DE102021105742A9

DE102021105742A9 - Ultraschallwandler mit hoher bandbreite mit metallischer rückschicht und verfahren zur herstellung

Info

Publication number: DE102021105742A9
Application number: DE102021105742.6A
Authority: DE
Inventors: James M. Chwalek; Todd A. Jackson
Original assignee: Ascent Ventures LLC
Current assignee: Ascent Ventures LLC
Priority date: 2020-03-12
Filing date: 2021-03-10
Publication date: 2022-09-01
Also published as: US20210283656A1; DE102021105742A1

Abstract

Ein Ultraschallwandler enthält ein Verzögerungsleitungssubstrat, ein piezoelektrisches Element, eine leitende Metallschicht zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Element und eine auf dem piezoelektrischen Element aufgebrachte Stützschicht. Das Verzögerungsleitungssubstrat und das piezoelektrische Element sind akustisch miteinander verbunden und so konfiguriert, dass sie Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in das Verzögerungsleitungssubstrat oder vom Verzögerungsleitungssubstrat in das piezoelektrische Element einkoppeln. Die Trägerschicht enthält einen Metallfilm, der Metallfilm hat eine Dicke und eine akustische Impedanz, und die Dicke und die akustische Impedanz haben jeweils einen Wert, der ausreicht, um eine akustische Dämpfung bereitzustellen. Die Trägerschicht hat eine im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit einer im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie.

Description

QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 12. März 2020 eingereichten US-Patentanmeldung 62/988,742 mit dem Titel „High Bandwidth Ultrasonic Transducer with Metal Backing Layer and Method of Fabrication“ (Ultraschallwandler mit hoher Bandbreite mit metallischer Rückschicht und Verfahren zur Herstellung).
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Ultraschallwandler, insbesondere auf metallische Trägerschichten für Hochfrequenzwandler und Verfahren zu deren Herstellung.
Bei der Ultraschallprüfung von Materialien wird ein Ultraschallwandler verwendet, um eine Ultraschallstimulationswelle in ein Prüfmaterial einzuleiten und die übertragenen oder reflektierten Ultraschallwellen zur Analyse zu erfassen. Die Ultraschallanregungswellen können entweder Druck- oder Scherwellen sein. Üblicherweise werden zwei Ultraschallwandler verwendet, wobei ein erster Wandler die Reizwellen einleitet und ein zweiter Wandler die reflektierten oder übertragenen Wellen detektiert. Es ist auch üblich, dass ein einziger Schallwandler sowohl für die Einleitung der Reizwellen als auch für die Erfassung der reflektierten Wellen verwendet wird. Es ist auch üblich, dass solche Wandler eine Ultraschallverzögerungsleitung verwenden, um eine vorbestimmte Zeitverzögerung zwischen den Stimulationswellen und den reflektierten Wellen einzuführen. Meistens handelt es sich bei den Stimulationswellen um Wellen mit hoher Energie, während die reflektierten Wellen im Vergleich zu den Stimulationswellen aufgrund einer Reihe von Energieverlustmechanismen, wie z.B. Teilreflexionen von mehreren Oberflächen, Streuung und Absorption, stark abgeschwächt sind. Die Notwendigkeit, die reflektierten Wellen genau zu messen, indiziert die Verwendung eines sehr empfindlichen Empfängers mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis. Als solches kann das Stimulationssignal die empfindliche Empfängerelektronik leicht sättigen, und dieser Sättigung wird mit einer Zeitverzögerung zwischen den Stimulationssignalen und den reflektierten Wellen begegnet, um eine ausreichende Erholung der Empfängerelektronik zu ermöglichen. U.S. Patent Nr. 5,777,230 von Vandervalk mit dem Titel „DELAY LINE FOR AN ULTRASONIC PROBE AND METHOD OF USING SAME“ (Verzögerungsleitung für einen Ultraschallwandler und Verfahren zur Verwendung desselben), erteilt am 7. Juli 1998, offenbart einen Ultraschallwandler mit einer Verzögerungsleitung, die akustisch mit dem Wandler gekoppelt ist, so dass Ultraschallschwingungen in die Verzögerungsleitung vom Wandler in einer ersten Richtung übertragen werden können. Die Verzögerungsleitung enthält einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt, die eine im Wesentlichen senkrecht zur ersten Richtung verlaufende Grenzfläche bilden. Der zweite Abschnitt enthält eine Oberfläche zur Kopplung mit einem zu untersuchenden Material.
1 ist ein Querschnitt eines repräsentativen Verzögerungsleitungswandlers 8. Die Verzögerungsleitung 10 ist akustisch an einen Ultraschall-Reizwellengenerator, wie z.B. ein piezoelektrisches Element 12, gekoppelt. Die Verzögerungsleitung 10 wird typischerweise unter Verwendung einer ausreichenden Dicke eines festen Materials (basierend auf der Schallgeschwindigkeit des festen Materials), wie z.B. verschiedener Gläser oder Kunststoffe, hergestellt. Bei niederfrequenten Schallwandlern kann das piezoelektrische Element 12 gegen die Verzögerungsleitung 10 gedrückt werden, um die Verzögerungsleitung 10 und das piezoelektrische Element 12 zu koppeln. Um diese Kopplung zu verbessern und eventuelle Oberflächenungleichmäßigkeiten zwischen der Verzögerungsleitung 10 und dem piezoelektrischen Element 12 abzumildern, kann eine Flüssigkeit wie Wasser oder Glyzerin (nicht dargestellt) als Zwischenprodukt verwendet werden. Mit zunehmender Frequenz und abnehmenden Wellenlängen reicht die Kopplung zwischen der Verzögerungsleitung 10 und dem piezoelektrischen Element 12 nicht mehr aus, um eine leistungsstarke Kopplung zu erreichen. Oft wird in diesem Fall ein dünner Klebstoff 14 verwendet, um das piezoelektrische Element 12 mit der Verzögerungsleitung 10 zu verbinden. Die erste leitende Elektrode 16 und die zweite leitende Elektrode 18 ermöglichen das Anlegen einer Stimulierspannung zur Anregung des piezoelektrischen Materials 12. Der elektrische Kontakt zu diesen leitenden Elektroden 16, 18 wird über einen Draht 20 zur zweiten leitenden Elektrode und einen elektrischen Pfad (nicht dargestellt) von der ersten leitenden Elektrode 16 zu einem elektrisch leitenden Gehäuse 24 hergestellt. Der elektrische Pfad kann z.B. durch einen Ring aus elektrisch leitfähigem Epoxid 22 verlaufen. Ein externer elektrischer Anschluss erfolgt über einen entsprechenden Stecker 26, der am Gehäuse 24 angebracht ist.
Es ist üblich, den Betrieb des vibrierenden piezoelektrischen Materials 12 so zu betrachten, dass ausbreitende akustische Wellen sowohl in Vorwärtsrichtung, d.h. in Richtung der Verzögerungsleitung 10, als auch in Rückwärtsrichtung, d.h. in Richtung der Trägerschicht 28, ausgesendet werden. Die Trägerschicht 28 dient sowohl zur Dämpfung des schwingenden piezoelektrischen Materials 12 als auch zur Streuung und Absorption der rückwärtslaufenden Welle. Die Stützschicht 28 kann bei richtiger Konfiguration ein kurzes Zeitverhalten und eine hohe Bandbreite ermöglichen, was zu einem hochauflösenden Wandler 8 führt. Solche Aufnehmer sind besonders nützlich bei der zerstörungsfreien Prüfung und der Schichtdickenmessung. Die hohe akustische Impedanz vieler piezoelektrischer Hochleistungsmaterialien motiviert die Verwendung einer hochohmigen Trägerschicht, wenn ein kurzes Zeitverhalten gewünscht ist. Typischerweise besteht die Trägerschicht aus einem Epoxid, das mit kleinen, dichten Metallpartikeln, wie Silber oder Wolfram, imprägniert ist. Die im Vergleich zur Wellenlänge der im Schallwandler 8 erzeugten akustischen Wellen kleinen Partikel der Trägerschicht ermöglichen eine hohe akustische Impedanz und damit ein hohes Maß an Dämpfung, während die rückwärts laufende akustische Welle, die in das Material der Trägerschicht 28 eingekoppelt wird, gestreut und absorbiert wird.
Das US-Patent Nr. 2,972,068 von Howry et al. mit dem Titel „UNI-DIRECTIONAL ULTRASONIC TRANSDUCER“, erteilt am 14. Februar 1961, offenbart ein hochwirksames akustisches Impedanzanpassungselement für piezoelektrische Kristalle, das aus einem Kunstharz mit einer hohen Konzentration eines feinen Schwermetallpulvers darin hergestellt werden kann. Im Gegensatz zur gängigen Lehre kann dieses Kunstharz so hergestellt werden, dass es als effizienter Absorber von Ultraschallwellenenergie wirkt, wobei die Dämpfung mit zunehmender Dichte des Metalls im Harz zunimmt. U.S. Patent Nummer. 5,078,013 von Kuramochi et al. mit dem Titel „ULTRASONIC MEASURING APPA-RATUS USING A HIGH-DAMPING PROBE“ (Ultraschallmessgerät mit hochdämpfender Sonde), erteilt am 7. Januar 1992, offenbart eine hochdämpfende Sonde, die in der Lage ist, nicht nur Informationen über die Schallgeschwindigkeit, sondern auch andere für die Ultraschallprüfung nützliche Ultraschallinformationen zu erhalten. In diesem Dokument wird ein Niederfrequenzdämpfer beschrieben, um unnötige niederfrequente Schwingungen des Prüfkopfes zu absorbieren. Der Niederfrequenzdämpfer kann unter Verwendung eines geeigneten Harzmaterials gebildet werden. Kuramochi et al. offenbaren, dass es bevorzugt ist, Wolframpulver zu verwenden, das mit einem Harzmaterial unter einem vorbestimmten Druck verdichtet wird. Obwohl ein Harzmaterial allein in der Lage ist, die Schwingung des Aufnehmers zu dämpfen, wird der Dämpfungseffekt durch Mischen mit Wolframpulver verbessert. Es hat sich bestätigt, dass ein solches gemischtes Material besonders effektiv ist, um die niederfrequente Komponente der Ultraschallwellen zu dämpfen.
Während mit Metallpartikeln beladenes Epoxid als Dämpfungsmaterial funktionieren kann, ist die Herstellung dieses Epoxids mit einer gleichmäßigen und konsistent hohen akustischen Impedanz schwierig. Um die hohe Metallbeladung zu erreichen, die für sehr hohe Impedanzen und damit Bandbreiten erforderlich ist, lässt sich das Epoxidharz nur schwer mischen. Die schweren, metallischen Partikel setzen sich ab und stören die Gleichmäßigkeit. Oft wird Luft in die Mischung eingebettet, was zu ungleichmäßigen Lufteinschlüssen mit niedriger akustischer Impedanz führt. Je höher die gewünschte Frequenz des Schallwandlers ist, desto kleiner muss die Partikelgröße sein, was die oben genannten Schwierigkeiten noch verschärft. Darüber hinaus ist der Wert der akustischen Impedanz, der durch das Epoxidharz erreicht wird, oft sehr empfindlich gegenüber der Metallpartikelkonzentration in der Mischung, was zu Schwankungen von Charge zu Charge führt.
Andere verwandte Alternativen für Rückseitenschichten sind offenbart worden. U.S. Patent Nr. 4,420,707 von Van Valkenberg mit dem Titel „BACKING FOR ULTRASONIC TRANSDUCER CRYSTAL“, erteilt am 13.12.1983, offenbart eine Scheibe aus porösem Sintermetall, die als Trägermaterial für einen piezoelektrischen Kristall in einem Ultraschallwandler verwendet wird. Mit steigender Frequenz verringert sich jedoch die erforderliche Porengröße, was die Herstellung schwierig und kostspielig macht. Außerdem wird eine ausreichende akustische Kopplung dieses Trägermaterials an das piezoelektrische Material mit zunehmender Frequenz schwierig. Darüber hinaus erfordert die Verwendung von metallpartikelhaltigem Epoxid oder porösem, gesintertem Metall die Herstellung auf Geräteebene. Eine solche Herstellung liefert zwar funktionale Geräte, ist aber aus Sicht der Konsistenz und der Kosten suboptimal.
Die Abscheidung von Dünnschichtmetallen durch Standard-Halbleiterprozesse auf Wafer-Ebene, wie z.B. thermisches oder E-Beam-Verdampfen, DC- oder RF-Sputtern, haben die Fähigkeit, Schichten mit hoher akustischer Impedanz zu erzeugen, die sich für die Verarbeitung auf Wafer-Ebene eignen. Das US-Patent Nr. 4,296,349 von Nakanishi et al. mit dem Titel „ULTRASONIC TRANSDUCER“, erteilt am 20. Oktober 1981, offenbart einen Ultraschallwandler, der für Diagnosezwecke verwendet werden kann. Dieser Ultraschallwandler enthält ein piezoelektrisches Element, wie z.B. eine PVDF-Polymerfolie, die mit einer reflektierenden Schicht mit einer reduzierten Dicke versehen ist, die im Verhältnis zur Wellenlänge der Schallwellen innerhalb der reflektierenden Schicht angegeben ist. Die Dicke der Reflexionsschicht liegt in einem Bereich von 1/32λ bis 3/16λ, wobei sich λ auf die Wellenlänge der Schallwellen innerhalb der Reflexionsschicht bei einer Hälfte der freien Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements bezieht. Diese spezifizierte Dicke der Reflexionsschicht erhöht die rückwärtige akustische Impedanz und minimiert dadurch die Leckage von Ultraschallwellen über das Haltersubstrat. In diesem Fall jedoch dient die Metallschicht, obwohl sie eine hohe akustische Impedanz aufweist, nur als Anpassungsschicht, um die Energieübertragung der rückwärts laufenden akustischen Wellen vom piezoelektrischen Element zum Haltersubstrat zu unterstützen. Als solche benötigt die Metallschicht idealerweise einen geringen akustischen Energieverlust und streut, diffundiert oder absorbiert daher die rückwärts laufende akustische Welle nicht wesentlich. Das separat gefertigte Haltersubstrat, an dem die Metallschicht befestigt ist, wird belastet, um die rückwärts laufende Welle ausreichend abzuschwächen. Solche Bauelemente-Konfigurationen und deren Herstellung sind nicht für eine kostengünstige Produktion auf Wafer-Ebene mit gleichbleibender Leistung geeignet.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung umfasst ein Wafer-Level-Verfahren zur Herstellung einer Rückschicht, die ein hohes Maß an Dämpfung durch eine hohe akustische Impedanz bietet, die einen hohen akustischen Energieverlust aufweist, und daher die rückwärts wandernden akustischen Wellen streut, diffundiert und/oder absorbiert. Gemäß dem Herstellungsverfahren auf Wafer-Ebene kann die Rückseitenschicht mit gleichbleibender Leistung von Gerät zu Gerät zu geringen Herstellungskosten hergestellt werden.
In einer Ausführungsform enthält ein Ultraschallwandler ein Verzögerungsleitungssubstrat, ein piezoelektrisches Element, eine metallisch leitende Schicht zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Element und eine auf das piezoelektrische Element aufgebrachte Rückseitenschicht. Das Verzögerungsleitungssubstrat und das piezoelektrische Element sind akustisch miteinander verbunden und so konfiguriert, dass sie Ultraschallwellen vom piezoelektrischen Element in das Verzögerungsleitungssubstrat oder vom Verzögerungsleitungssubstrat in das piezoelektrische Element einkoppeln. Die Trägerschicht enthält einen Metallfilm, wobei der Metallfilm eine Dicke und eine akustische Impedanz aufweist, und die Dicke und die akustische Impedanz jeweils einen Wert haben, der ausreicht, um eine akustische Dämpfung bereitzustellen. Die Trägerschicht hat eine im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit einer im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie.
In einer anderen Ausführungsform ist ein Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers das Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats umfasst, das das Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats als aktives Wandlerelement, das Abscheiden einer ersten Metallschicht auf dem Verzögerungsleitungssubstrat, das Abscheiden einer zweiten Metallschicht auf dem piezoelektrischen Substrat, das Verbinden der ersten Metallschicht mit der zweiten Metallschicht, um das Einkoppeln von Ultraschallwellen von dem piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu erleichtern, das Fräsen des piezoelektrischen Substrats, um einen Abschnitt von mindestens einer der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht freizulegen, das Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf dem Abschnitt, um eine externe elektrische Verbindung mit der mindestens einen der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zu ermöglichen, und das Abscheiden einer zweiten strukturierten Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite strukturierte Elektrode einen aktiven Bereich des Ultraschallwandlers definiert und als eine Rückschicht wirkt, umfasst. Die zweite strukturierte Elektrode ist so konfiguriert, dass sie eine elektrische Verbindung nach außen herstellt. Die zweite strukturierte Elektrode umfasst einen Metallfilm, wobei der Metallfilm eine akustische Impedanz und eine Dicke aufweist, wobei die akustische Impedanz und die Dicke einen ausreichenden Wert aufweisen, um eine akustische Dämpfung zu gewährleisten. Der Metallfilm hat eine im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit einer im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines herkömmlichen Ultraschallwandlers mit einer Verzögerungsleitung.
2A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungssubstrats mit einer dünnen leitenden Metallschicht, gemäß einer Ausführungsform.
2B zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines piezoelektrischen Substrats mit einer dünnen leitenden Metallschicht gemäß einer Ausführungsform.
2C zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verzögerungsleitungssubstrats aus 2A, das mit dem piezoelektrischen Substrat aus 2B verbunden ist, gemäß einer Ausführungsform.
2D zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verzögerungsleitungssubstrats, das mit dem piezoelektrischen Substrat gemäß 2C verbunden ist, mit freiliegenden leitenden Metallschichten, gemäß einer Ausführungsform.
2E zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verzögerungsleitungssubstrats, das mit dem piezoelektrischen Substrat wie in 2D gezeigt verbunden ist, mit Metallelektroden gemäß einer Ausführungsform.
3A zeigt eine SEM-Querschnittsansicht einer metallischen Zinnschicht, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebildet wurde.
3B zeigt eine REM-Draufsicht einer metallischen Zinnschicht, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung gebildet wurde.
4A zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines mit dem KLM-Modell simulierten Verzögerungsleitungswandlers gemäß einer Ausführungsform.
4B zeigt die Wellenform, die aus der Simulation eines Verzögerungsleitungswandlers mit einer Stützschicht, die aus einer dünnen Goldschicht besteht, gemäß einer Ausführungsform erhalten wird.
4C zeigt die Wellenform, die aus einer Simulation eines Verzögerungsleitungswandlers mit einer Trägerschicht aus einer dicken Schicht aus Zinn mit hohem akustischen Verlust erhalten wurde, gemäß einer Ausführungsform.
4D zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines Verzögerungsleitungswandlers, der mit einem KLM-Modell simuliert wurde, wobei die sich ausbreitenden Wellenformen aufgeschlüsselt in vorwärtslaufende, rückwärtslaufende und zusammengesetzte Wellenformen gezeigt werden gemäß einer Ausführungsform.
4E zeigt eine rückwärtslaufende Wellenform, die aus einer Simulation eines Verzögerungsleitungswandlers mit einer Stützschicht aus einer dünnen Schicht aus Zinn mit hohem akustischen Verlust gemäß einer Ausführungsform erhalten wurde.
4F zeigt die zusammengesetzte Wellenform, die aus einer Simulation eines Verzögerungsleitungswandlers mit einer Stützschicht aus einer dünnen Schicht Zinn mit hohem akustischen Verlust erhalten wurde gemäß einer Ausführungsform.
5 zeigt eine schematische Querschnittsansicht eines einzelnen Verzögerungsleitungswandlers, der gemäß den in 2A bis 2E dargestellten Schritten hergestellt wurde.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ähnlich wie bei Ansätzen in der Halbleiter- oder MEMS-Industrie können Schallwandler mit Prozessen auf Waferebene hergestellt werden, um eine einheitliche Fertigung und Bauelementekonsistenz sowie eine Kostenreduzierung zu erreichen. Ein Verfahren zur Herstellung von Ultraschallwandlern, einschließlich der Rückseitenschicht, unter Verwendung von Prozessen auf Waferebene bietet ein Potenzial für die höchste Konsistenz von Gerät zu Gerät und die niedrigsten Herstellungskosten. Dementsprechend wird zur Überwindung gängiger Probleme mit aktuellen Hochfrequenz-Wandler-Trägerschichten und zur signifikanten Verbesserung der Wandlerleistung, -konsistenz und -zuverlässigkeit sowie zur Senkung der Wandlerherstellungskosten ein Wafer-Level-Verfahren zur Herstellung eines Wandlers eingesetzt, einschließlich der Herstellung einer Trägerschicht zur signifikanten Dämpfung der Wandlerantwort, was zu einem Wandler mit hoher Bandbreite führt.
Die 2A bis 2E zeigen die grundlegenden Herstellungsschritte eines Wafer-Level-Herstellungsverfahrens für einen Ultraschall-Verzögerungsleitungswandler, das die Herstellung von zuverlässigen Wandlern mit gleichbleibender Leistung von Gerät zu Gerät zu niedrigen Herstellungskosten ermöglicht. In 2A wird ein Verzögerungsleitungssubstrat 30 aus einem geeigneten Material hergestellt. Ebenfalls in 2A dargestellt ist eine dünne Metallschicht 32, die mit herkömmlichen Mitteln, wie z.B. Sputterdeposition, auf dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 vakuumbeschichtet wurde. In 2B ist ein aktives Wandlerelement in Form eines piezoelektrischen Substrats 40 dargestellt. Ebenfalls in 2B dargestellt ist eine dünne Metallschicht 42, die mit demselben Material und mit derselben Dicke wie das Verzögerungsleitungssubstrat 30 abgeschieden wurde.
Sobald die dünnen Metallschichten 32, 42 auf den jeweiligen Substraten 30, 40 abgeschieden sind, können die beiden Substrate zusammengedrückt werden, um eine atomare Diffusionsbindung zu bilden. Diese Art der Bindung ist extrem stark und robust und sorgt für eine effiziente akustische Energiekopplung zwischen den beiden Materialien, die eine effiziente Übertragung von Ultraschallwellen in beide Richtungen ermöglicht. Alternativ können auch andere Bonding-Techniken auf Wafer-Ebene verwendet werden, wie z.B. Polymer- oder Klebstoff-, anodische, Metalldiffusions-, Thermokompressions- oder eutektische Legierungsbindungen.
2C zeigt die dünne Metallschicht 32 aus 2A, die mit der dünnen Metallschicht 42 aus 2B gebondet ist, um eine gebondete Metallschicht 52 zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 und dem piezoelektrischen Substrat 40 zu bilden. Wenn die Dicke des piezoelektrischen Substrats 40 größer ist als die Dicke für die gewünschte Resonanzfrequenz, dann kann das piezoelektrische Substrat 40 auf die gewünschte Dicke ausgedünnt werden. Diese Dicke, t, kann durch den folgenden Ausdruck angenähert werden: $t = v_{s p} / 2 ƒ_{R}$
wobei v_sp die Schallgeschwindigkeit im piezoelektrischen Substrat 40 und ƒ_R die gewünschte Resonanzfrequenz ist. Es ist zu beachten, dass aufgrund von Massenbelastungseffekten durch das gebondete Verzögerungsleitungssubstrat 30 und die Ablagerung der Metallschichten 32, 42 die erforderliche Dicke t in der Praxis wahrscheinlich geringer ist als die nach Gleichung (1) für die gewünschte Resonanzfrequenz ƒ_R berechnete. Andere fortschrittliche theoretische Techniken und/oder Experimente können verwendet werden, um die Dicke, die zum Erreichen der gewünschten Resonanzfrequenz erforderlich ist, genau zu bestimmen.
Nachdem die Dicke des piezoelektrischen Substrats 40 erreicht ist, wird ein Teil 53 der gebundenen Metallschicht 52 freigelegt, um eine elektrische Verbindung herzustellen und eine von zwei Elektroden zu bilden (siehe 2E), die zur elektrischen Anregung des piezoelektrischen Substrats 40 verwendet werden. Während die Freilegung des Abschnitts 53 der gebundenen Metallschicht 52 durch eine Vielzahl konventioneller Techniken erreicht werden kann, wie z.B. durch die Verwendung einer geeigneten Fotomaske in Kombination mit selektivem Ätzen unter Verwendung reaktiver Gase, lonenfräsen oder nasschemischem Ätzen, sind diese Techniken bei vielen gewünschten piezoelektrischen Materialien schwierig und teuer anzuwenden.
2D zeigt das piezoelektrische Substrat 40, das mit dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 nach der Bildung eines Via 54 verbunden ist. Das Via 54 hat die Form eines ringförmigen Rings mit schrägen Seitenwänden. Die US-Patentanmeldung 16/204,249 mit dem Titel „ULTRASONIC TRANSDUCER AND METHOD OF FABRICATING AN ULTRASONIC TRANSDUCER“ (Ultraschallwandler und Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers) offenbart ein Verfahren zur Herstellung einer Durchkontaktierung, um einen externen Kontakt zu einer vergrabenen Metallschicht in einem Ultraschallwandler mit Verzögerungsleitung zu ermöglichen, wobei das Verfahren mit reproduzierbarer Leistung bei niedrigen Herstellungskosten für eine Vielzahl von piezoelektrischen Materialien konsistent ist. Dieses Verfahren kann zur Bildung des Durchgangs 54 verwendet werden.
Wie in 2E gezeigt, kann nach dem Freilegen des Abschnitts 53 an einer Kante der gebondeten Metallschicht 52 eine erste leitfähige Schicht 56, z.B. ein Metall, auf herkömmliche Weise abgeschieden und mit einer Schattenmaske strukturiert werden. Diese erste leitfähige Schicht 56 kontaktiert den Rand der gebondeten Metallschicht 52 und erstreckt sich auf die Oberfläche des piezoelektrischen Substrats 40. Die erste leitfähige Schicht 56, die eine erste Elektrode bildet, kann so strukturiert werden, dass sie eine externe Verbindung der gebondeten Metallschicht 52 ermöglicht, ohne eine Rückseitenschicht 58 zu beeinträchtigen, die den aktiven Bereich der Vorrichtung definiert. Die Rückseitenschicht 58 kann eine zweite Elektrode bilden, die eine bequeme Möglichkeit bietet, eine externe Spannung an die erste und zweite Elektrode anzulegen, um das piezoelektrische Substrat 40 zu stimulieren, welches bei richtiger Auswahl und Herstellung gemäß der vorliegenden Erfindung auch als Dämpfungsschicht wirken kann, was zu einem Wandler mit hoher Bandbreite führt.
Je nach verwendetem Piezomaterial und dem gewünschten Dämpfungsgrad kann die Trägerschicht 58 als Metallschicht mit entsprechend hoher akustischer Impedanz gewählt werden. Wenn die akustische Impedanz des piezoelektrischen Substrats 40 durch Z_p dargestellt wird, kann die akustische Impedanz der Metallschicht zweckmäßigerweise zwischen 0,1 Z_p und 5 Z_p liegen. Darüber hinaus wird die Metallschicht so abgeschieden, dass ihre Morphologie zur Streuung, Diffusion oder Absorption der rückwärts laufenden akustischen Welle führt. Eine Möglichkeit, sowohl den gewünschten Dämpfungsgrad als auch die Streuung, Diffusion oder Absorption der rückwärts laufenden akustischen Welle zu erreichen, ist die Abscheidung eines Metallfilms mit einer im Wesentlichen säulenförmigen Querschnittsmorphologie und/oder körnigen Oberflächenmorphologie. Richtig gemacht, erzeugt diese Metallfilm-Morphologie hohe akustische Verluste, die es dem Film ermöglichen, als geeignete Trägerschicht zu fungieren, um sowohl durch eine enge Impedanzanpassung mit dem Piezo-Material zu dämpfen als auch durch Streuung, Diffusion und anderweitige Absorption der rückwärts laufenden Welle zu dämpfen. Damit der Metallfilm die rückwärts laufende Welle angemessen streuen, diffundieren oder anderweitig absorbieren kann, können die Korngröße und die Breite der Spalten im Metallfilm zwischen 0,1λ und 10λ liegen, wobei die Wellenlänge λ der Schallwellen im Metallfilm durch Gleichung (2) gegeben ist: $λ = v_{s m} / ƒ_{R}$
wobei v_sm die Schallgeschwindigkeit in der Trägerschicht 57 und f_R, die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements gemäß Gleochung (1) ist. Es sollte beachtet werden, dass für die meisten Anwendungen, wie z.B. in der elektronischen oder optischen Industrie, diese Art von Filmmorphologie höchst unerwünscht ist und aktiv vermieden wird, da in diesen Anwendungen ein dichter, gleichmäßiger, glatter Film gewünscht ist. Während die Filmmorphologie, die in dieser Erfindung gelehrt wird, für die meisten üblichen Anwendungen anomal ist, kann die Filmmorphologie mit konventionellen Filmabscheidungsmethoden hergestellt werden, aber unter besonderen oder unkonventionellen Bedingungen. Ein spezifisches Beispiel wird für, aber nicht beschränkt auf, einen metallischen Zinn-Film, welcher durch HF-Sputtern abgeschieden wird, gegeben. In diesem speziellen Beispiel bietet Zinn eine hohe akustische Impedanz (gleich ca. 24 × 10⁶ rayl), wenn es mit einem piezoelektrischen Element aus Lithiumniobat (mit einer akustischen Impedanz von ca. 32,5 × 10⁶ rayl) gekoppelt wird. In diesem Beispiel beträgt die akustische Impedanz der Metallschicht etwa 0,74 Z_p. Es ist bekannt, dass andere Metallschichten in Kombination mit anderen piezoelektrischen Materialien verwendet werden können. Einige Beispiel-Metallschichtmaterialien umfassen, sind aber nicht beschränkt auf, Aluminium, Gold, Silber, Titan, Zink, Nickel, Indium, Chrom, Platin, Palladium und Kupfer. Darüber hinaus ist es anerkannt, dass Metalllegierungen aus Kombinationen der vorgenannten Metallmaterialien verwendet werden können. Diese Materialien, die als Trägerschichten dienen, können mit anderen piezoelektrischen Materialien kombiniert werden, wie z.B. Lithiumtantalat, Lithiumjodat, Zinkoxid (ZnO), Aluminiumnitrid (AlN), Bleizirkonattitanat (PZT), Bariumtitanat, Bleimetaniobat oder Quarz, sind aber nicht darauf beschränkt.
3A ist ein REM-Querschnitt, der ein Beispiel für eine solche Schicht 57 zeigt, die Zinn verwendet und durch RF-Sputtern mit einer im Wesentlichen säulenförmigen Morphologie abgeschieden wurde. Eine Oberfläche 59 der Schicht 57 erscheint rau und körnig, was in 3, die eine REM-Aufnahme der oberen Oberfläche 59 zeigt, deutlicher zu erkennen ist. Die durchschnittliche Schichtdicke beträgt in diesem Beispiel etwa 4,5 × 10^-6 Meter. Wie in den Bildern zu sehen ist, variieren die metallischen Zinnsäulenbreiten (3A) und die Korngrößen (3B) von etwa 0,5 × 10^-6 Meter bis 3 × 10^-6 Meter. Angesichts dieser Abmessungen und unter Verwendung von Gleichung (2) mit einer Schallgeschwindigkeit, v_sm, in der Zinn-Metallschicht von 3300 Metern pro Sekunde, bietet eine solche Schicht unterschiedliche Grade der Streuung, Diffusion und sonstige Absorption der rückwärts laufenden Welle mit Frequenzen von weniger als etwa 1 × 10⁹ Hertz. Dieser Metallfilm bietet eine nützliche Trägerschicht für einen breiten Frequenzbereich von Hochfrequenz-Wandlern.
Es ist vorteilhaft, dass diese Dicke der Stützschicht 57 so dick ist, dass die rückwärts laufende Welle ausreichend durch die Ausbreitungsdistanz gedämpft wird, die erreicht wird, nachdem die rückwärts laufende Welle zur Oberfläche 59 der Schicht gewandert ist und von dieser reflektiert wurde. Die erforderliche Dicke dieser Trägerschicht 57 hängt von der Höhe des akustischen Verlusts ab, den die sich in der Trägerschicht 57 ausbreitende rückwärts laufende Welle erfährt. Bei Frequenzen oberhalb von 100 × 10⁶ Hertz erfordern z.B. Dämpfungswerte in der Trägerschicht 57 von 10 bis 60 Dezibel pro Zentimeter pro 10⁶ Hertz ungefähre Dicken im Bereich von 300 × 10^-6 Meter bis 30 × 10^-6 Meter. Wenn diese Dicken in der Praxis nicht erreichbar sind, sollte die Dicke ungefähr ¼ λ betragen, wobei sich λ auf die Wellenlänge der Schallwellen innerhalb der Trägerschicht gemäß Gleichung (2) bezieht. Diese gewählte Dicke führt dazu, dass die stark gedämpfte rückwärts laufende Welle, die von der Oberfläche 59 der Schicht 57 reflektiert wird, eine Gesamtumlaufphasenverschiebung von etwa ½ λ aufweist, was dazu führt, dass sich die Welle destruktiv zu der vorwärts laufenden Welle addiert, was die geringste Verzerrung der Wellenform auf Kosten einer etwas längeren Impulsdauer und einer etwas geringeren Bandbreite verursacht. In der Praxis weicht die Dicke von diesem ¼ λ-Wert aufgrund von Unterschieden in der Schallgeschwindigkeit in der Trägerschicht ab, die teilweise auf eine ungleichmäßige Morphologie der Trägerschicht zurückzuführen sind. Außerdem ist es wahrscheinlich, dass das Piezoelement aufgrund von Massenbelastung und anderen Effekten dünner sein muss als der Wert, der sich aus der idealen freien Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements ergibt. Die Dicke der Trägerschicht kann zweckmäßigerweise zwischen 3/16 λ und 5/16 λ liegen. Es ist bekannt, dass eine Optimierung der Dicken sowohl der piezoelektrischen als auch der metallischen Trägerschicht erforderlich ist, um die gewünschte Resonanzfrequenz mit dem geringsten Maß an Wellenformverzerrung zu erreichen.
Eine Veranschaulichung dieses Konzepts ergibt sich aus Simulationen unter Verwendung des allgemein verwendeten Krimholtz-, Leedom- und Matthaei-Modells (KLM). 4 zeigt ein spezielles Beispiel eines Verzögerungsleitungswandlers 60, bei dem ein 18 × 10^-6 Meter dickes piezoelektrisches Lithiumniobat-Element 61 auf einer Seite mit einer 7,5 × 10^-3 Meter dicken Quarzglas-Verzögerungsleitung 62 gekoppelt ist, während die andere Seite zunächst mit einer relativ dünnen (im Vergleich zur akustischen Wellenlänge) 5,0 × 10^-7 Meter dicken Goldstützschicht 64 gekoppelt ist. Gemäß Gleichung (1) beträgt die Resonanzfrequenz f_R bei einer Schallgeschwindigkeit v_sm im piezoelektrischen Lithiumniobat-Substrat von etwa 7300 Metern pro Sekunde etwa 2,0 × 10⁸ Hertz. Wie bereits erwähnt, wird die gemessene Resonanzfrequenz in der Praxis aufgrund von Massenbelastungseffekten durch das Verzögerungsleitungssubstrat und die Metallschichten wahrscheinlich niedriger sein. In diesem ersten Fall wird angenommen, dass die Goldträgerschicht 64 typisch ist und einen sehr geringen akustischen Verlust aufweist (weniger als 1 Dezibel pro Zentimeter pro 10⁶ Hertz). Ein Gaußscher Spannungsimpulsgenerator 65 mit einer Amplitude von 100 Volt und einem ungefähren Anstieg von 1,5 × 10^-9 Sekunden und einem Abfall von 2,0 × 10^-9 Sekunden wird an beiden Seiten des piezoelektrischen Elements 61 angelegt. 4B zeigt einen simulierten Impuls nach der Reflexion an der Stirnfläche 63 der Verzögerungsleitung 62. Dieser reflektierte Impuls wird als Verzögerungsleitungsecho bezeichnet. Wie aus 4B ersichtlich ist, hält das Verzögerungslinienecho über mehrere Zyklen an, was auf einen relativ schlecht gedämpften Wandler hindeutet. Wenn die Goldträgerschicht 64 durch eine relativ dicke (4,0 × 10^-5 Meter), hochdämpfende (55 Dezibel pro Zentimeter pro 10⁶ Hertz) Zinnträgerschicht 64 ersetzt wird, ist das Verzögerungslinienecho wesentlich besser gedämpft und schwingt nur für etwas mehr als einen Zyklus, wie in 4C dargestellt. Diese Zinndicke wird auf der Grundlage des akustischen Verlustes und der Schallgeschwindigkeit des Zinns so gewählt, dass die vom piezoelektrischen Element 61 erzeugte rückwärts laufende Welle, die in die dicke Zinnträgerschicht 64 eingekoppelt wird, bei ihrer Rückkehr nach der Reflexion von der obersten Oberfläche der Zinnträgerschicht 64 ausreichend gedämpft und in ihrer Amplitude vernachlässigbar wird. Die sich daraus ergebende stark gedämpfte Geräteleistung ist direkt auf die hohe akustische Impedanz sowie das hohe akustische Verlustverhalten der Zinnschicht zurückzuführen. Obwohl diese dicke Zinnschicht ideal für eine hohe Dämpfungsleistung ist, ist eine solche Schicht angesichts der Dicke der dicken Zinnschicht möglicherweise nicht praktikabel, da die Dicke lange Abscheidungszeiten erfordert, die zu hohen Herstellungskosten führen können.
Eine praktischere Alternative ist die Abscheidung einer dünneren Zinnschicht. 4D zeigt eine schematische Querschnittsansicht des Verzögerungsleitungswandlers 60, in der die sich ausbreitenden Wellenformen weiter in vorwärtslaufende, rückwärtslaufende und zusammengesetzte Wellenformen unterteilt sind, wobei die Trägerschicht 64 eine dünnere Zinnschicht enthält. Für diese Situation ist es unter Bezugnahme auf 4D aufschlussreich, sowohl die vorwärtslaufende Welle 66 als auch die rückwärtslaufende Welle 65 zu betrachten, die von dem Piezoelement 61 erzeugt werden. Es kann davon ausgegangen werden, dass die vorwärtslaufende Welle 66 in ihren Eigenschaften der Wellenform ähnelt, die im vorgenannten Fall der dickeren Trägerschicht 64 erhalten wurde. Für den letztgenannten Fall ist es jedoch vorteilhaft, die Dicke der Trägerschicht 64 in Abhängigkeit von der Schallgeschwindigkeit des Zinns so zu wählen, dass die rückwärts laufende Welle 65, die in diese dünnere Zinnträgerschicht 64 einkoppelt und von einer oberen Oberfläche 63 der Zinnträgerschicht 64 reflektiert wird, um einen Halbzyklus relativ zur vorwärts laufenden Welle 66 verzögert wird. Für dieses spezielle Beispiel ergibt die Wahl einer Zinnschichtdicke gemäß Gleichung (2) einen ¼ λ-Dickenwert für die Zinnträgerschicht von etwa 4,0 × 10^-6 Meter. Die resultierende reflektierte rückwärtslaufende Welle 65 ist in 4E dargestellt. Es ist zu beachten, dass die reflektierte rückwärtslaufende Welle 65 im Vergleich zur vorwärtslaufenden Welle 66 sowohl in der Amplitude als auch in der Frequenz reduziert ist, was auf den angenommenen frequenzabhängigen akustischen Verlust in der Trägerschicht 64 zurückzuführen ist. Die reflektierte rückwärtslaufende Welle 65 ist erwartungsgemäß auch invertiert, da die akustische Impedanz an der oberen Oberfläche 63 dieser Zinnträgerschicht 64 geringer ist, da angenommen wird, dass die Zinnträgerschicht 64 von Luft umgeben ist. Es ist zwingend erforderlich, dass diese Zinnträgerschicht 64 einen ausreichend hohen akustischen Verlust aufweist, so dass nachfolgende Reflexionen von der Zinnträgerschicht 64 in ihrer Amplitude vernachlässigbar sind. Die resultierende Nettowellenform 67, die in die Verzögerungsleitung 62 einkoppelt, kann näherungsweise als die Überlagerung der reflektierten rückwärtslaufenden Welle 65 und der vorwärtslaufenden Welle 66 betrachtet werden. Diese Überlagerung, die durch Addition der vorgenannten Wellenformen entsteht, ist in 4F dargestellt. Während die in 4F gezeigte Verzögerungslinien-Echowellenform, die dem dünneren Zinn entspricht, nicht so gut gedämpft ist wie die in 4C gezeigte Wellenform, die dem dickeren Zinn entspricht, ist anzumerken, dass die Verzögerungslinien-Echowellenform in 4F immer noch eine wesentlich gedämpfte Vorrichtung darstellt, insbesondere im Vergleich zu der in 4B gezeigten Wellenform, die der dünnen Goldschicht entspricht, und in typischen Anwendungen für gut gedämpfte Wandler mit kurzem Zeitverhalten äußerst nützlich wäre.
In Fortsetzung der in 2A bis 2E gezeigten Schritte kann schließlich zur Vervollständigung der Herstellung ein individueller Verzögerungsleitungswandler 70, wie in 5 gezeigt, unter Verwendung herkömmlicher Kernbohrtechniken, die auf die Substrate angewendet werden, erhalten werden. Der individuelle Verzögerungsleitungswandler 70 kann in einem geeigneten Gehäuse montiert werden, und eine externe Verbindung der ersten leitenden Schicht 56 und der leitenden Trägerschicht 58 kann mit einer beliebigen Anzahl von konventionellen Mitteln hergestellt werden. Eine geeignete Stimulationsspannung, typischerweise in Form eines Impulses, kann an die beiden Elektroden 56, 58 angelegt werden, wodurch eine Ultraschallwelle erzeugt wird, die sich von dem piezoelektrischen Substrat 40 in das Verzögerungsleitungssubstrat 30 ausbreitet und dazu verwendet werden kann, ein bestimmtes Testmaterial abzufragen, das mit dem Verzögerungsleitungssubstrat 30 gekoppelt ist. Nach einer geeigneten Verzögerungszeit breitet sich eine reflektierte Welle vom abgefragten Testmaterial zurück zum piezoelektrischen Substrat 40 aus und kann mit einer geeigneten Empfängerelektronik gemessen werden.
Dementsprechend ist es zu verstehen, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung lediglich illustrativ für die Anwendung der Prinzipien der Erfindung sind. Die Bezugnahme auf Einzelheiten der dargestellten Ausführungsformen soll den Umfang der Ansprüche nicht einschränken, in denen selbst diejenigen Merkmale aufgeführt sind, die als wesentlich für die Erfindung angesehen werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 62988742 [0001]
US 5777230 [0003]
US 2972068 [0006]
US 4296349 [0009]
US 16204249 [0018]

Claims

Ein Ultraschallwandler, umfassend: ein Verzögerungsleitungssubstrat; ein piezoelektrisches Element; eine metallische leitfähige Schicht zwischen dem Verzögerungsleitungssubstrat und dem piezoelektrischen Element; und eine auf das piezoelektrische Element aufgebrachte Rückseitenschicht, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat und das piezoelektrische Element akustisch verbunden sind und so konfiguriert sind, dass sie Ultraschallwellen von dem piezoelektrischen Element in das Verzögerungsleitungssubstrat oder von dem Verzögerungsleitungssubstrat in das piezoelektrische Element einkoppeln, die Rückseitenschicht einen Metallfilm enthält, wobei der Metallfilm eine Dicke und eine akustische Impedanz aufweist, wobei die Dicke und die akustische Impedanz jeweils einen ausreichenden Wert aufweisen, um eine akustische Dämpfung bereitzustellen, wobei die Trägerschicht eine im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit einer im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat mindestens eines der Materialien Glas, Keramik, kristallines Material und Kunststoff umfasst.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat Glas umfasst, das Silizium oder Fluor enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das Verzögerungsleitungssubstrat mindestens eines aus Quarzglas, Quarzglas und einkristallinem Silizium enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Element piezoelektrisches kristallines oder keramisches Material enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei das piezoelektrische Element mindestens eines aus LiNbO₃, LilO₃, PZT, BaTiO₃, ZnO, AlN und Quarz enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die metallisch leitende Schicht mindestens eines der Elemente Cu, Al, Ti. Ta, Au, Ag, Ni, Fe und Pt enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei ein akustischer Verlust der Trägerschicht zwischen 10 und 60 Dezibel pro Zentimeter pro 10⁶ Hertz liegt und eine Dicke der Trägerschicht im Bereich von 300 × 10^-6 Meter bis 30 × 10^-6 Meter liegt.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit der im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie der Metallträgerschicht Korngrößen im Bereich des 1/10 bis 10-fachen der akustischen Wellenlänge einer Ultraschallwelle in der Metallträgerschicht während des Betriebs des Ultraschallwandlers aufweist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Stützschicht eine Round-Trip-Phasenverschiebung der rückwärts laufenden Welle von 3/8 bis 5/8 einer Periode relativ zur vorwärts laufenden Welle erzeugt, was dazu führt, dass die rückwärts laufende Welle sich destruktiv zur vorwärts laufenden Welle addiert.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die Dicke der Trägerschicht gleich 3/16 bis 5/16 der Wellenlänge der Schallwellen innerhalb der Trägerschicht bei der freien Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements ist.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei die Metallschicht mindestens eines von Aluminium, Zinn, Gold, Silber, Titan, Zink, Nickel, Indium, Chrom, Platin, Palladium und Kupfer enthält.
Ultraschallwandler nach Anspruch 1, wobei der Metallfilm eine akustische Impedanz im Bereich von 1/10 bis zum Fünffachen der akustischen Impedanz des piezoelektrischen Elements aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Ultraschallwandlers, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen eines Verzögerungsleitungssubstrats; Bereitstellen eines piezoelektrischen Substrats als aktives Wandlerelement; Abscheiden einer ersten Metallschicht auf dem Verzögerungsleitungssubstrat; Abscheiden einer zweiten Metallschicht auf dem piezoelektrischen Substrat; Verbinden der ersten Metallschicht mit der zweiten Metallschicht, um das Einkoppeln von Ultraschallwellen von dem piezoelektrischen Element in die Verzögerungsleitung oder von der Verzögerungsleitung in das piezoelektrische Element zu erleichtern; Freilegen eines Abschnitts von mindestens einer der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht; Abscheiden einer ersten strukturierten Elektrode auf dem Abschnitt, um eine externe elektrische Verbindung mit der mindestens einen von der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht zu ermöglichen; Abscheiden einer zweiten gemusterten Elektrode auf dem piezoelektrischen Element, wobei die zweite gemusterte Elektrode einen aktiven Bereich des Ultraschallwandlers definiert und als Rückseitenschicht wirkt, wobei die zweite strukturierte Elektrode so konfiguriert ist, dass sie eine elektrische Verbindung nach außen herstellt, und einen Metallfilm enthält, wobei der Metallfilm eine akustische Impedanz und eine Dicke aufweist, wobei die akustische Impedanz und die Dicke einen ausreichenden Wert haben, um eine akustische Dämpfung bereitzustellen, wobei der Metallfilm eine im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit einer im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie aufweist.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Freilegen eines Abschnitts von mindestens einer der ersten Metallschicht und der zweiten Metallschicht das Fräsen des piezoelektrischen Substrats umfasst;
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die im Wesentlichen säulenförmige Querschnittsmorphologie mit der im Wesentlichen körnigen Oberflächenmorphologie des Metallfilms Korngrößen im Bereich des 1/10- bis 10-fachen der akustischen Wellenlänge der Ultraschallwelle in der Metallträgerschicht aufweist.