(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
静電容量型の電気機械変換装置であって、
基板と、
前記基板上の積層方向に、該基板側から、第一の電極と、絶縁膜と、振動膜とを、この順に、且つ該絶縁膜と該振動膜との間に間隙を介して、有しており、
前記振動膜は、第一のメンブレンと第二の電極とを含み、該第一のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であり、
前記第一の電極は、タングステン及びチタンを含み構成されていることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項２】
前記基板上に、前記第一の電極、前記絶縁膜、及び前記振動膜を含み構成されるセルを有することを特徴とする請求項１に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項３】
静電容量型の電気機械変換装置であって、
基板と、
前記基板上の積層方向に、該基板側から、第一の電極と、絶縁膜と、振動膜とを、この順に、且つ該絶縁膜と該振動膜との間に間隙を介して、有しており、
前記振動膜は、第一のメンブレンと第二の電極とを含み、該第一のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であり、
前記第一の電極、前記絶縁膜、及び前記振動膜を含み構成されるセルを有し、
前記セルの形状が四角形であることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項４】
静電容量型の電気機械変換装置であって、
基板と、
前記基板上の積層方向に、該基板側から、第一の電極と、絶縁膜と、振動膜とを、この順に、且つ該絶縁膜と該振動膜との間に間隙を介して、有しており、
前記振動膜は、第一のメンブレンと第二の電極とを含み、該第一のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であり、
前記第一の電極、前記絶縁膜、及び前記振動膜を含み構成されるセルを有し、
前記セルの形状が六角形であることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項５】
静電容量型の電気機械変換装置であって、
基板と、
前記基板上の積層方向に、該基板側から、第一の電極と、絶縁膜と、振動膜とを、この順に、且つ該絶縁膜と該振動膜との間に間隙を介して、有しており、
前記振動膜は、第一のメンブレンと第二の電極とを含み、該第一のメンブレンが前記間隙側に位置するように構成されており、
前記絶縁膜は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であり、
前記第一の電極、前記絶縁膜、及び前記振動膜を含み構成されるセルを有し、
前記セルの形状が円形であることを特徴とする静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項６】
前記基板上に、前記セルを複数有し、
前記第一の電極及び前記第二の電極の少なくともいずれか一方は、前記複数のセル間で共通して用いられる共通電極であることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項７】
複数の前記セルを含み構成される素子を複数有する請求項６に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項８】
前記第一の電極及び前記第二の電極のいずれか一方は複数の前記素子間で共通して用いられる共通電極であることを特徴とする請求項７に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項９】
前記絶縁膜は、表面粗さの二乗平均平方根値が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１０】
前記第一の電極は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１１】
前記第一の電極は、表面粗さの二乗平均平方根値が２ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１０の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１２】
前記第一の電極は前記積層方向の厚さが１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至１１の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１３】
前記基板と前記第一の電極との間に熱酸化膜を有することを特徴とする請求項１乃至１２の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１４】
前記絶縁膜がシリコン酸化膜を有することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１５】
前記第一のメンブレンが窒化シリコン膜を有することを特徴とする請求項１乃至１４の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１６】
前記振動膜は、前記積層方向に、前記第一のメンブレンと、前記第二の電極と、第二のメンブレンとをこの順に備えることを特徴とする請求項１乃至１５の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１７】
前記第二のメンブレンが窒化シリコン膜を有することを特徴とする請求項１６に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１８】
前記表面粗さの二乗平均平方根値は、前記絶縁膜の表面粗さの測定面積を、５μｍ×５μｍとした場合の値であることを特徴とする請求項１乃至１７の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項１９】
前記表面粗さの二乗平均平方根値は、原子間力顕微鏡を用いて測定された値であることを特徴とする請求項１乃至１８の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項２０】
前記振動膜の共振周波数を、共振曲線の半値幅で割った値であるＱ値が２００以上であることを特徴とする請求項１乃至１９の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【請求項２１】
前記第一の電極と前記第二の電極との間の距離の変化によって生じる電流を、電圧に変換する電流−電圧変換素子を備えることを特徴とする請求項１乃至２０の何れか一項に記載の静電容量型の電気機械変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換装置及びその作製方法に関する。特に、超音波トランスデューサとして用いられる電気機械変換装置及びその作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロマシニング技術によって作製されるＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ  Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ  Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）等の電気機械変換装置は、圧電素子の代替品として研究されている。このような静電容量型の電気機械変換装置は、振動膜の振動により超音波を送信、受信することができる。
【０００３】
ＣＭＵＴの作製方法として、特許文献１には、犠牲層エッチングによりキャビティを作製する方法が記載されている。特許文献１では、上部電極が犠牲層エッチング時にエッチングされないようにするために、第一のメンブレンと第二のメンブレンとの間に第二の電極を形成し、犠牲層をエッチングする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００５／０１７７０４５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の作製方法のように、ＣＭＵＴは、基板上に下部電極や絶縁膜、上部電極、メンブレンが順次繰り返し積層される。この複数膜の成膜の際、膜の厚みがばらつくことが考えられる。膜の厚みがセル毎、素子毎にばらつくと、セル毎、素子毎に周波数特性が変わってしまう。そこで、本発明は、セル毎、素子毎の周波数特性のばらつきを低減することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の電気機械変換装置は、基板と、前記基板上に形成された第一の電極と、前記第一の電極と間隙を隔てて形成されたメンブレンと、前記メンブレン上に形成され前記第一の電極と対向する第二の電極と、を有する振動膜と、を備える電気機械変換装置であって、前記第一の電極は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下である。
【０００７】
本発明の電気機械変換装置の作製方法は、基板上に第一の電極を形成する工程と、前記第一の電極上に犠牲層を形成する工程と、前記犠牲層上にメンブレンを形成する工程と、前記メンブレン上に第二の電極を形成する工程と、前記メンブレンにエッチングホールを形成し、前記エッチングホールを介して前記犠牲層を除去する工程と、と、を有し、前記第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下となるよう前記第一の電極を形成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明により、第一の電極の表面状態を適正化することで、セル毎、素子毎の周波数特性のばらつきを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施例１が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【図２】本発明の実施例１の適用できる電気機械変換装置の作製方法を説明するため工程図である。
【図３】（ａ）第一の電極の膜厚と表面粗さとの関係を示したグラフ。（ｂ）振動膜の振動特性と第一の電極の表面粗さとの関係を示したグラフ。
【図４】（ａ）本発明の実施例２が適用できる電気機械変換装置を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の発明者らは、振動膜の周波数特性が、基板上に形成される各層の厚みばらつきにより変わってくることに着目した。特に、素子を作製する初期の工程である第一の電極の成膜工程が重要であることを着目した。複数の膜を積層して作製される電気機械変換装置は、第一の電極の形成工程以降の工程では、第一の電極の表面形状を反映した表面形状の膜を得ることができる。この点から、本発明者らは、第一の電極の表面粗さと振動膜の周波数特性とが、一定の関係にあることを見出した。
【００１１】
この関係より、本発明は、第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であることを特徴とする。以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１２】
（電気機械変換装置の構成）
図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の１つの素子１の上面図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の一点鎖線で囲まれたセル構造２におけるＡ−Ｂ断面図を示している。本実施形態の素子１は、電気的に接続された複数のセル構造２を有する。図１（ａ）では、１つの素子１のみ記載しているが、複数の素子１で構成しても構わない。また、図１（ａ）では、素子１は、９個のセル構造２を配列して構成されているが、個数はいくつであっても構わない。また、セル構造が正方格子状に配列されているが、千鳥に配列されていてもよくどのように配置されていても良い。セル構造の形状は、図１では円形であるが、四角形または六角形などであっても構わない。
【００１３】
図１（ｂ）はセル構造２における断面図を示している。セル構造２は、基板１１、基板１１上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の電極１３、第二の絶縁膜１４を有する。さらに、セル構造２は、第一のメンブレン１６と第二の電極１７と第二のメンブレン１８とで構成される振動膜を有している。第一のメンブレン１６は、間隙側（キャビティ１５側）のメンブレンであり、メンブレン支持部１９により支持されている。第二のメンブレン１８は、キャビティ１５とは反対側のメンブレンである。振動膜は、第二の絶縁膜と間隙であるキャビティ１５を隔てて配置されている。第一の電極１３と第二の電極１７とはキャビティを隔てて対向しており、第一の電極１３と第二の電極１７との間には、不図示の電圧印加手段により電圧が印加される。
【００１４】
また、電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極１７から素子毎に電気信号を引き出すことができる。ただし、本実施形態では、引き出し配線６により電気信号を引き出しているが、貫通配線等を用いてもよい。また、本実施の形態では、第一の電極１３、第二の電極１７ともに素子毎に配置しているが、第一の電極１３と第二の電極１７のどちらか一方を共通電極としても良い。共通電極とは、複数の素子を有する場合に、複数の素子全てで電気的に接続されている電極を示す。この場合においても、第一の電極１３と第二の電極１７のうちどちらか一方が素子毎に分離されていれば、素子毎の電気信号を取り出すことができる。
【００１５】
（電気機械変換装置の駆動原理）
本発明の駆動原理を説明する。電気機械変換装置で超音波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、第一の電極と第二の電極との間に電位差が生じるように、第一の電極１３に直流電圧を印加しておく。超音波を受信すると、第二の電極１７を有する振動膜が撓むため、第二の電極１７と第一の電極１３との間隔（キャビティ１５の深さ方向の距離）が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、引き出し配線６に電流が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって電圧に変換し、超音波の受信信号とする。上述したように、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極１７に直流電圧を印加し、第一の電極１３から素子毎に電気信号を引き出してもよい。
【００１６】
また、超音波を送信する場合、第一の電極１３に直流電圧を、第二の電極１７に交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることができる。この振動によって、超音波を送信することができる。超音波を送信する場合も、引き出し配線の構成を変更することによって、第二の電極１７に直流電圧を、第一の電極１３に交流電圧を印加し、振動膜を振動させてもよい。また、第一の電極あるいは、第二の電極に直流電圧と交流電圧を印加し、静電気力によって振動膜を振動させることもできる。
【００１７】
（振動膜の周波数特性と第一の電極の表面粗さとの関係）
上述したように、本発明は、第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であることを特徴とする。以降では、振動膜の周波数特性と第一の電極の表面粗さとの関係について図３を用いて説明する。ここでいう表面粗さは、ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：原子間力顕微鏡）を用いて測定し、その値はＲｍｓ（Ｒｏｕｇｈｎｅｓｓ  Ｒｏｏｔ  Ｍｅａｎ  Ｓｑｕａｒｅ：二乗平均平方根粗さ）で示すものとする。Ｒｍｓの測定面積は、５μｍ×５μｍである。また、測定の際に用いたＡＦＭは、ＶＥＥＣＯ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製Ｎａｎｏｓｃｏｐｅ  Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ３０００である。また、測定対象の電気機械変換装置は、第一の電極１３の厚みを変化させた以外は、後述の実施例１の電気機械変換装置と同様の構成である。
【００１８】
図３（ａ）は、第一の電極１３の電極としてチタンを用い、第一の電極１３の膜厚と表面粗さとの関係を示したグラフである。ＲＦパワーを５５０Ｗと固定し、チタンの膜厚を５０ｎｍから２００ｎｍまで増加させて、Ｒｍｓを測定した結果を示している。図３（ｂ）は、振動膜の周波数特性と第一の電極１３の表面粗さとの関係を示したグラフである。図３（ａ）と同様にチタンの膜厚を５０ｎｍから２００ｎｍまで増加させて、振動膜の周波数特性を測定した際の結果を示している。
【００１９】
図３（ｂ）では、周波数特性のばらつきを評価するにあたって、Ｑ値との関係を示している。Ｑ値とは、振動の状態を現す無次元数である。振動膜の共振周波数を半値幅で割った値であり、その値が高いほどアレイ化したセル構造２の個々の振動膜の周波数特性が揃っていることを示している。すなわちセル構造２の振動膜の形状および電極間距離などにばらつきが少ないことを示している。
【００２０】
周波数特性はＡｇｉｌｅｎｔ社製インピーダンスアナライザー４２９４Ａを用いて測定した。その結果、Ｑ値は、第一の電極の表面粗さが６ｎｍ以下では２００以上の高い値を示しており、６ｎｍより大きな範囲では、急激にＱ値が減少している。Ｑ値が２００以上の領域で一部傾きの異なる曲線になっているのは、インピーダンスアナライザーの分解能が十分ではないためだと思われる。
【００２１】
図３（ｂ）より、周波数特性のばらつきが小さい振動膜を得るには、第一の電極の表面粗さが重要であり、その表面粗さが６ｎｍ以下の範囲と６ｎｍより大きな範囲とでは、Ｑ値が大きく変化することが分かった。この関係は、第一の電極の材料によらない。以上より、第一の電極の表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下であることにより、セル毎、素子毎に周波数特性ばらつきの少ない振動膜とすることができる。また、第一の電極の表面粗さは小さければ小さいほどよい。
【００２２】
また、第一の電極としてチタンを用いた場合、図３（ａ）で示したように、膜厚を変化させると、チタン厚が１００ｎｍ近傍で変曲点を示し、表面粗さが急に増加している。また、チタン厚が２００ｎｍ近傍でもまた変曲点を持ち、表面粗さの増加が鈍くなっている結果が得られている。これは、成膜メカニズムにおいて、成膜面はある膜厚以下では２次元成長し、急に３次元成長へと移行し、２次元及び３次元成長の混在した成長が行われると思われる。この傾向は、チタンだけでなく、ＴｉＷなどチタンを含む合金も同様の物性を示す。この結果より、本発明の第一の電極としてチタン又はチタンを含む合金を用いた場合、膜厚は１００ｎｍ以下であることが好ましい。また、成膜の際、アイランド状から膜状になるのは、膜厚１０ｎｍ以上であるため、チタンの膜厚の下限値としては１０ｎｍ以上であることが好ましい。よって、本発明の第一の電極は、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚みが好ましい。
【００２３】
（電気機械変換装置の作製方法）
次に、本発明の電気機械変換装置の作製方法について図２を用いて説明する。図２は、図１（ａ）（ｂ）に示した電気機械変換装置を作製するための工程図である。図２（ａ）に示すように基板１１上に第一の絶縁膜１２を形成する。基板１１がシリコン基板のような導電性を有する基板の場合、第一の絶縁膜１２は基板１１と第一の電極１３との絶縁を目的として形成している。よって、基板１１がガラス基板のような絶縁性基板の場合、絶縁膜１２は必要としない。基板１１は、できる限り表面粗さの小さな基板が望ましい。
【００２４】
次に、図２（ｂ）に示すように、第一の絶縁膜上に第一の電極１３を形成する。上述したように、第一の電極１３は、表面粗さの二乗平均平方根値が６ｎｍ以下となるように形成する。積層により作製する方法では、膜の表面粗さは次の膜へと反映されるため、初期工程における表面粗さを小さく抑制することは重要である。特に表面粗さが大きくなりやすい金属膜の成膜工程において、表面粗さを小さくすることにより特性ばらつきを抑制することが重要である。本発明では、第一の電極１３を上記表面粗さの範囲で作製することにより、本工程以降の工程において、積層膜に次々に表面粗さが反映されたとしても、振動膜の周波数特性のばらつきが大きくなることを抑制することができる。第一の電極１３の材料としては、高い導電性、高温耐性、高い平滑性を有するチタン、チタン合金等が好ましい。
【００２５】
次に、図２（ｃ）に示すように、第一の電極上に第二の絶縁膜１４を形成する。第二の絶縁膜１４は、第一の電極と第二の電極との間に電圧が印加された場合の第一の電極と第二の電極間の電気的短絡あるいは絶縁破壊を防止するために形成する。低電圧で駆動する場合は、第一のメンブレンが絶縁体であるため、第二の絶縁膜１４は形成しなくともよい。第二の絶縁膜１４の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、第二の絶縁膜も表面粗さが小さい材料が望ましい。例えば、窒化シリコン膜、シリコン酸化膜等である。
【００２６】
次に、図２（ｄ）に示すように、第二の絶縁膜上に犠牲層２５を形成する。犠牲層２５は、キャビティの形状（深さ）を決定する一つとなるため、エッチング時に粒界や結晶異方性の影響が少ない材料であり、さらに他の構成材料とのエッチング選択性が高い材料が望ましい。また、エッチング時間を短くするために、エッチング速度の速い材料が望ましい。また、表面粗さが小さい材料が望ましい。第一の電極と同様に、犠牲層の表面粗さが大きい場合、表面粗さによる第一の電極と第二の電極間の距離が、各セル間、各素子間でばらついてしまうため、表面粗さが小さい犠牲層が望ましい。例えば、クロム、モリブデンなどである。
【００２７】
次に、図２（ｅ）に示すように、犠牲層上に第一のメンブレン１６を形成する。メンブレン支持部は、この第一のメンブレン１６と同一工程により形成される。第一のメンブレン１６は、低い引張り応力が望ましい。例えば、０ＭＰａより大きく３００ＭＰａ以下の引張り応力がよい。窒化シリコン膜はＰＥ−ＣＶＤ（Ｐｌａｓｍａ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：気相化学成膜）法を用いて応力制御が可能であり、低い引張り応力を得ることができる。第一のメンブレン１６が圧縮応力を有する場合、スティッキングあるいは座屈を引き起こし、振動膜が大きく変形する可能性がある。スティッキングとは、第一のメンブレン１６が第一の電極側に付着してしまうことである。また、大きな引張り応力の場合、第一のメンブレンが破壊されることもある。従って、第一のメンブレン１６は、低い引張り応力が望ましい。
【００２８】
次に、図２（ｆ）に示すように、第二の電極１７を形成し、さらにエッチングホール（不図示）を形成する。その後、エッチングホールを介して、犠牲層２５を除去しキャビティを形成する。第二の電極１７は、残留応力が小さく、耐熱性、犠牲層エッチングに対するエッチング耐性を有する材料が望ましい。また、後工程の第二のメンブレンを成膜する際の温度等によって、変質、応力の増加を引き起こさない材料が望ましい。また、エッチング選択比が小さい場合、犠牲層をエッチングする際に、第二の電極１７を保護必要があり、ばらつきの原因となる。したがって犠牲層エッチングにおける耐性を有する材料が望ましい。例えば、チタンまたはチタンの合金等である。
【００２９】
次に、図２（ｇ）に示すように、第二のメンブレン１８を形成する。本工程では、第二のメンブレン１８を形成する工程と、エッチングホールを封止する工程とを同一工程で行う。つまり、本工程により、第二の電極上（第二の電極のキャビティとは反対側の面上）に第二のメンブレン１８を形成することで、所望のばね定数を有する振動膜を形成することができ、エッチングホールを封止する封止部を形成することができる。
【００３０】
第二のメンブレン１８を形成した後に、エッチングホールを形成し、エッチングホールを封止した場合、エッチングホールを封止するための膜が第二のメンブレン上に堆積する。この堆積した膜を除去するために、エッチングを行うと振動膜の厚さばらつきや応力ばらつきが発生する。一方、本工程のように、エッチングホールの封止工程と第二のメンブレン１８を形成する工程が同じであるため、振動膜は成膜工程だけで形成することができる。
【００３１】
また、第二のメンブレン１８は、低い引張り応力を有する材料が望ましい。第一のメンブレン１６と同様に、第二のメンブレン１８が圧縮応力を有する場合、第一のメンブレン１６がスティッキングあるいは座屈を引き起こし、大きく変形する可能性がある。また、大きな引張り応力の場合、第二のメンブレン１８が破壊されることもある。従って、第二のメンブレン１８は、低い引張り応力が望ましい。窒化シリコン膜はＰＥ−ＣＶＤを用いて応力制御が可能であり、低い引張り応力を得ることができる。
【００３２】
本工程の後、図示しない工程により、第一の電極や第二の電極から電気的接続をし易いように引き出し配線を形成する。配線材料は導電性が高くアセンブリに適した材料が望ましく、例えばアルミ等である。
【００３３】
本作製方法により電気機械変換装置を作製することによって、振動膜の周波数特性のばらつきを低減することができる。また、この作製方法で作製した電気機械変換装置は、振動膜を成膜工程のみで形成することができるため、振動膜の厚みばらつきを低減できるため、電気機械変換装置のセル毎、素子毎の感度、帯域のばらつきを低減することができる。
【００３４】
（本発明の好ましい形態）
本発明において基板は、半導体基板、ガラス基板、セラミックス基板並びにそれらの複合的基板等、どのような基板を用いても良い。基板１１がガラス基板などの絶縁体である場合、第一の絶縁膜１２は無くても構わない。特に本発明では、上述したように、基板１１としてシリコン基板を用い、第一の絶縁膜１２として熱酸化膜を用いることが好ましい。特に平滑性の高い基板として熱酸化膜を有するシリコン基板が好ましい。
【００３５】
第一の電極１３は、チタンもしくはチタンの合金を用いることが好ましい。スパッタ装置においてＲＦパワーを制御することで、第一の電極に用いられるチタン膜の表面粗さを精度よく制御することができる。チタンは高い熱耐性を有しているため、以降の工程において高温による変形や変質などを防止することができる。また、積層工程によって表面粗さは次の膜へと反映されるため、初期工程における表面粗さを小さく抑制することは重要である。
【００３６】
第二の絶縁膜１４は、酸化シリコンが好ましい。ＰＥ−ＣＶＤで形成された酸化シリコン膜は、絶縁性や平滑性が高く、またステップカバレッジ性に優れている。第一の電極１３と第二の電極１７との間には、高電圧が印加されるため、絶縁性やステップカバレッジ性に優れた酸化シリコン膜は、以降の工程に小さな表面粗さを提供することもできるため、望ましい。
【００３７】
第一のメンブレン１６と第二のメンブレン１８は窒化シリコンが好ましい。ＰＥ―ＣＶＤ法を用いて形成された窒化シリコン膜は、一般的に引っ張り応力を得ることができる。窒化シリコン膜の残留応力による振動膜の大きな変形を防止するためには、引っ張り応力かつ低応力値であることが、望ましい。本発明の電気機械変換装置は、第二の電極１７が第一のメンブレン１６と第二のメンブレン１８との間に形成されている。第二の電極１７が第二のメンブレン１８上に形成される場合と比べ、第一の電極と第二の電極との距離を小さくできるため、変換効率を高くすることができる。
【００３８】
ここでの変換効率とは、振動膜の振動を電気信号に変換する効率のことであり、第一の電極と第二の電極との間の距離が小さいほど変換効率が高い。また、熱膨張係数の異なる異種の材料の組み合わせで振動膜を構成した場合、バイメタル効果によって振動膜が反ってしまう。しかしながら同種の材料で挟み込んだ構成の第二の電極１７が第一のメンブレン１６と第二のメンブレン１８との間に形成することによって、応力のバランスを取ることができ、振動膜の反りを低減できる。そのため振動膜の大きな変形を防止することができるため、望ましい。
【００３９】
第二の電極１７は、チタンもしくはチタンの合金が好ましい。チタン又はチタンの合金は、電子ビーム蒸着法を用いて形成することができ、電子ビーム蒸着法を用いて低真空度下で成膜したチタン膜は引っ張り応力を得ることができる。第二の電極１７を大きな圧縮応力で形成した場合、第一のメンブレン１６上の第二の電極１７の応力バランスにより、振動膜が大きな変形を引き起こす可能性があり、振動膜の撓みばらつきが大きくなってしまう。振動膜の大きな変形を防止するためには、第二の電極１７が引っ張り応力かつ低応力値であることが、望ましい。また、チタンは熱耐性が高いため、第二のメンブレンを形成する際の温度による変質を防止することができる。また、チタンは表面粗さも小さくできるため、メンブレンのたわみばらつきを抑制できる。
【００４０】
以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。
【実施例１】
【００４１】
以下に、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の電気機械変換装置の上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ−Ｂ断面図である。本発明の素子１は、９つのセル構造２を有している。
【００４２】
図１（ｂ）において、３００μｍ厚さのシリコン基板である基板１１、シリコン基板上に形成される第一の絶縁膜１２、第一の絶縁膜１２上に形成される第一の電極１３、第一の電極１３上の第二の絶縁膜１４を有する。さらに、第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８、第二の電極１７とで構成される振動膜とを有する。第一のメンブレン１６は、支持するメンブレン支持部１９により支持され、第一の電極１３と第二の電極１７とは、キャビティ１５を隔てて対向して配置されている。
【００４３】
第一の絶縁膜１２は、熱酸化により形成した厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。第一の電極１３はスパッタ装置を用いて形成し、厚さが５０ｎｍのチタンであり、表面粗さはＲｍｓが２ｎｍ以下となるよう形成している。第二の絶縁膜１４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成したシリコン酸化膜である。第二の絶縁膜１４は、第一の電極１３の表面粗さを反映するため、第一の電極１３の表面粗さと同程度のＲｍｓの値を有する。本実施例の第一の電極１３は素子１の全面に形成している。素子１を複数アレイ状に配列する場合は、第一の電極１３を複数の素子すべて電気的に接続される共通電極とし、第二の電極１７を素子毎に電気的に分離することで、素子毎に電気信号を取り出すことができる。また、第二の電極１７を共通電極とし、第一の電極１３を素子毎に分離しても良い。さらに、第一の電極１３、第二の電極１７ともに素子毎に分離した電極としても良い。
【００４４】
第二の電極１７は電子ビーム蒸着装置を用いて、チタンを形成している。チタンの厚さは１００ｎｍであり、２００ＭＰａ以下の引張り応力で形成する。第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８はＰＥ−ＣＶＤにより作製した窒化シリコン膜であり、１００ＭＰａ以下の引張り応力で形成する。また、第一のメンブレン１６、第二のメンブレン１８の直径は、４５μｍであり、それぞれの厚さは、０．４μｍ、０．７μｍであり、第二の電極１７の直径は４０μｍである。キャビティの厚さは、０．１８μｍである。また、第二のメンブレン１８の厚さは、キャビティ１５の厚さの３倍程度である。これにより、第二のメンブレン１８を形成する絶縁膜によりエッチングホールを塞いで、キャビティ１５を良好に封止することができる。
【００４５】
また、第一のメンブレン１６は、第二のメンブレン１８より薄くし、第二のメンブレン１８の厚さによりメンブレンのばね定数を所望の値に調整する。これらによって、第二のメンブレン１８を形成する膜をエッチングすることなく、成膜工程だけで所望のばね定数を有する振動膜を形成することができる。
【００４６】
本実施例の電気機械変換装置は、引き出し配線６を用いることで、第二の電極１７から素子毎の電気信号を引き出すことができる。
【００４７】
電気機械変換装置で超音波を受信する場合、図示しない電圧印加手段で、直流電圧を第一の電極１３に印加する。超音波を受信すると、第二の電極１７を有する第一のメンブレン１６および第二のメンブレン１８が変形するため、第二の電極１７と第一の電極１３との間のキャビティ１５の距離が変わり、静電容量変化によって、引き出し配線６に電流（電気信号）が流れる。この電流を図示しない電流−電圧変換素子によって、電圧に変換し、超音波の受信信号とする。
【００４８】
また、超音波を送信する場合、第一の電極１３に直流電圧を、第二の電極１７に交流電圧を印加し、静電気力によって、振動膜を振動させることができる。これによって、超音波を送信することができる。
【実施例２】
【００４９】
以下に、本発明の実施例２について図４を用いて説明する。図４（ａ）は、本実施例の電気機械変換装置の上面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＣ−Ｄ断面図である。実施例２の電気機械変換装置の構成は、第一の電極の形状以外は、実施例１とほぼ同様である。
【００５０】
図４（ｂ）において、３００μｍ厚さのシリコン基板４１、シリコン基板４１上に形成される第一の絶縁膜４２、第一の絶縁膜４２上に形成される第一の電極４３、第一の電極４３上の第二の絶縁膜４４を有する。さらに、第一のメンブレン４６、第二のメンブレン４８、第二の電極４７とで構成される振動膜を有する。第一のメンブレン４６はメンブレン支持部４９により支持されている。第一の電極４３と第二の電極４７とは、キャビティ４５を隔てて対向して配置されている。
【００５１】
第一の絶縁膜４２は、熱酸化により形成した厚さ１μｍのシリコン酸化膜である。第一の電極４３はスパッタ装置を用いて形成し、厚さが５０ｎｍのチタンであり、表面粗さはＲｍｓが２ｎｍ以下で形成されている。さらに、本実施例では、キャビティ以外の位置で、第一の電極と第二の電極の配線とで形成される不要な寄生容量を低減するために、第一の電極は第二の電極の配線との重なり面積をできるだけ少なくするようにパターニングする。
【００５２】
フォトリソグラフィーおよびエッチングを用いることによって、図示したように第一の電極４３のチタンは高精度にパターニングできる。エッチャントに過酸化水素水溶液を含む溶液を用いてエッチングすることによって、構成されている材料とのエッチング選択比が高く取れ、周辺材料に損傷などを与えず表面粗さの変わらない極めて平滑性の高い第一の電極が得られる。このように、第一の電極４３も第二の電極４７とほぼ同じ大きさとし、セル間は細い配線３３で接続する。そして、第一の電極４３の配線３３と第二の電極４７の配線３６とを絶縁膜を介して対向しないように配置することで、寄生容量を低減できる。第二の絶縁膜４４は、ＰＥ−ＣＶＤにより形成したシリコン酸化膜である。
【符号の説明】
【００５３】
１  素子
２  セル構造
５  エッチングホール
６  引き出し配線
１１  基板
１２  第一の絶縁膜
１３  第一の電極
１４  第二の絶縁膜
１５  キャビティ
１６  第一のメンブレン
１８  第二のメンブレン
１９  メンブレン支持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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