JP4746291B2 - 静電容量型超音波振動子、及びその製造方法 - Google Patents
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Description
図22は、従来の駆動電圧のタイムチャートを示す。超音波診断は通常RFパルス信号を送受信することによって、パルスエコー信号をもとに、これを画像信号に変換して診断像を得ている。しかし、図22(a)において、送信パルス信号送信期間が数μsecに対し、パルスエコー信号を受信する受信期間は0.1〜1.0msecと長い。送信パルス信号送信期間の数μsecだけであれば送信パルス電圧が数百Vあっても実効電圧は微々たるものである。しかしながら、図22(b)に示すように、受信期間の全てに亘って通常数百VDCのDC電圧を印加し続けることは駆動電圧の実効値が大きくなり過ぎて好ましくない。
超音波内視鏡装置は、前記製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備えたことを特徴とする。
図1は、本実施形態における静電容量型超音波振動子セルの基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板2、誘電体膜9、下部電極4、メンブレン支持部3、メンブレン6、空隙部7、上部電極5、導通孔(ビアホール)8、配線膜15から構成され、静電容量型超音波振動子1は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。
なお、誘電体膜9はシリコン酸化膜に限定されるものでなく、シリコン窒化膜でも良いし、最も好ましいのはSiO2とSi3N4の2層積層膜である(図4で説明する)。また、チタン酸バリウムBaTiO3、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、チタン酸バリウム・ストロンチウム、五酸化タンタル、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル、酸化アルミニウム、または酸化チタンTiO2等の高誘電率を有する材料を誘電体膜として用いてもよい。
図7は、本実施形態における静電容量型超音波振動子セルの基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板52、誘電体膜58,59、下部電極54、メンブレン支持部53、メンブレン56、上部電極55、配線膜65から構成され、静電容量型超音波振動子51は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。第1の実施形態と異なるのは、シリコン基板52の上表面に下部電極54を配設した上から誘電体膜59を形成したことと、上部電極55の上から誘電体膜58を形成したことである。このとき、下部電極54はシリコン基板52に接しているのでビアホールを設ける必要はない。なお、57は空隙部である。なお、メンブレン56は、第1の実施形態と同様に、製造工程上複数のメンブレン膜から構成されている。
図8(図8A及び図8B)は、本実施形態における静電容量型超音波振動子51の製造工程を示す。まず、低抵抗のシリコン基板52上に白金等耐熱性のある金属からなる下部電極54を形成(図8A(a))し、その後、その上にrfマグネトロンスパッタ、プラズマCVD、真空アークプラズマ、ゾルゲル等の手段でシリコン酸化膜59を形成する(図8A(b))。次に、300℃〜800度空気中または窒素雰囲気中で熱処理を行う(図8A(c))。
図10は、本実施形態における静電容量型超音波振動子セルの基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板72、誘電体膜79、下部電極74、メンブレン支持部73、メンブレン76、上部電極75、配線膜85から構成され、静電容量型超音波振動子71は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。なお、77は空隙部である。第1の実施形態と異なるのは、シリコン基板72の上表面に下部電極74を配設した上から誘電体膜79を形成したことと、メンブレン76の下表面(空隙部77側の表面)に上部電極75を形成したことである。このとき、下部電極74はシリコン基板72に接しているのでビアホールを設ける必要はない。
図11(図11A、図11B、及び図11C)は、本実施形態における静電容量型超音波振動子71の製造工程を示す。図11(a)−(c)までは、第2の実施の形態(図8(a)−(c))と同様である。
以上のプロセス図11(a)〜(d)(図11(a)〜(d)で作成したものを構造体Aという)とは別途のプロセスで、図11Cに示すもの(これを構造体Bという)を作成する。まず、構造体Aとは異なる別のシリコン基板80の表面に、熱酸化、rfマグネトロンスパッタ、プラズマCVD、真空アークプラズマ、ゾルゲル等の手段で高誘電率誘電体膜、例えばシリコン窒化膜76を形成する(図11C(a−1))。この膜76を300〜800℃で熱処置後、コロナ放電法による帯電処理により表面電荷を形成する(図11C(b−1))。なお、この場合、高誘電率誘電体膜76の表面(図11C(b−1)の上面側)は正(+)に帯電した方が良いので、コロナ放電電圧の極性は逆極性となる(図12)。このことについて、図12で詳述する。
図13は、本実施形態における静電容量型超音波振動子セルの基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板92、誘電体膜98,99、下部電極94、メンブレン支持部93、メンブレン96、上部電極95、配線膜90から構成され、静電容量型超音波振動子91は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。なお、97は空隙部である。第3の実施形態と異なるのは、上部電極95の表面を誘電体膜95で被覆したことである。
図14(図14A、図14B、及び図14C)は、本実施形態における静電容量型超音波振動子91の製造工程を示す。第3の実施の形態と異なる点は別工程で準備する構造体B(図14C参照)が、シリコン基板100上に誘電体膜96を形成し、上部電極95を形成した後に、更に他の誘電体膜98(例えば、チタン酸バリウムBaTiO3、チタン酸ストロンチウムSrTiO3、チタン酸バリウム・ストロンチウム、五酸化タンタル、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル、酸化アルミニウム、または酸化チタンTiO2等の高誘電率誘電体膜)を形成し、熱処理を行った(図14C(a−1))。
図16は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板112、誘電体膜119、下部電極114、メンブレン支持部113、メンブレン116(犠牲層材料放出孔116a、メンブレン116b,116c)、上部電極115、配線膜110から構成され、静電容量型超音波振動子111は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。なお、117は空隙部である。
図17は、本実施形態における静電容量型超音波振動子111の製造工程を示す。まず、低抵抗のシリコン基板112上にAu,Ptなどの金属からなる下部電極114を形成(図17(a))する。その後、熱酸化、rfマグネトロンスパッタ、プラズマCVD、真空アークプラズマ、ゾルゲル等の手段でシリコン酸化膜等の誘電体膜119を形成して、300℃〜1000℃の空気中または窒素雰囲気中で熱処理を行う(図17(b))。
なお、誘電体膜はシリコン酸化膜に限定されるものでなく、シリコン窒化膜でも良いし、最も好ましいのはSiO2とSi3N4の積層膜である(図4)。また、帯電電荷の経時的安定性は重要で、安定化の為に上記熱処理と帯電処理後の枯化処理は不可欠である(図5)。
図18は、本実施形態における静電容量型超音波振動子の基本構造の全体断面図を示す。静電容量型超音波振動子セルは、シリコン基板122、シリコン窒化膜128a,高誘電率誘電体膜128b,誘電体膜129a,129b、下部電極124、メンブレン支持部123、メンブレン126(犠牲層材料放出孔126a、メンブレン126b,126c)、上部電極125、配線膜130から構成され、静電容量型超音波振動子121は複数の静電容量型超音波振動子セルから構成されている。なお、127は空隙部である。第4の実施形態と異なるのは、下部電極124とシリコン基板122の間に誘電体膜を設けたことと、上部電極125を被覆している誘電体膜をさらに被覆したことである。
構造体Aの製造工程は第4の実施形態の構造体Aの製造方法とほとんど同じで(但し、下部電極124とシリコン基板122の間に誘電体膜を成膜する工程が追加される。具体的には図14A(a)で誘電体膜を成膜後、下部電極を成膜する)、構造体Bの製造工程が異なる。即ち、図14Cにおいてシリコン基板(100に相当する)上にシリコン酸化膜126(96に相当する)を形成し、その上に上部電極125(95に相当する)及び配線膜130(90に相当する)を形成後、シリコン窒化物膜128a(98に相当する)を形成し、更にその上に高誘電率誘電体膜128bを形成する。
まず、シリコン基板201の上下表面に酸化膜(SiO2)202を付与して(ステップ1)、ビアホール202a(SiO2)を設ける(ステップ2)。次に、スパッタ(suppter)によりPi/Tiで電極203を成膜する(ステップ3)。次に、レジスト204(例えば、フォトレジスト材料)を成膜した電極表面に塗布してパターンニングをする(ステップ4)。次に、エッチングを行い、レジストが塗布されていないPt/Tiを除去した後、レジスト204を除去する(ステップ5)。こうして下部電極が生成される。
2 シリコン基板
3 メンブレン支持部
4 下部電極
5 上部電極
6 メンブレン
7 空隙部
8 導通孔(ビアホール)
9 誘電体膜
15 配線膜
51 静電容量型超音波振動子
52 シリコン基板
53 メンブレン支持部
54 誘電体膜下部電極
55 上部電極
56 メンブレン
57 空隙部
65 配線膜
71 静電容量型超音波振動子
72 シリコン基板
73 メンブレン支持部
74 誘電体膜下部電極
75 上部電極
76 メンブレン
77 空隙部
85 配線膜
90 配線膜
91 静電容量型超音波振動子
92 シリコン基板
93 メンブレン支持部
94 下部電極
95 上部電極
96 メンブレン
97 空隙部
98,99誘電体膜
110 配線膜
111 静電容量型超音波振動子
112 シリコン基板
113 メンブレン支持部
114 下部電極
115 上部電極
116 メンブレン
116a 犠牲層材料放出孔
116b,116c メンブレン
117 空隙部
121 静電容量型超音波振動子
122 シリコン基板
123 メンブレン支持部
124 下部電極
125 上部電極
126 メンブレン
126a 犠牲層材料放出孔
126b,126c メンブレン
127 空隙部
128a シリコン窒化膜
128b 高誘電率誘電体膜
129a,129b 誘電体膜
130 配線膜
Claims (18)
- 少なくとも、シリコン基板と、該シリコン基板に配設された第1の電極と、該第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、該第2の電極を支持するメンブレンとからなる静電容量型超音波振動子であって、
当該静電容量型超音波振動子の一部が帯電しており、
前記静電容量型超音波振動子の一部は、誘電体膜であって、該誘電体膜のうち少なくとも一層が表面電位形成されており、
前記表面電位を有する前記誘電体膜が、前記シリコン基板と前記第1の電極との間に配設される
ことを特徴とする静電容量型超音波振動子。 - 前記誘電体膜に形成された表面電位の極性が、当該静電容量型超音波振動子を構成するいずれの前記誘電体膜についても同方向であることを特徴とする請求項1に静電容量型超音波振動子。
- 前記誘電体膜の表面電位の絶対値が、飽和値で50V以上であることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記帯電している前記静電容量型超音波振動子の一部は、さらに、前記メンブレンであることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記表面電位形成された前記誘電体膜が、前記メンブレンに支持された前記第2の電極の表面上に形成されていることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記第2の電極は、前記メンブレンの表面のうち前記第1の電極と対向する側の面に配設されていることを特徴とする請求項4に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記誘電体膜は、2層以上からなることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記誘電体膜は、SiO2膜とSi3N4膜の2層からなることを特徴とする請求項7に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記誘電体膜は、SiO2膜とSi3N4膜とSiO2膜の3層からなることを特徴とする請求項7に記載の静電容量型超音波振動子。
- 前記第2の電極は、高誘電率誘電体膜により被覆されていることを特徴とする請求項1に記載の静電容量型超音波振動子。
- 少なくとも、シリコン基板と、該シリコン基板に配設された第1の電極と、該第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、該第2の電極を支持するメンブレンとからなる静電容量型超音波振動子の製造方法において、
前記シリコン基板の表面に誘電体膜を形成する工程と、
前記シリコン基板を接地し、前記誘電体膜が表面電位を有するようにするためのコロナ放電処理を行う工程と、
前記表面電位を有する前記誘電体膜の表面に前記第1の電極を形成する工程と、
前記メンブレンと該メンブレンを支持するための支持部とを形成する工程と、
前記メンブレンに前記第2の電極を形成する工程と、
からなることを特徴とする静電容量型超音波振動子の製造方法。 - 少なくとも、シリコン基板と、該シリコン基板に配設された第1の電極と、該第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、該第2の電極を支持するメンブレンとからなる静電容量型超音波振動子の製造方法において、
第1の前記シリコン基板に前記第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極の表面に誘電体膜を形成する第1の誘電体膜形成工程と、
前記第1の電極を接地し、前記第1の誘電体膜形成工程により形成された誘電体膜が表面電位を有するようにするためのコロナ放電処理を行う第1の放電工程と、
前記メンブレンを支持するための支持部を形成する工程と、
によって第1の構造体を生成する第1の構造体生成工程と、
表面を酸化処理した第2のシリコン基板を接地し、該表面の酸化膜が表面電位を有するようにするためのコロナ放電処理を行う第2の放電工程と、
前記第2の放電工程により表面電位を有した前記酸化膜に前記第2の電極を形成する工程と、
によって第2の構造体を生成する第2の構造体生成工程と、
前記第1の構造体生成工程によって生成した前記第1の構造体と、前記第2の構造体生成工程によって生成した前記第2の構造体とを接合する工程と、
を行うことを特徴とする静電容量型超音波振動子の製造方法。 - 少なくとも、シリコン基板と、該シリコン基板に配設された第1の電極と、該第1の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第2の電極と、該第2の電極を支持するメンブレンとからなる静電容量型超音波振動子の製造方法において、
前記第1の前記シリコン基板の表面に誘電体膜を形成する第1の誘電体膜形成工程と、
前記誘電体膜の表面に前記第1の電極を形成する工程と、
前記第1の電極の表面に誘電体膜を形成する第2の誘電体膜形成工程と、
前記第1のシリコン基板を接地し、前記第1及び第2の誘電体膜形成工程により形成された誘電体膜が表面電位を有するようにするためのコロナ放電処理を行う第1の放電工程と、
前記メンブレンを支持するための支持部を形成する工程と、
によって第1の構造体を生成する第1の構造体生成工程と、
表面を酸化処理した第2のシリコン基板の表面の酸化膜に前記第2の電極を形成する工程と、
前記第2の電極表面に誘電体膜を形成する工程と、
前記第2の電極表面に形成した前記誘電体膜の表面に、高誘電率誘電体膜を形成する工程と、
前記第2のシリコン基板を接地し、前記第2のシリコン基板の表面の前記酸化膜、前記第2の電極表面に形成した前記誘電体膜、及び前記高誘電率誘電体膜が表面電位を有するようにするためのコロナ放電処理を行う第2の放電工程と、
によって第2の構造体を生成する第2の構造体生成工程と、
前記第1の構造体生成工程によって生成した前記第1の構造体と、前記第2の構造体生成工程によって生成した前記第2の構造体とを接合する工程と、
を行うことを特徴とする静電容量型超音波振動子の製造方法。 - 前記誘電体膜は、rfマグネトロンスパッタ、プラズマCVD、又は真空アークプラズマによって形成されることを特徴とする請求項11,12または13に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 前記誘電体を形成後、熱処理を行うことを特徴とする請求項11,12または13に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 前記コロナ放電処理後に枯化を行う工程を含むことを特徴とする請求項11,12または13に記載の静電容量型超音波振動子の製造方法。
- 請求項1−10のうちいずれか1項に記載の静電容量型超音波振動子を備えた超音波内視鏡装置。
- 請求項11,12または13に記載の製造方法によって製造された静電容量型超音波振動子を備えた超音波内視鏡装置。
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