EP2348503A1 - Ultraschallsensor zum Erfassen und/ oder Abtasten von Objekten und entsprechendes Herstellungsverfahren - Google Patents

Ultraschallsensor zum Erfassen und/ oder Abtasten von Objekten und entsprechendes Herstellungsverfahren Download PDF

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EP2348503A1
EP2348503A1 EP10000489A EP10000489A EP2348503A1 EP 2348503 A1 EP2348503 A1 EP 2348503A1 EP 10000489 A EP10000489 A EP 10000489A EP 10000489 A EP10000489 A EP 10000489A EP 2348503 A1 EP2348503 A1 EP 2348503A1
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EP
European Patent Office
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substrate
piezoelectric
ultrasonic
sensor unit
elevations
Prior art date
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EP10000489A
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English (en)
French (fr)
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EP2348503B1 (de
Inventor
Thomas Dr. Herzog
Henning Dr. Heuer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G10—MUSICAL INSTRUMENTS; ACOUSTICS
    • G10K—SOUND-PRODUCING DEVICES; METHODS OR DEVICES FOR PROTECTING AGAINST, OR FOR DAMPING, NOISE OR OTHER ACOUSTIC WAVES IN GENERAL; ACOUSTICS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G10K11/00—Methods or devices for transmitting, conducting or directing sound in general; Methods or devices for protecting against, or for damping, noise or other acoustic waves in general
    • G10K11/002—Devices for damping, suppressing, obstructing or conducting sound in acoustic devices

Definitions

  • the present invention relates to an ultrasonic sensor for detecting and / or scanning objects according to the preamble of claim 1 and to a manufacturing method for such an ultrasonic sensor.
  • active piezoelectric thin films such as thin films of AlN or ZnO for ultrasonic sensors
  • these are usually deposited directly on suitable substrates or substrates such as silicon, sapphire, gallium nitride, etc. If these thin films with their carrier materials are to be used as ultrasonic sensors, then the propagation of the ultrasonic waves is in the coupled (to be detected and / or measured) medium (this will be referred to alternatively as an object hereinafter) and to evaluate the resulting echo reflected from a boundary layer in the medium or object.
  • an ultrasonic sensor (and a corresponding manufacturing method) for Provide available with the above disturbing echoes by the boundary layer between the back of the carrier and the adjacent medium as far as possible can be completely suppressed and yet the simplest possible, compact, in particular suitable for the use of active piezoelectric thin-film design and flexible use possible ,
  • the basic idea of the present invention is based on configuring the above-described rear surface of the carrier substrate (hereinafter also referred to simply as substrate) of the ultrasonic sensor such that no disturbing echoes of the boundary layer between the carrier substrate rear side and the adjacent medium lead to the piezoelectric sensor layer or to the sensor unit of the ultrasonic sensor Returned ultrasonic sensor.
  • This is done by forming the rear side of the substrate in such a way that a large number of elevations and depressions are introduced into this rear side, that is to say that a corresponding surface structuring of the substrate rear side takes place.
  • the substrate may also include multiple layers, so in this case a Surface structuring of the back of the sensor unit furthest away from the substrate layer takes place. (However, if required by the choice of material, even several surfaces or boundary layers of a multi-layered substrate can be surface or deep structured.)
  • the surface or back side of the substrate to be structured in this way can be formed in particular in the form of black silicon. Likewise, however, it is also possible, when using sapphire or gallium nitride as the substrate material, to deep-restructure their back sides accordingly.
  • a diffuse scattering is understood to mean a scattering of ultrasonic waves which is designed such that, after scattering, there is no more directed propagation of the ultrasonic waves in a preferred direction, but a further propagation of the ultrasonic energy in most different directions such that the scattered ultrasound waves can not be detected by the sensor unit (or only a slight echo).
  • a lateral direction is understood to mean a direction within the layer plane of the ultrasound sensor and / or its sensor unit.
  • the direction vertical For this purpose, that is to say the direction perpendicular to the sensor plane and / or to the plane of the substrate (eg wafer) is alternatively referred to below as the depth direction or as the height direction.
  • an average extent eg a mean lateral extent, ie an extension in the direction of the layer plane of the sensor or an average height extent of the elevations in the direction perpendicular to the layer plane
  • the arithmetic mean of the plurality of individual values is below the corresponding mean (eg of lateral extensions of individual needle-shaped elevations).
  • An inventive ultrasonic sensor comprises a substrate and a piezoelectric sensor unit arranged on or on this substrate and / or connected to this substrate.
  • the rear side of the substrate facing away from the piezoelectric sensor unit has a multiplicity of elevations and depressions, thus a surface structure is introduced in this rear side.
  • This surface structuring or surface structure is designed in such a way that it causes a diffuse scattering of the ultrasonic waves incident from the direction of the sensor unit (that is to say from the front side of the sensor) onto the structured rear side.
  • the elevations and / or depressions may have an average lateral extent in the range from 0.05 ⁇ m to 1 mm, preferably in the range from 0.1 ⁇ m to 200 ⁇ m and particularly preferably in the range from 0.2 ⁇ m to 20 ⁇ m. This average lateral extent may thus be less than or equal to the wavelength of an ultrasonic wave that can be generated by the piezoelectric sensor unit (on the front side of the substrate).
  • the piezoelectric sensor unit applied to the front surface of the substrate may be configured to emit and / or receive ultrasonic waves corresponding to a frequency in the range of 20 kHz to 1 GHz.
  • the piezoelectric sensor unit can also be composed of a plurality of subunits designed to receive or transmit ultrasound.
  • Corresponding embodiments as well as evaluation algorithms for evaluating the transmitted and / or received ultrasound signals are known to the person skilled in the art (for example, corresponding embodiments of US Pat DE 10 2006 005 048 A1 remove).
  • the surface structure patterned on the rear side of the substrate can be designed for the diffuse scattering of ultrasonic waves corresponding to the aforementioned frequency range.
  • the substrate is preferably silicon, in particular crystalline silicon.
  • the substrate may be a silicon wafer. However, it is also conceivable to use sapphire or gallium nitride as the substrate.
  • the back side and / or its surface structure is preferably formed in the form of black silicon.
  • black silicon is understood to mean a surface modification of the crystalline silicon.
  • the crystalline silicon is structured, for example by ultrashort laser pulses or by bombarding the silicon surface with high energy ions of the substrate back, so that optically optically active, preferably acicular structures (FIG. Surveys and recesses) be generated on the surface.
  • the needle-shaped depressions and elevations in the silicon can be produced using the reactive ion etching known to the person skilled in the art.
  • the ion etching process is a two-stage, alternating dry etching process in which an etching step and a passivation step alternate. The aim is to etch as anisotropically as possible, ie direction-dependent, perpendicular to the wafer surface.
  • sulfur hexafluoride SF6
  • carrier gas usually argon
  • an energy-rich high-frequency plasma is formed, with the SF6 producing a reactive gas (in plasma, SF6 + ions, activated SF6 molecules and fluorine-containing and oxygen radicals are formed).
  • a reactive gas in plasma, SF6 + ions, activated SF6 molecules and fluorine-containing and oxygen radicals are formed.
  • a chemical etching reaction isotropic on the substrate and a physical (anisotropic) material removal by means of argon ions are superimposed.
  • the process takes place at pressures of 50 Pa to 1 Pa, preferably in an RF plasma at 13.65 MHz, pressure range 10-50 Pa instead.
  • the etching process is stopped after a short time and a gas mixture of octaflourocyclobutane (C4F8) and argon is introduced.
  • the octafluorocyclobutane is activated as a plasma gas and the resulting fluorine-containing radicals and molecules form on the entire substrate a polymer-like passivation layer, ie both on the mask, as well as on the silicon and the vertical silicon sidewalls.
  • the passivation layer of the horizontal surfaces (trench bottom) is removed much faster by the directed physical component (ions) of the etching reaction than the layer on the sidewalls.
  • An essential feature of such a layer of black silicon on the back of the substrate is an increased absorption of incident visible light, by the formation of the aforementioned deep structure or Surface structure (the deep structure causes a gradual transition of the refractive index of the effective medium so that there is no sharp optical interface at which the light can be reflected) instead the light is "smoothly" guided into the material and hardly reflected, rendering the silicon black to appear).
  • the elevations and depressions of the surface structure can thus be produced (also with other substrates) by laser bombardment, by ion bombardment, in particular by reactive ion etching or reactive ion etching, and / or also by micromechanical chip removal machining of the back side of the substrate.
  • the elevations are preferably needle-shaped.
  • the mean height of the elevations, the mean depth of the depressions and / or the mean extent of the elevations and / or the depressions perpendicular to the sensor plane is preferably in the range between 0.05 ⁇ m to 1 mm, preferably in the range from 0.1 .mu.m to 200 .mu.m, and particularly preferably in the range from 0.1 .mu.m to 20 .mu.m (ie ultimately in the same order of magnitude as the lateral extent of the elevations and / or depressions in the sensor plane).
  • the aspect ratio a A / L from the aforementioned height, depth and / or extent and the average lateral extent of the elevations and / or depressions (which is also referred to below with the variable L) is preferably between 0.2 and 50, particularly preferably between 0.5 and 10.
  • the piezo element of the piezoelectric sensor unit is preferably in the form of a piezoelectric thin film educated.
  • This layer may consist of AlN or ZnO or contain this material.
  • the sensor unit preferably has a layer thickness in the range between 1 ⁇ m and 100 ⁇ m, preferably between 10 ⁇ m and 25 ⁇ m. As described above, the sensor unit can also consist of several subunits distributed over the layer plane, each of which has corresponding thin-film elements.
  • the piezoelectric sensor unit (or, in the case of several subunits each of these subunits) has two with the piezoelectric element for detecting and / or applying the electrical voltage connected electrical contacts.
  • the piezoelectric thin film is preferably sandwiched between these two electrical contacts and directly adjoins these electrical contacts.
  • the electrical contacts may be formed, for example, of copper.
  • the piezoelectric sensor unit or the corresponding sub-sensor units can be designed for emitting ultrasonic waves, for receiving ultrasonic waves or else combined for emitting and for receiving ultrasonic waves (transmitting and receiving unit).
  • the substrate with the / the sensor unit (s) formed thereon may be formed in sections as a thin membrane.
  • the ultrasonic sensor may be in the form of an ultrasonic probe be formed or integrated into such a probe.
  • an acoustically strongly scattering rear side of the substrate is realized for active piezoelectric thin films deposited on suitable carrier materials (in particular: silicon).
  • suitable carrier materials in particular: silicon
  • this can be realized via the black-silicon technology by means of ion etching, by structuring by means of laser processing or by chip-removing methods, such as, for example, wafer saws.
  • the procedure in the individual aforementioned processing methods is known in principle to the person skilled in the art, for example as follows:
  • trenches, depressions, holes, ... can be structured as elevations and depressions in the back side of the substrate, for example by reactive ion etching.
  • the depressions can for example have several 100 ⁇ m depth and be produced with a high aspect ratio (eg in the range from 2 to 50). This can be done by repeatedly alternating etching and passivation of the backside Substrate surface can be achieved. During etching, however, small deposits of the, passivation can remain on the ground and mask it. When the process is shifted to passivation, structures to be formed are formed which are not removed during the subsequent etching steps.
  • perpendicular (relative to the substrate plane) surfaces can arise there against which a polymer layer can deposit.
  • surveys for example, in the form of elongated silicon columns remain.
  • the reactive ion etching can be adjusted so that can form on 1 mm 2 million small needle-shaped columns.
  • the spatial structure of the backside of the substrate can also be changed by bombardment with extremely high-energy pulsed femtosecond lasers, resulting in a needle-shaped, deep-structured surface (eg needles with a mean length of 300 nm).
  • the processes are comparatively good and evenly reproducible.
  • Fig. 1 shows a section through an ultrasonic sensor according to the invention.
  • the back side 3 of a monocrystalline silicon wafer 1 is formed by reactive ion milling with one of a plurality of needle-shaped protrusions and depressions (see FIG. Fig. 2 ) comprehensive surface structure 4 provided.
  • the thickness of the wafer 1 here amounts to 500 ⁇ m, the depth of the depressions or the extent of the individual needle-shaped elevations A of the surface structure 4 on the back 3 of the substrate 1, that is to say the depth of the structures in the black silicon on the back 3 of the wafer 1 here 2 to 5 microns, and the lateral extent of these surveys (see. Fig. 2 ) is here 200 to 800 nm.
  • the individual elements of the electrical sensor unit 2 are subsequently applied to the front side 7 of the wafer opposite the rear side 3.
  • a here 1 to 2 microns thick insulating layer 8 of silicon oxide on the front side 7 of the wafer 1 is deposited.
  • a first electrode metallization or electrode layer 6 (here a 150 ⁇ m thick aluminum layer) is applied.
  • a piezoelectrically active thin film (piezoelectric layer 5) of A1N is coated.
  • ZnO can be used as a layer material.
  • the piezoelectric thin film here has a layer thickness of 5 to 25 microns.
  • the sensor unit 2 here comprises the elements 5, 6 and 9 (and depending on the view, the layer 8).
  • the following layer structure results from the rear side 3 with the surface structure 4 of the ultrasonic sensor towards the front side (electrical contact 9): back side 3 with surface structure 4, silicon wafer 1, insulation layer 8, first metal contact 6, piezoelectrically active thin layer 5 and second metal contact 9 ,
  • the sensor 1 to 9 shown can thus be placed on an external object 0 which is to be scanned or measured: in the piezoelectric sensor unit 2 of the ultrasonic sensor shown as a combined transmitting and receiving unit (the details of which are given to the person skilled in the art, for example, in accordance with FIG DE 10 2006 005 048 A1 is known) ultrasonic waves can be generated and coupled into the object O. The ultrasonic waves are reflected at interfaces in the object and the corresponding echo signals are detected and evaluated by the sensor unit 2.
  • Fig. 2 shows an example of a back 3 and a surface structure 4 of this page for a in Fig. 1 sketched ultrasonic sensor in an electron micrograph:
  • Fig. 2 left shows an electron micrograph at a magnification of 10,000, while
  • Fig. 2 right shows a higher magnification (magnification factor 50 000).
  • the individual needle-shaped elevations or the individual silicon needles of the black silicon formed on the rear side 3 of the silicon wafer 1 can easily be seen.
  • the average lateral distance L of two silicon needles here is about 2 to 5 microns, the average height A is here 10 to 20 microns, this corresponds to about 2 million needles per square millimeter.
  • a silicon absorber layer 1, 3, 4 for a piezoelectric sensor unit 2 or 2, 8 (the insulating layer 8 can be considered as part of the sensor unit 2) is thus on the silicon substrate 1 by means of the above-described processes on the bottom or the Back 3 applied a layer of black silicon.
  • the manufacturing process for the piezoelectric thin-film sensor unit 2, 8 After the deposition of the insulating layer 8 of silicon oxide, the first thin-film electrode metallization 6 is applied, followed by the active piezoelectric material 5. Finally This is followed by the application of the second thin-film electrode metallization 9.
  • the present invention it is thus possible to scatter the interfering ultrasonic echoes from the carrier substrate 1 for the layer sensor elements 2 in such a way that they have no great influence on the echo, which is from the medium or object coupled to the active surface (front side of the ultrasonic sensor) O returns.
  • the active surface front side of the ultrasonic sensor
  • much broader fields of application for piezoelectric ultrasonic thin-film sensors are possible. Since one no longer has to apply the sensor directly to the measurement object, does not necessarily have to realize air as a backside boundary layer and no longer has to use very thick carrier substrates, high-frequency ultrasound probes can also be produced without further ado with the present invention.
  • An essential core of the invention is thus the production of the electroacoustic absorber layer on the back side of a carrier substrate by a strongly fissured surface with feature widths of, for example, less than 1 ⁇ m and with feature depths of, for example, several 100 nm, in which case a piezoelectric sensor unit on the opposite front side or surface lies in thin-film technology.
  • Ultrasonic sensors or thin-layer ultrasonic sensors according to the invention can be implemented in the non-destructive testing of thin layers, in quality assurance, in process monitoring or, in general, for any ultrasonic, sensor tasks.
  • high-frequency ultrasonic probes can also be realized according to the invention.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor zum Erfassen und/oder Abtasten eines Objekts mit einem Substrat und einer auf oder an diesem Substrat angeordneten und/oder mit diesem Substrat verbundenen, piezoelektrischen Sensoreinheit, dadurch gekennzeichnet, dass die der piezoelektrischen Sensoreinheit abgewandte Rückseite des Substrats eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur aufweist, wobei diese Oberflächenstruktur so ausgebildet ist, dass durch sie eine diffuse Streuung von aus Richtung der Sensoreinheit auf die Rückseite einfallenden Ultraschallwellen erfolgt und/oder dass ihre Erhebungen und/oder Vertiefungen eine mittlere laterale Ausdehnung im Bereich von 0.05 µm bis 1 mm, bevorzugt von 0.1 µm bis 200 µm, bevorzugt von 0.2 µm bis 20 µm, und/oder eine mittlere laterale Ausdehnung, die kleiner oder gleich der Wellenlänge einer durch die piezoelektrische Sensoreinheit erzeugbaren Ultraschallwelle ist, aufweisen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschallsensor zum Erfassen und/oder Abtasten von Objekten gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf ein Herstellungsverfahren für einen solchen Ultraschallsensor.
  • Bei der Verwendung von aktiven piezoelektrischen Dünnschichten wie beispielsweise Dünnschichten aus AlN oder ZnO für Ultraschallsensoren werden diese meist direkt auf geeignete Trägermaterialien bzw. -substrate wie beispielsweise Silizium, Saphir, Galliumnitrid usw. abgeschieden. Sollen diese Dünnschichten mit ihren Trägermaterialen als Ultraschallsensoren eingesetzt werden, so ist die Ausbreitung der Ultraschallwellen in das angekoppelte (zu erfassende und/oder zu vermessende) Medium (dieses wird nachfolgend alternativ auch als Objekt bezeichnet) und das daraus resultierende, von einer Grenzschicht im Medium bzw. Objekt reflektierte Echo auszuwerten.
  • Da sich bei der Messung jedoch gleichzeitig auch Ultraschallwellen im Trägersubstrat ausbreiten, können durch Reflektionen an der Grenzschicht zwischen der Trägersubstratrückseite und dem angrenzenden Medium (z.B. Luft) störende Echos erzeugt werden, die dann (ebenso wie die im eigentlichen Messobjekt erzeugten Echos) von der Sensoreinheit nachgewiesen werden. Im Sinne einer möglichst hohen Messegenauigkeit sind solche Echos somit zu vermeiden.
  • Dazu ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die piezoelektrischen Dünnschichten direkt auf das Messobjekt mittels eines Halbleiterprozesses abzuscheiden, wobei dann die umgebende Luft als rückseitige Schicht die Echos unterdrückt. Alternativ dazu ist es bekannt, die Trägersubstrate der Sensoren in ihrer Dicke so zu gestalten, dass die Echos von deren Rückseite (also von der Grenzschicht zwischen der Trägerrückseite und dem angrenzenden Medium) erst an der piezoelektrischen Schicht des Sensors wieder eintreffen, wenn das Nutzecho aus dem vorderseitig angekoppelten Medium bzw. Objekt bereits registriert worden ist. Schließlich ist es auch aus dem Stand der Technik bekannt, die Piezoschwinger von Ultraschallköpfen durch impedanzangepasste, z.B. blockförmige Dämpfungskörper so abzudecken, dass die Ultraschallwellen in diesen separaten Dämpfungskörpern absorbiert werden, um die störenden Echos mittels des Dämpfungskörpers zu verhindern.
  • Ausgehend vom Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ultraschallsensor (sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren) zur Verfügung zu stellen, mit dem die vorbeschriebenen störenden Echos durch die Grenzschicht zwischen der Trägerrückseite und dem angrenzenden Medium weitestmöglich bis vollständig unterdrückt werden können und der dennoch eine möglichst einfache, kompakte, insbesondere auch zum Einsatz von aktiven piezoelektrischen Dünnschichten geeignete Bauform und möglichst flexible Einsatzmöglichkeiten erlaubt.
  • Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend zunächst allgemein, dann in Form eines Ausführungsbeispiels im Speziellen beschrieben. Die im Ausführungsbeispiel in Kombination miteinander verwirklichten einzelnen, ggf. auch vorteilhaften Merkmale der vorliegenden Erfindung müssen dabei nicht genau in der gezeigten Kombination verwirklicht werden, sondern können im Rahmen der Erfindung bzw. der Patentansprüche auch in anderen Kombinationen verwirklicht sein. Insbesondere können einzelne Merkmale des Ausführungsbeispiels auch weggelassen werden.
  • Die Grundidee der vorliegenden Erfindung basiert darauf, die vorbeschriebene, rückseitige Oberfläche des Trägersubstrats (nachfolgend auch vereinfacht als Substrat bezeichnet) des Ultraschallsensors so auszugestalten, dass keine störenden Echos der Grenzschicht zwischen der Trägersubstratrückseite und dem angrenzenden Medium hin zur piezoelektrischen Sensorschicht bzw. zur Sensoreinheit des Ultraschallsensors zurückgelangen. Dies geschieht durch Ausbilden der Rückseite des Substrats derart, dass in diese Rückseite eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen eingebracht werden, dass also eine entsprechende Oberflächenstrukturierung der Substratrückseite erfolgt. Selbstverständlich kann das Substrat auch mehrere Schichten umfassen, sodass in diesem Falle eine Oberflächenstrukturierung der Rückseite der der Sensoreinheit am weitesten abgewandten Substratschicht erfolgt. (Es können jedoch, sofern durch die Materialwahl notwendig, auch mehrere Oberflächen bzw. Grenzschichten eines mehrschichtigen Substrats oberflächen- bzw. tiefenstrukturiert werden.)
  • Die so zu strukturierende Oberfläche bzw. Rückseite des Substrats kann insbesondere in Form von schwarzem Silizium ausgebildet werden. Ebenso ist es jedoch auch möglich, bei Einsatz von Saphir oder Galliumnitrid als Substratmaterial, deren Rückseiten entsprechend tiefenzustrukturieren.
  • Wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung und der nachfolgenden Beschreibung davon gesprochen, dass ein Element (z.B. die piezoelektrische Sensoreinheit) auf oder an einem anderen Element (z.B. Substrat) angeordnet ist und/oder mit diesem anderen Element verbunden ist, so schließt dies nicht aus, dass sich zwischen den beiden Elementen ein oder mehrere weitere Elemente (z.B. Passivierungsschichten, Schutzschichten o.ä.) befinden. Unter einer diffusen Streuung wird im Rahmen der Erfindung eine Streuung von Ultraschallwellen verstanden, die so ausgebildet ist, dass, nach erfolgter Streuung, keine gerichtete Ausbreitung der Ultraschallwellen in eine Vorzugsrichtung mehr erfolgt, sondern eine weitere Ausbreitung der Ultraschallenergie in unterschiedlichste Richtungen so, dass durch die gestreuten Ultraschallwellen kein Echo (oder nur noch ein geringfügiges Echo) durch die Sensoreinheit nachgewiesen werden kann.
  • Unter einer Lateralrichtung wird eine Richtung innerhalb der Schichtebene des Ultraschallsensors und/oder dessen Sensoreinheit verstanden. Die Richtung senkrecht hierzu, also die Richtung senkrecht zur Sensorebene und/oder zur Ebene des Substrates (z.B. Wafer) wird nachfolgend alternativ auch als Tiefenrichtung oder als Höhenrichtung bezeichnet. Wird nachfolgend von einer mittleren Ausdehnung (z.B. einer mittleren lateralen Ausdehnung, also einer Ausdehnung in Richtung der Schichtebene des Sensors oder einer mittleren Höhenausdehnung der Erhebungen in Richtung senkrecht zur Schichtebene) gesprochen, so ist unter dem entsprechenden Mittel das arithmetische Mittel aus einer Vielzahl von Einzelwerten (z.B. von lateralen Ausdehnungen einzelner nadelförmiger Erhebungen) zu verstehen.
  • Ein erfindungsgemäßer Ultraschallsensor umfasst ein Substrat und eine auf oder an diesem Substrat angeordnete und/oder mit diesem Substrat verbundene, piezoelektrische Sensoreinheit. Die der piezoelektrischen Sensoreinheit abgewandte Rückseite des Substrats weist eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen auf, in dieser Rückseite ist somit eine Oberflächenstruktur eingebracht. Diese Oberflächenstrukturierung bzw. Oberflächenstruktur ist so ausgebildet, dass durch sie eine diffuse Streuung der aus Richtung der Sensoreinheit (also von der Vorderseite des Sensors) auf die strukturierte Rückseite einfallenden Ultraschallwellen erfolgt. Die Erhebungen und/oder Vertiefungen können eine mittlere laterale Ausdehnung im Bereich von 0.05 µm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich vom 0.1 µm bis 200 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 0.2 µm bis 20 µm aufweisen. Diese mittlere laterale Ausdehnung kann somit kleiner oder gleich der Wellenlänge einer durch die piezoelektrische Sensoreinheit (auf der Vorderseite des Substrats) erzeugbaren Ultraschallwelle sein.
  • Die auf der Vorderseite des Substrats aufgebrachte piezoelektrische Sensoreinheit kann zum Aussenden und/oder zum Empfangen von Ultraschallwellen entsprechend einer Frequenz des Bereichs von 20 kHz bis 1 GHz ausgebildet sein. Die piezoelektrische Sensoreinheit kann dabei auch aus mehreren, zum Empfangen oder zum Senden von Ultraschall ausgebildeten Untereinheiten aufgebaut sein. Entsprechende Ausgestaltungen sowie Auswertealgorithmen zum Auswerten der gesendeten und/oder empfangenen Ultraschallsignale sind dem Fachmann dabei bekannt (beispielsweise lassen sich entsprechende Ausgestaltungen der DE 10 2006 005 048 A1 entnehmen).
  • Ebenso kann die der Rückseite des Substrats einstrukturierte Oberflächenstruktur zur diffusen Streuung von Ultraschallwellen entsprechend dem vorgenannten Frequenzbereich ausgebildet sein.
  • Bei dem Substrat handelt es sich bevorzugt um Silizium, insbesondere um kristallines Silizium. Das Substrat kann ein Silizium-Wafer sein. Ebenso ist es jedoch auch denkbar als Substrat Saphir oder Galliumnitrid zu verwenden.
  • Im Falle von Silizium als Substrat ist die Rückseite und/oder deren Oberflächenstruktur bevorzugt in Form von schwarzem Silizium ausgebildet. Unter schwarzem Silizium wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine Oberflächenmodifikation des kristallinen Siliziums wie folgt verstanden: Das kristalline Silizium wird, beispielsweise durch ultrakurze Laserpulse oder durch den Beschuss der Siliziumoberfläche mit hochenergetischen Ionen der Substratrückseite so strukturiert, dass bevorzugt lichtoptisch wirksame, bevorzugt nadelförmige Strukturen (Erhebungen und Vertiefungen) auf der Oberfläche erzeugt werden.
  • Die nadelförmigen Vertiefungen und Erhöhungen im Silizium können mit dem dem Fachmann bekannten reaktiven Ionentiefätzen hergestellt werden: Der Ionentiefätz-Prozess ist ein zweistufiger, alternierender Trockenätzprozess bei dem sich ein Ätz- und ein Passivierungsschritt abwechseln. Ziel ist es, möglichst anisotrop zu ätzen, d.h. richtungsabhängig, senkrecht zur Wafer-Oberfläche. Nach einer Maskierung zu schützender Bereiche auf dem Silizium, z.B. mittels Aluminium, wird Schwefelhexafluorid (SF6) und als Trägergas (meist Argon) in den Reaktor mit dem darin befindlichen Substrat eingeleitet. Nach elektrischer Energiezufuhr (z.B. induktiv ICP oder mittels Mikrowellen Elektronenzyklotronresonanz) bildet sich ein energiereiches Hochfrequenzplasma, wobei aus dem SF6 ein reaktives Gas entsteht (im Plasma entstehen SF6+-Ionen, aktivierte SF6-Moleküle sowie fluorhaltige und Sauerstoff-Radikale). Zusammen mit der Beschleunigung der Argon-Ionen in einem elektrischen Feld wird eine chemische Ätzreaktion (isotrop) auf dem Substrat und ein physikalischer (anisotroper) Materialabtrag mittels Argon-Ionen überlagert. Je nach Anlagentyp findet der Prozess bei Niederdrücken von 50 Pa bis 1 Pa, bevorzugt in einem HF-Plasma mit 13,65 MHz, Druckbereich 10-50 Pa statt.
  • Der Ätzprozess wird nach kurzer Zeit gestoppt und ein Gasgemisch aus Octaflourocyclobutan (C4F8) und Argon eingeleitet. Im Reaktor wird das Octaflourocyclobutan als Plasmagas aktiviert und die entstehenden fluorhaltigen Radikale und Moleküle bilden auf dem gesamten Substrat eine polymerartige Passivierungsschicht, d.h. sowohl auf der Maske, als auch auf dem Silizium und den vertikalen Silizium-Seitenwänden. Durch den anschließend wiederholten Ätzschritt mit SF6 wird die Passivierungsschicht der horizontalen Flächen (Grabenboden) durch die gerichtete physikalische Komponente (Ionen) der Ätzreaktion deutlich schneller entfernt als die Schicht an den Seitenwänden.
  • Mit diesem Verfahren können erfindungsgemäß, abgedeckt durch die Ablagerung von oben und dem Polymer von den Seiten, lange Siliziumsäulen stehen bleiben. Der Prozess kann dabei so eingestellt werden, dass sich auf einem Quadratmillimeter Millionen Nadeln bilden können.
  • Dem Fachmann ist auch bekannt, dass Silizium im halogengasgefüllten Vakuumrezipient durch Beschuss der Siliziumoberfläche mit extrem energiereichen gepulsten Femtosekunden-Laser (Laser, die Lichtpulse aussenden, deren Dauer im Femtosekunden-Bereich 1 fs = 10-15 s liegt mit Spitzenenergien im Giga- bzw. Terrawatt-Bereich) die räumliche Struktur durch höchstenergetische Energieeinträge derart verändert, dass das schwarze Silizium entsteht. Auch durch den Laserbeschuss (mehrere Hundert Pulse) kann erfindungsgemäß eine nadelförmige Oberfläche hergestellt werden.
  • Bevorzugt besitzen die im Silizium erzeugten, "schwarzen" Strukturen eine Länge (senkrecht zur Substratebene) von einigen µm bis > 10 µm bei einem Durchmesser von etwa 1 µm oder darunter auf einkristallinem Silizium, weshalb die Struktur auch als "silicon grass" oder "RIE grass" bezeichnet wird (DRIE = deep reactive ion etching). Wesentliches Merkmal einer solchen Schicht aus schwarzem Silizium auf der Rückseite des Substrats ist eine erhöhte Absorption von einfallendem sichtbaren Licht, die durch die Ausbildung der vorgenannten Tiefenstruktur bzw. Oberflächenstruktur bewirkt wird (die Tiefenstruktur bewirkt einen stetigen Übergang der Brechzahl des effektiven Mediums, sodass keine scharfe optische Grenzfläche existiert, an der das Licht reflektiert werden kann; stattdessen wird das Licht "sanft" in das Material geleitet und kaum reflektiert, was das Silizium schwarz erscheinen lässt).
  • Die Erhebungen und Vertiefungen der Oberflächenstruktur können (auch bei anderen Substraten) somit durch Laserbeschuss, durch Ionenbeschuss, insbesondere durch reaktives Ionenätzen oder reaktives Ionentiefätzen, und/oder auch durch mikromechanische, spanabtragende Bearbeitung der Rückseite des Substrats hergestellt sein. Wie vorbeschrieben, sind die Erhebungen bevorzugt nadelförmig ausgebildet.
  • Die mittlere Höhe der Erhebungen, die mittlere Tiefe der Vertiefungen und/oder die mittlere Ausdehnung der Erhebungen und/oder der Vertiefungen senkrecht zur Sensorebene (nachfolgend auch mit der Variablen A bezeichnet) liegt bevorzugt im Bereich zwischen 0.05 µm bis 1 mm, bevorzugt im Bereich von 0.1 µm bis 200 µm und besonders bevorzugt im Bereich von 0.1 µm bis 20 µm (also letztendlich in derselben Größenordnung wie die laterale Ausdehnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen in der Sensorebene). Somit beträgt das Aspektverhältnis a = A/L aus vorgenannter Höhe, Tiefe und/oder Ausdehnung und der mittleren lateralen Ausdehnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen (die nachfolgend auch mit der Variablen L bezeichnet ist) bevorzugt zwischen 0.2 und 50, besonders bevorzugt zwischen 0.5 und 10.
  • Das Piezoelement der piezoelektrischen Sensoreinheit ist bevorzugt in Form einer piezoelektrischen Dünnschicht ausgebildet. Diese Schicht kann aus AlN oder ZnO bestehen oder dieses Material enthalten. Bevorzugt weist die Sensoreinheit eine Schichtdicke im Bereich zwischen 1 µm und 100 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 25 µm auf. Die Sensoreinheit kann wie vorbeschrieben auch aus mehreren über die Schichtebene verteilten Untereinheiten, die jeweils entsprechende Dünnschichtelemente aufweisen, bestehen.
  • Zum Anregen des Piezoelementes bzw. der piezoelektrischen Dünnschicht zu Schwingungen und/oder zum Messen der durch mechanischen Druck im Piezoelement bzw. der Dünnschicht erzeugten elektrischen Spannung weist die piezoelektrische Sensoreinheit (oder, bei mehreren Untereinheiten jede dieser Untereinheiten) zwei mit dem Piezoelement zum Erfassen und/oder Anlegen der elektrischen Spannung verbundene elektrische Kontakte auf. Bevorzugt ist die piezoelektrische Dünnschicht dabei sandwichartig zwischen diesen beiden elektrischen Kontakten angeordnet und grenzt unmittelbar an diese elektrischen Kontakte an. Die elektrischen Kontakte können beispielsweise aus Kupfer ausgebildet sein.
  • Die piezoelektrische Sensoreinheit oder die entsprechenden Unter-Sensoreinheiten können zum Aussenden von Ultraschallwellen, zum Empfangen von Ultraschallwellen oder auch kombiniert zum Aussenden und zum Empfangen von Ultraschallwellen (Sende- und Empfangseinheit) ausgebildet sein. Um z.B. ein freies Schwingen der Sensoreinheit und/oder der Untereinheiten zu ermöglichen, kann das Substrat mit der/den darauf ausgebildeten Sensoreinheit(en) abschnittweise als dünne Membran ausgebildet sein.
  • Der Ultraschallsensor kann in Form eines Ultraschallprüfkopfs ausgebildet sein oder in einen solchen Prüfkopf integriert sein.
  • Erfindungsgemäß wird somit für aktive piezoelektrische Dünnschichten, die auf geeigneten Trägermaterialien abgeschieden sind (insbesondere: Silizium) eine akustisch stark streuende Rückseite des Substrats realisiert. Insbesondere lässt sich dies über die Schwarze-Silizium-Technologie mittels Ionenätzen, durch Strukturieren mittels Laserbearbeitung oder durch spanabtragende Verfahren wie beispielsweise Wafersägen realisieren. Die Vorgehensweise bei den einzelnen vorgenannten Bearbeitungsverfahren ist dem Fachmann grundsätzlich bekannt, beispielsweise wie folgt:
    • Silizium-Ätzen:
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    Laserbearbeitung:
    • 6. Fritz Kurt Kneubühl, Markus Werner Sigrist: Laser, 6. Auflage, Teubner, Wiesbaden 2005, ISBN 3-8351-0032-7.
    • 7. J. Eichler, H. J. Eichler: Laser, Bauformen, Strahlführung, Anwendungen, 5. Auflage, Springer-Verlag, ISBN 3-540-00376-2.
    Silizium-Mikrotechnik-Mikromechanik:
    • 8. Ulrich Hilleringmann: Mikrosystemtechnik: Prozesschritte, Technologien, Anwendungen, 1. Auflage, Vieweg + Teubner, 2006, ISBN 3-835-10003-3.
    • 9. Brück, Rainer [Hrsg.] Bauer, Hans-Dieter: Angewandte Mirkotechnik; LIGA, Laser, Feinwerktechnik/München; Wien: Hanser, 2001 - ISBN 3-446-21471-2.
  • Die Herstellung eines Substrates mit einer Ultraschall streuenden Rückseite ("Substrat-Absorberschicht") kann folglich erfindungsgemäß für piezoelektrische Dünnschichtsensoreinheiten derart erfolgen, dass das Substrat (beispielsweise der Sililiziumwafer) vor den Beschichtungsprozessen (Beschichtung mit der dünnen, piezoelektrischen Schicht sowie mit entsprechenden elektrischen Kontakten) zunächst auf der Rückseite mit einer entsprechenden Oberflächenstruktur (z.B. einer Oberfläche aus schwarzem Silizium) versehen wird. Dies kann wie vorbeschrieben durch Laserpulsen oder reaktives Ionenätzen erfolgen. Die Beschichtung mit der piezoelektrischen Sensorschicht und den Elektroden ist dem Fachmann dabei grundsätzlich bekannt, als Beschichtungsverfahren können beispielsweise Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern) eingesetzt werden. Theoretisch können alle PVD-Verfahren, wie HF-Sputtern eingesetzt werden, bevorzugt geeignet sind Puls-Magnetron-SputterVerfahren. Siehe hierzu beispielsweise:
    • 10. Leyens, Christoph: Wechselwirkung zwischen Herstellungsparametern und Schichteigenschaften ausgewählter metallischer und keramischer Systeme bei der Magnetron-Kathodenzerstäubung / Düsseldorf: VDI-Verl., 1998. (Fortschrittberichte VDI: Reihe 5, Grund- und Werkstoffe, Kunststoffe; 534) ISBN 3-18-353405-3.
    • 11. U. Krause: Das Verhalten der elektrischen Parameter beim bipolaren Puls-Magnetron-Sputtern am Beispiel von Zinn- und Zinkoxid Jahr 2002, Hochschulschrift Magdeburg, Univ., Diss., 2001.
    • 12. D. Glöß, Einfluss von Beschichtungsparametern auf den Teilchen- und Energiestrom zum Substrat und Auswirkungen auf ausgewählte Eigenschaften von Titanoxidschichten beim reaktiven Puls-Magnetron-Sputtern, Diss. Fakultät für Naturwissenschaften der Technischen Universität Chemnitz, 2006.
    • 13. D. Depla: Reactive sputter deposition; Berlin, Heidelberg [u.a.]: Springer, 2008 (Springer series a in materials science, 109) ISBN 978-3-540-76662-9.
  • Erfindungsgemäß können beispielsweise durch reaktives Ionentiefätzen Gräben, Vertiefungen, Löcher, ... als Erhebungen und Vertiefungen in die Rückseite des Substrats strukturiert werden. Die Vertiefungen können beispielsweise mehrere 100 µm Tiefe aufweisen und mit einem hohen Aspektverhältnis (z.B. im Bereich von 2 bis 50) erzeugt werden. Dies kann durch wiederholtes Wechseln von Ätzen und Passivieren der rückseitigen Substratoberfläche erreicht werden. Beim Ätzen können allerdings kleine Ablagerungen der,Passivierung am Boden verbleiben und diesen maskieren. Bei einer Verlagerung des Prozesses hin zur Passivierung entstehen so auszuformende Strukturen, die auch bei den folgenden Ätzschritten nicht abgetragen werden.
  • Hierdurch können dort senkrechte (relativ zur Substratebene) Flächen entstehen, an denen sich eine Polymerschicht ablagern kann. So können, abgedeckt durch die Ablagerung von oben und abgedeckt durch das Polymer an den Seiten, Erhebungen beispielsweise in Form von länglichen Siliziumsäulen stehen bleiben. Das reaktive Ionenätzen kann dabei so eingestellt werden, dass sich auf 1 mm2 Millionen kleiner nadelförmiger Säulen bilden können. Auch durch Beschuss mit extrem energiereichen gepulsten Femtosekundenlasern kann die räumliche Struktur der Rückseite des Substrats verändert werden, sodass eine nadelförmige, tiefenstrukturierte Oberfläche entsteht (z.B. Nadeln in einer mittleren Länge von 300 nm). Die Prozesse sind vergleichsweise gut und gleichmäßig reproduzierbar.
  • Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben.
    • Es zeigen:
    • Fig. 1 einen Schnitt senkrecht zur Substratebene durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor (Schemazeichnung).
    • Fig. 2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer Oberflächenstruktur der Rückseite eines in dem Sensor gemäß Fig. 1 eingesetzten Siliziumwafers (Schwarzes Silizium).
  • Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Ultraschallsensor. Wie vorbeschrieben wird die Rückseite 3 eines einkristallinen Siliziumwafers 1 durch reaktives Ionentiefätzen mit einer eine Vielzahl von nadelförmigen Erhebungen und Vertiefungen (vgl. Fig. 2) umfassenden Oberflächenstruktur 4 versehen. Die Dicke des Wafers 1 beträgt hier 500 µm, die Tiefe der Vertiefungen bzw. die Ausdehnung der einzelnen nadelförmigen Erhebungen A der Oberflächenstruktur 4 auf der Rückseite 3 des Substrats 1, also die Tiefe der Strukturen im schwarzen Silizium auf der Rückseite 3 des Wafers 1 beträgt hier 2 bis 5 µm, und die laterale Ausdehnung dieser Erhebungen (vgl. Fig. 2) beträgt hier 200 bis 800 nm.
  • Mithilfe eines Magnetron-Sputter-Prozesses werden anschließend auf der der Rückseite 3 gegenüberliegenden Vorderseite 7 des Wafers die einzelnen Elemente der elektrischen Sensoreinheit 2 aufgebracht. Zunächst wird jedoch eine hier 1 bis 2 µm dicke Isolationslage 8 aus Siliziumoxid auf der Vorderseite 7 des Wafers 1 abgeschieden. Auf dieser elektrischen Isolationslage 8 wird zunächst eine erste Elektrodenmetallisierung bzw. Elektrodenschicht 6 (hier eine 150 µm dicke Aluminiumschicht) aufgebracht. Auf dieser ersten Elektrodenmetallisierung 6 wird eine piezoelektrisch aktive Dünnschicht (piezoelektrische Schicht 5) aus A1N aufbeschichtet. Alternativ dazu kann beispielsweise auch Zn0 als Schichtmaterial verwendet werden. Die piezoelektrische Dünnschicht hat hier eine Schichtdicke von 5 bis 25 µm. Auf der der ersten Metallisierung 6 gegenüberliegenden Seite der piezoelektrischen Schicht 5 wird schließlich der zweite elektrische Kontakt 9 der piezoelektrischen Dünnschicht 5 aufbeschichtet. Auch bei diesem Kontakt handelt es sich um einen Aluminiumschichtkontakt, dessen Dicke der Dicke des ersten Metallkontakts 6 entspricht. Die Sensoreinheit 2 umfasst hier die Elemente 5, 6 und 9 (und je nach Sichtweise auch die Schicht 8).
  • Somit ergibt sich von der Rückseite 3 mit der Oberflächenstruktur 4 des Ultraschallsensors hin zur Vorderseite (elektrischer Kontakt 9) gesehen der folgende Schichtaufbau: Rückseite 3 mit Oberflächenstruktur 4, Siliziumwafer 1, Isolationslage 8, erster Metallkontakt 6, piezoelektrisch aktive Dünnschicht 5 und zweiter Metallkontakt 9.
  • Der gezeigte Sensor 1 bis 9 kann somit auf ein externes Objekt 0, das abgetastet bzw. vermessen werden soll, aufgesetzt werden: In der als kombinierte Sende- und Empfangseinheit ausgebildeten piezoelektrischen Sensoreinheit 2 des gezeigten Ultraschallsensors (deren Detailaufbau dem Fachmann z.B. gemäß der DE 10 2006 005 048 A1 bekannt ist) können Ultraschallwellen erzeugt und in das Objekt O eingekoppelt werden. An Grenzflächen im Objekt werden die Ultraschallwellen reflektiert und von der Sensoreinheit 2 werden die entsprechenden Echosignale erfasst und ausgewertet. Die gleichzeitig mit der Einkopplung von Ultraschallwellen bzw. von Ultraschallenergie ins Objekt 0 erfolgende Einkopplung von Ultraschallenergie bzw. von Ultraschallwellen in den Substratträger 1 führt aufgrund der diffusen Reflektion dieser Wellen an der tiefenstrukturierten 4 Rückseite 3 des Trägersubstrats 1 nicht zu messbaren Echos (ungerichtete Rückstreuung der an der Oberfläche 3 reflektierten Ultraschallwellen). Bei dem gezeigten Ultraschallsensor 1 bis 9 werden somit störende Echosignale vermieden und die Messgenauigkeit beim Abtasten des Objekts O wird erhöht.
  • Fig. 2 zeigt ein Beispiel für eine Rückseite 3 bzw. eine Oberflächenstruktur 4 dieser Seite für einen in Fig. 1 skizzierten Ultraschallsensor in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme: Fig. 2 links zeigt eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit einer Vergrößerung von 10 000, während Fig. 2 rechts eine stärkere Vergrößerung (Vergrößerungsfaktor 50 000) zeigt. Gut zu erkennen sind die einzelnen nadelförmigen Erhöhungen bzw. die einzelnen Siliziumnadeln des an der Rückseite 3 des Siliziumwafers 1 ausgebildeten schwarzen Siliziums. Der mittlere laterale Abstand L zweier Siliziumnadeln beträgt hier ca. 2 bis 5 µm, die mittlere Höhe A beträgt hier 10 bis 20 µm, dies entspricht ca. 2 Millionen Nadeln pro Quadratmillimeter.
  • Bei dem in den Fig. 1 und 2 beschriebenen Aufbau einer Silizium-Absorberschicht 1, 3, 4 für eine piezoelektrische Sensoreinheit 2 bzw. 2, 8 (die Isolationslage 8 kann als Teil der Sensoreinheit 2 angesehen werden) wird somit auf dem Siliziumsubstrat 1 mittels der vorbeschriebenen Prozesse auf der Unterseite bzw. der Rückseite 3 eine Schicht aus schwarzem Silizium aufgebracht. Danach erfolgt auf der Oberseite bzw. Vorderseite 7 des Siliziumwafers 1 der Herstellungsprozess für die piezoelektrische Dünnschicht-Sensoreinheit 2, 8: Nach dem Aufbringen der Isolationslage 8 aus Siliziumoxid wird die erste Dünnschicht-Elektrodenmetallisierung 6 aufgebracht, gefolgt von dem aktiven piezoelektrischen Material 5. Schließlich folgt das Aufbringen der zweiten Dünnschicht-Elektrodenmetallisierung 9.
  • Mit der vorliegenden Erfindung ist es somit möglich, die störenden Ultraschallechos aus dem Trägersubstrat 1 für die Schichtsensorelemente 2 derart zu streuen, dass sie keinen großen Einfluss auf das Echo, welches aus dem an der aktiven Oberfläche (Vorderseite des Ultraschallsensors) angekoppelten Medium bzw. Objekt O zurückkehrt, haben. Somit sind wesentlich breitere Anwendungsfelder für piezoelektrische Ultraschall-Dünnschichtsensoren möglich. Da man den Sensor nicht mehr direkt auf das Messobjekt auftragen muss, nicht unbedingt Luft als rückseitige Grenzschicht realisieren muss und keine sehr dicken Trägersubstrate mehr verwenden muss, können ohne Weiteres auch Hochfrequenz-Ultraschallprüfköpfe mit der vorliegenden Erfindung hergestellt werden.
  • Ein wesentlicher Kern der Erfindung ist somit das Herstellen der elektroakustischen Absorberschicht auf der Rückseite eines Trägersubstrats durch eine stark zerklüftete Oberfläche mit Strukturbreiten von beispielsweise unter 1 µm und mit Strukturtiefen von beispielsweise mehreren 100 nm, wobei dann auf der gegenüberliegenden Vorderseite bzw. Oberfläche eine piezoelektrische Sensoreinheit in Dünnschichttechnik liegt.
  • Erfindundungsgemäße Ultraschallsensoren bzw. Dünnschicht-Ultraschallsensoren können in der zerstörungsfreien Materialprüfung dünner Schichten, in der Qualitätssicherung, in der Prozessüberwachung oder auch ganz allgemein für beliebige Ultraschall-, Sensoraufgaben realisiert werden. Insbesondere können auch Hochfrequenz-Ultraschallprüfköpfe erfindungsgemäß realisiert werden.

Claims (9)

  1. Ultraschallsensor zum Erfassen und/oder Abtasten eines Objekts (O) mit
    einem Substrat (1) und
    einer auf oder an diesem Substrat angeordneten und/oder mit diesem Substrat verbundenen, piezoelektrischen Sensoreinheit (2),
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die der piezoelektrischen Sensoreinheit (2) abgewandte Rückseite (3) des Substrats (1) eine eine Vielzahl von Erhebungen und Vertiefungen umfassende Oberflächenstruktur (4) aufweist,
    wobei diese Oberflächenstruktur (4) so ausgebildet ist, dass durch sie eine diffuse Streuung von aus Richtung der Sensoreinheit (2) auf die Rückseite (3) einfallenden Ultraschallwellen erfolgt und/oder dass ihre Erhebungen und/oder Vertiefungen eine mittlere laterale Ausdehnung (L) im Bereich von 0.05 µm bis 1 mm, bevorzugt von 0.1 µm bis 200 µm, bevorzugt von 0.2 µm bis 20 µm, und/oder eine mittlere laterale Ausdehnung (L), die kleiner oder gleich der Wellenlänge einer durch die piezoelektrische Sensoreinheit (2) erzeugbaren Ultraschallwelle ist, aufweisen.
  2. Ultraschallsensor nach dem vorhergehenden Anspruch
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die piezoelektrische Sensoreinheit (2) zum Aussenden und/oder zum Empfang von und/oder dass die Oberflächenstruktur (4) zur diffusen Streuung von Ultraschallwellen entsprechend einer Frequenz im Bereich von 20 kHz bis 1 GHz ausgebildet ist/sind.
  3. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Substrat (1) Silizium, insbesondere kristallines Silizium, enthält oder daraus besteht und/oder ein Siliziumwafer ist, oder dass das Substrat Saphir oder Galliumnitrid enthält oder daraus besteht,
    und/oder
    dass die Rückseite (3) und/oder deren Oberflächenstruktur (4) schwarzes Silizium enthält oder daraus besteht
    und/oder
    dass die Erhebungen und Vertiefungen der Oberflächenstruktur (4) durch Laserbeschuss, durch Ionenbeschuss, insbesondere durch reaktives Ionen- oder Ionentiefätzen, und/oder durch mechanische, spanabtragende Bearbeitung der Rückseite (3) des Substrats (1) hergestellt sind, wobei die Erhebungen bevorzugt nadelförmig ausgebildet sind.
  4. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die mittlere Höhe (A) der Erhebungen, die mittlere Tiefe der Vertiefungen und/oder die mittlere Ausdehnung der Erhebungen und/oder Vertiefungen senkrecht zur Sensorebene im Bereich zwischen 0.05 µm bis 1 mm, bevorzugt von 0.1 µm bis 200 µm, bevorzugt von 0.2 µm bis 20 µm,liegt und/oder
    dass das Aspektverhältnis a=A/L aus vorgenannter Höhe (A), Tiefe und/oder Ausdehnung und der mittleren lateralen Ausdehnung (L) der Erhebungen und/oder Vertiefungen zwischen 0.2 und 50, bevorzugt zwischen 0.5 und 10 beträgt.
  5. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die piezoelektrische Sensoreinheit (2) mindestens ein Piezoelement (5), bevorzugt in Form einer piezoelektrischen Dünnschicht mit einer Schichtdicke im Bereich zwischen 1 zum und 100 µm, bevorzugt zwischen 10 µm und 25 µm, und/oder bevorzugt aus A1N oder ZnO enthält oder daraus besteht.
  6. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die piezoelektrische Sensoreinheit (2) mindestens ein Piezoelement (5) und mindestens zwei mit diesem Piezoelement (5) zum Erfassen von einer in diesem Piezoelement (5) aufgrund eines äußeren Drucks auftretenden elektrischen Spannung und/oder zum Anlegen von einer elektrischen Spannung an dieses Piezoelement (5) verbundene elektrische Kontakte (9, 6) umfasst, wobei bevorzugt mindestens eines dieser Piezoelemente (5) zwischen mindestens zwei mit ihm verbundenen elektrischen Kontakten (9, 6) angeordnet ist.
  7. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    gekennzeichnet durch
    eine als Sendeeinheit zum Aussenden von Ultraschallwellen, als Empfangseinheit zum Empfang von Ultraschallwellen oder als Sende- und Empfangseinheit zum Aussenden und zum Empfang von Ultraschallwellen ausgebildete piezoelektrische Sensoreinheit (2)
    und/oder
    durch eine mitsamt dem Substrat (1) zumindest abschnittsweise als Membran ausgebildete piezoelektrische Sensoreinheit (2).
  8. Ultraschallsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche
    gekennzeichnet durch
    mehrere piezoelektrische Sensoreinheiten (2), wobei bevorzugt mehrere oder alle dieser Sensoreinheiten (2) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche ausgebildet sind,
    und/oder
    durch Ausbildung des Ultraschallsensors als Ultraschallprüfkopf.
  9. Verfahren zum Herstellen eines Ultraschallsensors gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass
    in der Rückseite (3) des Substrats (1), insbesondere in der Rückseite eines kristallinen Siliziumwafers, zunächst durch Laserbeschuss, durch Ionenbeschuss, insbesondere durch reaktives Ionen- oder Ionentiefätzen, und/oder durch mechanische, spanabtragende Bearbeitung die Erhebungen und Vertiefungen der Oberflächenstruktur (4) hergestellt werden,
    bevor anschließend die der Rückseite gegenüberliegende Vorderseite (7) des Substrats (1) mittels eines Beschichtungsprozesses, bevorzugt mittels Kathodenzerstäubung (Sputtern), mittels eines PVD-Verfahrens, und/oder mittels Puls-Magnetron-Sputtern, mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (5) und mit mindestens zwei elektrischen Kontakten (9, 6) in Schichtform versehen wird.
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