JP2016516184A - 超音波センサマイクロアレイおよびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】超音波センサマイクロアレイおよびその製造方法を提供すること。【解決手段】多数の個々のトランスデューサが設けられている1つ以上の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールを含むセンサアセンブリである。マイクロアレイモジュールは、個々のトランスデューサを双曲放物面幾何学形状にシミュレートするかまたは配向させるように配置される。トランスデューサ/センサは、矩形行列または正方行列で配置されており、約100〜170kHzの間の周波数で、ビーム信号を発信し、反射されたビーム信号を受信するように個別に、選択的にまたは集合的に活性化可能である。【選択図】図2
Description
関連出願
本出願は、2013年3月14日に出願された米国特許出願第13/804279号の一部継続出願である。
本出願は、2013年3月14日に出願された米国特許出願第13/804279号の一部継続出願である。
本出願は、2013年11月1日に出願された発明の名称を「Ultrasonic Sensor Microarray and Method of Manufacturing Same」とする所有者が共通する国際特許出願第PCT/CA2013/000937号に関し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、マイクロメカニカルシステム(MEMS)およびその製造方法に関し、より具体的には静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT:Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)の一部として機能し得るセンサマイクロアレイなどのような3次元MEMSデバイスに関する。好ましい用途では、本発明は、超音波センサマイクロアレイおよびその製造方法に関し、双曲放物面形状のセンサ構成またはチップを組み込むかまたはシミュレートしており、構造成分としてベンゾシクロブテン(BCB)を組み込んだものである。CMUTに好適な用途としては、医療用途および他の非車両用途ならびに車両もしくは自動車センサ用途、たとえば車両死角、障害物のモニタリング用途、および/または、自律的車両走行および/または駐車用途などが挙げられる。
本発明は、マイクロメカニカルシステム(MEMS)およびその製造方法に関し、より具体的には静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT:Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer)の一部として機能し得るセンサマイクロアレイなどのような3次元MEMSデバイスに関する。好ましい用途では、本発明は、超音波センサマイクロアレイおよびその製造方法に関し、双曲放物面形状のセンサ構成またはチップを組み込むかまたはシミュレートしており、構造成分としてベンゾシクロブテン(BCB)を組み込んだものである。CMUTに好適な用途としては、医療用途および他の非車両用途ならびに車両もしくは自動車センサ用途、たとえば車両死角、障害物のモニタリング用途、および/または、自律的車両走行および/または駐車用途などが挙げられる。
非特許文献1(その開示は参照により本明細書に組み込まれる)において、本発明者は、微細加工された階段状の幾何学形状で組み立てられた離散化した双曲放物面幾何学形状のビーム形成静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)アレイの概念を説明している。
CMUTの初期製造概念では、シリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハが初期クリーニングを受けた後、続いてその上にクロムの10nmシード層がRFマグネトロンスパッタリングを用いて積層されて接着層が提供される。クロム接着層の積層後に200nm厚さの金層が従来のCMUT積層プロセスを用いて積層される。金層の積層後にAZ4620フォトレジストの薄層が金層上にスピン積層され、パターン化され、エッチング加工される。続いて金層は、ヨウ化カリウム溶液中にウエハを沈めることによってエッチング加工され、その後、希釈された王水中でクロムシード層をエッチング加工してからすすぐ。その後、デバイス層はエッチング加工されて、ダイヤフラム内の静圧均等化のための音響ポートがさらに提供され、リリース段階中のSiO2除去が可能となる。
上部SOIウエハは、誘導結合型プラズマ反応性イオンエッチャ(ICP−RIE)においてBoschプロセス深掘り反応性イオンエッチング(DRIE)を用いてエッチング加工される。BoschおよびDRIEエッチングによる金属エッチング後に、残っているフォトレジストがO2灰化処理によって除去される。Boschエッチング加工されたウエハは、緩衝酸化物エッチング(BOE)溶液中に沈められて、単結晶シリコンを著しくエッチング加工することなくSiO2を選択的にエッチング加工して選択的なダイヤフラムをリリースする。エッチング加工し、すすいだ後、それぞれのアレイについてセンシング面(色素)がシステムオンチップ製造で組み合わせられ、導電性接着剤エポキシを使用して結合される。
しかしながら、本出願人は、静電容量型超音波トランスデューサの製造のための既存プロセスが精密な製造公差を必要とするということを認識した。結果として、CMUTセンサまたはトランスデューサのアレイの商業規模の生産は未だ市場での幅広い浸透を見せていない。
Chouらによる特許文献1(その全体は参照により本明細書に組み込まれる)は、3D MEMS構造の製造において感光性のベンゾシクロブテン(BCB)を使用するパターン化されたウエハボンディングの構造体およびプロセスを説明している。特に、Chouらは、精密パターン化ウエハボンディングをもたらすために使用される組み立て接着剤として光によって活性化される感光性BCBの使用を開示しており、得られる3次元MEMSマイクロ構造では、BCB接着剤層によって、組み立てられたウエハ複合体の高さZが増した。
Design of a MEMS Discretized Hyperbolic Paraboloid Geometry Ultrasonic Sensor Microarray,IEEE Transactions On Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.55,No.6,2008年6月
本発明者は、新しいおよび/またはより信頼性の高いCMUTアレイ設計が、改善された製造方法および/または調整可能な動作周波数によって実現され得るということを認識した。本発明の1つの非限定的な目的は、信号の送信および受信のための1つ以上のCMUTマイクロアレイまたはモジュールを組み込んだ超音波センサであって、交通騒音、歩行者、自転車に乗っている人および/または動物の往来、自動車事故の音、産業作業、発電源などの様々に異なる超音波背景騒音源の1つ以上によって影響されない超音波センサを提供することである。
1つの構造では、本発明は、3次元MEMSデバイスであって、シリコン系ウエハと、Z軸の構造成分として、Cyclotene(登録商標)などのベンゾシクロブテン(BCB)樹脂と、シリコンおよび/またはBCB系ダイヤフラムまたは膜層とを組み込んだ3次元MEMSデバイス、より好ましくはCMUTトランスデューサを提供する。
別の非限定的な構造は、プログラム可能なバンド幅制御を提供する超音波CMUT型マイクロアレイであって、CMUTマイクロアレイ設計を様々に異なるセンサ用途のためにより容易に修正することが可能な超音波CMUT型マイクロアレイを提供する。
さらなる非限定的な構造は、トランスデューサマイクロアレイモジュールまたはサブアセンブリを組み込んだ超音波センサであって、該トランスデューサマイクロアレイモジュールまたはサブアセンブリが、実質的に平坦化された曲率、好ましくは±10°未満の曲率、より好ましくは約±1°未満の曲率を有しており、動作時に双曲放物面形状のチップアレイ幾何学形状をシミュレートする、超音波センサを提供する。
本発明の一実施形態は、多数のトランスデューサを組み込んだ静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)系マイクロアレイモジュールを提供する。マイクロアレイモジュールは、車両用途ならびに非車両の鉄道、航空機および他のセンサ用途に好適である。たとえば、モジュールは、手または身体の位置センサの一部として、ならびに、死角、隣接する障害物および危険をモニタリングするための警告および/または制御システムにおいて、および/または、車両路上位置警告および/または自律走行用途において提供されてもよい。
本発明の別の実施形態は、トランスデューサ/センサのCMUT型マイクロアレイ、より好ましくはCMUT型マイクロアレイモジュールの製造のための方法であって、該トランスデューサ/センサのCMUT型マイクロアレイは、多数のおよび/または様々な周波数にわたって信号を発信するよう動作可能であり、隣接するセンサからの周波数干渉を最小化するように配置できる、方法を提供する。1つの考えられる好ましい製造方法では、Cyclotene(登録商標)などの従来の(すなわち非感光性の)ベンゾシクロブテン(BCB)が、ウエハ構造体としてのマイクロアレイ作製において接着剤層として使用される。1つの考えられる構造では、BCBは、変位可能なトランスデューサ膜またはダイヤフラムを形成するためにさらに使用される。
双曲放物面幾何学形状をシミュレートするかまたは双曲放物面幾何学形状で提供されるCMUTマイクロアレイモジュールを製造する1つの考えられる簡素化された信頼性の高い方法は、成形、スタンピングまたは3次元(3D)印刷プロセスを用いて、トランスデューサモジュールのマイクロアレイが載置されたバッキングまたはベースを形成できるということが想定される。さらに、センサアレイ中の個々のCMUTマイクロアレイモジュールの配向または動作を変化させることによって、好ましい出力ビーム形状を選択するか、または、可変の出力ビーム形状を提供することが可能である。
別の非限定的な実施形態では、本発明は、多数の個々のトランスデューサが設けられている1つ以上の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールが設けられているセンサアセンブリを提供する。非限定的な最終的なセンサ構造では、CMUTマイクロアレイモジュールは、個々のトランスデューサを略双曲放物面幾何学形状にシミュレートするかまたは配向させるように配置される。しかしながら、他のモジュール配置および幾何学形状も可能である。
好ましくは、センサアセンブリは、多数の個々のトランスデューサ/センサを組み込んだ少なくとも1つのCMUTマイクロアレイモジュールを含み、該トランスデューサ/センサは、信号を発信し、反射された信号を受信するように個別に、選択的にまたは集合的に活性化可能である。送信干渉を最小化するために、トランスデューサセンサは、最も好ましくは各モジュール中に矩形行列で配置されており、同時にまたは選択的に活性化できる。より好ましくは、複数のマイクロアレイは各センサアセンブリに設けられる。マイクロアレイは、典型的には、正方行列または矩形行列配置または3x3もしくはそれ以上で載置されており、各マイクロアレイモジュールは、少なくとも36個、好ましくは少なくとも200個の個々の超音波トランスデューサ/センサを含む。必須ではないが、1つの簡素化された設計では、センサマイクロアレイモジュールは、3次元バッキング上に物理的に配置されており、該3次元バッキングは、マイクロアレイモジュールを配向させ、センサアレイを離散化した略双曲放物面形状として提供するように形成されている。自動車用途において使用する場合、トランスデューサ/センサが15〜40°の間、好ましくは約20〜25°の間の好ましいビーム視野を出力するよう動作するようにモジュールの双曲放物面配向が選択される。
センサトランスデューサは、好適な周波数範囲で動作することができ、40kHzというように低くてもよい。車両用途では、より好ましくは、各マイクロアレイの独立した活性化のためのトランスデューサ/センサは、空気ダンピングの影響を最小化するために、少なくとも100kHz、最も好ましくは約150kHzの周波数で動作可能である。好ましい構造では、センサアセンブリが車両死角センサとしての動作するように提供されており、該センサアセンブリは、以下によって特徴付けられるコンパクトなセンサ設計を有するよう作製される。
パッケージサイズ PGA68スティックリードマウント
アップデートレート 50〜100ms、好ましくは約80ms
アレイ分布 少なくとも3x3、好ましくは5x5またはそれ以上の双曲放物面
ビーム視野 15〜170度以上;自動車の場合、好ましくは25〜140度
周波数範囲 50〜200kHz、好ましくは100〜170kHz
検出範囲目標 3.5〜7メートル、好ましくは約5.0メートル
パッケージサイズ PGA68スティックリードマウント
アップデートレート 50〜100ms、好ましくは約80ms
アレイ分布 少なくとも3x3、好ましくは5x5またはそれ以上の双曲放物面
ビーム視野 15〜170度以上;自動車の場合、好ましくは25〜140度
周波数範囲 50〜200kHz、好ましくは100〜170kHz
検出範囲目標 3.5〜7メートル、好ましくは約5.0メートル
他の用途において、異なる数のマイクロアレイモジュールおよびビーム幅を有する異なるサイズのセンサ、および/または、より多数の個々のトランスデューサ/センサを含むCMUTマイクロアレイモジュールが提供されてもよいということが認識されるべきである。用途によっては、個々のトランスデューサ/センサは、全体のセンサアセンブリサイズ、意図した用途および成分要件を考慮して、数が数千または数万を超えてもよい。
別の実施形態では、マイクロアレイモジュールは、実質的に平坦な幾何学形状でバッキングに載置されており、好ましくは±10°未満、より好ましくは±1°未満の曲率を有する。センサアセンブリは、マイクロアレイモジュールをわずかに1つ含むものであってもよいが、より好ましくは複数のCMUTマイクロアレイモジュールが設けられ、5x5またはそれ以上の正方行列モジュール配置で配置される。場合によっては、個々のCMUTマイクロアレイモジュールは、より大きい範囲の出力ビーム形状および/または構成が可能となるように自由形状化が可能な略可撓性のシートとして作製されてもよい。
各マイクロアレイモジュール自身には、少なくとも5x5、好ましくは40x40またはそれ以上の個々のCMUTトランスデューサ/センサのセンサアレイが設けられているのが好ましい。また、各マイクロアレイモジュール中のトランスデューサ/センサ自身は、2つ以上のグループへと電気的に細分化されてもよい。1つの簡素化された設計では、各マイクロアレイモジュールのトランスデューサは、矩形行列として配向されており、複数の平行な行および/または列へと電気的に細分化されている。しかしながら、他の細分化配置も可能であり、独立した活性化のために個々のトランスデューサ/センサを電気的に隔離することも挙げられる。平行な列または行グループへのマイクロアレイトランスデューサの細分化によって、トランスデューサ/センサの個々のグループを周波数発生器に選択的に連結し、グループごとに活性化することができる。より好ましくは、センサアセンブリは、各CMUTマイクロアレイモジュール中のトランスデューサ/センサのグループを選択的に活性化または非活性化するようにプログラム可能である。
さらなる実施形態では、各センサアセンブリ中のマイクロアレイモジュールは、互いに独立して選択的に活性化されるように構成されてもよい。このようにして、本出願人は、用途および/または環境に応じて、センサアセンブリのビーム幅、形状および/または発信波長の変化を動的にもたらすことが可能であるということを認識した。より好ましくは、CMUTマイクロアレイモジュールは、様々に異なるビーム形状、長さおよび/またはプロファイルを有するビームを電子的に出力するように適合されている。
1つの好ましい動作モードでは、電力の選択的なスイッチングが、各モジュール中のトランスデューサのグループまたは列の異なる組み合わせに対して行われる。本出願人は、したがって、そのようなスイッチングによって、センサアセンブリにより発信される送信信号の出力形状を変更し、たとえばセンサアセンブリからの出力信号を目標とする関心領域へとより良好に向けることが可能であるということを認識した。このようにして、出力ビーム幾何学形状は、他の車両もしくは外部供給源からの間違った信号を回避するように構成されてもよく、または、用途(すなわち、環境、車両速度、走行モード(前進対バック)および/またはセンサ用途)に応じて異なるタイプの障害物を検出できるように様々な周波数および/またはビーム幅にわたって拡大縮小可能である出力ビームを提供するように構成されてもよい。
好ましい動作モードでは、電力は、センサアレイ行列中のそれぞれ個々のCMUTマイクロアレイモジュールに選択的に供給される。このようにして、個々のモジュールは、飛行時間型物体検出および/または配置をもたらすように活性化されてもよい。加えて、個々のCMUTマイクロアレイモジュールおよびそのトランスデューサ/センサのグループの両方の選択的な制御および活性化によって、有利には、幅広い範囲の3次元ビーム整形が可能となり、より幅広いセンサ用途または要求が許容される。
1つの考えられる構造では、マイクロプロセッサ制御が設けられる。マイクロプロセッサ制御は、スイッチングユニットおよびユニット周波数発生器を作動させる。より好ましくは、マイクロプロセッサ制御は、スイッチングユニットおよび発生器を作動させて、各CMUTマイクロアレイモジュール中のトランスデューサの列および行の組み合わせのコンピュータ化されたシーケンスをもたらし、所定のシーケンスまたは範囲にわたってセンサアセンブリ出力信号形状、周波数を変化させる。このようにして、近接していると考えられる他の自動車センサからの干渉および間違った読み値をさらに識別または最小化することが可能である。
最終的な設計では、シリコンウエハのアクティブシリコンウエハ部が各CMUTトランスデューサの膜として使用され、ベースウエハは底部シリコン層を形成している。ベースおよびシリコン上部ウエハは、主要結合剤としてBCBの構造層を使用して結合される。結合プロセスは、好ましくは、任意の残留溶媒を追い出し、最大結合強度を可能とするように150℃で実施される。次いで、結合されたサンプルは、窒素環境下、250℃で約1時間硬化される。
したがって、以下のものを含む本発明の多数の非限定的な態様が提供される。
複数のトランスデューサを有するマイクロアレイで使用するための静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)を作製する方法であって、略平面状の上面および下面を有する第1のシリコン系ウエハを提供するステップと、デバイス層として第2のウエハを提供するステップであって、前記デバイス層は、略平面状の平行な上面および底面を有しており、前記デバイス層は、約0.05〜5μmの間、好ましくは約0.2〜1μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、前記デバイス層の前記上面または前記底面のうちの一方の上にベンゾシクロブテン(BCB)層を形成するステップと、前記BCB層の表面をエッチング加工して、複数のポケットを内部に有するエッチング面を形成するステップであって、前記ポケットのそれぞれは、事前選択された幾何学的形状を有しており、前記ポケットは、それぞれの側壁部が約0.1〜15μmの間、好ましくは約0.2〜8μmの間、最も好ましくは約3〜4μmの間の深さまで延在していることによって特徴付けられている、ステップと、前記BCB層の前記エッチング面の一部分と、前記デバイス層の前記上面または前記底面のうちのもう一方とを一直線に並べるステップと、前記第1のウエハを前記デバイス層にそれらの間に前記BCB層が介在した状態で結合させるステップであって、それにより前記ポケットがそれぞれトランスデューサ空気ギャップを形成する、ステップと、前記第1のウエハおよび前記第2のウエハのうちの少なくとも一方に導電性金属を塗布するステップとを含む方法。
複数のトランスデューサを含むマイクロアレイで使用するための静電容量型トランスデューサを作製する方法であって、略平面状の平行な前面および後面を有するシリコンバッキングウエハを提供するステップであって、前記バッキングウエハは約10〜500μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、前記前面上にベンゾシクロブテン(BCB)構造層を形成するステップであって、前記構造層は、約0.5〜15μmの間、好ましくは約1〜10μmの間、最も好ましくは3〜μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、前記BCB構造層の表面をフォトプラズマエッチング加工して、その内部に複数のポケットを形成するステップであって、前記ポケットは、略共通の幾何学的形状を有しており、それぞれの側壁部が前記前面に対して略垂直に延在し、約0.1〜10μmの間の深さまで延在していることによって特徴付けられている、ステップと、略平面状の平行な対向する前面および後面を有するデバイス層を提供するステップであって、前記デバイス層は、約0.05〜10μmの間、好ましくは約0.2〜2μmの間、最も好ましくは1μm未満で選択される厚さを有する、ステップと、前記デバイスウエハの前記後面を前記前面上に実質的に隣接して結合して配置して、各ポケットをそれぞれトランスデューサ空気ギャップとして実質的に封止するステップであって、前記デバイスウエハは、構造用接着剤要素として前記BCB構造層を用いて前記第1のウエハに対して結合される、ステップと、前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハのうちの少なくとも一方の少なくとも一部分に導電性金属層を塗布するステップとを含む方法。
センサビームを送信および/または受信するための超音波センサシステムであって、周波数発生器とセンサアセンブリとを含み、前記センサアセンブリは、バッキングと、複数の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールを含み、前記マイクロアレイモジュールは、前記バッキング上に格子行列配向で配設されており、前記マイクロアレイはそれぞれ、トランスデューサ空気ギャップおよびダイヤフラム部材を有する複数のトランスデューサを含み、前記マイクロアレイモジュールは、略平面状の上面および底面を有する底部シリコン層と、ベンゾシクロブテン(BCB)構造層であって、略平行な平面状の前面および後面、前記BCB構造層の前記前面内へ後方に延在している複数のポケットを有しており、前記ポケットはそれぞれ、関連するトランスデューサ空気ギャップの側部および底部を画定しており、アレイとして配向されており、約0.2〜5μmの間、好ましくは3〜4μmの間で選択される深さと、5〜200μmの間、好ましくは10〜50μmの間で選択される幅を有する、ベンゾシクロブテン(BCB)構造層と、前面および後面を有するデバイス層であって、約0.1〜25μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するデバイス層とを含み、前記BCB構造層は、前記デバイス層の底部と前記底部シリコン層の前記上面との間に介在しており、前記デバイス層は、関連するトランスデューサダイヤフラム部材として前記ポケットをそれぞれ封止しており、前記マイクロアレイモジュールは、前記トランスデューサダイヤフラム部材の1つ以上に電気的に接続している少なくとも1つの第1の導電性部材と、前記バッキングと前記底部シリコン層の前記後面との間に介在する少なくとも1つの第2の導電性部材とを含み、前記少なくとも1つの第1の導電性部材は、グラウンドまたは前記周波数発生器に電気的に接続可能である、超音波センサシステム。
前記BCB層が、約0.2μmよりも大きい厚さを有するBCB構造層を含み、前記デバイス層がシリコン系デバイス層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB層が、BCB系デバイス層を含むBCBデバイス層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記形成ステップが、前記第1のウエハの前記上面上に前記BCB構造層を形成することと、前記結合ステップの前に前記デバイス層を実質的に未硬化のBCB系デバイス層として維持することとを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記エッチング加工ステップの前に、前記BCB構造層を加熱して、完全な硬化状態の約30〜70%の間まで前記BCBを部分的に硬化させる、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記結合ステップが、前記BCB構造層を完全な硬化状態まで加熱することを含み、前記BCB構造層中のBCBが、前記第1のウエハを前記デバイス層に接着させる、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記エッチング加工ステップがフォトプラズマエッチング加工を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
結合後に、結合された前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハを個々のマイクロアレイへと物理的に分割し、前記マイクロアレイが9x9またはそれ以上のトランスデューサの正方行列を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイス層の前記上面または前記第1のウエハの前記下面の少なくとも一部に導電性金属層を塗布するステップであって、前記金属は、金、銀および銅からなる群から選択されており、前記導電性金属層は、約1〜500ナノメートルの間、好ましくは約5〜50ナノメートルの間で選択される厚さを有する、ステップをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記幾何学的形状が、約5〜100μmの間、好ましくは約10〜40μmの間で選択される幅および長さの横寸法を有する略正方形を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケット形成ステップが、前記ポケットを略正方行列として形成することを含み、前記ポケットのグループが、複数の平行な行および/または列として配列される、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記導電性金属層塗布ステップが、前記デバイスウエハの前記上面の実質的に全体をコーティングすることを含み、コーティング後に、前記導電性金属層の一部を選択的に除去して、前記ポケットのグループの少なくともいくつかを隣接するグループから電気的に隔離する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記導電性金属層塗布ステップが、結合前に、前記ポケットのそれぞれの関連する底部領域において前記第1のウエハにビアを形成することと、前記関連する底部領域に導電性金属パッドを形成することとを含み、前記導電性パッドが、前記ビアを通って前記第1のウエハの前記下面と電気的に連絡する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケットのグループをスイッチングアセンブリに電気的に接続するステップであって、前記スイッチングアセンブリは、前記グループを選択的に電気的に連結してより強い出力信号をもたらすように動作可能である、ステップをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層形成ステップが、約1〜50μmの間、好ましくは約2〜5μmの間、最も好ましくは3〜4μmの間の実質的厚さでBCBを前記第1のウエハの前記上面に塗布することを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケット形成ステップが、少なくとも100個のポケット、好ましくは少なくとも500個のポケットの正方形アレイを形成することを含み、前記ポケットのそれぞれが略平坦な底部領域を有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
さらに、前記エッチング加工前に、前記第2のウエハをハンドルウエハに載置し、前記第2のウエハを研削および/またはレーザーアブレーションして、所望の厚さを有する前記デバイス層を形成する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層の形成前に、前記上面および底面のうちの少なくとも一方に接着促進剤コーティングを塗布し、前記接着促進剤コーティングは、約50nm未満で選択される厚さを有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイスウエハがシリコン系デバイス層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイスウエハがBCB系デバイス層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記形成ステップが、前記第1のウエハの前記前面上に前記BCB構造層を形成することと、前記結合ステップの前に、前記デバイス層を略未硬化のBCB系デバイス層として維持することとを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記エッチング加工ステップの前に、前記BCB構造層を加熱して、完全な硬化状態の約30〜70%の間、好ましくは約50%まで前記BCBを部分的に硬化させる、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記結合ステップが、前記BCB構造層を完全な硬化状態まで加熱することを含み、前記BCB構造層中のBCBが、前記第1のウエハを前記デバイスウエハに接着させる、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記エッチング加工ステップが、前記BCB構造層をフォトプラズマエッチング加工することを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
結合後に、結合された前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハを個々のマイクロアレイへと物理的に分割し、前記マイクロアレイが、少なくとも9x9またはそれ以上のトランスデューサの行列を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイスウエハの前記前面または前記第1のウエハの前記後前面の少なくとも一部に導電性金属コーティングを塗布するステップであって、前記金属コーティングは、金、銀、銅およびそれらの合金からなる群から選択されており、前記導電性金属層は、約1〜500ナノメートルの間、好ましくは約5〜50ナノメートルの間で選択される厚さを有する、ステップをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記幾何学的形状が、約5〜200μmの間、好ましくは10〜40μmの間で選択される横寸法を有する略正方形を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケット形成ステップが、前記ポケットを略正方行列として形成することを含み、前記ポケットのグループが、複数の平行な行および/または列として配列される、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記導電性金属塗布ステップが、前記デバイスウエハの前記前面の実質的に全体をコーティングすることを含み、コーティング後に、前記導電性金属コーティングの一部分を選択的に除去して、前記ポケットのグループの少なくともいくつかを隣接するグループから電気的に隔離する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記導電性金属コーティング塗布ステップが、結合前に、前記ポケットのそれぞれの関連する底部領域において前記第1のウエハにビアを形成することと、前記関連する底部領域に導電性パッドを形成することとを含み、前記導電性パッドが、前記ビアを通って前記第1のウエハの前記下面と電気的に連絡する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケットのグループをスイッチングアセンブリに電気的に接続するステップであって、前記スイッチングアセンブリは、前記グループを周波数発生器に選択的に電気的に連結するように動作可能である、ステップをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層形成ステップが、約1〜100μmの間、好ましくは約2〜25μmの間、最も好ましくは3〜4μmの間で選択される厚さを有する実質的に平行な層としてBCBを前記第1のウエハの前記前面に塗布することを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケット形成ステップが、少なくとも100個のポケット、好ましくは少なくとも500個のポケットの正方形アレイを形成することを含み、前記ポケットのそれぞれが略平坦な底部を有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
さらに、前記エッチング加工前に、前記デバイスウエハをハンドルウエハに載置し、前記デバイスウエハデバイス層を所望の厚さまで研削および/またはレーザーアブレーションする、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層の形成前に、前記第1のウエハの前記前面および前記デバイスウエハの後面のうちの少なくとも一方に接着促進剤コーティングを塗布し、前記接着促進剤コーティングが、約50nm未満で選択される厚さを有しており、前記接着促進剤コーティングが、前記BCB構造層の結合に対して選択される、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
センサバッキングプラットフォームを提供するステップであって、前記バッキングプラットフォームは、約0.5〜10cmの間で選択される幅を有する略正方形の載置面を含む、ステップと、結合後、結合された前記第1のウエハおよびデバイス層を、複数のトランスデューサを含む複数のCMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールへと分割するステップであって、各マイクロアレイモジュールは、略幾何学的形状を有しており、約1〜2mmの間の平均幅を有している、ステップと、選択されたトランスデューサマイクロアレイモジュールを前記載置面上に載置するステップとをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記載置ステップが、前記CMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールを前記バッキングプラットフォームに略正方形のアレイとして載置することを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
略平坦なモジュール載置面を有するABSから前記バッキングプラットフォームを形成するステップをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
離散化した双曲放物面の載置面を用いて前記バッキングプラットフォームを形成するステップであって、前記双曲放物面の載置面は、前記マイクロアレイモジュールのうち関連するものを受けるための離散平面を複数含む、ステップと、前記離散平面のうち関連するものの上に、前記CMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールのうち選択されたものをさらに載置するステップとをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記導電性金属層塗布ステップが、金、銀および銅からなる群から選択される金属の層をスパッタリングすることを含み、前記第1の導電性金属層が、約100〜500ナノメートルの間、好ましくは約100ナノメートルで選択される厚さを有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケットエッチング加工ステップが、前記ポケットを略正方または矩形行列のアレイとしてプラズマエッチング加工することを含み、各マイクロアレイモジュール中の前記トランスデューサが、複数の平行な行および列として配列される、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイス層が、約0.2〜5μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するシリコン系層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイス層が、約0.2〜5μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するBCB層を含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層が、約1〜40μmの間、好ましくは約3〜4μmの間で選択される厚さを有しており、前記BCB構造層は、前記ポケットの前記深さの少なくとも2分の1で選択される厚さを前記空気ギャップの隣接するもの同士の間に有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記ポケットが、略正方行列アレイとして配向された略正方形のポケットを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記BCB構造層の一部と前記底部シリコン層および前記デバイス層のうちの少なくとも一方との間に介在する接着促進剤コーティングをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記センサシステムが、複数の前記第1の導電性部材を含み、前記第1の導電性部材はそれぞれ、各CMUTマイクロアレイ中の前記トランスデューサダイヤフラム部材の関連するグループを電気的に接続し、前記センサシステムが、前記周波数発生器を前記第1の導電性部材の1つ以上に選択的に接続して、関連するグループのトランスデューサを選択的に活性化させるように活性化可能であるスイッチングアセンブリをさらに含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記第1および第2の導電性部材のそれぞれが導電性金属コーティングを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記グループがそれぞれ、前記トランスデューサの列グループを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記アレイが、少なくとも25個のポケット、好ましくは少なくとも100個のポケット、より好ましくは少なくとも400個のポケットの略正方形のアレイを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記センサアセンブリが、プログラム可能な駐車支援または死角センサを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
送信される前記センサビームが、50〜200kHzの間、好ましくは約150〜163kHzの間で選択される周波数を有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
センサビームを送信および/または受信するための超音波センサシステムであって、周波数発生器とセンサアセンブリとを含み、前記センサアセンブリは、複数の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールを含み、前記マイクロアレイモジュールは略行列配向で配設されており、前記マイクロアレイモジュールはそれぞれ、トランスデューサ空気ギャップおよびダイヤフラム部材を有する複数の静電容量型トランスデューサを含み、前記静電容量型トランスデューサは、前記方法によって作製されており、前記マイクロアレイモジュールは、略平面状の上面を有する底部シリコン層と、BCB構造層であって、前記上面上に設けられており、内部に複数の正方形のポケットが形成されており、前記ポケットはそれぞれ、関連する前記トランスデューサ空気ギャップの側部および底部を画定しており、略正方形のアレイとして配向されており、約0.2〜10μmの間、好ましくは3〜4μmの間で選択される深さと、5〜100μmの間、好ましくは10〜40μmの間で選択される幅を有する、BCB構造層と、前記BCB構造層を覆う上部デバイス層であって、関連する前記トランスデューサダイヤフラム部材として前記ポケットをそれぞれ封止しており、約0.1〜5μmの間で選択される厚さを有する上部デバイス層と、少なくとも1つの導電性部材であって、前記ダイヤフラム部材のうちの1つの一部分上に延在しており、グラウンドまたは前記周波数発生器に電気的に接続可能である少なくとも1つの導電性部材とを含む、超音波センサシステムである、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
複数の前記導電性部材を含み、前記導電性部材は、各CMUTマイクロアレイ中の複数の前記トランスデューサのグループを電気的に接続し、より幅広い範囲の出力周波数を発生させるように動作する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記グループがそれぞれ、前記トランスデューサの列グループを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
複数の前記導電性部材を含み、前記導電性部材は、各CMUTマイクロアレイ中の関連する前記トランスデューサを電気的に個別に接続する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記正方形のアレイが、少なくとも25個のポケット、好ましくは少なくとも400個のポケットのアレイを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記センサビームが、50〜200kHzの間、好ましくは約150〜163kHzの間で選択される周波数を有する、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイス層が、約0.2〜4μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するシリコンウエハを含む、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
前記デバイス層が、約0.2〜4μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するBCB層から実質的になる、前態様のいずれか1つに記載の方法および/またはセンサシステム。
添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照できる。
(i)5x5アレイ
第1の実施形態による超音波型障害物モニタリングシステム12を有する車両10を概略的に図示する図1を参照できる。モニタリングシステム12には、一連の超音波センサアセンブリ14a、14b、14cが組み込まれており、一連の超音波センサアセンブリ14a、14b、14cはそれぞれ、車両死角または関心領域8a、8b、8cを横切って超音波ビーム信号を発信および受信して、隣接する車両および/または近くの障害物、あるいは保護領域への侵入を検出するようにそれぞれ動作可能である。
第1の実施形態による超音波型障害物モニタリングシステム12を有する車両10を概略的に図示する図1を参照できる。モニタリングシステム12には、一連の超音波センサアセンブリ14a、14b、14cが組み込まれており、一連の超音波センサアセンブリ14a、14b、14cはそれぞれ、車両死角または関心領域8a、8b、8cを横切って超音波ビーム信号を発信および受信して、隣接する車両および/または近くの障害物、あるいは保護領域への侵入を検出するようにそれぞれ動作可能である。
各センサアセンブリ14は、25個の同一の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュール16のアレイを組み込んだものとして図2に最良に示されている。説明されるように、マイクロアレイモジュール16は、3次元のベースまたはバッキングプラットフォーム18上に載置されており、マイクロアレイモジュール16の前方面または前面19は、略双曲放物面幾何学形状に配向されている。図2は、動作時に略細長い超音波信号ビーム(図3)を出力および受信する36個の個々のCMUTトランスデューサ/センサ20(以降、トランスデューサとも称される)から形成されるものとしてCMUTマイクロアレイモジュール16のそれぞれを順に最良に示している。一実施形態では、トランスデューサ20は、個々のマイクロアレイモジュール16中の6x6(正確な縮尺では示されていない)の矩形もしくは正方行列または格子配置内に配置されている。
図4は、多数のモジュール載置面24を有するよう構築されているものとして3次元バッキングプラットフォーム18を最良に示しており、モジュール載置面24は、離散化した略双曲放物面形状で互いに選択された高度L1、L2、・・・Lnに配置されており、該離散化した略双曲放物面形状は、略連続曲線状の双曲放物面の曲率をシミュレートするように選択される。簡素化された製造形態では、バッキングプラットフォーム18は、3次元のプラスチックまたはシリコン製バッキングとして形成されており、25個の別々の離散平面状の正方形載置面24を提示している。この点に関して、3次元チップ36は、3D印刷プロセスによって整形されたプラスチック製、より好ましくはアクリロニトリルブタジエンスチレン(ABS)製バッキングプラットフォーム18を使用して組み立てられてもよい。代替的な生産方法では、3Dチップバッキングプラットフォーム18は、マイクロ成形の射出成形プロセスによって射出成形して作製されてもよい。各載置面24は、関連するCMUTマイクロアレイモジュール16を受けて支持するように選択された同一平面上の構造および相補的なサイズを有する。このようにして、CMUTマイクロアレイモジュール16自身が、3次元バッキングプラットフォーム18上に載置されており、高くなった載置面24の幾何学形状が、マイクロアレイ16のアレイを所望の略離散化した双曲放物面幾何学形状に配向させる。
1つの考えられる構造では、バッキングプラットフォーム18が後面接地式CMUTマイクロアレイモジュール16とともに使用される場合には、バッキングプラットフォーム18に、導電性の金または銅の上面コーティング層50が設けられ、それが、各モジュールトランスデューサ20の共通のグラウンド層としての機能を果たす。そしてバッキング層18が、好適なピンコネクタ32(図2)に電気的に金により結合されるが、ピンコネクタ32は、各センサアセンブリ14a、14b、14cで使用されるセンサチップ36としてピンベース34を載置するために使用される。製造時には、所望の離散化されて形成された3次元表面(好ましくはABSプラスチックから形成されたもの)を有するバッキングプラットフォーム18は、スパッタリング、電気めっき、無電解めっき/コーティング、プラズマコーティングおよび/または他の金属化プロセスを用いて好適な導電性金属積層コーティング層50によってコーティングされる。金属積層モードは、形成時に、ABSプラスチックバッキングプラットフォーム18の上面上に連続的な制御された導電性金属層を配置できるように選択される。導電性金属コーティング層50は、各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20の片側にグラウンド導体を提供するように選択される。積層に好ましい金属には、銅、金、銀、アルミニウムまたは他の導電性の高い金属が含まれる。
その後、各CMUTマイクロアレイモジュール16が配置され、導電性接着剤によって関連する載置面24に直接接着されてバッキングプラットフォーム18の導電性金属コーティング層50と電気的に接触するが、バッキングプラットフォーム18はピンコネクタ32を使用してピンベース34に載置されている。バッキングプラットフォーム18が、上面接地式モジュール16とともに使用されることとなる場合には、上面コーティング層50を省略してもよく、モジュールトランスデューサ20との電気的な接続を提供する好適なトランスデューサコネクタトレースを設けてもよいことが認識されるべきである。代替的な設計では、銅または金などの導電性金属から全体が形成された単一のベースを提供してもよい。
本出願人は、異なる双曲放物面構成で載置面24を相対的に配置することによりシミュレートされる曲率を変化させることによって、センサチップ36の出力ビーム幾何学形状を変化させて、所望の用途に合わせて調整することが可能であるということを認識した。例として、センサアセンブリ14がバックアップ車両センサ14c(図1)として使用される場合には、バッキングプラットフォーム18は、比較的により幅が広くてより短いビーム信号を発生させるように選択されたより平坦な双曲放物面の曲率を備えていてもよい。対照的に、センサアセンブリ14a、14bには、より幅が狭くてより長いビーム信号を出力するように相対的により高い曲率を有するバッキングプラットフォーム18が備えられてもよい。
最も簡素化された構造では、各CMUTマイクロアレイモジュール16中の個々のトランスデューサ20の6x6アレイは、略平面状の前面19(図2)を提示しており、それは、発生した超音波信号のための信号発信器/受信器表面としての機能を果たす。使用時には、個々のトランスデューサ20は、電子的に活性化されて超音波ビーム信号を発信し、その後、近くの車両および/または障害物によって反射される超音波ビーム信号を受信する。このようにして、信号発信、反射および受信のタイミング、および/または、各マイクロアレイモジュール16によって検出される反射された超音波信号の強度に応じて、モニタリングシステム12は、障害物の警告、または、自動走行用途の場合には車両動作速度および/または方向の制御に使用してもよい。
図3に最良に示されるように、車両用途において使用される場合には、個々のCMUTマイクロアレイモジュール16は、約113〜167kHzの間の範囲の周波数でビーム信号を送信および受信するように同時に動作可能である。最も好ましくは、雨または霧の環境下、モジュール16は、約150kHz±13の信号周波数、−6dBの最大サイドローブ強度の20±5°のビーム幅で動作する。センサマイクロアレイモジュール16は、マイクロ電子信号処理を全く行わずに、周波数に依存しないブロードバンドビーム形成を提供できる。
各超音波センサアセンブリ14の構造では、モニタリングシステム12で使用される各CMUTマイクロアレイモジュール16は、好ましくは、約1〜5mm2の設置面積、約0.5〜2mmの高さを有するように形成される。したがって、図2に示される5x5行列配置では、センサチップ36は、7つの離散化したエレベーション高度L1−7(図4)で5x5行列分布として設けられた36個からなるマイクロアレイグループ25個中に900個の個々のトランスデューサ20を収容している。
図5は、本発明の第1の実施形態に従って製造された各CMUTマイクロアレイモジュール16中に見られる個々の後面接地式トランスデューサ20の拡大断面図を最良に示している。トランスデューサ20には、略正方形の中央空気キャビティまたは空気ギャップ42が設けられている。トランスデューサ20はそれぞれ、約20〜50μmの間、好ましくは約30μmで選択される平均正方形横幅寸法davgを有しており、内部空気ギャップ42は、垂直Z軸方向に、トランスデューサ20の横幅の約60〜80%の間の高さhgで延在している。トランスデューサ20は、主要構造成分として最上部導電性金導電層48、変位可能なシリコンデバイス層またはダイヤフラム膜44、シリコン底部層またはウエハ46および中間ベンゾシクロブテン(BCB)層54を含み、中間ベンゾシクロブテン(BCB)層54は、構造層として設けられており、空気ギャップ42の横寸法を画定しており、所望の空気ギャップ高さhgを提供する(Z軸方向の)厚さで形成されている。したがって、空気ギャップ42は、その下側でシリコン底部層46によって画定されており、製造に応じて、BCB層54の接着を促進させるためにAP3000(登録商標)などの接着促進剤コーティング56が設けられても設けられていなくてもよい。空気ギャップ42は、約800〜1000nmの間、より好ましくは、約900nmで選択される高さhgを有する。ダイヤフラム膜44は、空気ギャップ42を覆い、好ましくは、0.5〜1μm、好ましくは約0.8μmの厚さを有するが、より厚いまたはより薄いダイヤフラム膜を使用することもできる。
1つの製造モードでは、金導電層48は、各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20のダイヤフラム膜44上に電着によってコーティングされており、各トランスデューサ20の前面38を形成している。導電層48の厚さは、ダイヤフラム44の動きに干渉しないように選択され、好ましくは、約0.1〜0.2μmで選択される。加えて、底部導電性コーティング50は、各トランスデューサ20のシリコン底部ウエハもしくは層46の後面22に沿って直接設けられるか、または、説明されるように、バッキングプラットフォーム18の各載置面24上に事前に塗布されてもよい。このようにして、各マイクロアレイモジュール16の上部導電層48およびバッキングプラットフォーム18上の導電性コーティング層50を周波数発生器(図9において70として示される)に電気的に連結することによって、トランスデューサ20のダイヤフラム膜44を活性化させて、超音波信号を発信し、および/または、発生した超音波信号を受信し、感知することができる。
1つの考えられる製造方法において説明されるように、トランスデューサ20のマイクロアレイモジュール16は、シリコンオンインシュレータ(SOI)技術を使用して製造し、シリコン製3次元バッキングプラットフォーム18を用いて個々の部材の半分体を事前形成するために使用できる。モジュール16およびバッキングプラットフォーム18は、プログラム可能なゲイン増幅器PGA−68パッケージ71(図9)において組み立てられ、パッケージ化される。また本発明は、3次元双曲放物面チップ36構造体を製造するより簡素化された方法を提供し、より好ましくは、双曲放物面チップ36は双曲放物面幾何学形状の静電容量型超音波トランスデューサとともに機能する。
簡素化された構造では、各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサセンサ20の前面38は略平面を提供している。しかしながら、本発明はそのようなものに限定されない。代替的な構造では、各マイクロアレイモジュール16の前面38には湾曲が設けられているか、または、湾曲に適合していてもよい。そのような構成では、CMUTマイクロアレイモジュール16のそれぞれの中のトランスデューサ20はそれ自身、可撓性および追従性のある底部またはバッキング基板(図示せず)上に直接組み立てられる。そのようなバッキング基板は、ある材料から選択されており、マイクロアレイモジュール16が、連続的な自由形状表面として実際の3D双曲放物面により良好に形状追従するように撓むまたは曲げられる厚さを有しており、それは、そのような自由形状表面を近似する階段状の表面とは対照的である。マイクロアレイモジュール16のための好ましい可撓性バッキングとしては、約5μm未満、好ましくは1μm未満の厚さを有する各モジュール20のバッキング層46を形成するために使用されるモノリシックシリコンウエハ80(図11)の他、Cylothane(登録商標)またはビスベンゾシクロブテン(BCB)でできた別のまたは代替的なバッキング層も挙げられる。また、そのような自由形状表面によって、有利には、各CMUTマイクロアレイモジュール16の可撓性バッキングを、自由形状に成形されたバッキングプラットフォーム18上に直接配置することができ、実際の双曲放物面トポグラフィーのより正確な近似がセンサチップ36に提供される。
本発明者は、車両モニタリングシステム12の一部として使用される場合に、CMUTマイクロアレイモジュール16の動作範囲の重要性が増すことが判明し得るということを認識した。必須ではないが、好ましくは、特定の範囲に対して設計するために、特定の動作ポイントにおいて距離ダンピングおよび空気の吸収減衰が決定される。音のダンピングは、一般的に、以下のように空気ダンピング(空気抵抗)の理論を用いて計算されることが知られている。
PSPLdamping=−20log10(R1/R2)
式中、R1は、SPL標準化のために30cmであり、R2は、到達する最大距離である。5mの距離の場合、超音波は10m伝播するはずである。等式を解くと、距離10mではダンピングが−30dBとなる。また、湿度に起因する空気の吸収は以下のように計算される。
α(f)=0.022f−0.6dB/ft
式中、αは、周波数fに起因する空気吸収である。湿度は、最悪のシナリオの場合、100%とする。ftからの変換後に10mの範囲にわたって、この吸収値は、150kHzでは−53dBであると計算される。
PSPLdamping=−20log10(R1/R2)
式中、R1は、SPL標準化のために30cmであり、R2は、到達する最大距離である。5mの距離の場合、超音波は10m伝播するはずである。等式を解くと、距離10mではダンピングが−30dBとなる。また、湿度に起因する空気の吸収は以下のように計算される。
α(f)=0.022f−0.6dB/ft
式中、αは、周波数fに起因する空気吸収である。湿度は、最悪のシナリオの場合、100%とする。ftからの変換後に10mの範囲にわたって、この吸収値は、150kHzでは−53dBであると計算される。
したがって、合計を評価すると、−83dBの著しいダンピングが存在し得るということが認識される。それに対して、本出願人は、トランスデューサ20が60kHzで動作されると、ダンピングおよび吸収の合計が−51dBとなり、はるかに強力な受信超音波信号が可能となるということを認識した。
図2の構造では、ダンピングおよび吸収の合計値を得た後に、個々のトランスデューサ20がそれに応じて設計される。特に、ダンピング合計値が−83dBまでも増大するため、CMUTトランスデューサ20は、最も好ましくは、非常に高い出力圧力、最も任意的には100dB SPL以上を有するように設計される。好ましくは、CMUTトランスデューサ20のダイヤフラム膜44(図5)は、20μm未満、好ましくは5μm未満、最も好ましくは約1μmの厚さ(TD)(図5)を有するように選ばれるということが認識された。選択された膜寸法によって、ダイヤフラム膜44は振動に関して大きい距離を示し、より低いDC動作電圧を示すことができる。
また、Masonの理論(Design of a MEMS Discretized Hyperbolic Paraboloid Geometry Ultrasonic Sensor Microarray,IEEE Transactions On Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,Vol.55,No.6,2008年6月を参照。その開示は参照により本開示に組み込まれる。)に従って、自動車センサ用途では、各CMUTトランスデューサ20は、110〜163kHzの周波数範囲にわたって動作するように設計されており、センサアセンブリ14は、表1に示される仕様に従って25個のマイクロアレイモジュール16を有する。最も好ましい動作周波数は約150kHz±13で選択され、CMUTマイクロアレイモジュール16の5x5アレイは、図3に示されるように、40°−3dBのバンド幅と、−10dB未満のサイドローブを有するように設計される。この点に関して、音圧は以下の等式で得られる。
Pa=Re(Zm)ωAa
式中、Aaは、音波の振幅であり、CMUT膜の変位に等しく、ωは、ダイヤフラムの角周波数であり、Zmは、前述のMasonの方法から得られる膜の音響放射インピーダンスである。
Pa=Re(Zm)ωAa
式中、Aaは、音波の振幅であり、CMUT膜の変位に等しく、ωは、ダイヤフラムの角周波数であり、Zmは、前述のMasonの方法から得られる膜の音響放射インピーダンスである。
表1:CMUTセンサアレイ仕様:自動車センサ
上記表1は、障害物警告信号を提供するためにバックアップセンサとして使用されるプロトタイプの自動車センサのセンサアレイ仕様を概観する。
図6は、本発明の別の実施形態による超音波センサアセンブリ14を図示しており、同様の参照番号が同様の要素を特定するために使用されている。図6では、超音波センサアセンブリ14には、25個のCMUTマイクロアレイモジュール16の5x5正方形アレイが設けられている。そしてCMUTマイクロアレイモジュール16のそれぞれは、1600個の個々のトランスデューサ20の40x40正方行列として形成されている(正確な縮尺では示されていない)。図6は、5x5行列構成で配置された25個のCMUTマイクロアレイモジュール16を含むものとしてセンサアセンブリ14を図示しているが、より精密な製造プロセスによって、より多数のマイクロアレイモジュール16を有するセンサアセンブリの開発が可能となる。そのように、より少ないまたはより多いトランスデューサ20を異なる配向で設けることもできる。そのような構成としては、限定されないが、矩形ストリップ、略円形および/または幾何学的なもしくは不定形のモジュールグループの他、7x7、9x9、10x10または他の正方形配置で載置された49個または54個のCMUTマイクロアレイモジュール16のグループが挙げられる。
1つの考えられる実施形態では、40x40CMUTマイクロアレイモジュール16はABSバッキングプラットフォーム18に固定されており、ABSバッキングプラットフォーム18は、図4に示されるものと同様の幾何学形状を有しており、約2x2mm、好ましくは1.7x1.7mmの平坦な載置面24で離散化されている。そのような構造では、バッキングプラットフォーム18は、上述されるように近似された双曲放物面として形成される。
代替的な設計では、バッキングプラットフォーム18は、約±10°未満、好ましくは約±1°未満、より好ましくは±0.5°未満の双曲放物面の曲率を有する実質的に平坦なABS構造体として形成されており、各CMUTマイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20の1つ以上は、それらの双曲放物面幾何学形状での載置をより厳密にシミュレートするように動作可能である。1つの構造では、マイクロアレイモジュール16は、それらの後方側面22において導電性金属コーティング層50に電気的に結合されており、導電性金属コーティング層50は、上述されるようにABSバッキングプラットフォーム18上に積層された金属層として結合されている。簡素化された構造では、上部金属導電層48は、図5に示されるように、CMUTトランスデューサ20のための第2の他の電力導体として設けられており、各マイクロアレイ16が送信および受信モードの両方で動作できるようにする。代替的な設計では、導電性グラウンド層50は、導電層48の代わりに、または代替的に、グラウンドとして作用する層48とともに、ダイヤフラム44上の各マイクロアレイモジュール16の前面38に塗布されてもよい。そのような構成では、導電性金属層または接触パッドは、底部層46の後面22上に、または、より好ましくは個々のトランスデューサキャビティ42中に備えられてもよく、信号を送信および受信するために周波数発生器70に電子的に連結されている。代替的に、各モジュール16のトランスデューサ20は、単独でまたは選択的なグループとして動作するように離散化したグループでまたは個別に周波数発生器70に電気的に接続されてもよい。
図7は、各40x40マイクロアレイモジュール16が、側部の幅が約1〜3mmの間の正方形構造を有しており、おおよそ1600個のトランスデューサ20を含んでいる実施形態を示している。図7に最良に示されるように、トランスデューサ20は、各マイクロアレイモジュール16中に平行な行および列の正方行列配向で配置されている。図7のモジュール16中で使用されるトランスデューサ20は、約0.02〜0.05mmの間、より好ましくは約0.03mmで選択される平均横幅寸法davgを有するものとして図10の断面図において最良に示されている。各トランスデューサ20は、それぞれの矩形空気ギャップ42(図10)を画定しており、矩形空気ギャップ42は、3nmまで、好ましくは約2.5〜4μmの間の高さhgと、約0.01〜0.03mmの間で選択される横方向の幅を有する。さらに図10は、シリコン底部層46を含む簡素化された構造を有するものとしてトランスデューサ20を最良に示しており、シリコン底部層46は、0.5〜20μmの厚さのCyclotene(登録商標)層104または他の好適なビスベンゾシクロブテン(BCB)樹脂層54によって上側シリコンダイヤフラム膜44に固定されている。示されるアレイモジュール16では、ダイヤフラム膜44は、約0.5〜1.0nmの間で選択される厚さを有する。図7は、個々の電気的に隔離された導電性金ワイヤストリップボンディング(W1、W2・・・Wn)へと分割されているものとして金導電性上部層48を示している。ワイヤストリップボンディングW1、W2・・・Wnは、トランスデューサ20の配列した行のダイヤフラム膜44を横切って延在しており、スイッチング回路72によって周波数発生器70にそれぞれ選択的に電気的に接続されている。
組み立て時には、各40x40マイクロアレイモジュール16は、実質的に平坦な基板またはバッキング層18上に離散化したユニットとして配置される。それぞれ個々の40x40マイクロアレイモジュール16中で、トランスデューサ20は、平行なストリップまたは列S1、S2、・・・S40(図7)へとグループ化されている。各列S1、S2、・・・S40中のトランスデューサ20は、それらを覆う関連する導電性金ワイヤボンディングW1、W2、W3・・・W40によって互いに電気的に接続される。そして、図7に示されるように、金ワイヤボンディングW1、W2、W3・・・W40は、スイッチング回路72およびマイクロプロセッサコントローラ74によって従来の周波数発生器70に選択的に電気的に連結される。周波数発生器70は、事前選択された周波数で電気信号またはパルスを選択的に提供するように動作可能である。本出願人は、各マイクロアレイ16中のトランスデューサ20のそれぞれ個々のまたは選択された列S1、S2・・・S40の活性化によって、おおよそ0.1λだけセンサアセンブリ14の出力波長が変化し得るということを認識した。各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20の列S1、S2、・・・S40の異なる組み合わせに対して電力をオンおよびオフに選択的に切り替えるようにスイッチング回路72を活性化することによって、センサアセンブリ14からの送信信号波長出力の信号形状を変更することができる。
したがって、周波数発生器70により各電気パルスを発生させることによって、電気的に接続された1つ以上の選択された列S1、S2、・・・S40中の各トランスデューサ20のダイヤフラム膜44の物理的な変位をスイッチングアセンブリ72によりもたらして、センサアセンブリ14の動作モードを考慮して所望の出力超音波周波数および/またはプロファイルを生じさせることができる。本出願人は、最も好ましい構成では、信号が、110〜163kHzの間、好ましくは約150kHzの波長でセンサアセンブリ14から出力されるということを認識した。各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20の個々の列S1、S2・・・S40の選択的な活性化および非活性化によって、出力ビーム幅および/または周波数をセンサシステム12の具体的な使用要件に応じて制御することもできる。
例として、図8aから図8cは、車両動作の使用要件またはモードに応じて、たとえば、センサアセンブリ14が、低速度バックアップアシスト用途において警告信号を提供するために使用される場合に、各マイクロアレイモジュール16中の個々のトランスデューサ20を選択的に活性化させて、より幅広いまたはさらには発散的なビームを出力することが可能であるということを示している。加えて、同じセンサアセンブリ14中の異なるトランスデューサ20の組み合わせは、たとえば車両が速度を出して走行されている場合に、より幅が狭くてより長いビーム幅を提供するように活性化することができ、センサアセンブリ14は、たとえば車両の通過中または車線変更中に、死角警告を提供するように動作している。
最も好ましい動作モードでは、コントローラ74によって、スイッチング回路72を制御して、センサアセンブリ14の動作中にCMUTマイクロアレイモジュール16のそれぞれの中のトランスデューサ20の列S1、S2・・・S40の同じシーケンスを同時に活性化させる。これにより、有利には、センサ中の個々のCMUTマイクロアレイモジュール16によって出力される信号間の不利な節(nodal)効果および/または信号干渉を最小化することもできる。例として、図8aは出力ビーム構成を図示しており、モジュール16が、スイッチングアセンブリ72のスイッチのすべてが閉じた状態で動作されている。図8bおよび図8cは出力ビーム幾何学形状を図示しており、それぞれの反対側の端部のアセンブリ72の2つのスイッチおよび4つのスイッチがそれぞれ開いている。
別の動作モードでは、マイクロプロセッサコントローラ74によって、スイッチング回路72を活性化させて、トランスデューサ20の列S1、S2・・・S40を所定のシーケンスで選択的に作動させて、変化する周波数の信号を出力することもできる。さらなる別のモードでは、コントローラ74によって、スイッチングアセンブリ72を活性化させて、5x5アレイ中の選択されたマイクロアレイモジュール16のみの特定のトランスデューサ20の1つ以上の個々の列S1、S2・・・Snを開始させることもできる。この点に関して、センサアセンブリ14によって出力される信号は、第三者のセンサ信号の識別をより容易に可能にし、クロスセンサ干渉または間違った警告の可能性を最小化するように周波数範囲にわたってコード化またはシーケンス化されてもよい。
したがって、図7に示されるセンサアセンブリ14によって、有利には、コントローラ74およびスイッチング回路72を使用して、センサ出力波長ダイナミックが変化するように、プログラム可能なビーム幅を20および140°以上で選択できるということが想定される。図7は、40個の別々の列S1、S2・・・S40へと分割されているものとして、各CMUTマイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20を図示しているが、代替的な構成では、各マイクロアレイ16中のトランスデューサ20がさらにグループ化されたり、および/または、代替的に個別に制御されたりし得るということが認識されるべきである。1つの非限定的な例では、トランスデューサ20は、さらにグループ化され、行ごとに電気的に接続されてもよく、各CMUTマイクロアレイモジュール16中の個々の列および/または行は、コントローラ74、スイッチング回路72および周波数発生器70によって選択的に作動可能である。
図10は、それぞれの横方向davgにおいておおよそ30x30マイクロメートルである隣接するCMUTトランスデューサ20の断面図を示している。より好ましい構造では、完成したCMUTマイクロアレイ16は、1600個のCMUTトランスデューサ20の40x40正方行列を含み、約1.7mmx1.7mmの間の寸法幅を有することとなる。代替的な構造では、9x9CMUTチップ36には、おおよそ57600個の個々のCMUTトランスデューサ20が備えられていてもよい。
センサ設計は、正方形構成を有するCMUTマイクロアレイ16(図6)を提供し、センサチップ36は、1辺当たり約7〜10mmの寸法を有しており、平坦に、または、曲率±0.5°で実質的にわずかに双曲線状に機械加工される。予備的な試験によって、超音波センサアセンブリ14が、数ミリメートルまでの厚さを有する固体プラスチックバンパー材料によって、現存の「ボタン」またはコレクタを有することなく、信号を送信および受信するように動作可能であるということが分かる。そのように、センサアセンブリ14は、有利には、自動車用途において滑らかな表面をしたバンパーパネルを使用して「バンパーの後ろに設置し」、より審美的に美しい外観を形成することもできる。
動作時に、受信モード(図9に概略的に示される)では、すべてのまたは選択されたCMUTトランスデューサ20が、好ましくは、ビーム信号を受信し、同時にビーム信号を出力に戻すように活性化される。したがって、受信された信号のビーム強度および/または応答時間が、障害物近接性を決定するために使用される。受信モードでは、各CMUTマイクロアレイモジュール16の全体がインパクトによって信号を受信し、その結果、トランスデューサダイヤフラム膜44が欠如して受信器信号が発生する。各ダイヤフラム膜44の欠如の程度によって検出されるリターン信号の強度および飛行時間が、隣接する障害物および/または車両の近接性に関する指示を提供する。
トランスデューサ製造
1つの製造プロセスでは、ベンゾシクロブテン(BCB)は、各マイクロアレイモジュール16の製造においてシリコンおよびシリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハへのボンディングまたはそれらのボンディングの際に使用される構造成分および/または接着剤として提供される。特に、第1の製造モードでは、トランスデューサのシートは、事前形成された個々のトランスデューサ半分体98、100(図17)を互いに結合させることによって形成され、トランスデューサ半分体98、100は、複数のCMUTマイクロアレイモジュール16を同時に形成するようにウエハのシートとして形成されており、複数のCMUTマイクロアレイモジュール16はそれぞれ、1600個以上までのCMUTトランスデューサ20を有する。結合後、ウエハは、次いで、形成されたウエハシート構造体から所望のサイズの個々のモジュール16を分離するように切断される。
1つの製造プロセスでは、ベンゾシクロブテン(BCB)は、各マイクロアレイモジュール16の製造においてシリコンおよびシリコンオンインシュレータ(SOI)ウエハへのボンディングまたはそれらのボンディングの際に使用される構造成分および/または接着剤として提供される。特に、第1の製造モードでは、トランスデューサのシートは、事前形成された個々のトランスデューサ半分体98、100(図17)を互いに結合させることによって形成され、トランスデューサ半分体98、100は、複数のCMUTマイクロアレイモジュール16を同時に形成するようにウエハのシートとして形成されており、複数のCMUTマイクロアレイモジュール16はそれぞれ、1600個以上までのCMUTトランスデューサ20を有する。結合後、ウエハは、次いで、形成されたウエハシート構造体から所望のサイズの個々のモジュール16を分離するように切断される。
各40x40マイクロアレイモジュール16の1つの簡素化された製造モードは、主として2要素製造プロセスとして実施される。製造時には、マイクロアレイモジュール16は、シリコンウエハバッキング層80(図11)を第2のカバーリング上部ウエハに接合させることによって用意され、第2のカバーリング上部ウエハは、エッチング加工されたBCB樹脂層54、好ましくはCycloteneを用いてデバイス層84(図16)としての機能を果たして、所望の空気ギャップ42の高さhgまたは厚さをZ方向に提供する。
一実施形態では、ウエハバッキング層80は、それぞれの個々のトランスデューサ20の底部層46としての機能を果たす。同様に、上部層またはウエハ84は、トリミング後に、変位可能なダイヤフラム44としての機能を果たす。説明された1つの好ましいプロセスでは、場合によってはメシチレンで部分的に希釈されたものであってもよいBCB樹脂層54がシリコンウエハバッキング層80に塗布され、次いで個々のポケット82を形成するようにエッチング加工され、該ポケット82は、プリフォーム半分体98、100(図13、図16)の組み立ておよび接合の後に、個々のトランスデューサ空気ギャップ42を形成する。本プロセスでは、代替的な構成において、BCB樹脂層54が上部層84に塗布されてもよく、その場合にはマイクロアレイモジュール16が逆の方法で製造されるということが認識されるべきである。
下側プリフォーム半分体98の形成は、図11〜15を参照してより完全に最良に説明されている。図11に最良に示されるように、ウエハバッキング層80は、二酸化ケイ素層122によって、除去可能なシリコンホルダピース120(正確な縮尺では示されていない)に固定されており、二酸化ケイ素層122が、シリコンホルダピース120上にコーティングされる溶解可能な接着剤として設けられている。
図11に示されるように、第1のプリフォーム半分体98の形成において、ウエハバッキング層80および除去可能なシリコンホルダピース120が提供される。二酸化ケイ素などの溶解可能な接着剤122がシリコンホルダピース120上にコーティングされる。次いで、ウエハ80がそれに固定および載置された後、サイズ決定される。簡素化された構造では、ウエハ80は、所望の最終厚さまで研削またはレーザーアブレーションすることによってプリフォームから機械加工される。
層80は、好ましくは、所望の厚さまで機械加工またはレーザーエッチング加工されるが、代替的な構造では、該層は他の好適な材料または樹脂からスピン形成されてもよい。
必須ではないが、シリコンホルダ層120(明確化のために図12〜図14から省略されている)によって、ウエハバッキング層80のより容易な取扱いが可能となるとともに、その最終的なサイズ決定により各トランスデューサ20に所望の厚さを有する底部層46が提供される。好ましい構造では、シリコンバッキングウエハ80には、約0.1〜1mmの間で選択されるZ方向の厚さが提供される。しかしながら、より薄いまたはより厚いウエハを使用することもできる。好ましくは、4インチNタイプシリコンウエハ80が、バッキング層ウエハとして提供される(図14)。シリコンウエハ80は、0.008〜0.02Ω・cm2の範囲の抵抗が得られるようにアンチモンが高濃度にドープされている。
次に、AP3000(登録商標)などの接着促進剤層106(図12)が、シリコンバッキングウエハ80の上面108に塗布される。BCBコーティングのための表面を用意するために、接着促進剤層106が、シリコンウエハ80(図14)の上面108に塗布され、次いで遠心脱水される。その後すぐに、得られた層表面106は、BCBコーティングが構造層54を形成できる状態である。接着促進剤層106の塗布後に、BCB層54が塗布され、次いで、好ましくは完全な硬化状態の約30〜70%の間まで硬化される。最も好ましくは、BCB層54はCyclotene(登録商標)樹脂として選択され、それには30μmまで、最も好ましくは、約0.1〜5μmの間のZ軸方向の厚さが提供されている。BCB層54は様々な利点を提供する。特に、BCB層54の使用は、電気絶縁(非導電性)構造層としての役割を果たす。加えて、本出願人は、BCB層54が、有利には、いくらかの変形を可能にし、最終組み立てにおいてシリコンバッキングウエハ80およびウエハ84の両方とのより寛容な適合を可能にするということを認識した。そしてこれにより、有利には、より一貫した結果とともにより高い生産収率が可能となる。
代替的な製造では、BCB層54が完全に硬化されてもよく、その場合には特に、さらなる接着剤層および/または接着促進剤層(すなわちAP3000)が続いてBCB層54に塗布されることとなる。しかしながら、最も好ましくは、BCB層54は、Z方向層厚さを考慮して、完全に硬化されるのに必要とされる定格時間のおおよそ2分の1の間加熱することによって、完全な硬化状態の約50%まで硬化される。BCB層54の所望の硬化の後に、プリフォーム半分体98は、フォトレジストコーティング110(図13)を用いてマスクされる。BCBコーティング後に、厚さ0.5マイクロメートルのShipley1805フォトレジスト層110(図15)が、BCB構造層54の上部にスピン積層される。150℃でのフォトレジストのソフトベーキング後に、フォトレジスト層110をUV光に露光してフォトリソグラフィを実施し、ポケット82が形成されることとなる位置および幾何学形状を有する層110の所望の部分を除去し、下層のBCB層54を露出させる。マスクコーティング110は、得られるトランスデューサ空気ギャップアレイ42の意図したサイズおよび配向が実現するよう所望の空気ポケット82(図15)構成でBCB層54をパターン化するように塗布される。
露光および活性化の後に、マスクコーティング110の部分のうち活性化されていない残りの部分を除去して(図14)、フォトプラズマエッチング加工のために、選択された空気ポケット構成およびBCB層54を露出させる。好ましくは、次いで、BCB層54をICP(誘導結合プラズマ)反応器においてCF4/O2を使用してドライエッチング加工して、マイクロアレイモジュール16中に含まれることとなる所望のトランスデューサ空気ギャップ42構成のパターンおよび配向でポケット82を形成する。その後引き続き、プリフォーム半分体98は、個々のポケット凹部82(図15に示される)を形成するようにエッチング加工される。繰り返すが、ポケット82は、各トランスデューサの空気ギャップ42として機能するサイズおよび所望の間隔で形成される。最も好ましくは、ポケット82は、好ましくは、それぞれの横方向において約0.03mmの幅で2.5〜5μmの深さまで形成される。
必須ではないが、好ましくは、各ポケット82は、BCB層54を通って少なくとも下層の接着促進剤層106へとさらに延在している。場合によっては、エッチング加工は、促進剤層106の接着の下層部分を除去し、各ポケット82の底部においてシリコンバッキングウエハ80を露出させるように実施してもよい。
ポケット82は、シリコンバッキングウエハ80上の数および配置を最大化するよう正方形を有するように製造してもよい。しかしながら、他の実施形態には、円形のポケットまたは凹部が含まれ、その場合には多角形および/または六角形の大きい船形および/またはポケットとなる。正方行列配向のポケット82の形成によって、簡素化されたトランスデューサスイッチングが可能となるが、他の構成も可能である。
エッチング加工後に、プリフォーム98は、残っているマスクコーティング110を除去してBCB層54を露出させるようにクリーニングされる。
図16および図17は、上側プリフォーム半分体100の形成と、下側プリフォーム98上へのその配置を最良に示している。図17は、SOIシリコンカバーリングウエハの一部として提供されるものとして上部シリコンウエハ84を図示しており、ウエハ84は、製造を簡素化するために、リリース可能にホルダ層124に固定されている。ホルダ層124は、溶解可能な酸化ケイ素層126または他の好適な溶媒によってシリコンウエハ84を載置するために使用されるさらなるシリコン層から選択してもよい。代替的に、ホルダ層124は、1nmの厚さのAP3000層によってシリコンウエハ84に接着されるBCB層として形成することもできる。繰り返すが、1つの簡素化された構造では、上部シリコン層84は、膜44の意図した厚さを考慮して、所望の厚さまで研削またはレーザーアブレーションを行ってウエハから機械加工される。
ウエハ84の最終厚さは、膜44(図17)を提供するように選ばれ、膜44は、所望の仕上げ厚さを有しており、その厚さは最も好ましくは約0.1〜50ナノメートルの間で選ばれる。また、シリコンウエハ層84の最終厚さは、マイクロアレイモジュール16によって提供されることとなるビーム出力信号の周波数範囲(より薄い=より低い周波数)を考慮して選択される。
簡素化された構造では、ウエハ層84は、部分的に硬化したBCB層54に向けて載置するように設けられている。しかしながら、上部シリコン層84は、場合によっては、部分的に硬化したBCB層54との結合を促進するために接着促進剤層(図示せず)でコーティングしてもよい。
図17に示されるように、プリフォーム98、100は一直線に並べられており、層84はBCB構造層54に対して接触している。上部シリコン層84を移動させて一直線上にしてBCB層54に対して接触させると、プリフォーム98、100は、次いで、BCB層54を完全に硬化させるように加熱され、シリコン層84/BCB層54の最終的な結合および融合が起こり、トランスデューサ空気ギャップ42が封止される。
最も好ましくは、下側プリフォーム半分体98上へのシリコンウエハ84の配置後に、プリフォーム半分体98、100の構造体は、残留溶媒を追い出し、最大結合強度をもたらすように約150℃の初期結合温度まで加熱される。次いで、結合された半分体98、100は、約1時間窒素雰囲気下、250℃で最終的に硬化される。
下側プリフォーム半分体98上に上側プリフォーム半分体100を載置した後に、二酸化ケイ素接着剤層126が溶解され、ホルダ層124が除去される。その後、上部シリコン層84は、膜ダイヤフラム44(図17)が得られるように所望の仕上げ厚さ、好ましくは0.1〜5nmの間の厚さまでレーザーアブレーションをされてもよく、平坦な最上面を有する。レーザーアブレーション後に、クロム界面層および導電性金層48が、場合によっては、シリコン層84の上面上に光によりめっきされる。めっき後に、次に接着剤層122が溶解され、ホルダピース120が除去される。ホルダ層120、124は、CF4/H2を使用して接着剤層122、126を選択的に溶解させて除去してもよく、上部シリコンウエハ84が変位可能な膜44として適当な場所に残される。
1つの方法では、導電層48が、膜ウエハ84の上部上に積層される100nmの厚さの金層として提供される。代替的な構造では、金層が、所望の上部層厚さが得られるように適当な場所にスピン積層される。
場合によっては、融合したウエハアセンブリは、その後、所望の数の個々のトランスデューサ20(すなわち40x40アレイ)を有する所望のモジュール16サイズへと切断される。導電性金層48は、周波数発生器70から、センサバッキングプラットフォーム18上に形成された金属積層層50へ導電性を提供する。
センサアセンブリ14に、(たとえば図7に示されるように)トランスデューサ20S1、S2・・・S40の個別に作動可能な列が設けられる場合には、金層48のフォトプリント後に、続いて層48が選択的にエッチング加工されて、層の一部が除去され、電気的に隔離され、導電性金ワイヤボンディングW1、W2・・・W40が残され、トランスデューサS1、S2・・・S40の関連する列に導電性を提供する。一実施形態では、完成したCMUTマイクロアレイ16は、その後、導電性接着剤を使用してバッキングプラットフォーム18のコーティングされた金属面50上へ直接ロボットにより載置できる状態である。
さらに別のトランスデューサ製造モードが、図18〜図28を参照して説明されており、同様の参照番号が同様の要素を特定するために使用されている。該方法は、バッキング層46としてのシリコンバッキングウエハ80と、シリコンウエハ84の代わりに上部デバイス層またはトランスデューサ膜44としてのBCB上部ウエハ144(図26)とを接合させるために使用される段階的な製造プロセスとして実施される。
図18〜図23は、各トランスデューサ20の下側プリフォーム半分体98(図23)の形成を図示している。プリフォーム半分体98は、図11を参照して説明される実施形態に従って実質的に形成されるシリコンバッキング層80を使用して製造される。下側プリフォーム半分体98を形成する際に、標準的なNタイプシリコンウエハ80が使用されるが、1平方センチメートル当たり約0.008〜0.02オームの間の抵抗が得られるようにアンチモンが高濃度にドープされている。場合によっては、取扱いしやすいように、ウエハ80が、図11に示されるように溶解可能な酸化ケイ素層122によってシリコンホルダ120に固定されてもよい。代替的に、ホルダ層は、1nmの厚さのAP3000層によってシリコンウエハ80に接着されるBCB層として形成することもできる。層118中で使用される好ましいBCBとしては、Cyclotene(登録商標)3022〜35が挙げられ、場合によってはメシチレンによって希釈される。
シリコンウエハ80の上面108は、図18に示されるように、接着促進剤、好ましくはAP3000(登録商標)、のおおよそ1ナノメートルの厚さの層106によってコーティングされる。
接着促進剤層106によるコーティング後に、BCB54(図19)の次の構造層が、接着促進剤層106上に塗布される。BCB層54は、好適なシンナーで部分的に薄めてもよく、接着促進剤層106上にスピン積層して、実質的に滑らかなで平行な表面を提供し、各トランスデューサ20の空気ギャップ42について所望のZ高さを実現する。最も好ましくは、BCB構造層54は、約500〜1500ナノメートルの間、最も好ましくは約900ナノメートルの所定の厚さを提供するようにスピン積層される。スピン積層後に、コーティングされたウエハバッキング層80がオーブン中に配置され、BCB層54が完全に硬化されるのに必要とされる定格時間のおおよそ半分の間おおよそ300℃で加熱される。したがって、BCB層54は、その部分的な硬化、好ましくは完全な硬化の約40〜60%をもたらすように加熱され、それにより部分的なゲル層(図19)としてBCB層54が安定化される。
部分的硬化後に、次のフォトレジスト層110が、ゲルBCB構造層54の上面上に積層される。最も好ましくは、フォトレジスト層110は1805フォトレジスト層として選択され、それは約0.5マイクロメートルの厚さで塗布される。フォトレジスト層110(図20)は、層54上に均一に積層され、次いで、フォトレジスト上にトランスデューサポケットをプリントするフォトネガティブマスクを通してUV光に露光される。図21に示されるように、露光されたフォトレジストは、化学的に変化し、洗い流されることに対して抵抗するが、一方、未露光の材料は容易に洗い流されて層54を露出させる。
次いで、ウエハは、エッチング浴中へ配置され、エッチング浴では、層54中の露出したBCBがエッチング加工される。エッチング加工は、未保護のままのゲルBCB構造層54の露出した領域を除去し、個々のポケット82(図22)を形成する。エッチング加工は、好ましくは、ポケット82が、ゲルBCB層54の露出した領域および下層の接着促進剤層106の両方の部分を除去するように(図22)十分な時間にわたって実施される。ポケット82は、各トランスデューサ20の空気ギャップ42として機能するサイズおよび所望の間隔で形成される。上述した方法と同様、ポケット82は、好ましくは、それぞれの横方向において約0.03mmの幅で約2.5〜4μmの深さまで形成される。正方形ポケット82は、バッキングウエハ80上のそれらの配置スペース数を最大化するのに好ましいが、他の形状および配向を使用することもできる。
好ましくは、各ポケット82の底部において、シリコンバッキング層80が実質的に平坦な表面として露出され、好ましくは約0.5mm未満で選択された厚さを有するようにエッチング加工は実施されない。
エッチング加工後に、プリフォーム半分体98は好適な溶媒中で洗浄され、それによりフォトレジスト層110の残りが除去され、部分的に硬化したゲルBCB層54(図23)が露出される。次いで、プリフォーム半分体98は、選択された上側プリフォーム半分体100との最終組み立ての前に洗浄およびクリーニングされる。
上側プリフォーム半分体100およびトランスデューサダイヤフラム44の形成の代替的な方法では、酸化ケイ素ハンドリングウエハ124が、図24に示されるように設けられる。次いで、図24に示されるように、酸化ケイ素リリース層126が金でスパッタリングされて上部金層48が形成される。金層48の積層は、代替的には、最終的な所望の厚さで積層される実質的に平坦な金層48が得られるように従来のめっきプロセスによって実施される。
図25に示されるように、金めっき後に、AP3000(登録商標)などの接着促進剤層128が金層48上に塗布される。最も好ましくは、接着促進剤層128は、約0.2〜5nmの間、好ましくは約0.5nmで選択される実質的に均一な厚さで提供される。
接着促進剤層128の積層後に、BCB層144は、次いで、接着促進剤層128の上部上にスピンコーティングされる。BCB層144は、ダイヤフラム44を形成するように選ばれた厚さで塗布される。BCB層144のスピンコーティング塗布によって、BCB層144を所定の厚さまで均一に形成できるということが認識されるべきである。BCB層は、たとえばCycloteneから形成されていてもよく、それは、スピンコーティングのための所望の粘度が得られるように薄められてもよいし、薄められていなくてもよい。最も好ましくは、BCB層144は、最終的な硬化中に予測される予想収縮を補うように選択されるウェット厚さで提供され、センサ用途に応じて、約50nm未満、好ましくは約0.2〜0.8nmの間の最終厚さを有するダイヤフラム44が提供されることとなる。しかしながら、より厚いまたはより薄いダイヤフラム44が形成されてもよい。
図27および図28は、下側プリフォーム98のBCB層54へのBCB系上側プリフォーム100の組み立てを最良に示している。BCB層144がウェットで実質的に未硬化の状態のままであり、BCB層54がおおよそ50%だけしか硬化していないままである場合に、トランスデューサ20の2つのプリフォーム半分体98、100を移動させて一直線上にし(図27)、真空オーブン(図示せず)中に配置する。
オーブンは、プリフォーム半分体98、100間の接触をもたらす前の接触の前に完全な真空状態とする。真空条件の後に、ウェットBCB層144および部分的に硬化したBCB層54は見当合わせされ、半分体98、100は、おおよそ3フィートポンドの軽い圧力下で一緒に保持され、両BCB層144、54の完全な硬化をもたらすのに十分な時間の間300℃で加熱硬化される。完全な硬化中に、ウェットBCB層144が縮小および収縮することとなるということが認識されるべきである。収縮は、製造業者によって提供される既知の値であり、使用されるBCBの選択されたグレードに依存しており、10体積%というように高くてもよい。
最終的な硬化後に、組み立てられたウエハの結合したプリフォーム98、100は、真空オーブンから取り出され、冷却される。次いで、アセンブリは、緩衝酸化物エッチング(BOE)浴中に配置されて、酸化ケイ素接着剤層126およびハンドリングウエハ124(および該当する場合にはシリコンウエハ80用の接着剤層122およびバッキングウエハホルダ120)が選択的に除去される。酸化ケイ素層126の除去およびハンドリング層124のリリースによって、ダイヤフラム44に結合されている上部金層48が露出し、形成されたトランスデューサ20の導電性前面38が提供される。
好ましい実施形態は、各トランスデューサ20の後面22上への導電性グラウンド層50の形成を説明しているが(図10)、本発明はそのようなものに限定されない。代替的な構造では、上部導電層48は、マイクロアレイ16をセンサアセンブリ14グラウンドに電気的に接続するように設けられてもよい。
本発明のさらなる実施形態によるトランスデューサ20を図示している図29を参照できるが、ここでは同様の参照番号が同様の要素を特定するために使用されている。図29のトランスデューサ20では、導電性金パッド130が、トランスデューサ空気ギャップ42内でシリコン底部層46の上面上に設けられている。導電性パッド130は、好ましくは、金、銅、銀または他の導電性金属でできており、導電性リード132によって周波数発生器70(図9)に電気的に連結されており、導電性リード132は、導電性パッド130の後面から、シリコンバッキング46に形成されている開口またはビア134を通って延在している。
図30〜図33に示されるように、好ましい製造方法では、シリコンバッキング層80は、最初に、実質的に図11を参照して説明される実施形態に従って選択される。その形成後に、ビア134が、図30に示されるように、それぞれの意図したトランスデューサ空気ギャップ42の場所の中央領域においてバッキング層80に機械加工される。
ビア134の形成後に、ビアホールは、金(g)または他の選択された導電性金属で充填される。バッキング層80の前面および後面は、その後、好適なフォトマスク層144、146でコーティングされ、フォトマスク層144、146は、それぞれ所望の導電性パッド130および導電性リード132(図28)を形成するようにパターン化される。次いで、マスクされたバッキング層80は、マスク層を活性化させるために露光され、マスク層の一部を除去するように洗浄され、その場所にはパッドおよび伝導性リードめっきが形成されることとなる。
次いで、層80の前面および後面は、無電解積層またはスパッタリング技術を用いて所望の厚さの金(または他の導電性金属)でめっきされ、その後、余剰の金積層を除去するように洗浄され、めっきされた導電性パッド130および導電性リード132の構造体が残される。
洗浄ならびに最終的なクリーニングおよび乾燥の後に続いて、図19〜図23を参照して説明されるように接着促進剤層106およびBCB構造層54が金属めっきされたウエハ80上に形成されて、プリフォーム半分体98が形成されるが、それによりポケットエッチング加工82が、各金導電性パッド130を露出させるように行われる。次いで、プリフォーム半分体98は、好ましくは、上述した実施形態に従って上側プリフォーム半分体100と接合される。
図33は、さらなる実施形態に従って形成されたトランスデューサ20のプリフォーム半分体102を図示しているが、同様の参照番号が同様の要素を特定するために使用されている。たとえば図21に示されるBCB層54のエッチング加工およびフォトレジスト層110の除去により、底部ウエハ80および導電性パッド130が露出される。
好ましくは、導電性パッド130は、約1〜2nmの間のZ軸寸法の厚さと、各キャビティ42の横径davgのおおよそ50%まで延在している横寸法を有する導体プレートとして形成される。導電性パッド130が、キャビティ82の床面の少なくとも50%にわたって延在していると、導電性パッド82は、トランスデューサ20の活性化時に最適な磁束を提供できる。
導電性パッド130およびリード132の積層後に、引き続いて選択された上側プリフォーム半分体100が、たとえば上述のもののうちの1つに従って下側半分体102と一直線に並べられ、それに固定され、融合される。
好ましい構造では、個々のプレートリード132は、各CMUTマイクロアレイモジュール16のエッジ部分への単一のトレースとして延在していてもよく、意図したセンサ用途に応じて、単独で、選択的なグループでまたは同時にトランスデューサ20の活性化が可能となる。
場合によっては、1つ以上のさらなる接着促進剤および/またはコーティング層が、ボンディング前にベースおよび/または上部ウエハ80、84に塗布されてもよい。好適なコーティング層としては、金または他の導電性金属コーティングが挙げられる。
結果として、上述の実施形態によるセンサアセンブリ14の実施形態は以下のもののうちの1つ以上を特徴とする。
1.3Dトランスデューサ構成を使用またはシミュレートして、音波ビームを整形し、形成すること。
2.双曲放物面上へのCMUTトランスデューサの3D配置を使用またはシミュレートしてビーム整形するCMUT技術を使用する超音波システム。
3.ビーム形状は、チップの双曲放物面形状の設計および整形によって制御でき、そしてビームの全体幅が制御されて、表面がより平坦になるほど、ビームの幅が広くなる。
4.マイナーローブのサイズおよび影響を制限することにより、干渉をより少なくする双曲放物面形状。
5.CMUTトランスデューサを用いると、送信および受信機能の両方においてより大きい信号圧力を得ることができる。
6.各CMUTトランスデューサは、個別に、選択されたグループでおよび/またはすべて同時に動作させてもよく、それにより広範なビームステアリング能およびビーム内の物体位置が提供される。
7.CMUTトランスデューサ設計はより微細になっており、したがってより多くのトランスデューサを各高度に配置するこができるため、より大きい信号強度および分解能が可能となる。
8.簡素化された製造および/または向上した信頼性。
1.3Dトランスデューサ構成を使用またはシミュレートして、音波ビームを整形し、形成すること。
2.双曲放物面上へのCMUTトランスデューサの3D配置を使用またはシミュレートしてビーム整形するCMUT技術を使用する超音波システム。
3.ビーム形状は、チップの双曲放物面形状の設計および整形によって制御でき、そしてビームの全体幅が制御されて、表面がより平坦になるほど、ビームの幅が広くなる。
4.マイナーローブのサイズおよび影響を制限することにより、干渉をより少なくする双曲放物面形状。
5.CMUTトランスデューサを用いると、送信および受信機能の両方においてより大きい信号圧力を得ることができる。
6.各CMUTトランスデューサは、個別に、選択されたグループでおよび/またはすべて同時に動作させてもよく、それにより広範なビームステアリング能およびビーム内の物体位置が提供される。
7.CMUTトランスデューサ設計はより微細になっており、したがってより多くのトランスデューサを各高度に配置するこができるため、より大きい信号強度および分解能が可能となる。
8.簡素化された製造および/または向上した信頼性。
詳細な説明では、垂直ストリップ構成で電気的に接続されているものとして各マイクロアレイモジュール16中のトランスデューサ20を説明しているが、本発明はそのようなものに限定されない。また、トランスデューサ20を連結する他の方法も可能であろう。限定されないが、次世代の電気的に連結されたトランスデューサのグループは、2つの方向の周波数調整が可能となるように垂直ストリップおよび水平ストリップのいずれとしても配向させることができるということが想定される。
モニタリングシステム12の好ましい使用は車両死角モニタリングにおいて提供されるが、その用途はそれに限定されないということが認識されるべきである。同様に、詳細な説明は、自動車センサ14で使用されるものとして静電容量型超音波トランスデューサ型マイクロアレイモジュール16を説明しているが、以上から様々な他の用途が容易に明らかであろう。そのような用途としては、限定されないが、鉄道産業、海洋産業および航空機産業での用途の他、様々な家庭用途、医療用イメージング、産業環境および商業環境に関連した用途ならびに消費財の用途が挙げられる。
本発明の様々な好ましい実施形態を説明したが、本発明は、開示された特定の構造および方法に限定されない。以上から多くの改変例および変形例が当業者には思い浮かぶであろう。本発明の定義について、添付の特許請求の範囲を参照できる。
Claims (62)
- 複数のトランスデューサを有するマイクロアレイで使用するための静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)を作製する方法であって、
略平面状の上面および下面を有する第1のシリコン系ウエハを提供するステップと、
デバイス層として第2のウエハを提供するステップであって、前記デバイス層は、略平面状の平行な上面および底面を有しており、前記デバイス層は、約0.05〜5μmの間、好ましくは約0.2〜1μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、
前記デバイス層の前記上面または前記底面のうちの一方の上にベンゾシクロブテン(BCB)層を形成するステップと、
前記BCB層の表面をエッチング加工して、複数のポケットを内部に有するエッチング面を形成するステップであって、前記ポケットのそれぞれは、事前選択された幾何学的形状を有しており、前記ポケットは、それぞれの側壁部が約0.1〜15μmの間、好ましくは約0.2〜8μmの間、最も好ましくは約3〜4μmの間の深さまで延在していることによって特徴付けられている、ステップと、
前記BCB層の前記エッチング面の一部分と、前記デバイス層の前記上面または前記底面のうちのもう一方とを一直線に並べるステップと、
前記第1のウエハを前記デバイス層にそれらの間に前記BCB層が介在した状態で結合させるステップであって、それにより前記ポケットがそれぞれトランスデューサ空気ギャップを形成する、ステップと、
前記第1のウエハおよび前記第2のウエハのうちの少なくとも一方に導電性金属を塗布するステップと
を含む方法。 - 前記BCB層が、約0.2μmよりも大きい厚さを有するBCB構造層を含み、前記デバイス層がシリコン系デバイス層を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記BCB層が、BCB系デバイス層を含むBCBデバイス層を含む、請求項1に記載の方法。
- 前記形成ステップが、前記第1のウエハの前記上面上に前記BCB構造層を形成することと、
前記結合ステップの前に前記デバイス層を実質的に未硬化のBCB系デバイス層として維持することと
を含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。 - 前記エッチング加工ステップの前に、前記BCB構造層を加熱して、完全な硬化状態の約30〜70%の間まで前記BCBを部分的に硬化させる、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。
- 前記結合ステップが、前記BCB構造層を完全な硬化状態まで加熱することを含み、前記BCB構造層中のBCBが、前記第1のウエハを前記デバイス層に接着させる、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- 前記エッチング加工ステップがフォトプラズマエッチング加工を含む、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。
- さらに、結合後に、結合された前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハを個々のマイクロアレイへと物理的に分割し、前記マイクロアレイが9x9またはそれ以上のトランスデューサの正方行列を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
- 前記デバイス層の前記上面または前記第1のウエハの前記下面の少なくとも一部に導電性金属層を塗布するステップであって、前記金属は、金、銀および銅からなる群から選択されており、前記導電性金属層は、約1〜500ナノメートルの間、好ましくは約5〜50ナノメートルの間で選択される厚さを有する、ステップをさらに含む、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記幾何学的形状が、約5〜100μmの間、好ましくは約10〜40μmの間で選択される幅および長さの横寸法を有する略正方形を含む、請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポケット形成ステップが、前記ポケットを略正方行列として形成することを含み、前記ポケットのグループが、複数の平行な行および/または列として配列される、請求項1から10のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導電性金属層塗布ステップが、前記デバイスウエハの前記上面の実質的に全体をコーティングすることを含み、コーティング後に、前記導電性金属層の一部を選択的に除去して、前記ポケットのグループの少なくともいくつかを隣接するグループから電気的に隔離する、請求項1から11のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導電性金属層塗布ステップが、結合前に、
前記ポケットのそれぞれの関連する底部領域において前記第1のウエハにビアを形成することと、
前記関連する底部領域に導電性金属パッドを形成することとを含み、前記導電性パッドが、前記ビアを通って前記第1のウエハの前記下面と電気的に連絡する、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ポケットのグループをスイッチングアセンブリに電気的に接続するステップであって、前記スイッチングアセンブリは、前記グループを選択的に電気的に連結してより強い出力信号をもたらすように動作可能である、ステップをさらに含む、請求項1から13のいずれか一項に記載の方法。
- 前記BCB構造層形成ステップが、約1〜50μmの間、好ましくは約2〜5μmの間、最も好ましくは3〜4μmの間の実質的厚さでBCBを前記第1のウエハの前記上面に塗布することを含む、請求項1から14のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポケット形成ステップが、少なくとも100個のポケット、好ましくは少なくとも500個のポケットの正方形アレイを形成することを含み、前記ポケットのそれぞれが略平坦な底部領域を有する、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- さらに、前記エッチング加工前に、前記第2のウエハをハンドルウエハに載置し、前記第2のウエハを研削および/またはレーザーアブレーションして、所望の厚さを有する前記デバイス層を形成する、請求項1から16のいずれか一項に記載の方法。
- 前記BCB構造層の形成前に、前記上面および底面のうちの少なくとも一方に接着促進剤コーティングを塗布し、
前記接着促進剤コーティングは、約50nm未満で選択される厚さを有する、請求項1から17のいずれか一項に記載の方法。 - 複数のトランスデューサを含むマイクロアレイで使用するための静電容量型トランスデューサを作製する方法であって、
略平面状の平行な前面および後面を有するシリコンバッキングウエハを提供するステップであって、前記バッキングウエハは約10〜500μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、
前記前面上にベンゾシクロブテン(BCB)構造層を形成するステップであって、前記構造層は、約0.5〜15μmの間、好ましくは約1〜10μmの間、最も好ましくは3〜4μmの間で選択される厚さを有する、ステップと、
前記BCB構造層の表面をフォトプラズマエッチング加工して、その内部に複数のポケットを形成するステップであって、前記ポケットは、略共通の幾何学的形状を有しており、それぞれの側壁部が前記前面に対して略垂直に延在し、約0.1〜10μmの間の深さまで延在していることによって特徴付けられている、ステップと、
略平面状の平行な対向する前面および後面を有するデバイス層を提供するステップであって、前記デバイス層は、約0.05〜10μmの間、好ましくは約0.2〜2μmの間、最も好ましくは1μm未満で選択される厚さを有する、ステップと、
前記デバイスウエハの前記後面を前記前面上に実質的に隣接して結合して配置して、各ポケットをそれぞれトランスデューサ空気ギャップとして実質的に封止するステップであって、前記デバイスウエハは、構造用接着剤要素として前記BCB構造層を用いて前記第1のウエハに対して結合される、ステップと、
前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハのうちの少なくとも一方の少なくとも一部分に導電性金属層を塗布するステップと
を含む方法。 - 前記デバイスウエハがシリコン系デバイス層を含む、請求項19に記載の方法。
- 前記デバイスウエハがBCB系デバイス層を含む、請求項19または請求項20に記載の方法。
- 前記形成ステップが、前記第1のウエハの前記前面上に前記BCB構造層を形成することと、
前記結合ステップの前に、前記デバイス層を略未硬化のBCB系デバイス層として維持することとを含む、請求項21に記載の方法。 - 前記エッチング加工ステップの前に、前記BCB構造層を加熱して、完全な硬化状態の約30〜70%の間、好ましくは約50%まで前記BCBを部分的に硬化させる、請求項19から22のいずれか一項に記載の方法。
- 前記結合ステップが、前記BCB構造層を完全な硬化状態まで加熱することを含み、前記BCB構造層中のBCBが、前記第1のウエハを前記デバイスウエハに接着させる、請求項19から23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記エッチング加工ステップが、前記BCB構造層をフォトプラズマエッチング加工することを含む、請求項19から24のいずれか一項に記載の方法。
- 結合後に、結合された前記第1のウエハおよび前記デバイスウエハを個々のマイクロアレイへと物理的に分割し、前記マイクロアレイが、少なくとも9x9またはそれ以上のトランスデューサの行列を含む、請求項19から25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記デバイスウエハの前記前面または前記第1のウエハの前記後前面の少なくとも一部に導電性金属コーティングを塗布するステップであって、前記金属コーティングは、金、銀、銅およびそれらの合金からなる群から選択されており、前記導電性金属層は、約1〜500ナノメートルの間、好ましくは約5〜20ナノメートルの間で選択される厚さを有する、ステップをさらに含む、請求項19から26のいずれか一項に記載の方法。
- 前記幾何学的形状が、約5〜200μmの間、好ましくは10〜40μmの間で選択される横寸法を有する略正方形を含む、請求項19から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポケット形成ステップが、前記ポケットを略正方行列として形成することを含み、前記ポケットのグループが、複数の平行な行および/または列として配列される、請求項19から28のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導電性金属塗布ステップが、前記デバイスウエハの前記前面の実質的に全体をコーティングすることを含み、コーティング後に、前記導電性金属コーティングの一部分を選択的に除去して、前記ポケットのグループの少なくともいくつかを隣接するグループから電気的に隔離する、請求項19から29のいずれか一項に記載の方法。
- 前記導電性金属コーティング塗布ステップが、結合前に、
前記ポケットのそれぞれの関連する底部領域において前記第1のウエハにビアを形成することと、
前記関連する底部領域に導電性パッドを形成することとを含み、前記導電性パッドが、前記ビアを通って前記第1のウエハの前記下面と電気的に連絡する、請求項19から29のいずれか一項に記載の方法。 - 前記ポケットのグループをスイッチングアセンブリに電気的に接続するステップであって、前記スイッチングアセンブリは、前記グループを周波数発生器に選択的に電気的に連結するように動作可能である、ステップをさらに含む、請求項19から31のいずれか一項に記載の方法。
- 前記BCB構造層形成ステップが、約1〜100μmの間、好ましくは約2〜25μmの間、最も好ましくは3〜4μmの間で選択される厚さを有する実質的に平行な層としてBCBを前記第1のウエハの前記前面に塗布することを含む、請求項19から32のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポケット形成ステップが、少なくとも100個のポケット、好ましくは少なくとも500個のポケットの正方形アレイを形成することを含み、前記ポケットのそれぞれが略平坦な底部を有する、請求項19から33のいずれか一項に記載の方法。
- さらに、前記エッチング加工前に、前記デバイスウエハをハンドルウエハに載置し、前記デバイスウエハデバイス層を所望の厚さまで研削および/またはレーザーアブレーションする、請求項19から34のいずれか一項に記載の方法。
- 前記BCB構造層の形成前に、前記第1のウエハの前記前面および前記デバイスウエハの後面のうちの少なくとも一方に接着促進剤コーティングを塗布し、前記接着促進剤コーティングが、約50nm未満で選択される厚さを有しており、
前記接着促進剤コーティングが、前記BCB構造層の結合に対して選択される、請求項19から35のいずれか一項に記載の方法。 - センサバッキングプラットフォームを提供するステップであって、前記バッキングプラットフォームは、約0.5〜10mmの間で選択される幅を有する略正方形の載置面を含む、ステップと、
結合後、結合された前記第1のウエハおよびデバイス層を、複数のトランスデューサを含む複数のCMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールへと分割するステップであって、各マイクロアレイモジュールは、略幾何学的形状を有しており、約1〜2mmの間の平均幅を有する、ステップと、
選択されたトランスデューサマイクロアレイモジュールを前記載置面上に載置するステップと
をさらに含む、請求項1から36のいずれか一項に記載の方法。 - 前記載置ステップが、前記CMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールを前記バッキングプラットフォームに略正方形のアレイとして載置することを含む、請求項37に記載の方法。
- 略平坦なモジュール載置面を有するABSから前記バッキングプラットフォームを形成するステップをさらに含む、請求項37または請求項38に記載の方法。
- 離散化した双曲放物面の載置面を用いて前記バッキングプラットフォームを形成するステップであって、前記双曲放物面の載置面は、前記マイクロアレイモジュールのうち関連するものを受けるための離散平面を複数含む、ステップと、
前記離散平面のうち関連するものの上に、前記CMUTトランスデューサマイクロアレイモジュールのうち選択されたものをさらに載置するステップと
をさらに含む、請求項37または39に記載の方法。 - 前記導電性金属層塗布ステップが、金、銀および銅からなる群から選択される金属の層をスパッタリングすることを含み、前記第1の導電性金属層が、約100〜500ナノメートルの間、好ましくは約100ナノメートルで選択される厚さを有する、請求項1から36のいずれか一項に記載の方法。
- 前記ポケットエッチング加工ステップが、前記ポケットを略正方または矩形行列のアレイとしてプラズマエッチング加工することを含み、各マイクロアレイモジュール中の前記トランスデューサが、複数の平行な行および列として配列される、請求項1から41のいずれか一項に記載の方法。
- センサビームを送信および/または受信するための超音波センサシステムであって、周波数発生器とセンサアセンブリとを含み、前記センサアセンブリは、
バッキングと、
複数の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールを含み、前記マイクロアレイモジュールは、前記バッキング上に格子行列配向で配設されており、前記マイクロアレイはそれぞれ、トランスデューサ空気ギャップおよびダイヤフラム部材を有する複数のトランスデューサを含み、前記マイクロアレイモジュールは、
略平面状の上面および底面を有する底部シリコン層と、
ベンゾシクロブテン(BCB)構造層であって、略平行な平面状の前面および後面、前記BCB構造層の前記前面内へ後方に延在している複数のポケットを有しており、前記ポケットはそれぞれ、関連するトランスデューサ空気ギャップの側部および底部を画定しており、アレイとして配向されており、約0.2〜5μmの間、好ましくは3〜4μmの間で選択される深さと、5〜200μmの間、好ましくは10〜50μmの間で選択される幅を有する、ベンゾシクロブテン(BCB)構造層と、
前面および後面を有するデバイス層であって、約0.1〜25μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するデバイス層とを含み、
前記BCB構造層は、前記デバイス層の底部と前記底部シリコン層の前記上面との間に介在しており、前記デバイス層は、関連するトランスデューサダイヤフラム部材として前記ポケットをそれぞれ封止しており、前記マイクロアレイモジュールは、
前記トランスデューサダイヤフラム部材の1つ以上に電気的に接続している少なくとも1つの第1の導電性部材と、
前記バッキングと前記底部シリコン層の前記後面との間に介在する少なくとも1つの第2の導電性部材とを含み、前記少なくとも1つの第1の導電性部材は、グラウンドまたは前記周波数発生器に電気的に接続可能である、
超音波センサシステム。 - 前記デバイス層が、約0.2〜5μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するシリコン系層を含む、請求項43に記載のセンサシステム。
- 前記デバイス層が、約0.2〜5μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するBCB層を含む、請求項43に記載のセンサシステム。
- 前記BCB構造層が、約1〜40μmの間、好ましくは約3〜4μmの間で選択される厚さを有しており、前記BCB構造層は、前記ポケットの前記深さの少なくとも2分の1で選択される厚さを前記空気ギャップの隣接するもの同士の間に有する、請求項43から45のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記ポケットが、略正方行列アレイとして配向された略正方形のポケットを含む、請求項43から46のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記BCB構造層の一部と前記底部シリコン層および前記デバイス層のうちの少なくとも一方との間に介在する接着促進剤コーティングをさらに含む、請求項43から47のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記センサシステムが、複数の前記第1の導電性部材を含み、前記第1の導電性部材はそれぞれ、各CMUTマイクロアレイ中の前記トランスデューサダイヤフラム部材の関連するグループを電気的に接続し、
前記センサシステムが、前記周波数発生器を前記第1の導電性部材の1つ以上に選択的に接続して、関連するグループのトランスデューサを選択的に活性化させるように活性化可能であるスイッチングアセンブリをさらに含む、請求項43から48のいずれか一項に記載のセンサシステム。 - 前記第1および第2の導電性部材のそれぞれが導電性金属コーティングを含む、請求項43から49のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記グループがそれぞれ、前記トランスデューサの列グループを含む、請求項43から50のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記アレイが、少なくとも25個のポケット、好ましくは少なくとも100個のポケット、より好ましくは少なくとも400個のポケットの略正方形のアレイを含む、請求項43から51のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記センサアセンブリが、プログラム可能な駐車支援または死角センサを含む、請求項43から52のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 送信される前記センサビームが、50〜200kHzの間、好ましくは約150〜163kHzの間で選択される周波数を有する、請求項43から53のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- センサビームを送信および/または受信するための超音波センサシステムであって、周波数発生器とセンサアセンブリとを含み、前記センサアセンブリは、
複数の静電容量型超音波トランスデューサ(CMUT)マイクロアレイモジュールを含み、前記マイクロアレイモジュールは略行列配向で配設されており、前記マイクロアレイモジュールはそれぞれ、トランスデューサ空気ギャップおよびダイヤフラム部材を有する複数の静電容量型トランスデューサを含み、前記静電容量型トランスデューサは、請求項1から42のいずれか一項に記載の方法によって作製されており、前記マイクロアレイモジュールは、
略平面状の上面を有する底部シリコン層と、
BCB構造層であって、前記上面上に設けられており、内部に複数の正方形のポケットが形成されており、前記ポケットはそれぞれ、関連する前記トランスデューサ空気ギャップの側部および底部を画定しており、略正方形のアレイとして配向されており、約0.2〜10μmの間、好ましくは3〜4μmの間で選択される深さと、5〜100μmの間、好ましくは10〜40μmの間で選択される幅を有する、BCB構造層と、
前記BCB構造層を覆う上部デバイス層であって、関連する前記トランスデューサダイヤフラム部材として前記ポケットをそれぞれ封止しており、約0.1〜5μmの間で選択される厚さを有する上部デバイス層と、
少なくとも1つの導電性部材であって、前記ダイヤフラム部材のうちの1つの一部分上に延在しており、グラウンドまたは前記周波数発生器に電気的に接続可能である少なくとも1つの導電性部材と
を含む、超音波センサシステム。 - 複数の前記導電性部材を含み、前記導電性部材は、各CMUTマイクロアレイ中の複数の前記トランスデューサのグループを電気的に接続し、より幅広い範囲の出力周波数を発生させるように動作する、請求項55に記載のセンサシステム。
- 前記グループがそれぞれ、前記トランスデューサの列グループを含む、請求項55または請求項56に記載のセンサシステム。
- 複数の前記導電性部材を含み、前記導電性部材は、各CMUTマイクロアレイ中の関連する前記トランスデューサを電気的に個別に接続する、請求項55に記載のセンサシステム。
- 前記正方形のアレイが、少なくとも25個のポケット、好ましくは少なくとも400個のポケットのアレイを含む、請求項55から58のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記センサビームが、50〜200kHzの間、好ましくは約150〜163kHzの間で選択される周波数を有する、請求項55から59のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記デバイス層が、約0.2〜4μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するシリコンウエハを含む、請求項55から60のいずれか一項に記載のセンサシステム。
- 前記デバイス層が、約0.2〜4μmの間、好ましくは1μm未満で選択される厚さを有するBCB層から実質的になる、請求項55から60のいずれか一項に記載のセンサシステム。
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