(57)【要約】【課題】感度の変動を抑制できる超音波センサを提供する。【解決手段】超音波センサ１は、開口部２１が形成された第１基板主面１５を有する基板１０と、基板１０の第１基板主面１５の上に形成され、開口部２１を閉塞する閉塞部２２を含む振動板１１と、平面視において、基板１０の開口部２１に全域が重なるように振動板１１の閉塞部２２の上に形成された下側電極層２３と、圧電体を含み、下側電極層２３の上に形成された中間層２４と、中間層２４の上に形成された上側電極層２５と、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部が形成された主面を有する基板と、
前記基板の前記主面の上に形成され、前記開口部を閉塞する閉塞部を含む振動板と、
前記基板の前記主面の法線方向から見た平面視において、前記基板の前記開口部に全域が重なるように前記振動板の前記閉塞部の上に形成された下側電極と、
圧電体を含み、前記下側電極の上に形成された中間層と、
前記中間層の上に形成された上側電極と、を含む、超音波センサ。
【請求項２】
前記下側電極に接続されるように前記中間層を貫通し、前記平面視において前記下側電極に対する接続部の全域が、前記基板の前記開口部に重なる下側パッド電極をさらに含む、請求項１に記載の超音波センサ。
【請求項３】
前記上側電極の上に形成された絶縁層と、
前記上側電極に接続されるように前記絶縁層を貫通し、前記平面視において前記上側電極の全域が、前記基板の前記開口部に重なる上側パッド電極と、をさらに含む、請求項１または２に記載の超音波センサ。
【請求項４】
前記中間層は、前記下側電極の上に形成された第１圧電体層、前記第１圧電体層の上に形成された中間電極、および、前記中間電極の上に形成された第２圧電体層を含む積層構造を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
【請求項５】
前記中間層は、前記下側電極の上に形成された第１圧電体層、前記第１圧電体層の上に形成された第１中間電極、前記第１中間電極の上に形成された第２圧電体層、前記第２圧電体層の上に形成された第２中間電極、および、前記第２中間電極の上に形成された第３圧電体層を含む積層構造を有している、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
【請求項６】
前記中間層は、前記下側電極の上に形成された圧電体層を含む単層構造からなる、請求項１〜３のいずれか一項に記載の超音波センサ。
【請求項７】
前記基板は、半導体基板からなる、請求項１〜６のいずれか一項に記載の超音波センサ。
【請求項８】
前記半導体基板は、シリコンを含む、請求項７に記載の超音波センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、超音波センサが開示されている。この超音波センサは、孔部が形成された基板を含む。基板の上には、第１酸化膜、窒化膜および第２酸化膜を含む絶縁性の積層膜が形成されている。この積層膜は、基板に形成された孔部を閉塞している。
積層膜の上には、下側電極、圧電体薄膜および上側電極を含む圧電振動子が形成されている。圧電振動子は、積層膜を挟んで基板の表面および基板の孔部に対向している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２９５４０６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
超音波センサの感度は、圧電体の誘電率εに対する圧電定数ｄの比で定義されるｇ定数（ｇ＝ｄ／ε）によって表現される。ｇ定数が高い程、超音波センサの感度が高い。
特許文献１に開示された従来の超音波センサでは、下側電極が絶縁性の積層膜を挟んで基板に対向している。そのため、寄生容量が、下側電極および基板の間の領域に形成される。その結果、ｇ定数を決定づける誘電率が、寄生容量に起因して変動する。つまり、従来の超音波センサでは、寄生容量に起因して感度が変動する可能性がある。
【０００５】
そこで、本発明の一実施形態は、感度の変動を抑制できる超音波センサを提供することを一つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、開口部が形成された主面を有する基板と、前記基板の前記主面の上に形成され、前記開口部を閉塞する閉塞部を含む振動板と、前記基板の前記主面の法線方向から見た平面視において、前記基板の前記開口部に全域が重なるように前記振動板の前記閉塞部の上に形成された下側電極と、圧電体を含み、前記下側電極の上に形成された中間層と、前記中間層の上に形成された上側電極と、を含む、超音波センサを提供する。
【０００７】
この超音波センサによれば、振動板の閉塞部の上に下側電極が形成されている。平面視において下側電極の全域は、振動板の閉塞部に重なっている。したがって、下側電極は、平面視において開口部の内壁面によって取り囲まれた領域内に配置されている。これにより、寄生容量が、下側電極および基板の主面の間の領域に形成されることを抑制できる。よって、寄生容量に起因する感度の変動を抑制できる超音波センサを提供できる。
【０００８】
前記超音波センサは、前記下側電極に接続されるように前記中間層を貫通し、前記平面視において前記下側電極に対する接続部の全域が、前記基板の前記開口部に重なる下側パッド電極をさらに含むことが好ましい。
この超音波センサによれば、下側電極に対する下側パッド電極の接続部を、平面視において開口部の内壁面によって取り囲まれた領域内に配置させることができる。これにより、寄生容量が、下側パッド電極の接続部および基板の主面の間の領域に形成されることを抑制できる。よって、寄生容量に起因する感度の変動を適切に抑制できる超音波センサを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサの平面図である。
【図２】図２は、図１に示すII-II線に沿う断面図である。
【図３】図３は、図１に示すIII-III線に沿う断面図である。
【図４】図４は、図２に示す領域IVの拡大図である。
【図５】図５は、図２に示す領域Vの拡大図である。
【図６Ａ】図６Ａは、図１に示す超音波センサの製造方法を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図６Ａの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図６Ｂの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｄ】図６Ｄは、図６Ｃの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｅ】図６Ｅは、図６Ｄの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｆ】図６Ｆは、図６Ｅの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｇ】図６Ｇは、図６Ｆの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｈ】図６Ｈは、図６Ｇの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｉ】図６Ｉは、図６Ｈの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｊ】図６Ｊは、図６Ｉの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｋ】図６Ｋは、図６Ｊの後の工程を示す断面図である。
【図６Ｌ】図６Ｌは、図６Ｋの後の工程を示す断面図である。
【図７】図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサの平面図である。
【図８】図８は、図７に示すVIII-VIII線に沿う断面図である。
【図９】図９は、図７に示すIX-IX線に沿う断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサの平面図である。
【図１１】図１１は、図１０に示すXI-XI線に沿う断面図である。
【図１２】図１２は、図１０に示すXII-XII線に沿う断面図である。
【図１３】図１３は、本発明の第４実施形態に係る超音波センサの平面図である。
【図１４】図１４は、図１３に示すXIV-XIV線に沿う断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る超音波センサ１の平面図である。図２は、図１に示すII-II線に沿う断面図である。図３は、図１に示すIII-III線に沿う断面図である。図４は、図２に示す領域IVの拡大図である。図５は、図２に示す領域Vの拡大図である。
超音波センサ１は、直方体形状に形成されたセンサ本体２を含む。センサ本体２は、一方側の第１主面３、他方側の第２主面４、ならびに、第１主面３および第２主面４を接続する側面５を含む。第２主面４は、研削面であってもよい。側面５は、研削面であってもよい。
【００１１】
センサ本体２の第１主面３および第２主面４は、それらの法線方向から見た平面視（以下、単に「平面視」という。）において四角形状（より具体的には、長方形状）に形成されている。センサ本体２の側面５は、第１主面３および第２主面４の法線方向に沿って延びている。
センサ本体２の長辺に沿う長さＬは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（たとえば１．５ｍｍ程度）であってもよい。センサ本体２の短辺に沿う長さＷは、０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下（たとえば１．０ｍｍ程度）であってもよい。
【００１２】
センサ本体２の長辺に沿う長さＬおよび短辺に沿う長さＷは、上記の数値に限定されない。また、センサ本体２の平面形状は、長方形状に限定されるものではなく、正方形状（たとえば１．０ｍｍ×１．０ｍｍ程度の正方形状）に形成されていてもよい。
センサ本体２は、基板１０、振動板１１、圧電素子層１２、表面絶縁層１３および表面電極層１４を含む積層構造を有している。この積層構造によって、センサ本体２の第１主面３、第２主面４および側面５が形成されている。
【００１３】
基板１０は、直方体形状に形成されている。基板１０は、一方側の第１基板主面１５、他方側の第２基板主面１６、ならびに、第１基板主面１５および第２基板主面１６を接続する基板側面１７を含む。基板１０は、センサ本体２の側面５の一部および第２主面４を形成している。
基板１０は、半導体基板からなっていてもよい。半導体基板は、シリコン、炭化シリコンまたは化合物半導体を含んでいてもよい。化合物半導体は、酸化物半導体（たとえば酸化ガリウム）や窒化物半導体（たとえば窒化ガリウム）等を含んでいてもよい。半導体基板は、量産性の観点から、シリコンからなることが好ましい。
【００１４】
基板１０の第１基板主面１５には、開口部２１が形成されている。開口部２１は、厚さ方向に沿って基板１０を貫通しており、第１基板主面１５および第２基板主面１６のそれぞれにおいて開口している。
開口部２１は、平面視において第１基板主面１５の中央部に形成されている。開口部２１は、平面視において四角形状に形成されていてもよい。開口部２１の４辺は、それぞれ、基板１０の基板側面１７に平行に形成されていてもよい。
【００１５】
開口部２１は、平面視において三角形状、六角形状等の多角形状に形成されていてもよい。開口部２１は、平面視において円形状や楕円形状に形成されていてもよい。
開口部２１は、第１基板主面１５および第２基板主面１６のそれぞれに対して垂直な内壁面を有していてもよい。開口部２１は、第１基板主面１５側の開口幅が、第２基板主面１６側の開口幅よりも狭い、テーパ形状に形成されていてもよい。
【００１６】
振動板１１は、基板１０の第１基板主面１５の上に膜状に形成されている。振動板１１は、基板１０の第１基板主面１５のほぼ全域を被覆しており、基板１０の開口部２１を閉塞している。振動板１１は、基板１０の開口部２１を閉塞し、かつ、開口部２１の天面部を区画する閉塞部２２を有している。
振動板１１は、センサ本体２の側面５の一部を形成している。振動板１１は、基板１０の基板側面１７に対して面一な側面を有している。振動板１１の厚さは、３０μｍ以上８０μｍ以下（たとえば４５μｍ程度）であってもよい。
【００１７】
振動板１１は、酸化シリコン（ＳｉＯ２）層、窒化シリコン（ＳｉＮ）層または窒化アルミニウム（ＡｌＮ）層を含む単層構造を有していてもよい。振動板１１は、酸化シリコン層、窒化シリコン層または窒化アルミニウム層のうちの少なくとも１つを含む積層構造を有していてもよい。
圧電素子層１２は、振動板１１の上に形成された下側電極層２３、下側電極層２３の上に形成された中間層２４、および、中間層２４の上に形成された上側電極層２５を含む。中間層２４は、圧電体を含み、下側電極層２３および上側電極層２５の間の領域に形成されている。
【００１８】
下側電極層２３は、振動板１１の閉塞部２２の上に形成されている。下側電極層２３は、平面視において四角形状に形成されていてもよい。下側電極層２３の４辺は、それぞれ、基板側面１７に平行に形成されていてもよい。
下側電極層２３は、平面視において三角形状、六角形状等の多角形状に形成されていてもよい。下側電極層２３は、平面視において円形状や楕円形状に形成されていてもよい。
【００１９】
平面視において、下側電極層２３の全域は、基板１０の開口部２１に重なっている。より具体的には、下側電極層２３において振動板１１側の面の全域が、閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１に対向している。つまり、振動板１１の閉塞部２２に対する下側電極層２３の接続部の全域が、閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１に対向している。
下側電極層２３は、平面視において開口部２１の内壁面によって取り囲まれた領域内に形成されている。下側電極層２３は、平面視において開口部２１の内壁面によって取り囲まれた領域内のみに形成されている。下側電極層２３は、振動板１１を挟んで基板１０に対向していない。
【００２０】
平面視において、下側電極層２３の面積は、開口部２１の面積以下である。より具体的には、平面視において、下側電極層２３の面積は、開口部２１の面積未満である。
下側電極層２３は、モリブデン（Ｍｏ）層を含んでいてもよい。下側電極層２３は、モリブデン層からなっていてもよい。下側電極層２３の厚さは、４０ｎｍ以上２００ｎｍ以下（たとえば１００ｎｍ程度）であってもよい。
【００２１】
中間層２４は、下側電極層２３を被覆するように振動板１１の上に形成されている。中間層２４は、下側電極層２３から露出する振動板１１の表面のほぼ全面を被覆している。中間層２４は、センサ本体２の側面５の一部を形成している。中間層２４は、センサ本体２の側面５に対して面一な側面を有している。
上側電極層２５は、中間層２４において振動板１１の閉塞部２２の上の領域に形成されている。上側電極層２５は、平面視において四角形状に形成されていてもよい。上側電極層２５の４辺は、それぞれ、基板側面１７に平行に形成されていてもよい。
【００２２】
上側電極層２５は、平面視において三角形状、六角形状等の多角形状に形成されていてもよい。上側電極層２５は、平面視において円形状や楕円形状に形成されていてもよい。
平面視において、上側電極層２５の全域は、基板１０の開口部２１に重なっている。より具体的には、上側電極層２５において中間層２４側の面の全域が、中間層２４および振動板１１の閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１に対向している。つまり、中間層２４に対する上側電極層２５の接続部の全域が、中間層２４および振動板１１の閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１に対向している。
【００２３】
上側電極層２５は、平面視において開口部２１の内壁面によって取り囲まれた領域内に配置されている。上側電極層２５は、平面視において開口部２１の内壁面によって取り囲まれた領域内のみに配置されている。上側電極層２５は、中間層２４および振動板１１を挟んで基板１０に対向していない。
図４を参照して、上側電極層２５は、中間層２４側からこの順に積層された酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）層３１およびイリジウム（Ｉｒ）層３２を含む積層構造を有していてもよい。
【００２４】
酸化イリジウム層３１の厚さは、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下（たとえば５０ｎｍ程度）であってもよい。イリジウム層３２の厚さは、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下（たとえば５０ｎｍ程度）であってもよい。
上側電極層２５の任意の領域には、中間層２４を露出させる上側開口３３が形成されている。上側開口３３は、上側電極層２５において、センサ本体２の一端部側の１つの隅部（図１の左上側の隅部）に形成されている。
【００２５】
中間層２４において上側開口３３から露出する部分には、下側パッド開口３４が形成されている。下側パッド開口３４は、中間層２４を貫通し、下側電極層２３を露出させている。上側開口３３および下側パッド開口３４は、平面視において基板１０の開口部２１と重なる。
表面絶縁層１３は、上側電極層２５を被覆するように中間層２４の上に形成されている。表面絶縁層１３は、下側電極層２３を露出させるように、上側開口３３の内壁面および下側パッド開口３４の内壁面に沿って膜状に形成されている。表面絶縁層１３は、下側パッド開口３４の内部において、凹状の空間を区画している。
【００２６】
表面絶縁層１３には、上側電極層２５を部分的に露出させる上側パッド開口３５が形成されている。上側パッド開口３５は、上側電極層２５において、センサ本体２の他端部側の領域を部分的に露出させている。表面絶縁層１３は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、酸化アルミニウム層または窒化アルミニウム層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００２７】
表面電極層１４は、表面絶縁層１３の上に形成されている。表面電極層１４は、銅層、アルミニウム層、モリブデン層または白金層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。表面電極層１４は、下側パッド電極層３６および上側パッド電極層３７を含む。
下側パッド電極層３６は、表面絶縁層１３を介して下側パッド開口３４に埋め込まれている。下側パッド電極層３６は、下側パッド開口３４内において下側電極層２３に電気的に接続されている。このように、下側パッド電極層３６は、下側電極層２３に接続されるように中間層２４を貫通している。
【００２８】
下側パッド電極層３６および下側電極層２３の下側接続部４１は、振動板１１の閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１と対向している。下側接続部４１は、振動板１１を挟んで基板１０の第１基板主面１５と対向していない。
下側パッド電極層３６は、下側パッド開口３４からセンサ本体２の一端部側に向かって引き出されている。下側パッド電極層３６は、平面視において四角形状に形成されている。下側パッド電極層３６は、センサ本体２の長手方向に沿って延びる長方形状に形成されている。
【００２９】
上側パッド電極層３７は、上側パッド開口３５に埋め込まれている。上側パッド電極層３７は、上側パッド開口３５内において上側電極層２５に電気的に接続されている。このように、上側パッド電極層３７は、上側電極層２５に接続されるように中間層２４を貫通している。
上側パッド電極層３７および上側電極層２５の上側接続部４２は、中間層２４および振動板１１の閉塞部２２を挟んで基板１０の開口部２１と対向している。上側接続部４２は、中間層２４および振動板１１を挟んで基板１０の第１基板主面１５と対向していない。
【００３０】
上側パッド電極層３７は、上側パッド開口３５からセンサ本体２の他端部側に向かって引き出されている。上側パッド電極層３７は、平面視において四角形状に形成されている。上側パッド電極層３７は、センサ本体２の長手方向に沿って延びる長方形状に形成されている。
中間層２４は、種々の形態を採り得る。以下では、中間層２４が、振動板１１側からこの順に積層された第１圧電体層５１、第１中間電極層５２、第２圧電体層５３、第２中間電極層５４および第３圧電体層５５を含む積層構造を有する形態例について説明する。
【００３１】
第１圧電体層５１は、下側電極層２３を被覆するように振動板１１の上に形成されている。第１圧電体層５１は、この例では、下側電極層２３から露出する振動板１１の表面のほぼ全面を被覆している。第１圧電体層５１は、センサ本体２の側面５の一部を形成している。
第１圧電体層５１は、窒化アルミニウム層を含んでいてもよい。第１圧電体層５１は、この例では、窒化アルミニウム層からなる。第１圧電体層５１の厚さは、０．５μｍ以上２μｍ以下（たとえば１μｍ程度）であってもよい。
【００３２】
第１中間電極層５２は、第１圧電体層５１の上に形成されている。第１中間電極層５２は、平面視において基板１０の開口部２１の内外の領域に跨っている。第１中間電極層５２は、この例では、第１圧電体層５１の表面のほぼ全面を被覆している。第１中間電極層５２は、センサ本体２の側面５の一部を形成している。
第１中間電極層５２は、第１圧電体層５１を挟んで下側電極層２３と対向している。下側電極層２３および第１中間電極層５２は、第１圧電体層５１を挟んで容量結合している。
【００３３】
第１中間電極層５２は、モリブデン層を含んでいてもよい。第１中間電極層５２は、モリブデン層からなっていてもよい。第１中間電極層５２の厚さは、０．０５μｍ以上０．５μｍ以下（たとえば０．１μｍ程度）であってもよい。
第２圧電体層５３は、第１中間電極層５２を被覆するように第１圧電体層５１の上に形成されている。第２圧電体層５３は、窒化アルミニウム層を含んでいてもよい。第２圧電体層５３は、窒化アルミニウム層からなっていてもよい。第２圧電体層５３の厚さは、０．０５μｍ以上１．０μｍ以下（たとえば０．１μｍ程度）であってもよい。
【００３４】
第２中間電極層５４は、第２圧電体層５３の上に形成されている。第２中間電極層５４は、平面視において基板１０の開口部２１の内外の領域に跨っている。第２中間電極層５４は、この例では、第２圧電体層５３の表面のほぼ全面を被覆している。第２中間電極層５４は、センサ本体２の側面５の一部を形成している。
第２中間電極層５４は、第２圧電体層５３を挟んで第１中間電極層５２と対向している。第１中間電極層５２および第２中間電極層５４は、第２圧電体層５３を挟んで容量結合している。
【００３５】
図５を参照して、第２中間電極層５４は、第２圧電体層５３側からこの順に積層された酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）層５６、イリジウム（Ｉｒ）層５７、チタン（Ｔｉ）層５８およびプラチナ（Ｐｔ）層５９を含む積層構造を有している。
酸化イリジウム層５６の厚さは、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下（たとえば５０ｎｍ程度）であってもよい。イリジウム層５７の厚さは、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下（たとえば５０ｎｍ程度）であってもよい。
【００３６】
チタン層５８の厚さは、５ｎｍ以上３５ｎｍ以下（たとえば２０ｎｍ程度）であってもよい。プラチナ層５９の厚さは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下（たとえば２００ｎｍ程度）であってもよい。
第２中間電極層５４は、酸化イリジウム層５６に代えてまたはこれに加えて、導電性の金属酸化層を含んでいてもよい。導電性の金属酸化層は、酸化ルテニウム（ＲｕＯｘ）層、酸化ストロンチウム・ルテニウム（ＳｒＲｕＯ３）層、酸化ランタン・ニッケル（ＬａＮｉＯｘ）層、または、酸化亜鉛（ＺｎＯ）層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００３７】
第２中間電極層５４は、酸化イリジウム層５６に代えてまたはこれに加えて、絶縁性の金属酸化層を含んでいてもよい。絶縁性の金属酸化層は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）層、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）層、または、酸化チタン（ＴｉＯ２）層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
第２中間電極層５４は、チタン層５８およびプラチナ層５９の積層構造に代えて、プラチナ層、チタン層、イリジウム層、ルテニウム層、ニッケル層、または、金（Ａｕ）層のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。
【００３８】
第３圧電体層５５は、第２中間電極層５４の上に形成されている。第３圧電体層５５は、この例では、第２中間電極層５４の表面のほぼ全面を被覆している。第３圧電体層５５は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３：ＰＺＴ）層を含んでいてもよい。第３圧電体層５５は、ＰＺＴ層からなっていてもよい。第３圧電体層５５の厚さは、０．５μｍ以上３．０μｍ以下（たとえば１．０μｍ程度）であってもよい。
【００３９】
前述の上側電極層２５は、第３圧電体層５５の上に形成されている。上側電極層２５は、第３圧電体層５５を挟んで第２中間電極層５４と対向している。上側電極層２５および第２中間電極層５４は、第３圧電体層５５を挟んで容量結合している。
図１および図３を参照して、中間層２４には、第１中間パッド開口６１および第２中間パッド開口６２がさらに形成されている。
【００４０】
第１中間パッド開口６１は、第３圧電体層５５、第２中間電極層５４および第２圧電体層５３を貫通し、第１中間電極層５２を露出させている。第１中間パッド開口６１は、平面視においてセンサ本体２の一端部側において、基板１０の第１基板主面１５と重なる領域に形成されている。
第２中間パッド開口６２は、第３圧電体層５５を貫通し、第２中間電極層５４を露出させている。第２中間パッド開口６２は、平面視においてセンサ本体２の一端部側において、基板１０の第１基板主面１５と重なる領域に形成されている。
【００４１】
前述の表面絶縁層１３は、第１中間電極層５２を露出させるように、第１中間パッド開口６１の内壁面に沿って膜状に形成されている。表面絶縁層１３は、第１中間パッド開口６１の内部において、凹状の空間を区画している。
前述の表面絶縁層１３は、第２中間電極層５４を露出させるように、第２中間パッド開口６２の内壁面に沿って膜状に形成されている。表面絶縁層１３は、第２中間パッド開口６２の内部において、凹状の空間を区画している。
【００４２】
前述の表面電極層１４は、第１中間パッド電極層６３および第２中間パッド電極層６４をさらに含む。
第１中間パッド電極層６３は、表面絶縁層１３を挟んで第１中間パッド開口６１に埋め込まれている。第１中間パッド電極層６３は、第１中間パッド開口６１内において第１中間電極層５２に電気的に接続されている。
【００４３】
このように、第１中間パッド電極層６３は、第１中間電極層５２に接続されるように、第３圧電体層５５、第２中間電極層５４および第２圧電体層５３を貫通している。第１中間パッド電極層６３および第１中間電極層５２の第１中間接続部６５は、平面視において基板１０の第１基板主面１５と重なる領域に形成されている。
第１中間パッド電極層６３は、この例では、第１中間パッド開口６１からセンサ本体２の一端部側に向かって引き出されている。第１中間パッド電極層６３は、平面視において四角形状に形成されている。第１中間パッド電極層６３は、センサ本体２の長手方向に沿って延びる長方形状に形成されている。
【００４４】
第２中間パッド電極層６４は、表面絶縁層１３を挟んで第２中間パッド開口６２に埋め込まれている。第２中間パッド電極層６４は、第２中間パッド開口６２内において第２中間電極層５４に電気的に接続されている。
このように、第２中間パッド電極層６４は、第２中間電極層５４に接続されるように、第３圧電体層５５を貫通している。第２中間パッド電極層６４および第２中間電極層５４の第２中間接続部６６は、平面視において基板１０の第１基板主面１５と重なる領域に形成されている。
【００４５】
第２中間パッド電極層６４は、この例では、第２中間パッド開口６２からセンサ本体２の一端部側に向かって引き出されている。第２中間パッド電極層６４は、平面視において四角形状に形成されている。第２中間パッド電極層６４は、センサ本体２の長手方向に沿って延びる長方形状に形成されている。
以下、下側パッド開口３４、第２中間パッド開口６２、および、それら周辺の構造について具体的に説明する。
【００４６】
図２を参照して、下側パッド開口３４は、第１コンタクト開口７１、および、第１コンタクト開口７１に連通する第２コンタクト開口７２を含む。
第１コンタクト開口７１は、上側電極層２５の上側開口３３から露出する部分から第３圧電体層５５を貫通している。第１コンタクト開口７１の底壁は、第２中間電極層５４によって形成されている。第１コンタクト開口７１の側壁は、第３圧電体層５５によって形成されている。
【００４７】
第２コンタクト開口７２は、第１コンタクト開口７１の底壁から第２中間電極層５４、第２圧電体層５３および第１圧電体層５１を貫通している。第２コンタクト開口７２の底壁は、下側電極層２３によって形成されている。第２コンタクト開口７２の側壁は、第２中間電極層５４、第２圧電体層５３および第１圧電体層５１によって形成されている。
第２コンタクト開口７２の側壁からは、第１中間電極層５２は露出していない。第１中間電極層５２は、下側パッド開口３４（第２コンタクト開口７２）を取り囲むように、第１圧電体層５１の上に形成されている。
【００４８】
より具体的には、第１中間電極層５２には、下側パッド開口３４（第２コンタクト開口７２）および第１圧電体層５１の一部を露出させる中間開口７３が形成されている。中間開口７３の側壁は、下側パッド開口３４の側壁（第２コンタクト開口７２の側壁）を取り囲んでいる。このようにして、第２コンタクト開口７２の側壁から露出しない第１中間電極層５２が形成されている。
【００４９】
第１コンタクト開口７１は、第１開口面積を有している。第２コンタクト開口７２は、第２開口面積を有している。第２コンタクト開口７２の第２開口面積は、第１コンタクト開口７１の第１開口面積以下である。第２コンタクト開口７２の第２開口面積は、より具体的には、第１コンタクト開口７１の第１開口面積未満である。
下側パッド開口３４は、第１コンタクト開口７１の側壁および第２コンタクト開口７２の側壁の間の領域に形成された段部を含む。この段部は、第１コンタクト開口７１の底壁によって形成されている。
【００５０】
図３を参照して、第１中間パッド開口６１は、第３コンタクト開口７４、および、第３コンタクト開口７４に連通する第４コンタクト開口７５を含む。
第３コンタクト開口７４は、第３圧電体層５５を貫通している。第３コンタクト開口７４の底壁は、第２中間電極層５４によって形成されている。第３コンタクト開口７４の側壁は、第３圧電体層５５によって形成されている。
【００５１】
第４コンタクト開口７５は、第３コンタクト開口７４の底壁から第２中間電極層５４および第２圧電体層５３を貫通している。第２コンタクト開口７２の底壁は、第１中間電極層５２によって形成されている。第４コンタクト開口７５の側壁は、第２中間電極層５４および第２圧電体層５３によって形成されている。
第３コンタクト開口７４は、第３開口面積を有している。第４コンタクト開口７５は、第４開口面積を有している。第４コンタクト開口７５の第４開口面積は、第３コンタクト開口７４の第３開口面積以下である。第４コンタクト開口７５の第４開口面積は、より具体的には、第３コンタクト開口７４の第３開口面積未満である。
【００５２】
第１中間パッド開口６１は、第３コンタクト開口７４の側壁および第４コンタクト開口７５の側壁の間の領域に形成された段部を含む。この段部は、第４コンタクト開口７５の底壁によって形成されている。
絶縁体を挟んで複数の電極層が互いに対向する構造の場合、各電極層の間の領域に寄生容量が形成される。寄生容量の値は、複数の電極層の間の距離に反比例している。したがって、寄生容量の値は、複数の電極層の間の距離が小さくなる程、大きくなる。
【００５３】
特に、下側電極層２３が、比較的に小さい厚さの振動板１１を挟んで基板１０に対向する場合、これらの間の領域に形成される寄生容量が問題になりやすい。
これに対して、超音波センサ１によれば、振動板１１の閉塞部２２の上に下側電極層２３が形成されている。振動板１１の閉塞部２２に対する下側電極層２３の接続部の全域は、振動板１１の閉塞部２２に対向している。
【００５４】
したがって、下側電極層２３は、平面視において開口部２１の内壁面によって取り囲まれた領域内のみに形成されている。つまり、下側電極層２３は、振動板１１を挟んで基板１０の第１基板主面１５に対向していない。これにより、寄生容量が、下側電極層２３および基板１０の第１基板主面１５の間の領域に形成されることを抑制できる。
また、超音波センサ１によれば、下側パッド電極層３６に対する接続のため、下側電極層２３を、基板１０の第１基板主面１５において開口部２１の外側の領域に引き出す必要がない。これにより、下側電極層２３に対する下側パッド電極層３６の下側接続部４１を、下側電極層２３を挟んで振動板１１の閉塞部２２に対向させることができる。
【００５５】
その結果、下側パッド電極層３６の下側接続部４１を、振動板１１を挟んで基板１０の第１基板主面１５に対向させなくて済む。よって、寄生容量が、下側パッド電極層３６の下側接続部４１および基板１０の第１基板主面１５の間の領域に形成されることを適切に抑制できる。
その結果、寄生容量に起因する感度の変動を抑制できる超音波センサ１を提供できる。
【００５６】
図６Ａ〜図６Ｌは、図１に示す超音波センサ１の製造方法の一例を説明するための断面図である。
図６Ａを参照して、まず、円板状のウエハ８１が用意される。ウエハ８１は、半導体ウエハであってもよい。半導体ウエハは、シリコンを含んでいてもよい。
ウエハ８１は、一方側の第１ウエハ主面８２および他方側の第２ウエハ主面８３を有している。ウエハ８１の第１ウエハ主面８２および第２ウエハ主面８３は、それぞれ、基板１０の第１基板主面１５および第２基板主面１６に対応している。
【００５７】
次に、ウエハ８１に、複数のセンサ形成領域８４が設定される。複数のセンサ形成領域８４は、超音波センサ１がそれぞれ形成される領域である。図６Ａには、複数のセンサ形成領域８４のうちの１つのセンサ形成領域８４だけが示されている（以下、図６Ｂ〜図６Ｌにおいて同じ）。
次に、振動板１１が、ウエハ８１の第１ウエハ主面８２の上に形成される。振動板１１の形成工程は、スパッタ法によって、ウエハ８１の第１ウエハ主面８２に窒化アルミニウム層を形成する工程を含んでいてもよい。
【００５８】
次に、下側電極層２３が、振動板１１の上に形成される。下側電極層２３の形成工程は、スパッタ法によって、ウエハ８１の第１ウエハ主面８２の全面にモリブデン層を形成する工程を含んでいてもよい。下側電極層２３の形成工程は、マスクを用いたエッチング法によって、モリブデン層を所定パターンに成形する工程を含んでいてもよい。
次に、図６Ｂを参照して、第１圧電体層５１が、下側電極層２３を被覆するように振動板１１の上に形成される。第１圧電体層５１の形成工程は、スパッタ法によって、振動板１１の上に窒化アルミニウム層を形成する工程を含んでいてもよい。
【００５９】
次に、図６Ｃを参照して、第１中間電極層５２が、第１圧電体層５１の上に形成される。第１中間電極層５２の形成工程は、スパッタ法によって、ウエハ８１の第１ウエハ主面８２の全面にモリブデン層を形成する工程を含んでいてもよい。第１中間電極層５２の形成工程は、マスクを用いたエッチング法によって、モリブデン層を所定パターンに成形する工程を含んでいてもよい。
【００６０】
次に、図６Ｄを参照して、第２圧電体層５３が、第１中間電極層５２を被覆するように第１圧電体層５１の上に形成される。第２圧電体層５３の形成工程は、スパッタ法によって、第１圧電体層５１の上に窒化アルミニウム層を形成する工程を含んでいてもよい。
次に、第２中間電極層５４が、第２圧電体層５３の上に形成される。第２中間電極層５４の形成工程は、スパッタ法によって、酸化イリジウム層５６、イリジウム層５７、チタン層５８およびプラチナ層５９を、第２圧電体層５３側からこの順に形成する工程を含んでいてもよい。
【００６１】
この工程において、酸化イリジウム層５６は、第２圧電体層５３の表面の全面に形成されてもよい。イリジウム層５７は、酸化イリジウム層５６の表面の全面に形成されてもよい。チタン層５８は、イリジウム層５７の表面の全面に形成されてもよい。プラチナ層５９は、チタン層５８の表面の全面に形成されてもよい。
次に、図６Ｅを参照して、第３圧電体層５５が、第２中間電極層５４の上に形成される。第３圧電体層５５は、第２中間電極層５４の表面の全面を被覆するように形成される。第３圧電体層５５の形成工程は、ゾルゲル法によって、第２中間電極層５４の上にＰＺＴ層を形成する工程を含んでいてもよい。
【００６２】
次に、上側電極層２５が、第３圧電体層５５の上に形成される。上側電極層２５の形成工程は、スパッタ法によって、酸化イリジウム層３１およびイリジウム層３２を、第３圧電体層５５側からこの順に形成する工程を含んでいてもよい。この工程において、酸化イリジウム層３１は、第３圧電体層５５の表面の全面に形成されてもよい。イリジウム層３２は、酸化イリジウム層３１の表面の全面に形成されてもよい。
【００６３】
上側電極層２５の形成工程は、マスクを用いたエッチング法によって、酸化イリジウム層３１およびイリジウム層３２の積層構造を所定パターンに成形する工程を含んでいてもよい。
次に、図６Ｆを参照して、所定パターンを有する第１レジストマスク８５が、第３圧電体層５５の上に形成される。第１レジストマスク８５は、第１コンタクト開口７１を形成すべき領域を露出させる第１開口８６、第３コンタクト開口７４（図３参照）を形成すべき領域を露出させる第２開口（図示せず）、および、第２中間パッド開口６２（図３参照）を形成すべき領域を露出させる第３開口（図示せず）を有している。
【００６４】
次に、第１レジストマスク８５を介するエッチング法によって、第３圧電体層５５の不要な部分が除去される。第２中間電極層５４は、第３圧電体層５５のエッチングに対するエッチングストッパ層として形成されている。
これにより、第１コンタクト開口７１、第３コンタクト開口７４、および、第２中間パッド開口６２が形成される。第１コンタクト開口７１、第３コンタクト開口７４、および、第２中間パッド開口６２は、第２中間電極層５４を底壁として有している。その後、第１レジストマスク８５は除去される。
【００６５】
次に、図６Ｇを参照して、所定パターンを有する第２レジストマスク８９が、第３圧電体層５５の上に形成される。第２レジストマスク８９は、第１コンタクト開口７１の側壁を被覆し、第２中間電極層５４を露出させる第１開口９０、および、第３コンタクト開口７４の側壁を被覆し、第２中間電極層５４を露出させる第２開口（図示せず）を含む。
次に、図６Ｈを参照して、第２レジストマスク８９を介するエッチング法によって、第２中間電極層５４の不要な部分が除去される。第２圧電体層５３は、第２中間電極層５４のエッチングに対するエッチングストッパ層として形成されている。
【００６６】
これにより、第２圧電体層５３が、第１コンタクト開口７１から露出する。また、第２圧電体層５３が、第３コンタクト開口７４から露出する。その後、第２レジストマスク８９は除去される。
次に、図６Ｉを参照して、第２中間電極層５４をマスクとするエッチング法によって、第２圧電体層５３の不要な部分、および、第１圧電体層５１の不要な部分が除去される。第１中間電極層５２および下側電極層２３は、第１圧電体層５１および第２圧電体層５３のエッチングに対するエッチングストッパ層として形成されている。
【００６７】
第２コンタクト開口７２を形成すべき領域では、下側電極層２３に到達するまで、第１圧電体層５１の不要な部分、および、第２圧電体層５３の不要な部分が除去される。これにより、第２コンタクト開口７２が形成される。このようにして、第１コンタクト開口７１および第２コンタクト開口７２を含む下側パッド開口３４が形成される。
一方、第４コンタクト開口７５（図３参照）を形成すべき領域では、第１中間電極層５２に到達するまで、第２圧電体層５３の不要な部分が除去される。これにより、第４コンタクト開口７５が形成される。このようにして、第３コンタクト開口７４および第４コンタクト開口７５を含む第１中間パッド開口６１が形成される。
【００６８】
次に、図６Ｊを参照して、表面絶縁層１３が、第３圧電体層５５の表面、および、上側電極層２５の表面に沿って形成される。さらに、表面絶縁層１３は、下側パッド開口３４の側面、第１中間パッド開口６１の側面、および、第２中間パッド開口６２の側面に沿うように形成される。
次に、所定パターンを有する第３レジストマスク９１が、表面絶縁層１３の上に形成される。第３レジストマスク９１は、第１開口９２および第２開口９３を含む。第１開口９２は、表面絶縁層１３において下側電極層２３を被覆する任意の領域を露出させている。第２開口９３は、表面絶縁層１３において上側電極層２５を被覆する任意の領域を露出させている。
【００６９】
次に、第３レジストマスク９１を介するエッチング法によって、表面絶縁層１３の不要な部分が除去される。下側電極層２３および上側電極層２５は、それぞれ、表面絶縁層１３のエッチングに対するエッチングストッパ層として形成されている。これにより、下側電極層２３が、表面絶縁層１３から露出する。また、上側電極層２５が、表面絶縁層１３から露出する。その後、第３レジストマスク９１は除去される。
【００７０】
次に、図６Ｋを参照して、表面電極層１４が、表面絶縁層１３の上に形成される。表面電極層１４の形成工程は、スパッタ法によって、表面絶縁層１３の表面の全面に電極層を形成する工程を含んでいてもよい。
表面電極層１４の形成工程は、マスクを用いたエッチング法によって、電極層を所定パターンに成形する工程を含んでいてもよい。これにより、下側パッド電極層３６、上側パッド電極層３７、第１中間パッド電極層６３および第２中間パッド電極層６４を含む表面電極層１４が形成される。
【００７１】
次に、ウエハ８１の第２ウエハ主面８３が研削される。ウエハ８１の研削工程は、ウエハ８１の厚さが所望の厚さになるまで実行される。
次に、図６Ｌを参照して、ウエハ８１の第２ウエハ主面８３側に、第２ウエハ主面８３を被覆し、かつ、所定パターンを有する第４レジストマスク９４が形成される。第４レジストマスク９４は、開口部２１を形成すべき領域を露出させる開口９５を含む。
【００７２】
次に、第４レジストマスク９４を介するエッチング法によって、ウエハ８１の不要な部分が除去される。振動板１１は、ウエハ８１のエッチングに対するエッチングストッパ層として形成されている。これにより、振動板１１を露出させる開口部２１が、ウエハ８１に形成される。その後、第４レジストマスク９４は除去される。
その後、複数のセンサ形成領域８４の周縁に沿ってウエハ８１が切断される。これにより、複数の超音波センサ１が、１枚のウエハ８１から切り出される。以上の工程を経て、超音波センサ１が形成される。
【００７３】
図７は、本発明の第２実施形態に係る超音波センサ１０１の平面図である。図８は、図７に示すVIII-VIII線に沿う断面図である。図９は、図７に示すIX-IX線に沿う断面図である。
以下では、第１実施形態において述べた構造と同様の構造については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７４】
超音波センサ１０１の中間層２４は、下側電極層２３の上に形成された第１圧電体層５１、第１圧電体層５１の上に形成された第２中間電極層５４、および、第２中間電極層５４の上に形成された第３圧電体層５５を含む。
したがって、超音波センサ１０１は、第１中間電極層５２、第２圧電体層５３、第１中間パッド開口６１および第１中間パッド電極層６３を含まない点を除いて、超音波センサ１とほぼ同様の構造を有している。
【００７５】
以上、超音波センサ１０１によっても、超音波センサ１について述べた効果と同様の効果を奏することができる。
超音波センサ１０１は、超音波センサ１の製造工程を利用して製造できる。たとえば、超音波センサ１０１は、超音波センサ１の製造工程から、第１中間電極層５２、第２圧電体層５３、第１中間パッド開口６１および第１中間パッド電極層６３の形成工程を省くことによって製造できる。
【００７６】
図１０は、本発明の第３実施形態に係る超音波センサ１１１の平面図である。図１１は、図１０に示すXI-XI線に沿う断面図である。図１２は、図１０に示すXII-XII線に沿う断面図である。
以下では、第１実施形態において述べた構造と同様の構造については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００７７】
超音波センサ１１１の中間層２４は、下側電極層２３の上に形成された第１圧電体層５１からなる。したがって、超音波センサ１１１は、第２圧電体層５３、第２中間電極層５４、第３圧電体層５５、上側電極層２５、上側パッド開口３５、上側パッド電極層３７、第１中間パッド開口６１および第１中間パッド電極層６３を含まない。
超音波センサ１１１では、第１中間電極層５２、第２中間パッド開口６２および第２中間パッド電極層６４が、それぞれ、上側電極層１１２、上側パッド開口１１３および上側パッド電極層１１４として形成されている。
【００７８】
超音波センサ１１１のその他の構造は、超音波センサ１の構造とほぼ同様である。以上、超音波センサ１１１によっても、超音波センサ１について述べた効果と同様の効果を奏することができる。
超音波センサ１１１は、超音波センサ１の製造工程を利用して製造できる。たとえば、超音波センサ１１１の製造工程では、第２圧電体層５３、第２中間電極層５４、第３圧電体層５５、上側電極層２５、上側パッド開口３５、第１中間パッド開口６１、上側パッド電極層３７および第１中間パッド電極層６３の形成工程が省かれる。
【００７９】
そして、第１中間電極層５２の形成工程の後に、下側パッド開口３４、表面絶縁層１３、第２中間パッド開口６２、および、表面電極層１４の形成工程等が順に実行される。以上の工程を経て、超音波センサ１１１が製造される。
図１３は、本発明の第４実施形態に係る超音波センサ１２１の平面図である。図１４は、図１３に示すXIV-XIV線に沿う断面図である。
【００８０】
以下では、第１実施形態において述べた構造と同様の構造については、同一の参照符号を付して説明を省略する。
超音波センサ１２１の中間層２４は、下側電極層２３の上に形成された第１圧電体層５１からなる。超音波センサ１２１は、第１中間電極層５２、第２圧電体層５３、第２中間電極層５４、第３圧電体層５５、第１中間パッド開口６１、第２中間パッド開口６２、第１中間パッド電極層６３、および、第２中間パッド電極層６４を含まない。
【００８１】
超音波センサ１２１のその他の構造は、超音波センサ１の構造とほぼ同様である。以上、超音波センサ１２１によっても、超音波センサ１について述べた効果と同様の効果を奏することができる。
超音波センサ１２１は、超音波センサ１の製造工程を利用して製造できる。たとえば、超音波センサ１２１は、超音波センサ１の製造工程から、第１中間電極層５２、第２圧電体層５３、第２中間電極層５４、第３圧電体層５５、第１中間パッド開口６１、第２中間パッド開口６２、第１中間パッド電極層６３、および、第２中間パッド電極層６４の形成工程を省くことによって製造される。
【００８２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、さらに他の形態で実施することもできる。
前述の各実施形態に係る超音波センサ１，１０１，１１１，１２１は、超音波送受信装置、超音波受信装置、超音波送信装置、圧電トランス等に利用できる。
その他、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】
【００８３】
１        超音波センサ
１０      基板
１１      振動板
１５      第１基板主面
１６      第２基板主面
２１      基板の開口部
２２      振動板の閉塞部
２３      下側電極層
２４      中間層
２５      上側電極層
３６      下側パッド電極層
３７      上側パッド電極層
４１      下側接続部
４２      上側接続部
５１      第１圧電体層
５２      第１中間電極層
５３      第２圧電体層
５４      第２中間電極層
５５      第３圧電体層
１０１    超音波センサ
１１１    超音波センサ
１２１    超音波センサ
【図１】
2019096933.tif 000003
【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６Ａ】
2019096933.tif 000008
【図６Ｂ】
2019096933.tif 000009
【図６Ｃ】
2019096933.tif 000010
【図６Ｄ】
2019096933.tif 000011
【図６Ｅ】
2019096933.tif 000012
【図６Ｆ】
2019096933.tif 000013
【図６Ｇ】
2019096933.tif 000014
【図６Ｈ】
2019096933.tif 000015
【図６Ｉ】
2019096933.tif 000016
【図６Ｊ】
2019096933.tif 000017
【図６Ｋ】
2019096933.tif 000018
【図６Ｌ】
2019096933.tif 000019
【図７】
2019096933.tif 000020
【図８】
2019096933.tif 000021
【図９】
2019096933.tif 000022
【図１０】
2019096933.tif 000023
【図１１】
2019096933.tif 000024
【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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