JP2011025055A - 静電容量型超音波振動子 - Google Patents

Abstract

【課題】振動子エレメントの両端に溝部を設けた静電容量型超音波振動子において、全体に占めるセル領域の面積比率を低下させず、かつ発生させる超音波の出力低下のない静電容量型超音波振動子を提供する。
【解決手段】シリコン基板と、該シリコン基板の上面に配設された第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振動子セルから構成され、駆動制御信号を入出力する最小単位である振動子エレメントと、前記シリコン基板の背面に電極パッドを介して接合したフレキシブルプリント基板とから構成される静電容量型超音波振動子において、隣接する前記振動子エレメント間に溝部が設けられ、該溝部に導電膜が形成されていることにより、上記課題の解決を図る。
【選択図】 図４

Description

本発明は、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波振動子に関する。

体腔内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する体腔内超音波診断装置による超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる機材の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波振動子（超音波トランスデューサ）が取り付けてあり、このトランスデューサは電気信号を超音波に変換し体腔内へ照射したり、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換したりするものである。

従来、超音波トランスデューサでは、電気信号を超音波に変換させる圧電素子として、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきたが、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（以下、ｃ−ＭＵＴと称する））が注目を集めている（例えば、非特許文献１）。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ 、超小型電気的・機械的複合体）と総称される素子の１つである。

ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成されており、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を駆動する駆動機構と、駆動機構を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。

さて、非特許文献１では、図１５に示すようなｃ−ＭＵＴが開示されている。図１５（ａ）は６４個の振動子エレメントからなる１次元ｃ−ＭＵＴアレイの２セットを上面から観た図を示しており、図１５（ｂ）はダミーネイバー（Ｄｕｍｍｙ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ）を設けた単離された１個のｃ−ＭＵＴエレメントを示しており、図１５（ｃ）は並列に接続された８Ｘ１６０個のセルで構成されたｃ−ＭＵＴエレメントの拡大図を示す。ここで、振動子エレメントとは駆動制御信号を入出力する最小単位である。この振動子エレメントは複数の振動子セルから構成されている。

振動子エレメント５００は、複数のセル５０１、各セル５０１の上部に設けられた上部電極５０２、接地電極５０３、ダミーネイバー（Ｄｕｍｍｙ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ）５０５、溝（トレンチ）部５０６から構成されている。隣接する上部電極５０２間は導通しており、さらに両端の接地電極５０３に接続されている。ダミーネイバー５０５は、隣接するエレメントとのクロストークを防止するためのものである。電極５０２，５０３とダミーネイバーの間には、溝５０６が設けてある。

上部電極５０２は、メンブレンにより支持されている。また、不図示ではあるが、上部電極５０２と対向する位置でセル内部に下部電極が設けられ、下部電極とメンブレン間には空隙部（キャビティ）がある。振動子エレメント５００の上部電極５０２及び下部電極に電圧を印加すると、各セル５０１が同時に駆動して、同位相で一斉に振動する。これにより、超音波が放射される。

非特許文献１では、シリコン基板のラム（Ｌａｍｂ）波（Ａ０モード）及び固相−液相間のストンリー（Ｓｔｏｎｅｌｅｙ）波（境界波）が隣接する振動子エレメント間のクロストークに重大な影響を与えることを見出しており、振動子エレメント５００を用いることによりその影響を軽減している。

Ｘｕｅｃｈｅｎｇ Ｊｉｎ，外３名、「Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｏｎｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｉｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ Ａｒｒａｙｓ」，"ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳ，ＦＥＲＲＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ，ＡＮＤ ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＣＯＮＴＲＯＬ"，ＶＯＬ．４８，ＮＯ．３，Ｐ７５０−７６０，ＭＡＹ ２００１

しかしながら、振動子エレメント５００のように、溝部５０６と、ダミーネイバー領域５０５と、溝部５０６と超音波を送受するセル領域の間に電極領域５０３とを設けると、振動子エレメント全体に占める振動子セル領域の比率が小さくなる。

この場合に、セル領域の面積をある程度の大きさに保持しようとすると、振動子エレメントを大きくする必要があり、このｃ−ＭＵＴを使用した超音波振動子の小型化を図ることができない。また、エレメントの大きさを従来と同程度に保持しようとすると、セル領域の面積を小さくする必要があり、発生させる超音波の出力低下を招くことになる。

上記の課題に鑑み、本発明では、振動子エレメントの両端に溝部を設けた静電容量型超音波振動子において、全体に占めるセル領域の面積比率を低下させず、かつ発生させる超音波の出力低下のない静電容量型超音波振動子を提供する。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、シリコン基板、前記シリコン基板の上面に配設された第１の電極、前記第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、および前記第２の電極を支持するメンブレンからなる振動子セル、を含む振動子エレメントを複数含む静電容量型超音波振動子において、隣接する前記振動子エレメント間に溝部を配置され、前記溝部には導電膜が形成され、前記溝部は非直線であることを特徴とする静電容量型超音波振動子を提供することによって達成できる。

上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、前記非直線は、曲線、鋸線、または矩形線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を提供することによって達成できる。

本発明を用いることにより、エレメントの両端に溝を設けた静電容量型超音波振動子において、全体に占めるセル領域の面積比率を低下させる必要がなくなる。それにより、発生させる超音波の出力が軽減することが無くなる。

第１の実施形態における静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子を示す図である。 第１の実施形態における振動子ユニット２単体の上面図を示す図である。 第１の実施形態における振動子エレメント３単体の上面図を示す図である。 図３のＡａ−Ａｂについての断面図である。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程を示す図（その１）である。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程を示す図（その２）である。 第１の実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程を示す図（その３）である。 第２の実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その１）を示す図である。 第２の実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その２）を示す図である。 第２の実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その３）を示す図である。 第３の実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その１）を示す図である。 第３の実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その２）を示す図である。 第３の実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その３）を示す図である。 第３の実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その４）を示す図である。 第３の実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その５）を示す図である。 第３の実施形態における振動子エレメント３を上面から見たときに曲線状の溝を形成する場合の一例を示す図である。 従来のｃ−ＭＵＴを示す図である。

＜第１の実施形態＞
本実施形態では、溝部の底部に接地電極を設けた振動子エレメントの製造について説明する。

図１は、本実施形態における静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子を示す。静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子１は、複数の振動子エレメント３から構成される振動子ユニット２、制御回路ユニット４、配線用ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）５から構成される。

複数の長方形状の振動子ユニット２は短手方向に直列に結合し、それが円筒形をなしている。配線用ＦＰＣ５は、ＦＰＣ上に配線パターンや電極パッドが形成されているものである。制御回路ユニット４はＦＰＣ５に対しｃＭＵＴとは反対の面に振動子ユニット２と位置をあわせて、１振動子ユニットに１制御回路ユニットという配置になっている。ｃＭＵＴのエレメントを単位としてＦＰＣを貫通するスルーホールが形成され、それを通してｃＭＵＴユニットと制御回路ユニットが接続される様に配置される。制御回路ユニット４はパルサー、チャージアンプ、マルチプレクサ等の集積回路等から構成される。なお、振動子ユニット２の形状は長方形に限定されない。

図２は、本実施形態における振動子ユニット２単体の上面図を示す。振動子ユニット２は、複数の正方形状の振動子エレメント３から構成されている。同図では、振動子ユニット２は振動子エレメント３を複数一次元に配列して構成されている。隣接する振動子ユニット間には振動子ユニット配列方向溝７が設けられている。また、各振動子ユニット内において隣接する振動子エレメント間には振動子エレメント間溝６が設けられている。なお、振動子エレメントの形状は、正方形に限定されない。

図３は、本実施形態における振動子エレメント３単体の上面図を示す。振動子エレメント３は、振動子ユニット配列方向溝７、振動子エレメント間溝６、振動子セル電極間インターコネクト電極８，９，１０、振動子セル上部電極１１、犠牲層剤除去孔１３、下部電極スルーホール電極部１４から構成される。振動子セル上部電極１１の背面（図面に対して垂直方向）には、キャビティが形成されており、それをキャビティ周縁部１２として表している。

振動子エレメント３は、複数の振動子セルから構成されており、振動子セルはキャビティの個数に等しく、同図では４つの振動子セルから構成される。また、１５はダイシングするためのダイシングラインを示している。

図４は、図３のＡａ−Ａｂについての断面図である。この断面において、振動子エレメント３は、上述の通り、３０で示される構成単位を振動子セルという。メンブレンとはセル３０上部を覆っている膜のことをいい、図４では上部電極１１、メンブレン上層２４、メンブレン下層２２で構成される膜のことをいう。このメンブレンは、各振動子セルの両端のメンブレン支持部２０で固定された振動膜である。メンブレン支持部２０間におけるシリコン基板１６の表面（凹部の底部分）に、上部電極１１と対向するように下部電極１９が構成され、その上に誘電体膜２７（例えば、ＳｉＯ₂）が形成されている。

下部電極１９には、下部電極１９とシリコン基板１６の底面に設けられた信号入出力端子電極パッド２６とを電気的に導通させるための下部電極スルーホール電極部１４が設けられている。具体的には、この下部電極スルーホール電極部１４のホール表面に形成されたインターコネクト配線１９１により下部電極１９と信号入出力端子電極パッド２６とは電気的に導通している。

シリコン基板１６の底面表面はシリコン酸化膜１７で被膜されている。上部電極１１及び振動子セル電極間インターコネクト電極１０は、金属膜で構成されている。また、この上部電極は、溝部６，７の側面及び底面に被膜された金属膜に電気的に導通している。

接地電極パッド２５は、上部電極１１をＧＮＤに接続するために、溝６，７の底面に形成した電極をシリコン基板１６底面に電気的に導通させるためのパッドである。
誘電体膜２７は、キャビティを挟んだ上部電極１１と下部電極１９間の静電容量を増幅させるためのものである。空乏層１８は、電子あるいは正孔がほとんど存在しない状態になっている層である。

なお、キャビティ（空隙部）２１は、メンブレンとメンブレン支持部２０と下部電極１９及び誘電体膜２７とで囲まれた空間のことをいう。なお、メンブレンは、図５で後述するように、製造工程上複数のメンブレン膜から構成されている。また、溝部６，７の底部に配設された電極と設置電極パッド２５との間の「接触抵抗」が限りなく小さく（オーミックコンタクト）なる構造となっている。

振動子セル３０の動作について説明すると、上部電極１１と下部電極１９の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を０にすると元に戻る。この振動動作によってメンブレンが振動した結果、超音波が発生し、上部電極１１の上方向に超音波が照射される。

図５（図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ）では、本実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程について説明する。
まず、Ｎ型シリコン基板４０（厚さ約１００〜５００μｍ）の上表面に酸化膜（ＳｉＯ₂）２０２で、マスクする（Ｓ１）。マスク形成は、Ｗｅｔ酸化法により、厚さ約３０００〜４０００Åの酸化膜を形成する。そして、フォトリソグラフィー工程で下部電極スルーホール電極部４２を形成するためのパターンニングを行い、エッチング工程でパターンニングした酸化膜を除去する。

次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ ＰｌａｓｍａＲｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング）を行うことにより、Ｓ１でマスクされていない部分に孔４２が開く（Ｓ２）。

次に、空乏層４３を形成する（Ｓ３）。ここでは、まずＮ型シリコン基板４０の底面についても酸化膜（ＳｉＯ₂）でマスクし、フォトリソグラフィー工程で空乏層４３を形成するためのパターンニングをＮ型シリコン基板４０の上下面について行い、エッチング工程でパターンニングした酸化膜を除去する。それから、Ｐ型のイオンを注入して、熱処理を行うことにより、Ｐ型の拡散層を形成する。

次に、コンタクト層（Ｎ＋）４４を両面に形成する（Ｓ４）。マスク形成工程、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、コンタクト層４４を形成する部分以外をＳｉＯ₂でマスクする。それからマスクされていない部分に対して、Ｎ型のイオンを注入して、熱処理を行うことにより、Ｎ型の拡散層を形成する。これをシリコン基板の両面のコンタクト層（Ｎ＋）４４について行う。

次に、電極膜（Ｐｔ／Ｔｉ）４５を両面に形成する（Ｓ５）。まず、マスク４１を除去した後、電極膜を形成する部分以外をレジスト材でマスクする。その後、スパッタにより電極膜４５を形成し、リフトオフ工程でマスクしたレジスト材を除去する。なお、電極の材質はＰｔ／Ｔｉに限定されず、Ａｕ／Ｃｒ、Ｍｏ，Ｗ、リン青銅、Ａｌなどでもよい。

次に、誘電体膜を形成する（Ｓ６）。マスク形成工程、スパッタ工程、リフトオフ工程を経て誘電体膜（例えば、ＳｒＴｉＯ₃）５０を形成する。なお、誘電体膜５０はＳｒＴｉＯ₃に限定されず、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃、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用いてもよい。

次に、メンブレン支持層を形成する（Ｓ７）。メンブレン支持部を形成する部分以外をマスクした後、ＣＶＤによりＳｉＮ層を形成して、マスクを除去する。そうすると、メンブレン支持部が形成されている。

次に、Ｓ７で形成したメンブレン支持部間に犠牲層としてポリシリコン５２を充填する（Ｓ８）。なお、本実施形態では、犠牲層にポリシリコンを用いたが、例えばＳｉＯ₂等エッチングできる部材であれば特に限定されない。

次に、メンブレンを形成する（Ｓ９）。まず、犠牲層エッチング用孔５４及び溝５５となる部分をマスクする。そして、ＣＶＤでＳｉＮ膜５３を形成する。それから、マスクを除去する。そうすると、メンブレン５３と犠牲層エッチング用孔５４と溝５５とが形成されている。

次に、エッチングにより犠牲層５２を除去する（Ｓ１０）。本実施形態ではポリＳｉを犠牲層に用いているので、エッチャーとしてＸｅＦ₂を用いてエッチングして、犠牲層を犠牲層エッチング用孔５４から除去する。そうすると、キャビティ５６及び溝５５が形成されている。

次に、犠牲層エッチング用孔５４を塞ぐ（Ｓ１１）。まず、溝５５の底部分（コンタクト電極）をマスクし、ＣＶＤを用いてエレメント上面全体にＳｉＮ膜を形成する。それから、マスクを除去して、溝５５の底部分（コンタクト電極）を露出させる。

最後に、図３に示したように、振動子セル電極間インターコネクト電極８，９，１０、振動子セル上部電極１１、振動子ユニット配列方向溝７の底部の電極、振動子エレメント間溝６の底部の電極以外をマスクし、スパッタリング、リフトオフを経て、電極膜（Ｐｔ／Ｔｉ）６１を振動子エレメント上面全体に形成する（Ｓ１２）ことにより、振動子エレメント３が完成する。

なお、本実施形態において、電極膜（及びコンタクト層）の形成、すなわち溝内にある電極を形成する処理（導体化処理）では、イオン注入もしくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長方法）と拡散処理、またはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相成長法）により行われる。

以上より、溝部分に接地電極を形成することで、別途接地電極のための領域を振動子エレメント内に設ける必要が無く、振動子エレメントに占める超音波出力領域の面積比率を低下させることはない。また、溝部を設けているために隣接するエレメント間のクロストークの影響を抑制することができる。

なお、本実施形態では一例としてラジアルタイプの静電容量型超音波振動子を用いたが、これに限定されず、コンベックスタイプでもリニアタイプでもよい。
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、振動子エレメントに設けた溝の形状のバリエーションについて説明する。

図６は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その１）を示す。７０及び７１は溝部を示している。７６はシリコン基板を示している。７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）はシリコン基板７６上面側のコンタクト電極を示している。７３（７３ａ，７３ｂ，７３ｃ）はコンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）周辺に形成されたコンタクト層を示している。７４はシリコン基板７６下面側のコンタクト電極を示している。７５はコンタクト電極７４周辺に形成されたコンタクト層を示している。７７及び７８はＳｉＮ層を示している。７９は電極膜を示している。

７０は、溝部をテーパー形状にして開口部を底部より広くした場合を示している。このようにすることにより、孔径がある大きさ以上の場合は、スパッタリングを用いて電極を成膜することが可能となる。また、溝の側面が垂直な場合と比較して、スパッタで電極膜が付着しやすく、より厚く成膜することができる。それにより、配線の信頼性が向上する。

７１は、ボッシュ（Ｂｏｓｈ）プロセスにより溝部側面の表面に凹凸を形成した場合を示している。ボッシュプロセスとは、反応ガスにＣ₄Ｆ₈とＳＦ₆を用い、交互に切り替えエッチングとバッシベーション（化学反応を起こさないように表面に保護膜を付与する）工程を繰り返すプロセスのことである。高アスペクト比の加工が可能になる。ボッシュプロセスで溝部を形成する場合、バッシベーションとエッチングのタイミングを変化させ、テーパーや凹凸を形成することが可能となる。

通常のボッシュプロセスでできる波線状の凹凸は数〜数十ｎｍオーダーである。しかしながら、本実施形態では、密着強度を上げるために、溝側壁にサブμｍオーダー以上の凹凸を設けてある。この凹凸により、付与するメンブレンと同材質のＳｉＮや上部電極と繋がる導体薄膜の密着性が向上する。そして、後述する超音波減衰材料の密着性も向上し、精密裁断などにより裁断する時の強度向上に繋がる。

このように、ボッシュプロセスを用いて溝部側面の表面に凹凸を形成することで、表面積が大きくなり、その後の工程で付与される電極膜やＳｉＮ膜が剥離しにくくなる。また、溝部の底部にあるコンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）のＧＮＤは、シリコン基板７６を介してコンタクト電極７４から接続される。

図６の左側のトレンチ部分は開口部より底部の方が広い形状となっている場合の例を示している。このように、溝の形状は、どのような形状でも構わない。
図７は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その２）を示す。同図は、図６より溝の底部をシリコン基板７６内部まで掘り下げた場合を示す。シリコン基板７６までエッチングした後に、コンタクト層７３を形成してそれを下地として電極を成膜したものである。すなわち、コンタクト層形成後に、ＳｉＮ（犠牲層の除去する穴を塞ぐ）の成膜をＣＶＤで行い、コンタクト層表面が自然酸化等で抵抗を持たないように、メンブレンと繋がっている電極７９を成膜する前に、耐蝕性の強い電極材を下地電極として成膜する。

このように、コンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）とコンタクト電極７４との距離が短くなり、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。

また、ドライエッチングなので、機械的強度に問題がない限り、波線状にエッチングすることも可能である。つまり、通常の溝形成（裁断も同様）はダイシングソー（精密裁断機）で行われるが、そのため、直線状にしか溝形成はできない。しかし、ＩＣＰ−ＲＩＥなどのドライエッチングでは波線をはじめ任意の形状で溝形成が可能となる。

また、溝表面が不定形では、長さに差があるため一定の共振が起こりにくくなるという観点から、クロストーク減少の効果がある。また、基板背面への接地電極の取り出しを容易にする効果もあり。

また、シリコン基板中にも溝がある構成にすることにより、クロストーク減少の効果がある。すなわち、メンブレンの屈曲振動によって超音波を送受信するが、その屈曲振動は、ラム波またはストンリー波等による振動で隣接したエレメント間でクロストークが発生する。また、屈曲振動はメンブレン支持部に反作用的に縦振動応力を伝達する。この振動はメンブレン支持部の付け根からシリコン基板表面に到達し、シリコン基板表面に沿って伝播し、同じ経路を逆にたどって隣のエレメントに伝播しクロストークの原因になる。このようなクロストークの発生を減少することができる。

図８は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その３）を示す。同図は、シリコン基板７６の両面のコンタクト層を接合した場合を示す。同図のように、シリコン基板７６の厚さが薄い場合、または（ＧＮＤ用）溝をシリコン基板にエッチングした後、コンタクト層７３，７５を形成し、拡散させ、コンタクト層を形成すると、薄いコンタクト層同士を接続することができる。このようにすることにより、抵抗値の低い領域がコンタクト電極７２とコンタクト電極７４間で形成されるので電気的に導通しやすく、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。

＜第３の実施形態＞
本実施形態では、静電容量型振動子エレメントのバリエーションについて説明する。
図９は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その１）を示す。

８０は溝部を示している。８６はシリコン基板を示している。８２はシリコン基板８６上面側のコンタクト電極を示している。８３はコンタクト電極８２周辺に形成されたコンタクト層を示している。８４はシリコン基板８６下面側のコンタクト電極を示している。８５はコンタクト電極８４周辺に形成されたコンタクト層を示している。８７及び８８はＳｉＮ層を示している。８９は電極膜を示している。９０はＳｉＯ₂膜を示している。８１は下部電極スルーホール電極部を示している。

同図は、シリコン基板８６の下面側のコンタクト電極付近もエッチングされている場合を示す。これは、図５のＳ１の段階で、シリコン基板下面にもＳｉＯ₂でマスクし、ウェットエッチングにより、電極コンタクト部をエッチングして、凹部形状となるようにする。このようにすることにより、両面のコンタクト電極（８２，８４）間の距離がより短くなり、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。

また、図７と同様に、シリコン基板８６に溝部が侵食した構成を採用することにより、クロストーク減少の効果がある。つまり、メンブレンの屈曲振動によって超音波を送受信するが、その屈曲振動は、ラム波またはストンリー波等による振動で隣接したエレメント間にクロストークが発生する。また、屈曲振動はメンブレン支持部に反作用的に縦振動応力を伝達する。この振動はメンブレン支持部の付け根からシリコン基板表面に到達し、シリコン基板表面に沿って伝播し、同じ経路を逆にたどって隣のエレメントに伝播しクロストークの原因になる。シリコン基板８６に溝部が侵食した構成を採用することにより、このようなクロストークを減少させることができる。また、基板背面への接地電極の取り出しを容易にする効果もある。

なお、空乏層の形成の変わりに、ＳｉＯ₂のＷｅｔ酸化膜を利用してもよい。これはＷｅｔ酸化の方が、緻密な膜が得られるからである。また溝を形成後に、Ｎ型シリコン基板であれば溝内にＮ＋をドープし、加熱により拡散処理を行うことにより、コンタクト層（Ｎ＋）を形成してもよい。また、溝の形状は、溝底部のうち一部分がさらに深くなっている形状でもよいし、またシリコン基板下面まで孔が到達している形状でも良い。

図１０は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その２）を示す。同図は、シリコン基板８６をエッチングすることによりキャビティ９１を形成した場合を示す。この場合、シリコン基板８６がメンブレン支持部としても機能する。

まず、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使って、Ｓｉの異方性エッチングを実施する。これにより、シリコン基板８６の上面側に所定の深さのキャビティ９１及び溝８０を形成し、下面側に凹部９５を形成する。

次に、ＩＣＰ−ＲＩＥで貫通孔８１を形成する。その後、酸化膜９０をＷｅｔ酸化で成膜する（空乏層の代わりとして用いている）。次に、下部電極９２（Ｐｔ／Ｔｉ）を成膜して、貫通孔８１の側壁へ導体付与する。

次に、誘電体９３を下部電極９２の上面に成膜し、熱処理を行う。その後、キャビティ９１に犠牲層を形成し、その上からＳｉＮメンブレン８７を成膜する。成膜したメンブレンに孔９４を開け、犠牲層をエッチングして除去する。その後、ＳｉＮにて犠牲層除去用の孔９４を埋める（８８）。その上から上部電極（８９）を成膜する。

このようにすることで、メンブレン支持部を形成する工程を別途設ける必要が無く、工程数を減らすことができる。
図１１は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その３）を示す。図１２は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その４）を示す。図１１及び図１２は、溝部８０を樹脂１００で充填した場合を示す。

図１１と図１２の相違は、シリコン基板８６の下面のコンタクト電極が凹部形状になっているか否かである。溝部分８０に樹脂１００が充填されていないと、振動子内に横波定在波（不要振動）が励起されることがあり、良好な超音波特性が得ることができない。そこで、溝部分８０に樹脂１００を充填する。材質としては、不要超音波による振動を減衰させるために、タングステン微粉末やガラスバブルなどの粉末をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などに混合した柔軟性がある複合樹脂を超音波減衰材料として用いる。このようにすることにより、不要振動を抑制することができる。

なお、図１〜図４の溝部（上方から振動子エレメントを見た場合に縦横に溝が形成されている）のうち、コンベックス、ラジアルのように振動子の配列が曲率を持つタイプは少なくとも、片面側（例えば、上面側）をダイシングする。この際に、充填樹脂が存在すると、応力が低減され電極の剥離、チッピングなどが減少する。このように、配線の信頼性が向上すると共に、チッピングが減少することで、キャビティと溝との間を短くすることができるので設計上有効部分が増加し、単位面積あたりの音圧増加、つまりは感度向上、サイズの縮小化に繋がる。

図１３は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その５）を示す。同図は、振動子エレメントをＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に導電性樹脂１０１を用いて接合した場合を示す図である。なお、導電性樹脂１０１の代わりに、ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ：異方性導電シート）、またはＡｕや半田などのボールバンプを利用してもよい。また、シリコン基板８６の下面とＦＰＣ１０２の間の空隙部１０４は、樹脂を充填しても良い。

なお、溝部８０には樹脂を充填せずダイシングしてダイシング溝１０５を形成することも可能であるし、溝部８０に樹脂を充填してダイシングしてダイシング溝１０５を形成することも可能である。ダイシング後、湾曲させてトランスデューサを形成した後、減衰の大きな樹脂材料を充填しても良い。裁断溝の深度は、コンベックスタイプやラジアルタイプのように振動子エレメントを湾曲させるタイプのものであれば、導電性樹脂１０１まで裁断する必要があるが、リニアタイプなどの湾曲させないものは、少なくともシリコン基板８６がダイシングされていれば良い。曲また、シリコンのＦＰＣ側の電極部が凹状や、穴状になっていると、位置決め機能が得られると共に、接着表面積の拡大による接続の機械的強度が向上し、信頼性の高い振動子が作製できる。

なお、シリコン基板を貫通させる場合、レーザービームを用いても良い。レーザービームを用いることにより、ドライエッチング同様に、任意の形状で溝切り、裁断が可能となる。そのため、クロストーク低減の効果や、波線状にすることで電極の接触面積が増え密着強度が向上する。また、エレメントを任意の形状とできるため、セル配置を任意に行え、高密度化（エレメント内に占めるセル面積が多いなど）が達成できる。内視鏡のように限られた空間内で、高感度化を実現するには重要となる。

なお、通常、振動子エレメント上方から見た場合、図３に示すように溝は直線状であるが、フォトリソと、エッチングを用いると曲線状の溝を形成することも可能である。この例を図１４に示す。

図１４は、本実施形態における振動子エレメント３を上面から見たときに曲線状の溝を形成する場合の一例を示す図である。図１４（ａ）は、振動子エレメント３を囲む溝１１１（横方向の溝１１１ａ，縦方向の溝１１１ｂを曲線状にし、直線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。このように、振動子エレメントの全周囲が波線状の溝形状をもってもよい。

図１４（ｂ）は、振動子エレメントを囲む溝１１１ａ，１１１ｂを曲線状にし、曲線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。レーザーダイシングを用いれば、このように曲線状の溝に沿ってダイシングが可能となる。

図１４（ｃ）は、振動子エレメントを囲む溝のうち、縦方向の溝１１１ｂを直線状、横方向の溝１１１ａを曲線状にし、直線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。１１２は接地電極である。このように、部分的に波線状の溝構造をもっていてもよい。

図１４の例以外にも、溝の形状及びダイシングの形状は、当然、矩形波状や鋸波であってもその他不定形なものであっても構わない。
直線状の溝では、共振が激しくなり、定在波も起こりやすくなるが、直線状でない場合には不要振動は打ち消し合って弱まる。そのために、クロストークが減少し、そして、Ｓ／Ｎ比が向上、高画質な画像にすることができる。なお、ダイシング位置や、充填する減衰樹脂も曲線状のものを採用することで、同様な機能・効果を持たせることができる。

１ 静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子
２ 振動子ユニット
３ 振動子エレメント
４ 制御回路ユニット
５ 配線用ＦＰＣ
６ 振動子エレメント間溝
７ 振動子ユニット配列方向溝
８，９，１０ 振動子セル電極間インターコネクト電極
１１ 上部電極
１２ キャビティ周縁部
１３ 犠牲層剤除去孔
１４ 下部電極スルーホール電極部
１５ ダイシングライン
１６ シリコン基板
１７ シリコン酸化膜
１８ 空乏層
１９ 下部電極
１９１ インターコネクト配線
２０ メンブレン支持部
２１ キャビティ
２２ メンブレン下層（キャビティ形成用被覆膜）
２３ 犠牲層除去孔
２４ メンブレン上層（犠牲層除去孔遮蔽膜）
２５ 接地電極パッド
２６ 信号入出力端子電極パッド
２７ 誘電体膜
３０ 振動子セル
７０，７１ 溝部
７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ） コンタクト電極
７３（７３ａ，７３ｂ，７３ｃ） コンタクト層
７４ コンタクト電極
７５ コンタクト層
７７，７８ ＳｉＮ層
７９ 電極膜
８０ 溝部
８１ 下部電極スルーホール電極部
８２ コンタクト電極
８３ コンタクト層
８４ コンタクト電極
８５ コンタクト層
８６ シリコン基板
８７，８８ ＳｉＮ層
８９ 電極膜
９０ ＳｉＯ₂膜

Claims (2)

1. シリコン基板、前記シリコン基板の上面に配設された第１の電極、前記第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、および前記第２の電極を支持するメンブレンからなる振動子セル、を含む振動子エレメントを複数含む静電容量型超音波振動子において、
   隣接する前記振動子エレメント間に溝部を配置され、
   前記溝部には導電膜が形成され、
   前記溝部は非直線であることを特徴とする静電容量型超音波振動子。
2. 前記非直線は、曲線、鋸線、または矩形線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。