特開 2019-169511 超音波振動子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2019-169511(P2019-169511A)

(43)【公開日】2019年10月3日

(54)【発明の名称】超音波振動子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 41/332 20130101AFI20190906BHJP

   H04R 31/00 20060101ALI20190906BHJP

   H01L 41/338 20130101ALI20190906BHJP

【ＦＩ】

   H01L41/332

   H04R31/00 330

   H01L41/338

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2018-54172(P2018-54172)

(22)【出願日】2018年3月22日

(71)【出願人】

【識別番号】000191238

【氏名又は名称】新日本無線株式会社

(72)【発明者】

【氏名】竹内 治

(72)【発明者】

【氏名】桝本 尚己

(72)【発明者】

【氏名】口地 博行

(72)【発明者】

【氏名】菊池 利克

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019BB17

5D019FF04

5D019HH01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】高い周波数の超音波を放射することができる超音波振動子を安定的に製造する方法を提供する。
【解決手段】圧電基板１０の一部を周縁部として残すことによって機械的強度を保ち、周縁部に囲まれた領域を所望の厚さに薄膜化し、個片化することで超音波振動子１を形成する。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

圧電基板から超音波振動子を形成する製造方法において、
前記圧電基板の一方の表面に、該圧電基板の周縁部を被覆し、該周縁部に囲まれた前記一方の表面の一部を露出するマスク材を形成する工程と、
前記圧電基板の露出する一方の表面の一部を除去し、前記圧電基板を所望の厚さとする圧電基板の薄膜化工程と、
薄膜化された前記圧電基板の前記一方の表面と他方の表面に、それぞれ電極膜を形成する工程と、
前記電極膜が形成された前記圧電基板を個片化し、前記所望の厚さの超音波振動子を形成する工程と、を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【請求項2】

圧電基板から超音波振動子を形成する製造方法において、
前記圧電基板の一方の表面の周縁部と当接する当接部と、該当接部と共に前記圧電基板を収容する収容部と、前記当接部に囲まれた前記圧電基板の一方の表面の一部を露出する開口部とを備えた治具を用意する工程と、
前記圧電基板の前記一方の表面の周縁部を前記当接部に当接して前記圧電基板を前記収容部に収容し、前記圧電基板の前記一方の表面の一部を前記開口部から露出させる工程と、
前記開口部内に露出する前記圧電基板の前記露出する一方の表面の一部を除去し、前記圧電基板を所望の厚さとする圧電基板の薄膜化工程と、
薄膜化された前記圧電基板の前記一方の表面と他方の表面に、ぞれぞれ電極膜を形成する工程と、
前記電極膜が形成された前記圧電基板を個片化し、前記所望の厚さの超音波振動子を形成する工程と、を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【請求項3】

請求項１または２いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、
前記薄膜化された前記圧電基板の一方の表面あるいは前記他方の表面の電極膜上に、音響整合膜あるいは背面負荷材のいずれか、あるいは両方を形成した後、個片化することを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【請求項4】

請求項１または２いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、
前記前記薄膜化された圧電基板の一方の表面あるいは前記他方の表面に、それぞれの電極の引出電極を形成する工程を含むことを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【請求項5】

請求項４記載の超音波振動子の製造方法において、
前記電極の引出電極を除く表面に、前記音響整合膜あるいは前記背面負荷材のいずれかを形成した後、個片化することを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【請求項6】

請求項２乃至５いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、
前記個片化前に前記圧電基板から前記治具を分離することを特徴とする超音波振動子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、超音波振動子の製造方法に関し、特に高解像度が求められる高い周波数の超音波の送受信が可能な超音波振動子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

超音波振動子は、医療用超音波診断装置や非破壊の検査機器などの超音波深触子に用いられている。図７に圧電材料を用いた超音波深触子の概略図を示す。一般的に超音波深触子は、超音波を送受信する圧電素子１と、圧電素子１の表面および裏面に形成された電極２ａ、２ｂと、それぞれの電極２ａ、２ｂに接続する電極端子３ａ、３ｂとを備えている。また超音波を効率よく送受信させるため、圧電素子１の表面に音響整合層４が形成されている。一方圧電素子１の裏面側には、裏面側に到達した不要な超音波を減衰させるため背面負荷材５が形成されている。この種の超音波深触子は、特許文献１に記載されている。

【0003】

一方、医療用超音波診断装置では、心臓や腹部などの診断を行う場合には、２．５ＭＨｚ〜５ＭＨｚ程度の超音波が使用され、皮膚に近い領域（甲状腺や乳腺など）の診断を行う場合には、７．５ＭＨｚ〜１２ＭＨｚ程度の超音波が使用されている。しかしこのような比較的低い周波数の超音波では、直径が２０μｍ以下の毛細血管などを確認することはできず、４０ＭＨｚ〜２００ＭＨｚの超音波を放射する超音波振動子が求められている（特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０００−１８４４９７号公報

【特許文献2】特開２００８−１０４４９７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

圧電素子を用いた超音波振動子において送受信される超音波の周波数は、圧電素子の厚さによって決まり、高い周波数の超音波を送受信するためには図７に示す圧電素子１の厚さを薄くする必要がある。一例として８０ＭＨｚの超音波を放射させるためには、一般的な圧電材料であるＰＺＴで、圧電素子１の厚さを２０μｍ程度とする必要がある。さらに高い周波数の超音波を送受信するためにはさらに圧電素子１の厚さを薄くする必要がある。

【0006】

一般的に圧電素子１は、圧電基板上に複数個の圧電素子１を一括して形成し、個片化して個々の圧電素子に分離することで効率よく製造することができる。しかし圧電基板の厚さが３０μｍ以下程度となると、強度不足から圧電基板にクラックや割れなどが生じてしまい安定的に圧電素子を製造することが困難となる。本発明はこのような問題点を解消し、高い周波数の超音波を放射することができる超音波振動子を安定的に製造することができる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】

上記目的を達成するため本願請求項１に係る発明は、圧電基板から超音波振動子を形成する製造方法において、前記圧電基板の一方の表面に、該圧電基板の周縁部を被覆し、該周縁部に囲まれた前記一方の表面の一部を露出するマスク材を形成する工程と、前記圧電基板の露出する一方の表面の一部を除去し、前記圧電基板を所望の厚さとする圧電基板の薄膜化工程と、薄膜化された前記圧電基板の前記一方の表面と他方の表面に、それぞれ電極膜を形成する工程と、前記電極膜が形成された前記圧電基板を個片化し、前記所望の厚さの超音波振動子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

【0008】

本願請求項２に係る発明は、圧電基板から超音波振動子を形成する製造方法において、前記圧電基板の一方の表面の周縁部と当接する当接部と、該当接部と共に前記圧電基板を収容する収容部と、前記当接部に囲まれた前記圧電基板の一方の表面の一部を露出する開口部とを備えた治具を用意する工程と、前記圧電基板の前記一方の表面の周縁部を前記当接部に当接して前記圧電基板を前記収容部に収容し、前記圧電基板の前記一方の表面の一部を前記開口部から露出させる工程と、前記開口部内に露出する前記圧電基板の前記露出する一方の表面の一部を除去し、前記圧電基板を所望の厚さとする圧電基板の薄膜化工程と、薄膜化された前記圧電基板の前記一方の表面と他方の表面に、ぞれぞれ電極膜を形成する工程と、前記電極膜が形成された前記圧電基板を個片化し、前記所望の厚さの超音波振動子を形成する工程と、を含むことを特徴とする。

【0009】

本願請求項３に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、前記薄膜化された前記圧電基板の一方の表面あるいは前記他方の表面の電極膜上に、音響整合膜あるいは背面負荷材のいずれか、あるいは両方を形成した後、個片化することを特徴とする。

【0010】

本願請求項４に係る発明は、請求項１または２いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、前記前記薄膜化された圧電基板の一方の表面あるいは前記他方の表面に、それぞれの電極の引出電極を形成する工程を含むことを特徴とする。

【0011】

本願請求項５に係る発明は、請求項４記載の超音波振動子の製造方法において、前記電極の引出電極を除く表面に、前記音響整合膜あるいは前記背面負荷材のいずれかを形成した後、個片化することを特徴とする。

【0012】

本願請求項６に係る発明は、請求項２乃至５いずれか記載の超音波振動子の製造方法において、前記個片化前に前記圧電基板から前記治具を分離することを特徴とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明の超音波振動子の製造方法は、圧電基板の一部を周縁部として残すことによって機械的強度を保ち、周縁部に囲まれた領域を所望の厚さに薄膜化し、個片化することで超音波振動子を形成する構成としている。このように構成することで、圧電基板を高い周波数の超音波を送受信できるように非常に薄く形成することができる一方、圧電基板に割れ等の不具合を発生させることの無い安定的な製造方法を提案することが可能となる。

【0014】

また、機械的強度を増すために治具を用いることも可能であり、治具の使用により周縁部の歪み等をなくし、さらに安定的が製造方法となる。使用される治具は、薄膜化工程後に圧電基板から分離可能であるが、個片化工程の前で圧電基板から分離するように構成することができ、より安定的な製造方法となる。

【0015】

本発明の超音波振動子の製造方法によれば、個片化前に、圧電基板の表面あるいは裏面に音響整合膜あるいは背面負荷材を形成することも容易となり、音響整合膜あるいは背面負荷材の形成も容易にできるという利点がある。

【0016】

また音響整合膜あるいは背面負荷材を形成する際、圧電素子の両面に形成する電極の引出電極を一方の表面あるいは他方の表面に形成することで、引出電極を音響整合膜あるいは背面負荷材で覆われない位置に形成することも容易となる。引出電極が一方の面に露出するため、医療用超音波診断装置用の深触子を形成する際にも組立が容易であり、さらに小型化を図ることもできるという利点がある。

【図面の簡単な説明】

【0017】

【図1】本発明の第１の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図2】本発明の第１の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図3】本発明の第２の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図4】本発明の第２の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図5】本発明の第３の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図6】本発明の第４の実施例の超音波振動子の製造方法を説明する図である。

【図7】従来の超音波振動子の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0018】

本発明は、例えば高解像度の医療用超音波撮像装置等に用いられる高い周波数の超音波を送受信することができる超音波振動子を製造するため、圧電素子を形成する圧電基板の周縁部を厚い状態として製造することを特徴としている。以下、本発明の実施例について詳細に説明する。

【実施例1】

【0019】

まず、本発明の第１の実施例について説明する。図１は本発明の第１の実施例の超音波振動子の製造方法の説明図である。図１に示すように、例えば円形で厚さ３０〜５０μｍ程度の圧電基板１０を用意し、その周縁部分を覆うようにフォトレジスト１１をパターニングする。円形の圧電基板１０を用いた場合、フォトレジスト１１はドーナツ形状となる（図１ａ）。なお圧電基板１０は、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛等の無機圧電材料に限らず、有機圧電材料やこれらの複合材料であっても良い。

【0020】

その後、フォトレジスト１１をエッチングマスクとして使用し、周縁部によって囲まれた中央部分の圧電基板１０の一部をエッチング除去し凹部１２を形成する（図１ｂ）。このとき凹部１２の深さは、除去されずに残る凹部１２底部の圧電基板１０の厚さが、送受信される超音波信号が所望の周波数となる深さとする。凹部１２を形成するためのエッチングは、使用する圧電基板に応じて、ドライエッチング法あるいはウエットエッチング法を適宜選択すればよい。なおウエットエッチング法を採用する際には、圧電基板１０の側面や裏面側は、不要なエッチングが行われないように予めエッチングマスクで被覆しておく必要がある。

【0021】

フォトレジスト１１を除去すると、圧電基板１０の周縁部１３は厚く、凹部の形成により所望の厚さに薄膜化した圧電素子形成予定領域１４が形成される（図１ｃ）。このような形状とすると、圧電素子形成予定領域１４の厚さが２０μｍ程度であっても、周縁部１３が圧電基板の形状を保持し、周縁部１３をハンドリングして後工程を進めれば、圧電素子形成予定領域１４に割れ等が発生することを防止できる。

【0022】

その後、図２（ａ）に示すように、圧電基板１０の両面に金属膜を積層形成し、圧電素子の電極膜１５を形成する。凹部１２の底部にあたる圧電素子形成予定領域１４の表面は、周縁部１３により大きな段差があるため、微細な加工は難しいため、全面に電極膜１５を形成するのみとするのが好ましい。一方圧電基板１０の裏面は平坦な形状であるので、電極膜１５を積層した後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングすることも可能である。

【0023】

次に個片化のため、圧電基板１０の裏面側をダイシングテープ１６に貼り付ける。その後、ダイシングソー１７を用いて圧電基板１０に格子状の切断溝１８を形成することで、個々の圧電素子に個片化することができる。この格子状の切断溝１８は、周縁部１３にも形成される（図２ｂ）。

【0024】

このように形成された圧電素子１は、圧電基板１０の両面に電極膜１５が積層した形状となり、この圧電基板１０の厚さを、高い周波数の超音波が送受信可能な薄さとすることで超音波振動子となる。本発明の製造方法では、圧電基板１０の一部を周縁部１３として残すことで、薄膜化した圧電基板１０から安定的に超音波振動子を形成することが可能となる。

【実施例2】

【0025】

次に第２の実施例について説明する。上記第１の実施例では、圧電基板１０に厚い周縁部１３を残して製造工程を進める場合について説明した。しかしながら、圧電基板１０が大口径化したり、圧電素子形成予定領域１４をさらに薄膜化する場合には、圧電基板１０が歪み圧電素子形成予定領域１４が破損してしまう場合がある。そこで、第２の実施例では、治具を用いて圧電素子形成予定領域１４の破損を防止する例について説明する。

【0026】

まず、上記第１の実施例同様、例えば円形で厚さ３０〜５０μｍ程度の圧電基板１０を用意する。次に圧電基板１０の表面にフォトレジスト１１を塗布する。上記第１の実施例と異なり、パターニングは行わない。このフォトレジスト１１を接着材として利用し、薄膜化する圧電素子の変形を防止するための治具１９に接着させる。図３（ａ）に示すように治具１９は、圧電素子１０の表面の周縁部に当接する当接部１９ａと、凹形状で内部に圧電基板１０を収容する収容部１９ｂと、当接部１９ａに囲まれた圧電基板１０の表面の一部を露出する開口部１９ｃを備えている。

【0027】

治具１９の開口部１９ｃ内に露出するフォトレジスト１１を露光、現像し（あるいは治具１９をエッチングマスクとして使用し）、開口部１９ｃ内に圧電基板１０の一部を露出させる（図３ｂ）。

【0028】

圧電素子１０を治具１９に貼り付けたまま、治具１９およびフォトレジスト１１をエッチングマスクとして使用し、治具１９の当接部１９ａによって囲まれた中央部分の圧電基板１０の一部をエッチング除去し凹部１２を形成する（図３ｃ）。このとき凹部１２の深さは、除去されずに残る凹部１２底部の厚さが、送受信される超音波信号が所望の周波数となる深さとする。凹部１２を形成するためのエッチングは、使用する圧電基板に応じて、ドライエッチング法によってもウエットエッチング法によってもよい。なおウエットエッチング法を採用する際には、圧電基板１０の側面や裏面側は、不要なエッチングが行われないように予めエッチングマスクで被覆しておく必要がある。当然ながら治具１９がエッチングさたり、治具１９がエッチング液等に接触することで異常なエッチングが生じることがないようにする。

【0029】

ここで、治具１９をフォトレジスト１１と共に除去すると、上記実施例１で説明したように圧電基板１０の周縁部１３は厚く、凹部の形成により所望の厚さに薄膜化した圧電素子形成予定領域１４が形成される（図１ｃ）。以下、第１の実施例同様の製造工程を経ることで圧電素子が形成可能となる。

【0030】

ところで、上記実施例１で説明した場合より凹部１２の底部の厚さを薄くする場合、治具１９を貼り付けた状態で後工程に進むのが好ましい場合がある。その場合には、図３（ｄ）に示すように治具１９が貼り付いた圧電基板１０の両面に金属膜を積層形成し、圧電素子の電極膜１５を形成する。凹部１２の底部にあたる圧電素子形成予定領域１４の表面は、周縁部１３および治具１９により大きな段差があるため、微細な加工は難しいため、全面に電極膜１５を形成するのみとするのが好ましい。治具１９上に積層する電極膜１５もそのままにしておく。一方圧電基板１０の裏面は治具１９が突出せず、圧電基板１０の裏面と治具１９の裏面がほぼ同一平面となるにで、電極膜１５を積層した後、通常のフォトリソグラフ法によりパターニングすることも可能である。

【0031】

次に個片化のため、圧電基板１０の裏面側をダイシングテープ１６に貼り付ける。治具１９が圧電基板１０と共に個片化可能な材料、例えばシリコン基板等からなる場合は治具１９を取り外す必要は無いが、治具１９が金属等で構成される場合には、個片化の前に治具１９を取り外す（図４ｂ）。この治具１９の取り外しは、接着材として使用していたフォトレジスト１１を溶解除去すればよく、治具１９と共に治具１９上に積層した電極膜１５も除去される。

【0032】

個片化は、第１の実施例で説明したように、ダイシングソー１７を用いて圧電基板１０に格子状の切断溝１８を形成することで、個々の圧電素子に個片化することができる（図４ｃ）。

【0033】

このように形成された圧電素子１は、圧電基板１０の両側に電極膜１５が積層した形状となり、この圧電基板１０の厚さは、先に説明した第１の実施例の場合より薄くでき、高い周波数の超音波が送受信可能な薄さとすることで、超音波振動子となる。本発明の製造方法では、圧電基板１０の一部を周縁部１３として残すだけでなく治具１９を貼り付けて残すことで、上記第１の実施例で説明した場合より薄膜化することができ、より高い周波数の超音波を送受信可能な圧電素子を形成することが可能となる。

【実施例3】

【0034】

次に第３の実施例について説明する。医療用超音波診断装置や非破壊の検査機器などの超音波深触子は、図７に示すように超音波を送受信する圧電素子１の表面に音響整合層４が形成されており、さらに裏面には不要な超音波を減衰させる背面負荷材５が形成されている。そこで、個片化の前に音響整合層４、背面負荷材５のいずれか一方あるいは両方を形成した後、個片化してもよい。例えば上記第１の実施例に適用する場合、図２（ａ）に示すように圧電基板１０の表面および裏面に金属膜を積層形成し、圧電素子の電極膜１５を形成した後、凹部１２が形成されている圧電素子１０の表面に音響整合層４を塗布する。また圧電基板１０の裏面に背面負荷材５を塗布する（図５ａ）。その後、音響整合層４および背面負荷材５が形成された圧電基板１０の裏面側をダイシングテープ１６に貼り付け、ダイシングソー１７を用いて圧電基板１０に格子状の切断溝１８を形成することで個々の圧電素子に個片化することができる（図５ｂ）。音響整合層４と背面負荷材５は圧電基板１０の表裏を逆にして形成しても良い。あるいはいずれか一方だけでもよい。

【0035】

圧電基板１０の表面に音響整合層４あるいは背面負荷材５を形成することで、圧電素子形成予定領域１４の強度が増し好ましい。また、圧電基板１０の裏面に音響整合層４あるいは背面負荷材５のいずれかを形成する際、平坦な表面となっているため、パターニングが必要な一方を形成するのが好ましい。

【0036】

音響整合層４あるいは背面負荷材５のいずれか一方を形成する場合は、個片化後の圧電素子を超音波深触子に組み合て後に背面負荷材５あるいは音響整合層４を形成すればよい。

【0037】

同様に上記第２の実施例で説明した治具１９を用いた製造方法についても音響整合層４背面負荷材５の形成を付加することが可能である。

【実施例4】

【0038】

次に第４の実施例について説明する。上記第３の実施例で説明したように、音響整合層４あるいは背面負荷材５を形成した後個片化する方法では、例えば図５（ａ）の音響整合層４のパターニングは難しく、音響整合層４が電極膜１５を覆ってしまい、この電極膜１５と外部へ電極を引き出すための電極端子との接続が難しくなる。そこで、音響接合層４で被覆された電極膜１５を、パターニングが容易な圧電基板１０の反対側に引き出すように形成すれば良い。

【0039】

図６は、先に説明した図５に示す個片化後の圧電素子形成予定領域の一部の拡大図を示している。本実施例では、圧電基板１０の表面に形成された電極膜１５ａが、貫通電極２１によって圧電基板１０の裏面に形成された引出電極２２ａに接続する構成となっている。一方、圧電基板１０の裏面に形成された電極膜１５ｂは、圧電基板１０の裏面に形成された電極膜２２ｂに接続する構成となっている。圧電基板１０の裏面は、平坦な表面であるから、図６に示すように引出電極２２ａ、２２ｂのパターニングは容易である。

【0040】

圧電基板１０の裏面に引出電極２２ａ、２２ｂを形成した後、電極膜１５ａ上に音響整合層４を全面に形成し、電極膜１５ｂ上に背面負荷材５を引出電極２２ａ、２２ｂが露出するように形成する。この背面負荷材５のパターニングも、圧電基板１０の裏面側が平坦な表面であることから一般的な方法で行うことができる。

【0041】

その後、図５で説明したようにダイシングソーを用いて個片化すれば、圧電素子を形成することが可能となる。なお図６では、ダイシングテープ１６、ダイシングソー１７の記載は省略している。

【0042】

図６に示す貫通電極２１を形成する方法は、周知の技術を適用することが可能であるが、例えば、厚い圧電基板１０にドリルを用いて予め貫通孔を形成しておき、その後上記説明のように圧電素子形成予定領域１４を形成するための薄膜化を行うことで、貫通孔を備えた薄い圧電基板を容易に形成することができる。

【0043】

また貫通電極２１の形成方法は、貫通孔に両面から電極膜１５ａ、１５ｂを形成することで導通させる方法や、メッキ法により電極膜１５ａ、１５ｂを形成すると同時に貫通孔内に電極膜を構成する金属を充填させる等、周知の方法により形成することができる。

【0044】

このように一方の面に圧電基板の両面に形成された電極膜に接続する引出電極を形成すると、その後の超音波深触子の組み立て等が容易となる。

【0045】

以上本発明の実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、種々変更可能である。

【符号の説明】

【0046】

１：圧電素子、２ａ、２ｂ：電極、３ａ、３ｂ：電極端子、４：音響接合層、５：背面負荷材、１０：圧電基板、１１：フォトレジスト、１２：凹部、１３：周縁部、１４：圧電素子形成予定領域、１５：電極膜、１６：ダイシングテープ、１７：ダイシングソー、１８：切断溝、１９：治具、２０：収納部、２１：貫通電極、２２ａ、２２ｂ：引出電極

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】