JP4049743B2 - 音響エネルギーの横方向の伝搬を制限する超小型超音波トランスデューサ（ｍｕｔ）基板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般的には超音波トランスデューサ、特に音響エネルギーの横方向の伝搬を制限する超小型超音波トランスデューサ(MUT:Micro-machined Ultrasonic Transducer)基板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
超音波トランスデューサは、かなり長い間利用されてきていて、特に非外科的な医療診断撮像に有効である。超音波トランスデューサは、ピエゾ電気素子又はＭＵＴ素子のどちらかから通常は形成される。ピエゾ電気素子は通常、トランスデューサを形成するように構成される複数の素子を用いて、例えばチタン酸ジルコン酸鉛(lead-zirconate-titanate)のような（ＰＺＴと省略される）ピエゾ電気セラミックからなる。ＭＵＴは、シリコン基板上においてそのエッジの周りに支持されるフレキシブルな薄膜を本質的に有する容量性超音波トランスデューサセルとなる既知の半導体製造技術を用いて形成される。この薄膜は、基板により支持され、キャビティ(cavity)を形成する。電極の形態で接触材料を薄膜又は薄膜の一部と、シリコン基板におけるキャビティのベースとに設け、その後、適当な電圧信号を電極に与えることによって、ＭＵＴは適当な超音波を製造するために電気的に通電される。同様に、電気的にバイアスされたとき、ＭＵＴの薄膜は、反射される超音波エネルギーを捕らえ、このエネルギーを電気的にバイアスされた薄膜の移動に変換することによって超音波信号を入力するのに使用され、その後これは入力信号を生成する。
【０００３】
ＭＵＴセルは通常、例えばシリコン（Ｓｉ）のような適切な基板材料上に製造される。ＭＵＴ素子を形成する複数のＭＵＴセルは、電気的に接続される。通常、数百又は数千のＭＵＴ素子は、超音波トランスデューサアレイを有する。このアレイにおけるトランスデューサ素子は、トランスデューサ組立体を形成する制御回路と結合されてもよく、これはその後、更に組み立てられ、電子回路基板の形式で、追加の制御電子回路を含むハウジングとなり、これらの組み合わせが超音波プローブを形成する。様々な音響マッチング層、バッキング層及びデ・マッチング層を含むこの超音波プローブは、身体の組織を通過する超音波信号を送受信するのに使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
悪いことには、ＭＵＴ素子が形成される基板材料は、あるＭＵＴ素子から他のＭＵＴ素子への音響エネルギーを結合する傾向を持っている。これは、基板材料が通常は構造上モノリシックであり、あるＭＵＴ素子からの音響エネルギーが基板を貫通して隣接するＭＵＴ素子に容易に結合されるために起こる。このため、音響エネルギーの横方向の伝搬を減少又は排除するＭＵＴ基板を作成するためのやり方を持つことが好ましい。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、音響エネルギーの横方向への伝搬を減少又は殆ど排除するＭＵＴ基板である。このＭＵＴ基板は、一般にはバイア(via)と呼ばれ、基板内に形成され、ＭＵＴ素子に近接している孔(hole)を含む。ＭＵＴ基板におけるバイアは、ＭＵＴ基板において横方向へ移動する音響エネルギーの伝搬を減少又は排除する。このバイアは、ＭＵＴ素子とＭＵＴ基板がその上に取り付けられる集積回路基板の表面上にある回路との間に電気接続を供給するためにドープされることができる。
【０００６】
本発明の他のシステム、方法、特性及び利点は、以下の図面及び詳細な説明を考察することで当業者には明らかとなるであろう。全ての上記システム、方法、特性及び利点は、この説明内に含められ、本発明の範囲内であり、添付される特許請求の範囲により保護されることを意味している。
【０００７】
【発明の実施の形態】
特許請求の範囲に規定されるような本発明は、以下の図面を参照することによりよりよく理解されることができる。図面内の構成要素は、互いに相関する大きさである必要は無く、代わりに、本発明の原理を明瞭に説明することを強調する。
【０００８】
以下に記載される発明は、その上に集積回路（ＩＣ）が形成される基板に接続されるＭＵＴ素子に応用できる。
【０００９】
図１は、ＭＵＴ素子を含む超音波トランスデューサ１００の簡略化した断面図である。この超音波トランスデューサ１００は、ＭＵＴ基板１２０の表面上に形成されるＭＵＴ素子１１０を含む。好ましくは、このＭＵＴ基板１２０はシリコンであるが、代わりにその上にＭＵＴ素子が形成される他の適当な材質とすることも可能である。このＭＵＴ素子１１０を形成するために、導電層１１６は、示されるようにＭＵＴ基板の表面上に形成される。導電層１１６は、例えばアルミニウム、金又はドープされたシリコンを用いて構成されることができる。ギャップ１１４が示されるように形成されるように、フレキシブルな薄膜１１８の層は、ＭＵＴ基板１２０及び導電層１１６の上に置かれる。このフレキシブルな薄膜１８８は、例えば窒化シリコン(Si₃N₄)、二酸化シリコン(SiO₂)を用いて構成されることができる。ギャップ１１４は、真空状態を含むように構成されるか、又は大気圧のガスを含むように構成されることができる。導電層１１２は、ギャップ１１４の上にあるフレキシブルな薄膜１１８の部分の上で成長し、これにより、ＭＵＴ素子１１０を形成する。
【００１０】
送信パルスの間に、フレキシブルな薄膜１１４は、導体１１２及び１１６に与えられる電気的な刺激に応じて変形する。この変形は、音響エネルギーを発生させ、ＭＵＴ基板１２０から出たり、ＭＵＴ基板１２０に入るように送信させる。受信動作中、フレキシブルな薄膜１１８は、導体１１２及び１１６を介して与えられる電気的な刺激を用いて電気的にバイアスがかけられる。電気的にバイアスがかけられたとき、フレキシブルな薄膜１１８は、ＭＵＴ素子１１０により入力される音響エネルギーに応じて電気信号を発生させる電圧の変化を生じさせる。
【００１１】
ＭＵＴ基板１２０は、ＩＣ基板１４０の表面上形成される集積回路（ＩＣ）に結合される。本発明の１つの態様によれば、ＭＵＴ基板１２０は、ＭＵＴ基板を貫通して形成され、通常はバイアと呼ばれる複数の孔を含む。このバイアは、ＭＵＴ素子１１０の近傍に形成され、ＭＵＴ基板１２０における音響エネルギーの横方向の伝搬を減少又は排除する。
【００１２】
多数の異なる手法が、ＭＵＴ基板１２０をＩＣ１４０に結合するのに用いられ、これら手法の多くは、本出願と同日付けで出願された、本発明の譲受人に譲渡された米国特許出願、発明の名称"System for Attaching an Acoustic Element to an Integrated Circuit"に開示されている。
【００１３】
バッキンク１５０の層は、ＩＣ基板１４０の背後に設けられる。このバッキング１５０は、音響吸収材料として働く。このバッキング１５０は、例えば好ましくは音響学上透過である結合材料を用いてＩＣ基板１４０に結合される。
【００１４】
図２は、本発明の１つの態様により製造されるＭＵＴ組立体２００の断面図である。このＭＵＴ組立体２００は、ＭＵＴ基板２２０を含み、その上に、その内の例示的な１つが参照番号２１６により示される複数のＭＵＴセルが形成される。複数のＭＵＴセル２１６がＭＵＴ素子２１０を形成する。本実施例では、４つのＭＵＴセル２１６が結合してＭＵＴ素子２１０を形成する。ＭＵＴ素子２１０は、ＭＵＴ基板２２０の主表面上にあり、断面図において誇張されて示されている。本発明の１つの態様によれば、その内の例示的な１つが参照番号２１５により示される、普通はバイアと呼ばれる複数の孔は、各ＭＵＴセル２１６の近傍のＭＵＴ基板２２０を貫通するようにエッチングされる。例えば、図２に示されるように、４つのＭＵＴセル２１６は、４つのバイア２１５により各々取り囲まれる。各バイア２１５は、ＭＵＴ基板２２０を完全に貫通するようにエッチングされ、これによって、ＭＵＴ基板２２０を貫通して横方向に進行する音響エネルギーの波の伝搬を減少又は排除する空隙をＭＵＴ基板２２０に作り出す。これら横方向の波を減少させることにより、ＭＵＴ素子２１０の間の音響クロストークが大幅に減少又は排除される。
【００１５】
本発明の他の態様において、バイア２１５の各々は、導電性となるためにドープされることができる。これらバイアを導電性にさせることによって、ＭＵＴ基板２２０の背面２２２に設けられる（図２には示されない）集積回路の表面に置かれる回路は、導電性バイア２１５を通り抜けて各ＭＵＴ素子２１０に電気接続される。明瞭性のために省略されたとしても、バイア２１５の各々がＭＵＴ素子２１０に接続されることができ、これによって、ＭＵＴ素子２１０とバイア２１５との間の電気接続を作り出す。このようにして、バイア２１５は、電気接続に使用されたり、基板２２０において横方向に移動する音響エネルギーを減少又は大幅に排除するのに使用される。
【００１６】
前記バイアは、表面２２１及び２２２の両方からＭＵＴ基板２２０内にエッチングされる。各ＭＵＴ素子２１０の各々のかどにバイア２１５を置くことが、表面２２１上のＭＵＴセルの数を最大にすることを可能にする。その上、図２に示されるように、表面２２１の近くのバイア２１５の直径は、ＭＵＴ基板２２０の表面２２２の近くのバイア２１５の直径よりも小さい。このようにして、表面２２２の近くのバイア２１５のより大きな直径部分は、ＭＵＴ基板２２０において横方向に伝搬する音響エネルギーを減少するのに使用される一方、ＭＵＴ基板２２０の表面２２１の近くのバイア２１５の直径はできる限り小さく保たれる。バイア２１５は、上述されるようなバイアの直径における逓減変化を生じさせるために、例えば表面２２２からＤＲＩＥ(Deep Reactive Ion Etching)を用いてエッチングされる。図２に示されるように、バイア２１５の逓減は、表面２２２の近くの方が大きい直径を持つ放物線である。その上、ブラインドバイア(blind via)又はカウンターボア(counterbore)もＭＵＴ基板２２０において横方向に伝搬する音響的エネルギーを更に減少させるために使用される。
【００１７】
図３は、図２のＭＵＴ組立体の代替物を説明する断面図である。図３のＭＵＴ組立体３００は、ＭＵＴ基板３０５及び区切り線３３５に沿って“背中合わせ”で接着されるＭＵＴ基板３２５を含む。２つのＭＵＴ基板を張り合わせる前に、バイア３１５は、ＭＵＴ基板３０５内にエッチングされ、バイア３１６は、ＭＵＴ基板３２５内にエッチングされる。これらバイアを２つの薄い基板３０５及び３２５内にエッチングすることにより、高精度の大きさのバイアが得られる。例えば、バイア３１５は、表面３２１及び３２２からＭＵＴ基板３０５内にエッチングされる。同様に、バイア３１６は、表面３２６及び３２７からＭＵＴ基板３２５内にエッチングされる。バイア３１５及び３１６を２つの基板３０５及び３２５にそれぞれエッチングすることによって、これら基板の各々は、図２の基板２２０よりも薄くなり、バイア３１５及び３１６は、図２のバイア２１５よりも高精度で形成されることができる。例えば、バイア３１５及び３１６の各々の位置及び直径は、正確に制御されることができる。その上、バイア３１５及び３１６は、上述されるように逓減されることができる。
【００１８】
バイアがエッチングされた後、ＭＵＴ基板３０５の表面３２２及びＭＵＴ基板３２５の表面３２７は、これら基板３０５及び３２７の厚さを所望の厚さとなるように減少するように包まれ、次いで、区切り線３３５に沿って張り合わされる。２つのＭＵＴ基板３０５及び３２５は、アノード接合、融着接合又はろう付けされて一緒になる。このようにして、小さい直径のバイアがＭＵＴ基板３０５の表面３２１上及びＭＵＴ基板３２５の表面３２６上に現れる。
【００１９】
図４は、図２のＭＵＴ組立体２００の他の代替実施例の断面図である。図４のＭＵＴ組立体４００はＭＵＴ基板４０５を含み、バイア４１５は、図２に関して上述されたのと類似の方法で、この基板を貫通するようにエッチングされる。しかしながら、ＭＵＴ組立体４００は、ＭＵＴ基板４０５と同じ材質を用いて製造され、ＭＵＴ基板４０５に接合される追加の基板４５０を含む。ＭＵＴ素子４１０は、この追加の基板４５０上に形成される。追加の基板４５０は、ＭＵＴ基板４０５におけるバイア４１５の位置に対応する位置において、追加の基板４５０を貫通するようにエッチングされる。バイア４５５は、バイア４１５よりも一般的に小さな直径である。このようにして、表面４２２におけるバイア４１５の大きさと、表面４２１におけるバイア４５５の大きさとの間に大きな変化が得られる。
【００２０】
図５は、図２のＭＵＴ組立体２００の他の代替実施例である。図５のＭＵＴ組立体５００は、表面５２１及び表面５２２の両方からＭＵＴ基板５０５内にエッチングされるバイア５１５を含む。表面５２１からエッチングされるバイア部５２５は、示されるように、基板５０５を貫通し途中で表面５２２からエッチングされるバイア５１５と衝突する。ＭＵＴ基板５０５の両方の表面５２１及び５２２からバイアをエッチングすることは、バイアの直径を更に正確に制御されることを可能にする。
【００２１】
当業者にとって、本発明の原理から大幅に外れることなく、上述したような本発明に対する多くの修正及び変形が行われてもよい。例えば、本発明は、ＭＵＴトランスデューサ素子と複数の異なる基板材料とを用いて使用される。このような修正及び変形の全ては、ここに含むことにより示されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ＭＵＴ素子を含む超音波トランスデューサの断面図。
【図２】 本発明の１つの態様により作成されるＭＵＴトランスデューサ組立体の断面図。
【図３】 図２のＭＵＴトランスデューサ組立体の代替物を説明する断面図。
【図４】 図２のＭＵＴトランスデューサ組立体の他の代替実施例の断面図。
【図５】 図２のＭＵＴトランスデューサ組立体の他の代替実施例。

Claims (14)

1. −第１の表面及び第２の表面を有し、前記第１の表面は主表面であり、前記第２の表面は、前記主表面と反対側になる背面である第１の基板と、
   −前記第１の基板上に形成され、各々が少なくとも一つの超小型超音波トランスデューサセルを有する複数の超小型超音波トランスデューサ素子と
   を有する超音波トランスデューサにおいて、
   前記超音波トランスデューサは、
   −前記第１の基板において横方向に伝わる音響エネルギーの伝搬を減少させるための複数のバイアであって、前記複数のバイアは、前記少なくとも一つの超小型超音波トランスデューサセルを囲うように、前記第１の基板を貫通して延在すると共に前記各々の超小型超音波トランスデューサ素子の近傍にもたらされ、前記複数のバイアは、前記第１の基板を通じて変化する直径を有し、前記直径は、前記第１の表面に向かってより小さくなっていく複数のバイア
   を更に有する超音波トランスデューサ。
2. 前記バイアは、第１の基板内にエッチングされる請求項１に記載のトランスデューサ。
3. 前記バイアは、前記第１の基板の前記第１の表面内及び前記第１の基板の前記第２の表面内にエッチングされる請求項２に記載のトランスデューサ。
4. 前記バイアは、前記第１の基板の前記第１の表面と前記第１の基板の前記第２の表面との間において逓減する請求項３に記載のトランスデューサ。
5. −前記第１の基板は、第１の部分及び第２の部分を有し、前記各々の部分は第１の部分表面及び反対側の第２の部分表面を有し、前記第１の部分の前記第１の部分表面が前記第１の表面を規定すると共に前記第２の部分の前記第１の部分表面が前記第２の表面を規定するように、前記第１及び第２の部分の前記第２の部分表面は共に結合され、
   −前記各々の部分の前記第２の部分表面における前記各々のバイアの直径が前記各々の部分の前記第１の部分表面における前記各々のバイアの直径よりも大きくなるように、前記バイアは前記各々の部分内にエッチングされる請求項１に記載のトランスデューサ。
6. 前記第１の基板に結合される第２の基板を更に有し、前記バイアは前記第２の基板内にエッチングされる請求項２に記載のトランスデューサ。
7. 前記バイアは、前記第１の基板の前記第１の表面から前記第１の基板の前記第２の表面へと延在する第１の直径を持つ第１の部分と、前記第１の基板の前記第２の表面から前記第１の基板の前記第１の表面へと延在する大きさが変化していく直径を持つ第２の部分とを含む請求項２に記載のトランデューサ。
8. 超音波トランデューサにおいて音響エネルギーの横方向の伝搬を減少させる方法であって、前記方法は、
   −第１の基板上に複数の超小型超音波トランデューサ素子を形成し、前記第１の基板は第１の表面及び第２の表面を有し、前記第１の表面は主表面であり、前記第２の表面は、前記主表面と反対側になる背面であり、前記各々の超小型超音波トランデューサ素子は、前記第１の表面上に形成される少なくとも一つの超小型超音波トランスデューサセルを有するステップ
   を有し、前記方法は更に、
   −前記第１の基板における音響エネルギーの前記横方向の伝搬を減少させるための複数のバイアを形成し、前記複数のバイアは、前記少なくとも一つの超小型超音波トランスデ ューサセルを囲うように、前記第１の基板を貫通して形成されると共に前記各々の超小型超音波トランスデューサ素子の近傍に形成され、前記各々のバイアは、前記第１の基板を通じて変化する直径を有し、前記直径は、前記第１の表面に向かってより小さくなっていくステップ
   を有する方法。
9. 前記バイアを前記第１の基板内にエッチングするステップを更に有する請求項８に記載の方法。
10. 前記バイアを前記第１の基板の前記第１の表面内と前記第１の基板の前記第２の表面内とにエッチングするステップを更に有する請求項９に記載の方法。
11. 前記第１の基板の前記第１の表面と前記第１の基板の前記第２の表面との間に前記バイアを逓減するステップを更に有する請求項１０に記載の方法。
12. −第１及び第２の部分において前記第１の基板を形成し、前記各々の部分は第１の部分表面及び反対側の第２の部分表面を有するステップと、
    −前記各々の部分の前記第２の部分表面における前記各々のバイアが前記各々の部分の前記第１の部分表面における前記各々のバイアよりも大きくなるように、前記バイアを前記各々の部分内にエッチングするステップと、
    −前記第１の部分の前記第１の部分表面が前記第１の表面を規定すると共に前記第２の部分の前記第１の部分表面が前記第２の表面を規定するように、前記第１及び第２の部分の前記第２の部分表面を共に結合するステップと
    を更に有する請求項８に記載の方法。
13. −前記第１の基板と関連する第２の基板を形成するステップ、及び
    −前記バイアを前記第２の基板内にエッチングするステップ、
    を更に有する請求項１１に記載の方法。
14. −前記第１の基板の前記第１の表面から前記第１の基板の前記第２の表面へ延在する第１の直径を持つ第１の部分を含むように前記バイアを形成するステップ、及び
    −前記第１の基板の前記第２の表面から前記第１の基板の前記第１の表面へ延在する大きさが変化していく直径を持つ第２の部分を含むように前記バイアを形成するステップ、
    を更に有する請求項１１に記載の方法。

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