(57)【要約】  【課題】  バッキング機能を有するベースプレート上に振動膜が配置された容量性マイクロマシン超音波振動子及びその製造方法を提供する。  【解決手段】  容量性マイクロマシン超音波振動子は、樹脂を含む材料によって形成されたベースプレート３０と、該ベースプレート３０に配置された振動子セル１０であって、下部電極２５と、一体形成された支持部２３ａ及び梁部２３ｂを含み、該梁部２３ｂが支持部２３ａによって支持されることにより上部電極２２との間に空隙１５を介して配置されている振動膜２３と、該振動膜２３に形成された上部電極２２とを含む振動子セル１０とを含む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂を含む材料によって形成されたベースプレートと、
前記ベースプレートに配置された振動子セルであって、第１の電極と、一体形成された支持部及び梁部を含み、前記梁部が前記支持部によって支持されることにより前記第１の電極との間に空隙を介して配置されている振動膜と、前記振動膜に形成された第２の電極とを含む振動子セルと、
を具備する容量性マイクロマシン超音波振動子。
【請求項２】
前記振動膜が、無機材料によって形成されている、請求項１記載の容量性マイクロマシン超音波振動子。
【請求項３】
前記基板が、シリコン（Ｓｉ）と、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）と、インジウム燐（ＩｎＰ）との内のいずれかを含む、請求項１又は２記載の容量性マイクロマシン超音波振動子。
【請求項４】
前記振動膜が、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）と、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）との内のいずれか１つを含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の容量性マイクロマシン超音波振動子。
【請求項５】
樹脂を含む材料によって形成されたベースプレートと、
前記ベースプレートに配置された複数の振動子セルであって、各々が、第１の電極と、一体形成された支持部及び梁部を含み、前記梁部が前記支持部によって支持されることにより前記第１の電極との間に空隙を介して配置されている振動膜と、前記振動膜に形成された第２の電極とを含む前記複数の振動子セルと、
前記ベースプレートに配置され、前記複数の振動子セルの各々に直流バイアスを印加する直流バイアス回路と、前記ベースプレートに配置され、前記複数の振動子セルの各々を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、前記ベースプレートに配置され、前記複数の振動子セルの各々から出力される受信信号を処理する受信回路との内の少なくとも１つと、
を具備する超音波トランスデューサアレイ。
【請求項６】
無機材料によって形成されている基板の主面に凹部を形成する工程（ａ）と、
前記基板の主面上に直接的又は間接的に第１の電極を形成する工程（ｂ）と、
前記第１の電極が形成された前記基板上に振動膜を形成する工程（ｃ）と、
少なくとも前記基板の凹部に形成された前記振動膜上に犠牲層を形成する工程（ｄ）と、
前記犠牲層上に第２の電極及び少なくとも第１の絶縁膜を形成する工程（ｅ）と、
前記第１の絶縁膜に空孔を形成し、該空孔を介して前記犠牲層を除去することにより空隙を形成する工程（ｆ）と、
前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成することにより前記空孔を塞ぐ工程（ｇ）と、
前記第２の絶縁膜上に樹脂材料を形成すると共に、前記基板を除去する工程（ｈ）と、
を具備する容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項７】
工程（ｇ）が、前記空隙内を真空状態にしながら前記第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成することにより前記空孔を塞ぐことを含む、請求項６記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項８】
前記振動膜が、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）と、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）との内のいずれか１つを含む、請求項６又は７記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項９】
前記第２の絶縁膜が、酸化シリコン（ＳｉＯ２）と、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）と、窒化シリコン（ＳｉＮ）と、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）との内のいずれか１つを含む、請求項６〜８のいずれか１項記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項１０】
工程（ｂ）に先立って、前記基板の主面上に、前記基板との間でエッチング選択性を有する絶縁膜を形成する工程をさらに具備する請求項６〜９のいずれか１項記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項１１】
前記基板が、前記振動膜との間でエッチング選択性を有する材料によって形成されている、請求項６〜９のいずれか１項記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【請求項１２】
工程（ｈ）が、熱硬化性樹脂又は紫外線硬化性樹脂を用いて前記樹脂材料を形成することを含む、請求項６〜１１のいずれか１項記載の容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療用超音波撮像システムに備えられている超音波用探触子において、超音波を送信及び受信するために用いられる容量性マイクロマシン超音波振動子（capacitive micromachined ultrasonic transducer：ｃＭＵＴ）及びその製造方法に関する。さらに、本発明は、そのような容量性マイクロマシン超音波振動子を用いた超音波トランスデューサアレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療用超音波撮像システムにおいて用いられる超音波用探触子には、高品質な診断用画像を生成するために、広い帯域幅や、低レベルの超音波信号に対する高い感度等の多くの特性が求められている。従来、超音波用探触子において超音波の送受信を行う振動子としては、圧電性物質であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：Pb(lead) zirconate titanate）が主に用いられてきた。ＰＺＴは、上記の特性を比較的実現し易いからである。
【０００３】
近年、超音波用撮像システムを構成する多くの部分は、半導体製造プロセスによって集約的に製造されている。一方、セラミックであるＰＺＴを用いて振動子を製造するためには、超音波撮像システムにおける他の部分を製造するための製造プロセスとは異なる独自のセラミック製造プロセスが必要とされる。それにより、超音波撮像システムの製造工程が煩雑になることと共に、製造設備のためのコストが嵩むことが問題となっている。そのため、振動子についても、他の部分と同様に半導体製造プロセスによって集約的に製造することができれば、製造上の観点から好ましい。
【０００４】
最近、容量性マイクロマシン超音波振動子の開発により、半導体製造プロセスによって振動子を製造できる見通しがもたらされている。容量性マイクロマシン超音波振動子とは、超音波信号を受信することによって生じた振動を、変調された静電容量に変換する振動膜を有する素子である。一方、容量性マイクロマシン超音波振動子によって超音波信号を送信するためには、振動膜と固定電極との間に発生する電界を変調することにより振動膜を振動させる。
【０００５】
関連する技術として、特許文献１には、半導体基板上にマイクロマシン加工によって形成された静電型超音波振動子であって、絶縁性支持体によって基板表面上に支持された窒化シリコン膜を含み、基板及び膜が振動子の電極を形成している静電型超音波振動子が開示されている。
【０００６】
このような容量性マイクロマシン超音波振動子は、半導体製造プロセスによって作製されるので、１０μｍ〜２００μｍ程度の微小なサイズの振動子（振動子セルともいう）を形成することが可能である。また、複数の振動子セルをグループ化して制御することにより、それらの振動子セルを、１画素に対応する１つの振動子群として動作させることも可能である。
【０００７】
容量性マイクロマシン超音波振動子の利点の１つは、半導体製造プロセスによって振動子を作製できるということである。そのため、従来においては、容量性マイクロマシン超音波振動子が配置されるベースプレートとして、半導体製造プロセスの適用が可能なシリコン基板やガラス基板がそのまま使用されていた。しかしながら、これらの基板材料は、超音波を反射したり、伝播し易い性質を有する。そのため、振動子の背面から反射された超音波や、基板を介して隣接する振動子に伝搬した超音波により、超音波画像にアーティファクトが出現するという問題が生じている。
【０００８】
これに対し、一般的な超音波用探触子においては、不要な超音波を減衰させるために、振動子の背面にバッキング層が配置されている。このバッキング層としては、ポリマーやプラスチックのように、音響反射が少なく、超音波吸収性の良好な材料が用いられる。そこで、容量性マイクロマシン超音波振動子においても、不要な超音波を減衰させるのに適した材料の上に振動子を作製することが望ましい。
【０００９】
さらに、特許文献２には、第１の電荷を保持するベースプレートと、該ベースプレート上に配置された底及び上端を有する支持と、第２の電荷を保持し、上記ベースプレートと容量性関係を持ちながら上記支持の上端によって支持される振動板とを有し、上記ベースプレートが、上記支持と上記ベースプレートとの交点よりも上記支持の上端の高さにより近いところまで伸びた隆起領域を有する容量性マイクロマシン超音波振動子セルが開示されている。また、特許文献２には、容量性マイクロマシン超音波振動子を製造するためにマイクロステレオリソグラフィプロセス等を用いることにより、基板材料として、シリコン等よりも超音波吸収性の良好なポリマー、プラスチック、弾性化合物等の基板材料を採用することが開示されている（第７頁）。即ち、特許文献２の図７に示すように、導電膜を付着させることにより下部電極が形成されたポリマー基板９０に、容量性マイクロマシン超音波振動子構造を１層ずつ形成する。例えば、キャリア８６は、容量性マイクロマシン超音波振動子の構造のために除去される物質の層８４を持っている。セルのフロア上に台を作るために、物質８４は金やアルミニウムなどの導電性物質である。レーザビーム８０は、物質８４が堆積されるべきところからキャリアのエリアへ向けられる。キャリア８６は、該レーザビームの周波数に対してトランスペアレントであるため、該レーザのエネルギーは基板に対向するキャリア側面上の物質を除去する。ＹＡＧレーザ等の赤外線レーザを用いる場合に、キャリアは、例えばテフロン（登録商標）である。導電性物質８４の連続層は、基板上に除去され、台が所望の高さに組み立てられるまで台の層９２、９４を堆積させる。振動板のための支持９６は絶縁性であり、所望場所のポリマー若しくはプラスチックの層を除去することによって形成することができる。振動板用の膜は、セル上に重ねられ、支持９６の上面上にレーザによって溶接され得る。
【００１０】
しかしながら、特許文献２に開示されている製造方法によれば、ポリマー等の基板を用いる場合には、容量性マイクロマシン超音波振動子を作製するために複雑な工程を取らなくてはならない。従って、製造コストが上昇すると共に、形成された振動板の信頼性は低下してしまう。
【特許文献１】米国特許第５６１９４７６号（アブストラクト）
【特許文献２】特表２００４−５０３３１２号公報（第２、７頁、図７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
このように、半導体製造プロセスを適用するために、シリコン等の基板を用いて容量性マイクロマシン超音波振動子を作製する場合には、基板から反射された不要な超音波によって、超音波画像の画質が低下するという問題が生じている。一方、基板として、樹脂材料のように超音波吸収性の良好な材料を使用する場合には、半導体製造プロセスにはない低温プロセスや、レーザアブレーション等の工程が必要となる。また、振動膜用の膜と支持体とをレーザによって溶接することにより振動膜を形成する場合には、工程が複雑であると共に、強度の高い振動膜を形成するのが困難である。
【００１２】
そこで、上記の問題点に鑑み、本発明は、バッキング機能を有するベースプレート上に振動膜が配置された容量性マイクロマシン超音波振動子、及び、そのような容量性マイクロマシン超音波振動子を、通常の半導体製造プロセスを用いて製造することができる製造方法、及び、それによって製造された容量性マイクロマシン超音波振動子、並びに、超音波トランスデューサアレイを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題を解決するため、本発明に係る容量性マイクロマシン超音波振動子は、樹脂を含む材料によって形成されたベースプレートと、該ベースプレートに配置された振動子セルであって、第１の電極と、一体形成された支持部及び梁部を含み、該梁部が支持部によって支持されることにより第１の電極との間に空隙を介して配置されている振動膜と、該振動膜に形成された第２の電極とを含む振動子セルとを具備する。
【００１４】
また、本発明に係る超音波マイクロマシン超音波振動子の製造方法は、無機材料によって形成されている基板の主面に凹部を形成する工程（ａ）と、該基板の主面上に直接的又は間接的に第１の電極を形成する工程（ｂ）と、該第１の電極が形成された基板上に振動膜を形成する工程（ｃ）と、少なくとも基板の凹部に形成された振動膜上に犠牲層を形成する工程（ｄ）と、該犠牲層上に第２の電極及び少なくとも第１の絶縁膜を形成する工程（ｅ）と、該第１の絶縁膜に空孔を形成し、該空孔を介して犠牲層を除去することにより空隙を形成する工程（ｆ）と、第１の絶縁膜上に第２の絶縁膜を形成することにより空孔を塞ぐ工程（ｇ）と、第２の絶縁膜上に樹脂材料を形成すると共に、基板を除去する工程（ｈ）とを具備する。
【００１５】
さらに、本発明に係る超音波トランスデューサアレイは、樹脂を含む材料によって形成されたベースプレートと、該ベースプレートに配置された複数の振動子セルであって、各々が、第１の電極と、一体形成された支持部及び梁部を含み、該梁部が支持部によって支持されることにより第１の電極との間に空隙を介して配置されている振動膜と、該振動膜に形成された第２の電極とを含む複数の振動子セルと、上記ベースプレートに配置され、複数の振動子セルの各々に直流バイアスを印加する直流バイアス回路と、上記ベースプレートに配置され、複数の振動子セルの各々を駆動するための駆動信号を生成する駆動回路と、上記ベースプレートに配置され、複数の振動子セルの各々から出力される受信信号を処理する受信回路との内の少なくとも１つとを具備する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、無機材料の基板を用いて半導体製造プロセスにより振動子セルを作製し、その後で、振動子セルに樹脂材料のベースプレートを形成すると共に、無機材料の基板を除去するので、バッキング機能を備えた信頼性の高い容量性マイクロマシン超音波振動子を、簡単なプロセス且つ低コストで製造することができる。従って、そのような容量性マイクロマシン超音波振動子を含む超音波用探触子の製造コストを低減すると共に、超音波画像の画質を向上させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳しく説明する。なお、同一の構成要素には同一の参照番号を付して、説明を省略する。
図１は、本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子（capacitive micromachined ultrasonic transducer：ｃＭＵＴ）の概観を示す斜視図であり、図２は、図１のII−IIにおける断面図である。
【００１８】
図１に示すように、本実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子は、振動子セル１０と、振動子セル１０が配置されているベースプレート３０とを含んでいる。本実施形態において、振動子セル１０は、１辺が３０μｍ程度の四角錘台形状を有している。なお、通常、振動子セル１０は、ベースプレート３０上に２次元状の所定の配列で配置され、振動子アレイとして使用される。
【００１９】
図２に示すように、振動子セル１０は、上部電極２２と、振動膜２３と、下部電極２５とを含んでいる。また、振動膜２３及び上部電極２２の上には、保護層となる絶縁膜２１が形成されている。
振動膜２３は、例えば、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の無機材料によって形成されており、支持部２３ａと梁部２３ｂとを含んでいる。支持部２３ａは、梁部２３ｂをベースプレート３０の上方に持ち上げるように支持している。それにより、梁部２３ｂと下部電極２５との間に空隙１５が形成され、梁部２３ｂが振動可能な状態で支持される。これらの支持部２３ａと梁部２３ｂとは、最初から一体化して形成されており、継ぎ目は見られない。
【００２０】
振動膜２３によって形成されている空隙１５の内部は、用途に応じて、真空としても良く、空気やそれ以外の気体によって満たしても良い。超音波の送受信を行う場合には、空隙１５の内部を真空とする方が、梁部２３ｂにダンピングがかからないので、より好ましい。
【００２１】
下部電極２５及び上部電極２２は、金（Ａｕ）等の導電膜によって形成されている。下部電極２５は、絶縁膜２６、２７、２９を介してベースプレート３０上に配置されており、上部電極２２は、振動膜２３の梁部２３ｂ上に配置されている。これらの電極２２及び２５は、空隙１５及び振動膜２３を介して対向することにより、コンデンサを形成している。
【００２２】
このような振動子セル１０において、上部電極２２と下部電極２５との間に直流バイアスを印加して電荷を蓄積させ、振動子セル１０に超音波を伝搬させて振動膜２３に振動を与えると、梁部２３ｂ上に配置されている上部電極２２と固定されている下部電極２５との間の距離が変化するので、コンデンサの静電容量が変化する。この静電容量の変化を電位の変化として検出することにより、振動子セル１０に伝搬した超音波を検出することができる。また、超音波を送信する際には、上部電極２２と下部電極２５との間に、送信すべき超音波の周波数に応じた交流信号を直流バイアスと共に与える。それにより、それらの電極の間に発生する電界が変調されるので、その電界に応じて力が働き、振動膜２３の梁部２３ｂが変位する。この梁部２３ｂの変位によって生じた振動が、超音波信号として伝搬する。
【００２３】
ベースプレート３０は、振動子セル１０を支持すると共に、振動子セル１０の背面（ベースプレート３０側）に伝搬する超音波を減衰させ又は吸収するバッキング機能を果たしている。ベースプレート３０の材料としては、ポリマー、プラスチック、弾性化合物等を含む樹脂材料のように、音響反射が少なく、超音波吸収性の良好な材料が用いられる。本実施形態においては、プラスチックを用いている。
【００２４】
このように、本実施形態においては、振動子セルを支持するベースプレートとして、音響反射が少なく、超音波吸収性の良好な材料を用いているので、振動子の背面から反射された超音波や、基板を介して隣接する振動子に伝搬した超音波を誤って検出してしまうことがなくなる。従って、そのような不要な超音波に起因するアーティファクトの発生が抑制されるので、超音波画像の画質を向上させることが可能になる。
【００２５】
次に、本実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法について、図３〜図８を参照しながら説明する。
まず、半導体製造プロセスに用いることができる無機材料の基板を用意する。そのような材料として、シリコン（Ｓｉ）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）や、インジウム燐（ＩｎＰ）等の半導体材料が挙げられる。本実施形態においては、シリコン基板を用いる。
【００２６】
次に、図３の（ａ）に示すように、ウェットエッチングやドライエッチング等により、振動膜２３（図１）の形状に合わせてシリコン（Ｓｉ）基板２０の主面に凹部２０ａを形成する。次に、凹部２０ａが形成されたシリコン基板２０の表面を酸化させることにより、図３の（ｂ）に示すように、酸化シリコン（ＳｉＯ２）の絶縁膜２１を形成する。この絶縁膜２１は、後の工程においてシリコン基板２０を除去する際に、後で形成される窒化シリコンの振動膜２３を保護するためのエッチング停止層として用いられる。
【００２７】
次に、絶縁膜２１の上に、上部電極２２及び配線パターンを含む導電層を形成する。そのために、まず、絶縁膜２１上に、蒸着により金属膜を形成し、リソグラフィ及びドライエッチング又はウェットエッチング等により金属膜をパターニングする。
【００２８】
図４は、絶縁膜２１上に上部電極２２及び配線パターンが形成された様子を示す平面図であり、複数の振動子セルの上部電極２２の各々から、個別に配線の引き出しを行う場合における配線パターンを示している。ここで、凹部２０ａの底面は、図２に示す梁部２３ｂが形成される領域となるため、上部電極２２は、凹部２０ａの底面において、少なくとも中心部分に形成するようにする。
【００２９】
次に、図５の（ａ）に示すように、絶縁膜２１及び上部電極２２が形成された基板２０の主面上に、プラズマＣＶＤ法等により、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）膜を形成する。この窒化シリコン膜は、完成した容量性マイクロマシン超音波振動子における振動膜２３となるので、引っ張り歪みを有することが望ましい。また、この窒化シリコン膜において、凹部２０ａの斜面に形成された部分は振動膜２３の支持部２３ａとなり、凹部２０ａの底面２形成された部分は振動膜２３の梁部２３ｂとなる。このように、支持部と梁部とを最初から一体化して形成することにより、振動膜の強度を高めることができる。
或いは、振動膜２３として、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）や、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の無機材料膜を形成しても良い。
【００３０】
次に、図５の（ｂ）に示すように、少なくとも凹部２０ａに形成された振動膜２３上にレジスト２４を充填する。そのために、まず、振動膜２３上に、凹部が平坦になるまでレジストを塗布し、その後で、酸素ガスを用いたドライエッチングにより、凹部の上面近傍よりも上方のレジストを除去する。このレジスト２４は、図２に示す空隙１５を形成するための犠牲層となる。
【００３１】
次に、レジスト２４上に、下部電極２５及び配線パターンを含む導電層を形成する。そのために、まず、レジスト２４及び振動膜２３上に金属膜を蒸着により形成し、その上に、ＣＶＤ法等により酸化シリコン膜を形成する。そして、リソグラフィ及びドライエッチングにより酸化シリコン膜をパターニングし、さらに、パターニングされた酸化シリコン膜（絶縁膜）２６をマスクとして用いて、ウェットエッチング又はドライエッチングにより金属膜をパターニングする。
【００３２】
図６は、レジスト２４上に下部電極２５及び酸化シリコン膜２６が形成された様子を示す平面図であり、複数の振動子セルの下部電極２５から共通配線の引き出しを行う場合における配線パターンを示している。下部電極２５は、図２に示す凹部２０ａの底面（即ち、梁部）における上部電極２２と対向するように、少なくとも、凹部２０ａの底面の中心に相当する部分に形成するようにする。
【００３３】
次に、図７の（ａ）に示すように、振動膜２３、レジスト２４、及び、マスクとしての酸化シリコン膜２６の上に、酸化シリコンの絶縁膜２７を形成する。次に、図７の（ｂ）に示すように、レジスト２４上の絶縁膜２７に微小な空孔２８を複数形成することによってレジストを露出させ、酸素ガスを用いたドライエッチング、又は、有機溶剤等を用いたウェットエッチングにより、空孔２８を介してレジストを除去する。さらに、図７の（ｃ）に示すように、ＣＶＤ法を用いて酸化シリコンの絶縁膜２９を形成することにより、空孔２８を塞ぐ。その際には、容量性マイクロマシン超音波振動子の用途に応じて、レジストが除去された領域を真空にしたり、所望の気体を充填する。この絶縁膜２９の材料としては、酸化シリコンの他にも、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）や、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等を用いることができる。絶縁膜２９は、空孔２８を塞ぐと共に、この後で形成される樹脂材料のベースプレートとの界面における反応を防ぐ機能（例えば、防湿等）も果たす。
【００３４】
次に、図８の（ａ）に示すように、絶縁膜２９上に、熱硬化性樹脂を塗布して硬化させることにより、樹脂材料のベースプレート３０を形成する。或いは、熱硬化性樹脂の替わりに、紫外線硬化性樹脂を用いても良い。
さらに、図８の（ｂ）に示すように、シリコン基板２０をドライエッチング等によって除去する。これにより、図１及び図２に示す容量性マイクロマシン超音波振動子が完成する。
【００３５】
以上説明したように、本実施形態によれば、シリコン基板を用いた半導体製造プロセスにより、無機材料によって形成された振動膜を含む振動子セルを、低温プロセスや他の煩雑なプロセスを経ることなく、効率良く作製することができる。また、その後に、振動子セルの背面側に樹脂材料を含むベースプレートを配置すると共に、シリコン基板を除去することにより、振動子セルがバッキング層の上に配置された容量性マイクロマシン超音波振動子を容易に作製することができる。従って、不要な超音波を減衰又は吸収する機能を有し、良質な超音波信号を取得できる信頼性の高い容量性マイクロマシン超音波振動子を低コストで製造することが可能になる。
【００３６】
ここで、振動膜２３の梁部２３ｂは、容量性マイクロマシン超音波振動子の強度及び感度の観点から、剛性を有しつつ薄くすることが望ましい。この点において、振動膜２３として、半導体製造プロセスによって形成される無機材料を用いることは適切である。具体的には、酸化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、窒酸化シリコン（ＳｉＯＮ）、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の無機材料が最適であると考えられる。さらに、本実施形態によれば、空隙１５（図２）を形成する際に、図７の（ｂ）に示すように、振動子セルの背面側（図の上側）からレジストを除去するので、従来の製造方法と異なり、振動膜２３に空孔を形成して、その空孔を埋めるために膜を形成するといったプロセスが不要となる。従って、振動膜２３を、従来よりも平坦、且つ、薄くすることができる。また、振動膜２３を薄くすることにより、より低い電圧で駆動することが可能となる。
【００３７】
本実施形態においては、シリコン基板を除去する際に振動膜を保護するエッチング停止層として、絶縁膜２１を形成している。しかしながら、基板材料との間においてエッチング選択性を有する他の種類のエッチング停止層を設けても良い。また、基板としてガリウム砒素（ＧａＡｓ）又はインジウム燐（ＩｎＰ）を用い、振動膜として窒化シリコンを用いる場合のように、振動膜の材料に対して基板材料がエッチング選択性を有する場合には、エッチング停止層は不要である。
【００３８】
また、本実施形態においては、上部電極を個別配線とし（図４参照）、下部電極を共通配線としているが（図６参照）、図９に示すように、上部電極３１を複数の振動子セルに渡って形成することにより、上部電極側を共通配線としても構わない。また、上部電極と下部電極との内の一方を共通配線、他方を個別配線としても良いし、両方を共通配線又は個別配線としても良い。
【００３９】
図１０は、本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の変形例を示す図である。本実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の振動子セル１０は、図１に示す四角錘台形状以外にも、任意の形状を用いることができる。例えば、図１０の（ａ）に示すように、六角錘台形状としても良いし、その他の多角錘台形状としても良い。また、図１０の（ｂ）に示すように、円柱錘台形状としても良いし、楕円錘台形状としても良い。このような振動子セルは、図３の（ａ）において、シリコン基板に形成される凹部を、所望の形状に変化させることにより製造することができる。
【００４０】
図１１は、本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子を含む２次元超音波トランスデューサアレイの一部を示す平面図である。
この２次元超音波トランスデューサアレイは、樹脂材料によって形成されているベースプレート４０と、ベースプレート４０上に２次元マトリクス状に配列されている複数の振動子セル１０とを含んでいる。複数の振動子セル１０は、所定の数毎に振動子セルグループ４１を構成している。これらの振動子セルグループ４１の各々は、１画素に対応する超音波トランスデューサとして動作を制御される。即ち、１つの振動子セルグループ４１において、複数の振動子セル１０の上部電極及び下部電極から、グループ毎の配線４２及び共通配線４３がそれぞれ引き出されている。この振動子セルグループ４１に含まれている複数の振動子セル１０を同時に駆動することにより、所定の強度を有する超音波が送信される。さらに、このような複数の振動子セルグループ４１を順次駆動することにより、所望の方向に超音波を送信することができる。また、伝搬してきた超音波は、各振動子セルグループ４１によって受信され、各振動子セルグループ４１に含まれる複数の振動子セル１０から出力された検出信号の合成信号が、１画素に対応する超音波検出信号として処理される。
【００４１】
図１２の（ａ）は、本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子を含む別の２次元超音波トランスデューサアレイの一部を示す断面図である。また、図１３は、図１２の（ａ）に示す２次元超音波トランスデューサアレイの構成を示す回路図である。
図１２の（ａ）に示す２次元超音波トランスデューサアレイは、樹脂材料によって形成されているベースプレート５０と、ベースプレート５０上に配列されている複数の振動子セル１０と、回路形成領域５１とを含んでいる。回路形成領域５１の表面には、保護層として、絶縁膜５２が形成されている。このような、２次元超音波トランスデューサアレイは、図１３に示すように、超音波撮像システム本体７０とケーブル等を介して接続されている超音波用探触子６０に収納されている。
【００４２】
回路形成領域５１には、例えば、図１３に示すように、ＣＭＯＳの製造プロセスによって製造される回路６１〜６５が形成されている。駆動回路６１は、超音波撮像システム本体７０から出力される制御信号に従って、振動子セルグループに含まれている複数の振動子セル１０を駆動するための駆動信号を生成する。直流バイアス回路６２は、直流電圧源６２ａと、抵抗６２ｂと、デカップリングコンデンサ６２ｃとを含んでおり、複数の振動子セル１０の各々に直流バイアスを印加する。受信回路６３は、複数の振動子セル１０から出力される検出信号を処理して、超音波撮像システム本体７０に出力する。スイッチ回路６４は、超音波撮像システム本体７０による駆動回路６１への制御信号の供給と、受信回路６３による超音波撮像システム本体７０への検出信号の出力とを所定のタイミングで切り換える。また、スイッチ回路６５は、駆動回路６１による複数の振動子セル１０への駆動信号の供給と、受信回路６３による複数の振動子セル１０からの検出信号の取り込みを所定のタイミングで切り換える。このような回路６１〜６５は、例えば、図１１に示す振動子セルグループ４１毎（即ち、１画素毎）に設けられる。
【００４３】
図１２の（ａ）に示す超音波トランスデューサアレイは、図１２の（ｂ）に示すように、シリコン基板５３上に絶縁膜５２を形成することにより回路形成領域５１を設け、その回路形成領域５１内に、抵抗、コンデンサ、ＰチャネルＭＯＳトランジスタ、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ等を含む回路を形成し、さらに、図１２の（ｃ）に示すように、図３〜図８を用いて説明したのと同様に振動子セルを基板５３上に形成することにより製造することができる。
【００４４】
以上においては、本発明に係る容量性マイクロマシン超音波振動子を医療用超音波画像を生成するために用いられる超音波用探触子に適用する場合について説明した。しかしながら、本発明に係る容量性マイクロマシン超音波振動子は、それ以外にも、様々な用途に適用することができる。適用例として、例えば、溶接等による接合部におけるクラック、傷、空孔の探傷検査や厚さ均一性の検査等を行う非破壊検査装置や、厚さ、傷、腐食の検査を行う産業用検査装置や、液体のレベル又は流量の検出装置等が挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、医療用超音波撮像システムにおいて、超音波を送信及び受信するために用いられる超音波用探触子において利用することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子（ｃＭＵＴ）を示す図である。
【図２】図１に示すII−IIにおける断面を示す図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法を説明するための図である。
【図４】絶縁膜上に上部電極及び配線パターンを含む導電層が形成された様子を示す平面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法を説明するための図である。
【図６】レジスト上に下部電極２５及び配線パターンを含む導電層と酸化シリコン膜とが形成された様子を示す平面図である。
【図７】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法を説明するための図である。
【図８】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の製造方法を説明するための図である。
【図９】複数の容量性マイクロマシン超音波振動子において、上部電極を共通配線とする場合における配線方法を説明するための図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子の変形例を示す図である。
【図１１】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子を含む２次元超音波トランスデューサアレイを示す平面図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る容量性マイクロマシン超音波振動子を含む別の２次元超音波トランスデューサアレイを示す断面図である。
【図１３】図１２の（ａ）に示す２次元超音波トランスデューサアレイの構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００４７】
１０  振動子セル
１５  空隙
２０  シリコン基板
２１、２７、２９  絶縁膜（酸化シリコン膜）
２２、３１  上部電極
２３  振動膜
２３ａ  支持部
２３ｂ  梁部
２４  レジスト
２５  下部電極
２８  空孔
３０、４０、５０  ベースプレート
４１  振動子セルグループ
４２  配線
４３  共通配線
５１  回路形成領域
５２  絶縁膜
６０  超音波用探触子
６１  駆動回路
６２  直流バイアス回路
６２ａ  直流電圧源
６２ｂ  抵抗
６２ｃ  デカップリングコンデンサ
６３  受信回路
６４、６５  スイッチ回路
７０  超音波撮像システム本体
【図１】
2006157320.tif 000003
【図２】
2006157320.tif 000004
【図３】
2006157320.tif 000005
【図４】
2006157320.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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