JP6599968B2 - Piezoelectric ultrasonic transducer and process - Google Patents

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Description

[関連出願の相互参照]
本開示は、参照により本明細書に組み込まれている、2014年7月8日に出願した、「PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS」と題する米国仮出願第62/022140号(代理人整理番号第QUALP264PUS/145636P1号)と、「PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS」と題する、米国特許出願第14/569256号と、2013年12月12日に出願した、「MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY」と題する米国仮出願第61/915361号の優先権を主張するものである。
[Cross-reference of related applications]
This disclosure is related to US Provisional Application No. 62/022140 (Attorney Docket No. QUALP264PUS /) filed Jul. 8, 2014, entitled “PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS”, which is incorporated herein by reference. No. 145636P1), US patent application No. 14/559256 entitled “PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS”, and “MICROME CHANCIAL ULTRASONIC TRANSIVALS US Provisional Application” on December 12, 2013. The priority of 915361 is claimed.

本開示は、圧電トランスデューサ、および圧電トランスデューサを製造するための技法に関し、より詳細には、電子センサアレイにおける使用、または、生体情報感知、撮像、およびタッチ認識もしくはジェスチャ認識のための対話型ディスプレイにおける使用に適した圧電超音波トランスデューサに関する。   The present disclosure relates to piezoelectric transducers and techniques for manufacturing piezoelectric transducers, and more particularly in use in electronic sensor arrays or in interactive displays for biometric information sensing, imaging, and touch recognition or gesture recognition. The present invention relates to a piezoelectric ultrasonic transducer suitable for use.

薄膜圧電超音波トランスデューサは、指紋センサ、ジェスチャ検出、マイクロフォンおよびスピーカ、超音波撮像、ならびに化学センサなどの、生体情報センサを含む多くの用途にとって魅力的な候補である。トランスデューサは、典型的には、空洞上に懸架された圧電スタックを含む。圧電スタックは、圧電材料の層と、圧電層の各側のパターン化されたまたはパターン化されていない電極の層とを含み得る。   Thin film piezoelectric ultrasonic transducers are attractive candidates for many applications, including biometric sensors, such as fingerprint sensors, gesture detection, microphones and speakers, ultrasonic imaging, and chemical sensors. The transducer typically includes a piezoelectric stack suspended over a cavity. The piezoelectric stack may include a layer of piezoelectric material and a patterned or unpatterned layer of electrodes on each side of the piezoelectric layer.

図1は、圧電超音波トランスデューサの立面図である。図1に示すように、圧電超音波トランスデューサ100が、たとえば、機械層130の上に配置された圧電層スタック110と、たとえば、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウェハ内に形成され得る空洞120とを含むように、圧電超音波トランスデューサ100を構成することが知られている。圧電層スタック110は、それぞれ、圧電層115の下および上に配置された関連する下部電極112および上部電極114を有する圧電層115を含む。空洞120は、シリコンウェハ、またはいくつかの実装形態ではシリコンオンインシュレータ(SOI)ウェハなどの、半導体基板160内に形成され得る。機械層130は、SOIウェハの活性シリコン層から形成され得る。   FIG. 1 is an elevational view of a piezoelectric ultrasonic transducer. As shown in FIG. 1, a piezoelectric ultrasonic transducer 100 includes, for example, a piezoelectric layer stack 110 disposed on a mechanical layer 130 and a cavity 120 that can be formed, for example, in a silicon-on-insulator (SOI) wafer. Thus, it is known to constitute the piezoelectric ultrasonic transducer 100. Piezoelectric layer stack 110 includes a piezoelectric layer 115 having an associated lower electrode 112 and upper electrode 114 disposed below and above piezoelectric layer 115, respectively. The cavity 120 may be formed in a semiconductor substrate 160, such as a silicon wafer or, in some implementations, a silicon on insulator (SOI) wafer. The mechanical layer 130 can be formed from an active silicon layer of an SOI wafer.

本開示の一部は、マイクロメカニカル超音波トランスデューサに関し、マイクロメカニカル超音波トランスデューサの態様は、本発明の譲受人に譲渡され、すべての目的のためにその全体が参照により本出願に組み込まれている、2013年12月12日に出願した、「MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY」と題する米国仮出願第61/915361号と、本明細書と同時に出願した、「MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY」と題する米国特許出願、代理人整理番号第QUALP228US/141202号とにおいて説明されている。   Part of this disclosure relates to micromechanical ultrasonic transducers, aspects of the micromechanical ultrasonic transducer being assigned to the assignee of the present invention and incorporated herein by reference in their entirety for all purposes. No. 61/915361, filed on December 12, 2013, entitled “MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY”, and “MICROME CHANCEL ULTRASONIC AND TRANSTRANSAND US patent filed simultaneously with this specification”. And the agent reference number QUALP228 US / 141202.

本開示のシステム、方法、およびデバイスは、各々、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの単独の1つが、本明細書に開示された所望の属性を単独で担うものではない。   Each of the disclosed systems, methods, and devices has several innovative aspects, one of which is not solely responsible for the desired attributes disclosed herein.

本開示に記載の主題の1つの革新的な態様は、基板上に配置された多層スタックを含む圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT(piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer))に関する。多層スタックは、基板上に配置されたアンカー構造と、アンカー構造上に配置された圧電層スタックと、圧電層スタックに近接して配置された機械層とを含む。圧電層スタックは、空洞上に配置される。機械層は、空洞を封止し、圧電層スタックと一緒に、アンカー構造によって支持され、空洞上に膜を形成し、膜は、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成される。いくつかの例では、機械層は、面外曲げモードを可能にするために、多層スタックの中立軸が圧電層スタックの中立軸に対して機械層に向かって変位するような厚さを有し得る。いくつかの例では、機械層は、実質的に、圧電層スタックよりも厚くてもよい。いくつかの例では、中立軸は、機械層を通過し得る。   One innovative aspect of the subject matter described in this disclosure relates to a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer (PMUT) that includes a multilayer stack disposed on a substrate. The multilayer stack includes an anchor structure disposed on the substrate, a piezoelectric layer stack disposed on the anchor structure, and a mechanical layer disposed proximate to the piezoelectric layer stack. The piezoelectric layer stack is disposed on the cavity. The mechanical layer seals the cavity and, together with the piezoelectric layer stack, is supported by the anchor structure to form a film on the cavity, and the film flexes when the PMUT receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. Configured to receive one or both of motion and vibration. In some examples, the mechanical layer has a thickness such that the neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer relative to the neutral axis of the piezoelectric layer stack to allow an out-of-plane bending mode. obtain. In some examples, the mechanical layer may be substantially thicker than the piezoelectric layer stack. In some examples, the neutral axis may pass through the mechanical layer.

いくつかの例では、空洞は、少なくとも1つの放出穴を通して犠牲材料を除去することによって形成され得、機械層は、犠牲材料を除去した後に形成され得、機械層を形成することは、少なくとも1つの放出穴を封止することによって空洞を封止し得る。   In some examples, the cavity can be formed by removing the sacrificial material through at least one discharge hole, the mechanical layer can be formed after removing the sacrificial material, and forming the mechanical layer is at least 1 The cavity can be sealed by sealing one discharge hole.

いくつかの例では、圧電層スタックは、圧電層と、圧電層の下に配置された下部電極と、圧電層の上に配置された上部電極とを含み得る。   In some examples, the piezoelectric layer stack may include a piezoelectric layer, a lower electrode disposed below the piezoelectric layer, and an upper electrode disposed above the piezoelectric layer.

いくつかの例では、機械層は、機械層が局所的に薄くされた凹部を含み得る。   In some examples, the mechanical layer may include a recess in which the mechanical layer is locally thinned.

いくつかの例では、機械層は、基板と反対側の圧電スタックの側の上に配置され得る。   In some examples, the mechanical layer may be disposed on the side of the piezoelectric stack opposite the substrate.

いくつかの例では、機械層は、基板に面する圧電スタックの側の下に配置され得る。   In some examples, the mechanical layer may be disposed under the side of the piezoelectric stack that faces the substrate.

いくつかの例では、PMUTは、さらに、圧電層スタックの上に配置された音響結合媒体を含み得、PMUTは、結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成される。   In some examples, the PMUT may further include an acoustic coupling medium disposed on the piezoelectric layer stack, and the PMUT is configured to receive or transmit an ultrasonic signal via the coupling medium.

いくつかの実装形態によれば、PMUTは、基板上に配置された多層スタックを含む。多層スタックは、基板上に配置されたアンカー構造と、アンカー構造上に配置された圧電層スタックと、圧電層スタックに近接して配置された機械層とを含み、機械層は、機械層が局所的に薄くされた凹部を含む。圧電層スタックは、空洞の上に配置され、機械層は、圧電層スタックと一緒にアンカー構造によって支持され、空洞上に膜を形成し、膜は、PMUTが超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成される。   According to some implementations, the PMUT includes a multi-layer stack disposed on a substrate. The multilayer stack includes an anchor structure disposed on the substrate, a piezoelectric layer stack disposed on the anchor structure, and a mechanical layer disposed proximate to the piezoelectric layer stack. A thinned recess. The piezoelectric layer stack is placed over the cavity and the mechanical layer is supported by the anchor structure along with the piezoelectric layer stack to form a film on the cavity, which is when the PMUT receives or transmits an ultrasonic signal , Configured to receive one or both of flexural motion and vibration.

いくつかの例では、空洞は、少なくとも1つの放出穴を通して犠牲材料を除去することによって形成され得、機械層は、犠牲材料を除去した後に形成され得、機械層を形成することは、少なくとも1つの放出穴を封止することによって空洞を封止し得る。   In some examples, the cavity can be formed by removing the sacrificial material through at least one discharge hole, the mechanical layer can be formed after removing the sacrificial material, and forming the mechanical layer is at least 1 The cavity can be sealed by sealing one discharge hole.

いくつかの実装形態によれば、PMUTを製作する方法は、基板上にアンカー構造を形成するステップであって、アンカー構造が犠牲材料の領域に近接して配置される、ステップと、アンカー構造上に圧電層スタックを形成するステップと、圧電層スタックの下に空洞を形成するように犠牲材料を除去するステップと、圧電層スタックに近接して機械層を配置するステップとを含み、圧電層スタックおよび機械層は、多層スタックの一部を形成し、機械層は、空洞を封止し、圧電層スタックと一緒にアンカー構造によって支持され、空洞の上に膜を形成し、膜は、PMUTが超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成される。   According to some implementations, a method of fabricating a PMUT includes forming an anchor structure on a substrate, the anchor structure being disposed proximate to a region of a sacrificial material; Forming a piezoelectric layer stack, removing sacrificial material to form a cavity under the piezoelectric layer stack, and placing a mechanical layer proximate to the piezoelectric layer stack, the piezoelectric layer stack comprising: And the mechanical layer forms part of a multi-layer stack, the mechanical layer seals the cavity and is supported by the anchor structure together with the piezoelectric layer stack to form a film over the cavity, When receiving or transmitting an ultrasonic signal, the ultrasonic signal is configured to receive one or both of a bending motion and a vibration.

いくつかの例では、犠牲材料を除去するステップは、圧電層スタックの下に空洞を形成し得る。   In some examples, removing the sacrificial material can form a cavity under the piezoelectric layer stack.

いくつかの例では、犠牲材料を除去するステップは、少なくとも1つの放出穴を通して犠牲材料を除去するステップを含み得、機械層は、少なくとも1つの放出穴を封止する。   In some examples, removing the sacrificial material can include removing the sacrificial material through the at least one discharge hole, and the mechanical layer seals the at least one discharge hole.

いくつかの例では、アンカー構造は、下部層内に配置され得、下部層は、圧電スタック層と平行であり、犠牲材料の領域を含む。   In some examples, the anchor structure may be disposed in a lower layer, the lower layer being parallel to the piezoelectric stack layer and including a region of sacrificial material.

いくつかの例では、機械層は、面外曲げモードを可能にするために、多層スタックの中立軸が圧電層スタックの中立軸に対して、機械層に向かって変位するような厚さを有し得る。いくつかの例では、機械層は、実質的に、圧電層スタックよりも厚い。いくつかの例では、中立軸は、機械層を通過し得る。   In some examples, the mechanical layer has a thickness such that the neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer relative to the neutral axis of the piezoelectric layer stack to allow out-of-plane bending mode. Can do. In some examples, the mechanical layer is substantially thicker than the piezoelectric layer stack. In some examples, the neutral axis may pass through the mechanical layer.

いくつかの実装形態によれば、装置は、PMUTセンサのアレイと、音響結合媒体とを含む。少なくとも1つのPMUTは、基板上に配置された多層スタックを含む。多層スタックは、基板上に配置されたアンカー構造と、アンカー構造および空洞の上に配置された圧電層スタックと、圧電層スタックに近接して配置された機械層とを含み、機械層は、空洞を封止する。音響結合媒体は、圧電層スタックの上に配置され、PMUTは、結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成される。   According to some implementations, the apparatus includes an array of PMUT sensors and an acoustic coupling medium. At least one PMUT includes a multilayer stack disposed on a substrate. The multilayer stack includes an anchor structure disposed on the substrate, a piezoelectric layer stack disposed on the anchor structure and the cavity, and a mechanical layer disposed proximate to the piezoelectric layer stack, wherein the mechanical layer includes the cavity Is sealed. An acoustic coupling medium is disposed on the piezoelectric layer stack and the PMUT is configured to receive or transmit an ultrasonic signal through the coupling medium.

本明細書で説明される主題の1つまたは複数の実施形態の細部が、本開示および添付図面で述べられる。他の特徴、態様、および利点は、本開示を検討することにより明らかになるであろう。本開示の図面および他の図の相対的な寸法は、一定の縮尺で描かれていない可能性のあることに留意されたい。本開示に図示され、記載された寸法、厚さ、配置、材料などは、単なる例として行われており、限定するものとして解釈されるべきではない。様々な図面における同様の参照番号および指定は、同様の要素を示す。   The details of one or more embodiments of the subject matter described in this specification are set forth in the disclosure and the accompanying drawings. Other features, aspects, and advantages will become apparent upon reviewing the present disclosure. Note that the relative dimensions of the drawings and other figures of this disclosure may not be drawn to scale. The dimensions, thicknesses, arrangements, materials, etc. illustrated and described in this disclosure are provided as examples only and should not be construed as limiting. Like reference numbers and designations in the various drawings indicate like elements.

圧電超音波トランスデューサの立面図である。It is an elevation view of a piezoelectric ultrasonic transducer. 本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の例を示す図である。FIG. 3 illustrates an example implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. 本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の例を示す図である。FIG. 3 illustrates an example implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. 本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の例を示す図である。FIG. 3 illustrates an example implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. 本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の例を示す図である。FIG. 3 illustrates an example implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. PMUTの例示的な実装形態を示す図である。FIG. 3 illustrates an example implementation of a PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the process flow for manufacturing PMUT. 機械層を有するPMUTの別の実装形態の断面説明図である。It is sectional explanatory drawing of another mounting form of PMUT which has a mechanical layer. 機械層を有するPMUTスタックのさらに別の実装形態の断面説明図である。It is a cross-sectional explanatory drawing of another mounting form of the PMUT stack having a mechanical layer. 基板上に形成された上部機械層および音響ポートを有するPMUTの断面説明図である。It is a section explanatory view of PMUT which has the upper mechanical layer and acoustic port which were formed on the substrate. いくつかの実装形態によるPMUTのアレイの平面図である。FIG. 6 is a plan view of an array of PMUTs according to some implementations. 様々な構成におけるPMUTアレイの例示的な断面立面図である。FIG. 3 is an exemplary cross-sectional elevation view of a PMUT array in various configurations. 様々な構成におけるPMUTアレイの例示的な断面立面図である。FIG. 3 is an exemplary cross-sectional elevation view of a PMUT array in various configurations. 様々な構成におけるPMUTアレイの例示的な断面立面図である。FIG. 3 is an exemplary cross-sectional elevation view of a PMUT array in various configurations. 様々な構成におけるPMUTアレイの例示的な断面立面図である。FIG. 3 is an exemplary cross-sectional elevation view of a PMUT array in various configurations. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTのための様々なアンカー構造構成の断面立面図である。2 is a cross-sectional elevation view of various anchor structure configurations for PMUT. FIG. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図である。FIG. 2 is a top view of various geometric configurations of PMUT and anchor structures. PMUTを製造するためのプロセスフローのさらなる例を示す図である。FIG. 5 shows a further example of a process flow for manufacturing a PMUT. 電子回路を上記で説明したPMUTと統合するためのプロセスフローを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a process flow for integrating an electronic circuit with the PMUT described above. 電子回路を上記で説明したPMUTと統合するためのプロセスフローを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a process flow for integrating an electronic circuit with the PMUT described above. 電子回路を上記で説明したPMUTと統合するためのプロセスフローを示す図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a process flow for integrating an electronic circuit with the PMUT described above. PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。3 is a cross-sectional view of various configurations of a PMUT ultrasonic sensor array. FIG. PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。3 is a cross-sectional view of various configurations of a PMUT ultrasonic sensor array. FIG. PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図である。3 is a cross-sectional view of various configurations of a PMUT ultrasonic sensor array. FIG. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT. PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す図である。It is a figure which shows another example of the process flow for manufacturing PMUT.

以下の説明は、本開示の革新的な態様を説明する目的のための特定の実装形態に向けられる。しかしながら、当業者は、本明細書の教示が多数の異なる方法において適用されることを容易に認識するであろう。説明される実施形態は、超音波センサを含む任意のデバイス、装置、またはシステムにおいて実施され得る。たとえば、説明される実施形態は、これだけに限らないが、モバイル電話、マルチメディアインターネット使用可能な携帯電話、モバイルテレビジョン受信機、ワイヤレスデバイス、スマートフォン、Bluetooth(登録商標)デバイス、携帯情報端末(PDA)、ワイヤレス電子メール受信機、ハンドヘルドもしくは可搬型コンピュータ、ネットブック、ノートブック、スマートブック、タブレット、プリンタ、複写機、スキャナ、ファクシミリデバイス、全地球測位システム(GPS)受信機/ナビゲータ、カメラ、デジタルメディアプレイヤ(MP3プレイヤなど)、カムコーダ、ゲーム機、腕時計、時計、計算器、テレビジョンモニタ、フラットパネルディスプレイ、電子的な読取りデバイス(たとえば、電子書籍リーダ)、モバイル健康デバイス、コンピュータモニタ、自動車ディスプレイ(走行距離計および速度計ディスプレイなどを含む)、コックピット制御部および/またはディスプレイ、カメラビューディスプレイ(車両の後方視カメラのディスプレイなど)、電子写真、電子掲示板もしくは標示、プロジェクタ、アーキテクチャ構造、マイクロ波、冷蔵庫、ステレオシステム、カセットレコーダもしくはプレイヤ、DVDプレイヤ、CDプレイヤ、VCR、ラジオ、可搬型記憶チップ、洗濯機、乾燥機、洗濯機/乾燥機、パーキングメータ、パッケージング(微小電気機械システム(MEMS)用途を含む電気機械システム(EMS)用途、ならびに非EMS用途など)、美的構造(宝石または衣服の1つに対する画像の表示など)、ならびに様々なEMSデバイスなど、様々な電子デバイスに含まれる、または関連付けられ得ることが企図される。本明細書の教示はまた、これだけに限らないが、電子スイッチングデバイス、無線周波数フィルタ、センサ、加速度計、ジャイロスコープ、動き感知デバイス、磁気計、家庭用電子機器用の慣性構成要素、家庭用電子機器製品の部品、バラクタ、液晶デバイス、電気泳動デバイス、駆動方式、製造プロセス、および電子試験機器などの用途で使用することができる。したがって、これらの教示は、単に図に示されている実施形態に限定されることは意図されておらず、その代わりに、当業者には容易に明らかであるように、広範囲にわたる適用性を有している。   The following description is directed to specific implementations for purposes of describing the innovative aspects of the disclosure. However, one of ordinary skill in the art will readily recognize that the teachings herein apply in a number of different ways. The described embodiments may be implemented in any device, apparatus, or system that includes an ultrasonic sensor. For example, the described embodiments include, but are not limited to, mobile phones, multimedia internet enabled mobile phones, mobile television receivers, wireless devices, smartphones, Bluetooth® devices, personal digital assistants (PDAs) ), Wireless email receivers, handheld or portable computers, netbooks, notebooks, smart books, tablets, printers, copiers, scanners, facsimile devices, global positioning system (GPS) receivers / navigators, cameras, digital A media player (such as an MP3 player), a camcorder, a game machine, a watch, a clock, a calculator, a television monitor, a flat panel display, an electronic reading device (for example, an electronic book reader), Vail health device, computer monitor, car display (including odometer and speedometer display, etc.), cockpit controller and / or display, camera view display (such as vehicle rear view camera display), electronic photograph, electronic bulletin board or Marking, projector, architecture structure, microwave, refrigerator, stereo system, cassette recorder or player, DVD player, CD player, VCR, radio, portable memory chip, washing machine, dryer, washing machine / dryer, parking meter, Packaging (such as electromechanical system (EMS) applications, including microelectromechanical system (MEMS) applications, as well as non-EMS applications), aesthetic structures (such as displaying an image on one of a jewel or garment), and various E Such as S device, it is contemplated that various included in the electronic device, or may be associated. The teachings herein also include, but are not limited to, electronic switching devices, radio frequency filters, sensors, accelerometers, gyroscopes, motion sensing devices, magnetometers, inertial components for consumer electronics, consumer electronics It can be used in applications such as equipment product parts, varactors, liquid crystal devices, electrophoretic devices, drive systems, manufacturing processes, and electronic test equipment. Accordingly, these teachings are not intended to be limited solely to the embodiments shown in the drawings, but instead have a wide range of applicability, as will be readily apparent to those skilled in the art. is doing.

本開示のシステム、方法、およびデバイスは、各々、いくつかの革新的な態様を有し、そのうちの単独の1つが、本明細書に開示された所望の属性を単独で担当するものではない。本開示で説明される主題の1つの革新的な態様は、空洞上に配置された圧電層スタックと機械層とを含む多層スタックとして構成された圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)において実装される。空洞は、多層スタックの下部層内に形成され得、その上には、圧電層スタックが形成される。機械層は、圧電層スタックに近接して配置される。機械層は、空洞を封止し、圧電層スタックと一緒にアンカー構造によって支持され、空洞の上に膜を形成する。膜は、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成され得る。アンカー構造は、下部層内に基板上で配置され得、下部層は、圧電スタック層と平行であり、犠牲材料の1つまたは複数の領域を含む。犠牲材料は、圧電層スタックの下に1つまたは複数の空洞を形成するために犠牲的に除去され得る。   The systems, methods and devices of the present disclosure each have several innovative aspects, one of which is not solely responsible for the desired attributes disclosed herein. One innovative aspect of the subject matter described in this disclosure is implemented in a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer (PMUT) configured as a multilayer stack including a piezoelectric layer stack and a mechanical layer disposed on a cavity. . The cavity can be formed in the lower layer of the multilayer stack, on which the piezoelectric layer stack is formed. The mechanical layer is disposed proximate to the piezoelectric layer stack. The mechanical layer seals the cavity and is supported by the anchor structure along with the piezoelectric layer stack to form a film over the cavity. The membrane may be configured to receive one or both of flexing motion and vibration when the PMUT receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. The anchor structure may be disposed on the substrate in the lower layer, the lower layer being parallel to the piezoelectric stack layer and including one or more regions of sacrificial material. The sacrificial material can be sacrificially removed to form one or more cavities under the piezoelectric layer stack.

いくつかの実装形態では、機械層は、面外曲げモードを可能にするために、多層スタックの中立軸が圧電層スタックの中立軸に対して、機械層に向かって変位するような厚さを有する。結果として、PMUTスタックの中立軸は、基板と反対側の方向に圧電層から離れた距離であり得る。より具体的には、中立軸は、圧電層スタックおよび空洞の上にある、圧電層スタックとほぼ平行な平面内で、機械層を通過し得る。いくつかの実装形態では、PMUTスタックの中立軸は、基板に向かう方向に圧電層から離れた距離であり得る。より具体的には、中立軸は、圧電層スタックの下にある、圧電層スタックとほぼ平行な平面内で、機械層を通過し得る。   In some implementations, the mechanical layer has a thickness such that the neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer with respect to the neutral axis of the piezoelectric layer stack to allow out-of-plane bending modes. Have. As a result, the neutral axis of the PMUT stack can be a distance away from the piezoelectric layer in the direction opposite the substrate. More specifically, the neutral axis may pass through the mechanical layer in a plane that is above the piezoelectric layer stack and the cavity and is substantially parallel to the piezoelectric layer stack. In some implementations, the neutral axis of the PMUT stack can be a distance away from the piezoelectric layer in the direction toward the substrate. More specifically, the neutral axis may pass through the mechanical layer in a plane below the piezoelectric layer stack and substantially parallel to the piezoelectric layer stack.

本開示で説明される主題の1つの革新的な態様は、ディスプレイまたは超音波指紋センサアレイの背面の下に、そのそばに、それとともに、その上に、またはその上方に圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ(PMUT)要素の1次元アレイまたは2次元アレイを含む装置において実施され得る。   One innovative aspect of the subject matter described in this disclosure is a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer below, by, with, on, or above the back of a display or ultrasonic fingerprint sensor array. (PMUT) may be implemented in an apparatus including a one-dimensional array or a two-dimensional array of elements.

いくつかの実装形態では、PMUTアレイは、複数の周波数範囲に対応するモードで動作するように構成可能であり得る。いくつかの実装形態では、たとえば、PMUTアレイは、低周波数範囲(たとえば、50kHz〜200kHz)に対応する低周波数モードで、または高周波数範囲(たとえば、1MHz〜25MHz)に対応する高周波数モードで動作するように構成可能であり得る。高周波数モードで動作するとき、装置は、比較的より高い解像度で撮像することが可能であり得る。したがって、装置は、ディスプレイまたはセンサアレイの表面上に置かれた指などの物体から、タッチ、指紋、スタイラス、および生体情報を検出することが可能であり得る。そのような高周波数モードは、本明細書では、指紋センサモード、タッチモード、およびスタイラスモードと呼ばれることもある。   In some implementations, the PMUT array may be configurable to operate in modes that correspond to multiple frequency ranges. In some implementations, for example, the PMUT array operates in a low frequency mode corresponding to a low frequency range (eg, 50 kHz to 200 kHz) or in a high frequency mode corresponding to a high frequency range (eg, 1 MHz to 25 MHz). May be configurable. When operating in high frequency mode, the device may be able to image at a relatively higher resolution. Thus, the device may be able to detect touch, fingerprints, stylus, and biometric information from an object such as a finger placed on the surface of the display or sensor array. Such a high frequency mode is sometimes referred to herein as a fingerprint sensor mode, a touch mode, and a stylus mode.

低周波数モードで動作するとき、装置は、装置が高周波数モードで動作しているときよりも、空気中への比較的大きい侵入が可能な音波を放射することが可能であり得る。そのような低周波数の音波は、カバーガラス、タッチスクリーン、ディスプレイアレイ、バックライト、または、超音波送信機とディスプレイもしくはセンサ表面との間に配置された他の層を含む、様々な上側層を介して送信され得る。いくつかの実装形態では、ポートは、PMUTアレイから空気中への音響結合を最適化するために、上側層のうちの1つまたは複数を介して開かれ得る。低周波数音波は、ディスプレイまたはセンサ表面の上の空気中を送信され、表面の近くの1つまたは複数の物体から反射され、空気中を送信され、上側層を介して戻され、超音波受信機によって検出され得る。したがって、低周波数モードで動作するとき、装置は、ジェスチャ検出モードで動作することが可能であり得、ジェスチャ検出モードでは、ディスプレイの近くの自由空間ジェスチャが検出され得る。   When operating in the low frequency mode, the device may be able to emit sound waves that allow a relatively greater penetration into the air than when the device is operating in the high frequency mode. Such low frequency sound waves can be applied to various upper layers, including cover glass, touch screens, display arrays, backlights, or other layers disposed between the ultrasound transmitter and the display or sensor surface. Can be sent via. In some implementations, the ports may be opened through one or more of the upper layers to optimize acoustic coupling from the PMUT array into the air. Low frequency sound waves are transmitted in the air above the display or sensor surface, reflected from one or more objects near the surface, transmitted in the air, returned through the upper layer, an ultrasonic receiver Can be detected. Thus, when operating in the low frequency mode, the device may be able to operate in a gesture detection mode, where a free space gesture near the display may be detected.

代替的にまたは付加的に、いくつかの実装形態では、PMUTアレイは、低周波数範囲と高周波数範囲との間の周波数範囲(たとえば、約200kHz〜約1MHz)に対応する中周波数モードで動作する構成可能であり得る。中周波数モードで動作するとき、装置は、高周波数モードよりもいくぶん低い解像度を有するが、タッチセンサ機能を提供することが可能であり得る。   Alternatively or additionally, in some implementations, the PMUT array operates in a medium frequency mode corresponding to a frequency range between a low frequency range and a high frequency range (eg, about 200 kHz to about 1 MHz). It may be configurable. When operating in the medium frequency mode, the device may have a somewhat lower resolution than the high frequency mode, but may be able to provide touch sensor functionality.

PMUTアレイは、波面ビーム形成、ビーム操作、受信側ビーム形成、および/または戻ってきた信号の選択的読出しのためにアドレス可能であり得る。たとえば、個々の列、行、センサピクセル、および/またはセンサピクセルのグループは、個別にアドレス可能であり得る。制御システムは、平面状、円形、または円筒形の波面などの特定の形状の波面を生成するように送信機のアレイを制御し得る。制御システムは、所望の位置に強め合い干渉または弱め合い干渉を生成するように、送信機のアレイの振幅および/または位相を制御し得る。たとえば、制御システムは、タッチまたはジェスチャが検出された1つまたは複数の位置に強め合い干渉を生成するように、送信機のアレイの振幅および/または位相を制御し得る。   The PMUT array may be addressable for wavefront beamforming, beam manipulation, receiver beamforming, and / or selective readout of the returned signal. For example, individual columns, rows, sensor pixels, and / or groups of sensor pixels may be individually addressable. The control system may control the array of transmitters to generate a specific shaped wavefront, such as a planar, circular, or cylindrical wavefront. The control system may control the amplitude and / or phase of the array of transmitters to generate constructive or destructive interference at the desired location. For example, the control system may control the amplitude and / or phase of the array of transmitters to generate constructive interference at one or more locations where a touch or gesture is detected.

いくつかの実装形態では、PMUTデバイスは、いくつかの例ではガラス基板またはプラスチック基板である同じ基板上に薄膜トランジスタ(TFT)回路で同時製造され(co−fabricated)得る。TFT基板は、行および列アドレス指定電極と、マルチプレクサと、ローカル増幅段と、制御回路とを含み得る。いくつかの実装形態では、ドライバ段と感知段とを含むインターフェース回路は、PMUTデバイスを励起し、同じデバイスからの応答を検出するために使用され得る。他の実装形態では、第1のPMUTデバイスは、音響送信機または超音波送信機として機能し得、第2のPMUTデバイスは、音響受信機または超音波受信機として機能し得る。いくつかの構成では、異なるPMUTデバイスは、(たとえば、ジェスチャ検出および指紋検出のための)低周波数動作および高周波数動作が可能であり得る。他の構成では、同じPMUTデバイスは、低周波数動作および高周波数動作のために使用され得る。いくつかの実装形態では、PMUTは、シリコンウェハ内に製造された能動シリコン回路を有するシリコンウェハを使用して製造され得る。能動シリコン回路は、PMUTまたはPMUTアレイを機能させるための電子装置を含み得る。   In some implementations, the PMUT device can be co-fabricated with thin film transistor (TFT) circuits on the same substrate, which in some examples is a glass substrate or a plastic substrate. The TFT substrate may include row and column addressing electrodes, a multiplexer, a local amplification stage, and a control circuit. In some implementations, an interface circuit that includes a driver stage and a sensing stage can be used to excite the PMUT device and detect a response from the same device. In other implementations, the first PMUT device may function as an acoustic transmitter or ultrasound transmitter, and the second PMUT device may function as an acoustic receiver or ultrasound receiver. In some configurations, different PMUT devices may be capable of low frequency operation and high frequency operation (eg, for gesture detection and fingerprint detection). In other configurations, the same PMUT device may be used for low frequency operation and high frequency operation. In some implementations, the PMUT can be manufactured using a silicon wafer having active silicon circuits manufactured in the silicon wafer. The active silicon circuit may include electronic devices for functioning the PMUT or PMUT array.

図2A〜図2Dは、本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の例を示す。図示の実装形態では、PMUT200Aは、圧電層スタック210の上に配置された機械層230を含む。圧電層スタック210は、それぞれ、圧電層115の下および上に配置された、関連する下部電極212と上部電極214とを有する圧電層215を含む。機械層230は、基板と反対側の圧電スタックの側に配置される。   2A-2D illustrate an example implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. In the illustrated implementation, the PMUT 200A includes a mechanical layer 230 disposed on the piezoelectric layer stack 210. Piezoelectric layer stack 210 includes a piezoelectric layer 215 having an associated lower electrode 212 and upper electrode 214 disposed below and above piezoelectric layer 115, respectively. The mechanical layer 230 is disposed on the side of the piezoelectric stack opposite the substrate.

機械層230は、空洞220と反対側の圧電層スタック210側の上方に配置され、圧電層スタック210と一緒に、空洞220の上方にドラム状の膜を形成し得る。膜は、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するときに、撓み運動および/または振動を受けるように構成され得る。図2Aに示す実装形態では、圧電層スタック210は、空洞220と機械層230との間にあるが、図1に示す構成では、PMUT100の機械層130は、圧電層スタック110と空洞120との間にある。いくつかの実装形態では、機械層230は、圧電層スタックよりも実質的に厚くてもよい。   The mechanical layer 230 may be disposed above the piezoelectric layer stack 210 side opposite to the cavity 220, and together with the piezoelectric layer stack 210, a drum-like film may be formed above the cavity 220. The membrane may be configured to undergo flexing motion and / or vibration when the PMUT receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. In the implementation shown in FIG. 2A, the piezoelectric layer stack 210 is between the cavity 220 and the mechanical layer 230, but in the configuration shown in FIG. 1, the mechanical layer 130 of the PMUT 100 is between the piezoelectric layer stack 110 and the cavity 120. between. In some implementations, the mechanical layer 230 may be substantially thicker than the piezoelectric layer stack.

機械層230は、電気的に絶縁性の材料から製作され得、微細加工プロセスの終わりごろに、すなわち、圧電層スタック210および圧電層スタック210が上に配置される空洞220の形成およびパターン化後に堆積され得る。機械層230は、PMUTスタックの中立軸250が圧電層スタック210の上方のある距離にあるような寸法および機械的特性を有するように構成され得る。より具体的には、中立軸250は、圧電層スタック210の上方の機械層230を含む平面内に配置される。機械層230は、空洞220および基板260と反対側の圧電層スタック210の側に近接していることがわかる。いくつかの実装形態では、中立軸250は、圧電層スタック210と実質的に平行な、機械層230に向かう方向に圧電層スタック210の中立軸から距離を開けて圧電層スタック210を通過する平面内に配置され得る。   The mechanical layer 230 may be fabricated from an electrically insulating material and at the end of the microfabrication process, i.e. after formation and patterning of the piezoelectric layer stack 210 and the cavity 220 on which the piezoelectric layer stack 210 is disposed. Can be deposited. The mechanical layer 230 may be configured to have dimensions and mechanical properties such that the neutral axis 250 of the PMUT stack is at a distance above the piezoelectric layer stack 210. More specifically, the neutral axis 250 is disposed in a plane that includes the mechanical layer 230 above the piezoelectric layer stack 210. It can be seen that the mechanical layer 230 is proximate to the side of the piezoelectric layer stack 210 opposite the cavity 220 and the substrate 260. In some implementations, the neutral axis 250 is a plane that passes through the piezoelectric layer stack 210 at a distance from the neutral axis of the piezoelectric layer stack 210 in a direction toward the mechanical layer 230 that is substantially parallel to the piezoelectric layer stack 210. Can be placed within.

圧電層を含む多くの多層微細構造デバイスについて、多層スタックの中立軸が圧電層の中立軸から離れていることが好ましい。たとえば、本開示のPMUTの機械層230は、多層スタックの中立軸250を圧電層210の中立軸から離れた距離にする。距離は、様々な層の厚さとそれらの弾性特性とによって決定され得、それらの弾性特性は、トランスデューサの共振周波数と性質係数要件とによって決定され得る。いくつかの実装形態では、中立軸250は、圧電層210の中立軸から離れた距離にあり得、機械層230に向かって変位され得るが、中立軸250は、圧電層内または圧電スタック内に依然として存在し得る。たとえば、機械層230は、多層スタックの面外曲げモードを可能にするような厚さを有し得る。いくつかの実装形態では、機械層230は、多層スタックが面外モード、たとえば、ピストンモードまたは基本モードにおいて主に励起されることを可能にするように構成され得る。面外モードは、たとえば、円形、正方形、または矩形のPMUTの中心において、空洞220に近接した多層スタックの部分(本明細書では、「解放部分」と呼ばれることもある)の変位を引き起こし得る。いくつかの実装形態では、中立軸250の変位は、d31モードまたはe31モードにおけるトランスデューサ動作を許可し、これらのモードでは、変換領域における膜の多層スタックの中立軸は、スタック内の活性圧電材料の中立軸からオフセットされ得る。 For many multilayer microstructured devices that include a piezoelectric layer, it is preferred that the neutral axis of the multilayer stack is separated from the neutral axis of the piezoelectric layer. For example, the PMUT mechanical layer 230 of the present disclosure causes the neutral axis 250 of the multilayer stack to be a distance away from the neutral axis of the piezoelectric layer 210. The distance can be determined by the thickness of the various layers and their elastic properties, which can be determined by the resonant frequency and the property factor requirements of the transducer. In some implementations, the neutral axis 250 can be at a distance away from the neutral axis of the piezoelectric layer 210 and can be displaced toward the mechanical layer 230, while the neutral axis 250 is within the piezoelectric layer or the piezoelectric stack. Can still exist. For example, the mechanical layer 230 may have a thickness that allows an out-of-plane bending mode of the multilayer stack. In some implementations, the mechanical layer 230 may be configured to allow the multilayer stack to be primarily excited in an out-of-plane mode, such as a piston mode or a fundamental mode. The out-of-plane mode may cause displacement of a portion of the multilayer stack (sometimes referred to herein as a “release portion”) proximate to the cavity 220, for example, in the center of a circular, square, or rectangular PMUT. In some implementations, the displacement of the neutral axis 250 allows transducer operation in the d 31 or e 31 mode, in which the neutral axis of the multilayer stack of membranes in the conversion region is the active piezoelectric in the stack. It can be offset from the neutral axis of the material.

以下でより詳細に説明するように、機械層230は、空洞220を封止するカプセル化層を提供するように構成され得る。加えて、機械層230は、圧電層スタック210の電極のためのパッシベーション層として機能し得る。機械層230の材料特性、厚さ、および内部応力の賢明な選択によって、特定のトランスデューサパラメータが改善され得る。たとえば、様々な層内の残留応力から結果として生じ得る、共振周波数、静的および動的な撓み、音響圧力出力、ならびに膜の形状(弓)は、機械層230を適切に構成することによって調整され得る。   As described in more detail below, the mechanical layer 230 may be configured to provide an encapsulation layer that seals the cavity 220. In addition, the mechanical layer 230 can function as a passivation layer for the electrodes of the piezoelectric layer stack 210. By judicious selection of the material properties, thickness, and internal stress of the mechanical layer 230, certain transducer parameters can be improved. For example, the resonant frequency, static and dynamic deflection, acoustic pressure output, and membrane shape (bow) that can result from residual stresses in the various layers can be adjusted by appropriately configuring the mechanical layer 230 Can be done.

いくつかの実装形態では、機械層230は、トランスデューサの製造後に電気回路を構築するための音響結合層の装着のための平坦化を提供するように、および/または、圧電層スタック210に対する容量デカップリングのための機械層230の上部に追加のルーティング層を作成するために絶縁層を設けるように構成され得る。   In some implementations, the mechanical layer 230 provides a planarization for attachment of an acoustic coupling layer to build an electrical circuit after manufacture of the transducer and / or capacitive decoupling to the piezoelectric layer stack 210. It can be configured to provide an insulating layer to create an additional routing layer on top of the mechanical layer 230 for the ring.

いくつかの実装形態では、機械層230は、PMUTスタックの一部の総厚を減少させる凹部を含み得る。凹部および凹部特徴部のサイズおよび幾何学的形状は、共振周波数、静的および動的な撓み、音響圧力出力、機械的性質係数(Q)、ならびに膜の形状(弓)などのトランスデューサのパラメータに影響を及ぼすように設計され得る。図2Bは、機械層230の上側部分内に形成された凹部232を有するPMUT構造の断面図を示し、ここで、機械層は、局所的に薄くされる。図示の実装形態では、凹部232は、PMUT200Bの機械層230の中央領域内に形成される。   In some implementations, the mechanical layer 230 may include a recess that reduces the total thickness of a portion of the PMUT stack. The size and geometry of the recesses and recess features depends on the transducer parameters such as resonant frequency, static and dynamic deflection, acoustic pressure output, mechanical property factor (Q), and membrane shape (bow). Can be designed to influence. FIG. 2B shows a cross-sectional view of a PMUT structure having a recess 232 formed in the upper portion of the mechanical layer 230, where the mechanical layer is locally thinned. In the illustrated implementation, the recess 232 is formed in the central region of the mechanical layer 230 of the PMUT 200B.

中立軸250は、凹部232に近接する空洞220に向かって下方に移動することが観察され得る。凹部232は、ダイアフラムの中心近くの円形PMUTダイアフラム内に部分的に形成された円もしくはリング、または、円形ダイアフラムの周辺部の近くに形成された角のあるトレンチまたは角のあるトレンチの一部などの、実質的に対照的な特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部232は、正方形または矩形のPMUTダイアフラムの中心の近くで機械層230内に形成された正方形または矩形の特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部232は、正方形、矩形、または円形のダイアフラムの周辺部近くに形成された狭い矩形、局所トレンチ、または、スロットなどの特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、一連の半径方向スロットは、中央のまたは周辺の凹部特徴部と組み合わされ得る。いくつかの実装形態では、凹部または凹部特徴部は、機械層230を介して部分的または実質的にエッチングし、下にある圧電層スタック210上で停止することによって形成され得る。いくつかの実装形態では、凹部232および/またはその特徴部は、たとえば、エッチング時間に基づいて、機械層230内に形成され得る。いくつかの実装形態では、機械層230は、2つ以上の堆積された層を含み得、堆積された層のうちの1つは、製造中に凹部および凹部特徴部の正確な画定を可能にするエッチング停止層またはバリア層として機能し得る。   It can be observed that the neutral shaft 250 moves downward toward the cavity 220 proximate the recess 232. The recess 232 may be a circle or ring partially formed in a circular PMUT diaphragm near the center of the diaphragm, or a cornered trench or part of a cornered trench formed near the periphery of the circular diaphragm, etc. Of substantially contrasting features. In some implementations, the recess 232 may include a square or rectangular feature formed in the mechanical layer 230 near the center of the square or rectangular PMUT diaphragm. In some implementations, the recess 232 may include features such as narrow rectangles, local trenches, or slots formed near the periphery of a square, rectangular, or circular diaphragm. In some implementations, a series of radial slots can be combined with a central or peripheral recess feature. In some implementations, the recesses or recess features may be formed by partially or substantially etching through the mechanical layer 230 and stopping on the underlying piezoelectric layer stack 210. In some implementations, the recess 232 and / or its features may be formed in the mechanical layer 230 based on, for example, etching time. In some implementations, the mechanical layer 230 may include two or more deposited layers, one of the deposited layers allowing precise definition of the recesses and recess features during manufacture. It can function as an etch stop layer or a barrier layer.

図2Cは、本開示の技法に従って構成されたPMUTスタックの実装形態の別の例を示す。図示の実装形態では、PMUT200Cの機械層230は、空洞220の上でかつ圧電層スタック210の下に配置される。したがって、機械層230は、空洞220および基板260に面する圧電層スタック210の側の下に配置される。圧電層スタック210と一緒に、機械層230は、空洞220の上方にドラム状の膜またはダイアフラムを形成し得、ドラム状の膜またはダイアフラムは、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するときに、撓み運動および/または振動を受けるように構成される。いくつかの実装形態では、機械層230は、圧電層スタックよりも実質的に厚くてもよい。   FIG. 2C illustrates another example of an implementation of a PMUT stack configured in accordance with the techniques of this disclosure. In the illustrated implementation, the mechanical layer 230 of the PMUT 200C is disposed above the cavity 220 and below the piezoelectric layer stack 210. Accordingly, the mechanical layer 230 is disposed under the side of the piezoelectric layer stack 210 facing the cavity 220 and the substrate 260. Along with the piezoelectric layer stack 210, the mechanical layer 230 may form a drum-like film or diaphragm above the cavity 220, where the drum-like film or diaphragm receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. Sometimes configured to undergo flexing motion and / or vibration. In some implementations, the mechanical layer 230 may be substantially thicker than the piezoelectric layer stack.

以下でより詳細に説明するように、機械層230は、空洞220を封止するカプセル化層を提供するように構成され得る。機械層230の材料特性、厚さ、および内部応力の賢明な選択によって、特定のトランスデューサパラメータが改善され得る。たとえば、様々な層内の残留応力から結果として生じ得る、共振周波数、静的および動的な撓み、音響圧力出力、ならびに膜の形状(弓)は、機械層230を適切に構成することによって調整され得る。   As described in more detail below, the mechanical layer 230 may be configured to provide an encapsulation layer that seals the cavity 220. By judicious selection of the material properties, thickness, and internal stress of the mechanical layer 230, certain transducer parameters can be improved. For example, the resonant frequency, static and dynamic deflection, acoustic pressure output, and membrane shape (bow) that can result from residual stresses in the various layers can be adjusted by appropriately configuring the mechanical layer 230 Can be done.

いくつかの実装形態では、機械層230は、PMUTスタックの一部の総厚を減少させる凹部を含み得る。凹部および凹部特徴部のサイズおよび幾何学的形状は、共振周波数、静的および動的な撓み、音響圧力出力、機械的性質係数(Q)、ならびに膜の形状(弓)などのトランスデューサのパラメータに影響を及ぼすように設計され得る。図2Dは、機械層230の下側部分内に形成された凹部232を有するPMUT構造の断面図を示し、ここで、機械層230は、局所的に薄くされる。図示の実装形態では、凹部232は、PMUT200Dの機械層230の中央領域内に形成される。   In some implementations, the mechanical layer 230 may include a recess that reduces the total thickness of a portion of the PMUT stack. The size and geometry of the recesses and recess features depends on the transducer parameters such as resonant frequency, static and dynamic deflection, acoustic pressure output, mechanical property factor (Q), and membrane shape (bow). Can be designed to influence. FIG. 2D shows a cross-sectional view of a PMUT structure having a recess 232 formed in the lower portion of the mechanical layer 230, where the mechanical layer 230 is locally thinned. In the illustrated implementation, the recess 232 is formed in the central region of the mechanical layer 230 of the PMUT 200D.

凹部232は、ダイアフラムの中心近くの円形PMUTダイアフラム内に部分的に形成された円もしくはリング、または、円形ダイアフラムの周辺部の近くに形成された角のあるトレンチまたは角のあるトレンチの一部などの、実質的に対照的な特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部232は、正方形または矩形のPMUTダイアフラムの中心の近くで機械層230内に形成された正方形または矩形の特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部232は、正方形、矩形、または円形のダイアフラムの周辺部近くに形成された狭い矩形、局所トレンチ、または、スロットなどの特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、一連の半径方向スロットは、中央のまたは周辺の凹部特徴部と組み合わされ得る。いくつかの実装形態では、凹部または凹部特徴部は、機械層230および圧電層スタック210の堆積の前に、下にある犠牲層(図示せず)を介して部分的にエッチングすることによって形成され得る。いくつかの実装形態では、凹部232および/またはその特徴部は、エッチング時間に基づいて、下にある犠牲層内に部分的にエッチングすることによって形成され得る。いくつかの実装形態では、犠牲層は、2つ以上の堆積された層のスタックを含み得、堆積された層のうちの1つは、犠牲層の局所的な隆起部が機械層230および圧電層スタック210の堆積の前に形成されることを可能にし得、堆積された層のうちの1つは、製造中に凹部および凹部特徴部の正確な画定を可能にするエッチング停止層またはバリア層として機能し得る。いくつかの実装形態では、機械層230の上面は、圧電層スタック210を形成する前に平坦化され得る。たとえば、機械層230は、化学機械平坦化とも呼ばれる化学機械研磨(CMP)で平坦化され得る。   The recess 232 may be a circle or ring partially formed in a circular PMUT diaphragm near the center of the diaphragm, or a cornered trench or part of a cornered trench formed near the periphery of the circular diaphragm, etc. Of substantially contrasting features. In some implementations, the recess 232 may include a square or rectangular feature formed in the mechanical layer 230 near the center of the square or rectangular PMUT diaphragm. In some implementations, the recess 232 may include features such as narrow rectangles, local trenches, or slots formed near the periphery of a square, rectangular, or circular diaphragm. In some implementations, a series of radial slots can be combined with a central or peripheral recess feature. In some implementations, the recess or recess feature is formed by partial etching through an underlying sacrificial layer (not shown) prior to deposition of the mechanical layer 230 and the piezoelectric layer stack 210. obtain. In some implementations, the recess 232 and / or its features may be formed by partially etching into the underlying sacrificial layer based on the etch time. In some implementations, the sacrificial layer may include a stack of two or more deposited layers, one of the deposited layers being a local ridge of the sacrificial layer that is a mechanical layer 230 and a piezoelectric. An etch stop layer or barrier layer that can be formed prior to deposition of the layer stack 210, one of the deposited layers allowing precise definition of the recesses and recess features during manufacture Can function as. In some implementations, the top surface of the mechanical layer 230 can be planarized prior to forming the piezoelectric layer stack 210. For example, the mechanical layer 230 may be planarized with chemical mechanical polishing (CMP), also referred to as chemical mechanical planarization.

本開示の技法のよりよい理解は、次に図3を参照することによって得られ得る。図3は、PMUTの例示的な実装形態を示す。図示のPMUT300は、空洞320iの上に配置された圧電層スタック310を含む。以下でより詳細に説明するように、空洞320iは、1つまたは複数の放出穴320oを介するアンカー構造370内に形成された犠牲層の除去によって形成され得る。アンカー構造370は、以下でより詳細に説明するように、基板360上に堆積され得る。スケーラビリティのために、これらの構造は、IC産業、MEMS産業、およびLCD産業で一般的なプロセスを使用して製作されることが好ましい。   A better understanding of the techniques of this disclosure may be obtained by referring now to FIG. FIG. 3 shows an exemplary implementation of a PMUT. The illustrated PMUT 300 includes a piezoelectric layer stack 310 disposed over a cavity 320i. As will be described in more detail below, the cavity 320i may be formed by removal of a sacrificial layer formed in the anchor structure 370 via one or more discharge holes 320o. Anchor structure 370 may be deposited on substrate 360, as described in more detail below. For scalability, these structures are preferably fabricated using processes common in the IC, MEMS, and LCD industries.

図示の実装形態では、圧電層スタック310は、下部電極312と上部電極314との間に配置された圧電層315を含む。機械層330は、空洞320iと反対側の圧電層スタック310の上方に配置され、圧電層スタック310と一緒に、空洞320iの上方にドラム状の膜またはダイアフラムを形成し得、ドラム状の膜またはダイアフラムは、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するときに、撓み運動および/または振動を受けるように構成される。いくつかの実装形態では、機械層330は、中立軸350が圧電層スタック310の実質的に外部(上方)に配置されるように構成され得る。有利には、機械層330は、PMUT300のための追加の構造的支持も提供しながら、図3の断面B−Bに示すように、1つまたは複数の放出穴320oを封止し、外部の液体および気体から空洞320iを隔離するカプセル化層として機能し得る。   In the illustrated implementation, the piezoelectric layer stack 310 includes a piezoelectric layer 315 disposed between the lower electrode 312 and the upper electrode 314. The mechanical layer 330 is disposed above the piezoelectric layer stack 310 opposite the cavity 320i, and together with the piezoelectric layer stack 310 may form a drum-like film or diaphragm above the cavity 320i. The diaphragm is configured to undergo flexing motion and / or vibration when the PMUT receives or transmits an acoustic signal or an ultrasonic signal. In some implementations, the mechanical layer 330 may be configured such that the neutral axis 350 is disposed substantially outside (above) the piezoelectric layer stack 310. Advantageously, the mechanical layer 330 seals one or more discharge holes 320o as shown in cross-section BB of FIG. 3 while providing additional structural support for the PMUT 300, and external It may function as an encapsulation layer that isolates the cavities 320i from liquids and gases.

図4Aおよび図4Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの一例を示す。図示の例では、ステップS401において、アンカー構造470の第1の層部分472が基板360上に堆積される。第1の層部分472は、酸化物バッファ層と呼ばれることもある。いくつかの実装形態では、酸化物バッファ層472は、約500Å〜約30000Åの範囲内の厚さを有する二酸化ケイ素(SiO)層であり得る。たとえば、一実装形態では、酸化物バッファ層472の厚さは、約5000Åである。基板360は、ガラス基板、シリコンウェハ、または他の適切な基板材料であり得る。 4A and 4B show an example of a process flow for manufacturing a PMUT. In the illustrated example, the first layer portion 472 of the anchor structure 470 is deposited on the substrate 360 in step S401. The first layer portion 472 may be referred to as an oxide buffer layer. In some implementations, the oxide buffer layer 472 may be a silicon (SiO 2) layer dioxide having a thickness in the range of about 500Å~ about 30000 Å. For example, in one implementation, the thickness of the oxide buffer layer 472 is about 5000 mm. The substrate 360 can be a glass substrate, a silicon wafer, or other suitable substrate material.

図示の例では、ステップS402において、犠牲領域425iおよび425oが、犠牲材料の犠牲層425を酸化物バッファ層472上に最初に堆積させることによって形成され得、犠牲材料は、アモルファスシリコン(a−Si)、多結晶シリコン(poly−Si)、またはa−Siとpoly−Siの組合せを含み得る。代替的には、モリブデン(Mo)、タングステン(W)、ポリエチレンカーボネート(PEC)、ポリプロピレンカーボネート(PPC)、またはポリノルボルネン(PNB)などの他の犠牲層材料が使用され得る。ステップS402はまた、犠牲領域425iおよび425oを形成するために犠牲層425をパターン化し、エッチングするステップを含み得る。内側犠牲領域425iは、図3の空洞320iに対応する入りに配置され得、外側犠牲領域425oは、放出穴320oに対応する位置に配置され得る。犠牲材料層(図示せず)の1つまたは複数の放出チャネルまたは放出ビアは、外側犠牲領域425oを内側犠牲領域425iに接続し得る。PEC、PPC、またはPNBを使用するいくつかの実装形態では、これらの犠牲材料が、いくぶん透過性の上にある層を介して拡散し得る、二酸化炭素(CO)、単原子水素もしくは二原子水素、または単原子酸素もしくは二原子酸素のようなガス状副生成物を生成するように熱分解され得る場合、放出チャネルまたは放出ビアは、PMUT内の下にある空洞を形成するために必要とされないことがある。いくつかの実装形態では、犠牲層425は、約500Å〜約20000Åの範囲内の厚さを有する。たとえば、一実装形態では、犠牲層425の厚さは、約10000Åである。 In the illustrated example, in step S402, sacrificial regions 425i and 425o may be formed by first depositing a sacrificial layer 425 of sacrificial material on the oxide buffer layer 472, the sacrificial material being amorphous silicon (a-Si). ), Polycrystalline silicon (poly-Si), or a combination of a-Si and poly-Si. Alternatively, other sacrificial layer materials such as molybdenum (Mo), tungsten (W), polyethylene carbonate (PEC), polypropylene carbonate (PPC), or polynorbornene (PNB) can be used. Step S402 may also include patterning and etching sacrificial layer 425 to form sacrificial regions 425i and 425o. The inner sacrificial region 425i may be disposed at an entrance corresponding to the cavity 320i of FIG. 3, and the outer sacrificial region 425o may be disposed at a position corresponding to the discharge hole 320o. One or more emission channels or emission vias in a sacrificial material layer (not shown) may connect the outer sacrificial region 425o to the inner sacrificial region 425i. In some implementations using PEC, PPC, or PNB, these sacrificial materials can diffuse through a layer that is somewhat permeable, carbon dioxide (CO 2 ), monoatomic hydrogen or diatomic If it can be pyrolyzed to produce hydrogen or gaseous by-products such as mono- or diatomic oxygen, an emission channel or via is needed to form the underlying cavity in the PMUT. It may not be. In some implementations, the sacrificial layer 425 has a thickness in the range of about 500 mm to about 20000 mm. For example, in one implementation, the sacrificial layer 425 has a thickness of about 10,000 mm.

図示の例では、ステップS403において、アンカー構造470のアンカー部分474は、犠牲領域425iおよび425oを取り囲むように酸化物バッファ層472上に堆積される。いくつかの実装形態では、アンカー部分474は、約750Å〜22000Åの範囲内の厚さを有するSiO層であり得る。たとえば、一実装形態では、アンカー部分474の厚さは、約12000Åである。堆積に続いて、アンカー部分474は、オプションで、堆積された層の上部を平坦化するために化学機械平坦化(CMP)を受け得る。代替的には、または加えて、アンカー部分474は、化学的方法、プラズマ方法、または他の材料除去方法で薄くされ得る。 In the illustrated example, in step S403, the anchor portion 474 of the anchor structure 470 is deposited on the oxide buffer layer 472 so as to surround the sacrificial regions 425i and 425o. In some implementations, anchor portion 474 may be a SiO 2 layer having a thickness in the range of about 750A~22000A. For example, in one implementation, anchor portion 474 has a thickness of about 12000 mm. Following deposition, the anchor portion 474 can optionally undergo chemical mechanical planarization (CMP) to planarize the top of the deposited layer. Alternatively or additionally, the anchor portion 474 can be thinned by a chemical method, a plasma method, or other material removal method.

図示の例では、ステップS404において、圧電層スタック410がアンカー構造470上に形成される。より具体的には、いくつかの実装形態では、一連の堆積プロセスは、結果として、アンカー構造470ならびに犠牲領域425iおよび425o上に堆積された窒化アルミニウム(AlN)、二酸化ケイ素(SiO)、または他の適切なエッチング耐性層の第1の層(または「バリア層」)411と、バリア層411上に堆積されたモリブデン(Mo)、白金(Pt)、または他の適切な導電性材料の下部電極層412と、下部電極層412上に堆積されたAlN、酸化亜鉛(ZnO)、ジルコン酸チタン酸塩(PZT)、または他の適切な圧電材料などの圧電層415と、圧電層415上に堆積されたMo、Pt、または他の適切な導電層の上部電極層414とをもたらす。いくつかの実装形態では、バリア層411は、約300Å〜1000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、バリア層411の厚さは、約500Åである。いくつかの実装形態では、下部電極層412は、約1000Å〜30000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、下部電極層412の厚さは、約1000Åである。いくつかの実装形態では、圧電層415は、約1000Å〜30000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、活性圧電層415の厚さは、約10000Åである。いくつかの実装形態では、上部電極層414は、約1000Å〜30000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、上部電極層414の厚さは、約1000Åである。第1の層またはバリア層411は、いくつかの実装形態では、後続の下部電極層および/または圧電層の堆積のためのシード層として機能し得る。 In the illustrated example, a piezoelectric layer stack 410 is formed on the anchor structure 470 in step S404. More specifically, in some implementations, the series of deposition processes results in aluminum nitride (AlN), silicon dioxide (SiO 2 ), or deposited on anchor structure 470 and sacrificial regions 425i and 425o, or A first layer (or “barrier layer”) 411 of other suitable etch resistant layers and a lower portion of molybdenum (Mo), platinum (Pt), or other suitable conductive material deposited on the barrier layer 411 An electrode layer 412, a piezoelectric layer 415 such as AlN, zinc oxide (ZnO), zirconate titanate (PZT), or other suitable piezoelectric material deposited on the lower electrode layer 412; Resulting in an upper electrode layer 414 of deposited Mo, Pt, or other suitable conductive layer. In some implementations, the barrier layer 411 can have a thickness in the range of about 300 to 1000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the barrier layer 411 is about 500 mm. In some implementations, the bottom electrode layer 412 can have a thickness in the range of about 1000 to 30000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the lower electrode layer 412 is about 1000 mm. In some implementations, the piezoelectric layer 415 may have a thickness in the range of about 1000 to 30000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the active piezoelectric layer 415 is about 10,000 mm. In some implementations, the top electrode layer 414 may have a thickness in the range of about 1000 to 30000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the top electrode layer 414 is about 1000 mm. The first layer or barrier layer 411 may function as a seed layer for subsequent bottom electrode layer and / or piezoelectric layer deposition in some implementations.

ステップS404に続いて、一連のパターン化動作および形成動作は、圧電層スタック410内に含まれる様々な層を所望の幾何学的構成で選択的に露出させるように実行され得る。図示の例では、ステップS405において、モリブデンの上部電極層414は、圧電層415の選択された領域を露出させるようにパターン化およびエッチングを受け得る。ステップS406において、AlNまたは他の圧電材料の圧電層415は、下部電極層412の選択された領域を露出させるようにパターン化およびエッチングを受け得る。ステップS407において、モリブデンの下部電極層412は、バリア層411の選択された領域を露出させるようにパターン化およびエッチングを受け得る。   Following step S404, a series of patterning and forming operations may be performed to selectively expose the various layers included in the piezoelectric layer stack 410 with a desired geometric configuration. In the illustrated example, in step S405, the molybdenum top electrode layer 414 may be patterned and etched to expose selected regions of the piezoelectric layer 415. In step S406, the piezoelectric layer 415 of AlN or other piezoelectric material may be patterned and etched to expose selected regions of the bottom electrode layer 412. In step S407, the molybdenum lower electrode layer 412 may be patterned and etched to expose selected regions of the barrier layer 411.

図示の例では、ステップS408において、絶縁層416が、ステップS404〜S407の前のマスキング動作およびエッチング動作の間に露出された上部電極層414および他の表面上に堆積され得る。いくつかの実装形態では、絶縁層416は、たとえば、SiOであり得、約300Å〜5000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、絶縁層416の厚さは、約750Åである。ステップS408はまた、上部電極層414、下部電極層412、および外側犠牲領域425oの選択された領域を露出させるように絶縁層416をパターン化し、エッチングするステップを含み得る。PEC、PPC加えて、またはPNBなどの熱分解可能な犠牲材料を使用するいくつかの実装形態では、絶縁層416をパターン化し、エッチングするステップは、任意の外側犠牲領域425oを露出させる必要はない。 In the illustrated example, in step S408, an insulating layer 416 may be deposited on the top electrode layer 414 and other surfaces exposed during the masking and etching operations prior to steps S404-S407. In some implementations, the insulating layer 416 can be, for example, SiO 2 and can have a thickness in the range of about 300 to 5000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the insulating layer 416 is about 750 mm. Step S408 may also include patterning and etching the insulating layer 416 to expose selected regions of the upper electrode layer 414, the lower electrode layer 412, and the outer sacrificial region 425o. In some implementations using thermally decomposable sacrificial materials such as PEC, PPC, or PNB, the step of patterning and etching the insulating layer 416 need not expose any outer sacrificial regions 425o. .

図示の例では、ステップS409において、金属相互接続層418が、ステップS408の前のマスキング動作およびエッチング動作の間に露出された表面上に堆積され得る。相互接続層418は、たとえば、アルミニウムであり得、約1000Å〜50000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、相互接続層418の厚さは、約1000Åである。ステップS409はまた、絶縁層416および外側犠牲領域425oの選択された領域を露出させるように相互接続層418をパターン化し、エッチングするステップを含み得る。熱分解可能な犠牲材料を使用する実装形態では、相互接続層418をパターン化し、エッチングするステップは、任意の外側犠牲領域425oを露出させる必要はない。   In the illustrated example, in step S409, a metal interconnect layer 418 may be deposited on the surface exposed during the masking and etching operations prior to step S408. Interconnect layer 418 can be, for example, aluminum and can have a thickness in the range of about 1000 to 50000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the interconnect layer 418 is about 1000 mm. Step S409 may also include patterning and etching interconnect layer 418 to expose selected regions of insulating layer 416 and outer sacrificial region 425o. In implementations that use thermally decomposable sacrificial materials, the steps of patterning and etching interconnect layer 418 need not expose any outer sacrificial region 425o.

図示の例では、ステップS410において、内側犠牲領域425iおよび外側犠牲領域425oを形成するためにステップS402において堆積された犠牲材料は、除去され得、それによって放出穴420oおよび空洞420iを形成する。内側犠牲領域425i、外側犠牲領域425o、および、外側犠牲領域425iと外側犠牲領域425oとの間の放出チャネルを接続する1つまたは複数の接続放出チャネルからの犠牲材料の除去は、放出穴420oを介して行われ得る。たとえば、a−Si/PolySi犠牲層425は、犠牲材料をエッチング液、たとえば、二フッ化キセノン(XeF)に曝すことによって除去され得る。外側犠牲領域425oを内側犠牲領域425iに結合する放出チャネルまたはビアを設けることによって、内側犠牲領域425iの犠牲材料の実質的にすべてが、1つまたは複数の放出穴420oを介して除去され得る。熱分解可能な犠牲材料を使用するいくつかの実装形態では、基板の温度を分解温度(たとえば、PECについて約200度、PNBについて約425度)まで上昇させることは、犠牲材料を選択的に除去し得、分解中、ガス状副生成物が、上にある層を介して拡散する、または任意の露出された放出チャネルもしくはビアを介して発散する。 In the illustrated example, in step S410, the sacrificial material deposited in step S402 to form inner sacrificial region 425i and outer sacrificial region 425o can be removed, thereby forming discharge hole 420o and cavity 420i. Removal of the sacrificial material from the inner sacrificial region 425i, the outer sacrificial region 425o, and the one or more connected release channels that connect the emission channel between the outer sacrificial region 425i and the outer sacrificial region 425o, results in an emission hole 420o. Can be done through. For example, the a-Si / PolySi sacrificial layer 425 can be removed by exposing the sacrificial material to an etchant, eg, xenon difluoride (XeF 2 ). By providing an emission channel or via that couples the outer sacrificial region 425o to the inner sacrificial region 425i, substantially all of the sacrificial material in the inner sacrificial region 425i can be removed through one or more emission holes 420o. In some implementations using thermally decomposable sacrificial material, raising the temperature of the substrate to the decomposition temperature (eg, about 200 degrees for PEC and about 425 degrees for PNB) selectively removes the sacrificial material. And during decomposition, gaseous by-products diffuse through the overlying layers or diverge through any exposed emission channels or vias.

図示の例では、ステップS411において、機械層430が、ステップ409の前のマスキング動作およびエッチング動作の間に露出された表面上に堆積され得る。機械層430は、SiO、SiON、窒化ケイ素(SiN)、他の誘電体材料、または誘電体材料もしくは層の組合せを含み得る。機械層430は、約1000Å〜50000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、機械層430の厚さは、約20000Åである。ステップS409はまた、所望のプロファイルを達成するように機械層430をパターン化し、エッチングするステップを含み得る。図4A〜図4Bに示すように、機械層430は、放出穴420oを機械的に封止(カプセル化)するように構成され得る。結果として、ステップS411における機械層430の堆積は、カプセル化された空洞420iと周囲環境との間の実質な程度の隔離を提供し得る。機械層430はまた、上部電極層414および他の露出された層の上のパッシベーション層として機能し得る。熱分解可能な犠牲材料を使用する実装形態では、機械層430の堆積は、下にある空洞420iを封止または他の方法でカプセル化するために必要とされないことがある。 In the illustrated example, in step S411, a mechanical layer 430 may be deposited on the surface exposed during the masking and etching operations prior to step 409. Mechanical layer 430, SiO 2, SiON, silicon nitride (SiN), may comprise a combination of other dielectric materials or dielectric material or layer. The mechanical layer 430 may have a thickness in the range of about 1000 to 50000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the mechanical layer 430 is about 20000 mm. Step S409 may also include patterning and etching the mechanical layer 430 to achieve a desired profile. As shown in FIGS. 4A-4B, the mechanical layer 430 may be configured to mechanically encapsulate the release hole 420o. As a result, the deposition of the mechanical layer 430 in step S411 can provide a substantial degree of isolation between the encapsulated cavity 420i and the surrounding environment. The mechanical layer 430 may also function as a passivation layer over the top electrode layer 414 and other exposed layers. In implementations that use a thermally decomposable sacrificial material, deposition of the mechanical layer 430 may not be required to seal or otherwise encapsulate the underlying cavity 420i.

図5Aは、機械層を有するPMUTの別の実装形態の断面説明図を示す。図示の実装形態では、PMUT500Aは、シリコンウェハまたはガラス基板などの基板560上にアンカー構造570を形成することによって形成される。下部電極層512と、圧電層515と、上部電極層514とを含む圧電層スタック510は、アンカー構造570上に形成される。圧電層スタック510の一部は、犠牲層(図示せず)を選択的に除去し、圧電層スタック510と基板560との間に空洞520を形成するために、たとえば、犠牲エッチング液を使用して基板560から除去され得る。空洞領域内の犠牲層の部分は、PMUT500Aの圧電層スタック510の中央部分を通って延びる中央放出穴522を介してアクセスされ得る。代替的には、上記で説明したような1つまたは複数の放出穴および放出チャネルは、空洞520を形成するために犠牲材料除去のために使用され得る。機械層530は、圧電層スタック510上に配置され得、または圧電層スタック510上に他の方法で堆積され得る。機械層530は、放出穴522のための封止層として機能し得る。機械層530は、圧電層スタック510と一緒に、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するときに撓み運動および/または振動を受けるように構成された、空洞520の上方のドラム状の膜を形成し得る。中立軸550は、機械層530を通過し、空洞520の反対側において圧電層スタック510の上に配置される。いくつかの実装形態では、中立軸550は、圧電層スタック510に実質的に平行な、機械層530に向かう方向に圧電層スタック510の中立軸から距離を開けて圧電層スタック510を通過する平面内に配置され得る。   FIG. 5A shows a cross-sectional illustration of another implementation of a PMUT having a mechanical layer. In the illustrated implementation, the PMUT 500A is formed by forming an anchor structure 570 on a substrate 560, such as a silicon wafer or a glass substrate. A piezoelectric layer stack 510 including a lower electrode layer 512, a piezoelectric layer 515, and an upper electrode layer 514 is formed on the anchor structure 570. A portion of the piezoelectric layer stack 510 uses, for example, a sacrificial etchant to selectively remove the sacrificial layer (not shown) and form a cavity 520 between the piezoelectric layer stack 510 and the substrate 560. Can be removed from the substrate 560. The portion of the sacrificial layer within the cavity region may be accessed through a central ejection hole 522 that extends through the central portion of the piezoelectric layer stack 510 of PMUT 500A. Alternatively, one or more discharge holes and discharge channels as described above can be used for sacrificial material removal to form the cavity 520. The mechanical layer 530 may be disposed on the piezoelectric layer stack 510 or may be deposited on the piezoelectric layer stack 510 in other ways. The mechanical layer 530 can function as a sealing layer for the discharge hole 522. The mechanical layer 530, together with the piezoelectric layer stack 510, is configured as a drum above the cavity 520 that is configured to undergo flexing motion and / or vibration when the PMUT receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. A film may be formed. A neutral axis 550 passes through the mechanical layer 530 and is disposed on the piezoelectric layer stack 510 on the opposite side of the cavity 520. In some implementations, the neutral axis 550 is a plane that passes through the piezoelectric layer stack 510 at a distance from the neutral axis of the piezoelectric layer stack 510 in a direction toward the mechanical layer 530 that is substantially parallel to the piezoelectric layer stack 510. Can be placed within.

いくつかの実装形態では、機械層530は、圧電層スタック510の露出された上面に機械層530を積層する、粘着する、または他の方法で結合することによって付着され得る。たとえば、機械層530は、SU8、ポリイミド、感光性シリコーン誘電体フィルム、ベンゾシクロブテンもしくはBCBなどのシクロテンポリマーフィルム、ドライレジストフィルム、または感光性材料などの、厚いパターン化可能フィルムを含み得る。代替的には、機械層530は、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、ポリイミド(PI)、ポリカーボネート(PC)、シリコーン、エラストマ材料、または他の適切な材料などのプラスチックの積層層を含み得る。機械層530は、接着剤層または他の接続層で積層または他の方法で結合され得る。接着剤の例は、シリコーン、ポリウレタン、熱可塑性樹脂、エラストマ系接着剤、熱硬化型接着剤、UV硬化接着剤、熱硬化接着剤、ホットメルト接着剤、フェノール樹脂、1液型エポキシおよび2液型エポキシ、シアノアクリレート、アクリル、アクリレート、ポリアミド、コンタクト接着剤、および感圧接着剤(PSA)を含む。機械層530は、圧電層スタックに直接または間接的に、堆積、被覆、積層、接着、または他の方法で結合され得、たとえば、2ミクロン未満から500ミクロンを超えるまでの広い範囲の厚さを有し得る。   In some implementations, the mechanical layer 530 may be attached by laminating, sticking, or otherwise bonding the mechanical layer 530 to the exposed top surface of the piezoelectric layer stack 510. For example, the mechanical layer 530 may comprise a thick patternable film such as SU8, polyimide, photosensitive silicone dielectric film, cycloten polymer film such as benzocyclobutene or BCB, dry resist film, or photosensitive material. Alternatively, the mechanical layer 530 is a laminated layer of plastic such as polyethylene terephthalate (PET), polyethylene naphthalate (PEN), polyimide (PI), polycarbonate (PC), silicone, elastomeric material, or other suitable material. Can be included. The mechanical layer 530 may be laminated or otherwise bonded with an adhesive layer or other connection layer. Examples of adhesives are silicone, polyurethane, thermoplastic resins, elastomeric adhesives, thermosetting adhesives, UV curable adhesives, thermosetting adhesives, hot melt adhesives, phenol resins, one-part epoxies and two-part epoxies. Includes type epoxy, cyanoacrylate, acrylic, acrylate, polyamide, contact adhesive, and pressure sensitive adhesive (PSA). The mechanical layer 530 can be deposited, coated, laminated, glued, or otherwise bonded directly or indirectly to the piezoelectric layer stack, for example, with a wide range of thicknesses from less than 2 microns to more than 500 microns. Can have.

図5Bは、機械層を有するPMUTスタックのさらに別の実装形態の断面説明図を示す。図示の実装形態では、PMUT500Bの機械層530は、空洞520および基板560の反対側で圧電層スタック510の上に配置された堆積された下部機械層530aに積層または他の方法で取り付けられ得る上部機械層530bを含む。下部機械層530aは、上記で説明したように、1つまたは複数の堆積された層を含み得る。1つまたは複数の放出穴522は、空洞520を形成するために犠牲材料の除去を可能にするために、下部機械層530a内および下にある圧電層スタック510内に形成され得る。図示の実装形態では、放出穴522は、下部機械層530aの露出された上面上への上部機械層530bの取付けの際に封止され得る。結果として、上部機械層530bは、放出穴522のための封止層として機能し得る。中立軸550は、個々の層の厚さおよび弾性率に応じて、下部機械層530aまたは上部機械層530bのいずれかを通過し得る。放出穴522の近くの領域では、中立軸550の中央部分は、中立軸の残りの部分よりも空洞520から遠い位置に配置され得る。   FIG. 5B shows a cross-sectional illustration of yet another implementation of a PMUT stack having a mechanical layer. In the illustrated implementation, the mechanical layer 530 of the PMUT 500B is stacked or otherwise attached to a deposited lower mechanical layer 530a disposed on the piezoelectric layer stack 510 opposite the cavity 520 and the substrate 560. A mechanical layer 530b is included. The lower mechanical layer 530a may include one or more deposited layers as described above. One or more ejection holes 522 may be formed in the lower mechanical layer 530a and in the underlying piezoelectric layer stack 510 to allow removal of the sacrificial material to form the cavity 520. In the illustrated implementation, the discharge hole 522 may be sealed upon attachment of the upper mechanical layer 530b onto the exposed upper surface of the lower mechanical layer 530a. As a result, the upper mechanical layer 530b can function as a sealing layer for the discharge hole 522. The neutral axis 550 can pass through either the lower mechanical layer 530a or the upper mechanical layer 530b, depending on the thickness and modulus of the individual layers. In the region near the discharge hole 522, the central portion of the neutral shaft 550 can be located farther from the cavity 520 than the rest of the neutral shaft.

図5Cは、上部機械層と、基板内に形成された音響ポートとを有するPMUTの断面説明図を示す。音響ポート580は、圧電層スタック510の下の基板560内に形成され得る。音響ポート580は、PMUT500Cと基板560の裏面との間の音響結合を提供するように構成され得る。音響ポート580の断面寸法は、圧電層スタック510と音響ポート580との間の空洞520の寸法と実質的に同じであってもよく、それよりも大きくてもよく、またはそれよりも小さくてもよい。空洞520は、空洞領域内の犠牲材料の除去によって、音響ポート580の形成の前または後に形成され得る。機械層530は、圧電層スタック510上に配置され得る。多層スタックの中立軸550は、機械層530を通過し得、空洞520および音響ポート580と反対の方向に圧電層スタック510からある距離だけ分離され得る。音響ポート580は、PMUT500Cから基板560の外部の領域への超音波または音波の送信を可能にし得る。同様に、音響ポート580は、基板560の外部の領域からのPMUT500Cによる超音波または音波の受信を可能にする。   FIG. 5C shows a cross-sectional illustration of a PMUT having an upper mechanical layer and an acoustic port formed in the substrate. The acoustic port 580 can be formed in the substrate 560 under the piezoelectric layer stack 510. The acoustic port 580 may be configured to provide acoustic coupling between the PMUT 500C and the backside of the substrate 560. The cross-sectional dimension of the acoustic port 580 may be substantially the same as, larger than, or smaller than the dimension of the cavity 520 between the piezoelectric layer stack 510 and the acoustic port 580. Good. Cavity 520 may be formed before or after formation of acoustic port 580 by removal of sacrificial material in the cavity region. The mechanical layer 530 can be disposed on the piezoelectric layer stack 510. The neutral axis 550 of the multilayer stack can pass through the mechanical layer 530 and can be separated by a distance from the piezoelectric layer stack 510 in a direction opposite to the cavity 520 and the acoustic port 580. The acoustic port 580 may allow transmission of ultrasound or sound waves from the PMUT 500C to a region outside the substrate 560. Similarly, the acoustic port 580 allows the PMUT 500C to receive ultrasound or sound waves from a region outside the substrate 560.

図5A〜図5Cは、個々のPMUTおよびPMUTスタックの実装形態を示すが、機械層530は、個々のPMUTスタックを越えて延び得、1つまたは複数の隣接するPMUTを覆い得る。図6Aは、いくつかの実装形態によるPMUTのアレイの平面図を示す。各PMUT600は、PMUTアレイ600A内の2つ以上のPMUT600の上およびそれらの間に延在する結合機械層630を有する共通基板660上に構成される。機械層630の結合部分は、音響結合層として機能し得る。1つの動作モードでは、アレイ内のPMUT600は、機械層630の上面から準平面波を生成し、送信するように同時に作動され得る。いくつかの実装形態では、機械層630は、隣接するPMUT間で連続的である。いくつかの実装形態では、機械層630は、PMUT600の周辺部と整列するように、または、金属ボンドパッドなどの機械層630の下にある1つまたは複数の層の部分を選択的に露出させるように、パターン化され、ダイシングされ、スライスされ、切断され、または他の方法で形成され得る。図6Aに示す実装形態は、円形PMUT600のアレイを含むが、正方形PMUTまたは矩形PMUTなどの他の形状は、本開示の企図の範囲内である。たとえば、いくつかの実装形態では、六角形PMUTが企図され得、それによって、単面積あたりのピクセル数の点からパッキング密度の増加が得られ得る。PMUT600のアレイは、図6Aに示すように、正方形アレイまたは矩形アレイとして構成され得る。いくつかの実装形態では、アレイは、三角形アレイまたは六角形アレイなどの、PMUT600の互い違いの行または列を含み得る。   Although FIGS. 5A-5C illustrate individual PMUT and PMUT stack implementations, the mechanical layer 530 may extend beyond an individual PMUT stack and may cover one or more adjacent PMUTs. FIG. 6A shows a top view of an array of PMUTs according to some implementations. Each PMUT 600 is configured on a common substrate 660 having a bonding mechanical layer 630 extending over and between two or more PMUTs 600 in the PMUT array 600A. The coupling portion of the mechanical layer 630 can function as an acoustic coupling layer. In one mode of operation, the PMUTs 600 in the array can be operated simultaneously to generate and transmit quasi-plane waves from the top surface of the mechanical layer 630. In some implementations, the mechanical layer 630 is continuous between adjacent PMUTs. In some implementations, the mechanical layer 630 aligns with the periphery of the PMUT 600 or selectively exposes portions of one or more layers underlying the mechanical layer 630, such as a metal bond pad. As such, it can be patterned, diced, sliced, cut, or otherwise formed. The implementation shown in FIG. 6A includes an array of circular PMUTs 600, but other shapes such as square PMUTs or rectangular PMUTs are within the contemplation of the present disclosure. For example, in some implementations, hexagonal PMUTs can be contemplated, which can result in increased packing density in terms of the number of pixels per unit area. The array of PMUTs 600 may be configured as a square array or a rectangular array, as shown in FIG. 6A. In some implementations, the array may include alternating rows or columns of PMUT 600, such as a triangular array or a hexagonal array.

図6B〜図6Eは、様々な構成におけるPMUTアレイの例示的な断面立面図を示す。PMUTアレイ600Bは、基板660上に配置されたPMUT600のアレイを含む。上部機械層630は、接着剤層632などで、PMUT600のアレイの上面に積層され、結合され、または他の方法で取り付けられ得る。各PMUT600の撓み運動および/または振動は、機械層630の部分を屈曲させ、曲げ、圧縮させ、または拡張させ得る。いくつかの実装形態では、PMUTアレイ600B内のPMUT600の同期振動は、実質的に平面状の超音波を上にかつ機械層630を介して発射し得る。いくつかの実装形態では、機械層630は、送信側ビーム整形用途に有用であり得る制御された波面を有する音波または超音波を発射するように、下にあるPMUT600の制御された作動で屈曲させ、曲げ得る。いくつかの実装形態では、機械層630を通って戻ってくる超音波は、下にあるPMUT600の撓み運動および/または振動を生じさせ得、それに応じて検出され得る。いくつかの実装形態では、機械層630は、音響結合媒体として機能し得る。いくつかの実装形態では、機械層630は、PMUT600内の空洞を機械的にカプセル化し得る、または他の方法で封止し得るカプセル化層として機能し得る。機械層630は、たとえば、ポリカーボネート(PC)、ポリイミド(PI)、またはポリエチレンテレフタレート(PET)などの、ポリマーまたはプラスチックの層を含み得る。接着剤層632は、エポキシ、UV硬化材料、感圧接着剤(PSA)、または機械層630をPMUTアレイ600B内のPMUT600に結合する他の適切な接着剤材料の薄い層を含む。   6B-6E illustrate exemplary cross-sectional elevation views of PMUT arrays in various configurations. PMUT array 600B includes an array of PMUTs 600 disposed on a substrate 660. The top mechanical layer 630 may be laminated, bonded, or otherwise attached to the top surface of the PMUT 600 array, such as an adhesive layer 632. The flexing motion and / or vibration of each PMUT 600 may cause a portion of the mechanical layer 630 to bend, bend, compress, or expand. In some implementations, the synchronized vibration of the PMUT 600 in the PMUT array 600B may fire a substantially planar ultrasound wave up and through the mechanical layer 630. In some implementations, the mechanical layer 630 is bent with controlled actuation of the underlying PMUT 600 to emit sound waves or ultrasound waves with a controlled wavefront that may be useful for transmit side beam shaping applications. Get bent. In some implementations, the ultrasound returning through the mechanical layer 630 can cause the underlying PMUT 600 to deflect and / or vibrate and be detected accordingly. In some implementations, the mechanical layer 630 may function as an acoustic coupling medium. In some implementations, the mechanical layer 630 may function as an encapsulation layer that may mechanically encapsulate or otherwise seal the cavities in the PMUT 600. The mechanical layer 630 may comprise a layer of polymer or plastic, such as, for example, polycarbonate (PC), polyimide (PI), or polyethylene terephthalate (PET). Adhesive layer 632 includes a thin layer of epoxy, UV curable material, pressure sensitive adhesive (PSA), or other suitable adhesive material that bonds mechanical layer 630 to PMUT 600 in PMUT array 600B.

図6Cは、基板660上に配置された機械層630とPMUT600のアレイとを覆う、カバーガラス、筐体、囲壁、ボタンカバー、またはプラテン690の一部で構成されたPMUTアレイ600Cを示す。接着剤層632および634は、機械層630をPMUT600および上にあるプラテン690に機械的に接続し得る。いくつかの実装形態では、機械層630は、超音波指紋センサ、タッチセンサ、超音波タッチパッド、スタイラス検出、生体情報センサ、または他の超音波デバイスで使用するためのPMUT600のアレイと上にあるプラテン690との間の音響結合を提供し得る。ポリマー被覆などの音響インピーダンス整合層692は、カバーガラスまたはプラテン690の外面上に堆積、スクリーニング、塗布、接着、または他の方法で配置され得る。音響整合層692は、耐擦傷性被覆として機能し得る。機械層630のさらなる説明は、上記の図6Bに関して提供される。   FIG. 6C shows a PMUT array 600C comprised of a portion of a cover glass, housing, enclosure, button cover, or platen 690 that covers a mechanical layer 630 disposed on the substrate 660 and the array of PMUTs 600. FIG. Adhesive layers 632 and 634 may mechanically connect mechanical layer 630 to PMUT 600 and overlying platen 690. In some implementations, the mechanical layer 630 is overlaid with an array of PMUTs 600 for use with an ultrasonic fingerprint sensor, touch sensor, ultrasonic touchpad, stylus detection, biometric sensor, or other ultrasonic device. Acoustic coupling with the platen 690 may be provided. An acoustic impedance matching layer 692 such as a polymer coating may be deposited, screened, applied, glued, or otherwise disposed on the outer surface of the cover glass or platen 690. The acoustic matching layer 692 can function as a scratch-resistant coating. A further description of the mechanical layer 630 is provided with respect to FIG. 6B above.

図6Dは、マイクロピラー636のアレイを介してPMUT600のアレイに結合された機械層630を有するPMUTアレイ600Dを示す。マイクロピラー636は、PMUT600と上にある機械層630との間の機械的結合および音響結合を提供する。マイクロピラー636は、PMUT600によって生成された音波または超音波が隣接するPMUT600の間のいくらかのレベルの音響的分離を伴って導波路を通って進むことを可能にする音響導波路として機能し得る。同様に、マイクロピラー636は、超音波送信機または超音波受信機のいずれかとして機能し得るPMUT600に超音波を戻すように導くことができる音響導波路として機能し得る。いくつかの実装形態では、マイクロピラー636はPMUTアレイ600D内の各PMUT600の周辺部と実質的に整列する、実質的に正方形、矩形、または円形の断面であり得、各マイクロピラー636は、隣接するマイクロピラー636から間隙によって分離される。いくつかの実装形態では、マイクロピラー636は、フォトレジストまたはフォトイメージャブルポリマー積層体(たとえば、SU−8ネガティブ作用フォトレジスト、感光性シリコーン誘電体フィルム、またはシクロテンポリマーフィルムの層)などの光パターン化可能ポリマーから形成され得る。たとえば、マイクロピラー636を形成するために、ネガティブフォトレジストまたはポジティブフォトレジストの比較的厚い層が、基板660上のPMUT600の上面に塗布され、乾燥され、適切なフォトマスクでパターン化され、現像され、焼成され得る。いくつかの実装形態では、ドライレジストフィルムとしても知られるドライレジスト光パターン化可能フィルムが、PMUT600のアレイと整列され、PMUT600のアレイに取り付けられる前に、予めパターン化され得る。ドライレジストフィルムは、酢酸塩、PC、PI、またはPETなどの、比較的不活性な裏打ち層上に感光性材料の層を有し得る。いくつかの実装形態では、機械的結合および音響結合を提供するために、接着促進剤層または接着剤層632が、マイクロピラー636と下にあるPMUT600との間に配置され得る。いくつかの実装形態では、ドライレジストフィルムのための裏打ち層は、除去され得る。代替的には、ドライレジストフィルムのための裏打ち層は、保持され、機械層630として機能し得る。1つまたは複数のPMUT600上にフォトリソグラフィによって形成された音響導波路(たとえば、マイクロピラー636)は、基板上に配置された、またはPMUTアレイ内に構成されたPMUTのための緊密な整列および幾何学的画定能力を有する低コストのバッチプロセスを提供し得る。いくつかの実装形態では、カバーガラスまたはプラテンの取付け前にPMUTトポロジを平坦化しながら、PMUT600に関連する複数の放出穴を覆うテントとして、ポリマー積層体が使用され得る。   FIG. 6D shows a PMUT array 600D having a mechanical layer 630 coupled to the array of PMUTs 600 via an array of micropillars 636. FIG. The micropillar 636 provides mechanical and acoustic coupling between the PMUT 600 and the overlying mechanical layer 630. Micropillar 636 may function as an acoustic waveguide that allows sound waves or ultrasound generated by PMUT 600 to travel through the waveguide with some level of acoustic separation between adjacent PMUTs 600. Similarly, the micropillar 636 can function as an acoustic waveguide that can guide the ultrasound back into the PMUT 600, which can function as either an ultrasound transmitter or an ultrasound receiver. In some implementations, the micropillars 636 can be substantially square, rectangular, or circular cross-sections that are substantially aligned with the periphery of each PMUT 600 in the PMUT array 600D, and each micropillar 636 is adjacent to each other. Is separated from the micropillar 636 by a gap. In some implementations, the micropillar 636 is a light such as a photoresist or photoimageable polymer laminate (eg, a layer of SU-8 negative working photoresist, photosensitive silicone dielectric film, or cycloten polymer film). It can be formed from a patternable polymer. For example, to form micropillar 636, a relatively thick layer of negative photoresist or positive photoresist is applied to the top surface of PMUT 600 on substrate 660, dried, patterned with a suitable photomask, and developed. Can be fired. In some implementations, a dry resist photopatternable film, also known as a dry resist film, can be pre-patterned prior to being aligned with the PMUT 600 array and attached to the PMUT 600 array. The dry resist film can have a layer of photosensitive material on a relatively inert backing layer, such as acetate, PC, PI, or PET. In some implementations, an adhesion promoter layer or adhesive layer 632 can be disposed between the micropillar 636 and the underlying PMUT 600 to provide mechanical and acoustic coupling. In some implementations, the backing layer for the dry resist film can be removed. Alternatively, the backing layer for the dry resist film can be retained and function as the mechanical layer 630. Acoustic waveguides (eg, micropillars 636) formed by photolithography on one or more PMUTs 600 are closely aligned and geometric for PMUTs placed on a substrate or configured in a PMUT array. It can provide a low cost batch process with the ability to define. In some implementations, the polymer laminate may be used as a tent that covers a plurality of emission holes associated with the PMUT 600 while planarizing the PMUT topology prior to attaching the cover glass or platen.

図6Eは、指紋センサアレイとして機能する、マイクロピラー636のアレイとプラテン690とを有するPMUTアレイ600Eを示す。音響整合層692は、カバーガラスまたはプラテン690の外面上に配置され得る。基板660上のPMUTアレイ600E内のPMUT600は、超音波664を生成し、送信し得、超音波664は、マイクロピラー636を介し、オプションの機械層630を介し、プラテン690内に伝播する。超音波664の一部は、プラテン690または音響整合層692と、プラテン690の外面と接触して置かれたユーザの指の指紋の隆線および谷線などの、上にある物体との間の音響不整合に部分的に依存する振幅で、プラテン690の外面または音響整合層692の外面から反射し戻り得る。反射された波は、音響整合層692およびプラテン690を介し、オプションの機械層630およびマイクロピラー636を介して戻って進み、下にあるPMUT600によって検出され得る。接着剤層632および634は、PMUTアレイ600Eの様々な層を互いに機械的および音響的に結合するように機能し得る。   FIG. 6E shows a PMUT array 600E having an array of micropillars 636 and a platen 690 that functions as a fingerprint sensor array. The acoustic matching layer 692 can be disposed on the outer surface of the cover glass or platen 690. The PMUT 600 in the PMUT array 600E on the substrate 660 may generate and transmit ultrasound 664 that propagates through the micropillar 636, through the optional mechanical layer 630, and into the platen 690. A portion of the ultrasound 664 is between the platen 690 or acoustic matching layer 692 and the objects above it, such as the ridges and valleys of the fingerprint of the user's finger placed in contact with the outer surface of the platen 690. It can reflect back from the outer surface of the platen 690 or the outer surface of the acoustic matching layer 692 with an amplitude that depends in part on the acoustic mismatch. The reflected wave travels back through the acoustic matching layer 692 and platen 690, through the optional mechanical layer 630 and micropillar 636, and can be detected by the underlying PMUT 600. Adhesive layers 632 and 634 may function to mechanically and acoustically couple the various layers of PMUT array 600E to each other.

図7A〜図7Fは、PMUT700のための様々なアンカー構造構成の断面立面図を示す。図7Aは、基板760と、機械層730が上に形成された圧電層スタック710との間に配置された周辺アンカー構造770を示す。機械層730は、圧電層スタック710と一緒に、空洞720の上方にドラム状の膜またはダイアフラムを形成し得、PMUTが音響信号または超音波信号を受信または送信するときに撓み運動および/または振動を受けるように構成され得る。図示の実装形態では、機械的中立軸750は、機械層730を通過し、圧電層スタック710および空洞720の上を通る。いくつかの実装形態では、中立軸750は、面外曲げモードを可能にするために、圧電層スタック710の中立軸に対して、圧電層スタック710の上方に配置された機械層730に向かって変位され得る。   7A-7F show cross-sectional elevation views of various anchor structure configurations for PMUT 700. FIG. FIG. 7A shows a peripheral anchor structure 770 disposed between a substrate 760 and a piezoelectric layer stack 710 having a mechanical layer 730 formed thereon. The mechanical layer 730, together with the piezoelectric layer stack 710, may form a drum-like film or diaphragm above the cavity 720, and the flexural motion and / or vibration when the PMUT receives or transmits an acoustic or ultrasonic signal. Can be configured to receive. In the illustrated implementation, the mechanical neutral shaft 750 passes through the mechanical layer 730 and over the piezoelectric layer stack 710 and the cavity 720. In some implementations, the neutral axis 750 is directed toward the mechanical layer 730 disposed above the piezoelectric layer stack 710 relative to the neutral axis of the piezoelectric layer stack 710 to allow an out-of-plane bending mode. Can be displaced.

図7Bは、圧電層スタック710と基板760との間に配置された中央アンカー構造770を示す。図7Cは、中央放出穴722を有する周辺アンカー構造770の変形を示す。図7Cに示す構成は、代替的に1対の片持ち(cantilevered)PMUT700を表し得る。図7A〜図7F中の垂直の両矢印は、PMUT700の開放された部分が対応する矢印によって示される方向に振動または他の方法で変形するように駆動され得る、面外曲げモードなどの1つの動作モードを表す。図7Dは、機械層730が圧電層スタック710と空洞720との間に配置され、基板760と圧電層スタック710との間に配置された周辺アンカー構造770を有するPMUT700を示す。多層スタックの機械的中立軸750は、1つまたは複数の面外曲げモードを可能にするために、下にある空洞720および基板760に向かう方向に圧電層スタック710の中立軸に対して変位され得る。図7Eは、機械層730が圧電層スタック710と空洞720との間に配置され、圧電層スタック710と基板760との間に配置された中央アンカー構造770を有するPMUT700を示す。図7D中のPMUT700と同様に、多層スタックの機械的中立軸750は、圧電層スタック710の中立軸から空洞720および基板760に向かって変位され得る。図7Fは、中央放出穴722を有する周辺アンカー構造770を有するPMUT700を示す。代替的には、図7Fに示す構成は、1対の片持ちPMUT700を表し得る。機械層730は、圧電層スタック710と空洞720との間に配置される。多層スタックの機械的中立軸750は、圧電層スタック710の中心から下にある空洞720および基板760に向かって変位され得る。   FIG. 7B shows a central anchor structure 770 disposed between the piezoelectric layer stack 710 and the substrate 760. FIG. 7C shows a variation of the peripheral anchor structure 770 having a central discharge hole 722. The configuration shown in FIG. 7C may alternatively represent a pair of cantilevered PMUTs 700. A vertical double arrow in FIGS. 7A-7F is one such as an out-of-plane bending mode where the open portion of PMUT 700 can be driven to vibrate or otherwise deform in the direction indicated by the corresponding arrow. Indicates the operation mode. FIG. 7D shows a PMUT 700 having a peripheral anchor structure 770 with a mechanical layer 730 disposed between the piezoelectric layer stack 710 and the cavity 720 and disposed between the substrate 760 and the piezoelectric layer stack 710. The mechanical neutral axis 750 of the multilayer stack is displaced relative to the neutral axis of the piezoelectric layer stack 710 in a direction toward the underlying cavity 720 and substrate 760 to allow one or more out-of-plane bending modes. obtain. FIG. 7E shows a PMUT 700 having a central anchor structure 770 with a mechanical layer 730 disposed between the piezoelectric layer stack 710 and the cavity 720 and disposed between the piezoelectric layer stack 710 and the substrate 760. Similar to the PMUT 700 in FIG. 7D, the mechanical neutral axis 750 of the multilayer stack can be displaced from the neutral axis of the piezoelectric layer stack 710 toward the cavity 720 and the substrate 760. FIG. 7F shows a PMUT 700 having a peripheral anchor structure 770 with a central discharge hole 722. Alternatively, the configuration shown in FIG. 7F may represent a pair of cantilever PMUTs 700. The mechanical layer 730 is disposed between the piezoelectric layer stack 710 and the cavity 720. The mechanical neutral axis 750 of the multilayer stack can be displaced from the center of the piezoelectric layer stack 710 towards the cavity 720 and the substrate 760.

図8A〜図8Hは、PMUTおよびアンカー構造の様々な幾何学的構成の上面図を示す。円形機械層830と周辺アンカー構造870とを有する円形PMUT800が、図8Aに示されている。円形機械層830と中央アンカー構造870とを有する円形PMUT800が、図8Bに示されている。図8Cおよび図8Dは、それぞれ、周辺アンカー構造870および中央アンカー構造870を有する正方形PMUT800を示す。図8Eおよび図8Fは、それぞれ、周辺アンカー構造870および中央アンカー構造870を有する長い矩形PMUT800を示す。図8Gは、1対の側面アンカー構造870を有する矩形PMUT800を示す。図8Hは、側面アンカー構造870aおよび870bを有するリボンPMUTまたはPMUTストリップとも呼ばれる1対の矩形PMUT800を示す。図8A〜図8Hに示すPMUT800は、例示的であり、接続電極、パッド、トレース、エッチング穴、および他の特徴部は、明瞭化のために省略されている。いくつかの実装形態、特に、中央アンカー構造または他の方法で中央に置かれたアンカー構造を有する実装形態では、アンカー構造は、アンカーポスト、または単に「ポスト」と呼ばれ得る。図8A〜図8Hに示すPMUTは、図2Aに示すように、機械層の実質的な部分が圧電層スタックの上方に配置されて構成され得、または、図2Cに示すように、機械層の実質的な部分が圧電層スタックの下方に配置されて構成され得る。   8A-8H show top views of various geometric configurations of the PMUT and anchor structure. A circular PMUT 800 having a circular mechanical layer 830 and a peripheral anchor structure 870 is shown in FIG. 8A. A circular PMUT 800 having a circular mechanical layer 830 and a central anchor structure 870 is shown in FIG. 8B. 8C and 8D show a square PMUT 800 having a peripheral anchor structure 870 and a central anchor structure 870, respectively. 8E and 8F show a long rectangular PMUT 800 having a peripheral anchor structure 870 and a central anchor structure 870, respectively. FIG. 8G shows a rectangular PMUT 800 having a pair of side anchor structures 870. FIG. 8H shows a pair of rectangular PMUTs 800, also referred to as ribbon PMUTs or PMUT strips, having side anchor structures 870a and 870b. The PMUT 800 shown in FIGS. 8A-8H is exemplary, and connection electrodes, pads, traces, etch holes, and other features are omitted for clarity. In some implementations, particularly those having a central anchor structure or other centrally anchored structure, the anchor structure may be referred to as an anchor post, or simply a “post”. The PMUT shown in FIGS. 8A-8H can be configured with a substantial portion of the mechanical layer positioned above the piezoelectric layer stack, as shown in FIG. 2A, or as shown in FIG. 2C. A substantial part may be arranged below the piezoelectric layer stack.

本開示で説明されるPMUTは、全体的に、封止されても封止されなくてもよい。封止されたPMUTは、外部環境から封止された関連する空洞の少なくとも一部を有する。いくつかの実装形態では、封止されたPMUTは、空洞領域の内部に封止された真空を有し得る。いくつかの実装形態では、封止されたPMUTは、アルゴン、窒素、または空気などの気体を、大気圧よりも下、大気圧よりも上、または実質的に大気圧である空洞内の基準圧力で有し得る。封止されたPMUTの音響性能は、PMUT構造の減衰が封止されていないPMUTよりも高い可能性があるという点で、封止されていないPMUTの音響性能を超える可能性がある。いくつかの実装形態では、封止されていないPMUTは、利用され得る。たとえば、中央アンカーまたはポスト構造を有するPMUTは、封止されていなくてもよく、または、他の方法で開放構造であるようにみなされ得る。封止されていないPMUTは、液体、気体、または他の粘性媒体が空洞領域に入り込むことを可能にし得る。音響ポートに関連付けられたPMUTは、たとえば、音波または超音波の送信および受信を可能にするために、PMUTの一方の側または両方の側で封止され得る。PMUTの下の基板内にエッチングされた、または他の方法で形成された穴などの1つまたは複数の音響ポートは、上記で説明したPMUTおよび製造方法の様々な実装形態に含まれ得る。いくつかの実装形態では、封止されていないPMUTまたは封止されていないPMUTのアレイは、図5Bに示す上部機械層530bなどの上部機械層または上部機械層の補足物として機能し得るカバー層で覆われ得る。カバー層は、PMUT空洞を封止し、周囲の気体および液体からの分離を提供するために、PMUTに関連する1つまたは複数の放出穴の上に延在し、たとえば、接着剤層でPMUT膜に取り付けられ得る。   The PMUT described in this disclosure may or may not be sealed overall. A sealed PMUT has at least a portion of an associated cavity that is sealed from the outside environment. In some implementations, the sealed PMUT may have a sealed vacuum inside the cavity region. In some implementations, the sealed PMUT can cause a gas, such as argon, nitrogen, or air, to pass a reference pressure in the cavity that is below atmospheric pressure, above atmospheric pressure, or substantially atmospheric pressure. Can have. The acoustic performance of a sealed PMUT may exceed the acoustic performance of an unsealed PMUT in that the attenuation of the PMUT structure may be higher than that of an unsealed PMUT. In some implementations, an unsealed PMUT may be utilized. For example, a PMUT with a central anchor or post structure may not be sealed or may otherwise be considered to be an open structure. An unsealed PMUT may allow liquid, gas, or other viscous media to enter the cavity region. The PMUT associated with the acoustic port can be sealed on one or both sides of the PMUT, for example, to allow transmission and reception of sonic or ultrasonic waves. One or more acoustic ports, such as holes etched or otherwise formed in the substrate under the PMUT, may be included in various implementations of the PMUT and manufacturing methods described above. In some implementations, an unsealed PMUT or an array of unsealed PMUTs can serve as a top mechanical layer, such as the top mechanical layer 530b shown in FIG. 5B, or a supplement to the top mechanical layer. Can be covered with. The cover layer extends over one or more discharge holes associated with the PMUT to seal the PMUT cavity and provide separation from surrounding gases and liquids, for example, the adhesive layer with the PMUT Can be attached to a membrane.

図9は、PMUTを製造するためのプロセスフローのさらなる例を示す。方法900は、基板の上方にアンカー構造を形成するためのステップ910を含む。基板は、ガラス板、パネル、サブパネル、またはウェハなどのガラス基板を含み得る。いくつかの実装形態では、基板は、プラスチックであり得、または可撓性であり得る。基板は、TFT回路を含み得る。代替的には、基板は、予め製造された集積回路を有する、または有さない、シリコンウェハなどの半導体基板を含み得る。アンカー構造は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、または酸窒化ケイ素などの堆積された誘電体材料の1つまたは複数の層を含み得る。アンカー構造は、ニッケルシリサイドなどのシリサイドを含み得る。アンカー構造は、1つまたは複数の空洞、放出穴、ビア、およびチャネルの最終的な形成を可能にするようにパターン化された犠牲材料の領域に近接して配置され得る。犠牲材料は、アモルファスシリコン(a−Si)、多結晶シリコン(poly−Si)、またはa−Siおよびpoly−Siの組合せを含み得る。アンカー構造および犠牲層を平坦化するために、CMPまたは化学的薄厚化(thinning)などの平坦化シーケンスが使用され得る。   FIG. 9 shows a further example of a process flow for manufacturing a PMUT. Method 900 includes step 910 for forming an anchor structure above the substrate. The substrate may include a glass substrate such as a glass plate, panel, subpanel, or wafer. In some implementations, the substrate can be plastic or flexible. The substrate can include a TFT circuit. Alternatively, the substrate may include a semiconductor substrate, such as a silicon wafer, with or without prefabricated integrated circuits. The anchor structure may include one or more layers of deposited dielectric material such as silicon dioxide, silicon nitride, or silicon oxynitride. The anchor structure can include a silicide, such as nickel silicide. The anchor structure may be placed proximate to the region of sacrificial material that is patterned to allow the final formation of one or more cavities, emission holes, vias, and channels. The sacrificial material can include amorphous silicon (a-Si), polycrystalline silicon (poly-Si), or a combination of a-Si and poly-Si. A planarization sequence such as CMP or chemical thinning may be used to planarize the anchor structure and sacrificial layer.

ステップ920では、圧電層スタックがアンカー構造の上に形成される。圧電層スタックは、AlN、ZnO、またはPZTなどの圧電層を含み得、1つまたは複数の電極層が圧電層電気的に結合される。圧電層スタックは、ビアまたは放出穴および他の特徴部を形成するために、パターン化され、エッチングされ得る。ステップ930では、犠牲材料が除去される。犠牲材料を除去することは、放出穴を介する空洞領域からの犠牲材料の除去によって達成され得る。いくつかの実装形態では、犠牲材料を除去することは、1つまたは複数の放出ビアまたは放出穴、ならびに1つまたは複数の外側放出穴を空洞領域と接続し得る1つまたは複数の放出チャネルを介する犠牲材料のエッチングによって達成され得る。ステップ940では、機械層は、中立軸が機械層を通過し、圧電層スタックを通過しないように、結果として得られる組立体の中立軸が機械層に向かい、かつ基板から離れた距離に配置されるように、圧電層スタックの上に配置される。いくつかの実装形態では、機械層は、結果として得られる多層スタックの中立軸が面外曲げモードを可能にするように圧電層スタックの中立軸に対して機械層に向かって変位するような厚さで圧電層スタックの上に配置され得る。いくつかの実装形態では、機械層は、堆積層、1つまたは複数の層の複合体、結合層、または堆積層もしくは層のセットの上の結合層を含み得る。機械層は、機械層が局所的に薄くされた上部の凹部などの特徴部を形成するようにパターン化され得る。ステップ950に示すように、実装形態に応じて、1つまたは複数の放出穴は、機械層が圧電層スタックの上に配置されたとき、封止され得る。   In step 920, a piezoelectric layer stack is formed over the anchor structure. The piezoelectric layer stack may include a piezoelectric layer such as AlN, ZnO, or PZT, with one or more electrode layers electrically coupled to the piezoelectric layer. The piezoelectric layer stack can be patterned and etched to form vias or emission holes and other features. In step 930, the sacrificial material is removed. Removing the sacrificial material can be accomplished by removing the sacrificial material from the cavity region through the discharge hole. In some implementations, removing the sacrificial material includes one or more emission vias or holes, and one or more emission channels that can connect the one or more outer emission holes to the cavity region. It can be achieved by etching sacrificial material through. In step 940, the mechanical layer is placed at a distance from the neutral axis of the resulting assembly toward the mechanical layer and away from the substrate so that the neutral axis passes through the mechanical layer and not through the piezoelectric layer stack. Is disposed on the piezoelectric layer stack. In some implementations, the mechanical layer has a thickness such that the resulting neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer relative to the neutral axis of the piezoelectric layer stack so as to allow an out-of-plane bending mode. Now it can be placed on top of the piezoelectric layer stack. In some implementations, the mechanical layer may include a deposition layer, a composite of one or more layers, a bonding layer, or a bonding layer over a deposition layer or set of layers. The mechanical layer may be patterned to form features such as an upper recess where the mechanical layer is locally thinned. As shown in step 950, depending on the implementation, the one or more ejection holes may be sealed when the mechanical layer is placed over the piezoelectric layer stack.

図10A〜図10Cは、上記で説明したように、電子回路をPMUTと統合するためのプロセスフローを示す。図10Aは、「TFTが最初」プロセス1000aを示し、プロセス1000aでは、TFTまたは他の集積回路がステップ1010において基板上/内に形成され、ステップ1020に示すように、回路の上部または回路のそばにあり得る基板上の1つまたは複数のPMUTの形成が続く。この手法は、第1の製造設備が基板上に能動回路を形成することを可能にし、第2の製造設備が能動回路を有する基板を受け取り、基板上にPMUTを形成することを可能にする。図10Bは、「TFTが最後」プロセス1000bを示し、プロセス1000bでは、ステップ1040および1050に示すように、PMUTが形成された後、TFTまたは他の集積回路が基板上/内に形成される。平坦化ステップおよび厚い誘電体層は、上記で説明したように、上にTFT回路が形成され得る表面を提供するように機能し得る。図10Cは、複合プロセスまたは同時製造プロセス1000cを示し、プロセス1000cでは、ステップ1060および1070に示すように、PMUTおよび能動回路が基板上に形成される。この手法は、PMUTが最初プロセスまたはPMUTが最後プロセスと比較して必要なマスキングステップおよび堆積プロセスの総数を低減し得る、能動回路とPMUTの両方の形成のための共通の層を利用することから利益を得ることができる。たとえば、TFTまたはシリコンベースのトランジスタのための金属相互接続層は、PMUTのための上部電極層または下部電極層のために使用され得る。別の例では、能動回路のための金属層の間の誘電体層は、PMUT内のバッファ層もしくはバリア層のために、または機械層内で使用するために、または封止のために使用され得る。金属層または誘電体層のためのエッチングシーケンスは、基板上の能動回路の部分およびPMUTの部分を形成するために共通して使用され得る。別の例では、TFTまたは能動回路のためのパッシベーション層は、PMUTデバイスのパッシベーションのために使用され得る。いくつかの実装形態では、TFTまたは能動回路は、行アドレス電極および列アドレス電極、マルチプレクサ、局所増幅段、または制御回路を含み得る。いくつかの実装形態では、ドライバ段と感知段とを含むインターフェース回路は、PMUTデバイスを励起し、同じまたは別のPMUTデバイスからの応答を検出するために使用され得る。いくつかの実装形態では、能動シリコン回路は、PMUTまたはPMUTアレイを機能させるための電子装置を含み得る。   10A-10C illustrate a process flow for integrating an electronic circuit with a PMUT as described above. FIG. 10A shows a “TFT First” process 1000a in which a TFT or other integrated circuit is formed on / in a substrate in step 1010, as shown in step 1020, at or near the top of the circuit. Followed by the formation of one or more PMUTs on the substrate. This approach allows a first manufacturing facility to form an active circuit on a substrate, and allows a second manufacturing facility to receive a substrate having an active circuit and form a PMUT on the substrate. FIG. 10B shows a “TFT is last” process 1000b, where the TFT or other integrated circuit is formed on / in the substrate after the PMUT is formed, as shown in steps 1040 and 1050. The planarization step and the thick dielectric layer can serve to provide a surface on which the TFT circuit can be formed, as described above. FIG. 10C shows a composite or co-manufacturing process 1000c where the PMUT and active circuitry are formed on the substrate, as shown in steps 1060 and 1070. Because this approach utilizes a common layer for the formation of both the active circuit and the PMUT, the PMUT may reduce the total number of masking steps and deposition processes required compared to the first process or the PMUT compared to the last process. You can make a profit. For example, metal interconnect layers for TFT or silicon-based transistors can be used for the upper or lower electrode layer for PMUT. In another example, a dielectric layer between metal layers for an active circuit is used for a buffer or barrier layer in a PMUT, or for use in a mechanical layer, or for sealing. obtain. Etch sequences for metal or dielectric layers can be commonly used to form portions of active circuitry and portions of PMUT on the substrate. In another example, a passivation layer for a TFT or active circuit can be used for passivation of PMUT devices. In some implementations, the TFT or active circuit may include row and column address electrodes, multiplexers, local amplification stages, or control circuitry. In some implementations, an interface circuit that includes a driver stage and a sensing stage may be used to excite a PMUT device and detect a response from the same or another PMUT device. In some implementations, the active silicon circuit may include electronic devices for functioning the PMUT or PMUT array.

図11A〜図11Cは、PMUT超音波センサアレイの様々な構成の断面図を示す。図11Aは、たとえば、超音波指紋センサ、超音波タッチパッド、または超音波イメージャとして使用され得る送信要素および受信要素としてのPMUTを有する超音波センサアレイ1100Aを示す。PMUTセンサアレイ基板1160上のPMUTセンサ要素1162は、超音波を放射および検出し得る。図示のように、超音波1164は、PMUTセンサ要素1162から送信されていてもよい。超音波1164は、音響結合媒体1165およびプラテン1190aを介して、プラテン1190aの外面上に置かれた指またはスタイラスなどの物体1102に向かって進み得る。出て行く超音波1164の一部は、プラテン1190aを介して物体1102内に伝達され得るが、第2の部分は、プラテン1190aの表面からセンサ要素1162に向かって反射される。反射された波の振幅は、物体1102の音響特性に部分的に依存する。反射された波は、センサ要素1162によって検出され得、そこから物体1102の画像が取得され得る。たとえば、約50ミクロン(1インチあたり約500ピクセル)のピッチを有するセンサアレイでは、指紋の隆線および谷線が検出され得る。接着剤、ゲル、コンプライアント層、または他の音響結合材料などの音響結合媒体1165は、センサアレイ基板1160上に配置されたPMUTセンサ要素1162のアレイと、プラテン1190aとの間の結合を改善するために設けられ得る。音響結合媒体1165は、センサ要素1162との間の超音波の伝達を助け得る。プラテン1190aは、たとえば、ガラス、プラスチック、サファイア、または他のプラテン材料の層を含み得る。音響インピーダンス整合層(図示せず)が、プラテン1190aの外面上に配置され得る。   11A-11C show cross-sectional views of various configurations of the PMUT ultrasonic sensor array. FIG. 11A illustrates an ultrasonic sensor array 1100A having a PMUT as a transmitting element and a receiving element that may be used, for example, as an ultrasonic fingerprint sensor, an ultrasonic touchpad, or an ultrasonic imager. The PMUT sensor element 1162 on the PMUT sensor array substrate 1160 can emit and detect ultrasound. As shown, ultrasound 1164 may be transmitted from PMUT sensor element 1162. The ultrasound 1164 may travel through the acoustic coupling medium 1165 and the platen 1190a toward an object 1102 such as a finger or stylus placed on the outer surface of the platen 1190a. A portion of the outgoing ultrasound 1164 may be transmitted into the object 1102 via the platen 1190a, while the second portion is reflected from the surface of the platen 1190a toward the sensor element 1162. The amplitude of the reflected wave depends in part on the acoustic properties of the object 1102. The reflected wave can be detected by sensor element 1162 from which an image of object 1102 can be obtained. For example, in a sensor array having a pitch of about 50 microns (about 500 pixels per inch), fingerprint ridges and valleys can be detected. An acoustic coupling medium 1165, such as an adhesive, gel, compliant layer, or other acoustic coupling material, improves the coupling between the array of PMUT sensor elements 1162 disposed on the sensor array substrate 1160 and the platen 1190a. Can be provided for. The acoustic coupling medium 1165 may aid in the transmission of ultrasonic waves to and from the sensor element 1162. The platen 1190a may include, for example, a layer of glass, plastic, sapphire, or other platen material. An acoustic impedance matching layer (not shown) may be disposed on the outer surface of the platen 1190a.

図11Bは、センサおよびディスプレイ基板1160上に同時に製造されるPMUTセンサ要素1162およびディスプレイピクセル1166を有する超音波センサおよびディスプレイアレイ1100Bを示す。センサ要素1162およびディスプレイピクセル1166は、セルのアレイの各セル内に一緒に配置され得る。いくつかの実装形態では、センサ要素1162およびディスプレイピクセル1166は、同じセル内に並んで製造され得る。いくつかの実装形態では、センサ要素1162の一部またはすべては、ディスプレイピクセル1166の上方または下方に製造され得る。プラテン1190bは、センサ要素1162およびディスプレイピクセル1166の上に配置され得、カバーレンズもしくはカバーガラスとして機能し得、またはカバーレンズもしくはカバーガラスを含み得る。カバーガラスは、ガラス、プラスチック、またはサファイアなどの材料の1つまたは複数の層を含み得、容量性タッチスクリーンのための設備を含み得る。音響インピーダンス整合層(図示せず)は、プラテン1190bの外面上に配置され得る。超音波1164は、カバーガラス1190b上に置かれたスタイラスまたは指などの物体1102のための撮像能力を提供するために、1つまたは複数のセンサ要素1162との間で送受信され得る。カバーガラス1190bは、ディスプレイピクセル1166のアレイからの光学光がカバーガラス1190bを介してユーザによって見られることを可能にするために、実質的に透明である。ユーザは、カバーガラス1190bの一部にタッチすることを選択することができ、そのタッチは、超音波センサアレイによって検出され得る。指紋情報などの生体情報は、たとえば、ユーザがカバーガラス1190bの表面にタッチすると取得され得る。接着剤、ゲル、または他の音響結合材料などの音響結合媒体1165は、センサアレイ基板1160とカバーガラスとの間の音響結合、光学的結合、および機械的結合を改善するために設けられ得る。いくつかの実装形態では、結合媒体1165は、液晶ディスプレイ(LCD)の一部として機能し得る液晶材料であり得る。LCDの実装形態では、バックライト(図示せず)は、センサおよびディスプレイ基板1160に光学的に結合され得る。いくつかの実装形態では、ディスプレイピクセル1166は、発光ディスプレイピクセルを有するアモルファス発光ダイオード(AMOLED)ディスプレイの一部であり得る。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ1100Bは、表示目的のため、およびタッチ検出、スタイラス検出、または指紋検出のために使用され得る。   FIG. 11B shows an ultrasonic sensor and display array 1100B having PMUT sensor elements 1162 and display pixels 1166 fabricated on the sensor and display substrate 1160 at the same time. Sensor element 1162 and display pixel 1166 may be placed together within each cell of the array of cells. In some implementations, the sensor element 1162 and the display pixel 1166 can be manufactured side by side in the same cell. In some implementations, some or all of the sensor elements 1162 can be fabricated above or below the display pixels 1166. Platen 1190b may be disposed over sensor element 1162 and display pixel 1166, may function as a cover lens or cover glass, or may include a cover lens or cover glass. The cover glass may include one or more layers of materials such as glass, plastic, or sapphire and may include equipment for a capacitive touch screen. An acoustic impedance matching layer (not shown) may be disposed on the outer surface of the platen 1190b. Ultrasound 1164 may be transmitted to and received from one or more sensor elements 1162 to provide imaging capability for an object 1102 such as a stylus or finger placed on the cover glass 1190b. Cover glass 1190b is substantially transparent to allow optical light from the array of display pixels 1166 to be viewed by the user through cover glass 1190b. The user can choose to touch a portion of cover glass 1190b, which can be detected by the ultrasonic sensor array. Biometric information such as fingerprint information can be obtained, for example, when the user touches the surface of the cover glass 1190b. An acoustic coupling medium 1165, such as an adhesive, gel, or other acoustic coupling material, may be provided to improve acoustic coupling, optical coupling, and mechanical coupling between the sensor array substrate 1160 and the cover glass. In some implementations, the binding medium 1165 can be a liquid crystal material that can function as part of a liquid crystal display (LCD). In an LCD implementation, a backlight (not shown) can be optically coupled to the sensor and display substrate 1160. In some implementations, the display pixel 1166 may be part of an amorphous light emitting diode (AMOLED) display having light emitting display pixels. In some implementations, the ultrasonic sensor and display array 1100B may be used for display purposes and for touch detection, stylus detection, or fingerprint detection.

図11Cは、ディスプレイアレイ基板1160bの背後に配置されたセンサアレイ基板1160aを有する超音波センサおよびディスプレイアレイ1100Cを示す。音響結合媒体1165aは、センサアレイ基板1160aをディスプレイアレイ基板1160bに音響的に結合するために使用され得る。光学結合および音響結合媒体1165bは、センサアレイ基板1160aおよびディスプレイアレイ基板1160bを、指紋検出のためのプラテンとしても機能し得るカバーレンズまたはカバーガラス1190cに光学的および音響的に結合するために使用され得る。音響インピーダンス整合層(図示せず)は、プラテン1190cの外面上に配置され得る。1つまたは複数のセンサ要素1162から送信された超音波1164は、ディスプレイアレイ基板1160bおよびカバーガラス1190cを通って進み、カバーガラス1190cの外面から反射され、センサアレイ基板1160aの方に戻り得、センサアレイ基板1160aでは、反射された超音波センサが検出され得、画像情報が取得され得る。いくつかの実装形態では、超音波センサおよびディスプレイアレイ1100Cは、視覚的情報をユーザに提供するため、および、ユーザからのタッチ、スタイラス、または指紋検出のために使用され得る。代替的には、PMUTセンサアレイは、ディスプレイアレイ基板1160bの裏面上に形成され得る。代替的には、PMUTセンサアレイを有するセンサアレイ基板1160aは、ディスプレイアレイ基板1160bの裏面に取り付けられ得、センサアレイ基板1160aの裏面は、たとえば、接着剤層または接着剤材料(図示せず)でディスプレイアレイ基板1160bの裏面に直接取り付けられる。   FIG. 11C shows an ultrasonic sensor and display array 1100C having a sensor array substrate 1160a disposed behind the display array substrate 1160b. The acoustic coupling medium 1165a may be used to acoustically couple the sensor array substrate 1160a to the display array substrate 1160b. Optical coupling and acoustic coupling medium 1165b is used to optically and acoustically couple sensor array substrate 1160a and display array substrate 1160b to a cover lens or cover glass 1190c that may also function as a platen for fingerprint detection. obtain. An acoustic impedance matching layer (not shown) may be disposed on the outer surface of the platen 1190c. Ultrasound 1164 transmitted from one or more sensor elements 1162 may travel through display array substrate 1160b and cover glass 1190c, be reflected from the outer surface of cover glass 1190c, and return toward sensor array substrate 1160a, In the array substrate 1160a, the reflected ultrasonic sensor can be detected, and image information can be acquired. In some implementations, the ultrasonic sensor and display array 1100C may be used to provide visual information to the user and for touch, stylus, or fingerprint detection from the user. Alternatively, the PMUT sensor array can be formed on the back surface of the display array substrate 1160b. Alternatively, the sensor array substrate 1160a having a PMUT sensor array can be attached to the back side of the display array substrate 1160b, which is, for example, an adhesive layer or adhesive material (not shown). It is directly attached to the back surface of the display array substrate 1160b.

図4Aおよび図4Bに関連して上記で説明したように、本開示の技法によるPMUTスタックを形成するためのプロセスフローは、堆積、パターン化、エッチング、およびCMPを含む、一連の微細加工プロセスを含み得る。図4Aおよび図4Bに示すプロセスフローに加えて、いくつかの代替プロセスフローが、本開示の企図の範囲内にある。   As described above in connection with FIGS. 4A and 4B, the process flow for forming a PMUT stack according to the techniques of this disclosure includes a series of microfabrication processes, including deposition, patterning, etching, and CMP. May be included. In addition to the process flows shown in FIGS. 4A and 4B, several alternative process flows are within the scope of the present disclosure.

図12は、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。図示の例では、プロセス1200は、アンカー構造の上部と犠牲層の上部とを平坦化し得るシリサイド形成プロセスを組み込む。結果として、ステップS403(図4A)内に含まれるCMPシーケンスは、回避され得る。シリサイドは、PMUTのためのアンカー構造の少なくとも一部を形成し得、PMUT空洞を形成するための犠牲材料の除去の間に耐エッチング層として機能し得る。   FIG. 12 shows another example of a process flow for manufacturing a PMUT. In the illustrated example, process 1200 incorporates a silicide formation process that can planarize the top of the anchor structure and the top of the sacrificial layer. As a result, the CMP sequence included in step S403 (FIG. 4A) can be avoided. The silicide may form at least part of the anchor structure for the PMUT and may function as an etch resistant layer during removal of the sacrificial material to form the PMUT cavity.

プロセス1200は、ステップS401で開始し得る。ステップS401では、図4Aに関連して上記で説明したように、基板360上にアンカー構造470の第1の層部分472を堆積させるステップを含み得る。   Process 1200 may begin at step S401. Step S401 may include depositing a first layer portion 472 of the anchor structure 470 on the substrate 360 as described above in connection with FIG. 4A.

ステップS1202では、犠牲領域425iおよび425o(図4A)が、アモルファスシリコン(a−Si)、多結晶シリコン(poly−Si)、またはa−Siおよびpoly−Siの組合せを含み得る犠牲材料の犠牲層425を、酸化物バッファ層472上に最初に堆積させることによって形成される。代替的には、モリブデン(Mo)またはタングステン(W)などの他の犠牲層材料が使用され得る。いくつかの実装形態では、犠牲層425は、約500Å〜20000Åの範囲内の厚さを有する。たとえば、一実装形態では、犠牲層425の厚さは、約10000Åである。   In step S1202, a sacrificial layer of sacrificial material where sacrificial regions 425i and 425o (FIG. 4A) may include amorphous silicon (a-Si), polycrystalline silicon (poly-Si), or a combination of a-Si and poly-Si. 425 is formed by first depositing on the oxide buffer layer 472. Alternatively, other sacrificial layer materials such as molybdenum (Mo) or tungsten (W) can be used. In some implementations, the sacrificial layer 425 has a thickness in the range of about 500 to 20000 inches. For example, in one implementation, the sacrificial layer 425 has a thickness of about 10,000 mm.

ステップS1203では、ニッケル層1275が、犠牲層425上に堆積され得る。ニッケル層1275は、約250Å〜10000Åの範囲内の厚さを有し得る。たとえば、一実装形態では、ニッケル層1275の厚さは、約5000Åである。ステップS1203はまた、選択された領域内の犠牲層425を露出させるように、ニッケル層1275をパターン化し、エッチングするステップを含み得る。   In step S1203, a nickel layer 1275 may be deposited on the sacrificial layer 425. Nickel layer 1275 may have a thickness in the range of about 250 to 10,000 inches. For example, in one implementation, the thickness of the nickel layer 1275 is about 5000 mm. Step S1203 may also include patterning and etching the nickel layer 1275 to expose the sacrificial layer 425 in the selected region.

ステップS1204では、シリサイド形成プロセスが企図され、それによって、ニッケルなどの金属の層が、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンの犠牲層425の上部に堆積され、パターン化され得る。シリサイドは、金属を犠牲層425のシリコンと相互作用させることによって形成され得る。ニッケルシリサイドは、たとえば、パターン化されたニッケル層1275を犠牲層425のシリコンと相互作用させることによって形成され得る。犠牲層425の部分1276内のシリサイドの形成は、金属を犠牲層内に局所的に拡散させ、堆積された金属を消費し、下にあるバッファ層(シリコン基板上のSiOまたはSiNなど)まで、または絶縁基板(ガラスなど)までシリサイドを形成することによって達成され得る。下にある犠牲層内への金属拡散は、たとえば、基板および堆積層のプロセス温度を、所定の時間期間中、シリサイド形成温度に上昇させることによって達成され得る。代替的には、金属間拡散およびシリサイド形成を可能にするために温度を急速に上昇させるために、高速熱アニール(RTA)プロセスが使用され得る。代替的には、適切な波長、エネルギー、および時間の集束レーザー光の適用は、シリサイドを局所的に形成するために使用され得、これは、レーザー光が基板の上方または下方のいずれかから適用される透明基板の使用により特に魅力的であり得る。 In step S1204, a silicide formation process is contemplated whereby a layer of metal such as nickel can be deposited and patterned on top of the sacrificial layer 425 of polycrystalline or amorphous silicon. Silicide can be formed by interacting metal with the silicon of the sacrificial layer 425. Nickel silicide can be formed, for example, by interacting the patterned nickel layer 1275 with the silicon of the sacrificial layer 425. The formation of silicide in the portion 1276 of the sacrificial layer 425 diffuses the metal locally into the sacrificial layer, consuming the deposited metal and down to the underlying buffer layer (such as SiO 2 or SiN on the silicon substrate). Or by forming a silicide down to an insulating substrate (such as glass). Metal diffusion into the underlying sacrificial layer can be achieved, for example, by raising the process temperature of the substrate and the deposited layer to the silicide formation temperature for a predetermined period of time. Alternatively, a rapid thermal anneal (RTA) process can be used to rapidly raise the temperature to allow intermetallic diffusion and silicide formation. Alternatively, application of focused laser light of the appropriate wavelength, energy, and time can be used to locally form the silicide, which allows the laser light to be applied from either above or below the substrate. Can be particularly attractive by the use of transparent substrates.

プロセス1200の後続のステップは、図4Aおよび図4Bに関連して上記で説明したステップS404〜S411と実質的に同一であり得る。   Subsequent steps of process 1200 may be substantially the same as steps S404-S411 described above in connection with FIGS. 4A and 4B.

図13Aおよび図13Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1300は、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の3つの層を提供する。第1のステップS1301では、上にPMUTを製造するためのガラス基板、プラスチック基板、または半導体(たとえば、シリコン)基板などの基板360が設けられる。酸化物バッファ層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。犠牲材料の犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得る。犠牲層425は、下にあるバッファ層または基板上で停止するエッチング液で、1つまたは複数の内側犠牲領域425iおよび外側犠牲領域425o(図示せず)を形成するようにパターン化され、エッチングされ得る。ステップS1302では、二酸化ケイ素層などのアンカー構造470のアンカー部分474が、バッファ層および犠牲領域425i上に堆積され得、次いで、犠牲層425iの上方に二酸化ケイ素層の小さい部分474iを維持しながら実質的に平坦な表面を形成するためにCMPを使用して薄くされ得る。ステップS1303では、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415と、上部電極層414とを含む多層スタックが堆積され得る。上部電極層は、圧電層415と電気的に接触する上部電極414aおよび414bを形成するようにパターン化され、エッチングされ得る。ステップS1304では、圧電層415は、パターン化され、エッチングされ得、下部電極層412で停止する。ステップS1305では、下部電極層412は、下にあるシード層411と共にパターン化され、エッチングされ得、機械層430で停止する。ステップS1306では、上部電極層414の一部および下部電極層412の一部をそれぞれ露出させる電気ビア416aおよび416bを形成するように、誘電体絶縁層416が堆積され、パターン化され、エッチングされ得る。   13A and 13B show another example process flow for manufacturing a PMUT. Process flow 1300 provides three layers of metal interconnect for a PMUT having a mechanical layer substantially disposed between the piezoelectric layer stack and the underlying substrate. In a first step S1301, a substrate 360 such as a glass substrate, a plastic substrate, or a semiconductor (eg, silicon) substrate for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472 such as an oxide buffer layer may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of sacrificial material may be deposited on the buffer layer. The sacrificial layer 425 is patterned and etched to form one or more inner sacrificial regions 425i and outer sacrificial regions 425o (not shown) with an etchant that stops on the underlying buffer layer or substrate. obtain. In step S1302, an anchor portion 474 of an anchor structure 470, such as a silicon dioxide layer, can be deposited over the buffer layer and sacrificial region 425i, and then substantially maintained while maintaining a small portion 474i of the silicon dioxide layer above the sacrificial layer 425i. Can be thinned using CMP to form a substantially flat surface. In step S1303, a multilayer stack including a mechanical layer 430, a first layer 411 of a piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, a lower electrode layer 412, a piezoelectric layer 415, and an upper electrode layer 414 can be deposited. . The upper electrode layer can be patterned and etched to form upper electrodes 414a and 414b in electrical contact with the piezoelectric layer 415. In step S 1304, the piezoelectric layer 415 can be patterned and etched and stops at the lower electrode layer 412. In step S1305, the bottom electrode layer 412 can be patterned and etched with the underlying seed layer 411, stopping at the mechanical layer 430. In step S1306, a dielectric insulating layer 416 can be deposited, patterned, and etched to form electrical vias 416a and 416b that expose portions of the upper electrode layer 414 and portions of the lower electrode layer 412 respectively. .

プロセスフロー1300は、図13Bにおいて、ステップS1307における金属相互接続層418の堆積、パターン化、およびエッチングで継続する。金属相互接続層418は、それぞれ、電気ビア416aおよび416bを介する、上部電極層414の部分への電気トレースおよび電気接点418aと、下部電極層412の部分への電気接点418bとを提供し得る。   Process flow 1300 continues with deposition, patterning, and etching of metal interconnect layer 418 in step S1307 in FIG. 13B. Metal interconnect layer 418 may provide electrical traces and electrical contacts 418a to portions of upper electrode layer 414 and electrical contacts 418b to portions of lower electrode layer 412 via electrical vias 416a and 416b, respectively.

ステップS1308では、1つまたは複数の凹部422が、機械層430内に形成され得る。たとえば、凹部422aは、機械的分離を提供するため、または感度を増加させるために、PMUT膜の外部に形成され得る。凹部422bは、たとえば、PMUT膜が平坦なPMUT膜と比較してより大きい機械的振幅で撓むまたは振動することを可能にすることによって感度を増加させるために、PMUT膜の内部に形成され得る。凹部422は、円形PMUTダイアフラム内にダイアフラムの中心近くに部分的に形成された円またはリングなどの実質的に軸対称の特徴部、または、円形ダイアフラムの周辺部近くに形成された角のあるトレンチもしくは角のあるトレンチの一部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部422は、機械層430内に、正方形または矩形のPMUTダイアフラムの中心の近くに形成された正方形または矩形の特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部422は、正方形、矩形、または円形のダイアフラムの周辺部近く、またはその外部に形成された狭い矩形などの特徴部、局所トレンチ、またはスロットを含み得る。いくつかの実装形態では、一連の半径方向スロットが、中央凹部特徴部または周辺凹部特徴部と組み合わされ得る。いくつかの実装形態では、凹部または凹部特徴部は、機械層430を部分的または実質的に貫通してエッチングすることによって形成され得る。いくつかの実装形態では、凹部422および/またはその特徴部は、たとえば、エッチング時間に基づいて機械層430内に形成され得る。いくつかの実装形態では、機械層430は、2つ以上の堆積層を含み得、2つ以上の堆積層のうちの1つは、製造中に凹部422および凹部特徴部の正確な画定を可能にするエッチング停止層またはバリア層として機能し得る。凹部422の形成は、オプションであり、関連するプロセスシーケンスは、適宜に省略され得る。凹部422aおよび422bのためのステップS1308における破線は、それらの部分が、使用されるとき、第1の層411、下部電極層412、圧電層415、上部電極層414、誘電体絶縁層416、および金属相互接続層418が除去される場所などの、圧電層スタック410のエッチングされた部分の下に形成され得ることを示す。   In step S1308, one or more recesses 422 may be formed in the mechanical layer 430. For example, the recess 422a can be formed outside the PMUT membrane to provide mechanical separation or to increase sensitivity. The recess 422b can be formed inside the PMUT film, for example, to increase sensitivity by allowing the PMUT film to flex or vibrate with greater mechanical amplitude compared to a flat PMUT film. . Recess 422 is a substantially axisymmetric feature such as a circle or ring partially formed in the circular PMUT diaphragm near the center of the diaphragm, or an angular trench formed near the periphery of the circular diaphragm. Alternatively, it may include a part of a cornered trench. In some implementations, the recess 422 may include a square or rectangular feature formed in the mechanical layer 430 near the center of the square or rectangular PMUT diaphragm. In some implementations, the recesses 422 can include features such as narrow rectangles formed near or outside the periphery of a square, rectangular, or circular diaphragm, local trenches, or slots. In some implementations, a series of radial slots can be combined with a central recess feature or a peripheral recess feature. In some implementations, the recess or recess feature may be formed by etching partially or substantially through the mechanical layer 430. In some implementations, the recess 422 and / or its features can be formed in the mechanical layer 430 based on, for example, etching time. In some implementations, the mechanical layer 430 can include two or more deposited layers, one of the two or more deposited layers being capable of accurately defining the recess 422 and the recess feature during manufacture. It can function as an etch stop layer or barrier layer. The formation of the recess 422 is optional and the associated process sequence may be omitted as appropriate. The dashed lines in step S1308 for the recesses 422a and 422b indicate that when those portions are used, the first layer 411, the lower electrode layer 412, the piezoelectric layer 415, the upper electrode layer 414, the dielectric insulating layer 416, and FIG. 5 illustrates that the metal interconnect layer 418 can be formed under an etched portion of the piezoelectric layer stack 410, such as where the metal interconnect layer 418 is removed.

ステップS1309では、機械層430の一部および他の層の一部は、犠牲領域425iおよび425oへのアクセス(図示せず)を提供するために、パターン化され、エッチングされ得、これは、犠牲層425内の露出された犠牲材料の選択的な除去を可能にし、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。放出穴、放出チャネル、および犠牲エッチングプロセスのさらなる詳細は、上記の図4A〜図4Bに関して見出され得る(明瞭化のため、ここには示さない)。熱分解可能な犠牲材料を用いる実装形態は、図4A〜図4Bに関して上記で説明したような放出穴および放出チャネルを介する空洞420への直接アクセスを必要としない。   In step S1309, a portion of the mechanical layer 430 and a portion of the other layer can be patterned and etched to provide access to the sacrificial regions 425i and 425o (not shown) Allows selective removal of exposed sacrificial material in layer 425, resulting in the formation of one or more cavities 420. Further details of emission holes, emission channels, and sacrificial etching processes can be found with respect to FIGS. 4A-4B above (not shown here for clarity). Implementations using pyrolyzable sacrificial materials do not require direct access to the cavity 420 via the discharge holes and discharge channels as described above with respect to FIGS. 4A-4B.

ステップS1310において、パッシベーション層432は、相互接続層418と、下部電極層412および上部電極層414の露出された部分との上に堆積され得る。オプションで、1つまたは複数の上部凹部432aが、パッシベーション層432内に形成され得る。たとえば、凹部432aは、機械的分離を提供するため、または感度を増加させるために、PMUT膜の外部に形成され得る。凹部432aは、たとえば、PMUT膜が平坦なPMUT膜と比較してより大きい機械的振幅で撓むまたは振動することを可能にすることによって感度を増加させるために、PMUT膜の内部に形成され得る。凹部432aは、円形PMUTダイアフラム内にダイアフラムの中心近くに部分的に形成された円またはリングなどの実質的に軸対称の特徴部、または、円形ダイアフラムの周辺部近くに形成された角のあるトレンチもしくは角のあるトレンチの一部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部432aは、パッシベーション層432内に、正方形または矩形のPMUTダイアフラムの中心の近くに形成された正方形または矩形の特徴部を含み得る。いくつかの実装形態では、凹部432aは、正方形、矩形、または円形のダイアフラムの周辺部近く、またはその外部に形成された狭い矩形などの特徴部、局所トレンチ、またはスロットを含み得る。いくつかの実装形態では、一連の半径方向スロットが、中央凹部特徴部または周辺凹部特徴部と組み合わされ得る。いくつかの実装形態では、凹部または凹部特徴部は、パッシベーション層432を部分的または実質的に貫通してエッチングすることによって形成され得る。いくつかの実装形態では、凹部432aおよび/またはその特徴部は、たとえば、エッチング時間に基づいてパッシベーション層432内に形成され得る。いくつかの実装形態では、パッシベーション層432は、2つ以上の堆積層を含み得、2つ以上の堆積層のうちの1つは、製造中に凹部432aおよび他の凹部特徴部の正確な画定を可能にするエッチング停止層またはバリア層として機能し得る。凹部432aの形成は、オプションであり、関連するプロセスシーケンスは、適宜に省略され得る。ステップS1311では、ボンドパッドなどの下にある金属特徴部へのアクセスを提供するために、1つまたは複数のコンタクトパッド開口部またはビア434aおよび434bが、パッシベーション層432を貫通してパターン化され、エッチングされ得る。   In step S1310, a passivation layer 432 may be deposited over the interconnect layer 418 and the exposed portions of the lower electrode layer 412 and the upper electrode layer 414. Optionally, one or more upper recesses 432a may be formed in the passivation layer 432. For example, the recess 432a can be formed outside the PMUT membrane to provide mechanical isolation or to increase sensitivity. The recess 432a can be formed inside the PMUT film, for example, to increase sensitivity by allowing the PMUT film to flex or vibrate with greater mechanical amplitude compared to a flat PMUT film. . The recess 432a is a substantially axisymmetric feature such as a circle or ring partially formed near the center of the diaphragm in the circular PMUT diaphragm, or an angular trench formed near the periphery of the circular diaphragm. Alternatively, it may include a part of a cornered trench. In some implementations, the recess 432a may include a square or rectangular feature formed in the passivation layer 432 near the center of the square or rectangular PMUT diaphragm. In some implementations, the recess 432a may include features such as a narrow rectangle formed near or outside the periphery of a square, rectangular, or circular diaphragm, local trenches, or slots. In some implementations, a series of radial slots can be combined with a central recess feature or a peripheral recess feature. In some implementations, the recess or recess feature may be formed by etching partially or substantially through the passivation layer 432. In some implementations, the recess 432a and / or its features may be formed in the passivation layer 432 based on, for example, etching time. In some implementations, the passivation layer 432 may include more than one deposition layer, one of the two or more deposition layers being an accurate definition of the recess 432a and other recess features during manufacture. Can function as an etch stop layer or barrier layer. The formation of the recess 432a is optional and the associated process sequence may be omitted as appropriate. In step S1311, one or more contact pad openings or vias 434a and 434b are patterned through the passivation layer 432 to provide access to the underlying metal features, such as bond pads. It can be etched.

図14Aおよび図14Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1400は、図12のステップS1202〜S1204に関して上記で説明したようなシリサイドベースの平坦化方法を利用して、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の3つの層を提供する。第1のステップS1401では、上にPMUTを製造するための基板360が設けられる。酸化物バッファ層またはバリア層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得、ニッケル層1275などの金属層の堆積が続く。ニッケル層425は、1つまたは複数の内側犠牲領域425iおよび外側犠牲領域425o(図示せず)を露出させるようにパターン化され、エッチングされ得、エッチング液は、犠牲層425で停止する。ステップS1402では、ニッケル層1275および下にある犠牲層425は、ニッケルシリサイドなどのシリサイド層1276を局所的に形成するために、高温環境内で反応させられ得る。シリサイド層1276の部分は、アンカー構造470のアンカー部分474を形成し得る。ステップS1403では、薄いバリア層476と、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415と、上部電極層414とを含む多層スタックが堆積され得る。上部電極層414は、圧電層415と電気的に接触する上部電極414aおよび414bを形成するようにパターン化され、エッチングされ得る。ステップS1404では、圧電層415は、パターン化され、エッチングされ得、下部電極層412で停止する。ステップS1405では、下部電極層412は、下にあるシード層411と共にパターン化され、エッチングされ得、機械層430で停止する。ステップS1406では、上部電極層414の一部および下部電極層412の一部をそれぞれ露出させる電気ビア416aおよび416bを形成するように、誘電体絶縁層416が堆積され、パターン化され、エッチングされ得る。   14A and 14B show another example of a process flow for manufacturing a PMUT. The process flow 1400 utilizes a silicide-based planarization method as described above with respect to steps S1202-S1204 of FIG. 12, and a mechanical layer substantially disposed between the piezoelectric layer stack and the underlying substrate. Provides three layers of metal interconnects for PMUTs having In the first step S1401, a substrate 360 for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472, such as an oxide buffer layer or a barrier layer, may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of amorphous silicon or polycrystalline silicon can be deposited on the buffer layer, followed by deposition of a metal layer such as a nickel layer 1275. The nickel layer 425 can be patterned and etched to expose one or more inner sacrificial regions 425 i and outer sacrificial regions 425 o (not shown), with the etchant stopping at the sacrificial layer 425. In step S1402, the nickel layer 1275 and the underlying sacrificial layer 425 can be reacted in a high temperature environment to locally form a silicide layer 1276, such as nickel silicide. A portion of the silicide layer 1276 may form an anchor portion 474 of the anchor structure 470. In step S1403, the thin barrier layer 476, the mechanical layer 430, the first layer 411 of the piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, the lower electrode layer 412, the piezoelectric layer 415, and the upper electrode layer 414 are included. Multilayer stacks can be deposited. The upper electrode layer 414 can be patterned and etched to form upper electrodes 414a and 414b in electrical contact with the piezoelectric layer 415. In step S1404, the piezoelectric layer 415 can be patterned and etched, stopping at the lower electrode layer 412. In step S1405, the lower electrode layer 412 can be patterned and etched with the underlying seed layer 411, stopping at the mechanical layer 430. In step S1406, a dielectric insulating layer 416 can be deposited, patterned, and etched to form electrical vias 416a and 416b that expose portions of the upper electrode layer 414 and portions of the lower electrode layer 412 respectively. .

プロセスフロー1400は、図14Bにおいて、ステップS1407における金属相互接続層418の堆積、パターン化、およびエッチングで継続する。金属相互接続層418は、それぞれ、電気ビア416aおよび416bを介する、上部電極層414の部分への電気トレースおよび電気接点418aと、下部電極層412の部分への電気接点418bとを提供し得る。ステップS1408では、1つまたは複数の凹部422が、機械層430内にオプションで形成され得る。凹部422aおよび422bのための図14Bにおける破線は、それらの部分が、使用されるとき、圧電層スタック410のエッチングされていない部分の直下ではない領域内に形成され得ることを示す。ステップS1409では、機械層430の一部および他の層の一部は、犠牲領域425iおよび425oへのアクセスを提供するために、パターン化され、エッチングされ得る(図示せず)。犠牲層425内の露出された犠牲材料の選択的な除去は、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。放出穴、放出チャネル、および犠牲エッチングプロセスの詳細は、上記の図4A〜図4Bに関して見出され得る。熱分解可能な犠牲材料を用いる実装形態は、図4A〜図4Bに関して上記で説明したような放出穴および放出チャネルを介する空洞420への直接アクセスを必要としなくてもよい。ステップS1410において、パッシベーション層432は、相互接続層418と、下部電極層412および上部電極層414の露出された部分との上に堆積され得る。オプションで、1つまたは複数の上部凹部432aが、パッシベーション層432内に形成され得る。ステップS1411では、金属相互接続層418内のボンドパッドなどの下にある金属特徴部へのアクセスを提供するために、1つまたは複数のコンタクトパッド開口部またはビア434aおよび434bが、パッシベーション層432を貫通してパターン化され、エッチングされ得る。   Process flow 1400 continues in FIG. 14B with deposition, patterning, and etching of metal interconnect layer 418 in step S1407. Metal interconnect layer 418 may provide electrical traces and electrical contacts 418a to portions of upper electrode layer 414 and electrical contacts 418b to portions of lower electrode layer 412 via electrical vias 416a and 416b, respectively. In step S1408, one or more recesses 422 may optionally be formed in the mechanical layer 430. The dashed lines in FIG. 14B for the recesses 422a and 422b indicate that those portions, when used, can be formed in a region that is not directly under the unetched portion of the piezoelectric layer stack 410. In step S1409, a portion of the mechanical layer 430 and a portion of the other layers can be patterned and etched (not shown) to provide access to the sacrificial regions 425i and 425o. Selective removal of the exposed sacrificial material in the sacrificial layer 425 results in the formation of one or more cavities 420. Details of emission holes, emission channels, and sacrificial etching processes can be found with respect to FIGS. 4A-4B above. Implementations using a thermally decomposable sacrificial material may not require direct access to the cavity 420 via the discharge holes and discharge channels as described above with respect to FIGS. 4A-4B. In step S1410, a passivation layer 432 may be deposited over the interconnect layer 418 and the exposed portions of the lower electrode layer 412 and the upper electrode layer 414. Optionally, one or more upper recesses 432a may be formed in the passivation layer 432. In step S1411, one or more contact pad openings or vias 434a and 434b define the passivation layer 432 to provide access to underlying metal features such as bond pads in the metal interconnect layer 418. It can be patterned and etched through.

図15Aおよび図15Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1500は、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の2つの層を利用する。第1のステップS1501では、上にPMUTを製造するための基板360が設けられる。酸化物バッファ層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。犠牲材料の犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得る。犠牲層425は、1つまたは複数の内側犠牲領域425iおよび外側犠牲領域425o(図示せず)を形成するようにパターン化され、エッチングされ得、エッチング液は、下にあるバッファ層または基板で停止する。ステップS1502aでは、アンカー構造470のアンカー部分474は、バッファ層および犠牲領域上に堆積され得、次いで、ステップS1502bに示すように、犠牲領域の上方に小さい部分474iを維持しながら実質的に平坦な表面を形成するためにCMPを使用して薄くされ得る。ステップS1504では、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415とを含む多層スタックが堆積され得る。圧電層スタック415は、パターン化され、エッチングされ得、下部電極層412上で停止する。ステップS1505では、下部電極層412および下にあるシード層411は、パターン化され、エッチングされ得、機械層430上で停止する。ステップS1506では、圧電層415の一部および下部電極層412の一部をそれぞれ露出させる電気ビア416aおよび416bを形成するように、誘電体絶縁層416が堆積され、パターン化され、エッチングされ得る。代替的には、上部電極層414と圧電層415の下にある部分との間の電気的結合は、誘電体絶縁層416を介して容量的に達成され得、以下でステップS1507に関して説明したように、直接の電気的接触なしに、圧電層415の撓み運動および振動からの超音波の励起および検出を可能にする。この実装形態では、1つまたは複数の電気ビア416aは、省略され得、誘電体絶縁層416は、ビア領域(図示せず)内でエッチングされない。   15A and 15B show another example of a process flow for manufacturing a PMUT. Process flow 1500 utilizes two layers of metal interconnects for a PMUT having a mechanical layer substantially disposed between the piezoelectric layer stack and the underlying substrate. In the first step S1501, a substrate 360 for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472 such as an oxide buffer layer may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of sacrificial material may be deposited on the buffer layer. The sacrificial layer 425 can be patterned and etched to form one or more inner sacrificial regions 425i and outer sacrificial regions 425o (not shown), where the etchant stops at the underlying buffer layer or substrate. To do. In step S1502a, the anchor portion 474 of the anchor structure 470 can be deposited over the buffer layer and the sacrificial region, and then substantially flat while maintaining a small portion 474i above the sacrificial region, as shown in step S1502b. It can be thinned using CMP to form the surface. In step S1504, a multilayer stack including a mechanical layer 430, a first layer 411 of a piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, a lower electrode layer 412, and a piezoelectric layer 415 can be deposited. The piezoelectric layer stack 415 can be patterned and etched and stops on the lower electrode layer 412. In step S1505, the bottom electrode layer 412 and the underlying seed layer 411 can be patterned and etched, stopping on the mechanical layer 430. In step S1506, a dielectric insulating layer 416 can be deposited, patterned, and etched to form electrical vias 416a and 416b that expose a portion of the piezoelectric layer 415 and a portion of the lower electrode layer 412, respectively. Alternatively, electrical coupling between the upper electrode layer 414 and the portion underlying the piezoelectric layer 415 can be achieved capacitively via the dielectric insulating layer 416, as described below with respect to step S1507. In addition, it enables excitation and detection of ultrasonic waves from the flexing motion and vibration of the piezoelectric layer 415 without direct electrical contact. In this implementation, one or more electrical vias 416a may be omitted and the dielectric insulating layer 416 is not etched in the via region (not shown).

プロセスフロー1500は、図15Bにおいて、ステップS1507における金属相互接続層418の堆積、パターン化、およびエッチングで継続する。金属相互接続層418は、それぞれ、電気ビア416aおよび416bを介する、圧電層415の部分への電気トレースおよび電気接点418aと、下部電極層412の部分への電気接点418bとを提供し得る。ステップS1506に関して説明した容量結合実装形態では、金属相互接続層418は、圧電層415から誘電的に絶縁され得、1つまたは複数の電気ビア416aは、省略され得る。ステップS1508では、1つまたは複数の凹部422が、機械層430内に形成され得る。凹部422aおよび422bのためのステップS1508における破線は、それらの部分が、使用されるとき、圧電層スタック410のエッチングされた部分の下に形成され得ることを示す。ステップS1509では、機械層430の一部および他の層の一部は、犠牲領域425iへのアクセス(図示せず)を提供するために、パターン化され、エッチングされ得、これは、犠牲層425内の露出された犠牲材料の選択的な除去を可能にし、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。熱分解可能な犠牲材料を用いる実装形態は、図4A〜図4Bに関して上記で説明したように、放出穴および放出チャネルを介する空洞420への直接アクセスを必要としなくてもよい。ステップS1510において、パッシベーション層432は、相互接続層418と、下部電極層412および上部電極層414の露出された部分との上に堆積され得る。オプションで、1つまたは複数の上部凹部432aが、パッシベーション層432内に形成され得る。ステップS1511では、金属相互接続層418内のボンドパッドなどの下にある金属特徴部へのアクセスを提供するために、1つまたは複数のコンタクトパッド開口部またはビア434aおよび434bが、パッシベーション層432を貫通してパターン化され、エッチングされ得る。   Process flow 1500 continues in FIG. 15B with deposition, patterning, and etching of metal interconnect layer 418 in step S1507. Metal interconnect layer 418 may provide electrical traces and contacts 418a to portions of piezoelectric layer 415 and electrical contacts 418b to portions of lower electrode layer 412 via electrical vias 416a and 416b, respectively. In the capacitively coupled implementation described with respect to step S1506, the metal interconnect layer 418 can be dielectrically isolated from the piezoelectric layer 415 and one or more electrical vias 416a can be omitted. In step S 1508, one or more recesses 422 may be formed in the mechanical layer 430. The dashed lines in step S1508 for the recesses 422a and 422b indicate that those portions can be formed under the etched portion of the piezoelectric layer stack 410 when used. In step S1509, a portion of the mechanical layer 430 and a portion of the other layer can be patterned and etched to provide access to the sacrificial region 425i (not shown), which is the sacrificial layer 425. Allows selective removal of the exposed sacrificial material within, resulting in the formation of one or more cavities 420. Implementations using thermally decomposable sacrificial material may not require direct access to the cavity 420 via the emission holes and emission channels, as described above with respect to FIGS. 4A-4B. In step S1510, a passivation layer 432 may be deposited over the interconnect layer 418 and the exposed portions of the lower electrode layer 412 and the upper electrode layer 414. Optionally, one or more upper recesses 432a may be formed in the passivation layer 432. In step S1511, one or more contact pad openings or vias 434a and 434b open the passivation layer 432 to provide access to underlying metal features such as bond pads in the metal interconnect layer 418. It can be patterned and etched through.

図16Aおよび図16Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1600は、図12のステップS1202〜S1204に関して上記で説明したようなシリサイドベースの平坦化方法を利用して、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の2つの層を利用する。ステップS1601では、上にPMUTを製造するための基板360が設けられる。酸化物バッファ層またはバリア層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。アモルファスシリコンまたは多結晶シリコンの犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得、ニッケル層1275などの金属層の堆積が続く。ニッケル層425は、1つまたは複数の内側犠牲領域425iおよび外側犠牲領域425o(図示せず)を露出させるようにパターン化され、エッチングされ得、エッチング液は、犠牲層425で停止する。ステップS1602aでは、ニッケル層1275および下にある犠牲層425は、ニッケルシリサイドなどのシリサイド層1276を局所的に形成するために、高温環境内で反応させられ得る。シリサイド層1276の部分は、アンカー構造470のアンカー部分474を形成し得る。ステップS1602bでは、薄いバリア層476が堆積され得る。薄いバリア層476の部分476iは、犠牲領域425iおよび425oの上に存在し得る。ステップS1604では、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415とを含む多層スタックが堆積され得る。圧電層スタック415は、パターン化され、エッチングされ得、下部電極層412上で停止する。ステップS1605では、下部電極層412および下にあるシード層411は、パターン化され、エッチングされ得、機械層430上で停止する。ステップS1606では、圧電層415の一部および下部電極層412の一部をそれぞれ露出させる電気ビア416aおよび416bを形成するように、誘電体絶縁層416が堆積され、パターン化され、エッチングされ得る。代替的には、上部電極層414と圧電層415の下にある部分との間の電気的結合は、誘電体絶縁層416を介して容量的に達成され得、以下でステップS1607に関して説明したように、直接の電気的接触なしに、圧電層415の撓み運動および振動からの超音波の励起および検出を可能にする。この実装形態では、1つまたは複数の電気ビア416aは、省略され得、誘電体絶縁層416は、ビア領域(図示せず)内でエッチングされない。   16A and 16B show another example of a process flow for manufacturing a PMUT. The process flow 1600 utilizes a silicide-based planarization method as described above with respect to steps S1202-S1204 of FIG. 12, and a mechanical layer disposed substantially between the piezoelectric layer stack and the underlying substrate. Utilizes two layers of metal interconnects for PMUTs with In step S1601, a substrate 360 for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472, such as an oxide buffer layer or a barrier layer, may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of amorphous silicon or polycrystalline silicon can be deposited on the buffer layer, followed by deposition of a metal layer such as a nickel layer 1275. The nickel layer 425 can be patterned and etched to expose one or more inner sacrificial regions 425 i and outer sacrificial regions 425 o (not shown), with the etchant stopping at the sacrificial layer 425. In step S1602a, the nickel layer 1275 and the underlying sacrificial layer 425 can be reacted in a high temperature environment to locally form a silicide layer 1276 such as nickel silicide. A portion of the silicide layer 1276 may form an anchor portion 474 of the anchor structure 470. In step S1602b, a thin barrier layer 476 may be deposited. A portion 476i of the thin barrier layer 476 may be over the sacrificial regions 425i and 425o. In step S1604, a multilayer stack including a mechanical layer 430, a first layer 411 of a piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, a lower electrode layer 412, and a piezoelectric layer 415 can be deposited. The piezoelectric layer stack 415 can be patterned and etched and stops on the lower electrode layer 412. In step S1605, the bottom electrode layer 412 and the underlying seed layer 411 can be patterned and etched, stopping on the mechanical layer 430. In step S1606, a dielectric insulating layer 416 can be deposited, patterned, and etched to form electrical vias 416a and 416b that expose a portion of the piezoelectric layer 415 and a portion of the lower electrode layer 412, respectively. Alternatively, electrical coupling between the upper electrode layer 414 and the portion underlying the piezoelectric layer 415 can be achieved capacitively via the dielectric insulating layer 416, as described below with respect to step S1607. In addition, it enables excitation and detection of ultrasonic waves from the flexing motion and vibration of the piezoelectric layer 415 without direct electrical contact. In this implementation, one or more electrical vias 416a may be omitted and the dielectric insulating layer 416 is not etched in the via region (not shown).

プロセスフロー1600は、図16Bにおいて、ステップS1607における金属相互接続層418の堆積、パターン化、およびエッチングで継続する。金属相互接続層418は、それぞれ、電気ビア416aおよび416bを介する、圧電層415の部分への電気トレースおよび電気接点418aと、下部電極層412の部分への電気接点418bとを提供し得る。ステップS1606に関して説明した容量結合実装形態では、金属相互接続層418は、圧電層415から誘電的に絶縁され得、1つまたは複数の電気ビア416aは、省略され得る。ステップS1608では、1つまたは複数の凹部422が、機械層430内に形成され得る。凹部422aおよび422bのためのステップS1608における破線は、それらの部分が、使用されるとき、圧電層スタック410のエッチングされた部分の下に形成され得ることを示す。ステップS1609では、機械層430の一部および他の層の一部は、犠牲領域425iへのアクセス(図示せず)を提供するために、パターン化され、エッチングされ得、これは、犠牲層425内の露出された犠牲材料の選択的な除去を可能にし、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。熱分解可能な犠牲材料を用いる実装形態は、図4A〜図4Bに関して上記で説明したように、放出穴および放出チャネルを介する空洞420への直接アクセスを必要としなくてもよい。ステップS1610において、パッシベーション層432は、相互接続層418と、下部電極層412および上部電極層414の露出された部分との上に堆積され得る。オプションで、1つまたは複数の上部凹部432aが、パッシベーション層432内に形成され得る。ステップS1611では、金属相互接続層418内のボンドパッドなどの下にある金属特徴部へのアクセスを提供するために、1つまたは複数のコンタクトパッド開口部またはビア434aおよび434bが、パッシベーション層432を貫通してパターン化され、エッチングされ得る。   Process flow 1600 continues in FIG. 16B with deposition, patterning, and etching of metal interconnect layer 418 in step S1607. Metal interconnect layer 418 may provide electrical traces and contacts 418a to portions of piezoelectric layer 415 and electrical contacts 418b to portions of lower electrode layer 412 via electrical vias 416a and 416b, respectively. In the capacitively coupled implementation described with respect to step S1606, the metal interconnect layer 418 can be dielectrically isolated from the piezoelectric layer 415 and one or more electrical vias 416a can be omitted. In step S1608, one or more recesses 422 may be formed in the mechanical layer 430. The dashed lines in step S1608 for the recesses 422a and 422b indicate that those portions can be formed under the etched portion of the piezoelectric layer stack 410 when used. In step S1609, a portion of the mechanical layer 430 and a portion of the other layers can be patterned and etched to provide access (not shown) to the sacrificial region 425i, which is the sacrificial layer 425. Allows selective removal of the exposed sacrificial material within, resulting in the formation of one or more cavities 420. Implementations using thermally decomposable sacrificial material may not require direct access to the cavity 420 via the emission holes and emission channels, as described above with respect to FIGS. 4A-4B. In step S1610, a passivation layer 432 may be deposited over the interconnect layer 418 and the exposed portions of the lower electrode layer 412 and the upper electrode layer 414. Optionally, one or more upper recesses 432a may be formed in the passivation layer 432. In step S1611, one or more contact pad openings or vias 434a and 434b open the passivation layer 432 to provide access to underlying metal features such as bond pads in the metal interconnect layer 418. It can be patterned and etched through.

図17Aおよび図17Bは、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1700は、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の3つの層を設け、その後、積層または結合された上部機械層(ここには示さないが、図6A〜図6Eに関して上記で説明されている)で封止され得る未封止PMUTを提供する。第1のステップS1701では、上にPMUTを製造するための基板360が設けられる。酸化物バッファ層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。犠牲材料の犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得る。犠牲層425は、1つまたは複数の内側犠牲領域425iを形成するようにパターン化され、エッチングされ得、エッチング液は、下にあるバッファ層または基板で停止する。ステップS1702では、二酸化ケイ素層などのアンカー構造470のアンカー部分474は、バッファ層および犠牲領域上に堆積され得、次いで、犠牲領域425iの上方に二酸化ケイ素層の小さい部分474iを維持しながら実質的に平坦な表面を形成するためにCMPを使用して薄くされ得る。ステップS1703では、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415と、上部電極層414とを含む多層スタックが堆積され得る。上部電極層は、圧電層415と電気的に接触する上部電極414aを形成するようにパターン化され、エッチングされ得る。ステップS1704では、圧電層415は、パターン化され、エッチングされ得、下部電極層412で停止する。ステップS1705では、下部電極層412は、下にあるシード層411と共にパターン化され、エッチングされ得、機械層430で停止する。ステップS1706では、上部電極層414の一部および下部電極層412の一部をそれぞれ露出させる電気ビア416aおよび416bを形成するように、誘電体絶縁層416が堆積され、パターン化され、エッチングされ得る。   17A and 17B show another example of a process flow for manufacturing a PMUT. Process flow 1700 provides three layers of metal interconnect for a PMUT having a mechanical layer substantially disposed between a piezoelectric layer stack and an underlying substrate, and then stacked or bonded upper machine An unsealed PMUT is provided that can be sealed with a layer (not shown here but described above with respect to FIGS. 6A-6E). In the first step S1701, a substrate 360 for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472 such as an oxide buffer layer may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of sacrificial material may be deposited on the buffer layer. The sacrificial layer 425 can be patterned and etched to form one or more inner sacrificial regions 425i, with the etchant stopping at the underlying buffer layer or substrate. In step S1702, the anchor portion 474 of the anchor structure 470, such as a silicon dioxide layer, can be deposited over the buffer layer and the sacrificial region, and then substantially maintained while maintaining a small portion 474i of the silicon dioxide layer above the sacrificial region 425i. Can be thinned using CMP to form a flat surface. In step S1703, a multilayer stack including a mechanical layer 430, a first layer 411 of a piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, a lower electrode layer 412, a piezoelectric layer 415, and an upper electrode layer 414 can be deposited. . The upper electrode layer can be patterned and etched to form an upper electrode 414a that is in electrical contact with the piezoelectric layer 415. In step S 1704, the piezoelectric layer 415 can be patterned and etched, stopping at the lower electrode layer 412. In step S1705, the lower electrode layer 412 can be patterned and etched with the underlying seed layer 411, stopping at the mechanical layer 430. In step S1706, a dielectric insulating layer 416 can be deposited, patterned, and etched to form electrical vias 416a and 416b that expose portions of the upper electrode layer 414 and portions of the lower electrode layer 412 respectively. .

プロセスフロー1700は、図17Bにおいて、ステップS1707における金属相互接続層418の堆積、パターン化、およびエッチングで継続する。金属相互接続層418は、それぞれ、電気ビア416aおよび416bを介する、上部電極層414の部分への電気トレースおよび電気接点418aと、下部電極層412の部分への電気接点418bとを提供し得る。ステップS1708では、1つまたは複数の凹部422が、機械層430内に形成され得る。凹部422aおよび422bのためのステップS1708における破線は、それらの部分が、使用されるとき、圧電層スタック410のエッチングされた部分の下に形成され得ることを示す。ステップS1709では、パッシベーション層432が、相互接続層418と、下部電極層412の露出された部分および上部電極層414の露出された部分との上に堆積され得る。オプションで、1つまたは複数の上部凹部432aが、パッシベーション層432内に形成され得る。ステップS1710では、機械層430の一部、および誘電体絶縁層416などの他の層の一部は、犠牲領域425iへのアクセスを提供するために、パターン化され、エッチングされ得、これは、犠牲層425内の露出された犠牲材料の選択的な除去を可能にし、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。また、ステップS1710では、ボンドパッドなどの下にある金属特徴部へのアクセスを提供するために、1つまたは複数のコンタクトパッド開口部またはビア434aおよび434bが、パッシベーション層432を貫通してパターン化され、エッチングされ得る。ステップS1711では、犠牲領域425i内の犠牲材料425の露出された部分が、選択的にエッチングされ、アンカー部分474の露出された表面上、第1の層部分472の露出さされた表面上、および基板360の露出された表面上で停止し、結果として1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。いくつかの実装形態では、上部機械層630(図示せず)が、図6Bに関して説明したように、PMUTの上部表面に積層され得、または他の方法で結合され得る。いくつかの実装形態では、上部機械層630は、図6Dに関して説明したように、マイクロピラー636(図示せず)のアレイに結合され得る。   Process flow 1700 continues in FIG. 17B with deposition, patterning, and etching of metal interconnect layer 418 in step S1707. Metal interconnect layer 418 may provide electrical traces and electrical contacts 418a to portions of upper electrode layer 414 and electrical contacts 418b to portions of lower electrode layer 412 via electrical vias 416a and 416b, respectively. In step S1708, one or more recesses 422 may be formed in the mechanical layer 430. The dashed lines in step S1708 for the recesses 422a and 422b indicate that those portions can be formed under the etched portion of the piezoelectric layer stack 410 when used. In step S1709, a passivation layer 432 may be deposited over the interconnect layer 418 and the exposed portion of the lower electrode layer 412 and the exposed portion of the upper electrode layer 414. Optionally, one or more upper recesses 432a may be formed in the passivation layer 432. In step S1710, a portion of mechanical layer 430, and a portion of other layers, such as dielectric insulating layer 416, can be patterned and etched to provide access to sacrificial region 425i, which Allows selective removal of exposed sacrificial material in the sacrificial layer 425, resulting in the formation of one or more cavities 420. Also, in step S1710, one or more contact pad openings or vias 434a and 434b are patterned through the passivation layer 432 to provide access to underlying metal features such as bond pads. And can be etched. In step S1711, the exposed portion of the sacrificial material 425 in the sacrificial region 425i is selectively etched to expose the exposed surface of the anchor portion 474, the exposed surface of the first layer portion 472, and Stops on the exposed surface of the substrate 360, resulting in the formation of one or more cavities 420. In some implementations, an upper mechanical layer 630 (not shown) can be laminated to the top surface of the PMUT, or otherwise coupled, as described with respect to FIG. 6B. In some implementations, the top mechanical layer 630 can be coupled to an array of micropillars 636 (not shown) as described with respect to FIG. 6D.

図18は、PMUTを製造するためのプロセスフローの別の例を示す。プロセスフロー1800は、圧電層スタックと下にある基板との間に実質的に配置された機械層を有するPMUTのための金属相互接続の2つの層を設け、その後、積層または結合された上部機械層(ここには示さないが、図6A〜図6Eに関して上記で説明されている)で封止され得る未封止PMUTを提供する。第1のステップS1801では、上にPMUTを製造するための基板360が設けられる。酸化物バッファ層などの第1の層部分472が、基板360上に堆積され得る。犠牲材料の犠牲層425が、バッファ層上に堆積され得る。犠牲層425は、1つまたは複数の内側犠牲領域425iを形成するようにパターン化され、エッチングされ得、エッチング液は、下にあるバッファ層または基板で停止する。また、ステップS1801では、二酸化ケイ素層などのアンカー構造470のアンカー部分474は、バッファ層および犠牲領域上に堆積され得、次いで、犠牲領域425iの上方に二酸化ケイ素層の小さい部分474iを維持しながら実質的に平坦な表面を形成するためにCMPを使用して薄くされ得る。ステップS1802では、機械層430と、シード層として機能し得る圧電スタック410の第1の層411と、下部電極層412と、圧電層415と、上部電極層414とを含む多層スタックが堆積され得る。上部電極層414は、圧電層415と電気的に接触する上部電極414aを形成するようにパターン化され、エッチングされ得る。また、ステップS1802では、圧電層415は、エッチングされ得、下部電極層412で停止する。ステップS1803では、下部電極層412は、その後の追加の相互接続層(図示せず)のワイヤボンディングまたは包含を可能にするために、上部電極層414および下部電極層412の部分435aおよび435bをそれぞれ露出させるために、下にあるシード層411と共にパターン化され、エッチングされ得、機械層430で停止する。ステップS1804では、機械層430の部分、および任意の下にある層の部分は、1つまたは複数の放出穴430aを形成するためにパターン化され、エッチングされ得、犠牲領域425iへのアクセスを提供し得る。ステップS1805では、犠牲領域425i内の犠牲層425の露出された部分が選択的にエッチングされ得、結果として、1つまたは複数の空洞420の形成をもたらす。いくつかの実装形態では、上部機械層630(図示せず)は、図6Bに関して説明したように、PMUTの上面に積層され得、または他の方法で結合され得る。いくつかの実装形態では、上部機械層630は、図6Dに関して説明したように、マイクロピラー636(図示せず)のアレイに結合され得る。   FIG. 18 shows another example of a process flow for manufacturing a PMUT. Process flow 1800 provides two layers of metal interconnect for a PMUT having a mechanical layer substantially disposed between a piezoelectric layer stack and an underlying substrate, and then stacked or bonded upper machine An unsealed PMUT is provided that can be sealed with a layer (not shown here but described above with respect to FIGS. 6A-6E). In the first step S1801, a substrate 360 for manufacturing a PMUT is provided thereon. A first layer portion 472 such as an oxide buffer layer may be deposited on the substrate 360. A sacrificial layer 425 of sacrificial material may be deposited on the buffer layer. The sacrificial layer 425 can be patterned and etched to form one or more inner sacrificial regions 425i, with the etchant stopping at the underlying buffer layer or substrate. Also, in step S1801, the anchor portion 474 of the anchor structure 470, such as a silicon dioxide layer, can be deposited over the buffer layer and the sacrificial region, and then maintaining a small portion 474i of the silicon dioxide layer above the sacrificial region 425i. It can be thinned using CMP to form a substantially flat surface. In step S1802, a multilayer stack including a mechanical layer 430, a first layer 411 of a piezoelectric stack 410 that can function as a seed layer, a lower electrode layer 412, a piezoelectric layer 415, and an upper electrode layer 414 can be deposited. . The upper electrode layer 414 can be patterned and etched to form an upper electrode 414a that is in electrical contact with the piezoelectric layer 415. In step S1802, the piezoelectric layer 415 may be etched and stops at the lower electrode layer 412. In step S1803, the lower electrode layer 412 removes the upper electrode layer 414 and the lower electrode layer 412 portions 435a and 435b, respectively, to allow subsequent wire bonding or inclusion of additional interconnect layers (not shown). To be exposed, it can be patterned and etched with the underlying seed layer 411, stopping at the mechanical layer 430. In step S1804, the portion of the mechanical layer 430 and any portion of the underlying layer can be patterned and etched to form one or more emission holes 430a, providing access to the sacrificial region 425i. Can do. In step S1805, the exposed portion of the sacrificial layer 425 in the sacrificial region 425i can be selectively etched, resulting in the formation of one or more cavities 420. In some implementations, the upper mechanical layer 630 (not shown) can be stacked on the top surface of the PMUT, or otherwise coupled, as described with respect to FIG. 6B. In some implementations, the top mechanical layer 630 can be coupled to an array of micropillars 636 (not shown) as described with respect to FIG. 6D.

したがって、圧電層スタックの上方または下方に配置され、下にある空洞のための封止を提供する機械層を有するPMUT、およびそのようなPMUTを製造するための技法が開示されている。いくつかの代替の構成および製造技法が企図され得ることは理解されるであろう。   Accordingly, a PMUT having a mechanical layer disposed above or below the piezoelectric layer stack and providing a seal for the underlying cavity and techniques for manufacturing such a PMUT are disclosed. It will be appreciated that a number of alternative configurations and manufacturing techniques may be contemplated.

本明細書で使用される場合、項目のリスト「のうちの少なくとも1つ」を指す語句は、単一のメンバーを含む、それらの項目の任意の組合せを指す。一例として、「a、bまたはcのうちの少なくとも1つ」は、a、b、c、a−b、a−c、b−c、およびa−b−cを包含することを意図している。   As used herein, a phrase referring to “at least one of” a list of items refers to any combination of those items including a single member. By way of example, “at least one of a, b or c” is intended to encompass a, b, c, ab, ac, bc, and abc. Yes.

本明細書で開示された実装形態に関連して説明した様々な例示的なロジック、論理ブロック、モジュール、回路、およびアルゴリズムプロセスは、電子ハードウェア、コンピュータソフトウェア、または両方の組合せとして実装され得る。ハードウェアとソフトウェアの互換性について、概して機能に関して説明し、上記で説明した様々な例示的な構成要素、ブロック、モジュール、回路およびプロセスにおいて例示した。そのような機能がハードウェアまたはソフトウェアのどちらで実装されるのかは、システム全体に課される特定の用途および設計制約に依存する。   Various exemplary logic, logic blocks, modules, circuits, and algorithmic processes described in connection with the implementations disclosed herein may be implemented as electronic hardware, computer software, or a combination of both. Hardware and software compatibility is generally described in terms of functionality and illustrated in the various exemplary components, blocks, modules, circuits and processes described above. Whether such functionality is implemented as hardware or software depends upon the particular application and design constraints imposed on the overall system.

本明細書で開示された態様に関連して説明した様々な例示的なロジック、論理ブロック、モジュール、および回路を実装するために使用されるハードウェアおよびデータ処理装置は、汎用シングルチッププロセッサもしくは汎用マルチチッププロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)もしくは他のプログラマブル論理デバイス、個別のゲートもしくはトランジスタ論理、個別のハードウェア構成要素、または、本明細書に記載の機能を実行するように構成されたそれらの任意の組合せで実装または実行され得る。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサもしくは任意の従来のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、または状態機械であり得る。プロセッサはまた、コンピューティングデバイスの組合せ、たとえば、DSPおよびマイクロプロセッサの組合せ、複数のマイクロプロセッサ、DSPコアと組み合わせた1つもしくは複数のマイクロプロセッサ、または任意の他のそのような構成として実装され得る。いくつかの実装形態では、特定のプロセスおよび方法は、所与の機能に特有の回路によって実行することができる。   The hardware and data processing apparatus used to implement the various exemplary logic, logic blocks, modules, and circuits described in connection with the aspects disclosed herein may be general purpose single chip processors or general purpose processors. A multi-chip processor, digital signal processor (DSP), application specific integrated circuit (ASIC), field programmable gate array (FPGA) or other programmable logic device, individual gate or transistor logic, individual hardware components, or It may be implemented or performed with any combination thereof configured to perform the functions described herein. A general purpose processor may be a microprocessor or any conventional processor, controller, microcontroller, or state machine. The processor may also be implemented as a combination of computing devices, eg, a DSP and microprocessor combination, multiple microprocessors, one or more microprocessors in combination with a DSP core, or any other such configuration. . In some implementations, certain processes and methods can be performed by circuitry that is specific to a given function.

1つまたは複数の態様では、説明した機能は、本明細書で開示された構造またはそれらの構造的等価物を含む、ハードウェア、デジタル電子回路、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、またはそれらの任意の組合せにおいて実装され得る。本明細書で説明した主題の実装形態はまた、データ処理装置の動作によって実行するため、またはデータ処理装置の動作を制御するためにコンピュータ記憶媒体上に符号化された、1つまたは複数のコンピュータプログラムとして、すなわち、コンピュータプログラム命令の1つまたは複数のモジュールとして実装され得る。   In one or more aspects, the functions described can be in hardware, digital electronic circuitry, computer software, firmware, or any combination thereof, including the structures disclosed herein or their structural equivalents. Can be implemented. Implementations of the subject matter described in this specification can also be performed by the operation of a data processing device or one or more computers encoded on a computer storage medium to control the operation of the data processing device. It may be implemented as a program, i.e. as one or more modules of computer program instructions.

ソフトウェアにおいて実装される場合、機能は、非一時的媒体などのコンピュータ可読媒体上で1つまたは複数の命令またはコードとして記憶または伝送され得る。本明細書において開示された方法またはアルゴリズムのプロセスは、コンピュータ可読媒体上に存在する場合があるプロセッサ実行可能ソフトウェアモジュールにおいて実施することができる。コンピュータ可読媒体は、コンピュータプログラムをある場所から別の場所に転送することを可能にし得る任意の媒体を含む、コンピュータ記憶媒体と通信媒体の両方を含む。記憶媒体は、コンピュータによってアクセスされ得る任意の利用可能な媒体であり得る。限定ではなく例として、非一時的媒体には、RAM、ROM、EEPROM、CD−ROMもしくは他の光ディスクストレージ、磁気ディスクストレージもしくは他の磁気ストレージデバイス、または、命令もしくはデータ構造の形式で、所望のプログラムコードを記憶するために使用され得、コンピュータによってアクセスされ得る任意の他の媒体が含まれ得る。また、任意の接続はコンピュータ可読媒体と適切に呼ぶことができる。本明細書において使用される、ディスク(disk)およびディスク(disc)は、コンパクトディスク(CD)(disc)、レーザーディスク(登録商標)(disc)、光ディスク(disc)、デジタル多用途ディスク(DVD)(disc)、フロッピーディスク(disk)、およびブルーレイディスク(disc)を含み、ディスク(disk)は、通常、データを磁気的に再生し、ディスク(disc)は、データをレーザーで光学的に再生する。上記の組合せも、コンピュータ可読媒体の範囲内に含まれるべきである。加えて、方法またはアルゴリズムの動作は、コンピュータプログラム製品に組み込まれ得る機械可読媒体およびコンピュータ可読媒体上のコードおよび命令の1つまたは任意の組合せまたはセットとして存在し得る。   If implemented in software, the functions may be stored or transmitted as one or more instructions or code on a computer-readable medium, such as a non-transitory medium. The methods or algorithmic processes disclosed herein may be implemented in processor-executable software modules that may reside on computer-readable media. Computer-readable media includes both computer storage media and communication media including any medium that may allow a computer program to be transferred from one place to another. A storage media may be any available media that can be accessed by a computer. By way of example, and not limitation, non-transitory media may include any desired data in the form of RAM, ROM, EEPROM, CD-ROM or other optical disk storage, magnetic disk storage or other magnetic storage device, or instructions or data structures Any other medium that can be used to store program code and that can be accessed by a computer can be included. Also, any connection can be properly termed a computer-readable medium. As used herein, a disc and a disc are a compact disc (CD) (disc), a laser disc (disc), an optical disc (disc), and a digital versatile disc (DVD). (Disc), floppy disk (disk), and Blu-ray disc (disc), where the disk (disk) normally reproduces data magnetically, and the disk (disc) optically reproduces data with a laser. . Combinations of the above should also be included within the scope of computer-readable media. In addition, the operations of the method or algorithm may exist as one or any combination or set of machine-readable media and code and instructions on the computer-readable medium that may be incorporated into a computer program product.

本開示で説明した実装形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり得、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の要旨または範囲から逸脱することなく他の実装形態に適用され得る。したがって、特許請求の範囲は、本明細書で示されている実装形態に限定されることを意図するものではなく、本開示、本明細書で開示する原理および新規の特徴と一致する最も広い範囲を与えられるべきである。加えて、当業者が容易に理解するように、「より上」および「より下」、「上部」および「底部」、「前」および「後」、ならびに、「覆う」、「重なる」、「上」、「下方」、および「下にある」という用語は、ときには図面の説明を容易にするために使用され、適切に向けられたページ上の図面の向きに対応する相対的な位置を示し、実装されたデバイスの適切な向きを反映しないことがある。   Various modifications to the implementations described in this disclosure may be readily apparent to those skilled in the art, and the general principles defined herein may be used in other ways without departing from the spirit or scope of this disclosure. It can be applied to an implementation. Accordingly, the claims are not intended to be limited to the implementations shown herein, but are to be accorded the widest scope consistent with the present disclosure, the principles and novel features disclosed herein. Should be given. In addition, as those skilled in the art will readily understand, “above” and “below”, “top” and “bottom”, “front” and “rear”, and “cover”, “overlap” The terms “above”, “below”, and “below” are sometimes used to facilitate the description of the drawings and indicate relative positions corresponding to the orientation of the drawing on an appropriately oriented page. May not reflect the proper orientation of the mounted device.

別々の実装形態の文脈で本明細書において説明される特定の特徴はまた、単一の実装形態において組み合わせて実装され得る。逆に、単一の実装形態の文脈で説明される様々な特徴も、複数の実装形態において別々に、または任意の適切な副組合せにおいて実装され得る。さらに、特徴は、上記では特定の組合せで作用するものとして説明されており、さらには最初にそのようなものとして特許請求される場合があるが、特許請求される組合せからの1つまたは複数の特徴は、場合によっては、組合せから削除することができ、特許請求される組合せは、副組合せまたは副組合せの変形形態を対象とする場合がある。   Certain features that are described in this specification in the context of separate implementations can also be implemented in combination in a single implementation. Conversely, various features that are described in the context of a single implementation can also be implemented in multiple implementations separately or in any suitable subcombination. Moreover, while features are described above as acting in a particular combination, and may be initially claimed as such, one or more from the claimed combination Features may be deleted from the combination in some cases, and the claimed combination may be directed to sub-combinations or variations of sub-combinations.

同様に、動作は、特定の順序で図面に示されているが、これは、そのような動作が、示された特定の順序で、もしくは順番に実行されること、またはすべての図示の動作が所望の結果を達成するために実行されることを必要とするものとして理解されるべきではない。さらに、図面は、フロー図の形態で1つまたは複数の例示的なプロセスを概略的に示すことがある。しかしながら、概略的に示されている例示的なプロセスには、図示されていない他の動作を組み込むことができる。たとえば、図示した動作のうちの任意の動作の前、後、任意の動作と同時に、またはこれらの動作の間に、1つまたは複数の追加の動作を実行することができる。特定の状況では、マルチタスキングおよび並列処理が有利である場合がある。さらに、上記で説明した実装形態における様々なシステム構成要素の分離は、すべての実装形態においてそのような分離を必要とするものとして理解されるべきではなく、説明したプログラム構成要素およびシステムは、一般に、単一のソフトウェア製品内に共に統合され得、または複数のソフトウェア製品にパッケージ化され得ることが理解されるべきである。さらに、他の実装形態も以下の特許請求の範囲内にある。いくつかの場合には、請求項において列挙された動作は、異なる順序で実行され得、以前として望ましい結果を達成し得る。   Similarly, operations are shown in the drawings in a particular order, as long as such operations are performed in the particular order shown or in sequence, or all illustrated operations are performed. It should not be understood as requiring execution to achieve the desired result. Moreover, the drawings may schematically illustrate one or more exemplary processes in the form of a flow diagram. However, other operations not shown may be incorporated into the exemplary process shown schematically. For example, one or more additional operations may be performed before, after, simultaneously with, or during any of the illustrated operations. In certain situations, multitasking and parallel processing may be advantageous. Further, the separation of various system components in the implementations described above should not be understood as requiring such separation in all implementations, and the program components and systems described are generally It should be understood that they can be integrated together in a single software product or packaged into multiple software products. Furthermore, other implementations are within the scope of the following claims. In some cases, the actions recited in the claims can be performed in a different order and achieve previously desirable results.

100 圧電超音波トランスデューサ
110 圧電層スタック
112 下部電極
114 上部電極
115 圧電層
120 空洞
130 機械層
160 半導体基板
200A PMUT
200B PMUT
200C PMUT
200D PMUT
210 圧電層スタック
212 下部電極
214 上部電極
215 圧電層
220 空洞
230 機械層
232 凹部
250 中立軸
260 基板
300 PMUT
310 圧電層スタック
312 下部電極
314 上部電極
315 圧電層
320i 空洞
320o 放出穴
330 機械層
350 中立軸
360 基板
370 アンカー構造
410 圧電層スタック
411 バリア層
412 下部電極
414 上部電極
414a 上部電極
414b 上部電極
415 圧電層
416 絶縁層
416a 電気ビア
416b 電気ビア
418 相互接続層
418a 電気トレースおよび電気接点
418b 電気接点
420 空洞
420i 空洞
420o 放出穴
422a 凹部
422b 凹部
425 犠牲層
425i 内側犠牲領域
425o 外側犠牲領域
430 機械層
430a 放出穴
432 パッシベーション層
432a 上部凹部、凹部
434a コンタクトパッド開口部またはビア
434b コンタクトパッド開口部またはビア
435a 上部電極層の部分
435b 下部電極層412の部分
470 アンカー構造
472 第1の層部分、酸化物バッファ層
474 アンカー部分
474i 小さい部分
476 薄いバリア層
476i 薄いバリア層476の部分
500A PMUT
500B PMUT
500C PMUT
510 圧電層スタック
512 下部電極層
514 上部電極層
515 圧電層
520 空洞
522 中央放出穴
530 機械層
530a 下部機械層
530b 上部機械層
550 中立軸
560 基板
570 アンカー構造
580 音響ポート
600 PMUT
600A PMUTアレイ
600B PMUTアレイ
600C PMUTアレイ
600D PMUTアレイ
600E PMUTアレイ
630 結合機械層
632 接着剤層
634 接着剤層
636 マイクロピラー
660 共通基板
690 プラテン
692 音響インピーダンス整合層
700 PMUT
710 圧電層スタック
720 空洞
722 中央放出穴
730 機械層
750 機械的中立軸
760 基板
770 アンカー構造
800 PMUT、円形PMUT、正方形PMUT、矩形PMUT
830 円形機械層
870 中央アンカー構造、周辺アンカー構造
870a 側面アンカー構造
870b 側面アンカー構造
1100A 超音波センサアレイ
1100B ディスプレイアレイ
1100C 超音波センサおよびディスプレイアレイ
1102 物体
1160 PMUTセンサアレイ基板
1160a センサアレイ基板
1160b ディスプレイアレイ基板
1162 PMUTセンサ要素
1164 超音波
1165 音響結合媒体
1165a 音響結合媒体
1165b 光学結合および音響結合媒体
1166 ディスプレイピクセル
1190a プラテン
1190b プラテン、カバーガラス
1190c カバーガラス
1275 ニッケル層
1276 犠牲層425の部分、シリサイド層
1300 プロセスフロー
1400 プロセスフロー
1500 プロセスフロー
1600 プロセスフロー
1700 プロセスフロー
DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 Piezoelectric ultrasonic transducer 110 Piezoelectric layer stack 112 Lower electrode 114 Upper electrode 115 Piezoelectric layer 120 Cavity 130 Mechanical layer 160 Semiconductor substrate 200A PMUT
200B PMUT
200C PMUT
200D PMUT
210 Piezoelectric layer stack 212 Lower electrode 214 Upper electrode 215 Piezoelectric layer 220 Cavity 230 Mechanical layer 232 Recessed portion 250 Neutral axis 260 Substrate 300 PMUT
310 Piezoelectric layer stack 312 Lower electrode 314 Upper electrode 315 Piezoelectric layer 320i Cavity 320o Release hole 330 Mechanical layer 350 Neutral axis 360 Substrate 370 Anchor structure 410 Piezoelectric layer stack 411 Barrier layer 412 Lower electrode 414 Upper electrode 414a Upper electrode 414b Upper electrode 415 b Layer 416 insulating layer 416a electrical via 416b electrical via 418 interconnect layer 418a electrical trace and electrical contact 418b electrical contact 420 cavity 420i cavity 420o discharge hole 422a recess 422b recess 425 sacrificial layer 425i inner sacrificial region 425o outer sacrificial region 430 mechanical layer 430a Hole 432 Passivation layer 432a Top recess, recess 434a Contact pad opening or via 434b Contact pad opening or via 435a Upper electrode layer portion 435b Lower electrode layer 412 portion 470 Anchor structure 472 First layer portion, oxide buffer layer 474 Anchor portion 474i Small portion 476 Thin barrier layer 476i Thin barrier layer 476 portion 500A PMUT
500B PMUT
500C PMUT
510 Piezoelectric layer stack 512 Lower electrode layer 514 Upper electrode layer 515 Piezoelectric layer 520 Cavity 522 Central discharge hole 530 Mechanical layer 530a Lower mechanical layer 530b Upper mechanical layer 550 Neutral axis 560 Substrate 570 Anchor structure 580 Acoustic port 600 PMUT
600A PMUT array 600B PMUT array 600C PMUT array 600D PMUT array 600E PMUT array 630 Bonding mechanical layer 632 Adhesive layer 634 Adhesive layer 636 Micro pillar 660 Common substrate 690 Platen 692 Acoustic impedance matching layer 700 PMUT
710 Piezoelectric layer stack 720 Cavity 722 Central exit hole 730 Mechanical layer 750 Mechanical neutral axis 760 Substrate 770 Anchor structure 800 PMUT, circular PMUT, square PMUT, rectangular PMUT
830 Circular mechanical layer 870 Central anchor structure, peripheral anchor structure 870a Side anchor structure 870b Side anchor structure 1100A Ultrasonic sensor array 1100B Display array 1100C Ultrasonic sensor and display array 1102 Object 1160 PMUT sensor array substrate 1160a Sensor array substrate 1160b Display array substrate 1162 PMUT sensor element 1164 Ultrasound 1165 Acoustic coupling medium 1165a Acoustic coupling medium 1165b Optical coupling and acoustic coupling medium 1166 Display pixel 1190a Platen 1190b Platen, cover glass 1190c Cover glass 1275 Nickel layer 1276 Part of sacrificial layer 425, silicide layer 1300 Process flow 1400 Process flow 150 Process flow 1600 process flow 1700 process flow

Claims (15)

基板と、
前記基板上に配置された多層スタックと
を備える圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサであって、前記多層スタックが、
前記基板上に配置されたアンカー構造と、
前記アンカー構造上に配置された圧電層スタックと、
前記圧電層スタックに近接して配置された機械層と
を含み、
前記圧電層スタックが、空洞上に配置されていて、前記空洞が、少なくとも1つの放出穴を介して犠牲材料を除去することによって形成されていて、前記機械層が、前記犠牲材料を除去した後に形成されていて、
前記機械層が、前記少なくとも1つの放出穴を封止することによって前記空洞を封止していて、前記圧電層スタックと一緒に、前記アンカー構造によって支持されていて、前記空洞上に膜を形成していて、前記膜が、前記圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサが超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成された、圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。
A substrate,
A piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer comprising a multilayer stack disposed on the substrate, the multilayer stack comprising:
An anchor structure disposed on the substrate;
A piezoelectric layer stack disposed on the anchor structure;
A mechanical layer disposed proximate to the piezoelectric layer stack,
The piezoelectric layer stack is disposed on a cavity, the cavity is formed by removing sacrificial material through at least one discharge hole, and the mechanical layer removes the sacrificial material Formed,
The mechanical layer seals the cavity by sealing the at least one discharge hole and is supported by the anchor structure together with the piezoelectric layer stack to form a film on the cavity A piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer, wherein the membrane is configured to receive one or both of flexural motion and vibration when the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer receives or transmits an ultrasonic signal.
前記機械層は、面外曲げモードを可能にするために、前記多層スタックの中立軸が前記圧電層スタックの中立軸に対して前記機械層に向かって変位するような厚さを有する、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The mechanical layer has a thickness such that a neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer relative to a neutral axis of the piezoelectric layer stack to allow an out-of-plane bending mode. 2. The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer according to 1. 前記機械層が、前記圧電層スタックよりも厚い、請求項2に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer of claim 2, wherein the mechanical layer is thicker than the piezoelectric layer stack. 前記多層スタックの中立軸が、前記機械層を通過する、請求項2に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。 The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer of claim 2, wherein a neutral axis of the multilayer stack passes through the mechanical layer. 前記圧電層スタックが、圧電層と、前記圧電層の下に配置された下部電極と、前記圧電層の上に配置された上部電極とを含む、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer according to claim 1, wherein the piezoelectric layer stack includes a piezoelectric layer, a lower electrode disposed below the piezoelectric layer, and an upper electrode disposed on the piezoelectric layer. . 前記機械層が、前記機械層が局所的に薄くされた凹部を含む、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer of claim 1, wherein the mechanical layer includes a recess in which the mechanical layer is locally thinned. 前記機械層が、前記基板と反対側の前記圧電層スタックの側の上に配置された、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer of claim 1, wherein the mechanical layer is disposed on the side of the piezoelectric layer stack opposite the substrate. 前記機械層が、前記基板に面する前記圧電層スタックの側の下に配置された、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer of claim 1, wherein the mechanical layer is disposed below the side of the piezoelectric layer stack facing the substrate. 前記圧電層スタックの上に配置された音響結合媒体をさらに備え、前記圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサが、前記音響結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成された、請求項1に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサ。   The acoustic coupling medium further disposed on the piezoelectric layer stack, wherein the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is configured to receive or transmit an ultrasonic signal via the acoustic coupling medium. A piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer according to 1. 圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサを製作する方法であって、
基板上にアンカー構造を形成するステップであって、前記アンカー構造が犠牲材料の領域に近接して配置される、ステップと、
前記アンカー構造上に圧電層スタックを形成するステップと、
前記圧電層スタックの下に空洞を形成するように前記犠牲材料を除去するステップと、
前記圧電層スタックに近接して機械層を配置するステップと
を備え、前記圧電層スタックおよび前記機械層が、多層スタックの一部を形成し、前記機械層、前記空洞を封止し、前記圧電層スタックと一緒に前記アンカー構造によって支持され、前記空洞の上に膜を形成し、前記膜が、前記圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサが超音波信号を受信または送信するとき、撓み運動と振動の一方または両方を受けるように構成され、
前記犠牲材料を除去するステップが、少なくとも1つの放出穴を通して犠牲材料を除去するステップを含み、前記機械層が、前記少なくとも1つの放出穴を封止する、方法。
A method of manufacturing a piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer,
Forming an anchor structure on a substrate, the anchor structure being disposed proximate to a region of sacrificial material;
Forming a piezoelectric layer stack on the anchor structure;
Removing the sacrificial material to form a cavity under the piezoelectric layer stack;
And a step of disposing a mechanical layer adjacent to the piezoelectric layer stack, the piezoelectric layer stack and the mechanical layer forms a part of a multilayer stack, wherein the mechanical layer is, sealing the cavity, wherein Supported by the anchor structure together with a piezoelectric layer stack and forming a film over the cavity, the film being deflected and vibrated when the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer receives or transmits an ultrasonic signal. Configured to receive one or both,
The method of removing the sacrificial material comprises removing sacrificial material through at least one discharge hole, and the mechanical layer seals the at least one discharge hole.
前記アンカー構造が、下部層内に配置され、前記下部層が、前記圧電層スタックと平行であり、前記犠牲材料の領域を含む、請求項10に記載の方法。   The method of claim 10, wherein the anchor structure is disposed in a lower layer, the lower layer being parallel to the piezoelectric layer stack and including a region of the sacrificial material. 前記機械層が、面外曲げモードを可能にするために、前記多層スタックの中立軸が前記圧電層スタックの中立軸に対して、前記機械層に向かって変位するような厚さを有する、請求項10に記載の方法。   The mechanical layer has a thickness such that a neutral axis of the multilayer stack is displaced toward the mechanical layer with respect to a neutral axis of the piezoelectric layer stack to enable an out-of-plane bending mode. Item 11. The method according to Item 10. 前記機械層が、前記圧電層スタックよりも厚い、請求項12に記載の方法。   The method of claim 12, wherein the mechanical layer is thicker than the piezoelectric layer stack. 前記多層スタックの中立軸が、前記機械層を通過する、請求項12に記載の方法。 The method of claim 12, wherein a neutral axis of the multilayer stack passes through the mechanical layer. 圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサセンサのアレイと、
音響結合媒体と
を備える装置であって、
少なくとも1つの圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサが、請求項1から9のいずれか一項に記載の圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサであり、
前記音響結合媒体が、前記圧電層スタックの上に配置されていて、
前記圧電マイクロメカニカル超音波トランスデューサが、前記音響結合媒体を介して超音波信号を受信または送信するように構成された、装置。
An array of piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer sensors;
An apparatus comprising an acoustic coupling medium,
The at least one piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer according to any one of claims 1 to 9,
The acoustic coupling medium is disposed on the piezoelectric layer stack;
The apparatus, wherein the piezoelectric micromechanical ultrasonic transducer is configured to receive or transmit an ultrasonic signal via the acoustic coupling medium.
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