JP2011169890A - 物体を検出及び／又はスキャンするための超音波センサ - Google Patents
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Abstract
【課題】キャリアの裏面と隣接媒体との間のバリア層による妨害エコーを可能な限り最善且つ完全に抑圧する超音波センサを提供する。
【解決手段】超音波センサは基板１と、該基板上に又は該基板に配置及び／又は接続した圧電センサユニット２を有し、前記圧電センサユニットから離れた側の前記基板の裏面３が、複数の隆起部と凹部を含む表面構造を有し、前記圧電センサユニットの方向から前記裏面に入射する超音波を散漫散乱するように、及び／又は、前記隆起部及び／又は前記凹部の平均横方向範囲が０．０５μｍから１ｍｍ、好ましくは０．１μｍから２００μｍ、好ましくは０．２μｍから２０μｍであり、及び／又は平均横方向範囲が、前記圧電センサユニットの生成できる超音波の波長以下となるように、前記表面構造を構成する。
【選択図】図１
【解決手段】超音波センサは基板１と、該基板上に又は該基板に配置及び／又は接続した圧電センサユニット２を有し、前記圧電センサユニットから離れた側の前記基板の裏面３が、複数の隆起部と凹部を含む表面構造を有し、前記圧電センサユニットの方向から前記裏面に入射する超音波を散漫散乱するように、及び／又は、前記隆起部及び／又は前記凹部の平均横方向範囲が０．０５μｍから１ｍｍ、好ましくは０．１μｍから２００μｍ、好ましくは０．２μｍから２０μｍであり、及び／又は平均横方向範囲が、前記圧電センサユニットの生成できる超音波の波長以下となるように、前記表面構造を構成する。
【選択図】図１
Description
本発明は、請求項１の序文に記載の、物体を検出及び／又はスキャンするための超音波センサと、かかる超音波センサの製造方法に関する。
超音波センサにＡｌＮ薄膜又はＺｎＯ薄膜等の動的圧電薄膜を使用する際には、通常前記薄膜を、例えばシリコン、サファイヤ、窒化ガリウム等の適当なキャリア材料又はキャリア基板上に直接堆積させる。それらキャリア材料と共にこれらの薄膜を超音波センサとして使用する場合には、連結した（検出及び／又は測定対象の）媒体内に超音波を伝播させ、媒体若しくは物体におけるバリア層による反射から生じたエコーを評価する必要がある。
しかし、測定の際に超音波はキャリア基板にも同時に伝播するため、キャリア基板の裏面と隣接する媒体（例えば空気）との間のバリア層における反射により妨害エコーが生じ、これをセンサが検出するおそれがある。このようなエコーは、測定精度をできる限り高精度にするために回避すべきである。
このため、半導体プロセスによって測定する物体上に直接圧電薄膜を堆積すると、周囲空気が裏面層としてエコーを抑えることが、従来技術から知られている。代替的に、前側に連結した媒体又は物体からの有用なエコーを記録し終わった際に、（キャリアの裏面と隣接媒体との間のバリア層に由来する）前記キャリア基板の裏面からのエコーのみをセンサの圧電層に再入射させるように、センサのキャリア基板の厚さを設計することが知られている。また、インピーダンスを調整するブロック形状等の減衰体で超音波ヘッドの圧電オシレータを覆い、これら別個の減衰体において超音波を吸収して減衰体によって妨害エコーを防止することも、従来技術から知られている。
従来技術に鑑み、本発明は、キャリアの裏面と隣接媒体との間のバリア層による前述の妨害エコーを可能な限り最善且つ完全に抑圧できるものでありながら、形状が可能な限りシンプル且つコンパクトであり、また特に動的圧電薄膜の使用にも適し、応用の可能性の面でも可能な限り柔軟性を有する超音波センサを提供することを目的とする。
以下、本発明をまず概説し、その後実施形態によって具体的に説明する。この点に関し、実施形態における組み合わせで実現される本発明の個々の、そして任意の有利な特徴は、実施形態で示す組み合わせのみで実現されるのではなく、本発明又は特許請求の範囲内の様々な組み合わせによって実現できる。また、実施形態の個々の特徴は省略してもよい。
本発明の基本的な概念は、キャリア基板の裏面と隣接媒体との間のバリア層の妨害エコーが圧電センサ層又は圧電センサのセンサユニットまで戻らないように、超音波センサのキャリア基板（以下、単に基板とも称する）の前記裏面を設計することに基づく。これは、前記裏面に隆起部及び凹部を複数設けるように、即ち基板裏面が対応する表面構造を有するように、基板の裏面を形成することによって行う。当然のことながら、基板は複数の層を含む可能性があるため、この場合にはセンサユニットからもっとも離れた基板層の裏面を表面構造化することになる。（しかし、選択した材料による必要性に応じて、複数層基板の複数の面又はバリア層に表面構造化又は深さ構造化を施すこともできる）。
このように構造化した基板の面又は裏面は、特にブラックシリコンの形態で構成することができる。ただし、サファイヤ又は窒化ガリウムを基板材料として使用する場合にも、基板の裏面に対応する深さ構造化を適用することが可能である。
ある要素（例えば圧電センサユニット）を別の要素（例えば基板）上に又は別の要素に配置する、及び／又はその他の要素に接続することを本発明の範囲内及び以下の記載で述べる際には、１つ以上の更なる要素（例えば不動態化層、保護層等）を２つの要素の間に配置することを除外するものではない。本発明の範囲においては、散漫散乱に関して、散乱が起こった後に好適な方向における超音波の指向的伝播が生じず、超音波エネルギーがありとあらゆる方向へとさらに伝播し、超音波の散乱によってセンサユニットがエコーを全く（又はわずかにしか）検出できない状態と解釈する。
横方向とは、超音波センサ及び／又はそのセンサユニットの層の面における方向と解釈する。これに垂直な方向、即ちセンサの面及び／又は基板（例えばウエハ）の面に垂直な方向について、以下では代替的に深さ方向又は縦方向と称する。以下において、平均範囲（例えば横方向、即ちセンサの層の面方向の平均範囲、又は層の面に垂直な方向における隆起部分の平均縦方向範囲）についてふれた場合には、対応する平均は、複数の個々の値（例えば個々の針形状隆起部の縦方向範囲の個々の値）からの算術平均と理解されたい。
本発明による超音波センサは基板と、該基板上に又は該基板に配置及び／又は該基板に接続した圧電センサユニットを含む。圧電センサユニットから離れた基板裏面に複数の隆起部及び凹部を設ける；これにより基板裏面に表面構造が導入される。表面を構造化する又は表面構造が備わることで、センサユニットの方向から（即ちセンサの前面から）、構造化した裏面に入射する超音波が散漫散乱することになる。隆起部及び／又は凹部は、０．０５μｍから１ｍｍの範囲、好適には０．１μｍから２００μｍの範囲、特に好適には０．２μｍから２０μｍの範囲の平均横方向範囲を有する。この平均横方向範囲は、圧電センサユニットが（基板の前面に）生じ得る超音波の波長以下であり得る。
基板の前面に取り付けた圧電センサユニットは、２０ｋＨｚから１ＧＨｚの範囲の周波数の超音波を送信及び／又は受信するよう構成できる。ここで圧電センサユニットは、超音波を受信又は送信するよう構成した複数のサブユニットを含むようにしてもよい。送信及び／又は受信した超音波信号を評価する実施形態並びに評価アルゴリズムは、当業者には周知である（例えば、対応する実施形態は特許文献１に記載されている）。
基板の裏面に構造化する表面構造は、前述の周波数範囲の超音波を散漫散乱するよう構成することができる。
基板はシリコン、特に結晶シリコンが好適である。基板はシリコンウエハであり得る。ただし、サファイヤ又は窒化ガリウムを基板として使用してもよい。
シリコンを基板として使用する場合、裏面及び／又はその表面構造は、ブラックシリコンの形態で構成することが好ましい。結晶シリコンの表面改質は、本発明の範囲内ではブラックシリコンとして以下のように理解される：例えば、超短レーザパルスによって又は基板裏面のシリコン表面を高エネルギーイオンにより照射することによって結晶シリコンが構造化され、好適に光学効果を有すると共に針形状を有する構造（隆起部及び凹部）が表面に生成される。
シリコンにおける針形状の凹部及び隆起部は、当業者には公知の深堀反応性イオンエッチングによって形成できる。深堀イオンエッチングプロセスは、エッチングステップと不動態化ステップを交互に行う２段階交互ドライエッチングプロセスである。できる限り異方的にエッチングを行う、即ちウエハ表面に垂直な方向にエッチングを行うことが目的である。シリコン上の保護すべき領域を、例えばアルミニウム等でマスキングした後、中に基板を入れた原子炉に六フッ化硫黄（ＳＦ６）とキャリアガス（通常はアルゴン）を導入する。電気エネルギー（例えば、誘導結合プラズマＩＣＰ、又はマイクロ波の電子サイクロトロン共鳴によって）を供給した後に、高エネルギーの高周波プラズマが形成され、ＳＦ６から反応ガスが生じる（ＳＦ６＋イオン、フッ素ラジカルと酸素ラジカルを含むラジカルとして活性化したＳＦ６分子がプラズマ中に生じる）。電界におけるアルゴンイオンの加速と共に、基板上で（等方性の）化学エッチング反応を付加し、アルゴンイオンによる物理的な（異方的な）材料除去を行う。プラントのタイプによって、プロセスは５０Ｐａから１Ｐａの低圧力で、好ましくは１３．６５ＭＨｚのＲＦプラズマ中で圧力範囲１０Ｐａから５０Ｐａで行う。
エッチングプロセスを短時間で停止し、オクタフルオロシクロブタン（Ｃ４Ｆ８）とアルゴンのガス混合物を導入する。オクタフルオロシクロブタンが原子炉内でプラズマガスとして活性化され、フッ素を含む発生ラジカルと分子が基板全体、即ちマスクとシリコン及び縦方向のシリコン側壁の両方にポリマ状の不動態化層を形成する。水平面（溝部底）の不動態化層は、その後ＳＦ６によるエッチングステップを反復して行うことにより、エッチング反応の指向性物理要素（イオン）により側壁の層よりかなり速く除去される。
本発明による方法を用いれば、上からの堆積と側部からのポリマによって長尺状のシリコン柱を適所に残すことができる。このプロセスでは、１平方ミリメートルに数何百万の針を形成できるよう、プロセスを設定することができる。
ハロゲンガスを充填した真空受容体内のシリコンが高エネルギー入力によってその空間的構造を変化させ、極めて高エネルギーのパルス化フェムト秒レーザ［フェムト秒（１フェムト秒＝１０−１５秒）域で持続し、ギガワット又はテラワット域のピークエネルギーで光パルスを発するレーザ］でシリコン表面を照射することによりブラックシリコンが生じることは、当業者には周知である。本発明では、レーザ照射（数百パルス）により針形状の表面を生成することができる。
シリコンに生成される「ブラック」構造は、単結晶シリコン上に好適には１０μｍをわずかに上回る長さ（基板面に対して垂直方向の長さ）と約１μｍ以下の直径を有し、「シリコンガラス」又は「ＲＩＥガラス」とも称する。（DRIE = deep reactive ion etching（深堀反応性イオンエッチング））。基板裏面のかかるブラックシリコン層の１つの主な特徴は、入射する可視光線の吸収が増すことであり、これは前述の深堀構造又は表面構造の形成によってもたらされる（深堀構造は、有効媒体の反射率を一定に推移させ、光が反射できる場所に鋭角な光境界面がなく、光は材料に「緩やかに」入射してほとんど反射されないため、シリコンが黒く見えることになる）。
表層構造の隆起部及び凹部（その他の基板も）は、レーザ照射、イオン照射、特に反応性イオンエッチング又は深堀反応性イオンエッチング、及び／又は基板裏面の微小機械による材料除去により、形成することができる。上述のように、隆起部は針形状に形成することが好ましい。
隆起部の平均高さ、凹部の平均深さ、及び／又はセンサ面に垂直な隆起部及び／又は凹部の平均範囲（以下では変数Ａで示す）は、０．０５μｍから１ｍｍの範囲であることが好ましく、また０．１μｍから２００μｍの範囲であることが好ましく、また特に好ましくは０．１μｍから２０μｍの範囲である（即ち、センサ面における隆起部及び／又は凹部の横方向範囲と同程度である）。隆起部及び／又は凹部の前述の高さ、深さ、及び／又は範囲と平均横方向範囲（以下では変数Ｌで示す）のアスペクト比ａ＝Ａ／Ｌは、０．２から５０、好ましくは０．５から１０である。
圧電センサユニットの圧電素子は圧電薄膜の形態で構成するのが好ましい。この層はＡｌＮ又はＺｎＯからなるか、又はこの材料を含むことができる。センサユニットは１μｍから１００μｍ、好ましくは１０μｍから２５μｍの層厚を有する。センサユニットは前述のように、層面上に分布し各々が対応する薄膜素子を有する複数のサブユニットを含んでもよい。
圧電素子又は圧電薄膜を励起して振動させる、及び／又は機械的圧力によって圧電素子又は圧電薄膜中に生じた電圧を測定するために、圧電センサユニット（又は複数のサブユニットが存在する場合には前記サブユニットの各々）は、圧電素子に接続する２つの電気接点を有し、電圧を検知及び／又は印加する。この際、これら２つの電気接点の間に圧電薄膜を挟持する形で、これら電気接点に直接隣接させて配置することが好ましい。電気接点は、例えば銅で製造することができる。
圧電センサユニット又は対応するサブセンサユニットは、超音波を送信するように、又は超音波を受信するように、又は送信と受信を組み合わせて行う（送受信ユニット）ように、構成することができる。例えば、センサユニット及び／又はサブユニットを自由発振させるべく、１つ以上のセンサユニットを形成した基板を薄膜として構成することができる。
超音波センサは超音波テストヘッドの形態で構成してもよく、又はかかるテストヘッドに一体化してもよい。
本発明によれば、適当なキャリア材料（特にシリコン）上に堆積した動的圧電薄膜に対して、音波散乱性の高い基板裏面が実現される。これは、イオンエッチングによって、又はレーザ加工による構造化によって、又はウエハ切断等の材料除去プロセスによって、ブラックシリコン技術を用いて実現できる。個々の加工プロセスにおける手順については、一般的に当業者には周知であり、以下に例をあげる：
シリコンエッチング：
１．F. Larmer、A. Schilp著：Method of anisotropic etching of silicon、独国特許ＤＥ４２４１０４５号、１９９２年１２月５日出願、１９９４年５月２６日特許付与。
２．W. Menz、J. Mohr著：Microsystem technology for engineers、VCH-Verlag、ワインハイム、１９９７年、ＩＳＢＮ３５２７３０５３６Ｘ。
３．Gary S. May、Simon M. Sze著：Fundamentals of Semiconductor Fabrication、Wiley & Sons、２００３年、ＩＳＢＮ０−４７１４５２３８−６。
４．Kanechika M.、Sugimoto N.、Mitsushima Y. 著：Control of shape of silicon needles fabricated by highly selective anisotropic dry etching、Jour of Vacuum Science & Technology B：Microelectronics and Nanometer Structures、２００２年７月、第２０巻、Ｉ．４、１２９８から１３０２頁。
５．H. V. Jansenら著、the black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control、Journal of Micromechanical Microengineering 5 （１９９５）、１１５頁から１２０頁。
１．F. Larmer、A. Schilp著：Method of anisotropic etching of silicon、独国特許ＤＥ４２４１０４５号、１９９２年１２月５日出願、１９９４年５月２６日特許付与。
２．W. Menz、J. Mohr著：Microsystem technology for engineers、VCH-Verlag、ワインハイム、１９９７年、ＩＳＢＮ３５２７３０５３６Ｘ。
３．Gary S. May、Simon M. Sze著：Fundamentals of Semiconductor Fabrication、Wiley & Sons、２００３年、ＩＳＢＮ０−４７１４５２３８−６。
４．Kanechika M.、Sugimoto N.、Mitsushima Y. 著：Control of shape of silicon needles fabricated by highly selective anisotropic dry etching、Jour of Vacuum Science & Technology B：Microelectronics and Nanometer Structures、２００２年７月、第２０巻、Ｉ．４、１２９８から１３０２頁。
５．H. V. Jansenら著、the black silicon method: a universal method for determining the parameter setting of a fluorine based reactive ion etcher in deep silicon trench etching with profile control、Journal of Micromechanical Microengineering 5 （１９９５）、１１５頁から１２０頁。
レーザ加工
６．Fritz Kurt Kneubuhl、Markus Werner Sigrist著：Laser、第６版、トイブナー、ウィースバーデン、２００５年、ＩＳＢＮ３−８３５１−００３２−７。
７．J. Eichler, H. J. Eichler著：Lasers, Construction forms, Jet guidance, Applications、第５版、Springer-Verlag、ＩＳＢＮ３−５４０−００３７６−２。
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シリコンマイクロエンジニアリングマイクロメカニクス
８．Ulrich Hilleringmann著：Microsystem engineering Process steps, Technologies, Applications、第１版、Vieweg + Teubner、２００６年、ＩＳＢＮ３−８３５−１０００３−３。
９．Bruck, Rainer［編］Bauer, Hans-Dieter：Applied microengineering；LIGA, Lasers, Precision engineering/Munich; Vienna; Hanser、２００１年、ＩＳＢＮ３−４４６−２１４７１−２。
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超音波を散乱する裏面（基板吸収層）を有する基板を圧電薄膜センサに対して製造する際には、コーティングプロセス（薄い圧電層及び対応する電気接点のコーティング）の前に、対応する表面構造（例えばブラックシリコンの表面）を基板（例えばシリコンウエハ）の裏面にまず供給する。これは前述のようにレーザパルス又は反応性イオンエッチングによって行うことができる。圧電センサ層と電極のコーティングは一般的に当業者には周知であり、例えばコーティングプロセスとして陰極スパッタリングプロセスを使用することができる。理論的には、ＲＦスパッタリング等の全てのＰＶＤプロセスを使用することができ、パルスマグネトロンスパッタリングプロセスが好適且つ適当である。この点に関しては、例えば以下を参照されたい：
１０．Leyens, Christoph著：Interaction between manufacturing parameters and layer properties of selected metal and ceramic systems in magnetron cathode sputtering、デュッセルドルフ、VDI-Verl、１９９８年。（Progress reports VDI: Series 5, Basic materials, work materials, plastics; 534）、ＩＳＢＮ３−１８−３５３４０５−３。
１１．U. Krause著：The behavior of the electric parameters in bipolar pulse magnetron sputtering for the example of tin oxide and zinc oxide、２００２年、Hochschulschrift Magdeburg, Univ., Diss., ２００１年。
１２．D. Gloss著：Influence of coating parameters on the particle and energy flow to the substrate and effects on selected properties of titanium oxide layers in reactive pulse magnetron sputtering, Diss, Faculty for Natural Sciences of Chemnitz Technical University，２００６年。
１３．D. Depla著：Reactive sputter deposition”; Berlin, Heidelberg [inter alia]: Springer， ２００８年（Springer series a in materials science, 109）、ＩＳＢＮ９７８−３−５４０−７６６６２−９。
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本発明によれば、例えば反応性イオンエッチングによって、隆起部及び凹部として溝、凹部、穴等を基板の裏面に形成することができる。例えば、凹部は数１００μｍの深さを有し、高いアスペクト比（例えば２から５０の範囲）を有するよう形成することができる。これは基板裏面のエッチングと不動態化を交互に繰り返すことにより達成できる。ただし、エッチング中に底部に不動態化層をわずかに堆積させたまま、これをマスキングすることができる。プロセスが不動態化に移行した際に、形成した構造は以下のエッチングステップにおいて除去しない。
（基板面に対して）垂直な表面は、ポリマ層を堆積できる所に生じる。例えば、長尺状のシリコン柱の形態で隆起部を残し、上からの堆積によりマスキングしたり、側部をポリマでマスキングしたりすることができる。１ｍｍ２に数百万の小さい針を形成できるよう、反応性イオンエッチングを行うことができる。極めて高エネルギーのパルス化フェムト秒レーザで照射することにより基板の裏面の空間構造を変更することで、針状の深堀構造化した面が生じる（例えば針の平均長は３００ｎｍ）。プロセスは比較的容易に、そして一様に繰り返すことができる。
以下、本発明を一実施形態に基づいて説明する。
図１は、本発明による超音波センサの断面を示す図である。前述のように、単結晶シリコンウエハ１の裏面３には、深堀イオンエッチングによって針形状の隆起部及び凹部（図２参照）を複数含む表面構造４が備わる。ウエハ１の厚さは５００μｍ、基板１の裏面３における個々の針形状の凹部の深さ又は隆起部の高さＡ、即ちウエハ１の裏面３のブラックシリコンにおける構造の深さは２μｍから５μｍ、これら隆起部（図２参照）の横方向範囲は２００ｎｍから８００ｎｍである。
その後マグネトロンスパッタリングプロセスにより、裏面３に対向するウエハの前面７に電子センサユニット２の個々の要素を配置する。ただし、ここではまず１μｍから２μｍの厚さの酸化ケイ素の絶縁層８をウエハ１の前面７上に堆積する。第１の電極金属化層又は電極層６（ここでは１５０μｍ厚のアルミニウム層）をこの電気絶縁層８に塗布する。この第１電極金属化層６上にＡｌＮの圧電動的薄膜（圧電層５）をコーティングする。代替的に、例えばＺｎＯを層材料として使用してもよい。ここでの圧電薄膜は５μｍから２５μｍの層厚を有する。最後に、圧電層５の第１金属化層６とは反対側に、圧電薄膜５の第２の電気接点９をコーティングする。この接点は、第１金属接点６の厚さに対応した厚さを有するアルミニウム層接点である。このセンサユニット２は、要素５、６、及び９を（そして、認識によっては層８を）含む。
以下の層構造は、超音波センサの表面構造４を有する裏面３から前面（電気接点９）の方を見て、表面構造４を有する裏面３と、シリコンウエハ１と、絶縁層８と、第１金属接点６と、圧電動的薄膜５と、第２金属接点９を有する。
図示するセンサ１から９を、スキャン又は測定すべき外部の物体Ｏにセットすることができる。伝送／受信を組み合わせたユニットとして示す超音波センサの圧電センサユニット２において超音波を生成し、これを物体Ｏにカップリングすることができる（前記超音波センサの詳細な構造については、例えば特許文献１により、当業者には周知である）。物体の境界面において超音波が反射され、対応するエコー信号をセンサユニット２が検出して評価する。物体Ｏへの超音波又は超音波エネルギーのカップリングと同時に、超音波エネルギー又は超音波が基板キャリア１へとカップリングしても、キャリア基板１の深堀構造４を有する裏面３においてこれら超音波が散漫反射することにより、エコーは測定されない（裏面３で反射された超音波の無指向性後方散乱）。よって、図示する超音波センサ１から９により妨害エコー信号が回避され、物体Ｏのスキャンにおける測定精度も向上する。
図２は、図１に示す超音波センサの裏面３又はその表面構造４の一例を電子顕微鏡画像で示した図である：図２の左図は１０，０００倍率の電子顕微鏡画像を示し、図２の右図は高倍率（拡大係数５０，０００）の画像を示す。シリコンウエハ１の裏面３に形成した個々の針形状の隆起部とブラックシリコンの個々のシリコン針が容易に確認できる。２つのシリコン針の平均横方向離間Ｌは、約２μｍから５μｍ、平均高さＡは１０μｍから２０μｍであり、これは１平方ミリメートルあたり約２百万本の針が存在することに相当する。
圧電センサユニット２又は２、８（絶縁層８はセンサユニット２の一部と考えることができる）に対するシリコン吸収層１、３、４の構造において、前述のプロセスによりブラックシリコンの層を下面又は裏面３においてシリコン基板１に塗布する。圧電薄膜センサユニット２、８の製造プロセスは、シリコンウエハ１の上面又は前面７において行う：酸化ケイ素の絶縁層８を塗布した後、第１薄膜電極金属化層６を塗布し、その後動的圧電材料５を塗布する。最後に、第２の薄膜電極金属化層９を塗布する。
本発明によれば、層状センサ素子２に対するキャリア基板１からの妨害超音波エコーを散乱させることができるため、動的面（超音波センサの前面）に連結した媒体若しくは物体Ｏから戻ってくるエコーに妨害超音波エコーが大きな影響を及ぼすことがない。圧電超音波薄膜センサの応用分野を各段に広げることが可能である。測定する物体にセンサを直接適用する必要がないこと、そして裏面境界層として空気を用いる必要がないこと、そして非常に薄いキャリア基板を使用する必要がないことから、本発明を用いて高周波超音波テストヘッドを容易に製造することができる。
本発明の実質的な核となるのは、例えば１μｍ未満の構造幅と、例えば数１００ｎｍの構造深さを有する凹凸を多く含む面によりキャリア基板の裏面に電子音響的吸収層を形成し、この裏面に対向する前側又は前面に薄膜技術による圧電センサユニットを設けることである。
本発明による超音波センサ又は薄膜超音波センサは、薄膜の破壊フリー材質試験において、又はプロセス監視において、又は極一般的には任意の所望の超音波センサ機能に対して、その品質の確かさを実現できる。特に、本発明によれば高周波超音波テストヘッドも実現できる。
Ｏ 物体
１ 単結晶シリコンウエハ
２ 電子センサユニット
３ 裏面
４ 表面構造
５ 圧電層
６ 第１金属接点
７ 前面
８ 電気絶縁層
９ 第２金属接点
１ 単結晶シリコンウエハ
２ 電子センサユニット
３ 裏面
４ 表面構造
５ 圧電層
６ 第１金属接点
７ 前面
８ 電気絶縁層
９ 第２金属接点
Claims (9)
- 物体（Ｏ）を検出及び／又はスキャンするための超音波センサであって、
基板（１）と、前記基板上に若しくは前記基板に配置及び／又は前記基板に接続した圧電センサユニット（２）とを含み、
前記圧電センサユニット（２）から離れた側の前記基板（１）の裏面（３）が、複数の隆起部と凹部を含む表面構造（４）を有し、
前記センサユニット（２）の方向から前記裏面（３）に入射する超音波を散漫散乱するように、及び／又は、前記隆起部及び／又は前記凹部の平均横方向範囲（Ｌ）が０．０５μｍから１ｍｍ、好ましくは０．１μｍから２００μｍ、好ましくは０．２μｍから２０μｍであり、及び／又は平均横方向範囲（Ｌ）が、前記圧電センサユニット（２）により生じ得る超音波の波長以下となるように、前記表面構造（４）を構成すること、
を特徴とする超音波センサ。 - ２０ｋＨｚから１ＧＨｚの範囲の周波数の超音波を送信及び／又は受信するように前記圧電センサユニット（２）を構成し、及び／又は、２０ｋＨｚから１ＧＨｚの範囲の周波数の超音波を散漫散乱するように前記表面構造（４）を構成すること、
を特徴とする先行する請求項に記載の超音波センサ。 - 前記基板（１）がシリコン、特に結晶シリコンを含み、及び／又はシリコンウエハであり；又は前記基板がサファイヤ若しくは窒化ガリウムを含み、
及び／又は、
前記裏面（３）及び／又はその表面構造（４）が、ブラックシリコンを含み、
及び／又は、
前記基板（１）の前記裏面（３）のレーザ照射、イオン照射、特に反応性イオンエッチング若しくは深堀反応性イオンエッチング、及び／又は機械的材料除去によって、前記表面構造（４）の前記隆起部及び凹部を形成し、前記隆起部を好適には針形状に形成すること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 前記隆起部の平均高さ（Ａ）、前記凹部の平均深さ、及び／又は前記隆起部及び／又は前記凹部の前記センサ面に垂直な方向の平均範囲が、０．０５μｍから１ｍｍの範囲、好ましくは０．１μｍから２００μｍ、好ましくは０．２μｍから２０μｍであり、
及び／又は、
前記隆起部及び／又は凹部の前記高さ（Ａ）、深さ、及び／又は範囲と、前記平均横方向範囲（Ｌ）とのアスペクト比ａ＝Ａ／Ｌが、０．２から５０、好適には０．５から１０であること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 前記圧電センサユニット（２）が、少なくとも１つの圧電素子（５）を含み、好適には前記圧電素子（５）が、１μｍから１００μｍの範囲、好ましくは１０μｍから２５μｍの範囲の層厚を有し、及び／又は好適にはＡｌＮ又はＺｎＯを含むこと、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 前記圧電センサユニット（２）が、少なくとも１つの圧電素子（５）と、前記圧電素子（５）に対する外部からの圧力によって及び／又は前記圧電素子（５）に電圧を印加することによって前記圧電素子（５）に生じた電圧を検出するよう前記圧電素子（５）に接続した少なくとも２つの電気接点（９、６）とを含み、好適には前記圧電素子（５）に接続する少なくとも２つの電気接点（９、６）の間に前記圧電素子（５）のうちの少なくとも１つを配置すること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 超音波を送信する送信ユニットとして、超音波を受信する受信ユニットとして、又は超音波を送受信する送受信ユニットとして、圧電センサユニット（２）を構成し、
及び／又は、
前記基板（１）と共に前記圧電センサユニット（２）を少なくとも部分的に皮膜として形成すること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 複数の圧電センサユニット（２）を含み、これら複数の圧電センサユニット（２）の複数又は全てを、請求項５から７のうちの一項によって構成し、
及び／又は、
前記超音波センサを超音波テストヘッドとして構成すること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサ。 - 特にまずレーザ照射、イオン照射、特に反応性イオンエッチング又は深堀反応性イオンエッチング、及び／又は機械的材料除去加工によって、前記基板（１）の前記裏面（３）に、特に結晶シリコンウエハの前記裏面に、前記表面構造（４）の前記隆起部及び前記凹部を形成し、
その後コーティングプロセスによって、好適には陰極スパッタリングによって、ＰＶＤプロセスによって、及び／又はパルスマグネトロンスパッタリングによって、少なくとも１つの圧電層（５）と少なくとも２つの電気接点（９、６）を、前記裏面の反対側に位置する前記基板（１）の前面（７）上に層状に設けること、
を特徴とする先行する請求項のうちの一項に記載の超音波センサを製造する方法。
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