专利名称：电声变换元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及发送和接收超声波的变换器(transducer)，尤其涉及以硅为基体材料的振膜(diaphragm)型超声波变换器。
背景技术：
支撑20世纪后半期的超声波技术的巨大发展和普及的是以PZT(钛酸锆酸铅)系压电陶瓷为代表的、具有大且稳定的压电性的压电材料和利用此材料的压电变换器、以及与此压电变换器很好地匹配的半导体发送接收电路的进步。
20世纪初期，人们通过利用19世纪后半期居里兄弟发现的压电现象开始尝试接收和发送超声波。可是，他们发现压电现象的水晶，虽然具有当前用于时钟上的水晶一样稳定的压电特性，但是由于电机械变换效率低，尤其是作为接收变换器的灵敏度低，这成为大的难点。此后，发现了电机械变换效率非常高的罗谢耳(Rochelle)盐。罗谢耳盐由于潮解性强晶体的稳定性有问题，因此要想得到稳定的压电特性必需特别地注意。可是，第二次世界大战中因没有此材料的代替品，把它用于超声波变换器，由此开发了声纳。二战后不久，发现了电机械变换效率高，而且稳定的钛酸钡的压电性。钛酸钡由于是陶瓷，还具有制作形状的自由度高的优点，这就诞生了“压电陶瓷”的概念。接着，进入20世纪后半期发现了居里温度比钛酸钡高、由此具有更稳定的压电特性的钛酸锆酸铅(PZT)陶瓷，广泛应用于供实用目的的超声波变换器，直到现在。
另一方面，随着这样的超声波变换器，需要发送时驱动此变换器、接收时放大此变换器收到的电信号的电子电路，但是从第二次世界大战中开发的声纳时代到1970年左右，一直使用由真空管构成的电路。二战后不久发明了晶体管以后，与迅速地半导体化的用于可听频带的电子电路相比，超声波用(的电路)因为工作频带高，其半导体化滞后了20年左右。特别是，发送用的驱动电路中，要求在高电压下动作，其半导体化需要等待高速半导体开关元件(thyristor)的实用化，其普及需要等待高耐压场效应晶体管(FET)的实用化。
如上所述，压电陶瓷系超声波变换器现在也占供实用的超声波变换器的一大半，为了取代它，从1990年代开始了，以在文献1(Proceedings of 1994 IEEE Ultrasonics Symposium，第1241-1244页)中记载的装置为代表的、根据半导体微加工技术构建微小振膜型变换器的研究开发。
其典型的基本结构如图1所示，设置在基板1和振膜5两者上的电极2及3夹着空隙4形成电容器。在此电极间施加电压时，因两电极上的相反符号的电荷被感应，相互赋予引力，振膜产生位移。此时振膜的外侧如果接触水或生物体，则在这些介质中辐射声波。这就是发送中的电机械变换原理。另一方面，施加DC偏置电压，在电极上感应出一定的电荷，从与振膜接触的介质强制地施加振动，使振膜产生位移时，附加地产生对应于位移的电压。后者的接收中的机械电变换原理与作为可听音域的扩音器使用的DC偏压型电容器扩音器的原理一样。其优点为，即使由硅这样的机械上硬的材料构成，但由于是在背面具有空隙的振膜结构，因此可以得到与生物体或水等机械上柔软的材料的良好的声音阻抗匹配。在利用PZT的现有类型的压电变换器的情况下，其声音阻抗作为材料固有的物理参数是恒定的，与此相对，振膜结构外形的声音阻抗不仅反映其材料，也反映结构。因此，具有与对象物配合的设计自由度。
而且，如上所述，对于变换器而言与接收发送电路的组合是重要的一点，但是以硅为基体材料构成的这一点又联系到可以使接收电路和发送电路一体化到变换器附近而构成的特点。最近，开发取得进展，在发送接收灵敏度上，也达到足以与利用PZT的现有类型的压电变换器相比的水准。
在非专利文献2中，公开了利用半导体振膜结构的电介体(electret)型变换器。它在图1振膜侧的电极3和空隙4之间或基底侧的电极2和空隙4之间的至少一侧设置蓄积有电荷的绝缘层5。作为构成该电荷蓄积型绝缘层的材料，如在非专利文献2和3中示出，利用硅氧化膜或硅氮化膜等硅化合物，或者它们的层叠结构。这些硅化合物的绝缘层根据以CVD(化学汽相淀积)为代表的气相成长形成，通过控制晶体缺陷的量，不仅化合物层的表面，化合物层内也可以捕获电荷。因此，预先在高电场下使其带电，由此作为不需要DC偏置电压的电声变换元件利用。
Proceedings of 1994 IEEE UltrasonicsSymposium，第1241-1244页[非专利文献2]J.Acoust.Soc.Am.，vol.75，1984，第1297-1298页[非专利文献3]IEEE Transactions on Dielectrics and ElectricalInsulation，vol.3，No.4，1996，第494-498页发明内容然而在现实中，绝缘膜的带电状态不稳定，在使用中带电的电荷量会漂移。因此，产生作为电声变换元件最基本的特性的电声变换效率在使DC偏置电压为恒定时会漂移的问题。
即使变换效率的大小在应该满足的水平上，但是不用举上述的罗谢耳盐的例子也可知道，难以使其稳定，对作为变换器的实用化造成很大的障碍。变换效率的漂移的影响与器件特性随时间的变化一起，尤其是在由这样的电声变换元件构成阵列型变换器时是重大的。该影响不仅使作为电声变换器整体的灵敏度漂移，而且在构成阵列型变换器的各元件的电声变换特性零乱地漂移时，作为电声变换器整体进行发送及接收束(beam)形成动作时的声音噪声水平也会产生显著上升的危险性。
因此，根据该电荷蓄积型的振膜型电声变换元件，特别是为了构成阵列型变换器，将此特性提升到供实用的水平，克服漂移的问题是仅次于获得高的电声变换效率的重要的课题。
为了解决上述的课题，本发明提供一种电声变换元件，其特征在于，具有以硅或者硅化合物为基体材料的基板；在上述基板上或者基板中形成的第一电极；在上述基板上设置的以硅或者硅化合物为基体材料的薄膜；在上述薄膜上或者薄膜中形成的第二电极；在上述第一电极和上述第二电极间设置的空隙层；将由上述第一电极和上述第二电极赋予的电荷蓄积的、在上述第一电极和上述第二电极间设置的电荷蓄积层；以及用来测量在上述电荷蓄积层中蓄积的电荷量的源电极和漏电极。通过监视该源电极、漏电极间的电阻，可以推定电荷蓄积层中的电荷蓄积量。
根据本发明，可以监视电荷蓄积层中的电荷蓄积量，与现有技术相比，可以抑制作为元件灵敏度偏差的主要原因的元件特性的漂移。而且，可以抑制发送接收的超声波束的劣化，可以防止图像方位分辨率和动态范围的下降。
图1是展示半导体振膜型电声变换元件结构的概念的图。
图2是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示其截面的图。
图3是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示电荷蓄积部的图。
图4是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示电荷蓄积部的图。
图5是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示电荷蓄积部的图。
图6是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示其截面的图。
图7是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示注入电荷时的截面的图。
图8是展示到膜的中心的距离与膜的变形量的图。
图9是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示发送和接收超声波时的截面的图。
图10是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示特别在包含蓄积电荷量监视部的形态中的截面的图。
图11是展示电荷蓄积量监视的一个形态的图。
图12是电荷蓄积量监视的框图。
图13是说明电荷蓄积的结果，波发送接收灵敏度的偏置电压依赖性变化的图。
图14是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示其截面的图。
图15是对以硅为基体材料的本发明的振膜型电声变换元件的实施例展示特别在包含蓄积电荷量监视部的形态中的截面的图。
(符号说明)1硅基板；2下部电极；3上部电极；4空隙；5第2硅化合物层；6第1硅化合物层；7第2硅化合物层；8电荷蓄积层；9源电极；10漏电极；11导电层；12导电粒；13第3硅化合物层；14第4硅化合物；15第5硅化合物；101电声变换元件；102蓄积电荷监视部；103蓄积电荷注入部；104控制部。
具体实施例方式
下面，根据附图详细说明本发明的实施方式。
图2是以硅Si为基体材料的本发明的电声变换元件的截面图。各层从下往上依次为兼作下部电极2的n型硅(Si)基板1、第1硅化合物层、空隙层4、第2硅化合物层5、由铝构成的上部电极3、第1硅化合物层6。此例中的各个层的厚度为位于空隙下部的第1硅化合物层为30nm、空隙层为100nm、第2硅化合物层200nm、上部电极层200nm、位于上部电极的上部的第1硅化合物层为1500nm、位于振膜下部的空隙内径为50mm。第1硅化合物层由一般的氮化硅Si3N4构成，成为振膜的机械强度主要是位于上部电极的上部的此层承担的结构。在第2硅化合物层中埋入有厚度为50nm的电荷蓄积层8。为了抑制此电荷蓄积层8和电极之间的泄漏电流，包围电荷蓄积层8的第2硅化合物使用SiO2等。如图6所示，电荷蓄积层8也可以是将下部电极1和空隙4之间的层作为第2硅化合物层7，埋入其中的结构。此时，为了埋入电荷蓄积层8，前面的图2的例子中是30nm的第1硅化合物层的厚度变为200nm，材料变更为第2硅化合物，使原为200nm的第2硅化合物层5变为50nm左右(在可以制作的范围内尽量要薄)，除了材料变更为第1硅化合物层以外，电荷蓄积层8在空隙的上或下的任一个，对于实施本发明的目的没有任何差异。
图3、4、5中展示电荷蓄积层8的具体结构的例子。首先，在图3的例子中，在第2硅化合物层5中形成由金属或多晶硅等构成的导电层11。是与所谓的闪存等的浮置栅相同的结构。在图4所示的另一个例子中，在第2硅化合物层5中形成还是由金属或多晶硅等构成的导电体点(dot)12。并且图5所示的再一个例子中，在第2硅化合物层5中形成包含大量缺陷的氮化硅Si3N4层13。利用导电层11时，容易预测注入电荷后的电荷分布，每个元件的偏差也小。可是存在如下缺点，第2硅化合物层5中有缺陷等，如果导电层11和电极间出现一次泄漏，则蓄积在导电层11中的电荷全部被释放掉。另一方面，利用导电体点12和包含大量缺陷的氮化硅Si3N4层13时，虽然因一次泄漏而释放掉全部电荷的风险是小，但是存在难以在注入电荷后使其均匀分布的缺点。这还存在如下缺点，因为储存电荷的位置在空间上是随机的，加上每个元件有偏差的问题，如后面的叙述，在根据Fowler-Nordheim型的隧道电流等注入电荷时，由于在膜的中心部分和端部分中的空隙厚度不同，因此电场强度也不同，只在膜的中心部分中进行电荷的注入。
特别是利用实际的元件时，由于内部应力的偏差等，膜的初始形状的偏差即每个元件的空隙层的厚度有偏差的情况下，即使施加同样的电压，接地面积即注入电荷的面积不同，产生每个元件的灵敏度偏差。如图14所示，将第1硅化合物层6的中心部分做成向下凸起的形状时，可以抑制每个元件的接地面积的偏差。这是因为，与内部应力的偏差相比，可以以小的偏差制造膜的厚度、直径。使电荷蓄积层8的半径比上述的向下凸起的部分的半径小时，即使是如图4、5所示的电荷蓄积层8的结构的情况下，也可以保持注入电荷的部位的面积恒定。
下面说明注入电荷的方法。从图6所示的在上下电极间施加电压之前的状态，施加DC偏压(100V左右)时，如图7所示，膜的中心部变形最大，在超过称为崩溃(collapse)电压的值时，膜的中心部与第2硅化合物层7的表面接地。在此状态下还施加电压时，如图8所示，接地部分的长度随着电压的上升增大。图8中纵轴是位移/空隙层厚度，横轴是离膜中心的距离/空隙层半径。更严密地说，空隙层的厚度是指施加电压或蓄积电荷之前的初始空隙层厚度。位移的取向以图7中向下的方向为正。接地前上下电极间的距离是约350nm，接地后减小到250nm，因此作为其结果，电场强度上升到1.4倍。因此在接地的部分中，电荷蓄积层8与下部电极间的电场强度变大，电荷蓄积层8与下部电极间的隧道阻挡层的能带结构变形，流过Fowler-Nordheim型的隧道电流，电荷蓄积层8中储存电荷。在此状态下，降低DC偏压时，如图9所示，上部膜和下部的层再次分离，除了上下电极间的电压下降的效果之外，还有电极间的距离增加的效果，电场强度变小，不产生FN隧道。因此，暂时在电荷蓄积层8中局部存在的电荷可以以比较长的寿命留在蓄积层8中，此后不施加DC偏压而仅施加AC脉冲，膜也可以以AC脉冲的振幅和与蓄积的电荷量成比例的振幅振动，超声波的发送成为可能。而且，超声波从外部传来时，即使不施加DC偏压，也可以在上下电极间流过与蓄积的电荷量和因膜的变形引起的静电电容的变化成比例的电流，因此作为超声波传感器的利用成为可能。作为电荷的注入方法，除了利用FN隧道以外也有利用热电子的方法，但是必须在内部安装专用的晶体管。利用试制元件的实验结果说明实际上蓄积电荷时的效果。图13中，横轴是DC偏置电压，纵轴是波发送接收灵敏度。实线为蓄积电荷前的波发送接收灵敏度，虚线为蓄积电荷后的波发送接收灵敏度。蓄积电荷前，在DC偏压为0V的位置，波发送接收灵敏度为0，随着DC偏压的绝对值增大，波发送接收灵敏度也上升。另一方面，蓄积电荷后，根据电荷蓄积量，波发送接收灵敏度曲线如虚线所示移动。如果图中的V1等于蓄积电荷前准备使用的驱动偏置电压，则蓄积电荷后不需要偏置电压。即使是V1比蓄积电荷前的驱动电压小的情况下，也可以使蓄积电荷后的偏置电压降低V1大小后使用。偏置电压降低时尤其是对生物体利用的场合中的安全性提高，而且具有可以降低设计波发送接收信号的信号处理电路的耐压等的优点。
下面研究蓄积电荷随时间的变化。超声波的发送尽量要在信噪比良好的状态下进行，因此在上面的说明中说明了以图9的状态作为超声波变换器使用，实际上，AC脉冲也在直到接近于崩溃电压的大的部分中使用的情况很多。此时，瞬时地经历图7所示的空隙4的厚度变为0的状态。共振频率为10MHz时，1周期的10分之1左右的时间即10ns左右的时间接地。在每次超声波的发送中反复此操作，因此在电荷的注入和逆过程中被蓄积的电荷回到上下任一个电极中。如前所述，电荷蓄积型的振膜超声波变换器的波发送及波接收的灵敏度分别与电荷蓄积量成比例。因此，超声波变换器的灵敏度随时间劣化。例如，为了定期监视发电厂的管道厚度而设置在管道内的、非破坏检查目的的超声波变换器的场合，如果灵敏度随着时间变化，则会使厚度的随时间变化监视的精度劣化。而且，集中多个本发明的变换器制作阵列型变换器时，有如下问题一般电荷蓄积量的随时间的变化这样的漂移分量在每个元件中都不同，因此阵列中每个元件的灵敏度变化。
在本发明中，例如，如图10所示，在变换器内部设置了蓄积电荷监视机构。9、10分别是设置在基板中的源电极和漏电极，14是第4硅化合物。例如，源漏电极由N型半导体形成时，第4硅化合物14是由相反的P型半导体层形成。2是下部电极，由进行了比14更多掺杂的硅化合物或金属等形成。此源、漏间的电子传导沟道的电阻与在电荷蓄积层8中蓄积的电荷量成比例。就是说，因为具有电荷蓄积层8成为栅的与场效应晶体管一样的结构。所以，通过定期测量8和9的电阻，可以推定电荷蓄积层8中剩下的电荷量。如图15所示，第4硅化合物层14由带隙(band gap)互不相同的第4硅化合物层14和第5硅化合物层15形成，其界面也可以作为场效应晶体管的电子传导沟道来利用，通过使传导沟道在空间上定位，可以提高对电荷蓄积层8的蓄积电荷的灵敏度。为了改变带隙，例如可以通过一侧用硅，另一侧层用碳化硅和硅的混合物形成来实现。可以根据此电荷蓄积量的变化，变化小的时候，将变化量作为修正系数用于修正，变化量大的时候进行再注入这样的判断的材料中使用。当然，也可以考虑不做监视而定期重复再注入的使用方法，但是成为隧道的路径的绝缘层如果过分重复流过电流的操作，则绝缘层的性能会劣化。因此，优选是将再注入抑制在必要的最小限度。另外，在前面说明的发电厂的管道中那样地，在不便接近的位置作为传感器设置时，蓄积电荷变化小时仅使用修正系数就可以，这是突出的优点。管道的定点的监视等用一个电声变换元件进行监视时基本上利用修正就可以，维修的时候等利用外部电源进行电荷的再注入这样的利用形态也被考虑到。另一方面，拍摄医疗用的断层像时等，每个元件的灵敏度偏差为数dB时，需要每ch的波发送电压的修正和波接收灵敏度的修正，处理变得复杂，因此考虑到在由于蓄积电荷的降低而使灵敏度从2降低3dB的阶段中进行电荷的再注入这样的利用方法。原理上，可以用AC脉冲的振幅的增大来补充根据蓄积电荷的变化的有效的DC偏压的降低量。但是，如果在每个元件上改变AC脉冲的振幅，则驱动各个元件的放大器的非线性特性的偏差产生影响，每个元件的灵敏度修正结果出现偏差，将劣化束特性。而且，也有这种方法不是AC脉冲振幅的修正，而是与蓄积电荷的效果重叠，对每个元件修正施加的DC偏压的值的方法，但是每个偏压控制线上，电压存在很大的不同，还是会带来每个元件的特性偏差。根据以上原因，对于电声变换元件阵列，将从修正转移到电荷再注入时的阈值设定得低是优选的。
利用图12说明使用了蓄积电荷监视结果的控制。与电声变换元件101连接的蓄积电荷监视部102监视的结果，蓄积电荷的变化量小于等于控制部104中预先存储的阈值时，对于在此没有图示的波发送电路的波发送振幅和波接收电路的放大系数变更修正系数。超过阈值时，通过蓄积电荷注入部103对电声变换元件101进行电荷的再注入。
作为电荷蓄积量的监视方式，说明了利用与场效应晶体管类似的结构的例子，作为其它实施方式有在器件中不安装蓄积电荷监视机构，作为系统监视蓄积电荷的方法。如图11所示，也可以通过评价振膜阻抗的相位分量的频率特性来实现。如果振膜的电机械变换效率高，则阻抗的绝对值的极小点和极大点的距离扩大。通过监视阻抗绝对值的极小点和极大点之间的距离Δf，可以监视振膜的电机械变换效率即蓄积电荷。而且也可以利用阻抗的相位来监视。振膜的电机械变换效率高即蓄积电荷多的时候，在共振频率附近从电变换到机械能的比例高，所以电气电路中振膜作为电感工作，在共振频率以外，到机械能的变换效率大大降低，基本上作为电容器工作。因此，阻抗的相位分量如图中的实线所示，在共振频率(fc)以外为-90°，在共振频率附近为+90°。电荷蓄积量减小时+90°的峰值如图11中虚线所示变小，因此可以作为蓄积电荷的变化检测。使用阻抗的绝对值和相位中的哪一个进行监视是取决于电声变换元件。即在空气中发送声音时电声变换元件的振膜基本上以没有负荷的状态下使用，因此利用相位来检测的方法的灵敏度高。另一方面，如生物体和水、非破坏检查用途这样地对固体进行波发送接收时，对于振膜，波发送的对象物成为大负荷，有时相位的峰值不容易观测到。此时与监视相位的峰值的变化相比，优选是监视阻抗的绝对值的变化。以下说明如图11所示的监视阻抗的具体方法。在上部电极和下部电极之间施加脉冲电压，监视在两个电极间流过的电流。脉冲宽度设定为对fc的频率分量具有足够的灵敏度为好。对此时的电压波形进行频率变换，除以对电流波形进行频率变换的结果，以此来求得复阻抗的频率特性。将此复分量用绝对值和相位来表示时求得如图11所示的阻抗的相位。在图11中作为频率特性连续地表示了多个频率中的阻抗，在监视随时间的变化时，通过离散地粗略进行频率轴的采样也可以达到目的。此时也有，将进行采样的频率上的sin波的电压施加在两电极间，测量电流，测量电压与电流间的相位差的方法。在这种情况下，为了处理共振频率随时间的变化，在3到10处的频率上测量，一边修正频率移动的效果，一边检测相位峰值的变化。
作为其他的实施例，也可以是长时间监视上下电极间的电流，用其积分值来判断的方法。
在以上的实施例中，虽然作为振膜的结构说明了Si3N4的例子，但作为在半导体工艺中容易形成的材料，也可以使用SiO2或SiC、多晶硅等，而且除Si系以外还可使用GaAs等化合物半导体、钨或铜等金属。也可以将聚酰亚胺等高分子和半导体的复合体作为振膜使用。特别是半导体部分薄、在表面上作为保护膜贴上聚酰亚胺的场合，作为保护膜的聚酰亚胺也作为振膜发挥功能。虽然作为电极以铝为例进行了说明，但是其他的金属，铜或金、铂、钨等当然也可以使用。而且，也可以用多个金属的合金作为电极，也可以使用控制了导电性的半导体。
权利要求
1.一种电声变换元件，其特征在于，具有以硅或者硅化合物为基体材料的基板；在上述基板上或者基板中形成的第一电极；在上述基板上设置的、以硅或者硅化合物为基体材料的薄膜；在上述薄膜上或者薄膜中形成的第二电极；在上述第一电极和上述第二电极间设置的空隙层；将由上述第一电极和上述第二电极赋予的电荷蓄积的、在上述第一电极和上述第二电极间设置的电荷蓄积层；以及用来测量在上述电荷蓄积层中蓄积的电荷量的源电极和漏电极。
2.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于上述基板具有形成互不相同的带隙的第一硅化合物层和第二硅化合物层；上述第一硅化合物层和上述第二硅化合物层设置为，上述第一硅化合物层和上述第二硅化合物层的界面位于上述源电极和上述漏电极附近。
3.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于上述薄膜具有在上述空隙层的中心部附近形成凸部这样的凸部。
4.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于在上述电荷蓄积层的内部具有导电层。
5.如权利要求4所述的电声变换元件，其特征在于上述导电层形成为点状。
6.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于上述电荷蓄积层是氮化硅层。
7.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于上述源电极和上述漏电极设置在上述电荷蓄积层的端部附近。
8.如权利要求3所述的电声变换元件，其特征在于上述电荷蓄积层的半径比上述凸部的半径小。
9.如权利要求1所述的电声变换元件，其特征在于上述硅化合物是氮化硅。
全文摘要
提供一种电声变换元件，其特征在于，具有在基板或者基板中形成的第一电极；以在上述基板上设置的硅或者硅化合物为基体材料的薄膜；在上述薄膜上或者薄膜中形成的第二电极；在上述第一电极和上述第二电极间设置的空隙层；将由上述第一电极和上述第二电极赋予的电荷蓄积的、在上述第一电极和上述第二电极间设置的电荷蓄积层；以及用来测量在上述电荷蓄积层中蓄积的电荷量的源电极和漏电极。由此可以减小半导体振膜型电声变换元件中因泄漏等引起的电荷蓄积量和电声变换效率的变化，防止以该电声变换元件为基本单位构成的超声波阵列变换器的主束灵敏度的漂移和声音SN比与超声波束指向性的劣化。
文档编号H04R17/00GK1929699SQ20061010574
公开日2007年3月14日 申请日期2006年7月21日 优先权日2005年9月5日
发明者东隆, 梅村晋一郎, 永田达也, 福田宏, 町田俊太郎, 峰利之 申请人:株式会社日立制作所