JP6476633B2 - 圧電デバイス - Google Patents
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Description
本発明は、圧電デバイス等に関する。
超音波変換器ではシリコン製の基体に開口部が形成される。開口部は振動膜で塞がれる。振動膜の表面上には圧電素子が支持される。振動膜の表面には障壁層が積層される。障壁層は圧電素子と振動膜との間に挟まれる。障壁層は圧電素子と振動膜との間で化学的相互作用を防止する。振動膜は酸化シリコン、炭化シリコン、窒化シリコンその他のシリコン系の材料から形成される。障壁層はＡｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、ＴｉＯ２、ＨｆＯ２、ＭｇＯまたはＬａＡｌＯ２から形成される。
例えば開口部に音響整合材が充填される場合のように、開口部に水や湿気が進入することがある。この場合には、開口部内の空間では振動膜は水や湿気に曝される。酸化シリコンは透水性を有することから、水や湿気は振動膜に浸透し圧電素子に到達してしまう。その結果、圧電材料の腐食が懸念される。
本発明の少なくとも１つの態様によれば、水や湿気から確実に圧電素子を保護することができる圧電デバイスは提供されることができる。
（１）本発明の一態様は、開口部を有する基体と、前記開口部を閉塞する振動膜と、前記振動膜に支持される圧電素子とを備え、前記振動膜は、酸化シリコンに比べて小さい透水性を有する材料で形成される第１層と、前記第１層に密着して形成され、前記第１層を形成する材料よりも大きな靱性値を有する第２層とを含む圧電デバイスに関する。
振動膜は超音波振動する。振動時、振動膜は変形する。振動膜の第２層は強い靱性を有することから、振動時に変形に曝されても第２層の表面で欠損や亀裂の発生は防止される。こうした第２層の表面に第１層は密着することから、第１層の連続性は維持される。こうして振動膜の表面では耐湿性能は維持される。開口部の空間に進入する水や湿気から圧電素子は隔離される。圧電素子は水や湿気から確実に保護されることができる。
（２）前記基体は前記開口部を複数有し、前記第１層は隣接する前記開口部の間で連続してもよい。第１層は途切れずに連続することから、確実に圧電素子は水や湿気から保護される。
（３）前記振動膜は、前記第１層および前記第２層より前記開口部側に設けられ、かつ、前記基体の材質のエッチングレートと相違するエッチングレートを有する第３層を含んでもよい。開口部の形成にあたって基体にはエッチング処理が実施される。基体と第３層とでエッチングレートは相違することから、第３層はエッチングストップ層として機能する。こうして特定の厚みの振動膜は確実に確保される。
（４）前記第２層は酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）を含んで形成されることができる。酸化ジルコニウムは少なくとも窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）や炭化シリコン（ＳｉＣ）、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）に比べて高い靱性を有する。
（５）前記第１層はアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）および酸化ハフニウム（ＨｆＯｘ）の少なくともいずれかを含んで形成されることができる。アルミナ、酸化タンタルおよび酸化ハフニウムは少なくとも酸化シリコン（ＳｉＯ２）に比べて小さい透水性を有する。
（６）前記第３層は酸化シリコン（ＳｉＯ２）を含んで形成されることができる。例えば基体はシリコンから形成されることができ、その場合には、酸化シリコンは特定のエッチング液に対してシリコンのエッチングレートと相違する（遅い）エッチングレートを有する。
（７）前記第２層はＺｒＯ２から形成され、前記第１層はＡｌ２Ｏ３から形成され、前記第１層は前記第２層および前記第３層の間に挟まれる位置に形成されることができる。Ａｌ２Ｏ３の働きでＺｒＯ２の振動膜はＳｉＯ２の保護膜に確実に密着する。
（８）超音波デバイスは圧電デバイスを含むことができる。こうして圧電デバイスは超音波デバイスに利用されることができる。
（９）超音波デバイスはプローブに組み込まれて利用されることができる。このとき、プローブは、超音波デバイスと、前記超音波デバイスを支持する筐体とを備えればよい。
（１０）超音波デバイスは電子機器に組み込まれて利用されることができる。このとき、電子機器は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスに接続されて、前記超音波デバイスの出力を処理する処理装置とを備えればよい。
（１１）超音波デバイスは超音波画像装置に組み込まれて利用されることができる。このとき、超音波画像装置は、超音波デバイスと、前記超音波デバイスの出力から生成される画像を表示する表示装置とを備えればよい。
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。なお、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全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
（１）超音波診断装置の全体構成
図１は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理部）１２と超音波プローブ（プローブ）１３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（表示装置）１５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、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１は本発明の一実施形態に係る電子機器の一具体例すなわち超音波診断装置（超音波画像装置）１１の構成を概略的に示す。超音波診断装置１１は装置端末（処理部）１２と超音波プローブ（プローブ）１３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（表示装置）１５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、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。
超音波プローブ１３は筐体１６を有する。筐体１６には超音波デバイスユニットＤＶが嵌め込まれる。超音波デバイスユニットＤＶは超音波デバイス（圧電デバイス）１７を備える。超音波デバイス１７は音響レンズ１８を備える。音響レンズ１８の外表面には部分円筒面１８ａが形成される。部分円筒面１８ａは平板部１８ｂで囲まれる。平板部１８ｂの外周は全周で途切れなく筐体１６に結合される。こうして平板部１８ｂは筐体の一部として機能する。音響レンズ１８は例えばシリコーン樹脂から形成される。音響レンズ１８は生体の音響インピーダンスに近い音響インピーダンスを有する。超音波デバイス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。
（２）第１実施形態に係る超音波デバイスの構成
図２は超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体（デバイス基板）２１を備える。基体２１の表面（第１面）には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２はアレイ状に配置された薄膜型超音波トランスデューサー素子（以下「素子」という）２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。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素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列およ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。
図２は超音波デバイス１７の平面図を概略的に示す。超音波デバイス１７は基体（デバイス基板）２１を備える。基体２１の表面（第１面）には素子アレイ２２が形成される。素子アレイ２２はアレイ状に配置された薄膜型超音波トランスデューサー素子（以下「素子」という）２３の配列で構成される。配列は複数行複数列のマトリクスで形成される。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素子２３群は奇数列の素子２３群に対して行ピッチの２分の１でずらされればよい。奇数列およ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。
個々の素子２３は振動膜２４を備える。図２では振動膜２４の膜面に直交する方向の平面視（基板の厚み方向からの平面視）で振動膜２４の輪郭が点線で描かれる。振動膜２４上には圧電素子２５が形成される。圧電素子２５は上電極２６、下電極２７および圧電体膜２８で構成される。個々の素子２３ごとに上電極２６および下電極２７の間に圧電体膜２８が挟まれる。これらは下電極２７、圧電体膜２８および上電極２６の順番で重ねられる。超音波デバイス１７は１枚の超音波トランスデューサー素子チップ（基板）として構成される。
基体２１の表面には複数本の第１導電体２９が形成される。第１導電体２９は配列の行方向に相互に平行に延びる。１行の素子２３ごとに１本の第１導電体２９が割り当てられる。１本の第１導電体２９は配列の行方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に接続される。第１導電体２９は個々の素子２３ごとに上電極２６を形成する。第１導電体２９の両端は１対の引き出し配線３１にそれぞれ接続される。引き出し配線３１は配列の列方向に相互に平行に延びる。したがって、全ての第１導電体２９は同一長さを有する。こうしてマトリクス全体の素子２３に共通に上電極２６は接続される。第１導電体２９は例えばイリジウム（Ｉｒ）で形成されることができる。ただし、第１導電体２９にはその他の導電材が利用されてもよい。
基体２１の表面には複数本の第２導電体３２が形成される。第２導電体３２は配列の列方向に相互に平行に延びる。１列の素子２３ごとに１本の第２導電体３２が割り当てられる。１本の第２導電体３２は配列の列方向に並ぶ素子２３の圧電体膜２８に共通に配置される。第２導電体３２は個々の素子２３ごとに下電極２７を形成する。第２導電体３２には例えばチタン（Ｔｉ）、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）およびチタン（Ｔｉ）の積層膜が用いられることができる。ただし、第２導電体３２にはその他の導電材が利用されてもよい。
列ごとに素子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リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。１列の素子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。上電極２６および下電極２７の役割は入れ替えられてもよい。すなわち、マトリクス全体の素子２３に共通に下電極が接続される一方で、配列の列ごとに共通に素子２３に上電極が接続されてもよい。
基体２１の輪郭は、相互に平行な１対の直線で仕切られて対向する第１辺２１ａおよび第２辺２１ｂを有する。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３３ａが配置される。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３３ｂが配置される。第１端子アレイ３３ａ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３３ｂ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３３ａは１対の上電極端子３４および複数の下電極端子３５で構成される。同様に、第２端子アレイ３３ｂは１対の上電極端子３６および複数の下電極端子３７で構成される。１本の引き出し配線３１の両端にそれぞれ上電極端子３４、３６は接続される。引き出し配線３１および上電極端子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。１本の第２導電体３２の両端にそれぞれ下電極端子３５、３７は接続される。第２導電体３２および下電極端子３５、３７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、基体２１の輪郭は矩形に形成される。基体２１の輪郭は正方形であってもよく台形であってもよい。
基体２１には第１フレキシブルプリント配線板（以下「第１配線板」という）３８が連結される。第１配線板３８は第１端子アレイ３３ａに覆い被さる。第１配線板３８の一端には上電極端子３４および下電極端子３５に個別に対応して導電線すなわち第１信号線３９が形成される。第１信号線３９は上電極端子３４および下電極端子３５に個別に向き合わせられ個別に接合される。同様に、基体２１には第２フレキシブルプリント配線板（以下「第２配線板」という）４１が覆い被さる。第２配線板４１は第２端子アレイ３３ｂに覆い被さる。第２配線板４１の一端には上電極端子３６および下電極端子３７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は上電極端子３６および下電極端子３７に個別に向き合わせられ個別に接合される。
図３に示されるように、基体２１はデバイス基板４４および被覆膜４５を備える。デバイス基板４４の表面に被覆膜４５が一面に形成される。デバイス基板４４は例えばシリコン（Ｓｉ）から形成される。デバイス基板４４には個々の素子２３ごとに開口部４６が形成される。開口部４６はデバイス基板４４に対してアレイ状に配置される。開口部４６が配置される領域の輪郭は素子アレイ２２の輪郭に相当する。
隣接する２つの開口部４６の間には仕切り壁４７が区画される。隣接する開口部４６は仕切り壁４７で仕切られる。仕切り壁４７の壁厚みは開口部４６の間隔に相当する。仕切り壁４７は相互に平行に広がる平面内に２つの壁面を規定する。壁厚みは２つの壁面の距離に相当する。すなわち、壁厚みは壁面に直交して壁面の間に挟まれる垂線の長さで規定されることができる。
被覆膜４５は耐湿層（第１層）４８、剛性膜（第２層）４９、および保護膜（第３層）５１を備える。被覆膜４５は開口部４６の輪郭に対応して振動膜２４を形成する。振動膜２４は、被覆膜４５のうち、開口部４６に臨むことからデバイス基板４４の厚み方向に膜振動することができる部分をいう。耐湿層４８は、少なくとも酸化シリコンに比べて小さい透水性を有する材料で形成される。耐湿層４８は、開口部４６内の空間から物理的に圧電素子２５を隔離する。耐湿層４８は、隣接する開口部４６の間で連続する。ここでは、耐湿層４８にはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が用いられる。耐湿層４８は、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘおよびＨｆＯｘの少なくともいずれかを主成分とするものが好ましい。さらに高い耐湿性のためには、Ａｌ２Ｏ３、ＴａＯｘおよびＨｆＯｘの少なくともいずれかのみから形成されることが好ましい。
耐湿層４８には、圧電素子２５を受ける面に剛性膜４９が密着する。耐湿層４８は剛性膜４９全面にわたって途切れなく満遍なく広がる。剛性膜４９は、耐湿層４８を形成する材料よりも大きな靱性値を有する材料から形成される。靱性値は例えばＪＩＳ Ｒ１６０７−１９９０記載のＩＦ法に準じてＫＩＣの値として測定されることができる。剛性膜４９は、少なくとも酸化シリコン（ＳｉＯ２）、炭化シリコン（ＳｉＣ）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）およびアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）よりも大きな靱性値を有する。こうした強い靱性を有する材料には例えば酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、または、Ｙ（イットリウム）やＣａ（カルシウム）を含んだ安定化ジルコニアを主成分とするものが好ましい。さらに高い靱性値のためにはＺｒＯ２または安定化ジルコニアのみから形成されることがより好ましい。剛性膜４９の膜厚は振動膜２４の共振周波数に基づき決定されることができる。
耐湿層４８には、剛性膜４９に密着する面の反対側の面に保護膜５１が密着する。保護膜５１は開口部４６を塞ぐ。剛性膜４９および耐湿層４８は保護膜５１に支持される。保護膜５１は、特定のエッチング液に対してデバイス基板４４の材質のエッチングレートと相違するエッチングレートを有する材料から形成される。ここでは、保護膜５１には例えば酸化シリコン（ＳｉＯ２）を主成分とするものが好ましい。さらにエッチングレートの安定化のためにはＳｉＯ２のみから形成されることが望ましい。アルミナの耐湿層４８は保護膜５１および剛性膜４９の間に挟まれる。アルミナの働きで酸化ジルコニウムの剛性膜４９は酸化シリコンの保護膜５１に確実に密着する。剛性膜４９および保護膜５１は一体化する。
振動膜２４の表面に第１導電体２９、圧電体膜２８および第２導電体３２が順番に積層される。圧電体膜２８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。圧電体膜２８にはその他の圧電材料が用いられてもよい。圧電体膜２８は下電極２７の少なくとも一部および振動膜２４の一部を覆う。上電極２６は圧電体膜２８の少なくとも一部を覆う。ここでは、第２導電体３２の下で圧電体膜２８は完全に第１導電体２９の表面を覆う。圧電体膜２８の働きで第１導電体２９と第２導電体３２との間で短絡は回避されることができる。
デバイス基板４４の表面では被覆膜４５上にバッキング材５３が取り付けられる。バッキング材５３は被覆膜４５の表面との間に空間を形成する。空間内に圧電素子２５が配置される。バッキング材５３は壁材５４で被覆膜４５の表面に支持される。壁材５４はバッキング材５３と被覆膜４５の表面との間で間隔を維持する。壁材５４は開口部４６の輪郭の外側でデバイス基板４４に支持される。
デバイス基板４４では表面の裏側の裏面に音響整合層５５が積層される。音響整合層５５はデバイス基板４４の裏面に被さると同時に開口部４６内に配置される。音響整合層５５は開口部４６内で振動膜２４に接する。音響整合層５５は振動膜２４に隙間なく密着する。音響整合層５５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。仕切り壁４７の音響インピーダンスは音響整合層５５の音響インピーダンスよりも大きい。
音響整合層５５上には音響レンズ１８が積層される。音響レンズ１８は音響整合層５５の表面に隙間なく密着する。音響レンズ１８の部分円筒面１８ａは第２導電体３２に平行な母線を有する。部分円筒面１８ａの曲率は、１筋の第２導電体３２に接続される１列の素子２３から発信される超音波の焦点位置に応じて決定される。
（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。超音波の送信にあたって圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。振動膜２４の超音波振動は音響整合層５５中を伝搬する。超音波振動は音響整合層５５から音響レンズ１８に伝わって音響レンズ１８から発信される。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ビームは発せられる。
次に超音波診断装置１１の動作を簡単に説明する。超音波の送信にあたって圧電素子２５にはパルス信号が供給される。パルス信号は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６を通じて列ごとに素子２３に供給される。個々の素子２３では下電極２７および上電極２６の間で圧電体膜２８に電界が作用する。圧電体膜２８は超音波で振動する。圧電体膜２８の振動は振動膜２４に伝わる。こうして振動膜２４は超音波振動する。振動膜２４の超音波振動は音響整合層５５中を伝搬する。超音波振動は音響整合層５５から音響レンズ１８に伝わって音響レンズ１８から発信される。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ビームは発せられる。
超音波の反射波は音響レンズ１８および音響整合層５５を伝搬して振動膜２４を振動させる。振動膜２４の超音波振動は所望の周波数で圧電体膜２８を超音波振動させる。圧電素子２５の圧電効果に応じて圧電素子２５から電圧が出力される。個々の素子２３では上電極２６と下電極２７との間で電位が生成される。電位は下電極端子３５、３７および上電極端子３４、３６から電気信号として出力される。こうして超音波は検出される。
超音波の送信および受信は繰り返される。その結果、リニアスキャンやセクタースキャンは実現される。スキャンが完了すると、出力信号のデジタル信号に基づき画像が形成される。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。
一般に、超音波画像の形成にあたって超音波プローブ１３は被検体に押し当てられる。このとき、被検体と音響レンズ１８との間には流動性の音響結合材が介在する。音響結合材には例えば水が利用されることができる。音響結合材の働きで被検体と音響レンズ１８との間で音響整合が確立され、界面での超音波の反射は防止されることができる。
超音波の送信にあたって振動膜２４は超音波振動する。振動時、振動膜２４は変形する。振動膜２４の剛性膜４９は強い靱性を有することから、振動時に変形に曝されても剛性膜４９の表面で欠損や亀裂の発生は防止される。こうした剛性膜４９の表面に耐湿層４８は密着することから、耐湿層４８の連続性は維持される。こうして振動膜２４の表面では耐湿性能は維持される。開口部４６の空間に進入する水や湿気から圧電素子２５は隔離される。圧電素子２５は水や湿気から確実に保護されることができる。
このとき、開口部４６は保護膜５１で塞がれる。開口部４６の縁に沿ってデバイス基板４４と耐湿層４８との間には保護膜５１が介在する。保護膜５１に水や湿気は染み込む。ここでは、耐湿層４８は途切れずに連続することから、水や湿気の染み込みは確実に耐湿層４８で遮断される。耐湿層４８を回り込んで圧電素子２５に到達するといった事態は確実に回避される。こうして確実に圧電素子２５は水や湿気から保護される。
後述されるように、開口部４６の形成にあたってデバイス基板４４にはエッチング処理が実施される。デバイス基板４４と保護膜５１とでエッチングレートは相違することから、保護膜５１はエッチングストップ層として機能する。こうして特定の厚みの振動膜２４は確実に確保される。
（４）超音波デバイスの製造方法
次に、超音波デバイス１７の製造方法を簡単に説明する。図４に示されるように、基板６１が用意される。基板６１は例えばシリコンから形成される。基板６１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。酸化膜の膜厚は例えば４００ｎｍ程度に設定される。基板６１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化膜は均一な膜厚を有する。こうして基板６１からデバイス基板４４および保護膜５１が形成される。
次に、超音波デバイス１７の製造方法を簡単に説明する。図４に示されるように、基板６１が用意される。基板６１は例えばシリコンから形成される。基板６１の表面には例えば熱処理が施され酸化膜が形成される。酸化膜の膜厚は例えば４００ｎｍ程度に設定される。基板６１のシリコンは酸化されて酸化シリコンを形成する。酸化膜は均一な膜厚を有する。こうして基板６１からデバイス基板４４および保護膜５１が形成される。
保護膜５１の表面には一面にアルミナ層が形成される。アルミナ層の形成にあたってＡＬＣＶＤ法（原子層化学気相成長法）が用いられる。アルミナ層の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定される。こうして保護膜５１の表面には耐湿層４８が形成される。
続いてアルミナ層の表面には酸化ジルコニウム層が形成される。形成にあたってアルミナ層の表面にジルコニウム膜が形成される。成膜にあたってスパッタリング法が用いられる。ジルコニウム膜の膜厚は例えば８００ｎｍ程度に設定される。成膜時の温度が室温かそれよりも低温に設定されると、ジルコニウム膜の結晶粒は微細化する。ジルコニウム膜に酸化処理が施される。酸化処理には空気中でＲＴＡ法（高速昇温熱処理焼成法）およびファーネスアニール法が用いられる。ＲＴＡ法では摂氏９００度で１０秒間の酸化処理が実施される。その後、ファーネスアニール法では摂氏８５０度で１時間の酸化処理が実施される。その結果、膜厚１２００ｎｍの酸化ジルコニウム膜が得られる。こうして剛性膜４９は形成される。
その後、剛性膜４９の表面には圧電素子２５が形成される。例えば、酸化ジルコニウム膜の表面に一面に導電材の素材層が形成される。形成にあたって例えばスパッタリングが用いられる。素材層は均一な膜厚に形成される。素材層の表面にフォトレジストのパターンが形成される。パターンは第１導電体２９の形状を象る。素材層の表面からエッチング処理が施される。その結果、素材層から第１導電体２９が形成される。同様に、剛性膜４９の表面には圧電体膜２８および上電極２６（第２導電体３２）が形成される。
こうして圧電素子２５のほか、第１導電体２９、第２導電体３２、上電極端子３４、３６および下電極端子３５、３７が形成されると、図５に示されるように、デバイス基板４４には基板６１の裏面６１ｂから開口部４６が形成される。形成にあたってデバイス基板４４は裏面からエッチング処理に曝される。基板６１の裏面６１ｂにはフォトレジスト６３のパターンが形成される。パターンは開口部４６の輪郭を象る。エッチング処理に応じてフォトレジスト６３の外側で基板６１の裏面６１ｂが彫り込まれる。このとき、その結果、エッチングは保護膜５１で停止する。剛性膜４９および耐湿層４８は保護膜５１の介在でエッチング液から隔離される。デバイス基板４４に開口部４６が形成される。振動膜２４が確立される。
その後、図６に示されるように、開口部４６には音響整合層５５の素材６４の流動体が流し込まれる。素材６４は流動性を有することから、素材６４は開口部４６内の空間を満たす。素材６４は保護膜５１に満遍なく接触する。ここでは、素材６４の流動体は基板６１の裏面６１ｂに一様に広がる。基板６１の裏面６１ｂで一面に素材６４の平らな表面が広がる。
図７に示されるように、流し込まれた素材６４の流動体に音響レンズ１８が被せられる。素材６４は流動性を有することから、素材６４は音響レンズ１８に満遍なく接触する。その後、流動体には硬化処理が施される。流動体の硬化に応じて音響整合層５５が確立される。音響レンズ１８は音響整合層５５に接着される。音響整合層５５は確実に振動膜２４および音響レンズ１８に密着する。密着に応じて確実な超音波の伝搬が確立される。
その後、デバイス基板４４には第１配線板３８および第２配線板４１が接合される。第１配線板３８および第２配線板４１が実装されると、基板６１の表面にバッキング材５３が接合される。こうして超音波デバイス１７は製造される。
圧電体膜２８は部分的に剛性膜４９に接触する。剛性膜４９は酸化シリコンの保護膜５１から圧電体膜２８を隔てる。酸化ジルコニウムは不動態化されることから、圧電体膜２８中の鉛は酸化シリコンの保護膜５１に向かって拡散することはない。仮に圧電体膜２８のＰＺＴが直接に酸化シリコンの保護膜５１に接触すると、ＰＺＴ中の鉛は簡単にシリコンに反応することから、鉛は保護膜５１に向かって拡散してしまい、その結果、ＰＺＴが割れてしまう。
図８は酸化ジルコニウム膜、アルミナ層および酸化シリコン膜の積層体の電子顕微鏡写真を示す。積層体の層構造は剛性膜４９、耐湿層４８および保護膜５１に相当する。積層体は前述の剛性膜４９、耐湿層４８および保護膜５１の製造と同様に形成された。電子顕微鏡写真の撮像にあたって積層体は膜面に垂直な断面で切断された。剛性膜４９は保護膜５１に隙間なく密着することが見て取れる。
図９は比較例に係る酸化ジルコニウム膜および酸化シリコン膜の電子顕微鏡写真を示す。耐湿層４８の省略を除き、前述と同様に、酸化シリコン膜の表面にジルコニウム膜が形成された後、ジルコニウム膜にＲＴＡ法およびファーネスアニール法によって酸化処理が施された。図９から明らかなように、比較例では、酸化ジルコニウム膜および酸化シリコン膜の間にところどころ間隙が観察された。アルミナ層の形成なしで酸化シリコン膜上に直接に酸化ジルコニウム膜が形成されると、酸化ジルコニウム膜の密着性が低下することが確認された。
本発明者は酸化ジルコニウム膜の密着力を評価した。評価にあたって、前述と同様に、酸化ジルコニウム膜、アルミナ層および酸化シリコン膜の積層体が用意された。スクラッチ試験機で酸化ジルコニウム膜の剥がれが観察された。初期状態と高温高湿試験後とで剥がれは観察された。評価にあたって前述と同様に比較例が用意された。比較例では酸化シリコン膜の表面に直接に酸化ジルコニウム膜が形成された。観察の結果、図１０に示されるように、アルミナ層の介在に応じて酸化ジルコニウム膜の密着力は高まることが確認された。しかも、比較例では高温高湿環境によって密着力が半分以下に低下するものの、本実施形態では高温高湿環境の影響に拘わらず密着力は維持されることが判明した。
（５）第２実施形態に係る超音波デバイスの構成
図１１は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの構成を概略的に示す。第２実施形態では、デバイス基板４４の開口部４６に対応して保護膜５１に開口部が形成される。開口部はデバイス基板４４の開口部に連続する。保護膜５１は開口部４６同士の間でデバイス基板４４の表面を覆うものの、開口部４６は耐湿層４８で塞がれる。開口部４６の輪郭の内側では耐湿層４８は直接に音響整合層５５に接触する。その他の構造は前述の第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様である。
図１１は第２実施形態に係る超音波デバイス１７ａの構成を概略的に示す。第２実施形態では、デバイス基板４４の開口部４６に対応して保護膜５１に開口部が形成される。開口部はデバイス基板４４の開口部に連続する。保護膜５１は開口部４６同士の間でデバイス基板４４の表面を覆うものの、開口部４６は耐湿層４８で塞がれる。開口部４６の輪郭の内側では耐湿層４８は直接に音響整合層５５に接触する。その他の構造は前述の第１実施形態に係る超音波デバイス１７と同様である。
超音波デバイス１７ａの製造にあたって、前述と同様に、基板６１の表面には保護膜５１、耐湿層４８および剛性膜４９が積層される。剛性膜４９の表面には圧電素子２５や第１導電体２９、第２導電体３２、上電極端子３４、３６、下電極端子３５、３７が形成される。デバイス基板４４には基板６１の裏面６１ｂから開口部４６が形成される。エッチングは保護膜５１で停止する。その後、再び酸化シリコンの保護膜５１に対してエッチング処理が実施される。こうしてデバイス基板４４の開口部４６に連続する開口部が保護膜５１に形成される。
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、超音波診断装置１１やディスプレイパネル１５、超音波デバイス１７、１７ａ、素子２３等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。その他、剛性膜４９、圧電素子２５および耐湿層４８（や保護膜５１）の構成は、加速度センサー、ジャイロセンサー、インクジェットプリンターヘッド、振動発電素子といったＭＥＭＳデバイスに応用されることができる。
１１ 電子機器としての超音波画像装置（超音波診断装置）、１２ 処理部（装置端末）、１３ プローブ（超音波プローブ）、１５ 表示装置（ディスプレイパネル）、１６ 筐体、１７ 圧電デバイス（超音波デバイス）、２１ 基体、２５ 圧電素子、４６ 開口部、４８ 第１層（耐湿層）、４９ 第２層（剛性膜）、５１ 第２層（保護膜）。
Claims (6)
- 開口部を有する基体と、
前記開口部を閉塞する振動膜と、
前記開口部に配置される音響整合層と、
前記振動膜に支持される圧電素子と、を備え、
前記振動膜は、酸化シリコンに比べて小さい透水性を有する材料で形成される第１層と、前記第１層に密着して形成され、前記第１層を形成する材料よりも大きな靱性値を有する第２層と、
を含み、前記第１層は前記第２層よりも前記基体側に設けられることを特徴とする圧電デバイス。 - 請求項１に記載の圧電デバイスにおいて、前記基体は前記開口部を複数有し、前記第１層は隣接する前記開口部の間で連続することを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項１または２に記載の圧電デバイスにおいて、前記振動膜は、前記第１層および前記第２層より前記開口部側に設けられ、かつ、前記基体の材質のエッチングレートと相違するエッチングレートを有する第３層を含むことを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第２層はＺｒＯ２を含んで形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項１〜４のいずれか１項に記載の圧電デバイスにおいて、前記第１層はＡｌ２Ｏ３、ＴａＯｘおよびＨｆＯｘの少なくともいずれかを含んで形成されることを特徴とする圧電デバイス。
- 請求項３に記載の圧電デバイスにおいて、前記第３層はＳｉＯ２を含んで形成されることを特徴とする圧電デバイス。
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