JP5513239B2 - 電気機械変換装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、超音波変換装置などの電気機械変換装置及びその製造方法に関する。

超音波変換装置とは、超音波を送信或いは受信するために、電気信号を超音波信号に変換、或いは超音波信号を電気信号に変換する物理量変換装置であり、例えば、生体の内部を非侵襲で検査する超音波検査などの用途に用いられる。近年、半導体微細加工技術を応用した静電容量方式の超音波変換装置が研究、開発されている。静電容量方式による超音波変換装置は、軽量な振動膜を用いているので、従来の圧電方式の超音波変換装置と比較して水中及び空気中でも優れた広帯域特性を有する。

従来の静電容量方式による超音波変換装置の基本構造と動作原理を図１０（a）の断面図を用いて説明する。対象物５０７から発信された超音波信号(超音波帯域の振動)p(t)が、支持部５０６によって振動可能に支持された振動部５０３に到達すると、振動部５０３は超音波信号p(t)の波形に応じて振動する。これにより、振動部５０３上の上部電極５０１と、基板５０５の主面に配置された下部電極５０４との間の距離が振動部の変位だけ変化するので、両電極間の静電容量である有効容量Caが超音波信号p(t)の波形に応じて変化する。尚、本明細書において、主面とは、変換装置を構成する構造物の面のうち、変換装置が超音波などの弾性波を送信或いは受信する対象物に対向する面のことを指す。ここで、直流電圧源５０８を用いて上部電極５０１と下部電極５０４との間に適切な直流電圧Vbを印加しておくことで、電流検出器５０９を用いて有効容量Caの変化で発生する電流信号i(t)を検出できる。しかし、電流信号i(t)は、上部電極５０１と電気的に接続された配線５０２と下部電極５０４との間の静電容量である寄生容量Cpを介して漏洩するため、電流信号i(t)の大きさは寄生容量Cpの大きさに応じて低減する。電流信号i(t)が低減すると、電流信号i(t)の雑音に対する強度比（S/N比）が低下し、受信した超音波信号p(t)を検出する精度が悪化する。電流信号i(t)の低減を抑制するためには、有効容量Caの寄生容量Cpに対する比率Ca/Cpを高める工夫が必要である。

上記工夫の一例として、特許文献１に記載の音波変換装置が挙げられる。上面図の図１０（b）、上面図の破線G1-G2における断面図の図１０（c）の様に、この音波変換装置は、下部電極の機能を兼ねる基板６０４と、振動板６０３、支持部６０５を有する。支持部６０５は基板６０４の主面に配置され、振動部６０３は支持部６０５によって基板６０４との間に空隙を形成して振動可能に支持されている。振動部６０３は導体材料からなり、上部電極及び配線の機能を兼ねている。この音波変換装置の特徴は、振動部の中央部６０１が振動部の周縁部６０２に対して基板６０４に向かう方向に押し出された形状となっていることである。これにより、配線となる振動部の周縁部６０２と下部電極となる基板６０４との距離d4が、上部電極となる振動部の中央部６０１と下部電極となる基板６０４との距離d3よりも長くなる。静電容量の大きさは電極間の距離に反比例するので、中央部６０１と基板６０４との間の有効容量Caの、周縁部６０２と基板６０４との間の寄生容量Cpに対する比率Ca/Cpは、振動部６０３が平坦な形状である場合と比較して大きくなっている。

米国特許第６８７０９３７号

しかし、特許文献１に記載の音波変換装置では振動部６０３全体が導体材料に限定される為、振動膜の密度、剛性、電気抵抗等の観点から選択できる材料として選択の幅が小さい（設計の自由度が小さい）。また、別途絶縁構造を考慮する必要がある。その結果、有効容量Caと寄生容量Cpとの比Ca/Cpを高める構造を、振動部をより軽量かつ高剛性とし、かつ下部電極と上部電極との間の絶縁性を高め、上部電極の抵抗率を低減することが困難になる。

上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は以下の様な特徴を有している。電気機械変換装置は、第１の電極と、支持部によって前記第１の電極に対して空隙を介して支持された振動部と、前記振動部に形成された第２の電極と、前記振動部に形成されて前記第２の電極に電気的に接続された配線と、を有する。そして、前記振動部において、前記第２の電極が、前記配線よりも、前記振動部の前記第１の電極に対向する面に接近して配置されている。

本発明によれば、導体よりも更に低密度（軽量）かつ高ヤング率（高剛性）の材料を選択できる。この結果、電気機械変換装置の設計の自由度が大きくなり、振動膜自身が絶縁体として機能するので基板側の電極と振動膜側の電極との間の絶縁性を更に高めることができる。また、電極として抵抗率の低い最適な材料を別途用いることができる。また、第２の電極及び配線と振動部とを各々別の材料で作製できて、比較的周波数の高い超音波などの弾性波を扱うのに適した電気機械変換装置とでき、更に、上記有効容量Caと上記寄生容量Cpとの比率Ca/Cpを高めることができる。

本発明の電気機械変換装置の一実施形態の構造を示す図。 本発明の電気機械変換装置の他の実施形態の構造を示す断面図。 本発明の電気機械変換装置の実施例１の構造を示す図。 実施例１の作製工程の一例を示す断面図。 本発明の電気機械変換装置の実施例２の構造を示す図。 実施例２の作製工程の一例を示す断面図。 実施例２の変形例の作製工程を示す断面図。 本発明の電気機械変換装置の実施例３の構造を示す図。 実施例３の作製工程の一例を示す断面図。 背景技術の超音波変換装置を説明する図。

本発明の電気機械変換装置の主要な特徴は、第１の電極に対して空隙を介して支持部により支持された振動部に形成された第２の電極が、同じく振動部に形成された配線よりも、振動部の第１の電極に対向する面に接近して配置されていることである。つまり、振動部の振動可能な部分において、第２の電極が、配線よりも、振動部の第１の電極に対向する面に近い位置にある様に配置されていることを特徴とする。この振動可能な部分とは、振動部の主面に垂直な方向から見たときに、振動部のうちの前記支持部に囲われた内側の部分を指す。この考え方に基づいて、以下に説明する具体的な実施形態及び実施例を構成することができる。

本発明の電気機械変換装置の一実施形態の構造を、図１を用いて以下に説明する。上面図の図１（a）及び上面図の破線A1-A2における断面図の図１（b）に示す様に、本実施形態は、第２の電極である上部電極１０１、配線１０２、振動部１０３、第１の電極である下部電極１０４、基板１０５、支持部１０６、接続線１０７を有する。下部電極１０４は基板１０５の主面に配置され、支持部１０６は下部電極１０４或いは基板１０５（ここでは基板１０５）の主面に配置されている。振動部１０３は、下部電極１０４及び基板１０５との間で空隙１１０を形成して支持部１０６によって振動可能に支持されている。ここでは、空隙１１０は円筒の形状を有しているが、これに限らない。上部電極１０１及び配線１０２は振動部１０３に配置され、接続線１０７は上部電極１０１と配線１０２とを電気的に接続する様に振動部１０３に配置されている。上部電極１０１及び配線１０２は、振動部１０３よりも抵抗率が低い材料からなる。

本発明における特徴的な構造として、図１（b）に示す様に、上部電極１０１は、配線１０２よりも、振動部１０３の下部電極１０４に対向する面に近くなる様に配置されている。この様に上部電極１０１及び配線１０２を配置することで、上部電極１０１と下部電極１０４との間の距離を、配線１０２と下部電極１０４との間の距離よりも短くできる。

上部電極１０１を配置する形態としては、以下の３つから選択することができる。１つ目は、図２（a）の様に上部電極１０１を振動部１０３の下部電極１０４に対向する面に配置する形態である。これにより、上部電極１０１と下部電極１０４との間の有効容量Caを増大させる効果を高められる。２つ目は、図１（b）の様に上部電極１０１の下に振動部１０３の一部が存在する様に配置する形態である。これにより、もし振動部１０３が下部電極１０４に接触した場合にも上部電極１０１と下部電極１０４とが短絡するのを防ぐことができる。３つ目は、図２（b）の様に上部電極１０１を振動部１０３の下部電極１０４に対向する面上に出して配置する形態である。こうすることにより、上部電極１０１と下部電極１０４との間の有効容量Caを増大させる効果をより高めることができる。

また、配線１０２を配置する位置については、図１（ｂ）の様に、配線１０２の下部電極１０４に対向する面が、振動部１０１の下部電極１０４に対向する面よりも、下部電極１０４から遠くなる様に配置すればよい。配線１０２を、図１（ｂ）の様に、振動部１０３の下部電極１０４に対向する面と反対側の面上に配置するのが最も容易に作製できる形態である。或いは、図２（ｂ）の様に、配線１０２を振動部１０３の内部に配置すれば、配線１０２を外部から電気的に絶縁する効果を同時に得ることができる。

こうした構成によれば、比較的周波数の高い超音波などを扱うのに適した高剛性かつ低密度な振動部を有する構成にでき、上部電極と下部電極との間の距離と比較して、配線と下部電極との間の距離を長くすることができる。これにより、上記有効容量Caを増大、或いは上記寄生容量Cpを低減することができるので、有効容量Caと寄生容量Cpとの比率Ca/Cpを高め、電気機械変換装置の変換効率を向上させることができる。動作は、図１０（a）を用いて背景技術のところで説明したものと基本的に同じである。

以下、より具体的な実施例を説明する。
《実施例１》
本発明の実施例１における電気機械変換装置の構造を、図３を用いて説明する。上面図の図３（a）及び上面図の破線B1-B2における断面図の図３（b）に示す様に、本実施例は、上部電極２０１、配線２０２、振動部２０３、下部電極２０４、基板２０５、支持部２０６、接続線２０７、絶縁層２０８を有する。下部電極２０４は基板２０５の主面に配置され、絶縁層２０８は下部電極２０４の上に配置されている。絶縁層２０８は、もし振動部２０３と上部電極２０１が下部電極２０４側に接触した場合に、上部電極２０１と下部電極２０４とが短絡するのを防止する役割を持つ。支持部２０６は絶縁層２０８（構造によっては基板２０５或いは下部電極２０４でもよい）の主面に配置され、振動部２０３は、支持部２０６によって、下部電極２０４及び基板２０５との間に空隙を形成して振動可能に支持されている。上部電極２０１及び配線２０２は振動部２０３に配置され、上部電極２０１と配線２０２とは、振動部２０３に配置された接続線２０７により電気的に接続されている。上部電極２０１の下部電極２０４に対向する面は、振動部２０３の下部電極２０４に対向する面と同一面内に存在して空隙に露出している。

下部電極２０４の形状としては以下の様な形状を選択することが可能である。図３（c）を用いて説明する。絶縁層２０８と同様に、下部電極２０４を基板２０５の主面の全面にわたって形成すると、平坦性が保たれ、その上に形成される構造物の作製が容易となる。また、図３（c）の黒く塗った部分である配線２０２のみに対向する部分に存在する下部電極２０４を除去すると、配線２０２と下部電極２０４との間の寄生容量Cpを低減させることができる。また、図３（c）において符号２０４で示す様に、上部電極２０１の直下にあたる領域内部にのみ下部電極２０４を形成すると、配線２０２と下部電極２０４との間の寄生容量Cpを更に低減させることができる。

本実施例の電気機械変換装置の作製方法の一例を、図４を用いて以下に説明する。図４（a）に示す様に、下部電極２０４、絶縁層２０８、空隙に対応する形状を有する犠牲層２０９が形成された基板２０５において、犠牲層２０９の主面の一部に上部電極２０１を形成する。次に、図４（b）に示す様に、絶縁層２０８、犠牲層２０９、上部電極２０１の主面に、振動部及び支持部となる弾性層２１０を形成し、犠牲層２０９を除去する。次に、図４（c）に示す様に、弾性層２１０の一部に接続線２０７を形成し、弾性層２１０の主面の一部に配線２０２を形成する。

基板２０５には、抵抗率の高い半導体材料或いは絶縁体材料、例えば、単結晶シリコンかシリコン酸化物からなる基板を用いるのが好適である。一方、基板２０５に導体材料からなる基板を用いる場合は、基板２０５と下部電極２０４との間に別の絶縁層を形成するか、基板２０５を下部電極２０４として兼用することも可能である。下部電極２０４には、抵抗率の低い導体材料、例えば、金、アルミニウム、チタンなどを用いるのが好適である。絶縁層２０８には、絶縁体材料、例えば、シリコン窒化物を用いるのが好適である。犠牲層２０９は、振動部２０３との間で空隙を設けたい位置に形成する。犠牲層２０９に用いる材料は、後に犠牲層２０９を選択的に除去するために、上部電極２０１及び弾性層２１０の材料とは異なる材料を用いる必要がある。例えば、上部電極２０１にアルミニウム、弾性層２１０にシリコン窒化物を用いる場合、犠牲層２０９には多結晶シリコンを用いるのが好適である。弾性層２１０には、ヤング率が高く、密度が低く、かつ抵抗率が高い半導体材料或いは絶縁性材料、例えば、シリコン窒化物を用いるのが好適である。

犠牲層２０９を除去するには、図４（b）に示す様に、弾性層２１０にエッチング孔２１１を形成し、エッチング材料をエッチング孔２１１から供給する。エッチング材料としては、犠牲層２０９の材料と反応し易く、かつ上部電極２０１、絶縁層２０８、弾性層２１０の材料と反応し難い材料を用いる必要がある。例えば、犠牲層２０９に多結晶シリコン、上部電極２０１にアルミニウム、絶縁層２０８と弾性層２１０にシリコン窒化物を用いた場合、エッチング材料としては四フッ化炭素や二フッ化キセノンなどを用いるのが好適である。犠牲層２０９を除去した後、必要に応じて、エッチング孔２１１を塞ぐために封止層２１２を形成してもよい。封止層２１２には、例えば、弾性層２１０と同じ材料を用いてもよい。上記の例ではシリコン窒化物を用いてもよい。

接続線２０７及び配線２０２には抵抗率の低い導体材料、例えば、金やアルミニウムなどを用いるのが好適である。接続線２０７の形成方法としては、図４（c）に示す様に、例えば、弾性層２１０の主面側から貫通孔２１３を形成し、貫通孔２１３の側面に接続線の材料からなる層を蒸着する手法を用いることができる。本実施例の上記製造方法では、基板の主面に、空隙に対応する形状を有する犠牲層を形成し、犠牲層上に上部電極及び振動部を形成し、振動部に、配線及び上部電極と配線とを電気的に接続する接続線を形成して電気機械変換装置が作製される。犠牲層は最終的にはエッチングされて空隙が形成される。

《実施例２》
本発明の実施例２における電気機械変換装置の構造を、上面図の図５（a）及び上面図の破線C1-C2における断面図の図５（b）を用いて説明する。本実施例の構造は、実施例１の電気機械変換装置と多くの部分が共通する。実施例１との構造の違いは、下部電極２０４の主面に配置されていた絶縁層２０８が存在しないことと、上部電極２０１の主面と反対側の面に弾性層２１５が存在することである。弾性層２１５は、振動部２０３の一部として振動部の剛性を高める役割と、もし振動部２０３と下部電極２０４とが接触したときには上部電極２０１と下部電極２０４が短絡するのを防止する絶縁層としての役割とを兼ねている。

本実施例の作製方法の一例を、図６を用いて以下に説明する。図６（a）に示す様に、下部電極２０４及び犠牲層２０９が形成された基板２０５において、犠牲層２０９の表面に弾性層２１５を介在させて上部電極２０１を形成する。次に、図６（b）に示す様に、弾性層２１５及び上部電極２０１の主面に弾性層２１０を形成し、犠牲層２０９を除去する。次に、図６（c）に示す様に、弾性層２１０に接続線２０７を形成し、弾性層２１０の主面の一部に配線２０２を形成する。

基板２０５、下部電極２０４、犠牲層２０９、上部電極２０１、弾性層２１０、封止層２１２、接続線２０７、配線２０２に用いる好適な材料は実施例１と同様である。犠牲層２０９は、下部電極２０４の主面のうちの振動部２０３との間で空隙を設けたい位置に形成する。弾性層２１５にはヤング率が高く、密度が低く、かつ抵抗率が高い半導体材料或いは絶縁性材料を用いることができ、特に、後に形成する弾性層２１０と同じ材料を用いるのが好適である。例えば、弾性層２１０にシリコン窒化物を用いるならば、弾性層２１５にもシリコン窒化物を用いるのが好適である。

犠牲層２０９を除去する方法としては、実施例１と同様の方法を用いることができる。本実施例では、弾性層２１０を貫通する貫通配線を用いて接続線２０７を形成しているが、図６（b）の工程の後に以下の工程を実行することにより貫通配線を用いずに接続線２０７を形成することもできる。すなわち、図７（a）に示す様に、弾性層２１０のうちの上部電極２０１の直上に位置する部分を除去することにより凹部２１４を形成する。次に、図７（b）に示す様に、凹部２１４の側面に接続線２０７を形成し、弾性層２１０の主面の一部に配線２０２を形成する。接続線２０７は、上部電極２０１と配線２０２との両者を電気的に接続する様に形成する。また、凹部２１４を形成することにより低下した剛性を補うために、図７（b）の工程の後に図７（c）に示す工程を追加して凹部２１４に弾性層２１６を形成してもよい。つまり、上部電極２０１、配線２０２、接続線２０７、弾性層２１０の主面に弾性層２１６を形成する。弾性層２１６の材料としては、例えば弾性層２１０の材料と同じ材料を用いることができる。

《実施例３》
本発明の実施例３の電気機械変換装置の構造を、上面図の図８（a）及び上面図の破線E1-E2における断面図の図８（b）を用いて説明する。本実施例における電気機械変換装置は、上部電極３０１、配線３０２、振動部３０３、絶縁部３０４、基板３０５、支持部３０６、接続線３０７を有する。基板３０５は抵抗率の低い材料からなり、上記実施例における下部電極の役割を兼ねている。絶縁部３０４及び支持部３０６は基板３０５の主面に配置され、振動部３０３は支持部３０６によって、絶縁部３０４（構造によっては基板３０５）との間で空隙を形成して振動可能に支持されている。上部電極３０１及び配線３０２は振動部３０３に配置され、上部電極３０１と配線３０２とは、振動部３０３に配置された接続線３０７により電気的に接続されている。上部電極３０１は、振動部３０３の基板３０５に対向する面上に配置されており、配線３０２は振動部３０３の主面に配置されている。

本実施例の作製方法の一例を、図９を用いて以下に説明する。図９（a）に示す様に、基板３０５の主面に絶縁部３０４及び支持部３０６を形成する。次に、図９（b）に示す様に、多層基板３１０の機能層３１１に上部電極３０１を形成する。次に、図９（c）に示す様に、支持部３０６と、多層基板３１０の機能層３１１とを接合する。次に、図９（d）に示す様に、担持層３１３及び多層基板の絶縁層３１２を除去し、機能層３１１に貫通電極３０７及び配線３０２を形成する。

基板３０５には抵抗率が低い材料からなる基板を用いる。例えば、不純物を導入して抵抗率を下げた単結晶シリコン基板を用いるのが好適である。絶縁部３０４及び支持部３０６の形成方法の例としては、基板３０５の主面に形成した絶縁層３０８に凹部３０９を形成する方法がある。絶縁層３０８には絶縁体材料、例えば、シリコン酸化物などを用いるのが好適である。基板３０５が単結晶シリコンからなる基板である場合、絶縁層３０８を形成する方法として、基板３０５の主面を熱酸化する方法を用いることができる。空隙となる凹部３０９の深さは絶縁層３０８の厚さよりも浅くなる様に形成する。多層基板３１０は、機能層３１１、多層基板の絶縁層３１２、担持層３１３の３層からなる基板である。機能層３１１は、抵抗率の高い半導体材料、例えば、不純物の密度が低い単結晶シリコンからなる。多層基板の絶縁層３１２は抵抗率の高い絶縁体材料、例えば、シリコン酸化物からなる。担持層３１３は、例えば、単結晶シリコンからなる。この様な多層基板３１０には、例えば、市販されているＳＯＩ基板を用いることができる。上部電極３０１には、抵抗率の低い導体材料、例えば、金やアルミニウムなどを用いるのが好適である。

支持部３０６と機能層３１１とを接合する方法としては、例えば、絶縁層３０８にシリコン酸化物、機能層３１１に単結晶シリコンを用いた場合、陽極接合や直接接合を用いることができる。担持層３１３を除去する方法としては、例えば、担持層３１３が単結晶シリコンからなる場合は、水酸化カリウム或いは四フッ化炭素などのエッチング材料を用いてエッチングする方法がある。また、多層基板の絶縁層３１２を除去する方法としては、例えば、多層基板の絶縁層３１２がシリコン酸化物からなる場合は、フッ化水素酸或いは六フッ化シリコンなどのエッチング材料を用いてエッチングする方法がある。接続線３０７及び配線３０２には抵抗率の低い導体材料、例えば、金やアルミニウムなどを用いるのが好適である。接続線３０７の形成方法としては、例えば、機能層３１１に貫通孔３１４を形成し、貫通孔３１４の側面に接続線３０７の材料からなる層を蒸着する手法を用いることができる。本実施例の上記製造方法では、第１の基板に形成された振動部に上部電極を形成し、第２の基板の主面に形成された支持部と振動部とを接合し、振動部に、配線及び上部電極と配線とを電気的に接続する接続線を形成して電気機械変換装置が作製される。

１０１…上部電極（第２の電極）、１０２…配線、１０３…振動部、１０４…下部電極（第１の電極）、１０５…基板、１０６…支持部、１０７…接続線、１１０…空隙

Claims (5)

1. 第１の電極と、前記第１の電極に対して空隙を介して支持部によって支持された振動部と、前記振動部に形成された第２の電極と、前記振動部に形成されて前記第２の電極に電気的に接続された配線と、を有する電気機械変換装置であって、
   前記振動部において、前記第２の電極が、前記配線よりも、前記振動部の前記第１の電極に対向する面に接近して配置され、
   前記第１の電極は、少なくとも前記配線のみに対向する部分には存在しないことを特徴とする電気機械変換装置。
2. 前記第２の電極が、前記振動部のうちの前記第１の電極に対向する面上に配置されてい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の電極のうちの少なくとも前記第１の電極に対向する面上に、前記第１の電極との絶縁を保つための絶縁層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械変換装置。
4. 第１の電極と、前記第１の電極に対して空隙を介して支持部によって支持された振動部と、前記振動部に形成された第２の電極と、前記振動部に形成されて前記第２の電極に電気的に接続された配線と、を有する電気機械変換装置の製造方法であって、
   基板の主面に、少なくとも前記配線のみに対向する部分には存在しないように前記第１の電極を形成する工程と、
   基板の主面に、前記空隙に対応する形状を有する犠牲層を形成する工程と、
   前記犠牲層上に前記第２の電極及び前記振動部を形成する工程と、
   前記振動部に、前記配線及び前記第２の電極と前記配線とを電気的に接続する接続線を形成する工程と、
   前記犠牲層をエッチングして前記空隙を形成する工程と、
   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。
5. 前記第２の電極は、前記犠牲層との間に絶縁層を介在させて形成されることを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換装置の製造方法。

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