(57)【要約】【課題】メンブレン構造を有する弾性波トランスデューサにおいて、共振周波数を保持したままで受信感度を向上させることができる技術を提供する。【解決手段】弾性波トランスデューサは、下部電極を有する基板（１０１）と、基板の上に形成された支持体（１０２）と、支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレン（１０３）と、を有する。メンブレンは、支持体と接触している第１領域（１０５）と、支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第２領域（１０６）とからなる。メンブレンの第２領域は、第２領域のかさ密度がメンブレンの第１領域からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有する。また第２領域におけるかさ密度比は、０．１以上０．５以下である。【選択図】図１
2009182838.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第１領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第２領域とからなり、
前記メンブレンの第２領域は、該第２領域のかさ密度が前記メンブレンの第１領域からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有することを特徴とする弾性波トランスデューサ。
【請求項２】
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第１領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第２領域とからなり、
前記メンブレンの少なくとも第２領域におけるかさ密度比が、０．１以上０．５以下であることを特徴とする弾性波トランスデューサ。
【請求項３】
前記メンブレンの第２領域に、かさ密度を小さくするための開口が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波トランスデューサ。
【請求項４】
前記開口は前記メンブレンを貫通しないことを特徴とする請求項３に記載の弾性波トランスデューサ。
【請求項５】
前記メンブレンの第２領域の内部に、かさ密度を小さくするための閉空間が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の弾性波トランスデューサ。
【請求項６】
前記メンブレンの第２領域の少なくとも一部が、前記メンブレンの第１領域の厚みよりも厚いことを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の弾性波トランスデューサ。
【請求項７】
前記メンブレンの第２領域の少なくとも一部が前記基板と接触したコラプスモードで動作することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の弾性波トランスデューサ。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかに記載の弾性波トランスデューサが複数アレイ状に配置されていることを特徴とする弾性波トランスデューサアレイ。
【請求項９】
請求項８に記載の弾性波トランスデューサアレイを備えることを特徴とする超音波探触子。
【請求項１０】
請求項９に記載の超音波探触子を備えることを特徴とする超音波撮像装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、弾性波の送受信を行なうトランスデューサに関し、特にメンブレン構造を有するトランスデューサに関する。
【背景技術】
【０００２】
弾性波の送受信を行なうトランスデューサとしては、超音波の送受信を行なうものが存在する。超音波の送受信を行なうトランスデューサとしては圧電素子を用いるものが一般的である。また一方では、メンブレン（振動膜ともいう）構造の振動によって超音波の送受信を行なうトランスデューサであるＣＭＵＴ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）やＰＭＵＴ（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）が注
目されている。これらのトランスデューサは半導体製造技術を用いて形成されており、アレイ数増加の可能性や回路との集積化の容易性などが長所となっている。
【０００３】
ここで、一般的なＣＭＵＴの動作について説明を行なう。ＣＭＵＴは下部電極を有する基板とそれに対向する上部電極を有するメンブレン構造から形成されており、メンブレンと基板とに電位差を生じることが可能な構成となっている。このメンブレンと基板とに直流的な電位差（ＤＣバイアス）を与えると、メンブレンが静電引力によって基板に引き付けられる。この状態において、さらに交流的な電位差を加えることでメンブレンが振動し、超音波を発生することができる。また、超音波がＣＭＵＴに入射した場合には、基板とメンブレンとの間で生じる容量変化を測定することで、超音波を検出することができる。
【０００４】
このように、ＣＭＵＴにおいてはメンブレンと基板の構造は重要であり、その部分に対する工夫が行なわれている。特許文献１では、ＣＭＵＴの非線形性を考慮した駆動波形を入力する手法と共に、基板部分に隆起した領域を形成することによる電荷分布の制御が開示されている。また、特許文献２では、メンブレンの周辺部分を変形しやすくすることで、素子の中央部分で電束が電極に垂直になるメンブレン構造が開示されている。
【特許文献１】特表２００４−５０３３１３号公報
【特許文献２】特開２００６−３１９７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、ＣＭＵＴの性能として「受信感度」と「共振周波数」を考える。受信感度は、ＣＭＵＴが容量の検出を行なうトランスデューサであることから、
（超音波入力による容量の変化）／（ＤＣバイアスによる電荷量）＝ΔＣ／Ｃ・Ｖｄｃ
と定義する。また、共振周波数はあるレベル以上の値、例えば３ＭＨｚから１０ＭＨｚ以上であることが必要となる。
【０００６】
受信感度を向上させる有効な方法として、以下の２つの方法が挙げられる。第１の方法は、基板とメンブレンとの間の距離（基板に設けた電極とメンブレンに設けた電極との距離）を小さくすることによって、基板とメンブレンとの間で形成される静電容量を大きくする方法である。当該静電容量を大きくすることによってメンブレンが変位した際の容量変化ΔＣが大きくなるため、より大きな電気信号を得ることができる。第２の方法は、超音波入力（メンブレンへの圧力）に対するメンブレンの変位を大きくすることによって、容量の変化ΔＣを大きくする方法である。メンブレンが質量と復元力を有するバネマス系だと仮定すると、圧力に対して大きく変位することは、復元力つまりバネ係数が小さいことと同義となる。
【０００７】
上記の関係を周囲が固定された円形のメンブレンを例として説明する。メンブレンの厚みをｈ、半径をａ、ヤング率をＥ、メンブレンへの平均荷重をｐ、とするとメンブレンの中央部で生じる最大たわみｗは、式１で表される。（参考：日本機械学会  機械工学便覧
Ａ４  材料力学）
【数１】
2009182838.tif 000003
【０００８】
近似的にこのメンブレンをたわみｗと外力ｐπａ２によって変形するバネだと考えると、バネ係数ｋは式２で表される。
【数２】
2009182838.tif 000004
【０００９】
また、メンブレンの質量ｍは、密度をρとすると式３で表される。
【数３】
2009182838.tif 000005
【００１０】
メンブレンを単純なバネマス系だと考えると、その共振周波数ｆは式４で表される。
【数４】
2009182838.tif 000006
【００１１】
ここで、先ほどの感度と共振周波数の議論に立ち戻る。高い感度であることは、バネ係数ｋが小さいことである。バネ係数ｋを小さくするには、式２を参照すると、メンブレンの厚みｈが薄く、メンブレンの半径ａが大きいのが望ましい。一方で、共振周波数を向上させるには、式４を参照すると、メンブレンの厚みｈが厚く、メンブレンの半径ａが小さいのが望ましい。つまり、あるレベル以上の共振周波数を保持することと、感度を上げることとは、メンブレンの厚みｈならびにメンブレンの半径ａについて逆の方向性を要求していることになる。
【００１２】
そのため、平板などの形状を有するメンブレンにおいて半径の大きさや厚みを変化させることで、「あるレベル以上の共振周波数を保持する」・「感度を上げる」という二つの方向性を同時に満足するのは容易ではなく、限界が存在した。
【００１３】
このように従来は、十分な受信感度を有するＣＭＵＴが開発されていない。
【００１４】
そこで本発明の目的は、メンブレン構造を有する弾性波トランスデューサにおいて、共振周波数を保持したままで受信感度を向上させることができる技術を提供することである。
【００１５】
また本発明のさらなる目的は、あるレベル以上の共振周波数を有し、かつ、高い受信感度を有する高性能な弾性波トランスデューサ、並びに、弾性波トランスデューサアレイ、超音波探触子、超音波撮像装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の第１態様に係る弾性波トランスデューサは、
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第１領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第２領域とからなり、
前記メンブレンの第２領域は、該第２領域のかさ密度が前記メンブレンの第１領域からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有することを特徴とする。
【００１７】
本発明の第２態様に係る弾性波トランスデューサは、
下部電極を有する基板と、
該基板の上に形成された支持体と、
該支持体によって保持され、上部電極を有するメンブレンと、
を有する弾性波トランスデューサであって、
前記メンブレンは、前記支持体と接触している第１領域と、前記支持体と接触しておらず弾性波を受けることにより変形する第２領域とからなり、
前記メンブレンの少なくとも第２領域におけるかさ密度比が、０．１以上０．５以下であることを特徴とする。
【００１８】
本発明の第３態様に係る弾性波トランスデューサアレイは、上記構成の弾性波トランスデューサが複数アレイ状に配置されていることを特徴とする。
【００１９】
本発明の第４態様に係る超音波探触子は、上記構成の弾性波トランスデューサアレイを備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明の第５態様に係る超音波撮像装置は、上記構成の超音波探触子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、メンブレン構造を有する弾性波トランスデューサにおいて、共振周波数を保持したままで受信感度を向上させることができる。そして、あるレベル以上の共振周波数を有し、かつ、高い受信感度を有する高性能な弾性波トランスデューサ、並びに、弾性波トランスデューサアレイ、超音波探触子、超音波撮像装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
本発明の弾性波トランスデューサの一例として、以下の実施形態では超音波のトランスデューサの例を示す。本発明に係る弾性波トランスデューサを複数アレイ状に配置することにより、弾性波トランスデューサアレイを構成することができる。このような弾性波トランスデューサアレイは、たとえば、超音波撮像装置（超音波診断装置）における超音波
探触子（プローブ）に好ましく適用可能である。ただし、本発明は超音波に限らず他の弾性波のトランスデューサにも適用可能である。
【００２３】
前記したように、これまでのＣＭＵＴにおいては、「あるレベル以上の共振周波数を保持する」・「感度を上げる」という二つの方向性を同時に満足するのは容易ではなく、限界が存在した。
【００２４】
そこで発明者らは、この限界を打破すべく、前記式４に含まれているメンブレンの密度ρに注目した。メンブレンの密度ρを下げることで、共振周波数ｆを上げることができるため、その上がった共振周波数の分を感度を上げることに振り分けることが可能となる。具体的には密度ρが下がった分、半径ａを大きく、厚みｈを薄くすることが可能となる。
【００２５】
さらに発明者らは、メンブレンの材料を変更することで本質的に密度を下げるのではなく、「かさ密度」を下げることによっても同様の効果が得られることを発見した。なお、かさ密度は、「空隙部分も含めた体積」と「質量」から算出される密度であり、粉体の密度の定義などに用いられる表現である。すなわち、本明細書において「かさ密度」とは、メンブレンの表面に開口（凹部）が設けられていたり、メンブレン内部に閉じた空間（穴・孔）が設けられていたとしても、それらの空間も含めた体積で、当該部分の質量を除した値である。
【００２６】
＜実施例１＞
以下、本発明の実施例１に係るトランスデューサについて説明する。実施例１では、メンブレンの表面に開口（凹部）を形成することで、共振周波数を保持したまま感度の向上を図っている。
【００２７】
（トランスデューサの構成）
まず、図１と図２を用いて本実施例のトランスデューサの形状を説明する。図１は本実施例のトランスデューサの断面図、図２は本実施例のトランスデューサの平面図である。なお、図１は図２のＡ−Ａ’の線における断面図を表している。
【００２８】
本実施例のトランスデューサは基板１０１と支持体１０２とメンブレン１０３とから構成されている。支持体１０２は基板１０１の上に環状に形成されており、略円盤形状のメンブレン１０３の周辺部を支持している。典型的には、基板１０１にはシリコン（製造過程で一部は酸化している（図１斜線部））が用いられる。また、支持体１０２には酸化シリコンが用いられ、メンブレン１０３にはシリコン薄膜あるいは窒化シリコン薄膜が用いられる。
【００２９】
図１に示すように、メンブレン１０３は、支持体１０２と接触している第１領域１０５と、支持体１０２と接触しておらず弾性波（超音波）を受けることによりＵ字型に変形する第２領域１０６と、を備えている。本実施例では、メンブレン１０３の中央部に第２領域１０６が形成され、第２領域１０６の周囲（メンブレン１０３の周辺部）に第１領域１０５が形成されている。
【００３０】
メンブレン１０３の第２領域１０６は第１領域１０５よりも厚くなっており、その第２領域１０６の表面（基板１０１とは反対側の面）に、メンブレン１０３を貫通しない開口（凹部）１０４が複数形成されている。この開口１０４はメンブレン１０３のかさ密度を小さくするための構造である。かかる構造により、超音波を受けて振動する部分である第２領域１０６の厚みを確保できるため、所望の共振周波数を維持することができる。そして、開口１０４を設けて第２領域１０６を軽くしたことで、受信感度の向上が期待できる。なおここでは、メンブレン１０３の上面を界面と定義して、かさ密度を計算している。
【００３１】
ここで、図１に示すように、メンブレン１０３の第２領域１０６が基板側に段差を持っており、第２領域の少なくとも一部の厚みが第１領域１０５よりも厚くなっていることが好ましい形態である。特に、第２領域１０６の中央部で厚くなっていることが好ましい。これにより、上部電極と下部電極との間の距離を小さくすることができ、上部電極と下部電極とで形成される静電容量を大きくすることができる。その結果、一定圧力の入力に対して大きな容量変化を得ることができるからである。つまり、より高感度となる。また、厚くなっている部分ではメンブレンが基板に平行な平行平板に近い状態で振動できるため、容量変化の非線形性を低くすることができる。
【００３２】
ここでもし、メンブレンを厚くしたのみで開口を設けない場合、メンブレンの質量ｍが大きくなる分、共振周波数ｆが小さくなってしまう。本発明においては、開口１０４を設けるなどによりメンブレンのかさ密度ρを小さくしており、このかさ密度の低下は共振周波数を上げる方向に作用する。つまり、共振周波数を維持したまま、感度を向上させることができるのである。
【００３３】
一方、単純にメンブレンのかさ密度ρを小さくするとメンブレンの剛性が低下し、メンブレンのばね定数が小さくなる（ヤング率が小さくなる）ことで共振周波数が低下する可能性がある。しかし本発明の構成においては、メンブレンの厚さを厚く設計することで、かさ密度ρが小さくても一定の剛性を保つことができるため、共振周波数の低下を効率的に抑制することができる。
【００３４】
なお、基板１０１、支持体１０２、及びメンブレン１０３で囲まれた空間（キャビティ）を真空に保つ場合には、開口１０４がメンブレンを貫通しないことが好ましい。しかし、真空に保つ必要がない場合には、メンブレン１０３に貫通孔を設けることができる。例えば、メンブレン自体をポーラスな材料で形成しても良い。この場合、メンブレン１０３内には閉空間（クローズドポア）や、キャビティと外気が連通するような開空間が形成されうる。
【００３５】
さらに本実施例では、好ましい形態として、図２に示したように、開口の大きさと単位面積あたりの数が変化するように開口１０４を形成し、メンブレン１０３の中心に近づくほどかさ密度を小さくしている。つまり、第１領域１０５からの距離が大きくなるほど、メンブレン１０３の第２領域１０６のかさ密度が小さくなるように設計されている。この構成により、より受信感度を向上させることができる。これは、メンブレン１０３の第１領域１０５からの距離が大きくなる、つまり、メンブレン１０３の中心になるにつれて、超音波を受信したときの変位量が大きくなるためである。変位量が大きい部分をより軽くすることで、単にメンブレンに開口を設けるだけの場合よりも、感度を向上させることができるのである。
【００３６】
開口の設け方としては、図２に示したように、第２領域１０６の中央部ほど一つの開口の面積を大きくし、梁（開口と開口の間の壁）の方向が円の半径方向と一致するようにすることがメンブレンの強度（剛性）の観点から好ましい。このようにメンブレンに開口を空けることで、全体のメンブレンの質量を軽くしても、メンブレンの剛性を所定のレベルに維持できる。
【００３７】
ここで、メンブレン１０３の第２領域１０６のある点Ｐにおける「第１領域１０５からの距離Ｌ」は、図２に示すように定義される。すなわち、トランスデューサ素子を上から見たメンブレン表面において、第１領域１０５と第２領域１０６の境界１０７から点Ｐまでの直線距離のうち最短のものが「第１領域１０５からの距離Ｌ」である。図２のように第２領域１０６が円形のメンブレンの場合は、円の中心から点Ｐを通る半径から距離Ｌを
把握できる。
【００３８】
本実施形態では、メンブレン１０３の第２領域１０６においては、第１領域１０５からの距離が大きくなるに従って連続的または段階的にかさ密度が小さくなっている。しかし、本発明においては、このような領域が第２領域１０６の一部に含まれていればよい。例えば、中央部に近づく過程で途中まではかさ密度が減少するが、途中でかさ密度の変化がなくなり、一定となるように設計しても良い。すなわち、第２領域１０６は、かさ密度がメンブレンの第１領域１０５からの距離が大きくなるほど小さくなる領域を有していればよい。
【００３９】
なお、開口１０４の側壁は図中ではメンブレンの厚み方向に平行であるが、丸みを帯びた側壁でも凹凸を有する側壁であっても良い。開口１０４の底面はメンブレン表面と平行でなくても構わない。また、開口の形状は本実施例のような形に限定するものではなく、円形であっても多角形であっても構わない。また、開口の数や配置もどのように設定してもよい。
【００４０】
（トランスデューサの動作）
次にトランスデューサの動作を説明する。基板１０１は図示しない下部電極を有する低抵抗の基板であり、電気的に接地されている。下部電極としては、リンやホウ素などをドープし低抵抗になったシリコン基板そのものや、Ａｌ，Ａｕなどの導電体が用いられる。ここで、メンブレン１０３の上に形成されている図示しない上部電極に直流的な電圧を印加すると、静電引力によりメンブレン１０３が基板１０１側に変形する。メンブレン１０３は、静電引力と復元力とのつりあいの位置でとまる。この状態で交流的な電圧を電極へ印加すると、メンブレン１０３がつりあいの位置を中心に振動し、超音波を発生する。また、つりあいの位置にあるメンブレン１０３に対して超音波が入力されると、メンブレン１０３が振動し基板１０１とメンブレン１０３との間の容量が変化する。この変化を測定することで超音波が検出できる。なお、上部電極は、メンブレン１０３の基板１０２側の面またはその反対側の面に形成されている。上部電極としては、Ａｌ，Ａｕなどの導電体が用いられる。
【００４１】
次に共振周波数と感度の関係を寸法の実例を用いて説明する。例えば、メンブレン１０３の材料として窒化シリコンを用い、メンブレン１０３の第２領域１０６のサイズを直径４０μｍに設定する。印加電圧は、メンブレン１０３が基板１０１に衝突する電圧の８０％の値に設定する。その印加電圧をかけた時のギャップが０．１２μｍとなるように初期のギャップを設定する。メンブレン厚に関しては共振周波数５ＭＨｚを満足する厚みを設定する。この場合、メンブレン１０３の第２領域１０６に複数の開口１０４を設け、かさ密度比を０．４６７とする。本明細書において、「メンブレンのかさ密度比」とは、メンブレン１０３のかさ密度を当該メンブレン１０３の理論密度で割った値である。なお「理論密度」とは、メンブレン１０３の真の体積（開口を除いた体積）で質量を除した値である。
【００４２】
上記条件において、本実施例の形状を有するメンブレンと開口のない平板形状のメンブレンとの感度を比較する。ここでは、メンブレンに上記の電圧がかかっている状態での電荷量に対する、１ｋＰａの圧力がメンブレン全体にかかった場合の容量変化ΔＣの大きさ（単位：１／Ｖ）を、感度の定義として用いる。窒化シリコンのヤング率は３２０ＧＰａ、密度３．２７ｇ／ｃｍ３、ポアソン比は０．２６３とする。上記の数値を用いて感度を算出すると、本実施例の形状を有するメンブレンでは感度が１．０６ｅ−３、平板形状のメンブレンでは感度が４．００ｅ−４となる。本実施例の形状のメンブレンを用いることで、約２．５倍、感度が向上する。
【００４３】
もう一つ具体例を挙げる。メンブレン１０３の材料として窒化シリコンを用い、第２領域１０６のサイズを直径４０μｍに設定する。印加電圧は、メンブレン１０３が基板１０１に衝突する電圧の８０％の値に設定する。その印加電圧をかけた時のギャップが０．１２μｍとなるように初期のギャップを設定する。メンブレン厚に関しては共振周波数５ＭＨｚを満足する厚みを設定する。この例では、メンブレン１０３のかさ密度比を０．１に設定する。
【００４４】
上記条件において、本実施例の形状を有するメンブレンと開口のない平板形状のメンブレンとの感度を比較する。上記の数値を用いて感度を算出すると、本実施例の形状を有するメンブレンでは感度が２．２５ｅ−２となり、平板形状のメンブレンと比較して約５６倍、感度が向上する。
【００４５】
メンブレンのかさ密度比を０．１より小さくすると、メンブレンの強度が弱くなり、超音波のトランスデューサとしては使用が困難となる。逆に、メンブレンのかさ密度比を０．５より大きくすると、所望の感度が得られず超音波診断装置に適用することが困難となる。従ってメンブレンのかさ密度比の好ましい範囲は、０．１以上０．５以下である。
【００４６】
本実施例では、円形のメンブレンについて述べたが、正方形や長方形を含む多角形でも同様の効果が得られる。またメンブレン中央部の厚みが周辺部と比較して厚い場合を説明したが、メンブレンの厚みが一定の場合でも同様の効果が得られる。
【００４７】
（トランスデューサの製造プロセス例１）
図３Ａ〜図３Ｉを参照して、本実施例のトランスデューサの製造プロセスを説明する。
【００４８】
拡散炉にシリコン基板２１０を設置しＰＨ３ガス（１０％水素希釈）を導入して１０５０℃でリンを熱拡散させて、シリコン基板２１０の表面に低抵抗化層２１１を形成する（図３Ａ）。その上にＬＰＣＶＤで窒化シリコン層２１２を形成する（図３Ｂ）。窒化シリコン層２１２の形成には、ＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとを１対１のモル比で混合したガスを用いる。７００〜８００℃に加熱した雰囲気中にシリコン基板２１０を設置し、該混合ガスを導入し、窒化シリコン層２１２を約５０ｎｍ形成する。
【００４９】
次に、窒化シリコン層２１２の上にＲＦプラズマＣＶＤ法でアモルファスシリコン層２１３を成膜する（図３Ｃ）。基板温度３５０℃で、ＳｉＨ４ガスをＨ２ガスで１０％に希釈してプラズマＣＶＤ装置に導入して、アモルファスシリコン層２１３を成膜する。レジストと所定のマスクを使い、アモルファスシリコン層２１３の一部分２１４をＳＦ６ガスでエッチングし、除去する。そのときアモルファスシリコン層の層厚は０．１２μｍとなるようにする（図３Ｄ）。更にエッチングによりアモルファスシリコン層２１３にメンブレンの側壁用開口２１５が形成される（図３Ｅ）。
【００５０】
続いてアモルファスシリコン層上にメンブレンとなる窒化シリコン層２１６を形成する（図３Ｆ）。窒化シリコン層２１６は、ＬＰＣＶＤ法で形成する。窒化シリコン層２１６の形成にはＳｉＨ４ガスとＮＨ３ガスとを１対１のモル比で混合したガスを用いる。７００〜８００℃に加熱した雰囲気中に図３Ｅのシリコン基板を設置し、該混合ガスを導入して、約１．１５μｍの窒化シリコン層２１６を形成する。アモルファスシリコン層をエッチングするためのエッチング用開口２１７を形成する。エッチング用開口２１７は、所望の形状のマスクを用いて、ＣＦ４ガスで窒化シリコン層２１６をエッチングして形成する（図３Ｇ）。図３Ｇの基板を１０％に希釈したＫＯＨ水溶液に浸漬し、アモルファスシリコン層２１８を除去し、空間２２０を形成する。その後、開口２１７に窒化シリコン層を成膜し、エッチング用開口を閉じる（図３Ｈ）。
【００５１】
メンブレンとして働く窒化シリコン層２１９のかさ密度を制御するために、窒化シリコン層２１９の一部分（中央部分）を図１、図２に示すマスクパターンで、ＣＦ４ガスを用いてエッチングして開口２２１を形成する（図３Ｉ）。このようにしてメンブレンのかさ密度比を０．４６７となるように制御する。メンブレン上にＡｌ電極を蒸着して上部電極とする。
【００５２】
なお、図３Ｆの工程において、窒化シリコン層２１６の厚みを約０．５μｍに制御すれば、かさ密度比０．１のメンブレンを作製することができる。
【００５３】
（トランスデューサの製造プロセス例２）
次に、図４Ａ〜図４Ｆを参照して、メンブレンにシリコンを用いたトランスデューサを作るためのプロセスを説明する。
【００５４】
低抵抗基板３０１を準備する（図４Ａ）。低抵抗基板３０１に開口３０２をドライエッチングで形成する（図４Ｂ）。熱酸化によって酸化シリコン層３０３を形成する（図４Ｃ）。他に準備したＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０４を接合する。ＳＯＩ基板３０４のデバイス層には凸部３０５をあらかじめエッチングによって形成しておく（図４Ｄ）。ＳＯＩ基板３０４のハンドリング層とＢＯＸ層を除去する（図４Ｅ）。表面から開口３０６を形成し、その表面に図示しない電極を形成する（図４Ｆ）。このようにして本実施例のトランスデューサを得ることができる。
【００５５】
なお、本プロセス例では絶縁層として熱酸化による酸化シリコンを用いたが、ＣＶＤやスパッタなどその他の形成手法を使用してもよく、材料として窒化シリコンを用い、さらにその形成手法としてＣＶＤその他の成膜手法を採用しても構わない。また、凸部３０５を形成する際にはエッチングだけでなく、エピタキシャル成長を含むその他の成膜手法を用いても構わない。また、ハンドリング層やＢＯＸ層の除去には、ドライエッチング、ウェットエッチング、研磨を含む機械加工のいずれかを用いてもよいし、あるいはそれらを組み合わせてもよい。また、開口３０６の形成においても、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれも利用可能である。
【００５６】
＜実施例２＞
図５を参照して、本発明の実施例２に係るトランスデューサを説明する。実施例２のトランスデューサは、深さの異なる複数の開口を有している。
【００５７】
本実施例のトランスデューサは、図５に示す断面構造を有しており、基板４０１、支持体４０２、およびメンブレン４０３から構成されている。基板４０１には不図示の下部電極が形成され、メンブレン４０３には不図示の上部電極が形成されている。
【００５８】
メンブレン４０３の振動部分（第２領域）には開口４０４が複数形成されている。メンブレン４０３の中心では開口４０４の深さが深く、メンブレン４０３の周辺部（第１領域）に近づくほど開口４０４の深さが浅い。このような開口４０４を設けることで、メンブレン４０３の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど（周辺部からの距離が大きいほど）小さくすることができる。このような構成のメンブレンによって、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。なお、開口の形は本実施例に示したものに限るのではなく、その底面がメンブレンに平行であっても無くても構わず、さらには丸みを帯びた底面や側壁であっても構わない。また開口の数や配置についても適宜変更可能である。
【００５９】
次に図６Ａ〜図６Ｆを用いて本実施例のトランスデューサを作るためのプロセスを説明する。
【００６０】
低抵抗基板５０１を準備する（図６Ａ）。低抵抗基板５０１に開口５０２をドライエッチングで形成する（図６Ｂ）。熱酸化によって酸化シリコン層５０３を形成する（図６Ｃ）。他に準備したＳＯＩ基板５０４を接合する（図６Ｄ）。ＳＯＩ基板５０４のハンドリング層を除去した後、ＢＯＸ層５０５をパターニングする。その上に露光量を変化させることで厚みを異ならせたレジスト層５０６を形成する（図６Ｅ）。このレジスト層５０６も含めてエッチングすることで、メンブレンの表面に深さの異なる複数の開口５０７を形成する。その後メンブレンの表面に図示しない電極を形成する（図６Ｆ）。このようにして本実施例のトランスデューサを得ることができる。
【００６１】
なお、本プロセス例では絶縁層として熱酸化による酸化シリコンを用いたが、ＣＶＤやスパッタなどその他の形成手法を使用してもよく、材料として窒化シリコンを用い、さらにその形成手法としてＣＶＤその他の成膜手法を採用しても構わない。また、ハンドリング層の除去には、ドライエッチング、ウェットエッチング、研磨を含む機械加工のいずれかを用いてもよいし、あるいはそれらを組み合わせてもよい。また、レジストの厚みを異ならせて異なる深さの開口５０７を形成したが、深さの同じ開口ごとにパターニングとエッチングを繰り返しても良い。あるいは開口のサイズによってエッチングレートが変化することを利用し、開口のサイズを異ならせる（具体的にはメンブレン中心ほど開口サイズを大きくする）ことで深さを制御しても構わない。なお、開口５０７の形成においても、ドライエッチング、ウェットエッチングのいずれも利用可能である。
【００６２】
＜実施例３＞
図７および図８を参照して、本発明の実施例３に係るトランスデューサを説明する。実施例３のトランスデューサは、メンブレンの内部に複数の閉空間を有している。
【００６３】
本実施例のトランスデューサは、図７に示す断面構造と、図８に示す空間構造を有している。図８は、図７のＢ−Ｂ’の線における断面を示し、図７は、図８のＣ−Ｃ’の線における断面を示している。本実施例のトランスデューサは、基板６０１、支持体６０２、およびメンブレン６０３から構成されている。基板６０１には不図示の下部電極が形成され、メンブレン６０３には不図示の上部電極が形成されている。
【００６４】
メンブレン６０３の振動部分（第２領域）の内部には、大きさの異なる複数の閉空間６０４が形成されている。メンブレン６０３の中心では閉空間６０４のサイズ（体積）が大きく、メンブレン６０３の周辺部（第１領域）に近づくほど閉空間６０４のサイズが小さくなっている。このような閉空間６０４を設けることで、メンブレン６０３の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど（周辺部からの距離が大きいほど）小さくすることができる。
【００６５】
本実施例の構成においても、前述の実施例１、２と同様、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。また、本実施例のトランスデューサは表面が平らであるため、メンブレン表面への電極の形成が容易に行なえる。
【００６６】
なお、本実施例では円柱形状の空間を示したが、本発明はこれに限られない。閉空間の形状は、球状であっても三角錐などを含む多面体であっても構わない。また閉空間の数や配置も適宜設定可能である。本実施例のトランスデューサも、従来公知の半導体製造技術を適宜組み合わせて作成することが可能である。
【００６７】
＜実施例４＞
図９および図１０Ａ〜図１０Ｃを参照して、本発明の実施例４に係るトランスデューサを説明する。実施例４のトランスデューサは、メンブレンの内部に複数の閉空間を有して
いる。実施例３では閉空間のサイズを変えることでかさ密度を制御したが、実施例４では閉空間の単位体積あたりの数を変えることでかさ密度を制御する。
【００６８】
本実施例のトランスデューサは、図９に示す断面構造を有し、基板８０１、支持体８０２、およびメンブレン８０３から構成される。基板８０１には不図示の下部電極が形成され、メンブレン８０３には不図示の上部電極が形成されている。図１０Ａは、メンブレン８０３の領域８０３Ａの縦断面図（上段）と、その縦断面図のＤ−Ｄ’の線における横断面図（下段）を示している。図１０Ｂは、メンブレン８０３の領域８０３Ｂの縦断面図と横断面図を示し、図１０Ｃは、領域８０３Ｃの縦断面図と横断面図を示している。なお領域８０３Ａはメンブレン８０３の中心領域であり、領域８０３Ｂ、領域８０３Ｃの順に中心から離れる。
【００６９】
図１０Ａ〜図１０Ｃに示すように、メンブレン８０３の振動部分（第２領域）の内部には、同一サイズの閉空間９０１が複数形成されている。メンブレン８０３の中心領域８０３Ａでは単位体積あたりの閉空間９０１の数が最も多く、メンブレン８０３の周辺部（第１領域）に近づくほど単位体積あたりの閉空間９０１の数が少なくなっている。このような閉空間９０１を設けることで、メンブレン８０３の振動部分におけるかさ密度を、中心に近づくほど（周辺部からの距離が大きいほど）小さくすることができる。本実施例の構成においても、前述の実施例１〜３と同様、共振周波数を保持したまま感度を上げることが可能である。
【００７０】
なお、本実施例では、閉空間を内包する３種類の領域と閉空間を内包しない１種類の領域の計４種類の領域でメンブレンを構成したが、本発明はこの構成に限られない。領域の数を３つ、あるいは５つ以上にしても構わない。また単位面積あたりの閉空間の数を連続的に変化させてもよい。そうするとメンブレンのかさ密度が連続的に変化するので、メンブレンの機械的な特性の異方性を抑制しやすい。
【００７１】
＜実施例５＞
図１１を参照して、本発明の実施例５に係るトランスデューサを説明する。本実施例のトランスデューサは、メンブレンの振動部分（第２領域）の少なくとも一部が基板と接触したコラプスモードで動作する。
【００７２】
初めにコラプスモードについて簡便に説明する。コラプスモードとは，メンブレンが下部の基板に接触した状態で送受信を行なうモードのことである。まずメンブレンと下部の基板との接触について説明する。トランスデューサに与える直流的な初期電位差を大きくしていくと、静電引力が増大しメンブレンが下部の基板に引き付けられる。この引き付けられる位置は静電引力とメンブレンの復元力のつりあいによって決定される。さらに初期電位差を大きくし静電引力を増大させると、メンブレンの復元力を静電引力が超え、メンブレンが下部の基板に接触する。この動作はプルインと呼ばれ、このときの電位差はプルイン電圧Ｖｐと呼ばれる。ところで，初期電位差とメンブレンの位置にはヒステリシスが存在し、メンブレンが下部の基板に接触した状態から脱し、メンブレンと下部の基板が離れるためには、プルイン電圧よりも小さい電位差まで下げなくてはいけない。このときの電位差をスナップバック電圧Ｖｓと呼ぶ。
【００７３】
トランスデューサの初期電位差を一度Ｖｐまで大きくし、メンブレンと下部の基板を接触させた後、Ｖｓ以上で送受信を行なうことで、メンブレンと下部の基板を接触させたまま送受信を行なうコラプスモードでの駆動が可能となる。
【００７４】
上記のようなコラプスモードでの駆動を行なうことで、トランスデューサの電気−機械変換効率を向上させることができる。（参考文献：Ｂａｒｉｓ  Ｂａｙｒａｍ他，  ＩＥ
ＥＥ  ＵＦＦＣ  Ｖｏｌ．  ５０，  Ｎｏ．  ９，  ｐｐ１１８４−１１９０，  Ｓｅｐ．  ２００３）
【００７５】
上記のようなコラプスモードにおいて、メンブレンが下部の基板と接触している領域の付近ではメンブレンと下部の基板との距離が非常に小さいため、メンブレンの微小な振動による静電容量の変化が大きくなる。つまりメンブレンと下部の基板とが接触している領域の付近が電気−機械変換効率の向上に大きく寄与している。
【００７６】
前述した実施例１〜４のいずれの構造のトランスデューサもコラプスモードで動作させることが可能である。以下、実施例４のトランスデューサを例にとり、コラプスモードの動作を説明する。
【００７７】
図１１は、コラプスモードで動作しているときのトランスデューサの断面形状を示している。初期の電位差を増大させていくことで、メンブレン８０３を下部の基板８０１に接触させる。通常メンブレンの中で最大のたわみの部分が下部の基板に最初に接触するため、本実施例ではメンブレン８０３の領域８０３Ａの一部が下部の基板８０１に接触する。この接触状態を保持したまま送受信を行なうことでコラプスモードでの動作が可能となる。
【００７８】
コラプスモードにおいては先ほど述べた通り，接触領域の付近におけるメンブレンの挙動が電気−機械変換効率の向上に大きく寄与している。本実施例では、その接触領域の付近（接触領域と隣接した周辺領域であってメンブレンとして機能する領域）のかさ密度が最も小さくなっている。その結果、コラプスモードによる電気−機械変換効率の向上の度合いをさらに増大することが可能であり、本発明の効果をさらに大きく得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】図１は、実施例１のトランスデューサの断面図である。
【図２】図２は、実施例１のトランスデューサの平面図である。
【図３】図３Ａ〜図３Ｉは、実施例１のトランスデューサの製造プロセス例１を示す図である。
【図４】図４Ａ〜図４Ｆは、実施例１のトランスデューサの製造プロセス例２を示す図である。
【図５】図５は、実施例２のトランスデューサの断面図である。
【図６】図６Ａ〜図６Ｆは、実施例２のトランスデューサの製造プロセス例を示す図である。
【図７】図７は、実施例３のトランスデューサの断面図である。
【図８】図８は、図７のＢ−Ｂ’の線における断面図である。
【図９】図９は、実施例４のトランスデューサの断面図である。
【図１０】図１０Ａ〜図１０Ｃは、それぞれ、図９の領域８０３Ａ〜８０３Ｃの縦断面図および横断面図である。
【図１１】図１１は、実施例５のトランスデューサの断面図である。
【符号の説明】
【００８０】
１０１、２１０、４０１、６０１、８０１：基板
１０２、４０２、６０２、８０２：支持体
１０３、２１９、４０３、６０３、８０３：メンブレン
１０４、２２１、４０４：開口
３０１、５０１：低抵抗基板
３０２、５０２：開口
３０３、５０３：酸化シリコン層
３０４、５０４：ＳＯＩ基板
３０５：凸部
３０６：開口
５０５：ＢＯＸ層
５０６：レジスト層
５０７：開口
６０４、９０１：閉空間
【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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