(57)【要約】【課題】基板に反りが発生してもメンブレンが破損しにくい超音波装置を提供する。【解決手段】超音波装置１は、厚さ方向に貫通した開口部５を有する基板２と、基板２上に形成され、開口部５の天面部を区画する可動膜３ａを有するメンブレン３と、メンブレン３における開口部５側とは反対側の表面に形成された下部電極１１と、下部電極１１におけるメンブレン３側とは反対側の表面に形成された圧電体膜１２と、圧電体膜１２における下部電極１１側とは反対側の表面に形成された上部電極１３とを含む。メンブレン３の可動膜３ａは、開口部５から下部電極１１に向かう方向に凸となるように撓んだ形状を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
厚さ方向に貫通した開口部を有する基板と、
前記基板上に形成され、前記開口部の天面部を区画する可動膜を有するメンブレンと、
前記メンブレンにおける前記開口部側とは反対側の表面に形成された下部電極と、
前記下部電極における前記メンブレン側とは反対側の表面に形成された圧電体膜と、
前記圧電体膜における下部電極側とは反対側の表面に形成された上部電極とを含み、
前記メンブレンの可動膜は、前記開口部から前記下部電極に向かう方向に凸となるように撓んだ形状を有する、超音波装置。
【請求項２】
前記メンブレンの単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ１およびｔ１とし、前記下部電極の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ２およびｔ２とし、前記圧電体膜の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ３およびｔ３とし、前記上部電極の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ４およびｔ４とし、前記内部応力は、引っ張り応力を正、圧縮応力を負として表されるものとすると、σ１〜σ４およびｔ１〜ｔ４が次式（ａ）を満たしている、請求項１に記載の超音波装置。
ｔ１・σ１＋ｔ２・σ２＋ｔ３・σ３＋ｔ４・σ４＜０      …（ａ）
【請求項３】
前記メンブレンおよび前記上部電極が圧縮応力を有し、前記下部電極および前記圧電体膜が引っ張り応力を有している、請求項２に記載の超音波装置。
【請求項４】
前記下部電極は、前記メンブレンの表面に形成されたＴｉ膜と、前記Ｔｉ膜上に形成されたＰｔ膜とするＴｉ／Ｐｔ積層膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波装置。
【請求項５】
前記下部電極は、ＩｒＯｘ膜、Ｉｒ膜、Ｔｉ膜およびＰｔ膜が、前記メンブレン側からその順に積層されたＩｒＯｘ／Ｉｒ／Ｔｉ／Ｐｔ積層膜である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波装置。
【請求項６】
前記圧電体膜は、Ｐｂ、ＴｉおよびＺｒを含む強誘電性酸化物からなる、請求項４または５に記載の超音波装置。
【請求項７】
前記上部電極は、ＩｒＯｘ膜およびＩｒ膜が、前記圧電体膜側からその順に積層されたＩｒＯｘ／Ｉｒ積層膜である、請求項６に記載の超音波装置。
【請求項８】
前記メンブレンは、ＳｉＯ２である、請求項７に記載の超音波装置。
【請求項９】
前記メンブレンは、ＳｉＮ膜またはＡｌ２Ｏ３膜からなる、請求項７に記載の超音波装置。
【請求項１０】
前記メンブレンは、ＡｌＮ膜からなる、請求項７に記載の超音波装置。
【請求項１１】
前記メンブレンの厚さ方向から見た平面視において、前記上部電極は、前記開口部よりも外方に拡がった周縁を有している、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の超音波装置。
【請求項１２】
前記平面視において、前記開口部は矩形状であり、前記上部電極は、前記開口とほぼ相似の矩形状で、前記開口部よりも外方に拡がった周縁を有する主電極部と、前記主電極の１辺の中央部から外方に延びた延長部とを有している、請求項１１に記載の超音波装置。
【請求項１３】
前記圧電体膜には、前記下部電極の一部を露出させるためのコンタクトホールが形成されている、請求項１２に記載の超音波装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、超音波受信装置、超音波送受信装置等の超音波装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
厚さ方向に貫通した開口部を有する基板と、開口部を覆うように基板上に形成されたメンブレンと、メンブレンにおける開口部側とは反対側の表面に形成された下部電極と、下部電極におけるメンブレン側とは反対側の表面に形成された圧電体膜と、圧電体膜における下部電極側とは反対側の表面に形成された上部電極とを含む、超音波装置が知られている（下記特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１６−２２５４２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
前記特許文献１に記載の超音波装置では、温度変化等によって基板に反りが発生すると、メンブレンが引っ張られ、メンブレンが破損するおそれがある。
この発明は、基板に反りが発生してもメンブレンが破損しにくい超音波装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明による超音波装置は、厚さ方向に貫通した開口部を有する基板と、前記基板上に形成され、前記開口部の天面部を区画する可動膜を有するメンブレンと、前記メンブレンにおける前記開口部側とは反対側の表面に形成された下部電極と、前記下部電極における前記メンブレン側とは反対側の表面に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜における下部電極側とは反対側の表面に形成された上部電極とを含み、前記メンブレンの可動膜は、前記開口部から前記下部電極に向かう方向に凸となるように撓んだ形状を有する。
【０００６】
温度変化等によって基板に反りが発生すると、メンブレンの可動膜に引っ張り力が作用する。この構成では、メンブレンの可動膜は、開口部から下部電極に向かう方向に凸となるように撓んだ形状を有しているので、可動膜が撓みを有していない場合に比べて、その引っ張り力に対して可動膜は余裕をもって伸びることができる。これにより、可動膜が破損または損傷しにくくなる。
【０００７】
この発明の一実施形態では、前記メンブレンの単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ１およびｔ１とし、前記下部電極の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ２およびｔ２とし、前記圧電体膜の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ３およびｔ３とし、前記上部電極の単位厚さ当たりの内部応力および厚さをそれぞれσ４およびｔ４とし、前記内部応力は、引っ張り応力の符号を正、圧縮応力の符号を負として表されるものとすると、σ１〜σ４およびｔ１〜ｔ４が次式（ａ）を満たしている。
【０００８】
ｔ１・σ１＋ｔ２・σ２＋ｔ３・σ３＋ｔ４・σ４＜０      …（ａ）
この発明の一実施形態では、前記メンブレンおよび前記上部電極が圧縮応力を有し、前記下部電極および前記圧電体膜が引っ張り応力を有している。
この発明の一実施形態では、前記下部電極は、前記メンブレンの表面に形成されたＴｉ膜と、前記Ｔｉ膜上に形成されたＰｔ膜とするＴｉ／Ｐｔ積層膜である。
【０００９】
この発明の一実施形態では、前記下部電極は、ＩｒＯｘ膜、Ｉｒ膜、Ｔｉ膜およびＰｔ膜が、前記メンブレン側からその順に積層されたＩｒＯｘ／Ｉｒ／Ｔｉ／Ｐｔ積層膜である。
この発明の一実施形態では、前記圧電体膜は、Ｐｂ、ＴｉおよびＺｒを含む強誘電性酸化物からなる。
【００１０】
この発明の一実施形態では、前記上部電極は、ＩｒＯｘ膜およびＩｒ膜が、前記圧電体膜側からその順に積層されたＩｒＯｘ／Ｉｒ積層膜である。
この発明の一実施形態では、前記メンブレンは、ＳｉＯ２である。
この発明の一実施形態では、前記メンブレンは、ＳｉＮ膜またはＡｌ２Ｏ３膜からなる。
【００１１】
この発明の一実施形態では、前記メンブレンは、ＡｌＮ膜からなる。
この発明の一実施形態では、前記メンブレンの厚さ方向から見た平面視において、前記上部電極は、前記開口部よりも外方に拡がった周縁を有している。
この発明の一実施形態では、前記平面視において、前記開口部は矩形状であり、前記上部電極は、前記開口部よりも外方に拡がった周縁を有する矩形状の主電極部と、前記主電極の１辺の中央部から外方に延びた延長部とを有している。
【００１２】
この発明の一実施形態では、前記圧電体膜には、前記下部電極の一部を露出させるためのコンタクトホールが形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、この発明の一実施形態に係る超音波装置の図解的な平面図である。
【図２】図２は、図１のII-II線に沿う図解的な断面図である。
【図３】図３は、図１のIII-III線に沿う図解的な断面図である。
【図４】図４は、超音波装置の製造工程の一例を示す断面図である。
【図５】図５は、図４の次の工程を示す断面図である。
【図６】図６は、図５の次の工程を示す断面図である。
【図７】図７は、図６の次の工程を示す断面図である。
【図８】図８は、図７の次の工程を示す断面図である。
【図９】図９は、図８の次の工程を示す断面図である。
【図１０】図１０は、図９の次の工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下では、この発明の実施の形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、この発明の一実施形態に係る超音波装置の図解的な平面図である。図２は、図１のII-II線に沿う図解的な断面図である。図３は、図１のIII-III線に沿う図解的な断面図である。
超音波装置１は、表面２ａおよび裏面２ｂを有する基板２と、基板２の表面２ａに形成されたメンブレン（振動板）３と、メンブレン３における基板２側とは反対側の表面に形成された圧電素子４とを含む。
【００１５】
基板２は、扁平な直方体である。基板２は、この実施形態では、シリコン（Ｓｉ）基板からなる。基板２の中央部には、基板２を厚さ方向に貫通する開口部５が形成されている。この開口部５は、後述する圧電体膜１２が振動しやすくなるように形成されている。メンブレン３の厚さ方向から見た平面視において、開口部５は長方形状である。開口部５の４辺は、それぞれ基板２の４辺に平行である。
【００１６】
メンブレン３は、開口部５を覆うように基板２上に形成されている。メンブレン３における開口部５の天壁部分は、可動膜３ａを構成している。メンブレン３は、この実施形態では、シリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）からなる。メンブレン３は、ＳｉＮ膜、Ａｌ２Ｏ３膜、ＡｌＮ（アルミナイトライド）膜等から構成されていてもよい。メンブレン３の厚さは、例えば、シリコン酸化膜の場合１．４μｍ程度である。この明細書において、可動膜３ａとは、メンブレン３のうち開口部５の天面部を区画している天壁部を意味している。
【００１７】
圧電素子４は、メンブレン３における開口部５側とは反対側の表面に形成された下部電極１１と、下部電極１１におけるメンブレン３側とは反対側の表面に形成された圧電体膜１２と、圧電体膜１２における下部電極１１側とは反対側の表面に形成された上部電極１３とを含む。
下部電極１１は、メンブレン３の表面の全域に形成されている。下部電極１１は、この実施形態では、メンブレン３上に形成されたＴｉ（チタン）膜（例えば２０ｎｍ厚）と、Ｔｉ膜上に形成されたＰｔ（プラチナ）膜（例えば２００ｎｍ厚）とからなるＴｉ／Ｐｔ積層膜からなる。下部電極１１の厚さは、例えば、２２０ｎｍ程度である。下部電極１１は、例えば、ＩｒＯｘ（酸化イリジウム）膜と、Ｉｒ（イリジウム）膜と、Ｔｉ膜と、Ｐｔ膜とをメンブレン３側から順に積層したＩｒＯｘ／Ｉｒ／Ｔｉ／Ｐｔ積層膜から構成されてもよい。
【００１８】
圧電体膜１２は、下部電極１１の表面のほぼ全域に形成されている。圧電体膜１２には、平面視において、開口部５の１辺の中間部と基板２の対応する１辺の中間部との間位置に、長方形状の開口部１２ａが形成されている。この開口部１２ａは圧電体膜１２を厚さ方向に貫通しており、下部電極１１の表面の一部が開口部１２ａを介して露出している。この露出部分は、下部電極１１を外部に接続するためのパッド部１１ａを構成している。つまり、開口部１２ａは、第１電極１１にコンタクトをとるためのコンタクトホールである。圧電体膜１２は、この実施形態では、たとえば、ゾルゲル法またはスパッタ法によって形成されたＰＺＴ（ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３：チタン酸ジルコン酸鉛）膜からなる。このような圧電体膜１２は、金属酸化物結晶の焼結体からなる。圧電体膜１２の厚さは、例えば、１μｍ程度である。
【００１９】
上部電極１３は、圧電体膜１２上に形成されている。上部電極１３は、平面視において、基板２の中央部に対応した領域に形成されている。上部電極１３は、平面視において、開口部５よりも外方に拡がった周縁を有している。具体的には、上部電極１３は、平面視において、開口部５およびその周囲部を含む長方形状領域に形成された主電極部１３Ａと、主電極部１３Ａから圧電体膜１２の開口部１２ａ側に向かって延びた延長部１３Ｂとからなる。
【００２０】
主電極部１３Ａは、平面視において、基板２の開口部５の天面部とほぼ相似でかつ開口部５の天面部よりも大きい長方形状である。主電極部１３Ａの長手方向の長さは、開口部５の天面部の長手方向の長さよりも長く形成されている。主電極部１３Ａの短手方向に沿う両端縁は、開口部５の天面部の対応する両端縁に対して、それぞれ所定間隔をあけて外側に配置されている。また、主電極部１３Ａの短手方向の幅は、開口部５の天面部の短手方向の幅よりも長く形成されている。主電極部１３Ａの長手方向に沿う両側縁は、開口部５の天面部の対応する両側縁に対して、それぞれ所定間隔をあけて外側に配置されている。
【００２１】
延長部１３Ｂは、平面視において、主電極部１５Ａの両側縁のうち、圧電体膜１２の開口部１２ａ側の側縁の中央部から開口部１４ｂ近くまで延びている。延長部１３Ｂの先端部の表面は、上部電極１３を外部に接続するためのパッド部１３Ｂａを構成している。
上部電極１３は、この実施形態では、圧電体膜１２上に形成されたＩｒＯｘ（酸化イリジウム）膜と、ＩｒＯｘ膜上に形成されたＩｒ（イリジウム）膜との積層膜（ＩｒＯｘ／Ｉｒ積層膜）とからなる。ＩｒＯｘ膜の厚さは５０ｎｍ程度であり、Ｉｒ膜の厚さは５０ｎｍ程度である。つまり、上部電極１３の厚さは、１００ｎｍ程度である。
【００２２】
図２および図３に示すように、メンブレン３の可動膜３ａは、開口部５側から下部電極１１側に向かう方向（メンブレン３における下部電極１１側の表面が向く方向（上方向））に凸となるように撓んだ形状を有している。つまり、可動膜３ａは、その中央部の高さ位置がその周縁部の高さ位置よりも高くなるように撓んだ形状を有している。
このような可動膜３ａの形状は、メンブレン３、下部電極１１、圧電体膜１２および上部電極１３の内部応力および厚さを調整することによって得られる。この点について具体的に説明する。メンブレン３、下部電極１１、圧電体膜１２および上部電極１３の１μｍ当たりの内部応力を、それぞれσ１、σ２、σ３およびσ４（ＭＰａ）とする。ただし、これらの内部応力σ１〜σ４は、引っ張り応力を正、圧縮応力を負として表されるものとする。また、メンブレン３、下部電極１１、圧電体膜１２および上部電極１３の膜厚を、それぞれｔ１、ｔ２、ｔ３およびｔ４（μｍ）とする。σ１〜σ４およびｔ１〜ｔ４が次式（１）を満たすように、メンブレン３、下部電極１１、圧電体膜１２および上部電極１３の材料および膜厚を調整することにより、可動膜３ａが上方向に凸となるように撓んだ形状を有する超音波装置が得られる。
【００２３】
ｔ１・σ１＋ｔ２・σ２＋ｔ３・σ３＋ｔ４・σ４＜０      …（１）
この実施形態では、メンブレン３および上部電極１３が圧縮応力を有し、下部電極１１および圧電体膜１２が引っ張り応力を有しているため、σ１＜０，σ２＞０，σ３＞０，σ４＜０となる。
表１は、超音波装置１を構成するメンブレン３、下部電極１１、圧電体膜１２および上部電極１３の材料、内部応力（ＭＰａ）および膜厚（μｍ）の実施例を示している。
【００２４】
【表１】
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【００２５】
前述の超音波装置１は、超音波を送信しかつその反射を受信する超音波送受信装置、超音波を受信する超音波受信装置として用いることができる。
超音波装置１の送信は、下部電極１１および上部電極１３間に交流電圧を印可することにより行われる。つまり、両電極１１，１３間に交流電圧を印可すると、逆圧電効果によって圧電体膜１２が振動する。これにより、メンブレン３の可動膜３ａが振動し、その近傍にある空気が押し出されることにより、超音波が発生する。
【００２６】
超音波の受信は、超音波によって、下部電極１１および上部電極１３間に発生する電圧を検出することによって行われる。つまり、超音波を受けるとメンブレン３の可動膜３ａが振動し、圧電体膜１２が撓み、圧電効果によって圧電体膜１２の２つの表面間に電圧が発生する。この電圧が下部電極１１および上部電極１３を介して取り出されることにより、超音波の強度が検出される。超音波送受信装置では、超音波の送信と受信とが時分割的に行われる。
【００２７】
前述の実施形態では、メンブレン３の可動膜３ａは、開口部５から下部電極１１に向かう方向（上方向）に凸となるように撓んだ形状を有しているので、次のような利点がある。温度変化等によって基板２に反りが発生すると、メンブレン３の可動膜３ａに引っ張り力が作用する。前述の実施形態では、メンブレン３の可動膜３ａは、上方向に凸となるように撓んだ形状を有しているので、可動膜３ａが撓みを有していない場合に比べて、その引っ張り力に対して可動膜３ａは余裕をもって伸びることができる。これにより、可動膜３ａが破損または損傷しにくくなる。
【００２８】
図４〜図１０は、超音波装置１の製造工程の一例を示す断面図であり、図２に対応する切断面を示す。図４〜図１０においては、説明の便宜上、メンブレン３等の撓みは表現されていない。
まず、図４に示すように、基板２の表面２ａの全面にメンブレン３が形成される。具体的には、スパッタ法によって、シリコン基板２の表面にＳｉＯ２膜（例えば１．４μｍ厚）が形成される。ただし、基板２としては、最終的な基板２の厚さより厚いものが用いられる。
【００２９】
次に、図５に示すように、スパッタ法によって、メンブレン３の表面の全面に、下部電極１１が形成される。下部電極１１は、メンブレン３上に形成されたＴｉ膜（例えば２０ｎｍ厚）と、Ｔｉ膜上に形成されたＰｔ膜（例えば２００ｎｍ厚）とからなるＴｉ／Ｐｔ積層膜からなる。
次に、図６に示すように、圧電体膜１２の材料膜である圧電体材料膜５２が下部電極膜５１の表面の全面に形成される。具体的には、例えばゾルゲル法によって、例えば１μｍ厚の圧電体材料膜５２が形成される。このような圧電体材料膜５２は、金属酸化物結晶粒の焼結体からなる。
【００３０】
次に、図７に示すように、スパッタ法によって、圧電体材料膜５２の表面の全面に、上部電極１３の材料膜である上部電極膜５３が形成される。上部電極膜５３は、例えば、圧電体材料膜５２上に形成されたＩｒＯ２膜（例えば５０ｎｍ厚）と、ＩｒＯ２膜上に形成されたＩｒ膜（例えば５０ｎｍ厚）との積層膜ＩｒＯ２／Ｉｒからなる。
次に、図８および図９に示すように、上部電極膜５３および圧電体材料膜５２のパターニングが行われる。まず、図８に示すように、フォトリソグラフィによって、上部電極膜５３のパターンのレジストマスク６１が形成される。そして、このレジストマスク６１をマスクとして、上部電極膜５３がドライエッチングされることにより、所定パターンの上部電極１３が形成される。これにより、主電極部１３Ａおよび延長部１３Ｂからなる上部電極膜１３が得られる。
【００３１】
次に、図９に示すように、レジストマスク６１が剥離された後、フォトリソグラフィによって、圧電体膜１２のパターンのレジストマスク６２が形成される。そして、このレジストマスク６２をマスクとして、圧電体材料膜５２がドライエッチングされることにより、所定パターンの圧電体膜１２が形成される。これにより、開口部１２ａを有する圧電体膜１２が得られる。
【００３２】
次に、図１０に示すように、レジストマスク６２が剥離された後、基板２の裏面２ｂに、フォトリソグラフィによって、開口部５に対応した開口６３ａを有するレジストマスク６３が形成される。そして、このレジストマスク６３をマスクとして、基板２が裏面からドライエッチングされることにより、基板２に開口部５が形成される。次に、レジストマスク６３が剥離された後、基板２が裏面２ｂから研磨されることにより、基板２が薄膜化される。例えば、初期状態で６２５μｍ厚程度の基板２が、３００μｍ厚程度に薄型化されてもよい。これにより、図１〜図３に示される超音波装置１が得られる。
【００３３】
この発明は、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。
【符号の説明】
【００３４】
１  超音波装置
２  基板
２ａ  表面
２ｂ  裏面
３  メンブレン
３ａ  可動膜
４  圧電素子
５  開口部
１１  下部電極
１１ａ  パッド部
１２  圧電体膜
１２ａ  開口部
１３  上部電極
１３Ａ  主電極部
１３Ｂ  延長部
１３Ｂａ  パッド部
５２  圧電体材料膜
５３  上部電極膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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