JP2020057860A - 静電容量型トランスデューサ、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 任意の曲面に設置可能な静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を提供する。【解決手段】 エレメントを可撓性のある基板に設けることにより、曲面状に設けられたＣＭＵＴを実現する。【選択図】 図１

Description

本発明は、静電容量型トランスデューサ、及びその製造方法に関する。

マイクロマシニング技術によって作製される静電容量型トランスデューサは、圧電素子の代替品として開発が進められている。以下では、静電容量型トランスデューサをＣＭＵＴ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏ−ｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ）と略すことがある。

このようなＣＭＵＴによると、振動膜の振動を用いて超音波を送受信することが可能である。また、優れた広帯域特性により、より短い超音波パルスを発生できるため、超音波送信方向の空間分解能の向上につながる。また従来は複数の超音波プローブでの評価が必要なケースであっても、少ない数の超音波プローブでの評価が可能になり、装置の簡便化やコスト削減につながる。また、高調波を利用したイメージング技術には広帯域特性は有用である。

一般的な超音波プローブとしてコンベックス型超音波プローブがあり、ピエゾ素子を曲面に実装し、主に腹部等の断層像を広範囲に撮像することが可能である。主に半導体製造プロセス技術で作製される静電容量型トランスデューサは曲面に実装することがシリコン基板の影響から困難である。この課題に対して、作製した静電容量型トランスデューサを小さく分割し、実装したい曲面にあらかじめ施してあるガイドにあてて配設する方法が提案されている（特許文献１）。

特開２０１７−１４８２５８号公報

ＣＭＵＴの特性は、従来のピエゾ素子によるトランスデューサと比較して、音響インピーダンスが媒質に近いことにより、周波数帯域が広くでき、超音波の送信パルスを短くできるため、解像度の高い画像が得られる。しかし、半導体基板上に作製されるため、基板の剛性から曲面に実装することが難しい。超音波プローブは生体内部の情報を取得するために、音響インピーダンスを整合させるジェルや液体を介して可能な限り測定物に密着させる必要がある。それ故にＣＭＵＴを自由曲面に施した超音波プローブを提供することができれば、複雑な形状をした部位であっても生体内部の情報を超音波信号によって抽出することが可能になる。また、超音波画像の画質はエレメント間隔による回折から生じるアーチファクトの影響を受ける。この種のアーチファクトの影響を最小限に抑制するためにはエレメントの間隔をできるだけ小さくする必要があり、エレメントを密に実装することが求められる。

本発明に係る静電容量型トランスデューサは、少なくとも１つのエレメントを含み構成される静電容量型トランスデューサであって、前記エレメントは少なくとも１つのセルを有し、前記セルは、第一の電極と、前記第一の電極の上の第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜と空隙を介して対向する、第二の絶縁膜と第二の電極とを含む振動膜と、を含み、前記エレメントは可撓性を有する基板の上に設けられ、前記基板の表面には、表面電極と、前記表面電極と電気的に接続された配線とが設けられ、前記第一の電極、及び前記第二の電極は、前記表面電極と電気的に接続されており、前記基板の可撓性によって、前記エレメントが複数方向に変形配置可能である。

本発明に係るＣＭＵＴは、柔軟性を有する基板に施されているため、生体部位に曲げて当てることが可能である。また柔軟な基板に配設された配線によってエレメントを電気的に接続しているためエレメント間隔を密にでき、超音波の回折によるアーチファクトが抑制された高画質な超音波画像を形成可能な超音波信号を取得できる。

本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明するための上面図（ａ）、Ａ−Ａ’断面図（ｂ）、Ｂ−Ｂ’断面図（ｃ）である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明する断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明する断面図である。 本発明の実施形態に係るＣＭＵＴを説明する上面図（ａ），Ｃ−Ｃ’断面図（ｂ）である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの実施例３を説明する図である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの実施例４を説明する図である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの実施例５を説明する図である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの製造方法を説明する図である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴの製造方法を説明する図である。 本発明の実施例に係るＣＭＵＴを用いた画像形成装置の実施例７を説明する図である。

以下に、本発明の実施の形態について図１を用いて説明する。図１（ａ）は、本実施形態における静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）の上面図である。また図１（ｂ）および図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ’断面図およびＢ−Ｂ’断面図である。

本実施形態でのＣＭＵＴ１００は複数のセル１を含み構成されているエレメント３を有している。同一エレメント３内のセル１は配線２で電気的に接続されている。図１（ａ）では、エレメント３に含まれるセル１の数は９つであるが、いくつであっても構わない。セル１の並び方は等間隔の正方格子で描かれているが、並び方は六方最密でもよいし、不等間隔でもよい。図１（ａ）ではセル１を構成する振動膜６の形状は円形、楕円形、六角形等の多角形、あるいは矩形であってもよい。

セル１は、第一の電極８と、第一の絶縁膜９と、空隙１０を介して対向する振動膜６を含み構成される。振動膜６は第二の絶縁膜１１と第三の絶縁膜１３と、それらに挟まれた第二の電極１２、及び封止膜１７で構成され、支持部１５に振動可能に支持されている。封止膜１７は封止部１４の周辺を除いて除去されていても構わない。その際には振動膜６の構成要素は第二の絶縁膜１１、第二の電極１２、第三の絶縁膜１３となる。セル１あるいはエレメント３は可撓性（柔軟性）を有する基板４と接着物１９を介して接着されている。基板４の可撓性によって、エレメント３は複数方向に変形配置可能である。

また、図１（ａ）のＣＭＵＴ１００では、エレメント３は９つであるが１つでもよいし複数でもよく、数は問わない。エレメント３が複数ある場合、第一の電極８と第二の電極１２の一方は電気的に絶縁されている。また、第一の電極８と第二の電極１２のうち、どちらか一方は複数のエレメント３で共通であってもよい。すなわち、複数のエレメントの第一の電極同士、又は複数のエレメントの第二の電極同士が電気的に接続されていてもよい。

第一の電極８あるいは第二の電極１２は、直流バイアス電圧を印加する電極、あるいは電気信号を加えるもしくは電気信号を取り出すための電極、として用いる。直流バイアス電圧を印加する電極はエレメント内で共通となっている。直流バイアス電圧はエレメント間で共通となる構成としても構わない一方、信号を送受信する電極はエレメント毎に電気的に分離されている。

セル１を構成する材料について説明する。第一の電極８は金属が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジウム、クロム、コバルト等の金属を用いることができる。また、これらの金属を複数積層した積層体、これらの金属の化合物、これらの金属の合金や、これらの金属とケイ素や銅との化合物、これらの金属とケイ素や銅との合金でもよい。また、これらの金属に高濃度の不純物が含まれた半導体もしくは化合物半導体でもよい。

空隙１０は第一の絶縁膜９および第二の絶縁膜１１および封止部１４によって覆われている。空隙１０は大気圧と比較して十分減圧された状態で封止されている。封止されていることにより、封止後の工程中もしくは使用中に液体が空隙１０内部に入ることを抑制している。また減圧されていることでＣＭＵＴの感度を高めている。第一の電極８と第二の電極１２は空隙１０を含めて絶縁体で絶縁されている。図１（ｂ）の場合は、第一の絶縁膜９、第二の絶縁膜１１および第三の絶縁膜１３によって絶縁されている。これらの絶縁膜９、１１、１３は例えば酸化シリコンや窒化シリコンである。第二の電極１２は金属が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジム、クロム、コバルトやこれらの化合物および合金や、ケイ素や銅との化合物および合金でよい。

本実施形態のＣＭＵＴの動作原理を説明する。静電容量型トランスデューサで超音波を送受信する場合、電圧印加手段５で、基板４に配設された配線２１とビア２２を介して第一の電極８と第二の電極１２との間に電位差を形成する。第一の電極８と第二の電極１２との間に直流電圧に加えて交流電圧を印加すると静電気力の時間変化によって振動膜６が振動する。振動膜の振動は数十キロヘルツから数十メガヘルツであり、超音波の周波数帯である。振動膜上の物質を直接振動させることで超音波が発生する原理である。このように、本実施形態に関わるＣＭＵＴは電気信号を振動膜の振動に変換し、その振動が超音波を生成することで超音波を送信することができる。

一方、超音波を受信すると、第二の電極１２を有する振動膜が振動するため、エレメント３の静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、信号取り出し電極に交流電流が流れる。このように、超音波が電気信号に変換されることで超音波を受信することができる。静電容量型トランスデューサの場合は、超音波を受信すると静電容量の変化による微小な交流電流となって出力される。この電流は演算増幅器等の回路によって増幅された電圧信号となり、Ａ／Ｄコンバータで離散化されたのちに信号処理される。

本実施形態のＣＭＵＴの構造について説明する。ＣＭＵＴ１００の各エレメント３は柔軟性を有する基板４上に接着されており、各エレメント３との間は構造的に分離されている。エレメント３の間の溝２０の幅をエレメント３の高さよりも広く取ることで、ＣＭＵＴ１００は柔軟に変形することができ、さまざまな形態の曲面に接地、密着させることができる。エレメント３の高さは数マイクロメートル程度であり、溝２０の幅がエレメント３の高さと同程度であるので、エレメント３の配列ピッチを最密にすることが可能である。これにより、超音波の回折によって生じるアーチファクトを減らすことができるため、良質な超音波画像を提供することができる。なお、エレメントの上面から底面までの高さが３マイクロメートル以下とすることができ、隣接するエレメント同士の間の距離が、エレメントの上面から底面までの高さの２倍以下とすることができる。ここで、エレメントの高さは、エレメントのうち、基板側の面（底面）から、基板側と逆側の面（上面）までの距離である。

第二の電極１２は引出し配線７を伝って引き出される。第二の電極１２は第一の電極８と絶縁分離されながら電気信号を基板４に配設された電極２３に引き出せる構造であればよい。引出構造は例えばワイヤボンディングのような空中配線２７（図２）、スクリーン印刷やフォトリソグラフィーを利用したパターン配線２６（図３）、インクジェット等による描画配線でもよい。図１（ｃ）、図２または図３では第二の電極１２を引き出した構造を図示しているが、第一の電極８を同様な構造で引き出してもよいし、また、第一の電極８と第二の電極１２の両方を同様の方法で引き出しても構わない。さらに、図１（ｃ）のように第二の電極１２は第一の電極８とは絶縁分離されたエレメント３の底面の電極１６に引き出されることで、基板４側に電気的に接続させてもよい。これによって、図２や図３よりもさらにエレメント３を密に配設することが可能になる。電極８や１６と基板４とは導電性を有する接着層１９で基板４上に形成された表面電極１８に電気的にも構造的にも接続している。接着層１９は導電性を有する樹脂やはんだ等の合金でもよい。基板４は配線層２１やビア２２を有し、それらを伝わった電気信号が最終的には画像形成装置に接続されている。

図１（ｃ）によると、エレメント３の底面の電極１６と第一の電極８は第二の絶縁膜１１で分離されている。この電極分離構造は第一の絶縁膜９を利用しても可能である。エレメント３の高さは数マイクロメートルであり幅は数百マイクロメートルであるから非常に薄く平たい構造であるため、エレメント３の剛性は高い方が望ましい。この電極分離構造の材料としては酸化シリコンや窒化シリコンでもよいが、ヤング率の高い窒化シリコンの方が望ましい。

また図４（ａ）に示すようにエレメント３が一次元に並べられていてもよく、エレメント３同士の間に溝２０が施され構造的に分離されている。図４（ｂ）のようにエレメント３の上部は樹脂材料で覆われていてもよい。樹脂材料２５はエレメント３やその周囲を保護する役割を有する。また、成形することで音響レンズの役割を有することができる。また溝２０や接着層１９の隙間に絶縁性の樹脂２８を埋めてあっても構わない。これにより溝２０にごみが混入することを防ぐことができ、また絶縁信頼性や構造信頼性を高めることも可能になる。

図４においてエレメント３の接着された柔軟性を有する基板４は曲面を有する土台２９に接着されている。これにより本実施形態のＣＭＵＴはコンベックス型リニアプローブを提供可能にする。また土台２９は凹面でもよく、その場合はコンケーブ型のリニアプローブも提供できる。また土台２９はエレメント３の長辺方向に曲面を有していてもよい。さらに、土台２９の曲面の曲率は一様である必要もない。

エレメント３で発生した超音波または受信した超音波は基板４の方向にも伝播し、反射することで受信信号や画質に影響を与える可能性がある。それ故に、基板４が音響減衰性を有することが望ましい。また図５のように基板４の裏面に音響減衰材２４が設置されていてもよい。基板４の材質としてはエポキシなどの樹脂でもよい。また音響減衰材２４は樹脂単体でもよいがチタンやタングステン等の金属の微粒子を混在させた樹脂でもよい。反射を抑制するためには基板４と音響減衰材２４の音響インピーダンスが整合しているのが好ましい。

基板４にセル１と同様に演算増幅回路やＡ／Ｄコンバータが実装されていてもよい。これにより、離散化されるまでの配線の長さを短くすることができ、配線長さに依存する反射波やノイズを抑制することができる。

本実施形態のＣＭＵＴの製法について説明する。本実施形態に係るＣＭＵＴの製造工程は図８に図示するエレメント製造工程とエレメント分離工程、図９（ａ）の支持基板の接着工程、図９（ｂ）のウエハ剥離工程、図９（ｃ）の柔軟基板の接着工程および支持基板の剥離工程で構成される。

エレメント製造工程を図８に示す。ウエハ１０１上に膜１０２を形成する。この膜１０２はウエハ剥離工程（図９（ｂ））で除去される。ウエハ１０１は例えば単結晶シリコン、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）、ガラス、結晶化ガラス、石英、炭化ケイ素などでよく、膜１０２はウエハ１０１の酸化物や窒化物などでよい。また膜１０２は堆積膜でもよく、真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長、物理気相成長、熱酸化などによる、金属あるいは絶縁体の膜でよい。ただし、のちの工程で除去する際に、エレメント部分の構成材料以外のものが好ましい。

図１における第一の電極８や電極１６の元となる導体膜１０３を成膜する。この導体膜１０３は平滑性、導電性、および耐熱性が求められる。材料としてはタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジウム、クロム、コバルトやこれらの積層、化合物および合金や、ケイ素や銅との化合物および合金でよい。また、高濃度の不純物を含んだ半導体もしくは化合物半導体でもよい。成膜方法は真空蒸着、スパッタリング、化学気相成長（ＣＶＤ）、等でよい。導体膜１０３の厚さは５０ナノメートル乃至４００ナノメートル程度である。

次に、第一の絶縁膜１０４を成膜する。材料は酸化シリコン、窒化シリコン等でよく、成膜方法はＣＶＤやスパッタリングでよい。その後、犠牲層となる膜１０５を成膜する。材料はクロム、モリブデン、酸化シリコン、非晶質シリコンなどでよい。厚さは１００ナノメートル乃至５００ナノメートル程度である。その犠牲層１０５をフォトリソグラフィーでパターニングし、同様に第一の絶縁膜１０４と導体膜１０３パターニングする（図８（ｃ）、（ｄ））。第二の絶縁膜１１０を成膜し、電極１０８の上部の第二の絶縁膜１１０を除去し、コンタクト部１１１を形成する（図８（ｅ））。第二の絶縁膜１１０は酸化シリコンもしくは窒化シリコンでよく、厚さは２００乃至８００ナノメートルである。第二の電極１２となる導体膜１１２を成膜し、パターニングする（図８（ｆ））。導体膜の材料としては金属が望ましく、例えばタングステン、モリブデン、チタン、アルミニウム、ネオジム、クロム、コバルトやこれらの化合物および合金や、ケイ素や銅との化合物および合金でよい。導体膜１１２の厚さは１００乃至６００ナノメートルである。第三の絶縁膜１１３を成膜する。材料は酸化シリコンもしくは窒化シリコンでよく、厚さは２００乃至８００ナノメートルであるが、導体膜１１２を完全に覆っている。その後、エッチング孔１１５を形成し、犠牲層１０６を除去する（図８（ｇ））。封止膜１１６を成膜する。封止膜１１６の材料は第二の絶縁膜１１０や第三の絶縁膜１１６と同一材料であることが封止性を高めるので好ましい。空隙１１４上の第二の絶縁膜１１０、導体膜１１２、第三の絶縁膜１１３および封止膜１１６で振動膜を構成するが、振動膜の厚さを調整するために、封止膜１１６を除去する工程があっても構わない。振動膜が自立するためには、膜応力が全体として引っ張り応力である必要があるため、第二の絶縁膜１１０、導体膜１１２、第三の絶縁膜１１３は応力を制御して形成される。特に、第二の絶縁膜１１０および第三の絶縁膜１１３の膜応力は０乃至１５０メガパスカル程度であることが好ましい。これによって、振動膜が破れることや、膨らんだり、空隙の底面に付着したりすることを防止できる。

エレメント分離工程（図８（ｈ））は、エレメントの間の第二の絶縁膜１１０、第三の絶縁膜１１３、および封止膜１１６をエッチングで除去する工程である。この際、エッチングが膜１０２あるいはウエハ１０１に到達していなくてはならない。この工程が円滑に行うためには、第二の絶縁膜１１０、第三の絶縁膜１１３、および封止膜１１６が同一材料であることが好ましく、またそれらが膜１０２とは異なる材料であることが望ましい。

図９（ａ）に示す支持基板の接着工程はエレメントの上部を支持基板１２１と接着剤１２２で接着する工程である。接着材１２２として粘着シートを用いることができる。

その後、ウエハ剥離工程（図９（ｂ））を行い、ウエハ１０１と膜１０２を除去する。ウエハ１０１の裏面からグラインドやエッチングなどで除去する方法でも、膜１０２をエッチングすることによってウエハ１０１をはがす方法でもよい。いずれの方法でもエレメント１１９に加工が及ぶことを防ぐために、選択比の高いエッチングによる除去が望ましく、そのためにウエハ１０１または膜１０２と、導体膜１０８、１０９や第二の絶縁膜１１０の材料は異なることが望ましい。ウエハ１０１単結晶シリコン、Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ（ＳＯＩ）、ガラス、結晶化ガラス、石英、炭化ケイ素などである。膜１０２はウエハ１０１の酸化物や窒化物などでよい。たとえばウエハ１０１がケイ素単結晶基板であれば膜１０２は酸化シリコンでよく、その際、エレメント１１９の露出部分が酸化シリコン以外で形成されている必要がある。ウエハ１０１がガラスであれば、膜１０２は不必要であり、同様の工程でウエハ１０１を除去できる。本工程を考慮するにエレメント１１９の底面の電極を分離する箇所１２３は膜１０２とは異なる材料である必要がある。たとえば膜１０２が酸化シリコンであれば電極を分離している箇所１２３は窒化シリコンであればよい。

次に、柔軟基板の接着工程を行う。基板１２６は柔軟性を有し、かつ配線、ビア、電極を有するフレキシブル配線基板になっている。エレメント１１９の底部の電極と電気的にも構造的にも接続することでエレメント１１９の高密度配列が可能になる。接着剤１２２は導電性接着剤あるいははんだ合金等の金属が好ましい。接着剤１２２が導電性接着剤の場合は、基板１２６側にあらかじめ塗布しておき、接着する。はんだ合金などの場合は、基板側にパターン形成しておき接着後、リフローさせる。

最後に支持基板の剥離工程を行い、支持基板１２１を除去する（図９（ｃ））。この際、接着剤１２２の粘着性を低下させてはがす。たとえば接着剤１２２に加熱発泡性の樹脂材料を使用することで、容易に剥離することができる。図４（ｂ）のように基板１２６を曲げて曲面状に接着固定してもよいし、柔軟性を保ったまま様々な曲面に当てられる状態にしておいてもよい。

本実施形態のＣＭＵＴの製法によって、ウエハ上でエレメント部分を形成することで、良質の振動膜、絶縁膜、電極を精度よく形成、加工することが可能であり、より均質なＣＭＵＴを提供できる。またエレメントを分離し、柔軟性を有し、電極および配線を有する基板に転写することでＣＭＵＴを様々な曲面状に密着させることが可能である。ウエハ上にマイクロマシニング技術で製造されたエレメント部分をそのまま柔軟性を有する基板に転写するため、エレメント間隔が小さくかつ精度のよいアレイ素子を製造できる。エレメント間隔が十分小さいことで、回折によって生じるアーチファクトを最小限に抑えることができる。

本実施形態は、ＣＭＵＴについて、あらゆる曲面に当てて超音波診断可能であり、あるいはあらゆる曲面に対して実装可能なトランスデューサの構造を提案したものである。このＣＭＵＴは主にウエハ上で作製されるため曲面状に配置することが困難であった。本実施形態の構造及び製法により、基板部分を剥離し、薄いエレメント部分のみを柔軟性を有する基板に張り付け、電気的にも接続させることで、柔軟性を有し、かつ高密度に配列されたエレメントを有するＣＭＵＴを実現できる。そして、このようなＣＭＵＴを搭載した超音波プローブを実現できる。これにより複雑な局面を有する生体部位から内部の情報を超音波で撮像することが可能になる。

以下、より具体的な実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

図１を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの例（実施例１）を説明する。図１（ａ）は本実施例におけるＣＭＵＴの上面図であり、エレメント３は二次元アレイとして構成されている。

まず、セル１の断面構造について図１（ｃ）を用いて説明する。第一の電極８として厚さ１００ナノメートルのタングステンと厚さ１０ナノメートルのチタンの積層膜の上に、第一の絶縁層９として酸化シリコンを４００ナノメートル、空隙１０の高さは３００ナノメートルであり、２００パスカルで減圧、封止されている。空隙１０の上の第二の絶縁膜１１は窒化ケイ素膜で厚さは６００ナノメートルである。第二の電極１２は厚さ１００ナノメートルのアルミニウム・ネオジウム合金である。セル１の振動膜の直径は３０マイクロメートル、第二の電極１２の直径は２８マイクロメートルで、配線２の幅は４マイクロメートルである。第三の絶縁膜１３は窒化シリコンで厚さは４００ナノメートルである。第二の絶縁膜１１、第二の電極１２および第三の絶縁膜１３は振動膜６の構成要素である。第二の絶縁膜１１と第三の絶縁膜は引張応力を有することで振動膜６を安定的に形成している。本実施例では第二の絶縁膜および第三の絶縁膜であるシリコン窒化膜は１００メガパスカルの応力を有している。封止膜１７の厚さは７００ナノメートルであり孔１４で空隙１０は封止されている。封止膜の材料は窒化シリコンである。

第二の電極１２は水平方向に引き出され、底面の電極１６に接続する。電極１６は第一の電極８と同一材料で同じ厚さで形成されているが、電極８とは第二の絶縁膜１１で絶縁されている。電極８と１６は底部から導電性接着剤１９を介して、柔軟性を有する基板４に接着されている。基板４の基材はポリイミドであり配線２１やビア２２の材料は銅である。導電性接着剤はエポキシ樹脂を基材とした金属微粒子の混合物である。各エレメント３にすくなくとも一組ずつの電極８および１６が存在し、それらに対抗して基板４の表面電極１８があり、基板４内部の配線２１およびビア２２を介して電気信号が引き出される。

ＣＭＵＴは電圧印加手段５から直流電圧を第一の電極８と第二の電極１２の間に印加することにより、電気機械変換を行い、超音波の送信および受信が可能になる。なお、超音波送信時には電圧印加手段５より直流電圧に加えて交流電圧を印加する。ＣＭＵＴの駆動条件はセル１のプルイン電圧より決定する。プルインとは第一の電極８と第二の電極１２との間に直流電圧を印加したとき、振動膜の剛性による復元力と静電気力のつり合いがとれなくなり、振動膜が空隙１０の底面に接触することであり、この電圧をプルイン電圧と呼ぶ。本実施例におけるセル１のプルイン電圧は３００ボルトであり、駆動条件は、直流電圧は２００Ｖ、交流電圧の振幅最大値は１００Ｖである。

エレメント３は他のエレメントとは溝２０で構造的に分離されており、溝２０の幅は５マイクロメートルである。エレメント３の高さは空隙１０の直上で２．３マイクロメートルほどであるため、溝２０部で９０度曲げてもエレメント３が隣接するエレメントと接触することはない。そのため、ＣＭＵＴ１００は柔軟性を有する基板４を自由に曲げることであらゆる形状に変形することができる。

ＣＭＵＴの主な用途は送信した超音波のエコーを自ら受信し、様々な種類の情報、たとえば距離、方向、物体の種類、特性、速度などを取得する。生体の多様な部位の情報を取得するためには、トランスデューサが生体の複雑な曲面に沿うように変形でき、また所望の曲面に実装可能な柔軟性を有していることが必要である。本実施例におけるＣＭＵＴの場合、エレメント３を狭ピッチにかつ自由な曲面に配置した超音波プローブを提供することが可能となる。

図４を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの例（実施例２）を説明する。ＣＭＵＴ１００は長方形のエレメント３が一次元的に配列された構成である。エレメント３の短辺長は２００マイクロメートルであり、長辺長さは８ミリメートルである。セル１はエレメント３の内部に最密に配列されている。各エレメントは溝２０で構造的に分離されている。エレメント３の厚さ方向の構造は実施例１に相当する。

エレメント３の上面側に樹脂２５を接着し、エレメント３の表面を保護している。樹脂２５はシリコーンゴムであり、３００マイクロメートルほどの厚さがある。樹脂２５の音響インピーダンスは１．５ＭＲａｙｌｓ程度であり、生体の音響インピーダンスと整合している。樹脂２８はアンダーフィル材としてエレメント３の間や導電性接着剤の隙間を埋め、絶縁信頼性および構造信頼性を高める役割を担う。樹脂２８はエポキシ樹脂である。

本実施例における樹脂２５を施したＣＭＵＴは生体との効率のよい超音波伝播を実現し、信頼性の高く、かつエレメントが曲面に配設された超音波プローブの提供を実現する。

図５を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの例（実施例２）を説明する。本実施例のＣＭＵＴは図１に示したものに対応する。

エレメント３が接着実装されたエポキシ樹脂を基材とする基板４の裏面にエポキシ樹脂にタングステン微粒子が混在した音響減衰材２４が接着されている。ＣＭＵＴで発生した、あるいは入射してくる超音波を音響減衰材２４で吸収することで、反射波を抑制できる。また本実施形態では基板４だけでも音響減衰特性を有するため、基板４を音響減衰材と一体として考えることもできる。反射波は超音波画像上ではノイズとなるため、本実施例の音響減衰材２４を施したＣＭＵＴは高画質な超音波像を提供できる。

図６を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの例（実施例４）を説明する。本実施例のＣＭＵＴは図１に示したものに対応する。

基板３３にはビア３４および３５、配線３６および３７があり、それぞれ電気的に結合している。エレメント３１はサブエレメント３２に構造的に分割されており、基板３３内部で電気的に並列結合している。サブエレメントの第一の電極はビア３４を介して配線３６に接続し、サブエレメントの第二の電極はビア３５を介して配線３７に接続している。たとえばリニアプローブであればエレメント内部では音響レンズで焦点を結ぶが、音響レンズの減衰を考慮しなくてはならない高周波数の超音波を用いる場合は、エレメントを変形させて焦点を結ぶことができる。本実施例におけるＣＭＵＴはエレメントを変形実装することが可能であるため、エレメントに曲面を持たせて超音波のビームを形成することが可能な超音波プローブの提供を実現する。

図７を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの例（実施例５）を説明する。本実施例のＣＭＵＴは図１に示したものに対応する。

送信電圧信号を電圧印可手段４５から基板４４に実装された回路４７と配線４６およびビア４８、導電性接着剤４９を介してエレメント４１の第一の電極４２に印加する。またエレメント４１で受信した超音波を電気信号に変換し、同様にビア４８、配線４６、回路４７を介して受信装置５０内部のＡ／Ｄコンバータで離散化される。回路４７の内部で送信時と受信時の切り替えスイッチが存在し、自動的に送信と受信の回路が切り替わる。また回路４７の内部には受信信号を増幅する演算増幅回路がある。

本実施例におけるＣＭＵＴはエレメントを変形実装することが可能であり、また基板上に回路も実装することが可能となりよりノイズ影響をうけにくい超音波プローブの提供を実現する。

図８および図９を用いて本発明の実施例に係るＣＭＵＴの製造方法の例（実施例７）を説明する。本実施例で製造されるＣＭＵＴは図１に示したものに対応する。

図８（ａ）に単結晶シリコン基板１０１を熱酸化させて酸化シリコン膜１０２を１マイクロメートル成膜する。熱酸化工程では基板表面すべてが酸化するが、図８（ａ）では裏面側は図示しない。

次に第一の金属膜（導体膜）１０３としてタングステン１００ナノメートルとチタン１０ナノメートルをスパッタリングで連続して成膜する。その後、Ｐｌａｓｍａ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＰＥＣＶＤ）により酸化シリコン膜を４００ナノメートル成膜し、第一の絶縁膜１０４を形成する。その後、非晶質ケイ素膜１０５を成膜する。

図８（ｂ）に犠牲層１０６の形成を示す。非晶質シリコン膜１０５の一部をエッチングして除去する工程である。第一の絶縁膜の一部１０７を残してエッチングする（図８（ｃ））。次に導体膜１０３をエッチングし、電極１０８および１０９を形成する（図８（ｄ））。図８（ｅ）に第二の絶縁膜１１０を形成する工程を示す。窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤで３００ナノメートル成膜し、コンタクトホール１１１を形成する。

図８（ｆ）に第二の金属膜（第二の電極）１１２の形成を示す。アルミニウム・ネオジウム合金膜をスパッタリングで１００ナノメートル成膜し、第二の電極１１０を形成する。

その後、窒化シリコン膜をＰＥＣＶＤで４００ナノメートル成膜し、第三の絶縁膜１１３を形成する（図８（ｇ））。犠牲層１０６を除去するために、犠牲層１０６に連通するように、第二の絶縁膜、第三の絶縁膜の一部に貫通する孔１１５を形成する。そして、二フッ化キセノンによるドライエッチングによって犠牲層１０６を形成する非晶質シリコンを除去し、空隙１１４が形成される。

犠牲層エッチングに用いた孔１１５はその後ＰＥＣＶＤによって厚さ７００ナノメートルの窒化シリコン膜１１６により封止される（図８（ｈ））。この際、成膜条件が２００パスカル程度の雰囲気になることから、空隙１１４は減圧封止される。封止の際に振動膜上部に積層された窒化ケイ素はエッチングにより除去する場合がある。封止工程に相当の膜厚が必要な場合には、犠牲層エッチング前に、第三の絶縁膜１１３の上部にエッチングストップ層を形成し、犠牲層エッチング、封止、封止膜のエッチング後にエッチングストップ層を除去する。その後、エレメント１１９の間の第二の絶縁膜１１０、第三の絶縁膜１１３、および封止膜１１６をエッチングで除去し、溝１１８を形成することでエレメント１１９同士を空間的に分離する。

図９（ａ）に支持基板の接着工程を示す。支持基板１２１に分離されたエレメント１１９の上面を熱発泡接着剤１２２で張り付ける。図９（ｂ）にウエハ剥離工程を示す。酸化シリコン膜１０２をフッ化水素酸でエッチングすることでウエハ１０１を剥離する。次に柔軟基板の接着工程を示す。表面に電極１２４を有する柔軟な基板１２６に導電性接着剤１２５をスクリーン印刷で塗布する。その後、導電性接着剤１２５と電極１０８および１０９を接着する。最後に加熱して熱発泡接着剤１２２を発泡させ、支持基板１２１を剥離する。これにより、柔軟性を有する基板上にエレメントが高密度に実装されたＣＭＵＴが完成する（図９（ｃ））。

ＣＭＵＴの主な用途は送信した超音波のエコーを自ら受信し、様々な種類の情報、たとえば距離、方向、物体の種類、特性、速度などを取得する。生体の多様な部位の情報を取得するためには、トランスデューサが生体の複雑な曲面に沿うように変形でき、また所望の曲面に実装可能な柔軟性を有していることが必要である。本実施例におけるＣＭＵＴの製造方法により、エレメント１１９を狭ピッチにかつ自由な曲面に配置した超音波プローブを提供できる。

図１０を用いて本発明実施例に係る超音波画像形成装置の例を説明する。本実施形態で用いられるＣＭＵＴ２０１とエレメント２０３の構成は実施例１乃至実施例６と同様である。

曲面を有する生体表面２０５に沿うようにＣＭＵＴ２０１を変形させて設置する。生体表面２０５とエレメント２０３との間は生体の音響インピーダンスに近いジェルが介在することで生体内へまたは生体内からの超音波２０２を伝播させる。エレメント２０３で生成した超音波２０２は生体内部の音響反響体２０４でのエコーとして再度エレメント２０３に戻り、受信する。受信した超音波はエレメント２０３で電気信号に変換され、基板内部の配線を通して外部に接続する配線２０６より処理部（計算機）２０７に接続する。計算機２０７では得られた信号を画像情報に変換し、表示部（表示器）２０８で超音波画像をリアルタイムで表示する。表示制御部（付図示）は、表示部２０８、処理部２０７で得た画像情報に基づいて、画像を表示させる制御を行う。

以上のように、本実施例に係る超音波画像形成装置により生体の複雑な表面形状に対して形状に適応できるＣＭＵＴによって高画質な画像形成が可能な画像形成装置を提供できる。

１ セル
２ 配線
３ エレメント
４ 基板
５ 電圧印可手段
６ 振動膜
７ 引出し配線
８ 第一の電極
９ 第一の絶縁膜
１０ 空隙
１１ 第二の絶縁膜
１２ 第二の電極
１３ 第三の絶縁膜
１４ 封止部
１５ 支持部
１６ 電極
１７ 封止膜
１８ 表面電極
１９ 導電性接着剤
２０ 溝
２１ 配線
２２ ビア
１００ 静電容量型トランスデューサ（ＣＭＵＴ）

Claims (24)

1. 少なくとも１つのエレメントを含み構成される静電容量型トランスデューサであって、
   前記エレメントは少なくとも１つのセルを有し、
   前記セルは、第一の電極と、前記第一の電極の上の第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜と空隙を介して対向する、第二の絶縁膜と第二の電極とを含む振動膜と、
   を含み、
   前記エレメントは可撓性を有する基板の上に設けられ、
   前記基板の表面には、表面電極と、前記表面電極と電気的に接続された配線とが設けられ、
   前記第一の電極、及び前記第二の電極は、前記表面電極と電気的に接続されている静電容量型トランスデューサ。
2. 前記第一の電極、及び前記第二の電極の少なくともいずれか一方が、空中配線で前記表面電極と電気的に接続されている
   請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
3. 前記第一の電極、及び前記第二の電極の少なくともいずれか一方が、パターン配線で前記表面電極と電気的に接続されている
   請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
4. 前記第一の電極、及び前記第二の電極が前記エレメントのうち前記基板側に電気的に引き出されており、前記第一の電極、及び前記第二の電極は前記表面電極と導電性を有する接着層を介して接続されている
   請求項１に記載の静電容量型トランスデューサ。
5. 前記接着層は導電性を有する樹脂を含む
   請求項４に記載の静電容量型トランスデューサ。
6. 前記接着層は合金を含む
   請求項４に記載の静電容量型トランスデューサ。
7. 前記第一の電極、及び前記第二の電極は前記エレメントのうち前記基板側の面において前記第二の絶縁膜の一部で絶縁されている
   請求項４乃至６の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
8. 前記第一の絶縁膜が酸化シリコンを含み、前記第二の絶縁膜が窒化シリコンを含む
   請求項４乃至６の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
9. 前記静電容量型トランスデューサが、複数のエレメントを有し、
   前記エレメントのうち、前記基板側の面から、前記基板側と逆側の面までの高さが、前記複数のエレメントの隣接するエレメント同士の距離よりも小さい、請求項１乃至８の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
10. 前記エレメントのうち、前記基板側の面から、前記基板側と逆側の面までの高さが３マイクロメートル以下であり、前記複数のエレメントの隣接するエレメント同士の距離が前記高さの２倍以下である請求項１乃至９の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
11. 前記静電容量型トランスデューサが、複数のエレメントを有し、
    前記基板の配線が前記複数のエレメントの前記第一の電極同士、もしくは前記第二の電極同士を接続することにより、前記複数のエレメント同士が電気的に接続され、前記基板が曲率を有する請求項１乃至１０の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
12. 前記基板がエポキシ樹脂を含む
    請求項１乃至１１の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
13. 前記基板の裏面に音響減衰材が接着されている
    請求項１乃至１２の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
14. 前記音響減衰材はタングステンの微粒子が混在したエポキシ樹脂を含む
    請求項１３に記載の静電容量型トランスデューサ。
15. 前記振動膜の上面は樹脂で覆われている
    請求項１乃至１４の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサ。
16. 前記第一の電極または前記第二の電極から送られてきた電気信号を増幅する演算増幅器が前記基板の一部に接続されている
    請求項１乃至１５の何れか１項に記載の、静電容量型トランスデューサ。
17. 請求項１乃至１６の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサと、
    前記エレメントによって受信した電気信号から画像情報を生成する処理を行う処理部と、
    前記画像情報を表示部に表示させる表示制御部と、を有する画像形成装置であって、
    前記静電容量型トランスデューサは、前記基板の可撓性によって曲面状に設けられている、
    画像形成装置。
18. 第一の電極と、前記第一の電極の上の第一の絶縁膜と、前記第一の絶縁膜と空隙を介して対向する、第二の絶縁膜と第二の電極とを含む振動膜と、
    を含むセルと、
    複数の前記セルが電気的に接続されたエレメントを含み構成される静電容量型トランスデューサの製造方法であり、
    複数の前記エレメントをウエハ上に形成するエレメント製造工程と、
    隣接する複数の前記エレメントを空間的に分離する分離工程と、
    前記ウエハと支持基板とを前記エレメントが形成された側で接着する支持基板の接着工程と、
    前記ウエハを剥離する剥離工程と、
    前記エレメントを、柔軟性を有する基板に接着する接着工程と、
    前記支持基板を前記エレメントから剥離する剥離工程と、を有する
    構成される静電容量型トランスデューサの製造方法。
19. 前記エレメント製造工程は、
    前記ウエハが単結晶シリコンであり、第一の酸化シリコン膜を成膜する工程と、
    第一の金属膜を成膜する工程と、
    第二の酸化シリコン膜を成膜する工程と、
    犠牲層を成膜し、形成する工程と、
    前記第二の酸化シリコン膜をエッチングする工程と、
    前記第一の金属膜をエッチングし、前記第一の電極の底部、及び前記第二の電極の底部を形成する工程と、
    第一の窒化シリコン膜を成膜する工程と、
    第二の金属膜を成膜し、前記第二の電極を形成する工程と、
    第二の窒化シリコン膜を成膜する工程と、
    前記犠牲層に連通するように、前記第一の窒化シリコン膜、及び前記第二の窒化シリコン膜を貫通する孔を形成する工程と、
    前記孔を通じて、前記犠牲層を除去し、前記空隙を形成する犠牲層エッチング工程と、
    第三の窒化シリコン膜を成膜することで、前記孔を封止する工程と、
    を有する、請求項１８に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
20. 前記分離工程は前記第二の絶縁膜を構成する材料をエッチングする工程を含む
    請求項１８または１９に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
21. 前記ウエハ剥離工程は前記第一の酸化シリコン膜をエッチングする工程を含む
    請求項１８乃至２０の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
22. 前記支持基板の接着工程は、粘着シートを用いて前記ウエハと前記支持基板を接着する工程を含み、
    前記支持基板の剥離工程は、加熱し、前記支持基板から前記エレメントを剥離する工程を含む、請求項１８乃至２１の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
23. 前記柔軟性を有する基板に接着する工程は、導電性接着剤を用いて、
    前記エレメントの底部の前記第一の電極と、前記第二の電極が前記基板の表面の電極にそれぞれ接続する工程を含み、
    前記第一の電極と前記第二の電極は電気的に分離されている
    請求項１８乃至２２の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。
24. 前記柔軟性を有する基板に接着する工程は、はんだ合金を用いて、
    前記エレメントの底部の前記第一電極と前記第二電極が前記基板の表面の電極にそれぞれ接続する工程を含み、
    前記第一電極と前記第二電極は電気的に分離されている
    請求項１８乃至２２の何れか１項に記載の静電容量型トランスデューサの製造方法。

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