JP5921079B2 - 電気機械変換装置及びその作製方法 - Google Patents
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Description
図1(a)は、本発明の電気機械変換装置の1つの素子1の上面図である。図1(b)は、図1(a)の一点鎖線で囲まれたセル構造2におけるA−B断面図を示している。本実施形態の素子1は、電気的に接続された複数のセル構造2を有する。図1(a)では、1つの素子1のみ記載しているが、複数の素子1で構成しても構わない。また、図1(a)では、素子1は、9個のセル構造2を配列して構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、セル構造が正方格子状に配列されているが、千鳥に配列されていてもよくどのように配置されていても良い。セル構造の形状は、図1では円形であるが、四角形または六角形などであっても構わない。
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、図示しない電圧印加手段で、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17を有する振動膜が撓むため、第二の電極17と第一の電極13との間隔(キャビティ15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。この電流を図示しない電流−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17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。
上述したように、本発明は、第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下であることを特徴とする。以降では、振動膜の周波数特性と第一の電極の表面粗さとの関係について図3を用いて説明する。ここでいう表面粗さは、AFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)を用いて測定し、その値はRms(Roughness Root Mean Square:二乗平均平方根粗さ)で示すものとする。Rmsの測定面積は、5μm×5μmである。また、測定の際に用いたAFMは、VEECO Instruments社製Nanoscope Dimension3000である。また、測定対象の電気機械変換装置は、第一の電極13の厚みを変化させた以外は、後述の実施例1の電気機械変換装置と同様の構成である。
次に、本発明の電気機械変換装置の作製方法について図2を用いて説明する。図2は、図1(a)(b)に示した電気機械変換装置を作製するための工程図である。図2(a)に示すように基板11上に第一の絶縁膜12を形成する。基板11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12は基板11と第一の電極13との絶縁を目的として形成している。よって、基板11がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜12は必要としない。基板11は、できる限り表面粗さの小さな基板が望ましい。
本発明において基板は、半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板並びにそれらの複合的基板等、どのような基板を用いても良い。基板11がガラス基板などの絶縁体である場合、第一の絶縁膜12は無くても構わない。特に本発明では、上述したように、基板11としてシリコン基板を用い、第一の絶縁膜12として熱酸化膜を用いることが好ましい。特に平滑性の高い基板として熱酸化膜を有するシリコン基板が好ましい。
2 セル構造
5 エッチングホール
6 引き出し配線
11 基板
12 第一の絶縁膜
13 第一の電極
14 第二の絶縁膜
15 キャビティ
16 第一のメンブレン
18 第二のメンブレン
19 メンブレン支持部
Claims (38)
- 基板と、
前記基板上に形成された第一の電極と、
前記第一の電極と間隙を隔てて、該第一の電極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、メンブレンと、第二の電極とを、前記間隙側に前記メンブレンが位置するように備え、且つ前記第一の電極は、表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下である
ことを特徴とする電気機械変換装置。 - 前記第一の電極の表面粗さが、前記振動膜の表面形状に反映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。
- 前記振動膜の表面粗さが、前記第一の電極の表面粗さと同程度であ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。
- 前記第一の電極は、第一の絶縁膜を介して前記基板上に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。
- 前記第一の電極上には第二の絶縁膜が形成され、前記第二の絶縁膜と前記メンブレンとの間に前記間隙が形成されてい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。
- 前記メンブレンは、前記第二の電極の前記間隙側に形成された第一のメンブレンであり、前記第二の電極の前記間隙側の面とは反対側の面には、第二のメンブレンが形成されており、前記第一のメンブレンと、前記第二の電極と、前記第二のメンブレンと、で振動膜を構成す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。
- 前記第一の電極は、チタン又はチタンを含む合金を有する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。
- 前記第一の電極は、10nm以上100nm以下の厚みである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。
- 前記第一の電極はタングステンを有す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。
- 前記基板はシリコン基板を有す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。
- 前記第一の電極は、第一の絶縁膜を介して前記基板上に形成され、前記第一の絶縁膜は酸化シリコンを有す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。
- 前記第一の電極上には第二の絶縁膜が形成され、前記第二の絶縁膜と前記メンブレンとの間に前記間隙が形成され、前記第二の絶縁膜は酸化シリコン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。
- 前記メンブレンは、窒化シリコ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。
- 前記電気機械変換装置は、複数のセル構造を有するエレメントを有し、前記複数のセル構造の各々が前記第一の電極と前記振動膜とを有す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。
- 前記電気機械変換装置は、複数の前記エレメントを有し、前記第一の電極または前記第二の電極からの電気信号が前記複数のエレメント毎に分離して出力されることを特徴とする請求項14に記載の電気機械変換装置。
- 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を有する装置であって、さらに電圧印加手段を有し、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圧を印加することを特徴とする装置。
- 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と電圧印加手段とを有する装置であって、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装置。
- 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と電圧印加手段とを有する装置であって、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装置。
- 電気機械変換装置の作製方法であって、
基板上に第一の電極を形成する工程と、
前記第一の電極上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層上にメンブレンを形成する工程と、
前記メンブレン上に第二の電極を形成する工程と、
前記メンブレン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、を有し、
前記第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下となるよう前記第一の電極を形成すること特徴とする電気機械変換装置の作製方法。 - 前記基板上に第一の絶縁膜を形成し、前記第一の絶縁膜上に前記第一の電極を形成する工程を有することを特徴とする請求項21に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記第一の電極上に第二の絶縁膜を形成し、前記第二の絶縁膜上に前記犠牲層を形成する工程を有することを特徴とする請求項21又は22に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記犠牲層上に第一のメンブレンを形成する工程と、
前記第二の電極上に第二のメンブレンを形成する工程と、を有することを特徴とする請求項19乃至21のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。 - 前記エッチングホールを封止する工程を有し、
前記エッチングホールを封止する工程は、前記第二のメンブレンを形成する工程と同一工程であ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の作製方法。 - 前記第一の電極はチタン又はチタンを含む合金を有することを特徴とする請求項19乃至23のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記第一の電極を10nm以上100nm以下の厚みに形成することを特徴とする請求項19乃至24のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記第一の電極はタングステンを有することを特徴とする請求項19乃至25のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記基板はシリコン基板を有することを特徴とする請求項19乃至26のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記基板上に第一の絶縁膜を形成し、前記第一の絶縁膜上に前記第一の電極を形成する工程を有し、前記第一の絶縁膜は酸化シリコンを有することを特徴とする請求項19乃至27のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記第一の電極上に第二の絶縁膜を形成し、前記第二の絶縁膜上に前記犠牲層を形成する工程を有し、前記第二の絶縁膜は酸化シリコンを有することを特徴とする請求項19乃至28のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記メンブレンは、窒化シリコンを有することを特徴とする請求項19乃至29のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 前記第一の電極を形成する工程は、スパッタリングによって形成する工程であることを特徴とする請求項19乃至30のいずれか1項に記載の電気機械変換装置の作製方法。
- 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、
第一の電極と、
前記第一の電極と間隙を隔てて設けられている第二の電極と、
前記第二の電極の前記間隙側に設けられており、且つ超音波の受信によって前記第一及び第二の電極間距離が変化するように構成されているメンブレンと、を備え、
前記第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下であることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。 - 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メンブレンが設けられていることを特徴とする請求項32に記載の電気機械変換装置。
- 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32または33に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の電極の積層方向の厚さは、10nm以上100nm以下であることを特徴とする請求項32乃至34のいずれか1項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の電極はシリコン酸化膜を介して前記間隙に面しており、且つ前記メンブレンは窒化シリコン膜を含み構成されていることを特徴とする請求項32乃至35のいずれか1項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第二の電極の前記間隙とは反対側に、窒化シリコン膜が設けられていることを特徴とする請求項32乃至36のいずれか1項に記載の電気機械変換装置。
- 前記第一の電極の、5μm×5μmのエリアの表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下であることを特徴とする請求項32乃至37のいずれか1項に記載の電気機械変換装置。
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