JP5875244B2 - 電気機械変換装置及びその作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、電気機械変換装置及びその作製方法に関する。特に超音波トランスデューサとして用いられる電気機械変換装置とその作製方法に関する。
マイクロマシニング技術によって作製される静電容量型の電気機械変換装置は、圧電素子の代替品として研究されている。静電容量型の電気機械変換装置は、素子を構成する絶縁膜が帯電すると、対向する電極間に実効的に印加される電圧が変化するため、変換効率が変化する。ここでの変換効率とは、振動膜の振動を電気信号に変換する効率のことである。印加される電圧が高いほど、また、電極間距離が近いほど、変換効率は高い。各セル間、各素子間の変換効率がばらつく場合、電気機械変換装置の感度ばらつきや帯域ばらつきが発生する。
特許文献１には、電極間の絶縁膜の電荷蓄積（帯電）抑制と下部電極と上部電極との間の絶縁膜の耐圧向上とを両立させる電気機械変換装置が記載されている。特許文献１に記載の電気機械変換装置は、下部電極に接する絶縁膜がシリコン酸化膜であり、上部電極に接する、間隙側の絶縁膜（メンブレン）もシリコン酸化膜である。シリコン酸化膜は、電荷が蓄積しにくいため、このような構成により、帯電を抑制することができる。さらに、下部電極と上部電極との間に、シリコン窒化膜を形成している。シリコン窒化膜は、シリコン酸化膜よりも比誘電率が高いため、絶縁膜の容量を同一とした場合、膜を厚くすることができる。よって、このような構成により絶縁耐圧を向上している。
特開２００８−２８８８１３号公報
しかしながら、シリコン酸化膜は圧縮応力を有する。特許文献１のように、帯電を抑制するために、シリコン酸化膜を上部電極に接する、間隙側のメンブレンとして用いる場合、座屈等により振動膜が大きく撓んでしまう。撓み量が大きいと、場合によっては、振動膜が割れてしまうこともある。また、シリコン酸化膜の場合、振動膜の撓み具合もセル毎、素子毎にばらつきやすい。振動膜の撓みばらつきは、素子毎の感度ばらつきとの原因となる。
そこで、本発明は、素子の帯電を抑制しつつ、振動膜が低い引っ張り応力となる電気機械変換装置及びその作製方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための本発明の電気機械変換装置は、第一の電極と、前記第一の電極上に形成されたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜と間隙を隔てて形成されたシリコン窒化膜と、前記シリコン窒化膜上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、からなる振動膜と、を備えることを特徴とする。
また、本発明の電気機械変換装置の作製方法は、第一の電極上にシリコン酸化膜を形成する工程と、前記シリコン酸化膜上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上にシリコン窒化膜を形成する工程と、前記シリコン窒化膜上に第二の電極を形成する工程と、前記シリコン窒化膜にエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、を有することを特徴とする。
本発明により、素子の帯電を抑制しつつ、振動膜の大きな撓みや、素子毎の振動膜の撓みばらつきを低減した電気機械変換装置及びその作製方法を提供することができる。
（ａ）（ｂ）本発明の実施例１の適用できる電気機械変換装置を説明するための上面図及び断面図である。 （ａ）（ｂ）本発明の実施例２の適用できる電気機械変換装置を説明するための上面図及び断面図である。 本発明の実施例３の適用できる電気機械変換装置の作製方法を説明するための上面図である。 本発明の実施例３の適用できる電気機械変換装置の作製方法を説明するためのＡ−Ｂ断面図である。
以下に、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
（電気機械変換装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本発明の電気機械変換装置は、セル構造１を有する素子２を複数有している。素子２は、電気的に接続された複数のセル構造１からなる。図１では、素子２は、９個のセル構造から構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、素子数も、４つの素子のみ記載しているが、個数はいくつでも構わない。セル構造の形状は、図１では円形であるが、四角形、六角形等の形状でも構わない。
セル構造１は、基板１１、基板１１上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜１２上に形成される第一の電極１３、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４を有している。さらに、セル構造１は、メンブレン１５と第二の電極４とで構成される振動膜を有する。メンブレン１５は、メンブレン支持部１６により支持されおり、振動膜は、第二の絶縁膜１４と間隙であるキャビティ３を隔てて配置されている。第一の電極１３と第二の電極４とは対向しており、第一の電極１３と第二の電極４との間には、電圧印加手段１７から電圧が印加される。また、素子２は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎に電気信号を引き出すことができる。本実施の形態では、引き出し配線６により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第一の電極１３を共通電極とし、第二の電極４を素子毎に配置することで第二の電極４から素子毎の電気信号を引き出しているが、逆の構成にしても構わない。つまり、第二の電極４を共通電極とし、第一の電極１３を素子毎に配置することで、素子毎の電気信号を引き出してもよい。
（電気機械変換装置の駆動原理）
本発明の駆動原理を説明する。電気機械変換装置で超音波を受信する場合、電圧印加手段１７で、第一の電極１３と第二の電極４との間に電位差が生じるように、第一の電極１３に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極４を有する振動膜が撓むため、第二の電極４と第一の電極１３との間隔（キャビティ３の深さ方向の距離）が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線６に電流が流れる。この電流を、不図示の電流−電圧変換素子によって電圧に変換し、超音波の受信信号とする。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極４に直流電圧を印加し、第一の電極１３から素子毎に電気信号を引き出してもよい。
また、超音波を送信する場合、第一の電極に直流電圧を印加し、第二の電極に交流電圧を印加し、静電気力によって、メンブレン１５と第二の電極４とからなる振動膜を振動させる。この振動によって、超音波を送信することができる。超音波を送信する場合も、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極に直流電圧を印加し、第一の電極に交流電圧を印加し、振動膜を振動させてもよい。
（本発明の電気機械変換装置の特徴）
次に、本発明の電気機械変換装置の特徴部分を説明する。本発明の電気機械変換装置は、メンブレン１５としてシリコン窒化膜を用いる。シリコン窒化膜は、応力コントロールが容易であり、低い引張り応力、例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することができる。よって、シリコン窒化膜の残留応力による振動膜の大きな変形を低減することができる。また、シリコン窒化膜により、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつきおよび機械特性ばらつきを低減できる。特に、メンブレンとして用いるシリコン窒化膜を低応力にする場合、化学的に理想的な膜組成（ストイキオメトリー）である、シリコンと窒素との比が３：４よりも、シリコンの比が高いことが好ましい。
また、本発明の電気機械変換装置では、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４はシリコン酸化膜である。シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜と比較して、第一の電極１３との界面の電位障壁高さが高いため、電荷が流れ込みにくい。ここで、電位障壁高さは、高いほど、第一の電極と絶縁膜との界面での電荷の移動がしにくく、電流が流れにくいことを意味する。本発明の電気機械変換装置では、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４はシリコン酸化膜であるため、電荷の移動が小さく、帯電を低減できる。
特に、第一の電極１３上のシリコン酸化膜は、ストイキオメトリー（シリコンと酸素の比が１：２）に近いことが好ましい。ストイキオメトリーに近い構成のシリコン酸化膜の場合、シリコンと酸素の未結合手が少ないため、電荷がシリコン酸化膜内にトラップされにくい。従って、電気機械変換装置の帯電をより抑制することができる。
ただし、ストイキオメトリーに近いシリコン酸化膜は、圧縮応力になることが多い。そこで、本構成では、帯電を抑制するためのシリコン酸化膜が第一の電極上に形成され、第二の電極のキャビティ側のメンブレンとしては用いていない。従って、振動膜の大きな変形等を防止して、帯電を抑制することができる。
また、上記したように、メンブレンとして用いるシリコン窒化膜を低応力にする場合、ストイキオメトリー（シリコンと窒素との比が３：４）よりも、シリコンの比が高いことが好ましい。そのため、シリコンや窒素の未結合手が多くなり、電荷がシリコン窒化膜内にトラップされやすく、帯電しやすい。しかしながら、本発明の電気機械変換装置では、帯電を抑制するためのシリコン酸化膜を第一の電極上に配置しているため、シリコン窒化膜をメンブレンとして用いても、帯電を低減することができる。
これらの構成によって、振動膜の大きな変形を低減することができ、また、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつきを低減することができる。さらに、電気機械変換装置の帯電を低減することもできる。
次に、電気機械変換装置の各構成の好適な例を説明する。
本発明の基板１１は、表面粗さの小さい基板が好ましく、シリコン基板やガラス基板等を用いることができる。基板１１としてシリコン基板等の導電性を有する基板を用いた場合は、基板１１が第一の電極１３を兼ねても良い。基板１１がガラス基板等の絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜１２はなくてもよい。
第一の電極１３は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミ等を用いることができる。
第二の電極４は、残留応力が大きい場合、振動膜の大きな変形を引き起こすため、残留応力の小さな材料が好ましい。また、後述の作製時において、エッチングホール５を封止する際、成膜温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。さらに、第二の電極が露出した状態で犠牲層エッチングできるよう、エッチング耐性を有する材料が望ましい。例えば、チタン等を用いることができる。
次に、本発明の電気機械変換装置を駆動する際の好適な形態を説明する。本発明においては、電圧印加手段１７は、第二の電極４の電位より第一の電極１３の電位が低くなるように、電圧を印加することが好ましい。シリコン酸化膜と接している第一の電極１３側から電子が流入する構成では、シリコン窒化膜と接している第二の電極４側から電子が流入する場合と比較して、電子の流入量が少ない。従って、シリコン酸化膜、あるいは、シリコン窒化膜に蓄積される電荷量を少なくすることができる。本構成とすることによって、電気機械変換装置の帯電をより抑制することができる。
さらに、本発明においては、シリコン窒化膜に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍ以下とする構成とすることが好ましい。本構成では、シリコン窒化膜内では、ほぼＯｈｍｉｃ伝導であるため、印加される電界強度に対して電流が急激に大きく流れることがない。よって、電荷が急激に移動することがないため、より帯電を抑制することができる。ここで、Ｏｈｍｉｃ伝導とは、印加される電圧に対して流れる電流が比例関係にあることである。特に、メンブレン１５が第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４に接触する場合、シリコン酸化膜に対してシリコン窒化膜の比誘電率が大きいため、シリコン窒化膜に印加される電界強度が大きくなる。本構成では、シリコン窒化膜に印加される電界強度を２ＭＶ／ｃｍ以下としているため、帯電を抑制することができる。ここで、電界強度は、シリコン窒化膜の厚さと、印加する電圧と、ギャップと、シリコン酸化膜厚さと、により変化する。よって、本発明においては、２００Ｖ以下の電圧を印加する場合、シリコン酸化膜厚さを５０ｎｍから２００ｎｍの厚さとし、第一のメンブレンとして用いるシリコン窒化膜の厚さを３００ｎｍから８００ｎｍ以下の厚みにするとよい。
（作製方法）
次に、図３、図４を用いて、本発明の作製方法を説明する。図３は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図４は、図３のＡ−Ｂ断面図である。
まず、図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。第一の絶縁膜５１は、基板５０がシリコン基板のような導電性を有する基板の場合、第一の絶縁膜５１は第一の電極と絶縁するために形成する。基板５０がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５１は形成しなくともよい。また、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。表面粗さが大きい場合、本工程の後工程での成膜工程でも、表面粗さが転写されていくとともに、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう。このばらつきは、変換効率のばらつきとなるため、各セル間、各素子間の感度、帯域ばらつきとなる。また、表面粗さが大きい場合、電界集中が起こりやすく、絶縁破壊を生じやすい。従って、基板５０は、表面粗さの小さな基板が望ましい。
次に、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、アルミ等である。基板５０と同様に、第一の電極の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう、あるいは、絶縁破壊を生じやすいため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。特に、チタンは耐熱性が高いため、本工程の後工程での成膜工程での温度による変質や表面粗さの増加が少ないため望ましい。
次に、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、シリコン酸化膜である。シリコン酸化膜は、Ｐｒａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）により、低温（２００度〜４００度の温度）で第一の電極上に成膜することができる。
次に、図４（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜上に犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、表面粗さが小さい材料が望ましい。基板５０と同様に、第一の電極の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまう、あるいは、絶縁破壊を生じやすいため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。また、犠牲層を除去するエッチングのエッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。さらに、犠牲層を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜５３、メンブレン５５、第二の電極５６がエッチングされにくい犠牲層材料が求められる。
犠牲層５４を除去するエッチング液あるいはエッチングガスに対して、第二の絶縁膜５３、メンブレン５５がエッチングされる場合、振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきが発生する。振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離ばらつきは、各セル間、各素子間の感度、帯域ばらつきとなる。犠牲層５４の材料としては、表面粗さが小さく、第二の絶縁膜５３とメンブレン５５と第二の電極５６とがエッチングされないエッチング液を用いることのできる、クロムが好ましい。
次に、図４（ｅ）に示すように、犠牲層上にメンブレン５５を形成する。メンブレン５５は、シリコン窒化膜である。窒化シリコンは、応力コントロールが容易であり、低い引張り応力、例えば、３００ＭＰａ以下の引張り応力で形成することができる。上記したように、メンブレンが圧縮応力を有する場合、メンブレンが座屈を引き起こし大きく変形する。また、メンブレンのばね定数が小さい場合、キャビティ４３（図３参照）を形成後、メンブレン５５が第一の電極５２側に付着してしまう（スティッキング）ことがある。
スティッキングは、メンブレンの残留応力や、後述する実施例３のような犠牲層エッチング時の水分蒸発による表面張力、静電気力、あるいは、表面の水酸基による水分吸着等によって発生する。本発明の作製方法では、犠牲層エッチングをウェットエッチングで行うため、スティッキングが発生しやすい。特に、周波数帯域が０．３ＭＨｚ〜２０ＭＨｚの電気機械変換装置では、キャビティ深さが５０〜３００ｎｍであり、スティッキングが発生しやすい。そこで、メンブレン５５としてシリコン窒化膜を用い、低い引張り応力で形成することが重要となる。
また、シリコン窒化膜は、ＰＥ−ＣＶＤにより成膜することができる。ＰＥ−ＣＶＤによるシリコン窒化膜は、Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＬＰＣＶＤ）によるシリコン窒化膜と比較して、低温（２００度〜４００度）で成膜できるため好ましい。また、ＰＥ−ＣＶＤによるシリコン窒化膜のヤング率は、１８０ＧＰａ以上にすることが可能であり、メンブレンの剛性を高めることができるため、スティッキングを低減することができる。
次に、図４（ｆ）に示すように、メンブレン５５上（シリコン窒化膜上）に第二の電極５６を形成する。そして、メンブレンにエッチングホール５８を形成し、犠牲層５４を除去する。
犠牲層５４の除去後にエッチングホールを封止する場合、第二の電極５６の材料としては、封止する際の成膜温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料であることが望ましい。また、エッチング耐性が低い場合、犠牲層５４を除去する際に、第二の電極５６を保護するフォトレジスト等を塗布したまま、犠牲層エッチングを行う必要がある。しかしながら、フォトレジスト等を塗布すると、フォトレジスト等の応力によってメンブレンがスティッキングしやすくなる。そこで、フォトレジスト等を用いず、第二の電極５６が露出した状態で犠牲層エッチングできるよう、第二の電極５６としては、エッチング耐性を有する材料であることが望ましい。例えば、チタン等である。
エッチングホール５８は成膜等により封止することができる。成膜により封止する場合、エッチングホール５８を封止する膜は、第二の電極上にも堆積する。第二の電極５６上に堆積した膜は、残して所望の機械特性を有する振動膜を構成してもよいし、除去することによって振動膜を形成してもよい。
エッチングホールを封止する場合、エッチングホールを封止した後に、不図示の工程により、第二の電極５６と接続する配線４６を形成する。配線材料はアルミ等でよい。
また、本発明においては、エッチングホール５８は封止しなくてもよい。エッチングホール５８を封止しない場合、第二の電極を形成する工程において、メンブレン５５の上に、第二の電極５６と接続する配線４６を形成しておく。その後、エッチングホールを介して、犠牲層５４を除去する。
本作製方法で電気機械変換装置を作製することにより、電気機械変換装置の振動膜の機械特性やたわみのばらつきを低減しつつ、帯電を抑制することができる。従って、感度ばらつきや、帯域のばらつきを低減する電気機械変換装置を作製することができる。
以下では、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
本発明の実施例１の電気機械変換装置の構成を、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。
セル構造１は、３００μｍ厚さのシリコン基板１１、シリコン基板１１上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜１２上に形成される第一の電極１３、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４を有する。さらに、第二の絶縁膜１４とキャビティ３を介して配置される、メンブレン１５と第二の電極４とで構成される振動膜と、メンブレン１５を支持するメンブレン支持部１６と、を有する。また、第一の電極１３と第二の電極４との間には電圧印加手段により電圧が印加される。
本実施例の第一の絶縁膜１２は、熱酸化により形成した厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜１４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成したシリコン酸化膜である。第一の電極は厚さが５０ｎｍのチタンであり、第二の電極４は厚さが１００ｎｍのチタンである。メンブレン１５はＰＥ−ＣＶＤにより作製したシリコン窒化膜であり、１００ＭＰａ以下の引張り応力で形成する。また、第二の絶縁膜１４は、ＰＥ−ＣＶＤにより成膜した厚さ１００ｎｍのシリコン酸化膜である。
また、メンブレン１５の直径は３２μｍであり、それぞれの厚さは、０．５μｍであり、第二の電極４の直径は２６μｍである。キャビティの深さは、０．２μｍである。
本実施例のように、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４がシリコン酸化膜であるため、帯電を抑制できる。本実施例では、帯電を抑制することにより、各素子間の第一の電極と第二の電極との間に印加される実効電圧ばらつきを０．１Ｖ以下に抑制することができる。さらに、メンブレン１５が低応力のシリコン窒化膜であるため、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつき、機械特性ばらつきを低減できる。本実施例では、セル間、素子間の振動膜のたわみばらつきを±２ｎｍ以下にすることができる。よって、素子間の感度ばらつきを１ｄＢ以下にすることができる。
本実施例の電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極４から素子毎の電気信号を引き出すことができる。超音波を受信する場合、電圧印加手段１７により、第一の電極と第二の電極との間に電位差が生じるように、第一の電極に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極４と第一のメンブレン１５とからなる振動膜が変形するため、第二の電極４と第一の電極１３との間のキャビティ３の距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線６に電流が流れる。この電流が不図示の電流−電圧変換素子によって電圧に変換され、超音波の受信信号となる。
また、超音波を送信する際は、第一の電極に直流電圧を印加し、第二の電極に交流電圧を印加し、静電気力によって、振動膜を振動させることができる。この振動によって、超音波が送信される。
本実施例の電気機械変換装置では、帯電を抑制でき、振動膜の機械特性ばらつき、たわみばらつきを低減できるため、素子間の感度ばらつきを１ｄＢ以下にすることができる。
本発明の実施例２の電気機械変換装置の構成を、図２を用いて説明する。実施例２の電気機械変換装置の構成は、振動膜が３層構造である点が実施例１と異なる。図２（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。
本実施例のセル構造２１は、３００μｍ厚さのシリコン基板３１、シリコン基板３１上に形成される第一の絶縁膜３２、第一の絶縁膜３２上に形成される第一の電極３３、第一の電極３３上の第二の絶縁膜３４を有する。さらに、第二の絶縁膜３４とキャビティ２３を介して配置される、第一のメンブレン３６と第二のメンブレン３８と第二の電極２４とで構成される振動膜と、第一のメンブレン３６を支持するメンブレン支持部３９を有する。本実施例の素子２２は、９つのセル構造からなる。第一の電極３３と第二の電極２４との間には、電圧印加手段４０により電圧が印加される。
第一の絶縁膜３２は、熱酸化により形成される厚さ１μｍのシリコン酸化膜であり、第二の絶縁膜３４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成される厚さ０．１μｍのシリコン酸化膜である。第一の電極３３は厚さ５０ｎｍのチタンであり、第二の電極２４も厚さ１００ｎｍのチタンである。第一のメンブレン３６、第二のメンブレン３８は、ＰＥ−ＣＶＤにより２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成されたシリコン窒化膜である。また、第一のメンブレン３６と第二のメンブレン３８の直径は、４４μｍであり、それぞれの厚さは、０．４μｍ、０．７μｍである。第二の電極２４の直径は３８μｍである。また、キャビティ２３の深さは０．１８μｍである。
本実施例の電気機械変換装置では、第一の電極３３上の第二の絶縁膜３４がシリコン酸化膜であるため、帯電を抑制できる。さらに、第一のメンブレンが低応力のシリコン窒化膜であるため、各セル間、各素子間の振動膜のたわみばらつき、機械特性ばらつきを低減できる。
また、本実施例の振動膜は、第二の電極２４のキャビティ２３とは反対側に第二のメンブレン３８を有する。この第二のメンブレン３８により、振動膜全体の厚みを調整することで、周波数特性を調整することができる。第一のメンブレン３６上には第二の電極２４が設けられることから、第一と第二の電極間距離を小さくするために薄いほうが良い。そこで、第二のメンブレン３８により、振動膜全体の厚みを調整することが好ましい。また、本実施例では、第二のメンブレン３８は第一のメンブレン３６と同じシリコン窒化膜であるが、第二のメンブレン３８は、シリコン窒化膜以外でもよい。ただし、第二のメンブレン３８もシリコン窒化膜にすると、振動膜が低い引張り応力となりやすいため、好ましい。
また、本実施例の電気機械変換装置に、電圧印加手段４０により第一の電極３３に−６０Ｖの電圧を印加した場合について、説明する。この場合、第一の電極３３の電位が第二の電極２４の電位より低くなる。シリコン酸化膜と接している第一の電極３３側から電子が流入する構成では、シリコン窒化膜と接している第二の電極２４側から電子が流入する場合と比較して、電子の流入量が少ない。従って、シリコン酸化膜、あるいは、シリコン窒化膜に蓄積される電荷量を少なくすることができる。本構成とすることによって、電気機械変換装置の帯電をより抑制することができる。
さらに、本実施例のように、第一のメンブレン３６の厚さを０．４μｍとし、第一の電極３３に−６０Ｖの電圧を印加した場合、シリコン窒化膜に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍ以下となる。特に、第一のメンブレンが第二の絶縁膜に接しても、１１５Ｖまでは、シリコン窒化膜に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍ以下となるため、帯電をより抑制できる。
本実施例の構成とすることによって、帯電を抑制し、振動膜の機械特性ばらつき、たわみばらつきを抑制できるため、素子間の感度ばらつきを０．５ｄＢ以下にすることができる。ただし、上記した電極間の電位の関係や、第一のメンブレンの電界強度については、本実施例に限定されるものではない。実施例１に、第一の電極３３の電位が第二の電極２４の電位より低くする構成や、電界強度を２ＭＶ／ｃｍ以下とする構成を適用することもできる。
次に本発明の実施例３について説明する。本実施例は電気機械変換装置の作製方法に関し、図３、図４を用いて、本発明の作製方法の例を説明する。図３は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図４は、図３のＡ−Ｂ断面図である。
図４（ａ）に示すように、基板５０上に第一の絶縁膜５１を形成する。基板５０は厚さ３００μｍのシリコン基板である。また、第一の絶縁膜５１は第一の電極５２と基板５０との絶縁を形成するための熱酸化によるシリコン酸化膜であり、厚さ１μｍである。
次に、図４（ｂ）に示すように、第一の電極５２を形成する。第一の電極５２は、厚さ５０ｎｍのチタンであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。チタンは、スパッタリング、蒸着によって成膜できる。
次に、図４（ｃ）に示すように、第二の絶縁膜５３を形成する。第二の絶縁膜５３は、ＰＥ−ＣＶＤにより成膜した厚さ０．１μｍのシリコン酸化膜であり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は２ｎｍ以下である。第二の絶縁膜５３は、第一の電極５２と第二の電極５６間の電気的短絡あるいは第一の電極５２と第二の電極５６との間に電圧がかかった時の絶縁破壊を防止できる。また、シリコン酸化膜は、シリコン窒化膜と比較して、第一の電極との電位の障壁高さが高いため、電荷が流れ込みにくい。第一の電極５２上の第二の絶縁膜５３はシリコン酸化膜であるため、本発明の電気機械変換装置の帯電を抑制できる。
次に、図４（ｄ）に示すように、犠牲層５４を形成する。犠牲層５４は、厚さ０．２μｍのクロムであり、二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）は、１．５ｎｍ以下である。また、犠牲層５４の直径は４０μｍである。
次に、図４（ｅ）に示すように、メンブレン５５を形成する。メンブレン５５は、ＰＥＣＶＤにより成膜した厚さ０．５μｍの窒化膜である。第一のメンブレン５５の残留応力は２００ＭＰａである。また、メンブレン支持部は、このメンブレン５５と同一工程により形成される。
次に、図４（ｆ）に示すように、第二の電極５６を形成し、さらにエッチングホール５８を形成する。第二の電極５６は、厚さ０．１μｍのチタンであり、残留応力は、２００ＭＰａ以下である。チタンは、実施例２のように、第二のメンブレンを成膜する場合、温度による表面粗さの増大や応力の変化がない。また、犠牲層５４を除去する際にエッチングされないため、レジスト等を塗布して保護することなく、犠牲層５４を除去できる。
その後、エッチングホール５８を介して、犠牲層５４を除去する。犠牲層５４の除去は、クロムエッチング液（硝酸第二アンモニウムセリウム、過塩素酸、水の混酸）により行う。本実施例では、第二の絶縁膜５３がシリコン酸化膜であり、メンブレン５５がシリコン窒化膜であり、犠牲層５４がクロムである。従って、犠牲層エッチング時に、第二の絶縁膜５３とメンブレン５５と第二の電極５２がエッチングされないため、振動膜の厚さばらつき、第一の電極と第二の電極との間の距離のばらつきが低減できる。よって、各セル間、各素子間の感度、帯域ばらつきを低減することができる。
さらに、図示しない工程により、エッチングホール５８をＰＥ−ＣＶＤによるシリコン窒化膜により封止する。この封止は、実施例２に示す第二のメンブレンを成膜する工程と同じ工程により行うことができる。その後、第一の電極、第二の電極と接続する配線４６を形成する。配線材料はアルミである。
本作製方法で電気機械変換装置を作製することにより、電気機械変換装置の振動膜の機械特性ばらつきやたわみばらつきを低減しつつ、帯電を抑制することができる。従って、セル毎、素子毎の感度ばらつきや帯域のばらつきを低減した電気機械変換装置を作製することができる。
１ セル構造
２ 素子
３ キャビティ
４ 第二の電極
５ エッチングホール
１１ 基板
１２ 第一の絶縁膜
１３ 第一の電極
１４ 第二の絶縁膜
１５ メンブレン
１６ メンブレン支持部
１７ 電圧印加手段

Claims (47)

  1. 基板と、
    前記基板上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設けられた第一の電極と、
    前記第一の電極上に形成されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜と間隙を隔てて、該シリコン酸化膜と対向するように設けられている振動膜とを備える電気機械変換装置であって、
    前記振動膜は、シリコン窒化膜と、第二の電極とを、前記間隙側に前記シリコン窒化膜が位置するように備え、且つ前記シリコン酸化膜は前記第一の電極及び前記間隙と接し、前記シリコン窒化膜は前記第二の電極及び前記間隙と接しており、
    前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有し、且つ前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より前記第一の電極の電位が低くなるように構成されていることを特徴とする電気機械変換装置。
  2. 前記シリコン窒化膜は、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力となるよう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. 前記シリコン窒化膜は、０ＭＰａより大きく２００ＭＰａ以下の引張り応力となるよう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. 前記シリコン窒化膜は、０ＭＰａより大きく１００ＭＰａ以下の引張り応力となるよう形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  5. 前記シリコン酸化膜の厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  6. 前記シリコン窒化膜の厚さが３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  7. 前記シリコン窒化膜における、シリコンと窒素との比が３：４よりも、シリコンの比が高いことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  8. 前記シリコン酸化膜における、シリコンと酸素との比が１：２に近いことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  9. 前記シリコン酸化膜の二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  10. 前記第一の電極の二乗平均表面粗さ（Ｒｍｓ）が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  11. 前記間隙の厚さが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  12. 前記第一の電極がチタンまたはアルミを有することを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  13. 前記第二の電極がチタンを有することを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  14. 前記振動膜は、前記第二の電極の前記間隙とは反対側にもシリコン窒化膜が形成されていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  15. 前記基板はシリコンを有することを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  16. 前記絶縁膜はシリコン酸化膜を有することを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  17. 前記電圧印加手段は、前記第一の電極に負の電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  18. 前記電気機械変換装置が超音波を受信して電流を出力するように、前記電圧印加手段は前記第一の電極及び前記第二の電極間に電位差が生じるようにＤＣ電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  19. 前記電気機械変換装置が超音波を送信するように前記電圧印加手段は、前記第一の電極にＤＣ電圧を印加し、前記第二の電極にＡＣ電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  20. 前記電気機械変換装置が超音波を送信するように前記電圧印加手段は、前記第二の電極にＤＣ電圧を印加し、前記第一の電極にＡＣ電圧を印加することを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  21. 前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を印加する電圧印加手段を備え、前記電圧印加手段は、前記シリコン窒化膜に印加される電界強度が２ＭＶ／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至２０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  22. 第一の電極と、
    前記第一の電極上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜と間隙を隔てて配置され前記第一の電極と対向する第二の電極と、前記第二の電極の前記間隙側に形成されたメンブレンとを含み構成される振動膜と、
    前記第一の電極と前記第二の電極との間に電圧を印加するための電圧印加手段と、を備え、
    前記メンブレンにかかる引張り応力は０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下であり、前記第二の電極と前記メンブレンとの界面での電位障壁より、前記第一の電極と前記絶縁膜との界面での電位障壁の方が高く、且つ前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より前記第一の電極の電位が低くなるように構成されていることを特徴とする電気機械変換装置。
  23. 前記メンブレンが２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成されていることを特徴とする請求項２２に記載の電気機械変換装置。
  24. 前記メンブレンが１００ＭＰａ以下の引張り応力で形成されていることを特徴とする請求項２２または２３に記載の電気機械変換装置。
  25. 基板と、
    絶縁膜と、
    第一の電極と、
    シリコン酸化膜と、
    シリコン窒化膜及び第二の電極を有する振動膜と、
    電圧印加手段と、
    を備える電気機械変換装置であって、
    前記基板、前記絶縁膜、前記第一の電極、前記シリコン酸化膜、前記シリコン窒化膜、前記第二の電極をこの順に有し、
    前記シリコン酸化膜と前記シリコン窒化膜との間に間隙を有し、
    前記シリコン酸化膜は前記第一の電極及び前記間隙と接し、前記シリコン窒化膜は前記第二の電極及び前記間隙と接しており、且つ
    前記第二の電極の電位より前記第一の電極の電位が低くなるように前記電圧印加手段は構成されていることを特徴とする電気機械変換装置。
  26. 複数の素子を含み構成される静電容量型の電気機械変換装置であって、
    前記複数の素子は、それぞれ複数のセルを備えており、
    前記セルは、
    基板と、
    前記基板上に形成された絶縁膜と、
    前記絶縁膜上に設けられた第一の電極と、
    前記第一の電極上に形成されたシリコン酸化膜と、
    前記シリコン酸化膜と間隙を隔てて、該シリコン酸化膜と対向するように設けられている振動膜と、
    電圧印加手段と、を備え、
    前記振動膜は、シリコン窒化膜と、第二の電極とを、前記間隙側に前記シリコン窒化膜が位置するように備え、且つ前記シリコン酸化膜は前記第一の電極及び前記間隙と接し、前記シリコン窒化膜は前記第二の電極及び前記間隙と接しており、且つ
    前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より前記第一の電極の電位が低くなるように構成されていることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
  27. 前記第二の電極の前記間隙側の面及び前記間隙とは反対側の面に前記シリコン窒化膜が設けられていることを特徴とする請求項２６に記載の電気機械変換装置。
  28. 前記第一の電極は、前記複数の素子間で共通して用いられる共通電極であることを特徴とする請求項２６または２７に記載の電気機械変換装置。
  29. 前記複数の素子間の、前記第一の電極と前記第二の電極との間に印加される実効電圧ばらつきが０．１Ｖ以下であることを特徴とする請求項２６乃至２８のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  30. 前記複数のセル間の、前記振動膜のたわみばらつきが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６乃至２９のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  31. 前記複数の素子間の、前記振動膜のたわみばらつきが２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項２６乃至３０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  32. 前記複数の素子間の感度ばらつきが１ｄＢ以下であることを特徴とする請求項２６乃至３１のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  33. 基板と、
    前記基板上の積層方向に積層されている、第一の電極と第一の絶縁膜とを含み構成される第一の部材と、
    前記基板上の前記積層方向に、前記第一の部材と間隙を介して設けられている、第二の電極と第二の絶縁膜を含み構成される第二の部材と、
    電圧印加手段と、を有する静電容量型の電気機械変換装置であって、
    前記第一の絶縁膜はシリコン酸化膜であり、且つ前記第一の部材を構成する該シリコン酸化膜は前記間隙側に位置しており、
    前記第二の絶縁膜はシリコン窒化膜であり、且つ前記第二の部材を構成する該シリコン窒化膜は前記間隙側に位置しており、
    前記電圧印加手段は、前記第二の電極の電位より前記第一の電極の電位が低くなるように構成されていることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
  34. 前記基板はシリコン基板であることを特徴とする請求項３３に記載の電気機械変換装置。
  35. 前記基板と前記第一の電極との間に、第三の絶縁膜が設けられていることを特徴とする請求項３４に記載の電気機械変換装置。
  36. 前記基板はガラス基板であることを特徴とする請求項３３に記載の電気機械変換装置。
  37. 前記シリコン酸化膜は、前記間隙及び前記第一の電極に接していることを特徴とする請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  38. 前記シリコン窒化膜は、前記間隙及び前記第二の電極に接していることを特徴とする請求項３３乃至３７のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  39. 前記シリコン酸化膜の前記積層方向の厚さが５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３３乃至３８のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  40. 前記シリコン窒化膜の前記積層方向の厚さが３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３３乃至３９のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  41. 前記間隙の前記積層方向の厚さが５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項３３乃至４０のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  42. 前記第二の電極の前記積層方向の上下面は、シリコン窒化膜が設けられていることを特徴とする請求項３３乃至４１のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  43. 前記電圧印加手段は、前記第一の電極に負の電圧が印加されるように構成されていることを特徴とする請求項３３乃至４２のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  44. 前記電圧印加手段は、前記第一の電極及び前記第二の電極間に電位差が生じるようにＤＣ電圧を印加することを特徴とする請求項３３乃至４３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  45. 前記電圧印加手段は、前記第一の電極にＤＣ電圧を印加し、前記第二の電極にＡＣ電圧を印加することを特徴とする請求項３３乃至４３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  46. 前記電圧印加手段は、前記第二の電極にＤＣ電圧を印加し、前記第一の電極にＡＣ電圧を印加することを特徴とする請求項３３乃至４３のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
  47. 前記基板上に設けられている前記第一の部材と、該第一の部材と前記間隙を介して設けられている、振動膜として機能する前記第二の部材と、を含み構成される素子が、前記基板上に複数個設けられていることを特徴とする請求項３３乃至４６のいずれか１項に記載の電気機械変換装置。
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