(57)【要約】【課題】  量産された高品質の圧力波発生装置、アクチュエータ及びそれら製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明に係る圧力波発生装置は、圧力波を発生させる圧力波発生装置１であって、シリコン基板１１と、当該シリコン基板１１上に設けられたガラス基板１２と、当該ガラス基板１２上に形成され、電気的に駆動される発熱体薄膜から構成された電極１３とを備えたものである。そして、本発明に係るアクチュエータは、圧力波によって駆動するアクチュエータ２であって、このような圧力波発生装置１と、ガラス基板１２上に設けられ、圧力波に応じて変位するシリコン構造体２１を備えたものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、
シリコン基板と、
当該シリコン基板上に設けられたガラス層と、
当該ガラス層上に形成され、電気的に駆動される発熱体薄膜とを備えた圧力波発生装置。
【請求項２】
前記ガラス層は、前記シリコン基板との接合界面においてアルカリ金属を含むことを特徴とする請求項１記載の圧力波発生装置。
【請求項３】
前記ガラス層は、ガラス基板、若しくはガラスから構成された薄膜層であることを特徴とする請求項１又は２記載の圧力波発生装置。
【請求項４】
前記圧力波によって駆動するアクチュエータであって、
請求項１乃至３のいずれかに記載の圧力波発生装置と、
前記ガラス層上に設けられ、前記圧力波に応じて変位する構造体とを備えたアクチュエータ。
【請求項５】
前記構造体は、前記ガラス層との間に空隙が設けられたダイアフラム、又は前記ガラス基板に固着されたビームであることを特徴とする請求項４記載のアクチュエータ。
【請求項６】
圧力波を発生させる圧力波発生装置を製造する方法であって、
シリコン基板上とガラス層とを陽極接合するステップと、
当該ガラス層上に発熱体薄膜を形成するステップとを備えた圧力波発生装置の製造方法。
【請求項７】
前記ガラス層は、ガラス基板であって、
前記発熱体薄膜を形成する前に、前記ガラス基板の上面を研磨するステップを、さらに備えた圧力波発生装置の製造方法。
【請求項８】
前記圧力波によって駆動するアクチュエータを製造する方法であって、
請求項６又は７いずれかに記載の製造方法によって圧力発生装置を製造するステップと、
前記ガラス層上に、前記圧力波に応じて変位する構造体を形成するステップを備えたアクチュエータの製造方法。
【請求項９】
前記構造体は、前記ガラス基板に固着されたビームであって、
前記構造体を形成するステップでは、前記ガラス層上に、前記ビームと前記ガラス基板とを離間するための犠牲層を形成するステップと、
当該犠牲層上に、ビームを構成する薄膜を形成するステップと、
前記ガラス基板上で、前記犠牲層をウェットエッチングによって除去するステップとを有することを特徴とする請求項８記載のアクチュエータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力波発生装置、アクチュエータ及びそれらの製造方法に関し、特に、超音波などの圧力波を発生させる圧力波発生装置、これを用いたアクチュエータ及びそれらの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、超音波等の圧力波を発生させる圧力波発生装置には圧電素子等が用いられていた。圧電素子等の機械的な振動によって圧力波を発生する装置は、固有の共振周波数をもつため、発生する超音波の周波数範囲を広げることが困難であった。さらに、この圧力波発生装置は、回路との集積化が難しく、単品でしか製造できないため、装置の小型化やアレイ構造にするなどの機能を付加することが困難であった。
【０００３】
このような問題点を解決するために、熱絶縁層上に発熱体薄膜を形成し、この発熱体薄膜を電気的に駆動する圧力波発生装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この熱誘起式の圧力波発生装置は、特に超音波領域でフラットな周波数特性を持つことから、これまでの圧電素子による超音波計測よりも、高い分解能を持つ距離計、気流計、人検知に利用することができる。また広帯域のツィーターとしての応用も期待できる。
【０００４】
図５に、従来の圧力波発生装置の一構成例が示されている。図５（ａ）は圧力波発生装置の断面模式図であり、図５（ｂ）は上面模式図である。圧力波発生装置９００では、シリコン基板９０１上に、多孔質材料からなる熱絶縁層９０２が形成されている。熱絶縁層９０２上には、発熱体薄膜９０３が形成されている。図５（ａ）に示すように上面視して、熱絶縁層９０２は略矩形状の形状、発熱体薄膜９０３は略Ｍ字状の形状を有する。発熱体薄膜９０３の両端は入力端子９０４，９０５に接続され、信号源９０８が発生させた信号は、入力端子９０４，９０５から発熱体薄膜９０３両端に入力される。
【０００５】
図６に、従来の圧力波発生装置の他の構成例が示されている。図６（ａ）は圧力波発生装置の断面模式図、図６（ｂ）は上面模式図である。図６（ｂ）に示すように、この圧力波発生装置９１０においては、上記の圧力波発生装置９００の発熱体薄膜９１３の形状が異なる。具体的には、この発熱体薄膜９１３は、２つの電極パッド９１４，９１５、これらを接続する発熱電極９１６を有する。それら電極パッド９１４，９１５は信号端子９０４，９０５に接続され、電極パッド９１４，９１５に信号源９０８からの信号が入力される。
【０００６】
このような圧力波発生装置は圧力波を発生できるデバイスとして機能し、圧力波の一つである音波を発生する場合は、図５，６に示すように装置の上方（発熱体薄膜の上側）が開放されている。さらに、圧力波発生装置から、非常に強い音波による非線形効果により放射圧と呼ばれる力を得ることができる。その力を利用することによって、微小な構造物を駆動するようなアクチュエータに応用することができる（特許文献２）。
【０００７】
図７の断面模式図に、一般的なＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の静電アクチュエータの一構成例が示されている。図７に示すように、静電アクチュエータ９２０では、ガラス基板９２１上に電極９２２が形成されている。ガラス基板９２１上にシリコン構造体９２３が接合され、ダイアフラム構造が形成されている。このシリコン構造体９２３上には電極９２４が形成されている。
【０００８】
静電アクチュエータ９２０において、上下の電極間９２２，９２４に電圧が印加されると、静電引力によってシリコン構造体９２３のダイアフラムが変形する。このダイアフラムの変形を利用して、マイクロポンプや光の反射方向を変えるデバイスを形成することができる。シリコン構造体９２３、ガラス基板９２１それぞれを構成するシリコンとガラスは陽極接合という強度、気密性、プロセスの安定性の高い接合が行える。この点で、静電アクチュエータ９２０は、非常に利用価値が高い。
【０００９】
このようなアクチュエータに、多孔質の熱絶縁層としてナノ結晶層をつかった圧力発生素子を適用する場合を考える。図８の断面模式図に、このアクチュエータの一構成例が示されている。図８に示されたアクチュエータ９３０では、シリコン基板９２１上に、ナノ結晶層９３１が形成され、このナノ結晶層９３１上にシリコン構造体９２３が接合されている。アクチュエータ９３０は静電式ではないので、圧力波によってダイアフラムを上方に押す構造となる。そのため、この構造上、ナノ結晶層９３１とシリコン構造体９２３との接合が重要となる。
【００１０】
図５，６に示された構造では、ダイアフラムをナノ結晶層９３１のシリコン構造物と接合する場合、陽極接合はできず、接着剤、共晶接合などの介在物を使う必要がある。そのため、一般的に量産に適したウエハレベルでの作製は難しくなる。また、接着剤の厚さがあるため、ダイアフラムとナノ結晶層９３１の主面との距離を正確にコントロールすることが困難となる。
さらに、共晶接合ではデバイスを加熱するため、ナノ結晶の酸化が進むので、圧力波の発生効率を下げてしまう。また、真空や不活性ガス中で加熱しても、ナノ結晶層からの脱ガスのため、シリコン基板９２１の反りが大きく変化する。そのため、シリコン構造体９２３とナノ結晶層９３１との接合に影響を与えることがある。またさらに、急激な脱ガスがナノ結晶層９３１の破壊にもつながる場合もある。
【００１１】
図９（ａ）の断面模式図に、一般的なＭＥＭＳのアクチュエータの他の構成例が示されている。図９に示すように、アクチュエータ９４０では、シリコン基板９４１上に、薄膜のビーム９４２（片持ち梁）のケースが形成されている。このアクチュエータ９４０では、可動部分はダイアフラムではなく、薄膜構造物であるビーム９４２が上下に変位する。シリコン基板９４１に固定電極９４３が形成され、ビーム９４２に可動電極９４４が形成されている。電極間９４３，９４４に電圧が印加されると、静電引力が発生し、この静電引力によってビーム９４２が下方向に変形する。ビーム９４２上にミラーなどを作製することによって、光スキャナとして利用される。
【００１２】
このような薄膜ビーム構造のアクチュエータ９４０は、薄膜プロセスで作製される。図９（ｂ）に、アクチュエータ９４０の製造工程における一工程を示す工程断面図が示されている。シリコン基板９４１上に固定電極９４３が形成された後、後に取り除かれる犠牲層９４５が形成される。この犠牲層９４５上に、応力がコントロールされた薄膜が成膜され、パターニングされる。犠牲層９４５がエッチングによって取り除かれると、パターニングされた薄膜がビーム９４２となり、アクチュエータ９４０が完成する。
【００１３】
薄膜ビーム構造のアクチュエータ９４０に、ナノ結晶層をつかった圧力発生素子を適用する場合を考える。図１０の断面模式図に、このアクチュエータの一構成例が示されている。図１０に示すように、アクチュエータ９５０のビーム９４２の製造プロセスで問題が起こりやすい。この問題は、図５，６のいずれに適用する場合についても共通する。
例えばナノ結晶層９５１がシリコン多孔体から構成されている場合には、陽極酸化後のナノ結晶層９５１のシリコンが疎水性を示す。そのため、ナノ結晶層９５１の上に、例えば感光性ポリイミドの犠牲層９４５を形成する場合には、これらナノ結晶層９５１、犠牲層９４５の密着力が悪い。これにより、後工程でビーム９４２等を形成している間に、犠牲層９４５が剥離する等の問題が発生しやすい。
【００１４】
また、犠牲層９４５をエッチングするウェット系のエッチャントがナノ結晶にダメージを与えることもある。特に、アルカリ系のエッチャントを使用したときには、ナノ結晶にダメージを与えやすい。また、ナノ結晶の多孔度が高い場合は、水洗後の乾燥工程でナノ結晶にダメージが発生しやすい。このように、図５，６に示された圧力波発生装置上に薄膜ビーム構造を歩留まり良く作製することが困難である。
【特許文献１】特開平１１−３００２７４号公報
【特許文献２】特開２００３−１５４３１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
このように、ダイアフラム構造や薄膜ビーム構造を駆動する従来のアクチュエータにおいて、ナノ結晶シリコンを多孔質の熱絶縁層とする圧力波発生装置を適用する場合、ナノ結晶にダメージを与えやすいので、ナノ結晶を利用したアクチュエータを実現することが困難であるという問題があった。
本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、量産された高品質の圧力波発生装置、アクチュエータ及びそれらの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明に係る圧力波発生装置は、圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、シリコン基板と、当該シリコン基板上に設けられたガラス層と、当該ガラス層上に形成され、電気的に駆動される発熱体薄膜とを備えたものである。
【００１７】
好適には、前記ガラス層は、前記シリコン基板との接合界面においてアルカリ金属を含む。このような構成において、ガラス基板は、シリコン基板と陽極接合することができるので、シリコン基板に強固に接合することができる。従って、ウエハレベルの製造プロセスで量産することができるので、量産された高品質の圧力波発生装置を実現することができる。
【００１８】
また、前記ガラス層を、ガラス基板、若しくはガラスから構成された薄膜層とすることができる。
【００１９】
本発明に係るアクチュエータは前記圧力波によって駆動するアクチュエータであって、上記のような圧力波発生装置と、前記ガラス層上に設けられ、前記圧力波に応じて変位する構造体とを備えたものである。このような構成において、上記のような圧力波発生装置を用いて、量産された高品質のアクチュエータを実現することができる。
【００２０】
さらに、前記構造体は、前記ガラス層との間に空隙が設けられたダイアフラム、又は前記ガラス基板に固着されたビームである。
【００２１】
本発明に係る圧力波発生装置の製造方法は、圧力波を発生させる圧力波発生装置を製造する方法であって、シリコン基板上とガラス層とを陽極接合するステップと、当該ガラス層上に発熱体薄膜を形成するステップとを備えたものである。
【００２２】
さらに、前記ガラス層は、ガラス基板であって、前記発熱体薄膜を形成する前に、前記ガラス基板の上面を研磨するステップを備えたものである。これにより、発熱体薄膜の形成面のフラットネスを良好に形成することができる。
【００２３】
本発明に係るアクチュエータの製造方法は、前記圧力波によって駆動するアクチュエータを製造する方法であって、上記の製造方法によって圧力発生装置を製造するステップと、前記ガラス層上に、前記圧力波に応じて変位する構造体を形成するステップを備えたものである。
【００２４】
さらに、前記構造体は、前記ガラス基板に固着されたビームであって、前記構造体を形成するステップでは、前記ガラス層上に、前記ビームと前記ガラス基板とを離間するための犠牲層を形成するステップと、当該犠牲層上に、ビームを構成する薄膜を形成するステップと、前記ガラス基板上で、前記犠牲層をウェットエッチングによって除去するステップとを有する。ガラス基板上でウェットエッチングが行われるので、そのエッチャントによる影響を低減することができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、量産された高品質の圧力波発生装置、アクチュエータ及びそれらの製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
本発明に係るアクチュエータは、圧力波発生装置が発生させる放射圧を駆動源として利用したアクチュエータである。本発明に係るアクチュエータは、圧力センサ、可動ミラーデバイス、インクジェットヘッド、マイクロポンプ等に適用することができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照して説明する。
【００２７】
発明の実施の形態１．
発明の実施の形態１においては、ダイアフラム構造を有するアクチュエータについて説明する。
まず、図１を用いて、本発明に係るアクチュエータのダイアフラムが形成される圧力波発生装置について説明する。図１は、本発明に係る圧力波発生装置の一構成例を示す模式図であり、図１（ａ）は断面図、図１（ｂ）は上面図である。図１（ａ）に示すように、本発明に係る圧力波発生装置１は、シリコン基板１１、ガラス基板１２、電極１３を有する。
【００２８】
シリコン基板１１上に、熱絶縁層として機能するガラス基板１２が配設されている。このとき、シリコン基板１１とガラス基板１２とは、陽極接合されている。このガラス基板１２を構成するガラスは、シリコン基板１１と陽極接合することができるガラスであればよく、一例として、ソーダガラスやパイレックス（登録商標）ガラス（Ｐｙｒｅｘガラス）とすることができる。換言すれば、ガラス基板１２を構成するガラスは、アルカリ金属を含むガラスとすることができる。好適には、ガラス基板１２は、シリコン基板１１と強度に陽極接合するパイレックス（登録商標）ガラスから構成するのが好ましい。
ガラス基板１２は、シリコン基板１１と陽極接合された状態で、所望の圧力波発生が可能になるように、所定の厚さに研磨される。例えば、ガラス基板１２は、数μｍ〜数十μｍの厚みまで研磨される。
【００２９】
電極１３は、ガラス基板１２上に形成され、例えば、Ａｌ薄膜等の発熱体薄膜を用いて形成されている。この発熱体薄膜は、スパッタ法、蒸着法により成膜され、その上からレジスト塗布、露光、現像、エッチング、レジスト除去により所定のパターンに加工される。これによって電極１３が形成される。
電極１３は、電極パッド１３１，１３２、発熱電極１３３を有する。電極パッド１３１，１３２には、電圧を印加するための端子（図示せず）が接続されている。発熱電極１３３は、電極パッド１３１，１３２に架設され、これらを電気的に接続している。このような電極１３は、後述するように、本発明に係るアクチュエータの電極として機能する。
【００３０】
続いて、図２を用いて、本発明に係るアクチュエータについて説明する。図２は、本発明に係るアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
図２に示すように、アクチュエータ２は、上記の圧力発生装置１、シリコン構造体２１を有する。シリコン構造体２１は、アクチュエータ２のダイアフラムとして機能する。このシリコン構造体２１は、ガラス基板１２上に設けられ、詳細には、ガラス基板１２と陽極接合されている。
【００３１】
以上のように、本発明に係る圧力波発生装置１においては、シリコン基板１１上にガラス基板１２が設けられ、これらが陽極接合している。これによって、ガラス基板１２をシリコン基板１１に強固に接合することができるので、製造プロセスにおいてシリコン基板１１からガラス基板１２が分離することなく、その安定性を向上させることができる。それ故、圧力波発生装置１をウエハレベルの製造プロセスで歩留まり良く、効率よく製造することができ、量産された高品質の圧力波発生装置を実現することができる。
【００３２】
さらに、本発明に係るアクチュエータ２においては、ガラス基板１２上にダイアフラムとなるシリコン構造体２１が設けられている。陽極接合によって、シリコン構造体２１をガラス基板１２上に介在物なしに接合することができるので、ダイアフラムとガラス基板１２との距離を正確に制御することができる。また、ガラス基板１２とシリコン構造体２１を気密状態で接合することができる。それ故、高品質で信頼性の高いアクチュエータ２を実現することができる。
【００３３】
また、本発明に係るアクチュエータ２では、シリコン基板１１に陽極接合したガラス基板１２の上面が研磨される。このように陽極接合された構造では、シリコン基板１１、ガラス基板１２の熱物性がバルクの値とほとんど変わらない。圧力波の強度は、熱絶縁層の熱伝導率と体積あたりの熱容量に依存するので、熱物性があらかじめ既知であることは、アクチュエータ２を設計通りに確実に製造することが可能となる。
【００３４】
発明の実施の形態２．
発明の実施の形態２においては、薄膜ビーム構造を有するアクチュエータについて説明する。なお、本実施形態におけるアクチュエータにおいても、圧力波発生装置１が用いられるが、発明の実施の形態１と同様であるため、ここではその説明を省略する。
まず、図３を用いて、本実施形態におけるアクチュエータの構成について説明する。図３は、本発明に係るアクチュエータの他の構成例を示す断面模式図である。
【００３５】
図３に示すように、本実施形態におけるアクチュエータ３は、上記の圧力波発生装置にビーム３１を配設した構造を有する。
ビーム３１は、ガラス基板１２上に片持ち梁の状態で形成され、換言すれば、ビーム３１の一端のみがガラス基板１２上に固定されている。ビーム３１は、例えば多結晶シリコン薄膜を用いて構成されている。
【００３６】
続いて、図４を用いて、本発明に係るアクチュエータの製造方法について説明する。図４は、本発明に係るアクチュエータの製造工程を示す断面模式図である。
図４（ａ）に示すように、ガラス基板１２を熱絶縁層とした圧力波発生装置１が用意される。図４（ｂ）に示すように、この圧力波発生装置１上に、ビーム３１を形成するための犠牲層３３が形成される。すなわち、ガラス基板１２とビーム３１の先端とを離間するために、犠牲層３３が形成される。図４（ｃ）に示すように、犠牲層３３上に、ビーム３１となる薄膜、例えば多結晶シリコン薄膜が、その応力をコントロールされた状態で成膜される。このビーム３１を所望の形状にパターニングした後、犠牲層３３がウェットエッチングによって取り除かれ、これによってビーム３１が完成する。
【００３７】
以上のように、本実施形態におけるアクチュエータ３は、薄膜ビーム構造を有する。このようなアクチュエータ３においても、発明の実施の形態１におけるアクチュエータ２と同様の効果を得ることができる。
【００３８】
発明の実施の形態３．
発明の実施の形態１，２においては、ガラス基板１２をシリコン基板１１に陽極接合した場合について説明したが、ガラス基板１２に替えて、熱絶縁層としてガラスの薄膜層を用いてもよい。具体的には、シリコン基板１１上に、例えば、数十μｍ程度のガラスの薄膜層を形成することができる。
【００３９】
ガラスの薄膜層を用いる場合にもまた、この薄膜層とシリコン構造体２１とを陽極接合させることができる。この場合には、この接合界面におけるガラスの薄膜層に、ＮａＯ等の陽極接合に必要な材料を混入させる。また、これと同様に、シリコン構造体２１やビーム３１との接合界面におけるガラスの薄膜層に、ＮａＯ等の陽極接合に必要な材料が含まれている必要がある。
【００４０】
このように、ガラス基板１２に替えてガラスの薄膜層を用いることによっても、発明の実施の形態１，２と同様の効果を得ることができる。しかしながら、両形態を比較したとき、ガラス基板１２をシリコン基板１１に陽極接合する方が好ましい。これは、次のような理由による。
【００４１】
ガラスの薄膜層を形成する場合には、まず、薄膜面のフラットネスが低いため、シリコン基板１１との間で精度よく接合することが困難である。
さらに、シリコン基板１１とガラスの薄膜層とを陽極接合させる場合には、陽極接合に必要な材料の成分比をコントロールすることが困難である。そのため、ガラスの薄膜層を効率よく形成することができない。
さらにまた、１０μｍ程度の厚いガラス薄膜を積層すること自体が困難であり、かつ、圧力波発生装置１の効率を決める熱伝導率、体積あたりの熱容量もプロセスによってばらついてしまう。
従って、本実施形態のようにガラスの薄膜層を形成するよりも、ガラス基板１２を用いる方が好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明に係る圧力波発生装置の一構成例を示す模式図である。
【図２】本発明に係るアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【図３】本発明に係るアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【図４】本発明に係るアクチュエータの製造工程の一例を示す工程断面図である。
【図５】従来の圧力波発生装置の一構成例を示す模式図である。
【図６】従来の圧力波発生装置の一構成例を示す模式図である。
【図７】従来のアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【図８】従来のアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【図９】従来のアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【図１０】従来のアクチュエータの一構成例を示す模式図である。
【符号の説明】
【００４３】
１…圧力波発生装置、１１…シリコン基板、１２…ガラス基板、１３…電極
１３１，１３２…電極パッド、１３３…発熱電極
２…アクチュエータ、２１…シリコン構造体（ダイアフラム）
３…アクチュエータ、３１…ビーム、３２…電極、３３…犠牲層
９００…圧力波発生装置、９０１…シリコン基板、９０２…熱絶縁層、
９０３…発熱体薄膜、９０４，９０５…入力端子、
９０８…信号源
９１０…圧力波発生装置、９１３…発熱体薄膜、９１４，９１５…電極パッド、
９１６…発熱電極
９２０…静電アクチュエータ、９２１…ガラス基板、９２２…電極、
９２３…シリコン構造体（ダイアフラム）、９２４…電極
９３０…アクチュエータ、９３１…ナノ結晶層
９４０…アクチュエータ、９４１…シリコン基板、９４２…ビーム、
９４３…固定電極、９４４…可動電極、９４５…犠牲層
９５０…アクチュエータ、９５１…ナノ結晶層
【図１】
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【図２】
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【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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