JP4724505B2 - 超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術に関し、特に、ＭＥＭＳ技術の応用形態の１つである超音波探触子およびその製造に適用して有効な技術に関するものである。

半導体集積回路の高性能化および高集積化を実現してきた微細加工技術を用いて微細な機械部品または機械システムを形成するＭＥＭＳ技術が注目されている。このＭＥＭＳ技術を用いた圧力、加速度等の物理量を測定する機械センサ、または微小スイッチ、振動子等の機械的アクチュエータは既に実用化されているが、さらに、様々な分野における製品の付加価値化を実現する技術として、解決すべき課題の提示や研究、開発の推進すべき具体的な施策などが論じられている。

ＭＥＭＳ技術はシリコン基板自体を加工するバルクＭＥＭＳ技術と、シリコン基板表面で薄膜の堆積およびパターニングを繰り返すことにより形成する表面ＭＥＭＳ技術とに大別される。表面ＭＥＭＳ技術は、より半導体集積回路の製造プロセスに近く、例えば超音波探触子等に応用されている（例えば、特許文献１参照。）。
米国特許第６４２６５８２Ｂ１号明細書

超音波探触子を構成する超音波振動子の基本構造は、基板と、基板上に設けられた空洞と、さらに空洞上に設けられたダイアフラム（Diaphragm）とからなり、空洞を挟む上下電極によりコンデンサが形成される。超音波探触子は、通常、同一の基板上に複数個の超音波振動子をアレイ状に配列して構成される。例えば直径５０μｍのダイアフラムを縦に数十個、横に数個並べたものを１つの画素とし、共通の上下電極に接続する。これを横方向に２００チャンネル程度並べて、各チャンネルに適当な位相差をもった交流電圧を印加することにより横方向に収束する超音波波面を作る。縦方向には音響レンズを設けることにより超音波波面を収束させる。

しかしながら、超音波探触子については、以下に説明する種々の技術的課題が存在する。

超音波振動子では、コンデンサに直流電圧を印加すると上下電極間に静電力が働いてダイアフラムがたわむ。しかし、直流電圧を印加した時の空洞ギャップはダイアフラムの中央部で小さく、周辺部で大きくなる。このため、ダイアフラムの中央部では大きな送信感度および受信感度が得られるものの、周辺部では超音波の発生および受信に寄与せず、超音波振動子全体として大きな送信感度および受信感度が得られないという問題があった。

さらに、超音波振動子では、駆動に１００Ｖ前後の高電圧が必要とされており、空洞ギャップを小さくすることによる駆動電圧の低減が望まれている。ところが、超音波振動子の製造過程では、空洞を形成する際にウエットエッチングを用いている。このため、エッチング液を除去した後に乾燥工程が入り、空洞ギャップを小さくすると、この乾燥工程において気液界面の毛細管力によりダイアフラムが基板に張り付いてしまうという問題があった。

本発明の目的は、高感度な超音波探触子を得ることのできる技術を提供することにある。

本発明の他の目的は、超音波探触子の駆動電圧を低減することのできる技術を提供することにある。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

本発明は、基板に固定された下部電極と、空洞を挟み基板に対向して設けられたダイアフラムと、ダイアフラムに設けられた上部電極とを含む複数個の超音波振動子を同一の基板上に配列して構成される超音波探触子であって、ダイアフラムは、空洞の半径の７０％より外側に、その中心をダイアフラムの中心と同じにする同心円の凸形状または凹形状のコルゲート領域を有する。

本発明は、超音波探触子の製造方法であって、基板上に導電体膜からなる下部電極を形成する工程と、下部電極の上層に第１絶縁膜を形成する工程と、第１絶縁膜上に１つ以上の同心円の凸部を有する形状または１つ以上の同心円の凹部を有する円形状の第１犠牲層パターンを形成する工程と、第１犠牲層パターンの上層に、その中心を第１犠牲層パターンの中心と同じにする円形状の第２犠牲層パターンを形成する工程と、第２犠牲層パターンの上層に第２絶縁膜を形成する工程と、第２絶縁膜上に上部電極を形成する工程と、第１および第２犠牲層パターンをウエットエッチング法により除去する工程とを有する。

本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。

超音波探触子の送信感度および受信感度が向上し、さらに超音波振動子の空洞ギャップを相対的に小さくできることから超音波探触子の駆動電圧が低減する。

本実施の形態において、便宜上その必要があるときは、複数のセクションまたは実施の形態に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらはお互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。

また、本実施の形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でも良い。さらに、本実施の形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、本実施の形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうでないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。

また、本実施の形態で用いる図面においては、平面図であっても図面を見易くするためにハッチングを付す場合もある。

また、本実施の形態を説明するための全図において、同一機能を有するものは原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

まず、本発明の実施の形態による超音波探触子の構造がより明確となると思われるため、これまで本発明者によって検討された超音波探触子を構成する超音波振動子の基本構造および基本動作について簡単に説明する。

図２１に、超音波探触子を構成する超音波振動子の基本構造の一例を示す。

超音波振動子の基本構造は、基板５１と、空洞５２をはさみ基板５１に対向して設けられたダイアフラム５３とからなる。基板５１と空洞５２との間には下部電極５４が配置され、ダイアフラム５３の上部（または内部）には上部電極５５が配置され、下部電極５４と上部電極５５とはコンデンサを形成する。典型的な空洞５２の半径は１０〜５０μｍ程度、空洞５２の高さは５０〜３００ｎｍ程度である。

以下に超音波振動子の基本動作について説明する。なお、以下の説明においては、基板５１に垂直な一次元方向のみを考え、容量Ｃおよび電荷量Ｑは単位面積当たりの値とする。コンデンサに直流電圧Ｖｄｃを印加すると、下部電極５４および上部電極５５にそれぞれ式（１）に示す逆極性の電荷量Ｑが蓄積する。ここで、ｄは下部電極５４と上部電極５５との間の距離、ｅは誘電率である。

Ｑ＝Ｃ×Ｖｄｃ＝（ｅ／ｄ）×Ｖｄｃ 式（１）
直流電圧に交流電圧（振幅±Ｖａｃ）を重ねて印加すると、交流電圧により式（２）に示す電荷ΔＱが周期的に下部電極５４および上部電極５５に誘起される。

ΔＱ＝Ｃ×Ｖａｃ＝（ｅ／ｄ）×Ｖａｃ 式（２）
上記ΔＱにより下部電極５４と上部電極５５との間で式（３）に示す静電力が周期的に変動する。

Ｆ＝ｅ／ｄ^２×Ｖｄｃ×Ｖａｃ 式（３）
これによりダイアフラム５３が振動して、音波を発生する。音圧は、下部電極５４と上部電極５５との間の距離が短いほど、直流電圧および交流電圧が大きいほど増大する。また、送信感度および受信感度も、下部電極５４と上部電極５５との間の距離が短いほど、直流電圧および交流電圧が大きいほど増大する。

（実施の形態１）
本発明の実施の形態１による超音波探触子を構成する超音波振動子の構造および動作について図１および図２を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１による超音波振動子の要部平面図、図２は図１のＡ−Ａ’線における超音波振動子の要部断面図である。なお、図１には、８個の超音波振動子からなる集合体を例示している。

基板１上に複数個の超音波振動子Ｍ１が規則的に配列されている。各々の超音波振動子Ｍ１は、基板１に固定された下部電極３と、空洞４を挟み基板１に対向して設けられたダイアフラム５と、ダイアフラム５の内部に設けられた上部電極６とを含み、下部電極３は複数個の超音波振動子Ｍ１において共有される。また、ダイアフラム５は、その外周部にコルゲート（Corrugate）形状に加工されたコルゲート領域５ａを有する。上記コルゲート形状は、例えばその中心をダイアフラム５の中心と同じにする同心円の２つの凸形状からなる。なお、図２では、超音波振動子Ｍ１を見やすくするために、ダイアフラム５に比べてコルゲート領域５ａを直径方向に拡大して示している。

下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時は（図２（ａ））、ダイアフラム５と基板１との間に何ら力が働かないので、ダイアフラム５は基板１とほぼ平行となる。この状態では、ダイアフラム５の中央部における空洞ギャップ（以下、初期空洞ギャップという）ｄ１は、コルゲート領域５ａで下部電極３と上部電極６とが最も近い位置における空洞ギャップとほぼ同じであり、例えば５０〜１００ｎｍとした。

これに対し、下部電極３と上部電極６との間に直流電圧を印加した時は（図２（ｂ））、下部電極３および上部電極６に逆極性の電荷が誘起されて、相対する下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に引力が生じる。その結果、ダイアフラム５は基板１側へ引き寄せられる。しかしながら、ダイアフラム５が基板１から上記引力を受けても、コルゲート形状の角部８に応力が集中し、角部８でダイアフラム５が大きく変形（変位）するので、ダイアフラム５の外周部は大きく屈曲するにもかかわらず、外周部を除く中央部は比較的平行性を保持したままで基板１側へ引き寄せられる。これにより、ダイアフラム５の中心部の比較的大きな領域では、空洞ギャップを一定に保つことができる。従って、下部電極３および上部電極６に誘起される電荷の面積密度は均一となり、下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に働く引力も比較的一定となる。

コルゲート領域５ａは、ダイアフラム５の中心から半径方向に一定の距離Ｒ２以上離れた領域に配置することが好ましい。一定の距離Ｒ２は空洞４の半径Ｒ１に対して、例えばＲ２＞０．７×Ｒ１とすることができる。すなわち、空洞４の半径Ｒ１の７０％より外側にコルゲート領域５ａは形成される。この条件ではダイアフラム５の面積の約５０％以上を有効利用することができる。空洞４の半径Ｒ１は、例えば３０〜８０μｍである。

さらに、下部電極３と上部電極６との間に直流電圧に重ねて交流電圧を印加した時は（図２（ｃ））、直流電圧によって下部電極３および上部電極６に誘起された電荷が増減する。相対する下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に働く力が変動することにより、ダイアフラム５と基板１との間の引力が増減してダイアフラム５が振動し、超音波が発生する。相対する下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に働く力は、下部電極３および上部電極６の電荷量にほぼ比例し、一方、下部電極３および上部電極６の電荷量は直流電圧に比例するので、ダイアフラム５と基板１との間の引力の振動振幅も直流電圧に比例する。直流電圧によりダイアフラム５を基板１側へ引きつけない状態では、ダイアフラム５の振動の共振周波数は減少し、直流電圧によりダイアフラム５を基板１側へ引きつけた状態では、コルゲート領域５ａに内部応力が生じてダイアフラム５の振動の共振周波数は増大する。コルゲート領域５ａおよび初期空洞ギャップｄ１は、使用される直流電圧および交流電圧の下で所望する空洞ギャップと共振周波数が得られるように設計することができる。例えばコルゲート領域５ａの表面の凸部の幅を１μｍ、凸部の高さを１μｍとすることができる。なお、図２では、コルゲート領域５ａの凸部を２つとしたが、これに限定されず、１つまたは３つ以上でもよい。

次に、前述した超音波振動子Ｍ１の製造方法を図３〜図９を用いて工程順に説明する。図３および図５〜図９は、前述した図１のＢ−Ｂ’線における超音波振動子Ｍ１の要部断面図、図４は、超音波振動子Ｍ１の製造に用いる第１犠牲層パターンの要部平面図である。なお、これらの図では、超音波振動子Ｍ１を見やすくするために、ダイアフラム５に比べてコルゲート領域５ａを直径方向に拡大して示しており、実際のコルゲート領域５ａは空洞４の半径の７０％よりも外側に設置される。

まず、図３に示すように、単結晶シリコンからなる基板１に導電体膜、例えばタングステン膜を形成し、このタングステン膜をフォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとしてエッチングし、下部電極３を形成する。続いて、下部電極３の上層に第１絶縁膜９、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を堆積する。第１絶縁膜９は、超音波探触子の動作時に下部電極３と上部電極６とが接触するのを防ぐために設けられる。

次に、図４および図５に示すように、第１絶縁膜９上に第１犠牲層、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により堆積した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして第１犠牲層をエッチングし、コルゲート形状の凸部となる領域に第１犠牲層パターン１０を形成する。第１犠牲層パターン１０の形状は同心円の凸部を有する形状としたが、例えば空洞の輪郭に沿った形等であってもよい。

次に、図６に示すように、第１犠牲層パターン１０の上層に第２犠牲層、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により堆積した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして第２犠牲層をエッチングし、後に空洞４が形成される領域に第２犠牲層パターン１１を形成する。第２犠牲層パターン１１の厚さは、例えば５０〜２００ｎｍ程度である。

次に、図７に示すように、第２犠牲層パターン１１の上層に第２絶縁膜１２、例えばシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜を堆積する。第２絶縁膜１２は、超音波探触子の動作時に下部電極３と上部電極６とが接触するのを防ぐために設けられる。続いて、第２絶縁膜１２上にアルミニウム膜および窒化チタン膜を順次堆積して積層膜を形成し、この積層膜をフォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとしてエッチングし、上部電極６を形成する。

次に、図８に示すように、上部電極６の上層にシリコン窒化膜（またはシリコン酸化膜）１３を堆積する。これにより、第２絶縁膜１２、上部電極６およびシリコン窒化膜１３からなるダイアフラム５が形成され、ダイアフラム５の外周部にコルゲート領域５ａが形成される。その後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして、上部電極６が形成されていない所定の箇所の第２絶縁膜１２およびシリコン窒化膜１３をエッチングし、エッチング孔（図示せず）を開口する。

次に、図９に示すように、ウエットエッチング法により上記エッチング孔を介して第１および第２犠牲層パターン１０，１１を除去し、空洞４を形成する。その後、図示は省略するが、シリコン窒化膜１３上にシリコン窒化膜（またはシリコン酸化膜）を堆積してエッチング孔を封止する。必要に応じてエッチング孔を封止するシリコン窒化膜（またはシリコン酸化膜）の余分な部分を除去する。以上の製造工程により、前記図１および図２に示した超音波振動子Ｍ１が略完成する。

なお、超音波振動子Ｍ１の平面形状、立体形状および寸法は、前述したものに限定されない。例えば前述した超音波振動子Ｍ１では、上部電極６を空洞４の中心部およびコルゲート領域５ａをまたぐ隣接するダイアフラム５の接続部分にのみ形成したが、コルゲート領域５ａの全面を覆うように形成することもできる。

また、空洞４は必ずしも６角形である必要はなく、例えば、正方形、八角形、矩形または円形等であってもよい。この場合、第１犠牲層パターン１０の形状は同心円状に限らず、例えばダイアフラム５の輪郭と相似形状であってもよい。ダイアフラム５が矩形形状の場合は、矩形の長手方向に沿ってその外縁部にコルゲート形状を設けることにより、短軸方向および長軸方向の膜の剛性を任意に制御することができる。すなわち、矩形形状のダイアフラム５では、短軸方向と長軸方向との膜の剛性が異なるため、各方向の振動モードが異なる共振周波数を有し、均一な応答周波数特性が得られないという問題が生ずる。しかし、長手方向に沿ったコルゲート形状を設けて短軸方向の共振周波数を下げることにより、短軸方向の共振周波数と長軸方向の共振周波数とを等しくして、上記問題を解決することができる。なお、ダイアフラム５を矩形形状とした場合も、空洞４の幅の半分の７０％より外側に凸形状のコルゲート領域５ａは設けられる。

また、コルゲート形状の寸法はダイアフラム５の厚さに応じて最適な値に設定することができる。また、超音波振動子Ｍ１の製造方法および構造体の材料等は、その構成と動作とを実現するものであれば、いかようにも変更することは可能である。

このように、本実施の形態１によれば、ダイアフラム５の外周部をコルゲート形状とすることにより、外周部の実質的な剛性を外周部以外の領域の剛性よりも小さくすることができる。その結果、上部電極６と下部電極３との間に電圧を印加した場合、ダイアフラム５の外周部以外の比較的広い領域が基板１側に平行度を維持した状態で引きつけられるので、送信感度および受信感度の優れた超音波振動子Ｍ１を得ることができる。

また、本発明の共通の副次的な効果として、ダイアフラム５を構成する膜の残留応力によるダイアフラム５の凹凸変形が抑制されることが期待される。これはコルゲート領域５ａが変形することにより応力が吸収されるためである。

（実施の形態２）
前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１では、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時のダイアフラム５の中央部における初期空洞ギャップが、コルゲート領域５ａで下部電極３と上部電極６とが最も近い位置における空洞ギャップとほぼ同じになるように第１および第２犠牲層パターン１０，１１を形成したが、本実施の形態２による超音波振動子Ｍ２では、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時のダイアフラム５の中央部における初期空洞ギャップが、コルゲート領域５ａで下部電極３と上部電極６とが最も遠い位置における空洞ギャップとほぼ同じになるように第１および第２犠牲層パターン１０，１１を形成した。

本発明の実施の形態２による超音波探触子を構成する超音波振動子の構造について図１０を用いて説明する。図１０は前述した図１のＡ−Ａ’線における超音波振動子の要部断面図である。

前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１と同様に、本実施の形態２による超音波振動子Ｍ２では、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時は（図１０（ａ））、ダイアフラム５と基板１との間に何ら力が働かないので、ダイアフラム５は基板１とほぼ平行となる。

下部電極３と上部電極６との間に直流電圧を印加した時は（図１０（ｂ））、ダイアフラム５は基板１側へ引き寄せられて、コルゲート領域５ａの最も内側の凹部が基板１上の第１絶縁膜９に接触する。しかしながら、さらにその内側の領域はコルゲート形状を持たないため剛性が大きく、静電力によりダイアフラム５が基板１に引き寄せられても大きくたわむことがない。すなわち、ダイアフラム５の中央部での空洞ギャップを比較的一定に保つことができる。従って、下部電極３および上部電極６に誘起される電荷の面積密度は均一となり、下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に働く引力も比較的一定となる。

下部電極３と上部電極６との間に直流電圧に重ねて交流電圧を印加した時は（図１０（ｃ））、前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１と同様に、相対する下部電極３の電荷と上部電極６の電荷との間に働く力が変動することにより、ダイアフラム５と基板１との間の引力が増減してダイアフラム５が振動し、超音波が発生する。

本発明の実施の形態２による超音波探触子の製造方法は、前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１の製造方法とほぼ同じである。ただし、第１および第２犠牲層パターン１０，１１の厚さと第１犠牲パターン１０の平面パターン形状は変更する必要がある。第１犠牲層パターン１０の厚さは、例えば３０〜２００ｎｍ程度、第２犠牲層パターン１１の厚さは、例えば２０〜１００ｎｍ程度とする。また、第１犠牲層パターン１０の平面パターン形状は、例えば図１１に示すように、前述した実施の形態１による第１犠牲層パターン１０の反転パターンであり、凹部を有する円形状となる。

このように、本実施の形態２によれば、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時のダイアフラム５の中央部における初期空洞ギャップは第１および第２犠牲層パターン１０，１１の厚さによって決まるが、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加した時のダイアフラム５の中央部における空洞ギャップは凹部の高さｄ２（第１犠牲層パターン１０の厚さ）によって決まるので、第２犠牲層パターン１１を相対的に厚く形成することが可能となる。これにより、初期空洞ギャップを大きくすることができて、空洞４の製造工程における歩留まりを向上させることができる。すなわち、初期空洞ギャップが小さい場合は、第１および第２犠牲層パターン１０，１１をウエットエッチングにより除去する際、気液界面の毛細管力によりダイアフラム５が基板１に張り付く危険性があるが、本実施の形態２である超音波振動子Ｍ２では、初期空洞ギャップを大きくすることができるので、そのような危険性を回避することができる。

さらに、初期空洞ギャップを大きくしても、駆動時においては小さい空洞ギャップ（例えば２０〜３０ｎｍ程度）を安定して得ることができる。従って、駆動時の空洞ギャップを小さくできることから、低い電圧でも大きな送信感度および受信感度を得ることができるので、超音波探触子の駆動電圧を低減することができる。

（実施の形態３）
前述した実施の形態１および実施の形態２で用いた製造プロセスは、いわゆる半導体集積回路の製造プロセスの範疇であり、前述した超音波振動子Ｍ１，Ｍ２は半導体集積回路の製造プロセス、例えば電界効果トランジスタの製造プロセスにより製造することができる。従って、前述した超音波振動子Ｍ１，Ｍ２は容易に半導体集積回路とモノリシックに集積化が可能である。

本実施の形態３では、前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１を半導体集積回路と同一の基板上に形成した例について述べる。超音波振動子Ｍ１は、コルゲート領域を設けない超音波振動子と比べてダイアフラムの周辺の剛性が小さいことから、比較的低電圧で動作することができる。このため、その駆動には、それほど高耐圧の半導体集積回路を用いる必要がないという利点を有している。なお、超音波振動子Ｍ１と同様に、前述した実施の形態２による超音波振動子Ｍ２を集積回路と同一の基板上に形成できることはいうまでもない。

まず、例えば高耐圧ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）デバイスの製造プロセスを用いて、二次元状に配置されたＮ個の選択スイッチアレイからなるマルチプレクサ（Multiplexer）を作製する。次に、各々の選択スイッチアレイ上にＮ個の独立した超音波振動子（または超音波振動子の集合体）を形成する。マルチプレクサは、Ｎ個の独立した超音波振動子（または超音波振動子の集合体）をＭ個のグループに束ね、その各々をＭ本の入力線および出力線に結合する。振動子アレイ内で１つのグループに束ねられた超音波振動子（または超音波振動子の集合体）の空間的分布は任意に設定可能である。すなわち、Ｎ個の独立した超音波振動子（または超音波振動子の集合体）からなる振動子アレイは、空間的に任意に束ねられたＭ個の超音波振動子として振る舞う。これにより、振動子アレイから発せられる超音波の位相の空間的分布を任意に設定できるので、任意の点に超音波を収束させることができる。さらに、振動子アレイに対して、その入出力線をＭ個に削減できるため、装置の小型化が可能である。

なお、マルチプレクサに加えて、超音波振動子の駆動回路または超音波受信信号の増幅回路を同一の基板上に形成することもできる。

（実施の形態４）
前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１では、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時のダイアフラム５の中央部における初期空洞ギャップと、コルゲート領域５ａで下部電極３と上部電極６とが最も近い位置における空洞ギャップとをほぼ同じに設定し、直流電圧を印加してダイアフラム５の中央部が基板１上の第１絶縁膜９に接触しない範囲でダイアフラム５を基板１側へ引き寄せ、交流電圧を重畳して超音波を発生させた。本実施の形態４では、コルゲート領域５ａの内側であって、ダイアフラム５の中央部の最も外縁に、さらにディンプル（Dimple）を付け加えて空洞ギャップの安定化を図る。

本発明の実施の形態４による超音波探触子を構成する超音波振動子の構造について図１２を用いて説明する。図１２は前述した図１のＡ−Ａ’線における超音波振動子の要部断面図である。

前述した実施の形態１による超音波振動子Ｍ１と同様に、本実施の形態４による超音波振動子Ｍ３では、下部電極３と上部電極６との間に電圧を印加しない時は（図１２（ａ））、ダイアフラム５と基板１との間に何ら力が働かないので、ダイアフラム５は基板１とほぼ平行となる。

下部電極３と上部電極６との間に直流電圧を印加した時は（図１２（ｂ））、ダイアフラム５は基板１側へ引き寄せられる。ダイアフラム５の外周部は中央部に比べて剛性の小さいコルゲート領域５ａを有するので、ダイアフラム５は外周部で大きく屈曲し、中心部は比較的平行性を保持したまま、基板１側へ引き寄せられる。この時、コルゲート領域５ａの内側であって、ダイアフラム５の中央部の最も外縁に設けられたディンプル１４が基板１上の第１絶縁膜９に接触する。その結果、ディンプル１４の高さに依存して空洞ギャップが規定される。ダイアフラム５の中央部は大きい剛性を有するので、さらに交流電圧を印加してもプルイン等を生じることはない。

次に、前述した超音波振動子Ｍ３の製造方法を図１３〜図１７を用いて工程順に説明する。図１３〜図１７は、前述した図１のＢ−Ｂ’線における超音波振動子の要部断面図である。

まず、前述した実施の形態１と同様にして、図１３に示すように、基板１上に下部電極３および第１絶縁膜９を形成し、さらにコルゲート形状の凸部となる領域に第１犠牲層パターン１０を形成する。次に、図１４に示すように、第１犠牲層パターン１０の上層に第３犠牲層、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により堆積した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして第３犠牲層をエッチングし、後にディンプル１４が形成される領域以外（例えばその中心を第１犠牲層パターン１０の中心と同じにする円形状であり、第１犠牲層パターン１０の内側に位置する一部をドーナツ形状に除去した領域）に第３犠牲層パターン１５を形成する。

次に、図１５に示すように、第３犠牲層パターン１５の上層に第２犠牲層、例えば多結晶シリコン膜をＣＶＤ法により堆積した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして第２犠牲層をエッチングし、後に空洞４が形成される領域に第２犠牲層パターン１１を形成する。

次に、図１６に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、第２犠牲層パターン１１の上層に第２絶縁膜１２を堆積した後、上部電極６を形成し、さらに上部電極６をシリコン窒化膜１３で覆うことによりダイアフラム５およびコルゲート領域５ａを形成する。その後、図１７に示すように、前述した実施の形態１と同様にして、ウエットエッチング法により第１、第２および第３犠牲層パターン１０，１１および１５を除去し、コルゲート形状とディンプル１４とを有する空洞１６を形成する。空洞１６の平面形状が円形の場合、ディンプル１４の平面形状はドーナツ形状が好ましい。また、空洞１６の平面形状が矩形等の場合、ディンプル１４の平面形状は様々に変更可能である。

なお、前述した実施の形態１〜４において、コルゲート領域５ａの面積は直径に比例し、超音波送受信に寄与する有効領域面積は直径の２乗に比例することから、本発明の有効性はダイアフラム５の直径が大きいほど増大する。ダイアフラム５の直径が大きいと、ダイアフラム５の膜応力によりダイアフラム５が破壊する恐れが生じるが、本発明ではコルゲート領域５ａによりダイアフラム５の膜応力が吸収されるので、破壊されることはない。また、低電圧駆動を行うために初期空洞ギャップを小さく設定すると、毛細管力によりダイアフラム５が基板１に張り付くポテンシャルが増加するが、本発明では初期空洞ギャップを比較的大きく設定できるので、このような問題も回避することができる。

（実施の形態５）
本発明の実施の形態５による超音波探触子を構成する超音波振動子の製造方法および構造について図１８〜図２０を用いて説明する。図１８〜図２０は本発明の実施の形態５による超音波振動子の製造工程を模式的に示す要部断面図である。

まず、図１８に示すように、基板４１に形成した導電体膜、例えばタングステン膜をフォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとしてエッチングし、下部電極４２を形成する。続いて、下部電極４２の上層に第１絶縁膜をプラズマＣＶＤ法により堆積した後、フォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとして上記第１絶縁膜をエッチングし、コルゲート形状となる領域に１つ以上の線状の凸部を有する第１絶縁膜パターン４３を形成する。第１絶縁膜パターン４３は矩形状の空洞となる領域の長手方向エッジに沿った外縁部に配置する。

次に、図１９に示すように、下部電極４２および第１絶縁膜パターン４３の上層に第２絶縁膜（例えばシリコン酸化膜）４４をプラズマＣＶＤ法により堆積した後、第２絶縁膜４４上にスパッタリング法を用いて第２のタングステン膜４５を形成し、さらに、その第２のタングステン膜４５をフォトリソグラフィ法により形成されたレジストパターンをマスクとしてエッチングし、矩形状の空洞となる領域内に所定のピッチで配列された直径２５０ｎｍ程度の微細孔パターン４６を形成する。微細孔パターン４６の形成には、i線ステッパによる露光技術および被服熱フロー方式によるホール縮小技術を採用した。

次に、図２０に示すように、微細孔パターン４６を介して、微細孔パターン４６の下部近傍の第１絶縁膜パターン４３と第２絶縁膜４４とを気相フッ酸（ＨＦベーパ）を用いて等方的にエッチング除去し、矩形状の空洞４７を形成する。続いて、熱ＣＶＤ法によりシリコン酸化膜４８を堆積して微細孔パターン４６をふさぐことにより、空洞４７を封止し、さらにシリコン窒化膜（図示せず）を堆積する。上記熱ＣＶＤ法により堆積されるシリコン酸化膜４８は、微細孔パターン４６がふさがるまでの間、空洞４７の内壁にも堆積するので、空洞４７が変形しても上部電極と下部電極とが直接接触することはない。なお、下部電極４２を形成した後に絶縁膜を形成してもよく、この場合、良好な耐圧特性と相対的に高い誘電率を有し、かつフッ酸に対するエッチングレートの低い絶縁膜を形成することが望ましい。また、本実施の形態５による超音波振動子は、前述した実施の形態１と同様の凸型のコルゲート形状としたが、前述した実施の形態２と同様の凹型のコルゲート形状としてもよい。凹型のコルゲート形状を形成する場合は、コルゲート形状となる領域に１つ以上の線状の凹部を有する第１絶縁膜パターン４３が形成される。

このように、本実施の形態５によれば、長手方向に沿ってコルゲート形状を設けることにより、短軸方向の共振周波数が減少し、長軸方向の共振周波数とほぼ等しくなるので、超音波発振特性上有害なスプリアスを抑制することができる。また、空洞４７以外の領域で上部電極と下部電極間との間隔が大きくとれるため寄生容量および絶縁耐圧に優れ、上部電極が極めて平坦な構造となるため信頼性に優れている。また、製造プロセスにスパッタリング法またはプラズマＣＶＤ法等の低温プロセス（プロセス温度５００℃以下）を用いることにより、アルミニウム配線の形成されたＬＳＩ上にも比較的容易に形成することが可能であることから、前記実施の形態３において述べたようなＬＳＩ上への探触子マトリクス形成にも適している。

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

本発明の超音波振動子は、超音波探触子を用いる各種医療診断機器、機械内部の欠陥検査装置、超音波による各種イメージング機器システム（妨害物の検知等）、位置検知システム、温度分布計測システム等に利用することができる。

本発明の実施の形態１による超音波振動子の要部平面図である。 図１のＡ−Ａ’線における超音波振動子の要部断面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１による第１犠牲層パターンの要部平面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態１による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態２による超音波振動子の図１のＡ−Ａ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態２による第１犠牲層パターンの要部平面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の図１のＡ−Ａ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態４による超音波振動子の製造工程を示す図１のＢ−Ｂ’線における要部断面図である。 本発明の実施の形態５による超音波振動子の製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態５による超音波振動子の製造工程を示す要部断面図である。 本発明の実施の形態５による超音波振動子の製造工程を示す要部断面図である。 本発明者によって検討された超音波振動子の基本構造の一例である。

符号の説明

１ 基板
３ 下部電極
４ 空洞
５ ダイアフラム
５ａ コルゲート領域
６ 上部電極
８ 角部
９ 第１絶縁膜
１０ 第１犠牲層パターン
１１ 第２犠牲層パターン
１２ 第２絶縁膜
１３ シリコン窒化膜
１４ ディンプル
１５ 第３犠牲層パターン
１６ 空洞
４１ 基板
４２ 下部電極
４３ 第１絶縁膜パターン
４４ 第２絶縁膜
４５ 第２のタングステン膜
４６ 微細孔パターン
４７ 空洞
４８ シリコン酸化膜
５１ 基板
５２ 空洞
５３ ダイアフラム
５４ 下部電極
５５ 上部電極
Ｍ１ 超音波振動子
Ｍ２ 超音波振動子
Ｍ３ 超音波振動子

Claims (16)

1. 複数個の超音波振動子を同一の基板上に配列して構成される超音波探触子であって、
   前記超音波探触子は、前記基板に固定された下部電極と、空洞を挟み前記基板に対向して設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられた上部電極とを含み、前記ダイアフラムは、前記空洞の半径または幅の半分の７０％より外側の領域にコルゲート形状を有し、
   前記コルゲート形状は、その中心を前記ダイアフラムの中心と同じにした同心円または前記ダイアフラムの輪郭と相似形状の凸形状であり、
   前記ダイアフラムは、前記コルゲート形状を有する領域の内側にディンプルと、前記下部電極と前記空洞との間に形成された絶縁膜と、をさらに有し、
   前記ダイアフラムを振動させる間、前記ディンプルは前記絶縁膜に接触することを特徴とする超音波探触子。
2. 請求項１記載の超音波探触子において、前記ディンプルは、その中心を前記ダイアフラムの中心と同じにしたドーナツ形状であることを特徴とする超音波探触子。
3. 複数個の超音波振動子を同一の基板上に配列して構成される超音波探触子であって、
   前記超音波探触子は、前記基板に固定された下部電極と、空洞を挟み前記基板に対向して設けられたダイアフラムと、前記ダイアフラムに設けられた上部電極とを含み、前記ダイアフラムは、前記空洞の半径または幅の半分の７０％より外側の領域にコルゲート形状を有し、
   さらに、前記下部電極と前記空洞との間に形成された絶縁膜を有し、前記コルゲート形状は、その中心を前記ダイアフラムの中心と同じにした同心円または前記ダイアフラムの輪郭と相似形状の凹形状であり、
   前記ダイアフラムを振動させる間、前記凹形状は前記絶縁膜に接触することを特徴とする超音波探触子。
4. 請求項３記載の超音波探触子において、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加しない時は、前記ダイアフラムの中央部における空洞ギャップと、前記ダイアフラムの前記コルゲート形状を有する領域で前記上部電極と前記下部電極とが最も遠い位置における空洞ギャップとがほぼ同じであることを特徴とする超音波探触子。
5. 請求項３記載の超音波探触子において、前記上部電極と前記下部電極との間に電圧を印加しない時の前記ダイアフラムの中央部における空洞ギャップは、５０〜１００ｎｍ程度であることを特徴とする超音波探触子。
6. 請求項３記載の超音波探触子において、前記上部電極と前記空洞との間に絶縁膜が形成されていることを特徴とする超音波探触子。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の超音波探触子において、複数個の前記超音波振動子からなる振動子アレイまたは複数個の前記超音波振動子の集合体からなる振動子アレイが形成された前記基板上に、マルチプレクサが形成されていることを特徴とする超音波探触子。
8. 以下の工程を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法；
   （ａ）基板上に導電体膜からなる下部電極を形成する工程、
   （ｂ）前記下部電極の上層に第１絶縁膜を形成する工程、
   （ｃ）前記第１絶縁膜上に１つ以上の同心円の凹部を有する円形状の第１犠牲層パターンを形成する工程、
   （ｄ）前記第１犠牲層パターンの上層に、その中心を前記第１犠牲層パターンの中心と同じにする円形状の第２犠牲層パターンを形成する工程、
   （ｅ）前記第２犠牲層パターンの上層に第２絶縁膜を形成する工程、
   （ｆ）前記第２絶縁膜上に上部電極を形成する工程、
   （ｇ）前記第１および第２犠牲層パターンを除去する工程。
9. 請求項８記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１および第２犠牲層パターンは同一材料からなることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
10. 請求項８記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１犠牲層パターンの凹部は、前記第２犠牲層パターンの半径の７０％より外側の領域に形成されることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
11. 請求項８記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１および第２犠牲層パターンはウエットエッチングにより除去されることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
12. 以下の工程を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法；
    （ａ）基板上に導電体膜からなる下部電極を形成する工程、
    （ｂ）前記下部電極上に１つ以上の線状の凹部を有する第１絶縁膜パターンを形成する工程、
    （ｃ）前記第１絶縁膜パターンの上層に第２絶縁膜を形成する工程、
    （ｄ）前記第２絶縁膜上に上部電極を形成する工程、
    （ｅ）前記第１絶縁膜パターンおよび前記第２絶縁膜の少なくとも一部を除去する工程、
    （ｆ）前記（ｅ）工程の後、前記（ｅ）工程において生じた空洞の内壁に第３絶縁膜を形成する工程。
13. 以下の工程を含むことを特徴とする超音波探触子の製造方法；
    （ａ）基板上に導電体膜からなる下部電極を形成する工程、
    （ｂ）前記下部電極の上層に第１絶縁膜を形成する工程、
    （ｃ）前記第１絶縁膜上に１つ以上の同心円の凸部を有する形状の第１犠牲層パターンを形成する工程、
    （ｄ）前記第１犠牲層パターンの上層に、その中心を前記第１犠牲層パターンの中心と同じにする円形状であり、前記第１犠牲層パターンの内側に位置する一部をドーナツ形状に除去した第３犠牲層パターンを形成する工程、
    （ｅ）前記第３犠牲層パターンの上層に、その中心を前記第１犠牲層パターンの中心と同じにする円形状の第２犠牲層パターンを形成する工程、
    （ｆ）前記第２犠牲層パターンの上層に第２絶縁膜を形成する工程、
    （ｇ）前記第２絶縁膜上に上部電極を形成する工程、
    （ｈ）前記第１、第２および第３犠牲層パターンを除去する工程。
14. 請求項１３記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１、第２および第３犠牲層パターンは同一材料からなることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
15. 請求項１３記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１犠牲層パターンの凸部は、前記第２犠牲層パターンの半径の７０％より外側の領域に形成されることを特徴とする超音波探触子の製造方法。
16. 請求項１３記載の超音波探触子の製造方法において、前記第１、第２および第３犠牲層パターンはウエットエッチングにより除去されることを特徴とする超音波探触子の製造方法。

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