(57)【要約】【課題】  アレイ状に配置した素子から効率よく配線を引き出して信頼性を向上させた超音波センサーを提供する。【解決手段】  開口部１１が形成された基板１２と、開口部１１を塞ぐように基板１２上に設けられた振動板１３と、振動板１３の開口部１１とは反対側に積層された第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなり且つ第１方向及び第２方向に配列された圧電素子１７とを具備する超音波センサーであって、第１電極１４は、圧電素子１７間の少なくとも一部が除去された電極であり、第２電極１６は、圧電素子１７毎に形成された個別電極であり、第２電極１６上を覆い且つ第２電極１６の第１方向両側の一部を露出させる開口２１を有する絶縁層２０と、第１方向で隣接する第２電極１６の間に設けられ隣接する第２電極１６同士を開口２１を介して導通する導通配線２２とを具備することを特徴とする。【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基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなり且つ第１方向及び第２方向に配列された圧電素子とを具備する超音波センサーであって、
前記第１電極は、前記圧電素子間の少なくとも一部が除去された電極であり、
前記第２電極は、前記圧電素子毎に形成された個別電極であり、
前記第２電極上を覆い且つ前記第２電極の前記第１方向両側の一部を露出させる開口を有する絶縁層と、前記第１方向で隣接する前記第２電極の間に設けられ前記隣接する第２電極同士を前記開口を介して導通する導通配線とを具備することを特徴とする超音波センサー。
【請求項２】
前記圧電素子間の前記導通電極は前記振動板に接していることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
【請求項３】
前記第１電極は、前記第１方向では分離され、前記第２方向では連続していることを特徴とする請求項１又は２に記載の超音波センサー。
【請求項４】
開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなり且つ第１方向及び第２方向に配列された圧電素子とを具備する超音波センサーの製造方法であって、
前記第１電極となる膜を成膜しパターニングして前記第１電極を形成する工程と、
前記第１電極上に前記圧電体層及び前記第２電極となる膜を順次成膜しパターニングして前記開口部毎に分離した前記圧電体層及び前記第２電極を形成する工程と、
前記第２電極を覆う絶縁体膜を成膜しパターニングして前記第２電極の前記第１方向両側の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する工程と、
導通配線となる膜を成膜しパターニングして前記第１方向で隣接する前記第２電極の間に設けられ前記隣接する第２電極同士を前記開口を介して導通する該導通配線を形成する工程とを具備することを特徴とする超音波センサーの製造方法。
【請求項５】
前記第１電極を形成する工程では、前記導通電極が設けられる下方の領域の前記第１電極となる膜を除去することを特徴とする請求項４に記載の超音波センサーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波センサー及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、開口部を有する半導体基板と、開口部を閉塞して半導体基板の表面に形成された絶縁膜層上に２層の電極と、２層の電極の間で挟んだＰＺＴセラミックス薄膜層とを、アレイ状に配置した超音波センサーが知られている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１６４３３１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
このようなアレイ状に素子を配置した超音波センサーにおいて、第１電極や第２電極、特に第２電極を引き出すためには共通化させる必要があるが、開口部以外の部分に能動部が形成されると、送信・受信の効率が低下し、信頼性が低下する。
【０００５】
本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、アレイ状に配置した素子から効率よく配線を引き出して信頼性を向上させた超音波センサー及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の態様は、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなり且つ第１方向及び第２方向に配列された圧電素子とを具備する超音波センサーであって、前記第１電極は、前記圧電素子間の少なくとも一部が除去された電極であり、前記第２電極は、前記圧電素子毎に形成された個別電極であり、前記第２電極上を覆い且つ前記第２電極の前記第１方向両側の一部を露出させる開口を有する絶縁層と、前記第１方向で隣接する前記第２電極の間に設けられ前記隣接する第２電極同士を前記開口を介して導通する導通配線とを具備することを特徴とする超音波センサーにある。
かかる態様では、個別配線である第２電極を、当該第２電極を覆って第１方向両側の一部を露出させる開口を有する絶縁層上に設けた導通配線で導通するので、第１電極との干渉を避けて比較的簡便な構造で第２電極同士を連結することができる。
【０００７】
ここで、前記圧電素子間の前記導通電極は前記振動板に接していることが好ましい。これによれば、導通配線と第１電極とのショートを確実に防止できる。
【０００８】
また、前記第１電極は、前記第１方向では分離され、前記第２方向では連続していることが好ましい。これによれば、導通配線と第１電極とのショートを確実に防止できる。
【０００９】
また、開口部が形成された基板と、前記開口部を塞ぐように前記基板上に設けられた振動板と、前記振動板の前記開口部とは反対側に積層された第１電極、圧電体層及び第２電極からなり且つ第１方向及び第２方向に配列された圧電素子とを具備する超音波センサーの製造方法であって、前記第１電極となる膜を成膜しパターニングして前記第１電極を形成する工程と、前記第１電極上に前記圧電体層及び前記第２電極となる膜を順次成膜しパターニングして前記開口部毎に分離した前記圧電体層及び前記第２電極を形成する工程と、前記第２電極を覆う絶縁体膜を成膜しパターニングして前記第２電極の前記第１方向両側の一部を露出させる開口を有する絶縁層を形成する工程と、導通配線となる膜を成膜しパターニングして前記第１方向で隣接する前記第２電極の間に設けられ前記隣接する第２電極同士を前記開口を介して導通する該導通配線を形成する工程とを具備するのが好ましい。
かかる態様によれば、個別にパターニングした第２電極を絶縁層で覆い、絶縁層に設けた開口を介して隣接する第２電極同士を導通する導通配線を設けることにより、第２電極同士を連結でき、比較的容易に第１電極との干渉をすることなく、第２電極を連結することができる。
【００１０】
ここで、前記第１電極を形成する工程では、前記導通電極が設けられる下方の領域の前記第１電極となる膜を除去することが好ましい。これによれば、導通配線を設ける際に第１電極とのショートを確実に防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図２】実施形態１に係る超音波センサーの断面図。
【図３】実施形態２に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図４】実施形態２に係る超音波センサーの断面図。
【図５】実施形態３に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図６】実施形態４に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図７】実施形態５に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図。
【図８】実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【図９】実施形態１に係る超音波センサーの製造例を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る超音波センサーの概略構成を示す平面図である。図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ′線断面図であり、図２（ｂ）は、図１のＢ−Ｂ′線断面図である。
【００１３】
図示するように、本実施形態の超音波センサー１０は、開口部１１が形成された基板１２と、開口部１１を塞ぐように基板１２上に設けられた振動板１３と、振動板１３の開口部１１とは反対側に積層された第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７と、を具備するものである。
【００１４】
基板１２は例えばシリコン単結晶基板を用いることができる。振動板１３は、例えば二酸化シリコンからなる弾性膜と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜（図８等の３１）とから構成すればよいが、絶縁体膜は必ずしも設ける必要はない。
【００１５】
振動板１３上には、必要に応じて密着層を介して第１電極１４と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層１５と、第２電極１６と、からなる圧電素子１７が形成されている。ここで、圧電素子１７は、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を含む部分をいう。
【００１６】
一般的には、圧電素子１７では、何れか一方の電極が共通電極とされ、他方の電極及び圧電体層１５が開口部１１毎のパターニングにより構成される。従って、超音波センサー１０を一次元的又は二次元的に並列させた態様とする場合には、例えば第１電極１４を圧電素子１７の共通電極とし、第２電極１６を圧電素子１７の個別電極とすることができ、本実施形態ではこの形態とした。
【００１７】
ここでは圧電素子１７と、当該圧電素子１７の駆動により変位が生じる振動板１３と、を合わせてアクチュエーター装置と称する。上述した例では、振動板１３と、必要に応じて設けられる絶縁体膜及び密着層（図８等の３２）と、第１電極１４と、が振動板として作用するが、これに限定されるものではない。例えば、振動板１３を設けず、圧電素子１７自体が実質的に振動板としての機能を兼ねるようにしてもよい。
【００１８】
第１電極１４や第２電極１６は導電性を有するものであれば制限されず、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、ステンレス鋼等の金属材料、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）等の酸化スズ系導電材料、酸化亜鉛系導電材料、ルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）、元素ドープチタン酸ストロンチウム等の酸化物導電材料や、導電性ポリマー等を用いることができる。ただし、前記の材料に制限されない。
【００１９】
圧電体層１５は、代表的にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系のペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることができる。これによれば、圧電素子１７の変位量を確保しやすくなる。
【００２０】
また、圧電体層１５は、鉛を含まないもの、例えば少なくともビスマス（Ｂｉ）、バリウム（Ｂａ）、鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）を含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いることもできる。これによれば、環境への負荷が少ない非鉛系材料を用いて超音波センサー１０を実現できる。
【００２１】
このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ３型構造のＡサイトは、酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。鉛を含まない上記の圧電体層１５の例では、ＡサイトにＢｉ、Ｂａ及びＬｉが、ＢサイトにＦｅ、Ｔｉが位置している。
【００２２】
Ｂｉ、Ｂａ、Ｆｅ及びＴｉを含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、その組成式は（Ｂｉ、Ｂａ）（Ｆｅ、Ｔｉ）Ｏ３として表されるが、代表的な組成としては、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶として表されるものである。かかる混晶は、Ｘ線回折パターンで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムが単独では検出できないものをいう。混晶の組成から外れる組成も含むものである。
【００２３】
ここでのペロブスカイト構造の複合酸化物には、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや、元素の一部が他の元素に置換されたものも含まれる。すなわち、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。
【００２４】
そして、ペロブスカイト構造の複合酸化物の構成は前記の例に制限されず、他の元素を含んで構成してもよい。例えば圧電体層１５は、マンガン（Ｍｎ）をさらに含むことが好ましい。これによれば、リーク電流を抑制しやすくなり、例えば非鉛系の材料として信頼性の高い超音波センサー１０を実現できる。
【００２５】
圧電体層１５のＡサイトのＢｉをリチウム（Ｌｉ）、サマリウム（Ｓｍ）、セリウム（Ｃｅ）等で置換するようにしてもよく、ＢサイトのＦｅをアルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）等で置換するようにしてもよい。これによれば、各種特性を向上させて構成や機能の多様化を図りやすくなる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有するように構成されることが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、第１電極１４を共通電極として一面に設け、圧電体層１５及び第２電極１６を、各開口部１１内に収まるように個別に設けられている。そして、第２電極１６を覆うように一面に絶縁層２０が設けられ、絶縁層２０の第２電極１６の図１中、上下方向である第１方向の端部に対応する箇所に第２電極１６を露出する開口２１が設けられ、開口２１内で第２電極１６と導通し、第１方向で隣接する第２電極１６同士を導通する導通配線２２が設けられている。導通配線２２は、導電性材料で形成すればよく、金、銅、アルミニウムなどを用いることができるが、導電性を考慮すると、金で形成するのが好ましい。
【００２７】
なお、本実施形態では、隣接する第２電極１６の間で導通配線２２が設けられる領域の第１電極１４に除去部１４ａが設けられている。この領域では、導通配線２２は絶縁層２０を介して振動板１３と対向することになる。すなわち、除去部１４ａを設けないと、導通配線２２と第１電極１４とは絶縁層２０を介して絶縁されていることになるが、安全のため、両者がショートする可能性を排除するべく除去部１４ａを設けている。しかしながら、除去部１４ａは必ずしも設ける必要はなく、この場合でも、導通配線２２と第１電極１４とは絶縁層２０を介して絶縁されているので問題はない。
【００２８】
このように導通配線２２で第１方向に並設される第２電極１６を連結することにより、全ての圧電素子１７について、列ごとに電圧を印加する構造を比較的容易に実現することができる。
【００２９】
（実施形態２）
本実施形態では、第１電極１４Ａが、開口部１１内に収まるようにパターニングされ、且つ第２方向に連結される構成とした以外は、実施形態１と同様なものである。よって、同一部材には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
【００３０】
（実施形態３〜５）
上述した実施形態では、開口部１１の平面視した形状がほぼ正方形としたが、開口部の形状はこれに限定されず、図５に示すように、長方形の開口部１１Ａでも、図６に示すように、円形の開口部１１Ｂでも、図７に示すように、楕円形の開口部１１Ｃでもよい。また、第１電極や第２電極は開口部の形状に合わせでパターニングするのが膜厚方向の変位を大きくするためには好ましいが、これに限定されるものではない。各実施形態においては、長方形の第１電極１４Ｂ、圧電体層１５Ａ及び第２電極１６Ａ、円形の第１電極１４Ｃ、圧電体層１５Ｂ及び第２電極１６Ｂ、楕円形の第１電極１４Ｄ及び、圧電体層１５Ｃ第２電極１６Ｃとした。
【００３１】
次に、本実施形態の超音波センサーの製造方法の一例について、図８〜図９を参照して説明する。図８〜図９は、超音波センサーの製造例を示す断面図であり、図１のＢ−Ｂ′線断面図の一部に対応する。
【００３２】
まず、図８（ａ）に示すように、基板１２を熱酸化等で酸化シリコン膜を形成後、この上に、ジルコニウムを成膜して例えば５００〜１２００℃の拡散炉で熱酸化し、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜３１を形成し、振動板１３とする。そして、振動板１３上に酸化チタンやチタンからなる密着層３２をスパッタリング法や熱酸化等で形成する。
【００３３】
その後、図８（ｂ）に示すように、密着層３２上に、第１電極１４をスパッタリング法や蒸着法等により形成し、この密着層３２及び第１電極１４が所定の形状となるように同時にパターニングする。
【００３４】
次いで、図８（ｃ）に示すように、第１電極１４上に圧電体層１５を積層する。圧電体層１５は、例えば金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電材料を得る、ＣＳＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて形成できる。尚、ＣＳＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法等を用いてもよい。さらに、圧電体層１５上に、第２電極１６をスパッタリング法や熱酸化等により形成する。
その後、図８（ｄ）に示すように、圧電体層１５及び第２電極１６をパターニングし、第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６からなる圧電素子１７を形成する。
【００３５】
次に、図９（ａ）に示すように、酸化アルミニウムなどからなる絶縁層２０を成膜し、パターニングすることにより、第２電極１６の端部に対向する位置に開口２１を形成する。
次いで、図９（ｂ）に示すように、ニッケルクロムなどの密着層と金層とを成膜し、パターニングすることにより、導通配線２２を形成する。
【００３６】
次に、図９（ｃ）に示すように、基板１２の全周にマスク膜３３を形成する。そして、図９（ｄ）に示すように、マスク膜３３を介して基板１２をＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、基板１２の圧電素子１７に対向する領域を除去して開口部１１を形成する。
【００３７】
（他の実施形態）
以上説明した各本実施形態では、振動板１３の圧電素子１７とは反対側が、測定対象物に向けて発信される超音波や測定対象物から反射した超音波（エコー信号）の通過領域となる構成が採用されている。これによれば、振動板１３の圧電素子１７とは反対側の構成を簡素化させ、超音波等の良好な通過領域を確保できる。また、電極や配線等の電気的領域や各部材の接着固定領域を測定対象物から遠ざけて、これらと測定対象物との間での汚染や漏れ電流を防止しやすくなる。従って、汚染や漏れ電流を特に嫌う医療用の機器、例えば超音波診断装置、血圧計及び眼圧計にも好適に適用できる。
【００３８】
なお、基板１２の開口部１１等内には、音響整合層として機能する樹脂、例えばシリコーンオイル、シリコーン樹脂又はシリコーンゴムが充填され、開口部１１等は、超音波等を透過可能なレンズ部材による封止されるのが一般的である。これにより、圧電素子１７と測定対象物との間の音響インピーダンス差を低減でき、超音波が効率よく測定対象物側に発信されるようになる。
【００３９】
さらに、上述した実施形態では省略したが、圧電素子１７を含む領域を封止する封止板を基板１２に接合するのが好ましい。これによれば、圧電素子１７を物理的に保護でき、また超音波センサー１０の強度も増加するため、構造安定性を高めることができる。更に、圧電素子１７が薄膜として構成される場合には、その圧電素子１７を含む超音波センサー１０のハンドリング性も向上させることができる。
【符号の説明】
【００４０】
１０  超音波センサー、  １１，１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ  開口部、  １２  基板、  １３  振動板、  １４，１４Ａ，１４Ｂ，１４Ｃ，１４Ｄ  第１電極、  １４ａ  除去部、  １５，１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ  圧電体層、  １６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ  第２電極、  １７  圧電素子、  ２０  絶縁層、  ２１  開口、  ２２  導通配線、  ３１  絶縁体膜、  ３２  密着層、  ３３  マスク膜
【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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