JP5355777B2 - 超音波トランスデューサおよびそれを用いた超音波診断装置 - Google Patents

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    • A61B—DIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B8/00—Diagnosis using ultrasonic, sonic or infrasonic waves

Description

本発明は、超音波トランスデューサ、および、それを用いた超音波診断装置に関するものである。特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により製造した超音波トランスデューサと、それを用いた超音波診断装置に関する。
超音波トランスデューサは超音波を送信、受信することにより、人体内の腫瘍などの診断や、構造物の非破壊検査などに用いられている。これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer）が実用化を目指して盛んに開発されている。例えば、米国特許第６３２０２３９Ｂ１号公報（特許文献１）には、単体のＣＭＵＴとアレイ状に配置したＣＭＵＴが開示されている。
従来の圧電体を用いたトランスデューサと比較して、ＣＭＵＴは、使用できる超音波の周波数帯域が広い、あるいは高感度であるなどの利点がある。また、ＬＳＩ加工技術を用いて作製するので微細加工が可能である。特に、超音波素子をアレイ状に並べて、それぞれの素子を独立に制御を行う場合には、ＣＭＵＴは必須となると考えられる。何故ならば、各素子への配線が必要になり、アレイ内の配線数は膨大な数になることが考えられるが、ＣＭＵＴはＬＳＩ加工技術を用いて作製するので、それらの配線が容易であるからである。さらには超音波送受信部からの信号処理回路の１チップへの混載も、ＣＭＵＴでは可能だからである。
ここで、図１を用いて、ＣＭＵＴの基本的な構造および動作を説明する。下部電極１０１の上層に絶縁膜１０３に囲まれた空洞部１０２が配置されている。空洞部１０２上には絶縁膜１０３を介して上部電極１０４が配置されている。上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、空洞部１０２上の絶縁膜１０３と上部電極１０４で構成されるメンブレン１０５が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波が発信される。逆に、受信の場合は、メンブレン１０５の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０５が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、静電容量の変化として超音波が検出される。この動作原理では、上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧を印加することにより、両電極間に静電力が働き、メンブレンは変形し、変形したことによるバネ復元力と静電力が釣合う変形量でメンブレンは安定する。
通常は、電極間の静電力とメンブレンのバネ復元力が釣合う直流電圧で駆動を行うが、メンブレンの変形量が電極間隔の約３分の１となるようなカラプス電圧と呼ばれる電圧よりも大きな直流電圧を印加すると、電極間の静電力がメンブレンのバネ復元力よりも大きくなり、メンブレンが一定位置に安定することができず、空洞部の上面１０６が空洞部の下面１０７に接触することになる。この場合、絶縁膜１０３は空洞部を介さずに上部電極と下部電極に挟まれる構造となる。その結果、接触部では絶縁膜中の電界強度が大きくなり、電極から電荷が注入されることで、絶縁膜中に固定電荷が生じる。そして、直流電圧を遮断後、再度、両電極間に直流電圧を印加しても、絶縁膜中の固定電荷に電極間の電界が遮られ、ＣＭＵＴを最適に使用する電圧が変動することになる。また、絶縁膜への電荷の注入量により、絶縁膜の絶縁性が低下し、上部電極と下部電極が短絡する恐れもある。したがって、前記特許文献１に開示されたＣＭＵＴでは、空洞部の上面が、空洞部下面に接触することを防止するために、通常、カラプス電圧よりもかなり低い電圧で使用することとなる。
一方、特開２００９−２７２８２４号公報（特許文献２）には、ＣＭＵＴ駆動のための直流電圧の低減あるいは常時印加を不要とするために、電極間の絶縁膜に浮遊電極を埋め込んだ構造が開示されている。
米国特許第６３２０２３９Ｂ１号公報 特開２００９−２７２８２４号公報
一般的に、超音波の受信感度を向上させるためには、ＣＭＵＴ使用中の両電極の間隔をできるだけ狭くする必要があり、したがって両電極間に印加する電圧をカラプス電圧にできるだけ近くすることが重要である。また、超音波の送信音圧を向上させるためには、メンブレン１０５の振幅を最大限にすることが望ましい。しかし、振動中に、空洞部の上面１０６が空洞部の下面１０７に接触し、絶縁膜へ電荷が注入されることを防止するために、直流電圧に重畳する交流電圧も、空洞部の上面１０６が空洞部の下面１０７に接触する電圧よりもかなり低い電圧に設定する必要がある。
特許文献２では、上下電極間に挟まれる絶縁膜に浮遊電極を埋め込む構造が開示されている。予め電荷を蓄積した浮遊電極と、上部あるいは下部電極間の電位差によりＣＭＵＴを駆動する構成であるが、電荷を蓄積した浮遊電極から電荷が抜けないように、浮遊電極の周囲を絶縁膜で覆う、つまり、浮遊電極を絶縁膜に埋め込む必要がある。そして、空洞部の上面が空洞部の下面に接触した場合は、予め浮遊電極に電荷が蓄積されているため、浮遊電極と、上部あるいは下部電極の間に挟まれた絶縁膜への電荷の蓄積や、絶縁膜の絶縁耐圧の低下は免れない。
上述の通り、これまでの技術では、空洞部の上面と下面が接触することに起因する課題があったために、直流電圧や交流電圧を大きくすること、すなわち受信感度の向上や送信音圧の向上を図ることが困難であった。
本願において開示される発明のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。
本発明は、第一電極と、第一電極上に配置された第一絶縁膜と、第一絶縁膜上に配置された空洞部と、空洞部上に配置された第二絶縁膜と、第二絶縁膜上に配置された第二電極と、第一電極と第二電極との間に配置され、電気的に孤立された導電膜と、を備え、導電膜は、上面から見て、駆動時に空洞部の上面と下面が接触する領域と重なる位置に配置され、導電膜は、空洞部に露出している超音波トランスデューサである。
また、別の本発明は、第一電極と、第一電極上に配置された第一絶縁膜と、第一絶縁膜上に配置された空洞部と、空洞部上に配置された第二絶縁膜と、第二絶縁膜上に配置された第二電極と、第一電極と第二電極との間であって、上面から見て、駆動時に空洞部の上面と下面が接触する領域と重なる位置に配置された導電膜と、導電膜に接続され、導電膜と接地電位とのオンオフを制御するスイッチを備えている超音波トランスデューサである。
また、さらに別の本発明は、第一電極と、第一電極上に配置された第一絶縁膜と、第一絶縁膜上に配置され、電気的に孤立された第一導電膜と、第一導電膜上に配置された空洞部と、空洞部上に配置され、電気的に孤立された第二導電膜と、第二導電膜上に配置された第二絶縁膜と、第二絶縁膜上に配置された第二電極と、を備え、第一導電膜および第二導電膜は、駆動時に空洞部の上面と下面とが接触する領域に配置され、第一導電膜および第二導電膜は、上面から見て、この領域で互いに重なっていない超音波トランスデューサである。
また、さらに別の本発明は、上記いずれかの超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、超音波探触子を制御する制御部を備えている超音波診断装置である。
本発明は、ＣＭＵＴにおいて、空洞部の上面と下面が接触しても、上下電極間に挟まれる絶縁膜の電荷蓄積や絶縁耐圧の低下を抑制する構造およびそれを用いた超音波診断装置を提供するものである。また、本発明は、信頼性を確保した上で、従来よりも、受信感度や送信音圧を向上させることができるＣＭＵＴおよびそれを用いた超音波診断装置を提供するものである。
本発明者らが検討した超音波トランスデューサの断面図である。 本発明の実施形態１における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて６角形の場合である。 （ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 実施形態１の超音波トランスデューサの駆動時に、空洞部の上面と下面が接触している状態での接触領域の拡大図であり、（ａ）は導電膜が配置されていない場合であり、（ｂ）は導電膜２２１が空洞部に露出するように配置されている場合を示している。 （ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図５（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図５（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図６（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図６（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図７（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図７（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図８（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図８（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図９（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図９（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１０（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１０（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１１（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１１（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１２（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１２（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図１３（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１３（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 実施形態１における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて６角形の場合である。また、上面から見て、導電膜が空洞部よりも小さい構成を示すものである。 実施形態１における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて６角形の場合である。また、上面から見て、導電膜が空洞部よりも大きい構成を示すものである。 実施形態２における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて６角形の場合である。 （ａ）は図１７のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１７のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 実施形態３の第一実施例における超音波トランスデューサを示した上面図であり、空洞部の形状が上面からみて矩形の場合である。 （ａ）は図１９のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１９のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 （ａ）は実施形態３の超音波トランスデューサの駆動時に空洞部の上面と下面が接触している状態での接触領域の拡大図であり、（ｂ）は本実施形態３の超音波トランスデューサの駆動時に空洞部の上面と下面が接触している状態での等価回路図である。 （ａ）は図１９（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図１９（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２２（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２２（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２３（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２３（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２４（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２４（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２５（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２５（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２６（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２６（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図２７（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２７（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 実施形態３の第二実施例における超音波トランスデューサを示した図であり、（ａ）は図１９のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１９のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 （ａ）は図２９で示した超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２９で示した超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３０（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３０（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３１（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３１（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３２（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３２（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３３（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３３（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３４（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３４（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３５（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３５（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３６（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３６（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３７（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３７（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 （ａ）は図３８（ａ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図３８（ｂ）に続く超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 実施形態３の第三実施例における超音波トランスデューサを示した上面図である。 （ａ）は図４０（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図４０（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 実施形態３の第四実施例における超音波トランスデューサを示した上面図である。 （ａ）は図４２（ａ）のＡ−Ａ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図４２（ａ）のＢ−Ｂ’線で切断した断面での超音波トランスデューサの製造工程を示した断面図である。 実施形態４における超音波トランスデューサをアレイ状に配置したチップの上面図である。 実施形態５における超音波トランスデューサの模式的な断面図である。 実施形態５における超音波トランスデューサを用いた超音波診断時の上部電極と下部電極の間の実効的な電位差と、導電膜の電位、直流電圧と交流電圧のＯＮ/ＯＦＦの状態、ならびに、スイッチの開閉の状態を示すものである。 実施形態６における超音波診断装置の構成図である。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施形態を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
以下の実施形態においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。また、以下の実施形態において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。さらに、以下の実施形態において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。同様に、以下の実施形態において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。
下記の実施形態の記載では、空洞部の上面が空洞部の下面へ接触しても、絶縁膜への電荷注入や絶縁耐圧の低下を抑制するという目的を、空洞部の上面あるいは下面、あるいは上面、下面の両面に露出するように導電膜を配置することで実現している。
実施形態１
実施形態１では、駆動時に空洞部の上面が空洞部の下面に接触しても、絶縁膜への電荷注入や絶縁耐圧の低下を抑制する目的を、空洞部の下面に露出するように導電膜を配置することで実現している。
図２は、実施形態１における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を示した上面図である。図２では、１つのＣＭＵＴセルを示している。ＣＭＵＴセルは、下部電極２０２と、下部電極２０２上に配置された空洞部２０４と、空洞部２０４上に配置された上部電極２０８などを備えて構成される。２１０は空洞部を形成するためのエッチング孔である。すなわち、エッチング孔２１０は、空洞部２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０８へ接続する開口部である。なお、下部電極２０２と空洞部２０４の間に下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されており、上部電極２０８と空洞部２０４の間に、空洞部２０４と下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が形成されているが、空洞部２０４、下部電極２０２を示すために図示していない。また、空洞部２０４に露出するように導電膜２２１が形成されているが、図示していない。
図３（ａ）は図２のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図３（ｂ）は図２のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図３（ａ）および図３（ｂ）に示すように、半導体基板２００上に形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜２０１上にＣＭＵＴの下部電極２０２が配置されている。下部電極２０２の上層にはシリコン酸化膜による絶縁膜２０３を介して空洞部２０４が配置されている。また、空洞部２０４に露出するように導電膜２２１が空洞部と上面から見て重なる位置に配置されている。２０５は空洞部の下面、２０６は空洞部２０４の上面である。そして、空洞部２０４、導電膜２２１を囲むようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が配置され、絶縁膜２０７の上層に上部電極２０８が配置されている。上部電極２０８の上層にはシリコン窒化膜による絶縁膜２０９と絶縁膜２１１が配置されている。また、絶縁膜２０７および絶縁膜２０９には、これらの膜を貫通するエッチング孔２１０が形成され、絶縁膜２１１によって埋め込まれている。このエッチング孔２１０は、空洞部２０４を形成するために形成されたものである。実施形態１におけるメンブレン２１４は絶縁膜２０７、２０９、２１１と上部電極２０８で構成される。
実施形態１の特徴を、図４を用いて説明する。図４は、ＣＭＵＴセルを駆動して、メンブレン２１４が振動し、空洞部２０４の上面２０６が空洞部２０４の下面２０５に接触している状態の接触部の拡大図である。図４（ａ）は導電膜が配置されていない場合であり、図４（ｂ）は本実施形態１における導電膜２２１が配置されている場合である。この導電膜２２１は、電気的に孤立された膜である。
図４（ａ）において、駆動時に空洞部２０４の上面２０６が空洞部２０４の下面２０５に接触する領域３０１では、絶縁膜２０３と絶縁膜２０７のみが下部電極２０２と上部電極２０８に挟まれる構造となり、その他の領域では、上部電極と下部電極の間に絶縁膜２０３、２０７に加えて空洞部２０４が挟まれる構造となる。その結果、接触領域３０１での絶縁膜２０３、２０７中の電界強度が、接触領域３０１を除いた領域の絶縁膜２０３、２０７中の電界強度より大きくなる。したがって、絶縁膜２０３、２０７を介して流れる下部電極２０２と上部電極２０８の間の微小なリーク電流が接触領域３０１に集中し、絶縁膜２０３、２０７ともに絶縁耐性の劣化が生じることになる。
一方、図４（ｂ）に示すように、空洞部２０４に露出するように導電膜２２１を配置した場合、導電膜２２１が電気的に孤立した導電膜であるため、下部電極２０２と上部電極２０８に挟まれる絶縁膜２０３、２０７と空洞部２０４の静電容量により、導電膜２２１は、下部電極２０２と上部電極２０８の電位差が分配された電位となり、かつ、導電膜全体が等電位となる。したがって、導電膜２２１と下部電極２０２の間に挟まれる絶縁膜２０３においては、接触領域３０１とその他の領域での電界強度が等しくなり、リーク電流が接触領域３０１に集中することを抑制でき、絶縁膜２０３への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を抑制できる。一方、接触領域３０１での絶縁膜２０７中の電界強度は、接触領域３０１を除く領域よりも大きいままであるが、電流の流れる方向、つまり上部電極と下部電極の電位の極性を考慮すれば、絶縁膜２０７の劣化も抑制可能である。図２、図３および図４（ｂ）に示した実施形態１においては、例えば、下部電極、上部電極の材料を金属とした場合、下部電極を上部電極よりも低い電位とすればよい。この場合、リーク電流は電子により生じ、電位が低い電極から高い電極へ電子が流れることになるので、電子の経路は、下部電極２０２から、絶縁膜２０３、導電膜２２１、絶縁膜２０７を介して上部電極の順となるが、本実施例では、絶縁膜２０３の絶縁耐性が劣化し難いことから、リーク電流となる電子の流れ量自体も低減できる。したがって、絶縁膜２０７中の接触領域３０１での電界強度が、接触領域３０１を除く領域よりも大きいままであっても、接触領域３０１に集中する電子の流れ量（電流量）自体を小さくすることができるので、絶縁膜２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を抑制できる。すなわち、導電膜が下部電極側に配置されている場合には、上部電極と下部電極との間で、下部電極が上部電極よりも低い電位となるよう直流電圧を印加することにより、絶縁膜２０３および２０７の絶縁耐性の劣化を抑制することができる。また、空洞部の上面と下面とが接触した場合でも絶縁膜２０３および２０７の絶縁耐性の劣化を抑制することができるため、空洞部の上面と下面が接触するまでメンブレンを振動させることができ、つまり、空洞部の厚さの範囲を最大限に活用してメンブレンを振動させることができ、送信音圧を向上させることができる。また、空洞部の厚さを、診断に必要な送信音圧が得られるメンブレンの振幅を確保可能な最低限の厚さまで薄くすることができ、受信感度を向上させたりすることができる。
次に、特許文献２に開示された従来技術との比較により、実施形態１の発明の効果について説明する。従来技術では、浮遊電極を絶縁膜中に埋め込み、この浮遊電極を帯電させることにより、直流電圧を不要または低減させることを開示している。一方、実施形態１の発明では、浮遊電極に相当する導電膜を絶縁膜中に完全に埋め込むことはせず、空洞部に露出している構造である。なお、導電膜と空洞部の間には絶縁膜を介しておらず、導電膜は、空洞部に露出する構造となっている。これは、実施形態１の発明では、前述の課題を解決するために、帯電していない若しくは帯電し難い導電膜を用いることが必須となるからである。そこで、導電膜が帯電し難くするために、このような構造とし、導電膜に電荷が蓄積されたとしても、蓄積された電荷が空洞部を通じて、放電され易い構造を採用している。
このように、導電膜に電荷が蓄積され難い構造とすることで、駆動時に空洞部の上面と下面とが接触した場合でも、蓄積された電荷が極めて少ないため絶縁膜２０７側へ流れることを抑制できる。よって、直流電圧を実効的に低減させる程度に帯電された浮遊電極を備えた特許文献２のＣＭＵＴよりも、浮遊電極と上部電極の間の電界により生じる絶縁膜２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を抑制できる。また、この従来技術では蓄積された電荷が経時変化により減っていく一方で、実施形態１ではこの放電作用により電荷蓄積量の変動が極めて少ないため、予め最適値に設定された直流電圧を必要以上に変更することなく、略最適値である良好な条件で長期間ＣＭＵＴを使用することができる。
次に、図面を用いて本実施形態１に記載されたＣＭＵＴセルの製造方法を説明する。図５〜図１４の（ａ）は、図２のＡ−Ａ’方向の断面を示しており、図５〜図１４の（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ’方向の断面を示している。
まず、図５（ａ）、（ｂ）に示すように、半導体基板２００上に、プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法でシリコン酸化膜による絶縁膜２０１を４００ｎｍ堆積する。次に、絶縁膜２０１上に、スパッタリング法で窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜をそれぞれ１００ｎｍ、６００ｎｍ、１００ｎｍ積層した後に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術によりパターニングすることで、下部電極２０２を形成する（図６（ａ）、（ｂ））。
続いて、図７（ａ）、（ｂ）に示すように、下部電極２０２上にプラズマＣＶＤ法でシリコン酸化膜による絶縁膜２０３を１００ｎｍ堆積し、その後、絶縁膜２０３の上面に、スパッタリング法で電気的に孤立された導電膜２２１となるアルミニウム合金膜を５０ｎｍ堆積し、引き続き、プラズマＣＶＤ法で多結晶シリコン膜を１００ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、アルミニウム合金膜と多結晶シリコン膜をパターニングすることで、絶縁膜２０３上に導電膜２２１と多結晶シリコン膜からなる犠牲層７０１を形成する。犠牲層７０１は、その後の工程で空洞部となる。
続いて、導電膜２２１と犠牲層７０１と絶縁膜２０３を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜による絶縁膜２０７を１００ｎｍ堆積する（図８（ａ）、（ｂ））。引き続き、ＣＭＵＴセルの上部電極２０８を形成するため、スパッタリング法により窒化チタン膜とアルミニウム合金膜と窒化チタン膜の積層膜をそれぞれ５０ｎｍ、３００ｎｍ、５０ｎｍ堆積する。そして、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、上部電極２０８を形成する（図９（ａ）、（ｂ））。
次にプラズマＣＶＤ法により、シリコン窒化膜による絶縁膜２０９を絶縁膜２０７、上部電極２０８を覆うように５００ｎｍ堆積する（図１０(ａ)、（ｂ））。続いて、絶縁膜２０９および２０７に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を使用して犠牲層７０１に到達するエッチング孔２１０を形成する（図１１(ａ)、（ｂ））。その後、エッチング孔２１０を介して、犠牲層７０１をフッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガスで等方性エッチングすることにより空洞部２０４を形成する（図１２（ａ）、（ｂ））。
次に、エッチング孔２１０を埋め込むために、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜による絶縁膜２１１を８００ｎｍ堆積する（図１３(ａ)、（ｂ））。この工程により、絶縁膜２０３、２０９、２１１と上部電極２０８からなるメンブレン２１４が形成される。次に、下部電極２０２へ電気接続するための開口部２１２、上部電極２０８へ電気接続するための開口部２１３を、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を使用して形成する（図１４(ａ)、（ｂ））。このようにして、本実施形態１におけるＣＭＵＴセルを形成することができる。
ここで導電膜２２１の上面から見た際のサイズについて言及する。図２に示した実施例では、空洞部２０４と導電膜２２１は上面から見て同形状であり、重なるように配置されているが、この実施形態に限定されるものではない。少なくとも駆動時に空洞部の上面２０６と空洞部の下面２０５が接触する領域よりも大きければよい。言い換えれば、静的な状態であれば、メンブレンの垂直方向の変位量が最大となるような、メンブレンの重心を中心とした所定の範囲を含む様、この導電膜を設ければよい。導電膜がない場合に比べ電界集中を抑制することができるためである。仮に、設計上、空洞部の上面と下面とが点で接触する程度の電圧範囲で使用されるのであれば、この点を含む範囲で導電膜を設ければよい。一方、点ではなく面で接触する程度の電圧範囲で使用されるのであれば、この面を含む範囲で導電膜を設ければよい。例えば、導電膜２２１の形状が、図１５の点線に示すように、上面から見て、空洞部２０４の上面２０６と空洞部２０４の下面２０５が接触する領域３０１よりも大きければよい。一方、導電膜２２１の形状が、図１６の点線に示すように、上面から見て、空洞部２０４よりも大きくてもよい。この場合は、導電膜２２１が大きい分、接触領域３０１での絶縁膜の電流の集中を一層低減できる。
なお、図２において、ＣＭＵＴセルの平面形状は六角形の形状をしているが、形状はこれに限らず、例えば、円形形状でも矩形をしていてもよい。また、実施形態１として示したＣＭＵＴセルを構成する材料は、その組み合わせの一つを示したものである。犠牲層の材料も、犠牲層の周りを囲む絶縁材料と導電膜材料とのエッチング選択性が確保することができればよい。したがって、導電膜は、多結晶シリコン膜の他に、他の金属膜などであってもよい。さらに、ＣＭＵＴの下部電極は導電膜であればよく、半導体基板でも、図３に示したように、半導体基板上に形成した絶縁膜上の導電膜や、信号処理回路を形成した半導体基板上の導電膜であっても良い。
実施形態２
実施形態１では、導電膜が空洞部の下面側から空洞部に露出している形態を示したが、実施形態２では、導電膜が空洞部の上面側から空洞部に露出している形態を示す。
図１７は、本実施形態２における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を示した上面図である。図１７では、１つのＣＭＵＴセルを示している。ＣＭＵＴセルは、下部電極２０２と、下部電極２０２上に配置された空洞部２０４と、空洞部２０４上に配置された上部電極２０８などを備えて構成される。２１０は空洞部を形成するためのエッチング孔である。すなわち、エッチング孔２１０は、空洞部となる２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０８へ接続する開口部である。なお、下部電極２０２と空洞部２０４の間に下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されており、上部電極２０８と空洞部２０４の間に、空洞部２０４と下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が形成されているが、空洞部２０４、下部電極２０２を示すために図示していない。また、空洞部に露出するよう導電膜２２１が形成されているが、図示していない。
図１８（ａ）は図１７のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図１８（ｂ）は図１７のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図１８（ａ）および図１８（ｂ）に示すように、半導体基板２００上に形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜２０１上にＣＭＵＴの下部電極２０２が配置されている。下部電極２０２の上層にはシリコン酸化膜による絶縁膜２０３を介して空洞部２０４が配置されている。また、空洞部２０４の上面側から空洞部に露出するよう導電膜２２１が配置され、かつ、空洞部と上面から見て重なる位置に配置されている。なお、２０５は空洞部の下面、２０６は空洞部の上面である。導電膜２２１、空洞部２０４を囲むようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が配置され、絶縁膜２０７の上層に上部電極２０８が配置されている。上部電極２０８の上層にはシリコン窒化膜による絶縁膜２０９と絶縁膜２１１が配置されている。また、絶縁膜２０７、絶縁膜２０９および導電膜２２１にはこれらの膜を貫通するエッチング孔２１０が形成され、絶縁膜２１１によって埋め込まれている。このエッチング孔２１０は、空洞部２０４を形成するために形成されたものである。実施形態２におけるメンブレン２１４は絶縁膜２０７、２０９、２１１と上部電極２０８、導電膜２２１で構成される。
実施形態２の特徴は、前記実施形態１とは逆に、導電膜２２１を空洞部２０４の上面側から空洞部に露出するように配置したところにある。空洞部２０４の上面側から空洞部に露出するように導電膜２２１を配置した場合、実施形態１と同様に導電膜は電気的に孤立された導電膜であるため、下部電極２０２と上部電極２０８に挟まれる絶縁膜２０３、２０７と空洞部２０４の静電容量により、導電膜２２１は、下部電極２０２と上部電極２０８の電位差が分配された電位となり、かつ、導電膜全体が等電位となる。したがって、導電膜２２１と上部電極２０８の間に挟まれる絶縁膜２０７においては、接触領域３０１とその他の領域での電界強度が等しくなり、リーク電流が接触領域３０１に集中することを抑制でき、絶縁膜２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を低減できる。
また、このような導電膜の配置とし、ＣＭＵＴ駆動時に下部電極が上部電極よりも高い電位の場合には、リーク電流となる電子の流れの経路は、上部電極２０８から、絶縁膜２０７、導電膜２２１、絶縁膜２０３を介して、下部電極２０２の順となるが、本実施例では、絶縁膜２０７の絶縁耐性が劣化しないことから、電子の流れ自体抑制することができ、リーク電流が低減できる。したがって、空洞部の上面２０６が空洞部の下面２０５に接触する領域での絶縁膜２０３中の電界強度が接触領域を除く領域よりも大きいままであっても、接触領域に集中する電子の流れ量（電流量）自体を小さくすることができるので、絶縁膜２０３への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化も抑制できる。すなわち、導電膜が上部電極側に配置されている場合には、上部電極と下部電極との間で、下部電極が上部電極よりも高い電位となるように直流電圧を印加することにより、絶縁膜２０３および２０７の絶縁耐圧の劣化を抑制することができる。その他の効果については、実施形態１と同様の効果が得られ、必要に応じて上下の関係を逆にし、読み替えればよい。
本実施形態２に記載されたＣＭＵＴセルの製造方法は、前記実施形態１の図７で示した導電膜と犠牲層の堆積順序を逆にすればよく、その他の工程は図５から図１４で示した工程と同様である。
図１７に示した実施例では、空洞部２０４と導電膜２２１は上面から見て同形状であり、重なるように配置されている。しかし、この実施形態に限られるものではない点、導電膜２２１の上面から見た形状の大小、ＣＭＵＴセルの形状、ＣＭＵＴセルを構成する材料、下部電極が半導体基板でも良いことは実施形態１で述べたことと同様であるため省略する。
実施形態３
実施形態１および２では、導電膜が空洞部の上面側あるいは下面側の一方から空洞部に露出している形態を示したが、本実施形態３では、空洞部の上面側から露出している導電膜と、空洞部の下面側から露出している導電膜がともに配置されている形態を示す。
図１９は、本実施形態３における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）の一例（第一実施例）を示した上面図である。図１９では、実施形態１および２とは異なる形状のセルであるが、これらと同様に１つのＣＭＵＴセルを示している。ＣＭＵＴセルは、下部電極２０２と、下部電極２０２上に配置された空洞部２０４と、空洞部２０４上に配置された上部電極２０８などを備えて構成される。２１０は空洞部を形成するためのエッチング孔である。すなわち、エッチング孔２１０は、空洞部となる２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２へ接続する開口部、２１３は上部電極２０８へ接続する開口部である。なお、下部電極２０２と空洞部２０４の間に下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されており、上部電極２０８と空洞部２０４の間に、空洞部２０４と下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が形成されているが、空洞部２０４、下部電極２０２を示すために図示していない。
空洞部の下面側から空洞部に露出するように導電膜２２１１が配置されており、上面から見た形状を一点鎖線で示してある。また、空洞部の上面側から空洞部に露出するように導電膜２２１２が配置されており、上面から見た形状を点線で示してある。さらに、ＣＭＵＴセル駆動時に、空洞部２０４の下面が空洞部２０４の上面に接触する領域３０１を二点鎖線で示している。セルの形状が矩形であるため接触領域３０１も略矩形となっている。
図２０（ａ）は図１９のＡ−Ａ’線で切断した断面図を示しており、図２０（ｂ）は図１９のＢ−Ｂ’線で切断した断面図を示している。図２０（ａ）および図２０（ｂ）に示すように、半導体基板２００上に形成されたシリコン酸化膜による絶縁膜２０１上にＣＭＵＴの下部電極２０２が配置されている。下部電極２０２の上層にはシリコン酸化膜による絶縁膜２０３を介して空洞部２０４が配置されている。また、空洞部２０４に露出するように導電膜２２１１が配置され、空洞部２０４に露出するように導電膜２２１２が配置されている。導電膜２２１１、２２１２、空洞部２０４を囲むようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が配置され、絶縁膜２０７の上層に上部電極２０８が配置されている。上部電極２０８の上層にはシリコン窒化膜による絶縁膜２０９と絶縁膜２１１が配置されている。また、絶縁膜２０７、絶縁膜２０９および導電膜２２１２にはこれらの膜を貫通するエッチング孔２１０が形成され、絶縁膜２１１によって埋め込まれている。このエッチング孔２１０は、空洞部２０４を形成するために形成されたものである。実施形態３におけるメンブレン２１４は絶縁膜２０７、２０９、２１１と上部電極２０８、導電膜２２１２で構成される。
実施形態３の特徴は、空洞部２０４の下面２０５側に配置された導電膜２２１１と、空洞部２０４の上面２０６側に配置された導電膜２２１２の両方を、ＣＭＵＴセル駆動により、空洞部の下面２０５と上面２０６が接触する領域３０１の範囲において、上面から見て重ならない配置とした点と、接触領域３０１と、導電膜２２１１、２２１２両方が、上面から見て重なるように配置した点にある。実施形態３では、一例として、空洞部を含む垂直断面（図２０（ａ））にて、導電膜２２１１を空洞部の中心より左側に配置し、この垂直断面にて、導電膜２２１２を空洞部の中心よりも右側に配置し、かつ、これらの導電膜の一部が接触領域３０１まで延存している。
図２１（ａ）、（ｂ）は、実施形態３のＣＭＵＴセルを駆動して、空洞部の上面２０６が空洞部の下面２０５に接触している状態の接触部３０１の拡大図と等価回路図である。ここで、導電膜２２１１、２２１２両方が必ずしも空洞部２０４に露出している必要はなく、導電膜と空洞部との間に絶縁膜が配置されていても良いが、説明の便宜上、実施形態１および２と同様に、導電膜が空洞部に露出している構造を用いて説明する。以下、実施形態３の効果について説明する。
図１９および図２０に示すように、空洞部２０４の下面２０５側から空洞部に露出する導電膜２２１１と、空洞部の上面２０６側から空洞部に露出する導電膜２２１２がともに、接触領域３０１と上面から見て重なるように配置した場合、図２１（ａ）に示すように、ＣＭＵＴセル駆動中の接触領域では、導電膜２２１１、２２１２はともに下部電極２０２と上部電極２０８に絶縁膜２０３と２０７を介して挟まれた同じ構造となる。その場合、図２１（ｂ）に示すように、導電膜２２１１と２２１２の電位は、下部電極２０２と上部電極２０８の間に印加される電圧を絶縁膜２０３、２０７の容量により分割された電位となり、結果的に導電膜２２１１と２２１２は等電位Ｖ１となる。導電膜２２１１と２２１２が夫々電気的に孤立された導電膜であるからである。
このときに、図２１（ｂ）に示す導電膜２２１１領域では、前記実施形態１と同様に、導電膜２２１１と下部電極２０２の間に挟まれる絶縁膜２０３においては、接触領域３０１とその他の非接触領域での電界強度が等しくなり、リーク電流が接触領域３０１に集中することを抑制でき、絶縁膜２０３への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を低減できる。一方、接触領域３０１での絶縁膜２０７中の電界強度はＶ２を絶縁膜２０７の厚さで割った値となり、接触領域３０１を除いた非接触領域よりも大きい。しかし、導電膜２２１１の電位と同電位になる導電膜２２１２も配置されているので、導電膜２２１２領域の接触領域を除いた非接触領域における絶縁膜２０７中の電界強度も、Ｖ２を絶縁膜２０７の厚さで割った値となり、導電膜２２１１領域における接触領域の絶縁膜２０７中の電界強度と等しくなる。その結果として、リーク電流が接触領域の絶縁膜２０７に集中することを抑制できる。
導電膜２２１２領域でも、前記実施形態２と同様に、導電膜２２１２と上部電極２０８の間に挟まれる絶縁膜２０７においては、接触領域３０１とその他の非接触領域での電界強度が等しくなり、リーク電流が接触領域３０１に集中することを抑制でき、絶縁膜２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を低減できる。一方、接触領域３０１での絶縁膜２０３中の電界強度はＶ１を絶縁膜２０３の厚さで割った値となり、接触領域３０１を除いた非接触領域よりも大きい。しかし、導電膜２２１２の電位と同電位になる導電膜２２１１も配置しているので、導電膜２２１１領域の接触領域を除いた非接触領域における絶縁膜２０３中の電界強度も、Ｖ１を絶縁膜２０３の厚さで割った値となり、導電膜２２１２領域における接触領域の絶縁膜２０７中の電界強度と等しくなる。その結果として、リーク電流が接触領域の絶縁膜２０３に集中することを抑制できる。
つまり、空洞部の上面と下面とが接触した場合であっても、導電膜２２１１にとっては、導電膜２２１２が絶縁膜２０７に対する電界緩和の機能を果たし、導電膜２２１２にとっては、導電膜２２１１が絶縁膜２０３に対する電界緩和の機能を果たすことになる。したがって、接触領域３０１おける絶縁膜２０３、２０７へリーク電流が集中することを抑制でき、絶縁膜２０３、２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を抑制できる。
次に、図面を用いて本実施形態３に記載されたＣＭＵＴセルの製造方法を説明する。絶縁膜２０３を形成するまでの工程は、前記実施形態１で示した図５、図６と同様である。図２２〜図２８中の（ａ）は、図１９のＡ−Ａ’方向の断面を示しており、図２２〜図２８中の（ｂ）は、図１９中のＢ−Ｂ’方向の断面を示している。
まず、図２２（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜２０３上面にスパッタリング法で電気的に孤立された導電膜２２１１となるアルミニウム合金膜を５０ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、パターニングを行う。引き続き、プラズマＣＶＤ法で多結晶シリコン膜７０１１を１５０ｎｍ堆積する。次に図２３（ａ）、（ｂ）に示すように、多結晶シリコン膜７０１１をＣＭＰ法（Chemical Mechanical Polishing）により１００ｎｍの研磨を行い、電気的に孤立された導電膜２２１１となるアルミニウム合金膜２２１１の表面を露出させる。次に図２４（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法で多結晶シリコン膜７０１２を５０ｎｍ堆積する。
引き続き、多結晶シリコン膜７０１２、アルミニウム合金膜２２１１の上面にスパッタリング法で導電膜２２１２となるアルミニウム合金膜を５０ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、パターニングを行う（図２５（ａ）、（ｂ））。このときに、導電膜２２１１と２２１２が上面から見て重ならず、かつ、後の工程で作製される空洞部の上面と下面がＣＭＵＴセルの駆動時に接触する領域と、上面から見て重なるようにパターニングを行う。
次に図２６（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法で多結晶シリコン膜７０１３を１５０ｎｍ堆積する。次に図２７（ａ）、（ｂ）に示すように、多結晶シリコン膜７０１３をＣＭＰ法により１００ｎｍの研磨を行い、導電膜２２１２となるアルミニウム合金膜の表面を露出させる。引き続き、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、アルミニウム合金膜２２１１、２２１２と多結晶シリコン膜７０１１、７０１２、７０１３をパターニングすることで、絶縁膜２０３上に導電膜２２１１、２２１２と多結晶シリコン膜７０１１、７０１２、７０１３からなる犠牲層を形成する（図２８（ａ）、（ｂ））。犠牲層は、その後の工程で空洞部となる。その後の工程は、前記実施形態１で示した図８から図１４と同様の工程により図１９、２０に示す本実施形態３のＣＭＵＴセルを製造することができる。
図２９は、本実施形態３の第二実施例の超音波トランスデューサを示した断面図である。上面図は図１９と同様である。第一実施例との違いは、導電膜２２１１、２２１２が、それぞれ絶縁膜２９０１、２９０２を介して空洞部２０４と接している点であり、その他の構造は同じである。このような構成でも、接触領域３０１へのリーク電流の集中を抑制でき、絶縁膜２０３、２９０１、２０７、２９０２への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を低減できる。
図３０〜３９に図２９で示した超音波トランスデューサの製造方法を示す。絶縁膜２０３を形成するまでの工程は、前記実施形態１で示した図５、図６と同様である。この場合、上下電極間のシリコン酸化膜による絶縁膜厚さを本実施形態３の第一実施例と同じにするため、５０ｎｍとした。まず、図３０（ａ）、（ｂ）に示すように、絶縁膜２０３上面にスパッタリング法で導電膜２２１１となるアルミニウム合金膜を５０ｎｍ堆積し、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、パターニングを行う。引き続き、プラズマＣＶＤ法でシリコン酸化膜による絶縁膜を５０ｎｍ堆積する（図３１（ａ）、（ｂ））。
続いて、図３２（ａ）、（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法で多結晶シリコン膜７０１を２００ｎｍ堆積し、多結晶シリコン膜７０１をＣＭＰ法により１００ｎｍの研磨を行なう（図３３（ａ）、（ｂ））。次に、図３４（ａ）、（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、多結晶シリコン膜７０１のパターニングを行い、５０ｎｍの窪み３４０１を設ける。
引き続き、図３５（ａ）、（ｂ）に示すように、多結晶シリコン膜７０１を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜による絶縁膜２９０２を堆積する。このときに、窪み３４０１にも絶縁膜２９０２が堆積する。続いて、絶縁膜２９０２の上面に、スパッタリング法で導電膜２２１２となるアルミニウム合金膜を２００ｎｍ堆積し（図３６（ａ）、（ｂ））、ＣＭＰ法で１５０ｎｍの研磨を行うことで、絶縁膜２９０２の表面を露出させる（図３７（ａ）、（ｂ））。
引き続き、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により、絶縁膜２９０１、２９０２、アルミニウム合金膜２２１１、２２１２と多結晶シリコン膜７０１をパターニングすることで、絶縁膜２０３上に導電膜２２１１、２２１２と、多結晶シリコン膜７０１からなる犠牲層を形成する（図３８（ａ）、（ｂ））。犠牲層は、その後の工程で空洞部となる。最後に、プラズマＣＶＤ法により、シリコン酸化膜による絶縁膜２０７を５０ｎｍ堆積する（図３９（ａ）、（ｂ））。その後の工程は、前記実施形態１で示した図８から図１４と同様の工程により図２９に示す本実施形態３の第二実施例のＣＭＵＴセルを製造することができる。
ここで、実施形態３の特徴について、さらに詳しく説明する。ＣＭＵＴセル駆動により、空洞部の下面２０５と上面２０６が接触する領域３０１の範囲と、導電膜２２１１、２２１２両方が、上面から見て重なるように配置する効果については、図２１（ｂ）を用いて、説明した通りであるが、ここではもう一つの特徴である、空洞部２０４の下面２０５側に配置された導電膜２２１１と、空洞部２０４の上面２０６側に配置された導電膜２２１２が、接触領域３０１の範囲において、上面から見て重ならない配置とする効果について説明する。ここで、仮に、導電膜２２１１と２２１２が、接触領域３０１の範囲において、上面から見て重なる配置とした場合、導電膜が夫々絶縁膜に覆われていない場合には、導電膜２２１１と２２１２が直接接触することになる。接触した際に、導電膜２２１１と２２１２とは同電位となるが、それぞれの導電膜中に誘起された電荷間の静電引力により吸着して離れなくなってしまうという問題が生じる。
また、仮に、導電膜が夫々絶縁膜に覆われている場合であっても、導電膜が夫々の絶縁膜のみを介して接するようになるため、強力な静電引力により導電膜同士が絶縁膜を介して吸着してしまうという問題がある。そのため、敢えて、このような配置とすることで、この導電膜同士の吸着を抑制している。
つまり、導電膜が空洞部に露出する実施例の場合には、導電膜同士が上面から見て重ならない配置であるため、空洞部の上面と下面とが接した場合であっても、導電膜２２１１と２２１２が接触することはなく、このため、上述の吸着の問題を回避することができる。また、導電膜が空洞部に絶縁膜を介して接する実施例の場合、つまり、導電膜が絶縁膜に埋め込まれている場合でも、導電膜同士が上面から見て重ならない配置であれば、上述の吸着の問題を回避することができる。さらに好ましい実施例は、接触領域３０１の範囲において、空洞部の上面と下面とが接触する際に、絶縁膜２９０１と２９０２との間に空洞部が生まれるように、導電膜およびそれを覆う絶縁膜２９０１と２９０２を形成することである。このような配置にすることで、導電膜間の静電引力をさらに低減でき、静電引力による吸着を抑制することができるためである。
なお、導電膜が空洞部に露出する実施例の場合には、実施形態１と同様に電荷が蓄積し難い効果がさらに得られることは言うまでもない。また、絶縁膜２９０１と２９０２により導電膜は、これらの絶縁膜がない場合に比べ、電荷を蓄積し易い構造になるが、上述の通り、空洞部の上面と下面とが接触した場合であっても、導電膜２２１１にとっては、導電膜２２１２が絶縁膜２０７に対する電界緩和の機能を果たし、導電膜２２１２にとっては、導電膜２２１１が絶縁膜２０３に対する電界緩和の機能を果たすことになるため、接触領域３０１おける絶縁膜２０３、２０７へリーク電流が集中することを抑制でき、絶縁膜２０３、２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を抑制できる。
また、図１９で示した実施形態３のＣＭＵＴセルの平面形状は矩形の形状をしているが、別の形状でも良い。図４０、図４１はセル形状が６角形の場合の実施例（第三実施例）の上面図と断面図である。この場合も、空洞部２０４の下面側から空洞部に露出する導電膜２２１１と、空洞分２０４の上面側から空洞部に露出する導電膜２２１２が、上面から見て重ならないように配置し、かつ、ＣＭＵＴセル駆動により、空洞部の下面２０５と上面２０６が接触する領域３０１と、導電膜２２１１、２２１２両方が、上面から見て重なるように配置してあり、接触領域３０１へのリーク電流の集中を抑制でき、絶縁膜２０３、２０７への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化を低減できる。
また、図１９では導電膜２２１１、２２１２の上面から見た形状がＢ−Ｂ’線に対して対称であるが、図４２に示すように非対称であってもよい（第四実施例）。接触領域３０１と導電膜２２１１、２２１２の両方が、上面から見て重なるように配置されていれば同様の効果が得られる。図４３（ｂ）は図４２のＢ−Ｂ’線での断面図である。なお、図２０と図２９の関係と同様に、図４０〜図４３の実施例において、さらに導電膜が絶縁膜を介して空洞部と接していてもよい。また、いずれの図でも、導電膜の端部が空洞部の端部と同じ位置にあるが、空洞部の端部まである実施例に限定されるものではない。さらに、一方の導電膜のみ空洞部に露出するようにし、他方の導電膜は絶縁膜を介して空洞部と接するようにしてもよい。なお、ＣＭＵＴセルを構成する材料、下部電極が半導体基板でも良いことは実施形態１で述べたことと同様であるため省略する。
実施形態４
これまでの実施形態１〜３では、ＣＭＵＴセル単体について説明した。実施形態４として、ＣＭＵＴセルを集積させアレイ状に並べたチップについて説明する。図４４は実施形態３の矩形のＣＭＵＴセルをアレイ状に並べたチップの一部を示している。下部電極２０２１、２０２２、２０２３と、下部電極上に配置された空洞部２０４と、空洞部２０４上に配置された上部電極２０８などを備えており、２１０は空洞部を形成するためのエッチング孔である。すなわち、エッチング孔２１０は、空洞部となる２０４に接続されている。２１２は下部電極２０２１、２０２２、２０２３へ接続する開口部、２１３は上部電極２０８へ接続する開口部である。なお、図１９、図２０について説明したように、空洞部に露出するように導電膜２２１１が配置され、空洞部に露出するように導電膜２２１２が配置されているが、図示していない。また、上部電極２０８と空洞部２０４の間に、空洞部２０４、導電膜２２１２、下部電極２０２を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０７が形成されており、下部電極２０２と、空洞部２０４および導電膜２２１１間に、下部電極を覆うようにシリコン酸化膜による絶縁膜２０３が形成されているが、下部電極２０２、空洞部２０４を示すために図示していない。図４４のＣＭＵＴセルの断面の膜構成は、図２０で示す構成と同じである。
上部電極と下部電極が直交しており、１個の交点には２つのＣＭＵＴセルが配置され、上部電極を結ぶ配線１００１で、それぞれの上部電極が結ばれている。図４４では上部電極がアジマス方向に４チャンネル分、下部電極がエレベーション方向に３チャンネル分のアレイを示しているが、超音波診断装置で使用する探触子では上部電極が、一般的なリニア探触子の場合、例えば１９２チャンネル並ぶことになる。
図４４示すようなエレベーション方向に分割された下部電極を持つ探触子の場合、それぞれの下部電極に印加する電圧を変えることで、上部電極と下部電極の各交点において送信、受信される超音波ビームの形状や強さを制御でき、診断画像の画質向上が望める。上下電極間に印加される電圧差が、それぞれの下部電極に印加される電圧によって異なるが、導電膜の電位はそれぞれのＣＭＵＴセルに印加される上部電極と下部電極の間の電位差により決まるので、ＣＭＵＴセル単体に導電膜を配置したことによる絶縁膜への電荷蓄積や絶縁耐性の劣化の抑制効果は、ＣＭＵＴセルをアレイ状に配置して、超音波探触子として使用する場合でも有効である。
なお、導電膜２２１１、２２１２の上面から見た形状は、空洞部の上面２０６と空洞部の下面２０５が接触する領域３０１を含めばよい。上面から見て、空洞部２０４と同一サイズでなく、空洞部に含まれるサイズでもよい。適宜、絶縁膜の電界集中を低減できるよう大きさを設計すればよい。また、導電膜２２１１、２２１２の形状が、上面から見て、空洞部２０４よりもはみ出してしてもよい。この場合は、導電膜２２１１、２２１２が大きい分、接触領域３０１での絶縁膜の電流の集中を一層低減できる。
なお、図１９、図４０、図４２において、ＣＭＵＴセルの平面形状は矩形や６角形の形状をしているが、形状はこれに限らず、例えば、円形形状でも多角形をしていてもよい。また、ＣＭＵＴセルを構成する材料、下部電極が半導体基板でも良いことは実施形態１で述べたことと同様であるため省略する。
実施形態５
実施形態１〜４では、超音波トランスデューサを構成するＣＭＵＴセルおよびセルアレイを示したが、本実施形態５では、ＣＭＵＴセルの駆動に関した実施例を示す。
図４５は実施形態１のＣＭＵＴセルの模式的な断面図である。下部電極２０２の上面に絶縁膜２０３を介して導電膜２２１が空洞部に露出するように配置されている。また、空洞部２０４の上面には絶縁膜２０７を介して上部電極が配置されている。下部電極と上部電極には、直流電圧３００１と交流電圧３００２が重畳されており、導電膜２２１にはスイッチ３００３が接続され、スイッチ３００３を介して導電膜２２１は接地が可能な構成となっている。
ＣＭＵＴセルを駆動時に、空洞部の上面２０６が空洞部の下面２０５に接触し、絶縁膜２０３、２０７を流れる微小なリーク電流により、導電膜が帯電した場合、上下電極間の実効的な電位差が変動してしまう可能性がある。実施例５の特徴は、スイッチ３００３の開閉により、導電膜２２１を接地と浮遊に切り替えられるようにして、導電膜２２１に帯電した電荷を逃がすことができるようにした点である。このように導電膜から電荷を逃がすことができるスイッチが備わっているため、この実施例においては、図４５にて示されているように導電膜が空洞部に露出している場合のみならず、導電膜と空洞部との間に絶縁膜が配置されている場合、つまり、導電膜が絶縁膜に埋め込まれている場合でも同様の効果が得られる。
本実施形態のＣＭＵＴセルで構成される超音波トランスデューサを用いた探触子によって、超音波診断をする際のスイッチ３００３の動作について図４６を用いて説明する。図４６は、超音波診断時の上部電極２０８と下部電極２０２の間の実効的な電位差と、導電膜２２１の電位、直流電圧３００１と交流電圧３００２のＯＮ/ＯＦＦの状態、ならびに、スイッチ３００３の開閉（ＯＦＦ/ＯＮ）の状態を示すものである。
診断開始前はスイッチ３００３を閉状態にしておくことで、導電膜２２１は接地されている。診断開始時にスイッチ３００３を閉状態から開状態にし、導電膜２２１を浮遊状態、つまり、電気的に孤立した状態にして、診断が行われる。これにより、前記実施形態１、２、３で示したように、絶縁膜２０３、２０７の劣化を抑制できる。診断中に、導電膜２２１が徐々に帯電し、診断終了時にはＶｃだけ帯電すると、診断に必要な超音波の送信音圧、受信感度を得るために診断開始時に設定した上下電極間の実効的電位差ＶｄがＶｃだけ低下することなる。引き続き、スイッチ３００３を開に保持した状態、つまり、導電膜２２１が接地できない場合は、次の診断時にも導電膜２２１への帯電が発生し、実効的な電位差はＶｃよりもさらに低下してしまい、診断に必要な超音波の送信音圧、受信感度を得ることができなくなる。しかし、本実施形態では、導電膜２２１がスイッチ３００３を介して接地することができる構成となっているので、診断終了時にスイッチ３００３を閉状態にして、導電膜２２１を接地し、帯電した電荷を逃がすことができる。したがって、次の診断時には、上下電極間の実効的な電位差をＶｄに戻すことができるので、診断に必要な超音波の送信音圧、受信感度を得ることができる。
スイッチ３００３を開閉するタイミングは、導電膜の帯電量Ｖｃにより決定すればよく、図４６では診断と診断の間としたが、Ｖｃにより、診断に必要な超音波の送信音圧、受信感度を得られなくなる時点で、スイッチを開閉すればよい。したがって、さらに短くして、送信と受信の間でも、送信と受信のセットとセットの間でも、あるいは、さらに長くして、１日に１回でもよい。
また、本実施形態では、実施形態１に示した空洞部に導電膜２２１が露出する配置のＣＭＵＴセルを用いて示したが、実施形態２、３、４で示したＣＭＵＴセルやアレイの場合でも、導電膜をスイッチを介して接地できる構成とすることで同様の効果が得られる。なお、実施形態３、４のように導電膜が二つある場合には、両方の導電膜の夫々に接地と非接地を制御するスイッチを接続してもよいし、一方のみにスイッチを接続しても構わない。
実施形態６
最後に、図４７を参照しながら、超音波診断装置における本発明の超音波トランスデューサを備えた超音波診断装置の構成とその役割について説明する。超音波診断装置１２０１は、超音波探触子１２０２、送受分離部１２０３、送信部１２０４、バイアス部１２０６、受信部１２０８、整相加算部１２１０、画像処理部１２１２、表示部１２１４、制御部１２１６、操作部１２１８から構成される。
超音波探触子１２０２は、被検体に接触させて被検体との間で超音波を送受波する装置である。超音波探触子１２０２から超音波が被検体に送波され、被検体からの反射エコー信号が超音波探触子１２０２により受波される。実施形態１〜５のいずれかの超音波トランスデューサは、超音波探触子１２０２の内部に収納され、後述する送受分離部１２０３と電気的に接続される。送信部１２０４及びバイアス部１２０６は、超音波探触子１２０２に駆動信号を供給する装置である。受信部１２０８は、超音波探触子１２０２から出力される反射エコー信号を受信する装置である。受信部１２０８は、さらに、受信した反射エコー信号に対してアナログデジタル変換等の処理を行う。送受分離部１２０３は、送信時には送信部１２０４から超音波探触子１２０２へ駆動信号を渡し、受信時には超音波探触子１２０２から受信部１２０８へ受信信号を渡すよう送信と受信とを切換、分離するものである。整相加算部１２１０は、受信された反射エコー信号を整相加算する装置である。画像処理部１２１２は、整相加算された反射エコー信号に基づいて診断画像(例えば、断層像や血流像)を構成する装置である。表示部１２１４は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。制御部１２１６は、上述した各構成要素を制御する装置である。制御部１２１６では、超音波探触子１２０２を制御する他、実施形態５の導電膜の接地、非接地を制御するスイッチのオンオフの制御を行う役割もある。操作部１２１８は、制御部１２１６に指示を与える装置である。操作部１２１８は、例えば、トラックボールやキーボードやマウス等の入力機器である。
本発明の超音波トランスデューサや超音波診断装置は、医療や構造物の診断装置として幅広く利用することができる。
１０１，２０２、２０２１、２０２２、２０２３ 下部電極
１０２，２０４ 空洞部
２００ 半導体基板
１０３，２０１，２０３，２０７，２０９，２１１，２９０１，２９０２ 絶縁膜
１０４，２０８ 上部電極
１０５，２１４ メンブレン
１０６，２０６ 空洞部の上面
１０７，２０５ 空洞部の下面
２１０ エッチング孔
２１２ 下部電極への開口部
２１３ 上部電極への開口部
２２１, ２２１１，２２１２ 導電膜
３０１ 空洞部の上面と空洞部の下面の接触領域
７０１，７０１１，７０１２，７０１３ 犠牲層
１００１ 上部電極を結ぶ配線
３００１ 直流電圧
３００２ 交流電圧
３００３ 導電膜に接続するスイッチ
３４０１ 窪み
１２０１ 超音波診断装置
１２０２ 超音波探触子
１２０３ 送受分離部
１２０４ 送信部
１２０６ バイアス部
１２０８ 受信部
１２１０ 整相加算部
１２１２ 画像処理部
１２１４ 表示部
１２１６ 制御部
１２１８ 操作部

Claims (20)

  1. 第一電極と、
    前記第一電極上に配置された第一絶縁膜と、
    前記第一絶縁膜上に配置された空洞部と、
    前記空洞部上に配置された第二絶縁膜と、
    前記第二絶縁膜上に配置された第二電極と、
    前記第一電極と前記第二電極との間に配置され、電気的に孤立された導電膜と、を備え、
    前記導電膜は、上面から見て、駆動時に前記空洞部の上面と下面が接触する領域と重なる位置に配置され、
    前記導電膜は、前記空洞部に露出していることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  2. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、上面から見て前記領域よりも大きいことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  3. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、前記第一絶縁膜側に配置され、
    前記第一電極は前記第二電極よりも低い電圧が印加されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  4. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、前記第二絶縁膜側に配置され、
    前記第一電極は前記第二電極よりも高い電圧が印加されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  5. 請求項１記載の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
    前記超音波探触子を制御する制御部を備えた超音波診断装置。
  6. 第一電極と、
    前記第一電極上に配置された第一絶縁膜と、
    前記第一絶縁膜上に配置された空洞部と、
    前記空洞部上に配置された第二絶縁膜と、
    前記第二絶縁膜上に配置された第二電極と、
    前記第一電極と前記第二電極との間であって、上面から見て、駆動時に前記空洞部の上面と下面が接触する領域と重なる位置に配置された導電膜と、
    前記導電膜に接続され、前記導電膜と接地電位とのオンオフを制御するスイッチを備えることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  7. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は前記空洞部に露出していることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  8. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は前記第一絶縁膜又は前記第二絶縁膜のいずれかに埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  9. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、上面から見て前記領域よりも大きいことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  10. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、前記第一絶縁膜側に配置され、
    前記第一電極は前記第二電極よりも低い電圧が印加されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  11. 請求項６記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記導電膜は、前記第二絶縁膜側に配置され、
    前記第一電極は前記第二電極よりも高い電圧が印加されることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  12. 請求項６記載の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
    前記超音波探触子を制御する制御部を備えた超音波診断装置。
  13. 請求項６記載の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
    前記超音波探触子と前記スイッチを制御する制御部を備え、
    前記制御部は、診断開始時に前記スイッチをオンからオフに切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
  14. 第一電極と、
    前記第一電極上に配置された第一絶縁膜と、
    前記第一絶縁膜上に配置され、電気的に孤立された第一導電膜と、
    前記第一導電膜上に配置された空洞部と、
    前記空洞部上に配置され、電気的に孤立された第二導電膜と、
    前記第二導電膜上に配置された第二絶縁膜と、
    前記第二絶縁膜上に配置された第二電極と、を備え、
    前記第一導電膜および前記第二導電膜は、駆動時に前記空洞部の上面と下面とが接触する領域に配置され、
    前記第一導電膜および前記第二導電膜は、上面から見て、前記領域で互いに重ならないことを特徴とする超音波トランスデューサ。
  15. 請求項１４記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記第一および第二の導電膜は、前記空洞部に露出していることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  16. 請求項１４記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記第一導電膜は前記第一絶縁膜に埋め込まれ、
    前記第二導電膜は前記第二絶縁膜に埋め込まれていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  17. 請求項１４記載の超音波トランスデューサにおいて、
    前記第一の導電膜は、前記空洞部を含む垂直断面にて、中心より左側に配置され、
    前記第二の導電膜は、前記垂直断面にて、中心より右側に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  18. 請求項１４記載の超音波トランスデューサにおいて、
    さらに、前記第一導電膜に接続され、前記第一導電膜と接地電位とのオンオフを制御する第一スイッチと、
    前記第二導電膜に接続され、前記第二導電膜と接地電位とのオンオフを制御する第二スイッチとを備えることを特徴とする超音波トランスデューサ。
  19. 請求項１４記載の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
    前記超音波探触子を制御する制御部を備えた超音波診断装置。
  20. 請求項１８記載の超音波トランスデューサを含む超音波探触子と、
    前記超音波探触子、前記第一および前記第二スイッチを制御する制御部を備え、
    前記制御部は、診断開始時に前記第一および第二スイッチをオンからオフに切り換えることを特徴とする超音波診断装置。
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