JP6177375B2 - Electromechanical transducer and method for manufacturing the same - Google Patents
Electromechanical transducer and method for manufacturing the same Download PDFInfo
- Publication number
- JP6177375B2 JP6177375B2 JP2016081493A JP2016081493A JP6177375B2 JP 6177375 B2 JP6177375 B2 JP 6177375B2 JP 2016081493 A JP2016081493 A JP 2016081493A JP 2016081493 A JP2016081493 A JP 2016081493A JP 6177375 B2 JP6177375 B2 JP 6177375B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- electromechanical transducer
- membrane
- surface roughness
- substrate
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Micromachines (AREA)
- Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)
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及びその作製方法に関する。 The present invention relates to an electromechanical transducer and a manufacturing method thereof. In particular, the present invention relates to an electromechanical transducer used as an ultrasonic transducer and a manufacturing method thereof.
マイクロマシニング技術によって作製されるCMUT(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)等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。このような静電容量型の電気機械変換装置は、振動膜の振動により超音波を送信、受信することができる。 Electromechanical transducers such as CMUTs (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers) produced by micromachining technology have been studied as alternatives to piezoelectric elements. Such a capacitance-type electromechanical transducer can transmit and receive ultrasonic waves by vibration of the vibrating membrane.
CMUTの作製方法として、特許文献1には、犠牲層エッチングによりキャビティを作製する方法が記載されている。特許文献1では、上部電極が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするために、第一のメンブレンと第二のメンブレンとの間に第二の電極を形成し、犠牲層をエッチングする。 As a CMUT manufacturing method, Patent Document 1 describes a method of manufacturing a cavity by sacrificial layer etching. In Patent Document 1, in order to prevent the upper electrode from being etched during the sacrifice layer etching, a second electrode is formed between the first membrane and the second membrane, and the sacrifice layer is etched.
特許文献1に記載の作製方法のように、CMUTは、基板上に下部電極や絶縁膜、上部電極、メンブレンが順次繰り返し積層される。この複数膜の成膜の際、膜の厚みがばらつくことが考えられる。膜の厚みがセル毎、素子毎にばらつくと、セル毎、素子毎に周波数特性が変わってしまう。そこで、本発明は、セル毎、素子毎の周波数特性のばらつきを低減することを目的とする。 As in the manufacturing method described in Patent Document 1, in the CMUT, a lower electrode, an insulating film, an upper electrode, and a membrane are sequentially laminated on a substrate. It is conceivable that the thickness of the film varies during the formation of the plurality of films. If the thickness of the film varies from cell to cell and from device to device, the frequency characteristics change from cell to cell and from device to device. Therefore, an object of the present invention is to reduce variation in frequency characteristics for each cell and each element.
本発明の電気機械変換装置は、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形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、を有する振動膜と、を備える電気機械変換装置であって、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。 The electromechanical transducer of the present invention includes a substrate, a first electrode formed on the substrate, a membrane formed with a gap from the first electrode, and the first electrode formed on the membrane. An electromechanical transducer including a vibrating membrane having a second electrode facing the electrode, wherein the first electrode has a root mean square value of surface roughness of 6 nm or less.
本発明の電気機械変換装置の作製方法は、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、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。 The method for producing an electromechanical transducer of the present invention includes a step of forming a first electrode on a substrate, a step of forming a sacrificial layer on the first electrode, and a step of forming a membrane on the sacrificial layer And forming a second electrode on the membrane; and forming an etching hole in the membrane and removing the sacrificial layer through the etching hole; and The first electrode is formed so that the root mean square value of the surface roughness of the electrode is 6 nm or less.
本発明により、第一の電極の表面状態を適正化することで、セル毎、素子毎の周波数特性のばらつきを低減することができる。 By optimizing the surface state of the first electrode according to the present invention, it is possible to reduce variation in frequency characteristics for each cell and each element.
本発明の発明者らは、振動膜の周波数特性が、基板上に形成される各層の厚みばらつきにより変わってくることに着目した。特に、素子を作製する初期の工程である第一の電極の成膜工程が重要であることを着目した。複数の膜を積層して作製される電気機械変換装置は、第一の電極の形成工程以降の工程では、第一の電極の表面形状を反映した表面形状の膜を得ることができる。この点から、本発明者らは、第一の電極の表面粗さと振動膜の周波数特性とが、一定の関係にあることを見出した。 The inventors of the present invention have focused on the fact that the frequency characteristics of the vibration film vary depending on the thickness variation of each layer formed on the substrate. In particular, the focus was on the importance of the first electrode film forming process, which is an initial process for fabricating the device. An electromechanical transducer manufactured by laminating a plurality of films can obtain a film having a surface shape reflecting the surface shape of the first electrode in the steps after the first electrode forming step. From this point, the present inventors have found that the surface roughness of the first electrode and the frequency characteristic of the vibrating membrane have a certain relationship.
この関係より、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。以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。 From this relationship, the present invention is characterized in that the root mean square value of the surface roughness of the first electrode is 6 nm or less. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
(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。
(Configuration of electromechanical converter)
FIG. 1A is a top view of one element 1 of the electromechanical transducer of the present invention. FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AB in the
図1(b)はセル構造2における断面図を示している。セル構造2は、基板11、基板11上に形成される第一の絶縁膜12、第一の電極13、第二の絶縁膜14を有する。さらに、セル構造2は、第一のメンブレン16と第二の電極17と第二のメンブレン18とで構成される振動膜を有している。第一のメンブレン16は、間隙側(キャビティ15側)のメンブレンであり、メンブレン支持部19により支持されている。第二のメンブレン18は、キャビティ15とは反対側のメンブレンである。振動膜は、第二の絶縁膜と間隙であるキャビティ15を隔てて配置されている。第一の電極13と第二の電極17とはキャビティを隔てて対向しており、第一の電極13と第二の電極17との間には、不図示の電圧印加手段により電圧が印加される。
FIG. 1B shows a cross-sectional view of the
また、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17から素子毎に電気信号を引き出すことができる。ただし、本実施形態では、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、第二の電極17ともに素子毎に配置しているが、第一の電極13と第二の電極17のどちらか一方を共通電極としても良い。共通電極とは、複数の素子を有する場合に、複数の素子全てで電気的に接続されている電極を示す。この場合においても、第一の電極13と第二の電極17のうちどちらか一方が素子毎に分離されていれば、素子毎の電気信号を取り出すことができる。
In addition, the electromechanical conversion device can extract an electrical signal from the
(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、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。
(Driving principle of electromechanical converter)
The driving principle of the present invention will be described. When receiving an ultrasonic wave by the electromechanical transducer, a direct current voltage is applied to the
また、超音波を送信する場合、第一の電極13に直流電圧を、第二の電極17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17に直流電圧を、第一の電極13に交流電圧を印加し、振動膜を振動させてもよい。また、第一の電極あるいは、第二の電極に直流電圧と交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることもできる。
Moreover, when transmitting an ultrasonic wave, a DC voltage can be applied to the
(振動膜の周波数特性と第一の電極の表面粗さとの関係)
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。
(Relationship between frequency characteristics of diaphragm and surface roughness of first electrode)
As described above, the present invention is characterized in that the root mean square value of the surface roughness of the first electrode is 6 nm or less. Hereinafter, the relationship between the frequency characteristics of the vibrating membrane and the surface roughness of the first electrode will be described with reference to FIG. The surface roughness referred to here is measured using an AFM (Atomic Force Microscope), and the value is represented by Rms (Roughness Root Mean Square). The measurement area of Rms is 5 μm × 5 μm. The AFM used for the measurement is Nanoscope Dimension 3000 manufactured by VEECO Instruments. The electromechanical transducer to be measured has the same configuration as the electromechanical transducer of Example 1 described later except that the thickness of the
図3(a)は、第一の電極13の電極としてチタンを用い、第一の電極13の膜厚と表面粗さとの関係を示したグラフである。RFパワーを550Wと固定し、チタンの膜厚を50nmから200nmまで増加させて、Rmsを測定した結果を示している。図3(b)は、振動膜の周波数特性と第一の電極13の表面粗さとの関係を示したグラフである。
図3(a)と同様にチタンの膜厚を50nmから200nmまで増加させて、振動膜の周波数特性を測定した際の結果を示している。
FIG. 3A is a graph showing the relationship between the film thickness of the
The result when the film thickness of titanium was increased from 50 nm to 200 nm as in FIG.
図3(b)では、周波数特性のばらつきを評価するにあたって、Q値との関係を示している。Q値とは、振動の状態を現す無次元数である。振動膜の共振周波数を半値幅で割った値であり、その値が高いほどアレイ化したセル構造2の個々の振動膜の周波数特性が揃っていることを示している。すなわちセル構造2の振動膜の形状および電極間距離などにばらつきが少ないことを示している。
FIG. 3B shows the relationship with the Q value in evaluating the variation in frequency characteristics. The Q value is a dimensionless number that represents the state of vibration. The value obtained by dividing the resonance frequency of the diaphragm by the half width, and the higher the value, the more the frequency characteristics of the individual diaphragms of the
周波数特性はAgilent社製インピーダンスアナライザー4294Aを用いて測定した。その結果、Q値は、第一の電極の表面粗さが6nm以下では200以上の高い値を示しており、6nmより大きな範囲では、急激にQ値が減少している。Q値が200以上の領域で一部傾きの異なる曲線になっているのは、インピーダンスアナライザーの分解能が十分ではないためだと思われる。 The frequency characteristic was measured using an impedance analyzer 4294A manufactured by Agilent. As a result, the Q value shows a high value of 200 or more when the surface roughness of the first electrode is 6 nm or less, and the Q value rapidly decreases in a range larger than 6 nm. The reason why the curve has a partially different slope in the region where the Q value is 200 or more seems to be because the resolution of the impedance analyzer is not sufficient.
図3(b)より、周波数特性のばらつきが小さい振動膜を得るには、第一の電極の表面粗さが重要であり、その表面粗さが6nm以下の範囲と6nmより大きな範囲とでは、Q値が大きく変化することが分かった。この関係は、第一の電極の材料によらない。以上より、第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下であることにより、セル毎、素子毎に周波数特性ばらつきの少ない振動膜とすることができる。また、第一の電極の表面粗さは小さければ小さいほどよい。 As shown in FIG. 3B, the surface roughness of the first electrode is important for obtaining a diaphragm having a small variation in frequency characteristics. In the range where the surface roughness is 6 nm or less and the range where the surface roughness is larger than 6 nm, It was found that the Q value changed greatly. This relationship does not depend on the material of the first electrode. As described above, when the root mean square value of the surface roughness of the first electrode is 6 nm or less, it is possible to obtain a vibration film with little variation in frequency characteristics for each cell and each element. Further, the smaller the surface roughness of the first electrode, the better.
また、第一の電極としてチタンを用いた場合、図3(a)で示したように、膜厚を変化させると、チタン厚が100nm近傍で変曲点を示し、表面粗さが急に増加している。また、チタン厚が200nm近傍でもまた変曲点を持ち、表面粗さの増加が鈍くなっている結果が得られている。これは、成膜メカニズムにおいて、成膜面はある膜厚以下では2次元成長し、急に3次元成長へと移行し、2次元及び3次元成長の混在した成長が行われると思われる。この傾向は、チタンだけでなく、TiWなどチタンを含む合金も同様の物性を示す。この結果より、本発明の第一の電極としてチタン又はチタンを含む合金を用いた場合、膜厚は100nm以下であることが好ましい。また、成膜の際、アイランド状から膜状になるのは、膜厚10nm以上であるため、チタンの膜厚の下限値としては10nm以上であることが好ましい。よって、本発明の第一の電極は、10nm以上100nm以下の厚みが好ましい。 When titanium is used as the first electrode, as shown in FIG. 3A, when the film thickness is changed, the titanium thickness shows an inflection point in the vicinity of 100 nm, and the surface roughness suddenly increases. doing. Moreover, even when the titanium thickness is around 200 nm, there is an inflection point, and the increase in surface roughness is slow. This is because, in the film formation mechanism, the film formation surface grows two-dimensionally below a certain film thickness, suddenly shifts to three-dimensional growth, and growth in which two-dimensional and three-dimensional growth are mixed is performed. This tendency shows not only titanium but also titanium-containing alloys such as TiW have similar physical properties. From this result, when titanium or an alloy containing titanium is used as the first electrode of the present invention, the film thickness is preferably 100 nm or less. In addition, when the film is formed, the island shape is changed to a film shape with a film thickness of 10 nm or more. Therefore, the lower limit value of the titanium film thickness is preferably 10 nm or more. Therefore, the thickness of the first electrode of the present invention is preferably 10 nm or more and 100 nm or less.
(電気機械変換装置の作製方法)
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。
(Method for producing electromechanical transducer)
Next, a method for manufacturing the electromechanical conversion device of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a process diagram for manufacturing the electromechanical transducer shown in FIGS. As shown in FIG. 2A, a first insulating
次に、図2(b)に示すように、第一の絶縁膜上に第一の電極13を形成する。上述したように、第一の電極13は、表面粗さの二乗平均平方根値が6nm以下となるように形成する。積層により作製する方法では、膜の表面粗さは次の膜へと反映されるため、初期工程における表面粗さを小さく抑制することは重要である。特に表面粗さが大きくなりやすい金属膜の成膜工程において、表面粗さを小さくすることにより特性ばらつきを抑制することが重要である。本発明では、第一の電極13を上記表面粗さの範囲で作製することにより、本工程以降の工程において、積層膜に次々に表面粗さが反映されたとしても、振動膜の周波数特性のばらつきが大きくなることを抑制することができる。第一の電極13の材料としては、高い導電性、高温耐性、高い平滑性を有するチタン、チタン合金等が好ましい。
Next, as shown in FIG. 2B, the
次に、図2(c)に示すように、第一の電極上に第二の絶縁膜14を形成する。第二の絶縁膜14は、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、第一のメンブレンが絶縁体であるため、第二の絶縁膜14は形成しなくともよい。第二の絶縁膜14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ため、第二の絶縁膜も表面粗さが小さい材料が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜等である。
Next, as shown in FIG. 2C, a second insulating
次に、図2(d)に示すように、第二の絶縁膜上に犠牲層25を形成する。犠牲層25は、キャビティの形状(深さ)を決定する一つとなるため、エッチング時に粒界や結晶異方性の影響が少ない材料であり、さらに他の構成材料とのエッチング選択性が高い材料が望ましい。また、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。また、表面粗さが小さい材料が望ましい。第一の電極と同様に、犠牲層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ため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。例えば、クロム、モリブデンなどである。
Next, as shown in FIG. 2D, a
次に、図2(e)に示すように、犠牲層上に第一のメンブレン16を形成する。メンブレン支持部は、この第一のメンブレン16と同一工程により形成される。第一のメンブレン16は、低い引張り応力が望ましい。例えば、0MPaより大きく300MPa以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜はPE−CVD(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition:気相化学成膜)法を用いて応力制御が可能であり、低い引張り応力を得ることができる。第一のメンブレン16が圧縮応力を有する場合、スティッキングあるいは座屈を引き起こし、振動膜が大きく変形する可能性がある。スティッキングとは、第一のメンブレン16が第一の電極側に付着してしまうことである。また、大きな引張り応力の場合、第一のメンブレンが破壊されることもある。従って、第一のメンブレン16は、低い引張り応力が望ましい。
Next, as shown in FIG. 2E, a
次に、図2(f)に示すように、第二の電極17を形成し、さらにエッチングホール(不図示)を形成する。その後、エッチングホールを介して、犠牲層25を除去しキャビティを形成する。第二の電極17は、残留応力が小さく、耐熱性、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性を有する材料が望ましい。また、後工程の第二のメンブレンを成膜する際の温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。また、エッチング選択比が小さい場合、犠牲層をエッチングする際に、第二の電極17を保護必要があり、ばらつきの原因となる。したがって犠牲層エッチングにおける耐性を有する材料が望ましい。例えば、チタンまたはチタンの合金等である。
Next, as shown in FIG. 2F, a
次に、図2(g)に示すように、第二のメンブレン18を形成する。本工程では、第二のメンブレン18を形成する工程と、エッチングホールを封止する工程とを同一工程で行う。つまり、本工程により、第二の電極上(第二の電極のキャビティとは反対側の面上)に第二のメンブレン18を形成することで、所望のばね定数を有する振動膜を形成することができ、エッチングホールを封止する封止部を形成することができる。
Next, as shown in FIG. 2G, the
第二のメンブレン18を形成した後に、エッチングホールを形成し、エッチングホールを封止した場合、エッチングホールを封止するための膜が第二のメンブレン上に堆積する。この堆積した膜を除去するために、エッチングを行うと振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生する。一方、本工程のように、エッチングホールの封止工程と第二のメンブレン18を形成する工程が同じであるため、振動膜は成膜工程だけで形成することができる。
When the etching hole is formed after the
また、第二のメンブレン18は、低い引張り応力を有する材料が望ましい。第一のメンブレン16と同様に、第二のメンブレン18が圧縮応力を有する場合、第一のメンブレン16がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する可能性がある。また、大きな引張り応力の場合、第二のメンブレン18が破壊されることもある。従って、第二のメンブレン18は、低い引張り応力が望ましい。窒化シリコン膜はPE−CVDを用いて応力制御が可能であり、低い引張り応力を得ることができる。
The
本工程の後、図示しない工程により、第一の電極や第二の電極から電気的接続をし易いように引き出し配線を形成する。配線材料は導電性が高くアセンブリに適した材料が望ましく、例えばアルミ等である。 After this step, a lead-out wiring is formed by a step (not shown) so as to facilitate electrical connection from the first electrode and the second electrode. The wiring material is preferably a highly conductive material suitable for assembly, such as aluminum.
本作製方法により電気機械変換装置を作製することによって、振動膜の周波数特性のばらつきを低減することができる。また、この作製方法で作製した電気機械変換装置は、振動膜を成膜工程のみで形成することができるため、振動膜の厚みばらつきを低減できるため、電気機械変換装置のセル毎、素子毎の感度、帯域のばらつきを低減することができる。 By producing an electromechanical transducer by this production method, variation in frequency characteristics of the diaphragm can be reduced. In addition, since the electromechanical conversion device manufactured by this manufacturing method can form the vibration film only by the film forming process, the thickness variation of the vibration film can be reduced. Therefore, for each cell and element of the electromechanical conversion device Variations in sensitivity and bandwidth can be reduced.
(本発明の好ましい形態)
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。
(Preferred form of the present invention)
In the present invention, any substrate such as a semiconductor substrate, a glass substrate, a ceramic substrate, or a composite substrate thereof may be used as the substrate. When the
第一の電極13は、チタンもしくはチタンの合金を用いることが好ましい。スパッタ装置においてRFパワーを制御することで、第一の電極に用いられるチタン膜の表面粗さを精度よく制御することができる。チタンは高い熱耐性を有しているため、以降の工程において高温による変形や変質などを防止することができる。また、積層工程によって表面粗さは次の膜へと反映されるため、初期工程における表面粗さを小さく抑制することは重要である。
The
第二の絶縁膜14は、酸化シリコンが好ましい。PE−CVDで形成された酸化シリコン膜は、絶縁性や平滑性が高く、またステップカバレッジ性に優れている。第一の電極13と第二の電極17との間には、高電圧が印加されるため、絶縁性やステップカバレッジ性に優れた酸化シリコン膜は、以降の工程に小さな表面粗さを提供することもできるため、望ましい。
The second insulating
第一のメンブレン16と第二のメンブレン18は窒化シリコンが好ましい。PE―CVD法を用いて形成された窒化シリコン膜は、一般的に引っ張り応力を得ることができる。
窒化シリコン膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止するためには、引っ張り応力かつ低応力値であることが、望ましい。本発明の電気機械変換装置は、第二の電極17が第一のメンブレン16と第二のメンブレン18との間に形成されている。第二の電極17が第二のメンブレン18上に形成される場合と比べ、第一の電極と第二の電極との距離を小さくできるため、変換効率を高くすることができる。
The
In order to prevent large deformation of the vibration film due to the residual stress of the silicon nitride film, a tensile stress and a low stress value are desirable. In the electromechanical transducer of the present invention, the
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り、第一の電極と第二の電極との間の距離が小さいほど変換効率が高い。また、熱膨張係数の異なる異種の材料の組み合わせで振動膜を構成した場合、バイメタル効果によって振動膜が反ってしまう。しかしながら同種の材料で挟み込んだ構成の第二の電極17が第一のメンブレン16と第二のメンブレン18との間に形成することによって、応力のバランスを取ることができ、振動膜の反りを低減できる。そのため振動膜の大きな変形を防止することができるため、望ましい。
The conversion efficiency here refers to the efficiency of converting the vibration of the diaphragm into an electric signal. The smaller the distance between the first electrode and the second electrode, the higher the conversion efficiency. Further, when the vibration film is composed of a combination of different materials having different thermal expansion coefficients, the vibration film is warped by the bimetal effect. However, by forming the
第二の電極17は、チタンもしくはチタンの合金が好ましい。チタン又はチタンの合金は、電子ビーム蒸着法を用いて形成することができ、電子ビーム蒸着法を用いて低真空度下で成膜したチタン膜は引っ張り応力を得ることができる。第二の電極17を大きな圧縮応力で形成した場合、第一のメンブレン16上の第二の電極17の応力バランスにより、振動膜が大きな変形を引き起こす可能性があり、振動膜の撓みばらつきが大きくなってしまう。振動膜の大きな変形を防止するためには、第二の電極17が引っ張り応力かつ低応力値であることが、望ましい。また、チタンは熱耐性が高いため、第二のメンブレンを形成する際の温度による変質を防止することができる。また、チタンは表面粗さも小さくできるため、メンブレンのたわみばらつきを抑制できる。
The
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to more specific examples.
以下に、本発明の実施の形態について図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。本発明の素子1は、9つのセル構造2を有している。
The embodiment of the present invention will be described below with reference to FIG. FIG. 1A is a top view of the electromechanical transducer of the present invention, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. The element 1 of the present invention has nine
図1(b)において、300μm厚さのシリコン基板である基板11、シリコン基板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、第一のメンブレン16、第二のメンブレン18、第二の電極17とで構成される振動膜とを有する。第一のメンブレン16は、支持するメンブレン支持部19により支持され、第一の電極13と第二の電極17とは、キャビティ15を隔てて対向して配置されている。
In FIG. 1B, a
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。第一の電極13はスパッタ装置を用いて形成し、厚さが50nmのチタンであり、表面粗さはRmsが2nm以下となるよう形成している。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。第二の絶縁膜14は、第一の電極13の表面粗さを反映するため、第一の電極13の表面粗さと同程度のRmsの値を有する。本実施例の第一の電極13は素子1の全面に形成している。素子1を複数アレイ状に配列する場合は、第一の電極13を複数の素子すべて電気的に接続される共通電極とし、第二の電極17を素子毎に電気的に分離することで、素子毎に電気信号を取り出すことができる。また、第二の電極17を共通電極とし、第一の電極13を素子毎に分離しても良い。さらに、第一の電極13、第二の電極17ともに素子毎に分離した電極としても良い。
The first insulating
第二の電極17は電子ビーム蒸着装置を用いて、チタンを形成している。チタンの厚さは100nmであり、200MPa以下の引張り応力で形成する。第一のメンブレン16、第二のメンブレン18はPE−CVDにより作製した窒化シリコン膜であり、100MPa以下の引張り応力で形成する。また、第一のメンブレン16、第二のメンブレン18の直径は、45μmであり、それぞれの厚さは、0.4μm、0.7μmであり、第二の電極17の直径は40μmである。キャビティの厚さは、0.18μmである。また、第二のメンブレン18の厚さは、キャビティ15の厚さの3倍程度である。これにより、第二のメンブレン18を形成する絶縁膜によりエッチングホールを塞いで、キャビティ15を良好に封止することができる。
The
また、第一のメンブレン16は、第二のメンブレン18より薄くし、第二のメンブレン18の厚さによりメンブレンのばね定数を所望の値に調整する。これらによって、第二のメンブレン18を形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができる。
The
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17から素子毎の電気信号を引き出すことができる。
The electromechanical conversion device of this embodiment can extract an electrical signal for each element from the
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、直流電圧を第一の電極13に印加する。超音波を受信すると、第二の電極17を有する第一のメンブレン16および第二のメンブレン18が変形するため、第二の電極17と第一の電極13との間のキャビティ15の距離が変わり、静電容量変化によって、引き出し配線6に電流(電気信号)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。
When receiving an ultrasonic wave by the electromechanical transducer, a DC voltage is applied to the
また、超音波を送信する場合、第一の電極13に直流電圧を、第二の電極17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。これによって、超音波を送信することができる。
Moreover, when transmitting an ultrasonic wave, a DC voltage can be applied to the
以下に、本発明の実施例2について図4を用いて説明する。図4(a)は、本実施例の電気機械変換装置の上面図であり、図4(b)は、図4(a)のC−D断面図である。実施例2の電気機械変換装置の構成は、第一の電極の形状以外は、実施例1とほぼ同様である。 Hereinafter, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 4A is a top view of the electromechanical transducer according to this embodiment, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along the line C-D in FIG. The configuration of the electromechanical transducer of Example 2 is substantially the same as that of Example 1 except for the shape of the first electrode.
図4(b)において、300μm厚さのシリコン基板41、シリコン基板41上に形成される第一の絶縁膜42、第一の絶縁膜42上に形成される第一の電極43、第一の電極43上の第二の絶縁膜44を有する。さらに、第一のメンブレン46、第二のメンブレン48、第二の電極47とで構成される振動膜を有する。第一のメンブレン46はメンブレン支持部49により支持されている。第一の電極43と第二の電極47とは、キャビティ45を隔てて対向して配置されている。
4B, the
第一の絶縁膜42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。第一の電極43はスパッタ装置を用いて形成し、厚さが50nmのチタンであり、表面粗さはRmsが2nm以下で形成されている。さらに、本実施例では、キャビティ以外の位置で、第一の電極と第二の電極の配線とで形成される不要な寄生容量を低減するために、第一の電極は第二の電極の配線との重なり面積をできるだけ少なくするようにパターニングする。
The first insulating
フォトリソグラフィーおよびエッチングを用いることによって、図示したように第一の電極43のチタンは高精度にパターニングできる。エッチャントに過酸化水素水溶液を含む溶液を用いてエッチングすることによって、構成されている材料とのエッチング選択比が高く取れ、周辺材料に損傷などを与えず表面粗さの変わらない極めて平滑性の高い第一の電極が得られる。このように、第一の電極43も第二の電極47とほぼ同じ大きさとし、セル間は細い配線33で接続する。そして、第一の電極43の配線33と第二の電極47の配線36とを絶縁膜を介して対向しないように配置することで、寄生容量を低減できる。第二の絶縁膜44は、PE−CVDにより形成したシリコン酸化膜である。
By using photolithography and etching, the titanium of the
1 素子
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (34)
基板と、
前記基板上の積層方向に、該基板側から、第一の電極と、絶縁膜と、振動膜とを、この順に、且つ該絶縁膜と該振動膜との間に間隙を介して、有しており、
前記振動膜は、第一のメンブレンと第二の電極とを、該第一のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、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静電容量型の電気機械変換装置。 A capacitance type electromechanical transducer,
A substrate,
A first electrode, an insulating film, and a vibrating film are arranged in this order from the substrate side in the stacking direction on the substrate, and in this order, with a gap between the insulating film and the vibrating film. And
The vibrating membrane is configured so that the first membrane and the second electrode are positioned on the gap side,
The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the insulating film has a root mean square value of surface roughness of 6 nm or less.
基板と該基板上に設けられたセルとを備え、
前記セルは、前記基板上に、第1の部材と第2の部材とを間隙を介し、該第2の部材が振動するように構成されており、
前記第1の部材は、第1の電極層と絶縁膜とを含み、該絶縁膜が前記間隙側に位置するように構成されており、
前記第2の部材は、第1のメンブレンと第2の電極層とを含み、該第1のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、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静電容量型の電気機械変換装置。 A capacitance type electromechanical transducer,
A substrate and a cell provided on the substrate;
The cell is configured such that the second member vibrates on the substrate via a gap between the first member and the second member.
The first member includes a first electrode layer and an insulating film, and the insulating film is configured to be positioned on the gap side,
The second member includes a first membrane and a second electrode layer, and is configured such that the first membrane is located on the gap side,
The capacitance type electromechanical transducer according to claim 1, wherein the insulating film has a root mean square value of surface roughness of 6 nm or less.
基板と該基板上に設けられているセルとを備え、
前記セルは、前記基板上に、第1の部材と第2の部材とを間隙を介し、該第2の部材が音響波を受けることにより振動するように構成されており、
前記第1の部材は、第1の電極層と絶縁膜とを含み、該絶縁膜が前記間隙側に位置するように構成されており、
前記第2の部材は、メンブレンと第2の電極層とを含み、該メンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記第1の電極層は、表面粗さの二乗平均平方根値が2nm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。 A capacitance type electromechanical transducer,
A substrate and a cell provided on the substrate;
The cell is configured to vibrate when the second member receives an acoustic wave on the substrate via a gap between the first member and the second member,
The first member includes a first electrode layer and an insulating film, and the insulating film is configured to be positioned on the gap side,
The second member includes a membrane and a second electrode layer, and is configured such that the membrane is positioned on the gap side,
The first electrode layer has a root mean square value of surface roughness of 2 nm or less, and is a capacitance type electromechanical transducer.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016081493A JP6177375B2 (en) | 2016-04-14 | 2016-04-14 | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2016081493A JP6177375B2 (en) | 2016-04-14 | 2016-04-14 | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same |
Related Parent Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2011084673A Division JP5921079B2 (en) | 2011-04-06 | 2011-04-06 | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same |
Related Child Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2017137178A Division JP6362741B2 (en) | 2017-07-13 | 2017-07-13 | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2016178648A JP2016178648A (en) | 2016-10-06 |
JP6177375B2 true JP6177375B2 (en) | 2017-08-09 |
Family
ID=57070577
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2016081493A Active JP6177375B2 (en) | 2016-04-14 | 2016-04-14 | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP6177375B2 (en) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP6829660B2 (en) * | 2017-06-26 | 2021-02-10 | 株式会社日立製作所 | Manufacturing method of MEMS sensor |
Family Cites Families (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5019997B2 (en) * | 2007-08-28 | 2012-09-05 | オリンパスメディカルシステムズ株式会社 | Ultrasonic transducer, ultrasonic diagnostic apparatus and ultrasonic microscope |
US7745248B2 (en) * | 2007-10-18 | 2010-06-29 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Fabrication of capacitive micromachined ultrasonic transducers by local oxidation |
JP5305993B2 (en) * | 2008-05-02 | 2013-10-02 | キヤノン株式会社 | Capacitive electromechanical transducer manufacturing method and capacitive electromechanical transducer |
JP5317826B2 (en) * | 2009-05-19 | 2013-10-16 | キヤノン株式会社 | Manufacturing method of capacitive electromechanical transducer |
JP5204066B2 (en) * | 2009-09-16 | 2013-06-05 | 株式会社東芝 | MEMS device |
-
2016
- 2016-04-14 JP JP2016081493A patent/JP6177375B2/en active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2016178648A (en) | 2016-10-06 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5921079B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
JP5875243B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
JP5875244B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
KR101954102B1 (en) | Capacitive transducer, capacitive transducer manufacturing method, and object information acquisition apparatus | |
JP6071285B2 (en) | Capacitive transducer | |
JP5550363B2 (en) | Capacitance type electromechanical transducer | |
US20130069480A1 (en) | Electromechanical transducer and method of manufacturing the electromechanical transducer | |
JP6210992B2 (en) | Pre-crushing capacity micromachined transducer cell with stress layer | |
JP6057571B2 (en) | Capacitive transducer | |
JP5961697B2 (en) | Pre-collapsed capacitive micromachined transducer cell with plug | |
JP5733898B2 (en) | Capacitance type electromechanical transducer | |
JP2009260723A (en) | Transducer | |
JP6177375B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
CN117861984A (en) | Double-piezoelectric film piezoelectric ultrasonic transducer and preparation method thereof | |
JP2019212992A (en) | Capacitive transducer and method of manufacturing the same | |
JP6362741B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
JP6184534B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
JP2018186409A (en) | Capacitance type transducer and manufacturing method for the same | |
JP6309034B2 (en) | Electromechanical transducer and method for manufacturing the same | |
JP2018110282A (en) | Capacitance type transducer and manufacturing method thereof | |
JP2023076303A (en) | Method for manufacturing ultrasonic transducer | |
CN116615917A (en) | Low noise sound pressure electric sensor |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20170317 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20170328 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170529 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20170613 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20170711 |
|
R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6177375 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |
|
S802 | Written request for registration of partial abandonment of right |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R311802 |
|
R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |