JP2005103294A - 集束を行なう超微細加工超音波トランスデューサ・アレイ及び関連する製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】仰角方向に集束する超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）アレイを提供する。
【解決手段】仰角方向に集束する超微細加工超音波トランスデューサ・アレイ（４６）では、彎曲レンズ（２８、３０、３２又は４８）を用いてビーム幅を仰角方向に狭めて、コントラスト分解能を高めて臨床用途に適したものとする。代替的には、超微細加工した基材が所定の曲率を有するように基材を撓曲させることにより彎曲型プローブを形成する。本発明はさらに、かかるトランスデューサの製造方法にも関わる。
【選択図】 図１

Description

本発明は一般的には、超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）のアレイに関する。ＭＵＴの特定的な一応用は医療診断超音波イメージング・システムにある。

従来の超音波イメージング・システムは、超音波ビームを送波し、次いで被検体から反射ビームを受波するのに用いられる超音波トランスデューサのアレイを含んでいる。かかる走査は、集束された超音波を送波し、短時間の後にシステムを受波モードに切り換えて、反射した超音波を受波し、ビームフォーミングして、表示用に処理するという一連の測定を含んでいる。典型的には、送波及び受波は各回の測定中は同一方向に集束されており、音波ビーム又は走査線に沿った一連の点からデータを取得する。受波器は、走査線に沿って絶えず再集束を行ないながら、反射した超音波を受波する。

超音波撮像では、アレイは典型的には、１列以上の列を成して配列されており送波時に別個の電圧で駆動される多数のトランスデューサを有している。印加電圧の時間遅延（すなわち位相）及び振幅を選択することにより、所与の列の個々のトランスデューサを制御して複数の超音波を発生することができ、これらの超音波を結合して、好ましいベクトル方向に沿って走行しておりビームに沿った選択されたゾーンに集束されている正味の超音波を形成する。

トランスデューサ・プローブを用いて受波モードで反射音波を受波するときにも同じ原理が適用される。受波を行なうトランスデューサに発生される電圧を、正味の信号が対象内の単一の焦点ゾーンから反射した超音波を示すものとなるように加算する。送波モードの場合と同様に、この集束式超音波エネルギ受波は、受波を行なっている各々のトランスデューサからの信号に対して別個の時間遅延（及び／又は位相シフト）並びにゲインを付与することにより達成される。帰投信号の深さの増大によって時間遅延を調節して、受波時の動的集束を行なう。

形成される画像の品質又は分解能は部分的には、トランスデューサ・アレイの送波アパーチャ及び受波アパーチャをそれぞれ構成するトランスデューサの数の関数となっている。従って、高画質を達成するためには、二次元撮像応用でも三次元撮像応用でもトランスデューサ（本書では素子とも呼ぶ）を多数にすることが望ましい。超音波トランスデューサは典型的には、手掌可搬型のトランスデューサ・プローブに配設されており、プローブは可撓性のケーブルによって電子ユニットに接続されており、電子ユニットはトランスデューサ信号を処理して超音波画像を形成する。トランスデューサ・プローブは、超音波送波サーキットリ及び超音波受波サーキットリの両方を含んでいてよい。

近年、半導体プロセスを用いて、容量型（ｃＭＵＴ）又は圧電型（ｐＭＵＴ）等の超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）として公知の形式の超音波トランスデューサを製造することが行なわれている。ｃＭＵＴは微小なダイヤフラム様の装置であり、超音波受波信号の音響振動を変調するキャパシタンスへ変換する電極を備えている。送波については、容量電荷を変調して装置のダイヤフラムを振動させることにより、音波を送波する。

ＭＵＴの一つの利点は、「超微細加工（マイクロマシニング）」との頭語で括られる超微細製造プロセスのような半導体製造プロセスを用いて製造し得ることである。米国特許第６，３５９，３６７号の説明によれば、次の通りである。

「超微細加工は、次の各項の組み合わせ又は部分集合を用いた微視的構造の形成である。すなわち（Ａ）パターニング・ツール（一般的には投影露光装置又はウェーハ・ステッパ等のリソグラフィ）、（Ｂ）ＰＶＤ（物理的気相堆積）、ＣＶＤ（化学的気相堆積）、ＬＰＣＶＤ（低圧化学的気相堆積）及びＰＥＣＶＤ（プラズマ化学的気相堆積）のような堆積ツール、並びに（Ｃ）湿式化学エッチング、プラズマ・エッチング、イオン・ミリング、スパッタ・エッチング又はレーザ・エッチング等のエッチング・ツール等である。超微細加工は典型的には、シリコン、ガラス、サファイア又はセラミックス製の基材又はウェーハ上で行なわれる。かかる基材又はウェーハは一般的には、極めて平坦且つ滑らかであり、インチ単位の横寸法を有している。これらの基材又はウェーハは通常、カセット内のグループとして、加工ツールから加工ツールへ移動しながら加工される。各々の基材は、製品の多数の複製を組み入れることができて有利である（但し必須ではない）。超微細加工には大きく分けて二つの形式がある。すなわち、（１）バルク超微細加工。この場合にはウェーハ又は基材はその厚みの大部分を蝕刻される、及び（２）表面超微細加工。この場合には蝕刻は一般的には、表面、具体的には表面上の薄膜堆積フィルムに限られる。本書で用いられる超微細加工の定義は、超微細加工が可能な従来の又は公知の材料の利用を含んでおり、かかる材料としては、シリコン、サファイア、あらゆる形式のガラス材料、ポリマー（ポリイミド等）、多結晶シリコン、窒化シリコン、酸窒化シリコン、アルミニウム合金、銅合金及びタングステンのような薄膜金属、スピン・オン・グラス（ＳＯＧ）、埋め込み（implantable）ドープ剤又は拡散ドープ剤、並びに酸化シリコン及び窒化シリコンのような成長フィルム等がある。」
本書でも同じ超微細加工の定義を採用する。かかる超微細加工工程から得られるシステムを典型的には「超微細加工電気機械システム（ＭＥＭＳ）」と呼ぶ。

典型的なｃＭＵＴセルは、上層金属電極を備えた薄いシリコン膜又は窒化シリコン膜を含んでおり、この膜はシリコン基材上に形成されている空洞部の上方に懸吊されている。底面電極が、シリコン基材内に若しくはシリコーン基材上に、又は基材をドープすることにより、導電性となるように形成されている。一つの素子内の全てのｃＭＵＴセルは、上面電極と底面電極とを結線を用いて電気的に接続されている。膜は振動して超音波の放出及び受波の両方を行なう。送波時に膜を撓ませる駆動力は、上面電極と底面電極とに跨がって電圧が印加されたときのこれら電極の間の静電引力である。交流電圧で膜を駆動する場合には、かなりの超音波発生が起こる。逆に、膜に適当なバイアスを与えて入射する超音波を受けさせると、かなりの検出電流が発生する。典型的な膜厚は１ミクロン−３ミクロンの範囲にあり、空洞部の間隙は０．１ミクロン−０．３ミクロン程度である。ｃＭＵＴセルの横寸法は、２ＭＨｚ−１５ＭＨｚのｃＭＵＴアレイ動作周波数では１０ミクロン−１００ミクロンにわたる。
米国特許第６，３５９，３６７号明細書

ｃＭＵＴ（又はｐＭＵＴ）セルは、素子列を形成するように配列されて結線されることができる。かかる線形ｃＭＵＴアレイから放出される超音波エネルギは、仰角方向に広過ぎるため、医療撮像に有用とは言えない。仰角方向にさらに狭く集束するＭＵＴアレイが必要とされている。

本発明は、仰角方向に集束する超微細加工超音波トランスデューサ・アレイに関するものである。彎曲レンズを用いてビーム幅を仰角方向に狭めて、コントラスト分解能を高めて臨床用途に適したものとする。代替的には、超微細加工した基材が所定の曲率を有するように基材を撓曲させることにより彎曲型プローブを形成する。本発明はさらに、かかるトランスデューサの製造方法にも関わる。

本発明の一観点は、ＭＵＴセルのアレイを備えた仰角集束型超音波プローブである。一実施形態によれば、プローブはさらに、ＭＵＴセルのアレイに接着されている彎曲レンズと、ＭＵＴセルがその上に構築されている平坦基材とを含んでいる。もう一つの実施形態によれば、プローブはさらに、ＭＵＴがその上に構築されている彎曲基材と、ＭＵＴセルのアレイを被覆する保護材料層とを含んでいる。

本発明のもう一つの観点は、方位角方向に実質的に一定の輪郭を有する彎曲基材と、彎曲基材上に構築されており焦点の線の方向を向いたＭＵＴセルのアレイであって、ＭＵＴセルが彎曲基材の凹面側に配設されている、ＭＵＴセルのアレイと、ＭＵＴセルのアレイの面に塗工されている全体的に一定の厚みを有する保護材料層と、を備えた超音波プローブである。

本発明のさらにもう一つの観点は、（ａ）基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、（ｂ）予備成形された彎曲レンズ上に又は超微細加工した基材の表面上に接着剤層を塗工する工程と、（ｃ）接着剤層を間に挟んで超微細加工した基材に接するようにレンズを配置する工程と、（ｄ）接着剤を硬化させる工程と、を備えたレンズ加工方法である。

本発明のさらにもう一つの観点は、（ａ）基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、（ｂ）超微細加工された基材の表面にレンズ材を注型する工程と、（ｃ）レンズ材を硬化させる工程と、を備えたレンズ加工方法である。

本発明のもう一つの観点は、（ａ）基材上で超音波トランスデューサ・セルのアレイを超微細加工する工程と、（ｂ）アレイによって放出される超音波ビームを仰角方向に集束させるのに適した所定の曲率を有するように基材を撓曲させる工程と、を備えた彎曲型超音波プローブの製造方法である。

本発明のさらにもう一つの観点は、彎曲レンズと、レンズの下方に配設されており互いに結線されている第一の多数のＭＵＴセルと、レンズの下方に配設されており互いに結線されている第二の多数のＭＵＴセルと、第一及び第二の多数のＭＵＴセルの下方に配設されているＣＭＯＳ電子回路と、ＣＭＯＳ電子回路の下方に配設されているシリコン基材と、を備えた集積素子である。

本発明の他の観点は以下に開示されており、また特許請求の範囲に開示されている。

ここで図面を参照するが、類似の要素には異なる図面で同じ参照番号を付す。

本書に開示する新規技術は、超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）によってアレイを具現化する独自の方法である。説明の目的で容量型超微細加工超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）を用いた本発明の様々な実施形態を説明する。但し、本書に開示する本発明の各観点は、ｃＭＵＴの利用に限らず、ｐＭＵＴを用いていてもよいことを理解されたい。

ｃＭＵＴは、超音波エネルギの送受が可能な小型（例えば５０μｍ）の容量型「ドラムヘッド」又はセルを含むシリコン系装置である。図１には、典型的なＭＵＴトランスデューサ・セル２の断面図が示されている。かかるＭＵＴトランスデューサ・セルから成るアレイが典型的にはシリコン・ウェーハのような基材４上に作製される。各々のＭＵＴトランスデューサ・セル毎に、基材４の上方に、シリコン、窒化シリコン製又はその他適当な材料で作製されていてよい薄膜又はダイヤフラム８が懸吊されている。膜８は、シリコン、酸化シリコン又は窒化シリコン製等の絶縁性支持体６によって周縁で支持されている。膜８と基材４との間の空洞部１５は、空気若しくはガスを充填されていてもよいし、又は完全排気若しくは部分排気されていてもよい。アルミニウム合金又はその他適当な導電性材料のような導電性材料のフィルム又は層が膜８上で電極１２を形成しており、また導電性材料製のもう１枚のフィルム又は層が基材４上で電極１０を形成している。代替的には、電極１０は基材４に埋め込まれていてもよいし、基材４自体がドープされたｎ型シリコン又はｐ型シリコンのような導電材であってもよい。

２個の電極１０及び１２は、空洞部１５によって離隔されて、キャパシタンスを形成する。入射した音響信号が膜８を振動させると、付設の電子回路（図１には示されていない）を用いてキャパシタンスの変化を検出することができ、これにより音響信号を電気信号へ変換する。逆に、一方の電極に印加されたＡＣ信号が電極上の電荷を変調させると、電極同士の間の容量力に変調が生じ、後者の変調によってダイヤフラムが移動することにより音響信号を送波する。

一つの動作モードでは、ｃＭＵＴセルは典型的には、電極に跨がって印加される時間変化型の電圧ｖ（ｔ）よりも有意に高いＤＣバイアス電圧Ｖｂｉａｓを有する。バイアスはクーロン力によって上面電極を底面に向かって引き付ける。大きいバイアスを印加するこの例では、ｃＭＵＴのドラムヘッドは、次の式のように与えられる膜変位ｕを生ずる。

式中、ｄは各電極すなわちキャパシタの各プレートの間の距離であり、εはセルの実効誘電率である。ｃＭＵＴセルの感度は、バイアス電圧が高く且つ各電極が相対的に近接している場合に最大となることが分かっている。

上述のモードでは、膜は圧潰近くまで偏圧されるが、圧潰はしない。膜の撓みは元の間隙の約２／３に限られる。（すなわち膜は他の何らかのことが起きない限り間隙の１／３しか撓まない）。近年の研究に、所謂「圧潰（collapse）モード」に着目したものがあり、このモードでは膜の中心が間隙を越えて基材に実際に接触する。すると、基材に接触しない膜の部分は、遥かに小さい間隙を経るため、感度が高くなる。本書で開示するレンズ加工は、いずれの動作モードにも均等に適用される。

典型的なＭＵＴの寸法はミクロン単位であるので、多数のＭＵＴセルが典型的には近接して作製されて、単一のトランスデューサ素子を形成する。個々のセルは、円形、矩形、六角形又は他の周囲形状を有していてよい。六角形にするとトランスデューサ素子のＭＵＴセルを稠密に充填することができる。各ＭＵＴセルは、トランスデューサ素子が異なるセル寸法による複合的な特性を有することによりトランスデューサに広帯域特性を与えるように、異なる寸法を有していてよい。

ＭＵＴセルは共に結線されて素子を形成することができる。１個の素子１６のうち５列のセル２を有する部分を図２に示す。各列は所与の素子寸法を満たすのに必要な距離にわたって延在している。

ｃＭＵＴセルを構成する素子のリニア・アレイの一つの設計を図３に全体的に示す。多数のｃＭＵＴセルが、超微細加工法を用いてＣＭＯＳウェーハ１８上に構築されている。ｃＭＵＴセルは、単一列の超音波トランスデューサ素子２０を方位角方向に配列して形成するように構成されており、各々の素子２０が並列した関係で配列されて全体的に矩形の区域を覆っている。各々の素子２０のｃＭＵＴセルは並列接続されている。各々の素子２０は１００個−１，０００個のｃＭＵＴセルを含んでいてよい（実際にはこの数は所与の素子寸法を満たすのに必要な任意の数となる）。例えば、一つの素子が６列に配列された多数の六角型セルを含み、各々の列が１００個程度のセルを有し、仰角方向に沿って全体的に整列していてよい。一つの素子のｃＭＵＴセルは全て共に共振して、超音波の波面を形成する。

１．５次元トランスデューサ・アレイを提供するためには、図３の破線で示すように各々の矩形領域を３つの全体的に矩形の小領域２２、２４、及び２６に分割することができる。小領域２２及び２６の長さは等しく、典型的には（但し必ずではない）中央の小領域２４の長さよりも短い。この代替的な実施形態によれば、小領域２２内のｃＭＵＴセルが共に結線され、小領域２４内のｃＭＵＴセルが共に結線され、小領域２６内のｃＭＵＴセルが共に結線されて、このようにして各々の縦列で３個の素子を形成する。この場合には、小領域２２及び２６のｃＭＵＴセルは好ましくは、送波時に同時に起動されるが、構成によっては独立であってもよい。

当然のことながら、以上の概念を拡張して３列よりも多いトランスデューサ素子を有するプローブを構築してもよい。

ｃＭＵＴセルを結線して素子を形成するのではなく、ｃＭＵＴセルを結線して小素子を形成し、次いでこれら小素子をスイッチ（ＣＭＯＳウェーハに一体形成されている）によって相互接続して素子を形成してもよい。

図４−図６に示す本発明の様々な実施形態によれば、ＣＭＯＳウェーハ１８上に超微細加工で作製されたｃＭＵＴセルを備えた集束型プローブを、ｃＭＵＴセルの前面すなわち膜に彎曲レンズを取り付けることにより製造している。超音波プローブを集束する目的は、超音波エネルギによる呼び掛け対象平面の厚みを制限することにある。しかしながら、膜は壊れ易いので、レンズ加工時にはｃＭＵＴセルを損傷しないように注意を払わなければならない。

図４に示す実施形態では、ｃＭＵＴセル・アレイの前面に円筒型レンズ２８を取り付けている。円筒の軸はアレイの方位角方向に平行である。基材が１列のみのトランスデューサ素子を有する場合には円筒型レンズが典型的に用いられる。

図５は、ＭＵＴセル・アレイの前面に取り付けられている多焦点レンズ３０を示す。この多焦点レンズ３０は、図３の破線に示すような３列の素子を含むトランスデューサ・アレイと共に用いられる。多焦点レンズ３０の中央焦点ゾーンが図３に示す中央小領域２４の上層に位置する。多焦点レンズは多数の焦点領域を可能にする。

図６に示す本発明のさらにもう一つの実施形態によれば、楕円型レンズ３２をｃＭＵＴセル・アレイの前面に取り付ける。楕円型レンズの軸はアレイの方位角方向に平行である。基材が単一列のみのトランスデューサ素子を有する場合には楕円型レンズもまた典型的に用いられる。楕円型レンズ（及び他の非円筒型レンズ）は円筒型レンズの収差を解消する。

レンズの特性は堅牢な超音波プローブを得るのに重要であるので、レンズ用の材料を選択するときには注意を払わなければならない。音響的には、レンズ／水界面での音波反射を回避するように、レンズ材料は、インピーダンスすなわち材料の密度と材料内での音速との積が、水と類似していなければならない。また、音波波面を仰角平面で集束させるように、水と異なる音速、好ましくは水よりも遅い音速を有していなければならない。また、レンズを通した音波の伝達を最大限にすると共に発熱を最小限に抑えるために、レンズの音響減弱は小さくなければならない。また、水透過性のような化学的性質は、化学物質をｃＭＵＴセルから遠ざけるように慎重に選択しなければならない。レンズはまた、多数回にわたって利用しても材料疲労による摩耗又は亀裂を生じないように耐久性を有していなければならない。代表的なレンズ材料としては、ＧＥのＲＴＶ６０、ＲＴＶ５６０及びＲＴＶ６３０のようなシリコーンゴムがある。

レンズのポリマー材料は、取り付けられたｃＭＵＴセルの振動を許すように十分に可撓性のあるものとしなければならない。膜を破壊したり素子の感度を著しく損なったりせずにレンズ材料をｃＭＵＴセル・アレイの面に結合することが可能であるか否かを判定する実験を行なった。この予備調査から、膜は結合後も依然として無傷であり音響作用を有することが実証された。

高周波帯域幅ｃＭＵＴアレイをシリコン・ウェーハ上に設けられている従来のＣＭＯＳスイッチ及び前置増幅器／バッファ回路と一体構成して、繰り返し構成設定が可能なビーム形成素子を提供することもできる。かかる一体化構造では、トランスデューサ小素子の寸法が、アレイの直下のシリコンに設けられている超小型電子回路についてセルの寸法を確定する。この一体化構造を図７に全体的に示す。不動態化層４２（例えば酸化物製）をシリコン基材４０の上層に配置する。ＣＭＯＳ電子回路４４を不動態化層の上層に作製する。次いで、ｃＭＵＴ小素子の４６をＣＭＯＳ電子回路の上層に作製する。レンズ４８をｃＭＵＴ小素子の前面に取り付ける。

ｃＭＵＴ製造工程で、追加の金属層（図示されていない）を用いてｃＭＵＴ底面電極（図７には示されていない）をＣＭＯＳ電子回路に接続する。この金属層は、ＣＭＯＳ誘電性不動態化層を貫通する金属プラグ（図示されていない）を含んでいる。ＣＭＯＳ電子回路は各々のｃＭＵＴ小素子の下層で一体構成されている。この一体構成された電子回路は、高電圧切り換えトランジスタと、スイッチ用のゲート駆動トランジスタと、制御用ロジック及びバッファとを含んでいる。一つの高電圧スイッチは、各々の小素子をそのバイアス電圧に接続するように構成され、もう一つの高電圧スイッチは各々の小素子を隣接する小素子に接続して、アレイ素子を形成する。

従来の圧電超音波トランスデューサ・アレイを集束させるためのレンズを取り付けることは公知であるが、ＭＥＭＳ素子を集束させるレンズを用いることについては公知でない。ＭＥＭＳ素子の表面は壊れ易く、またシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン及び／又は金若しくはアルミニウムのような金属等の幾つかの異なる材料から成っている可能性がある。従って、予備成形されたレンズをＭＥＭＳ表面に取り付けるのに用いられる手順は、素子表面に化学的又は機械的な損傷を一切与えないと同時に幾つかの異なる材料に対する接着を行なうことを可能にするものでなければならない。

形成されたシリコーン・レンズをＭＥＭＳ素子に結合するのに有用な方法の一例は、次の各工程を含んでいる。（１）両者の表面を清浄化する工程、（２）一方の表面又は両者の表面に定着剤を塗工する工程、（３）低粘度ＲＴＶシリコーンのような適当な接着剤を用いてレンズをＭＥＭＳ素子に接着する工程、及び（４）低圧での加圧を用いて両者の表面の接着剤を接触させた状態で接着剤を硬化させる工程。

レンズ表面及びＭＥＭＳ表面を清浄化するためには幾つかの方法が利用可能である。ＭＥＭＳ素子に損傷を与える可能性を有しないため好ましい清浄化手法は、表面を含酸素プラズマに曝露するものである。他の方法としては、超音波洗浄器及び適当な非イオン性界面活性剤でスクラブ洗浄する方法、又はイソプロピルアルコール若しくはアセトン等のような溶剤で濯ぎ洗浄する方法がある。

定着剤は、接着剤及び多様な異なる表面に対する接着を可能にする一般的な性質を有するものでなければならない。ＲＴＶ接着剤の場合には、有用な定着剤は、テトラエチルシリケートのようなケイ酸エステル、有機チタン酸のような有機金属化合物、及びオルガノメトキシシランのような反応性オルガノシランという一般的な分類から選択される。

素子表面に薄層を成して塗工されるように接着剤が低粘度を有しており、またＭＥＭＳ表面に損傷を与えないように接着剤がエラストマーであると好ましい。低圧すなわち５０ｐｓｉ未満、好ましくは１０ｐｓｉ未満の圧力を用いて、接着剤の薄層を無傷のままにＭＥＭＳ表面とレンズ表面とを接触させることができる。

集束型シリコーン・レンズをＭＥＭＳ素子に取り付ける特定的な一例では、含酸素プラズマを用いて両者の表面を清浄化し、テトラエチルシリケート１重量％のアルコール溶液をレンズの表面及びＭＥＭＳ素子の表面の両方に定着剤として塗工し、接着剤としてＲＴＶシリコーンを同じく塗工して、外部圧力３ｐｓｉをレンズの外側から加圧しレンズ内面とＭＥＭＳ上面とを強制的に接触させた状態で接着剤を硬化させる。

さらに他の実施形態によれば、レンズを取り付ける前にパリレン（Parylene）の層をＭＥＭＳ表面に直接気相堆積させて、シリコーン・レンズを透過して拡散する化学物質がＭＥＭＳ素子の表面に到達するのを防ぐバリアを設ける。代替的には、金属をＭＥＭＳ表面にスパッタリングして化学物質の拡散を防止することもできる。

脂肪族炭化水素溶剤内のテトラエチルオルトシリケートで主に構成されているシリコーン定着剤と、ＲＴＶシリコーン接着剤とを用いたｃＭＵＴレンズ結合を評価するＤＯＥを行なった。レンズは、以下に概略を説明するレンズ加工手順を用いてウェーハに結合された。
［実施例］
Ａ．ウェーハの準備
（１）２％Ｏ２／Ａｒ内でウェーハ表面をプラズマで清浄化する。

（２）ＳＳ−４１５５をイソプロパノールアルコールに混合することにより製造される定着剤溶液に浸漬する。定着剤濃度及び浸漬時間を実験計画における変数とした。

（３）過剰な定着剤溶液をＮ２で送風除去して、５０℃の炉で２０分間にわたって乾燥させる。

Ｂ．シリコーン・レンズ材料の準備
（１）超音波攪拌を行ないながら２％の非イオン性界面活性剤を含有する６５℃の水溶液に２分間にわたって浸漬する。脱イオン水の流水下で２分間にわたって濯ぎ洗いする。

（２）Ｎ２で水を送風除去して、５０℃の炉で２０分間にわたって乾燥させる。

（３）定着剤のシリコーン表面への塗工（上述と同様）を実験計画変数の一つとした。

Ｃ．結合工程
（１）シリコーン接着剤ＫＥ−１６０４を硬化触媒と１０対１の比で混合した。混合した接着剤を１０分間にわたって真空下で脱泡した。

（２）接着剤の薄層をシリコーン剥離片の表面に塗工してウェーハ上に配置した。最初の１６時間の硬化工程での１０ｐｓｉ圧力の加圧及び５０℃の温度の利用を実験計画における変数とした。

ＤＯＥの結果から、ＳＳ−４１５５定着剤の両者の界面への塗工及びＫＥ−１６０４接着剤の５０℃での初期硬化が、剥離接着力を増大させるのに重要な変数であることが判明した。他の要因は重要ではなく、有意の相互作用は見出されなかった。接着力は、周囲温度での１０日間の貯蔵で全標本について増大した。

ＳＳ−４１５５定着剤をウェーハ表面にのみ塗工して及び標本を室温で硬化させると、１６時間硬化後の平均剥離接着力は０．９ｐｌｉ（ポンド／線状インチ幅（pounds/linear inch width））であり、１０日後には２．５ｐｌｉに増大した。対照的に、両者の界面を定着剤で処理して標本を５０℃で硬化させると、１６時間後に４．１ｐｌｉの接着力となり、周囲温度で１０日間の後には５．８ｐｌｉに増大した。

ｃＭＵＴアレイの面上で直接レンズを注型する場合には、ｃＭＵＴの表面を清浄化して定着剤で処理するが、接着剤は不要である。

本発明のさらにもう一つの実施形態では、ＭＥＭＳ素子自体を彎曲させて超音波エネルギを所望の焦点深さに集束させる。このことは、ＭＥＭＳ素子を可撓性の基材上で構築するか、又は薄いシリコン基材上にＭＥＭＳ素子を構築するか若しくはＭＥＭＳ作製に続いてシリコーン基材の背面を薄く加工するかのいずれかにより達成することができる。

彎曲型ｃＭＵＴアレイの構造例を図８に示す。多数のｃＭＵＴ小素子４６がシリコン基材４０によって支持されている。ｃＭＵＴセルの前面は、集束特性を備えていない保護材料層５０によって被覆されている（すなわち実質的に一定厚みを有するか、又は水若しくは被撮像組織と同じ音速を有する保護層）。保護層５０は、落下による外部衝撃、鋭利な器具、又は膜に穿孔したり他の何らかの方法で素子に損傷を与える可能性のあるその他任意の機械的な応力からｃＭＵＴを保護する。加えて、水、殺菌剤液体又はプローブの表面に塗工され得るその他流体のような外部環境条件が素子を損傷する可能性がある。保護層５０はまた、これらの条件からｃＭＵＴ小素子４６を保護する。保護層は、保護層をｃＭＵＴアレイ上で直接注型するか、又は予備成形された保護層をｃＭＵＴアレイの面に結合するかのいずれかで付着させることができる。

図８に示す彎曲型アレイを製造する方法は次の通りである。先ず、多数のｃＭＵＴ小素子をシリコン基材４０上で超微細加工によって作製する。シリコン基材は撓曲するのに十分に薄いか、又はＣＭＵＴが作製された後に基材を薄く加工するかのいずれかとする。次いで、凹面に配設されたｃＭＵＴがフォーム・ファクタ（form factor）に接した状態にして超微細加工した基材をフォーム・ファクタに沿って撓曲させる。この彎曲状態で、エポキシをシリコン基材の底面に塗工して硬化させる。硬化したエポキシは基材を彎曲状態に保つ。次いで、保護材料層をｃＭＵＴアレイの凹面に付着させる。保護材料層は、図８にあるような一定の厚みを有していてもよいし、又は平坦な上面とアレイの曲率に従う底面とを有していてもよい（保護材料内での音速が水又は被撮像組織内での音速に略等しい限りにおいて。例：ウレタン）。

以上に示したように、ＭＥＭＳ素子からの超音波エネルギを仰角方向に厚みの薄い平面に集束することができる。呼び掛け対象平面の厚みが薄い場合には医療撮像の結果でのコントラスト分解能が良好になり、傷又は疾患をより正確に診断することができる。また、関心領域に伝達されるエネルギが大きくなり、これにより、所与の周波数での透過深さが深くなる。また、レンズはＭＥＭＳトランスデューサ・アレイの面に塗工された保護層として作用することもできるので、素子に対する機械的損傷を防ぐと共に外部（すなわち医療超音波応用では患者）への高電圧照射を防ぐことができる。

医療撮像での利用に加え、本書で以上に開示した各形式のトランスデューサ・アレイはまた、金属鍛造品、タービン・ブレード、原子炉、石油パイプライン等のような材料の非破壊試験の分野にも用いることができ、これらの分野では、光学的に現われていないか又は他の理由で見えない亀裂又は他の欠陥について、アレイを用いて材料を検査する。

好適実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば本発明の範囲から逸脱せずに様々な変形を施しまた各実施形態の要素を均等構成で置換し得ることが理解されよう。加えて、発明の本質的な範囲から逸脱せずに本発明の教示に合わせて具体的な状況を適応構成する多くの改変を施すことができる。従って、本発明は、本発明を実施するのに想到される最良の態様として開示した特定的な実施形態に限定されているのではなく、特許請求の範囲に含まれる全ての実施形態を包含するものとする。

典型的なｃＭＵＴセルの断面図である。 本発明の一実施形態による素子の六角型ＭＵＴセルを示す図である。 ｃＭＵＴセルで形成される一次元又は１．５次元のトランスデューサ素子のアレイを含む超微細加工構造の等角図である。 本発明の第一の実施形態による円筒型レンズを含むレンズ加工された超微細加工構造の等角図である。 本発明の第二の実施形態による多焦点レンズを含むレンズ加工された超微細加工構造の等角図である。 本発明の第三の実施形態による楕円型レンズを含むレンズ加工された超微細加工構造の等角図である。 開示された実施形態の１以上によるレンズ加工された超微細加工構造の様々な層を示す図である。 本発明のもう一つの実施形態による彎曲型ｃＭＵＴアレイの構造を示す図である。

符号の説明

２ ＭＵＴトランスデューサ・セル
４ 基材
６ 絶縁支持体
８ ダイヤフラム
１０、１２ 電極
１５ 空洞部
１６ 素子
１８ ＣＭＯＳウェーハ
２０ トランスデューサ素子
２２、２４、２６ 矩形小領域
２８ 円筒型レンズ
３０ 多焦点レンズ
３２ 楕円型レンズ
５０ 保護材料層

Claims (10)

1. 超微細加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）セル（２）のアレイを備えた仰角集束型超音波プローブ。
2. 前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルのアレイに接着されている彎曲レンズ（２８、３０、３２又は４８）と、前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルがその上に構築されている基材（１８又は４０）と、前記レンズと前記アレイとの間の接着剤層と、をさらに含んでいる請求項１に記載のプローブ。
3. 前記接着剤層と前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルのアレイとの間に配設されており、前記レンズから前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルへの化学物質の拡散を防ぐ材料で構成されているバリア層をさらに含んでいる請求項２に記載のプローブ。
4. 前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルがその上に構築されている彎曲基材（４０）と、前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルのアレイを覆う保護材料層と、をさらに含んでいる請求項１に記載のプローブ。
5. 前記アレイは共に結線されている多数の超微細加工超音波トランスデューサ・セルを含んでおり、該超微細加工超音波トランスデューサ・セルは並列して配列されて全体的に矩形の区域（２０）を覆っており、該矩形の長さが仰角方向に整列しており、前記レンズは前記仰角方向に彎曲している、請求項１に記載のプローブ。
6. 前記レンズは円筒型、多焦点型又は楕円型である、請求項１に記載のプローブ。
7. 前記アレイと前記レンズとの間に定着剤層をさらに含んでいる請求項１に記載のプローブ。
8. 前記レンズはシリコーンゴム製であり、前記接着剤は室温硬化性シリコーンゴム製である、請求項１に記載のプローブ。
9. 前記定着剤はシリケート、有機金属化合物又は反応性オルガノシランである、請求項６に記載のプローブ。
10. 前記超微細加工超音波トランスデューサ・セルのアレイの下方に設けられている相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）電子回路の層（４４）と、
    該相補型金属酸化膜半導体電子回路の層の下方に設けられているシリコン基材（４０）と、
    をさらに含んでいる請求項１に記載のプローブ。

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