(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性の基板からなる第１の電極と、前記基板の第１の面と空隙を挟んで対向して設けられた第２の電極と、を含むセルを１つ以上有する素子を複数備え、前記第１の面側から前記第１の面とは反対側の第２の面側に貫通する溝により前記素子毎に前記基板が分離されている電気機械変換装置であって、
前記溝を挟んで対向する前記基板の側壁に絶縁膜を有し、
前記第２の面側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅が、前記基板の前記第１の面側の前記
絶縁膜間の幅より狭く、
前記基板の第２の面側の前記絶縁膜の厚さが、前記基板の前記第１の面側の前記絶縁膜の厚さより厚いことを特徴とする電気機械変換装置。
【請求項２】
前記基板がシリコンからなり、前記絶縁膜が熱酸化膜からなることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換装置。
【請求項３】
前記素子は、静電容量型電気機械変換素子であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換装置。
【請求項４】
第１の電極としての導電性の基板と、前記基板の第１の面と空隙を挟んで対向して設けられた第２の電極と、を含むセルを１つ以上有する素子を複数備えた電気機械変換装置の製造方法であって、
前記基板に溝を形成し、前記素子毎に前記第１の電極を形成する工程と、
前記溝を挟んで対向する前記第１の電極の側壁に絶縁膜を、複数の前記素子が配置される前記基板の第１の面とは反対側の第２の面の側の厚さが前記基板の第１の面の側の厚さより厚くなる様に且つ前記基板の第２の面の側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅が前記基板の第１の面の側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅より狭くなる様に、形成する工程と、
を含むことを特徴とする電気機械変換装置の製造方法。
【請求項５】
前記絶縁膜を形成する工程において、前記溝を挟んで対向する前記第１の電極の側壁を熱酸化することにより前記絶縁膜を形成することを特徴とする請求項４に記載の電気機械変換装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波トランスデューサなどの電気機械変換装置及びその製造方法に関する。より詳細には、電気機械変換装置の信頼性を向上する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波トランスデューサは、電気信号から超音波への変換、超音波から電気信号の変換を行うものであり、医用イメージング、非破壊検査用の探触子などとして用いられる。超音波トランスデューサの一形態に、容量性マイクロマシン加工超音波トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ：ＣＭＵＴ）がある。ＣＭＵＴは、一般に、下部電極を有する基板と、この基板上に形成された支持部で支えられたメンブレンと、上部電極とで構成される。ＣＭＵＴは、下部電極と上部電極の間に印加する電圧でメンブレンを振動させ、超音波を放出する。また、受け取った超音波でメンブレンを振動させ、下部電極と上部電極の間の容量変化により超音波を検出する。
【０００３】
従来、ＣＭＵＴは、いわゆるサーフェスマイクロマシニング、バルクマイクロマシニングなどを利用して作製されてきた。また、配線方法として、シリコン基板上の１以上のメンブレンとキャビティ（即ち、１以上のセル）を１つの素子とし、前記シリコン基板そのものを下部電極及び貫通配線として回路基板に素子を接続する方法がある。例えば、ＣＭＵＴの素子を２次元にアレー化する際に、素子毎に下部電極を分割する溝を設けて電気的に各素子を分離し、背面よりそれぞれの配線を引き出す方法が知られている (特許文献１、２参照) 。隣接する素子間の高い絶縁を得るために、溝にエポキシなどの絶縁物質を充填する方法なども知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】ＵＳ−Ａ１−２００６００７５８１８明細書
【特許文献２】ＵＳ−Ａ１−２００７００１３２６９明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した様に下部電極を分割する溝を有する従来のＣＭＵＴでは、製造プロセス或いは使用時において溝に導電性の異物が混入し、下部電極間を架橋して短絡を起こす可能性が考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置は、導電性の基板からなる第１の電極と、前記基板の第１の面と空隙を挟んで対向して設けられた第２の電極と、を含むセルを１つ以上有する素子を複数備え、前記第１の面側から前記第１の面とは反対側の第２の面側に貫通する溝により前記素子毎に前記基板が分離されている。そして、前記溝を挟んで対向する前記基板の側壁に絶縁膜を有し、前記第２の面側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅が、前記基板の前記第１の面側の前記絶縁膜間の幅より狭く、前記基板の第２の面側の前記絶縁膜の厚さが、前記基板の前記第１の面側の前記絶縁膜の厚さより厚い。
【０００７】
また、上記課題に鑑み、本発明の電気機械変換装置を製造する製造方法は、第１の電極としての導電性の基板と、前記基板の第１の面と空隙を挟んで対向して設けられた第２の電極と、を含むセルを１つ以上有する素子を複数備えた電気機械変換装置の製造方法であって、次の工程を含む。前記基板に溝を形成し、前記素子毎に前記第１の電極を形成する工程。前記溝を挟んで対向する前記第１の電極の側壁に絶縁膜を、複数の前記素子が配置される前記基板の第１の面とは反対側の第２の面の側の厚さが前記基板の第１の面の側の厚さより厚くなる様に且つ前記基板の第２の面の側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅が前記基板の第１の面の側の前記溝を挟む前記絶縁膜間の幅より狭くなる様に、形成する工程。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、溝により分割された第１の電極の側壁が絶縁膜で覆われているため、空隙となっている溝に異物が混入したとしても、電極間での短絡を防止することが出来る。また、第１の電極の側壁の絶縁膜間の幅は、溝の開口部側（即ち、前記基板の第１の面とは反対側の第２の面の側）が溝の底部側（即ち、前記基板の第１の面の側）より狭くなっている。そのため、溝に入ることの出来た異物は内部の溝の幅より小さく、対向する第１の電極の両側壁面には届かないため、より高い電極間絶縁効果が期待され、電気機械変換装置の信頼性を向上させることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明を適用できる電気機械変換装置の一例であるＣＭＵＴの断面図。
【図２】実施形態２のＣＭＵＴ製造方法におけるプロセスフロー図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について説明する。本発明の電気機械変換装置で重要な点は、基板の溝により形成された第１の電極の側壁に絶縁膜を、素子が配置される基板の第１の面の側の溝を挟む絶縁膜間の幅より該第１の面の反対側の第２の面の側の絶縁膜間の幅が狭くなる様に、形成することである。また、溝を挟んで対向する第１の電極の側壁に絶縁膜を、基板の第１の面の側の厚さよりその反対側の第２の面の側の厚さが厚くなる様に、形成することである。
【００１１】
上記考え方に基づき、本発明の電気機械変換装置及びその製造方法の基本的な形態は、課題を解決するための手段のところで述べた様な構成を有する。この基本的な形態を基に、以下に述べる様な実施形態が可能である。例えば、第１の電極（後述の下部基板）を形成する基板がシリコンからなり、絶縁膜が熱酸化膜からなる様にすることができる（後述の実施形態１を参照）。また、素子は、静電容量型電気機械変換素子である様にすることができる（後述の実施形態１を参照）。前記溝は、例えば、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥなどのドライエッチングや、シリコン基板に溝をアルカリウェットエッチングで形成する方法などで形成することができる。第１の電極は、貫通孔配線を有する中継基板を介して、或いは直接的に、回路基板に接続することができる。以下、図を用いて実施形態を説明する。
【００１２】
（実施形態１）
本発明が適用可能な電気機械変換装置であるＣＭＵＴに係る実施形態１を説明する。ただし、本発明は、ＣＭＵＴに限らず、同様な構造（基板を溝で分割して各素子用の第１の電極を形成する構造）を持つ電気機械変換装置であれば、適用できる。例えば、歪み、磁場、光を用いる超音波変換装置（いわゆる圧電トランスデューサ（ＰＭＵＴ）、磁気トランスデューサ（ＭＭＵＴ）など）等にも適用できる。すなわち、本発明が適用可能な電気機械変換装置は、後述する第１の電極である下部電極１０３上の構造が後述する構成であるものに限らない。
【００１３】
本実施形態のＣＭＵＴの断面構造を表した模式図である図１に示す様に、本実施形態のＣＭＵＴの素子基板１０１は回路基板１０２に電気的に接続されている。素子基板１０１と回路基板１０２は相互に固定され、回路基板は素子基板の下に配置されている。素子基板１０１には、複数のセルを有する素子が二次元に配列されている。各セルは、第２の電極である上部電極１０４、メンブレン１０５、絶縁体からなる支持部１０６、第１の電極である下部電極１０３を含み、上部電極と下部電極との間には空隙であるキャビティ１０８が形成されている。下部電極１０３は、導電性の電極用基板の厚み方向に上記第２の面から上記第１の面へと貫通する溝１０７が形成されることにより、素子毎に分離されている。本実施形態では、溝１０７を介して対向する下部電極１０３の側壁の表面が絶縁膜１０９で覆われている。この下部電極の側壁は、導電性の電極用基板に溝１０７が形成されることにより、溝に沿って新たに露出した下部電極表面である。下部電極１０３の側壁表面の絶縁膜１０９間の幅は、溝１０７の底部側である基板の上記第１の面の側から回路基板１０２側(溝１０７の開口部側である基板の上記第２の面の側)に行くほど狭い構造となっている。溝１０７内部は空隙で、絶縁物質などで埋められる形態はとらない。
【００１４】
素子夫々で、複数のセルのキャビティ１０８は互いに独立的に封止されていてもよいし、連通していてもよい。セルは複数並列に電気的に接続されて素子を構成している。各素子は１以上のセルを含めばよく、各素子におけるセルの数、セルの配列形態、キャビティ１０８の形態などは、電気機械変換機能を達成できる限り、自由である。また、素子の配置の仕方や数なども本実施形態のものに限られず、所望の配置で所望の数だけ設ければよい。溝１０７は、素子の配置形態などに対応した形態で形成すればよい。また、上部電極がメンブレン（振動膜）を兼ねる構成としてもよい。回路基板１０２は、信号を処理する処理回路（図示しない）と電極パッド１１０を含み、電極パッド１１０は下部電極１０３とはんだバンプ１１１により電気的に接続されている。
【００１５】
上述の構造であるＣＭＵＴは、例えば、以下のように動作する。超音波を受信する場合、メンブレン１０５が変位し、上部電極１０４と下部電極１０３との間のギャップが変化する。それによる静電容量の変化量を回路基板１０２の信号処理回路が検出し、信号処理することにより超音波画像を得ることが出来る。また、超音波を発信する場合は、回路基板１０２より上部電極１０４或いは下部電極１０３に電圧を印加することによりメンブレン１０５を振動させ、超音波を発信する。本実施形態は、接合型（バルクマイクロマシニング）やサーフィス型（サーフェスマイクロマシニング）の方法などで作製できる。接合型の方法では、例えば、シリコン基板にキャビティを作成し、ＳＯＩ基板を接合することでメンブレンを形成する（後述の実施形態２を参照）。サーフィス型の方法では、犠牲層の上にメンブレンを成膜し、メンブレンに形成したエッチングホールを介して犠牲層をエッチングし、最後にエッチングホールをシリコン窒化膜などで埋めることによりキャビティを形成する。
【００１６】
次に、本実施形態における下部電極１０３及び下部電極側壁上の絶縁膜１０９について詳細に説明する。下部電極を分離する溝１０７の絶縁膜１０９間の幅（距離）は、開口部側ほど狭くなる構造であり、溝１０７の絶縁膜１０９の側壁の傾斜角が基板１０６に対して大きいほど良い。溝１０７の絶縁膜１０９間の底部の幅が開口部よりも広い構造となり、溝に異物が入ったとしても、粒子状異物は、対向する下部電極１０３の側壁を架橋することは出来なくなるからである。また、下部電極１０３側壁に加え、回路基板１０２と接合する下部電極１０３の底面にも、回路基板への配線をとる箇所を除いて絶縁膜１０９が形成されていると、より好ましい。これは、細長い線状の異物が混入し、下部電極１０３間を繋いだ場合にも、短絡を防ぐことが出来るからである。
【００１７】
本実施形態に用いられる下部電極１０３としては、微細加工が容易なシリコン等の半導体基板で形成されることが好ましい。また、下部電極１０３の抵抗率は０．０２Ω・ｃｍ未満とすることが好ましい。下部電極の配線抵抗は小さい方が、信号の損失を小さく出来るからである。下部電極１０３の厚さは、薄いほど、隣り合う下部電極間で生じる寄生容量を小さくでき配線抵抗も小さく出来るため、１００μｍ以下が好ましい。下部電極側壁に形成される絶縁膜１０９はシリコンの熱酸化膜であることが好ましい。酸化膜の場合、加工プロセス上、パーティクルなどの異物混入などの恐れが少なく、また膜のはがれや付着力などを考慮する必要もないからである。また、酸化膜の場合、下部電極１０３を分割する溝が例えば基板表面に対して垂直に形成された後に下部電極を熱酸化すると、溝１０７の開口部側ほど電極１０３表面に酸化膜が厚く形成される。そのため、開口部側ほど、下部電極側壁に形成される絶縁膜１０９間の幅が狭くなるデバイス構造を容易に形成することが出来る。この場合、開口部側ほど幅が狭い溝構造を形成するとしても、下部電極を分割する溝を垂直に形成すれば、第１の面の側の溝の底部の幅をあまり広げなくてもよいので、素子間の分離幅を狭めることが出来る。溝部分にはキャビティを配置できないが、分離幅を狭められれば、基板の単位面積当たりに配置できるキャビティの数を多くでき、デバイス全体としての感度を高められる（フィルファクターを大きく出来る）。
【００１８】
他方、熱酸化により絶縁膜を形成する場合の溝は、幅が狭い方が異物混入を防ぐことが出来るため好ましい。また、高アスペクト比である方が熱酸化時に溝の深さ方向に拡散する酸素ガスの濃度に勾配を生じさせ、開口部側ほど酸化膜の膜厚が厚く付くため好ましい。溝１０３の深さは下部電極１０３の厚さに依存するので、この条件を満たす溝の幅は５μｍ以下が好ましく、より好ましくは３μｍ以下が良い。また、本実施形態における熱酸化膜１０９は、隣接する下部電極１０３間距離を規定する溝１０７の開口部側がより狭くなるように、開口部側の膜厚が厚い方が良い。好ましくは、溝１０７の底部側壁面の膜厚が０．４〜０．５μｍ、溝１０７の開口部側の膜厚が１μｍ以上であると良い。ただし、ここで挙げる膜厚は酸化条件によって多少異なる。
【００１９】
上記構造の溝により分離した下部電極の表面に、溝の開口部ほど厚く絶縁膜が形成されることにより、溝への異物の混入を防ぐことができる。また、溝に異物が入ったとしても、溝の絶縁膜間の内部の幅は開口部よりも広くなっているため、少なくとも粒子の場合、隣接する下部電極を架橋することは出来なくなる。こうして、従来技術によるものと比べて、高い短絡防止効果が期待される。
【００２０】
（実施形態２）
本発明が適用可能な電気機械変換装置であるＣＭＵＴの製造方法に係る実施形態２を説明する。本実施形態の製造方法によりＣＭＵＴは次の様に製造される。素子毎に下部電極が溝で分離され、溝に面する下部電極表面に絶縁膜が形成されたＳｉ基板の上部に、ＳＯＩ基板を接合してメンブレンを形成し、下部電極と回路基板との間を配線する。溝により分割された下部電極側壁には熱酸化によって絶縁膜を形成する。
【００２１】
下部電極を熱酸化すると、溝の開口部側ほど下部電極側壁に酸化膜が厚く形成され、開口部側ほど溝の幅が狭くなったデバイス形状が容易に得られる。酸化膜形成の場合、加工プロセス上、パーティクルなどの異物混入などの恐れがなく、膜のはがれや付着力などを考慮する必要もない。また、下部電極側壁以外の下部電極底部にも同時に酸化膜を形成することが出来るため、側壁以外の絶縁も同時に行うことが出来る。しかし、下部電極を回路基板に配線するには、下部電極底部の全面或いは一部を酸化せずに導通を確保する必要がある。本実施形態では、絶縁膜形成前に下部電極からの導通を確保する領域をＳｉＮでカバーし、その後、熱酸化によって絶縁膜を形成し、最後にＳｉＮを剥離して下部電極の導通を確保する。始めに用意するＳｉ基板は後に下部電極となるため、抵抗率の低いものが好ましい。本実施形態では、比抵抗０．０２Ω・ｃｍ未満のＳｉ基板を用いる。Ｓｉ基板の厚さは、１００μｍ以上５２５μｍ以下のものを用いるとよい。
【００２２】
図２に本実施形態のプロセスフローを示す。まず、Ｓｉ基板２０１を熱酸化して酸化膜２０２を形成する。次に、フォトリソグラフィーによりキャビティパターンのためのレジストパターンを形成する。更に、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によりレジストパターンをマスクとして酸化膜２０２をエッチングし、キャビティ用凹部２０３を形成する。図２（Ａ）は、キャビティ用凹部２０３形成後の断面図である。次に、キャビティ底面の絶縁を図るため、再びＳｉ基板を熱酸化する。
【００２３】
次に、キャビティ用凹部を形成したＳｉ基板及びＳＯＩ基板２０４の基板表面を洗浄し、両基板表面を活性化処理した後、真空下で接合する。この工程でキャビティが形成される。図２（Ｂ）は、ウェハ接合後の断面図である。次に、Ｓｉ基板の底部に、下部電極を素子毎に分離するための溝パターン及び下部電極の取り出し配線パターンをフォトリソグラフィーで形成する。まず、下部電極を回路基板に導通させる配線パターンを確保するため、Ｓｉ基板底部にＳｉＮを成膜する。更に、フォトリソグラフィーにより配線パターンをレジストで形成する。その後、レジストパターンをマスクとしてＳｉＮをエッチングし、その後レジストを除去する。次に、下部電極に溝を形成するため、ＳｉＮパターン２０５が残るＳｉ基板２０１上にＣｒ２０６を成膜する。図２（Ｃ）は、Ｃｒ成膜後の断面図である。
【００２４】
更に、フォトリソグラフィーによりレジストで溝パターンを形成する。レジストパターンをマスクとしてＣｒをエッチングし、その後レジストを除去する。次に、残ったＣｒパターンをマスクとしてＳｉ２０１をドライエッチングして溝２０７を形成する。この時、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥなどで垂直に溝２０７を形成する。この工程により、素子毎に下部電極が分離される。溝２０７を形成後、Ｃｒを除去する。図２（Ｄ）は、溝形成後の断面図である。
【００２５】
次に、溝形成後の下部電極側壁に酸化膜２０８を形成するため、再びＳｉ基板２０１を熱酸化する。この時、ＳｉＮ２０５の残る領域は酸化されない。図２（Ｅ）は基板２０１の熱酸化後の断面図である。熱酸化時に、溝内部において溝２０７の深さ方向に酸素濃度の勾配が生じ、溝の開口部側ほど下部電極側壁に酸化膜２０８が厚く形成される。そのため、下部電極側壁に形成される酸化膜２０８の膜厚勾配が、溝２０７の深さ方向に沿って大きくなる条件で熱酸化を行うと良い。酸素濃度勾配を保ったまま、温度は１０００℃から１１００℃で行う。この工程により、開口部側ほど酸化膜２０８が厚く形成され、垂直であった溝が、開口部側ほど幅が狭くなった形状となる。このとき、酸化膜２０８は、Ｓｉ基板２０１の表面上に形成されると共にその内部にも形成されるので、図２（Ｅ）に示した様な断面形状を有するに至る。開口部側で溝が一部閉じる様なことが起こっても問題はない。ＳｉＮ２０５は酸化膜形成後に除去される。
【００２６】
次に、ＳＯＩ基板の支持基板層２０９及び埋め込み酸化膜層２１０をエッチングにより除去する。この工程により、メンブレンが形成される。図２（Ｆ）はメンブレン形成後の断面図である。溝２０７の形成以降のプロセスは、デバイス強度が不足と判断されれば、適宜補強すると良い。次に、上部電極引き出し配線の形成部２１１を形成する。メンブレン上に、フォトリソグラフィーにより上部電極引き出し配線の形成部２１１のレジストパターンを形成する。このレジストをマスクとして、メンブレン及び支持部２０２をエッチングする。図２（Ｇ）は上部電極の配線形成部を形成後の断面図である。
【００２７】
次に、上部電極引き出し配線用の形成部２１１にＡｌ２１２を蒸着する。Ａｌが蒸着された面にフォトリソグラフィーにより上部電極のレジストパターンを形成する。このレジストパターンをマスクとしてＡｌ２１２をウエットエッチングすることより、上部電極を形成する。図２（Ｈ）は上部電極形成後の断面図である。最後に、回路基板２１３の電極パッド２１４と下部電極２０１を位置合わせし、はんだバンプ２１５によって両基板を接合する。これにより、超音波の送受信の信号処理が可能なＣＭＵＴが作製される。図２（Ｉ）は本プロセスにより完成したＣＭＵＴの断面図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０１…素子基板、１０３，２０１…下部電極（第１の電極、導電性の基板、Ｓｉ基板）、１０４，２１２…上部電極（第２の電極、Ａｌ）、１０７，２０７…溝、１０９，２０８…絶縁膜
【図１】
0005404365.tif 000002
【図２】
0005404365.tif 000003