(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＣＭＵＴトランスデューサアレイを形成するように並べて位置合わせされた複数のＣＭＵＴタイルであって、前記ＣＭＵＴタイルが、
基板と、
前記基板上に配置され、１つ以上の行、列、又はその両方に配置された複数のＣＭＵＴセルと、
を含む、前記複数のＣＭＵＴタイルと、
１つ以上のＣＭＵＴセルが、当接するＣＭＵＴタイルの１つ以上のＣＭＵＴセルと一定のピッチで配置されるように、端部に隣接する前記１つ以上のＣＭＵＴセルと側方に近接して前記ＣＭＵＴタイルの１つの側面に形成される前記端部であって、個々の前記ＣＭＵＴセルの間の半分の距離で、当該端部に隣接する前記ＣＭＵＴセルに近接する前記端部と、
を含む、ＣＭＵＴトランスデューサアレイにおいて、
前記端部は、当該端部に隣接する前記１つ以上のＣＭＵＴセルと側方に近接して前記基板中をエッチングするエッチングプロセスによって形成され、前記エッチングプロセスは、エッチングされたトレンチの側面をポリマーで補強することによって行われることを特徴とする、ＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項２】
前記端部は、複数のＣＭＵＴセルと側方に近接する非線形のエッチングされた端部である、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項３】
前記端部は、異方性エッチングプロセスによってエッチングされる、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項４】
前記異方性エッチングプロセスは、深掘り反応性イオンエッチングプロセスを更に含む、請求項３に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項５】
第１のＣＭＵＴタイルの非線形端部が、第２のＣＭＵＴタイルの２つの端部の一方に隣接して、前記第１のＣＭＵＴタイルから前記第２のＣＭＵＴタイルへの一定のＣＭＵＴセルピッチを維持しながら配置可能であるような対称性を前記ＣＭＵＴタイルが示す、請求項２に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項６】
前記ＣＭＵＴタイルは、前記端部に沿って前記基板上に配置され、前記ＣＭＵＴタイルの前記ＣＭＵＴセルに電気結合された複数の相互接続電極を更に含む、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項７】
第１のＣＭＵＴタイルのエッチングされた端部が、第２のＣＭＵＴタイルのエッチングされた端部に隣接して、前記第１のＣＭＵＴタイルから前記第２のＣＭＵＴタイルへの一定のＣＭＵＴセルピッチを維持しながら配置可能であるような対称性を前記ＣＭＵＴタイルが示し、
前記第１及び第２のＣＭＵＴタイルはそれぞれ、前記端部に沿って配置された複数の相互接続電極を有し、並びに
前記相互接続電極の端部は、各ＣＭＵＴタイルの、隣接して配置された前記エッチングされた端部に対して反対側にある、請求項６に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項８】
前記非線形のエッチングされた端部は、一連の線形の異なる方向の端部セグメントを含む、請求項２に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項９】
前記非線形のエッチングされた端部は、連続した輪郭のエッチングされた端部を含む、請求項２に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項１０】
前記端部は、前記基板の最上部及び底部から交互にエッチングを行うことによって形成される、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項１１】
前記ポリマーは、ポリイミド又はＢＣＢを更に含む、請求項１０に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項１２】
前記端部は、前記基板の最上部からのエッチング及び前記基板の底部からの研削を交互に行うことによって形成される、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項１３】
前記ＣＭＵＴセルは、動作のつぶれモードで動作させられる、請求項１に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイ。
【請求項１４】
請求項１乃至１３のいずれか一項に記載のＣＭＵＴトランスデューサアレイを含むプローブを備えた、超音波イメージングシステム。
【請求項１５】
基板と、前記基板上に配置され、１つ以上の行、列、又はその両方に配置された複数のＣＭＵＴセルと、を含むタイルを設けるステップと、
１つ以上のＣＭＵＴセルが、当接するタイルの１つ以上のＣＭＵＴセルと一定のピッチで配置されるように、端部に隣接する前記１つ以上のＣＭＵＴセルと側方に近接して前記タイルの１つの側面に前記端部を形成するステップと、
を含む、ＣＭＵＴトランスデューサアレイを製造する方法において、
前記端部は、前記基板中をエッチングするエッチングプロセスによって形成され、前記エッチングプロセスは、エッチングされたトレンチの側面をポリマーで補強することによって行われることを特徴とする、方法。
【請求項１６】
前記端部は、複数のＣＭＵＴセルと側方に近接する非線形のエッチングされた端部である、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記端部は、異方性エッチングプロセスによってエッチングされている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記異方性エッチングプロセスは、深掘り反応性イオンエッチングプロセスを更に含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第１のタイルの非線形端部が、第２のタイルの２つの端部の一方に隣接して、前記第１のタイルから前記第２のタイルへの一定のＣＭＵＴセルピッチを維持しながら配置可能であるような対称性を前記タイルが示す、請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
前記タイルは、前記端部に沿って前記基板上に配置され、前記タイルの前記ＣＭＵＴセルに電気結合された複数の相互接続電極を更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項２１】
第１のタイルのエッチングされた端部が、第２のタイルのエッチングされた端部に隣接して、前記第１のタイルから前記第２のタイルへの一定のＣＭＵＴセルピッチを維持しながら配置可能であるような対称性を前記タイルが示し、
前記第１及び第２のタイルはそれぞれ、前記端部に沿って配置された複数の相互接続電極を有し、並びに
前記相互接続電極の端部は、各タイルの、隣接して配置された前記エッチングされた端部に対して反対側にある、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記非線形のエッチングされた端部は、一連の線形の異なる方向の端部セグメントを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記非線形のエッチングされた端部は、連続した輪郭のエッチングされた端部を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２４】
前記端部は、前記基板の最上部及び底部から交互にエッチングを行うことによって形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２５】
前記ポリマーは、ポリイミド又はＢＣＢを含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記端部は、前記基板の最上部からのエッチング及び前記基板の底部からの研削を交互に行うことによって形成されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ＣＭＵＴセルは、動作のつぶれモードで動作させられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項２８】
請求項１５乃至２７のいずれか一項に記載の方法により、ＣＭＵＴトランスデューサアレイを製造するステップと、
製造されたＣＭＵＴトランスデューサアレイを含むプローブを製造するステップと、
を含む、超音波イメージングシステムを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、医療診断用超音波イメージングに関し、及び特に、容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ：capacitive micromachined ultrasonic transducer）を用いた超音波プローブに関する。
【背景技術】
【０００２】
医療イメージングに使用される超音波トランスデューサは、高品質の診断画像の生成につながる多くの特性を有する。中には、広帯域幅及び超音波周波数の低レベル音響信号に対する高感度がある。従来、これらの特性を有し、従って超音波トランスデューサに用いられてきた圧電材料が、ＰＺＴ及びＰＶＤＦ材料から作られており、ＰＺＴは、最も好ましい。しかしながら、セラミックＰＺＴ材料は、明確に異なり及び複雑な、ダイシング、整合層ボンディング、フィラー、電気めっき及び相互接続を含む製造プロセスを必要とし、並びに、多大な処理を必要とし、それらの全てが、決して望ましくはないトランスデューサスタックユニットの歩留まりをもたらし得る。更に、この製造の複雑さは、最終的なトランスデューサプローブのコストを増加させる。超音波システムメインフレームは、小型化が進んでおり、並びに信号処理機能の大半に関してフィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）及びソフトウェアによって支配されているので、システムメインフレームのコストは、システムのサイズと共に低下している。超音波システムは、現在、安価なポータブル、デスクトップ及びハンドヘルド形態で利用可能である。その結果、トランスデューサプローブのコストは、システムの総コストの内の増え続ける割合を占め、この増加は、３Ｄイメージングに使用される素子数の多いアレイの出現により促進されている。従って、低コストの超音波システムに対するニーズを手助けする為に、向上した歩留まりで、より低いコストでトランスデューサアレイを製造できることが望ましい。
【０００３】
最近の開発は、医療用超音波トランスデューサを半導体プロセスによって製造することができるという見込みをもたらした。望ましくは、これらのプロセスは、ＣＭＯＳプロセス等の超音波プローブによって必要とされる回路を生産する為に使用されるものと同じであるべきである。これらの開発は、マイクロマシン超音波トランスデューサ、即ちＭＵＴを生み出した。ＭＵＴは、２つの設計手法で作製され、一方は、圧電特性を持つ半導体層を使用し（ＰＭＵＴ）、並びに他方は、容量効果を示す電極板を有したダイヤフラム及び基板を使用する（ＣＭＵＴ）。ＣＭＵＴトランスデューサは、受信した超音波信号の音の振動を変調キャパシタンスに変換する電極を備えた極めて小さなダイヤフラム状デバイスである。伝送を行う為に、電極に印加された容量電荷が変調されて、デバイスのダイヤフラムを振動させ、それによって音波を伝送する。これらのデバイスは、半導体プロセスによって製造されるので、デバイスは、一般に、１０〜２００ミクロン範囲の寸法を有するが、最大、３００〜５００ミクロンのデバイス直径にまで及び得る。多くのこのような個々のＣＭＵＴは、共に接続され、及び単一のトランスデューサ素子として調和して動作することができる。例えば、４〜１６の個々のＣＭＵＴが、共に結合されて、単一のトランスデューサ素子として調和して機能することができる。一般的な２Ｄトランスデューサアレイは、現在、２０００〜３０００の圧電トランスデューサ素子を有する。ＣＭＵＴアレイとして作製される場合、１００万個を超えるＣＭＵＴセルが使用される。意外にも、初期結果は、半導体製造工場のこのサイズのＣＭＵＴアレイに関する歩留まりが、数千個のトランスデューサ素子のＰＺＴアレイの歩留まりよりも著しく向上されることを示した。
【０００４】
ＣＭＵＴは、最初は、現在「非つぶれ（uncollapsed）」モードとして知られているモードで動作するように設計されたものである。図１を参照して、一般的な非つぶれＣＭＵＴトランスデューサセル１０が断面で示されている。ＣＭＵＴトランスデューサセル１０は、シリコン等の基板１２上の複数の同様の隣接セルと一緒に作製される。窒化ケイ素で作られてもよいダイヤフラム又はメンブレン１４は、酸化ケイ素又は窒化ケイ素から作られてもよい絶縁支持体１６によって基板上部に支持される。メンブレンと基板との間のキャビティ１８は、空気若しくはガスで満たされてもよく、又は完全に若しくは部分的に真空でもよい。金等の導電性膜又は層２０は、ダイヤフラム上に電極を形成及び同様の膜又は層２２が、基板上に電極を形成する。誘電体キャビティ１８によって分離されるこれらの２つの電極は、キャパシタンスを形成する。音響信号がメンブレン１４を振動させると、キャパシタンスの変動を検出することができ、それによって音響波を対応する電気信号に変換する。逆に、電極２０、２２に印加された交流信号が、キャパシタンスを変調し、メンブレンを動かし、それによって音響信号を伝送する。
【０００５】
ＣＭＵＴセルは、音響信号が、通常、印加信号の高調波である、即ち、音響信号が印加電気信号周波数の２倍の周波数であるので、本質的に二次デバイスである。この二次挙動を防止する為には、バイアス電圧が、２つの電極に印加され、これは、その結果生じるクーロン力によってダイヤフラムが基板に引き付けられることを生じさせる。これは、ＤＣバイアス電圧ＶＢが、バイアス端子２４に印加され、誘導インピーダンス等の高インピーダンスＺを交流信号に課す経路によって、メンブレン電極２０に結合される図２に模式的に示される。交流信号は、信号端子２６からメンブレン電極へ及びメンブレン電極から容量結合される。メンブレン電極上の正電荷（＋）は、それが基板１２上の負電荷に引き付けられるので、メンブレンを膨張させる。ＣＭＵＴセルは、このバイアス状態で連続的に動作した場合に、二次挙動を僅かに示すだけである。
【０００６】
容量性デバイスの２つの逆に帯電した板が可能な限り近づくようにメンブレンが膨張される時に、ＣＭＵＴが最も感度が高いことが分かっている。２つの板の近い近接性は、ＣＭＵＴによる音響信号エネルギーと電気信号エネルギーとの間のより大きな結合を生じさせる。従って、メンブレン１４と基板１２との間の誘電間隔３２が、動作信号条件下で維持することができる程小さくなるまで、バイアス電圧ＶＢを増加させることが望ましい。構成された実施形態では、この間隔は、約１ミクロン以下であった。しかしながら、印加バイアス電圧が大き過ぎると、メンブレンは基板に接触し、デバイスの２つの板がファンデルワールス力によって互いに付着するので、デバイスを短絡させる可能性がある。この付着は、ＣＭＵＴセルが過度に駆動された場合に生じる可能性があり、製造公差のばらつきにより、同じバイアス電圧ＶＢでも、デバイス毎に異なり得る。永久的な付着は、電気絶縁層（例えば、窒化ケイ素）にデバイス電極を埋め込むことによって、減らすことができるが、つぶれ状態と、非つぶれ状態との間の動作の非線形性は、最大感度の範囲で非つぶれＣＭＵＴを動作させようとする場合の固有の欠点である。
【０００７】
非常に小さなサブミクロン誘電間隔を生じさせるようにメンブレンが偏らせられる場合であっても、ＣＭＵＴの感度は、望まれる感度よりも低くなり得る。これは、メンブレンの中心３２における電荷は、逆の電荷に比較的近く、逆の電荷との関連で大幅に移動するが、メンブレンが支持体１６によって支持されるメンブレンの外縁部３４における電荷は、殆ど移動せず、従ってデバイスによる信号の変換に殆ど関与しないという事実によるものである。この不均衡を排除する１つの手法は、支持体１６にまで延在しない小さなメンブレン電極２０を使用することであった。これは、メンブレン電極上の電荷を、メンブレンの運動及び従ってデバイスによる変換に強く関与するデバイスの中心に限定する。それでもやはり、バイアス電圧ＶＢをメンブレン電極２０に印加する為、並びに電極への及び電極からの交流信号を結合する為の１つ以上の導電体が必要である。これらの導電体は、必然的に、非常に薄く、望ましくない程大きなインピーダンスを交流信号に加え、それによってデバイスの感度を限定する寸法を有する。
【０００８】
ＣＭＵＴ及び他のＭＵＴは、半導体プロセスを用いて製造されるので、それらは、従来のセラミックＰＺＴトランスデューサ素子と比較して、必然的にサイズが小さい。上述の通り、ＭＵＴの表面寸法は、ミクロン単位で測定される。小さなサイズは、小型トランスデューサアレイが、超音波血管内カテーテル及び肋骨間でスキャンする心臓トランスデューサプローブ等に必要とされる場合に有利である。しかしながら、より大きな口径及びより深い侵入が望まれる腹部適用例等の他の適用例が存在する。これらの適用例では、より大きなサイズのアレイが好ましい。ＣＭＵＴを用いて、より大きな口径のアレイを構築する１つのやり方は、多数のＣＭＵＴアセンブリを並べて相互接続又はタイリングし、１つの大きなアレイを形成することである。全アセンブリを単一の基板上に形成することが可能であるかもしれないが、アレイのサイズが増加するにつれて、製造欠陥の発生の可能性が増加する。このような歩留まり問題を回避する為には、検査することができる、より小さなサブアセンブリを作製し、その後、多数の欠陥のないサブアセンブリからアセンブリ全体を形成することが好ましい。各サブアセンブリ又はタイルは、１つの基板上に作製されたＣＭＵＴの一次元又は二次元アレイから成る。次に、個々の基板タイルが並んで位置合わせされ、それによって大きなアレイを形成する。複数のアレイサブアセンブリを位置合わせさせる際には、１つの基板が別の基板に当接する端部においてギャップを有するのではなく、アセンブリ全体に亘って素子のピッチ、即ち間隔を維持することが望ましい。これは、アセンブリに亘って線形アレイトランスデューサの口径に段を付ける又はトラクタートレッディング（tractor-treading）を行う場合に行われるように、アセンブリ全体の表面に亘って、口径が均一に遷移することを可能にする。均一なピッチは、そうでなければタイルの端部におけるギャップが能動遷移口径内に入る際のアーチファクト及び望ましくないサイドローブの生成を回避する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、ＣＭＯＳプロセス等の、アレイを動作させる為に使用される集積回路の半導体プロセスと互換性のある半導体プロセスを用いて作製することができる超音波プローブ用のＣＭＵＴトランスデューサアレイを提供することである。
【００１０】
本発明の更なる目的は、ＣＭＵＴの複数のサブアセンブリ又はタイルからアセンブルすることができる大口径ＣＭＵＴトランスデューサアレイを提供することである。
【００１１】
本発明の更なる目的は、アレイに亘ってＣＭＵＴセルのピッチを維持するＣＭＵＴタイルの大口径アレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の原理によれば、ＣＭＵＴセルの複数のタイルから形成される超音波トランスデューサＣＭＵＴセルアレイが提供される。各タイルは、基板上に、ＣＭＵＴセルの一次元又は二次元アレイを、行に亘って、及び二次元アレイの場合は列方向にも所定のピッチを有して含む。タイルの端部は、個々のタイルが、１つのタイルから別のタイルへと所望のセルピッチを維持しながら、互いに隣接してアセンブルされることが可能なように成形される。好ましくは、これらの端部は、従来のダイシングプロセスの代わりに、深掘り反応性イオンエッチングプロセス等のエッチングプロセスによって成形される。エッチングを用いた場合、１つの行から次の行へと各ＣＭＵＴセルに近接して辿る蛇行端部等の非線形端部を成形することができる。エッチングは、ダイシングプロセスを用いた場合に生じ得るチッピング及びクラッキングの危険なしに、ＣＭＵＴセルの近くで基板に対して真っ直ぐな側面の形成を可能にする。ある好適な実施形態では、タイルは、基板の最上（ＣＭＵＴ）面上に形成された電気コンタクトも含む。これらのコンタクトは、タイルのＣＭＵＴセルに電気結合されて、セル又はセルの集合体に電力を供給する、それらを駆動する、及びそれらから信号を受信する。コンタクトは、マイクロビーム形成器回路等の制御回路をＣＭＵＴのアレイに結合することができるように、フレックス回路等の相互接続がタイルに結合されることを可能にする。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】一般的なＣＭＵＴトランスデューサセルの断面図である。
【図２】一般的なＣＭＵＴセルの電気特性の模式図である。
【図３】本発明の原理に従って構築されたＣＭＵＴセルの断面図である。
【図４】つぶれ状態へと偏らせられた時の図３のＣＭＵＴセルを示す。
【図５】ＣＭＵＴセルタイルをダイシングする及びクラック停止ギャップを用いる従来の手法を示す。
【図６】円形ＣＭＵＴセルのアレイの干渉法画像であり、破線は、補完的エッチングタイルと整合し、及び１つのタイルから次のタイルへのＣＭＵＴセルピッチを維持する端部の蛇行エッチング経路を示す。
【図７ａ】本発明の原理に従ったＣＭＵＴアレイタイル端部のエッチング及びパッシベーション層の使用を示す。
【図７ｂ】本発明の原理に従ったＣＭＵＴアレイタイル端部のエッチング及びパッシベーション層の使用を示す。
【図７ｃ】本発明の原理に従ったＣＭＵＴアレイタイル端部のエッチング及びパッシベーション層の使用を示す。
【図７ｄ】本発明の原理に従ったＣＭＵＴアレイタイル端部のエッチング及びパッシベーション層の使用を示す。
【図８】ピッチ維持端部及び電気相互接続用の表面電気コンタクトを有した２つのＣＭＵＴアレイタイルを示す。
【図９】図８の電気コンタクトを備えた４つのタイルを用いた大口径ＣＭＵＴアレイアセンブリを示す。
【図１０】本発明の原理に従って構築されたタイル状大口径ＣＭＵＴアレイトランスデューサプローブを備えた超音波診断用イメージングシステムを、ブロック図形式で示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図３を参照して、ＣＭＵＴ素子又はセル５の模式断面図が示される。ＣＭＵＴセル５は、基板層１２、電極２２、メンブレン層１４、及びメンブレン電極リング２８（その円形形態が図６に見られる）を含む。この例では、電極２２は、円形に構成され、及び基板層１２に埋め込まれる。更に、メンブレン層１４は、基板層１２の上面に対して固定され、及びメンブレン層１４と基板層１２との間に球形又は円筒形キャビティ１８を規定するように構成／必要な大きさにされる。上述の通り、セル及びそのキャビティ１８は、別の幾何学的形状を規定してもよい。例えば、キャビティ１８は、長方形及び／若しくは正方形断面、六角形断面、楕円断面、又は不規則断面を規定してもよい。
【００１５】
底部電極２２は、一般的に、そのキャビティ対向面上で、追加層（不図示）を用いて絶縁される。好適な絶縁層は、基板電極の上部及びメンブレン電極の下部に形成される酸化物−窒化物−酸化物（ＯＮＯ：oxide-nitride-oxide）誘電体層である。ＯＮＯ−誘電体層は、デバイスの不安定性並びに音響出力圧力のドリフト及び減少の原因となる電極上の電荷蓄積を有利に減少させる。ＣＭＵＴ上のＯＮＯ誘電体層の作製は、２００８年９月１６日に出願され、及び「容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ」というタイトルの、Klootwijkらによる欧州特許出願第０８３０５５５３．３号に詳細に記載されている。非つぶれデバイスよりも電荷保持の影響を受け易いつぶれ前ＣＭＵＴと一緒のＯＮＯ誘電体層の使用が望ましい。開示された構成要素は、ＣＭＯＳ適合材料、例えば、Ａｌ、Ｔｉ、窒化物（例えば窒化ケイ素）、酸化物（様々な等級）、テトラエチルオキシシラン（ＴＥＯＳ）、及びポリシリコン等から作製されてもよい。例えば、ＣＭＯＳ製造工場では、酸化物及び窒化物層は、化学蒸着及びスパッタリングプロセスによって配置されたメタライズ（電極）層によって形成されてもよい。適切なＣＭＯＳプロセスは、ＬＰＣＶＤ及びＰＥＣＶＤであり、後者は、４００℃未満の比較的低い動作温度を有する。
【００１６】
開示のキャビティ１８を生産する為の技術例は、メンブレン層１４の上面を追加する前に、メンブレン層１４の初期部分にキャビティを規定することを伴う。他の作製詳細は、米国特許第６，３２８，６９７号（Fraser）に見つけることができる。図３に示される実施形態例では、円筒形キャビティ１８の直径は、円形に構成された電極板２２の直径よりも大きい。電極リング２８は、円形に構成された電極板２２と同じ外径を有していてもよいが、そのような一致は、必須ではない。従って、本発明の一実施形態例では、電極リング２８は、下部の電極板２２と位置合わせするように、メンブレン層１４の上面に対して固定される。
【００１７】
図４は、メンブレン１４がキャビティ１８の床面と接触するつぶれ前状態に偏らせられた時の図５のＣＭＵＴセルを示す。これは、電極リング２８に印加された電圧ＶＢ及び基板電極２２に印加された基準電位（接地）によって示されるように、２つの電極にＤＣバイアス電圧を印加することによって達成される。電極リング２８は、中心に孔の無い連続したディスクとして形成されてもよいが、図４は、何故これが必須ではないかを示す。メンブレン１４が、この図に示されるように、そのつぶれ前状態に偏らせられると、メンブレンの中心が、キャビティ１８の床面と接触する。そのため、メンブレン１４の中心は、ＣＭＵＴの動作中は移動しない。正確に言えば、キャビティ１８の残りの開いた空所の上部及びリング電極の下部にあるのは、移動するメンブレン１４の外縁領域である。メンブレン電極２８をリングとして形成することによって、デバイスのキャパシタンスの上板の電荷は、ＣＭＵＴがトランスデューサとして動作している時に、運動及び容量変動を示すＣＭＵＴの領域の上部に位置する。従って、ＣＭＵＴトランスデューサの結合係数が向上する。
【００１８】
メンブレン１４は、一般的に５０〜１００ボルトの範囲の必要なバイアス電圧を印加することによって、３６において示されるように、キャビティ１８の床面と接触するつぶれ前状態に至らせることができる。電圧が増加される時に、ＣＭＵＴセルのキャパシタンスは、容量計を用いてモニタリングされる。キャパシタンスの急激な変化は、メンブレンがキャビティの床面につぶれたことを示す。メンブレンは、３６において示されるように、それがキャビティの床面に丁度接触するまで下方に偏らせることができる、又は最小限の接触のつぶれを超える更なるつぶれにまで更に下方に偏らせることができる。
【００１９】
メンブレン１４をそのつぶれ前状態に至らせる別のやり方は、圧力をメンブレンの最上部に加えることである。キャビティが部分的又は完全な真空で形成される場合、１バールの気圧を加えることが、メンブレン１４をつぶれ前の状態にさせてキャビティ１８の床面に接触させるのに十分であることが分かっている。また、メンブレン１４を制御可能につぶれ前の状態にする為に、圧力差及びバイアス電圧の組み合わせを用いることが可能で、これは、高つぶれ気圧（例えば１０バール）を有し得る、より小型のデバイスの場合に有効である。メンブレン１４をそのつぶれ前状態に偏らせる更に別の技術は、メンブレンをそのつぶれ前状態に物理的に保持する構造体をメンブレンの上部に配置又は形成することである。超音波トランスデューサの好適な実施形態では、この構造体は、トランスデューサのレンズを形成する。
【００２０】
半導体部品は、一般的に、ウェハ上に大量に作製される。作製後に、個々の部品は、それらを様々なデバイス及び製品で個々に使用することができるように、分離又は個片化されなければならない。ウェハから部品を個片化する一般的なプロセスは、ダイシングを用いる。ダイシングプロセス中は、ある程度のチッピングが予期される。ダイシングによるクラックの伝播を最小限に抑える為には、一般的に、図５に示されるような「クラック停止」溝４０が使用される。浅いクラック停止溝４０が、図に示されるように、ダイシング後の部品の予定端部のすぐ内側に形成される。溝４０は、ダイシングプロセス中に、ＣＭＵＴセル５に向かうクラックの伝播を停止するように働き、並びにクラック停止溝から近くの能動デバイス及びダイ端部への許容距離要件が存在する。これは、能動デバイス（ＣＭＵＴ）からダイ端部のかなりの距離（多くの場合、個々のデバイス間の距離に相当する）を生じさせ、これは、タイリング及びタイルからタイルへのピッチ連続性を維持する為には望ましくない。ＣＭＵＴセルの一般的なサイズ（直径）は、３０マイクロメートルから最大３００マイクロメートルにまで又はそれより更に大きく異なり得る。選択されたＣＭＵＴセルのサイズは、所与のトランスデューサの所望の動作周波数に依存する。一般に、アレイ中のＣＭＵＴセルデバイスの密度は、個々のデバイス間の平均距離を、５〜１０マイクロメートルを下回る、又は３マイクロメートルを下回るように維持することによって、最大限にされる。図５の最上部に示されるタイル端部の上面図に加えて、基板１２、マイクロビーム形成器回路を含むＡＳＩＣ層、及び最上ＣＭＵＴ層を含むダイの側面図が、図の下部に示されている。
【００２１】
本発明の原理に従ってこの問題を解決する為に、エッチング個片化が用いられる。エッチングプロセスではチッピングが存在しないので、クラック停止溝も、クラック停止溝から能動デバイス及びエッチング端部への必須の距離も必要ない。このプロセスの更なる結果は、エッチングダイ端部がＣＭＵＴセルに非常に近くなることができ（一般に、個々のデバイス５間の半分の距離）、１つのダイから次のダイへの一定の（連続した）ピッチの維持を可能にする。図６は、ＣＭＵＴセル５に近接して（基本的にＣＭＵＴセルの形状を辿って）巻き付く端部の蛇行エッチング経路を示す破線４８を有したＣＭＵＴアレイの上面画像である。隣接するタイルは、１つのタイルから次のタイルへのセルの行における一定のピッチを有して２つのタイルが整合するように、補完的エッチング蛇行経路を有して形成される。
【００２２】
エッチングは、ダイの最上部から基板の底部まで完全に通って垂直に延在しなければならないので、広範な深さに亘って制御された態様で高度に垂直な端部を形成することができる深掘り反応性イオンエッチングプロセスを用いることが好ましい。これを行う為の技術の１つが、図７ａ）〜７ｄ）に示される。この例では、図７ａ）に示されるように、任意選択のマスク５０がダイの上部に配置され、高異方性プラズマ（フッ化硫黄）流が、マスクの開口部を通って指向され、並びに、イオン流は、ダイ及びその基板１２を通ってエッチングを開始する。プラズマが部分的にダイ内にエッチングした後、図７ｂ）に示されるように、パッシベーション層５２がトレンチ上に堆積される。パッシベーション層は、ポリイミド又はベンゾシクロブテン系ポリマー（ＢＣＢ）等の適切なポリマーでもよい。パッシベーション層は、化学エッチング液への更なる曝露からトレンチの壁を保護する。異方性エッチング液は、トレンチの底部のパッシベーション層を攻撃し、それをスパッタリング除去し、その後、図７ｃ）に示されるように、トレンチをより深い深さにまでエッチングすることができる。代替的に、トレンチが最上部から部分的に形成された（図７ｂ））後に、ウェハが上下反対にされ、図７ｄ）に示されるように、トレンチがダイの裏側からエッチングされ、ポリマー５２で停止する。最後に、ポリマーが、エッチングにより、スパッタリング除去される。トレンチが最上部から部分的に形成された後の更に別の代替手段は、部分的に形成されたトレンチに達するまで、研削により、裏側（底部）からウェハを薄くすることである。
【００２３】
図８は、本発明に従ったエッチングによって、２つのＣＭＵＴタイル６２及び６４が個片化されるウェハ６０を示す。この例では、相互接続電極７０が、各ダイの端部に沿って各ダイの上面上に形成される。エッチングプロセスは、事実上どのような形状又は輪郭の端部を形成するようにも制御することができるので、端部は、この例において見られるように、ＣＭＵＴセル５の形状を近接して辿ることができる。これは、タイルが異なる配向で、例えば、ウェハ６０上に示されるように相互接続電極を同じ側に有して、又は図の右側に示されるように、タイルが交互に向きを変えて、相互接続電極を反対側に有して、整合されることを可能にする。交番は、フレックス回路等の相互接続が、アセンブルされたＣＭＵＴアレイの複数の側にある電極７０にアクセスする及び付着することを可能にする。これは、４つのタイル６２、６４、６６及び６８が整合されて、アレイに亘ってＣＭＵＴセルのピッチが均一に維持された大口径のＣＭＵＴアレイを形成した、図９の完成ＣＭＵＴアレイアセンブリに示される。
【００２４】
図１０は、本発明の原理に従って構築されたタイル状大口径ＣＭＵＴアレイトランスデューサプローブ１００’を備えた超音波診断用イメージングシステムを、ブロック図形式で示す。大口径アレイ１００は、この例では、１６のタイルから形成される。トランスデューサアレイ１００’は、２Ｄ平面で又は３Ｄイメージング用に三次元でスキャンが可能なトランスデューサ素子の一次元又は二次元アレイである。トランスデューサアレイは、ＣＭＵＴアレイセルによる信号の送信及び受信を制御するプローブ内のマイクロビーム形成器１１２に結合される。マイクロビーム形成器は、米国特許第５，９９７，４７９号（Savordら）、第６，０１３，０３２号（Savord）、及び第６，６２３，４３２号（Powersら）に記載されるように、トランスデューサ素子のグループ又は「パッチ」によって受信された信号の少なくとも部分的なビーム形成が可能である。マイクロビーム形成器は、プローブケーブルによって、送信と受信との間を切り換える、並びにマイクロビーム形成器が使用されていない時、及びトランスデューサアレイが主システムビーム形成器によって直接動作させられる時に、高エネルギー送信信号から主システムビーム形成器１２０を保護する送信／受信（Ｔ／Ｒ）スイッチ１１６に結合される。マイクロビーム形成器１１２の制御下におけるＣＭＵＴトランスデューサアレイ１００からの超音波ビームの送信は、ユーザインタフェース又は制御パネル３８のユーザの操作による入力を受信する、Ｔ／Ｒスイッチ及び主システムビーム形成器１２０に結合されたトランスデューサコントローラ１１８によって指示される。トランスデューサコントローラによって制御される機能の１つは、ビームが誘導される方向である。ビームは、トランスデューサアレイから（それに直角に）真っ直ぐ前に、又はより広い視野の為に異なる角度で誘導されてもよい。トランスデューサコントローラ１１８は、セルメンブレン１４をつぶれ前状態に偏らせる、ＣＭＵＴセルに印加されるＤＣバイアスの制御も行う。
【００２５】
受信時にマイクロビーム形成器１１２によって生成された部分的ビーム形成信号は、トランスデューサ素子の個々のパッチからの部分的ビーム形成信号が完全なビーム形成信号へと組み合わせられる主ビーム形成器１２０に結合される。例えば、主ビーム形成器１２０は、１２８のチャネルを有してもよく、それらの各々は、数十又は数百のＣＭＵＴトランスデューサセルのパッチから部分的ビーム形成信号を受信する。このようにして、ＣＭＵＴトランスデューサアレイの数千のトランスデューサ素子によって受信された信号が、単一のビーム形成信号に効率的に寄与することができる。
【００２６】
ビーム形成信号は、信号プロセッサ１２２に結合される。信号プロセッサ１２２は、バンドパスフィルタリング、デシメーション、Ｉ及びＱ成分分離、並びに組織及びマイクロバブルから返された非線形エコー信号の識別を可能にする為に線形及び非線形信号を分離するように機能する高調波信号分離等の様々なやり方で、受信されたエコー信号を処理することができる。信号プロセッサは、スペックル低減、信号合成、及びノイズ除去等の追加の信号強調も行うことができる。信号プロセッサのバンドパスフィルタは、上述の通りトラッキングフィルタでもよく、その通過帯域は、エコー信号がより深い深さから受信されるにつれて、高周波数帯域から低周波数帯域へと移動し、それによって、周波数が解剖学的情報を欠くより深い深さからのより高い周波数のノイズを排除する。
【００２７】
処理された信号は、Ｂモードプロセッサ１２６及びドップラープロセッサ１２８に結合される。Ｂモードプロセッサ１２６は、体内の臓器及び血管の組織等の体内の構造物のイメージングの為に振幅検出を用いる。体の構造物のＢモード画像は、米国特許第６，２８３，９１９号（Roundhillら）及び米国特許第６，４５８，０８３号（Jagoら）に記載されるように、高調波モード、基本モード、又は両者の組み合わせで形成されてもよい。ドップラープロセッサ１２８は、画像フィールドにおける血液細胞の流れ等の物質の運動の検出の為に、組織の動き及び血流から時間的に異なる信号を処理する。ドップラープロセッサは、一般的に、体内の選択された種類の物質から返されたエコーを通過させる及び／又は排除するように設定することができるパラメータを有したウォールフィルタを含む。例えば、ウォールフィルタは、低又はゼロ速度物質からの比較的強い信号は排除しながら、高速度物質からの比較的低い振幅の信号を通過させる通過帯域特性を有するように設定することができる。この通過帯域特性は、心壁等の近くの静止した又はゆっくり動く物体からの信号は排除しながら、流れる血液からの信号を通過させる。逆の特性は、組織の運動を検出及び描写する組織ドップラーイメージングと呼ばれるものの為に、血流信号は排除するが、心臓の動いている組織からの信号は通過させる。ドップラープロセッサは、画像フィールド中の異なる点からの一連の時間的に別々のエコー信号を受信及び処理し、ある点からの一連のエコーは、アンサンブルと呼ばれる。比較的短い期間に亘って立て続けに受信されたエコーのアンサンブルは、流れる血液のドップラーシフト周波数を推定する為に使用することができ、ドップラー周波数は、血流の速度を示す速度に対応する。より長い期間に亘って受信されたエコーのアンサンブルは、よりゆっくりと流れる血液又はゆっくりと動く組織の速度を推定する為に使用される。
【００２８】
Ｂモード及びドップラープロセッサによって生成された構造信号及び運動信号は、スキャンコンバータ１３２及び多平面リフォーマッタ１４４に結合される。スキャンコンバータは、エコー信号を、それらが望ましい画像フォーマットで受信された空間関係に配置する。例えば、スキャンコンバータは、二次元（２Ｄ）セクター形状フォーマット、又はピラミッド形三次元（３Ｄ）画像にエコー信号を配置してもよい。スキャンコンバータは、Ｂモード構造画像に、ドップラー推定速度に一致する画像フィールド内の点における運動に対応する色を重ね合わせて、画像フィールド内の組織の運動及び血流を示すカラードップラー画像を生成することができる。多平面リフォーマッタは、米国特許第６，４４３，８９６号（Detmer）に記載されるように、体のボリューム領域中の共通平面における点から受信されたエコーを、その平面の超音波画像に変換する。ボリュームレンダラ１４２は、米国特許第６，５３０，８８５号（Entrekinら）に記載されるように、所与の基準点から見た場合の投影３Ｄ画像に３Ｄデータセットのエコー信号を変換する。２Ｄ又は３Ｄ画像は、画像ディスプレイ４０上での表示の為の更なる強調、バッファリング、及び一時記憶の為に、スキャンコンバータ１３２、多平面リフォーマッタ１４４、及びボリュームレンダラ１４２から画像プロセッサ１３０へと結合される。イメージングに使用されることに加えて、ドップラープロセッサ１２８によって生成された血流速度値は、流量数量化プロセッサ１３４に結合される。流量数量化プロセッサは、ボリューム血流量率等の異なるフロー条件の測定を生成する。流量数量化プロセッサは、測定が行われる画像の生体構造内の点等の、ユーザ制御パネル３８からの入力を受信することができる。流量数量化プロセッサからの出力データは、ディスプレイ４０上の画像による測定値の再現の為に、グラフィックプロセッサ１３６に結合される。グラフィックプロセッサ１３６は、超音波画像を用いた表示の為に、グラフィックオーバーレイを生成することもできる。これらのグラフィックオーバーレイは、患者の氏名、画像の日付及び時間、並びにイメージングパラメータ等の標準的な識別情報を含むことができる。これらの目的の為に、グラフィックプロセッサは、タイプされた患者の氏名等の入力をユーザインタフェース３８から受信する。ユーザインタフェースは、トランスデューサアレイ１００からの超音波信号の生成、並びに従ってトランスデューサアレイ及び超音波システムによって生成される画像を制御する為に、送信コントローラ１８にも結合される。ユーザインタフェースは、ＭＰＲ画像の画像フィールドにおける数量的測定を行う為に使用することができる複数の多平面リフォーマット（ＭＰＲ：multiplanar reformatted）画像の表示の選択及び制御の為に、多平面リフォーマッタ１４４にも結合される。
【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７ａ）】
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【図７ｂ）】
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【図７ｃ）】
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【図７ｄ）】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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