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Hintergrund
der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung von feinst
bearbeiteten Ultraschalltransducern. Im Speziellen bezieht sich
diese Erfindung auf die Herstellung von Ultraschalltransducerfeldern
auf CMOS-Scheiben.
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Seit
Kurzem sind Halbleiterverfahren zum Herstellen von Ultraschalltransducern
eines als feinst bearbeitete Ultraschalltransducer (MUTs) bekannten Typs
verwendet worden, der von der kapazitiven (cMUT) oder der piezoelektrischen
(pMUT) Art sein kann. cMUTs sind winzige diaphragmaartige Vorrichtungen
mit Elektroden, die die Schallschwingungen eines empfangenen Ultraschallsignals
in eine modulierte Kapazität
umwandeln. Zum Senden wird die kapazitive Ladung moduliert, um das
Diaphragma der Vorrichtung in Schwingung zu versetzen und dadurch eine
Schallwelle auszusenden.
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Ein
Vorteil der MUTs besteht darin, dass sie unter Verwendung der Halbleiterherstellungsverfahren,
wie z.B. den unter dem Oberbegriff Mikrobearbeitung („micro-machining") zusammengefassten
Mikroherstellungsverfahren hergestellt werden können. Wie in US-Patent Nr.
6,359,367 erläutert
ist:
Mikrobearbeitung (micro machining) ist die Bildung mikroskopischer
Strukturen durch Verwendung einer Kombination oder Teilmenge aus
(a) musterbildenden Werkzeugen (allgemein Lithographie wie Maskenausrichtungselemente
oder Stepper) und (b) Aufdampfverfahren, wie z.B. PVD (Physikalisches
Aufdampfen), CVD (Chemisches Aufdampfen), LPCVD (Chemisches Niederdruckaufdampfen),
PECVD (Chemisches Plasmaaufdampfen) und (c) Ätzverfahren, wie z.B. nasschemischem Ätzen, Plasmaätzen, Ionenätzen, Sprühätzen oder
Laserätzen.
Mikrobearbeitung wird typischerweise auf Substraten oder Wafern
ausgeführt,
die aus Silizium, Glas, Saphir oder Keramik hergestellt worden sind.
Solche Substrate oder Wafer sind im Allgemeinen sehr flach und glatt und
weisen seitliche Ausdehnungen in Größenordnungen von Zoll (2,54
cm) auf. Sie werden üblicherweise
als Gruppen in Kassetten verarbeitet, so wie sie von Verarbeitungswerkzeug
zu Verarbeitungswerkzeug gelangen. Jedes Substrat kann vorteilhafteweise
(aber nicht notwendigerweise) zahlreiche Kopien des Produktes enthalten.
Es gibt zwei Gattungsarten von Mikrobearbeitung. 1) Bulkmikrobearbeitung,
bei der der Wafer oder das Substrat in einem großen Teil seiner Dicke bearbeitet
wird und 2) Oberflächenmikrobearbeitung,
bei der die Bearbeitung allgemein auf die Oberfläche beschränkt ist und speziell auf dünne aufgebrachte
Filme auf der Oberfläche. Die
hierin verwendete Definition der Mikrobearbeitung enthält die Verwendung
von konventionellem oder bekanntem zur Mikrobearbeitung geeigneten Material,
einschließlich
Silizium, Saphir, allen Typen von Glasmaterial, Polymeren (wie z.B.
Polyimid), Polysilizium, Siliziumnitrid, Siliziumoxynitrid, Dünnschichtmetallen
wie Aluminiumlegierungen, Kupferlegierungen und Wolfram auf Aufschleudergläsern (SOGs),
implantierbaren oder eindiffundierten Dotierstoffen und gewachsenen
Filmen wie z.B. Siliziumoxyden und -nitriden.
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Dieselbe
Definition der Mikrobearbeitung wird hierin übernommen. Die aus dem Mikrobearbeitungsverfahren
hervorgehenden Systemen werden typischerweise als „feinst
bearbeitete elektromechanische Systeme" (MEMS) bezeichnet.
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Die
cMUTs sind üblicherweise
sechseckige Strukturen, die eine über ihnen gespannte Membran aufweisen.
Diese Membran wird durch eine angelegte Vorspannung nahe bei der
Substratoberfläche
gehalten. Durch Anlegen eines oszillierenden Signals an den bereits
vorgespannten cMUT kann die Membran zum Schwingen veranlasst werden,
wodurch ihr das Abstrahlen von Schallenergie ermöglicht wird. Ebenso können die
hervorgerufenen Schwingungen auf dem cMUT als Spannungsänderungen
erkannt werden, wenn Schallwellen auf die Membran einfallen. Eine „cMUT-Zelle" ist der Ausdruck,
der hierin zum Beschreiben einer einzelnen der sechseckigen „Trommel"-Strukturen verwendet wird. Die cMUT-Zellen
können
sehr kleine Strukturen sein. Typische Zellenausdehnungen sind 25–50 μm von Seite
zu Seite in dem Sechseck. Die Ausdehnungen der Zellen sind in vieler
Hinsicht durch die beabsichtigten akustischen Antworten vorgegeben.
Es kann unmöglich
sein, größere Zellen
zu schaffen, die im Hinblick auf den gewünschten Frequenzgang und die
Empfindlichkeit immer noch gut funktionieren.
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Ultraschallsonden
sind auf Grundlage der cMUT-Technologie entworfen worden. In einem
bekannten Entwurf sind viele cMUT-Zellen zusammen gruppiert, und
die Elektroden der Zellen in einer einzelnen Gruppe sind miteinander
fest verdrahtet, um größere Transducerelemente
zu schaffen. Man kann noch größere Elemente,
z.B. lineare Elemente, durch elektri sches Verbinden der Elemente
(z.B. sogenannte „Unterelemente", die Gruppen von
fest verdrahteten cMUT-Zellen aufweisen), unter Benutzung eines
Schaltnetzwerkes bilden. Die größeren Elemente
können
durch Verändern
des Zustandes des Schaltnetzwerkes neu eingerichtet werden. Jedoch können die
aus nur einer Gruppe von cMUT-Zellen, die alle fest miteinander
verdrahtet sind, bestehenden Elemente nicht neu eingerichtet werden.
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Gemäß einem
vorgeschlagenen Aufbau weist jedes Element eine Vielzahl von sechseckigen, in
einem Bienenwabenmuster angeordneten MUT-Zellen mit den auf den
Membranen miteinander fest verdrahteten Elektroden auf. Der äußere Ring der
MUT-Zellen in jedem Element bildet ein weiteres Sechseck. Diese
Elemente können
neu eingerichtet werden, um unter Benutzung eines Schaltnetzwerkes
größere Elemente
zu bilden. Ein Feld solcher kleiner Elemente kann mit konventionellen
Metalloxydhalbleitern (CMOS)-Schaltern und Vorverstärker/Pufferschaltungen
auf einem Siliziumwafer integriert werden, um neu einrichtbare,
Strahlenbündel erzeugende
Elemente zu schaffen. Die MEMS-Technologie ermöglicht die Realisierung eines
zweidimensionalen cMUT-Feldes, das oben auf der CMOS-Elektronik
angeordnet ist.
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Gemäß einem
bekannten Herstellungsverfahren wird ein vorgefertigter CMOS-Wafer
vor dem Beginn des cMUT-Herstellungsverfahren geglättet. Der
CMOS-Wafer weist ein Feld von Zellen auf, wobei jede Zelle aus Schaltungselementen
zusammengesetzt ist, die verwendet werden, um dem ihnen zugeordneten
cMUT-Element lokal die erforderlichen Funktionen zur Verfügung zu
stellen. Verbindungen zwischen der Ebene der CMOS-Zellenmatrix und
der Ebene des cMUT-Elementenfeldes können vertikal hergestellt werden.
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Lithographie
wird typischerweise bei der Herstellung von MEMS-Einrichtungen genutzt.
Das Verfahren umfasst typischerweise die Übertragung eines Musters auf
ein lichtempfindliches Material, in dem ausgewählte Flächen einer Quelle von Strahlung,
wie z.B. Licht, ausgesetzt werden. Das lichtempfindliche Material
erfährt
eine Änderung
seiner physikalischen Eigenschaften, wenn es der Strahlung ausgesetzt
ist. Typischerweise wird eine Maske verwendet, die dem Licht das
Durchdringen und Einfallen nur auf ausgewählten Bereichen des lichtempfindlichen
Materials erlaubt. Bei der Lithographie zur Mikrobearbeitung ist
das lichtempfindliche Material typischerweise ein Material (z.B.
ein Fotolack), dessen chemische Widerstandsfähigkeit gegenüber einer
Entwicklerlösung
sich ändert,
wenn es Strahlung einer speziellen Wellenlänge ausgesetzt ist. Die Entwicklerlösung wird
verwendet, um eine der beiden Bereiche (belichtet oder unbelichtet)
weg zu ätzen. Eine
lichtempfindliche Schicht kann beim Ätzen einer darunter liegenden
Schicht als zeitweilige Maske verwendet werden, so dass das Muster
auf die darunter liegende Schicht übertragen werden kann. Die
lichtempfindliche Schicht kann auch als eine Schablone zur Bildung
von Mustern aus aufgebrachtem Material verwendet werden.
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Bei
der Herstellung von MEMS-Vorrichtungen müssen die verschiedenen Schichten
der hergestellten Struktur aufeinander ausgerichtet werden. Jede
Maske sollte Bezugs- z.B. Ausrichtungsmarken aufweisen, die an den
entsprechenden Bezugsmarken auf den zuvor mit einem Muster versehenen Schichten
ausgerichtet werden, so dass die entsprechende Schicht mit den anderen
Schichten eingetragen werden kann. Die Ausrichtungsmarke auf einer Maske
kann auf den Wafer übertragen
werden, um das Ausrichten einer Ausrichtungsmarke auf einer folgenden
Maske an der Ausrichtungsmarke auf dem Wafer zu erlauben.
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Die
Maskenerstellung beinhaltet typischerweise den Entwurf und die Übertragung
des Musters auf die Maske. Der Ausdruck „Entwurf" (Layout) bezieht sich auf den Vorgang
des Festlegens des auf der Maske erscheinenden Musters, der der
Reihe nach die Geometrie der hergestellten Vorrichtung festlegt.
Der Entwurf wird typischerweise an einem graphischen Editor ausgeführt, der
eine Schichten von Mustern enthaltende Datei bearbeitet. Jede Schicht
stellt eine entsprechende Maske dar. Der Entwurfseditor erlaubt
dem Benutzer alle Schichten zusammen oder ausgewählte Schichten anzuzeigen und
zu editieren. Das beim Entwurf festgelegte Muster muss danach auf
eine optisch undurchlässigen Maskenbeschichtung
auf einem optisch durchlässigen
Maskensubstrat übertragen
werden.
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Um
oben auf einer CMOS-Schicht eine cMUT-Schicht anzufertigen, muss
unter Benutzung eines konventionellen Entwurfseditors eine geeignete
Maske erstellt werden. Im Falle eines Bienenwabenmusters von sechseckigen
cMUT-Elementen existieren drei natürliche Symmetrieachsen, die
im Winkel von 60° relativ
zueinander angeordnet sind. Der natürliche Weg, in diesem Koordinatensystem Signal-
und Steuerleitungen zu führen,
verläuft
entlang der Symmetrieachsen. In einem rechtwinkligen Feld eines
CMOS-Bausteins stehen die natürlichen Symmetrieachsen
senkrecht aufeinander. In diesem Fall verläuft der natürliche Weg, Signal- und Steuerleitung
zu führen,
entlang einer der orthogonalen Achsen. Obwohl in den Standard-CMOS-Verfahren nicht
orthogonale Leitungen geführt
werden können, kann
dies das Aufkommen an Schäden
erhöhen
und erschwert die Maskenherstellung. Wenn in einem hexagonalen oder
Bienenwabengitter angeordnete cMUT-Elemente auf in einem rechtwinkligen
Gitter angeordneten CMOS-Elementen integriert werden, treten Nichtübereinstimmungen
der Einheitselemente auf.
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Es
besteht Bedarf an Verfahren zum Ausrichten eines hexagonalen Gitters
der cMUT-Elemente an einem rechtwinkligen Gitter der CMOS-Zellen während der
Mikrobearbeitung. Speziell muss jedes sechseckige cMUT-Element zu
der entsprechenden rechteckigen CMOS-Zelle passen.
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Kurze Beschreibung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist zum Teil auf eine integrierte Schaltung
gerichtet, die ein feinst bearbeitetes hexagonales Feld von cMUT-Elementen oben
auf einem ein hexagonales Feld von CMOS-Zellen aufweisenden Substrat
aufweist, und zum Teil auf Verfahren zum Ausrichten der entsprechenden
Felder gerichtet, so dass jedes cMUT-Element in einer Eins-zu-eins-Zuordnung über einer
entsprechenden CMOS-Zelle liegt. Während des Entwurfs der Maske
für die
Mikrobearbeitung der cMUT-Schicht wird entweder das hexagonale Muster oder
ein Ausrichtungsanzeiger gedreht, bis eine Symmetrieachse des hexagonalen
Musters an der Achse des Ausrichtungsanzeiger ausgerichtet ist. Wenn
die Maske später
dem CMOS-Substrat überlagert
wird, wird der Ausrichtungsanzeiger auf der Maske an einem Ausrichtungsanzeiger
auf dem Substrat ausgerichtet. Dies stellt sicher, dass die durch
optische Lithographie gebildeten cMUT-Elemente zu den CMOS-Zellen
passen werden.
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Eine
Ausführungsform
der Erfindung ist ein Ausrichtungsverfahren, das folgende Schritte
aufweist:
- a) Entwerfen eines Musters, das eine
hexagonale Anordnung von Symmetrieachsen aufweisenden cMUT-Elementen
darstellt, wobei das entworfene Muster eine erste Menge graphischer
Daten aufweist.
- b) Verarbeiten der ersten Menge graphischer Daten zum Drehen
des Musters um einen vorbestimmten Winkel rela tiv zu einem festen
rechtwinkligen Referenzrahmen, der zwei aufeinander senkrecht stehende
Achsen aufweist, wobei der vorbestimmte Winkel so gewählt wird,
dass eine Symmetrieachse der hexagonalen Anordnung der sechseckigen
cMUT-Elemente an einer Achse eines ersten festen, rechtwinkligen
Referenzrahmens ausgerichtet ist.
- c) Entwerfen eines ersten Ausrichtungsanzeigers, der eine an
einer Achse des ersten festen rechtwinkligen Referenzrahmens ausgerichtete
Achse aufweist, wobei der entworfene Ausrichtungsanzeiger eine zweiten
Menge graphischer Daten aufweist.
- d) Übertragen
des gedrehten Musters und des ersten Ausrichtungsanzeigers auf eine
Maske und
- e) Platzieren der Maske auf einem Substrat, das eine hexagonale
Anordnung von entsprechend an den Achsen eines zweiten festen, rechtwinkligen Referenzrahmens
ausgerichtete Symmetrieachsen aufweisenden CMOS-Zellen aufweist
und das einen zweiten Ausrichtungsanzeiger aufweist, der eine an
einer Achse des zweiten festen rechtwinkligen Referenzrahmens ausgerichtete
Achse aufweist, wobei die Maske so angeordnet ist, dass der erste
Ausrichtungsanzeiger an dem zweiten Ausrichtungsanzeiger ausgerichtet
ist.
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Eine
andere Ausführungsform
der Erfindung ist ein Ausrichtungsverfahren das folgende Schritte enthält:
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- a) Entwerfen eines Musters, das eine hexagonale Anordnung
von Symmetrieachsen aufweisenden cMUT-Elementen darstellt, wobei
das entworfene Muster eine erste Menge graphischer Daten aufweist.
- b) Entwerfen eines ersten Ausrichtungsanzeigers, der eine Achse
aufweist, wobei der entworfene Ausrichtungsanzeiger eine zweiten
Menge graphischer Daten aufweist.
- c) Verarbeiten der zweiten Menge graphischer Daten zum Drehen
des ersten Ausrichtungsanzeigers um einen vorbestimmten Winkel relativ
zu den Symmetrieachsen, wobei der vorbestimmte Winkel so gewählt wird,
dass die Achse des ersten Ausrichtungsanzeigers an einer der Symmetrieachsen
der hexagonalen Anordnung der sechseckigen cMUT-Elemente ausgerichtet
ist.
- d) Übertragen
des Musters und des gedrehten ersten Ausrichtungsanzeigers auf eine
Maske und
- e) Platzieren der Maske auf einem Substrat, das eine hexagonale
Anordnung von entsprechend an den Achsen eines zweiten festen, rechtwinkligen Referenzrahmens
ausgerichtete orthogonale Symmetrieachsen aufweisenden CMOS-Zellen aufweist und
das einen zweiten Ausrichtungsanzeiger aufweist, der eine an einer
Achse des zweiten festen rechtwinkligen Referenzrahmens ausgerichtete
Achse aufweist, wobei die Maske so angeordnet ist, dass der erste
Ausrichtungsanzeiger an dem zweiten Ausrichtungsanzeiger ausgerichtet
ist.
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Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung ist eine integrierte Schaltung, die aufweist: Ein
eine hexagonale Anordnung von CMOS-Zellen aufweisendes Substrat
und eine hexagonale Anordnung von cMUT-Elementen, bei der jedes
feinst bearbeitete Element in einer Eins-zu-eins-Zuordnung über einer
entsprechenden CMOS-Zelle liegt.
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Noch
eine andere Ausführungsform
der Erfindung ist eine integrierte Schaltung, die aufweist: Ein
eine hexagonale Anordnung von CMOS-Zellen aufweisendes Substrat
und eine hexagonale Anordnung von cMUT-Elementen, bei der jedes
cMUT-Element in
einer Eins-zu-eins-Zuordnung über
einer entsprechenden CMOS-Zelle liegt.
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Andere
Formen der Erfindung werden unten offenbart und beansprucht.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 zeigt
eine Schnittansicht einer typischen cMUT-Zelle.
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2 zeigt
eine isometrische Ansicht der in 1 gezeigten
cMUT-Zelle.
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3 zeigt
eine isometrische Ansicht eines hexagonalen cMUT-Elements, das oben
auf einer rechteckigen Zelle von integrierter Elektronik gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung angeordnet ist. Benachbarte Elemente und Zellen sind
nicht dargestellt.
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4 zeigt
eine Draufsicht auf ein hexagonales Feld von sechseckigen cMUT-Elementen
mit den drei natürlichen überlagerten
Symmetrieachsen.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf ein hexagonales Feld von rechteckigen CMOS-Zellen
mit zwei überlagerten
orthogonalen oder rechtwinkligen Symmetrieachsen.
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6 zeigt
einen Entwurf für
ein hexagonales Feld von sechseckigen cMUT-Elementen, das relativ
zu einem Ausrichtungsanzeiger algorithmisch gedreht worden ist.
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7 zeigt
die Ausrichtung einer Maske, die ein Muster für ein hexagonales Feld von
sechseckigen cMUT-Elementen
aufweist, an einem hexagonalen Feld von rechteckgien CMOS-Zellen.
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8 zeigt
einen Entwurf für
ein hexagonales Feld von sechseckigen cMUT-Elementen und für einen
Ausrichtungsanzeiger, der relativ zu den Symmetrieachsen des hexagonalen
Feldes algorithmisch gedreht worden ist.
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Es
wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen ähnliche
Elemente in unterschiedlichen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen
sind.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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Indem
auf 1 Bezug genommen wird, ist eine typisch cMUT-Transducerzelle 2 im
Schnitt dargestellt. Ein Feld solcher cMUT-Transducerzellen wird
typischerweise auf einem Substrat 4, wie. z.B. einem hochdotierten
Silizium-(daher halbleitenden) Wafer, hergestellt. Bei jeder cMUT-Transducerzelle ist
eine dünne
Membran oder ein Diaphragma 8, das aus Siliziumnitrid hergestellt
worden sein kann, über dem
Substrat 4 gespannt. Die Membran 8 wird an ihrem
Rand von der isolierenden Auflage 6 gehalten, die aus Siliziumoxyd
oder Siliziumnitrid hergestellt sein kann. Der Hohlraum 24 zwischen
der Membran 8 und dem Substrat 4 kann luft- oder
gasgefüllt
oder ganz oder teilweise evakuiert sein. Ein Film oder eine Schicht
aus leitfähigem
Material, wie z.B. einer Aluminiumlegierung oder anderem geeigneten
leitfähigen
Material, bildet eine Elektrode 132 auf der Membran 8,
und ein anderer aus einem leitfähigen
Material hergestellter Film oder Schicht bildet eine Elektrode 10 auf
dem Substrat 4. Alternativ kann die untere Elektrode durch
eine geeignete Dotierung des Substrates gebildet werden.
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Passend
zu dem Mikrometer-Größenordnungen
eines typischen cMUT werden typischerweise zahlreiche cMUT-Zellen
in großer
Nähe hergestellt,
um ein einzelnes Transducerelement zu bilden. Die einzelnen Zellen
können
eine runde, rechteckige, sechseckige oder andere äußere Form
aufweisen. Eine cMUT-Zelle, die eine sechseckige Form aufweist,
ist in 2 dargestellt. Sechseckige Formen erlauben eine
dichte Packung der cMUT-Zellen auf einem Transducerelement. Die
cMUT-Zellen können unterschiedliche
Größe haben,
so dass das Transducerelement eine zusammengesetzte Kennlinie von verschiedenen
Zellengrößen aufweisen
wird, die dem Transducer eine Breitbandcharakteristik gibt.
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Jedes
Transducerelement in einer typischen cMUT-Vorrichtung ist aus vielen
cMUT-Zellen zusammengesetzt. Zum Zweck der Darstellung zeigt 3 ein „Daisy"-Transducerelement
(in „Gänseblümchen"-Form), das aus sieben
sechseckigen cMUT-Zellen 2 aufgebaut ist: Einer zentralen
Zelle, die von einem Ring aus sechs Zellen umgeben ist, wobei jede
Zelle des Ringes an eine entsprechende Seite der zentralen Zelle
und der benachbarten Zellen in dem Ring angrenzt. Die oberen Elektroden 12 aller
Zellen 2 sind zusammen fest verdrahtet. Im Fall des hexagonalen
Feldes sind sechs Leiter 14 (dargestellt sowohl in 2 als
auch in 3) von der oberen Elektrode 12 auswärts gerichtet
und sind entsprechend mit den oberen Elektroden der benachbarten cMUT-Zellen
(außer
im Fall der Zellen am Rand, die mit drei, nicht mit sechs anderen
Zellen verbunden sind), verbunden. In ähnlicher Weise sind die unteren Elektroden 10 jeder
Zelle 2 elektrisch verbunden, wodurch ein sieben mal stärkeres kapazitives
Transducerelement 40 gebildet wird. In einer Ultraschallsonde,
in der sechseckige cMUT-Elemente 16 in einem hexagonalen
Muster angeordnet sind, existieren, wie in 4 dargestellt,
drei natürliche
Symmetrieachsen X1, X2 und X3. Diese Achsen bilden ein Koordinatensystem,
dass das Feld kennzeichnet. Der natürliche Weg, in diesem Koordinatensystem
Signal- und Steuerleitungen zu führen,
verläuft
entlang der Symmetrieachsen, weil sie dann, wie dargestellt, gerade,
ununterbrochene Linien sind. In einem CMOS-Baustein, der rechteckige
in einem rechtwinkligen Gitter angeordnete CMOS-Zellen aufweist, sind die natürlichen
Symmetrieachsen orthogonal und bilden nicht eine Linie mit den Symmetrieachsen
des hexagonalen Gitters. Auch die CMOS-Zellen des rechtwinkligen
Gitters können
wegen der ihnen eigenen Unterschiede in der Geometrie nicht an die cMUT-Elemente
des hexagonalen Gitters angepasst werden.
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Gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung wird das vorhergehende Problem durch die Schaffung
eines hexagonalen Gitters aus hexagonalen cMUT-Elementen oben auf
einem hexagonalen Gitter aus rechteckigen CMOS-Zellen gelöst. Ein
Beispiel für
ein hexagonales Gitter aus rechteckigen CMOS-Zellen 18, die die orthogonalen
Achsen X und Y aufweisen, ist in 5 gezeigt.
Das hexagonale Muster wird durch Versetzen jeder zweiten Spalte
um eine Strecke erreicht, die gleich der Hälfte der Zellenlänge in der
Spaltenrichtung ist. Die Längen
und Breiten der rechteckigen CMOS-Zellen werden so gewählt, dass
die Abstände
zwischen den Zentren zweier Rechtecke entlang jeder Diagonalen gleich dem
Abstand zwischen den Zentren der zwei über diesen CMOS-Zellen liegenden
hexagonalen cMUT-Elemente sind.
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Das
cMUT-Feld wird durch Verwendung optischer Lithographie hergestellt.
Jede Schicht in der feinst bearbeiteten Struktur erfordert ihre
eigene Maske. Jede Maske hat eine Beschichtung mit einem geometrischen
Muster zum Bilden der in 4 gezeigten Struktur, z.B. einem
Bienenwaben- oder hexagonalen Muster aus sechseckigen Transducerelementen, wobei
jedes Transducerelement aus einem aus sieben sechseckigen cMUT-Zellen
bestehenden „Daisy"-Muster gebildet
wird. Während
des Entwurfs der Maske müssen
Schritte ausgeführt
werden, um sicherzustellen, dass das geometrische Muster auf jeder
Maske richtig an dem CMOS-Substrat ausgerichtet ist, das feinst
bearbeitet werden soll. Alle Masken werden an denselben Referenzachsen
ausgerichtet und alle von diesen werden so gedreht, wie es zum Ausrichten
an dem CMOS-Bauelement
erforderlich ist.
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Wie
hierin offenbart, können
verschiedene Verfahren angewandt werden, um sicherzustellen, dass
die hexagonal angeordneten hexagonalen cMUT-Elemente in der schließlich hergestellten Struktur
mit den hexagonal angeordneten rechteckigen CMOS-Zellen zusammenpassen.
Zwei Verfahren sind offenbart worden, un eine richtige Ausrichtung
der cMUT- und CMOS-Schichten sicherzustellen. Jedoch sollte das
am besten geeignete Verfahren auf der Grundlage des verfügbaren Herstellungsverfahrens
gewählt
werden.
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Gemäß dem hierin
offenbarten Verfahren, sind die CMOS-Zellen, wie in 5 dargestellt, rechteckig
und um eine halbe Zellenhöhe
versetzt. Dieser Versatz ist einfach zu erreichen. In dieser Anordnung
können
Leitungen einfach entlang der rechtwinkligen Gitterachsen geführt werden.
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Gemäß einem
ersten in 6 dargestellten Verfahren der
Erfindung wird die hexagonale Referenzebene (X1, X2, X3) relativ
zu der rechtwinkligen Referenzebene (Xm,
Ym) gedreht, die in dem cMUT-Entwurfseditor
verwendet wird. Diese Rotation wird während des Entwurfs algorithmisch
durch Bearbeitung der Ecken der hexagonalen cMUT-Elemente erreicht.
Genauer wird die Rotation erreicht, indem berechnet wird, welches
die neuen Koordinaten jeder Ecke sind, wenn das geometrische Muster um
eine bestimmte Gradzahl von den Originalachsen weggedreht wird.
Zusätzlich
werden zahlreiche Ausrichtungsanzeiger 20 (nur einer von
ihnen ist in 6 dargestellt) als Teil des
Musters auf der Maske gebildet. In dem dargestellten Beispiel weist
jeder Ausrichtungsanzeiger 20 zwei sich rechtwinklig schneidende
gerade Linien auf, die parallel zu den entsprechenden Achsen Xm und Ym der Referenzebenen
liegen.
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Nachdem
die Entwurfsmasken einmal auf diese Weise erzeugt worden sind, ist
das Anpassen der hexagonalen cMUT-Zentren an das in 5 dargestellte
versetzte CMOS-Muster einfach und in 7 dargestellt.
Viele Ausrichtungsanzeiger 20 auf der Maske zum Bilden
des Musters der cMUT-Schicht müssen
entsprechend an zahlreichen auf dem CMOS-Substrat gebildeten Ausrichtungsanzeigern 22 ausgerichtet
werden. Noch einmal: In 7 ist nur jeweils einer der
Ausrichtungsanzeiger 20 und 22 dargestellt. Der
unterste Abschnitt der 7 stellt die über dem
CMOS-Substrat liegende cMUT-Maske
dar, wobei die hexagonalen Muster auf der Maske korrekt an den rechteckigen
CMOS-Zellen in dem Substrat ausgerichtet sind. In dieser Lagebeziehung
werden die Ausrichtungsanzeiger 20 oben auf die entsprechenden
Ausrichtungsanzeiger 22 überlagert. Bei dem speziellen
in 7 dargestellten Beispiel ist der überdeckte
Ausrichtungsanzeiger 22 nicht sichtbar, weil er unter dem
Ausrichtungsanzeiger 20 liegt. Jedoch wird ein Fachmann
einsehen, dass die Ausrichtungsanzeiger typischerweise so angelegt
sind, dass der Ausrichtungsanzeiger 20 auf der Maske in
den Ausrichtungsanzeiger 22 auf der Scheibe passt und beides
Ausrichtungsanzeiger während
der Ausrichtung sichtbar sein können.
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Gemäß einem
zweiten in 8 dargestellten Verfahren der
Erfindung wird die hexagonale Referenzebene (X1, X2, X3) entworfen,
wie es in dem cMUT-Entwurfseditor am zweckmäßigsten ist. Innerhalb diese
Editors werden eine Vielzahl von Maskenausrichtungsanzeigern 20 (nur
einer von ihnen ist in 8 zu sehen) hinzugefügt, die
um den Anpassungswinkel gedreht werden. Das bedeutet, dass die X-Achse
des Ausrichtungsanzeigers 20 zu der X3-Achse in der cMUT-Ebene
parallel ist. Während der
Herstellung der cMUTs werden die Masken gedreht und relativ zu ähnlichen,
auf der CMOS-Scheibe angeordneten Ausrichtungsanzeigern ausgerichtet.
Auf diese Weise ist das in 5 dargestellte
Anpassen der hexagonalen cMUT-Zentren an das versetzte CMOS-Muster
einfach. Das Endergebnis wird wieder die in 7 dargestellte
Struktur sein.
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Daher
wird gemäß des ersten
offenbarten Verfahren der cMUT-Referenzrahmen während des Maskenentwurfs durch
Entwerfen der unter Berücksichtigung
eines rechtwinkligen Referenzgitters in der cMUT-Ebene zu drehenden
hexagonalen cMUT-Achsen
gedreht, während
gemäß des zweiten offenbarten
Verfahrens der cMUT-Referenzrahmen während der Lithographie durch
Drehen der Maskenbelichtung relativ zur CMOS-Bezugsebene unter Verwendung
von auf dem CMOS-Element angeordneten Bezugsmarken gedreht wird.
Bei beiden Verfahren enthält
das CMOS-Substrat abwechselnd um eine halbe Länge versetzte Spalten von CMOS-Zellen, um
sich in einer Linie mit den gedrehten cMUT-Zellen anzuordnen.
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Die
mit den vorangehenden Ausrichtungsverfahren erzielen Vorteile sind
vielfältig:
1. Der Bedarf an Leitungen, die in der CMOS-Schicht nicht rechtwinklig
verlaufen, wird beseitigt, wodurch der Maskenentwurf in den CMOS-Zellen
vereinfacht wird. 2. Diese Verfahren eignen sich für rechteckige CMOS-Zellen,
die einheitlich angeordnet sind, was den Maskenentwurf für die lithographische
Herstellung der CMOS-Zellen
vereinfacht. 3. Diese Verfahren erlauben die Anwendung rechtwinkliger
Entwurfsvorschriften in der CMOS-Lithographie, was der Standard
ist (von nicht rechtwinkligen Layout-Vorschriften wird von den Halbleiterherstellern
oft abgeraten). 4. die Möglichkeit
von Ausbeuteverlusten durch fehlerhaft erstellte Leitungen, die
nicht rechtwinklig sind, wird beseitigt und 5. Diese Verfahren eignen
sich zum präzisen
Anpassen rechteckiger CMOS-Zellen an sechseckige cMUT-Zellen.
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Die
offenbarten Ausrichtungsverfahren sind nicht auf die Verwendung
mit cMUTs beschränkt, sondern
können
ebenfalls beim Herstellen eines Feldes von hexagonalen feinst bearbeiteten
Einrichtungen oben auf einem zugeordneten Feld rechtwinkliger elektronischer
Zellen angewandt werden.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben
worden ist, wird von Fachleuten verstanden, dass verschiedene Änderungen
vorgenommen werden und Äquivalente für ihre Elemente
eingesetzt werden können,
ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Zusätzlich können viele
Veränderungen
vorgenommen werden, um eine spezielle Situation an die Lehren der
Erfindung anzupassen, ohne deren wesentlichen Bereich zu verlassen.
Daher ist es beabsichtigt, dass die Erfindung nicht auf die spezielle,
als bester Weg zum Ausführen
der Erfindung angesehene, offenbarte Ausführungsform beschränkt ist,
sondern die Erfindung umfasst alle Ausführungsformen, die in den Schutzbereich
der folgenden Ansprüche
fallen.
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Eine
integrierte Schaltung wird durch Feinstbearbeitung eines hexagonalen
Feldes von cMUT-Elementen oben auf einem ein hexagonales Feld von
CMOS-Zellen aufweisenden Substrat hergestellt. Jedes cMUT-Element
liegt in einer Eins-zu-eins-Zuordnung über einer
entsprechenden CMOS-Zelle. Während
des Entwurfs der Maske für die
Feinstbearbeitung der cMUT-Schicht
wird entweder das hexagonale Muster oder der Ausrichtungsanzeiger
gedreht, bis eine Symmetrieachse des hexa gonalen Musters an einer
Achse des Ausrichtungsanzeigers ausgerichtet ist. Wenn die Maske
auf das CMOS-Substrat übertragen
worden ist, wird später der
Ausrichtungsanzeiger auf der Maske an einem Ausrichtungsanzeiger
auf dem Substrat ausgerichtet. Dies stellt sicher, dass die durch
optische Lithographie gebildeten cMUT-Elemente zu den CMOS-Zellen
passen.