JP2007259165A - 超音波送受信デバイス，超音波探触子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】リコン基板上に上部電極，下部電極間にギャップを設けた超音波送受信デバイスにおいて、静電駆動により振動させるギャップ上部膜の内部応力による反りを低減または調整を可能にする。
【解決手段】超音波を送受信するために必要な空洞であるギャップ１６より上方に位置する膜のうち、第４の絶縁膜１９を圧縮応力の酸化シリコン膜に、第５の絶縁膜２０を引張り応力の窒化シリコン膜とする。
【効果】圧縮応力と引張応力が相殺し、ギャップ上部膜の反りが低減する。また、第４の絶縁膜１９と第５の絶縁膜２０の膜圧を調整すれば、反り量の調整が可能である。
【選択図】図２

Description

本発明は、超音波を送受信するための超音波探触子及びそれを用いた超音波デバイスに関する。

従来の被検体を超音波で検査する分野で適用されている超音波探触子としては、例えば、特表２００３−５００９５５号公報に開示されている。この発明は、ドーピングにより低抵抗としたシリコン基板上に支持体，ギャップ，絶縁膜，上部電極，保護膜で構成されている。このデバイスでは、支持体が窒化シリコンの絶縁体を形成しておき、その上にギャップとなる空間を絶縁膜の窒化シリコンで蓋を形成している。上部電極とシリコン基板との間に電気信号を印加して、ギャップ上部の膜を振動させて、超音波を送受信する。

特表２００３−５００９５５号公報

静電駆動により、超音波を送受信する超音波探触子では、高密度に超音波トランスデューサを形成する必要がある。そこで、半導体製造技術，ＭＥＭＳ（Micro Electro
Mechanical Systems）技術による微細加工を適用する。これらの微細加工技術は、シリコンをベース基板としたものであり、その上に絶縁膜，金属膜を積層して、フォトリソグラフィー，エッチングによりパターンを形成する。特許文献１にあるように、ギャップ上部膜として、絶縁膜に窒化シリコン、上部電極に金属膜、その上に保護層として窒化シリコンを積層した構造では、各膜の内部応力の差（バイメタル効果）でギャップ上部膜に反りが発生し、ギャップ間隔が変化して、超音波送受信デバイスの電気信号の条件に影響する。また、上部電極とシリコン基板との間の絶縁膜が窒化シリコンの場合、電極への電圧印加により窒化シリコン内に電荷注入が起こりやすく、超音波探触子の特性にドリフト等の影響を及ぼす可能性が高い。

本発明の目的は、静電駆動により、超音波を送受信して、被検体を検査する超音波探触子に用いる超音波送受信デバイスのギャップ上部膜の反りを低減する膜構造を提供することである。

上記の課題を解決するために、以下の方法がある。

ギャップ上部膜の反りは、積層膜の内部応力およびギャップ端部の剛性が起因する。そこで、ギャップ上部膜の膜構成を圧縮応力，引張応力のバランスをとること、およびギャップ端部の剛性を緩和することで反りを低減する。ギャップ上部膜の構成は、第３絶縁膜，上部電極，第４絶縁膜，第５絶縁膜で形成する。ここで、電荷注入を減少させるため、上部電極と下部電極との間に形成する第２絶縁膜，第３絶縁膜は、酸化シリコンを用いるのが好ましい。上部電極には、半導体プロセスで用いられるＡｌ，Ｔｉ，Ｃｕ，Ｍｏ等の材料もしくはこれらの窒化物，酸化物を組合せて用いる。第４絶縁膜，第５絶縁膜は、酸化シリコン，窒化シリコンを用い、成膜プロセス時の圧縮応力，引張応力のバランスをとることで、ギャップ上部膜の反りを低減させる。例えば、第４絶縁膜に圧縮応力の酸化シリコンを積層し、その上に引張応力の窒化シリコンを積層する。このとき、第４絶縁膜と第５絶縁膜との厚さを変えることで、ギャップ上部膜の反り方向をギャップ側，被検体側にコントロールすることが可能である。ギャップ間隔の狭い超音波送受信デバイスを形成する際には、第４絶縁膜の圧縮応力膜を厚く、第５絶縁膜の引張応力膜を薄く形成することで、ギャップ上部膜を被検体側に反らせることができ、ギャップ上部膜の基板への貼り付きを防止することができる。

本発明によれば、静電駆動により振動させるギャップ上部膜の反りを低減かつコントロールでき、上部電極と下部電極との間に電圧を印加した際に生じる電荷注入によるドリフトを低減できる。

本発明の実施の形態について図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態における超音波探触子の上面図である。

図１に示すように、超音波送受信デバイス１０は、複数の超音波送受信セル１０ａを高密度に配列して構成される。超音波送受信デバイス１０は、上部電極１８と下部電極１４との間にギャップ１６を設けた構造であり、上部電極１８と下部電極１４との間に電気信号（電圧）を印加して、ギャップ１６上の膜を振動させることで超音波を送受信する。上部電極１８は、配線により個々の上部電極１８が電気的に接続されており、下部電極１４は、基板上に大きな膜として、複数の超音波送受信セル１０ａにまたがって形成されている。一個の超音波送受信デバイス１０の直径は５０〜６０μｍであり、超音波送受信セル
１０ａが数千から数万で超音波送受信デバイス１０を形成する。図示した８個の超音波送受信セル１０ａの周囲にも他の超音波送受信セル１０ａが配列されているが、図示は省略してある。本実施例では、六角形の超音波送受信セル１０ａを示しているが、円形、または多角形でも良く、高密度に配列できる形状が好ましい。

図２は、本発明の位置実施形態における超音波送受信デバイスの図１中のＡ−Ａ断面図である。図２に示すように、超音波送受信デバイス１０は、（１）シリコン基板１１上にシリコン基板１１と下部電極１４とを絶縁する第１絶縁膜１２、（２）電気信号を伝達する下部電極１４および配線１３、（３）下部電極１４と上部電極１８とを絶縁する第２絶縁膜１５、（４）ギャップ上部膜を振動させる、空気または真空を有するギャップ１６、（５）下部電極１４と上部電極１８とを絶縁する第３絶縁膜１７、（６）上部電極１８、（７）ギャップ上部膜の変位量を低減させる第４絶縁膜１９および第５絶縁膜２０、(８)超音波送受信デバイス１０を保護する保護膜２１、で構成される。なおここで、第３〜第５の絶縁膜および上部電極膜を合わせてギャップ上部膜と称す。

超音波送受信デバイス１０を備えた超音波探触子１を図８に示す。超音波探触子１は、医療機関における人体の検査（心臓，血管等の循環器疾患，腹部，前立腺等のガン検査，胎児モニタリング）等に用いられる。超音波探触子１は、バッキング材料からなる本体
４０の先端に超音波送受信デバイス１０を備えており、超音波送受信デバイスからは、コネクタ４１につながる配線４２が接続されている。コネクタ４１は、超音波送受信デバイス１０を超音波送受信デバイス１０から、配線４２を有するフレキ基板４６とを接続し、フレキ基板４６のコネクタ４１を介して、外部接続システム（図示せず）と接続する。外部接続システムは、超音波送受信デバイス１０に電気信号を与えて駆動させるとともに被検体からの受波を画像化させるものである。超音波送受信デバイス１０の先には、被検体と音響インピーダンスをマッチングさせるシリコゲルからなる整合層４３を備えている。超音波送受信デバイス１０のシリコンと被検体との間の音響インピーダンスが大きいため、その界面で反射が大きくなる。整合層４３は、この反射を小さくするために，音響インピーダンスをマッチングさせるシリコンゲルを入れている。整合層４３の先には、超音波送受信デバイスから発生した超音波を被検体方向にフォーカスするためのシリコン樹脂の音響レンズ４４を備えている。超音波送受信デバイス１０は、整合層４３，音響レンズ
４４を経て、人体等の被検体４５に超音波を送受信する。

超音波の送受信の動作について、図３を用いて説明する。超音波の送信を行うためには、まず下部電極１４と上部電極１８の間に電源２２より供給された直流電圧を印加して静電力２３によりギャップ１６を一定位置まで縮めた状態にする（図３（ａ））。この状態で、電源２２は更に両電極１４，１８間に交流電圧を印加し、大きさが振動する静電力
２５を発生させ、ギャップ１６上部の第３，第４，第５の絶縁膜１７，１９，２０を振動させることによって、超音波２６を発生させる（図３（ｂ））。一方、超音波の受信を行うためには、あらかじめ直流電圧印加によりギャップ１６を変形させておき（図３(ｃ)）、被検体から反射した超音波２７をギャップ１６に入射することでギャップ１６が伸縮し、上部膜１７，１８，１９，２０に振動２８を誘起する（図３（ｄ））。この際に下部電極１４と上部電極１８との間隔が変化して静電容量が変化し、これによって生じた交流電流を検出回路２９でとらえることで行う。

ここで、上部電極１８と下部電極１４とに電圧を印加して、ギャップ上部膜を振動させるため、上部電極１８と下部電極１４とを絶縁する第２絶縁膜および第３絶縁膜には、電荷注入の少ない酸化シリコンで形成された膜を用ることが好ましい。超音波送受信デバイス１０では、上部電極１８−下部電極１４間に電圧を印加して、静電力で駆動する。このとき電荷注入が生じて上部電極１８−下部電極１４間の絶縁膜内に存在する欠陥準位に電荷が蓄積すると、初期のギャップ間隔が小さくなり、静電容量が変わる電気ドリフトが発生する。この容量変化が超音波の送受信に影響を及ぼし、送受信の感度すなわち画像取得感度が低下する。電荷注入を低減することで使用時の超音波送受信デバイスの電気的ドリフトによる特性変化を低減できる。電荷注入による電気的ドリフトを起こしやすい窒化シリコンを用いても良いが、超音波送受信デバイスの特性変化を外部システムにより補正する必要がある。

次に、ギャップ１６間隔が超音波の特性に影響するため、ギャップ上部膜の反りを調整することが必要である。ギャップ上部膜の反りの調整には、ギャップ端部の剛性およびギャップ上部膜の内部応力を制御する必要がある。

本発明の超音波送受信デバイス１０は、以下のようにして、製造を行う。まず、超音波探触子のシリコン基板１１上にプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）により、第１，第２の絶縁膜１２，１５を５０ｎｍ積層する（図４（ａ），（ｂ））。なお、第１，第２の絶縁膜１２，１５内には、下部電極１４及び配線１３を形成しておく。次に、ギャップ１６を形成するための犠牲層パターン３０を２５０ｎｍ形成した後に、プラズマ
ＣＶＤで第３の絶縁膜１７を２００ｎｍを積層する（図４（ｃ））。次に、上部電極１８を４００ｎｍ、第４の絶縁膜１９を１２００ｎｍ順次形成した後に、フォトリソ／エッチングにより犠牲層３０除去用の貫通孔３１を形成する（図４（ｄ））。犠牲層３０をエッチングしてギャップ１６を形成した（図(ｅ)）後、孔埋め用の第５の絶縁膜２０を８００ｎｍ積層して、犠牲層３０除去用の貫通孔３１を埋める（図４（ｆ））。

超音波送受信デバイスの構造としては、第３の絶縁膜１７に電荷注入しにくい酸化シリコンの膜を、上部電極１８にＴｉＮ／Ａｌ／ＴｉＮを、第４絶縁膜１９に圧縮応力
（−１５０ＭＰａ）の酸化シリコンの膜を、第５絶縁膜２０に引張応力（１００ＭＰａ）の窒化シリコンを積層する。ここで例えば、第４の絶縁膜１９の酸化シリコン膜を８００ｎｍ、第５の絶縁膜２０の窒化シリコン膜を１２００ｎｍとすることで、被検体側（図面の上方）に数十ｎｍ変形させた構造で超音波送受信デバイスを形成できる。また、第４絶縁膜１９に圧縮応力の酸化シリコンを２００ｎｍ、第５絶縁膜２０に引張応力の窒化シリコンを１８００ｎｍ積層することでギャップ側に数十ｎｍ変形させた構造で超音波送受信デバイスを形成できる。したがって、第４絶縁膜１９および第５絶縁膜２０の内部応力，膜厚を制御することでギャップ上部膜の変位量を制御できる。なお、本実施例では第４絶縁膜１９を圧縮応力の酸化シリコン膜、第５絶縁膜を引張応力の窒化シリコン膜としたが、これに限られず、第４絶縁膜１９を圧縮応力の窒化シリコン膜、第５絶縁膜を引張応力の酸化シリコン膜としてもよい。また、更に多層の絶縁膜としても、圧縮応力の膜と引張り応力の膜の組み合わせが含まれていれば、それらの内部応力と膜圧を適宜選択することにより、上部絶縁膜の反りを調整できるという本願発明の効果を奏する。最後に保護膜
２１を第５の絶縁膜上に設置する。保護膜２１としては、半導体素子等に使用されているポリイミドを用いるのが好ましい。

ギャップ上部膜の内部応力を制御する方法としては、上部電極１８上の第４絶縁膜１９および第５絶縁膜２０の成膜時の条件により、圧縮応力，引張応力を制御した後、膜厚の増減により、ギャップ上部膜の変位量を低減する。また、このとき上部電極１８のところにギャップ上部膜の内部応力の中立軸を配置する構成とすることで、上部電極１８の電極疲労による破壊を起こしにくい構造とすることが可能である。

なお、第３絶縁膜１７は、上部電極−下部電極間にあり、膜厚を厚くした場合、静電容量が増加するため、同送受信感度を出すには駆動電圧が高圧となる。一方、薄くした場合には、犠牲層形成時のエッジ部分のカバレジ，上部電極−下部電極間の絶縁耐圧等を考慮する必要がある。第３絶縁膜１７を応力の制御に用いても良いが、第３絶縁膜１７はその膜圧の変更が他の部分へ影響が出るので、第４及び第５の絶縁膜１９，２０でギャップ上部膜の変位量を調整することが望ましい。なお、本発明では、従来に比べて第５の絶縁膜２０を増やしているが、第５の絶縁膜２０の作製は貫通孔３１を埋める工程と同じ工程で行うので、製造工程数は増加しない。

図５に本発明の第２の実施例を示す。ギャップ上部膜の剛性を上げる方法としては、本実施例では、ギャップ端部の真上に位置するの絶縁膜（特に第４絶縁膜１９）を厚く形成する方法で剛性を向上する方法がある。この実施例では、ギャップ端部の直上の第４絶縁膜１９の膜厚を、ギャップの中央の上の膜厚よりも厚くしている。また、第５絶縁膜を、同様にギャップ端部の直上の第４絶縁膜１９の膜厚を、ギャップの中央の上の膜厚よりも厚くすることによっても、ギャップ上部膜の剛性を上げる効果がある。しかし、本実施例では、第４絶縁膜１９を厚くすることにより、製造工程(パターニング工程，成膜工程等)が増加するという欠点もある。

図６，図７に本発明の第３の実施例を示す。上部電極１８をギャップ端部近傍まで（図６）もしくはその外部まで広げること（図７）で上記目的を達成できる。上部電極１８を大きくする場合には、図７に示すように、第３絶縁膜１７に沿ってギャップを覆うように折れ曲がった構造としてもよい。上部電極１８は、絶縁膜に比べて変形自由度が大きく剛性を緩和できるので、上部電極１８を水平方向に大きくすることで、上部電極１８の端部からギャップ１６の端部までの距離が小さくなり、上部電極１８，第３〜第５の絶縁膜
１７，１９，２０の剛性を高くすることで、反りを低減することができる。上部電極１８の面積が、ギャップ１６の水平面方向の面積の７０％以上あれば、上部電極１８の端部からギャップ１６の端部までの距離が小さくなり、本願発明の効果を有することとなる。上部電極１８の面積がギャップのギャップ１６の水平面方向の面積よりも大きくし、上部電極１８の端部がギャップ１６の端部よりも外側にあるようにすれば、更に望ましい。この実施例の利点としては、上部電極１８を大きくするだけなので、製造方法が従来と同様であること、ギャップ端部の剛性を上げることに加えて、電圧印加時に上部電極１８の端部に発生する電荷集中による電荷注入しやすい箇所をギャップ１６の端部もしくはその外部に配置できるため、超音波送受信デバイスの電気的ドリフトによる特性変化を低減できることが挙げられる。

本実施例では、膜構成，製造方法を変えずに、ギャップ端部の剛性を緩和するには、絶縁膜のギャップ端部まで上部電極を形成する。これにより、絶縁膜と比較して、変形自由度のある金属膜を超音波送受信時に振動させるギャップ端部に形成できるため、剛性を緩和でき、ギャップ上部膜の反りを低減することが可能である。

本発明一実施形態の超音波送受信デバイスの上面図。 本発明一実施形態の超音波送受信デバイスのＡＡ断面図。 本発明の超音波送受信デバイスの駆動方法の説明図。 本発明の超音波送受信デバイスの製造方法の説明図。 本発明一実施形態の超音波送受信デバイスのＡＡ断面図。 本発明一実施形態の超音波送受信デバイスのＡＡ断面図。 本発明一実施形態の超音波送受信デバイスのＡＡ断面図。 本発明一実施形態の超音波送受信デバイスを用いた超音波探触子の斜視図。

符号の説明

１…超音波探触子、１０…超音波送受信デバイス、１１…シリコン基板、１２…第１絶縁膜、１３…配線、１４…下部電極、１５…第２絶縁膜、１６…ギャップ、１７…第３絶縁膜、１８…上部電極、１９…第４絶縁膜、２０…第５絶縁膜、２１…保護膜、２６，
２７…超音波、３０…犠牲層、３１…貫通孔。

Claims (15)

1. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第３の絶縁膜と、
   前記第３の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極より上に設けられた第４の絶縁膜と、
   前記第４の絶縁膜上に設けられた第５の絶縁膜とを備え、
   前記第４絶縁膜と、第５絶縁膜は、引張応力の膜と圧縮応力の組み合わせであることを特徴とする超音波送受信デバイス。
2. 請求項１において、
   前記第４の絶縁膜は、圧縮応力の膜であり、
   前記第５の絶縁膜は、引張応力の膜であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
3. 請求項２において、
   前記第４の絶縁膜は、酸化シリコンの膜であり、
   前記第５の絶縁膜は、窒化シリコンの膜であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
4. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第３の絶縁膜と、
   前記第３の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極より上に設けられた第４の絶縁膜と、
   前記第４の絶縁膜上に設けられた第５の絶縁膜とを備え、
   前記第４絶縁膜と、第５絶縁膜は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の組み合わせであることを特徴とする超音波送受信デバイス。
5. 請求項４において、
   前記第４の絶縁膜は、酸化シリコン膜であり、
   前記第５の絶縁膜は、窒化シリコン膜であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
6. 請求項１または請求項４において、
   前記半導体基板上に設けられた第一の絶縁膜と、
   前記第一の絶縁膜上に設けられる前記下部電極と、
   前記下部電極の上に設けられた第二の絶縁膜とを備え、
   前記第一，第二及び第３の絶縁膜は、酸化シリコンで形成されることを特徴とする超音波送受信デバイス。
7. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第３の絶縁膜と、
   前記第３の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極より上に設けられた第４の絶縁膜と、
   前記第４の絶縁膜上に設けられた第５の絶縁膜とを備え、
   前記第３の絶縁膜，前記第４の絶縁膜，前記第５の絶縁膜は、引張応力の膜と圧縮応力の膜とを含むことを特徴とする超音波送受信デバイス。
8. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極の上に設けられた第二の絶縁膜と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第３の絶縁膜と、
   前記第３の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極より上に設けられた第４の絶縁膜と、
   前記第４の絶縁膜上に設けられた第５の絶縁膜とを備え、
   前記第２の絶縁膜及び前記第３絶縁膜は、酸化シリコン膜であり、
   前記第４絶縁膜と第５絶縁膜のいずれか一つは、窒化シリコン膜であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
9. 請求項１において、
   前記第４の絶縁膜または前記第５の絶縁膜は、その膜上端は、前記ギャップの周囲の上の膜上端が、前記ギャップの中心の上の膜上端よりも高いことを特徴とする超音波送受信デバイス。
10. 請求項１において、
    前記上部電極の面積は、前記ギャップ水平面の面積の７０％以上であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
11. 請求項１において、
    前記上部電極は、端部が前記ギャップの端部よりも外側にあることを特徴とする超音波送受信デバイス。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の超音波送受信デバイスを備えた超音波探触子。
13. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスの製造方法において、
    半導体基板上に酸化膜及び下部電極を形成する工程と、
    前記酸化膜上にギャップを形成するための犠牲層を形成する工程と、
    前記犠牲層の上に第３の絶縁膜を形成する工程と、
    前記犠牲層及び前記第３の絶縁膜の上に上部電極を形成する工程と、
    前記上部電極の上に第４の絶縁膜を形成する工程と、
    前記第３の絶縁膜及び前記第４の絶縁膜に、前記犠牲層まで貫通する貫通孔を形成する工程と、
    前記犠牲層を除去する工程と、
    前記第４の絶縁膜上に第５の絶縁膜を形成するとともに、前記第５の絶縁膜で前記貫通孔を埋める工程とを有することを特徴とする超音波送受信デバイスの製造方法。
14. 請求項１３において、
    前記第４絶縁膜と、第５絶縁膜は、引張応力の膜と圧縮応力の組み合わせであることを特徴とする超音波送受信デバイスの製造方法。
15. 請求項１３において、
    前記第４絶縁膜と、第５絶縁膜は、酸化シリコン膜と窒化シリコン膜の組み合わせであることを特徴とする超音波送受信デバイスの製造方法。
    

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