(57)【要約】【課題】  容量型機械電気変換素子において、大面積かつ狭電極間隔（ギャップ）の犠牲層エッチング速度を高速かつ安定にでき、アレイ素子の生産性（均一性、歩留まり）を向上する。【解決手段】  基板と、該基板上に配置された支持部によって基板と所定の間隔を保って保持される振動膜から形成されるキャビティと、表面がキャビティに露出した第１の電極と、キャビティに面する表面が絶縁膜で覆われた第２の電極とを有し、第１の電極は基板の表面または振動膜の下表面に設けられ、第２の電極は第１の電極と対向して振動膜の表面または基板表面に設けられた容量型機械電気変換素子であって、  第１の電極の表面にその第１の電極を形成する物質の酸化膜からなる微粒子が配置され、この微粒子の直径が２ｎｍから２００ｎｍの範囲であることを特徴とする容量型機械電気変換素子、およびその製造方法を提供する。【選択図】  図１
2010272956.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動膜の変位により機械エネルギと電気エネルギとの変換を行う容量型機械電気変換素子の製造方法であって、
基板に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上に犠牲層を形成する工程と、
前記犠牲層の上に、第２の電極を備える振動膜を形成する工程と、
前記犠牲層と外部とを連通する開口を形成する工程と、
電解液中で前記犠牲層を前記第１の電極と外部に設けた第３の電極との間に電界を印加して電解エッチングによりキャビティを形成する工程と、を含み、
前記犠牲層は前記第１の電極より溶解電位が小さい導電材料で形成され、
前記キャビティを形成する工程において前記第１の電極と前記第３の電極との間に印加する電位は、前記犠牲層の溶解電位より大きく、かつ前記第１の電極の溶解電位より小さい電位であることを特徴とする容量型機械電気変換素子の製造方法。
【請求項２】
前記犠牲層を形成する工程の前に、前記第１の電極の上に絶縁膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の容量型機械電気変換素子の製造方法。
【請求項３】
前記基板が前記第１の電極を兼ねることを特徴とする請求項１又は２に記載の容量型機械電気変換素子の製造方法。
【請求項４】
前記犠牲層は、前記第１の電極の上であって、該第１の電極が形成された領域に含まれることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の容量型機械電気変換素子の製造方法。
【請求項５】
前記開口を封止する工程をさらに有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の容量型機械電気変換素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波変換素子などとして用いられる容量型機械電気変換素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシンニング工程を用いて作製される容量型機械電気変換素子が盛んに研究されている。通常の容量型機械電気変換素子は、下部電極と所定の間隔を保って支持された振動膜と、該振動膜の表面に配設される上部電極とを有する。これは、例えば、容量型機械電気変換素子の一形態である容量型超音波変換素子（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ−Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ−Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ−Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）などとして用いられる。
【０００３】
前記容量型超音波変換素子は、軽量の振動膜を用い、前記上部電極と下部電極の間に所定の周波数の電界を印加することで当該振動膜を振動させることにより超音波を送信することができる。また超音波により前記振動膜が振動した場合に、前記上部電極と下部電極との間の静電容量の変化を検知することで超音波を受信し、電気信号として取り出すことができる。そしてこのような容量型超音波変換素子は、液中及び空気中でも優れた広帯域特性を持つものが容易に得られる。このＣＭＵＴを例えば医療分野で応用すると、従来の医療診断より高精度な診断が可能となるため、有望な技術として注目されつつある。
【０００４】
次に容量型機械電気変換素子の動作原理について説明する。弾性波（代表的には超音波）を送信する際には、第１の電極である下部電極と、第２の電極である上部電極との間に、ＤＣ電位（電圧）にＡＣ電位（電圧）を重畳して印加する。このように第１の電極と第２の電極との間に電界を印加することにより、第１の電極と第２の電極との間に働く静電気力により振動膜が振動し超音波を含む弾性波が発生する。一方、超音波を受信する際には、振動膜が超音波により変形するので、変形に伴う下部電極と上部電極間の静電容量変化により信号を検出する。このような原理により機械エネルギと電気エネルギとを変換することができる。前記容量型機械電気変換素子の理論的な感度は、その電極間の間隔（ギャップともいう）の二乗に反比例する。高感度な素子を作製するには、１００ｎｍ以下のギャップとすることが好ましい。
【０００５】
一方、容量型機械電気変換素子のギャップの形成方法としては、所望の電極間隔と同等の厚さの犠牲層を設けて、該犠牲層の上部に振動膜を形成し、犠牲層を除去する方法が、一般に採用されている。こうした技術は、特許文献１、非特許文献１に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許第６，４２６，５８２号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｃｏｎｔｒｏｌ，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．１２，Ｄｅｃ．２００５，ｐ．２２４２−２２５８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した様に、前記容量型機械電気変換素子の機械電気変換効率を高めるためには、電極間隔を狭くする（例えば１００ｎｍ以下とする）ことが好ましい。
【０００９】
しかし、電極間ギャップを狭くするためには、ギャップに対応して前記犠牲層の厚さを薄くしなければならない。そして犠牲層の厚さが薄くなると、当該犠牲層（例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ２、金属などからなる）の除去は非常に難しくなる。なぜならば、当該電極間に存在する犠牲層をエッチングするためには、エッチャントが犠牲層とエッチング反応を起こす必要があるが、電極間のギャップが一定の間隔よりも小さくなると、電極間の隙間にエッチャントが浸透しにくくなるからである。さらにエッチング反応の際に例えば水素等のガスが発生する場合には、さらにエッチャントの浸透には時間を要する。例えば、前記非特許文献１に記載されているように、低温ではエッチング工程が数日から一週間程度要する場合がある。こうした場合、長時間エッチャントに浸漬すると、容量型機械電気変換素子の振動膜自体ががエッチャントにより損傷し、歩留まりが低くなる場合がある。
【００１０】
一方、エッチャントの温度を高くすることで、ある程度エッチング速度を高くすることが可能である。しかし、このような手法でエッチング反応を促進させると、機械的強度が小さい振動膜は高温エッチング反応に伴って形成される泡に壊されて、歩留まりが低下する可能性がある。このように、大面積且つ狭電極間隔の犠牲層エッチングは、エッチャントの拡散律速により生産性が低いので、高速エッチングの実現が望まれている。他方、犠牲層をエッチングするためには、エッチング液の入口を設ける必要がある。エッチング液の入口が大きく、数が多いほど、即ち犠牲層の露出面が多いほど、エッチング速度が速くなる。しかし、微小機械電気変換素子において、機械構造に大きな穴若しくは多数の穴をエッチング液の入口として設けると、本来の機械構造の性能に悪影響を与え、素子の設計性能、寿命、安定性、信頼性が損なわれる場合がある。例えば、容量型機械電気変換素子において、振動膜に大きな穴若しくは多数の穴を設けることは、振動質量、振動部の応力、振動周波数、振動節点、振動変位などに大きな影響を与える。このため、このような容量型機械電気変換素子においては、エッチング液の入口の大きさ及び数量を最小限とすることが好ましい。
【００１１】
犠牲層をエッチングするための別の方法としては、上下電極間の犠牲層をエッチングする際に、エッチング液中で流す電流に対して垂直方向の磁場を印加する方法も考えられる。しかし、この方法では、エッチング液に対する犠牲層の露出面（エッチング液の入口）が横側面にあって、且つ広く、多方向の露出が必要である。エッチング液の入口が少ないか、そのサイズが小さい場合、効果が限られてしまう。
【００１２】
また前記狭電極間隔の場合、エッチング液から取り出す際に、液体の表面張力によって上下電極が付着して、いわゆるスティッキング（Ｓｔｉｃｋｉｎｇ）現象で基板面内に素子バラツキが発生してしまう恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は上記課題を解決するために鋭意研究した結果完成したものであり、その骨子とするところは、振動膜の変位により機械エネルギと電気エネルギとの変換を行う容量型機械電気変換素子の製造方法であって、基板に第１の電極を形成する工程と、
前記第１の電極上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層の上に、第２の電極を備える振動膜を形成する工程と、前記犠牲層と外部とを連通する開口を形成する工程と、
電解液中で前記犠牲層を前記第１の電極と外部に設けた第３の電極との間に電界を印加して電解エッチングによりキャビティを形成する工程と、を含み、前記犠牲層は前記第１の電極より溶解電位が小さい導電材料で形成され、前記キャビティを形成する工程において前記第１の電極と前記第３の電極との間に印加する電位は、前記犠牲層の溶解電位より大きく、かつ前記第１の電極の溶解電位より小さい電位であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の製造方法によれば、上記の如き開口部ないし開口が形成されるので、電解エッチングにより、拡散律速に依存せず比較的高速に犠牲層をエッチングできて、キャビティを良好に形成できる。また、前記開口部ないし開口の大きさや数を増大しなくても、第１の電極のアノード電位（電圧）によって、等速ないし等高速且つ安定なエッチング速度を実現できる。そして、大面積の容量型機械電気変換素子（例えば、ＣＭＵＴ）や複数の素子部分を有するアレイ容量型機械電気変換素子でも、その生産性（例えば、製造時間の短縮化、歩留まり）や性能（例えば、素子性能の均一性、素子の高感度化）を向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】容量型機械電気変換素子の一例を示す断面図。
【図２】各種電極の電流対電圧依存性を示す特性曲線図
【図３】本発明のの一実施形態による容量型機械電気変換素子の製造工程を示す図。
【図４】本発明の第１実施例における電解エッチング工程の電流対時間の変化曲線を示す図。
【図５】本発明のＥＤＳ分析結果を示す図
【図６】本発明の第１実施例における電解エッチング工程後の素子写真。
【図７】本発明のキャビティ領域２３を示す拡大断面図。
【図８】本発明の製造方法の第２実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図９】本発明の製造方法の第３実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図１０】本発明の製造方法の第４実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図１１】本発明の製造方法の第５実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図１２】本発明の製造方法の第６実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図１３】本発明の製造方法の第７実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【図１４】本発明の製造方法の第８実施例及び実施形態の製造工程を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の容量型機械電気変換素子は、振動膜の変位により機械エネルギと電気エネルギとの変換を行う容量型機械電気変換素子である。  図１は、本発明の容量型機械電気変換素子の製造方法によって得られる素子の基本構成を示す断面図である。基板５の上に、第１の電極である下部電極８が配され、その上の振動膜支持部２は振動膜３を支持し、基板４に固定される。基板５と、振動膜３と、振動膜支持部２とに囲まれてキャビティ（空間）１０が形成される。本形態において前記下部電極８の少なくとも一部は、キャビティ１０に露出するように設けられる。
【００１７】
前記基板５が絶縁性材料（例えばガラス基板）である場合、当該基板を貫通する基板貫通配線２２、および基板裏面の電気的接続部である電極パッド２９を設ければ、図１に示すように、上下電極を基板の裏面に配線取り出すことが可能である。なお、上下電極は基板表面から配線取り出すことも可能である。図１においては上下電極の配線、およびその電極パッド、は省略してある。更に、上部電極１が、振動膜３の上面に配される。上部電極１は、絶縁性を有する振動膜３を介して下部電極８と対向して形成され、本実施形態の容量型機械電気変換素子を構成する。容量型機械電気変換素子の機械エネルギと電気エネルギとの変換係数を高くするために、動作中は上部電極１と下部電極８の間にＤＣバイアス電圧を印加することが好ましい。このＤＣバイアス電圧の働きにより、静電引力が上部電極１を下部電極８側に引っ張って、振動膜３の中央部には下向きの変位が発生する。ただし、一旦ＤＣバイアス電圧が一定の電圧を超えると、振動膜３が降伏して下部電極８に接触（コラプス）し、機械電気変換係数がかえって低下する場合がある。この一定の電圧はコラプス（Ｃｏｌｌａｐｓｅ）電圧といわれる。コラプス状態で駆動（コラプス駆動）しない場合には、こうしたコラプスが発生しない様に、バイアス電圧は調整される。このため、前記上部電極１を振動膜３の下表面に形成する場合には、当該上部電極１の下部電極８に面する側の表面、又は下部電極８の上に絶縁膜を設ける必要がある。要するに、上下電極の短絡を防ぐため、上下電極間の間に絶縁誘電体を設ける必要がある。
【００１８】
本発明において犠牲層は基板に設けられた電極である第１の電極（下部電極８）より溶解電位が小さい導電材料で形成される。そして前記キャビティを形成する工程において前記第１の電極と第３の電極（外部電極）との間に印加する電位は、前記犠牲層の溶解電位より大きく、かつ前記第１の電極の溶解電位より小さい電位とする。このような構成とすることにより、電解エッチングを行った際に犠牲層が選択的に短時間でエッチングされる。ここで前記外部電極とは、キャビティの外部に前記第１の電極と犠牲層を介して対向して配置する電極である。このとき犠牲層をエッチングするための外部に連通する開口部を振動膜又はキャビティの側壁等キャビティを形成する壁面の適当な個所に設けることが好ましい。
【００１９】
上記のように電極材料及び犠牲層の溶解電位と、電解エッチング時の印加電位の関係を満たさない場合には、電解エッチング時に犠牲層を短時間で選択的にエッチングすることが困難になる。例えば犠牲層の溶解電位よりも電解エッチング時の電位（前記第１の電極と前記第３の電極との間に印加する電位）が小さい場合には犠牲層のエッチングが進行しない。また犠牲層の溶解電位よりも第１の電極の溶解電位が小さい場合には、犠牲層のエッチングが進行してエッチング液が第１の電極に到達すると、犠牲層よりも前記第１の電極自体のエッチングが優先して進行する。
【００２０】
下部電極８のシート抵抗は、２０．０Ω／□以下が好ましく、５．０Ω／□以下がより好ましく、１．０Ω／□以下が最も好ましい。
【００２１】
下部電極８の材料としては、Ｔｉが好ましい。Ｔｉの溶解電位（溶解電圧ともいう）は十分大きく、例えば電解液である食塩水の濃度が５Ｍ（モル／ｌ）の場合、１８Ｖである。このため、十分広い電圧範囲で電解エッチング時に電極間に印加する電位を制御することができる。但し、Ｔｉの酸化電位は約４Ｖであるため、Ｔｉ電極表面に酸化膜が形成されることで犠牲層のエッチング反応に悪影響を与える場合には４Ｖ以下の電位でエッチング反応を行うことが好ましい。
【００２２】
下部電極８の材料は上記電極材料及び犠牲層の溶解電位と、電解エッチング時の印加電位の関係を満たす限り、金属Ｔｉに限らず、他の低抵抗材料を用いることができる。例えば、ドープした単結晶Ｓｉ基板、若しくはドープしたウェル領域を下部電極とする単結晶Ｓｉ基板、ドープしたアモルファスＳｉ、ドープした多結晶Ｓｉ、または後述の犠牲層１１より溶解電位が大きい金属、酸化物半導体を用いることができる。
【００２３】
Ｓｉの溶解電位は、−５Ｖ以下である。このため、金属犠牲層（例えばＡｌ、Ｃｕ、Ｃｒなど）をエッチングする際には単結晶Ｓｉ基板自体を前記下部電極８とすることが可能である。Ｓｉの下部電極８とすると、上記犠牲層の溶解電位領域の電圧条件ではＳｉはエッチングされない。
【００２４】
基板５を下部電極８とする（基板が下部電極を兼ねる）場合、素子の検出電流を高くするために、素子回路内の直列の抵抗を低減することが好ましい。なお、電解エッチングの高速化、および電荷移動のやすさによって、下部電極８とするＳｉ基板に不純物をドーピングして、低抵抗の下部電極８を形成することが好ましい。この表面不純物濃度は、１０１４ｃｍ−３以上が好ましく、１０１６ｃｍ−３以上がさらに好ましく、１０１８ｃｍ−３以上が最も好ましい。この際不純物濃度の上限みついては他の特性に悪影響を与えない限り特に上限はない。
【００２５】
さらに、前記のＨｏｌｅを提供するため、Ｓｉ基板ならＰ  ｔｙｐｅが適する。このため、前記不純物Ｄｏｐｉｎｇ源がＢ、Ｇａなどが好ましい。  下部電極８の表面粗さは、プロセスの熱履歴によっては、その電極の結晶性が変化し、表面粗さが大きくなる場合がある。そしてその表面粗さは、前記下部電極８の厚さと比例関係がある。前記下部電極８の表面粗さは大きすぎると、素子のバイアス電圧を印加する際に、放電の恐れがあるため、適正な範囲とする必要がある。本発明者の知見によれば、前記下部電極８の厚さは、１０ｎｍから５００ｎｍまでの範囲には好ましい。導電性とプロセス安定性をさらに高めるためには、この厚さは５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲とすることが好ましい。
【００２６】
前記犠牲層の上に、前記振動膜３を形成する場合には、前記犠牲層は振動膜３の形成工程において酸化されないことが重要である。なぜならば、仮に振動膜３の形成工程で酸化されたとすると、その犠牲層の表面粗さが急激に大きくなるからである。そしてこの表面粗さは、当該犠牲層と接する振動膜３と上部電極１に反映され、振動膜３と上部電極１の表面粗さを大きくする。その結果、振動膜３に欠陥やクラック等が発生する場合があり、さらに上部電極１のリーク電流が増加する場合がある。このため、この犠牲層は、前記振動膜３の形成工程においては、好ましくは雰囲気温度を２００℃〜４００℃とする。そして、前記振動膜をプラズマＣＶＤ法により窒化シリコン（ＳｉＮ）で形成する場合には、プラズマＣＶＤ工程中に酸化しない条件とすることが必要である。
【００２７】
また犠牲層の溶解電位は前記Ｔｉより小さくする必要がある。例えば、犠牲層としてＣｒを選択すると、溶解電位が約  ０．７５Ｖであるため好ましい。そして電解エッチングする際に、この犠牲層Ｃｒを溶解する印加電圧は、前記犠牲層の溶解電位より大きく、かつ前記第１の電極の溶解電位より小さい電位である、０．７５Ｖから４Ｖまでの範囲に設定することが好ましい。２Ｖから３Ｖの範囲とすると、エッチング速度が上昇するためさらに好ましい。
【００２８】
なお、理論上、この機械電気変換素子の変換係数は上下電極間距離の平方と反比例する。従って、前記犠牲層の厚さを薄くするほど、この機械電気変換素子の変換性能が高くなる。一方、前記犠牲層が薄くなるほど、振動膜とキャビティ底部（基板底部が下部電極を兼ねる場合有り）との距離が小さくなるので、前記振動膜のスティッキングが発生する場合がある。このため、この犠牲層の厚さは、２０〜５００ｎｍが好ましく、５０〜３００ｎｍがより好ましく、最適には１００ｎｍ〜２００ｎｍの範囲が好ましい。
【００２９】
本発明においては、先に説明したコラプスによる上部電極と下部電極とが接触した際（絶縁層を介して接触した場合も含む）にスティッキングを抑制する為に必要に応じて以下の構成とすることができる。即ち、第１の電極の表面にその第１の電極を形成する物質の酸化膜からなる微粒子を緩衝用の構造体として配置する。この微粒子の直径は、大きすぎると振動膜の正常な振動時に接触して振動に悪影響を与え、小さすぎるとスティッキングを効果的に抑制できないことから好ましくは２ｎｍから２００ｎｍの範囲である。
【００３０】
本発明のの容量型機械電気変換素子は、次の製造方法で製造することができる。図１において、基板５に第１の電極である下部電極８を形成し、第１の電極上に犠牲層を形成し、犠牲層上に、第２の電極である上部電極１を備える振動膜３を形成し、犠牲層（キャビティとなる領域）を取り囲む周囲の側壁の一部（典型的には振動膜）に前記義性層とキャビティの外部とを連通する開口をエッチング液の入口として設ける。そして、前記開口を介して電解液中で前記第１の電極と外部に設けた外部電極（第３の電極）との間に電界を印加して電解エッチングにより前記犠牲層をエッチングにより除去してキャビティを形成する。この際、前記犠牲層の領域は、前記通電される第１の電極の領域内にその全体が含まれることがより好ましい。このような関係とすることで電解エッチングする領域に対して電界が均一に、又は効率的に印加されるため、効率良くエッチングすることができる。このようにして、前記犠牲層をエッチングにより除去してキャビティ１０を形成し、その後前記エッチング液の入口としての開口を封止することによってキャビティを密閉する。こうした素子部分を複数個含んで構成された容量型機械電気変換素子は、次の製造方法で製造され得る。すなわち、隣接又は近接して配された第１の素子部分と第２の素子部分との犠牲層の少なくとも一部が連結するように構成する。そして第１の素子部分のキャビティとなる部分の犠牲層または第２の素子部分のキャビティとなる犠牲層のいずれか一方と外部とを連通する開口を設け、この開口を介して外部に設けた電極（第３の電極）と下部電極である第２の電極との間に電界を印加する。こうすることで第１の電極と、第１及び第２の素子部分のキャビティ部分の犠牲層とこれらを連結する犠牲層とが連続的にエッチング除去される。このように第１の素子部分と第２の素子部分とを連結する犠牲層は電解エッチング過程においてエッチング除去され、第１の素子部分のキャビティと第２の素子部分のキャビティとを連結するエッチング液の流路として機能する。この結果第１の素子部分のキャビティと第２の素子部分のキャビティを、いずれか一方のキャビティとなる犠牲層に連通する開口を設けることにより、一括的に形成することができる。またこの場合、前記犠牲層の領域は、前記通電される第１の電極の領域内にその全体が含まれることがより好ましい。
【００３１】
本実施形態の製造方法によれば、拡散律速に依存せず比較的高速に犠牲層をエッチングできて、キャビティを充分薄く良好に形成できる。また、気泡の発生が抑制され、振動膜への損傷を防ぐことが出来る。そして、前記開口部ないし開口の大きさや数を増大しなくても、第１の電極のアノード電圧によって、等速ないし等高速且つ安定なエッチング速度を実現できる。よって、大面積の容量型機械電気変換素子やアレイ容量型機械電気変換素子でも、製造時間の短縮化、素子性能の均一化、素子の高感度化、歩留まりの向上などを実現することができる。本発明において、電解エッチング液は食塩水（ＮａＣｌ水溶液）に限らず、他の電解液、例えば、ＮａＢｒ、ＮａＣｌＯ４、ＮａＯＨ、ＮａＮＯ３などを含む液を使用することも可能である。通常のエッチング液は強酸、強アルカリであり、有限のエッチング選択比により下部電極への損傷が発生する恐れがあることから、下部電極を保護膜で覆う手法が多い。この保護膜の設置によって、上下電極間距離が大きくなり、容量型機械電気変換素子の感度が落ちる場合がある。しかし、本発明によって、ｐＨ中性のエッチング液が採用できるため、下部電極への損傷がない。さらに保護膜のない為、上下電極間距離を短縮でき、容量型機械電気変換素子の高感度化することができる。
【００３２】
コスト面から見ると、ＮａＣｌ水溶液は他のエッチング液より安価であって、かつ装置簡単、汚染、危険性なども低く、ＮａＣｌの使用は有利である。なお、前記電解エッチング反応に必須な塩素イオンを提供するため、前記ＮａＣｌ液の濃度は室温で、０．０１Ｍ（モル／ｌ）以上飽和濃度以下の範囲が好ましく、０．２Ｍ以上２．５Ｍ以下がより好ましい。本発明において、犠牲層１１の厚さによって、本素子の最終的な電極間距離（下部電極８と後述する上部電極との距離）が決定する。犠牲層１１が薄いほど、素子の機械電気変換係数が高くなる。ただし、電極間距離が小さ過ぎると、絶縁破壊の恐れが高まる。前記電解エッチング、および乾燥工程の具合によって、犠牲層１１の厚さは、５ｎｍ以上４０００ｎｍ以下の範囲が好ましく、１０ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲がより好ましく、２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲が最も好ましい。
【００３３】
本発明において、プラズマＣＶＤ法を行う際に当該工程の圧力は、以下の範囲が好ましい。例えば、プラズマＣＶＤにり作成した窒化シリコン（ＳｉＮｘと記す）膜で封止する場合には、大気圧により振動膜３が下に変形して、凹型の状態になる。従って、封止されたキャビティ１０の中の、圧力の範囲は、１Ｐａ〜７００００Ｐａが好ましく、１０Ｐａ〜１５０００Ｐａがより好ましく、２０Ｐａ〜３０００Ｐａが最も好ましい。
【００３４】
本発明においては、プラズマＣＶＤの成膜装置の放電電極配置、放電周波数、ガス組成、温度によって、前記プラズマＣＶＤによる窒化シリコンの応力を調整できる。この応力が圧縮性である場合、Ｂｕｃｋｌｉｎｇ現象（座屈現象ともいう）が起きやすく、振動膜３が凸型になる可能性もある。図３（ｈ）には水平の状態を示す。このため、封止膜を含む振動膜３の内部残留応力は、−２００〜＋２００ＭＰａが好ましく、−１００〜＋１００ＭＰａがより好ましく、−５０〜＋５０ＭＰａが最も好ましい。
【実施例】
【００３５】
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが本発明はこの説明により何ら限定されるものではない。
【００３６】
（第１実施例）
電解エッチングによって金属の溶解電位を説明する。Ｐｙｒｅｘ（登録商標）ガラス基板の上に、Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｔｉ四種類の金属膜（膜厚２００ｎｍ）をエレクトロンビーム方により蒸着する。その後、上記の金属膜付きの基板を濃度２Ｍの食塩水という電解液に局所的に浸漬する。次に、上記電解液に浸漬されていない金属膜はポテンシオスタット（Ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔ）の作用電極に接続する。本発明の各実施例においては、ポテンシオスタットとして、ＨＺ−５０００（北斗電工株式会社製）を使用する。そして、Ａｇ／ＡｇＣｌの参照電極（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）、白金（Ｐｔ）の対向電極（Ｃｏｕｎｔｅｒ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）も上記電解液に浸漬して設置する。以後、電解エッチングについては同じポテンシオスタット、参照電極、対向電極を使用する。なお、以下に説明する電解エッチング実験は室温で行う。
【００３７】
次に、作用電極の電位は電圧掃引器で掃引し、作用電極の電位を自然電位から−１ボルト小さい電位とし、次に所定の電位まで上昇させ、最後に自然電位に戻す。その結果を、図２（ａ）乃至図２（ｄ）の電解ＩＶ曲線に示す（横軸：作用電極に印加する電圧、縦軸：作用電極から流れる電流）。
【００３８】
図２（ａ）に示すように、Ａｌは約−０．７Ｖ以下の範囲では電流は実質的に流れない。そして−０．７Ｖ以上から電流が急激上昇する。即ち、−０．７Ｖ以上の範囲で電解反応が活性化してＡｌがエッチングされる。
【００３９】
本発明において溶解電位とは、前記動態電位を負値から正値へ掃引する際に電流値が急激に増加する直前の電位（急激に増加し始める電位）を意味する。本発明において、前記急激な電流値の増加とは、自然電位における発生電流値より２桁以上電流が増加する電位である。先の説明においてはＡｌの溶解電位は−０．７Ｖとなる。
【００４０】
同じように、図２（ｂ）に示すように、Ｃｕの溶解電位は−０．２５Ｖであって、−０．２５Ｖ以上の電圧を加えると、Ｃｕ表面から青いＣｕイオンの溶出が目視で確認できる。同じように図２（ｃ）に示すように、Ｃｒの溶解電位は約＋０．７５Ｖであって、＋０．７５Ｖ以上の電圧を加えると、Ｃｒ表面から黄緑色のＣｒイオンの溶出が目視で確認できる。図２（ｃ）に示すようにこのときの電解ＩＶ曲線初期はヒステリシス特性を示すが、３０回繰り返して掃引すると、再現性良くほぼ同じ曲線となることが確認される。この結果から、約＋０．７５Ｖから溶解する（溶解電位は＋０．７５Ｖ）ことが確認される。なお、前記掃引の最大電圧が＋１Ｖである場合にＴｉの電解ＩＶ曲線はほぼゼロであって、電解反応はない。そして、最大電圧を＋１０Ｖに設定して掃引すると、図２（ｄ）に示すようにヒステリシス現象が観察される。このとき、約＋４Ｖから電解反応が発生して、Ｔｉ表面に茶色の物質が形成される。なお、テスタでＴｉ表面の抵抗性を測定すると、抵抗が非常に高いことから、その茶色の物質はＴｉの酸化物と推測される。なお、最大電圧をさらに高くすると、酸化物の色が紫色に変化するが、ヒステリシスが同じように表れる。この結果から、Ｔｉの場合、電圧変化しても、表面が溶解せず不動態の酸化物が形成することが分かる。
【００４１】
なお、図面は省略するが、前記の室温食塩水（電解液）の条件でＡｕの溶解は約＋１．１Ｖ以上の範囲で発生する。同様に、単結晶Ｓｉの溶解について、約−５Ｖ以下の範囲で発生する。
【００４２】
さらに、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）ガラス基板上の前記各々の金属（Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ）に対する溶解電位より高い電位（電圧）を印加し、前記金属（Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒ）が酸化反応による溶解する（エッチングされる）ことが確認される。しかし、前記電解液（食塩水）に浸漬される部分は完全にエッチングされず、島状の未エッチング領域が散在する。その理由は、エッチング反応の面内バラツキによって、島状の金属領域が形成し、電解エッチング（酸化反応）に必要なホール（正孔／Ｈｏｌｅともいう）の供給経路が中断され、エッチングが中止さるからであると考えられる。。そこで前記Ａｌ、Ｃｕ、Ｃｒとパイレックス（登録商標）ガラス基板の間に一層Ｔｉ膜（膜厚５０  ｎｍ）を設け、電解エッチング電圧が０．７５Ｖ〜３Ｖの範囲に設定する。その結果、前記電解液（食塩水）に浸漬される部分は十分にエッチングされ、島状の未エッチング領域はない。
【００４３】
一層の導電体を完全に電解エッチングする場合には、単にその導電体の溶解電位より大きい電位とすることだけではなく、酸化反応に必要なホールを提供する経路を設ける必要がある。例えば、もう一層の導電体をエッチングすべき導電体に接して設置することが必要である。さらに、この２層の導電体を選択的に電解エッチングするためには、エッチングすべき導電体の溶解電位より大きく、かつホールを提供する導電体の溶解電位より小さい電位で電解エッチングすることが重要である。
【００４４】
なお、ホールの供給経路を確保するため、エッチングすべき導電体の領域は、前記Ｈホールを提供する導電体の領域内にその全体が含まれることが好ましい。
【００４５】
なお、その際、対向電極Ｐｔ表面に直径０．１〜１ｍｍ程度の気泡が発生することも観察される場合があるが、その気泡は還元反応による水素と考えられる。特に、作用電極に接続される前記導電体は電解エッチング過程に気泡の発生が抑制されるため、本発明に係る容量型機械電気変換素子の作製法において、非常に重要である。前記の電解エッチング条件について、下記の工程をさらに説明する。図３（ａ）乃至図３（ｋ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の製造方法の第１実施例の工程を説明する断面図である。以下の説明においては、“パターニング工程”は、基板上のフォトレジストの塗布、乾燥、露光、現像などのフォトリソグラフィ工程から、エッチング工程、フォトレジストの除去、基板の洗浄、乾燥工程の順に行なわれる全工程を意味する。また、本実施例の基板４はＳｉを用いるが、他の材料の基板を使用することもできる。例えば、ＳｉＯ２、サファイアなどの基板も使用可能である。
【００４６】
本実施例の製造方法において、先ず、図３（ａ）に示すように、Ｓｉ基板４（例えば、Ｐ型、方位（１００）、抵抗率１〜２０Ωｃｍ、直径４インチ）を準備し、洗浄する。次に、図３（ｂ）に示すように、Ｓｉ基板４の表面にスパッタ法で下部電極８とするＴｉ層を成膜する。このＴｉ層は、後記の電解エッチング反応にＨｏｌｅを供給する役割があるため、この電解エッチングの速度がこのＴｉ層の抵抗に大きく依存する。なお、このＴｉ層も本発明の下部電極として、ある程度の周波数領域に電流を流す役割もある。さらに、フッ酸を含有するエッチング液で前記Ｔｉ層をパターニングするため、前記下部電極８とするＴｉ層の膜厚は１０ｎｍ〜１０００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜５００ｎｍが最も好ましい。
【００４７】
また、後の工程で、犠牲層を電解エッチングする際に、均一、安定、且つ高速なエッチング速度を得るために、下部電極８による電圧降下を減らすことが好ましい。よって、
図３（ｂ）には、下部電極８となる特定の領域は示していないが、この基板４をＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ  Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）でエッチングして、素子を電気分離することも可能である。
【００４８】
次に、図３（ｃ）に示すように、犠牲層１１とする金属Ｃｒ膜（膜厚２００  ｎｍ）を電子ビーム蒸着法で蒸着し、（ＮＨ４）２Ｃｅ（ＮＯ３）６を含有するエッチング液でパターニングする。
【００４９】
この後に犠牲層１１を電解エッチングする際に、均一且つ安定なエッチング速度が得られるように、犠牲層１１内の電圧降下を減らすことが好ましい。現在の微細化加工技術で作製できる素子の寸法を考慮に入れると、犠牲層１１の抵抗率は１０−１Ωｃｍ以下が好ましく、１０−３Ωｃｍ以下がより好ましく、１０−５Ωｃｍ以下が最も好ましい。従って、犠牲層１１の材料には金属材料を利用することが好ましい。
【００５０】
次に、図３（ｄ）に示すように、振動膜３とするプラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜（膜厚５００ｎｍ）を成膜する。前記犠牲層１１の段差により、振動膜支持部２も同時に形成される。
【００５１】
容量型機械電気変換素子の振動膜はその容量構造内の誘電体の一部であるため、振動膜３の誘電率が高い方が好ましい。例えば、窒化シリコン（ＳｉＸＮＹ）膜、酸化シリコン（ＳｉＸＯＹ）膜、酸窒化シリコン（ＳｉＮＸＯＹと記す）膜、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ、ＨｆＡｌＯ、ＢＳＴ［（Ｂａ，Ｓｒ）ＴｉＯ３］などの誘電材料の中から少なくとも一種を選択して使用することが好ましい。
【００５２】
次に、図３（ｅ）に示すように、ＣＦ４ガスのプラズマによるＲＩＥ法で振動膜３のＳｉ３Ｎ４膜をパターニングして、振動膜３にエッチング液の入口１３である犠牲層１１へ通じる開口部を形成する。このエッチング液の入口１３は、本実施例ではキャビティの端部に位置する所に設けるが、他の配置形態も可能である。例えば、エッチング液の入口１３をキャビティから一定の距離の所に設け、この入口１３とキャビティとの間に別の流路を設けることもできる。なお、エッチングに際してエッチングのＳｔｏｐ層を設ける場合には難エッチング金属Ｃｒを用いることが、プロセス上簡便である。
【００５３】
次に、図３（ｆ）に示すように、前記導電性基板４の裏面とポテンシオスタット１５の作用電極１６とを電気的に接続する。犠牲層１１は下部電極８、および導電性基板４を介して、作用電極１６に電気的に接続される。そして、電気接続部３５を形成する。この電気接続部３５は、導電性基板４の裏面に限らず、基板４の表面から取り出すことも可能である。なお、前記電気接続３５の接触抵抗を減らすため、基板４の裏面に一層の金属膜、例えばＴｉ（膜厚２０ｎｍ〜１０００ｎｍ）を設けることが好ましい。
【００５４】
なお、電解エッチングする際に電気接続部をエッチングされないようにするため、この電解エッチング部の外面には保護用の絶縁膜がを設けることが好ましい。例えば、シリコン樹脂、フォトレジストなどを採用することができる。または、ウェットエッチング用の片面保護治具で基板４の裏面および前記電気接続部３５を保護することもできる。
【００５５】
なお、対向電極１８の材料は、例えば、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｃなどの材料を好適に用いることができる。
【００５６】
本発明において犠牲層１１（Ｃｕ）は低抵抗材料なので、犠牲層１１内の電位降下量が相対的に少ない。そのため、犠牲層１１の電位と下部電極８の電位はほぼ同じ値である。このように、犠牲層１１及び下部電極８がアノードであり、対向電極１８がカソードである電気回路が構成される。
【００５７】
本実施例においては、参照電極１７の位置は基板４の表面から約１ｍｍ距離を離間させて設置し、対向電極１８も基板４から約１０ｍｍ距離の面対向の位置に設置する。
【００５８】
以上のような回路構成を設けた後に、図３（ｆ）に示すように裏面に保護される基板４、参照電極１７、および対向電極１８を濃度２Ｍ（モル／ｌ）の食塩水という電解液に浸漬する。ポテンシオスタット１５により、電気配線３４を介して、電解エッチング液中で対向電極１８（カソード）と下部電極８との間に電圧を印加する。こうしてエッチング液の入口１３から電解エッチング反応が開始する。電解反応を用いずに犠牲層１１をウェットエッチングする場合、短時間で拡散律速によってエッチングが停止する。この減少は犠牲層の厚さが薄くなると犠牲層の断面積が小さくなるので顕著になる。しかし、本実施例による電解エッチング方法によれば、犠牲層１１（Ｃｒ）を選択的に比較的短時間で除去することができる。
【００５９】
電解エッチングを行う際の電極に印加する電圧は、前記犠牲層１１の溶解電位より大きく、かつ前記下部電極８の溶解電位より小さい電位を選択する。即ち、犠牲層１１（Ｃｒ）の溶解電位０．７５Ｖ以上、下部電極８（Ｔｉ）の酸化電圧４Ｖ以下の範囲に電解電位を印加する。例えば、電解エッチング電２Ｖで、２０ｍｍ角のチップ内に１２×１２個直径７０mｍ犠牲層Ｃｒパターン（Ｃｒ膜厚２００ｎｍ）の場合、ポテンシオスタットにより測定された電流対時間の曲線は図４に示す。その電流は最初の一瞬が大きくなる理由は、電解液にあるイオンが電極表面に吸着する界面（Ｈｅｌｍｈｏｌｔｚ層）が形成するためである。その後、ほぼ一定の電流が流れ、電解エッチング反応が安定に進行する。その後、約１６０秒に電流が２桁程度急激に低減し、光学顕微鏡で観察すると、犠牲層のエッチングが完了することがわかる。エッチング完了時には犠牲層が十分にエッチングされているので、ポテンシオスタットの陽極から電荷の消耗もなくなる。この関係を利用すると、エッチングの終点が電気的に検知できる。その結果、素子作製プロセス、歩留まりには非常に有利である。
【００６０】
犠牲層のエッチングが進行するとキャビティが形成される。上記の光学顕微鏡の観察によれば、エッチング過程においてキャビティ内に気泡は観察されず、対向電極１８とする白金表面に気泡の発生が観察される。本発明のような容量型素子の柔らかい振動膜において、キャビティ内に気泡がないため、気泡による振動膜の破壊を回避できる。
【００６１】
電解エッチング完了後、電解エッチング装置、治具、電気接続部３５などを外して、純水（表面張力７２ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）、ＩＰＡ液（表面張力２０．８ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）、ＨＦＥ７１００液（３Ｍ社製，表面張力１３ｄｙｎｅｓ／ｃｍ）の順に浸漬して洗浄し、最後自然乾燥する。そして、図３（ｇ）に示すように、振動膜３は支持部２によって下部電極８と所定の間隔を保ってキャビティ１０が形成する。なお、前記狭電極間隔の場合、エッチング液から取り出す際に、液体の表面張力によって上下電極が付着して、スティッキング現象が起こり基板面内に素子バラツキが発生してしまう恐れがある。このため、前記したように前記洗浄工程においては前記洗浄液（純水、ＩＰＡ液、ＨＦＥ７１００）は表面張力の大きい洗浄液から小さい洗浄液となる順で処理する必要がある。
【００６２】
図３（ｇ）に隣接するエッチング液の入口１３から等距離の位置のキャビティ領域２３に、電子顕微鏡で観察すると、上記振動膜３の下表面に約１０ｎｍから２００ｎｍの範囲の微粒子が散在することが確認される。
【００６３】
ＥＤＳ（Ｅｎｅｒｇｙ  Ｄｉｓｐｅｒｓｉｖｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）で分析すると、図５（ａ）に示すように、当該微粒子がクロム、酸素を含有することがわかる。さらに、Ｘ線光電子分光法で分析すると、上記クロム、および酸素が含有する微粒子は、Ｃｒ２Ｏ３が主成分となる酸化クロム（ＣｒＯｘと記す）であることがわかる。そして、光学顕微鏡で観察すると、図６に示すように、振動膜３に干渉縞が確認され、この干渉縞の様子から振動膜３の中央部分ではスティッキングを起こしていないことがわかる。従って、この微粒子群はスティッキングを防止する効果があることが分かる。
【００６４】
この微粒子群は、隣接するエッチング液の入口１３から等距離の位置のキャビティ領域２３附近に形成される。この原因について図３（ｇ）にあるキャビティ領域２３附近の拡大図である図７で説明する。図７に示すようにエッチング液と犠牲層の接触界面４１は、エッチング液の入口から等方性的に広がる。この際下部電極８がホールを供給するため、その接触界面から電解エッチングが開始される。
【００６５】
エッチングが進行して、図７に示すように、隣接するエッチング液の入口からのエッチング液と犠牲層との接触界面４２同士が接触すると、犠牲層へのＨｏｌｅ供給経路が遮断されることになり、以降のエッチングは進行しなくなる（又は進行速度が遅くなる）。また、基板面内の不均一性、バラツキなどによって、エッチングの終了時には、振動膜３とするＳｉＮｘ膜の下表面に犠牲層１１の酸化物からなる微粒子（群）４３が形成される。
【００６６】
一方、上記振動膜３の下表面をＥＤＳで分析すると、前記犠牲層１１の酸化物からなる微粒子（群）４３以外のＳｉＮｘ下表面に、図５（ｂ）に示すように、クロムのピークははっきり観察されない。
【００６７】
前記電解エッチング後、電子顕微鏡によってＴｉ下部電極８の表面に約５ｎｍから５０ｎｍの範囲の微粒子が散在することが観察される。この微粒子をＥＤＳで分析すると、図５（ｃ）に示すように、Ｔｉと酸素Ｏのピークが顕著に確認される。従って、下部電極８の表面にＴｉと酸素Ｏが含有する微粒子が形成されることが分かる。さらに、Ｘ線光電子分光法で分析すると、上記Ｔｉ、および酸素Ｏが含有する微粒子は、ＴｉＯ２が主成分となる酸化チタン（ＴｉＯｘ）であることがわかる。
【００６８】
同様にＸ線光電子分光法、および透過電子顕微鏡で分析すると、電解エッチング後のＴｉ下部電極８の表面に、約１０ｎｍの膜厚の酸化チタン層が形成されることが分かる。
【００６９】
次に、図３（ｈ）に示すように、封止膜１４としてプラズマＣＶＤ法でＳｉＮｘ膜を成膜する。このＳｉＮｘ膜は、前記エッチング液の入口１３を封止して、封止部２０を形成する。この封止工程に使われる膜は、ＣＶＤ、ＰＶＤによる窒化膜、酸化膜、窒化酸化膜、高分子樹脂膜、金属、合金などの中の少なくとも一種を選択することも可能である。このプロセスによる膜の一部は前記振動膜３の上表面に覆い、前記振動膜の一部と考えることもできる。
【００７０】
封止部２０によりキャビティ１０を封止するため、この封止用ＳｉＮｘ膜の厚さは、犠牲層１１の厚さの１／２以上が好ましく、犠牲層１１の厚さ以上がより好ましく、犠牲層１１の厚さの１．２倍以上が最も好ましい。この封止工程によって、密封されたキャビティ１０を形成することができる。
【００７１】
プラズマＣＶＤ工程の圧力は、０．１Ｔｏｒｒから数十Ｔｏｒｒの範囲が好ましい。
【００７２】
次に、図３（ｉ）に示すように、前記封止膜１４をパターニングして、そして上部電極１とするＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によるＡｌを成膜、パターニングする。そして振動膜３の上に上部電極１、およびその配線取り出しパッド９を形成する。封止膜１４をエッチング液の入口附近のみ封止するため、振動膜３への機械的な剛性影響は最小限に抑えることができる。この際、封止膜１４をパターニングしないと、封止膜厚によって上下電極間距離が増えるため、素子性能が落ちる場合がある。
本実施例では、上部電極１は、金属、低抵抗のアモルファスＳｉ、低抵抗の酸化物半導体の中から選ばれる一種の材料で成膜する。この上部電極の表面の酸化防止、もしくは熱による金属の拡散防止のため、２層以上の導電層を設けることも可能である。即ち、上部電極の材料は２層以上の導電層で構成される。例えば、Ａｌ／Ｃｒ、Ｍｏ／Ｎｉ、Ｃｒ／Ａｌ、Ｃｒ／Ｃｕなどを用いることができる。そして図３（ｉ）にあるパッド９と上部電極１が電気的に接続される。
【００７３】
次に、図３（ｊ）にに示すように、上部電極１の上に、保護膜１２を成膜する。プラズマＣＶＤ法で保護膜１２のＳｉ３Ｎ４膜を成膜する。保護膜１２のＳｉ３Ｎ４膜の代わりに、ＳｉＯ２膜、ＳｉＯｘＮｙ、高分子樹脂膜（例えば、ポリジメチルシロキサン膜  、パリレン膜）、なども使用可能である。
【００７４】
最後に、図３（ｋ）に示すように、ＣＦ４ガスのプラズマによるＲＩＥというドライエッチング法で保護膜１２、および振動膜３のＳｉ３Ｎ４膜をパターニングして、上部電極パッド９、および下部電極パッド３１を形成する。保護膜１２が高分子樹脂膜（例えば、ポリジメチルシロキサン膜  、パリレン膜）である場合には、酸素プラズマによりエッチングを行い、前記パッド９、パッド３１を形成することが可能である。
そして、本実施例の容量型機械電気変換素子の作製工程が完了する。
【００７５】
本実施例においては、図３にある振動膜３、保護膜１２、及び封止部２０とする封止用膜は、全て絶縁性の窒化シリコン（ＳｉＮｘ）膜を用いている。このように振動膜３、封止部２０とする封止用膜、および保護膜１２が同じ絶縁材料を選択することにより、一体化される振動膜３、封止部２０とする封止用膜、および保護膜１２は、全体として振動膜として機能する。
【００７６】
本発明においては、前記の封止部は必須ではなく、必要に応じて設けるものである。但し、空気中に音波を出す際に、封止されない素子は空気のダンピング効果によって、共振の振幅増大係数（Ｑ値ともいう）が低下する場合があるため、封止部を設けたほうが好ましい。一方、本発明の容量型機械電気変換素子を液相中で使用する場合には、液体の大きいダンピング効果、および低可圧縮性により、液中に送受信する際に、封止されない素子の性能が低下する場合があるため、封止部を設ける構成とすることが非常に好ましい。
【００７７】
（第２実施例）
図８（ａ）乃至図８（ｇ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第２実施例の工程を説明する断面図である。本実施例の素子の製造プロセスは、第１実施例とほぼ同じであるが、導電性基板４が下部電極を兼用する点が異なる。本実施例では、図８（ｇ）に示すように、上部電極１を形成する際に、封止部２０、下部電極パッド３１、上部電極パッド９も同時的に形成するので、実施例１の場合よりも容易にに作製することができる。また、封止用膜がないため、振動膜３がより薄くでき、上下電極間距離がより短縮できて、感度を向上することが可能になる。
【００７８】
本実施例においては、封止部２０が導電体であって、かつその電位が下部電極である基板４と同じである。従って、上下電極の短絡のないように、封止部２０のパターンは上部電極１のパターンから分離する。
【００７９】
基板４本体を下部電極とする本実施例の場合、素子の検出電流を高くするために、素子回路内の直列の抵抗を低減することが好ましい。このため、下部電極として機能する基板４のシート抵抗は、２０．０Ω／□以下が好ましく、５．０Ω／□以下がより好ましく、１．０Ω／□以下が最も好ましい。なお、前記電解エッチングの高速化、および電荷移動のやすさによって、下部電極であるＳｉ基板に不純物をドーピングして、低抵抗の下部電極を形成することは好ましい。この表面不純物濃度は、１０１４ｃｍ−３以上が好ましく、１０１６ｃｍ−３以上がもっと好ましく、１０１８ｃｍ−３以上が最も好ましい。さらに、前記のホールを提供するため、Ｐ型のＳｉ基板が好ましい。このため、前記不純物ドーパントとしてはIII族元素であるボロン、ガリウムなどが好ましい。
【００８０】
基板４をＤＲＩＥでエッチングして、素子を電気分離することは可能である。このように、本実施例では、下部電極は、少なくともその表面が低抵抗である基板を用いることで基板が電極を兼ねる構成とすることができる。
【００８１】
基板４の裏面に導電性膜２７を設けるによって、前記電解エッチングする際に、前記電気接続部３５と導電性基板４との接触抵抗を大きく低減することがきでる。さらに、余計な電圧降下がなくすために、この導電性膜２７と導電性基板４（例えば、Ｓｉ）の間をオーミックコンタクトとすることが好ましい。
具体的には、低抵抗Ｓｉ基板の表面に一層Ｔｉ層（例えば、膜厚１００〜５００ｎｍ）を成膜し、アニールして形成することが可能である。
【００８２】
図８（ｇ）には、下部電極パッド３１を素子のキャビティ１０の横に設置する例を示すが、下部電極パッド３１を基板４の裏面に設置することも可能である。その他の点は、第１実施例と同じである。
【００８３】
本実施例には、保護膜のない場合を示すが、保護膜を設ける場合は、前記実施例１と同じように設置することが可能である。特に、電極パッドから配線を取り出したら、前記低温で形成できる高分子樹脂膜（例えば、ポリジメチルシロキサン膜、パリレン膜）などはより好ましい。
【００８４】
（第３実施例）
図９（ａ）乃至図９（ｋ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第３実施例の工程を説明する断面図である。
【００８５】
本実施例の素子の製造プロセスは、第１、第２実施例とほぼ同様であるが、導電性基板を使わず、絶縁性を有する基板（例えば、ガラス）を用いる点が異なる。図９（ａ）に示すように、基板５（ガラス基板、直径４インチ）を準備し、洗浄する。次に、図９（ｂ）に示すように、基板５を貫通する貫通配線導電部２２を設ける。
【００８６】
このような基板貫通配線を有する基板としては、例えば、感光性ガラス（ＨＯＹＡ社製、製品名ＰＥＧ３）を利用して、基板貫通孔を設けたら、金属ＣｕもしくはＮｉをメッキで基板貫通孔を充填することもできる。このような金属貫通配線を形成したら、基板表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐａｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨して、基板貫通配線を有する基板を形成することが可能である。本発明の容量型素子において、基板の表面粗さは、粗さが大きいとキャビティの設計に悪影響を与える（例えば振動膜の振動時に基板の粗面の凸部が振動膜と接触する）場合があるため、平均粗さＲａは１０ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下がより好ましい。また、前記基板貫通配線２２の露出面と基板５の表面との段差は、１mｍ以下が好ましく、０．２mｍ以下がより好ましい。
【００８７】
一方、Ｓｉ基板をＤＲＩＥ法で貫通エッチングして、熱酸化、ＬＰＣＶＤで前記基板貫通配線部２２を形成することも可能である。この場合、貫通配線導電部２２の絶縁は、熱酸化で形成されることができる。また、貫通配線導電部２２は、ドープしたＬＰＣＶＤ多結晶Ｓｉで形成することができる。
【００８８】
図９（ａ）〜（ｆ）のプロセスは、前記実施例１、前記実施例２と同様である。そして、図９（ｇ）に示すように、基板５の裏面に一層の導電性膜２７、例えばＴｉ  （膜厚１００ｎｍ）を成膜する。その後、不図示の片面エッチング治具を用いて、基板裏面の導電性膜２７に作用電極１６と接触して、電気接続部３５を形成する。そして、前記実施例１と同じように、基板は電解液に浸漬され、導電性膜２７、および基板基板貫通配線２２を通じて、下部電極８に接する犠牲層１１を電解エッチングする。
【００８９】
次いで、第１実施例と同様に、図９（ｈ）に示すように、電解エッチングした後、乾燥工程を行って、大気開放されるキャビティ１０を形成する。
【００９０】
その後、第１実施例と同じように、図９（ｉ）に示すように、エッチング液の入口１３はプラズマＣＶＤ  ＳｉＮｘで封止して、封止部２０を形成する。次に、基板貫通配線と上部電極との接続配線部２８をＲＩＥで開口を設ける。そして、図９（ｊ）に示すように、金属層を成膜し、パターニングして上部電極１、および基板貫通配線２２への接続する配線部２８を同時的に形成する。
【００９１】
次に、第１実施例と同じように、図９（ｋ）に示すように、前記上部電極１の上に絶縁性を有する保護膜１２を設ける。最後に、基板５の裏面にある導電性膜２７をパターニングして、基板裏面にの基板貫通配線の電極パッドを形成する。このようにすることで、図９（ｋ）に示すように、下部電極８と上部電極１は、基板５の裏面に取り出すことができる。特に、高密度の素子アレイ作製においてこの手法は重要である。
【００９２】
本実施例を示す図９（ｋ）には、貫通配線導電部２２が下部電極８、上部電極１と接続される形態で示されているが、下部電極８と上部電極１の中の一方が貫通配線導電部２２に接続されて、他方の電極は基板の表面に取り出す配線形態も可能である。
【００９３】
（第４実施例）
図１０（ａ）乃至図１０（ｅ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第４実施例の工程を説明する断面図である。
【００９４】
本実施例の素子の製造プロセスは、封止部、接続配線部、株電極パッドを同時に形成する以外は第３実施例と同様である。本実施例では、封止工程にＳｉＮｘを使わず、第２実施例と同じように、上部電極１を形成する際に、封止部２０、接続配線部２８、下部電極パッド９も同時に形成するので、より簡単に作製することができる。
【００９５】
図１０（ｄ）に示すように、デバイスの途中測定するため、下部電極パッド９は基板表面に形成する構成で説明するが、必須ではない。また、上部電極のパッドを基板表面に形成することも可能である。
【００９６】
（第５実施例）
図１１（ａ）乃至図１０（ｄ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第５実施例の工程を説明する断面図である。本実施例の素子構造において、電解エッチング反応に必要なホールを下部電極へ供給せず、導電性基板を介して上部電極へ提供する素子構造である。その他の製造プロセスは、第１実施例と同様である。
【００９７】
図１１（ａ）に示すように、例えば、Ｔｉ金属の下部電極８は絶縁層６（例えば、ＳｉＮｘ、またはＳｉＯｘ）に挟まれる構造を導電性基板４の上に設ける。その後、ＲＩＥ法で基板への開口３２を形成する。次に基板の最表面に犠牲層１１（例えば、金属Ｃｒ）を形成する。
【００９８】
次に、図１１（ｂ）に示すように、犠牲層１１の上に上部電極１（例えば、Ａｌ）を成膜、パターニングして、同時的に基板と上部電極との接続配線部を形成する。
【００９９】
次に、上部電極１の上にプラズマＣＶＤ法で振動膜３を成膜し、図１１（ｃ）に示すように、基板最表面から犠牲層１１までエッチング液の入口１３を設けることが可能である。例えば、Ｃｒ犠牲層１１、Ｔｉ上部電極１、ＳｉＮｘ振動膜３の場合、第１実施例と同じようにＲＩＥ法でＣＦ４ガスのプラズマでＳｉＮｘをエッチングできる。さらにフッ酸を含むエッチング液（例えば、４９％ＨＦ液：３０％Ｈ２Ｏ２：Ｈ２Ｏ＝１：１：２０）をエッチングすることも可能である。このような条件でエッチングすることにより、Ｃｒがエッチングされずに、Ｃｒ犠牲層の上面位置に合わせてにエッチングすることができる。
【０１００】
その後、図１２（ｃ）に示すように、上部電極１は接続配線部３０を介して基板４に電気的に接続するため、導電性を有する基板４を通じて電解エッチングを行うことができる。
【０１０１】
次いで、乾燥工程を行って、図１１（ｄ）に示すように、絶縁性を有する封止膜１４（例えばプラズマＣＶＤ  Ｓｉ３Ｎ４もしくはプラズマＣＶＤ  ＳｉＯ２）を成膜して、エッチング液の入口１３を封止する。そして、封止膜１４をパターニングして、エッチング液の入口１３を封止する封止部２０を形成する。
【０１０２】
封止膜をパターニングしない場合、封止膜をそのまま保護膜に兼用することも可能であり、原振動膜３の上に追加される振動膜部分とすることも可能である。
【０１０３】
図１１（ｄ）には、保護膜、下部電極８のパッド、および基板４から取り出す上部電極パッドは省略する。当該電極パッドについては必要に応じて、第１実施例と同じように形成することが可能である。その他の構成は、第１実施例と同じである。
【０１０４】
（第６実施例）
図１２（ａ）乃至図１２（ｄ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第６実施例の工程を説明する断面図である。本実施例の素子の製造プロセスは、素子の構造について、電解エッチングに必要なホール（正孔）を導電性基板を経由せず、上部電極パッドを通じて直接上部電極に供給する素子構造である。その他の構成については第５実施例と同様である。
【０１０５】
図１２（ａ）に示すように、導電性基板の上に下部電極８、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）絶縁層６、パターニングされたＣｒ犠牲層１１、Ｔｉ上部電極１、窒化シリコン（ＳｉＮｘ）振動膜３の順で設置する。次に、図１２（ｂ）に示すように、ＳｉＮｘ振動膜３をパターニングして、上部電極パッド９を形成する。上部電極１へ通じるエッチング液の入口１３を形成する際に、エッチング液の入口１３のパターニング工程は、第５実施例のＳｉＮｘ振動膜３、およびＴｉ上部電極パターニング工程と同様に行う。
【０１０６】
図１２（ｃ）に示すように、上部電極１のパッド９は上部電極１と電気的に連結しているため、上部電極パッド９を通じて電解エッチングを行うことができる。
【０１０７】
次に、図１２（ｄ）に示すように、下部電極８は絶縁膜６で覆われる。その後、絶縁性を有する封止膜１４、例えばプラズマＣＶＤ  Ｓｉ３Ｎ４もしくはプラズマＣＶＤ  ＳｉＯ２を成膜して、エッチング液の入口１３を封止する。そして、封止膜１４をパターニングして、エッチング液の入口１３を封止する封止部２０を形成する。
【０１０８】
封止膜をパターニングしない場合、封止膜はそのまま保護膜に兼用することも可能であり、原振動膜３の上に追加される振動膜部分とすることも可能である。
【０１０９】
図１２（ｄ）においては、上部電極１のパッド、下部電極８のパッド、保護膜は省略する。当該保護膜は必要に応じて、第１実施例と同じように形成することが可能である。
【０１１０】
（第７実施例）
図１３（ａ）乃至図１３（ｅ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第７実施例の工程を説明する断面図である。本実施例の素子の構造は、第５、第６実施例と同じように、電解エッチングに必要なホールを、下部電極を経由せず、基板貫通配線、およびその上部電極接続部を通じて直接上部電極に供給する素子構造である。その他の素子構成及び素子の製造プロセスは、第３実施例と同様である。
【０１１１】
図１３（ｃ）に示すように、上部電極１へ通じるエッチング液の入口１３を形成する際に、このエッチング液の入口１３のパターニング工程は、第５実施例のＳｉＮｘ振動膜３、およびＴｉ上部電極パターニング工程と同様である。
【０１１２】
その後、図１３（ｄ）に示すように、基板基板貫通配線２２を通じて、上部電極１に接する犠牲層１１を電解エッチングして、キャビティ１０を形成する。電解エッチング工程については第１、第５、第６実施例と同様である。
【０１１３】
最後に、図１３（ｅ）に示すように封止膜１４（例えば、プラズマＣＶＤ  Ｓｉ３Ｎ４またはプラズマＣＶＤ  ＳｉＯ２）でエッチング液の入口１３を封止する。こうすることで、封止膜１４と保護膜とを兼用することも可能である。
【０１１４】
図１３（ｅ）でも、基板裏面にの貫通配線パッド２９と保護膜は示していない。ところで、上述した第１乃至第７実施例には、１つの素子部分、およびその周りの構成を抽出して説明した。大面積の素子アレイを作製する際には、これらの図でそれぞれ示した構成の素子部分を基板上に規則的または周期的に配置すればよい。その構成、製造方法は上述したものと本質的に同じである。
【０１１５】
複数のキャビティ１０の間に接続用の流路を設置すれば、その流路共通のキャビティ群は、エッチング液の入口とホールを提供する電極を共用することが可能である。こうして、例えば、振動膜３に形成される開口の数を低減でき、容量型機械電気変換素子の機械特性の安定性をより高くできるなどの効果がある。
【０１１６】
前記実施例では、振動部は、振動膜３、上部電極１、封止用膜などを含む積層膜である。前記実施例では、説明し易くするために、封止膜などを振動膜３の一部として、保護膜１２などは振動膜３とは別の膜として説明したが、保護膜などを振動膜３の一部とを一体化する構成とすることも可能である。
【０１１７】
前記第１乃至第４実施例では、前記ＳｉＮｘ振動膜３は絶縁膜として、上下電極の短絡を防ぐ役割がある。第５乃至第７実施例では、絶縁膜６により上下電極の短絡を回避ができるため、振動膜３が必ずしも絶縁性を有する必要性はない。このため、絶縁性を確保するための絶縁性の保護膜を別に設ければ、導電性を有する振動膜３も可能である。
【０１１８】
（第８実施例）
図１４（ａ）乃至図１４（ｄ）は、本発明に係る容量型機械電気変換素子の第８実施例の工程を説明する断面図である。本実施例の素子の構造は、電解エッチングに必要なホールを、導電性基板を経由せず、上部電極パッドを通じて直接上部電極に供給する素子構造である。本実施例の初期製造プロセスは、第５、第６実施例と同様である。本実施例では、導電性基板４がＳｉで、下部電極８がＨｉｇｈｌｙ  Ｄｏｐｅｄ  Ｓｉである場合を説明する。
【０１１９】
図１４（ａ）に示すように、導電性基板４の上に下部電極８、ＳｉＮｘ絶縁層６、パターニングされたＣｒ犠牲層１１、Ｔｉ上部電極１、ＳｉＮｘ振動膜３の順で設置する。
【０１２０】
次に、図１４（ｂ）に示すように、ＳｉＮｘ振動膜３をパターニングして、上部電極パッド９を形成する。そして、深堀用のＳＦ６ガスによるプラズマドライエッチング（ＳＴＳ社製のＤｅｅｐ  ＲＩＥ  ｅｔｃｈｅｒ）を基板裏面からＳｉ基板４、下部電極８、および絶縁層６を貫通して、Ｃｒ犠牲層１１まで行う。ＳＦ６ガスによるプラズマにおいて、ＣｒはＳｉ、ＳｉＮｘとのエッチング選択性が十分に高いため、エッチング反応がＣｒ犠牲層の下表面に到達して、基板裏面貫通孔３６を形成する。
【０１２１】
図面１４（ｂ）には、深堀用のエッチングマスク、例えば、厚膜フォトレジスト、ＳｉＯ２膜、もしくは、Ｃｒ膜は省略してある。
【０１２２】
その後、前記第１実施例、第３実施例と同じように、片面エッチング治具で固定される基板４を電解エッチング液に浸漬させると、電解エッチング液が基板裏面貫通孔３６に流れ込む。
【０１２３】
図１４（ｃ）に示すように、上部電極１のパッド９は上部電極１と電気的に連結しているため、上部電極パッド９を通じて電解エッチングして、乾燥工程を行なって、キャビティ１０を形成する。
【０１２４】
次に、図１４（ｄ）に示すように、基板の裏面に絶縁性を有する封止膜１４、例えばプラズマＣＶＤ  Ｓｉ３Ｎ４もしくはプラズマＣＶＤ  ＳｉＯ２を成膜して、基板裏面貫通孔３を封止して、素子が完成させる。
【０１２５】
図１２（ｄ）には、下部電極８のパッド、保護膜などは省略する。
【符号の説明】
【０１２６】
１  上部電極
２  支持部
３  振動膜
４  導電性基板
５  絶縁性基板
６  絶縁層
８  下部電極
９  上部電極の電極パッド
１０  キャビティ（空間）
１１  犠牲層
１２  保護膜
１３  エッチング液の入口
１４  封止膜
【図１】
2010272956.tif 000003
【図２】
2010272956.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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