(57)【要約】【課題】膜張力の少ない超音波素子を備えた超音波プローブを提供する。【解決手段】素子チップ１７と、素子チップ１７を支持する筐体と、を備え、素子チップ１７は振動膜４３上に形成された下部電極２４と、この下部電極２４上に形成されたＰＺＴ圧電体膜２６と、を備え、振動膜４３は正の膜応力を持ち、下部電極２４は負の膜応力を持ち、ＰＺＴ圧電体膜２６は負の膜応力を持ち、振動膜４３の膜張力、下部電極２４の膜張力及びＰＺＴ圧電体膜２６の膜張力を加えた膜張力が正である。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波トランスデューサー素子チップと、
前記超音波トランスデューサー素子チップを支持する筐体と、を備え、
前記超音波トランスデューサー素子チップは振動膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成されたＰＺＴ薄膜と、を備え、
前記振動膜は正の膜応力を持ち、前記金属膜は負の膜応力を持ち、前記ＰＺＴ薄膜は負の膜応力を持ち、前記振動膜の膜張力、前記金属膜の膜張力及び前記ＰＺＴ薄膜の膜張力を加えた膜張力が正であることを特徴とする超音波プローブ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波プローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
超音波プローブに設置された超音波トランスデューサー素子チップから生体に超音波を照射し反射波を解析する超音波診断装置が広く活用されている。超音波トランスデューサー素子チップには圧電素子であるＰＺＴ素子が用いられることが多い。ＰＺＴ素子は、一般に、多結晶体からなる圧電体薄膜と、この圧電体薄膜を間に挟んで配置される上電極及び下電極と、を備えた構造を有している。
【０００３】
ＰＺＴ素子の組成は、一般に、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする二成分系、または、この二成分系のＰＺＴに第三成分を加えた三成分系からなる。これらの組成の圧電体薄膜は、例えば、スパッタ法、ゾル−ゲル法、レーザアブレーション法及びＣＶＤ法等により形成される。ＰＺＴ素子を超音波プローブに適用する場合、圧電体薄膜には、高い圧電ひずみ定数が要求される。
【０００４】
このような高い圧電ひずみ定数を備えた圧電体薄膜を得るためには、通常、７００℃以上の温度でＰＺＴ膜の熱処理を行い、この圧電体薄膜の結晶粒を成長させることが必要であるとされている。
【０００５】
薄膜の圧電体をプリンターに応用した例が特許文献１に開示されている。それによると、単結晶シリコン基板上に、熱酸化法により酸化シリコン膜を２５００Åの厚さで形成する。その後、アルミニウム、ニッケル、クロム、プラチナ等の下部電極膜を０．２μｍの厚さで形成している。次いで、ゾル−ゲル法により圧電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を２〜１０μｍで形成し、さらに、上部電極膜を積層した。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表平５−５０４７４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記の製法及び構成で振動膜及び圧電体膜を形成する場合、ＰＺＴ膜の熱処理に伴って下部電極膜が著しく収縮しようとし、大きな正の残留応力をもつようになる。この下部電極膜の残留応力による膜張力は引っ張りの張力であり、他の膜の残留応力による膜張力に比べて大きい。このため、振動膜は、丁度強く張られた太鼓の皮のように、膜張力が振動膜の剛性を著しく大きくしてしまう。
【０００８】
ＰＺＴを駆動したときの圧電変位は、この膜張力に対して仕事をするため、エネルギーを余分に必要とし、駆動電圧に対する変位効率を著しく低下させるという問題点を有している。そこで、膜張力の少ない超音波素子を備えた超音波プローブが望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【００１０】
［適用例１］
本適用例にかかる超音波プローブであって、超音波トランスデューサー素子チップと、前記超音波トランスデューサー素子チップを支持する筐体と、を備え、前記超音波トランスデューサー素子チップは振動膜上に形成された金属膜と、前記金属膜上に形成されたＰＺＴ薄膜と、を備え、前記振動膜は正の膜応力を持ち、前記金属膜は負の膜応力を持ち、前記ＰＺＴ薄膜は負の膜応力を持ち、前記振動膜の膜張力、前記金属膜の膜張力及び前記ＰＺＴ薄膜の膜張力を加えた膜張力が正であることを特徴とする。
【００１１】
本適用例によれば、振動膜は正の膜応力を持ち、金属膜は負の膜応力を持っている。そして、ＰＺＴ薄膜は負の膜応力を持ち、振動膜の膜張力、金属膜の膜張力及びＰＺＴ薄膜の膜張力を加えた膜張力が正となっている。
【００１２】
正の膜応力と負の膜応力の組み合わせで、零あるいは圧縮の膜張力とし、ＰＺＴ薄膜を駆動したときの変位量を著しく低下させる振動膜の引っ張りの膜張力を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態にかかわる超音波診断装置の構成を示す概略斜視図。
【図２】超音波プローブの構成を示す組織側面図。
【図３】素子チップの構成を示す模式平面図。
【図４】素子チップの構成を示す模式側断面図。
【図５】補強板を示す模式平面図。
【図６】補強板を示す要部模式拡大図。
【図７】装置端末及び超音波プローブの回路図。
【図８】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図９】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１０】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１１】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１２】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１３】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１４】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１５】第２の実施形態にかかわる圧電体素子の構成を示す模式断面図。
【図１６】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【図１７】超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。尚、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の総てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（第１の実施形態）
本実施形態では、超音波診断装置の特徴的な例について図１〜図１４に従って説明する。
【００１５】
（１）超音波診断装置の全体構成
図１は超音波診断装置の構成を示す概略斜視図である。図１に示すように、超音波診断装置１１は装置端末１２と超音波プローブ１３（プローブ）とを備える。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４で相互に接続される。装置端末１２と超音波プローブ１３とはケーブル１４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１２にはディスプレイパネル１５（表示装置）が組み込まれる。ディスプレイパネル１５の画面は装置端末１２の表面で露出する。装置端末１２では、後述されるように、超音波プローブ１３で検出された超音波に基づき画像が生成される。画像化された検出結果がディスプレイパネル１５の画面に表示される。
【００１６】
図２は超音波プローブの構成を示す組織側面図である。図２に示すように、超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６内には超音波トランスデューサー素子チップとしての素子チップ１７（以下「素子チップ」という）が収容される。素子チップ１７の表面は筐体１６の表面で露出することができる。素子チップ１７は表面から超音波を出力するとともに超音波の反射波を受信する。その他、超音波プローブ１３は、プローブ本体１３ａに着脱可能に連結されるプローブヘッド１３ｂを備えることができる。このとき、素子チップ１７はプローブヘッド１３ｂの筐体１６内に組み込まれることができる。
【００１７】
図３は素子チップの構成を示す模式平面図である。図３に示すように、素子チップ１７は基板２１を備える。基板２１には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２は超音波トランスデューサー素子としての素子２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリックスで形成される。個々の素子２３は圧電素子部を備える。圧電素子部は金属膜としての下部電極２４、上部電極２５及びＰＺＴ薄膜としてのＰＺＴ圧電体膜２６で構成される。個々の素子２３ごとに下部電極２４及び上部電極２５の間にＰＺＴ圧電体膜２６が挟み込まれる。
【００１８】
下部電極２４は複数本の第１導電体２４ａを有する。第１導電体２４ａは配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第１導電体２４ａが割り当てられる。１本の第１導電体２４ａは配列の行方向に並ぶ素子２３のＰＺＴ圧電体膜２６に共通に配置される。第１導電体２４ａの両端は一対の引き出し配線２７にそれぞれ接続される。引き出し配線２７は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、総ての第１導電体２４ａは同一長さを有する。こうしてマトリックス全体の素子２３に共通に下部電極２４は接続される。
【００１９】
上部電極２５は複数本の第２導電体２５ａを有する。第２導電体２５ａは配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第２導電体２５ａが割り当てられる。１本の第２導電体２５ａは配列の列方向に並ぶ素子２３のＰＺＴ圧電体膜２６に共通に配置される。列ごとに素子２３の通電は切り替えられる。こうした通電の切り替えに応じてラインスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の素子２３は同時に超音波を出力することから、１列の個数すなわち配列の行数は超音波の出力レベルに応じて決定されることができる。行数は例えば１０〜１５行程度に設定されればよい。図中では省略されて５行が描かれる。配列の列数はスキャンの範囲の広がりに応じて決定されることができる。列数は例えば１２８列や２５６列に設定されればよい。図中では省略されて８列が描かれる。その他、配列では千鳥配置が確立されてもよい。千鳥配置では偶数列の素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列及び偶数列の一方の素子数は他方の素子数に比べて１つ少なくてもよい。さらにまた、下部電極２４及び上部電極２５の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリックス全体の素子２３に共通に上部電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に素子２３に下部電極が接続されてもよい。
【００２０】
基板２１の輪郭は、相互に平行な一対の直線２９で仕切られて対向する第１辺２１ａ及び第２辺２１ｂを有する。素子アレイ２２の輪郭と基板２１の外縁との間に広がる周縁領域３１には、第１辺２１ａと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第１端子アレイ３２ａが配置され、第２辺２１ｂと素子アレイ２２の輪郭との間に１ラインの第２端子アレイ３２ｂが配置される。第１端子アレイ３２ａは第１辺２１ａに平行に１ラインを形成することができる。第２端子アレイ３２ｂは第２辺２１ｂに平行に１ラインを形成することができる。第１端子アレイ３２ａは一対の下部電極端子３３及び複数の上部電極端子３４で構成される。同様に、第２端子アレイ３２ｂは一対の下部電極端子３５及び複数の上部電極端子３６で構成される。１本の引き出し配線２７の両端にそれぞれ下部電極端子３３、３５は接続される。引き出し配線２７及び下部電極端子３３、３５は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。１本の第２導電体２５ａの両端にそれぞれ上部電極端子３４、３６は接続される。第２導電体２５ａ及び上部電極端子３４、３６は素子アレイ２２を二等分する垂直面で面対称に形成されればよい。ここでは、基板２１の輪郭は矩形に形成される。基板２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。
【００２１】
基板２１には第１フレキ３７が連結される。第１フレキ３７は第１端子アレイ３２ａに覆い被さる。第１フレキ３７の一端には下部電極端子３３及び上部電極端子３４に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３８が形成される。第１信号線３８は下部電極端子３３及び上部電極端子３４に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基板２１には第２フレキ４１が覆い被さる。第２フレキ４１は第２端子アレイ３２ｂに覆い被さる。第２フレキ４１の一端には下部電極端子３５及び上部電極端子３６に個別に対応して導電線すなわち第２信号線４２が形成される。第２信号線４２は下部電極端子３５及び上部電極端子３６に個別に向き合わせられ個別に接合される。
【００２２】
図４は素子チップの構成を示す模式側断面図である。図４に示すように、個々の素子２３は振動膜４３を有する。振動膜４３の構築にあたって基板２１の基体４４には個々の素子２３ごとに開口４５が形成される。開口４５は基体４４に対してアレイ状に配置される。基体４４の表面には可撓膜４６が一面に形成される。可撓膜４６は、基体４４の表面に積層される酸化シリコン膜４７（ＳｉＯ2）と、酸化シリコン膜４７の表面に積層される上面層４８とで構成される。上面層４８は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）、チタン（Ｔｉ）、酸化チタン（ＴｉＯ）またはこれらが複合した膜となっている。可撓膜４６は開口４５に接する。こうして開口４５の輪郭に対応して可撓膜４６の一部が振動膜４３として機能する。酸化シリコン膜４７の膜厚は共振周波数に基づき決定される。
【００２３】
振動膜４３の表面に下部電極２４、ＰＺＴ圧電体膜２６及び上部電極２５が順番に積層される。下部電極２４には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）及びチタン（Ｔｉ）の積層膜やプラチナの膜を用いられることができる。ＰＺＴ圧電体膜２６は例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されることができる。上部電極２５は例えばイリジウム（Ｉｒ）や白金（Ｐｔ）で形成されることができる。下部電極２４及び上部電極２５にはその他の導電材が利用されてもよく、ＰＺＴ圧電体膜２６にはその他の圧電材料が用いられてもよい。ここでは、上部電極２５の下でＰＺＴ圧電体膜２６は完全に下部電極２４を覆う。ＰＺＴ圧電体膜２６の働きで上部電極２５と下部電極２４との間で短絡は回避されることができる。
【００２４】
基板２１の表面には保護膜４９が積層される。保護膜４９は例えば全面にわたって基板２１の表面に覆い被さる。その結果、素子アレイ２２や第１端子アレイ３２ａ及び第２端子アレイ３２ｂ、第１フレキ３７及び第２フレキ４１は保護膜４９で覆われる。保護膜４９には例えばシリコーン樹脂膜が用いられることができる。保護膜４９は、素子アレイ２２の構造や、第１端子アレイ３２ａ及び第１フレキ３７の接合、第２端子アレイ３２ｂ及び第２フレキ４１の接合を保護する。
【００２５】
隣接する開口４５同士の間には仕切り壁５１が区画される。開口４５同士は仕切り壁５１で仕切られる。仕切り壁５１の壁厚みｔは開口４５の空間同士の間隔に相当する。仕切り壁５１は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みｔは壁面同士の距離に相当する。すなわち、壁厚みｔは壁面に直交して壁面同士の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。仕切り壁５１の壁高さＨは開口４５の深さに相当する。開口４５の深さは基体４４の厚みに相当する。したがって、仕切り壁５１の壁高さＨは基体４４の厚み方向に規定される壁面の長さで規定されることができる。基体４４は均一な厚みを有することから、仕切り壁５１は全長にわたって一定の壁高さＨを有することができる。仕切り壁５１の壁厚みｔが縮小されれば、振動膜４３の配置密度は高められ、素子チップ１７の小型化に寄与することができる。壁厚みｔに比べて仕切り壁５１の壁高さＨが大きければ、素子チップ１７の曲げ剛性は高められることができる。こうして開口４５同士の間隔は開口４５の深さよりも小さく設定される。
【００２６】
基体４４の裏面には補強板５２（補強部材）が固定される。補強板５２の表面に基体４４の裏面が重ねられる。補強板５２は素子チップ１７の裏面で開口４５を閉じる。補強板５２はリジッドな基材を備えることができる。補強板５２は例えばシリコン基板から形成されることができる。基体４４の板厚は例えば１００μｍ程度に設定され、補強板５２の板厚は例えば１００〜１５０μｍ程度に設定される。ここでは、仕切り壁５１は補強板５２に結合される。補強板５２は個々の仕切り壁５１に少なくとも１カ所の接合域で接合される。接合には接着剤を用いてもよい。
【００２７】
補強板５２の表面には直線状の溝５３（直線状溝部）が形成される。溝５３は補強板５２の表面を複数の平面５４に分割する。複数の平面５４は１つの仮想平面ＨＰ内で広がる。その仮想平面ＨＰ内で基体４４の裏面は広がる。仕切り壁５１は平面５４に接合される。溝５３は仮想平面ＨＰから窪む。溝５３の断面形状は四角形であってもよく三角形であってもよく半円形その他の形状であってもよい。
【００２８】
図５は補強板を示す模式平面図である。図５に示すように、開口４５は第１方向Ｄ１に列を形成する。開口４５の輪郭形状の図心４５ｂは第１方向Ｄ１の１直線５６上で等ピッチに配置される。開口４５の輪郭４５ａは１つの形状の複写で象られることから、同一形状の開口４５が一定のピッチで繰り返し配置される。開口４５の輪郭４５ａは例えば四角形に規定される。具体的には矩形に形成される。矩形の長辺は第１方向Ｄ１に合わせ込まれる。こうして開口４５は矩形の輪郭４５ａを有することから、仕切り壁５１は全長にわたって一定の壁厚みｔを有することができる。このとき、仕切り壁５１の接合域は長辺の中央位置を含む領域であればよい。特に、仕切り壁５１の接合域は長辺の全長を含む領域であればよい。仕切り壁５１は長辺の全長にわたって開口４５同士の間の全面で補強板５２に面接合されることができる。さらに、仕切り壁５１の接合域は四角形の各辺に少なくとも１カ所ずつ配置されることができる。仕切り壁５１の接合域は四角形を途切れなく囲むことができる。仕切り壁５１は四角形の全周にわたって開口４５同士の間の全面で補強板５２に面接合されることができる。
【００２９】
溝５３は一定の間隔Ｌで相互に平行に第１方向Ｄ１に並べられる。溝５３は第１方向Ｄ１に交差する第２方向Ｄ２に延びる。溝５３の両端は補強板５２の端面５７ａ及び端面５７ｂで開口する。１本の溝５３は１列（ここでは１行）の開口４５の輪郭４５ａを順番に横切る。個々の開口４５には少なくとも１本の溝５３が接続される。ここでは、第２方向Ｄ２は第１方向Ｄ１に直交する。したがって、溝５３は矩形の短辺方向に開口４５の輪郭４５ａを横切る。
【００３０】
図６は補強板を示す要部模式拡大図である。図６に示すように、平面５４同士の間で溝５３は基体４４と補強板５２との間に通路５８ａ及び通路５８ｂを形成する。こうして溝５３内の空間は開口４５の内部空間に連通する。通路５８ａ及び通路５８ｂは開口４５の内部空間と基板２１の外部空間との間で通気を確保する。基板２１の表面に直交する方向すなわち基板２１の厚み方向から見た平面視で、１本の溝５３は１列（ここでは１行）の開口４５の輪郭４５ａを順番に横切ることから、次々に開口４５同士は通路５８ａで接続される。溝５３の両端は補強板５２の端面５７ａ及び端面５７ｂで開口する。こうして列端の開口４５から基板２１の輪郭の外側に通路５８ｂは開放される。
【００３１】
溝５３の間隔Ｌは開口４５の開口幅Ｓよりも小さく設定される。開口幅Ｓは、溝５３の並び方向すなわち第１方向Ｄ１に開口４５を横切る線分のうち最大の長さのもので規定される。言い換えると、開口幅Ｓは、開口４５の輪郭４５ａに外接する平行線５９同士の間隔に相当する。開口４５ごとに開口４５の輪郭４５ａに外接する平行線５９は特定される。平行線５９は第２方向Ｄ２に延びる。仮に開口４５ごとに開口幅Ｓが相互に相違する場合には、開口幅Ｓの最小値よりも小さい間隔Ｌで溝５３は並べられればよい。ここでは、溝５３の間隔Ｌは、開口４５の開口幅Ｓの３分の１以上であって２分の１よりも小さく設定される。
【００３２】
（２）超音波診断装置の回路構成
図７は装置端末及び超音波プローブの回路図である。図７に示されるように、超音波プローブ１３には素子チップ１７と接続する集積回路チップ５５が設置されている。集積回路チップ５５はマルチプレクサー６１及び送受信回路６２を備える。マルチプレクサー６１は素子チップ１７側のポート群６１ａと送受信回路６２側のポート群６１ｂとを備える。素子チップ１７側のポート群６１ａには第１配線６０経由で第１信号線３８及び第２信号線４２が接続される。こうしてポート群６１ａは素子アレイ２２に繋がる。ここでは、送受信回路６２側のポート群６１ｂには集積回路チップ５５内の規定数の信号線６３が接続される。規定数はスキャンにあたって同時に出力される素子２３の列数に相当する。マルチプレクサー６１はケーブル１４側のポートと素子チップ１７側のポートとの間で相互接続を管理する。
【００３３】
送受信回路６２は規定数の切り替えスイッチ６４を備える。個々の切り替えスイッチ６４はそれぞれ信号線６３に接続される。送受信回路６２は個々の切り替えスイッチ６４ごとに送信経路６５及び受信経路６６を備える。切り替えスイッチ６４には送信経路６５と受信経路６６とが並列に接続される。切り替えスイッチ６４はマルチプレクサー６１に選択的に送信経路６５または受信経路６６を接続する。送信経路６５にはパルサー６７が組み込まれる。パルサー６７は振動膜４３の共振周波数に応じた周波数でパルス信号を出力する。受信経路６６にはアンプ６８、ローパスフィルター６９（ＬＰＦ）及びアナログデジタル変換器７１（ＡＤＣ）が組み込まれる。個々の素子２３の検出信号は増幅されてデジタル信号に変換される。
【００３４】
送受信回路６２は駆動／受信回路７２を備える。送信経路６５及び受信経路６６は駆動／受信回路７２に接続される。駆動／受信回路７２はスキャンの形態に応じて同時にパルサー６７を制御する。駆動／受信回路７２はスキャンの形態に応じて検出信号のデジタル信号を受信する。駆動／受信回路７２は制御線７３によりマルチプレクサー６１に接続される。マルチプレクサー６１は駆動／受信回路７２から供給される制御信号に基づき相互接続の管理を実施する。
【００３５】
装置端末１２には処理回路７４が組み込まれる。処理回路７４は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）やメモリーを備えることができる。超音波診断装置１１の全体動作は処理回路７４の処理に従って制御される。ユーザーから入力される指示に応じて処理回路７４は駆動／受信回路７２を制御する。処理回路７４は素子２３の検出信号に応じて画像を生成する。画像は描画データで特定される。
【００３６】
装置端末１２には描画回路７５が組み込まれる。描画回路７５は処理回路７４に接続される。描画回路７５にはディスプレイパネル１５が接続される。描画回路７５は処理回路７４で生成された描画データに応じて駆動信号を生成する。駆動信号はディスプレイパネル１５に送り込まれる。その結果、ディスプレイパネル１５に画像が映し出される。
【００３７】
（３）超音波診断装置の動作
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。処理回路７４は駆動／受信回路７２に超音波の送信及び受信を指示する。駆動／受信回路７２はマルチプレクサー６１に制御信号を供給するとともに個々のパルサー６７に駆動信号を供給する。パルサー６７は駆動信号の供給に応じてパルス信号を出力する。マルチプレクサー６１は制御信号の指示に従ってポート群６１ｂのポートにポート群６１ａのポートを接続する。ポートの選択に応じて下部電極端子３３、下部電極端子３５、上部電極端子３４及び上部電極端子３６を通じて列ごとにパルス信号が素子２３に供給される。パルス信号の供給に応じて振動膜４３は振動する。その結果、対象物（例えば人体の内部）に向けて所望の超音波が発せられる。
【００３８】
超音波の送信後、切り替えスイッチ６４が切り替えられる。マルチプレクサー６１はポートの接続関係を維持する。切り替えスイッチ６４は送信経路６５及び信号線６３の接続に代えて受信経路６６及び信号線６３の接続を確立する。超音波の反射波は振動膜４３を振動させる。その結果、素子２３から検出信号が出力される。検出信号はデジタル信号に変換されて駆動／受信回路７２に送り込まれる。
【００３９】
超音波の送信及び受信は繰り返される。繰り返しにあたってマルチプレクサー６１はポートの接続関係を変更する。その結果、ラインスキャンやセクタースキャンが実現される。スキャンが完了すると、処理回路７４は検出信号のデジタル信号に基づき画像を形成する。形成された画像はディスプレイパネル１５の画面に表示される。
【００４０】
（４）超音波トランスデューサー素子チップの製造方法
図８〜図１２は超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図である。図８に示されるように、シリコンウエハー７８（基板）の表面には酸化シリコン膜７９及び酸化ジルコニウム膜８１が相次いで形成される。酸化ジルコニウム膜８１の表面には導電膜が形成される。導電膜はチタン、イリジウム、白金及びチタンの積層膜で構成される。フォトリソグラフィ技術に基づき導電膜から下部電極２４、引き出し配線２７、図示しない下部電極端子３３及び下部電極端子３５が形成される。下部電極２４、引き出し配線２７、下部電極端子３３及び下部電極端子３５は個々の素子チップ１７ごとに形成される。
【００４１】
図９に示されるように、下部電極２４の表面で個々の素子２３ごとにＰＺＴ圧電体膜２６及び上部電極２５が形成される。ＰＺＴ圧電体膜２６及び上部電極２５の形成にあたってシリコンウエハー７８の表面に圧電材料膜及び導電膜が成膜される。圧電材料膜はＰＺＴ膜から構成される。導電膜はイリジウム膜から構成される。フォトリソグラフィ技術に基づき個々の素子２３ごとに圧電材料膜及び導電膜からＰＺＴ圧電体膜２６及び上部電極２５が成形される。
【００４２】
続いて、図１０に示されるように、シリコンウエハー７８の表面に導電膜８２が成膜される。導電膜８２は個々の素子チップ１７内で列ごとに上部電極２５を相互に接続する。そして、フォトリソグラフィ技術に基づき導電膜８２から上部電極２５、上部電極端子３４及び上部電極端子３６が成形される。
【００４３】
その後、図１１に示されるように、シリコンウエハー７８の裏面からアレイ状の開口４５が形成される。開口４５の形成にあたってエッチング処理が施される。酸化シリコン膜７９はエッチングストップ層として機能する。酸化シリコン膜７９及び酸化ジルコニウム膜８１からなる振動膜４３は開口４５により区画される。
【００４４】
補強板用のウエハー８３の表面には直線状の溝８４が形成される。溝８４は相互に平行に等間隔で延びる。溝８４の少なくとも一端はウエハー８３の端面で開放される。溝８４は、開口４５の開口幅Ｓよりも小さい間隔Ｌで並べられる。こうして溝８４の間隔Ｌが設定されると、シリコンウエハー７８と補強板用のウエハー８３との間で相対的に位置ずれが生じても、少なくとも１本の溝８４は開口４５の輪郭４５ａを横切ることができる。例えば図１２に示されるように、シリコンウエハー７８に対して補強板用のウエハー８３が第１方向Ｄ１にずれて溝８４ａが隣り合う開口４５の間に位置しても、２つの開口４５にはそれぞれ少なくとも１本の溝８４ｂが配置される。シリコンウエハー７８から個々の素子チップ１７が切り出された際に、溝８４は補強板５２の溝５３を提供する。
【００４５】
こうして溝８４が形成されると、シリコンウエハー７８及びウエハー８３が大気中またはその他の気体雰囲気下で相互に重ね合わせられる場合でも、比較的に簡単に重ね合わせは実現されることができる。その一方で、シリコンウエハー７８の裏面が均一な平面に重ね合わせられると、個々の開口４５内に補強板用のウエハーの平面で気体が押し詰められる。大気圧では開口４５内の空間の体積よりも大きい体積の気体が開口４５内に留まろうとする。開口４５の封鎖と同時に、シリコンウエハー７８及び補強板用のウエハーの隙間から余分な気体が逃げないと、シリコンウエハー７８及び補強板用のウエハーの貼り合わせは実現されることができない。
【００４６】
図１１に戻って、シリコンウエハー７８の裏面に補強板用のウエハー８３（補強部材）の表面が重ね合わせられる。重ね合わせに先立ってウエハー８３はハンドリング機構やステージ上に保持される。ウエハー８３には例えばリジッドな絶縁性基板が用いられることができる。絶縁性基板にはシリコンウエハーが用いられることができる。接合にあたって例えば接着剤を用いても良い。接合後、シリコンウエハー７８から個々の素子チップ１７が切り出されて素子チップ１７が完成する。
【００４７】
（５）圧電体膜の製造方法と構造
次に、素子２３について詳細に説明する。図４に戻って、素子２３は、基体４４（Ｓｉ）と、下部電極２４と、ＰＺＴ圧電体膜２６と、上部電極２５とから構成される。基体４４の表面には予め熱酸化により形成した二酸化シリコンからなる、厚さ１〜２μｍの酸化シリコン膜４７、上面層４８により振動膜４３が構成されている。また、振動膜４３上には、厚さが例えば、約０．５μｍの下部電極２４と、厚さが例えば、約１μｍのＰＺＴ圧電体膜２６と、厚さが例えば、約０．１μｍの上部電極２５とが、後述するプロセスで積層形成されて、素子２３を構成している。
【００４８】
また、かかる各上部電極２５の上面の少なくとも周縁、及びＰＺＴ圧電体膜２６の側面を覆うように電気絶縁性を備えた保護膜４９が形成されている。保護膜４９は、成膜法による形成やまたエッチングによる形成が可能な材料、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、有機材料、好ましくは剛性が低く、且つ電気絶縁性に優れた感光性ポリイミドで形成するのが好ましい。
【００４９】
ここで、シリコン単結晶基板からなる基体４４上に、ＰＺＴ圧電体膜２６等を形成するプロセスを図１３及び図１４を参照しながら説明する。図１３及び図１４は超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図である。図１３（ａ）に示すように、まず、面方位（１１０）を有する厚さ２２０μｍの基体４４のウェハを約１２００℃で湿式熱酸化し、基体４４の表面に酸化シリコン膜４７を形成する。次に、スパッタリングで上面層４８を形成する。上面層４８は酸化シリコン膜４７と下部電極２４との密着力を向上させる。上面層４８にはチタンと酸化チタンとチタンとを順次数十Å形成した。上面層４８のチタン、酸化チタン、チタン及び下部電極２４は、直流スパッタリング法により４層連続形成し、その中で酸化チタンは１０％酸素雰囲気によるリアクティブスパッタリング法によって形成した。
【００５０】
次に、図１３（ｂ）に示すように、下部電極２４の材料をスパッタリングして成膜する。そして所定の形状にパターニングして下部電極２４を形成する。下部電極２４の材料としては、Ｐｔ等が好適である。これは、スパッタリングやゾル−ゲル法で成膜する後述のＰＺＴ圧電体膜２６は、成膜後に大気雰囲気下または酸素雰囲気下で６００〜１０００℃程度の温度で焼成して結晶化させる必要があるからである。すなわち、下部電極２４の材料は、このような高温、酸化雰囲気下で導電性を保持できなければならず、殊に、ＰＺＴ圧電体膜２６としてＰＺＴを用いた場合には、ＰｂＯの拡散による導電性の変化が少ないことが望ましく、これらの理由からＰｔが好適である。尚、上面層４８は必ずしも設ける必要はなく、酸化シリコン膜４７上に下部電極２４を形成してもよい。
【００５１】
次に、図１３（ｃ）に示すように、ＰＺＴ圧電体膜２６を成膜する。このＰＺＴ圧電体膜２６の成膜にはスパッタリングを用いることもできるが、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解させて分解したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなるＰＺＴ圧電体膜２６を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いている。
【００５２】
ゾル−ゲル法によるＰＺＴ圧電体膜２６では、酢酸鉛０．１０５モル、ジルコニウムアセチルアセトナート０．０４５モル、酢酸マグネシウム０．００５モルと３０ミリリットルの酢酸を、１００℃に加熱して溶解させる。その後、室温まで冷却し、チタンテトライソプロポキシド０．０４０モル、ペンタエトキシニオブ０．０１０モルをエチルセロソルブ５０ミリリットルに溶解させて添加する。次に、アセチルアセトンを３０ミリリットル添加して安定化させる。その後、ポリプロピレングリコール（平均分子量４００）をゾル中の金属酸化物に対し３０重量％添加し、よく攪拌して得た均質なゾルを原料とした。下部電極２４上に調製したゾルをスピンコートで塗布し、４００℃で仮焼成し、非晶質の多孔質ゲル薄膜を形成し、この塗布と仮焼成とを必要な膜厚となるまで繰り返した。
【００５３】
次に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）法を用いて酸素雰囲気中、５秒間で６５０℃に加熱して１分間保持することによりプレアニールを行った。さらに、ＲＴＡ法を用いて酸素雰囲気中９００℃に加熱して１分間保持することによりアニールし、最終的なＰＺＴ圧電体薄膜を得た。このようにして得られる圧電体膜の物性を測定したところ比誘電率２０００、圧電定数ｄ３１は−１５０ｐＣ／Ｎと優れた特性を示した。
【００５４】
次に、ＰＺＴ圧電体膜２６をパターニングする。ＰＺＴ圧電体膜２６をフォトグラフィ法及びエッチング法を用いてパターニングする。
【００５５】
次に、図１３（ｄ）に示すように、直流スパッタリング法により白金（Ｐｔ）を２００Åの厚さで形成して上部電極２５を成膜する。尚、上部電極２５は、導電性の高い材料であればよく、Ｐｔの他、Ａｌ、Ａｕ、Ｎｉ等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。
【００５６】
次に、図１４（ａ）に示すように、上部電極２５をパターニングする。上部電極２５をフォトグラフィ法及びエッチング法を用いてパターニングする。
【００５７】
図１４（ｂ）に示すように、各上部電極２５の上面、周縁、ＰＺＴ圧電体膜２６及び下部電極２４を覆うように電気絶縁性を備えた保護膜４９を形成する。保護膜４９は、本実施形態では例えばネガ型の感光性ポリイミドを用いている。
【００５８】
次に、酸化シリコン膜４７、下部電極２４、ＰＺＴ圧電体膜２６の各膜の膜張力について説明する。酸化シリコン膜４７は熱酸化により形成したため、基体４４上で膨張し負の膜応力を持っている。即ち、酸化シリコン膜４７は基体４４から圧縮力を受け、逆に基体４４は酸化シリコン膜４７から引っ張り力を受けている。
【００５９】
これに対し、下部電極２４とＰＺＴ圧電体膜２６は高温での熱処理により降温過程で収縮し、常温では基体４４上で正の膜応力を持っている。即ち、下部電極２４とＰＺＴ圧電体膜２６は基体４４から引っ張り力を受け、逆に基体４４は下部電極２４とＰＺＴ圧電体膜２６から圧縮力を受けている。ここで、基体４４は他の膜と比較し十分に厚いため、膜張力の作用対象を基体４４と比較した。下部電極２４とＰＺＴ圧電体膜２６に働いている引っ張りの膜張力により、膜を積層した基体４４は、下部電極２４（あるいはＰＺＴ圧電体膜２６）の面を凹にして反ることになる。各膜の膜張力あるいは膜応力は、以下のようにして測定した。
【００６０】
膜張力により、シリコン基板は反るが、この時の反りの曲率半径をＲとすると、曲率半径Ｒと薄膜の膜張力Ｔ、あるいは応力σとの間は、以下の関係式で表せる。
【００６１】
【数１】
2015216478.tif 000003
ここで、ｄは薄膜の厚さ、Ｄはシリコン基板の厚さ、νｓはシリコン基板のポアソン比、Ｅｓはシリコン基板のヤング率である。
【００６２】
反り量の測定では、シリコンの弾性定数が異方性を持つため、特定の結晶方位に沿った短冊状のサンプルを用い、計算では、その方向でのヤング率とポアソン比を用いて行った。酸化シリコン膜４７の膜張力は、基体４４の反り量から求めた。ＰＺＴ圧電体膜２６の膜張力は、ＰＺＴ圧電体膜２６をエッチングで除去し、その前後での反り量の変化分をＰＺＴ圧電体膜２６による反り量として求めた。下部電極２４の膜張力は、ＰＺＴ圧電体膜２６を除去した後の反り量から求めた。
【００６３】
以上のようにして求めた膜張力から膜応力を求めるには、膜のヤング率が必要である。膜のヤング率の測定は、膜応力が影響しないよう注意深く行う必要がある。両持ち梁を使った測定や周辺固定の膜を使った測定では、膜張力のため全く異なった値となるため、片持ち梁のサンプルを用いて、その加重−撓み特性からヤング率を求めた。
【００６４】
（第１の膜構成例）第１の膜構成例の膜構成を表１に示す。
【００６５】
【表１】
2015216478.tif 000004
本構成では、（下部電極２４の厚み）／（酸化シリコン膜４７の厚み）を０．５とした。下部電極２４と酸化シリコン膜４７は、その膜厚や熱処理方法によっては多少の膜応力の変動が見られるが、この膜厚比を０．５とすることで、ほぼ下部電極２４と酸化シリコン膜４７の膜張力を釣り合わせることが出来る。従って、振動膜４３の膜張力が実質的に零となるような構成となる。第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２での基板の反り量は、開口４５で３μｍ振動膜４３側が凹となった。
【００６６】
本構成の素子２３に電圧１０Ｖを印加したときの変位量は１１０ｎｍであった。これに対し、本構成で開口４５に面した酸化シリコン膜４７の部分を、エッチングで除去したものを作成し、電圧１０Ｖを印加したときの変位量は８０ｎｍであった。また、振動膜４３の剛性（コンプライアンス）を測定した結果、酸化シリコン膜４７の除去前後で、剛性の変化は僅かであった。一般には、酸化シリコン膜４７を除去することで、振動膜４３の曲げ剛性が小さくなり、その分、電圧印加による変位量が大きくなるはずである。本実施形態では、膜張力が大きく膜厚が薄いため、負の膜張力を持つ酸化シリコン膜４７が無いと下部電極２４の正の膜張力で、振動膜４３に強い引っ張り張力が作用してしまう。この膜張力が曲げ剛性の低下分を相殺するように働く。本構成のように、振動膜４３の膜張力が実質的に零となる（あるいは負となる）ように構成することによって、素子２３による振動膜４３の変位効率を著しく向上させることができる。
【００６７】
（第２の膜構成例）第２の膜構成例の膜構成を表２に示す。
【００６８】
【表２】
2015216478.tif 000005
本構成では、（下部電極２４の厚み）／（酸化シリコン膜４７の厚み）を０．２７とした。酸化シリコン膜４７の膜張力が下部電極２４の膜張力より、その絶対値が大きいため、振動膜４３としては負の膜張力が働いている。この振動膜４３の膜張力にＰＺＴ圧電体膜２６の膜張力を合わせると膜全体としては正の膜張力となり、振動膜４３に弛みを生じることは無くなる。振動膜４３の振動が正常かつ安定して実現できた。また、基体４４のエッチングプロセスを経ても、振動膜４３の剥離は見られなかった。
【００６９】
第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２での基体４４の反り量は、開口４５が配置されている範囲で１μｍ振動膜４３側が僅かに凹となったが、実質的には零であり、接合で問題が生じることは無かった。
【００７０】
本構成の素子２３に電圧１０Ｖを印加したときの変位量は１２０ｎｍで、第１の構成例よりおよそ１割向上した。また、振動膜４３の剛性（コンプライアンス）は第１の構成例より１割大きく（コンプライアンスでは１割小さく）なった。従って、低い駆動電圧で強い超音波を発生することができ、総合すると第１の構成例より２割の特性向上が見られた。
【００７１】
（第３の膜構成例）第３の膜構成例を表３に示す。
【００７２】
【表３】
2015216478.tif 000006
【００７３】
本構成では、第２の膜構成例に対してＰＺＴ圧電体膜２６の厚さを薄くした。この構成では、下部電極２４とＰＺＴ圧電体膜２６の正の膜張力より酸化シリコン膜４７の負の膜張力が強く、振動膜４３に弛みが生じてしまう。この弛みは顕微鏡等では確認が難しい場合が有ったが、超音波の出力や受信感度が不安定になり、素子２３間での特性の差が非常に大きくなる。また、基体４４のエッチングプロセスで膜の剥離が生じることが有り、歩留まりが低下してしまった。
【００７４】
（第４の膜構成例）第４の膜構成例を表４に示す。
【００７５】
【表４】
2015216478.tif 000007
【００７６】
本構成では、第１の膜構成例に対して酸化シリコン膜４７の厚さを薄くし、（下部電極２４の厚み）／（酸化シリコン膜４７の厚み）を１とした。酸化シリコン膜４７の膜張力は下部電極２４の膜張力より、その絶対値が小さいため、振動膜４３としては正の膜張力が働いている。この振動膜４３の膜張力により、第１方向Ｄ１及び第２方向Ｄ２での基体４４の反り量は、開口４５が配置されている範囲で９μｍ振動膜４３側が凹となった。この反りのため、部分的な接合不良が生じ、歩留まりが低下した。また、接合によって反りが変化するため、振動膜４３の膜張力が開口４５毎にばらついてしまい、変位量のばらつき、膜剛性のばらつきが大きくなった。
【００７７】
そのため、超音波の出力や受信感度が素子チップ１７内で異なってしまい、超音波画像の品質の低下を起こした。以上で述べた実施例は、酸化シリコン膜４７と白金の下部電極２４の組み合わせであるが、他の組み合わせも可能である。一般に基板面に第２の元素を進入させて膜を形成する場合（本実施形態では酸素が第２の元素に相当する）に、膜に負の応力が発生する。従って、酸化シリコン膜４７の他に基体４４にボロンドープや窒化を行った膜でも同様の効果が得られる。
【００７８】
また、白金の他にはパラジウム膜や両者を合わせた膜でも良い。また、本実施形態では上部電極２５の膜張力は他の膜張力に比較して十分小さいために、その影響を考慮しなかったが、上部電極２５の材料、膜厚、あるいは形成方法を選ぶことで上部電極２５の引っ張りの膜張力を大きくして、この上部電極２５とＰＺＴ圧電体膜２６とを合わせた膜張力と振動膜４３の膜張力とを加えて、正の膜張力としても、同様の効果が得られる。
【００７９】
（第２の実施形態）
次に、超音波診断装置の一実施形態について図１５〜図１７を用いて説明する。本実施形態が第１の実施形態と異なるところは、電極が圧電体膜に圧縮応力を与えている点にある。尚、第１の実施形態と同じ点については説明を省略する。
【００８０】
図１５は圧電体素子の構成を示す模式断面図である。すなわち、本実施形態では図１５に示すように、超音波診断装置８７に設置された超音波プローブ８８は素子チップ８９を備えている。素子チップ８９は基体９０を備え、基体９０には開口９１が形成されている。開口９１の上面には支持膜９２及び上面層９３を介して圧電体素子９５が形成されている。支持膜９２及び上面層９３から振動膜９４が構成されている。
【００８１】
圧電体素子９５は下部電極９６、チタン層９７、圧電体膜９８及び上部電極９９を備えて構成されている。圧電体膜９８の種類としては、少なくともチタン、鉛を構成成分に有する強誘電体が好ましく、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ3）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ3）等が好適である。特に、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が好適である。上部電極９９或いは下部電極９６として用いる電極材料としては、白金、イリジウム、ルテニウム、パラジウム、ロジウム、オスミウム及びその酸化物等がある。
【００８２】
圧電体膜９８は（１００）面方位或いは（１１１）面方位に優先配向処理される。圧電体膜９８が（１００）面方位に優先配向処理された場合には上部電極９９または／及び下部電極９６を電極内部に引っ張り応力を生じる薄膜材料、例えば白金を上部電極９９及び下部電極９６に用いることができる。白金以外の導電性材料であっても、熱アニール処理により電極内部の応力が引っ張り応力となる薄膜とすることができる。
【００８３】
一方、圧電体膜９８が（１１１）面方位に優先配向処理された場合には、上部電極９９または／及び下部電極９６を電極内部に圧縮応力を生じる薄膜材料、例えば、イリジウムを用いることができる。イリジウム以外の導電性材料であっても、酸化、窒化処理により電極内部が圧縮応力となる薄膜とすることができる。
【００８４】
また、圧電体素子９５は下部電極９６側が上部電極９９側よりも広いテーパ形状となっており、圧電体素子９５のエッジ部分のテーパ角θは４５°よりも小さい角度になっている。圧電体素子９５をかかる構成とすることで上部電極９９または／及び下部電極９６の引っ張り応力（或いは圧縮応力）による圧電体膜９８内に生じた圧縮応力（或いは引っ張り応力）を保持することができる。
【００８５】
圧電体素子９５及び表面に露出している上面層９３の全面を覆うように保護膜１００で被覆してもよい。保護膜１００としてフッ素樹脂、シリコン酸化膜、エポキシ樹脂等が好適である。
【００８６】
（圧電体素子の製造工程）
図１６及び図１７は超音波トランスデューサー素子チップの製造方法を説明するための模式図である。図１６及び図１７を参照しながら圧電体素子の製造工程について説明する。まず、図１６（ａ）に示すように、基体９０に支持膜９２、上面層９３を成膜した。基体９０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２２０μｍのシリコン単結晶基板を用いた。支持膜９２は、１１００℃の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させ、約１μｍの膜厚の熱酸化膜を形成した。この他に、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。また、支持膜９２として、二酸化珪素膜に限られず、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよい。次に、上面層９３として酸化ジルコニウム（ＺｒＯ2）を成膜するため、ジルコニウムをターゲットとし、酸素ガスの導入による反応性スパッタリング法等で膜厚４００ｎｍ程度に成膜した。他の成膜法として、酸化ジルコニウムターゲットでＲＦスパッタリング法で成膜したり、ＤＣスパッタリング法でジルコニウムを成膜した後、熱酸化してもよい。
【００８７】
次に、図１６（ｂ）に示すように、上面層９３上に下部電極９６を成膜した。下部電極９６は複数の導電性材料からなる積層構造を有している。下部電極９６として、上面層９３側からチタン（膜厚２０ｎｍ）、イリジウム（膜厚２０ｎｍ）、白金（膜厚６０ｎｍ）、イリジウム（膜厚２０ｎｍ）を順次成膜した。
【００８８】
続いて、図１６（ｃ）に示すように、下部電極９６上にチタン層９７を積層した。チタン層９７の成膜は、ＤＣマグネトロンスパッタ法を利用して５ｎｍの膜厚に成膜した。本発明者の実験により、チタン層の膜厚を２ｎｍ〜１０ｎｍの範囲で成膜すれば、圧電体膜９８を（１００）面方位に優先配向できることが確認されている。また、チタン層９７の膜厚を１０ｎｍ〜２０ｎｍの膜厚で成膜すれば圧電体膜９８は（１１１）面方位に優先配向することができる。チタン層９７の成膜は、ＣＶＤ法、蒸着法等の成膜法を利用することもできる。次に、下部電極９６及びチタン層９７を所定の形状にパターニングする。この工程では公知のフォトグラフィ法及びエッチング法を用いる。
【００８９】
次に、図１６（ｄ）〜図１７（ｂ）に示すように、チタン層９７上に圧電体膜９８を成膜した。次に、圧電体膜９８をパターニングした後で上部電極９９を成膜した。本実施形態では圧電体膜９８としてＰＺＴ膜をゾル−ゲル法で成膜した。ゾル−ゲル法とは、一般には、金属アルコキシド等の金属有機化合物を溶液系で加水分解、重縮合させて金属−酸素−金属結合を成長させ、最終的に焼結することにより完成させる無機酸化物の作製方法である。具体的には、基体９０上に金属有機化合物を含む溶液を塗布し、乾燥したあと焼結を行う。用いられる金属有機化合物としては、無機酸化物を構成する金属のメトキシド、エトキシド、プロポキシド、ブトキシド等のアルコキシドやアセテート化合物等があげられる。硝酸塩、しゅう酸塩、過塩素酸塩等の無機塩でも良い。
【００９０】
これら化合物から無機酸化物を作製するには加水分解及び重縮合反応を進める必要があるため、塗布溶液中には水の添加が必要となる。添加量は系により異なるが多すぎると反応が速く進むため得られる膜質が不均一となり易く、また反応速度の制御が難しい。水の添加量が少なすぎても反応のコントロールが難しく、適量がある。
【００９１】
さらに、加水分解の加速触媒や金属原子に配位するキレート剤を添加して反応速度及び反応形態の制御ができる。加速触媒としては一般の酸及び塩基が用いられる。触媒の種類により膜質が大きく影響される。また、キレート剤としては、アセチルアセトン、エチルアセトアセテート、ジエチルマロネート等があげられる。溶媒としては、上記材料が沈澱しないもの、すなわち相溶性に優れたものが望ましい。溶液濃度は塗布方法にもよるが、スピンコート法の場合、溶液粘度が数ｃＰ〜数十ｃＰとなるように調整すると良い。コーティングした膜は焼結することにより有機物の脱離及び結晶化が促進される。焼結温度は材料により異なるが、通常の金属酸化物粉末の焼成にかかる温度より低温で作製できる。
【００９２】
本実施形態では圧電体膜９８の組成をＰｂ（Ｚｒ0.56Ｔｉ0.44）Ｏ3とし、ジルコン酸鉛とチタン酸鉛のモル混合比が５６％：４４％となる２成分系のＰＺＴとした。圧電体膜９８を成膜するために、ＰＺＴを構成する金属成分の水酸化物の水和錯体、即ち、ゾルを調整した。このゾルを調整するため、２−ｎ−ブトキシエタノールを主溶媒として、これにチタニウムテトライソプロポキシド、テトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムを混合し、室温下で２０分間攪拌した。次いで、ジエタノールアミンを加えて室温で更に２０分間攪拌し、更に酢酸鉛を加え、８０℃に加熱した。加熱した状態で２０分間攪拌し、その後、室温になるまで自然冷却した。
【００９３】
このようにして得られたゾルをチタン層９７上に塗布するためにスピンコートした。このとき、膜厚を均一にするために最初は５００ｒｐｍで３０秒間、次に１５００ｒｐｍで３０秒間、最後に５００ｒｐｍで１０秒間、スピンコーティングした。この工程でＰＺＴを構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。ゾルをチタン層９７上に塗布した後、１８０℃で３０分間乾燥させ、ホットプレートを用いて空気中において３３０℃で１０分間脱脂した。スピンコートから脱脂までの工程を２回繰り返し、その後、環状炉にて酸素雰囲気中７００℃で３０分間結晶化熱処理を行った。この工程をさらに７回繰り返すことで合計１４層からなる膜厚１．６μｍの圧電体膜９８を成膜した。
【００９４】
次に、圧電体膜９８上にレジストをスピンコートし、開口９１が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。残ったレジストをマスクとして圧電体膜９８をエッチングし、開口９１が形成されるべき位置に対応して圧電体膜９８を分離した。このときエッチング条件を調整し圧電体素子９５のエッジ部分のテーパ角θを４５°未満となるテーパ形状とした。
【００９５】
上記の工程により、圧電体膜９８は（１００）面方位に優先配向するため、上部電極９９に引っ張り応力を生じる導電性材料で上部電極９９を成膜する。本実施形態ではＤＣ（直流）スパッタ法を用いて圧電体膜９８上に白金を５０ｎｍの厚みに成膜し、上部電極９９を形成した。膜内部に圧縮応力を生じる導電性材料、例えば、イリジウムのような金属材料であっても、熱アニール処理により膜内部に引っ張り応力を生じさせることができるため、上部電極９９の材料に用いることができる。上部電極９９のアニール処理は、例えば、上部電極９９の成膜後に７００℃程度の温度で６０分間の熱処理をすればよい。
【００９６】
次に、上部電極９９を所定の形状にパターニングする。パターニングには公知のフォトグラフィ法及びエッチング法を用いてパターニングする。続いて、保護膜１００の材料をスピンコートして保護膜１００を成膜する。
【００９７】
続いて、図１７（ｃ）に示すように開口９１が形成されるべき位置に合わせてエッチングマスクを施し、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いたドライエッチングにより、予め定められた深さまで基体９０をエッチングし、開口９１を形成した。エッチングされずに残った部分は側壁１０１となる。基体９０のエッチングは、５重量％〜４０重量％の水酸化カリウム水溶液等の高濃度アルカリ水溶液によるウエットエッチングでも可能である。
【００９８】
最後に、図１５に示すように、樹脂等を用いて補強板５２を基体９０に接合した。補強板５２を基体９０に接合する際には、開口９１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。補強板５２を基体９０に取り付ければ、素子チップ８９が完成する。
【００９９】
（従来例との比較）
本実施形態の圧電体素子９５と従来の圧電体素子の圧電定数及び変位量を比較した。圧電体膜９８を（１００）面方位に優先配向処理し、上部電極９９を７００℃の熱アニール処理により引っ張り応力を生じる薄膜としたところ、圧電定数ｄ３１は駆動電圧１５Ｖにおいて、熱アニール処理前の値から約３０％向上した。また、駆動電圧２５Ｖでは熱アニール処理前の値から約２０％向上した。
【０１００】
一方、圧電体膜９８を（１１１）面方位に優先配向処理し、上部電極９９を７００℃の熱アニール処理により引っ張り応力を生じる薄膜としたところ、圧電定数ｄ３１は駆動電圧１５Ｖにおいて、熱アニール処理前の値から約１０％低下した。また、駆動電圧２５Ｖでは熱アニール処理前の値から約１０％低下した。
【０１０１】
また、圧電体膜９８を（１００）面方位に優先配向処理し、上部電極９９を７００℃の熱アニール処理により引っ張り応力を生じる薄膜としたところ、変位量は駆動電圧１５Ｖにおいて、熱アニール処理前の値２０８．３ｎｍから２５６．３ｎｍへと向上した。また、駆動電圧２５Ｖでは熱アニール処理前の値３２７．７ｎｍから３７３．３ｎｍへと向上し、駆動電圧３０Ｖでは熱アニール処理前の値３７１．０ｎｍから４１５．５ｎｍへと向上した。
【０１０２】
一方、圧電体膜９８を（１１１）面方位に優先配向処理し、上部電極９９を７００℃の熱アニール処理により引っ張り応力を生じる薄膜としたところ、変位量は駆動電圧１５Ｖにおいて、熱アニール処理前の値２０２．３ｎｍから１８２．３ｎｍへと低下した。また、駆動電圧２５Ｖでは熱アニール処理前の値２７９．７ｎｍから２４６．５ｎｍへと低下し、駆動電圧３０Ｖでは熱アニール処理前の値３０２．０ｎｍから２６６．５ｎｍへと低下した。
【０１０３】
以上の実験結果から、圧電体膜９８を（１００）面方位に優先配向処理した場合には、上部電極９９を引っ張り応力が生じる薄膜とすることで圧電体素子９５の圧電定数ｄ３１及び変位量を向上させることができることが確認できた。
【０１０４】
尚、本実施形態においては、圧電体膜９８を（１００）面方向に優先配向処理し、上部電極９９を引っ張り応力を生じる膜としたが、下部電極９６を引っ張り応力を生じる膜としてもよい。この場合、下部電極９６は白金等のように膜内部に引っ張り応力を生じる膜で成膜すればよいが、膜内部に圧縮応力を生じる膜であっても熱アニール処理をすることで引っ張り応力を生じる膜とすることができる。かかる材料を用いる場合、下部電極の熱アニール処理は、圧電体膜９８の焼成工程におけるファイナルアニールの際、或いは圧電体膜９８の結晶化後において圧電体膜９８の焼成温度よりも高い温度で熱処理をすればよい。
【０１０５】
また、圧電体膜９８を（１００）面方位に優先配向する処理は上記のプロセスに限らず、例えば、基体９０として（１００）面方位のシリコン単結晶基板を用いて圧電体膜９８をエピタキシャル成長させるプロセスを用いてもよい。
【０１０６】
また、本実施形態においては、圧電体膜９８を（１００）面方向に優先配向処理をする場合を説明したが、圧電体膜９８を（１１１）面方向に優先配向処理をする場合には上述したように、上部電極９９または／及び下部電極９６を圧縮応力を生じる薄膜材料、例えば、イリジウム等で構成すればよい。
【０１０７】
（実施形態の効果）
本実施形態によれば、圧電体膜の結晶配向方位に応じて上部電極９９と下部電極９６との少なくとも一方の膜内部の応力状態を引っ張り応力或いは圧縮応力に設定することで圧電体素子の変位量を向上させることができる。また、圧電体素子９５のエッジ部分のテーパ角を４５°未満に調整することで上部電極９９或いは下部電極９６による圧電体膜中の応力状態を有効に保持することができる。また、超音波の出力特性に優れた超音波プローブ８８及び超音波診断装置８７を提供することができる。
【符号の説明】
【０１０８】
１６…筐体、１７…超音波トランスデューサー素子チップとしての素子チップ、２４…金属膜としての下部電極、２６…ＰＺＴ薄膜としてのＰＺＴ圧電体膜、４３…振動膜。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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