JP5178791B2 - Capacitive ultrasonic transducer - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波振動子に関する。 The present invention relates to a capacitive ultrasonic transducer obtained by processing a silicon semiconductor substrate using silicon micromachining technology.
体腔内に超音波を照射し、そのエコー信号から体内の状態を画像化して診断する体腔内超音波診断装置による超音波診断法が普及している。この超音波診断法に用いられる機材の１つに超音波内視鏡がある。超音波内視鏡は、体腔内へ挿入する挿入部の先端に超音波振動子（超音波トランスデューサ）が取り付けてあり、このトランスデューサは電気信号を超音波に変換し体腔内へ照射したり、また体腔内で反射した超音波を受信して電気信号に変換したりするものである。 2. Description of the Related Art An ultrasonic diagnostic method using an intracorporeal ultrasonic diagnostic apparatus that irradiates an ultrasonic wave into a body cavity and images and diagnoses a state inside the body from the echo signal has been widely used. One of the equipment used for this ultrasonic diagnostic method is an ultrasonic endoscope. In an ultrasonic endoscope, an ultrasonic transducer (ultrasonic transducer) is attached to the tip of an insertion portion to be inserted into a body cavity. This transducer converts an electrical signal into an ultrasonic wave and irradiates it into the body cavity. It receives ultrasonic waves reflected in the body cavity and converts them into electrical signals.
従来、超音波トランスデューサでは、電気信号を超音波に変換させる圧電素子として、セラミック圧電材ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）が使用されてきたが、シリコンマイクロマシーニング技術を用いてシリコン半導体基板を加工した静電容量型超音波トランスデューサ（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ（以下、ｃ−ＭＵＴと称する））が注目を集めている（例えば、非特許文献１）。これは、マイクロマシン（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ 、超小型電気的・機械的複合体）と総称される素子の１つである。 Conventionally, in an ultrasonic transducer, a ceramic piezoelectric material PZT (lead zirconate titanate) has been used as a piezoelectric element that converts an electrical signal into an ultrasonic wave, but a silicon semiconductor substrate is processed using silicon micromachining technology. The capacitive ultrasonic transducer (Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer (hereinafter referred to as “c-MUT”)) has attracted attention (for example, Non-Patent Document 1). This is one of the elements collectively referred to as a micromachine (MEMS: Micro Electro-Mechanical System).
ＭＥＭＳ素子は、シリコン基板、ガラス基板等の基板上に微細構造体として形成されており、機械的駆動力を出力する駆動体と、駆動体を駆動する駆動機構と、駆動機構を制御する半導体集積回路等とを電気的に、更には機械的に結合させた素子である。ＭＥＭＳ素子の基本的な特徴は、機械的構造として構成されている駆動体が素子の一部に組み込まれていることであって、駆動体の駆動は、電極間のクーロン引力などを応用して電気的に行われる。 The MEMS element is formed as a fine structure on a substrate such as a silicon substrate or a glass substrate, and includes a driver that outputs a mechanical driving force, a driving mechanism that drives the driving body, and a semiconductor integrated circuit that controls the driving mechanism. An element in which a circuit or the like is electrically and further mechanically coupled. The basic feature of a MEMS device is that a drive body configured as a mechanical structure is incorporated in a part of the device, and the drive body is driven by applying Coulomb attractive force between electrodes. It is done electrically.
さて、非特許文献１では、図１５に示すようなｃ−ＭＵＴが開示されている。図１５（ａ）は６４個の振動子エレメントからなる１次元ｃ−ＭＵＴアレイの２セットを上面から観た図を示しており、図１５（ｂ）はダミーネイバー（Ｄｕｍｍｙ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ）を設けた単離された１個のｃ−ＭＵＴエレメントを示しており、図１５（ｃ）は並列に接続された８Ｘ１６０個のセルで構成されたｃ−ＭＵＴエレメントの拡大図を示す。ここで、振動子エレメントとは駆動制御信号を入出力する最小単位である。この振動子エレメントは複数の振動子セルから構成されている。 In Non-Patent Document 1, a c-MUT as shown in FIG. 15 is disclosed. FIG. 15A shows a top view of two sets of a one-dimensional c-MUT array composed of 64 transducer elements, and FIG. 15B shows a single unit provided with dummy neighbors (Dummy Neighbors). FIG. 15 (c) shows an enlarged view of a c-MUT element composed of 8 × 160 cells connected in parallel. FIG. 15 (c) shows a separated c-MUT element. Here, the transducer element is a minimum unit for inputting / outputting a drive control signal. This transducer element is composed of a plurality of transducer cells.
振動子エレメント５００は、複数のセル５０１、各セル５０１の上部に設けられた上部電極５０２、接地電極５０３、ダミーネイバー（Ｄｕｍｍｙ Ｎｅｉｇｈｂｏｒ）５０５、溝（トレンチ）部５０６から構成されている。隣接する上部電極５０２間は導通しており、さらに両端の接地電極５０３に接続されている。ダミーネイバー５０５は、隣接するエレメントとのクロストークを防止するためのものである。電極５０２，５０３とダミーネイバーの間には、溝５０６が設けてある。 The transducer element 500 includes a plurality of cells 501, an upper electrode 502 provided above each cell 501, a ground electrode 503, a dummy neighbor (Dummy Neighbor) 505, and a groove (trench) portion 506. The adjacent upper electrodes 502 are electrically connected, and are further connected to the ground electrodes 503 at both ends. The dummy neighbor 505 is for preventing crosstalk with adjacent elements. A groove 506 is provided between the electrodes 502 and 503 and the dummy neighbor.
上部電極５０２は、メンブレンにより支持されている。また、不図示ではあるが、上部電極５０２と対向する位置でセル内部に下部電極が設けられ、下部電極とメンブレン間には空隙部（キャビティ）がある。振動子エレメント５００の上部電極５０２及び下部電極に電圧を印加すると、各セル５０１が同時に駆動して、同位相で一斉に振動する。これにより、超音波が放射される。 The upper electrode 502 is supported by a membrane. Although not shown, a lower electrode is provided inside the cell at a position facing the upper electrode 502, and there is a gap (cavity) between the lower electrode and the membrane. When a voltage is applied to the upper electrode 502 and the lower electrode of the transducer element 500, the cells 501 are simultaneously driven to vibrate all at the same phase. Thereby, ultrasonic waves are emitted.
非特許文献１では、シリコン基板のラム（Ｌａｍｂ）波（Ａ０モード）及び固相−液相間のストンリー（Ｓｔｏｎｅｌｅｙ）波（境界波）が隣接する振動子エレメント間のクロストークに重大な影響を与えることを見出しており、振動子エレメント５００を用いることによりその影響を軽減している。 In Non-Patent Document 1, a Lamb wave (A0 mode) of a silicon substrate and a Stoneley wave (boundary wave) between a solid phase and a liquid phase have a significant effect on crosstalk between adjacent transducer elements. The effect is reduced by using the transducer element 500.
しかしながら、振動子エレメント５００のように、溝部５０６と、ダミーネイバー領域５０５と、溝部５０６と超音波を送受するセル領域の間に電極領域５０３とを設けると、振動子エレメント全体に占める振動子セル領域の比率が小さくなる。 However, when the electrode portion 503 is provided between the groove portion 506, the dummy neighbor region 505, and the groove portion 506 and the cell region for transmitting and receiving ultrasonic waves, like the vibrator element 500, the vibrator cell occupying the whole vibrator element. The area ratio becomes smaller.
この場合に、セル領域の面積をある程度の大きさに保持しようとすると、振動子エレメントを大きくする必要があり、このｃ−ＭＵＴを使用した超音波振動子の小型化を図ることができない。また、エレメントの大きさを従来と同程度に保持しようとすると、セル領域の面積を小さくする必要があり、発生させる超音波の出力低下を招くことになる。 In this case, in order to keep the area of the cell region to a certain size, it is necessary to enlarge the transducer element, and the ultrasonic transducer using this c-MUT cannot be reduced in size. Further, if the size of the element is to be maintained at the same level as the conventional one, it is necessary to reduce the area of the cell region, resulting in a decrease in output of the generated ultrasonic wave.
上記の課題に鑑み、本発明では、振動子エレメントの両端に溝部を設けた静電容量型超音波振動子において、全体に占めるセル領域の面積比率を低下させず、かつ発生させる超音波の出力低下のない静電容量型超音波振動子を提供する。 In view of the above-described problems, in the present invention, in the capacitive ultrasonic transducer in which grooves are provided at both ends of the transducer element, the output of the ultrasonic wave to be generated without reducing the area ratio of the cell region in the whole Provided is a capacitive ultrasonic transducer that does not drop.
上記課題は、特許請求の範囲の請求項１に記載の発明によれば、シリコン基板、前記シリコン基板の上面に配設された第１の電極、前記第１の電極と対向し所定の空隙を隔てて配設された第２の電極、および前記第２の電極を支持するメンブレンからなる振動子セル、を含む振動子エレメントを複数含む静電容量型超音波振動子において、隣接する前記振動子エレメント間に溝部を配置され、前記溝部には導電膜が形成され、前記溝部は非直線であることを特徴とする静電容量型超音波振動子を提供することによって達成できる。 According to the first aspect of the present invention, there is provided a silicon substrate, a first electrode disposed on an upper surface of the silicon substrate, and a predetermined gap facing the first electrode. Adjacent transducers in a capacitive ultrasonic transducer including a plurality of transducer elements including a second electrode spaced apart and a transducer cell comprising a membrane supporting the second electrode This can be achieved by providing a capacitive ultrasonic transducer in which a groove is disposed between elements, a conductive film is formed in the groove, and the groove is non-linear.
上記課題は、特許請求の範囲の請求項２に記載の発明によれば、前記非直線は、曲線、鋸線、または矩形線であることを特徴とする請求項１に記載の静電容量型超音波振動子を提供することによって達成できる。 According to the second aspect of the present invention, the non-straight line is a curved line, a saw line, or a rectangular line. This can be achieved by providing an ultrasonic transducer.
本発明を用いることにより、エレメントの両端に溝を設けた静電容量型超音波振動子において、全体に占めるセル領域の面積比率を低下させる必要がなくなる。それにより、発生させる超音波の出力が軽減することが無くなる。 By using the present invention, it is not necessary to reduce the area ratio of the cell region in the entire capacitive ultrasonic transducer having grooves at both ends of the element. Thereby, the output of the generated ultrasonic wave is not reduced.
＜第１の実施形態＞
本実施形態では、溝部の底部に接地電極を設けた振動子エレメントの製造について説明する。
<First Embodiment>
In the present embodiment, the manufacture of a transducer element in which a ground electrode is provided at the bottom of the groove will be described.
図１は、本実施形態における静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子を示す。静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子１は、複数の振動子エレメント３から構成される振動子ユニット２、制御回路ユニット４、配線用ＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）５から構成される。 FIG. 1 shows a capacitive radial scanning array ultrasonic transducer according to this embodiment. The capacitive radial scanning array ultrasonic transducer 1 includes a transducer unit 2 composed of a plurality of transducer elements 3, a control circuit unit 4, and an FPC (flexible printed circuit board) 5 for wiring.
複数の長方形状の振動子ユニット２は短手方向に直列に結合し、それが円筒形をなしている。配線用ＦＰＣ５は、ＦＰＣ上に配線パターンや電極パッドが形成されているものである。制御回路ユニット４はＦＰＣ５に対しｃＭＵＴとは反対の面に振動子ユニット２と位置をあわせて、１振動子ユニットに１制御回路ユニットという配置になっている。ｃＭＵＴのエレメントを単位としてＦＰＣを貫通するスルーホールが形成され、それを通してｃＭＵＴユニットと制御回路ユニットが接続される様に配置される。制御回路ユニット４はパルサー、チャージアンプ、マルチプレクサ等の集積回路等から構成される。なお、振動子ユニット２の形状は長方形に限定されない。 The plurality of rectangular vibrator units 2 are connected in series in the lateral direction, and form a cylindrical shape. The wiring FPC 5 has a wiring pattern and electrode pads formed on the FPC. The control circuit unit 4 is arranged as one control circuit unit per one transducer unit by aligning the position of the transducer unit 2 on the surface opposite to the cMUT with respect to the FPC 5. Through-holes penetrating the FPC are formed in units of cMUT elements, and the cMUT unit and the control circuit unit are arranged through the through-holes. The control circuit unit 4 includes an integrated circuit such as a pulser, a charge amplifier, and a multiplexer. The shape of the vibrator unit 2 is not limited to a rectangle.
図２は、本実施形態における振動子ユニット２単体の上面図を示す。振動子ユニット２は、複数の正方形状の振動子エレメント３から構成されている。同図では、振動子ユニット２は振動子エレメント３を複数一次元に配列して構成されている。隣接する振動子ユニット間には振動子ユニット配列方向溝７が設けられている。また、各振動子ユニット内において隣接する振動子エレメント間には振動子エレメント間溝６が設けられている。なお、振動子エレメントの形状は、正方形に限定されない。 FIG. 2 shows a top view of the single vibrator unit 2 in the present embodiment. The transducer unit 2 is composed of a plurality of square transducer elements 3. In the figure, the vibrator unit 2 is configured by arranging a plurality of vibrator elements 3 in one dimension. A transducer unit arrangement direction groove 7 is provided between adjacent transducer units. In addition, an inter-vibrator element groove 6 is provided between adjacent vibrator elements in each vibrator unit. The shape of the transducer element is not limited to a square.
図３は、本実施形態における振動子エレメント３単体の上面図を示す。振動子エレメント３は、振動子ユニット配列方向溝７、振動子エレメント間溝６、振動子セル電極間インターコネクト電極８，９，１０、振動子セル上部電極１１、犠牲層剤除去孔１３、下部電極スルーホール電極部１４から構成される。振動子セル上部電極１１の背面（図面に対して垂直方向）には、キャビティが形成されており、それをキャビティ周縁部１２として表している。 FIG. 3 shows a top view of a single element of the transducer element 3 in the present embodiment. The transducer element 3 includes a transducer unit arrangement direction groove 7, a transducer element groove 6, transducer cell electrode interconnect electrodes 8, 9, 10, a transducer cell upper electrode 11, a sacrificial layer agent removal hole 13, and a lower electrode. The through-hole electrode portion 14 is configured. A cavity is formed on the back surface (perpendicular to the drawing) of the transducer cell upper electrode 11, which is represented as a cavity peripheral edge 12.
振動子エレメント３は、複数の振動子セルから構成されており、振動子セルはキャビティの個数に等しく、同図では４つの振動子セルから構成される。また、１５はダイシングするためのダイシングラインを示している。 The transducer element 3 is composed of a plurality of transducer cells, and the transducer cell is equal to the number of cavities, and is composed of four transducer cells in FIG. Reference numeral 15 denotes a dicing line for dicing.
図４は、図３のＡａ−Ａｂについての断面図である。この断面において、振動子エレメント３は、上述の通り、３０で示される構成単位を振動子セルという。メンブレンとはセル３０上部を覆っている膜のことをいい、図４では上部電極１１、メンブレン上層２４、メンブレン下層２２で構成される膜のことをいう。このメンブレンは、各振動子セルの両端のメンブレン支持部２０で固定された振動膜である。メンブレン支持部２０間におけるシリコン基板１６の表面（凹部の底部分）に、上部電極１１と対向するように下部電極１９が構成され、その上に誘電体膜２７（例えば、ＳｉＯ2）が形成されている。 FIG. 4 is a cross-sectional view taken along Aa-Ab in FIG. In this cross section, in the transducer element 3, the structural unit indicated by 30 is referred to as a transducer cell as described above. The membrane refers to a film covering the upper portion of the cell 30, and in FIG. 4, refers to a film composed of the upper electrode 11, the membrane upper layer 24, and the membrane lower layer 22. This membrane is a vibrating membrane fixed by membrane support portions 20 at both ends of each transducer cell. A lower electrode 19 is formed on the surface of the silicon substrate 16 (the bottom portion of the recess) between the membrane support portions 20 so as to face the upper electrode 11, and a dielectric film 27 (for example, SiO 2 ) is formed thereon. ing.
下部電極１９には、下部電極１９とシリコン基板１６の底面に設けられた信号入出力端子電極パッド２６とを電気的に導通させるための下部電極スルーホール電極部１４が設けられている。具体的には、この下部電極スルーホール電極部１４のホール表面に形成されたインターコネクト配線１９１により下部電極１９と信号入出力端子電極パッド２６とは電気的に導通している。 The lower electrode 19 is provided with a lower electrode through-hole electrode portion 14 for electrically connecting the lower electrode 19 and a signal input / output terminal electrode pad 26 provided on the bottom surface of the silicon substrate 16. Specifically, the lower electrode 19 and the signal input / output terminal electrode pad 26 are electrically connected by an interconnect wiring 191 formed on the hole surface of the lower electrode through-hole electrode portion 14.
シリコン基板１６の底面表面はシリコン酸化膜１７で被膜されている。上部電極１１及び振動子セル電極間インターコネクト電極１０は、金属膜で構成されている。また、この上部電極は、溝部６，７の側面及び底面に被膜された金属膜に電気的に導通している。 The bottom surface of the silicon substrate 16 is coated with a silicon oxide film 17. The upper electrode 11 and the transducer cell electrode interconnect electrode 10 are made of a metal film. The upper electrode is electrically connected to the metal film coated on the side and bottom surfaces of the groove portions 6 and 7.
接地電極パッド２５は、上部電極１１をＧＮＤに接続するために、溝６，７の底面に形成した電極をシリコン基板１６底面に電気的に導通させるためのパッドである。
誘電体膜２７は、キャビティを挟んだ上部電極１１と下部電極１９間の静電容量を増幅させるためのものである。空乏層１８は、電子あるいは正孔がほとんど存在しない状態になっている層である。
The ground electrode pad 25 is a pad for electrically connecting the electrodes formed on the bottom surfaces of the grooves 6 and 7 to the bottom surface of the silicon substrate 16 in order to connect the upper electrode 11 to the GND.
The dielectric film 27 is for amplifying the capacitance between the upper electrode 11 and the lower electrode 19 across the cavity. The depletion layer 18 is a layer in which almost no electrons or holes exist.
なお、キャビティ（空隙部）２１は、メンブレンとメンブレン支持部２０と下部電極１９及び誘電体膜２７とで囲まれた空間のことをいう。なお、メンブレンは、図５で後述するように、製造工程上複数のメンブレン膜から構成されている。また、溝部６，７の底部に配設された電極と設置電極パッド２５との間の「接触抵抗」が限りなく小さく（オーミックコンタクト）なる構造となっている。 Note that the cavity (void portion) 21 refers to a space surrounded by the membrane, the membrane support portion 20, the lower electrode 19, and the dielectric film 27. As will be described later with reference to FIG. 5, the membrane is composed of a plurality of membrane films in the manufacturing process. In addition, the “contact resistance” between the electrode disposed at the bottom of the grooves 6 and 7 and the installation electrode pad 25 is infinitely small (ohmic contact).
振動子セル３０の動作について説明すると、上部電極１１と下部電極１９の一対の電極に電圧をかけることで電極間が引っ張りあい、電圧を０にすると元に戻る。この振動動作によってメンブレンが振動した結果、超音波が発生し、上部電極１１の上方向に超音波が照射される。 The operation of the transducer cell 30 will be described. When a voltage is applied to the pair of electrodes of the upper electrode 11 and the lower electrode 19, the electrodes are pulled together, and when the voltage is reduced to 0, the original state is restored. As a result of the vibration of the membrane by this vibration operation, ultrasonic waves are generated, and the ultrasonic waves are irradiated upward in the upper electrode 11.
図５（図５Ａ，図５Ｂ，図５Ｃ）では、本実施形態における静電容量型超音波振動子の製造工程について説明する。
まず、Ｎ型シリコン基板４０（厚さ約１００〜５００μｍ）の上表面に酸化膜（ＳｉＯ2）２０２で、マスクする（Ｓ１）。マスク形成は、Ｗｅｔ酸化法により、厚さ約３０００〜４０００Åの酸化膜を形成する。そして、フォトリソグラフィー工程で下部電極スルーホール電極部４２を形成するためのパターンニングを行い、エッチング工程でパターンニングした酸化膜を除去する。
5 (FIGS. 5A, 5B, and 5C), a manufacturing process of the capacitive ultrasonic transducer in this embodiment will be described.
First, the upper surface of the N-type silicon substrate 40 (thickness: about 100 to 500 μm) is masked with an oxide film (SiO 2 ) 202 (S1). For the mask formation, an oxide film having a thickness of about 3000 to 4000 mm is formed by a wet oxidation method. Then, patterning for forming the lower electrode through-hole electrode portion 42 is performed in the photolithography process, and the oxide film patterned in the etching process is removed.
次に、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ ＰｌａｓｍａＲｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ：誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチング）を行うことにより、Ｓ１でマスクされていない部分に孔４２が開く（Ｓ２）。 Next, by performing ICP-RIE (Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching), a hole 42 is opened in a portion not masked by S1 (S2).
次に、空乏層４３を形成する（Ｓ３）。ここでは、まずＮ型シリコン基板４０の底面についても酸化膜（ＳｉＯ2）でマスクし、フォトリソグラフィー工程で空乏層４３を形成するためのパターンニングをＮ型シリコン基板４０の上下面について行い、エッチング工程でパターンニングした酸化膜を除去する。それから、Ｐ型のイオンを注入して、熱処理を行うことにより、Ｐ型の拡散層を形成する。 Next, a depletion layer 43 is formed (S3). Here, first, the bottom surface of the N-type silicon substrate 40 is also masked with an oxide film (SiO 2 ), and patterning for forming the depletion layer 43 is performed on the upper and lower surfaces of the N-type silicon substrate 40 by etching. The oxide film patterned in the process is removed. Then, P-type diffusion layers are formed by implanting P-type ions and performing heat treatment.
次に、コンタクト層（Ｎ＋）４４を両面に形成する（Ｓ４）。マスク形成工程、フォトリソグラフィー工程、エッチング工程により、コンタクト層４４を形成する部分以外をＳｉＯ2でマスクする。それからマスクされていない部分に対して、Ｎ型のイオンを注入して、熱処理を行うことにより、Ｎ型の拡散層を形成する。これをシリコン基板の両面のコンタクト層（Ｎ＋）４４について行う。 Next, the contact layer (N +) 44 is formed on both surfaces (S4). The portions other than the portion where the contact layer 44 is formed are masked with SiO 2 by the mask formation step, the photolithography step, and the etching step. Then, N-type diffusion layers are formed by implanting N-type ions into the unmasked portion and performing heat treatment. This is performed for the contact layers (N +) 44 on both sides of the silicon substrate.
次に、電極膜（Ｐｔ／Ｔｉ）４５を両面に形成する（Ｓ５）。まず、マスク４１を除去した後、電極膜を形成する部分以外をレジスト材でマスクする。その後、スパッタにより電極膜４５を形成し、リフトオフ工程でマスクしたレジスト材を除去する。なお、電極の材質はＰｔ／Ｔｉに限定されず、Ａｕ／Ｃｒ、Ｍｏ，Ｗ、リン青銅、Ａｌなどでもよい。 Next, an electrode film (Pt / Ti) 45 is formed on both surfaces (S5). First, after removing the mask 41, the portion other than the portion where the electrode film is formed is masked with a resist material. Thereafter, an electrode film 45 is formed by sputtering, and the resist material masked in the lift-off process is removed. The material of the electrode is not limited to Pt / Ti, but may be Au / Cr, Mo, W, phosphor bronze, Al, or the like.
次に、誘電体膜を形成する（Ｓ６）。マスク形成工程、スパッタ工程、リフトオフ工程を経て誘電体膜（例えば、ＳｒＴｉＯ3）５０を形成する。なお、誘電体膜５０はＳｒＴｉＯ3に限定されず、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ3、チタン酸バリウム・ストロンチウム、五酸化タンタル、酸化ニオブ安定化五酸化タンタル、酸化アルミニウム、または酸化チタンＴｉＯ2等の高誘電率を有する材料を用いてもよい。 Next, a dielectric film is formed (S6). A dielectric film (for example, SrTiO 3 ) 50 is formed through a mask formation process, a sputtering process, and a lift-off process. The dielectric film 50 is not limited to SrTiO 3, but is a high dielectric such as barium titanate BaTiO 3 , barium strontium titanate, tantalum pentoxide, niobium oxide stabilized tantalum pentoxide, aluminum oxide, or titanium oxide TiO 2. A material having a rate may be used.
次に、メンブレン支持層を形成する（Ｓ７）。メンブレン支持部を形成する部分以外をマスクした後、ＣＶＤによりＳｉＮ層を形成して、マスクを除去する。そうすると、メンブレン支持部が形成されている。 Next, a membrane support layer is formed (S7). After masking the portion other than the portion for forming the membrane support portion, a SiN layer is formed by CVD, and the mask is removed. As a result, a membrane support is formed.
次に、Ｓ７で形成したメンブレン支持部間に犠牲層としてポリシリコン５２を充填する（Ｓ８）。なお、本実施形態では、犠牲層にポリシリコンを用いたが、例えばＳｉＯ2等エッチングできる部材であれば特に限定されない。 Next, polysilicon 52 is filled as a sacrificial layer between the membrane support portions formed in S7 (S8). In this embodiment, polysilicon is used for the sacrificial layer, but there is no particular limitation as long as the member can be etched, such as SiO 2 .
次に、メンブレンを形成する（Ｓ９）。まず、犠牲層エッチング用孔５４及び溝５５となる部分をマスクする。そして、ＣＶＤでＳｉＮ膜５３を形成する。それから、マスクを除去する。そうすると、メンブレン５３と犠牲層エッチング用孔５４と溝５５とが形成されている。 Next, a membrane is formed (S9). First, the portions to be the sacrificial layer etching hole 54 and the groove 55 are masked. Then, a SiN film 53 is formed by CVD. Then the mask is removed. As a result, the membrane 53, the sacrificial layer etching hole 54, and the groove 55 are formed.
次に、エッチングにより犠牲層５２を除去する（Ｓ１０）。本実施形態ではポリＳｉを犠牲層に用いているので、エッチャーとしてＸｅＦ2を用いてエッチングして、犠牲層を犠牲層エッチング用孔５４から除去する。そうすると、キャビティ５６及び溝５５が形成されている。 Next, the sacrificial layer 52 is removed by etching (S10). In this embodiment, since poly-Si is used for the sacrificial layer, the sacrificial layer is removed from the sacrificial layer etching hole 54 by etching using XeF 2 as an etcher. As a result, the cavity 56 and the groove 55 are formed.
次に、犠牲層エッチング用孔５４を塞ぐ（Ｓ１１）。まず、溝５５の底部分（コンタクト電極）をマスクし、ＣＶＤを用いてエレメント上面全体にＳｉＮ膜を形成する。それから、マスクを除去して、溝５５の底部分（コンタクト電極）を露出させる。 Next, the sacrificial layer etching hole 54 is closed (S11). First, the bottom portion (contact electrode) of the groove 55 is masked, and a SiN film is formed on the entire upper surface of the element using CVD. Then, the mask is removed, and the bottom portion (contact electrode) of the groove 55 is exposed.
最後に、図３に示したように、振動子セル電極間インターコネクト電極８，９，１０、振動子セル上部電極１１、振動子ユニット配列方向溝７の底部の電極、振動子エレメント間溝６の底部の電極以外をマスクし、スパッタリング、リフトオフを経て、電極膜（Ｐｔ／Ｔｉ）６１を振動子エレメント上面全体に形成する（Ｓ１２）ことにより、振動子エレメント３が完成する。 Finally, as shown in FIG. 3, the transducer cell electrode interconnect electrodes 8, 9, 10, the transducer cell upper electrode 11, the bottom electrode of the transducer unit arrangement direction groove 7, and the transducer element groove 6 The electrode element (Pt / Ti) 61 is formed on the entire top surface of the transducer element by masking other than the bottom electrode and performing sputtering and lift-off (S12), whereby the transducer element 3 is completed.
なお、本実施形態において、電極膜（及びコンタクト層）の形成、すなわち溝内にある電極を形成する処理（導体化処理）では、イオン注入もしくはＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長方法）と拡散処理、またはＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：物理気相成長法）により行われる。 In this embodiment, in the formation of the electrode film (and the contact layer), that is, in the process of forming the electrode in the groove (conducting process), ion implantation or CVD (Chemical Vapor Deposition) is used. Diffusion treatment or PVD (Physical Vapor Deposition) is performed.
以上より、溝部分に接地電極を形成することで、別途接地電極のための領域を振動子エレメント内に設ける必要が無く、振動子エレメントに占める超音波出力領域の面積比率を低下させることはない。また、溝部を設けているために隣接するエレメント間のクロストークの影響を抑制することができる。 As described above, by forming the ground electrode in the groove portion, there is no need to separately provide a region for the ground electrode in the transducer element, and the area ratio of the ultrasonic output region in the transducer element is not reduced. . Further, since the groove is provided, the influence of crosstalk between adjacent elements can be suppressed.
なお、本実施形態では一例としてラジアルタイプの静電容量型超音波振動子を用いたが、これに限定されず、コンベックスタイプでもリニアタイプでもよい。
＜第２の実施形態＞
本実施形態では、振動子エレメントに設けた溝の形状のバリエーションについて説明する。
In this embodiment, a radial type capacitive ultrasonic transducer is used as an example. However, the present invention is not limited to this, and may be a convex type or a linear type.
<Second Embodiment>
In the present embodiment, variations in the shape of the groove provided in the transducer element will be described.
図６は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その１）を示す。７０及び７１は溝部を示している。７６はシリコン基板を示している。７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）はシリコン基板７６上面側のコンタクト電極を示している。７３（７３ａ，７３ｂ，７３ｃ）はコンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）周辺に形成されたコンタクト層を示している。７４はシリコン基板７６下面側のコンタクト電極を示している。７５はコンタクト電極７４周辺に形成されたコンタクト層を示している。７７及び７８はＳｉＮ層を示している。７９は電極膜を示している。 FIG. 6 shows an example (part 1) of variations in the shape of the groove in the present embodiment. Reference numerals 70 and 71 denote groove portions. Reference numeral 76 denotes a silicon substrate. Reference numeral 72 (72a, 72b, 72c) denotes a contact electrode on the upper surface side of the silicon substrate 76. Reference numeral 73 (73a, 73b, 73c) denotes a contact layer formed around the contact electrode 72 (72a, 72b, 72c). Reference numeral 74 denotes a contact electrode on the lower surface side of the silicon substrate 76. Reference numeral 75 denotes a contact layer formed around the contact electrode 74. Reference numerals 77 and 78 denote SiN layers. Reference numeral 79 denotes an electrode film.
７０は、溝部をテーパー形状にして開口部を底部より広くした場合を示している。このようにすることにより、孔径がある大きさ以上の場合は、スパッタリングを用いて電極を成膜することが可能となる。また、溝の側面が垂直な場合と比較して、スパッタで電極膜が付着しやすく、より厚く成膜することができる。それにより、配線の信頼性が向上する。 70 shows a case where the groove is tapered and the opening is wider than the bottom. By doing in this way, when the hole diameter is larger than a certain size, it is possible to form an electrode using sputtering. Further, compared with the case where the side surface of the groove is vertical, the electrode film is easily attached by sputtering, and the film can be formed thicker. Thereby, the reliability of the wiring is improved.
７１は、ボッシュ（Ｂｏｓｈ）プロセスにより溝部側面の表面に凹凸を形成した場合を示している。ボッシュプロセスとは、反応ガスにＣ4Ｆ8とＳＦ6を用い、交互に切り替えエッチングとバッシベーション（化学反応を起こさないように表面に保護膜を付与する）工程を繰り返すプロセスのことである。高アスペクト比の加工が可能になる。ボッシュプロセスで溝部を形成する場合、バッシベーションとエッチングのタイミングを変化させ、テーパーや凹凸を形成することが可能となる。 Reference numeral 71 denotes a case where irregularities are formed on the surface of the groove side surface by the Bosch process. The Bosch process is a process in which C 4 F 8 and SF 6 are used as a reaction gas, and alternately switching etching and passivation (providing a protective film on the surface so as not to cause a chemical reaction) are repeated. High aspect ratio processing is possible. When the groove is formed by the Bosch process, it is possible to change the timing of passivation and etching to form a taper or unevenness.
通常のボッシュプロセスでできる波線状の凹凸は数〜数十ｎｍオーダーである。しかしながら、本実施形態では、密着強度を上げるために、溝側壁にサブμｍオーダー以上の凹凸を設けてある。この凹凸により、付与するメンブレンと同材質のＳｉＮや上部電極と繋がる導体薄膜の密着性が向上する。そして、後述する超音波減衰材料の密着性も向上し、精密裁断などにより裁断する時の強度向上に繋がる。 The wavy line irregularities formed by a normal Bosch process are on the order of several to several tens of nm. However, in this embodiment, in order to increase the adhesion strength, the groove sidewall is provided with unevenness of the order of sub-μm or more. The unevenness improves the adhesion of SiN, which is the same material as the membrane to be applied, and the conductor thin film connected to the upper electrode. And the adhesiveness of the ultrasonic attenuation material mentioned later improves, and it leads to the strength improvement at the time of cutting by precision cutting.
このように、ボッシュプロセスを用いて溝部側面の表面に凹凸を形成することで、表面積が大きくなり、その後の工程で付与される電極膜やＳｉＮ膜が剥離しにくくなる。また、溝部の底部にあるコンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）のＧＮＤは、シリコン基板７６を介してコンタクト電極７４から接続される。 As described above, by forming irregularities on the surface of the side surface of the groove using the Bosch process, the surface area is increased, and the electrode film and SiN film applied in the subsequent process are difficult to peel off. The GND of the contact electrode 72 (72a, 72b, 72c) at the bottom of the groove is connected from the contact electrode 74 via the silicon substrate 76.
図６の左側のトレンチ部分は開口部より底部の方が広い形状となっている場合の例を示している。このように、溝の形状は、どのような形状でも構わない。
図７は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その２）を示す。同図は、図６より溝の底部をシリコン基板７６内部まで掘り下げた場合を示す。シリコン基板７６までエッチングした後に、コンタクト層７３を形成してそれを下地として電極を成膜したものである。すなわち、コンタクト層形成後に、ＳｉＮ（犠牲層の除去する穴を塞ぐ）の成膜をＣＶＤで行い、コンタクト層表面が自然酸化等で抵抗を持たないように、メンブレンと繋がっている電極７９を成膜する前に、耐蝕性の強い電極材を下地電極として成膜する。
The trench part on the left side of FIG. 6 shows an example in which the bottom part is wider than the opening part. Thus, the shape of the groove may be any shape.
FIG. 7 shows an example (part 2) of variations in the shape of the groove in the present embodiment. This figure shows a case where the bottom of the groove is dug down into the silicon substrate 76 from FIG. After etching to the silicon substrate 76, a contact layer 73 is formed, and an electrode is formed on the contact layer 73 as a base. That is, after the contact layer is formed, SiN (which closes the hole for removing the sacrificial layer) is formed by CVD, and the electrode 79 connected to the membrane is formed so that the contact layer surface does not have resistance due to natural oxidation or the like. Before film formation, an electrode material having strong corrosion resistance is formed as a base electrode.
このように、コンタクト電極７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ）とコンタクト電極７４との距離が短くなり、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。 As described above, the distance between the contact electrode 72 (72a, 72b, 72c) and the contact electrode 74 is shortened, and the electrical loss can be reduced, so that the reliability of the wiring is improved.
また、ドライエッチングなので、機械的強度に問題がない限り、波線状にエッチングすることも可能である。つまり、通常の溝形成（裁断も同様）はダイシングソー（精密裁断機）で行われるが、そのため、直線状にしか溝形成はできない。しかし、ＩＣＰ−ＲＩＥなどのドライエッチングでは波線をはじめ任意の形状で溝形成が可能となる。 In addition, since it is dry etching, it can be etched in a wavy line as long as there is no problem in mechanical strength. That is, normal groove formation (similar to cutting) is performed with a dicing saw (precision cutting machine), but therefore, grooves can only be formed in a straight line. However, in dry etching such as ICP-RIE, grooves can be formed in any shape including wavy lines.
また、溝表面が不定形では、長さに差があるため一定の共振が起こりにくくなるという観点から、クロストーク減少の効果がある。また、基板背面への接地電極の取り出しを容易にする効果もあり。 In addition, when the groove surface is irregular, there is an effect of reducing crosstalk from the viewpoint that a certain resonance hardly occurs due to a difference in length. In addition, there is an effect that the ground electrode can be easily taken out from the back surface of the substrate.
また、シリコン基板中にも溝がある構成にすることにより、クロストーク減少の効果がある。すなわち、メンブレンの屈曲振動によって超音波を送受信するが、その屈曲振動は、ラム波またはストンリー波等による振動で隣接したエレメント間でクロストークが発生する。また、屈曲振動はメンブレン支持部に反作用的に縦振動応力を伝達する。この振動はメンブレン支持部の付け根からシリコン基板表面に到達し、シリコン基板表面に沿って伝播し、同じ経路を逆にたどって隣のエレメントに伝播しクロストークの原因になる。このようなクロストークの発生を減少することができる。 In addition, the structure in which the silicon substrate has grooves also has an effect of reducing crosstalk. In other words, ultrasonic waves are transmitted and received by bending vibration of the membrane, and the bending vibration causes crosstalk between adjacent elements due to vibrations such as Lamb waves or Stoneley waves. Further, the bending vibration transmits the longitudinal vibration stress to the membrane support portion in a reactive manner. This vibration reaches the surface of the silicon substrate from the base of the membrane support, propagates along the surface of the silicon substrate, travels back along the same path to the adjacent element, and causes crosstalk. The occurrence of such crosstalk can be reduced.
図８は、本実施形態における溝の形状のバリエーションの一例（その３）を示す。同図は、シリコン基板７６の両面のコンタクト層を接合した場合を示す。同図のように、シリコン基板７６の厚さが薄い場合、または（ＧＮＤ用）溝をシリコン基板にエッチングした後、コンタクト層７３，７５を形成し、拡散させ、コンタクト層を形成すると、薄いコンタクト層同士を接続することができる。このようにすることにより、抵抗値の低い領域がコンタクト電極７２とコンタクト電極７４間で形成されるので電気的に導通しやすく、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。 FIG. 8 shows an example (part 3) of variations in the shape of the groove in the present embodiment. This figure shows the case where the contact layers on both sides of the silicon substrate 76 are joined. As shown in the figure, when the silicon substrate 76 is thin or when the trench (for GND) is etched in the silicon substrate, contact layers 73 and 75 are formed and diffused to form a contact layer. Layers can be connected. By doing so, since a region having a low resistance value is formed between the contact electrode 72 and the contact electrode 74, electrical conduction is facilitated, and electrical loss can be reduced, so that the reliability of the wiring is improved. To do.
＜第３の実施形態＞
本実施形態では、静電容量型振動子エレメントのバリエーションについて説明する。
図９は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その１）を示す。
<Third Embodiment>
In the present embodiment, variations of the capacitive vibrator element will be described.
FIG. 9 shows an example (part 1) of variations of the capacitive vibrator element according to this embodiment.
８０は溝部を示している。８６はシリコン基板を示している。８２はシリコン基板８６上面側のコンタクト電極を示している。８３はコンタクト電極８２周辺に形成されたコンタクト層を示している。８４はシリコン基板８６下面側のコンタクト電極を示している。８５はコンタクト電極８４周辺に形成されたコンタクト層を示している。８７及び８８はＳｉＮ層を示している。８９は電極膜を示している。９０はＳｉＯ2膜を示している。８１は下部電極スルーホール電極部を示している。 Reference numeral 80 denotes a groove. Reference numeral 86 denotes a silicon substrate. Reference numeral 82 denotes a contact electrode on the upper surface side of the silicon substrate 86. Reference numeral 83 denotes a contact layer formed around the contact electrode 82. Reference numeral 84 denotes a contact electrode on the lower surface side of the silicon substrate 86. Reference numeral 85 denotes a contact layer formed around the contact electrode 84. Reference numerals 87 and 88 denote SiN layers. Reference numeral 89 denotes an electrode film. Reference numeral 90 denotes an SiO 2 film. Reference numeral 81 denotes a lower electrode through-hole electrode portion.
同図は、シリコン基板８６の下面側のコンタクト電極付近もエッチングされている場合を示す。これは、図５のＳ１の段階で、シリコン基板下面にもＳｉＯ2でマスクし、ウェットエッチングにより、電極コンタクト部をエッチングして、凹部形状となるようにする。このようにすることにより、両面のコンタクト電極（８２，８４）間の距離がより短くなり、電気的損失を減少させることができるので、配線の信頼性が向上する。 This figure shows the case where the vicinity of the contact electrode on the lower surface side of the silicon substrate 86 is also etched. In step S1 in FIG. 5, the lower surface of the silicon substrate is also masked with SiO 2 , and the electrode contact portion is etched by wet etching so that a concave shape is obtained. By doing so, the distance between the contact electrodes (82, 84) on both sides becomes shorter and the electrical loss can be reduced, so that the reliability of the wiring is improved.
また、図７と同様に、シリコン基板８６に溝部が侵食した構成を採用することにより、クロストーク減少の効果がある。つまり、メンブレンの屈曲振動によって超音波を送受信するが、その屈曲振動は、ラム波またはストンリー波等による振動で隣接したエレメント間にクロストークが発生する。また、屈曲振動はメンブレン支持部に反作用的に縦振動応力を伝達する。この振動はメンブレン支持部の付け根からシリコン基板表面に到達し、シリコン基板表面に沿って伝播し、同じ経路を逆にたどって隣のエレメントに伝播しクロストークの原因になる。シリコン基板８６に溝部が侵食した構成を採用することにより、このようなクロストークを減少させることができる。また、基板背面への接地電極の取り出しを容易にする効果もある。 Similarly to FIG. 7, adopting a configuration in which the groove portion erodes into the silicon substrate 86 has an effect of reducing crosstalk. That is, ultrasonic waves are transmitted / received by bending vibration of the membrane, and the bending vibration causes crosstalk between adjacent elements due to vibration by Lamb wave or Stoneley wave. Further, the bending vibration transmits the longitudinal vibration stress to the membrane support portion in a reactive manner. This vibration reaches the surface of the silicon substrate from the base of the membrane support, propagates along the surface of the silicon substrate, travels back along the same path to the adjacent element, and causes crosstalk. By adopting a configuration in which the groove portion erodes into the silicon substrate 86, such crosstalk can be reduced. Also, there is an effect that the ground electrode can be easily taken out from the back surface of the substrate.
なお、空乏層の形成の変わりに、ＳｉＯ2のＷｅｔ酸化膜を利用してもよい。これはＷｅｔ酸化の方が、緻密な膜が得られるからである。また溝を形成後に、Ｎ型シリコン基板であれば溝内にＮ＋をドープし、加熱により拡散処理を行うことにより、コンタクト層（Ｎ＋）を形成してもよい。また、溝の形状は、溝底部のうち一部分がさらに深くなっている形状でもよいし、またシリコン基板下面まで孔が到達している形状でも良い。 Instead of forming the depletion layer, a SiO 2 wet oxide film may be used. This is because a dense film can be obtained by wet oxidation. Further, after forming the groove, in the case of an N-type silicon substrate, the contact layer (N +) may be formed by doping N + in the groove and performing diffusion treatment by heating. Further, the shape of the groove may be a shape in which a part of the groove bottom portion is deeper, or a shape in which the hole reaches the lower surface of the silicon substrate.
図１０は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その２）を示す。同図は、シリコン基板８６をエッチングすることによりキャビティ９１を形成した場合を示す。この場合、シリコン基板８６がメンブレン支持部としても機能する。 FIG. 10 shows an example (part 2) of variations of the capacitive vibrator element according to the present embodiment. This figure shows the case where the cavity 91 is formed by etching the silicon substrate 86. In this case, the silicon substrate 86 also functions as a membrane support portion.
まず、ＴＭＡＨ（Ｔｅｔｒａｍｅｔｈｙｌ Ａｍｍｏｎｉｕｍ Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ）を使って、Ｓｉの異方性エッチングを実施する。これにより、シリコン基板８６の上面側に所定の深さのキャビティ９１及び溝８０を形成し、下面側に凹部９５を形成する。 First, anisotropic etching of Si is performed using TMAH (Tetramethyl Ammonium Hydroxide). Thus, a cavity 91 and a groove 80 having a predetermined depth are formed on the upper surface side of the silicon substrate 86, and a recess 95 is formed on the lower surface side.
次に、ＩＣＰ−ＲＩＥで貫通孔８１を形成する。その後、酸化膜９０をＷｅｔ酸化で成膜する（空乏層の代わりとして用いている）。次に、下部電極９２（Ｐｔ／Ｔｉ）を成膜して、貫通孔８１の側壁へ導体付与する。 Next, the through hole 81 is formed by ICP-RIE. Thereafter, an oxide film 90 is formed by wet oxidation (used as a depletion layer). Next, a lower electrode 92 (Pt / Ti) is formed, and a conductor is applied to the side wall of the through hole 81.
次に、誘電体９３を下部電極９２の上面に成膜し、熱処理を行う。その後、キャビティ９１に犠牲層を形成し、その上からＳｉＮメンブレン８７を成膜する。成膜したメンブレンに孔９４を開け、犠牲層をエッチングして除去する。その後、ＳｉＮにて犠牲層除去用の孔９４を埋める（８８）。その上から上部電極（８９）を成膜する。 Next, a dielectric 93 is formed on the upper surface of the lower electrode 92 and heat treatment is performed. Thereafter, a sacrificial layer is formed in the cavity 91, and a SiN membrane 87 is formed thereon. A hole 94 is formed in the formed membrane and the sacrificial layer is etched away. Thereafter, the hole 94 for removing the sacrificial layer is filled with SiN (88). An upper electrode (89) is formed thereon.
このようにすることで、メンブレン支持部を形成する工程を別途設ける必要が無く、工程数を減らすことができる。
図１１は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その３）を示す。図１２は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その４）を示す。図１１及び図１２は、溝部８０を樹脂１００で充填した場合を示す。
By doing in this way, it is not necessary to provide the process of forming a membrane support part separately, and the number of processes can be reduced.
FIG. 11 shows an example (part 3) of variations of the capacitive vibrator element according to the present embodiment. FIG. 12 shows an example (part 4) of variations of the capacitive vibrator element according to the present embodiment. 11 and 12 show the case where the groove 80 is filled with the resin 100. FIG.
図１１と図１２の相違は、シリコン基板８６の下面のコンタクト電極が凹部形状になっているか否かである。溝部分８０に樹脂１００が充填されていないと、振動子内に横波定在波（不要振動）が励起されることがあり、良好な超音波特性が得ることができない。そこで、溝部分８０に樹脂１００を充填する。材質としては、不要超音波による振動を減衰させるために、タングステン微粉末やガラスバブルなどの粉末をシリコーン樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などに混合した柔軟性がある複合樹脂を超音波減衰材料として用いる。このようにすることにより、不要振動を抑制することができる。 The difference between FIG. 11 and FIG. 12 is whether or not the contact electrode on the lower surface of the silicon substrate 86 has a concave shape. If the groove portion 80 is not filled with the resin 100, a transverse standing wave (unnecessary vibration) may be excited in the vibrator, and good ultrasonic characteristics cannot be obtained. Therefore, the groove portion 80 is filled with the resin 100. As the material, in order to attenuate vibrations caused by unnecessary ultrasonic waves, a flexible composite resin in which powders such as tungsten fine powder and glass bubbles are mixed with silicone resin, epoxy resin, urethane resin, etc. is used as the ultrasonic attenuation material. . In this way, unnecessary vibration can be suppressed.
なお、図１〜図４の溝部（上方から振動子エレメントを見た場合に縦横に溝が形成されている）のうち、コンベックス、ラジアルのように振動子の配列が曲率を持つタイプは少なくとも、片面側（例えば、上面側）をダイシングする。この際に、充填樹脂が存在すると、応力が低減され電極の剥離、チッピングなどが減少する。このように、配線の信頼性が向上すると共に、チッピングが減少することで、キャビティと溝との間を短くすることができるので設計上有効部分が増加し、単位面積あたりの音圧増加、つまりは感度向上、サイズの縮小化に繋がる。 1 to 4 (grooves are formed in the vertical and horizontal directions when the transducer element is viewed from above), at least the type in which the transducer array has a curvature, such as convex and radial, One side (for example, the upper surface) is diced. At this time, if the filling resin is present, the stress is reduced, and electrode peeling and chipping are reduced. As described above, the reliability of the wiring is improved and the chipping is reduced, so that the space between the cavity and the groove can be shortened, so that the effective portion increases in design, and the sound pressure per unit area increases, that is, Leads to improved sensitivity and reduced size.
図１３は、本実施形態における静電容量型振動子エレメントのバリエーションの一例（その５）を示す。同図は、振動子エレメントをＦＰＣ（フレキシブルプリント基板）に導電性樹脂１０１を用いて接合した場合を示す図である。なお、導電性樹脂１０１の代わりに、ＡＣＦ（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ Ｆｉｌｍ：異方性導電シート）、またはＡｕや半田などのボールバンプを利用してもよい。また、シリコン基板８６の下面とＦＰＣ１０２の間の空隙部１０４は、樹脂を充填しても良い。 FIG. 13 shows an example (No. 5) of a variation of the capacitive vibrator element according to this embodiment. This figure shows a case where the vibrator element is bonded to an FPC (flexible printed circuit board) using the conductive resin 101. Instead of the conductive resin 101, an ACF (Anisotropic Conductive Film) or a ball bump such as Au or solder may be used. Further, the gap 104 between the lower surface of the silicon substrate 86 and the FPC 102 may be filled with resin.
なお、溝部８０には樹脂を充填せずダイシングしてダイシング溝１０５を形成することも可能であるし、溝部８０に樹脂を充填してダイシングしてダイシング溝１０５を形成することも可能である。ダイシング後、湾曲させてトランスデューサを形成した後、減衰の大きな樹脂材料を充填しても良い。裁断溝の深度は、コンベックスタイプやラジアルタイプのように振動子エレメントを湾曲させるタイプのものであれば、導電性樹脂１０１まで裁断する必要があるが、リニアタイプなどの湾曲させないものは、少なくともシリコン基板８６がダイシングされていれば良い。曲また、シリコンのＦＰＣ側の電極部が凹状や、穴状になっていると、位置決め機能が得られると共に、接着表面積の拡大による接続の機械的強度が向上し、信頼性の高い振動子が作製できる。 The dicing groove 105 can be formed by dicing without filling the groove portion 80 with resin, or the dicing groove 105 can be formed by filling the groove portion 80 with resin and dicing. After dicing, the transducer may be bent and then filled with a resin material having a large attenuation. If the depth of the cutting groove is a type that bends the transducer element, such as a convex type or a radial type, it is necessary to cut the conductive resin 101, but a linear type or the like that does not bend is at least silicon. The substrate 86 may be diced. In addition, if the electrode part on the FPC side of the silicon is concave or hole-like, a positioning function can be obtained, and the mechanical strength of the connection is improved by increasing the adhesive surface area, so that a highly reliable vibrator can be obtained. Can be made.
なお、シリコン基板を貫通させる場合、レーザービームを用いても良い。レーザービームを用いることにより、ドライエッチング同様に、任意の形状で溝切り、裁断が可能となる。そのため、クロストーク低減の効果や、波線状にすることで電極の接触面積が増え密着強度が向上する。また、エレメントを任意の形状とできるため、セル配置を任意に行え、高密度化（エレメント内に占めるセル面積が多いなど）が達成できる。内視鏡のように限られた空間内で、高感度化を実現するには重要となる。 Note that a laser beam may be used when penetrating the silicon substrate. By using a laser beam, it is possible to cut and cut a groove in any shape as in dry etching. Therefore, the effect of reducing crosstalk and the wavy shape increase the contact area of the electrode and improve the adhesion strength. In addition, since the element can be formed in an arbitrary shape, cell arrangement can be arbitrarily performed, and high density (such as a large cell area in the element) can be achieved. This is important for achieving high sensitivity in a limited space such as an endoscope.
なお、通常、振動子エレメント上方から見た場合、図３に示すように溝は直線状であるが、フォトリソと、エッチングを用いると曲線状の溝を形成することも可能である。この例を図１４に示す。 Normally, when viewed from above the vibrator element, the groove is linear as shown in FIG. 3, but it is also possible to form a curved groove by using photolithography and etching. An example of this is shown in FIG.
図１４は、本実施形態における振動子エレメント３を上面から見たときに曲線状の溝を形成する場合の一例を示す図である。図１４（ａ）は、振動子エレメント３を囲む溝１１１（横方向の溝１１１ａ，縦方向の溝１１１ｂを曲線状にし、直線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。このように、振動子エレメントの全周囲が波線状の溝形状をもってもよい。 FIG. 14 is a diagram illustrating an example in which a curved groove is formed when the transducer element 3 according to the present embodiment is viewed from above. 14A shows an example of a case in which the groove 111 (the horizontal groove 111a and the vertical groove 111b) surrounding the transducer element 3 are curved and diced linearly (dicing line 110). Further, the entire circumference of the transducer element may have a wavy groove shape.
図１４（ｂ）は、振動子エレメントを囲む溝１１１ａ，１１１ｂを曲線状にし、曲線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。レーザーダイシングを用いれば、このように曲線状の溝に沿ってダイシングが可能となる。 FIG. 14B shows an example in which the grooves 111a and 111b surrounding the transducer element are curved and diced (dicing line 110). If laser dicing is used, dicing can be performed along the curved groove.
図１４（ｃ）は、振動子エレメントを囲む溝のうち、縦方向の溝１１１ｂを直線状、横方向の溝１１１ａを曲線状にし、直線状にダイシング（ダイシングライン１１０）した場合の一例を示す。１１２は接地電極である。このように、部分的に波線状の溝構造をもっていてもよい。 FIG. 14 (c) shows an example of the case where the vertical groove 111b is linear, the horizontal groove 111a is curved, and dicing linearly (dicing line 110) among the grooves surrounding the transducer element. . Reference numeral 112 denotes a ground electrode. In this way, a partially wavy groove structure may be provided.
図１４の例以外にも、溝の形状及びダイシングの形状は、当然、矩形波状や鋸波であってもその他不定形なものであっても構わない。
直線状の溝では、共振が激しくなり、定在波も起こりやすくなるが、直線状でない場合には不要振動は打ち消し合って弱まる。そのために、クロストークが減少し、そして、Ｓ／Ｎ比が向上、高画質な画像にすることができる。なお、ダイシング位置や、充填する減衰樹脂も曲線状のものを採用することで、同様な機能・効果を持たせることができる。
In addition to the example of FIG. 14, the shape of the groove and the shape of the dicing may naturally be a rectangular wave shape, a sawtooth wave, or any other irregular shape.
In a straight groove, resonance becomes intense and standing waves tend to occur. However, if it is not linear, unnecessary vibrations cancel each other and weaken. As a result, crosstalk is reduced, the S / N ratio is improved, and a high-quality image can be obtained. In addition, the same function and effect can be given by adopting the dicing position and the attenuation resin to be filled in a curved shape.
１ 静電容量型ラジアル走査アレイ超音波振動子
２ 振動子ユニット
３ 振動子エレメント
４ 制御回路ユニット
５ 配線用ＦＰＣ
６ 振動子エレメント間溝
７ 振動子ユニット配列方向溝
８，９，１０ 振動子セル電極間インターコネクト電極
１１ 上部電極
１２ キャビティ周縁部
１３ 犠牲層剤除去孔
１４ 下部電極スルーホール電極部
１５ ダイシングライン
１６ シリコン基板
１７ シリコン酸化膜
１８ 空乏層
１９ 下部電極
１９１ インターコネクト配線
２０ メンブレン支持部
２１ キャビティ
２２ メンブレン下層（キャビティ形成用被覆膜）
２３ 犠牲層除去孔
２４ メンブレン上層（犠牲層除去孔遮蔽膜）
２５ 接地電極パッド
２６ 信号入出力端子電極パッド
２７ 誘電体膜
３０ 振動子セル
７０，７１ 溝部
７２（７２ａ，７２ｂ，７２ｃ） コンタクト電極
７３（７３ａ，７３ｂ，７３ｃ） コンタクト層
７４ コンタクト電極
７５ コンタクト層
７７，７８ ＳｉＮ層
７９ 電極膜
８０ 溝部
８１ 下部電極スルーホール電極部
８２ コンタクト電極
８３ コンタクト層
８４ コンタクト電極
８５ コンタクト層
８６ シリコン基板
８７，８８ ＳｉＮ層
８９ 電極膜
９０ ＳｉＯ2膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Capacitance type radial scanning array ultrasonic transducer 2 Transducer unit 3 Transducer element 4 Control circuit unit 5 FPC for wiring
6 Groove between transducer elements 7 Grooves in transducer unit arrangement direction 8, 9, 10 Interconnect electrode between transducer cell electrodes 11 Upper electrode 12 Cavity peripheral portion 13 Sacrificial layer agent removal hole 14 Lower electrode through-hole electrode portion 15 Dicing line 16 Silicon Substrate 17 Silicon oxide film 18 Depletion layer 19 Lower electrode 191 Interconnect wiring 20 Membrane support part 21 Cavity 22 Membrane lower layer (cavity forming coating film)
23 Sacrificial layer removal hole 24 Membrane upper layer (Sacrificial layer removal hole shielding film)
25 Ground electrode pad 26 Signal input / output terminal electrode pad 27 Dielectric film 30 Vibrator cell 70, 71 Groove 72 (72a, 72b, 72c) Contact electrode 73 (73a, 73b, 73c) Contact layer 74 Contact electrode 75 Contact layer 77 , 78 SiN layer 79 Electrode film 80 Groove part 81 Lower electrode through-hole electrode part 82 Contact electrode 83 Contact layer 84 Contact electrode 85 Contact layer 86 Silicon substrate 87,88 SiN layer 89 Electrode film 90 SiO 2 film
Claims (2)
隣接する前記振動子エレメント間に溝部を配置され、
前記溝部には導電膜が形成され、
前記溝部は非直線であることを特徴とする静電容量型超音波振動子。 A silicon substrate, a first electrode disposed on an upper surface of the silicon substrate, a second electrode disposed opposite to the first electrode and spaced apart from a predetermined gap, and the second electrode are supported. In a capacitive ultrasonic transducer including a plurality of transducer elements including a transducer cell made of a membrane,
A groove is disposed between adjacent transducer elements;
A conductive film is formed in the groove,
The capacitive ultrasonic transducer, wherein the groove is non-linear.
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