JP6257176B2

JP6257176B2 - 静電容量型トランスデューサ、及びその作製方法

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Inventors: 義大長谷川; 冨吉　俊夫; 俊夫冨吉
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Description

本発明は、超音波変換素子などとして用いられる静電容量型トランスデューサ、その作製方法などに関する。

近年、微細加工技術の発展に伴い、マイクロメータオーダの精度で加工された様々な微小機械素子が実現されている。このような技術を用いて、静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｓｉｔｉｖｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）の開発が盛んとなっている。ＣＭＵＴは、軽量の振動膜を振動させて超音波などの音響波（以下、超音波で代表することもある）を送受信（送信と受信の少なくとも一方）する超音波デバイスであり、液中および空気中でも優れた広帯域特性を持つものが容易に得られる。従って、ＣＭＵＴを医療用途として利用すると、従来使用されている圧電素子からなる超音波デバイスよりも高精度な診断が可能となるため、その代替品として注目を集めている。尚、本明細書において、音響波とは、音波、超音波、光音響波と呼ばれるものを含む。例えば、被検体内部に可視光線や赤外線等の光（電磁波）を照射して被検体内部で発生する光音響波を含む。

静電容量型トランスデューサは、例えば、Ｓｉなどの基板上の第一の電極、第一の電極と間隙（キャビティ）を介して対向した第二の電極、第二の電極を含みキャビティ上に形成されたメンブレンからなる振動膜、振動膜支持部で構成されるセル構造を備える。そして、前記メンブレンはキャビティを封止する構造を有する。静電容量型トランスデューサの作製方法の一つとして、Ｓｉなどの基板上に材料を積層させて形成する方法がある。キャビティ構造は、間隙となる部分に予め犠牲層材料を堆積させ、振動膜の一部に設けた開口部（エッチング開口部）から犠牲層をエッチングにより除去することで形成される。静電容量型トランスデューサは、水中や油中などの液体中で使用されることがあり、振動膜の振動で超音波を送受信するトランスデューサにおいては、キャビティ内にそれらの液体が浸入すると振動膜の振動特性に劣化が生じる。そのため、キャビティを形成するために設けたエッチング開口部は封止して使用する必要がある。

非特許文献１に記載の静電容量型トランスデューサでは、エッチング開口部から振動膜の下のキャビティに繋がる流路に、ＬＰ−ＣＶＤで成膜されるシリコン窒化膜を堆積させていくことでキャビティの封止を行っている。ＬＰ−ＣＶＤはＬｏｗ−Ｐｒｅｓｓｕｒｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎの略である。ＬＰ−ＣＶＤでは、装置の性質上、エッチング開口部から流路を通ってキャビティまでほぼ均一な厚さで膜が堆積され、流路の高さ分、膜が堆積されることでキャビティは封止される。そのため、エッチング開口部からキャビティに繋がる流路の高さを低くすることで、キャビティは封止し易くなり、封止性能が向上する。なお、本明細書において、「高さ」とは、基板に垂直な方向における幅を意味する。この高さについて、誤解することがない場合には「厚さ」と言う場合もある・

特許文献１に記載の静電容量型トランスデューサでも、非特許文献１と同様にエッチング開口部から犠牲層を除去することでキャビティを形成する。更にそのエッチング開口部にＰｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ−Ｖａｐｏｒ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ−ＣＶＤ）で膜を堆積させることでキャビティの封止を行っている。ＰＥ−ＣＶＤでは、ＬＰ−ＣＶＤのようにキャビティや流路の内部に膜は侵入し難く、エッチング開口部の部分に堆積されるように膜が形成される。従って、キャビティを封止するためには、キャビティの高さに対して十分に高く封止膜を堆積させる必要がある。

米国特許５９８２７０９号

ＡｒｉｆＳａｎｌｉＥｒｇｕｎｅｔａｌ．ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎＵｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｖｏｌ５２，Ｎｏ．１２，ＤＥＣＥＭＢＥＲ２００５，２２４２−２２５７

静電容量型トランスデューサのキャビティを封止するための封止部は、キャビティの高さの約３倍程度の厚さの膜が必要である。従って、キャビティが高くなればなるほど、必要な封止部の高さないし厚さは大きくなり、封止の信頼性が下がる。

上記課題に鑑み、本発明の静電容量型トランスデューサは、第一の電極と、キャビティを介して前記第一の電極と対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有するセルを備えた静電容量型トランスデューサであって、犠牲層エッチングにより前記キャビティを形成するために設けられたエッチング開口部を封止している封止部の周囲の間隙の高さは、前記キャビティの高さよりも低いことを特徴とする。

また、上記課題に鑑み、本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法は、第一の電極と、キャビティを介して前記第一の電極と対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有するセルを備えた静電容量型トランスデューサの作製方法であって、次の工程を有する。前記キャビティ及び該キャビティとエッチング流路を介して繋がった間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層が形成された構造上に第一のメンブレンを形成する工程と、前記間隙となる前記犠牲層の部分上の前記第一のメンブレンにエッチング開口部を形成する工程と、前記エッチング開口部を介して前記犠牲層を除去して前記キャビティを形成する工程と、プラズマCVD法を用いた成膜により前記第一のメンブレン上に第二のメンブレンを形成する工程と、前記エッチング開口部を封止するために、前記エッチング開口部を含む領域に封止部を形成する工程を有する。そして、前記封止部を形成する工程は、プラズマCVD法を用いた成膜によりなされると共に、前記犠牲層を形成する工程において、前記間隙になる前記犠牲層の部分の高さを、前記キャビティになる前記犠牲層の部分の高さより低くする。

本発明では、エッチング開口部の下及びその周囲の間隙の高さが振動膜の下のキャビティの高さよりも低い。この構造によれば、前記キャビティを封止するために必要な封止部の高さは、エッチング開口部の近傍の間隙の高さによって決定されるため、従来と同じ高さの振動膜下のキャビティを有する構造でも、キャビティの封止に必要な封止部の高さは低くなる。従って、従来よりも薄い封止部でキャビティの封止が可能であり、封止し易くなるため、封止の信頼性が向上する。

本発明の静電容量型トランスデューサの一実施形態を説明する図。本発明の静電容量型トランスデューサの他の実施形態を説明する図。キャビティを封止するための封止部を説明する断面図。本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法の一実施形態を示す図。本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法の他の実施形態を示す図。本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法の一実施形態を示す図。本発明の静電容量型トランスデューサの作製方法の他の実施形態を示す図。本発明の静電容量型トランスデューサを有する装置の実施形態を示す図。

本発明の静電容量型トランスデューサでは、封止部が形成された後の状態では、エッチング開口部を封止している封止部の周囲の間隙の高さが、振動膜の下のキャビティの高さよりも低い。また、その作製方法の途中において犠牲層が形成された後の状態では、キャビティとエッチング流路を介して繋がった間隙になる犠牲層の部分の高さを、キャビティになる犠牲層の部分の高さより低くする。そして、前記間隙となる犠牲層の部分上のメンブレンにエッチング開口部を形成する。ここで、犠牲層エッチングにより、エッチング開口部の下及びその周囲の間隙と、エッチング流路と、キャビティが形成され、この間隙は、エッチング流路を介してキャビティに連通する。つまり、犠牲層は、この間隙とエッチング流路とキャビティになる部分を含む立体的形状にされて、その上にメンブレンが形成される。この立体的形状は、前記高さの方向から見れば、例えば、図１（ｂ）に示すような大円と小円を通路で繋いだ外周形状の如き形状であり、横方向から見れば、例えば、図４−１（ｅ）に示すようなステップ形状である。また、「封止部の周囲の間隙」とは、封止部に隣接する空間であり、犠牲層エッチングにより形成された前記エッチング開口部の下及びその周囲の間隙に含まれる空間である。この間隙は、一方でエッチング開口部と繋がり、他方でエッチング流路を介してキャビティと繋がる。

以下に本発明の実施の形態について、図を用いて説明する。図１（ａ）は本発明の静電容量型トランスデューサの一実施形態の図１（ｂ）におけるＡ−Ｂ断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）の上面図である。図１（ａ）及び図１（ｂ）は１つのセル１０のみを示しているが、上面図である図１（ｃ）に示すようにトランスデューサ内のセル１０の個数は幾つであっても構わない。また、セル１０の配列は、図１（ｃ）に示す以外のどのような配列であっても構わない。図１（ａ）〜（ｃ）に示すように、本実施形態のトランスデューサの振動膜１７の平面形状は円形であるが、平面形状は四角形や六角形などでも構わない。

静電容量型トランスデューサの構成について説明する。トランスデューサは、Ｓｉなどの基板１、基板１上に形成された絶縁膜２、絶縁膜２上に形成された第一の電極（下部電極）３、第一の電極３上の絶縁膜４を有する。絶縁膜４上には、キャビティ８を介して、第一のメンブレン５と第二のメンブレン６と第二の電極（下部電極）７からなる振動膜１７が設けられ、第一のメンブレンは、振動膜支持部１６で支持されている。基板１がガラス基板などの絶縁体の場合は、絶縁膜２はなくてもよい。

また、図１では、第一の電極３と対向する第二の電極７は第二のメンブレン６の表面に配置されているが、第二の電極７は、図２に示すように第一のメンブレン５と第二のメンブレン６の間に配置されていても構わない。つまり、第二の電極７は振動膜１７の内部に配置されてもよい。図２に示す構成にすることで、第一の電極３と第二の電極７の間の距離を小さくすることができ、これにより、トランスデューサの静電容量を大きくして、性能を向上することができる。また、トランスデューサは、第一の電極３と第二の電極７との間に電圧を印加するための電圧印加手段を有している。

第一の電極３と第二の電極７との間に電圧を印加した状態で振動膜１７の振動を発生させることで超音波を送受信することができるが、その駆動原理は次の如きものである。セル１０は、キャビティ８を挟んで設けられた第一の電極３と第二の電極７を有しているので、音響波を受信するためには、第一の電極もしくは第二の電極に直流電圧を印加する。音響波を受信すると、振動膜１７が変形してキャビティ８のギャップが変化するため、電極間の静電容量が変化する。この静電容量変化を第一の電極もしくは第二の電極から検出することで、音響波を検出することができる。また、第一の電極もしくは第二の電極に交流電圧を印加して振動膜１７を振動させることで、音響波を送信することもできる。図１に示す如き静電容量型トランスデューサは、上部電極からの引き出し配線と下部電極からの引き出し配線を通して、音響波信号を電気信号に変換したり電気信号を音響波に変換したりすることができる。引き出し配線の代わりに、貫通配線等を用いてもよい。

静電容量型トランスデューサのキャビティないし間隙は、これらとなる部分に予め犠牲層を配置しておき、それをメンブレンに開けたエッチング開口部から除去する犠牲層エッチングによって形成する。具体的には、振動膜下のキャビティ８が形成される部分とエッチング開口部の近傍の間隙９が形成される部分（該部分は、後段のステップで封止部となる部分と封止部の周囲の間隙となる部分とを含む）に犠牲層１２（図４−１以下の図を参照）を形成する。犠牲層１２には、エッチング開口部の近傍の間隙９とキャビティ８とを繋ぐエッチング流路１８が形成される部分が含まれる。そして、犠牲層１２上に第一のメンブレン５と振動膜支持部１６を形成した後、間隙９上の第一のメンブレン５に、犠牲層を除去するためのエッチング開口部１３を形成する。このエッチング開口部１３から犠牲層１２を犠牲層エッチングにより除去することで、間隙９とキャビティ８と流路１８を含む間隙が形成される。こうした間隙を形成した後、エッチング開口部１３上に第二のメンブレン６を兼ねる封止膜を堆積させることで、エッチング開口部１３を封止する封止部１１が形成される。静電容量型トランスデューサを構成する材料で、特にキャビティ８を形成する材料は、振動膜が振動した際に、振動膜がキャビティ８の下面に接触しないように、表面粗さが小さいことが好ましい。

エッチング開口部１３を封止する封止部１１の形成を安定的で容易に実現するため、エッチング開口部が形成されている領域に隣接するエッチング流路の幅（基板の面内方向と平行な方向の大きさ）をエッチング開口部の幅より広くすることが好ましい。また、エッチング開口部の幅は小さい方が、より最密にセルを配置することができるため好ましい。具体的には、エッチング開口部が形成されている領域に隣接するエッチング流路の基板への正射影の大きさは、エッチング開口部の基板への正射影の大きさより大きい。また、エッチング開口部近傍の構造の断面形状（前記高さの方向と垂直な面における断面形状）を回転対称（例えば円）な形状にすると、封止を安定的で容易に実現することができ、歩留まりを向上することができる。つまり、エッチング開口部近傍の構造の前記断面形状が回転対称でない場合に比べて、ＣＶＤ等のガスやエッチング液の流入条件が均一になって、封止条件が方向に依らず均一になり、封止不良が発生し難い。このように、前記高さの方向と垂直な面における前記封止部の周囲の間隙の断面形状が回転対称であることが好ましい。なお、流路の幅は、あまり広くすると振動膜支持部の強度を低下させるので、エッチング開口部の幅より広い適当な幅にするのが良い。例えば、封止部の周囲の間隙の幅がエッチング流路の幅より広くなるようにエッチング流路の幅を設定する。流路の高さについては、この高さが封止のし易さにあまり影響を与える訳ではないので、エッチング液を通し易くするためにキャビティ８と同じ程度であるのが好ましい。

第一の電極３には、チタンやアルミニウム、モリブデンンなどの材料を使用することができる。特に、チタンは、プロセス中に加わる熱の影響による粗さ変化などが小さく、更には、犠牲層材料や振動膜を形成する材料とのエッチング選択性も高いため、好ましい。絶縁膜４には、酸化シリコン膜などを使用することができる。特に、ＰＥ−ＣＶＤ装置で形成する酸化シリコン膜は、表面粗さが小さく、更に、４００℃以下の低温で形成することができるため他の構成材料に対する熱の影響を小さく形成することができる。振動膜１７の第一のメンブレン５と第二のメンブレン６、振動膜支持部１６は、絶縁膜である。特に、ＰＥ−ＣＶＤ装置で形成する窒化シリコン膜は、４００℃以下の低温で形成することができるため、他の構成材料に対する熱の影響を小さくすることができる。また、３００ＭＰａ以下の低引張応力で膜の形成を行えるため、メンブレンの残留応力による振動膜の大きな変形を防止することができる。

また更に、第二のメンブレン６は、振動膜としての機能以外に、エッチング開口部１３内及び上に堆積して間隙を封止する必要がある。間隙を封止する材料としては、エッチング開口部１３に堆積することで封止するために、カバレッジ性が高いことに加えて、エッチング開口部１３から流路１８を通じて振動膜下のキャビティ８内に封止膜が侵入していかないことが望まれる。キャビティ８内に封止膜が侵入すると、トランスデューサ性能に影響するキャビティ８の高さが変わってしまうためである。例えば、ＬＰ−ＣＶＤで形成される窒化シリコン膜では、流路１８を通じてキャビティの内部にも膜が侵入していく可能性が大きいため、キャビティの厚さが変化してしまう恐れがある。これらの封止膜の条件を満たす材料としては、ＰＥ−ＣＶＤで形成する窒化シリコン膜が好ましい。

間隙やキャビティを形成するための犠牲層１２の材料は、犠牲層エッチング工程において比較的容易に除去が可能であり、他の構成材料に対してエッチング選択比が十分に高い材料を選択することが好ましい。更には、メンブレンを形成する際の熱工程においても、メンブレンの粗さなどへの影響が小さい材料を選択することが好ましい。これらの要件を満たす材料としては、例えば、クロムやモリブデンなどの金属材料、アモルファスシリコンなどを選択することができる。特にクロムは、硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸の混合溶液で容易にエッチングが可能である上に次のような特徴がある。すなわち、犠牲層エッチング工程において存在する構成材料である第一の電極３材料であるチタン、絶縁膜４の材料である酸化シリコン、メンブレンの材料である窒化シリコン膜とのエッチング選択比が十分に高い。従って、犠牲層エッチング工程において、犠牲層以外の材料に対するダメージを小さく間隙やキャビティを形成することが可能である。

また、犠牲層は、振動膜が振動する部分の間隙であるキャビティ８の部分と、犠牲層エッチングを行う際に犠牲層除去溶液が侵入していくエッチング開口部の下及びその周囲の間隙９の部分と、それらを繋ぐ流路１８の部分で形成される。それぞれの高さは、キャビティ８に関しては、振動膜が振動する部分に相当するため、設計仕様に応じて設定される。エッチング開口部の下及びその周囲の間隙９の部分と流路１８の部分は、犠牲層エッチング工程にて、犠牲層を除去するためのエッチング液が間隙内に浸入する必要があり、犠牲層エッチングが可能である膜厚によって高さの下限値が決まる。この下限値は、犠牲層の材料や犠牲層を除去する溶剤などによって値が異なるため、一つの値には決まらないが、犠牲層がクロムであって硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸からなる溶液にて犠牲層エッチングを行う場合には、犠牲層の高さは１００ｎｍ以下（例えば８０ｎｍ程度）でも可能である。つまり、封止性を良くするためには、エッチング開口部近傍の間隙の高さ（つまりエッチング開口部の下及びその周囲の犠牲層の高さ）を薄くする必要があるが、薄くできる限界がある。その下限値は、或る粘性を持ったエッチング液が浸入可能な高さで決まる。上記エッチング液の粘性は低いが、あまり薄くすると（例えば５０ｎｍ以下など）にすると、エッチング液がキャビティ内に入っていかなくなる恐れが出てくる。ただし、エッチング液に気体を使用すると、もっと薄くできる。

第二の電極７は、振動膜１７の一部を構成する材料であるため、比較的応力の小さい材料である必要がある。例えば、チタンやアルミニウムなどを使用することができる。

犠牲層エッチングにて間隙やキャビティを形成した後に、エッチング開口部１３内及び上に封止膜を堆積させて封止を行う工程について図３を用いて説明する。図３は、犠牲層エッチングによって犠牲層１２を除去した後のエッチング開口部１３内及び上に、第二のメンブレン６からなる封止膜を堆積して間隙を封止する過程を示している。エッチング開口部１３にＰＥ−ＣＶＤで膜を形成させていくと、エッチング開口部１３の下の面、及びエッチング開口部１３が開口された第一のメンブレン５の側面及び上面に膜が堆積されていく（図３（ａ）〜（ｃ））。エッチング開口部１３の下の面に堆積される膜と第一のメンブレン５の側面に堆積される膜が繋がり、連続した膜となることで、エッチング開口部は封止される（図３（ｄ））。このとき、封止に必要な膜は、エッチング開口部が形成されている部分での間隙の高さに依存し、その約３倍の高さが必要である。本発明の静電容量型トランスデューサでは、振動膜の下のキャビティ８と、エッチング開口部の下及びその周囲の間隙９との高さが異なり、かつ間隙９の高さはキャビティ８の高さよりも小さい。ここで、静電容量型トランスデューサの間隙部を封止するために必要な封止厚さを決定するのは、キャビティ８の高さではなく、犠牲層を除去するためのエッチング開口部近傍の間隙９の高さである。従って、間隙９の高さをキャビティ８の高さよりも低くすることで、性能に影響するキャビティ８の高さを変えずに、間隙部を封止するために必要な封止厚さを小さくすることが可能となり、封止の信頼性が向上する。

静電容量型トランスデューサの振動膜の下のキャビティの高さは、振動膜が振動して超音波を送受信する部分であるため、その性能に大きく影響する。例えば、振動膜を振動させて超音波を送信する場合には、送信される超音波の音圧を大きくするために、振動膜の振動変位を大きくする必要がある。一般的には、振動膜はキャビティの下面に接触しない条件で使用されるため、振動膜の振動変位を大きくするためにはキャビティの高さを大きくする必要がある。しかしながら、間隙部を封止するためにはその３倍程度の厚さの封止膜を堆積させる必要がある。そのため、設計上、キャビティを高くすると、間隙部を封止するためにさらに厚い封止膜を形成しなければならず、封止し難くなり、封止の信頼性は低下する。

本発明の静電容量型トランスデューサは、音響波を用いた被検体情報取得装置に適用することができる。被検体からの音響波をトランスデューサで受信し、出力される電気信号を用い、光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した被検体情報や音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報などを取得することができる。より詳しくは、被検体情報取得装置の一実施形態は、被検体に光（可視光線や赤外線を含む電磁波）を照射する。このことにより被検体内の複数の位置（部位）で発生した光音響波を受信し、被検体内の複数の位置に夫々対応する特性情報の分布を示す特性分布を取得する。光音響波により取得される特性情報とは、光の吸収に関わる特性情報を示し、光照射によって生じた光音響波の初期音圧、あるいは初期音圧から導かれる光エネルギー吸収密度や、吸収係数、組織を構成する物質の濃度、等を反映した特性情報を含む。物質の濃度とは、例えば、酸素飽和度やトータルヘモグロビン濃度や、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビン濃度などである。また、被検体情報取得装置は、人や動物の悪性腫瘍や血管疾患などの診断や化学治療の経過観察などを目的とすることもできる。よって、被検体としては生体、具体的には人や動物の乳房、頸部、腹部などの診断対象が想定される。被検体内部にある光吸収体としては、被検体内部で相対的に吸収係数が高い組織を示す。例えば、人体の一部が被検体であれば、オキシヘモグロビンあるいはデオキシヘモグロビンやそれらを多く含む血管、あるいは新生血管を多く含む腫瘍、頸動脈壁のプラークなどがある。さらには、金粒子やグラファイトなどを利用して、悪性腫瘍などと特異的に結合する分子プローブや、薬剤を伝達するカプセルなども光吸収体となる。

また、光音響波の受信だけでなく、トランスデューサを含むプローブから送信される超音波が被検体内で反射した超音波エコーによる反射波を受信することにより、被検体内の音響特性に関する分布を取得することもできる。この音響特性に関する分布は、被検体内部の組織の音響インピーダンスの違いを反映した分布を含む。ただし、超音波の送受信や音響特性に関する分布を取得することは必須ではない。

図６（ａ）は、光音響効果を利用した被検体情報取得装置を示したものである。光源２０１０から発振したパルス光は、レンズ、ミラー、光ファイバー等の光学部材２０１２を介して、被検体２０１４に照射される。被検体２０１４の内部にある光吸収体２０１６は、パルス光のエネルギーを吸収し、音響波である光音響波２０１８を発生する。プローブ（探触子）２０２２内の本発明の静電容量型トランスデューサ２０２０は、光音響波２０１８を受信して電気信号に変換し、信号処理部２０２４に出力する。信号処理部２０２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部２０２６へ出力する。データ処理部２０２６は、入力された信号を用いて被検体情報（光吸収係数などの被検体の光学特性値を反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでは、信号処理部２０２４とデータ処理部２０２６を含めて、処理部という。表示部２０２８は、データ処理部２０２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。

図６（ｂ）は、音響波の反射を利用した超音波エコー診断装置等の被検体情報取得装置を示したものである。プローブ（探触子）２１２２内の本発明の静電容量型トランスデューサ２１２０から被検体２１１４へ送信された音響波は、反射体２１１６により反射される。トランスデューサ２１２０は、反射された音響波（反射波）２１１８を受信して電気信号に変換し、信号処理部２１２４に出力する。信号処理部２１２４は、入力された電気信号に対して、Ａ／Ｄ変換や増幅等の信号処理を行い、データ処理部２１２６へ出力する。データ処理部２１２６は、入力された信号を用いて被検体情報（音響インピーダンスの違いを反映した特性情報）を画像データとして取得する。ここでも、信号処理部２１２４とデータ処理部２１２６を含めて、処理部という。表示部２１２８は、データ処理部２１２６から入力された画像データに基づいて、画像を表示する。

なお、プローブは、機械的に走査するものであっても、医師や技師等のユーザが被検体に対して移動させるもの（ハンドヘルド型）であってもよい。また、図６（ｂ）のように反射波を用いる装置の場合、音響波を送信するプローブは受信するプローブと別に設けても良い。さらに、図６（ａ）と図６（ｂ）の装置の機能をどちらも兼ね備えた装置とし、被検体の光学特性値を反映した被検体情報と、音響インピーダンスの違いを反映した被検体情報と、をどちらも取得するようにしてもよい。この場合、図６（ａ）のトランスデューサ２０２０が光音響波の受信だけでなく、音響波の送信と反射波の受信を行うようにしてもよい。

以下、より具体的な実施例を説明する。
（実施例１）
図４−１と図４−２に本発明による静電容量型トランスデューサの作製方法の実施例１を示す。図４−１（ａ）〜（ｅ）及び図４−２（ｆ）〜（ｊ）は、本実施例のプロセスフローを示している。本実施例では、セル１０を一つだけ有した静電容量型トランスデューサの作製方法を説明するが、セル構造は幾つであっても構わない。また、一つのセル１０に対して、一つのエッチング開口部を有した構成を示しているが、一つのセル１０に対するエッチング開口部の数は幾つであっても構わない。さらには、一つのエッチング開口部が複数のセル１０に対して設けられる構成であってもよい。こうした場合でも、封止部が形成された状態で言えば、犠牲層エッチングにより複数のキャビティを形成するために設けられた一つのエッチング開口部を封止している封止部の周囲の間隙の高さは、複数のキャビティの高さよりも低い。また、犠牲層が形成された直後の状態で言えば、一つのエッチング開口部が形成される領域近傍の間隙になる犠牲層の部分の高さを、複数のキャビティになる犠牲層の部分の高さより低くしている。

本実施例の静電容量型トランスデューサは、厚さ３００μｍのシリコン基板１、基板１上に形成された熱酸化膜からなる絶縁膜２、絶縁膜２上に形成されたチタンからなる第一の電極３、第一の電極３上に形成されたシリコン酸化膜からなる絶縁膜４を有する。さらに第一の電極３と第二の電極７の間に形成されるキャビティと、キャビティ上に形成された振動膜１７と、振動膜１７を支持する支持部１６で構成されるセル１０を有する。振動膜１７は、キャビティ上に形成された第一のメンブレン５と、キャビティを封止するための第二のメンブレン６と、第二の電極７を含む。第一の電極３と第二の電極７の間に電圧を印加するための電圧印加手段も備える。

本実施例における静電容量型トランスデューサの間隙部は、図４−１（ｄ）〜（ｅ）と図４−２（ｆ）〜（ｈ）に示す犠牲層エッチング工程を行うことで形成する。まず、シリコン基板１上に熱酸化膜からなる絶縁膜２、チタンからなる第一の電極３、シリコン酸化膜からなる絶縁膜４を形成する。次に、絶縁膜４上に、厚さ２００ｎｍの犠牲層材料であるクロムを成膜する。フォトリソグラフィとＣｌ_２ガスを用いたドライエッチングによって、犠牲層１２を除去するためのエッチング開口部を形成する部分のエッチングを行い、その部分を８０ｎｍの厚さにする（図４−１（ｄ））。次に、エッチング開口部となる部分の犠牲層１５と振動部及び流路となる部分の犠牲層１４を残して、フォトリソグラフィとＣｌ_２ガスを用いたドライエッチングでパターニングを行う（図４−１（ｅ））。この工程までで、エッチング開口部と振動部及び流路とで間隙の高さが異なる構造を形成することができる。

次に、犠牲層１２が形成された構造上にＰＥ−ＣＶＤ装置にて、第一のメンブレン５と振動膜支持部１６となるシリコン窒化膜を４００ｎｍ形成する（図４−２（ｆ））。次に第一のメンブレンに、フォトリソグラフィとＣＦ₄ガスによるドライエッチングでパターニングを行い、エッチング開口部１３を形成する（図４−２（ｇ））。次に、エッチング開口部１３から硝酸第二セリウムアンモニウムと過塩素酸からなる溶液を導入し、犠牲層１２を除去することで、振動部のキャビティ８とエッチング開口部近傍の間隙９を含む間隙を形成する（図４−２（ｈ））。そして、エッチング開口部１３上に、ＰＥ−ＣＶＤ装置によって第二のメンブレン６となるシリコン窒化膜を３００ｎｍ成膜する。この工程によって、間隙部はエッチング開口部１３において封止される（図４−２（ｉ））。最後に、第二のメンブレン６上に第二の電極７を形成する（図４−２（ｊ））。

本実施例では、犠牲層１２の高さがエッチング開口部１３近傍の部分と振動部の部分で異なり、前者で８０ｎｍ、後者で２００ｎｍである。間隙を封止するために必要な膜の厚さは、間隙厚さの約３倍が必要である。従って、従来の構成では、振動膜の下のキャビティの高さとエッチング開口部１３近傍の間隙の高さが同じであるため、キャビティを封止するためには開口部１３近傍の間隙の高さ２００ｎｍの３倍である約６００ｎｍの封止厚が必要であった。本構成では、封止するために必要な封止厚は、開口部１３近傍の間隙の高さ８０ｎｍに対しての３倍であり、約２４０ｎｍである。よって、キャビティの封止に必要な封止膜の厚さを小さくすることができ、キャビティの封止性能が向上する。

（実施例２）
本発明の構造を有する静電容量型トランスデューサの作製方法の実施例２について図５−１と図５−２を用いて説明する。本実施例では、高さの異なる部分を有する犠牲層の形成方法が実施例１と異なる。実施例１と同様に、シリコン基板１上に、絶縁膜２、第一の電極３、絶縁膜４を形成した後（図５−１（ａ）〜（ｃ））、絶縁膜４上に厚さ１５０ｎｍの犠牲層となるクロムを成膜する（図５−１（ｄ））。次に、フォトリソグラフィとウェットエッチングにより、振動膜の下のキャビティとなる部分のみの犠牲層を残してパターニングする（図５−１（ｅ））。次に再度、犠牲層となるクロムを５０ｎｍ成膜する（図５−１（ｆ））。次にフォトリソグラフィとウェットエッチングにより、振動膜の下のキャビティ及び流路となる部分の犠牲層１４とエッチング開口部の近傍の部分の犠牲層１５を残して、パターニングを行う（図５−１（ｇ））。

この後、実施例１と同様に、メンブレン５とエッチング開口部１３を形成し、犠牲層エッチングによって間隙９及びキャビティ８を形成した後、エッチング開口部１３を封止して静電容量型トランスデューサを作製する（図５−２（ｈ）〜（ｌ））。

エッチング開口部の近傍の部分の犠牲層１５の高さは、封止厚に関係するため、精密に制御できることが好ましい。実施例１では、エッチング開口部の近傍の部分の犠牲層１５の高さは、ドライエッチングの時間制御によって決定している。この方法では、時間制御のため、高さを精密に制御することが容易とは言えない。本実施例では、犠牲層１２の形成ステップを２回に分けている。これによって、エッチング開口部の近傍の部分の犠牲層１５の高さを精密に制御することが可能となる。従って、エッチング開口部の近傍の部分の犠牲層１５の高さから、エッチング開口部１３の封止に必要な封止厚を制御性良く決めることができるため、封止の信頼性がさらに向上する。

１：基板、３：第一の電極、５、６：メンブレン、７：第二の電極、８：キャビティ、９：エッチング開口部の近傍の間隙（封止部の周囲の間隙）、１０：セル、１２：犠牲層、１３：エッチング開口部、１４：振動膜の下のキャビティになる犠牲層の部分、１５：エッチング開口部の近傍の犠牲層の部分（間隙になる犠牲層の部分）、１７：振動膜、１８：エッチング流路

Claims

第一の電極と、キャビティを介して前記第一の電極と対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有するセルを備えた静電容量型トランスデューサの作製方法であって、
前記キャビティ及び該キャビティとエッチング流路を介して繋がった間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層が形成された構造上に第一のメンブレンを形成する工程と、
前記間隙となる前記犠牲層の部分上の前記第一のメンブレンにエッチング開口部を形成する工程と、
前記エッチング開口部を介して前記犠牲層を除去して前記キャビティを形成する工程と、
プラズマCVD法を用いた成膜により前記第一のメンブレン上に第二のメンブレンを形成する工程と、
前記エッチング開口部を封止するために、前記エッチング開口部を含む領域に封止部を形成する工程と、
を有し、
前記封止部を形成する工程は、プラズマCVD法を用いた成膜によりなされると共に、
前記犠牲層を形成する工程において、前記間隙になる前記犠牲層の部分の高さを、前記キャビティになる前記犠牲層の部分の高さより低くすることを特徴とする静電容量型トランスデューサの作製方法。
前記間隙になる前記犠牲層の部分の幅を、前記エッチング流路になる前記犠牲層の部分の幅より広くすることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型トランスデューサの作製方法。
前記高さの方向と垂直な面における前記間隙になる前記犠牲層の部分の断面形状を、回転対称な形状とすることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型トランスデューサの作製方法。
前記封止部を形成する工程は、シリコン窒化膜をプラズマCVD法を用いて成膜する工程を含むことを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの作製方法。
第一の電極と、キャビティを介して前記第一の電極と対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有するセルを備えた静電容量型トランスデューサの作製方法であって、
前記キャビティ及び該キャビティとエッチング流路を介して繋がった間隙を形成するための金属材料で構成された犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層が形成された構造上にメンブレンを形成する工程と、
前記間隙となる前記犠牲層の部分上の前記メンブレンにエッチング開口部を形成する工程と、
前記エッチング開口部を介して前記犠牲層を除去して前記キャビティを形成する工程と、
前記エッチング開口部を封止するために、前記エッチング開口部を含む領域に封止部を形成する工程と、
を有し、
前記封止部を形成する工程は、プラズマCVD法を用いた成膜によりなされると共に、
前記犠牲層を形成する工程において、前記間隙になる前記犠牲層の部分の高さを、前記キャビティになる前記犠牲層の部分の高さより低くすることを特徴とする静電容量型トランスデューサの作製方法。
前記金属材料は、クロムまたはモリブデンを含有することを特徴とする請求項５に記載の静電容量型トランスデューサの作製方法。
第一の電極と、キャビティを介して前記第一の電極と対向して設けられた第二の電極を含む振動膜と、を有するセルを備えた静電容量型トランスデューサの作製方法であって、
前記キャビティ及び該キャビティとエッチング流路を介して繋がった間隙を形成するための犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層が形成された構造上にプラズマＣＶＤ法を用いた成膜によりメンブレンを形成する工程と、
前記間隙となる前記犠牲層の部分上の前記メンブレンにエッチング開口部を形成する工程と、
前記エッチング開口部を介して前記犠牲層を除去して前記キャビティを形成する工程と、
前記エッチング開口部を封止するために、前記エッチング開口部を含む領域に封止部を形成する工程と、
を有し、
前記封止部を形成する工程は、プラズマCVD法を用いた成膜によりなされると共に、
前記犠牲層を形成する工程において、前記間隙になる前記犠牲層の部分の高さを、前記キャビティになる前記犠牲層の部分の高さより低くすることを特徴とする静電容量型トランスデューサの作製方法。