JP2003500955A - 音響変換器、及びこのための製造方法 - Google Patents
音響変換器、及びこのための製造方法Info
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Abstract
Description
る新規の超音速の静電気変換器、及び変換器などの新規製造方法に関する。
る。超音波変換器は、人間の感知を超える周波数域、すなわち約20KHzで作
動される音響変換器の一形式である。音響変換器は、医療用の撮像、非破壊的な
数値評価、及び他の用途に用いられている。最もありふれた音響変換器の形式は
、圧電変換器であり、これは低くて狭い周波数幅で作動される。圧電変換器は、
電気と音響のエネルギーとの間の空気中での変換において十分ではない。さらに
、空気中で作動する圧電変換器の周波数は、かなり低い。
存しており、ハラー(Haller)らによって、1997年4月9日に発行の米国特
許第5,619,476号“静電超音波変換器”とラダバウム(Ladabaum)らに
よって、1999年2月9日に発行の米国特許第5,870,351号“微小製
造されたブロードバンド超音波変換器、及び微小製造の方法”とに開示されてい
る。また、従来技術において開示された公知の材料は、浸透変換器が、類似の技
術によっても製造され得ることを示している。液体が連携した変換器が典型的に
共振しない一方で、気体が連携した変換器は、通常共振する。‘476特許から
引用された図1A、及び1Bに示されているように、ここに開示されている変換
器は、コンデンサの一平面を形成する金でできた接触層14及び基板11と、コ
ンデンサの他の一平面を形成する金でできた接触層14B及び窒化物層13を有
する薄膜とからなる(絶縁体である窒化物層13を備えた金でできた接触層14
が電極であるのに対し、電極13/14を参照すると、上述の特許に開示されて
いるように、導体の基板11と隣接する金でできた接触層14を有する他の電極
11/14と区別するように用いられている)。窒化物層13及び金層14内で
エッチングされた穴16は、取除層12の残された支柱が薄膜を支持する間、取
除用の酸化層12の部分をエッチングするのに用いられる。2つの電極13/1
4と11/14との間の静電容量の変化を表示することによって、薄膜の超音波
共振が検知され得る。
る薄膜を使用する。気体分子のほぼ半分の波長で伝達される運動量は、動きの中
で薄膜を設置することができ、また逆も同じである。電気的な駆動と検波は、こ
うした共振薄膜の認識と制御を可能にする。距離が短いとき、静電容量の引力は
、効果ある駆動器にかなり大きな力を出力することができる。
高周波数で用いることを禁じるような実際的な問題を有し、あらゆる周波数域で
効果を減ずる。微小製造された超音波変換器の使用を禁じる様々な理由があるこ
とが本発明によって理解される。1つの理由は、電極13/14,11/14が
それぞれ導体の薄板として形成されている。図1Aに示されているように、金で
できた接触層14が、取除層12がエッチングされる中空領域をカバーする状態
で、この金でできた接触層14も薄膜を支持する支柱を全体的にカバーする。同
様に、薄膜11と、これと協働する金でできた接触層14が、他の導体薄板であ
る。したがって、取除エッチングアクセス穴15のある場所を除く領域で、電極
13/14、11/14が重なり合わない領域は無い。この重なりは、浮遊の静
電容量をもたらし、これは、取除層12の支柱の領域間での半導体の絶縁体の誘
電率が、薄膜の中心で、空気/真空のギャップの誘電率よりほぼ1オーダー大き
くなることができるという事実によって悪化させる。周波数が高くなるに従って
、浮遊の誘電容量は、重要になり、ときどき、変換器の性能における優位な要因
にさえなる。かくして、取除層12の支柱の領域での重なりが、変換器の駆動領
域の10分の1占めるだけであっても、このような重なりは、静電容量の半分を
占める。
、浮遊の静電容量を減らすさらなる理由である。特に、薄膜は、物理的な制限に
よって、少なくとも約2,500オングストロームである必要がある厚さを有し
ている。かくして、金でできた接触層14が窒化物層13上に位置されていると
き、窒化物層の厚さによって、追加的な浮遊の静電容量がある。
よって説明されたような変換器は、高周波数で作動することができず、低周波帯
で、可能性の限界より非効果的に作動される。したがって、改良された音響変換
器に対する要求がある。
である。
きる音響変換器を提供することである。
る電極間で減ぜられた浮遊の静電容量を有する音響変換器を提供することである
。
換セルからなる変換器を形成することである。本発明の他の目的は、上述の特徴
を有する音響変換器を製造する方法を提供することである。
る音響変換器によって、上述の目的を達成する。各変換セルは、絶縁材からなる
層に形成された下部の電極と、この下部の電極上に形成された下部の絶縁フィル
ム部と、空気/真空の中空領域を有する中間の絶縁フィルム部と、一部分内に形
成された上部の電極を有する上部の絶縁フィルム部とを有する。相互接続部の第
1の層は、各変換セルの下部の電極に電気的に接続され、相互接続部の第2の層
は、各変換セルの上部の電極に電気的に接続されている。相互接続部の上部と下
部の層は、これらの間の重なりを回避するようにパターン化され、かくして浮遊
の静電容量が減ぜられる。
ルム部内に形成され、絶縁フィルムの上部の表面より空気/真空の中空領域に近
づけられて所定の電圧に対して電場が減ぜられている。
全体より小さいディメンジョンを有するように形成されている。
形成することと堆積することによって始まる。この後、絶縁材からなる下部の絶
縁フィルム部が堆積される。そして、取除層は、この下部絶縁フィルム部上に堆
積され、所望のパターンにエッチングされる。絶縁材からなる中間の絶縁フィル
ム部は、取除層のパターン上に堆積され、上部の電極の層と相互接続部とを形成
して堆積することが続いて行われる。この後、絶縁材からなる上部の絶縁フィル
ム部が、絶縁フィルムの形状が完全となるように堆積される。この後、絶縁フィ
ルムは、エッチング液が取除層パターンに達することができる媒介穴を形成する
ように、エッチングされる。そして、エッチングは、中空領域を形成する残りの
絶縁層パターンを除去するように機能する。このような媒介穴とエッチングは、
中間の絶縁フィルム部が堆積された後で、電極の上部の層及び相互接続部が堆積
される前に、導入されることがある。
接続部の下部の層と重ならないように形成され、かくして浮遊の静電容量が減ぜ
られている。
変換セルを有する。これら複数の変換セルは、単一の音響変換器を形成するよう
に互いに電気的に接続されている。多層の変換器は、同じ基板上にアライメント
されて形成されることができる。音響変換器と、ここに形成された各変換セルは
、上述の製造工程を用いて同時に形成される。
からさらに明らかになる。
細にする。本発明は、好ましい実施の形態と連動して説明される一方で、これら
実施の形態に限定されるものではないことが理解される。反対に、本発明は、請
求項によって規定された技術的思想及び請求の範囲内に含まれている代替、変更
、並びに同様のものをカバーすることを意図される。
。図2は、本発明の一態様を表す上面から見た概略図を示す。図示されているよ
うに、変換器100は、接続された八角形の変換セル200AないしCを含むよ
うに示されている。もちろん、変換器100は、これと協働する1もしくは3以
上の無数の変換セル200を有する。このような変換器100の多くは、典型的
には、従来技術において公知となっているような異なるダイに切断されるウェー
ハとともに、ウェーハ上に同時に形成される。しかしまた、以下の説明は、単一
の変換器100に関してなされる。
この変換セルの形状は、六角形、円形、正方形、長方形、三角形、もしくはその
他の適切な形状など、多種多様な形であり得る。加えて、変換セル200は、幅
広い周波数応答を提供する様々なサイズであって良い。また、変換セル200は
、これらが、複数の周波で共振し得るように、矩形などの所定の形状であって良
い。いかなる数の変換セル200であっても、以下にさらに詳細に説明されるよ
うに、単一の変換器を形成するように相互接続され得る。
電極にそれぞれ電気的に接続されて用いられている上部の相互接続部220と下
部の相互接続部230の使用である。電極と、先行技術の“相互接続部”との両
方を形成する導体の薄板なしで、本発明は、上部及び下部の電極をそれぞれ有す
る変換器セルと、異なる電極を電気的に接続するのに用いられる導体のどの薄板
よりも小さいディメンジョンを有する相互接続部を形成する。様々なセル変換器
の上部及び下部の電極が、単一の上部及び下部の電極であるように電気的に、考
察され得る一方で、以下の説明は、単一の変換セルと協働する電極であると見な
して上部及び下部の電極を用いる。
0は、互いに重なり合わない。ここで用いられているように、本発明に関する“
重なり合う”という用語は、この方法において用いられる。従って、多層薄膜変
換器は、基板300上に変換セル200AないしCを相互接続することによって
形成される。変換セル200は、図のようにすべて同じサイズか、もしくは異な
るサイズであって良い。このような変換器において、それぞれの変換セル200
は、図2に示されているように、上層の相互接続器220によって接続された上
部の電極350を有する。それぞれの下部の電極320は(図2には示されてい
ない)下層の相互接続器230によって接続されている。したがって、相互接続
部220,223同士の重複が避けられる。かくして、窒化物などの半導体の絶
縁体の誘電定数は、電極の相互接続器の重複が排除されるか、もしくは少なくと
も減じられることによって、空気/真空の誘電定数よりほぼ1オーダー大きい値
であっても、浮遊の静電容量が減じられる。
た横断面図を示す。各変換セル200は、上部の電極350及び下部の電極32
0と各変換セル200とが協働する状態で、絶縁用の絶縁フィルム層330によ
って囲われた空気/真空の空洞340を有する。本発明の他の態様は、図3に記
載された比較上のディメンジョンR,S,並びにDを参照して図3に示されてい
る。このディメンジョンRは、薄膜の厚さであり、絶縁層330の部分とここに
堆積された上部の電極とから形成され、上方に空気/真空の空洞340が堆積さ
れ、変換セルの所定の音響インピーダンス、すなわち変換器の周波数領域を決定
するインピーダンスが必要とされる。
でできた接触層14が用いられ、ある公知の微小製造された電気変換器を示して
いる。図2に示されている窒化物層13と、本発明の薄膜との両方は、上記のよ
うに、効果のある周波領域において作動されなければならない。しかし、図2に
示されている構造とは対照的に、本発明は、薄膜内の上部の電極350を形成す
る。従って、下部と上部の電極の距離は、図2に記載された電気変換器内におい
て、Dであり、本発明に係る下部と上部の電極の距離は、Sである。上部の電極
は、薄膜内に掲載されるので、距離Sは、他の同様の変換器に対して、必ずDよ
りも小さい。薄膜内に上部の電極を形成することによって、以下に完全に説明さ
れるように、本発明の浮遊の静電容量はさらに減じられる。
域が、対応する空気/真空の空洞340の表面領域よりも狭い。以下に完全に説
明されるように、もたらされる超音響変換器の浮遊の静電容量内の減少を許容す
る。
けでなく、40MHzより大きい周波数で作動されることができる微小製造され
た音響変換器を得ることが可能である。本発明の好ましい実施の形態のディメン
ジョン及び他の特性は、以下に完全に規定されるが、本発明は、好ましい実施の
形態において規定されている特別なディメンジョン及び特性が無くても、実用さ
れ得ることにも注目すべきである。それにもかかわらず、本発明に係る変換セル
200は、様々な形状及びディメンジョンを有することができる。例えば、薄層
は、典型的には、約0.05から1μmまでに及ぶ薄膜の厚さを備えた約300
から30,000μm2までに及ぶ領域、約10から400MPaまでに及ぶP
ECVD窒化物内の残留応力、並びに約0.1から2μmまでに及ぶ間隔の幅を
有する。しかし、これらのディメンジョンは、単に説明するためだけのものであ
り、本明細書中で説明されている本発明の特性に合うあらゆるディメンジョンが
、上述のように使用されることができる。
15を参照して説明される。あらゆる異なる工程と、工程の順序とが本発明に係
る音響変換器を製造するのに使用され得ることが分かる。
始まる。その後、熱酸化物層310が成長され、好ましくは、5,000ないし
10,000Åの範囲の厚さを有し、導体320の堆積によって続き、これは、
例えば2,500ないし5,000Åの範囲の厚さを有する。好ましい実施の形
態において、この導体は、アルミニウム(Al)であるが、この導体は、銅(C
u)もしくはタングステン(W)もしくはポリシリコンなど、従来技術において
公知のあらゆる導体であっても良い。
化された下部の電極350及び協働する相互接続部を後に残すようにエッチング
される。図5は、結果としてパターン化された下部の電極350A,350B,
350Cを示しており、図2は、結果としてパターン化された下部の相互接続部
を示している。
絶縁フィルム部330Aが堆積される。この下部の絶縁フィルム部分330Aは
、窒化物などの絶縁体であり、例えばプラズマ強化された化学用の気化物質堆積
(“PECVD”として公知)を用いて適用される。適用された下部の絶縁フィ
ルム部330Aは、典型的には、50MPaより小さい測定された残留応力を有
する。この残留応力は、プラズマの周波数を変えること、並びにケイ素キャリア
ガス及び窒素の相対濃度によって調節される。この下部の絶縁フィルム部330
Aは、典型的には、約0.25μmの厚さに堆積される。さらに、便宜上、平坦
化された層のように図示されているが、実際は、堆積される下部の絶縁フィルム
部330Aは、典型的には、平坦化されない。代わりに、下部の絶縁フィルム部
330Aが適用される表面の輪郭が従来技術において公知のように、連続的に適
用される層の用途を介して連続されて続くように、あらゆる表面上にほぼ均一な
厚さを有している。平坦化が使用され得るが、必要というわけではなく、実質的
に追加のコスト及び欠陥の可能性が導かれる。従って、この現象はよく理解され
ているので、さらに説明しない。
ウムもしくは低温酸化物(LTO)などの取除層700が堆積されている。堆積
の厚さは、0.05から1μmの範囲である。レジストパターンは、リソグラフ
で転写され、取除層700は、図8に示されているようなパターンを残してエッ
チングされる。図示のように、取除層は、部分700A,700B,700Cを
有し、これらはそれぞれ、変更セル200A,200B,200C内に形成され
る中空領域とそれぞれ一致する。また、通路702が図示され、この通路702
は、変換セルから物理的に離れた位置から導入される取除層を除去するエッチン
グ液を許容する。
部330Aの絶縁体と同様の絶縁体が堆積される。かくして、好ましい実施の形
態に関し、PECVDの窒化ケイ素は、図9によって示されているように、取除
層700を囲ってカバーするように、パターン化された取除層700上に約0.
15μmの厚さまで、中間の絶縁フィルム部330Bとして堆積される。
て、図3及び11、並びに上述のように、上部の電極350及びもたらされる相
互結合部を製造するパターンでエッチングされる。かくして、電極320A,3
20B,320Cは、それぞれ電極350A,350B,350Cと重なり、上
部の相互接続部220は、上述のように、下部の相互接続部230と重なり合わ
ない。これは、図2に示されているパターンのような、上部及び下部の相互接続
部のための適切なパターンの選択によって確実にされる。
されているように堆積され、上部絶縁フィルム部330Cのための材料は、好ま
しくは,上述された下部の絶縁フィルム部330A及び中間の絶縁フィルム部3
30Bに用いられていたものと同様である。
エッチングとを形成する組み合わせを用いて、図8に示された部分700A,7
00B,700C,並びに702などの取除層から残された部分へのエッチング
の通路を設けるように、媒介穴900が形成される。従って、媒介穴900が形
成された後、次に、取除層の残った部分が取除のウェットエッチングもしくは他
の従来技術において公知の技術によってエッチングされる。例えば、緩衝処理さ
れたフッ化水素酸が、低温酸化物(LTO)の取除層700の場合に用いられ得
る。取除のエッチングは、図14に示されたような空洞340A,340B,3
40Cなど、形成された空気/真空の空洞をもたらす。この後、媒介穴900は
、必要であれば、浸透変換器など、好ましくは、絶縁フィルム330と同様の材
料を用いて仕上げられる。また、もちろん、上部の絶縁フィルム部330Cにわ
たって適用された追加の材料が、絶縁フィルム330の一部となることができ、
もしくは、シールされた位置を除く全領域から連続的にエッチングされ得る。
変更の許容範囲、様々な変化、並びに代用が先行の開示に示唆されている。例え
ば、本発明の他の特徴は無く、ある1つの特徴で、浮遊の静電容量が減じられて
用いられることができるが、依然として本発明の技術的思想内にある。また、本
発明は、例えば、静電容量の加速度計もしくは静電容量の圧力センサ、もしくは
変換工程において、静電容量の現象に用いる他の装置など、音響変換器以外の装
置に用いられ得る。従って、一例において、本発明のある特徴は、請求の範囲内
に述べられているように、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく、
他の特徴の対応する使用が無い状態で採用される。
の(B)は、横断面図を示す。
である。
である。
である。
である。
である。
である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
図である。
Claims (30)
- 【請求項1】 支持基板と、 この基板上に設けられた少なくとも2つの変換セルと を具備し、前記各変換セルは、 前記基板上に形成された第1の電極と、 この第1の電極上に形成され、中に中空領域を有する絶縁フィルムと、 前記第1の電極と少なくともほぼ平行に堆積された第2の電極であって、前
記中空領域が前記第1の電極と前記第2の電極との間に堆積されるように、絶縁
部の少なくとも一部分上に形成された第2の電極とを有し、また、 前記少なくとも2つの変換セルのそれぞれの第1の電極を互いに電気的に接続
する第1の相互接続部と、 前記少なくとも2つの変換セルのそれぞれの第2の電極と互いに電気的に接続
する第2の相互接続部と を具備し、前記第1及び第2の相互接続部が実質的に互いに重なり合わない変換
器。 - 【請求項2】 前記基板と変換セルとの間に堆積された絶縁材をさらに具備
する請求項1に記載の変換器。 - 【請求項3】 前記基板はケイ素、前記絶縁材は酸化ケイ素、並びに前記絶
縁フィルムは窒化ケイ素でできている請求項2に記載の変換器。 - 【請求項4】 前記中空領域と重ならない範囲で、前記第1及び第2の相互
接続部が重なり合わない請求項2に記載の変換器。 - 【請求項5】 前記第2の電極は、前記絶縁フィルム内に形成されている請
求項1に記載の変換器。 - 【請求項6】 前記第1及び第2の相互接続部は、それぞれ、第1及び第2
の電極と同じように導電層に形成されている請求項5に記載の変換器。 - 【請求項7】 前記第1及び第2の電極は、対応する前記中空領域の表面領
域より小さい表面領域を各々有する請求項6に記載の変換器。 - 【請求項8】 前記第1及び第2の相互接続部は、それぞれ、第1及び第2
の電極と同じように導電層に形成されている請求項7に記載の変換器。 - 【請求項9】 前記第1及び第2の相互接続部は、それぞれ、第1及び第2
の電極と同じように導電層に形成されている請求項1に記載の変換器。 - 【請求項10】 前記第1及び第2の電極は、対応する前記中空領域の表面
領域より小さい表面領域を各々有する請求項1に記載の変換器。 - 【請求項11】 前記第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の相互接続
部とは、アルミニウムでできている請求項1に記載の変換器。 - 【請求項12】 前記第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の相互接続
部とは、銅でできている請求項1に記載の変換器。 - 【請求項13】 前記第1及び第2の電極と、前記第1及び第2の相互接続
部とは、タングステンでできている請求項1に記載の変換器。 - 【請求項14】 支持基板と、 この基板上に設けられた変換セルとを具備し、この変換セルは、 前記基板上に形成された第1の電極と、 この第1の電極上に形成され、中に中空領域を備えた絶縁フィルムと、 前記第1の電極と少なくともほぼ平行に堆積された第2の電極であって、前
記中空領域が前記第1の電極と前記第2の電極の間に堆積されるように、前記絶
縁フィルムの中に形成され、また、前記絶縁フィルムの厚さは、前記第1の電極
と前記第2の電極との間のスペースより大きい第2の電極と を有する変換器。 - 【請求項15】 前記基板と前記変換セルとの間に堆積された絶縁材をさら
に具備する請求項14に記載の変換器。 - 【請求項16】 前記絶縁フィルムは、窒化ケイ素である請求項14に記載
の変換器。 - 【請求項17】 前記第1の電極と前記第2の電極とは、対応する中空領域
の表面領域より小さい表面領域を各々有する請求項14に記載の変換器。 - 【請求項18】 基板上に第1の導電層を堆積することと、 少なくとも2つの第1の電極と、これら少なくとも2つの第1の電極と電気的
に接続された第1の相互接続部とを形成するように、前記第1の導電層をエッチ
ングすることと、 前記第1の絶縁フィルム上に取除層を堆積することと、 それぞれアライメントされている少なくとも2つの取除部分を形成するために
前記第2の導電層をエッチングすること、及び2つの電極のうち一方と重ねるこ
とと、 前記エッチングされた取除層上に絶縁材からなる第2の絶縁フィルム層を堆積
することと、 前記第2の絶縁フィルム層上に第2の導電層を堆積することと、 前記第1の電極とほぼアライメントして重なり合う少なくとも2つの電極と、
前記2つの第2の電極と電気的に接続された第2の相互接続器とを形成するよう
に前記第2の導電層をエッチングし、前記第2の相互接続部が、前記第1の相互
接続部と重なり合わないことと、 対応する中空領域を形成するように前記取除部分を除去することと を具備する変換器製造方法。 - 【請求項19】 エッチングされた第2の導電層上に、絶縁材からなる第3
の絶縁フィルムを堆積する工程をさらに具備する請求項18に記載の方法。 - 【請求項20】 前記除去する工程は、前記第2絶縁フィルム層を堆積する
工程の後に行われる請求項19に記載の方法。 - 【請求項21】 前記取除層を堆積する工程は、前記少なくとも2つの取除
部分に接続される取除通路をさらに形成し、 前記取除部分を除去する工程は、 前記第2の絶縁フィルム内に、前記取除通路への媒介穴を形成する工程と、 前記取除通路と前記少なくとも2つの取除部分とをエッチングする工程とを
有する請求項18に記載の方法。 - 【請求項22】 前記第1の導電層と前記第2の導電層を堆積する工程は、
アルミニウムを堆積する請求項18に記載の方法。 - 【請求項23】 前記取除層を堆積する工程は、アルミニウムを堆積する請
求項22に記載の方法。 - 【請求項24】 前記第1の導電層と前記第2の導電層を堆積する工程は、
銅を堆積する請求項18に記載の方法。 - 【請求項25】 前記第1の導電層と前記第2の導電層を堆積する工程は、
タングステンを堆積する請求項18に記載の方法。 - 【請求項26】 前記第1の絶縁フィルム層及び前記第2の絶縁フィルム層
を堆積する工程は、プラズマ強化された化学用の気化物質堆積を用いて窒化ケイ
素を堆積する請求項18に記載の変換器。 - 【請求項27】 前記取除層を堆積する工程は、低温酸化物を堆積する請求
項18に記載の装置、 - 【請求項28】 前記取除層を堆積する工程は、アルミニウムを堆積する請
求項19に記載の変換器。 - 【請求項29】 前記取除層をエッチングする工程は、各取除部分が、対応
する第1の電極より大きい表面領域を有するように前記少なくとも2つの取除部
分を形成する請求項18に記載の変換器。 - 【請求項30】 複数の変換器が、同時にアライメントされて形成されてい
る請求項18に記載の変換器。
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