JP6636516B2 - 超音波トランスデューサ素子、及び超音波撮像装置 - Google Patents

超音波トランスデューサ素子、及び超音波撮像装置 Download PDF

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Description

本発明は、超音波トランスデューサ素子の製造技術に関し、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術により製造した超音波トランスデューサ素子の構造と、その製造方法に適用して有効な技術に関する。
超音波トランスデューサは、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、超音波を送信、受信することにより、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様々な用途に用いられている。
これまでは、圧電体の振動を利用した超音波トランスデューサが用いられてきたが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、振動部をシリコン基板上に作製した容量検出型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が実用化を目指して盛んに開発されている。このＣＭＵＴは、従来の圧電体を用いた超音波トランスデューサと比較して、使用できる超音波の周波数帯域が広く、および高感度であるなどの利点がある。またＬＳＩ加工技術を用いて作製するので微細加工が可能であり、超音波探触子用の振動子の製造に適する。
関連する先行技術として例えば、特許文献１〜３には、単体のＣＭＵＴ素子とアレイ状に配置したＣＭＵＴが開示されている。
特許文献1：特開２００６−３１９７１２号公報
特許文献2：特開２００９−１８２８３８号公報
特許文献3：特開２０１２−００４９２６号公報
図１のモデルを用いて、ＣＭＵＴ素子の基本的な構造および動作を説明する。図１は基本的なＣＭＵT素子の断面構造を示している。
下部電極１０１の上層に絶縁膜１０６，１０３，１０７に囲まれた空洞層（空洞部）１０２が形成されている。絶縁膜１０６は、下部電極１０１と空洞層（空洞部）１０２を隔て、空洞層１０２の上層の絶縁膜１０７と上部電極１０４により、メンブレン１０５が構成される。
メンブレン１０５を構成する絶縁膜１０７は、空洞層１０２の上部領域より広く形成されているが、図１において、空洞層１０２の両側面の垂直接線Ｍ，Ｍ’の間の絶縁膜１０７、及び上部電極１０４を、本願明細書ではメンブレン１０５と呼ぶ。
空洞層１０２の側面を囲む絶縁膜１０３は複数層の絶縁膜で構成され、垂直接線Ｍ，Ｍ’を境界としてメンブレン１０５を構成する絶縁膜１０７と区分けされて、メンブレン１０５の振動を支持する固定部となる。
上部電極１０４と下部電極１０１の間に直流電圧と交流電圧を重畳すると、静電気力が上部電極１０４と下部電極１０１の間に働き、メンブレン１０５が印加した交流電圧の周波数で振動することで、超音波を発信する。逆に、受信の場合は、メンブレン１０５の表面に到達した超音波の圧力により、メンブレン１０５が振動する。すると、上部電極１０４と下部電極１０１との間の距離が変化するため、静電容量の変化として超音波を検出できる。
上記動作原理から、送信する超音波の圧力はメンブレン１０５の振動振幅に依存する。メンブレン１０５の外周は固定部(絶縁膜)１０３により支持されており、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１０５の振動振幅は外周部でゼロ、中心で最大となる連続的な分布を持つ。したがって、メンブレンを上面から見た面積と最大振幅が等しいＣＭＵＴでも、この振動振幅の分布形状により発生する音圧は異なる。すなわち、理想的には、撓みを生じない平板がピストン状に平行移動する振動で音圧は最大となるため、振動振幅が最大振幅に近い部位の面積を拡大することが望ましいが、メンブレンの外周が固定支持されているため、固定支持された点の近傍のメンブレンは振動することができずに音波の送信には寄与しないことになる。
このような場合に、送信する超音波の圧力を増大させるためには、メンブレンの最大振幅を増大させれば良い。しかし、メンブレンを振動させるための駆動電圧を大きくする必要があり、上下電極に挟まれる絶縁膜の絶縁破壊や、ＣＭＵＴを使用中に、電極から絶縁膜に電荷が注入され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。
特許文献１，２，３には、以上の問題点を考慮して、駆動電圧の上昇を抑制しつつ、送信する超音波の音圧を増大させる構造として、メンブレン１０５の周辺部を変形しやすく、中心部を変形しにくくする構造が開示されている。特許文献１には、メンブレン端部に溝を設けた構造、特許文献２にはメンブレン中央部の厚みを増した構造、特許文献３にはメンブレン端部をコルゲート形状にした構造を設けることにより、それぞれメンブレン端部を変形しやすくする方法が開示されている。
しかしながら、これらの方法を用いたとしても、メンブレン面積のうち５０％程度を有効利用できるに留まっている。
そこで本発明の目的は、メンブレンの振動をよりピストン状の振動に近づけることで有効利用可能な面積を拡大することにより、ＣＭＵＴでの駆動電圧の増大を抑制し、ＣＭＵＴの超音波の送信音圧を増大することができる構造とその製造方法を提供することである。
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。
上記課題を解決するために本発明では、超音波トランスデューサ素子を、基板と、前記基板の第１主面上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成された第１絶縁膜と、前記第１絶縁膜上に形成された第１空洞層と、前記第１空洞層上に形成された第２絶縁膜と、前記第２絶縁膜上に形成され、上面からみて前記第１空洞層と重なる位置に配置された上部電極と、前記上部電極上に形成された第３絶縁膜と、前記第３絶縁膜上に形成された第２空洞層と、前記第２空洞層上に形成された第４絶縁膜と、前記基板の第１主面の上面からみて、前記第１空洞層外周を取り囲む前記第２，３，４絶縁膜より成る固定部と、前記第１空洞層上に形成された前記第２，３，４絶縁膜と前記上部電極より成るメンブレンにおいて、前記第２空洞層より内側の領域になる可動部と、前記可動部と前記固定部を接続する前記第２，３，４絶縁膜より成る接続部として、第１接続部と、該第１接続部と間隔を隔てて積層して配置された第２接続部とを備えて構成した。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記超音波トランスデューサ素子において、前記第１接続部と前記第２接続部の間に前記第２空洞層を有するように構成した。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記超音波トランスデューサ素子において、前記第２空洞層に替えて、前記第３絶縁膜上に絶縁膜より弾性率の低い材料層が形成され、前記可動部は、前記メンブレンにおいて、前記第２空洞層に替えて前記弾性率の低い材料層より内側の領域になり、前記第１接続部と前記第２接続部の間に両接続部と比較して弾性率の低い前記材料層を有するように構成した。
また、上記課題を解決するために本発明では、前記超音波トランスデューサ素子において、前記第２の空洞層、または前記両接続部と比較して弾性率の低い材料層は、前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層の外周を縁取る連続した位置に、かつ前記第１空洞層と重なる位置に、配置されるように構成した。
また、上記課題を解決するために本発明では、超音波トランスデューサ素子の製造方法において、（ａ）前記基板の第１主面上に第１電極を形成する工程と、（ｂ）前記電極上に第１絶縁膜を形成する工程と、（ｃ）前記第１絶縁膜上に、前記第１電極と上面からみて重なる配置に第１犠牲層を形成する工程と、（ｄ）前記第１犠牲層上に第２絶縁膜を形成する工程と、（ｅ）前記第２絶縁膜上に形成され、上面からみて前記第１犠牲層と重なる配置に第２電極を形成する工程と、（ｆ）前記第２電極上に第３絶縁膜を形成する工程と、（ｇ）前記第３絶縁膜上に、前記第１犠牲層の外周に重なる配置に第２犠牲層を形成する工程と、（ｈ）前記第２犠牲層と前記第３絶縁膜上に第４絶縁膜を形成する工程と、（ｉ）前記第４絶縁膜、前記第２犠牲層、前記第３絶縁膜、及び前記第２絶縁膜を貫通し、前記第１犠牲層に到達する開口部を形成する工程と、（ｊ）前記開口部を介して、前記第１、第２犠牲層を除去して第１、第２空洞層を形成して、第１空洞層と第２空洞層の間に第１接続部を、第２空洞層の上部に第２接続部を形成する工程と、（ｋ）前記第４絶縁膜上に第５絶縁膜を形成し、前記開口部を封止する工程と、を有するようにした。
本願において開示される発明のうち、代表的なものによって得られる効果を簡単に説明すれば以下のとおりである。
本発明によれば、ＣＭＵＴ素子のメンブレンの可動部の撓みを抑制し、かつメンブレンの振動面積を増加させることで、駆動電圧の増大の抑制と超音波の送信音圧の増大を両立することができる。
基本的なＣＭＵＴ素子の断面図である。 （ａ）は本発明の実施例１におけるＣＭＵＴ素子を絶縁膜を取り除いて示した断面図であり、（ｂ）は基板の上面から見た上面図である。 （ａ）は図２(ｂ)のＡ−Ａ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図２(ｂ)のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。 本発明の実施例１と従来のＣＭＵＴに電圧を印加した場合のメンブレンの変位形状の比較のグラフである。 （ａ）は図２(ｂ)のＡ−Ａ’線で切断した断面でのＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図であり、（ｂ）は図２(ｂ)のＢ−Ｂ’線で切断した断面でのＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図５に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図６に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図７に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図８に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図９に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図１０に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図１１に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図１２に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図１３に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 図１４に続くＣＭＵＴ素子の製造工程を示した断面図である。 （ａ）は本発明の実施例２におけるＣＭＵＴ素子を絶縁膜を取り除いて示した断面図であり、（ｂ）は基板の上面から見た上面図である。 （ａ）は図１６(ｂ)のＣ−Ｃ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１６(ｂ)のＤ−Ｄ’線で切断した断面図である。 （ａ）は本発明の実施例３におけるＣＭＵＴ素子を絶縁膜を取り除いて示した断面図であり、（ｂ）は基板の上面から見た上面図である。 （ａ）は図１８(ｂ)のＥ−Ｅ’線で切断した断面図であり、（ｂ）は図１８(ｂ)のＦ−Ｆ’線で切断した断面図である。 本発明が適用される超音波撮像装置の全体構成を示す斜視図である。 本発明が適用される超音波撮像装置の機能ブロック図である。
下記の実施の形態の記載では、駆動電圧の増大を抑制し、超音波の送信音圧を増大することができるＣＭＵＴを作製するという目的を、メンブレンと、メンブレンの固定部との間を２層に分けた接続部で接続することで、超音波の送信時においてメンブレン中央部の平坦性を保ったまま、メンブレンの振動をピストン振動に近づけることで実現する。
なお、以下の実施例を説明するための全図において、同一の部材には原則として同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施例においては、便宜上、その必要があるときは、複数のセクションまたは実施例に分割して説明するが、特に明示した場合を除き、それらは互いに無関係なものではなく、一方は他方の一部または全部の変形例、詳細、補足説明等の関係にある。
また、以下の実施例において、要素の数等（個数、数値、量、範囲等を含む）に言及する場合、特に明示した場合および原理的に明らかに特定の数に限定される場合等を除き、その特定の数に限定されるものではなく、特定の数以上でも以下でもよい。更に、以下の実施例において、その構成要素（要素ステップ等も含む）は、特に明示した場合および原理的に明らかに必須であると考えられる場合等を除き、必ずしも必須のものではないことは言うまでもない。
同様に、以下の実施例において、構成要素等の形状、位置関係等に言及するときは、特に明示した場合および原理的に明らかにそうではないと考えられる場合等を除き、実質的にその形状等に近似または類似するもの等を含むものとする。このことは、上記数値および範囲についても同様である。なお、平面図であっても理解を容易にするため、ハッチングを付す場合がある。
図２(ｂ)は、実施例１における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子を、絶縁膜を取り除いて、空洞層の外形を輪郭線で表して、内部構成を示した上面図である。本発明の実施例１においては、上面からみたメンブレン直下の第１の空洞層１０２の外形形状が矩形状の場合を示している。更に、第２の空洞層を、第１の空洞層の上部のメンブレンの外周を縁取る様に、上面から見て矩形枠状に連続した矩形断面の筒状の領域に配置している。
図２(ａ)は、図２(ｂ)におけるＢ−Ｂ’断面図を示している。基板３０１上の下部電極１０１、上部電極１０４、および第１、第２の空洞層１０２，３０５の位置関係の１例を示す。
実施例１におけるＣＭＵＴ素子は、基板３０１上に形成した下部電極１０１と、第１空洞層１０２、図２(ｂ)中の破線で示した輪郭線２０４、２０５で囲まれた第２空洞層３０５、上部電極１０４からなる積層構造からなる。また、基板、それぞれの電極、それぞれの空洞層を覆うように絶縁膜は形成されているが、それぞれの絶縁膜の下層の構造を示すために図示していない。２０１は空洞層を形成するためのウェットエッチング孔であり、孔に接続するために、第１、第２の空洞層にそれぞれ突起部が設けられている。２０２，２０３は各電極へ電圧を印加するためのパッド開口部である。
図３(ａ)は、図２(ｂ)のＡ−Ａ’線で切断した断面図である。図３(ｂ)は図２(ｂ)のＢ−Ｂ’線で切断した断面図である。図３(ａ)および図３(ｂ)に絶縁膜も含めてＣＭＵＴ素子を示すように、基板３０１に形成された絶縁膜１０３１上に下部電極１０１が形成されている。下部電極１０１の上層には絶縁膜１０３２を介して空洞層１０２が形成されている。空洞部１０２を囲むように絶縁膜１０３３が形成され、絶縁膜１０３３の上層に上部電極１０４が形成されている。上部電極１０４の上層には絶縁膜１０３４を介して第２空洞層３０５が形成されており、第２空洞層３０５と絶縁膜１０３４を囲むように絶縁膜１０３５が形成され、絶縁膜１０３５の上層に絶縁膜１０３６が形成されている。
また、絶縁膜１０３５、１０３４、１０３３にはこれらの膜を貫通するウェットエッチング孔２０１が形成されている。このウェットエッチング孔２０１は、空洞層１０２、３０５を形成するために形成されたものであり、空洞層の形成後、絶縁膜１０３６によって埋め込まれている。２０２、２０３はそれぞれ下部電極１０１、上部電極１０４へ電圧を供給するためのパッド開口部である。
図２(ａ）、(ｂ)および図３(ａ）、(ｂ)において、メンブレンは、第１空洞層１０２の上部の領域の絶縁膜１０３３〜１０３６および上部電極１０４により構成される。このメンブレンが超音波送受信時に振動する際に、最大振幅に対して所定比率以上の振幅を有する領域と認められる可動部を定義する。本実施例１において可動部は、図２(ｂ)において、第２空洞層３０５の内側の輪郭線２０４が囲む矩形領域内とする。
また、本実施例１では、第２空洞層３０５の外側の輪郭線２０５が、第１空洞層１０２の輪郭とほぼ一致している。そのため、前記メンブレンの可動部は、第１空洞層１０２の側面を囲む絶縁膜から成る固定部と、図２(ｂ)において、輪郭線２０４と輪郭線２０５が囲む第２空洞層の領域の上下にある絶縁膜が、可動部と固定部を接続する接続部となる。この接続部が弾性変形することにより、可動部に振動が生じて超音波を発信する。
本実施例１の特徴は、図２(ａ）、(ｂ)、および図３(ａ）、(ｂ)に示すように、基板の上面からみて輪郭線２０４よりも内側のメンブレンの可動部３０４を、第１接続部３０３１と第２接続部３０３２により、輪郭線２０５よりも外側の固定部３０２へ接続した点にある。前記第１接続部３０３１と第２接続部３０３２は第２空洞層３０５を隔てて積層されている。
接続部を積層したことによる効果は下記の通りである。図４は、図２、図３の構造を備える超音波トランスデューサ素子に駆動電圧を印加し、振動させた時の絶縁膜１０３３の撓み曲線を図２のＡ−Ａ’断面に沿って示したグラフである。曲線４０１が本実施例１、曲線４０２が第２接続部３０３２を持たない図１に示す従来の超音波トランスデューサ素子の撓み量を示している。グラフの両端Ｎ，Ｎ’が、図２(ｂ），図３(ａ)に示した第１空洞層１０２の両側面端部に対応している。曲線４０１、４０２の比較から、最大撓み量が等しい両者の間で、実施例１の撓み形状は可動部３０４に相当する領域がより平坦であることが読み取れる。
第２接続部３０３２の機能は下記のように機能する。静電気力による撓みが生じると、接続部３０３２の伸び変形によって、可動部３０４との結合部に引っ張り力が発生する。その結果、メンブレン１０５を曲げ戻す方向に曲げモーメントが発生し、可動部３０４を囲む輪郭線２０４に沿って屈曲４０３が生じる。その結果として、可動部３０４の中央部の撓みを抑制でき、メンブレンの最大振幅に対する所定比率以上の振幅比を有する振動面積を増加させることが可能となる。
図３(ａ)において、説明を更に加えると、第２空洞層を挟んで、第１接続部３０３１、第２接続部３０３２、可動部３０４、および固定部３０２により平行リンク機構が構成されて、メンブレンの可動部を上下に変位させても可動部の中央部が放物線状に凹んでいき難くなるような引き上げる力を、２つの接続部で分担するような構造とすることで、図４に示すような放物線状形状４０２から、バスタブ状形状４０１にできる。
なお、図２(ａ),(ｂ)において、第２空洞層３０５の外周の輪郭線２０５が第１空洞層１０２の外形の輪郭とほぼ一致している例を示している。しかし、これは必ずしも一致させる必要はなく、第１空洞層１０２の外形の輪郭の近傍であれば、外側に位置しても、内側に位置してもよい。輪郭線２０５の位置により固定部３０２と接続部の境界の位置が変わることになる。
ただし、第２空洞層３０５の内周の輪郭線２０４は、第１空洞層１０２の上面から見て、第１空洞層１０２の外形の輪郭の内側に位置することが必要である。
次に、図面を用いて本実施例１に記載されたＣＭＵＴ素子の製造方法を説明する。図５(ａ)〜図１５(ａ)は、図２(ｂ)中のＡ−Ａ’断面を示しており、図５(ｂ)〜図１５(ｂ)は、図２(ｂ)中のＢ−Ｂ’断面を示している。
まず、図５(ａ），(ｂ)に示すように、基板３０１上にシリコン酸化膜による絶縁膜１０３１を５００ｎｍ形成し、その後、アルミニウム合金膜からなる下部電極１０１を１００ｎｍ形成する。そして、この下部電極１０１上にプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によりシリコン酸化膜による絶縁膜１０３２を２００ｎｍ堆積させる。
次に、図６(ａ），(ｂ)に示すように、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３２の上面に多結晶シリコン膜からなる犠牲層５０１をプラズマCVD法により約３００ｎｍ堆積する。そして、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、多結晶シリコン膜からなる犠牲層５０１を形成する。この残された部分がその後の工程で第１空洞層１０２となる。
続いて、図７(ａ），(ｂ)に示すように、犠牲層５０１、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３２を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３３を２００ｎｍ堆積する。
次に、図８(ａ），(ｂ)に示すように、上部電極１０４を形成するため、スパッタリング法によりアルミニウム合金膜を１００ｎｍ堆積する。そして、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、上部電極１０４を形成し、続いて、図９(ａ），(ｂ)に示すように、上部電極１０４、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３３を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３４を２００ｎｍ堆積する。
次に、図１０(ａ），(ｂ)に示すように、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３４の上面に多結晶シリコン膜からなる犠牲層９０１をプラズマＣＶＤ法により２００ｎｍ堆積する。そして、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、多結晶シリコン膜からなる犠牲層９０１を形成する。図２に示す通り、犠牲層９０１は絶縁膜１０３４の上で上面から見て矩形状に連続した筒状に形成される。この残された部分がその後の工程で第２空洞層３０５となる。
引続き、図１１(ａ），(ｂ)に示すように、犠牲層９０１、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３４を覆うように、プラズマＣＶＤ法によりシリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３５を２００ｎｍ堆積する。
続いて、図１２(ａ），(ｂ)に示すように、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３５、１０３４、１０３３と、それらの絶縁膜に挟まれた犠牲層９０１に、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術を使用して犠牲層５０１まで到達するウェットエッチング穴２０１を形成する。
その後、図１３(ａ），(ｂ)に示すように、ウェットエッチング穴２０１を介して、犠牲層９０１、５０１を水酸化カリウムでウェットエッチングすることにより、空洞層３０５，１０２を形成する。
次に、図１４(ａ），(ｂ)に示すように、ウェットエッチング穴２０１を埋め込んで、空洞層３０５，１０２を密封するために、プラズマＣＶＤ法によりシリコン窒化膜からなる絶縁膜１０３６を１００ｎｍ堆積する。
引き続き、図１５(ａ），(ｂ)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使用して、シリコン酸化膜からなる絶縁膜１０３６、１０３５、１０３４、１０３３、１０３２を貫通する下部電極１０１、上部電極１０４へのパッド開口部２０２，２０３を形成する。 以上のようにして、本実施例１におけるＣＭＵＴ素子を形成することができる。
なお、図２(ｂ)において、ＣＭＵＴ素子は基板の上面から見て矩形の第１空洞層を有しているが、形状はこれに限らず、例えば、円形でも多角形でもよい。
本実施例１において示したＣＭＵＴ素子を構成する材料は、その組み合わせの一例を示したものであり、上部電極、下部電極の材料として、タングステンやその他の導電性を持つ材料にしてもよい。また、絶縁膜の材料については、必ずしも同一材料に限らない。例えば本実施例１では、接続部３０３２を構成する最上層の膜のみ、内部構造への水分の浸透を避けるためシリコン窒化膜としたが、他の絶縁膜でも良い。その場合、接続部３０３１、３０３２の剛性のアンバランスを回避するため、両者の膜厚を調節して、接続部３０３１、３０３２の剛性を調整すればよい。犠牲層の材料も、犠牲層の周りを囲む材料とのウェットエッチング選択性が確保することができればよい。したがって、多結晶シリコン膜の他に、ＳＯＧ膜（Spin-on-Glass）あるいは金属膜などであってもよい。
図１６(ｂ)は、実施例２における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子を、絶縁膜を取り除いて、空洞層、柔軟部材層の外形を輪郭線で表して、内部構成を示した上面図である。本実施例２では、実施例１における輪郭線２０４，２０５で囲まれる第２空洞層の領域内に代わりに柔軟部材１５０１を備えている。図１７(ａ)は、前記ＣＭＵＴ素子を、図１６(ｂ)のＣ−Ｃ’線で切断した断面図である。図１７(ｂ)は図１６(ｂ)のＤ−Ｄ’線で切断した断面図である。
図１７(ａ)および図１７(ｂ)に示すように、実施例１では第２空洞層３０５となっていた領域に、柔軟部材１５０１が充填された構造である。実施例１で示したような第２の空洞層を設ける構成と同様の効果があり、柔軟部材層によって分離された第１，第２接続部３０３１、３０３２が平行リンク機構のごとく変形し、可動部３０４の撓みを抑制することが可能となり、メンブレンの所定の振幅比以上の振動面積を増加させることに対しては望ましい。
実施例１のＣＭＵＴ素子の製造プロセス中では、第２空洞層３０５の上層の絶縁膜１０３５，１０３６に割れや剥がれが生じ、ＣＭＵＴデバイス完成時の歩留まりを低下させる可能性がある。一方、本実施例２のように、実施例１では第２空洞層３０５となっていた領域に、柔軟部材１５０１を充填することにより、柔軟部材１５０１の上層の絶縁膜１０３５、１０３６が割れたり、剥がれたりすることを抑制できる。この場合、柔軟部材１５０１の剛性（ヤング率）は、空洞になるべく近い方がよく、接続部３０３１、３０３２、可動部３０４、および固定部３０２を構成する絶縁膜のヤング率よりも小さいヤング率を持つ材料であると良い。具体的には絶縁膜のヤング率の１／１０程度のヤング率を持つポリイミド等の有機材料が好ましい。
また、本実施例２の柔軟部材層１５０１の製造方法は、犠牲層を使用してウェットエッチングは行わないので、ウェットエッチング穴２０１とは接続しない。
図１８は、実施例３における超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）素子を、絶縁膜を取り除いて、空洞層の外形を輪郭線で表して、内部構成を示した上面図である。本実施例３は、実施例１と同様に輪郭線２０４と２０５で囲まれる領域内に第２空洞層３０５を備えた構造を有している。図１９(ａ)は、図１８(ｂ)のＥ−Ｅ’線で切断した断面図である。図１９(ｂ)は図１８(ｂ)のＦ−Ｆ’線で切断した断面図である。
実施例３のＣＭＵＴ素子の特徴は、上面から見て矩形状の第１空洞層１０２の長手方向にのみ、上部電極１０４を挟んで２列の第２空洞層３０５を備え、この平行して配置された第２空洞層３０５により分離して形成された第１接続部３０３１と第２接続部３０３２によって、メンブレンの可動部３０４が支持されている。
第１空洞層１０２が矩形状の場合、可動部３０４の振動を規定する固定部は第１空洞層１０２の長手方向の両側面の固定部であるため、その部分のみに第２空洞層を設ければ、接続部３０３１、３０３２が変形し、可動部３０４の撓みを抑制することが可能となり、メンブレンの所定の振幅比以上の振動面積を増加させることができる。
また、図３で示したように、実施例１のような第１空洞層１０２の外周を第２空洞層３０５で囲む場合、上部電極１０４の引き出し線部の上部にも第２空洞層を設けることになる。そのような構成では、引き出し線部の上部の第２空洞層の上下の領域の接続部３０３１、３０３２の膜厚は上部電極１０４の分だけアンバランスとなり、メンブレンの振動時に、不要な振動が発生する可能性がある。一方、本実施例３に示した構成にすることにより、図１９(ａ）、(ｂ)で示すように、上部電極１０４の引き出し線部の上部に第２空洞層３０５を設けることなく、メンブレンの振動時に不要な振動が発生することを抑制できる。ただし、第１空洞層が円形や正六角形のような回転対称となる形状の場合は、実施例１で示した構成がよいことはいうまでもない。実施例３では、第１空洞層１０２の長手方向に２列の第２空洞層３０５を設けているが、ウェットエッチング穴２０１と接続するために、前記２列の第２空洞層３０５を接続する第２空洞層３０６を有している。
また、本実施例３と上述した実施例２を組み合わせて、第２空洞層に柔軟材料を充填した構成でもよいことは明らかである。
なお、実施例２、３においても、柔軟部材層１５０１、または第２空洞層３０５の外周の輪郭線２０５が第１空洞層１０２の外形の輪郭とほぼ一致している例を示している。しかし、これは必ずしも一致させる必要はなく、第１空洞層１０２の外形の輪郭の近傍であれば、外側に位置しても、内側に位置してもよい。
ただし、柔軟部材層１５０１、または第２空洞層３０５の内周の輪郭線２０４は、第１空洞層１０２の上面から見て、第１空洞層１０２の外形の輪郭の内側に位置することが必要である。
最後に、図２０及び図２１を参照しながら、超音波撮像装置における上述した各実施例のＣＭＵＴ素子を備えた超音波撮像装置の一構成例とその役割について説明する。
まず図２０及び図２１を参照して、本実施形態の超音波撮像装置の構成を説明する。図２０は、超音波撮像装置の全体構成を示す斜視図、図２１は、超音波撮像装置の機能を示すブロック図である。
図２０に示すように、超音波撮像装置２００１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２００５と、本体２００５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を表示する表示器２００３と、操作者が操作する操作部２００４と、本体２００５に固定された接続部２００６を介して超音波送受信回路に接続される超音波探触子２００２と、を備えている。
超音波探触子２００２は、被検体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２００７と、音響レンズやバッキング材などを備えている。本実施形態の超音波撮像装置では、超音波トランスデューサ２００７は、例えばＣＭＵＴ素子を数百個〜１万個程度の範囲で1次元または２次元アレイ状に配置して構成されている。
なお図２０では、一例として、本体２００５の底部に車輪を備えた可動式の超音波撮像装置を示しているが、本実施形態は、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。
本体２００５には、図２１に示すように、上述した超音波送受信回路２１１１及び信号処理回路２１１２、制御部２１１３、メモリ部２１１４、電源装置２１１５、及び補助装置２１１６が備えられている。
超音波送受信回路２１１１は、超音波探触子２００２から超音波を送波するための駆動電圧を発生させたり、超音波探触子２００２からエコー信号を受信するもので、遅延回路、フィルタ、ゲイン調整回路などを備えている。
信号処理回路２１１２は、受信したエコー信号に対し、ＬＯＧ圧縮、深度補正等の補正や画像作成等に必要な処理を行うもので、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。信号処理回路２１１２による信号処理は、アナログ信号処理及びデジタル信号処理のいずれも可能であり、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２１１３は、本体２００５の各回路や本体２００５に接続された機器の制御を行う。メモリ部２１１４には、信号処理や制御に必要な情報やパラメータ及び処理結果が記憶される。電源装置２１１５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２１１６は、上述した各部のほかに、超音波撮像装置に付随する機能、例えば音声発生などを実現するためのもので、必要に応じて適宜追加される。
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明のより良い理解のために詳細に説明したのであり、必ずしも説明の全ての構成を備えるものに限定されものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることが可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
１０１ 下部電極
１０２、３０５ 空洞層
１０３ 固定部(絶縁膜)
１０４ 上部電極
１０５ メンブレン
１０６，１０７ 絶縁膜
２０１ ウェットエッチング孔
２０２ 下部電極への開口部
２０３ 上部電極への開口部
２０４ 可動部を囲む境界となる第２空洞層の輪郭線
２０５ 接続部を囲む境界となる第２空洞層の輪郭線
３０１ 基板
３０２ 固定部
３０３１、３０３２ 接続部
３０４ 可動部
３０５ 第２空洞層
３０６ 実施例３における２列の第２空洞層を接続する第２空洞層
４０１ 電圧印加時における実施例１の変位形状
４０２ 電圧印加時における従来のＣＭＵＴの変位形状
４０３ 実施例１の変位形状に生じた屈曲
５０１ 犠牲層
１０３１，１０３２，１０３３，１０３４、１０３５、１０３６ 絶縁膜
１５０１ 柔軟部材
２００１ 超音波撮像装置
２００２ 超音波探触子
２００３ 表示部
２００４ 操作部
２００５ 本体部
２００６ プローブ接続部
２００７ 超音波トランスデューサ
２１１１ 超音波送受信部
２１１２ 信号処理部
２１１３ 制御部
２１１４ メモリ部
２１１５ 電源装置
２１１６ 補助装置

Claims (6)

  1. 基板と、
    前記基板の第１主面上に形成された下部電極と、
    前記下部電極上に形成された第１絶縁膜と、
    前記第１絶縁膜上に形成された第１空洞層と、
    前記第１空洞層上に形成された第２絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜上に形成され、上面からみて前記第１空洞層と重なる位置に配置された上部電極と、
    前記上部電極上に形成された第３絶縁膜と、
    前記第３絶縁膜上に形成された第２空洞層と、
    前記第２空洞層上に形成された第４絶縁膜と、
    前記基板の第１主面の上面からみて、
    前記第１空洞層外周を取り囲む前記第２、３、４絶縁膜より成る固定部と、
    前記第１空洞層上に形成された前記第２、３、４絶縁膜と前記上部電極より成るメンブレンにおいて、前記第２空洞層より内側の領域になる可動部と、
    前記可動部と前記固定部を接続する前記第２、３、４絶縁膜より成る接続部として、第１接続部と、該第１接続部と間隔を隔てて積層して配置された第２接続部とを有し、
    前記第１接続部と前記第２接続部の間に前記第２空洞層を有し、
    前記第２空洞層は、前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層と比較して、その内周部は前記第１空洞層と重なる位置に配置され、及びその外周部の一部、または全てが前記第１空洞層の外形の輪郭より外側の領域に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ素子。
  2. 基板と、
    前記基板の第１主面上に形成された下部電極と、
    前記下部電極上に形成された第１絶縁膜と、
    前記第１絶縁膜上に形成された第１空洞層と、
    前記第１空洞層上に形成された第２絶縁膜と、
    前記第２絶縁膜上に形成され、上面からみて前記第１空洞層と重なる位置に配置された上部電極と、
    前記上部電極上に形成された第３絶縁膜と、
    前記第３絶縁膜上に形成された絶縁膜より弾性率の低い材料層と、
    前記材料層上に形成された第４絶縁膜と、
    前記基板の第１主面の上面からみて、
    前記第１空洞層外周を取り囲む前記第２、３、４絶縁膜より成る固定部と、
    前記第１空洞層上に形成された前記第２、３、４絶縁膜と前記上部電極より成るメンブレンにおいて、前記材料層より内側の領域になる可動部と、
    前記可動部と前記固定部を接続する前記第２、３、４絶縁膜より成る接続部として、第１接続部と、該第１接続部と間隔を隔てて積層して配置された第２接続部とを有し、
    前記第１接続部と前記第２接続部の間に両接続部と比較して弾性率の低い前記材料層を有し、
    絶縁膜より弾性率の低い前記材料層は、前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層と比較して、その内周部は前記第１空洞層と重なる位置に配置され、及びその外周部の一部、または全てが前記第１空洞層の外形の輪郭より外側の領域に配置されていることを特徴とする超音波トランスデューサ素子。
  3. 前記第２の空洞層は、前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層の対向する２辺に沿って少なくとも２列の帯状に、かつ前記第１空洞層と重なる位置に、配置されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波トランスデューサ素子。
  4. 前記両接続部と比較して弾性率の低い材料層は、前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層の対向する２辺に沿って少なくとも２列の帯状に、かつ前記第１空洞層と重なる位置に、配置されていることを特徴とする請求項２に記載の超音波トランスデューサ素子。
  5. 請求項１乃至４のいずれかの請求項に記載の超音波トランスデューサ素子において、
    前記基板の第１主面の上面からみて前記第１空洞層の外形形状が矩形、円形、または六角形であることを特徴とする超音波トランスデューサ素子。
  6. 請求項１乃至５のいずれかの請求項に記載の超音波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超音波トランスデューサを備えた超音波探触子を有することを特徴とする超音波撮像装置。
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