WO2019004103A1 - 中空構造体の製造方法、及び中空構造体 - Google Patents

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silicon nitride
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etching
nitride film
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隆行 角田
丸山　綾子
貴弘 秋山
豊 ▼瀬▲戸本
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キヤノン株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a method of manufacturing a hollow structure used as a capacitive transducer or the like, and a hollow structure.
  • Capacitive transducers manufactured by micromachining technology are being investigated as alternatives to piezoelectric elements. Capacitive transducers are sometimes referred to below as CMUTs (Capacitive micromachined ultrasonic transducers).
  • the CMUT generally has a hollow portion and a vibrating membrane, and the vibration of this vibrating membrane can be used to transmit and receive acoustic waves (ultrasound), and in particular, excellent broadband characteristics can be obtained in liquid.
  • CMUT Capacitive micromachined ultrasonic transducers.
  • the CMUT generally has a hollow portion and a vibrating membrane, and the vibration of this vibrating membrane can be used to transmit and receive acoustic waves (ultrasound), and in particular, excellent broadband characteristics can be obtained in liquid.
  • CMUT there is a method of laminating and forming a material on a substrate such as silicon.
  • JP 2008-288813 A Patent Document 1
  • a substrate, an insulating film, a silicon film which is a sacrificial layer, and a vibrating film are laminated in this order, and the sacrificial layer is formed through an etching opening provided in part of the vibrating film.
  • the hollow portion is formed by etching.
  • xenon difluoride is used to remove the sacrificial layer
  • the etching selectivity between the sacrificial layer and the insulating film or the vibrating film can be obtained by using the silicon oxide film as the insulating film and the vibrating film in contact with the sacrificial layer. To prevent etching of the insulating film and the vibrating film.
  • a silicon nitride film having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film it is preferable to use a silicon nitride film having a relative dielectric constant higher than that of a silicon oxide film as the above-mentioned insulating film or vibrating film.
  • Patent Document 2 JP-A-2013-506284 discloses a method using an etching gas containing xenon difluoride and hydrogen in order to improve the etching selectivity between a silicon film and a silicon nitride film.
  • the method for producing a hollow structure according to the present invention is a method for producing a hollow structure having a first film, and a second film provided so as to face the first film via the hollow portion. Forming a sacrificial layer on the first film, and forming the second film on the sacrificial layer; Forming an etching opening communicating with the sacrificial layer through at least one of the first film and the second film; and fluorine containing the sacrificial layer through the etching opening.
  • the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region including the surface in contact with the sacrificial layer is a second region not including the first region in the silicon nitride film.
  • a method of manufacturing a capacitive transducer comprises the steps of: forming a first film on a first electrode; forming a sacrificial layer on the first film; Forming a second film on the layer, forming a second electrode on the second film, and an etching opening passing through the second film and communicating with the sacrificial layer And forming the hollow portion by etching the sacrificial layer with a gas containing a fluorine-containing gas and hydrogen through the etching opening, and forming the second film
  • the hollow structure according to the present invention is a hollow structure having a first film, and a second film provided so as to face the first film via the hollow portion, and the first structure At least one of the film and the second film contains a silicon nitride film, and in the silicon nitride film, the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region including the surface in contact with the hollow portion is the nitride
  • the silicon film is characterized by having a composition ratio of silicon to nitrogen in a second region not including the first region.
  • a capacitive transducer is provided so as to face a first electrode, a first film provided on the first electrode, and the first film via a hollow portion.
  • One of the silicon nitride films includes a silicon nitride film, and the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region including the surface in contact with the hollow portion in the silicon nitride film includes the first region in the silicon nitride film. Not characterized in that it is larger than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region.
  • the method for manufacturing a hollow structure according to the present invention by adjusting the composition ratio of nitrogen and silicon in the silicon nitride film, it is possible to solve the etching defect by suppressing the growth of the deposit during the etching.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AB of the CMUT shown in FIG.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the CMUT shown in FIG. It is sectional drawing for demonstrating the drive method of CMUT.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line AB after the sacrificial layer is etched in the manufacturing process of the CMUT.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line AB in FIG. 12 before etching the sacrificial layer in the manufacturing process of the CMUT.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG.).
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG.).
  • FIG. 6 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line AB in FIG. 1) for explaining the method of manufacturing the CMUT according to the embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AB in FIG. 1 in the case where a fourth insulating film 56 is provided in the CMUT according to the embodiment of the present invention. It is a top view for demonstrating CMUT which an etching channel exists in the cell exterior.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line EF in FIG. 20) for explaining the method for manufacturing the CMUT in which the etching flow path exists outside the cell.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view (cross-sectional view along the line EF in FIG. 20) for explaining the method for manufacturing the CMUT in which the etching flow path exists outside the cell.
  • the cross-sectional schematic diagram of the hollow structure before and behind sacrificial layer etching It is a figure for demonstrating the hollow structure which concerns on embodiment of this invention, and its manufacturing method. It is a figure for demonstrating CMUT which concerns on embodiment of this invention, and its manufacturing method.
  • the hollow structure 100 includes a first film 101 and a second film 103 provided so as to face the first film 101 with the hollow portion 102 therebetween.
  • the method of manufacturing the hollow structure 100 includes at least the following steps. (1) forming a sacrificial layer (a position corresponding to 102) on the first film 101; (2) forming a second film 103 on the sacrificial layer; (3) forming an etching opening 104 communicating with the sacrificial layer through at least one of the first film 101 and the second film 103; (4) A step of forming the hollow portion 102 by etching the sacrificial layer with a gas containing fluorine-containing gas and hydrogen through the etching opening 104.
  • the film in which the etching opening 104 is formed includes a silicon nitride film (103).
  • the silicon nitride film (103) has a first region 105 including a surface in contact with the sacrificial layer and a second region 106 not including the first region 105.
  • the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region 105 is larger than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region 106.
  • silicon rich Si rich
  • N-rich nitrogen-rich
  • the composition ratio of nitrogen and silicon can be calculated by TOF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry).
  • the region in the silicon nitride film in contact with the sacrificial layer rich in silicon even if a gas containing a fluorine-containing gas and hydrogen is used, a deposit is less likely to occur, so that etching defects hardly occur. It is preferable that the refractive index of the silicon nitride film at a wavelength of 633 nm is 1.90 or more, because it is difficult to form a deposit as described later.
  • the first film 101 can be formed over the substrate 110.
  • the substrate 110 is silicon
  • the substrate 110 may be oxidized to form a thermal oxide film.
  • the fluorine-containing gas contains at least one selected from the group consisting of xenon difluoride, bromine trifluoride, chlorine trifluoride, and an interhalogen compound containing fluorine.
  • xenon difluoride is preferable.
  • FIG. 24 shows a two-layer configuration of the first region 105 having a relatively large ratio of silicon and the second region 106 having a relatively small ratio of silicon, but the present invention is limited to such a configuration.
  • the ratio of silicon to nitrogen may be configured to be continuously smaller from the main surface on the side in contact with the sacrificial layer toward the main surface on the opposite side.
  • the change in the silicon concentration in the silicon nitride film may be monotonically decreasing in the film stacking direction, may be stepwise decreasing, or may be curvilinearly decreasing.
  • composition ratio of silicon to nitrogen in the third region including the surface opposite to the surface in contact with the sacrificial layer in the silicon nitride film is larger than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region. good.
  • the composition ratio of nitrogen to silicon in the first region including the surface in contact with the sacrificial layer is preferably smaller than the composition ratio of nitrogen to silicon in the second region.
  • the deposit is obtained by heating the hollow portion under a reduced pressure condition (for example, 150 Pa or less). Can be sublimed.
  • the hollow structure 100 according to the present embodiment will be described with reference to FIG.
  • the hollow structure 100 according to the present embodiment includes a first film 101 and a second film 103 provided so as to face the first film 101 with the hollow portion 102 therebetween.
  • at least one of the first film 101 and the second film 103 includes a silicon nitride film.
  • the second film 103 includes a silicon nitride film.
  • the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region 105 including the surface in contact with the hollow portion 102 is the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region 106 not including the first region 105. Greater than.
  • the refractive index of the silicon nitride film at a wavelength of 633 nm is preferably 1.90 or more.
  • the relative dielectric constant is higher than in the configuration in which the entire silicon nitride film is silicon-rich.
  • the hollow structure according to the present embodiment can be used for piezo devices such as inkjets and micropumps, microspeakers, fluid devices used for gene diagnosis and the like, and IR sensors such as bolometers.
  • the method of manufacturing the CMUT 200 includes at least the following steps. (1) forming a first film 201 on the first electrode 211; (2) forming a sacrificial layer (a position corresponding to 202) on the first film 201; (3) forming a second film 203 on the sacrificial layer (202); (4) forming a second electrode 212 on the second film 203; (5) forming an etching opening (not shown) penetrating through the second film 203 and communicating with the sacrificial layer; (6) A step of forming the hollow portion by etching the sacrificial layer with a gas containing xenon difluoride and hydrogen through the etching opening.
  • the second film 203 includes a silicon nitride film.
  • the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region 205 including the surface in contact with the sacrificial layer is larger than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region 206 not including the first region 205. .
  • the generation of the deposit can be suppressed and the etching failure can be solved by the above process.
  • the refractive index of the silicon nitride film at a wavelength of 633 nm is preferably 1.90 or more.
  • the CMUT is provided to face the first electrode 211, the first film 201 provided on the first electrode 211, and the first film 201 via the hollow portion 202. And a second electrode 212 provided on the second film 203. Then, at least one of the first film 201 and the second film 203 includes a silicon nitride film.
  • the second film 203 is a silicon nitride film. In the silicon nitride film 203, the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region 205 including the surface in contact with the hollow portion 202 is higher than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region 206 not including the first region 205. large.
  • the refractive index of the silicon nitride film at a wavelength of 633 nm is preferably 1.90 or more.
  • FIG. 1 is a top view of a CMUT according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is an overall view of FIG.
  • FIG. 1 uses a diagram in which the sealing film 11 is transmitted to facilitate the understanding.
  • 3 is a cross-sectional view taken along the line AB of FIG. 1
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line CD of FIG.
  • FIG. 5 is an explanatory sectional view of the drive.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view taken along the line AB after the sacrificial layer is etched.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AB before the sacrificial layer is etched.
  • the sealing film 11 constituting the vibrating film 12 is transmitted.
  • CMUT complementary metal-oxide-semiconductor
  • 2 is a cell
  • 3 is an element
  • 4 is a substrate
  • 5 is a first insulating film
  • 6 is a first electrode
  • 7 is a second insulating film
  • 8 is a hollow portion
  • 9 is a first Three insulating films
  • 10 is a second electrode
  • 11 is a sealing film
  • 12 is a vibrating film
  • 13 is an etching sealing portion
  • 14 is a vibrating film support portion.
  • 15 is a first voltage application means
  • 16 is a second voltage application means
  • 17 is an etching opening
  • 18 is a tapered shape
  • 19 is a taper angle
  • 20 is a hollow portion height of the vibrating film portion
  • 21 is an etching opening
  • the hollow portion height 22 is a portion where the etching opening 17 is formed.
  • Reference numeral 23 denotes an intermediate position of the tapered shape 18, 24 denotes a distance when the tapered slope is projected onto the second insulating film, 25 denotes an opening of the vibrating film, and 26 denotes an overlapping width.
  • 41 is a first electrode pad
  • 42 is a second electrode pad
  • 55 is a sacrificial layer.
  • the third insulating film 9 (first film) is a silicon nitride film, and the first region 71 and the first region 71 including the surface in contact with the sacrificial layer (the position corresponding to 8) are The second area 72 not included is included.
  • the composition ratio of silicon to nitrogen in the first region 71 is larger than the composition ratio of silicon to nitrogen in the second region 72.
  • the Si-rich silicon nitride film is used as the third insulating film 9 on the hollow portion 8 side, and the N-rich silicon nitride film is used on the second electrode 10 side.
  • the third insulating film 9 has the Si-rich first region 71 side and the second electrode 10 side as shown in FIG. 3, unless otherwise noted. It is assumed that the second region 72 is N-rich (the proportion of Si is smaller than that of the first region).
  • both the first voltage application means 15 and the second voltage application means 16 are provided, only one voltage application means is provided and the other is connected to the ground (GND). As well.
  • the CMUT 1 shown in FIGS. 1 and 2 includes a first electrode 6 formed on a support substrate 4 and a second electrode 10 disposed opposite to the first electrode 6 with the hollow portion 8 interposed therebetween.
  • a plurality of elements 3 each having a cell 2 in which a vibrating membrane 12 including the cell 2 is vibratably supported.
  • the CMUT 1 has an etching opening 17.
  • the overlapping width of the etching opening 17 and the cell 2 is an overlapping width 26.
  • the number of elements may be any number.
  • the element 3 is comprised from 72 cells 2, the number may be how many.
  • the cells may be arranged in a grid, in a staggered arrangement, or in any arrangement.
  • the outline of the element 3 may be rectangular, square or hexagonal as shown in FIG.
  • the cell 2 includes a substrate 4, a first insulating film 5 formed on the substrate 4, and a first electrode 6 formed on the first insulating film 5, It has a second insulating film 7 formed on the first electrode 6.
  • the vibrating film 12 is formed of the third insulating film 9, the second electrode 10, and the sealing film 11, and has a vibrating film support portion 14 for supporting the vibrating film 12 and a hollow portion 8.
  • the hollow portion 8 is formed by etching the sacrificial layer through the etching opening 17 as described later.
  • the etching opening 17 is sealed by the sealing film 11 to form the sealing portion 13.
  • the etching opening 17 is provided at a position where the wall surface of the hollow portion 8 has a tapered shape 18 in the process of manufacturing the CMUT 1 described later.
  • FIGS. 20 and 21 the etching channel may be drawn out of the cell to provide an etching opening on the channel.
  • FIG. 20 is an example of an enlarged top view of the CMUT 1.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view taken along the line EF in FIG. 58 is an etching channel, 59 is an etching channel width, and 60 is an etching channel length.
  • the CMUT 1 configured in FIG. 20 has the same external dimensions, the external shape, the number, and the arrangement of the elements 3 as in FIG.
  • the 20 has a substantially circular shape, and an etching channel 58 is provided at the end of the hollow portion 8 constituting the cell 2, and an etching opening 17 is formed at the end of the etching channel 58.
  • the height of the sacrificial layer in the etching channel portion connected to the etching opening can be made lower than the height of the sacrificial layer corresponding to the hollow portion. It can also be improved.
  • the etching opening 17 is not shown in the top view because it is sealed by the sealing film 11 and becomes the sealing 13.
  • the portion where the second insulating film 7 is visible is a place where the etching opening 17 is provided and a place where the sealing portion 13 is provided.
  • the vibrating membrane support 14 may or may not include the second electrode 10 for wiring extraction.
  • the substrate 4 is an insulating substrate such as a glass substrate
  • the first insulating film 5 may be omitted.
  • the second insulating film 7 is not necessary because it is provided in order to improve the withstand voltage of the cell and to prevent the charging of the insulating film.
  • the sealing film 11 is provided for controlling deformation of the vibrating film 12 and sealing the hollow portion 8, it may not be unnecessary.
  • the shape of the hollow portion 8 as viewed from the top is substantially circular except for the etching sealing portion 13, but it may be square, rectangular or the like.
  • the second voltage application means 16 is provided.
  • a bias voltage can be applied to the first electrode 6 by the first voltage application means 15.
  • a bias voltage is applied to the first electrode 6, a potential difference is generated between the first electrode 6 and the second electrode 10. Due to this potential difference, the vibrating film 12 is displaced to a point where the restoring force of the vibrating film and the electrostatic attractive force are balanced.
  • the ultrasonic wave reaches the vibrating membrane 12 in this state, the vibrating membrane 12 vibrates, whereby the capacitance between the first electrode 6 and the second electrode 10 changes, and a current is transmitted to the second electrode 10 Flow.
  • ultrasonic waves may be transmitted. It can.
  • the transmission drive voltage may be any waveform as long as it can transmit a desired ultrasonic wave.
  • a desired waveform may be used, such as a unipolar pulse, a bipolar pulse, a burst wave or a continuous wave.
  • the wall surface of the hollow portion 8 has a tapered shape 18 toward the first electrode, and the etching opening 17 for forming the hollow portion 8 is the hollow portion.
  • the wall surface of the portion 8 is provided at a portion where the tapered shape 18 is formed.
  • the etching sealing portion 13 is provided at a portion where the wall surface of the hollow portion 8 has a tapered shape 18.
  • the etching opening 17 can be disposed near the center of the sacrificial layer 55 by providing the etching opening 17 in a portion where the wall surface of the hollow portion 8 has the tapered shape 18, the etching time of the sacrificial layer 55 is It can be completed in a short time. Further, the hollow height 21 of the etching opening 17 can be made lower than the hollow height 20 of the vibrating film portion. As a result, the thickness of the sealing film 11 required to seal the hollow portion 8 can be reduced, and the reliability of the sealing can be improved, and a thin vibrating film 12 can be formed.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view taken along the line AB immediately before the etching opening 17 is provided.
  • a sacrificial layer 55 is formed in a portion to be the hollow portion 8 after the sacrificial layer etching.
  • the portion surrounded by the broken line 22 is a portion where the etching opening 17 is formed. Since the etching openings 17 need to be provided so as to reliably overlap the tapered portions 18, it is preferable to arrange and shape the etching openings 17 in consideration of the alignment accuracy of the exposure apparatus that forms the etching openings 17.
  • the etching opening 17 is also semicircular, so a part of the outer periphery of the etching opening 17 is a slope of the tapered shape 18 It is preferable to arrange so as to overlap. At this time, in consideration of the alignment accuracy of the exposure apparatus, it is arranged so that a part of the outer periphery of the etching opening 17 always overlaps the slope of the tapered shape 18. If a part of the outer periphery of the etching opening 17 does not overlap the slope of the tapered shape 18 due to misalignment of the exposure apparatus, there is a high possibility that the sacrificial layer etching described later can not be performed. For example, when the alignment accuracy of the exposure apparatus is ⁇ 50 nm, the distance 24 between the broken lines (the length when projecting the tapered shape 18 onto the second insulating film 7) is preferably larger than 100 nm.
  • reference numeral 25 denotes an opening 25 of the vibrating film 12.
  • the size of the opening 25 determines the frequency characteristic of the vibrating film 12, and the total area of the openings 25 of the cells 2 constituting the element 3 determines the receiving sensitivity and transmission efficiency. .
  • FIG. 8 shows the relationship between the distance 24 between the broken lines and the aperture ratio.
  • the horizontal axis in FIG. 8 is the distance 24 between the broken lines, and the vertical axis is the aperture ratio of the opening 25 of the cell 2 constituting the element 3.
  • the aperture ratio decreases as the distance 24 between the broken lines increases. Therefore, it is preferable to reduce the alignment accuracy of the exposure apparatus to reduce the distance 24 between the broken lines.
  • FIG. 9 shows the relationship between the taper angle 19 and the resonant frequency of the vibrating membrane 12.
  • the horizontal axis in FIG. 9 is the taper angle 19 between the inner wall of the hollow portion 8 and the second insulating layer 7, and the vertical axis is the resonant frequency of the diaphragm 12 of the cell 2 constituting the element 3.
  • the series is the hollow portion height 20 of the vibrating membrane portion, and includes the hollow portion height of 100 nm to 500 nm formed by a general CMUT.
  • the resonance frequency changes depending on the taper angle 19 and the hollow height 20, it is preferable to set the taper angle 19 to which the influence of these variations is small.
  • the change in resonance frequency is large when the taper angle 19 is 22.5 degrees or less.
  • the resonance frequency is large when the taper angle 19 exceeds 67.5 degrees. Change of From this, the taper angle 19 is preferably in the range of 22.5 degrees to 67.5 degrees.
  • FIGS. 10 to 13 show enlarged top views of the element 3 in which the arrangement and shape of the etching sealing portion 13 are changed.
  • the sealing film 11 constituting the vibrating film 12 is transmitted for the convenience of description.
  • Reference numeral 26 in the drawing denotes the overlapping width of the cell outer periphery and the etching sealing portion 13.
  • the part where the second insulating film 7 is visible is the place where the etching opening 17 is provided and the place where the sealing part 13 is provided, so 26 in the figure is the cell periphery It is also an overlapping width with the etching opening 17.
  • the size of the etching opening 17 is preferably determined in accordance with the position and number of the etching openings 17, the minimum patterning accuracy, and the desired etching time.
  • One etching opening 17 may be provided in one cell as shown in FIG. 1, or two or more etching openings 17 may be provided in one cell as shown in FIG. In the case where two or more etching openings 17 are provided, it is preferable to arrange the sacrificial layer etching to proceed isotropically in the cell 2 because variations in the height 20 of the hollow portion 8 can be reduced. Further, as shown in FIG. 11, one etching opening 17 may be provided for each of a plurality of cells, or, as shown in FIG. 12, a plurality of etching openings 17 may be provided for each of a plurality of cells.
  • FIG. 13 shows an arrangement in the case where one etching opening 17 is provided in one cell with the same cell size as in FIG. 11 and FIG.
  • the etching openings 17 are arranged so as not to connect with the adjacent cells, even if the sealing failure occurs in a part of the cells, the influence of the sealing failure is not spread to the adjacent cells. preferable.
  • the cells 2 can not be arranged at a higher density. As shown in FIG. 11 and FIG.
  • the cells 2 can be arranged at higher density by providing the etching openings 17 for every several cells, and the openings 25 of the vibrating film 12 of the cells 2 constituting the element 3 Preferably the total area can be increased. In addition, even if a sealing failure occurs in some cells, the influence of the sealing failure can be suppressed in a certain area, which is preferable.
  • the etching opening 17 is hexagonal, the diameter of the circumscribed circle is preferably larger than 8.55 um and within a range of the slope of the tapered shape 18.
  • the sacrificial layer etching has a long time when the overlapping width 26 is small, and the vibrating film performance when the overlapping width 26 is large. Because it changes, it is preferable to decide in consideration of the balance of both.
  • FIG. 14 shows the relationship between the ratio of the length of the overlap width 26 to the length of the cell periphery and the resonant frequency and initial deflection of the vibrating membrane 12.
  • the length of the overlapping width 26 is the total length of the overlapping width 26 of the etching openings 17 provided in one cell 2.
  • the horizontal axis in FIG. 14 is a value obtained by dividing the length of the overlap width 26 by the length of the cell periphery, and the vertical axis is the resonance frequency and initial deflection of the vibrating membrane 12 normalized with the value of the overlap width 26 zero. is there.
  • the solid line is the resonance frequency and the broken line is the initial deflection.
  • the initial deflection is the amount of deformation of the vibrating membrane 12 in the ⁇ Z-axis direction in the atmosphere where the driving voltage is not applied to the CMUT 1.
  • the length of the overlapping width 26 when the length of the overlapping width 26 is wider than the length of the outer periphery of the cell, the area of the diaphragm supporting portion including the sealing portion 13 is increased, and the resonance frequency is increased. Becomes smaller.
  • the length of the overlapping width 26 varies, it is preferable to select a range in which the change in the resonance frequency and the initial deflection is small. More preferably, as shown by the dotted line in FIG. 14, the value obtained by dividing the length of the overlap width 26 for the cell by the length of the cell outer periphery is in the range of more than 0 and 0.15 or less.
  • the shape of the etching opening 17 may be not only semicircular but also circular, polygonal or other shape.
  • the etching opening 17 is sealed with the sealing film 11 after the sacrificial layer etching. Since the sealing film 11 is a part of the vibrating film 12 and the thickness of the sealing film 11 affects the frequency characteristics of the element 3, the etching opening 17 is sealed with a desired thickness of the sealing film 11. There is a need to. Therefore, the taper angle 19 and the arrangement and size of the etching opening 17 are determined so that the etching opening 17 can be sealed with the desired thickness of the sealing film 11.
  • the driving device 42 includes a system control unit 27, a bias voltage control unit 28, a transmission drive voltage control unit 29, a transmission / reception circuit 30, an ultrasonic probe 31, and an image processing unit 32 display unit 33.
  • the ultrasound probe 31 is configured of a CMUT 1 that transmits ultrasound to a subject and receives ultrasound reflected from the subject.
  • the transmission / reception circuit 30 is a circuit that supplies a bias voltage and a transmission drive voltage supplied from the outside to the ultrasonic probe 31, and processes ultrasonic waves received by the ultrasonic probe 31 and outputs the processed ultrasonic waves to the image processing unit 32.
  • the bias voltage control unit 28 supplies a bias voltage to the transmission / reception circuit 30 in order to supply the bias voltage to the ultrasonic probe 31.
  • the bias voltage control unit 28 includes a power supply and a switch (not shown), and supplies a bias voltage to the transmission / reception circuit 30 at a timing instructed by the system control unit 27.
  • the transmission drive voltage control unit 29 supplies the transmission drive voltage to the transmission / reception circuit 30 in order to supply the transmission drive voltage to the ultrasonic probe 31.
  • a waveform capable of obtaining the desired frequency characteristics and the intensity of the transmission sound pressure is supplied to the transmission / reception circuit 30.
  • the image processing unit 32 performs image conversion (for example, a B-mode image, an M-mode image, etc.) using the signal output from the transmission / reception circuit 30, and outputs the image to the display unit 33.
  • the display unit 33 is a display device that displays the image signal output from the image processing unit 32.
  • the image display unit 33 may be configured separately from the drive device 42.
  • the system control unit 27 is a circuit that controls the bias voltage control unit 28, the transmission drive voltage control unit 29, the image processing unit 32, and the like.
  • the transmission / reception circuit 30 includes a transmission unit 34, a reception unit 35, and a switch 36.
  • the bias voltage applied from the bias voltage control unit 28 is applied to the ultrasonic probe 31 in accordance with the transmission bias voltage instructed from the system control unit 27 in FIG. 15.
  • the voltage applied from the transmission drive voltage control unit 29 is applied to the ultrasonic probe 31 via the transmission unit.
  • the switch 36 is in the open state, and the signal does not flow to the receiving unit 35.
  • the switch 36 is in the closed state and is in the reception state.
  • the switch 36 is formed of a diode or the like (not shown) and serves as a protection circuit to prevent the receiver 35 from being broken.
  • the ultrasonic probe 31 receives the ultrasonic wave.
  • the bias voltage applied from the bias voltage control unit 28 is applied to the ultrasonic probe 31 in accordance with the reception bias voltage instructed from the system control unit 27 in FIG. Since the switch 36 is closed, the reception signal is amplified by the reception unit 35 and sent to the image processing unit 32.
  • FIG. 17 A perspective view of an example of the ultrasonic probe 31 is shown in FIG.
  • the ultrasonic probe 31 is composed of a capacitive acoustic wave transducer 1, an acoustic matching layer 37, an acoustic lens 38 and a circuit board 39.
  • a capacitive acoustic wave transducer 1 of FIG. 17 as shown in FIG. 17, a large number of elements 3 are arranged in the X direction like a one-dimensional array.
  • FIG. 17 shows a one-dimensional array, the elements 3 may be a two-dimensional array, or may have another shape such as a convex type.
  • the CMUT 1 is mounted on the circuit board 39 and electrically connected.
  • the circuit board 39 may be a board integrated with the transmission / reception circuit 30 shown in FIG. 16 or may be connected to the transmission / reception circuit 30 as shown in FIG. 16 via the circuit board 39.
  • An acoustic matching layer 37 is provided on the surface side to which the CMUT 1 transmits ultrasonic waves in order to match the acoustic impedance with the object.
  • the acoustic matching layer 37 may be provided as a protective film for preventing electrical leakage to the subject.
  • An acoustic lens 38 is disposed via the acoustic matching layer 37. It is preferable that the acoustic lens 38 be one that can match the acoustic impedance between the subject and the acoustic matching layer 37.
  • an acoustic lens 38 having a curvature in the Y direction as shown in FIG. 17 ultrasonic waves spreading in the Y direction can be narrowed at the focal position of the acoustic lens. Since the ultrasonic waves spreading in the X direction can not be narrowed as they are, the ultrasonic waves can be narrowed at the focal position by shifting the timing of transmitting the ultrasonic waves for each element 3 and performing transmission driving by beam forming.
  • the shape of the acoustic lens 38 is preferably a shape that can obtain the desired ultrasonic wave distribution characteristics. Further, the type and shape of the acoustic matching layer 37 and the acoustic lens 38 may be selected or may not be provided according to the type of the subject to be used.
  • the supply of the bias voltage and the transmission drive voltage to the ultrasonic probe 31 and the reception signal having received the ultrasonic wave reflected from the subject are transmitted to the transmission / reception circuit 30 or the image processing unit 32 via a cable (not shown).
  • FIG. 18 is a cross-sectional view taken along line AB of FIG.
  • the first insulating film 5 is formed on the substrate 4.
  • the substrate 4 is a silicon substrate, and the first insulating film 5 is provided to form insulation between the substrate 4 and the first electrode 6.
  • the substrate 4 is an insulating substrate such as a glass substrate, the first insulating film 5 may not be formed.
  • the substrate 4 is preferably a substrate having a small surface roughness.
  • the substrate 4 is preferably a substrate having a small surface roughness.
  • the first electrode 6 is formed.
  • the first electrode 6 is desirably a conductive material having a small surface roughness, such as titanium, tungsten, or aluminum.
  • a conductive material having a small surface roughness is desirable.
  • the thickness of the first electrode 6 is preferably thin because the surface roughness increases as the thickness increases.
  • the second insulating film 7 is desirably an insulating material having a small surface roughness, and between the first electrode 6 and the second electrode 10 when a voltage is applied between the first electrode and the second electrode. To prevent electrical shorting or insulation breakdown.
  • the first electrode is formed in order to prevent the first electrode from being etched when removing the sacrificial layer performed in a step after the present step.
  • the surface roughness Insulating films are desirable. For example, a silicon nitride film, a silicon oxide film, or the like.
  • the insulating film has a minimum thickness required to maintain insulation.
  • a sacrificial layer 55 is formed. Since the outer periphery of the sacrificial layer 55 later becomes the wall surface of the hollow portion having the tapered shape 18, the outer periphery of the sacrificial layer 55 is tapered here.
  • the sacrificial layer 55 is desirably made of a material having a small surface roughness. Similar to the substrate 4, when the surface roughness of the sacrificial layer 55 is large, the distance between the first electrode 6 and the second electrode 10 due to the surface roughness varies among the cells, so the surface roughness is small. A sacrificial layer 55 is desirable. Also, in order to shorten the etching time for removing the sacrificial layer 55, a material having a large etching rate is desirable.
  • a combination of a sacrificial layer material and an insulating film is required such that the second insulating film 7 and the third insulating film 9 to be the vibrating film 12 are hardly etched.
  • the thickness variation of the vibrating film 12 the first electrode 6 and the Distance variation with the second electrode 10 occurs. Variations in thickness of the vibrating film 12 and variations in distance between the first electrode 6 and the second electrode 10 result in variations in sensitivity and bandwidth among the cells.
  • the sacrificial layer material has a small surface roughness and the second insulating film 7 or the vibrating film 12 is difficult to etch.
  • a combination of amorphous silicon as a material of the sacrificial layer 55 and an etching gas containing xenon difluoride as an etchant can be mentioned.
  • the etching rate of the sacrificial layer is larger than that of the sacrificial layer etching using the wet process, and there is an advantage that the sticking unique to the wet process can be avoided.
  • the tapered shape 18 can be formed by the following method.
  • the material of the sacrificial layer 55 is deposited, and a resist is formed on the portion where the sacrificial layer 55 is to be formed.
  • a sacrificial layer 55 as shown in FIG. 18B can be formed.
  • the tapered shape may be formed on the outer periphery of the resist by adjusting the exposure amount of the photolithography, the material of the resist, the baking temperature, and the like.
  • the taper angle 19 can be adjusted by changing the parameters such as the type and mixing ratio of gases at the time of etching for patterning the sacrificial layer, the power and vacuum degree of plasma, and the like. It is preferable to select the kind of gas and the mixing ratio of the gas such that the desired taper angle 19 can be obtained appropriately.
  • the taper angle 19 can be adjusted by changing the flow rate ratio of SF 6 / O 2 .
  • the third insulating film 9 desirably has a low tensile stress, for example, a tensile stress of 500 MPa or less.
  • the silicon nitride film can be stress controlled and can have a low tensile stress of 500 MPa or less.
  • the vibrating membrane 12 has a compressive stress
  • the vibrating membrane 12 causes buckling and is largely deformed.
  • the third insulating film 9 may be broken.
  • the silicon nitride film has a relative dielectric constant higher than that of the silicon oxide film, the gap between the upper and lower electrodes can be reduced to improve the transmission / reception sensitivity.
  • a silicon nitride film is preferable as the third insulating film 9.
  • the thickness of the third insulating film 9 is formed on the sacrificial layer 55, it is preferable that the thickness of the third insulating film 9 can ensure coverage of the sacrificial layer 55.
  • the feature of this embodiment is that the Si / N composition ratio of the silicon nitride film as the third insulating film 9 has a distribution in the film.
  • This composition ratio distribution may be formed by laminating two or more silicon nitride films having different Si / N composition ratios.
  • the distribution may be made to be inclined by changing film forming parameters such as the flow rate ratio of the source gas during film formation using plasma enhanced chemical vapor deposition (PE-CVD, plasma chemical vapor deposition).
  • PE-CVD plasma enhanced chemical vapor deposition
  • plasma chemical vapor deposition plasma enhanced chemical vapor deposition
  • the second electrode 10 is formed.
  • the second electrode 10 is desirably a material having a small residual stress, such as aluminum.
  • the second electrode 10 is desirably a material having etching resistance to sacrificial layer etching and heat resistance.
  • aluminum neodymium alloy or titanium For example, aluminum neodymium alloy or titanium.
  • an etching opening 17 is formed in the third insulating film 9.
  • the etching opening 17 is a hole for introducing an etching gas to etch away the sacrificial layer 55.
  • the etching opening 17 be provided such that a part of the outer periphery thereof overlaps the portion where the wall surface of the hollow portion has the tapered shape 18. Thereby, the etching opening 17 can be arranged near the center of the sacrificial layer 55, and the etching time of the sacrificial layer 55 can be shortened.
  • the sacrificial layer 55 is removed to form the hollow portion 8.
  • the amorphous silicon of the sacrificial layer material is removed with an etching gas containing xenon difluoride and hydrogen.
  • the insulating film 56 is formed of the same silicon nitride as the third insulating film 9 on the second electrode 10 and then etched The opening 17 may be formed to remove the sacrificial layer.
  • ClF 3 or the like as a substitute for xenon difluoride among the etching gas.
  • a sealing film 11 is formed.
  • the vibrating film 12 is formed of the third insulating film 9, the second electrode 10, and the sealing film 11.
  • the etching opening 17 is sealed by the sealing film 11 and becomes the sealing portion 13.
  • the sealing film 11 is required to prevent liquid and outside air from entering the hollow portion 8.
  • the gas in the hollow portion 8 expands or contracts due to the temperature change.
  • a high electric field is applied to the hollow portion 8, it causes a decrease in the reliability of the element due to the ionization of molecules and the like. Therefore, sealing is required to be performed in a reduced pressure environment.
  • CMUT1 can be used in a liquid by sealing.
  • the sealing material the same material as the third insulating film 9 is preferable because the adhesion is high. Moreover, it is preferable to set it as the thickness which can ensure the coverage of the level
  • the sealing film 11 is also preferably silicon nitride.
  • a configuration as shown in FIG. 18G is obtained, and a CMUT as shown in FIG. 1 can be manufactured.
  • An electrical signal can be extracted from the second electrode 10 by using a lead wire (not shown) electrically connected to the second electrode pad 42 of FIG. 2.
  • a lead wire (not shown) electrically connected to the second electrode pad 42 of FIG. 2.
  • the CMUT 1 receives an ultrasonic wave
  • a DC voltage is applied to the first electrode 6 in advance.
  • the vibrating film 12 having the second electrode 10 is deformed, so the distance of the hollow portion 8 between the second electrode 10 and the first electrode 6 changes, and the capacitance changes. .
  • the change in capacitance causes a current to flow in the lead-out line.
  • This current can be subjected to current-voltage conversion by the transmission / reception circuit 30 illustrated in FIG. 16 to receive an ultrasonic wave as a voltage. Further, when a direct current voltage is applied to the first electrode 6 and a transmission drive voltage is applied to the second electrode 10, the vibrating film 12 can be vibrated by electrostatic force. By this, ultrasonic waves can be transmitted.
  • Example 1 In the present embodiment, the structure of the CMUT 1 and a method of manufacturing the same will be described in order to explain the effects of the present invention. A comparative example is also described together.
  • the CMUT 1 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, 18, and 19.
  • FIG. 19 is a cross-sectional view taken along the line AB in FIG. 1 when the fourth insulating film 56 is provided.
  • the external dimensions of the CMUT 1 shown in FIG. 2 are 12 (mm) in the Y direction and 45 (mm) in the X direction.
  • the external shape of the element 3 is 0.3 (mm) in the X direction and 4 (mm) in the Y direction, and 196 elements 3 are arranged in a one-dimensional array.
  • FIG. 18G is a cross-sectional view taken along line AB in FIG.
  • the cell 2 constituting the element 3 has a substantially circular shape except for the etching opening 17, and the diameter of the hollow portion 8 is 32 ( ⁇ m).
  • the diameter of the hollow portion 8 is the diameter on the side of the second insulating film 7 configured by the portion where the second insulating film 7 and the third insulating film 9 are in contact with each other.
  • the cells 2 are closely arranged as shown in FIG. 1, and the cells 2 constituting one element 3 are arranged at an interval of 35 ( ⁇ m) with the adjacent cells. That is, the shortest distance between the hollow portions 8 of the adjacent cells 2 is 3 ( ⁇ m). Although the number of cells is omitted in FIG. 1, 1013 cells are actually arranged in one element 3.
  • the cell 2 has a silicon substrate 4 of 725 ( ⁇ m) thickness, a first insulating film 5 formed on the silicon substrate 4, and a first formed on the first insulating film 5.
  • the electrode 6 has a second insulating film 7 on the first electrode 6.
  • a vibrating film 12 including a second electrode 10, a third insulating film 9 and a sealing film 11, and a hollow portion 8 are provided.
  • the height of the hollow portion 8 is 300 nm.
  • voltage application means 15 for applying a bias voltage between the first electrode 6 and the second electrode 10 and voltage application means 16 for applying a transmission voltage to the second electrode are included.
  • the first insulating film 5 is a thermal silicon oxide film having a thickness of 1 ( ⁇ m) formed by thermal oxidation.
  • the second insulating film 7 is a 400 nm silicon oxide film formed by PE-CVD.
  • the first electrode 6 is tungsten with a thickness of 100 nm.
  • the second electrode 10 is an Al—Nd alloy with a thickness of 100 nm.
  • the third insulating film 9, the fourth insulating film 56, and the sealing film 11 are silicon nitride films manufactured by PE-CVD, and are formed with a tensile stress of 450 (MPa) or less.
  • the thickness of the third insulating film 9 is 400 nm, and the thickness of the sealing film 11 is 440 nm.
  • the second insulating film 7 is formed.
  • amorphous silicon which is a sacrificial layer 55 is formed.
  • the thickness of the amorphous silicon film is 300 nm.
  • the sacrificial layer 55 is patterned and formed so that the taper angle 19 of the outer periphery of the sacrificial layer 55 is 45 degrees.
  • a silicon nitride film is formed as the third insulating film 9.
  • This silicon nitride film has a distribution in the Si / N composition ratio inside the film.
  • the Si / N composition ratio was implemented by changing the gas flow ratio of silane (SiH 4 ) and ammonia (NH 3 ), which are source gases at the time of film formation of a silicon nitride film by PE-CVD.
  • a Si-rich silicon nitride film having a thickness of 200 nm was formed directly on the sacrificial layer 55 under the film forming conditions of 50 sccm of SiH 4 , 40 sccm of NH 3 , and 625 sccm of nitrogen as the gas flow rate.
  • the NH 3 / SiH 4 flow ratio at the time of film formation of this Si-rich silicon nitride film is 0.8.
  • a 200 nm thick N-rich silicon nitride film was formed under the film forming conditions of RF power of 275 W with SiH4 at 20 sccm, NH3 at 200 sccm, and nitrogen at 600 sccm as gas flow rates.
  • the NH 3 / SiH 4 gas flow rate ratio at the time of forming this N-rich silicon nitride film is 10, and the ratio of the NH 3 flow rate is larger than that at the time of forming the Si-rich silicon nitride film.
  • the side in contact with the sacrificial layer 55 has a Si-rich composition
  • the Si / N composition ratio inside the film toward the second electrode 10 not in contact with the sacrificial layer 55 is N-rich as compared to that on the side.
  • the third insulating film 9 having such a distribution of the Si / N composition ratio was formed to have a thickness of 400 nm.
  • the notation of Si-rich or N-rich in the present embodiment refers to the distinction of relative composition ratio within the third insulating film 9, and the Si-rich or N relative to the stoichiometric composition Si 3 N 4 It does not mean rich.
  • the refractive index has a very good correlation with the Si / N composition ratio of the film, and the larger the Si / N composition ratio, that is, the more Si-rich, the larger the refractive index.
  • the Si-H / N-H bond area ratio is obtained from the peak areas of the NH stretching mode near 3350 cm -1 and the Si-H stretching mode near 2160 cm -1 in the silicon nitride film. It can be calculated.
  • the refractive index of the above-described Si-rich silicon nitride film used in this example was 2.0, and the Si—H / N—H bonding area ratio was 1.1.
  • the refractive index of the N-rich silicon nitride film was 1.86, and the Si—H / N—H bond area ratio was 0.05.
  • the bias of the composition component of Si or N can be evaluated from the refractive index and the infrared absorption spectrum.
  • the second electrode 10 is a 100 nm thick aluminum neodymium alloy.
  • an etching opening 17 is formed.
  • one etching opening 17 is formed for one cell 2.
  • the size and shape of the etching opening 17 are, as shown in FIG. 1, a semicircular shape having an overlapping width 26 of 9.0 (um).
  • the etching opening 17 is formed so that the overlapping distance 65 between the etching opening 17 and the outer periphery of the sacrificial layer 55 is 100 nm.
  • the sacrificial layer 55 is removed to form the hollow portion 8.
  • the sacrificial layer 55 is removed by dry etching using amorphous silicon and a mixed gas containing xenon difluoride and hydrogen as an etching gas.
  • an apparatus used for the sacrificial layer etching is Sentry SVR-XeF2 manufactured by Memsstar. First, a sample was set on the sample stage of this etching apparatus.
  • the hollow portion 8 is formed by etching the sacrificial layer under the following etching conditions: chamber pressure 9.5 Torr, carrier nitrogen flow rate 50 sccm, xenon difluoride flow rate 20 sccm, hydrogen flow rate 20 sccm, substrate temperature 15 ° C., etching time 15 minutes did.
  • etching conditions chamber pressure 9.5 Torr, carrier nitrogen flow rate 50 sccm, xenon difluoride flow rate 20 sccm, hydrogen flow rate 20 sccm, substrate temperature 15 ° C., etching time 15 minutes did.
  • a deposit was generated on the surface of the third insulating film 9 to block the hollow portion and to inhibit the etching.
  • the sealing film 11 is formed to 440 nm.
  • the sealing film 11 is a silicon nitride film produced by PE-CVD.
  • the back surface of the silicon substrate 4 was back ground to polish the substrate to a thickness of 750 ⁇ m to 300 ⁇ m.
  • Desired vibration characteristics were obtained in the CMUT 1 of Example 1 thus obtained. Further, the charging voltage after applying 200 V was 0.01 V, and the charging voltage after applying 260 V of pull-in voltage was 0.2 V, which could be suppressed to a charge amount that can withstand use. The same effect was obtained by changing the thickness of the Si-rich film from 200 nm to 200 nm instead of 200 nm while maintaining the total thickness 400 nm of the third insulating film 9.
  • the configuration in which the vibrating film 12 includes the third insulating film 9, the second electrode 10, and the sealing film 11 has been described.
  • the same result can be obtained by providing the fourth insulating film 56 between 11.
  • the fourth insulating film 56 may be provided after the second electrode 10 is formed in FIG. 18D, and then the steps after FIG. 18E may be performed.
  • the first insulating film 5 is a thermal silicon oxide film having a thickness of 1 ( ⁇ m) formed by thermal oxidation.
  • the second insulating film 7 is a 400 nm silicon oxide film formed by PE-CVD.
  • the first electrode 6 is tungsten with a thickness of 100 nm.
  • the second electrode 10 is an Al—Nd alloy with a thickness of 100 nm.
  • the third insulating film 9, the fourth insulating film 56, and the sealing film 11 are silicon nitride films manufactured by PE-CVD, and are formed with a tensile stress of 450 (MPa) or less.
  • the third insulating film has a distribution of the Si / N composition ratio in the film, and the side in contact with the sacrificial layer 55 is a Si-rich silicon nitride film 200 nm thick, N toward the second electrode 10 not in contact with the sacrificial layer 55
  • the thickness is 400 nm as a rich silicon nitride film.
  • the third insulating film 9 having a thickness of 600 nm was formed.
  • the thickness of the fourth insulating film 56 is 450 nm, and the thickness of the sealing film 11 is 1050 nm.
  • the height of the hollow portion 8 is 350 nm, and the thickness of the amorphous silicon film which is the corresponding sacrificial layer 55 is also 350 nm.
  • the sacrificial layer was etched under the etching conditions of the sacrificial layer, chamber pressure 9.5 Torr, carrier nitrogen flow rate 50 sccm, xenon difluoride flow rate 20 sccm, hydrogen flow rate 20 sccm, substrate temperature 15 ° C., and etching time 15 minutes.
  • the sacrificial layer etching stagnated midway, and the etching time of 15 minutes did not lead to complete removal of the sacrificial layer. Even if the etching time was extended, the etching progress was slow and the etching became defective.
  • the sacrificial layer was etched under the etching conditions of the sacrificial layer, chamber pressure 9.5 Torr, carrier nitrogen flow rate 50 sccm, xenon difluoride flow rate 20 sccm, hydrogen flow rate 20 sccm, substrate temperature 15 ° C., and etching time 15 minutes.
  • the deposit was generated on the surface of the third insulating film 9, and the hollow portion was blocked, thereby preventing the etching.
  • the CMUT 1 of the present Comparative Example 2 thus obtained was capable of forming a hollow portion, it had problems in the charging characteristics.
  • the charging voltage after applying 200 V was 21 V, and the charging voltage after applying a pull-in voltage of 260 V was 52 V, which was an unacceptable amount of charge.
  • the third insulating film 9 in contact with the second electrode 10 is a Si-rich silicon nitride film, and charges are easily accumulated in the charge trap at the time of voltage application. Therefore, charging after voltage application of the CMUT was large, and charging could not be suppressed.
  • Example 2 In the second embodiment, a method of manufacturing a hollow structure in which silicon is a sacrificial layer and at least one of the films is a silicon nitride film sandwiching the sacrificial layer in the vertical direction will be described.
  • Example 2 first, the configuration shown in the cross-sectional schematic view of the structure for evaluating the characteristics of the silicon nitride film as shown in FIG. 22 was used. The growth rate of the deposit on the silicon nitride film during etching of the sacrificial layer by the etching gas containing xenon difluoride and hydrogen, which was not shown in Example 1 and Comparative Examples 1 and 2, was measured. In addition, the film thickness reduction rate of the silicon nitride film itself, that is, the etching rate was measured by creating different levels of the Si / N composition ratio.
  • a silicon nitride film of different levels of Si / N composition was formed as the membrane 43 on the silicon substrate as the supporting substrate 4 with a total thickness of 1 ⁇ m. Thereafter, a rectangular opening 100 ⁇ m wide and 5 mm long is provided as an etching opening 17 through which the etching gas can penetrate.
  • the silicon of the silicon substrate is the sacrificial layer material, and the portion where silicon is etched becomes the hollow portion 8.
  • the refractive index of the silicon nitride film of different levels of Si / N composition was determined by ellipsometry, and the Si—H / N—H bonding area ratio was determined from the infrared absorption spectrum.
  • sacrificial layer etching was performed for 30 minutes using a gas containing xenon difluoride, hydrogen and carrier nitrogen at the same flow ratio as in Example 1 as an etching gas.
  • silicon is isotropically etched about the opening 17, and the silicon nitride film 43 thereon is also slightly thinned by etching.
  • the deposit 44 grows on the surface of the silicon nitride film. The film thickness decrease of the silicon nitride film and the film thickness of the deposit were observed with a scanning electron microscope.
  • the conditions for forming the silicon nitride film of level 1 are the Si-rich silicon nitride films shown in Example 1, and the silicon nitride film of level 3 is an N-rich silicon nitride film.
  • the silicon nitride film of level 2 is formed under film forming conditions of 160 sccm of SiH 4, 127 sccm of NH 3, 2000 sccm of nitrogen, and RF power of 980 W as a gas flow rate.
  • Level 4 was prepared by forming 300 nm of Si-rich silicon nitride same as Level 1 and 400 nm of N-rich silicon nitride film same as Level 3 and 300 nm of Si-rich silicon nitride film same as Level 1 on a silicon substrate. It is a laminated film. Then, the surface exposed to the etching gas is a level at which the Si-rich silicon nitride film is formed. The refractive index and the Si—H / N—H bonding area ratio are omitted since the level 4 in the table is a laminate of silicon nitride films.
  • the deposit growth rate is equal to the etching rate of the silicon nitride film.
  • the deposit growth rate is much larger than the etching rate of the silicon nitride film. This means that although the silicon nitride film itself decreases in film thickness during etching, the total film thickness of the silicon nitride film and the deposit layer increases.
  • this deposit is ammonium fluorosilicate. It was confirmed that this deposited material grows only on the surface of the silicon nitride film, and further that the deposited material does not grow with an etching gas containing xenon difluoride and carrier nitrogen to which hydrogen is not added. From these confirmation results, it is inferred that ammonium fluorosilicate is grown using nitrogen atoms on the surface of the silicon nitride film as a raw material. That is, it is considered that the growth of the deposit is faster as the nitrogen-rich N-rich silicon nitride, which is a raw material of the deposit, is used. Since ammonium fluorosilicate is sublimed by heating at about 200 ° C. under reduced pressure conditions, it can be removed in a later step.
  • level 4 even if the growth rate of the deposit as in level 3 is a silicon nitride film having a large level, the surface of the silicon nitride film exposed to the etching gas is covered with a silicon nitride film such as level 1. It can be understood that the growth of the deposit can be suppressed.
  • the Si / N composition ratio of the silicon nitride film is important in the manufacture of the hollow structure by the sacrificial layer etching using the etching gas containing xenon difluoride and hydrogen.
  • the preferred silicon nitride film capable of suppressing the closure of the hollow portion by the deposited material by the sacrificial layer etching is a silicon nitride satisfying the requirement that the deposited material growth rate is smaller than the etching rate of the silicon nitride film when forming a desired hollow structure. It is a membrane.
  • the hollow portion is less likely to be blocked by a silicon nitride film having a refractive index of 1.90 or more, which is called a Si-rich silicon nitride film.
  • FIG. 23 shows a schematic cross-sectional view before and after etching the sacrificial layer in the production of the hollow structure.
  • a silicon nitride film of 400 nm as a first film 45 and an amorphous silicon of 300 nm as a sacrificial layer 55 were provided on a silicon substrate which is a supporting substrate 4. Further, a silicon nitride film is formed 400 nm as the second film 46, and a rectangular opening 100 ⁇ m wide and 5 mm long is provided as the etching opening 17 in which the etching gas can penetrate the second film 46.
  • sacrificial layer etching was performed for 30 minutes using a gas containing xenon difluoride, hydrogen and carrier nitrogen at the same flow ratio as in Example 1 as an etching gas.
  • the sacrificial layer 55 becomes the hollow portion 8 after the sacrificial layer etching.
  • the surface side in contact with the sacrificial layer 55 is a level 1 Si-rich silicon nitride film (200 nm), and the side not in contact is a level 3 N-rich silicon nitride film (200 nm) ).
  • the Si-rich silicon nitride film is exposed to the etching gas, and the effect of this coating is that the etching proceeds well, and a hollow structure can be obtained.
  • the etching characteristics are improved by providing a composition having a composition ratio distribution in a film in which a silicon nitride film having a Si-rich composition is provided on the surface.
  • a configuration is described in which a silicon nitride film having a distribution of Si / N composition ratio is used for both the first film 45 and the second film 46.
  • at least one of the first film 45 and the second film 46 is a silicon nitride film having a distribution in the Si / N composition ratio
  • the other metal is a metal having a high selectivity which is hardly etched even when exposed to the etching gas.
  • a configuration using dielectric, resin or the like may be used.
  • metals such as aluminum, nickel, chromium and platinum are preferable because they are difficult to be etched by xenon difluoride.
  • a dielectric such as lead zirconate titanate (PZT), zinc oxide, or aluminum nitride can be used as a piezoelectric material of a piezoelectric element.
  • PZT lead zirconate titanate
  • zinc oxide zinc oxide
  • aluminum nitride aluminum nitride
  • general photoresists and resins such as polydimethylsiloxane (PDMS) can also be used.
  • the film thickness of the Si rich silicon nitride film (200 nm) and the non-contacting surface side is the same as that of the level 3 N rich silicon nitride film (200 nm). .
  • the Si rich silicon nitride film utilizes the fact that the deposit growth rate is smaller than the etching rate of the silicon nitride film during the etching of the sacrificial layer.
  • the film thickness of the Si-rich silicon nitride film is preferably set to a film thickness larger than the necessary minimum film thickness so that the Si-rich silicon nitride film does not disappear in the desired sacrificial layer etching time to expose the N-rich silicon nitride film. You should not do it.
  • a Si rich silicon nitride film of level 1 a film thickness reduction of 42 nm occurs at an etching time of 30 minutes, so the film thickness should be 42 nm or more and the remaining 358 nm be an N rich silicon nitride film. it can.
  • the N-rich silicon nitride film is only for the etching time corresponding to the film thickness of the Si-rich silicon nitride film. It can be prevented from being exposed. As a result, blockage of the hollow portion by the deposit can be suppressed.
  • the hollow structure according to the present embodiment can be used for a pressure sensor, an ultrasonic sensor, a tactile sensor, an infrared sensor (bolometer heat insulation structure), and the like.

Abstract

第１の膜の上に犠牲層を形成する工程と、犠牲層の上に第２の膜を形成する工程と、第１の膜及び第２の膜の少なくともいずれか一方を貫通して犠牲層に連通するエッチング開口部を形成する工程と、犠牲層を、エッチング開口部を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで中空部を形成する工程とを有し、犠牲層と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい。

Description

中空構造体の製造方法、及び中空構造体
　本発明は、静電容量型トランスデューサ等として用いられる中空構造体の製造方法、及び中空構造体に関する。
　マイクロマシニング技術によって製造される静電容量型トランスデューサは、圧電素子の代替品として研究されている。静電容量型トランスデューサを以下ではＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ　ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）と呼ぶことがある。ＣＭＵＴは、一般に中空部と振動膜を有し、この振動膜の振動を用いて音響波（超音波）を送受信可能であり、特に液中において優れた広帯域特性を得られる。ＣＭＵＴの製造方法の一つとして、シリコンなどの基板上に材料を積層させて形成する方法がある。特開２００８－２８８８１３号公報（特許文献１）では、基板、絶縁膜、犠牲層であるシリコン膜、振動膜の順に積層し、振動膜の一部に設けたエッチング開口部を介して犠牲層をエッチングすることによって中空部を形成している。また、犠牲層を除去するために二フッ化キセノンを用いているが、犠牲層に接する絶縁膜と振動膜を酸化シリコン膜とすることで、犠牲層と絶縁膜や振動膜とのエッチング選択比を十分にとり、絶縁膜や振動膜がエッチングされてしまうことを抑制している。
　一方、音響波の送受信感度を向上させるという観点からは、上記の絶縁膜や振動膜として、酸化シリコン膜よりも比誘電率の高い窒化シリコン膜を用いることが好ましい。
　しかし、犠牲層としてシリコン膜を用い、犠牲層に接する絶縁膜や振動膜として窒化シリコン膜を用いる場合、二フッ化キセノンを用いた犠牲層のエッチング時に、選択比が十分にとれず、窒化シリコン膜もエッチングされる可能性がある。
特開２００８－２８８８１３号公報 特表２０１３－５０６２８４号公報
　特表２０１３－５０６２８４号公報（特許文献２）にはシリコン膜と窒化シリコン膜とのエッチング選択比を向上させるために、二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスを用いる方法を開示している。
　しかし、本発明者らは、二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスを用いて犠牲層をエッチングしている途中に、デポ物（ｄｅｐｏｓｉｔｓ、析出物と言い換えることもできる）が成長してしまうことを見出した。デポ物の成長によって、エッチング開口部や中空部の閉塞が進行し、結果としてエッチングガスが犠牲層に供給できずエッチングが遅滞、または停止するというエッチング不良を起こすという課題が発生した。
　本発明に係る中空構造体の製造方法は、第１の膜と、前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜とを有する中空構造体の製造方法であって、前記第１の膜の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に前記第２の膜を形成する工程と、
　前記第１の膜及び前記第２の膜の少なくともいずれか一方を貫通して前記犠牲層に連通するエッチング開口部を形成する工程と、前記犠牲層を、前記エッチング開口部を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで前記中空部を形成する工程と、を有し、前記第１の膜および前記第２の膜のうち、前記エッチング開口部が形成される膜は窒化シリコン膜を含み、前記窒化シリコン膜において、前記犠牲層と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする。
　本発明に係る静電容量型トランスデューサの製造方法は、第１の電極の上に、第１の膜を形成する工程と、前記第１の膜の上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に第２の膜を形成する工程と、前記第２の膜の上に第２の電極を形成する工程と、前記第２の膜を貫通して前記犠牲層に連通するエッチング開口部を形成する工程と、前記犠牲層を、前記エッチング開口部を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで中空部を形成する工程と、を有し、前記第２の膜は窒化シリコン膜を含み、前記窒化シリコン膜において、前記犠牲層と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする。
　本発明に係る中空構造体は、第１の膜と、前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜とを有する中空構造体であって、前記第１の膜および前記第２の膜のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含み、前記窒化シリコン膜において、前記中空部と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする。
　本発明に係る静電容量型トランスデューサは、第１の電極と、前記第１の電極の上に設けられた第１の膜と、前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜と、前記第２の膜の上に設けられた第２の電極と、を有する静電容量型トランスデューサであって、前記第１の膜および前記第２の膜のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含み、前記窒化シリコン膜において、前記中空部と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする。
　本発明に係る中空構造体の製造方法によれば、窒化シリコン膜における窒素とシリコンの組成比を調整することで、エッチング中のデポ物の成長を抑制することでエッチング不良を解決できる。
本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための上面図である。 図１で示すＣＭＵＴの全体図である。 図１で示すＣＭＵＴのＡ－Ｂ断面図である。 図１で示すＣＭＵＴのＣ－Ｄ断面図である。 ＣＭＵＴの駆動方法を説明するための断面図である。 ＣＭＵＴの製造プロセスにおいて、犠牲層エッチング後のＡ－Ｂ断面図である。 ＣＭＵＴの製造プロセスにおいて、犠牲層エッチング前のＡ－Ｂ断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための破線間の距離２４と開口率の関係を示したグラフである。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するためのテーパー角度１９と振動膜の共振周波数の関係を示したグラフである。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴのセル配置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴのセル配置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴのセル配置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴのセル配置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの重なり長さ／セル外周長さと振動膜の共振周波数及び初期たわみの関係を示したグラフである。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの駆動装置の一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを駆動するための送受信回路の一例である。 本発明の実施形態に係る超音波プローブの一例である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図１のＡ－Ｂ断面図）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴにおいて、第四の絶縁膜５６を設けた場合の図１のＡ－Ｂ断面図である。 エッチング流路がセル外部に存在するＣＭＵＴを説明するための上面図である。 エッチング流路がセル外部に存在するＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図２０のＥ－Ｆ断面図）である。 エッチング流路がセル外部に存在するＣＭＵＴの製造方法を説明するための断面図（図２０のＥ－Ｆ断面図）である。 犠牲層エッチング前後の窒化シリコン膜の特性評価用の構造の断面模式図。 犠牲層エッチング前後の中空構造の断面模式図。 本発明の実施形態に係る中空構造体及びその製造方法について説明するための図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴ及びその製造方法について説明するための図である。
　（中空構造体の製造方法）
　本発明の実施形態に係る中空構造体について図２４を用いて説明するが、本発明はこれに限られない。
　本実施形態に係る中空構造体１００は、第１の膜１０１と、第１の膜１０１と中空部１０２を介して対向するように設けられる第２の膜１０３とを有する。中空構造体１００の製造方法は、少なくとも以下の工程を有する。
（１）第１の膜１０１の上に犠牲層（１０２に相当する位置）を形成する工程。
（２）犠牲層の上に第２の膜１０３を形成する工程。
（３）第１の膜１０１及び第２の膜１０３の少なくともいずれか一方を貫通して犠牲層に連通するエッチング開口部１０４を形成する工程。
（４）犠牲層を、エッチング開口部１０４を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで中空部１０２を形成する工程。
　第１の膜１０１及び第２の膜１０３のうち、エッチング開口部１０４が形成される膜（図２４では第２の膜１０３）は窒化シリコン膜（１０３）を含む。また、窒化シリコン膜（１０３）は、犠牲層と接する面を含む第一の領域１０５と、第一の領域１０５を含まない第二の領域１０６を有する。第一の領域１０５における窒素に対するシリコンの組成比が、第二の領域１０６における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい。以下では、２つの領域を比較したときに、窒素に対するシリコンの組成比が相対的に大きいことをシリコンリッチ（Ｓｉリッチ）と言うことがある。同様に、２つの領域を比較したときに、シリコンに対する窒素の組成比が相対的に大きいことを窒素リッチ（Ｎリッチ）と言うことがある。なお、窒素とシリコンの組成比は、ＴＯＦ－ＳＩＭＳ（Ｔｉｍｅ－ｏｆ－Ｆｌｉｇｈｔ　Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　Ｉｏｎ　Ｍａｓｓ　Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）によって算出することができる。
　このように、窒化シリコン膜のうち、犠牲層と接する領域をシリコンリッチとすることで、フッ素含有ガスと水素とを含むガスを用いても、デポ物が生じにくいため、エッチング不良が起こりにくい。なお、窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であると、後述のように、デポ物を生じにくいため好ましい。
　なお、第１の膜１０１は、基板１１０の上に形成することができる。基板１１０がシリコンである場合、基板１１０を酸化して熱酸化膜を形成する工程を有していても良い。
　本実施形態において、フッ素含有ガスは、二フッ化キセノン、三フッ化臭素、三フッ化塩素、及びフッ素を含むハロゲン間化合物からなる群から選択される少なくとも一種を含む。フッ素含有ガスとしては、二フッ化キセノンが好ましい。
　なお、図２４では、相対的にシリコンの割合が大きい第一の領域１０５と、相対的にシリコンの割合が小さい第二の領域１０６との２層構成を示しているがこのような構成に限らない。例えば、窒化シリコン膜において、窒素に対するシリコンの比率が、窒化シリコン膜が犠牲層と接する側の主面から、逆側の主面に向かうにつれて、連続的に小さくなるように構成されていてもよい。もちろん、窒化シリコン膜中のシリコン濃度の変化が、膜の積層方向に、単調減少となる構成でもよく、ステップ状に減少する構成や、曲線状に減少する構成でもよい。
　また、窒化シリコン膜のうち、犠牲層と接する面と逆側の面を含む第三の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい構成としても良い。
　また、窒化シリコン膜において、犠牲層と接する面を含む第一の領域におけるシリコンに対する窒素の組成比が、第二の領域におけるシリコンに対する窒素の組成比よりも小さいことが好ましい。
　なお、上記本実施形態のプロセスを経ても、窒化シリコン膜上にはデポ物をゼロにすることは困難であるが、中空部を減圧条件下（例えば１５０Ｐａ以下）で加熱することで、デポ物を昇華することができる。
　（中空構造体）
　本実施形態に係る中空構造体１００について図２４を用いて説明する。本実施形態に係る中空構造体１００は、第１の膜１０１と、第１の膜１０１と中空部１０２を介して対向するように設けられる第２の膜１０３とを有する。そして、第１の膜１０１および第２の膜１０３のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含む。図２４では、第２の膜１０３が窒化シリコン膜を含む。窒化シリコン膜（１０３）において、中空部１０２と接する面を含む第一の領域１０５における窒素に対するシリコンの組成比が、第一の領域１０５を含まない第二の領域１０６における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい。
　なお、窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることが好ましい。
　このように窒化シリコン膜の一部が窒素リッチである構成は、窒化シリコン膜全体がシリコンリッチである構成に比べて、比誘電率が高くなる。その結果、後述のＣＭＵＴのような超音波センサの用途において、超音波の送受信感度が高くなる。
　本実施形態に係る中空構造体は、インクジェットやマイクロポンプ等のピエゾデバイス、マイクロスピーカ、遺伝子診断等に用いられる流体デバイス、ボロメータ等のＩＲセンサに用いることができる。
　（ＣＭＵＴの製造方法）
　上記中空構造体がＣＭＵＴである場合について図２５を用いて説明する。本実施形態に係るＣＭＵＴ２００の製造方法は少なくとも以下の各工程を有する。
（１）第１の電極２１１の上に、第１の膜２０１を形成する工程。
（２）第１の膜２０１の上に犠牲層（２０２に相当する位置）を形成する工程。
（３）犠牲層（２０２）の上に第２の膜２０３を形成する工程。
（４）第２の膜２０３の上に第２の電極２１２を形成する工程。
（５）第２の膜２０３を貫通して犠牲層に連通するエッチング開口部（不図示）を形成する工程。
（６）犠牲層を、エッチング開口部を介して、二フッ化キセノンと水素とを含むガスによってエッチングすることで中空部を形成する工程。
　そして、第２の膜２０３は窒化シリコン膜を含む。窒化シリコン膜２０３において、犠牲層と接する面を含む第一の領域２０５における窒素に対するシリコンの組成比が、第一の領域２０５を含まない第二の領域２０６における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい。本実施形態に係る中空構造体における説明と同様に、上記のプロセスを経ることで、デポ物の発生を抑制でき、エッチング不良を解決できる。
　なお、窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることが好ましい。
　（ＣＭＵＴ）
　本実施形態に係るＣＭＵＴは、第１の電極２１１と、第１の電極２１１の上に設けられた第１の膜２０１と、第１の膜２０１と中空部２０２を介して対向するように設けられる第２の膜２０３と第２の膜２０３の上に設けられた第２の電極２１２とを有する。そして、第１の膜２０１および第２の膜２０３のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含む。図２５においては、第２の膜２０３が窒化シリコン膜である。窒化シリコン膜２０３において、中空部２０２と接する面を含む第一の領域２０５における窒素に対するシリコンの組成比が、第一の領域２０５を含まない第二の領域２０６における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい。
　なお、窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることが好ましい。
　（本発明の実施形態についての詳細な説明）
　以下に、本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの詳細について図１～図７を用いて説明する。図１は本発明の実施形態に係るＣＭＵＴの上面図であり、図２は図１の全体図である。図１は分かり易く説明するため、封止膜１１を透過させた図を用いている。図３は図１のＡ－Ｂ断面図であり、図４は図１のＣ－Ｄ断面図である。図５は駆動の説明断面図である。図６は犠牲層エッチング後のＡ－Ｂ断面図である。図７は犠牲層エッチング前のＡ－Ｂ断面図である。本実施形態で示す上面図は、振動膜１２を構成する封止膜１１を透過させている。
　図中の番号は次の通りである。１はＣＭＵＴ、２はセル、３は素子（エレメント）、４は基板、５は第一の絶縁膜、６は第一の電極、７は第二の絶縁膜、８は中空部、９は第三の絶縁膜、１０は第二の電極、１１は封止膜、１２は振動膜、１３はエッチング封止部、１４は振動膜支持部である。１５は第一の電圧印加手段、１６は第二の電圧印加手段、１７はエッチング開口部、１８はテーパー形状、１９はテーパー角度、２０は振動膜部分の中空部高さ、２１はエッチング開口部の中空部高さ、２２はエッチング開口部１７が形成される箇所である。２３はテーパー形状１８の中間の位置、２４はテーパー斜面を第二の絶縁膜へ投影した時の距離、２５は振動膜の開口、２６は重なり幅である。４１は第一の電極パッド、４２は第二の電極パッド、５５は犠牲層である。
　本実施形態では、第三の絶縁膜９（第１の膜）が窒化シリコン膜であり、犠牲層（８に相当する位置）と接する面を含む第一の領域７１と第一の領域７１を含まない第二の領域７２を含む。そして、第一の領域７１における窒素に対するシリコンの組成比が、第二の領域７２における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きい構成となっている。言い換えると、第三の絶縁膜９として中空部８側にＳｉリッチな窒化シリコン膜を、第二の電極１０側にＮリッチ窒化シリコン膜とする。なお、以下の各図においては示さないが、第三の絶縁膜９は、特に断りがない限り、図３のように中空部８側がＳｉリッチな第一の領域７１、第二の電極１０側がＮリッチ（第一の領域に比べてＳｉの割合が少ない）な第二の領域７２となっているものとする。
　なお、本実施形態では、第一の電圧印加手段１５、第二の電圧印加手段１６の両方を備えた構成であるが、電圧印加手段は一方のみとし、他方はグラウンド（ＧＮＤ）に接続する構成としても良い。
　図１と図２に示すＣＭＵＴ１は、支持基板４上に形成された第一の電極６と、前記第一の電極６と中空部８を挟んで対向して配された第二の電極１０を含む振動膜１２が振動可能に支持されたセル２を有する素子３が複数個からなる。ＣＭＵＴ１はエッチング開口部１７を有している。またエッチング開口部１７とセル２が重なっている幅は、重なり幅２６である。
　図２では、３つの素子のみ記載しているが、素子数はいくつでも構わない。また、素子３は、セル２が７２個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、セルの配列は格子状の配置でも千鳥配置でもどのような配列でも構わない。さらに、素子３の大まかな外形は図２に記載のような長方形でも、正方形や六角形でも構わない。
　図１と図３、図４に示すように、セル２は基板４、基板４上に形成される第一の絶縁膜５、第一の絶縁膜５上に形成される第一の電極６、第一の電極６上に形成される第二の絶縁膜７を有する。さらに、第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１で振動膜１２が形成され、振動膜１２を支持する振動膜支持部１４、中空部８とを有している。中空部８は、後述するが、エッチング開口部１７を介して犠牲層をエッチングすることで形成する。エッチング開口部１７は、最終的に封止膜１１で封止され封止部１３を形成する。エッチング開口部１７は、後述するＣＭＵＴ１を製造する過程において、前記中空部８の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に設けられる。
　あるいは、図２０と図２１に示すようにエッチング流路をセルの外部へ引き出して、流路上にエッチング開口部を設ける配置としてもよい。図２０は、ＣＭＵＴ１の上面拡大模式図の一例である。図２１は図２０のＥ－Ｆ断面図である。５８はエッチング流路、５９はエッチング流路幅、６０はエッチング流路長さである。図２０で構成されるＣＭＵＴ１は、外形寸法及び素子３の外形、個数や配置は図２と同様である。図２０のセル２は略円形の形状で、セル２を構成する中空部８の端にエッチング流路５８があり、エッチング流路５８の端部にエッチング開口部１７が形成されている。こうすることで、エッチング開口部を封止するにあたり、中空部分に該当する犠牲層の高さよりもエッチング開口部と繋がるエッチング流路部分の犠牲層高さを低くできるため、封止の信頼性を向上させることもできる。
　本実施形態においては、エッチング開口部の配置をいずれにしても問題ないが、以下では前記中空部８の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に設ける配置例で説明する。
　ＣＭＵＴ１が製造された後には、エッチング開口部１７は封止膜１１で封止され封止部１３となるため、該上面図には示していない。上面図において、第二の絶縁膜７が見えている部分が、エッチング開口部１７を設けた場所であり、かつ封止部１３を設けた場所である。
　振動膜支持部１４は、配線引き出しの為に第二の電極１０を含んでいる場合と含んでいない場合が存在する。基板４がガラス基板などの絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５はなくてもよい。また第二の絶縁膜７は、セルの耐圧向上や絶縁膜の帯電を防ぐために設けているため、不要であればなくてもよい。さらに封止膜１１は、振動膜１２の変形制御や中空部８を封止するために設けているため、不要であればなくてもよい。中空部８を上面から見た形状は、エッチング封止部１３を除くと略円形であるが、正方形、長方形等の形状でも構わない。
　また図５に示すように、セル２の第一の電極６と第二の電極１０との間に電位差を生じさせる第一の電圧印加手段１５と、第二の電極に送信電圧を印加する第二の電圧印加手段１６を有している。
　本実施形態のＣＭＵＴは、第一の電圧印加手段１５で第一の電極６にバイアス電圧を印加する事ができる。第一の電極６にバイアス電圧が印加されると、第一の電極６と第二の電極１０の間に電位差が生じる。この電位差により振動膜の復元力と静電引力が釣り合うところまで振動膜１２は変位する。この状態で超音波が振動膜１２に到達すると、振動膜１２が振動する事で第一の電極６と第二の電極１０の間の静電容量が変化して第二の電極１０に電流が流れる。この電流を第二の電極１０から引き出された第二の電極パッド４２を介して取り出す事で、超音波を電気信号として取り出す事ができる。
　第一の電圧印加手段１５で第一の電極６にバイアス電圧を印加した状態で、第二の電圧印加手段１６から第二の電極１０に送信駆動電圧を印加すると、超音波を送信する事が出来る。送信駆動電圧は、所望の超音波を送信できる波形であればどのような波形でも良い。単極パルスや双極パルス、バースト波や連続波など、所望の波形を用いればよい。
　次に図６と図７を用いてエッチング開口部１７とテーパー形状１８について説明する。図６に示すように本実施形態では、中空部８の壁面が前記第一の電極に向かってテーパー形状１８をしており、前記中空部８を形成するためのエッチング開口部１７を、前記中空部８の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に設けている。また図３に示すように、前記エッチング封止部１３を、前記中空部８の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に設けている。エッチング開口部１７を、前記中空部８の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に設けることで、エッチング開口部１７を犠牲層５５の中心の近くに配置できるため、犠牲層５５のエッチング時間を短時間で完了させることができる。また、エッチング開口部１７の中空部高さ２１を振動膜部分の中空部高さ２０よりも低くすることができる。これにより、中空部８を封止するために必要な封止膜１１の厚さを低減することができ、封止の信頼性を向上するとともに、薄い振動膜１２を形成することができる。
　図７は、エッチング開口部１７を設ける直前のＡ－Ｂ断面図である。犠牲層エッチング後に中空部８となる部分には犠牲層５５が形成されている。破線２２で囲んだ部分は、エッチング開口部１７が形成される箇所である。エッチング開口部１７は、確実にテーパー形状１８をしている箇所に重なるように設ける必要があるため、エッチング開口部１７を形成する露光装置のアライメント精度を考慮した配置と形状にするのが好ましい。
　例えば、エッチング封止部１３が図１に示す様な半円の場合には、エッチング開口部１７も同様の半円であるので、エッチング開口部１７の外周の一部がテーパー形状１８の斜面に重なるように配置するのが好ましい。このとき、露光装置のアライメント精度を考慮して必ずエッチング開口部１７の外周の一部がテーパー形状１８の斜面に重なるように配置する。露光装置のアライメントずれなどでエッチング開口部１７の外周の一部がテーパー形状１８の斜面に重ならない場合、後述の犠牲層エッチングができなくなってしまう可能性が高い。例えば露光装置のアライメント精度が±５０ｎｍの場合、破線間の距離２４（テーパー形状１８を第二の絶縁膜７へ射影したときの長さ）は、１００ｎｍよりも大きくするのが好ましい。
　また、エッチング開口部１７の外周の一部（点線２２で囲んだ部分の端）が、テーパー形状１８の中間の位置を示す破線２３と重なるようにエッチング開口部１７を設けると確実に後述の犠牲層エッチングができる。図中の２５は振動膜１２の開口２５であり、開口２５の大きさで振動膜１２の周波数特性が決まり、素子３を構成するセル２の開口２５の総面積で受信感度や送信効率が決まる。
　図８に破線間の距離２４と開口率の関係を示す。図８の横軸は破線間の距離２４であり、縦軸は素子３を構成するセル２の開口２５の開口率である。図８に示す様に、破線間の距離２４が大きくなると、開口率が小さくなることがわかる。そのため、露光装置のアライメント精度を小さくして破線間の距離２４を小さくすることが好ましい。
　図９にテーパー角度１９と振動膜１２の共振周波数の関係を示す。図９の横軸は中空部８の内壁と第二の絶縁層７の間のテーパー角度１９であり、縦軸は素子３を構成するセル２が有する振動膜１２の共振周波数である。また系列は振動膜部分の中空部高さ２０であり、一般的なＣＭＵＴで形成される中空部高さ、１００ｎｍ～５００ｎｍを含んでいる。図９に示す様に、テーパー角度１９や中空部高さ２０によって共振周波数は変化するため、これらのばらつきの影響が小さいテーパー角度１９にするのが好ましい。中空部高さ２０が５００ｎｍでは、テーパー角度１９が２２．５度以下となると共振周波数の変化が大きくなり、中空部高さ２０が３００ｎｍでは、テーパー角度１９が６７．５度を超えると共振周波数の変化が大きくなる。このことから、テーパー角度１９は、２２．５度から６７．５度の範囲が好ましい。
　図１０から図１３に、エッチング封止部１３の配置と形状を変えた素子３の上面拡大図を示す。図中、説明の都合で、振動膜１２を構成する封止膜１１を透過させている。図中の２６は、セル外周とエッチング封止部１３との重なり幅である。上面図において、第二の絶縁膜７が見えている部分が、エッチング開口部１７を設けた場所であり、かつ封止部１３を設けた場所であるので、図中の２６は、セル外周とエッチング開口部１７との重なり幅でもある。エッチング開口部１７の大きさは、エッチング開口部１７を配置する位置や個数、最小パターニング精度、所望のエッチング時間に応じて決めるのが好ましい。エッチング開口部１７は、図１に示す様に１つのセルに１つずつ設けてもよいし、図１０に示す様に１つのセルに２つ以上設けてもよい。エッチング開口部１７を２つ以上設ける場合には、犠牲層エッチングがセル２の中で等方的に進むように配置すると中空部８の高さ２０のばらつきが低減できて好ましい。また、図１１に示す様に、複数のセル毎に１つのエッチング開口部１７を設けてもよいし、図１２に示す様に複数のセル毎に複数のエッチング開口部１７を設けてもよい。
　図１３に図１１，図１２と同じセルサイズで１つのセルに１つずつエッチング開口部１７を設けた場合の配置を示す。図１３の配置では、エッチング開口部１７が隣接するセルと繋がらないように配置しているため、一部のセルで封止不良が生じても隣接するセルへ封止不良の影響が広がらないので好ましい。しかしエッチング開口部１７を形成する露光装置のアライメント精度を考慮して隣接するセルと繋がらないようにする必要があるため、セル２をさらに高密度に配置することができない。図１１や図１２のように、いくつかのセル毎にエッチング開口部１７を設けるとセル２をさらに高密度に配置することができ、素子３を構成するセル２の振動膜１２の開口２５の総面積を増加することができて好ましい。また一部のセルで封止不良が生じても、封止不良の影響をある領域内に抑えられるので好ましい。
　例えば図１１のような配置で、セルの直径が３２ｕｍ、犠牲層の最小パターニング精度を３ｕｍ、露光装置のアライメント精度が±５０ｎｍの場合を考える。エッチング開口部１７を六角形とすると、その外接円の直径は８．５５ｕｍより大きく、そしてテーパー形状１８の斜面の範囲に収まる大きさにするのが好ましい。エッチング開口部１７の外周の一部がテーパー形状１８の斜面に重なるように配置するときに、重なり幅２６が小さいと犠牲層エッチングに長時間を有し、重なり幅２６が大きいと振動膜の性能が変化するため、両者のバランスを考慮して決めるのが好ましい。
　図１４に、重なり幅２６の長さがセル外周の長さに対する割合と、振動膜１２の共振周波数および初期たわみの関係を示す。重なり幅２６の長さとは、１つのセル２に設けられたエッチング開口部１７の重なり幅２６の合計の長さである。図１４の横軸は、重なり幅２６の長さをセル外周の長さで除した値であり、縦軸は重なり幅２６が０の値で規格化した振動膜１２の共振周波数および初期たわみである。系列は実線が共振周波数で破線が初期たわみである。初期たわみとは、ＣＭＵＴ１に駆動電圧を印加しない大気中の状態での振動膜１２の－Ｚ軸方向の変形量である。
　図１４に示す様に、セルの外周の長さに対して重なり幅２６の長さが広くなると、封止部１３を含む振動膜支持部の面積が増えることで共振周波数は高くなり、初期たわみは小さくなる。重なり幅２６の長さがばらつく場合、共振周波数や初期たわみの変化が小さい範囲を選択するのが好ましい。より好ましくは、図１４に点線で囲んで示したように、セルに対する重なり幅２６の長さをセル外周の長さで除した値が、０よりも大きく０．１５以下の範囲である。エッチング開口部１７の形状は、半円だけでなく円形や多角形や他の形状でも良い。
　エッチング開口部１７は、犠牲層エッチング後に封止膜１１で封止される。封止膜１１は振動膜１２の一部であり、封止膜１１の厚さは素子３の周波数特性に影響を与えるため、所望の封止膜１１の厚さでエッチング開口部１７を封止する必要がある。そのため、所望の封止膜１１の厚さでエッチング開口部１７を封止できるように、テーパー角度１９やエッチング開口部１７の配置や大きさを決める。
　（駆動装置）
　図１５に駆動装置の一例を示す。駆動装置４２は、システム制御部２７、バイアス電圧制御部２８、送信駆動電圧制御部２９、送受信回路３０、超音波プローブ３１、画像処理部３２表示部３３で構成される。超音波プローブ３１は、被検体へ超音波を送信し、被検体から反射した超音波を受信するＣＭＵＴ１から構成される。送受信回路３０は、外部から供給されたバイアス電圧や送信駆動電圧を超音波プローブ３１に供給したり、超音波プローブ３１が受信した超音波を処理して画像処理部３２へ出力する回路である。
　バイアス電圧制御部２８は、超音波プローブ３１へバイアス電圧を供給する為に送受信回路３０へバイアス電圧を供給している。バイアス電圧制御部２８は、図示しない電源とスイッチから構成され、システム制御部２７から指示されたタイミングで、バイアス電圧を送受信回路３０へ供給する。送信駆動電圧制御部２９は、超音波プローブ３１へ送信駆動電圧を供給する為に送受信回路３０へ送信駆動電圧を供給する。システム制御部２７から指示されたタイミングで、所望の周波数特性と送信音圧の強度が得られる波形を、送受信回路３０へ供給する。
　画像処理部３２は、送受信回路３０から出力された信号を用いて画像変換（例えばＢモード画像、Ｍモード画像など）を行い、表示部３３へ出力する。表示部３３は、画像処理部３２から出力される画像信号を表示する表示装置である。画像表示部３３は、駆動装置４２とは別体の構成にすることもできる。システム制御部２７は、バイアス電圧制御部２８、送信駆動電圧制御部２９、画像処理部３２などを制御する回路である。
　（超音波の送受信回路）
　図１６に送受信回路３０の一例を示す。送受信回路３０は、送信部３４、受信部３５とスイッチ３６から構成される。送信駆動の際には、図１５のシステム制御部２７から指示された送信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部２８から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ３１に印加する。同様にシステム制御部２７から指示された送信電圧に従い、送信駆動電圧制御部２９から印加された電圧を送信部３４を介して超音波プローブ３１に印加する。送信駆動電圧が印加されると、スイッチ３６は開いた状態となり、受信部３５には信号が流れないようになる。送信駆動電圧が印加されない状態では、スイッチ３６は閉じた状態であり、受信の状態となる。スイッチ３６は、図示しないダイオードなどで構成されており、受信部３５が破壊されないようにする保護回路の役目を果たす。超音波プローブ３１から超音波が送信され、被検体で反射された超音波が超音波プローブ３１に戻ってくると、超音波プローブ３１は超音波を受信する。受信の際には、図１５のシステム制御部２７から指示された受信のバイアス電圧に従い、バイアス電圧制御部２８から印加されたバイアス電圧を超音波プローブ３１に印加する。スイッチ３６が閉じた状態であるため、受信信号は受信部３５で増幅され、画像処理部３２に送られる。
　図１７に超音波プローブ３１の一例の斜視図を示す。超音波プローブ３１は、静電容量型音響波トランスデューサ１と音響マッチング層３７と音響レンズ３８と回路基板３９から構成される。図１７の静電容量型音響波トランスデューサ１は、図１７に示すように素子３が１次元アレイのようにＸ方向に多数個並んでいる。図１７では１次元アレイだが、素子３を２次元アレイにしてもよいし、コンベックス型など他の形状としてもよい。
　ＣＭＵＴ１は、回路基板３９に実装され、電気的に接続される。回路基板３９は、図１６に示した送受信回路３０と一体となった基板でも良いし、回路基板３９を介して図１６のような送受信回路３０と接続させてもよい。ＣＭＵＴ１が超音波を送信する表面側には、被検体と音響インピーダンスの整合を取る為に、音響マッチング層３７を設けている。音響マッチング層３７は、被検体への漏電を防止する為の保護膜として設けてもよい。音響マッチング層３７を介して音響レンズ３８が配置されている。音響レンズ３８は被検体と音響マッチング層３７との間で、音響インピーダンスの整合が取れる物を用いるのが好ましい。
　図１７のようなＹ方向に曲率を持つ音響レンズ３８を設けると、Ｙ方向に広がる超音波を音響レンズの焦点位置で絞る事ができる。Ｘ方向に広がる超音波はそのままでは絞る事が出来ない為、素子３毎に超音波を送信するタイミングをずらしてビームフォーミングで送信駆動する事で、焦点位置で超音波を絞ることができる。音響レンズ３８の形状は、所望の超音波の分布特性が得られる形状にするのが好ましい。また、用いる被検体の種類に応じて、音響マッチング層３７や音響レンズ３８の種類や形状を選択すれば良いし、設けなくてもよい。超音波プローブ３１へのバイアス電圧や送信駆動電圧の供給や、被検体から反射した超音波を受信した受信信号は、図示しないケーブルを介して送受信回路３０または画像処理部３２へ伝送される。
　（ＣＭＵＴの製造方法）
　次に図１８を用いて本実施形態の中空構造を有するＣＭＵＴ１の製造方法の一例を示す。図１８は、図１のＡ－Ｂ断面図である。図１８Ａに示すように、基板４上に第一の絶縁膜５を形成する。基板４はシリコン基板であり、第一の絶縁膜５は、基板４と第一の電極６との絶縁を形成するために設けられる。基板４がガラス基板のような絶縁性基板の場合、第一の絶縁膜５は形成しなくともよい。また、基板４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６と第二の電極１０との間の距離が、各セル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、感度、帯域ばらつきとなる。従って、基板４は、表面粗さの小さな基板が望ましい。
　さらに、第一の電極６を形成する。第一の電極６は、表面粗さが小さい導電材料が望ましく、例えば、チタン、タングステン、アルミ等である。基板４と同様に、第一の電極６の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい導電材料が望ましい。第一の電極６の厚さは、厚さが増すと表面粗さが増加するため、薄い方が好ましい。
　次に、図１８Ａに示すように第二の絶縁膜７を形成する。第二の絶縁膜７は、表面粗さが小さい絶縁材料が望ましく、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６と第二の電極１０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。また、本工程の後工程で実施する犠牲層除去時に第一の電極がエッチングされることを防止するために形成する。基板と同様に、第二の絶縁膜７の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極間１０の距離が、各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい絶縁膜が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、酸化シリコン膜等である。また絶縁膜は、厚くなるほど表面粗さが増すため、絶縁性を保つのに最低限必要な厚さとする。
　次に、図１８Ｂに示すように犠牲層５５を形成する。犠牲層５５の外周は、後にテーパー形状１８をした中空部の壁面となるため、ここで犠牲層５５の外周をテーパー形状にする。犠牲層５５は表面粗さが小さい材料が望ましい。基板４と同様に、犠牲層５５の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極６と第二の電極１０間の距離が各セル間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層５５が望ましい。また、犠牲層５５を除去するエッチングの時間を短くするために、エッチングレートの大きな材料が望ましい。
　また、犠牲層５５を除去するエッチャントに対して、第二の絶縁膜７や、振動膜１２となる第三の絶縁膜９がほとんどエッチングされないような犠牲層材料と絶縁膜の組み合わせが求められる。犠牲層５５を除去するエッチャントに対して、第二の絶縁膜７や、振動膜１２となる第三の絶縁膜９がエッチングされる場合、振動膜１２の厚さばらつき、第一の電極６と第二の電極１０との間の距離ばらつきが発生する。振動膜１２の厚さばらつき、第一の電極６と第二の電極１０との間の距離ばらつきは、各セル間の感度、帯域ばらつきとなる。
　第二の絶縁膜７や、振動膜１２が酸化シリコン膜あるいは窒化シリコン膜の場合、表面粗さが小さく、第二の絶縁膜７や、振動膜１２がエッチングされにくいエッチャントを選べる犠牲層材料が望ましい。例えば、犠牲層５５の材料としてアモルファスシリコン、エッチャントとして二フッ化キセノンを含むエッチングガスの組み合わせがあげられる。この組み合わせではドライプロセスで犠牲層エッチングが可能となるため、ウェットプロセスを用いた犠牲層エッチングと比べて、犠牲層のエッチングレートが大きく、さらにウェットプロセス特有のスティッキングが回避できる利点がある。
　テーパー形状１８は、次の方法で形成することができる。犠牲層５５の材料を成膜し、犠牲層５５を形成する部分にレジストを形成する。レジストの外周を後退させながら犠牲層パターンをエッチングすることで、図１８Ｂに示すような犠牲層５５を形成することができる。また、レジストを形成する時に、フォトリソグラフィーの露光量やレジストの材質やベーク温度などを調節して、レジストの外周にテーパー形状を形成してもよい。
　また、犠牲層をパターニングするエッチング時のガスの種類やガスの混合比率、プラズマのパワーや真空度などのパラメーターを変えることで、テーパー角度１９を調整することができる。適宜所望のテーパー角度１９が得られるようなガスの種類やガスの混合比率を選択するのが好ましい。例えば、犠牲層材料がアモルファスシリコンの場合、ＳＦ６／Ｏ２の流量比を変えることで、テーパー角度１９を調整することができる。
　次に、図１８Ｃに示すように、第三の絶縁膜９を形成する。第三の絶縁膜９は、低い引張り応力が望ましく、例えば、５００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜は応力コントロールが可能であり、５００ＭＰａ以下の低い引張り応力にすることができる。振動膜１２が圧縮応力を有する場合、振動膜１２が座屈を引き起こし、大きく変形する。また、大きな引張り応力の場合、第三の絶縁膜９が破壊されることがある。さらに、窒化シリコン膜は比誘電率が酸化シリコン膜より高いため、上下電極間ギャップを小さくして送受信感度を改善することができる。従って、第三の絶縁膜９としては窒化シリコン膜が好ましい。また、第三の絶縁膜９の厚さは、犠牲層５５の上に成膜を行うため、犠牲層５５を確実にカバレッジできる厚さとすることが好ましい。
　さらに、本実施形態の特徴は、第三の絶縁膜９としての窒化シリコン膜のＳｉ／Ｎ組成比が膜内において分布をもつ。この組成比分布はＳｉ／Ｎ組成比の異なる窒化シリコン膜を二層以上積層することで作成してもよい。また、Ｐｌａｓｍａ　Ｅｎｈａｎｃｅｄ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥ－ＣＶＤ、プラズマ化学気相成長）を用いた成膜中に原料ガス流量比など成膜パラメーターを変化させることで傾斜的に分布を作成してもよい。ここで、犠牲層５５と接する側をＳｉ／Ｎ組成比でＳｉリッチ組成とし、犠牲層５５と接しない第二の電極１０に向かって膜内部のＳｉ／Ｎ組成比を接する側のそれと比較してＮリッチ組成とする。
　次に、図１８Ｄに示すように、第二の電極１０を形成する。第二の電極１０は、残留応力が小さい材料が望ましく、アルミニウムなどである。犠牲層除去工程あるいは封止工程を第二の電極１０の形成後に行う場合、第二の電極１０は、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性、耐熱性を有する材料が望ましい。例えばアルミネオジム合金やチタンなどである。第二の電極１０を形成する時には、表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。
　次に、図１８Ｅに示すように、第三の絶縁膜９にエッチング開口部１７を形成する。エッチング開口部１７は、犠牲層５５をエッチングして除去するためにエッチングガスを導入するための孔である。前述したようにエッチング開口部１７は、外周の一部が前記中空部の壁面がテーパー形状１８をしている箇所に重なるように設けるのが好ましい。これによりエッチング開口部１７を犠牲層５５の中心の近くに配置でき、犠牲層５５をエッチングする時間を短くできる。
　次に、図１８Ｆに示すように、犠牲層５５を除去して中空部８を形成する。犠牲層５５をアモルファスシリコンとして、二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスで犠牲層材料のアモルファスシリコンを除去する。あるいは、後述する実施例１の図１９に示すように第二の電極１０を形成した後に第二の電極１０上に第三の絶縁膜９と同じ窒化シリコンで絶縁膜５６を形成し、その後エッチング開口部１７を形成して犠牲層を除去してもよい。また、エッチングガスのうち、二フッ化キセノンの代わりとしてＣｌＦ３なども使用することも可能である。
　次に、図１８Ｇに示すように、エッチング開口部１７を封止する為に、封止膜１１を形成する。第三の絶縁膜９と第二の電極１０と封止膜１１で振動膜１２が形成される。エッチング開口部１７は封止膜１１で封止され、封止部１３となる。封止膜１１は、中空部８に液体や外気が浸入しないことが求められる。中空部８が大気圧であると、温度変化によって中空部８内の気体が膨張したり収縮したりする。また中空部８には高い電界がかかる為、分子の電離などによる素子の信頼性低下の要因となる。そのため、封止は減圧した環境で行われることが求められる。中空部８内部を減圧する事で中空部８内部の空気抵抗を小さくすることができる。これにより振動膜１２が振動しやすくなり、ＣＭＵＴ１の感度を高くすることができる。また封止する事でＣＭＵＴ１を液体中で使用する事ができる。封止材料として、第三の絶縁膜９と同じ材料であれば密着性が高いため好ましい。また、表面の段差のカバレッジを確実にできる厚さとすることが好ましい。第三の絶縁膜９が窒化シリコンの場合、封止膜１１も窒化シリコンが好ましい。
　以上の工程を経る事で、図１８Ｇに示すような構成となり、図１で示したようなＣＭＵＴを作製する事ができる。図２の第二の電極パッド４２に電気的に接続された図示しない引き出し配線を用いることで、第二の電極１０から電気信号を引き出すことができる。ＣＭＵＴ１で超音波を受信する場合、直流電圧を第一の電極６に印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極１０を有する振動膜１２が変形するため、第二の電極１０と第一の電極６との間の中空部８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、引き出し配線に電流が流れる。この電流を図１６に図示した送受信回路３０で電流－電圧変換を行い、電圧として超音波を受信することができる。また、第一の電極６に直流電圧を印加し、送信駆動電圧を第二の電極１０に印加すると、静電気力によって、振動膜１２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。
　（実施例１）
　本実施例では、本発明の効果を説明する為に、ＣＭＵＴ１の構造とその製造方法について記載する。合わせて比較例についても記載する。図１、図２、図１８、図１９を用いて、本実施例のＣＭＵＴ１について説明する。図１９は、第四の絶縁膜５６を設けた場合の図１のＡ－Ｂ断面図である。
　図２に示したＣＭＵＴ１の外形寸法は、Ｙ方向が１２（ｍｍ）、Ｘ方向が４５（ｍｍ）である。素子３の外形は、Ｘ方向が０．３（ｍｍ）、Ｙ方向が４（ｍｍ）であり、素子３を１９６個１次元アレイ状に配置している。図１のＡ－Ｂ断面図が図１８Ｇである。素子３を構成するセル２はエッチング開口部１７を除いて略円形の形状であり、中空部８の直径は３２（μｍ）である。中空部８の直径とは、第二の絶縁膜７と第三の絶縁膜９が接している部分で構成される第二の絶縁膜７側の直径である。セル２は図１のように最密に配置されており、１つの素子３を構成するセル２は、隣接したセルと３５（μｍ）の間隔で配置されている。つまり隣接しているセル２同士の中空部８の最短距離は３（μｍ）である。図１ではセル数は省略しているが、実際には１つの素子３には１０１３個のセルを配置させている。
　図１８を用いて断面構造と製造方法を説明する。図１８に示すようにセル２は、７２５（μｍ）厚さのシリコン基板４、シリコン基板４上に形成される第一の絶縁膜５、第一の絶縁膜５上に形成される第一の電極６、第一の電極６上の第二の絶縁膜７を有する。さらに、第二の電極１０と第三の絶縁膜９と封止膜１１を含む振動膜１２と、中空部８を有している。中空部８の高さは３００ｎｍである。さらに、第一の電極６と第二の電極１０との間にバイアス電圧を印加する電圧印加手段１５と、第二の電極に送信電圧を印加する電圧印加手段１６を有している。
　第一の絶縁膜５は、熱酸化により形成した厚さ１（μｍ）の熱酸化シリコン膜である。第二の絶縁膜７は、ＰＥ－ＣＶＤにより形成した４００ｎｍの酸化シリコン膜である。第一の電極６は厚さが１００ｎｍのタングステンである。第二の電極１０は厚さが１００ｎｍのＡｌ－Ｎｄ合金である。第三の絶縁膜９、第四の絶縁膜５６および封止膜１１はＰＥ－ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、４５０（ＭＰａ）以下の引張り応力で形成している。第三の絶縁膜９の厚みは４００ｎｍであり、封止膜１１の厚さは４４０ｎｍである。
　本実施例では、図１８Ａのように第二の絶縁膜７まで形成する。次に図１８Ｂのように犠牲層５５であるアモルファスシリコンを形成する。アモルファスシリコン膜の厚みは３００ｎｍである。本実施例では、犠牲層５５の外周のテーパー角度１９が４５度となるように犠牲層５５をパターニング形成する。
　次に図１８Ｃのように第三の絶縁膜９として窒化シリコン膜を形成する。この窒化シリコン膜は膜内部のＳｉ／Ｎ組成比に分布を有する。Ｓｉ／Ｎ組成比はＰＥ－ＣＶＤによる窒化シリコン膜の成膜時の原料ガスであるシラン（ＳｉＨ４）およびアンモニア（ＮＨ３）のガス流量比を変えることで実施した。まず、犠牲層５５の直上に、ガス流量としてＳｉＨ４が５０ｓｃｃｍ、ＮＨ３が４０ｓｃｃｍ、窒素が６２５ｓｃｃｍでＲＦパワー４８０Ｗの成膜条件で２００ｎｍ厚のＳｉリッチ窒化シリコン膜を成膜した。このＳｉリッチ窒化シリコン膜の成膜時のＮＨ３／ＳｉＨ４流量比は０．８である。次いで、ガス流量としてＳｉＨ４が２０ｓｃｃｍ、ＮＨ３が２００ｓｃｃｍ、窒素が６００ｓｃｃｍでＲＦパワー２７５Ｗの成膜条件で２００ｎｍ厚のＮリッチ窒化シリコン膜を成膜した。このＮリッチ窒化シリコン膜の成膜時のＮＨ３／ＳｉＨ４ガス流量比は１０であり、ＮＨ３流量の割合がＳｉリッチ窒化シリコン膜の成膜時より大きい成膜条件である。
　このように、犠牲層５５と接する側をＳｉリッチ組成とし、犠牲層５５と接しない第二の電極１０に向かって膜内部のＳｉ／Ｎ組成比を、接する側のそれと比較してＮリッチ組成とした。このようなＳｉ／Ｎ組成比の分布を持つ第三の絶縁膜９を厚さ４００ｎｍとなるように形成した。なお、本実施例におけるＳｉリッチあるいはＮリッチという表記は第三の絶縁膜９内部における相対的な組成比の区別を指しており、化学量論組成のＳｉ３Ｎ４に対してＳｉリッチあるいはＮリッチという意味ではない。
　また、このＮリッチ窒化シリコン膜とＳｉリッチ窒化シリコン膜の組成評価のためエリプソメトリーによる屈折率測定および赤外吸収スペクトル（ＦＴ－ＩＲ）測定を実施した。屈折率は膜のＳｉ／Ｎ組成比に対して非常に良い相関を持つことが知られており、Ｓｉ／Ｎ組成比が大きい、つまりＳｉリッチであるほど屈折率は大きくなる。また、赤外吸収スペクトルからは窒化シリコン膜の３３５０ｃｍ－１付近のＮ－Ｈストレッチングモードと２１６０ｃｍ－１付近のＳｉ－Ｈストレッチングモードのピーク面積からＳｉ－Ｈ／Ｎ－Ｈ結合面積比を算出可能である。なお、本実施例で用いた上述のＳｉリッチ窒化シリコン膜の屈折率は２．０、Ｓｉ－Ｈ／Ｎ－Ｈ結合面積比１．１であった。一方、Ｎリッチ窒化シリコン膜の屈折率は１．８６、Ｓｉ－Ｈ／Ｎ－Ｈ結合面積比０．０５であった。このように屈折率や赤外吸収スペクトルからＳｉあるいはＮの組成成分の偏りを評価できる。
　次に図１８Ｄのように第二の電極１０まで形成する。第二の電極１０は膜厚１００ｎｍのアルミネオジム合金である。
　次に図１８Ｅのようにエッチング開口部１７を形成する。本実施例では、１つのセル２に対して１つのエッチング開口部１７を形成する。エッチング開口部１７の大きさと形状は、図１に示したように重なり幅２６が９．０（ｕｍ）の半円形状とする。エッチング開口部１７を形成する位置は、エッチング開口部１７と犠牲層５５の外周との重なり距離６５が、１００ｎｍとなるように形成する。
　次に図１８Ｆのように犠牲層５５を除去して中空部８を形成する。犠牲層５５はアモルファスシリコンを用いて、二フッ化キセノンと水素とを含む混合ガスをエッチングガスとしたドライエッチングで犠牲層５５を除去する。この際、犠牲層エッチングに用いた装置はＭｅｍｓｓｔａｒ社製Ｓｅｎｔｒｙ　ＳＶＲ－ＸｅＦ２である。まず、このエッチング装置のサンプルステージにサンプルをセットした。その後、次のエッチング条件、チャンバー圧力９．５Ｔｏｒｒ、キャリア窒素流量５０ｓｃｃｍ、ニフッ化キセノン流量２０ｓｃｃｍ、水素流量２０ｓｃｃｍ、基板温度１５℃、エッチング時間１５分で犠牲層のエッチングを行い、中空部８を形成した。後述する比較例１でみられるような犠牲層エッチングの過程で第三の絶縁膜９の表面にデポ物が発生し中空部を閉塞しエッチングを阻害する問題は発生しなかった。
　次に図１８Ｇのように、封止膜１１を４４０ｎｍ形成する。封止膜１１はＰＥ－ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜である。最後にシリコン基板４の裏面をバックグラインドして基板厚みを７５０μｍから３００μｍ厚まで研磨した。
　こうして得られた本実施例１のＣＭＵＴ１は、所望の振動特性が得られた。また、２００Ｖ電圧印可後の帯電電圧は０．０１Ｖ、プルイン電圧２６０Ｖ印可後の帯電電圧は０．２Ｖと使用に耐えうる帯電量に抑制することができた。なお、第三の絶縁膜９の総厚４００ｎｍは維持しつつ、Ｓｉリッチ膜の膜厚を２００ｎｍではなく、薄い２０ｎｍから２００ｎｍまで変化させても同様の効果が得られた。
　本実施例では、振動膜１２が第三の絶縁膜９、第二の電極１０、封止膜１１からなる構成を説明したが、図１９に示す様に、第二の電極１０と封止膜１１の間に第四の絶縁膜５６を設けた構成にしても同様の結果が得られる。第四の絶縁膜５６を設ける場合には、図１８Ｄで第二の電極１０を形成した後に第四の絶縁膜５６を設け、その後図１８Ｅ以降の工程を実施すればよい。
　この図１９に示す構成での典型的な膜は、第一の絶縁膜５は、熱酸化により形成した厚さ１（μｍ）の熱酸化シリコン膜である。第二の絶縁膜７は、ＰＥ－ＣＶＤにより形成した４００ｎｍの酸化シリコン膜である。第一の電極６は厚さが１００ｎｍのタングステンである。第二の電極１０は厚さが１００ｎｍのＡｌ－Ｎｄ合金である。第三の絶縁膜９、第四の絶縁膜５６および封止膜１１はＰＥ－ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、４５０（ＭＰａ）以下の引張り応力で形成している。第三の絶縁膜は膜内にＳｉ／Ｎ組成比の分布を持ち、犠牲層５５と接する側をＳｉリッチ窒化シリコン膜として２００ｎｍ厚、犠牲層５５と接しない第二の電極１０に向かってＮリッチ窒化シリコン膜として４００ｎｍとした。このようにして厚さが６００ｎｍの第三の絶縁膜９を形成した。第四の絶縁膜５６の厚みは４５０ｎｍ、封止膜１１の厚さは１０５０ｎｍである。また、中空部８の高さは３５０ｎｍであり、それに対応する犠牲層５５であるアモルファスシリコン膜の厚みも３５０ｎｍである。
　（比較例１）
　次に第三の絶縁膜９として実施例１とは異なり、膜内部のＳｉ／Ｎ組成比に分布を持たない単一のＮリッチ窒化シリコン膜を用いる例を示す。第三の絶縁膜９として４００ｎｍ厚のＮリッチ窒化シリコン膜単層を用いる以外は実施例１と同様である。
　この構成で犠牲層エッチング条件、チャンバー圧力９．５Ｔｏｒｒ、キャリア窒素流量５０ｓｃｃｍ、ニフッ化キセノン流量２０ｓｃｃｍ、水素流量２０ｓｃｃｍ、基板温度１５℃、エッチング時間１５分で犠牲層のエッチングを行った。しかしながら、実施例１とは異なり、犠牲層エッチングが途中で停滞し、エッチング時間１５分では犠牲層の完全な除去には至らなかった。エッチング時間を延ばしてもエッチング進行は遅く、エッチング不良となった。
　走査型電子顕微鏡により、このエッチング不良サンプルの中空部断面を観察したところ、第三の絶縁膜の中空部側の表面に粒状のデポ物が成長し、エッチングガスの流路である中空部を閉塞していることが明らかとなった。つまり、犠牲層をエッチングしている途中に、デポ物が成長するにつれて中空部が狭くなり、エッチングガスが犠牲層に到達する量が減少するのが停滞の原因である。
　本比較例１のＣＭＵＴ１は、中空部の形成がエッチング不良によりできなかったため、所望の振動特性が得られなかった。
　（比較例２）
　次に第三の絶縁膜９として実施例１とは異なり、膜内部のＳｉ／Ｎ組成比に分布を持たない単一のＳｉリッチ窒化シリコン膜を用いる例を示す。第三の絶縁膜９として４００ｎｍ厚のＳｉリッチ窒化シリコン膜を用いる以外は実施例１と同様である。
　この構成で犠牲層エッチング条件、チャンバー圧力９．５Ｔｏｒｒ、キャリア窒素流量５０ｓｃｃｍ、ニフッ化キセノン流量２０ｓｃｃｍ、水素流量２０ｓｃｃｍ、基板温度１５℃、エッチング時間１５分で犠牲層のエッチングを行った。比較例１でみられた犠牲層エッチングの過程で第三の絶縁膜９の表面にデポ物が発生し中空部を閉塞しエッチングを阻害する問題は発生しなかった。
　しかし、こうして得られた本比較例２のＣＭＵＴ１は、中空部の形成こそ可能であったが、帯電特性に問題を生じた。２００Ｖ電圧印可後の帯電電圧は２１Ｖ、プルイン電圧２６０Ｖ印可後の帯電電圧は５２Ｖと使用に耐えない帯電量となった。
　窒化シリコン膜中には電荷トラップが存在している。その電荷トラップ密度は窒化シリコン膜のＳｉ／Ｎ組成比に依存し、Ｓｉリッチであるほど電荷トラップ密度が大きい傾向があることが一般に知られている。本比較例２では第二の電極１０に接する第三の絶縁膜９がＳｉリッチ窒化シリコン膜であり、電圧印可時に電荷トラップに電荷が蓄積されやすい。そのため、ＣＭＵＴの電圧印可後の帯電が大きく、帯電の抑制ができなかった。
　本比較例２のように、Ｓｉリッチ窒化シリコン膜のみを第三の絶縁膜９として用いた場合、二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスによる犠牲層のエッチングでエッチングの停滞や停止といったエッチング不良は発生しにくい。しかし、得られた窒素の割合が少ないため、ＣＭＵＴの帯電特性は悪化した。
　（実施例２）
　本実施例２では、犠牲層としてシリコン、犠牲層を上下に挟む膜として少なくとも一方が窒化シリコン膜である中空構造の製造法について説明する。本実施例２では、まず、図２２のような窒化シリコン膜の特性評価用の構造の断面模式図で示される構成を用いた。実施例１、比較例１および比較例２では示さなかった二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスによる犠牲層エッチング時の窒化シリコン膜上のデポ物の成長レートを測定した。その他、窒化シリコン膜自体の膜厚減少速度すなわちエッチングレートをＳｉ／Ｎ組成比の異なる水準を作成し測定した。
　図２２のエッチング前の断面図で示すように支持基板４たるシリコン基板上にメンブレン４３としてＳｉ／Ｎ組成の異なる水準の窒化シリコン膜を全体の総厚１μｍ厚で製膜した。その後、エッチングガスが侵入できるエッチング開口１７として１００μｍ幅、長さ５ｍｍの矩形開口部を設ける。この場合、シリコン基板のシリコンが犠牲層材料となり、シリコンがエッチングされた部分が中空部８となる。エッチング前にＳｉ／Ｎ組成の異なる水準の窒化シリコン膜の屈折率をエリプソメトリー法で、Ｓｉ－Ｈ／Ｎ－Ｈ結合面積比を赤外吸収スペクトルから求めた。
　次に、実施例１と同じ流量比の二フッ化キセノンと水素およびキャリア窒素を含むガスをエッチングガスとして３０分間、犠牲層エッチングを実施した。図２２のエッチング後の断面図で示すように開口部１７を中心としてシリコンが等方的にエッチングされ、その上の窒化シリコン膜４３もエッチングによって若干薄化する。また、あわせて、窒化シリコン膜表面にはデポ物４４が成長する。この窒化シリコン膜の膜厚減少およびデポ物の膜厚を走査型電子顕微鏡で観察した。
　結果をまとめたものが表１である。なお、水準１の窒化シリコン膜の製膜条件は実施例１で示したＳｉリッチ窒化シリコン膜であり、水準３の窒化シリコン膜はＮリッチ窒化シリコン膜である。水準２の窒化シリコン膜はガス流量としてＳｉＨ４が１６０ｓｃｃｍ、ＮＨ３が１２７ｓｃｃｍ、窒素が２０００ｓｃｃｍ、ＲＦパワーが９８０Ｗの製膜条件で作成したものである。水準４はシリコン基板上に水準１と同じＳｉリッチ窒化シリコンを３００ｎｍ、水準３と同じＮリッチ窒化シリコン膜を４００ｎｍ、水準１と同じＳｉリッチ窒化シリコン膜を３００ｎｍと順番に成膜して作成した積層膜である。そして、エッチングガスに暴露される面がＳｉリッチ窒化シリコン膜となっている水準である。表中の水準４については窒化シリコン膜の積層体であるので、屈折率とＳｉ－Ｈ／Ｎ－Ｈ結合面積比は省略している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１の結果から明らかなように水準１（屈折率２．００）および水準２（屈折率１．９０）の窒化シリコン膜では、デポ物成長レートが窒化シリコン膜のエッチングレートと同等である。それに対して、水準３（屈折率１．８６）では、デポ物成長レートが窒化シリコン膜のエッチングレートよりも極めて大きい。これは、窒化シリコン膜自体はエッチング中に膜厚減少をするものの、窒化シリコン膜とデポ物層との合計膜厚が増大することを意味する。つまり、窒化シリコン膜エッチングレートよりもデポ物成長レートが大きい特徴を有する窒化シリコン膜を中空構造形成時のメンブレンとして使用する場合、比較例１で示されたように犠牲層エッチングが進行するとともに中空部の閉塞が進む。その結果、犠牲層エッチングの速度の低下、あるいは停止という問題に至ることがわかる。
　赤外吸収スペクトル法による分析を行った結果、このデポ物はケイフッ化アンモニウムであると推定している。このデポ物は窒化シリコン膜表面にしか成長せず、さらに水素を添加しない二フッ化キセノンとキャリア窒素を含むエッチングガスではデポ物が成長しないことを確認した。これらの確認結果からケイフッ化アンモニウムは窒化シリコン膜表面の窒素原子を原料として成長していると推測される。つまり、デポ物の原料である窒素原子が多いＮリッチな窒化シリコンであるほどデポ物の成長が早いと考えられる。なお、ケイフッ化アンモニウムは減圧条件下の２００℃程度の加熱で昇華するため、後の工程で除去することも可能である。
　また、水準４の結果から、水準３のようなデポ物の成長レートが大きな窒化シリコン膜であっても、エッチングガスに暴露される窒化シリコン膜の表面を水準１のような窒化シリコン膜で被覆すれば、デポ物の成長を抑制できることがわかる。
　このように、二フッ化キセノンと水素を含むエッチングガスを用いた犠牲層エッチングによる中空構造の製造においては、その窒化シリコン膜のＳｉ／Ｎ組成比が重要である。犠牲層エッチングでデポ物による中空部の閉塞が抑制できる好ましい窒化シリコン膜とは、所望の中空構造を形成する際に窒化シリコン膜のエッチングレートよりもデポ物成長レートが小さいという要件を満たす窒化シリコン膜である。この要件は本実施例においては、Ｓｉリッチ窒化シリコン膜と称した屈折率１．９０以上の窒化シリコン膜で中空部が閉塞しにくいことがわかった。
　図２３は中空構造の製造における犠牲層エッチング前後の断面模式図を示したものである。支持基板４であるシリコン基板上に第１の膜４５として窒化シリコン膜を４００ｎｍ、犠牲層５５としてアモルファスシリコンを３００ｎｍ設けた。さらに第２の膜４６として窒化シリコン膜を４００ｎｍ成膜し、第２の膜４６にエッチングガスが侵入できるエッチング開口１７として１００μｍ幅、長さ５ｍｍの矩形開口部を設けている。また、実施例１と同じ流量比の二フッ化キセノンと水素およびキャリア窒素を含むガスをエッチングガスとして３０分間、犠牲層エッチングを実施した。なお、犠牲層エッチング後には犠牲層５５は中空部８となる。
　第１の膜４５と第２の膜４６とに水準１あるいは水準２のＳｉリッチ窒化シリコン膜を用いた場合、犠牲層エッチングにおいてデポ物による中空部の閉塞は見られず、エッチングは良好に進行し、中空構造を得ることができた。一方、水準３のＮリッチ窒化シリコン膜を用いた場合は、デポ物の成長が顕著で、中空部の閉塞傾向が確認され、犠牲層エッチング停滞の問題が発生した。
　しかし、第１の膜４５と第２の膜４６それぞれで犠牲層５５と接する面側を水準１のＳｉリッチ窒化シリコン膜（２００ｎｍ）、接しない面側を水準３のＮリッチ窒化シリコン膜（２００ｎｍ）とした。この場合、エッチングガスに暴露されるのは、Ｓｉリッチ窒化シリコン膜だけとなり、この被覆の効果によりエッチングは良好に進行し、中空構造を得ることができた。このように閉塞が問題となるＮリッチ窒化シリコン膜を使用する場合は、その表面にＳｉリッチ組成の窒化シリコン膜を設ける膜内に組成比分布をもつ構成とすることでエッチング特性を改善することができる。ここでは、第１の膜４５と第２の膜４６の双方にＳｉ／Ｎ組成比に分布をもつ窒化シリコン膜を用いる構成を述べた。しかし、第１の膜４５と第２の膜４６の少なくとも一方がＳｉ／Ｎ組成比に分布をもつ窒化シリコン膜であり、もう一方がエッチングガスに暴露されてもほとんどエッチングされない選択比の高い金属、誘電体、樹脂などを用いた構成でも構わない。例えば、アルミ、ニッケル、クロム、白金等の金属は二フッ化キセノンによってエッチングされにくいため好適である。また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、酸化亜鉛、窒化アルミニウム等の誘電体は、ピエゾ素子の圧電材料として用いることができる。また、一般的なフォトレジスト、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等の樹脂を用いることもできる。
　なお、図２３の積層構成ではＳｉリッチ窒化シリコン膜（２００ｎｍ）、接しない面側を水準３のＮリッチ窒化シリコン膜（２００ｎｍ）と同じ膜厚にしたが、必ずしも同膜厚にする必要はない。なぜなら、本実施例の効果はＳｉリッチ窒化シリコン膜が、犠牲層エッチング中に、その窒化シリコン膜のエッチングレートよりもデポ物成長レートが小さいことを利用しているためである。
　よってＳｉリッチ窒化シリコン膜の膜厚は好ましくは、所望の犠牲層エッチングの時間でＳｉリッチ窒化シリコン膜が消失しない必要最小限の膜厚以上の膜厚を設けて、Ｎリッチ窒化シリコン膜が露出しないようにすればよい。一例として、水準１のＳｉリッチ窒化シリコン膜を用いるならば、エッチング時間３０分では４２ｎｍの膜厚減少が起きるため、膜厚を４２ｎｍ以上とし、残りの３５８ｎｍをＮリッチ窒化シリコン膜とすることができる。さらに言えば、Ｓｉリッチ窒化シリコン膜の膜厚がこの最小膜厚未満であったとしても、Ｓｉリッチ窒化シリコン膜の膜厚に対応する分のエッチング時間だけではあるが、Ｎリッチ窒化シリコン膜が露出することを防ぐことができる。その結果、デポ物による中空部の閉塞を抑制できる。
　本実施形態に係る中空構造体は、圧力センサ、超音波センサ、触覚センサ、赤外線センサ（ボロメータ断熱構造）等に用いることができる。
　本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために以下の請求項を添付する。
　本願は、２０１７年６月３０日提出の日本国特許出願特願２０１７－１２９３５１を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てをここに援用する。

Claims (19)

  1. 　第１の膜と、前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜とを有する中空構造体の製造方法であって、
    　前記第１の膜の上に犠牲層を形成する工程と、
    　前記犠牲層の上に前記第２の膜を形成する工程と、
    　前記第１の膜及び前記第２の膜の少なくともいずれか一方を貫通して前記犠牲層に連通するエッチング開口部を形成する工程と、
    　前記犠牲層を、前記エッチング開口部を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで前記中空部を形成する工程と、
    　を有し、
    　前記第１の膜および前記第２の膜のうち、前記エッチング開口部が形成される膜は窒化シリコン膜を含み、
    　前記窒化シリコン膜において、前記犠牲層と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする中空構造体の製造方法。
  2. 　前記フッ素含有ガスが、二フッ化キセノン、三フッ化臭素、三フッ化塩素、及びフッ素を含むハロゲン間化合物からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１に記載の中空構造体の製造方法。
  3. 　前記第１の膜および前記第２の膜のうち一方が窒化シリコン膜を含み、他方が酸化シリコン膜を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の中空構造体の製造方法。
  4. 　前記窒化シリコン膜において、窒素に対するシリコンの比率が、前記窒化シリコン膜が前記犠牲層と接する側の主面から、逆側の主面に向かうにつれて、連続的に小さくな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３のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  5. 　前記窒化シリコン膜の前記第一の領域は、波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  6. 　前記犠牲層がアモルファスシリコンを含むことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  7. 　前記窒化シリコン膜はプラズマ化学気相成長によって形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  8. 　前記窒化シリコン膜はＳｉＨ４とＮＨ３とを含むガスを用いて形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  9. 　前記中空部を１５０Ｐａ以下で加熱する工程をさらに有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  10. 　前記第一の領域の、前記窒化シリコン膜が形成される方向における膜厚が４２ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  11. 　前記窒化シリコン膜のうち、前記犠牲層と接する面と逆側の面を含む第三の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の中空構造体の製造方法。
  12. 　第１の電極の上に、第１の膜を形成する工程と、
    　前記第１の膜の上に犠牲層を形成する工程と、
    　前記犠牲層の上に第２の膜を形成する工程と、
    　前記第２の膜の上に第２の電極を形成する工程と、
    　前記第２の膜を貫通して前記犠牲層に連通するエッチング開口部を形成する工程と、
    　前記犠牲層を、前記エッチング開口部を介して、フッ素含有ガスと水素とを含むガスによってエッチングすることで中空部を形成する工程と、
    　を有し、
    　前記第２の膜は窒化シリコン膜を含み、
    　前記窒化シリコン膜において、前記犠牲層と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする静電容量型トランスデューサの製造方法。
  13. 　前記フッ素含有ガスが、二フッ化キセノン、三フッ化臭素、三フッ化塩素、及びフッ素を含むハロゲン間化合物からなる群から選択される少なくとも一種を含むことを特徴とする請求項１２に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
  14. 　前記第１の膜が酸化シリコン膜を含むことを特徴とする請求項１２または１３に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
  15. 　前記窒化シリコン膜の前記第一の領域は、波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることを特徴とする請求項１２乃至１４のいずれか一項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
  16. 　第１の膜と、前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜とを有する中空構造体であって、
    　前記第１の膜および前記第２の膜のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含み、
    　前記窒化シリコン膜において、前記中空部と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする中空構造体。
  17. 　前記窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍにおける屈折率が１．９０以上であることを特徴とする請求項１６に記載の中空構造体。
  18. 　第１の電極と、
    　前記第１の電極の上に設けられた第１の膜と、
    　前記第１の膜と中空部を介して対向するように設けられる第２の膜と、
    　前記第２の膜の上に設けられた第２の電極と、
    　を有する静電容量型トランスデューサであって、
    　前記第１の膜および前記第２の膜のうち、少なくともいずれか一方は窒化シリコン膜を含み、
    　前記窒化シリコン膜において、前記中空部と接する面を含む第一の領域における窒素に対するシリコンの組成比が、前記窒化シリコン膜において、前記第一の領域を含まない第二の領域における窒素に対するシリコンの組成比よりも大きいことを特徴とする静電容量型トランスデューサ。
  19. 　前記窒化シリコン膜の波長６３３ｎｍでの屈折率が１．９０以上であることを特徴とする請求項１８に記載の静電容量型トランスデューサ。
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