JP2016013146A - 超音波センサー及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【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及びその製造方法を提供する。【解決手段】基板１１側から第１電極１４、圧電体層１５及び第２電極１６を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備する超音波センサーであって、第２電極１６が第１方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、第１電極１４が第２方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、圧電体層１５は、第２方向に沿って超音波素子毎に設けられ、第１方向に延設される連結部２２を介して第１方向で超音波素子同士が連結され、連結部２２の間には、圧電体層１５が除去された圧電体層除去部２１が存在し、連結部２２及び圧電体層除去部２１の領域には第２電極１６が設けられている。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波センサー及びその製造方法に関する。

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）。

特開２０１０−１６４３３１号公報

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電極は、列方向に共通化させて引き出すが、第１電極については、圧電体層のエッチングの際に、さらには、第２電極の際に、オーバーエッチングに晒されるので、断線の虞があるという問題がある。

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。

上記課題を解決する本発明の態様は、基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備する超音波センサーであって、前記第２電極が前記第１方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、前記第１電極が前記第２方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、前記圧電体層は、前記第２方向に沿って前記超音波素子毎に設けられ、前記第１方向に延設される連結部を介して第１方向で前記超音波素子同士が連結され、前記連結部の間には、前記圧電体層が除去された圧電体層除去部が存在し、前記連結部及び前記圧電体層除去部の領域には前記第２電極が設けられてい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、圧電体層同士が連結部を介して列方向に連結されているので、圧電体層端部の応力集中箇所を減らすことができる。また、圧電体層除去部を形成するエッチングが第２電極の厚さ方向の少なくとも一部が形成される前に実施され、連結部の外側をエッチングする工程が第２電極と共にエッチングされているので、第１電極は連結部の外側をエッチングする際にオーバーエッチングされるだけであり、断線の虞もなく、信頼性を向上させることができる。

ここで、前記超音波素子の前記第２方向側の前記圧電体層の側面及び前記第２電極の厚さ方向の一部の側面は同一工程のエッチングにより形成されたものであることが好ましい。これによれば、圧電体層の能動部を最大限にすることができ、且つ第１電極のオーバーエッチングを一回で済ますことができ、送受信の効率を高め、信頼性を向上させることができる。

また、前記超音波素子の前記第１方向側の前記圧電体層除去部側の前記圧電体層の側面及び前記第２電極の厚さ方向の一部の側面は同一工程のエッチングにより形成されたものであることが好ましい。これによれば、圧電体層除去部を形成する際に第２電極の厚さ方向の一部とを同一エッチングにより形成するので、送受信の効率を高め、信頼性を向上させることができる。

また、前記連結部の前記圧電体層除去部側の側面と反対側の側面とは別工程のエッチングにより形成されたものであることが好ましい。これによれば、第１電極のオーバーエッチングを一回で済ますことができ、送受信の効率を高め、信頼性を向上させることができる。

また、前記圧電体層及び前記第２電極が、前記超音波素子を駆動する同一チャンネル内で接続されていることが好ましい。これによれば、同一チャンネル内での信頼性を向上させることができる。

また、前記圧電体層及び前記第２電極が、前記超音波素子を駆動する同一チャンネル外で接続されていることが好ましい。これによれば、同一チャンネル外での信頼性を向上させることができる。

本発明の他の態様は、基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備し、前記第２電極が前記第１方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、前記第１電極が前記第２方向に並設された超音波素子列に連続して設けられた超音波センサーを製造する超音波センサーの製造方法であって、前記第１電極をパターニングする工程と、前記圧電体層となる層をパターニングして前記第１方向に並設される前記超音波素子の間の領域に圧電体層除去部を形成する工程と、前記第２電極となる電極層を設けて前記圧電体層除去部の前記第２方向の寸法より若干大きい寸法で前記圧電体層となる層と前記第２電極となる電極層とをパターニングして前記第２方向で前記超音波素子毎に分離する工程と、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にある。
かかる態様によれば、圧電体層除去部を形成するエッチングが第２電極の厚さ方向の少なくとも一部が形成される前に実施され、連結部の外側をエッチングする工程が第２電極と共にエッチングされているので、第１電極は連結部の外側をエッチングする際にオーバーエッチングされるだけであり、断線の虞もなく、信頼性を向上させることができる。

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。 実施形態１に係る超音波センサーの断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る超音波センサーの製造例を示す平面図及び断面図。 超音波診断装置の一例を示す斜視図。 超音波プローブの一例を示す斜視図。

（実施形態１）
図１は、超音波センサーの概略構成を示す平面図、図２はそのＡ−Ａ′線〜Ｇ−Ｇ′線断面図である。

図示するように、本実施形態の超音波センサー１は、例えば、シリコン基板からなる基板１１の一面に設けられた二酸化シリコン膜からなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜１３上に形成され、第１電極１４と、圧電体層１５と、第２電極１６とからなる圧電素子１７から構成される。基板１１の圧電素子１７に対応する領域には開口部１８が形成され、開口部１８は隔壁１９により区切られている。

基板１１は例えばシリコン単結晶基板を用いることができるが、これに限定されるものではない。本実施形態では、二酸化シリコンからなる弾性膜１２と、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜１３とで振動板を構成するが、これに限定されるものではなく、何れか一方でもよく、又は他の膜としてもよい。

絶縁体膜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を含む部分をいい、超音波センサー素子１０を構成する。

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１８毎のパターニングにより構成される。従って、超音波センサー素子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、第１電極１４を一方向に亘るように設け、第２電極１６を一方向に直交する方向に亘るように設け、何れか一方を圧電素子１７の共通電極とし、他方を圧電素子１７の個別電極とする。本実施形態では、第２電極１６を共通電極とし、第１電極１４を個別電極としている。

また、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である弾性膜１２及び絶縁体膜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、弾性膜１２及び絶縁体膜１３と、必要に応じて設けられる密着層と、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。

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を含む部分をいい、第１電極１４と第２電極１６とで挟まれた領域を能動部という。また、弾性膜１２及び絶縁体膜１３の他、第１電極１４及び第２電極１６も開口部１８を塞ぐ振動坂として機能し、振動板の開口部１８に対向する領域は、圧電素子１７の駆動により振動する領域であり、可動部と称する。

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（ＳｒＲｕＯ_３）、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）、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。

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。

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素子１０を実現できる。

このようなペロブスカイト型構造、すなわち、ＡＢＯ_３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。

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）Ｏ_３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。

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。

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素子１０を実現できる。

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。

このように、本実施形態の超音波センサー１は、超音波センサー素子１０を第１の方向Ｘ及びこれに直交する第２の方向Ｙに、二次元的に並設しており、第１の方向Ｘをスキャン方向、第２の方向Ｙをスライス方向とする。このような超音波センサー１では、スキャン方向にスキャンしながら、スライス方向に延びる列毎に駆動、すなわち、超音波の送信及び受信を行うことにより、スライス方向のセンシング情報を、スキャン方向に連続して取得することができる。

ここで、本実施形態では、第１の方向Ｘに延びる列の圧電体層１５は、各圧電素子１７毎の分離が圧電体層除去部２１により行われ、圧電体層除去部２１の第２の方向Ｙの両側には圧電体層１５が第１の方向Ｘに連続する連結部２２が設けられている。すなわち、第１の方向Ｘにおいては、所定幅で延設されているが、第２の方向Ｙの両側端部の連結部２２を残し、圧電体層１５を第１の方向Ｘに分離する圧電体層除去部２１が形成されている。また、第２電極１６は、圧電体層除去部２１を含め、連結部２２上にも設けられ、第１の方向Ｘに連続して設けられている。

このように、第１の方向Ｘにおいて、圧電体層１５が圧電素子１７毎に完全に分離されておらず、連結部２２で部分的に連結されているので、圧電体層１５端部の応力集中箇所を減らすことができる。

また、このような構造を形成するには、詳細は後述するが、圧電素子１７毎の圧電体層１５の第１の方向Ｘ側の側面は圧電体層除去部２１の形成の際のエッチングにより形成され、第２の方向Ｙ側の側面は連結部２２の第２の方向Ｙ外側の面を形成するエッチングの際に形成されるが、第１電極１４に対するオーバーエッチングは連結部２２の第２の方向Ｙ外側の面を形成するエッチングのみとなる。具体的には、圧電体層１５に第２電極を積層した状態で、圧電体層除去部２１をエッチングし、その後、圧電体層１５の全部又は大部分を第２電極１６で積層したのち、圧電体層１５と第２電極１６を第１の方向Ｘの列毎に分離する。すなわち、連結部２２の第２の方向Ｙ外側の面及び圧電体層１５の第２の方向Ｙ側の側面を形成するエッチングを行うが、第１電極１４に対してのオーバーエッチングはこの一回のみとなる。よって、第１電極１４の信頼性が向上する。

次に、実施形態１の超音波センサーの製造方法の一例について、図３〜図８を参照して説明する。これらの図は、各プロセスを示し、それぞれ平面図と、そのｂ−ｂ′線断面図及びｃ−ｃ′線断面図とからなる。

まず、図３に示すように、基板１１を熱酸化等で酸化シリコンからなる弾性膜１２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１３を形成する。そして、絶縁体膜１３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、第１電極１４が所定の形状となるようにパターニングする。

次いで、図４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、レーザーアブレーション法、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。そして圧電体層１５上に、第１の第２電極１６ａをスパッタリング法や熱酸化等により形成する。この第１の第２電極１６ａは第２電極１６の一部となる。

次に、図５に示すように、第１の第２電極１６ａと圧電体層１５に、圧電体層除去部２１を形成する。

次に、図６に示すように、第２の第２電極１６ｂを、第１の第２電極１６ａと同様に設ける。これは第２電極１６の残りの部分であり、圧電体層除去部２１の領域も含めて設ける。そして、図７に示すように、第１の第２電極１６ａ、第２の第２電極１６ｂ及び圧電体層１５をパターニングし、第２の方向Ｙで列毎に分割し、第１の方向Ｘに列毎に連続するようにする。この際、第１電極１４は初めてオーバーエッチングされ、また、このとき、連結部２２が形成される。

この後は、必要に応じて保護膜を形成し、パターニングし、続いて、開口部１８を形成して超音波センサー１とする。

以上説明したプロセスによると、各圧電素子１７毎に圧電体層１５を分離する際に、第１の方向Ｘ側の側面と、第２の方向Ｙ側の側面とを別工程で形成するようにすることにより、第１電極１４に対してのオーバーエッチングが一回のみとなるので、信頼性を向上させることができる。

（他の実施形態）
以上説明した本実施形態では説明は省略したが、例えば、振動板の圧電素子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とすることができる。これによれば、振動板の圧電素子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。

なお、基板１１の開口部１８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１８等は、超音波等を透過可能なレンズ部材により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。

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１１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１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１のハンドリング性も向上させることができる。

また、上述した実施形態では、開口部１８は、圧電素子１７毎に形成した例を示したが、これに限定されず、複数の圧電素子１７に対応して開口部を形成してもよい。例えば、スキャン方向に亘って並設される圧電素子１７の列に共通する開口部を設けてもよく、又は全体に１つの開口部としてもよい。なお、このような複数の圧電素子１７に対して共通する開口部を設けた場合には、圧電素子１７の振動状態が異なるようになるが、振動板の基板１１とは反対側から、各圧電素子１７の間を押さえ込む部材等を設けて、独立した開口部を設けた場合と同様な振動を行うようにしてもよい。

ここで、上述した超音波センサーを用いた超音波診断装置の一例について説明する。図８は超音波診断装置の一例の概略構成を示す斜視図、図９は超音波プローブを示す側面図である。

これらの図に示すように、超音波診断装置１０１は、装置端末１０２と超音波プローブ（プローブ）１０３とを備える。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４で接続される。装置端末１０２と超音波プローブ１０３とはケーブル１０４を通じて電気信号をやりとりする。装置端末１０２にはディスプレイパネル（表示装置）１０５が組み込まれる。ディスプレイパネル１０５の画面は、装置端末１０２の表面に露出する。装置端末１０２では、超音波プローブ１０３の超音波センサー１から送信され、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は、ディスプレイパネル１０５の画面に表示される。

超音波プローブ１０３は、筐体１０６を有する。筐体１０６内には、複数の超音波センサー素子１０が第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙの二次元に配列された超音波センサー１が収納される。超音波センサー１は、その表面が筐体１０６の表面に露出するように設けられる。超音波センサー１は、表面から超音波を出力すると共に、超音波の反射波を受信する。また、超音波プローブ１０３は、プローブ本体１０３ａに着脱自在となるプローブヘッド１０３ｂを備えることができる。このとき、超音波センサー１はプローブヘッド１０３ｂの筐体１０６内に組み込むことができる。なお、超音波センサー１は、超音波センサー素子１０が、第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに二次元に配列されて構成される。

１ 超音波センサー、 １０ 超音波センサー素子、 １１ 基板、 １２ 弾性膜、 １３ 絶縁体膜、 １４ 第１電極、 １５ 圧電体層、 １６ 第２電極、 １７ 圧電素子、 １８ 開口部、 ２１ 圧電体層除去部、 ２２ 連結部

Claims (7)

1. 基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備する超音波センサーであって、
   前記第２電極が前記第１方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、前記第１電極が前記第２方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、
   前記圧電体層は、前記第２方向に沿って前記超音波素子毎に設けられ、前記第１方向に延設される連結部を介して第１方向で前記超音波素子同士が連結され、
   前記連結部の間には、前記圧電体層が除去された圧電体層除去部が存在し、前記連結部及び前記圧電体層除去部の領域には前記第２電極が設けられていることを特徴とする超音波センサー。
2. 前記超音波素子の前記第２方向側の前記圧電体層の側面及び前記第２電極の厚さ方向の一部の側面は同一工程のエッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の超音波センサー。
3. 前記超音波素子の前記第１方向側の前記圧電体層除去部側の前記圧電体層の側面及び前記第２電極の厚さ方向の一部の側面は同一工程のエッチングにより形成されたものであ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。
4. 前記連結部の前記圧電体層除去部側の側面と反対側の側面とは別工程のエッチングにより形成されたものであることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の超音波センサー。
5. 基板側から第１電極、圧電体層及び第２電極を備え、第１方向及び第２方向に配列された複数の超音波素子を具備し、前記第２電極が前記第１方向に並設された超音波素子列に連続して設けられ、前記第１電極が前記第２方向に並設された超音波素子列に連続して設けられた超音波センサーを製造する超音波センサーの製造方法であって、
   前記第１電極をパターニングする工程と、
   前記圧電体層となる層をパターニングして前記第１方向に並設される前記超音波素子の間の領域に圧電体層除去部を形成する工程と、
   前記第２電極となる電極層を設けて前記圧電体層除去部の前記第２方向の寸法より若干大きい寸法で前記圧電体層となる層と前記第２電極となる電極層とをパターニングして前記第２方向で前記超音波素子毎に分離する工程と、
   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。
6. 前記圧電体層及び前記第２電極が、前記超音波素子を駆動する同一チャンネル内で接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波センサー。
7. 前記圧電体層及び前記第２電極が、前記超音波素子を駆動する同一チャンネル外で接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の超音波センサー。

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