して部分的な凝集による欠落部が発生したり高抵抗部が発生したりして、電流集中により発熱体層３が断線してしまう問題があるという知見を得た。さらに、発熱体層３と反応したパッド４の材料が熱絶縁層２と反応して熱絶縁層２の一部が破壊されやすくなるという知見を得た。

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、発熱体層における各パッド近傍部位の破壊を防止でき、長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能な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、支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、発熱体層の両端部それぞれに電気的に接続された一対のパッドとを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層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、発熱体層と各パッドそれぞれとの間に介在し発熱体層と各パッドそれぞれとの反応を防止する一対のバリア層を介して発熱体層と各パッドそれぞれとが電気的に接続されてなり、各バリア層は、発熱体層における両パッドの形成部位間の表面の一部であって各パッドそれぞれの近傍の表面を覆う形で延設されてなることを特徴とする。

この発明によれば、発熱体層と各パッドそれぞれとの間にバリア層が設けられているので、発熱体層の温度上昇時に発熱体層と各パッドそれぞれとの反応を抑制できて、発熱体層における各パッド近傍部位の破壊を防止でき、長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層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（高出力化）を図れる。

また、この発明によれば、各バリア層は、発熱体層における両パッドの形成部位間の表面の一部であって各パッドそれぞれの近傍の表面を覆う形で延設されているので、発熱体層の温度上昇時に発熱体層と各パッドそれぞれとの反応をより確実に抑制することができ、より一層の長寿命化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、前記各パッドの材料が、Ａｌであり、前記発熱体層の材料が、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｉｒの群から選択される材料であり、前記各バリア層の材料が、ＴａＮ若しくはＴｉＮであることを特徴とする。

この発明によれば、前記各パッドの材料として一般的なＡｌを採用するとともに前記発熱体層の材料として高融点の金属を採用しながらも、前記各バリア層の材料が、ＴａＮ若しくはＴｉＮであることにより、前記各バリア層と前記各パッドとの反応が起こりにくく且つ前記バリア層の耐熱性が高いという利点がある。

請求項３の発明は、請求項１の発明において、前記支持基板がシリコン基板からなるとともに前記熱絶縁層が多孔質シリコン層からなり、前記各パッドの材料が、Ａｌであり、前記発熱体層の材料が、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｉｒの群から選択される材料であり、前記各バリア層の材料が、ＷＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２の群から選択される材料であることを特徴とする。

この発明によれば、前記熱絶縁層の熱伝導率と熱容量との積が前記支持基板の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さく且つ前記熱絶縁層の耐熱性が高いので、発生させる圧力波の高出力化を図れ、その一方で、前記各パッドの材料として一般的なＡｌを採用するとともに前記発熱体層の材料として高融点の金属を採用しながらも、前記各バリア層の材料が、ＷＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２の群から選択される材料であることにより、前記発熱体層の両端部それぞれへ前記熱絶縁層からＳｉが拡散しても前記各バリア層により前記各パッドへのＳｉの拡散が抑制されるので、前記発熱体層における前記各パッド近傍部位の破壊を防止することができる。

請求項１の発明では、発熱体層の温度上昇時に発熱体層と各パッドそれぞれとの反応を抑制できて、発熱体層における各パッド近傍部位の破壊を防止でき、長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能になるという効果がある。

（参考例）
本参考例の圧力波発生素子は、図１（ａ），（ｂ）に示すように、半導体基板１と、半導体基板１の一表面（図１（ｂ）における上面）側に形成された熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された発熱体層３と、半導体基板１の上記一表面側で発熱体層３の両端部（図１（ａ）における左右両端部）それぞれに沿って形成されバリア層５，５を介して発熱体層３と電気的に接続された一対のパッド４，４とを備えている。すなわち、本参考例の圧力波発生素子は、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの間に介在し発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの反応を防止する一対のバリア層５，５を備えている。本参考例では、半導体基板１が支持基板を構成している。なお、半導体基板１、熱絶縁層２、発熱体層３それぞれの外周形状は矩形状としてあり、各パッド４，４の外周形状は、両パッド４，４の並設方向（図１（ｂ）における左右方向）に直交する方向を長手方向とする細長の矩形状としてある。

ここにおいて、本参考例の圧力波発生素子は、発熱体層３への通電（電気エネルギの供給）に伴う発熱体層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。例えば、交流電源から一対のパッド４，４を介して発熱体層３へ正弦波状の交流電圧を印加した場合には、発熱体層３の温度がジュール熱の発生によって変化し、発熱体層３の温度変化に伴って圧力波（音波）が発生する。

本参考例の圧力波発生素子では、半導体基板１としてｐ形のシリコン基板を用いており、熱絶縁層２を多孔質シリコン層により構成している。ここで、熱絶縁層２を構成する多孔質シリコン層は、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、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、多孔度を変化させることができる。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、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。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。なお、熱絶縁層２は、多孔質シリコン層に限らず、例えば、ＳｉＯ_２膜やＳｉ_３Ｎ_４膜などにより構成してもよい。

ここに、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を構成する多孔質半導体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、発熱体層３の材料としては、高融点金属の一種であるＷを採用しているが、発熱体層３の材料は、Ｗに限らず、融点が１０００℃よりも比較的高い高融点の金属であればよく（Ｓｉの融点である１４１０℃よりも融点が高い金属であることが望ましい）、例えば、Ｔａ、Ｍｏなどの高融点金属や、Ｉｒなどの貴金属を採用してもよい。

また、各バリア層５，５は、発熱体層３の端部上と半導体基板１の上記一表面上とに跨るように形成され、各パッド４，４は、各バリア層５，５に積層されている。ここにおいて、各パッド４，４の材料としては、半導体素子のパッド材料として一般的に用いられているＡｌを採用している。

また、各バリア層５，５の材料としては、窒化物の一種であるＴａＮを採用している。ただし、バリア層５の材料は、Ｔａの窒化物であるＴａＮに限らず、発熱体層３とパッド４との反応を抑制できる材料であればよく、例えば、Ｔｉの窒化物であるＴｉＮや、ＷＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２などのシリサイドを採用してもよい。

なお、本参考例の圧力波発生素子では、熱絶縁層２の厚さを１０μｍ、発熱体層３の厚さを５０ｎｍ、パッド４の厚さを１μｍ、バリア層５の厚さを０．０１μｍ〜０．３μｍ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、本参考例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、単結晶のｐ形シリコン基板からなる半導体基板１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、図２に示すような陽極酸化処理装置にて陽極酸化処理を行うことで多孔質シリコン層からなる熱絶縁層２を形成する。ここにおいて、陽極酸化処理の工程が熱絶縁層形成工程となっており、陽極酸化処理にあたっては、図２に示すように、半導体基板１を主構成とする被処理物Ｃを処理槽Ａに入れられた電解液（例えば、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）Ｂに浸漬し、その後、電流源２０のマイナス側に配線を介して接続された白金電極２１を電解液Ｂ中において半導体基板１の上記一表面側に対向するように配置する。続いて、通電用電極を陽極、白金電極２１を陰極として、電流源２０から陽極と陰極２１との間に所定の電流密度（ここでは、２０ｍＡ／ｃｍ^２）の電流を所定時間（ここでは、８分）だけ流す陽極酸化処理を行うことにより半導体基板１の上記一表面側に周部以外の部位の厚さが一定の所定厚さ（ここでは、１０μｍ）となる熱絶縁層２を形成する。なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定するものではなく、電流密度は例えば１〜５００ｍＡ／ｃｍ^２程度の範囲内で適宜設定すればよいし、上記所定時間も熱絶縁層２の上記所定厚さに応じて適宜設定すればよい。

上述の熱絶縁層形成工程の後、発熱体層３を形成する発熱体層形成工程、バリア層５，５を形成するバリア層形成工程、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く、バリア層形成工程では、スパッタ法、電子ビーム蒸着法などによって膜形成を行えばよい。

以上説明した本参考例の圧力波発生素子では、発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの間に、発熱体層３への通電に伴う発熱体層３の温度上昇時に発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの反応を防止するバリア層５，５が設けられているので、発熱体層３の温度上昇時に発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの反応を抑制できて、発熱体層３における各パッド４，４近傍部位の破壊を防止でき、長期間にわたって超音波域の圧力波を安定して発生可能となり、長寿命化を図ることができるとともに、通電時に発熱体層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（高出力化）を図れる。また、各パッド４，４の材料が、ワイヤボンディングが容易なＡｌであり、発熱体層３の材料として、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｉｒのいずれかを採用する場合に、バリア層５，５の材料として、例えば、ＴａＮ若しくはＴｉＮを採用すれば、各パッド４，４の材料として一般的なＡｌを採用するとともに発熱体層３の材料として高融点の金属を採用しながらも、各バリア層５，５と各パッド４，４との反応が起こりにくく且つバリア層５，５の耐熱性が高いという利点がある。

ところで、本参考例では、支持基板としての半導体基板１がシリコン基板により構成され、熱絶縁層２が多孔質シリコン層により構成されており、熱絶縁層２の熱伝導率と熱容量との積が支持基板の熱伝導率と熱容量との積に比べて十分に小さく（約１／４００）且つ熱絶縁層２の耐熱性が高いので、発生させる圧力波の高出力化を図れるが、上述のバリア層５，５を設けていることで高出力の超音波を長期間にわたって安定して出力させることができる。ここにおいて、各バリア層５，５の材料として、例えば、ＷＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２などのシリサイドを採用すれば、発熱体層３の両端部それぞれへ熱絶縁層２からＳｉが拡散しても各バリア層５，５により各パッド４，４へのＳｉの拡散が抑制されるので、発熱体層３における各パッド４，４近傍部位の破壊を防止することができる。

（実施形態）
本実施形態の圧力波発生素子の基本構成は参考例と略同じであり、図３（ａ），（ｂ）に示すように、各バリア層５，５が、発熱体層３における両パッド４，４の形成部位間の表面の一部であって各パッド４，４それぞれの近傍の表面を覆う形で延設されている点が相違する。ここにおいて、各バリア層５，５の延長距離（各バリア層５，５のうちパッド４，４が重複していない部分に関して、一対のパッド４，４の並設方向における長さ）は、５０μｍに設定してあるが、この数値は特に限定するものではない。なお、参考例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。

しかして、本実施形態の圧力波発生素子では、発熱体層３の温度上昇時に発熱体層３と各パッド４，４それぞれとの反応を参考例に比べて、より確実に抑制することができ、より一層の長寿命化および信頼性の向上を図れる。

参考例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。同上の製造方法の説明図である。実施形態を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。他の従来例を示し、（ａ）は概略平面図、（ｂ）は（ａ）のＤ−Ｄ’断面図である。同上の特性説明図である。

１半導体基板
２熱絶縁層
３発熱体層
４パッド
５バリア層

Claims

支持基板と、支持基板の一表面側に形成された発熱体層と、支持基板の前記一表面側で支持基板と発熱体層との間に介在する熱絶縁層と、発熱体層の両端部それぞれに電気的に接続された一対のパッドとを備え、一対のパッドを介した発熱体層への通電に伴う発熱体層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、発熱体層と各パッドそれぞれとの間に介在し発熱体層と各パッドそれぞれとの反応を防止する一対のバリア層を介して発熱体層と各パッドそれぞれとが電気的に接続されてなり、各バリア層は、発熱体層における両パッドの形成部位間の表面の一部であって各パッドそれぞれの近傍の表面を覆う形で延設されてなることを特徴とする圧力波発生素子。
前記各パッドの材料が、Ａｌであり、前記発熱体層の材料が、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｉｒの群から選択される材料であり、前記各バリア層の材料が、ＴａＮ若しくはＴｉＮであることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。
前記支持基板がシリコン基板からなるとともに前記熱絶縁層が多孔質シリコン層からなり、前記各パッドの材料が、Ａｌであり、前記発熱体層の材料が、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ、Ｉｒの群から選択される材料であり、前記各バリア層の材料が、ＷＳｉ_２、ＴａＳｉ_２、ＴｉＳｉ_２の群から選択される材料であることを特徴とする請求項１記載の圧力波発生素子。