特開 2024-132660 超音波トランスデューサおよびその製造方法

(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】P2024132660

(43)【公開日】2024-10-01

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサおよびその製造方法

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20240920BHJP

   H04R 31/00 20060101ALI20240920BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330K

H04R17/00 332

H04R31/00 330

H04R17/00 330G

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023043518

(22)【出願日】2023-03-17

(71)【出願人】

【識別番号】000204284

【氏名又は名称】太陽誘電株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100087480

【弁理士】

【氏名又は名称】片山 修平

(72)【発明者】

【氏名】土井 壮太

(72)【発明者】

【氏名】荒牧 正明

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019AA08

5D019BB02

5D019BB19

5D019BB21

5D019BB25

5D019EE01

5D019FF01

(57)【要約】

【課題】共振周波数の調整を容易にする超音波トランスデューサを提供する。
【解決手段】超音波トランスデューサは、中間層と、中間層上に設けられた下部電極１２と、下部電極上に設けられた圧電層１４と、圧電層上に設けられた上部電極１６と、中間層の下に接合され、平面視において中間層、下部電極、圧電層および上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体２５と、を備える複数の素子を備え、複数の素子は、第１素子と第２素子とを含み、第１素子の領域における中間層の下面から上部電極の上面までの厚さは、第２素子の領域における中間層の下面から上部電極の上面までの厚さより大きく、第１素子における開口のうち中間層と接する平面形状の最大幅は、第２素子における開口のうち中間層と接する平面形状の最大幅より大きい。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中間層と、
前記中間層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電層と、
前記圧電層上に設けられた上部電極と、
前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体と、
を備える複数の素子を備え、
前記複数の素子は、第１素子と第２素子とを含み、
前記第１素子の前記領域における前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さは、前記第２素子の前記領域における前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さより大きく、前記第１素子における前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅は、前記第２素子における前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅より大きい超音波トランスデューサ。

【請求項2】

前記第１素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も大きく、かつ前記複数の素子のうち前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅が最も大きく、
前記第２素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も小さく、かつ前記複数の素子のうち前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅が最も小さい請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項3】

中間層と、
前記中間層上に設けられた下部電極と、
前記下部電極上に設けられた圧電層と、
前記圧電層上に設けられた上部電極と、
前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体と、
を備える複数の素子を備え、
前記複数の素子は、第１素子と第２素子とを含み、
前記第１素子の前記領域における前記中間層の厚さは、前記第２素子の前記領域における前記中間層の厚さより小さく、前記第１素子の前記領域における前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さは、前記第２素子における前記領域における前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さより大きい超音波トランスデューサ。

【請求項4】

前記第１素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の厚さが最も小さく、かつ前記複数の素子のうち前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も大きく、
前記第２素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の厚さが最も大きく、かつ前記複数の素子のうち前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も小さい請求項３に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項5】

前記複数の素子は、前記支持体と前記中間層とを接合する接合層を備え、
前記支持体は樹脂である請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項6】

前記複数の素子の圧電層は一体に連続して設けられている請求項１から４のいずれか一項に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項7】

中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップと、
前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する下壁部と、前記下壁部と一体に形成され、前記チップを囲むように設けられ、前記チップの高さより高い位置まで延伸する枠体部と、を備え、樹脂からなる支持体と、
を備える超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記枠体部の上面に接合され、前記支持体とで前記チップを封止する蓋部を備える請求項７に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項9】

中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップを準備する工程と、
平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域における、前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極の少なくとも１つの厚さに基づき、前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体の前記開口の幅を決定し、前記決定された幅の前記開口を有する支持体を、平面視において前記開口が前記領域を含むように、前記中間層に接合する工程と、
を備える超音波トランスデューサの製造方法。

【請求項10】

中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップを含むウエハを準備する工程と、
平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域における、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極の少なくとも１つの厚さに基づき、前記中間層の厚さを決定し、前記中間層を薄膜化し前記決定した厚さとする工程と、
開口を有する支持体を、平面視において前記開口が前記領域を含むように、前記中間層に接合する工程と、
を備える超音波トランスデューサの製造方法。

【請求項11】

中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、平面視において前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を有する素子が、マトリックス状に配列されたウエハを用意し、
前記ウエハの状態において、前記中間層を薄くし、
前記ウエハの状態において、薄くした前記中間層に、前記領域に対応する部分に開口を有する樹脂からなる支持体を設け、
前記ウエハを個片化する超音波トランスデューサの製造方法。

【請求項12】

中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、平面視において前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を有する素子が、マトリックス状に配列されたウエハを用意し、
前記ウエハの状態において、前記中間層を薄くし、
前記ウエハを個片化し、
前記ウエハを個片化した後に、前記中間層に、前記領域に対応する部分に開口を有する樹脂からなる支持体を設ける超音波トランスデューサの製造方法。

【請求項13】

前記支持体は、３Ｄプリンタを用い形成する請求項１１または請求項１２に記載の超音波トランスデューサの製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、超音波トランスデューサおよびその製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

測距センサや指紋センサ等に応用可能なデバイスとして、圧電体を用いた圧電型マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｐＭＵＴ：Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer）が知られている。複数のｐＭＵＴ素子をアレイ状に配置した超音波トランスデューサが知られている（例えば特許文献１および２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００５－５１６８５号公報

【特許文献2】米国特許公開第２０２０／０３３８５９２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数のｐＭＵＴを用いる超音波トランスデューサでは、複数のｐＭＵＴの共振周波数を調整することがある。例えば、複数のｐＭＵＴの共振周波数がほぼ同じとなるように、共振周波数を調整する。共振周波数の調整の方法として、圧電層を含む振動領域の積層膜の一部を除去すること、または振動領域の積層膜に付加膜を形成することが考えられる。しかし、積層膜の一部の除去、または付加膜の形成を行うと、製造コストが高くなる。

【0005】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、共振周波数の調整を容易にすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体と、を備える複数の素子を備え、前記複数の素子は、第１素子と第２素子とを含み、前記第１素子の前記領域における前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さは、前記第２素子の前記領域における前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さより大きく、前記第１素子における前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅は、前記第２素子における前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅より大きい超音波トランスデューサである。

【0007】

上記構成において、前記第１素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も大きく、かつ前記複数の素子のうち前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅が最も大きく、前記第２素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も小さく、かつ前記複数の素子のうち前記開口のうち前記中間層と接する平面形状の最大幅が最も小さい構成とすることができる。

【0008】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体と、を備える複数の素子を備え、前記複数の素子は、第１素子と第２素子とを含み、前記第１素子の前記領域における前記中間層の厚さは、前記第２素子の前記領域における前記中間層の厚さより小さく、前記第１素子の前記領域における前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さは、前記第２素子における前記領域における前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さより大きい超音波トランスデューサである。

【0009】

上記構成において、前記第１素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の厚さが最も小さく、かつ前記複数の素子のうち前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も大きく、前記第２素子は、前記複数の素子のうち前記中間層の厚さが最も大きく、かつ前記複数の素子のうち前記下部電極の下面から前記上部電極の上面までの厚さが最も小さい構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記複数の素子は、前記支持体と前記中間層とを接合する接合層を備え、前記支持体は樹脂である構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記複数の素子の圧電層は一体に連続して設けられている構成とすることができる。

【0012】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップと、前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する下壁部と、前記下壁部と一体に形成され、前記チップを囲むように設けられ、前記チップの高さより高い位置まで延伸する枠体部と、を備え、樹脂からなる支持体と、を備える超音波トランスデューサである。

【0013】

上記構成において、前記枠体部の上面に接合され、前記支持体とで前記チップを封止する蓋部を備える構成とすることができる。

【0014】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップを準備する工程と、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域における、前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極の少なくとも１つの厚さに基づき、前記中間層の下に接合され、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を含むように設けられた開口を有する支持体の前記開口の幅を決定し、前記決定された幅の前記開口を有する支持体を、平面視において前記開口が前記領域を含むように、前記中間層に接合する工程と、を備える超音波トランスデューサの製造方法である。

【0015】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備えるチップを含むウエハを準備する工程と、平面視において前記中間層、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域における、前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極の少なくとも１つの厚さに基づき、前記中間層の厚さを決定し、前記中間層を薄膜化し前記決定した厚さとする工程と、開口を有する支持体を、平面視において前記開口が前記領域を含むように、前記中間層に接合する工程と、を備える超音波トランスデューサの製造方法である。

【0016】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、平面視において前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を有する素子が、マトリックス状に配列されたウエハを用意し、前記ウエハの状態において、前記中間層を薄くし、前記ウエハの状態において、薄くした前記中間層に、前記領域に対応する部分に開口を有する樹脂からなる支持体を設け、前記ウエハを個片化する超音波トランスデューサの製造方法である。

【0017】

本発明は、中間層と、前記中間層上に設けられた下部電極と、前記下部電極上に設けられた圧電層と、前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、平面視において前記下部電極、前記圧電層および前記上部電極が重なる領域を有する素子が、マトリックス状に配列されたウエハを用意し、前記ウエハの状態において、前記中間層を薄くし、前記ウエハを個片化し、前記ウエハを個片化した後に、前記中間層に、前記領域に対応する部分に開口を有する樹脂からなる支持体を設ける超音波トランスデューサの製造方法である。

【0018】

上記構成において、前記支持体は、３Ｄプリンタを用い形成する構成とすることができる。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、共振周波数の調整を容易にすることができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１（ａ）は、超音波トランスデューサ内のｐＭＵＴ素子を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図2】図２（ａ）および図２（ｂ）は、ｐＭＵＴ素子の動作を示す断面図である。

【図3】図３は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法おいて、チップを形成するウエハを示す平面図である。

【図4】図４（ａ）は、実施例１におけるＴＥＧの平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図5】図５は、実施例１に係る超音波トランスデューサ製造方法を示すフローチャートである。

【図6】図６（ａ）から図６（ｃ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図7】図７（ａ）から図７（ｃ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図8】図８（ａ）および図８（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図9】図９（ａ）および図９（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図10】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示すフローチャートである。

【図11】図１１は、比較例１に係るｐＭＵＴ素子を示す断面図である。

【図12】図１２は、シユレーションにおける周波数に対するインピーダンスを示す図である。

【図13】図１３は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示すフローチャートである。

【図14】図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図15】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。

【図16】図１６は、実施例２に係る超音波トランスデューサの平面図である。

【図17】図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、それぞれトランスデューサＡおよびＢの周波数に対するインピーダンスを示す模式図、図１７（ｃ）は、トランスデューサＡおよびＢにおいて、距離に対する音圧を示す図である。

【図18】図１８は、実施例２に係る超音波トランスデューサの平面図である。

【図19】図１９（ａ）は、実施例２の変形例２に係る超音波トランスデューサの平面図、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図20】図２０は、実施例２の変形例２における厚さの分布を示す模式図である。

【図21】図２１（ａ）は、実施例３に係る超音波トランスデューサの平面図、図２１（ｂ）は、図２１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【図22】図２２は、実施例３の変形例１に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

以下、図面を参照し実施例について説明する

【実施例0022】

超音波トランスデューサは、複数のｐＭＵＴ素子を備える。まず、ｐＭＵＴ素子について説明する。図１（ａ）は、ｐＭＵＴ素子を示す平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ａ）では、開口２８を破線で示し、上部電極１６をクロスハッチングで示している。各層の積層方向をＺ方向、中間層１０の平面形状の辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。

【0023】

ｐＭＵＴ素子２０は、支持体２５の中央部に、支持体２５を貫通する開口２８が設けられている。この開口２８は、キャビティとも呼ぶ。実施例のｐＭＵＴ素子２０では、支持体２５は、平面形状がほぼ真円である開口２８を有し、開口２８は円筒形状となる。支持体２５の平面形状は例えば矩形である。支持体２５上および開口２８上に、両者を覆って中間層１０が設けられている。中間層１０は、層状であり、中央は開口２８と接し、周囲は支持体２５によって支持されている。中間層１０は、圧電層１４とともに、後述する積層膜１８の一部を構成し、開口２８に対応する領域で、たわみ振動する。

【0024】

中間層１０は、層１０ａと層１０ａ上に設けられた層１０ｂとを備えている。中間層１０上には、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が順に設けられる。圧電層１４は、中間層１０に対応した領域の全域に設けられている。下部電極１２が中間層１０の上面の全面を覆うように設けられている。圧電層１４は、下部電極１２の上面の全面を覆うように設けられている。上部電極１６は、平面視における開口２８の周縁領域の圧電層１４上に設けられておらず、平面視における開口２８の中央領域の圧電層１４を覆うように設けられている。開口２８上において、下部電極１２と上部電極１６とで圧電層１４を挟んで設けられている。

【0025】

下部電極１２と上部電極１６に電圧が印加されたとき、圧電層１４は、逆圧電効果によって、電気的エネルギーが機械的エネルギーに変換され、左右方向の圧縮応力または引張応力が生じる。結果として、開口２８がある領域が上下方向にたわんで振動し、超音波を発生させる。平面視において、開口２８と中間層１０とが重なる領域を振動領域５０とする。中間層１０、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が順に設けられた積層膜１８は、振動領域５０において、たわみ振動する積層膜１８である。振動領域５０のうち、平面視において開口２８、中間層１０、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が重なる領域は領域５２である。支持体２５、中間層１０、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さは、それぞれＴ０、Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３およびＴ４である。中間層１０の下面から上部電極１６の上面までの厚さはＴである。開口２８の幅はＷ１である。なお、開口２８の幅Ｗ１は、開口２８が中間層１０に接する領域の最大幅である。例えば、開口２８の平面形状が円の場合、開口２８の幅Ｗ１は直径に相当する。

【0026】

下部電極１２と上部電極１６のそれぞれに導通し、周辺回路と電気的に接続するパッドの説明をする。下部電極１２に電気的に接続するパッドを形成するため、圧電層１４に孔２２が設けられている。孔２２は、金属材料で埋められるか、孔２２の壁面が金属材料でメッキされる。圧電層１４上に、この金属材料と導通、または一体となってパッド２４ａが設けられている。平面視でみたとき、ｐＭＵＴ素子２０のほぼ中心に、アイランド状にある上部電極１６は、配線１６ａを介し、ｐＭＵＴ素子２０の周囲にあるパッド受け部１６ｂに電気的に接続されている。パッド受け部１６ｂ上にパッド２４ｂが設けられている。パッド２４ａおよび２４ｂは、例えば金であり、ボンディングワイヤが接合され、ｐＭＵＴ素子２０の周辺回路と電気的に接続される。コンタクト孔、パッドおよび配線は、金で形成される。コンタクト孔、パッドおよび配線は、金以外の材料を用いて形成されてもよい。

【0027】

以下に、具体的に、各構成の材料などを説明する。
支持体２５は、例えばＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene- Styrene)樹脂、ＡＳＡ（Acrylate Sthrene Acrylonitrile）樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリカーボネート樹脂である。支持体２５は、熱硬化性または光硬化性を有する樹脂であってもよい。このような樹脂を用いれば、３Ｄ（Dimension）プリンタを用いて成形可能となるため好ましい。接合層２６は、支持体２５を中間層１０に接合する層であり、例えば樹脂の接着剤である。接合層２６の材料としては、例えば、シアノアクリレート、エポキシ樹脂またはアクリル樹脂などが挙げられる。接合層２６は、紙からなるシートを、２つの接着性の樹脂シートで挟んだ３層構造でもよい。この場合、接合層２６として、市販の接着テープを用いることができる。層１０ａは、例えば、シリコン基板、層１０ｂは例えばシリコン酸化膜等の絶縁膜である。下部電極１２および上部電極１６は、例えばルテニウム、モリブデン、金、チタン、白金、アルミニウム、銅もしくはクロム等の金属膜から選択された膜、またはこれらの中から複数の膜が選択された積層膜である。例えば、下部電極１２は、中間層１０側から順に、クロム膜およびルテニウム膜が設けられる。例えば、上部電極１６として、圧電層１４側から順に、ルテニウム膜およびクロム膜が設けられる。

【0028】

圧電層１４の材料は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛)、ＢＴＯ(チタン酸バリウム)、ＡｌＮ(窒化アルミニウム)、ＰＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン)、ＬｉＮｂＯ_３(ニオブ酸リチウム)、ＬｉＴａＯ_３(タンタル酸リチウム)、ＺｎＯ(酸化亜鉛)またはＫＮＮ(ニオブ酸カリウムナトリウム)である。保護膜の材料は、例えば酸化シリコン、窒化シリコン、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム等の無機絶縁体である。パッド２４ａおよび２４ｂは、例えば金層、銅層またはアルミニウム層である。

【0029】

振動領域５０および領域５２の平面形状は円である。平面視において、振動領域５０の中心と領域５２の中心は一致している。振動領域５０の直径は、例えば２００μｍ～２０００μｍ、領域５２の直径は、振動領域５０よりも小さく、例えば１００μｍ～１５００μｍである。振動領域５０および領域５２の平面形状および面積は適宜設定できる。例えば振動領域５０および領域５２の平面形状は、略円、略楕円または略多角形でもよい。

【0030】

ｐＭＵＴ素子における動作を説明する。超音波トランスデューサは、制御部３０を有する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、ｐＭＵＴ素子の動作を示す断面図である。

【0031】

超音波を送信する場合を例に説明する。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、制御部３０は、下部電極１２と上部電極１６に、交流電圧を加える。下部電極１２と上部電極１６との間にこの交流電圧が印加されると、図２（ａ）と図２（ｂ）に示す矢印のように、中間層１０および圧電層１４の伸縮および膨張が発生し、上方向３３ａおよび下方向３３ｂのように振動領域５０は上下振動を繰り返す。

【0032】

図２（ａ）のように、下部電極１２および上部電極１６にそれぞれ正および負の電圧が加わると、逆圧電効果により、圧電層１４内の面方向に圧電層１４が伸びるような歪み３１ａが生じる。中間層１０に加わる応力３２ａは縮む方向の応力となる。これにより、振動領域５０は上方向３３ａ（＋Ｚ方向）に反る。

【0033】

図２（ｂ）のように、下部電極１２および上部電極１６に例えばそれぞれ負および正の電圧が加わる。逆圧電効果により、圧電層１４内の面方向に圧電層１４が縮むような歪み３１ｂが生じる。中間層１０に加わる応力３２ｂは伸びる方向の応力となる。これにより、振動領域５０は下方向３３ｂ（－Ｚ方向）に反る。

【0034】

この交流電圧の印加により、図２（ａ）と図２（ｂ）との状態が繰り返されることにより、振動領域５０が上方向３３ａと下方向３３ｂを交互に繰り返すように振動する。これにより、振動領域５０から超音波が放射される。超音波を受信する場合には、外部から振動領域５０に超音波を受けると、振動領域５０が上方向３３ａおよび下方向３３ｂに振動する。これにより、振動領域５０の中間層１０に応力３２ａおよび３２ｂが加わる。これにより、圧電層１４に歪み３１ａおよび３１ｂが生じる。圧電効果により、下部電極１２と上部電極１６との間に交流電圧が生成される。この交流電圧（交流信号）を測定することで、超音波を受信できる。

【0035】

振動領域５０内の積層膜１８の厚さおよび積層膜１８内の材料が均一の場合を仮定すると、共振周波数ｆは、以下の数１で示される。

【数1】

Ｔは振動領域５０における積層膜１８の厚さ、Ｅは、振動領域５０における積層膜１８のヤング率、ρｍは振動領域５０における積層膜１８の密度、νは振動領域５０における積層膜１８のポアソン比、rは振動領域５０の半径であり、開口２８の幅Ｗ１の１／２に相当する。

【0036】

数１によれば、積層膜１８の厚さＴが大きくなると共振周波数ｆは高くなる。また、開口２８の幅Ｗ１が大きくなると共振周波数ｆは低くなる。そこで、積層膜１８の厚さＴが厚いときには、開口２８の幅Ｗ１を大きくし、積層膜１８の厚さＴが薄いときには、開口２８の幅Ｗ１を小さくできれば、共振周波数ｆをほぼ同じに調整できる。

【0037】

［実施例１の製造方法］
以下、実施例１の超音波トランスデューサの製造方法を説明する。図３は、チップを形成するウエハを示す平面図である。ウエハ３４には、チップ２１となるダイ領域３２がマトリックス状に配列されている。ダイ領域３２内に膜厚測定ＴＥＧ（Test Elementary Group）３１が設けられている。ダイ領域３２の１つ１つが、ｐＭＵＴ素子２０として、作製される。ダイ領域３２それぞれの各層の厚さを測定するために、ＴＥＧ３１を設ける。

【0038】

図４（ａ）は、実施例１におけるＴＥＧの平面図、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ－Ａ断面図である。ＴＥＧ３１では、圧電層１４および下部電極１２を貫通する開口５５が設けられている。開口５５内に、下部電極１２、下部電極１２上に設けられ下部電極１２より幅の狭い圧電層１４、圧電層１４上に設けられ圧電層１４より幅の狭い上部電極１６が設けられている。下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が階段状になっていれば、ＴＥＧ３１の平面形状は任意である。

【0039】

図５は、実施例１に係る超音波トランスデューサ製造方法を示すフローチャートである。ここでは、各ステップS１０、Ｓ１２、Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１８およびＳ２０を説明する。図６（ａ）から図９（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。図６（ａ）から図９（ｂ）では、１個のｐＭＵＴ素子２０を図示している。

【0040】

ここで、実施例１では、中間層１０であるシリコン基板を薄く残し、支持体２５を別途取り付けることにポイントを有する。しかしながら、図６（ａ）から図７（ｃ）のウエハプロセスでは、フォトリソグラフィ工程で、基板が平坦であることが求められる。一方、熱処理工程、成膜工程、およびエッチングのプラズマ雰囲気に晒される工程では、ウエハ３４の温度が上昇する。ウエハ３４が薄い場合、ウエハ３４の温度が上昇すると、ウエハ３４が反りやすい。このため、ウエハ３４の状態では、できる限り基板を厚くし、ウエハ３４の反りを防止する。

【0041】

そのため、図６（ａ）のプロセスの開始時は、ウエハ３４の反り防止のために、厚い基板を用意する。そして、支持体２５の開口２８の幅Ｗ１の調整のため、上部電極１６の形成の後において、図７（ｃ）のように、基板（中間層１０）の裏面を薄くする。別途、図９（ａ）および図９（ｂ）において、基板（中間層１０）の下面に、支持体２５を設けている。図８（ａ）および図８（ｂ）において、例えば、３Ｄプリンタ等の樹脂塗布による描画装置で、所望の開口径、厚みの支持体２５を用意できる。

【0042】

まず、積層膜１８を形成するステップＳ１０を説明する。図６（ａ）に示すように、例えばウエハ３４のシリコン基板上に、熱酸化処理、またはスパッタリング法などを用いて、酸化シリコン膜を形成する。これにより、中間層１０を形成する。シリコン基板は層１０ａであり、酸化シリコン膜は層１０ｂである。続いて、図６（ｂ）に示すように、中間層１０上の全面に、スパッタリング法などを用いて金属層を形成し、下部電極１２とする。続いて、図６（ｃ）に示すように、下部電極１２上の全面にスパッタリング法などを用いて圧電材料を形成し、圧電層１４とする。圧電層１４を貫通し、底面に下部電極１２が露出した孔２２を形成する。孔２２は、ウェットエッチング法またはドライエッチング法を用いて形成できる。

【0043】

続いて、図７（ａ）に示すように、圧電層１４上に上部電極１６を形成する。例えば、圧電層１４上の全面に電極材料を形成する。その後、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて、電極材料を所望の形状にパターニングする。これにより上部電極１６が形成される。このとき、配線１６ａおよびパッド受け部１６ｂも同時に形成される。上部電極１６は、リフトオフ法を用いて形成してもよい。以上により、中間層１０、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が順に設けられた積層膜１８が形成される。

【0044】

続いて、図７（ｂ）に示すように、全面に、ボンディング材として、部分メッキで金メッキを施す。孔２２内を埋め、圧電層１４上を被覆するように電極材料を形成する。続いて、電極材料をフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い、所望の形状にパターニングする。これにより、下部電極１２と接触したパッド２４ａ、およびパッド受け部１６ｂ上に接触し、上部電極１６に配線１６ａおよびパッド受け部１６ｂを介し接続されたパッド２４ｂが形成される。なお、図７（ｂ）のように、孔２２は、金メッキ処理のときに埋め込んでパターン形成してもよい。

【0045】

次に、膜厚測定ステップＳ１２を行う。図４（ａ）および図４（ｂ）で示すＴＥＧ３１を用いて、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さを測定する。厚さの測定は、段差計を用い測定することができる。各層の厚さにウエハ３４内の分布がある場合には、図３のウエハ３４内の複数のダイ領域３２に設けられた、ＴＥＧ３１を用い、各層の厚さを測定する。各層の厚さにウエハ３４内の分布がない場合には、ウエハ３４内の１カ所のＴＥＧ３１を用いて測定し、各々のダイ領域３２の各層の厚さそれぞれが同じであるとみなしてもよい。

【0046】

続いて、中間層１０の薄膜化ステップＳ１４を行う。図７（ｃ）に示すように、中間層１０の下面を研磨または研削し、中間層１０を薄膜化する。その後、ウエハ３４を個片化する。これにより、チップ２１が完成する。

【0047】

以降は、支持体２５の作製ステップである。ここでは、図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、２つのチップ２１ａおよび２１ｂを取り上げて説明する。まず、開口２８の幅Ｗ１を決定するステップＳ１６を行う。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、ステップＳ１２において測定した各層の厚さに基づき、支持体２５ａおよび２５ｂに形成する開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂを決定する。例えば、図８（ａ）のチップ２１ａの圧電層１４の厚さＴ３ａは、図８（ｂ）のチップ２１ｂの圧電層１４の厚さＴ３ｂより大きい。このため、チップ２１ａの積層膜１８の厚さＴａはチップ２１ｂの積層膜１８の厚さＴｂより大きい。ここで、前述した通り、２つのｐＭＵＴ素子２０の共振周波数をほぼ一致させるため、チップ２１ａに接合する支持体２５ａにおける開口２８ａの幅Ｗ１ａを大きくし、チップ２１ｂに接合する支持体２５ｂにおける開口２８ｂの幅Ｗ１ｂを小さくする。例えば、ＴＥＧ３１を用いて測定される各層の厚さと開口２８の幅Ｗ１との相関を示すデータとして用意しておけば、そのデータに基づいて、開口２８の幅Ｗ１を決定できる。

【0048】

続いて、支持体２５を作成するステップＳ１８を行う。図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、ステップＳ１６において決定した幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂの開口２８ａおよび２８ｂをそれぞれ有する支持体２５ａおよび２５ｂを形成する。支持体２５ａおよび２５ｂの形成には、３Ｄプリンタを用いてもよい。３Ｄプリンタを用いる場合、土台上に、所望の幅Ｗ１の開口２８を有するように、光硬化樹脂を塗布し、紫外線などの光を照射することで、支持体２５を形成できる。光硬化樹脂の代わりに、熱硬化樹脂を塗布し、熱を与えることで支持体２５を形成してもよい。また、後述する支持体２５を接合するステップＳ２０において、チップ２１ａおよび２１ｂの下面の接合層２６上に、光硬化樹脂を塗布し、紫外線などの光を照射することで、支持体２５を形成してもよい。このように、支 持体２５の材料として光硬化樹脂を用いた場合、樹脂を硬化する過程で、ウエハ３４に熱をほとんど与えずに、支持体２５を形成できる。こうして、ウエハ３４の反りを最小限としつつ、超音波トランスデューサを作製できる。また、開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂの異なる複数種類の支持体２５ａおよび２５ｂを、金型を用いて形成しておいてもよい。このように、樹脂などで、所望の形状の支持体２５を形成できるので、超音波トランスデューサを安価に製造できる。

【0049】

続いて、支持体２５を作成するステップＳ２０を行う。図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、支持体２５ａおよび２５ｂをチップ２１ａおよび２１ｂの下面に接合層２６を用いそれぞれ接合する。これにより、ｐＭＵＴ素子２０ａの振動領域５０ａは、ｐＭＵＴ素子２０ｂの振動領域５０ｂより大きくなる。以上によりｐＭＵＴ素子２０ａおよび２０ｂが製造される。

【0050】

支持体２５の接合のステップと個片化のステップとの順番によって、２つのフローがある。以下に説明する。図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示すフローチャートである。膜厚測定ステップＳ１２、開口２８の幅Ｗ１の決定ステップＳ１６については省略する。

【0051】

図１０（ａ）に示す、フロー１では、まず、ウエハ３４の状態において、積層膜１８を形成するステップＳ１０を行う。続いて、ウエハ３４の状態において、中間層１０の薄膜化ステップＳ１４を行う。続いて、ステップＳ１８において、ウエハ３４に対応する支持体２５を作製する。続いて、ステップＳ２０において、ウエハ３４の状態で、作製した支持体２５を薄膜化した中間層１０に接合する。なお、ステップＳ１８とＳ２０は同時に行ってもよい。すなわち、中間層１０の下面に直接支持体２５を形成してもよい。その後、個片化ステップＳ２２において、ダイシング法を用いて支持体２５が形成されたウエハ３４を個片化する。

【0052】

図１０（ｂ）に示す、フロー２では、まず、ウエハ３４の状態において、積層膜１８を形成するステップＳ１０を行う。続いて、ウエハ３４の状態において、中間層１０の薄膜化ステップＳ１４を行う。続いて、個片化ステップＳ２２において、ダイシング法を用いて薄膜化したウエハ３４を個片化する。続いて、ステップＳ１８において、チップ２１ごとに支持体２５を作製する。続いて、ステップＳ２０において、個片化されたチップ２１ごとに、支持体２５を中間層１０に接合する。

【0053】

図１０（ａ）のフロー１のように、ウエハ３４の状態において支持体２５を中間層１０に接合し、その後、個片化してもよい。図１０（ｂ）のフロー２のように、ウエハ３４を個片化した後に、チップ２１ごとに、支持体２５を中間層１０に接合してもよい。

【0054】

図１１は、比較例１に係るｐＭＵＴ素子を示す断面図である。比較例１では、ｐＭＵＴ素子２０は、ＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）基板１０ｆを用いて製造される。ＳＯＩ基板１０ｆは、図１１において下から順に積層された層１０ｅ、１０ｄおよび１０ｃを有している。層１０ｃおよび１０ｅは、シリコン層であり、層１０ｄはこの２つのシリコン層に挟まれる酸化シリコン層である。層１０ｃ上に積層される、積層膜１８の構造は、図１（ｂ）と同じである。開口２８は、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法を用いて形成される。層１０ｄはエッチングストッパとして用いられる。

【0055】

ＤＲＩＥ法では、開口２８を精度良く形成することが難しい。ＤＲＩＥ法を用いた開口２８の形成は、一般にはウエハ３４の状態において、ウエハ３４内の開口２８を全て一度にエッチング処理することにより行われる。このとき、ウエハ３４内に形成された開口２８の幅Ｗ１を調整するには、ウエハ３４の状態のまま、１つ１つの開口２８の幅Ｗ１の調整を行うことになる。しかし、ウエハ３４の状態では、開口２８の幅Ｗ１を個別の調整することは実質的に不可能である。また、ウエハ３４をチップ２１に個片化し、開口２８の幅Ｗ１を調整することも考えられる。しかし、チップ２１のサイズが小さく、１つ１つのチップ２１をエッチングする工程は、処理方法が複雑になり、実質的に不可能である。また、例えば、ウエハ３４に反りがあると、開口２８の幅Ｗ１がばらついてしまう。このため、開口２８の幅Ｗ１を制御よく加工し、共振周波数を調整することが難しい。また、ＤＲＩＥ法を用いるためには、高価なＤＲＩＥ装置と高価なＳＯＩ基板を用いるため、コストが高くなる。

【0056】

一方、実施例１においては、ステップＳ１０、Ｓ２０およびＳ１４において、ｐＭＵＴ素子を準備する。ステップＳ１６において、領域５２における中間層１０の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴａおよびＴｂに基づき、支持体２５ａおよび２５ｂの開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂ（大きさ）を決定する。ステップＳ２０において、決定された幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂの開口２８ａおよび２８ｂを有する支持体２５ａおよび２５ｂを、中間層１０に接合する。例えば、ｐＭＵＴ素子２０ａは積層膜１８の厚さＴａが厚い。そこで、開口２８ａの幅Ｗ１ａを大きくする。ｐＭＵＴ素子２０ｂは積層膜１８の厚さＴｂが薄い。そこで、開口２８ｂの幅Ｗ１ｂを小さくする。これにより、数１に示した数式に基づき、ｐＭＵＴ素子２０ａと２０ｂとの共振周波数の差を小さくできる。

【0057】

一方、前述したように、実施例１では、各ＴＥＧ３１を用いて測定する各層の厚さと開口２８の幅Ｗ１との関係を、予め実験またはシミュレーションを用い算出してある。そのため、このデータを基に開口２８の幅Ｗ１を決めて、支持体２５を、３Ｄプリンタを用い加工形成ができる。よって、図１０（ｂ）のように、個片化された１つのｐＭＵＴ素子２０を有するチップ２１であっても、図１０（ａ）のように、マトリックス状にｐＭＵＴ素子２０が配列されたチップ２１またはウエハ３４であっても、開口２８を有する支持体２５の取り付けが可能となる。図１０（ｂ）のように、１つのｐＭＵＴ素子２０が設けられたチップ２１の場合、予め様々な幅Ｗ１を有する開口２８を有する支持体２５を形成しておき、所望の幅Ｗ１を有する支持体２５をチップ２１に接合させることができる。図１０（ａ）のように、複数のｐＭＵＴ素子が設けられたウエハ３４の場合、ウエハ３４の下面に直接支持体２５を描画し、所望のｐＭＵＴ素子２０を有するチップに個片化すればよい。

【0058】

実施例１では、支持体２５をチップ２１と別に作製し、接合する。このため、比較例１のようにＤＲＩＥ法を用いる場合に比べ、製造工程が簡略化でき、コストを低くできる。また、特許文献１に記載されている、振動領域５０における積層膜の一部を除去、または付加膜を形成する技術に比べ、製造工程が簡単であり、コストを低くできる。

【0059】

例えば、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用い中間層１０を薄膜化すると、中間層１０の厚さＴ１はほとんどばらつかないことが知られている。このような場合には、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の少なくとも１つの厚さに基づき、開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂを決定してもよい。

【0060】

ステップＳ１４後のステップにおいて、中間層１０の厚さＴ１がばらつく場合には、ステップＳ１４後に中間層１０の厚さＴ１を、例えば反射分光膜厚計を用い測定してもよい。この場合、中間層１０の厚さＴ１に基づき、開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂを決定してもよい。

【0061】

ウエハ３４内の下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さＴ２、Ｔ３およびＴ４の分布が大きい場合には、ウエハ３４の面内の複数の厚さＴ２、Ｔ３およびＴ４の値を測定し、ウエハ３４内のチップ２１の位置から開口２８ａおよび２８ｂの幅Ｗ１ａおよびＷ１ｂを決定してもよい。

【0062】

下部電極１２の厚さＴ２は、図６（ｂ）において下部電極１２を形成した後に、例えばＸＲＦ（X‐ray Fluorescence）法を用いて測定してもよい。圧電層１４の厚さＴ３は、図６（ｃ）において圧電層１４を形成した後に、例えば反射分光膜厚計を用い測定してもよい。上部電極１６の厚さＴ４は、図７（ａ）において上部電極１６を形成した後に、例えばＸＲＦ法を用い測定してもよい。

【0063】

［シミュレーション］
実施例１では、中間層１０の厚さＴ１は、図５のステップＳ１４および図７（ｃ）に示すように、中間層１０の下面を研磨または研削の許容度によって決まり、１０μｍ～１００μｍ程度と厚くなる。また、支持体２５として、シリコン基板より柔らかい樹脂を用いる。そこで、ｐＭＵＴ素子２０が共振するか２次元の有限要素法を用いシミュレーションした。

【0064】

シミュレーション条件は以下である。
支持体２５：厚さが３００μｍのアクリル樹脂
接合層２６：厚さが３０μｍの樹脂接着剤
層１０ａ：厚さが５０μｍのシリコン層
層１０ｂ：厚さが０．４μｍの酸化シリコン層
下部電極１２：厚さが０．０２μｍのクロム層および厚さが０．１μｍのルテニウム層
圧電層１４：厚さが１μｍの窒化アルミニウム層
上部電極１６：厚さが０．１μｍのルテニウム層および厚さが０．０２μｍのクロム層
開口２８の幅Ｗ１：２０００μｍ

【0065】

図１２は、上記シユレーションの結果であり、周波数に対するインピーダンスを示す図である。図１２に示すように、ｐＭＵＴ素子２０において、共振周波数ｆｒのピークがみられ、スプリアスがみられない良好な共振特性が確認できた。中間層１０の厚さＴ１を３０μｍ、５０μｍおよび１００μｍと変えたときの条件でシミュレーションした場合においても、同様に良好な共振特性が得られることを確認できた。よって、以上のように、中間層１０の厚さＴ１が少なくとも１００μｍ以下であれば、ｐＭＵＴ素子２０は良好な共振特性を有することが分かった。

【0066】

［実施例１の変形例１］
図１３は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示すフローチャートである。ここでは、各ステップＳ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４およびＳ２０を説明する。図１４（ａ）から図１５（ｂ）は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法を示す断面図である。実施例１の変形例１は、図３のウエハ３４面内における下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さのばらつきはほとんどないと仮定し、ウエハ３４間において下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さのばらつきがある場合を想定している。

【0067】

まず、ステップＳ１１を行う。図１３のステップＳ１１は、図５、図６（ａ）から図７（ｂ）で説明したステップＳ１０と同じであるため、説明を省略する。

【0068】

膜厚測定ステップＳ１２を行う。図４（ａ）および図４（ｂ）のＴＥＧ３１を用い、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の厚さを測定する。各層の厚さにウエハ３４内の分布がないため、ウエハ３４内の１カ所のＴＥＧ３１を用いて、各層の厚さを測定してもよい。

【0069】

続いて、中間層１０の厚さを決定するステップＳ１３を行う。図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、ステップＳ１２において測定した各層の厚さに基づき、中間層の厚さＴ１ｃおよびＴ１ｄを決定する。例えば、図１４（ａ）のチップ２１ｃを含むウエハ３４の圧電層１４の厚さＴ３ｃは、図１４（ｂ）のチップ２１ｄを含むウエハ３４の圧電層１４の厚さＴ３ｄより大きい。このため、チップ２１ｃを含むウエハ３４の下部電極１２の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴ５ｃは、チップ２１ｄを含むウエハ３４の下部電極１２の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴ５ｄより大きい。そこで、チップ２１ｃを含むウエハ３４の中間層１０の厚さＴ１ｃを薄く決定し、チップ２１ｄを含むウエハ３４の中間層１０の厚さＴ１ｄを厚く決定する。

【0070】

続いて、中間層１０の薄膜化のステップＳ１４を行う。図１４（ａ）および図１４（ｂ）のように、中間層１０の下面を研磨または研削し、中間層１０を薄膜化する（ステップＳ１４）。チップ２１ｃを含むウエハ３４の中間層１０が厚さＴ１ｃとなるように、中間層１０を研磨または研削し、チップ２１ｄを含むウエハ３４の中間層１０が厚さＴ１ｄとなるように、中間層１０を研磨または研削する。その後、ウエハ３４を個片化する。これにより、チップ２１が完成する。

【0071】

続いて、支持体２５を接合するステップＳ２０を行う。図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、支持体２５をチップ２１ｃおよび２１ｄの下面に接合層２６を用いて接合する。支持体２５の開口２８の幅Ｗ１はほぼ同じである。これにより、ｐＭＵＴ素子２０ｃおよび２０ｄが製造される。

【0072】

実施例１の変形例１では、図１３のステップＳ１３のように、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の少なくとも１つの厚さに基づき、中間層１０の厚さを決定する。ステップＳ１４のように、中間層１０を薄膜化し決定した厚さとする。ステップＳ２０のように、支持体２５を、中間層１０に接合する。これにより、ｐＭＵＴ素子２０ｃの積層膜１８の厚さＴｃとｐＭＵＴ素子２０ｄの積層膜１８の厚さＴｄとの差を小さくできる。よって、ｐＭＵＴ素子２０ｃと２０ｄとの共振周波数の差を小さくできる。

【実施例0073】

実施例２は、実施例１の製造方法を用いて製造されたｐＭＵＴ素子がアレイ状に配置された超音波トランスデューサの例である。図１６は、実施例２に係る超音波トランスデューサの平面図である。

【0074】

超音波トランスデューサ１００では、ｐＭＵＴ素子２０ａおよび２０ｂがアレイ状に配列されている。ｐＭＵＴ素子２０ａは、図９（ａ）のように、積層膜１８の厚さＴａが大きく、開口２８ａの幅Ｗ１ａが大きい。ｐＭＵＴ素子２０ｂは、図９（ｂ）のように、積層膜１８の厚さＴｂが小さく、開口２８ｂの幅Ｗ１ｂが小さい。このように、実施例１の製造方法を用いたｐＭＵＴ素子を用いることで、アレイ状のｐＭＵＴ素子の共振周波数のばらつきを小さくできる。

【0075】

実施例２では、超音波トランスデューサ１００に複数のｐＭＵＴ素子２０が設けられる。複数のｐＭＵＴ素子２０がほぼ同じ周波数において動作することで、送信される超音波の音圧を大きくできる。また、超音波を受信する感度を向上できる。

【0076】

続いて、複数のｐＭＵＴ素子２０を有する超音波トランスデューサの問題点について説明する。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、それぞれトランスデューサＡおよびＢの周波数に対するインピーダンスを示す模式図である。図１７（ａ）および図１７（ｂ）において、インピーダンスＺが極小になる周波数が共振周波数ｆｒである。図１７（ａ）および図１７（ｂ）は、それぞれトランスデューサＡおよびＢのｐＭＵＴ素子に対応する。

【0077】

図１７（ａ）に示すように、トランスデューサＡでは、２つのｐＭＵＴ素子２０の共振周波数ｆｒはほぼ一致している。このように、トランスデューサＡでは、複数のｐＭＵＴ素子２０の共振周波数ｆｒはほぼ一致しており、理想的な状態である。

【0078】

図１７（ｂ）に示すように、トランスデューサＢでは、２つのｐＭＵＴ素子２０の共振周波数ｆｒが異なっている。中間層１０、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６の成膜時の膜厚分布、および開口２８を形成するときの中間層１０のエッチング量の分布などにより、トランスデューサＢ内のｐＭＵＴ素子２０の共振周波数がばらついてしまう。このように、トランスデューサＢでは、複数のｐＭＵＴ素子２０の共振周波数ｆｒがばらついている。

【0079】

図１７（ｃ）は、トランスデューサＡおよびＢにおいて、距離に対する音圧を示す図である。横軸の距離は、超音波トランスデューサから対象物までの距離である。縦軸の音圧は、超音波トランスデューサから送信される超音波を、マイクロホンを用い計測したときの音圧を示している。

【0080】

図１７（ｃ）に示すように、トランスデューサＡおよびＢともに、距離が大きくなるほど音圧が小さくなる。同じ距離では、トランスデューサＢはＡに比べ音圧が小さくなる。トランスデューサＡでは、全てのｐＭＵＴ素子２０において共振周波数ｆｒはほぼ同じである。このため、ｐＭＵＴ素子２０を共振周波数ｆｒまたはその近傍の同じ周波数において動作させることにより、複数のｐＭＵＴ素子２０は効率的に超音波を送信できる。これにより、音圧が大きくなる。一方、トランスデューサＢでは、ｐＭＵＴ素子２０の共振周波数がばらついている。このため、ｐＭＵＴ素子２０を動作させたときに、あるｐＭＵＴ素子２０では共振周波数またはその近傍において動作し、別のｐＭＵＴ素子２０では、共振周波数から大きく離れた周波数で動作する。これにより、音圧が小さくなってしまう。このため、ｐＭＵＴ素子は意図した特性を示さず、超音波トランスデューサの音圧が小さくなってしまう。

【0081】

実施例２では、図１６、図９（ａ）および図９（ｂ）のように、ｐＭＵＴ素子２０ａ（第１素子）の領域５２における中間層１０の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴａは、ｐＭＵＴ素子２０ｂ（第２素子）の厚さＴｂより大きい。ｐＭＵＴ素子２０ａにおける開口２８ａの幅Ｗ１ａは、ｐＭＵＴ素子２０ｂにおける開口２８ｂの幅Ｗ１ｂより大きい。これにより、超音波トランスデューサ１００内のｐＭＵＴ素子２０の共振周波数の差を小さくできる。なお、開口２８の幅Ｗ１は、開口２８が中間層１０に接する領域の最大幅であり、開口２８の平面形状が円の場合には、開口２８の直径に相当する。

【0082】

実施例２では、超音波トランスデューサ１００のｐＭＵＴ素子２０における、中間層１０の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴがばらついているときに、開口２８の幅Ｗ１を変え、共振周波数ｆを調整する。この観点から、複数のｐＭＵＴ素子２０における厚さＴの最大値をＴｍａｘ、厚さＴの最小値をＴｍｉｎとしたとき、２（Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ）／（Ｔｍａｘ＋Ｔｍｉｎ）が、例えば０．０１以上または０．０２以上と厚さＴがばらついている。このとき、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち開口２８の幅Ｗ１の最大値をＷｍａｘ、幅Ｗ１の最小値をＷｍｉｎとしたとき、２（Ｗｍａｘ－Ｗｍｉｎ）／（Ｗｍａｘ＋Ｗｍｉｎ）を、例えば０．０１以上または０．０２以上とする。これにより、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち共振周波数の最大値をｆｍａｘ、共振周波数の最小値をｆｍｉｎとしたとき、２（ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ）／（ｆｍａｘ＋ｆｍｉｎ）を、例えば０．０１以下または０．００１以下にでき、共振周波数のばらつきを小さくできる。

【0083】

ｐＭＵＴ素子２０ａは、複数のｐＭＵＴ素子のうち厚さＴが最も大きく、かつ複数のｐＭＵＴ素子のうち開口２８の幅Ｗ１が最も大きい。ｐＭＵＴ素子２０ｂは、複数のｐＭＵＴ素子のうち厚さＴが最も小さく、複数のｐＭＵＴ素子のうち開口２８の幅Ｗ１が最も小さい。このように、厚さＴが最大のｐＭＵＴ素子２０ａの開口２８の幅Ｗ１を最小とし、厚さＴが最小のｐＭＵＴ素子２０ａの開口２８の幅Ｗ１を最大とする。これにより、ｐＭＵＴ素子２０ａと２０ｂとの共振周波数の差を小さくできる。

【0084】

［実施例２の変形例１］
実施例２変形例１は、実施例１の変形例１の製造方法を用い製造されたｐＭＵＴ素子がアレイ状に配置された超音波トランスデューサの例である。図１８は、実施例２に係る超音波トランスデューサの平面図である。

【0085】

超音波トランスデューサ１０２では、異なるウエハのｐＭＵＴ素子２０ｃおよび２０ｄがアレイ状に配列されている。図１５（ａ）のように、ｐＭＵＴ素子２０ｃは、圧電層１４の厚さＴ３ｃが大きく、中間層１０の厚さＴ１ｃが小さい。図１５（ｂ）のように、ｐＭＵＴ素子２０ｄは、圧電層１４の厚さＴ３ｄが薄く、中間層１０の厚さＴ１ｄが厚い。このように、実施例１の変形例１の製造方法を用いたｐＭＵＴ素子２０ｃおよび２０ｄを用いることで、アレイ状のｐＭＵＴ素子の共振周波数のばらつきを小さくできる。

【0086】

実施例２の変形例１では、図１８、図１５（ａ）および図１５（ｂ）のように、ｐＭＵＴ素子２０ｃ（第１素子）の領域５２における中間層１０の厚さＴ１ｃは、ｐＭＵＴ素子２０ｄ（第１素子）の領域５２における中間層１０の厚さＴ１ｄより小さい。ｐＭＵＴ素子２０ｃ（第２素子）の領域５２における下部電極１２の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴ５ｃは、ｐＭＵＴ素子２０ｄ（第２素子）の領域５２における下部電極１２の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴ５ｄより大きい。これにより、超音波トランスデューサ１０２内のｐＭＵＴ素子２０ｃおよび２０ｄの共振周波数の差を小さくできる。

【0087】

実施例２の変形例１では、超音波トランスデューサ１０２のｐＭＵＴ素子２０ｃおよび２０ｄにおける、下部電極１２の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴ５がばらついているときに、中間層１０の厚さＴ１を変え、共振周波数ｆを調整する。この観点から、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち厚さＴ５の最大値をＴ５ｍａｘ、厚さＴ５の最小値をＴ５ｍｉｎとしたとき、２（Ｔ５ｍａｘ－Ｔ５ｍｉｎ）／（Ｔ５ｍａｘ＋Ｔ５ｍｉｎ）が、例えば０．０１以上または０．０２以上とばらついている。このとき、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち中間層１０の厚さＴ１の最大値をＴ１ｍａｘ、厚さＴ１の最小値をＴ１ｍｉｎとしたとき、２（Ｔ１ｍａｘ－Ｔ１ｍｉｎ）／（Ｔ１ｍａｘ＋Ｔ１ｍｉｎ）を、例えば０．０１以上または０．０２以上とする。これにより、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち共振周波数の最大値をｆｍａｘ、共振周波数の最小値をｆｍｉｎとしたとき、２（ｆｍａｘ－ｆｍｉｎ）／（ｆｍａｘ＋ｆｍｉｎ）を、例えば０．０１以下または０．００１以下にでき、共振周波数のばらつきを小さくできる。

【0088】

ｐＭＵＴ素子２０ｃは、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち厚さＴ５が最も大きく、かつ複数のｐＭＵＴ素子２０のうち厚さＴ１が最も小さい。ｐＭＵＴ素子２０ｄは、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち厚さＴ５が最も小さく、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち厚さＴ１が最も大きい。このように、厚さＴ５ｃが最大のｐＭＵＴ素子２０ｃの厚さＴ１ｃを最小とし、厚さＴ５ｄが最小のｐＭＵＴ素子２０ｄの厚さＴ１ｄを最大とする。これにより、ｐＭＵＴ素子２０ｃと２０ｄとの共振周波数の差を小さくできる。

【0089】

複数のｐＭＵＴ素子２０における厚さＴのばらつきを小さくする観点から、複数のｐＭＵＴ素子２０のうち中間層１０の下面から上部電極１６の上面までの厚さＴの最大値をＴｍａｘ、厚さＴの最小値をＴｍｉｎとすると、（Ｔｍａｘ－Ｔｍｉｎ）は、（Ｔ１ｍａｘ－Ｔ１ｍｉｎ）より小さく、（Ｔ５ｍａｘ－Ｔ５ｍｉｎ）より小さいことが好ましい。

【0090】

実施例２およびその変形例１では、支持体２５は樹脂であり、接合層２６は、支持体２５と中間層１０とを接合する。このような構造により、実施例１の製造方法のように、厚さＴにより開口２８の大きさを調整できる。また、実施例１の変形例１のように、厚さＴ１により厚さＴ５を調整できる。

【0091】

中間層１０は平板形状である。これにより、実施例２では、開口２８の大きさが異なる支持体２５を中間層１０に接合することで、共振周波数を調整できる。実施例２の変形例１では、中間層１０の厚さＴ１を調整することで、共振周波数を調整できる。

【0092】

［実施例２の変形例２］
実施例２の変形例２は、１つの中間層１０上に複数のｐＭＵＴ素子をアレイ状に配置した例である。図１９（ａ）は、実施例２の変形例２に係る超音波トランスデューサの平面図、図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のＡ－Ａ断面図である。

【0093】

超音波トランスデューサ１０４では、中間層１０の平面形状は正方形であり、ｐＭＵＴ素子２０が４行４列のアレイ状に配列されている。ｐＭＵＴ素子２０の個数は任意に設定できる。圧電層１４上に上部電極１６、配線１６ａ、パッド受け部１６ｂ、パッド２４ａおよび２４ｂが設けられている。それぞれの上部電極１６とパッド受け部１６ｂとは配線１６ａにより電気的に接続される。パッド受け部１６ｂ上には、パッド２４ｂが設けられている。中間層１０と圧電層１４との間に下部電極１２、配線１２ａ、パッド１２ｂが設けられている。下部電極１２とパッド１２ｂとは配線１２ａにより電気的に接続される。パッド２４ａは、孔２２を介しパッド１２ｂに電気的に接続されている。

【0094】

ｐＭＵＴ素子２０ａの厚さＴａはｐＭＵＴ素子２０ｂの厚さＴｂより大きく、ｐＭＵＴ素子２０ａの開口２８ａの幅Ｗ１ａはｐＭＵＴ素子２０ｂの開口２８ｂの幅Ｗ１ｂより大きい。このように、厚さＴの大きいｐＭＵＴ素子２０の開口２８を大きくする。これにより、複数のｐＭＵＴ素子の共振周波数の差を小さくできる。

【0095】

実施例２の変形例２の製造方法は、図５のステップＳ１２において、図１９のチップ２１内のｐＭＵＴ素子２０の位置における下部電極１２の厚さＴ２、圧電層１４の厚さＴ３および上部電極１６の厚さＴ４を測定する。厚さＴ２、Ｔ３およびＴ４の測定は、図４（ａ）および図４（ｂ）のようなＴＥＧ３１を用いてもよい。下部電極１２の厚さＴ２および上部電極１６の厚さＴ４を、例えばＸＲＦ（X‐ray Fluorescence）法を用い測定してもよい。圧電層１４の厚さＴ３を、例えば反射分光膜厚計を用い測定してもよい。

【0096】

図２０は、実施例２の変形例２における厚さの分布を示す模式図である。図２０のウエハ３４内の細線は、厚さＴ２、Ｔ３およびＴ４の合計の厚さＴ５の等高線である。

【0097】

ウエハ３４内におけるダイ領域３２は、図１９（ａ）のチップ２１となる領域である。図２０からダイ領域３２のうち領域５２に相当する領域の厚さＴ５がわかる。そこで、図５のステップＳ１６において、図２０の領域５２に相当する厚さＴ５から、各領域５２に相当する開口２８の大きさを決定する。図５のステップＳ１８において、決定した開口２８の大きさを有する支持体２５を成形する。例えば３Ｄプリンタを用いることで、４×４の１６個のｐＭＵＴ素子２０に対応する、大きさの異なる開口２８を有する支持体２５を形成することができる。その後、図５のステップＳ２０において、一体として形成された支持体２５を中間層１０に接合する。

【0098】

実施例２の変形例２のように、複数のｐＭＵＴ素子の中間層１０は一体に連続して設けられていてもよい。