JP5791294B2 - 静電容量型電気機械変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、超音波変換装置などとして用いられる静電容量型電気機械変換装置に関する。

従来、マイクロマシニング技術によって製造される微小機械部材はマイクロメータオーダの加工が可能であり、これらを用いて様々な微小機能素子が実現されている。このような技術を用いた静電容量型電気機械変換装置（ＣＭＵＴ；Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ
Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）は、圧電素子の代替品として研究されている。ＣＭＵＴによると、振動膜の振動を用いて超音波を送信、受信することができ、特に液中において優れた広帯域特性を容易に得ることができる。こうした装置の一つに、シリコン基板上に接合等により形成した単結晶シリコン振動膜を用いる静電容量型電気機械変換装置がある（特許文献１参照）。特許文献１では、シリコン基板の接合を溶融接合で行い、接合後に単結晶シリコン膜を露出させ、溶融接合した膜を有するセルを形成することで作製された静電容量型電気機械変換装置が示されている。

また、特許文献２には、静電容量型電気機械変換装置の最外周部もしくは端に存在するセルの外側に、振動膜の変位或いは振動膜の振動により発生する信号の送受を遮断する為の信号遮断部を設けたものが開示されている。これによりセルが均一かつ安定的な動作をする静電容量型電気機械変換装置の構造が示されている。

米国特許第６，９５８，２５５号 国際公開第２００８／１３６１９８号

上述した技術状況において、高温処理が施される接合方法によりシリコン基板上に単結晶シリコン振動膜を形成し、静電容量型電気機械変換装置を作製することができる。こうした作製では、静電容量型電気機械変換装置を構成するトランスデューサ素子（エレメント）において、高温処理が施される接合時に、素子に含まれるセル周辺の接合面積が異なる箇所で、各セルの振動膜変形量にバラツキを生じることがある。バラツキは、振動膜と絶縁層の熱膨張係数の違いや、高温処理が施された際に発生する水分やガスの残存量の違い、振動膜と絶縁層の内部応力の影響による基板の反りが要因として考えられる。このセル毎の振動膜変形量のバラツキは超音波の送信効率及び検出感度のバラツキとなる。しかしながら、上記特許文献２の技術は、こうしたバラツキそのものを低減できるものではない。

上記課題に鑑み、本発明の静電容量型電気機械変換装置は、シリコン基板と、振動膜と、シリコン基板の一方の表面と振動膜との間に間隙が形成されるように振動膜を支持する振動膜支持部と、で形成されるセル構造を、少なくとも一つ以上含む素子を複数有する。そして、前記素子の周囲に、前記振動膜支持部と共通の層に前記素子毎に独立に形成された溝が配されている。

本発明の静電容量型電気機械変換装置の構造では、装置を構成する素子の周囲において、素子に含まれるセル構造の構成要素である振動膜支持部と共通の層に溝が形成されている。この溝により、単結晶シリコン振動膜などの振動膜を設けるために実行される溶融接合時に発生する熱応力等による素子内の各セルの振動膜の初期変形のバラツキを低減することができる。そのため、装置の検出感度や送信効率のバラツキを低減することができる。

本発明の実施形態ないし実施例１の電気機械変換装置を説明する為の上面図。 図１のＡ−Ｂ断面とＡ’−Ｂ’断面を示す図。 実施例１等の作製方法を説明する為の図１のＡ−Ｂ断面における図。 実施例１等の作製方法を説明する為の図１のＡ−Ｂ断面における図。 本発明の実施例２の電気機械変換装置を説明する為の上面図 図４のＣ’−Ｄ’断面を示す図。 本発明の実施例３の電気機械変換装置を説明する為の上面図。 図６のＥ’−Ｆ’ 断面を示す図。 本発明の電気機械変換装置による振動膜変形量バラツキの改善効果を示すグラフ。 本発明の静電容量型電気機械変換装置の一例の上面図。 本発明の電気機械変換装置の素子（エレメント）の一例の上面図。

本発明の特徴は、セルを少なくとも一つ以上含む素子の周囲に、単結晶シリコン振動膜などの振動膜を支持する振動膜支持部と共通の層に形成された溝が配されていることである。こうした基本的な構成において、本発明の静電容量型電気機械変換装置は種々の形態を取ることができる。典型的には、素子と溝は、素子の周囲を囲んで閉じた分離溝を振動膜に形成したり（図１の例など）、溝上に振動膜が存在しない（図６の例など）ようにしたりすることで、電気的に絶縁される。前記溝は、連続的な閉じた周回溝であったり（図１の例）、始点と終点とを有し両点の間の絶縁層などの前記共通の層には形成されていない溝であったり（図４の例など）する。周回溝である場合、図１などに示す様に、周回溝を横切って、素子の電極と繋がった電気配線が形成される。始点と終点を有する溝である場合、図４などに示す様に、溝の始点と終点との間の絶縁層などの前記共通の層上に、素子の電極と繋がった電気配線が形成される。溝または周回溝は、素子の周囲に、図１や図９に示す様に一重だけ形成してもよいし、図４などに示す様に複数重、並行（相並んでの意味であって、平行な状態であってもよいし、非平行な状態であってもよい）して形成してもよい。何れにせよ、各セル構造の接合面積等の境界条件をほぼ揃えて、溶融接合時に発生する熱応力等による素子内の各セルの振動膜の初期変形のバラツキを低減することができるのであれば、溝は素子の周囲にどの様な態様で配されてもよい。

以下に、本発明の静電容量型電気機械変換装置の実施形態を説明する。本発明の一実施形態では、図１に示す様に、複数のセル構造１０２を有する素子１０１を複数アレイ状に配置している。図１では、６つの素子のみを記載しているが、素子数は幾つでも構わない。また、素子１０１は、１６個のセル構造１０２から構成されているが、セル構造の個数は幾つであっても構わない。ここでは、セルの平面形状は円形であるが、四角形、六角形等であっても構わない。

図１のＡ−Ｂ断面図の図２（ａ）と図１のＡ’−Ｂ’断面図の図２（ｂ）に示す様に、セル構造１０２は、振動膜である単結晶シリコン振動膜７、空隙などである間隙（凹部）３、振動膜７を支持する振動膜支持部１７、及びシリコン基板１で構成されている。振動膜支持部１７は絶縁体が望ましく、酸化シリコン、窒化シリコン等である。絶縁体でない場合は、シリコン基板１と単結晶シリコン振動膜７との絶縁を行うため、シリコン基板１上に絶縁層を形成する必要がある。シリコン基板１や単結晶シリコン振動膜７は、それぞれ共通電極または信号取り出し電極として用いることができる。シリコン基板１や単結晶シリコン振動膜７の導電特性を向上するため、薄いアルミニウム等の金属膜をシリコン基板１や単結晶シリコン振動膜７上に形成しても良い。これらは、オーミックがとりやすい低抵抗なものであることが好ましく、抵抗率は０．１Ωｃｍ以下がよい。オーミックとは、電流の方向と電圧の大きさによらず抵抗値が一定であることである。

素子１０１は、その周囲において、絶縁膜支持部と同一の層に溝１０３（図２では４で示し、本実施形態では、閉じた周回溝である）を有している。ここでは、素子１０１の周囲に、振動膜支持部１７と共通の絶縁層２に溝１０３が形成されている。溝１０３は、図１の様に、素子１０１の周囲を完全に囲うように閉じた一重の周回溝として配されている。周回溝１０３は、少なくとも絶縁体支持部と同一の層に形成されていればよい。周回溝１０３を絶縁体支持部１７と同一の層２に形成することによって、各セル構造の接合面積等の境界条件をほぼ揃えられるので、溶融接合時に発生する熱応力等による振動膜７の変形量のバラツキを低減することができる。周回溝がない場合、素子内の中心に配置したセルよりも、最外周に配置したセルの振動膜の変形量が大きくなる。また、最外周から中心に向かうに従い、セルの振動膜の変形量は小さくなる。これは、最外周部のセル周囲の接合面積が中心のセル周囲の接合面積より大きく、最外周部のセルの振動膜の変形量が大きくなり、その影響が外側のセルの振動膜ほど強く及ぶためである。

素子１０１とその周囲において、素子毎の信号取り出し電極である単結晶シリコン振動膜７と周回溝１０３上の単結晶シリコン膜とを電気的に分離することによって、素子と周回溝とを電気的に分離している。素子１０１を駆動する際に、周回溝１０３上に単結晶シリコン膜が存在する場合、周回溝上の単結晶シリコン膜が同時に駆動されてノイズとなることがある。従って、素子と溝の間を電気的に絶縁することによって、ノイズを低減でき、検出感度や送信効率の低下を防止することができる。電気的な絶縁は、周回溝上の単結晶シリコン膜自体を除去したり、素子と周回溝の内縁部との間に分離溝１５を形成したりことで実現できる。ここでは、分離溝１５を設けているが、後述する図６の例では前者の方法を採用している。周回溝の内縁部とは、周回溝を設ける領域２０の、間隙３の凹部から近い方の端面を意味する。図１において、分離溝１５は、凹部と周回溝との間の電気的な分離と、信号取り出し電極の形成とを行っている。

また、単結晶シリコン振動膜７を共通電極とし、シリコン基板１を分割して、分割したシリコン基板を素子毎の信号を取り出す信号取り出し電極として用いても良い。この構成によっても、周回溝と素子との電気的絶縁を行うことができる。本実施形態で、素子とは、分離溝１５が形成された内側の領域であり、後述する配線１２や第一の電極パッド１３、第二の電極パッド１４を除いた部分を指す。上記構成によって、素子及び素子アレイの均一性を高め、受信感度等を安定させることができる。

本実施形態の駆動原理を説明する。静電容量型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、直流電圧を単結晶シリコン振動膜７に印加しておく。超音波を受信すると、振動膜７が変形するため、距離１８すなわち単結晶シリコン振動膜７（信号取り出し電極）とシリコン基板１（共通電極）との距離が変わり、静電容量が変化する。この静電容量変化によって、振動膜７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して出力する。また、単結晶シリコン振動膜７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７を振動させることができる。これによって、超音波を送信できる。

本実施形態の効果について、図８を用いて説明する。図８（ａ）は振動膜変形量バラツキと最外周部のセル・溝間の距離との関係を示している。図８（ｂ）は振動膜変形量バラツキと溝を設ける領域との関係を示している。図８（ａ）の横軸は、間隙３の直径に対する最外周部のセルと溝間の距離１９の比率である。縦軸は、溝を設けた場合の最外周部のセルが有する振動膜変形量と中心部のセルが有する振動膜変形量の差の絶対値を、中心部セルの振動膜変形量の絶対値に対する比率で表している。この比率が大きいほど、送信或いは受信感度のバラツキを大きくする。つまり、上記振動膜変形量の差の絶対値が０に近い電気機械変換装置では、素子内或いは素子間の性能均一性を高め、受信感度等を安定させることができる。図８（ａ）では、溝を設けた領域２０が１００μｍの場合を示している。系列は溝の幅１０７（図３−１参照）の違いを示しており、０.２５などの数字は間隙３の直径に対する溝幅１０７の比率を示す。例えば、間隙３の直径が３５μｍの場合、系列０.２５の溝幅は８.７５μｍ、系列０.７５の溝幅は２６.２５μｍ、系列１.５の溝幅は５２.５μｍ、となる。この溝幅の違いにより、領域２０に設ける溝の多重数（本数）が異なる。図８（ａ）に示す様に、溝の本数が異なっても、最外周部のセルと溝間の距離の増加により、振動膜の変形量バラツキは低減する。

図８（ａ）に示す様に、間隙３の直径に対する最外周部のセルと溝間の距離１９の比率が０．５以上の場合、上記振動膜変形量の差はほぼ０になる。従って、間隙３の直径に対する最外周部のセルと溝間の距離１９の比率は、０．５以上が好ましい。溝が有する単結晶シリコン膜がセルの振動膜よりも変形しやすい為、溝が間隙３に近すぎると、溝が有する単結晶シリコン膜の変形が、セルの振動膜７に影響を及ぼし、変形量を増加させるからである。一方、上記比率が大きくなると、つまり、溝を設けない状態に近づくと、接合面積等の境界条件が不均一な状態となり、上記振動膜変形量の差が大きくなる。従って、間隙３の直径に対する最外周部のセルと溝間の距離１９の比率は、０．５〜２．０程度の範囲が好ましい。

また、図８（ｂ）の横軸は、周回溝を設ける領域２０の距離を示し、縦軸は図８（ａ）と同じである。系列も図８（ａ）と同じである。図８（ｂ）では、間隙３の直径に対する最外周の間隙端面と溝端面との距離１９の比率が０．７５の場合を示している。図８（ｂ）に示す様に、溝を設ける領域２０を５０μｍ以上とする場合、上記振動膜変形量の差はほぼ０になる。従って、周回溝を設ける領域２０は、５０μｍ以上であれば、受信感度、送信効率のバラツキを大幅に低減できるので好ましい。０.２５などの系列の違いに応じて、溝の多重数（本数）は異なるが、溝は上記領域２０に一重以上設ければよい。図８（ｂ）では上記比率が０．７５の場合を示したが、この比率が０.７５とは異なる場合でも、同様に、溝を設ける領域２０の距離の増加により、振動膜変形量のバラツキは低減する。

ところで、セル構造と同等の構造を素子の周囲に設けることで、振動膜の変形量バラツキを低減することもできる。ただし、これにより変形量バラツキを十分に低減するには、上記周回溝の如き溝よりも広い領域を必要とする。従って、後述する図９に示す様に素子がアレイ状に配置された静電容量型電気機械変換装置の場合、セル構造と同等の構造を素子の周囲に形成すると、引出し配線の取り出しができなくなることがある。他方、本実施形態のような周回溝の場合、セル構造と同等の構造よりも狭い領域に配置して、振動膜の変形量を均一にできるので、素子の配置間隔１０６が小さくても、配線を引き出すことができる。

図１と図２の説明に戻る。これらの図に示す溝１０３（図２の溝４）の深さは、所望の深さにすることができるが、溝１０３の底部に絶縁層２が残る深さにすることが好ましい。溝１０３の底部に絶縁層２が存在することで、溝上の単結晶シリコン膜を除去した際に（後述する実施例３を参照）、シリコン基板１の露出を防ぐことができる。シリコン基板１の露出を防止することにより、振動膜７上の電極１１と溝１０３の間に外部から導電性の物質が付着する等による電極１１とシリコン基板１との間の短絡を防止できる。また、溝１０３と間隙３を同等の深さにすることで、間隙３と溝１０３を同時に形成することができる。これにより、フォトマスク枚数の低減、作製工程数の低減、アライメントずれの防止等を実現することができる。

溝１０３の幅１０７は、所望の値にすることができる。図８（ａ）で示した様に、最外周部のセルと溝間の距離１９が近い場合でも、狭い溝幅１０７とすれば振動膜変形量の差を小さくできる。こうした場合、最外周部のセルの近傍に溝を形成できるため、配線領域１０８（図９参照）を広くすることができ、多数の配線を取り出すことができる。また、溝１０３が有する単結晶シリコン膜が溝の底部に接触しない幅１０７にするのが好ましく、間隙３の直径より小さい溝幅であれば、溝が有する単結晶シリコン膜は底部に接触しない。従って、溝の幅は、間隙３の直径と同程度以下が好ましい。

溝の幅１０７が凹部３の直径よりも大きく、溝上の単結晶シリコン膜の変形量が、凹部３が有する単結晶シリコン振動膜の変形量よりも大きい場合、次の様な問題が生じる。電極１１と溝１０３の間に外部から導電性の物質等が付着したままで、電気機械変換装置に電圧を印加すると、凹部３が有する単結晶シリコン振動膜よりも先に、溝が有する単結晶シリコン膜が、シリコン基板１と接触する。更に印加電圧を大きくすると、溝が有する単結晶シリコン膜とシリコン基板１の間で絶縁破壊が生じ、電気機械変換装置として機能しなくなる可能性がある。こうした観点からも、溝の幅１０７は、間隙（凹部）３の直径と同程度以下が好ましい。

溝は、その始点と終点とが異なる構成とすることもできる。始点と終点が異なるとは、図９や図１０に示す様に、素子の周囲に設ける溝の一部が途切れている構造のことである。こうした構造では、図９に示す様に、溝１０４の始点と終点の間に配線１２等を形成することができる。溝の始点と終点との間は、配線等を形成できる幅とすればよい。また、溝の始点と終点の途切れ方は、種々であり得て、コの字、Ｌ字、Ｃ字状等でも良いし、渦巻き状に始点と終点が繋がらずに溝が並行して並んだ構造などでもよく、形状は問わない。

溝の始点と終点の間に電気配線を形成することもできる。図９や図１０の構成では、電気配線１２下に間隙（溝）を有していないため、電気配線に発生するノイズを防止できるとともに、配線下に間隙を有する場合と比較して、配線の強度を保つこともできる。また、素子の周りに溝を複数重形成することもできる。こうした構成によって、振動膜の変形量バラツキを更に低減することができる。こうしたタイプの例として、図１０に示す様に、始点と終点の異なるＬ字状の溝１０９、１１０、１１１、１１２を複数用いて素子の周りに複数重配することもできる。始点と終点の間が複数箇所存在することにより、複数箇所から電気配線を引き出すことができる。また、溝上のシリコン膜を除去することもできる。これにより、間隙３が有する単結晶シリコン振動膜７に、溝上のシリコン膜が振動することによるノイズが発生することを防止できる。なお、図９の構成では、振動膜は、素子と配線の所を除いて、除去され、図１０の構成では、溝１０９、１１０、１１１、１１２上にシリコン膜が存在している。

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）
実施例１の静電容量型電気機械変換装置の構成を図１、図２を用いて説明する。また、この作製方法を図３−１、図３−２を用いて説明する。本実施例の上面構造を示す図１に示す様に、本実施例では、素子１０１を６個アレイ状に配置している。素子１０１の大きさは１ｍｍ×１ｍｍである。素子１０１を構成するセル構造１０２は、２０行２０列に配置している（図１、図２ではセル構造の個数は省略している）。

この様な素子１０１の周囲を囲うように、周回溝１０３を設けている。周回溝の幅はセル構造の間隙３の直径と同等の４５μｍである。周回溝１０３の幅とセル構造の間隙３の直径とを同等にすることで、周回溝が有する単結晶シリコン膜が周回溝の底部に接触しない様にすることができる。配線１２は、上部の電極１１から第一の電極パット１３まで、周回溝１０３の上を通り、長さ１ｍｍ、幅１５μｍで引き出している。第一の電極パッド１３と第二の電極パッド１４の大きさは２００μｍであり、両者は５００μｍの間隔で配置している。分離溝１５は、素子１０１と周回溝１０３とを電気的に分離する場所にあり、図１では素子１０１と配線１２と第一の電極パッド１３を囲う様に分離溝１５を設けている。分離溝１５の幅は１０μｍである。配線１２と第一の電極パッド１３以外の分離溝１５の内側の領域が、素子１０１の大きさである。素子１０１の配置間隔１０６は１ｍｍである。電極１１の大きさは１ｍｍ×１ｍｍである。

図２を用いて、本実施例の断面構造について説明する。図２に示す様に、素子を構成するセル構造は、厚さ１．２５μｍの単結晶シリコン振動膜７、直径４５μｍの間隙３、厚さ０．２μｍの絶縁層２、及び厚さ０．５ｍｍの第一のシリコン基板１から形成されている。セル構造の配置間隔は５０μｍである。第一のシリコン基板１の抵抗率は０．０１Ωｃｍである。単結晶シリコン振動膜７と第一のシリコン基板１との距離は、０．２μｍである。電極１１の厚さは０．２μｍである。第一の電極パッド１３、第二の電極パッド１４、配線１２の厚さは、０．２μｍである。周回溝４（図１の周回溝１０３と同じ）の深さは、間隙３の深さ１８と同じ０．２μｍである。最外周部のセル端面と周回溝端面との距離１９は、間隙３の直径と同じ４５μｍである。距離１９を間隙３の直径と同等にすることで、振動膜７の変形量バラツキを低減することができる。周回溝４を設ける領域２０は、４５μｍである。本実施例では、間隙３の内部はほぼ真空状態である。

本実施例の素子１０１内において、大気圧下での最外周セルの振動膜と中心セルの振動膜の変形量の差は、約５ｎｍである。一方、周回溝を有しない静電容量型電気機械変換装置の素子が有する大気圧下での上記変形量の差は、約４０ｎｍである。この様に、溝を有する構造により、振動膜の変形量バラツキを低減することができ、検出感度や送信効率のバラツキを大幅に低減することができる。

本実施例では、素子の周囲を溝が完全に囲うように周回溝を設けており、配線１２が周回溝の上に形成されている。しかし、配線１２や分離溝１５を無くして、第一のシリコン基板１を、周回溝４と素子１０１との間で分割して、裏側から信号を引き出すようにしても良い。

本実施例の静電容量型電気機械変換装置は、例えば、以下の方法で作製することができる。まず、図３−１（ａ）に示す様に、第一のシリコン基板１上に絶縁膜２を成膜する。第一のシリコン基板１の抵抗率は０．０１Ωｃｍである。絶縁層２は、熱酸化により形成した酸化シリコンであり、厚さは４００ｎｍである。熱酸化により形成する酸化シリコンは、表面粗さが非常に小さく、第一のシリコン基板上に形成しても、第一のシリコン基板の表面粗さからの粗さ増加を防止でき、表面粗さはＲｍｓ＝０．２ｎｍ以下である。溶融接合により接合する場合、この表面粗さが大きいと、例えばＲｍｓ＝０．５ｎｍ以上であると、接合することが難しく、接合不良を引き起こす。熱酸化による酸化シリコンの場合、表面粗さを増大させないので、接合不良が発生しにくく、製造歩留まりを向上できる。

次に、図３−１（ｂ）に示す様に、間隙（凹部）３を形成する。間隙３は、ウェットエッチングによって形成することができる。間隙３の深さ（距離１８）は２００ｎｍであり、直径は４５μｍである。間隙３の配置間隔は５０μｍであり、図３−１（ｂ）では省略しているが、２０行２０列で形成している。間隙３は、キャパシタの誘電体に相当する。

次に、図３−１（ｃ）に示す様に、周回溝４を形成する。周回溝４は、ウェットエッチングよって形成することができる。周回溝の深さは２００ｎｍであり、周回溝の横幅１０７は、間隙３の直径と同じ４５μｍである。また、周回溝は図３−１（ｃ）に示す様に、間隙３の周囲を完全に囲む様に形成される。最外周部のセルと周回溝間の距離１９は４５μｍである。

次に、図３−２（ｄ）に示す様に、第二のシリコン基板５を溶融接合する。溶融接合は真空条件下で行い、凹部３の内部をほぼ真空状態とする。第二のシリコン基板として、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用い、ＳＯＩ基板の活性層６を接合する。活性層６は、単結晶シリコン振動膜７として用いる。活性層６の厚みは１．２５μｍであり、厚みバラツキは±５％以下である。また、活性層６の抵抗率は０．０１Ωｃｍである。接合後のアニール温度は１０００℃であり、アニール時間は４時間である。

次に、図３−２（ｅ）に示す様に、第二のシリコン基板５を薄化し、単結晶シリコン振動膜７を形成する。図３−２（ｅ）に示す様に、第二のシリコン基板として用いているＳＯＩ基板の薄化は、ハンドル層８、ＢＯＸ（Ｂｕｒｉｅｄ Ｏｘｉｄｅ）層９を除去することによって行う。ハンドル層８の除去はグラインディングで行う。また、ＢＯＸ層９の除去は、フッ酸によるウェットエッチングで行う。フッ酸によるウェットエッチングの場合、シリコンがエッチングされることを防止できるので、エッチングによる単結晶シリコン振動膜７の厚みバラツキを低減できる。

次に、図３−２（ｆ）に示す様に、振動膜７が形成されている側から第一のシリコン基板１の導通を取る為に、コンタクトホール１０を形成する。まずコンタクトホールを形成する箇所の振動膜７の一部を、ドライエッチングよって除去する。次に絶縁膜２をウェットエッチングによって除去する。これにより、第一のシリコン基板１が露出し、コンタクトホール１０を形成できる。

次に、図３−２（ｇ）及び図１に示す様に、素子１０１に電圧を印加する為に必要な上部電極１１、配線１２、電極パッドを設ける。まずＡl（アルミニウム）を２００ｎｍ成膜し、電極１１と配線１２、第一の電極パッド１３、第二の電極パッド１４をパターニングして形成する。次に、単結晶シリコン振動膜７に分離溝１５を形成する。分離溝は、ドライエッチングによって形成できる。分離溝１５により、間隙３と周回溝４は電気的に分離される。第一の電極パッド１３と第二の電極パッド１４の間に電圧を印加することで、素子１０１に電圧を印加できる。以上の様にして、本実施例の静電容量型電気機械変換装置を作製することができる。

（実施例２）
実施例２の静電容量型電気機械変換装置の構成を図４、図５を用いて説明する。図５は、図４のＣ’−Ｄ’断面図である。図４に示す様に、周回溝以外の構造は、実施例１と同等である。図４では、溝として、第二の溝１０４と第三の溝１０５を設ける。溝が一本（一重）の場合よりも、溝を二本（二重）以上設けることで、振動膜の変形量バラツキを更に低減することができる。図４で設けている溝はほぼ周回する溝であるが閉じてはおらず、始点と終点が異なっている。始点と終点の間は４５μｍである。溝の始点と終点が異なることで、溝の始点と終点の間に配線１２を形成できる。第二の溝１０４と第三の溝１０５の幅は、セル構造の直径と同等の４５μｍである。

配線１２は、上部の電極１１から第一の電極パット１３まで、第二の溝１０４と第三の溝５の始点と終点の間を通り、長さ１ｍｍ、幅１５μｍで引き出されている。第一の電極パッド１３と第二の電極パッド１４の大きさは２００μｍであり、両者は５００μｍの間隔で配置されている。

図５を用いて、本実施例の断面構造について説明する。図５に示す様に、溝を設ける領域２０と配線１２以外の構造は、実施例１と同等である。図５では、第二の溝１０４と第三の溝１０５を設けており、溝を設ける領域２０は、９０μｍである。また、配線１２は、絶縁層２上の分離溝１５に挟まれた単結晶シリコン膜上に形成されている。間隙３の内部はほぼ真空状態である。

本実施例の素子内において、大気圧下での最外周部のセルの振動膜と中心部のセルの振動膜の変形量の差は、約１ｎｍである。一方、図３−１（ｃ）の工程を実施しない、つまり、溝を有しない静電容量型電気機械変換装置の素子が有する大気圧下での上記変形量の差は、約４０ｎｍである。以上の様に、溝が一本の場合よりも、溝を二本以上設けることで、振動膜の変形量バラツキを更に低減でき、検出感度や送信効率のバラツキを大幅に低減することができる。また、始点と終点が異なる溝を有する構造により、始点と終点間に配線を形成し、電気信号を送受信することができる。電気配線下に間隙を有していないため、受信或いは送信時に電気配線が振動することを防止できる。従って、電気配線に発生するノイズを防止することができる。更に、配線下に間隙を有する場合と比較して、配線の強度を保つこともできる。

本実施例の静電容量型電気機械変換装置は、実施例１の作製方法と同様にして作製することができる。また、実施例１の図３−１（ｂ）、（ｃ）の間隙と溝を、同一のフォトマスクで形成することもできる。従って、作製工程数を削減できるとともに、アライメントを実施する必要がないため、間隙形成時と溝形成時のアライメント誤差が生じない。更に、図１０に示す様に、始点と終点の異なるＬ字状などの溝を複数用いて各重の囲いを成す溝構造を形成することもできる。各重の囲いを成す溝構造において始点と終点の間が複数箇所存在することにより、複数箇所から電気配線を引き出すことができる。

（実施例３）
実施例３の静電容量型電気機械変換装置の構成を図６、図７を用いて説明する。図７は、図６のＥ’−Ｆ’断面図である。本実施例では、実施例２と同等の溝を設け、溝上の単結晶シリコン膜を除去することで、素子と溝を電気的に絶縁している。

図６、図７に示す様に、本実施例は実施例２とほぼ同等である。実施例２と異なる本実施例の特徴は、ほぼ周回する２重の溝上に単結晶シリコン膜が無いことである。溝上の単結晶シリコン膜が除去されるため、受信或いは送信時に溝上の単結晶シリコン膜が振動することによって素子の単結晶シリコン振動膜にノイズが発生することを、防止できる。

本実施例の静電容量型電気機械変換装置は、実施例１の作製方法のうち、図３−１（a）〜図３−２（ｆ）までの工程と同様な工程を施して作製することができる。本実施例を作製するためには、更に以下の工程を実施する。まずＡｌを２００ｎｍ成膜し、電極１１と配線１２、第一の電極パッド１３、第二の電極パッド１４をパターニングして形成する。次に、シリコンをドライエッチングによって除去する。これにより、素子上の単結晶シリコン振動膜以外の単結晶シリコン膜が除去され、素子と溝を電気的に分離することができる。

本実施例でも、溝の底面に絶縁膜を有している。これにより、第一のシリコン基板１の露出を防ぎ、上部の電極１１と溝１０４、１０５の間に外部から導電性の物質が付着する等による電極１１と第一のシリコン基板１との間の短絡を防止することができる。本実施例の素子内において、大気圧下での最外周部のセルの振動膜と中心部のセルの振動膜の変形量の差は、約１ｎｍである。一方、溝を有しない静電容量型電気機械変換装置の素子が有する大気圧下での上記変形量の差は、約４０ｎｍである。以上の様に、本実施例でも、実施例２と同様な効果が得られる。

１・・第一のシリコン基板（シリコン基板）、２・・絶縁層（共通の層）、３・・間隙、４、１０３・・周回溝（溝）、７・・単結晶シリコン振動膜（振動膜）、１７・・振動膜支持部、１０１・・素子（エレメント）、１０２・・セル構造（セル）

Claims (15)

1. シリコン基板と、振動膜と、前記シリコン基板の一方の表面と前記振動膜との間に間隙が形成されるように前記振動膜を支持する振動膜支持部と、で形成されるセル構造を、少なくとも一つ以上含む素子を複数有し、
   前記素子の周囲に、前記振動膜支持部と共通の層に前記素子毎に独立に形成された溝が配されていることを特徴とする静電容量型電気機械変換装置。
2. 前記振動膜は単結晶シリコン振動膜であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型電気機械変換装置。
3. 前記素子と前記溝は、前記素子の周囲を囲んで閉じた分離溝を前記振動膜に形成すること、或いは前記溝上に前記振動膜が存在しないようにすることで、電気的に絶縁されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電容量型電気機械変換装置。
4. 前記溝は、連続的に閉じて前記素子を周回することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
5. 前記溝を横切って、前記素子の電極と繋がった電気配線が形成されていることを特徴とする請求項４に記載の静電容量型電気機械変換装置。
6. 前記溝は、始点と終点とを有し、両点の間の前記共通の層には形成されていないことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
7. 前記溝の始点と終点との間の前記共通の層上に、前記素子の電極と繋がった電気配線が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の静電容量型電気機械変換装置。
8. 前記溝は、前記素子の周囲に複数重、並行して形成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
9. 前記共通の層は、絶縁層であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
10. 前記素子の最外周のセル構造の端面と前記溝の端面との距離が、前記間隙の直径の０．５から２．０倍の距離であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
11. 前記溝を設ける領域が、５０μm以上であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
12. 前記溝の幅が前記間隙の直径よりも小さいことを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
13. 前記溝の外側に、前記素子と繋がった電気配線が引き出されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。
14. 前記複数の素子における素子間に前記電気配線が引き出されていることを特徴とする請求項１３に記載の静電容量型電気機械変換装置。
15. 前記溝は、前記振動膜支持部と共通の層の端部に達していないことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の静電容量型電気機械変換装置。

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