JP2017504266A - 移載可能なマイクロ加工の圧電トランスジューサアレイのための方法、装置及びシステム - Google Patents

移載可能なマイクロ加工の圧電トランスジューサアレイのための方法、装置及びシステム Download PDF

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Abstract

マイクロ加工の圧電トランスジューサアレイの機械的支持体を与える技術及びメカニズム。一実施形態において、トランスジューサアレイは、各メンブレーン部分と、そのメンブレーン部分又はその周囲に配置された各支持構造体とを各々含むトランスジューサ素子を備えている。トランスジューサ素子は、最初に、犠牲的ウェハに形成され、トランスジューサ素子の支持構造体は、犠牲的ウェハのその後の除去、及び／又はトランスジューサ素子のその後の取り扱いを容易にする。別の実施形態では、トランスジューサ素子にポリマー層が配置され、そのようなその後の取り扱い中に柔軟な支持体をなす。【選択図】 図２Ｌ

Description

本発明の実施形態は、一般的に、マイクロ加工のトランスジューサアレイに関するもので、より詳細には、そのようなアレイのウェハレベル製造技術に関するが、それに限定されない。
圧電トランスジューサは、電気的エネルギーを機械的エネルギー（例えば、運動、音響又は超音波エネルギー）に及びそれとは逆に変換することのできる圧電素子を含む。従って、圧電トランスジューサは、機械的エネルギーの伝達器及び衝突する機械的エネルギーのセンサの両方として働くことができる。又、圧電素子は、アクチュエータ、インクジェットメンブレーン、超音波トランスジューサ、センサ（例えば、加速度計、ジャイロ、圧力センサ、等）、或いはエネルギー取り入れ、混合、ポンピング又は種々の他の用途のための他の装置として使用することができる。
トランスジューサ装置は、好都合にも、種々のマイクロ加工技術（例えば、材料堆積、リソグラフィックパターン化、エッチングによる特徴部形成、等）を使用して極めて高い寸法公差で安価に製造することができる。そのような装置は、例えば、容量性トランスジューサ及び／又は圧電トランスジューサのアレイのようなマイクロ加工のトランスジューサアレイを含む。典型的に、トランスジューサアレイの圧電構造体が半導体ウェハに形成され、その後、半導体ウェハがダイにカットされて、各々、各装置に色々に合体される。
本発明の種々の実施形態は、添付図面に例示されるが、これに限定されない。
一実施形態により１つ以上の装置に含まれるトランスジューサを形成するプロセスを示す。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの各ステージの要素を示す断面図である。 一実施形態によりトランスジューサアレイを製造する方法の要素を示すフローチャートである。 対応する実施形態による１つ以上のトランスジューサを各々含む各装置の要素を示す。 対応する実施形態による１つ以上のトランスジューサを各々含む各装置の要素を示す。
ここに説明する実施形態は、トランスジューサアレイの機械的支持を与えるための技術及び／又はメカニズムを様々含むものである。例えば、一実施形態によるトランスジューサアレイは、各メンブレーン部分、及びそのメンブレーン部分に又はその周囲に配置された各支持構造体を各々備えた１つ以上のトランスジューサ素子を含む。それら１つ以上のトランスジューサ素子の幾つか又は全部が犠牲的ウェハに最初に形成され、例えば、支持構造体は、犠牲的ウェハのその後の除去及び／又は１つ以上のトランスジューサ素子のその後の取り扱いを容易にする。それとは別に又はそれに加えて、そのようなその後の取り扱い中に柔軟な支持体をなすため、１つ以上のトランスジューサ素子にポリマー層が配置される。
そのような支持構造体は、移載可能な及び／又は適合性のあるトランスジューサアレイを、ダイレベルモジュールとして広範囲な種々の形式の材料及び構造体に、例えば、ピックアンドプレース技術を使用して、結合又はその他アッセンブルするのを様々容易にする。犠牲的ウェハ（又はそのようなウェハからカットされたダイ）から種々の形式のダイ、ウェハ、基板又は他のそのような構造体へトランスジューサアレイを移載できることは、種々の利益を与えることができる。そのような利益の幾つかの例は、製造コストの減少、プロセス柔軟性の改善、ハイブリッドマイクロ／マクロ製造プロセスの利用性、広範囲な利用可能な材料選択肢、前アッセンブリダイレベルテスト能力の改善、及び大規模の集積機会を含む。
図１は、一実施形態によりウェハから移載されるトランスジューサ素子を形成する処理１００の要素を示す。処理１００の間に、トランスジューサ構造体を形成する半導体製造プロセスに対して、例えば、バルクシリコンより成るウェハ１１０が準備される。そのようなプロセスは、凸状マイクロバンプ及び／又は凹状マイクロバンプ構造体（図示せず）をウェハ１１０に形成することを含む。それとは別に又はそれに加えて、そのようなプロセスは、そのようなマイクロバンプ構造体にトランスジューサコンポーネントを様々形成するために、リソグラフィー、エッチング、スパッタリング、メッキ、及び／又は種々の他の加算的及び／又は減算的プロセスを含むが、これに限定されない。
これに限定されないが、例示として、ウェハ１１０に形成されたトランスジューサ素子１２０は、凹状、凸状及び／又は平坦なメンブレーン構造体を含み、例えば、トランスジューサ素子１２０の他の構造体は、そのようなメンブレーン構造体のための柔軟な支持体をなす。そのような支持体は、少なくとも一部分は、例えば、各メンブレーン構造体又はその周囲に各々配置されたリング型支持素子で形成される。それとは別に又はそれに加えて、そのような支持体は、少なくとも一部分は、そのようなリング型支持素子及び／又は１つ以上のメンブレーン構造体上に形成されたポリマー層で形成される。
種々の実施形態によりトランスジューサ素子１２０のために形成される柔軟な支持体は、トランスジューサ素子１２０が最初に形成されたウェハ１１０からトランスジューサ素子１２０を除去できるようにする。例えば、トランスジューサ素子１２０の裏面にハンドリングウェハ１３０が接着されるか、他の仕方で結合される。この状況では、裏面とは、トランスジューサ素子１２０のメンブレーン構造体を含む面とは逆の面を指す。ハンドリングウェハ１３０は、ウェハ１１０をトランスジューサ素子１２０から分離するか、他の仕方で除去する処理中に、トランスジューサ素子１２０の一時的な機械的支持体をなす。ウェハ１１０のそのような除去は、例示的メンブレーン１４０で表わされたように、トランスジューサ素子１２０のメンブレーン構造体の幾つか又は全部を露出させる。
ウェハ１１０を除去した後に、トランスジューサ素子１２０は、そのトランスジューサ素子の幾つか又は全部を広範囲な種々の装置のいずれかに選択的に移載処理するのに使用できる。これに限定されないが、例示として、ハンドリングウェハ１３０及びトランスジューサ素子１２０の両方を含むアッセンブリが複数のダイ１５０にカットされる。幾つかの又は全部のそのようなダイ１５０のトランスジューサ素子は、次いで、例えば、従来のピックアンドプレース処理から適応される技術に従って、各装置（又は装置コンポーネント）に各々合体される。例えば、ダイ１５０の１つ以上のトランスジューサ素子は、プリンタ１６０のプリントヘッドに接合され、一体化され、又は他の仕方で含まれる。それとは別に又はそれに加えて、１つ以上のそのようなトランスジューサ素子は、種々の医療用途のためのプローブ１６２に、或いは種々の柔軟なＭＥＭ装置のいずれかとして働く柔軟なシートに同様に合体される。
種々の実施形態により形成される柔軟な支持体は、マイクロ加工の圧電トランスジューサのアレイの幾つか又は全部を、例えば、半導体製造プロセスで形成されていない各構造体に各々様々に接合できるようにする。例えば、ダイ１５０のトランスジューサ素子は、プリントヘッドの本体に、或いはプラスチック押し出し、プラスチック射出成形、等により形成された他のそのような構造体に直接的に接着される。これら構造体は、半導体構造体の形成に適合しないプロセスの結果であり、例えば、そのようなプロセスは、半導体処理に比して、比較的低廉であり、危険であり、及び／又は汚染を受け易い。又、種々の実施形態により形成される柔軟な支持体は、マイクロ加工の圧電トランスジューサのアレイが、それらが接合される装置（又は装置コンポーネント）のカーブ面及び／又は柔軟な面に適合できるようにする。
図２Ａ−２Ｌは、一実施形態によりトランスジューサアレイを製造するプロセスの種々のステージの断面図である。図２Ａ−２Ｌに示された処理は、例えば、１つ以上のトランスジューサアレイ１０６、１２６、１３６を形成する。図２Ａ−２Ｌに様々に表わされた動作、及びそれらの互いの順序は、単なる例示に過ぎず、そしてそのような動作の幾つか又は全部は、異なる実施形態により、様々に再順序付けされ、除去され及び／又は他のプロセスステップと結合されてもよい。
図２Ａは、各トランスジューサ素子の種々の構造体をウェハ２０２内又は上に形成するためにウェハ２０２がその後のプロセスに対して準備されるところの製造ステージ２００ａを示す。一実施形態において、ウェハ２０２は、犠牲的（又は「ドナー」）ウェハとして働き、これは、最終的に、その上に形成されるトランスジューサ素子構造体から分離される。幾つかの実施形態は、この点について限定されないが、ウェハ２０２は、マイクロ電子／マイクロ加工処理に従順なものとしてこの分野で知られた種々の基板材料のいずれかを含む。これに限定されないが、例示として、ウェハ２０２は、シリコンのようなバルク結晶半導体、及び／又は種々の形式の半導体ウェアの材料を含む。別の実施形態では、ウェハ２０２は、ここに述べる処理に適合するガラス又は他のそのような材料を含む。
凸状圧電構造体を各々含むマイクロドーム型トランスジューサ素子の製造に関して幾つかの実施形態をここに述べる。しかしながら、そのような説明は、それに加えて又はそれとは別に、例えば、凹状（又はフラットな）圧電構造体を含むトランスジューサ素子を含めて、種々の他の形式のトランスジューサ素子のいずれにも適用するように拡張できる。例えば、ステージ２００ａの処理は、ウェハ２０２で１つ以上のマイクロバンプ構造体を形成するための準備である。ここに例示する実施形態では、ウェハ２０２の表面にリソグラフマスク２０４が配置され、マスク２０４により形成されたパターンは、ウェハ２０２の部分をエッチング処理に選択的に露出できるようにする。
図２Ｂのステージ２００ｂを参照すれば、そのようなエッチングの後に残されるウェハ２０２の材料は、ウェハ２０２の表面上に延びる、例えば、ここに例示するバンプ構造体２０６ａ、２０６ｂを含めて、マイクロバンプへと形成される。そのようなマイクロバンプの形成は、ウェハ２０２の以前にマスクされた他の部分にバンプリフロー処理を適用することを含む。それとは別に又はそれに加えて、例えば、凸状バンプ構造体２０６ａ、２０６ｂではなく、凹状くぼみがウェハ２０２に形成されてもよい。そのようなくぼみは、トランスジューサ素子の凹状の活性構造体を積み上げるのに使用される。
その後の加算的及び／又は減算的半導体処理技術（例えば、材料堆積、リソグラフパターン化、エッチングによる特徴部形成、等を含む）は、種々の実施形態に基づき、バンプ構造体２０６ａ、２０６ｂの上に圧電素子を様々形成するように適応される。これに限定されないが、例示として、図２Ｃのステージ２００Ｃを参照すれば、アレイを形成するのに使用される２つの隣接するマイクロ加工の圧電トランスジューサ素子の断面図が示されている。一実施形態において、バンプ構造体２０６ａ、２０６ｂを形成するウェハ２０２の表面に誘電体材料の任意の層２１０が堆積される。この層２１０は、ウェハ２０２を、その上に形成されるトランスジューサ素子構造体から分離又はその他除去するためのその後のエッチング処理を促進することのできる種々の誘電体材料より成る。これに限定されないが、例示として、層２１０は、ウェハ２０２に形成される構造体を剥離するために、ＳｉＯ2、ＳｉＮx、或いはエッチングストッパとして働くのに適した種々の他の材料より成る。層２１０は、プラズマエンハンスト化学的蒸着（ＰＥＣＶＤ）プロセスで形成されるが、幾つかの実施形態は、これに関して限定されない。
ステージ２００Ｃに更に示されたように、各トランスジューサ素子のための底部電極２１２ａ、１２１ｂが層２１０上に配置される。この底部電極２１２ａ、１２１ｂの頂面に直接接触するように各々圧電メンブレーン２１６ａ及び２１６ｂが配置される。底部電極２１２ａ、１２１ｂは、各々、例えば、物理的蒸着（ＰＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学的蒸着（ＣＶＤ）、等により堆積される導電性材料の薄膜層を含み、この層は、これに限定されないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｉｒ、Ｓｎ、等、その合金（例えば、ＡｕＳｎ、ＩｒＴｉＷ、ＡｕＮｉ、等）、その酸化物（例えば、ＩｒＯ2、ＮｉＯ2、ＰｔＯ2、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、等）、或いは２つ以上のそのような材料の複合積層体、の１つ以上のような圧電メンブレーン材料に適合する。ここに例示する実施形態では、圧電メンブレーン２１６ａ及び２１６ｂは、リードジルコネートチタネート（ＰＺＴ）を含むが、従来のマイクロ加工プロセスに従順であるとしてこの分野で知られている圧電材料、例えば、これに限定されないが、ポリビニリデンジフルオライド（ＰＶＤＦ）ポリマー粒子、ＢａＴｉＯ3、単結晶ＰＭＮ−ＰＴ、及び窒化アルミニウム（ＡｌＮ）も使用することができる。
圧電メンブレーン２１６ａ及び２１６ｂの部分の上に、そしてある実施形態では、メンブレーン２１６ａと２１６ｂとの間の領域においてウェハ２０２の上に、薄膜誘電体層２１８（例えば、ＳｉＯ2、Ｓｉ3Ｎx）が更に配置される。この誘電体層２１８は、ＰＥＣＶＤで形成されるが、幾つかの実施形態は、この点に関して限定されない。図示されたように、圧電メンブレーン２１６ａ及び２１６ｂの頂面に直接接触して頂部電極金属被覆２２０が配置される。この頂部電極金属被覆２２０は、トランスジューサ素子（１つ又は複数）の１つ以上の端子を共通基準平面電位（例えば、接地）平面に接続するように働く。一実施形態において、誘電体層２１８は、底部電極２１２ａ、１２１ｂを各頂部電極金属被覆２２０から絶縁する。
一実施形態において、相互接続部２１４ａ、２１４ｂは、各々、底部電極２１２ａ、１２１ｂに電気的に接続される。相互接続部２１４ａ、２１４ｂは、各々、これに限定されないが、Ａｕ、Ａｌ、Ｗ又はＣｕのような、低い抵抗を与えることができ且つパターン化に従順な従来の組成の導電性材料の薄膜層（例えば、ＰＶＤ、ＡＬＤ、ＣＶＤ、等により堆積された）を含む。頂部電極金属被覆２２０は、基準（接地）平面として使用されて、動作中に周囲環境において、１つ以上のトランスジューサ素子を電気−磁気干渉及び表面電荷からシールドする。そのような実施形態では、底部電極２１２ａ、１２１ｂ及び相互接続部２１４ａ、２１４ｂは、ドライブ／センス信号端子として使用される。
図２Ｄを参照すれば、例えば、ここに例示する支持構造体２２４ａ、２２４ｂを含む１つ以上の支持構造体が、各々、各トランスジューサ素子の構造体に又はその周囲に形成されるステージ２００ｄが示されている。これに限定されないが、例示として、メッキ処理を使用して、支持構造体２２４ａ、２２４ｂの１つ又は両方を各強化バックボーンとして各々構築し、対応圧電メンブレーンのための機械的強度を与える。例えば、３μｍ−３０μｍの範囲の厚みを各々もつように構造体２２４ａ、２２４ｂに対して銅メッキが施される。ある実施形態では、構造体２２４ａ、２２４ｂは、各々、５μｍの厚みを有する。
支持構造体２２４ａ、２２４ｂの特徴を、支持構造体２２４ａを参照して考える。一実施形態において、支持構造体２２４ａは、トランスジューサ素子のメンブレーン部分又はその周囲に延びる。トランスジューサ素子のメンブレーン部分は、トランスジューサ素子の動作中に振動する構造体（例えば、圧電素子の一部分及び／又は隣接電極の一部分を含む）を含み、例えば、そのような構造体は、そのような振動を許す空洞に広がる。一実施形態において、支持構造体２２４ａは、メンブレーン部分の表面から延び且つ支持構造体２２４ａを少なくとも一部分通る穴２２２ａを少なくとも一部分画成する１つ以上の内壁を含む。圧電メンブレーン、電極、及び／又はメンブレーン部分の他の構造体の幾つか又は全部が穴２２２ａ又は穴２２２ａの開口に位置される。支持構造体２２４ａ、２２４ｂは、そのような構造体を保護するための剛性を様々与え、例えば、その後の動作中に、そのような構造体をウェハ２０２から分離し、及び／又はそのような構造体を別のウェハ、ダイ、基板、等に結合する。一実施形態において、支持構造体２２４ａ（又は支持構造体２２４ｂ）のある部分は、断面プロフィールが環状であるか、さもなければ、その部分を通して延びる穴を画成する。そのような環状形式の１つの支持構造体の一例が詳細図２２４Ｃに示されている。
図２Ｅを参照すれば、ポリマー材料をその後に施す準備として犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂが各々穴２２２ａ、２２２ｂに配置されるステージ２００ｅが示されている。犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂは、パターン化されたマスク（図示せず）を通してＰＥＣＶＤのような堆積プロセスで各穴２２２ａ、２２２ｂに犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂが選択的に配置される。一実施形態において、犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂは、例えば、ＨＦ蒸気エッチング又は他のそのようなエッチング処理により、酸化物（例えば、ＳｉＯ2）又はその後の除去に適した種々の他の材料を含む。別の実施形態において、支持構造体２２４ａは、これが周囲に配置されるメンブレーン構造体を少なくとも部分的に横切って延び、例えば、支持構造体２２４ａは、強度改善のために反転カップ構造体を形成する。そのような実施形態では、支持構造体２２４ａは、犠牲的材料２３０ａの上に形成され、即ち犠牲的材料２３０ａを形成した後に形成される。
図２Ｆを参照すれば、ステージ２００ｅに示された構造体上にポリマー層２３５がスピンコーティングされるか又は他の仕方で形成されるステージ２００ｆが示されている。ポリマー層２３５は、例えば、１０−１５μｍ程度の厚みである。しかしながら、そのような厚みは、１つの実施形態の例示に過ぎず、特定細部の具現化により著しく変化し得る。一実施形態において、ポリマー層２３５は、図２Ａ−２Ｌの処理により形成されるトランスジューサアレイ素子のアレイのための柔軟な支持体をなす誘電体として働くのに適したポリイミド及び／又は別のポリマー材料を含む。そのような柔軟な支持体は、そのようなアレイをウェハ２０２からその後に除去し易くし、例えば、ポリマー層２３５は、少なくともそのようなアレイを別のウェハ、ダイ又は他の構造体へ移載するための取り扱い中にアレイのための基板として働く。例えば、ポリマー層２３５は、トランスジューサ素子間に撓みを許し、一方、支持構造体２２４ａ、２２４ｂは、そのような撓みの間に個々のトランスジューサ素子のための堅牢な支持体をなす。
図２Ｇを参照すれば、例えば、ここに例示するビア２５０ａ、２５０ｂ、２５５を含む１つ以上のビアが、ポリマー層２３５を通して、トランスジューサ素子の下に横たわる電極及び／又は相互接続構造体へと形成されるステージ２００ｇが示されている。この１つ以上のビアは、例えば、マスク型エッチングでポリマー層２３５をパターン化し、そしてその後にメッキを行って、ポリマー層２３５の表面と、ポリマー層２３５の下に横たわる各電極との間に導電性経路を様々形成する。例えば、ビア２５０ａ、２５０ｂは、相互接続部２１４ａ、２１４ｂに各々結合されて、ドライブ信号及び／又はセンス信号の通信を与える。それとは別に又はそれに加えて、ビア２５５は、頂部電極金属被覆２２０に結合されて、１つ以上のトランスジューサ素子に基準（接地）電位を与える。異なる実施形態により電気的相互接続／ルーティングの単一又は複数層がポリマー層２３５の頂部に構築される。
図２Ｈを参照すれば、ポリマー層２３５を通して穴２２２ａ内の犠牲的材料２３０ａへアクセス穴２４０ａがエッチングされるか又は他の仕方で形成されるステージ２００ｈが示されている。それとは別に又はそれに加えて、穴２２２ｂ内の犠牲的材料２３０ｂにアクセスするためにアクセス穴２４０ｂが同様に形成される。これらアクセス穴２４０ａ、２４０ｂは、犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂにアクセスしてそれを各穴２２２ａ、２２２ｂから除去するＨＦ蒸気エッチング（又は他のエッチング処理）のためのものである。図２Ｉのステージ２００ｉに示すように、犠牲的材料２３０ａ、２３０ｂをそのように除去した結果として、穴２２２ａ、２２２ｂに各空洞２４５ａ、２４５ｂが形成される。その後、アクセス穴２４０ａ、２４０ｂは、例えば、付加的なポリマー材料で少なくとも一部分閉じられるが、幾つかの実施形態は、この点について限定されない。
幾つかの実施形態は、更に、ウェハ２０２からのその後の分離のためにステージ２００ｉに示す構造体を準備することを含む。これに限定されないが、例示として、図２Ｊは、ハンドリング層２６５が、例えば、接着材層２６０を経てそのような構造体に接着されるか又は他の仕方で一時的に接合されるステージ２００ｊを示している。一実施形態において、接着材層２６０は、ポリマー層２３５及び／又はその中／その上に形成された構造体から容易に除去できる接合部を形成するのに適したＳＵ−８、Ｐ１、ＨＤ−３００７又は他のそのような接着材層を含む。
図２Ｋのステージ２００ｋに示すように、トランスジューサ素子の各構造体が、エッチング（例えば、ＨＦ蒸気エッチングを含む）、研磨、及び／又は他の減算的処理でウェハ２０２から剥離される。ステージ２００ｋにおけるウェハ２０２の除去は、例えば、トランスジューサメンブレーン構造体の各カーブ面部分２７５ａ、２７５ｂを含む、下に横たわる面を露出させる。
幾つかの実施形態は、この点に関して限定されないが、ステージ２００ｋは、更に、それにより得られるアッセンブリ２７０（例えば、ハンドリングウェハ２６５、接着材層２６０、ポリマー層２３５、及び他のトランスジューサアレイ構造体を含む）を、ここに例示する支持構造体２８０で表わされた他のウェは、ダイ、基板又は他の構造体に接合することを含む。一実施形態において、アッセンブリ２７０は、ウェハ２０２に形成された構造体をカットすることにより形成されるダイであり、例えば、そのようなカットは、ウェハ２０２の材料を、そこに形成されたトランスジューサ構造体から分離する前又は後に行われる。例えば、ウェハ２０２に形成された構造体は、１つ以上の別の構造体と接合される前に、単一のトランスジューサ素子、トランスジューサ素子の単一行、トランスジューサ素子の２Ｄアレイ、等で様々構成されるダイレベルモジュールへとダイシングされる。
図２Ｌのステージ２００ｌに示すように、支持構造体２８０（例えば、ウェハ、ダイ、射出成形プラスチック構造体、等）が、接合層２８２（例えば、永久的な接着材を含む）を経て、ウェハ２０２の除去により露出されたアッセンブリ２７０の表面に接合される。接合層２８２は、例えば、アッセンブリ２７０と支持構造体２８０との間の共晶接合を形成するが、異なる実施形態により種々の接着材又は他の形式の接合が形成されてもよい。支持構造体２８０は、アッセンブリ２７０と共に空洞２８４ａ、２８４ｂを形成するためにカーブ面部分２７５ａ、２７５ｂと整列されるくぼみを含む。その結果、トランスジューサ素子２８６ａ、２８６ｂの各メンブレーンは、ドライブ／センス機能を様々与えるために振動することが許される。一実施形態において、アッセンブル２７０は、例えば、別のＭＥＭＳウェハである交換構造体にダイレベルモジュールとしてピックアンドプレースされる。それにより得られる構造体は、更に、必要に応じて、ＡＳＩＣ２９０の取り付けを含めて、後処理される。
ステージ２００ｌは、支持構造体２８０が、例えば、インクジェットプリンタのプリントヘッドの本体である実施形態による１つの例示を表わす。しかしながら、指示工相対２８０は、それとは別に、異なる実施形態により、プラスチック、金属、半導体、テキスタイル、ガラス及び／又は他の材料で形成された種々の他の構造体でよい。更に、トランスジューサ素子２８６ａ、２８５ｂは、支持構造体２８０のフラットな面に接合されて示されているが、幾つかの実施形態は、この点に関して限定されない。
ここに例示する実施形態では、支持構造体２８０は、トランスジューサ素子２８６ａ、２８６ｂでインクを投与するために、例えば、各々、例示的貯蔵器２８８ａ、２８８ｂを含めて、１つ以上のインク貯蔵器を備えるか、又はそれに結合される。例えば、支持構造体２８０は、貯蔵器２８８ａと空洞２８４ａとの間のチャンネル、及び貯蔵器２８８ｂと空洞２８４ｂとの間の別のチャンネルを形成する。そのような実施形態では、トランスジューサ素子２８６ａ、２８６ｂの各メンブレーン構造体を動作して、そのようなチャンネルを通してインクを様々引き出し、及び／又は空洞２８４ａ、２８４ｂから各ノズル２９２ａ、２９２ｂを通してそのようなインクを様々出力させるために、ビア２５０ａ、２５０ｂの幾つか又は全部を使用して、例えば、ＡＳＩＣ２９０によりシグナリングが与えられる。
図３は、一実施形態によりマイクロ加工のトランスジューサアレイを製造する方法３００の要素を示す。この方法３００は、図２Ａ−２Ｌに表わされた製造プロセスの幾つかの又は全部の特徴を含む。一実施形態において、方法３００を遂行することで、トランスジューサアレイ１０６、１２６、１３６の幾つか又は全部のような１つ以上のアレイが製造される。
方法３００は、犠牲的ウェハに複数のトランスジューサ素子を形成する動作を含む。そのような動作は、３１０において、複数のトランスジューサ素子の各トランスジューサ素子について、トランスジューサ素子の圧電素子、基準電極及び信号電極を形成することを含む。これに限定されないが、例示として、信号電極（ドライブ／センス電極とも称される）は、底部電極２１２ａ、２１２ｂの１つを含む。それとは別に又はそれに加えて、基準電極は、圧電メンブレーン２１６ａ及び２１６ｂの一方の上に延びる頂部電極金属被覆２２０の一部分を含む。種々の付加的な又は代替的な電極構造体のいずれかが、異なる実施形態により、３１０において形成される。
３１０において形成される圧電素子は、対応トランスジューサ素子の基準電極と信号電極との間に配置され、トランスジューサ素子のメンブレーン部分は、圧電素子の少なくとも一部分を含む。ここで使用する「メンブレーン部分」とは、１つ以上の空洞に広がってメンブレーン部分の振動を許すトランスジューサ素子の一部分を指す。例えば、トランスジューサ素子２８６ａのメンブレーン部分は、空洞２４５ａ及び／又は空洞２８４ａに広がる（及び一実施形態では、その近傍で振動する）底部電極２１２ａ、圧電メンブレーン２１６ａ及び／又は頂部電極金属被覆２２０の各部分を含む。
複数のトランスジューサ素子の形成は、更に、３２０において、複数のトランスジューサ素子の各々に対し、トランスジューサ素子のメンブレーン部分又はその周囲に支持構造体を形成することを含む。この支持構造体は、トランスジューサ素子のメンブレーン部分から、支持構造体を少なくとも一部分通して延びる穴を画成する。例えば、第１のトランスジューサ素子は、第１の支持構造体を備え、その少なくとも一部分は、環状の断面プロフィールを有する。
幾つかの実施形態は、この点に関して限定されないが、方法３００は、複数のトランスジューサ素子を形成し、及び／又は犠牲的ウェハからその後に分離するように複数のトランスジューサ素子を準備するために付加的な処理を含む。これに限定されないが、例示として、方法３００は、更に、３３０において、複数のトランスジューサ素子に隣接するポリマー層を形成することを含む。一実施形態において、ポリマー層は、ポリイミド材料を含む。幾つかの実施形態では、そのようなポリマー層内に又はそれを通して延びる構造体を形成することを含む。例えば、ポリマー層は、複数のトランスジューサ素子の各々に対して、そのトランスジューサ素子のメンブレーン部分に隣接する各空洞（空洞２４５ａ、２４５ｂの１つのような）を形成するようにエッチングされる。それとは別に又はそれに加えて、複数のトランスジューサ素子の各電極からポリマー層を通して各々延びるビアを形成するためにメッキが行われる。
方法３００は、更に、３４０において、ポリマー層にハンドリングウェハ（ハンドリングウェハ２６５のような）を接着することを含む。３４０におけるハンドリング層の接着に続いて、犠牲的ウェハが、３５０において、複数のトランスジューサ素子から除去される（例えば、エッチング、研磨、ポリシング、等により）。幾つかの実施形態は、この点に関して限定されないが、付加的な処理（図示せず）は、複数のトランスジューサ素子に基板を接合することを含み、例えば、３５０において実行された除去により露出された複数のトランスジューサ素子の表面に基板が接合される。一実施形態において、そのような接合は、基板のくぼみを、複数のトランスジューサ素子の各メンブレーン部分に各々整列することを含む。
図４Ａは、例えば、少なくともトランスジューサ素子の単一行を各々含む圧電トランスジューサ素子の１つ以上のアレイを備えた一実施形態によるプローブ装置４００の一例を示す。そのようなトランスジューサアレイの幾つか又は全てのトランスジューサは、例えば、プローブ装置のカーブ面に沿って分散される。
図４Ａに示すように、プローブ装置４００は、遠方端４１４を有する主本体部分４１０を備え、その主本体部分４１０の長さに沿ってカーブした側部が形成される。主本体部分４１０のそのようなカーブした側部に沿ってプローブ装置４００のトランスジューサ素子の複数のアレイ４１２が様々に延び、そして一実施形態では、主本体部分４１０から半径方向に離れた方を様々に向いている。従って、アレイ４１２のトランスジューサメンブレーン構造体は、主本体部分４１０から離れた方を向いた各方向に各々様々に振動する。アレイ４１２の幾つか又は全部は、図２Ａ−２Ｌに示す特徴の幾つか又は全部を有する技術により様々に製造される。
一実施形態において、アレイ４１２は、１つ以上の二次元トランスジューサアレイを含む。各二次元トランスジューサアレイは、カーブした二次元アレイに分散された複数のトランスジューサ素子を含む。二次元アレイによりカバーされるエリアは、例えば、長方形、方形、円形、八角形、六角形、円形、等の種々の形状である。二次元アレイの振動素子は、線より成る格子（例えば、方形格子又は六角形格子）に分散されるか、又はより複雑なパターンである。二次元トランスジューサアレイの振動面は、実質的に平面内にあるが、幾つかの実施形態は、この点に関して限定されない。
プローブ装置４００のオペレータは、トランスジューサアレイ４１２のセットの振動面の方向及び位置を必要に応じて変更するように主本体部分４１０を操作する。圧電プローブ装置４００は、主本体部分４１０内の一体化ＡＳＩＣウェハ（図示せず）を任意に含むか、或いは主本体部分４１０に結合される。例えば、そのようなＡＳＩＣの外部入力接続部に接続するワイヤ１１０は、主本体部分４１０の後端から延び、そして外部装置（例えば、コントロール装置及び／又はディスプレイ装置）に接続される。
ある具現化において、アレイ４１２の幾つかの又は全てのトランスジューサ素子は、メンブレーン構造体と、該メンブレーン構造体又はその周囲に配置された、例えば支持構造体２２４ａ、２２４ｂの幾つかの又は全ての特徴を有する、リング型支持構造体とを各々備えている。この支持構造体は、その特定のトランスジューサ素子の柔軟な支持体を少なくとも一部分なす。それとは別に又はそれに加えて、そのようなアレイは、幾つかの又は全てのそのような柔軟な支持体をなすために、例えば、ポリマー層２３５の幾つかの又は全ての特徴を含めて、ポリマー材料の層を含む。そのような構造体では、例えば、トランスジューサアレイが最初に形成されたウェハからトランスジューサアレイを除去し及び／又はトランスジューサアレイを主本体部分４１０のカーブ面に適合すべく接合する動作中に、柔軟な支持体が与えられる。
図４Ｂは、一実施形態により柔軟なシート４３２に接合されるｐＭＵＴアレイ４３４を含む柔軟なＭＥＭＳ装置４３０の要素を示す。アレイ４３４は、例えば、図２Ａ−２Ｌに表わされたもののようなプロセスに基づき製造されたトランスジューサアレイの幾つか又は全ての特徴を含む。一実施形態において、アレイ４３４は、ここに例示する６個のトランスジューサ素子により表わされた複数のトランスジューサ素子を含む。アレイ４３４のトランスジューサ素子は、図示された３×２の配列で例示されたように、行及び列に分散される。
柔軟なシート４３２は、従来の柔軟なＭＥＭＳ技術から適応される種々のプラスチック材料のいずれかより成る。柔軟なシート４３２が接合されるアレイ４３４の側部は、トランスジューサメンブレーン構造体の各面を含む。一実施形態において、柔軟なシート４３２は、メンブレーン構造体の振動を許すために各メンブレーン構造体と各々整列されるくぼみ（図示せず）を形成する。
柔軟なＭＥＭＳ装置４３０は、例えば、信号線４３８を経て、アレイ４３４と信号を交換するために入力／出力（Ｉ／Ｏ）回路４３６を更に備えている。このＩ／Ｏ回路４３６は、アレイ４３４と共に動作すべき信号ソース及び／又は信号シンクに柔軟なＭＥＭＳ装置４３０を結合するために１つ以上の接触部（例えば、パッド、ボール、ピン、等）を形成する。例えば、Ｉ／Ｏ回路４３６は、アレイ４３４とドライブ／センス信号を交換するＡＳＩＣ又は他の装置（図示せず）にＭＥＭＳ装置４３０を結合する。それとは別に又はそれに加えて、Ｉ／Ｏ回路４３６は、アレイ４３４のトランスジューサメンブレーンの動作に応答してＲＦ信号を出力するために、例えば、従来のＲＦ−ＭＥＭＳアーキテクチャーから適応されるもののような種々の高周波（ＲＦ）送信回路のいずれかを含む。一実施形態において、そのような動作は、ＭＥＭＳ装置４３０が経験する、例えば、振動、温度、撓み、圧力、等を含む、状態に応答するものである。
トランスジューサアレイを形成する技術及びアーキテクチャーについて述べる。前記の記述では、説明上、幾つかの実施形態を完全に理解するために多数の特定の細部について述べた。しかしながら、当業者に明らかなように、幾つかの実施形態は、それらの細部を伴わずに実施することができる。他の点については、説明を妨げないようにするため構造体及び装置はブロック図形態で示された。
本明細書において「ある実施形態」又は「一実施形態」とは、その実施形態に関連して述べる特定の特徴、構造又は特性が本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。本明細書の種々の場所に現われる「ある実施形態では」という句は、必ずしも全てが同じ実施形態を指していない。
ここに詳述した説明の幾つかの部分は、コンピュータメモリ内のデータビットに対するオペレーションのアルゴリズム及び記号表現に関して提示される。これらアルゴリズム的記述及び表現は、コンピュータ分野の当業者が自分の仕事の実体を他の当業者に最も効果的に伝えるために使用する手段である。アルゴリズムとは、ここでは、一般的に、望ましい結果を導く自己矛盾のない一連のステップであると考えられる。それらのステップは、物理量の物理的操作を必要とする。通常、必ずしもそうでないが、それらの量は、記憶、転送、結合、比較、及びその他、操作することのできる電気的又は磁気的信号の形態をとる。主として、共通使用の理由で、それら信号をビット、値、要素、記号、文字、用語、番号、等として参照することが便利であると分かっている。
しかしながら、これら及び同様の用語は、全て、適当な物理量に関連付けられ、そしてそれらの量に適用される単なる便利な表示であることを銘記されたい。特に指示のない限り、ここでの説明から明らかなように、記述全体を通して、「処理」又は「コンピューティング」又は「計算」又は「決定」又は「表示」等の用語を使用する説明は、コンピュータシステムのレジスタ及びメモリ内の物理（電子）量として表わされたデータを、コンピュータシステムのメモリ又はレジスタ、或いは他のそのような情報記憶、伝達又は表示装置内の物理量として同様に表わされた他のデータへと操作及び変換するコンピュータシステム又は同様の電子コンピューティング装置のアクション及びプロセスを指すことが明らかである。
又、幾つかの実施形態は、ここに示すオペレーションを遂行するための装置にも関連している。この装置は、要求された目的のために特に構成されるか、又はコンピュータに記憶されたコンピュータプログラムにより選択的にアクチベートされ又は再構成される汎用コンピュータを含む。そのようなコンピュータプログラムは、これに限定されないが、フロッピーディスク、光学的ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、及び磁気−光学ディスクを含む任意の形式のディスク、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ダイナミックＲＡＭ（ＤＲＡＭ）のようなランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、磁気又は光学カード、或いは電子インストラクションを記憶するのに適していてコンピュータシステムバスに結合された任意の形式の媒体のようなコンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶される。
ここに提示されるアルゴリズム及び表示は、特定のコンピュータ又は他の装置に固有に関連していない。種々の汎用システムは、ここに示す教示によりプログラムと共に使用されるか、又は要求される方法ステップを遂行するために特殊な装置を構成するのに便利であると考えられる。種々のこれらシステムのための要求される構造は、ここでの記述から明らかである。更に、幾つかの実施形態は、特定のプログラミング言語を参照して説明されない。ここに述べるそのような実施形態の教示を具現化するのに種々のプログラミング言語が使用されることが明らかである。
ここに述べたことの他、ここに開示する実施形態及びその具現化に対して本発明の範囲から逸脱せずに種々の変更がなされる。それ故、ここに示す実施例は、単なる例示に過ぎず、それに限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲のみによって限定される。
１００：処理
１１０：ウェハ
１２０：トランスジューサ素子
１３０：ハンドリングウェハ
１４０：メンブレーン
１５０：ダイ
１６０：プリンタ
１６２：プローブ
１６４：柔軟なシート
２０２：ウェハ
２０６ａ、２０６ｂ：凸状バンプ構造体
２１０：任意の層
２１２ａ、２１２ｂ：底部電極
２１４ａ、２１４ｂ：相互接続部
２１６ａ、２１６ｂ：圧電メンブレーン
２１８：薄膜誘電体層
２２０：頂部電極金属被覆
２２２ａ、２２２ｂ：穴
２２４ａ、２２４ｂ：支持構造体
２３０ａ、２３０ｂ：犠牲的材料
２３５：ポリマー層
２４０ａ、２４０ｂ：アクセス穴
２５０ａ、２５０ｂ：ビア
２６０：接着材層
２６５：ハンドリングウェハ
２７０：アッセンブリ
２７５ａ、２７５ｂ：カーブ面部分
２８０：支持構造体
２８２：接合層
２８４ａ、２８４ｂ：空洞
２８６ａ、２８６ｂ：トランスジューサ素子
２８８ａ、２８８ｂ：貯蔵器
２９０：ＡＳＩＣ
４００：プローブ装置
４１０：主本体部分
４１２：アレイ
４１４：遠方端
４３０：柔軟なＭＥＭＳ装置
４３２：柔軟なシート
４３４：アレイ
４３６：Ｉ／Ｏ回路

Claims (20)

  1. マイクロ加工のトランスジューサアレイを備え、該トランスジューサアレイは、複数のトランスジューサ素子を含み、その各々は、
    基準電極；
    信号電極；
    前記基準電極と信号電極との間に配置された圧電素子であって、前記トランスジューサ素子のメンブレーン部分が該圧電素子の少なくとも一部分を含むような圧電素子；及び
    前記メンブレーン部分又はその周囲に配置された支持構造体であって、前記メンブレーン部分から前記支持構造体を少なくとも一部分通して延びる穴を形成する支持構造体；
    を備えている装置。
  2. 前記マイクロ加工のトランスジューサアレイは、前記複数のトランスジューサ素子に隣接するポリマー層を更に含む、請求項１に記載の装置。
  3. 前記ポリマー層は、ポリイミドを含む、請求項２に記載の装置。
  4. 前記複数のトランスジューサ素子の各々に対し、前記ポリマー層は、前記トランスジューサ素子のメンブレーン部分に隣接する各空洞を少なくとも一部分形成する、請求項２に記載の装置。
  5. 前記複数のトランスジューサ素子の各電極から前記ポリマー層を通して各々延びるビアを更に含む、請求項２に記載の装置。
  6. 前記複数のトランスジューサ素子は、第１の支持構造体を含む第１のトランスジューサ素子を備え、この第１の支持構造体の断面プロフィールは、環状である、請求項１に記載の装置。
  7. 前記複数のトランスジューサ素子に結合された犠牲的ウェハを更に備え、この犠牲的ウェハの表面は、前記複数のトランスジューサ素子の各メンブレーン部分において接合される、請求項１に記載の装置。
  8. 前記マイクロ加工のトランスジューサアレイは、前記複数のトランスジューサ素子に隣接するポリマー層を更に含み、前記装置は、前記ポリマー層に接着されたハンドリングウェハを更に備えた、請求項７に記載の装置。
  9. 前記マイクロ加工のトランスジューサアレイは、前記複数のトランスジューサ素子に結合された基板を更に含み、この基板は、前記複数のトランスジューサ素子の各メンブレーン部分に各々整列されたくぼみを含む、請求項１に記載の装置。
  10. マイクロ加工のトランスジューサアレイを製造する方法において、
    犠牲的ウェハに複数のトランスジューサ素子を形成する段階を備え、この段階は、前記複数のトランスジューサ素子の各トランスジューサ素子に対して、
    前記トランスジューサ素子の圧電素子、基準電極及び信号電極を形成し、該圧電素子は、それら基準電極と信号電極との間に配置され、そして前記トランスジューサ素子のメンブレーン部分は、その圧電素子の少なくとも一部分を含み；
    前記メンブレーン部分又はその周囲に支持構造体を形成し、この支持構造体は、前記トランスジューサ素子のメンブレーン部分から前記支持構造体を少なくとも一部分通して延びる穴を画成するものである；
    ことを含む方法。
  11. 前記複数のトランスジューサ素子に隣接するポリマー層を形成することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記ポリマー層は、ポリイミドを含む、請求項１１に記載の方法。
  13. 前記ポリマー層をエッチングして、前記複数のトランスジューサ素子の各々に対して、前記トランスジューサ素子のメンブレーン部分に隣接する各空洞を形成することを更に含む、請求項１１に記載の方法。
  14. 前記複数のトランスジューサ素子の各電極から前記ポリマー層を通して各々延びるビアを形成するようにメッキを行うことを更に含む、請求項１１に記載の方法。
  15. 前記複数のトランスジューサ素子は、第１の支持構造体を含む第１のトランスジューサ素子を備え、この第１の支持構造体の断面プロフィールは環状である、請求項１０に記載の方法。
  16. 前記複数のトランスジューサ素子から犠牲的ウェハを除去することを更に含む、請求項１０に記載の方法。
  17. 前記複数のトランスジューサ素子に隣接するポリマー層を形成し、及び
    前記ポリマー層にハンドリングウェハを接合する、
    ことを更に含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記複数のトランスジューサ素子に基板を接合することを更に含み、その基板は、前記複数のトランスジューサ素子の各メンブレーン部分に各々整列されたくぼみを含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 媒体に圧力波を発生しそして感知するシステムにおいて、
    請求項１から６のいずれかに記載の装置；
    マイクロ加工のトランスジューサアレイに結合され、少なくとも１つのドライブ／センス電極に電気的ドライブ信号を印加する発生手段；
    マイクロ加工のトランスジューサアレイに結合され、少なくとも１つのドライブ／センス電極から電気的応答信号を受信する受信手段；及び
    前記受信手段に結合され、複数のドライブ／センス電極から受信した電気的応答信号を処理する信号処理手段；
    を備えたシステム。
  20. 前記発生手段は、電気的ドライブ信号を印加して、前記複数のトランスジューサ素子の少なくとも１つの圧電素子が超音波周波数で共振するようにさせる、請求項１９に記載のシステム。
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