(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を有する基板と、
前記開口部を覆うように前記基板上に形成される振動板と、
前記振動板に対して前記基板とは反対側に形成されて、前記振動板を振動させるための圧電薄膜と、
前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極とを備えた圧電素子であって、
前記圧電薄膜は、菱面体晶の（００１）配向膜であり、
前記圧電薄膜の膜全体としての分極方向が、前記略面内方向に揃っていることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記圧電薄膜は、ＬａＮｉＯ3の（００１）配向膜からなるからなるシード層を介して、前記振動板上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の圧電素子を１次元的または２次元的に配置して、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサを備えていることを特徴とする超音波送受信プローブ。
【請求項４】
基板上に、振動板としての熱酸化膜を形成する第１の工程と、
前記熱酸化膜上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜を形成する第２の工程と、
前記圧電薄膜上に電極層を形成する第３の工程と、
前記電極層をパターニングして、前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極を形成する第４の工程と、
前記圧電薄膜をパターニングする第５の工程と、
前記基板を前記圧電薄膜とは反対側からエッチングして、前記振動板を振動させるための開口部を前記基板に形成する第６の工程とを有していることを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項５】
前記第２の工程は、
（００１）面でカットした別基板上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程と、
前記圧電薄膜を、前記熱酸化膜上に転写する工程とを有していることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子の製造方法。
【請求項６】
前記第２の工程は、
前記熱酸化膜上に、ＬａＮｉＯ3の（００１）配向膜からなるからなるシード層を形成する工程と、
前記シード層上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程とを有していることを特徴とする請求項４に記載の圧電素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電薄膜を有する圧電素子と、その圧電素子の製造方法と、その圧電素子を用いて超音波の送受信を行う超音波送受信プローブとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、医療用超音波診断装置のセンサプローブの超音波トランスデューサとして、半導体製造技術を用いたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）によるｐＭＵＴ（Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducer）の開発が盛んに行われている。超音波診断装置は、生体の内部組織を簡易に、かつ、リアルタイムで観察できるといった特徴を有することから、診断への応用場面が益々増加している。また、薄膜を振動させて超音波の送受信を行うトランスデューサは、従来のバルクＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をダイシングにより分割したトランスデューサと比較して、周波数帯域を広くできる、構造を微細化して高解像度化ができる、３次元画像を取得するための振動子の２次元アレイ化に適している、小型・薄型化が可能で超音波内視鏡への応用に適している、などの利点がある。
【０００３】
また、振動子を１次元的に配列したトランスデューサを用いた場合、取得できる画像が断層画像であり、操作による偽陰性の危険性があることから、操作者（医師、超音波診断技師）の熟練度が要求される。この課題を軽減するため、３次元画像を取得可能な、振動子の２次元配列のトランスデューサのニーズは高く、高解像度３次元画像を取得可能な、２次元アレイｐＭＵＴの開発が現在盛んに行われている。
【０００４】
このような超音波送受信プローブの振動子に適用可能な圧電素子として、駆動時の変位の増大を図り得るものが、例えば特許文献１および２に開示されている。特許文献１の圧電素子では、（００１）方向に結晶配向性を有する菱面体晶の強誘電体結晶に所定の電界強度以上の電界を印加して、結晶系を正方晶に相転移させ、分極方向を回転させることにより、圧電変位の増大を図っている。また、特許文献２の圧電素子では、菱面体晶の分極方向である（１１１）方向が圧電薄膜の膜厚方向から傾き、かつ、各結晶格子の上記分極方向の傾き角度が、所定の角度範囲内でばらつく（特定の角度に集中しない）分布となるように、圧電薄膜を形成することにより、電界印加時に分極方向を反転または回転させて、圧電変位の増大を図っている。
【０００５】
上記した特許文献１および２の圧電素子は、いずれも、圧電体を上部電極および下部電極で挟み、電界印加方向と垂直な方向（ｄ３１方向）の圧電体の歪み（伸縮）を利用して、下部電極の下層の振動板を撓ませ、圧電素子を駆動する構成である。このような圧電素子の駆動を、ｄ３１方式の駆動と称する。これに対して、電界印加方向と同じ方向（ｄ３３方向）の圧電体の歪み（伸縮）を利用して振動板を撓ませるような圧電素子の駆動を、ｄ３３方式の駆動と称する。
【０００６】
ところで、超音波トランスデューサにおいては、以下のようなエネルギー変換により、超音波の送受信動作が行われる。
＜送信＞電気エネルギー→機械エネルギー（膜の振動）→音響エネルギー（超音波）
＜受信＞音響エネルギー（超音波）→機械エネルギー（膜の振動）→電気エネルギー
ここで、機械エネルギーと音響エネルギーとの間のエネルギー変換においては、音響整合が重要であり、ｐＭＵＴの実効音響インピーダンスを生体の音響インピーダンスに整合させることが設計のポイントである。
【０００７】
一方、電気エネルギーと機械エネルギーとの間のエネルギー変換においては、圧電薄膜を含むダイヤフラムのエネルギー変換効率を高めることが重要である。このとき、圧電体のｄ３３方向の歪みを利用すると、圧電体の性能を表す指標であるｋ値（電気機械結合係数）が高くなり、電気−機械のエネルギー変換効率が最もよい。このため、超音波トランスデューサにおいては、圧電素子をｄ３３方式で駆動する構成が有利である。以下、ｄ３３方式で駆動される圧電素子の具体的な構成について説明する。
【０００８】
図１０（ａ）は、ｄ３３方式で駆動される従来の圧電素子１００の概略の構成を示す断面図であり、図１０（ｂ）は、上記圧電素子１００におけるｄ３１方向とｄ３３方向とを示す説明図である。この圧電素子１００は、開口部１０１ａを有する基板１０１上に、振動板１０２が開口部１０１ａを覆うように設けられている。そして、この振動板１０２に対して基板１０１とは反対側に、振動板１０２を振動させるための圧電薄膜１０３がリング状に形成されている。この圧電薄膜１０３上には、圧電薄膜１０３に対して略面内方向、つまり、基板１０１の面に対して略平行な方向に電界を印加するための複数の電極１０４ａ・１０４ｂが形成されている。このとき、リング状の圧電薄膜１０３上において、一方の電極１０４ａは、圧電薄膜１０３の内周に沿うようにリング状に設けられており、他方の電極１０４ｂは、圧電薄膜１０３の外周に沿うようにリング状に設けられている。
【０００９】
この構成において、電極１０４ａ・１０４ｂを介して、圧電薄膜１０３に対して放射状に、つまり、圧電薄膜１０３の略面内方向に電界を印加すると、リング状の圧電薄膜１０３が径方向（ｄ３３方向）に歪み、ユニモルフ効果によって、ｄ３３方向と垂直な方向に振動板１０２が太鼓状に撓み変形する。このような振動板１０２の振動により、超音波送受信プローブにおいては、超音波を送信することができる。
【００１０】
また、ｄ３３方式で圧電素子１００を駆動する構成では、電極１０４ａ・１０４ｂの間隔を比較的大きく取れるため、超音波送受信プローブにおいては、超音波受信時の感度（単位圧力に対する出力電圧）を向上させることができるという利点もある。すなわち、出力電圧（電極１０４ａ・１０４ｂから取り出される電圧）Ｖは、以下の式で表され、電極間隔Ｌが大きくなればなるほど、出力電圧Ｖが増大するため、超音波受信時の感度を増大させることができる。
Ｖ＝ｇ３３・Ｌ・Ｆ／Ｓ
ただし、
Ｖ：出力電圧（Ｖ）
Ｌ：電極間隔（ｍ）
Ｆ／Ｓ：圧力（Ｎ／ｍ２）
ｇ３３：圧電出力定数（（ｍ・Ｖ）／Ｎ）
なお、圧電出力定数とは、圧力を加えたときに生じる電圧の大きさを示す定数である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００８−３１１６３４号公報（請求項１、６、段落〔００２４〕、〔００３６〕等参照）
【特許文献２】特開２００１−２３７４６７号公報（請求項１、段落〔００１０〕、〔００１２〕、〔００３２〕、図８等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ところで、基板上に圧電薄膜を成膜する方法としては、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ゾルゲル法など、いくつかの方法がある。これらの方法によって成膜した圧電薄膜は、電圧が印加されていない状態でも自発分極を持っている。バルクの圧電体の場合は、製造後にはランダムな方向に分極しているが、圧電薄膜の場合、その膜厚方向に分極しやすい傾向がある。したがって、上述したような、ｄ３３方式で駆動される圧電素子を構成するためには、成膜された圧電薄膜に対して、駆動時の電界印加方向である圧電薄膜の面内方向に予め分極処理を施して（電界を印加して）、自発分極の向きを上記面内方向に制御しておくことが望ましい。
【００１３】
ここで、図１１（ａ）（ｂ）は、圧電薄膜が正方晶の（００１）配向膜からなる場合の分極方向（図中、矢印で示す）をそれぞれ示しており、特に、図１１（ａ）は、分極処理前の分極方向を示し、図１１（ｂ）は、分極処理後の分極方向を示している。なお、（００１）配向とは、結晶格子の（００１）方向が基板の面に対して垂直または略垂直となるように結晶が配向している状態を指す。
【００１４】
圧電薄膜が正方晶の（００１）配向膜であり、分極方向が（００１）方向である場合、この圧電薄膜に対して、分極方向が圧電薄膜の面内方向である（１００）方向となるように分極処理を行うと、ｃ軸方向（膜厚方向）に長い正方晶は、９０度ドメイン回転により、ａ軸方向（面内方向）に長い正方晶に変形する。このように分極処理によって結晶構造が変化する場合、結晶格子の１辺の長さである格子定数が変化するが、圧電薄膜はその下地層（基板または振動板）の拘束を受けているため、このような結晶構造の変化は、圧電薄膜にかかる応力を増大させることになる。
【００１５】
ここで、下部電極と上部電極とで圧電薄膜を挟み、圧電素子をｄ３１方式で駆動する場合、圧電薄膜に対する分極処理は、駆動時の電界印加方向である圧電薄膜の膜厚方向に対して行われる。上述したように、圧電薄膜はその膜厚方向に予め分極しやすいため、圧電素子をｄ３１方式で駆動する場合には、圧電薄膜において、分極処理による応力増加は比較的小さい。
【００１６】
しかし、圧電素子をｄ３３方式で駆動する構成において、圧電薄膜として正方晶の（００１）配向膜を用いた場合、上述したように分極処理によって圧電薄膜にかかる応力が増大し、しかも、この応力の増大はｄ３１方式よりも大きい。応力の増大は、駆動時の圧電変位を妨げることになるため、駆動電圧の増大を招く。また、正方晶の場合、上記のように、分極処理によって結晶格子の分極軸が圧電薄膜の面内方向に伸びようとするが、下地層との界面付近の圧電薄膜は、下地層の拘束を受けており、分極軸が面内方向に伸びにくくなるため、上記方向に分極しにくくなる。この結果、圧電素子の特性（例えばｋ値）が低下し、例えば超音波送受信プローブにおいては、超音波の送受信特性が低下する。
【００１７】
なお、上記の問題は、圧電素子がｄ３３方式で駆動される場合に生じる特有の問題であり、ｄ３１方式で駆動される特許文献１および２の圧電素子では元々生じない。それゆえ、特許文献１および２では、上記の問題を解決するための構成については一切開示されていないと言える。
【００１８】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、ｄ３３方式で駆動される圧電素子において、分極処理時に圧電薄膜にかかる応力を低減でき、しかも、下地層との界面付近まで圧電薄膜を分極処理することができ、これによって、駆動電圧の増大および特性低下を回避できる圧電素子およびその製造方法と、その圧電素子を備えた超音波送受信プローブとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
本発明の圧電素子は、開口部を有する基板と、前記開口部を覆うように前記基板上に形成される振動板と、前記振動板に対して前記基板とは反対側に形成されて、前記振動板を振動させるための圧電薄膜と、前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極とを備えた圧電素子であって、前記圧電薄膜は、菱面体晶の（００１）配向膜であることを特徴としている。
【００２０】
上記の構成によれば、複数の電極を介して、圧電薄膜に対して略面内方向（基板の面にほぼ沿った方向）に電界を印加することにより、圧電薄膜の電界印加方向（略面内方向）の伸縮を利用して、電界印加方向に対して略垂直方向に振動板を振動させる、いわゆるｄ３３方式の駆動を実現することができる。
【００２１】
また、圧電薄膜は、菱面体晶の（００１）配向膜であるので、ｄ３３方式の駆動を実現すべく、圧電薄膜に対して、圧電薄膜全体としての分極方向がその膜厚方向から略面内方向となるように分極処理を行う場合でも、各結晶格子の分極反転だけを用いながら、圧電薄膜全体として分極方向を９０度回転させる分極処理を行うことができる。つまり、この場合、菱面体晶の結晶格子の形状は、分極処理の前後で変化しない。これにより、分極処理時に、下地の層（基板または振動板）によって圧電薄膜にかかる応力を低減することができ、しかも、圧電薄膜は下地層の拘束による影響を受けずに、下地層との界面付近まで分極しやすくなる。その結果、ｄ３３方式での駆動における、駆動電圧の増大および圧電素子の特性（例えばｋ値）の低下を回避することができる。
【００２２】
本発明の圧電素子において、前記圧電薄膜は、ＬａＮｉＯ３の（００１）配向膜からなるからなるシード層を介して、前記振動板上に形成されていてもよい。
【００２３】
この場合、シード層が圧電薄膜の配向制御層として機能するため、シード層上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜を成膜しやすくなり、上記圧電薄膜を有する圧電素子を容易に実現することができる。
【００２４】
本発明の超音波送受信プローブは、上述した本発明の圧電素子を１次元的または２次元的に配置して、超音波の送受信を行う超音波トランスデューサを備えていることを特徴としている。
【００２５】
超音波トランスデューサが本発明の圧電素子を有しているので、超音波送受信プローブにおける超音波の送受信特性を向上させることができる。
【００２６】
本発明の圧電素子の製造方法は、基板上に、振動板としての熱酸化膜を形成する第１の工程と、前記熱酸化膜上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜を形成する第２の工程と、前記圧電薄膜上に電極層を形成する第３の工程と、前記電極層をパターニングして、前記圧電薄膜に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極を形成する第４の工程と、前記圧電薄膜をパターニングする第５の工程と、前記基板を前記圧電薄膜とは反対側からエッチングして、前記振動板を振動させるための開口部を前記基板に形成する第６の工程とを有していることを特徴としている。
【００２７】
上記の製法によって圧電素子を製造することにより、上記した圧電素子の構成による効果と同様の効果を得ることができる。
【００２８】
本発明の圧電素子の製造方法において、前記第２の工程は、（００１）面でカットした別基板上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程と、前記圧電薄膜を、前記熱酸化膜上に転写する工程とを有していてもよい。
【００２９】
このように、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜を別基板（例えばＭｇＯ基板）上に一旦成膜し、その後、熱酸化膜上に転写することで、上記の圧電薄膜を振動板上に形成することができる。
【００３０】
本発明の圧電素子の製造方法において、前記第２の工程は、前記熱酸化膜上に、ＬａＮｉＯ３の（００１）配向膜からなるからなるシード層を形成する工程と、前記シード層上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる前記圧電薄膜を成膜する工程とを有していてもよい。
【００３１】
ＬａＮｉＯ３の（００１）配向膜からなるシード層は、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜と格子定数がかなり近い。このため、シード層上に圧電薄膜を成膜することで、シード層が配向制御層として機能し、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜を成膜することが容易となる。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、圧電薄膜は、菱面体晶の（００１）配向膜であるので、ｄ３３方式の駆動を実現すべく、圧電薄膜に対して分極処理を行う場合でも、各結晶格子の分極反転だけを用いながら、圧電薄膜全体として分極方向を９０度回転させる分極処理を行うことができる。これにより、分極処理時に、圧電薄膜にかかる応力を低減できるとともに、圧電薄膜が下地層との界面付近まで分極しやすくなる。その結果、ｄ３３方式で駆動される圧電素子において、駆動電圧の増大および特性（例えばｋ値）の低下を回避することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の実施の一形態に係る超音波送受信プローブの基本構成を示す説明図である。
【図２】上記超音波送受信プローブが備えるｐＭＵＴエレメントの構成を模式的に示す平面図である。
【図３】（ａ）は、上記ｐＭＵＴエレメントの１つのセルの平面図であり、（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図４】（ａ）は、上記セルを構成する圧電素子の圧電薄膜が菱面体晶の（００１）配向膜からなる場合において、上記菱面体晶の分極処理前の分極方向を示す説明図であり、（ｂ）は、上記菱面体晶の分極処理後の分極方向を示す説明図である。
【図５】（ａ）は、上記圧電薄膜の各結晶格子の集合からなる各領域および膜全体の分極処理前の分極方向を示す説明図であり、（ｂ）は、上記各領域および膜全体の分極処理後の分極方向を示す説明図である。
【図６】（ａ）〜（ｈ）は、実施例１の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｇ）は、実施例２の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｆ）は、実施例３の圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】上記圧電素子における複数の電極のパターニング形状を示す平面図である。
【図１０】（ａ）は、ｄ３３方式で駆動される従来の圧電素子の概略の構成を示す断面図であり、（ｂ）は、上記圧電素子におけるｄ３１方向とｄ３３方向とを示す説明図である。
【図１１】（ａ）は、上記圧電素子の圧電薄膜が正方晶の（００１）配向膜からなる場合において、上記正方晶の分極処理前の分極方向を示す説明図であり、（ｂ）は、上記正方晶の分極処理後の分極方向を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。
【００３５】
（超音波送受信プローブについて）
図１は、本実施形態の超音波送受信プローブ１の基本構成を示す説明図である。超音波送受信プローブ１は、保護層２と、超音波送受信トランスデューサとしてのｐＭＵＴエレメント３と、バッキング材４と、信号処理回路５とを備えている。なお、ｐＭＵＴエレメント３の詳細については後述する。
【００３６】
保護層２は、ｐＭＵＴエレメント３を保護するものである。この保護層２は、人体に接触させる際に不快感を与えることがなく、音響インピーダンスが人体に近い、比較的柔軟なシリコーンゴムなどで形成されている。ｐＭＵＴエレメント３において、振動子（後述するセル３ａ）が例えば１次元的に配列されている場合は、超音波をフォーカスするための音響レンズが、保護層２の役目を果たす。バッキング材４は、ｐＭＵＴエレメント３で発生する不要振動を減衰するとともに、ｐＭＵＴエレメント３と信号処理回路５とを電気的に接続するための貫通配線を形成する。信号処理回路５は、超音波送信用のパルス信号の生成や、受信パルス信号の処理などを行う回路であり、配線ケーブル６によって超音波診断装置本体と接続されている。
【００３７】
（ｐＭＵＴエレメントについて）
図２は、ｐＭＵＴエレメント３の構成を模式的に示す平面図である。同図に示すように、ｐＭＵＴエレメント３は、複数の振動子としてのセル３ａが２次元的に配置されて構成されている。なお、複数のセル３ａが１次元的に配置されてｐＭＵＴエレメント３が構成されていてもよい。各セル３ａは、振動によって超音波の発信、受信を行うダイヤフラムであるが、その詳細な構成については後述する。
【００３８】
縦２個×横２個の計４個のセル３ａで１つの素子Ｅが構成されている。同図では、破線で囲まれる最小の枠が１つの素子Ｅを示している。各素子Ｅを１つの単位として、各素子Ｅ間で駆動位相をずらすことにより、超音波ビームのフォーカシングやステアリング（方向制御）などの走査を行うことができる。１つの素子Ｅ内の４つのセル３ａは、同時駆動されるように電気的に接続されている。また、各セル３ａは、プローブの診断目的（診断部位）より決まる超音波の周波数に合わせた共振周波数が得られるように設計され、その設計時に、セル３ａの形状や１つの素子Ｅ内のセル３ａの個数なども決定される。
【００３９】
図３（ａ）は、ｐＭＵＴエレメント３の１つのセル３ａの平面図であり、図３（ｂ）は、同図（ａ）におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。セル３ａは、圧電素子１０で構成されており、断面円形の開口部１１ａを有する基板１１と、振動板１２と、圧電薄膜１３と、複数の電極１４ａ・１４ｂとを備えている。
【００４０】
基板１１は、例えばＳｉ基板で構成されているが、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されていてもよい。振動板１２は、開口部１１ａを覆うように基板１１上に形成されている。圧電薄膜１３にて良好な電界分布を得るため、電界印加領域の下層にあたる振動板１２は、絶縁性の材料で構成する必要がある。このため、振動板１２は、例えばＳｉＯ２やＳｉＮで構成されている。
【００４１】
圧電薄膜１３は、例えばＰＺＴの薄膜で構成されており、電界印加によって振動板１２を振動させるべく、振動板１２に対して基板１１とは反対側に形成されている。本実施形態では、圧電薄膜１３は、菱面体晶の（００１）配向膜で構成されているが、その理由については後述する。圧電薄膜１３には、断面円形の開口部１３ａがパターニング形成されている。開口部１３ａは、基板１１の開口部１１ａよりも小さい開口径を有して、開口部１１ａの上方に形成されている。
【００４２】
また、圧電薄膜１３には、膜厚方向に貫通する複数（例えば７個）の溝部１３ｂが形成されている。溝部１３ｂは、電極１４ａと電極１４ｂとの間で、圧電薄膜１３の開口部１３ａの中心を起点とする放射状に細長く形成され、かつ、開口部１３ａの周方向に等間隔で（例えば４５度ずつ離れて）形成されている。このように圧電薄膜１３に複数の溝部１３ｂが形成されていることにより、電極１４ａと電極１４ｂとの間の領域では、圧電薄膜１３は、開口部１３ａの周方向の拘束を受けないため、周方向に伸縮しやすくなる。これにより、圧電薄膜１３の面内方向（基板１１の面に沿う方向）で上記周方向に垂直な方向に伸縮しやすくなる（この場合、例えば圧電薄膜１３が周方向に伸長すると、周方向に垂直な方向には収縮する）。その結果、振動板１２が上下方向（基板１１の面に垂直な方向）に振動しやすくなる。
【００４３】
電極１４ａ・１４ｂは、圧電薄膜１３に対して略面内方向に電界を印加すべく、圧電薄膜１３上に設けられている。このうち、電極１４ａは、圧電薄膜１３上で開口部１３ａに沿うように円形（リング状）に設けられて、その一部が基板１１の開口部１１ａの外側に引き出されている。また、電極１４ｂは、圧電薄膜１３上で基板１１の開口部１１ａの外側に位置するように、かつ、電極１４ａの引出部と接触しないように平面視で略Ｃ字形に設けられて、その一部が基板１１の開口部１１ａの外側に引き出されている。電極１４ａは同一素子Ｅ内では共通接続され、電極１４ｂも同一素子Ｅ内では共通接続されている。これらの電極１４ａ・１４ｂは、貫通配線などを介して信号処理回路５と接続されている。
【００４４】
各セル３ａは、実効的な音響インピーダンスが、生体の音響インピーダンスに整合するように設計されることで、超音波を効率よく生体へ伝えることができる。具体的には、セル３ａの剛性が最適化されるが、さらに、共振周波数、送信特性（感度、周波数帯域）、受信特性（感度、周波数帯域）に応じて、振動板１２の材料および厚さ、圧電薄膜１３の厚さ、セル３ａの直径、電極１４ａ・１４ｂの間隔、電極１４ａ・１４ｂの外径などが最適に設計される。
【００４５】
上記の構成によれば、信号処理回路５により、貫通配線などを通して、ｐＭＵＴエレメント３の各セル３ａの電極１４ａ・１４ｂ間にパルス状の電圧を印加し、圧電薄膜１３に対して略面内方向に電界を印加すると、圧電薄膜１３には、与えられた電界により、略面内方向の伸縮による歪みが生じる。すると、振動板１２は、周波数特性に応じて振動し、パルス状の超音波を生体内へ発信する。アレイ状に配置された各素子Ｅの位相を所定量ずらすことで、超音波ビームをフォーカシング、ステアリングし、必要領域を３次元状に走査する。生体内では、超音波は減衰しながら伝わり、音響インピーダンスの差が生じている部位で反射が起こり、ｐＭＵＴエレメント３に帰還する。戻った超音波により、振動板１２は振動し、圧電薄膜１３が歪む。この圧電薄膜１３の歪みに応じて電荷が発生し、信号処理回路５により、送信から受信までの時間が計測され（実際は、各計測点の帰還時間に合わせて信号処理される）、超音波診断装置本体にて３次元画像が形成される。
【００４６】
上記のように、電極１４ａ・１４ｂを介して、圧電薄膜１３に対して略面内方向に電界を印加することにより、圧電薄膜１３の電界印加方向（略面内方向）の伸縮を利用して、電界印加方向に対して略垂直方向に振動板１２を振動させることができ、いわゆるｄ３３方式の駆動を実現することができる。
【００４７】
また、圧電素子１０としてのセル３ａは、圧電薄膜１３と薄板状の振動板１２とからなるユニモルフ構造であるので、圧電薄膜１３の伸縮による歪みを効率よく振動板１２の撓み変形に変換することができる。
【００４８】
（圧電薄膜の結晶構造および配向制御について）
次に、圧電薄膜１３を菱面体晶の（００１）配向膜で構成した理由について説明する。図４（ａ）（ｂ）は、圧電薄膜が菱面体晶の（００１）配向膜からなる場合の分極方向（図中、矢印で示す）の一例をそれぞれ示しており、特に、図４（ａ）は、分極処理前の分極方向を示し、図４（ｂ）は、分極処理後の分極方向を示している。
【００４９】
一般に、菱面体晶の圧電体結晶は、結晶格子の対角線方向に自発分極を持っている。したがって、圧電体の面内方向に互いに垂直なｘ軸およびｙ軸をとり、圧電体の膜厚方向にｚ軸をとった場合、（００１）配向の菱面体晶で考えると、その分極方向としては、（１１１）、（−１１１）、（−１−１１）、（１−１１）、（１１−１）、（−１１−１）、（−１−１−１）、（１−１−１）の計８通りの方向が考えられる。
【００５０】
ここで、菱面体晶の（００１）配向膜が、例えば膜厚方向上向きに分極している場合、分極方向のｚ成分が正である結晶格子、つまり、分極方向が（１１１）、（−１１１）、（−１−１１）、（１−１１）であるドメインが混在し、分極方向の面内方向の成分（ｘ成分、ｙ成分）を相殺して、圧電薄膜１３全体として、膜厚方向上向きに分極していると考えられる。
【００５１】
このように、膜厚方向上向きに分極した菱面体晶の（００１）配向膜に対して、分極方向が例えばｘ軸正の方向となるように電圧を印加して分極処理をする場合、上記４つの分極方向のうちで、分極方向のｘ成分が負である結晶格子の分極方向（−１１１）、（−１−１１）が、それぞれ、（１−１−１）、（１１−１）に変化する。なお、図４（ａ）（ｂ）では、例として、結晶格子の分極方向が、上記分極処理によって（−１−１１）から（１１−１）に変化する様子を示している。このような分極方向の変化は、分極の軸は同じで、向きが１８０度反転するだけである。つまり、分極処理によって分極方向の回転は起こらず、分極方向の反転のみが起こる。したがって、菱面体晶の結晶格子が伸縮する向きは、図４（ａ）（ｂ）で変わらない。
【００５２】
図５（ａ）（ｂ）は、圧電薄膜１３の各結晶格子の集合からなる領域Ｒ１・Ｒ２の分極方向と膜全体の分極方向とを示すものであって、図５（ａ）は、分極処理前の分極方向を示し、図５（ｂ）は、分極処理後の分極方向を示している。なお、図５（ａ）（ｂ）の紙面で上方向は、圧電薄膜１３の膜厚方向であってｚ軸正の方向に対応し、上記紙面で右方向は、圧電薄膜１３の面内方向であってｘ軸正の方向に対応しているものとする。
【００５３】
図４（ａ）（ｂ）についての考察を図５（ａ）（ｂ）に当てはめて考えると、図５（ａ）において、領域Ｒ１の分極方向は、（１１１）または（１−１１）であり、領域Ｒ２の分極方向は、（−１１１）または（−１−１１）である。この状態で、圧電薄膜１３に対して面内方向（ｘ軸正の方向）に分極処理を行うと、領域Ｒ１の分極方向は変化せず、領域Ｒ２の分極方向のみが反転する。図５（ａ）の状態では、領域Ｒ１と領域Ｒ２とによって、分極方向の面内方向の成分（ｘ成分、ｙ成分）が相殺されるため、分極方向は膜全体として膜厚方向となっているが、図５（ｂ）の状態では、領域Ｒ１と領域Ｒ２とによって、分極方向の膜厚方向の成分（ｚ成分）が相殺されるため、分極方向は膜全体として右方向（ｘ軸正の方向）となっている。
【００５４】
このように、ｄ３３方式で駆動される圧電素子１０において、圧電薄膜１３として菱面体晶の（００１）配向膜を用いることにより、圧電薄膜１３に対してｄ３３方式の駆動を実現するための分極処理を行う際に、各結晶格子の分極反転だけを用いながら、圧電薄膜１３全体として分極方向を９０度回転させる分極処理を行うことができる。この場合、図４（ａ）（ｂ）で示したように、菱面体晶の結晶格子の形状は、分極処理の前後で変化しない。したがって、分極処理時に、下地層（基板１１（厳密には振動板１２））によって圧電薄膜１３にかかる応力を低減することができ、しかも、圧電薄膜１３は下地層の拘束による影響を受けずに、下地層との界面付近まで分極しやすくなる。その結果、ｄ３３方式での駆動における、圧電素子１０の駆動電圧の増大（駆動変位の低下）および特性（例えばｋ値；電気機械結合係数）の低下を回避することができる。
【００５５】
また、駆動時の圧電素子１０の特性低下を回避できるので、このような圧電素子１０をセル３ａとして複数用い、これらを１次元的または２次元的に配置して、超音波の送受信を行うｐＭＵＴエレメント３を構成することにより、超音波送受信プローブ１における超音波の送受信特性を向上させることができる。
【００５６】
（圧電素子の製造方法について）
次に、上述した圧電素子１０の製造方法について、実施例１〜３として説明する。
【００５７】
＜実施例１＞
図６（ａ）〜図６（ｈ）は、実施例１の圧電素子１０の製造工程を示す断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、厚さ４００μｍ程度の単結晶Ｓｉウェハからなる基板１１上に、振動板１２となる熱酸化膜を２μｍ程度形成する（第１の工程）。上記の熱酸化膜は、ウェット酸化用熱炉を用いてＳｉウェハを酸素雰囲気中に１２００℃程度の高温にさらすことで形成することができる。なお、振動板１２として、上記の熱酸化膜を形成する代わりに、窒化膜等を形成してもよい。
【００５８】
続いて、上記の熱酸化膜上に、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を形成する（第２の工程）。
【００５９】
具体的には、図６（ｂ）に示すように、基板１１とは別の基板２１として、厚さ３００μｍ程度のＭｇＯ（００１）基板を用意する。なお、ＭｇＯ（００１）基板とは、ＭｇＯ基板を（００１）面でカットした基板である。そして、この基板２１上に、スパッタリング法を用いて、厚さ５μｍ程度のＰＺＴ薄膜を圧電薄膜１３として成膜する。このとき、ＭｇＯ（００１）基板の格子定数は、０．４２ｎｍであり、菱面体晶の（００１）配向膜の格子定数（０．４１ｎｍ）とほとんど同じであるため、ＭｇＯ（００１）基板上には、圧電薄膜１３として、菱面体晶の（００１）配向膜がエピタキシャル成長して形成される。なお、このときのＰＺＴの成膜条件は、例えば、Ａｒ流量；３０ｓｃｃｍ、Ｏ２流量；０．４ｓｃｃｍ、スパッタ圧；０．３Ｐａ、ターゲットに印加するＲＦパワー；５００Ｗ、基板温度；４６０℃、である。なお、ＰＺＴの菱面体晶（００１）配向膜の格子定数は、ＺｒとＴｉとの比率によって、０．４０５〜０．４１５ｎｍ程度に変化する。
【００６０】
このとき、圧電薄膜１３を菱面体晶にするために、成膜に用いるＰＺＴターゲットは、Ｚｒ／Ｔｉ比がＭＰＢ（Morphotropic Phase Boundary；組成相境界）を構成する５２／４８よりもＺｒリッチとなるターゲットを用いる必要があり、ここでは、Ｚｒ／Ｔｉ比が５５／４５のターゲットを用いた。なお、ＰＺＴの成膜方法は、スパッタリング法のほかに、ＣＶＤ法やゾルゲル法等でもよい。この場合も、形成後のＰＺＴのＺｒ／Ｔｉ比が５２／４８よりもＺｒリッチとなるようにすれば、菱面体晶のＰＺＴを形成することができる。なお、図６（ａ）（ｂ）で示した各工程の順序は逆であってもよい。
【００６１】
次に、圧電薄膜１３を、上記の熱酸化膜上に転写する。より詳しくは、図６（ｃ）に示すように、基板２１上に形成した圧電薄膜１３と、基板１１上に形成した振動板１２としての熱酸化膜とを接着剤で貼り合せる。そして、図６（ｄ）に示すように、リン酸液水溶液等により、基板２１を除去する。
【００６２】
続いて、図６（ｅ）に示すように、圧電薄膜１３上に、スパッタリング法等によって、厚さ１００ｎｍ程度のＰｔを成膜し、電極層１４を形成する（第３の工程）。そして、図６（ｆ）に示すように、電極層１４をパターニングして、圧電薄膜１３に対して略面内方向に電界を印加するための複数の電極１４ａ・１４ｂを形成する（第４の工程）。
【００６３】
その後、図６（ｇ）に示すように、圧電薄膜１３をパターニングして、開口部１３ａ等を形成する（第５の工程）。最後に、図６（ｈ）に示すように、基板１１を圧電薄膜１３とは反対側から振動板１２が露出するまでエッチングして、振動板１２を振動させるための開口部１１ａを基板１１に形成する（第６の工程）。これにより、圧電素子１０が完成する。
【００６４】
このような製法によって形成される圧電素子１０では、圧電薄膜１３が菱面体晶の（００１）配向膜で構成されているので、ｄ３３方式での駆動を実現すべく、圧電薄膜１３に対して分極処理を行う場合でも、結晶格子の分極反転だけを用いながら、圧電薄膜１３全体として分極方向を９０度回転させる分極処理を行うことができる。これにより、分極処理時に圧電薄膜１３にかかる応力を低減できるとともに、下地層（基板１１または振動板１２）との界面付近まで圧電薄膜１３を分極処理することができる。その結果、ｄ３３方式での駆動における圧電素子１０の駆動電圧の増大および特性低下を回避することができる。
【００６５】
また、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を別の基板２１上にエピタキシャル成長させて一旦成膜し、その後、熱酸化膜上に転写するという工程を採用することで、後述する実施例２のように配向制御層としてのシード層１５を圧電素子１０に別途設けることなく、圧電薄膜１３を振動板１２上に容易に形成することができる。
【００６６】
＜実施例２＞
図７（ａ）〜図７（ｇ）は、実施例２の圧電素子１０の製造工程を示す断面図である。実施例２の製法は、上述した第２の工程において、シード層１５上に圧電薄膜１３を形成する点を除いて、実施例１と全く同じである。以下、実施例２の第２の工程について説明する。なお、実施例２の第１の工程（図７（ａ）参照）、第３〜第６の工程（図７（ｄ）〜図７（ｇ）参照）は、実施例１の第１の工程（図６（ａ）参照）、第３〜第６の工程（図６（ｅ）〜図６（ｈ）参照）とそれぞれ対応している。
【００６７】
第２の工程では、図７（ｂ）に示すように、上記の熱酸化膜上に、スパッタリング法を用いて、ＬＮＯ（ＬａＮｉＯ３）の（００１）配向膜からなるからなるシード層１５を、厚さ１００ｎｍ程度で形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、シード層１５上に、スパッタリング法を用いてＰＺＴをエピタキシャル成長させ、実施例１と同様に、厚さ５μｍ程度の菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を成膜する。なお、このときのＰＺＴの成膜条件は、実施例１と同じである。
【００６８】
ＬａＮｉＯ３の（００１）配向膜および菱面体晶の（００１）配向膜は、格子定数がそれぞれ、０．３８４ｎｍ、０．４１ｎｍであり、両者の格子定数がかなり近い。このため、シード層１５上に圧電薄膜１３を成膜することで、シード層１５が圧電薄膜１３の配向を制御する配向制御層として機能し、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を成膜することが容易となる。これにより、上記配向膜からなる圧電薄膜１３を有する圧電素子１０を容易に実現することができる。
【００６９】
＜実施例３＞
図８（ａ）〜図８（ｆ）は、実施例３の圧電素子１０の製造工程を示す断面図である。実施例３の製法は、上述した第２の工程において、圧電薄膜１３を直接熱酸化膜上に形成する点を除いて、実施例１と全く同じである。以下、実施例３の第２の工程について説明する。なお、実施例３の第１の工程（図８（ａ）参照）、第３〜第６の工程（図８（ｃ）〜図７（ｆ）参照）は、実施例１の第１の工程（図６（ａ）参照）、第３〜第６の工程（図６（ｅ）〜図６（ｈ）参照）とそれぞれ対応している。
【００７０】
第２の工程では、図８（ｂ）に示すように、振動板１２としての熱酸化膜上に、スパッタリング法を用いてＰＺＴを成膜し、厚さ５μｍ程度の菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を成膜する。このとき、ＰＺＴを成膜するときの基板温度は、４８０℃であり、実施例１よりも２０℃ほど高い。これにより、ＰＺＴ膜の（００１）配向度を上げることができる。なお、その他のＰＺＴの成膜条件（Ａｒ流量、Ｏ２流量、スパッタ圧、ターゲットに印加するＲＦパワー）については、実施例１と同じである。
【００７１】
このように、ＰＺＴの成膜条件を適切に設定することにより、圧電薄膜１３の転写やシード層１５の形成を行うことなく、菱面体晶の（００１）配向膜からなる圧電薄膜１３を熱酸化膜上に直接形成することができ、圧電素子１０の製造工程を簡略化することができる。
【００７２】
（補足）
本実施形態では、図３（ａ）で示したように、引出部を除いてリング状またはＣ字形の電極１４ａ・１４ｂを圧電薄膜１３上に形成した圧電素子１０について説明したが、電極１４ａ・１４ｂのパターニング形状は、上記の形状に限定されるわけではない。
【００７３】
例えば、図９は、電極１４ａ・１４ｂのパターニング形状を示す平面図である。なお、同図では、便宜上、電極１４ａ・１４ｂの下層の振動板１２および圧電薄膜１３の図示を省略している。このように、電極１４ａ・１４ｂは、一方向（図９では左右方向）に所定距離をおいて交互に並ぶように配置されていてもよい。なお、電極１４ａ・１４ｂの数は特に限定されず、それぞれ少なくとも１個設けられていればよい。このとき、極性の同じ電圧が印加される電極は、その全てまたは一部が電気的に接続されて外部に引き出されることになる。したがって、電極１４ａ・１４ｂは、櫛刃状にかみ合うようにパターニングされていてもよい。また、基板１１に形成される開口部１１ａは、同図の破線で示すように、例えば複数の電極１４ａ・１４ｂが一方向に並ぶ領域に沿って形成される。
【００７４】
このように、電極１４ａ・１４ｂをパターニング形成しても、電極１４ａ・１４ｂの下層の圧電薄膜に略面内方向に電界を印加して、圧電薄膜をｄ３３方向に伸縮させることができることに変わりはない。したがって、このような構成であっても、ｄ３３方式の駆動を実現することができる。
【００７５】
また、電極１４ａ・１４ｂは、圧電薄膜１３上に形成される構成には必ずしも限定されない。例えば、圧電薄膜１３をリング状に形成し、一方の電極１４ａを振動板１２上でリング状の圧電薄膜１３の内周に沿うように配置し、他方の電極１４ｂを振動板１２上でリング状の圧電薄膜１３の外周に沿うように配置し、これらの電極１４ａ・１４ｂで圧電薄膜１３を面内方向に挟み込む構成としても、圧電薄膜１３に対して略面内方向に電界を印加することができ、これによって、ｄ３３方式の駆動を実現することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明の圧電素子は、例えば超音波送受信プローブにおいて、超音波の送受信を行うトランスデューサに利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１      超音波送受信プローブ
３      ｐＭＵＴエレメント（超音波送受信トランスジューサ）
３ａ    セル
１０      圧電素子
１１      基板
１１ａ    開口部
１２      振動板
１３      圧電薄膜
１４      電極層
１４ａ    電極
１４ｂ    電極
１５      シード層
２１      基板
【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】
0005794114.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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