(57)【要約】【課題】駆動周波数の高周波化が可能な圧電素子、圧電モジュール、電子機器、及び圧電素子の製造方法を提供する。【解決手段】超音波トランスデューサー２０は、支持膜２１１と、支持膜２１１上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板２１２と、基板２１２上に設けられた下部電極２２と、下部電極２２上に設けられた圧電体２３と、圧電体２３上に設けられた上部電極２４と、を備え、基板２１２の結晶面方位が、圧電体２３との結晶面方位と同じである。【選択図】図２
2017117981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持膜と、
前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、
前記基板上に設けられた下部金属電極と、
前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、
前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備え、
前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じである
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
請求項１に記載の圧電素子において、
前記基板は、前記圧電体と略同じ格子定数を有する金属酸化物の単結晶である
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の圧電素子において、
前記基板は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＮｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つを主成分とする単結晶である
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の圧電素子において、
前記基板の結晶面方位が（１００）又は（１１１）である
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子において、
前記下部金属電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３の少なくとも一つを主成分とする
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の圧電素子において、
前記下部金属電極は、結晶面方位が前記基板の結晶面方位と同じである
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の圧電素子において、
前記圧電体は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢｉＦｅＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｎａ，Ｋ）ＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３、ＺｎＯの少なくとも一つを主成分とする
ことを特徴とする圧電素子。
【請求項８】
支持膜と、前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、前記基板に上に設けられた下部金属電極と、前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備える圧電素子と、
前記下部金属電極及び前記上部金属電極と電気的に接続される配線基板と、を備え、
前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じである
ことを特徴とする圧電モジュール。
【請求項９】
支持膜と、前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、前記基板上に設けられた下部金属電極と、前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備える圧電素子と、
前記圧電素子を制御する制御部と、を備え、
前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じである
ことを特徴とする電子機器。
【請求項１０】
支持膜上に絶縁性を有する単結晶の基板を設ける単結晶基板配設工程と、
前記基板上に下部金属電極をエピタキシャル成長させて形成する下部電極形成工程と、
前記下部金属電極上に、前記基板と結晶面方位が同じである圧電体をエピタキシャル成長させて形成する圧電体形成工程と、
前記圧電体上に上部金属電極を形成する上部電極形成工程と、を備える
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１１】
請求項１０に記載の圧電素子の製造方法において、
前記支持膜上に設けられた前記基板の厚みを調整する厚み調整工程を備える
ことを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１２】
請求項１０又は請求項１１に記載の圧電素子の製造方法において、
前記単結晶基板配設工程では、前記支持膜上に複数の前記基板を設ける
ことを特徴とする圧電素子の製造方法
【請求項１３】
請求項１２に記載の圧電素子の製造方法において、
前記複数の基板及び前記支持膜上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記支持膜上に設けられた前記基板の厚みを調整する厚み調整工程と、を備え、
前記厚み調整工程では、前記支持膜とは反対側から前記基板及び前記絶縁膜を研磨して平坦面を形成する
ことを特徴とする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、圧電素子、圧電モジュール、電子機器、及び圧電素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、圧電体の圧電効果に基づいて超音波を送受信可能に構成される超音波トランスデューサーが知られている（例えば特許文献１）。
特許文献１に記載の超音波トランスデューサーは、開口が形成されたシリコン基板と、シリコン基板に設けられ開口を閉塞する振動板と、振動板上に設けられた圧電素子と、を備え、これらのうち圧電素子は、下部電極、圧電体、上部電極が、振動板上に順に積層され構成される。このように構成された超音波トランスデューサーは、振動板の平面寸法や厚み寸法に応じた共振周波数を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【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】
【０００４】
ところで、高精度の超音波測定を実施するために、より高い周波数の超音波を送受信可能な超音波トランスデューサーを用いることが考えられる。上述の振動板上に圧電素子が設けられた超音波トランスデューサーの高周波化を実現するためには、例えば、厚み方向から見た振動板の振動領域の寸法（面積）を小さくすることが考えられる。このためには、開口の面積を小さくする必要があり、容易ではない上、限界がある。
また、振動板を厚くして剛性を大きくすることが考えられる。この場合、超音波トランスデューサーの送信出力及び受信感度を向上させるには、高い圧電性能を示す圧電体を用いる必要があり、高い配向性を有する圧電体を下部電極上に形成することが望ましい。
【０００５】
しかしながら、圧電体を振動板上に形成する際に、圧電体の配向性は、下地となる振動板の表面性状の影響を受ける。このため、振動板の厚み寸法を大きくしつつ、高い配向性を有する圧電体を形成することは容易ではない。
例えば、シリコン基板上に振動板を形成し、この振動板上に圧電素子を形成する場合、振動板は、エッチングによりシリコン基板に開口を形成する際のエッチングストッパー層や、圧電素子を構成する金属材料や圧電体材料に含まれる成分に対して高い耐性を有する材料を用いて形成されたバリア層を含み構成される。このバリア層は、例えば、ＺｒＯ２等のスパッター膜として形成される。しかしながら、スパッター膜の厚みを増大させるには限界がある上、成膜時間が増大して製造効率性が悪化する。また、厚いスパッター膜を形成できたとしても、所望の表面性状を有する膜を形成することが困難である。このため、バリア層を下地として圧電素子を形成しても圧電体の配向性が低下するおそれがあり、圧電性能の向上には限界がある。
以上のように、圧電素子の駆動周波数の高周波化は容易ではなく、超音波トランスデューサーにて送受信される超音波の高周波化は容易ではなかった。
【０００６】
本発明は、駆動周波数の高周波化が可能な圧電素子、圧電モジュール、電子機器、及び圧電素子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】
【０００７】
本発明の一適用例に係る圧電素子は、支持膜と、前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、前記基板上に設けられた下部金属電極と、前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備え、前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じであることを特徴とする。
【０００８】
本適用例では、圧電素子は、支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、基板上に順に積層された下部金属電極、圧電体、及び上部金属電極と、を含み構成される。そして、基板と圧電体とは、結晶面方位が同じである。
この圧電素子は、例えば、所望の結晶面方位を有する単結晶の基板を支持膜上に設けた後に、当該基板上にスパッター法により下部金属電極を形成し、当該下部金属電極上に圧電体を例えばゾルゲル法により形成し、その後、圧電体上に上部金属電極を形成することにより製造することができる。このため、本適用例の圧電素子では、圧電体及び下部金属電極の結晶面方位を、下地となる基板の結晶面方位と同じとすることができる。したがって、基板の結晶面方位を適宜設定することにより、所望の結晶面方位、すなわち所望の方向の分極軸を有する圧電体を形成することができる。
したがって、支持膜及び基板を振動板とする本適用例の圧電素子では、振動板の厚み寸法を大きくしつつ、圧電体の圧電性能を向上させることができ、駆動周波数の高周波化を図ることができる。また、本適用例の圧電素子を超音波トランスデューサーとして用いることにより、送受信される超音波の高周波化を図ることができる。
また、上述のように基板の厚みを調整することにより、振動板の共鳴周波数を調整することができ、これにより、圧電素子の駆動周波数や、送受信する超音波の周波数を所望値とすることも容易である。
【０００９】
本適用例の圧電素子において、前記基板は、前記圧電体と略同じ格子定数を有する金属酸化物の単結晶であることが好ましい。
本適用例では、基板は、圧電体と略同じ格子定数を有する金属酸化物の単結晶であるため、厚み方向に直交する平面方向における圧電体の均一性を向上させることができる。したがって、圧電体の圧電性能をより確実に向上させることができる。
なお、本適用例において、格子定数が略同じとは、基板の格子定数が、圧電体の格子定数と同じであること以外にも、圧電体の平面方向の均一性が所望値となる範囲であれば、基板と圧電体との各格子定数が僅かに異なることも含む。
【００１０】
本適用例の圧電素子において、前記基板は、ＭｇＯ、ＬａＡｌＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＮｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、ＺｒＯ２のいずれか一つを主成分とする単結晶であることが好ましい。
本適用例では、基板として、上記金属酸化物のいずれかの単結晶を用いる。これら金属酸化物は、耐熱性に優れており例えば７００℃以上の加熱処理を実施することができる。このため、例えば、下部電極、圧電体、及び上部電極の製造過程において加熱処理を実施した際に基板の劣化を抑制することができ、所望の特性の圧電素子をより確実に得ることができる。
また、上記金属酸化物は、格子定数がＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）と略同じであるため、圧電体としてＰＺＴを採用した場合に、ＰＺＴの結晶面方位をより確実に所望の配向とすることができ、圧電性能の向上を図ることができる。
【００１１】
本適用例の圧電素子において、前記基板の結晶面方位が（１００）又は（１１１）であることが好ましい。
本適用例では、基板及び圧電体の結晶面方位が（１００）又は（１１１）である。例えば、圧電体の分極軸が［１１１］方向の圧電体材料の場合は結晶面方位（１００）を配向させ、圧電体の分極軸が［００１］方向の圧電体材料の場合は結晶面方位（１１１）を配向させるドメインエンジニアリングにより、圧電性能を向上させることができる。
【００１２】
本適用例の圧電素子において、前記下部金属電極は、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３の少なくとも一つを主成分とすることが好ましい。
本適用例では、下部電極が上記材料の少なくとも一つを主成分とする。これら電極材料は、酸素に対する反応性が低い。このため、例えば、各種金属酸化物を用いて圧電体を形成した場合に、圧電体からの酸素抜けを好適に抑制することができる。したがって、酸素抜けによる圧電性能の低下を抑制できる。
【００１３】
本適用例の圧電素子において、前記下部金属電極は、結晶面方位が前記基板の結晶面方位と同じであることが好ましい。
本適用例では、下部電極の結晶面方位が、基板の結晶面方位と同じである。すなわち、基板、下部電極、及び圧電体の結晶面方位がいずれも一致する。これにより、例えば、基板上に、下部電極及び圧電体を順に形成した場合、圧電体の結晶面方位をより確実に基板の結晶面方位と一致させることができる。
【００１４】
本適用例の圧電素子において、前記圧電体は、Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢｉＦｅＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｎａ，Ｋ）ＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３、ＺｎＯの少なくとも一つを主成分とすることが好ましい。
本適用例では、圧電体が、上記材料の少なくとも一つを主成分とする。これら圧電体材料を用いて、分極方向を適宜調整することにより、圧電性能の向上を図ることができ、ひいては、高周波化を実現させることができる。
【００１５】
本発明の一適用例に係る圧電モジュールは、支持膜と、前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、前記基板に上に設けられた下部金属電極と、前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備える圧電素子と、前記下部金属電極及び前記上部金属電極と電気的に接続される配線基板と、を備え、前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じであることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例の圧電素子と同様に、圧電素子の駆動周波数の高周波化が可能であり、圧電素子を超音波トランスデューサーとして用いた際に、超音波の高周波化が可能である。したがって、本適用例の圧電モジュールを用いて超音波測定を実施することにより、分解能を向上させることができ、高精度の超音波測定を実施できる。
【００１６】
本発明の一適用例に係る電子機器は、支持膜と、前記支持膜上に設けられた絶縁性を有する単結晶の基板と、前記基板上に設けられた下部金属電極と、前記下部金属電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた上部金属電極と、を備える圧電素子と、前記圧電素子を制御する制御部と、を備え、前記基板の結晶面方位が、前記圧電体の結晶面方位と同じであることを特徴とする。
本適用例では、上記適用例の圧電素子と同様に、圧電素子の駆動周波数の高周波化が可能であり、圧電素子を超音波トランスデューサーとして用いた際に、超音波の高周波化が可能である。したがって、本適用例の電子機器を用いて超音波測定を実施することにより、分解能を向上させることができ、高精度の超音波測定を実施できる。
【００１７】
本発明の一適用例に係る圧電素子の製造方法は、支持膜上に絶縁性を有する単結晶の基板を設ける単結晶基板配設工程と、前記基板上に下部金属電極をエピタキシャル成長させて形成する下部電極形成工程と、前記下部金属電極上に、前記基板と結晶面方位が同じである圧電体をエピタキシャル成長させて形成する圧電体形成工程と、前記圧電体上に上部金属電極を形成する上部電極形成工程と、を備えることを特徴とする。
本適用例では、支持膜上に設けられた単結晶基板上に、下部電極及び圧電体を順にエピタキシャル成長させる。このような構成では、単結晶基板に応じた結晶面方位を有し、高い配向性を有する圧電体を形成することができる。例えば、単結晶基板と圧電体との結晶面方位を一致させることができる。これにより、圧電体の圧電性能を向上させることができる。
したがって、支持膜及び基板を振動板として本適用例の圧電素子では、振動板の厚み寸法を大きくしつつ、圧電体の圧電性能を向上させることができ、駆動周波数の高周波化を図ることができる。また、本適用例の圧電素子を超音波トランスデューサーとして用いることにより、送受信される超音波の高周波化を図ることができる。また、基板の厚み寸法を大きくすることにより高周波化を図ることができるため、振動板の振動領域の寸法を小さくするよりも、高周波化が容易である。
【００１８】
本適用例の圧電素子の製造方法において、前記支持膜上に設けられた前記基板の厚みを調整する厚み調整工程を備えることが好ましい。
本適用例では、厚み調整工程によって、支持膜上に設けられた単結晶基板の厚みを調整する。これにより、基板の厚み寸法を調整できるため、振動板の共鳴周波数を調整することができ、送受信する超音波の周波数を所望値に設定することが容易である。
【００１９】
本適用例の圧電素子の製造方法において、前記単結晶基板配設工程では、前記支持膜上に複数の前記基板を設けることが好ましい。
本適用例では、支持膜上に複数の単結晶基板を設ける。そして、各単結晶基板上に、下部電極、圧電体、及び上部電極を順に積層させた駆動部を形成する。これにより、複数の駆動部を支持膜上に形成する際に、少なくとも一つの駆動部を形成するのに十分な平面寸法を有する単結晶基板を用いることができる。したがって、より大きな単結晶基板を用いることによる製造コストの増大を抑制できる。
【００２０】
本適用例の圧電素子の製造方法において、前記複数の基板及び前記支持膜上に絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記支持膜上に設けられた前記基板の厚みを調整する厚み調整工程と、を備え、前記厚み調整工程では、前記支持膜とは反対側から前記基板及び前記絶縁膜を研磨して平坦面を形成することが好ましい。
本適用例では、絶縁膜形成工程によって、支持膜上に設けられた複数の単結晶基板の間に絶縁膜を形成し、厚み調整工程によって、単結晶基板及び絶縁膜を同時に研磨することにより表面を平坦面とする。この平坦面に対して、下部電極や圧電体を形成することができるため、支持膜上に複数の駆動部が形成された圧電素子をより容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【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】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１７】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】
【００２２】
［第一実施形態］
以下、本発明に係る第一実施形態として、本発明の圧電素子としての超音波トランスデューサーを備える超音波デバイスについて、図面に基づいて説明する。
［超音波デバイスの構成］
図１は、複数の超音波トランスデューサーを備える超音波デバイスを模式的に示す平面図である。なお、図１では、超音波トランスデューサーの構成を簡略化して図示している。また、図２は、図１に示す超音波デバイスが備える超音波トランスデューサー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、図２（Ａ）のＡ‐Ａ線における断面図であり、図２（Ｃ）は、図２（Ａ）のＢ‐Ｂ線における断面図である。
超音波デバイス１は、図１に示すように、デバイス基板１０上に複数の超音波トランスデューサー２０が形成され構成される。これら超音波トランスデューサー２０は、超音波を送受信可能に構成され、デバイス基板１０上にアレイ状に配置されている。超音波デバイス１では、一方向（以下、スライス方向、又はＸ方向とも称する）に沿って配置された複数の超音波トランスデューサー２０によって構成された送受信チャンネルＣＨが、上記一方向と直交する方向（スキャン方向、又はＹ方向とも称する）に沿って複数配置された１次元アレイ構造を有する。このように構成された超音波デバイス１では、超音波トランスデューサー２０を駆動することにより、超音波を送信し、測定対象で反射された反射波を受信する。なお、以下の説明では、Ｘ方向及びＹ方向に直交するＺ方向とし、デバイス基板１０の＋Ｚ側に超音波トランスデューサー２０が形成されるものとして説明する。
【００２３】
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。なお、デバイス基板１０は、単結晶シリコン以外にも、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、超音波トランスデューサー２０に対応する位置に、厚み方向に沿った開口部１１が設けられる。この開口部１１は、振動板２１の振動領域２１Ａを規定するものである。すなわち、開口部１１は、デバイス基板１０の厚み方向に見た平面視において、振動板２１の振動領域２１Ａの形状や寸法を規定している。
【００２４】
超音波トランスデューサー２０は、上述のようにデバイス基板１０上に設けられ、振動板２１と、下部電極２２と、圧電体２３と、上部電極２４と、保護膜２５と、を備えている。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）において、下部電極２２と、圧電体２３と、上部電極２４とが重なる領域は、超音波トランスデューサー２０の駆動部２０Ａを構成する。この駆動部２０Ａは、上記平面視において、デバイス基板１０の開口部１１に包含する位置に設けられる。
この超音波トランスデューサー２０は、超音波の送信時には、下部電極２２及び上部電極２４にパルス電圧を印加し、駆動部２０Ａを振動させることにより振動板２１を振動させて超音波を発信する。また、超音波トランスデューサー２０は、超音波の受信時には、受信する超音波による振動板２１の振動に応じた駆動部２０Ａの振動を電圧信号として出力する。
【００２５】
振動板２１は、支持膜２１１と、支持膜２１１上に配置された単結晶基板２１２と、単結晶基板２１２間に設けられたＴＥＯＳ（Tetraethyl orthosilicate）膜２１３（図４（Ｅ）参照）と、を含み構成される。これらのうち、超音波トランスデューサー２０の振動領域２１Ａは、支持膜２１１及び単結晶基板２１２によって構成される。なお、ＴＥＯＳ膜２１３については後述する。
【００２６】
支持膜２１１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。支持膜２１１は、単結晶シリコンであるデバイス基板１０に熱酸化処理を施すことにより形成されたＳｉＯ２を主成分とする。この支持膜２１１は、後述するようにエッチングによりデバイス基板１０に開口部１１を形成する際のエッチングストッパー膜として機能する。
【００２７】
単結晶基板２１２は、本発明の基板に相当し、絶縁性を有する金属酸化物の単結晶基板であり、支持膜２１１上に形成される。本実施形態では、この単結晶基板２１２として金属酸化物の単結晶であるＭｇＯを用いる。ＭｇＯの単結晶基板２１２は、結晶面方位が（１００）配向となるように支持膜２１１の上面（ＸＹ面に平行な面）に配置される。また、ＭｇＯの格子定数は、約４．２Åである。
【００２８】
なお、単結晶基板２１２は、ＺｒＯ２等の金属酸化物の単結晶基板を用いてもよい。また、単結晶基板２１２は、ＭｇＯ以外にも、ＬａＡｌＯ３、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＮｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３等のペロブスカイト型金属酸化物の単結晶基板を用いてもよく、この場合、圧電体２３としてペロブスカイト型金属酸化物を用いた際の酸素抜けによる劣化を好適に抑制できる。また、上述の材料で形成された単結晶基板２１２を用いることにより、ＰＺＴ等の圧電体材料に含まれる鉛抜けを抑制できるとともに、当該鉛とデバイス基板１０とが反応することによるデバイス基板１０の劣化を抑制できる。また、上記金属酸化物は、耐熱性に優れており例えば７００℃以上の加熱処理を実施することができる。このため、例えば、超音波デバイス１の製造過程において加熱処理を実施する場合でも単結晶基板２１２の劣化を抑制することができる。
【００２９】
下部電極２２は、本発明の下部金属電極に相当し、振動板２１上に設けられる。この下部電極２２は、送受信チャンネルＣＨ毎に設けられ個別電極である。下部電極２２は、平面視において、圧電体２３と重なる下部電極本体部２２１と、下部電極本体部２２１に接続する下部電極接続部２２２と、を備える。
【００３０】
下部電極本体部２２１は、振動板２１の単結晶基板２１２と圧電体２３との間に位置し、後述するように、単結晶基板２１２上にエピタキシャル成長させることにより形成される。下部電極本体部２２１は、結晶面方位が（１００）配向であり、単結晶基板２１２と結晶面方位が一致している。下部電極本体部２２１は、Ｐｔ、Ｉｒ、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３等の少なくとも一つを主成分とする。本実施形態では、下部電極本体部２２１は、Ｐｔを用いて、２００ｎｍ程度の厚み寸法となるように形成されている。Ｐｔの格子定数は、約３．９Åであり、単結晶基板２１２を形成するＭｇＯの格子状数と略同じである。
なお、下部電極本体部２２１を、ＳｒＲｕＯ３、Ｎｂ：ＳｒＴｉＯ３、ＬａＮｉＯ３等の金属酸化物を用いることにより、圧電体２３として例えばペロブスカイト型の遷移金属酸化物を用いる場合の、酸素抜けを抑制でき、圧電体２３の圧電性能の低下を抑制できる。
【００３１】
下部電極接続部２２２は、下部電極本体部２２１から±Ｘ方向に延出する配線電極である。すなわち、下部電極接続部２２２は、同一チャンネルを構成する超音波トランスデューサー２０の下部電極本体部２２１を接続する。また、下部電極接続部２２２は、各送受信チャンネルＣＨのＹ方向に沿った両側の端部において、超音波デバイス１の駆動回路（図示省略）等に接続するための、下部電極２２用の電極端子が形成される。
この下部電極接続部２２２は、振動板２１上に設けられる下層２２２Ａと、下層２２２Ａを覆うように設けられる中間層２２２Ｂと、中間層２２２Ｂ上に設けられる上層２２２Ｃと、を備える。下層２２２Ａは、下部電極本体部２２１と同時に形成される。本実施形態では、下層２２２Ａは、下部電極本体部２２１と同様に、Ｐｔを用いて、２００ｎｍ程度の厚み寸法となるように形成されている。中間層２２２Ｂは、Ｉｒを用いて、４０ｎｍ程度の厚み寸法となるように形成されている。上層２２２Ｃは、中間層２２２Ｂ上に設けられ、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ等の比較的に電気伝導率が高い配線材料を用いて形成され、本実施形態ではＡｕを用いて、１μｍ程度の膜厚寸法で形成される。これにより、下部電極２２の電気伝導率を向上させることができる。
【００３２】
圧電体２３は、第一圧電体膜２３１と、第二圧電体膜２３２と、を備え、下部電極本体部２２１上に形成される。
第一圧電体膜２３１及び第二圧電体膜２３２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Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３形成される。本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（例えば、ＰＺＴ；Ｚｒ／Ｔｉ＝５５／４５組成）で形成される。この組成においてＰＺＴは菱面体晶であり、その分極軸は［１１１］方向である。また、第一圧電体膜２３１及び第二圧電体膜２３２は、下層に対して（例えば、第一圧電体膜２３１は単結晶基板２１２上に）エピタキシャル成長させることにより形成され、結晶面方位が（１００）配向であり、格子定数が約３．８Åである。すなわち、圧電体２３の結晶面方位が、単結晶基板２１２及び下部電極２２と一致する。また、圧電体２３の格子定数は、単結晶基板２１２及び下部電極２２と略同じである。
【００３３】
上部電極２４は、本発明の上部金属電極に相当し、複数の超音波トランスデューサー２０に対する共通の電極である。この上部電極２４は、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー２０に跨って設けられた素子電極部２４１と、互いに平行する素子電極部２４１の端部同士を連結する共通電極部２４２とを有する。共通電極部２４２は、配線電極であり、Ｘ方向の両端部には超音波デバイス１の駆動回路（図示省略）等に接続するための上部電極２４用の電極端子が形成される。
これらのうち、素子電極部２４１は、各超音波トランスデューサー２０に対応する位置では、第一導電体層２４Ａと、第二導電体層２４Ｂと、を含み構成される。また、素子電極部２４１は、各超音波トランスデューサー２０間の位置では、第二導電体層２４Ｂと、第三導電体層２４Ｃと、を含み構成される。また、共通電極部２４２も同様に、第二導電体層２４Ｂと、第三導電体層２４Ｃと、を含み構成される。
【００３４】
第一導電体層２４Ａは、圧電体２３上に設けられ、圧電体２３と第二導電体層２４Ｂとの間の密着性を向上させる。この第一導電体層２４Ａは、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。本実施形態では、Ｉｒを用いて１０ｎｍ程度の膜厚寸法で形成される。
【００３５】
第二導電体層２４Ｂは、上述のように素子電極部２４１を構成し、Ｙ方向に沿って並ぶ複数の超音波トランスデューサー２０に跨って設けられる。また、上述のように共通電極部２４２を構成し、超音波トランスデューサー２０が設けられた領域の±Ｙ側にて、Ｘ方向に沿って形成される。この第二導電体層２４Ｂは、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。本実施形態では、Ｉｒを用いて４０ｎｍ程度の膜厚寸法で形成される。
【００３６】
第三導電体層２４Ｃは、平面視において、開口部１１と重なる領域を除いた第二導電体層２４Ｂの一部を覆うように設けられる。この第三導電体層２４Ｃは、Ａｕ，Ｃｕ，Ａｌ，Ａｇ等の比較的に電気伝導率が高い配線材料を用いて形成され、本実施形態では、１μｍ程度の膜厚のＡｕ層を少なくとも含み構成される。これにより、上部電極２４の電気伝導率を向上させることができる。
【００３７】
保護膜２５は、下部電極接続部２２２の下層２２２Ａ及び中間層２２２Ｂと、圧電体２３と、上部電極２４の第一導電体層２４Ａ及び第二導電体層２４Ｂと、の外周部の少なくとも一部を覆う位置に設けられる。また、保護膜２５は、振動板２１上にも設けられる。保護膜２５を形成することにより、水分の侵入による振動板２１や圧電体２３の劣化を防ぐことができる。
【００３８】
［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は、本実施形態の超音波デバイス１の製造方法を示すフローチャートである。また、図４〜図１５は、超音波デバイス１の製造過程を模式的に示す図である。なお、図６〜図１１において、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＡ−Ａ線に沿った断面図である。また、図１２〜図１５において、（Ｂ）は、（Ａ）に示すＣ−Ｃ線に沿った断面図である。また、図６〜図１５において、（Ｃ）は、（Ａ）に示すＢ−Ｂ線に沿った断面図である。
本実施形態では、デバイス基板１０上に単結晶基板２１２を配設した後、下部電極２２の一部と圧電体２３とを順にエピタキシャル成長させて形成し、圧電体２３上に上部電極２４を形成し、当該デバイス基板１０の圧電体２３に対応する位置に開口部１１を形成する。これにより、デバイス基板１０上に設けられた複数の超音波トランスデューサー２０を有する超音波デバイス１を製造する。
【００３９】
超音波デバイス１の製造では、先ず、Ｓｉにより構成されたデバイス基板１０の＋Ｚ側の面に振動板２１を構成する支持膜２１１を形成する（図３のステップＳ１：支持膜形成工程）。ステップＳ１では、デバイス基板１０の＋Ｚ側の面に熱酸化処理を実施する。これにより、デバイス基板１０の表面のＳｉが酸化されてＳｉＯ２を主成分とする支持膜２１１が形成される。本実施形態では、支持膜２１１は、例えば、４００ｎｍ程度の厚み寸法となるように形成される。
【００４０】
次に、図４（Ｂ）及び図５に示すように、支持膜２１１上に単結晶基板２１２を設ける（図３のステップＳ２：単結晶基板配設工程）。このステップＳ２では、予め表面を鏡面化したＭｇＯの単結晶基板２１２にＳＰＭ（Sulfuric. Acid Hydrogen Peroxide Mixture）処理を実施して硫酸化水で洗浄し、ＡＰＭ（Ammonium Hydrogen Peroxide Mixture）処理を実施してアンモニア化水で洗浄し、表面の清浄化と親水化処理とを行う。その後、図５に示すように、支持膜２１１上における複数の超音波トランスデューサー２０のそれぞれに対応する位置に単結晶基板２１２（本実施形態ではＸ方向及びＹ方向の寸法が２ｃｍを用いる）を配置して仮接合を行い、熱処理（１０００℃程度）により本接合を行う。なお、図５では、一例として、支持膜２１１上に３６個の単結晶基板２１２を配置する場合について例示しているが、単結晶基板２１２の数は限定されない。
【００４１】
次に、図４（Ｃ）に示すように、機械的研磨により単結晶基板２１２を、例えば、厚み寸法が３０００〜１００００ｎｍとなるように研磨（荒研磨）する。
次に、図４（Ｄ）に示すように、支持膜２１１及び単結晶基板２１２上にＴＥＯＳ膜２１３を形成する（図３のステップＳ３：ＴＥＯＳ膜形成工程（絶縁膜形成工程））。本実施形態では、ＣＶＤにより、単結晶基板２１２上と、単結晶基板２１２が設けられておらず露出している支持膜２１１上に、ＴＥＯＳ膜２１３を形成する。ＴＥＯＳ膜２１３は、支持膜２１１上における膜厚が、振動板２１の膜厚の設計値以上となるように形成される。これにより、後続する振動板２１の研磨工程において、単結晶基板２１２及びＴＥＯＳ膜２１３の上面を同一の高さとすることができる。ＴＥＯＳ膜２１３は、絶縁性を有し、本発明の絶縁膜に相当する。このＴＥＯＳ膜２１３は、支持膜２１１の保護膜であり、かつ、ＴＥＯＳ膜２１３の上面は、下部電極２２や圧電体２３の形成面である。
【００４２】
次に、図４（Ｅ）に示すように、化学的機械的研磨により、単結晶基板２１２及びＴＥＯＳ膜２１３を研磨し、振動板２１の膜厚を調整する（図３のステップＳ４：振動板厚み調整工程）。このステップＳ４では、超音波トランスデューサー２０の駆動周波数（すなわち、送信周波数及び受信周波数）に応じて、支持膜２１１及び単結晶基板２１２によって形成される振動板２１の振動領域２１Ａにおける膜厚を、例えば５０〜３０００ｎｍ程度に調整する。振動領域２１Ａの膜厚寸法を大きくすることにより、振動板２１の剛性を大きくすることができ、駆動周波数の高周波化を図ることができる。なお、本ステップＳ４において、単結晶基板２１２とＴＥＯＳ膜２１３とを研磨することにより、振動板２１の上面２１Ｂを平坦面とする。単結晶基板２１２の上面は、（１００）配向の面が露出する。
【００４３】
次に、図６及び図７に示すように、振動板２１上に下部電極２２を形成する（図３のステップＳ５：下部電極形成工程）。
ステップＳ５では、図６に示すように、先ず、スパッター法にて、下部電極２２としてのＰｔ層（例えば２００ｎｍ）Ｍ１を形成する。Ｐｔ層Ｍ１の成膜条件は、高温かつ低パワーであることが好ましく、例えば、成膜条件として、４００℃以上の温度下で、印加電力を１００Ｗ程度とすることが例示できる。これにより、単結晶基板２１２上においてＰｔ層Ｍ１をエピタキシャル成長させることができる。本実施形態では、平面視において単結晶基板２１２と重なる位置において、Ｐｔ層Ｍ１の結晶面方位が（１００）配向であり、単結晶基板２１２と一致している。
【００４４】
次に、形成された直後のＰｔ層Ｍ１上に第一圧電体膜２３１としてのＰＺＴ層（例えば１２０ｎｍ）をゾルゲル法にて形成する。すなわち、第一圧電体膜２３１は、スピンコートによってＰＺＴ溶液をＰｔ層Ｍ１上に塗布し、乾燥工程、脱脂工程、及び焼成工程を実施することにより形成される。これによって、平面視において、単結晶基板２１２と重なる位置においてＰＺＴ層をエピタキシャル成長させることができる。本実施形態では、平面視において単結晶基板２１２と重なる位置において、第一圧電体膜２３１の結晶面方位が（１００）配向であり、単結晶基板２１２と一致している。
【００４５】
次に、図７に示すように、Ｐｔ層Ｍ１及び第一圧電体膜２３１をパターニングし、所望の形状に成形する。Ｐｔ層Ｍ１及び第一圧電体膜２３１のパターニングは、例えば、フォトリソグラフィー法によりマスクを形成し、ドライエッチングによってＰｔ層Ｍ１及び第一圧電体膜２３１のマスク領域以外を除去することにより実施される。このようにして、下部電極２２の下部電極本体部２２１と、下部電極接続部２２２の下層２２２Ａ（図２参照）が形成される。
【００４６】
次に、図８〜図１０に示すように、第一圧電体膜２３１を覆うように第二圧電体膜２３２を形成し、圧電体２３を形成する（図３のステップＳ６：圧電体形成工程）。
ステップＳ６では、図８に示すように、先ず、第一圧電体膜２３１と同様に、第二圧電体膜２３２としてのＰＺＴ層（例えば１２００ｎｍ）をゾルゲル法にて形成し、下部電極本体部２２１上においてＰＺＴ層をエピタキシャル成長させる。すなわち、本実施形態では、第二圧電体膜２３２の結晶面方位が（１００）配向であり、下層に位置する単結晶基板２１２、下部電極本体部２２１、及び第一圧電体膜２３１と一致している。
【００４７】
次に、図９に示すように、スパッター法により、上部電極２４を構成する第一導電体層２４ＡとしてのＩｒ層（例えば１０ｎｍ）Ｍ２を形成する。
そして、図１０に示すように、Ｉｒ層Ｍ２及び第二圧電体膜２３２をパターニングして、第一導電体層２４Ａ及び圧電体２３を形成する。Ｉｒ層Ｍ２及び第二圧電体膜２３２のパターニングは、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより実施される。なお、本実施形態では、平面視において下部電極本体部２２１よりも大きいフォトマスクを形成することにより、下部電極本体部２２１を覆うように第二圧電体膜２３２を形成する。また、平面視において、単結晶基板２１２及び下部電極接続部２２２上に形成されていたＩｒ層Ｍ２及び第二圧電体膜２３２を除去する。このため、下部電極接続部２２２の下層２２２Ａが露出する。
【００４８】
次に、図１１及び図１２に示すように、上部電極２４の第二導電体層２４Ｂを形成する（図３のステップＳ７：上部電極形成工程）。
ステップＳ６では、図１１に示すように、先ず、スパッター法により、下部電極２２を構成する下部電極接続部２２２の中間層２２２Ｂ、及び、上部電極２４の第二導電体層２４ＢとしてのＩｒ層（例えば４０ｎｍ）Ｍ３を形成する。
次に、図１２に示すように、Ｉｒ層をパターニングして、中間層２２２Ｂ及び第二導電体層２４Ｂを形成する。Ｉｒ層のパターニングは、フォトリソグラフィーとドライエッチングにより実施される。なお、図１２（Ｂ）に示すように、上部電極２４の第一導電体層２４Ａ及び第二導電体層２４Ｂの一部を除去し、下部電極接続部２２２の中間層２２２Ｂと、上部電極２４の第二導電体層２４Ｂとを分離する、すなわち、下部電極２２と上部電極２４とを分離する。
【００４９】
次に、図１３に示すように、保護膜２５を形成する（図３のステップＳ８：保護膜形成工程）。ステップＳ８では、ＡＬＣＶＤ（Atomic Layer Chemical Vapor Deposition）法（原子層化学気層成長法）によりＡｌ２Ｏ３膜（例えば９０ｎｍ）を形成し、形成したＡｌ２Ｏ３膜をフォトリソグラフィーとドライエッチングによりパターニングして保護膜２５を形成する。図１３（Ｂ）に示すように、下部電極２２と上部電極２４との分離部に保護膜２５を形成することにより、下部電極２２と上部電極２４との間での絶縁性を向上させることができる。また、当該分離部にて露出した圧電体２３を覆う位置や、振動板２１を覆う位置に保護膜２５を形成することにより、水分等の侵入による振動板２１や圧電体２３の劣化を抑制できる。
【００５０】
次に、図１４に示すように、配線電極である下部電極接続部２２２の上層２２２Ｃと、
及び上部電極２４の第三導電体層２４Ｃを形成する（図３のステップＳ９：配線形成工程
）。ステップＳ９では、上層２２２Ｃ及び第三導電体層２４Ｃとしての金属層を形成する。具体的には、例えば、スパッター法により、ＮｉＣｒ層（５０ｎｍ）及びＡｕ層（３００ｎｍ）を順次形成した後にパターニングを行い、上層２２２Ｃと第三導電体層２４Ｃとの形成位置以外の金属層を除去する。その後、電界めっき法により、Ａｕ層（１μｎｍ）を形成することにより、上層２２２Ｃ及び第三導電体層２４Ｃを形成する。
【００５１】
次に、図２及び図１５に示すように、デバイス基板１０を所望の形状に成形する（図３のステップＳ１０：デバイス基板成形工程）。
ステップＳ１０では、先ず、図１５に示すように、デバイス基板１０を裏面（振動板２１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、図２に示すように、デバイス基板１０の各超音波トランスデューサー２０に対応する位置に開口部１１を形成する。具体的には、例えば、フォトリソグラフィー法によってフォトマスクを形成し、誘導結合型反応性イオンエッチング（Inductive Coupled Plasma;RIE）により、デバイス基板１０を加工して開口部１１を形成し、支持膜２１１を露出させる。
このようにして、複数の超音波トランスデューサー２０を含む超音波デバイス１が製造される。
【００５２】
［第一実施形態の作用効果］
本実施形態では、超音波トランスデューサー２０は、支持膜２１１上に設けられた絶縁性を有する単結晶基板２１２と、単結晶基板２１２上に順に積層された下部電極２２、圧電体２３、及び上部電極２４と、を含み構成される。下部電極２２は、スパッター法により形成され、単結晶基板２１２上においてエピタキシャル成長している。また、圧電体２３は、下部電極２２における単結晶基板２１２に対してエピタキシャル成長した領域に、エピタキシャル成長する成膜条件によって形成されている。このようにして形成された下部電極２２（下部電極本体部２２１）及び圧電体２３は、単結晶基板２１２と結晶面方位が同じであり、本実施形態では（１００）配向である。
【００５３】
このようにして形成される超音波トランスデューサー２０では、下部電極２２及び圧電体２３の結晶面方位を、下地となる単結晶基板２１２の結晶面方位と同じとすることが容易であり、かつ、高い配向性を有する圧電体を形成することができる。すなわち、スパッター法により成膜された層を下地とする場合、単結晶基板２１２を下地とするよりも、面方向における表面の均一性が低下しやすく、成膜される圧電体の面方向（Ｘ方向及びＹ方向）の均一性も低下して圧電性能が低下しやすい。これに対して、単結晶基板２１２を下地とすることにより、圧電体２３の厚み方向（Ｚ方向）のみならず、面方向においてもより均一な圧電体２３を形成することができ、圧電性能を向上させることができる。また、圧電体２３を構成する材料に応じて、単結晶基板２１２の種類や結晶面方位を適宜設定することにより、所望の圧電性能を有する圧電体２３を形成することができる。
また、単結晶基板２１２は、圧電体２３と略同じ格子定数を有する金属酸化物の単結晶であるため、面方向における圧電体の均一性を向上させることができる。したがって、圧電体の圧電性能をより確実に向上させることができる。
【００５４】
ここで、開口部１１の開口寸法を小さくして振動領域２１Ａの面積を小さくしたり、振動板２１の剛性を増大させたりすることにより、超音波トランスデューサー２０によって送受信される超音波の高周波化を図ることができる。しかし、開口寸法を小さくするには限界があるため、振動板の厚みを増大させる等により、振動板の剛性を増大させることによる高周波化を図ることが望ましい。しかしながら、スパッター法によりシリコン基板上に振動板を形成し、当該振動板上に圧電体を含む駆動部を形成する場合、振動板の厚みを増大させるのにも限界がある。その上、上述のように、スパッター膜の表面は、均一性が低下しやすく、厚みを増大させつつ表面の均一性を向上させることが一層困難であった。
これに対して、本実施形態では、単結晶シリコン基板であるデバイス基板１０に対しても単結晶基板２１２を設け、上述のように単結晶基板２１２を下地として、下部電極２２や圧電体２３をエピタキシャル成長させる。これにより、高い圧電性能の圧電体２３を形成することができ、ひいては、超音波トランスデューサー２０の高周波化も可能である。また、単結晶基板２１２の厚みを適宜調整して、振動板２１の剛性を調整することにより、振動板の共鳴周波数を調整することができ、これにより、送受信する超音波の周波数を所望値とすることも容易である。
【００５５】
また、本実施形態では、単結晶基板２１２として、ＭｇＯの単結晶基板を用いる。ＭｇＯは、耐熱性に優れており例えば７００℃以上の加熱処理を実施することができる。したがって、超音波デバイス１の製造過程において、加熱処理を実施したとしても、単結晶基板２１２の劣化を抑制でき、ひいては、振動板２１の劣化による超音波トランスデューサー２０の送受信周波数の変化等の不具合を抑制できる。したがって、所望の特性の圧電素子をより確実に得ることができる。
【００５６】
本実施形態では、単結晶基板２１２は、結晶面方位が（１００）である。また、圧電体２３は、ＰＺＴにより形成され、結晶面方位が（１００）の菱面体晶である。このような構成により、圧電体２３の分極軸［１１１］に対してその結晶面方位を（１００）へとドメインエンジニアリングすることができ、圧電体２３の圧電性能を向上させることができる。
また、ＰＺＴを用いることにより、高い圧電性能を得ることができるため、より確実に超音波トランスデューサー２０の高周波化を図ることができる。
【００５７】
本実施形態では、圧電体２３が形成される下部電極２２の下部電極本体部２２１は、Ｐｔを主成分とする。Ｐｔは、酸素に対する反応性が低いため、各種金属酸化物であるＰＺＴからの酸素抜けを好適に抑制することができる。したがって、酸素抜けによる圧電性能の低下を抑制できる。
【００５８】
また、Ｐｔは、単結晶基板２１２を構成するＭｇＯや、圧電体２３を構成するＰＺＴと、格子状数が略同じである。また、下部電極本体部２２１は、単結晶基板２１２上にエピタキシャル成長させることにより形成され、結晶面方位が（１００）配向であり、単結晶基板２１２及び圧電体２３と一致している。このような構成では、下部電極本体部２２１上に形成される圧電体２３の結晶面方位を、より確実に単結晶基板２１２と一致させることができる。また、下部電極本体部２２１の面方向の均一性を向上させることができ、ひいては、圧電体の均一性をより確実に向上させることができる。
【００５９】
本実施形態では、支持膜２１１上に複数の単結晶基板２１２を設け、各単結晶基板上２１２上に駆動部２０Ａを形成する。これにより、複数の駆動部２０Ａを支持膜２１１上に形成する際に、一つの駆動部２０Ａを形成するのに十分な平面寸法を有する単結晶基板２１２を用いることができる。したがって、複数の駆動部２０Ａを同時に形成可能な寸法の単結晶基板を用いる場合と比べて製造コストを抑制できる。
【００６０】
本実施形態では、絶縁性を有する保護膜であるＴＥＯＳ膜２１３を形成するＴＥＯＳ膜形成工程によって、支持膜２１１上に設けられた複数の単結晶基板２１２の間と、当該単結晶基板２１２上にＴＥＯＳ膜を形成し、厚み調整工程によって、単結晶基板２１２及びＴＥＯＳ膜２１３を同時に研磨することにより、振動板２１の上面２１Ｂを平坦面とする。この平坦面に対して、下部電極２２や圧電体２３を形成することができるため、支持膜２１１上に複数の駆動部２０Ａが形成された超音波トランスデューサー２０をより容易に製造することができる。
【００６１】
［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。
【００６２】
［超音波測定機の構成］
図１６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１７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１６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。
【００６３】
［超音波プローブの構成］
超音波プローブ１１０は、図１７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１６参照）と、これらを収納する筐体１１３（図１６参照）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１１４が構成される。なお、超音波センサー１１４は、本発明の圧電モジュールに相当する。
【００６４】
［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、超音波トランスデューサー２０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。
【００６５】
［筐体の構成］
筐体１１３は、図１６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。
【００６６】
［回路基板の構成］
回路基板１１１は、本発明の配線基板に相当し、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１７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。
【００６７】
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。
【００６８】
［制御装置の構成］
制御装置１２０は、図１７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１２２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、本発明の制御部に相当し、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。
【００６９】
［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、超音波デバイス１において送受信される超音波の高周波化が可能であり、これにより分解能を向上させることができる。したがって、高精度の超音波測定を実施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。
【００７０】
［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、圧電体２３としてＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３を用い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、ＰｂＴｉＯ３、ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９、（Ｂｉ，Ｌａ）４Ｔｉ３Ｏ１２、ＢｉＦｅＯ３、ＢａＴｉＯ３、（Ｎａ，Ｋ）ＮｂＯ３、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ３、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ３、ＺｎＯ等の各種圧電材料を用いて圧電体２３を形成してもよい。ペロブスカイト型金属酸化物を用いることにより、良好な圧電特性を有する圧電体２３を形成することができる。
【００７１】
上記各実施形態では、圧電体２３が、第一圧電体膜２３１と第二圧電体膜２３２との二層の圧電体膜により構成されていたが、本発明はこれに限定されない。例えば、圧電体２３が一層の圧電体膜で構成されてもよいし、三層以上の圧電体膜で構成されてもよい。また、複数層の圧電体膜で構成される場合、各圧電体膜が異なる材料で形成されていてもよい。
【００７２】
上記各実施形態では、駆動部２０Ａにおいて、単結晶基板２１２、下部電極２２及び圧電体２３の格子定数が略同じである構成を例示したが、本発明は、これに限定されず、格子定数の値が異なる値でもよい。この場合でも、厚み方向において高い配向性を有する圧電体２３を形成することができる。したがって、圧電体２３の圧電特性を向上させつつ、振動板２１の剛性を増大させることができ、超音波トランスデューサー２０における高周波化を図ることができる。なお、単結晶基板２１２、下部電極２２及び圧電体２３の格子定数が略同じとすることにより、面内方向においてもより均一な圧電体２３を形成することができるため、上記各部材２２，２３，２１２の格子定数が略同じであることが好ましい。
【００７３】
上記各実施形態では、単結晶基板２１２及び圧電体２３の結晶面方位を（１００）配向とする構成を例示したが、本発明はこれに限定されず、例えば、単結晶基板２１２及び圧電体２３の結晶面方位を（１１１）配向としてもよい。この場合、圧電体２３として例えば、ＰＺＴ（Ｚｒ／Ｔｉ＝３０／７０組成）で形成される。この組成においてＰＺＴは正方晶であり、その分極軸は［００１］方向である。分極軸［００１］に対してその結晶面方位を（１１１）へとドメインエンジニアリングすることにより、高い圧電性能を有する圧電体２３を形成することができる。
【００７４】
上記各実施形態では、駆動部２０Ａにおいて、下部電極２２の結晶面方位が単結晶基板２１２の結晶面方位と同じであ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、下部電極２２の結晶面方位が、単結晶基板２１２とは異なるものの、単結晶基板２１２に応じた結晶面方位となる構成を採用し、下部電極２２上に圧電体２３をエピタキシャル成長させることにより、所望の結晶面方位を有する圧電体２３を形成することができる。この場合、圧電体２３が、単結晶基板２１２と異なる結晶面方位を有してもよい。
【００７５】
上記各実施形態では、一つの単結晶基板２１２上に一つの駆動部２０Ａを形成する製造方法を例示したが、本発明は、これに限定されない。例えば、一つの単結晶基板２１２に複数の駆動部２０Ａを形成する構成を採用してもよい。なお、各駆動部２０Ａをそれぞれ分離された単結晶基板２１２上に設けることにより、駆動部２０Ａ間で振動が伝わることを抑制できる。
【００７６】
上記各実施形態では、超音波トランスデューサー２０が、超音波の送受信を行う構成を例示するが、超音波を送信する送信用の超音波トランスデューサー（送信用トランスデューサー）と、超音波を受信する受信用の超音波トランスデューサー（受信用トランスデューサー）と、を別々に設けてもよい。この場合、例えば、送信用トランスデューサーをアレイ状に配置した送信領域と、受信用トランスデューサーをアレイ状に配置した受信領域と、を異なる領域に設けてもよいし、送信領域内に受信用トランスデューサーを配置してもよい。
【００７７】
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。
【００７８】
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。なお、インクジェットヘッドの圧電素子に本発明を適用する場合、（１００）配向のＳｉ基板を熱酸化処理してＳｉＯ２膜である支持膜を形成し、支持膜上に、単結晶基板として（１００）配向のＬａＡｌＯ３を設けて、単結晶基板上に、上記実施形態と同様に駆動部を形成する構成が例示できる。
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。
【００７９】
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】
【００８０】
１…超音波デバイス、１０…デバイス基板、１１…開口部、２０…超音波トランスデューサー、２０Ａ…駆動部、２１…振動板、２１Ａ…振動領域、２１Ｂ…上面、２２…下部電極、２３…圧電体、２４…上部電極、２４Ａ…第一導電体層、２４Ｂ…第二導電体層、２４Ｃ…第三導電体層、２５…保護膜、２１１…支持膜、２１２…単結晶基板、２１３…ＴＥＯＳ膜、２２１…下部電極本体部、２２２…下部電極接続部、２２２Ａ…下層、２２２Ｂ…中間層、２２２Ｃ…上層、２３１…第一圧電体膜、２３２…第二圧電体膜、２４１…素子電極部、２４２…共通電極部、ＣＨ…送受信チャンネル、１００…超音波測定機、１１０…超音波プローブ、１１１…回路基板。
【図１】
2017117981.tif 000003
【図２】
2017117981.tif 000004
【図３】
2017117981.tif 000005
【図４】
2017117981.tif 000006
【図５】
2017117981.tif 000007
【図６】
2017117981.tif 000008
【図７】
2017117981.tif 000009
【図８】
2017117981.tif 000010
【図９】
2017117981.tif 000011
【図１０】
2017117981.tif 000012
【図１１】
2017117981.tif 000013
【図１２】
2017117981.tif 000014
【図１３】
2017117981.tif 000015
【図１４】
2017117981.tif 000016
【図１５】
2017117981.tif 000017
【図１６】
2017117981.tif 000018
【図１７】
2017117981.tif 000019