JP2016019012A

JP2016019012A - 超音波プローブ

Info

Publication number: JP2016019012A
Application number: JP2014138396A
Authority: JP
Inventors: 西脇　学; Manabu Nishiwaki; 学西脇
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2014-07-04
Filing date: 2014-07-04
Publication date: 2016-02-01

Abstract

【課題】駆動時に振動板が効率よく変形することが可能な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、可撓膜４６と、可撓膜４６上に設けられた下部電極２４と、下部電極２４上に形成された圧電体膜２６と、圧電体膜２６の表面に形成された上部電極２５と、を備え、可撓膜４６が、圧電体膜２６に向かって凸に弾性変形している。【選択図】図１５

Description

本発明は、超音波プローブに関するものである。

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層と、この圧電体層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。

このような層構造の圧電素子は駆動対象となる設置面に設置される。例えば、超音波プローブであれば超音波を出力するために変形可能に構成された振動板上に圧電素子が設置される。

圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で弾性膜に圧電素子を作り付けることができる。しかし、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。

圧電素子を高密度配列する製造方法が特許文献１に開示されている。弾性膜の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により空洞に対応する形状に切り分けて空洞毎に独立するように圧電素子を形成していた。

この方法によれば圧電素子を弾性膜に貼付ける作業が不要となる。リソグラフィ法という精密かつ簡便な手法で圧電素子を作り付けることができる。さらに、圧電素子の厚みを薄くできて高速駆動が可能になるという利点がある。

特開平５−２８６１３１号公報

しかしながら、上述した薄膜技術およびリソグラフィ法による製造方法では、薄膜のパターニング後に開口を形成する。その際、上電極及び圧電体層の内部応力緩和の影響により、振動板が開口側に撓んでしまい、この撓みが振動板の初期変形として残留してしまうという問題がある。特に、下電極をオーバーエッチングした構造の場合には、撓み量が大きく、圧電素子の駆動による振動板の変形量が計算上の値よりも小さくなってしまう。これは、上電極及び圧電体層（及び下電極）の引張方向の内部応力緩和の影響で振動板が撓むことにより弾性域を越え、塑性変形領域に達しているためであると考えられる。そこで、振動板が駆動時に効率よく変形することが可能な超音波プローブが望まれていた。

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。

［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、弾性膜と、前記弾性膜上に設けられた下電極と、前記下電極上に形成された圧電体層と、前記圧電体層の表面に形成された上電極と、を備え、前記弾性膜が、前記圧電体層に向かって凸に弾性変形していることを特徴とする。

本適用例によれば、超音波プローブでは筐体が超音波トランスデューサー素子チップを支持している。超音波トランスデューサー素子チップは弾性膜を備え、弾性膜上には下電極、圧電体層及び上電極がこの順に重ねて設置されている。そして、下電極と上電極との間に所定の間隔でパルス状の電圧を印加することにより圧電体層が伸縮する。これにより弾性膜が振動して超音波が出力される。

そして、弾性膜は初期状態で圧電体層に向かって凸に弾性変形している。圧電体層に印加する電圧を調整することにより弾性膜が圧電体層に向かって凹に弾性変形させることができる。このとき、弾性膜が初期状態で圧電体層と反対側に向かって凸に弾性変形しているとき弾性膜は塑性変形領域まで達するので振幅が小さくなる。このときに比べて本適用例では駆動時に効率よく弾性膜を変形させることができる。

実施形態１にかかわる超音波診断装置の構成を示す概略斜視図。超音波プローブの構成を示す組織側面図。素子チップの構成を示す模式平面図。素子チップの構成を示す模式側断面図。補強板を示す模式平面図。補強板を示す要部模式拡大図。装置端末及び超音波プローブの回路図。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。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。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。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。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。圧電素子の製造方法を説明するための模式図。圧電素子の製造方法を説明するための模式図。エッチングによる開口の形成前後の各層が受ける応力の状態を説明するための模式図。比較例としてエッチングによる開口の形成前後の各層が受ける応力の状態を説明するための模式図。圧電体能動部の駆動時の振動板に加わる力と弾性変形量との関係を示す図。実施形態２にかかわり添加物を上部電極に添加する方法を説明するための模式図。添加物を上部電極に添加する方法を説明するための模式図。実施形態３にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。圧電素子の構造を示す要部模式断面図。実施形態４にかかわる圧電素子の構造を示す要部模式断面図。圧電素子の製造方法を説明するための模式側断面図。圧電素子の製造方法を説明するための模式側断面図。実施形態５にかかわる圧電素子の製造方法を説明するための模式側断面図。実施形態６にかかわる素子チップの構造を示す要部模式断面図。

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。
（実施形態１）
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１７に従って説明する。

（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。

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。

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圧電素子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。個々の圧電素子２３は圧電素子部を備える。圧電素子部は下電極としての下部電極２４、上電極としての上部電極２５及び圧電体層としての圧電体膜２６で構成される。個々の圧電素子２３ごとに下部電極２４及び上部電極２５の間に圧電体膜２６が挟み込まれる。

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行の圧電素子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圧電素子２３の圧電体膜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圧電素子２３に共通に下部電極２４は接続される。

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列の圧電素子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圧電素子２３の圧電体膜２６に共通に配置される。列ごとに圧電素子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列の圧電素子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圧電素子２３群は奇数列の圧電素子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圧電素子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圧電素子２３に下部電極が接続されてもよい。

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。

基板２１には第１フレキシブルプリント基板としての第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フレキシブルプリント基板としての第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。

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、個々の圧電素子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には個々の圧電素子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の表面には弾性膜としての可撓膜４６が一面に形成される。可撓膜４６は酸化シリコン（ＳｉＯ₂）であり、基体４４の表面に設置される。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。可撓膜４６の膜厚は共振周波数に基づき決定される。

振動膜４３の表面に下部電極２４、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。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、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の下で圧電体膜２６は完全に下部電極２４を覆う。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。

下部電極２４の厚さは、例えば、約０．５μｍであり、圧電体膜２６の厚さは、例えば、約１μｍである。上部電極２５の厚さは、例えば、約０．１μｍである。下部電極２４、圧電体膜２６、上部電極２５とが積層形成されて、圧電素子２３を構成している。ここで、圧電素子２３は、下部電極２４、圧電体膜２６、及び上部電極２５を含む部分をいう。一般的には、圧電素子２３の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体膜２６を開口４５毎にパターニングして構成する。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

（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圧電素子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。

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。個々の圧電素子２３の検出信号は増幅されてデジタル信号に変換される。

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。

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は圧電素子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。

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。

（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圧電素子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。

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、圧電素子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。

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。

（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が形成される。酸化シリコン膜７９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ー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。

図９に示されるように、下部電極２４の表面で個々の圧電素子２３ごとに圧電体膜２６及び上部電極２５が形成される。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ー技術に基づき個々の圧電素子２３ごとに圧電材料膜及び導電膜から圧電体膜２６及び上部電極２５が形成される。

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ー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。

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からなる振動膜４３は開口４５により区画される。

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が配置されることができる。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。

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。

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。

（５）圧電体膜の製造方法と構造
図１３及び図１４は、圧電素子の製造方法を説明するための模式図である。次に、シリコン単結晶基板からなる基体４４上に、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（ａ）に示すように、まず、基体４４となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化して二酸化シリコンからなる可撓膜４６を形成する。

次に、図１３（ｂ）に示すように、スパッタリングで下部電極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、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。次に、公知のフォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて下部電極２４を所定の形状にパターニングする。

次に、図１３（ｃ）に示すように、圧電体膜２６を成膜する。この圧電体膜２６の成膜にはスパッタリング法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・分散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圧電体膜２６を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて形成した。圧電体膜２６の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の材料が超音波プローブ１３に使用する場合には好適である。

次に、図１３（ｄ）に示すように、下部電極２４及び圧電体膜２６を所定の形状にパターニングする。パターニングは公知のフォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて行うことができる。

次に、図１４に示すように、上部電極２５を成膜する。その際、本実施形態では、上部電極２５を圧縮応力とし、下部電極２４及び圧電体膜２６の引張応力より大きくなるように形成している。そのため、この上部電極２５は、圧縮応力を有し導電性の高い材料で形成するのが好ましく、例えば、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属が好適である。さらに、本実施形態では、上部電極２５を所定のガス中、例えば、ガス圧１Ｐａ以下でスパッタリング法によって成膜することにより、上部電極２５中にそのガスを取り込んでいる。これにより、上部電極２５には、より大きい圧縮応力が付与される。この上部電極２５中に取り込むガスとしては、不活性ガスであることが好ましく、例えば、Ｈｅ，Ｎｅ，Ａｒ，Ｋｒ，ＸｅまたはＲｎが好適である。尚、スパッタリングの際のガス圧等の諸条件は、スパッタ装置及び材料等によって、適宜調整すればよい。

次に、図１４に示すように、上部電極２５をパターニングする。パターニングは公知のフォトリソグラフィー法及びエッチング法を用いて行うことができる。パターニングされた下部電極２４、圧電体膜２６及び上部電極２５を合わせて圧電体能動部８７と称する。

本実施形態では、続いて、開口４５をエッチングにより形成する。このときの圧電体能動部８７が受ける応力の状態を以下に説明する。尚、図１５は、エッチングによる開口の形成前後の各層が受ける応力の状態を説明するための模式図である。

図１５（ａ）に示すように、圧電体膜２６及び上部電極２５の各層を成膜した状態では、圧電体膜２６及び下部電極２４は、それぞれ基体４４から引張応力σ１，σ２を受け、可撓膜４６及び上部電極２５は、それぞれ圧縮応力σ３，σ４を受けている。この上部電極２５の圧縮応力σ４の大きさは、引張応力σ１，σ２の大きさより大きくなっている。

そして、図１５（ｂ）に示すように、圧電体能動部８７をパターニングすると、圧電体膜２６及び上部電極２５の応力σ１，σ４の一部が開放される。次に、図１５（ｃ）に示すように、圧電体能動部８７の下方に開口４５を形成しても、圧電体膜２６と上部電極２５とが基体４４から受ける応力の向きは逆であり、圧電体膜２６の引張応力σ１が開放される力よりも上部電極２５の圧縮応力σ４が開放される力の方が大きい。このため、可撓膜４６は力ｆを受けて図中上側に凸に変形する。

図１６は比較例としてエッチングによる開口の形成前後の各層が受ける応力の状態を説明するための模式図である。尚、上部電極２５の内部応力を圧縮応力としない場合には、図１６（ａ）に示すように、開口４５形成前に、圧電体膜２６及び上部電極２５にはそれぞれ引張応力σ１，σ４が残留しているので、開口４５を形成すると、図１６（ｂ）に示すように、引張応力σ１，σ４は開放されて収縮しようとする力となり、結果的に、下部電極２４及び可撓膜４６からなる振動板は、下に凸に変形され、これが初期変形として残留する。

本実施形態では、上部電極２５に、所定の大きさの圧縮応力を付与している。これにより、圧電体能動部８７をパターニングして開口４５を形成した後では、上部電極２５が引張方向の応力を受けて圧縮応力が開放される。このため、圧電体膜２６の圧縮方向の応力を相殺し、さらに、可撓膜４６を図中上側に凸となるように変形させることができる。このときの可撓膜４６は塑性域から離れた弾性域の状態であり、圧電体能動部８７の駆動による振動板の変形量を向上することができる。

また、以上説明した一連の膜形成及び異方性エッチングはシリコンウエハー７８上で行われる。一枚のシリコンウエハー７８上に多数のチップを同時に形成し、プロセス終了後に１つのチップサイズの基体４４毎に分割する。また、分割した基体４４を、補強板５２と順次接着して一体化し、素子チップ１７とする。

図１７は、圧電体能動部の駆動時の振動板に加わる力と弾性変形量との関係を示す図である。図１７（ａ）に示すように、本実施形態では、可撓膜４６が上部電極２５の圧縮応力によって力ｆを受けて、圧電体膜２６側に突出する変形ｔが生じている。したがって、圧電体能動部８７の駆動による力Ｆによって変形Ｔを生じる。また、この変形Ｔは弾性領域で生じているため、総ての変形を超音波の出力に利用することができる。

一方、比較例のように上部電極２５を圧縮応力にしない場合には、図１７（ｂ）に示すように、圧電体膜２６等の引張応力によって力ｆ’を受けて、初期段階に超音波出力のための変形方向に変形ｔ’が生じており、圧電体能動部８７の駆動時に力Ｆが加わると、振動板が塑性変形領域に入ってしまうため、変形Ｔは得られずに変形Ｔ’が生じることになり、Ｔ−Ｔ’が変形の損失となる。

このように、本実施形態では、上部電極２５に圧縮応力を付与することにより、超音波を出力する際に、可撓膜４６が開口４５とは反対方向、すなわち図中上側に凸に変形する。このため、可撓膜４６の弾性変形領域内で、圧電体能動部８７の駆動による変形量を増加させることができ、良好な超音波の出力を行うことができる。

尚、本実施形態では、上部電極２５中に不活性ガスを取り込むことにより、上部電極２５にさらに大きな圧縮応力を付与するようにしたが、これに限定されるわけではない。上部電極２５は、基本的には圧縮応力であり、この圧縮応力が、所望の強さ以上となっていれば、不活性ガスを取り込まなくてもよいことは言うまでもない。

（実施形態２）
本実施形態は、上部電極２５に、不活性ガスの代わりに、上部電極２５の金属とは異なる成分の金属、半金属、半導体または絶縁体等の添加物を添加することによって、上部電極２５を圧縮応力とした以外は実施形態１と同様である。

図１８及び図１９は、添加物を上部電極に添加する方法を説明するための模式図である。これらの添加物の添加方法としては、例えば、図１８（ａ）に示すように、上部電極２５を形成後、上部電極２５の上方からのイオン打ち込みによって、添加物を上部電極２５に添加することができる。

また、例えば、図１９（ａ）に示すように、上部電極２５上に、上部電極２５に添加される添加物層８８を形成し、次いで、不活性ガスまたは真空中で加熱処理することにより添加物層８８の成分元素を上部電極２５に固相拡散させることにより、上部電極２５に添加物を添加することができる。

このように、イオン打ち込みまたは固相拡散によって上部電極２５に添加した場合には、図１８（ｂ）または図１９（ｂ）に示すように、上部電極２５の上層部２５ｂに添加物が多く添加されるため、上部電極２５の上層部２５ｂが特に大きい圧縮応力となる。

このように、上部電極２５に、上部電極２５の金属とは異なる金属等の添加物を添加することにより、上部電極２５は体積が膨張することによって圧縮応力となる。したがって、実施形態１と同様に、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能動部８７の駆動による振動板の変形量を向上することができる。また、本実施形態では、上部電極２５の上層部が特に大きい圧縮応力となっているため、開口４５を形成した場合には、振動板をより確実に図中上側に凸に変形させることができる。

（実施形態３）
図２０は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。本実施形態が実施形態１と異なる点は、図２０に示すように上部電極８９を圧電体膜２６に接する第１の電極膜９０とその上に積層される第２の電極膜９１とで構成したことにある。これ以外は実施形態１と同様である。

本実施形態の上部電極８９を構成する第１の電極膜９０は、実施形態１と同様、Ｐｔ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｒｈ，Ｏｓ，Ｒｕ及びＲｅの何れかの金属で形成され、圧縮応力を有している。また、第２の電極膜９１は、第１の電極膜９０よりも大きい圧縮応力を有することが好ましい。第２の電極膜９１は例えば、酸化ルテニウム、酸化インジウム錫、酸化カドミウムインジウム、酸化錫、酸化マンガン、酸化レニウム、酸化イリジウム、酸化ストロンチウムルテニウム、酸化インジウム、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムまたは酸化モリブデン等の導電性の酸化膜、あるいは、例えば、窒化チタン、窒化ニオブ、窒化ジルコニウム、窒化タングステン、窒化ハフニウム、窒化モリブデン、窒化タンタル、窒化クロムまたは窒化バナジウム等の導電性の窒化膜で形成されている。

このような本実施形態の上部電極８９の形成方法は、特に限定されないが、本実施形態では、以下の方法で形成した。

実施形態１の薄膜製造工程と同様に、基体４４上に、下部電極２４及び圧電体膜２６をそれぞれ成膜してパターニングする。その後、まず上部電極８９を構成する第１の電極膜９０を成膜する。次いで、第１の電極膜９０上に、第１の電極膜９０とは異なる主成分を有する第２の電極膜９１を形成する。ここで、第２の電極膜９１は、好ましくは導電性酸化膜または導電性窒化膜からなるが、これらは、直接、酸化膜または窒化膜を形成してもよいが、成膜した後、酸化または窒化して形成してもよい。その後、上述の製造工程と同様に開口４５を形成する。

上部電極８９をこのような構成としても上記の実施形態と同様に可撓膜４６が図中上側に凸に変形される。そして、圧電体能動部８７の駆動による振動板の変形量を向上することができる。また、上部電極８９を圧縮応力を有する二層で構成し、第２の電極膜９１を導電性の酸化膜または窒化膜等で構成することにより、第１の電極膜９０よりも大きい圧縮応力としたので、実施形態２と同様に、開口４５を形成した場合には、可撓膜４６を効果的に上に凸に変形させることができる。

尚、本実施形態では、上部電極８９を二層で構成しているが、例えば、第１の電極膜９０を設けず、導電性酸化膜または導電性窒化膜で形成される第２の電極膜９１のみで構成するようにしてもよい。このような構成においても、上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。

以上、各実施形態を説明したが、振動板を上に凸に変形させる手段は、上述したものに限定されない。例えば、開口４５を形成後、振動板の開口４５とは反対側に、物理的に引張り力を付与するようにして凸に変形させるようにしてもよいし、基体４４を上に凸に変形させて振動板に張力を付与して凸に変形させてもよい。

図２１は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。他にも、例えば、図２１に示すように、開口４５の幅方向両側に対向した領域である圧電体能動部８７の両側のいわゆる振動板腕部に相当する部分に、下部電極２４を除去した下電極膜除去部９２を設け、圧電体能動部８７への電圧印加による変位量の向上を図ってもよい。この下電極膜除去部９２は、下部電極２４を完全に除去せずに、厚さ方向の一部をハーフエッチング等により除去することにより形成してもよく、また、可撓膜４６の厚さ方向の一部まで除去することにより形成してもよい。

このように、下電極膜除去部９２を設けた場合にも、上述の実施形態と同様に、可撓膜４６、下部電極２４及び圧電体膜２６の各膜の内部応力を加算した引張応力よりも大きい圧縮方向の応力を上部電極２５に付与することにより、振動板を上に凸に変形させることができ、圧電体能動部８７の駆動による振動板の変形量を向上することができる。

また、例えば、上述した補強板５２をガラスセラミックス製としてもよく、材料、構造等の変更は自由である。

（実施形態１〜３の効果）
以上説明したように、本実施形態によれば、上部電極２５、上部電極８９を下部電極２４及び圧電体膜２６の引張応力よりも大きい圧縮応力とすることにより、可撓膜４６は、圧電体能動部８７のパターニング及び開口４５形成後に、引張方向の力の影響を受ける。しがって、可撓膜４６は圧電体膜２６側に凸に変形し、圧電体能動部８７の駆動による変形量を向上することができ、良好な超音波の出力を行うことができるという効果を奏する。

（実施形態４）
図２２は、圧電素子の構造を示す要部模式断面図である。本実施形態が実施形態１と異なる点は、可撓膜４６に凹部が設置されたことにある。これ以外は実施形態１と同様である。

図２２に示すように、圧電素子２３は、下部電極２４上に圧電体膜２６と上部電極２５とを積層して構成されている。圧電体膜２６は、例えば、ＰＺＴ等の強誘電体セラミックスであって、電気機械変換作用を生ずるペロブスカイト結晶構造を備えている。尚、圧電体膜２６は一層のみならず複数の圧電体薄膜層を積層するものでも、異なる種類の圧電体薄膜層を積層するものでもよい。

基体４４の補強板５２側の面には、エッチングマスク９５が設けられている。このエッチングマスク９５は、開口４５をエッチングする際にマスクとして作用する膜であって、シリコンの熱酸化膜（ＳｉＯ₂）で形成される。補強板５２は、基体４４に貼り合わせられて構成されている。

特に、本実施形態の開口４５には、振動板９３を構成する可撓膜９６に凹部９６ａが形成されている。また、振動板９３と基体４４との開口４５側の境界には、ひさし部分９６ｂが形成されている。これら形状はひさし除去工程において形成されるものである。

（製造方法の説明）
次に、圧電素子の製造方法を、図２３〜図２４を参照して説明する。図２３〜図２４は圧電素子の製造方法を説明するための模式側断面図である。

絶縁膜形成工程（図２３（ａ））：まず、シリコンウエハー７８の一方の面に可撓膜９６（ＳｉＯ₂）を、他方の面にエッチングマスク９５を形成する。シリコンウエハー７８の直径は数インチの大きさであり、シリコンウエハー７８の厚みは例えば２００μｍ程度となる。可撓膜９６は、振動板として機能し得る程度の強度が得られるように、例えば１μｍ程度の厚みに形成する。エッチングマスク９５も同様の工程で一時に形成される。エッチングマスク９５及び可撓膜９６の製造には公知の熱酸化法等が用いられる。

尚、本実施形態では、圧電素子２３が設けられる振動板９３が、ひさし除去工程におけるエッチングにより薄くなるので、この薄膜化されることを考慮した厚みに可撓膜９６を形成する必要がある。

圧電素子積層工程（図２３（ｂ））：次いで可撓膜９６に下部電極２４を形成する。下部電極２４は、導電性を有する材料、例えば白金を０．５μｍ程度積層して形成する。また、複数の層を積層することは好ましい。例えば、チタン層、白金層、チタン層を０．００５μｍ、０．５μｍ、０．０２μｍの厚みで積層することにより、上下の層との密着性を増すことができる。これら層の形成は、公知の直流スパッタ法等を用いる。続いてフォトリソグラフィー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。

次に、下部電極２４に重ねて圧電体膜２６を設置する。圧電体膜２６には圧電特性を有する強誘電体セラミックスが用いられる。強誘電性セラミックスとしては、例えば、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃：ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ₃）、ジルコニウム酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ₃）：ＰＬＺＴ）またはマグネシウムニオブ酸ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｍｇ_1/3Ｎｂ_2/3）_0.1（Ｚｒ、Ｔｉ）_0.9Ｏ₃）等を用いることができる。

圧電体膜２６の形成には、ゾル−ゲル（ｓｏｌ−ｇｅｌ）法を用いる。まず、所定の強電界セラミックスで溶解液を調合する。その溶解液を一定の厚みに塗布しセラミックス層を複数層形成する。例えば、公知のスピンコート法を用いる場合には、毎分５００回転で３０秒、毎分１５００回転で３０秒、最後に毎分５００回転で１０秒間塗布する。塗布後、一定温度（例えば１８０度）で一定時間（例えば１０分程度）乾燥させる。乾燥後、さらに有機溶媒を蒸発させるべく、大気雰囲気下において、所定の高温（例えば４００度）で一定時間（３０分間）脱脂する。この塗布、乾燥及び脱脂を８回繰り返して８層のセラミックス層を積層する。

セラミックス層を４層重ねた後と８層重ねた後には、さらに、セラミックス層の結晶化を促進し、圧電体としての特性を向上させるために、所定の雰囲気下で熱処理する。例えば、４層積層後、酸素雰囲気下において、高速熱処理（ＲＴＡ）にて６００度で５分間、さらに７２５度で１分間加熱する。８層積層後、酸素雰囲気下において、ＲＴＡにて６５０度で５分間、さらに９００度で１分間加熱する。

圧電体層全体の厚みは、あまりに厚くすると、製造工程が多くなり妥当なコストで製造できなくなったり、高い駆動電圧が必要となる。あまりに薄くすると、厚みを均一に形成できずエッチング後に分離された各圧電素子の特性がばらついたりする。したがって、圧電体層の厚みは、４５０ｎｍ〜２０００ｎｍ程度が好ましい。フォトリソグラフィー技術に基づき個々の圧電素子２３ごとに圧電材料膜及び導電膜から圧電体膜２６が形成される。

上部電極２５は、圧電体膜２６に電圧を印加するための電極である。上部電極２５は、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）を０．１μｍ程度の厚みで形成される。

圧電素子成形工程（図２３（ｃ））：圧電素子成形工程では、上部電極２５を各開口４５の形状に合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチングして圧電素子２３の形状にする工程である。すなわち、スピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジストを塗布し、露光・現像して、レジストを上部電極２５上に形成する。これに、通常用いるイオンミリング、あるいはドライエッチング法等を適用して、不要な部分を除去する。

マスクエッチング工程（図２４（ａ））：マスクエッチング工程では、エッチングマスク９５を開口４５の形状に合わせて除去し、シリコンウエハー７８の露出部分９５ａを形成する。すなわち、スピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジストを塗布し、露光・現像して、レジストを開口４５形成部分のみを除く。次いでドライエッチング等の方法を使用して、エッチングマスク９５を取り除く。ドライエッチングの他、イオントリミング法や、酸化ケイ素に対するエッチングレートの高いエッチング液を用いたウェットエッチングを使用できる。

基板エッチング工程（図２４（ｂ））：基板エッチング工程では、シリコンウエハー７８の露出部分９５ａをエッチングして、開口４５を形成する。エッチング方法としては、例えば、湿式の異方性エッチング、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異方性エッチングを用いて、開口４５のエッチングを行う。このエッチングは、選択比が高く、シリコン原盤のみを選択的にエッチングする。異方性エッチングといっても、原盤の面方向にも一定のエッチングレートで侵食が進む。このため、開口４５の端部にはエッチングマスク９５にひさし部分９５ｂが生ずる。特に、ＫＯＨを用いたシリコンウエハー７８の異方性エッチングでは、面方位によってエッチング速度差が大きく、ひさし部分９５ｂが大きく形成されるところもある。

ひさし除去工程（図２４（ｃ））：ひさし除去工程では開口４５の開口端部に形成されたエッチングマスク９５のひさし部分９５ｂを、ウェットエッチングにより取り除く。このエッチングに用いるエッチング液は、エッチングマスク９５をシリコンウエハー７８より高いエッチングレートでエッチングする選択比の高いものを用いる。例えば、エッチング液としては、フッ化アンモニウム等の緩衝剤がフッ化水素酸に混合されたものが好ましい。緩衝剤としてフッ化アンモニウムを用いる場合は、フッ化水素酸：フッ化アンモニウムを１：６の比で混合したエッチング液を用いる。このエッチング液によりウェットエッチングすると、酸化ケイ素が選択的にエッチングされる。可撓膜９６の開口４５側の内面も同時にエッチングされるが、ひさし部分９５ｂは、開口部の内側からもエッチングされるため、可撓膜９６に比べ２倍の速度でエッチングされる。このため開口４５ではひさし部分９５ｂがきれいに除去される。

上述のように、開口４５の内面で露出している可撓膜９６も、酸化ケイ素により構成されているためエッチングされる。このことから開口４５の底面部分の可撓膜９６は、同図のような台形上の凹部９６ａが形成されることになる。また、ウェットエッチングでは、ある程度等方性をもってエッチングされるため、凹部９６ａの面方向にもエッチングによる侵食が進み、エッチングされずに残されたシリコン原盤が相対的に突出することとなる。このため可撓膜９６とシリコンウエハー７８との境界に、ひさし部分９６ｂが形成される。これら凹部９６ａとひさし部分９６ｂが、本実施形態の製造方法を用いたことの形跡となる。

補強板貼り合わせ工程（図２２）：補強板貼り合わせ工程では、エッチング後のシリコンウエハー７８に補強板５２を貼り合わせる。貼り合わせのための接着剤としては、例えばエポキシ樹脂等を用いる。シリコンウエハー７８に補強板５２を貼り合わせた後、シリコンウエハー７８をダイシング装置で溝をつけチップに分割する。これにより、シリコンウエハー７８が基体４４になり、素子チップ１７が完成する。

上記したように、本実施形態４によれば、開口４５の形成過程で生ずるエッチングマスク９５のひさし部分９５ｂを補強板５２の貼り合わせ前に除去したので、ひさし部分９５ｂの破片が残されることによる超音波の出力不良を防止することができる。したがって、本実施形態の製造方法を用いることにより、製品の歩留まりを良くして、超音波プローブ１３を生産性良く製造することができる。

（実施形態５）
図２５は、圧電素子の製造方法を説明するための模式側断面図である。本実施形態が実施形態４と異なる点は、凹部９６ａ及びひさし部分９６ｂが設置されないことにある。これ以外は実施形態４と同様である。本実施形態における素子チップ１７の構成は上記実施形態４と同様なので、同一部分の説明を省略する。

本実施形態における素子チップ１７の製造方法を説明する。本実施形態は、上記実施形態４における製造方法の変形例である。基板エッチング工程（図２４（ｂ））までは上記実施形態４と同様なので説明を省略する。

レジスト層形成工程（図２５（ａ））：レジスト層形成工程では、開口４５を形成後、開口４５の底部（圧電素子２３が設けられている可撓膜９６上）にレジスト層９７を設ける。このレジスト層９７は、上記エッチングマスク９５をエッチングするエッチング液の侵食から可撓膜９６を保護する役割を果たす。レジスト層９７の形成方法としては、レジストを開口４５の底部に設けなければならない。例えば、ポジレジストをスピンナー法、スプレー法等の方法を用いて塗布し、開口４５内に厚く溜まり、エッチングマスク上に薄くレジストを形成する。そして、エッチングマスク上のレジストのみ完全に露光可能で、レジストが厚く溜まっている開口４５内では十分露光されないような条件下で露光をする。最後に露光部分のみを現像で取り除き、露光されなかった部分をレジスト層９７として残す。

ひさし除去工程（図２５（ｂ））：ひさし除去工程は、上記実施形態４におけるひさし除去工程（図２４（ｃ））と同様の方法で行う。エッチング液によって、ひさし部分９５ｂは除去されるが、開口４５の底部の可撓膜９６はレジスト層９７によって保護されているのでエッチングされない。

レジスト除去工程（図２５（ｃ））：レジスト除去工程では、レジスト層９７を除去する。ひさし部分９５ｂを除去した後には、レジスト層９７が不要となるので、レジスト層９７を十分露光させて現像して除去するか、プラズマアッシング装置等を用いてレジスト層９７を除去する。レジスト層を除去したら、上記実施形態４と同様に、貼り合わせ工程により補強板５２を貼り合わせる（図２２参照）。

上記したように本実施形態５によれば、ひさし部分の除去に先立って開口４５にレジスト層９７を設けるので、振動板の厚みを一定に保つことができる。したがって、本実施形態の製造方法を用いることにより、製品の歩留まりを良くして、超音波プローブ１３を生産性良く製造することができる。

＜その他の変形例＞
上記実施形態によらず種々に変形して適応することが可能である。例えば、上記実施形態では、圧電素子２３を形成後にシリコンウエハー７８をエッチングしたが、圧電素子２３を設ける工程は開口４５形成後に行ってもよい。圧電素子の層構造は上記実施形態に限らず、他の層構造を備えていてもよい。

また、本実施形態に記載した方法は、超音波プローブ１３の製造のみならず、シリコンウエハー７８のエッチングにおいて、エッチングマスク９５のひさし部分９５ｂが問題となるあらゆる産業分野に適用することが可能である。すなわち、ひさし除去工程を適用することにより、シリコンウエハー７８の表面に残されたエッチングマスク９５の破片が生ずるのを防止し、その破片により生じていた障害を防止することができる。

（実施形態４及び実施形態５の効果）
本実施形態によれば、開口４５の形成過程で生ずるエッチングマスク９５のひさし部分９５ｂを補強板５２の貼り合わせ前に除去したので、補強板５２の接着不良を防止し製品の歩留まりを良くすることができる。

本実施形態によれば、エッチングマスク９５のひさし部分９５ｂを除去すると共に、可撓膜９６の凹部９６ａの有無を選択可能にした。これにより、可撓膜９６のコンプライアンスを調整可能にした。

（実施形態６）
次に、素子チップの一実施形態について図２６を用いて説明する。図２６は、素子チップの構造を示す要部模式断面図である。本実施形態が実施形態１と異なるところは、開口４５の内面に保護膜が設置されている点にある。尚、実施形態１と同じ点については説明を省略する。

すなわち、本実施形態では、図２６に示すように、開口４５を向く可撓膜４６及び仕切り壁５１に保護膜１００が設置されている。例えば、本実施形態では、五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）からなる保護膜１００が、開口４５の総ての表面に設けられている。このような保護膜１００の厚さは、特に限定されないが、本実施形態では、開口４５の大きさ及び可撓膜４６の変位量等を考慮して５０ｎｍ程度とした。

このような酸化タンタルからなる保護膜１００は、特に、アルカリ性の液体に対する耐エッチング性を有する。具体的には、ｐＨ８．０以上の液体によるエッチングレートが２５℃、０．０５ｎｍ／ｄａｙ以下であることが好ましい。このように、酸化タンタルからなる保護膜１００は、比較的アルカリ性が強い液体に対して非常に優れた耐エッチング性を有している。例えば、本実施形態の五酸化タンタルからなる保護膜１００は、ｐＨ９．１の液体によるエッチングレートが２５℃で、０．０３ｎｍ／ｄａｙであった。

このように開口４５の少なくとも内壁表面に五酸化タンタルからなる保護膜１００を設けるようにしたので、可撓膜４６及び基体４４が液体に溶解されることを防止することができる。これにより、開口４５の形状を実質的に安定、すなわち、製造時と略同一形状に維持することができる。

これらのことから、保護膜１００を設けることにより、超音波の出力特性を長期間一定に維持することができる。尚、このような保護膜１００の材料としては、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）、ニッケル（Ｎｉ）、二酸化シリコン及びクロム（Ｃｒ）等を用いることもできるが、酸化タンタルを用いることにより、ｐＨ値の高い液体と接触する場合でも、極めて優れた耐エッチング性を発揮する。

次に、保護膜１００の設置方法について説明する。基体４４の開口４５の内壁表面上に、１５０℃以下温度条件下で保護膜１００を形成する。例えば、本実施形態では、イオンアシスト蒸着によって１００℃以下の温度条件下で五酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）からなる保護膜１００を形成した。

このように１５０℃以下の温度条件、本実施形態では、１００℃以下の温度条件下で保護膜１００を形成するようにしたので、熱によって圧電素子２３等に悪影響を及ぼすことなく、保護膜１００を比較的容易且つ良好に形成することができる。

また、保護膜１００の材料として、五酸化タンタルを用いることにより、非常に優れた耐エッチング性を有する保護膜１００とすることができる。したがって、開口４５が液体に溶解されることがなく、超音波の出力出特性を長期間に亘って一定に維持することができる。
そして、基体４４の可撓膜４６とは反対側の面に補強板５２を接合する。また、実際には、上述した一連の膜形成及び異方性エッチングによって一枚のシリコンウエハー７８上に多数の素子チップ１７を同時に形成し、プロセス終了後、素子チップ１７毎に分割する。

また、本実施形態では、イオンアシスト蒸着法により保護膜１００を形成するようにしたが、保護膜１００を形成する方法はこれに限定されず、例えば、対向ターゲット式スパッタ法により保護膜１００を形成するようにしてもよい。この対向ターゲット式スパッタ法を用いても、イオンアシスト蒸着と同様に１００℃以下の温度条件で緻密な保護膜を良好に形成することができる。また、成膜レートが非常に速いため、製造効率が向上し製造コストの低減を図ることもできる。さらに、保護膜１００を形成する際にチャンバ内の圧力を比較的低くすることで、より緻密な保護膜とすることができる。

また、イオンアシスト蒸着法の代わりに、プラズマＣＶＤ（化学的気相成長）法によって保護膜１００を形成するようにしてもよい。この方法によっても、１５０℃以下の温度条件で緻密な膜を形成することができる。特に、プラズマＣＶＤ法によって保護膜１００を形成する場合、所定の条件を選択することで、開口４５の側面と底面とで形成される角部や、開口４５の周縁部等にも保護膜１００を連続的に良好に形成することができる。したがって、耐久性及び信頼性を著しく向上した超音波プローブ１３を実現することができる。

尚、これらイオンアシスト蒸着、対向ターゲット式スパッタ法、プラズマＣＶＤ法等の他に、例えば、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）スパッタ法等の他の物理的気相成長法（ＰＶＤ）等によっても、比較的低温で緻密な保護膜を形成することができる。

１３…超音波プローブ、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…下電極としての下部電極、２５…上電極としての上部電極、２６…圧電体層としての圧電体膜、４６…弾性膜としての可撓膜。

Claims

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、
弾性膜と、
前記弾性膜上に設けられた下電極と、
前記下電極上に形成された圧電体層と、
前記圧電体層の表面に形成された上電極と、を備え、
前記弾性膜が、前記圧電体層に向かって凸に弾性変形していることを特徴とする超音波プローブ。