(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子が所定の配列で配置されている配列振動子と、
前記配列振動子を保持し、前記複数の振動子の第２の電極にそれぞれ対応する位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板と、
前記第１の基板の複数の貫通孔に充填された半田と、
前記半田によって前記第１の基板に形成されている複数の貫通孔を介して前記複数の振動子の第２の電極にそれぞれ電気的に接続された複数の電極が形成されている第２の基板と、
を具備する超音波トランスジューサ。
【請求項２】
前記複数の振動子が、２次元マトリックス状に配置されている、請求項１記載の超音波トランスジューサ。
【請求項３】
前記第１の基板に形成されている複数の貫通孔がテーパ形状を有する、請求項１又は２記載の超音波トランスジューサ。
【請求項４】
前記第１の基板が、複数の貫通孔の周囲に形成されている絶縁層を含む、請求項１〜３のいずれか１項記載の超音波トランスジューサ。
【請求項５】
前記複数の振動子の第２の電極と前記第２の基板の複数の電極とが、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を用いてそれぞれ電気的に接続されている、請求項１〜４のいずれか１項記載の超音波トランスジューサ。
【請求項６】
所定の位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板を準備する工程（ａ）と、
前記第１の基板の第１の面上に、第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子を配置する工程（ｂ）と、
前記第１の基板の第２の面上に、複数の電極が形成されている第２の基板を配置する工程（ｃ）と、
前記第１の基板に形成されている複数の貫通孔に半田を配置し、該半田によって前記複数の振動子の第２の電極を前記第１の基板に形成されている複数の貫通孔を介して前記第２の基板の複数の電極に接合する工程（ｄ）と、
を具備する超音波トランスジューサの製造方法。
【請求項７】
工程（ｄ）が、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を前記第１の基板に形成されている複数の貫通孔に配置することを含む、請求項６記載の超音波トランスジューサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、超音波診断医療に用いられる超音波トランスジューサに関し、特に、２次元センサアレイを含む超音波トランスジューサに関する。また、本発明は、そのような超音波トランスジューサの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、超音波診断装置においては、超音波の送信及び受信を行う超音波トランスジューサとして、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子等の圧電素子（圧電振動子）を用いた１次元センサアレイを用いることが一般的であった。さらに、このような１次元センサアレイを機械的にスキャンさせることにより２次元画像を取得し、複数の２次元画像を合成することにより３次元画像を得ていた。
【０００３】
しかしながら、この手法によれば、１次元センサアレイのスキャン方向にタイムラグがあるため、異なる時刻における断面像を合成することになるので、合成画像がぼけたものとなってしまう。従って、超音波診断医療において超音波エコー観察等を行う場合のように、生体を対象とする被写体には適していない。
【０００４】
そこで、近年、超音波を送受信する素子が２次元に配列された２次元センサアレイを用いて超音波を電気的にスキャンさせると共に、深さ方向についてもダイナミックフォーカス等の手法を用いることにより、超音波画像の画質を向上させる試みが行われている。即ち、２次元センサアレイを用いることにより、センサアレイを機械的にスキャンさせることなく２次元画像を取得することができるので、高品位な３次元画像を得ることができる。
【０００５】
一方、２次元センサアレイを有するプローブを実用化するためには、多数の超音波を送受信する素子を高集積化することが必要である。特に、超音波を送受信する素子として上記ＰＺＴやＰＶＤＦのような圧電振動子を用いる場合には、素子の微細加工と、多数の微細素子への配線が必要となる。しかしながら、現状以上の素子の微細化と集積は困難であり、これらを解決する手法が検討されている。
【０００６】
例えば、特許文献１には、圧電振動子間の電気的、音響的な漏れを無くして射出される超音波の特性を向上させることができる超音波トランスジューサ及びその製造方法が開示されている。上記公報によると、この超音波トランスジューサは、超音波を射出する圧電板を完全に切断して成る２次元配列された複数の圧電振動子と、圧電振動子の超音波射出面と対向する面上に各々形成された複数の駆動電極と、圧電振動子の超音波射出面上に形成された共通電極と、各駆動電極と各々電気的に接続され、外部から印加される電圧を各駆動電極に供給するプリント配線板とを備えている。
【０００７】
しかしながら、圧電振動子とポリイミドフィルム内に配された銅配線に接合した半田材とを直接接合する方式によると、圧電振動子数の増加に伴って単位面積あたりの配線数の増加し、ポリイミドフィルム内に配された引き出し部分の銅配線の微細化が必要となる。従って、製造技術の難易度が高くなり、製造コストが上昇してしまう。また、この方式によると、配線の耐圧電性の低下に伴って信頼性が低下したり、半田材と圧電振動子の電極とを接合する際にズレが生じ、確実なコンタクトが難しくなってしまう。さらに、この方式によると、引き回し配線数が限られてしまうと共に、ポリイミドフィルムが有するフレキシブル性のために、精度の高い精密接合ができないといった問題が生じる恐れがある。
【０００８】
【特許文献１】
特開平８−１８６８９６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
高分解能の超音波画像を再現性良く得ることができる超音波トランスジューサを実現するためには、多数の微細な振動子と電極との接合や電気配線の引き回し等を、容易に、且つ、確実に行う必要がある。このため、振動子と電極とを接合する新たな方法や配線の新たな引き回し方法等の開発が望まれている。
【００１０】
そこで、上記の点に鑑み、本発明は、微細加工された多数の振動子への電極の接合や電気配線の引き回しを、容易に、且つ、確実に行うことができる超音波トランスジューサの製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、そのような製造方法によって製造された超音波トランスジューサを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するため、本発明に係る超音波トランスジューサは、第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子が所定の配列で配置されている配列振動子と、配列振動子を保持し、複数の振動子の第２の電極にそれぞれ対応する位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板と、第１の基板の複数の貫通孔に充填された半田と、半田によって第１の基板に形成されている複数の貫通孔を介して複数の振動子の第２の電極にそれぞれ電気的に接続された複数の電極が形成されている第２の基板とを具備する。
【００１２】
また、本発明に係る超音波トランスジューサの製造方法は、所定の位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板を準備する工程（ａ）と、第１の基板の第１の面上に、第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子を配置する工程（ｂ）と、第１の基板の第２の面上に、複数の電極が形成されている第２の基板を配置する工程（ｃ）と、第１の基板に形成されている複数の貫通孔に半田を配置し、該半田によって複数の振動子の第２の電極を第１の基板に形成されている複数の貫通孔を介して第２の基板の複数の電極に接合する工程（ｄ）とを具備する。
【００１３】
本発明によれば、振動子に形成された電極と第２の基板に形成された電極とを、第１の基板に形成された貫通孔に充填された半田によって接合するので、微細加工された多数の振動子への電極の接合や電気配線の引き回しを、容易に、且つ、確実に行うことができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。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、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサを示す断面図である。また、図２は、図１に示す超音波トランスジューサを示す平面図である。
【００１５】
図１に示すように、超音波トランスジューサ１００は、超音波の送信及び受信を行う複数の振動子（以下、単に「素子」ともいう）が２次元に配列された配列振動子を含んでいる。実際の超音波診断において用いられる配列振動子には、例えば、６０×６０個以上の多数（数千〜数万個）の素子が含まれるが、本実施形態においては、簡単のため、素子数を６×６個として説明する。また、超音波トランスジューサ１００においては、振動子として、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）に代表される圧電セラミックや、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  ｄｉｆｌｕｏｒｉｄｅ）に代表される高分子圧電素子等の圧電素子を用いることができる。本実施形態においては、振動子としてＰＺＴを使用している。
【００１６】
超音波トランスジューサ１００は、マトリックス状に配置された複数の振動子１１を含む配列振動子１０と、配列振動子１０を保持するインターレイヤ基板２０と、配列振動子１０に電圧を印加したり配列振動子１０が発生する電圧を入力したりするための電極や配線が形成されている配線基板３０とを含んでいる。配列振動子１０と、インターレイヤ基板２０と、配線基板３０とは、半田２１によって接合されている。
【００１７】
配列振動子１０に含まれる各振動子１１の両端には、電極１２、１３が形成されている。電極１２、１３としては、例えば、チタン（Ｔｉ）、プラチナ（Ｐｔ）、金（Ａｕ）を順に蒸着して形成した３層電極が用いられる。以下、このような電極を、Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ３層電極という。
【００１８】
それぞれの振動子１１に形成される電極のうち、インターレイヤ基板の反対側に形成される電極１２は、複数の電極の間で共通接続されても良い。この場合には、例えば、図３に示すように、配列振動子１０の上面に銀の薄膜を形成することによって共通電極１４を作製し、配列振動子１０の一つの側面に銅板１５を貼り付けることによって共通配線を作製する。
【００１９】
再び、図１を参照すると、複数の振動子１１の隙間は、例えば、アクリル系接着剤やエポキシ系接着剤等の固定材１６で満たされている。固定材１６は、振動子１１及び電極１２、１３を保持すると共に、振動子１１の振動を吸収し、振動子１１の振動が早く収まるようにする。これにより、振動子間における超音波の干渉を減らすことができる。また、マトリックス状に配置されている複数の振動子１１の外周にも固定材１６を形成することにより、複数の振動子１１を保護しても良い。
【００２０】
インターレイヤ基板２０は、配列振動子１０と配線基板３０とを接合するために設けられる中間層基板であり、例えば、シリコン（Ｓｉ）やポリイミド等によって形成されている。
インターレイヤ基板２０には、テーパ形状の貫通孔が、配列振動子１０に含まれる複数の振動子の配列に合わせてマトリックス状に形成されている。この貫通孔には、配列振動子１０とインターレイヤ基板２０と配線基板３０とを接合する半田２１が充填されている。即ち、半田２１により、振動子１１に形成されている電極１３と配線基板３０に形成されているマトリックス電極３２とが接続される。ここで、半田２１としては、一般的な半田を用いても良いし、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を用いても良い。
【００２１】
インターレイヤ基板２０の他方の面には、絶縁層２２が形成され、さらに、マトリックス状に形成されている複数の貫通孔の間を覆うように格子層２３が形成されている。絶縁層２２及び格子層２３は、貫通孔に充填された半田が浸みだして隣接する貫通孔に充填された半田と接触しないように、半田をブロックする。絶縁層２２や格子層２３としては、ポリイミドを含む絶縁性樹脂膜や、酸化シリコン（ＳｉＯ2）や窒化シリコン（ＳｉＮ）やアルミナ（Ａｌ2Ｏ3）等を含む誘電性絶縁膜等の材料を用いることができる。これらの材料は、耐熱性を有しており、例えば、融点が１５０℃〜２００℃程度の半田を用いる場合でも、十分に使用に耐えることができる。本実施形態においては、絶縁層２２としてＳｉＯ2膜を、格子層２３としてポリイミド絶縁膜を用いている。
【００２２】
配線基板３０は、例えば、石英ガラスウエハやポリイミド等によって形成される。配線基板３０とインターレイヤ基板２０とを接合する際のピッチ合わせや、接合状態の検査等の工程を考慮すると、配線基板３０には光透過性を有する材料を使用することが望ましい。特に、ポリイミドは超音波を吸収しやすいため、配線基板３０にポリイミドを用いると、受信した超音波が散乱しにくくなるという利点がある。
【００２３】
配線基板３０には、配線層３１と、マトリックス電極３２と、パッド電極３３とが形成されている。マトリックス電極３２は、インターレイヤ基板２０に配置されている複数の振動子１１の配列に合わせてマトリックス状に形成されている。また、パッド電極３３は、配線基板３０の周縁部に配置されている。配線層３１、マトリックス電極３２、及び、パッド電極３３としては、例えば、先に述べたようなＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ３層電極が用いられる。
【００２４】
さらに、配線層３１の上部に絶縁層３４を形成することにより、配線層を保護しても良い。絶縁層３４としては、例えば、ポリイミドを含む樹脂絶縁膜や、ＳｉＯ2、ＳｉＮ、又は、Ａｌ2Ｏ3を含む誘電体絶縁膜等の材料が用いられる。あるいは、これらの材料を積層し、複数種類の材料層を有する絶縁層３４を形成しても良い。本実施形態においては、絶縁層３４の材料として、ＳｉＯ2膜を使用している。
【００２５】
配線層３１又は絶縁層３４の上部において、複数のマトリックス電極３２の隙間には、格子層３５が形成されている。格子層３５は、インターレイヤ基板２０と配線基板３０とを接合する際に、半田２１が浸みだして隣接するマトリックス電極同士が短絡しないように、半田をブロックする。本実施形態においては、格子層３５の材料として、ポリイミドを使用している。
【００２６】
次に、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法について、図４〜図９を参照しながら説明する。
図４は、本実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配列振動子の製造工程を示すフローチャートである。また、図５は、配列振動子の製造工程を説明するための図である。
【００２７】
図４のステップＳ１１において、図５の（ａ）に示すように、ＰＺＴ板材１１０の両面に電極材１１１、１１２を形成する。Ｔｉ／Ｐｔ／Ａｕ３層電極を形成する場合には、例えば、層厚５００ÅのＴｉ層、層厚５００ÅのＰｔ層、層厚５０００ÅのＡｕ層を、順に真空蒸着する。
【００２８】
次に、ステップＳ１２において、図５の（ｂ）に示すように、電極材が形成されたＰＺＴ板材をＳｉ等の基板１５０にワックスで固定して切断する。切断された振動子が所定のマトリックス配置となるように、例えば、０．３ｍｍピッチのダイサーで切断する。
【００２９】
次に、ステップＳ１３において、図５の（ｃ）に示すように、切断された溝に、例えば、アクリル系接着剤やエポキシ系接着剤等の固定材１６を充填して固定する。
さらに、ステップＳ１４において、ワックスを溶解して基板を取り外す。このようにして、振動子がマトリックス配置された配列振動子が作製される。
【００３０】
次に、図６〜図８を参照しながら、インターレイヤ基板の製造工程について説明する。図６は、インターレイヤ基板の製造工程を示すフローチャートであり、図７及び図８は、インターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
まず、図６のステップＳ２１において、図７の（ａ）に示すように、ノンドープＳｉ基板１２０上に、ＳｉＯ2層１２１を形成する。ＳｉＯ2層１２１の形成方法としては、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いることができる。
【００３１】
次に、ステップＳ２２において、図７の（ｂ）に示すように、ＳｉＯ2層１２１上に、振動子の配列ピッチに合わせてマトリックス部分が開口するように、レジストパターン１２２を形成する。ここでは、例えば、フォトリソグラフィー法を用いる。
ステップＳ２３において、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）溶液等のエッチング液を用いて、開口しているマトリックス部分のＳｉＯ2層をエッチングする。これにより、図７の（ｃ）に示すように、開口しているマトリックス部分において、基板のＳｉ面が露出する。
【００３２】
ステップＳ２４において、図８の（ａ）に示すように、ステップＳ２２において形成されたレジスト材を、例えば、アセトンを用いて除去する。さらに、ステップＳ２５において、図８（ｂ）に示すように、基板１２０上にネガ感光性ポリイミド層１２３を、例えば、スピン塗布によって形成する。
【００３３】
ステップＳ２６において、ネガ感光性ポリイミド層１２３のマトリックス部分以外の領域、即ち、格子部分に紫外線を照射して現像する。これにより、図８の（ｃ）に示すように、格子層が形成され、基板のＳｉ面が再び露出する。
【００３４】
ステップＳ２７において、露出しているＳｉ面を、例えば、８０℃の水酸化カリウム溶液を用いて異方性エッチングを行う。これにより、図８の（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板に貫通穴が形成される。
【００３５】
次に、図９及び図１０を参照しながら、配線基板の製造工程について説明する。図９は、配線基板の製造工程を示すフローチャートであり、図１０は、配線基板の製造工程を説明するための図である。
まず、図９のステップＳ３１において、図１０の（ａ）に示すように、石英ガラスウエハ（基板）１３０に、例えば、スピン塗布によってネガ型レジスト層１３１を形成する。次に、ステップＳ３２において、ネガ型レジスト層１３１のパッド電極、マトリックス電極、及び、配線となる部分以外の領域に紫外線を照射して現像した後、図１０の（ｂ）に示すように、レジスト層１３１を逆テーパ形状にする。ここで、逆テーパ形状とするのは、この後で形成される３層の金属層はエッチングにより除去しにくい材料であるので、電極や配線として基板上に残される部分と、レジスト層と共に除去される部分とを分離しやすくするためである。
【００３６】
ステップＳ３３において、図１０の（ｃ）に示すように、基板１３０上に電極及び配線層１３２を形成する。例えば、３層電極及び配線を形成する場合には、真空蒸着法により、層厚５００ÅのＴｉ、層厚５００ÅのＰｔ、層厚５０００ÅのＡｕを順に積層する。
次に、ステップＳ３４において、リフトオフ法により、ステップＳ３１において形成されたレジスト層を除去する。これにより、レジストの上に形成された金属層も除去され、石英ガラス基板１３０上に、図１０の（ｄ）に示すように、電極及び配線層１３２が残る。
【００３７】
ステップＳ３５において、図１０の（ｅ）に示すように、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いて、基板１３０上に層厚２０００ÅのＳｉＯ2層１３３を形成する。次に、ステップＳ３６において、フォトリソグラフィー法により、パッド電極３３及びマトリックス電極３２部分（図２参照）が開口するように、レジストパターンを形成する。さらに、ステップＳ３７において、ＢＨＦ溶液等を用いてエッチングし、開口部のＳｉＯ2層を除去し、開口部に３層電極のＡｕ層が露出するようにする。次に、ステップＳ３８において、ステップＳ３６において形成されたレジスト材をアセトン等を用いて除去すると、図１０の（ｆ）に示すようになる。なお、絶縁層３４（図１参照）を設けない場合には、ステップＳ３５〜Ｓ３８は省略される。
【００３８】
ステップＳ３９において、図１０の（ｇ）に示すように、基板１３０上にネガ感光性ポリイミド層１３４を、例えば、スピン塗布によって形成する。次に、ステップＳ４０において、マトリックス電極３２周辺の格子部分に紫外線を照射してネガ感光性ポリイミド層１３４を現像する。これにより、図１０の（ｈ）に示すように、格子層３５が形成される。
【００３９】
次に、上記のようにして作製された配列振動子と、インターレイヤ基板と、配線基板とを接合する工程について、図１１〜図１３を参照しながら説明する。
図１１は、配列振動子とインターレイヤ基板とを接合する工程を説明するための図である。図１１の（ａ）に示すように、石英チャンバ１内に設置されたヒーター板２に配列振動子１０を戴置し、その上に、インターレイヤ基板２０を、複数の振動子１１にそれぞれ形成されている電極１３と、インターレイヤ基板２０にマトリックス状に形成されている複数の貫通孔とが相対するように重ね合わせる。インターレイヤ基板は、テーパ形状に形成された貫通孔の径の小さい方（図中下側）が配列振動子１０側となるように配置する。さらに、インターレイヤ基板２０のそれぞれの貫通孔に、ボール形状の半田（半田ボール）２１をそれぞれ配置する。半田ボール２１は、例えば、鉛−スズ−銀合金（ＰｂＳｎＡｇ）を材料とする低融点半田であり、その直径は、インターレイヤ基板２０の厚さより大きく、且つ、貫通孔の径の大きい方（図中上側）以下である。
【００４０】
或いは、半田２１として、樹脂入り半田を用いても良い。図１２は、樹脂入り半田を示す断面図である。図１２の（ａ）に示すように、樹脂入り半田２１は、樹脂材２１ａと、樹脂材２１ａの周囲に形成された導電性電極層２１ｂと、半田層２１ｃとを含んでいる。樹脂材２１ａとしては、ジビニルベンゼン、ポリイミド、ポリスチレン、ポリカーボネイト等の材料が用いられる。また、導電性電極層２１ｂとしては、銅やニッケルを含む金属や合金等が用いられる。さらに、半田層２１ｃとしては、鉛−スズ−銀合金（ＰｂＳｎＡｇ）等の材料が用いられる。図１２の（ｂ）に示すように、このような樹脂入り半田を、相対する電極２４及び２５の間に配置して加熱すると、半田層２１ｃが熔融し、電極２４と電極２５とが接続される。ここで、樹脂入り半田の形状は、ボール形状に限られず、例えば、図１２の（ｃ）や（ｄ）に示すように、立方体、柱状、錘状等でも良い。
【００４１】
再び、図１１を参照すると、石英チャンバ１内をアルゴン等の不活性ガスで満たし、ヒーター板２に通電することにより、半田２１を融点付近（例えば、１２０℃）まで上昇させる。ここで、半田の加熱を不活性ガス雰囲気中で行うのは、半田が酸化するのを防ぐためである。これにより、図１１の（ｂ）に示すように、インターレイヤ基板２０に形成された貫通孔内で半田２１の一部（図中下部）が熔融し、相対する電極１３の表層（Ａｕ層）と接合される。このとき、半田２１の上部が、ボール形状の一部を残したままインターレイヤ基板２０から突出しているようにする。この後、ヒーター板２への通電を止め、石英チャンバ内で配列振動子１０及びインターレイヤ基板２０を冷却する。
【００４２】
図１３は、インターレイヤ基板と配線基板とを接合する工程を説明するための図である。
図１３に示すように、配列振動子１０と接合されたインターレイヤ基板２０の上に、配線基板３０を、電極及び配線が形成されている面を下向きにして重ね合わせる。ここで、配線基板３０の位置は、配線基板３０に形成されたマトリックス電極３２と、インターレイヤ基板２０に形成された貫通孔に充填された半田２１とが、それぞれ相対するように調節される。位置調節は、配線基板３０として石英ガラスやポリイミド等の光透過性を有する材料を使用している場合には、予め基板に合わせマークを記しておくことにより、容易に行うことができる。一方、配線基板３０として光透過性を有しない材料を使用している場合でも、予め配線基板３０やインターレイヤ基板２０に目合わせためのマークや貫通穴を形成しておくことにより、位置調節を行うことができる。
【００４３】
再び、石英チャンバ１内をアルゴン等の不活性ガスで満たし、ヒーター板２に通電することにより、半田２１の温度を融点付近まで上昇させる。これにより、インターレイヤ基板２０に形成された貫通孔内に充填された半田２１の上部におけるボール形状の一部が熔融し、半田２１に相対して配置されている配線基板３０上のマトリックス電極３２と接合される。
【００４４】
以上説明したように、本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサが作製される。この後、超音波トランスジューサの周縁部に設けられたパッド電極に、振動子を駆動させるための駆動信号や振動子が検出した検出信号を送受信するための配線が、ワイヤボンディングによって接続される。
【００４５】
なお、本実施形態においては、配列振動子とインターレイヤ基板とを接合した後に、インターレイヤ基板と配線基板とを接合したが、配列振動子とインターレイヤ基板とを重ねて半田ボールを配置した後に配線基板を重ね、これらを同時に接合しても良い。
【００４６】
次に、本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサについて説明する。図１４は、本実施形態に係る超音波トランスジューサを示す断面図である。
図１４に示すように、超音波トランスジューサ２００においては、インターレイヤ基板６０が段差を有する構成となっている。インターレイヤ基板６０には、第１の実施形態と同様に、半田６１が充填される貫通孔、絶縁層６２、格子層６３が形成されている。さらに、配線基板７０には、第１の実施形態と同様に、配線層７１、マトリックス電極７２、パッド電極７３、絶縁層７４、格子層７５が形成されている。
【００４７】
配列振動子５０に含まれる複数の振動子５１は、インターレイヤ基板６０に設けられた複数の段に渡って配置されている。それぞれの振動子５１には、電極５２、５３が形成されており、複数の振動子５１の間には、振動子５１を保持すると共に超音波の振動を吸収する固定材５６が充填されている。
【００４８】
このように、配列振動子に段差を設けることにより、近接する振動子の間で生じる超音波の干渉を減らすことができる。なお、超音波トランスジューサ２００の平面図は、図２と同様である。
【００４９】
本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法について、図１５〜図１９を参照しながら説明する。図１５は、本実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法を示すフローチャートである。また、図１６は、段差を有するインターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
図１５のステップＳ５１において、図１６の（ａ）に示すように、ノンドープＳｉ基板２０１にレジスト材２０２を塗布し、ＢＨＦ溶液等を用いて１回目のエッチングを行う。アセトン等を用いてレジスト材２０２を除去すると、図１６の（ｂ）に示すように、段差が形成される。
【００５０】
次に、ステップＳ５２において、図１６の（ｃ）に示すように、１段の段差が形成された基板２０１にレジスト材２０３を塗布し、ＢＨＦ溶液等を用いて２回目のエッチングを行う。アセトン等を用いてレジスト材２０３を除去すると、図１６の（ｄ）に示すように、複数の段差が形成されたノンドープＳｉ基板が作製される。
このように、２回のエッチングを行うことにより、３段を有する凸型のインターレイヤ基板が形成される。段数を増やしたい場合には、さらに、エッチングを繰り返せば良い。
【００５１】
このようにして作製された段差を有するインターレイヤ基板の上に、配列振動子を形成する。図１７は、段差を有する配列振動子の製造工程を説明するための図である。ステップＳ５３において、図１７の（ａ）に示すように、基板２０１の凸部に、振動子に電圧を印加するために用いられる電極２０４を形成する。例えば、フォトリソグラフィー法等により、電極が形成される部分が開口したレジスト層を形成し、層厚５００ÅのＴｉ層と、層厚５００ÅのＰｔ層と、層厚５０００ÅのＡｕ層とを、真空蒸着法等によって順に積層し、リフトオフ法等によってレジスト層を除去することにより、３層電極を形成する。
【００５２】
次に、ステップＳ５４において、図１７の（ｂ）に示すように、プラズマＣＶＤ法等により、基板２０１上にＳｉＯ2層２０５を形成し、その後に、図１７の（ｃ）に示すように、フォトリソエッチング法等により、ステップＳ５３において形成された電極２０４の部分において、ＳｉＯ2層２０５を除去する。
【００５３】
ステップＳ５５において、図１７の（ｄ）に示すように、基板２０１上にＰＺＴ層２０６をスパッタ法等で形成する。さらに、ステップＳ５６において、図１７の（ｅ）に示すように、ＰＺＴ層２０６の上に、真空蒸着法等によってＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ３層電極層２０７を形成する。
【００５４】
ステップＳ５７において、電極層２０７及びＰＺＴ層２０６を、例えば、０．３ｍｍピッチのダイサーで切断する。ここで、切断は、電極２０４の高さに達するまで行う。このようにして、図１８の（ａ）に示すように、振動子５１及び電極５２、５３が作製される。さらに、ステップＳ５８において、ダイサーで切断された溝に、アクリル系接着剤やエポキシ系接着剤等の固定材５６を充填し、固定する。これにより、図１８の（ｂ）に示すように、段差を有する配列振動子５０が形成される。
【００５５】
次に、ステップＳ５９において、図１８の（ｃ）に示すように、配列振動子が形成されていない基板面（図中上側）に、ＳｉＯ2層と、格子層と、テーパ形状の貫通孔とが形成される。これらの工程については、第１の実施形態において図６を参照しながら説明した工程と同様である。ここで、本実施形態において、半田が充填される貫通孔は、電極５３に達するまで形成される。このようにして、配列振動子５０が形成されたインターレイヤ基板６０が作製される。
さらに、ステップＳ６０において、配線基板７０が作製される。配線基板７０の製造工程は、第１の実施形態と同様である。
【００５６】
このようにして作製された配列振動子とインターレイヤ基板と配線基板とを接合する工程について、図１９を参照しながらを参照しながら説明する。
図１９の（ａ）に示すように、石英チャンバ３内に、配列振動子５０及びインターレイヤ基板６０を、インターレイヤ基板６０が上側になるように保持する。さらに、インターレイヤ基板６０に形成されている複数の貫通孔に、それぞれ適当な数のボール形状の半田（半田ボール）６１を配置する。半田ボール６１は、例えば、鉛−スズ−銀合金（ＰｂＳｎＡｇ）を材料とする低融点半田であり、その直径は、貫通孔の内径の大きい方（図中上側）以下である。ここで、半田６１として、第１の実施形態と同様に、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を用いても良い。
【００５７】
次に、石英チャンバ３内を、アルゴン等の不活性ガスで満たし、貫通孔に配置された半田にレーザ光を照射する。これにより、半田６１の一部（図中下部）は、融点付近の温度（例えば、１２０℃）まで加熱され、貫通孔内を埋めるようにして電極５３と完全に接合される。このとき、半田の上部が、ボール形状の一部を残したままインターレイヤ基板６０から突出しているようにする。この後、レーザ光の照射を止め、石英チャンバ内で配列振動子５０及びインターレイヤ基板６０を冷却させる。
【００５８】
次に、図１９の（ｂ）に示すように、石英チャンバ３内に設置されたヒーター板４に、配列振動子と完全に接合されたインターレイヤ基板６０を戴置し、さらに、配線基板７０を、電極及び配線が形成されている面を下向きにして重ねる。ここで、配線基板７０の位置は、配線基板７０に形成されたマトリックス電極７２と、インターレイヤ基板６０に形成された貫通孔に充填された半田６１とが、それぞれ相対するように調節される。
【００５９】
再び、石英チャンバ３内をアルゴン等の不活性ガスで満たし、ヒーター板４に通電することにより、半田６１の温度を融点付近まで上昇させる。これにより、半田６１が熔融し、半田６１に相対して配置されている配線基板７０上のマトリックス電極７２と接合される。
【００６０】
本実施形態においては、超音波トランスジューサの形状が凸型となるように、配列振動子に段差が設けられているが、例えば、凹型のように、中央部に位置する振動子が低くなるように、段差を設けても良い。即ち、配列振動子が複数の段を有する超音波トランスジューサを作製する場合であれば、本実施形態を適用することができる。
また、配列振動子とインターレイヤ基板とを接合する際に、半田の加熱にレーザ光を用いるので、半田の熔融を高精度かつ再現性高く制御することができる。
【００６１】
以上説明した第１及び第２の実施形態において、振動子の増加に伴って配線基板上の配線が不可能な場合には、配線基板上に層間絶縁膜を設けることにより、複数の層に渡って配線を形成する多層配線を行っても良い。
また、第１及び第２の実施形態においては、配列振動子に含まれる複数の振動子は２次元マトリックス状に配置されているとして説明したが、配置の仕方はこれに限らず、例えば、複数の振動子を同心円状に配置しても良い。
【００６２】
さらに、第１及び第２の実施形態において、複数の振動子に形成されている電極と配線基板に形成されているマトリックス電極とを接続する際に、樹脂入り半田を用いる場合には、それぞれの振動子において発生し、又は、受信された超音波振動が樹脂入り半田に含まれる樹脂材によって吸収されるので、振動子における音響的な反射が低減され、超音波トランスジューサの感度を一層向上させると共に分解能を高めることができる。
【００６３】
以上説明したような本発明の好ましい実施形態をまとめると、次のようになる。
本発明に係る超音波トランスジューサは、第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子が所定の配列で配置されている配列振動子と、配列振動子を保持し、複数の振動子の第２の電極にそれぞれ対応する位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板と、第１の基板の複数の貫通孔を介して複数の振動子の第２の電極にそれぞれ電気的に接続された複数の電極が形成されている第２の基板とを具備する。
【００６４】
ここで、複数の振動子は、２次元マトリックス状に配置されても良く、また、同一平面上に配列されても良い。或いは、第１の基板が、複数の段を有し、複数の振動子が、第１の基板の複数の段に渡って配置されても良い。
【００６５】
第１の基板は、シリコン基板、又は、ポリイミド基板を含んでも良い。また、第１の基板に形成されている複数の貫通孔は、テーパ形状を有することが望ましい。さらに、第１の基板は、複数の貫通孔の周囲に形成されている絶縁層を含んでも良い。この絶縁層は、ポリイミド樹脂を含む絶縁性樹脂膜と、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含む誘電性絶縁膜との内の少なくとも一方を含んでも良い。
【００６６】
第２の基板は、光透過性を有することが望ましい。このような第２の基板は、石英ガラス基板、又は、ポリイミド基板を含んでも良い。また、第２の基板は、複数の電極が形成されている領域の周囲に形成されている絶縁層を有することが望ましい。この絶縁層は、ポリイミド樹脂を含む絶縁性樹脂膜と、酸化シリコン（ＳｉＯ2）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、又は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）を含む誘電性絶縁膜との内の少なくとも一方を含んでも良い。
【００６７】
上記複数の振動子の第２の電極と上記第２の基板に形成されている複数の電極とは、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を用いてそれぞれ接続されても良い。
【００６８】
また、本発明に係る超音波トランスジューサの製造方法は、所定の位置に複数の貫通孔が形成されている第１の基板を準備する工程（ａ）と、第１の基板の第１の面上に、第１の電極及び第２の電極がそれぞれ形成されている複数の振動子を配置する工程（ｂ）と、第１の基板の第２の面上に、複数の電極が形成されている第２の基板を配置する工程（ｃ）と、第１の基板に形成されている複数の貫通孔に半田を配置し、該半田によって複数の振動子の第２の電極を第１の基板に形成されている複数の貫通孔を介して第２の基板の複数の電極に接合する工程（ｄ）とを具備する。
【００６９】
ここで、工程（ａ）は、第１の基板に形成されている複数の貫通孔の周囲に絶縁層を形成すること含んでも良い。また、工程（ａ）は、第１の基板に、異方性エッチング加工によってテーパ形状の複数の貫通孔を形成することが望ましい。
工程（ｂ）は、振動子の板材を所定のピッチで切断することにより、複数の振動子を作製することが望ましい。
【００７０】
また、工程（ｂ）は、複数の振動子を同一平面上に配置することを含んでも良い。或いは、工程（ａ）が、第１の基板に複数の段を形成することを含み、工程（ｂ）が、複数の振動子が第１の基板の複数の段に渡って複数の振動子を配置することを含んでも良い。
工程（ｃ）は、第２の基板の第２の電極が形成されている領域の周囲に絶縁層を形成することを含んでも良い。
【００７１】
工程（ｄ）は、複数の振動子と、複数の貫通孔に半田ボールがそれぞれ配置された第１の基板と、第２の基板とを重ね合わせる工程と、該半田ボールを熔融させることにより、複数の振動子と第１の基板と第２の基板とを同時に接合する工程とを含んでも良い。
【００７２】
また、工程（ｄ）は、複数の貫通孔に半田ボールがそれぞれ配置された第１の基板の第１の面に複数の振動子を重ね合わせる工程と、ボール形状の一部を残したまま該半田ボールを熔融させることにより、複数の貫通孔に半田を充填すると共に複数の振動子と第１の基板とを接合する工程と、第１の基板の第２の面に第２の基板を重ね合わせる工程と、該半田ボールのボール形状の一部を熔融させることにより、第１の基板と第２の基板とを接合することを含んでも良い。さらに、工程（ｄ）は、レーザ光を用いて半田を熔融させることを含んでも良い。
【００７３】
また、工程（ｄ）は、樹脂材と該樹脂材の周囲に形成された導電性電極層及び半田層とを含む樹脂入り半田を上記第１の基板に形成されている複数の貫通孔に配置することを含んでも良い。
【００７４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、インターレイヤ基板を設けることにより、微細加工された多数の振動子への配線の接合及び配線の引き回しを容易に行うことができる。また、インターレイヤ基板を設けることにより、振動子と配線との接合において半田の浸み出しを防ぐと共に確実な接合を行って、製造歩留まりを向上させることができる。特に、インターレイヤ基板にテーパ形状の貫通孔を形成し、この貫通孔に半田ボールを配置してから基板等を接合する方法によれば、半田ボールがインターレイヤ基板から脱落する心配がないので、効率良く、確実な作業を行うことができる。従って、多数の振動子が高集積化された２次元トランスジューサの実現が可能となり、そのような２次元トランスジューサを含む超音波用プローブを用いることにより、高画質の超音波画像を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサを示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサを示す平面図である。
【図３】図１の超音波トランスジューサの変形例を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配列振動子の製造工程を示すフローチャートである。
【図５】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配列振動子の製造工程を説明するための図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法におけるインターレイヤ基板の製造工程を示すフローチャートである。
【図７】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法におけるインターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法におけるインターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配線基板の製造工程を示すフローチャートである。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配線基板の製造工程を説明するための図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配列振動子とインターレイヤ基板とを接合する工程を説明するための図である。
【図１２】樹脂入り半田を示す断面図である。
【図１３】本発明の第１の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法におけるインターレイヤ基板と配線基板とを接合する工程を説明するための図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサを示す断面図である。
【図１５】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法を示すフローチャートである。
【図１６】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における段差を有するインターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における段差を有する配列振動子の製造工程を説明するための図である。
【図１８】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法における配列振動子が形成されたインターレイヤ基板の製造工程を説明するための図である。
【図１９】本発明の第２の実施形態に係る超音波トランスジューサの製造方法におけるインターレイヤ基板と配線基板とを接合する工程を説明するための図である。
【符号の説明】
１、３  石英チャンバ
２、４  ヒーター板
１０、５０  配列振動子
１１、５１  振動子
１２、１３、２４、２５、５２、５３  電極
１４  共通電極
１５  銅板
１６、５６  固定材
２０、６０  インターレイヤ基板
３０、７０  配線基板
２１、６１  半田
２１ａ  樹脂材
２１ｂ  導電性電極層
２１ｃ  半田層
２２、３４、６２、７４、１２１、１３３、２０５  絶縁層
２３、３５、６３、７５  格子層
３１、７１  配線層
３２、７２  マトリックス電極
３３、７３  パッド電極
１００、２００  超音波トランスジューサ
１１０  ＰＺＴ板材
１１１、１１２  電極材
１１５  Ｓｉ等の基板
１２０、２０１  ノンドープＳｉ基板
１２２  レジストパターン
１２３、１３４  ネガ感光性ポリイミド層
１３０  石英ガラスウエハ（基板）
１３１  ネガ型レジスト層
１３２  電極及び配線層
２０２、２０３  レジスト材
２０４  電極
２０６  ＰＺＴ層
２０７  電極層
【図１】
0003985866.tif 000002
【図２】
0003985866.tif 000003
【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】
0003985866.tif 000016
【図１６】
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【図１７】
0003985866.tif 000018
【図１８】
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【図１９】
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