(57)【要約】【課題】所望の性能を有する圧電デバイスの製造方法、圧電デバイス、超音波デバイス、圧電モジュール、及び電子機器を提供する。【解決手段】超音波デバイス（圧電デバイス）は、デバイス基板１０及び振動板２０を含む基板と、基板上に設けられた第１圧電素子３０と、第１圧電素子３０及び基板上に設けられた第１保護膜４０と、第１保護膜４０上に設けられた第２圧電素子５０と、を備える。この超音波デバイスは、基板上に第１圧電素子３０を形成し、第１圧電素子３０及び基板上に第１保護膜４０を形成し、第１保護膜４０上に、第２圧電素子５０を形成することにより製造される。【選択図】図２
2016225420.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１圧電素子と、第２圧電素子とを同一基板上に具備する圧電デバイスの製造方法であって、
前記基板上に前記第１圧電素子を形成する第１圧電素子形成工程と、
前記第１圧電素子及び前記基板上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、
前記保護膜上に、前記第２圧電素子を形成する第２圧電素子形成工程と、を実施する
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記第２圧電素子形成工程は、
前記保護膜上に下部導電層を積層する下部導電層積層工程と、
前記下部導電層上に圧電体層を積層する圧電体層積層工程と、
前記下部導電層及び前記圧電体層をパターニングするパターニング工程と、を実施する
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記パターニング工程の後に、第２の圧電体層を積層する第２圧電体層積層工程と、
前記第２の圧電体層をパターニングする第２パターニング工程と、を実施する
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項４】
請求項３に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記第２の圧電体層積層工程は、金属下地層を形成した後、前記第２の圧電体層を形成するための圧電材料を積層してアニール処理を実施するアニール工程を複数回実施して、前記第２の圧電体層を形成する
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電デバイスの製造方法において、
前記保護膜が、ＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、及びＢａＯｘのいずれかである
ことを特徴とする圧電デバイスの製造方法。
【請求項６】
基板と、
前記基板上に設けられた第１圧電素子と、
前記第１圧電素子及び前記基板上に設けられた保護膜と、
前記保護膜上に設けられた第２圧電素子と、を備える
ことを特徴とする圧電デバイス。
【請求項７】
請求項６に記載の圧電デバイスと、
前記圧電デバイスが設けられる回路基板と、を備える
ことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に設けられた第１圧電素子と、
前記第１圧電素子及び前記基板上に設けられた保護膜と、
前記保護膜上に設けられた第２圧電素子と、
前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子の駆動を制御する制御部と、を備える
ことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイスの製造方法、圧電デバイス、圧電モジュール、及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電デバイス（圧電素子モジュール）を備え、当該圧電デバイスを、超音波を受発信する超音波トランスデューサーとして用いる超音波デバイスが知られている（例えば特許文献１参照）。
特許文献１に記載の超音波デバイスは、超音波を発信する発信用超音波トランスデューサーと、超音波を受信する受信用超音波トランスデューサーと、を備える。これら発信用及び受信用の各超音波トランスデューサーは、それぞれの用途に有利な圧電特性を有する圧電体を用いて形成されている。このように構成された上記超音波デバイスによれば、超音波の発信と受信との両方の感度を向上させることができる。
【０００３】
特許文献１に記載のような異なる２種類の圧電デバイスを具備する超音波デバイスは、１つ目の圧電デバイスの導電体層（下部電極）をパターニング形成した後、１つ目の圧電デバイスの圧電体層、及び第１導電体層を積層形成し、圧電体層及び第１導電体層をパターニングする。この後、パターニングされた圧電体層及び第１導電体層を覆う第２導電体層を形成し、この第２導電体層のうち、第１圧電デバイスと、第２圧電デバイスの下部電極部分との領域以外を除去（エッチング）してパターニングし、第２圧電デバイスの圧電体層を積層して、第３導電体層を積層して、パターニングする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１９４９９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、超音波トランスデューサーの超音波特性は、圧電体の配向性の影響を受ける。例えば、ＰＺＴ薄膜の場合では、（１００）面方向に優先配向させることで高い圧電定数が得られるが、（１１０）方向や（１１１）方向への配向成分が含まれると、圧電特性が低下してしまう。
上記特許文献１に記載の製造方法では、１つ目の圧電デバイスの上部電極（第２導電体層）のパターニングの際に、同時に２つ目の圧電デバイスの下部電極を形成する。この場合、パターニング時のマスクの除去等により、２つ目の圧電デバイスの下部電極の表面が粗面となることがあり、その結果、２つ目の圧電デバイスの下部電極上に積層される圧電体層の配向性が低下し、結果として、圧電特性が低下してしまうとの課題がある。
【０００６】
本発明は、所望の性能を有する圧電デバイスの製造方法、圧電デバイス、圧電モジュール、及び電子機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る一適用例の圧電デバイスの製造方法は、第１圧電素子と、第２圧電素子とを同一基板上に具備する圧電デバイスの製造方法であって、前記基板上に前記第１圧電素子を形成する第１圧電素子形成工程と、前記第１圧電素子及び前記基板上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜上に、前記第２圧電素子を形成する第２圧電素子形成工程と、を実施することを特徴とする。
【０００８】
本適用例では、基板上に第１圧電素子を形成した後、第１圧電素子及び基板上に保護膜を形成する。そして、保護膜上に第２圧電素子を形成する。
このような製造方法では、第２圧電素子は、保護膜を下地として形成されるため、例えば、エッチング等によって表面が粗となる電極等の部材上に圧電材料を形成する場合と比べて、第２圧電素子を所望の配向に調整することができる。これにより、第１圧電素子及び第２圧電素子を所望の圧電特性に調整することができ、所望の性能の圧電デバイスを容易に形成できる。
【０００９】
本適用例の圧電デバイスの製造方法において、前記第２圧電素子形成工程は、前記保護膜上に下部導電層を積層する下部導電層積層工程と、前記下部導電層上に圧電体層を積層する圧電体層積層工程と、前記下部導電層及び前記圧電体層をパターニングするパターニング工程と、を実施することが好ましい。
【００１０】
本適用例では、保護膜上に第２圧電素子を形成するために、当該保護膜上に下部導電層と圧電体層とを順次積層し、これら下部導電層及び圧電体層をパターニングする。
ここで、圧電体は、圧電体の下層の材料や表面性状に応じた配向性を示す。このため、下部導電層の表面性状に応じて圧電体の配向性を調整することができる。本適用例によれば、パターニングする前の下部導電層、すなわち、表面性状が維持された状態の下部導電層上に圧電体層を形成するため、圧電体の配向性をより確実に調整できる。
また、本適用例によれば、基板上に形成された保護膜上に下部導電層を形成する。このため、第１圧電素子を形成する際にエッチング等によって加工された後の基板表面よりも均一な表面性状を有する保護膜上に、下部導電層を形成できる。従って、所望の表面性状を有する下部導電層を形成することができ、基板上に電極を設ける場合と比べて、圧電体の配向性をより確実に調整できる。
以上のように、第１圧電素子と、第２圧電素子とを基板上に備える圧電デバイスを製造する際に、所望の圧電特性の圧電体を有する第２圧電素子を形成でき、所望の特性を有する第２圧電素子を形成できる。
【００１１】
本適用例の圧電デバイスの製造方法において、前記パターニング工程の後に、第２の圧電体層を積層する第２圧電体層積層工程と、前記第２の圧電体層をパターニングする第２パターニング工程と、を実施することが好ましい。
本適用例では、下部導電層と圧電体層とをパターニングして、第２圧電素子における下部電極を形成した後、圧電体層と共に圧電体を構成する第２の圧電体層を積層する。
これによれば、上述のように、下部導電層と圧電体層とをパターニングして形成した際に下部電極の一部（例えば、側面）が露出したとしても、第１電極を覆うように第２の圧電体層を積層することにより、第２の圧電体層上に上部電極を形成する場合に、下部電極と上部電極とが接触せず、高品質な圧電デバイスを製造できる。
【００１２】
本適用例の圧電デバイスの製造方法において、前記第２の圧電体層積層工程は、金属下地層を形成した後、前記第２の圧電体層を形成するための圧電材料を積層してアニール処理を実施するアニール工程を複数回実施して、前記第２の圧電体層を形成することが好ましい。
本適用例では、第２の圧電体層を積層する際に、第１電極、圧電体層、及び基板上に金属下地層を形成し、圧電材料を金属下地層上に配置してアニール処理を行い、第２の圧電体層を形成する。これによれば、金属膜を下地とすることにより、より確実に、基板上に第２の圧電体層を形成できる。また、アニール処理によりこの金属膜を圧電体に拡散させることができる。
【００１３】
本適用例の圧電デバイスの製造方法において、前記保護膜が、ＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、及びＢａＯｘのいずれかであることが好ましい。
本適用例では、保護膜として、還元因子を含まず（すなわち、電極や圧電体に対する還元性が小さい）、かつ、水素透過性が低く、許容値とすることができる材料を用いて形成される。これにより、保護膜と接する電極や圧電体の劣化を抑制できる。また、保護膜に覆われた第１圧電素子の劣化を抑制できる。
【００１４】
本発明の参考技術に係る超音波デバイスの製造方法は、第１圧電素子と、第２圧電素子とを同一基板上に具備する超音波デバイスの製造方法であって、前記基板上に前記第１圧電素子を形成する第１圧電素子形成工程と、前記第１圧電素子及び前記基板上に保護膜を形成する保護膜形成工程と、前記保護膜上に、前記第２圧電素子を形成する第２圧電素子形成工程と、を実施することを特徴とする。
本参考技術では、上記適用例の圧電デバイスの製造方法と同様の効果を得ることができる。従って、圧電体が所望の圧電特性を有することにより、所望の性能の超音波デバイスを製造できる。
【００１５】
本発明の一適用例の圧電デバイスは、基板と、前記基板上に設けられた第１圧電素子と、前記第１圧電素子及び前記基板上に設けられた保護膜と、前記保護膜上に設けられた第２圧電素子と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、第１圧電体及び基板を覆う保護膜上に、第２圧電素子の第１電極が形成され、当該第１電極上に圧電体が形成される。
このような圧電デバイスは、上述の一適用例である圧電デバイスの製造方法を用いて形成することができる。従って、本適用例では、所望の性能の第２圧電素子を備える圧電デバイスを提供できる。
【００１６】
本発明の参考技術に係る超音波デバイスは、基板と、前記基板上に設けられた第１圧電素子と、前記第１圧電素子及び前記基板上に設けられた保護膜と、前記保護膜上に設けられた第２圧電素子と、を備えることを特徴とする。
本参考技術では、上記適用例の圧電デバイスと同様の効果を得ることができる。
従って、圧電体が所望の圧電特性を有することにより、所望の性能を有する超音波デバイスを提供できる。
【００１７】
本発明の一適用例の圧電モジュールは、上記適用例の圧電デバイスと、前記圧電デバイスが設けられる回路基板と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例の圧電デバイスと同様の効果を得ることができる。
従って、圧電体が所望の圧電特性を有することにより、所望の圧電特性に応じて、高精度に制御可能な圧電モジュールを提供できる。
【００１８】
本発明の一適用例の電子機器は、基板と、前記基板上に設けられた第１圧電素子と、前記第１圧電素子及び前記基板上に設けられた保護膜と、前記保護膜上に設けられた第２圧電素子と、前記第１圧電素子及び前記第２圧電素子の駆動を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例の圧電デバイスと同様の効果を得ることができる。
従って、圧電体が所望の圧電特性を有することにより、所望の圧電特性に応じて、高精度に制御可能な電子機器を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の第一実施形態に係る超音波デバイスの概略構成を示す平面図。
【図２】上記実施形態に係る超音波デバイスの一部を拡大して示す図。
【図３】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図４】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図５】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図６】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図７】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図８】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図９】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１０】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１１】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１２】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１３】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１４】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１５】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１６】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１７】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１８】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図１９】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図２０】上記実施形態に係る超音波デバイスの製造工程を示す図。
【図２１】本発明の第二実施形態に係る超音波測定機を模式的に示す図。
【図２２】上記実施形態に係る超音波測定機の概略構成を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
［第一実施形態］
以下、本発明の第一実施形態について、図面に基づいて説明する。
［超音波デバイスの構成］
図１は、本発明の第一実施形態に係る圧電デバイスとしての超音波デバイスを模式的に示す平面図である。また、図２は、図１に示す超音波デバイスの一部を拡大して示す図であり、図２（Ａ）は、当該一部を示す平面図であり、図２（Ｂ）は、断面図である。
超音波デバイス１は、デバイス基板１０と、振動板２０と、第１圧電素子３０と、本発明の保護膜に相当する第１保護膜４０と、第２圧電素子５０と、第２保護膜６０（図２（Ａ）参照）と、を備える。これらのうち第２保護膜６０は、後述するが、圧電体膜の外部に露出した部分が、水分の侵入等により劣化することを防ぐ等の目的で超音波デバイス１上に適宜設けられる。
【００２１】
デバイス基板１０は、例えば、（１００）、（１１０）、又は（１１１）配向を有する単結晶シリコンによって構成される。また、シリコン材料以外にもＺｒＯ２及びＡｌ２Ｏ３等によって例示されるセラミック材料及びガラスセラミック材料や、ＭｇＯ及びＬａＡｌＯ３等によって例示される酸化物基板材料や、ＳｉＣ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４及び各種多結晶シリコン等によって例示されるような無機材料を使用できる。さらに、これら材料の組合せによる積層材料を使用できる。
このデバイス基板１０は、厚み方向に沿った開口部１１がアレイ状に複数設けられる。
【００２２】
振動板２０は、デバイス基板１０の一方の面を覆って設けられており、開口部１１の厚み方向に沿った一端側を閉塞する。この振動板２０は、第１層２１と、第２層２２とを有する。なお、デバイス基板１０及び振動板２０により、本発明の基板が構成される。
第１層２１は、単結晶シリコンであるデバイス基板１０が酸化されて形成されたＳｉＯ２を主成分とする。この第１層２１は、第２層２２よりもデバイス基板１０側に位置し、後述するように、開口部１１を形成する際のストッパー膜として機能する。
第２層２２は、第１層２１上に形成される。この第２層２２は、Ｙ２Ｏ３、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＨｆＯ２、Ｖ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３、ＡｌＮ、ＴｉＮ、及びＳｉ２Ｎ４の少なくとも１つを主成分とする。本実施形態では、ＺｒＯ２によって形成される。
【００２３】
なお、本実施形態では、振動板２０が２層構造である例を示すが、これに限定されず、３層以上であってもよく、１層であってもよい。また、デバイス基板１０に凹溝状の開口部が設けられ、当該凹溝状の開口部の底面が振動板として機能する構成としてもよい。
本実施形態では、Ｓｉ基板の一方の面を酸化処理することにより均一なＳｉＯ２層を形成し、かつ、当該ＳｉＯ２層をエッチングストッパー層としてデバイス基板１０をエッチングすることにより、一端側が振動板２０により閉塞される開口部１１を容易に形成することができる。
【００２４】
ここで、本実施形態では、第１圧電素子３０に矩形パルスを印加することにより、振動板２０を振動させ、所定周波数の超音波を送信する。すなわち、本実施形態では、第１圧電素子３０及び振動板２０により発信用超音波トランスデューサーＴが構成される。
また、振動板２０が超音波を受信することにより振動し、当該振動による第２圧電素子の変形により、第２圧電素子から振動に応じた（受信超音波に応じた）信号が出力される。すなわち、本実施形態では、第２圧電素子及び振動板２０により受信用超音波トランスデューサーＲが構成される。
【００２５】
発信用超音波トランスデューサーＴを構成する第１圧電素子３０は、振動板２０を振動させて超音波を発生させる。この第１圧電素子３０は、下部電極３１と、圧電体層３２と、上部電極３３と、を備え、デバイス基板１０の厚み方向における平面視（以下、単に平面視とも称する）にて、振動板２０上における開口部１１に重なる位置に設けられる。
下部電極３１は、各第１圧電素子３０に設けられた個別電極である。この下部電極３１は、振動板２０上に設けられる。下部電極３１は、例えば、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、及びＬａＮｉＯ３の少なくとも１つを主成分とした導電体により構成される。
なお、下部電極３１は、後述する第３導電体層３３３に接続する。この第３導電体層３３３は、下部電極３１の引出電極として機能する。
【００２６】
上部電極３３は、共通電極であり、第１導電体層３３１と、第２導電体層３３２とを備える。
第１導電体層３３１は、圧電体層３２上に設けられる。
第２導電体層３３２は、平面視において、第１導電体層３３１の少なくとも一部を覆うように設けられる。この第２導電体層３３２は、平面視において圧電体層３２と重ならない領域に設けられ、引出配線としても機能する。
これら第１導電体層３３１及び第２導電体層３３２は、例えば、Ｔｉ，Ｐｔ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、及びＬａＮｉＯ３の少なくとも１つを主成分とした導電体により構成される。
【００２７】
圧電体層３２は、第１圧電体膜３２１と、第２圧電体膜３２２と、を備え、下部電極３１と上部電極３３との間に印加された電圧に応じて、面内方向に収縮する。
第１圧電体膜３２１及び第２圧電体膜３２２は、例えば、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むペロブスカイト構造の酸化物で形成される。本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ；Ｚｒ／Ｔｉ＝５２／４８組成）で形成される。
【００２８】
第１保護膜４０は、本発明の保護膜に相当し、第１圧電素子３０と、振動板２０上の当該第１圧電素子３０が設けられていない領域とを覆って設けられる。この第１保護膜４０は、発信用超音波トランスデューサーＴと、受信用超音波トランスデューサーＲとを分離する。また、第１保護膜４０は、超音波デバイス１の製造時において、第１圧電素子３０を保護する。
【００２９】
第１保護膜４０は、還元因子を含まず（すなわち電極材料を還元しない）、水素透過性が低く、かつ、上部電極３３及び振動板２０に対して密着性が高い材料を用いて形成される。この第１保護膜４０の形成材料として、例えば、ＡｌＯｘ、ＴａＯｘ、及びＢａＯｘ等を用いることができる。
【００３０】
受信用超音波トランスデューサーＲを構成する第２圧電素子５０は、超音波の反射波（エコー波）による振動板２０の振動に応じた電気信号を発生させる。この第２圧電素子５０は、下部電極５１と、圧電体層５２と、上部電極５３と、を備え、平面視にて、第１保護膜４０上における開口部１１に重なる位置に設けられる。
下部電極５１は、各第２圧電素子５０に設けられた個別電極である。この下部電極５１は、第１保護膜４０上に設けられる。
【００３１】
上部電極５３は、共通電極であり、第１導電体層５３１と、第２導電体層５３２とを備える。第１導電体層５３１は、圧電体層３２上に設けられる。また、第２導電体層５３２は、平面視において、第１導電体層３３１の少なくとも一部を覆うように設けられる。また、第２導電体層５３２は、平面視において、圧電体層３２と重ならない領域に設けられ、引出配線としても機能する。
【００３２】
圧電体層５２は、第１圧電体膜５２１と、第２圧電体膜５２２と、を備え、振動板２０の振動に応じて変形され、当該変形に応じた電圧を、圧電体層５２（第１圧電体膜５２１及び第２圧電体膜５２２）の間に発生させる。
なお、圧電体層５２は、圧電材料が異なる以外は、第１圧電素子３０の圧電体層３２と基本的に同様に構成される。
【００３３】
第１圧電体膜５２１及び第２圧電体膜５２２は、第１圧電素子３０における第１圧電体膜３２１及び第２圧電体膜３２２よりも、比誘電率が高く、ｄ定数が高く、かつ、ヤング率が低い材料を用いて形成されることが好ましい。これにより、第２圧電素子５０の圧電体層を、第１圧電素子３０の圧電体層と同一の材料を用いて形成する場合と比べて、反射波の検出感度を向上させることができる。
第１圧電体膜５２１及び第２圧電体膜５２２は、例えば、鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）及びジルコニウム（Ｚｒ）を含むペロブスカイト構造の酸化物であるＰＺＴにＮｂを添加した圧電材料（ＰＺＴＮ）を用いて形成される。
【００３４】
図１に示す例では、超音波デバイス１は、上述の発信用超音波トランスデューサーＴ（第１圧電素子３０）の列と、受信用超音波トランスデューサーＲ（第２圧電素子５０）の列とが、交互に配置されて構成される。このような超音波デバイス１では、各超音波トランスデューサーＴ，Ｒが列毎に駆動され、ラインスキャンやセクタースキャンが実現される。
なお、各列に含まれる超音波トランスデューサーの個数や列数に応じて超音波の出力と入力とのレベルが決定される。
【００３５】
［超音波デバイスの製造方法］
次に、上述の超音波デバイス１の製造方法について、図面に基づいて説明する。
図３〜図２０は、超音波デバイス１の製造工程を模式的に示す図である。
本実施形態では、第１圧電素子３０を形成した後、第１保護膜４０を形成し、当該第１保護膜４０上に第２圧電素子５０を形成し、開口部１１を形成することにより、発信用超音波トランスデューサーＴ及び受信用超音波トランスデューサーＲを備える超音波デバイス１を製造する。
【００３６】
図３（Ａ）に示すように、デバイス基板１０上に振動板２０を構成する第１層２１及び第２層（酸化ジルコニウム層）２２を形成する。
第１層２１は、単結晶シリコンによって構成されたデバイス基板１０の表面に形成された熱酸化膜である。この第１層２１は、デバイス基板１０に開口部１１を形成する際のストッパー層として機能する。
第２層２２は、スパッタ法によって第１層２１上にＺｒ層を形成し、当該Ｚｒ層にアニール処理（例えばランプアニールやファーネスアニール）を施すことによって形成される。このようにして、第１層２１及び第２層２２を形成して、振動板２０を形成する。
【００３７】
次に、図３（Ｂ）に示すように、振動板２０上に下部電極３１を形成する。下部電極３１は、例えば、スパッタ法にて、Ｔｉ層（２０ｎｍ）、Ｐｔ層（１３０ｎｍ）、Ｉｒ層（１０ｎｍ）、Ｔｉ層（６ｎｍ）を順次成膜することにより形成される。
【００３８】
次に、図３（Ｃ）に示すように、形成された直後の下部電極３１上に第１圧電体膜３２１を形成する。第１圧電体膜３２１は、例えば、スピンコートによってＰＺＴ溶液を下部電極３１上に塗布し、乾燥工程及び脱脂工程を実施することにより形成される。
この第１圧電体膜３２１は、下部電極３１の表面性状や材料に応じた配向性を示す。このため、下部電極３１を形成した直後に第１圧電体膜３２１を形成することにより、所望の表面性状を有する下部電極３１上に第１圧電体膜３２１を形成することができ、所望の配向性を有する第１圧電体膜３２１を形成することができる。
【００３９】
次に、図４に示すように、下部電極３１及び第１圧電体膜３２１をパターニングし、所望の形状に成形する。下部電極３１及び第１圧電体膜３２１のパターニングは、例えば、ドライエッチングによって実施される。
【００４０】
次に、図５に示すように、図４に示す中間構造体Ｍ１の上面側の略全面に金属下地層３２３として、例えばＴｉ層（３〜１０ｎｍ）を成膜する。なお、金属下地層３２３は必ずしも設けなくてもよい。
次に、図６に示すように、下部電極３１及び第１圧電体膜３２１を覆う位置に第２圧電体膜３２２として、例えばＰＺＴ膜（１．２μｍ）を成膜する。ＰＺＴ膜は、成膜材料の塗布工程及びアニール（結晶化）工程を繰り返すことにより形成される。なお、金属下地層３２３は、アニール工程を行うことにより、ＰＺＴ膜である第１圧電体膜３２１又は第２圧電体膜３２２に拡散して消失する。
【００４１】
この第２圧電体膜３２２は、第１圧電体膜３２１と同様に、下地となる金属下地層３２３の表面性状や材料に応じた配向性を示す。このため、金属下地層３２３を形成直後に第２圧電体膜３２２を成膜することにより、上述のように、所望の配向性を有する第２圧電体膜３２２を形成することができる。
【００４２】
次に、図７に示すように、上部電極３３を構成する第１導電体層３３１を形成し、第２圧電体膜３２２を成形する。具体的には、図６に示す中間構造体Ｍ２の上面側の略全面に第１導電体層３３１として、例えばＩｒ層（１０ｎｍ）を成膜する。その後、Ｉｒ層及び圧電体層３２をパターニングし、第１導電体層３３１を形成し、下部電極３１の一部を露出させる（図７（Ａ）参照）。Ｉｒ層及び圧電体層３２のパターニングでは、図７（Ａ）に示すように、平面視において、下部電極３１及び圧電体層３２の一部を覆う矩形状の領域Ａ１では、Ｉｒ層を残し、それ以外の領域Ａ２では、Ｉｒ層及び圧電体層３２を除去する。このため、領域Ａ２において下部電極３１が露出する。
【００４３】
次に、図８に示すように、第２導電体層３３２を形成するための金属層として、例えばＩｒ層３３２Ａ（４０ｎｍ）を、図７に示す中間構造体Ｍ３の上面側に形成する。これにより、第１導電体層３３１上と、上述のように露出している下部電極３１とを覆うように、Ｉｒ層３３２Ａが形成される。
【００４４】
次に、図９に示すように、Ｉｒ層３３２Ａをパターニングし、第１導電体層３３１を覆う第２導電体層３３２と、下部電極３１の露出部分を覆う第３導電体層３３３（図９（Ｂ）参照）とを形成する。なお、Ｉｒ層３３２Ａをパターニングする際に、図９（Ａ）に示すように、平面視において第２導電体層３３２と第３導電体層３３３との間の領域に配置されていた第１導電体層３３１を除去する。これにより、当該第２導電体層３３２と第３導電体層３３３との間の領域にて、第１導電体層３３１が分離され、第２圧電体膜３２２が露出する。すなわち、下部電極３１と上部電極３３とが分離される。
このようにして、第１圧電素子３０が形成される。
【００４５】
次に、図１０に示すように、デバイス基板１０上に第１圧電素子３０が形成された中間構造体Ｍ４（図９参照）の上面側に、第１保護膜４０を形成する。すなわち、第１圧電素子３０及び振動板２０上に第１保護膜４０を形成する。この保護膜上に、後述するように第２圧電素子５０を形成する。
【００４６】
次に、受信用超音波トランスデューサーＲの第２圧電素子５０の形成工程について説明する。なお、第２圧電素子５０は、基本的に、第１圧電素子３０と略同様の方法で形成される。
まず、図１１に示すように、中間構造体Ｍ５（図１０）の上面側に、第２圧電素子５０の下部電極５１（下部導電層）を形成する。下部電極５１は、例えば、スパッタ法にて、Ｐｔ層（１１０ｎｍ）を成膜することにより形成される。
【００４７】
次に、図１２に示すように、形成された直後の下部電極５１上に第１圧電体膜５２１（圧電体層）を形成する。第１圧電体膜５２１は、例えば、スピンコートによってＰＺＴＮ溶液を下部電極５１上に塗布し、乾燥工程及び脱脂工程を実施することにより形成される。
この第１圧電体膜５２１は、下部電極５１の表面性状や材料に応じた配向性を示す。このため、下部電極５１を形成した直後に第１圧電体膜５２１を形成することにより、所望の表面性状を有する下部電極５１上に第１圧電体膜５２１を形成することができ、所望の配向性を有する第１圧電体膜５２１を形成することができる。
【００４８】
次に、図１３に示すように、下部電極５１及び第１圧電体膜５２１をパターニングし、所望の形状に成形する。下部電極５１及び第１圧電体膜５２１のパターニングは、例えば、ドライエッチングによって実施される。
【００４９】
次に、図１４に示すように、図１３に示す中間構造体Ｍ６の上面側の略全面に金属下地層５２３（例えばＴｉ層）を成膜する。なお、金属下地層５２３は必ずしも設けなくてもよい。
次に、図１５に示すように、下部電極５１及び第１圧電体膜５２１を覆う位置に第２圧電体膜５２２を形成する。第２圧電体膜５２２は、第１圧電素子３０の第２圧電体膜３２２と同様に、成膜材料の塗布工程及びアニール（結晶化）工程を繰り返すことにより形成される。上記金属下地層５２３は、アニール工程により圧電体中に拡散し、消失する。
【００５０】
次に、図１６に示すように、上部電極５３を構成する第１導電体層５３１を形成し、第２圧電体膜５２２を成形する。具体的には、図１５に示す中間構造体Ｍ７の上面側の略全面に第１導電体層５３１として、例えばＰｔ層（１０ｎｍ）を成膜する。その後、Ｐｔ層及び圧電体層５２をパターニングして、第１導電体層５３１を形成し、下部電極５１の一部を露出させる（図１６（Ａ）参照）。
【００５１】
次に、図１７に示すように、第２導電体層５３２を形成するための金属層として、例えばＰｔ層５３２Ａ（４０ｎｍ）を、図１６に示す中間構造体Ｍ８の上面側に形成する。これにより、第１導電体層５３１上と、上述のように露出している下部電極５１とを覆うように、Ｐｔ層５３２Ａが形成される。
【００５２】
次に、図１８に示すように、Ｐｔ層５３２Ａをパターニングし、第１導電体層５３１を覆う第２導電体層５３２と、下部電極５１の露出部分を覆う第３導電体層５３３（図１８（Ａ）参照）とを形成する。なお、Ｐｔ層５３２Ａをパターニングする際に、図１８（Ａ）に示すように、平面視において第２導電体層５３２と第３導電体層５３３との間の領域に配置されていた第１導電体層５３１が除去され、第２圧電体膜５２２が露出する。これにより、下部電極５１と上部電極５３とが分離される。
このようにして、第２圧電素子５０が形成される。
【００５３】
次に、図１９に示すように、第２保護膜６０を形成する。この第２保護膜６０は、図１８（Ａ）に示す、第２圧電素子５０の第２圧電体膜５２２が露出する領域（平面視において第２導電体層５３２と第３導電体層５３３との間の領域）を覆うように形成される。なお、第１圧電素子３０側の対応する位置にも同様に第２保護膜６０が形成される。この第２保護膜６０は、例えばＡＬＣＶＤ（Atomic Layer Chemical Vapor Deposition）法を用いて、Ａｌ２Ｏ３（９０ｎｍ）を成膜した後、ドライエッチングにて加工することにより形成される。
【００５４】
そして、図２０に示すように、デバイス基板１０に開口部１１を形成する。まず、開口部１１を形成する前に、デバイス基板１０を裏面（振動板２０とは反対側の面）側から研削し、デバイス基板１０の厚みを例えば１５０μｍとする。そして、エッチングにより開口部１１を形成する。
このようにして、発信用超音波トランスデューサーＴ及び受信用超音波トランスデューサーＲを含む超音波デバイス１が製造される。
【００５５】
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態によれば以下の作用効果を得ることができる。
本実施形態では、振動板２０上に第１圧電素子３０を形成した後、これら振動板２０及び第１圧電素子３０上に第１保護膜４０を形成する。そして、第１保護膜４０上に第２圧電素子５０を形成する。
このような製造方法では、第２圧電素子５０は、第１保護膜４０を下地として形成されるため、例えば、エッチング等によって表面が粗となる部材上に第２圧電素子を形成する場合と比べて、第２圧電素子５０の圧電体層５２を所望の配向に調整することができる。これにより、第１圧電素子３０及び第２圧電素子５０を所望の圧電特性に調整でき、所望の性能の超音波デバイス１を容易に形成できる。
【００５６】
また、本実施形態では、振動板２０上に第１圧電素子３０を形成した後、これら振動板２０及び第１圧電素子３０上に第１保護膜４０を形成する。そして、第１保護膜４０上に下部電極５１（下部導電層）及び第１圧電体膜５２１（圧電体層）を順次積層した後、下部電極５１及び第１圧電体膜５２１をパターニングする。
ここで、第１圧電体膜５２１は、第１圧電体膜５２１の下層の材料や表面性状に応じた配向性を示す。すなわち、下部電極５１の表面性状に応じた配向性を有する第１圧電体膜５２１が形成される。
本実施形態では、上述のように、パターニングする前であり、表面性状が維持された状態の下部電極５１上に第１圧電体膜５２１を形成するため、第１圧電体膜５２１の配向性をより確実に調整できる。
【００５７】
また、上述の製造方法では、振動板２０上に形成された第１保護膜４０上に下部電極５１を形成する。このため、第１圧電素子３０形成時の各種加工処理により表面性状が変化した振動板２０よりも、表面性状がより均一な第１保護膜４０上に、下部電極５１を形成できる。従って、所望の表面性状を有する下部電極５１を形成することができ、第１圧電体膜５２１の配向性をより確実に調整できる。
【００５８】
また、上述の製造方法では、第１圧電素子３０の下部電極３１と上部電極３３とを分離する工程（図９参照）と、第２圧電素子５０の下部電極５１と上部電極５３とを分離する工程（図１８参照）と、がそれぞれ別々に実施される。これにより、各圧電素子３０，５０の下部電極３１，５１と、上部電極３３，５３とを、エッチングにより同時に分離する場合と比べて、後述のように、圧電体層５２のオーバーエッジをより確実に抑制できる。
すなわち、第１圧電素子３０の上部電極３３形成用のＩｒ層３３２Ａ（図８参照）上に、第２圧電素子５０の上部電極５３形成用のＰｔ層５３２Ａ（図１７参照）が積層された場合、第１圧電素子３０の圧電体層３２上よりも、第２圧電素子５０の圧電体層５２上の方が、金属層の厚みが薄い。このため、各圧電素子３０，５０の下部電極３１，５１と、上部電極３３，５３とを、エッチングにより同時に分離する場合、第１圧電素子３０の下部電極３１と上部電極３３とを分離しようとすると、圧電体層５２のオーバーエッジが発生するおそれがある。これに対して、本実施形態では、上述のように、圧電体層５２のオーバーエッジの発生を抑制でき、当該オーバーエッジによる第２圧電素子５０の性能低下を抑制できる。
【００５９】
本実施形態では、下部電極５１及び第１圧電体膜５２１をパターニングした後、第１圧電体膜５２１を積層する。これによれば、上記パターニングの際に、図１３（Ｂ）に示すように、下部電極５１の側面が露出したとしても、下部電極５１を覆うように第２圧電体膜５２２を積層することにより、下部電極５１と上部電極５３との導通を抑制できる。
【００６０】
この第２圧電体膜５２２は、下部電極５１及び第１圧電体膜５２１上に金属膜を形成した後、当該金属膜に圧電材料を塗布し、アニール処理を実施することにより形成される。これによれば、金属膜を下地とすることにより、第２圧電体膜５２２を振動板２０上により確実に形成できる。
また、金属膜を形成した直後に、当該金属膜を下地として第２圧電体膜５２２を形成するため、第１圧電体膜５２１上に直に形成する場合と比べて、上述の第１圧電体膜５２１と同様に、第２圧電体膜５２２の配向性をより確実に調整できる。
【００６１】
また、第１保護膜４０は、還元因子を含まず（すなわち、各電極や圧電体に対する還元性が小さい）、かつ、水素透過性を許容閾値未満とすることができる材料を用いて形成される。これにより、第１保護膜４０と接する電極や圧電体の劣化を抑制できる。また、第１保護膜４０に覆われた第１圧電素子３０の劣化を抑制できる。
【００６２】
このように、上述の製造方法を用いて形成された超音波デバイス１は、所望の配向性を有する第１圧電体膜５２１及び第２圧電体膜５２２によって構成される圧電体層５２を有する。従って、所望の性能を有する第２圧電素子５０を形成することができる。
【００６３】
［第二実施形態］
次に、本発明に係る第二実施形態について説明する。
第二実施形態では、第一実施形態で説明した超音波デバイス１を備える超音波測定機について図面に基づいて説明する。
なお、以降の説明に当たり、第一実施形態と同様の構成、同様の処理については、同符号を付し、その説明を省略又は簡略化する。
【００６４】
［超音波測定機の構成］
図２１は、本実施形態の超音波測定機１００の概略構成を示す斜視図である。図２２は、超音波測定機１００の概略構成を示すブロック図である。
本実施形態の超音波測定機１００は、図１に示すように、超音波プローブ１１０と、超音波プローブ１１０にケーブルを介して電気的に接続された制御装置１２０と、を備えている。
この超音波測定機１００は、超音波プローブ１１０を生体（例えば人体）の表面に当接させ、超音波プローブ１１０から生体内に超音波を送出する。また、生体内の器官にて反射された超音波を超音波プローブ１１０にて受信し、その受信信号に基づいて、例えば生体内の内部断層画像を取得したり、生体内の器官の状態（例えば血流等）を測定したりする。
【００６５】
［超音波プローブの構成］
超音波プローブ１１０は、図２２に示すように、超音波デバイス１と、回路基板１１１と、音響レンズ１１２（図１参照）と、これらを収納する筐体１１３（図２１参照）とを備える。なお、超音波デバイス１と、回路基板１１１とを含み超音波センサー（超音波モジュール）１１４が構成される。
【００６６】
［音響レンズの構成］
音響レンズ１１２は、超音波デバイス１から送信された超音波を測定対象である生体に効率よく伝搬させ、また、生体内で反射した超音波を効率よく超音波デバイス１に伝搬させる。この音響レンズ１１２は、超音波デバイス１が超音波を送受信する面に沿って配置される。なお、図示を省略するが、超音波デバイス１と音響レンズ１１２との間には、音響整合層が設けられる。これら、音響レンズ１１２及び音響整合層は、各超音波トランスデューサーＴ,Ｒの音響インピーダンスと、生体の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスに設定されている。
【００６７】
［筐体の構成］
筐体１１３は、図２１に示すように、平面視矩形状の箱状に形成され、厚み方向に直交する一面（センサー面１１３Ａ）には、センサー窓１１３Ｂが設けられており、音響レンズ１１２の一部が露出している。また、筐体１１３には、ケーブルの通過孔が設けられる。このケーブルは、回路基板１１１に接続される。
なお、本実施形態では、ケーブルを用いて、超音波プローブ１１０と制御装置１２０とが接続される構成例を示すが、これに限定されず、例えば超音波プローブ１１０と制御装置１２０とが無線通信により接続されていてもよく、超音波プローブ１１０内に制御装置１２０の各種構成が設けられていてもよい。
【００６８】
［回路基板の構成］
回路基板１１１は、超音波デバイス１が取り付けられる基板であり、超音波デバイス１を駆動させるためのドライバ回路等が設けられている。具体的には、回路基板１１１は、図２２に示すように、選択回路１１１Ａ、送信回路１１１Ｂ、及び受信回路１１１Ｃを備える。
【００６９】
選択回路１１１Ａは、制御装置１２０の制御に基づいて、超音波デバイス１と送信回路１１１Ｂとを接続する送信接続、及び超音波デバイス１と受信回路１１１Ｃとを接続する受信接続を切り替える。
送信回路１１１Ｂは、制御装置１２０の制御により送信接続に切り替えられた際に、選択回路１１１Ａを介して超音波デバイス１に超音波を発信させる旨の送信信号を出力する。
受信回路１１１Ｃは、制御装置１２０の制御により受信接続に切り替えられた際に、選択回路１１１Ａを介して超音波デバイス１から入力された受信信号を制御装置１２０に出力する。受信回路１１１Ｃは、例えば低雑音増幅回路、電圧制御アッテネーター、プログラマブルゲインアンプ、ローパスフィルター、Ａ／Ｄコンバーター等を含んで構成されており、受信信号のデジタル信号への変換、ノイズ成分の除去、所望信号レベルへの増幅等の各信号処理を実施した後、処理後の受信信号を制御装置１２０に出力する。
【００７０】
［制御装置の構成］
制御装置１２０は、図２２に示すように、例えば、操作部１２１と、表示部１２２と、記憶部１２３と、演算部１２４と、を備えて構成されている。この制御装置１２０は、例えば、タブレット端末やスマートフォン、パーソナルコンピューター等の端末装置を用いてもよく、超音波プローブ１１０を操作するための専用端末装置であってもよい。
操作部１２１は、ユーザーが超音波測定機１００を操作するためのＵＩ（user interface）であり、例えば表示部１２上に設けられたタッチパネルや、操作ボタン、キーボード、マウス等により構成することができる。
表示部１２２は、例えば液晶ディスプレイ等により構成され、画像を表示させる。
記憶部１２３は、超音波測定機１００を制御するための各種プログラムや各種データを記憶する。
演算部１２４は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算回路や、メモリー等の記憶回路により構成されている。そして、演算部１２４は、記憶部１２３に記憶された各種プログラムを読み込み実行することで、送信回路１１１Ｂに対して送信信号の生成及び出力処理の制御を行い、受信回路１１１Ｃに対して受信信号の周波数設定やゲイン設定などの制御を行う。
【００７１】
［第二実施形態の作用効果］
上記第二実施形態に係る超音波測定機１００は、上記第一実施形態と同様の作用効果を得ることができる他、圧電体層５２が所望の圧電特性を有することにより、所望の圧電特性に応じて、高精度に制御可能な超音波センサー１１４及び超音波測定機１００を提供できる。
［変形例］
なお、本発明は上述の各実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的を達成できる範囲での変形、改良、及び各実施形態を適宜組み合わせる等によって得られる構成は本発明に含まれるものである。
上記各実施形態では、二種類の圧電素子を備える構成を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、三種類以上の圧電素子を備える構成としてもよい。この場合、１つの種類の圧電素子を形成した後、さらに異なる圧電素子を形成する際に、保護膜を形成し、当該保護膜上に、下部電極及び圧電体を順次形成した後に、これら下部電極及び圧電体をパターニングすればよい。
【００７２】
上記各実施形態では、圧電体層３２，５２がそれぞれ、２層の圧電体膜を積層する構成を採用していたが、本発明はこれに限定されない。例えば、圧電体層３２，５２が、１層の圧電体膜で構成されてもよいし、３層以上の圧電体膜で構成されてもよい。
【００７３】
上記第二実施形態では、生体を測定対象とする超音波測定装置を例示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、各種構造物を測定対象として、当該構造物の欠陥の検出や老朽化の検査を行う電子機器に、本発明を適用することができる。また、例えば、半導体パッケージやウェハ等を測定対象として、当該測定対象の欠陥を検出する電子機器にも本発明を適用することができる。
【００７４】
上記各実施形態では、圧電素子を超音波トランスデューサーとして用いる超音波デバイス１について例示したが、本発明はこれに限定されず、圧電素子を備える圧電デバイスにも本発明を適用することができる。このような圧電デバイスは、例えば、インクを吐出させて描画を行うインクジェット記録装置のインクジェットヘッドにおける、インク吐出機構として用いることができる。また、この場合、インクジェット記録装置を本発明の電子機器として例示できる。
また、上記以外にも、圧電素子に加わる応力（圧力や剪断力等）を検出する応力センサーとしても本発明を適用することができる。
【００７５】
その他、本発明の実施の際の具体的な構造は、本発明の目的を達成できる範囲で上記各実施形態及び変形例を適宜組み合わせることで構成してもよく、また他の構造などに適宜変更してもよい。
【符号の説明】
【００７６】
１…超音波デバイス（圧電デバイス）、１０…デバイス基板（基板）、２０…振動板（基板）、３０…第１圧電素子、４０…第１保護膜、５０…第２圧電素子、５１…下部電極（下部導電層）、５２…圧電体層、１００…超音波測定機（電子機器）、１１０…超音波プローブ（超音波モジュール）、１１１…回路基板、１１４…超音波センサー（超音波モジュール）、１２０…制御装置（制御部）、５２１…第１圧電体膜（圧電体層）、５２２…第２圧電体膜（第２の圧電体層）、５２３…金属下地層、Ｒ…受信用超音波トランスデューサー（超音波デバイス）、Ｔ…発信用超音波トランスデューサー（超音波デバイス）。
【図１】
2016225420.tif 000003
【図２】
2016225420.tif 000004
【図３】
2016225420.tif 000005
【図４】
2016225420.tif 000006
【図５】
2016225420.tif 000007
【図６】
2016225420.tif 000008
【図７】
2016225420.tif 000009
【図８】
2016225420.tif 000010
【図９】
2016225420.tif 000011
【図１０】
2016225420.tif 000012
【図１１】
2016225420.tif 000013
【図１２】
2016225420.tif 000014
【図１３】
2016225420.tif 000015
【図１４】
2016225420.tif 000016
【図１５】
2016225420.tif 000017
【図１６】
2016225420.tif 000018
【図１７】
2016225420.tif 000019
【図１８】
2016225420.tif 000020
【図１９】
2016225420.tif 000021
【図２０】
2016225420.tif 000022
【図２１】
2016225420.tif 000023
【図２２】
2016225420.tif 000024