JP7058184B2 - 超音波検査装置およびその製造方法並びに超音波プローブ - Google Patents

Description

本発明は、超音波検査装置および超音波プローブに関し、特に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術により製造される静電容量型超音波トランスデューサを用いた超音波検査装置および超音波プローブに適用して有効な技術に関する。

生体または構造体などの内部を超音波を用いて観察する技術は、非侵襲性、非破壊および可搬性などの観点からニーズが高まっている。超音波センサは、例えば医療用の超音波エコー診断装置または非破壊検査の超音波探傷装置などの様々な超音波検査装置に実用化されており、例えば、生体の血管の詰まりまたは拡がりなどを検査するための血管カテーテルなどに用いられている。

これまでの超音波センサは、圧電体の振動を利用したものが主流であるが、近年のＭＥＭＳ技術の進歩により、ＭＥＭＳ技術を用いた静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer）を用いた超音波センサの開発が進められている。ＣＭＵＴは短パルス・広帯域特性を活かした高分解撮像が可能であり、分解能の向上と感度の向上とを両立することができる技術として研究されている。

静電容量型超音波トランスデューサは、互いに対向する電極間に空隙を持つ振動子を半導体基板上に形成したものである。当該静電容量型超音波トランスデューサでは、各電極に直流および交流の電圧を重畳印加してメンブレン（可撓性膜）を共振周波数付近で振動させ、これにより超音波を発生させる。

このような超音波検査装置に係る技術については、例えば特許文献１（特開２００５－１０３２９４号公報）に記載がある。特許文献１には、ＣＭＵＴが搭載された基材を凹面に配置し、フォーム・ファクタに沿って撓曲させることが記載されている。

特開２００５－１０３２９４号公報

ＣＭＵＴでは、超音波ビームを収束させることを目的として、静電容量型超音波トランスデューサが形成された半導体チップ上に音響レンズを設ける場合がある。ＣＭＵＴを高周波で使用する場合、減衰率が低い石英などから成る音響レンズを用いるが、石英などから成る音響レンズは、ＣＭＵＴのチップおよび超音波検査装置のプローブ外の環境（例えば水）のそれぞれに比べて音響インピーダンスが高い。このように音響インピーダンスに差がある場合、音響レンズと当該チップとの間などで超音波の反射が起こり、ＣＭＵＴの感度が低下する問題が生じる。

本発明の前記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。

本願において開示される実施の形態のうち、代表的なものの概要を簡単に説明すれば、次のとおりである。

一実施の形態である超音波検査装置は、静電容量型超音波トランスデューサのセルアレイを備えた半導体チップと、半導体チップの下面を覆い、シリコンよりも熱膨張係数が大きい第１膜、または、半導体チップの上面を覆い、シリコンよりも熱膨張係数が小さい第２膜のいずれか一方とを有し、半導体チップが凹面状に湾曲しているものである。

また、他の一実施の形態である超音波検査装置の製造方法は、静電容量型超音波トランスデューサのセルアレイを備えた半導体チップを、チップホルダの上面の曲面状の凹部の上に配置した後、半導体チップを上方から加圧し、または、当該凹部と半導体チップとの間の領域を減圧することで、半導体チップを湾曲させ、当該凹部の表面に固定するものである。

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、超音波検査装置の性能を向上させることができる。

また、本発明によれば、超音波プローブの性能を向上させることができる。

本発明の実施の形態１である超音波検査装置を構成する半導体チップおよびチップホルダを示す平面図である。 本発明の実施の形態１である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１である超音波検査装置を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図４に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図５に続く超音波検査装置の製造工程中の平面図である。 図５に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図７に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図８に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例である超音波検査装置を示す拡大断面図である。 本発明の実施の形態１の変形例である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図１２に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図１３に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図１５に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例１である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態２の変形例２である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図１８に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図１９に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態３である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 図２１に続く超音波検査装置の製造工程中の断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例１である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態３の変形例２である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態４である超音波検査装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態５である超音波プローブを含む超音波画像装置を示す斜視図である。 本発明の実施の形態５である超音波プローブを示す断面図である。 比較例である超音波検査装置を示す拡大断面図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。

（実施の形態１）
本実施の形態の超音波検査装置は、例えばＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて製造された静電容量型超音波トランスデューサを備えた容量検出型の超音波送受信センサである。ここでは、静電容量型デバイスを備えた半導体チップを湾曲させることで、半導体チップから発振する超音波ビームを収束させることについて説明する。

＜本実施の形態の超音波検査装置の構造＞
以下に、図１～図３を用いて、本実施の形態の超音波検査装置の構成について説明する。図１は、本実施の形態の超音波検査装置を構成する半導体チップおよびチップホルダを示す平面図である。図２は、本実施の形態の超音波検査装置を示す断面図である。図３は、本実施の形態の超音波検査装置を示す拡大断面図である。

図１に示すように、本実施の形態の超音波検査装置は、半導体チップＣＨＰおよびチップホルダＣＨを有している。半導体チップＣＨＰは、厚さ方向において互いに反対側に位置する主面（上面、表面）および裏面（下面）を有しており、図１では、半導体チップＣＨＰの主面側の平面図（上面図）を示している。

半導体チップＣＨＰの平面形状は、例えば円形であり、チップホルダＣＨの平面形状は、例えば矩形である。半導体チップＣＨＰは、チップホルダＣＨ上に搭載されている。チップホルダＣＨは、上面に張り付いた半導体チップＣＨＰを保持する基板であり、半導体チップＣＨＰを裏側から保持することから、バッキング層とも呼ばれる。半導体チップＣＨＰの主面には、平面視で互いに直交するＸ方向およびＹ方向のそれぞれに沿って並ぶ複数のセルＣＬから成るセルアレイＣＡと、ボンディングパッド（以下、パッドという）ＢＰとが配置されている。

セルアレイＣＡは、平面視で円形に近い形状で形成されている。言い換えれば、複数のセルＣＬは、平面視で所定の円内に極力多く配置されている。パッドＢＰは、平面視において、半導体チップＣＨＰの端部とセルアレイＣＡとの間において、半導体チップＣＨＰの主面に形成されている。パッドＢＰは２以上形成されており、ここでは、セルアレイＣＡを挟んで１対形成されている。パッドＢＰは、半導体チップＣＨＰの入出力用の端子であり、パッドＢＰには、ボンディングワイヤなどが電気的に接続される。

図２に示すように、チップホルダＣＨの上面には、曲面状の凹部４０が形成されている。つまり、凹部４０の表面は曲面から成り、凹部４０の深さは、平面視での凹部４０の中心で最も深く、平面視での凹部４０の端部で最も浅くなっている。例えば、凹部４０の表面は、球体の表面の一部と一致する曲面から成る。この場合、凹部４０の表面は、平面視での凹部４０の中心の直上の所定の一点から同じ距離に位置する。つまり、凹部４０の表面は、断面において所定の円に沿っている。あるいは、凹部４０はパラボラ状であってもよい。つまり、凹部４０の表面は、断面において放物線の一部と一致する曲面により構成されていてもよい。

凹部４０の表面には、熱応力膜６を介して半導体チップＣＨＰが張り付いている。言い換えれば、凹部４０上には半導体チップＣＨＰが形成されており、半導体チップＣＨＰは、凹部４０の表面に沿って凹面状に湾曲している。すなわち、半導体チップＣＨＰは、お椀状の形状を有している。ここでは、半導体チップＣＨＰは、その全体が凹部４０の直上に位置しており、チップホルダＣＨの平坦な上面に沿う方向（横方向）において、半導体チップＣＨＰの端部は凹部４０よりも外側に出ていない。つまり、セルアレイＣＡおよびパッドＢＰ（図１参照）のいずれもが凹部４０の直上に位置している。ただし、半導体チップＣＨＰの端部が横方向において凹部４０の外側に位置し、チップホルダＣＨの平坦な上面の直上に配置されていてもよい。

図３は、図２の破線で示す箇所を拡大して示す断面図である。図３に示すように、チップホルダＣＨの上面である凹部４０の表面上には、接着層７を介して、半導体チップＣＨＰが接着（固定）されている。半導体チップＣＨＰは、例えば主にシリコン（Ｓｉ、単結晶シリコン）から成る半導体基板１を有している。半導体基板１は、主面（上面）と、当該主面の反対側の裏面（下面）とを有しており、当該裏面は、熱応力膜６により覆われている。つまり、熱応力膜６とチップホルダＣＨの上面である凹部４０の表面とは、接着層７により接着されている。

半導体基板１上には、層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４内の下部電極２、空隙５および上部電極３とが形成されている。つまり、層間絶縁膜４内には、下部電極２と、下部電極２上に層間絶縁膜４を介して位置する空隙（空洞部）５と、空隙５上に層間絶縁膜４を介して位置する上部電極３とが形成されている。下部電極２、空隙５および上部電極３のそれぞれの下面、側面および上面は、層間絶縁膜４により覆われている。１つの下部電極２と、１つの空隙５と、１つの上部電極３とは、静電容量型超音波トランスデューサのセルＣＬを構成している。各セルＣＬを構成する下部電極２、空隙５および上部電極３は、平面視で重なっている。セルＣＬは半導体チップＣＨＰの主面および半導体基板１の主面（上面）に沿って行列状に並んでいるため、空隙５も平面視で行列状に複数並んでいる。複数のセルＣＬのうち、隣り合うセルＣＬ同士は、下部電極２または上部電極３のいずれか一方を共有していてもよい。

接着層７は、例えば、ＤＡＦ（Die Attach Film）などから成る。また、接着層７の導電性は、あってもなくてもよい。熱応力膜６は、シリコンに対して熱膨張係数が大きい材料から成る。熱応力膜６は、例えば金属膜から成り、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｆｅ（鉄）若しくはＣｕ（銅）またはそれらの合金から成ることが望ましい。熱応力膜６は、熱応力膜６上の半導体基板１を構成するシリコンに比べて熱膨張係数が大きいことで、超音波検査装置の製造工程での加熱時に半導体基板１よりも大きく膨張し、半導体チップＣＨＰの中心部が下側に下がるように半導体チップＣＨＰの全体を湾曲させる役割を有している。つまり、熱応力膜６は、特に加熱時において半導体基板１よりも圧縮応力が大きい膜である。

層間絶縁膜４は、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコンから成る。図３では層間絶縁膜４を１つの層として示しているが、層間絶縁膜４は、実際には複数の絶縁膜から成る積層構造を有している。また、熱応力膜６は、層間絶縁膜４よりも熱膨張係数が大きく、圧縮応力が大きい。

セルＣＬは、可変容量であるコンデンサにより構成される静電容量型デバイスセルである。つまり、下部電極２、上部電極３およびそれらの間の空隙５は、コンデンサ（容量素子、静電容量素子）を構成している。本願では、複数のセルＣＬを備えた静電容量型デバイスを、静電容量型超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：Capacitive Micro-machined Ultrasonic Transducer）と呼ぶ。なお、本願では、静電容量型超音波トランスデューサを、単に超音波トランスデューサと呼ぶ場合がある。各セルＣＬは１つの空隙５を有している。空隙５の平面視での形状は、例えば矩形である。複数のセルＣＬのそれぞれを構成する空隙５は、互いに離間している。空隙５は、例えば真空により構成されている。

各セルＣＬは、空隙５と平面視で重なる領域において、空隙５上にメンブレン（可撓性膜）を有している。メンブレン内には、上部電極３が形成されている。つまり、空隙５上の層間絶縁膜４および上部電極３はメンブレンを構成している。複数のセルＣＬのそれぞれは、超音波を発生（発振）させ、超音波を送信することが可能であり、かつ、超音波を受信することが可能な最小単位の振動子である。当該振動子は、静電型可変容量（可変容量センサ）を構成している。

メンブレンは、上方および下方に空間があるため、音波を受けた際に動き、上下に振動する。上部電極３および下部電極２は、例えばタングステン（Ｗ）膜または窒化チタン（ＴｉＮ）膜などから成る。また、上部電極３および下部電極２のそれぞれは、タングステン膜または窒化チタン膜を含む複数の導電膜から成る積層構造を有していてもよい。

本実施の形態の超音波検査装置を構成する半導体チップＣＨＰは、超音波トランスデューサを構成する複数の振動子（セルＣＬ）を有している。超音波トランスデューサを用いて超音波を発生させる動作（送信動作）では、下部電極２および上部電極３に直流および交流の電圧を重畳印加することにより、下部電極２と上部電極３との間に静電気力が働き、各振動子のメンブレンが、メンブレンのばねの力との釣り合いにより、共振周波数付近で垂直方向に振動する。これにより、振動子から数ＭＨｚの超音波（超音波パルス）が発生する。なお、ここでいう垂直方向（縦方向）とは、半導体基板１の主面に対して垂直な方向である。

また、静電容量型超音波トランスデューサによる受信動作では、各振動子（セルＣＬ）のメンブレンに到達した超音波の圧力によりメンブレンが振動し、下部電極２と上部電極３との間の静電容量が変化することで、超音波を検出することができる。すなわち、上記送信動作で発振した超音波を被検体（例えば生体）に当てて反射させ、反射波により起きる下部電極２と上部電極３との間隔の変位を、静電容量（各振動子の静電容量）の変化として検出する。このように静電容量型超音波トランスデューサを用いて超音波の送受信（送受波）を行うことにより、例えば生体組織の断層像を撮像することができる。

ここで、図２に示すチップホルダＣＨは、例えばカーボンファイバを含む絶縁材料、または、エポキシ樹脂などから成る。これは、半導体チップＣＨＰにおいて発振した超音波の一部が半導体チップＣＨＰ側からチップホルダＣＨ側へ進んだ場合、チップホルダＣＨの底面で反射し、再度チップホルダＣＨ内を通って半導体チップＣＨＰにおいて受信され、これによりノイズが発生することを防ぐためである。つまり、チップホルダＣＨを、カーボンファイバを含む絶縁材料またはエポキシ樹脂などのように、超音波が内部で減衰し易い材料で構成することで、チップホルダＣＨ内に漏れた超音波が不要な応答（例えばノイズ）の発生の原因となることを防ぐことができる。

＜本実施の形態の超音波検査装置の製造方法＞
以下に、図４～図９を用いて、本実施の形態の超音波検査装置の製造方法について説明する。図４～図５および図７～図９は、本実施の形態１の超音波検査装置の製造工程中の断面図である。図６は、本実施の形態の超音波検査装置の製造工程中の平面図である。

まず、図４に示すように、半導体基板１を用意する。半導体基板１は、例えば単結晶シリコン（Ｓｉ）から成る半導体基板（半導体ウェハ）である。

次に、図５に示すように、半導体基板１上に、層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４内の下部電極２、空隙５および上部電極３とを形成する。具体的には、半導体基板１上に絶縁膜を介して導電膜（金属膜）を形成した後、当該導電膜をパターニングして下部電極２を形成する。続いて、下部電極２を覆うように半導体基板１上にさらに絶縁膜を形成した後、当該絶縁膜上に、犠牲膜から成るパターンを複数形成する。当該犠牲膜は、例えば金属膜から成る。犠牲膜は、後の工程で除去される膜である。

続いて、犠牲膜を覆うように、半導体基板１上にさらに絶縁膜を形成する。その後、当該絶縁膜上に導電膜（金属膜）を形成した後、当該導電膜をパターニングして上部電極３を形成する。続いて、上部電極３を覆うように、半導体基板１上にさらに絶縁膜を形成する。続いて、フォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて、犠牲膜の直上の絶縁膜を貫通する貫通孔を形成し、当該貫通孔の底部において犠牲膜を露出させる。続いて、当該貫通孔内に薬液を流入させ、これにより犠牲膜を除去する。よって、犠牲膜除去された領域には空隙５が形成される。その後、半導体基板１上にさらに絶縁膜を形成することで、上記貫通孔内を絶縁膜で埋め込む。以上の工程により、上記各種の絶縁膜から成る層間絶縁膜４と、下部電極２、空隙５および上部電極３とを形成する。

下部電極２、空隙５および上部電極３のそれぞれは平面視で重なる位置に形成されており、１つのセルＣＬを構成している。半導体基板１上には、複数のセルＣＬが行列状に並んで配置されている。

次に、図６および図７に示すように、半導体基板１の裏面を研磨する。このようにバックグラインドを行うことで、半導体基板１を薄膜化する。このように半導体基板１を薄膜化することで、図９を用いて後述する工程において半導体チップＣＨＰを湾曲させる際、チップホルダの上面の凹部に沿って半導体チップＣＨＰを変形させ易くなる。続いて、エッチングまたはダイシングを行うことで、半導体基板１を含む半導体ウェハを個片化し、複数の半導体チップＣＨＰを得る。ここでは、平面視で矩形ではなく円形である半導体チップＣＨＰを形成する。これは、図９を用いて後述する工程において半導体チップＣＨＰを湾曲させる際、チップホルダの上面の凹部に沿って半導体チップＣＨＰを変形させ易くするためである。

半導体チップＣＨＰの主面においては、セルＣＬが複数並ぶセルアレイＣＡの外側に、層間絶縁膜４から露出する電極パッドであるパッド（ボンディングパッド）ＢＰが２つ形成されている。

次に、図８に示すように、半導体チップＣＨＰを構成する半導体基板１の裏面を覆う熱応力膜６を形成する。熱応力膜６は、シリコンに対して熱膨張係数が大きい材料から成る。熱応力膜６は例えば金属膜から成り、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｆｅ（鉄）若しくはＣｕ（銅）またはそれらの合金から成る。熱応力膜６は、例えば、半導体チップＣＨＰの裏面に貼り付けることができる。

その後、熱応力膜６の裏面、つまり、熱応力膜６の面のうち、半導体基板１側とは反対側の面（下面）の下に接着層７を形成する。接着層７は、例えば、ＤＡＦ（Die Attach Film）などから成る。また、接着層７は、ペーストでもよく、接着層７の導電性は、あってもなくてもよい。接着層７は、図９を用いて後述する熱処理工程の温度により十分な接着強度が得られる材料から成ることが望ましい。

次に、図９に示すように、チップホルダＣＨを用意する。チップホルダＣＨは、例えば平面視で矩形のレイアウトを有し、上面にお椀状（すり鉢状、凹面状）の凹部４０を有している。凹部４０の平面視の直径は、半導体チップＣＨＰの平面視の直径と同等である。チップホルダＣＨは、例えばカーボンファイバを含む絶縁材料、または、エポキシ樹脂などから成る。

続いて、チップホルダＣＨの凹部４０の直上に、半導体チップＣＨＰを配置し、チップホルダＣＨを、ヒータ（加熱器）ＨＴの上に配置する。続いて、ヒータＨＴを用いて、チップホルダＣＨ、接着層７（図８参照）、熱応力膜６および半導体チップＣＨＰを加熱する。ここで、熱応力膜６は、シリコンより熱膨張係数が大きく、加熱時にシリコンよりも圧縮応力が大きくなる膜である。また、熱応力膜６の熱膨張係数は、図８に示す半導体基板１、層間絶縁膜４のいずれよりも大きい。このため、熱処理により加熱された熱応力膜６が半導体チップＣＨＰよりも横方向に大きく拡がろうとする結果、半導体チップＣＨＰは下側に反り、半導体チップＣＨＰの裏面は接着層７を介して凹部４０の表面に接着される。接着層７によりチップホルダＣＨに接着された半導体チップＣＨＰは、当該熱処理後、ヒータＨＴを含む熱処理装置から取り出され、常温に戻っても、凹部４０に沿ってお椀状に変形したままとなる。

以上により、チップホルダＣＨおよび半導体チップＣＨＰを含む本実施の形態の超音波検査装置が完成する。

ここでは、図６～図８を用いて説明したように、半導体チップＣＨＰを個片化した後に半導体基板１の裏面に熱応力膜６を貼り付け、熱応力膜６の裏面（下面）の下に接着層７を形成することについて説明した。ただし、半導体ウェハをエッチングまたはダイシングにより個片化して複数の半導体チップＣＨＰを得る前に、半導体基板１の裏面の下に熱応力膜６を形成してもよい。また、半導体ウェハをエッチングまたはダイシングにより個片化して複数の半導体チップＣＨＰを得る前に、熱応力膜６の裏面の下に接着層７を形成してもよい。その場合、半導体基板１の裏面側の熱応力膜６は、スパッタリング法またはメッキ法などにより形成してもよい。

また、図９を用いて説明した熱処理工程では、半導体チップＣＨＰを湾曲させる際、半導体チップＣＨＰがチップホルダＣＨの凹部４０の形状に沿って変形するように、半導体チップＣＨＰに力を加えてもよい。その方法としては、ローラー若しくは押し子などの圧着装置または圧縮空気などを用いて、半導体チップＣＨＰを上方から加圧する方法がある。または、半導体チップＣＨＰの裏面と凹部４０とにより囲まれた空間を減圧することで半導体チップＣＨＰを下側に引っ張ってもよい。その場合、凹部４０内を減圧するために、チップホルダＣＨを貫通する溝を形成するか（図１７参照）、チップホルダＣＨを多孔質の材料により形成することが考えられる。

また、ここでは、熱処理工程において、チップホルダＣＨを乗せるヒータＨＴを用いたが、ヒータＨＴの変わりに、雰囲気全体を加熱する加熱炉などを用いてもよい。

＜本実施の形態の効果＞
以下に、本実施の形態の超音波検査装置およびその製造方法の効果について、図２９を用いて説明する。図２９は、比較例である超音波検査装置を構成する半導体チップを示す拡大断面図である。

超音波の送受信を行い、映像を取得する超音波検査装置では、ＣＭＵＴである複数のセルのそれぞれが発する超音波ビームを一点に収束させることにより、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。そのように超音波ビームを収束させるための構造として、図２９の比較例に示すように、半導体チップＣＨＰ上に音響レンズＡＬを形成することが考えられる。なお、この音響レンズＡＬは凸型である場合または凹型である場合がある。音響レンズＡＬは、例えば、内部での高周波の超音波の減衰率が低い材料である石英などから成る。ここでいう高周波とは、例えば周波数が２０ＭＨｚ以上の音波である。

ＣＭＵＴの利点の１つとして、高周波を発生させることにより、撮像により得られる画像の分解能を高めることができる点がある。高周波の超音波は伝搬中の減衰量の増大が問題となるが、石英などから成る音響レンズＡＬ内では、減衰を抑えることができる。また、ＣＭＵＴの利点の１つとして、ＣＭＵＴの材料の音響インピーダンスと、ＣＭＵＴを搭載したプローブの外の環境（例えば水）の音響インピーダンスとを同等の値にすることができ、これにより、反射が起こることを防ぎ、高い感度で送受信を行うことができる点がある。ＣＭＵＴの音響インピーダンスと、水の音響インピーダンスは、例えば１．５ＭＲａｙｌｓ程度であり、互いに同等である。

しかし、石英などから成る音響レンズの音響インピーダンスは３０～４０ＭＲａｙｌｓである。音波は音響インピーダンスの差が大きい界面で反射し易い性質がある。よって、ＣＭＵＴのセルから発振された超音波が、半導体チップＣＨＰと音響レンズＡＬとの境界で反射し、プローブの外へ出て行き難くなる問題が生じる。また、水と音響レンズＡＬとの音響インピーダンスの差に起因して、検査対象（例えば生体）から反射した超音波が、水と音響レンズＡＬとの境界で反射し、半導体チップＣＨＰに戻り難くなる問題がある。このように、音響レンズＡＬの音響インピーダンスが半導体チップＣＨＰの音響インピーダンスの１０倍以上の大きさを有していることにより、超音波が反射して損失が生じるため、比較例の超音波検査装置では高感度な送受信ができない。

また、音響レンズの材料を変更したとしても、音響インピーダンスの低さと、高周波の超音波の減衰量の小ささとはトレードオフの関係にあり、それらを両立する材料を採用することは困難である。したがって、音響レンズの音響インピーダンスを低減しても、音響レンズ内での超音波の減衰量が大きくなるため、超音波検査装置の感度が低下する問題が生じる。

そこで、本実施の形態の超音波検査装置では、図１～図３に示すように、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの上面の凹部４０の表面に沿って変形させている。これにより、音響レンズを形成しなくても、半導体チップＣＨＰの主面のセルアレイＣＡに並ぶ複数のセルＣＬを１点に集中するように向けて配置させることができるため、各セルＣＬから発振される超音波ビームを半導体チップＣＨＰの上方で収束させることができる。すなわち、音響レンズなしで超音波ビームを収束させ、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。なお、複数のセルＣＬを所定の１点または所定の方向に向けるということは、すなわち、各セルＣＬを構成する下部電極と上部電極とが対向する方向を所定の１点または所定の方向に向けるということを意味する。

ここでは、音響レンズがないため、音響レンズ内での超音波の減衰を防ぐことができる。また、音響レンズがないため、半導体チップＣＨＰと音響レンズとの間での音響インピーダンスの差、および、プローブの外部の環境と音響レンズとの間での音響インピーダンスの差に起因して、超音波が反射することを防ぐことができる。よって、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。以上により、本実施の形態では、超音波検査装置の性能を向上させることができる。

また、ＣＭＵＴを搭載した半導体チップの平面形状が矩形である場合、チップホルダＣＨの上面の円形の凹部４０の表面に沿って半導体チップＣＨＰを変形させようとすると、半導体チップＣＨＰが意図しない形状に変形する虞がある。これに対し、本実施の形態では半導体チップＣＨＰを平面視で円形となるよう形成しているため、チップホルダＣＨの上面の円形の凹部４０の表面に沿って半導体チップＣＨＰを容易に変形させることができる。

また、本実施の形態では半導体チップＣＨＰの裏面側に熱応力膜６を設けているため、図９を用いて説明した半導体チップＣＨＰの変形工程において、半導体チップＣＨＰの表面に対し、過度な圧力を加える必要はない。したがって、半導体チップＣＨＰがダメージを受けることを防ぐことができる。

＜変形例＞
図１０および図１１に、本実施の形態の超音波検査装置の変形例を示す。図１０は、本実施の形態の変形例である超音波検査装置を示す断面図である。また、図１１に、本変形例である超音波検査装置を示す拡大断面図である。ここでは、半導体チップ上に熱応力膜を形成することについて説明する。

図１０および図１１に示すように、本変形例の超音波検査装置の構造は、チップホルダＣＨの上面の凹部４０に沿って湾曲した半導体チップＣＨＰが形成されている点で、図１～図３を用いて説明した構造と同様である。ただし、ここでは、熱応力膜８が半導体チップＣＨＰの上面に接して形成されている点で、図１～図３を用いて説明した構造と異なる。すなわち、熱応力膜８は、上部電極３上の層間絶縁膜４の上面を覆うように形成されており、半導体基板１とチップホルダＣＨとの間には熱応力膜は形成されていない。つまり、半導体基板１の裏面は接着層７を介してチップホルダＣＨに接着されている。

ここで、熱応力膜８は、図３に示す熱応力膜６とは異なり、半導体基板１を構成するシリコンよりも熱膨張係数が小さい膜から成る。すなわち、熱応力膜８は、引張応力がシリコンよりも大きい膜である。

次に、本変形例の超音波検査装置の製造方法について、図１２～図１４を用いて説明する。図１２～図１４は、本実施の形態の変形例である超音波検査装置の製造工程中の断面図である。

まず、図４および図５を用いて説明した工程と同様の工程を行う。

次に、図１２に示すように、上部電極３上の層間絶縁膜４の上面を覆うように、熱応力膜８を形成する。熱応力膜８は、例えばスパッタリング法またはＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより形成することができる。続いて、半導体基板１の裏面を研磨することで、半導体基板１を薄膜化する。

次に、図１３に示すように、半導体ウェハをエッチングまたはダイシングすることにより個片化する。これにより、半導体ウェハから複数の半導体チップを得る。続いて、各半導体チップの半導体基板１の裏面の下に接着層７を形成する。なお、当該個片化工程の前に半導体基板１の裏面の下に接着層７を形成してもよい。

次に、図１４に示すように、図９を用いて説明した工程と同様にヒータＨＴを用いて熱処理を行うことで、半導体チップＣＨＰを湾曲させ、チップホルダＣＨの上面の凹部４０の表面に接着する。ここで、熱応力膜８はシリコンに比べて熱膨張率が低く、引張応力がシリコンよりも大きい膜である。したがって、半導体チップＣＨＰの加熱時には、熱応力膜８に比べて半導体基板１が横方向に大きく膨張する。そのため、熱応力膜８および半導体基板１を含む半導体チップＣＨＰは、上面の中心が凹むように反る。

なお、図１２を用いて説明した工程で、層間絶縁膜４上に熱応力膜８を設けず、エッチングまたはダイシングによりを行って半導体ウェハを個片化した後で、半導体チップＣＨＰの層間絶縁膜４上に熱応力膜８を形成してもよい。また、熱応力膜８を半導体チップＣＨＰ上に形成した後に、熱応力膜８を一部除去し、図１に示すパッドＢＰを露出させる必要がある。

以上の工程により、本変形例の超音波検査装置が完成する。

本変形例では、半導体チップＣＨＰの上部に熱膨張係数がシリコンより小さい熱応力膜８を形成し、加熱を行うことで半導体チップＣＨＰをお椀状に反らせ、これによりチップホルダＣＨの凹部４０に沿う半導体チップＣＨＰを固定している。これにより、図１～図９を用いて説明した超音波検査装置と同様の効果を得ることができる。

（実施の形態２）
以下では、前記実施の形態１のように熱応力膜を用いず、加圧または減圧を行うことでチップホルダの凹部に半導体チップを固定することについて、図１５および図１６を用いて説明する。図１５および図１６は、本実施の形態２の超音波検査装置の製造工程中の断面図である。

まず、図１５に示すように、図４～図７を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、半導体チップを形成する。続いて、半導体基板１の裏面の下に接着層７を形成する。つまり、ＣＭＵＴを備えた円形の半導体チップを形成する。なお、エッチングまたはダイシングにより半導体ウェハを個片化する前に、例えばＤＡＦを接着層７として半導体基板１の裏面の下に形成してもよい。

次に、図１６に示すように、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの凹部４０上に配置した後、半導体チップＣＨＰの上方から半導体チップＣＨＰの上面に対し加圧することで、半導体チップＣＨＰの中央部が凹むように半導体チップＣＨＰ全体を湾曲させる。これにより、半導体チップＣＨＰは接着層７（図１５参照）を介してチップホルダＣＨの凹部４０の表面に接着され、固定される。

このとき、半導体チップＣＨＰに対し加圧する方法としては、ローラーなどの押し子を用いて半導体チップＣＨＰの上面を押す方法、または、圧縮空気を半導体チップＣＨＰの上面に吹き付ける方法などがある。半導体チップＣＨＰを加圧する前に、半導体チップＣＨＰを保護する目的で、ポリイミドなどから成る保護膜により半導体チップＣＨＰの表面を覆ってもよい。これにより、半導体チップＣＨＰが加圧によりダメージを受けることを防ぐことができる。

以上の工程により、本変形例の超音波検査装置が完成する。

本実施の形態では、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの上面の凹部４０の表面に沿って変形させることで、音響レンズを形成しなくても、半導体チップＣＨＰの主面のセルアレイに並ぶ複数のセルを１点に集中するように向けて配置させることができる。したがって、音響レンズなしで超音波ビームを収束させ、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。

また、音響レンズがないため、音響レンズ内での超音波の減衰を防ぐことができる。また、音響レンズがないため、音響レンズの表面で超音波が反射することを防ぐことができる。よって、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。以上により、本実施の形態では、超音波検査装置の性能を向上させることができる。

また、本実施の形態では半導体チップＣＨＰを平面視で円形となるよう形成しているため、チップホルダＣＨの上面の円形の凹部４０の表面に沿って半導体チップＣＨＰを容易に変形させることができる。

＜変形例１＞
図１６では、半導体チップの上方から加圧する場合について説明したが、半導体チップの下面とチップホルダの上面の凹部との間の空間（領域）を減圧することで、半導体チップを湾曲させてもよい。以下では、本変形例１の超音波検査装置の製造方法について、図１７を用いて説明する。図１７は、本変形例の超音波検査装置の製造工程中の断面図である。

ここでは、まず図１５を用いて説明したように、裏面側に接着層７が形成された円形の半導体チップを形成する。

次に、図１７に示すように、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの凹部４０上に配置した後、半導体チップＣＨＰの下面とチップホルダＣＨの上面の凹部４０との間の空間を減圧することで、半導体チップＣＨＰを凹部４０の表面に沿うように湾曲させる。これにより、半導体チップＣＨＰは、お椀状に変形した状態でチップホルダＣＨに固定される。

上記のように減圧を行う方法としては、チップホルダＣＨの凹部４０の表面に溝９を形成し、例えばチップホルダＣＨの裏側から溝９を介して空気を真空チャックにより排出する方法がある。または、チップホルダＣＨを多孔質な材料により構成し、例えばチップホルダＣＨの裏側から空気を真空チャックにより排出する方法がある。ここで、チップホルダＣＨは、超音波の反射による不要な応答を防ぐため、内部で超音波が減衰する材料により構成されていることが好ましい。

以上の工程により、本変形例の超音波検査装置が完成する。

本変形例の超音波検査装置では、図１５および図１６を用いて説明した超音波検査装置と同様の効果を得ることができる。さらに、上記のように、半導体チップＣＨＰの裏面側の空間を減圧して半導体チップＣＨＰを湾曲させることで、半導体チップＣＨＰの上面のＣＭＵＴがダメージを受けることを防ぐことができる。

なお、図１６を用いて説明したような、半導体チップＣＨＰの上方からの加圧を、本変形例のような半導体チップＣＨＰの下方からの減圧と同時に行ってもよい。

＜変形例２＞
凹部内に溜めた液体を用いて、半導体チップの下面とチップホルダの上面の凹部との間の空間（領域）を減圧して半導体チップを湾曲させ、接着層を用いずに半導体チップをチップホルダに固定する方法について、以下に図１８～図２０を用いて説明する。図１８～図２０は、本変形例２の超音波検査装置の製造工程中の断面図である。

ここではまず、図４～図７を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、円形の半導体チップを形成する。ここでは、半導体チップの裏面に接着層は設けない。

次に、図１８に示すように、チップホルダＣＨを用意し、チップホルダＣＨの上面の凹部４０内を液体１０で満たす。続いて、チップホルダＣＨの凹部４０上に、半導体チップＣＨＰを配置する。このとき、半導体チップＣＨＰの裏面と液体１０の表面とを接触させる。

次に、図１９に示すように、液体１０をチップホルダＣＨの上面の凹部４０内から取り除く。これにより、液体１０が凹部４０内から抜け出る際、半導体チップＣＨＰは半導体チップＣＨＰの上下の圧力差により凹面形状に変形する。つまり、液体１０が凹部４０内から排出される際には、半導体チップＣＨＰの下側の領域が減圧され、半導体チップＣＨＰは液体１０の表面張力により下方に引っ張られるため、半導体チップＣＨＰはお椀状に湾曲する。このとき、半導体チップＣＨＰの裏面に接着層が形成されていなくても、半導体チップＣＨＰとチップホルダＣＨの凹部４０の表面との間ではスティクション（凝着）が起きるため、半導体チップＣＨＰは凹部４０の表面に接着され、固定される。すなわち、半導体チップＣＨＰの裏面（例えば、半導体基板の裏面）は、凹部４０の表面に凝着している。ここでは、加熱を行って液体１０を除去し乾燥させ、半導体チップＣＨＰが凹部４０の表面に凝着するまでの時間を短縮してもよい。

上記のように液体１０を除去する方法としては、図１７を用いて説明したように、チップホルダＣＨに溝９を形成し、溝９から液体を引き抜く方法、チップホルダＣＨを多孔質の材料により構成し、液体１０チップホルダＣＨ側に引き抜く方法、または、液体１０を乾燥させる方法がある。図１７では凹部４０の底面に溝９が形成された構造を示しているが、液体１０を乾燥させるための溝は、例えばチップホルダＣＨの上面側に形成され、凹部４０内から半導体チップＣＨＰよりも外側に向かって横方向に延在する形状を有していてもよい。

また、図２０に示すように、液体１０を乾燥させるための孔部（貫通孔）１１を、半導体チップＣＨＰに形成してもよい。つまり、半導体チップＣＨＰの上面から下面に貫通する孔部１１を形成することで、液体１０を孔部１１から蒸発させることができる。このため、液体１０が蒸発した後の孔部１１の底部では、チップホルダＣＨの凹部４０の表面の一部が半導体チップＣＨＰから露出している。孔部１１は、例えば、半導体基板上にセルアレイを含む素子形成層を形成した後であって、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの凹部４０上に配置する前のタイミング、つまり、半導体基板（半導体ウェハ）を個片化して半導体チップＣＨＰを得る工程の直前または直後のタイミングに形成することができる。孔部１１は、例えばフォトリソグラフィ技術およびエッチング法を用いて、１つまたは複数形成することができる。また、孔部１１は、図１に示すセルアレイＣＡおよびパッドＢＰと平面視で重ならない位置に形成する。

以上の工程により、本変形例の超音波検査装置が完成する。

本変形例では、図１５および図１６を用いて説明した超音波検査装置と同様の効果を得ることができる。

また、本変形例のように、液体１０の表面張力を利用して半導体チップＣＨＰを変形させれば、圧着工具または圧縮空気などの加圧用工具、および、減圧のための真空チャックなどを用いずに半導体チップＣＨＰを変形させることができる。また、接着層を用いなくても、半導体チップＣＨＰをチップホルダＣＨの凹部４０に凝着させることができる。よって、超音波検査装置の製造コストを低減することができる。

（実施の形態３）
以下に、セルアレイの下に応力膜を含む半導体チップにおいて、応力膜の直下で応力膜を支える基板の一部を除去し、これによりセルアレイを湾曲させることについて、図２１および図２２を用いて説明する。図２１および図２２は、本実施の形態３の超音波検査装置の製造工程中の断面図である。

ここでは、まず、図２１に示すように、半導体基板（半導体ウェハ）１を用意する。続いて、半導体基板１上に、絶縁膜１２を介して応力膜１３を形成する。絶縁膜１２は、例えばＣＶＤ法により形成することができ、応力膜１３は、例えばスパッタリング法により形成することができる。絶縁膜１２は例えば酸化シリコン膜から成る。応力膜１３は、シリコンよりも圧縮応力が大きい膜である。応力膜１３は、前記実施の形態１で説明した熱応力膜と同じ材料で形成されていてもよい。応力膜１３は、例えば金属膜から成り、例えば、Ａｌ（アルミニウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｕ（金）、Ｆｅ（鉄）若しくはＣｕ（銅）またはそれらの合金から成る。

ここで、応力膜１３は半導体基板１および絶縁膜１２のそれぞれよりも圧縮応力が大きい膜であるが、半導体基板１が大きい膜厚を有しているため、応力膜１３の圧縮応力では半導体基板１は曲がらない。このため、応力膜１３および半導体基板１は平坦なままである。

続いて、図５を用いて説明した工程と同様の工程を行うことで、応力膜１３上に層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４内の下部電極２、上部電極３および空隙５を備えた複数のセルＣＬとを形成する。つまり、応力膜１３上にセルアレイＣＡを形成する。ここで、セルアレイＣＡは、図１を用いて説明したように平面視で円形に形成されている。また、ここでは、セルアレイＣＡの横において層間絶縁膜４から露出するパッド（図示しない）を形成する。応力膜１３上に形成された、層間絶縁膜４およびセルアレイＣＡを含む全ての構造体（以下では素子形成層と呼ぶ）の厚さは、半導体基板１の厚さよりも小さい。

次に、図２２に示すように、例えばフォトリソグラフィ技術およびドライエッチング法を用いて、半導体基板１の裏面側から、半導体基板１および絶縁膜１２を貫通して応力膜１３の下面を露出する孔部１７を形成する。孔部１７は、セルアレイＣＡの直下において、平面視で円形に形成された円柱型の穴である。言い換えれば、孔部１７は、セルアレイＣＡの全体と平面視で重なっている。

孔部１７を形成することで、セルアレイＣＡの直下では、応力膜１３を支える基板がなくなる。このため、素子形成層よりも大きい圧縮応力を有する応力膜１３は、素子形成層との応力差によりお椀状に変形する。すなわち、セルアレイＣＡの平面視の中央部、セルアレイＣＡの周縁部に比べては下側に凹み、セルアレイＣＡの上面は凹面状となる。つまり、セルアレイＣＡを含む素子形成層は、孔部１７側に向かって凹面状に湾曲する。セルアレイＣＡの凹面の曲率は、セルアレイＣＡの応力と応力膜１３の応力とのバランスにより決まる。

続いて、エッチングまたはダイシングを行うことで、半導体ウェハを個片化し、複数の半導体チップを得る。半導体チップの平面形状は、円形でも矩形でもよい。各半導体チップにセルアレイＣＡおよび孔部１７は１つずつ形成されている。これにより、本実施の形態の超音波検査装置が完成する。

本実施の形態では、半導体チップのセルアレイＣＡの下に応力膜１３を形成し、応力膜１３の下の半導体基板１を除去することで、セルアレイＣＡを凹面状に変形させている。これにより、音響レンズを形成しなくても、半導体チップの主面のセルアレイＣＡに並ぶ複数のセルＣＬを１点に集中するように向けて配置させることができる。したがって、音響レンズなしで超音波ビームを収束させ、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。

また、音響レンズがないため、音響レンズ内での超音波の減衰を防ぐことができる。また、音響レンズがないため、音響レンズの表面で超音波が反射することを防ぐことができる。よって、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。以上により、本実施の形態では、超音波検査装置の性能を向上させることができる。

また、本実施の形態の応力膜１３は、加熱されていない状態でも素子形成層（セルアレイＣＡ）より大きい圧縮応力を有する膜であるため、常温の環境下であっても、セルアレイＣＡを凹面状に変形させ、その形状を維持することができる。

また、ここではチップホルダを用意する必要がなく、音響レンズおよび接着層を形成する必要もないため、超音波検査装置の微細化、および、超音波検査装置の製造コストの低減を実現することができる。

＜変形例１＞
図２１および図２２では、応力膜を用いてセルアレイを湾曲させることについて説明したが、応力膜を用いず、以下に説明するように、ポンプを用いてセルアレイの下の密閉空間を減圧することでセルアレイを湾曲させてもよい。以下の説明で用いる図２３は、本変形例１の超音波検査装置を示す断面図である。

図２３に示すように、本変形例の超音波検査装置の構造は、応力膜が形成されていない点、および、半導体基板１の下に封止膜１８、調圧弁１４およびポンプ３５が設けられている点で、図２１および図２２を用いて説明した超音波検査装置の構造と異なる。すなわち、本変形例の超音波検査装置は、孔部１７が設けられた半導体基板１と、半導体基板１上に形成された層間絶縁膜４と、層間絶縁膜４内に形成された下部電極２、上部電極３および空隙５とを有している。下部電極２、上部電極３および空隙５はセルＣＬを構成しており、孔部１７の直上には、複数のセルＣＬが並べられたセルアレイＣＡが形成されている。ここでは、図２１に示す絶縁膜１２が、層間絶縁膜４の一部となっているものとして説明を行う。

孔部１７は、半導体基板１の裏面側から、層間絶縁膜４の途中深さまで亘って、半導体基板１を貫通して形成されている。孔部１７は、下部電極２を露出しておらず、孔部１７と下部電極２との間には層間絶縁膜４が介在している。このような構造を有する半導体チップは、図２１および図２２を用いて説明した製造工程を、応力膜１３を形成する工程を省略して行うことで形成することができる。半導体チップの平面形状は、円形でも矩形でもよいが、セルアレイＣＡは平面視で円形のレイアウトを有している。

本変形例では、さらに、半導体基板１の底面を覆い、孔部１７の下部を塞ぐ封止膜１８が形成されている。つまり、孔部１７内は、封止膜１８により密閉されている。封止膜１８には、ポンプ３５と孔部１７内とを繋ぐパイプが設けられており、当該パイプの途中には、調圧弁１４が設けられている。ここでは、ポンプ（真空ポンプ）３５を用いて孔部１７内を大気圧よりも低く減圧することができ、これにより、セルアレイＣＡを含む素子形成層を湾曲させることができる。すなわち、孔部１７内が真空状態となることで、セルアレイＣＡは、平面視における中心部が下方に凹み、全体がお椀状に変形する。セルアレイＣＡの曲率は、ポンプ３５および調圧弁１４により制御することができる。

本変形例では、図２１および図２２を用いて説明した超音波検査装置に比べ、応力膜を形成する必要がない。また、ポンプ３５および調圧弁１４を用いて、セルアレイＣＡの曲率を制御することができるため、各セルＣＬの向きを変更し、セルＣＬから発振される超音波ビームの収束する箇所を変更することができる。つまり、目的などに応じて超音波ビームを収束させる箇所を制御することが可能な超音波検査装置を提供することができる。

＜変形例２＞
図２１および図２２では、応力膜を用いてセルアレイを湾曲させることについて説明したが、応力膜を用いず、以下に説明するように、セルアレイの下の空間に固定材から成る固定層を埋め込むことで、セルアレイの変形を保持してもよい。以下の説明で用いる図２４は、本変形例２の超音波検査装置を示す断面図である。

図２４に示すように、本変形例の超音波検査装置の構造は、図２３に示す本実施の形態の変形例１の孔部１７が設けられた半導体基板１、層間絶縁膜４およびセルアレイＣＡを有している。ただし、封止膜、調圧弁およびポンプは有していない。ここで、図２１～図２３に示す構造と異なり、孔部１７内には、固定層１５が完全に埋め込まれている。固定層１５は、セルアレイＣＡの凹面状の形状を保つために形成された樹脂などの固定材から成る層である。

このような構造は、半導体基板（半導体ウェハ）１上に層間絶縁膜４およびセルアレイＣＡを形成した後、半導体基板１の裏面に孔部１７を形成し、続いて、セルアレイＣＡ上から圧力を加えてセルアレイＣＡをお椀状に変形させた状態で、孔部１７内に固定材を流し込み、固定材から成る固定層１５を孔部１７内に埋め込むことで形成することができる。その後、半導体ウェハをエッチングまたはダイシングすることで、複数の半導体チップを形成する。半導体チップの平面形状は、円形でも矩形でもよいが、セルアレイＣＡは平面視で円形のレイアウトを有している。セルアレイＣＡ上から圧力を加える方法としては、前記実施の形態２で説明したように、押し子または圧縮空気などを用いることができる。

すなわち、本変形例では、音響レンズ、応力膜、接着層およびポンプを用いずに、凹面状のセルアレイＣＡを形成することができるため、超音波検査装置の製造コストを低減することができる。また、固定層１５を、前記実施の形態１のチップホルダと同様に、超音波を内部で減衰させることができる材料で構成することが望ましい。これにより、セルアレイＣＡ側から固定層１５の底面側に向かう超音波が、固定層１５の底面で反射してセルアレイＣＡで受信されることに起因して、不要な応答（例えばノイズ）が発生することを防ぐことができる。

（実施の形態４）
以下に、セルアレイの直下に、セルアレイと同様の面積を有する空隙を備えた静電容量素子を形成することで、セルアレイを凹面状に変形させることについて、図２５および図２６を用いて説明する。図２５および図２６は、本実施の形態４の超音波検査装置を示す断面図である。

図２５に示すように、本実施の形態の超音波検査装置は、半導体基板１と、半導体基板１上に形成された層間絶縁膜１６と、層間絶縁膜１６内に形成され、半導体基板１上に順に設けられた下部電極２２、空隙（空洞部）２５および上部電極２３と、層間絶縁膜１６内に形成され、上部電極２３上に順に設けられた下部電極２、空隙（空洞部）５および上部電極３とを有している。

空隙２５を挟んで上下方向で対向する下部電極２２および上部電極２３は、コンデンサ（容量素子、静電容量素子）を構成している。空隙２５は、平面視で円形のレイアウトを有している。平面視で重なる下部電極２、空隙５および上部電極３は、１つのセルＣＬを構成しており、上部電極２３上には、複数のセルＣＬが横方向に並んでセルアレイＣＡを構成している。なお、ここでいう横方向とは、半導体基板１の上面に沿う方向である。セルアレイＣＡは平面視で空隙２５の全体と重なる円形のレイアウトを有しており、複数のセルＣＬは、セルアレイＣＡの円形の範囲内において、平面視で行列状に並んで配置されている。すなわち、下部電極２２および上部電極２３から成る１つのコンデンサ上に、複数のセルＣＬが並んで形成されている。ここでは、全てのセルＣＬは空隙２５の直上に位置している。図示していない領域では、セルアレイＣＡの横に、層間絶縁膜１６から露出するパッド（ボンディングパッド）が複数形成されている。半導体チップの平面形状は、円形でも矩形でもよい。

空隙２５上の層間絶縁膜１６、上部電極２３およびセルアレイＣＡは、メンブレン（可撓性膜）を構成している。つまり、下部電極２２と上部電極２３との間に電圧を印加することで下部電極２２に上部電極２３を含むメンブレンを引きつけることができる。これにより、メンブレンは凹面状に変形するため、複数のセルＣＬのそれぞれが所定の箇所に向かせることができる。すなわち、各セルＣＬから発振される超音波ビームを所望の箇所に収束させることができる。したがって、音響レンズなしで超音波ビームを収束させ、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。

また、音響レンズがないため、音響レンズ内での超音波の減衰を防ぐことができる。また、音響レンズがないため、音響レンズの表面で超音波が反射することを防ぐことができる。よって、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。以上により、本実施の形態では、超音波検査装置の性能を向上させることができる。

また、本実施の形態では、音響レンズ、チップホルダ、応力膜、接着層およびポンプを用いずに、凹面状のセルアレイＣＡを形成することができるため、超音波検査装置の製造コストを低減することができる。

また、セルアレイＣＡの曲率は、下部電極２２および上部電極２３との間に印加する電圧を変更することで制御することができる。つまり、目的などに応じて超音波ビームを収束させる箇所を制御することが可能な超音波検査装置を提供することができる。

図２５では、空隙２５を挟む上下の電極を備えたコンデンサを１つ形成することについて説明したが、図２６に示すように、空隙２５を挟む上下の電極から成るコンデンサを、横方向に並べて複数形成してもよい。すなわち、図２６に示す構造は、空隙２５の直下に、下部電極２２に代わって、横方向に複数並ぶ下部電極３２が形成されている点、および、空隙２５の直上に、上部電極２３に代わって、横方向に複数並ぶ上部電極３３が形成されている点で、図２５に示す構造と異なる。ここでいう横方向とは、例えば、半導体基板１の上面に沿う方向である。１つの下部電極３２は１つの上部電極３３と平面視で重なっており、平面視で重なる下部電極３２と上部電極３３とは、１つのコンデンサを構成している。

空隙２５を挟むコンデンサが横方向に複数並んでいることで、各下部電極３２と各上部電極３３との間に電圧を印加してセルアレイＣＡを湾曲させる際、セルアレイＣＡの凹面形状を、より所望の形状に近い形状に変形させることが可能となる。つまり、セルアレイＣＡの凹面形状の自由度が向上する。つまり、様々な超音波ビーム形状を実現することができる。

（実施の形態５）
次に、前記実施の形態１～４のいずれかの超音検査装置を備えた超音波プローブ（超音波探触子）について、図２７および図２８を用いて説明する。図２７は、本実施の形態５のプローブを含む超音波画像装置を示す斜視図である。図２８は、本実施の形態５の超音波プローブを示す断面図である。

図２７に示す超音波画像装置１３０は、音波の透過性を利用し、外から見ることのできない生体内部を、可聴音領域を超えた超音波を用いてリアルタイムで画像化して目視可能にした医療用診断装置である。超音波画像装置１３０は、本体１３２と、本体１３２の上部に設置された表示部１３３と、本体の前面部分に取り付けられた操作部１３６と、半導体チップ１３４を含む超音波プローブ（超音波探触子）１３５とを備えている。超音波プローブ１３５からはケーブル（コード）１３８が延びており、当該コードは接続部１３７において本体１３２に接続されている。操作部１３６は、例えば、トラックボール、キーボード若しくはマウスなどの入力機器またはそれらを組み合わせたものである。表示部１３３は、画像処理された診断画像を表示する表示装置である。

半導体チップ１３４は、例えば図１に示す半導体チップＣＨＰに相当する。つまり、図１に示す半導体チップ１３４およびチップホルダＣＨは、超音波プローブ１３５に搭載されている。ただし、前記実施の形態３または４に記載の半導体チップを超音波プローブ１３５に搭載する場合は、チップホルダＣＨは超音波プローブに搭載されていない。

半導体チップ１３４には、本体１３２側の送信電源およびＤＣバイアス電源から、ケーブル１３８を介して交流電圧および直流電圧が供給される。超音波プローブ１３５は、超音波の送受信部である。超音波プローブ１３５を構成するプローブケースの先端面には、半導体チップ１３４が、その主面（複数の振動子の形成面）を外部に向けた状態で取り付けられている。

超音波診断に際しては、超音波プローブ１３５の先端を被検体（生体）の表面に当てた後、超音波プローブ１３５の先端が被検体の表面に当たる位置を徐々にずらしながら走査する。超音波プローブ１３５が血管カテーテルである場合は、超音波プローブ１３５を血管内に挿入して走査する。このとき、体表または血管の内壁に近接させた超音波プローブ１３５から被検体内に数ＭＨｚの超音波パルスを送波し、音響インピーダンスの異なる組織境界からの反射波（反響またはエコー）を受波する。これにより、表示部１３３に表示された生体組織の断層像を得て、診断対象に関する情報を知ることができる。超音波を送波してから受波するまでの時間間隔によって反射体の距離情報が得られる。また、反射波のレベルまたは外形から反射体の存在または質に関する情報が得られる。

図２８に、図２７の超音波プローブ１３５の断面図を示す。図２８では、血管カテーテルに用いられる超音波プローブ１３５の構造を示す。なお、図２８において、プローブアセンブリ２０３およびワイヤ２０２の詳細な断面構造の図示は省略している。図２８では超音波プローブ１３５に搭載された半導体チップ１３４を示しており、チップホルダは示していないが、前記実施の形態１また２に記載の超音波検査装置を超音波プローブに搭載する場合は、図２８に示す半導体チップ１３４は、チップホルダを含むものとする。

図２８に示すように、本実施の形態の超音波プローブ１３５は、生体の血管内に挿入することが可能な容器であるカテーテルチューブ２０１を有している。カテーテルチューブ２０１内には、ワイヤ２０２と、ワイヤ２０２の先端に接続されたプローブアセンブリ２０３が配置されている。プローブアセンブリ２０３の表面の一部であって、カテーテルチューブ２０１の内壁と対向する面には、前記実施の形態１～４のいずれかで説明した半導体チップ１３４が固定されている。

図２８に示すワイヤ２０２およびプローブアセンブリ２０３はカテーテルチューブ２０１に対し固定されておらず、カテーテルチューブ２０１内において、カテーテルチューブ２０１の延在方向（図１６の横方向）において動くことができる。

このようなカテーテル状の超音波プローブ１３５は、例えば血管内に挿入してリニアスキャンまたはラジアルスキャンを行うことにより超音波断層画像を得ることができる。超音波プローブ１３５を用いてリニアスキャンを行う場合には、カテーテルチューブ２０１内においてプローブアセンブリ２０３を上記延在方向に走査させる。また、超音波プローブ１３５を用いてラジアルスキャンを行う場合には、カテーテルチューブ２０１内において、プローブアセンブリ２０３を、上記延在方向を軸として回転させる。

図２９に示す比較例の半導体チップＣＨＰを図１６のプローブアセンブリ２０３に搭載する場合、カテーテルチューブ２０１内において、当該半導体チップＣＨＰの上面には、音響レンズＡＬ（図２９参照）が形成される。この場合、前記実施の形態１において図２９を用いて説明したように、音響レンズＡＬの表面で超音波が反射し、超音波プローブの感度が低下する問題が生じる。

これに対し、本実施の形態では、半導体チップ１３４に、前記実施の形態１～４のいずれかに記載の半導体チップを適用している。これにより、音響レンズを形成しなくとも、半導体チップ１３４の表面の凹面状のセルアレイに並ぶ複数のセルを、１点に集中するように向けて配置させることができる。したがって、音響レンズなしで超音波ビームを収束させ、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。

また、音響レンズがないため、音響レンズ内での超音波の減衰を防ぐことができる。また、音響レンズがないため、音響レンズの表面で超音波が反射することを防ぐことができる。よって、ＣＭＵＴの感度を向上させることができる。以上により、本実施の形態では、超音波プローブの性能を向上させることができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。

その他、実施の形態に記載された内容の一部を以下に記載する。

（付記１）静電容量型超音波トランスデューサのセルを備えた超音波検査装置であって、
上面に曲面状の凹部を有するチップホルダと、
前記凹部の表面に沿って凹面状に湾曲し、裏面が前記凹部の前記表面に凝着している半導体チップと、
を有し、
前記半導体チップは、
半導体基板と、
前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の上面に沿って並んだ複数の前記セルから成るセルアレイを含む第１層と、
前記半導体チップを貫通し、前記凹部の前記表面の一部を露出する貫通孔と、
を有し、
前記セルは、前記半導体基板上に順に形成された第１電極、空隙および第２電極を備えたコンデンサにより構成されている、超音波検査装置。

（付記２）静電容量型超音波トランスデューサのセルを備えた超音波検査装置であって、
半導体基板と、
前記半導体基板上に順に形成された第１電極、第１空隙および第２電極を備えた第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの直上に形成され、前記半導体基板の上面に沿って並んだ複数の前記セルから成るセルアレイと、
を有し、
前記セルは、前記半導体基板上に順に形成された第３電極、第２空隙および第４電極を備えた第２コンデンサにより構成されており、
前記第１電極および前記第２電極に電圧を印加することにより、前記第２電極および前記セルアレイを含む第１層は、凹面状に湾曲する、超音波検査装置。

（付記３）（付記２）の超音波検査装置において、
前記第１電極は、前記第１空隙の直下において前記半導体基板の前記上面に沿って並んで複数形成されており、前記第２電極は、前記第１空隙の直上において前記半導体基板の前記上面に沿って並んで複数形成されている、超音波検査装置。

ＣＨ チップホルダ
ＣＨＰ 半導体チップ
１ 半導体基板
２、２２、３２ 下部電極
３、２３、３３ 上部電極
５、２５ 空隙（空洞部）
６、８ 熱応力膜
７ 接着層
４０ 凹部

Claims (15)

1. 静電容量型超音波トランスデューサのセルを備えた超音波検査装置であって、
   上面に曲面状の凹部を有するチップホルダと、
   前記凹部の表面に沿って凹面状に湾曲し、前記凹部の前記表面に固定された半導体チップと、
   前記凹部上で前記半導体チップの下面を覆い、シリコンよりも熱膨張係数が大きい第１膜、または、前記半導体チップの上面を覆い、シリコンよりも熱膨張係数が小さい第２膜と、
   を有し、
   前記半導体チップは、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の上面に沿って並んだ複数の前記セルから成るセルアレイを含む第１層と、
   を有し、
   前記セルは、前記半導体基板上に順に形成された第１電極、空隙および第２電極を備えたコンデンサにより構成されている、超音波検査装置。
2. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   複数の前記セルから発振される複数の超音波ビームは、収束する、超音波検査装置。
3. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記半導体チップおよび前記凹部のそれぞれは、平面視で円形のレイアウトを有している、超音波検査装置。
4. 請求項３記載の超音波検査装置において、
   前記半導体チップの全体は、前記凹部の直上に位置している、超音波検査装置。
5. 請求項１記載の超音波検査装置において、
   前記半導体チップは、接着層を介して、前記凹部の前記表面に固定されている、超音波検査装置。
6. 静電容量型超音波トランスデューサのセルを備えた超音波検査装置であって、
   半導体基板と、
   前記半導体基板上に形成され、前記半導体基板の上面に沿って並んだ複数の前記セルから成るセルアレイを含む第１層と、
   前記セルアレイの直下で前記半導体基板を貫通する孔部と、
   を有し、
   前記セルは、前記半導体基板上に順に形成された第１電極、空隙および第２電極を備えたコンデンサにより構成されており、
   前記第１層は、前記孔部側に向かって凸面状に湾曲しており、
   前記セルアレイおよび前記孔部のそれぞれは、平面視で円形のレイアウトを有している、超音波検査装置。
7. 請求項６記載の超音波検査装置において、
   前記第１層の底面に接して前記孔部上に形成された第１膜をさらに有し、
   前記第１膜は、前記第１層よりも圧縮応力が大きい、超音波検査装置。
8. 請求項６記載の超音波検査装置において、
   前記孔部内の空間は、密閉されており、大気圧よりも減圧されている、超音波検査装置。
9. 請求項６記載の超音波検査装置において、
   前記孔部内は、樹脂により埋め込まれている、超音波検査装置。
10. 静電容量型超音波トランスデューサのセルを備えた超音波検査装置の製造方法であって、
    （ａ）半導体基板を用意する工程、
    （ｂ）前記半導体基板上に、第１電極、前記第１電極上の空隙、および、前記空隙上の第２電極を備えたコンデンサにより構成される前記セルを、前記半導体基板の上面に沿って複数並べて形成することで、複数の前記セルから成るセルアレイを形成する工程、
    （ｃ）前記（ｂ）工程の後、前記半導体基板を個片化することで、前記セルアレイを備えた半導体チップを形成する工程、
    （ｄ）上面に曲面状の凹部を有するチップホルダを用意し、前記凹部上に前記半導体チップを配置する工程、
    （ｅ）前記（ｄ）工程の後、前記半導体チップを上方から加圧し、または、前記凹部と前記半導体チップとの間の領域を減圧することで、前記半導体チップを前記凹部の表面に沿って凹面状に湾曲させ、前記凹部の前記表面に固定する工程、
    を有する、超音波検査装置の製造方法。
11. 請求項１０記載の超音波検査装置の製造方法において、
    前記凹部の前記表面には、複数の溝が形成されおり、
    前記（ｅ）工程では、前記複数の溝を通じて、前記凹部と前記半導体チップとの間の前記領域である空間を減圧することで、前記半導体チップを湾曲させ、前記凹部の前記表面に固定する、超音波検査装置の製造方法。
12. 請求項１０記載の超音波検査装置の製造方法において、
    前記チップホルダは、多孔質の材料から成り、
    前記（ｅ）工程では、前記凹部と前記半導体チップとの間の前記領域である空間を減圧することで、前記半導体チップを湾曲させ、前記凹部の前記表面に固定する、超音波検査装置の製造方法。
13. 請求項１０記載の超音波検査装置の製造方法において、
    前記（ｄ）工程では、前記凹部内に液体が満たされた前記チップホルダを用意し、前記凹部上に前記半導体チップを配置し、
    前記（ｅ）工程では、前記液体を取り除くことで前記凹部と前記半導体チップとの間を減圧し、これにより前記半導体チップを湾曲させ、前記凹部の前記表面に固定する、超音波検査装置の製造方法。
14. 請求項１３記載の超音波検査装置の製造方法において、
    （ｆ）前記（ｂ）工程の後、前記（ｄ）工程の前に、前記セルアレイを含む第１層および前記半導体基板を貫通する貫通孔を形成する工程をさらに有し、
    前記（ｅ）工程では、前記貫通孔を通じて前記液体を蒸発させることで前記凹部と前記半導体チップとの間を減圧し、これにより前記半導体チップを湾曲させ、前記凹部の前記表面に固定する、超音波検査装置の製造方法。
15. 請求項１記載の超音波検査装置を備えた、超音波プローブ。

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