(57)【要約】【課題】従来技術に比較して、ダイアフラム型センサ素子の感度を大幅に向上することができるダイアフラム型センサ素子とその製造方法を提供する。【解決手段】ダイアフラム型超音波センサ素子２０は、多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成し、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を２つの電極１６，２３で挟設してなり、２つの電極１６，２３から出力される電気信号を用いて超音波を検出する。多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、ダイアフラムの製膜中においてダイアフラムの上方向に圧力を印加することにより、ダイアフラムの上方向に凸となるようにダイアフラムを静的に撓ませる。これにより、センサ素子２０の感度を大幅に高める。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層を形成し、上記センサ材料層を２つの電極で挟設してなり、上記２つの電極から出力される電気信号を用いて所定の物理量を検出するダイアフラム型センサ素子において、
上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に凸となるように上記ダイアフラムを静的に撓ませたことを特徴とするダイアフラム型センサ素子。
【請求項２】
上記多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、上記ダイアフラムの製膜中において上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に圧力を印加することにより、上記ダイアフラムを静的に撓ませたことを特徴とする請求項１記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項３】
上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成したことを特徴とする請求項１又は２記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項４】
上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成したことを特徴とする請求項１乃至３のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項５】
上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、所定の共振周波数を有して超音波を検出する超音波センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項６】
上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの撓み量又は上記ダイアフラムに対する圧力を検出する圧力センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項７】
上記センサ材料層はピエゾ抵抗効果素子の半導体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの撓み量又は上記ダイアフラムに対する圧力を検出する圧力センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項８】
上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの分極又は分極変化を検出する分極センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項９】
上記センサ材料層はピエゾ抵抗効果素子の半導体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの抵抗又は抵抗変化を検出する抵抗センサ素子であることを特徴とする請求項１乃至４のうちのいずれか１つに記載のダイアフラム型センサ素子。
【請求項１０】
多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層を形成し、上記センサ材料層を２つの電極で挟設してなり、上記２つの電極から出力される電気信号を用いて所定の物理量を検出するダイアフラム型センサ素子の製造方法において、
上記多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、上記ダイアフラムの製膜中において上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に圧力を印加することにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に凸となるように上記ダイアフラムを静的に撓ませるステップを含むことを特徴とするダイアフラム型センサ素子の製造方法。
【請求項１１】
上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載のダイアフラム型センサ素子の製造方法。
【請求項１２】
上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０又は１１記載のダイアフラム型センサ素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばダイアフラム型圧電超音波センサ素子などのダイアフラム型センサ素子とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、空中使用のためのマイクロマシニング加工された超音波アレイセンサ素子が、自律ロボット用障害物検出、視覚障害者用インテリジェント杖及び工場、航空機又は原子力発電所における狭く複雑な管内の検査等のアプリケーションの視点から大きく注目されている。シリコンダイアフラム上の圧電マイクロセンサは、感度、電力消費量、単純な製造プロセス及び半導体デバイス上への容易な統合に関して多くの優位点を有する（例えば、非特許文献１及び２参照。）。
【０００３】
本発明者らは、シリコンダイアフラム上の圧電薄膜を使用して高感度の超音波マイクロセンサを開発した（例えば、非特許文献２及び特許文献１，２参照。）。
【０００４】
例えば、特許文献１において以下のことが開示されている。超音波アレイセンサ装置において、被測定物体の位置測定を含む物体認識を行うために、超音波センサ素子は、強誘電体であるＰＺＴセラミックス薄膜層を２つの電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサで構成される。そして、超音波センサ素子の測定動作中において、上記２つの電極間に所定のバイアス電圧を印加することにより超音波センサ素子の共振周波数を変化させることを特徴としている。また、複数の超音波センサ素子を並置してなる超音波アレイセンサ装置において、複数の超音波センサ素子の測定動作中において、各超音波センサ素子の２つの電極間にそれぞれ所定のバイアス電圧を印加することにより、各超音波センサ素子の共振周波数が互いに実質的に一致するように変化させる。
【０００５】
また、例えば、特許文献２において以下のことが開示されている。従来技術に比較して感度を増大させ、かつ外来ノイズの影響を受けにくい圧電型超音波センサ素子を提供するために、強誘電体を少なくとも２対の電極で挟設してなり、所定の共振周波数を有して超音波を検出する圧電センサにてなる圧電型超音波センサ素子が提供される。当該圧電型超音波センサ素子は、強誘電体の一方の面側に設けられた共通電極と、強誘電体の他方の側であって強誘電体の略中央部に設けられた内側電極と、強誘電体の他方の側であって内側電極よりも外側に設けられた外側電極とを備えて構成される。ここで、超音波を検出するときに内側電極と外側電極との間で出力電圧を検出する。また、超音波を検出するときに、共通電極に対する内側電極における出力電圧の符号と、共通電極に対する外側電極における出力電圧の符号とが互いに異なるような位置に外側電極を設ける。
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−２８４１８２号公報。
【特許文献２】特開２００５−０３９７２０号公報。
【非特許文献１】T. Fabula et al., “Analytical and finite element modeling of resonant silicon microsensors”, Sensors and Materials, Vol. 9. No. 8, pp.501-519, 1997.
【非特許文献２】K, Yamashita et al., “Arrayed Ultrasonic Microsensors with High Directivity for in-Air Use Using PZT Thin Film on Silicon Diaphragms”, Sensors and Actuators, A 97-18, pp.302-307, 2002.
【非特許文献３】M. Dobois et al., “Measurement of the effective transverse piezoelectric coefficient e31,f of AlN and Pb(Zrx,Ti1-x)O3 thin films”, Sensors and Actuators, A-77, pp.106-112, 1999.
【非特許文献４】K. Yamashita et al., “Ultrasonic Micro Array Sensors Using Piezoelectric Thin Films and Resonant Frequency Tuning”, Sensors and Actuators A 114, pp.147-153, 2004.
【非特許文献５】I. Demir et al., “High strain behavior of composite thin film piezoelectric membranes”, Microelectronic Engineering, No. 75, pp.12-23, 2004.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、圧電ダイアフラム構造で振動を検出するセンサ素子において、通常は、ダイアフラムを静的な撓みを生じないように作製されるか、あるいは作製工程で必然的に発生する撓みはそのままの状態で利用され、当該ダイアフラム型センサ素子の感度向上を図り、積極的に撓みを導入することは行われていない。
【０００８】
本発明の目的は以上の問題点を解決し、従来技術に比較して、ダイアフラム型センサ素子の感度を大幅に向上することができるダイアフラム型センサ素子とその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るダイアフラム型センサ素子は、多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層を形成し、上記センサ材料層を２つの電極で挟設してなり、上記２つの電極から出力される電気信号を用いて所定の物理量を検出するダイアフラム型センサ素子において、
上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に凸となるように上記ダイアフラムを静的に撓ませたことを特徴とする。
【００１０】
上記ダイアフラム型センサ素子において、上記多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、上記ダイアフラムの製膜中において上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に圧力を印加することにより、上記ダイアフラムを静的に撓ませたことを特徴とする。
【００１１】
また、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成したことを特徴とする。
【００１２】
さらに、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成したことを特徴とする。
【００１３】
また、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、所定の共振周波数を有して超音波を検出する超音波センサ素子であることを特徴とする。さらに、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの撓み量又は上記ダイアフラムに対する圧力を検出する圧力センサ素子であることを特徴とする。またさらに、上記センサ材料層はピエゾ抵抗効果素子の半導体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの撓み量又は上記ダイアフラムに対する圧力を検出する圧力センサ素子であることを特徴とする。もしくは、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記センサ材料層は強誘電体の圧電体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの分極又は分極変化を検出する分極センサ素子であることを特徴とする。とって代わって、上記ダイアフラム型センサ素子において、上記センサ材料層はピエゾ抵抗効果素子の半導体にてなり、上記ダイアフラム型センサ素子は、上記ダイアフラムの抵抗又は抵抗変化を検出する抵抗センサ素子であることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るダイアフラム型センサ素子の製造方法は、多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層を形成し、上記センサ材料層を２つの電極で挟設してなり、上記２つの電極から出力される電気信号を用いて所定の物理量を検出するダイアフラム型センサ素子の製造方法において、
上記多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、上記ダイアフラムの製膜中において上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に圧力を印加することにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に凸となるように上記ダイアフラムを静的に撓ませるステップを含むことを特徴とする。
【００１５】
上記ダイアフラム型センサ素子の製造方法において、上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１６】
また、上記ダイアフラム型センサ素子の製造方法において、上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする。
【００１７】
従って、本発明に係るダイアフラム型センサ素子において、静的撓みを有する多層構造のダイアフラムが撓み振動するときの面内方向歪みを考えると、曲げモーメントに起因する線形歪みと、構造伸縮に伴う非線形な歪みが生じる。両者の歪みは、静的撓みの凸側では加算的に作用し、凹側では、打ち消し合う。従って、静的撓みを有するダイアフラムの凸側に圧電層などの所定のセンサ材料層を形成することにより、同一の振動振幅に対して大きな信号出力を得ることができる。このような静的撓みは、多層膜構造のダイアフラムの残留応力が全体として圧縮側に働き、ダイアフラム構造が座屈する事により発生する。そこで、ダイアフラム構造の作製工程において、センサ材料層側が陰圧となるように圧力を印加することにより、座屈方向を制御して高感度なセンサ素子を得ることができる。
【発明の効果】
【００１８】
従って、本発明に係るダイアフラム型センサ素子とその製造方法によれば、センサ素子の構造や設計寸法を変更せずに、従来技術に比較して、ダイアフラム型センサ素子の感度を大幅に向上することができる。
【００１９】
また、上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成する。もしくは、上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成する。これにより、ダイアフラム型センサ素子の感度をさらに大幅に改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態において、同様の構成要素については同一の符号を付している。
【００２１】
第１の実施形態．
図１は本発明の第１の実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。本実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０は、異なる材料の複数層より構成され、各層の残留応力によって静的に撓む傾向がある。本発明者らは、当該センサ素子２０の感度は、ダイアフラムの撓み方向に大きく依存することを発見し、圧電層が凸側に存在する上側へ撓んだダイアフラムは、各層の構造、材料及び厚さ及び両ダイアフラムのサイズが同じであっても、下側へ撓んだダイアフラムより高い感度を示すことを発見した。以下の第１の実施形態では、曲り及び水平方向の歪みによって発生される歪の変化を考慮して歪の計算を実行し、測定結果との定量的比較を行った。また、有限要素法を使用してダイアフラムの撓み量の数値評価も行い、その結果が感度測定値に十分に一致していることを示す。
【００２２】
本実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０は、多層膜構造を有するダイアフラムの一方の面側に所定のセンサ材料層であるＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成し、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を２つの電極１６，２３で挟設してなり、２つの電極１６，２３から出力される電気信号を用いて超音波を検出する。多層膜構造を有するダイアフラムの内部応力による座屈を利用して、ダイアフラムの製膜中においてダイアフラムの上方向に向かう方向（以下、上方向という。その逆の方向を下方向という。）に圧力を印加することにより、ダイアフラムの上方向に凸となるようにダイアフラムを静的に撓ませる。これにより、センサ素子２０の感度を大幅に高めることを特徴としている。以下、ダイアフラム型超音波センサ素子２０について詳述する。
【００２３】
本実施形態において用いる超音波センサ素子２０は空気中での使用を想定しているため、空気中での超音波の減衰（その減衰量は周波数の−２乗に比例する。）、波長と指向性の関係（指向性利得は開口径に比例し、波長に反比例する。）及び超音波センサ素子２０のマイクロ化の要求（チップサイズ≦１０〜２０ｍｍ）から、超音波の使用周波数を１００ｋＨｚ程度とし素子構造を決定した。図１に示す超音波センサ素子２０においては、活性層の厚さが２μｍのＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を裏面から、ＥＰＷ（Ｅｔｈｙｌｅｎｅｄｉａｍｉｎｅ  Ｐｙｒｏｃａｔｅｃｈｏｌ  Ｗａｔｅｒ；エチレンジアミン（強アルカリ性の液体）と、ピロカテコール（粒状のアルコール）と、水との混合液で、シリコンの異方性エッチングに用いるエッチング液である。）による異方性エッチング法を用いてエッチングを行うことにより、０．７ｍｍ角のダイアフラム構造を作製し、圧電層としては強誘電体のゾルゲルＰＺＴ薄膜を用いた。各層の膜厚とダイアフラムの寸法は共振周波数が１００ｋＨｚとなるように設計した。アレイ形状は７×７の正方形で合計４９素子、素子間隔はいずれも１．７ｍｍで、アレイ全体は一辺１１ｍｍの正方形の領域に収まる大きさである。
【００２４】
次いで、超音波センサ素子２０の作製プロセスについて、図２の超音波センサ素子２０の製造工程処理を参照して以下に説明する。
【００２５】
上述のように、薄板構造をダイアフラム構造とし、圧電層としてスピンコートによるゾルゲル製膜法を用いる。このゾルゲル製膜法は、複合金属アルコキシド溶液を加水分解と重縮合等により粘度調整した前駆体溶液を，スピンコートによって製膜し（ゲル膜）、熱処理で結晶化させる製膜プロセスのことである。なお、圧電層の形成は異方性エッチングが完了した後である。上記ゾルゲル製膜法で用いるＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成を次の表に示す。
【００２６】
［表１］
ＰＺＴゾルゲル前駆体溶液の組成
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
溶媒      ２−メトキシエタノール
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
Ｐｂ成分    酢酸鉛３水和物
Ｚｒ成分    Ｚｒノルマルブトキシド
Ｔｉ成分    Ｔｉイソプロポキシド
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
ＰＺＴ組成  Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：５２：４８
濃度  Ｐｂ１．１５Ｚｒ０．５２Ｔｉ０．４８Ｏ３．１５として１５％ｗｔ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００２７】
（ａ）出発基板として市販のＳＯＩ構造を有する半導体チップウエハ１０を準備する（ステップＳ１）。ここで、半導体チップウエハ１０は、裏面に厚さ０．４μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１１を有するＳｉ半導体基板１０上に、厚さ０．１μｍのＳｉＯ２にてなる絶縁膜層１３を介して厚さ２．２μｍのＳｉ半導体活性層１４が形成されてなる。４インチ基板１枚を２インチ相当の八角形２枚にダイシングして用いる。２インチ相当ウエハ当たり４チップを配置している。
【００２８】
（ｂ）異方性エッチング時のマスク用及び下部電極層１６間の絶縁のために半導体チップウエハ１０の両面を熱酸化する（ステップＳ２）。炉内温度１，０００°Ｃにて、最初Ｏ２を５．０リットル／分のみで５分間ドライ酸化した後、Ｏ２（５．０リットル／分）＋Ｈ２（４．５リットル／分）で９０分ウェット酸化する。絶縁膜層１７の厚さは０．３８〜０．４４μｍで、ＥＰＷによる異方性エッチングに十分耐える厚さである。
【００２９】
（ｃ）下部電極層１６としてＰｔ／ＴｉをＲＦスパッタ装置により製膜する（ステップＳ３）。Ａｒガス流量４４ｓｃｃｍでかつ１Ｐａの雰囲気において、まず、Ｔｉを５００Ｗで１分、次に、Ｐｔを２００Ｗで１０分間スパッタリングすることにより、それぞれ膜厚０．０２μｍ及び０．２μｍを得る。フォトレジストによるリフトオフによりパターニングするため製膜時に加熱することはできないが、作製した膜をＸ線回折装置（以下、ＸＲＤ（Ｘ−Ｒａｙ  Ｄｉｆｆｒａｃｔｏｍｅｔｅｒ）により評価すると、Ｐｔ（１１１）単一配向でＰＺＴセラミックス薄膜層１７の下部電極層１６として十分良質の薄膜が形成されることを確認している。
【００３０】
（ｄ）異方性エッチング用の窓として裏面の絶縁膜層１１をＢＨＦ（Ｂｕｆｆｅｒｅｄ  Ｈｙｄｒｏ−Ｆｌｕｏｒｉｃ  ａｃｉｄ；緩衝弗酸（弱酸性の液体）、すなわち、弗酸と弗化アンモニウムの混合溶液で、主にシリコン酸化物をエッチングするために用いる。）のエッチング液でエッチングする（ステップＳ４）。この際、裏面の窓のパターンが表面のセンサ用ダイアフラムの下部電極１６の電極パターンと正確に重なるように、両面マスクアライナによりパターン合わせを行う。
【００３１】
（ｅ）異方性エッチングによりダイアフラム構造を形成する（ステップＳ５）。エッチャントとしてはＥＰＷを用い、１１４°Ｃで８〜１０時間エッチングを行う。半導体チップウエハ１０内の各エッチングホールで、エッチングレートが若干ばらついたが、ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３でエッチングはほぼ停止するので、最もエッチングレートの遅いエッチホールに合わせてエッチングを行うことにより、ダイアフラム構造を完成した。
【００３２】
（ｆ）ＳＯＩ構造のＩ層である絶縁膜層１３は上述の異方性エッチングの停止層として不可欠であるが、最終的な構造としては内部応力の原因となり得るので、異方性エッチング終了後除去する必要がある。通常の熱酸化膜であるので、ＢＨＦによりエッチングすることで除去する（ステップＳ６）。
【００３３】
（ｇ）ゾルゲル製膜法により圧電層としてＰＺＴセラミックス薄膜層１７を製膜する（ステップＳ７）。圧電層製膜後下部電極のコンタクトホールとしてＰＺＴセラミックスを弗硝酸（ＨＦ：ＨＮＯ３：Ｈ２Ｏ＝１：１：１００）でエッチングする。１μｍの厚さのＰＺＴセラミックス薄膜層１７をエッチングするために要する時間は１０〜３０秒で、この際のサイドエッチング量は５〜１０μｍである。
【００３４】
（ｈ）ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の短絡保護のための絶縁膜層としてフォトレジスト層２５を形成してパターニングする（ステップＳ８）。フォトレジストの対有機溶媒耐性を上げるために、ポストベイクにて１２０°Ｃから２００°Ｃまで徐々に温度を上げ硬化させる。これによりレジストはアセトンにほとんど溶解しなくなる。
【００３５】
（ｉ）上部電極層１８，２３としてＡｕを抵抗加熱蒸着法により製膜し（ステップＳ９）、エッチング液としてヨウ素・ヨウ化カリウム水溶液を用いてパターニングする。工程（ｈ）での高温のベイク処理によりレジストの段差部に緩やかなテーパが生じるので、上部電極層１８，２３が断線することはない、
【００３６】
以上のプロセスで超音波センサ素子２０を作製した後、八角形の２インチ相当ウウエハ１０をダイシングし４チップを分離して、パッケージに固定し各電極層１６，１８に対してボンディング１９，１９により引き出し導線２１，２２を接続した後、それぞれの引き出し導線２１，２２を端子Ｔ１，Ｔ２に接続し、ボンディングしてセンサチップを完成する。さらに、以上のように製造された超音波センサ素子２０を並置してなる超音波アレイセンサ装置３０を形成した。
【００３７】
図３は、図２のサブルーチンであるＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。当該製膜処理においては、まず、回転数４０００ｒｐｍで２０秒間スピンコート処理を実行し（ステップＳ１１）、大気中において３００゜Ｃで１０分間プリベイク処理を実行する（ステップＳ１２）。次いで、ステップＳ１３では、ステップＳ１１，Ｓ１２の処理を合計Ｎ１回（好ましい実施例では、Ｎ１＝３。）実行したか否かが判断され、ＮＯのときはステップＳ１１に戻る一方、ＹＥＳのときはステップＳ１４に進む。ステップＳ１４では、酸素雰囲気６００゜Ｃで１０分間結晶化アニール処理を実行し、ステップＳ１５では、ステップＳ１１−Ｓ１４の処理を合計Ｎ２回（好ましい実施例では、Ｎ２＝５。）実行したか否かが判断される。ＹＥＳのときは元のメインルーチンに戻る一方、ＮＯのときはステップＳ１１に戻る。
【００３８】
以上説明したように、本実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０は、ＳＯＩウエハ１０の異方性エッチングによりダイアフラム構造を作製し、圧電層としてゾルゲル法によりＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成した。ダイアフラムを構成するＳｉ半導体活性層１４とＰＺＴセラミックス薄膜層１７の厚みはそれぞれ約２μｍ，約１μｍである。この構造では、曲げに関する中立面はダイアフラム表面から約２μｍ下となりＰＺＴセラミックス薄膜層１７は中立面より上側に存在する。１８ｍｍ角のチップ内に７×７の４９素子を形成したが、撓み形状と感度についてばらつきが見られた。
【００３９】
ダイアフラム部分の静的撓みと超音波パルス照射時の出力波形を図４及び図５に示す。図４及び図５から明らかなように、上に凸のケース５１（撓み量Ｄｅｆ＝＋４μｍ）が最も感度が高く（すなわち、ダイアフラムを撓み量Ｄｅｆ＝＋１μｍ以上に静的に撓ませることが好ましい。より好ましくは、ダイアフラムを撓み量Ｄｅｆ＝＋２μｍ以上に静的に撓ませることが好ましい。さらに好ましくは、ダイアフラムを撓み量Ｄｅｆ＝＋４μｍ以上に静的に撓ませることが好ましい。）、下に凸のケース５３（撓み量Ｄｅｆ＝−４μｍ）で感度が低くなっている。超音波照射による振動等でダイアフラムの撓みが変化する際、静的撓みを持つものでは、曲げモーメントに起因する線形な歪み以外に、構造伸縮に伴う非線形の歪みが生じる。ダイアフラムの中立面より上側の部分については、静的撓みが上に凸の場合にはこの線形・非線形の両者の歪みが加算的に作用し、下に凸の場合には打ち消し合う。ＰＺＴセラミックス薄膜層１７は中立面より上側に存在することから、定性的にはセンサ感度の差異がこれで説明される。さらに、詳細後述するように、これらの歪みの作用を、解析近似法及び有限要素法による数値計算により求め、実測の静的撓み・感度と比較し、両解析結果と実測値で比較的よい一致が見られた。
【００４０】
静的撓みは、ダイアフラムが座屈すること（ここで、座屈とは、薄板に対して縦方向に加えた圧力がある限界値に達すると、横方向に変形を起こす現象をいう。）により生じており、上に凸となるか下に凸となるかは、一般にはプロセス中の微妙な応力の差異によるものと考えられる。そこで、プロセス途中でダイアフラムに圧力を印加することにより、積極的に上向きのダイアフラムを形成することを試みた。ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜途中で、図６に示すように、ダイアフラムの上方向から真空吸引することにより、１ウエハで１９６個のダイアフラムについて、約８８％のダイアフラムを上に凸に形成することができた。
【００４１】
図６は、図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０に対して減圧吸引による撓み制御を行うための装置を示す縦断面図である。図６に示すように、超音波センサ素子２０の上側に、装着ゴム３１を介して真鍮ジグ３２を装着し、真鍮ジグ３２の中央円柱孔３２ｈに円筒管３３を介して真空ポンプ３４を連結する。ここで、真空ポンプ３４を動作させて超音波センサ素子２０の上部及び真鍮ジグ３２の中央円柱孔３２ｈ内の空気を吸引することにより、撓み制御を実行してダイアフラムを上方向又は下方向に凸の形状を強制的に形成した。
【００４２】
本発明者らの実験において、図２及び図３の製造工程中の各ステップで、上方向及び下方向で所定の撓み量だけ制御するように撓み制御を試みた。その実験結果によれば、
（Ａ）ダイアフラム構造の形成直後と、
（Ｂ）下部電極製膜直後と、
（Ｃ）ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜中と、
（Ｄ）センサ構造完成後と
において、図６の装置を用いて撓み制御を実行したが、（Ａ）ダイアフラム構造の形成直後と、（Ｂ）下部電極製膜直後とにおいては、撓みが反転する前にダイアフラムが破損してしまった。また、（Ｃ）ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜中では、破損することなく撓み制御することが可能であって、必要膜厚まで体積を続けても撓み方向を維持することを確認した。さらに、（Ｄ）センサ構造完成後では、圧力印加を止めると撓みが元に戻り、撓み制御を実行できなかった。以上説明したように、ダイアフラムの撓み制御を実行するためには、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜中であって、特に、図３のプリベイク処理（ステップＳ１２）直後において実行することが好ましい。
【００４３】
以上説明したように、ダイアフラムは、加工後は上側又は下側へ静的に撓む傾向がある。ＰＺＴセラミックス薄膜層１７は上側へ撓んだダイアフラム上で凸状に曲がり、かつＰＺＴセラミックス薄膜層１７は、機械的中立面の上に存在することから膨張する。図５から明らかなように、上側又は下側へ撓んだダイアフラムの最大撓み量は、約±４μｍであり、ほぼ平坦なダイアフラムは、約−０．５μｍの最大撓み量を有する。また、図６から明らかなように、実際のセンサ素子２０の感度は、明らかにダイアフラムの撓み量に依存しており、上側へ撓んだダイアフラムは下側へ撓んだダイアフラムより遙かに高い感度を示し、ほぼ平らなダイアフラムは中間の感度を示している。
【００４４】
図７は図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０において、撓み量を増大又は減少したときの曲げモーメントによる歪みＳＭとダイアフラム全体の伸縮による歪みＳＬとを示す縦断面図であり、図７（ａ）は図７（ｂ）に図示された上に凸の状態を有するダイアフラムに対して上方向の撓み量を増大したときの縦断面図であり、図７（ｂ）は撓み量を増大又は減少する前の上に凸の状態を有するダイアフラムの縦断面図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）に図示された上に凸の状態を有するダイアフラムに対して下方向の撓み量を減少したときの縦断面図であり、図７（ｄ）は図７（ｅ）に図示された下に凸の状態を有するダイアフラムに対して上方向の撓み量を増大したときの縦断面図であり、図７（ｅ）は撓み量を増大又は減少する前の下に凸の状態を有するダイアフラムの縦断面図であり、図７（ｆ）は図７（ｅ）に図示された下に凸の状態を有するダイアフラムに対して下方向の撓み量を減少したときの縦断面図である。なお、図７において、１７はＰＺＴセラミックス薄膜層であり、１４はＳｉ半導体活性層であり、１４ＮはＳｉ半導体活性層１４の中立面であり、１４Ｎａ，１４Ｎｃ，１４Ｎｄ，１４Ｎｆはそれぞれダイアフラムが撓んだときの中立面の移動位置である。以下、図７を参照して、圧電層における歪の分析について説明する。超音波センサ素子２０の圧電出力電圧は、圧電層内の面内歪に比例する。ここでは、静的に撓んだダイアフラムの機械的中立面の上の面内歪について簡単に説明する。
【００４５】
撓み量変化に対応する面内歪の変化を振動するダイアフラムにおいて示す。面内歪は、曲げ及び横方向の膨張／圧縮によって生じる成分より成る。曲げ成分は、撓み量に比例する。横成分は、平らなダイアフラムの場合には曲げ成分に比べてとるに足らない程度であるが、撓んだダイアフラムの場合には、撓み量に対して多大な依存度を有する。従って、撓んだダイアフラムの場合は、上記歪成分の双方を考慮すべきである。図７は、撓んだダイアフラム上の曲げ歪と水平方向の歪みとの間の関係を示す概略図である。ダイアフラムが上側へ撓むとき（図７（ａ）乃至（ｃ））、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７は凸面上にある。これに対して下側へ撓んだダイアフラムの場合（図７（ｄ）乃至（ｆ））、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７は凹面上にある。撓み量が平衡状態（図７（ｂ）及び（ｅ））から増大するとき、水平方向の歪みから生じる歪ＳＬは、凸面上では曲げモーメント歪ＳＭと同じ方向を有するが、凹面上では、曲げモーメント歪ＳＭは反対向きの引張り方向を有する（圧縮として増大する）。従って、２つの歪成分は凸面上では総和され、凹面上では相殺される。すなわち、上側へ撓んだダイアフラム（ＰＺＴセラミックス薄膜層１７はダイアフラムの凸面上にある。）は、撓み量変化に対して、下側へ撓んだダイアフラム（ＰＺＴセラミックス薄膜層１７はダイアフラムの凹面上にある）より大きい歪変化を示す。
【００４６】
図８は図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０において、撓み量を増大又は減少したときの曲げモーメントによる歪みＳＭとダイアフラム全体の伸縮による歪みＳＬと図７と同様にその詳細を示す縦断面図であり、図８（ａ）は上に凸の状態を有するダイアフラムの場合の縦断面図であり、図８（ｂ）は下に凸の状態を有するダイアフラムの場合の縦断面図である。以下、図８を参照して、撓みによる面内伸縮を考慮に入れた詳細説明を行う。
【００４７】
以下では、歪みの正負は通常の材料力学での定義通り引張歪みを正とし、圧縮歪みを負とする。通常の線形近似での梁の理論や板の理論では、撓みの変動量が小さいとして曲げモーメントによる歪みのみを考慮する。しかし、このような線形近似のみで考えると、静的撓みの正負による影響は表に現れない。そこで、もう少し考慮の範囲を広げることにする。
【００４８】
一般に、自由端を持たない境界条件の梁や板は、真直の状態から撓むと必ず横方向（梁の場合は軸方向、板の場合は面内方向）の伸びを生じる（さもなければ板や梁が断裂していることになる）。従って、梁や板の各層は、曲げモーメントによる歪みと構造全体の伸縮による歪みの両方を受けていることになる。ここでは簡単のため、構造全体の伸縮による歪みは、材料や位置に関係なく構造全体に一様に作用するものとする。
【００４９】
中立面より上側にある層がこれら二種類の歪みを受ける様子の詳細を図８に模式的に示している。上に凸に撓んでいるダイアフラムでは、中立面より上の層では曲げモーメントによる歪みは正である。撓みが増すと、曲げモーメントによる歪みは増加し、撓みが減ると、曲げモーメントによる歪みは減少する。下に撓んでいるダイアフラムでは逆に、中立面より上の層では曲げモーメントによる歪みは負である。従って、撓みが増すと、曲げモーメントによる歪みは減少（負で絶対値が増加）し、撓みが減ると、曲げモーメントによる歪みは増加（負で絶対値が減少）する。一方、構造全体の伸縮による歪みに関しては、初期撓みがどちら向きであっても撓みが増加すれば歪みが増加することは明らかである。以上より、中立面より上側にある層にとっては、上に凸に撓んだ状態では曲げモーメントによる歪みと構造伸縮による歪みが同じ向きの効果を与えるのに対し、下に凸に撓んだ状態では両歪みが互いに逆向きの効果を与えることが分かる。従って、定性的には、上に凸に静的撓みを持つ方が、「撓みの変化に対する歪みの変化が大きい」ことが理に適っていると考えられる。
【００５０】
本発明の高感度化の効果について図７及び図８を参照して説明しているが、これらの説明方法の違いは以下の通りであるが、本質的に同じである。すなわち、図８では、高感度化の効果は曲げモーメントによる歪みと構造伸縮による歪みを考慮に入れることにより説明されるが、見方を変えると、静的撓みによる中立面の移動ととらえることもできる。すなわち、図７では、本来「中立面」とは「曲げにより伸縮しない面」と定義されるが、構造伸縮があるということはすなわち曲げの中立面も伸縮するとみなすことができる。従って、真に伸縮しない中立面（図７の一点鎖線）は、曲げの中立面（図７の点線）から移動していると考えるのである。一般に、面内歪みの大きさは、曲げの曲率と中立面からの距離の積で表されるので、中立面が圧電層から離れる程、同じ撓み量に対して歪みが大きくなる。
【００５１】
図９は図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の撓み量ζを理論的に解析するためのセンサ素子モデルを示す縦断面図である。以下、図９を参照して、一次元モデルを使用する面内歪の解析解について説明する。
【００５２】
本発明者らは、ダイアフラムではなく両側固定梁（ブリッジ）である図９の単純な一次元モデルを使用して、モーメントによる曲げ歪ＳＭと、水平方向の歪みＳＬとを計算した。ｘ軸に沿った梁の撓み量ζ（ｘ）を解析的に次式で表される。
【００５３】
【数１】
2006319945.tif 000003
【００５４】
ここで、ζｍは最大撓み量であり、２ａは方形ダイアフラムの横方向の長さである。曲げによって生じるｘ方向（横方向又は水平方向）の面内歪において、曲げ歪ＳＭを梁の曲率と中立面からの距離との積によって計算し、次式で表される。すなわち、曲げモーメントによる歪みＳＭは真直梁の理論をそのまま適用し、歪みを考える層の中立面からの厚さ方向の距離をｚとすると、その点の歪みは梁の曲率ｄ２ζ／ｄｘ２とｚとの積で次式のように表される。
【００５５】
【数２】
2006319945.tif 000004
【００５６】
ここで、ｚは中立面からの距離である。図１に示した構造体の場合、中立面の位置ｚはＰＺＴセラミックス薄膜層１７の中心まで約２μｍであるという計算になり、横方向の長さ２ａ＝７００μｍとなる。ここで、横方向の膨張によって生じる歪は、撓み量ζｍにより発生される横方向の長さＬ（ａ，ζｍ）の平衡状態の長さＬ（ａ，０）に対する変化比として次式のように計算される。
【００５７】
【数３】
2006319945.tif 000005
【００５８】
一般に、曲線ｆ（ｘ）の区間［ａ，−ａ］における長さＬ（ａ，ｆ（ｘ））は次式で表される。
【００５９】
【数４】
2006319945.tif 000006
【００６０】
ここで、歪み曲線ζ（ｘ）を上記式に代入して、最大撓み量ζｍを有する方形ダイアフラムの横方向の長さＬ（ａ，ζｍ）は、次式で表される。
【００６１】
【数５】
2006319945.tif 000007
【００６２】
図１０は、モーメントによる曲げ歪み量ＳＭ及び横方向の歪み量ＳＬをダイアフラムの厚さ中心（中立面）における最大撓み量の関数として示したものである。曲げ歪は面内歪に線形比例するため、ＳＭは撓み量に比例している。また、横方向の歪み量ＳＬは、図１０にプロットした領域では撓み量の二乗にほぼ比例している。撓み量が正（上側）である領域では、モーメントによる曲げ歪み量ＳＭ及び横方向の歪み量ＳＬは同符号であるが、負（下側）の撓み量領域では反対符号になる。Ｓｉ半導体活性層１４である圧電層における歪Ｓは、モーメントによる曲げ歪み量ＳＭと、横方向の歪み量ＳＬとの総和である。センサ感度は、撓み量ζｍにより発生される合計歪み量Ｓ＝（ＳＭ＋ＳＬ）の差分として計算される、撓み量変化に対する歪変化、即ちｄＳ／ｄζｍに影響される。
【００６３】
図１１は、合計歪み量Ｓと微分量ｄＳ／ｄζｍとの撓み量依存性を示す。正の撓み量は負の撓み量よりも微分量ｄＳ／ｄζｍを±５μｍの範囲で高くすることは明白であり、上記で示した測定感度に一致する。
【００６４】
次いで、ダイアフラムモデルに関する数値解析とその結果について説明する。有限要素法（ＦＥＭ）により、ダイアフラムの撓み量の数値解析を行った。最大撓み量は、図４に示した実際のセンサダイアフラムに対応する＋４μｍ、−０．５μｍ及び−４μｍを想定している。実際のセンサの撓み量と同じ撓み量＋４μｍ、−０．５μｍ、−４μｍを有する各モデルについて、撓み量変化に対する面内歪変化量（微分量）（ｄＳ／ｄζｍ）を計算し、図１１に、実際のセンサの計算結果と測定感度とを示す。図１１から明らかなように、数値解析の結果は、測定データと十分に一致していることが分かる。
【００６５】
図１３は、図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の入出力変換処理における作用効果を示す概念図である。センサを入出力系と考え、入力としての音圧から出力としての電圧への変換の過程は図１３のように表すことができる。ここで、音圧から撓み量への変換（ＳＳ１→ＳＳ２）、及び歪み量から電圧への変換（ＳＳ３→ＳＳ４）には、寸法の他に弾性定数や圧電定数といった材料定数が関わるが、撓みから歪みへの変換（ＳＳ２→ＳＳ３）は寸法だけで決定できる。そこで、本実施形態においては、この部分の変換係数の静的撓み依存性を求めることにした。
【００６６】
ダイアフラムの最大撓み量をスタイラス接触型の表面プロファイラを使用して測定し、曲げ剛性を圧力に対する撓み量の依存度によって推定した。上側へのダイアフラムと下側へのダイアフラムとの剛性比は約１．１５であり、これは撓み量変化から歪変化への変換における割合より小さい。
【００６７】
歪から出力電圧への換算因子は、圧電係数である。圧電係数ｅ３１のバイアス歪依存度については、非特許文献３において開示された研究がある。この非特許文献３によれば、歪み量が−２×１０−４のとき（撓み量が−４μｍであるダイアフラムに相当する。）、圧電係数ｅ３１は約７．５Ｃ／ｍ２であり、歪み量が４．５×１０−４のとき（静的な撓み量が＋４μｍであるダイアフラムに相当する。）、圧電係数ｅ３１は約７．８Ｃ／ｍ２である。その割合は約１．０４であり、図１３のＳＳ２からＳＳ３への変換に比べるととるに足らないものである。上記推定から、撓み量変化から歪変化への変換効果、図１３のＳＳ２からＳＳ３への変換は、図１３のＳＳ１からＳＳ２への変換、及び図１３のＳＳ３からＳＳ４への変換よりも優勢である。
【００６８】
以上説明したように、本実施形態においては、シリコンダイアフラム上に圧電薄膜を有する超音波センサを加工したところ、ダイアフラムは静的に撓む傾向があることが分かった。曲げによる歪及び横方向の膨張による歪を考察し、ダイアフラムの撓み量とセンサ感度との関係について述べた。撓んだダイアフラムモデルを使用して有限要素法による数値解析を実行すると、結果は測定感度と十分に一致した。
【００６９】
変形例．
以上の実施形態においては、１つのダイアフラム型センサ素子について説明しているが、本発明はこれに限らず、多数のダイアフラム型センサ素子をアレイ形状で並置されてなるセンサ素子装置を提供してもよい。この場合において、本発明に係る製造方法を用いることにより、当該センサ素子装置内のすべてのセンサ素子の感度を大幅に向上できる。
【００７０】
以上の実施形態においては、所定の共振周波数を有して超音波を検出する（例えば、特許文献１及び２参照。）、図１４に示すようなダイアフラム型超音波センサ素子２０について説明したが、本発明はこれに限らず、一般にはダイアフラムの撓み量を計測するセンサとして利用できる。
【００７１】
図１５は図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０を圧力センサ素子として用いるときの装置構成を示す縦断面図である。図１５において、処理室４１内において、支持台４０上にセンサ素子２０を載置し、処理室４１の上側の一方の円筒管口４１Ａからの圧力４２による圧力量ＰＡと、処理室４１の下側の他方の円筒管口４１Ｂからの圧力量ＰＢとの圧力差（ＰＡ−ＰＢ）、すなわち、ダイアフラムの表側と裏側の圧力差を示す信号を、ダイアフラム撓み量に対応した値として計算することができる。本発明に係る技術を用いれば、従来技術より高感度に圧力を測定することができる。
【００７２】
以上の実施形態においては、強誘電体にてなる圧電体を備えた圧力センサ素子を構成しているが、本発明はこれに限らず、ピエゾ抵抗効果素子を用いても、公知の通り、ダイアフラムの撓み量やダイアフラムに対する圧力を検出することができる。
【００７３】
本発明に係る技術は、図１６に示すように、ダイアフラムの撓み変化に対する面内方向歪み変化を検知するセンサにおいての感度向上に関する内容であるので、検知媒体は圧電体物質に限定されず以下のような変形例に応用できる。
【００７４】
実施形態で用いていた圧電体による検知法では、図１７に示すように、面内歪みの変化により生ずる分極変化を、コンデンサ方式で電圧として出力信号を得ることができる。すなわち、分極検出センサ素子２０Ａのダイアフラムを表面電極と裏面電極で挟設してコンデンサを形成し、分極変化量又は分極量をコンデンサに発生する電圧として電圧計４５を用いて検出することができる。本発明に係る技術を用いてセンサの高感度化を行うことにより、分極変化量も高い感度で検出することができる。
【００７５】
また、圧電体以外の検知媒体を用いる方法として、例えばピエゾ抵抗効果素子による検知法が挙げられる。シリコンやゲルマニウムなどの半導体では、結晶内に歪みを加えると、電子の分布に偏りが生じ抵抗が変化する。これを利用し、図１８に示すように、あらかじめ一定電圧を印加しておいて電流値を測定することにより、歪み量を計測することができる。このようなピエゾ抵抗式の検知法を用いて、抵抗変化量又は抵抗値を検出できる。すなわち、抵抗変化検出センサ素子２０Ｂのダイアフラムの横方向（ｘ方向に直交するｙ方向）の抵抗変化を、直流電源４６と電流計４７を用いて検出することができる。本発明に係る技術を用いてセンサの高感度化を行うことにより、抵抗変化量も高い感度で検出することができる。
【００７６】
第２の実施形態．
第２の実施形態に係るダイアフラム型センサ素子は、第１の実施形態に係るダイアフラム型センサ素子において、
（ａ）ダイアフラムの下側に形成されたＰｔ／Ｔｉ層である下部電極層１６におけるＰｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６を形成したことを特徴とする。
（ｂ）また、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成したことを特徴とする。
【００７７】
第２の実施形態においては、図２に示すプロセスフローによって製造されるアレイセンサ素子のチップ上で上方向に撓ませられるダイアフラムの割合は、通常１０〜１５％である。バックリング方向は、図２のステップＳ５におけるダイアフラムの曲げモーメントにより決定されることが考えられる。ダイアフラムの上方向への撓み量を増大させるために、曲げモーメントの制御を試みた。具体的には、外力を加えるのではなく、ダイアフラムを構成する各層の残留応力を利用した座屈制御を行い、以下の段階の各構造においてダイアフラムの静的撓み量を測定して、デミール（Ｄｅｍｉｒ）らの方法（例えば、非特許文献５参照。）に基づいてダイアフラム全体の持つ残留応力を解析し、その結果から下部電極層、圧電体層それぞれが発生する換算応力を求めた。
（Ａ）段階Ａ：異方性エッチング（図２のＳ５）直後の段階をいう。
（Ｂ）段階Ｂ：下部電極層１６の製膜（図２のＳ３）直後の段階をいう。
（Ｃ）段階Ｃ：ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜（図２のＳ７）直後の段階をいう。
【００７８】
まず、残留応力の推定方法について以下に説明する。ここで、等圧力が印加される四角いダイアフラムの撓み量、圧力及び残留応力の関係は、次式のように表される。撓み量は厚さにとって十分な大きさであることから、曲げ効果は無視することができる（例えば、非特許文献５参照。）。
【００７９】
【数６】
2006319945.tif 000008
【００８０】
ここで、ｐは印加される静圧であり、ｗ０はダイアフラムの中心における撓み量であり、また、ａ、ｔ、Ｅ、ν及びσはそれぞれダイアフラムのサイズ、厚さ、等価ヤング率、等価ポワソン比及び残留応力である。上記式（６）の右辺の第１項は残留応力に関連し、その第２項は横膨出の効果を表す。Ｃ１及びＣ２は予め算出された定数であり、Ｃ１＝３．３９３、Ｃ２＝１．９６−０．４νである。この場合、ポワソン比はν＝０．２８である（非特許文献５参照。）。残留応力σは式（６）から、ダイアフラム中心の撓み量ｗ０を測定し、ダイアフラムは印加圧力０で静的撓みを有することからｐ＝０を置くことによって計算される。図２のプロセスフローにおける段階Ａ，Ｂ，Ｃでのダイアフラムの撓み量を測定し、残留応力を計算した。その解析結果を表２に示す。
【００８１】
［表２］
プロセス各段階での静的撓み量と積層された最上層の応力の寄与
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
各プロセスによる構造                プロセスＡ    プロセスＢ    プロセスＣ
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
ダイアフラムの静的撓み量［μｍ］        １１          １４            ４
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
残留応力［ＭＰａ］                    −３０        −４８        −１０
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
最上層の寄与の応力換算［ＭＰａ］          −      −３０３      ＋１３７
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
層の厚さ［μｍ］                          −    Ｐｔ／Ｔｉ層      ＰＺＴ層
０．２２            １
―――――――――――――――――――――――――――――――――――――――
【００８２】
表２から明らかなように、下部電極層１６が−３０３ＭＰａ，ＰＺＴセラミックス薄膜層１７が１３７ＭＰａ相当の寄与を持つことが分かり、上方向に凸の撓み量を増大するには下部電極層１６を厚くすることが有効であることが示された。
【００８３】
ダイアフラムの撓み量は、Ｐｔ／Ｔｉ層である下部電極層１６を形成すると増大し、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成すると低減する。これは、下部電極層１６が圧縮応力を有し、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７は引張り応力を発生させることを意味する。これらの層１６，１７がダイアフラムの撓み量に与える効果を、層厚さを考慮して計算し、その計算結果を表２に示す。
【００８４】
［表３］
ダイアフラム構造のリリース時の残留曲げモーメントの比較
―――――――――――――――――――――――――――――――――
（ａ）構造Ｐ：ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２のとき
上向き曲げモーメントＭｕ＝３．９×１０−８Ｎｍ
下向き曲げモーメントＭｄ＝４．２×１０−８Ｎｍ
―――――――――――――――――――――――――――――――――
（ｂ）構造Ｑ：Ｐｔ／Ｔｉ／ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２のとき
上向き曲げモーメントＭｕ＝８．３×１０−８Ｎｍ
下向き曲げモーメントＭｄ＝７．３×１０−８Ｎｍ
―――――――――――――――――――――――――――――――――
【００８５】
プロセスの改良について表３を参照して以下に説明する。自発的な撓みにとって、ダイアフラム構造体がバルクシリコンからリリースされるときの曲げモーメントは重要である。表３の構造Ｐ及びＱを有する構造体の曲げモーメントを、各層の残留応力を使用して計算している。上向きの曲げモーメントはダイアフラムの中立面より上で引き起こされ、下向きの曲げモーメントは中立面より下で引き起こされる。表３の計算結果から明らかなように、構造Ｐを有する構造体の場合、上向きの曲げモーメントは下向きのものより僅かに小さいが、構造Ｑを有する構造体の場合では、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６によって引き起こされる強力な圧縮応力により、上向きのモーメントは下向きのものより大きい。従って、ダイアフラム構造体は、そのリリースの瞬間においては構造Ｐを有する構造体であるべきである。この状況を実現するために、プロセスは、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６が異方性エッチングの完了より前に形成されるべきであり、第１の実施形態で前述した通りである。
【００８６】
すなわち、薄いダイアフラム構造がリリースされる瞬間（異方性エッチング完了時）の曲げモーメントの向きは座屈の方向に大きな影響を与えると考えられるが、同様の解析方法により従来プロセスでの異方性エッチング完了時の残留曲げモーメントを計算すると、僅かに下向きであり（表３の構造Ｐ）、大きな圧縮応力を発生する下部電極を異方性エッチング完了前に製膜することにより、構造リリース時の曲げモーメントを上向きに修正することができる（表３の構造Ｑ）。
【００８７】
次いで、層構造の改良について以下に説明する。撓み量を増大させるためには、より厚い下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６又はより薄いＰＺＴセラミックス薄膜層１７を選択することが好ましい。より薄いＰＺＴセラミックス薄膜層１７は、圧電性の電気機械結合による低感度をもたらす。一方で、より厚い下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６はダイアフラムをさらに剛化させる。しかしながら、表２に示すように、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６はＰＺＴセラミックス薄膜層１７より２１０％も効果的であり、厚さ０．５２μｍまでの補剛による影響はほとんどない。
【００８８】
ここで、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６の厚さを増すことにより曲げモーメントを大きくすることができるが、同時にダイアフラム自体の曲げ剛性が大きくなる。圧電層に生じる歪みの大きさはダイアフラムに印加される圧力と曲げ剛性の積に比例するので、曲げ剛性が大きくなると「圧電層歪み÷ダイアフラム圧力」、すなわちセンサ感度が低下する。ダイアフラムの曲げ剛性は次式で与えられる。
【００８９】
【数７】
2006319945.tif 000009
【００９０】
ここで、Ｅｉ，ｔｉはそれぞれダイアフラムを構成する各層のヤング率と厚さであり、また、ｈｉはダイアフラム底面からの各層の高さである。ここでは、測定より求めた下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６の発生応力と上記式（７）より、センサ感度に悪影響を与えない範囲で下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６を厚くできる限度を、Ｐｔ層の厚さを５００ｎｍと、Ｔｉ層の厚さを２０ｎｍと決定した。発明者らのシミュレーションによれば、Ｔｉ層の厚さは好ましくは、５ないし３０ｎｍであり、より好ましくは１５ないし２５ｎｍである。また、Ｐｔ層の厚さは好ましくは２００ないし７００ｎｍであり、より好ましくは３００ないし５００ｎｍである。すなわち、第２の実施形態では、ダイアフラムの下側に形成されたＰｔ／Ｔｉ層である下部電極層１６におけるＰｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように（すなわち、相殺しない範囲で）増大させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６を形成している。また、上述のように、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように（すなわち、相殺しない範囲で）減少させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成する。これにより、センサ素子の感度を第１の実施形態に比較して大幅に向上できる。
【００９１】
さらに、残留応力の制御方法を使用して、アレイセンサのチップを次のように製造した。
（１）比較例：図２のステップＳ２とＳ３とを入れ替えたときの製造方法を用いる。また、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６におけるＰｔ層の厚さを２００ｎｍとし、Ｔｉ層の厚さを２０ｎｍとする。
（２）実施例Ｒ１：上記比較例の製造方法を用いて、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６におけるＰｔ層の厚さを５００ｎｍとし、Ｔｉ層の厚さを２０ｎｍとする。すなわち、層構造を改良する。
（３）実施例Ｒ２：第１の実施形態に係る製造方法（図２）を用いて、実施例Ｒ１の改良された層構造を用いる。
【００９２】
発明者らが実際に上記の３つの場合についてセンサ構造を作製した場合において、すなわち、層構造及びプロセスを変更して製造されたチップ上の上方向に撓むダイアフラムを得られる割合の実験結果を表４に示す。
【００９３】
［表４］
層構造及びプロセスを変更して製造されたチップ上の上方向に撓むダイアフラムを得られる割合
――――――――――――――
比較例：      １０％
実施例Ｒ１：  ３５％
実施例Ｒ２：  ７０％
――――――――――――――
【００９４】
表４から明らかなように、従来１０％程度であった上向きのセンサ素子が、まず構造リリース時の曲げモーメント修正により約３５％に、さらに下部電極層を厚くすることにより約７０％まで増加させることができた。各層の応力をさらに精細に制御することにより、より多くの素子を上向きに揃えることができると考えられる。
【００９５】
最後に、撓み制御により高感度化を行った１チップのうち全４９素子の感度の比較を行った。図１９は本発明の第２の実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０において撓み方向制御を行ったときのアレイチップ上の各超音波センサ素子の感度を示すグラフである。図１９から明らかなように、白抜きで示した下向きセンサ素子に比べて、ハッチングで示した上向きセンサ素子は全体として４ないし６倍の高感度化が達成されている。
【００９６】
以上説明したように、感度向上を目的として、ダイアフラム型超音波マイクロセンサの撓み制御方法を提案した。ダイアフラムが圧電層の方向へ撓むセンサ素子はより高い感度を有するため、バックリングプロセスによる２つの撓み制御方法を実行した。多層ダイアフラムの残留応力を分析し、製造プロセスにおけるダイアフラム構造の最適な層厚さ及びリリース・タイミングを決定した。４９素子アレイチップにおいて上方向に撓むダイアフラムの数は、残留応力の改良によって１０％から７０％まで増加した。ＰＺＴの単層ゲル膜で被覆されたダイアフラムに真空吸引を実行して撓み量を首尾良く制御したところ、製造プロセスを通じてバックリング方向が保持された。最終的には、ダイアフラムの８７％を上方向に撓ませると、これらは下方向に撓ませられたダイアフラムの４ないし６倍の感度を有する。
【００９７】
すなわち、第２の実施形態に係るダイアフラム型センサ素子によれば、第１の実施形態に係るダイアフラム型センサ素子において、
（ａ）ダイアフラムの下側に形成されたＰｔ／Ｔｉ層である下部電極層１６におけるＰｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように（すなわち、相殺しない範囲で）増大させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、下部電極層（Ｐｔ／Ｔｉ層）１６を形成し、もしくは、
（ｂ）また、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように（すなわち、相殺しない範囲で）減少させることにより、上記ダイアフラムの上方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、ＰＺＴセラミックス薄膜層１７を形成する。
これにより、センサ素子の感度を第１の実施形態に比較して大幅に向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上詳述したように、本発明に係るダイアフラム型センサ素子とその製造方法によれば、ダイアフラム型センサ素子を、超音波センサや圧力センサなどの種々のセンサ素子として用いることができ、しかも、センサ素子の構造や設計寸法を変更せずに、従来技術に比較して、ダイアフラム型センサ素子の感度を大幅に向上することができる。
【００９９】
また、上記ダイアフラムの他方の面側に形成された１つの電極はＰｔ／Ｔｉ層であり、上記Ｐｔ層の厚さを、上記ダイアフラムの剛化によるセンサ感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように増大させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記Ｐｔ／Ｔｉ層の電極を形成する。もしくは、上記センサ材料層の厚さを、上記センサ素子の圧電性の電気機械結合による感度の低下が上記ダイアフラムの静的撓みによるセンサ感度の向上を相殺しないように減少させることにより、上記ダイアフラムの一方の面側に向かう方向に撓む曲げモーメントを増大させるように、上記センサ材料層を形成する。これにより、ダイアフラム型センサ素子の感度をさらに大幅に改善できる。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０の構造を示す縦断面図である。
【図２】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の製造工程処理を示すフローチャートである。
【図３】図２のサブルーチンであるＰＺＴセラミックス薄膜層１７の製膜処理（ステップＳ７）を示すフローチャートである。
【図４】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の実験結果であって、当該ダイアフラム型超音波センサ素子２０の撓み量をパラメータとしたときの、出力電圧波形を示す図である。
【図５】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０に対して減圧吸引による撓み制御を行うための装置を示す縦断面図である。
【図６】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の実験結果であって、当該ダイアフラム型超音波センサ素子２０のｘ方向（水平方向）の位置に対する撓み量を示すグラフである。
【図７】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０において、撓み量を増大又は減少したときの曲げモーメントによる歪みＳＭとダイアフラム全体の伸縮による歪みＳＬとを示す縦断面図であり、図７（ａ）は図７（ｂ）に図示された上に凸の状態を有するダイアフラムに対して上方向の撓み量を増大したときの縦断面図であり、図７（ｂ）は撓み量を増大又は減少する前の上に凸の状態を有するダイアフラムの縦断面図であり、図７（ｃ）は図７（ｂ）に図示された上に凸の状態を有するダイアフラムに対して下方向の撓み量を減少したときの縦断面図であり、図７（ｄ）は図７（ｅ）に図示された下に凸の状態を有するダイアフラムに対して上方向の撓み量を増大したときの縦断面図であり、図７（ｅ）は撓み量を増大又は減少する前の下に凸の状態を有するダイアフラムの縦断面図であり、図７（ｆ）は図７（ｅ）に図示された下に凸の状態を有するダイアフラムに対して下方向の撓み量を減少したときの縦断面図である。
【図８】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０において、撓み量を増大又は減少したときの曲げモーメントによる歪みＳＭとダイアフラム全体の伸縮による歪みＳＬと図７と同様にその詳細を示す縦断面図であり、図８（ａ）は上に凸の状態を有するダイアフラムの場合の縦断面図であり、図８（ｂ）は下に凸の状態を有するダイアフラムの場合の縦断面図である。
【図９】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の撓み量ζを理論的に解析するためのセンサ素子モデルを示す縦断面図である。
【図１０】図９のセンサ素子モデルに基づいた理論結果であって、最大撓み量ζｍに対する歪み量ＳＭ，ＳＬを示すグラフである。
【図１１】図９のセンサ素子モデルに基づいた理論結果であって、最大撓み量ζｍに対する合計歪み量Ｓ＝（ＳＭ＋ＳＬ）とその微分量ｄＳ／ζｍを示すグラフである。
【図１２】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０において測定された測定結果及び図９のセンサ素子モデルに基づいた理論結果であって、最大撓み量ζｍに対する相対感度（任意単位）及び合計歪み量Ｓの微分量ｄＳ／ζｍを示すグラフである。
【図１３】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の入出力変換処理における作用効果を示す概念図である。
【図１４】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０を超音波センサ素子として用いるときの装置構成を示す縦断面図である。
【図１５】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０を圧力センサ素子として用いるときの装置構成を示す縦断面図である。
【図１６】図１のダイアフラム型超音波センサ素子２０の撓み変化と面内方向の歪み変化を示す縦断面図である。
【図１７】本発明の第１の変形例に係る分極変化検出センサ素子２０Ａの構成及び動作を説明するための概略斜視図である。
【図１８】本発明の第２の変形例に係る抵抗変化検出センサ素子２０Ａの構成及び動作を説明するための概略斜視図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態に係るダイアフラム型超音波センサ素子２０において撓み方向制御を行ったときのアレイチップ上の各超音波センサ素子の感度を示すグラフである。
【符号の説明】
【０１０１】
１０…半導体チップウエハ、
１１…半導体基板、
１２，１３，１５…絶縁膜層、
１４…半導体活性層、
１４Ｎ…中立面、
１６，１８，２３…電極層、
１７…ＰＺＴセラミックス薄膜層
１９…ボンディング、
２０…超音波センサ素子、
２０Ａ…分極検出センサ素子、
２０Ｂ…抵抗検出センサ素子、
２１，２２…引き出し導線、
２５…フォトレジスト層、
３１…装着用ゴム、
３２…真鍮ジグ、
３３…円筒管、
３４…真空ポンプ、
４０…支持台、
４１…処理室、
４１Ａ，４１Ｂ…円筒管口、
４２…圧力、
Ｔ１，Ｔ２…端子。
【図１】
2006319945.tif 000010
【図２】
2006319945.tif 000011
【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】
2006319945.tif 000016
【図８】
2006319945.tif 000017
【図９】
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【図１０】
2006319945.tif 000019
【図１１】
2006319945.tif 000020
【図１２】
2006319945.tif 000021
【図１３】
2006319945.tif 000022
【図１４】
2006319945.tif 000023
【図１５】
2006319945.tif 000024
【図１６】
2006319945.tif 000025
【図１７】
2006319945.tif 000026
【図１８】
2006319945.tif 000027
【図１９】
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