JP2023527436A - 行及び列のアドレス指定の超音波画像化デバイス - Google Patents

行及び列のアドレス指定の超音波画像化デバイス Download PDF

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Abstract

【解決手段】本明細書は、行及び列に配置されている複数の超音波トランスデューサ(101) を備えている超音波画像化デバイスに関する。各超音波トランスデューサ(101) は下部電極(E1)及び上部電極(E2)を有しており、各行では、行内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに接続されている下部電極(E1)及び上部電極(E2)、又は互いに接続されている上部電極(E2)及び下部電極(E1)を夫々有しており、各列では、列内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに接続されている下部電極(E1)及び上部電極(E2)、又は互いに接続されている上部電極(E2)及び下部電極(E1)を夫々有している。

Description

本開示は、超音波画像化の分野に関し、より具体的には、行及び列のアドレス指定の超音波トランスデューサのアレイを備えたデバイスの提供を目的とする。
超音波画像化デバイスは従来、複数の超音波トランスデューサ、及び超音波トランスデューサに接続されている電子制御回路を備えている。動作中、トランスデューサの集合体が、所望の画像化対象の身体の前方に配置されている。電子デバイスは、トランスデューサによって超音波を分析対象の身体又は対象物に向かって放射すべく、電気励起信号をトランスデューサに与えるように構成されている。トランスデューサによって放射された超音波は、分析対象の身体（身体の内部構造及び／又は表面構造）で反射した後、トランスデューサに戻り、トランスデューサは超音波を電気信号に変換し戻す。電気応答信号を電子制御回路によって読み取り、電気応答信号から分析対象の身体に関する情報を導き出すために記憶して分析してもよい。
超音波トランスデューサは、二次元の画像取得デバイスの場合には線形アレイに配置されてもよく、三次元の画像取得デバイスの場合にはアレイに配置されてもよい。二次元の画像取得デバイスの場合、取得した画像は、一方では線形アレイに配置されたトランスデューサの整列軸芯によって、他方ではトランスデューサの放射方向によって定められた面での分析対象の身体の断面を表す。三次元の画像取得デバイスの場合、取得した画像は、アレイに配置されたトランスデューサの２つの整列方向とトランスデューサの放射方向とによって定められた体積を表す。
三次元の画像取得デバイスの内、アレイに配置された各トランスデューサが個別にアドレス指定可能な「フル実装」と称されるデバイスは、アレイに配置されたトランスデューサが行及び列でアドレス指定可能な行－列アドレス指定、つまりRCA と称されるデバイスと区別され得る。
フル実装デバイスは、送信モード及び受信モードでの超音波ビームの成形でより高い適応性を提供する。しかしながら、アレイの制御電子回路は複雑であり、Ｍ行及びＮ列のアレイの場合、必要な送信／受信チャネルの数はＭ×Ｎである。更に、超音波への各トランスデューサの露出表面積がより小さいため、信号対雑音比は一般に比較的低い。
RCA タイプのデバイスでは、様々な超音波ビームを成形するためのアルゴリズムが使用される。ビームを成形する可能性は、フル実装デバイスに対して低下する場合がある。しかしながら、アレイの制御電子回路はかなり簡略化され、Ｍ行及びＮ列のアレイの場合、必要な送信／受信チャネルの数はＭ＋Ｎに減少する。更に、送信段階及び受信段階中にトランスデューサは行又は列に相互に接続されるため、信号対雑音比が向上する。
本明細書では、行－列アドレス指定(RCA) の三次元画像取得デバイスがより具体的に考慮されている。
実施形態の目的は、既知のデバイスの欠点の全て又は一部を克服する、行－列アドレス指定の三次元超音波画像取得デバイスを提供することである。
このために、実施形態は、行及び列に配置されている複数の超音波トランスデューサを備えている超音波画像化デバイスであって、
各超音波トランスデューサは下部電極及び上部電極を有しており、
各行では、行内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサは、互いに接続されている下部電極及び上部電極、又は互いに接続されている上部電極及び下部電極を夫々有しており、
各列では、列内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサは、互いに接続されている下部電極及び上部電極、又は互いに接続されている上部電極及び下部電極を夫々有している、超音波画像化デバイスを提供する。
実施形態によれば、
各行では、行内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサは、互いに電気的に絶縁されている下部電極及び互いに電気的に絶縁されている上部電極を夫々有しており、
各列では、列内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサは、互いに電気的に絶縁されている下部電極及び互いに電気的に絶縁されている上部電極を夫々有している。
実施形態によれば、各超音波トランスデューサは、キャビティの上側に懸架されている可撓性膜を有するCMUTトランスデューサであり、前記超音波トランスデューサの下部電極は、前記可撓性膜と反対側の前記キャビティの側に配置されており、前記超音波トランスデューサの上部電極は、前記キャビティと反対側の前記可撓性膜の側に配置されている。
実施形態によれば、前記超音波トランスデューサのキャビティは剛性支持層に形成されており、各超音波トランスデューサの上部電極は、前記剛性支持層を横切る導電要素を介して隣り合う超音波トランスデューサの下部電極に電気的に接続されている。
実施形態によれば、各超音波トランスデューサの下部電極は、ドープされた半導体材料で形成されている。
実施形態によれば、金属層部分が、前記超音波トランスデューサの下部電極の下面と接して各超音波トランスデューサの下部電極の下に延びている。
実施形態によれば、各超音波トランスデューサでは、前記可撓性膜は半導体材料で形成されている。
実施形態によれば、各超音波トランスデューサでは、誘電体層が、前記キャビティの底部で前記超音波トランスデューサの下部電極の上面を覆っている。
実施形態によれば、各超音波トランスデューサはPMUTトランスデューサである。
前述及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明を限定するものではない例示として与えられる特定の実施形態の本開示の残り部分に詳細に記載される。
行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイスの例を概略的且つ部分的に示す平面図である。 図１のデバイスの実施形態の例を図１の面Ａ－Ａに沿って更に詳細に示す断面図である。 図１の面Ｂ－Ｂに沿った対応する断面図である。 行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイスの実施形態を概略的且つ部分的に示す平面図である。 図３のデバイスの実施形態の例を図３の面Ａ－Ａに沿って更に詳細に示す断面図である。 図３の面Ｂ－Ｂに沿った対応する断面図である。 図３のデバイスの実施形態の別の例を図３の面Ａ－Ａに沿って更に詳細に示す断面図である。 図３の面Ｂ－Ｂに沿った対応する断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。 図５Ａ及び図５Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。
同様の特徴が、様々な図面で同様の参照符号によって示されている。特に、様々な実施形態で共通の構造的特徴及び／又は機能的特徴は同一の参照符号を有する場合があり、同一の構造特性、寸法特性及び材料特性を有する場合がある。
明瞭化のために、本明細書に記載されている実施形態の理解に有用な工程及び要素のみが示されて詳細に記載されている。特に、記載された画像化デバイスの様々な可能な用途は詳述されておらず、記載された実施形態は超音波画像化デバイスの通常の用途と適合する。特に、超音波トランスデューサに与えられる電気励起信号の特性（周波数、形状、振幅など）は詳述されておらず、記載された実施形態は、対象とする用途、特に分析対象の身体の性質及び所望の取得情報のタイプに応じて選択されてもよい、超音波画像化システムで現在使用されている励起信号と適合する。同様に、分析対象の身体に関する有用な情報を取り出すために、超音波トランスデューサによって送られる電気信号に対する様々な処理は詳述されておらず、記載された実施形態は、超音波画像化システムで現在行われている処理と適合する。更に、記載されている画像化デバイスの超音波トランスデューサを制御するための回路は詳述されておらず、実施形態は、行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイスの超音波トランスデューサを制御するための既知の回路の全て又は大部分と適合する。更に、記載されている画像化デバイスの超音波トランスデューサの形成は詳述されておらず、記載されている実施形態は、既知の超音波トランスデューサ構造の全て又は大部分と適合する。
特に示されていない場合、共に接続された２つの要素を参照するとき、これは、導体以外のいかなる中間要素も無しの直接接続を表し、共に連結された２つの要素を参照するとき、これは、これら２つの要素が接続され得るか、又は一若しくは複数の他の要素を介して連結され得ることを表す。
以下の開示では、特に指定されていない場合、「前」、「後ろ」、「最上部」、「底部」、「左」、「右」などの絶対位置、若しくは「上側」、「下側」、「上部」、「下部」などの相対位置を限定する文言、又は「水平」、「垂直」などの向きを限定する文言を参照するとき、この文言は図面の向きを指す。
特に指定されていない場合、「約」、「略」、「実質的に」及び「程度」という表現は、該当する値の１０％の範囲内、好ましくは５％の範囲内を表す。
図１は、行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイス100 の例を概略的且つ部分的に示す平面図である。
図２Ａ及び図２Ｂは、図１の面Ａ－Ａ及び面Ｂ－Ｂに夫々沿った図１のデバイス100 の断面図である。
デバイス100 は、Ｍ行Li及びＮ列Cjのアレイに配置された複数の超音波トランスデューサ101 を備えており、Ｍ及びＮは２以上の整数であり、ｉは１～Ｍの範囲の整数であり、ｊは１～Ｎの範囲の整数である。
図１では、４つの行L1, L2, L3, L4、及び４つの列C1, C2, C3, C4が示されている。実際には言うまでもなく、デバイス100 の行数Ｍ及び列数Ｎは４とは異なってもよい。
デバイス100 の各トランスデューサ101 は、下部電極E1及び上部電極E2を有している（図２Ａ及び図２Ｂ）。適切な励起電圧が下部電極E1及び上部電極E2間に印加されると、トランスデューサは超音波を放射する。トランスデューサが所与の波長領域内の超音波を受信すると、トランスデューサは、受信した超音波を表す電圧をトランスデューサの下部電極E1及び上部電極E2間に印加する。
この例では、トランスデューサ101 は、CMUTトランスデューサ（「容量性微細加工超音波トランスデューサ」）とも称される膜を有する容量性トランスデューサである。
トランスデューサのアレイの各列Cjでは、列内のトランスデューサ101 の夫々の下部電極E1は互いに接続されている。しかしながら、異なる列のトランスデューサ101 の下部電極E1は互いに接続されていない。更に、トランスデューサのアレイの各行Liでは、行内のトランスデューサ101 の夫々の上部電極E2は互いに接続されている。しかしながら、異なる行のトランスデューサ101 の上部電極E2は互いに接続されていない。
デバイス100 の各列Cjでは、列内のトランスデューサ101 の下部電極E1は、列の実質的に長さ全体に沿って延びている連続的な導電性又は半導体の細片103 を形成している。変形例として、下部電極E1の各細片103 は、列の実質的に長さ全体に沿って夫々延びている半導体細片及び導電性細片の垂直積層体を有している。更に、デバイス100 の各行Liでは、行内のトランスデューサ101 の上部電極E2が、行の実質的に長さ全体に沿って延びている連続的な導電性又は半導体の細片105 を形成している。変形例として、上部電極E2の各細片105 は、行の実質的に長さ全体に沿って夫々延びている半導体細片及び導電性細片の垂直積層体を有している。簡略化のため、下部電極の細片103 及び上部電極の細片105 のみが図１に示されている。
図示されている例では、列電極を形成する細片103 は、ドープされた半導体材料、例えばドープされたシリコンで形成されている。更に、この例では、行電極を形成する細片105 は金属で形成されている。例として、平面視で、下側の細片103 は互いに平行であり、上側の細片105 は互いに平行であり、細片103 に垂直である。
図１の例では、デバイス100 は、例えば半導体材料、例えばシリコンで形成されている支持基板110 を備えている。支持基板110 の上面に超音波トランスデューサ101 のアレイが配置されている。より具体的には、この例では、誘電体層112 、例えば酸化シリコン層が、支持基板110 と超音波トランスデューサ101 のアレイとの間の界面を形成している。誘電体層112 は、例えば支持基板110 の上面全体に亘って連続的に延びている。例として、誘電体層112 の下面が、支持基板110 の実質的に上面全体に亘って支持基板110 の上面と接している。
下部電極の細片103 は、例えば誘電体層112 の上面と接して誘電体層112 の上面に配置されている。細片103 は、例えば酸化シリコンで形成されて細片103 と平行に延び、細片103 の厚さと実質的に同一の厚さを有する誘電体細片121 によって互いに横方向に分離されてもよい。
各トランスデューサ101 は、剛性支持層127 に形成されているキャビティ125 、及びキャビティ125 の上側に懸架されている可撓性膜123 を有している。剛性支持層127 は、例えば酸化シリコン層である。剛性支持層127 は、交互に配置された細片103 及び細片121 によって形成されている集合体の、例えば実質的に平坦な上面に配置されている。各トランスデューサ101 では、キャビティ125 は、トランスデューサの下部電極E1の前方に配置されている。
図示されている例では、各トランスデューサ101 は、下部電極E1の前方に１つのキャビティ125 を有している。変形例として、各トランスデューサ101 では、キャビティ125 は、例えば、平面視で剛性支持層127 の一部によって形成されている側壁によって互いに横方向に分離されている、行及び列のアレイに配置されている複数の基本キャビティに分割されてもよい。
図示されている例では、各キャビティ125 の底部で、トランスデューサの可撓性膜123 と下部電極E1との間のあらゆる電気接触を防止するために、例えば酸化シリコンで形成されている誘電体層129 がトランスデューサの下部電極E1を覆っている。変形例として、この電気絶縁機能を保証するために、誘電体層（不図示）が可撓性膜123 の下面を覆ってもよい。この場合、誘電体層129 は省略されてもよい。
各トランスデューサ101 では、トランスデューサのキャビティ125 を覆う可撓性膜123 が、例えばドープされているか又はドープされていない半導体材料、例えばシリコンで形成されている。
各トランスデューサ101 では、トランスデューサの上部電極E2が、トランスデューサのキャビティ125 及び下部電極E1と垂直方向に一列に、トランスデューサの可撓性膜123 の最上部に可撓性膜123 の上面と接して配置されている。変形例として、半導体膜の場合、各トランスデューサ101 の上部電極E2は実際の膜によって形成されてもよく、その場合、層105 は省略され得る。
例として、デバイス100 の各行Liでは、行内のトランスデューサ101 の可撓性膜123 は、隣り合う行の膜細片から誘電体領域によって横方向に分離されて行の実質的に長さ全体に沿って延びている連続的な膜細片を形成している。各行Liでは、行の膜細片123 は、例えば平面視で行の上部電極の細片105 と一致している。
トランスデューサ101 のアレイの行Li毎に、デバイス100 は、送信回路、受信回路及びスイッチを備えてもよく、スイッチは、第１の構成では行のトランスデューサの電極E2を行の送信回路の出力端子に接続して、第２の構成では行のトランスデューサの電極E2を行の受信回路の入力端子に接続すべく制御可能である。
更に、トランスデューサ101 のアレイの列Cj毎に、デバイス100 は、送信回路、受信回路及びスイッチを備えており、スイッチは、第１の構成では列のトランスデューサの電極E1を列の送信回路の出力端子に接続して、第２の構成では列のトランスデューサの電極E1を列の受信回路の入力端子に接続すべく制御可能である。
簡略化のために、デバイス100 の送信回路、受信回路及びスイッチは図面に示されていない。更に、これらの要素の形成は詳述されておらず、記載された実施形態は、行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイスの送信／受信回路の通常の実施形態と適合する。非制限例として、送信／受信回路は、2019年６月18日に本出願人によって出願された仏国特許出願第19／06515 号に記載されている送信／受信回路と同一又は同様であってもよい。
図１のデバイスは、下部電極の細片103 と基板110 との間の容量結合が、上部電極の細片105 と基板110 との間の容量結合よりはるかに大きいことに関連して制限される。このため、デバイスの行Li及び列Cjの動作に差異が生じる。より具体的には、このため、デバイスの行Li及び列Cjの受信モードでの感度に差異が生じる。同一の受信した音響パワーに関して、行Liから読み取る段階中に行Liの上部電極の細片105 で発生する電圧が、列Cjから読み取る段階中に列Cjの下部電極の細片103 で発生する電圧よりはるかに高いことが特に観察され得る。このため、取得した画像に望ましくないアーチファクトが生じる場合がある。
図３は、行－列アドレス指定のアレイ超音波画像化デバイス300 の実施形態の例を概略的且つ部分的に示す平面図である。
図４Ａ及び図４Ｂは、図３の面Ａ－Ａ及び面Ｂ－Ｂに夫々沿った図３のデバイス300 の断面図である。
デバイス300 は、前述したデバイス100 と共通の要素を備えている。これらの共通の要素については、以下に再度詳述されない。説明の残りの部分では、デバイス100 に対する相違点のみが記載される。
デバイス100 と同様に、デバイス300 は、Ｍ行Li及びＮ列Cjのアレイに配置された複数の超音波トランスデューサ101 を備えている。
デバイス100 と同様に、デバイス300 の各トランスデューサ101 は下部電極E1及び上部電極E2を有している。簡略化のため、上部電極E2のみが図３に示されている。
デバイス300 は、主にデバイスのトランスデューサ101 の下部電極E1及び上部電極E2を相互接続する手段によってデバイス100 とは異なる。
デバイス300 では、トランスデューサ101 の各行Liで、行内のあらゆる隣り合う２つのトランスデューサ101ij 及びトランスデューサ101ij+1 （ここで、101ij 及び101ij+1 は、アレイの行Li及び列Cjのトランスデューサ101 、及びアレイの行Li及び列Cj+1のトランスデューサ101 を夫々表す）は、互いに接続されている下部電極E1及び上部電極E2、又は互いに接続されている上部電極E2及び下部電極E1を夫々有している。しかしながら、トランスデューサ101ij, 101ij+1の上部電極E2は互いに電気的に絶縁されている。同様に、トランスデューサ101ij,101ij+1の下部電極E1は互いに電気的に絶縁されている。
同様に、トランスデューサ101 の各列Cjでは、列内のあらゆる隣り合う２つのトランスデューサ101ij 及びトランスデューサ101i+1j （ここで、101i+1j は、行Li+1及び列Cjのトランスデューサ101 を表す）は、互いに接続されている下部電極E1及び上部電極E2、又は互いに接続されている上部電極E2及び下部電極E1を夫々有している。しかしながら、トランスデューサ101ij, 101i+1jの上部電極E2は互いに電気的に絶縁されている。同様に、トランスデューサ101ij, 101i+1jの下部電極E1は互いに電気的に絶縁されている。
従って、デバイス300 の各列Cjでは、列内の全てのトランスデューサ101 に共通の列導体303 が、列内のトランスデューサ間で垂直方向に曲がり、列内のトランスデューサの下部電極E1及び上部電極E2を交互に通過する。同様に、デバイス300 の各行Liでは、行内の全てのトランスデューサ101 に共通の行導体305 が、行内のトランスデューサ間で垂直方向に曲がり、行内のトランスデューサの下部電極E1及び上部電極E2を交互に通過する。
この例では、隣り合うトランスデューサの上部電極E2及び下部電極E1間の電気接続部分が、トランスデューサのキャビティ125 を横方向に分離する誘電体層127 の一部を垂直方向に横切る、例えば金属製の接続要素311 によって形成されている。より具体的には、図４Ａ及び図４Ｂの例では、各接続要素311 は、トランスデューサ101 の上部電極E2の下面から、隣り合うトランスデューサの下部電極の上面に垂直方向に延びている。
デバイス300 では、誘電体領域121 は、平面視で、各電極E1を完全に囲んで各電極E1を隣り合うトランスデューサの電極E1から横方向に分離する連続的なゲートを形成している。同様に、平面視で各電極E2は、誘電体領域（場合によっては空気又は真空）によって完全に囲まれて、隣り合うトランスデューサの電極E2から横方向に分離されている。
例として、平面視で各可撓性膜123 は、誘電体領域によって完全に囲まれて、隣り合うトランスデューサの可撓性膜123 から横方向に分離されている。変形例として、可撓性膜123 は、誘電体材料、例えば酸化シリコンで形成されてもよい。この場合、隣り合うトランスデューサの可撓性膜は連続した層を形成してもよい。
デバイス300 の動作は、トランスデューサ101 の下面側及び上面側に夫々配置されているデバイス100 の列導体103 及び行導体105 を、対応する行又は列のトランスデューサ間で夫々曲がり、行又は列のトランスデューサの下部電極E1及び上部電極E2を交互に通過する列導体303 及び行導体305 と取り替えることにより、前述したデバイス100 の動作と実質的に同一である。
従って、トランスデューサ101 のアレイの行Li毎に、デバイス300 は、送信回路、受信回路及びスイッチを備えてもよく、スイッチは、第１の構成では行Liの行導体305 を行の送信回路の出力端子に接続して、第２の構成では行Liの行導体305 を行の受信回路の入力端子に接続すべく制御可能である。
更に、トランスデューサ101 のアレイの列Cj毎に、デバイス300 は、送信回路、受信回路及びスイッチを備えてもよく、スイッチは、第１の構成では列Cjの列導体303 を列の送信回路の出力端子に接続して、第２の構成では列Cjの列導体303 を列の受信回路の入力端子に接続すべく制御可能である。
デバイス300 の利点は、行導体305 と基板110 との容量結合が、列導体303 と基板110 との容量結合と実質的に同一であるということである。このため、デバイスの行Li及び列Cjの動作が対照的になり得る。特に、受信モードでの感度は、デバイスの行及び列で実質的に同一であるため、取得した画像の品質を向上させることができる。このため、行及び列で実質的に同一の電気特性、特に実質的に同一のインピーダンスを有することが更に可能である。
図５Ａ及び図５Ｂは、デバイス300 の代替的な実施形態を図３の面Ａ－Ａ及び面Ｂ－Ｂに夫々沿って示す断面図である。
図５Ａ及び図５Ｂの変形例は、主にこの変形例では、デバイスの各電極E1の下に、例えばデバイスの上部電極E2と同一の金属で形成された金属層部分501 が延びている点で図３、図４Ａ及び図４Ｂに関連して前述した構成とは異なる。金属層501 の上面が電極E1の下面と接している。例として、金属層501 の下面が誘電体層112 の上面と接している。この例では、各接続要素311 は、トランスデューサ101 の上部電極E2の下面から、隣り合うトランスデューサ101 の金属層部分501 の上面に垂直方向に延びている。
この代替的な実施形態の利点は、トランスデューサの下部電極E1が半導体材料で形成されている場合、トランスデューサの下部電極E1のレベルで導電性の行要素305 及び列要素303 の導電率を高め得るということである。
図６Ａ～図６Ｋは、図４Ａ及び図４Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。
図６Ａは、SOI （Semiconductor On Insulator）型構造の半導体層の厚さの一部を酸化する工程を示す。
最初の構造は、例えば半導体材料、例えばシリコンで形成されている支持基板10と、支持基板10の上面を覆う、例えば酸化シリコンで形成されている誘電体層12と、誘電体層12の上面を覆う半導体層14、例えば単結晶シリコン層とを有している。誘電体層12及び上側の半導体層14は、例えば、支持基板10の上面全体に亘って実質的に一定の厚さで連続的に夫々延びている。この例では、誘電体層12の下面が支持基板10の上面と接しており、半導体層14の下面が誘電体層12の上面と接している。
図６Ａは、より具体的には半導体層14の上方部分の酸化工程を示している。この工程中、半導体層14の上方部分は、誘電体材料、例えば（最初の層14がシリコンで形成されている場合には）酸化シリコンの層14a に変えられる。半導体層14の下方部分14b の性質は変わらないままである。
例として、半導体層14の上方部分の酸化を乾燥熱酸化法によって行う。半導体層14の最初の厚さは、例えば50ｎｍ～３μｍの範囲内である。酸化後の絶縁層14a の厚さは、例えば10～500 ｎｍの範囲内であり、例えば50ｎｍ程度である。
図６Ｂは、CMUTトランスデューサのキャビティ125 に相当する局所的なキャビティを絶縁層14a に形成する工程を示す。
キャビティ125 は、絶縁層14a の上面から半導体層14b に向かって垂直方向に延びている。図示されている例では、キャビティ125 は貫通しており、すなわち、半導体層14b の上面に開口している。
キャビティ125 を、エッチングによって、例えばプラズマエッチングによって形成してもよい。エッチングマスクを使用してキャビティ125 の位置を定めてもよい。
図６Ｃは、例えばシリコンで形成された第２の半導体基板20の上面を酸化する工程を示す。この工程中、第２の半導体基板20の上面側に、例えば酸化シリコンで形成された誘電体層22を形成する。酸化を、乾燥熱酸化法によって行ってもよい。この工程中に形成される誘電体層22の厚さは、例えば50ｎｍ～１μｍの範囲内であり、例えば100 ｎｍ程度である。
図６Ｄは、基板20及び誘電体層22を含む集合体を図６Ａ及び図６Ｂの工程の終わりに得られた構造の上面に移す工程を示す。より具体的には、図示されている例では、基板20を図６Ｃの向きに対して裏返し、誘電体層22の下面が層14a の上面と接するように図６Ｂの構造に移す。層14a の上面との誘電体層22の下面の直接接合又は分子接合によって２つの構造を互いに接合する。このようにして誘電体層22はキャビティ125 を上面から閉じる。
図６Ｅは、誘電体層22と反対側の表面から、すなわち図６Ｅの向きで上面から基板20を薄くする工程を示す。薄くする工程を、例えば研磨によって行う。薄くする工程前の基板20の最初の厚さは、例えば700 μｍ程度である。薄くする工程後、基板の厚さは300 ｎｍ～100 μｍの範囲内であってもよい。
図６Ｆは、薄くされた基板20の上面から誘電体材料、例えば酸化シリコンを充填した絶縁トレンチ121 を形成する工程を示す。絶縁トレンチ121 （図６Ｆの黒色）は、図４Ａ及び図４Ｂの誘電体領域121 に相当する。絶縁トレンチ121 は基板20を厚さ全体に亘って完全に横切り、絶縁層22の上面に開口している。絶縁トレンチ121 を、例えば基板20の深掘り反応性イオンエッチングによって形成して、誘電体材料で充填する。トレンチで画定された基板20の部分は、トランスデューサの電極E1に相当する。
図６Ｇは、例えばシリコンで形成された第３の半導体基板30の上面を酸化する工程を示す。この工程中、基板30の上面に、例えば酸化シリコンで形成された誘電体層32を形成する。酸化を、乾燥熱酸化法によって行ってもよい。この工程中に形成された誘電体層32の厚さは、例えば100 ｎｍ～10μｍの範囲内であり、例えば２μｍ程度であり、例えば２～10μｍの範囲内である。変形例として、誘電体層32を、基板30の上面に絶縁材料、例えば酸化シリコンを堆積させることにより形成してもよい。更に変形例として、基板30は、誘電体材料、例えばガラスで形成された基板、又は抵抗率が高い半導体基板、例えばドープされていないか若しくは低濃度にドープされたシリコン基板であってもよい。
図６Ｈは、図６Ｆの構造を図６Ｇの構造に移す工程を示す。図示されている例では、図６Ｆの構造を図６Ｆの向きに対して裏返し、電極E1の下面及び誘電体領域121 の下面が誘電体層32の上面と接するように図６Ｇの構造に移す。電極E1の下面及び誘電体領域121 の下面を誘電体層32の上面に直接接合することによって２つの構造を互いに接合する。
図６Ｉは、最初の構造の基板10及び誘電体層12を除去するその後の工程を示す。従って、半導体層14b のみがキャビティの上側に保持され、トランスデューサの膜123 を形成する。
図６Ｊは、半導体層14b 及び誘電体層14a, 22 を構造化して、一方では半導体層14b にトランスデューサの可撓性膜123 を画定し、他方ではトランスデューサの電極E1の上面にアクセスするための開口部41を誘電体層14a, 22 に形成する一又は複数のその後の工程の終わりに得られた構造を示す。
図６Ｋは、図６Ｊの構造の上面全体に亘って金属層43を堆積させ、次に金属層43を例えばフォトリソグラフィ及びエッチングによって構造化し、トランスデューサの上部電極E2を画定するその後の工程を示す。
この例では、図４Ａ及び図４Ｂの構造の接続要素311 は、開口部41の側面を覆って開口部41の底部で電極E1の上面と接する金属層43の部分に相当する。図４Ａ及び図４Ｂの構造の基板110 及び誘電体層112 は基板30及び誘電体層32に夫々相当する。キャビティ125 の側壁及び底部を形成する図４Ａ及び図４Ｂの構造の誘電体領域127, 129は層14a, 22 に相当する。
図７Ａ～図７Ｃは、図５Ａ及び図５Ｂに示されているタイプのデバイスを製造する方法の例の工程を示す断面図である。
この方法の最初の工程は、図６Ａ～図６Ｇに関連して前述した工程と同一である。
図７Ａは、図６Ｆの構造から開始して、
－ 半導体層20を厚さ全体に亘って垂直方向に横切って、誘電体層22の上面に開口する横方向に絶縁された導電性ビア51を形成する工程、
－ 構造の上面に金属層53を堆積させて、金属層53の下面を電極E1の上面及び導電性ビア51の上面と接触させる工程、
－ 例えば誘電体領域121 の前方で金属層53を局所的に除去して、電極E1を互いに電気的に絶縁する工程
である連続的な追加の工程の終わりに得られた構造を示す。
図７Ｂは、図６Ｇの構造から開始して、
－ 構造の上面に金属層61を堆積させて、金属層61の下面を誘電体層32の上面と接触させる工程、及び
－ 金属層61を局所的に除去して、図７Ａの構造の金属層53で画定された金属部分の配置と同一又は同様の配置で配置されて互いに絶縁された複数の金属部分を画定する工程
である連続的な追加の工程の終わりに得られた構造を示す。
この方法の残り部分は、図６Ｈ～図６Ｋに関連して前述した工程と同様である。
図７Ｃは、この方法の終わりに得られた構造を示す。この変形例では、図７Ａの構造と図７Ｂの構造との接合は、半導体層20と反対側の金属層53の表面（すなわち、図７Ｃの向きで下面）と基板30と反対側の金属層61の表面（すなわち、図７Ｃの向きで上面）との直接金属間接合であることに注目すべきである。
下部電極E1の前方にある金属層61, 53の部分の積層体は、図５Ａ及び図５Ｂの構造の金属層の部分501 に相当する。絶縁された導電性ビア51は、図５Ａ及び図５Ｂの構造の接続要素311 に相当する。
様々な実施形態及び変形例が記載されている。当業者は、これらの様々な実施形態及び変形例のある特徴を組み合わせることができると理解し、他の変形例が当業者に想起される。特に、記載された実施形態は、本開示に記載されている材料及び寸法の特定の例に限定されない。
更に、記載された実施形態は、上述されたCMUTトランスデューサの構造の特定の例に限定されず、更に上述されたCMUTトランスデューサの製造方法の特定の例に限定されない。特に、提供された解決策が表面微細加工によって形成されたCMUTトランスデューサに適用されてもよいことに注目すべきである。
記載された実施形態は、デバイスのトランスデューサの行及び列が直線的であり、行が列に直交している図面に示されている例に限定されないことに更に注目すべきである。変形例として、デバイスのトランスデューサの行及び／又は列は非直線的である。更に、トランスデューサの行及び列は夫々互いに平行でなくてもよい。更に、トランスデューサの行は列に直交していなくてもよい。
より一般的には、記載された実施形態は、下部電極及び上部電極を有するあらゆるタイプの超音波トランスデューサに適合されてもよく、行－列アドレス指定に従って制御されるように適合されてもよく、例えば圧電トランスデューサ、例えばPMUT（「圧電微細加工超音波トランスデューサ」）タイプのトランスデューサに適合されてもよい。
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる仏国特許出願第20／05636 号明細書の優先権を主張している。

Claims (9)

  1. 行(Li)及び列(Cj)に配置されている複数の超音波トランスデューサ(101) を備えている超音波画像化デバイス(300) であって、
    各超音波トランスデューサ(101) は下部電極(E1)及び上部電極(E2)を有しており、
    各行(Li)では、行内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに接続されている下部電極(E1)及び上部電極(E2)、又は互いに接続されている上部電極(E2)及び下部電極(E1)を夫々有しており、
    各列(Cj)では、列内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに接続されている下部電極(E1)及び上部電極(E2)、又は互いに接続されている上部電極(E2)及び下部電極(E1)を夫々有している、超音波画像化デバイス。
  2. 各行(Li)では、行内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに電気的に絶縁されている下部電極(E1)及び互いに電気的に絶縁されている上部電極(E2)を夫々有しており、
    各列(Cj)では、列内のあらゆる隣り合う２つの超音波トランスデューサ(101) は、互いに電気的に絶縁されている下部電極(E1)及び互いに電気的に絶縁されている上部電極(E2)を夫々有している、請求項１に記載の超音波画像化デバイス。
  3. 各超音波トランスデューサ(101) は、キャビティ(125) の上側に懸架されている可撓性膜(123) を有するCMUTトランスデューサであり、
    前記超音波トランスデューサの下部電極(E1)は、前記可撓性膜(123) と反対側の前記キャビティ(125) の側に配置されており、前記超音波トランスデューサの上部電極(E2)は、前記キャビティ(125) と反対側の前記可撓性膜(123) の側に配置されている、請求項１又は２に記載の超音波画像化デバイス。
  4. 前記超音波トランスデューサ(101) のキャビティ(125) は剛性支持層(127) に形成されており、
    各超音波トランスデューサ(101) の上部電極(E2)は、前記剛性支持層(127) を横切る導電要素(311) を介して隣り合う超音波トランスデューサ(101) の下部電極(E1)に電気的に接続されている、請求項３に記載の超音波画像化デバイス。
  5. 各超音波トランスデューサ(101) の下部電極(E1)は、ドープされた半導体材料で形成されている、請求項３又は４に記載の超音波画像化デバイス。
  6. 金属層部分(501) が、前記超音波トランスデューサの下部電極(E1)の下面と接して各超音波トランスデューサ(101) の下部電極(E1)の下に延びている、請求項５に記載の超音波画像化デバイス。
  7. 各超音波トランスデューサ(101) では、前記可撓性膜(123) は半導体材料で形成されている、請求項３～６のいずれか１つに記載の超音波画像化デバイス。
  8. 各超音波トランスデューサ(101) では、誘電体層(129) が、前記キャビティ(125) の底部で前記超音波トランスデューサの下部電極(E1)の上面を覆っている、請求項３～７のいずれか１つに記載の超音波画像化デバイス。
  9. 各超音波トランスデューサ(101) はPMUTトランスデューサである、請求項１又は２に記載の超音波画像化デバイス。
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