(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の第一面に、平坦な先端面と側面部とを有する凸部を形成する凸部形成工程と、
前記第一面に、少なくとも前記凸部を覆う機能膜を形成する成膜工程と、
前記基板の前記第一面とは反対側の第二面にマスク層を形成し、当該マスク層に孔部を形成するマスク工程と、
前記孔部を介し前記機能膜をエッチングストッパーとして前記基板をエッチングするエッチング工程と、を備え、
前記成膜工程は、前記凸部の前記先端面に接する主膜部と、前記凸部の前記側面部に接する側壁部と、を有する前記機能膜を形成し、
前記マスク工程は、前記基板を基板厚み方向から見た平面視において、前記先端面と重なる位置に、前記先端面の面積よりも小さい面積の前記孔部を形成し、
前記エッチング工程は、前記基板の前記第二面側から前記機能膜の前記主膜部までを、前記基板の厚み方向にエッチングした後、前記主膜部の表面に沿って前記側壁部までをサイドエッチングすることで、前記主膜部、前記側壁部により囲われる領域を含む開口空間を形成する
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、
前記孔部を前記先端面に投影した領域を孔部投影領域とし、前記先端面の外周縁上に位置する点から前記孔部投影領域の外周縁までの最短距離をアライメント設定値とした場合、
前記マスク工程は、アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値が、前記凸部の高さ寸法よりも小さくなるように、前記孔部を形成する
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、
前記孔部を前記先端面に投影した領域を孔部投影領域とし、前記先端面の外周縁上に位置する点から前記孔部投影領域の外周縁までの最短距離をアライメント設定値とした場合、
前記凸部形成工程は、前記凸部の突出寸法が、前記アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値よりも大きくなるように、前記凸部を形成する
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載のＭＥＭＳデバイスの製造方法において、
前記先端面の外周縁上の各点における前記アライメント設定値は、同一値である
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイスの製造方法。
【請求項５】
基板と、前記基板の第一面に設けられた機能膜とを備えたＭＥＭＳデバイスであって、
前記機能膜は、平面状の主膜部と、前記主膜部の外周縁から当該主膜部に対して交差する方向に延設された側壁部と、を有し、
前記基板は、
前記側壁部に接し、前記主膜部及び前記側壁部とともにキャビティを形成するキャビティ形成部と、
当該基板の前記第一面とは反対側の第二面から前記キャビティ形成部に向かって設けられ、前記キャビティと前記第二面の外側の空間とを連通させる連通孔と、を有する
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項５に記載のＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記キャビティ形成部は、前記連通孔側から前記主膜部に向かう方向に開口面積が増大する内壁面を有する
ことを特徴とするＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
基板と、前記基板の第一面に設けられた機能膜と、前記機能膜上に設けられた圧電体とを備えた超音波トランスデューサーであって、
前記機能膜は、平面状の主膜部と、前記主膜部の外周縁から当該主膜部に対して交差する方向に延設された側壁部と、を有し、
前記基板は、
前記側壁部に接し、前記主膜部及び前記側壁部とともにキャビティを形成するキャビティ形成部と、
当該基板の前記第一面とは反対側の第二面から前記キャビティ形成部に向かって設けられ、前記キャビティと前記第二面の外側の空間とを連通させる連通孔と、
を有し、
前記圧電体は、前記主膜部の前記キャビティ形成部が設けられる側の面とは反対側の面に下部電極層、圧電層、及び上部電極層を順に積層して構成された
ことを特徴とした超音波トランスデューサー。
【請求項８】
基板と、前記基板の第一面に設けられた機能膜と、前記機能膜上に設けられた第１電極と、前記第１電極と空間を介して対向する位置に支持されている第２電極と、を備えた圧力センサーであって、
前記機能膜は、平面状の主膜部と、前記主膜部の外周縁から当該主膜部に対して交差する方向に延設された側壁部と、を有し、
前記基板は、
前記側壁部に接し、前記主膜部及び前記側壁部とともにキャビティを形成するキャビティ形成部と、
当該基板の前記第一面とは反対側の第二面から前記キャビティ形成部に向かって設けられ、前記キャビティと前記第二面の外側の空間とを連通させる連通孔と、
を有し、
前記第１電極は、前記主膜部の前記キャビティ形成部が設けられる側の面とは反対側の面に設けられた
ことを特徴とした圧力センサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、均一な機能膜を備えたＭＥＭＳデバイスを製造するＭＥＭＳデバイスの製造方法、当該製造方法により製造されたＭＥＭＳデバイス、及び超音波トランスデューサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、均一な膜厚寸法を有する機能膜（メンブレン）を備えたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスが知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１は、ダイアフラム上に圧電体を積層した超音波センサーである。この超音波センサーは、圧電体に電圧を印加してダイアフラム（機能膜）を振動させて超音波を出力したり、超音波の受信により振動されるダイアフラムの変位量を圧電体で電気信号に変換して出力したりするセンサーである。このような超音波センサーでは、平板上のＳｉ基板の一面側（第一面）を酸化してＳｉＯ２膜を形成し、ＳｉＯ２膜が形成された面とは反対側の面（第二面）に、ダイアフラムの形成位置に孔部を有するマスクを形成する。そして、Ｓｉ基板の第二面側をエッチング処理することで、マスクの孔部に対応する部分が、ＳｉＯ２膜をエッチングストッパーとしてエッチングされ、ＳｉＯ２膜のダイアフラムが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１４７６５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の超音波センサーでは、ダイアフラムの形成領域の全域に対応して、マスクの孔部を設け、当該孔部から露出する部分をダイアフラムまでをエッチングしている。
ここで、ダイアフラムを均一膜厚に形成するためには、エッチング液を確実にエッチングストッパーであるＳｉＯ２膜に到達させる必要がある。しかしながら、各エッチング位置において、それぞれエッチングレートを同一にすることは困難であり、エッチングストッパーであるＳｉＯ２膜までエッチング処理が完了している位置と、Ｓｉが残留し、ダイアフラムの膜厚が大きくなる部分とが生じる。このような場合、ダイアフラムの膜厚が不均一となるという問題がある。
【０００５】
本発明の目的は、均一厚み寸法を有する機能膜を備えたＭＥＭＳデバイスを製造するＭＥＭＳデバイスの製造方法、ＭＥＭＳデバイス、及び超音波トランスデューサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法は、基板の第一面に、平坦な先端面と側面部とを有する凸部を形成する凸部形成工程と、前記第一面に、少なくとも前記凸部を覆う機能膜を形成する成膜工程と、前記基板の前記第一面とは反対側の第二面にマスク層を形成し、当該マスク層に孔部を形成するマスク工程と、前記孔部を介し前記機能膜をエッチングストッパーとして前記基板をエッチングするエッチング工程と、を備え、前記成膜工程は、前記凸部の前記先端面に接する主膜部と、前記凸部の前記側面部に接する側壁部と、を有する前記機能膜を形成し、
前記マスク工程は、前記基板を基板厚み方向から見た平面視において、前記先端面と重なる位置に、前記先端面の面積よりも小さい面積の前記孔部を形成し、前記エッチング工程は、前記基板の前記第二面側から前記機能膜の前記主膜部までを、前記基板の厚み方向にエッチングした後、前記主膜部の表面に沿って前記側壁部までをエッチングすることで、前記主膜部、前記側壁部により囲われる領域を含む開口空間を形成することを特徴とする。
【０００７】
本発明によれば、凸部形成工程により、基板の第一面に凸部を形成し、成膜工程により、当該基板に機能膜を成膜する。これにより、凸部の表面形状に対応して、凸部の先端面に接する主膜部、及び凸部の側面部に接する側壁部を備える機能膜が形成される。
この後、マスク工程において、基板の第二面側にマスク層を形成して、当該マスク層に孔部を形成し、エッチング工程において、孔部から基板をエッチングする。この時、孔部の形成位置を、センサー平面視において、凸部の先端面の形成領域内とし、孔部の開口面積を先端面よりも小さくする。これにより、エッチング工程において、例えばサイクルエッチング等の異方性エッチングを実施することで、孔部からエッチングストッパーである主膜部まで、基板厚み方向に沿ってエッチングが進行する。また、エッチング工程では、この後、更にエッチング処理を継続して、主膜部の表面に沿って側壁部までをエッチングする。これにより、エッチングガスにより主膜部の表面に沿って側壁部まで基板がエッチングされることで、主膜部を底面とし、側壁部を筒内周面とした、筒状のキャビティ部を有する開口空間が形成される。
このようなＭＥＭＳデバイスの製造方法では、エッチングガスが主膜部に到達した後、オーバーエッチングすることで、主膜部に沿って側壁部が露出するまでエッチング処理が継続されるため、主膜部上に残留する基板の構成成分をエッチングにより除去することができる。したがって、エッチングレートによる主膜部の厚み寸法のバラつきを抑制することができ、均一な厚み寸法の機能膜（主膜部）を有するＭＥＭＳデバイスを製造することができる。
【０００８】
ところで、支持膜上に残留する基板成分を除去するために、オーバーエッチング処理を行う場合、側壁部がない場合では、支持膜に沿ってエッチングを進行するため、開口空間の形成面積が、所望の面積領域を超えてしまい、所望の膜性能が得られないという問題もある。これに対して、本発明では、主膜部の外周縁に沿って側壁部が設けられるため、主膜部に沿ってエッチングを進行させた場合でも、側壁部をエッチングストッパーとして、エッチングにより形成される開口空間の形成領域（基板を厚み方向から見た平面視における開口空間の面積）の増大を抑えることができる。すなわち、基板を厚み方向から見た平面視において、キャビティの形成領域と、主膜部の形成領域とを同一にすることができるため、所望の膜性能の機能膜を有するＭＥＭＳデバイスを製造することができる。
【０００９】
本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法では、前記孔部を前記先端面に投影した領域を孔部投影領域とし、前記先端面の外周縁上に位置する点から前記孔部投影領域の外周縁までの最短距離をアライメント設定値とした場合、前記マスク工程は、アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値が、前記凸部の高さ寸法よりも小さくなるように、前記孔部を形成することが好ましい。
ここで、凸部の高さ寸法とは、凸部の側面部の下端位置（第一面に接する位置）から、凸部の先端面までの基板厚み寸法に沿う距離を指す。
【００１０】
本発明によれば、アライメント設定値の最大値および最小値の差分値が、凸部の突出寸法よりも小さくなるように、孔部の形成位置が設定される。
ここで、例えば円形状の突出先端面に対して、矩形状の孔部を有するマスク層が形成される場合など、アライメント設定値にバラつきがある場合では、突出先端面の外周縁上の点のうち、アライメント設定値が小さい点が先にエッチングされ、アライメント設定値が大きい点のエッチングが完了するまでの時間が長くなる。ここで、主膜部に接する先端面の基板成分を確実に除去するためには、アライメント設定値が最大値となる最大アライメント設定点がエッチングされる必要があり、この最大アライメント設定点に合わせてエッチング時間を設定する必要があり、かつこのエッチング時間内で、アライメント設定値が最小値となる最小アライメント設定点が、側壁部を超えてエッチングされないように、凸部の突出寸法（側壁部の高さ寸法）及びアライメント設定値を設定する必要がある。
ここで、アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値が凸部の突出寸法よりも大きい場合、最小アライメント設定点では、機能膜の側壁部を超えてエッチングが進行する場合がある。この場合、キャビティの形成領域が所望の範囲に収まらず、機能膜の膜性能が低下してしまう。
これに対して、上記のように、アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値が凸部の突出寸法よりも小さい場合では、エッチング工程において、主膜部の全体がキャビティに接するようにエッチングを行った場合でも、機能膜の側壁部を超えてエッチングが進行することがなく、所望の面積の形成領域にキャビティを形成することができる。したがって、所望の膜性能の機能膜を形成することができ、例えば機能膜として主膜部によりダイアフラムを形成する場合、所望面積を有し、安定した膜振動が可能なダイアフラムを精度よく形成することができる。
【００１１】
本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法では、前記孔部を前記先端面に投影した領域を孔部投影領域とし、前記先端面の外周縁上に位置する点から前記孔部投影領域の外周縁までの最短距離をアライメント設定値とした場合、前記凸部形成工程は、前記凸部の突出寸法が、前記アライメント設定値の最大値及び最小値の差分値よりも大きくなるように、前記凸部を形成することが好ましい。
【００１２】
この発明では、凸部形成工程において、凸部の突出寸法がアライメント設定値の最大値および最小値の差分値よりも大きくなるように、当該凸部を形成する。これにより、上述した発明と同様に、エッチング工程において、主膜部の全体が開口空間に接するようにエッチングを行った場合でも、機能膜の側壁部を超えてエッチングが進行することがなく、所望の面積領域にキャビティを形成することができる。
【００１３】
また、マスク工程において孔部を形成する際、通常では、平面視において、先端面と同一形状の孔部を、先端面の重心位置と孔部の重心位置とが重なるように形成することが好ましい。すなわち、アライメント設定値が各孔外周点において同値となることが好ましい。しかしながら、これらの重心位置を完全に一致させることは困難であり、実際には僅かなアライメントのずれが発生し、上述のようにアライメント設定値のバラつきが生じる。
このようなアライメントのずれが発生した場合の、当該アライメント設定値の最大値、および最小値は、例えばシミュレーション等により予め求めることができる。したがって、凸部の突出寸法を、このようなアライメント誤差の最大値に応じて設定することで、アライメント誤差が発生した場合でも、主膜部と開口空間とを、平面視において同一形成領域に形成することができ、所望の膜性能の機能膜を形成することができる。
例えば、孔部が一方向に所定のアライメント誤差値だけ位置ずれした場合、アライメント設定値の最大値と最小値の差分値は、アライメント誤差値の２倍となる。したがって、凸部形成工程では、アライメント誤差値の２倍以上となる突出寸法の凸部を形成することが好ましく、これにより、アライメントずれが発生した場合でも良好な膜性能の機能膜を得ることができる。
【００１４】
本発明のＭＥＭＳデバイスの製造方法では、前記先端面の外周縁上の各点における前記アライメント設定値は、同一値であることが好ましい。
【００１５】
この発明では、凸部の先端面の外周縁上の各点におけるアライメント設定値が同値である。この場合、エッチング工程において、先端面の外周縁上の各点に略同時にエッチングガスが到達することとなり、エッチング工程における処理時間を短くすることができ、生産効率を向上させることができる。
【００１６】
本発明のＭＥＭＳデバイスは、基板と、前記基板の第一面に設けられた機能膜とを備えたＭＥＭＳデバイスであって、前記機能膜は、平面状の主膜部と、前記主膜部の外周縁から当該主膜部に対して交差する方向に立ち上がる側壁部と、を有し、前記基板は、前記側壁部に接し、前記主膜部及び前記側壁部とともにキャビティを形成するキャビティ形成部と、当該基板の前記第一面とは反対側の第二面から前記キャビティ形成部に向かって設けられ、前記キャビティと前記第二面の外側の空間とを連通させる連通孔と、を有することを特徴とすることを特徴とする。
【００１７】
この発明では、主膜部、側壁部及びキャビティ形成部によりキャビティを形成することで、主膜部の面積を側壁部により囲われる面積に設定することができる。また、主膜部が側壁部により囲われているため、主膜部及び側壁部をエッチングストッパーとして、エッチングによりキャビティを形成することで、上述したように、主膜部上の残留する基板成分を確実に除去することができ、主膜部の膜厚を均一厚みに形成することができる。したがって、例えば主膜部をダイアフラムとして用いる場合、所望の面積領域にダイアフラムを形成でき、かつダイアフラムの厚みを均一にすることができるため、当該ダイアフラムの振動量（変位量）がダイアフラム上の各位置によってばらつくことがない。
また、主膜部、側壁部及び基板のキャビティ形成部により形成されるキャビティは、連通孔を通じて基板の第二面の外側に連通しているため、キャビティ内の圧力を外部の圧力を同値にすることができる。したがって、例えば主膜部をダイアフラムとして用いる場合でも、ダイアフラムの変位量がキャビティの内部圧力により変動することない。
【００１８】
本発明のＭＥＭＳデバイスでは、前記キャビティ形成部は、前記連通孔側から前記主膜部に向かう方向に開口面積が増大する内壁面を有することが好ましい。
本発明によれば、キャビティ形成部は、連通孔側から主膜部に向かうに従って、基板の厚み方向に直交する面内における開口面積が増大する内壁面（テーパ面）が設けられている。このような構成では、キャビティ内の空気をスムーズに連通孔から流出、吸引することができ、外気の振動を均一に機能膜に伝達することができる。例えば、主膜部を膜厚方向に対してキャビティ側に変位させる場合、キャビティ内の空気が主膜部により押し出されて連通孔から外気に流出するが、この際、キャビティ内の空気は、傾斜面に沿ってスムーズに連通孔に流れ、連通孔から外部に排出される。このため、キャビティ内における圧力の変動が微小となり、主膜部の変位の阻害を妨げることがないため、主膜部の変位を均一にすることができる。
【００１９】
本発明の超音波トランスデューサーは、基板と、前記基板の第一面に設けられた機能膜と、前記機能膜上に設けられた圧電体とを備えた超音波トランスデューサーであって、前記機能膜は、平面状の主膜部と、前記主膜部の外周縁から当該主膜部に対して交差する方向に立ち上がる側壁部と、を有し、前記基板は、前記側壁部に接し、前記主膜部及び前記側壁部とともにキャビティを形成するキャビティ形成部と、当該基板の前記第一面とは反対側の第二面から前記キャビティ形成部に向かって設けられ、前記キャビティと前記第二面の外側の空間とを連通させる連通孔と、を有し、前記圧電体は、前記主膜部の前記キャビティ形成部が設けられる側の面とは反対側の面に下部電極層、圧電層、及び上部電極層を順に積層して構成されることが好ましい。
【００２０】
この発明では、主膜部上に圧電体を設けられることで、超音波トランスデューサーが構成されている。ここで、上記発明と同様に、超音波トランスデューサーにおいて、主膜部の膜厚を均一厚みに形成することができるため、主膜部の応力バランスが均一であり、安定して振動させることができる。また、側壁部があるため、平面視において、キャビティの形成領域と、主膜部の形成領域とが同一領域となり、所望の面積に設定された主膜部を形成することができる。
したがって、当該超音波トランスデューサーにより超音波の発信する場合では、所望の周波数の超音波を安定して発信させることができ、当該超音波トランスデューサーにより超音波の受信する場合では、受信感度を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明に係る第一実施形態の超音波トランスデューサー（ＭＥＭＳデバイス）の概略構成を示す断面図及び平面図。
【図２】第一実施形態の超音波トランスデューサーの製造工程を示すフローチャート。
【図３】図２の各工程における超音波トランスデューサーの断面図であり、（Ａ）は、凸部形成工程における断面図、（Ｂ）は、成膜工程における断面図。
【図４】図２の各工程における超音波トランスデューサーの断面図であり、（Ａ）は、圧電体形成工程における断面図、（Ｂ）は、研削工程における断面図。
【図５】図２の各工程における超音波トランスデューサーの断面図であり、（Ａ）は、マスク工程における断面図、（Ｂ）は、エッチング工程における断面図。
【図６】図２の各工程により製造された超音波トランスデューサーの断面図。
【図７】本発明に係る第二実施形態の超音波トランスデューサーの概略構成を示す断面図。
【図８】第二実施形態の超音波トランスデューサーの製造工程を示すフローチャート。
【図９】図８の各工程における超音波トランスデューサーの断面図であり、（Ａ）は、凸部形成工程における断面図、（Ｂ）は、第一成膜工程における断面図、（Ｃ）は、第二成膜工程における断面図。
【図１０】図８の各工程における超音波トランスデューサーの断面図であり、（Ａ）は、研削工程の後における断面図、（Ｂ）は、エッチング工程における断面図、（Ｃ）は、更にエッチング工程を進めた状態における断面図。
【図１１】本発明に係る第三実施形態の超音波トランスデューサーのエッチング工程における概略構成を示す断面図。
【図１２】本発明に係る第四実施形態のＭＥＭＳデバイスである圧力センサーの概略構成を示す断面図。
【図１３】第四実施形態の圧力センサーの製造工程を示すフローチャート。
【図１４】図１３の各工程における状態を示す断面図であり、（Ａ）は、下部基板形成工程における断面図、（Ｂ）は、下部支持膜形成工程における断面図、（Ｃ）は、下部電極形成工程における断面図。
【図１５】図１３の各工程における状態を示す断面図であり、（Ａ）は、下部研削工程における断面図、（Ｂ）は、マスク工程における断面図、（Ｃ）は、エッチング工程における断面図。
【図１６】図１３の各工程における状態を示す断面図であり、（Ａ）は、上部支持膜形成工程における断面図、（Ｂ）は、上部電極形成工程における断面図、（Ｃ）は、上部研削工程における断面図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図面に基づいて説明する。
【００２３】
［超音波トランスデューサーの構成］
図１は、本発明の第一実施形態の超音波トランスデューサー（ＭＥＭＳデバイス）の概略構成を示す断面図及び平面図である。
超音波トランスデューサー１０は、図１に示すように、開口部１１１を有する基板１１と、基板１１の一面側（第一面１１Ａ）に形成された支持膜１２（機能膜）と、支持膜１２上に形成された圧電体２０とを備えている。この超音波トランスデューサー１０は、圧電体２０に電圧を印加することで、支持膜１２を振動させて超音波の出力する装置である。
なお、本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスとして、超音波トランスデューサー１０を例示するが、これに限定されない。本発明のＭＥＭＳデバイスとしては、超音波を支持膜１２で受信し、圧電体２０から振動に応じた電気信号を出力する超音波受信用の超音波トランスデューサーや、超音波の送受信の双方を実施可能な超音波トランスデューサーに対しても適用することができる。また、ＭＥＭＳデバイスとして、超音波トランスデューサー以外にも、例えば、支持膜１２に加わる応力を、圧電体２０に基づいて検出する応力検出素子や、圧電体２０を駆動させることで支持膜１２に接触した対象物に駆動力を付与する駆動力発生素子などとして用いることができる。
また、本実施形態では、１つの超音波トランスデューサー１０の構成のみを例示するが、実際には、複数の超音波トランスデューサー１０がアレイ状に配列されて超音波トランスデューサー群を形成している。
【００２４】
基板１１は、例えばエッチングなどにより加工が容易なシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。また、基板１１に形成される開口部１１１は、当該基板１１を厚み方向からみた平面視（センサー平面視）で円形状に形成されることが好ましい。これにより、開口部１１１を閉塞する支持膜１２のメンブレン１２２（主膜部）において、メンブレン１２２の撓みに対する応力を均一にすることができる。なお、本実施形態では、センサー平面視において、開口部１１１が円形である例を示すがこれに限定されず、例えば、短冊状（矩形状）に形成される構成としてもよい。
より具体的には、基板１１の開口部１１１は、支持膜１２の後述する側壁部１２１の内周面から当該開口部１１１の中心軸に向かうに従って、メンブレン１２２から離れる方向に傾斜するテーパ形状のキャビティ形成部１１２と、開口部１１１の中心軸に沿ってキャビティ形成部１１２から基板１１の支持膜１２が設けられた第一面１１Ａとは反対側面である第二面１１Ｂに向かって延出する連通孔１１３とを備えている。すなわち、キャビティ形成部１１２は、連通孔１１３側からメンブレン１２２に向かう方向に、基板１１の厚み方向に直交する面内における開口面積が増大する内壁面を備えている。
【００２５】
支持膜１２は、基板１１上で、開口部１１１を閉塞する状態に成膜されている。この支持膜１２は、ＳｉＯ２膜により形成される第一支持膜１２Ａと、ＺｒＯ２層により形成される第二支持膜１２Ｂとの２層構造により構成されている。ここで、第一支持膜１２Ａ層は、基板１１がＳｉ基板である場合、基板表面を熱酸化処理することで成膜することができる。また、第二支持膜１２Ｂは、ＳｉＯ２層上に例えばスパッタリングした後に熱酸化するなどの手法により成膜される。ここで、ＺｒＯ２層は、圧電体２０を構成する圧電層２２として例えばＰＺＴを用いる場合に、ＰＺＴを構成するＰｂがＳｉＯ２層（第一支持膜１２Ａ）に拡散することを防止するための層である。また、ＺｒＯ２層（第二支持膜１２Ｂ）は、圧電層２２の歪みに対する撓み効率が向上させるなどの効果もある。
【００２６】
そして、支持膜１２は、基板１１の開口部１１１の形成位置に対応して、素子構成部１２０を備えている。この素子構成部１２０は、基板１１から離れる方向に突出する円筒状の側壁部１２１と、側壁部１２１の突出先端部に連続して形成され、側壁部１２１の突出先端部を閉塞するメンブレン１２２と、を備えている。
側壁部１２１は、メンブレン１２２の有効径を決定するための部分である。また、側壁部１２１は、基板１１から基板１１の厚み方向に対して立ち上がって形成されている。このため、側壁部１２１は、基板１１の厚み方向（メンブレン１２２の膜厚方向）に対する応力が強く、メンブレン１２２が振動した場合でも側壁部１２１が基板厚み方向に対して伸縮することはない。
なお、図１では、説明のため側壁部１２１の厚み方向の寸法を大きく表示しているが、実際には例えば３μｍ程度に形成されている。また、メンブレン１２２のセンサー平面視における直径は、例えば２０〜１００μｍである。
【００２７】
メンブレン１２２は、圧電体２０が積層されることで、圧電体２０の駆動により膜厚方向に振動して超音波を出力する部分である。このメンブレン１２２は、上記のように側壁部１２１の円筒内径により有効径が決定されており、当該有効径に応じた周波数の超音波を出力する。
また、側壁部１２１の円筒内周面には、上述したように、基板１１のキャビティ形成部１１２が接続されている。これにより、素子構成部１２０の側壁部１２１、メンブレン１２２、及び基板１１のキャビティ形成部１１２により囲われる領域にキャビティＣが形成され、当該キャビティＣと、連通孔１１３の孔内部空間とにより、本発明の開口空間が構成される。
【００２８】
圧電体２０は、支持膜１２のメンブレン１２２において、キャビティＣが形成される面とは反対側の面に形成されている。この圧電体２０は、下部電極層２１と、圧電層２２と、上部電極層２３とを備えている。
下部電極層２１は、センサー平面視において、メンブレン１２２の内側領域に形成され、上層に圧電層２２が積層される。また、下部電極層２１の外周縁からは、下部電極線２１１が接続され、当該下部電極線２１１は、支持膜１２の外周端縁に設けられた下部電極端子（図示略）に接続されている。
【００２９】
圧電層２２は、下部電極層２１上に積層形成されている。この圧電層２２は、例えばＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛：lead zirconate titanate）を膜状に成膜することで形成される。なお、本実施形態では、圧電層２２としてＰＺＴを用いるが、電圧を印加することで、面内方向に収縮することが可能な素材であれば、いかなる素材を用いてもよく、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ、Ｌａ）ＴｉＯ３）などを用いてもよい。
そして、この圧電層２２は、下部電極層２１と、上部電極層２３とに電圧が印加されることで、面内方向に伸縮する。このとき、圧電層２２の一方の面は、下部電極層２１を介して支持膜１２のメンブレン１２２に接合されるが、他方の面には、上部電極層２３が形成されるものの、この上部電極層２３上には他の層が積層形成されないため、圧電層２２の支持膜１２側が伸縮しにくく、上部電極層２３側が伸縮し易くなる。このため、圧電層２２に電圧を印加すると、キャビティＣ側に凸となる撓みが生じ、メンブレン１２２を撓ませる。したがって、圧電層２２に交流電圧を印加することで、メンブレン１２２が膜厚方向に対して振動し、このメンブレン１２２の振動により超音波が出力される。
上部電極層２３は、センサー平面視において、圧電層２２上に積層され、かつ下部電極層２１と絶縁される配置位置にパターニングされている。また、上部電極層２３の外周縁からは、上部電極線２３１が接続され、当該上部電極線２３１は、支持膜１２の外周端縁に設けられた上部電極端子に接続されている。
【００３０】
［超音波トランスデューサーの製造方法］
次に、上述のような超音波トランスデューサー１０の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図２は、超音波トランスデューサー１０の製造工程を示すフローチャートである。図３から図７は、図２の各工程における状態を示す断面図である。
超音波トランスデューサー１０を製造するためには、図２に示すように、まず、例えば厚み寸法が６２５μｍに設定された基板１１（Ｓｉ）の第一面１１Ａをパターニングし、図３（Ａ）に示すように、素子構成部１２０の形成位置に円柱状の凸部１１４を形成する（凸部形成工程Ｓ１）。
この凸部形成工程Ｓ１では、例えば、平板状の基板１１に対して、素子構成部１２０の形成位置にレジスト層を形成し、エッチングにより素子構成部１２０の形成位置に凸部１１４を形成する。
【００３１】
この後、成膜工程Ｓ２を実施する。
成膜工程Ｓ２では、基板１１を熱酸化処理し、基板１１の第一面１１ＡにＳｉＯ２層（第一支持膜１２Ａ）を形成する。さらに、この第一支持膜１２Ａ上にＺｒ層をスパッタリングにより成膜し、このＺｒ層を酸化することで第二支持膜１２Ｂを形成する。これにより、図３（Ｂ）に示すように、例えば厚み寸法が３μｍの支持膜１２が形成される。この時、凸部１１４の突出先端部分及び当該突出先端部分に積層された第二支持膜１２Ｂが、素子構成部１２０のメンブレン１２２となり、凸部１１４の凸部外周面及び当該凸部外周面に積層された第二支持膜１２Ｂが、素子構成部１２０の側壁部１２１となる。また、熱酸化処理により形成された第一支持膜１２Ａのメンブレン１２２に相当する部分と、凸部１１４と境界が平坦な先端面１１４Ａとなり、熱酸化処理により形成された第一支持膜１２Ａの側壁部１２１に相当する部分と、凸部１１４と境界が凸部外周面である側面部１１４Ｂとなる。また、この時、凸部１１４の先端面１１４Ａの径寸法（Ｌｗ）がメンブレン１２２の径寸法となり、側面部１１４Ｂの突出寸法（高さ寸法Ｈ）が側壁部１２１の高さ寸法となる。ここで、凸部１１４の突出寸法Ｈは、最大アライメント誤差（１μｍ程度）の２倍である２μｍ程度になるように、凸部形成工程Ｓ１における凸部１１４の突出寸法、及び成膜工程Ｓ２における熱酸化処理の処理時間を設定することが好ましい。
なお、本実施形態では、凸部１１４の表面が酸化されることで第一支持膜１２Ａを形成するが、例えば凸部１１４の表面に第一支持膜１２Ａをスパッタリング等により積層形成してもよい。
【００３２】
この後、圧電体形成工程Ｓ３を実施する。この圧電体形成工程Ｓ３では、まず、例えばスパッタリング等により導電層を一様に形成し、例えばフォトリソグラフィ法を用いたパターニングにより、下部電極層２１を形成する。なお、下部電極層２１を形成するための導電層としては、導電性を有する膜であれば特に素材は限定されないが、本実施形態ではTi/Ir/Pt/Tiの積層構造膜を用い、圧電体層の焼成後で例えば０．２μｍの膜厚寸法となるように形成する。
この後、基板１１の第一面１１Ａ上にＰＺＴを成膜し、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターニングして圧電層２２を形成する。なお、圧電層２２の成膜では、ＭＯＤ(Metal Organic Decomposition)法を用い、支持膜１２層の膜により、例えばトータル厚み寸法が１．４μｍとなるように形成する。
この後、基板１１の第一面１１Ａ上に、例えばスパッタリングなどにより導電層を均一に成膜し、例えばフォトリソグラフィ法を用いて上部電極層２３を形成する。この上部電極層２３を形成用の導電性膜は、下部電極層２１と同様に、導電性を有するいかなる素材を用いてもよい。なお、本実施形態では、Ｉｒ膜を用い、厚み寸法が例えば５０ｎｍとなるように形成する。
以上により、図４（Ａ）に示すように、メンブレン１２２上に下部電極層２１，圧電層２２，上部電極層２３の積層体である圧電体２０が形成される。
【００３３】
圧電体形成工程Ｓ３の後、図４（Ｂ）に示すように、基板１１の第二面１１Ｂを研削する研削工程Ｓ４を行う。これにより、基板１１の厚み寸法を設定された寸法、例えば２００μｍに形成する。そして、この研削工程Ｓ４の後、マスク工程Ｓ５を実施する。
マスク工程Ｓ５では、まず、基板１１の第二面１１Ｂにマスク層３０を形成し、図５（Ａ）に示すように、当該マスク層３０に孔部３１を形成する。この時、マスク工程Ｓ５では、センサー平面視において、当該孔部３１の中心軸が凸部１１４の中心軸Ｐと同軸となり、先端面１１４Ａよりも小径となる直径Ｌ０の円形状の孔部３１を形成する。
また、孔部３１の形成時において、当該孔部３１の中心軸を凸部１１４の中心軸Ｐに一致させることが好ましいが、実際には、アライメントずれが発生する。このアライメントずれによるアライメント誤差としては、孔部３１の形成方法等にもよるが、上述のように、最大で１μｍ程度となる。したがって、アライメントずれが発生した場合でも、センサー平面視において、先端面１１４Ａの領域内に孔部３１を形成するために、孔部３１の外周縁から先端面１１４Ａの外周縁までの距離Ｌ１（３１の外周縁上の所定の孔外周点から当該孔外周点に最も近い先端面１１４Ａの外周縁までの距離Ｌ１）が、最大アライメント誤差の２倍以上（例えば、２μｍ）となるように設定することが好ましい。
【００３４】
この後、エッチング工程Ｓ６を実施する。
エッチング工程Ｓ６では、第二面１１Ｂ側から基板１１に開口部１１１を形成する。
ここで、エッチング工程Ｓ６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、図５（Ｂ）に示すように、支持膜１２のメンブレン１２２をエッチングストッパーとし、マスク層３０の孔部３１からメンブレン１２２までに亘って均一径寸法の内周円筒状の連通孔１１３が形成される。なお、この連通孔１１３に露出されたメンブレン１２２の領域が、本発明の孔部投影領域Ａとなる。
【００３５】
また、エッチング工程Ｓ６では、この後、更にエッチングガスによるオーバーエッチング処理を実施し、凸部１１４の先端面１１４Ａに沿って基板１１がエッチングされる。ここで、オーバーエッチング処理により、Ｈ／２程度の高さ寸法の側壁部１２１が露出するように、凸部１１４をエッチングにより除去する。これにより、凸部１１４の先端面１１４Ａが完全に除去されることとなり、支持膜１２のメンブレン１２２には基板１１のＳｉ成分が残留せず、均一な厚み寸法に形成される。
また、当該オーバーエッチング処理により、基板１１にテーパ状のキャビティ形成部１１２が形成され、当該キャビティ形成部１１２、側壁部１２１、及びメンブレン１２２によりキャビティＣが形成され、図６に示すような超音波トランスデューサー１０が製造される。
【００３６】
なお、通常、メンブレン１２２に沿ってエッチングが進行する際のエッチング量（寸法）は、基板厚み方向に直交する方向への寸法と、基板厚み方向に沿う寸法とで同程度の寸法となる。したがって、孔部３１の外周縁から先端面１１４Ａの外周縁までの距離Ｌ１がオーバーエッチングされた場合、キャビティ形成部１１２と連通孔１１３との接続点は、メンブレン１２２から距離Ｌ１となる位置に形成される。本実施形態では、オーバーエッチングにより、側面部１１４Ｂの高さの半分（Ｈ／２）の位置までエッチングされるので、キャビティ形成部１１２と連通孔１１３との接続点は、メンブレン１２２から距離（Ｌ１＋Ｈ／２）となる位置に形成される。
【００３７】
［第一実施形態の作用効果］
上述したように、第一実施形態の超音波トランスデューサー１０は、凸部形成工程Ｓ１，成膜工程Ｓ２，圧電体形成工程Ｓ３，研削工程Ｓ４，マスク工程Ｓ５，エッチング工程Ｓ６により製造される。この時、マスク工程Ｓ５において、センサー平面視において、先端面１１４Ａの内周側領域に孔部３１を形成し、エッチング工程Ｓ６において、この孔部３１から支持膜１２のメンブレン１２２をエッチングストッパーとして、サイクルエッチング処理を実施する。このため、センサー平面視において、先端面１１４Ａの内周側領域に連通孔１１３を形成することができる。
【００３８】
また、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理において、基板１１の第二面１１Ｂから支持膜１２のメンブレン１２２に亘って形成された連通孔１１３に対して更にエッチング処理を行うことで、側壁部１２１をエッチングストッパーとして、基板１１をメンブレン１２２に沿ってサイドエッチングすることができる。これにより、メンブレン１２２に接触する基板１１をエッチングにより確実に除去することができ、当該メンブレン１２２は第一支持膜１２Ａおよび第二支持膜１２Ｂにより厚み寸法が決定されることとなる。また、第一支持膜１２Ａは、熱酸化処理により均一厚みに形成することができ、第二支持膜１２Ｂは、スパッタリングした後に熱酸化する等により均一厚み寸法に形成することができるため、これらの第一支持膜１２Ａ及び第二支持膜１２Ｂにより構成される支持膜１２の厚み寸法を均一にすることができる。したがって、上記のような製造方法により製造された超音波トランスデューサー１０では、圧電体２０によりメンブレン１２２を駆動させた際、安定してメンブレン１２２を振動させることができ、超音波を安定して出力させることができる。
【００３９】
また、側壁部１２１をエッチングストッパーとしてサイドエッチングを規制しているため、側壁部１２１の外側領域がエッチングされることがない。したがって、超音波トランスデューサー１０における超音波を発信する駆動部分は、メンブレン１２２の形成領域内となる。すなわち、メンブレン１２２を発信周波数に応じた適切な径寸法に形成することで、超音波トランスデューサー１０から当該発信周波数の超音波を精度よく出力させることができる。
【００４０】
また、このような製造方法により製造された超音波トランスデューサー１０では、上記のように、キャビティＣが連通孔１１３により外部空間と連通しているため、キャビティＣの内圧によりメンブレン１２２の振動が阻害されず、音圧の大きい超音波を出力することができる。
これに加え、キャビティ形成部１１２が、当該キャビティ形成部１１２と連通孔１１３との接続位置から、側壁部１２１に向かうに従って、メンブレン１２２に近接する方向に傾斜するテーパ状に形成されている。このため、メンブレン１２２を振動させた際に、キャビティＣ内部の空気がキャビティ形成部１１２のテーパ面に沿ってスムーズに連通孔１１３に移動することができる。
【００４１】
さらに、マスク工程Ｓ５において、円形状の孔部３１の中心軸が、円筒形状の凸部１１４の中心軸Ｐと同軸となるように、当該孔部３１を形成している。すなわち、先端面１１４Ａの外周縁上の各点から、孔部投影領域Ａの外周縁までの最短距離をアライメント設定値とした場合、本実施形態では、各点におけるアライメント設定値が同一値となる。
このような場合、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理において、孔部投影領域Ａから先端面１１４Ａの外周縁までをエッチングするために要する時間が略同じとなるため、エッチング時間を短縮させることができ、生産効率の向上に貢献できる。
なお、実際には、孔部３１の形成時にアライメントずれが発生すると、当該アライメントずれによる誤差分だけ、孔部３１の中心軸が凸部１１４の中心軸Ｐから微小寸法だけずれることが考えられる。しかしながら、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理において、このような微小寸法のずれにより、側壁部１２１を超えてエッチング領域が拡がることはない。
【００４２】
そして、凸部１１４の突出寸法Ｈが、孔部３１の形成において発生する最大アライメント誤差の２倍以上に設定されている。このため、孔部３１にアライメント誤差が発生し、エッチングされる領域が一方向に偏った場合でも、側壁部１２１をエッチングストッパーとしてオーバーエッチング処理を規制することができる。つまり、側壁部１２１を超えて素子構成部１２０の外側領域までオーバーエッチングされて、メンブレン１２２の有効面積が増大してしまう不都合を回避できる。
【００４３】
［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサー（ＭＥＭＳデバイス）は、第一実施形態の超音波トランスデューサー１０と略同様の構成及び機能を有する。ここで、前述の超音波トランスデューサー１０は、側壁部１２１及びメンブレン１２２を有する素子構成部１２０が、基板１１の第一面１１Ａからが突出する構成とした。これに対して、第二実施形態の超音波トランスデューサーでは、素子構成部が基板から突出せず、基板の第一面側が平坦面となる構成を有する。この点で、本実施形態に係る超音波トランスデューサーと、前述の第一実施形態の超音波トランスデューサー１０とは相違する。なお、以下の説明では、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００４４】
［超音波トランスデューサーの構成］
図７は、本発明に係る第二実施形態の超音波トランスデューサー１０Ａの概略構成を示す断面図である。
本実施形態の超音波トランスデューサー１０Ａは、図７に示すように、基板１１と、支持膜１３（機能膜）と、圧電体２０と、を備えている。
支持膜１３は、基板１１上で、開口部１１１を閉塞する状態に成膜されている。この支持膜１３は、ＳｉＯ２膜により形成される第一支持膜１３Ａと、ＺｒＯ２層により形成される第二支持膜１３Ｂとの２層構造により構成されている。
【００４５】
そして、支持膜１３は、基板１１の開口部１１１の形成位置に対応して、素子構成部１３０を備えている。この素子構成部１３０は、第一支持膜１３Ａの一部が基板１１の第一面１１Ａから離れる方向に内周円筒状の凹溝が形成されることで構成されている。すなわち、素子構成部１３０は、凹溝の底部により構成されるメンブレン１３２と、凹溝の内周側面により構成される側壁部１３１とを備えている。
また、第一支持膜１３Ａの基板１１側とは反対側の面は平坦面であり、この平坦面上に第二支持膜１３Ｂが積層されている。これにより、第二支持膜１３Ｂの表面が平坦面となり、素子構成部１３０の第二支持膜１３Ｂ上に圧電体２０が積層形成されることで超音波トランスデューサー１０Ａが構成されている。
【００４６】
［超音波トランスデューサーの製造方法］
次に、上記のような超音波トランスデューサー１０Ａの製造方法について図面に基づいて説明する。
図８は、超音波トランスデューサー１０Ａの製造工程を示すフローチャートである。図９から図１０は、図８の各工程における状態を示す超音波トランスデューサー１０Ａの断面図である。
超音波トランスデューサー１０Ａは、図９に示すように、凸部形成工程Ｓ１、第一成膜工程Ｓ２１、膜研磨工程Ｓ２２、第二成膜工程Ｓ２３、圧電体形成工程Ｓ３、研削工程Ｓ４、マスク工程Ｓ５、及びエッチング工程Ｓ６の各工程により製造される。ここで、凸部形成工程Ｓ１，圧電体形成工程Ｓ３，研削工程Ｓ４，及びマスク工程Ｓ５は、上記第一実施形態における超音波トランスデューサー１０の製造と同様の工程である。なお、第一成膜工程Ｓ２１、膜研磨工程Ｓ２２、及び第二成膜工程Ｓ２３により、本発明の成膜工程が実施される。
【００４７】
すなわち、超音波トランスデューサー１０Ａの製造では、まず凸部形成工程Ｓ１により、基板１１（Ｓｉ）の第一面１１Ａをパターニングし、図９（Ａ）に示すように、素子構成部１３０の形成位置に円柱状（直径Ｌｗ、高さＨ）の凸部１１４を形成する。
ここで、前述の超音波トランスデューサー１０の製造と同様に、凸部１１４の突出寸法（高さ）Ｈは、最大アライメント誤差の２倍である２μｍ程度に設定することが好ましい。
【００４８】
この後、第一成膜工程Ｓ２１により、基板１１熱酸化処理し、基板１１の第一面１１ＡにＳｉＯ２層（１３Ａ）を形成する。この時、図９（Ｂ）に示すように、第一支持膜１３Ａの膜厚寸法が凸部１１４の突出寸法よりも大きくなるように、熱酸化処理の処理時間を制御する。
次に、膜研磨工程Ｓ２２により、第一支持膜１３Ａの表面を研削して、第一支持膜１３Ａの突出部分を除去し、平坦面に加工する。ここで、上述したように、第一支持膜１３Ａの膜厚寸法は、凸部１１４の突出寸法よりも大きく形成されているため、第一支持膜１３Ａの突出部分を除去しても、凸部１１４が露出しない。
この後、第二成膜工程Ｓ２３により、図９（Ｃ）に示すように、第一支持膜１３Ａ上に第二支持膜１３Ｂを積層する。これにより、表面が平坦面となる支持膜１３が形成される。
【００４９】
この後、上記第一実施形態と同様の工程を実施して超音波トランスデューサー１０Ａを製造する。
すなわち、圧電体形成工程Ｓ３により、図１０（Ａ）に示すように、メンブレン１３２の第二支持膜１３Ｂ上に下部電極層２１，圧電層２２，上部電極層２３の積層体である圧電体２０を形成する。そして、研削工程Ｓ４を実施することで、基板１１の第二面１１Ｂを研削し、基板１１の厚みを例えば２００μｍにする。
【００５０】
そして、マスク工程Ｓ５を実施して、基板１１の第二面１１Ｂにマスク層３０を形成し、孔部３１を形成する。また、エッチング工程Ｓ６のサイクルエッチング処理を実施することで、孔部３１からメンブレン１３２までに亘って均一径寸法の内周円筒状の連通孔１１３を形成する。この後、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理を実施することで、凸部１１４の先端面１１４Ａに沿って基板１１をエッチングさせて、先端面１１４Ａ上のＳｉ成分を確実に除去し、キャビティ形成部１１２を形成する。
以上により、超音波トランスデューサー１０Ａが製造される。
【００５１】
［第二実施形態の作用効果］
第二実施形態の超音波トランスデューサー１０Ａは、凸部形成工程Ｓ１，第一成膜工程Ｓ２１、膜研磨工程Ｓ２２、第二成膜工程Ｓ２３，圧電体形成工程Ｓ３，研削工程Ｓ４，マスク工程Ｓ５，エッチング工程Ｓ６により製造される。したがって、上記第一実施形態と同様に、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理において、基板１１の第二面１１Ｂから支持膜１３のメンブレン１３２に亘って形成された連通孔１１３に対して更にエッチング処理を行うことで、側壁部１３１をエッチングストッパーとして、基板１１をメンブレン１３２に沿ってエッチングすることができる。これにより、メンブレン１３２に接触する基板１１をエッチングにより確実に除去することができ、当該メンブレン１３２は第一支持膜１３Ａおよび第二支持膜１３Ｂのみにより厚み寸法が決定されることとなる。したがって、圧電体２０によりメンブレン１３２を駆動させた際、安定してメンブレン１３２を振動させることができ、超音波を安定して出力させることができる。
【００５２】
また、側壁部１３１をエッチングストッパーとして基板厚み方向に直交する横方向へのエッチングを規制しているため、側壁部１３１の外側領域がエッチングされることがない。したがって、メンブレン１３２を発信周波数に応じた適切な径寸法に形成することで、超音波トランスデューサー１０Ａから当該発信周波数の超音波を精度よく出力させることができる。
【００５３】
また、本実施形態では、第一実施形態のように素子構成部１３０が基板１１の第一面１１Ａから突出せず、平坦面であるため、振動や外部応力に対して強くなる。
なお、前述の超音波トランスデューサー１０では、側壁部１２１が基板１１から突出しているが、当該側壁部１２１は、突出寸法が例えば２μｍと極めて小さいため、側壁部１２１が外部応力や振動による影響により変形することはほぼない。しかしながら、素子構成部１２０が僅かに突出する構成であるため、突出部分に僅かな応力を受けることになり、安定した超音波の阻害要因になることも考えられる。これに対し、本実施形態では、第二支持膜１３Ｂの表面が平坦面となるため、上述のような外部応力を受けることなく、安定して素子構成部１３０のメンブレン１３２を駆動させることができる。
【００５４】
［第三実施形態］
次に、本発明に係る第三実施形態について、図面に基づいて説明する。
本実施形態に係る超音波トランスデューサー（ＭＥＭＳデバイス）は、第一実施形態の超音波トランスデューサー１０と略同様の構成及び機能を有する。ここで、前述の超音波トランスデューサー１０の製造では、マスク工程Ｓ５において、孔部３１の中心軸が凸部１１４の中心軸Ｐと同軸となるように、当該孔部３１を形成し、キャビティ形成部１１２が素子構成部１３０の中心軸Ｐ上に沿って形成された。これに対して、第三実施形態の超音波トランスデューサーの製造では、マスク層に形成する孔部を、凸部の中心軸から偏心させて形成する。この点で、本実施形態に係る超音波トランスデューサーの製造方法と、前述の第一実施形態の超音波トランスデューサー１０の製造方法とは相違する。なお、以下の説明にでは、既に説明した部分と同一または略同一である部分については、同一の符号を付し説明を省略する。
【００５５】
図１１は、第三実施形態の超音波トランスデューサー１０Ｂのエッチング工程Ｓ６における概略構成を示す断面図である。
このような超音波トランスデューサー１０Ｂでは、マスク工程Ｓ５において、孔部３１は、当該孔部３１の中心軸Ｑが凸部１１４の中心軸Ｐから僅かに偏心するように形成されている。ここで、中心軸Ｑの偏心量をΔＬとする。また、センサー平面視において、メンブレン１２２上で孔部３１と重なる領域を孔部投影領域Ａとし、先端面１１４Ａの外周縁上の各点から、当該孔部投影領域Ａまで最短距離をアライメント設定値とし、このアライメント設定値が最小値となる点を最小アライメント点Ａ１、アライメント設定値が最大値となる孔外周点を最大アライメント点Ａ２とする。
この時、最小アライメント点Ａ１におけるアライメント設定値Ｌ１´は、Ｌ１−ΔＬとなり、最大アライメント点Ａ２におけるアライメント設定値Ｌ１´´は、Ｌ１＋ΔＬとなる。
【００５６】
ここで、エッチング工程Ｓ６では、サイクルエッチング処理により孔部３１からメンブレン１２２までに亘って基板１１の厚み方向に沿うエッチングを行った後、オーバーエッチング処理により、孔部投影領域Ａからメンブレン１２２に沿って、基板１１を横方向にエッチングする。この時、最小アライメント点Ａ１には、最大アライメント点Ａ２よりも先にエッチングガスが到達してエッチングされる。したがって、素子構成部１２０の領域内にキャビティＣを形成するためには、最大アライメント点Ａ２に到達した時点で、最小アライメント点Ａ１におけるエッチング領域が側壁部１２１を超えていないことが必要となる。
つまり、Ｌ１´´＜Ｌ１´＋Ｈの条件式を満たす必要があり、凸部１１４の突出寸法Ｈと、アライメント設定値とは、以下の式（１）を満たす必要がある。
【００５７】
[数１]
Ｌ１´´−Ｌ１´＜Ｈ
（又は、ΔＬ＜Ｈ／２）    …（１）
【００５８】
したがって、本実施形態では、凸部形成工程Ｓ１における凸部１１４の形成時、または、マスク工程Ｓ５の孔部３１の形成時に、上記関係式を満足するように、適宜凸部１１４の突出寸法Ｈ、最大アライメント設定値及び最小アライメント設定値（又は偏心量ΔＬ）を設定する。
【００５９】
上述したような第三実施形態の超音波トランスデューサー１０Ｂでは、マスク工程Ｓ５において孔部３１が中心軸Ｐから偏心して形成され、キャビティ形成部１１２が中心軸Ｐから偏心した位置に形成された場合であっても、上述の式（１）の関係式を満たすことで、第一実施形態の超音波トランスデューサー１０と同様の効果を奏することができる。
すなわち、エッチング工程Ｓ６のオーバーエッチング処理において、基板１１の第二面１１Ｂから支持膜１２のメンブレン１２２に亘って形成された連通孔１１３に対して更にエッチング処理を行うことで、側壁部１２１をエッチングストッパーとして、基板１１をメンブレン１２２に沿って横方向にエッチングすることができる。これにより、メンブレン１２２に接触する基板１１をエッチングにより確実に除去することができ、当該メンブレン１２２の厚み寸法を均一にできる。したがって、圧電体２０によりメンブレン１２２を駆動させた際、安定してメンブレン１２２を振動させることができ、超音波を安定して出力させることができる。
また、側壁部１２１をエッチングストッパーとして横方向へのエッチングを規制しているため、側壁部１２１の外側領域がエッチングされることがない。したがって、メンブレン１２２を発信周波数に応じた適切な径寸法に形成することで、超音波トランスデューサー１０Ｂから当該発信周波数の超音波を精度よく出力させることができる。
【００６０】
また、マスク工程Ｓ５において、孔部３１を形成する際、アライメントずれによる誤差（アライメント誤差）が発生する。このようなアライメント誤差の最大値は、例えばシミュレーション等により予め求めることができるため、このようなアライメントずれが発生した場合を想定して、凸部１１４の突出寸法Ｈや、アライメント設定値を設定することで、当該アライメントずれの影響をなくすことができ、キャビティＣの形成領域と同一領域に均一膜厚のメンブレン１２２を備えた超音波トランスデューサー１０Ｂを製造することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、センサー平面視において、円形状の凸部１１４に対して、円形状の孔部３１を偏心させた場合を例示したが、例えば、メンブレン１２２の平面形状が矩形状である場合など、中心軸Ｐから外周縁までの距離が異なる場合においても、上記条件式（１）を満たすように、凸部１１４の突出寸法Ｈや、アライメント設定値を設定することで、好適に素子構成部１２０を形成することができる。
例えば、中心軸Ｐに重心が設定された矩形状のメンブレン１２２に対して、中心軸Ｐに重心が設定された矩形状の孔部３１を形成し、エッチング工程Ｓ６を実施する場合、メンブレン１２２の角部におけるアライメント設定値は、メンブレン１２２の辺の中間部に位置する点のアライメント設定値よりも大きくなる。この場合、上記（１）を満たすように、孔部３１及び凸部１１４を形成することで、メンブレン１２２の全領域に亘ってサイドエッチングが行き渡り、均一膜厚のメンブレン１２２を形成することができる。また、センサー平面視において、メンブレン１２２の形成領域とキャビティＣの形成領域とを、同一領域にすることができ、メンブレン１２２の膜性能の低下を防止できる。
【００６２】
［第四実施形態］
次に、本発明に係る第四実施形態について、図面に基づいて説明する。
上記第一から第三実施形態では、ＭＥＭＳデバイスとして、超音波トランスデューサー１０，超音波トランスデューサー１０Ａ，超音波トランスデューサー１０Ｂを例示した。これに対して、本実施形態では、ＭＥＭＳデバイスの他の例として、圧力センサーの構成、及びその製造方法について説明する。
【００６３】
［圧力センサーの構成］
図１２は、第四実施形態のＭＥＭＳデバイスである圧力センサーの概略構成を示す断面図である。
圧力センサー４０は、下部開口部４１１を有する下部基板４１と、上部基板４２と、下部開口部４１１を閉塞する下部支持膜４３と、上部支持膜４４と、下部支持膜４３上に設けられた下部電極４５と、上部支持膜４４上に設けられた上部電極４６と、を備えて構成されている。
【００６４】
下部基板４１は、例えばエッチング等により加工が容易なシリコン（Ｓｉ）などの半導体形成素材により形成される。また、下部基板４１の上部基板４２に対向する面（第一面）には、上部基板４２から離れる方向に凹状となる凹溝４１２が設けられている。また、下部基板４１の上部基板４２に対向する第一面において、凹溝４１２の外側領域は、上部基板４２に接合される接合部４１３を構成し、当該接合部４１３上に積層形成された下部支持膜４３が、上部基板４２に積層形成された上部支持膜４４に接合されることで、下部基板４１および上部基板４２が接合される。
そして、下部開口部４１１は、凹溝４１２の底部において、例えば当該下部基板４１を厚み方向からみたセンサー平面視で円形状に形成されている。この下部開口部４１１は、前述の超音波トランスデューサー１０における開口部１１１と同様の構成を有し、キャビティ形成部４１１Ａと連通孔４１１Ｂとを有している。
【００６５】
下部支持膜４３は、下部基板４１の第一面側に、下部開口部４１１を閉塞する状態に成膜されている。この下部支持膜４３は、例えばＳｉ基板である下部基板４１の第一面を熱酸化処理することで形成される。
そして、この下部支持膜４３は、前述の超音波トランスデューサー１０における支持膜１２と略同様の構成を有し、下部基板４１の下部開口部４１１の形成位置に対応して、下部素子構成部４３０を備えている。この下部素子構成部４３０は、下部基板４１から離れる方向に突出する円筒状の下部側壁部４３１と、下部側壁部４３１の突出先端部に連続して形成され、下部側壁部４３１の突出先端部を閉塞する下部メンブレン４３２と、を備えている。
また、下部側壁部４３１の円筒内周面には、下部基板４１のキャビティ形成部４１１Ａが接続されている。これにより、下部素子構成部４３０の下部側壁部４３１、下部メンブレン４３２、及び下部基板４１のキャビティ形成部４１１Ａにより囲われる領域にキャビティＣ１が形成される。
そして、下部支持膜４３は、上部基板４２に対向する面上に、下部電極４５が積層形成されている。
【００６６】
上部基板４２は、例えばＳｉ等により形成される。また、上部基板４２の下部基板４１に対向する面のうち、接合部４１３に対応する領域は、接合部４２３を構成し、当該接合部４２３上に積層形成された上部支持膜４４が、接合部４１３上の下部支持膜４３に接合されることで、前述のように下部基板４１および上部基板４２が接合される。
【００６７】
上部支持膜４４は、例えば酸化膜により形成されている。そして、この上部支持膜４４は、下部基板４１の凹溝４１２に対向する部位において、下部支持膜４３との間に閉空間Ｃ２を形成する。
また、上部基板４２及び上部支持膜４４には、閉空間Ｃ２と上部基板４２の外側の空間とを連通する図示しない貫通孔が設けられている。これにより、閉空間Ｃ２と上部基板４２の外側の空間との圧力が同圧となる。
そして、上部支持膜４４の下部支持膜４３に対向する面上には、上部電極４６が積層形成されている。
【００６８】
このような圧力センサー４０では、上部開口部４２１が、例えば大気圧等の基準圧力に設定された基準空間に連通され、下部開口部４１１に、圧力測定対象となる圧力媒体が導入されることで、下部メンブレン４３２が変位する。その変位量を、下部電極４５及び上部電極４６間に保持される電荷保持量の変動値を計測し、計測された変位量から圧力値を算出する。
【００６９】
［圧力センサーの製造方法］
次に、上述のような圧力センサー４０の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図１３は、圧力センサー４０の製造工程を示すフローチャートである。図１４及び図１５は、下部形成工程の各工程の状態を示す断面図であり、図１６は、上部形成工程の各工程の状態を示す断面図である。
圧力センサー４０は、図１３に示すように、下部形成工程（Ｓ３１〜３６）、上部形成工程（Ｓ３７〜Ｓ３９）、及び接合工程Ｓ４０の各工程により製造される。
【００７０】
下部形成工程は、下部基板形成工程Ｓ３１（凸部形成工程）、下部支持膜形成工程Ｓ３２（成膜工程）、下部電極形成工程Ｓ３３、下部研削工程Ｓ３４、マスク工程Ｓ３５、エッチング工程Ｓ３６を実施する。
下部基板形成工程Ｓ３１は、例えば５００μｍのＳｉ基板である下部基板４１の一面側をエッチングし、図１４（Ａ）に示すように、凹溝４１２及び凸部４１４を形成する。
下部支持膜形成工程Ｓ３２は、第一実施形態の成膜工程Ｓ２と同様、下部基板４１の前記一面側を熱酸化処理し、図１４（Ｂ）に示すように、下部基板４１の表面に均一厚みの下部支持膜４３を形成する。
下部電極形成工程Ｓ３３は、下部支持膜４３の下部メンブレン４３２上に、下部電極４５を形成するための導電層を成膜し、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターニングして、図１４（Ｃ）に示すように、下部電極４５を形成する。
【００７１】
下部研削工程Ｓ３４、マスク工程Ｓ３５、及びエッチング工程Ｓ３６は、第一実施形態の研削工程Ｓ４、マスク工程Ｓ５、及びエッチング工程Ｓ６と同様の処理を実施する。すなわち、下部研削工程Ｓ３４は、図１５（Ａ）に示すように、下部基板４１を研削し、例えば２００μｍ程度の厚み寸法に形成する。マスク工程Ｓ３５は、図１５（Ｂ）に示すように、下部基板４１の上部基板４２に接合される面とは反対側の面に孔部３１を有するマスク層３０を形成する。エッチング工程Ｓ３６は、下部基板４１に対して、孔部３１からサイクルエッチング処理、及びオーバーエッチング処理を実施して、図１６（Ｃ）に示すように、均一厚み寸法の下部メンブレン４３２を形成する。
【００７２】
上部形成工程は、例えば５００μｍのＳｉ基板である上部基板４２に、上部支持膜形成工程Ｓ３７、上部電極形成工程Ｓ３８、及び上部研削工程Ｓ３９の各工程により処理を実施する。
上部支持膜形成工程Ｓ３７は、第一実施形態の成膜工程Ｓ２と同様、上部基板４２の下部基板５１に接合される一面側を熱酸化処理し、図１６（Ａ）に示すように、上部基板４２の表面に均一厚みの上部支持膜４４を形成する。
上部電極形成工程Ｓ３８は、上部支持膜４４上に上部電極４６を形成するための導電層を成膜し、例えばフォトリソグラフィ法を用いてパターニングして、図１６（Ｂ）に示すように、上部電極４６を形成する。
上部研削工程Ｓ３９は、第一実施形態の研削工程Ｓ４と同様の処理であり、図１６（Ｃ）に示すように、上部基板４１を研削して、例えば２００μｍ程度の厚み寸法に形成する。
【００７３】
接合工程Ｓ４０は、下部支持膜４３及び上部支持膜４４を介して、下部基板４１及び上部基板４２を接合する。ここで、接合工程Ｓ４０における接合方法としては、例えば接着材や樹脂等による接着接合や陽極接合等、各種接合方法を用いることができる。以上により、図１２に示すような圧力センサー４０が製造される。
【００７４】
以上説明したような圧力センサー４０においても、上記第一実施形態の超音波トランスデューサー１０と同様の効果を得ることができる。
すなわち、圧力センサー４０は、Ｓ３１〜Ｓ４０の各工程により製造される。したがって、エッチング工程Ｓ３６において、サイクルエッチング処理により、下部基板４１の上部基板４２とは反対側の面から、下部支持膜４３の下部メンブレン４３２に亘って開口部を形成し、オーバーエッチング処理により、更に、下部側壁部４３１をエッチングストッパーとして、下部基板４１を下部メンブレン４３２に沿って横方向へエッチングすることができる。これにより、下部メンブレン４３２に接触する下部基板４１をエッチングにより確実に除去することができ、当該下部メンブレン４３２の厚み寸法を均一に形成することができる。また、下部側壁部４３１をエッチングストッパーとして横方向へのエッチングを規制しているため、下部側壁部４３１の外側領域がエッチングされることがなく、下部メンブレン４３２を所望の面積に形成することができる。
【００７５】
［変形例］
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良等は本発明に含まれるものである。
【００７６】
例えば、ＭＥＭＳデバイスとして、超音波発信用の超音波トランスデューサー１０，超音波トランスデューサー１０Ａ，超音波トランスデューサー１０Ｂ、及び圧力センサー４０を例示したが、これに限定されない。超音波トランスデューサーとしては、超音波受信用の超音波トランスデューサーや、超音波送信及び受信の双方を実施可能な超音波トランスデューサーに本発明を適用してもよい。また、このような超音波トランスデューサーや圧力センサーに限られず、ダイアフラム形状の主膜部を有するいかなるＭＥＭＳデバイスにも適用することができる。
【００７７】
また、上記各実施形態では、側壁部１２１，１３１，４３１が基板１１，４１に対して直交する方向に立ち上がり、当該側壁部１２１，１３１，４３１の立ち上がり方向がメンブレン１２２，１３２，４３２に対して直交する構成を例示したが、これに限定されない。
側壁部１２１，１３１，４３１は、エッチング工程において、オーバーエッチング処理のエッチングストッパーとして機能すれば、メンブレン１２２，１３２，４３２に対して交差する角度に形成されていてもよい。特に、側壁部１２１，１３１，４３１と、メンブレン１２２，１３２，４３２との間の角度が鋭角である場合、オーバーエッチング処理において、側壁部１２１，１３１，４３１に沿うエッチングの進行速度が低下する。したがって側壁部１２１，１３１，４３１を超えてエッチングされる不都合をより確実に防止することができる。
【００７８】
以上、本発明を実施するための最良の構成について具体的に説明したが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施形態に関して特に図示され、かつ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施形態に対し、当業者が様々な変形および改良を加えることができるものである。
【符号の説明】
【００７９】
１０，１０Ａ，１０Ｂ…超音波トランスデューサー（ＭＥＭＳデバイス）、１１…基板、１１１…開口部、１１２，４１１Ａ…キャビティ形成部、１１３，４１１Ｂ…連通孔、１１４，４１４…凸部、１１４Ａ…先端面、１１４Ｂ…側面部、１１Ａ…第一面、１１Ｂ…第二面、１２，１３…支持膜（機能膜）、１２１，１３１，４３１…側壁部、１２２，１３２，４３２…メンブレン（主膜部）、２０…圧電体、２１…下部電極層、２２…圧電層、２３…上部電極層、３０…マスク層、３１…孔部、４１…下部基板（基板）、４１１Ａ…キャビティ形成部、Ｃ，Ｃ１…キャビティ、Ｓ１…凸部形成工程、Ｓ２…成膜工程、Ｓ５，Ｓ３５…マスク工程、Ｓ６，Ｓ３６…エッチング工程、Ｓ２１…第一成膜工程（成膜工程）、Ｓ２２…膜研磨工程（成膜工程）、Ｓ２３…第二成膜工程（成膜工程）、Ｓ３１…下部基板形成工程（凸部形成工程）、Ｓ３２…下部支持膜形成工程（成膜工程）。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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