特開 2024-137404 圧電装置およびその製造方法並びに圧電装置アレイ

(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】P2024137404

(43)【公開日】2024-10-07

(54)【発明の名称】圧電装置およびその製造方法並びに圧電装置アレイ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20240927BHJP

   H03H 9/17 20060101ALI20240927BHJP

   H03H 3/02 20060101ALI20240927BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20240927BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20240927BHJP

   B81B 7/04 20060101ALI20240927BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330B

H03H9/17 F

H03H3/02 B

H04R17/00 332B

B81B3/00

B81C1/00

B81B7/04

【審査請求】未請求

【請求項の数】17

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023048915

(22)【出願日】2023-03-24

(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】田中 邦明

(72)【発明者】

【氏名】井上 敬道

(72)【発明者】

【氏名】谷口 眞司

【テーマコード（参考）】

3C081

5D019

5J108

【Ｆターム（参考）】

3C081AA15

3C081AA17

3C081BA45

3C081BA48

3C081BA55

3C081BA72

3C081CA03

3C081CA14

3C081CA17

3C081CA20

3C081CA28

3C081CA29

3C081DA03

3C081DA04

3C081DA29

3C081EA01

3C081EA39

5D019AA18

5D019BB02

5D019BB04

5D019BB11

5D019BB19

5D019HH03

5J108AA08

5J108BB05

5J108BB08

5J108CC04

5J108CC11

5J108EE03

5J108EE04

5J108EE07

5J108EE13

5J108JJ01

5J108KK01

5J108KK07

5J108MM08

5J108MM11

(57)【要約】

【課題】クラックを抑制することが可能な圧電装置を提供する。
【解決手段】圧電装置は、空隙２８を有する基板１０ａと、平面視において、前記空隙を覆うように前記基板上に設けられた中間層と、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、下部電極と共に圧電層を挟む第１領域が、平面視において空隙２８の外郭より内側に圧電層上に設けられ、平面視における面積が空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さい上部電極１６と、を備え、平面視において第１領域の外周の外側において、空隙の外郭の内側から外側に渡り設けられた第２領域における圧電層の結晶粒の平均粒径は、第１領域における圧電層の結晶粒の平均粒径より小さく設けられた。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空隙を有する基板と、
平面視において、前記空隙を覆うように前記基板上に設けられた中間層と、
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、
前記下部電極と共に前記圧電層を挟む第１領域が、平面視において前記空隙の外郭より内側における前記圧電層上に設けられ、平面視における面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さい上部電極と、
を備え、
平面視において前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り設けられた第２領域における前記圧電層の結晶粒の平均粒径は、前記第１領域における前記圧電層の結晶粒の平均粒径より小さく設けられた圧電装置。

【請求項2】

前記圧電層は窒化アルミニウムを主成分とし、
前記第２領域における前記圧電層はマグネシウムを含有する請求項１に記載の圧電装置。

【請求項3】

前記第２領域における前記圧電層のマグネシウム濃度は、アルミニウム、マグネシウムおよびその他の添加元素の合計を１００原子％としたとき１原子％以上かつ１０原子％以下である請求項２に記載の圧電装置。

【請求項4】

前記圧電層は窒化アルミニウムを主成分とし、
前記第２領域における前記圧電層の酸素濃度は、前記第１領域における酸素濃度より高い請求項１に記載の圧電装置。

【請求項5】

前記第２領域における前記圧電層の酸素濃度は、アルミニウム、窒素およびその他の添加元素の合計を１００原子％としたとき１原子％以上かつ１０原子％以下である請求項４に記載の圧電装置。

【請求項6】

前記第２領域における前記圧電層の下面から１μｍの箇所における結晶粒の平均粒径は３０ｎｍ以下である請求項２から５のいずれか一項に記載の圧電装置。

【請求項7】

前記第２領域における前記圧電層の下面の表面粗さは、前記第１領域における前記圧電層の下面の表面粗さより大きい請求項１に記載の圧電装置。

【請求項8】

平面視において、前記第１領域の外周を内周とし、前記第２領域の内周を外周とする第３領域における前記圧電層の下面の表面粗さは、前記第１領域の外周から前記第２領域の内周に向かうにしたがい大きくなる請求項７に記載の圧電装置。

【請求項9】

前記第１領域における前記下部電極と前記圧電層との間に、前記圧電層の主成分と同じ主成分を有するシード層が設けられている請求項１に記載の圧電装置。

【請求項10】

前記第１領域の前記圧電層の主成分と前記第２領域の前記圧電層の主成分とは同じである請求項１から５および７から９のいずれか一項に記載の圧電装置。

【請求項11】

空隙を有する基板と、
平面視において、前記空隙を覆うように前記基板上に設けられた中間層と、
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、
前記下部電極と共に前記圧電層を挟む第１領域が、平面視において前記空隙の外郭より内側における前記圧電層上に設けられ、平面視における面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さい上部電極と、
を備え、
平面視において前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り設けられた第２領域における前記基板および前記空隙上に前記圧電層を介さずかつ前記圧電層を囲み設けられたアモルファス層と、
を備える圧電装置。

【請求項12】

請求項１から５および７から９のいずれか一項に記載の圧電装置が複数設けられ、前記複数の圧電装置における前記基板は一体として設けられている圧電装置アレイ。

【請求項13】

スパッタリング法を用い、基板上に設けられた下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする第１圧電層を形成する工程と、
第１領域における前記第１圧電層が残存し、前記第１領域の外側に設けられた第２領域における前記第１圧電層を除去する工程と、
スパッタリング法を用い、前記第１圧電層を形成するときのパワー密度より小さいパワー密度を用い前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分としマグネシウムを含む第２圧電層を形成する工程と、
前記第１領域内の前記第１圧電層上に上部電極を形成する工程と、
平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、
を含む圧電装置の製造方法。

【請求項14】

スパッタリング法を用い、基板上に設けられた下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする第１圧電層を形成する工程と、
第１領域における前記第１圧電層が残存し、前記第１領域の外側に設けられた第２領域における前記第１圧電層を除去する工程と、
スパッタリング法を用い、前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とし前記第１圧電層より酸素濃度の高い第２圧電層を形成する工程と、
前記第１領域内の前記第１圧電層上に上部電極を形成する工程と、
平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、
を含む圧電装置の製造方法。

【請求項15】

第１領域における基板上に設けられた下部電極の上面の表面粗さが、前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極の上面の表面粗さより小さくなるように、前記第２領域における前記下部電極の上面を荒らす工程と、
前記第１領域および前記第２領域における前記下部電極上に圧電層を形成する工程と、
前記第１領域内の前記圧電層上に上部電極を形成する工程と、
平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、
を含む圧電装置の製造方法。

【請求項16】

前記下部電極の上面を荒らす工程は、前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域において、前記第１領域から前記第２領域に向かうにしたがい、前記下部電極の上面の表面粗さが大きくなるように、前記下部電極の上面を荒らす工程を含む請求項１５に記載の圧電装置の製造方法。

【請求項17】

第１領域における基板上に設けられた下部電極上にシード層を形成する工程と、
前記第１領域における前記シード層上および前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に圧電層を形成する工程と、
前記第１領域内の前記圧電層上に上部電極を形成する工程と、
平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、
を含む圧電装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、圧電装置およびその製造方法並びに圧電装置アレイに関する。

【背景技術】

【0002】

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、非特許文献１）。また、窒化アルミニウム膜の圧電層にマグネシウムを添加することが知られている（例えば特許文献２）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】米国特許公開第２０２０／０１９４６５８号明細書

【特許文献2】特開２０２１－１５０９２０号公報

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】P. Ngoc, et al., Micromachines, vol 9, no.9 p.455 (2018)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ｐＭＵＴでは、基板に空隙が設けられ、空隙上に圧電層を含む積層膜が設けられている。平面視において空隙と重なる振動領域における積層膜がたわみ振動する。このとき、基板上の積層膜は固定されており、振動領域の外周に応力が集中する。非特許文献１には、圧電層として単結晶ＰＺＴ（Lead Zirconate titanate）を用いた場合に、振動領域の外周付近の圧電層にクラックが形成されることが記載されている。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、クラックを抑制することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、空隙を有する基板と、平面視において、前記空隙を覆うように前記基板上に設けられた中間層と、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、前記下部電極と共に前記圧電層を挟む第１領域が、平面視において前記空隙の外郭より内側における前記圧電層上に設けられ、平面視における面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さい上部電極と、を備え、平面視において前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り設けられた第２領域における前記圧電層の結晶粒の平均粒径は、前記第１領域における前記圧電層の結晶粒の平均粒径より小さく設けられた圧電装置である。

【0008】

上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウムを主成分とし、前記第２領域における前記圧電層はマグネシウムを含有する構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、前記第２領域における前記圧電層のマグネシウム濃度は、アルミニウム、マグネシウムおよびその他の添加元素の合計を１００原子％としたとき１原子％以上かつ１０原子％以下である構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記圧電層は窒化アルミニウムを主成分とし、前記第２領域における前記圧電層の酸素濃度は、前記第１領域における酸素濃度より高い構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記第２領域における前記圧電層の酸素濃度は、アルミニウム、窒素およびその他の添加元素の合計を１００原子％としたとき１原子％以上かつ１０原子％以下である構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記第２領域における前記圧電層の下面から１μｍの箇所における結晶粒の平均粒径は３０ｎｍ以下である構成とすることができる。

【0013】

上記構成において、前記第２領域における前記圧電層の下面の表面粗さは、前記第１領域における前記圧電層の下面の表面粗さより大きい構成とすることができる。

【0014】

上記構成において、平面視において、前記第１領域の外周を内周とし、前記第２領域の内周を外周とする第３領域における前記圧電層の下面の表面粗さは、前記第１領域の外周から前記第２領域の内周に向かうにしたがい大きくなる構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、前記第１領域における前記下部電極と前記圧電層との間に、前記圧電層の主成分と同じ主成分を有するシード層が設けられている構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記第１領域の前記圧電層の主成分と前記第２領域の前記圧電層の主成分とは同じである構成とすることができる。

【0017】

本発明は、空隙を有する基板と、平面視において、前記空隙を覆うように前記基板上に設けられた中間層と、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、前記下部電極と共に前記圧電層を挟む第１領域が、平面視において前記空隙の外郭より内側における前記圧電層上に設けられ、平面視における面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さい上部電極と、を備え、平面視において前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り設けられた第２領域における前記基板および前記空隙上に前記圧電層を介さずかつ前記圧電層を囲み設けられたアモルファス層と、を備える圧電装置である。

【0018】

本発明は、上記圧電装置が複数設けられ、前記複数の圧電装置における前記基板は一体として設けられている圧電装置アレイである。

【0019】

本発明は、スパッタリング法を用い、基板上に設けられた下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする第１圧電層を形成する工程と、第１領域における前記第１圧電層が残存し、前記第１領域の外側に設けられた第２領域における前記第１圧電層を除去する工程と、スパッタリング法を用い、前記第１圧電層を形成するときのパワー密度より小さいパワー密度を用い前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分としマグネシウムを含む第２圧電層を形成する工程と、前記第１領域内の前記第１圧電層上に上部電極を形成する工程と、平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、を含む圧電装置の製造方法である。

【0020】

本発明は、スパッタリング法を用い、基板上に設けられた下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とする第１圧電層を形成する工程と、第１領域における前記第１圧電層が残存し、前記第１領域の外側に設けられた第２領域における前記第１圧電層を除去する工程と、スパッタリング法を用い、前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に窒化アルミニウムを主成分とし前記第１圧電層より酸素濃度の高い第２圧電層を形成する工程と、前記第１領域内の前記第１圧電層上に上部電極を形成する工程と、平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、を含む圧電装置の製造方法である。

【0021】

本発明は、第１領域における基板上に設けられた下部電極の上面の表面粗さが、前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極の上面の表面粗さより小さくなるように、前記第２領域における前記下部電極の上面を荒らす工程と、前記第１領域および前記第２領域における前記下部電極上に圧電層を形成する工程と、前記第１領域内の前記圧電層上に上部電極を形成する工程と、平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、を含む圧電装置の製造方法である。

【0022】

上記構成において、前記下部電極の上面を荒らす工程は、前記第１領域と前記第２領域との間に位置する第３領域において、前記第１領域から前記第２領域に向かうにしたがい、前記下部電極の上面の表面粗さが大きくなるように、前記下部電極の上面を荒らす工程を含む構成とすることができる。

【0023】

本発明は、第１領域における基板上に設けられた下部電極上にシード層を形成する工程と、前記第１領域における前記シード層上および前記第１領域の外周の外側に設けられた第２領域における前記下部電極上に圧電層を形成する工程と、前記第１領域内の前記圧電層上に上部電極を形成する工程と、平面視において空隙の外郭より内側に前記上部電極が設けられ、平面視における前記上部電極の面積が前記空隙の外郭に囲まれた領域の平面視における面積よりも小さく、前記第１領域の外周の外側において、前記空隙の外郭の内側から外側に渡り前記第２領域となるように、前記基板に前記空隙を形成する工程と、を含む圧電装置の製造方法である。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、クラックを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１（ａ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの平面図、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、図１（ｂ）における圧電層の断面模式図である。

【図3】図３（ａ）および図３（ｂ）は、超音波トランスデューサの動作を示す断面図である。

【図4】図４（ａ）から図４（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5】図５（ａ）から図５（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6】図６（ａ）および図６（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7】図７は、実験１におけるパワー密度に対する結晶粒の平均粒径を示す図である。

【図8】図８は、実験２における酸素濃度に対する結晶粒の平均粒径を示す図である。

【図9】図９は、実施例２に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【図10】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例２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11】図１１は、実施例２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。

【図12】図１２(ａ）および図１２（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法１を示す断面図である。

【図13】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法２を示す断面図である。

【図14】図１４は、実施例３に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【図15】図１５（ａ）および図１５（ｂ）は、実施例３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４に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【図17】図１７は、実施例５に係る超音波トランスデューサの平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、図面を参照し実施例について説明する。以下の実施例では、圧電装置として超音波トランスデューサを例に説明する。

【実施例0027】

図１（ａ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサ１００の平面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ－Ａ断面図である。図１（ａ）では、空隙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、基板１０の平面視における辺の延伸方向をＸ方向およびＹ方向とする。

【0028】

超音波トランスデューサ１００は、厚みを有し平面形状が矩形の基板１０を有する。基板１０は、例えばＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）基板から作製され、下から基板１０ａ、ストッパ層１０ｂおよび活性層１０ｃが順に設けられている。基板１０ａは例えばシリコン基板である。ストッパ層１０ｂは例えば酸化シリコン層である。活性層１０ｃは例えばシリコン層である。

【0029】

基板１０ａは、基板１０ａを貫通する空隙２８を有する。空隙２８は、キャビティとも言う。このストッパ層１０ｂと活性層１０ｃの積層膜は、層状であり、平面視でみたとき、ストッパ層１０ｂのほぼ中央は空隙２８と接し、周囲は基板１０ａによって支持されている。ストッパ層１０ｂは、空隙２８を形成するときのエッチングストッパとして機能する。活性層１０ｃは圧電層１４を支持する支持層である。

【0030】

活性層１０ｃ上に絶縁層１１が設けられている。絶縁層１１は設けられていなくてもよい。空隙２８と下部電極１２との間の層（すなわち、ストッパ層１０ｂ、活性層１０ｃおよび絶縁層１１）は中間層である。下部電極１２は活性層１０ｃ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。圧電層１４上に上部電極１６が設けられている。

【0031】

図１（ａ）から、平面視において、上部電極１６は、基板１０ａの中心とほぼ一致して設けられている。圧電層１４上にパッド２４ａおよび２４ｂが設けられている。平面視において、パッド２４ａおよび２４ｂは、空隙２８の周囲に設けられる。パッド２４ａは圧電層１４を貫通する孔２２を介し下部電極１２に接続されている。パッド２４ｂは配線１６ａを介し上部電極１６と一体で接続されている。パッド受け部１６ｂ上には、ボンディング用の金で形成されたパッド２４ｂが設けられている。

【0032】

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、空隙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。

【0033】

ここで、ストッパ層１０ｂ、活性層１０ｃ、絶縁層１１、下部電極１２、圧電層１４および上部電極１６が、順に設けられた膜を、積層膜１８とする。空隙２８がストッパ層１０ｂ（中間層）と接する領域は、振動領域５０である。振動領域５０における積層膜１８はたわみ振動する。下部電極１２と上部電極１６とが圧電層１４を挟んで重なる領域を、ｓｔａｃｋの頭文字をとり、Ｓ領域５２とする。このＳ領域５２は、平面視において振動領域５０（すなわち空隙２８）より小さく、振動領域５０に含まれるように設けられている。すなわち、上部電極１６の平面視における面積は空隙２８の外郭に囲まれた振動領域５０の平面視における面積よりも小さい。振動領域５０およびＳ領域５２の平面形状は、例えば略円である。Ｓ領域５２の中心は、振動領域５０の中心５５に略一致する。

【0034】

以下、平面視でみたとき、圧電層１４を、複数の領域に分割して説明する。平面視でみたとき、Ｓ領域５２よりも大きく、振動領域５０よりも小さい領域を、領域５４とする。この領域５４の圧電層１４を、第１圧電層１５ａとする。この領域５４の外側の領域であって、領域５４の外周と接し、振動領域５０の内外周を含んで、基板１０の周囲まで延在する領域を、第２領域５６とする。すなわち、第２領域５６は、平面視において、空隙２８の外郭の内側から外側に渡り設けられている。第２領域５６の圧電層１４を、第２圧電層１５ｂとする。

【0035】

これらの名称を使って説明すると、第２圧電層１５ｂの結晶粒の平均粒径は、第１圧電層１５ａの結晶粒の平均粒径より小さい。つまり圧電層１４の中央よりも周囲の平均粒径を小さくしている。

【0036】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、図１（ｂ）における圧電層１５ａおよび１５ｂの断面模式図である。圧電層１５ａおよび１５ｂが柱状の多結晶構造なので、複数の結晶粒３４が設けられている。結晶粒３４の界面は粒界３５である。図２（ａ）および図２（ｂ）のように、第２圧電層１５ｂの結晶粒の平均粒径は第１圧電層１５ａの結晶粒の平均粒径より小さいことに特徴がある。

【0037】

超音波トランスデューサ１００における動作を説明する。図３（ａ）および図３（ｂ）は、超音波トランスデューサの動作を示す断面図である。絶縁層１１、ストッパ層１０ｂの図示を省略している。

【0038】

超音波を送信する場合を例に説明する。
図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、下部電極１２と上部電極１６との間に交流電圧を加える制御部３０が設けられている。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、逆圧電効果により圧電層１４に歪み３１ａおよび３１ｂが生じる。これにより、活性層１０ｃに応力３２ａおよび３２ｂが加わり、積層膜１８は、上下方向３３ａおよび３３ｂに振動する。この交流電圧により、図３（ａ）と図３（ｂ）との状態が繰り返されることにより、振動領域５０が上下方向３３ａおよび３３ｂに交互に繰り返すように振動し、振動領域５０から超音波が放射される。

【0039】

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が上下方向３３ａおよび３３ｂに振動する。これにより、振動領域５０の活性層１０ｃ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。

【0040】

図３（ａ）および図３（ｂ）のように、振動領域５０内の積層膜１８がたわみ振動すると、振動領域５０の外周の近傍の範囲５８、つまり、リング状の付け根やその近傍には応力が集中する。この現象は、範囲５８が振動の固定端であるからである。圧電層１４に用いられる圧電体は、ヤング率が大きく、硬い材料が用いられる。このため、圧電層１４にクラックが生じやすい。結晶粒３４が大きい場合、硬い結晶粒３４の部分が多くなり、圧電層１４は相対的に硬くなる。結晶粒３４が小さい場合、硬い結晶粒３４の部分が少なくなり、圧電層１４は相対的に柔らかくなる。

【0041】

そこで、実施例１では、第２領域５６における第２圧電層１５ｂの結晶粒３４の平均粒径は、Ｓ領域５２（第１領域）における第１圧電層１５ａ内の結晶粒３４の平均粒径より小さい。

【0042】

これにより、クラックの生じやすい範囲５８を含む第２領域５６の第２圧電層１５ｂは相対的に柔らかくなり、クラックが抑制される。一方、Ｓ領域５２の第１圧電層１５ａは、粒径が大きいことにより、粒界における機械的な摩擦が小さく機械的品質係数Ｑｍが大きい。また、第１圧電層１５ａは、粒径が大きいことにより、圧電横効果（ｄ３１）が大きく、圧電性が高くなる。よって、電気機械的エネルギーの変換効率が向上する。

【0043】

第２圧電層１５ｂ内の結晶粒３４の平均粒径は、Ｓ領域５２における第１圧電層１５ａ内の結晶粒３４の平均粒径の０．９倍以下が好ましく、０．８倍以下がより好ましく、０．７倍以下がさらに好ましい。

【0044】

粒径を小さくすることは難しい。この観点から、第２圧電層１５ｂ内の結晶粒３４の平均粒径は、Ｓ領域５２における第１圧電層１５ａ内の結晶粒３４の平均粒径の０．１倍以上が好ましく、０．２倍以上がより好ましい。

【0045】

第１圧電層１５ａおよび第２圧電層１５ｂにおける結晶粒３４の平均粒径の求め方の例を説明する。この圧電層１５ａおよび１５ｂにおいて、下面から高さ（Ｚの位置）が同じ箇所におけるＸＹ面の断面を観察する。なお、圧電層１５ａおよび１５ｂの断面を観察する箇所の高さは、圧電層１５ａおよび１５ｂの厚さの５％程度の誤差を許容できる。

【0046】

第１圧電層１５ａおよび第２圧電層１５ｂにおける結晶粒３４の平均粒径の求め方の例を説明する。この圧電層１５ａおよび１５ｂにおいて、下面から高さ（Ｚの位置）が同じ箇所におけるＸＹ面の断面を観察する。なお、圧電層１５ａおよび１５ｂの断面を観察する箇所の高さは、圧電層１５ａおよび１５ｂの厚さの５％程度の誤差を許容できる。

【0047】

圧電層１５ａおよび１５ｂの断面を例えばＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）を用いて観察する。ＴＥＭの回折コントラストを用いると結晶粒が観察しやすく、画像上で結晶粒を画定しやすくなる。結晶粒が画定できないものはサンプリングせず、結晶粒が画定できたものをサンプリングする。例えば５００ｎｍ×５００ｎｍのＴＥＭ画像から結晶粒をサンプリングする。結晶粒のサンプリング数は６０個以上が好ましい。結晶粒のサンプリング数が６０個未満の場合はＴＥＭ画像を増やす。

【0048】

サンプリングした結晶粒３４の面積を測定する。測定した結晶粒３４の面積を円相当の径に換算する。結晶粒３４の面積をＳとすると、粒径Ｒは２×√（Ｓ／π）で表現できる。この粒径Ｒを平均すると結晶粒３４の平均粒径となる。

【0049】

第１圧電層１５ａの主成分と第２圧電層１５ｂの主成分は同じであるので、両者の音響インピーダンスはほぼ等しくなる。よって、圧電層１５ａと１５ｂとの境界に、インピーダンス差が発生せず、振動の反射を抑制でき、その結果、不要な振動モードを抑制できる。

【0050】

なお、圧電層１５ａおよび１５ｂの主成分とは、圧電層としての機能を有するための元素である。圧電層１５ａおよび１５ｂは、意図せずまたは意図して主成分以外の元素を含むことを許容する。例えば、圧電層１５ａおよび１５ｂの主成分の元素濃度は５０原子％以上であり、８０原子％以上であり、９０原子％以上である。例えば、圧電層１５ａおよび１５ｂの主成分が窒化アルミニウムの場合、アルミニウムと窒素の合計の濃度は、５０原子％以上であり、８０原子％以上であり、９０原子％以上である。また、圧電層１５ａおよび１５ｂにおけるアルミニウムの濃度は１０原子％以上または２０原子％以上であり、窒素の濃度は１０原子％以上または２０原子％以上である。

【0051】

以下に、具体的に、各構成の材料を説明する。
前に述べたＳＯＩ基板以外にも、基板として、シリコン基板を用いることができる。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、クロム、銀、パラジウムもしくはニッケルの金属から選択された膜、またはこれらの中から複数の金属が選択された積層膜である。例えば、下部電極１２は、活性層１０ｃ側からクロム膜、ルテニウム膜である。上部電極１６は、圧電層１４側からルテニウム膜、クロム膜である。

【0052】

圧電層１４の材料は、例えばＡｌＮ(窒化アルミニウム)、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛)、ＫＮＮ(ニオブ酸カリウムナトリウム)、ＢａＦｅＯ_３（鉄酸バリウム）、ＢａＴｉＯ_３(チタン酸バリウム)、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ｐＶＤＦ(ポリフッ化ビニリデン)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、酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウム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。

【0053】

基板１０ａの厚さは、１００μｍ～５００μｍであり、ストッパ層１０ｂの厚さは、０．１μｍ～３μｍであり、活性層１０ｃの厚さは、１μｍ～２０μｍである。下部電極１２および上部電極１６の厚さは、例えば１００ｎｍ～３００ｎｍである。圧電層１４の厚さは、例えば１００ｎｍ～３００ｎｍである。

【0054】

振動領域５０およびＳ領域５２の平面形状は円である。振動領域５０の中心５５とＳ領域５２の中心とは一致している。振動領域５０の直径は、２００μｍ～２０００μｍ、Ｓ領域５２の直径は、振動領域５０の直径よりも小さく、１００μｍ～１５００μｍである。振動領域５０およびＳ領域５２の平面形状および面積は適宜設定できる。振動領域５０およびＳ領域５２の平面形状は、例えば略楕円または略多角形であってよい。

【0055】

［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４（ａ）から図６（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサ１００の製造方法を示す断面図である。

【0056】

図４（ａ）に示すように、実施例１の前半で説明したように、基板１０は、ＳＯＩ基板であり、この基板１０上全域に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法または熱酸化法を用いて絶縁層１１を形成する。この絶縁層１１上に例えばスパッタリング法を用いて導電性材料を成膜し、下部電極１２を形成する。

【0057】

続いて、図４（ｂ）に示すように、下部電極１２上に例えばスパッタリング法を用いて圧電材料を成膜し、圧電層１５ａを形成する。

【0058】

図４（ｃ）に示すように、フォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いて圧電層１５ａをパターニングする。この結果、第２領域５６における圧電層１５ａが除去され、領域５４に圧電層１５ａが残存する。圧電層１５ａのエッチングには、例えばイオンミリング法もしくはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法などのドライエッチング法またはウェットエッチング法が用いられる。

【0059】

続いて、図５（ａ）に示すように、下部電極１２および圧電層１５ａを覆うように、スパッタリング法を用いて圧電層１５ｂを形成する。なお、第１圧電層１５ａおよび第２圧電層１５ｂの結晶粒の粒径につては後述する。

【0060】

続いて、図５（ｂ）に示すように、圧電層１５ａの上面を、ＣＭＰ（Chemical Mechanical Polishing）法を用いて取り除き、平坦化された面を形成する。中央の圧電層１５ａと、圧電層１５ａを囲んだ圧電層１５ｂとにより、上面が平坦化した一体の圧電層１４が形成される。よって２タイプの圧電層１５ａおよび１５ｂを用意でき、図４（ｃ）～図５（ｂ）までのプロセス条件を適宜設定することにより、結晶粒の平均粒径の異なる圧電層を形成できる。またはこのプロセスの後に、光照射などを利用して、結晶粒の平均粒径が異なる圧電層を形成できる。詳しくは、後述する。

【0061】

続いて、図５（ｃ）に示すように、圧電層１４上に例えばスパッタリング法を用いて導電性材料を成膜する。この導電性材料をパターニングして、第１圧電層１５ａの上に上部電極１６を形成する。この結果、上部電極１６が残存した領域がＳ領域５２となる。このとき、図１（ａ）の配線１６ａおよびパッド受け部１６ｂも上部電極１６と同時に形成する。

【0062】

続いて、図６（ａ）に示すように、圧電層１４に孔２２を形成する。

【0063】

続いて、図６（ｂ）に示すように、孔２２を介し下部電極１２と接続するパッド２４ａを形成する。このとき、図１（ａ）のパッド２４ｂもパッド２４ａと同時に形成する。パッド２４ａおよび２４ｂには、金属細線（ボンディングワイヤ）を接合するため、パッド２４ａおよび２４ｂの表面には、金メッキまたはスパッタ等で導電性膜を被覆する。

【0064】

その後、基板１０ａの下面から例えばＤＲＩＥ（Deep RIE）法を用いて空隙２８を形成する。ストッパ層１０ｂは、エッチングのストッパとして機能する。以上により、実施例１に係る超音波トランスデューサ１００が製造される。よって、図１（ｂ）に示すように、空隙２８の屋根に相当する部分は、エッチングのストッパ層１０ｂから上部電極１６までの積層膜１８が、この空隙２８を覆うように積層される。なお、例えば、基板１０ａの空隙２８に相当する部分に、犠牲層を設け、エッチングして除去することで、空隙２８を形成してもよい。

【0065】

次に、圧電層１５ａと１５ｂの成膜条件について実験を基に説明する。
［実験１］
添加物を添加していない窒化アルミニウム膜を膜Ａとして成膜し、マグネシウム（Ｍｇ）およびハフニウム（Ｈｆ）を添加した膜Ｂを成膜した。

【0066】

膜Ａの成膜方法
ＡＣ（Alternating Current）マグネトロンスパッタ方式による成膜を行った。２つのＡｌターゲットを用いた。アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ_２）をスパッタリング用のガスとして用いた。

【0067】

膜Ｂの成膜方法
ＡＣマグネトロンスパッタ方式による成膜をおこなった。ＡｌターゲットとＡｌ７６ＭｇＨｆ１２合金ターゲットを用いた。アルゴンと酸素窒素をプロセスガスとして用いた。Ａｌ７６、Ｍｇ１２およびＨｆ１２は原子％である。なお、Ｍｇ濃度は、Ａｌ、ＭｇおよびＨｆの合計に対するＭｇの濃度であり、Ｈｆ濃度は、Ａｌ、ＭｇおよびＨｆの合計に対するＨｆの濃度である。

【0068】

膜Ａおよび膜Ｂを成膜するときのＡＣパワー密度を１０．０、１７．５および２０．０Ｗ／ｃｍ^２と変化させた。図７は、実験１におけるパワー密度に対する結晶粒の平均粒径を示す図である。結晶粒３４の平均粒径は、膜Ａおよび膜Ｂを１μｍの厚さで成膜した後の表面近傍のＴＥＭ画像を用いて、前述の方法により測定した。

【0069】

膜Ａでは、パワー密度が１０Ｗ／ｃｍ^２、１７．５Ｗ／ｃｍ^２および２０Ｗ／ｃｍ^２における平均粒径は、それぞれ４３．８ｎｍ、３９．８ｎｍおよび４０．８ｎｍである。膜Ｂでは、パワー密度が１０Ｗ／ｃｍ^２、１７．５Ｗ／ｃｍ^２および２０Ｗ／ｃｍ^２における平均粒径は、それぞれ２５．２ｎｍ、３３．７ｎｍおよび３８．１ｎｍである。パワー密度が１０Ｗ／ｃｍ^２におけるＭｇの平均濃度およびＨｆの平均濃度は、それぞれ３．３６原子％および２．９７原子％である。１７．５Ｗ／ｃｍ^２におけるＭｇの平均濃度およびＨｆの平均濃度は、それぞれ４．４７原子％および４．８６原子％である。２０Ｗ／ｃｍ^２におけるＭｇの平均濃度およびＨｆの平均濃度は、それぞれ３．８９原子％および５．２５原子％である。

【0070】

膜Ａはパワー密度を変えても平均粒径はほとんど変わらない。一方、膜Ｂでは、パワー密度を低くすると平均粒径が小さくなる。

【0071】

この理由を推定した。特許文献２には、ＭｇとＨｆを添加した窒化アルミニウム膜では、Ｈｆ濃度は膜全域においてほぼ均一であるのに対し、Ｍｇ濃度は粒界３５付近において結晶粒３４内より高くなることが記載されている。窒化アルミニウム膜を、スパッタリング法を用いて成膜するとＶｏｌｍｅｒ－Ｗｅｂｅｒ成長する。Ｖｏｌｍｅｒ－Ｗｅｂｅｒ成長では、膜厚が厚くなると結晶粒の粒径が大きくなることがわかっている。Ｍｇが結晶粒３４の粒界３５に偏析することと、低パワー密度で成膜することによりスパッタされた粒子の移動度が小さくなることで結晶粒３４の成長が抑制されると推定している。この理由から、窒化アルミニウム膜にマグネシウムが含有していれば、パワー密度を低くすることで、結晶粒３４の平均粒径を小さくできる。

【0072】

そこで、図４（ｂ）において、スパッタリング法を用いて、基板１０上に設けられた下部電極１２上に窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料を成膜し、圧電層１５ａ（第１圧電層）を形成する。図４（ｃ）において、Ｓ領域５２（第１領域）における圧電層１５ａを残存させ、Ｓ領域５２の外側に設けられた領域５６（第２領域）における圧電層１５ａを除去する。その後、図５（ａ）において、スパッタリング法を用いて、圧電層１５ａを形成するときのパワー密度より小さいパワー密度を用い範囲５８における下部電極１２上に窒化アルミニウムを主成分としマグネシウムを含む圧電材料を成膜し、圧電層１５ｂ（第２圧電層）を形成する。これにより、圧電層１５ｂの結晶粒３４の平均粒径を圧電層１５ａの結晶粒３４の平均粒径より小さくできる。

【0073】

よって、範囲５８における圧電層１５ｂにクラックが生じることが抑制される。一方、Ｓ領域５２の圧電層１５ａは圧電性が高く、電気機械的エネルギーの変換効率が向上する。圧電層１５ａは、マグネシウムを含有していてもよいし、含有していなくてもよい。

【0074】

このように製造した超音波トランスデューサ１００では、圧電層１４は窒化アルミニウムを主成分とする。領域５６における圧電層１５ｂはマグネシウムを含有する。

【0075】

図７より、Ｍｇを添加していない膜Ａおよびパワー密度が２０Ｗ／ｃｍ^２の膜Ｂでは、平均粒径は約４０ｎｍである。これに対し、パワー密度が約１０Ｗ／ｃｍ^２の条件を用いて膜Ｂを成膜すると、平均粒径は約２５ｎｍである。

【0076】

結晶粒３４の平均粒径を小さくするため、圧電層１５ｂにおけるＭｇの平均濃度は、１０原子％以下が好ましく、５原子％以下がより好ましい。圧電層１５ｂにおけるＭｇの平均濃度は１原子％以上が好ましい。なお、Ｍｇ濃度は、アルミニウム、マグネシウムおよびその他の添加元素の合計（窒素は含まない）を１００原子％としたときのマグネシウムの濃度である。

【0077】

マグネシウムを含む窒化アルミニウムはマグネシウムを含まない窒化アルミニウムより柔らかくなる。そこで、圧電層１５ｂにおけるＭｇの平均濃度を圧電層１５ａにおけるＭｇの平均濃度より高くする。これにより、範囲５８における圧電層１５ｂにクラックが生じることをより抑制できる。

【0078】

［実験２］
酸素（Ｏ)を添加した窒化アルミニウム膜を成膜した。成膜には、ＡＣマグネトロンスパッタ方式を用いた。２つのＡｌターゲットを用いた。アルゴン（Ａｒ）と窒素（Ｎ_２）と酸素（Ｏ_２）をスパッタリング用のガスとして用いた。窒素と酸素の混合比を変えて、酸素濃度の異なる窒化アルミニウム膜を成膜した。ＳＩＭＳ（Secondary Ion Mass Spectrometry）法を用いて、表面から０．７μｍ～１μｍの酸素の平均濃度を測定し、膜の酸素濃度とした。

【0079】

図８は、実験２における酸素濃度に対する結晶粒の平均粒径を示す図である。窒化アルミニウム膜内の酸素濃度が、０．００１８原子％、０．６７原子％および５．５原子％では、結晶粒３４の平均粒径は、それぞれ３８．４ｎｍ、３３．３ｎｍおよび２６．６ｎｍである。このように、窒化アルミニウム膜内の酸素濃度を高くすることで、平均粒径を小さくできる。

【0080】

そこで、図４（ｂ）において、スパッタリング法を用いて、下部電極１２上に窒化アルミニウムを主成分とする圧電材料を成膜し、圧電層１５ａを形成する。図４（ｃ）において、Ｓ領域５２（第１領域）における圧電層１５ａが残存し、Ｓ領域５２の外側に設けられた領域５６（第２領域）における圧電層１５ａを除去する。図５（ａ）において、スパッタリング法を用いて、範囲５８における下部電極１２上に窒化アルミニウムを主成分とし、圧電層１５ａより酸素濃度の高い圧電材料を成膜し、圧電層１５ｂを形成する。これにより、圧電層１５ｂの結晶粒３４の平均粒径を圧電層１５ａの結晶粒３４の平均粒径より小さくできる。よって、範囲５８における圧電層１５ｂにクラックが生じることが抑制される。一方、Ｓ領域５２の圧電層１５ａは圧電性が高く、効率が向上する。

【0081】

このように製造された超音波トランスデューサ１００は、圧電層１４は窒化アルミニウムを主成分とする。領域５６における圧電層１５ｂの酸素濃度は、Ｓ領域５２における圧電層１５ａの酸素濃度より低い。

【0082】

圧電層１５ｂの酸素濃度は、１原子％以上が好ましく、２原子％以上がより好ましい。圧電層１５ａの酸素濃度は、１０原子％以下が好ましく、８原子％以下がより好ましい。圧電層１５ｂの酸素濃度は、圧電層１５ａの酸素濃度の２倍以上が好ましく、５倍以上がより好ましい。なお、酸素濃度は、アルミニウム、窒素およびその他の添加元素の合計を１００原子％としたときの酸素の濃度である。

【0083】

実験１および２の結果から、領域５６における圧電層１５ｂの下面から１μｍの箇所における結晶粒３４の平均粒径は３０ｎｍ以下であることが好ましく、２５ｎｍ以下であることがより好ましい。Ｓ領域５２における圧電層１５ａの下面から１μｍの箇所における結晶粒３４の平均粒径は３５ｎｍ以上であることが好ましい。

【実施例0084】

実施例２は、圧電層１４の下面の表面粗さが異なる例である。図９は、実施例２に係る超音波トランスデューサの断面図である。

【0085】

実施例２の超音波トランスデューサ１０２では、領域５６の圧電層１５ｂの下面４０の表面粗さは、領域５４の圧電層１５ａの下面４０の表面粗さより大きい。その他の構成は、実施例１と同じであり説明を省略する。

【0086】

［実施例２の超音波トランスデューサの製造方法］
図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、実施例２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。

【0087】

図１０（ａ）に示すように、実施例１の図４（ａ）の工程を行った後、領域５４となる領域にマスク層４６を形成する。マスク層４６は、例えば薄い金属膜である。イオンミリング法を用い、マスク層４６をマスクとして、下部電極１２にアルゴンイオン４８を照射する。これにより、領域５６となる領域における下部電極１２の上面４１の凹凸が形成され、上面４１の表面粗さが増大する。イオンビームのＺ方向からの傾斜角度は例えば０°～５°である。イオンビームを照射した後、マスク層４６の側面に再付着物が付着する場合には、イオンビームのＺ方向からの傾斜角度を８０°とし、イオンビームを照射してもよい。これにより、マスク層４６の側面に付着した再付着物を除去できる。領域５６における下部電極１２の上面４１の表面粗さは領域５４における上面４１の表面粗さより大きくなる。

【0088】

図１０（ｂ）に示すように、マスク層４６を除去した後、下部電極１２上に圧電層１４を、例えばスパッタリング法を用いて形成する。表面粗さの小さい領域５４には、平均粒径の大きな圧電層１５ａが形成され、表面粗さの大きい領域５６には、平均粒径の小さい圧電層１５ｂが形成される。その後、図５（ｃ）以降の工程を行う。これにより、実施例２の超音波トランスデューサ１０２が製造される。

【0089】

実施例２では、図１０（ａ）のように、Ｓ領域５２における下部電極１２の上面４１の表面粗さが、領域５６における下部電極１２の上面４１の表面粗さより小さくなるように、領域５６における下部電極１２の上面４１を荒らす。圧電層１５ｂの結晶粒３４の平均粒径を圧電層１５ａの結晶粒３４の平均粒径より小さくできる。よって、範囲５８の圧電層１５ｂにクラックが生じることが抑制される。一方、Ｓ領域５２の圧電層１５ａは、粒径が大きいことにより、粒界における機械的な摩擦が小さく機械的品質係数Ｑｍが大きい。また、第１圧電層１５ａは、粒径が大きいことにより、圧電横効果（ｄ３１）が大きく、圧電性が高くなる。よって、電気機械的なエネルギー変換効率が向上する。また、圧電層１４を成膜することで、圧電層１５ａと１５ｂとを同時に成膜できるため、実施例１に比べ製造工数を削減できる。こうして、図４（ｃ）の圧電層１５ａのエッチングと、図５（ｂ）のＣＭＰの工程が、省略される。

【0090】

圧電層１５ａの平均粒径を４０ｎｍ程度とする観点から、圧電層１５ａの下面４０の算術平均粗さは、５ｎｍ以下が好ましく、２ｎｍ以下がより好ましい。圧電層１５ｂの平均粒径を３５ｎｍ以下とする観点から、圧電層１５ｂの下面４０の算術平均粗さは、５ｎｍ以上が好ましく、１０ｎｍ以上がより好ましい。算術平均粗さが平均粒径に対し大きすぎると、平均粒径は小さくならない。この観点から、圧電層１５ａの下面４０の算術平均粗さは、５０ｎｍ以下が好ましく、２０ｎｍ以下がより好ましい。

【0091】

［実施例２の変形例１］
図１１は、実施例２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。

【0092】

実施例２の変形例１の超音波トランスデューサ１０４では、領域５４の外側に、範囲５８を含む領域５６と、領域５４と領域５６との間に位置する領域５７と、が設けられている。領域５７の圧電層１５ｃの下面４０の表面粗さは、領域５４の圧電層１５ａの下面４０の表面粗さより大きい。領域５６の圧電層１５ｂの下面４０の表面粗さは、領域５７の圧電層１５ｃの下面４０の表面粗さより大きい。領域５７では、領域５４から領域５６に向かうにしたがい下面４０の表面粗さが徐々に大きくなる。圧電層１５ｃの結晶粒３４の平均粒径は、圧電層１５ａの結晶粒３４の平均粒径より小さい。圧電層１５ｂの結晶粒３４の平均粒径は、圧電層１５ｃの結晶粒３４の平均粒径より小さい。圧電層１５ｃでは、圧電層１５ａから１５ｂに向かうにしたがい結晶粒３４の平均粒径が徐々に小さくなる。その他の構成は、実施例２と同じであり説明を省略する。

【0093】

［実施例２の変形例１の超音波トランスデューサの製造方法１］
図１２(ａ）および図１２（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法１を示す断面図である。

【0094】

図１２（ａ）に示すように、図４（ａ）の工程を行った後、領域５４となる領域にマスク層４６を形成する。マスク層４６は、例えば薄い金属膜である。イオンミリング法を用い、マスク層４６をマスクに、下部電極１２にアルゴンイオン４８を照射する。イオンビームのＺ方向からの傾斜角度は例えば３０°～６０°である。ウエハを自転させる。マスク層４６が設けられた領域５４にはイオンビームが照射されない。マスク層４６の陰にならない領域５６では、下部電極１２の上面４１にイオンビームが照射され、表面粗さが大きくなる。領域５７では、マスク層４６から遠い箇所では、イオンビームの照射量が大きくなり、マスク層４６に近い所では、イオンビームの照射量が小さくなる。これにより、領域５７における上面４１の表面粗さは、領域５４から領域５６に向かうにしたがい大きくなる。

【0095】

図１２（ｂ）に示すように、マスク層４６を除去した後、下部電極１２上に圧電層１４を、例えばスパッタリング法を用い形成する。表面粗さの小さい領域５４には、平均粒径の大きな圧電層１５ａが形成され、表面粗さの大きい領域５６には、平均粒径の小さな圧電層１５ｂが形成される。領域５７には、圧電層１５ａから１５ｂに向かうにしたがい平均粒径が徐々に小さくなる圧電層１５ｃが形成される。その後、図５（ｃ）以降の工程を行う。これにより、実施例２の変形例１の超音波トランスデューサ１０４が製造される。

【0096】

［実施例２の変形例１の超音波トランスデューサの製造方法２］
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２の変形例１に係る超音波トランスデューサの製造方法２を示す断面図である。

【0097】

図１３（ａ）に示すように、図４（ａ）の工程を行った後、下部電極１２上に犠牲層４７を形成する。犠牲層４７は、例えば酸化シリコン膜等の絶縁膜である。犠牲層４７上の領域５４となる領域にマスク層４６を形成する。マスク層４６は、例えば薄い金属膜である。マスク層４６をマスクとし、イオンミリング法を用いて、アルゴンイオン４８を照射する。イオンビームのＺ方向からの傾斜角度は例えば８０°～８５°である。ウエハを自転させる。マスク層４６が設けられた領域５４にはイオンビームが照射されない。領域５７および５６では、マスク層４６から遠い箇所では、イオンビームの照射量が大きくなり、マスク層４６に近い所では、イオンビームの照射量が小さくなる。これにより、犠牲層４７は、領域５４から遠くなると薄くなる。領域５６の犠牲層４７が除去され、領域５７の犠牲層４７が残存している時点において、イオンビームの照射を終了する。

【0098】

図１３（ｂ）に示すように、マスク層４６を除去する。領域５６では、犠牲層４７は形成されておらず、領域５４では、犠牲層４７の厚さは一定である。領域５７では、領域５４から領域５６に向かうにしたがい、犠牲層４７が徐々に薄くなる。イオンミリング法を用いて、アルゴンイオン４８を照射する。イオンビームのＺ方向からの傾斜角度は例えば０°～５°である。犠牲層４７がエッチングされると、領域５７の周囲から犠牲層４７が除去されている。このため、領域５７では、領域５４から領域５６に向かうにしたがい、下部電極１２にイオンビームが照射される時間が長くなる。これにより、領域５７における下部電極１２の上面４１の表面粗さは、領域５４から領域５６に向かうにしたがい大きくなる。その後、実施例２の変形例１の図１２（ｂ）以降の工程を行う。これにより、実施例２の変形例１の超音波トランスデューサ１０４が製造される。

【0099】

実施例２の変形例１では、図１２（ａ）から図１３（ｂ）のように、領域５４の外周を内周とし領域５６の内周を外周とする領域５７（第３領域）において、領域５４の外周から領域５６の内周に向かうにしたがい、下部電極１２の上面４１の表面粗さが大きくなるように、下部電極１２の上面４１を荒らす。これにより、領域５７における圧電層１５ｃ内の結晶粒３４の平均粒径は領域５４から領域５６に向かうにしたがい大きくなる。

【0100】

実施例１および２では、領域５４と５６との間において、平均粒径が急峻に変化する。このため、圧電層１５ａと１５ｂとの境界に、界面が生じる。これにより、圧電層１５ａと１５ｂとの界面において振動が反射され、不要な振動が生じる可能性がある。これにより、不要な振動はノイズとなる。また、領域５４と５６との間において、平均粒径が急激に変化すると、音響インピーダンスにも、急峻な差があると考えられる。このため、不要な振動が生じる可能性がある。

【0101】

実施例２の変形例１では、領域５７における圧電層１５ｃ内の結晶粒３４の平均粒径は領域５４から領域５６に向かうにしたがい小さくなる。これにより、圧電層１５ａと１５ｂとの間の音響インピーダンスが徐々に変化する。よって、振動の反射が抑制され、不要な振動を抑制できる。