JP2008546239A - 微細電子機械変換器 - Google Patents

Abstract

微細電子機械変換器（ｃＭＵＴなど）が開示されている。この変換器は、基板と、上面プレートと、それらの間にある弾性構造体とを有する。この弾性構造体は、分散された支持体を有する上面プレートを垂直方向に移送するための、デバイス素子領域一面に分散された複数のコネクタを有する。その弾性構造体は、基板上の空洞を覆う中間バネ層を利用して形成された片持ち梁であり得る。コネクタは、上面プレートの下に変換空間を画定する。弾性構造体は、ピストン状の運動によって上面プレートを移送して、変換空間を変化させ、かつエネルギー変換を引き起こす、コネクタの垂直方向の変位を可能にする。各アドレス可能な変換器素子に関して個別のセルは必要無い。複数のデバイス素子は、同一の基板上に作られることができる。

Description

本願は、それらの全体が参照によって本明細書に組み込まれる、２００５年５月１８日に出願された米国特許仮出願第６０／６８２６１９号、２００５年６月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／６９２０３８号、２００５年８月３日に出願された米国特許仮出願第６０／７０５６０６号、および２００６年４月４日に出願された米国特許仮出願第６０／７４４２４２号の優先権を主張する。

本出願は、さらに以下をそれらの全体を参照によって本明細書に組み込まれる。すなわち、共通の出願人によって本出願と同じ日付に出願された、名称「THROUGH-WAFER INTERCONNECTION」（代理人番号０３００４．０１）の国際特許出願（ＰＣＴ）、共通の出願人によって本出願と同じ日付に出願された、名称「METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES」（代理人番号０３００４．０２）の国際特許出願（ＰＣＴ）、および共通の出願人によって本出願と同じ日付に出願された、名称「MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS」（代理人番号０３００４．０４）の国際特許出願（ＰＣＴ）である。

本出願は、エネルギー変換のための可動機械部品を有する微細電子機械デバイスに関し、特に静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ:ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ）などの超微細加工超音波変換器（ＭＵＴ）に関する。

微細電子機械変換器は、エネルギー変換に使用される可動機械部品を含む一般的な特徴を共有する。そのような微細電子機械変換器の一実例は、微細機械加工された超音波変換器（ＭＵＴ）である。超音波変換器は、変換器のその機能を実施するための一連のエネルギー変換を実行する。その受信モードにおいて、変換器が配置される媒体内を伝播する超音波の音響エネルギーは、変換器内の可動部品（従来の振動膜）の機械エネルギーに変換される。さらにまた、可動部品の運動は、検出可能な電磁（通常は電気）信号に変換される。その送信モードにおいて、逆の一連のエネルギー変換が行われる。

様々なタイプの超音波変換器は、超音波を送信しかつ受信するために開発された。超音波変換器は、液体、固体、および気体を含む様々な媒体で動作できる。これらの変換器は、診断および治療のための医療撮像、生化学撮像、材料の非破壊評価、ソナー、通信、近接センサ、気体流測定、現場プロセス監視、音響顕微鏡、海底探知および撮像、ならびに他の多くに一般に使用される。離散超音波変換器に加えて、複数の変換器を含む超音波変換器のアレイも開発された。例えば、超音波変換器の二次元アレイが、撮像適用のために開発された。

広範に使用される圧電（ＰＺＴ）超音波変換器に比べて、ＭＵＴは、デバイス製造方法、帯域幅、および動作温度で利点を有する。例えば、従来のＰＺＴ変換器のアレイを作ることは、個々の圧電素子をダイスカットして（ｄｉｃｉｎｇ）接続することを含む。このプロセスは、送信／受信電子装置に対するそのような素子によって呈される大きな入力インピーダンス不整合問題は言うまでもなく、困難性および高額な費用を伴っている。それに比べて、ＭＵＴの製造で使用される微細加工技術は、そのようなアレイを作ることにさらに多く有能である。性能の点に関して、ＭＵＴは、ＰＺＴ変換器の動的性能に匹敵する動的性能を示す。これらの理由のために、ＭＵＴは、圧電（ＰＺＴ）型超音波変換器に対する魅力的な代替手段になっている。

幾つかのタイプのＭＵＴの中で、静電変換器を使用する静電容量型微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）が広く使用されている。圧電型微細加工超音波変換器（ｐＭＵＴ）および磁気型微細加工超音波変換器（ｍＭＵＴ）を使用する他のＭＵＴ（微細加工超音波変換器）もまた採用されている。従来技術のｃＭＵＴ構造の実例を、図１Ａ〜図１Ｃ、図２〜図３、および図４Ａ〜図４Ｂに示す。

図１Ａは、複数のセルを有する従来技術のｃＭＵＴの基本構造の断面図を示す。図１Ｂは、単一のｃＭＵＴセル１０の拡大図を示す。図１Ｃは、同じ従来技術の複数セルｃＭＵＴ構造の対応する概略上面図を示す。実際に、機能するｃＭＵＴは、少なくとも１つの独立にアドレス可能なｃＭＵＴ素子を有することができる。従来の設計に基づいて、各ｃＭＵＴ素子は、並列に接続された多くのｃＭＵＴセルからなる。４個のセルが図１Ａに示され、単一のセルが図１Ｂに示され、かつ１０個のセルが図１Ｃに示されているが、全てのセルは、図１Ａ〜図１Ｃにおける単一のｃＭＵＴ素子に属する。

図１Ａ〜図１ＣのｃＭＵＴは、基板１１上に構築される。選択されたｃＭＵＴセル（個室）１０で図示されているように、各ｃＭＵＴセルは、固定した底部電極１２と、隣接する媒体内の音響波を送信し、または受信するために使用される可撓性膜１６上にあるまたは可撓性膜１６内にある上面電極１４とで構成されている、平行板コンデンサを有する。各セルにおける可撓性膜１６は、絶縁壁（ｉｎｓｕｌａｔｉｏｎ ｗａｌｌ）またはポスト（柱）１８によって支持される。膜１６は、基板１１と上面電極１２との間に変換空間（ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ ｓｐａｃｅ）１９を画定するために、基板１１と上面電極１２から間隔をあけられている。直流バイアス電圧は、通常、感度および帯域幅を最大化する目的で、ｃＭＵＴ動作のための最適位置に膜１６を撓ますために、電極１２と電極１４との間に印加される。送信の間に、交流信号がこの変換器に印加される。上面電極と底部電極との間の交流静電力が、ｃＭＵＴを囲む媒体（図示されず）に音響エネルギーを送るために膜１６を作動する。受信の間では、衝突する音響波が膜１６を振動させ、ひいては２つの電極間の静電容量を変える。電気回路は、この容量変化を検出する。

その代わりに、膜が動かされ、膜の変位が、圧電型微細加工超音波変換器（ｐＭＵＴ）や磁気型微細加工超音波変換器（ｍＭＵＴ）を使用して検出されることができる。図２は、コンデンサ（電極１２および１４）が膜２６上の圧電部材２４で置き換えられていることを除いて、ｃＭＵＴセル１０に類似する構造を有するｐＭＵＴセル２０を示す。図３は、コンデンサ（電極１２および１４）が膜３６上の磁気部材３４で置き換えられていることを除いて、ｃＭＵＴセル１０に類似する構造を有するｍＭＵＴセル３０を示す。

図１Ａ〜図１Ｃに示すｃＭＵＴを作る製造方法が開発されている。その例示的な方法特許文献１および特許文献２に開示されている。

米国特許第６，６３２，１７８号明細書 米国特許第６，９５８，２５５号明細書 米国特許第７，０３０，５３６号明細書

従来技術の構造および方法のｃＭＵＴには欠点がある。これら欠点の多くは、各アドレス可能なｃＭＵＴ素子が、多くの個別セルで作られ、かつ各セルは、隣接するセルによって共有される縁部に締め付けられてまたは固定されているｃＭＵＴ膜を有する事実に関連する。欠点の実例は以下に列挙される。

（１）膜の平均変位は、固定された縁部のために小さい。結果として、両方のデバイス送信および受信性能は不十分である。

（２）固定された領域（例えば縁部）および壁またはポストによって占められる表面領域は、非活性であり、したがってデバイスのフィルファクター（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ：開口率）および全体的効率を低減する。

（３）アンカー領域（ａｎｃｈｏｒ ａｒｅａ）は、デバイス感度を低減する寄生容量を取り込む。

（４）ｃＭＵＴ素子の面内のアンカーパターンは、デバイス帯域幅を制限する超音波干渉を引き起こすことがある。

（５）膜の不均一な変位は、超音波パターンを乱すことがある。例えば、不均一な変位は、変換器表面から放出される超音波ビームパターンに影響を及ぼし、変換器表面を介する音響飛び越し結合（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｃｒｏｓｓ ｃｏｕｐｌｉｎｇ）も引き起こすことがある。

（６）同じｃＭＵＴ素子内の個々のセルの共振周波数は、加工のばらつきのために互いの間で異なることがある。これは、動作時に同一のｃＭＵＴ素子における異なるセル間の膜運動の位相差を引き起こす。その結果として、ｃＭＵＴ素子の平均変位の合計は、劇的に劣化することがある。この問題点は、特にｃＭＵＴが高品質係数（Ｑ係数）状態、例えば空気内で動作するときに、デバイス性能を劣化させる。

（７）音響エネルギーは、支持壁を介して変換器基板に連結され、かつｃＭＵＴ素子間の音響飛び越し結合などの望ましくない作用を引き起こすことがある。要求音響特性を有する材料を導入することによって基板を通る飛び越し結合を低減する取り組みが、素子間の余分な空間の占有を必要することがある。

上述の問題点は、従来技術のｐＭＵＴおよびｍＭＵＴにも、図１に示したｃＭＵＴに類似した構造を有するので、存在する。

膜を支持するために基板上に構築されるコンプリアント（ｃｏｍｐｌｉａｎｔ）支持構造体を有する他のｃＭＵＴデバイスが特許文献３に開示されている。その設計によるｃＭＵＴを、図４Ａ〜図４Ｂに示す。図４Ａは、その特許に開示されているような単一ｃＭＵＴセル４０の断面図を示す。図４Ｂは、その特許に開示されているような複数のｃＭＵＴセルの概略上面図を示す。図１Ａ〜図１Ｃに示した従来のｃＭＵＴ構造に比べて、上面電極４４および膜４６がピストンのような仕方で移動することができるように、開示されているｃＭＵＴ構造（特許文献３参照）は、各ｃＭＵＴセル４０の膜４６の境界線端部を画定するために、従来の絶縁壁１８の代わりにコンプリアント支持構造体４８を使用している。これは、潜在的な利点を有するが、その特許による設計は、詳細な記述において本発明の観点から議論するように、それ自体の問題点も持ち込んでいる。

これらＭＵＴデバイスの重要性のために、性能、機能性、および製造可能性に関する技術を改善することが望ましい。

本出願は、エネルギーを変換するための可動機械部品を有する微細電子機械変換器（ｃＭＵＴなど）を開示する。この変換器は、基板と、上面プレートと、それらの間にある弾性構造体とを有する。弾性構造体は、縁部に限定されない分散された支持体で上面プレートを垂直方向に移送するために、デバイス素子領域一面に分散された複数のコネクタ（接続部材）を有する。弾性構造体は、片持ち梁、または基板上の空洞を覆う中間バネ層を使用して形成されたブリッジ（橋）またはクロスバー（横棒）などの片持ち梁を含む構造体であってよい。コネクタは、上面プレートの下に変換空間を画定する。片持ち梁などの弾性構造体は、ピストン状の運動を上面プレートを移送するコネクタの垂直方向の変位を可能にし、変換空間を変化させ、かつエネルギー変換を引き起こす。各アドレス可能な変換器素子に関して分離したセルは必要無い。複数のデバイス素子は、同一に基板上に作られることができる。

本発明の一態様によれば、微細電子機械変換器は、
（ａ）弾性構造体は、基板に接続する下部と上面プレート層に接続する上部とを有し、
（ｂ）弾性構造体の上部は、上面プレート層に接続する複数のコネクタを有し、
（ｃ）複数のコネクタは、デバイス素子領域一面に分散され、かつデバイス素子領域の内側領域に向かってデバイス素子境界線から実質的に離間して配置された少なくとも１つのコネクタを有し、
（ｄ）変換空間は、上面プレート層の下に画定され、
（ｅ）アドレス可能なデバイス素子は、エネルギー変換を引き起こす少なくとも１つの変換部材を有し、かつ
（ｆ）弾性構造体は、複数のコネクタの垂直方向変位を、実質的に垂直方向で上面プレート層に移送することを可能にし、ひいては変換空間を変化させかつ変換部材を作動させることを特徴とする。

一実施形態において、弾性構造体は、基板の全体を覆って配置された中間バネ層を有する。中間バネ層および基板は、デバイス素子領域内側に少なくとも１つの空洞を画定する。空洞は、少なくとも２つの対向する側部にデバイス素子領域を分割し、少なくとも１つの側部は、中間バネ層を据え付けるアンカー（支台）を有する。複数のコネクタは、それぞれ、コネクタとアンカーとの間に片持ち梁またはブリッジを画定するために十分な長さだけ、アンカーから水平方向に離間される。この実施形態において、各コネクタは、所望の高さを有し、かつ上面プレート層の下方に変換空間を画定するために中間バネ層から上面プレートを引き離すように、中間バネ層の上面から立ち上がることができる。

一つの好ましい実施形態において、基板および中間バネ層は、それぞれデバイス素子領域よりも実質的に小さいセグメントにデバイス素子領域を分割する複数の空洞を画定する。複数の片持ち梁またはブリッジは、上面プレート層に分散された支持を提供するために、複数の空洞にわたって画定されることができる。

一実施形態において、空洞および対応するアンカーは、ともにデバイス素子領域の少なくとも半分を占める。デバイス素子領域内で、中間バネ層は、アンカーの上面を覆う連続層であってもよい。一実施形態において、連続する中間バネ層は、デバイス素子領域の少なくとも半分を覆い、かつ好ましくは連続する中間バネ層は、実質的にデバイス素子領域全体を覆う。

一実施形態において、空洞は、基板ウェーハを内側のアイランド（島）と外側部分とに分割する環状形状を有し、内側のアイランドは、アンカーを構成する。アンカーは、内側のアイランドを含む第１のアンカーと、外側領域を含む対向する第２のアンカーとを含むことができる。

一実施形態において、空洞は、基板ウェーハ上に空洞およびアンカーのパターンを形成する第１の複数の拡張空洞を含む。様々なパターンが形成されることができる。

片持ち梁は、様々に形成されることができる。例えば、空洞は、互いに対向する少なくとも２つのアンカーによって画定されることができ、デバイス素子領域内の中間バネ層は、両方の対向するアンカーに接続することができる。コネクタは、２つの対向するアンカー間に配置され、かつコネクタが配置される場所で頭から接続される２つの片持ち梁を画定するのに十分な長さだけ、それぞれ前記２つの対向するアンカーから水平方向に離間されることができる。他の実施形態に関して、アンカーは、空洞を囲む円形側壁を画定することができ、中間バネ層は、空洞全体を覆うことができ、コネクタは、二次元平面片持ち梁を画定するために空洞の中間領域の直上の位置にあってよい。

本発明の一態様は、微細電子機械変換器であり、中間バネ層は、上面プレート層に接続する複数のコネクタを有する。複数のコネクタは、領域位置（ａｒｅａ ｌｏｃａｔｉｏｎ）毎に平均コネクタ密度を有するコネクタ密度プロファイル（ｄｅｎｓｉｔｙ ｐｒｏｆｉｌｅ）を画定するために、デバイス素子領域に渡って分散される。このように形成される各片持ち梁は、バネ強度を有し、そのバネ強度は、それぞれの平均コネクタ密度と組み合わせられたとき、有効バネ強度が、一領域位置当たりのバネ強度である有効バネ強度プロファイルを定める。有効バネ強度は、デバイス素子領域にわたって実質的に均一であるか、または不均一な分配プロファイルを有することができる。例えば、有効バネ強度は、デバイス素子領域の境界線近くの位置よりも、デバイス素子領域の中心近くの領域位置で著しく大きいことができる。

複数のコネクタを有する一実施形態において、デバイス素子領域は、異なる厚さの上面プレート層と、異なるバネ強度とを有する２つの領域からなる。例えば、第１の領域は、厚い厚さの上面プレート層と、第２の領域よりも大きな有効バネ強度を有することができ、またはその逆であることができる。他の実施形態において、デバイス素子領域は、中間領域を囲む境界線を含み、上面プレート層は、境界線近くで可撓性であるが、中間領域で剛性であり、境界線側壁で固定されかつ中間領域で少なくとも１つの片持ち梁によって支持される。

微細電子機械変換器は、追加的な特徴を有することができる。例えば、アドレス可能なデバイス素子の上面プレート層は、デバイス素子領域に渡って少なくとも２つの異なる厚さを有する厚みプロファイル（輪郭、形状）を有することができる。２つの異なる厚さは、上面プレート層の基準厚さに相当する第１の厚さと、上面プレート層上に形成された空洞の底部厚さに相当する第２の厚さとを含むことができ、第１の厚さおよび第２の厚さは、デバイス素子領域に渡って規則的に交互に入れ替わる。他の実施形態に関して、アドレス可能なデバイス素子、上面プレート層は、第１の材料と第１の材料とは異なる第２の材料とを含むことができる。一実施形態において、第１の材料は、隔離トレンチ（堀溝）によって分割された複数のセグメント（切片）を含み、第２の材料は、第１の材料のセグメントを接続するためにセグメントの上方に広がる。第２の材料は、少なくとも部分的に隔離トレンチを埋めることができる。

一実施形態において、微細電子機械変換器は、静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）であり、各アドレス可能なデバイス素子は、上面プレート層上の上面電極と、中間バネ層または基板ウェーハのいずれかの上の底部電極とを有する。事例として、中間バネ層は、底部電極として働く導電材料を含むことができる。代案として、上面電極は、上面プレート層上に堆積された分割導電層であるとすることができる。

他の実施形態において、微細電子機械変換器は、複数のアドレス可能なデバイス素子を有し、上面プレート層の少なくとも一部を貫いて形成された隔離トレンチによって分離されるとすることができる。基板ウェーハは導電性ウェーハであり、複数のアドレス可能なデバイス素子は、基板ウェーハ上に形成された組み込み絶縁体によって絶縁される。組み込み絶縁体（ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）は、所望の全厚(ｏｖｅｒａｌｌ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ)を有し、かつ誘電体で満たされた絶縁空洞を含む。その代替として、複数のアドレス可能なデバイス素子が、基板ウェーハ上に形成された組み込み絶縁体によって絶縁され、組み込み絶縁体が、基板ウェーハの酸化原材料の実線を含むパターン空洞を含む。組み込み絶縁体は、上面プレート層上に形成されることもできる。

一実施形態において、アドレス可能なデバイス素子は、基板ウェーハを貫いて形成されたウェーハ貫通相互接続部を介して基板ウェーハの裏面からアドレス指定される。例えば、導電基板ウェーハが使用されることができ、前記ウェーハ貫通相互接続部は、導電性ウェーハの原材料で作られたウェーハ貫通導体を囲む環状トレンチを含むことができる。誘電材料は、ウェーハ貫通導体を基板ウェーハの残りから絶縁するために、環状トレンチに充填するために使用されることができる。一つの特定の構成において、ウェーハ貫通導体は、アドレス可能なデバイス素子の真下に配置される。

微細電子機械変換器は、ｐＭＵＴであることもでき、この変換部材は、中間バネ層または上面プレート層上に配置された圧電部材を含む。微細電子機械変換器は、ｍＭＵＴであることもでき、この変換部材は、中間バネ層または上面プレート層上に配置された磁性部材を含む。

微細電子機械変換器の性能は、上面プレート材料または構成の慎重な選択によって強化されることができる。例えば、上面プレート層は、その中に形成された孔を有することができる。孔は、上面プレート層の剛性／質量比を最適化するサイズおよび配置プロファイルを有することができる。さらに、電気的短絡問題を避けるために、コネクタの垂直方向の最大変位は、上面プレート層と、何らかの介在層を含むアンカーの上面との間の変換空間の高さ以下、または好ましくはその未満に制限されることができる。一実施形態において、コネクタの垂直方向の最大変位は、空洞内に配置された運動ストッパ（ｍｏｔｉｏｎ ｓｔｏｐｐｅｒ）によって制限される。

本発明の他の態様によれば、微細加工された超音波変換器（ＭＵＴ）構造は、上面プレート層の底面が中間バネ層の上面に面し、かつ中間バネ層の底面が基板ウェーハの前面に面するような順番で配置された、基板ウェーハ、中間バネ層、および上面プレート層を有する。ＭＵＴ構造は、基板ウェーハのＭＵＴ素子領域および上面プレート層の対応するＭＵＴ素子領域によってそれぞれ画定される複数のアドレス可能なＭＵＴ素子を含む。各複数のアドレス可能なＭＵＴ素子は、変換部材を有し、かつさらに、
（ａ）デバイス素子領域は、基板と中間バネ層との間に少なくとも１つの空洞を有し、各空洞は、中間バネ層を据え付ける少なくとも１つのアンカーによってその側壁が形成され、
（ｂ）中間バネ層は、各空洞の少なくとも一部を覆い、
（ｃ）所望の高さの少なくとも１つのコネクタは、各空洞の上方に配置され、そのコネクタは、中間バネ層の上面から立ち上がり、
（ｄ）上面プレートは、該上面プレート層の下に変換空間を画定するためにコネクタ上に配置され、
（ｅ）各コネクタは、コネクタとアンカーとの間に片持ち梁を画定するための十分な長さだけ、少なくとも１つのアンカーの１つから水平方向に離間されて、片持ち梁と空洞が、ピストン状の運動で実質的に垂直方向に上面プレート層を移送するコネクタの垂直方向変位を可能にし、ひいては変換空間を変化させ、かつ変換部材を作動させ、
（ｆ）少なくとも１つの空洞および対応するアンカーは、ＭＵＴ素子領域の少なくとも半分を占めることを特徴とする。

ＭＵＴ構造は、上記で要約されたような追加的な利点を有することができる。

前述および他の特徴ならびに利点は、添付の図面を参照して進められる幾つかの実施形態の以下の詳細な記載からより明らかになる。

本発明の静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）等の微細電子機械変換器を、同様の部品が、同様の参照符号または記号で示す図面とともに詳細に記載することとする。微細電子機械変換器は、所望の適切な方法を使用して、特に本願と同一の日付で共通の出願人によって出願された本明細書で特定される幾つかの他の特許出願において開示された方法を使用して製造されることができる。

本発明は、特定の実施形態を参照して以下に記載されている。ほとんどの場合において、ｃＭＵＴ構造は、本発明を説明するために使用されている。しかしながら、本発明がｃＭＵＴに制限されないことは十分理解されることである。様々な修正を行うことができて、他の実施形態が、本発明のより広い範囲から逸脱することなく使用されることができることは当業者にとって明らかなことである。それ故、特定の実施形態へのこれらの変形および他の変形は、本発明に包含されるということが意図される。実施形態に関連して開示す様々な特徴が、個別にまたは協働して使用されることが可能なことは、当業者に認められるものである。

用語「変換器」および「変換部材」は、作動および検知機能の両方を実行するデバイスだけを含むだけではなく、作動機能または検知機能のいずれかを実行するデバイスも含むことに、本書類においては広義で使用されるということに留意されたい。用語「片持ち梁」は、固定端と、その固定端から作用端へと延びる弾性部分と、その弾性部分を作動または移動するその作用端と、を有する構造を表現するために、広義により本記述において使用されていることも留意されたい。片持ち梁は、したがって、必ずしも文字通りの一次元ベマ（演台）状（ｂｅｍａ−ｌｉｋｅ）片持ち梁を必然的に意味するものではなく、類似する構造も含む。この類似する構造は、ブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）またはクロスバー（ｃｒｏｓｓｂａｒ）などの異なる方向に延びるマルチビーム（ｍｕｌｔｉｂｅａｍ：多梁）を有し、また面または平面バネ（二次元「片持ち梁」）をも最も明確に含み、そのバネのしっかりと固定された端部が、その面または部分の閉じた境界であり得る広がったラインであり、弾性部分は、広がった領域であり、作用端は、単一の点、小さな面積、または拡張ライン（ｅｘｔｅｎｄｅｄ ｌｉｎｅ）（閉鎖終端の、開放終端の、あるいはセグメント化された）であり得る。さらに、用語「円形」および「環状」は、その形状が、環状をした形態、環状に近い湾曲形状、または概ねリングに近い形状を有する広義でのみ意味していて、とりわけ円形形状や他の形状を意味していたり、あるいはループやリングが完璧あるいは完全に連続しているということを意味しているものではない。

本発明を説明するために、従来技術による設計のいくつかの態様が、まず始めに本発明に照らして議論される。本明細書における議論は、より明確に説明する目的で、本発明に照らして従来技術設計に対する後知恵に目を向けていることに留意されたい。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、従来技術のｃＭＵＴ設計では、上面電極４４および膜４６が、底部電極４２と上面電極４４との間の空間４５を介してピストン状の態様で移動することができるように、各ｃＭＵＴセル４０に関して膜４６の境界の端部を画定するコンプリアント支持構造体が、従来の絶縁壁１８の代わりに用いられて図示されている。上面電極４４は、膜４６の底部に取り付けられている。底部電極４２は、台（ｐｅｄｅｓｔａｌ）４３の上面に載る。各ｃＭＵＴセルにおいて、膜４６は、コンプリアント支持構造体４８に固定され、コンプリアント支持構造体４８は、本質的に、図１Ａ〜図１Ｃに示す固定された膜ベースのｃＭＵＴ設計と同一の方法で、各ｃＭＵＴセル４０の境界線４８（図４Ｂ）を構成する密封された側壁である。これは、図４Ｂに示す複数セル構造に関してより良好に見られる。

上記設計は、潜在的利点を有するが、それ自体の問題も引き込む。第１に、図４Ａ〜図４Ｂに示す従来技術のｃＭＵＴ設計のコンセプトは、コンプリアント支持構造体からなるコンプリアントセル側壁４８を用いて、従来の剛性セル側壁１８と置き換えていることを留意されるべきである。比較的に複雑なコンプリアントセル側壁４８が、図１における単純で幅が狭い絶縁壁１８の代替であるので、その設計に従って、それらの周囲のコンプリアントセル側壁４８によって占められる作動しない領域の影響を最小化するための高度な難問があろう。コンプリアント支持構造体によって占められる作動しない領域を低減するために、補助電極がコンプリアントセル側壁４８内のコンプリアント支持構造体上に作られることが示唆される。しかしながら、そのような設計が、課題を解決することを示しておらず、さらにその設計が製造の観点から実際的であるかどうかを示していない。

第２に、コンプリアントセル側壁４８は、図４Ｂに示すように全体のｃＭＵＴ構造における境界を画定している。したがって、ｃＭＵＴセル４０の非常に広い主要な領域は、周囲コンプリアントセル側壁４８によって囲まれる（が分離されない）剛性であり可動ではない台４３によって占められる。縁部上のコンプリアントセル側壁４８は、セル４０における膜４６全体を支持するための単一構造体である。これは、図１Ａ〜図１Ｃに示すｃＭＵＴの設計に存在する同じセル制限を持ち続けている。例えば、それは、各単一のｃＭＵＴセル４０の全体サイズを制限する。大きなｃＭＵＴセルは、必要な共振周波数を維持するために、非常に硬く厚みがなければならない大きな膜４６を必要とする。これは、その各アドレス可能なｃＭＵＴ素子が複数セルで作られなければならないので、従来のｃＭＵＴ構造体への最も重大な制限の１つである。例えば、医療用位相アレイにおいて使用されるｃＭＵＴ構造において、ｃＭＵＴ素子のサイズは、音響波の半分の波長（例えば、１０ＭＨｚデバイスについては７５μｍ、５ＭＨｚデバイスについては１５０μｍ、および１ＭＨｚデバイスについては７５０μｍ）である。必要なデバイス動作波長を達成するために、従来のｃＭＵＴセルのサイズは、合理的ではない分厚い膜を使用することを必要とすることなしに、素子またはデバイスのサイズよりも非常に小さく作られなければならない。その固有の設計コンセプトのために、図４Ａおよび図４Ｂに示すｃＭＵＴは、これに関して他のｃＭＵＴ構造に極めて類似して作動する傾向があり、したがって、既述した課題を解決する見込みは無い。実際に、図１Ａ〜図１Ｃに示すｃＭＵＴ構造に見出されるものに類似する複数の小さなセルは、図４Ａおよび図４ＢにおけるｃＭＵＴ構造体についても使用される。

本発明は、ｃＭＵＴセル要件を除くことを想定する。次に示すように、本発明は、それぞれ複数セルを有するｃＭＵＴ素子を製造するのになお用いることができるが、そうであるという必要は無い。実際、本発明によるｃＭＵＴ設計の固有の特徴のために、それは、何らかの内側セル境界無しに、それぞれのアドレス可能なｃＭＵＴ素子を作る製造の観点から好ましいことがある。さらに、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子が、複数のより小さなセグメント（それ自体の上面プレート層セグメント、および他のセグメントから分離された中間バネ層セグメントをそれぞれ有する領域など）で作られるときでも、これらのより小さいセグメントは、固定境界線または周囲の支持壁を有する必要は無く、さらにサイズまたは形状が互いに同一である必要が無い。

図５Ａは、ｃＭＵＴ構造体の断面図であり、ｃＭＵＴ構造体は、完全なｃＭＵＴ素子５００、およびそれぞれ側方にある隣接するｃＭＵＴ素子５００Ａおよび５００Ｂの一部を示している。ｃＭＵＴ構造体は、基板ウェーハ５０１上に構築され、中間バネ層５２０および上面プレート５４０も有する。基板ウェーハ５０１、中間バネ層５２０、および上面プレート層５４０は、上面プレート層５４０の底面が、中間バネ層５２０の上面に面しており、かつ中間バネ層５２０の底面が、基板ウェーハ５０１の前面に面しているごとき順番で底部から上面へと配置されている。ｃＭＵＴ素子５００、５００Ａ、および５００Ｂは、上面プレート層５４０および中間バネ層５２０を貫く隔離トレンチ（堀溝）５１５によって分離されている。

本記述において、ｃＭＵＴ素子または微細電子機械素子は、外部または内蔵制御回路の制御を介してエネルギー変換を実行することができ、かつ外部または内蔵制御回路の制御を介して個別にアドレス可能である。各アドレス可能なｃＭＵＴ素子は、基板ウェーハのデバイス素子領域および上面プレート層の対応するデバイス素子領域を画定（限定）する。３つの層（基板ウェーハ５０１、中間バネ層５２０、および上面プレート層５４０）は、互いに実質的に平行に配置されかつ互いの上面上に直接積層されるので、基板ウェーハのデバイス素子領域および上面プレート層の対応するデバイス素子領域は、互いに垂直方向に覆い、かつ（層の表面寸法にわたって）互いに長手方向にぴったりと合う。

本発明の一態様において、デバイス素子領域一面に分散された複数のコネクタを有する弾性構造体（図５Ａに示す実施例における中間バネ層５２０など）は、上面プレートを垂直方向に移送するために設けられている。複数のコネクタは、縁部（境界線領域）だけに制限されずに分散支持を容易にする。図５Ａに示す例示的な構造体において、例えば、上面プレート５４０は、複数の板バネコネクタ（接続部材）５３０、５３０ａ、および５３０ｂを介して中間バネ層５２０に接続される。コネクタ５３０ｂは、隔離トレンチ５１５によって画定されるデバイス素子境界線近くに配置されるが、他のコネクタ５３０および５３０ａは、上面プレート層５４０に対してより柔軟で、より効率的に、およびより分散された支持を提供するために、デバイス素子領域の中心に向かってデバイス素子境界線から実質的に離れている。この分散された支持は、大きなサイズのｃＭＵＴ素子を構築することの助けとなる。

しかしながら、非常に高い動作周波数のＣＭＵＴを有するｃＭＵＴのために、図５Ｃ〜図５Ｄに示す基本ユニットは、完全なＣＭＵＴデバイスまたは素子として使用されることができる。

図５Ｂは、上面プレート５４０を示していないｃＭＵＴ素子５００の概略上面図である。図５Ｂに示す破線に沿って切り取られたｃＭＵＴ素子５００の断面図を、図５Ａに示す。この例示的な構成において、ｃＭＵＴ素子５００は、同心の正方形でパターン化されている。中心にあるのは、単純な形状の空洞５０２の上面上に配置された単純な個別コネクタ５３０であり（図５Ａの断面図に示すように、コネクタ５３０は、空洞５０２を覆う中間層５２０上に配置される）、この空洞５０２は、環状の側壁アンカー（支台）５０３によって囲まれ、次に環状空洞５０２ａで囲まれている。他の大きな環状コネクタ５３０ａは、２階の円形の側壁アンカー５０３ａによって囲まれる環状空洞５０２ａの上面上に配置されている。しかしながら、図６〜図１０に示すように、様々な異なる構成が、本発明で可能である。

図５Ｃは、完全ｃＭＵＴ素子５００の一部である選択されたｃＭＵＴ部分５１０の拡大図である。選択されたｃＭＵＴ部分５１０は、完全ｃＭＵＴ素子５００（および他のｃＭＵＴ素子５００Ａおよび５００Ｂ）の基本ユニットである。選択されたｃＭＵＴ部分５１０の構造体は、完全ｃＭＵＴ素子５００を理解するための基本（原理）を提供する。

図５Ｃに示すように、選択されたｃＭＵＴ部分５１０は、上面から底部へ構造体を通る想像垂直線（図示しない）に中心がある２つの半体を含む。前述のように、高動作周波数を有するＣＭＵＴなどの一部の適用に関して、完全ＣＭＵＴ素子またはデバイスとして、ただ１つのｃＭＵＴ部分５１０を使用することができる。他の適用に関して、図５Ｃおよび図５Ｄに示す複数の基本ユニットの組み合わせを使用することが好ましいことがある。

ｃＭＵＴ素子の基本構造ユニットは、それぞれ２つの対向する側方境界空洞５０２および５０２ａ上の２つの側壁を持つ立ち上がり特徴部（以降「側壁アンカー」と呼ぶ）５０３がその上面上に存在する基板ウェーハ５０１上に構築される。立ち上がり特徴部（側壁アンカー）５０３は、結果として空洞５０２および５０２ａを形成する、形成された基板５０１に集積された一部であることができるが、個別の基板上に追加された追加構造体であることもできる。一実施例において、例えば、側壁アンカー５０３は、中間バネ層５２０の一部である。基板５０１は、非導電材料で作られることができ、またはシリコンまたはポリシリコンなどの導電材料で作られることができる。側壁アンカー５０３が、個別の構造体である構成において、側壁アンカー５０３の導電率は、基板５０１の導電率と同一、または基板５０１の導電率とは異なることができる。例えば、基板５０１は、非導電材料で作られることができ、一方、側壁アンカー５０３は、シリコンまたはポリシリコンなどの導電材料で作られることができる。

図示されているｃＭＵＴ構造は、他の側の側壁アンカー５０３の長さの第２の空洞５０２ａも有する。ｃＭＵＴ部分５１０は、ｃＭＵＴ素子５００でどのようにおよびどこで引き出されたかに応じて、第２の空洞５０２ａは、異なった個別の空洞に属するか、あるいは空洞５０２として同じ環状の拡張空洞のちょうど他の部分であるとすることができる。選択されたｃＭＵＴ部分５１０は、他方の半体に第２のコネクタ５３０ａも有する。やはり、ｃＭＵＴ部分５１０も、ｃＭＵＴ素子５００でどのようにおよびどこで引き出されたかに応じて、第２のコネクタ５３０ａは、異なった個別のコネクタであるか、あるいはコネクタ５３０として同じ環状の拡張コネクタであるとすることができる。

ｃＭＵＴ構造部分５１０は、さらに次の構成要素を有することができる。すなわち、これら構成要素は、好ましくは弾性膜である中間バネ層５２０、中間バネ層５２０上に配置される底部電極５２５、中間バネ層５２０の上面上に立ち上がるコネクタ５３０、コネクタ５３０上に載る絶縁層５３５、介在する絶縁層５３５を介してコネクタ５３０に接続される上面プレート５４０、および上面電極５５０である。

コネクタ５３０は、上面プレート５４０より下の変換空間（ｔｒａｎｓｄｕｃｉｎｇ ｓｐａｃｅ）５６０を画定するために中間バネ層５２０から突出している。変換空間５６０は、上面プレート５４０と、中間バネ層５２０の上面または側壁アンカー５０３の上面のいずれか高い方との間で全体的に画定される。上面プレート層５４０と、中間バネ層５２０の上面または側壁アンカー５０３の上面との間に介在層が存在する場合には、利用可能な変換空間は低減されるであろう。例えば、他の層が、側壁アンカー５０３の真上に堆積され、さらに他の層が、上面プレート５４０の底部に堆積される場合には、変換空間は、これら２つの介在層間に画定されることとなる。図５Ｃに示す例示的な構成において、利用可能な変換空間５６０の実際の高さは、絶縁層５３５、底部電極５２５、および中間バネ層５２０の厚さによって低減されるであろう。幾つかの実施例において、上部プレート層５４０と側壁アンカー５０３の上面との間で変換空間５６０用に利用可能な完全な高さを有することが可能であるということに留意すべきである。例えば、導電基板ウェーハは、個別の電極層を必要とすることなく、基板上（例えば側壁アンカー５０３上）の底部電極を達成するように、それ自体を使用することができ、片持ち梁は、側壁アンカー５０３の上面上に配置された連続する中間バネ層を使用する代わりに、側壁アンカー５０３の上面と同一面またはその上面よりも低い側部で、側壁アンカー５０３に接続された中間バネ層のセグメントで作られることができる。

幾つかの実施例において、側壁アンカー５０３および中間バネ層５２０を含む両方の基板５０１は、導電性である。この場合、基板５０１は、導電中間バネ層５２０をアクセスする導体としての役目をすることができ、一方、中間バネ層５２０は、底部電極としての役目をすることができる。

コネクタ５３０は、側壁アンカー５０３上に固定されてコネクタ５３０上の作用端（ｅｘｅｒｔｉｎｇ ｅｎｄ）５２２を有する片持ち梁を画定するために、十分な長さだけ側壁アンカー５０３から水平方向に離間されている。片持ち梁および空洞５０２は、上面プレート５４０を実質的に垂直方向にピストン状運動で移送して、ひいては変換空間５６０を変化させる、コネクタ５３０の垂直方向の変位を可能にする。ｃＭＵＴ構造５１０の両方の半体が同位相で動くとき、垂直方向のピストン状運動がさらに確実にされる。

図示したこの特定の実施例において、側壁アンカー５０３の上面は、中間バネ層５２０で覆われ、中間バネ層５２０は、次に底部電極５２５によって覆われている。さらに、上面プレート５４０およびコネクタ５３０は、互いに直接接続されていないが、それらの間に絶縁層５３５が介在されて接続されている。上面プレート５４０と側壁アンカー５０３の上面との間の変換空間５６０は、したがって、中間バネ層５２０と、底部電極５２５と、絶縁層５３５とによって部分的に占められる。側壁アンカー５０３と、底部電極５２５と、絶縁層５３５との上面を覆う中間バネ層５２０の部分は随意的なものであることに留意されたい。いずれの場合でも、意図されたエネルギー変換を達成するために、変換空間５６０は、それら余分の層が構造に含まれるなら、それら余分の層によって完全には占められないようにすべきである。

図５Ｄは、完全ｃＭＵＴ素子５００の他の一部である、異なる選択されたｃＭＵＴ部分５１１の拡大図である。図５Ｃに示す選択されたｃＭＵＴ部分５１０と比べて、選択されたｃＭＵＴ部分５１１は、移動した位置からから引き出されたものである。選択されたｃＭＵＴ部分５１１は、基板５０１上に構築され、基板５０１は、両側の対向側部上の２つの側壁アンカー５０３および５０３ａによって境界付けられた空洞５０２を有する。ｃＭＵＴ構造部分５１１は、さらに、次の構成要素を有する。すなわち、これら構成要素は、中間バネ層５２０、中間バネ層５２０上に配置された底部電極５２５、中間バネ層５２０の上面上に立ち上がるコネクタ５３０、コネクタ５３０上に載る絶縁層５３５、介在する絶縁層５３５を介してコネクタ５３０に接続される上面プレート５４０、および上面電極５５０である。

コネクタ５３０（図５Ｃにも示す）は、中間バネ層上に立ち上がり、かつ側壁アンカー５０３および側壁アンカー５０３ａの両方の側壁から水平方向に離間されている。側壁アンカー５０３と側壁アンカー５０３ａとの間の中間バネ層５２０は、側壁アンカー５０３および側壁アンカー５０３ａに固定された二重片持ち梁（ｄｏｕｂｌｅ−ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を画定する。二重片持ち梁は、コネクタ５３０がブリッジを形成するための位置５２２で頭から（ｈｅａｄ−ｔｏ−ｈｅａｄ）接続されている。

上面プレート５４０は、上面プレートの下に変換空間を画定するために、中間バネ層５２０から上面プレート５４０を分離するコネクタ５３０の上方に配置されている。二重片持ち梁および空洞５０２は、コネクタ５３０の垂直方向変位を可能にし、垂直方向変位は、上面プレート５４０を実質的に垂直方向に移送し、よって変換空間を変化させ、かつエネルギー変換のための変換器内の変換部材を作動させる。

ｃＭＵＴ素子をセルに分割し、かつ各ｃＭＵＴセルの境界線で膜を支持し、かつ固定するためのセル絶縁壁を必要とする従来のコンセプト（概念）を、上記新規のｃＭＵＴ設計は本質的に廃止する。米国特許（特許文献３参照）に開示されているようなｃＭＵＴ設計を含む、図１に示した従来のｃＭＵＴ設計は、全て、膜の境界線を支持しかつ固定するために各ｃＭＵＴセルの境界線で、セル絶縁壁（例えば、図１Ａ〜図１Ｃにおけるセル絶縁壁１８、または図４Ａ〜図４Ｂにおけるコンプリアントセル絶縁壁４８）を必要とする。セル絶縁壁は、従来技術のｃＭＵＴセルを画定する。絶縁壁によって画定される境界線内で、従来技術のｃＭＵＴ構造における底部電極は、基板１１（図１）上に直接堆積されるか、またはセル絶縁壁から分離されている台４３（図４Ａ）の上面上に堆積される。膜（図１における１６または図４Ａにおける４６）の大部分は支持されていないので、各セルのサイズおよび膜に関する材料の選択は、制限される。

対照的に、図５Ａおよび図５Ｂに示すようなｃＭＵＴ設計を備えた、ｃＭＵＴ素子は、もはやセルに分割される必要はなく、したがってセル境界線を画定する絶縁壁の必要はない。上面プレート層５４０および上面電極５５０は、複数のコネクタを介して弾性構造体（図示した実施例における複数の片持ち梁）によって支持され、複数のコネクタは、必要に応じて自由に配置され、かつ分散されることができ、したがって複数のバネ（片持ち梁）にわたって上面プレート層５４０の全負荷を効果的に分散する。これは、従来技術の設計に固有のセル制限の課題を解決する。中間バネ層５２０および底部電極５２５は、複数の側壁アンカー５０３によって支持され、側壁アンカー５０３は、周囲領域に制限されるのではなく、必要に応じて基板ウェーハ５０１全体に渡って分散されることができる。中心台および個別の周囲コンプリアント支持構造体は存在しない。デバイス素子領域全体に渡って分散される複数の側壁アンカー５０３だけが、中間バネ層５２０および底部電極５２５を支持するために必要である。各アンカー５０３は、底部電極に対する支持として、および対応する片持ち梁（または図５Ａおよび図５Ｂに示す構成における２つの片持ち梁、それぞれ側壁アンカー５０３の両側にある）に対するアンカーとしての両方で作用する。

この設計で、非常に大きい能動領域（ａｃｔｉｖｅ ａｒｅａ）を有するｃＭＵＴ素子を形成することができる。ｃＭＵＴ素子の動作周波数または周波数応答は、上面プレート５４０のための材料の選択だけでなく、個々の片持ち梁のバネ強度およびｃＭＵＴ素子の領域に渡る片持ち梁分布密度プロファイルを含む、複数の片持ち梁の構成によっても調整されることができる。

原理的に、本発明のｃＭＵＴ素子は、従来のｃＭＵＴ構造で可能である能動領域よりも著しく大きな能動領域を有することができる。ｃＭＵＴの能動領域は、可動領域全体として画定されることができる。比較できる全体サイズ（ｃＭＵＴ素子領域）のｃＭＵＴ素子に関して、本発明のｃＭＵＴ素子の能動領域は、従来のｃＭＵＴ素子における複数ｃＭＵＴセルの全能動領域よりもまだ非常に大きいとすることができる。例えば、本発明のｃＭＵＴの能動領域は、素子（デバイス）領域の１００％に近いが、一方、従来のｃＭＵＴ素子における複数ｃＭＵＴセルの全体能動領域は、素子（デバイス）領域の約６０％〜９０％をカバーするであろう。通常、動作周波数が高くなると、従来のｃＭＵＴに関する能動領域パーセンテージはより低くなる。加えて、所与の可動領域についても、本発明のｃＭＵＴは、コンデンサを作動する有効電界の領域として規定されることができる、より大きな有効能動領域を生じる可能性がある。

基板ウェーハ５０１の上方に形成される上面プレート５４０全体は、何らかの固定領域あるいは締結領域なしに可動であり得る。必要に応じて、複数個のｃＭＵＴ素子は、上面プレート５４０と中間バネ層５２０とを貫いて形成される隔離トレンチ５１５によって形成されることができる。しかしながら、原理的に、非常に大きい能動領域を有するｃＭＵＴ構造全体は、単一のｃＭＵＴ素子として使用されることができる。

さらに、図５Ａおよび図５ＢにおけるｃＭＵＴ構造設計で、上面プレート５４０は、同一または異なるサイズおよび形状の複数のよりも小さい上面プレートに分離されることができる。それぞれより小さい上面プレートは、単一のｃＭＵＴ素子としてアドレス指定されることができ、代わりに、複数個のより小さい上面プレートは、ともに組み合わされかつ単一のｃＭＵＴ素子としてアドレス指定されることができる。

さらに、従来のｃＭＵＴにおけるその縁部（またはポスト）上に固定された可撓性膜と異なり、図５Ａおよび図５Ｂに示す上面プレート５４０は、可撓性または剛性のいずれかに設計されることができる。剛性の上面プレートとともに、所望の数の個別のより小さい上面プレート５４０を含むことができるｃＭＵＴの全表面は、非常に均一な変位プロファイルで可動であり得る。

上面電極５５０の位置は、変換空間５６０の上方の所望の位置であってもよい。底部電極５２５は、基板ウェーハ５０１上および／または中間バネ層５２０の一部上に載ることができる。上面電極５４０は、超音波を媒体に伝達するために２つの電極５５０と５２５との間に印加された電界によって作動され、超音波は、それが、２つの電極５５０と５２５との間の容量を変化させる上面電極５４０に当たるなら検出されることができる。

図５Ａおよび図５Ｂに示す例示的なｃＭＵＴ構造５００において、中間バネ層５２０は、複数の側壁アンカー５０３の上面および複数の空洞５０２の上方に配置された連続層である。中間バネ層５２０は、したがって、長手方向（すなわち、側方または表面寸法において）デバイス素子領域全体を占める。この構成は、上面プレート５４０全体が、素子の縁部近くに配置される制限なしに、全てデバイス素子領域全体にわたって配置または分散されることができるコネクタ５３０を介して片持ち梁によって支持されることを可能にする。しかしながら、中間バネ層５２０は、一定点で互いに接続されるまたは完全に互いから分離される複数の小さなセグメントを含むことができることが理解される。特に、中間バネ層５２０のセグメントは、各セグメントが、それぞれの側壁アンカー５０３に接続されまたは固定されており、かつ片持ち梁が形成されることを可能にするためにそれぞれの空洞５０２の少なくとも一部を覆うが、覆われていない側壁アンカー５０３の上面の部分を残す方法で使用されることもできる。そのような構成は、中間バネ層５２０のために異なる材料および異なる厚さの使用の柔軟性を可能にすることができるが、製造プロセスを複雑にすることがある。

中間バネ層の構成に関わらず、幾つかの好ましい実施例において、片持ち梁を形成するアンカー表面（側壁アンカー５０３の上面）およびｃＭＵＴ素子５００の関連する片持ち梁領域は、上面プレート５４０の効率的に分布された片持ち梁支持およびより大きな有効能動領域を達成するために、デバイス素子領域の少なくとも半分を覆うことが想定される。片持ち梁領域は、空洞の全領域として規定されることができ、または代わりに空洞を覆う中間バネ層５２０の全領域として規定されることができる。好ましくは、片持ち梁を形成するアンカー表面および片持ち梁領域は、デバイス素子領域の少なくとも８０％、さらに好ましくは、図５Ａに示す場合のようにデバイス素子領域のほぼ１００％である。片持ち梁を固定するように作用しない台は、必要ではなく、好ましくは上述のように片持ち梁を形成するアンカー表面を最大化するために、基板ウェーハ５０１のデバイス素子領域内において全く形成されない。幾つかの実施例において、片持ち梁領域および関連するコネクタ領域は最小化され、一方、片持ち梁を形成するアンカー表面は、エネルギー変換のためのより高い有効電界領域を最大化する。所与数の片持ち梁に関して、片持ち梁領域は、より短い片持ち梁寸法を有するより薄いが、まだ所望のバネ強度を達成する中間バネ層を使用することによって最小化されることができる。これらの構成は、固定された膜に対しての境界線支持を有する従来技術の設計に対する潜在的な利点を提供する。

本発明の全体的な原理内で、各アドレス可能なデバイス素子の全体サイズ、片持ち梁のサイズ、形状、および構成、片持ち梁のためのアンカーのサイズ、形状、および構成、コネクタのサイズ、形状、および構成、各層（基板ウェーハ、中間バネ層、および上面プレート層）の厚さ、形状、セグメント（分離）パターン、および材料選択に関しての設計自由度に大きな余裕がある。

本発明によるｃＭＵＴ素子は、もはや、それぞれ可撓性膜を有する複数セルで作られる必要はない。代わりにｃＭＵＴ素子は、単一の（剛性または可撓性）上面プレートを有することができる。複数の上面プレートが使用されても、これらの上面プレートは、従来技術の各セルの膜のように幾つかのセル境界で固定される必要はない。複数の上面プレートは、さらに互いに同一である必要はない。一般的に、複数の上面プレートを有していても、従来のｃＭＵＴ設計で必要であった個別に固定されるセルの数よりも非常に少ないわずかな数の上面プレートだけが、各アドレス可能なデバイス素子について必要である。

バネ中間層から形成される片持ち梁は、様々なバネ強度、サイズ、および密度変化であり得る組み込みバネとして機能する。これら組み込みバネは、単一の連続する可撓性膜、または同一または異なるサイズおよび形状の複数の可撓性膜で作られることができる。板バネコネクタ（例えばコネクタ５３０）の位置は、上面プレートのための最適変位、またはｃＭＵＴ動作の間にｃＭＵＴに関する所望の周波数応答を得るために設計されることができる。より小さい上面プレートセグメントの使用などの上面プレート５４０の構成は、比較的大きなサイズを有するＣＭＵＴ素子に関する所望の周波数応答を達成するために調整されることもできる。

要約すると、従来技術のｃＭＵＴとは異なり、本発明の変換器表面上の固定された（または締結された）領域は存在しないとすることができ、ｃＭＵＴの上面は、戦略的な位置に展開されるバネ（片持ち梁）によって支持される単一の上面プレートまたは複数の上面プレートで作られることができる。結果として、本発明によるｃＭＵＴは、背景の部分で述べられた従来のｃＭＵＴの多くの課題を解消する可能性を有する。可能性がある利点は、以下を含む。

（１）変換器の上面全表面は、非常により均一な変位で可動であるので、ｃＭＵＴ素子の２つの電極間の平均変位および平均電界の両方が改善されることができる。これは、より良好な送信および受信性能を生じることができる。

（２）本発明の設計で、デバイスフィルファクターがほぼ完全であることができるように、不活動表面領域が無いまたは不活動表面領域が非常に少ない変換器を作ることを可能にする。これは、変換器寸法が小さいので、高周波数ｃＭＵＴには本質的に重要である。

（３）変換器の寄生容量は、中間バネ層の適切な特性を選択することによって劇的に低減されることができる。例えば、非導電材料が、中間バネ層のために使用されることができる。これは、変換器感度を改善する。

（４）変換器降伏電圧は、高電界がデバイス性能を改善するために２つの電極間で得られることができるように、中間バネ層に関して適切な材料を使用することによって改善されることができる。

（５）ｃＭＵＴ表面変位の均一性は、上面プレートの剛性（ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ）を増大することによってさらに改善されることができる。上面プレートの適切に選択された厚さで、ｃＭＵＴ表面変位は、変換器表面から放出される超音波ビームパターンへ最小の影響または影響が無いことができる。

（６）ｃＭＵＴ素子表面内のｃＭＵＴセル境界パターンは、新規な設計で排除されることができるので、そのようなセル境界パターンによって引き起こされる高周波数制限は無い。これは、ｃＭＵＴの帯域幅を改善することができる。

（７）各ｃＭＵＴ素子内の非常に多数の個別セルを使用する必要が無く、ｃＭＵＴ表面上の異なる位置（異なるセル）での移動の位相差は、最小化される。これは、剛性上面プレートが使用されるなら本質的に当てはまる。これは、ｃＭＵＴが、高品質要因（Ｑ要因）状態、例えば空気または低圧力環境で動作するときに、本質的にデバイス性能を改善することができる。

（８）ｃＭＵＴのアンカー（中間バネ層５２０を固定するための側壁アンカー５０３）は、飛び越し結合を低減するためにｃＭＵＴ素子間の分離構造体を追加するためのｃＭＵＴ素子縁部でもっとあき場所が存在するように、上面プレートよりもわずかに小さく作られることができる。

（９）本発明は、従来技術の設計よりもＭＵＴに関するより多くの設計柔軟性を提供する。例えば、上面プレート５４０は、異なる形状および構成であるように設計されることができる。組み込みバネ（例えば、図５Ａおよび図５Ｂに示すような中間バネ層から作られた片持ち梁）は、適切な膜寸法を選択することによって異なる形状および異なるバネ定数を有することができる。さらに、組み込みバネは、上面プレート５４０上の異なる位置に取り付けられることができる。

図６〜図１１は、本発明によるバネ（片持ち梁）の分配の５つの例示的な設計を示す。図６は、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第１の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す。アドレス可能なｃＭＵＴ素子６００は、全体的に正方形の形状を有し、かつ
（１）ｃＭＵＴ素子６００の外側リム（周縁）を画定する環状形状を有する周囲空洞６０２ａと、
（２）周囲空洞６０２ａの上方に配置される円形コネクタ６３０ａと、
（３）周囲空洞６０２ａによって囲まれる外側アンカー６０３ａであって、外側アンカー６０３ａは、図示のように内側の切り欠き箇所を除く基板ウェーハのデバイス素子領域全体に連続する、外側アンカー６０３ａと、
（４）それぞれ環状形状を有する４つの同一の内側空洞６０２ｂであって、各空洞６０２ｂは、基板ウェーハを内側のアイランド（それぞれアンカー６０３ｂ）と外側領域（この特定の実施例において共通の外側アンカー６０３ａ）とに分割する、内側空洞６０２ｂと、
（５）それぞれ内側空洞６０２ｂの上方にそれぞれ配置される４つの同一の内側円形コネクタ６３０ｂと、
（６）それぞれ内側空洞６０２ｂによって囲まれる４つの同一の内側アンカー６０３ｂと、を含んでいる。

この実施例において、外側アンカー６０３ａは、中間バネ層（図示しない）を介して円形コネクタ６３０ａに接続される。中間バネ層は、デバイス素子領域全体を覆う単一の連続層であることができ、あるいは選択位置でアンカーに接続される個別の領域であることができる。中間バネ層は、その垂直面が薄いが、デバイス素子領域全体を覆うまでその表面（前後面または側面）で何らかの所望の全長またはサイズであり得る。好ましくは、中間バネ層は、個別の狭いストリップ片持ち梁ではなく、平面片持ち梁（ｐｌａｎｅ ｃａｎｔｉｌｅｖｅｒ）を作るために大きな領域にわたって連続する。図６に示す実施例において、円形コネクタ６３０ａは、連続する閉じられた円であるので、単一の平面片持ち梁が、外側アンカー６０３ａの円形縁部上に固定された周囲空洞６０２ａの上方に形成されることができる。しかしながら、コネクタ６３０ａ（および本明細書の他のコネクタ）が、個別のセグメントを含む所望のパターンであってもよいことが理解される。類似形成の実現性は、４つの空洞６０２ｂの上方に形成される４つのコネクタ６３０ｂおよび片持ち梁に適用される。空洞６０２ｂ、コネクタ６３０ｂ、およびアンカー６０３ｂの形状および相対サイズが、本発明の全体コンセプトから逸脱することなくむしろ自由に変形され得ることが十分に理解される。特に、本記述において使用される用語「環状（ｃｉｒｃｕｌａｒ）」は、実質的に末端が閉じた配置構成を有する形態について言及しており、好ましいとされたアイテムまたは構成物が丸い形状または何らかの他の特定の形状を多少なりとも意味しない。

さらに、空洞６０２ｂの上方に形成される片持ち梁は、外側アンカー６０３ａまたは内側アンカー６０３ｂのいずれか、あるいは両方に(頭から接続されたブリッジ状の二重片持ち梁を形成するために）固定されることができる。

図７は、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第２の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す。アドレス可能なｃＭＵＴ素子７００は、全部正方形の形状を有し、かつ
（１）それぞれがより小さいサイズのトレンチを含む（もしトレンチがあれば）、低減したサイズの複数の環状空洞７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、および７０２ｄと、
（２）それぞれ空洞７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、および７０２ｄの上方に配置される複数の環状コネクタ７３０ａ、７３０ｂ、７３０ｃ、および７３０ｄと、
（３）それぞれ空洞７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｃ、および７０２ｄによって囲まれる複数のアンカー７０３ａ、７０３ｂ、７０３ｃ、および７０３ｄと、を含んでいる。

これらの空洞、コネクタ、およびアンカーを有して、上述と同様の方法で片持ち梁の様々な形成が可能である。

図８は、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第３の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す。アドレス可能なｃＭＵＴ素子８００は、全体に矩形形状を有し、かつ
（１）外側環状コネクタ８３０ａを囲む外側環状空洞８０２ａと、
（２）互いに実質的に平行な複数の拡張直線空洞８０２ｂと、
（３）互いに実質的に平行でかつそれぞれの空洞８０２ｂの上方に配置される複数の拡張直線コネクタ８３０ｂと、
（４）互いに平行でかつそれらの間に空洞８０２ｂと交互に起こる複数の拡張直線アンカー８０３ｂと、を含む。

図９は、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第４の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す。アドレス可能なｃＭＵＴ素子９００は、全体的に方形形状を有し、かつ
（１）外側環状コネクタ９３０ａを囲む外側環状空洞９０２ａと、
（２）互いに実質的に平行な第１の複数の拡張直線空洞９０２ｂと、
（３）互いに実質的に平行でかつそれぞれの空洞９０２ｂの上方に配置される第１の複数の拡張直線コネクタ９３０ｂと、
（４）互いに実質的に平行な第２の複数の拡張直線空洞９０２ｃと、
（３）互いに実質的に平行でかつそれぞれの空洞９０２ｃの上方に配置される第２の複数の拡張直線コネクタ９３０ｃと、を含む。

第２の複数の拡張直線空洞９０２ｃは、離散アイランド（アンカー）９０３のアレイを画定する空洞のグリッド（格子、マス目）を形成するために、第１の複数の拡張直線空洞９０２ｂと交差する。結果としての空洞形成は、複数の小さな方形形状環状空洞である。

図１０は、本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第５の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す。アドレス可能なｃＭＵＴ素子１０００は、全体的に方形形状を有し、かつ
（１）外側環状コネクタ１０３０ａおよび連続するアンカー１００３を囲む外側環状空洞１００２ａと、
（２）互いに分離されかつ並んで配置された複数の単純な穴１００２ｂと、
（３）それぞれ単純な穴１００２の上方に配置された複数の離散コネクタ１０３０ｂと、を含む。

この構成において、複数の単純な離散空洞１００２ｂおよび複数の離散コネクタ１０３０ｂは、共通の連続アンカー１００３を共有する。

図６〜図１０における例示的な形態の全ては、アドレス可能なｃＭＵＴ素子の境界または境界線を画定する外側環状空洞を有するが、そのような外側環状空洞は必要ではないことに留意されるべきである。これは、図１１を参照して次の実施例を使用して説明することができる。

図１１は、完全ｃＭＵＴ素子１１００、および各側に１つの隣接するｃＭＵＴ素子１１００Ａおよび１１００Ｂの一部を示すｃＭＵＴ構造の断面図である。ｃＭＵＴ素子（１１００、１１００Ａ、および１１００Ｂ）を形成するセパレーション（隔離）が、図５Ａおよび図５Ｂにおける基板上の位置とは異なる基板上の位置であることを除いて、ｃＭＵＴ素子１１００は、図５Ａおよび図５ＢにおけるｃＭＵＴ素子５００に非常に似ている。図５Ａおよび図５ＢにおけるｃＭＵＴ構造と同様に、図１１におけるｃＭＵＴ構造は、基板ウェーハ１１０１上に構築され、中間バネ層１１２０および上面プレート１１４０も有する。ｃＭＵＴ素子１１００、１１０２、および１１０４は、上面プレート１１４０および中間バネ層１１２０を貫通して形成された隔離トレンチ１１１５によって分離される。隔離トレンチ１１１５は、コネクタ１１３０（図５Ａおよび図５Ｂにおける場合のように）ではなく変換空間１１６０を貫いて切断されるので、基板ウェーハレベルでのｃＭＵＴ素子１１００の境界は、ｃＭＵＴ素子構造５００におけるように空洞ではなくアンカー１１０３の半分である。

さらに、図６〜図１０における例示的な形態の全ては、ｃＭＵＴ素子の大部分を囲む包括的な環状コネクタを有する。ｃＭＵＴ素子の外側周囲でのそのような環状コネクタは、製造の間にｃＭＵＴ素子を密封するために使用されることができる。密封は、液体媒体内の適用に必要であり得るが、空気または真空内での適用には必要でないことがある。いずれにしても、外側周囲で包括的な環状コネクタは必要ではない。

上記実施例に示すように、広範な形態は、本発明の思想内で利用可能である。アイランド（島）は、空洞を形成することによって基板ウェーハ上に形成されることができる。原理的に、全てのアイランドは、片持ち梁を形成するためのアンカーとして作用しなければならないことはないが、可能な限り多くのアイランドが、性能および設計自由度を最適化するためにアンカーとして有効に用いられることが好ましい。

上述の実施例に示すように、複数の片持ち梁が、片持ち梁形成領域に形成されることができる。中間バネ層は、上面プレート層に接続する複数のコネクタを有することができる。複数のコネクタは、中間バネ層上の各位置で領域当たりの平均コネクタ密度を示すコネクタ密度プロファイルを定めるために、デバイス素子領域に渡って分散されることができる。各コネクタおよびその対応する片持ち梁は、所在地で各自の平均コネクタ密度と組み合わされたとき、有効バネ強度プロファイルを定めることができる、バネ強度を有するバネとして考えることができる。例えば、有効バネ強度は、個別の片持ち梁のバネ強度を単位領域における片持ち梁の数（バネ密度）と組み合わせることによって決定されることができる、所在地での単位領域当たりのバネ強度として規定されることができる。

本明細書に記載される実施例に示すように、アンカー（例えば、側壁アンカー５０３）およびそれらの対応するコネクタは、デバイス周波数応答およびモード形状などの所望の支持特性を達成するために、所望のパターンで基板ウェーハに渡って分散されることができる。

図１２Ａ〜図１２Ｊは、バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す。これらの実施例も、バネ分配プロファイルを上面プレート層の特定の形状およびパターンと組み合わせしている。

図１２Ａは、それぞれデバイス素子領域にわたって均一に分散されたバネ記号１２７０によって示す、複数の同一の片持ち梁を有するｃＭＵＴ素子１２００Ａを示す。結果としての有効バネ強度は、デバイス素子領域にわたって実質的に均一である。

図１２Ｂは、バネ１２７０ａおよびバネ１２７０ｂによって示す２つのタイプの片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｂを示す。バネ１２７０ｂは、より強いバネ強度を示すために濃いバネ記号を使用する。この実施例において、有効バネ強度は、デバイス素子領域の境界線近くの位置よりもデバイス素子領域の中心近くの領域位置で著しくより高くなっている。

図１２Ｃは、バネ１２７０ａおよびより強いバネ１２７０ｂによって示す２つのタイプの片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｃを示す。この実施例において、有効バネ強度は、デバイス素子領域の境界線近くの位置よりもデバイス素子領域の中心近くの領域位置でより低い。さらに、バネ１２７０ａは、デバイス素子領域内に不均一に分散されることを妨げる。

図１２Ｄは、バネ１２７０ａおよびより強いバネ１２７０ｂによって示す２つのタイプの片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｄを示す。この実施例において、デバイス素子領域は、第１の領域１２１０ａと第２の領域１２１０ｂとを含む。上面プレート層１２４０Ｄの厚さは、第２の領域１２１０ｂよりも第１の領域１２１０ａにおいてより厚い。第１の領域１２１０ａにおける厚さは、上面プレート層１２４０Ｄの通常の厚さに相当するとすることができ、第２の領域１２１０ｂにおけるそれより薄い厚さは、上面プレート層１２４０Ｄ上に形成された空洞の底部厚さに相当するとすることができる。

図１２Ｅは、バネ１２７０によって示す複数の片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｅを示す。この実施例において、上面プレート層１２４０Ｅは、デバイス素子領域に渡って交互に起こる２つの異なる厚さ１２１２ａおよび１２１２ｂを有する厚みプロファイルを有する。より厚い厚さは、上面プレート層１２４０Ｅの通常の厚さに相当するとすることができ、一方、より薄い厚さは、上面プレート層１２４０Ｅ上に形成された空洞の底部厚さに相当するとすることができる。２つの厚さ１２１２ａおよび１２１２ｂは、デバイス素子領域に渡って規則的に交互に入れ替わることができる。この構成は、上面プレートに対する剛性／質量比を改善することを助長することができる。

図１２Ｆは、バネ１２７０によって示す複数の片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｆを示す。この実施例において、上面プレート層１２４０Ｆは、２つの異なる材料で作られる。第１の材料は、隔離トレンチ１２４５によって分割される複数のセグメント１２４１で作られることができる。第１の材料は、隔離トレンチ６４５によって分割される複数のセグメント６４１で作られることができる。第２の材料は、トレンチ６４５にわたって広がることによってセグメント６４１を接続するコネクタとして提供されることができる。第２の材料６４２は、トレンチ６４５を充填または部分的に充填することができる。

図１２Ｇは、ｃＭＵＴ領域に渡って均一に分散されたバネ１２７０によって示す複数の片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｇを示す。この実施例において、上面プレート層１２４０Ｇは、上面プレート層１２４０Ｇが、ｃＭＵＴ素子１２００Ｇの境界線に近い領域よりも中央領域でより厚い厚みプロファイル（輪郭、形状）を有する。

図１２Ｈは、ｃＭＵＴ素子１２００Ｈが、バネ１２７０ａおよびより強いバネ１２７０ｂによって示す２つのタイプの片持ち梁を有することを除いて、ｃＭＵＴ素子１２００Ｇに類似する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｈを示す。より強いバネ１２７０ｂは、ｃＭＵＴ素子１２００Ｈの縁部（境界線）に展開される。

図１２Ｉは、ｃＭＵＴ領域の中間領域に均一に分散されるバネ１２７０によって示す複数の片持ち梁を有する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｉを示す。この実施例において、上面プレート層１２４０Ｉは、上面プレート層１２４０Ｇが、中間領域よりもｃＭＵＴ素子の境界線において著しく薄い厚みプロファイルを有する。一実施例において、上面プレート層１２４０Ｉは、非常に薄く、境界線近くで可撓性であるが、中間領域において剛性である。上面プレート層１２４０Ｉは、片持ち梁（バネ）の支持体なしに境界線側壁１２８１で締め付けられ（固定され）またはほぼ締め付け固定されることもできる。しかしながら、この特定の場合でも、縁部を除いてｃＭＵＴ素子の表面内に締め付けられた（固定された）領域が存在せず、ｃＭＵＴ素子１２００Ｉは、ピストン状の運動で移動するように下方に配置されて組み込みバネによって支持される、上面プレート層１２４９Ｉの少なくとも中央部分をやはり有する。したがって、そのような特定形態のｃＭＵＴは、従来のｃＭＵＴを超える本発明の潜在的な利点からさらに利益をもたらすことになる。

図１２Ｊは、上面プレート層１２４０Ｊの中間領域を支持するバネが、異なるバネ強度を有して所望の分布パターンで分配された２つのタイプを有することを除いて、ｃＭＵＴ素子１２００Ｉに類似する他のｃＭＵＴ素子１２００Ｊを示す。

上面プレートおよび組み込みバネに関する多くの他の可能なｃＭＵＴ設計が、本発明で作られることができる。

本発明における設計の融通性を利用して、所望の周波数応答ならびに最適な送信および受信性能を有する変換器を作ることができる。上記で示す上面プレート層の片持ち梁分配プロファイル、ならびに材料選択、質量、および厚みプロファイルの変形に加えて、実施例の他の特徴またはその変形は、本発明による微細電子機械変換器に組み込むことができる。

本発明による微細電子機械変換器の構成要素の材料特性と、サイズ、形状、および位置との多くの可能な組み合わせが存在する。電気的に、材料と望ましい補充物選択の所望の組み合わせは、２つのｃＭＵＴ電極間の短絡を妨げるはずである。望ましい組み合わせは、また、所与の入力電圧に対する２つの電極間の電界を増強し、かつｃＭＵＴの寄生容量を低減するはずである。より良好な信頼性を有する材料を選択することも重要である。例えば、中間バネ層はデバイスの最大機械的応力を担うので、中間バネ層の機械的信頼性は重要である。この配慮に関して、単結晶シリコンは良好な選択である。さらに中間バネ層の導電性は、寄生容量を低減するために非常に低く設計することができる。したがって、誘電材料（例えば、窒化シリコン）が適している。中間バネ層の材料として単結晶シリコンが選択される場合は、低ドーピングレベルシリコンまたは真性シリコンは、以降に底部電極であるように設計される領域に選択的に高濃度でドーピングされることができる中間バネ層のための出発物質として使用されることができる。

図１３は、シリコン中間バネ層のドーピングプロファイルの一実施例を示す。本明細書に示す他のＭＵＴ構造に類似して、図１３におけるＭＵＴ構造体は、空洞１３０２（液浸用途において真空密封されることができる）、側壁アンカー１３０３、板バネコネクタ１３３０、および上面プレート層１３４０を有する。しかしながら、図１３におけるＭＵＴは、真性のまたは非常に低濃度にドーピングされたシリコン領域１３２０ａおよび高濃度にドーピングされたシリコン領域１３２０ｂである、２つの異なるタイプの領域を有するシリコン中間バネ層を有する。高濃度にドーピングされたシリコン領域１３２０ｂは、他の実施例において示すように底部電極として中間バネ層上に堆積された個別の導電層の代わりに、底部電極として達成することができる。代わりにまたは追加して、底部電極を、導電基板ウェーハ１３０１を使用して達成することができる。

さらに、底部電極がどのように製造されまたは達成されるかに関わらず、ドーピングタイプは、２つの領域間にＰＮ接合を形成するために、図１３の中間バネ層において領域１３２０ａと１３２０ｂとの間に異なって作られることができる。これは、ＰＮ接合への適切なバイアス電圧を選択することによって、変換器の降伏電圧をさらに増大しかつ寄生容量を低減することができる。

本発明のｃＭＵＴ構造において、上面電極は、それが上面プレートとともに移動する限り所望の位置に配置されることができる。しかし、上面電極は、望ましくは短絡なしに２つの電極間の電界を最大化するように設計されるべきである。例えば、上面プレートが導電性（例えば、高濃度ドープシリコン）であるならば、上面電極（通常は金属層）は、上面プレートの上面上に配置されることができる。上面プレートが非導電性（例えば、窒化シリコン、ＬＴＯ、またはＰＭＭＡを使用する）であるなら、上面電極は、上面プレート層の底部に、好ましくは板バネコネクタの真上に配置される絶縁層（例えば、図５Ｂにおける絶縁層５３５）の上面上に配置されることができる。これは、２つの電極間により強い電界を得ることを助長する。

本発明のｃＭＵＴ構造に上面プレートを形成するまたは導入するための１つの非常に有効な方法は、主なシリコンウェーハ、または絶縁層上に所望のシリコン層を有するＳＯＩウェーハが、基板および中間バネ層に結合されるウェーハ結合技術を使用することである。この場合、その結果生じる上面プレートは、シリコン層またはポリシリコン層を含むこととなる。そのような層は、本発明で想定される適用の目的のために比較的に導電性である。これに対して、上面電極と底部電極との間の短絡の可能性を低減する手段を用いてもよい。

図５Ｂにおける絶縁層５３５などの絶縁層は、２つの電極が動作の間に互いに接触する場合に、２つの電極間の短絡を妨げるために使用される。絶縁層は、２つの電極間に画定される変換空間の上面または底面のいずれかに配置されることができる。図５Ｂにおける絶縁層５３５は、前者の構成の実施例である。通常、中間バネ層上に絶縁層を有するのではなく、上面プレートの側方に配置された絶縁層を有することが好ましい。これは、中間バネ層の特性が良好に制御される必要があるからであり、その上に絶縁層を有することは、その特性および挙動のそのような制御に対する好ましくない制限を課す可能性があるからである。絶縁層は、連続の単一層であるかまたはパターン化されることができる。中間バネ層自体が、誘電体（例えば、窒化シリコン）で作られるならば、絶縁層は随意でよい。

絶縁層５３５などの絶縁層の主な機能は、ｃＭＵＴ動作の間に２つの電極間の短絡を妨げることである。しかしながら、絶縁層を使用することは不利益を持ち込むかもしれない。第１に、変換器の信頼性を劣化させるかもしれない、いくらかの電荷を捕らえることがある。第２に、絶縁層の両端間の電圧低下が存在し、この電圧低下が、特に小さな垂直方向の変位および高い入力電圧を必要とするｃＭＵＴ（例えば、高周波数ｃＭＵＴ）に対して、変換器効率を低減することがある。

本発明の一つの態様によれば、上記の不利益は、絶縁層の同等の機能を実行する特定の設計を使用して、絶縁層５３５の必要性を取り除くことによって解消されることができる。

一つの設計において、基板ウェーハ内の空洞の深さ（垂直方向高さ）は、上面プレートと中間バネ層との間の利用可能な変換空間の深さ（垂直方向高さ）以下、好ましくはそれ未満であるように設計される。この設計において、中間バネ層は、導電上面プレートと上面電極とが底部電極に当たり、２つの電極間に短絡を引き起こす前に、基板ウェーハ内の空洞の底部によって停止される。これは、上面プレート層が短絡を引き起こす底部電極と接触するのを効果的に妨げ、ひいては上面プレート層下の絶縁層の必要性が取り除かれる。

深い深さが、中間バネ層下の空洞に望ましい場合には、運動ストッパを、図１４を参照して以下に説明するように、同じ機能を達成するために空洞内に持ち込んでもよい。

図１４は、上面プレートの最大の垂直方向変位を制限するために、運動ストッパを有するｃＭＵＴ素子の選択された部分の拡大図を示す。選択されたｃＭＵＴ部分１４１０は、図５における選択されたｃＭＵＴ部分５１０に類似しているが、短絡を妨げる運動ストッパ１４９０を有する。選択されたｃＭＵＴ部分１４１０は、上面から底部へ構造体を通る想像垂直線（図示しない）上に中心がある２つの半体を有する。ｃＭＵＴ素子の基本構造が、基板ウェーハ１４０１上に構築され、以下の構成要素を有する。すなわち、これら構成要素は、側壁アンカー１４０３によって画定される空洞１４０２、好ましくは弾性膜である中間バネ層１４２０、中間バネ層１４００上に配置される底部電極１４２５、中間バネ層１４２０の上面上に立ち上がるコネクタ１４３０、上面プレート１４４０、および上面電極１４５０である。図５Ａ〜図５ＢにおけるｃＭＵＴ構造と異なり、上面プレート層１４４０とコネクタ１４３０との間に絶縁層が介在していない。

コネクタ１４３０は、上面プレート層１４４０の下方に変換空間１４６０を画定するために、中間バネ層１４２０から突出している。この特定の実施例において、変換空間１４６０の実際の高さＤ_ａは、図１４に示す構成において底部電極１４２５および中間バネ層１４２０の厚さだけ低減されている。コネクタ１４３０は、側壁アンカー１４０３に固定された片持ち梁を画定するために十分な長さだけ、側壁アンカー１４０３から水平方向に離間されている。片持ち梁および空洞１４０２は、上面プレート１４４０をピストン状の運動で実質的に垂直方向に運び、ひいては変換空間１４６０を変形する、コネクタ１４３０の垂直方向変位を可能にする。ｃＭＵＴ構造１４１０の両方の半体が、同位相で動くとき、垂直方向のピストン状の運動は、さらに確実にされる。

図１４に示すように、コネクタ１４３０の最大垂直方向変位Ｄ_ｍは、空洞１４０２に配置されている運動ストッパ１４９０によって制限される。Ｄ_ｍは、Ｄ_ａ以下（好ましくはそれ未満）であるように設計されるとき、コネクタ１４３０の垂直方向変位（およびしたがって上面プレート層１４４０の最大垂直方向移送距離）は、変換空間の高さＤ_ａ未満に制限される。これは、上面プレート層１４４０が短絡を引き起こす底部電極１４２５と接触することを効果的に妨いで、それにより上面プレート層１４４０の下方の絶縁層の必要性が取り除かれる。好ましい一実施例においては、Ｄ_ｍは、Ｄ_ａの少なくとも１／３未満である。

ストッパ１４９０は、所望の高さで異なる位置に配置されることができる。さらに、本明細書に記載される他の設計におけるように、基板ウェーハ１４０１および／または中間バネ層の少なくとも一部が導電性であるならば、底部電極１４２５は随意である。

一般的に、基板ウェーハおよび中間バネ層が導通されるなら、これらの層は、好ましくはともに電気的に接続される（例えば、同一の電位を有する）べきである。その代わりに、基板ウェーハまたは中間バネ層のいずれか、あるいは両方が、絶縁層で作られてもよい。

理想的には、上面プレートは、軽量で（すなわち軽い質量を有する）および剛性であるべきである。上面プレートの剛性／質量比として規定される全質量に対する一次共振周波数の音響比が、上面プレートの材料選択および構造設計を評価するために使用されることができる。剛性／質量比のより高い値は、一般に上面プレートに好ましい。幾つかの異なる設計の配慮は、以下に記載される。

（１）上面プレートが、単一材料の中実プレートで作られるならば、選択された材料自体は、低い密度および高いヤング係数を有するべきである（例えば、ダイヤモンドは、そのような目的のための最良の材料の１つである）。

（２）一定の材料が、上面プレートのために既に選択されているならば、幾つかの構造設計が、剛性／質量比をさらに改善するために使用されることができる。例えば、材料を多孔性にすることは、通常、上記で規定された剛性／質量比を増大する。多孔性シリコンは、ＨＦに富む電解液内でシリコンの電気化学エッチングすることによって形成されることができる。他の実施例に関して、上面プレートは、全質量に対する一次共振周波数のより大きな比を達成するために、うまく設計された中空構造体を有するように微細加工されることができる。微細加工することは、所望のマスクパターンを用いてエッチングすることによって行われることができる。

（３）所与の材料に対する、いくつかの処理は、質量を増大することなく材料の等価ヤング係数を増大するために導入されることができる。これを行うための１つの可能な方法としては、材料に引っ張り応力を導入することである。例えば、その応力は、プロセスパラメータを制御することによって薄膜形態で導入されることもでき、その応力は、シリコンが使用されるならば、適切なドーピングによってシリコンに導入されることもできる。

上記の考慮および方法は、中間バネ層の材料にも適用されることができる。

上面プレートおよび中間バネ層の両方は、改質された機械特性を達成するために多孔性構造体などの微細加工された構造体であってもよい。例えば、上面プレートは、上面プレートに構築された孔を有するプレートで作られることができる。またあるいは、孔は、その全厚みを貫通することなく上面プレートの上面に形成される途中まで貫通する空洞（ｈａｌｆ−ｔｈｒｏｕｇｈ ｃａｖｉｔｙ）であってもよい。くぼみ（ｖｏｉｄ）などの中空構造は、上面プレートの表面上に開口が無いまたは非常に少ない開口だけを有する上面プレート内に形成されることもできる。

図１５Ａ〜図１５Ｄは、上面プレートの剛性／質量比などの特性を最適化するために、上面プレートに適用される孔形成されまたは中空の構造体の実施例を示す。

図１５Ａ〜図１５Ｃは、本発明の上面プレート層の３つの例示的な形態を示す。図１５Ｄは、３つの形態においてエッチングされた孔の直径の関数として、上面プレートの全質量に対する一次共振周波数の対応比のグラフを示す。図１５Ａに示す第１の形態において、８μｍの直径の孔１５４４Ａのアレイは、上面プレート１５４０Ａに形成される。隣接する孔間に１０μｍの分離距離が存在する。図１５Ｂに示す第２の形態において、４μｍの直径の孔１５４４Ｂのアレイは、上面プレート１５４０Ｂに形成される。隣接する孔間に１０μｍの分離距離が存在する。図１５Ｃに示す第３の形態においては、形成された孔が無い中実上面プレート１５４０Ｃが使用される。

図１５Ｄのグラフに示すように、図１５Ａに示す第１の形態は、それが、最高の剛性／質量比を示すので、好ましい上面プレート設計である。これらの図において、上面プレートに関する３つの異なるシリコン構造設計に関する比の結果は、中実シリコンプレートの比の結果によって正規化される。

図１５Ａ〜図１５Ｃに示す中空構造体は、全く若干の実施例である。トレンチの異なる形状、サイズ、密度、および形態を有する多くの他の可能な中空構造パターン（例えば、六角形、方形、または三角形）が、本発明の目的のために使用されることができることは理解される。図１５Ｅは、例えばその中に構築された孔を有する上面プレートの他の実施例を示す。上面プレート１５４０Ｅは、上面プレート１５４０Ｅの主要表面（例えば、上面）ではなく側方から構築される孔１５４４Ｅを有する。

必要であれば、孔が、望ましい特性を有する材料（例えば、軽くかつ堅い材料）を使用して再充填されまたは密封されることができるように、中空構造体が設計されることができる。

一般に、上面プレートが、中間バネ層よりも著しく剛性であり、かつコネクタの垂直方向の変位によって運ばれるときに実質的に曲げられないことが好ましい。例えば、同一または類似する材料が、上面プレート層および中間バネ層の両方に使用されるならば、上面プレート層は、中間バネ層の厚さの少なくとも３倍、さらに好ましくは少なくとも５倍の厚さであることが望ましい。

静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）において、底部電極は、中間バネ層上または基板ウェーハ上のいずれかであってよい。本記述において、用語「上（on）」は、分離材料または層が他の層上に配置されることを必ずしも意味するものでは無い。底部電極は、中間バネ層または基板ウェーハの一部であってもよい。例えば、中間バネ層は、底部電極を作るために導電材料を含むことができる。

一実施例において、複数のアドレス可能なデバイス素子は、同一の基板ウェーハ上に製造されている。基板ウェーハが導電性ウェーハであるならば、複数のアドレス可能なデバイス素子は、基板ウェーハ上に形成された組み込み絶縁体によって互いから絶縁されることができる。同一日付で共通の出願人によって出願された、本明細書に特定された幾つかの特許出願に開示されたのと同一の絶縁体および製造方法が、この目的に有用であり得る。例えば、組み込み絶縁体は、所望の全厚を有しかつ誘電材料で充填された絶縁空洞を有することができる。組み込み絶縁体は、代わりに、基板ウェーハの酸化原材料の実線を含むパターン空洞を含むことができる。同様の組み込み絶縁体は、上面プレート層上に形成されることができる。

本発明の微細電機機械変換器は、本明細書に記載されるアドレス可能なデバイス素子をアドレス指定するために、様々なアドレス指定方法を使用することができる。特に、アドレス可能なデバイス素子は、同一日付で共通の出願人によって出願された、本明細書に特定された幾つかの特許出願に開示すように、基板ウェーハを貫いて形成されたウェーハ貫通相互接続部を介して基板ウェーハの裏面からアドレス指定されることができる。例えば、導電基板ウェーハが使用されることができ、導電性ウェーハの原材料で作られたウェーハ貫通導体を囲む環状トレンチを有するウェーハ貫通相互接続部が、複数の変換器素子を相互接続するために使用されることができる。ウェーハ貫通相互接続部は、ウェーハ貫通導体を基板ウェーハの残りから絶縁するために、環状トレンチを埋める誘電体をさらに含むことができる。一実施例において、ウェーハ貫通導体は、アドレス可能なデバイス素子の真下に配置される。

本発明の微細電機機械変換器は、一実施例としてｃＭＵＴを主として使用して示されたが、ｐＭＵＴおよびｍＭＵＴなどの他のタイプの変換器が、本発明により同じコンセプトを使用して形成されることもできる。

図１６は、本発明の例示的な実施例によるｐＭＵＴ素子のセクションの断面図を示す。ｐＭＵＴは、本明細書で示すｃＭＵＴに類似しており、かつ基板ウェーハ１６０１、空洞１６０２、側壁アンカー１６０３、中間バネ層１６２０、板バネコネクタ１６３０、上面プレート１６４０、および中間バネ層１６２０上に配置された圧電部材１６７５を有する。ｃＭＵＴとは異なり、ｐＭＵＴ構造体は、静的電極および可動電極を有するコンデンサを形成するための電極を有していない。その代わりに、圧電部材１６７５が、弾性中間バネ層１６２０から形成された片持ち梁と協働する変換部材として機能する。各圧電部材１６７５は、それらの間に圧電層を挟む２つの電極を含むことができる。全体構造における類似性に関わらず、ｐＭＵＴ変換器における電気接続は、異なるエネルギー変換方法のために相違するので、材料選択は、ｐＭＵＴに関して異なることがある。

図１７は、本発明の例示的な実施例によるｍＭＵＴ素子の一区分の断面図を示す。ｍＭＵＴは、本明細書で示すｃＭＵＴおよびｐＭＵＴに類似し、かつ基板ウェーハ１７０１、空洞１７０２、側壁アンカー１７０３、中間バネ層１７２０、板バネコネクタ１７３０、上面プレート１７４０、および上面プレート層１７４０上に配置された磁気部材１７７５を有する。ｃＭＵＴとは異なり、ｍＭＵＴ構造は、コンデンサを形成するための電極を有さない。磁気部材１７７５は、弾性中間バネ層１７２０によって形成される片持ち梁によって引き起こされる上面プレート層１７４０の実質的に垂直方向の移動に合わせて上面プレートを動かす変換部材またはエネルギー変換装置として機能する。全体構造における類似性に関わらず、ｍＭＵＴ変換器における電気接続は、異なるエネルギー変換方法のために相違するので、材料選択は、ｍＭＵＴに関して異なることがある。

本明細書に記載される微細電機機械変換器の基本構造体は、集積回路（ＩＣ）と集積されることができる。図１８は、ＩＣと集積されたｃＭＵＴの断面図を示す。ｃＭＵＴ１８００は、基板ウェーハ１８０１、空洞１８０２、側壁アンカー１８０３、中間バネ層１８２０、板バネコネクタ１８３０、上面プレート１８４０、上面電極１８５０、底部電極１８２５、および上面プレート１８４０上に構築された集積回路１８４９を有する。金属化（ｍｅｔａｌｌｉｚａｔｉｏｎ）は、ｃＭＵＴ１８００の上面電極１８５０を形成し、かつｃＭＵＴ素子近くにＩＣを接続するために使用されることができる。

上面プレート１８４０は、所望の特性（例えば、配向、ドーピングレベルおよびドーピングタイプ、ならびに厚さなど）を有する単結晶シリコンで作られることができるので、集積回路（ＩＣ）１８４９は、図１８に示す集積を達成するために上面プレート層１８４０上に直接製造されることができる。ＩＣ１８４９は、そのプレート１８４０の上面の形成または配置の後で適切に製造されることができる。製造プロセスのその段階で、組み込み変換器を含んで製造されたウェーハの表面は、主要なウェーハの表面とほぼ同じである上面プレート層１８４０の露出表面である。したがって、ＩＣ１８４９は、標準のＩＣ製造方法によって製造されることができる。ＩＣ１８４９が製造された後のプロセスは、ＩＣが、以降のプロセス（例えば、温度およびエッチング剤）によって損傷されないように、慎重に選択されるべきである。通常、上面プレート１８４０の形成または配置の後で、集積を実現可能にする目的で、変換器の製造を完成するのに、高温プロセスは必要ではないであろう。

ＩＣ１８４９は、図示のようにデバイス素子領域内でｃＭＵＴ上面プレート１８４０の上面上に製造されることができ、またはＩＣ製造のために確保された２つのデバイス素子間の領域などのデバイス素子領域（図示しない）の外側の上面プレート１８４０上の隣接する領域に製造されることができる。

その代わりに、事前形成された所望のＩＣを有するウェーハが、集積を達成するために変換器製造の間にｃＭＵＴウェーハに導入され、かつｃＭＵＴウェーハに結合されることができる。ＩＣウェーハの導入後のプロセスは、残りのプロセスステップの間にＩＣの損傷を避けるように慎重に選択されるべきである。

本発明の微細電機機械変換器は、同一日付で共通の出願人によって出願された、本明細書に特定された幾つかの特許出願に記載される製造方法を使用して製造されることができる。本発明の基本微細電機機械変換器を作る製造方法は、（１）ウェーハ結合技術を使用する製造、（２）犠牲技術（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）を使用する製造、および（３）ウェーハ結合技術と犠牲技術との組み合わせを使用する製造を含む。

相互接続部の所望の他の利用可能な設計および方法に加えて、本明細書で特定される幾つかの特許出願に開示している接続および相互接続部の設計および製造も使用されることができる。

微細電機機械変換器素子間のトレンチは、ある適用において密封される必要があり得る。例えば、密封構造は、トレンチ内に溶剤または湿気が漏入するのを妨げるのに役立つことができる。密封構造は、素子間の結合を最小化し、かつ素子間の電気接続を提供するために設計されることもできる。トレンチは、デバイス製造の間またはデバイス製造の後のいずれかに密封されることができる。本明細書で特定される幾つかの特許出願に開示すデバイス素子間のトレンチを密封する技術を使用することができる。

本発明のｃＭＵＴなどの微細電機機械デバイスは、結合線（ボンディングワイヤ）またはプローブ（探針）を介して外側に相互接続する必要があり得る。これを行うために、電気インタフェースパッド（例えば、ワイヤボンディングパッドまたはプロービングパッド）が必要であり得る。インタフェースパッドは、通常、幾つかの望ましくない寄生パラメータ（例えば、寄生容量またはインダクタンス）を導入する。変換器性能を改善するために、寄生パラメータは、最小化される必要があり得る。

寄生容量の低減のための所望の利用可能な方法に加えて、本明細書で特定される幾つかの特許出願に開示する、相互接続パッドの下の絶縁体の厚さを増大することによって、相互接続パッドの寄生容量を低減する新規な方法も使用することができる。この方法は、基板上の絶縁層の厚さを、膜堆積の厚さではなくエッチング深さによって画定されることを可能にし、ひいては、膜堆積技術で可能である厚さよりも著しく厚い厚さの絶縁体を製造することを可能にする。

本発明による微細電機機械変換器は、図面および例示的な実施例とともに詳細に記載された。この変換器は、既存技術で多数の問題を軽減または取り除くことができる可能性がある。本発明は、多数のより小さいセルを使用するアドレス可能な変換器素子を形成する必要性を取り除く。この技術を使用して、非常に少数のセルまたはまさに単一のセルのいずれかが、各アドレス可能な変換器素子に必要であり得る。本発明の微細電機機械変換器の設計は、静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）における適用に特に適しているが、エネルギーを変換する可動機械部品を有する他の微細電機機械デバイスにも使用されることができる。

特に、本発明による微細電機機械変換器は、共通の出願人によって本特許出願とともに同じ日付に全て出願された、代理人整理番号０３００４．０１の名称「THROUGH-WAFER INTER-CONNECTION」、代理人整理番号０３００４．０２の名称「METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES」、および代理人整理番号０３００４．０４の名称「MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS」の国際特許出願（ＰＣＴ）に開示する新規な製造方法を使用して製造されることができる。これらの特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれる。

前述の本明細書において、本発明の開示は、その特定の実施例を参照して記載されているが、当業者は、その開示がそれらに限定されないことを理解するであろう。上述の開示の様々な特徴および態様は、個別にまたは組み合わせて使用されることができる。さらに、本開示は、明細書のより広い精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載される環境および適用を超える所望の数の環境および適用で利用されることができる。請求項の範囲および精神内に入る全てのそのような修正および変形を主張する。明細書および図面は、したがって限定的ではなく例示的と考えられる。本明細書で使用される用語「から成る」、「含む」、および「有する」は、特に、技術の無制限の用語として読み取られることを目的とする。

複数セルを有する従来技術のｃＭＵＴの基本構造の断面図である。 図１Ａの単一のｃＭＵＴセルの拡大図である。 同じ従来技術の複数セルｃＭＵＴ構造の対応する概略上面図である。 従来技術のｐＭＵＴセルを示す図である。 従来技術のｍＭＵＴセルを示す図である。 他の議論される単一のｃＭＵＴセルの断面図を示す図である。 図４Ａの複数ｃＭＵＴセルの対応する概略上面図を示す図である。 完全ｃＭＵＴ素子および隣接するｃＭＵＴ素子の一部を示す、本発明によるｃＭＵＴ構造の断面図である。 上面プレートを示さない図５Ａに示すｃＭＵＴ素子の概略上面図である。 図５ＡのｃＭＵＴ構造の選択されたｃＭＵＴ部分の拡大図である。 図５Ａの完全ｃＭＵＴ素子の他の部品である、異なる選択されたｃＭＵＴ部分の拡大図である。 本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第１の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す図である。 本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第２の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す図である。 本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第３の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す図である。 本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第４の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す図である。 本発明によるアドレス可能なｃＭＵＴ素子の第５の実施例における、上面プレート層の下の空洞、アンカー、およびコネクタの表面パターンの概略を示す図である。 完全ｃＭＵＴ素子および隣接するｃＭＵＴ素子の一部を示す、本発明による他のｃＭＵＴ構造の断面図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 バネ（片持ち梁）分配プロファイルの実施例を示す図である。 シリコン中間バネ層のドーピングプロファイルの実施例を示す図である。 上面プレートの垂直方向の最大変位を制限するための運動ストッパを有する、本発明のｃＭＵＴ素子の選択された部分の拡大図を示す図である。 上面プレート層の例示的な構成を示す図である。 上面プレート層の例示的な構成を示す図である。 上面プレート層の例示的な構成を示す図である。 ３つの構成で示すエッチングされた孔の直径の関数として、上面プレートの全体質量に対する一次共振周波数の対応する比のグラフである。 その中に構築された孔を有する上面プレートの他の実施例を示す図である。 本発明の例示的な実施例によるｐＭＵＴ素子の一区画の断面図である。 本発明の例示的な実施例によるｍＭＵＴ素子の一区画の断面図である。 本発明によるＩＣと集積されたｃＭＵＴの断面図である。

Claims (66)

1. エネルギーを変換するために可動機械部品を有する微細電子機械変換器であって、該変換器は、デバイス素子領域を画定するデバイス素子境界線を有するアドレス可能なデバイス素子を含み、前記アドレス可能なデバイス素子は、
   基板と、
   前記基板の上方に配置された上面プレート（板）層と、
   前記基板と前記上面プレート層との間にある弾性構造体とを含み、
   （ａ）前記弾性構造体は、前記基板に接続する下部と前記上面プレート層に接続する上部とを有し、
   （ｂ）前記弾性構造体の前記上部は、前記上面プレート層に接続する複数のコネクタ（接続部材）を有し、
   （ｃ）前記複数のコネクタは、前記デバイス素子領域一面に分散されており、かつ前記デバイス素子領域の内側領域に向かって前記デバイス素子境界線から実質的に離間して配置された少なくとも１つのコネクタを有し、
   （ｄ）前記上面プレート層および前記コネクタは、前記上面プレート層の下に変換空間を画定し、
   （ｅ）前記アドレス可能なデバイス素子は、エネルギー変換を引き起こす少なくとも１つの変換部材を有し、かつ
   （ｆ）前記弾性構造体は、実質的に垂直方向に前記上面プレート層へ移送する前記複数のコネクタの垂直方向変位を可能にし、ひいては前記変換空間を変化させ、かつ前記変換部材を作動させることを特徴とする微細電子機械変換器。
2. 前記弾性構造体は、前記基板の全体を覆って配置された中間バネ層を含み、前記中間バネ層および前記基板は、前記デバイス素子領域内側に少なくとも１つの空洞を画定し、前記空洞は、少なくとも２つの対向する側部に前記デバイス素子領域を分割し、少なくとも１つの側部は、前記中間バネ層を据え付けるアンカー（支台）を有し、前記複数のコネクタは、それぞれ、該コネクタと前記アンカーとの間に片持ち梁を画定するために十分な長さだけ、前記アンカーから水平方向に離間されることを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
3. 前記上面プレートは、前記複数のコネクタの真上に配置され、各コネクタは、前記上面プレート層の下方に前記変換空間を画定するために前記中間バネ層から前記上面プレートを引き離すように、前記中間バネ層の上面から立ち上がる所望の高さを有することを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
4. 前記基板および前記中間バネ層は、前記デバイス素子領域を、該デバイス素子領域よりもそれぞれ実質的に小さいセグメントに分割する複数の空洞を画定することを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
5. 前記複数の空洞は、前記デバイス素子領域を複数のアイランド（島）に分割する第１の複数の拡張空洞を含み、少なくとも幾つかの前記アイランドが、前記中間バネ層を据え付けることを特徴とする請求項４に記載の微細電子機械変換器。
6. 前記第１の複数の拡張空洞は、互いに実質的に平行の直線空洞を含むことを特徴とする請求項５に記載の微細電子機械変換器。
7. 前記第１の複数の拡張空洞は、円形の空洞を含むことを特徴とする請求項５に記載の微細電子機械変換器。
8. 前記第１の複数の拡張空洞は、それぞれより小さいサイズの扇形空洞を含む減少サイズの円形の空洞を含むことを特徴とする請求項５に記載の微細電子機械変換器。
9. 前記第１の複数の拡張空洞は、並んで配置された同様なサイズの円形の空洞を含むことを特徴とする請求項５に記載の微細電子機械変換器。
10. 前記複数の空洞は、第２の複数の拡張空洞を含み、前記第２の複数の拡張空洞は、複数の離散アイランドを画定する空洞の格子を形成するために、前記第１の複数の拡張空洞と交差し、前記複数の離散アイランドの少なくとも幾つかは、前記中間バネ層を据え付けることを特徴とする請求項５に記載の微細電子機械変換器。
11. 前記基板は、並んで配置された複数の離散した単純な穴を有することを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
12. 各離散した単純な穴は、前記基板をそれぞれ内側のアイランドと共通の外側部分とに分割することを特徴とする請求項１１に記載の微細電子機械変換器。
13. 少なくとも１つの前記空洞および対応する前記アンカーは、合わせて前記デバイス素子領域の少なくとも半分を占めることを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
14. 前記アドレス可能なデバイス素子において、前記中間バネ層は、少なくとも１つの前記空洞および対応する前記アンカーを覆う連続層であることを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
15. 前記中間バネ層は、実質的に前記デバイス素子領域全体を覆う連続層であることを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
16. 少なくとも１つの前記空洞は、前記デバイス素子領域を内側のアイランドと外側領域とに分割する環状形状を有することを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
17. 前記内側のアイランドは、前記中間バネ層を据え付けることを特徴とする請求項１６に記載の微細電子機械変換器。
18. 前記内側のアイランドおよび前記外側領域の両方が、前記中間バネ層を据え付けることを特徴とする請求項１６に記載の微細電子機械変換器。
19. 少なくとも１つの前記空洞の２つの対向する側面は、それぞれ前記中間バネ層を据え付ける２つの対向するアンカーであることを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
20. 少なくとも１つのコネクタが、前記２つの対向するアンカー間に配置され、かつ頭から接続される２つの片持ち梁を画定するのに十分な長さだけ、それぞれ前記２つの対向するアンカーから水平方向に離間されていることを特徴とする請求項１９に記載の微細電子機械変換器。
21. 前記空洞は環状形状を有し、前記中間バネ層は前記空洞全体を覆い、かつ前記少なくとも１つのコネクタは、二次元平面片持ち梁を画定するために前記空洞の中間領域の真上に前記環状形状を囲むように配置されることを特徴とする請求項２に記載の微細電子機械変換器。
22. 前記複数のコネクタは、一領域位置当たりの平均コネクタ密度を示すコネクタ密度プロファイルを定め、前記弾性構造体は、影響を及ぼす点として各コネクタに対応するバネ強度を有し、前記平均コネクタ密度および前記バネ強度は組み合わせて、一領域位置当たりのバネ強度を示す有効バネ強度プロファイルを定義することを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
23. 前記有効バネ強度は、前記デバイス素子領域の全てにわたって実質的に均一であることを特徴とする請求項２２に記載の微細電子機械変換器。
24. 前記有効バネ強度が、前記デバイス素子領域の境界線近くの位置よりも、前記デバイス素子領域の中心近くの領域位置で著しく大きいことを特徴とする請求項２２に記載の微細電子機械変換器。
25. 前記デバイス素子領域は、第１の領域および第２の領域を含み、前記第１の領域は、前記上面プレート層の第１の厚さおよび第１の有効バネ強度を有し、かつ前記第２の領域は、前記上面プレート層の第２の厚さおよび第２の有効バネ強度を有し、前記第２の厚さは、前記第１の厚さよりも薄く、かつ前記第２の有効バネ強度は、前記第１の有効バネ強度よりも小さいことを特徴とする請求項２２に記載の微細電子機械変換器。
26. 前記デバイス素子領域は、中間領域を囲む境界線を含み、前記上面プレート層は、前記境界線近くで可撓性であるが、前記中間領域で剛性であり、境界線側壁で固定されかつ前記中間領域で少なくとも１つの片持ち梁によって支持されることを特徴とする請求項２２に記載の微細電子機械変換器。
27. 前記アドレス可能なデバイス素子において、前記上面プレート層は、前記デバイス素子領域に渡って少なくとも２つの異なる厚さを有する厚みプロファイル（輪郭）を有することを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
28. 前記少なくとも２つの異なる厚さは、前記上面プレート層の基準厚さに相当する第１の厚さと、前記上面プレート層上に形成された空洞の底部厚さに相当する第２の厚さとを含み、前記第１の厚さおよび前記第２の厚さは、前記デバイス素子領域に渡って規則的に交互に入れ替わることを特徴とする請求項２７に記載の微細電子機械変換器。
29. 前記上面プレート層は、第１の材料と前記第１の材料とは異なる第２の材料とから構成されていることを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
30. 前記第１の材料は、隔離トレンチ（堀溝）によって分割された複数のセグメントから構成され、前記第２の材料は、該セグメントを機械的に接続するために前記トレンチの上に橋かけし、かつ／または少なくとも部分的に前記隔離トレンチを埋めていることを特徴とする請求項２９に記載の微細電子機械変換器。
31. 前記微細電子機械変換器は静電容量型超微細加工超音波変換器（ｃＭＵＴ）であり、前記アドレス可能なデバイス素子は、前記上面プレート層上の上面電極と、前記弾性構造体または前記基板のいずれかの上の底部電極とを有することを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
32. 前記弾性構造体は、中間バネ層を含み、前記底部電極は、該中間バネ層上にあることを特徴とする請求項３１に記載の微細電子機械変換器。
33. 前記中間バネ層は、前記底部電極を達成するための導電材料を含むことを特徴とする請求項３２に記載の微細電子機械変換器。
34. 前記上面電極は、前記上面プレート層上に堆積された分離導電層であることを特徴とする請求項３１に記載の微細電子機械変換器。
35. 前記変換器は、複数のアドレス可能なデバイス素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
36. 前記複数のアドレス可能なデバイス素子は、前記上面プレート層の少なくとも一部を貫いて形成された隔離トレンチによって分離されていることを特徴とする請求項３５に記載の微細電子機械変換器。
37. 前記基板は導電性ウェーハ（薄板）であり、前記複数のアドレス可能なデバイス素子は、前記基板上に形成された組み込み絶縁体によって互いから絶縁され、該組み込み絶縁体は、所望の全厚を有しかつ誘電体で満たされた絶縁空洞を含むことを特徴とする請求項３５に記載の微細電子機械変換器。
38. 前記基板は導電性ウェーハであり、前記複数のアドレス可能なデバイス素子は、それぞれ前記基板上に形成された組み込み絶縁体によって絶縁され、前記組み込み絶縁体は、前記基板の酸化原材料の実線を含むパターン（型模様）空洞を含むことを特徴とする請求項３５に記載の微細電子機械変換器。
39. 前記基板は導電性ウェーハであり、前記複数のアドレス可能なデバイス素子は、それぞれ前記上面プレート層上に形成された組み込み絶縁体によって絶縁され、該組み込み絶縁体は、前記上面プレート層の酸化原材料の実線を含むパターン空洞を含むことを特徴とする請求項３５に記載の微細電子機械変換器。
40. 前記アドレス可能なデバイス素子は、前記基板を貫いて形成されたウェーハ貫通相互接続部を介して前記基板の裏面からアドレス指定されることを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
41. 前記基板は導電性ウェーハであり、前記ウェーハ貫通相互接続部は、前記導電性ウェーハの原材料で作られたウェーハ貫通導体を囲む環状トレンチを含むことを特徴とする請求項４０に記載の微細電子機械変換器。
42. 前記ウェーハ貫通相互接続部は、前記ウェーハ貫通導体をほかの前記基板から絶縁するために、前記環状トレンチに詰められた誘電体をさらに含むことを特徴とする請求項４１に記載の微細電子機械変換器。
43. 前記ウェーハ貫通導体は、前記アドレス可能なデバイス素子の真下に配置されることを特徴とする請求項４１に記載の微細電子機械変換器。
44. 前記微細電子機械変換器がｐＭＵＴ（圧電型超微細加工超音波変換器）であり、前記変換部材は、前記上面プレートまたは前記中間バネ層上に配置された圧電部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
45. 前記微細電子機械変換器がｍＭＵＴ（磁気型超微細加工超音波変換器）であり、前記変換部材は、前記上面プレート層上に配置された磁性部材を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
46. 前記上面プレートは、その中に形成された孔を含むことを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
47. 前記孔は、前記上面プレート層の所望の剛性／質量比に対して最適化されたサイズと配置プロファイルを有することを特徴とする請求項４６に記載の微細電子機械変換器。
48. 前記コネクタの前記垂直方向の変位は、最大変位が前記変換空間の前記高さ以下に制限されていることを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
49. 前記コネクタの前記最大変位は、前記変換空間の前記高さの少なくとも１／３未満であることを特徴とする請求項４８に記載の微細電子機械変換器。
50. 前記コネクタの前記垂直方向の最大変位は、前記空洞内に配置された運動ストッパによって制限されることを特徴とする請求項４８に記載の微細電子機械変換器。
51. 前記上面プレートは、前記弾性構造体よりも著しくより剛性であり、前記コネクタの前記垂直方向の変位によって運ばれるときに実質的に曲がらないことを特徴とする請求項１に記載の微細電子機械変換器。
52. エネルギーを変換するために可動機械部品を有する微細電子機械変換器であって、該変換器は、上面プレート層の底面が中間バネ層の上面に面し、かつ前記中間バネ層の底面が基板の前面に面するような順番で配置された、基板、中間バネ層、および上面プレート層を含み、前記変換器は、前記基板のデバイス素子領域と前記上面プレート層の対応するデバイス素子領域を画定する少なくとも１つのアドレス可能なデバイス素子を含み、各アドレス可能なデバイス素子は、変換部材を有し、かつさらに、
    （ａ）前記デバイス素子領域は、前記基板と前記中間バネ層との間に少なくとも１つの空洞を有し、各空洞は、前記中間バネ層を据え付ける少なくとも１つのアンカーにより側壁が形成されており、
    （ｂ）前記中間バネ層は、各空洞の少なくとも一部を覆っており、
    （ｃ）所望の高さの少なくとも１つのコネクタが、各空洞の上方に配置されて、該コネクタが、前記中間バネ層の前記上面から立ち上がっており、
    （ｄ）前記上面プレートは、該上面プレート層の下に変換空間を画定するために前記コネクタ上に配置されており、
    （ｅ）各前記コネクタは、該コネクタと前記アンカーとの間に片持ち梁を画定するための十分な長さだけ、少なくとも１つのアンカーの１つから水平方向に離間されて、前記片持ち梁と前記空洞が、実質的に垂直方向に前記上面プレート層へ移送する前記コネクタの垂直方向変位を可能にし、ひいては前記変換空間を変化させ、かつ前記変換部材を作動させ、
    （ｆ）前記少なくとも１つの空洞および前記対応するアンカーが、合わせて前記デバイス素子領域の少なくとも半分を占めることを特徴とする微細電子機械変換器。
53. 少なくとも１つの前記空洞は、前記基板の内側領域にあり、かつ前記基板を少なくとも２つのセグメントに分割することを特徴とする請求項５２に記載の微細電子機械変換器。
54. 少なくとも１つの前記空洞は、前記基板を内側のアイランドと外側領域とに分割する環状形状を有することを特徴とする請求項５２に記載の微細電子機械変換器。
55. 前記空洞は、それぞれ前記中間バネ層を据え付ける２つの対向するアンカーによって側壁が形成され、前記少なくとも１つのコネクタは、前記２つの対向するアンカー間に配置され、かつ頭から接続される２つの片持ち梁を含むブリッジを画定するのに十分な長さだけ、それぞれ前記２つの対向するアンカーから水平方向に離間されていることを特徴とする請求項５２に記載の微細電子機械変換器。
56. 前記空洞は環状形状を有し、前記中間バネ層は前記空洞全体を覆い、かつ前記少なくとも１つのコネクタは、前記環状形状の周りに、二次元平面片持ち梁を画定するために前記空洞の中間領域の上方に直接に配置されることを特徴とする請求項５２に記載の微細電子機械変換器。
57. 超微細加工超音波変換器（ＭＵＴ）構造体であって、上面プレート層の底面が中間バネ層の上面に面し、かつ前記中間バネ層の底面が基板の前面に面するような順番で配置された、基板、中間バネ層、および上面プレート層を含み、前記ＭＵＴ構造体は、前記基板のＭＵＴ素子領域および前記上面プレート層の対応するＭＵＴ素子領域よってそれぞれ画定される、複数のアドレス可能なＭＵＴ素子を含み、各前記複数のアドレス可能なＭＵＴ素子は、変換部材を有し、かつさらに、
    （ａ）前記ＭＵＴ素子領域は、前記基板と前記中間バネ層との間に少なくとも１つの空洞を有し、各空洞は、前記中間バネ層を据え付ける少なくとも１つのアンカーで側壁が形成されており、
    （ｂ）前記中間バネ層は、各空洞の少なくとも一部を覆っており、
    （ｃ）所望の高さの少なくとも１つのコネクタが、各空洞の上方に配置されて、該コネクタが、前記中間バネ層の前記上面から立ち上がっており、
    （ｄ）前記上面プレートが、前記上面プレート層の下に変換空間を画定するために前記コネクタ上に配置されており、
    （ｅ）各前記コネクタは、該コネクタと前記アンカーとの間に片持ち梁を画定するための十分な長さだけ、少なくとも１つのアンカーの１つから水平方向に離間されて、前記片持ち梁と前記空洞が、ピストン状の運動で実質的に垂直方向に前記上面プレート層を移送する前記コネクタの垂直方向変位を可能にし、ひいては前記変換空間を変化させ、かつ前記変換部材を作動させ、
    （ｆ）前記少なくとも１つの空洞および前記対応するアンカーが、合わせて前記ＭＵＴ素子領域の少なくとも半分を占めることを特徴とする超微細加工超音波変換器（ＭＵＴ）構造体。
58. 前記複数のアドレス可能なＭＵＴ素子は、前記上面プレート層の少なくとも一部を貫いて形成された隔離トレンチによって分離されていることを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。
59. 前記隔離トレンチは、シーリング材を使用して密封されることを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。
60. 前記シーリング材は、前記隔離トレンチの上面の上部に配置された密封層であることを特徴とする請求項５９に記載のＭＵＴ構造体。
61. 前記基板は導電性ウェーハであり、前記複数のアドレス可能なＭＵＴ素子は、前記導電性ウェーハの原材料で作られたウェーハ貫通導体を囲む環状トレンチを含むウェーハ貫通相互接続部を介してアドレス指定されることを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。
62. 前記ウェーハ貫通導体は、前記アドレス可能なＭＵＴ素子の真下に配置されることを特徴とする請求項６１に記載のＭＵＴ構造体。
63. 前記ＭＵＴ構造体がｃＭＵＴ（静電容量型超微細加工超音波変換器）構造体であり、前記変換部材は、前記上面プレート層上に配置された上面電極と、前記中間バネ層または前記基板のいずれかの上に配置された底部電極とを含むことを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。
64. 前記中間バネ層は、シリコン層であり、前記底部電極は、前記中間バネ層上の高濃度ドープ領域からなることを特徴とする請求項６３に記載のＭＵＴ構造体。
65. 前記上面プレート層は、それによって形成された孔を含み、該孔は、前記上面プレート層の所望の剛性／質量比に対して最適化されたサイズおよび配置プロファイルを有することを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。
66. 前記上面プレート層に構築された集積回路をさらに含むことを特徴とする請求項５７に記載のＭＵＴ構造体。

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