WO2005107318A1 - 圧力波発生装置及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

　空気中の酸素などにより熱絶縁層２が酸化され、体積膨張による圧縮応力が発生したとしても、圧縮応力を分散させて、クラックの発生及びそれに起因する熱絶縁層や発熱体３の破損を防止する。基板１と、基板１の厚さ方向の一表面に形成された多孔体の熱絶縁層２と、熱絶縁層２上に形成された薄膜の発熱体３とを備え、発熱体３と媒体との間の熱交換により圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、熱絶縁層２の幅方向Ｗの中央部の厚さを基準厚さｔとして、幅方向における熱絶縁層の厚さの分布を基準厚さｔで平均化したと仮定して、熱絶縁層２の外周部における多孔度を中央部における多孔度よりも小さくする。熱絶縁層２の外周部の多孔度を小さくすることにより、熱絶縁層２の外周のうち基板１に拘束されている固定点の数が増えると共に、その位置が分散されるので、熱絶縁層２の外周部に集中する圧縮応力を分散させることができる。

Description

明 細 書

圧力波発生装置及びその製造方法

技術分野

[0001] 本発明は、例えば、スピーカを対象とした音波や超音波や単パルス的な粗密波な どの圧力波を発生する圧力波発生装置及びその製造方法に関するものである。 背景技術

[0002] 従来から、圧電効果による機械的振動を利用した超音波発生装置が広く知られて いる。機械的振動を利用した超音波発生装置では、例えば、チタン酸バリウムのよう な圧電材料の結晶の両面に電極が設けられており、両電極間に電気工ネルギを与 えて機械的振動を発生させ、空気などの媒体を振動させて超音波を発生させて 、る 。しかしながら、機械的振動を利用した超音波発生装置は、固有の共振周波数を有 するため周波数帯域が狭ぐかつ、外部の振動や外気圧の変動の影響を受けやす い。

[0003] 一方、例えば、特開平 11— 300274号公報又は特開 2002— 186097号公報に 記載されて 、るように、機械的振動を伴わずに超音波を発生させることが可能な装置 として、媒体に熱を与え、熱誘起により空気の粗密を形成する方法を利用した圧力波 発生装置が提案されている。

[0004] 熱誘起を利用した圧力波発生装置は、図 35及び図 36Bに示すように、単結晶のシ リコン基板の半導体基板 1と、半導体基板 1の厚さ方向の一表面から半導体基板 1の 内側に向けて所定深さに形成された熱絶縁層 2と、熱絶縁層 2上に形成された金属 薄膜 (例えば、 A1薄膜など)の発熱体 3とを備えている。熱絶縁層 2は、多孔質シリコ ン層で形成され、半導体基板 1に比べて十分に小さ!ヽ熱伝導率及び体積熱容量を 有している。

[0005] 交流電源 Vsから発熱体 3に交流電流を通電すると、発熱体 3が発熱すると共に、発 熱体 3の温度 (又は発熱量）が通電される交流電流の周波数に応じて変化する。一 方、発熱体 3の直下には熱絶縁層 2が形成され、発熱体 3が半導体基板 1から熱的 に絶縁されているので、発熱体 3とその近傍の空気との間で効率的な熱交換が起こ る。そして、発熱体 3の温度変化 (又は発熱量の変化）に応じて、空気が膨張と収縮 を繰り返し、その結果として、超音波などの圧力波が発生する（図 35中の上向きの矢 印は圧力波の進行方向を示して 、る)。

[0006] このような熱誘起を利用した圧力波発生装置は、発熱体 3に印加する交流電圧 (駆 動電圧)の周波数を変化させることにより、発生される超音波の周波数を広範囲にわ たって変化させることができる。そのため、例えば、超音波音源やスピーカの音源とし て用いることができる。

[0007] 上記特開平 11 - 300274号公報によれば、熱絶縁層 2の熱伝導度及び体積熱容 量を半導体基板 1の熱伝導度及び体積熱容量に比べて小さくすることが望ましぐま た、熱絶縁層 2の熱伝導度と体積熱容量との積を半導体基板 1の熱伝導度と体積熱 容量との積に比べて十分に小さくすることが好ましい。例えば、半導体基板 1が単結 晶のシリコン基板により形成され、熱絶縁層 2が多孔質シリコン層により形成されてい る場合、熱絶縁層 2の熱伝導度と体積熱容量との積が、半導体基板 1の熱伝導度と 体積熱容量との積の約 1Z400の値となる。

[0008] 単結晶のシリコン基板の半導体基板 1の一表面側に、多孔質シリコン層の熱絶縁 層 2を形成するには、例えば図 37A及び 37Bに示すように、半導体基板 1の一表面 上に、熱絶縁層 2が形成される予定の領域に対応する部位が開孔されたマスク層を 形成する。そして、半導体基板 1の他の表面の全面に形成した通電用電極 4を陽極 として用い、電解液中で、半導体基板 1の一表面に対向するように配置された陰極と の間に通電し、陽極酸化処理を行う。

発明の開示

[0009] (第 1の課題）

ところで、このような圧力波発生装置を長期間にわたって使用していると、多孔体で 形成された熱絶縁層 2が空気中の酸素や水分によって酸化されるなどの化学変化を 起こす。例えば、表 1は、熱絶縁層 2として多孔質シリコンを用いた場合に、空気中で の長期間の使用による酸ィ匕変化の一例として、温度 85°C、湿度 85%の高温高湿雰 囲気に 250時間暴露させて評価したときの元素比率を示す。

[表 1] 元素比率（％)

〇 Si

暴露後 38.5 61 .5 暴露前 26.5 73.5

表 1から、この暴露処理の前と後では、酸素の元素比率が 26. 5%から 38. 5%に 大きく増加し、多孔質シリコン層の酸ィ匕が著しく進行していることがわかる。このような 多孔体で形成された熱絶縁層の酸化反応が進行すると、体積膨張により熱絶縁層 に圧縮応力が発生する。

[0010] し力しながら、上記従来の圧力波発生装置では、例えば、図 36Bに示す A— A断 面において、多孔質層である熱絶縁層 2の厚さ力 その周辺部も含めて略均一であ る。そのため、空気中での長期使用による酸ィ匕反応などによって熱絶縁層 2が体積 膨張し、圧縮応力が発生する。熱絶縁層 2の外周 2eが半導体基板 1と接触する境界 部分では、熱絶縁層 2の底の部分 (点 P2)は、半導体基板 1に拘束されており、固定 点となる。そのため、熱絶縁層 2に発生した熱応力は、例えば、熱絶縁層 2の外周 2e のうち半導体基板 1の表面と接する箇所 (点 PI)に集中する。そのため、多孔体の熱 絶縁層 2の点 P1付近にクラックが発生し、熱絶縁層 2が破損する可能性がある。この ような熱絶縁層 2のクラックはその内部にも進行する。熱絶縁層 2のクラックが発熱体 3の下部にまで達すると、発熱体 3の外周部にもクラックが発生する。

[0011] そのような状態で、図 36Aに示すように、発熱体 3の両端部間に交流電流を印加す ると、本来、発熱体 3にクラックがなければ電流は均一に流れるはずであるが、発熱 体 3のクラックの端部に電流が集中して流れる。そのため、発熱体 3のクラック部の発 熱量が増加し、熱応力などにより、クラックが発熱体 3の内部にさらに進行する。最終 的には、発熱体 3自体が破断する可能性がある。

[0012] (第 2の課題） また、上記従来の熱誘起を利用した圧力波発生装置では、図 36Aに示すように、 発熱体 3の長手方向の両端部間に交流電流が印加される力 印加される電圧のオン Zオフに伴って発熱体 3が膨張収縮を繰り返す。発熱体 3が半導体基板 1から熱的 に絶縁されているので、発熱体 3の急激な温度変化により発熱体 3に生じる熱応力に 起因して発熱体 3が破損してしまう可能性がある。

[0013] 熱誘起を利用した圧力波発生装置を設計するに当たり、圧力波発生装置のサイズ を、従来から広く使用されている機械的振動を利用した超音波発生装置の一般的な サイズである 15mm X 15mm程度とし、機械的振動を利用した超音波発生装置と同 等の音圧（例えば、周波数力 OkHzで 30cm離れた位置にぉ 、て 20Pa程度）を発 生させるようにして、発熱体 3の温度について検討した。その結果、発熱体 3の温度 が瞬間的に 1000度を超える非常に高い温度となることがわ力つた。

[0014] 本発明の目的は、長期的な使用による多孔体の化学変化によって生じる圧縮応力 や、駆動による熱応力に起因する熱絶縁層及び発熱体の破損が生じにくい熱誘起 を利用した圧力波発生装置及びその製造方法を提供することにある。

[0015] 本発明の一態様に係る圧力波発生装置は、基板と、基板の厚さ方向の一表面に形 成された多孔体の熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成された薄膜の発熱体とを備え、発 熱体への電気入力の波形に応じて発熱体の温度が変化し、発熱体と媒体との間の 熱交換により圧力波を発生させる圧力波発生装置であって、熱絶縁層の幅方向の中 央部の厚さを基準厚さとして、前記幅方向における熱絶縁層の厚さの分布を前記基 準厚さで平均化したと仮定して、熱絶縁層の外周部における多孔度が、中央部にお ける多孔度よりも小さくなつて 、ることを特徴とする。

[0016] このような構成によれば、基板と、基板の厚さ方向の一表面に形成された多孔体の 熱絶縁層と、熱絶縁層上に形成された薄膜の発熱体とを備え、発熱体への電気入 力の波形に応じて発熱体の温度が変化し、発熱体と媒体との間の熱交換により圧力 波を発生させる圧力波発生装置であって、熱絶縁層の幅方向の中央部の厚さを基 準厚さとして、前記幅方向における熱絶縁層の厚さの分布を前記基準厚さで平均化 したと仮定して、熱絶縁層の外周部における多孔度力 中央部における多孔度よりも 小さくなつている。そのため、空気中で長期間使用した場合に、熱絶縁層の酸化など による化学変化によって熱絶縁層の体積が膨張し圧縮応力が発生したとしても、熱 絶縁層の外周部の多孔度が小さい部分によって圧縮応力を分散させることが可能と なる。すなわち、熱絶縁層の外周部の多孔度を小さくすることによって、従来の圧力 波発生装置と比較して、例えば、熱絶縁層の外周のうち基板に拘束されている固定 点の数が増えると共に、その位置が分散されるので、熱絶縁層の外周部に集中する 圧縮応力を分散させることができる。その結果、熱絶縁層にクラックが発生する可能 性を低減し、熱絶縁層のクラックに起因する発熱体の破損を防止することができる。さ らに、圧力波発生装置の破損を防止することができ、安定した超音波を長期間にわ たって発生することができる。

[0017] また、熱絶縁層の外周部における厚さが中央部における厚さよりも小さくなつていて ちょい。

[0018] この場合、熱絶縁層の外周部では、空気中で長期間使用した場合に、熱絶縁層の 酸ィ匕などによる化学反応によって熱絶縁層の体積が膨張したとしても、従来の圧力 波発生装置では、熱絶縁層の外周のうち基板の表面と接する箇所に集中していた圧 縮応力を、熱絶縁層の外周面 (例えば、傾斜面）に沿って分散させることができる。そ の結果、熱絶縁層にクラックが発生する可能性を低減することができ、さらに、熱絶縁 層のクラックに起因する発熱体の破損を防止することができる。さらに、圧力波発生 装置の破損が防止され、安定した超音波を長期間にわたって発生させることができる

[0019] さらに、熱絶縁層の外周部では、基板の厚さ方向に沿って放熱される熱量が、中央 部における基板の厚さ方向に沿って放熱される熱量に比べて大きくなり、基板と熱絶 縁層の境界の近傍における熱絶縁層及び発熱体の機械的強度を高くすることができ る。その結果、応力による熱絶縁層及び発熱体の破損を防止することができる。さら に、材料や組成を変化させる必要がなぐ容易に製造することができる。

[0020] あるいは、熱絶縁層の外周部における単位体積あたりの多孔度が中央部における 単位体積あたりの多孔度よりも小さくなつていてもよい。

[0021] この場合、単位体積あたりの多孔度を変化させることによって、熱絶縁層の外周部 の物性を不均一にすることにより、熱絶縁層の外周のうち基板に拘束されている固定 点位置が単位体積当たりの多孔度を変化させている領域に分散される。そのため、 従来の圧力波発生装置では、熱絶縁層の外周のうち基板の表面と接する箇所に集 中していた圧縮応力を、熱絶縁層の外周面 (例えば、多孔度の傾斜面）に沿って分 散させることができる。熱絶縁層の外周部では、基板の厚さ方向に沿って放熱される 熱量が、中央部における基板の厚さ方向に沿って放熱される熱量に比べて大きくな り、基板と熱絶縁層の境界の近傍における熱絶縁層及び発熱体の機械的強度を高 くすることができる。さらに、請求項 2の特徴である熱絶縁層の外周部における厚さが 中央部における厚さよりも小さくすることとの組み合わせも可能である。

[0022] さらに、基板の厚さ方向の一表面力 基板の内側に向けて熱絶縁層の幅方向の中 央部の基準厚さで規定した幅方向の範囲内において、発熱体の外周よりも内側部分 の厚さ方向の平均熱伝導率を a in、平均体積熱容量を Cinとし、発熱体の外周よりも 外側部分の厚さ方向の平均熱伝導率を a out、平均体積熱容量を Coutとして、 a in X Cin< a out X Coutの条件を満足し、かつ、前記内側部分と前記外側部分との境 界付近では a in X Cinの値が外側ほど大きくなつて!/、てもよ!/、。

[0023] この発明は、下記の関係式から、熱絶縁層の熱伝導率と体積熱容量との積を大きく することにより、単位時間当たりの放熱量を大きくすることができるという観点に基づき 、発熱体の周部の温度上昇を抑制するように放熱量を増大させることで、発熱体の 外周部の温度勾配を緩和するという技術思想に基づく。

[0024] [数 1]

[0025] なお、上記式 1にお 、て、 aは熱絶縁層の熱伝導率、 Cは熱絶縁層の体積熱容量 、 ωは発熱体の両端間に入力される交流電圧の角周波数、 q ( co )は発熱体へ入力 される電気工ネルギ、 Τ( ω )は発熱体の温度である。

[0026]

[0027] このように、発熱体の外周よりも内側部分の厚さ方向の平均熱伝導率を o; in、平均 体積熱容量を Cinとし、発熱体の外周よりも外側部分の厚さ方向の平均熱伝導率を a out,平均体積熱容量を Coutとして、 o; in X Cin< a out X Coutの条件を満足し、か つ、前記内側部分と前記外側部分との境界付近では a in X Cinの値が外側ほど大き くなつているので、発熱体の外周部では、基板の厚さ方向に沿って放熱される熱量 が発熱体の中央部で放熱される熱量に比べて大きくなるので、従来の圧力波発生装 置に比べて、発熱体に力かる熱応力を低減することができる。そのため、従来の圧力 波発生装置に比べて、熱応力に起因した発熱体の破損が起こりに《なり、圧力波発 生装置の長寿命化を図ることができる。すなわち、圧力波発生装置を駆動する際、発 熱体の温度上昇及び温度降下に伴う発熱体の膨張及び収縮により熱応力が発生し ても、発熱体はほとんど破損することがなぐ長期間にわたって、安定して超音波を発 生させることができる。

図面の簡単な説明

[0028] [図 1]図 1Aは本発明の第 1実施形態に係る圧力波発生装置の一構成例を示す断面 図である。 図 1Bは他の構成例を示す断面図である。

[図 2]図 2Aは、本発明の第 2実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す平面図 である。 図 2Bは、図 2Aにおける A— A断面図である。 図 2Cは、熱絶縁層の表面 と半導体基板の第 1面を含む平面の温度分布を有限要素法によりシミュレーションす る際の基準点を示す説明図である。

[図 3]図 3は、第 2実施形態に係る圧力波発生装置の構成を概念的に示す図である。

[図 4]図 4Aは、圧力波発生装置に印加される交流電圧の波形を示す波形図である。 図 4Bは、発熱体の温度変化を示す波形図である。 図 4Cは、圧力波発生装置に より発生される圧力波 (音波)の波形を示す波形図である。

[図 5]図 5A〜図 5Cは、第 2実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法を示す工程 図である。

[図 6]図 6は、第 2実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法の他の工程を示すェ 程図である。

[図 7]図 7は、第 2実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法に用いられる陽極酸 化処理装置を示す図である。

[図 8]図 8は、第 2実施形態に係る圧力波発生装置及び従来の圧力波発生装置の温 度分布特性を示すグラフである。

[図 9]図 9は、第 2実施形態に係る圧力波発生装置の他の構成例を示す断面図であ る。

圆 10]図 10A〜図 10Cは、本発明の第 3実施形態に係る圧力波発生装置の製造方 法を示す工程図である。

[図 11]図 11は、第 3実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法に用いられる陽極 酸ィ匕処理装置を示す図である。

[図 12]図 12は、本発明の第 4実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面図 である。

圆 13]図 13A〜図 13Eは、第 4実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法を示す 工程図である。

[図 14]図 14は、第 4実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法の他の工程を示す 工程図である。

[図 15]図 15Aは、本発明の第 5実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す平面 図である。 図 15Bは、図 15Aにおける A— A断面図である。 図 15Cは、図 15Aに おける B— B断面図である。

[図 16]図 16は、本発明の第 6実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面図 である。

[図 17]図 17は、本発明の第 7実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面図 である。

[図 18]図 18は、本発明の第 8実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面図 である。

[図 19]図 19は、本発明の第 9実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面図 である。 [図 20]図 20は、第 9実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸ィ匕 処理の際の電流密度パターンの一例を示すグラフである。

[図 21]図 21は、本発明の第 10実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面 図である。

圆 22]図 22は、第 10実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸 化処理の際の電流密度パターンの一例を示すグラフである。

圆 23]図 23Aは、第 10実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸 化処理の際の電流密度パターンの別の例を示すグラフである。 図 23Bは、第 10実 施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸化処理の際の電流密度 パターンのさらに別の例を示すグラフである。

[図 24]図 24は、本発明の第 11実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面 図である。

圆 25]図 25は、第 11実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸 化処理の際の電流密度パターンの一例を示すグラフである。

圆 26]図 26Aは、第 11実施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸 化処理の際の電流密度パターンの別の例を示すグラフである。 図 26Bは、第 11実 施形態に係る圧力波発生装置の製造方法における陽極酸化処理の際の電流密度 パターンのさらに別の例を示すグラフである。

[図 27]図 27は、本発明の第 12実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面 図である。

[図 28]図 28は、種々の材料を用いて試作した第 12実施形態に係る圧力波発生装置 の出力特性を示すグラフである。

[図 29]図 29は、種々の材料を用いて試作した第 12実施形態に係る圧力波発生装置 の寿命特性を示すグラフである。

[図 30]図 30Aは、第 12実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す平面図である 。 図 30Bは、図 30Aにおける A— A断面図である。 図 30Cは、図 30Aにおける B B断面図である。

[図 31]図 31Aは、本発明の第 13実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す平 面図である。 図 31Bは、第 13実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面 図である。

[図 32]図 32は、圧力波発生装置の発熱体に通電される電気入力と発生される音圧 及び発熱体の温度の関係を示すグラフである。

[図 33]図 33Aは、本発明の第 14実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す平 面図である。 図 33Bは、第 14実施形態に係る圧力波発生装置の構成を示す断面 図である。

[図 34]図 34Aは、第 14実施形態に係る圧力波発生装置の他の構成を示す平面図 である。 図 34Bは、第 14実施形態に係る圧力波発生装置の他の構成を示す断面 図である。

[図 35]図 35は、従来の圧力波発生装置の構成及び動作を示す断面図である。

[図 36]図 36Aは、従来の圧力波発生装置の構成を示す平面図である。 図 36Bは、 図 36Aの A— A断面図である。 図 36Cは、熱絶縁層の表面と半導体基板の第 1面 を含む平面の温度分布を有限要素法によりシミュレーションする際の基準点を示す 説明図である。

[図 37]図 37Aは、従来の圧力波発生装置の製造方法の一工程を示す平面図である 。 図 37Bは、図 36Aの A—A断面図である。

発明を実施するための最良の形態

[0029] (第 1実施形態）

本発明の第 1実施形態について説明する。図 1Aは第 1実施形態に係る圧力波発 生装置の基本的構成を示す断面図である。図 1 Aに示すように、圧力波発生装置は 、例えば半導体基板で形成された基板 1と、基板 1の厚さ方向の一表面 (第 1面） la に形成された例えば多孔質シリコン層などの多孔体の熱絶縁層 2と、熱絶縁層 2上に 形成されたアルミ薄膜などの薄膜の発熱体 3とを備えて 、る。この圧力波発生装置は 、発熱体 3への電気入力の波形に応じて発熱体 3の温度が変化し、発熱体 3と空気 などの媒体との間の熱交換により圧力波を発生させるものである。

[0030] 第 1実施形態に係る圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の幅方向の中央部の厚さ t を基準厚さとして、幅方向 Wにおける熱絶縁層 2の厚さの分布を基準厚さ tで平均化 したと仮定して、熱絶縁層 2の外周部における多孔度 D1が、中央部における多孔度 D2よりも小さくなつていることを特徴とする。この構成は、主に上記第 1の課題に対応 する。熱絶縁層 2と発熱体 3の大小関係は特に限定されず、図 1Aに示す例では、発 熱体 3は、熱絶縁層 2の外周よりも内側に形成されている。また、熱絶縁層 2の外周 部に傾斜部 2aを形成することによって、半導体基板 1の幅方向における熱絶縁層 2 の外周部の多孔度を中心部の多孔度よりも小さくしている。

[0031] このような構成により、熱絶縁層 2の外周部では、空気中で長期間使用した場合に 、熱絶縁層の酸ィ匕などによる化学反応によって熱絶縁層 2の体積が膨張したとしても 、図 36Bに示す従来の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の外周 2eのうち半導体基 板 1の表面と接する箇所 (点 P1)に集中していた圧縮応力を、傾斜部 2aに沿って分 散させることができる。その結果、熱絶縁層 2にクラックが発生する可能性を低減する ことができ、さらに、熱絶縁層 2のクラックに起因する発熱体 3の破損を防止することが できる。さらに、圧力波発生装置の破損が防止され、安定した超音波を長期間にわ たって発生させることができる。

[0032] さらに、基板の厚さ方向に沿って放熱される熱量が、中央部における基板の厚さ方 向に沿って放熱される熱量に比べて大きくなり、半導体基板 1と熱絶縁層 2の境界の 近傍における熱絶縁層 2及び発熱体 3の機械的強度を高くすることができる。その結 果、応力による熱絶縁層 2及び発熱体 3の破損を防止することができる。

[0033] なお、熱絶縁層 2の外周部の多孔度 D1を中央部の多孔度 D2よりも小さくする方法 は、上記のように熱絶縁層 2の外周部に傾斜部 2aを設けて外周部の厚さを中央部の 厚さよりも小さくするものには限定されず、図 1Bに示すように、熱絶縁層 2の外周部 における単位体積あたりの多孔度が中央部における単位体積あたりの多孔度よりも 小さくさせてもよい。この場合、単位体積あたりの多孔度を変化させることによって、 熱絶縁層 2の外周部の物性を不均一にすることにより、熱絶縁層 2の外周のうち半導 体基板 1に拘束されている固定点位置が単位体積当たりの多孔度を変化させている 領域に分散される。そのため、従来の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の外周のう ち半導体基板 1の表面 laと接する箇所 (点 P1)〖こ集中していた圧縮応力を、熱絶縁 層 2の外周面 (例えば、多孔度の傾斜部）に沿って分散させることができる。熱絶縁層 2の外周部では、半導体基板 1の厚さ方向に沿って放熱される熱量が、中央部にお ける半導体基板 1の厚さ方向に沿って放熱される熱量に比べて大きくなり、半導体基 板 1と熱絶縁層 2の境界の近傍における熱絶縁層 2及び発熱体 3の機械的強度を高 くすることができる。さらに、図 1 Aの特徴である熱絶縁層 2の外周部における厚さが 中央部における厚さよりも小さくすることとの組み合わせも可能である。

[0034] 第 1実施形態の効果を要約すると、空気中で長期間使用した場合に、熱絶縁層 2 の酸ィ匕などによる化学変化によって熱絶縁層 2の体積が膨張し圧縮応力が発生した としても、熱絶縁層 2の外周部の多孔度が小さい部分によって圧縮応力を分散させる ことが可能となる。すなわち、熱絶縁層 2の外周部の多孔度を小さくすることによって 、従来の圧力波発生装置と比較して、例えば、熱絶縁層 2の外周のうち半導体基板 1 に拘束されている固定点の数が増えると共に、その位置が分散されるので、熱絶縁 層 2の外周部に集中する圧縮応力を分散させることができる。その結果、熱絶縁層 2 にクラックが発生する可能性を低減し、熱絶縁層のクラックに起因する発熱体の破損 を防止することができる。さらに、圧力波発生装置の破損を防止することができ、安定 した超音波を長期間にわたって発生することができる。

[0035] (第 2実施形態）

本発明の第 2実施形態について説明する。図 2Aは第 2実施形態に係る圧力波発 生装置の平面図であり、図 2Bは図 2Aにおける A— A断面図である。

[0036] 図 2Bに示すように、第 2実施形態の圧力波発生装置は、単結晶の p形シリコン基板 の半導体基板 (基板） 1と、半導体基板 1の厚さ方向の一表面 (第 1面） laから半導体 基板 1の内側に向けて形成された多孔質シリコン層（多孔体)の熱絶縁層 2と、熱絶 縁層 2上に形成された薄膜 (例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄膜など)の発熱 体 3とを備えている。図 2Aに示すように、半導体基板 1の平面形状は矩形状 (例えば 、長方形状)であり、熱絶縁層 2及び発熱体 3の平面形状も矩形状 (例えば、長方形 状）に形成されている。一例として、発熱体 3は、長辺の長さ 12mm、短辺の長さ 10 mmに設定されている。また、半導体基板 1の厚さは 525 m、熱絶縁層 2の厚さは 1 O ^ m,発熱体 3の厚さは 50nmに設定されている。なお、これらの寸法は特に限定さ れるものではない。 [0037] なお、図 2Bに示すように、熱絶縁層 2は、半導体基板 1の厚さ方向に直交する幅方 向（上記長方形の長辺方向及び短辺方向の両方を含む）において、発熱体 3の外周 部に対向する部分を除 ヽて、所定深さに達するようにほぼ均一な厚さに形成されて いる。また、発熱体 3の外周部に対向する部分では、熱絶縁層 2の厚さが外側ほど徐 々に小さくなるように傾斜部 2aが形成されている。すなわち、第 2実施形態において も、熱絶縁層 2の幅方向の中央部の厚さを基準厚さとして、幅方向における熱絶縁層 2の厚さの分布を基準厚さで平均化したと仮定して、傾斜部 2aにより、熱絶縁層 2の 外周部における多孔度力 中央部における多孔度よりも小さくなるように形成されて いる。

[0038] 圧力波発生装置では、発熱体 3に対して電圧及び Z又は電流が時間的に変化す る電気入力（例えば、交流電流）を通電 (電気工ネルギの供給)することにより発熱体 3を発熱させると共に、発熱体 3の温度 (又は発熱量)を時間的に変化させる。そして 、発熱体 3と媒体 (例えば、空気）との熱交換により圧力波 (例えば、超音波など)を発 生させる。交流電源（図 15の Vs参照)から発熱体 3の長手方向の両端部間に、例え ば図 4Aに示すような正弦波状の交流電圧を印加した場合には、発熱体 3の温度が ジュール熱の発生によって図 4Bに示すように変化する。また、発熱体 3の温度変化 に伴って図 4Cに示すような波形の圧力波 (音波）が発生される。

[0039] 熱絶縁層 2を構成する多孔質シリコン層は、後述の製造方法において説明するよう に、半導体基板 1としての p形シリコン基板の一部を電解液中で陽極酸化処理するこ とにより形成される。また、陽極酸化処理の条件を適宜変化させることにより、熱絶縁 層 2の多孔度を変化させることができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつ れて熱伝導率及び熱容量が小さくなる。従って、多孔度を適宜設定することにより、 多孔質シリコン層の熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができ る。

[0040] 発熱体 3の直下の熱絶縁層 2の熱伝導率を oc、体積熱容量を C、発熱体 3へ印加 する正弦波状の交流電圧の角周波数を ω、発熱体 3の温度を Τ ( ω ) (温度 Τを ωの 関数とする）として、半導体基板 1の厚さ方向における熱絶縁層 2の表面力もの距離（ 深さ）に関して、熱絶縁層 2の表面の温度の lZe倍 (eは自然対数の底）になる距離 を熱拡散長 Lと定義すると、以下の式 2で表される。

[数 2]

L ≡ ^ { 2 I ω C )

熱絶縁層 2の厚さは、熱拡散長 Lの 0. 5〜3倍程度の厚さであることが望ましい。

[0041] 第 2実施形態の圧力波発生装置では、図 2Βに示すように、熱絶縁層 2のうち、発熱 体 3の外周部近傍に対向する部分の厚さが外側ほど薄くなるように、傾斜部 2aが形 成されている。この圧力波発生装置において、発熱体 3への通電を行った場合 (電気 エネルギを与えた場合)の発熱体 3の外周近傍における熱絶縁層 2の表面 (熱絶縁 層 2と発熱体 3との境界)と半導体基板 1の第 1面 laを含む平面の温度分布を、有限 要素法によりシミュレーションを行った。その結果を図 8の曲線 Aに示す。また、図 35 に示す従来例について同様のシミュレーションを行った結果を図 8の曲線 Bに示す。

[0042] 図 8における曲線 A及び Bは、それぞれ図 2C及び図 36Cに示すように、発熱体 3の 短辺方向の断面 (A— A断面）における熱絶縁層 2と発熱体 3の外周との接点を原点 Oとし、熱絶縁層 2から離れる方向（図 2C及び図 36Cの右方向）を X軸の正方向とし て、半導体基板 1の第 1面 laを含む平面の温度分布のシミュレーションを行った結果 である。なお、シミュレーションを行う際の熱伝導率及び体積熱容量のデータとしては 、上記特開平 11— 300274号公報に開示されている数値データを用い、単結晶の シリコン基板からなる半導体基板 1の熱伝導率を 168WZ (m'K)、熱容量を 1. 67 X 10⁶jZ (m3 'K)とし、多孔度が 60%の多孔質シリコン層力もなる熱絶縁層 2の熱 伝導率を lWZ (m'K)、熱容量を 0. 7 X 10⁶jZ (m³'K)とした。

[0043] 図 8からわかるように、第 2実施形態の圧力波発生装置及び従来の圧力波発生装 置のいずれにおいても、 X軸方向に沿って温度勾配（一 dTZdx)が存在するが、第 2実施形態の圧力波発生装置の方が、従来の圧力波発生装置に比べて温度勾配が 緩やかになっている。その理由は、第 2実施形態の圧力波発生装置の発熱体 3の外 周部に対向する部分では、熱絶縁層 2の厚さが外側ほど薄くなるように傾斜面 2aが 形成されているため、半導体基板 1の厚さ方向に沿って放熱される熱量が、発熱体 3 の中央部に比べて大きくなるからである。

[0044] 換言すれば、第 2実施形態の圧力波発生装置では、図 3に示すように、半導体基 板 1の厚さ方向 Dの一表面 (第 1面） laから半導体基板 1の内側に向けて熱絶縁層 2 の幅方向の中央部の基準厚さ tで規定した幅方向 Wの範囲内において、発熱体 3の 外周 3eよりも内側部分の厚さ方向の平均熱伝導率を a in、平均体積熱容量を Cinと し、発熱体の外周よりも外側部分の厚さ方向の平均熱伝導率を a out、平均体積熱 容量を Coutとして、 a in X Cin< a out X Coutの条件を満足し、かつ、内側部分と外 側部分との境界付近では a in X Cinの値が外側ほど大きくなつている。要するに、熱 伝導率と体積熱容量との積が大きいほど放熱性が高くなり、単位時間当たりの放熱 量を多くすることができるので、第 2実施形態では、発熱体 3の外周部近傍の直下に おける熱絶縁層 2の放熱性を発熱体 3の中央部の直下における熱絶縁層 2の放熱性 よりも大きくすることによって、発熱体 3の外周部近傍における温度勾配を緩やかにし ている。

[0045] このように、第 2実施形態の圧力波発生装置では、発熱体 3の外周部において半導 体基板 1の厚さ方向に沿って放熱される熱量が、発熱体 3中央部において放熱され る熱量に比べて大きくなるので、従来の圧力波発生装置に比べて発熱体 3にかかる 熱応力を低減することができ、熱応力に起因した発熱体 3の破損が起こりに《なり、 圧力波発生装置を長寿命化することができる。

[0046] また、上記基準厚さ tで規定した幅方向 Wの範囲内で、 a in X Cinの値が変化する 領域の境界 (すなわち、傾斜部 2aの外周端)を発熱体 3の外周とほぼ一致させてある ので、熱絶縁層 2の外周部の物性値と中央部の物性値とをほぼ同じにしたまま、すな わち、熱絶縁層 2を形成する多孔質シリコン層の物性を均一にしたまま、発熱体 3の 外周部から半導体基板 1へ放熱される熱量をあまり増大させることなぐ圧力波の振 幅の低下を抑制することができる。

[0047] 次に、第 2実施形態における圧力波発生装置の製造方法について、図 5A〜図 5C 、図 6及び図 7を参照しつつ説明する。図 5Aに示すように、 p形シリコン基板の半導 体基板 1の厚さ方向の他表面 (第 2面） lbに、陽極酸ィ匕時に用いられる平面形状が 矩形状の通電用電極 4を形成する。図 6に示すように、通電用電極 4の中心は、半導 体基板 1の第 1面 laに平行な面内において、矩形状の発熱体 3が形成される予定の 領域 (発熱体形成領域） 3aの中心とほぼ一致している。また、通電用電極 4の各辺の 長さは、発熱体形成領域 3aの対応する各辺の長さよりも所定の縮小寸法分だけ短く なるように設定されている。

[0048] 通電用電極 4の形成工程においては、例えば導電性層を半導体基板 1の第 2面 lb 上にスパッタ法ゃ蒸着法などによって成膜し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング 技術を利用して、導電性層のうち通電用電極 4に用いられる部分以外の不要部分を 除去すればよい。なお、第 2実施形態では、発熱体形成領域 3aの長辺を 12mm、短 辺を 10mmとし、上記縮小寸法を lmmに設定されている。すなわち、通電用電極 4 は発熱体形成領域 3aよりも小さぐ長辺を l lmm、短辺を 9mmに設定されている。 なお、これらの数値は特に限定されない。

[0049] 通電用電極 4の形成後、通電用電極 4に通電用のリード線（図示せず)の一端を取 り付け、通電用電極 4とリード線の一端部の取り付け部位を、陽極酸化処理に用いる 電解液に触れないように耐フッ酸性を有するシール材により被覆する。その後、図 7 に示すような陽極酸化処理装置を用いて陽極酸化処理を行うことにより、図 5Bに示 すような多孔質シリコン層からなる熱絶縁層 2が半導体基板 1上に形成される。その 後、半導体基板 1の第 1面 laの発熱体形成領域 3aに発熱体形成工程を行うことによ り、図 5Cに示すような発熱体 3を有する構造が得られる。

[0050] 第 2実施形態の圧力波発生装置の製造方法では、上記のように、陽極酸化処理に よって熱絶縁層 2が形成される。陽極酸ィ匕処理にあたっては、図 7に示すように、半 導体基板 1を主構成とする被処理物 24を処理槽 22中の電解液 23に浸漬する。次に 、電解液 23中において、白金電極 21を半導体基板 1の第 1面 laに対向するように配 置する。さらに、通電用電極 4に取り付けられたリード線を電流源 20のプラス側に、白 金電極 21を電流源 20のマイナス側にそれぞれ接続する。そして、通電用電極 4を陽 極、白金電極 21を陰極として、電流源 20から通電用電極 4と白金電極 21との間に所 定の電流密度 (例えば、 20mAZcm²)の電流を所定の通電時間（例えば、 8分)だ け流す。

[0051] このような陽極酸ィ匕処理により、半導体基板 1の第 1面 la側に、外周部を除いて厚 さがほぼ一定 (例えば、 10 m)な熱絶縁層 2が形成される。その後、処理槽 22から 被処理物 24を取り出し、被処理物 24の上記シール材を剥がし、通電用電極 4に接 続していたリード線を外す。

[0052] なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定されず、電流密度は、例えば、 l〜500m AZcm²程度の範囲内で適宜設定すればよい。また、上記所定の通電時間も、熱絶 縁層 2の厚さに応じて適宜設定すればよ!ヽ。

[0053] また、陽極酸ィ匕処理に用いる電解液としては、例えば、 55wt%のフッ化水素水溶 液とエタノールとを 1 : 1で混合した混合液を用いる。また、シール材としては、例えば 、テフロン (登録商標）のようなフッ素榭脂からなるシール材を用いることができる。

[0054] 発熱体 3の形成にあたっては、半導体基板 1の第 1面 la上に発熱体 3用の金属薄 膜 (例えば、 A1薄膜など)をスパッタ法などによって形成する。その後、金属薄膜上に フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術により発熱体 3形成用にパターユングさ れたレジスト層（図示せず)を形成する。そして、レジスト層をマスクとして、金属薄膜 の不要部分をドライエッチング工程により除去することにより、発熱体 3が形成される。 最後に、レジスト層を除去することにより、図 5Cに示す構造が得られる。

[0055] 一般的に、上記のように通電用電極 4の大きさを形成すべき熱絶縁層 2の大きさより も若干小さくし、かつ、白金電極 21の大きさを熱絶縁層 2の大きさよりも大きくすると、 形成されるべき熱絶縁層 2の外周部で電界の向きが斜めになり、かつ、外側ほど電 界強度が弱くなる。そのため、このような条件で陽極酸化処理を行えば、半導体基板 1の第 1面 la側に形成される酸化膜、すなわち熱絶縁層 2の外周部に流れる電流が 少なくなり、膜厚が外側ほど薄く形成される。従って、半導体基板 1の第 1面 la側に 形成された熱絶縁層 2の外周部には、図 2Bなどに示すように、外側ほど厚さが徐々 に小さくなるように傾斜部 2aが形成される。ここで、発熱体を傾斜部 2aに合わせて形 成すれば、従来の圧力波発生装置に比べて、発熱体 3にかかる熱応力を低減するこ とができ、熱応力に起因した発熱体 3の破損が生じに《なる。

[0056] なお、熱絶縁層 2の断面形状を走査型電子顕微鏡により観察した結果、図 3を参照 して、熱絶縁層 2の外周部では、半導体基板 1の第 1面 laを含む第 1基準平面から の深さが深くなるにつれて、発熱体 3の端面 (外周） 3eを含む第 2基準平面力 の幅 方向の距離 dが長くなるように、熱絶縁層 2と半導体基板 1の境界が傾斜していること がわかった。具体的には、第 1基準平面からの深さが 10 μ mの位置では、発熱体 3 の第 2基準平面からの距離が略 0. 5mmとなって ヽることが確認された。

[0057] また、上記のように、通電用電極 4を発熱体形成領域 3aよりも小さくすることにより、 熱絶縁層 2の傾斜部 2aの外周を発熱体 3の外周とほぼ一致させ、又は発熱体 3の外 周よりも内側に位置させることができる。具体的には、上記のように通電用電極 4の各 辺の長さを発熱体形成領域 3aの各辺よりも lmmだけ短くした場合 (上記縮小寸法を lmmとした場合）には、熱絶縁層 2の傾斜部 2aの外周が発熱体 3の外周とほぼ一致 する。一方、通電用電極 4の各辺の長さを発熱体形成領域 3aの各辺よりも 2mmだけ 短くした場合 (上記縮小寸法を 2mmとした場合）には、熱絶縁層 2は発熱体 3の外周 よりも内側に形成される。

[0058] 後者の場合、発熱体 3への熱絶縁層 2の投影領域が発熱体 3の外周よりも内側に 収まるので、発熱体 3の外周部が半導体基板 1の第 1面 laに直接的に接する。このよ うに熱絶縁層 2の外周が発熱体 3の外周よりも内側に形成される場合、図 9 Aに示す ように、熱絶縁層 2の外周部の厚さを中央部の厚さ（上記基準厚さ）とほぼ同じになる ように形成してもよい。

[0059] その場合も、半導体基板 1の材料である単結晶シリコンの熱伝導率及び体積熱容 量がそれぞれ上述の a out、 Coutとなり、熱絶縁層 2の材料である多孔質シリコンの 熱伝導率及び体積熱容量がそれぞれ上述の a in、 Cinとなるので、熱伝導率と熱容 量との積の大小関係は、 α in X Cinく α out X Coutの条件を満たすこととなる。また、 上記基準厚さの範囲内で _α in X Cinの値が変化する領域の境界を発熱体 3の外周よ りも内側に位置させているので、発熱体 3の外周部における温度勾配をより緩やかに することができ、従来の圧力波発生装置に比べて発熱体 3にかかる熱応力をより低減 することができる。

[0060] また、図 37Bに示すように、半導体基板 1の第 2面 lbの全面に通電用電極 4を形成 しても、上記と同様に熱絶縁層 2を形成することができる。その場合、陽極酸化処理 により熱絶縁層 2を形成する際に、半導体基板 1の第 1面 la上にマスク層 5を設けて 熱絶縁層 2が形成される領域を規定すればよい。

[0061] また、第 2実施形態では、半導体基板 1として単結晶の p形シリコン基板を採用して いるが、半導体基板 1は単結晶の p形シリコン基板に限らず、多結晶あるいはァモル ファスの p形シリコン基板でもよい。また、半導体基板 1は、 p形基板に限られず、 n形 基板やノンドープ基板であってもよい。そして、半導体基板 1の種類に応じて、陽極 酸ィ匕処理の条件を適宜変更すればよい。従って、熱絶縁層 2を構成する多孔体も、 多孔質シリコン層に限られず、例えば、多結晶シリコンを陽極酸化することにより形成 した多孔質多結晶シリコン層や、シリコン以外の半導体材料力 なる多孔質半導体 層であってもよい。また、発熱体 3の材料も A1に限定されるものではなぐ A1に比べて 耐熱性の高い金属材料 (例えば、 W, Mo, Pt, Irなど）を用いてもよい。

[0062] (第 3実施形態）

次に、本発明の第 3実施形態について説明する。第 3実施形態の圧力波発生装置 の基本構成は、上記第 2実施形態と同じであり、半導体基板 1として単結晶の n形シリ コン基板を採用している点のみが相違する。従って、圧力波発生装置の構造につい ての図示及び説明を省略し、製造方法についてのみ図 10A〜10Cを参照しつつ説 明する。

[0063] 図 10Aに示すように、 n形シリコン基板力 なる半導体基板 1の厚さ方向の第 2面 lb の全面に、陽極酸化時に用いられる通電用電極 4を形成する。なお、通電用電極 4と して、導電性層を半導体基板 1の第 2面 lb上に例えばスパッタ法ゃ蒸着法などによ つて成膜すればよい。

[0064] 通電用電極 4の形成後、通電用電極 4に通電用のリード線（図示せず)の一端を取 り付け、通電用電極 4とリード線の一端部の取り付け部位を、陽極酸化処理に用いる 電解液に触れないように耐フッ酸性を有するシール材により被覆する。その後、図 11 Aに示すような陽極酸化処理装置を用いて陽極酸化処理を行うことにより、図 10Bに 示すような多孔質シリコン層からなる熱絶縁層 2が半導体基板 1上に形成される。そ の後、半導体基板 1の第 1面 laの発熱体形成領域 3aに発熱体形成工程を行うことに より、図 10Cに示すような発熱体 3を有する構造が得られる。

[0065] 第 3実施形態の圧力波発生装置の製造方法でも、上記のように、陽極酸化処理に よって熱絶縁層 2が形成される。陽極酸ィ匕処理にあたっては、図 11Aに示すように、 半導体基板 1を主構成とする被処理物 24を処理槽 22中の電解液 23に浸漬する。次 に、電解液 23中において、電解液 23に耐性を有する材料で形成された光遮蔽板 3 0を半導体基板 1の第 1面 laに対向するように配置し、さらに、光遮蔽板 30及び半導 体基板 1の第 1面 laに対向するように、白金電極 21を配置する。さらに、通電用電極 4に取り付けられたリード線を電流源 20のプラス側に、白金電極 21を電流源 20のマ ィナス側にそれぞれ接続する。そして、半導体基板 1の第 1面 laに対して、図示しな い光源 (例えば、タングステンランプなど）により光照射を行いながら、通電用電極 4を 陽極、白金電極 21を陰極として、電流源 20から通電用電極 4と白金電極 21との間に 所定の電流密度 (例えば、 20mAZcm²)の電流を所定の通電時間（例えば、 8分） だけ流す。

[0066] このような陽極酸ィ匕処理により、半導体基板 1の第 1面 la側に、外周部を除いて厚 さがほぼ一定 (例えば、 10 m)な熱絶縁層 2が形成される。その後、処理槽 22から 被処理物 24を取り出し、被処理物 24の上記シール材を剥がし、通電用電極 4に接 続していたリード線を外す。

[0067] なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定されず、電流密度は、例えば、 1〜500 mAZcm²程度の範囲内で適宜設定すればよい。また、上記所定の通電時間も、熱 絶縁層 2の厚さに応じて適宜設定すればよ!ヽ。

[0068] また、陽極酸ィ匕処理に用いる電解液としては、例えば、 55wt%のフッ化水素水溶 液とエタノールとを 1 : 1で混合した混合液を用いる。また、シール材としては、例えば 、テフロン (登録商標）のようなフッ素榭脂からなるシール材を用いることができる。

[0069] 光遮蔽板 30は、電解液 23に対して耐性を有する材料 (例えば、シリコンなど）により 図 11Bに示すような平面形状に形成されている。具体的には、光遮蔽板 30の半導 体基板 1における熱絶縁層 2が形成される予定の領域 (熱絶縁層形成領域)の中央 部に対応する部位 32の開口率を 100%、熱絶縁層 2の外側に対応する部位 31の開 口率を 0%とし、熱絶縁層 2の外周部に対向する部位 33の開口率を内側から外側に 向かって小さくなるように変化させている。

[0070] 発熱体 3を形成する工程は、上記第 2実施形態の場合と同様であり、半導体基板 1 の第 1面 la上に発熱体 3用の金属薄膜 (例えば、 A1薄膜など)をスパッタ法などによ つて形成する。その後、金属薄膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術 により発熱体 3形成用にパターユングされたレジスト層（図示せず)を形成する。そし て、レジスト層をマスクとして、金属薄膜の不要部分をドライエッチング工程により除去 することにより、発熱体 3が形成される。最後に、レジスト層を除去することにより、図 1 OCに示す構造が得られる。

[0071] 第 3実施形態の圧力波発生装置の製造方法によれば、熱絶縁層 2の形成工程に おいて、光遮蔽板 30を用いて、半導体基板 1の第 1面 la上の熱絶縁層形成領域の 外周部に照射される光の強度を、中央部に照射される光の強度よりも小さぐかつ外 側ほど弱くなるように光を照射しながら陽極酸ィ匕処理を行う。そのため、半導体基板 1 の第 1面 la上の熱絶縁層形成領域の外周部における多孔質ィ匕の速度が中央部に おける多孔質ィ匕の速度に比べて遅くなるので、図 2Bなどに示すように、半導体基板 1の第 1面 la側に形成された熱絶縁層 2の外周部には、外側ほど厚さが徐々に小さく なるように傾斜部 2aが形成される。その結果、従来の圧力波発生装置に比べて、発 熱体 3にかかる熱応力を低減することができ、熱応力に起因した発熱体 3の破損が生 じにくくなる。

[0072] (第 4実施形態）

次に、本発明の第 4実施形態について説明する。第 4実施形態の圧力波発生装置 の基本構成は上記第 2実施形態とほぼ同じであるが、図 12に示すように、熱絶縁層 2の外周部の厚さを中央部の厚さ（上記基準厚さ）と同じに設定し、熱絶縁層 2を構成 する多孔質シリコン層の多孔度が中央部から周部に向かって徐々に高くなるように構 成されている点が相違する。なお、第 2実施形態と同様の構成要素には同一の符号 を付して説明を省略する。

[0073] 第 4実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の外周と発熱体 3の外周とがほ ぼ一致し (すなわち、上記基準厚さ範囲内で a in X Cinの値が変化する領域の境界 が発熱体 3の外周と一致し)、かつ、熱絶縁層 2の厚さを中央部と外周部とでほぼ同 じに設定しながら、熱絶縁層 2の外周部における平均熱伝導率と平均熱容量との積 を中央部における平均熱伝導率と平均体積熱容量との積よりも大きくしている。すな わち、熱絶縁層 2の物性値を不均一にして、熱絶縁層 2の外周部における単位体積 あたりの多孔度が中央部における単位体積あたりの多孔度よりも小さくなるようにして いる。

[0074] 第 4実施形態の圧力波発生装置においても、発熱体 3の外周部から半導体基板 1 の厚さ方向に沿って放熱される熱量を増加させることができ、発熱体 3にかかる熱応 力を低減することができる。その一方で、発熱体 3の外周部から半導体基板 1へ放熱 される熱量の増大させることなぐ圧力波の振幅の低下を抑制することができる。

[0075] 次に、第 4実施形態の圧力波発生装置の製造方法について図 13A〜13E及び図 14を参照しつつ説明する。まず、 p形シリコン基板の半導体基板 1の第 1面 la上の熱 絶縁層 2を形成する予定の領域 (熱絶縁層形成領域）に、図 13Aに示すような所定 厚さ（例えば、 2 β ΐα の不純物ドーピング領域 11を、イオン注入法や熱拡散法など を利用したドーピング処理により形成する。不純物ドーピング領域 11は、その外周部 の比抵抗が中央部の比抵抗に比べて小さくなる（第 4実施形態では、中央部から外 周部に向力つて比抵抗が小さくなる）不純物濃度分布を有するように形成されている

[0076] 発熱体 3の平面サイズにおける長辺は 12mm、短辺は 10mmに設定され、不純物 ドーピング領域 11の中心部の比抵抗は略 30 Ω ' cm、外周部の比抵抗はほぼ 2 Ω ' c mに設定されている。また、中心部と外周部との間で、比抵抗が徐々に変化するよう にドーピングされている。なお、これらの数値は一例であって特に限定されるものでは ない。

[0077] 次に、半導体基板 1の第 1面 laの全面に、陽極酸ィ匕時のマスク形成用のシリコン窒 化膜をプラズマ CVD法などにより成膜し、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術 を利用してシリコン窒化膜のうち熱絶縁層形成領域に重なる部分を開孔する。その 結果、図 13Bに示すように、半導体基板 1の第 1面 la上に、残りのシリコン窒化膜か らなるマスク層 5が形成される。

[0078] 次に、図 13Cに示すように、 p形シリコン基板の半導体基板 1の第 2面 lbの全面に、 陽極酸化時に用いる通電用電極 4を形成する。なお、通電用電極 4として、導電性層 を半導体基板 1の第 2面 lb上に、例えばスパッタ法ゃ蒸着法などによって成膜すれ ばよい。

[0079] 通電用電極 4の形成後、通電用電極 4に通電用のリード線（図示せず)の一端を取 り付け、通電用電極 4とリード線の一端部の取り付け部位を、陽極酸化処理に用いる 電解液に触れないように耐フッ酸性を有するシール材により被覆する。その後、図 7 に示すような陽極酸化処理装置を用いて陽極酸化処理を行うことにより、中央部と外 周部の多孔度が異なる多孔質シリコン層の熱絶縁層 2が形成される。続いて、マスク 層 5を除去することにより、図 13Dに示す構造が得られる。その後、半導体基板 1の 第 1面 laの発熱体形成領域 3aに発熱体形成工程を行うことにより、図 13Eに示すよ うな発熱体 3を有する構造が得られる。

[0080] なお、図 7に示すような陽極酸化処理装置を用いた陽極酸化処理は、基本的に第 2実施形態の場合と同様である。通電用電極 4を陽極、白金電極 21を陰極として、電 流源 20力も通電用電極 4と白金電極 21の間に所定の電流密度（例えば、 20mA/c m²)の電流を所定時間（例えば、 2分)だけ流すことにより、半導体基板 1の第 1面 la 側に、所定厚さ（例えば、 2. 5 m)の熱絶縁層 2が形成される。熱絶縁層 2の中心 部の多孔度は略 60%で、外周部の多孔度は略 0%となる。

[0081] なお、陽極酸化処理時の条件は特に限定されず、電流密度は、例えば、 1〜500 mAZcm²程度の範囲内で適宜設定すればよい。また、上記所定の通電時間も、熱 絶縁層 2の厚さに応じて適宜設定すればよ!ヽ。

[0082] また、陽極酸ィ匕処理に用いる電解液としては、例えば、 55wt%のフッ化水素水溶 液とエタノールとを 1 : 1で混合した混合液を用いる。また、シール材としては、例えば 、テフロン (登録商標）のようなフッ素榭脂からなるシール材を用いることができる。

[0083] 発熱体 3を形成する工程は、上記第 2実施形態の場合と同様であり、半導体基板 1 の第 1面 la上に発熱体 3用の金属薄膜 (例えば、 A1薄膜など)をスパッタ法などによ つて形成する。その後、金属薄膜上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィ技術 により発熱体 3形成用にパターユングされたレジスト層（図示せず)を形成する。そし て、レジスト層をマスクとして、金属薄膜の不要部分をドライエッチング工程により除去 することにより、発熱体 3が形成される。最後に、レジスト層を除去することにより、図 1 3Eに示す構造が得られる。

[0084] 第 4実施形態の圧力波発生装置の製造方法によれば、半導体基板 1に形成される 熱絶縁層 2の厚さをほぼ均一にしつつ、熱絶縁層 2の幅方向の中央部の多孔度より も外周部の多孔度を低くすることができる。すなわち、熱絶縁層 2の外周部における 平均熱伝導と平均体積熱容量との積は、中央部における平均熱伝導率と平均体積 熱容量との積よりも大きくなるので、従来の圧力波発生装置に比べて、発熱体 3にか 力る熱応力を低減することができ、熱応力に起因した発熱体の破損が生じに《なる

[0085] また、幅方向において、熱絶縁層 2の外周部と半導体基板 1の熱絶縁層 2よりも外 側部分との境界で、互いの熱膨張係数が一致するように熱絶縁層 2を形成すれば、 熱膨張係数の不連続箇所がなくなる。要するに、 a in X Cinの値が変化する領域に ぉ ヽて、熱絶縁層 2を形成する材料自体の熱伝導率と熱容量との少なくとも一方を外 側に向かって大きくなるように変化させ、 a in X Cin= a out X Coutとなる部分で材料 組成が一致するようにすれば、 a in X Cin= a out X Coutとなる部分での熱膨張係数 の不連続箇所がなくなる。その結果、熱絶縁層 2の外周部と半導体基板 1との熱膨張 係数差に起因した応力により熱絶縁層 2にクラックの発生が生じにくくなる。

[0086] なお、図 14に示すように、通電用電極 4の平面形状を半導体基板 1の第 1面 laに おける発熱体形成領域 3aと整合する形状に形成しておけば、半導体基板 1の第 1面 la上にマスク層 5を設けることなぐ不純物ドーピング領域 11のみを多孔質ィ匕して多 孔質シリコン層からなる熱絶縁層 2を形成することができる。

[0087] (第 5実施形態）

次に、本発明の第 5実施形態について説明する。第 5実施形態の圧力波発生装置 は、図 15A及び 15Bに示すように、単結晶の p形シリコン基板の半導体基板 1と、半 導体基板 1の厚さ方向の一表面 (第 1面） la側に形成された多孔質シリコン層の熱絶 縁層 2と、熱絶縁層 2上に形成された薄膜 (例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄 膜など)の発熱体 3とを備えている。なお、熱絶縁層 2は、多孔質シリコン層に限られ ず、例えば、 SiO膜や Si N膜などにより構成してもよい。

2 3 4

[0088] 上記第 1から第 4実施形態に係る圧力波発生装置と比較して、第 5実施形態の圧 力波発生装置は、熱絶縁層 2が半導体基板 1のほぼ全面に形成されていること、及 び半導体基板 1の第 1面 la (熱絶縁層 2の表面 2c)において発熱体 3の長辺側の両 外周部の端面 3eに接するように温度勾配緩和部 15が形成されている点が異なる。

[0089] 温度勾配緩和部 15は、熱絶縁層 2よりも熱伝導率の高い材料により形成された高 熱伝導性層である。温度勾配緩和部 15の材料としては、発熱体 3に比べて電気絶縁 性が高ぐかつ、熱絶縁層 2に比べて熱伝導性が高い無機材料 (例えば、 A1N系材 料や SiC系材料など)を採用すればよぐ A1Nや SiCは Siとの熱膨張係数差が小さい という点でも望ましい。これらの無機材料で形成された温度勾配緩和部 15は、スパッ タ法により、マスクを用いて所定の場所に形成することができる。また、温度勾配緩和 部 15は、熱絶縁層 2上に形成され発熱体 3の外周面のうちの上記長辺側両外周面 に接するが、発熱体 3の表面 3c (図 15B参照）には接しないように形成されている。

[0090] 第 5実施形態の圧力波発生装置によれば、発熱体 3の長辺側外周部で発生した熱 の一部が温度勾配緩和部 15へ伝達されるので、発熱体 3の長辺側外周部における 温度勾配、すなわち、熱絶縁層 2の表面近傍の温度勾配が緩和される。そのため、 従来の圧力波発生装置に比べて、発熱体 3にかかる熱応力を低減することができ、 熱応力に起因した発熱体 3の破断が生じに《なる。その結果として、圧力波発生装 置の長寿命化を図ることができると共に、発熱体 3に通電する際に、従来のものよりも 電力を増加させることができ、発生される圧力波の振幅を増大することが可能となる。

[0091] また、温度勾配緩和部 15が発熱体 3の長辺側外周部の端面 3eに接し、かつ、外周 部近傍の表面 3cには接しな ヽように形成されて!ヽるので、発熱体 3の外周部近傍の 温度低下を少なくしつつ、温度勾配を緩和することができる。また、温度勾配緩和部 15の材料として上記のような無機材料を使用することにより、有機材料を使用する場 合に比べて、温度勾配緩和部 15の耐熱性を高めることができる。さらに、発熱体 3へ 電流が流れる方向にお 、て、温度勾配緩和部 15の抵抗が発熱体 3の抵抗よりも十 分に大き 、 (温度勾配緩和部 15へ流れる電流を無視できる程度に大き 、）ので、温 度勾配緩和部 15へ電流が流れることによる電力損失を低減することができる。

[0092] (第 6実施形態）

次に、本発明の第 6実施形態について説明する。第 6実施形態の圧力波発生装置 では、図 16に示すように、熱絶縁層 2が半導体基板 1の全面ではなく所定領域内に 形成されている。また、温度勾配緩和部 15が、半導体基板 1の第 1面 la上だけでな ぐ熱絶縁層 2の表面 2c、発熱体 3の外周部の端面 3e及び外周部近傍における表 面 3cにも接するように形成されて!ヽる。

[0093] 第 6実施形態の圧力波発生装置では、温度勾配緩和部 15が発熱体 3の外周部に おける端面 3eだけでなく表面 3cにも接しているので、上記第 5実施形態の圧力波発 生装置に比べて、構造が若干複雑になるが、発熱体 3の周部の温度勾配をより緩和 することができる。また、発熱体 3の外周部近傍で発生した熱の一部が温度勾配緩和 部 15を通して半導体基板 1へ伝達されるので、温度勾配緩和部 15が半導体基板 1 に接して!/ヽな 、場合に比べて、発熱体 3の周部で発生した熱を効率良く逃がすこと ができる。

[0094] なお、第 6実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2が半導体基板 1の第 1面 1 a側で所定領域内のみに形成されているが、第 5実施形態の場合と同様に、半導体 基板 1の第 1面 la側の全面に熱絶縁層 2を形成してもよい。

[0095] (第 7実施形態）

次に、本発明の第 7実施形態について説明する。第 7実施形態の圧力波発生装置 では、図 17に示すように、第 6実施形態の圧力波発生装置と比較して、半導体基板 1の厚さ方向における温度勾配緩和部 15の厚さ力 半導体基板 1の幅方向の外周 部から発熱体 3の内側に向力うほど薄くなつている点が異なる。このような温度勾配緩 和部 15は、例えば半導体基板 1とマスクとの間にスペースを設けてスパッタ法による 成膜を行うことにより形成することが可能である。

[0096] 第 7実施形態の圧力波発生装置では、上記第 6実施形態の圧力波発生装置に比 ベて、温度勾配緩和部 15の形状が複雑であり、製造時の歩留まりが低下する可能 性があるが、発熱体 3の外周部の温度勾配をさらに緩和することができる。また、第 5 実施形態の場合と同様に、半導体基板 1の第 1面 la側の全面に熱絶縁層 2を形成し てもよい。

[0097] (第 8実施形態）

次に、本発明の第 8実施形態について説明する。第 8実施形態の圧力波発生装置 では、図 18に示すように、温度勾配緩和部 15の物性が均一でなぐ半導体基板 1の 幅方向において、発熱体 3の内側から外周部に向力うほど熱伝導率が高くなるような 分布を有するように形成されている。その他の構成は、上記第 6実施形態の場合と同 じである。このような熱伝導率の分布を有する温度勾配緩和部 15は、例えば、 A1N や SiCによる高熱伝導性層において、 A1Nや SiCの組成比を傾斜させることにより実 現することができる。

[0098] 第 8実施形態の圧力波発生装置では、上記第 6実施形態の圧力波発生装置に比 ベて、温度勾配緩和部 15の製造工程が複雑になるものの、発熱体 3の外周部の温 度勾配をさらに緩和することができる。また、第 5実施形態の場合と同様に、半導体 基板 1の第 1面 la側の全面に熱絶縁層 2を形成してもよい。

[0099] (第 9実施形態）

次に、本発明の第 9実施形態について説明する。第 9実施形態の圧力波発生装置 は、図 19に示すように、単結晶の p形シリコン基板の半導体基板 1と、半導体基板 1 の厚さ方向の一表面 (第 1面） la側に形成された多孔質層の熱絶縁層 2と、熱絶縁層 2上に形成された薄膜 (例えば、アルミニウム薄膜のような金属薄膜など)の発熱体 3 と、発熱体 3の両端部それぞれの上に形成された一対のノ¾ド 14とを備えている。パ ッド 14は、発熱体 3に通電するために用いられる。

[0100] 第 9実施形態では、熱絶縁層 2が高多孔度層 26と低多孔度層 27の 2層で形成され ている。多孔度が高い高多孔度層 26は、例えば多孔度が 70%の多孔質シリコン層 で形成されており、発熱体 3側に位置している。また、多孔度が低い低多孔度層 27 は、例えば、多孔度が 40%の多孔質シリコン層で形成されており、半導体基板 1側に 位置している。

これら多孔質層は、半導体基板 1としての p形シリコン基板の一部を電解液中で陽極 酸ィ匕処理することにより形成することができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くな るにつれて熱伝導率及び体積熱容量が小さくなるので、多孔度を適宜設定すること により、熱伝導率を単結晶シリコンに比べて十分に小さくすることができる。

[0101] 第 9実施形態の圧力波発生装置では、半導体基板 1の厚さを 525 μ m、熱絶縁層 2の高多孔度層 26の厚さを 5 μ m、熱絶縁層 2の低多孔度層 27の厚さを 5 m、発 熱体 3の厚さを 50nmとしてある。なお、これらの厚さは一例であって、特に限定され るものではない。また、高多孔度層 26の厚さは、熱拡散長 L以上の値に設定すること が望ましい。なお、第 9実施形態の圧力波発生装置の一使用例として、発熱体 3への 電気的な入力の波形の周波数を 20kHzとし、圧力波として周波数力 OkHzの超音 波を発生させる超音波発生装置として使用することを想定している。熱絶縁層 2を多 孔度が 60%の多孔質シリコン層と仮定し、熱伝導率を lWZ (m'K)、体積熱容量を 0. 7 X 10⁶jZ (m3'K)、周波数 fを 40kHzとして、上記式 2により求めた熱拡散長 L =3. 37 /z mに基づいて、高多孔度層 26の厚さを設定してある。

[0102] 次に、第 9実施形態の圧力波発生装置の製造方法について説明する。第 2実施形 態で説明した圧力波発生装置の製造方法と同様に、まず、半導体基板 1の第 2面 lb に陽極酸化処理時に用いる通電用電極（図示せず)を形成する。その後、半導体基 板 1の第 1面 la側における高多孔度層 26の形成予定領域及び低多孔度層 27の形 成予定領域を陽極酸化処理にて多孔質化し、高多孔度層 26と低多孔度層 27との 熱絶縁層を形成する。

[0103] 陽極酸化処理では、電解液として 55wt%のフッ化水素水溶液とエタノールとを 1 :

1で混合した混合液を用いる。半導体基板 1を主構成とする被処理物を、処理槽中の 電解液に浸漬し、通電用電極を陽極、半導体基板 1の第 1面 laに対向配置された白 金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度の電流を流す。 図 20に示すように、高多孔度層 26の形成のために、第 1の電流 例えば、 10 OmAZcm²)で第 1の所定時間 T1 (例えば、 2分)の陽極酸化処理を行い、低多孔 度層 27の形成のために、第 2の電流 ¾2 (例えば、 lOmAZcm²)で第 2の所定時 間 T2 (例えば、 15分)の陽極酸化処理を行う。このようにすれば、高多孔度層 26と低 多孔度層 27とを連続的に形成することができる。

[0104] 上述の陽極酸ィ匕処理における通電終了後、電解液から被処理物を取り出し、洗浄 及び乾燥を順次行ってから、発熱体 3を形成し、さらにパッド 14を形成することにより 、図 19に示す圧力波発生装置が完成する。なお、乾燥工程では、窒素ガスによる乾 燥、遠心乾燥機による乾燥など各種の乾燥方法を適宜採用すればよい。また、発熱 体形成工程では、メタルマスクなどを利用して蒸着法などによって発熱体 3を形成す ればよい。ノッド形成工程でも、メタルマスクなどを利用して蒸着法などによってパッ ド 14を形成すればよい。

[0105] このように、第 9実施形態の圧力波発生装置によれば、熱絶縁層 2が半導体基板 1 の厚さ方向において発熱体 3側に形成された高多孔度層 26と半導体基板 1側に形 成された低多孔度層 27とで構成されており、かつ、半導体基板 1側に位置する低多 孔度層 27の多孔度が発熱体 3側に位置する高多孔度層 26の多孔度よりも小さくな つている。そのため、熱絶縁層 2における発熱体 3側の部分での熱絶縁性能の低下 を抑制しつつ、熱絶縁層 2における半導体基板 1の境界近傍の機械的強度を高める ことができる。さら〖こ、熱絶縁層 2における半導体基板 1との境界近傍で発生する応 力を緩和することができ、製造時や駆動時における熱絶縁層 2へのクラックの発生や 発熱体 3の破断を防止することができる。さらに、半導体基板 1からの熱絶縁層 2の剥 離を防止することができる。その結果、製造時の歩留まりの向上及び信頼性の向上を 図ることができる。

[0106] さらに、第 9実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2が発熱体 3側に位置する 高多孔度層 26と、半導体基板 1側に位置する低多孔度層 27とで構成されているの で、熱絶縁層 2の熱絶縁性能を高多孔度層 26の多孔度及び厚さ寸法により決定す ることが可能となる。一方、熱絶縁層 2における半導体基板 1側の部分の機械的強度 を低多孔度層 27の多孔度及び厚さ寸法により設計することが可能となるので、熱絶 縁層 2自体は 2層になるけれども、熱絶縁層 2の熱絶縁性能の設計が容易になると共 に、熱絶縁層 2の形成も比較的容易である。さらに、上記のように、熱絶縁層 2の高多 孔度層 26の厚さを上記熱拡散長 L以上の値に設定すれば、半導体基板 1側への熱 伝導に起因した圧力波の振幅の大幅な低下を防止することができる。換言すれば、 第 9実施形態の圧力波発生装置では、半導体基板 1の厚さ方向において、熱絶縁層 2の多孔度を一様とするときよりも、熱絶縁性能を低下させることなぐ製造時及び駆 動時の機械的強度を高めることができる。また、従来の圧力波発生装置に比べて耐 熱性が向上するので、通電時に発熱体 3へ与える電力を増加させることにより、圧力 波の振幅を増大させることも可能である。

[0107] (第 10実施形態）

次に、本発明の第 10実施形態について説明する。第 10実施形態の圧力波発生装 置は、図 21に示すように、上記第 9実施形態の圧力波発生装置と同様の構成である 力 熱絶縁層 2が半導体基板 1の厚さ方向において発熱体 3側に形成された高多孔 度層 26と、半導体基板 1側に形成され半導体基板 1に近づくにつれて多孔度が連続 的に小さくなつた低多孔度傾斜層 28とで構成されている点が相違する。低多孔度傾 斜層 28は、高多孔度層 26との境界で多孔度が連続し、半導体基板 1との境界近傍 で多孔度が零となるように、多孔度の深さプロファイルが設定されて 、る。

[0108] 第 10実施形態の圧力波発生装置の製造方法は、上記第 9実施形態の圧力波発 生装置の製造方法とほぼ同じであり、図 22に示すように、高多孔度層 26の形成のた めに、第 1の電流密 1 (例えば、 lOOmAZcm²)で第 1の所定時間 T1 (例えば、 2 分)の陽極酸化処理を行う。低多孔度傾斜層 28の形成の際は、低多孔度傾斜層 28 の形成に適するように設定された所定の電流密度の減少パターンにより、第 2の所定 時間 T3 (例えば、 10分)の陽極酸化処理を行う。図 22に示す電流密度の減少バタ ーンの一例では、電流密度を、第 2の所定時間 Τ3の間に、第 1の電流密 1から第 2の電流密 3 (例えば、 OmA/cm²)まで連続的に減少させる単調減少パターン が設定されている。なお、電流密度の減少パターンは、図 22に示すような傾きが一 定の単調減少パターンに限定されず、例えば、図 23Aに示すように、時間経過と共 に傾きが大きくなるような単調減少パターンでもよいし、図 23Bに示すように時間経過 と共に傾きが小さくなるような単調減少パターンでもよい。

[0109] 第 10実施形態の圧力波発生装置においても、第 9実施形態の圧力波発生装置と 同様に、半導体基板 1の厚さ方向において、半導体基板 1側に位置する低多孔度傾 斜層 28の多孔度が発熱体 3側に位置する高多孔度層 26の多孔度よりも小さくなつて V、るので、熱絶縁層 2における発熱体 3側の部分での熱絶縁性能の低下を抑制しつ つ、熱絶縁層 2における半導体基板 1側の部分の機械的強度を高めることができる。 また、製造時や駆動時における熱絶縁層 2へのクラックの発生を防止することができ 、発熱体 3の破断を防止することができる。さらに、半導体基板 1からの熱絶縁層 2の 剥離を防止することができる。その結果、製造歩留まりの向上及び信頼性の向上を 図ることができる。

[0110] また、第 10実施形態の圧力波発生装置では、半導体基板 1の厚さ方向において、 熱絶縁層 2の高多孔度層 26と低多孔度傾斜層 28との境界で多孔度が連続している ので、低多孔度層を形成する際の電流密度制御が複雑になるものの、第 9実施形態 の圧力波発生装置のように熱絶縁層 2の多孔度がステップ状に変化している場合に 比べて、高多孔度層 26と低多孔度傾斜層 28との境界近傍で発生する応力を分散し て小さくすることができ、熱絶縁層 2の機械的強度を高めることができる。さらに、低多 孔度傾斜層 28は、半導体基板 1との境界近傍で多孔度が零になるように形成されて いるので、熱絶縁層 2における半導体基板 1との境界近傍の機械的強度を高めること ができると共に、境界近傍で発生する応力をより緩和することができる。そのため、製 造時や駆動時における熱絶縁層 2へのクラックの発生、熱絶縁層 2のクラックに起因 した発熱体 3の破断や半導体基板 1からの熱絶縁層 2の剥離をより一層確実に防止 することができる。

[0111] (第 11実施形態）

次に、本発明の第 11実施形態について説明する。第 11実施形態の圧力波発生装 置は、図 24に示すように、上記第 9実施形態の圧力波発生装置と同様の構成である 力 半導体基板 1の厚さ方向において、熱絶縁層 2の多孔度が発熱体 3側から半導 体基板 1側に近づくにつれて連続的に小さくなるように形成されて 、る点が相違する 。すなわち、半導体基板 1の厚さ方向において、熱絶縁層 2では、発熱体 3に近い領 域ほど多孔度が高ぐ半導体基板 1に近い領域ほど多孔度が低くなつている。また、 熱絶縁層 2は、半導体基板 1との境界近傍で多孔度が零となるように多孔度の深さプ 口ファイルが設定されて 、る。

[0112] 第 11実施形態の圧力波発生装置の製造方法は、上記第 9実施形態の圧力波発 生装置の製造方法と同様であり、図 25に示すように、熱絶縁層 2の形成に適するよう に設定された所定の電流密度の減少パターンにより、所定時間 T4 (例えば、 10分） の陽極酸化処理を行う。図 25に示す電流密度の減少パターンの一例では、電流密 度を、所定時間 T4の間に、第 1の電流密 4 (例えば、 lOOmAZcm²)から第 2の 電流密 5 (例えば、 OmA/cm²)まで連続的に減少させる単調減少パターンが設 定されている。なお、電流密度の減少パターンは、図 25に示すような傾きが一定の 単調減少パターンに限定されず、例えば、図 26Aに示すように、時間経過と共に傾 きが大きくなるような単調減少パターンでもよいし、図 26Bに示すように時間経過と共 に傾きが小さくなるような単調減少パターンでもよい。

[0113] このように、第 11実施形態の圧力波発生装置では、半導体基板 1の厚さ方向にお いて発熱体 3側から半導体基板 1側に近づくにつれて熱絶縁層 2の多孔度が連続的 に小さくなつているので、熱絶縁層 2の機械的強度をより高めることができると共に、 熱絶縁層 2における半導体基板 1との境界近傍で発生する応力を緩和することがで きる。さらに、熱絶縁層 2の多孔度が半導体基板 1との境界近傍で多孔度が零になる ように形成されているので、熱絶縁層 2における半導体基板 1との境界近傍の機械的 強度をより高くすることができると共に、境界近傍で発生する応力をより緩和すること ができる。そのため、製造時や駆動時における熱絶縁層 2へのクラックの発生、熱絶 縁層 2のクラックに起因した発熱体 3の破断や半導体基板 1からの熱絶縁層 2の剥離 をより一層確実に防止することができる。

[0114] (第 12実施形態）

次に、本発明の第 12実施形態について説明する。第 12実施形態の圧力波発生装 置は、図 27に示すように、半導体基板 1の一表面 (第 1面） la側に形成された多孔質 層の熱絶縁層 2と、熱絶縁層 2上に形成された薄膜 (例えば、アルミニウム薄膜のよう な金属薄膜など)の発熱体 3と、半導体基板 1の第 1面 laにおいて発熱体 3の両側部 に形成された絶縁膜 25と、絶縁膜 25及び熱絶縁層 2の表面の一部を覆うように形成 された保護膜 16と、保護膜 16及び発熱体 3の一部の上に形成された一対のパッド 1 4とを備えている。

[0115] 第 12実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2が半導体基板 1の第 1面 la側 の所定領域に形成されると共に、発熱体 3が、熱絶縁層 2上で、かつ、熱絶縁層 2の 外周よりも内側に形成されている。絶縁膜 25は、 SiO膜で形成され、半導体基板 1

2

の第 1面 la上で、かつ、発熱体 3以外の領域に形成されている。保護膜 16は、熱絶 縁層 2のうち発熱体 3が積層されて ヽな 、領域の表面及び絶縁膜 25を覆うように形 成されている。また、ノ^ド 14は発熱体 3上と保護膜 16上とに跨る形で形成されてい る。保護膜 16は、熱絶縁層 2の酸ィ匕を防止するため、発熱体 3の全周を囲むように設 けられている。

[0116] 第 12実施形態では、半導体基板 1として単結晶のシリコン基板を用いており、熱絶 縁層 2を多孔度が略 70%の多孔質シリコン層により構成している。半導体基板 1とし て用いるシリコン基板の一部である上記所定領域をフッ化水素水溶液中で陽極酸ィ匕 処理することにより、熱絶縁層 2となる多孔質シリコン層を形成することができる。ここ に、陽極酸化処理の条件 (例えば、電流密度、通電時間など）を適宜設定すること〖こ より、熱絶縁層 2となる多孔質シリコン層の多孔度や厚さそれぞれを所望の値とするこ とができる。多孔質シリコン層は、多孔度が高くなるにつれて熱伝導率及び体積熱容 量が小さくなり、例えば、熱伝導率が 148WZ (m'K)、体積熱容量が 1. 63 X 10⁶J Z (m³'K)の単結晶のシリコン基板を陽極酸ィ匕して形成される多孔度が 60%の多孔 質シリコン層は、熱伝導率が lWZ (m'K)、体積熱容量が 0. 7 X 10⁶jZ (m³.K)で あることが知られている。なお、第 12実施形態では、上述のように熱絶縁層 2を多孔 度が略 70%の多孔質シリコン層により構成してあり、熱絶縁層 2の熱伝導率が 0. 12 WZ (m'K)、体積熱容量が 0. 5 X 10⁶jZ (m³'K)となっている。

[0117] 保護膜 16の材料としては、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群力も選択され る材料であり、かつ、シリコンよりも高融点の材料を採用すればよい。ここでは、保護 膜 16は、例えば、シリコンよりも高融点の HfCにより形成されている。シリコンよりも高 融点の炭化物としては、 TaC、 HfC、 NbC、 ZrC、 TiC、 VC、 WC、 ThC、 SiCなどが 採用可能である。シリコンよりも高融点の窒化物としては、 HfN、 TiN、 TaN、 BN、 Si Nなどが採用可能である。シリコンよりも高融点のホウ化物としては、 HfB、 TaB、 Zr

3 4

B、 TiB、 NbB、 WB、 VB、 MoB、 CrBなどが採用可能である。シリコンよりも高融点 のシリサイドとしては、 WSi、 MoSi、 TiSiなどが採用可能である。発熱体 3の材料

2 2 2

については後述する。また、第 12実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の厚 さを 2 μ m、発熱体 3の厚さを 50nm、各パッド 14厚さを 0. 5 μ mとしている。これらの 厚さは一例であって、特に限定されるものではない。 [0118] 次に、第 12実施形態の圧力波発生装置の製造方法について説明する。まず、半 導体基板 1として用いるシリコン基板の第 2面 lb側に、陽極酸化処理時に用いる通 電用電極（図示せず)を形成する。その後、シリコン基板の第 1面 la側に、上記所定 領域に対応した部分が開孔された絶縁膜 25を形成し、シリコン基板の上記所定領域 を陽極酸化処理にて多孔質化する。それにより、多孔質シリコン層の熱絶縁層 2が形 成される。陽極酸化処理工程では、電解液として 55wt%のフッ化水素水溶液とエタ ノールとを 1： 1で混合した混合液を用い、シリコン基板を主構成とする被処理物を処 理槽中の電解液に浸漬する。通電用電極を陽極、シリコン基板の第 1面 la側に対向 配置された白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度の 電流を所定時間だけ流すことにより、多孔質シリコン層の熱絶縁層 2が形成される。

[0119] 半導体基板 1の第 1面 la側に熱絶縁層 2を形成した後、保護膜 16、発熱体 3、パッ ド 14を順に形成する。最後にダイシング工程を行い、圧力波発生装置が完成される 。なお、保護膜 16、発熱体 3及びパッド 14の各形成工程では、例えば、各種のスパ ッタ法、各種の蒸着法、各種の CVD法などによって膜形成を行えばよい。パター- ングは、例えば、リソグラフィ技術及びエッチング技術を適宜利用すればよい。

[0120] 次に、発熱体 3の材料について検討した結果について説明する。図 27に示す圧力 波発生装置に関して、発熱体 3のうち圧力波を発生する部分の平面サイズ (以下、単 に平面サイズとする）を 20mm X 20mmとし、発熱体 3の材料として、下記表 1に示し た金属材料のうち Au、 Pt、 Mo、 Ir、 Wをそれぞれ用いた圧力波発生装置を試作し た。ただし、 Auを用いた圧力波発生装置については、発熱体 3を熱絶縁層 2上の 10 nmのクロム膜と当該クロム膜上の 40nmの金膜とで構成して、 Pt、 Mo、 Ir、 Wをそれ ぞれ用いた圧力波発生装置では、発熱体 3を厚さが 50nmで単一の金属材料の金 属薄膜により構成した。なお、表 2の各数値は、日本金属学会編「金属データブック」 (丸善株式会社、 1984年 1月 30日発行、改訂 2版）に基づく値である。

[0121] [表 2] 材料 «点 熱伝 比熱 比抵 謹 引張 耐カ 伸び 硬さ ヤン 刚性 導率 張係 強さ グ率 率

数

w 3355 159 134 5.65 0.045 566 539 2 360HV 403 o 2605 138 247 5.2 0.051 S0 441 50 160HV 327 121

A 1 635 238 900 2.66 0.237 47 11.7 60 17HV 76 26

C u 1058 394 385 1.67 0.162 213 68.7 50 40HR 136

N i 1428 32.9 435 6.84 0.53 316 58.8 30 60HV 205 77

T a 2965 54.0 138 12.5 0-066 206 177 40 70Hv 181

T i 1655 15.0 519 55.0 0.0S9 233 137 54 60Hv 114

I r 2418 143 130 5.3 0.06S 204 6 200HV 570 230

A g 936 419 234 1.59 0.193 125 53,9 48 26Hv 101 31

P t 1744 72.0 134 10.6 0.09 127 24.5 37 39Hv 70

A u 1038 293 126 2.35 0.142 130 45 25HB 86 30

R h 1935 150 243 0.082 686 5 120HV 379

P d 1627 72.0 243 0.018 171 34.3 30 38Hv 121

u 2225 105 0,091 490 363 3 350Hv 438 170

O s 3020 87.0 0.047 350Hv ただし、 融点の単位は〔で〕、 熱伝導率の単位は 〔W/ (m - K ] > 比熱の単位は〔J / ( k g · K)〕、 比 ¾ίίの単位は 〔《Ω■ c m〕、 熱膨張係数の単位は 〔X 1 0 - K), 引張強さの単位 は ( /mm²L 酎力の単位は （NZnim²:), #びの単位は 〔％〕、 ヤング率の単位は 〔G P a〕、 剛性率の単位は 〔G P a〕 である。

[0122] 試作した各圧力波発生装置について、発熱体 3への入力電力を種々変化させたと きの出力音圧を測定した結果を図 28に示す。図 28において、横軸は、周波数が 30 kHzの正弦波の電圧を入力としてピーク値を種々変化させた場合の入力電力のピー ク値 (最大入力）を示し、縦軸は、発熱体 3の表面から 30cmだけ離れた位置で測定 した周波数が 60kHzの超音波の音圧（出力音圧）を示す。

[0123] ここで、発熱体 3の材料を、 AuZCr、 Pt、 Mo、 Ir、 Wとした場合、最大出力音圧は 、それぞれ、 48Pa、 150Pa、 236Pa、 226Pa、 264Paであった。

[0124] 上述の結果をまとめると下記表 2のようになる。表 2には、平面サイズを 5mm X 5m mにしたと仮定した場合の最大出力音圧の換算値も併せて表示している。

[0125] [表 3]

[0126] 表 3力ら、発熱体 3の材料として、 Pt、 Mo、 Ir及び Wのいずれかを用いることにより 発熱体 3の材料として金を用いる場合に比べて、耐破壊電力が高くなり、高出力化す ることが可會であることがゎカゝる。

[0127] ところで、圧力波発生装置力も発生される圧力波の指向性を抑えて、広い領域に 超音波を放出させるには、上記平面サイズを小さくする必要がある。一方、発生音圧 は上記平面サイズに比例するので、上記平面サイズを小さくしすぎると、音圧の絶対 量が小さくなつてしまう。

[0128] 音源カゝら発生された圧力波であって、対象物にて反射された反射波を検出して、対 象物までの距離や方向を検出しょうとすると、最低でも数 Pa程度の音圧が必要であ る。例えば、感度が数 mVZPaのディテクタを用いて反射波を検出するには、最低で も 8Pa程度の音圧が得られる圧力波を音源力も出力させる必要がある。

[0129] 表 2からわ力るように、発熱体 3の材料として、 Pt、 Mo、 Ir、 Wを採用した圧力波発 生装置では、上記平面サイズを 5mm X 5mmとしても、 8Paを超える音圧が得られる 。本発明者らは、上記表 1の各物理的性質について、 Pt、 Mo、 Ir、 Wと Auとの相対 的な大小関係を比較した結果、 Pt、 Mo、 Ir、 Wの全てについて Auとの大小関係が 同じになる物理的性質として、ヤング率が挙げられるという知見を得た。すなわち、 Pt 、 Mo、 Ir、 Wの各ヤング率は、いずれも Auのヤング率よりも高い値であり、 Auのヤン グ率が 88GPaであるのに対して、 Pt、 Mo、 Ir、 Wのヤング率はそれぞれ、 170GPa 、 327GPa、 570GPa、 403GPaである。従って、発熱体 3の材料として、 Ptのヤング 率である 170GPa以上のヤング率を有する金属材料を用 V、ることにより、発熱体 3の 材料として Auを採用する場合に比べて、耐破壊電力を高くすることができ、高出力 化することが可能となる。

[0130] また、従来から JIS規格 (JIS C 2524)において「電熱線及び帯の寿命試験方法」 が規格化されており、この規格では、寿命試験を定格の 1. 2倍の出力で行うことが記 載されている。この寿命試験方法に準拠すれば、圧力波発生装置の音圧の定格を 8 Paとした場合、音圧を 9. 6Paとして寿命試験を行う必要がある。上記平面サイズが 5 mm X 5mmの圧力波発生装置についてみれば、最大出力音圧が 9. 6Paよりも大き な圧力波発生装置における発熱体 3の材料は、 Mo、 Ir、 Wであり、上記表 1から、 M o、 Ir、 Wの全てについて Ptとの大小関係が同じになる物理的性質として硬さ（ここで は、ビッカース硬度）が挙げられるという知見を得た。すなわち、 Mo、 Ir、 Wの各ビッ カース硬度は、いずれも Ptのビッカース硬度よりも高い値であり、 Ptのビッカース硬度 力 S39Hvであるのに対して、 Mo、 Ir、 Wのビッカース硬度はそれぞれ、 160Hv、 200 Hv、 360Ηνである。従って、発熱体 3の材料として、ヤング率が 170GPa以上であり 、かつ、ビッカース硬度が 160Hv以上の金属材料を用いることにより、発熱体 3の材 料として Au、 Ptを採用する場合に比べて、耐破壊電力を高くすることができ、高出力 化及び信頼性の向上が可能となる。

[0131] ここで、 Mo、 Ir、 Wのうち、最大出力音圧が最小であった Irを用いた圧力波発生装 置と、最大であった Wを用いた圧力波発生装置について、初期駆動時の音圧を 12P aとして、数サンプルの寿命試験を行った。その結果を図 29に示す。図 29において、 横軸は駆動回数を示し、縦軸は音圧（出力音圧)を示す。図中、曲線 al〜a5は、発 熱体 3の金属材料として Irを用いたサンプルの連続駆動寿命特性を示し、曲線 bl〜 b3は、発熱体 3の金属材料として Wを用いたサンプルの寿命特性を示す。なお、図 2 9中の下向きの矢印は、曲線 bl〜b3において、圧力波発せ装置が破損したタイミン グを示す。

[0132] 図 29によれば、寿命特性で比較すれば、最大出力音圧が大きな Wを用いた圧力 波発生装置では最大駆動回数が 8000万回であったのに対して、 Irを用いた圧力波 発生装置では全てのサンプルについて 3億回駆動しても発熱体 3が断線せず音圧が 安定していることがわかる。すなわち、最大出力音圧が大きな Wを用いた圧力波発生 装置に比べて、 Irを用いた圧力波発生装置の方が、はるかに連続駆動寿命特性が 優れている。

[0133] 圧力波発生装置の駆動条件として種々の条件が考えられるが、例えば、 1秒間に 1 回、昼夜を問わず連続駆動するような製品の寿命を 10年とすると、 3億回程度の駆 動回数保証が必要となる。ここで、上述の Wを用いた圧力波発生装置では 8000万 回程度しか駆動できな力つたのに対して、 Irを用いた圧力波発生装置では、全ての サンプルにつ 、て 3億 6000万回まで駆動しても断線しな 、ことが確認されて 、る。連 続駆動寿命特性に関して、発熱体 3の材料として Irを用いた圧力波発生装置の方が Wを用いた圧力波発生装置に比べて優れている要因としては、 Wは高融点金属で はあるものの数百。 Cで酸ィ匕が起こりやすいのに対して、 Irは貴金属であり、 Wに比べ て耐酸化性が高ぐ発熱体 3の酸化を防止されることが考えられる。

[0134] なお、第 12実施形態の圧力波発生装置では、半導体基板 1の第 1面 la側に上述 の保護膜 16が設けられているので、熱絶縁層 2の酸ィ匕を防止することができる。その ため、熱絶縁層 2の酸ィ匕による出力低下を防止することができると共に、信頼性を向 上させることができる。保護膜 16の材料として、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイ ドの群力 選択される材料のうちシリコンよりも高融点の材料を用いることにより、保護 膜 16を、スパッタ法、蒸着法、 CVD法などの半導体製造プロセスで利用される一般 的な薄膜形成法により形成することができる。

[0135] 図 27に示す構成例では、半導体基板 1の第 1面 la側において、発熱体 3の全周を 囲むように保護膜 16を形成したが、図 30A〜30Cに示すように、半導体基板 1の第 1 面 la側において、発熱体 3の両短辺近傍と絶縁膜 25との間にパッド 14の一部を介 在させ、発熱体 3の周囲であってパッド 14が形成されていない領域にのみ保護膜 16 を形成するようにしてもよい。この場合、各パッド 14の一部及び保護膜 16により熱絶 縁層 2の酸ィ匕を防止することができる。

[0136] (第 13実施形態）

次に、本発明の第 13実施形態について説明する。第 13実施形態の圧力波発生装 置は、図 31A及び 31Bに示すように、単結晶のシリコン基板の半導体基板 1の一表 面 (第 1面） la側に熱絶縁層 2が形成され、さらに熱絶縁層 2を覆うように酸ィ匕防止層 35が形成されている。金属膜の発熱体 3は、酸化防止層 35の上に形成されている。 一対のパッド 14は、半導体基板 1の第 1面 la、酸化防止層 35及び発熱体 3の両側 部近傍にそれぞれと接する形で形成されている。図 31Aにおける酸ィ匕防止層 35の 長辺及び短辺の長さは、それぞれ熱絶縁層 2の長辺及び短の長さよりも大きく設定さ れているので、熱絶縁層 2において発熱体 3が積層されていない領域の表面は、酸 化防止層 35により覆われている。

[0137] 発熱体 3は、高融点金属の一種であるタングステンにより形成されている。発熱体 3 の熱伝導率は 174WZ (m'K)、体積熱容量は 2. 5 X 10⁶jZ (m³'K)である。発熱 体 3の材料はタングステンに限られず、シリコンよりも高融点の金属であればよぐ例 えば、タンタル、モリブデン、イリジウムなどを用いることができる。

[0138] 酸ィ匕防止層 35の材料としては、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群力も選 択される材料であり、かつ、シリコンよりも高融点の材料を採用すればよい。ここでは、 酸化防止層 35は、例えば、シリコンよりも高融点の HfCにより形成されている。シリコ ンよりも高融点の炭化物としては、 TaC、 HfC、 NbC、 ZrC、 TiC、 VC、 WC、 ThC、 SiCなどが採用可能である。シリコンよりも高融点の窒化物としては、 HfN、 TiN、 Ta N、 BN、 Si Nなどが採用可能である。シリコンよりも高融点のホウ化物としては、 Hf

3 4

B、 TaB、 ZrB、 TiB、 NbB、 WB、 VB、 MoB、 CrBなどが採用可能である。シリコンよ りも高融点のシリサイドとしては、 WSi、 MoSi、 TiSiなどが採用可能である。

[0139] なお、第 13実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の形成前のシリコン基板 の厚さを 525 μ m、熱絶縁層 2の厚さを 2 μ m、発熱体 3の厚さを 50nm、各パッド 14 の厚さを 0. 5 m、酸化防止層 35の厚さを 50nmとしている。なお、これらの厚さは 一例であり、特に限定されるものではない。

[0140] 以下、第 13実施形態の圧力波発生装置の製造方法はについて説明する。まず、 半導体基板 1として用いるシリコン基板の第 2面 lb側に、陽極酸化処理時に用いる 通電用電極（図示せず)を形成する。その後、シリコン基板の第 1面 la側に、上記所 定領域に対応した部分が開孔された絶縁膜 25を形成し、シリコン基板の上記所定領 域を陽極酸化処理にて多孔質化する。それにより、多孔質シリコン層の熱絶縁層 2が 形成される。陽極酸化処理工程では、電解液として 55wt%のフッ化水素水溶液とェ タノールとを 1： 1で混合した混合液を用い、シリコン基板を主構成とする被処理物を 処理槽中の電解液に浸漬する。通電用電極を陽極、シリコン基板の第 1面 la側に対 向配置された白金電極を陰極として、電源から陽極と陰極との間に所定の電流密度 の電流を所定時間だけ流すことにより、多孔質シリコン層の熱絶縁層 2が形成される

[0141] 半導体基板 1の第 1面 la側に熱絶縁層 2を形成した後、酸化防止層 35、発熱体 3 、パッド 14を順に形成する。最後にダイシング工程を行い、圧力波発生装置が完成 される。なお、保護膜 16、発熱体 3及びパッド 14の各形成工程では、例えば、各種 のスパッタ法、各種の蒸着法、各種の CVD法などによって膜形成を行えばよい。 ターニングは、例えば、リソグラフィ技術及びエッチング技術を適宜利用すればよい。

[0142] 第 13実施形態の圧力波発生装置の比較例として、図 31A及び 31Bに示す構造か ら酸ィ匕防止層 35を除いた圧力波発生装置を試作した。そして、発熱体 3への入力電 力を種々変化させて、出力音圧及び発熱体 3の温度それぞれを測定した。その結果 を図 32に示す。図 32において、横軸は、周波数が 30kHzの正弦波の電圧を入力と してピーク値を種々変化させた場合の入力電力のピーク値を示す。左側の縦軸は、 発熱体 3の表面から 30cmだけ離れた位置で測定した周波数が 60kHzの超音波の 音圧（出力音圧)を示す。右側の縦軸は、発熱体 3の表面の温度を示す。図中、曲線 Cは音圧の変化を示し、曲線 Dは発熱体 3の温度の変化を示す。

[0143] 図 32からわ力るように、発熱体 3への入力電力の増加に伴って音圧及び発熱体 3 の温度が上昇する傾向にある。 15Pa程度の音圧を得るには、発熱体 3の温度を 400 °C程度まで上昇させる必要があり、 30Pa程度の音圧を得るには発熱体 3の温度を 1 000°C以上の高温に上昇させる必要がある。し力しながら、この比較例のように多孔 質シリコン層の熱絶縁層 2の一部の表面が露出している構造では、発熱体 3の温度 力 00°C程度になると、空気中で熱絶縁層 2の酸化が起こり始め、熱絶縁層 2の体積 熱容量が増加する。一般的に、多孔質シリコン層は、同じ厚さのバルタのシリコンに 比べて表面積が大きぐ非常に活性であるため、空気中で酸化されやすい。そのた め、発熱体 3の熱により加熱されると、熱絶縁層 2の酸化がより加速すると考えられる

[0144] これに対して、第 13実施形態の圧力波発生装置では、熱絶縁層 2の酸化を防止す るために酸化防止層 35を発熱体 3と熱絶縁層 2との間に介在させ、熱絶縁層 2にお Vヽて発熱体 3が積層されて 、な 、部分の表面が露出されな 、ようにして 、る。ここで、 酸化防止層 35を構成する高融点膜の膜厚 (厚さ）が厚すぎると、酸化防止層 35の体 積熱容量が大きくなりすぎて、熱絶縁層 2の機能が発揮されなくなり、圧力波発生装 置の出力が低下してしまう。第 13実施形態では、酸化防止層 35として許容される高 融点膜の膜厚を、熱伝導率及び体積熱容量と発熱体 3に通電される電気入力の波 形とで決まる熱拡散長 L以下に設定している。熱拡散長 Lは、第 2実施形態で述べた 式 2により導出される。 [0145] 第 13実施形態の圧力波発生装置から超音波を発生させる場合の数値例について 説明する。酸ィ匕防止層 35の材料力 ¾fCの場合、周波数 fが 20kHzのとき (すなわち 、周波数が 20kHzの超音波を発生させるとき）には、熱拡散長 L = 11 mとなるので 、酸ィ匕防止層 35の厚さを 11 /z m以下にすればよい。また、周波数 fが 100kHzのとき (すなわち、周波数が 100kHzの超音波を発生させるとき）には、熱拡散長 Lが 5. 1 μ mとなるので、酸ィ匕防止層 35の厚さを 5. 1 μ m以下にすればよい。第 13実施形 態では、上述のように酸ィ匕防止層 35の材料として HfCを採用し、酸化防止層 35の厚 さを 50nmに設定している。

[0146] 酸ィ匕防止層 35が TaNの場合、周波数 fが 20kHzのときには、熱拡散長 L = 5. 9 μ mとなるので、酸ィ匕防止層 35の厚さを 5. 以下にすればよい。また、周波数 fが 100kHzのときには、熱拡散長 Lが 2. 6 mとなるので、酸化防止層 35の厚さを 2. 6 m以下にすればよい。

[0147] このように、第 13実施形態の圧力波発生装置では、発熱体 3と多孔質シリコン層の 熱絶縁層 2との間に熱絶縁層 2の酸ィ匕を防止するための酸ィ匕防止層 35を介在させ ているので、発熱体 3が高温になる場合であっても、多孔質シリコン層の熱絶縁層 2 の酸ィ匕を防止することができ、多孔質シリコン層の酸ィ匕による出力低下を防止するこ とができる。また、発熱体 3がシリコンよりも高融点の金属により形成されると共に、酸 化防止層 35がシリコンよりも高融点の材料により形成されているので、発熱体 3の温 度をシリコンの最高使用可能温度まで上昇させることができる（シリコンの融点は 141 0°C) oそのため、発熱体 3をアルミニウムなどの比較的低融点の金属材料により形成 する場合に比べて高出力化することができる。さらに、酸ィ匕防止層 35の膜厚を上述 の熱拡散長 L以下としているので、酸ィ匕防止層 35を設けたことによる出力の低下を 抑帘 Uすることができる。

[0148] なお、酸ィ匕防止層 35の材料として、上述の炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイド のいずれかを採用することにより、酸ィ匕防止層 35を、スパッタ法、蒸着法、 CVD法な どの半導体製造プロセスで利用される一般的な薄膜形成法により形成することができ る。

[0149] (第 14実施形態） 次に、本発明の第 14実施形態について説明する。第 14実施形態の圧力波発生装 置は、図 33A及び 33Bに示すように、単結晶のシリコン基板の半導体基板 1の一表 面 (第 1面） la側に熱絶縁層 2が形成され、さらに熱絶縁層 2の上に金属膜の発熱体 3が形成されている。さらに、発熱体 3及び熱絶縁層 2のうち発熱体 3が形成されてい ない領域を覆うように酸ィ匕防止層 35が形成されている。一対のパッド 14は、半導体 基板 1の第 1面 la、発熱体 3の両側部近傍及び酸ィ匕防止層 35にそれぞれと接する 形で形成されている。すなわち、図 31A及び 31Bに示す上記第 13実施形態の圧力 波発生装置と比較して、酸ィ匕防止層 35が発熱体 3の上に形成されている点が異なる 。その他は、第 13実施形態の圧力波発生装置と同様である。

[0150] 前述のように、 15Pa程度の音圧を得るには発熱体 3の温度を 400°C程度まで上昇 させる必要があり、 30Pa程度の音圧を得るには発熱体 3の温度を 1000°C以上の高 温まで上昇させる必要がある。しかしながら、発熱体 3の表面が露出している構造で は、発熱体 3の温度が 400°C程度になると、空気中で酸化が起こり始め、発熱体 3の 抵抗値が増力 tlしてしまう。これに対して、第 14実施形態の圧力波発生素子では、シリ コンよりも高融点の材料により形成された高融点膜の酸ィ匕防止層 35を発熱体 3の表 面に設けているので、発熱体 3の温度が 400°C以上の高温になったとしても、発熱体 3が酸化されることはなぐ発熱体 3の抵抗値及び体積熱容量を長期間にわたって一 定に維持することができる。

[0151] また、図 34Aに示すように、発熱体 3、熱絶縁層 2及び酸化防止層 35のいずれの 平面形状も長方形状となっているが、酸化防止層 35の長辺及び短辺の長さを熱絶 縁層 2の長辺及び短辺の長さよりも大きく設定してあるので、熱絶縁層 2のうち発熱体 3が形成されて ヽな 、領域の表面が酸ィ匕防止層 35により覆われて 、る。そのため、 酸ィ匕防止層 35によって熱絶縁層 2の酸化も防止することができ、熱絶縁層 2の酸ィ匕 による熱絶縁層 2の熱容量増加に起因した出力低下を防止することができる。

[0152] なお、図 34A及び 34Bに示すように、各パッド 14の一部も酸化防止層 35により覆 われるように構成しても同様の効果が得られる。

[0153] (その他の変形例）

上記各実施形態では、半導体基板 1の材料として Siを用いたが、半導体基板 1の 材料は Siに限られず、例えば、 Ge, SiC, GaP, GaAs, InPなどの陽極酸化処理に よる多孔質ィ匕が可能な他の半導体材料でもよ ヽ。

[0154] また、各実施形態では、圧力波発生装置の発熱体 3に対して、例えば、正弦波や 方形波などの周期的に波形が変化する電気入力を供給する場合について説明した 力 本発明はこれに限られるものではなぐ発熱体 3へ与える電気的な入力の波形を 孤立波とすれば、圧力波として単パルス的な粗密波 (インパルス音波）を発生させる ことができる。

[0155] 本願は日本国特許出願 2004— 134312、 2004—134313、 2004—188785、 2 004—188790、 2004— 188791及び 2004— 280417【こ基づ!/ヽており、その内容 は、上記特許出願の明細書及び図面を参照することによって結果的に本願発明に 合体されるべきものである。

[0156] また、本願発明は、添付した図面を参照した実施の形態により十分に記載されてい るけれども、さまざまな変更や変形が可能であることは、この分野の通常の知識を有 するものにとって明らかであろう。それゆえ、そのような変更及び変形は、本願発明の 範囲を逸脱するものではなぐ本願発明の範囲に含まれると解釈されるべきである。

Claims

請求の範囲

[1] 1. 基板と、基板の厚さ方向の一表面に形成された多孔体の熱絶縁層と、熱絶縁層 上に形成された薄膜の発熱体とを備え、発熱体への電気入力の波形に応じて発熱 体の温度が変化し、発熱体と媒体との間の熱交換により圧力波を発生させる圧力波 発生装置であって、

熱絶縁層の幅方向の中央部の厚さを基準厚さとして、前記幅方向における熱絶縁 層の厚さの分布を前記基準厚さで平均化したと仮定して、熱絶縁層の外周部におけ る多孔度が、中央部における多孔度よりも小さくなつていることを特徴とする圧力波発 生装置。

[2] 2. 請求項 1の圧力波発生装置において、

熱絶縁層の外周部における厚さが中央部における厚さよりも小さくなつていることを 特徴とする。

[3] 3. 請求項 1又は 2の圧力波発生装置において、

熱絶縁層の外周部における単位体積あたりの多孔度が中央部における単位体積 あたりの多孔度よりも小さくなつていることを特徴とする。

[4] 4. 請求項 1乃至 3のいずれかに記載の圧力波発生装置において、

基板の厚さ方向の一表面から基板の内側に向けて熱絶縁層の幅方向の中央部の 基準厚さで規定した幅方向の範囲内において、発熱体の外周よりも内側部分の厚さ 方向の平均熱伝導率を a in、平均体積熱容量を Cinとし、発熱体の外周よりも外側部 分の厚さ方向の平均熱伝導率を _a out,平均体積熱容量を Coutとして、

a in X Cin< out X Cout

の条件を満足し、かつ、前記内側部分と前記外側部分との境界付近では a in X Cin の値が外側ほど大きくなつていることを特徴とする。

[5] 5. 請求項 4の圧力波発生装置において、

a in X Cinの値が変化する領域の境界を、発熱体の外周と略一致させ、又は発熱 体の外周よりも内側に位置させていることを特徴とする。

[6] 6. 請求項 4の圧力波発生装置において、

a in X Cinの値が変化する領域にお 、て、熱絶縁層を形成する材料自体の熱伝導 率と熱容量との少なくとも一方を外側に向力つて大きくなるように連続的に変化させた ことを特徴とする。

[7] 7. 請求項 1の圧力波発生装置において、

発熱体の外周部に接するように形成された熱絶縁層よりも熱伝導率の高い材料で 形成された温度勾配緩和部を設けたことを特徴とする。

[8] 8. 請求項 1の圧力波発生装置において、

基板の厚さ方向において、熱絶縁層の基板に近い部分の多孔度が、発熱体に近 V、部分の多孔度よりも小さ!/、ことを特徴とする。

[9] 9. 請求項 8の圧力波発生装置において、

基板の厚さ方向において、熱絶縁層は、発熱体側に形成された高多孔度層と、基 板側に形成された低多孔度層を有し、

高多孔度層の厚さが、高多孔度層の熱伝導率と体積熱容量及び発熱体への電気 入力の波形により決定される熱拡散長の値以上に設定されていることを特徴とする。

[10] 10. 請求項 1の圧力波発生装置において、

170GPa以上のヤング率を有する材料を用いて発熱体を形成したことを特徴とする

[11] 11. 請求項 1の圧力波発生装置において、

160Hv以上のビッカース硬度を有する材料を用いて発熱体を形成したことを特徴 とする。

[12] 12. 請求項 10又は 11の圧力波発生装置において、

発熱体の材料が貴金属であることを特徴とする。

[13] 13. 請求項 1の圧力波発生装置において、

発熱体と熱絶縁層の間に、熱絶縁層の酸化を防止するための酸化防止層が形成 されていることを特徴とする。

[14] 14. 請求項 1の圧力波発生装置において、

熱絶縁層が基板の一表面側の所定の領域に形成されると共に、発熱体が熱絶縁 層上で熱絶縁層の外周よりも内側に形成され、少なくとも熱絶縁層のうち発熱体が形 成されていない部分の表面に、熱絶縁層の酸ィ匕を防止するための酸ィ匕防止層が形 成されて!/ヽることを特徴とする。

[15] 15. 請求項 1の圧力波発生装置において、

少なくとも発熱体の表面に、発熱体の酸化を防止するための酸化防止層が形成さ れていることを特徴とする。

[16] 16. 請求項 13〜15のいずれかの圧力波発生装置において、

酸化防止層の厚さが、酸化防止層の熱伝導率及び体積熱容量と発熱体への電気 入力の波形で決定される熱拡散長以下であることを特徴とする。

[17] 17. 請求項 13〜15のいずれかの圧力波発生装置において、

酸化防止層が、炭化物、窒化物、ホウ化物、シリサイドの群力 選択されるいずれ かの材料により形成されて 、ることを特徴とする。

[18] 18. 基板として半導体基板を用い、半導体基板の厚さ方向の一表面側における熱 絶縁層を形成する予定の領域を陽極酸化処理にて多孔質化することにより、多孔質 半導体層の熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成工程と、熱絶縁層形成工程の後、半 導体基板の前記一表面側に発熱体を形成する発熱体形成工程を備え、

熱絶縁層形成工程において、半導体基板の厚さ方向の他表面に、形成されるべき 熱絶縁層の大きさよりも小さい通電用電極を、発熱体を形成する予定の領域に対応 するように形成し、通電用電極を陽極として陽極酸化処理を行うことを特徴とする圧 力波発生装置の製造方法。

[19] 19. 基板として n形の半導体基板を用い、半導体基板の厚さ方向の一表面側の所 定領域を、厚さ方向の他表面に形成した通電用電極を陽極として陽極酸化処理を行 うことによって多孔質化し、多孔質半導体層の熱絶縁層を形成する熱絶縁層形成ェ 程と、熱絶縁層形成工程の後、半導体基板の前記一表面側に発熱体を形成する発 熱体形成工程を備え、

熱絶縁層形成工程において、前記位置表面上の所定領域における外周部に照射 される光の強度が中央部に照射される光の強度よりも小さくなるように、前記所定領 域の表面へ光を照射しながら陽極酸ィ匕処理を行うことを特徴とする圧力波発生装置 の製造方法。

[20] 20. 基板として半導体基板を用い、半導体基板の厚さ方向の一表面側における熱 絶縁層を形成する予定の領域に、その外周部の比抵抗が中央部の比抵抗に比べて 小さくなるような不純物濃度分布を有する不純物ドーピング領域を形成するドーピン グ工程と、

半導体基板の厚さ方向の他表面に形成した通電用電を陽極として、不純物ドーピ ング領域に陽極酸化処理を行うことによって多孔質化し、多孔質半導体層の熱絶縁 層を形成する熱絶縁層形成工程と、

熱絶縁層形成工程の後、半導体基板の前記一表面側に発熱体を形成する発熱体 形成工程を備えることを特徴とする圧力波発生装置の製造方法。