(57)【要約】【課題】高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子を提供すること。【解決手段】ＭＥＭＳ素子１０００は、基板１００に形成された空洞部１０８と、空洞部１０８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１１１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とが積層されており、圧電素子部１１１は、第一電極１０４と、第二電極１０６と、第一電極１０４と第二電極１０６とに挟持された圧電材料１０５と、を備える。これにより、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子が実現できる。【選択図】図１
2015204544.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、
前記空洞部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、前記基板と接している第一薄膜と第二薄膜とが少なくとも積層されており、
前記圧電素子部は、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えることを特徴とするＭＥＭＳ素子。
【請求項２】
前記第一薄膜の厚みをｈ1、ヤング率をとＥ1とし、前記第二薄膜の厚みをｈ2、ヤング率をＥ2とした際に、数式１の関係式を満たすことを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ素子。
【数１】
2015204544.tif 000012
【請求項３】
前記第一薄膜の厚みｈ1と前記第二薄膜の厚みｈ2とが、数式２の関係式を満たすことを特徴とする請求項２に記載のＭＥＭＳ素子。
【数２】
2015204544.tif 000013
【請求項４】
前記第一薄膜の膜応力をＰ1とし、前記第二薄膜の膜応力をＰ2とした際に、前記第一薄膜の膜応力Ｐ1と前記第二薄膜の膜応力Ｐ2とが数式３の関係式を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳ素子。
【数３】
2015204544.tif 000014
【請求項５】
前記第二薄膜は、酸化ジルコニウム膜であること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】
前記第一薄膜は、窒化珪素膜であること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、第一薄膜と第二薄膜とを積層する工程と、
前記第二薄膜上に、第一電極と、第二電極と、前記第一電極と前記第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えた圧電素子部を形成する工程と、
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工程と、
を備えたことを特徴とするＭＥＭＳ素子の製造方法。
【請求項８】
前記空洞部を形成する工程において、水酸化カリウムを含んだ溶液を用いて前記空洞部を形成すること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ＭＥＭＳ素子の製造方法にて製造されたＭＥＭＳ素子を備えたこと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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
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】
【０００５】
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。
【０００６】
（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、空洞部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、ダイヤフラム部は基板と接している第一薄膜と第二薄膜とが少なくとも積層されており、圧電素子部は、第一電極と、第二電極と、第一電極と第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えることを特徴とする。
この構成によると、ダイヤフラム部を少なくとも二層の薄膜で構成することで、高周波動作が可能な信頼性の高いものとすることができる。従って、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子が実現できる。
【０００７】
（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とした際に、数式１の関係式を満たすことが好ましい。
【０００８】
【数１】
2015204544.tif 000003
【０００９】
この構成によると、高い剛性を有する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信頼性の高い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、第一薄膜の厚みｈ1と第二薄膜の厚みｈ2とが、数式２の関係式を満たすことが好ましい。
【００１１】
【数２】
2015204544.tif 000004
【００１２】
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るため、高周波動作で且つ動作周波数のばらつきが小さい安定したＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１３】
（適用例４）上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第一薄膜の膜応力をＰ1とし、第二薄膜の膜応力をＰ2とした際に、第一薄膜の膜応力Ｐ1と第二薄膜の膜応力Ｐ2とが、数式３の関係式を満たすことが好ましい。
【００１４】
【数３】
2015204544.tif 000005
【００１５】
この構成によると、第一薄膜の膜応力Ｐ1よりも第二薄膜の膜応力Ｐ2のほうが小さい。これによってクラックなどの発生を抑制でき、ダイヤフラム部の膜厚を厚くすることが可能である。すなわち、この構成によって高周波動作で信頼性の高いＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１６】
（適用例５）上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第二薄膜は、酸化ジルコニウム膜であることが好ましい。
この構成によると、高い剛性を有し、膜厚を厚くすることも容易な酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部の主要素となる第二薄膜に用いることによって、高周波動作が可能な信頼性の高いＭＥＭＥＳ素子が実現できる。
【００１７】
（適用例６）上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子において、第一薄膜は、窒化珪素膜であることが好ましい。
この構成によると、基板との密着性が高く、且つ基板をエッチングする際の強固なエッチング保護層となりえる窒化珪素膜を第一薄膜に用いることによって、ダイヤフラム部の膜厚が安定する。従って、動作周波数が安定したＭＥＭＳ素子が実現できる。
【００１８】
（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、第一薄膜と第二薄膜とを積層する工程と、第二薄膜上に、第一電極と、第二電極と、第一電極と第二電極とに挟持された圧電材料と、を備えた圧電素子部を形成する工程と、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工程と、を備えたことを特徴とする。
この方法によると、基板上に、基板と接する第一薄膜と、第二薄膜とを積層する。このような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、動作周波数が高く、且つ動作周波数のばらつきが小さく、信頼性を高めることができる。
【００１９】
（適用例８）上記適用例に関わるＭＥＭＳ素子の製造方法は、空洞部を形成する工程において、水酸化カリウムを含んだ溶液を用いて空洞部を形成することが好ましい。
この方法によると、水酸化カリウムを含んだ溶液にて空洞部を形成することで、第一薄膜がエッチングされることがなく、ダイヤフラム部の膜厚が安定する。更に基板がダイヤフラム部に対して垂直にエッチングされるため、基板とダイヤフラム部が直角に交差するようになるため、ダイヤフラム部が振動した際に、支点である基板の端部が破壊される恐れを抑制できる。このような工程によって形成された空洞部を有するＭＥＭＳ素子は、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性を高めることができる。
【００２０】
（適用例９）本適用例に関わる電子機器は、上記の適用例に記載のＭＥＭＳ素子、又は上記の適用例に記載のＭＥＭＳ素子の製造方法にて製造されたＭＥＭＳ素子を備えたことを特徴とする。
この構成によると、高周波動作が可能で、且つ動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高い電子機器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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と窒化珪素膜とのヤング率を示すグラフ。
【図３】酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を示すグラフ。
【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】酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフ。
【図６】酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフ。
【図７】本実施形態に係る電子機器を説明した図。
【図８】変形例１に係るＭＥＭＳ素子の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
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。
また、以下の形態において、「○○上に」と記載された場合は、○○の表面上に接する様に配置される場合、又は○○の表面上に他の構成物を介して配置される場合、又は○○の表面上に一部が接する様に配置され一部が他の構成物を介して配置される場合、を表すものとする。
【００２３】
（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と窒化珪素膜とのヤング率を示すグラフである。図３は、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を示すグラフである。まず、図１乃至図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。
【００２４】
図１に示す様に、ＭＥＭＳ素子１０００は、基板１００、ダイヤフラム部１０１、圧電素子部１１１、引き出し電極１０７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、空洞部１０８が形成された基板１００と、空洞部１０８を覆うように基板１００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１１１と、圧電素子部１１１上に設けられた引き出し電極１０７と、を有する。
【００２５】
ダイヤフラム部１０１は、基板１００側から順に第一薄膜１０２と、第二薄膜１０３とが積層されている。第一薄膜１０２と第二薄膜１０３とは特性が異なる薄膜である。
圧電素子部１１１は、第一電極１０４と、第二電極１０６と、第一電極１０４と第二電極１０６とに挟持された圧電材料１０５と、を備えており、ダイヤフラム部１０１側から順に第一電極１０４と、圧電材料１０５と、第二電極１０６とが積層されている。
引き出し電極１０７は、導電性材料が用いられ、圧電素子部１１１の第一電極１０４と第二電極１０６とに電気的に接続されている。
【００２６】
基板１００としては、珪素を主成分とする珪素基板を用いる。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、単結晶珪素基板が好ましく、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。本実施形態では、面方位が（１１０）の単結晶珪素基板を用いた場合で説明する。
単結晶珪素基板の（１１０）面は、後に詳述する様に、基板１００を、ダイヤフラム部１０１形成面の反対面である裏面（図１の下側）より、ウェットエッチングによって空洞部１０８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１０８をなす基板１００の側壁とダイヤフラム部１０１の空洞部１０８に露出する面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。
【００２７】
ダイヤフラム部１０１は、第一電極１０４と第二電極１０６に電圧が印加された際に圧電材料１０５が機械的変位することを受けて振動し、外部に信号を発信する。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１０５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１０４と第二電極１０６とから取り出すことで外部信号を受信することができる。すなわち、ダイヤフラム部１０１は発信も受信も可能な振動板として機能している。
【００２８】
ところで、一般的に、ＭＥＭＳ素子の動作周波数は数式４にて表される。
【００２９】
【数４】
2015204544.tif 000006
【００３０】
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Ｄを高くすること、もしくは短辺の長さａを短くすることが、動作周波数ｆ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ａを短くすると、ＭＥＭＳ素子の加工ばらつきに対してより敏感になるため、個々のＭＥＭＳ素子の発振周波数のばらつきが大きくなる。つまり、曲げ剛性Ｄを大きくすることが高周波動作において好適な手段である。この曲げ剛性Ｄは数式５にて表される。
【００３１】
【数５】
2015204544.tif 000007
【００３２】
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。
【００３３】
図２に、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜と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、又は窒化珪素膜の方が、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、ダイヤフラム部１０１が同じ膜厚の場合には、酸化珪素膜よりも、酸化ジルコニウム膜もしくは窒化珪素膜でダイヤフラム部１０１を構成したほうが、動作周波数ｆはおよそ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、又は窒化珪素膜を用いてダイヤフラム部１０１を構成することが望ましい。
【００３４】
図３に、酸化珪素膜と酸化ジルコニウム膜と窒化珪素膜との膜応力を測定した結果を示す。グラフのＹ軸目盛は膜応力（Gpa）を示しており、プラス方向が引っ張り応力、マイナス方向が圧縮応力を示している。これより、窒化珪素膜は極めて大きい圧縮応力を有していることが分かる。膜応力は、引っ張り応力と圧縮応力どちらの応力においても、膜のクラックや基板の反りと密接に関係している。応力が大きい場合、膜厚を厚くするとクラックが発生しやすくなる。加えて、基板の反りが大きくなると、ＭＥＭＳ素子製造時の製造装置での基板搬送が困難になる等の不具合を引き起こす。すなわち、窒化珪素膜をダイヤフラム部１０１の主要素にする場合には膜厚を薄くせざるを得ない。数式４，５より、動作周波数ｆはダイヤフラム部１０１の膜厚ｈに比例しているため、ダイヤフラム部１０１の膜厚ｈが薄い場合には動作周波数が低くなる。それに対して、酸化ジルコニウム膜は、窒化珪素膜に比べて膜応力が小さい為クラックが発生しにくく、且つ基板１００が反りにくい。そのため、膜厚ｈを厚くすることが容易である。
【００３５】
このように、窒化珪素膜をダイヤフラム部１０１の主要素として構成するよりも、酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部１０１の主要素として構成すると、膜厚ｈの厚いダイヤフラム部１０１が形成でき、ＭＥＭＳ素子１０００の高周波動作が可能となる。
【００３６】
本実施形態では、ダイヤフラム部１０１を特性が異なる第一薄膜１０２と第二薄膜１０３とが積層された構成としている。具体的には、基板１００との密着性を高める役割を果たす第一薄膜１０２と、剛性が高く、且つ膜厚を厚くすることが容易な第二薄膜１０３を用いてダイヤフラム部１０１を構成している。このようにすることで高周波動作が可能な信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できる。
【００３７】
また、第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素としている。このようにすることで、更に高周波動作を有する信頼の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できる。本実施形態では、第一薄膜１０２の厚みをｈ1、ヤング率をＥ1とし、第二薄膜１０３の厚みをｈ2、ヤング率をＥ2とした際に、数式６の関係式を満たすような構成としている。
【００３８】
【数６】
2015204544.tif 000008
【００３９】
数式５を参照すると、曲げ剛性Ｄは、ヤング率と膜厚の３乗との積Ｅｈ3に比例しており、数式６の構成を取ることで、第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素とすることができ、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。
【００４０】
本実施形態では、ダイヤフラム部１０１を構成する二層の薄膜のうちで、基板１００と接している第一薄膜１０２には、窒化珪素膜が用いられている。窒化珪素膜は、基板１００の材料と同種の材料を含んだ材料であるため、ダイヤフラム部１０１と基板１００との密着性を高めることができる。
また、第一薄膜１０２の膜厚は５０ｎｍ以上から２００ｎｍ以下の範囲にある。これによって、第二薄膜１０３を単層でダイヤフラム部１０１として使用する場合と比較して、基板１００とダイヤフラム部１０１との密着性が向上する。さらに、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恐れを抑制することができる。即ち、ＭＥＭＳ素子１０００は、高周波で安定的に動作するようになる。
【００４１】
さらに、窒化珪素膜は基板１００と同一の材料ではなく、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。これにより、第一薄膜１０２を、空洞部１０８の形成時のエッチングストッパー層として用いることができる。後述するように、基板１００に空洞部１０８を形成するにあたり、基板１００を裏面からエッチングする際に、第一薄膜１０２である窒化珪素膜がエッチングストッパーとして機能する。特に水酸化カリウムを含んだ溶液を用いたエッチングでは窒化珪素膜（第一薄膜１０２）は、ほとんどエッチングされないためダイヤフラム部１０１の膜厚ばらつきを抑えることができる。数式４，５より、動作周波数ｆはダイヤフラム部１０１の膜厚ｈに比例しているため、膜厚ｈのばらつきを抑えることは動作周波数ｆのばらつきを抑えることにつながる。
【００４２】
なお、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１０８加工時にエッチングストッパーとして機能する薄膜であれば窒化珪素膜に限定されることはなく、これ以外に例えば、酸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。
【００４３】
基板１００から見て第一薄膜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、ヤング率と膜厚の３乗との積Ｅｈ3を大きくすることが必要である。本実施形態では、第二薄膜１０３に酸化ジルコニウム膜を用いた。酸化ジルコニウム膜は第一薄膜１０２の窒化珪素膜よりも曲げ剛性が大きく、酸化ジルコニウム膜をダイヤフラム部１０１の主要素とすることにより、ＭＥＭＳ素子１０００の高周波動作が可能となる。
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以上とするのが好ましい。第二薄膜１０３の厚みを４００ｎｍ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を実現できる。
【００４４】
第二薄膜１０３は、膜厚が厚くすることが容易で、且つヤング率が高い薄膜であれば、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。
【００４５】
また、第二薄膜１０３の膜厚は、第一薄膜１０２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とが、数式７の関係式を満たす事が好ましい。
【００４６】
【数７】
2015204544.tif 000009
【００４７】
これにより、数式６を満たして第二薄膜１０３をダイヤフラム部１０１の主要素とすることができる。
【００４８】
また、ダイヤフラム部１０１の主要素である第二薄膜１０３の膜厚はできる限り厚くすることが好ましい。先述した通り、膜厚を厚くするためには膜応力が０に近いことが望まれる。具体的には、第一薄膜の膜応力をＰ1とし、第二薄膜の膜応力をＰ2とした際に、第一薄膜１０２の膜応力Ｐ1と第二薄膜１０３の膜応力Ｐ2とが、数式８の関係式を満たすことが好ましい。
【００４９】
【数８】
2015204544.tif 000010
【００５０】
この構成によると、第一薄膜１０２の膜応力よりも第二薄膜１０３の膜応力のほうが小さい。これによって第二薄膜１０３の膜厚を厚くすることが容易となり、クラックなどの不具合を抑制しつつ、ダイヤフラム部１０１の膜厚を厚くすることが可能となる。すなわち、この構成によって高周波動作で信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できる。
【００５１】
なお、第二薄膜１０３の厚みを２０００ｎｍ以下とすることが好ましい。第二薄膜１０３の厚みを２０００ｎｍ以下とすることで、膜応力によるクラックの発生確率を低下させ、ＭＥＭＳ素子１０００製造時の製造装置での基板搬送を容易にすることができる。よって、高周波動作可能なＭＥＭＳ素子１０００を高歩留りで安定的に製造することができる。
【００５２】
以上で述べたダイヤフラム部１０１の構成によって、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できる。まお、この構成は一例であり、例えば、各層の薄膜で述べた機能を多層の膜の組み合わせで構成しても良い。
【００５３】
「ＭＥＭＳ素子の圧電素子部」
次に圧電素子部１１１を説明する。圧電素子部１１１は、第一電極１０４と、第二電極１０６と、第一電極１０４と第二電極１０６とに挟持された圧電材料１０５と、を備えている。
【００５４】
第一電極１０４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１０４の膜厚は２０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲にある事が好ましい。
【００５５】
圧電材料１０５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１０５の膜厚は１０００ｎｍ以上５０００ｎｍ以下の範囲にある事が好ましい。
【００５６】
第二電極１０６には、第一電極１０４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１０６の膜厚は５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲にある事が好ましい。
【００５７】
引き出し電極１０７には、第一電極１０４や第二電極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。引き出し電極１０７の膜厚は５０ｎｍ以上４００ｎｍ以下の範囲にある事が好ましい。引き出し電極１０７により、第一電極１０４と第二電極１０６を外部端子および外部素子へ接続することができる。
【００５８】
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を少なくとも第一薄膜１０２と、第二薄膜１０３との二層の薄膜で構成する。これにより、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が破損される恐れを抑制し、ＭＥＭＳ素子１０００の高信頼性が確保される。更に、第一薄膜１０２は、基板１００をエッチングして空洞部１０８を形成する際にエッチングストッパー層として機能するため、ダイヤフラム部１０１全体の膜厚が安定し、ＭＥＭＳ素子１０００の周波数ばらつきを抑えることができる。
第二薄膜１０３に高ヤング率で、且つ膜応力の小さい材料を用いることで、クラック等の発生確率を大幅に抑えて第二薄膜１０３の膜厚を厚く形成することができるため、高周波動作が可能なＭＥＭＳ素子１０００を安定的に製造できる。
この様に、ダイヤフラム部１０１を少なくとも二層の薄膜で構成する事で、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現される。
【００５９】
「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。図５は、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフである。図６は、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフである。次に、図４乃至図６を参照して、本実施形態に係るＭＥＭＳ素子１０００の製造方法について説明する。
【００６０】
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とを積層する工程（第一工程）と、第一工程後に圧電素子部１１１を形成する工程（第二工程）と、第二工程後に圧電素子部１１１に平面視にて重なる基板１００の一部位を除去して空洞部１０８を形成する工程（第三工程）と、を少なくとも含んでいる。
第二工程で形成する圧電素子部１１１は、第二薄膜１０３上に、第一電極１０４と、第二電極１０６と、第一電極１０４と第二電極１０６とに挟持された圧電材料１０５と、から形成されている。
【００６１】
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１０８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は、プラズマＣＶＤ法、特に誘導結合プラズマＣＶＤ法（ＩＣＰ−ＣＶＤ法）を用いて窒化珪素膜を形成し、第一薄膜１０２とした。
【００６２】
一般的な平行平板型プラズマＣＶＤ法を用いた場合には膜応力を制御することが可能であり膜厚を厚くすることができる。しかしながら、シラン（ＳｉＨ4）とアンモニア（ＮＨ3）と窒素（Ｎ2）を用いて成膜することから水素を多量に含んだ膜となるため、後述する圧電材料１０５の酸化物材料を還元してしまう不具合を引き起こし、圧電特性の低下を招く。
更に、緻密な膜を形成することが難しいため、基板１００に裏面よりエッチングをして空洞部１０８を形成する際の、エッチングストッパー層として使用した場合にはエッチングされてしまい、ダイヤフラム部１０１の膜厚がばらつく恐れがある。
【００６３】
数式４、５より、ダイヤフラム部１０１の膜厚ｈは動作周波数ｆを比例の関係にあるため、ダイヤフラム部１０１の膜厚がばらつくと動作周波数ｆがばらつくことになる。本実施形態において用いた、ＩＣＰ−ＣＶＤ法で成膜した窒化珪素膜は、極めて緻密な膜であり空洞部１０８形成の際でもほとんどエッチングされないためダイヤフラム部１０１の膜厚が安定する。
すなわち、本実施形態によれば、動作周波数ｆのばらつきが極めて小さいＭＥＭＳ素子が製造できる。更に、シラン（ＳｉＨ4）と窒素（Ｎ2）のみで成膜が可能なため、水素含有量が極めて少ない膜が形成でき、圧電特性を低下させることもないことから、第一薄膜１０２として適している。
【００６４】
窒化珪素膜の厚みは、前述の如く、５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。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１０８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である窒化珪素膜がエッチングストッパー層として機能することで、動作周波数のばらつきが極めて小さいＭＥＭＳ素子が製造できる。
【００６５】
なお、窒化珪素膜の形成方法は、ＩＣＰ−ＣＶＤ法だけでなく、減圧ＣＶＤ法（ＬＰＣＶＤ法）を用いて形成することもできる。反応ガスとして、ジクロルシラン（ＳｉＨ2Ｃｌ2）とアンモニア（ＮＨ3）を使用し、７００℃から８００℃程度で成膜する。
ＬＰＣＶＤ法で形成された窒化珪素膜はＩＣＰ−ＣＶＤ法で形成された窒化珪素膜と同様に、極めて緻密な膜であり、水素含有量が極めて少なく、第一薄膜１０２としては好適である。膜応力は、ＩＣＰ−ＣＶＤ法で形成した窒化珪素膜が図３で示されるような圧縮応力であるのに対して、ＬＰＣＶＤ法で形成した窒化珪素膜は引っ張り応力を有しているが、応力が大きいため膜厚を厚くすることが困難であり、第一薄膜１０２として形成される厚みは、ＩＣＰ−ＣＶＤ法で形成した窒化珪素膜と同様で５０ｎｍ以上２００ｎｍ以下の範囲にある。なお、第一薄膜１０２の形成方法は、ＣＶＤ法など適宜用いることができる。
【００６６】
引き続き、図４（ｂ）に示す様に、第二薄膜１０３を形成する。ジルコニウム（Ｚｒ）を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。ジルコニウム（Ｚｒ）の成膜方法については、ＣＶＤ法やスパッタリング法を用いることができる。本実施形態においては、スパッタリング法を用いて堆積した。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。これによって第二薄膜１０３としての酸化ジルコニウム膜（ＺｒＯｘ）が形成できる。
【００６７】
本願発明者が鋭意研究したところによると、アニール炉による酸素雰囲気中でのアニール温度によって膜応力を制御することができることが判明した。図５に、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度によるヤング率の変化を示すグラフを示す。図６に、酸化ジルコニウム膜形成時のアニール温度による膜応力の変化を示すグラフを示す。
これらの図により、アニール温度によって膜応力は大きく変化するが、ヤング率の変化は小さいことが分かった。数式４、５より、動作周波数ｆはヤング率の平方根に比例し、膜厚に比例する関係にあることが分かる。つまり、アニール温度を下げることでヤング率は僅かに小さくなるものの、動作周波数には平方根で比例するため、その影響は軽微である。それに対して、アニール温度を下げることで、膜応力は大きく変化するため、膜厚を厚くすることが容易になり、動作周波数には比例で効果を与える。
【００６８】
すなわち、高周波動作のためにはアニール温度を下げることが好ましいことが分かる。９００℃のアニール温度においても、図３の窒化珪素膜に比して十分膜応力が小さい（ゼロに近い）と言えるが、アニール温度を８００℃以下にすることで応力によるクラックの発生を抑えて、より厚い膜が形成できる。
しかしながら、後述する圧電材料１０５形成時の焼成温度よりも高い温度アニールする必要がある。なぜならば、アニール温度が圧電材料１０５形成時の焼成温度よりも低い場合、焼成時に圧電材料１０５の下層の酸化ジルコニウム膜の膜応力が変化してしまい反りが変化するため、圧電材料１０５に余分な応力が加わり、圧電特性の低下につながる。
従って、アニール温度は７００℃以上９００℃以下で行なうことが望ましく、より好ましくは、７００℃以上８００℃以下である。
【００６９】
以上の点から、高周波動作を可能にするための第二薄膜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。２０００ｎｍ以下に抑えることでクラックの発生確率を大幅に抑えることができる。
【００７０】
本実施形態においては、第二薄膜１０３の成膜方法にスパッタリング法を用いて堆積したが、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。
【００７１】
次に、圧電素子部１１１を形成する第二工程に移る。
第二工程では、まず、図４（ｃ）に示す様に、後に第一電極１０４となる第一導電膜１０４Ｃを形成する。第一導電膜１０４Ｃとして、プラチナとイリジウムとを第二薄膜１０３上にスパッタリング法によって２０〜４００ｎｍ程度堆積した。電極材料としては、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。
【００７２】
次に、図４（ｄ）に示す様に、第一導電膜１０４Ｃ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１０４とする。
【００７３】
次に、図４（ｅ）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１０５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１０５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１０５を形成している。
圧電材料１０５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。また、このように圧電材料１０５を形成すると、焼成時に圧電材料１０５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１０５下側には酸化ジルコニウム膜からなる第二薄膜１０３が設けられているため、圧電材料１０５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に圧電材料１０５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。
【００７４】
引き続き、図４（ｅ）に示す様に、後に第二電極１０６となる第二導電膜１０６Ｃを形成する。第二導電膜１０６Ｃは圧電材料１０５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１０６Ｃ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。
【００７５】
次に、図４（ｆ）に示す様に、第二導電膜１０６Ｃ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１０６を形成する。この際に、圧電材料１０５も同時に、所定の形状に加工される。
【００７６】
次に、図４（ｇ）に示す様に、引き出し電極１０７を形成する。まず、引き出し電極１０７となる導電材料をスパッタリング法によって２０ｎｍから４００ｎｍ程度堆積した。導電材料としては、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ることができる。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１０７を形成する。これによって、第一電極１０４と第二電極１０６を外部端子および外部素子へ接続することができる。
【００７７】
次いで、ダイヤフラム部１０１、第一電極１０４、圧電材料１０５、第二電極１０６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。
【００７８】
次に、空洞部１０８を形成する第三工程に移る。
第三工程では、まず、図４（ｈ）に示す様に、圧電素子部１１１が形成されていない側の基板１００の一面（裏面）に対し、空洞部１０８を形成する。まず、基板１００の一面（裏面）に酸化珪素膜（図示せず）を形成する。引き続き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ない、酸化珪素膜を平面視で空洞部１０８の形成個所以外の形状となるように加工する。
この酸化珪素膜をハードマスクとして基板１００をエッチングして空洞部１０８を形成する。なお、本実施形態では酸化珪素膜を使用したが、例えば基板１００のエッチングに対して耐えるのであればレジストでも良い。
【００７９】
更に、第一薄膜１０２の形成時にＬＰＣＶＤ法を用いて窒化珪素膜を形成した場合には裏面にも同程度の窒化珪素膜が形成されるため、ハードマスクとして利用することもできる。
基板１００のエッチングには水酸化カリウムを含んだ溶液によるウェットエッチングが好ましい。水酸化カリウムを含んだ溶液は、基板１００をエッチングできるとともに、第一薄膜１０２がほとんどエッチングされない極めて選択比の高い溶液である。
【００８０】
第一薄膜１０２がエッチングされないことで、ダイヤフラム部１０１の膜厚が安定するため、動作周波数のばらつきを抑えることができる。加えて、基板１００に面方位が（１１０）の単結晶珪素基板を使用すると、基板１００を垂直にエッチングすることができる。垂直にエッチングされることにより、空洞部１０８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、信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が製造できる。
【００８１】
なお、基板１００をエッチングして空洞部１０８を形成する方法としては、第一薄膜１０２がエッチングストッパー層となりえること、ダイヤフラム部１０１に対して垂直にエッチングできることの要件を満たせば良く、例えばドライエッチング法などを用いることもできる。
【００８２】
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１０８が形成される。基板１００で空洞部１０８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。
【００８３】
以上述べたように、本実施形態によれば、高周波動作が可能で、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高いＭＥＭＳ素子１０００が実現できる。
【００８４】
「電子機器」
図７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７を参照して、本実施形態に係る電子機器を説明する。
【００８５】
図７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。さらに、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受信信号を生成する。
次に、超音波探触子２で生成された電気信号（反射超音波信号）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。
【００８６】
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、動作周波数のばらつきが小さく、信頼性の高い超音波探触子２を備えるので、解像度の高い鮮明な超音波画像を取得することができる。
【００８７】
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。
【００８８】
（変形例１）
図８は、変形例１に係るＭＥＭＳ素子１１００の断面図である。以下、図８を参照して、変形例１に係るＭＥＭＳ素子１１００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。
【００８９】
本変形例においては、ダイヤフラム部１０１ａの第一薄膜１０２と第二薄膜１０３との間に密着膜１０９が形成されている。第一薄膜１０２と第二薄膜１０３の密着力をＦ１とし、第一薄膜１０２と密着膜１０９の密着力をＦ２とし、密着膜１０９と第二薄膜１０３の密着力をＦ３とした場合、数式９の関係にある。
【００９０】
【数９】
2015204544.tif 000011
【００９１】
すなわち、密着膜１０９を形成することによって、ダイヤフラム部１０１ａの密着力が更に向上する。これによって、高周波動作や長期に渡る動作においても、ダイヤフラム部１０１ａの各膜の界面が剥離する確率を大幅に抑えることができる。これによって、ＭＥＭＳ素子の信頼性を更に高めることができる。
【符号の説明】
【００９２】
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…第一電極、１０４Ｃ…第一導電膜、１０５…圧電材料、１０６…第二電極、１０６Ｃ…第二導電膜、１０７…引き出し電極、１０８…空洞部、１０９…密着膜、１１１…圧電素子部、１０００…ＭＥＭＳ素子。
【図１】
2015204544.tif 000015
【図２】
2015204544.tif 000016
【図３】
2015204544.tif 000017
【図４】
2015204544.tif 000018
【図５】
2015204544.tif 000019
【図６】
2015204544.tif 000020
【図７】
2015204544.tif 000021
【図８】
2015204544.tif 000022