特開 2024-146250 超音波トランスデューサ

(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】P2024146250

(43)【公開日】2024-10-15

(54)【発明の名称】超音波トランスデューサ

(51)【国際特許分類】

   H04R 17/00 20060101AFI20241004BHJP

【ＦＩ】

H04R17/00 330G

H04R17/00 330J

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023059034

(22)【出願日】2023-03-31

(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】井上 敬道

(72)【発明者】

【氏名】田中 邦明

(72)【発明者】

【氏名】谷口 眞司

【テーマコード（参考）】

5D019

【Ｆターム（参考）】

5D019EE04

5D019GG06

(57)【要約】

【課題】剥がれ等を抑制できる圧電装置を提供する。
【解決手段】超音波トランスデューサは、空隙２８を有する支持体と、空隙上を覆うように支持体上に設けられた第１中間層と、第１中間層上に設けられた第２中間層と、第２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、第２中間層とで圧電層を挟む領域の面積が、平面視において空隙の面積より小さく空隙に含まれるように圧電層上に設けられた上部電極１６と、を備え、第１中間層は、平面視で見たとき、周縁部において支持体と第２中間層とに挟まれて設けられ、中央部において空隙上を覆うように設けられた膜部１５ａと、支持体の上面と空隙に面する支持体の側面とが接する箇所を覆うように空隙に面する支持体の側面の上部から膜部の下面まで設けられ、支持体の厚さ方向における厚さが空隙に面する支持体の側面から空隙の内側に向かうにしたがい小さくなる被覆部１５ｂと、を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

空隙を有する支持体と、
前記空隙上を覆うように前記支持体上に設けられた第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられた第２中間層と、
前記第２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、
前記第２中間層とで前記圧電層を挟む領域の面積が、平面視において前記空隙の面積より小さく前記空隙に含まれるように前記圧電層上に設けられた上部電極と、
を備え、
前記第１中間層は、平面視で見たとき、周縁部において前記支持体と前記第２中間層とに挟まれて設けられ、中央部において前記空隙上を覆うように設けられた膜部と、前記支持体の上面と前記空隙に面する前記支持体の側面とが接する箇所を覆うように前記空隙に面する前記支持体の側面の上部から前記膜部の下面まで設けられ、前記支持体の厚さ方向における厚さが前記空隙に面する前記支持体の側面から前記空隙の内側に向かうにしたがい小さくなる被覆部と、を有する超音波トランスデューサ。

【請求項2】

前記被覆部の前記空隙に露出する面は前記箇所の方に凹むように湾曲する請求項１に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項3】

平面視において、前記被覆部は前記領域に重ならない請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項4】

前記被覆部の主成分は、前記膜部または前記支持体の主成分と同じである請求項１または２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項5】

前記支持体はシリコン基板であり、前記第１中間層は酸化シリコン層である請求項４に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項6】

前記被覆部が前記空隙に面する前記支持体の側面に接する前記支持体の厚さ方向における高さは、前記被覆部の前記支持体の厚さ方向に直交する方向における幅の１／１０倍以上かつ１０倍以下である請求項２に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項7】

空隙を有する支持体と、
前記空隙上を覆うように前記支持体上に設けられた第１中間層と、
前記第１中間層上に設けられた第２中間層と、
前記第２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、
前記第２中間層とで前記圧電層を挟む領域の面積が、平面視において前記空隙の面積より小さく前記空隙に含まれるように前記圧電層上に設けられた上部電極と、
を備え、
前記第１中間層は、前記支持体と前記第２中間層に挟まれた厚膜部と、平面視において前記空隙の中央部に設けられ前記厚膜部より薄い薄膜部と、前記厚膜部と前記薄膜部との間に位置し、前記厚膜部から前記薄膜部に向かうにしたがい厚さが徐々に小さくなる遷移部と、を有する超音波トランスデューサ。

【請求項8】

前記遷移部の前記空隙に露出する面は上方に凹むように湾曲する請求項７に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項9】

平面視において、前記遷移部は前記領域に重ならない請求項７または８に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項10】

前記支持体はシリコン基板であり、前記第１中間層は酸化シリコン層である請求項７または８に記載の超音波トランスデューサ。

【請求項11】

空隙を有するシリコンからなる支持体と、
前記空隙および前記支持体上に設けられたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜上に設けられたシリコン層と、
前記シリコン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、
前記空隙に面する前記支持体の側面と前記空隙に面する前記シリコン酸化膜の面とにより形成される角部を覆い、シリコン、またはシリコンと酸素を含み、前記空隙に面する面は前記角部の方に凹むように湾曲する被覆部と、
を備える超音波トランスデューサ。

【請求項12】

空隙を有するシリコンからなる支持体と、
前記空隙および前記支持体上に設けられたシリコン酸化膜と、
前記シリコン酸化膜上に設けられたシリコン層と、
前記シリコン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、
前記空隙の上方に位置する前記シリコン酸化膜は、前記支持体上に位置する前記シリコン酸化膜より薄く、
前記空隙に面する前記支持体の側面と前記空隙に面する前記シリコン酸化膜の面とが接する部分から前記空隙の中心方向に前記シリコン酸化膜の厚さが徐々に小さくなる超音波トランスデューサ。

【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に関する。

【背景技術】

【0002】

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）。

【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る。この空隙上の積層膜がたわみ振動する。このとき、振動領域の周囲の基板と積層膜は固定されており、空隙と基板と積層膜とが接する内壁の角部に応力が集中する。これにより、振動する積層膜にクラックが発生したり、積層膜が基板から剥がれたりすることがある。さらには、基板と積層膜との界面に水分等が侵入することがある。

【0006】

本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、剥がれ等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、空隙を有する支持体と、前記空隙上を覆うように前記支持体上に設けられた第１中間層と、前記第１中間層上に設けられた第２中間層と、前記第２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、前記第２中間層とで前記圧電層を挟む領域の面積が、平面視において前記空隙の面積より小さく前記空隙に含まれるように前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、前記第１中間層は、平面視で見たとき、周縁部において前記支持体と前記第２中間層とに挟まれて設けられ、中央部において前記空隙上を覆うように設けられた膜部と、前記支持体の上面と前記空隙に面する前記支持体の側面とが接する箇所を覆うように前記空隙に面する前記支持体の側面の上部から前記膜部の下面まで設けられ、前記支持体の厚さ方向における厚さが前記空隙に面する前記支持体の側面から前記空隙の内側に向かうにしたがい小さくなる被覆部と、を有する超音波トランスデューサである。

【0008】

上記構成において、前記被覆部の前記空隙に露出する面は前記箇所の方に凹むように湾曲する構成とすることができる。

【0009】

上記構成において、平面視において、前記被覆部は前記領域に重ならない構成とすることができる。

【0010】

上記構成において、前記被覆部の主成分は、前記膜部または前記支持体の主成分と同じである構成とすることができる。

【0011】

上記構成において、前記支持体はシリコン基板であり、前記第１中間層は酸化シリコン層である構成とすることができる。

【0012】

上記構成において、前記被覆部が前記空隙に面する前記支持体の側面に接する前記支持体の厚さ方向における高さは、前記被覆部の前記支持体の厚さ方向に直交する方向における幅の１／１０倍以上かつ１０倍以下である構成とすることができる。

【0013】

本発明は、空隙を有する支持体と、前記空隙上を覆うように前記支持体上に設けられた第１中間層と、前記第１中間層上に設けられた第２中間層と、前記第２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、前記第２中間層とで前記圧電層を挟む領域の面積が、平面視において前記空隙の面積より小さく前記空隙に含まれるように前記圧電層上に設けられた上部電極と、を備え、前記第１中間層は、前記支持体と前記第２中間層に挟まれた厚膜部と、平面視において前記空隙の中央部に設けられ前記厚膜部より薄い薄膜部と、前記厚膜部と前記薄膜部との間に位置し、前記厚膜部から前記薄膜部に向かうにしたがい厚さが徐々に小さくなる遷移部と、を有する超音波トランスデューサである。

【0014】

上記構成において、前記遷移部の前記空隙に露出する面は上方に凹むように湾曲する構成とすることができる。

【0015】

上記構成において、平面視において、前記遷移部は前記領域に重ならない構成とすることができる。

【0016】

上記構成において、前記支持体はシリコン基板であり、前記第１中間層は酸化シリコン層である構成とすることができる。

【0017】

本発明は、空隙を有するシリコンからなる支持体と、前記空隙および前記支持体上に設けられたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に設けられたシリコン層と、前記シリコン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、前記空隙に面する前記支持体の側面と前記空隙に面する前記シリコン酸化膜の面とにより形成される角部を覆い、シリコン、またはシリコンと酸素を含み、前記空隙に面する面は前記角部の方に凹むように湾曲する被覆部と、を備える超音波トランスデューサである。

【0018】

本発明は、空隙を有するシリコンからなる支持体と、前記空隙および前記支持体上に設けられたシリコン酸化膜と、前記シリコン酸化膜上に設けられたシリコン層と、前記シリコン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、前記空隙の上方に位置する前記シリコン酸化膜は、前記支持体上に位置する前記シリコン酸化膜より薄く、前記空隙に面する前記支持体の側面と前記空隙に面する前記シリコン酸化膜の面とが接する部分から前記空隙の中心方向に前記シリコン酸化膜の厚さが徐々に小さくなる超音波トランスデューサである。

【発明の効果】

【0019】

本発明によれば、剥がれ等を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【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、超音波トランスデューサの動作を示す断面図である。

【図3】図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１に係る超音波トランスデューサの拡大断面図である。

【図4】図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサの拡大断面図である。

【図5】図５（ａ）から図５（ｄ）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）から図６（ｄ）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、実施例１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8】図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーションにおけるそれぞれ比較例１および実施例１の応力を示す図である。

【図9】図９（ａ）から図９（ｃ）は、シミュレーションにおける実施例１の幅Ｗおよび高さＨに対する最大の応力を示す図である。

【図10】図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、シミュレーションにおける実施例１の幅Ｗおよび高さＨに対する最大の応力の等高線を示す図である。

【図11】図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、シミュレーションにおける実施例１の変形例１の幅Ｗおよび高さＨに対する最大の応力を示す図である。

【図12】図１２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13】図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２に係る超音波トランスデューサの拡大断面図である。

【図14】図１４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15】図１５は、実施例３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】

【0021】

以下、図面を参照し実施例について説明する。

【実施例0022】

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、開口２７および空隙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。

【0023】

超音波トランスデューサ１００では、厚みを有し平面形状が矩形の基板１０と、基板１０上に積層膜１８とが設けられている。また基板１０は、積層膜１８が振動しやすいように、下面から厚さ方向に貫通する開口２７を有している。また、製造工程において、空隙２８を形成するときの都合から、基板１０および開口２７上を覆うようにストッパ層１５が設けられている。ストッパ層１５上に活性層１１が設けられている。基板１０、ストッパ層１５および活性層１１は、例えばＳＯＩ（Semiconductor On Insulator）基板から作製される。基板１０は例えばシリコン基板であり、ストッパ層１５は例えば酸化シリコン層であり、活性層１１は例えばシリコン層である。基板１０は、支持体であり、開口２７の周囲でストッパ層１５を支持する。ストッパ層１５および活性層１１はそれぞれ第１中間層および第２中間層とも称する。そして開口２７における基板１０の内壁とストッパ層１５の内壁とが、一部を区画する空隙２８が形成される。

【0024】

ストッパ層１５は、開口２７をエッチングするときのストッパとして機能する。ストッパ層１５は、空隙２８に面する膜部１５ａと、膜部１５ａと開口２７の側面との角部を埋めて角部の表面を湾曲面とする被覆部１５ｂを有する。

【0025】

膜部１５ａは、ほぼ平板状であり、被覆部１５ｂは、開口２７における基板１０の側面の上部とストッパ層１５との境界、つまり平面視で見たときにリング状の膜部１５ａの外郭の角部を覆う部分である。被覆部１５ｂの空隙２８に露出する面６２は、角部に向かった凸状の湾曲面を有している。

【0026】

活性層１１上に絶縁層１３が設けられている。なお、絶縁層１３は設けられていなくてもよい。下部電極１２が活性層１１または絶縁層１３の上面の全面に設けられている。圧電層１４が下部電極１２の上面の全面に設けられている。圧電層１４上に上部電極１６が設けられている。

【0027】

図１（ａ）の平面図において、クロスハッチングで示した上部電極１６の面積は、空隙２８の面積よりも一回り小さく、空隙２８に全域が含まれるように設けられている。平面視で見たとき振動領域５０外にある、基板１０に対応する圧電層１４上にパッド２４ａおよび２４ｂが設けられている。パッド２４ａは圧電層１４まで到達するコンタクト孔２２を介し下部電極１２に接続されている。パッド受け部１６ｂは、上部電極１６と、上部電極１６とパッド受け部１６ｂとを接続する配線１６ａと、一体に設けられている。パッド２４ｂは、パッド受け部１６ｂ上に設けられている。パッド２４ａおよび２４ｂは、ボンディング用の例えば金パッドである。なお、基板１０の全域に保護膜（不図示）が設けられていてもよい。

【0028】

ストッパ層１５、活性層１１、絶縁層１３、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。平面視において、積層膜１８が膜部１５ａと重なる領域は振動領域５０である。また平面視において、被覆部１５ｂが設けられた領域は、図１（ａ）において上部電極１６の外側に示されている２本の破線の間で示す領域５４であり、リング状に形成されている。振動領域５０における積層膜１８はたわみ振動する。領域５４における積層膜１８も振動するが、領域５４における振動の共振周波数は、振動領域５０の共振周波数とは異なる。領域５４の幅が振動領域５０の幅より十分小さければ、領域５４における積層膜１８の振動はほぼ無視できる。

【0029】

下部電極１２と上部電極１６とが圧電層１４を挟む領域を領域５２とする。領域５２の全域が、平面視において振動領域５０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。

【0030】

以下に、具体的に、各構成の材料などを説明する。
基板１０として、例えばシリコン基板等を用いることができる。また、基板１０、ストッパ層１５および活性層１１として、シリコン基板、シリコン酸化膜およびシリコン層が順に設けられたＳＯＩ基板を採用してもよい。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、活性層１１側からクロム膜および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およびクロム膜である。

【0031】

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、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。

【0032】

基板１０の厚さは例えば１００μｍ～５００μｍであり、ストッパ層１５の厚さは例えば０．１μｍ～３μｍであり、活性層１１の厚さは例えば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。

【0033】

振動領域５０および領域５２の平面形状は円である。振動領域５０の中心５５と領域５２の中心とは略一致している。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。例えば平面形状は、略楕円形または略多角形でもよい。

【0034】

続いて、動作を説明する。図２（ａ）および図２（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１３およびストッパ層１５の図示を省略している。

【0035】

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、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。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、活性層１１および圧電層１４の伸縮および膨張により、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。

【0036】

図２（ａ）のように、下部電極１２および上部電極１６に例えばそれぞれ正および負の電圧が加わる。逆圧電効果により、圧電層１４内の面方向に圧電層１４が伸びるような歪み３１ａが生じる。活性層１１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。

【0037】

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。活性層１１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。

【0038】

交流電圧により、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の活性層１１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。

【0039】

図２（ａ）および図２（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の外周に応力が集中する。これにより、基板１０とストッパ層１５とが剥がれることがある。以下、比較例１を用い説明する。

【0040】

[比較例１]
図３（ａ）および図３（ｂ）は、比較例１に係る超音波トランスデューサ１１０および１１１の拡大断面図である。図３（ａ）および図３（ｂ）は、開口２７と、基板１０とストッパ層１５とが接する付近を拡大した断面図である。

【0041】

図３（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１１０では、ストッパ層１５は平板状である。開口２７の側面はほぼ垂直である。図３（ａ）の構造では、開口２７の内側面とストッパ層１５の下面とがほぼ直交するリング状の角部がある。このため、振動領域５０の積層膜１８が振動したときに、基板１０の上面と空隙２８に面する基板１０の側面とが接する角部の箇所６０に応力が集中する。さらには、図２（ａ）のように振動領域５０の積層膜１８が撓むと、基板１０とストッパ層１５との界面６１には、ストッパ層１５が剥がれるような応力が加わる。これにより、ストッパ層１５と基板１０の間にクラックが生じることがある。また、箇所６０の界面６１に水分等が侵入する可能性がある。

【0042】

図３（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１１１において、開口２７の側面の上部は、上に行くほど開口２７の内側に湾曲する湾曲面を有する。また別の表現では、図３（ａ）の箇所６０（角部）に向かって凸となる湾曲部または鈍角面が設けられ、箇所６０への応力集中が緩和される。

【0043】

図３（ｂ）、図４（ａ）、図４（ｂ）、図７、図１２～図１４の断面図で述べれば、図３（ａ）の角部から比較すると、箇所６０に相当する部分は角が緩和されている。図４（ａ）、図４（ｂ）および図７では、角部にシリコンまたはシリコン酸化膜が埋められて、空隙２８に露出される被覆部１５ｂの面が湾曲面となる。またはこの面がテーパ面となり、テーパ面と空隙２８の側面とのなす角が鈍角となる。図１２～図１４では、空隙２８上のストッパ層１５が薄くなっている。その結果、箇所６０付近のストッパ層１５の下面が湾曲となる。または、この面がテーパ面となり、テーパ面と空隙２８の側面とのなす角が鈍角となる。これらにより、角部が鋭くなるのを緩和し、応力の集中を抑制している。

【0044】

[実施例１の効果]
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施例１に係る超音波トランスデューサ１００および１０１の拡大断面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）は、開口２７と、基板１０とストッパ層１５とが接する付近を拡大した断面図である。

【0045】

図４（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１００では、ストッパ層１５は膜部１５ａと被覆部１５ｂとを有している。膜部１５ａは、平面視で見たとき、周縁部において基板１０と活性層１１とに挟まれて設けられ、中央部において空隙２８上を覆うように設けられている。被覆部１５ｂは、箇所６０を覆うように空隙２８に面する基板１０の側面の上部から膜部１５ａの下面まで設けられている。すなわち、被覆部１５ｂは、空隙２８に面する基板１０の側面と空隙２８に面する膜部１５ａの面とにより形成される角部を覆う。被覆部１５ｂを設けることで、箇所６０に加わる応力が緩和される。ストッパ層１５が基板１０から剥がれることを抑制できる。また、箇所６０から界面６１に水分等が侵入することを抑制できる。

【0046】

被覆部１５ｂの基板１０の厚さ方向における厚さが空隙２８に面する基板１０の側面から空隙２８の内側に向かうにしたがい小さくなる。これにより、被覆部１５ｂ内での応力の集中を抑制できる。より応力の集中を抑制するためには、被覆部１５ｂの空隙２８に露出する面６２は箇所６０の方に凹むように湾曲することが好ましい。

【0047】

図４（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１０１では、開口２７の側面の上部が上に行くほど開口２７の内側に湾曲する場合にも、被覆部１５ｂを設ける。これにより、図４（ａ）の場合と同様に、応力を緩和できる。

【0048】

なお、図４（ａ）および図４（ｂ）のいずれにおいても、被覆部１５ｂは、エッチングストッパであるストッパ層１５および／または基板１０の主成分と同じ主成分を有することが好ましい。主成分が同一であることから、被覆部１５ｂと膜部１５ａとの密着性、および被覆部１５ｂと基板１０との密着性が向上する。例えば、基板１０がシリコンからなり、膜部１５ａがシリコン酸化膜であり、活性層１１がシリコンからなる場合に、被覆部１５ｂは、シリコン、またはシリコンと酸素を含む。これにより、被覆部１５ｂと膜部１５ａとの密着性、および被覆部１５ｂと基板１０との密着性が向上する。

【0049】

［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５（ａ）から図６（ｄ）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。

【0050】

図５（ａ）に示すように、基板１０、ストッパ層１５および活性層１１が積層されたＳＯＩ基板上に例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法または熱酸化法を用い絶縁層１３を形成する。

【0051】

続いて、図５（ｂ）に示すように、絶縁層１３上に例えばスパッタリング法を用いて下部電極１２を成膜する。続いて、図５（ｃ）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層１４を成膜する。

【0052】

続いて、図５（ｄ）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上部電極１６を成膜する。例えばフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用い上部電極１６をパターニングする。これにより、上部電極１６が残存した領域が領域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。

【0053】

続いて、図６（ａ）に示すように、圧電層１４にコンタクト孔２２を形成し、下部電極１２を露出させる。

【0054】

続いて、図６（ｂ）に示すように、コンタクト孔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。

【0055】

続いて、図６（ｃ）に示すように、基板１０の下面から例えばＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法を用い開口２７を形成する。ストッパ層１５は、エッチングのストッパとして機能する。

【0056】

最後に、図６（ｄ）に示すように、基板１０の下面からイオンミリング法を用い、アルゴン（Ａｒ）等の不活性元素（例えば希ガス元素）のイオンまたは原子をストッパ層１５の下面に照射する。これにより、ストッパ層１５の下面からスパッタされた原子の一部が開口２７の上部に付着する。これにより、被覆部１５ｂが形成される。なお、被覆部１５ｂの形成方法としては、イオンミリング法以外に、例えばＣＶＤ法などのプラズマを用いた方法、その他の方法を用いてもよい。

【0057】

このように、被覆部１５ｂを作製すると、被覆部１５ｂの主成分は膜部１５ａの主成分または／および基板１０の主成分と同じである。ここで、主成分とは、主成分以外の元素が意図的または意図せず含まれることを許容する。例えば被覆部１５ｂの主成分は膜部１５ａの主成分以外にイオンミリングに用いるアルゴン等の不活性元素を含んでもよい。また、被覆部１５ｂは膜部１５ａに比べ酸素の組成が低くなることもある。例えば、膜部１５ａが酸化シリコンを主成分とするとき、被覆部１５ｂのシリコンと酸素の合計の濃度は、５０原子％以上であり、８０原子％以上である。イオンミリングのイオンを照射する角度によっては、被覆部１５ｂは酸素をほとんど含まず、主成分がシリコンとなる場合もある。この場合でも被覆部１５ｂの主成分はシリコンであるため、被覆部１５ｂと基板１０との密着性を向上できる。

【0058】

また、図４（ａ）および図４（ｂ）のように、振動領域５０におけるストッパ層１５の厚さＴ１は、基板１０と活性層１１との間に位置するストッパ層１５の厚さＴ２より小さくなる。被覆部１５ｂを作製する観点から、厚さＴ１は、厚さＴ２の例えば０．９５倍以下であり、０．９倍以下である。図６（ｄ）において、ストッパ層１５を残存させる観点から、厚さＴ１は、例えば厚さＴ２の０．２倍以上であり、０．５倍以上である。

【0059】

［実施例１の変形例１］
図７は、実施例１の変形例１に係る超音波トランスデューサ１０２の断面図である。

【0060】

超音波トランスデューサ１０２では、被覆部１５ｂの厚さは、開口２７の側面から開口２７の内側に向けて直線的に小さくなる。すなわち、被覆部１５ｂの空隙２８に露出する面６２は直線状である。別の表現を用い、図７を参照して説明すれば、空隙２８に面する被覆部１５ｂの面と空隙２８に面する基板１０の側面とは鈍角を構成する。また空隙２８に面する被覆部１５ｂの面と空隙２８に面する膜部１５ａの面とは鈍角を構成している。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0061】

超音波トランスデューサ１０２の被覆部１５ｂは、図６（ｄ）において、アルゴン等の不活性元素のイオンまたは原子の照射を、Ｚ方向から傾けて行うことで形成できる。つまり開口２７からストッパ層１５に向かってイオンまたは原子を照射するときに、イオンまたは原子の飛来する方向が、平面に対し垂直な方向（すなわちＺ方向）であれば、主にストッパ層１５の材料（例えばシリコンと酸素）が被覆部１５ｂの材料となる。また、イオンまたは原子の飛来する方向を平面に対し垂直な方向から傾ければ、基板１０の材料（例えばシリコン）またはストッパ層１５の材料（シリコンと酸素）が被覆部１５ｂの材料となる。このように、被覆部１５ｂに、基板１０とストッパ層１５の両方の材料が混ざっていると、被覆部１５ｂと基板１０との密着性、膜部１５ａと被覆部１５ｂとの密着性の両方が向上する。

【0062】

［シミュレーション］
比較例１、実施例１およびその変形例１において、開口の外周付近の応力をシミュレーションした。シミュレーションには、中心５５を中心とする円対称とする２次元の有限要素法を用いた。シミュレーション条件は以下である。
基板１０：シリコン
ストッパ層１５：厚さが０．５μｍの酸化シリコン層
活性層１１：厚さが３μｍのシリコン層
絶縁層１３：なし
下部電極１２：活性層１１側から厚さが２０ｎｍのクロム膜および厚さが１００ｎｍのルテニウム膜
圧電層１４：厚さが１μｍの窒化アルミニウム層
上部電極１６：圧電層１４側から厚さが１００ｎｍのルテニウム膜および厚さが２０ｎｍのクロム膜
開口２７の直径：１３８０μｍ
上部電極１６の直径：９６６μｍ
下部電極１２と上部電極１６との間に１Ｖの直流電圧を印加したときの応力を算出した。面６２が湾曲する場合、湾曲をベジエ曲線とし、ＣＯＭＳＯＬ社製のシミュレータにおいてｗｅｉｇｈｔを１／√２とした。

【0063】

図８（ａ）および図８（ｂ）は、シミュレーションにおけるそれぞれ比較例１および実施例１の応力を示す図である。図８（ａ）および図８（ｂ）は、開口２７の外周付近を拡大している。横軸は中心５５を０としたときのＸ座標を表し、縦軸は基板１０とストッパ層１５との界面を０としたときのＺ座標を表す。基板１０およびストッパ層１５内の応力を白黒で表し、濃くなると応力が大きくなることを示している。

【0064】

図８（ａ）のように、比較例１では、基板１０の上面と開口２７の側面とが接する箇所６０に応力が集中している。最大の応力は１．６１ＭＰａである。図８（ｂ）のように、実施例１では、応力がほぼ均一であり応力は、０．０４ＭＰａ以下である。被覆部１５ｂの高さおよび幅をそれぞれＷおよびＨとする（高さＷと幅Ｈとの位置関係は、図８（ｂ）を参照）。

【0065】

図９（ａ）から図９（ｃ）は、シミュレーションにおける実施例１の幅Ｗおよび高さＨに対する応力を示す図である。縦軸の応力は、図８（ａ）および図８（ｂ）のような断面視において最大の応力である。図９（ａ）から図９（ｃ）内の黒丸ドットはシミュレーションした点を示し、実線は黒丸ドットをつなぐ線である。図９（ａ）は、被覆部１５ｂの幅Ｗを１μｍとし、高さＨを変えたときの応力を示す図である。Ｈが０．３μｍのとき、応力は約０．２ＭＰａであり、高さＨが大きくなると応力が小さくなる。Ｈ＝３μｍのとき、応力は約０．１２ＭＰａである。高さＨがさらに大きくなると応力は大きくなりＨ＝２５μｍのとき、応力は約０．２５ＭＰａである。

【0066】

図９（ｂ）は、被覆部１５ｂの高さＨを１μｍとし、幅Ｗを変えたときの応力を示す図であるＷが０．３μｍのとき、応力は約０．２２ＭＰａであり、幅Ｗが大きくなると応力が小さくなる。Ｗ＝２μｍのとき、応力は約０．１２５ＭＰａである。幅Ｗがさらに大きくなると応力は大きくなりＷ＝２５μｍのとき、応力は約０．２２ＭＰａである。

【0067】

図９（ｃ）は、被覆部１５ｂの幅Ｗおよび高さＨを、長さＬ＝Ｗ＝Ｈとし、長さＬを変えたときの応力を示す図である。Ｌ＝Ｈ＝Ｗ＝２μｍのとき、応力は約０．１ＭＰａであり、幅Ｗおよび高さＨが大きくなると応力が小さくなる。Ｌ＝Ｗ＝Ｈ＝１０μｍのとき、応力は約０．０５ＭＰａである。幅Ｗおよび高さＨがさらに大きくなると応力は大きくなりＬ＝Ｗ＝Ｈ＝２５μｍのとき、応力は約０．０７ＭＰａである。

【0068】

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、シミュレーションにおける実施例１の幅Ｗおよび高さＨに対する最大の応力の等高線を示す図である。図１０（ａ）は、横軸が幅Ｗであり、縦軸が幅Ｈである。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の太破線の範囲の拡大図である。図１０（ａ）および図１０（ｂ）内の黒丸ドットは、図９（ａ）から図９（ｃ）においてシミュレーションした点を示す。

【0069】

図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、幅Ｗと高さＨとをほぼ同じとすると、応力が小さくなる。幅Ｗおよび高さＨが小さくなると応力は大きくなる。図９（ａ）から図１０（ｂ）より、幅Ｗに対する高さＨの比Ｈ／Ｗは、１／１０倍以上かつ１０倍以下が好ましく、１／５倍以上かつ５倍以下がより好ましく、１／２倍以上かつ２倍以下がさらに好ましい。幅Ｗは１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましく、３μｍ以上がさらに好ましい。高さＨは１μｍ以上が好ましく、２μｍ以上がより好ましく、３μｍ以上がさらに好ましい。

【0070】

図１１（ａ）から図１１（ｃ）は、シミュレーションにおける実施例１の変形例１の幅Ｗおよび高さＨに対する最大の応力を示す図である。図１１（ａ）は、被覆部１５ｂの幅Ｗを１μｍとし、高さＨを変えたときの応力を示す図である。Ｈが０．３μｍのとき、応力は約０．６ＭＰａであり、高さＨが大きくなると応力が小さくなる。Ｈ＝１μｍのとき、応力は約０．３３ＭＰａである。高さＨがさらに大きくなると応力は大きくなりＨ＝１０μｍのとき、応力は約０．７ＭＰａである。

【0071】

図１１（ｂ）は、被覆部１５ｂの高さＨを１μｍとし、幅Ｗを変えたときの応力を示す図である。Ｗが０．３μｍのとき、応力は約０．６８ＭＰａであり、幅Ｗが大きくなると応力が小さくなる。Ｗ＝１μｍのとき、応力は約０．３４ＭＰａである。幅Ｗがさらに大きくなると応力は大きくなりＷ＝１０μｍのとき、応力は約０．６８ＭＰａである。

【0072】

図１１（ｃ）は、被覆部１５ｂの幅Ｗおよび高さＨを、長さＬ＝Ｗ＝Ｈとし、長さＬを変えたときの応力を示す図である。幅Ｗおよび高さＨが変わっても、応力は０．３０ＭＰａ～０．３５ＭＰａであり、ほぼ一定である。

【0073】

図１１（ａ）から図１１（ｃ）の実施例１の変形例１ように、被覆部１５ｂの面６２を直線にした場合、図９（ａ）から図９（ｃ）の実施例1に比べると、最大の応力は大きくなるものの、図８（ａ）の比較例１における最大の応力よりは小さい。このように、実施例１およびその変形例１では、比較例1に比べ応力緩和の効果がある。実施例１における、応力はＷ＝Ｈ付近が最も小さくなる傾向は、実施例１の変形例１でも同様である。

【0074】

以上のシミュレーション結果から、被覆部１５ｂが開口２７の側面に接する高さＨは、被覆部１５ｂの幅の１／１０倍以上かつ１０倍以下であることが好ましく、被覆部１５ｂの高さＨは１μｍ以上であり、被覆部１５ｂの幅Ｗは１μｍ以上であることが好ましい。

【0075】

幅Ｗが大きすぎると、被覆部１５ｂにより振動領域５０の振動を阻害する。この観点から、平面視において、被覆部１５ｂは領域５２に重ならないことが好ましい。被覆部１５ｂの幅Ｗは振動領域５０の幅の１／２０倍以下が好ましく１／１００倍以下がより好ましい。

【実施例0076】

図１２は、実施例２に係る超音波トランスデューサ１０４の断面図である。

【0077】

超音波トランスデューサ１０４では、基板１０側の開口２７の側面にストッパ層１５は設けられていない。ストッパ層１５は、ストッパ層１５の一部がエッチングされ、薄膜部１５ｃ、遷移部１５ｄおよび厚膜部１５ｅを有している。厚膜部１５ｅは基板１０と活性層１１とに挟まれるように設けられている。薄膜部１５ｃは、平面視において、開口２７の中央部に設けられている。遷移部１５ｄは、厚膜部１５ｅと薄膜部１５ｃとの間に位置し、平面視において空隙２８の周縁に位置する。薄膜部１５ｃの厚さＴ１は厚膜部１５ｅの厚さＴ２より小さい。薄膜部１５ｃの厚さはほぼ均一であり、厚膜部１５ｅの厚さはほぼ均一である。遷移部１５ｄの厚さは、厚膜部１５ｅから薄膜部１５ｃに向かい徐々に小さくなる。遷移部１５ｄの空隙２８に露出する面６２は湾曲する。平面視における薄膜部１５ｃの領域は振動領域５０である。平面視における遷移部１５ｄの領域は領域５４である。その他の構成は実施例１と同じであり説明を省略する。

【0078】

超音波トランスデューサ１０４の薄膜部１５ｃおよび遷移部１５ｄは、図６（ｄ）を行わず、図６（ｃ）において、ＤＲＩＥ法によりエッチングをオーバーエッチングとすることにより形成できる。このため、薄膜部１５ｃ、遷移部１５ｄおよび厚膜部１５ｅの主成分は同じであり、同じ材料からなる。

【0079】

[実施例２の効果]
図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、実施例２に係る超音波トランスデューサ１０４および１０５の拡大断面図である。図１３（ａ）および図１３（ｂ）は、開口２７と、基板１０とストッパ層１５とが接する付近を拡大した断面図である。

【0080】

図１３（ａ）に示すように、超音波トランスデューサ１０４では、遷移部１５ｄを厚膜部１５ｅから薄膜部１５ｃに向かい徐々に薄くする。すなわち、空隙２８に面する基板１０の側面と空隙２８に面するストッパ層１５の面とが接する部分から空隙２８の中心方向にストッパ層１５の厚さが徐々に小さくなる。このため、基板１０とストッパ層１５との界面が開口２７の露出する箇所６０から開口２７の内側に向かうにしたがい、ストッパ層１５の厚さが徐々に小さくなる。これにより、図３（ａ）の比較例１のように箇所６０に応力が集中することを抑制できる。よって、ストッパ層１５が基板１０から剥がれることを抑制できる。

【0081】

より応力の集中を抑制するためには、遷移部１５ｄの開口２７に露出する面６２は上方に凹むように湾曲することが好ましい。

【0082】

応力を緩和する構造については、シミュレーションの結果を援用できる。よって、遷移部１５ｄの高さＨは、遷移部１５ｄの幅Ｗの１／１０倍以上かつ１０倍以下が好ましく、１／５倍以上かつ５倍以下がより好ましく、１／２倍以上かつ２倍以下がさらに好ましい。幅Ｗは、０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましく、２μｍ以上がさらに好ましい。高さＨは０．５μｍ以上が好ましく、１μｍ以上がより好ましく、２μｍ以上がさらに好ましい。

【0083】

幅Ｗが大きすぎると、遷移部１５ｄにより振動領域５０の振動を阻害する。この観点から、平面視において、遷移部１５ｄは領域５２に重ならないことが好ましい。遷移部１５ｄの幅Ｗは振動領域５０の幅の１／２０倍以下が好ましく１／１００倍以下がより好ましい。

【0084】

図１３（ｂ）に示すように、超音波トランスデューサ１０５では、開口２７の側面の上部が上に行くほど開口２７の内側に湾曲する場合にも、遷移部１５ｄを設ける。これにより、図１１（ａ）の場合と同様に、応力を緩和し、ストッパ層１５が基板１０から剥がれることを抑制できる。

【0085】

［実施例２の変形例１］
図１４は、実施例２の変形例１に係る超音波トランスデューサ１０６の断面図である。

【0086】

超音波トランスデューサ１０６では、遷移部１５ｄの厚さは、開口２７の側面から開口２７の内側に向けて直線的に小さくなる。すなわち、遷移部１５ｄの空隙２８に露出する面６２は直線状である。その他の構成は実施例２と同じであり説明を省略する。

【0087】

超音波トランスデューサ１０６の薄膜部１５ｃおよび遷移部１５ｄは、図６（ｃ）において、ＤＲＩＥ法によりエッチングをオーバーエッチングし、その後、図６（ｄ）において、アルゴン等の不活性元素のイオンまたは原子の照射を、Ｚ方向から傾けて行うことで形成できる。