JP4958631B2 - 超音波送受信デバイス及びそれを用いた超音波探触子 - Google Patents

Description

本発明は、超音波を送受信するための超音波送受信デバイス及びそれを用いた超音波探触子に関する。

従来の被検体を超音波で検査する分野で適用されている超音波探触子としては、例えば、特許文献１に開示されている。この探触子は、シリコン基板上に支持体、ギャップ（空洞部）、絶縁層、上部電極、保護膜により構成されている。上部電極とシリコン基板間との間にＤＣ電圧を印加してある一定の位置まで、ギャップを縮めておき、更にＡＣ電圧を印加させて、ギャップを縮めて、電圧印加を停止させてギャップを元に戻すことで超音波を送信する構造である。また、被検体に当たり反射してくる超音波により、上部電極とシリコン基板との間の容量変化を検出する超音波を受信する機能も兼ね備えている。

特許文献２においては、第１電極上に形成された空洞層に絶縁膜の突起を形成し、空洞層を取り囲むメンブレン（絶縁膜）が下部電極に接触するのを防止し、メンブレンに電荷が注入されないようにした構造が開示されている。

特許文献３においては、上部電極又は下部電極の空洞部側に電極短絡防止膜を形成して、電気・音響変換素子の電気・音響変換特性を安定化させる技術が開示されている。

特許文献４においては、空洞層よりも下部電極を大きくして容量検出型超音波トランスデユーサの動作信頼性向上を図る技術が開示されている。

特許文献５においては、上部電極と下部電極の間に設けられた空洞層及び前記電極により与えられる電荷を蓄積する電荷蓄積層を設け、電荷蓄積量のモニタを行うことにより、素子特性のドリフトを抑制する技術が開示されている。

特表２００３−５００９５５号公報 特開２００７−７４２６３号公報 特開２００６−３５２８０８号公報 特開２００６−２１１１８５号公報 特開２００７−０７４０４５号公報

静電駆動により、超音波を送受信する超音波探触子では、高密度に超音波トランスデューサを形成する必要がある。そこで、半導体製造技術、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術による微細加工を適用する。これらの微細加工技術は、シリコンをベース基板としたものであり、その上に絶縁膜、金属膜を積層して、フォトリソグラフィー、エッチングによりパターンを形成する。特許文献１にあるように、上部電極は、超音波送受信のときに振動するため、繰返し応力が加わり、疲労破壊やクリープ変形を起こしやすく、超音波送受信デバイスの信頼性への影響が大きい。

本発明の目的は、静電駆動により、超音波を送受信して、被検体を検査する超音波探触子に用いる超音波送受信デバイスの駆動電極の疲労破壊やクリープ変形を低減する構造を提供し、信頼性を向上させることである。

上記の課題を解決するために、本発明は、半導体基板、下部電極、ギャップ、第１の絶縁膜、上部電極、第２の絶縁膜、配線層、第３の絶縁膜とが順次積層された積層体を備え、前記下部電極と上部電極との間に電圧を印加するように構成され、前記上部電極と前記配線層とが、貫通配線により電気的に接続された構造を有する超音波送受信デバイスを提供するものである。

本発明は、上記超音波送受信デバイスの、振動による応力中心面に配線層を配置し、その配線層と上部電極を、上記振動による超音波送受信デバイスの変形による圧縮応力場と引張応力場の境界点近傍に配置した貫通配線によって電気的に接続し、上記送受信デバイス内に発生する応力を可能な限り低下させ、送受信デバイスの疲労破壊やクリープ変形を低減するものである。

その具体的な方法として、以下の方法がある。超音波送受信デバイスにおいて、半導体基板の上に設けられた下部電極と、下部電極より上に設けられたギャップと、ギャップの上に設けられた第１の絶縁膜と、第１の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、上部電極よりも上に設けられた第２の絶縁膜と、第２の絶縁膜の上に設けられた配線層と、配線層の上に設けられた第３の絶縁膜とを備え、上部電極と前記配線が、貫通配線により電気的に接続した構造とするもので、上記配線層は送受信デバイスの作動変形時の応力中心面（上下電極、絶縁膜及びギャップの積層方向における応力中心面）に配置され、上記貫通配線は送受信デバイスの平面方向に発生する圧縮応力場（平面の中心側）と引張応力（圧縮応力場の外側）の境界点近傍に配置される。なお、平面の圧縮応力場と引張応力場は上部電極の振動に伴って、交互に入れ替わる。

本発明によれば、静電駆動により、超音波を送受信して、被検体を検査する超音波探触子に用いる超音波送受信デバイスの駆動電極の疲労破壊やクリープ変形を低減することができる。また、上部電極に電力を供給する配線と配線を兼用した下部電極との間の絶縁膜を厚膜にした場合には、絶縁耐圧を高める構造が提供され、信頼性を向上させることができる。

本発明の超音波送受信デバイスにおいて、上部電極と下部電極とに印加された駆動電圧によって、上部電極が振動するとき、上部電極とともに、上部電極側の第１、第２、第３の絶縁膜も振動し、繰り返し応力が発生する。特に、前記配線層は、電力ロスを低減するためにある程度の厚みが必要で（例えば１００〜１０００ｎｍ、特に３００〜８００μｍが好ましい）、構造体として変形する。そのため、配線層を振動変形の応力中心面に形成することで、疲労やクリープ変形を低減することができる。この場合、第１の絶縁膜上の上部電極は、応力が発生するため、耐クリープ性の材料、例えばポリシリコン、タングステンまたはシリコン添加チタンで構成するのが好ましい。この中で、ポリシリコンが特に好ましい。

本発明において、上部電極は成るべく薄く、例えば数ｎｍ〜数十ｎｍが好ましく、これによりクリープ変形や疲労破壊を低減することができる。

また、上部電極が金属であっても、十分に薄ければ応力分布が小さくなるため、薄膜電極とすることも良い。また、前記の貫通配線の形成する位置も、振動変形により発生する応力変動の小さい位置に設けることが好ましい。また、上記の電極層の形状は、変形の均一性を考慮して、円形またはリング状が好ましい。

以下、本発明の実施の形態について図１〜図１２を用いて説明する。

（実施例１）
図１は、本発明の一実施形態における超音波探触子の上面図である。図１に示すように、超音波送受信デバイス１０は、複数の超音波送受信セル１０ａを高密度（例えば１万〜数万／ｃｍ^２）に配列して構成される。超音波送受信デバイス１０は、上部電極１８と下部電極１４との間にギャップ１６を設けた構造であり、上部電極１８と下部電極１４との間に電気信号（電圧）を印加して、ギャップ１６上の膜を振動させることで超音波を送受信する。上部電極１８は、配線１３により個々の上部電極１８と配線層２３が電気的に接続されており、下部電極１４は、基板上に大きな膜として、複数の超音波受信セル１０ａにまたがって形成されている。

図示した８個の超音波送受信セル１０ａの周囲にも他の超音波送受信セルが配列されているが、図示は省略してある。本実施例では、高密度に配列するために、超音波送受信セル１０ａを六角形としているが、多角形または円形、その他の形状でも良い。

図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の一実施形態における超音波送受信デバイスの図１中Ａ−Ａ断面図、およびＢ−Ｂ断面図である。図２に示すように、超音波送受信デバイス１０は、シリコン基板１１上にシリコン基板１１と下部電極１４とを絶縁する第４の絶縁膜１２、電気信号を伝達する下部電極１４、上部電極１８、配線層２３および配線１３、下部電極１４と上部電極１８とを絶縁する第５の絶縁膜１５、ギャップ上部膜を振動させる、空気または真空を有するギャップ１６、下部電極１４と上部電極１８とを絶縁する第１の絶縁膜１７、上部電極１８、ギャップ上部膜の変位を低減させる第２の絶縁膜１９および第３絶縁膜２０、上部電極１８に電気信号を伝達する配線１３および貫通配線２２、超音波送受信デバイス１０を保護する保護膜２１で構成される。なおここで、第１〜第３の絶縁膜（１７，１９，２０）及び上部電極１８を合わせてギャップ上部膜と称する。

超音波送受信デバイス１０を備えた超音波探触子１を図１２に示す。超音波探触子１は、医療機関における人体の検査（心臓、血管などの循環器検査、腹部検査など）に用いられる。超音波探触子１は、バッキング材料からなる本体９０の先端に超音波送受信デバイス１０を備えており、超音波送受信デバイス１０からは、コネクタ９１につながる配線９２が接続されている。コネクタ９１は、超音波送受信デバイス１０から配線９２を有するフレキシブル基板９６とを接続し、フレキシブル基板９６のコネクタ９１を介して、外部接続システム（図示せず）と接続する。外部接続システム（図示せず）は、超音波送受信デバイス１０に電気信号を与えて駆動させるとともに被検体９５からの受波を画像化させるものである。超音波送受信デバイス１０の先には、被検体と音響インピーダンスをマッチングさせるシリコーンゴム又はシリコーン樹脂からなる整合層９３を備えている。

超音波送受信デバイス１０のシリコンと被検体との間の音響インピーダンスが大きいため、その界面で反射が大きくなる。整合層９３は、この反射を小さくするために、音響インピーダンスをマッチングさせるシリコーンゴム又はシリコーン樹脂を入れている。

整合層９３の先には、超音波送受信デバイス１０から発生した超音波を被検体方向にフォーカスするためのシリコン樹脂の音響レンズ９４を備えている。超音波送受信デバイス１０は、整合層９３、音響レンズ９４を経て、人体等の被検体９５に超音波を送受信する。超音波送受信デバイス１０、整合層９３、音響レンズ９４を一体に積層し、これをケース（図示せず）に収納して、超音波探触子１を構成する。なお、音響レンズ９４の一部（先端部）は披検体９５に接触するため、露出する。

超音波の送受信の動作について、図３を用いて説明する。超音波の送信を行うためには、まず下部電極１４と上部電極１８の間に電源２７より供給された直流電圧を印加（２５）して静電力によりギャップ１６を一定位置まで縮めた状態にする。この状態で、電源２７は、さらに両電極１４、１８間に交流電圧を印加し、振幅の大きさが振動する静電力２８を発生させ、ギャップ１６上部の第１、第２、第３の絶縁膜１７、１９、２０および上部電極１８、配線層２３を振動させることによって、超音波２６を発生させる。

一方、超音波の受信を行うためには、あらかじめ直流電圧印加２５により、ギャップ１６を変形させておき、被検体から反射した超音波２９をギャップ１６に入射することでギャップ１６が伸縮し、上部膜１７、１９、２０、上部電極１８、配線層２３に振動を誘起する。この際に、下部電極１４と上部電極１８との間隔が変化して静電容量が変化し、これによって生じた交流電流を検出回路（図示せず）でとらえることで行う。

図４は、本発明の一実施形態における超音波送受信デバイスの１個の超音波送受信セル１０ａの上面の部分分解図である。配線層２３は、上部電極１８と同様六角形である。貫通配線２２は円柱状である。貫通配線の平断面の直径は、５〜６μｍ程度が好ましい。

ここで、図１１を用いて、配線層２３および貫通配線２２の設置位置を説明する。特許文献２の図３（ｂ）には、上部電極３０７と下部電極３０２に駆動電圧を印加し、電極間に形成されたギャップの変形を利用して、ギャップを取り囲む絶縁膜３０５、上部電極を取り囲む絶縁膜３０８、下部電極を取り囲む絶縁膜３０１を変形させるが、ギャップが小さくなったときに、上部電極の上下にある絶縁膜３０８，３０５には応力が発生する。この変形は比較的厚みのある構造体の変形であるため、その厚さ方向の中心部（応力中心面）の上部では圧縮応力場６２が、下部では引張応力場６１が発生する。

上部電極は上下に振動するため、圧縮応力場と引張応力場は、振動にあわせて交互に入れ替わる（図面では、応力中心面の貫通配線の左右）ことになる。また、引張応力場に上部電極及び配線が配置されているため、上部電極の駆動による応力の変動が大きく、電極材の疲労破壊やクリープ変形が発生しやすい。

図１１は、本発明の実施形態による超音波送受信デバイスの構成・作用を説明するための断面略図である。図において、応力中心場６３に配線層２３を形成しているため、上部電極１８の駆動による応力変動が小さく、疲労破壊やクリープ変形の影響を軽減できる。

なお、上部電極１８は耐クリープ性の材料が良く、製造プロセスを考慮するとポリシリコンやタングステンが好ましいが、その他の材料、例えばシリコンを添加したチタンなどでも良い。

次に、貫通配線２２の設置場所を説明する。特許文献２の図３〔ｂ〕に示すように、超音波送受信セルの中央から上下方向に離れた場所付近は、応力変動が大きいため、貫通配線の設置には不適である。そのため、超音波送受信セルの中心から平面方向に離れた場所にも、図１１に示すように、引張応力場７２と圧縮応力場７１が交互に発生する。そのため、貫通配線２２は、引張応力場７２と圧縮応力場７１の中間点７３（又は引張応力場７２と圧縮応力場７１の境界近傍）に形成することが良い。なお、圧縮応力場７１と引張応力場７２は上部電極１８、絶縁膜１７、２０、配線層２３及びギャップ１６の変形によって形成される。

図１３は、図１１で説明した前記ギャップ上部膜の応力場の状態を模式的に示した図である。ギャップ上部膜が下部電極１４側に接近した状態を示しており、応力中心面１００に対して、圧縮応力場１０１、１０３、引張応力場１０２、１０４が発生する。従って、貫通配線２３は応力が最も小さい応力の中心位置に存在する。

（実施例２）
図５には、本発明の第２の実施例を示す。配線層３３の大きさが、上部電極１８よりも小さく、貫通配線２２が内接するまで、後退した程度の大きさである。上部電極の駆動に寄与しない配線層を削除した構造である。その結果、配線層や絶縁膜に対する余分な拘束力が無くなり、クリープ疲労が少なくなる。

（実施例３）
図６には、本発明の第３の実施例を示す。配線層３４の形状が、貫通配線２２を頂点とする六角形である。図５で示した配線層３３の不要な部分を更に削除した構造である。この場合も、実施例２と同様な効果が期待できる。

（実施例４）
図７には、本発明の第４の実施例を示す。配線層３５の平断面形状が、円形である。上部電極と上部電極上下の絶縁膜の駆動による変形が均一となりやすい。そのため、駆動によるギャップの変動が安定し、超音波送受信特性も良好となる。

（実施例５）
図８には、本発明の第５の実施例を示す。図１０は、図８のＣ−Ｃ断面図である。配線層３５の形状は円形であるが、さらに、貫通配線５２がリング状となっている。このため、上部電極の駆動による変形がさらに安定し、超音波送受信特性も良好となる。また、超音波送受信デバイスの製造が容易になる。

（実施例６）
図９には、本発明の第６の実施例を示す。貫通配線５２はリング状であるが、さらに、配線層３６もリング状である。上部電極の駆動に寄与しない部分を全て削除した構造である。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施形態によれば、上部電極１８に信号を伝達し、電力を供給する配線１３と配線を兼用している下層電極１４との間の第２の絶縁膜の厚みが厚くなるため、絶縁耐圧が向上する効果もある。

本発明の実施形態による超音波探触子の上面図。 本発明の一実施形態による超音波送受信デバイスの断面図で、（ａ）は図１のＡ−Ａ線に沿った断面図、（ｂ）は図１のＢ−Ｂ線に沿った断面図。 本発明の実施形態における超音波送受信デバイスの駆動方法の説明図。 本発明の一実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明の他の実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明の更に他の実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明のそして他の実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明のそして更に他の実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明の他の実施形態による超音波送受信デバイスの上面部分の分解図。 本発明の一実施形態による超音波送受信デバイスの図８のＣ−Ｃ線に沿った断面図。 本発明の実施形態による超音波送受信デバイスの駆動時の応力状態を示す図。 本発明の一実施形態による超音波送受信デバイスを用いた超音波探触子の展開斜視図。 本発明の実施形態による超音波送受信デバイスの駆動時の応力状態を示す断面模式図。

符号の説明

１…超音波探触子、１０…超音波送受信デバイス、１１…シリコン基板、１２…第４の絶縁膜、１３…配線、１４…下部電極、１５…第５の絶縁膜、１６…ギャップ、１７…第１の絶縁膜、１８…上部電極、１９…第２の絶縁膜、２０…第３の絶縁膜、２１…保護膜、２２…貫通配線、２３…配線層、６１，１０２、１０４…引張応力場、６２，１０１、１０３…圧縮応力場、６３，１００…応力中心面。

Claims (11)

1. 半導体基板、下部電極、ギャップ、第１の絶縁膜、上部電極、第２の絶縁膜、配線層、
   第３の絶縁膜とが順次積層された積層体を備え、前記下部電極と上部電極との間に電圧を印加するように構成され、前記上部電極と前記配線層とが、貫通配線により電気的に接続された構造を有することを特徴とする超音波送受信デバイス。
2. 前記配線層は前記積層体の上記絶縁膜、上下電極及びギャップの積層方向における応力中心面の近傍に配置されることを特徴とする請求項１記載の超音波送受信デバイス。
3. 前記貫通配線は、前記積層体の上記絶縁膜、上下電極及びギャップの積層方向と平行な方向におけるに応力中心に対して圧縮応力場と引張応力場の境界近傍に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載の超音波送受信デバイス。
4. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第１の絶縁膜と、
   前記第１の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極よりも上に設けられた第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜の上に設けられた配線層と、
   前記配線層の上に設けられた第３の絶縁膜とを備え、
   前記上部電極と前記配線層が、貫通配線で接続されていることを特徴とする超音波送受信デバイス。
5. 請求項４において、前記上部電極は、耐クリープ性材料であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
6. 請求項４又は５において、
   前記上部電極は、ポリシリコン、タングステンまたはシリコン添加チタンからなることを特徴とする超音波送受信デバイス。
7. 超音波を送受信する超音波送受信デバイスにおいて、
   半導体基板と、
   前記半導体基板より上に設けられた下部電極と、
   前記下部電極より上に設けられたギャップと、
   前記ギャップの上に設けられた第１の絶縁膜と、
   第１の絶縁膜よりも上に設けられる上部電極と、
   前記上部電極よりも上に設けられた第２の絶縁膜と、
   前記第２の絶縁膜の上に設けられた配線層と、
   前記配線層の上に設けられた第３の絶縁膜とを備え、
   前記上部電極と前記配線層を接続する貫通配線を備え、
   前記下部電極と前記上部電極とに電圧を与えて上部電極を駆動したときに、前記第２の絶縁膜と前記第３の絶縁膜に発生する応力の中心面近傍に、前記配線層を設けたことを特徴とする超音波送受信デバイス。
8. 請求項７において、
   前記貫通配線は、前記上部電極に対して垂直方向で、応力の中心となる位置に設けられたことを特徴とする超音波送受信デバイス。
9. 請求項７又は８において、前記貫通配線は、平断面が円形であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
10. 請求項１乃至９のいずれかにおいて、前記貫通配線は、リング形状であることを特徴とする超音波送受信デバイス。
11. 請求項１乃至１０のいずれかの超音波送受信デバイス、整合層及び音響レンズが順次積層して一体化され、かつ前記超音波送受信デバイスに接続された外部端子を備えた超音波探触子。

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