JP2018056734A - 超音波トランスデューサ、その製造方法および超音波撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波トランスデューサの駆動電圧の低電圧化と信頼性とを両立させる。【解決手段】超音波トランスデューサは、基板１０１上の下部電極１０３と上部電極１０７とに挟まれた絶縁膜１０４、１０６の間に形成された空洞部１１０と、空洞部１１０の上方の絶縁膜１０６、１０８、１１１、１１２および上部電極１０７で構成され、超音波の送受信時に振動するメンブレン１２０とを有する。また、空洞部１１０は、中心部の厚さをｈ１とし、外周部の厚さをｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つ断面形状を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、超音波トランスデューサ、その製造方法およびそれを用いた超音波撮像装置に関する。

超音波トランスデューサ素子は、超音波撮像装置の超音波探触子（プローブ）内に組み込まれ、超音波を送受信することにより、例えば人体内の腫瘍の診断や、建造物に発生した亀裂の検査などといった様々な用途に用いられている。

従来、この種の超音波撮像装置の探触子には、電気音響交換素子としてＰＺＴ(チタン酸ジルコン酸鉛)などに代表される圧電セラミックスが用いられてきたが、近年、圧電セラミックスよりも広い帯域特性を有する容量検出型の超音波トランスデューサ（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer；以下、ＣＭＵＴと略称する)が注目され、研究開発が進められている。

上記ＣＭＵＴの基本的な構造は、下部電極とその上部に配置した上部電極との間の絶縁層に空洞部（キャビティ）を設け、空洞部の上部の絶縁層と上部電極とをメンブレン（ダイヤフラムとも言う）として機能させるものである。超音波を発信する際は、上部電極と下部電極との間に直流電圧と交流電圧とを重畳して印加し、その際に両電極間に生じる静電気力によってメンブレンを交流電圧の周波数で振動させる。一方、受信の際は、メンブレンの表面に到達した超音波の圧力によってメンブレンを振動させ、その際に生じる両電極間の距離の変化を容量変化として電気的に検出する。

特許文献１は、絶縁層によって拘束された空洞部の外周部近傍のメンブレンが空洞部の中心部近傍のメンブレンに比べて変位し難いというＣＭＵＴの特性に起因して送受信効率が低下する課題を解決するために、空洞部の高さ（上下方向の距離）を中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少させ、空洞部の高さを外周部でゼロにする技術を開示している。

特許文献１のＣＭＵＴによれば、空洞部の外周部で電極間の距離（誘電体が挿入される場合にはその比誘電率を元に真空に換算した等価な距離）を小さくすることで、電極に発生する静電気力を増大させることが可能となるので、メンブレンを駆動させるために必要な駆動電圧を下げることができるという優れた効果が得られる。

国際特許公開ＷＯ１３／０６５３６５号パンフレット

特許文献１に開示されたＣＭＵＴは、所定の電圧でメンブレンを最大限振動させた際、空洞部の中央部だけでなく空洞部の外周部でも空洞部上下の絶縁層が互いに接触することから、絶縁層同士の接触面積が大きく、これにより、電極から絶縁層に注入される電荷の量が増加する。このため、長時間使用した場合に、絶縁層にトラップされた電荷の蓄積に起因して上下電極間の電荷が遮蔽され、適切な駆動ができなくなったり、絶縁層に絶縁破壊が生じ易くなるなど、信頼性の面での課題を有している。

従って、上記のような構造を有するＣＭＵＴにおいては、メンブレンを振動させるために必要な駆動電圧を低くするだけでなく、電極から絶縁層への過剰な電荷注入に起因する信頼性の低下を抑制する工夫が求められる。

本発明の前記ならびにその他の目的と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

本願において開示される実施の形態のうち、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。

代表的な実施の形態によるＣＭＵＴは、基板上の下部電極と上部電極とに挟まれた２層の絶縁膜の間に形成された空洞部と、空洞部の上方の複数の絶縁膜と上部電極とで構成され、超音波の送受信時に振動するメンブレンとを含んでおり、空洞部は、中心部の厚さをｈ１とし、外周部の厚さをｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つ断面形状を有している。

代表的な実施の形態によれば、駆動電圧の低電圧化と信頼性とを両立させたＣＭＵＴを実現することができる。

実施の形態１に係るＣＭＵＴの要部平面図である。 （ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図、（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係るＣＭＵＴの製造方法の一例を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図３に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図４に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図５に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図６に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図７に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図８に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図９に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施の形態１に係るＣＭＵＴの製造方法の別例を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１１に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１２に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１３に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１４に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、図１５に続くＣＭＵＴの製造方法を示す要部断面図である。 電極面積増加による静電気力への影響の具体例を説明するグラフである。 実施の形態１に係るＣＭＵＴの効果を説明するグラフである。 電界集中への具体的な対策の一例を示す要部断面図である。 電界集中への具体的な対策の別例を示す要部断面図である。 実施の形態１のＣＭＵＴを備えた超音波撮像装置の外観を示す斜視図である。 図２１に示す超音波撮像装置の機能を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。また、実施の形態を説明する図面においては、構成を分かり易くするために、平面図であってもハッチングを付す場合がある。

（実施の形態１）
図１は、本実施の形態に係るＣＭＵＴのセル１個分の領域を示す平面図、図２（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線断面図、図２（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線断面図である。なお、図１は、主として上下の電極とそれらの間に形成された空洞部の平面レイアウトを示しており、絶縁膜の図示は省略されている。

ＣＭＵＴのセルは、単結晶シリコンからなる基板１０１上に形成された絶縁膜１０２、絶縁膜１０２上に形成された下部電極１０３、下部電極１０３上に形成された２層の絶縁膜１０４、１０６、絶縁膜１０４と絶縁膜１０６との間に形成された空隙によって構成される空洞部１１０、空洞部１１０の上方に絶縁膜１０６を介して形成された上部電極１０７、および上部電極１０７の上部に形成された３層の絶縁膜１０８、１１１、１１２を備えている。なお、最上層の絶縁膜１１２の上部には、必要に応じてポリイミド樹脂などからなる異物付着防止用の保護膜（図示せず）が設けられる場合もある。

ここで、絶縁膜１０６、１０８、１１１、１１２および上部電極１０７のうち、空洞部１１０の上方に位置している部分（図１の二点鎖線Ｍで示す境界の内側部分）は、超音波の送受信時に振動するメンブレン１２０として機能する。また、絶縁膜１０６、１０８、１１１、１１２のうち、メンブレン１２０として機能する領域を囲んでいる部分（境界Ｍを囲んでいる部分）は、メンブレン１２０を支持する固定部として機能する。

上記絶縁膜１０４、１０６、１０８、１１１、１１２を開口して形成した接続孔１１３の底部には、下部電極１０３の一部によって構成された外部接続用のパッド１１５が露出しており、絶縁膜１０８、１１１、１１２を開口して形成した接続孔１１４の底部には、上部電極１０７の一部で構成された外部接続用のパッド１１６が露出している。ＣＭＵＴには、これらのパッド１１５、１１６を通じて外部の電源から直流電圧および交流電圧が印加される。なお、図中の符号１０９は、空洞部１１０を形成する工程（後述）で絶縁膜１０６、１０８に形成された開口を示している。

ＣＭＵＴは、上記のように構成された単位セルが基板１０１の主面の一方向あるいは互いに直交する二方向に沿って多数配置された構造を有している。

単位セル毎に設けられた空洞部１１０は、その中心部が外周部よりも厚い断面形状を有している。また、空洞部１１０の外周部には、この外周部に沿って形成された側壁部１１８が設けられている。言い換えると、空洞部１１０は、その中心部の厚さ（高さ）をｈ１とし、外周部に設けられた側壁部１１８の厚さ（高さ）をｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つような断面形状を有している。中心部の厚さ（ｈ１）は、好ましくは、外周部の厚さ（ｈ２）の１．５倍以上である。

図示の例では、空洞部１１０の厚さは中心部から外周部に向かって曲線的に単調減少しているが、空洞部１１０の断面形状は、これに限定されるものではなく、例えば、厚さが中心部から外周部に向かってほぼ直線的に減少するような断面形状や、局所的に凹凸を有し、中心部から外周部に向かって曲線的に減少する断面形状であってもよい。

また、図示の空洞部１１０の断面形状は、底面が平坦で上面が凸形であるが、底面が凹形で上面が平坦な断面形状であってもよい。但し、製造の容易さを考慮すると、図示のような断面形状とすることが好ましい。

また、図示の空洞部１１０の平面形状は矩形であるが、空洞部１１０の平面形状は矩形に限定されるものではなく、例えば円形、楕円形、五角形以上の多角形（六角形、八角形）などであってもよい。

次に、図３〜図１０を用いて本実施の形態のＣＭＵＴの製造方法の一例を説明する。図３〜図１０の（ａ）は、図１のＩＩａ−ＩＩａ線に沿った断面図、（ｂ）は、図１のＩＩｂ−ＩＩｂ線に沿った断面図である。

まず、図３に示すように、基板１０１上にＣＶＤ(Chemical Vapor Deposiotion)法または熱酸化法で膜厚５００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０２を形成した後、絶縁膜１０２の上部にスパッタリング法で膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム合金膜を堆積することにより下部電極１０３を形成する。続いて、下部電極１０３の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚２００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０４を堆積する。

次に、図４に示すように、絶縁膜１０４の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚１００ｎｍ程度の多結晶シリコン膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて多結晶シリコン膜をパターニングすることにより、絶縁膜１０４の上部に多結晶シリコン膜からなる犠牲層（ダミー層）１０５を形成する。犠牲層１０５が形成された領域は、後の工程で空洞部１１０となる領域であり、犠牲層１０５の膜厚は、空洞部１１０の側壁部１１８の厚さ（ｈ２）に相当する。

次に、図５に示すように、絶縁膜１０４および犠牲層１０５の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚２００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０６を堆積する。

次に、図６に示すように、絶縁膜１０６の上部にスパッタリング法で膜厚１００ｎｍ程度のアルミニウム合金膜を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いてアルミニウム合金膜をパターニングすることにより上部電極１０７を形成する。

次に、図７に示すように、絶縁膜１０６および上部電極１０７の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚２００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０８を堆積した後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて絶縁膜１０８、１０６の各一部を除去し、犠牲層１０５に達する開口１０９を形成する。

次に、図８に示すように、開口１０９を通じて犠牲層１０５の表面に水酸化カリウム水溶液などのウェットエッチング液を接触させて犠牲層１０５を溶解させる。これにより、犠牲層１０５が形成されていた領域に空洞部１１０が形成される。

次に、図９に示すように、絶縁膜１０８の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚５００ｎｍ程度の酸化シリコン膜からなる絶縁膜１１１を堆積する。これにより、開口１０９の内部に絶縁膜１１１が埋め込まれ、空洞部１１０が密閉される。

次に、図１０に示すように、絶縁膜１１１の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚５００ｎｍ程度の窒化シリコン膜からなる絶縁膜１１２を堆積する。絶縁膜１１２を構成する窒化シリコン膜は、酸化シリコン膜に比べて膜質が緻密なことから残留応力が高い。そのため、酸化シリコン膜からなる絶縁膜１０６、１０８、１１１の上部に窒化シリコン膜からなる絶縁膜１１２を堆積すると、絶縁膜１０６、１０８、１１１に絶縁膜１１２の残留応力が作用し、空洞部１１０の上方の絶縁膜１０６、１０８、１１１が上方に引き上げられる。その結果、空洞部１１０は、中心部の厚さ（ｈ１）が外周部に沿った側壁部１１８の厚さ（ｈ２）よりも大きくなり、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つような断面形状となる。

その後、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を用いて絶縁膜１１２、１１１、１０８、１０６、１０４に接続孔１１３を形成し、絶縁膜１１２、１１１、１０８に接続孔１１４を形成することにより、下部電極１０３の一部が露出されたパッド１１５と上部電極１０７の一部が露出されたパッド１１６を形成する。これにより、図１および図２に示すＣＭＵＴが完成する。

なお、上述したＣＭＵＴを構成する電極材料や絶縁膜材料は、好ましい一例であって、これらに限定されるものではない。電極材料としてはアルミニウム合金以外の金属材料、例えばＷ、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ａｕや、不純物を高濃度にドープした多結晶シリコンやアモルファスシリコンなどを使用することもできる。また、酸化シリコン膜からなる絶縁膜に代えて、酸窒化シリコン膜、酸化ハフニウム膜、シリコン−ドープド酸化ハフニウム膜などを使用することもできる。犠牲層１０５も、これらの絶縁膜に対するエッチング選択比が高い材料であれば多結晶シリコン膜に限定されず、例えば金属膜やＳＯＧ (Spin-on-Glass)膜などであってもよい。

上述した製造方法では、窒化シリコン膜（絶縁膜１１２）の残留応力を利用して空洞部１１０の中心部の厚さを外周部（側壁部１１８）の厚さより大きくしたが、次のような方法を用いることもできる。

まず、図１１に示すように、上述した図３の工程に従って基板１０１上に絶縁膜１０２、下部電極１０３および絶縁膜１０４を順次形成する。

次に、図１２に示すように、絶縁膜１０４の上部にプラズマＣＶＤ法で膜厚２００ｎｍ程度の多結晶シリコン膜を堆積した後、グレイスケールフォトマスクを用いた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、中心部の厚さ（ｈ１）が外周部の高さ（ｈ２）よりも厚く、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つような断面形状を有する犠牲層２０５を形成する。

次に、図１３に示すように、上述した図５〜図７に示す工程に従い、絶縁膜１０４および犠牲層１０５の上部に絶縁膜１０６を形成し、続いて絶縁膜１０６の上部に上部電極１０７、絶縁膜１０８を順次形成した後、絶縁膜１０８、１０６の各一部を除去して犠牲層２０５に達する開口１０９を形成する。

次に、図１４に示すように、上述した図８に示す工程に従い、開口１０９を通じて犠牲層２０５の表面にウェットエッチング液を接触させて犠牲層２０５を溶解し、犠牲層２０５が形成されていた領域に空洞部２１０を形成する。

次に、図１５に示すように、上述した図９に示す工程に従って絶縁膜１０８の上部に絶縁膜１１１を堆積し、開口１０９の内部に絶縁膜１１１を埋め込むことによって空洞部２１０を密閉する。

その後、図１６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を用いて絶縁膜１１１、１０８、１０６、１０４に接続孔２１３を形成し、絶縁膜１１１、１０８に接続孔２１４を形成することにより、パッド２１５、２１６を形成する。

図１１〜図１６に示す製造方法では、窒化シリコン膜（絶縁膜１１２）の残留応力を利用しないので、応力に起因する絶縁膜の剥離などの不具合を生じることなく空洞部２１０の断面形状を規定することができる。

なお、図１１〜図１６に示す製造方法においても、絶縁膜１１１の上部に残留応力の高い絶縁膜を堆積することにより、空洞部２１０の断面形状をより高精度に制御することができる。この場合は、絶縁膜１１１の上部に堆積する絶縁膜として比較的残留応力の小さい絶縁膜を用いたり、絶縁膜の膜厚を薄くしたりすることにより、残留応力のみを利用して空洞部２１０の断面形状を変形させる場合に比べて応力に起因する絶縁膜の剥離などの不具合の発生を抑制することができる。

次に、上記のような断面形状を有する空洞部１１０を備えた本実施の形態のＣＭＵＴの効果を従来技術と比較しながら説明する。

まず、断面形状が矩形、すなわち中心部から外周部に亘って均一な高さを有する一般的な形状（以下、基本構造という）の空洞部を備えたＣＭＵＴの動作について説明する。

この場合、上部電極と下部電極との間に直流電圧と交流電圧とを重畳して印加すると、両電極間に静電気力が働き、空洞部の上部の絶縁膜と上部電極とで構成されるメンブレンが弾性変形し、交流電圧の周波数に応じて振動することによって超音波を発信する。すなわち、ＣＭＵＴから送信される超音波の圧力はメンブレンの振動振幅に依存する。他方、受信の場合は、外部からメンブレンの表面に到達した超音波の圧力によってメンブレンが振動し、両電極間の距離が変化するので、この距離の変化を静電容量の変化として電気的に検出することによって超音波を受信する。

上記動作原理から、送信する超音波の圧力はメンブレンの振動振幅に依存する。矩形の断面形状を有する空洞部を備えたＣＭＵＴの場合、空洞部の外周部ではメンブレンが固定部（絶縁膜）により支持されており、空洞部の中心部付近のメンブレンの弾性変形により生じる撓みによって振動振幅が発生する。このことから、メンブレンの振動振幅は空洞部の外周部でゼロとなり、空洞部の中心部で最大となるような連続的な分布を持つ。

このような振幅分布を持つＣＭＵＴでは、上部電極のうち空洞部の外周部近傍の領域は、静電気力の発生への寄与が少ない。なぜならば、空洞部の外周部近傍の上下両電極は振動中もその距離を縮めることができないので、電極間の距離（誘電体が挿入されている場合はその比誘電率に基づいて真空に換算した等価距離）の２乗に反比例する静電気力は、メンブレンの最大振幅点（言い換えれば電極間の距離が最接近する点）の数分の１となるためである。

この性質は、送信する超音波の圧力を増やす上で大きな障害となる。なぜならば、超音波の圧力を増やすためには、メンブレンの最大振幅を増やせばよい、すなわち空洞部を高く形成すればよいが、その場合、電極間の距離の増加による静電気力の減少を補ってメンブレンを振動させる必要があるためである。

また、空洞部の面積に占める電極の面積を増加させることで静電気力を増加させることも可能であるが、前述した理由により、上部電極のうち固定部の近傍の領域は静電気力の発生への寄与が少ないため、その効果は限定的である。加えて、振動に寄与しない静電容量成分、すなわち寄生容量の増加を招くため、送受信時の感度を低下させる。

電極面積増加による静電気力への影響の具体例を図１７のグラフに示す。グラフの横軸は、空洞部の面積に占める上部電極の面積の割合（以降、「電極面積比」と呼ぶ）を示し、縦軸は電極間に一定電圧を加えた際に発生する静電気力の大きさを示している。グラフ中の破線のプロットは、理想的な場合、すなわちピストン状に上下動する平行平板が発生する静電気力の変化の理論値を示している。また、菱形のプロットは、上述した基本構造の空洞部、言い換えると平坦なメンブレンを有するＣＭＵＴが発生する静電気力の変化を示している。

破線のプロットが示すように、理想的な場合において静電気力は電極面積比に単純比例し、電極面積比が１００％となるとき最大となる。一方、菱形のプロットが示すように、振動振幅が分布を持つＣＭＵＴでは電極面積比が７５％を超えると静電気力の増加が鈍り、最大でも理想値の６０％に留まる。

上述した通り、平坦なメンブレンを有する基本構造のＣＭＵＴを採用する限り、電極面積比の拡大による静電気力の向上には限界が存在する。この制約下で実用的な音圧を発生させるのに十分な静電気力を得るためには、駆動電圧を大きくすることが必要となる。しかしながら、高い駆動電圧は電極間に印加される電界強度を強めるため、ＣＭＵＴ素子の破壊や特性劣化の進行を早めるなど、信頼性の低下という大きな問題を生じるため望ましくない。

ＣＭＵＴにおける破壊や特性劣化は、主として空洞部の上下の絶縁膜が劣化することによって生じる。これらの絶縁膜は、下部電極と上部電極とを隔て、短絡電流による破壊を防止するために形成されるが、これらの絶縁膜に過大な電界強度が加わると、絶縁破壊が発生したり、電極から絶縁膜に電荷が注入されて絶縁膜がチャージアップするという問題が発生する可能性がある。絶縁破壊が生じた場合、電流の増大によるジュール熱の発生でＣＭＵＴ素子が破壊され使用不能となる。また、絶縁膜がチャージアップすると、絶縁膜に帯電した電荷により上下電極間の電界が遮蔽され、最適な駆動ができなくなるという問題が生じる。

このように、矩形の断面形状を有する空洞部を備えた基本構造のＣＭＵＴは、メンブレンを振動させるために必要な駆動電圧を低くすることが困難である。

一方、空洞部の高さを空洞部の外周部でゼロにする特許文献１のＣＭＵＴによれば、空洞部の外周部近傍で両電極間の距離が縮まるので、空洞部の外周部近傍の領域も静電気力の発生に寄与できるようになり、より低い駆動電圧でメンブレンを駆動させることができるようになる。

しかしながら、特許文献１に開示されているような、空洞部の高さの分布が空洞部の中心部で最大となり、空洞部の外周部でゼロになる構造（第０種ベッセル関数、円弧関数、正弦関数が例として開示される）は、大振幅での超音波送信において信頼性が低下する問題がある。

すなわち、特許文献１に開示されたＣＭＵＴのように、外周部の高さがゼロになる空洞部は、メンブレンを最大限に振動させた時に空洞部の中心部だけでなく外周部でも空洞部上下の絶縁膜が互いに接触するので、上述した一般的な断面形状の空洞部に比べて空洞部上下の絶縁層同士の接触面積が増加する。その結果、長期間使用した場合に空洞部上下の絶縁膜にチャージアップが生じ易くなるので、絶縁層にトラップされた電荷によって上下電極間の電荷が遮蔽され、適切な駆動ができなくなったり、絶縁層に絶縁破壊が生じ易くなる。

これに対し、本実施の形態のＣＭＵＴの空洞部１１０は、下部電極１０３と上部電極１０７との間に電圧が印加されていない時の中心部の厚さをｈ１とし、外周部に設けられた側壁部１１８の厚さをｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つような断面形状を有する。

空洞部１１０を上記のような断面形状とした場合の静電気力増大の効果を、図１８のグラフに示す。グラフ中には図１７で示した数値例も比較のために示している。すなわち、破線のプロットは理想的な場合、すなわちピストン状に上下動する平行平板が発生する静電気力の変化の理論値を示しており、菱形のプロットは、上述した断面形状が矩形の空洞部を有するＣＭＵＴが発生する静電気力の変化を示している。また、円形のプロットは本実施の形態のＣＭＵＴが発生する静電気力の変化を示している。

上述したように、断面形状が矩形の空洞部を有するＣＭＵＴの場合は、電極面積比が７５％を超えると静電気力の増加が鈍り、最大でも理想値の６０％に留まる。これに対し、本実施の形態のＣＭＵＴの場合は、断面形状が矩形の空洞部を有するＣＭＵＴでは静電気力の増大が見込めない電極面積比７５％以上で静電気力の増大が顕著に生じ、理想状態の９０％を達成可能である。同一の電圧において強い静電気力を発生できるということは、すなわち、低電圧で同等の静電気力を発生させることが可能であることを意味している。

また、本実施の形態のＣＭＵＴは、側壁部１１８近傍の空洞部１１０がある一定の厚さ（ｈ２）を持つため、上下の電極間の絶縁膜が接触しない程度の変位の小さい状態では、上下の電極のうち側壁部１１８付近の領域で大きな静電気力を発生させ、電極間絶縁膜の接触が生じうる変位の大きな状態では、絶縁膜のうち振動振幅が最大となる空洞部１１０の中心付近の領域のみが接触する。側壁部１１８付近の空洞層がある高さを持つことにより、絶縁膜の接触部を限定することができ、接触部には電界強度を緩和する構造を配置することで、絶縁膜接触による電界集中への対策を空洞部の中央部に限定して施すことが可能となり、絶縁膜の劣化を抑制することができる。

電界集中への具体的な対策としては、例えば以下の方法が考えられる。図１９は、下部電極１０３または上部電極１０７の少なくとも一方のうち、絶縁膜１０４、１０６が接触する領域の電極部分を除去することによって電界の集中を抑制する例である。また、図２０は、絶縁膜１０４、１０６が接触する領域で絶縁膜１０４、１０６の少なくとも一方の膜厚を局所的に厚くし、絶縁膜１０４、１０６の接触が生じても電荷の蓄積が問題とならない程度まで電界強度を下げる例である。なお、図２０の方法を採用する場合でも、下部電極１０３と上部電極１０７との間に電圧が印加されていない時の中心部の厚さをｈ１’とし、外周部に設けられた側壁部１１８の厚さをｈ２としたときに、ｈ１’＞ｈ２＞０の関係が成り立つような断面形状とする必要がある。

図１９の例では、メンブレン１２０の最大変位部で電極部分を除去しているが、メンブレン１２０の複数箇所で電極部分を除去してもよい。また、図２０の例では、メンブレン１２０の最大変位部で絶縁膜を厚くしているが、メンブレン１２０の複数箇所で絶縁膜を厚くしてもよい。

以上のように、本実施の形態によれば、駆動電圧の低電圧化と長期信頼性の確保を両立させたＣＭＵＴを実現することができる。

（実施の形態２）
図２１は、前記実施の形態１のＣＭＵＴを備えた超音波撮像装置の外観を示す斜視図、図２２は、図２１に示す超音波撮像装置の機能を示すブロック図である。

超音波撮像装置３０１は、超音波の送受信を行う超音波送受信回路や超音波送受信回路が受信したエコー信号を処理し、検査対象の超音波画像を生成する信号処理回路などを収納する本体３０５と、本体３０５に接続され、超音波画像や操作者とのインターフェイスを行うためのＧＵＩを表示する表示部３０３と、操作者が操作する入力部３０４と、本体３０５に固定された超音波探触子接続部３０６を介して超音波送受信回路に接続される超音波探触子３０２とを備えている。

超音波探触子３０２は、被検体（患者）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り、多数のトランスデューサ素子を１次元または２次元アレイ状に配置した構造を有する超音波トランスデューサ３０７と、音響レンズやバッキング材などを備えている。超音波トランスデューサ３０７は、ＣＭＵＴ素子を数百〜１万個程度の範囲で１次元または２次元のアレイ状に配置して構成されている。

なお、図２１では、一例として本体３０５の底部にキャスタ３０８を備えた可動式の超音波撮像装置を示しているが、本実施の形態の超音波撮像装置３０１は、検査室に固定された超音波撮像装置、ノート型やボックス型などの携帯型超音波撮像装置、その他公知の超音波撮像装置に適用することができる。

図２２に示すように、超音波撮像装置３０１の本体３０５は、超音波送受信部４１１、信号処理部４１２、制御部４１３、メモリ部４１４、電源装置４１５、および補助装置４１６を備えている。

超音波送受信部４１１は、超音波探触子３０２から超音波を送信するための駆動電圧を発生させたり、超音波探触子３０２からエコー信号を受信するものであり、遅延回路、フィルタ、ゲイン調整回路などを備えている。

信号処理部４１２は、受信したエコー信号に対し、ＬＯＧ圧縮、深度補正などの補正や画像作成などに必要な処理を行うものであり、ＤＳＣ（デジタルスキャンコンバータ）、カラードプラ回路、ＦＦＴ解析部などを含んでいてもよい。信号処理部４１２による信号処理は、アナログ信号処理およびデジタル信号処理のいずれもが可能であり、一部はソフトウェアで実現でき、またＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）やＦＰＧＡ（field-programmable gate array）で実現することも可能である。

制御部４１３は、本体３０５の各回路や本体３０５に接続された機器の制御を行う。メモリ部４１４には、信号処理や制御に必要な情報やパラメータおよび処理結果が記憶される。電源装置４１５は、超音波撮像装置の各部に必要な電力を供給する。補助装置４１６は、上述した各部の他に、超音波撮像装置３０１に付随する機能、例えば音声発生などを実現するためのものであり、必要に応じて適宜追加される。

本実施の形態の超音波撮像装置３０１は、超音波探触子３０２の超音波トランスデューサ３０７として、前記実施の形態１のＣＭＵＴを用いているので、被検体（患者）に接触しても安全な低電圧でも超音波を高感度に送受信することができる。また、ＣＭＵＴの長期信頼性が高いことから、超音波撮像装置３０１のランニングコストを低減することができる。

以上、本発明者によってなされた発明をその実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

１０１ 基板
１０２ 絶縁膜
１０３ 下部電極
１０４ 絶縁膜
１０５ 犠牲層
１０６ 絶縁膜
１０７ 上部電極
１０８ 絶縁膜
１０９ 開口
１１０ 空洞部
１１１ 絶縁膜
１１２ 絶縁膜
１１３ 接続孔
１１４ 接続孔
１１５ パッド
１１６ パッド
１１８ 側壁部
１２０ メンブレン
２０５ 犠牲層
２１０ 空洞部
２１３ 接続孔
２１４ 接続孔
２１５ パッド
２１６ パッド
３０１ 超音波撮像装置
３０２ 超音波探触子
３０３ 表示部
３０４ 入力部
３０５ 本体
３０６ 超音波探触子接続部
３０７ 超音波トランスデューサ
３０８ キャスタ
４１１ 超音波送受信部
４１２ 信号処理部
４１３ 制御部
４１４ メモリ部
４１５ 電源装置
４１６ 補助装置

Claims (12)

1. 基板と、
   前記基板上に形成された下部電極と、
   前記下部電極上に順次形成された第１および第２絶縁膜の間に設けられた空洞部と、
   前記空洞部の上方の前記第２絶縁膜上に形成された上部電極と、
   前記上部電極上に順次形成された第３および第４絶縁膜と、
   前記空洞部上の前記第２絶縁膜、前記上部電極、前記第３および第４絶縁膜によって構成されるメンブレンと、
   を有し、
   前記空洞部は、中心部の厚さをｈ１とし、外周部の厚さをｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つ断面形状を有する、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、
   前記空洞部の厚さは、前記中心部から前記外周部に向かって曲線的に単調減少している、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、
   前記空洞部の厚さは、前記中心部から前記外周部に向かって直線的に減少している、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、
   前記空洞部は、前記空洞部上の前記第２絶縁膜側に凹部または凸部を有し、
   前記空洞部の厚さは、前記中心部から前記外周部に向かって曲線的に減少している、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において、
   前記空洞部の底面は平坦である、超音波トランスデューサ。
6. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記中心部の厚さ（ｈ１）は、前記外周部の厚さ（ｈ２）の１．５倍以上である、超音波トランスデューサ。
7. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   平面視において前記空洞部と前記上部電極とが重なる領域の面積は、前記空洞部の面積の７５％以上である、超音波トランスデューサ。
8. 請求項１記載の超音波トランスデューサにおいて、
   前記第４絶縁膜上に形成され、前記第２、第３および第４絶縁膜よりも残留応力が高い第５絶縁膜をさらに有する、超音波トランスデューサ。
9. （ａ）基板上に下部電極および第１絶縁膜を順次形成する工程、
   （ｂ）前記第１絶縁膜上に犠牲層を形成する工程、
   （ｃ）前記第１絶縁膜および前記犠牲層を覆う第２絶縁膜を形成する工程、
   （ｄ）前記第２絶縁膜上に上部電極を形成する工程、
   （ｅ）前記第２絶縁膜および前記上部電極を覆う第３絶縁膜を形成する工程、
   （ｆ）前記第３および第２絶縁膜の各一部を除去して前記犠牲層の表面に達する開口を形成する工程、
   （ｇ）前記開口を通じて前記犠牲層を除去することにより、前記第１および第２絶縁膜の間に空洞部を形成する工程、
   （ｈ）前記第３絶縁膜上に第４絶縁膜を形成することによって、前記開口に前記第４絶縁膜を埋め込む工程、
   （ｉ）前記第４絶縁膜上に前記第２、第３および第４絶縁膜よりも残留応力が高い第５絶縁膜を堆積し、前記空洞部の上方の前記第２絶縁膜、前記上部電極、前記第３および第４絶縁膜を上方に引き上げることにより、前記空洞部の中心部の厚さを前記空洞部の外周部に沿った側壁部の厚さよりも大きくする工程、
   を含む、超音波トランスデューサの製造方法。
10. 請求項９記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
    前記（ｂ）工程で前記第１絶縁膜上に形成される前記犠牲層は、前記犠牲層の中心部の厚さをｈ１とし、前記犠牲層の外周部の厚さをｈ２としたときに、ｈ１＞ｈ２＞０の関係が成り立つ断面形状を有する、超音波トランスデューサの製造方法。
11. 請求項１０記載の超音波トランスデューサの製造方法において、
    前記（ｇ）工程で、前記開口を通じて前記犠牲層にエッチング液を供給し、前記犠牲層を溶解して除去する、超音波トランスデューサの製造方法。
12. 請求項１記載の超音波トランスデューサを有する超音波探触子を備えた、超音波撮像装置。

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