(57)【要約】本発明は、超小型形成された膜の超音波変換器で使用するための構造と、該構造を組立てるための方法を導く。本発明の一つの実施態様において、変換器は、圧電物質を有する平面材と、平面材に配置されて、層に電界を適用するための圧電物質に結合された間隔が離れた電極と、電極に接合された音響下地材とを含む。別の態様において、変換器は、半導体物質と隣接する圧電物質を有する平面材を含み、半導体物質は、半導体層に形成され、圧電物質に結合された単一体で形成された能動回路を有する。さらなる別の態様において、変換器は、圧電物質を有する平面材と、単一体で形成された能動回路を有する半導体物質の層の隣接層を有する音響下地材と、電極に結合されている能動回路と、を含む。
2005523816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
超小型形成の超音波の膜の変換器であって、該変換器は、
該変換器に形成された圧電物質の層を有する平面材と、
前記平面材の表面に配置され、前記平面材の選択された部分を集束するために前記層に電界を適用するための前記圧電物質の層に結合された複数の間隔が離れた電極と、
前記複数の電極に対して固定して接合された音響下地材と、
を有することを特徴とする超小型形成の超音波の膜の変換器。
【請求項２】
前記平面材はさらに、前記圧電層によって支持される上部層で構成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項３】
前記平面材はさらに、前記上部層と前記前記圧電層との間に配置された中間層で構成されることを特徴とする請求項２に記載の変換器。
【請求項４】
前記平面材はさらに、前記上部層と前記前記圧電層との間に配置された反応防止層で構成されることを特徴とする請求項２に記載の変換器。
【請求項５】
前記複数の間隔が離れた電極はさらに、前記表面に対してほぼ平行で前記表面を越えて延在する、複数の細長い電極で構成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項６】
前記音響下地材はさらに、前記電極に対して固定して接合された複数の接触パッドで構成されることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項７】
前記音響下地材はさらに、前記音響下地材により延在する前記接触パッドに結合される複数の伝導物質で構成されることを特徴とする請求項６に記載の変換器。
【請求項８】
前記平面材はさらに、前記平面材に単一体で形成された複数の能動回路を有する薄いシリコン層で構成され、各能動回路は電極及び前記圧電層に結合されていることを特徴とする請求項１に記載の変換器。
【請求項９】
超小型形成の超音波の膜の変換器であって、該変換器は、
圧電物質の層及び半導体物質の層に隣接する層を有する平面材と、前記半導体物質の層は、該変換器に単一体で形成され、前記圧電物質の層に結合された複数の能動回路を有し、
前記平面材の表面に配置され、前記平面材の選択された部分を集束するために前記圧電層に電界を適用するための前記能動回路に結合された複数の間隔が離れた電極と、
前記複数の電極に対して固定して接合された音響下地材と、
を有することを特徴とする超小型形成の超音波の膜の変換器。
【請求項１０】
超小型形成の超音波の膜の変換器の組立方法であって、該方法は、
半導体基板上に誘電物質の層の形成と、
前記誘電層上に圧電物質の層の沈着と、
前記圧電物質の層上に複数の間隔が置かれた電極の形成と、
前記複数の電極に対する音響下地材の接合と、
前記半導体基板の除去と、
を有することを特徴とする超小型形成の超音波の膜の変換器の組立方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、超音波画像により身体の内部に関する診断情報を提供するために超音波変換器を使用する超音波診断システムに関し、より詳細には、そのようなシステムで使用された超音波の膜の変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波診断画像システムは、超音波画像及び測定の実行における広範囲な使用である。例えば、心臓医、放射線技師及び産科医は、心臓、様々な腹部の器官、又は発育している胎児のそれぞれを検査するために超音波診断画像システムを使用する。一般的に、画像情報は、患者の皮膚に対して超音波変換器アレイを配置することによって、かつ患者の皮膚を通し身体に超音波エネルギーを伝送するアレイ内に位置する一つ以上の素子を実行することによって、それらのシステムにより得られる。身体内への超音波エネルギーの伝送に反応して、超音波エコーは身体の内部構造から放射する。戻ってきた音響エコーは、診断システムを変換器アレイに結合するケーブルによってアレイの一つ以上の素子によって電気信号に変換される。
【０００３】
ソフトウェアとデジタル技術の最近の進展は、増大した柔軟性と迅速なデータ処理速度の超音波画像システムを発展させてきた。結果として、診断プローブ内の超音波変換器素子の数はまた、高い側面の解像度を生じる、比較的広い口径の診断プローブの開発をさせて、安定して増大した。
【０００４】
超音波診断プローブで共通して使用される音響の変換器は、多くの細かい製造段階の実行により結晶の圧電性物質から形成された、個々の圧電素子のアレイで構成される。例えば、従来の音響の変換器は、圧電性物質の単一ブロックを比較的低い音響インピーダンスと高い音響減衰を有する音響下地材に結合することによって形成されている。次いで、物質は、アレイの細かい長方形の要素を形成するために物質を切断するかさいの目に切ることによって横に細分される。電気的な接触パッドは、電気的なコンダクタがアレイの個々の素子に結合されるように様々な金属化処理を使用して個々の素子に沈着される。電気的なコンダクタは、はんだ付け、スポット溶接を含む様々な電気的な接続方法によって、又は接触パッドにコンダクタを粘着的に接合することによって、一般的に接触パッドに結合される。
【０００５】
前述の製造段階が数百までの素子を有する音響変換器のアレイを形成するために一般に適切であるが、より小型の素子サイズを有する素子の大型のアレイは、前述の技術を用いて容易に形成されない。結果として、シリコンの超小型電子デバイスの組立に使用される様々な方法は、それらの技術が複雑な細部を備えた小型構造の反復の組立てを許容するので、半導体基板上の超音波変換器素子を作製するために適応された。結果として、前述の方法を使用して、到達可能なものよりはるかに小型の変換器素子は、多数で容易に組立ててよい。
【０００６】
図１は、従来技術による超小型形成の膜の超音波変換器アレイ１の部分的な断面図である。アレイ１は、シリコン基板３の上部表面１２に位置された複数の超小型形成の膜の素子２を含む。一般的に、素子２は、基板３と接触する下部表面７から離れて間隔が置かれた上部表面４を含む。各素子は、基板３で形成される複数の電気的な相互接続を介して時間で可変の電源に結合される。具体例を明瞭にするために、各素子に対する相互接続の電源及び電気的な相互接続は示されていない。時間で可変の励起電圧が素子に適用される場合、素子の電気機械的性質から生じる、上部表面４の振動のゆがみが展開される。したがって、応用の時間で可変の電圧に応じて上部表面４から外側に向かって放射する音波５が生成される。素子の電気機械的性質は、同様に素子が、上部表面４に当たる音波６に起因する歪みに反応させる。
【０００７】
前述の従来のアレイ１の一つの欠点は、素子２によって展開された超音波エネルギーの一部が、基礎となる基板３に後方に投射され、むしろ音波５で外側に放射されるかもしれない。結果として、素子２からの放射エネルギーの部分的な損失が生じる。さらに、超音波エネルギーが基礎となる基板３に結合される場合、超音波エネルギーは、基板３の上部表面１２に向かって導かれる反射された波９を形成するために基板３の下部表面１１で内部的に反射される音波８として基板３に伝播する。次いで、複数の反射された波９は、上部表面１２と下部表面１１との間の基板３内で伝播する。各反射された波９に存在するエネルギーの一部は、多数の漏出波１０を形成するために表面１１により基板３から去るかもしれない。基板３の音波９の伝播はさらに、波９がアレイ１での他の素子２によって受け取られるために、素子２間で超音波エネルギーをクロス結合させ、これによって、他の所望でない干渉効果と同様に、素子２間の所望でない“クロストーク”信号を生じる。さらには、基板３の波の内部反射は、受け角度、又はアレイ１の方向性に悪影響を及ぼすかもしれない。
【０００８】
様々な従来のデバイスは、基板での波の伝播を妨害する素子を含んでいる。例えば、ある従来のデバイスは、基板３内で波の伝播を妨害するために、基板３に下方に向かって延在する素子２間の複数のトレンチを採用する。同様の従来のデバイスは、反射された波９でエネルギーを少なくとも部分的に吸収するために、音響減衰物質で満たされる、下方に向かう突出するトレンチを採用する。それら従来のデバイスが基板で所望でない側面の波の伝播を減少するが、それらはまた、独立して可変されてよい設計パラメータの数を削減することによって超小型形成の素子２に固有の利点を一般的に制限する。さらに、追加的な製造段階は、超小型形成の変換器アレイの製造コストを相当に高める。
【０００９】
図１に示される従来のアレイ１に関するさらなる問題は、一般に、アレイ１が、水、滅菌剤、及び結合ゲルを含有する様々な物質に感光されることである。素子２が基板３上に超小型形成されるので、様々な小さい窪みは、それら物質がロッジする（lodge）ようになるアレイ１に存在するかもしれない。例えば、複数の窪み１３は、アレイの小さな窪み１３を十分に清潔にする一般的な無力により、汚染物質の進歩的な蓄積を許容するかもしれない、素子２間に形成されるかもしれない。加えて、物質に曝された表面は、この暴露から生じる腐食又は浸食に弱いかもしれない。
【００１０】
従来のアレイ１に存在するさらに別の問題点は、アレイ１がアレイ１を保護する硬いカバー表面を欠くことである。アレイ１によって維持される衝撃が、電気的な相互接続を含む基礎となる基板３又は他のデバイスと同様に、個々の素子２を損傷させるので、結果として、アレイ１は、一般的に、物理的な衝撃から生じる損傷に対して弱い。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
したがって、基礎となる基板での音波の伝播の相当の削減をすることが可能な超小型形成超音波アレイにおける技術の必要がある。加えて、汚染物質と様々な物質からの損傷に抵抗し、容易に洗浄される超小型形成超音波アレイにおける技術の必要がある。さらにまた、共通して遭遇する物理的な衝撃からの損傷に抵抗できる超小型形成超音波アレイにおける技術の必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、超小型形成された膜の超音波変換器アレイで使用するための改良された構造と、改良された構造を組立てるための方法を導く。本発明の一つの態様において、超小型形成の膜の変換器アレイは、圧電物質の層を有する平面材と、平面材の表面に配置されて、層に電界を適用するための圧電物質の層に結合された複数の間隔が離れた電極と、複数の電極に固定して接合された音響下地材とを含む。別の態様において、超小型形成の膜の変換器アレイは、圧電物質の層と半導体物質の隣接する層を有する平面材と、平面材の表面に配置され、圧電層に電界を適用するための能動回路に結合された複数の間隔が離れた電極と、複数の電極に固定して接合された音響下地材とを含み、半導体物質の層は、半導体層に形成され、圧電物質の層に結合された複数の単一体で形成された能動回路を有する。さらなる別の態様において、超小型形成の膜の変換器アレイは、圧電物質の層を有する平面材と、圧電層に電界を適用するための平面材の表面に配置された複数の間隔が離れた電極と、半導体物質の隣接する層を有する音響下地材とを含み、半導体物質の層は、複数の単一体で形成された能動回路を有し、能動回路は電極に結合され、選択された部位で電極にしっかりと固定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明は、一般的に、超音波画像により身体の内部に関する診断情報を提供する超音波の超小型形成された膜の変換器を使用する超音波診断システムを導く。本発明のある実施態様の多数の特定の詳細は、そのような実施態様の完全な理解を提供するために図２乃至１６で下記に記載される。しかしながら、当業者は、本発明が下記の記述の詳細な幾つかの細部なしで実行されてよいことを理解するであろう。さらに、下記の記載において、様々な実施態様に関する添付図が、特定の又は相対的な物理的規模を伝えるように解釈されないことが理解される。さらに、請求項が明らかに記載しないのであれば、様々な実施態様に関する特定の又は相対的な規模が記載される場合、制限することを考慮されないことが理解される。
【００１４】
図２は、本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器２０の部分的な平面図である。変換器２０は、上部側２２と反対の下側２３を有する平面材２１を含む。平面材２１は、圧電物質の少なくとも一つの層（示されていない）を含む層化構造である。平面材２１の構造は、下記に詳細に記載されるであろう。複数の間隔が離れた第一電極２４及び第二電極２５は、平面材２１の下側２３に固定されて付加され、さらに圧電物質と電気的に結合される。第一電極２４及び第二電極２５がほぼ等しい間隔で離れて示されるが、第一電極２４及び第二電極２５の間隔が平面材２１の下側２３を越える可変の間隔で位置づけしてもよいことが理解される。第一電極２４及び第二電極２５は、第一電極２４と第二電極２５との間の時間で変化する励起電圧を適用可能な超音波システム２６に対してさらに結合され、その結果、時間で可変する電場２９が生じる。平面材２１に含まれる圧電物質は、第一電極２４及び第二電極２５の方位に対して一般的に横断する側面方向で振動性の運動を表わすためにポールされ（poled）（ｋ３３モード）、その結果として、圧電物質は、適用された励起電圧に応じて電場２９の方向で側面の負荷を変化する時間を表わす。第一電極２４及び第二電極２５が、下記にさらに詳細に記載されるように基礎となる構造に対して相関的に位置づけされて固定されるので、平面材２１は、平面材２１の表面２２に対して一般的に垂直の方向に延在する電極２４と２５との間の膜の部分２７の曲がった移動を表わし、このようにして、表面２２から外側に向かって放射する音波を引き起こす。相応して、反射された音響信号が膜の部分２７に影響する場合に生じる膜の部分２７の移動は、圧電物質を表面２２に対して平行な方向に負荷を掛け、このように、超音波システム２６によって処理されてよい時間で可変の信号を生じる。
【００１５】
図２を参照するに、平面材２１はさらに、下側２３からアレイにおける他の隣接する変換器から電気的及び音響的に非結合の変換器２０まで材２１内に少なくとも部分的に（及び典型的には材により完全に）延在する分離２８を含む。
【００１６】
図３は、図２に示される切断線３−３に沿う膜の変換器２０の部分的な断面図である。平面材２１は、窒化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、又は化学蒸着（ＣＶＤ）されたダイアモンドなどの硬く化学的な耐性物質から構成される連続的な上部層２６０を含む。圧電層２８０は、上部層２６０に隣接して位置づけされ、セラミックのチタン酸鉛（ＰＴ）又はＬａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいチタン酸ジルコニア酸鉛（ＰＺＴ）で構成されてよい。層２８０はまた、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいＰｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３で構成されてよい。またさらに、層２８０は、下記に記載のＰｂ（Ｎｉ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｓｃ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）１−ｘ−ｙ（Ｍｎ１／２Ｎｂ１／２）ｘＴｉｙＯ３、式中（０≦ｘ≦１）及び（０≦ｙ≦１）、Ｐｂ（Ｉｎ１／２Ｎｂ１／２）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、ＰｂＹ１／２Ｎｂ１／２Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいＰｂＺｎ１／３Ｎｂ２／３Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３、Ｓｒ３ＴａＧａ３Ｓｉ２Ｏ１４、Ｋ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５、式中（０≦ｘ≦１）、Ｎａ（Ｓｒ１−ｘＢａｘ）２Ｎｂ５Ｏ１５、式中（０≦ｘ≦１）、ＢａＴｉＯ３、（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３、式中（０≦ｘ≦１）、（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３、（Ｂｉ，Ｎａ）ＴｉＯ３、Ｂｉ７Ｔｉ４ＮｂＯ２１、（Ｋ１−ｘＮａｘ）ＮｂＯ３−（Ｂｉ，Ｎａ，Ｋ，Ｐｂ，Ｂａ）ＴｉＯ３、式中（０≦ｘ≦１）、ａ（ＢｉｘＮａ１−ｘ）ＴｉＯ３−ｂ（ＫＮｂＯ３−ｃ）１／２（Ｂｉ２Ｏ３−Ｓｃ２Ｏ３）、式中（０≦ｘ≦１）及び（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＣａｃ）ＴｉｘＺｒ１−ｘＯ３、式中（０≦ｘ≦１）及び（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、（ＢａａＳｒｂＬａｃ）Ｂｉ４Ｔｉ４Ｏ１５、式中（ａ＋ｂ＋ｃ＝１）、Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２、ＬｉＮｂＯ３、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｎｂ０．５Ｏ１４、Ｌａ３Ｇａ５ＳｉＯ１４、Ｌａ３Ｇａ５．５Ｔａ０．５Ｏ１４、ＡＩＮ、ＺｎＯ又はＬａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいチタン酸ジルコニア酸鉛（ＰＺＴ）のテクスチャード（textured）フィルム、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいニオブ酸マグネシウム鉛−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）のテクスチャードフィルム、Ｌａ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｓｂ、Ｓｒ若しくはＮｉあるいはそれら元素の如何なる組み合わせで任意にドープされてよいニオブ酸亜鉛鉛−チタン酸鉛（ＰＺＮ−ＰＴ）のテクスチャードフィルム、単結晶のＰＭＮ−ＰＴ、フッ化ポリビニリデンポリマー（ＰＶＤＦ）あるいは他の適切な代替となる圧電物質の如何なる化合物から構成されてよい。
【００１７】
図３をさらに参照するに、薄い反応防止層（anti-reaction  layer）２６２は、平面材２１の形成中に上部層２６０から圧電層２８０を化学的に分離するために圧電層２８０と上部層２６０との間に配置されてよい。反応防止層２６２は、他の化合物も使用されてよいが、ＴｉＯ２、ＺｒＯ２、ＭｇＯ、Ａｌ２Ｏ３、ＨｆＯ２、ＺｒＴｉＯ４、ＬａＡｌＯ３又はそれら化合物の如何なる組み合わせで構成されてよい。図３をさらに参照するに、シード層は圧電層２８０と反応防止層２６２との間に配置されてよい。シード層は、高度にテクスチャードのＭｇＯ、ＡｌＮ、ＬａＡｌＯ３、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３、Ｐｔ（１１１）又は、Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３を有してよい。第一電極２４及び第二電極２５は、Ｔｉ又はＴｉ１−ｘＷｘ（０≦ｘ≦１）合金のインターフェース層及び他の伝導物質が使用されてもよいが、アルミニウム、シリコンでドープされたアルミニウム、あるいは銅、金、プラチナでドープされたアルミニウムの伝導層を含んでよい、伝導物質から構成される。第一電極２４及び第二電極２５は、音響下地材２００上に沈着された複数の伝導性の接触パッド２２０を接合するために圧電層２８０から下方に向かって延在する。接触パッド２２０は、金、プラチナ、アルミニウム又はまだ他の伝導性物質から構成されてよく、同様のインターフェース層を含んでよい。第一電極２４及び第二電極２５は、第一電極２４及び第二電極２５と第二電極２５及びパッド２２０との間に比較的強剛な機械的な接続を形成するためにパッド２２０に対して第一電極２４及び第二電極２５を圧縮接合又ははんだ付けすることによって接触パッド２２０にしっかりと接合される。代替として、伝導性若しくは非伝導性のエポキシ化合物又は他の接着剤が第一電極２４及び第二電極２５をパッド２２０に接合するために使用されてよい。接触パッド２２０はさらに、超音波システム２６に各第一電極２４及び第二電極２５が結合する、連続的な伝導性経路を提供するために音響下地材２００により延在する複数の伝導材２４０に電気的に結合される。音響下地材２００は、比較的高い音響減衰と、さらに、平面材２１、第一電極２４及び第二電極２５のための比較的硬い構造的なサポートを提供する、適切に選択された低い音響インピーダンスとを有する如何なる適切な物質から構成されてよい。適切な物質の例は、固体の金属、セラミック、若しくはポリマー粒子で分散された様々なエポキシ樹脂又はエポキシマトリックスを含む。
【００１８】
図４は、本発明の別の実施態様による膜の変換器３０の部分的な断面図である。平面材２１は、硬い耐化学性物質から構成され、別の代替となる物質に加えて、既に特定した如何なる物質を含んでよい、上部層２６０を含む。同様に、圧電層２８０は、既に記載した物質から構成されてよい。中間層３２は、層２８０を上部層２６０から離れて間隔を置くために、上部層２６０と圧電層２８０との間に配置される。圧電層２８０から上部層２６０を分離することは、圧電層２８０の屈曲した応力の均一性を有利に高め、したがって、装置の結合係数を改良する。中間層３２は、一般に、上部層２６０又は圧電層２８０よりも、より屈曲に従順な層であり、他の物質が使用されてもよいが、例えば、二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素で構成されてよい。反応防止層２６２は、層３２に隣接する、圧電層２８０の表面に任意に沈着されてよい。反応防止層２６２は、他の代替となる物質に加えて、既に特定された如何なる物質から構成されてよい。
【００１９】
図４ａは、本発明のさらに別の実施態様による膜の変換器３４の部分的な断面図である。平面材２１は、他の代替となる物質に加えて、既に特定された如何なる物質を含んでもよい硬い耐化学物質から構成される上部層２６０を含む。圧電層２８０は、他の代替となる物質に加えて、同様に、既に記載された物質から構成されてよい。膜の変換器３４はまた、上部層２６０と圧電層２８０との間に位置する障壁層２６４を含む。障壁層２６４は、一般的に、平面材２１の形成中に上部層２６０で使用される、ある物質との圧電層２８０の化学的な相互作用を阻害する。例えば、所望でない化合物は、物質がＣＶＤダイアモンド又は同様の物質を含む上部層２６０を有する、平面材２１の形成中に展開されてよい。したがって、障壁層２６４は、窒化ケイ素、二酸化ケイ素、オキシ窒化ケイ素、若しくは窒化アルミニウム又はそれら化合物の組み合わせから構成されてよい。反応防止層２６２は、圧電層２８０と障壁層２６４との間の化学的な相互作用をさらに阻害するために、圧電層２８０と障壁層２６４との間に任意に配置される。反応防止層２６２は、他の代替となる物質に加えて、如何なる既に特定した物質から構成されてよい。
【００２０】
図４ｂは、本発明の別の実施態様による膜の変換器３６の部分的な断面図である。平面材２１は、他の代替となる物質に加えて、既に特定された如何なる物質を含んでよい上部層２６０と、他の代替となる物質に加えて、既に特定された物質で同様に構成されてよい圧電層２８０とを含む。中間層３２は、より完全に前述したように変換器３６のための音響結合係数を増大するように圧電層２８０に隣接する位置で上部層２６０と圧電層２８０との間に位置されてよい。反応防止層２６２は、先に記載したように、圧電層２８０と隣接する層との間の化学的な相互作用をさらに阻害するように、中間層３２と圧電層２８０との間に任意に配置される。さらに、変換器３６はまた、中間層３２から上部層２６２を化学的に分離するために、上部層２６０と中間層３２との間に位置される障壁層２６４を含んでよい。図５は、本発明の別の実施態様による膜の変換器４０の部分的な断面図である。平面材２１は、先の実施態様のように、硬い耐化学性の上部層２６０を含む。圧電層２８０は、既に記載された物質から同様に構成されてよい。中間層４２は、上部層２６０から離れて層２８０に間隔を置くために、上部層２６０と圧電層２８０との間に配置される。変換器４０の結合係数を増大するために、中間層４２は、圧電層２８０から上部層２６０を分離するために、圧電層２８０と上部層２６０との間に延在する、複数の間隔素子４４から構成される。例えば、間隔素子４４は、上部層２６０上の二酸化ケイ素の層の沈着によって形成される円柱状の構造で構成されてよく、続いて、円柱状の構造を形成するために沈着された層の一部分を除去する。
【００２１】
本発明の先の実施態様は、音響下地材をアレイの背後に位置させ、これによって、変換器の背面による超音波エネルギーの損失を有利に減少し、これによって、より高感度の変換器を作製できる。さらに、アレイの変換器間のクロス結合は、下地構造の存在によって減少され、このように、“クロストーク”及び他の形態の干渉を受け難いアレイを形成させる。
【００２２】
さらなる他の利点は、前述の実施態様に存在する。例えば、変換器が、一般的に弾力性物質で構成される音響下地材に位置されるので、先の実施態様が先行技術の装置にある困難で脆弱な基礎をなす基板を有さないので、変換器は損傷せずに物理的な衝突を吸収できる。前述の実施態様はまた、滅菌剤又は結合ゲルのような汚染物質の変換器の構造への移動を防ぐために、実質的に変換器をカバーする多孔性でなく、化学的に不活発で、一様な平面材を提供する。
【００２３】
図６は、本発明のさらに別の実施態様による膜の変換器５０の部分的な断面図である。基板５２は、基板５２に単一体で形成された複数の能動回路５４及びコンデンサー、抵抗器又はインダクタのような受動機能を含む音響下地材２００に位置される。受動機能は、半導体基板５２の中又はその基板上のいずれかで実行される。受動機能はまた、半導体基板５２にワイヤー接合されたか、又はフリップチップ設置の個別の基板上で処理できる。受動機能を備える個別の基板は、相互に接続するのと同様に、集積されたコンデンサー、インダクタ若しくは抵抗器を備えるＳｉ基板又はセラミック基板となることができる。基板はまた、コンデンサー、インダクタ又は抵抗器などの集積された受動機能を備えるラミネートタイプの基板となることができる。基板５２はまた、第一電極２４及び第二電極２５を能動及び受動回路に電気的に結合する、複数の接触パッド２２０を含む。能動及び受動回路はまた、材２４０と能動及び受動回路との間に相互接続を形成するように基板５２に突出する複数の伝導性バイアス５６によって複数の伝導材２４０に対して電気的に結合される。能動回路５４は、変換器５０の操作を制御する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）、若しくは酸化金属電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）などの簡素な半導体デバイスで構成されてよく、又は、代替として、回路５４は、超音波システム２６（図２で示されるような）のシグナル処理機能の少なくとも一部を実行する、より高度に集積された回路であってよい。例えば、能動及び受動回路は、アレイのビーム形成操作を少なくとも部分的に実行する回路を含んでよい。さらに、能動及び受動回路は、多重通信又は、変換器５０によってシグナルの伝送若しくは受信に関連する、他の“フロントエンド”操作を実行するなど、また別の機能を実行してよい。
【００２４】
図７は、本発明のまたさらに別の実施態様による膜の変換器６０の部分的な断面図である。平面材２１は、上部層２６０と、圧電層２８０と、上部層２６０と圧電層２８０との間に配置された半導体の基板層６２とを含む。基板層６２はさらに、基板層６２に単一体で形成された複数の能動回路６４を含む。前述の実施態様におけるように、回路６４は、変換器６０の操作を制御するＦＥＴ若しくはＭＯＳＦＥＴから構成されてよいし、又は、回路６４は、超音波システム２６（図２で示されるような）のシグナル処理機能の少なくとも一部を実行する、より高度に集積された能動及び受動デバイスで構成されてよい。能動回路６４は、基板層６２上に形成された絶縁層６５により延在するバイアス６６によって圧電層２８０に結合される。能動回路６４はさらに、絶縁層６５により延在するバイアス６８によって第一電極２４及び第二電極２５に結合される。絶縁層６５は、半導体の基板層６２の表面に形成された二酸化ケイ素の層などの適切な絶縁物質で構成されてよい。
【００２５】
前述の実施態様は、複数の能動の半導体回路を変換器の構造に対して有利に統合させる。回路は、様々な予備のシグナル処理機能を実行し、それによって、全体的なシグナル処理要求の少なくとも一部の超音波システムを排除する。
【００２６】
図８乃至１６は、本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。図８を参照するに、上部層２６０は、基礎となるシリコン基板７２上に沈着されるか又は形成され、適切に堅く、さらに低密度物質で構成されてよい。例えば、上部層２６０は、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）によってシリコン基板７２上に沈着される窒化ケイ素フィルムから構成されてよい。代替として、上部層２６０は、化学蒸着（ＣＶＤ）方法によって沈着されたダイアモンド物質で構成されてよい。
【００２７】
図９を参照するに、中間層３２は、上部層２６０上に任意に沈着されてよい。開示された実施態様において、中間層３２は、ＬＰＣＶＤ処理又は当業者に周知のまた別の処理によって、上部層２６０に形成されてよい、二酸化ケイ素又はオキシ窒化ケイ素で構成されてよい。追加として、反応防止層２６２は、様々な周知の処理によって中間層３２上に任意に形成されてよい。例えば、層２６２が二酸化チタンで構成される場合、層２６２は層３２上に二酸化チタンをスパッタリングすることによって沈着されてよい。代替として、チタンは層３２上にスパッタリングされて、反応防止層２６２を形成するために熱の酸化処理を受ける。さらにまた、別の物質及び沈着処理は、層２６２を形成するために使用されてよい。
【００２８】
ここで図１０を参照するに、圧電層２８０は、中間層３２及び反応防止層２６２に適用される。一つの態様において、層２８０は、sol-gel処理によって層３２上に沈着された、ＰＺＴ又はＰＴＺによってドープされたドナー若しくはアクセプターで構成されてよい。ゾル−ゲル（sol-gel）処理は、特に薄層形態のドープの有無に関らないＰＺＴの作製において周知の方法であり、高純度を有するＰＺＴの薄層が高い表面の滑らかさを有して形成できて有用である。スパッタリング又は化学蒸着（ＣＶＤ）などの他の周知の手法はまた、圧電層２８０を適用するために使用されてよい。圧電層２８０はまた、ほぼ単結晶構造を有利に表わす、ドープの有無に関らないＰＺＴのテクスチャードの薄フィルムで構成されてよい。さらに、テクスチャードでドープの有無に関らないニオブ酸マグネシウム鉛−チタン酸鉛（ＰＭＮ−ＰＴ）、又はテクスチャードでドープの有無に関らないニオブ酸亜鉛鉛−チタン酸鉛（ＰＺＮ−ＰＴ）がさらに使用されてよく、高い結合係数を有利に表わし、適度の電界強度でＰＺＴを使用して入手可能なオーダーより大きなオーダーである、引き起こされた負荷の発生を許容する。圧電層２８の形成にしたがって、層は、周知の手法であるように所望のｋ３３極性特質を確立するためにポールされてよい。テクスチャードフィルムを成長するために、シード層は、ゾル−ゲル処理又はスパッタリング又は化学蒸着（ＣＶＤ）によって沈着されてよい。シード層は、高度テクスチャードのＭｇＯ、ＡｌＮ、ＬａＡｌＯ３、ＰｂＺｒｘＴｉ１−ｘＯ３、Ｐｔ（１１１）又はＰｔ（１００）、Ｐｔ（１１１）／Ｔｉ、Ｌａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３を有してよい。
【００２９】
ここで図１１を参照するに、分離２８は、フォトレジスト物質（示されていない）を適用し、フォトリソグラフィーの方法によってフォトレジスト物質を感光することにより、圧電層２８０に形成されてよい。感光されたフォトレジストの現像は、腐食液が分離２８をエッチングさせる、パターン化された構造（示されていない）に帰着する。層２８０をエッチングするために使用されてよい腐食液は、他の代替があるが、酢酸−硝酸溶液、又は酢酸−硝酸−フッ化水素酸溶液を含んでよい。エッチング処理に続いて、フォトレジストは、図１１に示される分離２８を作製するために周知の処理によって圧電層２８０から剥がされてよい。代替として、他のエッチング溶液又は方法は、圧電層２８０を越えて延在する分離２８を形成するために採用されてよい。
【００３０】
図１２は、圧電層２８０に位置する複数の第一金属構造７４を示し、各々は第一金属構造７４と圧電層２８０との間に配置されたインターフェース層７６を有する。第一金属構造７４は、他の適した物質が使用されてもよいが、金、アルミニウム又はプラチナを含む伝導物質から構成される。インターフェース層は、同様に、第一金属構造７４が層２８０に対する接合の支援をする、クロム、ニクロム、チタン又はＴｉ１−ｘＷｘ（０≦ｘ≦１）を含む伝導物質から構成される。複数の第一金属構造７４及びインターフェース層７６は、金属層７４及びインターフェース層７６の沈着によって圧電層２８０の表面に形成されてよい。例えば、蒸発、スパッタリング、又はＣＶＤ金属沈着方法が使用されてよい。金属層をパターン化することは、耐光物質の沈着、パターンを形成する耐光物質の現像、及び続いて、湿式化学又は乾式エッチング処理による金属のエッチングによって実行される。
【００３１】
代替として、層７４及び７６のパターン化は、フォトレジスト層（示されていない）のパターン化、層２８０上にそれぞれの物質を沈着するために開口部（示されていない）を形成するフォトレジストの現像によって達成できる。層７４及び７６は、周知の手法で沈着されてよい。例えば、真空沈着、スパッタリング、又はＣＶＤが使用される。
【００３２】
ここで図１３を参照するに、複数の第二金属構造７５は、第一金属構造７４及びインターフェース層７６上に沈着される。第二金属構造７５は、他の伝導物質が使用されてよいが、金、プラチナ、Ｔｉ／Ａｕ又はＴｉ／Ｐｔ合金を含んでよい、伝導物質で構成されてよい。第二金属構造７５は、蒸発、スパッタリング、又はＣＶＤによって適用されてよい。金属層のパターン化は、フォトレジストの沈着、パターンを形成するフォトレジストの現像、及び続いて、湿式化学又は乾式エッチング処理による金属のエッチングによって実行される。
【００３３】
図１４及び１５を参照するに、カバー層７７は、図１４に示されるように、複数の第一電極２４及び第二電極２５を形成するために第二金属構造７５上に沈着されてよい。他の伝導物質が使用されてよいが、カバー層７７は、金、プラチナ、Ｔｉ／Ａｕ合金又はＴｉ／Ｐｔ合金を含んでよい、伝導物質で構成されてよい。結果となる構造は、図１５に示されるように、音響下地材２００に表示されてよい。第一電極２４及び第二電極２５は、多数の周知の手法によって、材２００上で接触パッド２２０に対して電気的且つ機械的に結合されてよい。例えば、第一電極２４及び第二電極２５は、電極２４及び電極２５をパッド２２０にハンダ付けすることによって接触パッド２２０に接合されてよい。代替として、伝導若しくは非伝導エポキシ化合物あるいは他の接着剤のいずれかは、第一電極２４及び第二電極２５をパッド２２０に接合するために採用されてよい。またさらに、圧縮接合方法が使用されてよく、それによって、インジウムなどの金属の薄層は、電極２４及び第二電極２５とパッド２２０との間に機械的且つ電気的な結合を形成するために機械的な力の適用によってもたらされる電極２４及び第二電極２５の各々と接触パッド２２０との間に位置される。
【００３４】
パッド２２０に対する第一電極２４及び第二電極２５の接合に続いて、基板７２は図１６に示されるように除去されてよい。基板７２は、上部層２６０の基板８０が感光されるまで基板７２を後部粉砕することによって除去されてよい。後方粉砕操作は、平面材２１並びに複数の第一電極２４及び第二電極２５が存続するように、基板物質の実質的にすべてを除去する。基板７２はまた、他の周知の方法によって除去されてよい。例えば、基板７２は、表面８０を感光するために物質をエッチングすることによって除去されてよい。代替として、さらに、後部粉砕とエッチングの組み合わせが採用されてよい。
【００３５】
前述の実施態様は、超小型形成の膜の変換器を組立てる方法の段階を開示する。開示された段階は、半導体組立方法及び既知で比較的安価で実行する装置を使用して有利に実行されてよい。さらに、開示された段階に示された構造は、さらなるコストの節約を導く、外部のウェハー組立プロバイダーによって簡便に作製されてよい。
【００３６】
本発明の例示された実施態様の前述の記載は、本発明を示された正確な形態に完全に又は制限するように意図されない。本発明の特定の実施態様及び実施例が例証する目的のために先に記載されたが、様々な等価の修正は、当業者が認識するように、本発明の範囲内で可能である。さらに、上記の様々な実施態様は、さらなる実施態様を提供するために組み合わせることができる。したがって、本発明は開示によって制限されないが、本発明の範囲は請求項によって完全に決定される。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】従来技術による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図２】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な平面図である。
【図３】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図４】本発明の別の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図４ａ】本発明のさらに別の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図４ｂ】本発明のまた別の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図５】本発明のさらにまた別の実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図６】本発明のさらなる実施態様による超小型形成の膜の変換器の部分的な断面図である。
【図７】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図８】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図９】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１０】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１１】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１２】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１３】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１４】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１５】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１６】本発明の実施態様による超小型形成の膜の変換器を形成するための方法の段階の部分的な断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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