JP5436013B2 - 機械電気変化素子 - Google Patents

Description

本発明は、機械電気変換素子に関する。

近年、マイクロマシニング工程を用いて作製される機械電気変換素子が盛んに研究されている。特にＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）と呼ばれる静電容量型の機械電気変換素子は軽量の薄膜を用いて超音波の送受信が可能であり、従来から用いられている圧電型の機械電気変換素子と比較して広い帯域特性が得られやすいとして注目されている。

ＣＭＵＴは、一次元方向あるいは二次元方向にアレイ状に配置された複数のエレメントから構成される。エレメントとは、超音波の送信あるいは受信を行う素子である。図１１は従来のＣＭＵＴを示す模式図であり、図１１（ａ）は上面図であり、図１１（ｂ）は破線Ｙ１−Ｙ２における断面図である。図１１（ａ）に示すように、エレメント３０２は、複数のセル３１１から構成される。エレメント３０２を構成するセル３１１の各々に同時に駆動電圧信号を印加することでエレメント３０２から超音波が出力される。また、エレメント３０２を構成するセル３１１の各々が受信した超音波検出信号はエレメント内の各セルに共通の上部電極３１５及び下部電極３１６によって加算され、その総和がエレメント３０２が受信した超音波検出信号となる。各セルの上部電極３１５は配線３０７によって電気的に接続されている。

このようなエレメントの構造の一例として、特許文献１に記載のＣＭＵＴが挙げられる。特許文献１に開示されているＣＭＵＴは、図１１（ｂ）のように、支持基板３０３内部に基板貫通配線３０４が形成された構造となっている。回路基板３０５と下部電極３１６との間は基板貫通配線３０４によって電気的に接続されている。回路基板３０５と上部電極３１５との間は配線３０７と絶縁層貫通配線３０６、基板貫通配線３０４によって電気的に接続されている。回路基板３０５では、エレメント３０２で超音波を出力するための駆動電圧信号の発生と、エレメント３０２で超音波を受信することによって発生した超音波信号の増幅、遅延付与などの信号処理が行われる。

米国特許登録公報Ｎｏ．６９５８２５５

しかしながら、エレメント内の各セルのメンブレン変位量にはばらつきがある。このセルごとのばらつきは、メンブレン及び絶縁層の熱膨張係数の違いや、メンブレン及び絶縁層の内部応力の影響による基板の反りが一要因として考えられる。セルごとの変位量のばらつきは超音波の送信効率及び検出感度の違いとして表れるため、好ましくない。

また、ＣＭＵＴの送信効率及び受信感度は上下の電極間のギャップが狭いほど高くなる。バイアス電圧を増大させれば上下の電極間の静電引力が増大するので、バイアス電圧を増大させることによりＣＭＵＴの送信効率及び受信感度を向上させることができる。しかし、バイアス電圧をあまり大きくしすぎると、ある電圧に達した瞬間に上部電極がメンブレンごと下部電極に吸着されて所望の振動特性が得られなくなってしまう。この現象をプルインと呼び、プルインが発生する電圧をプルイン電圧と呼ぶ。プルイン電圧は、メンブレンの初期変位量によって決まる値である。そのため、各セルのメンブレンの初期変位のばらつきの大きさによって上下の電極間にかけられるバイアス電圧の上限値が制限されので、ＣＭＵＴの受信感度が制限される。

本発明は、上記課題解決のため、セル毎のメンブレン変位量のばらつきを低減した機械電気変換素子を提供することを目的とする。

上記の課題に鑑み、本発明の機械電気変換素子は、第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を備えるセルを複数有する素子が形成された機械電気変換素子であって、前記素子の最外周に設けられたセルの外側を囲うように溝が設けられており、前記溝と前記最外周に設けられたセルの間隙との距離が、前記素子内のセル同士の間隙の間隔の５０％以上２００％以下の距離であることを特徴とする。

エレメント最外周セルの外側に溝を形成することにより、セル毎のメンブレン変位量のばらつきが低減された機械電気変換素子の提供が可能となる。

本発明の第一の実施形態におけるＣＭＵＴのエレメントの構造を示す模式図。 本発明の第二の実施形態におけるＣＭＵＴのエレメントの構造を示す模式図。 本発明の第三の実施形態におけるＣＭＵＴのエレメントの構造を示す断面図。 本発明の第四の実施形態におけるＣＭＵＴのエレメントの構造を示す模式図。 本発明の適用できるＣＭＵＴを作製する方法の一例を示す模式図。 本発明の適用できるＣＭＵＴを作製する方法の別の一例を示す模式図。 溝を形成しない場合の初期変位量を示す模式図。 溝を形成する場合の模式図。 エレメントの外周に溝を形成した場合の効果を示すグラフ。 セルの周囲に溝を形成した場合の効果を示すグラフ。 従来のＣＭＵＴのエレメントの構造を示す模式図。

本発明の機械電気変換素子は、セルを複数有する素子（以下、エレメントという）からなり、エレメントの最外周に設けられたセルのキャビティから、所定の距離の位置に溝が形成される。セルは第１の電極としての下部電極と、間隙（以下、キャビティという）を挟んで形成された第２の電極としての上部電極と、を有する。また、上部電極と下部電極との間の電位差によって変形する振動膜を構成する薄膜（以下、メンブレンという）がキャビティ上に形成される。

本発明において、「所定の距離の位置」とは、以下の２つの条件を満たす位置を意味する。１つ目は、その位置がエレメントの最外周に位置するセルよりもエレメントの外側にあることである。２つ目は、その位置に溝を形成した場合、溝を形成する前と比較してエレメントの最外周セルと中央のセルとのメンブレンの初期変位量の差が小さくなることである。詳細は後述するが、最外周セルのキャビティからの距離が、キャビティ間距離の５０％以上２００％以下の距離の位置であることが好ましい。また、「溝」とは、以下の（１）から（４）に示された定義のうちいずれか１つに該当する構造を意味する。（１）メンブレンの上面（キャビティの反対側の面）からメンブレンに形成された凹部。（２）メンブレンとメンブレンを支持する支持部としての絶縁層に形成された凹部。（３）エレメント最外周セルの外周にはメンブレンを形成しないことによって形成された凹部。（４）素子の外周にメンブレンを形成しないことによって支持部の上面（キャビティ底部の反対側の面）に形成された凹部。つまり、本発明の機械電気変換素子は、エレメントの最外周に設けられたセルのキャビティから所定の距離の位置に形成されたメンブレンが、キャビティ上（間隙上）に形成されたメンブレンより薄くなっているか又は除去されている。

本発明において、メンブレンとは、キャビティ上に形成された振動する部分だけでなく、キャビティ同士（間隙同士）の間に形成されている部分や、最外周セルの外側に形成された部分も、一つの薄膜として形成されているため、同じようにメンブレンと呼ぶこととする。

本発明において、上部電極としては、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材料で成膜されることが可能であり、メンブレンが上部電極を兼ねても良い。また、メンブレンに上部電極が形成される場合、上部電極はメンブレンの上部、下部のどちらに形成されていてもよく、またメンブレンに挟まれていてもよい。

下部電極８の材料としては、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。基板が下部電極を兼ねることも可能である。

本発明の機械電気変換素子の構成により、セル毎のメンブレンの変位量が低減される理由としては、エレメントの最外周に位置するセルの周縁部において、メンブレン及び絶縁層の構造（メンブレンと絶縁層との接合面積等）が他のセルと同一あるいは近い構造となることが一因として考えられる。これにより、最外周に位置するセルと他のセルとにおけるメンブレンの内部応力の分布が同一あるいは近い状態となる。よって、エレメントの外周に形成されたメンブレンに溝を設けることにより、セル毎のメンブレン変位量のばらつきが低減する効果が得られるものと思われる。

《実施形態１》
本発明の第一の実施形態を以下に説明する。図１に示すように、エレメント１０１は平面内に並べて配置されたセル１０２からなる。図１（ａ）は上面図であり、図１（ｂ）は破線Ａ１−Ａ２における断面図である。セル１０２はメンブレン１０３、絶縁層１０４、絶縁層１０４の凹部からなるキャビティ１０５、上部電極１０６、下部電極１０７からなり、各セルの上部電極１０６及び下部電極１０７は電気的に接続されている。上部電極１０５は全エレメント同士が配線１０８によって電気的に接続されており、下部電極１０７は各エレメント間で電気的に絶縁されている。さらに本実施形態では、各セルの外周にメンブレン１０３の上面から溝１０９が形成されている（すなわちキャビティ同士の間に溝が形成されている）。本実施形態における溝１０９の形状は、セル１０２の周縁部においてキャビティ１０５を囲うように連続して形成されており、さらにその深さはメンブレン１０３の厚さよりも浅い。本実施形態では、メンブレン１０３と絶縁部１０４との接合面積が変わらないので、メンブレン１０３とメンブレンを支持する支持部としての絶縁層１０４との接合強度を低下させることなく、セル毎のメンブレン変位量の差を低減する効果を得ることができる。

次に、本発明の効果を確認するために、有限要素法を用いてメンブレンの初期変形量の計算を行った。メンブレンの初期変位量は、メンブレンの内部応力とキャビティ内外の気圧差（ほぼ１気圧＝１０１３２５Ｐａ）によってかかる圧力との合力によって発生する変位とした。内部応力としてはメンブレン形成時と形成後との温度差によって発生する熱収縮応力を想定して印加した。計算するモデルとしては、一辺に１１個並んだセルからなるエレメントを想定し、メンブレン及び絶縁層に熱収縮による内部応力を与えたときの各セルにおけるメンブレンの初期変形量を計算した。また、有限要素法を用いた解析は市販のソフトウェア（ＡＮＳＹＳ１１．０ ＡＮＳＹＳ Ｉｎｃ．）を用いて行った。

まず、溝を設けない場合の各セルにおけるメンブレンの初期変形量を計算した結果を図７に示す。この結果から、メンブレンに溝を設けていない場合は、最外周（一番端）のセルの初期変位量が他のセルに比べて大きくなっていることがわかった。

次に、エレメント最外周セルの外側に溝を設け、溝の形状の差異によって、メンブレンの初期変位量のばらつきがどう変化するかを調べた。エレメント中央のセルとエレメント最外周のセルとのメンブレンの初期変位量の差（以下、単に初期変位量の差という）を比較した結果を図９に示す。

図９（ａ）は、溝の深さと初期変位量の差の関係を示す。図８に示すように、溝の深さとは、セルの配列された面と垂直な方向における溝の長さを示し、溝の幅とは、セルの配列された面と平行な方向における溝の長さを示す。縦軸は、溝の深さが０（溝なし）の場合に初期変位量の差を１とした時の、各条件における初期変位量の差の比を示す。横軸は、溝の深さをメンブレンの厚さで割った値を示す。この場合、全ての条件において溝の幅は一定（キャビティ間距離の０．２５倍で固定）とし、溝と最外周セルのキャビティとの距離は、キャビティ同士の距離（キャビティ間距離）と同じ値とする。この結果から、溝は深くなればなるほど初期変位量の差は小さくなることが示された。よって、溝はメンブレンを貫通して支持部である絶縁層にも形成されていることが好ましい。

図９（ｂ）は、溝の幅と初期変位量の差の関係を示す。縦軸は、溝の幅が０（溝なし）の場合に初期変位量の差を１とした時の、各条件における初期変位量の差の比を示す。横軸は、溝の幅をキャビティ間距離で割った値を示す。全ての条件において溝の深さは一定（メンブレン厚さの１．５倍で固定）とし、溝と最外周セルのキャビティとの距離は、キャビティ間距離と同じ値とする。この結果から、溝の幅が広いほど初期変位量の差は低減することがわかった。また、キャビティ間距離の１０％の幅を有する溝を形成することにより初期変位量の差を４割程度低減させることができる。

さらに、溝と最外周セルのキャビティとの距離（図８に示す「キャビティ−溝間距離」）による、初期変位量の差を比較した。結果を図９（ｃ）に示す。縦軸は、溝なしの場合にエレメント中央のセルと最外周セルとの初期変位量の差を１とした時の初期変位量の差の比を示す。横軸は、溝と最外周のセルのキャビティとの距離をキャビティ間距離（ギャップ）で割った値を示す。全ての条件において溝の深さは一定（メンブレン厚さの１．５倍で固定）とし、溝の幅も一定（キャビティ間距離の０．２５倍で固定）とした。この結果、溝と最外周セルのキャビティとの間の距離が近いほど初期変位量の差を低減する効果が大きくなることがわかった。ただし、最外周のセルのメンブレンを支える支持部の強度が落ちないようにするため、溝と最外周のセルのキャビティとの距離は、キャビティ間距離の５０％以上であることが好ましい。また、初期変位量の差を低減する観点からはキャビティ間距離の２００％以下であることが好ましく、キャビティ間距離以下であることがより好ましい。

また、本発明においては、図１に示すように、キャビティ同士の間に形成されたメンブレンにも溝を設けてもよい。つまり、エレメント単位でなくセルの単位でセルの外周に溝を設けてもよい。各セルの外周に溝を形成した場合の溝の形状の差異による、初期変位量の差を比較した結果を図１０（ａ）、（ｂ）に示す。図１０（ａ）は、溝の深さが０（溝なし）の場合に初期変位量の差を１とした時の比較結果を示す。横軸は、溝の深さをメンブレンの厚さで割った値を示す。この場合、全ての条件において溝の幅はキャビティ間距離の０．２５倍で固定し、溝と最外周セルのキャビティとの距離は、キャビティ間距離と同じ値とする。この結果から、溝が深くなればなるほど初期変位量の差は小さくなることがわかった。また、溝はメンブレンを貫通していなくても初期変位量の差を低減することが可能であった。

図１０（ｂ）は、溝の幅が０（溝なし）の場合に初期変位量の差を１とした時の比較結果を示す。横軸は、溝の幅をキャビティ間距離（ギャップ）で割った値を示す。全ての条件において溝の深さはメンブレン厚さの１．５倍で固定し、溝と最外周セルのキャビティとの距離は、キャビティ間距離と同じ値とする。この結果、溝の幅が広いほど初期変位量の差は低減することがわかる。キャビティ間距離の１０％の幅を有する溝を形成することにより初期変位量の差を４割程度低減させることができる。

以下、実施形態１〜４において、セル毎に溝を設ける（キャビティ間に溝を設ける）具体例を示す。ただし、本発明においては、セル毎に溝を設けずとも、エレメント単位で溝を形成（エレメント最外周に設けられたセルのキャビティから所定の距離の位置に溝を形成）していればメンブレンの変位量の差を低減する効果はある。

《実施形態２》
図２に示すように、本実施形態では、溝１０９はセル１０２の周縁部においてキャビティ１０５を囲う線の一部分に断続的に形成されている。図２（ａ）は上面図であり、図２（ｂ）は破線Ｂ１−Ｂ２における断面図である。溝１０９はメンブレン１０３を貫通し、支持部としての絶縁層には溝は形成されていない。本実施形態では、溝１０９の形成時に絶縁層１０４をエッチングストップ層として用いることができるので、溝１０９の形成が比較的容易である。

《実施形態３》
本実施形態では、溝１０９は実施形態２の図２（ａ）に示すようにセル１０２の周縁部においてキャビティ１０５を囲う線の一部分に断続的に形成されている。さらに、溝１０９は図３に示すようにメンブレン１０３を貫通し、その下の絶縁層１０４に達している。本実施形態では、メンブレン１０３の厚さよりも深い溝１０９を形成することができるので、セル毎のメンブレン変位量の差を低減する高い効果を得ることが可能である。

《実施形態４》
本実施形態は、セル１０２の形状が正方形以外であるＣＭＵＴに本発明を適用した例である。図４に示すようにセル１０２が円形である場合には、セル１０２の半径より大きくかつその中心がセル１０２の中心と一致するような円弧の形状を有する溝１０９をセル１０２の周縁部に形成すればよい。

《作製方法》
次に、特許文献１に公開されているＣＭＵＴの作製方法を基に、上記実施形態１のようなセルの周縁部に溝を有するＣＭＵＴの作製方法の一例を、図５を用いて説明する。ただし、本発明の機械電気変換素子の作製方法は本実施形態に限られるものではなく、基板上に犠牲層を形成してその上にメンブレンを成膜し、犠牲層をエッチングすることによってキャビティを形成する方法（サーフィスマイクロマシニング）を用いてもよい。以下の工程（ａ）から（ｆ）は、図５の（ａ）から（ｆ）に対応している。
（ａ）ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板２０１の両面にシリコン酸化物層２０２及び２０３を形成する。
（ｂ）シリコン酸化物層２０２のうち、セルのキャビティとダミーセルのキャビティとを作製する部分に貫通孔２０４を形成し、デバイス基板２０５を作製する。
（ｃ）下部電極２０６及び貫通配線２０７、パッド２０８を有する貫通配線基板の上面にシリコン酸化物層２１０を形成する。
（ｄ）デバイス基板２０５の上面に残っているシリコン酸化物層２０２と貫通配線基板２０９の上面のシリコン酸化物層２１０とを接合する。
（ｅ）デバイス基板２０５のシリコン酸化物層２０２及びＳＯＩ基板のデバイス層２１１が貫通配線基板２０９上に残るように、シリコン酸化膜層２０２及びデバイス層２１１以外の層を除去し、デバイス層２１１の上面に上部電極２１２を形成する。
（ｆ）メンブレン２１１のうち、セルの外周にあたる部分の少なくとも一部をエッチングして溝２１５を形成する。ここでは溝２１５の深さがメンブレン２１１の厚さよりも浅い場合の例を示す。所望の深さの溝２１５を形成するには、例えばあらかじめメンブレン２１１のエッチングレートを調べておいてエッチング時間を調節する方法を用いることができる。
（ｅ）貫通配線基板２０９の下面のパッド２０８と回路基板２１３の上面のパッド２１４とを接合する。

上記の（ｆ）の工程において、図６の（ｂ１）のように溝２１５の深さがメンブレン２１１の厚さと等しくなるように溝２１５を形成することができる。メンブレン２１１が単結晶シリコンからなり、かつ絶縁層２０２がシリコン酸化物からなる場合は、シリコン酸化物と反応し難く単結晶シリコンと反応し易い四フッ化炭素などのエッチング材料を用いることにより、メンブレン２１１を貫通する溝を容易に形成することができる。また、図６の（ｂ１）に続いて、図６の（ｂ２）のようにさらに絶縁層２０２をエッチングしてより深い溝２１５を形成することができる。メンブレン２１１及び絶縁層２０２が上記と同じ材料からなる場合は、単結晶シリコンと反応し難くシリコン酸化物と反応し易い六フッ化シリコンなどのエッチング材料を用いることにより、メンブレン２１１をマスクとしてメンブレン２１１に形成された溝２１５の下に位置する絶縁層２０２をエッチングし溝２１５を形成することができる。

１０１ エレメント
１０２ セル
１０３ メンブレン
１０４ 絶縁層
１０５ キャビティ
１０６ 上部電極
１０７ 下部電極
１０８ 配線
１０９ 溝

Claims (12)

1. 第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた第２の電極と、を備えるセルを複数有する素子が形成された機械電気変換素子であって、
   前記素子の最外周に設けられたセルの外側を囲うように溝が設けられており、
   前記溝と前記最外周に設けられたセルの間隙との距離が、前記素子内のセル同士の間隙の間隔の５０％以上２００％以下の距離であることを特徴とする機械電気変換素子。
2. 前記溝は、前記第１の電極と前記第２の電極との間の電位差により変形する振動膜を構成する薄膜に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の機械電気変換素子。
3. 前記溝は、前記薄膜を貫通し、前記薄膜を支持する支持部にも形成されていることを特徴とする請求項２に記載の機械電気変換素子。
4. 前記溝の幅は、前記素子内のセル同士の間隙の間隔の１０％以上の幅であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の機械電気変換素子。
5. 前記間隙同士の間の前記薄膜にも溝が形成されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載の機械電気変換素子。
6. 前記溝は、前記最外周セルの外側に連続して形成されていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の機械電気変換素子。
7. 前記溝は、前記最外周セルの外周の一部で途切れていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の機械電気変換素子。
8. 第１の電極と、前記第１の電極との間に間隙を挟んで設けられた薄膜と、前記薄膜に形成された第２の電極と、を備えるセルを複数有する素子が形成された機械電気変換素子であって、
   前記素子の最外周に設けられたセルの外側において、薄膜が前記間隙上に形成された薄膜より薄くなっているか又は、前記素子の最外周に設けられたセルの外側の薄膜が無い領域を有し、
   前記領域は前記最外周のセルを囲うように形成されており、
   前記領域と前記最外周に設けられたセルの間隙との距離が、前記素子内のセル同士の間隙の間隔の５０％以上２００％以下の距離であることを特徴とする機械電気変換素子。
9. 前記領域の幅は、前記素子内のセル同士の間隙の間隔の１０％以上の幅であることを特徴とする請求項８に記載の機械電気変換素子。
10. 前記間隙同士の間においても、薄膜が前記間隙上に形成された薄膜より薄くなっているか又は、前記薄膜がない領域が形成されていることを特徴とする請求項８又は９に記載の機械電気変換素子。
11. 前記領域は、前記最外周セルの外側に連続して形成されていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の機械電気変換素子。
12. 前記領域は、前記最外周セルの外周の一部で途切れていることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の機械電気変換素子。