DE102019132086A1

DE102019132086A1 - Ultraschallwandler, verfahren zu seiner herstellung und ultraschall-bildgebungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102019132086A1
Application number: DE102019132086.0A
Authority: DE
Inventors: Taiichi Takezaki; Masakazu Kawano; Shuntaro Machida
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2018-12-03
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2020-06-04
Also published as: US11904356B2; JP7141934B2; US20200171538A1; JP2020092293A

Abstract

Ein hochempfindlicher Ultraschallwandler (10) wird mit guter Ausbeute hergestellt. Er umfasst eine Resonatorschicht (105), ein Paar von über und unter dieser angeordneten Elektroden (107, 103), über und unter jeder der Elektroden (107, 103), angeordnete Isolierschichten (102, 104, 106, 108) und ein gefülltes Loch (119), das mindestens einen Teil der über der Resonatorschicht (105) liegenden Isolierschichten in senkrechter Richtung durchsetzt. Jede der beiden Elektroden (103, 107) weist, von oben gesehen, an einer das eingebettete Loch überlappenden Stelle einen elektrodenfreien Bereich (103a, 107a) auf, in dem die Elektroden nicht ausgebildet sind.

Description

STAND DER TECHNIK
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Herstelltechnik für einen Ultraschallwandler und insbesondere auf eine Technik, die beim Aufbau eines mittels elektrischer mikromechanischer Systemtechnologie (MEMS) hergestellten Ultraschallwandlers effektiv anwendbar ist.
Beschreibung des verwandten Standes der Technik
Ultraschallwandler werden in einer Vielzahl von Anwendungen einschließlich Ultraschall-Bildgebungsvorrichtungen eingesetzt, die den menschlichen Körper, die innere Struktur von Gegenständen und dergleichen durch Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen untersuchen.
Herkömmlich wurden Ultraschallwandler eingesetzt, die mit Schwingungen von piezoelektrischen Materialien arbeiten, doch hat sich die MEMS-Technik in den letzten Jahren weiterentwickelt und mikrobearbeitete Ultraschallwandler (CMUT) entwickelt. Bei CMUTs wird eine Schwingungseinheit auf einem Siliziumsubstrat hergestellt.
Ein CMUT ist eine Schwingungsvorrichtung mit einem Aufbau aus einer oberen und einer unteren Elektrode mit einer dazwischen liegenden, mit Isolierschichten bedeckten Resonatorschicht (Hohlraumschicht). CMUTs arbeiten mit dem Phänomen, bei dem in einer Membran über dem Hohlraum infolge einer zwischen der oberen und der unteren Elektrode angelegten Spannung eine elektrostatische Kraft erzeugt wird, um eine elektrische Potenzialdifferenz hervorzurufen. Ultraschallwellen werden dadurch ausgesendet, dass die an die obere und die untere Elektrode angelegte Spannung zeitlich geändert wird, so dass die Membran schwingt. Die Ultraschallwellen werden dadurch empfangen, dass Verschiebungen der Membran bei Anlegen einer konstanten Spannung zwischen der oberen und der unteren Elektrode als Spannungs- oder Stromänderungen erfasst werden.
In einem Verfahren zum Ausbilden der Resonatorschicht zwischen der oberen und der unteren Elektrode wird zunächst eine Metallmembran (verlorene Schicht) zwischen vertikal laminierten Elektroden angeordnet. Isolierschichten werden um die Elektroden und die verlorene Schicht herum aufgebracht. Sodann wird ein die Isolierschicht durchsetzendes Durchgangsloch ausgebildet und in dieses ein Ätzmittel eingeführt. Dadurch wird die verlorene Schicht weggeätzt und die Resonatorschicht gebildet.
Das im Patentdokument (1) offenbarte CMUT umfasst eine zwischen einer oberen und einer unteren Elektrode gebildete Resonatorschicht, ein Durchgangsloch zur Ausbildung der Resonatorschicht durch Ätzen sowie eine erste Isolierschicht mit einem Vorsprung aufweist, der sich von oben her in die Isolierschicht erstreckt, wobei das Durchgangsloch mit einem Isoliermaterial gefüllt wird. Der in diesem CMUT vorgesehene Vorsprung erfüllt die Funktion einer Tragstruktur, um zu verhindern, dass die gesamte untere Fläche der ersten Isolierschicht beim Anlegen von Spannung die die untere Elektrode bedeckende Isolierschicht berührt, und die in die Isolierschicht injizierte Ladungsmenge zu verringern.
Im Patentdokument (2) ist ein CMUT offenbart, das als Membran eine Silizium-Einkristallmembran mit guten mechanischen Eigenschaften verwendet. Bei diesem CMUT sind das Durchgangsloch und die untere Elektrode an Stellen angeordnet, die von oben gesehen einander nicht überlappen.
Patentdokumente:

(1) JP-Patent 4724501
(2) JP-A-2009-165931

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es ist bekannt, dass die Empfindlichkeit der Ultraschallwandler der in den Patentdokumenten (1) und (2) offenbarten CMUTs mit abnehmendem Abstand zwischen der oberen und der unteren Elektrode steigt. Wird jedoch dieser Abstand verringert, so kann es sein, dass das Durchgangsloch für die Ätzmitteleinführung bei der Herstellung die obere oder die unteren Elektrode erreicht. Wird in einem solchen Fall das Ätzmittel über das Durchgangsloch eingeführt, so kann es an die Elektrode gelangen und sie auflösen.
Ziel der Erfindung ist es, einen hochempfindlichen Ultraschallwandler mit guter Ausbeute zu schaffen.
Um dieses Ziel zu erreichen, weist der erfindungsgemäße Ultraschallwandler eine Resonatorschicht (Hohlraumschicht), ein Paar von darüber und darunter angeordneten Elektroden, eine über und unter jeder der beiden Elektroden angeordnete Isolierschicht und ein gefülltes Loch auf, das mindestens einen über der Resonatorschicht liegenden Teil der Isolierschicht in senkrechter Richtung durchsetzt. Ferner umfasst bei diesem Ultraschallwandler jede der beiden Elektroden, von oben gesehen, an einer das gefüllte Loch überlappenden Stelle einen elektrodenfreien Bereich, in dem die Elektrode nicht ausgebildet ist.
Bei einem Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers werden nacheinander auf ein Substrat eine erste Elektrode, eine erste Isolierschicht, eine verlorene Schicht, eine zweite Isolierschicht, eine zweite Elektrode und eine dritte Isolierschicht auflaminiert; ein von der dritten Isolierschicht bis zu der verlorenen Schicht durchgehendes Durchgangsloch ausgebildet; durch Wegätzen von Material der verlorenen Schicht über das Durchgangsloch eine Resonatorschicht geformt; und das Durchgangsloch mit Isoliermaterial gefüllt. Bei diesem Herstellverfahren wird beim Auflaminieren der ersten und der zweiten Elektrode ein Bereich, der, von oben gesehen, einen dem Durchgangsloch entsprechenden Bereich umfasst, als elektrodenfreier Bereich definiert, und die erste und die zweite Elektrode werden jeweils in von dem elektrodenfreien Bereich verschiedenen Bereichen aufgetragen.
Erfindungsgemäß lässt sich der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Elektrode gegenüber herkömmlicher Technik verringern. Bei dem erfindungsgemäßen Ultraschallwandler ist die untere Elektrode nur unter der Resonatorschicht, die beim Antrieb schwingt, aber nicht unter dem gefüllten Loch angeordnet. Dadurch lässt sich die kapazitive Komponente, die zur Schwingung der unteren Elektrode nicht beiträgt, d.h. die parasitäre Kapazität verringern. Infolgedessen lässt sich die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers erhöhen.
Außerdem lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Herstellverfahren ein hochzuverlässiger Ultraschallwandler bei guter Ausbeute erzeugen.
Figurenliste

1 ist eine den erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen 1 und 2 gemeinsame Draufsicht auf einen Ultraschallwandler 10.
2 ist ein Querschnitt durch den Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 1 längs der Linie A-A in 1.
3A bis 3F sind Querschnitte zur Erläuterung eines Verfahrens zur Herstellung des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers nach Ausführungsbeispiel 1.
4A ist ein Querschnitt durch den Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 2 längs der Linie A-A in 1.
4B ist ein Querschnitt durch einen Ultraschallwandler gemäß einem Vergleichsbeispiel.
5A bis 5C sind Querschnitte zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Füllen und Glätten eines elektrodenfreien Bereichs 103a und eines oberen Bereichs des elektrodenfreien Bereichs 103a.
6A ist eine Draufsicht auf einen Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 3.
6B ist ein Querschnitt durch den Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 3 längs der Linie B-B in 6A.
7A ist ein Querschnitt durch einen Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 4.
7B ist ein Querschnitt zur Veranschaulichung eines Zustands, in dem in den Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 4 ein Ätzmittel E eingebracht wird.
8 ist ein Blockschaltbild eines Beispiels für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Ultraschall-Bildgebungsgeräts.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben.
Zunächst wird ein Überblick über den Aufbau des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 10 anhand der 1 und 2 gegeben. Der Ultraschallwandler 10 ist ein sogenannter CMUT, der auf einem Substrat 101 nach der MEMS-Technik gebildet wird. Bei dem Ultraschallwandler 10 kann es sich um eine einzelnes Element oder ein CMUT-Feld oder einen CMUT-Chip mit einer Vielzahl von CMUT-Elementen handeln. Nachstehend wird ein Fall beschrieben, bei dem in dem Ultraschallwandler 10 mehrere CMUT-Elemente vorhanden sind. 1 zeigt zwei aus der Vielzahl von CMUT-Elementen des erfindungsgemäßen Ultraschallwandlers 10. 2 zeigt einen Querschnitt durch 1 längs der Linie A-A. In 1 sind die CMUT-Elemente zur einfacheren Erläuterung als Kreise dargestellt; ihre Form beschränkt sich aber nicht darauf.
Der Ultraschallwandler 10 weist eine Resonatorschicht (Hohlraumschicht) 105, ein Paar von Elektroden (eine obere Elektrode 107 und eine untere Elektrode 103), die über und unter der Resonatorschicht 105 liegen, Isolierschichten 102, 104, 106 und 108, die über und unter jeder der beiden Elektroden 107 und 103 angeordnet sind, und ein gefülltes Loch 109 auf, das mindestens einen Teil der über der Resonatorschicht 105 liegenden Isolierschichten 106 und 108 in vertikaler Richtung durchsetzt. Wie in 1 gezeigt, weist die obere Elektrode 107 einen elektrodenfreien Bereich 107a, in dem keine Elektrode ausgebildet ist, und die untere Elektrode 103 einen elektrodenfreien Bereich 103a auf, in dem keine Elektrode ausgebildet ist. Die elektrodenfreien Bereiche 107a und 103a sind an Stellen ausgebildet, die, von oben gesehen, das gefüllte Loch 109 überlappen.
Das gefüllte Loch 109 wird zwischen den verschiedenen CMUT-Elementen erzeugt, indem ein Durchgangsloch zur Ausbildung der Resonatorschicht 105 mit einem Isolator gefüllt wird. Das bedeutet, dass das gefüllte Loch 109 in einem Bereich angeordnet ist, der nicht über der Resonatorschicht 105 liegt. Infolge dieses Aufbaus schwingt das gefüllte Loch 109 beim Antrieb nicht.
Bei dem oben beschriebenen Ultraschallwandler 10 liegt die untere Elektrode 103 nur unter der Resonatorschicht 105, die beim Antrieb schwingt, nicht aber unter dem gefüllten Loch 10. Dadurch lässt sich die kapazitive Komponente, die zur Schwingung der unteren Elektrode 103 nicht beiträgt, d.h. die parasitäre Kapazität, verringern und die Empfindlichkeit des Ultraschallwandlers 10 erhöhen.
Ferner ist das gefüllte Loch 109, von oben gesehen, an einer Stelle angeordnet, die das Paar aus oberer Elektrode 107 und unterer Elektrode 103 nicht überlappt. Dadurch lässt sich selbst dann, wenn der Abstand zwischen diesen beiden Elektroden im Vergleich zu herkömmlicher Technologie (in der Größenordnung von einigen 10 nm) verringert wird, verhindern, dass das Durchgangsloch unabhängig von seiner genauen Tiefe die obere Elektrode 107 und die untere Elektrode 103 erreicht, wenn das Durchgangsloch vor dem Füllen des gefüllten Lochs 109 erzeugt wird. Im Ergebnis lässt sich ein hochempfindlicher Ultraschallwandler herstellen.
Ausführungsbeispiel 1
Im Folgenden wird der Aufbau eines Ultraschallwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 1 anhand von 1 und 2 im Einzelnen beschrieben.
Die oben beschriebenen Komponenten werden auf einem Substrat 101 angeordnet, das aus einem Siliziumeinkristall- oder ähnlichen Halbleitersubstrat besteht. Im Einzelnen werden die Isolierschicht 102, eine erste Elektrode (untere Elektrode) 103, eine erste Isolierschicht 104, die Resonatorschicht 105, eine zweite Isolierschicht 106, eine zweite Elektrode (obere Elektrode) 107 und eine dritte Isolierschicht 108 nacheinander auf eine obere Fläche des Substrats 101 auflaminiert. Die elektrodenfreien Bereiche 107a und 103a werden mit Isoliermaterial gefüllt, und die elektrodenfreien Bereiche 107a und 103a werden aus Isolatoren gebildet.
Das gefüllte Loch 109 durchsetzt den elektrodenfreien Bereich 107a der oberen Elektrode 107 in vertikaler Richtung. Beim Ausführungsbeispiel 1 ist, von ober gesehen, der elektrodenfreie Bereich 103a der unteren Elektrode 103 kleiner als der elektrodenfreie Bereich 107a der oberen Elektrode 107. Es reicht aber, wenn die elektrodenfreien Bereiche 103a und 107a, von oben gesehen, größer sind als das gefüllte Loch 109, wobei die Größen der elektrodenfreien Bereiche 103a und 107a nicht auf das obige Ausführungsbeispiel beschränkt sind. Auch beschränken sich die elektrodenfreien Bereiche 103a und 107a in ihren Formen, von oben gesehen, nicht auf die in 1 dargestellten runden Formen, solange sie das gefüllte Loch 109 umgeben.
Die elektrodenfreien Bereiche 107a und 103a werden mit Isoliermaterial gefüllt, und die elektrodenfreien Bereiche 107a und 103a werden aus Isolatoren gebildet. Die (weiter unten beschriebenen) Isolierschichten 102, 104, 106 und 108 können aus demselben Material oder verschiedenen Materialien erzeugt werden.
Als Material für das Substrat 101 kann außer Siliziumeinkristall auch Glas, Quarz, Saphir oder dergleichen verwendet werden.
Für die obere Elektrode 107 und die untere Elektrode 103 kann Aluminium (AI) in einer Dicke von 10 bis 1000 nm verwendet werden. Zu Beispielen für anstelle von Al verwendbaren Materialien gehören metallische Materialen wie AI-Legierungen, W, Ti, TiN, Ni, Co, Cr, Pt und Au, polykristallines Silizium und mit Störstoffen hochdotiertes amorphes Silizium und Indiumzinnoxid (ITO). Aus diesen Materialien lassen sich die obere Elektrode 107und die untere Elektrode 103 einlagig oder als Membranlaminate erzeugen.
Die Isolierschichten 102, 104, 106 und 108 können aus demselben Material oder unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Diese Isolierschichten können einlagig oder als Membranlaminat aus einer, zwei oder mehreren der Substanzen Siliziumoxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titanoxid (TiO₂), Zirkonoxid (ZrO₂), Hafniumoxid (HfO₂), siliziumdotiertes Hafniumoxid und dergleichen erzeugt werden. Die einzelnen Isolierschichten können aus demselben Material oder unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Das gefüllte Loch 109 kann mit dem gleichen Isoliermaterial wie oben beschrieben gefüllt werden.
Für die Isolierschicht 102 wird ein Material mit guter Haftung gegenüber dem Substratmaterial und dem Material der auf der Isolierschicht 102 liegenden unteren Elektrode 103 gewählt. Da die Isolierschicht 104 ein Teil ist, in dem hohe elektrische Felder erzeugt werden, ist ein Material mit hoher Spannungsfestigkeit wie etwa SiO₂ vorteilhaft. Das Material der Isolierschicht 106 weist ähnlich wie die Isolierschicht 104 vorzugsweise hohe Spannungsfestigkeit auf. Die Isolierschichten 106 und 108 bilden zusammen mit der oberen Elektrode 107 eine Membran und verlagern sich beim Senden und Empfangen von Ultraschallwellen. Daher ist die Membranform vor der Verlagerung vorzugsweise eben, wobei für die Isolierschichten 106 und 108 mehrere Schichten aus einem Material mit Zugspannung, wie SiN, und einem Material mit Druckspannung, wie SiO₂, laminiert werden, um die Ebenheit zu gewährleisten.
Die Dicke der Isolierschichten 102 und 108 kann jeweils etwa 10 bis 10.000 nm, die der Isolierschichten 104 und 106 jeweils 1 bis etwa 1000 nm betragen.
Die Resonatorschicht 105 wird auf der oberen Fläche der Isolierschicht 104 in einer Dicke von etwa 1 bis 1000 nm so ausgebildet, dass Ober- und Unterseite der Resonatorschicht 105 ebene Flächen darstellen. Das Innere der Resonatorschicht 105 ist hohl.
Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers nach Ausführungsbeispiel 1
Im Folgenden wird ein Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers nach Ausführungsbeispiel 1 anhand der 3A bis 3F beschrieben.
Zunächst werden, wie in 3A gezeigt, die Isolierschicht 102 und die untere Elektrode 103 nacheinander auf dem Substrat 101 ausgebildet. Die Isolierschicht 102 kann nach einem bekannten Filmauftragsverfahren, etwa Plasma-CVD oder Aufdampfen, erzeugt werden. Nach dem gleichen Verfahren wird die untere Elektrode 103 auf die gesamte obere Fläche der Isolierschicht 102 aufgetragen. Sodann wird die untere Elektrode 103 nach einem photolitographischen Verfahren, einem Trockenätzverfahren oder dergleichen mit einem Muster versehen. Von oben gesehen wird die untere Elektrode 103 nicht ausgebildet in dem elektrodenfreien Bereich 103a, bei dem es sich um den Bereich (unter dem Bereich, in dem das Durchgangsloch erzeugt wird) handelt, der den dem Durchgangsloch 119 entsprechenden Bereich enthält.
Als Nächstes wird, wie in 3B gezeigt, auf eine obere Fläche der unteren Elektrode 103, den elektrodenfreien Bereich 103a und einen oberen Bereich das elektrodenfreien Bereichs 103a das Isoliermaterial aufgebracht. Als Ergebnis wird eine Isolierschicht 104 mit ebener oberer Fläche erzeugt. Zum Auftragen der Isolierschicht 104 kann ein bekanntes Filmauftragsverfahren, etwa Plasma-CVD oder Aufdampfen, angewandt werden.
Auf der oberen Fläche der Isolierschicht 104 wird durch Sputtern oder ein ähnliches Verfahren eine Metallmembran (verlorene Schicht) 118 gebildet. Die verlorene Schicht 118 ist eine zur Ausbildung der Resonatorschicht 105 vorübergehend vorgesehene Schicht, die später weggeätzt wird. Als Material der verlorenen Schicht 118 dient polykristallines Silizium. Die Dicke der verlorenen Schicht bestimmt die Höhe der Resonatorschicht 105 und wird als solche in hervorragend gleichmäßiger Dicke von etwa 1 bis 1000 nm gebildet.
Sodann wird, wie in 3C gezeigt, die Isolierschicht 106 auf die obere Fläche der verlorenen Schicht 118 nach einem bekannten Filmauftragsverfahren, etwa Plasma-CVD oder Aufdampfen, aufgetragen.
Auf einer oberen Fläche der Isolierschicht 106 wird die obere Elektrode 107 gebildet. Die obere Elektrode 107 wird auf der gesamten oberen Fläche der Isolierschicht 106 ausgebildet und dann mittels Photolitographie, Trockenätzen oder dergleichen mit einem Muster versehen. Von oben gesehen, wird die obere Elektrode 107 in einem Bereich ausgebildet, der von dem elektrodenfreien Bereich 107a verschieden ist, der den dem Durchgangsloch 119 entsprechenden (von dem Durchgangsloch zu durchsetzenden) Bereich umfasst. Dabei wird die obere Elektrode 107 vorzugsweise mit einem Muster derart versehen, dass der elektrodenfreie Bereich 107a der oberen Elektrode 107 breiter ist als der elektrodenfreie Bereich 103a der unteren Elektrode 103.
Nach Ausbildung der oberen Elektrode 107 werden deren obere Fläche, der elektrodenfreie Bereich 107a und der obere Bereich des elektrodenfreien Bereichs 107a mit dem Isoliermaterial beschichtet. Dabei wird eine Isolierschicht 108 mit ebener Oberfläche gebildet. Zur Erzeugung der Isolierschicht 108 kann ein bekanntes Filmauftragsverfahren wie etwa Plasma-CVD oder Aufdampfen angewandt werden.
Sodann wird, wie in 3D gezeigt, das Durchgangsloch 119 so geformt, dass es von der Isolierschicht 108 aus den elektrodenfreien Bereich 107a und die Isolierschicht 106 durchsetzt und die verlorene Schicht 118 erreicht. Das Durchgangsloch 119 ist ein Loch zum Einführen des Ätzmittels, das die verlorene Schicht 118 wegätzt. Das Durchgangsloch 119 kann auch die verlorene Schicht 118 durchsetzen und die Isolierschicht 104 und/oder den elektrodenfreien Bereich 103a erreichen.
Wie in 3E dargestellt, wird als Nächstes über das Durchgangsloch 119 das Ätzmittel E eingebracht, das die verlorene Schicht 118 auflöst und auf diese Weise die Resonatorschicht 105 bildet. Als Ätzmittel wird ein solches verwendet, das die verlorene Schicht 118 selektiv auflöst, ohne die die Resonatorschicht 105 umgebenden Isolierschichten aufzulösen. Beispielweise kann Kaliumhydroxid als Ätzmittel E verwendet werden.
Wenn das Ätzen der verlorenen Schicht 118 genügend fortgeschritten und die Ausbildung der Resonatorschicht 105 abgeschlossen ist, wird das Durchgangsloch 119 mit dem Isoliermaterial gefüllt, so dass das in 3F gezeigte gefüllte Loch 109 entsteht. Nach dem oben beschriebenen Verfahren wird der Ultraschallwandler hergestellt.
Bei dem oben beschriebenen Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers erreicht das Durchgangsloch 119 weder die obere Elektrode 107 noch die untere Elektrode 103, selbst wenn der Abstand zwischen diesen auf etwa einige zehn nm verringert wird und das Durchgangsloch 119 die verlorene Schicht 119 durchsetzt. Daher besteht keine Gefahr, dass die Elektroden durch das Ätzmittel aufgelöst werden. Auf diese Weise lässt sich ein Ultraschallwandler mit hoher Ausbeute erzeugen.
Bei diesem Herstellverfahren wird das Durchgangsloch 119, von oben gesehen, in einem Bereich gebildet, der von dem Bereich verschieden ist, in dem die Membran an der Oberseite der Resonatorschicht 105 erzeugt wird. Daher besteht keine Gefahr, dass das das Durchgangsloch 119 füllende Isoliermaterial an der Membran haftet, und es lässt sich ein hochzuverlässiger Ultraschallwandler herstellen.
Ferner wird bei diesem Herstellverfahren das Durchgangsloch 119 von derjenigen Seite des Substrats 101 her ausgebildet, an der die Elektroden und dergleichen montiert werden. Damit kann das Durchgangsloch 119 gebildet werden, ohne das Substrat 101 zu durchdringen. Das Durchgangsloch 119 lässt sich somit ohne tiefes Anbohren des Substrats erzeugen, was die Herstellung des Ultraschallwandlers vereinfacht.
Bei diesem Herstellverfahren wird ferner das Ätzmittel eingebracht, nachdem die verlorene Schicht 118 mit den Isolierschichten, die nicht geätzt werden, bedeckt worden ist. So wird zur Ausbildung der Resonatorschicht 105 nur die verlorene Schicht 118 selektiv geätzt. Daher ist es bei diesem Herstellverfahren nicht nötig, die Ätzzeit zu steuern, und es lassen sich bei der Vielzahl von CMUT-Elementen des Ultraschallwandlers Resonatorschichten 105 gleichmäßiger Breite erzeugen.
Ausführungsbeispiel 2
Im Folgenden werden die Eigenschaften eines Ultraschallwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 2, die sich von den Eigenschaften des Ultraschallwandlers nach Ausführungsbeispiel 1 unterscheiden, anhand der 4A und 4B beschrieben. Bei dem Ultraschallwandler nach Ausführungsbeispiel 2 werden, wie in 4A gezeigt, der elektrodenfreie Bereich 103a und der darüber liegende Bereich auf die gleiche Höhe wie die auf der oberen Fläche der unteren Elektrode 103 angeordnete Isolierschicht 104 mit dem Isoliermaterial gefüllt und geebnet.
Wie bei dem Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers nach Ausführungsbeispiel 1 wird das Isoliermaterial auf die obere Fläche der unteren Elektrode 103, den elektrodenfreien Bereich 103a und den über diesem liegenden Bereich mittels eines bekannten Verfahrens, etwa Plasma-CVD oder Vakuumniederschlag, aufgetragen. Im Ergebnis wird eine Isolierschicht mit ebener oberer Fläche erzeugt. Wie jedoch in dem Vergleichsbeispiel nach 4B dargestellt, kann sich in Wirklichkeit in der verlorenen Schicht 118 eine Stufe bilden. In einem solchen Fall, und insbesondere dann, wenn die Dicke der verlorenen Schicht 118 gering ist, kann die verlorene Schicht 103b des Seitenwandabschnitts der Stufe brechen und das über das Durchgangsloch 119 eingebrachte Ätzmittel nicht die gesamte verlorene Schicht 118 erreichen, so dass die Ausbildung der Resonatorschicht 105 behindert wird.
Beim Ausführungsbeispiel 2 werden der elektrodenfreie Bereich 103a und der über diesem (unter dem Bereich, in dem das Durchgangsloch 119 vorgesehen ist) liegende Bereich auf die gleiche Höhe wie die an der oberen Fläche der unteren Elektrode 103 angeordnete Isolierschicht 104 mit einem Isolator gefüllt und geebnet. Auf diese Weise wird die verlorene Schicht 118 auf der Isolierschicht 104 eben ausgebildet, wobei der oben beschriebene Bruch der verlorenen Schicht 103b des Seitenwandabschnitts der Stufe vermieden wird, selbst wenn die Dicke der verlorenen Schicht 118 gering ist. Somit kann das über das Durchgangsloch 119 eingebrachte Ätzmittel die gesamte verlorene Schicht 118 erreichen, und die Resonatorschicht 105 lässt sich mit guter Ausbeute erzeugen.
Der den elektrodenfreien Bereich 103a und dessen oberen Bereich füllende Isolator kann aus dem gleichen oder einem anderen Material gebildet werden wie der elektrodenfreie Bereich 103a, die Isolierschicht 104 oder dergleichen. Dieser Isolator kann einlagig oder als laminierte Membran aus einem oder mehreren der Substanzen Siliziumoxid (SiO₂), Siliziumnitrid (Si₃N₄), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Titanoxid (TiO₂), Zirkonoxid (ZrO₂), Hafniumoxid (HfO₂), siliziumdotiertes Hafniumoxid und dergleichen hergestellt werden.
Anhand der 5A bis 5C wird ein Verfahren zum Füllen und Ebnen des elektrodenfreien Bereichs 103a und dessen oberen Bereichs beschrieben. Wie in 5A gezeigt, werden zunächst die Isolierschicht 102 und die untere Elektrode 103 auf dem Substrat 101 ausgebildet und die Isolierschicht 104 aufgetragen. Sodann wird gemäß 5B mittels eines mechanisch-chemischen Polierverfahrens (CMP) oder dergleichen die Isolierschicht 104 entfernt, bis die untere Elektrode 103 freiliegt.
Als Nächstes wird, wie in 5C gezeigt, die Isolierschicht 104 über der unteren Elektrode 193 und dem elektrodenfreien Bereich 103a ausgebildet.
In dem Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers gemäß Ausführungsbeispiel 2 lässt sich die verlorene Schicht 118 ohne irgendwelche Schritte eben ausbilden. Dabei kann das Ätzmittel zum Wegätzen der verlorenen Schicht 118 diese leicht erreichen. Im Ergebnis lassen sich bei den vielen CMUT-Elementen des Ultraschallwandlers Resonatorschichten mit gleichmäßigerer Breite erzeugen. Es ist daher möglich, einen im Antrieb hochzuverlässigen Ultraschallwandler mit erhöhter Ausbeute herzustellen
Ausführungsbeispiel 3
Im Folgenden wird ein Ultraschallwandler gemäß Ausführungsbeispiel 3 anhand der 6A und 6B beschrieben. Wie bei dem Ultraschallwandler nach Ausführungsbeispiel 2 werden auch bei dem nach Ausführungsbeispiel 3 Stufen in der verlorenen Schicht 118 durch Änderung im Aufbau des Teils unter dem Bereich, in dem das Durchgangsloch 119 vorgesehen ist, vermieden.
Bei dem in den 6A und 6B dargestellten Ausführungsbeispiel 3 ist in dem elektrodenfreien Bereich 103a ein elektrodenfreier Bereich 103d getrennt von der unteren Elektrode 103 vorgesehen, und zwar in einem Bereich des Teils unter dem Bereich, in dem das gefüllte Loch 109 ausgebildet ist, wobei an einer Außenkante des elektrodenfreien Bereichs 103a ein die unteren Elektrode 103 kontaktierender (zwischen dem elektrodenfreien Bereich 103d und der unteren Elektrode 103 ausgebildeter) Isolierbereich R1 geformt ist.
Der elektrodenfreie Bereich 103d kann, in 6A von oben gesehen, eine runde oder auch andere Form haben. Vorzugsweise hat er jedoch eine in dem Bereich direkt unter dem gefüllten Loch 109 zentrierte Form. Der elektrodenfreie Bereich 103d ist, von oben gesehen, vorzugsweise größer als das gefüllte Loch 109. Der Isolierbereich R1 ist, von oben gesehen, vorzugsweise möglichst klein.
Der elektrodenfreie Bereich 103d kann aus dem gleichen oder einem anderen Material gebildet sein wie die untere Elektrode 103. Bei einem Beispiel ist er aus Al geformt. Zu Beispielen für von Al verschiedene verwendbare Materialien gehören Metallmaterialien wie etwa AI-Legierungen, W, Ti, TiN, Ni, Co, Cr, Pt und Au, mit Störstoffen hochdotiertes polykristallines oder amorphes Silizium und Indiumzinnoxid (ITO).
Wird der elektrodenfreie Bereich 103d aus einem anderen Material als die untere Elektrode 103 oder als unterschiedliche Schicht gebildet, so wird eine von der Maske zur Ausbildung der unteren Elektrode 103 verschiedene Maske verwendet, und der elektrodenfreie Bereich 103d wird nach einem anderen Verfahren als die untere Elektrode 103 ausgebildet. Falls der elektrodenfreie Bereich 103d jedoch in derselben Schicht und aus demselben Elektrodenmaterial geformt wird wie die untere Elektrode 103, wird er beim Ausbilden der unteren Elektrode 103 unter Verwendung einer Maske und Aufbringen des Elektrodenmaterials in den von dem Isolierbereich R1 verschiedenen elektrodenfreien Bereichen 103a erzeugt. Sofern also der elektrodenfreie Bereich 103d und die untere Elektrode 103 aus demselben Material und in derselben Schicht ausgebildet werden, lässt sich die Anzahl der zu verwendenden Masken und die Anzahl der Schritte im Vergleich zu dem Fall der Ausbildung aus unterschiedlichen Materialien oder in unterschiedlichen Schichten verringern.
Bei dem oben beschriebenen Ultraschallwandler nach Ausführungsbeispiel 3 ist der elektrodenfreie Bereich 103d in dem Bereich des Teils des elektrodenfreien Bereichs 103a unter dem gefüllten Loch 109 vorgesehen, wobei in der verlorenen Schicht 118 keine Stufen gebildet werden. Dadurch lässt sich die Genauigkeit des Ultraschallwandlers weiter erhöhen.
Außerdem lässt sich bei diesem Verfahren zur Herstellung des Ultraschallwandlers selbst dann, wenn das Durchgangsloch 119 den elektrodenfreien Bereich 103d erreicht und dieser beim Wegätzen der verlorenen Schicht 118 von dem Ätzmittel entfernt wird, wegen des zwischen dem elektrodenfreien Bereich 103d und der unteren Elektrode 103 vorhandenen Isolierbereichs R1 vermeiden, dass das Ätzmittel an die untere Elektrode 103 gelangt. Aufgrund der Ausbildung eines elektrodenfreien Bereichs 103d erübrigt sich bei diesem Herstellverfahren außerdem der im Ausführungsbeispiel 2 beschriebene Füll- und Einebnungsvorgang.
Ausführungsbeispiel 4
Bei dem in 7A dargestellten Ausführungsbeispiel 4 ist der im Ausführungsbeispiel 3 beschriebene elektrodenfreie Teil 103d in mehrere elektrodenfreie Teile 103d aufgeteilt. Zwischen dem äußersten elektrodenfreien Teil 103d und der unteren Elektrode ist ein Isolierbereich R1 geformt; Isolierbereiche R1 sind auch zwischen den einzelnen elektrodenfreien Teilen 103d ausgebildet.
Der elektrodenfreie Teil 103d kann konzentrisch, fächerartig oder beliebig unterteilt sein. Die Anzahl der Unterteilungen des elektrodenfreien Teils 103d ist nicht speziell begrenzt.
Selbst dann, wenn der elektrodenfreie Teil 103d gemäß Ausführungsbeispiel 4 in mehrere elektrodenfreie Teile 103d unterteilt ist, lässt er sich nach demselben Verfahren herstellen, wie es für den einzigen elektrodenfreien Teil 103d nach Ausführungsbeispiel 3 beschrieben ist. Vorzugsweise werden die aufgeteilten elektrodenfreien Teile 103d alle aus demselben Material und in derselben Schicht gebildet.
7B veranschaulicht den Fall, dass in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel das Durchgangsloch 119 die elektrodenfreien Teile 103d erreicht. Wird in diesem Fall das Ätzmittel E zur Ausbildung der Resonatorschicht 105 durch das Durchgangsloch 119 eingebracht, so gelangt es nur an diejenigen der elektrodenfreie Teile 103d, die das Durchgangsloch 119 erreicht. Die von dem Ätzmittel erreichten elektrodenfreien Teile 103d werden selektiv entfernt, so dass Resonatorbereiche 103e entstehen.
In Fällen, in denen die elektrodenfreien Teile 103d selektiv entfernt und die Resonatorbereiche 103e gebildet werden, ist die Länge, um die ein Bereich (Vorsprung) 119b, der das Durchgangsloch 119 umgibt und zwischen der Resonatorschicht 105 und den Resonatorteilen 103e liegt, in Richtung des Durchgangslochs 119 ragt, geringer als wenn alle elektrodenfreien Teile 103d entfernt werden. Daher wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Abschälen der Vorsprungs 119b bei Einbringen des Ätzmittels vermieden, und es lässt sich ein Ultraschallwandler mit besserer Ausbeute herstellen.
Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung
Im Folgenden wird eine erfindungsgemäße Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 anhand von 8 beschrieben. Diese umfasst einen Ultraschallwandler 10 und einen Geräte-Hauptteil 1, der beim Ansteuern des Ultraschallwandlers 10 Ultraschallbilder erzeugt.
Der Ultraschallwandler 10 kann an einer Ultraschallsonde vorgesehen sein, die mit dem Untersuchungsgegenstand direkt oder über ein Kontaktmittel in Berührung gebracht wird, um Ultraschallwellen an den Untersuchungsgegenstand zu senden und von ihm zu empfangen. Alternativ kann er auch an einem Katheter vorgesehen sein, der zum Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen an den bzw. von dem Untersuchungsgegenstand in diesen eingeführt wird. Als Ultraschallwandler 10 der Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 kann mindestens einer der in den obigen Ausführungsbeispielen 1 bis 4 beschriebenen Ultraschallwandler 10 verwendet werden.
Der Geräte-Hauptteil 1 enthält einen Sender 12, der an den Ultraschallwandler 10 zu übertragende elektrische Signale aussendet; einen Empfänger 13, der vom Untersuchungsgegenstand reflektierte Ultraschallwellen empfängt; eine Steuerung 11, die die Arbeitsweise der verschiedenen Komponenten steuert; einen in der Steuerung 11 vorgesehenen Signalprozessor 15, der die von dem Empfänger erhaltenen Signale verarbeitet, Bilder erzeugt, verschiedene Arten von Berechnungen durchführt und dergleichen; sowie eine Speichereinheit 16.
Der Geräte-Hauptteil 1 umfasst ferner ein Eingabegerät 17, über das ein Bediener der Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 Arbeitsbedingungen für die Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 in die Steuerung 11 eingibt, und ein Display 14 zur Anzeige von Verarbeitungsergebnissen des Signalprozessors 15 und dergleichen. Das Eingabegerät 17 und das Display 14 können als Benutzer-Schnittstellen dienen, über die der Bediener interaktive Operationen mit dem Geräte-Hauptteil 1 ausführt.
Der Aufbau der verschiedenen Komponenten des Geräte-Hauptteils 1 ist der gleiche wie bei bekannten Ultraschall-Bildgebungsvorrichtungen. Insofern erübrigt sich dessen Beschreibung.
Als Nächstes werden die Operationen der Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 kurz beschrieben. Zunächst wird von einem Strahlformer des Senders 12 über einen (in den Zeichnungen nicht dargestellten) Digital/Analog(D/A)-Wandler ein zu sendendes elektrisches Signal an die Elektroden 103 und 107 des Ultraschallwandlers 10 übertragen und von dem Ultraschallwandler 10 an den Untersuchungsgegenstand gesendet. Ultraschallsignale, die beim Auftreten von den Untersuchungsgegenstand durchlaufenden Ultraschallwellen reflektiert werden, werden von dem Ultraschallwandler 10 empfangen, in Digitalsignale umgewandelt und über einen (in den Zeichnungen nicht dargestellten) A/D-Wandler als Empfangsdaten an einen Empfangs-Strahlformer des Empfängers übertragen. Der Empfangs-Strahlformer führt unter Berücksichtigung der beim Senden auftretenden Zeitverzögerung eine weitere Verarbeitung der von den Elementen empfangenen Signale durch. Die empfangenen Signale, die die weitere Verarbeitung durchlaufen haben, werden dann einer Verarbeitung, etwa einer Dämpfungskorrektur durch ein (in den Zeichnungen nicht dargestelltes) Korrigierglied unterzogen und danach als RF-Daten an den Signalprozessor 15 gesendet. Aus diesen RF-Signalen erzeugt der Signalprozessor 15 Bilder.
Die erfindungsgemäße Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 umfasst den in einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 4 beschriebenen Ultraschallwandler. Daher lässt sich bei guter Ausbeute eine Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung schaffen, die Ultraschallbilder mit hoher Empfindlichkeit zu liefern vermag. Diese Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung 100 kann somit beispielsweise zur intravaskulären Ultraschall-Bildgebung (IVUS) und zur intravaskulären photoakustischen Bildgebung (IVPA), wo hochempfindliche Bildgebung erforderlich ist, eingesetzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2009165931 A [0008]

Claims

Ultraschallwandler mit einer Resonatorschicht (105) und einem über und unter dieser angeordneten Elektrodenpaar (103, 107), umfassend: über und unter jeder der beiden Elektroden (103, 107) angeordnete Isolierschichten (102, 104, 106, 108) und ein gefülltes Loch (109), das mindestens einen Teil der Isolierschichten über der Resonatorschicht (105) in vertikaler Richtung durchsetzt, wobei jede der beiden Elektroden (103, 107), von oben gesehen, an einer das gefüllte Loch (109) überlappenden Stelle einen elektrodenfreien Bereich (103a, 107a) aufweist, in dem keine Elektrode ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das gefüllte Loch (109) mit einem Isolator gefüllt ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der elektrodenfreie Bereich (103a, 107a) aus einem Isolator gebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der elektrodenfreie Bereich (103a) der unteren Elektrode (103), von oben gesehen, kleiner ist hat als der elektrodenfreie Bereich (107a) der oberen Elektrode (107).
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der elektrodenfreie Bereich (103a, 107a) und ein über diesem liegender Bereich mit einem Isolator auf die gleiche Höhe gefüllt sind wie die Isolierschicht, die an einer oberen Fläche der unteren Elektrode (103) angeordnet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei: der elektrodenfreie Bereich (103a) der unteren Elektrode (103) einen elektrodenfreien Bereich aufweist, der aus dem gleichen Material gebildet ist wie die Elektrode (103), und zwischen dem elektrodenfreien Bereich (103a) und der unteren Elektrode (103) ein Isolierbereich (R1) ausgebildet ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 6, wobei mehrere elektrodenfreie Bereiche (103d) vorgesehen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers (10), wobei auf ein Substrat (101) nacheinander eine erste Elektrode (103), einer erste Isolierschicht (104), eine verlorene Schicht (118), eine zweite Isolierschicht (106), eine zweite Elektrode (107) und eine dritte Isolierschicht (108) auflaminiert werden, ein von der dritten Isolierschicht (108) bis zu der verlorenen Schicht (118) durchgehendes Durchgangsloch (119) gebildet wird, eine Resonatorschicht (105) gebildet wird, indem Material der verlorenen Schicht (118) über das Durchgangsloch (119) weggeätzt wird und das Durchgangsloch (119) mit Isoliermaterial gefüllt wird, wobei beim Auflaminieren der ersten und der zweiten Elektrode (103, 107) ein Bereich, der, von oben gesehen, einen dem Durchgangsloch (119) entsprechenden Bereich umfasst, als elektrodenfreier Bereich (103a, 107a) definiert wird und die erste und die zweite Elektrode (103, 107) jeweils in vom dem elektrodenfreien Bereich verschiedenen Bereichen aufbracht werden.
Herstellverfahren nach Anspruch 8, wobei der elektrodenfreie Bereich (103a) nach dem Aufbringen der ersten Elektrode (103) mit Isoliermaterial gefüllt wird.
Herstellverfahren nach Anspruch 8, wobei beim Aufbringen der ersten Elektrode (103) ein Bereich, der von der die erste Elektrode kontaktierenden Außenkante des elektrodenfreien Bereichs (103a) verschieden ist, aus dem gleichen Material wie die erste Elektrode (103) aufgetragen wird.
Herstellverfahren nach Anspruch 10, wobei der Teil des elektrodenfreien Bereichs, der unter Verwendung desselben Elektrodenmaterials wie bei der ersten Elektrode (103) aufgebracht wird, in mehrere Teile unterteilt und aufgebracht wird.
Ultraschall-Bildgebungsvorrichtung (100) mit dem Ultraschallwandler (10) nach Anspruch 1.