JP4523879B2 - 電気・音響変換素子、アレイ型超音波トランスデューサおよび超音波診断装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体マイクロ加工技術を用いて製作するダイアフラム型の電気・音響変換素子、並びに、その電気・音響変換素子を用いたアレイ型超音波トランスデューサおよび超音波診断装置に関する。

２０世紀初頭、水晶の圧電現象を利用して超音波を送受信する試みが開始されたが、水晶は、その電気・機械変換効率が低いという問題があった。そのため、特に、受信トランスデューサとして十分な感度を得ることができず、実用的な製品に応用されるまで至らなかった。その後、電気・機械変換効率が極めて高いロッシェル塩が発見され、第２次世界大戦中には、これを用いてソナーが開発された。しかしながら、ロッシェル塩は、潮解性が大きいなど、結晶の安定性に問題があり、安定した圧電特性を得るには特別の注意が必要であった。

続いて、第二次大戦直後に、電気・機械変換効率が高く、しかも、安定した圧電特性を持ったチタン酸バリウムが発見された。チタン酸バリウムは、セラミックであるために製作形状の自由度が高いという長所も持ち合わせ、「圧電セラミックス」という概念が誕生した。そして、２０世紀も後半に入ると、チタン酸バリウムよりもキュリー点が高く、さらに安定した圧電特性を持ったチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスが発見された。ＰＺＴセラミックスの出現によって感度が高くしかも安定性に優れた圧電素子を得ることができるようになり、その後、ＰＺＴセラミックスを用いた圧電素子は、超音波トランスデューサなどに広く用いられるようになり、現在に至っている。

超音波トランスデューサの材料が水晶から圧電セラミックに代わったことは、それに付随する受信増幅アンプや送信駆動回路などの電子回路を真空管から半導体に代えるにあたって、電気的インピーダンス整合の面で好都合であった。しかしながら、駆動回路を含めた電子回路の半導体化には、高電圧、高周波数動作などの要件を満たす必要があったために、高速サイリスタ、さらには、高耐圧電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）の実用化を待つ必要があった。このような超音波トランスデューサ周辺の電子回路の半導体化が実現された後、１９９０年代になって、半導体微細加工技術によりダイアフラム型超音波トランスデューサを形成する研究が始まった。このような半導体超音波トランスデューサが実現すれば、超音波トランスデューサとその周辺回路とを一連の半導体加工プロセスにより形成すること可能になり、超音波送受信器の製造コストと性能の両面において、画期的な効果を期待することができる。

非特許文献１には、半導体マイクロ加工技術により製作されたダイアフラム型超音波トランスデューサにおける電気・音響変換素子の例が示されている。その電気・音響変換素子の基本構造は、不純物がドープされたシリコン基板の上部に空隙部が設けられ、その空隙部を挟んでシリコン基板に対向するようにシリコン窒化膜のダイアフラムが形成され、そのダイアフラムの空隙部側の表面または内側に、さらに、電極層が形成されたものであった。

すなわち、その電気・音響変換素子の基本構造は、シリコン基板を下部電極、ダイアフラム側に形成された電極層を上部電極としたコンデンサであった。従って、これらの電極間に電圧を印加すれば、両電極上に反対符号の電荷が誘起され、互いに引力を及ぼしあうので、ダイアフラムが変位する。このとき、ダイアフラムの外側が水や生体に接していれば、これら水や生体を媒体として音波を放射する。また、ＤＣバイアス電圧を印加することにより電極上に一定の電荷を誘起させておき、ダイアフラムが接している媒体から強制的に振動を加える、つまり、ダイアフラムに変位を与えると、その変位量に応じて電極間に付加的な電圧が生ずる。これらが非特許文献１に示されているダイアフラム型超音波トランスデューサの電気・音響変換の原理である。なお、この超音波受信時の音響から電気への変換の原理は、可聴音域のマイクロフォンとして用いられているＤＣバイアス型コンデンサマイクロフォンの原理と同じである。

以上のような電気・音響変換素子は、シリコンのように機械的に硬い材料で構成されていても、背面に空隙をもつダイアフラム構造になっているために、生体や水など機械的に柔らかい材料に対して良好な音響インピーダンス整合をとることができる。また、電気・音響変換素子がシリコン基板上に形成されたことによって、それを駆動または制御する超音波受送信回路を同じまたは直近に配置されたシリコン基板上に一体的に形成することが可能となった。

その後、ダイアフラム型超音波トランスデューサは、さらに研究・開発が進められ、その基本構造および動作原理は、大きくは変わっていないものの、送受信感度などの面で、ＰＺＴを用いた圧電型トランスデューサと比較するに足る水準に達している。
M. Haller and B. T. Khuri-Yakub, "A Surface Micromachined Electrostatic Ultrasonic Air Transducer", Proceedings of Ultrasonic Symposium, p.1241 - p.1244, 1 Nov. 1994

ところで、ダイアフラム型の電気・音響変換素子では、その変換効率を最大化するために、その電極には、ダイアフラムがシリコン基板に接触する寸前まで変位するような大きさのＤＣバイアス電圧を印加して、できる限り多くの電荷を誘起させる。そのため、ダイアフラム側の電極とシリコン基板とは接触し易くなる。しかしながら、実際にダイアフラム側の電極がシリコン基板に接触したり、限りなく接近したりすると、短絡して電極間に過大電量が流れたり、放電現象を生じたりする。その場合には、生じた過大電流などによって、電気・音響変換素子それ自身またはその素子に接続された周辺回路系が破壊されることになる。

そこで、現状の電気・音響変換素子の一般的な設計として、ダイアフラム側の電極または基板側の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側には、絶縁膜からなる電極短絡防止膜が設けられている。この電極短絡防止膜により、ダイアフラム側の電極がシリコン基板に接触しても、電極間が短絡したり放電現象は生じたりすることを防止することができる。

このような電極短絡防止膜は、窒化シリコン膜によって形成されることが多く、また、その窒化シリコン膜は、しばしば、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）に代表される気相成長により形成される。ところが、ＣＶＤにより形成されるシリコン窒化膜は、熱酸化により形成されるシリコン酸化膜などに比べて結合の欠陥を多く含み、そのため、高電圧を印加すると帯電しやすい性質がある。しかも、その帯電する電荷量が、印加電圧値や時間とともにドリフトし、安定しない。

すなわち、ＣＶＤ窒化膜などの電極短絡防止膜を設けた電気・音響変換素子では、このような不安定な電荷が、電気・音響変換の原理を構成するのに不可欠なコンデンサの電極間に生じることになる。従って、電極間に同じ電圧を印加しても、あるいは、ダイアフラムの電極が同じ量変位しても、電極に誘起される電荷量が変化し、ドリフトすることになる。そのため、電気・音響変換素子の電気・音響変換特性がドリフトし、安定しないことになる。

電気・音響変換特性のドリフトは、このような電気・音響変換素子を多数並べて構成されたアレイ型超音波トランスデューサの特性に重大な影響を及ぼす。アレイ型超音波トランスデューサを構成する各素子の電気・音響変換特性が個々バラバラにドリフトすると、そのアレイ型超音波トランスデューサを用いた超音波診断装置では、送信および受信ビームを形成させたときの装置全体としての音響ノイズレベルが著しく上昇するからである。以上のように、半導体ダイアフラム型の電気・音響変換素子を用いた超音波トランスデューサでは、感度と安定性の課題が十分には解決されていない。

以上の従来技術の問題点に鑑み、本発明の目的は、電極短絡防止膜を設けた電気・音響変換素子の電気・音響変換特性を安定させるとともに、その電気・音響変換素子を用いて構成した超音波トランスデューサ、さらには、超音波診断装置の音響ノイズレベルを低減することにある。

以上の目的を達成するために、本発明では、前記電極短絡防止膜に微弱な導電性を付与するようにした。すなわち、本発明の電気・音響変換素子は、シリコン基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上部に空隙部を挟んで前記第１の電極に対向するように形成された第２の電極とを含んで構成されたダイアフラム型の電気・音響変換素子であって、前記第１の電極および第２の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側に電極短絡防止膜が形成され、前記電極短絡防止膜は微弱な導電性を有し、その導電性を定める電気的時定数（＝（誘電率／導電率）^1/2）が、当該電気・音響変換素子に供給される電源電圧の立ち上がり時間よりも十分短く、かつ、当該電気・音響変換素子が変換対象とする音響波の振動周期よりも十分長いことを特徴とする。より具体的には、前記電極短絡防止膜の電気的時定数は、１秒より短く、かつ、１０マイクロ秒より長いことを特徴とする。

本発明によれば、電極短絡防止膜を電気的時定数が、例えば、１秒より短く、かつ、１０マイクロ秒より長くなるような材料を用いて形成することによって、その電極短絡防止膜に微弱な導電性を付与することができる。電極短絡防止膜がそのような微弱な導電性を持つことによって、電極短絡防止膜は、超音波の動作領域における時間スケールでは、誘電体として動作し、電源投入時の立ち上がり時間程度の時間スケールでは、導電体として動作するようになる。すなわち、後者の時間スケールでは、電極短絡防止膜には、電荷が速やかに帯電し、また、速やかに放電することになる。従って、電極短絡防止膜に帯電した電荷がドリフトするような現象は生じない。そのため、電極短絡防止膜を設けた電気・音響変換素子の電気・音響変換特性が安定し、その電気・音響変換素子を用いて構成した超音波診断装置の音響ノイズレベルが低減する。

また、前記電極短絡防止膜は、化学量論的にシリコンを過剰に含む窒化シリコン膜で形成されたものであることを特徴とする。

窒化シリコンは、化学量論的に安定な絶縁物であるが、その窒化シリコンにシリコンを化学量論的に過剰に含ませると、シリコンに余剰の結合手を生じさせることになり、その結合手が電荷の移動媒体となって、微弱な導電性を持つことになる。すなわち、微弱な導電性を持った電極短絡防止膜を、シリコンを化学量論的に過剰に含んだ窒化シリコンによって実現することができる。

本発明によれば、電極短絡防止膜を設けた電気・音響変換素子の電気・音響変換特性が安定し、その電気・音響変換素子を用いて構成した超音波診断装置の音響ノイズレベルが低減する。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳しく説明する。

図１は、本発明の実施形態における半導体ダイアフラム型の電気・音響変換素子の構造の概念を示す図、図２は、その電気・音響変換素子の単位構成要素であるコンデンサセルの断面構造を示した図である。

図１に示すように、電気・音響変換素子９は、コンデンサセル８がシリコン基板１上に平面的にハニカム状に複数配列されて構成される。ここで、コンデンサセル８は、シリコン基板１上に形成された下部電極２と、空隙部４を挟んで下部電極２に対向するように形成された上部電極６とからなるコンデンサである。

このコンデンサセル８の上部電極６は、上部電極６側から圧力、つまり、音圧が加えられた場合、または、上部電極６と下部電極２との間に電圧が印加された場合には、下部電極２側へ撓む。電気・音響変換素子９における電気・音響変換の原理は、上部電極６がこのとき撓んだ変位量と、撓むことによって生じた電荷量や電圧変化量との関係に基づくものである。その関係の詳細については、後記する。

図１および図２に示すように、上部電極６の空隙部４側には、上部電極６が下部電極２側へ撓んだときに下部電極２と接触・短絡することを防止するための電極短絡防止膜５が形成されている。また、図２に示すように（図１では図示せず）、下部電極２の上部には絶縁層７が形成され、絶縁層７によって上部電極６を機械的、構造的に支持する。すなわち、電気・音響変換素子９のダイアフラムの主体は、この絶縁層７によって構成される。なお、この絶縁層７は、電気・音響変換素子９全体を外部の環境から保護する役割も担っている。

次に、図２を参照して、電気・音響変換素子９を構成するコンデンサセル８の断面構造について、さらに詳しく説明する。

図２に示すように、コンデンサセル８は、例えば、ｎ型の不純物がドープされ、導電性が付与されたｎ型シリコン基板１上に形成される。シリコン基板１は、通常、下部電極２を兼ねており、図示した下部電極２の部分は、その導電性を高めるために、しばしば、不純物濃度が高くなるように形成される。

シリコン基板１のすぐ上部には、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などからなる絶縁層３が形成されており、その厚さはおよそ１００ｎｍである。また、その絶縁層３の一部は除去され、空隙部４となっている。従って、空隙部４は、およそ１００ｎｍの厚みに相当し、また、平面的には６角形状をなし（図１参照）、その内径はおよそ５０μｍである。

絶縁層３および空隙部４の上部には、シリコンを化学量論的に過剰に含んだ窒化シリコン（（Ｓｉ₃Ｎ₄）_xＳｉ_1-x）からなる電極短絡防止膜５が形成されている。電極短絡防止膜５の厚さはおよそ１００ｎｍである。このとき、０.７＜ｘ＜０.９５とするのが好ましい。通常の窒化シリコンは絶縁体であるが、シリコンを化学量論的に過剰に含んだ窒化シリコンにおいては、微弱な導電性が得られる。その微弱な導電性の果たす効果などについては、後記する。

電極短絡防止膜５の上部には、厚さがおよそ１００ｎｍのアルミニウムなどからなる上部電極６が形成され、さらにその上部には、窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）などからなる絶縁層７が形成されている。絶縁層７の厚さは、およそ１５００ｎｍであり、絶縁層７は、電気・音響変換素子９のダイアフラムの機械的強度を担う層となっている。すなわち、上部電極６と下部電極２との間に電圧が印加されたり、絶縁層７の外部から圧力を受けたりした場合には、電極短絡防止膜５、上部電極６および絶縁層７が一体となって撓み、いわゆるダイアフラムを構成する。

続いて、図３〜図５を参照して、上部電極６と下部電極２との間に電極短絡防止膜５が形成されている場合のコンデンサについて、その電気的な特性の評価を試みる。ここで、図３は、空隙部と電極短絡防止膜とを挟んで構成されたコンデンサについてその電気的モデルの例を示した図、図４は、図３と同じ構成のコンデンサについて電極短絡防止膜に電荷が蓄積された場合の電気的モデルの例を示した図、図５は、（ａ）図３と同じ構成のコンデンサについて電極短絡防止膜に微弱な導電性が付与された場合の電気的モデルの例を示した図、（ｂ）その等価回路を示した図である。

図３において、上部電極６と下部電極２とによって構成されるコンデンサを理想的な平行平板コンデンサとみなし、上部電極６に接する電極短絡防止膜５の誘電率をε、その厚さをａとし、また、真空の誘電率をε₀、空隙部４の厚さをｚ、電極面積をＳとすれば、このコンデンサの電気容量は、Ｓ／（ｚ／ε₀＋ａ／ε）となる。このとき、上部電極６と下部電極２との間に電圧Ｖ（上部電極６の下部電極２に対する電圧）が印加されていた場合には、下部電極２には、−ＳＶ／（ｚ／ε₀＋ａ／ε）の電荷量が蓄積される。

このとき、下部電極２の位置における電界強度は、下向きにＶ／（ｚ＋ａε₀／ε）であるので、下部電極２に働く力は、上向きにε₀ＳＶ²／（ｚ＋ａε₀／ε）²と計算される。従って、上部電極６には、下向きにε₀ＳＶ²／（ｚ＋ａε₀／ε）²の力が働く。すなわち、上部電極６と下部電極２との間に働く力は、印加電圧Ｖの２乗に比例し、誘電率で補正した電極間距離（ｚ＋ａε₀／ε）の２乗に反比例する。従って、同じ印加電圧で大きな力を出すには、電極短絡防止膜５の厚さａと空隙部４の厚さｚとを、動作に支障がない範囲で小さくする必要がある。

次に、電極短絡防止膜５に電荷が蓄積した場合の影響を評価する。図４に示すように、電極短絡防止膜５の上部電極６からxの距離の位置に蓄積している電荷量をｑ（ｘ）とすると、この電荷量ｑ（ｘ）により下部電極２に誘起される電荷量は、−ｘｑ（ｘ）／（ｚε／ε₀＋ａ）となる。従って、下部電極２に誘起される総電荷量Ｑ_zは、次の（式１）のように表わすことができる。

ここで、上部電極６と下部電極２との間に電圧Ｖが印加されていた場合には、Ｑ_zに働く力Ｆ_qは、上向きであり、次の（式２）によって表わすことができる。

従って、下部電極に働く力の合計Ｆ_aは、上向きであり、図３で求めた力に（式２）の力を加え、次の（式３）によって表わすことができる。

従って、電荷ｑ（ｘ）の符号が、Ｖの符号と一致しているならば、電荷ｑ（ｘ）が帯電していない場合に比べ、上部電極６と下部電極２との間に印加された電圧Ｖが同じであっても、Ｆ_qだけ大きな力が生じることになる。このとき、電荷ｑ（ｘ）が安定しているならば、この電荷ｑ（ｘ）により生じる力を利点として活用することもできる。

ところが、一般的なＣＶＤ窒化シリコン膜などに生じる電荷ｑ（ｘ）は、時間的にドリフトする。そのため、上部電極６と下部電極２との間に印加された電圧Ｖが同じであるときにも、時間的にドリフトする電荷ｑ（ｘ）のため、上部電極６と下部電極２との間に生じる力もドリフトすることになる。すなわち、電気・音響変換素子９の電気・音響変換特性がドリフトすることになり、それを用いて構成した超音波トランスデューサの実用性が著しく損なわれてしまう。

そこで、本実施形態においては、前記したように電極短絡防止膜５を、シリコンを化学量論的に過剰に含んだ窒化シリコンによって形成し、電極短絡防止膜５に微弱な導電性を付与する。そして、電気・音響変換素子９が主に適用される超音波診断装置の動作の状況を考慮して、電極短絡防止膜５に付与すべき微弱な導電性の範囲を定める。

一般に、超伝導体を除くあらゆる物質は、ある時間スケールでは導電体でありながら、他の時間スケールでは誘電体であり得る。ある物質が、ある時間スケールにおいて誘電体として振る舞うか、導電体として振る舞うかは、その物質の誘電率と導電率との比により決まる。石英ガラスを例にとれば、
誘電率：ε≒３.８×８.８５ｐＦ／ｍ≒３４ｐＦ／ｍ、
導電率：σ≒１０^-17／Ωｍ
であるから、
時定数：τ＝（ε／σ）^1/2≒１８００秒＝３０分
に比べ、十分に短い時間スケールでは誘電体として振る舞い、十分に長い時間スケールでは導電体として振る舞う。

ところで、本実施形態の電気・音響変換素子９は、主として、パルス状超音波を送受信することによって、人体に代表される生体中のイメージングを行う超音波診断装置（超音波断層撮像装置）に適用される。その超音波診断装置に含まれる動作の時間スケールを時間の短い順に列挙すると、以下のようなものがある。
（１）超音波周期： ０.１〜１μ秒
（２）超音波パルス長： ０.３〜３μ秒
（３）パルス送信繰り返し周期： ０.１〜１ｍ秒
（４）撮像（フレーム）周期： １０〜１００ｍ秒
（５）撮像モード切換え時間： ０.１〜１０秒
（６）電源投入立ち上がり時間： １０〜１００秒

本実施形態における電気・音響変換素子９において、上部電極６と下部電極２との間に印加されるＡＣ電圧Ｖ_ACの時間スケールは、（１）超音波周期によって決定され、また、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCの時間変化の時間スケールは、（６）電源投入立ち上がり時間によって決定される。従って、電極短絡防止膜５の時定数τを、（１）超音波周期より十分長く、かつ、（６）電源投入立ち上がり時間より十分短く設定すれば、電極短絡防止膜５は、印加ＡＣ電圧Ｖ_ACに対して誘電体として、印加ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCに対しては導電体として安定して振る舞う。

そこで、本実施形態においては、電気・音響変換素子９が超音波断層撮像装置などの超音波トランスデューサに使用されるものとして、電極短絡防止膜５の電気的時定数τを、（１）超音波周期より十分長く、かつ、（６）電源投入立ち上がり時間より十分短く設定する。すなわち、電極短絡防止膜５には、その時定数τが１０μ秒以上、かつ、１秒以下となるような微弱な導電性を付与する。

図５（ａ）を参照して、電極短絡防止膜５に以上のような微弱な導電性が付与された場合のコンデンサの電気的モデルの例について説明する。図５に示すように、上部電極６と下部電極２との間には、超音波パルスなどのＡＣ電圧Ｖ_ACが印加される。この場合、このコンデンサは、ＡＣ電圧Ｖ_ACに対しては、電極短絡防止膜５が誘電体として動作するため、コンデンサとしての電極間距離は、空隙部４の厚さｚと電極短絡防止膜５の厚さａとの合計（ｚ＋ａ）となる。また、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCに対しては、その時間変化のスケールが非常に長い（無限大）ので、電極短絡防止膜５は導電体として動作する。従って、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCに対するコンデンサの実効的な電極間距離は、空隙部４の厚さｚとなる。

すなわち、図５（ａ）のコンデンサは、ＡＣ電圧Ｖ_ACに応じて動作するコンデンサと、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCに応じて動作するコンデンサとが並列に接続された形になっている。従って、下部電極２に誘起される電荷量は、ＡＣ電圧Ｖ_ACによって誘起される電荷量と、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCによって誘起される電荷量とが合計されたものとなる。

図５（ａ）においては、ＡＣ電圧Ｖ_ACによって下部電極２に誘起される電荷量は、図３のコンデンサの電気的モデルと同様に計算することができ、
−ＳＶ_AC／（ｚ／ε₀＋ａ／ε）
となる。また、ＤＣバイアス電圧Ｖ_DCによって誘起される電荷量は、
−ε₀ＳＶ_DC／ｚとなる。よって、コンデンサの下部電極２に誘起される電荷量の合計は、
−ＳＶ_AC／（ｚ／ε₀＋ａ／ε）−ε₀ＳＶ_DC／ｚ
となる。従って、下部電極２の位置における電界強度は、下向きに
Ｖ_DC／ｚ＋Ｖ_AC／（ｚ＋ａε₀／ε）
となり、従って、下部電極２に働く力は、上向きに
ε₀Ｓ［Ｖ_DC／ｚ＋Ｖ_AC／（ｚ＋ａε₀／ε）］²となる。

また、電極短絡防止膜５に導電性を付与した場合には、電極短絡防止膜５は、図５（ｂ）の等価回路に示すように、その抵抗値がａ／σＳである抵抗として機能する。従って、図５（ａ）のコンデンサのインピーダンスは、次に示す（式４）または（式５）によって表わすことができる。ここで、（式５）は（式４）を単に変形した式である。
−ｊｚ［１／（ωε＋σ²／ωε）＋１／ωε₀］／Ｓ
＋ａσ／（σ²ε²＋σ²）／Ｓ （式４）
＝ｚ／ωＳ｛−ｊ［１／（ε＋σ²／ω²ε）＋１／ε₀］
＋（ａ／ｚ）ωσ／（ω²ε²＋σ²）｝ （式５）
ここで、jは虚数単位、ωは駆動電圧または電流の角周波数である。簡単のために、電気音響変換の効果を表す項は無視している。

（式４）の第２項は、素子のインピーダンスの実数部であり、これに対応する（式５）の大括弧｛ ｝内の第２項は、電極短絡防止膜５に導電性を与えたことにより生ずるパワーロスの相対的な大きさをおおよそ表したものになっている。この第２項はω＝σ／εのとき、最大値（ａ／２ｚ）／εをとる。従って、電気信号の角周波数ωが、このσ／εに近いと、電極短絡防止膜５に導電性を与えたことにより生ずるパワーロスが大きくなってしまう。このことは、電極短絡防止膜５のσ／εを、このコンデンサの使用角周波数に対して十分に小さいかあるいは充分に大きく設定する必要があることを意味している。すなわち、本実施形態では、このコンデンサを比較的周波数の高い超音波（１〜１０ＭＨｚ）を扱う電気・音響変換素子９として用いるので、電極短絡防止膜５のσ／εは、超音波周波数に対して充分に小さく設定する方がより現実的である。

以上のように、電極短絡防止膜５の電気的時定数τを、１０μ秒以上、かつ、１秒以下に設定すれば、電極短絡防止膜５は、超音波パルスの時間スケールでは誘電体として動作し、電源投入立ち上がり時間の時間スケールでは導電体として動作する。また、その電気的なパワーロスも小さくて済む。よって、特性の安定した電気・音響変換素子９、さらには、特性の安定した超音波トランスデューサを得ることができる。

なお、本実施形態では、電極短絡防止膜５の電気的時定数τの最小値を１０μ秒としたが、これは、電気的時定数τの最小値を超音波診断装置で通常使用される超音波の「超音波周期：０.１〜１μ秒」より十分に大きい値として、その１０倍の１０μ秒としたことによる。従って、超音波診断装置で通常使用される超音波の超音波周期が将来変わった場合には、電極短絡防止膜５の電気的時定数τの最小値は、超音波診断装置で通常使用される超音波の１０倍の値によって定めてもよい。

続いて、電極短絡防止膜５の製法の例について説明する。電極短絡防止膜５は、前記したように化学量論的にシリコンを過剰に含む窒化シリコンＳｉ₃Ｎ₄よりなる。このような窒化シリコン膜は、モノシランＳｉＨ₄とアンモニアＮＨ₃との混合ガスを用いたＣＶＤ法により成膜形成することができ、通常、（Ｓｉ₃Ｎ₄）_0.8Ｓｉ_0.2の組成比を持つ。その組成比は、モノシランＳｉＨ₄とアンモニアＮＨ₃との混合比を変えることによって制御することができる。この組成比の場合、誘電率、導電率およびそれらにより決まる時定数は、それぞれ、次のような値となる。
誘電率： ε≒８×８.８５ｐＦ／ｍ≒１００ｐＦ／ｍ、
１／導電率： １／σ≒１ＭΩｍ、
時定数： τ＝（ε／σ）^1/2≒１０ｍ秒
この時定数は、前記のように、この電気・音響変換素子を基本単位として超音波診断装置に使用するアレイ型超音波トランスデューサを構成する目的にとって好適である。

なお、窒化シリコンとシリコンとの組成比により、誘電率はそれほど大きく変化しないが、導電率は大きく変化する。時定数τを、１０μ秒以上、かつ、１秒以下に設定するためには、（Ｓｉ₃Ｎ₄）_xＳｉ_1-xにおいて、およそ０.７＜x＜０.９５とすることが好ましい。また、本実施形態では、電極短絡防止膜５の材料として、化学量論的にシリコンを過剰に含む窒化シリコンを用いたが、同様の時定数を持った材料であれば他の材料を用いてもよい。

ところで、電極短絡防止膜５は、元々、空隙部４が潰れて上部電極６と下部電極２とが接触したときに流れる過電流を防止し、周辺の駆動回路などが破壊されないようにすることを目的に設けられたものであった。本実施形態においては、電極短絡防止膜５に前記した範囲の時定数程度の微弱な導電性を付与したわけであるが、以下に、その程度の微弱な導電性では、上部電極６と下部電極２とが接触しても、過電流は流れず、周辺の駆動回路などが破壊されないことを示す。

一般に、超音波診断装置に用いられるアレイ型超音波トランスデューサは、電気・音響変換素子９をアレイ状に配列して構成したものである。電気・音響変換素子９は、コンデンサセル８を複数個並列接続したものであり、電気的に独立した１つの素子を構成する。本実施形態における電極短絡防止膜５の厚さは１００ｎｍであるので、その面積あたりの電気抵抗は、およそ、１ＭΩｍ×１００ｎｍ＝０.１Ωｍ²である。また、超音波診断装置に最も広く用いられる超音波周波数は数ＭＨｚであるので、電気・音響変換素子９のコンデンサ部分の面積は、オーダーとしておよそ１ｍｍ²程度である。従って、空隙部４が潰れて上部電極６が下部電極２に接触するときのシャント抵抗の大きさは、全面が接触し、抵抗が最小になる場合で０.１Ωｍｍ²×１ｍｍ²＝１００ｋΩ程度である。これは、駆動回路などの周辺回路や配線がシャント電流によって破壊されるのを防ぐのに十分な大きさである。従って、上部電極６と下部電極２とが接触しても、過電流は流れず、周辺の駆動回路などが破壊されることはない。

図６は、本実施形態における電気・音響変換素子を多数配列して構成したアレイ型超音波トランスデューサを用いた超音波診断装置の構成の例を示した図である。図６に示すように、電気・音響変換素子９は、下部電極２と上部電極６とを含んで構成されたコンデンサセル８が並列に複数個接続されて構成される。また、アレイ型超音波トランスデューサ１０は、電気・音響変換素子９が多数配列されて構成される。ここでは、電気・音響変換素子９が電子回路的に電気・音響変換を独立して行う単位素子として機能する。ここで、電気・音響変換素子９の下部電極２は、共通して接地されるが、上部電極６は、電気・音響変換素子９の入力および出力端子として機能する。

このような多数の電気・音響変換素子から構成されるアレイ型超音波トランスデューサ１０は、通常、１つのシリコン基板上に形成される、つまり、１つのシリコンチップに集積化化（１チップ化）される。１チップ化することによって、電気・音響変換素子９間の特性のばらつきを抑えることができるとともに、超音波トランスデューサ１つ１つの位置精度の向上を図ることができる。

また、図６に示すように、超音波診断装置１００は、アレイ型超音波トランスデューサ１０に加え、バイアス電圧制御部１１、送信遅延・重み選択部１２、送波ビームフォーマ１３、切り替えＳＷ（スイッチ）群１４、送受信シークエンス制御部１５、受波ビームフォーマ２０、フィルタ２１、包絡線信号検出器２２、スキャンコンバータ２３などの周辺回路や、表示部２４などの周辺装置を含んで構成される。

ここで、電気・音響変換素子９の各々の上部電極６は、切り替えＳＷ群１４を介してバイアス電圧制御部１１、送波ビームフォーマ１３および受波ビームフォーマ２０に接続される。切り替えＳＷ群１４は、電気・音響変換素子９に対する駆動回路を構成するとともに、入力／出力等の信号の切り替え等を制御する。なお、このうち切り替えＳＷ群１４や送波ビームフォーマ１３など、特に、高電圧に係る回路部分を中心に、前記した１チップ化されたアレイ型超音波トランスデューサ１０と同じシリコンチップ内に集積化される。

バイアス電圧制御部１１は、切り替えＳＷ群１４を介して上部電極６に印加するＤＣ電圧を制御する。また、送波ビームフォーマ１３は、送受信シークエンス制御部１５の制御の下、送信遅延・重み選択部１２の指示に従って所定の出力超音波信号を形成する。また、受波ビームフォーマ２０は、送受信シークエンス制御部１５の制御の下、上部電極６の電圧信号から受信超音波の信号を再生する。そして、受波ビームフォーマ２０によって再生された受信超音波の信号は、フィルタ２１、包絡線信号検出器２２を経て、スキャンコンバータ２３へ入力され、スキャンコンバータ２３によって２次元画像として再生され、表示部２４に表示される。

図７は、図６の超音波診断装置を用いて超音波受信ビームを形成したときのビーム・プロファイルの例を示した図である。このとき使用した超音波診断装置１００のアレイ型超音波トランスデューサ１０は、幅０.２５ｍｍの電気・音響変換素子９を６４個１列に配列したもの（１次元アレイ・トランスデューサ）である。そして、このアレイ型超音波トランスデューサ１０から距離８０ｍｍ離れたところに受信ビームを形成した。

図７において、実線で示したプロファイルは、本実施形態の電気・音響変換素子９（電極短絡防止膜５に微弱な導電性を付与したもの）からなるアレイ型超音波トランスデューサ１０により形成された受信ビーム・プロファイルである。また、参考のために破線で示したプロファイルは、従来のように電極短絡防止膜５を絶縁体とした電気・音響変換素子９からなるアレイ型超音波トランスデューサ１０により形成された受信ビーム・プロファイルである。いずれの場合も、−６ｄＢ、幅５ｍｍ程度の主ビームが形成されており、空間分解能については同程度の性能が実現されている。

ところが、後者の場合、つまり、電極短絡防止膜５が通常の絶縁性（導電性がほとんどない）窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）であった場合には、電気・音響変換素子９ごとに異なる量の電荷が電極短絡防止膜５に帯電し、そのため送受信感度が電気・音響変換素子９ごとに大きくばらついてしまう。その感度のばらつきは、音圧に対応する電気信号のＡＣ電圧成分がＤＣ電圧バイアス成分に比べて桁違いに小さいような場合に、特に、著しく大きくなる。また、受信感度を上げるために、空隙部４を挟む上下の層が接触する寸前の高いＤＣバイアス電圧を印加すればするほど、電極短絡防止膜５に帯電する電荷量が頻繁に変化するので、感度も頻繁にドリフトする。従って、電気・音響変換素子９ごとの感度のばらつきを補正するのは困難である。

さらに、空隙部４を挟む上下の層が接触する寸前のＤＣバイアス電圧条件では、その上下の層が接近するので、空隙部４の厚さが著しく小さくなる。従って、ＤＣバイアス電圧を印加しないときの空隙部４の厚さの電気・音響変換素子９ごとの相対ばらつきが小さくても、動作時、つまり、空隙部４を挟む上下の層が接触する寸前のＤＣバイアス電圧条件では、空隙部４の厚さの大きな相対ばらつきとなって現れる。これによって、ますます、電極短絡防止膜５におけるＤＣバイアス電界の大きなばらつきを生むので、電極短絡防止膜５に帯電する電荷量のばらつきとそのドリフトの問題はさらに深刻になる。

図７において破線で示したプロファイルは、前記の電極短絡防止膜５への帯電のばらつきに起因する電気・音響変換素子９ごとの受信感度のばらつきが、±３０％に達したときの受信ビーム・プロファイルである。そのプロファイルによれば、主ビームの周辺では、中央の主ビームを基準とした音響ノイズレベルが−３０ｄＢ程度に達しており、高精細な画像を表示することが要求される近年の超音波診断装置に用いる受信ビームとして、許容不可能なレベルに達してしまっている。

一方、本実施形態では、電気・音響変換素子９の電極短絡防止膜５を、化学量論的にシリコンを過剰に含んだ窒化シリコンで形成したので、電極短絡防止膜５への帯電のばらつきの問題が解消される。そのため、電気・音響変換素子９ごとの受信感度ばらつきを抑圧することができ、図７において実線で示したプロファイルは、電気・音響変換素子９ごとの受信感度ばらつきを±２％に抑圧したときの受信ビーム・プロファイルである。そのプロファイルによれば、主ビームの周辺では、中央の主ビームを基準とした音響ノイズレベルが−５０ｄＢ以下に抑えられている。この受信ビームの音響ノイズレベルは、送受信ダイナミックレンジが８０〜１００ｄＢの高精細な画像を表示することが要求される近年の超音波診断装置１００にとっても十分に使用に耐え得るレベルである。

以上のように、本実施形態においては、電気・音響変換素子９の電極短絡防止膜５を、化学量論的にシリコンを過剰に含んだ窒化シリコンで形成し、その電気的時定数が１秒より短く１０マイクロ秒より長くなるような導電性を付与することにより、電極短絡防止膜５への帯電のばらつきを防止することができる。その結果、電気・音響変換素子９の素子特性のドリフト、さらには、受信感度のばらつきを抑圧することができるようになるので、超音波断層撮像用に十分な受信感度で、かつ、そのばらつきが十分に小さい電気・音響変換特性を備えた電気・音響変換素子９を実現することができる。そして、この電気・音響変換素子９を多数用いることにより、近年の超音波診断装置に求められる性能に十分に耐え得るレベルの音響ノイズレベルと送受信感度とを併せ持ったアレイ型超音波トランスデューサ１０を実現することができる。

本発明の実施形態における半導体ダイアフラム型の電気・音響変換素子の構造の概念を示す図である。 図１の電気・音響変換素子の単位構成要素であるコンデンサセルの断面構造を示した図である。 空隙部と電極短絡防止膜とを挟んで構成されたコンデンサについてその電気的モデルの例を示した図である。 図３と同じ構成のコンデンサについて電極短絡防止膜に電荷が蓄積された場合の電気的モデルの例を示した図である。 （ａ）図３と同じ構成のコンデンサについて電極短絡防止膜に微弱な導電性が付与された場合の電気的モデルの例を示した図、（ｂ）その等価回路を示した図である。 本実施形態における電気・音響変換素子を多数配列して構成したアレイ型超音波トランスデューサを用いた超音波診断装置の構成の例を示した図である。 図６の超音波診断装置を用いて超音波受信ビームを形成したときのビーム・プロファイルの例を示した図である。

符号の説明

１ シリコン基板
２ 下部電極
３ 絶縁層
４ 空隙部
５ 電極短絡防止膜
６ 上部電極
７ 絶縁層
８ コンデンサセル
９ 音響変換素子
１０ アレイ型超音波トランスデューサ
１１ バイアス電圧制御部
１２ 送信遅延・重み選択部
１３ 送波ビームフォーマ
１４ 切り替えＳＷ群
１５ 送受信シークエンス制御部
２０ 受波ビームフォーマ
２１ フィルタ
２２ 包絡線信号検出器
２３ スキャンコンバータ
２４ 表示部
１００ 超音波診断装置

Claims (8)

1. シリコン基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上部に空隙部を挟んで前記第１の電極に対向するように形成された第２の電極とを含んで構成されたダイアフラム型の電気・音響変換素子において、
   前記第１の電極および第２の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側に電極短絡防止膜が形成されており、
   前記電極短絡防止膜は所定の導電性を有し、その導電性を定める電気的時定数が１秒以下であり、かつ、当該電気・音響変換素子が変換対象とする音響波の振動周期の１０倍以上であること
   を特徴とする電気・音響変換素子。
2. シリコン基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上部に空隙部を挟んで前記第１の電極に対向するように形成された第２の電極とを含んで構成されたダイアフラム型の電気・音響変換素子において、
   前記第１の電極および第２の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側に電極短絡防止膜が形成されており、
   前記電極短絡防止膜は所定の導電性を有し、その導電性を定める電気的時定数が１秒以下であり、かつ、１０マイクロ秒以上であること
   を特徴とする電気・音響変換素子。
3. 前記電極短絡防止膜は、化学量論的にシリコンを過剰に含む窒化シリコンで形成されていること
   を特徴とする請求項１または請求項２に記載の電気・音響変換素子。
4. 前記化学量論的にシリコンを過剰に含む窒化シリコンの組成を（Ｓｉ₃Ｎ₄）_xＳｉ_1-xで表わしたとき、ｘの値が０.７＜ｘ＜０.９５の範囲の値であること
   を特徴とする請求項３に記載の電気・音響変換素子。
5. シリコン基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上部に空隙部を挟んで前記第１の電極に対向するように形成された第２の電極とを含んで構成されたダイアフラム型の電気・音響変換素子を複数用いたアレイ型超音波トランスデューサにおいて、
   前記複数の電気・音響変換素子が１つのシリコン基板上に並べて形成されており、
   前記電気・音響変換素子を構成する前記第１の電極および第２の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側に電極短絡防止膜が形成されており、
   前記電極短絡防止膜は所定の導電性を有し、その導電性を定める電気的時定数が１秒以下であり、かつ、当該電気・音響変換素子が変換対象とする音響波の振動周期の１０倍以上であること
   を特徴とするアレイ型超音波トランスデューサ。
6. 前記電気・音響変換素子が形成されたシリコン基板上には、その電気・音響変換素子を駆動する回路の少なくとも一部が形成されていること
   を特徴とする請求項５に記載のアレイ型超音波トランスデューサ。
7. シリコン基板上に形成された第１の電極と、前記第１の電極の上部に空隙部を挟んで前記第１の電極に対向するように形成された第２の電極とを含んで構成されたダイアフラム型の電気・音響変換素子を用いた超音波診断装置において、
   前記電気・音響変換素子を構成する前記第１の電極および第２の電極の少なくともいずれか一方の電極の空隙部側に電極短絡防止膜が形成されており、
   前記電極短絡防止膜は所定の導電性を有し、その導電性を定める電気的時定数が１秒以下であり、かつ、当該電気・音響変換素子が変換対象とする音響波の振動周期の１０倍以上であること
   を特徴とする超音波診断装置。
8. 請求項７に記載の超音波診断装置において
   前記電気・音響変換素子は複数用いられ、その複数の電気・音響変換素子は１つのシリコン基板上に並べて形成されていること
   を特徴とする超音波診断装置。

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