JP7224190B2 - 超音波トランスデューサ、その製造方法および超音波撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は超音波トランスデューサの製造技術に関し、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の構造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、超音波を送信および受信することにより、人体を検査したり物の内部構造などを検査したりする超音波撮像装置など、様々な用途に用いられている。

従来、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）が開発されている。

ＣＭＵＴは、空洞層を挟んで上下電極を配置した構造を有し、上部電極と下部電極との間に電圧を印加し、電位差を発生させることで、空洞上部のメンブレンに静電力が発生することを利用した振動素子である。超音波の送信は、上下電極に印加する印加電圧を時間的に変化させることでメンブレンを振動させることにより行われ、超音波の受信は、上下電極の間に一定の電圧を印加した状態で、メンブレンの変位を電圧変化または電流変化として検出することにより行われる。

例えば特許文献１～３に開示されているＣＭＵＴは、基板上に下部電極、空洞層、上部電極、絶縁膜がこの順に積層されている。これらのＣＭＵＴでは、空洞層は上下電極の間に直接挟まれており、上部電極と空洞層との間や下部電極と空洞層との間に絶縁層が配置されていないが、上部電極上の絶縁膜を下面から支持する絶縁層が、空洞層の上下を除く周囲を囲むように配置されている。この絶縁膜を支持する絶縁層は、基板上の複数のＣＭＵＴ素子を連結する位置に配置されていて、複数のＣＭＵＴ素子により共有されている。

特許第４８６９５９３号公報 特表２０１６－５３７０８３号公報 特許第５８５９０５６号公報

超音波トランスデューサの感度は、上下電極間の距離が小さいほど高くなることが知られている。特許文献１～３のＣＭＵＴなど、空洞層が上下電極に直接挟まれている超音波トランスデューサでは、上部電極と空洞層との間や下部電極と空洞層との間に絶縁層が配置されていない分、上下電極間の距離を小さくすることができる。しかしながらこのようなＣＭＵＴでは、上下電極間の距離を縮めると、空洞層の周囲を囲むように配置されている絶縁層の上下の電極間の電界強度が大きくなり、絶縁層が破壊されてしまう可能性があった。

本発明は、高感度で耐久性の高い超音波トランスデューサを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、超音波トランスデューサは、上下一対の電極と、一対の電極に直接挟まれている振動用空間を有している空洞層と、一対の電極に挟まれており、かつ、振動用空間の周囲に配置されている絶縁層とを備え、絶縁層の上下方向の厚さが、空洞層の上下方向の厚さよりも厚いことを特徴とする。

本発明によれば、上下電極間の空洞層の厚さを従来よりも小さくしても、絶縁層の強度を保つことができる。そのため、高感度で耐久性の高い超音波トランスデューサを提供することができる。

（ａ）本発明の超音波トランスデューサ１０の配線例を示す上面図、（ｂ）ＣＭＵＴアレイの一部拡大図。 （ａ）は図１（ｂ）のＡ－Ａ線で切断した実施形態１の超音波トランスデューサの断面図、（ｂ）は図１（ｂ）のＢ－Ｂ線で切断した実施形態１の超音波トランスデューサの断面図。 （ａ）～（ｅ）は実施形態１の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 （ａ）～（ｄ）は実施形態１の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 図１（ｂ）のＡ－Ａ線で切断した実施形態２の超音波トランスデューサの断面図。 （ａ）～（ｄ）は実施形態２の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 （ａ）～（ｃ）は実施形態２の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 変形例の超音波トランスデューサの断面図。 図１（ｂ）のＡ－Ａ線で切断した実施形態３の超音波トランスデューサの断面図。 （ａ）～（ｆ）は実施形態３の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 （ａ）～（ｅ）は実施形態３の超音波トランスデューサの製造方法を断面図で示す図。 本発明の超音波撮像装置の構成例を示すブロック図。

以下、本発明の一実施形態について図面を用いて説明する。

まず、図１、２を参照して本発明が適用される超音波トランスデューサ１０の構成の概要を説明する。超音波トランスデューサ１０は、基板１０１上にＭＥＭＳ技術によって形成された所謂ＣＭＵＴであり、単独の素子であってもよいし、図１（ａ）に示すように、ＣＭＵＴ素子を多数配置したＣＭＵＴアレイ或いはＣＭＵＴチップであってもよい。

以下、ＣＭＵＴ素子が複数配置されているものを例に、超音波トランスデューサ１０を説明する。図１（ｂ）は、超音波トランスデューサ１０に備えられている複数のＣＭＵＴ素子のうち、一部を拡大して例示しており、図２（ａ）は、図１（ｂ）のＡ－Ａ断面図を示しており、図２（ｂ）は、図１（ｂ）のＢ－Ｂ断面図を示している。なお、図１（ｂ）では、ＣＭＵＴ素子を説明のために円形で示したが、この例は素子の形状を限定するものではない。

超音波トランスデューサ１０のＣＭＵＴ素子はそれぞれ、図２（ａ）に示すように、上下一対の電極（上部電極１０７と下部電極１０３）と、上下電極１０７、１０３により直接挟まれメンブレンとして機能する空間（以下、振動空間という）１０５ｂを有している空洞層１０５と、上部電極１０７および下部電極１０３に挟まれており、かつ、空洞層１０５の振動空間１０５ｂの周囲に配置されている絶縁層１０４とを備えていて、絶縁層１０４の上下方向の厚さが、空洞層１０５の上下方向の厚さよりも厚い。

つまり、上部電極１０７と下部電極１０３は、空洞層１０５を上下方向から直接挟んでいる領域と、空洞層１０５より厚い絶縁層１０４の上下に配置されている領域とを有しているため、絶縁層１０４の上下に配置されている上下電極１０７、１０３間の距離は、空洞層１０５を直接挟んでいる上下電極１０７、１０３間の距離よりも大きくなっている。

空洞層１０５の厚さは、数nm～数100nm程度であり、上下電極１０７、１０３間の距離も、空洞層１０５を直接挟んでいる領域では、数nm～数100nm程度である。

一方、絶縁層１０４の厚さは例えば、絶縁層１０４の上下の電極間の電界が２００V/umとなるような厚さであり、超音波トランスデューサ１０の駆動電圧が１００Ｖのとき、絶縁膜の膜厚は５００ｎｍである。また絶縁層１０４の厚さは、空洞層１０５の厚さの５倍以上であることが好ましい。

以上のように超音波トランスデューサ１０は、振動空間１０５ｂが上下電極１０７、１０３に直接挟まれているため、上下電極１０７、１０３間の距離を従来よりも小さくすることができ、感度が高い。また空洞層１０５の上下に配置されている上下電極１０７、１０３間の距離を従来よりも小さくしても、絶縁層１０４の厚さを保つことができるため、絶縁層１０４の上下に配置されている電極１０７、１０３間の電圧が大きくなっても、絶縁層１０４の電界強度を低く維持することができる。これにより、高感度で耐久性の高い超音波トランスデューサを提供することができる。

超音波トランスデューサ１０は、上述の構成のＣＭＵＴ素子が、単結晶シリコンなどの半導体基板からなる基板１０１の上に配置されており、図１（ａ）に示すように、基板１０１には上部電極パッド１０１ａと下部電極パッド１０１ｂが配置されている。上部電極１０７は上部電極パッド１０１ａに接続されていて、下部電極１０３は下部電極パッド１０１ｂに接続されている。

さらに各ＣＭＵＴ素子の、振動空間１０５ｂの上下以外の周囲には、図１（ｂ）に示すように、複数のＣＭＵＴ素子を連結する、空洞層１０５が延在している。複数のＣＭＵＴ素子が空洞層１０５により連結されている位置において、Ｂ－Ｂ断面図である図２（ｂ）に示すように、空洞層１０５は、絶縁層１０４の下面と下部電極１０３の上面との間に挟まれている。この部分は剛性が高くなっていることに加え、電極間距離が長く、静電気力が小さいため、駆動時にメンブレンとしての振動に寄与しない。

振動空間１０５ｂから延在する空洞層１０５の部分には、ＣＭＵＴ素子の製造工程で空洞層１０５を形成する際に形成された上下方向の貫通孔１０９を絶縁材料で埋め込んだ埋め込み部があり、この貫通孔１０９（埋め込み部）に対応する上部電極１０７の部分は、電極の層が形成されていない非電極領域１０７ａになっている。

空洞層１０５および振動空間１０５ｂの内部は真空であり、上部電極１０７など、振動空間１０５ｂの上部に配置されている領域は、駆動時に振動するメンブレンとなる。振動空間１０５ｂの面積により、メンブレンが有する共振周波数が決定される。

ここで、超音波トランスデューサ１０の動作を簡単に説明する。まず上下電極１０７、１０３間に駆動信号を印加することにより振動空間１０５ｂの上部に配置されている領域が、メンブレンとして振動する。これにより、検査対象に向けて超音波が発信される。メンブレンから発信され、検査対象の内部で反射した音響信号がメンブレンに到達すると、メンブレンが振動して電気信号に変換される。変換された電気信号の情報に応じて、後述する超音波撮像装置が検査対象の画像生成を行う。より詳しい超音波撮像装置全体の動作については後で説明する。

＜実施形態１＞
以下、図２を参照して、実施形態１の超音波トランスデューサの構成を詳しく説明する。

基板１０１の上面には、絶縁層１０２と下部電極１０３が基板１０１側からこの順で配置されており、下部電極１０３の上面には、平坦な形状の振動空間１０５ｂを含む空洞層１０５と、振動空間１０５ｂの上下を除く周囲を囲む絶縁層１０４とが配置されている。上部電極１０７は、絶縁層１０４と振動空間１０５ｂを覆うように配置されている。絶縁層１０４の高さは振動空間１０５ｂの高さよりも高く、上部電極１０７は、振動空間１０５ｂの上面に配置されている部分が絶縁層１０４の上面に配置されている部分よりも下部電極１０３に近くなるような段差形状を有している。上部電極１０７の上面には絶縁層１０６、１０８が基板１０１側からこの順で配置されている。

なお、基板１０１の材料には、単結晶シリコンの他にも、ガラス、石英、サファイアなどを使用することができる。

上部電極１０７や下部電極１０３には、膜厚１０ｎｍ～３００ｎｍ程度のタンタル（Ｔａ）を使用することができる。タンタルの他にも、モリブデン（Ｍｏ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）や、不純物を高濃度にドープした多結晶シリコンやアモルファスシリコンや酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などを使用することができる。上部電極１０７や下部電極１０３は、上述の材料からなる単層または積層膜とすることができる。なお、上部電極１０７や下部電極１０３には、空洞層１０５の形成時に使用するエッチング液を用いても溶けない材料を使用する。

絶縁層１０２、１０４、１０６、１０８は、同じ材料から形成されていてもよいし、異なる材料から形成されていてもよい。これらの絶縁層は、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）、窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ_２）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ_２）、シリコン－ドープド酸化ハフニウム等から選ばれる１種または２種以上の絶縁材料からなる単層または積層膜とすることができる。各絶縁層は、同じ材料でも異なっていてもよい。

絶縁層１０２は、基板材料及び上に形成される下部電極１０３の材料と接着性のよい材料が選択され、絶縁層１０４は高電界が発生する部分であるため耐電圧性の高い材料、例えばＳｉＯ_２が好ましい。絶縁層１０６を構成する材料は、絶縁層１０４と同様に耐電圧性が高い材料が好ましい。さらに絶縁層１０６、１０８は、上部電極１０７とともにメンブレンを構成し、超音波送受信時に変位するため、変位前のメンブレン形状は平坦で、絶縁層１０６、１０８には、引っ張り応力を有する材料、例えばＳｉＮと、圧縮応力を有する材料、例えばＳｉＯ_２などを用いて、複数層積層し、平坦性を確保することが好ましい。

各絶縁層の膜厚は、絶縁層１０２が１０ｎｍ～１００００ｎｍ程度、絶縁層１０６が１０ｎｍ～１００００ｎｍ程度、絶縁層１０８が１０ｎｍ～１００００ｎｍ程度とすることができる。

＜＜実施形態１の超音波トランスデューサの製造方法＞＞
つぎに、実施形態１の超音波トランスデューサの製造方法を図３（ａ）～（ｅ）および図４（ａ）～（ｄ）を用いて説明する。

［工程１］
まず図３（ａ）に示すように、基板１０１上に絶縁層１０２、下部電極１０３を順次形成する。絶縁層１０２や下部電極１０３は、プラズマＣＶＤ法、蒸着法、スパッタリング法など公知の成膜技術により形成することができる。

［工程２］
次に下部電極１０３の上面に、図３（ｂ）に示すように、スパッタリング法等により金属膜（犠牲層）１１８を均一性の高い膜厚となるように形成する。犠牲層１１８は、空洞層１０５を形成するために一時的に設けられる層であり、後にエッチャントによってエッチング除去される。犠牲層１１８の材料としては、エッチャントによる除去しやすさやエッチング選択性を考慮し、コバルト（Co）を用いる。犠牲層１１８には他にもアルミニウム（Ａｌ）、チタン（Ｔｉ）、クロム（Ｃｒ）などを用いることができる。犠牲層１１８の厚みは空洞層１０５の高さを決定するものである。

［工程３］
続いて公知の成膜技術により、図３（ｃ）に示すように、犠牲層１１８の上面に絶縁層１０４を堆積させる。

［工程４］
続いてリソグラフィ法やドライエッチング法を用いて、図３（ｄ）に示すように、絶縁層１０４に、犠牲層１１８の上面まで達する開口１０４ａを形成する。開口１０４ａの面積は、振動空間１０５ｂの上部のメンブレンが所定の共振周波数を有するように、メンブレンのサイズに合わせて設定する。

［工程５］
続いて、図３（ｅ）に示すように、絶縁層１０４と、工程４で形成した開口１０４ａから露出している犠牲層１１８の上面を覆うように、上部電極１０７の材料を成膜した後、パターニングする。上部電極１０７は、空洞層１０５を形成するために後の工程で形成される上下方向の貫通孔を含む領域（非電極領域１０７ａ）を除くようにパターニングする。

［工程６］
続いて公知の成膜技術を用いて、図４（ａ）に示すように、上部電極１０７を覆うように絶縁層１０６を形成する。このとき、非電極領域１０７ａにも、絶縁層１０６と同じ絶縁材料を埋め込むことが好ましい。

［工程７］
続いて、貫通孔１０９を、図４（ｂ）に示すように、絶縁層１０６の上面から非電極領域１０７ａを貫通し、犠牲層１１８に達するように形成する。

［工程８］
続いて、図４（ｃ）に示すように、貫通孔１０９からエッチャントＥを導入して犠牲層１１８を溶解させ、空洞層１０５を形成する。エッチャントには、犠牲層１１８の周囲の絶縁層１０４や電極を溶解することなく、犠牲層１１８を選択的に溶解するものを使用することができ、例えば塩酸を用いることができる。

［工程９］
犠牲層１１８のエッチングが十分に進んで空洞層１０５の形成が完了したら絶縁層１０６の上面に絶縁材料を成膜して、図４（ｄ）に示すように、絶縁層１０８を形成する。このとき、貫通孔１０９も絶縁層１０８と同じ絶縁材料によって充填することが好ましい。以上のような製造方法により、実施形態１の超音波トランスデューサが製造される。

このような超音波トランスデューサの製造方法では、振動空間１０５ｂの周囲を囲む絶縁層１０４を厚く維持しつつ、空洞層１０５の上下を直接挟む上下電極間の距離を数十ｎｍ程度に小さくすることができるため、高感度で耐久性の高い超音波トランスデューサを製造することができる。

＜実施形態２＞
以下、実施形態２の超音波トランスデューサについて、図５を参照し、実施形態１の超音波トランスデューサと異なる点を説明する。実施形態１では、空洞層１０５が平坦な形状を有している超音波トランスデューサについて説明したが、実施形態２の超音波トランスデューサは、空洞層１０５が段差形状を有している。

具体的には、実施形態２の超音波トランスデューサの空洞層１０５は、段差形状をなす上部電極１０７と絶縁層１０４との間に、上部電極１０７の段差形状に沿った空間（以下、非振動用空間という）１０５ｃを有している。非振動用空間１０５ｃは、振動空間１０５ｂより外周側に、絶縁層１０４の上面に乗り上げるような構造である。段差形状の非振動用空間１０５ｃの外周端は、上部電極１０７により覆われており、非振動用空間１０５ｃの外周端より外周側では、絶縁層１０４の上面に上部電極１０７が接触している。

この超音波トランスデューサでは、駆動時、上部電極１０７、及び絶縁層１０６、１０８のうち、上下電極１０７、１０３に直接挟まれている振動空間１０５ｂの上部に配置されている領域がメンブレンとして機能し、その領域の面積により、メンブレンが有する共振周波数が決定される。

＜＜実施形態２の超音波トランスデューサの製造方法＞＞
次に、実施形態２の超音波トランスデューサの製造方法を図６（ａ）～（ｄ）および図７（ａ）～（ｃ）を用いて説明する。

［工程１］
まず図６（ａ）に示すように、図３（ａ）を参照して説明した実施形態１の工程１と同様に基板１０１上に絶縁層１０２、下部電極１０３を順次形成する。下部電極１０３の上面には、図３（ｃ）の工程３と同様の成膜技術を用いて絶縁層１０４を成膜する。絶縁層１０４には、リソグラフィ法やドライエッチング法を用いて、下部電極１０３の上面まで達する開口１０４ａを形成する。

［工程２］
次に、絶縁層１０４と、開口１０４ａから露出している下部電極１０３の上面を覆うように、図６（ｂ）に示すように、金属膜（犠牲層）１１８を形成する。犠牲層１１８の材料および膜厚は、実施形態１の工程２と同様である。

［工程３］
続いて、上部電極１０７の材料を形成した後、図６（ｃ）に示すように、非電極領域１０７ａを除くようにパターニングする。

［工程４］
続いて、図６（ｄ）に示すように、上部電極１０７を覆うように絶縁層１０６を形成する。このとき、非電極領域１０７ａにも、絶縁層１０６と同じ絶縁材料を埋め込むことが好ましい。

［工程５］
続いて、図７（ａ）に示すように、貫通孔１０９を、絶縁層１０６の上面から非電極領域１０７ａを貫通し、犠牲層１１８に達するように形成する。実施形態２では、絶縁層１０４が形成されている領域の上部で、犠牲層１１８に達する貫通孔１０９を形成するため、犠牲層１１８が薄くて貫通孔１０９が犠牲層１１８を貫通しても、絶縁層１０４が埋め込み部（貫通孔１０９の部分）を下部電極１０３に到達させないストッパとして作用する。

［工程６］
続いて実施形態１の工程８と同様に、図７（ｂ）に示すように、貫通孔１０９からエッチャントＥを導入して犠牲層１１８を溶解させ、空洞層１０５を形成する。

［工程７］
犠牲層１１８のエッチングが十分に進んで空洞層１０５の形成が完了したら、図７（ｃ）に示すように、絶縁層１０６の上面に絶縁材料を成膜して絶縁層１０８を形成する。このとき、貫通孔１０９も絶縁層１０８と同じ絶縁材料によって充填することが好ましい。以上のような製造方法により、実施形態２の超音波トランスデューサが製造される。

以上のように、実施形態２の超音波トランスデューサの製造方法では、絶縁層１０４が形成されている領域の上部で、犠牲層１１８をエッチングするための貫通孔１０９を形成するため、犠牲層１１８が薄くて貫通孔１０９が犠牲層１１８を貫通しても、絶縁層１０４がストッパとして作用し、絶縁層１０４が埋め込み部を下部電極１０３に到達しないようにすることができる。また絶縁層１０４は、犠牲層１１８をエッチングして空洞層１０５を形成する際に、貫通孔１０９から導入されるエッチャントが下部電極１０３に到達しないようにするストッパとしても作用する。よってこの製造方法では、超音波トランスデューサを、歩留まりよく製造することができる。

また実施形態２の超音波トランスデューサは、空洞層１０５が上部電極１０７の段差形状に沿った段差形状を有しているため、空洞層１０５が平坦でその外周面でのみ絶縁層１０４と接している超音波トランスデューサよりも、絶縁層１０４と空洞層１０５との接触面積が大きい。よって実施形態２の超音波トランスデューサは、絶縁層１０４と空洞層１０５を密着させて歩留まりよく製造することができる。

＜変形例＞
なお、実施形態２の超音波トランスデューサは空洞層１０５が上部電極１０７の段差形状に沿った段差形状を有している構造としたが、図８に示すように、絶縁層１０４が上部電極１０７の段差形状に沿った段差形状を有している構造であってもよい。本変形例の超音波トランスデューサは、空洞層１０５が平坦な形状であり、駆動時に振動する振動空間の下部に絶縁層１０４の角部や壁面が位置していない。そのためこの超音波トランスデューサでは、駆動時に上部電極１０７が振動しても絶縁層１０４の角部や側面に接触にくく、駆動信頼性がより向上する。

＜実施形態３＞
以下、実施形態３の超音波トランスデューサについて、図９を参照して説明する。実施形態１では、下部電極１０３が平坦な形状で上部電極１０７が段差形状を有している超音波トランスデューサについて説明したが、実施形態３の超音波トランスデューサは、上部電極１０７が平坦な形状で下部電極１０３が段差形状を有している。なお実施形態３の超音波トランスデューサでは、空洞層１０５は、実施形態１の超音波トランスデューサの空洞層と同様に平坦な形状を有している。

具体的に下部電極１０３は、上面に空洞層１０５の振動空間１０５ｂが配置されている領域と、上面に絶縁層１０４が配置されている領域とを有しており、振動空間１０５ｂが絶縁層１０４よりも薄いため、上面に振動空間１０５ｂが配置されている領域が上面に絶縁層１０４が配置されている領域よりも、上部電極１０７に対して近くなるような段差形状となっている。

メンブレンは通常、メンブレンを構成する各層の残留応力のバランスにより凹形状または凸形状にたわんで形成される。そのため、超音波トランスデューサの製造時には、各層の残留応力を制御して、メンブレンのたわみ（凹凸形状）を制御する。実施形態３の超音波トランスデューサは、メンブレンに段差がなく、空洞層１０５よりも上層が平坦な構造であるため、残留応力の制御による完成時のメンブレンの凹凸形状を制御しやすい。

＜＜実施形態３の超音波トランスデューサの製造方法＞＞
次に、実施形態３の超音波トランスデューサの製造方法を図１０（ａ）～（ｆ）および図１１（ａ）～（ｅ）を用いて説明する。

［工程１］
まず図３（ａ）を参照して説明した実施形態１の工程１と同様に、図１０（ａ）に示すように基板１０１上に絶縁層１０２を順次形成する。

［工程２］
次に、リソグラフィ法やドライエッチング法を用いて、図１０（ｂ）に示すように、絶縁層１０２を段差形状にパターニングする。このとき、絶縁層１０２の段差の高さが後の工程で形成する絶縁層１０４の高さと等しくなるように、絶縁層１０２をパターニングする。

［工程３］
続いて、図１０（ｃ）に示すように、絶縁層１０２を覆うように下部電極１０３を均一な膜厚で成膜する。

［工程４］
続いて、図１０（ｄ）に示すように、下部電極１０３の全面を覆うように絶縁材料を形成する。

［工程５］
続いて工程４で形成した絶縁材料をエッチングして、図１０（ｅ）に示すように、下部電極１０３の段差形状の上段の上面が露出するように、絶縁層１０４を形成する。これにより、絶縁層１０４の上面が下部電極１０３の上面と同じ高さになる。

［工程６］
続いて、絶縁層１０４と下部電極１０３の上面に、図１０（ｆ）に示すように、スパッタリング等により犠牲層１１８を形成する。犠牲層１１８の材料および膜厚は、実施形態１の工程２と同様とすることができる。工程５で形成した絶縁層１０４の上面が下部電極１０３の上面と同じ高さのため、犠牲層１１８は平坦な形状となる。

［工程７］
続いて、犠牲層１１８の上面に上部電極１０７の材料を形成した後、図１１（ａ）に示すように、非電極領域１０７ａを除くようにパターニングする。

［工程８］
続いて、図１１（ｂ）に示すように、上部電極１０７を覆うように、絶縁層１０６を形成する。このとき、非電極領域１０７ａにも、絶縁層１０６と同じ絶縁材料を埋め込むことが好ましい。

［工程９］
続いて、貫通孔１０９を、図１１（ｃ）に示すように、絶縁層１０６の上面から非電極領域１０７ａを貫通し、犠牲層１１８に達するように形成する。

［工程１０］
続いて実施形態１の工程８と同様に、図１１（ｄ）に示すように、貫通孔１０９からエッチャントＥを導入して犠牲層１１８を溶解させ、空洞層１０５を形成する。

［工程１１］
犠牲層１１８のエッチングが十分に進んで空洞層１０５の形成が完了したら、図１１（ｅ）に示すように、絶縁層１０６の上面に絶縁材料を塗布して絶縁層１０８を形成する。このとき、貫通孔１０９も絶縁層１０８と同じ絶縁材料によって充填することが好ましい。以上のような製造方法により、実施形態３の超音波トランスデューサが製造される。

なお、以上は基板１０１の上面に下から順に各構成を積層して超音波トランスデューサを形成する方法について説明したが、これに限らない。超音波トランスデューサ１０は、基板１０１側（下面側）と上面側から各構成を積層したものを張り合わせることにより形成されてもよい。

＜超音波撮像装置＞
以下、本発明の超音波撮像装置１００について図１２を用いて説明する。
超音波撮像装置１００は、超音波トランスデューサ１０と、超音波トランスデューサ１０の駆動を制御しながら超音波画像を生成する装置本体１とを少なくとも備えている。

超音波トランスデューサ１０は、検査対象に接触、もしくは接触媒質を介して接触させて検査対象との間で超音波を送受信する超音波探触子に設けられていてもよいし、検査対象内に挿入されて検査対象との間で超音波を送受信するカテーテルに設けられていてもよい。超音波撮像装置１００が備えている超音波トランスデューサ１０には、メンブレンを構成する空洞層の振動空間が上下電極間に直接挟まれており、かつ振動空間の厚さがその周囲に配置された絶縁層の厚さより薄い構成の超音波トランスデューサが備えられているため、例えば上述した実施形態１～３の少なくともいずれかが用いられる。

装置本体１は、超音波トランスデューサ１０に送信用電気信号を送出する送信部１２と、超音波トランスデューサ１０が受け取った検査対象からの反射波の超音波信号を受信する受信部１３と、各部の動作を制御する制御部１１と、制御部１１内に設けられていて受信部１３が受信した信号を処理し画像を作成したり各種演算をしたりする信号処理部１５と、記憶部１６とを備える。

また装置本体１は、超音波撮像装置の操作者が、制御部１１に対し超音波撮像装置の動作条件を入力する入力部１７と、信号処理部１５の処理結果等を表示する表示部１４を備える。入力部１７と表示部１４は、操作者が装置本体１と対話的に操作を行うユーザーインタフェイスとして機能してもよい。

装置本体１を構成する各部の構成は、公知の超音波撮像装置と同様であるので、ここでは説明を省略する。

ここで超音波撮像装置１００の動作を説明する。まず送信部１２のビームフォーマーから送信用電気信号が、不図示のデジタルアナログ（Ｄ／Ａ）変換器を経て超音波トランスデューサ１０の電極１０３、１０７に送られ、超音波トランスデューサ１０から検査対象に向かって超音波が発信される。検査対象の内部を伝搬する過程で反射した音響信号が、超音波トランスデューサ１０に受信され、電気信号に変換され、不図示のＡ／Ｄ変換器を経て、受信データとして受信部１３の受信ビームフォーマーに送られる。受信ビームフォーマーは、複数の素子で受信した信号に対して、送信が送信時に掛けた時間遅延を考慮した加算処理を行う。加算処理後の受信信号は、その後、不図示の補正部で減衰補正等の処理がなされた後、ＲＦデータとして信号処理部１５に送られる。信号処理部１５は、ＲＦデータを用いて画像の作成を行う。

本発明の超音波撮像装置１００は、メンブレンを構成する空洞層の振動空間が上下電極間に直接挟まれており、かつ振動空間の厚さがその周囲に配置された絶縁層の厚さより薄い構成の超音波トランスデューサを備えているため、高感度な超音波撮像が可能な超音波撮像装置提供することができる。そのためこの超音波撮像装置１００は、高感度な撮像が求められる血管内超音波（ＩＶＵＳ）や血管内光音響（ＩＶＰＡ）撮像などを行う撮像装置としても使用可能である。

なお、超音波送信用の探触子と超音波受信用の探触子とが別構成として設けられている超音波撮像装置に超音波トランスデューサ１０を適用してもよい。特に、超音波受信用探触子では超音波を送信するためにメンブレンを大きく振動させる必要がないので、上下電極間が短く高感度な実施形態１～３の超音波トランスデューサ１０を超音波受信用探触子に適用すると有用である。

１０…超音波トランスデューサ、１００…超音波撮像装置、１０１…基板、１０２…第１の絶縁層、１０３…下部電極（第１の電極）、１０４…第２の絶縁層、１０５…空洞層、１０５ｂ…振動用空間、１０６…第３の絶縁層、１０７…上部電極（第２の電極）、１０７ａ…非電極領域、１０８…第４の絶縁層、１０９…貫通孔、１１８…犠牲層

Claims (11)

1. 上下一対の電極と、
   前記一対の電極に直接挟まれている振動用空間を有している空洞層と、
   前記一対の電極に挟まれており、かつ、前記振動用空間の周囲に配置されている絶縁層とを備え、
   前記絶縁層の上下方向の厚さが、前記空洞層の上下方向の厚さよりも厚く、
   前記空洞層の上下を挟む位置に配置されている前記一対の電極の電極間距離が、前記絶縁層の上下を挟む位置に配置されている前記一対の電極の電極間距離よりも小さくなるように、前記一対の電極の少なくとも一方は段差形状を有しており、
   前記空洞層は、前記段差形状をなす電極と前記絶縁層との間に、前記段差形状に沿った非振動用空間を有していることを特徴とする超音波トランスデューサ。
2. 前記一対の電極のうち下側の電極は平坦な形状を有しており、
   前記一対の電極のうち上側の電極は、前記振動用空間の上面に配置されている領域が前記絶縁層の上面に配置されている領域よりも低くなるような段差形状を有し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。
3. 前記一対の電極のうち上側の電極は平坦な形状を有しており、
   前記一対の電極のうち下側の電極は、前記振動用空間の下面に配置されている領域が前記絶縁層の下面に配置されている領域よりも高くなるような段差形状を有し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。
4. 前記絶縁層の前記厚さは前記空洞層の前記厚さの５倍以上であ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。
5. 複数のトランスデューサ素子が配置されている超音波トランスデューサであって、前記トランスデューサ素子は請求項１に記載の超音波トランスデューサであることを特徴とする超音波トランスデューサ。
6. 基板の上に、第１の絶縁層と第１の電極をこの順に積層する工程と、
   前記第１の電極の上に、犠牲層および第２の絶縁層を積層する工程と、
   前記犠牲層および前記第２の絶縁層を覆う第２の電極を積層する工程と、
   前記第２の電極の上に第３の絶縁層を積層する工程と、
   前記第３の絶縁層から前記犠牲層までを貫通する貫通孔を形成する工程と、
   前記貫通孔を介して前記犠牲層をエッチング除去して空洞層を形成する工程と、
   前記貫通孔に絶縁材料を埋め込む工程とを含み、
   前記犠牲層と前記第２の絶縁層を積層する工程は、前記第２の絶縁層の上下方向の厚さが、前記犠牲層の上下方向の厚さよりも厚くなるように、前記犠牲層と前記第２の絶縁層を積層する工程であり、
   前記犠牲層および前記第２の絶縁層を積層する工程は、
   前記第１の電極の上に前記第２の絶縁層を成膜する工程と、
   成膜した前記第２の絶縁層のうち、前記空洞層の前記第１の電極と前記第２の電極とに直接挟まれる振動用空間を形成する領域に配置されている前記第２の絶縁層を取り除く工程と、
   前記第２の絶縁層を取り除いたことで露出する前記第１の電極と、前記第２の絶縁層とを覆うように前記犠牲層を成膜する工程とを含む
   ことを特徴とする超音波トランスデューサの製造方法。
7. 前記犠牲層および前記第２の絶縁層を積層する工程は、
   前記第１の電極の上に前記犠牲層を成膜する工程と、
   前記犠牲層の上に前記第２の絶縁層を成膜する工程と、
   成膜した前記第２の絶縁層のうち、前記空洞層の前記第１の電極と前記第２の電極とに直接挟まれる振動用空間を形成する領域の上部に配置されている前記第２の絶縁層を取り除く工程と、を含むことを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
8. 前記第１の絶縁層は、
   前記第１の電極と前記第２の電極とで前記犠牲層を直接挟む領域の下部の領域が、前記直接挟む領域の下部以外の領域よりも、前記基板からの高さが高い段差形状を有するように形成される
   ことを特徴とする請求項６に記載の超音波トランスデューサの製造方法。
9. 請求項１に記載の超音波トランスデューサを備えていること特徴とする超音波撮像装置。
10. 請求項５に記載の超音波トランスデューサを備えていること特徴とする超音波撮像装置。
11. 検査対象に超音波を送信する送信用超音波トランスデューサと、
    前記検査対象から反射された超音波を受信する受信用超音波トランスデューサとそれぞれ有し、
    前記受信用超音波トランスデューサは、請求項１に記載の超音波トランスデューサであることを特徴とする超音波撮像装置。

Images