(57)【要約】【課題】一部のキャビティにおけるメンブレンなどに損傷が生じた場合でも、他の正常なキャビティが影響を受けることはない様にする静電容量型機械電気変換素子及びその製法を提供する。【解決手段】静電容量型機械電気変換素子は、複数のキャビティ１０７とキャビティ間を繋ぐ連絡部１０８と各キャビティを挟んで設けられた２つの電極１０５、１１０を有する。複数のキャビティ１０７は外部から封止されている。連絡部１０８の少なくとも一部が閉じられ、連絡部１０８に繋がるキャビティ１０７間の連通が断たれている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のキャビティを有する静電容量型機械電気変換素子の製法であって、
前記複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部とを形成するための犠牲層を基板上に形成する第１の工程と、
前記犠牲層の上にメンブレン層を形成する第２の工程と、
前記犠牲層の一部を外部に露出させるエッチング孔を形成する第３の工程と、
前記エッチング孔を介して前記犠牲層をエッチングして前記複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部を形成する第４の工程と、
前記エッチング孔を閉じて前記複数のキャビティを外部から封止する第５の工程と、
前記連絡部の少なくとも一部を閉じて該連絡部を介して繋がっていた前記キャビティ間の連通を断つ第６の工程と、を含むことを特徴とする静電容量型機械電気変換素子の製法。
【請求項２】
前記第３の工程において、前記エッチング孔を、前記連絡部を形成するための犠牲層の上のメンブレン層に形成し、
前記第５の工程と前記第６の工程とを同時に行うことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型機械電気変換素子の製法。
【請求項３】
前記第６の工程において、前記連絡部の少なくとも一部に形成された外部に通じる孔に物質を充填して該連絡部に繋がる前記キャビティ間の連通を断つことを特徴とする請求項１又は２に記載の静電容量型機械電気変換素子の製法。
【請求項４】
前記第６の工程において、前記連絡部の少なくとも一部の互いに対向する面を接合して該連絡部に繋がる前記キャビティ間の連通を断つことを特徴とする請求項１に記載の静電容量型機械電気変換素子の製法。
【請求項５】
複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部と各キャビティを挟んで設けられた２つの電極を有する静電容量型機械電気変換素子であって、
前記複数のキャビティが外部から封止され、
前記連絡部の少なくとも一部が閉じられ該連絡部に繋がる前記キャビティ間の連通が断たれていることを特徴とする静電容量型機械電気変換素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波診断装置の超音波探触子などに用いられる静電容量型機械電気変換素子及びその製法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波診断装置の超音波探触子として、超音波トランスデューサが使用されている。この超音波トランスデューサは、電気信号を超音波振動に変換したり、超音波振動を電気信号に変換したりする素子である。超音波診断装置では、入力された電気信号を超音波に変換して生体内へ送信し、生体内で反射した超音波を受信して電気信号に変換する。超音波トランスデューサの一方式として、静電容量型機械電気変換素子がある。静電容量型機械電気変換素子は、キャビティと呼ばれる略真空に維持された空間と、キャビティを挟んで設けられた２つの電極で構成される。電極のうちの一方は、メンブレンと呼ばれる薄膜上に設けられて振動可能に支持されている。超音波の送信動作時には、超音波波形に応じた電気信号を２つの電極間に印加する。このとき、メンブレン側に設けられた電極と該メンブレンとが静電引力によって超音波振動を起こす。一方、超音波の受信動作時には、メンブレンと該メンブレン側の電極とが外部からの超音波振動によって振動する。このとき、２つの電極間の距離は振動と共に変化するため、静電容量の変化が生じる。この容量変化を電気信号として検出する。静電容量型機械電気変換素子の技術に関しては、以下の提案がある（特許文献１、特許文献２参照）。
【０００３】
この静電容量型機械電気変換素子の製法は、基板上にキャビティ形状に犠牲層を形成する工程、犠牲層上にメンブレン層を形成する工程、犠牲層をエッチングしてキャビティを形成する工程を含む。この犠牲層エッチングの前工程として、エッチング液を外部から供給するためのエッチング孔をメンブレン層に予め形成する必要がある。また、犠牲層エッチングの後工程として、略真空の雰囲気下でエッチング孔を塞いでキャビティを外部から封止する工程を含む。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８-１１８６３２号公報
【特許文献２】米国特許第５９８２７０９ 号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
背景技術で説明した静電容量型機械電気変換素子では、キャビティ内の真空度が超音波の送信出力特性、受信感度特性に影響する。一般に、キャビティ内部の真空度が低下してキャビティ内部に気体若しくは液体が浸入すると、メンブレンにダンパー効果が働く。従って、送信出力特性及び受信感度特性が変化する。よって、この種の静電容量型機械電気変換素子では、キャビティ内部の真空度の維持が素子特性の安定性にとって重要である。故に、何らかの原因によりキャビティ構造に損傷が生じた場合でも、真空度が低下するキャビティの範囲を最小限に抑えることが望まれる。しかし、上記静電容量型機械電気変換素子では、犠牲層エッチングの為に設けられたエッチャント流路（連絡部）を通じて、隣接するキャビティが連通している。このため、一部のキャビティにおけるメンブレン又は真空封止部に損傷が生じた場合でも、連通している全てのキャビティの真空封止が影響を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の複数のキャビティを有する静電容量型機械電気変換素子の製法は以下の工程を含む。第１の工程で、前記複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部とを形成するための犠牲層を形成する。第２の工程では、前記犠牲層の上にメンブレン層を形成する。第３の工程では、前記犠牲層の一部を外部に露出させるエッチング孔を形成する。第４の工程では、前記エッチング孔を介して前記犠牲層をエッチングして前記複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部を形成する。第５の工程では、前記エッチング孔を閉じて前記複数のキャビティを外部から封止する。第６の工程では、前記連絡部の少なくとも一部を閉じて該連絡部を介して繋がっていた前記キャビティ間の連通を断つ。
【０００７】
また、上記課題に鑑み、本発明の静電容量型機械電気変換素子は、複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部と各キャビティを挟んで設けられた２つの電極を有し、前記複数のキャビティが外部から封止されている。更に、前記連絡部の少なくとも一部が閉じられ該連絡部に繋がる前記キャビティ間の連通が断たれている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の静電容量型機械電気変換素子及びその製法では、キャビティ間を繋ぐ連絡部の少なくとも一部が閉じられて、連通していない複数のキャビティが設けられる。従って、一部のキャビティにおけるメンブレン、真空封止部などに損傷が生じた場合でも、それと連通していない他の正常なキャビティが影響を受けることは無い。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の静電容量型機械電気変換素子の実施形態の平面及び断面を示す図。
【図２】本発明の静電容量型機械電気変換素子の製法の実施形態を説明する図。
【図３】本発明の静電容量型機械電気変換素子の実施形態の一部を拡大して示す平面図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の静電容量型機械電気変換素子及びその製法の実施形態を説明する。本発明の静電容量型機械電気変換素子及びその製法において重要なことは、複数のキャビティ間を繋ぐ連絡部の少なくとも一部を閉じて該連絡部を介して繋がっていたキャビティ間の連通を断つことである。
【００１１】
こうした考え方から、本発明の静電容量型機械電気変換素子の製法の基本的な実施形態は、次の工程を含む。第１の工程で、例えば下部電極が形成された基板上に、複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部とを形成するための犠牲層を形成する。第２の工程では、犠牲層の上にメンブレン層を形成する。第３の工程では、キャビティ部犠牲層上のメンブレン層、連絡部犠牲層上のメンブレン層、基板と下部電極などの所望の箇所に、犠牲層の一部を外部に露出させるエッチング孔を形成する。第４の工程では、エッチング液などを用いてエッチング孔を介して犠牲層をエッチングして複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部を形成する。第５の工程では、エッチング孔を閉じて複数のキャビティを外部から封止する。第６の工程では、連絡部の少なくとも一部を閉じて該連絡部を介して繋がっていたキャビティ間の連通を断つ。
【００１２】
後述の実施形態の様に、連絡部を形成するための連絡部犠牲層の上のメンブレン層にエッチング孔を形成する場合、前記第５の工程と前記第６の工程とを同時に行うことが出来る。後述の実施形態では、連絡部犠牲層の交差部上のメンブレン層に夫々エッチング孔を形成しているが、連絡部犠牲層の形態やエッチング孔の数やその形成箇所はこれに限らない。連絡部犠牲層は、例えば２つのキャビティ部犠牲層を繋ぐ形態でもよい。また、エッチング孔は１つでもよいが、エッチング孔を複数形成する方が、エッチング速度を速く出来る。また、連絡部犠牲層上のメンブレン層にエッチング孔を形成するのが、キャビティ部分のメンブレン層を加工しなくて済むので、素子の特性をねらい通りの値となるように設計するためには好ましく、上記した様に第５の工程と第６の工程とを同時に行うことが出来る。こうした形態では、特に、電極間に設けられる犠牲層のエッチング速度を比較的高速且つ安定にできて、素子の生産性を向上することが出来る。
【００１３】
連絡部の少なくとも一部を閉じてキャビティ間の連通を断つ方法としては、連絡部の少なくとも一部に形成された外部に通じる孔（前記エッチング孔の如きものであるが、エッチング孔とは別に形成する孔でもあり得る）に物質（封止部材）を充填する方法がある。また、連絡部の少なくとも一部の互いに対向する面を接合して該連絡部に繋がるキャビティ間の連通を断つ方法もある。例えば、外圧によって連絡部の互いに対向する上面と下面を接合して連絡部を閉じることが出来る。この方法として、次の様な形態がある。連絡部の前記閉じる部分の対向面のギャップを狭くして、ここを外圧によって接合する。この為には、この部分に対応する犠牲層の部分をこうした形状に形成して、犠牲層エッチングを行えばよい。連絡部の前記閉じる部分のメンブレン層の厚みを薄くしておいて、ここを外圧によって接合してもよい。また、圧力をかけてメンブレン層と基板及び側壁とを接触させて連絡部を閉じた状態を、樹脂で固定する方法を用いてもよい。また、メンブレン層を樹脂で作製し、連絡部の前記閉じる部分のメンブレン層と基板とを熱で融着させて連絡部を閉じることも出来る。
【００１４】
また、上記考え方から、本発明の静電容量型機械電気変換素子の基本的な実施形態は、複数のキャビティと該キャビティ間を繋ぐ連絡部と各キャビティを挟んで設けられた２つの電極を有し、複数のキャビティが外部から封止されている。そして、連絡部の少なくとも一部が閉じられ該連絡部に繋がるキャビティ間の連通が断たれている。２つの電極は、後述する上部電極と下部電極の如きものである。また、連通が断たれた適当数のキャビティが、後述するエレメントを構成して、該エレメントを複数組含む静電容量型機械電気変換素子の形態とすることが出来る。
【００１５】
以下、図を用いて本発明の１つの実施形態を説明する。
図１（ａ）の平面図及び図１（ａ）のＡ−Ａ’断面を示す図１（b）の断面図において、基板１０１は、シリコン単結晶基板、或いはガラス基板、或いは貫通配線付きガラス基板等を用いることができる。また、本発明において、基板としてシリコン単結晶基板等の半導体基板を用いた場合、基板が下部電極を兼ねることもできる。図１の図示例では貫通配線付きガラス基板を示す。よって、ここでは、基板１０１は、ガラス基板１０２、貫通配線１０３、貫通配線１０４で構成される。図１（b）に示す下部電極１０５は、静電容量型機械電気変換素子の対向する電極対のうちの一方の電極であり、貫通配線１０３に接続され基板１０１の裏面側に引き出される。電極１０６は、貫通配線１０４に接続され基板１０１の裏面側に引き出される。キャビティ１０７は、下部電極１０５とメンブレン１０９との間に形成され略真空に維持された空間である。連絡部１０８は、キャビティ１０７から伸びる空間である。
【００１６】
後述するエッチング時に連通部として働くキャビティ間の連絡部１０８は、本機械電気変換素子の製造プロセスではキャビティ間を連通しており、エッチング液の供給通路として機能する。メンブレン１０９は、キャビティ１０７を挟んで下部電極１０５と反対側に設けられる膜である。前述の通り、メンブレン１０９の下部は略真空であるため、メンブレン１０９は振動可能に支持される。上部電極１１０は、メンブレン１０９上に設けられた電極であり、メンブレン１０９と同じく振動可能に支持される。複数のキャビティ１０７及びメンブレン１０９上に設けられた複数の上部電極１１０は互いに電気的に接続されると共に、開口部１１２に形成された電極１１４に接続される。電極１１４は電極１０６に電気的に接続される。エッチング孔１１１（詳細は後述する）は、メンブレン１０９に設けられた開口部であり、本機械電気変換素子の製造プロセスでは、エッチング液の供給通路として機能する。封止部材１１３は連絡部１０８に設けられており、キャビティ１０７を略真空に保つために外部空間から封止すると同時に、キャビティ１０７の間を繋ぐ連絡部１０８を閉じるための部材である。エッチング孔１１１及び封止部材１１３の構造の詳細は後述する。本発明に用いられる上部電極としては、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｇ、Ｗ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｎｉから選択される金属、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ、ＡｌＴｉ、ＭｏＷ、ＡｌＣｒから選択される合金のうち少なくとも１種を選んで用いることができる。また、上部電極はメンブレンの上面、裏面、内部のうち少なくとも一ヶ所に設けるか、もしくはメンブレン自体を導電体又は半導体で形成する場合はメンブレン自体が上部電極を兼ねてもよい。
【００１７】
本実施形態の静電容量型機械電気変換素子では、夫々が電気的に絶縁された複数の下部電極１０５と貫通電極１０３の組が設けられる。この電気的に絶縁された夫々の下部電極１０５上の複数のキャビティ１０７を含む部分をエレメント１１５と呼ぶ。超音波の送信動作では、エレメント１１５毎に異なる波形の電気信号を下部電極１０５と上部電極１１０との間に印加することが出来る。従って、エレメント１１５毎に独立した超音波波形の送信動作が可能である。
【００１８】
また、超音波の受信動作では、前述の超音波振動による静電容量変化を、エレメント１１５毎に検出可能である。従って、エレメント１１５毎に独立した超音波波形の受信動作が可能である。図１の例では、左右方向に２つのエレメント１１５を配置した例を示したが、その配置個数及び１次元又は２次元の配置は任意に設計可能である。また、１つのエレメント１１５には、前述した様に、複数のキャビティ１０７を配置することが出来る。本実施形態では、各エレメント１１５に夫々９つのキャビティ１０７を配置している。この９つのキャビティ１０７は、互いに連通が断たれている。
【００１９】
次に、本実施形態の機械電気変換素子の製法、及び連絡部１０８とエッチング孔１１１と封止部材１１３の構造の詳細について、図２と図３を用いて説明する。図２は製造プロセスのフロー図である。図１と同一個所には同一の番号を付し説明を省略する。図２（a）から（g）は断面図、（h）から（k）は上面図である。本実施形態の製造プロセスは、図２（a）に示される基板１０１から開始される。まず、図２（b）及び（h）に示す様に下部電極１０５を形成する。下部電極１０５は、蒸着或いはスパッタにより金属層を形成した後に、フォトリソグラフィによって下部電極１０５と同一形状にエッチングレジストを形成し、エッチングよって金属層の不要部分を除去することで形成することが出来る。下部電極１０５の形状は任意であるが、貫通電極１０３に電気的に接続される様に形成する。同時に、貫通配線１０４に接続される電極１０６も形成する。
【００２０】
次に、図２（c）及び（i）に示す様に、キャビティ部犠牲層２０１及び連絡部犠牲層２０２を形成する。キャビティ部犠牲層２０１は、後の犠牲層エッチング工程で除去されてキャビティ１０７となる。キャビティ部犠牲層２０１の形状によってキャビティ１０７の形状が決まる。キャビティ部犠牲層２０１は連絡部犠牲層２０２によって互いに繋がっている。連絡部犠牲層２０２は、犠牲層エッチング工程にてエッチング液の供給通路として機能する。次に、図２（d）に示す様に、メンブレン（メンブレン層）１０９を形成する。メンブレン１０９は上部電極１１０を振動可能に支持するだけでなく、下部電極１０５と上部電極１１０とを電気的に絶縁する機能を有する。好ましい材料及び形成方法は、例えばＣＶＤ（化学気相反応）法によるシリコン窒化膜、シリコン酸化膜である。
【００２１】
次に、図２（e）及び（ｊ）に示す様に、エッチング孔１１１及び開口部１１２をメンブレン１０９に形成する。エッチング孔１１１は、連絡部犠牲層２０２及びキャビティ部犠牲層２０１に犠牲層エッチングのためのエッチング液を供給するために形成する。エッチング孔１１１は、繋がったキャビティ部犠牲層２０１に１つ以上形成すればよいが、図２（j）の様に複数形成することで、犠牲層エッチング工程のエッチング時間を短縮することが可能である。開口部１１２は、電極１０６上に形成されたメンブレン１０９を除去した部分である。開口部１１２によって、電極１０６と後の工程で形成する上部電極１１０とを電気的に接続することが可能となる。エッチング孔１１１と開口部１１２とは、同一工程での形成が可能であり、その形成方法としては、フォトリソグラフィによるエッチングレジストを形成した後に、エッチング孔１１１と開口部１１２とをエッチングにより開口する方法がある。メンブレン１０９をシリコン窒化膜又はシリコン酸化膜で形成した場合のエッチング方法は、プラズマによるドライエッチングが好ましい。
【００２２】
次に、図１（f）に示す様に、キャビティ部犠牲層２０１を犠牲層エッチングによって除去して、キャビティ１０７を形成する。この際、連絡部犠牲層２０２も当然にエッチングされて除去される。犠牲層エッチングの方法は、キャビティ部犠牲層２０１の材料によって異なるが、例えばキャビティ部犠牲層２０１をクロムで形成した場合は、硝酸第二セリウムアンモニウムによるウェットエッチングが可能である。この場合、例えば下部電極１０５をチタンで形成し、またメンブレン１０９を窒化シリコンで形成すれば、キャビティ部犠牲層２０１とのエッチング選択性をとることが可能である。エッチング方法として、電解エッチングを採用することも出来る。
【００２３】
最後に、図２（g）及び（k）に示す様に、上部電極１１０と電極１１４及び封止部材１１３を形成する。上部電極１１０及び封止部材１１３は、例えばアルミニウムで形成することが出来る。この場合は、蒸着或いはスパッタによりアルミ層を形成した後に、エッチングレジストを上部電極１１０と電極１１４及び封止部材１１２と同一形状に形成しておき、エッチングよって金属層の不要部分を除去することで形成出来る。夫々の上部電極１１０は電気的に接続されると共に、開口部１１２の電極１１４を介して電極１０６にも接続され、貫通電極１０４によって基板１０１の裏面側に引き出される。
【００２４】
次に、図３を用いて、本実施形態のエッチング孔１１１及び封止部材１１３の構造の詳細を説明する。図３では、説明のために、上部電極１１０の図示を省略する。また、キャビティ部犠牲層２０１は、形状が同じキャビティ１０７と表記する場合がある。同様に、連絡部犠牲層２０２は連絡部１０８と表記する場合がある。本実施形態では、エッチング孔１１１から４方向に連絡部犠牲層２０２が伸び、キャビティ部犠牲層２０１に繋がっている。従って、犠牲層エッチングには、夫々のエッチング孔１１１から同時に４方向に犠牲層エッチングが進みキャビティ部犠牲層２０１をエッチングする。
【００２５】
加えて、エッチング孔１１１の幅（図３のa）は、連絡部犠牲層２０２の幅（図３のb）に比べて広く形成する（図３のcの幅が正）。また、封止部材１１３の幅（図３のd）は、エッチング孔１１１の幅（図３のa）に比べて広く形成する（図３のeの幅が正）。このとき、エッチング孔１１１から４方向に伸びる連絡部１０８は、互いに連通することなく塞がれる。封止部材１１３の形成を、略真空雰囲気下で行えば、キャビティ１０７内を略真空に夫々独立に封止することが出来る。ここでは、複数のキャビティ１０７を外部から封止する工程と、連絡部１０８を介して繋がっていたキャビティ１０７間の連通を断つ工程を同時に行うことが出来る。
【００２６】
本実施形態によれば、キャビティ同士の連通を防ぐために、キャビティ同士を繋ぐ連絡部を塞ぎ、キャビティを独立させることが出来る。従って、エッチング工程では、キャビティを効率的に作製するために、複数のキャビティに共通のエッチング孔を設けてエッチングするが、出来上がったキャビティは連通していない。そのため、１つのキャビティが損傷を受けても、他のキャビティにまで被害が及ばない。例えば、１つのセルのメンブレンが破れても、他のキャビティは大気連通してしまうことがない。
【符号の説明】
【００２７】
１０１    基板
１０５、１１０    電極（下部電極、上部電極）
１０７    キャビティ
１０８    連絡部
１０９    メンブレン（メンブレン層）
１１１    エッチング孔
１１３    封止部材（物質）
１１５    複数のキャビティを含むエレメント
２０１    キャビティ部犠牲層
２０２    連絡部犠牲層
【図１】
2010263444.tif 000003
【図２】
2010263444.tif 000004
【図３】
2010263444.tif 000005