超音波アレイセンサーおよびその製造方法
【課題】複数のセンサー素子間での特性バラツキを抑制し、所望の歩留まりが得られる超音波アレイセンサーおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】超音波アレイセンサーにおいて、センサー素子２は、圧電体層８の平面パターンが下部電極５の平面パターンよりも外側にはみ出しておらず、上部電極３の平面パターンが圧電体層８の平面パターンよりも外側にはみ出していない。下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続され、コンタクトホール１３の箇所を除いて圧電体層８の一面上に配置されている。上部電極引き回し配線４は、下部電極引き回し配線６の延在方向と交差する方向に延在して上部電極３と一体に形成され、圧電体層８の一面上に配置されている。
【解決手段】超音波アレイセンサーにおいて、センサー素子２は、圧電体層８の平面パターンが下部電極５の平面パターンよりも外側にはみ出しておらず、上部電極３の平面パターンが圧電体層８の平面パターンよりも外側にはみ出していない。下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続され、コンタクトホール１３の箇所を除いて圧電体層８の一面上に配置されている。上部電極引き回し配線４は、下部電極引き回し配線６の延在方向と交差する方向に延在して上部電極３と一体に形成され、圧電体層８の一面上に配置されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アレイセンサーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング加工技術を用いて製造される超音波アレイセンサーが注目を集めている。超音波アレイセンサーは、物体検知、計測等を目的としたロボット分野、ＦＡ分野、流通・物流分野、医療分野、介護・福祉分野、セキュリティー分野等の種々の分野において、障害物・人・物などの移動体、侵入者等を検知するセンシングシステムとして幅広く採用されている。この種の超音波アレイセンサーおよびその製造方法の一例が、下記の特許文献１に開示されている。超音波アレイセンサーは、最近では携帯用医療機器などにも応用されており、小型、軽量化が進んでいる。
【０００３】
超音波アレイセンサーは、ダイヤフラムを有する複数の微小なセンサー素子がアレイ状に配列されたものである。個々のセンサー素子は、一対の電極間に圧電体層が挟持された圧電素子をダイヤフラム上に備えている。圧電素子の一対の電極間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて圧電素子に機械的変位が生じ、逆に圧電素子に機械的変位が生じると、一対の電極間に機械的変位の大きさに応じて起電力が発生する。この起電力の大きさから、対象物の有無を検知したり、対象物までの距離を測定したりすることができる。
【０００４】
なお、超音波アレイセンサーと同様、マイクロマシニング加工技術を用いて微小な圧電素子を形成するデバイスとして、例えばインクジェット式記録装置に用いられる液体噴射ヘッドが挙げられる。下記の特許文献２には、液体噴射ヘッドの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５１６９０号公報
【特許文献２】特開２００９−１７２８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、複数の圧電素子を備えた超音波アレイセンサーの小型化に伴って、以下のような製造上の問題が生じている。
【０００７】
図１０は、従来の超音波アレイセンサーのセンサー素子において、各構成要素のパターンのレイアウトを示す平面図である。
図１０において、符号Ｂ１は下部電極のパターンである。符号Ｂ２は上部電極および圧電体層のパターンである。符号Ｂ３１は上部電極の引き出し配線のパターンである。符号Ｂ３２は下部電極の引き出し配線のパターンである。符号Ｂ４は裏面空洞部のパターンである。なお、これらのパターンはこれらの構成要素を形成する工程で用いるフォトマスクのパターンに対応している。
【０００８】
図１１〜図１６は、従来の超音波アレイセンサーのセンサー素子の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。なお、図１１〜図１６では工程毎に３つの断面図を示しており、図１１（ａ）〜図１６（ａ）が図１０のＯ−Ａ線に沿う断面図であり、図１１（ｂ）〜図１６（ｂ）が図１０のＯ−Ｂ線に沿う断面図であり、図１１（ｃ）〜図１６（ｃ）が図１０のＣ−Ｄ線に沿う断面図である。
【０００９】
以下、図１１〜図１６を用いてセンサー素子の製造方法について説明する。
図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１絶縁膜１０２、第２絶縁膜１０３、下部電極となる第１金属膜１０４を積層する。その後、図１０のパターンＢ１に相当する第１フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第１金属膜１０４をパターニングすることにより下部電極１０５を形成する。
【００１０】
次に、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子として機能する圧電材料層１０６を、下部電極１０５の上面を含む全面にゾル・ゲル法により成膜する。さらに、圧電材料層１０６上に、上部電極となる第２金属膜１０７を成膜する。
【００１１】
次に、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、図１０のパターンＢ２に相当する第２フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１０７および圧電材料層１０６を一括してパターニングすることにより上部電極１０８および圧電体層１０９を形成する。このとき、図１３（ａ）に示すように、符号Ｃの位置で下部電極１０５の引き出し部１０５ａが消失しないように、異方性エッチングの条件設定を行う。
【００１２】
次に、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、上部電極１０８の上面および圧電体層１０９の側面を含む全面に、上部電極１０８や下部電極１０５の引き回し配線となる第３金属膜１１０を成膜する。
【００１３】
次に、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、図１０のパターンＢ３に相当する第３フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第３金属膜１１０をパターニングすることにより上部電極引き回し配線１１１および下部電極引き回し配線１１２を形成する。
以上の工程により、圧電素子１１３が完成する。その後、圧電素子１１３を覆うように基板全面に保護膜（図示せず）を塗布する。
【００１４】
次に、基板の表裏を反転し、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子１１３が形成されていない側のシリコン基板１０１の一面に対し、図１０のパターンＢ４に相当する第４フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、シリコン基板１０１に裏面空洞部１０１ａを形成する。裏面空洞部１０１ａを形成したことにより、シリコン基板１０１が除去されて第１絶縁膜１０２および第２絶縁膜１０３が残存した部分が振動板１１４となる。
【００１５】
以上の工程により、従来のセンサー素子１１５が完成する。
なお、図１６（ａ）には下部電極引き回し配線１１２が表されており、図１６（ｂ）には上部電極引き回し配線１１１が表されており、図１６（ｃ）にはセンサー素子１１３が表されている。
【００１６】
［第１の課題］
図１２（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１０６を成膜する際、シリコン基板１０１上には下部電極１０５が存在する領域と下部電極１０５が存在しない領域との間に下部電極１０５の膜厚分の段差ができる。そのため、圧電材料のゾルを塗布し、乾燥すると、後で圧電素子の中央部となる箇所と圧電素子の周縁部となる箇所との間で圧電材料層１０６の膜厚に差が生じる。具体的には、図１２（ｃ）の符号Ａの箇所に対して符号Ｂの箇所では膜厚が薄くなる。
【００１７】
さらに、場所によって下部電極１０５の疎密が存在すると、下部電極１０５が疎の領域では圧電材料層１０６の膜厚が薄くなり、下部電極１０５が密の領域では圧電材料層１０６の膜厚が厚くなる傾向がある。以上の要因により、圧電材料層１０６の膜厚が所望の設計値よりも薄くなると圧電特性の低下が生じ、圧電素子間での特性ばらつきが大きくなる。
【００１８】
［第２の課題］
上述したように、図１３（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、図１３（ａ）の符号Ｃで示す下部電極１０５の引き出し部１０５ａは、後で引き回し配線とのコンタクトを取る必要があるため、圧電材料層１０６の異方性エッチングを行う際に断線しないように条件設定する必要がある。そのため、圧電材料層１０６に過剰なオーバーエッチングを施すことができない。すると、圧電材料層１０６が本来除去されるべき箇所、すなわち図１３（ｂ）の符号Ｄの箇所において、圧電材料層１０６が残渣として残る場合があり、以降の製造工程で種々の不具合が発生する。
【００１９】
［第３の課題］
図１５（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、上部電極引き回し配線１１１および下部電極引き回し配線１１２のパターニングを行う際、圧電素子１１３の上部にあたる図１５（ａ）の符号Ｅの箇所と、後で振動板１１４となる図１５（ｃ）の符号Ｆの箇所とを同時にパターニングすることになる。ところが、圧電体層１０９の膜厚が例えば数μｍと厚いため、露光工程においてＥの箇所、Ｆの箇所のいずれか一方に露光装置の焦点を合わすと、他方に焦点が合わず、所望のパターン形状が得られない。パターン形状が崩れた場合、隣り合う引き回し配線の短絡や断線が生じる虞がある。
【００２０】
以上の３つの課題に起因して、複数のセンサー素子間で出力や感度等の特性のバラツキが大きくなるという問題があった。また、所望の特性が得られないため、超音波アレイセンサーの歩留まりが低下するという問題があった。
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数のセンサー素子間での特性バラツキを抑制し、所望の歩留まりが得られる超音波アレイセンサーおよびその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】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明の超音波アレイセンサーは、基板と、前記基板上に配列された複数のセンサー素子と、を備え、前記センサー素子は、振動板と、前記振動板の一面に形成された第１電極と、前記第１電極の一面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側と反対側の面に形成された第２電極と、前記第１電極と電気的に接続された第１電極引き回し配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２電極引き回し配線と、を備え、前記圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、前記圧電体層を貫通して前記第１電極の引き出し部に達するコンタクトホールが設けられ、前記第１電極引き回し配線が、前記コンタクトホールを介して前記第１電極と電気的に接続されるとともに、前記コンタクトホールの箇所を除いて前記圧電体層の一面上に配置され、前記第２電極引き回し配線が、前記第１電極引き回し配線の延在方向と交差する方向に延在して前記第２電極と一体に形成されるとともに、前記圧電体層の一面上に配置されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の超音波アレイセンサーにおいては、圧電体層と、圧電体層を挟んで振動板側に形成された第１電極と、圧電体層を挟んで振動板と反対側に形成された第２電極と、によりセンサー素子が構成される。ここで、圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出していないため、圧電体層の全面が第１電極の上に積層された状態となっている。そのため、圧電体層が第１電極の縁の段差の影響を受けず、圧電体層の膜厚バラツキが生じにくい。また、第１電極引き回し配線がコンタクトホールを介して第１電極と電気的に接続されているため、第１電極の断線が生じにくく、圧電体層の残渣が発生しにくい。さらに、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線が圧電体層の一面上に配置されているため、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線のパターニングを行う際の露光工程で焦点が合わないという問題を解消できる。その結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００２４】
本発明の超音波アレイセンサーにおいて、前記圧電体層の平面パターンの外縁と前記第１電極の平面パターンの外縁とが一致していることが望ましい。
この構成によれば、１回のフォトリソグラフィー工程で圧電体層と第１電極とを同時に形成することができる。
【００２５】
本発明の超音波アレイセンサーにおいて、前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも内側に位置していることが望ましい。
この構成によれば、第２電極と圧電体層との位置合わせにマージンを持たせることができ、第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００２６】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法は、基板の一面に振動板となる絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を順次積層する工程と、第１フォトマスクを用いて前記第２導電膜および前記圧電材料層を開孔することにより、前記第２導電膜および前記圧電材料層を貫通して前記第１導電膜に達するコンタクトホールを形成する工程と、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線となる第３導電膜を成膜する工程と、第２フォトマスクを用いて前記第３導電膜および前記第２導電膜をパターニングすることにより、前記第２電極、前記第２電極引き回し配線、および前記第１電極引き回し配線を形成する工程と、第３フォトマスクを用いて前記圧電材料層および前記第１導電膜をパターニングすることにより、前記圧電体層および前記第１電極を形成する工程と、第４フォトマスクを用いて前記絶縁膜が形成された側と反対側の面から前記基板を前記絶縁膜が露出するまで開孔することにより、前記基板に空洞部を形成して前記絶縁膜からなる前記振動板を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法においては、第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を絶縁膜上に順次積層するため、圧電材料層が第１電極の縁の段差の影響を受けることがなく、圧電材料層からなる圧電体層の膜厚バラツキが生じにくい。また、第１電極引き回し配線がコンタクトホールを介して第１電極と電気的に接続されることになり、第１電極と第１電極引き回し配線とのコンタクトのために第１電極が広い面積で剥き出しになる工程が存在しない。したがって、第１電極の断線が生じにくい。また、圧電体層のエッチング時に第１電極のオーバーエッチングを考慮する必要がないため、圧電体層の残渣が発生しにくい。圧電体層および前記第１電極をパターニングする前に第２電極引き回し配線、および第１電極引き回し配線を圧電材料層上でパターニングするため、第２電極引き回し配線、および第１電極引き回し配線のパターニングを行う際の露光工程で焦点が合わないという問題を解消できる。その結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００２８】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法において、前記第３フォトマスクの前記圧電体層および前記第１電極の平面パターンの外縁が、前記第２フォトマスクの前記第２電極の平面パターンの外縁よりも外側に位置していることが望ましい。
この構成によれば、第２電極と圧電体層との位置合わせにマージンを持たせることができ、第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００２９】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法において、ゾル・ゲル法を用いて前記圧電材料層を形成することが望ましい。
この構成によれば、膜厚バラツキを十分に小さくすることができ、所望の膜厚の圧電材料層を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態の超音波アレイセンサーを示す平面図である。
【図２】本実施形態の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本実施形態のセンサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１０】従来の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す平面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は従来のセンサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。
なお、図１〜図９においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００３２】
本実施形態の超音波アレイセンサー１は、図１に示すように、複数のセンサー素子２が直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）にアレイ状に配列された構成となっている。図１において、符号Ａ１はコンタクトホールのパターンである。符号Ａ２１は上部電極（第２電極）および上部電極引き回し配線（第２電極引き回し配線）のパターンである。符号Ａ２２は下部電極引き回し配線（第１電極引き回し配線）のパターンである。符号Ａ３は圧電体層および下部電極（第１電極）のパターンである。符号Ａ４は裏面空洞部のパターンである。
【００３３】
上部電極３と上部電極引き回し配線４とは一体のパターンＡ２１として形成され、上部電極引き回し配線４は、隣り合う上部電極３同士を繋ぐように図１の縦方向（ｙ方向）に延在している。なお、一体のパターンの中で、円形部分を上部電極３とし、円形部分以外の線状部分を上部電極引き回し配線４とする。一方、下部電極引き回し配線６は、隣り合う下部電極５同士を繋ぐように図１の横方向（ｘ方向）に延在している。上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、基板の周縁部に設けられた図示しないボンディングパッドに接続されている。
【００３４】
図２は、図１に示した超音波アレイセンサー１のうち、一つのセンサー素子２を拡大視したパターンのレイアウトを示す平面図である。よって、図２において、図１と共通のパターンには同一の符号を付す。なお、これらのパターンはこれらの構成要素を形成するフォトリソグラフィー工程で用いるフォトマスクのパターンに相当する。すなわち、符号Ａ１はコンタクトホール形成用の第１フォトマスクのパターンに相当する。符号Ａ２１は第２フォトマスクのうち、上部電極および上部電極引き回し配線形成用のパターンに相当する。符号Ａ２２は第２フォトマスクのうち、下部電極引き回し配線形成用のパターンに相当する。符号Ａ３は圧電体層および下部電極形成用の第３フォトマスクのパターンに相当する。符号Ａ４は裏面空洞部形成用の第４フォトマスクのパターンに相当する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のセンサー素子２を示す断面図であり、図３（ａ）は図２のＯ−Ａ線に沿う断面図であり、図３（ｂ）は図２のＯ−Ｂ線に沿う断面図であり、図３（ｃ）は図２のＣ−Ｄ線に沿う断面図である。
【００３６】
センサー素子２は、振動板７と、下部電極５と、下部電極５の上面に形成された圧電体層８と、下部電極５が形成された側と反対側の圧電体層８の上面に形成された上部電極３と、下部電極５と電気的に接続された下部電極引き回し配線６と、上部電極３と電気的に接続された上部電極引き回し配線４と、を備えている。圧電体層８と、圧電体層８を挟持する下部電極５および上部電極３と、によって圧電素子９が構成されている。
【００３７】
振動板７は、第１絶縁膜１０と、第２絶縁膜１１と、から構成されている。第１絶縁膜１０および第２絶縁膜１１には、一例として、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、ステンレス鋼等から選ばれる靱性の高い絶縁材料が用いられる。第１絶縁膜１０と第２絶縁膜１１が形成された領域のうち、シリコン基板１２の裏面に裏面空洞部１２ａが形成され、シリコン基板１２が除去された部分が特に振動板７として機能する。第１絶縁膜１０および第２絶縁膜１１の全体の膜厚は、一例として２００〜５０００ｎｍ程度である。
【００３８】
下部電極５には、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。下部電極５の膜厚は、一例として２０〜４００ｎｍ程度である。
【００３９】
圧電体層８は、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電性材料で構成されている。具体的には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等が用いられる。圧電体層８の膜厚は、一例として１０００〜５０００ｎｍ程度である。
【００４０】
上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６には、下部電極５と同様、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。ただし、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、下部電極５と同じ種類の金属材料を用いてもよいし、下部電極５とは異なる種類の金属材料を用いてもよい。上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６の膜厚は、一例として５０〜４００ｎｍ程度である。
【００４１】
圧電素子９の下部電極５と上部電極３との間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて圧電素子９に機械的変位が生じ、振動板７が振動する。逆に、振動板７を介して圧電素子９に機械的変位が生じると、下部電極５と上部電極３との間に機械的変位の大きさに応じた起電力が発生する。この起電力の大きさから、対象物の有無を検知したり、対象物までの距離を測定したりすることができる。
【００４２】
図２および図３（ｃ）に示すように、圧電体層８の平面パターンの外縁は、下部電極５の平面パターンの外縁と一致している。これは、後述するように、圧電体層８と下部電極５とを一つのフォトマスクを用いて一括してパターニングしていることに起因する。なお、図３（ｃ）に示すように、圧電体層８の側面はテーパー形状となっているため、ここでは、テーパー状の圧電体層８の側面の下端の縁を圧電体層８の外縁と定義する。一方、上部電極３の平面パターンの外縁は、圧電体層８の平面パターンの外縁よりも内側に位置している。すなわち、上部電極３は、圧電体層８のテーパー状の側面や振動板７の上面にかかっておらず、圧電体層８の上面にのみ配置されている。
【００４３】
図２および図３（ａ）に示すように、圧電体層８を貫通して下部電極５の引き出し部５ａに達するコンタクトホール１３が設けられている。ここでは、図２に示す平面パターンにおいては、円形部分を下部電極５とし、円形部分以外の線状部分を下部電極５の引き出し部５ａとする。そして、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３の内壁に沿って形成されている。これにより、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続されている。
【００４４】
図３（ａ）に示すように、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３にかかる箇所を除いて圧電体層８の上面に配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、上部電極引き回し配線４は、圧電体層８の上面に配置されている。
【００４５】
図４〜図９は、本実施形態の超音波アレイセンサー１のうち、センサー素子２の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。なお、図４〜図９では工程毎にセンサー素子２の切断箇所が異なる３つの断面図を示している。図４（ａ）〜図９（ａ）が図２のＯ−Ａ線に沿う断面図（図３（ａ）に対応）であり、図４（ｂ）〜図９（ｂ）が図２のＯ−Ｂ線に沿う断面図（図３（ｂ）に対応）であり、図４（ｃ）〜図９（ｃ）が図２のＣ−Ｄ線に沿う断面図（図３（ｃ）に対応）である。
【００４６】
最初に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１２の表面に第１絶縁膜１０を形成する。第１絶縁膜１０として例えば酸化シリコン層を用いる場合、熱酸化法によりシリコン基板１２の表面に酸化シリコン層を形成する。なお、熱酸化法に代えて、ＣＶＤ法を用いても良い。次いで、第１絶縁膜１０の上面に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法により第２絶縁膜１１を形成する。次いで、第２絶縁膜１１の上面に、後で下部電極５となる第１金属膜１５（第１導電膜）をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により形成する。
【００４７】
次いで、第１金属膜１５の上面に、圧電素子９を構成する圧電材料層１６をゾル・ゲル法により成膜する。ここでのゾル・ゲル法は、圧電性材料、例えばＰＺＴを含むゾルを塗布、乾燥してゲル化させ、さらに高温で焼成することにより圧電材料層１６を得る方法である。
次いで、圧電材料層１６の上面に、後で上部電極３となる第２金属膜１７（第２導電膜）をスパッタ法もしくは熱ＣＶＤ法により形成する。
【００４８】
次に、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ１に相当する第１フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１７および圧電材料層１６を１つのフォトマスクでパターニングする。これにより、第２金属膜１７および圧電材料層１６を貫通して第１金属膜１５に達するコンタクトホール１３を形成する。コンタクトホール１３は、後で形成する下部電極５と下部電極引き回し配線６とを接続するためのものである。
【００４９】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、コンタクトホール１３の内壁を含む第２金属膜１７の上面に、後で上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６となる第３金属膜１８（第３導電膜）をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により成膜する。
【００５０】
次に、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ２１およびパターンＡ２２に相当する第２フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１７および第３金属膜１８を１つのフォトマスクで一括してパターニングする。これにより、第２金属膜１７および第３金属膜１８からなる上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６を形成する。すなわち、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、第２金属膜１７と第３金属膜１８とが積層された積層膜により構成される。この段階で、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６の下地は、圧電材料層１６、第１金属膜１５、第２絶縁膜１１、第１絶縁膜１０からなるパターニングされていない積層膜である。
【００５１】
次に、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ３に相当する第３フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、圧電材料層１６と第１金属膜１５とを１つのフォトマスクで一括してパターニングする。これにより、圧電材料層１６からなる圧電体層８と、第１金属膜１５からなる下部電極５と、を形成する。ここでは、圧電材料層１６の膜厚が他の層の膜厚と比べて厚いため、圧電材料層１６を異方性エッチングすると圧電体層１６の側壁がテーパー形状となる。
【００５２】
以上の工程により、圧電素子９が完成する。その後、圧電素子９を覆うように基板の全面に保護膜（図示せず）を塗布する。例えば保護膜の一例として、フォトレジストを用いることができる。
【００５３】
次に、基板の表裏を反転し、圧電素子９が形成されていない側のシリコン基板１２の一面に対し、図２のパターンＡ４に相当する第４フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１２のうち、圧電素子９の裏面側に対応する位置に第１絶縁膜１０の裏面に達する開口部を形成する。このようにして、シリコン基板１２に裏面空洞部１２ａを形成する。裏面空洞部１２ａを形成したことにより、シリコン基板１２が除去されて第１絶縁膜１０と第２絶縁膜１１とが残存した部分が振動板７となる。
以上の工程により、図２、および図３（ａ）〜（ｃ）に示すセンサー素子２が完成する。
【００５４】
本実施形態の超音波アレイセンサー１の製造方法によれば、従来の製造方法と異なり、第１金属膜１５のパターニングを行って下部電極５を形成する工程に先立って、第１金属膜１５上の全面に圧電材料層１６を形成する。そのため、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１６を形成する際、下部電極５の縁の段差の影響を受けることがなく、圧電材料層１６、ひいては圧電体層８の膜厚バラツキを抑えることができる。このとき、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１６を形成しているため、膜厚バラツキを十分に小さくできるとともに比較的厚い膜を形成でき、所望の膜厚の圧電材料層１６を容易に形成することができる。
【００５５】
また、下部電極引き回し配線６がコンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続される構成であるため、従来の製造方法と異なり、下部電極５と下部電極引き回し配線６とをコンタクトさせるために下部電極５が広い面積で剥き出しになる工程が存在しない。したがって、下部電極５の断線が生じにくい。また、圧電体層８と下部電極５とを第３フォトマスクで一括してパターニングして形成するため、圧電体層８の側方に下部電極５のみが露出する箇所が存在しない。よって、圧電体層８の異方性エッチング時に下部電極５がエッチングされる虞がなく、圧電材料層１６をオーバーエッチングすることができる。そのため、圧電体層８の残渣が発生しにくい。
【００５６】
また、圧電体層８および下部電極５をパターニングする前に、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６を圧電材料層１６の上面でパターニングしているため、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６のパターニング時の露光工程において、段差に起因して焦点が合わないという問題が発生しにくい。以上の結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００５７】
さらに、本実施形態の場合、上部電極３の平面パターンの外縁が圧電体層８の平面パターンの外縁よりも内側に位置している。この構成によれば、上部電極３の平面パターンと圧電体層８の平面パターンとの位置合わせにマージンを持たせることができる。そのため、上部電極３の平面パターンの外縁が圧電体層８の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００５８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態で例示した超音波アレイセンサーにおけるセンサー素子の配置、各平面パターンの形状、構成材料等に関しては適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…超音波アレイセンサー、２…センサー素子、３…上部電極（第２電極）、４…上部電極引き回し配線（第２電極引き回し配線）、５…下部電極（第１電極）、６…下部電極引き回し配線（第１電極引き回し配線）、７…振動板、８…圧電体層、１２…シリコン基板、１３…コンタクトホール、１５…第１金属膜（第１導電膜）、１６…圧電材料層、１７…第２金属膜（第２導電膜）、１８…第３金属膜（第３導電膜）。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波アレイセンサーおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロマシニング加工技術を用いて製造される超音波アレイセンサーが注目を集めている。超音波アレイセンサーは、物体検知、計測等を目的としたロボット分野、ＦＡ分野、流通・物流分野、医療分野、介護・福祉分野、セキュリティー分野等の種々の分野において、障害物・人・物などの移動体、侵入者等を検知するセンシングシステムとして幅広く採用されている。この種の超音波アレイセンサーおよびその製造方法の一例が、下記の特許文献１に開示されている。超音波アレイセンサーは、最近では携帯用医療機器などにも応用されており、小型、軽量化が進んでいる。
【０００３】
超音波アレイセンサーは、ダイヤフラムを有する複数の微小なセンサー素子がアレイ状に配列されたものである。個々のセンサー素子は、一対の電極間に圧電体層が挟持された圧電素子をダイヤフラム上に備えている。圧電素子の一対の電極間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて圧電素子に機械的変位が生じ、逆に圧電素子に機械的変位が生じると、一対の電極間に機械的変位の大きさに応じて起電力が発生する。この起電力の大きさから、対象物の有無を検知したり、対象物までの距離を測定したりすることができる。
【０００４】
なお、超音波アレイセンサーと同様、マイクロマシニング加工技術を用いて微小な圧電素子を形成するデバイスとして、例えばインクジェット式記録装置に用いられる液体噴射ヘッドが挙げられる。下記の特許文献２には、液体噴射ヘッドの一例が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−５１６９０号公報
【特許文献２】特開２００９−１７２８７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、複数の圧電素子を備えた超音波アレイセンサーの小型化に伴って、以下のような製造上の問題が生じている。
【０００７】
図１０は、従来の超音波アレイセンサーのセンサー素子において、各構成要素のパターンのレイアウトを示す平面図である。
図１０において、符号Ｂ１は下部電極のパターンである。符号Ｂ２は上部電極および圧電体層のパターンである。符号Ｂ３１は上部電極の引き出し配線のパターンである。符号Ｂ３２は下部電極の引き出し配線のパターンである。符号Ｂ４は裏面空洞部のパターンである。なお、これらのパターンはこれらの構成要素を形成する工程で用いるフォトマスクのパターンに対応している。
【０００８】
図１１〜図１６は、従来の超音波アレイセンサーのセンサー素子の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。なお、図１１〜図１６では工程毎に３つの断面図を示しており、図１１（ａ）〜図１６（ａ）が図１０のＯ−Ａ線に沿う断面図であり、図１１（ｂ）〜図１６（ｂ）が図１０のＯ−Ｂ線に沿う断面図であり、図１１（ｃ）〜図１６（ｃ）が図１０のＣ−Ｄ線に沿う断面図である。
【０００９】
以下、図１１〜図１６を用いてセンサー素子の製造方法について説明する。
図１１（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１０１上に第１絶縁膜１０２、第２絶縁膜１０３、下部電極となる第１金属膜１０４を積層する。その後、図１０のパターンＢ１に相当する第１フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第１金属膜１０４をパターニングすることにより下部電極１０５を形成する。
【００１０】
次に、図１２（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子として機能する圧電材料層１０６を、下部電極１０５の上面を含む全面にゾル・ゲル法により成膜する。さらに、圧電材料層１０６上に、上部電極となる第２金属膜１０７を成膜する。
【００１１】
次に、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、図１０のパターンＢ２に相当する第２フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１０７および圧電材料層１０６を一括してパターニングすることにより上部電極１０８および圧電体層１０９を形成する。このとき、図１３（ａ）に示すように、符号Ｃの位置で下部電極１０５の引き出し部１０５ａが消失しないように、異方性エッチングの条件設定を行う。
【００１２】
次に、図１４（ａ）〜（ｃ）に示すように、上部電極１０８の上面および圧電体層１０９の側面を含む全面に、上部電極１０８や下部電極１０５の引き回し配線となる第３金属膜１１０を成膜する。
【００１３】
次に、図１５（ａ）〜（ｃ）に示すように、図１０のパターンＢ３に相当する第３フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第３金属膜１１０をパターニングすることにより上部電極引き回し配線１１１および下部電極引き回し配線１１２を形成する。
以上の工程により、圧電素子１１３が完成する。その後、圧電素子１１３を覆うように基板全面に保護膜（図示せず）を塗布する。
【００１４】
次に、基板の表裏を反転し、図１６（ａ）〜（ｃ）に示すように、圧電素子１１３が形成されていない側のシリコン基板１０１の一面に対し、図１０のパターンＢ４に相当する第４フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、シリコン基板１０１に裏面空洞部１０１ａを形成する。裏面空洞部１０１ａを形成したことにより、シリコン基板１０１が除去されて第１絶縁膜１０２および第２絶縁膜１０３が残存した部分が振動板１１４となる。
【００１５】
以上の工程により、従来のセンサー素子１１５が完成する。
なお、図１６（ａ）には下部電極引き回し配線１１２が表されており、図１６（ｂ）には上部電極引き回し配線１１１が表されており、図１６（ｃ）にはセンサー素子１１３が表されている。
【００１６】
［第１の課題］
図１２（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１０６を成膜する際、シリコン基板１０１上には下部電極１０５が存在する領域と下部電極１０５が存在しない領域との間に下部電極１０５の膜厚分の段差ができる。そのため、圧電材料のゾルを塗布し、乾燥すると、後で圧電素子の中央部となる箇所と圧電素子の周縁部となる箇所との間で圧電材料層１０６の膜厚に差が生じる。具体的には、図１２（ｃ）の符号Ａの箇所に対して符号Ｂの箇所では膜厚が薄くなる。
【００１７】
さらに、場所によって下部電極１０５の疎密が存在すると、下部電極１０５が疎の領域では圧電材料層１０６の膜厚が薄くなり、下部電極１０５が密の領域では圧電材料層１０６の膜厚が厚くなる傾向がある。以上の要因により、圧電材料層１０６の膜厚が所望の設計値よりも薄くなると圧電特性の低下が生じ、圧電素子間での特性ばらつきが大きくなる。
【００１８】
［第２の課題］
上述したように、図１３（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、図１３（ａ）の符号Ｃで示す下部電極１０５の引き出し部１０５ａは、後で引き回し配線とのコンタクトを取る必要があるため、圧電材料層１０６の異方性エッチングを行う際に断線しないように条件設定する必要がある。そのため、圧電材料層１０６に過剰なオーバーエッチングを施すことができない。すると、圧電材料層１０６が本来除去されるべき箇所、すなわち図１３（ｂ）の符号Ｄの箇所において、圧電材料層１０６が残渣として残る場合があり、以降の製造工程で種々の不具合が発生する。
【００１９】
［第３の課題］
図１５（ａ）〜（ｃ）に示す工程において、上部電極引き回し配線１１１および下部電極引き回し配線１１２のパターニングを行う際、圧電素子１１３の上部にあたる図１５（ａ）の符号Ｅの箇所と、後で振動板１１４となる図１５（ｃ）の符号Ｆの箇所とを同時にパターニングすることになる。ところが、圧電体層１０９の膜厚が例えば数μｍと厚いため、露光工程においてＥの箇所、Ｆの箇所のいずれか一方に露光装置の焦点を合わすと、他方に焦点が合わず、所望のパターン形状が得られない。パターン形状が崩れた場合、隣り合う引き回し配線の短絡や断線が生じる虞がある。
【００２０】
以上の３つの課題に起因して、複数のセンサー素子間で出力や感度等の特性のバラツキが大きくなるという問題があった。また、所望の特性が得られないため、超音波アレイセンサーの歩留まりが低下するという問題があった。
【００２１】
本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、複数のセンサー素子間での特性バラツキを抑制し、所望の歩留まりが得られる超音波アレイセンサーおよびその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】
【００２２】
上記の目的を達成するために、本発明の超音波アレイセンサーは、基板と、前記基板上に配列された複数のセンサー素子と、を備え、前記センサー素子は、振動板と、前記振動板の一面に形成された第１電極と、前記第１電極の一面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側と反対側の面に形成された第２電極と、前記第１電極と電気的に接続された第１電極引き回し配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２電極引き回し配線と、を備え、前記圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、前記圧電体層を貫通して前記第１電極の引き出し部に達するコンタクトホールが設けられ、前記第１電極引き回し配線が、前記コンタクトホールを介して前記第１電極と電気的に接続されるとともに、前記コンタクトホールの箇所を除いて前記圧電体層の一面上に配置され、前記第２電極引き回し配線が、前記第１電極引き回し配線の延在方向と交差する方向に延在して前記第２電極と一体に形成されるとともに、前記圧電体層の一面上に配置されたことを特徴とする。
【００２３】
本発明の超音波アレイセンサーにおいては、圧電体層と、圧電体層を挟んで振動板側に形成された第１電極と、圧電体層を挟んで振動板と反対側に形成された第２電極と、によりセンサー素子が構成される。ここで、圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出していないため、圧電体層の全面が第１電極の上に積層された状態となっている。そのため、圧電体層が第１電極の縁の段差の影響を受けず、圧電体層の膜厚バラツキが生じにくい。また、第１電極引き回し配線がコンタクトホールを介して第１電極と電気的に接続されているため、第１電極の断線が生じにくく、圧電体層の残渣が発生しにくい。さらに、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線が圧電体層の一面上に配置されているため、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線のパターニングを行う際の露光工程で焦点が合わないという問題を解消できる。その結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００２４】
本発明の超音波アレイセンサーにおいて、前記圧電体層の平面パターンの外縁と前記第１電極の平面パターンの外縁とが一致していることが望ましい。
この構成によれば、１回のフォトリソグラフィー工程で圧電体層と第１電極とを同時に形成することができる。
【００２５】
本発明の超音波アレイセンサーにおいて、前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも内側に位置していることが望ましい。
この構成によれば、第２電極と圧電体層との位置合わせにマージンを持たせることができ、第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００２６】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法は、基板の一面に振動板となる絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜上に第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を順次積層する工程と、第１フォトマスクを用いて前記第２導電膜および前記圧電材料層を開孔することにより、前記第２導電膜および前記圧電材料層を貫通して前記第１導電膜に達するコンタクトホールを形成する工程と、第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線となる第３導電膜を成膜する工程と、第２フォトマスクを用いて前記第３導電膜および前記第２導電膜をパターニングすることにより、前記第２電極、前記第２電極引き回し配線、および前記第１電極引き回し配線を形成する工程と、第３フォトマスクを用いて前記圧電材料層および前記第１導電膜をパターニングすることにより、前記圧電体層および前記第１電極を形成する工程と、第４フォトマスクを用いて前記絶縁膜が形成された側と反対側の面から前記基板を前記絶縁膜が露出するまで開孔することにより、前記基板に空洞部を形成して前記絶縁膜からなる前記振動板を形成する工程と、を備えたことを特徴とする。
【００２７】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法においては、第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を絶縁膜上に順次積層するため、圧電材料層が第１電極の縁の段差の影響を受けることがなく、圧電材料層からなる圧電体層の膜厚バラツキが生じにくい。また、第１電極引き回し配線がコンタクトホールを介して第１電極と電気的に接続されることになり、第１電極と第１電極引き回し配線とのコンタクトのために第１電極が広い面積で剥き出しになる工程が存在しない。したがって、第１電極の断線が生じにくい。また、圧電体層のエッチング時に第１電極のオーバーエッチングを考慮する必要がないため、圧電体層の残渣が発生しにくい。圧電体層および前記第１電極をパターニングする前に第２電極引き回し配線、および第１電極引き回し配線を圧電材料層上でパターニングするため、第２電極引き回し配線、および第１電極引き回し配線のパターニングを行う際の露光工程で焦点が合わないという問題を解消できる。その結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００２８】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法において、前記第３フォトマスクの前記圧電体層および前記第１電極の平面パターンの外縁が、前記第２フォトマスクの前記第２電極の平面パターンの外縁よりも外側に位置していることが望ましい。
この構成によれば、第２電極と圧電体層との位置合わせにマージンを持たせることができ、第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００２９】
本発明の超音波アレイセンサーの製造方法において、ゾル・ゲル法を用いて前記圧電材料層を形成することが望ましい。
この構成によれば、膜厚バラツキを十分に小さくすることができ、所望の膜厚の圧電材料層を容易に形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の一実施形態の超音波アレイセンサーを示す平面図である。
【図２】本実施形態の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す平面図である。
【図３】（ａ）〜（ｃ）は本実施形態の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本実施形態のセンサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１０】従来の超音波アレイセンサーを構成するセンサー素子を示す平面図である。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は従来のセンサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１５】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【図１６】（ａ）〜（ｃ）は同、センサー素子の製造方法の一工程を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の一実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。
なお、図１〜図９においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。
【００３２】
本実施形態の超音波アレイセンサー１は、図１に示すように、複数のセンサー素子２が直交する２方向（ｘ方向、ｙ方向）にアレイ状に配列された構成となっている。図１において、符号Ａ１はコンタクトホールのパターンである。符号Ａ２１は上部電極（第２電極）および上部電極引き回し配線（第２電極引き回し配線）のパターンである。符号Ａ２２は下部電極引き回し配線（第１電極引き回し配線）のパターンである。符号Ａ３は圧電体層および下部電極（第１電極）のパターンである。符号Ａ４は裏面空洞部のパターンである。
【００３３】
上部電極３と上部電極引き回し配線４とは一体のパターンＡ２１として形成され、上部電極引き回し配線４は、隣り合う上部電極３同士を繋ぐように図１の縦方向（ｙ方向）に延在している。なお、一体のパターンの中で、円形部分を上部電極３とし、円形部分以外の線状部分を上部電極引き回し配線４とする。一方、下部電極引き回し配線６は、隣り合う下部電極５同士を繋ぐように図１の横方向（ｘ方向）に延在している。上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、基板の周縁部に設けられた図示しないボンディングパッドに接続されている。
【００３４】
図２は、図１に示した超音波アレイセンサー１のうち、一つのセンサー素子２を拡大視したパターンのレイアウトを示す平面図である。よって、図２において、図１と共通のパターンには同一の符号を付す。なお、これらのパターンはこれらの構成要素を形成するフォトリソグラフィー工程で用いるフォトマスクのパターンに相当する。すなわち、符号Ａ１はコンタクトホール形成用の第１フォトマスクのパターンに相当する。符号Ａ２１は第２フォトマスクのうち、上部電極および上部電極引き回し配線形成用のパターンに相当する。符号Ａ２２は第２フォトマスクのうち、下部電極引き回し配線形成用のパターンに相当する。符号Ａ３は圧電体層および下部電極形成用の第３フォトマスクのパターンに相当する。符号Ａ４は裏面空洞部形成用の第４フォトマスクのパターンに相当する。
【００３５】
図３（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態のセンサー素子２を示す断面図であり、図３（ａ）は図２のＯ−Ａ線に沿う断面図であり、図３（ｂ）は図２のＯ−Ｂ線に沿う断面図であり、図３（ｃ）は図２のＣ−Ｄ線に沿う断面図である。
【００３６】
センサー素子２は、振動板７と、下部電極５と、下部電極５の上面に形成された圧電体層８と、下部電極５が形成された側と反対側の圧電体層８の上面に形成された上部電極３と、下部電極５と電気的に接続された下部電極引き回し配線６と、上部電極３と電気的に接続された上部電極引き回し配線４と、を備えている。圧電体層８と、圧電体層８を挟持する下部電極５および上部電極３と、によって圧電素子９が構成されている。
【００３７】
振動板７は、第１絶縁膜１０と、第２絶縁膜１１と、から構成されている。第１絶縁膜１０および第２絶縁膜１１には、一例として、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、窒化シリコン、酸化シリコン、ステンレス鋼等から選ばれる靱性の高い絶縁材料が用いられる。第１絶縁膜１０と第２絶縁膜１１が形成された領域のうち、シリコン基板１２の裏面に裏面空洞部１２ａが形成され、シリコン基板１２が除去された部分が特に振動板７として機能する。第１絶縁膜１０および第２絶縁膜１１の全体の膜厚は、一例として２００〜５０００ｎｍ程度である。
【００３８】
下部電極５には、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。下部電極５の膜厚は、一例として２０〜４００ｎｍ程度である。
【００３９】
圧電体層８は、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電性材料で構成されている。具体的には、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ，Ｎｂ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）等が用いられる。圧電体層８の膜厚は、一例として１０００〜５０００ｎｍ程度である。
【００４０】
上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６には、下部電極５と同様、例えばニッケル、イリジウム、金、プラチナ、タングステン、チタン、パラジウム、銀、タンタル、モリブデン、クロム、ストロンチウムとルテニウムとの複合膜、ランタンとニッケルとの複合膜等から選ばれる導電性材料が用いられる。ただし、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、下部電極５と同じ種類の金属材料を用いてもよいし、下部電極５とは異なる種類の金属材料を用いてもよい。上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６の膜厚は、一例として５０〜４００ｎｍ程度である。
【００４１】
圧電素子９の下部電極５と上部電極３との間に電圧を印加すると、電圧の大きさに応じて圧電素子９に機械的変位が生じ、振動板７が振動する。逆に、振動板７を介して圧電素子９に機械的変位が生じると、下部電極５と上部電極３との間に機械的変位の大きさに応じた起電力が発生する。この起電力の大きさから、対象物の有無を検知したり、対象物までの距離を測定したりすることができる。
【００４２】
図２および図３（ｃ）に示すように、圧電体層８の平面パターンの外縁は、下部電極５の平面パターンの外縁と一致している。これは、後述するように、圧電体層８と下部電極５とを一つのフォトマスクを用いて一括してパターニングしていることに起因する。なお、図３（ｃ）に示すように、圧電体層８の側面はテーパー形状となっているため、ここでは、テーパー状の圧電体層８の側面の下端の縁を圧電体層８の外縁と定義する。一方、上部電極３の平面パターンの外縁は、圧電体層８の平面パターンの外縁よりも内側に位置している。すなわち、上部電極３は、圧電体層８のテーパー状の側面や振動板７の上面にかかっておらず、圧電体層８の上面にのみ配置されている。
【００４３】
図２および図３（ａ）に示すように、圧電体層８を貫通して下部電極５の引き出し部５ａに達するコンタクトホール１３が設けられている。ここでは、図２に示す平面パターンにおいては、円形部分を下部電極５とし、円形部分以外の線状部分を下部電極５の引き出し部５ａとする。そして、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３の内壁に沿って形成されている。これにより、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続されている。
【００４４】
図３（ａ）に示すように、下部電極引き回し配線６は、コンタクトホール１３にかかる箇所を除いて圧電体層８の上面に配置されている。また、図３（ｂ）に示すように、上部電極引き回し配線４は、圧電体層８の上面に配置されている。
【００４５】
図４〜図９は、本実施形態の超音波アレイセンサー１のうち、センサー素子２の製造方法を、工程順を追って示す断面図である。なお、図４〜図９では工程毎にセンサー素子２の切断箇所が異なる３つの断面図を示している。図４（ａ）〜図９（ａ）が図２のＯ−Ａ線に沿う断面図（図３（ａ）に対応）であり、図４（ｂ）〜図９（ｂ）が図２のＯ−Ｂ線に沿う断面図（図３（ｂ）に対応）であり、図４（ｃ）〜図９（ｃ）が図２のＣ−Ｄ線に沿う断面図（図３（ｃ）に対応）である。
【００４６】
最初に、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１２の表面に第１絶縁膜１０を形成する。第１絶縁膜１０として例えば酸化シリコン層を用いる場合、熱酸化法によりシリコン基板１２の表面に酸化シリコン層を形成する。なお、熱酸化法に代えて、ＣＶＤ法を用いても良い。次いで、第１絶縁膜１０の上面に、スパッタ法もしくはＣＶＤ法により第２絶縁膜１１を形成する。次いで、第２絶縁膜１１の上面に、後で下部電極５となる第１金属膜１５（第１導電膜）をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により形成する。
【００４７】
次いで、第１金属膜１５の上面に、圧電素子９を構成する圧電材料層１６をゾル・ゲル法により成膜する。ここでのゾル・ゲル法は、圧電性材料、例えばＰＺＴを含むゾルを塗布、乾燥してゲル化させ、さらに高温で焼成することにより圧電材料層１６を得る方法である。
次いで、圧電材料層１６の上面に、後で上部電極３となる第２金属膜１７（第２導電膜）をスパッタ法もしくは熱ＣＶＤ法により形成する。
【００４８】
次に、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ１に相当する第１フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１７および圧電材料層１６を１つのフォトマスクでパターニングする。これにより、第２金属膜１７および圧電材料層１６を貫通して第１金属膜１５に達するコンタクトホール１３を形成する。コンタクトホール１３は、後で形成する下部電極５と下部電極引き回し配線６とを接続するためのものである。
【００４９】
次に、図６（ａ）〜（ｃ）に示すように、コンタクトホール１３の内壁を含む第２金属膜１７の上面に、後で上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６となる第３金属膜１８（第３導電膜）をスパッタ法もしくはＣＶＤ法により成膜する。
【００５０】
次に、図７（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ２１およびパターンＡ２２に相当する第２フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、第２金属膜１７および第３金属膜１８を１つのフォトマスクで一括してパターニングする。これにより、第２金属膜１７および第３金属膜１８からなる上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６を形成する。すなわち、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６は、第２金属膜１７と第３金属膜１８とが積層された積層膜により構成される。この段階で、上部電極３、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６の下地は、圧電材料層１６、第１金属膜１５、第２絶縁膜１１、第１絶縁膜１０からなるパターニングされていない積層膜である。
【００５１】
次に、図８（ａ）〜（ｃ）に示すように、図２のパターンＡ３に相当する第３フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、圧電材料層１６と第１金属膜１５とを１つのフォトマスクで一括してパターニングする。これにより、圧電材料層１６からなる圧電体層８と、第１金属膜１５からなる下部電極５と、を形成する。ここでは、圧電材料層１６の膜厚が他の層の膜厚と比べて厚いため、圧電材料層１６を異方性エッチングすると圧電体層１６の側壁がテーパー形状となる。
【００５２】
以上の工程により、圧電素子９が完成する。その後、圧電素子９を覆うように基板の全面に保護膜（図示せず）を塗布する。例えば保護膜の一例として、フォトレジストを用いることができる。
【００５３】
次に、基板の表裏を反転し、圧電素子９が形成されていない側のシリコン基板１２の一面に対し、図２のパターンＡ４に相当する第４フォトマスクを用いたフォトリソグラフィー、異方性エッチング、レジスト剥離を順に行い、図９（ａ）〜（ｃ）に示すように、シリコン基板１２のうち、圧電素子９の裏面側に対応する位置に第１絶縁膜１０の裏面に達する開口部を形成する。このようにして、シリコン基板１２に裏面空洞部１２ａを形成する。裏面空洞部１２ａを形成したことにより、シリコン基板１２が除去されて第１絶縁膜１０と第２絶縁膜１１とが残存した部分が振動板７となる。
以上の工程により、図２、および図３（ａ）〜（ｃ）に示すセンサー素子２が完成する。
【００５４】
本実施形態の超音波アレイセンサー１の製造方法によれば、従来の製造方法と異なり、第１金属膜１５のパターニングを行って下部電極５を形成する工程に先立って、第１金属膜１５上の全面に圧電材料層１６を形成する。そのため、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１６を形成する際、下部電極５の縁の段差の影響を受けることがなく、圧電材料層１６、ひいては圧電体層８の膜厚バラツキを抑えることができる。このとき、ゾル・ゲル法を用いて圧電材料層１６を形成しているため、膜厚バラツキを十分に小さくできるとともに比較的厚い膜を形成でき、所望の膜厚の圧電材料層１６を容易に形成することができる。
【００５５】
また、下部電極引き回し配線６がコンタクトホール１３を介して下部電極５と電気的に接続される構成であるため、従来の製造方法と異なり、下部電極５と下部電極引き回し配線６とをコンタクトさせるために下部電極５が広い面積で剥き出しになる工程が存在しない。したがって、下部電極５の断線が生じにくい。また、圧電体層８と下部電極５とを第３フォトマスクで一括してパターニングして形成するため、圧電体層８の側方に下部電極５のみが露出する箇所が存在しない。よって、圧電体層８の異方性エッチング時に下部電極５がエッチングされる虞がなく、圧電材料層１６をオーバーエッチングすることができる。そのため、圧電体層８の残渣が発生しにくい。
【００５６】
また、圧電体層８および下部電極５をパターニングする前に、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６を圧電材料層１６の上面でパターニングしているため、上部電極引き回し配線４および下部電極引き回し配線６のパターニング時の露光工程において、段差に起因して焦点が合わないという問題が発生しにくい。以上の結果、複数のセンサー素子間での特性バラツキの少ない超音波アレイセンサーを歩留まり良く得ることができる。
【００５７】
さらに、本実施形態の場合、上部電極３の平面パターンの外縁が圧電体層８の平面パターンの外縁よりも内側に位置している。この構成によれば、上部電極３の平面パターンと圧電体層８の平面パターンとの位置合わせにマージンを持たせることができる。そのため、上部電極３の平面パターンの外縁が圧電体層８の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出さない構成を確実に実現できる。
【００５８】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。例えば上記実施形態で例示した超音波アレイセンサーにおけるセンサー素子の配置、各平面パターンの形状、構成材料等に関しては適宜変更が可能である。
【符号の説明】
【００５９】
１…超音波アレイセンサー、２…センサー素子、３…上部電極（第２電極）、４…上部電極引き回し配線（第２電極引き回し配線）、５…下部電極（第１電極）、６…下部電極引き回し配線（第１電極引き回し配線）、７…振動板、８…圧電体層、１２…シリコン基板、１３…コンタクトホール、１５…第１金属膜（第１導電膜）、１６…圧電材料層、１７…第２金属膜（第２導電膜）、１８…第３金属膜（第３導電膜）。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に配列された複数のセンサー素子と、を備え、
前記センサー素子は、振動板と、前記振動板の一面に形成された第１電極と、前記第１電極の一面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側と反対側の面に形成された第２電極と、前記第１電極と電気的に接続された第１電極引き回し配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２電極引き回し配線と、を備え、
前記圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、
前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、
前記圧電体層を貫通して前記第１電極の引き出し部に達するコンタクトホールが設けられ、
前記第１電極引き回し配線が、前記コンタクトホールを介して前記第１電極と電気的に接続されるとともに、前記コンタクトホールの箇所を除いて前記圧電体層の一面上に配置され、
前記第２電極引き回し配線が、前記第１電極引き回し配線の延在方向と交差する方向に延在して前記第２電極と一体に形成されるとともに、前記圧電体層の一面上に配置されたことを特徴とする超音波アレイセンサー。
【請求項２】
前記圧電体層の平面パターンの外縁と前記第１電極の平面パターンの外縁とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の超音波アレイセンサー。
【請求項３】
前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波アレイセンサー。
【請求項４】
基板の一面に振動板となる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を順次積層する工程と、
第１フォトマスクを用いて前記第２導電膜および前記圧電材料層を開孔することにより、前記第２導電膜および前記圧電材料層を貫通して前記第１導電膜に達するコンタクトホールを形成する工程と、
第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線となる第３導電膜を成膜する工程と、
第２フォトマスクを用いて前記第３導電膜および前記第２導電膜をパターニングすることにより、前記第２電極、前記第２電極引き回し配線、および前記第１電極引き回し配線を形成する工程と、
第３フォトマスクを用いて前記圧電材料層および前記第１導電膜をパターニングすることにより、前記圧電体層および前記第１電極を形成する工程と、
第４フォトマスクを用いて前記絶縁膜が形成された側と反対側の面から前記基板を前記絶縁膜が露出するまで開孔することにより、前記基板に空洞部を形成して前記絶縁膜からなる前記振動板を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする超音波アレイセンサーの製造方法。
【請求項５】
前記第３フォトマスクの前記圧電体層および前記第１電極の平面パターンの外縁が、前記第２フォトマスクの前記第２電極の平面パターンの外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の超音波アレイセンサーの製造方法。
【請求項６】
ゾル・ゲル法を用いて前記圧電材料層を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の超音波アレイセンサーの製造方法。
【請求項１】
基板と、前記基板上に配列された複数のセンサー素子と、を備え、
前記センサー素子は、振動板と、前記振動板の一面に形成された第１電極と、前記第１電極の一面に形成された圧電体層と、前記圧電体層の前記第１電極が形成された側と反対側の面に形成された第２電極と、前記第１電極と電気的に接続された第１電極引き回し配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２電極引き回し配線と、を備え、
前記圧電体層の平面パターンの外縁が前記第１電極の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、
前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも外側にはみ出しておらず、
前記圧電体層を貫通して前記第１電極の引き出し部に達するコンタクトホールが設けられ、
前記第１電極引き回し配線が、前記コンタクトホールを介して前記第１電極と電気的に接続されるとともに、前記コンタクトホールの箇所を除いて前記圧電体層の一面上に配置され、
前記第２電極引き回し配線が、前記第１電極引き回し配線の延在方向と交差する方向に延在して前記第２電極と一体に形成されるとともに、前記圧電体層の一面上に配置されたことを特徴とする超音波アレイセンサー。
【請求項２】
前記圧電体層の平面パターンの外縁と前記第１電極の平面パターンの外縁とが一致していることを特徴とする請求項１に記載の超音波アレイセンサー。
【請求項３】
前記第２電極の平面パターンの外縁が前記圧電体層の平面パターンの外縁よりも内側に位置していることを特徴とする請求項１または２に記載の超音波アレイセンサー。
【請求項４】
基板の一面に振動板となる絶縁膜を形成する工程と、
前記絶縁膜上に第１電極となる第１導電膜、圧電体層となる圧電材料層、第２電極となる第２導電膜を順次積層する工程と、
第１フォトマスクを用いて前記第２導電膜および前記圧電材料層を開孔することにより、前記第２導電膜および前記圧電材料層を貫通して前記第１導電膜に達するコンタクトホールを形成する工程と、
第１電極引き回し配線および第２電極引き回し配線となる第３導電膜を成膜する工程と、
第２フォトマスクを用いて前記第３導電膜および前記第２導電膜をパターニングすることにより、前記第２電極、前記第２電極引き回し配線、および前記第１電極引き回し配線を形成する工程と、
第３フォトマスクを用いて前記圧電材料層および前記第１導電膜をパターニングすることにより、前記圧電体層および前記第１電極を形成する工程と、
第４フォトマスクを用いて前記絶縁膜が形成された側と反対側の面から前記基板を前記絶縁膜が露出するまで開孔することにより、前記基板に空洞部を形成して前記絶縁膜からなる前記振動板を形成する工程と、
を備えたことを特徴とする超音波アレイセンサーの製造方法。
【請求項５】
前記第３フォトマスクの前記圧電体層および前記第１電極の平面パターンの外縁が、前記第２フォトマスクの前記第２電極の平面パターンの外縁よりも外側に位置していることを特徴とする請求項４に記載の超音波アレイセンサーの製造方法。
【請求項６】
ゾル・ゲル法を用いて前記圧電材料層を形成することを特徴とする請求項４または５に記載の超音波アレイセンサーの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１３−４６０８６（Ｐ２０１３−４６０８６Ａ）
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１８０１８８（Ｐ２０１１−１８０１８８）
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月４日（２０１３．３．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月２２日（２０１１．８．２２）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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