(57)【要約】【課題】高周波動作および高出力特性を有するＭＥＭＳ素子を提供する事。【解決手段】ＭＥＭＳ素子１０００は、基板１００に形成された空洞部１１０と、空洞部１１０上に設けられたダイヤフラム部１０１と、ダイヤフラム部１０１上に設けられた圧電素子部と、を有する。ダイヤフラム部１０１は少なくとも第一薄膜１０２と第二薄膜１０３と第三薄膜１０４と第四薄膜１０５とが積層されており、圧電素子部は、第一電極１０６と、第二電極１０８と、第一電極１０６と第二電極１０８とに挟持された圧電材料１０７と、を備える。これにより、発振出力が高く、且つ高周波にて安定動作が可能なＭＥＭＳ素子１０００が実現される。【選択図】図１
2014172138.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部が形成された基板と、
前記基板上に設けられたダイヤフラム部と、
前記ダイヤフラム部上に設けられた圧電素子部と、を有し、
前記ダイヤフラム部は少なくとも第一薄膜と前記第一薄膜上に形成され前記第一薄膜より高剛性の第二薄膜と前記第二薄膜上に形成される第三薄膜と前記第三薄膜上に形成され圧電材料の拡散を防ぐ第四薄膜とが積層されており、
前記圧電素子部は、第一電極と、前記第一電極上に形成される圧電材料と前記圧電材料上に形成される第二電極と、を備える事を特徴とするＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第一薄膜の厚みとヤング率とをｈ1とＥ1とし、前記第二薄膜の厚みとヤング率とをｈ2とＥ2とし、前記第三薄膜の厚みとヤング率とをｈ3とＥ3とした際に、数式１の関係式を満たす事を特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【数１】
2014172138.tif 000011
【請求項３】
前記第一薄膜のヤング率Ｅ1と前記第二薄膜のヤング率Ｅ2と前記第三薄膜のヤング率Ｅ3とが、数式２の関係式を満たす事を特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ素子。
【数２】
2014172138.tif 000012
【請求項４】
前記第一薄膜の厚みｈ1と前記第二薄膜の厚みｈ2と前記第三薄膜の厚みｈ3とが、数式３の関係式を満たす事を特徴とする請求項２又は３に記載のＭＥＭＳ素子。
【数３】
2014172138.tif 000013
【請求項５】
前記第二薄膜が酸化ジルコニウム膜である事を特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項６】
前記第三薄膜が酸化珪素膜である事を特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子。
【請求項７】
基板上に、第一薄膜と前記第一薄膜上に形成され、前記第一薄膜より高剛性の第二薄膜と前記第二薄膜上に形成される第三薄膜と前記第三薄膜上に形成され圧電材料の拡散を防ぐ第四薄膜とを積層する第一工程と、
前記第四薄膜上に、第一電極と、前記第一電極上に形成された圧電材料と前記圧電材料に形成された第二電極と、を備えた圧電素子部を形成する第二工程と、
前記圧電素子部に平面視にて重なる前記基板の一部位を除去して空洞部を形成する第三工程と、
を備えた事を特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項８】
前記第一工程にて、前記第三薄膜を平坦化した後に前記第四薄膜を形成する事を特徴とする請求項７に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子、又は、請求項７又は８に記載の製造方法にて製造されたＭＥＭＳ素子を備えた事を特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ素子、ＭＥＭＳ素子の製造方法、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング加工技術を用いて製造されるＭＥＭＳ素子が注目を集めている。ＭＥＭＳ素子は、物体検知、計測等を目的としたロボット分野、ＦＡ分野、流通・物流分野、医療分野、介護・福祉分野、セキュリティー分野等の種々の分野において、障害物・人・物などの移動体、侵入者等を検知するセンシングシステムとして幅広く採用されている。
【０００３】
この種のＭＥＭＳ素子の一例は特許文献１に記載されている。特許文献１によると、ＭＥＭＳ素子はダイヤフラム部を有し、このダイヤフラム部は圧電体膜と対向電極のみで構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１０１５８号公報
【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、特許文献１に記載されているＭＥＭＳ素子では、高周波での動作が困難であるという課題があった。一般に、超音波発振器や超音波センサー等のＭＥＭＳ素子の動作周波数（発振周波数や検出周波数）は、ダイヤフラム部のヤング率の平方根に比例する。特許文献１に記載されているＭＥＭＳ素子では、ダイヤフラム部が圧電体膜と対向電極のみで構成されており、圧電体膜のヤング率が低い為に、ＭＥＭＳ素子の動作周波数は低くなっていた。この様に、従来のＭＥＭＳ素子では、高周波動作が困難であるという課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
（適用例１）  本適用例に関わるＭＥＭＳ素子は、空洞部が形成された基板と、基板上に設けられたダイヤフラム部と、ダイヤフラム部上に設けられた圧電素子部と、を有し、ダイヤフラム部は少なくとも第一薄膜と第一薄膜上に形成され第一薄膜より高剛性の第二薄膜と第二薄膜上に形成される第三薄膜と第三薄膜上に形成され圧電材料の拡散を防ぐ第四薄膜とが積層されており、圧電素子部は、第一電極と、第一電極上に形成される圧電材料と圧電材料上に形成される第二電極と、を備える事を特徴とする。
この構成によると、ダイヤフラム部を少なくとも四層の薄膜で構成することで、第一薄膜によって基板との密着性を向上させることができ、剛性の高い第二薄膜をダイヤフラム部の主要素とすることで高周波動作が可能となり、第三薄膜によって第二薄膜にて発生した表面ラフネスを平坦化させることで圧電材料の配向性の低下を防ぎ、第四薄膜によって圧電材料に含まれる材料の下層への拡散を防止することができる。従って、こうした構成をなすことによって、発振出力が高く、且つ高周波にて安定動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【０００８】
（適用例２）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第一薄膜の厚みとヤング率とをｈ1とＥ1とし、第二薄膜の厚みとヤング率とをｈ2とＥ2とし、第三薄膜の厚みとヤング率とをｈ3とＥ3とした際に、数式１の関係式を満たす事が好ましい。
【数１】
2014172138.tif 000003
【０００９】
この構成によると、第二薄膜がダイヤフラム部の主要素になり、これによって高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１０】
（適用例３）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第一薄膜のヤング率Ｅ1と第二薄膜のヤング率Ｅ2と第三薄膜のヤング率Ｅ3とが、数式２の関係式を満たす事が好ましい。
【数２】
2014172138.tif 000004
【００１１】
この構成によると、第二薄膜が第一薄膜および第三薄膜に比べてヤング率の高い材料を用いている。ＭＥＭＳ素子の動作周波数（発振周波数や検出周波数）はダイヤフラム部のヤング率の平方根に比例するため、第二薄膜に高いヤング率を有する材料を用いることで、高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１２】
（適用例４）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第一薄膜の厚みｈ1と第二薄膜の厚みｈ2と第三薄膜の厚みｈ3とが、数式３の関係式を満たす事が好ましい。
【数３】
2014172138.tif 000005
【００１３】
この構成によると、第一薄膜は基板との密着性を強固にするために用いられ、第三薄膜は第二薄膜の表面ラフネスを平坦化するために用いられる。第一薄膜と第三薄膜とはこれらの機能を発揮する程度の膜厚であれば良い。これに対して第二薄膜はダイヤフラム部の主要素になるため、第一薄膜や第三薄膜に比べて厚くすることが好ましく、この構成のダイヤフラム部によって、高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１４】
（適用例５）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第二薄膜が酸化ジルコニウム膜である事が好ましい。
この構成によると、ヤング率の高い酸化ジルコニウム膜を用いることによって高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１５】
（適用例６）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第三薄膜が酸化珪素膜である事が好ましい。
この構成によると、第二薄膜で発生した表面ラフネスを酸化珪素膜によって平坦化させることができる。これによって、圧電材料のラフネスに起因した配向率低下を抑制できる。すなわち、発振出力が高いＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１６】
（適用例７）  本適用例に関わるＭＥＭＳ素子の製造方法は、基板上に、第一薄膜と第一薄膜上に形成され、第一薄膜より高剛性の第二薄膜と第二薄膜上に形成される第三薄膜と第三薄膜上に形成され圧電材料の拡散を防ぐ第四薄膜とを積層する第一工程と、第四薄膜上に、第一電極と、第一電極上に形成された圧電材料と圧電材料に形成された第二電極と、を備えた圧電素子部を形成する第二工程と、圧電素子部に平面視にて重なる基板の一部位を除去して空洞部を形成する第三工程と、を備えた事を特徴とする。
この方法によると、基板との密着性を向上させる第一薄膜を形成し、ダイヤフラム部の主要素とすることで高周波発振が可能になる剛性が高い第二薄膜を形成し、第二薄膜で発生した表面ラフネスを平坦化させることで圧電材料の配向率低下を抑制することができる第三薄膜を形成し、圧電材料に含まれる材料のダイヤフラム部への拡散を抑制できる第四薄膜を形成する。このような第一工程によって形成されたダイヤフラム部を有するＭＥＭＳ素子は、発振出力が高く且つ高周波にて安定動作させることができる。
【００１７】
（適用例８）  上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子の製造方法において、第一工程にて、第三薄膜を平坦化した後に第四薄膜を形成する事が好ましい。
この方法によると、第二薄膜の表面ラフネスを更に平坦化させることができ、これによって圧電材料の配向率低下を更に抑制することができる。従って、発振出力が高いＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１８】
（適用例９）  本適用例に関わる電子機器は、上記適用例１乃至６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子、又は、適用例７又は８に記載の製造方法にて製造されたＭＥＭＳ素子を備えた事を特徴とする。
この構成によると、上記適用例１乃至６に記載のＭＥＭＳ素子、又は、適用例７又は８に記載の製造方法にて製造されたＭＥＭＳ素子を備えた事によって、発振出力が高く且つ高周波にて動作する電子機器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】実施形態１に係るＭＥＭＳ素子の断面図。
【図２】酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜のヤング率を示すグラフ。
【図３】酸化ジルコニウム膜の表面ＳＥＭ像。
【図４】本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造工程を説明した断面図。
【図５】本実施形態に係る電子機器を説明した図。
【図６】変形例１に係るＭＥＭＳ素子の工程断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下の各図においては、各層や各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各層や各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。
【００２１】
（実施形態１）
「ＭＥＭＳ素子のダイヤフラム部」
図１は、実施形態１に係るＭＥＭＳ素子の断面図である。図２は、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜のヤング率を示すグラフである。図３は、酸化ジルコニウム膜の表面を観察した走査型電子顕微鏡写真（ＳＥＭ像）である。まず、図１乃至３を参照して、実施形態１に係るＭＥＭＳ素子１０００について説明する。
【００２２】
図１に示す様に、ＭＥＭＳ素子１０００は、基板１００、ダイヤフラム部１０１、第一電極１０６、圧電材料１０７、第二電極１０８、引き出し電極１０９などから構成されている。具体的には、ＭＥＭＳ素子１０００は、断面視において、基板１００に形成された空洞部１１０と、空洞部１１０上に設けられたダイヤフラム部１０１と、ダイヤフラム部１０１上に設けられた圧電素子部と、を有する。ダイヤフラム部１０１は少なくとも第一薄膜１０２と第二薄膜１０３と第三薄膜１０４と第四薄膜１０５とが積層されている。圧電素子部は、第一電極１０６と、第二電極１０８と、第一電極１０６と第二電極１０８とに挟持された圧電材料１０７と、を備えている。
【００２３】
基板１００としては、珪素を主成分とする基板１００（珪素基板）を用いる。この基板１００には、珪素以外にリンやボロンなどの不純物が添加されていても良い。珪素基板の中では、単結晶珪素基板が殊の外好ましく、取り分け面方位が（１００）の単結晶珪素基板や面方位が（１１０）の単結晶珪素基板を使用することが望ましい。単結晶珪素の（１００）面は、半導体プロセスにおいて一般的に使用される面方位であるため、単結晶珪素基板自体が安価である。一方、（１１０）面は、後に詳述する様に、基板１００を裏面よりウェットエッチングによって空洞部１１０を形成する場合に、垂直にエッチングができるという利点を有する。垂直にエッチングされることにより、空洞部１１０をなす基板１００の側壁とダイヤフラム部１０１とが直角に交差する様になるため、ダイヤフラム部１０１が振動した際に、支点である基板１００の端部が破壊される恐れを抑制できる。
【００２４】
ダイヤフラム部１０１は、第一薄膜１０２と、第二薄膜１０３と、第三薄膜１０４と、第四薄膜１０５と、を含んでおり、少なくともこれら四層が積層されている。ダイヤフラム部１０１は、第一電極１０６と第二電極１０８に電圧を印加した際に圧電材料１０７が機械的変位することを受けて、大きく動作することで発振の役割を果たす。更にダイヤフラム部１０１は、外部より発生した力を受けて振動することによって圧電材料１０７を機械的に変位させ、これによって発生した電圧を第一電極１０６と第二電極１０８とから取り出すことで外部信号を受信する役割を果たすこともできる。すなわち、ダイヤフラム部１０１は発振も受信も可能な振動板として機能している。
【００２５】
ＭＥＭＳ素子１０００の動作周波数は数式４にて表される。
【００２６】
【数４】
2014172138.tif 000006
【００２７】
ここで、ｆは動作周波数、ａはダイヤフラム部１０１の平面視における短辺の長さ、ｈは膜厚、ρは密度、λは定数、Ｄは曲げ剛性である。数式４より、曲げ剛性を高くすること、もしくは短辺の長さを短くすることが、動作周波数を高くするための有効な手段であることが分かる。しかしながら、短辺の長さを短くすると、ＭＥＭＳ素子１０００の加工ばらつきに対してより敏感になるため、発振周波数のばらつきが大きくなる関係にある。つまり、曲げ剛性を大きくすることが高周波動作において最適な手段である。この曲げ剛性は数式５にて表される。
【００２８】
【数５】
2014172138.tif 000007
【００２９】
ここで、Ｅはヤング率、νはポアソン比である。曲げ剛性Ｄを大きくするためには、ヤング率Ｅが大きな材料を用いることと、膜厚ｈを厚くすることが有効である。
【００３０】
図２に、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜のヤング率を測定した結果を示す。これより、酸化珪素膜よりも酸化ジルコニウム膜の方が、４倍以上ヤング率が高いことが分かる。動作周波数ｆは、ヤング率の平方根に比例するため、同じ膜厚で酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜を形成した場合には、動作周波数ｆは酸化ジルコニウム膜のほうがおよそ２倍高いことになる。従って、高周波動作のためには酸化ジルコニウム膜を主要素としたダイヤフラム部１０１を構成することが望ましい。ダイヤフラム部１０１を構成する四層の薄膜の内で、剛性の高い第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素として、ＭＥＭＳ素子１０００の高周波動作を可能としている。
【００３１】
第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素とするには、第一薄膜１０２の厚みとヤング率とをｈ1とＥ1とし、第二薄膜１０３の厚みとヤング率とをｈ2とＥ2とし、第三薄膜１０４の厚みとヤング率とをｈ3とＥ3とした際に、数式６の関係式を満たす事が好ましい。
【００３２】
【数６】
2014172138.tif 000008
【００３３】
数式５を参照すると、数式６の構成を取ることで、第二薄膜１０３がダイヤフラム部１０１の主要素になり、数式４によって高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子１０００が実現される事が判る。数式６を満たすには、第一薄膜１０２のヤング率Ｅ1と第二薄膜１０３のヤング率Ｅ2と第三薄膜１０４のヤング率Ｅ3とが、数式７の関係式を満たす事が好ましい。
【００３４】
【数７】
2014172138.tif 000009
【００３５】
即ち、第二薄膜１０３に第一薄膜１０２及び第三薄膜１０４に比べてヤング率の高い材料を用いる。数式４と数式５とに示す様に、ＭＥＭＳ素子１０００の動作周波数（発振周波数や検出周波数）はダイヤフラム部１０１のヤング率の平方根に比例するため、数式７に示す様に、第二薄膜１０３に高いヤング率を有する材料を用いることで、高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子１０００が実現される。
【００３６】
ダイヤフラム部１０１を構成する四層の薄膜の内で、基板１００と接している第一薄膜１０２は、基板１００との密着性を高める役割を果たすために用いられる。密着性を高めるためには、基板１００材料と同種の材料の一部含んだ材料であることが好ましい。しかしながら、基板１００と同一の材料のみで構成すると、空洞部１１０の形成時に第一薄膜１０２がエッチングストッパー層として機能しない。つまり、第一薄膜１０２は基板１００と同種の材料を一部含み、且つ基板１００の材料には含まれない材料を含んでいることが望ましい。そこで、第一薄膜１０２の一例として、本実施形態では、酸化珪素膜を用いた。膜厚は１００ｎｍ程度から２００ｎｍ程度の範囲にある。これによって、基板１００とダイヤフラム部１０１との密着性が向上し、ＭＥＭＳ素子１０００を高周波で動作させても、基板１００とダイヤフラム部１０１の界面に亀裂が生じる可能性を抑制する。即ち、ＭＥＭＳ素子１０００は、高周波で安定的に動作するようになる。又、後述するように、基板１００に空洞部１１０を形成するにあたり、圧電素子部が形成された面の反対面である裏面より（図１の下側から）基板１００をエッチングする際に、第一薄膜１０２である酸化珪素膜がエッチングストッパーとして機能する。第一薄膜１０２は、基板１００との密着性が良く、裏面からの空洞部１１０加工時のエッチングストッパーとして機能する薄膜であれば酸化珪素膜に限定されることはなく、これ以外に例えば、窒化珪素膜や酸素と窒素を含有した珪素膜（ＳｉＯＮ）などを用いることもできる。
【００３７】
第一薄膜１０２の上部に形成された第二薄膜１０３は、ダイヤフラム部１０１の主要素である。先述したとおり、高周波動作するためには曲げ剛性Ｄを大きくすることが求められ、Ｅｈ3を大きくすることが必要である。本実施形態では、第一薄膜１０２（酸化珪素膜）よりも遥かにヤング率が高く、高剛性である酸化ジルコニウム膜を第二薄膜に用いた。第二薄膜１０３はダイヤフラム部１０１の主要素であるため、膜厚をできる限り厚く形成し、４００ｎｍ程度以上とするのが好ましい。第二薄膜１０３の厚みを４００ｎｍ程度以上とすることで、第二薄膜１０３がダイヤフラム部１０１の主要素となり、高周波動作可能なＭＥＭＳ素子１０００が実現する。一方、余りに膜が厚いと膜応力によってクラックが発生する恐れが高まるので、厚くとも２０００ｎｍ程度以下とする。言い換えると、第二薄膜１０３の厚みを２０００ｎｍ程度以下とすることで、クラックの発生確率が大きく低下し、高周波動作可能なＭＥＭＳ素子１０００を高歩留まりで安定的に製造することができる。
【００３８】
本願発明者が鋭意研究したところによると、酸化ジルコニウム膜は、その厚みを増して行くと、図３に示すように表面ラフネスが大きくなることが判明した。図３（ａ）に示す様に、酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）の厚みが４００ｎｍ程度であると、その表面は平滑である。これが、図３（ｂ）に示す様に、酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）の厚みが８００ｎｍ程度になると、その表面粗さが増し、図３（ｃ）に示す様に、酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）の厚みが１６００ｎｍ程度では、表面は更に粗くなっている。表面ラフネスが高いと、ダイヤフラム部１０１の上方に形成される圧電材料１０７の配向性を阻害する要因となる。配向性が揃うことで出力の高い動作が可能であるため、厚い第二薄膜１０３の表面ラフネスを抑えることが求められる。
【００３９】
第二薄膜１０３の上部に形成された第三薄膜１０４は、第二薄膜１０３で発生した表面ラフネスを抑え、平坦化するために用いられる。即ち、第三薄膜１０４によって第二薄膜１０３にて発生した表面ラフネスを平坦化し、圧電材料１０７の配向性が低下する事態を抑制する。平坦性を高めるには、凹凸部に対してカバレッジ性が高く、成膜時の薄膜の流動性が高い材料が好ましい。従って、本実施形態では、第三薄膜１０４の一例として酸化珪素膜を用いた。第三薄膜１０４をなす酸化珪素膜の厚みは１００ｎｍ程度から４００ｎｍ程度の範囲にある事が好ましい。第二薄膜１０３の表面粗さは１００ｎｍ程度未満であるので、厚みがこの範囲にある膜を堆積すれば、第二薄膜１０３を厚くしてもその表面粗さが圧電材料１０７に悪影響を及ぼさぬ様に第三薄膜１０４の表面は平滑化される。第二薄膜１０３の表面ラフネスを第三薄膜１０４にて平滑化することで、第三薄膜１０４の上方に形成される圧電材料１０７が高い配向性を有するようになり、高出力動作が可能となる。
【００４０】
この様に、数式６を満たして第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素とするには、第二薄膜１０３を第一薄膜１０２や第三薄膜１０４に比べて厚くすることが好ましい。具体的には、第一薄膜１０２の厚みｈ1と第二薄膜１０３の厚みｈ2と第三薄膜１０４の厚みｈ3とが、数式８の関係式を満たす事が好ましい。
【００４１】
【数８】
2014172138.tif 000010
【００４２】
そもそも、第一薄膜１０２は基板１００との密着性を強固にするために用いられ、第三薄膜１０４は第二薄膜１０３の表面ラフネスを平坦化するために用いられるのだから、第一薄膜１０２と第三薄膜１０４とはこれらの機能を発揮する程度の膜厚であれば良い訳である。こうする事で、高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子１０００が実現される。
【００４３】
第三薄膜１０４の上部に形成された第四薄膜１０５は、圧電材料１０７の一部がダイヤフラム部１０１に拡散することを防ぐ役割を果たす。即ち、第四薄膜１０５によって圧電材料１０７に含まれる材料の、ダイヤフラム部１０１等の下層への拡散を防止することができる。圧電材料１０７の一部がダイヤフラム部１０１に拡散してしまうと、圧電材料１０７内の物質の組成比が崩れることになる。組成比が崩れることで理想の圧電特性が得られなくなるので、拡散を防止する第四薄膜１０５は極めて重要である。言い換えると、第四薄膜１０５を設ける事で圧電材料１０７の組成比が保たれ、優れた発振特性を有するＭＥＭＳ素子１０００の製造時及び使用時における耐久性を向上させる事ができる。本実施形態では、第四薄膜１０５の一例として酸化ジルコニウム膜を用いている。第四薄膜１０５をなす酸化ジルコニウム膜の厚みは５０ｎｍ程度から２００ｎｍ程度の範囲にある事が好ましい。第二薄膜１０３に比べて第四薄膜１０５を極めて薄くすると第四薄膜１０５の表面粗さは小さく、平滑な表面が得られる。こうして、圧電材料１０７の拡散が抑制されると共に、配向率も高くなる。第四薄膜１０５については、圧電材料１０７の拡散を防ぐことができれば酸化ジルコニウム膜に限られず、この他に、例えば、酸化アルミニウム膜や酸化チタニウム膜、酸化ハフニウム膜、或いはこれらの材料を合成した薄膜などを用いる事もできる。
【００４４】
以上で述べたダイヤフラム部１０１の構成によって、発振出力が高く、且つ高周波にて動作が可能な信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できるが、この構成はあくまで一例であり、例えば、各層の薄膜で述べた機能を多層で構成する等によって目的を達成しても良い。
【００４５】
「ＭＥＭＳ素子の圧電素子部」
次に圧電素子部を説明する。圧電素子部は、第一電極１０６と、第二電極１０８と、第一電極１０６と第二電極１０８とに挟持された圧電材料１０７と、を備えている。第一電極１０６には、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。第一電極１０６の膜厚は２０ｎｍ程度以上４００ｎｍ程度以下の範囲にある事が好ましい。
【００４６】
圧電材料１０７は、一般式ＡＢＯ3で示されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電性材料で構成されている。本実施形態では一例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた。しかしながら、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の強誘電性圧電性材料に、ニオブ、ニッケル、マグネシウム、ビスマス又はイットリウム等の金属を添加したリラクサ強誘電体等を用いてもよい。その組成は、圧電素子部の特性、用途等を考慮して適宜選択すればよいが、例えば、ＰｂＴｉＯ3（ＰＴ）、ＰｂＺｒＯ3（ＰＺ）、Ｐｂ（ＺｒxＴｉ1-x）Ｏ3（ＰＺＴ）、Ｐｂ（Ｍｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＭＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｚｎ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＺＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｎｉ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＮＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｉｎ1/2Ｎｂ1/2）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＩＮ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｔａ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＴ−ＰＴ）、Ｐｂ（Ｓｃ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3−ＰｂＴｉＯ3（ＰＳＮ−ＰＴ）、ＢｉＳｃＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＳ−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ3−ＰｂＴｉＯ3（ＢＹ−ＰＴ）等が挙げられる。圧電材料１０７の膜厚は１０００ｎｍ程度以上５０００ｎｍ程度以下の範囲にある事が好ましい。
【００４７】
第二電極１０８には、第一電極１０６と同様、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。第二電極１０８の膜厚は５０ｎｍ程度以上４００ｎｍ程度以下の範囲にある事が好ましい。
【００４８】
引き出し電極１０９には、第一電極１０６や第二電極１０８と同様、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。引き出し電極１０９の膜厚は５０ｎｍ程度以上４００ｎｍ程度以下の範囲にある事が好ましい。引き出し電極１０９により、第一電極１０６と第二電極１０８を外部端子および外部素子へ接続することができる。
【００４９】
以上述べたように、本実施形態に関わるＭＥＭＳ素子１０００によれば、以下の効果を得ることができる。
ダイヤフラム部１０１を少なくとも四層の薄膜で構成する。第一薄膜１０２によって基板１００との密着性が強固にされて、ダイヤフラム部１０１の振動によりＭＥＭＳ素子１０００が破損される可能性を低め、ＭＥＭＳ素子１０００の高信頼性が確保される。第二薄膜１０３に高ヤング率の材料を厚く形成することで、ＭＥＭＳ素子１０００高周波動作が可能となる。第三薄膜１０４に平坦化できる薄膜を形成することで、第二薄膜１０３で発生した表面ラフネスを抑える。これにより、上部の圧電材料１０７の配向性低下が抑制されるので、高い動作出力が得られる。第四薄膜１０５に圧電材料１０７からの材料拡散を防ぐ薄膜を形成することで、圧電材料１０７の拡散を抑制し、圧電材料１０７の最適な組成比が維持されて、最適な圧電特性を長期間保つことができる。この様に、ダイヤフラム部１０１を少なくとも四層の薄膜で構成する事で、発振出力が高く且つ高周波にて安定動作させるＭＥＭＳ素子１０００が実現される。
【００５０】
「製造方法」
図４は、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子の製造工程を説明した断面図である。次に、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１０００の製造方法について、図４を参照して説明する。
【００５１】
ＭＥＭＳ素子１０００の製造方法は、基板１００上に第一薄膜１０２と第二薄膜１０３と第三薄膜１０４と第四薄膜１０５とを積層する第一工程と、第一工程後に圧電素子部を形成する第二工程と、第二工程後に圧電素子部に平面視にて重なる基板１００の一部位を除去して空洞部１１０を形成する第三工程と、を少なくとも含んでいる。第二工程では、第四薄膜１０５上に、第一電極１０６と、第二電極１０８と、第一電極１０６と第二電極１０８とに挟持された圧電材料１０７と、を形成して圧電素子部としている。
【００５２】
第一工程では、最初に、図４（ａ）に示す様に、基板１００に第一薄膜１０２を形成する。第一薄膜１０２は、基板１００とダイヤフラム部１０１との密着性を確保することと、基板１００の一部を除去して空洞部１１０を形成する際のエッチングストッパー層との役割を果たす。これらの機能を有するためには、基板１００と同一の元素を含んだ材料であることが望まれる。本実施形態において珪素基板の表面を熱酸化して、酸化珪素膜を形成した。熱酸化法によって得られる酸化珪素膜は、基板１００との密着性が極めて高い上に膜も緻密であるためにエッチングストッパー層としての機能も十分に高く最適である。熱酸化法の他には、ＣＶＤ法やスパッタ法を用いて酸化珪素膜を形成してもよい。一般に酸化珪素膜は他の膜に比べて密着性が高く、第一薄膜１０２に殊の外適している。酸化珪素膜の厚みは、前述の如く、１００ｎｍ程度から２００ｎｍ程度である。これによって、基板１００とダイヤフラム部１０１との密着性が確保され、高周波動作においても基板１００とダイヤフラム部１０１の界面に亀裂が生じることなく、安定した動作が確保できる。加えて基板１００に空洞部１１０を形成するにあたって、裏面より基板１００をエッチングする際に、第一薄膜１０２である酸化珪素膜がエッチングストッパーとして機能することができる。
【００５３】
引き続き、図４（ａ）に示す様に、第二薄膜１０３を形成する。ジルコニウム（Ｚｒ）をスパッタリング法によって堆積して酸素雰囲気中でアニールを加えることで酸化ジルコニウム膜を形成する。アニールは、まず急速アニール装置（ＲＴＡ；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）によって酸素雰囲気中で９００℃にてアニールを行なう。これによってジルコニウムはほとんど酸化されて酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）となる。引き続き、アニール炉によって酸素雰囲気中で６０分アニールを施す。これによって第二薄膜１０３としての酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）が形成できる。ジルコニウム（Ｚｒ）の成膜方法については、例えばＡＬＣＶＤ法や反応性スパッタリング法などを用いても良い。本実施形態にて形成した酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）のヤング率を比較すると、図２に示す様に、酸化ジルコニウム膜のほうがおよそ４倍以上大きくなっている。動作周波数はヤング率の平方根に比例するため、同じ膜厚で酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜を形成した場合には、動作周波数は酸化ジルコニウム膜のほうがおよそ２倍高い。以上の点から、より高周波で発振させるためには、酸化ジルコニウム膜を振動板の主要素とすることが望ましい。つまりより厚くすることが好ましい。但し、２μｍを超えると応力によってクラックが発生する可能性が高い。そこで、第二薄膜１０３として用いる酸化ジルコニウム膜は４００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下とするのが望ましく、より好ましくは、８００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下である。
【００５４】
以上のように酸化ジルコニウム膜を厚くすることで高周波発振が可能となるが、酸化ジルコニウム膜を厚くすると図３に示すように表面モフォロジーが増加してしまう。この上に第一電極１０６、圧電材料１０７を形成する場合、この表面モフォロジーによって圧電材料１０７の配向性が低下してしまう。この配向性の低下は、圧電特性の低下を引き起こす。それに伴い発振出力の低下を引き起こす。以上の点から、この表面モフォロジーを低下させ、フラットにする必要がある。
【００５５】
そこで次に、図４（ｂ）に示す様に、第二薄膜１０３上に、第三薄膜１０４として酸化珪素膜を堆積する。酸化珪素膜は例えばプラズマＣＶＤ法によって堆積する。特にＴＥＯＳガスと酸素によって形成される酸化珪素膜は、凹凸部に対してカバレッジ性が高く、成膜時の薄膜の流動性が高いため、平坦化に適している。酸化珪素膜を１００ｎｍ程度以上堆積することで酸化ジルコニウム膜によって発生した表面凹凸をある程度平坦化することができる。確実に平坦化を行うには、酸化珪素膜の厚みを２００ｎｍ以上とするのが好ましい。先述のとおり、動作周波数を高周波とすべく第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素としており、第三薄膜１０４を厚くしたとしてもが高周波動作に寄与することは軽微である。応力によるクラックなどの危険性を考慮すると、第三薄膜１０４は、平坦化できる厚みがあれば十分であるから、その膜厚は４００ｎｍ程度以下とすることが望ましい。
【００５６】
次に、図４（ｃ）に示す様に、第四薄膜１０５を形成する。第四薄膜１０５は、圧電材料１０７の一部がダイヤフラム部１０１に拡散することを防ぐ役割を果たす。圧電材料１０７の一部がダイヤフラム部１０１に拡散すると、圧電材料１０７内の物質の組成比が崩れてしまう。組成比が崩れることで理想の圧電特性が得られなくなることから、拡散を防止する第四薄膜１０５が極めて重要となる。第四薄膜１０５の一例として酸化ジルコニウム膜が形成された。酸化ジルコニウム膜は、ジルコニウム（Ｚｒ）をスパッタリング法によって堆積して酸素雰囲気中でアニールを加えることで形成された。アニールは、まず急速アニール装置（ＲＴＡ；Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌ）によって酸素雰囲気中で９００℃にてアニールを行なう。これによってジルコニウムはほとんど酸化されて酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）となる。引き続き、アニール炉によって酸素雰囲気中で６０分アニールを施す。これによって第四薄膜１０５としての酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）が形成される。形成された酸化ジルコニウム膜の膜厚は５０ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下である。この程度の膜厚があれば圧電材料１０７の拡散を防止することができる。また、第二薄膜１０３に比べ極めて薄い膜を使用することで、圧電材料１０７の配向率低下の要因となる表面ラフネスを無視できるほど小さくすることができる。
【００５７】
第四薄膜１０５については、圧電材料１０７の拡散を防ぐことができれば良く、例えば、酸化アルミニウム膜、酸化チタニウム膜、酸化ハフニウム膜やこれらの材料を合成した薄膜などを用いても良い。また成膜方法についても、例えばＡＬＣＶＤ法や反応性スパッタリング法などによって形成する方法を用いても良い。
【００５８】
次に、圧電素子部を形成する第二工程に移る。第二工程では、まず、図４（ｄ）に示す様に、後に第一電極１０６となる第一導電成膜１０６Ｃを形成する。第一導電成膜１０６Ｃとして、プラチナとイリジウムとを第四薄膜１０５上にスパッタリング法によって２０〜４００ｎｍ程度堆積した。電極材料として、例えばニッケル、金、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料等を用いても良い。成膜方法としても、スパッタリング法だけでなく、ゾルーゲル法や熱ＣＶＤ法などを用いても良い。
【００５９】
次に、図４（ｅ）に示す様に、第一導電成膜１０６Ｃをフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、所定形状にパターニングして、第一電極１０６とする。
【００６０】
次に、図４（ｆ）に示す様に、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電材料１０７を形成する。ここで、本実施形態では、金属有機物を触媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料１０７を得る、いわゆるゾルーゲル法を用いてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電材料１０７を形成している。圧電材料１０７の製造方法は、ゾルーゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法等を用いてもよい。前述の如く、第三薄膜１０４によって第二薄膜１０３の表面凹凸を平坦化しているため、圧電材料１０７の配向性を損なわず、高い出力特性を得ることができる。また、このように圧電材料１０７を形成すると、焼成時に圧電材料１０７の鉛成分がダイヤフラム部１０１に拡散する虞があるが、圧電材料１０７下側には酸化ジルコニウム膜からなる第四薄膜１０５が設けられているため、圧電材料１０７の鉛成分がダイヤフラム部１０１に拡散するのを防止することができる。以上のように、最適な組成比を損なわず、高い配向性を有する圧電材料１０７を形成することによって、高い出力特性を得ることができる。
【００６１】
引き続き、図４（ｆ）に示す様に、後に第二電極１０８となる第二導電膜１０８Ｃを形成する。第二導電膜１０８Ｃは圧電材料１０７上にスパッタリング法によって２０ｎｍから４００ｎｍ程度の厚みに堆積した。第二導電膜１０８Ｃとして、例えばニッケル、金、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料等を用いても良い。成膜方法としても、スパッタリング法だけでなく、ゾルーゲル法や熱ＣＶＤ法などを用いても良い。
【００６２】
次に、図４（ｇ）に示す様に、第二導電膜１０８Ｃをフォトリソグラフィー、エッチング、レジスト剥離を順に行い、第二電極１０８を形成する。この際に、圧電材料１０７も同時に、所定の形状に加工される。
【００６３】
次に、図４（ｈ）に示す様に、引き出し電極１０９を形成する。まず、引き出し電極１０９となる導電材料をスパッタリング法によって２０ｎｍ程度から４００ｎｍ程度堆積した。導電材料として、例えばニッケル、金、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料等を用いても良い。引き続き、こうして堆積された導電材料に対して、フォトリソグラフィー、エッチング、レジスト剥離を順に行い、引き出し電極１０９を形成する。これによって、第一電極１０６と第二電極１０８を外部端子および外部素子へ接続することができる。
【００６４】
次いで、ダイヤフラム部１０１、第一電極１０６、圧電材料１０７、第二電極１０８などを覆うように基板１００の上部全面に保護膜（図示せず）を塗布する。例えば保護膜の一例として、フォトレジストを用いることができる。
【００６５】
次に、空洞部１１０を形成する第三工程に移る。第三工程では、まず、図４（ｉ）に示す様に、基板１００の表裏を反転し、圧電素子部が形成されていない側の基板１００の一面（裏面）に対し、フォトリソグラフィー、エッチング、レジスト剥離を順に行い、空洞部１１０を形成する。このエッチングにはドライエッチング或いはウェットエッチングを用いることができる。ドライエッチングでは、まず、例えばＳＦ6等のエッチングガスを用いたエッチング処理と、例えばＣ4Ｆ8等のデポジションガスを用いたデポジション処理とを繰り返し実施する、いわゆるボッシュプロセスと呼ばれるサイクルエッチング処理を実施する。これにより、第一薄膜１０２をエッチングストッパーとし、基板１００に空洞部１１０を設けることができる。ボッシュプロセスを用いることによって、図４（ｉ）に示すようにダイヤフラム部１０１と基板１００がおよそ垂直に接する形状にすることができる。垂直に接する形状にすることで、ダイヤフラム部１０１が振動しても支点である基板１００端部が破壊される恐れを抑制できる。ウェットエッチングでは、ＫＯＨを含む薬液により基板１００の所望の領域をエッチングすることができる。このとき基板１００には（１１０）面のものを使用することでドライエッチング同様にダイヤフラム部１０１と垂直に接する形状を実現できる。
【００６６】
最後に基板１００の上部全面に形成された保護膜を除去する。このようにして、基板１００に空洞部１１０が形成される。基板１００で空洞部１１０が形成されて第一薄膜１０２が裏面側に露出した部分がダイヤフラム部１０１となる。以上の工程により、ＭＥＭＳ素子１０００が完成する。
【００６７】
以上述べたように、本実施形態によれば、発振出力が高く、且つ高周波にて安定動作が可能なＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００６８】
「電子機器」
図５は、本実施形態に係る電子機器を説明した図である。次に、図５を参照して、本実施形態に係る電子機器を説明する。
【００６９】
図５に示す様に、超音波診断装置Ｓは、図略の生体等の被検体Ｈに対して超音波信号を送信すると共に被検体Ｈで反射した超音波の反射超音波信号を受信する超音波探触子２と、超音波診断装置本体１と、を有している。超音波探触子２と超音波診断装置本体１とはケーブル５０を介して接続されている。超音波診断装置Ｓでは、超音波診断装置本体１から超音波探触子２へ電気信号を送信することによって、超音波探触子２に被検体Ｈに対して超音波信号を送信させると共に、超音波探触子２で受信された被検体Ｈ内からの反射超音波信号に応じて超音波探触子２で生成された電気信号の受信信号に基づいて被検体Ｈ内の内部状態を弾性画像（及び断層画像）として医用画像に画像化する。本実施形態に記載のＭＥＭＳ素子１０００、或いは、本実施形態に記載の製造方法によって製造されたＭＥＭＳ素子１０００、は超音波探触子２に用いられている。
【００７０】
以上述べたように、本実施形態に係る電子機器は、高周波動作が可能で高い動作出力を可能とする超音波探触子２を備えるので、短時間に解像度の高い超音波画像を取得することができる。
【００７１】
なお、本発明は上述した実施形態に限定されず、上述した実施形態に種々の変更や改良などを加えることが可能である。変形例を以下に述べる。
【００７２】
（変形例１）
図６は、変形例１に係るＭＥＭＳ素子の工程断面図である。以下、図６を参照して、変形例１に係るＭＥＭＳ素子１０００の製造方法について説明する。なお、実施形態１と同一の構成部位については、同一の番号を附し、重複する説明は省略する。
【００７３】
本変形例においては、第一工程にて、第三薄膜１０４を平坦化した後に第四薄膜１０５を形成する。具体的には、図６（ｂ）に示す様に、後に第三薄膜１０４となる厚膜１０４Ｔを堆積する。次に、図６（ｃ）に示す様に、厚膜１０４Ｔに対してＣＭＰ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）を適応して、研削して第三薄膜１０４とする。これが第三薄膜１０４の平坦化であり、これにより、第二薄膜１０３で発生した表面凹凸を実施形態１よりも更に平坦にすることができる。ＣＭＰ法を用いることによって第三薄膜１０４は１００ｎｍ程度以上２００ｎｍ程度以下の膜厚となった。
【００７４】
以上述べたように、本変形例に係るＭＥＭＳ素子１０００の製造方法によれば、実施形態１での効果に加えて、以下の効果を得ることができる。即ち、第三薄膜１０４をＣＭＰ法によって更に平坦化するので、第二薄膜１０３で発生した表面ラフネスを更に抑えることできる。これにより、上部の圧電材料１０７の配向性低下をより一層抑制することになり、ＭＥＭＳ素子１０００はより高い動作出力を得ることができる。
【符号の説明】
【００７５】
１…超音波診断装置本体、２…超音波探触子、５０…ケーブル、１００…基板、１０１…ダイヤフラム部、１０２…第一薄膜、１０３…第二薄膜、１０４…第三薄膜、１０４Ｔ…厚膜、１０５…第四薄膜、１０６…第一電極、１０６Ｃ…第一導電成膜、１０７…圧電材料、１０８…第二電極、１０８Ｃ…第二導電膜、１０９…引き出し電極、１１０…空洞部、１０００…ＭＥＭＳ素子。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図３】
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