JP2021511219A - 微細機械加工素子のアレイを含むデバイスを設計及び製造するためのプロセス、そのようなプロセスの最後に得られるデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、それぞれが可撓性膜を含む複数の微細機械加工素子を含むデバイスを設計するための設計プロセスに関し、素子は決定されたトポロジーで平面内に配置され、設計プロセスは、素子が、特性が事前に確立されている複数のキャビティ（２４）を有する汎用基板（２０）と互換性のある特性を有するように、決定されたトポロジーを規定するステップを含み、微細機械加工素子の各可撓性膜が、汎用基板（２０）の１つのキャビティ（２４）に関連付けられている。本発明はまた、複数の微細機械加工素子を含むデバイスを製造するための製造プロセス及びこのデバイス自体に関し、１つのキャビティ（２４）と１つの可撓性膜から形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみが機能的な微細機械加工素子のセットを形成するように構成されている。【選択図】 図２ｃ

Description

本発明は、平面内に配置された微細機械加工素子のアレイを含むデバイスに関する。本発明は、詳細には、微細機械加工超音波トランスデューサのアレイを実装する任意の音響デバイスに関する。これらのトランスデューサは、圧電性又は容量性の性質のものであってもよい。本発明は、例えば、超音波イメージングの分野に適用可能である。

文献（Ｄ１）Ｌｕ． Ｙｉｐｅｎｇ、Ｄａｖｉｄ Ａ．Ｈｏｒｓｌｅｙ、「Ｍｏｄｅｌｉｎｇ， ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ， ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｒｒａｙｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｃａｖｉｔｙ ＳＯＩ ｗａｆｅｒｓ．」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２４．４（２０１５）：１１４２−１１４９は、微細機械加工超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が、キャビティに張り出した膜から形成されており、この膜が低い音響インピーダンス、及び音響波が伝搬する空気又は別の流体への良好な結合を有することを想起させる。受信モードでは、音響波の影響下での膜の湾曲が電気信号に変換される。放射モードでは、音響波を生成するために、電気信号が膜を湾曲させる。

文献米国特許出願公開第２０１３０２７０９６７号、同第２０１４０２１９０６３号、及び同第２０１７０１２８９８３号は、ＭＵＴデバイス及びその製造プロセスの他の例を提供している。

ＭＵＴ技術は、例えばイメージング分野に適用可能な音響デバイスを設計することを可能にし、多くの利点、特に、信号調整電子機器との一体化の容易性、低消費電力、広い通過帯域、及び平面内に配置されたトランスデューサの広範囲にわたるアレイを製造することができる容易性を有する。

本文献は、これらのトランスデューサが膜の活性化のメカニズムに応じて２つのカテゴリに分類される可能性があることも想起させる。

１つの断面が図１ａに概略的に示されている容量性ＭＵＴは、２つの電極１ａ、１ｂを有し、一方は膜２上に配置され、もう一方は膜が張り出したキャビティ３の底部によって全体的に形成されている。したがって、この第２の電極は、キャビティ３が載置されたキャリア４上に作製された単一のコンタクト１ｂにあってもよい。これらの２つの電極は、コンデンサを形成し、その静電容量は、膜の屈曲の程度に依存する。

１つの断面が図１ｂに概略的に示されている圧電性ＭＵＴも、圧電材料の層５の両側に、膜２上に配置された２つの電極１ａ、１ｂを有する。このタイプのデバイスでは、圧電材料の層５は、膜２を湾曲させるために、又はその湾曲を追跡するために膜３に結合されている。

音響デバイスが使用するＭＵＴのタイプがどのようなものであっても、文献（Ｄ２）Ｅｒｇｕｎ，Ａｒｉｆ Ｓ．，Ｇｏｋｓｅｎ Ｇ．Ｙａｒａｌｉｏｇｌｕ、及びＢｕｔｒｕｓ Ｔ．Ｋｈｕｒｉ−Ｙａｋｕｂ，「Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ：Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ａｅｒｏｓｐａｃｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ １６．２（２００３）：７６−８４．によく示されているように、前記ＭＵＴは、平面内に及び決定されたトポロジーで全体的に配置されている。

「トポロジー」とは、本出願の文脈においては、各トランスデューサの幾何学形状、特に、キャビティ及びキャビティが含む関連付けられた膜の形状と寸法（幅、長さ又は直径、深さ）、並びに音響デバイスを形成するトランスデューサの平面内の分布を意味する。

トランスデューサの複数のブロックｂ１、ｂ２を含む例示的なトポロジーが、図１ｃに極めて概略的に示されており、ブロックは、ブロック離隔距離ｐ２（２つのブロックｂ１、ｂ２の相対する縁部に、向かい合って配置された２つのトランスデューサの中心間で測定される）によって互いに分離されている。デバイスは、１個のそのようなブロック、又は実際には、例えば約１０〜１００ミクロンの距離ｐ２だけ互いに分離された数１００個のそのようなブロックを含むことができる。例えば、トランスデューサを調整回路に接続することを可能にするコンタクト、トラック、又は他の要素は、各ブロック間の利用可能な空間に全体的に配置されている。各ブロックは、決定された幅及び長さ（これらの各寸法のトランスデューサの数で表すことができる）を有し、全体的に規則的に分布したトランスデューサｔの２Ｄ（２次元）アレイを表す。１つのブロックは、数１０００個のトランスデューサを含む場合がある。各トランスデューサは、典型的には１ミクロン〜１００ミクロンに含まれる決定された離隔距離ｐ１だけ、隣り合うトランスデューサから分離されている。各トランスデューサは、図示する例では、円形の形状及び（数ミクロン〜数百ミクロンの）直径ｄを有するキャビティに張り出した膜を備える。トポロジーは、キャビティの深さによっても規定され、キャビティの深さは、１ミクロン以下〜数１０ミクロン以上であってもよい。

音響デバイスの設計は、一般に、用いられるトポロジーを正確に規定する必要があり、すなわちトランスデューサのブロックの数と寸法、ブロック離隔距離、ブロック内部のトランスデューサの配置（例えば、２つのトランスデューサ間の距離が指定されているマトリックスアレイの形態での）、各トランスデューサのキャビティの寸法と形状などを正確に規定する必要がある。これらの設計パラメータは、音響デバイスの期待される性能及び機能性によって、ある程度決定される。音響デバイスのすべてのトランスデューサ又はトランスデューサのすべてのブロックが、すべて同じ寸法又は単一のレイアウトを有する必要はない。

文献Ｄ１は、トランスデューサがアナログ及びデジタル信号調整電気回路に対して同時に、後で、又は別個に製造されるかどうかに応じて、ＭＵＴに基づいて音響デバイスを製造するいくつかの方法があることも想起させる。したがって、この文献は、トランスデューサが調整回路とは別個に製造される音響デバイスを製造するための簡略化されたプロセスを提案している。このプロセスは、基板にあらかじめ形成されたキャビティを利用して、使用する必要があるフォトリソグラフィマスクレベルの数を制限する。

この手法は、魅力的であるが、音響デバイスの設計に費やされる労力の一部は、基板の製造業者が担う必要があることを意味する。具体的には、基板の製造業者は、デバイスのために選択されたトポロジーを正確に有するキャビティを含む基板を設計及び製造することが可能でなければならない。しかしながら、デバイストポロジーは、デバイス製造業者が一般的には漏らしたくない貴重な機密情報であることが多い。

加えて、基板製造業者は、各トポロジーに特有の基板製造プロセスを開発しなければならない。これを行うために必要な労力は、音響デバイスの迅速且つ経済的な開発をより困難にする。

したがって、広範囲の音響デバイスの製造において役立つことができ、したがって、各音響デバイスに対して、特定の基板製造プロセスのその場限りの開発を必要としないキャビティを含む基板を提供することができることが望ましいであろう。

これらの目的の１つを達成するために、本発明の１つの主題は、それぞれが可撓性膜を含む複数の微細機械加工素子を含むデバイスを設計するための設計プロセスであり、素子は、決定されたトポロジーで平面内に配置されている。本設計プロセスは、特性が事前に確立された複数のキャビティを有する汎用基板と互換性のある特性を有するように、決定されたトポロジーを規定するステップを含み、微細機械加工素子の各可撓性膜は、汎用基板の１つのキャビティに関連付けられている。

したがって、デバイスのトポロジーを設定する設計ルールは、その膜が汎用基板の複数のキャビティと位置合わせされるように規定される。したがって、デバイスのトポロジー用に設計された１つの特定の基板を開発する必要がない。

本発明の他の有利で非限定的な特徴によると、本発明は、単独で、又は技術的に実現可能な任意の組合せで実施することができる。すなわち、
トポロジーを規定するステップでは、汎用基板は、汎用基板のグループから選択され、これらの基板は、基板を互いに区別する事前に確立された特性を有し、
規定するステップは、汎用基板を汎用基板のグループから選択するステップを含み、それにより、決定されたトポロジーが所望のトポロジーに可能な限り類似するように規定され、
設計プロセスには、膜の厚さを規定することも含まれ、
決定されたトポロジーを規定するステップは、
素子の膜の寸法及び形状を選択して、前記寸法及び形状が汎用基板の複数のキャビティの形状に対応するようにするステップと、
デバイスがこの基板と位置合わせされているときに、微細機械加工素子の膜がすべて汎用基板の複数のキャビティに対して垂直になるように、平面内の微細機械加工素子の膜の配置を選択するステップと、にあり、
汎用基板の複数のキャビティの配置は規則的で、基板のすべての範囲をカバーし、
微細機械加工素子は、マイクロミラー又は微細機械加工音響トランスデューサ若しくは超音波トランスデューサであり、
汎用基板は、サイズ及び／又は形状がすべて同じではない複数のキャビティを有する。

別の態様によると、本発明は、汎用基板を用意するステップを含む、設計された音響デバイスを製造するための製造プロセスを提案する。

より一般的には、本発明は、複数の微細機械加工素子を含むデバイスを製造するための製造プロセスを提案し、本プロセスは、
キャリア上に配置された表面層を含む汎用基板を用意するステップであり、キャリアの主面が表面に現れた複数のキャビティを有し、表面層の部分が複数のキャビティに張り出して複数のキャビティに関連付けられた複数の可撓性膜を形成する、ステップと、
１つのキャビティ及び１つの膜から形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみを処理して、少なくとも１つの機能的な微細機械加工素子と、その膜の動きを電気信号に、又はその逆に変換することができない少なくとも１つの残りのペアと、を形成する少なくとも１つのステップと、
を含む。

単独で、又は技術的に実現可能な組合せで実施することができる本製造プロセスの他の有利で非限定的な特徴によると、
処理ステップは、膜及び／又はキャビティを除去するステップも含み、
処理ステップは、膜及び／又はキャビティを無力化するステップも含み、
少なくとも１つの処理ステップは、キャビティと膜の複数のペアのうちの一部のペアのみを接続するように構成された導電性要素のアレイを生成するステップを含み、
導電性要素のアレイの生成は、複数のキャビティの一部のキャビティのみに対して垂直に電極を形成するステップを含み、
本プロセスは、複数の可撓性膜の厚さを調整するステップを含み、
汎用基板は、キャリアの主面と表面層との間に中間層を含み、
本プロセスは、表面層に少なくとも１つの第１の電極を堆積させるステップを含み、
本プロセスは、少なくとも第１の電極に圧電層を堆積させるステップを含み、
本プロセスは、圧電層に第２の電極を堆積させるステップを含む。

最後に、本発明は、キャリア及びキャリア上に配置された表面層を備えるデバイスを提案し、キャリアの主面が表面に現れた複数のキャビティを有し、表面層の部分が複数のキャビティに張り出して複数のキャビティに関連付けられた複数の可撓性膜を形成し、１つのキャビティ及び１つの可撓性膜から形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみが機能的な微細機械加工素子のセットを形成するように構成され、少なくとも１つの残りのペアは、その膜の動きを電気信号に、又はその逆に変換することができない。

単独で、又は技術的に実現可能な組合せで実施することができる本デバイスの他の有利で非限定的な特徴によると、
本デバイスは、キャビティと膜の複数のペアのうちの一部のペアのみを接続するように構成された導電性要素のアレイを備え、
微細機械加工素子は、マイクロミラー又は微細機械加工音響トランスデューサ若しくは超音波トランスデューサである。

本発明の他の特徴及び利点は、本発明の以下の詳細な説明から明らかになり、その説明は添付の図面を参照して与えられる。

容量性ＭＵＴを示す図である。 圧電性ＭＵＴを示す図である。 従来技術の音響デバイスのトポロジーを示す図である。 本発明による汎用基板の一例の概略断面図である。 本発明による汎用基板の一例の概略上面図である。 本発明による汎用基板の一例の概略上面図である。

非常に一般的に、本発明は、一方では、複数の膜が張り出した複数のキャビティを有する汎用基板（又はそのような汎用基板のグループ）を提案する。他方では、本発明は、デバイス、特に音響デバイスのための設計ルールを規定して、デバイスをそのような汎用基板から製造することができるようにすることを目的とする。汎用基板の少なくともある特定の膜及びキャビティは、音響デバイスのトランスデューサなどの機能的な微細機械加工素子を形成することが意図されている。したがって、基板製造業者は、特定の顧客の要求事項に製造プロセスを調整する必要なしに、基板を大量に、より低コストで提供することができる。これらの設計ルールを尊重するデバイス製造業者、特に音響デバイスの製造業者は、製品の機密性が往々にして高い特性を共有することなく、基板を仕入れることができる。

「キャビティ」とは、本出願の文脈では、基板に形成された任意のボイドを意味する。このボイドは、完全に閉じられ、又は気密に閉じられている必要はない。

「膜」又は「可撓性膜」とは、基板のボイドの上方に縣架された任意の構造を意味する。これは、任意の形状を有することができ、例えば、仕切り又は梁を形成する。縣架された構造の周囲は、基板に完全に又は部分的に接合されていてもよい。これはまた、１つ又は複数の足部を介して基板に接合されてもよい。構造を基板に接合する方法がどのようなものであっても、少なくともこの構造の一部は、少なくとも１つの移動の自由度を有し、構造を可撓性にしている。

汎用基板
したがって、一態様によると、本発明は、複数のキャビティを含む汎用基板２０を規定することを提案する。一例が図２ａに断面で概略的に示され、図２ｂで上方から見られるような、そのような汎用基板２０は、キャリア２１及びキャリア上に配置された表面層２３を含むことができる。この汎用基板は、キャリアの主面と表面層との間に中間層２２を含むこともできる。キャリア２１は、その主面に開口する表面に現れた複数のキャビティ２４を含む。キャリア２１の複数のキャビティ２４に張り出した表面層２３の部分は、可撓性膜を形成する。

汎用基板２０は、「接合及び薄膜化」タイプのプロセスを使用して非常に容易に製造することができる。このようなプロセスは、キャリア２１を用意し、このキャリア２１の主面に、例えばウェットエッチング又はドライエッチングによって、必要に応じて、エッチングから保護されるゾーンをマスクするように、又はエッチングされるゾーンを開けるように、キャリア２１の主面にあらかじめ堆積させたレジストをパターニングするためのフォトリソグラフィステップを使用して複数のキャビティ２４を形成するステップを含む。

本プロセスは、ドナー基板を用意するステップ、及びこれをキャリア２１に接合して、表面に現れた複数のキャビティ２４を覆うステップを含むこともできる。キャリア２１及び／又はドナー基板は、基板２０の埋め込み中間層２２を形成するために接合されることが意図されているその平面上に、層、例えば誘電体層をあらかじめ備えていてもよい。キャリア２１上に形成される１つ又は複数の層は、表面に現れた複数のキャビティ２４がこのキャリアの表面にエッチングされる前に又は後に堆積させることができる。したがって、これらの層は、一変形形態によると、これらのキャビティを規定する壁を被覆することができる。

次のステップで、ドナー基板は薄膜化され、これは、場合によっては、機械的に、化学的に、又は例えば、ヘリウム及び／又は水素などのガス種を注入することによってドナー基板にあらかじめ形成された脆弱化面を有する破断面によって行われる。表面層２３は、１００ｎｍ〜数１０ミクロン、又はさらには数１００ミクロンの厚さを有することができる。

ある特定の場合には、接合ステップは、例えば、決定された真空圧及び／又は特定の気体の性質を有するように、雰囲気が制御されている接合チャンバで実行されてもよい。したがって、キャビティに存在する雰囲気、特にその真空レベル及び／又はキャビティを充填するガスの性質が制御される。

接合ステップは、分子接合を用いるのが好ましく、すなわち、キャリア２４及びドナー基板の清浄で滑らかな接合面が、接着剤の塗布を必要とせずにファンデルワールス力又は共有力を介して互いに接着するのが好ましい。接着力は、温度が１００℃〜１０００℃以上に含まれることがある熱処理によって強化することができ、又はその組み立て前に、接触を行うために必要な表面のプラズマ又は化学処理によって促進することができる。

このプロセスの変形形態が想定されてもよい。例として、そしてそれ自体知られているように、複数のキャビティ２４は、ドナー基板とキャリアを接合するステップ、及びドナー基板を薄膜化するステップに続いて形成することができる。微細機械加工デバイスの製造の分野で進行する一般的な方法の１つは、これらのキャビティ２４がエッチングされたシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）基板の使用に基づく。シリコン及び埋め込み絶縁体を選択的にエッチングして、ＳＯＩ基板の埋め込み絶縁体２２に複数のキャビティ２４を生成することができる特性を利用する。任意選択で、複数のキャビティ２４を選択的にエッチングすることを可能にした開孔部は、特に複数のキャビティをしっかりと密閉するために、キャビティの形成後に塞がれてもよい。

入手可能性及びコストの理由から、キャリア２１及びドナー基板は、シリコンウエハから構成されているのが有利である。したがって、それらは、直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ、又はそれ以上であってもよい円形のウエハであってもよい。しかしながら、それらは、他の材料のウエハであってもよく、又はウエハ以外の形態の任意の材料であってもよい。ドナー基板の材料は、場合によっては、表面層２３、特に複数のキャビティ２４に張り出して複数の膜を形成するこの層の部分が、決定された剛性を有し、これらの膜が応力下に置かれたときにこれらの膜の湾曲を制御することができるように特に選択される。同様に、複数の膜の剛性を変更するように、任意の中間層２２の性質を選択することが場合によっては可能である。表面層２３をキャリア２１から電気的に絶縁するために、誘電体（例えば、二酸化ケイ素又は窒化ケイ素）から中間層を形成することを選択することも可能である。

キャビティの位置を正確に知ることを可能にし、トランスデューサ、又はより一般的には微細機械加工素子の製造を完了するのに必要な電極及びその他の層をこれらのキャビティ２４と完全に整列して配置し、したがって前記素子を機能させることができるように、位置合わせマークを表面層２３に又は汎用基板２０の側面に配置することが可能である。

基板２０は、基板の範囲にわたる複数のキャビティの形状、寸法、及び配置が、１つの特定の製品又は１つの特定の用途に特有ではないという汎用的な特徴を有する。

したがって、図２ｂの例に示すように、汎用基板は、基板２０の全範囲にわたって均一に分布し、すべてが同じ形状及び同じ寸法を有する複数のキャビティ２４を含むことができる。「基板の全範囲」という表現は、基板の主面の少なくとも１つの中心領域を意味すると理解され、これは、場合によってはこの領域の周辺のゾーンを除外する。本例では、すべてのキャビティは、基板の平面内で円形の形状を有し、４０μｍに等しい直径であり、０．２μｍの深さであり、グリッドの交点に均一に分布しており、その母線は、互いに垂直である。キャビティの中心を隣り合う他のキャビティの中心から隔てる距離は、１００μｍに等しい。

図２ｃは、汎用基板２０の第２の例の上面図を示す。この第２の例では、キャビティ２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、グループで配置され、キャビティのグループは、基板２０の表面にわたって均一に分布している。キャビティの各グループは、図示する例では、互いに近接して配置され、２０μｍ、４０μｍ、及び６０μｍの直径をそれぞれ有する円形形状の３つのキャビティ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを含む。基板２０のその他のパラメータは、第１の例と同じである。

より一般的には、汎用基板は、複数のグループのキャビティを有することができ、キャビティの各グループは、異なる特性（形状、寸法など）を有する。キャビティのグループは、基板の表面の別個のゾーンに配置されてもよく、又は対照的に、各グループのキャビティは、互いに並んで配置されてもよい。キャビティの各グループは、所定の機能を有する１つの微細機械加工素子を形成することが意図されていてもよい。例として、キャビティの第１のグループは、そのキャビティを放射トランスデューサの形成に特に適したものにするキャビティ特性を有することができ、キャビティの第２のグループは、そのキャビティを受信トランスデューサの形成に特に適したものにするキャビティ特性を有することができる。第２の例示的な実施形態では、キャビティの第１のグループは、そのキャビティを低周波トランスデューサの形成に特に適したものにするキャビティ特性を有することができ、キャビティの第２のグループは、そのキャビティを高周波トランスデューサの形成に特に適したものにするキャビティ特性を有することができる。

本発明の文脈において、複数のタイプの汎用基板２０を用意することを想定することが可能である。例えば、図２ａ及び図２ｂの例でモデル化されたタイプの汎用基板のタイプの集合体を作成することが可能であってもよく、これについては、複数のキャビティ２４の直径は、５μｍ、２０μｍ、４０μｍ、及び６０μｍとなるように選択される。

より一般的には、集合体の基板のタイプは、それらを互いに区別する事前に確立された特性を有する。

汎用基板２０のタイプのそれぞれは、複数のキャビティ２４のサイズ、及び接触して配置される領域の相対的な範囲を考慮に入れるように調整されなければならない特定の製造プロセスを必要とする。しかしながら、集合体が形成される汎用基板の数は、限られているため、どのタイプの基板が必要とされるかに応じてこれらのプロセスをあらかじめ規定し、これらのプロセスを実施することは、比較的簡単である。

もちろん、本発明は、汎用基板２０の提示された例のみに決して限定されない。異なる形状、例えば、正方形、長方形、又はさらには六角形の形状、或いはキャリアの表面に異なる深さ又は異なる配置を有する複数のキャビティを想定することが可能である。この配置が規則的であること、又はこの配置が汎用基板の全範囲をカバーすることは、特に必要ではないが、このことは、特に有利であり、デバイスの設計中に制約を制限することを可能にする。

いずれの場合も、本発明により、特性が正確に事前に規定された、限定された数（例えば、１、３、１０、又は２０）のタイプの汎用基板を確立することが可能である。

音響デバイスを設計するための設計プロセス
別の態様によると、本発明は、微細機械加工素子を含むデバイスを設計するための設計プロセスを提案する。以下に記載される例では、機能的な微細機械加工素子は、微細機械加工超音波トランスデューサであり、デバイスは、音響デバイスである。このプロセスは、デバイスのモデルを確立して、それに続いて汎用基板にデバイスを製造できるようにすることを目的とする。補足的に、本プロセスは、汎用基板から音響デバイスを製造するために実施されなければならない様々なステップを確立することもできる。もちろん、設計プロセスは、トランスデューサの選択された容量性又は圧電性の性質を考慮に入れる。

見てきたように、そのようなトランスデューサは、気密に閉じられ、制御された雰囲気を含むことができる複数のキャビティに張り出した複数の可撓性膜と、膜及び／又は複数のキャビティの両側に配置された２つの電極と、を含む。さらに、トランスデューサの電極は、その他の方法で配置されてもよい。具体的には、１つのキャビティ／１つの関連付けられた可撓性膜から構成され、隣り合って分布して、１つ又は複数のトランスデューサを形成するペアのグループは、前記グループの端部に配置された単一ペアの電極によってアドレスされてもよい。これらの電極を異なるように配置することを想定すること、例えば、特に膜が圧電材料を含む場合、膜の所与の面上で電極を互いにかみ合わせることも可能である。トランスデューサはすべて、１つの平面内に及び所定のトポロジーで分布する。明確にするために、平面内のトランスデューサの形状及び寸法は、このトランスデューサを形成する膜の形状及び寸法に正確に対応すると考えられる。

音響デバイスの設計は、複数のトランスデューサ、すなわち、それぞれが１つの可撓性膜を含む複数の微細機械加工素子の所定のトポロジーが規定されるステップを含む。したがって、これは、対象とする応用分野及びデバイスから期待される性能のレベルに応じて、トランスデューサのブロックの数と寸法、各ブロックのトランスデューサの分布、２つの隣り合うブロックを隔てる距離、及び各ブロックの内部にある各トランスデューサの形状と寸法を規定することの問題であってもよい。

本発明によると、この規定するステップは、規定されるトポロジーが汎用基板と互換性のある特性、すなわち、微細機械加工素子の複数の可撓性膜が汎用基板の複数のキャビティと関連付けられ得るトポロジーを有するように実行される。換言すると、この規定するステップは、トポロジーと汎用基板との互換性を保証する一連の設計ルールを考慮に入れた、選択されたトポロジーを必要とする。したがって、プロセスの最後に、設計された音響デバイスがそのような汎用基板から製造され得ることが保証される。

したがって、このステップでは、トランスデューサの膜の形状と寸法（直径、長さ、幅、及び／又は深さ）が実際に汎用基板の複数のキャビティの形状と寸法に対応することを確実にするように注意が払われる。

また、トポロジーの平面内のトランスデューサの配置が、汎用基板の表面に投影されると、各トランスデューサが複数のキャビティに対して垂直に配置され得るようなものとなることを確実にするように注意が払われる。しかしながら、汎用基板のすべてのキャビティが１つのトランスデューサに対応する必要はなく、汎用基板のある特定のキャビティは、場合によっては音響デバイスでは使用されない。

したがって、汎用基板が、図２ｃに示される汎用基板の第２の例の場合のように、様々な寸法のグループ化された複数のキャビティを含む場合、音響デバイスのトポロジーは、場合によっては、１つの特定の寸法の複数のキャビティのみが使用されるように規定される。或いは、前述の例で説明したように、場合によっては、複数のキャビティのグループを使用して、異なる特性を有するトランスデューサを形成することが可能である。

例として、後者のルールでは、以下のことが必要になる場合がある。

トランスデューサの各ブロックでは、トランスデューサが平面内に均一に分布し、母線が互いに垂直なグリッドのノードに配置される。

２つの隣り合うブロックを隔てる距離が２つのトランスデューサを隔てる距離の倍数に相当する。

したがって、この分布は、図２を参照して説明したタイプの汎用基板、すなわち、複数のキャビティが基板の平面内に均一に分布している基板と非互換性ではないことが保証される。

もちろん、設計プロセスは、このトポロジー規定ステップに限定されるものではない。設計プロセスには、膜の厚さの規定、各ブロックにおける電極の幾何学的形状と引き回しの規定、これらのブロックの周りの電気的コンタクトのゾーンの規定、及び微細機械加工素子を機能させ、音響デバイスの完全なモデルを作成するために従来実施されている任意の他の設計ステップなどの、他のステップが含まれる。

決定されたトポロジーは、設計されているプロセス中のデバイスの機能分析から直接生じる可能性のある所望のトポロジーとは異なってもよい。例えば、トランスデューサのキャビティが汎用基板のキャビティの形状と寸法に対応するように、これらのキャビティが有することが必要とされる寸法と形状は、膜の共振周波数と設計プロセスの第１のステップにおいて所望された周波数との間の不一致を引き起こす可能性がある。

この不一致の影響を制限するために、本発明によるプロセスは、設計されているプロセス中の音響デバイスのある特定のパラメータを調整するステップを含むことができる。もちろん、この調整ステップは、トポロジーと汎用基板との互換性を問題としないパラメータのみに関係することができる。本発明によるプロセスは、音響デバイスを製造するためのプロセスに、デバイスのある特定のパラメータをその製造中に調整するための補足的なステップの導入を可能にする場合もある。

例として、デバイスの製造中に膜の厚さを変更し、したがってトランスデューサの共振周波数を調整することを想定することが可能である。したがって、汎用基板のために使用されなければならなかったキャビティの形状及び／又は寸法に関連するあらゆる周波数の不一致を補償することが可能である。この調整は、厚膜化又は薄膜化することによって、特定の１つのトランスデューサの膜、トランスデューサの１つのグループ、又は音響デバイスのすべてのトランスデューサに対して行うことができる。厚膜化する層の材料は、膜の動的挙動に及ぼす材料の影響のために選択することができる。

不一致の影響を制限するために、場合によっては、設計選択空間にわたって十分に分布した十分な数の異なる汎用基板を提供することも可能であってもよい。この場合、任意の所望のトポロジーについて、音響デバイスの性能及び機能性への影響を最小限に抑えるために、所望のトポロジーに十分に近い決定されたトポロジーを必要とする汎用基板があってもよい。

音響デバイスを設計するための設計プロセスは、当然、計算手段によって実施される。これらの手段は、例えば、所望のトポロジーから決定されたトポロジーを自動的に決定することによって、決定されたトポロジーの規定を容易にするように構成されてもよい。これを行うために、プロセスは、利用可能な計算手段を介して、１つ又は複数の汎用基板の事前設定された特性にアクセスする必要がある。

汎用基板の集合体又はグループが利用可能な場合、プロセスは、そのグループのうちの最も適切な汎用基板を検索して選択し、所望のトポロジーに最も類似する決定されたトポロジー、すなわち、デバイスの機能性及び／又は性能に与える影響を最小限に抑えるトポロジーを提案することができる。

音響デバイスを製造するための製造プロセス
別の態様によると、本発明は、音響デバイスを製造するための製造プロセス、及びこのプロセスを使用して製造されたデバイスにも関する。上述したように、本製造プロセスの少なくともある特定のステップは、少なくともそれらの主要なパラメータに関して、設計プロセス自体の間に規定されていてもよい。

製造プロセスは、設計プロセスにおいて、汎用基板のグループから選択された汎用基板の例を提供するステップを含む。通常、複数のデバイスが、ウエハスケール処理を使用して汎用基板に製造されることがある。汎用基板は、特性が事前に確立されている複数のキャビティを有し、複数のキャビティはそれぞれ、キャビティに張り出す可撓性膜に関連付けられていることが想起されるであろう。

本明細書のこの態様によると、製造プロセスは、１つの膜及び１つのキャビティから形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみを活性化又は非活性化して、少なくとも１つの機能的な微細機械加工素子と、機能しない、すなわちその膜の動きを電気信号に変換することができない、又はその逆を行うことができない少なくとも１つの残りのペアと、を形成する少なくとも１つの処理ステップを含む。

これらの処理ステップのうちのある特定の処理ステップは、トランスデューサを形成するのに必要とされるように、トポロジーにおいて指定された汎用基板の膜でのみ実行される。上記で見られたように、したがって、処理ステップが、汎用基板に存在するすべてのキャビティから形成されたトランスデューサをもたらす必要はない。したがって、再び図１ｃを参照すると、トランスデューサの２つの隣り合うブロックを分離するゾーンは、これらの処理ステップのうちのある特定の処理ステップでは処理されないが、これらのゾーンは、汎用基板の複数のキャビティに張り出している。

換言すると、製造プロセスでは、汎用基板の１つのキャビティと１つの膜から形成された複数のペアのうちのある特定のペアが活性化され、機能的な微細機械加工素子、すなわち、膜の動きを電気信号に相互に変換することができる素子が形成される。したがって、１つ又は複数の不活性化又は非活性化された残りのキャビティと膜のペアは、音響デバイスによって使用されない。

したがって、一実施形態では、汎用基板の残りのキャビティと膜のペア、すなわち設計段階で選択されていないペアが除去される。この除去は、関連付けられたキャビティと膜のアセンブリが完全に又は部分的にエッチング除去される処理ステップを介して達成することができる。

別の実施形態では、汎用基板の残りのキャビティと膜のペア、すなわち設計段階で選択されていないペアは、必ずしもその痕跡を消滅させることなく無力化される。そのような無力化は、処理ステップを介して達成されてもよく、複数の形態をとることがあり、すなわち、可撓性膜がブロックされたり、相互接続の配線が遮断されたり、共振周波数に対する動作点がシフトしたり、さらには膜が穿孔されたりする場合などがある。

１つの処理ステップは、複数のキャビティに張り出した複数の膜の厚さを調整するために、表面層の厚さを調整するステップを含むこともできる。複数の膜の調整された厚さは、表面層を厚膜化又は薄膜化することによって得ることができる。この薄膜化又は厚膜化は、ゾーンの薄膜化及び／又は厚膜化を規定することができるようにする従来のフォトリソグラフィ技術を使用して、１つの特定のトランスデューサ又は１つのグループのトランスデューサの面上で、或いはデバイスのすべての膜上で局所的に実行することができる。薄膜化は、好ましくは、エッチングステップ、すなわち、溶液中の化学エッチング、ガス若しくはプラズマ化学エッチング、犠牲酸化、又はイオンビームスパッタリングによる物理エッチングを介して達成される。厚膜化は、好ましくは、膜を最初に形成したものと同じ材料、一般的にはシリコンの堆積によって達成される。堆積させた層は、エピタキシの問題である場合、単結晶であってもよい。しかしながら、この層はまた、多結晶又は非晶質であってもよい。最終的な結果として、異種の縣架された構造を生成するように、他の材料、例えば、単結晶シリコンからなる初期の膜にＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、又は金属を堆積させたものを使用することも可能である。厚膜化は、元のシリコン膜の厚さの一部をＳｉＯ_２に変換することによる酸化によっても達成することができ、この酸化は、層を膨潤させる効果を伴い、この効果は、当業者によく知られており、よく特徴付けられている。厚さの他の変動及び調整は、音響デバイスを製造するための製造プロセスのいくつかのステップで、例えば、圧電層の形成中、又は電極の製造中でさえ生じる傾向がある。

処理ステップは、ある特定のキャビティと膜のペアを電気的に接続し、対応する微細機械加工素子を機能させるように構成された導電性要素のアレイを生成するステップを含むこともできる。導電性要素のアレイの生成は、電極を、特に、複数のキャビティの一部のキャビティのみに対して垂直に形成するステップを含むことができる。

用いられるトランスデューサが容量性であるか圧電性であるかに応じて、製造プロセスは、トランスデューサの製造を完了するのに必要な他の処理ステップを含む。

したがって、処理ステップは、表面層に少なくとも１つの第１の電極を堆積させるステップと、圧電トランスデューサの場合は、第１の電極に圧電層を堆積させるステップと、圧電層に第２の電極を堆積させるステップと、を含むことができる。

容量性トランスデューサの場合は、第２の電極をキャリア上に配置することできるようにするために、開孔部を生成することが必要な場合がある。

製造プロセスの最後に、キャリアと、キャリアの主面に配置された表面層と、を含む音響デバイスが得られる。キャリアは、表面に現れた複数のキャビティを有し、複数のキャビティに張り出した表面層の部分が、複数のキャビティに関連付けられた複数の可撓性膜を形成する。汎用基板の１つのキャビティと１つの可撓性膜から形成された複数のペアのうちの一部のペアのみが、機能的な微細機械加工素子、すなわち、膜の動きを電気信号に相互に変換することができる素子のセットを形成するように構成される。

上記で見られたように、活性化されていない汎用基板のキャビティ及び／又は膜、例えばトランスデューサの２つのブロックを分離するゾーンに配置されたものは、保存されてもよく、無力化されてもよく、或いは、例えば表面層、中間層が存在する場合は中間層、又はさらにはキャリアの一部分をウェットエッチング若しくはドライエッチングすることによって除去されてもよい。したがって、活性化されていない可撓性膜とそれらが張り出したキャビティが除去される。

基板のある特定の利用されていないゾーンであるが、それにもかかわらずキャビティを含むゾーンを基板のダイシングのためのストリートとして使用して、汎用基板のウエハスケール処理によって製造されたデバイスを個片化することも可能である。

もちろん、本発明は、記載された実施形態に限定されず、例及び変形形態は、特許請求の範囲によって規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく、本発明から提供され得る。

本発明は、特に、微細機械加工超音波トランスデューサを含む音響デバイスの設計又は製造に限定されない。

本発明は、例えば、超音波周波数範囲以外の周波数範囲で動作することができるトランスデューサの問題であってもよい。したがって、スピーカ又はマイクロホンアレイの形成を想定することが可能である。その場合、各トランスデューサは、個別に、又はひとまとめにアドレスされてもよく、これは、忠実度の高い音響又は指向性音響の分野において特に有利である。

本発明は、より一般的には、平面内に又は特定のトポロジーでアレイに配置され、処理されて機能的な微細機械加工素子を形成することができる膜又は他の縣架された構造を使用する複数の微細機械加工素子を含む任意のデバイスに適用可能である。

したがって、本発明は、例えば、制御可能な可動マイクロミラーのアレイを形成することを目的とした反射ゾーンを規定する微小機械加工素子の問題であってもよい。そのようなマイクロシステムは、光線を形成することを目的として製造されてもよく、そのようなシステムは、新しい投影システム、スクリーン、及び遠隔認識システムを可能にする。この場合、汎用基板の可撓性膜がマイクロミラーのキャリアを形成し、これらのマイクロミラーは、それらが設計段階で決定されたトポロジーで機能化された後に、移動可能且つ制御可能になる。この場合のキャビティは、マイクロミラーが上下動することを可能にするために、基板に生成されたボイドに対応する。マイクロミラーは、いくつかの方法で、すなわち、その外周部の全体又は一部を介して、単一の中央足部を介して、又は対照的に複数の分布した足部を介して固定されてもよい。マイクロミラーの一部のみの活性化又は対照的に非活性化は、多くの方法で、すなわち、選択エッチングによる簡単な除去によって、阻止点をそれぞれ除去又は形成することによるマイクロミラーを解放又は対照的に阻止することによって、マイクロミラーに反射層を形成又は対照的に除去することによって、マイクロミラーに吸収層を形成又は対照的に除去することによって達成することができる。

Claims (13)

1. 複数の微細機械加工素子を備えるデバイスを製造するための製造プロセスであって、
   キャリア上に配置された表面層（２３）を含む汎用基板（２０）を用意するステップであって、前記キャリア（２１）の主面が表面に現れた複数のキャビティ（２４）を有し、前記表面層の部分が前記複数のキャビティに張り出して前記複数のキャビティ（２４）に関連付けられた複数の可撓性膜を形成する、ステップと、
   １つの膜と１つのキャビティから形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみを処理して、少なくとも１つの機能的な微細機械加工素子と、その膜の動きを電気信号に、又はその逆に変換することができない少なくとも１つの残りのペアと、を形成する少なくとも１つのステップと、
   を含む、製造プロセス。
2. 前記処理ステップが膜及び／又はキャビティを除去するステップを含む、請求項１に記載の製造プロセス。
3. 前記処理ステップが、膜及び／又はキャビティを無力化するステップを含む、請求項１又は２に記載の製造プロセス。
4. 少なくとも１つの処理ステップが、前記キャビティと膜の複数のペアのうちの一部のペアのみを接続するように構成された導電性要素のアレイを生成するステップを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造プロセス。
5. 前記導電性要素のアレイの前記生成が、前記複数のキャビティの一部のキャビティのみに対して電極を垂直に形成するステップを含む、請求項４に記載の製造プロセス。
6. 前記複数の可撓性膜の厚さを調整するステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造プロセス。
7. 前記汎用基板（２０）が、前記キャリア（２１）の前記主面と前記表面層（２３）との間に中間層（２２）も含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の製造プロセス。
8. 前記表面層（２３）に少なくとも１つの第１の電極を堆積させるステップを含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の製造プロセス。
9. 前記第１の電極に少なくとも圧電層を堆積させるステップを含む、請求項８に記載の製造プロセス。
10. 前記圧電層に第２の電極を堆積させるステップを含む、請求項９に記載の製造プロセス。
11. キャリア（２１）及び前記キャリア上に配置された表面層（２３）を含むデバイスであって、前記キャリア（２１）の主面が表面に現れた複数のキャビティ（２４）を有し、前記表面層の部分が前記複数のキャビティに張り出して前記複数のキャビティ（２４）に関連付けられた複数の可撓性膜を形成し、１つのキャビティ（２４）と１つの可撓性膜から形成された複数のペアのうちのある特定のペアのみが機能的な微細機械加工素子のセットを形成するように構成され、少なくとも１つの残りのペアがその膜の動きを電気信号に、又はその逆に変換することができない、デバイス。
12. 前記キャビティと膜の複数のペアのうちの一部のペアのみを接続するように構成された導電性要素のアレイを含む、請求項１１に記載のデバイス。
13. 前記微細機械加工素子が、マイクロミラー、又は微細機械加工音響トランスデューサ若しくは超音波トランスデューサである、請求項１１又は１２に記載のデバイス。

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