JP5733898B2 - 静電容量型電気機械変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波などの弾性波の受信及び送信のうちの少なくとも一方を行う静電容量型電気機械変換装置に関する。

近年、マイクロマシンニング技術を用いて作製される静電容量型電気機械変換装置の研究開発が進められている。静電容量型電気機械変換装置は、下部電極（第１の電極）と間隔を隔てて支持された振動膜と、振動膜の表面に配設される上部電極（第２の電極）とを含むセルを有する。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、複数（通常１００〜３０００個程度）のセルを１エレメント（１素子）として、２００〜４０００程度の複数のエレメントから構成されたアレイ素子として用いられる。ＣＭＵＴは、軽量の振動膜を用いて超音波の送信や受信を行い、圧電素子を用いた電気機械変換装置と比較して広帯域特性が容易に得られる。このＣＭＵＴを利用すると、従来よりも高精細な多次元信号の取得が可能となるため、特に、超音波診断を用いる医療分野では有望な技術として注目されている。

静電容量型電気機械変換装置の動作原理について説明する。超音波などの弾性波を送信する際には、下部電極と上部電極との間に、ＤＣ電圧と微小なＡＣ電圧とを重畳して印加する。これにより、振動膜が振動し弾性波が発生する。弾性波を受信する際には、振動膜が弾性波により変形するので、変形に伴う下部電極と上部電極との間の静電容量変化により弾性波の信号を検出する。静電容量型電気機械変換装置の感度（信号振幅）は、その電極間の間隔（ギャップ）の平方に反比例する。よって、高感度な変換装置を作製するには狭ギャップが必要である。一方、静電容量型電気機械変換装置のギャップの形成方法としては、例えば、所望の電極間隔と同等の厚さの犠牲層を設けて該犠牲層の上部に振動膜を形成し、該犠牲層を除去する方法が、一般に採用されている。こうした技術は、特許文献１に開示されている。

米国特許第６,４２６,５８２号明細書

上述した様に、静電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、上部電極と下部電極との間隔を狭くすることが望ましい。従って、上記構成の静電容量型電気機械変換装置では、振動膜の厚さを薄くすることにより、上部電極と下部電極との間隔を狭くすることが可能である。しかしながら、振動膜を薄くした場合、機械的強度の低下により振動膜の信頼性が低下する可能性がある。

上記課題に鑑み、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、
第１の電極と、
第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、空隙と第２の電極との間に設けられた振動膜と、を含む振動部と、
振動部を振動可能に支持する支持部と、を備えるセルを有し、
振動膜と支持部との境界部の強度を補強する強度調整部を備え、
強度調整部は、振動膜の中央部上に位置する部分を除いて、振動膜の端部と支持部とを覆うように形成されていて、
振動膜の膜厚が、振動膜の変形がないときの空隙の高さと等しい支持部の高さより薄く、
強度調整部は振動膜よりも厚い膜であることを特徴とする。

本発明の静電容量型電気機械変換装置によれば、前記強度調整部を備えるので、大きな機械的強度の低下を招くことなく、振動部ないし振動膜を薄くしたり前記空隙の高さに対するその厚さの割合を小さくしたりすることができる。よって、第１の電極と第２の電極との間隔を狭くして電気機械変換効率を高められると共に、強度調整部により振動部ないし振動膜などの機械的強度の弱い部分を補強できて信頼性が向上する。

本発明に係る静電容量型電気機械変換装置の第１及び第２の実施形態の構造を示す断面図。 本発明に係る静電容量型電気機械変換装置の作製方法を示す断面図。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の静電容量型電気機械変換装置の重要な点は、振動部と支持部との境界部上に強度調整部を形成して、この境界部付近の機械的強度を調整ないし補強することである。この考え方に基づき、本発明の静電容量型電気機械変換装置の基本的な形態は、上述した様な構成を有する。この基本的な形態を基に、次に述べる様な実施形態が可能である。

典型的には、前記振動部は、前記第２の電極とこれを支持する振動膜を含む。すなわち、第２の電極は、支持部で支持された振動膜上に形成される（後述の実施形態参照）。ただし、振動膜を導電性の材料で形成して、振動膜が第２の電極を兼ねる構成とすることもできる。この場合、例えば、第１の電極上には第２の電極との絶縁を担保するための絶縁層を形成する。また、第１の電極は、基板上に配設する構成にもできるし（後述の実施形態参照）、シリコン等の半導体などの導電性の材料の基板を用いて、基板が第１の電極を兼ねる構成にもできる。また、振動膜ないし振動部の膜厚を支持部の高さより薄くすることもできる。例えば、振動膜の膜厚を支持部の高さの１０分の１以下にできる。絶対量で言えば、振動膜の膜厚を１００ｎｍ以下とすることもできる。また、前記強度調整部を振動膜よりも厚い膜とすることができる。

また、振動膜と支持部は、連続的に同じ材料で形成することができる（後述の第１の実施形態参照）。こうした構成は、サーフェスマイクロマシニングを利用する作製方法で容易に作製することができる（後述の第３の実施形態参照）。この場合、典型的には、支持部は、振動膜と同一の膜及び強度調整部を含むことになる。或いは、振動膜と支持部は別個に形成されたものとすることもできる（後述の第２の実施形態参照）。こうした構成は、例えば、シリコン基板上にキャビティ構造を形成し、ＳＯＩ基板をボンディングする工程で作製できる。この場合、典型的には、隣接するセルの振動膜を繋ぎ振動膜と連続的な不動部が支持部上に形成され、その上に強度調整部が形成されることになる。

本発明の静電容量型電気機械変換装置で用いられる第１の電極は、次の様な材料で形成できる。即ち、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉ等から選択される導電体、Ｓｉ等の半導体、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒ、ＴｉＮ、ＡｌＳｉＣｕ等から選択される合金のうちの少なくとも一材料で形成できる。また、第２の電極は、振動膜の上面、裏面、内部のうちの少なくとも一箇所に設けるか、若しくは、前述した様に振動膜を導電体や半導体で形成する場合は振動膜が第２の電極を兼ねる構造とできる。第２の電極も、第１の電極と同様な導電体や半導体等により形成することができる。第１の電極と第２の電極の材料は異なっていてもよい。

以下、本発明の静電容量型電気機械変換装置の実施形態を図を用いて説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態の電気機械変換装置を説明する。図１（ａ）に示す様に、本実施形態の電気機械変換装置は、基板１に配設された第１の電極である下部電極２と、下部電極２と対向し所定の空隙（間隙）３を隔てて配設された第２の電極である上部電極４を有する。また、上部電極４を支持する振動膜５と、強度調整部６と、支持部８を有する。本実施形態では、振動部は上部電極４と振動膜５からなり、振動膜５と支持部８は連続的に同じ材料で形成されている。すなわち、支持部８は、空隙３の端部（角部を含むエッジ部）で振動膜５及び下部電極２と接触し、空隙３上の振動膜５を支持する役割を果たす。強度調整部６は、支持部８、及び振動膜５と支持部８との境界部上に形成されて、空隙３の端部辺りの振動膜５と支持部８との機械的強度を補強している。

上から見ると、空隙３は、例えば、円形、四角形、多角形などの形状を有し、強度調整部６は、こうした空隙３の周囲に沿って形成される。下部電極２と、これと対向し空隙３を隔てて配設された上部電極４を含む可動な振動部と、これを支持する支持部８とからセルが構成される。通常、電気機械変換装置は、１つ以上のセルを含むエレメントを複数有する。従って、強度調整部６は、図１（ａ）に示す様に、空隙３の周囲に沿って隣接するセル間に形成される。本実施形態の動作は、背景技術の説明のところで述べた様に行われる。

本実施形態では、例えば、空隙３の高さは１００ｎｍ乃至２００ｎｍである。空隙３の直径は、例えば、１０μｍから２００μｍの範囲が好ましい。また、上部電極４及び下部電極２はＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕのうちの少なくとも１材料により形成される。ここでは、振動膜５はチッ化シリコンにより形成されるが、その他の絶縁材料でもよい。空隙３は大気圧に対して減圧状態に保たれており、これにより振動膜５は凹形状となる（図示しない）。

電気機械変換装置は、電極２、４間のギャップを狭くすることにより入力音波に対する振動膜５の変化による静電容量変化が大きくなるため、高感度を実現することができる。よって、振動膜５の膜厚は薄い方がよい。しかし、こうすると、図１（ａ）に示す様に、空隙３の端部に沿って振動膜５が変形する部分（振動膜５と支持部８との境界部）の振動膜の機械的強度は弱くなる。一般に、例えば、支持部の高さに対し３倍以上の膜厚の振動膜を形成した場合は機械的強度に問題は無いとされるが、支持部の高さよりも薄い振動膜を形成しようとした場合は振動膜の機械的強度の低下は大きくなる。この機械的強度の低下により、振動膜の剥がれ、空隙の減圧状態が保たれない等の不良が発生する恐れがある。ここで、支持部８の高さとは、図１（ａ）の矢印７で示す様に、下部電極２の上面から振動膜５の下面までの距離であり、振動膜５の変形がないときの空隙３の高さと等しい。

本実施形態では、例えば、振動膜５の膜厚は１００ｎｍ或いは２０ｎｍである。前者の場合、上述した様に空隙３の高さが１００ｎｍであるとき、支持部の高さと同程度である。後者の場合、上述した様に空隙３の高さが２００ｎｍであるとき、支持部の高さの１０分の１程度にもなる。そこで、特に振動膜５の機械的強度が低い支持部８との境界部付近に強度調整部６を配置する。特に、振動膜５の膜厚が１００ｎｍ程度以下の場合は、強度調整部６の形成範囲を広くするのが好ましい。従って、前記後者の場合は、強度調整部６の形成範囲をより広くすると共に、強度調整部６の膜厚は１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲が望ましい。この点、前記前者の場合は、強度調整部６の膜厚はこれより薄くすることができる。また、本実施形態では、強度調整部６は一様な厚さで成膜したが、部分的に厚さが異なってもよい。ここでは、強度調整部６の材料は、振動膜５と同様にチッ化シリコンとしたが、これと同等の機械特性を持つ他の材料でもよい。

以上の様にして、強度調整部６により、振動膜５の機械的強度の弱い変形部分の強度を補うことができる。これにより、振動膜５を薄くして（例えば、支持部８の高さ程度或いはそれ以下にして）電極２、４間の距離を狭くすることで高感度にできると共に、振動膜５の剥がれを少なくでき空隙３の減圧状態を長期的に保持できるなど、信頼性を向上させられる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の電気機械変換装置を説明する。図１（ｂ）に示す様に、本実施形態の電気機械変換装置は、基板１に配設された第１の電極である下部電極２と、下部電極２と対向し所定の空隙（間隙）３を隔てて配設された第２の電極である上部電極４を有する。また、上部電極４を支持する振動膜５と、振動膜５を支持する支持部９と、強度調整部１０を有する。本実施形態でも、振動部は上部電極４と振動膜５からなる。しかし、振動膜５と支持部９は別個に形成され、隣接する振動膜５を繋ぐ振動膜５と連続的な不動部が支持部９上に形成されている。強度調整部１０は、隣接する振動膜５を繋ぐ不動部上から振動膜５と支持部９との境界部上に伸びて形成され、空隙３の端部辺りの振動膜５の機械的強度を補強している。

本実施形態では、支持部９を下部電極２上に配置することで振動膜５を略平坦に保持することができるため、振動膜５の変形部分を少なくすることができる。よって、機械的強度の低下を或る程度避けることができる。一方、振動膜５と支持部９の接触部が応力の集中部となるため、薄い振動膜を形成しようとした場合は、振動膜の剥がれ、空隙３の減圧状態が保たれない等の不良が発生する恐れがある。そこで、上述した様に強度調整部１０が設けられる。

本実施形態では、例えば、支持部９はチッ化シリコンとし、支持部９の高さを空隙３の高さと同等の２００ｎｍとし、振動膜５の膜厚を１００ｎｍ或いは２０ｎｍとした。支持部９と空隙３の高さは同じ方が好ましいが、空隙３の高さの２倍より低ければ、前記上記振動膜５の変形部分の機械的強度の低下の一定程度の回避の効果は得られる。振動膜５の膜厚は、例えば、１００ｎｍとしたが、空隙３の高さよりも薄ければ感度に関する効果は得られる。

本実施形態では、振動膜５の膜厚が１００ｎｍの場合、上述した様に空隙３の高さが２００ｎｍであるとき、支持部の高さの２分の１程度となる。振動膜５の膜厚が２０ｎｍの場合は、支持部の高さの１０分の１程度にもなる。そこで、強度調整部１０を配置するが、特に、振動膜の膜厚が１００ｎｍ程度以下の場合は、強度調整部１０の形成範囲を広くするのが好ましい。振動膜５の膜厚が２０ｎｍの場合は、強度調整部１０の膜厚は１００ｎｍから１０００ｎｍの範囲が望ましい。ここでも、強度調整部１０は一様成膜としたが、部分的に厚さが異なってもよい。また、強度調整部１０の材料は、チッ化シリコンとしたが、これと同等の機械特性を持つ他の材料でもよい。その他の点は第１の実施形態と同様である。

以上の様にして、本実施形態でも、強度調整部１０により、振動膜５の機械的強度の弱い変形部分の強度を補うことができる。これにより、高感度にできると共に信頼性を向上することができる。

（第３の実施形態）
本発明を適用できるＣＭＵＴの作製方法に係る第３の実施形態について説明する。なお、以下に示す形状、材質、数値、作製プロセスは一例であり、本発明の要件を満たす範囲内であれば、設計事項として任意に変更することができる。第１の実施形態の電気機械変換装置の作製方法として、サーフィスマイクロマシニングを利用する作製方法を説明する。図２は作製工程を説明する模式図である。

まず始めに、Ｓｉ基板１０１を用意する。次に、導体膜、例えば金属やドープされた半導体を、真空蒸着、またはスパッタリング、またはＣＶＤにより成膜し、フォトリソグラフィーとエッチングにより下部電極１０２を形成する（図２（a））。次に、犠牲層１０３を形成する。まず、ＰＥＣＶＤによりアモルファスシリコンを１００ｎｍ成膜する。フォトリソグラフィー及びエッチングにより、空隙となる犠牲層１０３のパターンを形成する（図２（ｂ））。次に、振動膜と支持部を形成する。ＰＥＣＶＤにより、シリコン窒化膜である振動膜１０４と支持部を１００ｎｍ成膜する（図２（ｃ））。次に、フォトリソグラフィーとエッチングにより、シリコン窒化膜１０４にエッチングホール（図示しない）を形成する。これは、犠牲層にエッチング液を入れるための導入口である。次に、基板をＴｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ（ＴＭＡＨ）に浸漬する。これによりＴＭＡＨが、犠牲層であるアモルファスシリコン１０３をエッチングする。こうして空隙１０５が形成される。

次にアルミニウム等の金属を成膜し、フォトリソグラフィーとエッチングにより上部電極１０６のパターニングを行う（図２（ｄ））。更に、ＰＥＣＶＤによりシリコン窒化膜である強度調整部１０７を成膜する。真空雰囲気下で成膜を行うことにより、上記エッチングホールは封止され、各セルの空隙１０５を真空封止することができる。（図２（ｅ））。強度調整部１０７の成膜では、第１の実施形態の強度調整部の如く形成するために、リフトオフ加工等を用いて支持部付近のみに強度調整部を残す。

１、１０１…基板、２、１０２…下部電極（第１の電極）、３、１０５…空隙（間隙）、４、１０６…上部電極（第２の電極）、５、１０４…振動膜、６、１０、１０７…強度調整部、８、９…支持部

Claims (5)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極と対向し空隙を隔てて配設された第２の電極と、前記空隙と前記第２の電極との間に設けられた振動膜と、を含む振動部と、
   前記振動部を振動可能に支持する支持部と、
   を備えるセルを有する静電容量型の電気機械変換装置であって、
   前記振動膜と前記支持部との境界部の強度を補強する強度調整部を備え、
   前記強度調整部は、前記振動膜の中央部上に位置する部分を除いて、前記振動膜の端部と前記支持部とを覆うように形成されていて、
   前記振動膜の膜厚が、前記振動膜の変形がないときの前記空隙の高さと等しい前記支持部の高さより薄く、
   前記強度調整部は前記振動膜よりも厚い膜であることを特徴とする電気機械変換装置。
2. 前記振動膜と前記支持部は、連続的に同じ材料で形成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. 前記振動膜と前記支持部は別個に形成され、隣接する前記セルの振動膜を繋ぎ、前記振動膜と連続的な不動部が支持部上に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. 前記強度調整部は窒化シリコンからなることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の電気機械変換装置。
5. 請求項１に記載の電気機械変換装置の作製方法であって、
   前記第１の電極を形成する工程と、
   前記第１の電極の上方に犠牲層を形成する工程と、
   前記支持部及び前記振動膜となる層を、前記犠牲層を覆うように形成する工程と、
   前記層に形成されたエッチングホールを介して前記犠牲層をエッチングする工程と、
   前記振動膜上に第２の電極を形成する工程と、
   前記振動膜上及び前記支持部上に強度調整部を形成する工程と、
   前記強度調整部が、前記振動膜の中央部上に位置する部分を除いて、前記振動膜の端部と前記支持部とを覆うように、前記強度調整部を加工する工程と、
   を有することを特徴とする電気機械変換装置の作製方法。

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