JP2009077404A - 多層電極を備えた微細加工音響トランスデューサ - Google Patents
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Abstract
【課題】容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサにおいて、電気的な劣化を低減する。
【解決手段】１つまたは複数の電極１８，２０が導電性材料または半導体材料を有しており、装置内において、絶縁体２８，１４またはキャビティ１６と隣り合って層２２，２４を配置することができる。たとえば仕事関数と抵抗率の低い導体層２２が、それよりも仕事関数と抵抗率の高い導体層２４により絶縁体から分離されている。電極材料におけるそれぞれ異なる層２２，２４を、使用される材料の種類と相対的な位置に起因する電気的劣化を減らすために設けることができる。
【選択図】図１
【解決手段】１つまたは複数の電極１８，２０が導電性材料または半導体材料を有しており、装置内において、絶縁体２８，１４またはキャビティ１６と隣り合って層２２，２４を配置することができる。たとえば仕事関数と抵抗率の低い導体層２２が、それよりも仕事関数と抵抗率の高い導体層２４により絶縁体から分離されている。電極材料におけるそれぞれ異なる層２２，２４を、使用される材料の種類と相対的な位置に起因する電気的劣化を減らすために設けることができる。
【選択図】図１
Description
本発明は、容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサ（CMUT）に関する。たとえば、ＣＭＵＴのために電極構造体が設けられている。
典型的な１Ｄまたは２Ｄの超音波トランスデューサには、数１００個のあるいはそれどころか数１０００個の個別トランスデューサ素子が含まれている。ＣＭＵＴのために、複数の（たとえば１０個または１００個あるいは１０００個の）セルをいっしょに用いて単一素子を形成することができる。
ＣＭＵＴの１つのセルは典型的には、ダイアフラムで覆われたボイド（真空ギャップ）を有している。このダイアフラムの上または中に一方の電極が配置され、他方の電極がボイドの基部に配置される。これらの電極はボイドに面して露出しているか、あるいは電気的な絶縁体によりボイドから隔てておくことができる。音響エネルギーを発生させるためには、これらの電極に直流バイアスおよび電気的に可変の信号が加えられ、これによってダイアフラムの湾曲が生じることになる。また、電気エネルギーの発生については、音響的に引き起こされたダイアフラムが湾曲することで２つの電極間において差分電気信号が発生する。
ＣＭＵＴについても圧電トランスデューサと同様、伝達圧力を発生させるため著しく大きい電界が真空ギャップにおいて保持される。たとえば１０ＭＨｚで１．５メガパスカルの出力圧力を達成するには、メーターあたり１２億ボルト〜１３億ボルトが必要とされる。このような高い電界に晒されると、絶縁体がその絶縁特性を失って電流が漏れ始める可能性がある。絶縁体の中に向かいトラップされる電子または絶縁体表面から放出されて対向する絶縁体に衝突する電子によって、ギャップにおける電界が変化する可能性がある。変化した電界により、時間が経過するにつれてＣＭＵＴ音響パフォーマンスが劣化するおそれがある。
従来、時間の経過につれて帯電により劣化してしまうのを防ぐ試みは、絶縁体の一方または両方が部分的にまたは完全に除かれるかまたは設けられないようにしたＣＭＵＴにもっぱら重点がおかれていた。この場合、導電性である電極がキャビティに対し露出している。印加される電界が露出した導電面に対する電界放出閾値よりも小さいかぎり、このようなＣＭＵＴ構造における時間経過による帯電劣化は絶縁されたＣＭＵＴよりも小さい。しかしながら電気的な非対称性により、バイポーラ用途における利用について制約が生じる可能性がある。この場合、頂部電極と底部電極との間の短絡作用が高まる可能性があり、これによってデバイスの歩留まりが下がるし、患者の安全性に係わる懸念が大きくなる。
アメリカ合衆国特許第6,271,620号
アメリカ合衆国特許第6,271,620号
したがって本発明の課題は、上述の従来技術の欠点を回避し、電気的な劣化を低減できるようにした音響トランスデューサを提供することにある。
本発明によればこの課題は、基板と、該基板に支持されたダイアフラムと、該ダイアフラムを前記基板から分離するキャビティと、第１および第２の電極と、前記キャビティから前記第１の電極を分離する第１の絶縁層が設けられており、前記第１の電極は、前記キャビティにおいて前記第２の電極とは反対側に配置されており、前記第１の電極は、互いにオーミック接触状態にある少なくとも２つの導電性または半導体性の電極層を有していることにより解決される。
本発明の概略を説明するため以下で述べる本発明の実施形態には、電気エネルギーと音響エネルギーとの間の変換およびトランスデューサ形成のための方法、トランスデューサならびにシステムが含まれている。この場合、１つまたは複数の電極には、導電性材料または半導体材料から成る多層が含まれている。電気的な劣化を低減するため装置内に、絶縁体またはキャビティと隣り合って層を配置することができる。たとえば仕事関数と抵抗率の低い導体層が、それよりも仕事関数と抵抗率の高い導体層により絶縁体から分離されている。使用される材料の種類と相対的な位置に基づき、種々の電極材料層を時間の経過につれて電気的に劣化する作用を低減するために設けることができる。
第１の観点によれば、電気エネルギーと音響エネルギーとの変換を行うためにダイアフラム型超音波トランスデューサが設けられる。ダイアフラムは基板上で支持される。ダイアフラムはキャビティにより基板から分離される。第１の電極は、キャビティにおいて第２の電極とは反対側に配置される。第１の絶縁層により第１の電極がキャビティから分離される。第１の電極は、互いにオーミック接触状態にある少なくとも２つの導体層または半導体層を有している。
第２の観点によれば、容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサを形成するための方法が提供される。ボイドの上にフレキシブルな構造が形成される。ボイドの互いに互いに反対の側に電極が形成される。第１の電極はフレキシブルな構造と隣り合っている。上述の電極のうち少なくとも１つの電極を形成するため、少なくとも２つの異なる導体が絶縁層と隣り合って積層される。
第３の観点によれば、電気エネルギーと音響エネルギーとの変換を行うために容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサが設けられる。このトランスデューサは、キャビティと、このキャビティから第１の絶縁体により分離された第１の電極を有している。第１の電極は、それぞれ異なる２つ以上の導電性膜または半導体膜の積層体から成り、これら２つ以上のそれぞれ異なる膜のうち少なくとも一方は、ＣＭＵＴデバイスの高電界領域において絶縁体と大部分、物理的に接触している。
本発明は特許請求の範囲によって規定されるものであるが、ここで説明する内容は特許請求の範囲を限定するものではない。以下では、有利な実施形態に基づき本発明のさらに別の観点や利点について説明する。特許請求の範囲には以下で説明する観点あるいは他の特徴が、独立してたものとしてあるいはそれらの組み合わせとして記載されている。
個々の構成要素ならびに図面は必ずしも縮尺どおりというわけではなく、本発明の原理を説明するうえで誇張が行われている場合もある。さらにこれらの図面において、それぞれ異なる図面全体を通して対応する部分には同じ参照番号が付されている。
ＣＭＵＴ構造体は少なくとも１つの多層導体を有している。この多層導体を、絶縁膜により封止されたキャビティから分離することができる。この種の構造体を、絶縁された頂部導体と底部導体を用いてバイポーラとしてもよいし、あるいはただ１つの絶縁された導体を用いてユニポーラとしてもよい。絶縁されたＣＭＵＴにおける帯電劣化を、電極および電極絶縁体界面の化学的および電気的な特性を変化させることで回避するかまたは低減することができる。たとえば高い仕事関数、低い抵抗率、小さい化学反応ならびに他の種々の材料に対する十分な粘着能力を提供するために、種々の電極材料が用いられる。１種類の材料がこれらの特性を一度にすべてもつというのはまれであるので、２つまたはそれよりも多くの導体層または半導体層から成る電極が設けられる。この場合、各層は望ましい特性全体の一部分を有する。ＣＭＵＴの高い電界領域で絶縁体とじかに接触している層のためには高い仕事関数をもつ材料が用いられ、これによって熱によりあるいは量子メカニズムにより電子が絶縁体に注入されて帯電劣化が引き起こされてしまうのが回避される。第２の層のためには、素子の寄生直列抵抗を制限するために低い抵抗率の材料が用いられる。粘着力のためにまたは拡散バリアとして用いるために第３の層を付加してもよいし、あるいはこの層を加えなくてもよい。
多層電極ＣＭＵＴ構造体は、一方または両方の絶縁体を取り除く必要なく、より大きな出力圧力をいっそう高い信頼性で発生させることができる。しかもセルに加えられるバイアスを繰り返し反転させたり取り除いたりすることもでき、あるいは絶縁膜においてトラップされる電荷の形成を引き起こすことなく別のやり方で帯電させることもできる。このことによって、ダイナミックバイアスイメージング方式におけるコントラスト分解能イメージング能力を改善することができる。なぜならばこのような方式のためには、印加されるバイアスを取り除くことにより１つまたは複数のセルを周期的に非アクティブ状態にしなければならないことが多いからである。確実に不活性にして音響エネルギーがサイドローブに寄与しないようにすべきゼロバイアスセクションのために、絶縁体にはトラップされた電荷は存在しない。
図１には、電気エネルギーと音響エネルギーとの間で変換を行うためのダイアフラム型超音波トランスデューサが示されている。このダイアフラム型超音波トランスデューサは、１つの実施形態によれば容量式のダイアフラム型超音波トランスデューサである。一般にダイアフラムには、電気エネルギーと音響エネルギーとの間における変換のためのフレキシブルな板状部材または他のフレキシブルな構造ならびに胴状部材の膜が広く含まれるものである。ダイアフラム型超音波トランスデューサには、基板１２、ボイド１６の上に配置されたダイアフラム１４、その隣りに配置された電極１８、底部電極２０、絶縁体２８ならびにカバー層２６が含まれている。この場合、現在知られている他のＣＭＵＴ構造あるいは将来開発される他のＣＭＵＴ構造を用いることができる。さらに付加的なコンポーネントや異なるコンポーネントを設けることもできるし、コンポーネントを少なくしてもよい。
図１に示されているセルはバイポーラ構造を有している。電極１８と電極２０との間で電位が逆になっていても、電極１８，２０に関して同じ構造が設けられる。つまりこの場合、構造的に対称である。電極１８，２０は絶縁体（ダイアフラム１４および絶縁体２８）とボイド１６により互いに分離されている。択一的な実施形態によれば、セルはユニポーラ構造を有している。この場合にはたとえば絶縁体２８は設けられない。さらにこの場合、底部電極２０はボイド１６に向かって露出し、他方の電極１８はダイアフラム１４によりボイド１６から絶縁分離される。別の実施形態によれば、ダイアフラム１４は他に絶縁体を設けることなく頂部電極１８としてドーピングないしは形成され、あるいはダイアフラム１４の他方の側に頂部電極１８が設けられ、この電極１８はボイド１６に向かって露出する。
アメリカ合衆国特許第6,271,620号および第6,271,620号に開示されているように、電極の相互接続により複数の異なるセルを相互接続してもよい。これらの文献の開示内容を本願発明の参考文献とする。この場合、電極１８，２０および対応する層２２，２４が相互接続部を介して１つまたは複数の他のセル電極と接続される。相互接続部は同じ層であってもよいし、電極１８，２０上の付加的な層であってもよい。
ＣＭＵＴセルには基板１２が含まれている。基板１２は半導体であり、たとえばシリコン、付加的な材料から成る層を備えたシリコン、ヒ化ガリウム、あるいは他の公知の微細加工材料または将来開発される微細加工材料などである。基板１２は矩形であるかまたは、望ましい個数のトランスデューサ素子を設けるのに十分な他の形状をもつ平板部材である。たとえば１次元のトランスデューサアレイであれば線状の狭いスラブが用いられるし、多次元のトランスデューサアレイであれば幅の広いスラブが用いられる。付加的な基板１２を信号経路、ワイヤボンディング用パッドまたは他の構造体のために利用できる一方、基板１２のエリアはできるかぎり小さく保持される。
ダイアフラム１４は基板１２上に担持された半導体または他の材料である。一例として、ダイアフラム１４はプラズマ化学気相成長法による窒化シリコンから成る層として形成されるが、他の公知の材料または将来開発される材料を利用することもできる。ダイアフラム１４はパターニング、エッチングおよびアルミニウムまたは低温酸化物またはガラスといった犠牲層の使用により形成される。犠牲層の除去により、ダイアフラム各々に付随してボイド１６が形成される。この場合、エッチング、ホトレジストプロセスまたは他のプロセスにより形成されるビアが、犠牲層またはパターニング後に残った犠牲層の一部分を除去するために用いられ、ボイド１６が形成される。ボイド１６を封止してもよいし、あるいは開口部を設けて残しておいてもよい。１つの実施形態によればたとえば付加的な材料層を堆積させてビアが充填されるが、別の実施形態によればビアを充填しないようにすることもできる。ボイド１６により、ダイアフラム１４を基板１２から分離するキャビティが形成される。
図１に示されているように、ダイアフラム１４は基板１２の頂面に設けられる。ここで用いられる頂面には、その上に露出しているダイアフラム層、ダイアフラム１４、および頂面に露出しているダイアフラムの上に堆積された付加的な層が含まれ、あるいは頂面から音響エネルギーを受け取るためのダイアフラム１４の他の一般的な配置も含まれる。択一的な実施形態によればダイアフラム１４は、たとえば他のボイドおよびそれに付随するダイアフラムの層などによって頂面から間隔をおいて配置される。
ダイアフラム１４により、ボイド１６から電極１８を分離する絶縁層が設けられる。どのような電気的絶縁材料であっても使用することができ、たとえば窒化シリコンなどを使用することができる。さらに別の絶縁層を設けることもでき、たとえばダイアフラム１４またはその一部分のみから分離する層を設けることもできる。ダイアフラム１４または他の絶縁層によりボイド１６から電極１８が分離される。ユニポーラ構造の場合、絶縁層の介在なく電極１８がボイド１６に向けて露出される。ダイアフラム１４の一部分のみまたは全体により絶縁層が形成される。
底部電極２０のために、この電極２０の上に絶縁層２８が堆積または形成される。どのような電気的絶縁材料であっても使用することができ、たとえば窒化シリコンなどを使用することができる。絶縁層２８はダイアフラム１４の反対側に位置するボイド１６の側に設けられる。絶縁層２８により電極２０がボイド１６から分離される。ユニポーラ構造の場合、底部電極２０は絶縁層の介在なくボイド１６に向かって露出される。
電極１８，２０は金属の薄い堆積物であるが、他の導体または半導体たとえば酸化インジウムまたは導電性ポリマーなどを使用することができる。スパッタリング、低温または高温の堆積ないしはデポジット、ウェハボンディングあるいは他のプロセスのいずれかを、電極１８，２０を形成するために利用することができる。たとえばボイド１６内の電極２０をデポジット、エッチング、パターニングまたは他のやり方で形成してから、ボイド１６のための犠牲層とダイアフラム１４を形成するための層がデポジットが形成される。これとは別の実施例として、ダイアフラム１４の形成後およびボイド１６を形成するための犠牲層の除去前または除去後に、電極１８がパターニング、デポジット、エッチングまたは他のやり方で形成される。各電極１８，２０はボイド１６およびダイアフラム１４により支持される。
電極１８，２０はボイド１６のそれぞれ反対側に設けられる。たとえば電極１８はダイアフラム１４の一部分を覆う金属化層であり、これはＣＭＵＴ素子全体のセルを覆う共通のパターニングされた層となるような金属化層である。択一的な実施形態によれば、導体または電気的トレースにより複数の個別頂部電極１８各々が単一の信号経路またはアース経路と接続される。それぞれ異なる素子からの電極を、一定の参照電極たとえばアースとの接続部としていっしょに接続することができる。いくつかの電極１８，２０は、他の素子２４からの電極１８，２０とは別個にまたは電気的に分離されている。１つの定められた素子２４に対する各ダイアフラム１４の少なくとも１つの電極は、他の素子２４の電極とは別個に保持される。１つの実施形態によれば頂部電極１８はアース電極として動作し、１つまたは複数の素子に対し共通のものとすることができるし、あるいは他の実施形態によれば下部電極２０がアース電極として動作する。
電極１８および２０の一方または両方はスタックとして形成されており、ないしは２つまたはそれよりも多くの異なる導電性膜または半導体膜から成る部材として形成されている。図１には、２つのコンタクト層２２，２４を有する２つの電極１８，２０が示されている。その際、層２２と層２４の間あるいは絶縁体２８およびダイアフラム１４から隔てられた層２２と他の材料との間に、粘着層などのような付加的な層を設けることができる。「コンタクト層」により電気的な接点が形成され、これはたとえばダイレクトな物理的接触状態または他の電気的接触状態にある２つの導体により行われる。電極１８，２０における層２２，２４は互いにオーミック接触状態におかれている。この場合、層２２，２４は寄生を低減するため完全にオーバラップしているが、完全にはオーバラップさせなくてもよい。部分的にオーバラップさせてもよいし、あるいは絶縁体を用いる代わりに互いに垂直方向に分離させてもよい。２つの導体層２２と２４の間の第３の層を非導電性とすることができる。この第３の層を粘着層、拡散バリアあるいは機械的なセパレータとして用いることができ、これにより懸架されたダイアフラム１４内で２つの導体層２２，２４が垂直方向に位置決めされ、このことにより膜応力または他の材料特性が適切なやり方で分配されることにもなる。機械的セパレータの事例において、第３の層を絶縁体とすることもできるし、ダイアフラム１４の一部分とすることもできる。
層２２，２４は別個の材料である。択一的な実施形態によれば、種々の材料から成る合金または混合による電極構造を設けることができる。たとえば導体層２２，２４をそれらの界面付近で部分的に混合することができる（すなわち２つの導体の間に遷移領域を設けることができ、この領域はこれら２つの導体の合金から成る）。ある１つの材料の量を他の材料に対し相対的に深さの関数として変化させることにより、電気的特性の所望の分離が行われる。この変化により種々の層が形成される。
１つの層２４は絶縁層２８，１４と接触している。この層２４は大部分は絶縁層２８，１４と接触しており、その領域において絶縁層２８，１４は高い電界を伴うボイド１６と隣接している。層２４をボンディング、接続、貼り付け、粘着あるいは他のやり方で絶縁層２８，１４に対ししかるべき位置に保持することができる。
層２４により、ＣＭＵＴの高電界領域にある絶縁層２８，１４から別の層２２が分離される。たとえば層２４だけが絶縁層２８，１４とダイレクトに接触しており、他の層２２はまったくまたは大部分あるいはほとんど、高電界領域の絶縁層２８，１４とは接触していない。
他の実施形態において、１つまたは複数のコンタクトまたはスルーコネクションを設けることができる。たとえば、絶縁体２８，１４が真空のボイド１６とはもはや隣接していない領域または互いに対向する電極１８，２０が途切れているエリアで、低い仕事関数の導体層２２がそれら絶縁体２８，１４の一部分と接触するように構成することができる。ボイド１６と隣接するただ１つの電極１８，２０が設けられている領域では、帯電による劣化が問題とはなり得ない程度に十分に電界が小さい。対向する電極が設けられているがボイド１６は存在しない領域では、電界は高いけれどもトラップされた電荷がトランスデューサの音響パフォーマンスに影響を及ぼさない。
ボイド１６のそれぞれ対向する側に２つの電極１８，２０が設けられているＣＭＵＴの領域では、隣り合う絶縁体２８，１４は主として高い仕事関数の導体層２４と接触しており、他の層２２とは接触していない。これによって、トランスデューサの音響パフォーマンスが帯電により損なわれるのを回避することができる。それにもかかわらず、低い仕事関数の金属がこの高い電解オーバラップ領域のうち制限されたエリア（たとえば１０％よりも小さいエリア）の上で絶縁体２８，１４に接触してもかまわない。このようなケースではデバイスの１０％は著しく帯電する一方、９０％は影響を受けず、その結果、全体的には音響パフォーマンスの劣化は比較的僅かとなる。
図３Ａ〜図３Ｄには、それぞれ異なるレベルまたはタイプの接触および分離が行われるＣＭＵＴセルの種々の実施形態が示されている。図３Ａには、層２４における溝または孔を介して高電界領域で層２２が絶縁体１４と接触している構成が示されている。図３Ｂには、層２２，２４がボイド１６における高電界領域の外側では完全にオーバラップしていない構成が示されている。図３Ｃには、層２２が層２４よりも狭くされた構成が示されている。図３Ｄには、層２２，２４の一部分の間が（たとえば大部分）分離されている構成が示されている。オーバラップ、分離および／または接触に関する他の実施形態も可能である。
層２２，２４をそれぞれ異なる厚さとすることができる。たとえば、絶縁体２８，１４またはボイド１６と隣り合った層２４は他方の層２２の厚さと等しいかまたはそれよりも薄い。たとえば２μｍよりも小さいといったような何らかの厚さにすることができる。１つの実施形態によれば、２つの電極１８，２０における層２２，２４の４つの導体すべてがそれぞれ異なる厚さを有する。ＣＭＵＴをバイポーラとするためには、ボイド１６の互いに対向する側における導体層２２，２４が整合された厚さをもつ必要はない。層２２，２４が電極１８と電極２０とに関しておよび／または１つの電極１８，２０内で、等しい厚さをもつように構成することができる。１つの実施形態によれば、各層２２，２４は０．５μｍよりも薄い。これよりも厚いまたは薄い層２２，２４を用いることもできる。
絶縁体２８，１４と隣り合った層２４は、絶縁体２８，１４から間隔をおいて配置された層２２よりも高い仕事関数および／または高い抵抗率を有している。たとえば層２４は４．５ｅＶ以上の高い仕事関数を有しており、層２２は３ｅ-8Ωｃｍ以下の抵抗率を有している。層２２と層２４の間の仕事関数および／または抵抗率の差を、電気的な劣化を所望のように回避したり制限したりするために用いることができる。絶縁層２８，１４と隣り合う場所において仕事関数を高くすることにより、エレクトロマイグレーションを回避または制限することができる。絶縁層２８，１４から間隔をおいて配置された層２２の抵抗率を低くすることで、寄生直列抵抗を制限することができる。さらに層２２，２４を、小さい化学反応、いっそう小さい残留応力および／または他の層に対する粘着能力といった他の特性が得られるようにするために設計することもできる。粘着能力によって層間剥離を防ぐことができる。１つの実施形態によれば、層２４は４００MegaPascal tensilないしは４００メガパスカルの引張よりも大きい公称応力を有しており、他方の層２２は層２４と等しいかまたはそれよりも小さい公称応力を有している。
層２２，２４の形成に用いられる材料によって所望の特性が得られるようになる。たとえば絶縁層２８，１４と隣り合った層２４にはタングステン、タングステン合金、クロム、ニッケル、コバルト、ベリリウム、金、プラチナまたはパラジウムが含まれている。成分としてこれらの材料のうち１つまたは複数を有する合金または他の材料を使用することもできる。その際、様々な材料を利用することができる。他の実施例によれば、絶縁層２８，１４から間隔をおいて配置された層２２はアルミニウム、アルミニウム合金、ポリシリコンまたは銅である。成分としてこれらの材料のうち１つまたは複数を有する合金または他の材料を使用することもできる。その際、様々な材料を利用することができる。
１つの実施形態によれば、多層電極１８，２０が設けられていないユニポーラＣＭＵＴ構造を用いることができる。たとえばＡｌＣｕ（アルミニウム−銅）から成る上方の電極は０．２５μｍの厚さである。窒化シリコンから成る上方の絶縁体は０．８μｍの厚さである。真空のキャビティは０．１μｍの厚さである。下方の絶縁体は設けられていない。露出したＴｉＷ（チタニウム−タングステン合金）から成る下方の電極は０．２５μｍの厚さである。このようなユニポーラ構造における帯電劣化は「良好な」電界極性の場合には小さいけれども、露出した金属から真空キャビティへの電子放出を引き起こす極性の場合には大きくなる。電子が電界により高いエネルギーへと加速して対向する絶縁体に衝突すると、帯電劣化が引き起こされる。バイアス電圧が交番極性またはバイポーラに応じて交番する信号を有する可能性があると、ユニポーラ構造は帯電劣化の作用を受ける可能性がある。
バイポーラＣＭＵＴ構造に単一の層電極を設けることができる。たとえばＡｌＣｕ（アルミニウム−銅）から成る上方の電極は０．５μｍの厚さである。ＰＥＣＶＤによる窒化シリコンから成る上方の絶縁体は０．４５μｍの厚さである。真空のキャビティは０．１μｍの厚さである。ＰＥＣＶＤ窒化シリコンから成る下方の絶縁体は０．４５μｍの厚さである。ＡｌＣｕ（アルミニウム−銅）から成る下方の電極は０．２５μｍの厚さである。帯電劣化について検証するため、印加される電界の強さをゼロ値から２ＧＶ／ｍまで８時間の期間にわたって直線的に増やした。印加される電界の極性を２秒に１回反転させて、ボイド内に交番電界条件を作り出した。この場合、バイポーラ構造は両方の極性において著しい劣化を受ける可能性がある。様々な電極材料を選定することで帯電劣化を改善できるかもしれないが、そのような材料では抵抗が高すぎる可能性もあるし、引っ張り応力が高まるおそれおよび／または製造中に剥離するという問題が生じるおそれがある。
１つの実施形態によれば、バイポーラＣＭＵＴ構造に多層電極を設けることができる。上方電極には、厚さ０．２５μｍのＡｌＣｕから成る絶縁体から隔てられた層と、厚さ０．２５μｍのＷから成る絶縁体と隣り合った層が含まれている。上方の絶縁体は厚さ０．４５μｍのＰＥＣＶＤ窒化シリコンである。真空キャビティは厚さ０．１μｍである。下方の絶縁体は厚さ０．４５μｍのＰＥＣＶＤ窒化シリコンである。下部電極には、厚さ０．２５μｍのＷから成る下部絶縁体と隣り合った層と、厚さ０．２５μｍのＡｌＣｕ下部電極から成る下部絶縁体から隔てられた層が含まれている。この場合、同じ電圧に応答しても帯電劣化を生じさせないようにすることができ、あるいはほとんど生じさせないようにすることができる。
多層電極を備えたＣＭＵＴを、望まれるすべての治療用途またはイメージング用途に利用できる。たとえばＣＭＵＴは集積型ビーム成形のために用いられ、多次元アレイ（たとえば２次元アレイ）として利用することができる。この場合、小型トランスデューサを用いたボリュメトリックイメージングたとえば胸部イメージングを行うことができる。別の実施例として、このＣＭＵＴを用いて１次元アレイが形成される。このトランスデューサは、その動作寿命全体にわたり時間を経ても不変の音響感度を保持することができる。
ＣＭＵＴ、ダイアフラム１４、電極１８，２０および基板１２を形成するために、あらゆる公知のまたはこれから開発される技術を利用することができる。１つの実施形態によれば、ＣＭＯＳまたはバイポーラ処理が利用される。スピン堆積、スパッタ堆積、蒸着または他の形式の堆積、ウェハボンディング、エッチング、パターニング、ラッピング、蒸発、スクライビング、ホトリソグラフィによるパターニング、あるいは他の公知のまたはあとで開発される技術を利用して、ＣＭＵＴにおける種々の層、構造ならびに材料が生成される。半導体、絶縁体ならびに導体層は基板１２の一部分として形成される。
図２には、容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサを形成する方法に関する１つの実施形態のフローチャートが示されている。さらに付加的なコンポーネントや異なる動作ステップを用いてもよいし、あるいは動作ステップを少なくしてもよい。別の実施形態によれば、これらの動作ステップが異なる順序で行われる。図２はバイポーラ構造の形成について示すものであるけれども、電極の位置を異ならせることにより、および／または１つの絶縁層を形成しないようにすることにより、ユニポーラ構造を形成することもできる。また、ここでは電極は両方とも多層構造であるけれども、電極の一方を単一の層にしてもよい。
動作ステップ４２において、半導体基板内部または半導体基板上に下方の多層電極が形成される。ＣＭＯＳ技術、バイポーラ技術または他の微細加工技術を利用して、多層構造を有する電極が形成される。これらの層は各セルについて堆積、エッチング、パターニング、スピン、ラッピングおよび／または他のやり方で形成される。この場合、少なくとも２つの異なる導体または半導体が積層される。１つの実施形態によれば、１つの層を形成するため基板がドーピングされる。代案として、異なる金属層または他の導体が基板上または基板中にスタックされる。
帯電劣化を最小化し電極性能を最適化するために種々の特性が得られるよう、層が形成される。たとえば底部層は、頂部層の導体よりも抵抗率の低い導体である。頂部層により、底部層が絶縁層および／またはボイドから分離される。頂部層は底部層よりも高い仕事関数を有する。
動作ステップ４４において下部絶縁体が形成される。この場合、下部絶縁体は窒化シリコンであるが、他の材料であってもよい。ＣＭＯＳ技術、バイポーラ技術または他の微細加工技術を利用して、下部絶縁層が形成される。たとえば窒化シリコンが堆積、エッチング、パターニング、スピン、ラッピングおよび／または他のやり方で、下部多層電極における頂部層の上に形成される。択一的な実施形態によれば、下部絶縁層は設けられない。
動作ステップ４６において、ボイドの上にフレキシブルな構造が形成される。フレキシブルな構造はダイアフラム、ビーム、ポストまたは他の構造体である。フレキシブルな構造を形成するこの動作ステップの一部としてボイドが形成される。ダイアフラムとボイドを形成するために、現在公知のあるいはあとで開発されるＣＭＯＳプロセス、バイポーラプロセスまたは微細加工プロセスを利用することができる。さらにたとえば、下部絶縁層の頂部上に犠牲層が堆積される。ついでこの犠牲層がパターニングされて、望ましいボイドの位置で犠牲層材料が取り除かれる。その後、シリコン、窒化シリコンまたは他の半導体材料が、犠牲層、露出したすべての電気的相互接続部分ならびに本来の基板におけるすべての露出表面の上に堆積される。ビアあるいは他の構造を用いて犠牲層が取り除かれ、その結果としてダイアフラムとボイドが生じる。
動作ステップ４８により、ボイドにおいて下部電極とは反対側に上部電極が形成される。上部電極はダイアフラムの頂部、底部またはダイアフラム内というようにフレキシブルな構造と隣り合って形成される。上部電極を形成するためにあらゆる公知のまたはあとで開発されるＣＭＯＳプロセス、バイポーラプロセスあるいは微細加工プロセスを利用することができる。少なくとも２つの異なる導体が絶縁層と隣り合って積層される。これらの層のうち１つの層により、他の層がフレキシブル構造あるいは別の絶縁層から分離される。つまりフレキシブル構造は絶縁層であるが、別個の絶縁層を設けることもできる。絶縁体により上部電極の層がボイドから分離される。フレキシブル構造とじかに隣り合った層は、フレキシブル構造から間隔をおいて配置された層よりも高い仕事関数と高い抵抗率を有している。
この場合、他の処理を行わせることも可能である。たとえばポリマーまたは他の絶縁体２６から成る１つまたは複数の層が、基板頂部表面と上部電極の上に形成される。現在知られている様々なポリマーまたは絶縁体であっても、あるいはこれから開発されるどのようなポリマーまたは絶縁体であっても利用することができ、たとえば音響フィルタを備えたまたは備えていない音響整合層を形成するためにポリマーを利用することができる。ポリマー層は絶縁層としても音響整合層としても動作する。ポリマーはホトイメージング可能なレジスト、リソグラフィスピニング、ＣＶＤまたは薄膜を形成する他の技術を利用して堆積される。ポリマーに対する代案として、半導体絶縁材または電気的絶縁を行う他の材料を利用することができる。
他のプロセスとして挙げられるのは、トランスデューサアレイにおける各セル間および／または各素子間の電気的な相互接続である。なんらかの様々な経路配線技術または電気的コネクション技術（金属トレースやビアの形成、ドーピング）を利用して、ダイアフラムまたは素子を伴う電極がいっしょに接続される。フリップチップボンディング、ワイヤボンディング、フレキシブルな回路コネクションあるいは他のコネクションによって、各素子が受信機エレクトロニクスおよび送信機エレクトロニクスと接続される。１つの実施形態によれば、受信機エレクトロニクスが同じ基板内に集積される。択一的に、受信機エレクトロニクスが基板と隣り合ってまたは基板とは間隔をおいて配置される。たとえば受信機エレクトロニクスが別個の基板内に集積され、ＣＭＵＴのために使用される基板の底部または側方とボンディングされる。２つの基板の間における電気的コネクションは、エッジ導体、ＣＭＵＴ基板内の導体、ＣＭＵＴ基板上方におけるポリマー層内部の導体、ワイヤボンド、不エックス回路、あるいはこれらの組み合わせを使用して行われる。受信機エレクトロニクスへのコネクションに対する代案として、上述の導体が受信機エレクトロニクスへのリモートコネクションのためのケーブルと接続される。これまで説明してきた様々な技術のいずれも、コモン電極またはアース電極の構成のために利用できるし、あるいは素子ベースの信号電極の構成のために利用できる。
ここで述べてきた層のうちいくつか層またはすべての層に、付加的なシールドを組み込んだり集積したりすることもできる。たとえば電気的に分離された金属フィルムがアースに接続され、あるいはこの金属フィルムを下部電極２０の下で基板１２内のＥＭＩシールドとして浮いた状態にすることができる。
これまで本発明について様々な実施形態に基づき説明してきたが、本発明の範囲から逸脱することなく数多くの変更や変形を行えるのは自明である。つまり既述の詳細な説明は限定ではなく例示とみなされることを意図したものであって、本発明の着想や範囲を規定するのは、あらゆる同等の構成を含む特許請求の範囲であると理解されたい。
１２ 基板
１４ ダイアフラム
１６ ボイド
１８ 上部電極
２０ 下部電極
２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ コンタクト層
２６ カバー層
２８ 絶縁体
１４ ダイアフラム
１６ ボイド
１８ 上部電極
２０ 下部電極
２２ａ，２２ｂ，２４ａ，２４ｂ コンタクト層
２６ カバー層
２８ 絶縁体
Claims (22)
- 電気エネルギーと音響エネルギーとの間で変換を行うためのダイアフラム型超音波トランスデューサにおいて、
基板（１２）と、該基板（１２）に支持されたダイアフラム（１４）と、該ダイアフラム（１４）を前記基板（１２）から分離するキャビティ（１６）と、第１および第２の電極（１８，２０）と、前記キャビティ（１６）から前記第１の電極（１８）を分離する第１の絶縁層（２８，１４）が設けられており、前記第１の電極（１８）は、前記キャビティ（１６）において前記第２の電極（２０）とは反対側に配置されており、
前記第１の電極（１８）は、互いにオーミック接触状態にある少なくとも２つの導電性または半導体性の電極層（２２，２４）を有していることを特徴とする、
ダイアフラム型超音波トランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の絶縁層（２８，１４）はダイアフラム（１４）を有していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の絶縁層（２８，１４）は、前記キャビティ（１６）において前記ダイアフラム（１４）とは反対側に設けられていることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項３記載のトランスデューサにおいて、
前記ダイアフラム（１４）を有する第２の絶縁層（２８，１４）が設けられており、前記第２の電極（２０）は、互いにオーミック接触状態にある導電性または半導体性の少なくとも２つの電極層（２２，２４）を有していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記少なくとも２つの電極層（２２，２４）は第１の層（２４）と第２の層（２２）を有しており、前記第１の層（２４）は大部分、前記絶縁層（２８，１４）が高い電荷を伴うキャビティ（１６）と隣り合っている領域で該絶縁層（２８，１４）と接触しており、前記第１の層（２４）は前記第２の層（２２）よりも高い仕事関数を有することを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記少なくとも２つの電極層（２２，２４）は第１の層（２４）と第２の層（２２）を有しており、前記第１の層（２４）は前記絶縁層（２８，１４）と接触しており、該第１の層（２４）は前記第２の層（２２）よりも高い抵抗率を有することを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項６記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の層（２４）は４．５ｅＶ以上の仕事関数を有しており、前記第２の層（２２）は３ｅ8Ω−ｃｍ以下の抵抗率を有しており、該第２の層（２２）は前記第１の層（２４）よりも小さい仕事関数を有していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項６記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の層（２４）は４００メガパスカルの引張よりも大きい公称応力を有しており、前記第２の層（２２）は前記第１の層（２４）と等しいかまたはそれよりも小さい公称応力を有していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記少なくとも２つの電極層（２２，２４）は第１の層（２４）と第２の層（２２）を有しており、前記第１の層（２４）はタングステン、タングステン合金、クロム、ニッケル、コバルト、ベリリウム、金、プラチナ、パラジウムまたはこれらのうちの１つまたは複数の材料から成り、前記第２の層（２２）はアルミニウム、アルミニウム合金、ポリシリコン、銅またはこれらのうちの１つまたは複数の材料から成ることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記少なくとも２つの電極層（２２，２４）は第１の層（２４）と第２の層（２２）を有しており、前記第１の層（２４）は大部分、高い電荷を伴うキャビティ（１６）と隣り合っている領域で前記絶縁層（２８，１４）と接触しており、該領域において前記第２の層（２２）は大部分、前記絶縁層（２８，１４）とは接触していないことを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１記載のトランスデューサにおいて、
前記少なくとも２つの電極層（２２，２４）は第１の層（２４）と第２の層（２２）を有しており、前記第１の層（２４）は大部分、前記絶縁層（２８，１４）と接触しており、該第１の層（２４）は前記第２の層（２２）の第２の厚さよりも薄いかまたは該第２の厚さと等しい第１の厚さを有することを特徴とするトランスデューサ。 - 容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサの製造方法において、
ａ）ボイド（１６）の上にフレキシブルな構造を形成するステップ（４６）と、
ｂ）前記ボイド（１６）の互いに反対の側に電極（１８，２０）を形成するステップ（４２）を有しており、第１の電極（１８）は前記フレキシブルな構造と隣り合っており、
前記電極（１８，２０）のうち少なくとも１つの電極を形成するステップ（４２）において、絶縁層と隣り合う少なくとも２つの異なる導体を積層することを特徴とする、
容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサの製造方法。 - 請求項１２記載の方法において、
前記少なくとも２つの異なる導体のうち第１の導体は、前記少なくとも２つの異なる導体のうち第２の導体よりも低い抵抗率を有しており、該第２の導体により前記第１の導体がボイド（１６）と隣り合う領域で前記絶縁層から分離され、該第２の導体は導体と絶縁体との界面で前記第１の導体よりも高い仕事関数を有することを特徴とする方法。 - 請求項１２記載の方法において、
前記絶縁層はフレキシブルな構造であり、前記絶縁層により前記少なくとも２つの導体がボイド（１６）から分離され、電極（１８，２０）を形成するステップ（４２）において２つの電極（１８，２０）が形成され、各電極は少なくとも２つの異なる導体を有することを特徴とする方法。 - 電気エネルギーと音響エネルギーとの間で変換を行うための容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサにおいて、
キャビティ（１６）と、該キャビティ（１６）から第１の絶縁体により分離された第１の電極（１８）が設けられており、
該第１の電極（１８）は、２つまたはそれよりも多くのそれぞれ異なる導電性または半導体性の膜（２２，２４）の積層体から成り、該２つまたはそれよりも多くのそれぞれ異なる膜（２２，２４）のうち１つだけが大部分、前記キャビティ（１６）と隣り合う高電界領域で隣り合う絶縁体と接触していることを特徴とする、
容量式ダイアフラム型超音波トランスデューサ。 - 請求項１５記載のトランスデューサにおいて、
ユニポーラであることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１５記載のトランスデューサにおいて、
バイポーラであることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１５記載のトランスデューサにおいて、
前記膜（２２，２４）のうち第１の膜（２２）は、前記膜（２２，２４）のうち第２の膜よりも低い抵抗率および仕事関数を有しており、前記膜（２２，２４）のうち第２の膜（２４）は、前記膜（２２，２４）のうち大部分が絶縁体と隣り合った１つの膜であることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の膜（２２）は３ｅ8Ω−ｃｍまたはこれよりも低い抵抗率を有しており、前記第２の膜（２４）は４．５ｅＶまたはこれよりも高い仕事関数を有していることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の膜（２２）はアルミニウム、アルミニウム合金、ポリシリコンまたは銅から成り、前記第２の膜（２４）はタングステン、タングステン合金、クロム、ニッケル、コバルト、ベリリウム、金、プラチナまたはパラジウムから成ることを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
前記第１の膜（２２）の第１の厚さは前記第２の膜（２４）の第２の厚さ以上であり、前記第１および第２の厚さは２μｍよりも小さいことを特徴とするトランスデューサ。 - 請求項１８記載のトランスデューサにおいて、
前記第２の膜（２４）は４００メガパスカルの引張よりも大きい公称応力を有しており、前記第１の膜（２２）は４００メガパスカルの引張よりも小さいかまたはそれと等しい公称応力を有していることを特徴とするトランスデューサ。
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