JP2022147357A - 超音波変換器、超音波探触子、超音波診断装置及び超音波変換器の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】超音波変換器の広帯域特性を向上させる。【解決手段】下部電極層１３ｃ、電気機械変換層１３ｂ及び上部電極層１３ａからなる電気機械変換素子１３が一方の面上に形成されている可動膜１５の周囲を固定部材１１によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器であって、前記固定部材は、前記一方の面側のみから前記可動膜の周囲を固定している。【選択図】図７

Description

本発明は、超音波変換器、超音波探触子、超音波診断装置及び超音波変換器の製造方法に関するものである。

従来、下部電極層、電気機械変換層及び上部電極層からなる電気機械変換素子が一方の面上に形成されている可動膜の周囲を固定部材によって固定し、可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信や受信を行う超音波変換器が知られている。

例えば、特許文献１には、基材層上に下部電極層、圧電体層（電気機械変換層）及び上部電極層を積層させてなるピエゾ素子（電気機械変換素子）を用いたｐＭＵＴ（Piezoelectric Micro-Machined Ultrasonic Transducer）が開示されている。このｐＭＵＴ（超音波変換器）は、ピエゾ素子が形成された可動膜の一方の面（ピエゾ素子が形成されている面）側に、当該ピエゾ素子を収容するための凹部を備える封止部材が接合されている。また、可動膜の他方の面側には、ピエゾ素子によって変位する可動膜の周囲を支持（固定）する支持部材（固定部材）が接合されている。このｐＭＵＴは、支持部材及び可動膜とともに密閉空間を形成するための被覆部材が支持部材に接合され、この密閉空間には被覆部材と同じシリコーンゴムからなる音響伝達部材が充填されている。このｐＭＵＴは、ピエゾ素子により変位する可動膜によって生じる超音波が、支持部材により囲まれた空間と支持部材に接合されている被覆部材とを介して送信される。

ところが、従来の超音波変換器では、広帯域特性が不十分であるという課題があった。

上述した課題を解決するために、本発明は、下部電極層、電気機械変換層及び上部電極層からなる電気機械変換素子が一方の面上に形成されている可動膜の周囲を固定部材によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器であって、前記固定部材は、前記一方の面側のみから前記可動膜の周囲を固定していることを特徴とする。

本発明によれば、超音波変換器の広帯域特性を向上させることができる。

実施形態における超音波診断装置の一例を示す概略構成図。 同超音波診断装置の制御部の一例を示すブロック図。 実施形態における超音波診断装置の他の例を示す概略構成図。 実施形態における超音波探触子の一例を模式的に示す説明図。 ｐＭＵＴチップの振動部基板の一部分を、基材層（振動板）に対して電気機械変換素子が形成される側（背面側）から見たときの平面図。 図５中符号Ａ－Ａの断面図。 同ｐＭＵＴチップの振動部基板の構成の一例を示す断面図。 同振動部基板の製造工程を説明するための説明図。 （ａ）は、振動部基板とＩＣ基板とを接合する工程を説明するための説明図。（ｂ）は、振動部基板とＩＣ基板とを接合した後の状態を示す説明図。

以下、本発明を、超音波診断装置の超音波探触子に使用される超音波変換器に適用した一実施形態について説明する。
なお、本発明に係る超音波変換器は、超音波診断装置の超音波探触子に使用されるものに限定されず、様々な装置に適用することが可能である。また、本実施形態では、人体を測定対象物とする例であるが、測定対象物は人体などの生体に限られない。

図１は、本実施形態における超音波診断装置の一例を示す概略構成図である。
図１において、超音波診断装置１００は、超音波を測定対象物である被検者９に向けて送信すると共に、被検者９で反射した超音波を受信する超音波探触子１を有する。また、超音波診断装置１００は、超音波探触子１からの信号（エコー信号）を可視化して表示する表示部６１と、操作者によって操作される操作部６２と、超音波探触子１の制御を行う制御部６３とを有する。

図２は、本実施形態における超音波診断装置の制御部の一例を示すブロック図である。
制御部６３は、図２に示すように、超音波信号を発生させるためのパルス状の電気信号を発生させる超音波パルス発生部６４と、超音波探触子１から受信したエコー信号をデジタル信号に変換する変換部６５と、変換部６５で変換されたエコー信号に対応する二次元画像や三次元画像あるいは各種ドプラ画像などの超音波画像を形成する超音波画像形成部６６とを有している。なお、超音波パルス発生部６４及び変換部６５は、例えば、制御部６３とは別体に設けられた任意の超音波送受信機であってもよい。

表示部６１は、ＬＣＤ（Liquid Crystal Display）などのモニタ装置で構成され、超音波画像形成部６６が形成した画像を表示する。操作部６２は、押しボタンやタッチパネル等で構成され、操作者が被検者９について適切な診断を行うことができるようにパラメータ入力等を行うための各種操作を受け付ける。

超音波探触子１は、図１に示すように、ケーブル等を介して制御部６３と電気的に接続されており、制御部６３の制御の下、超音波を被検者９に向けて発信し、被検者９からエコーとして反射された超音波を受信する。超音波診断装置１００は、このような超音波の送受信によって被検者９の内部を可視化して診断可能である。

超音波診断装置としては、図３に示すように、表示部としての表示端末５０と、ケーブルによって表示端末５０に接続された超音波探触子１とから構成されるものであってもよい。

図４は、本実施形態における超音波探触子１の一例を模式的に示す説明図である。
超音波探触子１は、図４に示すように、支持基板である支持部３、支持部３の上部に形成された超音波変換器（超音波トランスデューサ）としてのｐＭＵＴチップ２、フレキシブル基板４、配線５、コネクタ７、音響レンズ８等から構成されている。

ｐＭＵＴチップ２は、フレキシブル基板４に配線５を介してコネクタ７に接続されている。コネクタ７は、後述する回路基板に接続され、この回路基板を介して上述した制御部６３に接続される。支持部３は、ｐＭＵＴチップ２を保持するためのバッキングプレートとしての機能を有している。

音響レンズ８は、例えばシリコン樹脂製の音響レンズを好適に用いることができる。音響レンズ８は、ｐＭＵＴチップ２から送信される超音波を被検者９の測定位置にフォーカスするためのもので、中心部が周縁部よりも厚く形成された形状（いわゆるドーム形状）を呈している。音響レンズ８は、被検者９に当接して変形することで被検者９と密着し、中心部と周縁部との厚みの差によって生じる超音波の伝播速度の差から、超音波を擬似的に屈折させて収束させる機能を発揮する。なお、音響レンズ８は、少なくとも１つの方向について超音波を収束させる機能を有していればよく、必ずしも超音波を一点に収束させるものである必要はない。

音響レンズ８とｐＭＵＴチップ２とは、接着層としての接着剤６によって貼り合わせられている。音響レンズとｐＭＵＴチップ２との接着に用いる接着剤６は、シリコーン系樹脂の接着剤が好ましく、２０μｍ以下の薄い接着剤で接着することが好ましい。

図５は、ｐＭＵＴチップ２の振動部基板の一部分を、基材層（振動板）に対して電気機械変換素子が形成される側（以下「背面側」という。）から見たときの平面図である。
図６は、図５中符号Ａ－Ａの断面図である。
なお、図５は、説明のため、後述する絶縁層１６及びパッシベーション膜１７、並びに、振動部基板に接合されるＩＣ基板の図示は省略してある。

本実施形態のｐＭＵＴチップ２は、図６に示すように、振動部基板１０と制御基板としてのＩＣ基板２０とを積層した構造になっており、振動部基板１０とＩＣ基板２０との間は金属部材１１，１２により所定の間隔をあけて接合されている。このｐＭＵＴチップ２は、図６中の上側が超音波の送信及び受信を行う側（以下「送受信側」という。）となる。ＩＣ基板２０には、図２に示した機能の一部を搭載してもよい。

図７は、ｐＭＵＴチップ２の振動部基板１０の構成の一例を示す断面図である。
ＩＣ基板２０は、振動部基板１０の電気機械変換素子である圧電体振動子１３の上部電極１３ａ及び下部電極１３ｃにそれぞれ電気的に接続する配線２１，２２を有している。具体的には、ＩＣ基板２０の配線２１，２２は、振動部基板１０の金属部材１１，１２にそれぞれ電気的に接続されており、金属部材１１，１２を介して、振動部基板１０の圧電体振動子１３の上部電極１３ａ及び下部電極１３ｃにそれぞれ電気的に接続される。これにより、ＩＣ基板２０からの駆動信号は、圧電体振動子１３の個別電極である上部電極１３ａに接続される第一金属部材１１を介して振動部基板１０側へ送られる。また、振動部基板１０の圧電体振動子１３で受信した超音波の受信信号は、第一金属部材１１を介してＩＣ基板２０側へ送られる。

振動部基板１０の圧電体振動子１３は、上部電極１３ａと、下部電極１３ｃと、これらの間に介在する電気機械変換層としての圧電体層１３ｂとから構成されている。圧電体振動子１３を構成する各層は、下部電極１３ｃの層、圧電体層１３ｂ及び上部電極１３ａの層の順に、振動板となる基材層１４の一方の面（基材層１４の背面側の面）上に積層される。本実施形態の振動部基板１０は、基材層１４上に円柱形状の圧電体振動子１３を複数配列した例であるが、圧電体振動子１３の形状はこれに限られるものではない。

本実施形態の振動部基板１０では、図５に示すように、第一金属部材１１が個々の圧電体振動子１３を取り囲むように基材層１４上に設けられている。本実施形態の第一金属部材１１は、第一金属部材１１によって囲まれる各圧電体振動子１３を含む基材層１４の領域がそれぞれ可動膜（ダイアフラム）１５として機能するように機械的に支持固定する固定部材として機能している。

ダイアフラム１５の大きさは、図７に示すように、ダイアフラム１５を取り囲む第一金属部材１１の円形開口部の径（キャビティ径）Ｂによって決定される。圧電体振動子１３の駆動によって変位するダイアフラム１５の周囲が、剛性のある第一金属部材１１によって固定され、各ダイアフラム１５はお互いに干渉の少ない状態で振動することができる。

ダイアフラム１５の大きさは、振動構造の共振特性に重要となり、更には超音波の周波数特性にとって重要な要素となる。そのため、ダイアフラム１５の大きさには高い精度が要求される。また、ダイアフラム１５を密に形成するためには、固定部材（第一金属部材１１）の幅をできるだけ小さくする必要もある。ダイアフラム１５を密に形成できれば、単位面積当たりの送信音圧を高めることができ、大きな送信強度を得ることができる。

第一金属部材１１の加工精度がダイアフラム１５の寸法精度に大きく影響することになる。例えば、７ＭＨｚ以上の中心周波数の高周波にて共振周波数を持つ振動構造を設計する場合には、振動構造の剛性にも依存するものの、ダイアフラム１５とＩＣ基板２０とが接触しない間隔を３μｍ以下で設定することが可能である。この場合、第一金属部材１１の厚み（高さ）をミクロンオーダーにすることができるため、第一金属部材１１の材料を必要以上に厚膜化することなく、通常のフォトリソグラフィを用いた半導体加工にて、精度の優れた加工が可能となる。よって、超音波の周波数特性、大きな送信強度をもつｐＭＵＴチップ２が可能となる。

また、単位面積当たりの送信音圧を高めることができ、大きな送信強度を得ることができるように、ダイアフラム１５が密なｐＭＵＴチップ２を形成するには、第一金属部材１１の幅を５０μｍ以下に設定することが好ましい。一方で、振動部基板１０とＩＣ基板２０との接合強度や、圧電体振動子１３を内封する密閉空間の密閉性の観点から、第一金属部材１１の幅は３μｍ以上に設定することが好ましい。したがって、単位面積当たりの送信音圧を高めつつ、接合強度、密閉性を確保するには、第一金属部材１１の最小幅は３μｍ以上５０μｍ以下の範囲に設定するのが好ましい。

本実施形態において、ダイアフラム１５の周囲を固定する固定部材である第一金属部材１１は、駆動信号などの電気信号を伝達するための信号伝達部材としても機能させるために、導電性のある金属部材を採用している。ただし、この固定部材を信号伝達部材として機能させない構成とするなら、固定部材は、必要な剛性をもつ樹脂製などの非導電性部材を採用してもよい。

また、第一金属部材１１は、第二金属部材１２とともに、振動部基板１０とＩＣ基板２０との間隔Ｃを所定間隔に維持する。この所定間隔は、ダイアフラム１５が振動するときに、ダイアフラム１５とＩＣ基板２０とが接触しない間隔に設定される。例えば、７ＭＨｚの共振周波数を持つ振動構造を設計する場合には、振動構造の剛性にも依存するものの、ダイアフラム１５とＩＣ基板２０とが接触しない間隔は３μｍ以下に設定することが可能である。もちろん、この間隔Ｃを３μｍ以上とすることも可能であるが、間隔Ｃを広くするほど、金属部材１１，１２を形成するときの金属膜の厚みを必要とするので、できるだけ間隔Ｃを狭めることが好ましい。

また、本実施形態において、ＩＣ基板２０は、第一金属部材１１に連結されて密閉空間形成部材として機能し、第一金属部材１１及び振動部基板１０のダイアフラム１５とともに密閉空間を形成する。このような密閉空間が形成されることで、振動部基板１０の圧電体振動子１３をこの密閉空間に内封することができる。これにより、例えば、本実施形態の超音波診断装置１００により診断する際に、被検者９からの湿気が圧電体振動子１３に伝わることを抑制することができる。よって、絶縁破壊に対する信頼性が高まるので、圧電体振動子１３への印加電圧を上げることができ、大きな送信強度を得ることができる。

本実施形態の圧電体振動子１３は、下部電極１３ｃが複数の圧電体振動子１３で共通する共通電極である。この共通電極である下部電極１３ｃは、第二金属部材１２を介してグラウンドに接続されるグラウンド電極である。一方、上部電極１３ａは、圧電体振動子１３ごとに備わった個別電極であり、第一金属部材１１を介して駆動信号が印加される。本実施形態では、図５に示すように、３×３＝９個の圧電体振動子１３の上部電極１３ａに対し、共通する第一金属部材１１が配線１１ａを介して接続されている。したがって、これらの９個の圧電体振動子１３には同じ駆動信号が入力され、１つのセルが形成される。

本実施形態の振動部基板１０におけるダイアフラム１５は、その周囲を固定している第一金属部材１１が、振動板となる基材層１４上で圧電体層１３ｂと離間して配置されている。そのため、圧電体層１３ｂと第一金属部材１１との間におけるダイアフラム１５を構成する層は、実質的に基材層１４と下部電極１３ｃであり（絶縁層１６やパッシベーション膜１７も含む）、この部分がダイアフラム１５の最も薄い部分となる。ダイアフラム内に配置される圧電体振動子１３において駆動効率が良くない領域においては、上部電極１３ａ及び圧電体層１３ｂを除去することで、ダイアフラム１５を薄くて軽くし、効率の良い駆動を実現できる。

基材層１４としては、例えば、シリコン、二酸化シリコン、窒化シリコン等、およびそれらの組み合わせなどを用いることができる。基材層１４の背面側（圧電体振動子１３が形成される側）の表面は絶縁性の保護膜とすることが好ましい。この保護膜としては、絶縁性や下部電極との密着性などの点から、二酸化シリコンを好適に用いることができる。

下部電極１３ｃは、白金（Ｐｔ）で形成されているが、これに限定されるものではなく、導電性の金属材料、導電性酸化物およびその組み合わせ等を用いることができる。したがって、具体的に使用される材料としては、酸化物電極層として、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３などが用いられ、また、金属電極層として、Ｐｔ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｐｄ等が用いられる。

そのほか、下部電極１３ｃと基材層１４との間には、密着層などの他の層が設けられてもよい。例えば、下部電極１３ｃと基材層１４との間には、チタン層、酸化チタン層、チタンタングステン層、アルミナ層、酸化ジルコニウム層等からなる密着層を設けることができる。この密着層は、一般に数十ｎｍ程度と薄く、剛性への寄与は小さく、ダイアフラム１５の機能に与える影響は小さい。

上部電極１３ａも、下部電極１３ｃと同様、白金（Ｐｔ）であるが、これに限定されるものではなく、導電性の金属材料、導電性酸化物およびその組み合わせ等を用いることができる。上部電極１３ａに使用される材料は、下部電極１３ｃと同じ材料はもちろんのこと、下部電極よりも広く選択できる。酸化物電極層として、ＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＳｒＯ、ＣａＲｕＯ_３などが用いられ、また、金属電極層として、Ｐｔ、Ｉｒ、Ｒｕ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｔａ、Ｒｈ、Ｐｄ等が用いられる。

なお、上述した基材層１４を省き、下部電極１３ｃを基材層として用いることも可能である。この場合、上述した密閉空間側の下部電極１３ｃの面を絶縁性の保護膜で保護することが好ましい。保護膜としては、二酸化シリコン、アルミナなどを用いることができる。

本実施形態において、圧電体振動子１３が形成されている側とは反対側の基材層１４の面（送受信側の基材層の面）には、凹凸構造あるいは突起構造はなく、平坦な面となっている。この基材層１４の面（送受信側の基材層の面）には、上述した音響レンズ８が接着剤６によって接着される。すなわち、ダイアフラム１５よりも送受信側には、従来のような固定部材が設けられない。これにより、ダイアフラム１５で発生した超音波が音響レンズ８に伝播されるまでの間又は音響レンズ８に伝播した超音波がダイアフラム１５で受信されるまでの間には、実質的に他の構成部材が存在しない構成となっている。これにより、ダイアフラム１５から送信される超音波の送信特性あるいはダイアフラム１５で受信される超音波の受信特性、特に広帯域特性が向上する。

別の言い方をすれば、基材層１４と音響レンズ８との間の構成部材もダイアフラム１５を構成していると考えるならば、本実施形態によれば、より薄いダイアフラム１５を実現できる。よって、ダイアフラム１５から送信される超音波の送信特性あるいはダイアフラム１５で受信される超音波の受信特性、特に広帯域特性が向上する。

なお、本実施形態において、基材層１４の面（送受信側の基材層の面）と音響レンズ８との間には、これらを接着するための接着剤６が介在する。しかしながら、本実施形態のダイアフラム１５は上述したように薄く形成されるため、音響レンズ８の接着前に製造上の膜応力や残留応力によって基材層１４の面（送受信側の基材層の面）に反りが発生するとしても僅かである。そのため、例えば２０μｍ以下の薄い接着剤６でも、基材層１４と音響レンズ８とを歩留まりよく接着することができる。したがって、基材層１４の面（送受信側の基材層の面）に存在する接着剤６も薄くすることができ、剛性への寄与は小さいので、ダイアフラム１５の機能に与える影響は小さい。

本実施形態の圧電体層１３ｂは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電体材料で形成される。もちろん、ＰＺＴ系の複合酸化物に他の元素が含まれていてもよい。圧電体層１３ｂは、上部電極１３ａと下部電極１３ｃとの間に駆動信号（駆動電圧）を印加することで機械的変形を生じ、駆動信号の周期変動によって所定の周波数の振動をダイアフラム１５に生じさせることで、ダイアフラム１５から超音波を送信する。また、外部からの超音波が圧電体層１３ｂを振動させると、圧電体層１３ｂが分極して上部電極１３ａと下部電極１３ｃとの間に電位差が生じ、その振動に応じた電気信号（受信信号）を発生させる。

また、絶縁層１６は、第一金属部材１１に接続される配線１１ａと、上部電極１３ａと、下部電極１３ｃとの間での短絡を防ぐための絶縁膜である。配線１１ａの材料としては、アルミニウムなどが用いられ、配線１１ａの上には保護層としてパッシベーション膜１７が形成される。パッシベーション膜１７としては、量産性に優れ、良質な保護膜として機能するシリコン窒化膜が好適に用いられる。パッシベーション膜１７は、圧電体振動子１３を、不純物、湿気、ひっかき傷等から守る保護膜として機能する。

ただし、本実施形態では、上述したように、圧電体振動子１３が、第一金属部材１１及びＩＣ基板２０によって形成される密閉空間に内封されている。これにより、圧電体振動子１３への不純物や湿気の接触が抑制されるため、製造工程中におけるひっかき傷等を防止できるのであれば、上述したパッシベーション膜１７は必ずしも設ける必要はない。また、製造工程中におけるひっかき傷等を防止するためにパッシベーション膜１７を設ける場合でも、最終的にはパッシベーション膜１７の全部又は一部を除去するようにしてもよい。いずれにしても、パッシベーション膜１７が設けられないことで、ダイアフラム１５をより薄いものとすることができ、広帯域特性の向上に寄与する。

また、ダイアフラム１５の形状は、第一金属部材１１の開口部（キャビティ）の形状で決まり、本実施形態では図５に示すように円形状であるが、これに限らず、例えば、四角、楕円、多角形など、形状は自由に設定することができる。

また、本実施形態では、上述したとおり、第一金属部材１１が連結されている１つのセルが９個のダイアフラム１５で構成されているが、その数に制限はなく、１個のダイアフラム１５で構成してもよいし、３個以上のダイアフラム１５によって構成してもよい。また、１つのセルを構成するダイアフラム１５の配列も自由に設定することができる。また、本実施形態では、１つのダイアフラム１５に１つの圧電体振動子１３が設けられているが、１つのダイアフラム１５に２つ以上の圧電体振動子１３が設けられていてもよい。

また、本実施形態では、図５に示すように、共通電極である各圧電体振動子１３の下部電極１３ｃに接続される第二金属部材１２は、振動部基板１０の１箇所に配置されているが、第二金属部材１２の位置、個数、大きさの制限などはなく、自由に設定できる。本実施形態では、第二金属部材１２が複数のセルに共通の部材となっているが、例えば、セルごとに個別の第二金属部材１２を配置するようにしてもよい。このように、グラウンドに接続される第二金属部材１２を増やすことはノイズ低減などに寄与する。

また、例えば、振動部基板１０上の１又は２以上のセルを囲うように第二金属部材１２を配置してもよい。この場合、ノイズ低減などに寄与するだけでなく、振動部基板１０とＩＣ基板２０との接合面が増え、接合強度の増強を図ることができる。また、第二金属部材１２と振動部基板１０とＩＣ基板２０とによって密閉空間を形成することができるので、圧電体振動子１３への不純物や湿気の接触が更に抑制される。

次に、本実施形態におけるｐＭＵＴチップ２の製造方法について説明する。
図８は、振動部基板１０の製造工程を説明するための説明図である。
なお、図８には、説明の簡略化のため、圧電体振動子１３が２つだけ記載されている。

振動部基板１０の製造工程にあたっては、シリコン（Ｓｉ）材料からなるシリコン基板を支持基板３０として用いる。この支持基板３０は、後述するように、最終的には除去され、又は極薄化され、極薄化された場合には基材層１４とともに振動板として機能することになる。

振動部基板１０の製造では、まず、支持基板３０の表面を熱酸化して、支持基板３０上にＳｉＯ_２の絶縁膜を形成する。このＳｉＯ_２の絶縁膜が基材層１４となり、振動板を構成する。このときの基材層１４（ＳｉＯ_２の絶縁膜）の厚さは例えば０．３μｍとする。

次に、下部電極１３ｃの形成を行う。このとき、本実施形態では、下部電極１３ｃと下地となる基材層１４（ＳｉＯ_２の絶縁膜）との間には、図示を省略した酸化チタン（ＴｉＯ_２）層を密着層としてスパッタ法により成膜する。続いて、ＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing：高速熱処理）装置を用いて、６５０～８００℃、１～１０分、Ｏ_２雰囲気でチタン膜を熱酸化してチタン膜を酸化チタン膜にする。これにより、基材層１４上に酸化チタン膜の密着層が形成される。このときの密着層（酸化チタン膜）の厚さは、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下とするのが好ましい。密着層（酸化チタン膜）を作成するには、反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。密着層上に形成される下部電極１３ｃは、例えば白金（Ｐｔ）をスパッタ法によって５０～３００ｎｍの厚さで成膜する。

次に、下部電極１３ｃの上に圧電体層１３ｂを形成する。具体的には、一例として、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５２：４８の組成比で調合した溶液を準備する。この溶液は、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いることができる。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水する。化学量論組成に対して鉛量は過剰にするのがよい。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。

イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上述した酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することで、ＰＺＴ前駆体溶液を合成する。このときのＰＺＴ濃度は０．５モル／ｌにした。この前駆体溶液を用いて下部電極１３ｃ上にスピンコートによりＰＺＴ前駆体を成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥させ、４００℃で熱分解処理を行う。そして、３層目の熱分解処理後に、ＰＺＴ前駆体の結晶化熱処理（温度７００℃）をＲＴＡ処理（急速熱処理）にて行う。なお、前駆体溶液の１回の塗布によって形成される膜厚を増大すると、クラックが生じやすくなる懸念があるため、本実施形態においては、結晶化された後の膜厚が１００ｎｍ程度に収まるように調整している。

かかる結晶化熱処理が終了した後、所望の厚みの圧電体層１３ｂが得られるまで処理を繰り返す。本実施形態においては、前駆体溶液の塗布工程を５～４０回繰り返すことで、０．５μｍ以上４μｍ以下の圧電体層１３ｂが形成される。

本実施形態において、圧電体層１３ｂにＰＺＴを用いているが、ＡｌＮ、ＳｃＡｌＮ、ＫＮＮなど、材料は限定されるものではない。また、成膜方法においても、ＣＳＤとしたが、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＰＬＤ法など、種々の成膜方法を適宜選択することができる。

次に、圧電体層１３ｂ上に上部電極１３ａを形成する。具体的には、まず、圧電体層１３ｂ上に導電性酸化物膜であるＳｒＲｕＯ_３膜（膜厚４０ｎｍ）をスパッタ成膜する。スパッタ成膜時の基板温度は３００℃とする。その後、ＲＴＡ処理にてＯ_２雰囲気中で５５０℃／３００ｓのポストアニール処理をする。その後、金属膜である白金膜（膜厚６０ｎｍ）をスパッタ成膜し、上部電極１３ａを形成する。

所定形状の圧電体振動子１３を得るには、例えば、上部電極１３ａの形成後に上部電極１３ａ上に感光性レジストをマスク層としてパターニングして形成し、ドライエッチング又はウェットエッチングを行う。感光性レジストのパターニングは、公知のフォトリソグラフィ技術により実施することができる。

具体的には、上部電極１３ａ上に感光性レジストをスピンコータ又はロールコータにより塗布し、その後、予め所望のパターンが形成されたガラスフォトマスクにより紫外線を露光した後、パターン現像→水洗→乾燥を経て感光性レジストのマスク層を形成する。形成された感光性レジストのマスク層は、そのパターンの端部傾斜がエッチング時の傾斜断面に影響するので、所望の傾斜角度に応じ、レジスト選択比（被エッチング材料とマスク材料とのエッチングレート）を考慮して選択すればよい。エッチング後、上部電極１３ａ上に残った感光性レジストは、専用の剥離液又は酸素プラズマ・アッシングにより除去することができる。

エッチングは、形状の安定性から反応性ガスを用いたドライエッチングが選択される場合が多いが、エッチングガスは塩素系、フッ素系等のハロゲン系のガス、或いはハロゲン系のガスにＡｒや酸素を混合させたガスにより実施することができる。エッチングガス或いはエッチング条件を変化させることにより、上部電極１３ａ、圧電体層１３ｂと連続してエッチングすることもできるし、一度レジストパターンを形成し直して数回に分けてエッチングを実施することもできる。

なお、上述した方法に代えて、上部電極１３ａの形成前に圧電体層１３ｂを所定形状に加工（エッチング）した後、所定形状の圧電体層１３ｂ上のみに上部電極１３ａを成膜してもよい。

以上のとおり、圧電体振動子１３は、比較的簡便な製造工程で形成可能であり、バルクセラミックスと同等の性能を持つとともに、その後のＩＣ基板２０との接合によって、ｐＭＵＴ２の製造が可能である。

上部電極１３ａを形成した後は、上部電極１３ａ上にフォトリソ・エッチングによって所定のパターンがパターニングされた絶縁層１６が形成される。本実施形態の絶縁層１６は、プラズマＣＶＤ法により、モノシラン（ＳｉＨ_４）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）ガスを原料として０．４μｍ以上１．０μｍ以下の成膜を行うことで形成されるシリコン酸化膜である。

上述したパターニングにより絶縁層１６には、上部電極１３ａの部分にコンタクトホールが開口している。このコンタクトホールには、Ａｌ－Ｃｕ（１μｍ）／Ｔｉ（５０ｎｍ）の配線材料をスパッタ法によって成膜し、フォトリソ・エッチングによるパターニングして配線１１ａが形成される。

さらに、保護層として、シリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を成膜し、配線１１ａに接続された電極端子部分（第一金属部材１１が形成される部分）のみ開口させたパッシベーション膜１７を形成する。本実施形態のパッシベーション膜１７は、プラズマＣＶＤ法により、モノシラン（ＳｉＨ_４）、亜酸化窒素（Ｎ_２Ｏ）、アンモニア（ＮＨ_３）ガスを原料として０．５μｍ以上１．５μｍ以下程度のシリコン窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）を用いることができる。電極端子部分の開口はフォトリソ・エッチングにより行うことができる。

次に、第一金属部材１１の材料であるアルミニウムをスパッタ成膜にて３μｍ程度成膜し、その後、所定のパターンにパターニングして、パッシベーション膜１７の開口部の電極端子上に第一金属部材１１となるアルミニウム部材１１Ａを形成する。本実施形態においては、図９（ａ）に示すように、ＩＣ基板２０側にも、第一金属部材１１となるアルミニウム部材１１Ｂが形成される。本実施形態では、これらのアルミニウム部材１１Ａ，１１Ｂを金属接合することによって第一金属部材１１を形成する。

第一金属部材１１の材料は、Ａｌに限定されることはなく、Ａｕ、Ｃｕ、Ｇｅなど、金属接合に適した材料を選ぶことができる。また、第一金属部材１１の材料としては、接合後にも良好な導電性が維持されるものが好ましい。

このようにして、振動部基板１０とＩＣ基板２０とが準備できたら、図９（ａ）に示すように、ウェハ接合装置により、加熱、加圧を施しながら、振動部基板１０とＩＣ基板２０とを接合する。振動部基板１０とＩＣ基板２０とを接合する方法には、直接接合、拡散接合、共晶接合などを選択することができる。接合前にＣＭＰを施し、第一金属部材１１の接合表面を平坦化した後に接合するなどしてもよい。

接合後には、図９（ｂ）に示すように、振動部基板１０上のダイアフラム１５とＩＣ基板２０との間隔Ｃが１μｍの間隔となるように設定される。この間隔Ｃは、３μｍ以下とするのが好ましい。

振動部基板１０とＩＣ基板２０との接合時には、振動部基板１０には支持基板３０が存在しているが、この支持基板３０は最終的には除去される。具体的には、バックグラインドおよびポリッシュによりシリコン製の支持基板３０の厚みが１０μｍ以上２００μｍ以下程度まで薄膜化させた後、残りの支持基板３０をドライエッチング法により除去する。支持基板３０は、完全に除去せずに１０μｍ以下程度残すようにして、振動板として機能させることもできる。支持基板３０のエッチング加工は、シリコンエッチャーを使用し、ＳＦ_６プラズマによるエッチングにより容易に行うことができる。

最後に、ダイシング等を行ってｐＭＵＴチップ２のウェハ生成プロセスが完了する。本実施形態では、ウェハレベルでの接合について説明したが、ウェハ接合ではなく、チップ接合や、チップ－ウェハ（Ｃ２Ｗ）接合を実施して、ｐＭＵＴチップ２を完成させることもできる。

以上、本実施形態におけるｐＭＵＴチップ２は、ダイアフラム１５を振動させて超音波の送受信を行う超音波トランスデューサとして用いられ、医療用診断や産業用、車載用やマリーン向け検査・測定装置として応用することが可能である。特に、本実施形態のような医療用の診断装置に使用する場合、被検者９の生体へのダメージがなく、内部組織を簡易にリアルタイムで観察できるため、広く使用される。

以上に説明したものは一例であり、次の態様毎に特有の効果を奏する。
［第１態様］
第１態様は、下部電極層（例えば下部電極１３ｃ）、電気機械変換層（例えば圧電体層１３ｂ）及び上部電極層（例えば上部電極１３ａ）からなる電気機械変換素子（例えば圧電体振動子１３）が一方の面（例えば背面側の面）上に形成されている可動膜（例えばダイアフラム１５）の周囲を固定部材（例えば第一金属部材１１）によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面（送受信側の面）側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器（例えばｐＭＵＴチップ２）であって、前記固定部材は、前記一方の面側のみから前記可動膜の周囲を固定していることを特徴とするものである。
従来の超音波変換器（超音波トランスデューサ）は、バルクと言われるセラミックのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）をダイシングして個片化することで実現されていたが 近年は、半導体素子を用いた超音波トランスデューサとして、ｐＭＵＴ（Piezoelectric Micro-machined Ultrasonic Transducers）やｃＭＵＴ（Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer）が用いられる。これらは、半導体技術を用いた微細加工により高解像度化や高周波数化を実現でき、今後の主流になる可能性がある。特に医療用診断装置用の高機能、高性能な超音波探触子（超音波プローブ）がｃＭＵＴにて実用化されている。ｃＭＵＴは、ダイアフラムが薄くて柔らかく、軽くすることで、生体の音響特性に近いものが実現できる。したがって、音響整合層を利用せずとも、短パルス波形、広帯域化を実現しやすい。
一方、ｐＭＵＴを用いた超音波探触子では、従来、好適な絶縁構造を施すことにより被検者９への電気漏洩を防止し、電気的安全性の向上を実現しつつ、短パルス波形、広帯域特性を兼ね備えた超音波探触子及びこれを用いた超音波診断装置を提供することが困難であった。ただし、特許文献１に記載されているｐＭＵＴを用いた超音波探触子では、超音波の送受信側に圧電体振動子１３の下部電極１３ｃである共通電極（グラウンド電極）を配置する構成としたことで、被検者９側の電極がグランド電極となり、電極から被検者９側へ流れる電流を低減することにより電気的安全性の向上を実現可能である。しかしながら、短パルス波形、広帯域特性については、いまだ不十分である。
特許文献１に開示の超音波変換器では、可動膜の変位により発生する超音波が、固定部材により囲まれた密閉空間内の音響伝達部材を介して、被覆部材（固定部材及び可動膜とともに密閉空間を形成する部材）から送信される。また、特許文献１に開示の超音波変換器では、被覆部材に伝わった外部からの超音波が、固定部材により囲まれた密閉空間内の音響伝達部材を介して、可動膜に伝播して受信される。このような従来の超音波変換器では、可動膜で発生した超音波が当該超音波変換器の外部へ送信されるまでの間に、又は、外部からの超音波が可動膜で受信されるまでの間に、固定部材により囲まれた密閉空間内を伝播する必要がある。このように密閉空間内を伝播する構成が介在すると、音響特性（特に広帯域特性）が制限され、十分な広帯域特性を得ることが難しい。
本態様においては、可動膜の周囲を固定する固定部材が、可動膜の前記一方の面側のみ、すなわち、超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う側（可動膜の前記反対の面側）とは反対側のみ、に設けられている。よって、可動膜よりも超音波送信側又は受信側には固定部材が設けられない。これにより、可動膜で発生した超音波が外部へ送信されるまでの間又は外部からの超音波が可動膜で受信されるまでの間に従来構成では介在していた、固定部材により囲まれた密閉空間（又はその内部の音響伝達部材）を、省略することができる。その結果、可動膜を薄くて柔らかく、軽くすることが可能となり、従来構成よりも、短パルス波形、広帯域化等の音響特性、特に広帯域特性を向上させることができる。

［第２態様］
第２態様は、第１態様において、前記固定部材に連結され、該固定部材及び前記可動膜とともに密閉空間を形成する密閉空間形成部材（例えばＩＣ基板２０）を有することを特徴とするものである。
電気機械変換素子が湿気に晒されると、絶縁破壊が生じやすくなるため、電気機械変換素子に印加する駆動信号の電圧を大きくできず、超音波の送信強度を高めることが困難となる。本態様によれば、固定部材、可動膜及び密閉空間形成部材によって形成される密閉空間内に電気機械変換素子が内封されるので、電気機械変換素子が湿気に晒される事態が抑制される。よって、駆動信号の電圧を大きくして、超音波の送信強度を高めることが可能となる。また、電気機械変換素子を湿気から保護する保護膜（例えばパッシベーション膜１７）を省略することも可能となることから、可動膜を、より薄くて柔らかく、より軽くすることが可能となり、更なる広帯域特性の向上が可能となる。

［第３態様］
第３態様は、第１又は第２態様において、前記固定部材は、前記下部電極層と前記上部電極層との間の電気信号を伝達する信号伝達部材であることを特徴とするものである。
これによれば、固定部材とは別に信号伝達部材を設ける必要がなくなり、構成の簡素化を実現できる。

［第４態様］
第４態様は、第１乃至第３態様のいずれかにおいて、前記固定部材は、前記電気機械変換層と離間して前記可動膜の周囲を固定していることを特徴とするものである。
本態様によれば、電気機械変換層と固定部材との間における可動膜を構成する層には、電気機械変換層が存在しないことから、この部分が可動膜の最も薄い部分となる。可動膜内に配置される電気機械変換素子において駆動効率が良くない領域においては、上部電極及び電気機械変換層を除去することで、可動膜を薄くて軽くし、効率の良い駆動を実現できる。特に、電気機械変換層の材料は一般に密度が大きく重いため、可動膜における効率の良い駆動実現に重要となる最薄部分（電気機械変換層と固定部材との間）に電気機械変換層が存在しないことで、より軽い可動膜が実現でき、更なる広帯域特性の向上が可能である。

［第５態様］
第５態様は、第１乃至第４態様のいずれかにおいて、前記可動膜の前記一方の面（背面側の面）上には複数の電気機械変換素子（例えば圧電体振動子１３）が形成されており、前記下部電極層は、前記複数の電気機械変換素子間で共通するグラウンド電極であることを特徴とするものである。
本態様においては、超音波の送信や受信を行う側の電極である下部電極層がグラウンド電極であるため、電気機械変換素子の電極から測定対象物へ流れる電流を低減することができる。これにより、超音波変換器の電気的安全性の向上を実現することができる。

［第６態様］
第６態様は、第１乃至第５態様のいずれかにおいて、前記可動膜の前記一方の面上には複数の電気機械変換素子がアレイ状に形成されており、前記固定部材は、１つの電気機械変換素子を含む可動膜又は２つ以上の電気機械変換素子を含む可動膜の周囲を固定することを特徴とするものである。
これによれば、より高い送信強度を実現しやすい。

［第７態様］
第７態様は、超音波変換器（例えばｐＭＵＴチップ２）から超音波を測定対象物（例えば被検者９）へ送信するとともに、該測定対象物で反射した前記超音波を受信する超音波探触子１であって、前記超音波変換器として、第１乃至第６態様のいずれかの超音波変換器を用い、前記超音波変換器の信号伝達部材を介して、該超音波変換器における前記下部電極層と前記上部電極層との間の電気信号の送信及び受信を行う制御基板（例えばＩＣ基板２０）が、前記可動膜の前記一方の面（例えば背面側の面）側に設けられていることを特徴とするものである。
これによれば、従来構成よりも、短パルス波形、広帯域化等の音響特性、特に広帯域特性が向上した超音波探触子を実現することができる。

［第８態様］
第８態様は、第７態様において、前記制御基板は、前記超音波変換器の前記固定部材に連結され、該固定部材及び前記可動膜とともに密閉空間を形成することを特徴とするものである。
電気機械変換素子が湿気に晒されると、絶縁破壊が生じやすくなるため、電気機械変換素子に印加する駆動信号の電圧を大きくできず、超音波の送信強度を高めることが困難となる。本態様によれば、固定部材、可動膜及び制御基板によって形成される密閉空間内に電気機械変換素子が内封されるので、電気機械変換素子が湿気に晒される事態が抑制される。よって、駆動信号の電圧を大きくして、超音波の送信強度を高めることが可能となる。また、電気機械変換素子を湿気から保護する保護膜（例えばパッシベーション膜１７）を省略することも可能となることから、可動膜を、より薄くて柔らかく、より軽くすることが可能となり、更なる広帯域特性の向上が可能となる。

［第９態様］
第９態様は、第８態様において、前記固定部材の最小幅は、３μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とするものである。
これによれば、単位面積当たりの送信音圧を高めつつ、接合強度、密閉性を確保することができる。

［第１０態様］
第１０態様は、第７乃至第９態様のいずれかにおいて、前記可動膜と前記制御基板との間隔Ｃが３μｍ以下であることを特徴とするものである。
これによれば、超音波変換器と制御基板とを、所定間隔をあけて接合する部材（例えば第一金属部材１１）の厚みを薄くすることができるので、製造工程を簡易化することができる。

［第１１態様］
第１１態様は、第７乃至第１０態様のいずれかにおいて、前記超音波変換器における前記可動膜の反対の面（例えば送受信側の面）上に被覆部材が接合されていることを特徴とするものである。
本態様によれば、超音波変換器における超音波の送信や受信を行う側には、音響整合層が設けられず、音響レンズ等の被覆部材が直接的に接合されるため、広帯域特性の向上を図ることができる。

［第１２態様］
第１２態様は、超音波診断装置１００であって、第７乃至第１１態様のいずれかの超音波探触子と、前記測定対象物の形状を表示するための表示部（例えば表示部６１、表示端末５０）と、を有することを特徴とするものである。
本態様によれば、短パルス波形、広帯域化等の音響特性、特に広帯域特性が向上した超音波探触子を用いるので、より適切な診断を可能とする超音波診断装置１００を提供することができる。

［第１３態様］
第１３態様は、下部電極層、電気機械変換層及び上部電極層からなる電気機械変換素子が一方の面上に形成されている可動膜の周囲を固定部材によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器の製造方法であって、前記固定部材を、前記一方の面側のみに形成することを特徴とするものである。
本態様によれば、短パルス波形、広帯域化等の音響特性、特に広帯域特性が向上した超音波変換器を提供することができる。

１ ：超音波探触子
２ ：ｐＭＵＴチップ
３ ：支持部
４ ：フレキシブル基板
５ ：配線
６ ：接着剤
７ ：コネクタ
８ ：音響レンズ
９ ：被検者
１０ ：振動部基板
１１ ：第一金属部材
１１ａ ：配線
１２ ：第二金属部材
１３ ：圧電体振動子
１３ａ ：上部電極
１３ｂ ：圧電体層
１３ｃ ：下部電極
１４ ：基材層
１５ ：ダイアフラム
１６ ：絶縁層
１７ ：パッシベーション膜
２０ ：ＩＣ基板
２１，２２：配線
３０ ：支持基板
５０ ：表示端末
６１ ：表示部
６２ ：操作部
６３ ：制御部
６４ ：超音波パルス発生部
６５ ：変換部
６６ ：超音波画像形成部
１００ ：超音波診断装置

特許第５５６０９２８号公報

Claims (13)

1. 下部電極層、電気機械変換層及び上部電極層からなる電気機械変換素子が一方の面上に形成されている可動膜の周囲を固定部材によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器であって、
   前記固定部材は、前記一方の面側のみから前記可動膜の周囲を固定していることを特徴とする超音波変換器。
2. 請求項１に記載の超音波変換器において、
   前記固定部材に連結され、該固定部材及び前記可動膜とともに密閉空間を形成する密閉空間形成部材を有することを特徴とする超音波変換器。
3. 請求項１又は２に記載の超音波変換器において、
   前記固定部材は、前記下部電極層と前記上部電極層との間の電気信号を伝達する信号伝達部材であることを特徴とする超音波変換器。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の超音波変換器において、
   前記固定部材は、前記電気機械変換層と離間して前記可動膜の周囲を固定していることを特徴とする超音波変換器。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の超音波変換器において、
   前記可動膜の前記一方の面上には複数の電気機械変換素子が形成されており、
   前記下部電極層は、前記複数の電気機械変換素子間で共通するグラウンド電極であることを特徴とする超音波変換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載の超音波変換器において、
   前記可動膜の前記一方の面上には複数の電気機械変換素子がアレイ状に形成されており、
   前記固定部材は、１つの電気機械変換素子を含む可動膜又は２つ以上の電気機械変換素子を含む可動膜の周囲を固定することを特徴とする超音波変換器。
7. 超音波変換器から超音波を測定対象物へ送信するとともに、該測定対象物で反射した前記超音波を受信する超音波探触子であって、
   前記超音波変換器として、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の超音波変換器を用い、
   前記超音波変換器の信号伝達部材を介して、該超音波変換器における前記下部電極層と前記上部電極層との間の電気信号の送信及び受信を行う制御基板が、前記可動膜の前記一方の面側に設けられていることを特徴とする超音波探触子。
8. 請求項７に記載の超音波探触子において、
   前記制御基板は、前記超音波変換器の前記固定部材に連結され、該固定部材及び前記可動膜とともに密閉空間を形成することを特徴とする超音波探触子。
9. 請求項８に記載の超音波探触子において、
   前記固定部材の最小幅は、３μｍ以上５０μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
10. 請求項７乃至９のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
    前記可動膜と前記制御基板との間隔が３μｍ以下であることを特徴とする超音波探触子。
11. 請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の超音波探触子において、
    前記超音波変換器における前記可動膜の反対の面上に被覆部材が接合されていることを特徴とする超音波探触子。
12. 請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の超音波探触子と、
    前記測定対象物の形状を表示するための表示部と、を有することを特徴とする超音波診断装置。
13. 下部電極層、電気機械変換層及び上部電極層からなる電気機械変換素子が一方の面上に形成されている可動膜の周囲を固定部材によって固定し、前記可動膜の変位により前記一方の面とは反対の面側で超音波の送信若しくは受信又はその両方を行う超音波変換器の製造方法であって、
    前記固定部材を、前記一方の面側のみに形成することを特徴とする超音波変換器の製造方法。

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