JPH02240563A - 超音波探触子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は超音波探触子に係わり、特に超音波顕微鏡等の
高周波の音波エネルギーを利用した装置に用いて好適な
超音波探触子に関する。

〔従来の技術〕

従来の超音波顕微鏡用の超音波探触子の構造を第１１図
に示す。超音波探触子は、音響レンズを構成するレンズ
本体１３と超音波発生用の圧を膜２、これに電力を供給
する上部電極３、下部電極４とからなる。まず発振器６
によってパルス波状又はバースト波状の電圧を発生させ
、これを圧電膜２に供給する。この電圧によって圧１膜
が振動し、ここから膜厚に対応した周波数の超音波が発
生する。この超音波はレンズ本体１３の球面状のレンズ
面１４によって絞られ、試料ｌＯの表面または試料内部
の音響インピーダンスの異なる部分（例えばボイド、ク
ラック等）によって反射され、再びレンズ本体１３のレ
ンズ面１４に返り、圧電膜２に検出される。この信号が
受信器７で増幅され試料１０の情報が得られる。

試料台９をＹ方向に、レンズ本体１をＸ方向にスキャン
することにより、試料１０のある平面位置の情報が得ら
れる。

また、レンズ本体１３の球面状のレンズ面１４の周辺に
は斜面部分１７が設けられている。これは、レンズ面周
辺での直達波の発生を阻止するためのもので、これによ
り球面状のレンズ面１４を経由した超音波のみが圧電膜
２で受信され、試料１０の正確な情報が得られる 〔発明が解決しようとする課題〕 しかしながら、上記従来の超音波探触子では、レンズ面
１４の周辺に斜面部分１７を設ける構成であるため、レ
ンズ面１４の開口部分と斜面部分１７の間にエツジ部分
１８か形成され、このエツジ部分１８の加工が雑しく、
このためノイズの発生を低減することには限度がありか
つ安価に製造することは困髭であるという問題があった
。

即ち、従来は、レンズ素材としてサファイアを使用し、
これを機械加工することによりレンズ面１４及び斜面部
分１７を形成するのが一般的であるが、サファイアはモ
ース硬度９の非常に硬い材質であり、エツジ部分１８の
ある形状の機械加工が非常に誼しい、また、斜面部分１
７の形成に際して、レンズ面１４の球面の中心と斜面部
分１７の中心がずれる。このため、エツジ部分１８が全
周又は一部で尖らずに平坦になることが多い、こうなる
と、ここからレンズ面１４を経由しない直達波が生じ、
この直達波とレンズ面からの波が受信され、両者が干渉
して像がぼける。

なお、さらにエツジを尖らせようとすると、エツジ部分
が欠けてしまい、不良品を作ることが多い。

また、エツジ部分１８はその後仕上げ加工をするが、こ
の際も同様の理由できれいに仕上げることが必要であり
、この仕上げに大きな労力を必要とし、歩留り低下の原
因となる。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、ノイ
ズの発生を低減できかつ安価に製造できる超音波探触子
を提供することである。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的は、音響レンズのレンズ本体の一方の端部に圧
電素子を設け、これに電圧を印加することにより超音波
を発生し、この超音波を前記レンズ本体の他方の端部に
設けられた凹状のレンズ面で集束させ、その超音波の試
料からの反射波を前記圧電素子で検出することにより前
記試料表面又は内部の情報を得る超音波探触子において
、前記レンズ面の形状を、中央部が球面で、周辺部が少
なくとも部分的に深さ方向の曲率がその球面の曲率より
も小さい非球面となるような形状にすることによって達
成される。

〔作用〕

このように構成された本発明の超音波探触子においては
、圧電素子より直進してきた超音波は、レンズ面中央部
では球面であるためレンズ面の軸線上に焦点を結び、超
音波顕微鏡の場合は従来と同じように像が見える。これ
に対し、レンズ面周辺の非球面部では、少なくとも部分
的に中央部球面よりも深さ方向の曲率が小さくなってい
るため、この部分で中央部球面からの超音波よりも更に
深い位置で焦点を結ぼうとする。この超音波は、試料表
面で反射しレンズ面に戻るが、試料表面上での反射点が
レンズ面の軸線からずれるため周辺非球面部でなく中央
球面部に戻り、この超音波は周辺球面部との焦点位置の
違いからレンズ本体内をレンズ面の軸線と平行に伝播せ
ず、圧電素子には達しない、従って、中央球面部からの
超音波による情報のみが得られ、周辺非球面部の情報は
非常に少なくなる。即ち、本発明では周辺非球面部が従
来探触子のエツジの役割をし、ノイズの発生を低減でき
る。

また、この形状にすることにより球面部周囲のエツジ加
工が不要となり、製造価格の低減が可能となる。

なお、本発明において、「深さ方向の曲率かその球面の
曲率よりも小さい」とは「直線」をも含む概念であり、
結果的に、周辺部が鏝面形状をしたレンズ面形状も本発
明の範囲内に含むものである。

〔実施例〕

以下、本発明の一実施例による超音波顕微鏡用の超音波
探触子を第１図及び第２図により説明する。

第１図において、超音波探触子は、音響レンズを構成す
るレンズ本体１と、レンズ本体ｌの一方の端部に設けら
れた超音波発生用の圧電膜２及びこれに電力を供給する
上部電極３及び下部電極４と、レンズ本体１の他方の端
部に設けられた凹状の音響レンズ面５とからなっている
。上部型′＆３及び下部電極４は発振器６及び受信器７
に接続され、発振器６と受信器７の回路はサーキュレー
タ８により切り換えられる。音響レンズ面５は、中央部
５Ａが球面で周辺部５Ｂがそれよりも徐々に深さ方向の
曲率が小さくなる非球面となるような形状をしている。

また、周辺部５Ｂの入口形状は、第２図に示すように概
略四角形形状をしており、横断面形状はその概略四角形
形状から中央部５＾の円形形状に滑らかに移行する非円
形をしている。

使用にあたっては、試料台９−Ｅに試料１０を載せ、試
料１０とレンズ本体１の間に水１１を設ける。

まず、発振器６によってパルス波状又はバースト波状の
電圧を発生させ、これを圧電膜２に供給する。この電圧
によって圧電ＷＡ２が振動し、ここから膜厚に対応した
周波数の超音波が発生ずる。

この超音波はレンズ本体１の凹状の音響レンズ内５の中
央球面部５八によって絞られ、集束ビーム１２が形成さ
れる。この超音波は試料表面または試料内部の音響イン
ピーダンスの異なる部分（例えばボイド、クラック等）
によって反射され、再びレンズ本体１のレンズ面５に返
り、電圧膜２に検出される。この信号が受信器７で増幅
され試料１０の情報が得られる。

試料台９をＹ方向に、レンズ本体１をＸ方向にスキャン
することにより、試ｆ４１０の表面又は資料内部のある
平面位置の情報が得られる。

音響レンズ１による超音波の伝播の状況の詳細を第３図
に示す、圧電）摸２より直進してきた超音波は、レンズ
面中央部５＾では球面であるためレンズ面５の軸線上に
焦点を結び、超音波顕微鏡に使用した場合は従来と同じ
ように像が見える。これに対し、レンズ面周辺部５Ｂの
非球面部では、中央部球面部５＾の球面よりも徐々に深
さ方向の曲率が小さくなるため、中央部球面からの超音
波よりも更に深い位置で焦点を結ぼうとする。このとき
、この超音波は試料表面に対する入射角に応じて試料表
面で反射し、反射波１３となる場合と表面波１４となる
場合があり、反射波１３はレンズ面５に戻る。しかしな
がら、反射波１３は試料表面上での反射点かレンズ面の
軸線からずれるため、レンズ面中央の球面部５＾に戻る
。この球面部５＾は周辺部５Ｂとは焦点位置か異なる。

従って、レンズ内での伝播方向はレンズ面の軸線と平行
にならず、圧ｔ　ｐＡ　２には達しない、このため、中
央線面部５Ａによる情報のみか得られ、周辺非球面部５
Ｂによる情報は非常に少なくなる。

また、周辺部５Ｂは横断面形状が非円形をしている。こ
のため、この部分からの超音波はレンズ面の軸線に対し
横方向にもずれた方向に進行し、試料表面からの反射波
もそれに対応した方向に戻るか、レンズ外に放散する。

即ち、横断面非円形の周辺部５Ｂは超音波を散乱させる
作用があると考えられる。

換言すれば、周辺非球面部５Ｂは少なくとも深さ方向の
形状の作用により、またこの作用と横断面非円形の作用
の相乗効果により、従来の超音波探触子のエツジの役割
をし、ノイズの発生を低減することを可能にする。

このように本実施例においては、レンズ面５の周辺部５
Ｂを球面でなく横断面非円形の非球面形状にすることに
より、ノイズの発生を低減でき、超音波類ＩＲ鐘に使用
した場合にはクリアな画像を得ることができる。

また、レンズ内５をこの形状にすることにより、従来問
題となっていた球面部周囲にエツジを形成するための仕
上げ加工を省略することができ、製造コストの大幅な低
減が可能となる。

次に、上述した超音波探触子の製造方法の一例を第４ａ
図〜第４１図により説明する。この製造方法はレンズ面
をエツチング技術を用いて形成している点で従来方法と
は根本的に異なる。

一般に、エツチングには、エツチング速度が素材の結晶
軸方向に依存しないものと依存するものがあり、前者を
等方性エツチングと呼び、後者を異方性エツチングと呼
んでいる０例えば単結晶シリコンに対しては、フッ酸と
硝酸及び酢酸の混合液をエッチャントとして用いた場合
は等方性エツチングとなり、Ｋ　ＯＨ水溶液を用いた場
合は異方性エツチングとなる。しかしながら、一般的に
は「等方性エツチング」、「異方性エツチング」の分類
は被エツチング素材の種類とこれに使用するエッチャン
トの種類にやって定義される分類であり、いわゆる等方
性エツチングと呼ばれるものでも、エッチャントの混合
比、エツチング温度等によってエツチング速度が結晶軸
方向にある程度依存する場合が生じる０例えば上述した
フッ酸と硝酸及び酢酸の混合液の例では、フッ酸の割合
を少なくすると結晶軸方向にエツチング速度が異なる程
度が大きくなり、また一般的に、エツチング温度を高く
すれば結晶軸方向にエツチング速度が異なる程度が大き
くなる。ただしこの場合でも、エツチング速度の異なる
程度は異方性エツチングに比べればはるかに小さく、本
明細書中では、便宜上このエツチングのことを「疑似等
方性エツチング」と呼ぶ。

本発明者等は、マスク層の点状の開口部よりこのような
疑似等方性エツチングを施すことにより、中央部が球面
で周辺部が少なくとも部分的に深さ方向の曲率がその球
面の曲率よりも小さい非球面となるような形状をしたエ
ッチプロフィルを持つ凹所が形成されることを発見した
０本実施例の製造方法はこの発見に基づくものである。

本実繕例の製造方法において、音響レンズ１のレンズ素
材としては、サファイアより安価で高品質な材質（ディ
スロケーション等が少ない）が容易に得られる単結晶Ｓ
ｔを用いる。しかしながら、レンズ素材としては、音響
的な性質（音速、伝播ロス等）を満たすものであれば他
の材質でもよく、例えばサファイア、ＹＡＧ、ＹＩＧ、
水晶、溶融石英等であってもよい。

まず、結晶軸を厳密に規定されたウェハー２０を用意す
る（第４ａ図）、この結晶方位は一例として挙げると、
オリエンテーションフラット２８（第４図参照）が（１
１０）面の単結晶ウェハーである。このウェハーの表面
方位は＋１００）面である。

なお、オリエンテーションフラット２９が（１００）面
等、他の結晶方位のウェハーでもかまわない。

また、このウェハーの大きさはフォトリソグラフィー工
程の行なえる大きさであればいくらでもかまわわないが
、以下の例では３インチ（約７６　ｒｍ　）の大きさで
説明する。

次に、この３インチのウェハー２０を熱酸化炉に入れ、
ウェハー２０を基板としてその表面に例えば１．８μｍ
程度の熱酸化膜２１を形成する（第４ｂ図）、この上に
真空蒸着法によりＣ「膜２２を１０００人〜１５００人
程度の厚さに、Ａり膜２３を３０００人〜２００００人
程度の厚さに蒸着する（第４Ｃ図）。

更に、この上にレジスト膜２６をスピンナーで１μ霧程
度の厚さに塗布し、このレジスト膜２６を後述するマス
ク層の開口部パターンに対応する所定のマスクパターン
を持つガラスマスク２４で露光しく第４ｄ図）、現像す
る〈第４ｅ図）、これによ、す、レジスト膜２６にはガ
ラスマスク２４のマスクパターンに対応したレジストパ
ターンが形成される。

次に、このレジストパターンを持つレジスト膜２６をマ
スク材とし、熱酸化膜２１及び真空蒸着で蒸着したＣ「
膜２２及びＡｕＪｆ！２３をウェットエツチングする（
第４ｆ図）、このエツチング液については、例えば、総
合電子出版社刊、エレクトロニクスの精密微細加工、楢
岡清威著に詳しい。

この作業によって、熱酸化１１Ｉ！２１及び真空蒸着で
蒸着したＣｒｆｌ１２２及びＡｕ膜２３にはレジストＷ
Ａ２６のレジストパターンに対応した点状の開口部２７
のパターンが形成され、適当な溶液でレジスト膜２６を
除去することにより、熱酸化Ｍ２１、Ｃｒ　１２１２２
及びＡｌｌ膜２３からなる音響レンズ用エツチングのマ
スク層２９が形成される。このマスク層２９の開口部パ
ターンの平面図を第５図に示す。

このマスク層２９は、基板２０を構成するＳｉのエッチ
ャントであるフッ酸と硝酸の混合液に腐蝕されないもの
であれば、他のものでもよい。例えば、窒化珪素の膜で
もよい、また、製作するレンズ面の球径が小さい場合に
は、レジストＩＩ！２６でマスクの役割を果たすことも
可能である。

次に、Ｓｔのエッチャントであるフッ酸と硝酸及び酢酸
の混合液で上述のＳｉウェハーに疑似等方性エツチング
を施すことにより、マスク層２９の開口部２７に対応し
た位置に凹所３０を形成する（第４ｇ図）、このときエ
ッチャントとしてはＳｉの結晶軸方向によってエツチン
グ速度の異なる混合比、例えばフッ酸と硝酸及び酢酸の
混合液では容積比０．５：４．５：３を用いる６なお、
曲の使用可能な混合比としては、０．２：４．８：３あ
るいは、２：３：３等がある。

このように結晶軸方向によってエツチング速度の異なる
混合比を用いることにより、基板２０に形成される凹所
３０のエッチプロフィルは、第６ａ図及び第６ｂ図に示
すように、凹所周辺部の入口形状が概略四角形をなし、
かつ凹所中央部が球面で周辺部がその球面よりも深さ方
向の曲率が徐々に小さくなる非球面をした形状となる。

また、周辺部は、横断面形状が入口の概略四角形形状か
ら中央部の円形に徐々に移行する形状となる。その理由
を以下に説明する。

基板２０を構成するＳ１単結晶ウエハーの結晶構造とそ
の３つの結晶面（１００）　、　（１１０）　、　（１
１１）を第７図に示す、このウェハーのこれら結晶面に
直交する方向のエツチング速度は（１００）　＞（１１
１）＞　（１１０）の順となる１本明細書中では、この
結晶面に直交する方向を結晶軸方向と呼んでいる。この
結晶軸方向のエツチング速度の差は、エッチャント中の
フッ酸の量が少なくなるほど大きくなり、フッ酸の量が
多くなるほど小さくなる。また、温度が高くなるにした
がって差は小さくなる。

前述したように、本実施例において基板２０を構成する
ウェハーの表面方位は（１００）面であり、第７図の結
晶面配置より、表面の（１００）面に直交する水平方向
に第６ａ図に示すように（１００）面及び（１１０）面
が４５°毎に交互に存在する。従って、基板表面の凹所
入口部分では、（１００）面方向のエツチング速度が（
１１０）面方向のエツチング速度より速いため、入口形
状が概略四角形形状となる。

これに対し、凹所３０の深さ方向の形状については、深
さ方向である（１００）面方向のエツチング速度と水平
方向の（１１０）面方向のエツチング速度の差が球面か
らの形状の違いとなる。即ち、第８図に示すように、凹
所周辺の入口部は（１００）面又は（１１０）面方向の
エツチング速度Ｖ１となり、凹所底面部では（１００）
面方向のエツチング速度Ｖ２となり、それらの間ではそ
れらのエツチング速度Ｖ１　、Ｖ２の合成速度Ｖ３とな
る。その結果、凹所底面部即ち中央部付近では、（１０
０）面方向のエツチング速度■２により定まる球面形状
となる。

これに対し、凹所入口部から底面部に至るまでの途中は
、エツチング速度が合成速度Ｖ３であるので、曲率は一
定とならならず、底面部域面の曲率とは異なった曲率の
非球面形状となる。しかもこのとき、エツチング速度は
（１００）　＞（１１０）なので、（１１０）面方向の
断面で見ると深さ方向にやや深穴となり、少なくとも部
分的に底面部域面よりも曲率のノ１＼さい非球面となる
。ただし、（１００）面方向の断面では、エツチング速
度は（１００）　−（１００）なので、曲率は中央部球
面の曲率と同じになる。即ち、横断面形状は入口の概略
四角形形状から中央部の円形、に徐々に移行する。

フィゾー型干渉計による測定結果では、凹所３０の中心
から１／４〜２／３がレーザ光の波長程度（０，６μｍ
）の最大誤差で真球に近くなっていることが確認できた
。

ここで、結晶軸方向（結晶面方向）によるエツチング速
度の違いは、エッチャントの混合比によって定まるので
、凹所全体に占める中央球面部の割合はその混合比の選
択により調整可能である。

この例では、フッ酸と硝酸の量により調節可能であり、
フッ酸の量を多くすることにより、エツチング面全体が
球面に近ずく、ただし、球面の粗さは悪くなる。中央球
面部の面積は、エッチャントの混合比とエツチング時間
を定めれば、再現性良く得ることができる。

凹所３０のエツチングを終了した後、マスク層２９を作
成したときと同様に、Ａｕ膜２３、Ｃｒ膜２２及び５１
０２Ｍ２１をエツチングにより除去する（第４ｈ図）そ
の後、凹所３０を中心にしてコアドリルで切出し、所定
のレンズ形状に仕上げ、音響レンズｌを得る（第４１図
）、このとき、凹所３０の中央球面部と周辺非球面部の
少なくとも一部かレンズ面５となるようにする。

以上の方法により、第１図に示す音響レンズ１を作るこ
とができる。

このように、半導体製造技術に使用されているエツチン
グ技術のプロセスを用いることにより、第５図に示すよ
うにＳｔウェハー１枚で２０〜４０個の探触子を同時に
製作することが可能であり、再現性のある音響レンズを
容易かつ安価に製造かできる。

また、ガラスマスク２４のマスク形状を変え、マスク層
２９の開口部２７の形状を変えることにより、凹所３０
（レンズ面５）の周辺部形状は第６図に示す形状だけで
なく、楕円形状、へ角形等の多様な形状に対応できる。

以上の実施例では、基板２０を構成するウェハーの表面
方位を（１００）面としたが、これは前述した通り他の
面であってもよい、ここで、他の面として（１１１）面
を使用した場合、形成される凹所の形状につき説明する
。

基板２０を構成するウェハーの表面方位を（１１１）面
とした場合、第７図の結晶面配置より、表面の（１１１
）面に直交する水平方向には第９図に示すように（１１
０）而のみか６０″″毎に存在する。このため、基板表
面の凹所入口部分ではエツチング速度は同じとなり、入
口形状は円形となる。

これに対し、凹所３０の深さ方向の形状については、深
さ方向の（１１１）面方向のエツチング速度と水平方向
の（１１０）面方向のエツチング速度と斜めの（１００
）面方向のエツチング速度の差が球面からの形状の違い
となる。即ち、第１０図に示すように、凹所周辺の入口
部は（１１Ｇ）面方向のエツチング速度となり、凹所底
面部では（１１１）面方向のエツチング速度となる。中
間部では第９図に想ｆ象線で示すように（１００）面が
三角錐状に存在するので、それに対応して（１００）面
方向のエツチング速度となる部分か出現する。その結果
、中間部では、深くなるにしたがって三角錐状を呈する
形状となる。即ち、横断面形状か概略三角形形状となる
。

たｆ、’、’　Ｌ、、この場合でも、凹所底面部即ち中
央部付近では、［１）面方向のエツチング速度により定
まる球面形状が得られる。また、エツチング速度はｆｉ
ｌｌ）　＞（１１０）なので、深さ方向にやや深穴とな
る。その結果、凹所人口部から底面部に至るまでの途中
は、少なくとも部分的に底面部球面よりも深さ方向の曲
率の小さい非球面となる。

このように、この場合も、中央部が球面で周辺部か少な
くとも部分的にそのｉｔ面よりも深さ方向の曲率が小さ
い非球面をなしかつ横断面形状が非円形をした凹所形状
が得られ、前述した実施例と同様、性能の優れた音響レ
ンズを得ることができる。

なお、詳述はしないが、基板２０を構成するウェハーの
表面方位を（１１０）面とした場合も、基本的には同様
の凹所形状を得ることかできる。

以上、エツチング技術を用いて音響レンズのレンズ面を
形成する方法を説明したが、本発明の音響レンズはこれ
以外の製法、例えば従来通りのＵ１械加工又はレプリカ
加工によっても作ることができる。従来通りの機械加工
による場合でも、従来のような斜面部分及びエツジ部分
がないので、それに伴う問題は起こらず、また中央球面
部の周囲に非球面部をＲ械加工することはエツジ部分を
形成するよりははるかに容易であり、ノイズ発生の低減
と製造コストの低減が可能である。

〔発明の効果〕

本発明によれば、従来のエツジ部分がなく、その役割を
製作の容易なレンズ面の周辺非球面部が果たすため、ノ
イズの発生を低減でき、性能の優れた超音波探触子が得
られると共に、エツジ部分の加工が不要となるため、加
工工数が大幅に少なくなり安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例による超音波探触子の断面図
であり、第２図はその超音波探触子の音響レンズの底面
図であり、第３図はその超音波探触子の音響レンズにお
ける超音波の伝播状況の詳細を示す図であり、第４ａ図
〜第４１図は本発明の一実施例による音響レンズの製造
方法を示す工程図であり、第５図はその製造方法の一工
程における基板上に形成されたマスク層の開口部パター
ンを示す平面図であり、第６ａ図は同製造方法により作
られた凹所の周辺部形状を示す平面図であり、第６ｂ図
は同断面図であり、第７図は同製造方法に使用する単結
晶Ｓｔの結晶４１ｉＩ造を示す図であり、第８図は同製
造方法により凹所が形成される状態をエツチング速度と
の関係で示す凹所の深さ方向断面図であり、第９図はウ
ェハーの表面方位を変えた場合の凹所の形状を結晶軸方
向との関係で示す上面図であり、第１Ｏ図は同じ場合の
凹所が形成される状態をエツチング速度との関係で示す
凹所の深さ方向断面図であり、第１１図は従来の超音波
探触子を示す断面図である。 符号の説明 １・・・レンズ本体 ２・・・圧電膜（圧電素子） ５・・・レンズ面 ５Ａ・・・中央部 ５Ｂ・・・周辺部

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）音響レンズのレンズ本体の一方の端部に圧電素子
   を設け、これに電圧を印加することにより超音波を発生
   し、この超音波を前記レンズ本体の他方の端部に設けら
   れた凹状のレンズ面で集束させ、その超音波の試料から
   の反射波を前記圧電素子で検出することにより前記試料
   表面又は内部の情報を得る超音波探触子において、 前記レンズ面の形状を、中央部が球面で、周辺部が少な
   くとも部分的に深さ方向の曲率がその球面の曲率よりも
   小さい非球面となるような形状にしたことを特徴とする
   超音波探触子。