JP7528786B2 - 超音波装置 - Google Patents

Description

本技術は、超音波の送受信を行う超音波装置に関する。

超音波の送受信が可能なアレイ型超音波装置は、生体構造や心拍、血流等の情報を取得できることから、医療のみならずヘルスケアデバイス等の一般民生製品への応用が検討されている。

超音波装置は、一般に電圧の印加により超音波振動を生じる圧電素子を用いて構成される。しかしながら、従来型の構造ではバッキングと呼ばれる音響吸収層のサイズが大きく、一般診療用途では問題ないものの、ウェアラブル機器に搭載するにはサイズが大きすぎる。

また、アレイ型超音波装置は一般に、Dice&Fillと呼ばれるダイシングとカーフ溝にエポキシ樹脂を充填するプロセスによって作製されるが、この製法ではアレイ毎にダイシングをすることからスループットが悪い。また、電極からの配線引き出しのため、フレキシブル基板のランド部との接合工程を個々の超音波装置で行う必要があることから量産性に課題がある。

一方、近年ではＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を採ったアレイ型超音波装置が注目されている。ＭＥＭＳを利用することで小型化及び低背化が可能な装置とすることができ、血管内超音波カテーテル等への適用も研究されている。例えば、特許文献１にはＭＥＭＳ構造を備える超音波プローブが開示されている。

ＭＥＭＳでは、圧電材料に空隙が設けられ、メンブレン構造と呼ばれる梁構造が形成される。このメンブレン構造が振動することにより発生した電荷を電流の形式で受信することにより、超音波の検知が可能である。ＭＥＭＳは半導体プロセスで製造することができるため、量産性が高く、同一基板上に増幅回路等を搭載できることから、受信信号のＳ／Ｎ比も高い。

特開２０１１－０７１８４２号公報

しかしながら、メンブレン構造を基本とするＭＥＭＳでは、高い送信音圧の超音波を発生させることが困難であり、信頼性も不十分である。

以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高い送信強度と高い受信感度を有し、信頼性及び量産性に優れる超音波装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本技術に係る超音波装置は、超音波送信素子と、超音波受信素子とを具備する。
上記超音波送信素子は、上記超音波装置の第１の面側に配置され、上部電極と下部電極によって圧電材料層が挟まれた構造を有する。
上記超音波受信素子は、上記超音波装置の上記第１の面とは反対側の面である第２の面と上記超音波送信素子の間に配置され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有する。

この構成によれば、超音波装置はＭＥＭＳ構造を有し、受信感度が高い超音波受信素子と、超音波送信強度が高い超音波送信素子を備えるため、高い送信強度と高い受信感度を有するものとすることができる。また、この超音波装置は半導体プロセスにより作製することが可能であり、信頼性及び量産性に優れたものとすることができる。

上記上部電極と上記下部電極の少なくとも一方は、上記超音波送信素子をアレイ状素子として独立制御させるアレイ状電極であってもよい。

上記アレイ状電極の間の上記圧電材料層には溝構造が設けられていなくてもよい。

上記超音波装置は、音響吸収材料からなり、上記超音波送信素子に音響的に接合された音響吸収層をさらに具備してもよい。

上記音響吸収層は、上記圧電材料層の音響インピーダンスの１／１０以下の音響インピーダンスを有してもよい。

上記超音波装置は、上記超音波受信素子の上記超音波送信素子とは反対側に設けられた音響整合層をさらに具備してもよい。

上記超音波受信素子は、圧電材料薄膜を有してもよい。

上記圧電材料薄膜は上記圧電材料層より厚みが薄い薄膜であってもよい。

上記圧電材料薄膜は、無機系圧電材料、有機系圧電材料又はこれらの組み合わせの圧電材料からなるものであってもよい。

上記超音波装置は、上記超音波送信素子と上記超音波受信素子の間に配置された半導体基板をさらに具備してもよい。

上記半導体基板において、上記圧電材料薄膜と上記超音波送信素子の間にはキャビティが設けられていてもよい。

上記半導体基板の上記圧電材料層側には半導体回路が設けられていてもよい。

上記半導体回路は、チャージポンピング回路、ドライバ回路、アドレス選択回路、増幅回路、アナログ演算回路、アナログ－デジタル変換回路、デジタル演算回路、電源回路、変調回路及びインピーダンス整合回路のうち一つ以上を含むものであってもよい。

上記増幅回路は、ローノイズ回路、差動アンプ及び対数変換アンプのいずれかであってもよい。

上記半導体基板は、上記超音波受信素子と上記半導体回路を接続する貫通電極を有してもよい。

上記圧電材料層は、上記半導体回路と上記下部電極を接続する貫通ビア電極を有してもよい。

本技術の実施形態に係る超音波装置の斜視図である。 同超音波装置の反対側からみた斜視図である。 同超音波装置の断面図である。 同超音波装置が備えるアレイ部の断面図である。 同超音波装置が備えるアレイ部の一部構成の断面図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。 同超音波装置の製造プロセスを示す模式図である。

本技術の実施形態に係る超音波装置について説明する。

［超音波装置の全体構成］
図１は、本実施形態に係る超音波装置１００の斜視図である。図２は超音波装置１００を図１の裏面側から見た図であり、一部を透視して示す斜視図である。なお、以下の各図において相互に直交する３方向をそれぞれＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向とする。

超音波装置１００は、超音波の送信及び受信が可能な装置である。超音波装置１００は測定対象物に超音波を送信し、測定対象物の反射波を受信することで測定対象物の情報を取得することが可能である。測定対象物は典型的には生体であり、超音波装置１００は医療用やヘルスケア等の各種分野に利用可能である。また、測定対象物は生体に限られず、超音波装置１００は超音波による測定が可能な各種分野に利用することができる。

図１に示すように、超音波装置１００は、アレイ領域１５１と周辺回路領域１５２を有する。アレイ領域１５１は超音波装置１００の中央部に設けられ、超音波素子のアレイが形成されている領域である。周辺回路領域１５２は、アレイ領域１５１の周囲に設けられ、超音波の送受信等に係る回路が設けられている領域である。

なお、アレイ領域１５１と周辺回路領域１５２の配置は図１に示すものに限られず、例えば超音波装置１００の一辺にのみ周辺回路領域１５２が設けられてもよい。

図３は、アレイ領域１５１と周辺回路領域１５２を含む超音波装置１００のＹ－Ｚ平面での断面図であり、図４はアレイ領域１５１のみを含む超音波装置１００のＸ－Ｚ平面での断面図である。これらの図に示すように、超音波装置１００は、音響吸収層１０１、圧電材料層１０２、半導体基板１０３、ＭＥＭＳ層１０４、音響整合層１０５、下部電極１０６及び上部電極１０７を備える。

アレイ領域１５１には、後述する超音波送信素子１３１及び超音波受信素子１３２が設けられており、周辺回路領域１５２には、超音波送信素子１３１及び超音波受信素子１３２が設けられず、周辺回路が設けられている。

超音波装置１００は、生体等の測定対象物に音響整合層１０５が接触するように配置される。超音波装置１００の表裏面のうち、音響吸収層１０１側の面を第１の面１００ａとし、第１の面１００ａの反対側である音響整合層１０５側の面を第２の面１００ｂとする。

超音波送信素子１３１は圧電材料層１０２、下部電極１０６及び上部電極１０７によって構成され、超音波装置１００の第１の面１００ａ側に配置されている。超音波受信素子１３２はＭＥＭＳ層１０４において構成され、第２の面１００ｂと超音波送信素子１３１の間に配置されている。

超音波送信素子１３１は、第２の面１００ｂ側に向けて超音波を送信する。測定対象物によって生じた超音波の反射波は超音波受信素子１３２によって受信される。

音響吸収層１０１は、圧電材料層１０２に音響的に接合され、圧電材料層１０２に蓄積される反射音波を吸収し、残響を削減する。音響吸収層１０１は、フィラーと合成樹脂を混合した材料等である音響吸収材からなるものとすることができる。音響吸収層１０１は、圧電材料層１０２の音響インピーダンスの１／１０以下の音響インピーダンスを有するものが好適である。また、音響吸収層１０１は、不要音波を圧電材料層１０２側に反射し、送信音波に加算させることで送信音波を増強させるデマッチング構造を採ることも可能である。

圧電材料層１０２は、音響吸収層１０１上に配置され、超音波送信素子１３１において超音波振動を発生させる層である。圧電材料層１０２は無機系圧電材料、有機系圧電材料又はこれらの組み合わせの圧電材料からなるものとすることができる。

例えば、圧電材料層１０２は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなるものとすることができる。また、圧電材料層１０２はＰＺＴの他に、ＰＭＮ－ＰＴ（ニオブ酸鉛マグネシウム ‐ チタン酸鉛）等の鉛系圧電材料、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＡｌＮ、ＢＺＴ－ＢＣＴ(チタン酸ジルコ酸バリウムカルシウム）等の非鉛系圧電材料やＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＤＴ－ＴｒＦＥ（フッ化ビニリデン／三フッ化エチレン共重合体）、ポリアミノ酸材料、ポリ乳酸材料等の有機圧電材料からなるものであってもよい。

圧電材料層１０２は、半導体基板１０３がシリコンからなる場合、音響的に連なっている半導体基板１０３の音響インピーダンスが１９．７ＭＲａｙｌｓ程度であることから、例えば、ＰＺＴ（～３０ＭＲａｙｌｓ）、ＰＭＮ－ＰＴ（３４ＭＲａｙｌｓ）、ＢＴＯ（～３０ＭＲａｙｌｓ）、ＡｌＮ（３６ＭＲａｙｌｓ）又は１－３コンポジット等の有機－無機コンポジット材料等、半導体基板１０３の音響インピーダンスに比較的近い音響インピーダンスをもつ圧電材料からなるものが好適である。

圧電材料層１０２と音響吸収層１０１の間には超音波送信素子１３１の下部電極１０６が設けられている。下部電極１０６は、図２及び図４に示すように、アレイ状に設けられたアレイ状電極であり、周辺回路領域１５２からアレイ領域１５１に延伸されている。下部電極１０６はＡｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ又はＣｕ等の導電性材料からなる。

圧電材料層１０２と半導体基板１０３の間には超音波送信素子１３１の上部電極１０７が設けられている。上部電極１０７は、図３及び図４に示すように、アレイ領域１５１において平面状に設けられている。上部電極１０７はＡｇ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ａｕ又はＣｕ等の導電性材料からなる。

なお、上部電極１０７をアレイ状電極とし、下部電極１０６は平面状に構成されもよい。

アレイ領域１５１では、圧電材料層１０２が下部電極１０６及び上部電極１０７によって挟まれ、超音波送信素子１３１が構成されている。

半導体基板１０３は、半導体材料からなる基盤であり、圧電材料層１０２とＭＥＭＳ層１０４の間に配置され、アレイ領域１５１においては超音波送信素子１３１と超音波受信素子１３２によって挟まれている。半導体基板１０３は、半導体部１０８、絶縁体部１０９ａ及び絶縁体部１０９ｂを有する。絶縁体部１０９ａは、半導体基板１０３のうち圧電材料層１０２側に設けられ、絶縁体部１０９ｂは、半導体基板１０３のうちＭＥＭＳ層１０４側に設けられている。半導体部１０８は、絶縁体部１０９ａと絶縁体部１０９ｂの間に設けられている。

絶縁体部１０９ａ及び１０９ｂは、半導体部１０８の材料を酸化して形成された部分とすることができ、半導体部１０８は例えばシリコンからなり、絶縁体部１０９ａ及び１０９ｂは例えばシリコン酸化物（ＳｉＯ_２）からなるものとすることができる。

半導体部１０８において、超音波受信素子１３２の第１の面１００ａ側には空隙であるキャビティ１０８ａが設けられている。また、半導体部１０８において圧電材料層１０２側には、半導体回路１１０が設けられている。

半導体回路１１０は、半導体部１０８においてｐ型及びｎ型の不純物をドープすることにより形成された回路である。半導体回路１１０の詳細については後述する。

ＭＥＭＳ層１０４は半導体基板１０３上に配置され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により構成されている。ＭＥＭＳ層１０４によって超音波受信素子１３２が形成されている。

音響整合層１０５は、ＭＥＭＳ層１０４上に配置され、測定対象物と超音波受信素子１３２の音響インピーダンスの差を低減し、超音波の測定対象物への反射を防止する。音響整合層１０５により、送受信時の超音波の透明性やエネルギー効率を高め、残響の影響を抑制することができる。

音響整合層１０５は、２層とすることができ、測定対象が生体の場合には、最上層の音響インピーダンスは１．５～４ＭＲａｙｌｓ、第２層の音響インピーダンスは３～８ＭＲａｙｌｓが好適である。また、音響整合層１０５は、１層又は３層以上が設けられてもよい。音響整合層１０５の材料は、合成樹脂やセラミックス材料とすることができる。

図２及び図３に示すように、周辺回路領域１５２において圧電材料層１０２には、圧電材料層１０２を貫通する貫通ビア電極１１１が設けられている。貫通ビア電極１１１は、下部電極１０６と電極パッド１１２を接続し、配線１１３を介して半導体回路１１０に接続されている。貫通ビア電極１１１の周囲には絶縁体１１４が設けられ、貫通ビア電極１１１と圧電材料層１０２を絶縁する。

これにより、半導体回路１１０において生成された駆動信号が貫通ビア電極１１１を介して下部電極１０６に供給され、超音波送信素子１３１が駆動される。

［アレイ部の構造］
上述のように、圧電材料層１０２、下部電極１０６及び上部電極１０７によって超音波送信素子１３１が構成されている。圧電材料層１０２は、下部電極１０６及び上部電極１０７によって挟まれており、下部電極１０６と上部電極１０７の間に電圧が印加されると、逆圧電効果による振動を生じ、超音波を生成する。

上部電極１０７は、圧電材料層１０２上において平面状に形成され、グランドに接続される。下部電極１０６は、図４に示すようにアレイ構造となっている。これにより、下部電極１０６の電位を独立に位相制御することで、送信ビームフォーミングが可能である。

なお、圧電材料層１０２の厚みは、圧電材料の周波数定数を用いた計算に依り、求められる周波数で発振するように設定される。この計算式は、以下の（式１）で表される

Ｎ＝ｆ_ｒ×ｔ （式１）

（式１）においてＮは周波数定数、ｆ_ｒは共振周波数、ｔは圧電材料層１０２の厚みである。共振周波数を７ＭＨｚとする場合、ｔは約１５０μｍとなる。

超音波受信素子１３２は上述のように、ＭＥＭＳ層１０４に設けられている。図５は、超音波装置１００のうち半導体基板１０３及びＭＥＭＳ層１０４のみを示す断面図であり、図４の一部である。図５に示すように、ＭＥＭＳ層１０４は、圧電材料薄膜１１５、下部電極膜１１６、上部電極膜１１７及び層間絶縁膜１１８を有する。

圧電材料薄膜１１５は下部電極膜１１６及び上部電極膜１１７によって挟まれ、超音波受信素子１３２が構成されている。超音波受信素子１３２は複数が設けられ、アレイを形成している。

圧電材料薄膜１１５は、超音波受信素子１３２において超音波を受信する薄膜であり、層間絶縁膜１１８を挟んで複数が設けられている。圧電材料薄膜１１５は無機系圧電材料、有機系圧電材料又はこれらの組み合わせの圧電材料からなるものとすることができる。

無機系圧電材料としては、ＰＺＴ、ＰＭＮ－ＰＴ（ニオブ酸鉛マグネシウム ‐ チタン酸鉛）等の鉛系圧電材料、ＢＴＯ（チタン酸バリウム）、ＡｌＮ、ＢＺＴ－ＢＣＴ(チタン酸ジルコ酸バリウムカルシウム）等の非鉛系圧電材料が挙げられる。

有機系圧電材料としては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＶＤＴ－ＴｒＦＥ（フッ化ビニリデン／三フッ化エチレン共重合体）、ポリアミノ酸材料、ポリ乳酸材料等が挙げられる。

下部電極膜１１６は、半導体基板１０３上において圧電材料薄膜１１５毎に複数が配置されている。下部電極膜１１６は超音波受信素子１３２の信号取り出し電極として機能する。

上部電極膜１１７は、圧電材料薄膜１１５及び層間絶縁膜１１８上に平面状に配置される。上部電極膜１１７はグランドとして機能する。

下部電極膜１１６及び上部電極膜１１７は、Ｐｔ等の導電性材料からなる。圧電材料薄膜１１５がＰＺＴからなる場合、下部電極膜１１６及び上部電極膜１１７をＰｔとすると、ＰＺＴとの界面が安定するため好適である。また、Ｐｔに限られず、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等でも同様の効果が得られる。

層間絶縁膜１１８は、圧電材料薄膜１１５、下部電極膜１１６及び上部電極膜１１７を絶縁する。層間絶縁膜１１８は、ＢＰＳＧ（Boron Phosphorus Silicon Glass)等の絶縁性材料からなる。

超音波受信素子１３２では、測定対象物によって反射した反射波が入射し、圧電材料薄膜１１５が振動すると、圧電効果により下部電極膜１１６と上部電極膜１１７の間に電位差が生じる。

超音波受信素子１３２の直下であり、圧電材料薄膜１１５と超音波送信素子１３１の間となる位置にはキャビティ１０８ａが設けられている。このキャビティ構造により、超音波送信素子１３１からの送信波による残響の影響が防止されると共に、生体を測定対象とする場合、音響整合層１０５の音響インピーダンスが１．５～７ＭＲａｙｌｓと比較的低い値となる。キャビティ構造により、超音波受信素子１３２が梁構造となり、圧電材料薄膜１１５に撓みが生じ、実行的な音響インピーダンスが低下するため、音響整合が生じやすくなる。

超音波受信素子１３２は、図５に示すように静電容量式超音波ＭＥＭＳ（ｃＭＵＴ）構造を有するものとすることができる。また、超音波受信素子１３２は圧電式超音波ＭＥＭＳ（ｐＭＵＴ）構造を有するものであってもよい。

ｃＭＵＴでは受信準備状態にするために大きなバイアスを印加する必要があるが、ｐＭＵＴではこれが不要であり、ドライバ回路を簡素化することができる。

圧電材料薄膜１１５の厚みは、キャビティ構造が設けられない場合は上記（式１）を用い、圧電材料の周波数定数で決めることができる。一方、キャビティ１０８ａを設けることにより梁構造となり、圧電材料薄膜１１５とキャビティ１０８ａの間の部分の剛性が減少するため、より薄い厚みで所望の共振周波数とすることができる。

具体的には、超音波受信素子１３２は、圧電材料薄膜１１５を弾性薄膜（ダイヤフラム）とするダイヤフラム型振動子とみなせる。ダイヤフラム型振動子の共振周波数は以下の（式２）で表される。

（式２）においてｔはダイヤフラムの厚み、ａはダイヤフラムの半径、ρはダイヤフラムの密度、Ｅはダイヤフラムのヤング率、ρ_Ｈ２Ｏは水負荷の密度を示す。

例えば圧電材料薄膜１１５がＰＺＴからなる場合、７ＭＨｚの超音波受信素子１３２を作製するためには、ａ＝６０μｍ、ｔ＝２０μｍとすればよく、同じ共振周波数であっても超音波送信素子１３１の圧電材料層１０２より薄くすることができる。

また、図５に示すように、半導体基板１０３には、半導体基板１０３を貫通する貫通電極１１９が設けられている。貫通電極１１９は、超音波受信素子１３２の下部電極膜１１６に接続されると共に配線１２０を介して半導体回路１１０に接続されている。貫通電極１１９の周囲には絶縁体１２１が設けられ、貫通電極１１９と半導体基板１０３を絶縁する。

これにより、超音波受信素子１３２において生成された受信信号は、貫通電極１１９を介して半導体回路１１０に供給され、半導体回路１１０によって信号処理がなされる。半導体回路１１０による信号処理には増幅、整相加算及び検波等のアナログ信号処理、アナログ－デジタル変換やＦＦＴ（fast Fourier transform）等のデジタル信号処理、画像処理等の一部又は全部のデータ処理が含まれる。

［超音波装置の動作及び効果］
超音波装置１００は以上のような構成を有し、超音波送信素子１３１は第１の面１００ａ側において積層構造によって構成され、超音波受信素子１３２は第２の面１００ｂ側においてＭＥＭＳによって構成されている（図４参照）。

超音波送信素子１３１において半導体回路１１０から駆動信号が下部電極１０６に供給されると、下部電極１０６と上部電極１０７の電位差により、圧電材料層１０２において超音波振動が生じ、超音波（送信波）が生成される。超音波は第２の面１００ｂ側（図４中、上方）に進行し、第１の面１００ａから測定対象物に送信される。

超音波送信素子１３１では、下部電極１０６をアレイ構造とすることにより、下部電極１０６の電位をアレイ毎に独立して位相制御し、送信ビームフォーミングが可能である。

超音波は測定対象物によって反射され、第２の面１００ｂを通過して超音波受信素子１３２に到達する。超音波受信素子１３２では、超音波（受信波）を受けて圧電材料薄膜１１５が振動し、受信信号が下部電極膜１１６を介して半導体回路１１０に出力される。

なお、第２の面１００ｂの垂直方向（Ｚ方向）から見て、超音波送信素子１３１の下部電極１０６は、超音波受信素子１３２の圧電材料薄膜１１５とは重ならないように配置すると好適である。超音波送信素子１３１からの送信波を効率よく第２の面１００ｂ側に送信させることができ、また、キャビティ１０８ａに送信音波が到達すると乱反射が生じて残響特性が悪化するが、これを避けるためである。

また、ＭＥＭＳによって構成された超音波受信素子１３２は同一基板上に増幅回路等を搭載することができ、Ｓ／Ｎ比の高い受信信号を得ることが可能である。一方、ＭＥＭＳでは高い送信音圧を実現することが困難である。超音波装置１００ではＭＥＭＳではない超音波送信素子１３１とＭＥＭＳである超音波受信素子１３２を設けることにより、高い送信強度と高い受信感度を共に実現することが可能である。

さらに、一般的なアレイ構造を有する超音波素子では、音響クロストークを防止するため、超音波素子間に分離溝を設けるが、超音波送信素子１３１では圧電材料層１０２に分離溝が設けられていない。超音波装置１００では超音波送信素子１３１と超音波受信素子１３２が分離されているため、残響観点での音響クロストークが問題とならないためである。

これにより、製造工程において分離溝を形成するためのDice＆Fillプロセスを省き、低コスト化と低ＴＡＴ（Turn Around Time)化を実現することが可能である。加えて、圧電材料層１０２にポーラス圧電材料や１－３コンポジット材等のＱ値の低い圧電材料を用いることでさらに音響クロストークを抑制することができ、例えば送信ビームにおけるサイドローブ抑制が可能である。

このように、超音波装置１００では量産性が高く、かつ配線基板との接合工程等が不要であるため、信頼性も高い。したがって、超音波装置１００では、高い送信強度と高い信感度を有し、かつ量産性及び信頼性に優れる超音波装置を実現することが可能である。

［製造方法］
超音波装置１００の製造方法について説明する。図６乃至図１４は、超音波装置１００の製造プロセスを示す模式図である。

図６に示すように、半導体部１０８及び絶縁体部１０９ａを有する半導体基板１０３において半導体回路１１０を形成する。半導体回路１１０は、一般的なＳｉ－ＣＭＯＳ（Complementary metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)プロセスによって形成することが可能である。この際、貫通電極１１９及び絶縁体１２１も形成する。

続いて、図７に示すように半導体基板１０３の絶縁体部１０９ａ側の面を支持基板１６１に貼り付ける。支持基板１６１は例えば石英基板である。この貼り付けは、例えばＵＶ硬化樹脂からなる接着層１６２を用いて行うことができる。

さらに、半導体部１０８を薄板化してパターニングし、キャビティ１０８ａを形成する。この加工はＤｅｅｐＲＩＥ（Reactive Ion Etching）のようなドライエッチングやＫＯＨ、ＮａＯＨ又はＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）等によるアルカリウェットエッチングによって行うことができる。

続いて、図８に示すように半導体基板１０３にＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板１６３を貼り付ける。ＳＯＩ基板１６３は、シリコンからなる半導体部１６３ａとシリコン酸化物からなる絶縁体部１６３ｂを備え、絶縁体部１６３ｂは絶縁体部１０９ｂとなる部分である。ＳＯＩ基板１６３には、事前にアライメントマークと貫通電極１１９に対応する電極が形成されている。

続いて、図９に示すように、ＳＯＩ基板１６３を薄板化する。これにより、超音波受信素子１３２のメンブレン構造が形成される。

続いて、図１０に示すように、半導体基板１０３上にＭＥＭＳ層１０４を形成する。ＭＥＭＳ層１０４の圧電材料薄膜１１５、下部電極膜１１６、上部電極膜１１７及び層間絶縁膜１１８はスパッタ又はＣＶＤ（chemical vapor deposition）による成膜とドライエッチング等によるパターニングによって形成することができる。

圧電材料薄膜１１５がＰＺＴからなる場合、下部電極膜１１６及び上部電極膜１１７はＰｔ、Ｔｉ又はＩＴＯ等のＰＺＴと界面反応を起こしにくい材料が好適である。圧電材料薄膜１１５の材料はＰＺＴに限られず、ＡｌＮ等のスパッタ膜でもよい。

続いて、図１１に示すように、ＭＥＭＳ層１０４上に音響整合層１０５を形成する。音響整合層１０５はスピンコート等によって成膜することができる。音響整合層１０５には音響インピーダンスを最適化するためにフィラーを混合してもよい。また、マトリックスポリマーとして、感光性ソルダレジストのようなリソグラフィでパターニングできるものを利用すると、ＭＥＭＳ層１０４上の電極パッド開口が容易になる。

続いて、図１２に示すように、支持基板１６１及び接着層１６２を除去し、送信用圧電板１６４を半導体基板１０３に貼り付ける。図１２（ａ）は断面図であり、図１２（ｂ）は送信用圧電板１６４側からみた平面図である。送信用圧電板１６４は、圧電材料層１０２に下部電極１０６及び上部電極１０７を形成したものである。図１２は模式的に図示したもので、配線幅は例えば９０μｍ幅であり、配線の間隔は１５μｍであり、通常の半導体製造技術で作製される。

圧電材料層１０２は例えば直径１５０ｍｍ、厚み０．２ｍｍの単品ディスク品を用いることができる。この圧電材料層１０２にスパッタ等のＰＶＤ（physical vapor deposition）、メッキ又はＣＶＤ等の手法により、下部電極１０６及び上部電極１０７となる金属膜を成膜する。金属膜の材料はＮｉ、Ｔｉ、Ａｕ、Ａｇ又はＣｕ等とすることができるが、ＰＺＴに付けられるものであれば特に限定されない。

圧電材料層１０２にスルーホール加工と電極パターニングをドライエッチングで行い、基板貼り合わせ技術により半導体基板１０３に貼り付ける。この際、予め半導体基板１０３に形成していた電極パッド１１２（図３参照）と貫通ビア電極１１１が接合するように位置を合わせる。

続いて、図１３に示すように、音響吸収層１０１を送信用圧電板１６４に貼り付ける。図１３（ａ）は断面図であり、図１３（ｂ）は音響吸収層１０１側からみた平面図である。

音響吸収層１０１の材料は通常のバッキング吸収材で用いられるアクリル又はエポキシ系の分散ポリマーでもよくポリウレタンのような音響インピーダンスが小さい材料でもよい。ポリウレタンは音響インピーダンスが１．５ＭＲａｙｌｓであり、低背化のために音響吸収層１０１をデマッチング構造として機能させることが可能である。

最後に、図１４に示すようにダイサーで切り取り、超音波装置１００のチップを作製する。以上のような製造プロセスを採ることで、従来のDice＆Fill法に比べてダイシング回数を大幅に減らすことが可能となり、量産性が向上する。また、アレイ領域１５１（図１参照）に半導体回路を形成することが可能であるため、実装面積の大幅な縮小が可能となる。

［半導体回路について］
上述のように半導体基板１０３のＭＥＭＳ層１０４とは反対側には半導体回路１１０が設けられている。半導体回路１１０は、トランスインピーダンスアンプをはじめとする電流電圧変換回路であり、超音波受信素子１３２から出力された受信電流を電圧に変換するものとすることができる。さらに、この後段に低ノイズアンプによる信号増幅回路を設けてもよい。

一方、超音波計測で得るべき音圧では５０～８０ｄＢ以上のダイナミックレンジが必要となるため、後段にログアンプ（対数変換回路）を設けると取り扱う受信信号のダイナミックレンジを拡大させることが可能になる。

上記の回路は各々の超音波受信素子１３２に一対一で対応させる必要は必ずしもないが、各超音波受信素子１３２のフットプリント内に配置することで各超音波受信素子１３２に一対一で対応させることができる。これにより、各々の超音波受信素子１３２の出力を独立に増幅することができ、超音波受信素子１３２に到達する超音波の到達時刻や位相差情報等も含めて取得することが可能となる。

さらに半導体回路１１０には、アナログ演算回路、アナログ遅延回路、アナログ－デジタル変換回路及びデジタル演算回路のいずれか一つ以上が構成されていてもよい。超音波受信素子１３２の受信信号に対してこれらの回路により、信号処理や画像処理を行うことが可能となり、これらの回路を半導体基板１０３上に配置することにより、超音波装置の大幅な小型化が実現できる。

これらの回路は、アドレス選択により、超音波受信素子１３２毎に選択されることも可能であり、一回の送受信によるデータ量が膨大である場合には、データ量の分割が行われる。データ速度が要求されない分野であれば、合成開口法等の複数回の送受信でスキャンデータを完成させる方法もあり、一度に処理すべきデータ量が減り、そのために半導体回路の面積を縮小させることも可能である。

これらの回路は、アレイ領域１５１（図１参照）に配置されてもよく、周辺回路領域１５２に配置されてもよい。

また、超音波送信素子１３１のドライバ回路を半導体回路１１０に構成してもよい。図２及び図３に示すように、周辺回路領域１５２における半導体回路１１０にドライバ回路を設け、貫通ビア電極１１１によってドライバ回路と下部電極１０６を接続することが可能である。

ドライバ回路と超音波送信素子１３１は、ワイヤーボンディング、フレキシブル基板又インターポーザー等で接続することも可能であるが、半導体プロセスでは困難な工程となる。貫通ビア電極１１１によってドライバ回路と超音波送信素子１３１を接続することにより、作製を容易とすることができる。

貫通ビア電極１１１を作製するための圧電材料層１０２へのビア加工は、ドリル加工又はレーザー加工によって行うことができ、焼成時に金型パターンを配置しておくことによってビアを形成してもよい。

以上のように、半導体回路１１０は、超音波受信素子１３２の信号処理回路及び超音波送信素子１３１の信号生成回路のいずれか一方、または両方として構成することができる。

具体的には、半導体回路１１０は、チャージポンピング回路、ドライバ回路、アドレス選択回路、増幅回路、アナログ演算回路、アナログ－デジタル変換回路、デジタル演算回路、電源回路、変調回路及びインピーダンス整合回路のうち一つ以上を含むものとすることができる。また、上記増幅回路は、ローノイズ回路、差動アンプ及び対数変換アンプのいずれかとすることができる。

なお、本技術は以下のような構成もとることができる。

（１）
超音波装置の第１の面側に配置され、上部電極と下部電極によって圧電材料層が挟まれた構造を有する超音波送信素子と、
上記超音波装置の上記第１の面とは反対側の面である第２の面と上記超音波送信素子の間に配置され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有する超音波受信素子と
を具備する超音波装置。

（２）
上記（１）に記載の超音波装置であって、
上記上部電極と上記下部電極の少なくとも一方は、上記超音波送信素子をアレイ状素子として独立制御させるアレイ状電極である
超音波装置。

（３）
上記（２）に記載の超音波装置であって、
上記アレイ状電極の間の上記圧電材料層には溝構造が設けられていない
超音波装置。

（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって、
音響吸収材料からなり、上記超音波送信素子に音響的に接合された音響吸収層
をさらに具備する超音波装置。

（５）
上記（４）に記載の超音波装置であって、
上記音響吸収層は、上記圧電材料層の音響インピーダンスの１／１０以下の音響インピーダンスを有する
超音波装置。

（６）
上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって、
上記超音波受信素子の上記超音波送信素子とは反対側に設けられた音響整合層
をさらに具備する超音波装置。

（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって、
上記超音波受信素子は、圧電材料薄膜を有する
超音波装置。

（８）
上記（７）に記載の超音波装置であって、
上記圧電材料薄膜は上記圧電材料層より厚みが薄い薄膜である
超音波装置。

（９）
上記（７）又は（８）に記載の超音波装置であって、
上記圧電材料薄膜は、無機系圧電材料、有機系圧電材料又はこれらの組み合わせの圧電材料からなる
超音波装置。

（１０）
上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって、
上記超音波送信素子と上記超音波受信素子の間に配置された半導体基板
をさらに具備する超音波装置。

（１１）
上記（１０）に記載の超音波装置であって、
上記半導体基板において、上記圧電材料薄膜と上記超音波送信素子の間にはキャビティが設けられている
超音波装置。

（１２）
上記（１０）又は（１１）に記載の超音波装置であって、
上記半導体基板の上記圧電材料層側には半導体回路が設けられている
超音波装置。

（１３）
上記（１２）に記載の超音波装置であって、
上記半導体回路は、チャージポンピング回路、ドライバ回路、アドレス選択回路、増幅回路、アナログ演算回路、アナログ－デジタル変換回路、デジタル演算回路、電源回路、変調回路及びインピーダンス整合回路のうち一つ以上を含む
超音波装置。

（１４）
上記（１３）に記載の超音波装置であって、
上記増幅回路は、ローノイズ回路、差動アンプ及び対数変換アンプのいずれかである
超音波装置。

（１５）
上記（１２）から（１４）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって
上記半導体基板は、上記超音波受信素子と上記半導体回路を接続する貫通電極を有する
超音波装置。

（１６）
上記（１２）から（１４）のうちいずれか一つに記載の超音波装置であって、
上記圧電材料層は、上記半導体回路と上記下部電極を接続する貫通ビア電極を有する
超音波装置。

１００…超音波装置
１０１…音響吸収層
１０２…圧電材料層
１０３…半導体基板
１０４…ＭＥＭＳ層
１０５…音響整合層
１０６…下部電極
１０７…上部電極
１０８…半導体部
１０８ａ…キャビティ
１０９ａ…絶縁体部
１０９ｂ…絶縁体部
１１０…半導体回路
１１１…貫通ビア電極
１１５…圧電材料薄膜
１１６…下部電極膜
１１７…上部電極膜
１１８…層間絶縁膜
１１９…貫通電極
１３１…超音波送信素子
１３２…超音波受信素子
１５１…アレイ領域
１５２…周辺回路領域

Claims (16)

1. 超音波装置の第１の面側に配置され、上部電極と下部電極によって圧電材料層が挟まれた構造を有する超音波送信素子と、
   前記超音波装置の前記第１の面とは反対側の面である第２の面と前記超音波送信素子の間に配置され、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）構造を有する超音波受信素子と
   を具備する超音波装置。
2. 請求項１に記載の超音波装置であって、
   前記上部電極と前記下部電極の少なくとも一方は、前記超音波送信素子をアレイ状素子として独立制御させるアレイ状電極である
   超音波装置。
3. 請求項２に記載の超音波装置であって、
   前記アレイ状電極の間の前記圧電材料層には溝構造が設けられていない
   超音波装置。
4. 請求項１に記載の超音波装置であって、
   音響吸収材料からなり、前記超音波送信素子に音響的に接合された音響吸収層
   をさらに具備する超音波装置。
5. 請求項４に記載の超音波装置であって、
   前記音響吸収層は、前記圧電材料層の音響インピーダンスの１／１０以下の音響インピーダンスを有する
   超音波装置。
6. 請求項１に記載の超音波装置であって、
   前記超音波受信素子の前記超音波送信素子とは反対側に設けられた音響整合層
   をさらに具備する超音波装置。
7. 請求項１に記載の超音波装置であって、
   前記超音波受信素子は、圧電材料薄膜を有する
   超音波装置。
8. 請求項７に記載の超音波装置であって、
   前記圧電材料薄膜は前記圧電材料層より厚みが薄い薄膜である
   超音波装置。
9. 請求項７に記載の超音波装置であって、
   前記圧電材料薄膜は、無機系圧電材料、有機系圧電材料又はこれらの組み合わせの圧電材料からなる
   超音波装置。
10. 請求項１に記載の超音波装置であって、
    前記超音波送信素子と前記超音波受信素子の間に配置された半導体基板
    をさらに具備する超音波装置。
11. 請求項１０に記載の超音波装置であって、
    前記超音波受信素子は圧電材料薄膜を有し、
    前記半導体基板において、前記圧電材料薄膜と前記超音波送信素子の間にはキャビティが設けられている
    超音波装置。
12. 請求項１０に記載の超音波装置であって、
    前記半導体基板の前記圧電材料層側には半導体回路が設けられている
    超音波装置。
13. 請求項１２に記載の超音波装置であって、
    前記半導体回路は、チャージポンピング回路、ドライバ回路、アドレス選択回路、増幅回路、アナログ演算回路、アナログ－デジタル変換回路、デジタル演算回路、電源回路、変調回路及びインピーダンス整合回路のうち一つ以上を含む
    超音波装置。
14. 請求項１３に記載の超音波装置であって、
    前記増幅回路は、ローノイズ回路、差動アンプ及び対数変換アンプのいずれかである
    超音波装置。
15. 請求項１２に記載の超音波装置であって、
    前記半導体基板は、前記超音波受信素子と前記半導体回路を接続する貫通電極を有する
    超音波装置。
16. 請求項１２に記載の超音波装置であって、
    前記圧電材料層は、前記半導体回路と前記下部電極を接続する貫通ビア電極を有する
    超音波装置。

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