JP5409251B2 - 電気機械変換装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気機械変換装置及び電気機械変換装置の製造方法に関する。
近年、マイクロマシンニング工程を用いて作製される容量型の電気機械変換装置が盛んに研究されている。通常の容量型電気機械変換装置は、第1の電極としての下部電極と所定の間隔を保って支持された振動膜と、前記振動膜の表面に配設される上部電極とを有する。これは、例えば、容量型超音波変換素子(CMUT:Capacitive−Micromachined‐Ultrasonic−Transducer)などとして用いられる。
CMUTは、軽量の振動膜を用いて超音波を送信、受信し、液中及び空気中でも優れた広帯域特性を持つため、有望な技術として注目されつつある。
CMUTの動作原理について説明する。超音波を送信する際には、下部電極と上部電極間に、DCバイアス電圧に微小なAC電圧を重畳して印加する。これにより、振動膜が振動し超音波が発生する。超音波を受信する際には、振動膜が超音波により変形するので、変形に伴う下部電極と上部電極間の容量変化により信号を検出する。
CMUT等の容量型電気機械変換装置の感度は、その電極間の間隔(ギャップ)、振動膜の剛性、電極面積領域、DCバイアス電圧などに依存する。DCバイアス電圧が高いほど、感度が高くなる。なお、容量型電気機械変換装置を生体表面もしくは体内の生体組織に接触させる場合、絶縁性の保護膜を前記容量型電気機械変換装置の表面に設ける必要がある(非特許文献1参照)。
Journal of Micromechanics and Microengineering,Vol.17,2007,p.994−1001.
上述した様に、容量型電気機械変換装置の電気機械変換効率を高めるためには、より高いDCバイアス電圧を印加することが好ましい。また、医療診断上、露出される容量型電気機械変換装置表面には絶縁性を有する保護膜を設けることが必要になる。
しかしながら、保護膜を容量型電気機械変換装置表面に全面コーティングすることによって、振動膜に余計な質量、剛性を加えることになる。このような余計な減衰効果により、振動周波数がシフトし、振動変位量が減って感度が低下してしまう可能性があった。
そこで、本発明は、前記保護膜を形成しながら、感度の低下を抑制することを目的とする。
前記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は、第1の電極と、前記第1の電極との間に間隙を挟んで形成された振動膜と、前記振動膜に形成された第2の電極と、を備えた素子の前記振動膜側の表面に絶縁性の保護膜が形成された電気機械変換装置であって、前記第2の電極表面と前記第2の電極の配線表面は前記保護膜に覆われており、前記振動膜表面の少なくとも一部に保護膜が形成されていない領域を有することを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換装置の製造方法は、第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極との間に間隙を挟んで振動膜を形成する工程と、前記振動膜に第2の電極を形成する工程と、を含む電気機械変換装置の製造方法であって、前記機械電気変換素子の前記振動膜側の表面に絶縁性の保護膜を形成した後、前記第2の電極表面と前記第2の電極の配線表面に形成された前記保護膜は残し、前記振動膜表面に形成された前記保護膜の少なくとも一部を除去する工程を有することを特徴とする。
本発明によれば、保護膜を形成しながら、感度の低下を抑制することが可能となる。より具体的には、露出される電極表面に絶縁性を有する保護膜を設けた状態であっても、電気機械変換装置の振動膜の剛性への影響を低減できる。よって、素子感度の低下の影響を低減できる。
本発明に係る電気機械変換装置の実施形態の構成を示す断面図。 本発明に係る電気機械変換装置の第1実施例の製造工程図。 本発明に係る第1実施例の電気機械変換装置の断面図。 本発明に係る第1実施例の電気機械変換装置の上面図。 本発明に係る第2実施例の電気機械変換装置の上面図。 本発明に係る第3実施例の電気機械変換装置の上面図及び透視図。
以下、図面を用いて本発明を説明する。図1は、本発明に係る電気機械変換装置の一例を示す断面図である。
本発明の電気機械変換装置60は、図1に示すように、第1の電極である下部電極8と、振動膜3と、第2の電極である上部電極1と、を備えた素子を備えている。図1においては2つの素子51、52が形成されている例を示しているが、素子の数はこれに限られず、所望の数だけ設ければよい。また、図1の電気機械変換装置60では、基板4の上に、第1の電極である下部電極8が形成される。振動膜3は振動膜支持部14によって、下部電極との間に一定の間隔を保って支持される。つまり、下部電極8と、第2の電極である上部電極1が形成された振動膜3と、振動膜支持部14と、に囲まれて間隙であるキャビティ10が形成される。そして、振動膜3および上部電極1の上に、保護膜12が設けられている。
本発明では、上部電極表面及び、上部電極の配線表面は保護膜に覆われており、振動膜上の少なくとも一部に保護膜が形成されていない領域34を有する。なお、上部電極の配線とは、図2及び図6の7に示すように上部電極同士を電気的に接続したり、もしくは上部電極の信号を取り出したりする配線のことを示す。
本発明に用いられる基板としては半導体又は絶縁体、或いは絶縁性表面を有する半導体基板が挙げられる。また、基板がシリコン基板等の半導体基板の場合は、基板が下部電極を兼ねても良い。
上部電極1は、金属、低抵抗のアモルファスSi、低抵抗の酸化物半導体の中から選ばれる一種の材料を用いることが可能である。
下部電極8の材料は、電気的に低抵抗材料であればよい。例えば、ドープした単結晶Si基板、ドープした多結晶Si膜、若しくはドープした領域を下部電極とする単結晶Si基板、ドープしたアモルファスSi、酸化物半導体、金属膜などでもよい。上述したように基板が下部電極を兼ねることも可能である。なお、素子の電気信号を検出する際に、下部電極8による電位降下を減らすことが好ましい。よって、Siで下部電極8を形成する場合、そのシート抵抗は、20.0Ω/□以下が好ましく、5.0Ω/□以下がより好ましく、1.0Ω/□以下が最も好ましい。
振動膜3の材料としては、誘電率が高いことが好ましいため、半導体プロセスに使われているSi膜、Si膜、SiN膜や、Y、HfO、HfAlO、BST((Ba,Sr)TiO3)などの高誘電率材料の中から、少なくとも一種を選択して使用することも可能である。
また、図1では、1つの素子中に上部電極が1つずつ形成されている場合を示しているが、本発明において、上部電極は、1つの素子中に複数形成されていてもよい。この場合、素子中の複数の上部電極は電気的に並列に接続されている。また、下部電極も1つの素子中に複数形成され、夫々電気的に並列に接続されていても良い。つまり、1つの素子中に上部又は下部電極の少なくとも一方が複数形成されている場合でも、1つの素子は、1つの信号を出力する。言い換えると、上部又は下部電極の少なくとも一方が複数存在する場合でも、複数の上部及び下部電極が電気的に並列に接続され、1つの信号を出力する構成を素子とする。
通常、容量型電気機械変換装置の電気機械変換係数を高くするために、動作中は、上部電極1と下部電極8の間にDCバイアス電圧をかける。このDCバイアス電圧の働きにより、振動膜3は下部電極方向へ変位する。ただし、一旦DCバイアス電圧が一定の電圧を超えると、振動膜3が基板に接触(コラプス)し、電気機械変換係数がかえって低下する恐れがある。この一定の電圧はコラプス電圧といわれる。こうしたコラプスが発生しない様に、バイアス電圧は調整されるが、コラプスしてもショートしないように、上部電極と下部電極の少なくとも一方は絶縁層により覆われていることが好ましい。
また、本発明において、保護膜が形成されていない領域は、振動膜上の少なくとも一部に存在すれば、全面コーティングに比べて感度の低下は抑制することができる。ただし、図1に示すように、素子が複数形成されている場合、保護膜が形成されていない領域が、隣り合う素子の上部電極間(第2の電極間)に存在することが好ましい。このような構成にすることで、隣り合う素子間のクロストークを抑えることができる。隣り合う素子間のクロストークとは、例えば、図1の素子51の振動膜3の変位が、素子52の振動膜の変位に影響を与えることを示す。
なお、保護膜12のパターンは、上部電極及び配線を覆っていれば、電気絶縁の役割は達成できる。上部電極及び配線以外の部分(振動膜)を覆う保護膜が振動膜3に余計な質量、剛性を与えてしまって、振動変位が減り感度が落ちる。よって、電気絶縁に関係しない振動膜部分を覆う保護膜はできるだけ減らすことが好ましい。このような理由から、「上部電極近傍(第2の電極近傍)と上部電極の配線近傍(第2の電極の配線近傍)」のみ前記保護膜に覆われ、それ以外の振動膜表面は保護膜が形成されていないことが好ましい。本発明において「上部電極近傍と上部電極の配線近傍」とは、「上部電極及び上部電極の配線の領域」と、「それらの周囲の領域」とを足した領域である。また、「それらの周囲の領域」としては、「上部電極及び上部電極の配線の領域」からの距離が「配線幅の2倍以下の領域」を示すものし、好ましくは、「配線幅の2倍以下の領域」であり、「保護膜の膜厚以上の幅の領域」である。これは、保護膜の膜厚以上であることにより、上部電極及び上部電極の配線の表面(断面図での上部の表面)だけでなく側面(断面図でのサイドの表面)も十分に覆うことができるためである。
保護膜の主な役割は、電気機械変換装置と外部との電気絶縁であるが、生体適合性を有する(生体との反応を回避する)材料であると好ましい。このため、その保護膜の材料としては絶縁性を有する高分子材料が好ましい。例えば、生体適合性が高い高分子樹脂膜(例えば、ポリジメチルシロキサン膜(PDMS:polydimethyl siloxane)、パリレン膜(Parylene)、ポリイミド膜(Polyimide)、ポリメタクリル酸メチル樹脂膜(PMMA:Poly(methyl methacrylate))、などを用いることが好ましい。また、高分子樹脂膜の代わりに、Si膜、Si膜、SiN膜などの無機膜なども使用可能である。
保護膜のパターニングは、振動膜及び上部電極の表面に保護膜を形成した後、所望の領域だけ残して保護膜を除去する方法が考えられる。一般のフォトリソグラフィを利用することができ(実施例1参照)、保護膜として感光性高分子樹脂(実施例2参照)や、熱硬化樹脂(実施例3参照)を用いることでより簡便に形成することも可能である。
また、医療診断に応用する場合、インピーダンスをマッチングするため、電気機械変換装置と生体の間にカップリング液を用いる。この液体が中空のキャビティに入ると、液体の可圧縮性が気体より大幅に小さいので、振動膜がほとんど振動できなくなってしまう。そのため、素子の寿命、性能を維持するためは、キャビティを封止することが好ましい。さらに、キャビティ中に空気やガスなどを封止すると、感度が落ちる恐れがあるため、キャビティを真空封止することがより好ましい。
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
(第1実施例)
図2は、本発明に係る電気機械変換装置の製造方法の第1実施例の工程を説明する断面図である。以下の説明を簡潔にするため、パターニング工程は、基板上のフォトレジストの塗布、乾燥、露光、現像などのフォトリソグラフィ工程から、エッチング工程、フォトレジストの除去、基板の洗浄、乾燥工程の順に行なわれる全工程を意味するものとする。また、本実施例の基板4はSiを例として説明するが、他の材料の基板を使用することもできる。例えば、SiO、サファイアなどの絶縁性の基板も使用可能である。なお、図2には、隣接する二つ素子を形成する断面図を示しているが、素子数はこれに限られず、何個の場合でも同じ工程によって形成することが出来る。
本実施例の製造方法において、先ず、Si基板4を準備し、洗浄する。次に、表面に下部電極8を形成する。その後、図2(a)に示すように、下部電極8の上に犠牲層11を形成し、パターニングする。
本実施例で、第1の電極である下部電極8が金属Ti(膜厚約500nm)であって、犠牲層11がCr(膜厚約200nm)である場合を説明する。
なお、犠牲層11の厚さによって、最終的な電極間距離(下部電極8と後述する上部電極との距離)が決定される。犠牲層11が薄いほど、素子の機械電気変換係数が高くなる。ただし、電極間距離が狭すぎると、絶縁破壊の恐れが高まる。従って、犠牲層11の厚さは、5nmから4000nmの範囲が好ましく、10nmから1000nmの範囲がより好ましく、20nmから500nmの範囲が最も好ましい。
本実施例では、犠牲層11として、スパッタ法で成膜したCr膜を使用する。このCr膜はウェットエッチングでパターニングする。Crエッチング液としては、(NHCe(NO、およびHClOを含有する液を使用することができる。このエッチング液は、下部電極8のTiをエッチングする速度が低いため、高いエッチング選択性が得られる。
更に、図2(b)に示すように、PECVD法(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition)で振動膜3である窒化膜SiN(膜厚約600nm)を成膜する。その後、CFガスによるRIE(ReactiveIon Etching)でパターニングする。なお、このプロセスで、同時にエッチング液の入口13を形成することが可能である。なお、前記振動膜3の面積を確保するため、エッチング液の入口13が出来るだけ、振動に影響せずに振動膜の周辺、もしくは端部に設けることが好ましい(不図示)。
その後、図2(c)に示すように、エッチング液に浸漬することで、エッチング液がエッチング液の入口13から導入され犠牲層11を除去する。この際、犠牲層11のCrはエッチングされるが、(NHCe(NO、およびHClOの混酸水溶液では、下部電極8のTi層はほとんどエッチングされない。
また、犠牲層11をウェットエッチングした直後、液体表面張力による振動膜の下部電極上への付着(スティッキング)を回避するため、純水に数回浸漬する。そして、液体COによる超臨界乾燥法を用いて試料を乾燥して、キャビティ10が形成される。また、犠牲層11をエッチングすることにより振動膜3と同一工程で形成された窒化膜の一部が支持部14となる。
次に、図2(d)に示すように、再度PECVD法で窒化膜SiNを成膜して、前記エッチング液の入口13を封止し、封止部20を形成する。
その後、図2(e1)に示すように、振動膜3の上にAl層200nmを成膜して、パターニングする。このAl膜は、第2の電極である上部電極1とする。上部電極1は、窒化膜SiNである振動膜3を介して基板4、および下部電極8と電気的に絶縁されるため、平行平板のような素子構造が形成される。
なお、上下電極のコラプス状態の際に発生するショートを回避するため、上部電極と下部電極の少なくとも一方は絶縁層により覆われることが好ましいが、本実施例は振動膜3がこの絶縁膜を兼ねることによって、プロセスの簡便化を図ることができる。
図2(e2)は、図2(e1)を簡単のため封止部を省略して示した模式図であり、以降の説明においては、図2(e2)のように、簡略化した図を用いて説明する。図2(e3)は図2(e2)の2つの素子の上面図である。図2(e2)が図2(e3)のAB破線の断面図であって、図2(e4)が図2(e3)のCDE破線の断面図である。図2(e2)、図2(e3)に示す上部電極の配線7は、上部電極同士を電気的に接続したり、もしくは上部電極1の信号を取り出したりする配線である。図2(e3)では、隣り合う上部電極同士は配線により接続されていない例を示している。
次に、図3に示すように、絶縁膜を上部電極1の上に成膜して、パターニングし、この絶縁膜を保護膜12とする。図3は図2(e4)と同様の断面を示す模式図である。本実施例では、市販装置(日本パリレン社製、製品名PDS2010)で成膜するパリレン膜(化学名:Parylene−C(Poly(monochloro−p−xylylene))、膜厚2μmを例として説明する。
図4は図3に対応する上面図である。図3、および図4に示すように、酸素ガスによるプラズマのRIEドライエッチング法で、前記パリレン保護膜12をエッチングする。このエッチングマスクとしてはフォトレジスト(例えばHOECHST CELANESE社製AZ4620)を用いることができる。このRIEプロセス条件については、圧力10〜1000mTorr、RF Power100〜1000W、酸素流量10〜300sccmがプロセス可能な範囲である。上記のRIEプロセス条件でパリレン対フォトレジストAZ4620とのエッチング選択比が約0.7〜2.0範囲である。このため、フォトレジストAZ4620を2.5μm以上の膜厚で塗布すれば、パリレン保護膜をパターニングすることができる。
酸素ガスプラズマRIEによれば精密なドライエッチングが可能なため、下地の窒化膜SiN振動膜3を損傷せずに保護膜12の所望なパターンが精密に形成できる。さらに、下地の窒化膜SiN振動膜3をパリレン保護膜12のエッチングストップ層として、前記酸素ガスプラズマによりパターニングすることができる。このようにして図3、図4のように、隣り合う二つ素子(第1の素子51、第2の素子52)を形成することができる。
図4に示すように、本実施例では、第1の素子51と第2の素子52との間に保護膜12のない領域34として溝のような空間34が存在する。各寸法は下記の表1に示す。
Figure 0005409251
表1の条件で市販のFinite Elementソフト(Ansys)で振動膜の変位量を計算した結果を表2に示す。表中では、第1の素子の膜中心変位量をδとし、第2の素子の膜中心変位量をδとする。電極の剛性はこの計算では省略する。
Figure 0005409251
表2に示すように、計算の結果、保護膜12のない領域としての溝34を設けることによって、振動膜の変位量が約0.5%増加した。本実施例では0.5%の変位量の増加であるが、保護膜12のない領域をもっと広げれば、変位量がさらに増加して、感度が向上し得る。
さらに、溝34を設けることによって、隣り合う素子の影響による振動膜の変位量は0.37倍に減少した。即ち、保護膜が形成されていない領域が上部電極間に存在することによって、素子間のクロストークを抑えられることが分かる。
なお、上述した図2〜図4では、本実施例の隣接する二つ素子(第1の素子51、第2の素子52)の構成及び製造工程を示したが、大面積の素子アレイを作製する際には、これらの図でそれぞれ示した素子を基板上に規則的若しくは周期的に配置すればよい。
(第2実施例)
本実施例では、第1実施例と同じように図2の工程まで作製し、その後、図5の上面図で示されるように保護膜をパターニングする。保護膜は、感光性ポリイミド(例えば、東レ社製の感光性ポリイミド、製品名:フォトニース)を用いることとする。このような材料を用いることにより、直接、精密なリソグラフィによって保護膜のパターニングが可能なため、第1実施例のエッチング法より簡便に作成することができる。
更に、本実施例では図5に示すように、隣接する二つ素子(第1の素子51、第2の素子52)の上部電極間にある保護膜12が全て除去され、その間隔2gが大きいほど、隣接する素子のクロストークを抑えることができる。
(第3実施例)
本実施例では、第1実施例と同じように、図2の工程まで作製し、その後、図6の上面図で示されるように保護膜をパターニングする。図6(b)は図6(a)の保護膜12を透視した透視図である。
保護膜として熱硬化樹脂(例えば、大阪ガスケミカル社製、製品名:オグソールSI−20)を塗布し、その後、上部電極1から電気配線33により電気信号を取り出して、外部の電流源32に接続する。上部電極1の端部の2箇所に電流を流すと、上部電極1自身が抵抗線になり発熱することによって、その上部電極近傍の熱硬化樹脂を硬化させることができる。特に振動膜3が熱不良導体、例えば、窒化膜SiN等の場合、発熱する上部電極1(熱導体)および上部電極の配線7の附近に熱が集中し、図6(a)、(b)のような形状の保護膜を形成することができる。
本実施例では、上部電極1および上部電極の配線7の発熱によって、セルフアレンジメントで保護膜パターニングが可能なため、上部電極及び上部電極の配線を絶縁し、かつ保護領域を最小限にすることができる。即ち、上部電極近傍と上部電極の配線近傍以外の振動膜表面に保護膜が形成されていないので、感度低下の影響を最小限に抑えることができ、クロストークも抑制することができることから、最も好ましい保護膜のパターンとなる。また、このように局所的な自己加熱の方法により、保護膜のパターニング用マスクの形成工程を減らすことができ、プロセスが容易になる。
なお、図4(b)の上面図のように、上部電極近傍と上部電極の配線近傍とは、「上部電極及び上部電極の配線の領域」と、「それらの周囲の領域(図6で示すdの幅の領域)」とを足した領域である。また、dの幅としては、保護膜の膜厚以上の幅であることが好ましい。これは、保護膜の膜厚以上であることにより、上部電極及び上部電極の配線の表面(断面図での上部の表面)だけでなく側面(断面図でのサイドの表面)も十分に覆うことができるためである。
また、上記3つの実施例では所望の電極間隔(上部電極と下部電極との間隔)と同等の厚さの犠牲層を設けて、犠牲層の上部に振動膜を形成し、犠牲層を除去する方法(サーフェス型)を用いてキャビティを形成したが、基板上に振動膜支持部を設け、SOI基板を接合することによってキャビティを形成する方法(接合型)を用いても良い。
1 上部電極
3 振動膜(絶縁体)
4 基板
6 絶縁層
7 上部電極の配線
8 下部電極
9 隣接する素子の中央線
10 キャビティ(間隙)
11 犠牲層
12 保護膜
13 エッチング液の入口
14 振動膜支持部
20 封止部
32 電流源
33 電気配線
34 保護膜12のない領域(溝)
51 素子1
52 素子2

Claims (4)

  1. 第1の電極と、前記第1の電極との間に間隙を挟んで形成された振動膜と、前記振動膜に形成された第2の電極と、を備えた素子の前記振動膜側の表面に絶縁性の保護膜が形成された電気機械変換装置であって、
    前記第2の電極表面と前記第2の電極の配線表面は前記保護膜に覆われており、
    前記振動膜表面の少なくとも一部に保護膜が形成されていない領域を有することを特徴とする電気機械変換装置。
  2. 前記素子が複数形成されており、前記保護膜が形成されていない領域が、隣り合う素子の前記第2の電極間に存在することを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換装置。
  3. 前記第2の電極近傍と前記第2の電極の配線近傍以外の前記振動膜表面には保護膜が形成されていないことを特徴とする請求項1に記載の電気機械変換装置。
  4. 第1の電極を形成する工程と、前記第1の電極との間に間隙を挟んで振動膜を形成する工程と、前記振動膜に第2の電極を形成する工程と、を含む電気機械変換装置の製造方法であって、
    前記電気機械変換装置の前記振動膜側の表面に絶縁性の保護膜を形成した後、前記第2の電極表面と前記第2の電極の配線表面に形成された前記保護膜は残し、前記振動膜表面に形成された前記保護膜の少なくとも一部を除去する工程を有することを特徴とする電気機械変換装置の製造方法。
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