[发明专利]电容型机电变换器的制造方法和电容型机电变换器

说明书

技术领域

本发明涉及用作超声变换器等的电容型机电变换器的制造方法，并且涉及电容型机电变换器。

背景技术

近年来，通过微细加工处理制造的电容型机电变换器已被积极研究(参见日本专利申请公开No.2006-319712)。通常的电容型机电变换器具有下电极、被支撑以与下电极保持给定的距离的膜片(隔膜)和被设置在膜片的表面上的上电极。这被称为例如电容型微细加工超声变换器(CMUT)。

上述的电容型微细加工超声变换器使用重量轻的膜片以发送并接收超声波，并且容易获得在液体以及空气中具有优异的宽带特性的电容型微细加工超声变换器。CMUT使得能够实现比常规医疗诊断更准确的诊断，并因此作为有前途的技术开始受到关注。

描述电容型微细加工超声变换器的操作原理。为了传送超声波，在下电极和上电极之间施加与微小的AC电压重叠的DC电压。这导致膜片振动，由此产生超声波。当接收超声波时，膜片由于超声波变形，并且，变形导致下电极和上电极之间的电容变化，从该电容变化检测信号。

电容型机电变换器的理论灵敏度与其电极之间的距离(“间隙”)的平方成反比(参见IEEE Ultrasonic Symposium 1997，p.1609-1618)。据说，要制造高度灵敏的变换器，必需100nm或更小的间隙，并且，最近已使得CMUT中的“间隙”窄至2μm～100nm或更小。

常用的在电容型机电变换器中形成“间隙”的方法包括在电极之间设置与希望的间隙一样厚的牺牲层、在牺牲层的顶部上形成膜片并且然后去除牺牲层。在美国专利No.6426582、日本专利申请公开No.2005-027186、日本专利申请公开No.H06-021611、IEEE Transactionson Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，Vol.52，No.12，Dec.2005，p.2242-2258中公开了这种以及类似的技术。

发明内容

如上所述，为了提高电容型机电变换器的机电变换效率，希望在电极之间设定窄的间隙。上述的美国专利No.6426582和日本专利申请公开No.2005-027186也提供关于如何提高机电变换效率的具体建议。

但是，由于随着“间隙”变得更窄牺牲层(由例如Si、SiO₂或金属制成)的去除变得越来越困难，因此在电极之间设定窄的间隙是不够的。例如，如在上述的IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics and Frequency Control，Vol.52，No.12，Dec.2005，p.2242-2258所述，据说蚀刻处理在低温下花费几天到一周。但是，延长的蚀刻剂浸入损伤电容型机电变换器的膜片并降低生产率。

为了将蚀刻速度设为更高，存在升高温度的对比方法。但是，由于伴随高温蚀刻反应的气泡，软(机械强度低)的膜片可破裂，并由此存在生产率降低的可能性。

由于蚀刻剂的扩散限制控制，因此，电极之间的间隙窄时的大面积牺牲层的蚀刻的生产率低。因此，希望实现高速蚀刻。如果可缩短蚀刻掉牺牲层所需要的时间，那么变换器制造的产量提高。

蚀刻牺牲层需要设置使得蚀刻剂能够从外面到达牺牲层的入口。当蚀刻剂入口的尺寸较大并存在更多的蚀刻剂入口时，换句话说，当牺牲层的露出表面较大时，蚀刻速度较高。但是，在微机电变换器中设置大的孔或许多的孔作为蚀刻剂入口对初始机械结构的性能造成不利的影响，并可损害变换器的设计性能、寿命、稳定性和可靠性。例如，在电容型机电变换器的膜片中设置大的孔或许多的孔大大影响震动质量(seismic mass)、振动部分的应力、振动频率、振动节点和振动位移等。因此，希望使电容型机电变换器中的蚀刻剂入口的尺寸和数量最小化。

在日本专利申请公开No.H06-021611中描述蚀刻牺牲层的另一方法，在该方法中，通过向在蚀刻剂中流动的电流施加垂直方向磁场来蚀刻上电极和下电极之间的牺牲层。但是，该方法要求牺牲层在其侧面上具有大的露出表面(蚀刻剂入口)并沿许多方向被露出。当存在很少的蚀刻剂入口时，或者当蚀刻剂入口的尺寸小时，难以用该方法获得明显的效果。

如上所述，为了提高变换器的性能，电容型机电变换器需要形成薄且面积相对大的牺牲层。但是，这种牺牲层的去除效率差，并且解决去除效率和变换器的性能、稳定性和产量等之间的折衷关系是重要的目的。本发明提出可以在“间隙”相对较窄时以相对较高的速度蚀刻牺牲层的电容型机电变换器的制造方法和构建为满足该目的的电容型机电变换器。

发明概述