JP3924466B2 - ウェーハ貫通バイア接続を有する容量性ミクロ機械加工超音波振動子素子のアレー - Google Patents

ウェーハ貫通バイア接続を有する容量性ミクロ機械加工超音波振動子素子のアレー Download PDF

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Description

【０００１】
国庫補助援
本発明は、米国海軍省海軍研究事務所から与えられた契約番号第Ｎ０００１４−９８−１−０６３４号、及び、第Ｎ００１４−９６−１−１０９９号の下での国庫補助により行われたものである。本発明に対して米国政府は一定の権利を有する。
関連出願
本出願は、１９９９年９月３０日に出願された米国特許仮出願シリアル番号第６０／１５８、２５４号に対して優先権を主張する。
【０００２】
（技術分野）
本発明は、一般に、個々のアレー素子への電気接続がアレー素子を形成したウェーハを通って延びるバイアを通じて行われる、ミクロ機械加工された容量性超音波振動子アレーに関する。
【０００３】
（背景技術）
容量性ミクロ機械加工超音波振動子（ｃＭＵＴ）は、圧電振動子の魅力的な代替品として登場してきており、振動子性能の最適化のほか製造及び電子的集積化の容易さに対して、より大きなパラメータセットを提供する。ミクロ機械加工超音波振動子の製造及び作動については、多くの文献及び特許に記載されてきた。例えば、本明細書において引用により援用されている米国特許第５、６１９、４７６号、第５、８７０、３５１号、及び、第５、８９４、４５２号には、窒化シリコン、酸化シリコン、及び、ポリアミドなどの絶縁性支持体によって薄膜が基板上方に支持される、容量性超音波振動子の製法が記載されている。この支持体は、各薄膜の縁部に係合してセルを形成する。基板と薄膜表面上の導電フィルムとの間に印加される電圧は、セル薄膜を振動させて音波を放射させる。液体に浸された振動子の作動をもたらすために、薄膜は密封することができる。振動子は、通常、同じ又は異なる大きさ及び／又は形状の複数のセルを含む。作動状態において、多重セル振動子素子は、アレー形に配置され、素子の電気的励起は、目標とするビームパターンをもたらすように制御される。
振動子には、振動子が形成されるウェーハの裏側から制御電圧を加える必要がある。これは、１つ又は複数の半導体チップに包含された画像処理エレクトロニクスにｃＭＵＴアレーを集積化させたい場合には特に当てはまる。
【０００４】
（発明の開示）
本発明の目的は、駆動電圧が支持ウェーハ又は基板を通して、及び、支持ウェーハ又は基板上に形成されたバイアを通してアレー素子電極に印加されるｃＭＵＴアレーを提供することである。
本発明の別の目的は、１つ又は複数の画像処理チップに容易に集積化させることができるｃＭＵＴアレーを提供することである。
本発明においては、アレーの個々の素子へ、及び、別のチップ又はウェーハに形成された画像処理エレクトロニクスに集積化できるｃＭＵＴアレーへのウェーハ貫通バイア接続を含むｃＭＵＴアレーが提供される。
【０００５】
（発明を実施するための最良の形態）
容量性ミクロ機械加工超音波振動子アレー１１は、図１に示されている。このアレーは、基板１４上に支持された多重セル１３を各々が含み得る多くの個別の振動子素子１２を含む。一例として、セル１３は、図示のような正方形、又は、円形、矩形、六角形などが可能である。多重セルは、一般的に振動子素子１２を形成するために採用され、多重の振動子素子は、アレー形に配列される。アレー素子のセルを選択的に励起することにより、アレー素子は、超音波を発することになる。アレーの素子を選択的に励起することにより、超音波のパターンを制御することができる。アレー素子に印加される電圧の位相を制御することにより、このパターン又は区域を電気的に走査することができる。本発明により、振動子素子１２の電極（図示されていない）への電気接続は、ウェーハ又は基板１４に形成されたバイア（通路）を通して行われる。
【０００６】
一般的な容量性ミクロ機械加工超音波振動子（ｃＭＵＴ）アレーの２つの振動子素子１２の１つともう１つの部分との拡大断面図が図２に示されている。このｃＭＵＴアレーは、上部及び下部酸化シリコン層１７及び１８を備えたシリコン基板又はウェーハ１４を含む。ウェーハ１４は、酸化シリコン層１９に対して貫通バイア１６を形成するように処理される。導電ポリシリコンの層２１( 第２の電極 )は、貫通バイアの壁に沿って延び、また、上部酸化シリコン層１７の表面の一部分及び底部酸化物層１８の部分上に延びる。窒化シリコン層２２は、ポリシリコン層の上面を覆って延びる。第２の窒化シリコン層２３は、第１の層と係合して薄膜２６を有するセル２４を形成するように形作られる。振動子セルのための上部接点を準備するために、窒化シリコン層２３の表面上に導電金属層２７（第１の電極）が形成される。この金属層は、シリコン窒化物層、ポリシリコン層、及び、酸化物層に形成された開口部２８を通って下方に延び、シリコンウェーハ１４に電気接続をもたらす。ポリシリコン層２１上に金属接点２９が形成され、シリコンウェーハに対しては金属接点３１が作られる。その結果、薄膜２６の下にある上部ポリシリコン層に亘って、貫通バイア１６に形成されたポリシリコン層を通じて電圧を印加することができ、金属接点３１によりウェーハを通って上部金属層への電気接続が達成される。その結果、次に、励起電圧を各振動子素子の薄膜に個別に印加することができ、薄膜を振動させて超音波を発生させる。ここで説明された超音波振動子アレーにより、ウェーハの底部から多重セル振動子素子までの作動電圧の接続が可能となり、接続の容易性をもたらす。更に、個々の振動子素子に対して適切な励起電圧を準備する信号処理エレクトロニクスの全てを含む集積回路又は他の半導体回路であり得る信号処理チップ３２に超音波アレーを結合又は接続する特別な設計を次に用いることができる。振動子アレーは、作動エレクトロニクスを含む１つ又は複数の関連半導体チップに半田バンプ３３によって接続されてもよい。
【０００７】
アレーの素子の各々に対して容量性超音波振動子セルを形成する段階は、一般的に図３．１から図３．８に示されている。図３．１を参照すると、シリコンウェーハ１４は、処理されて酸化シリコン層１７及び１８を形成する。次に、ウェーハ底部への図３．２のフォトレジスト３４の塗布、及び、バイア１６を形成するための選択的エッチングが続く。バイアの壁には酸化物層１９が形成される。次に、フォトレジストが除去され、ポリシリコン層２１は、堆積してエッチングされ、バイアの壁に沿って、また、上部酸化シリコン層１７及び下部酸化シリコン層１８上に位置する。次に、図３．４に示されるように、ポリシリコン層２１上に重なる窒化シリコン層２２の堆積が続く。次にこれに続いて、この上面にアモルファスシリコン層が形成され、図３．４の複数のアイランドを形成するためにこのアモルファスシリコン層がエッチングされる。この段階に別の窒化シリコン層２３の堆積が続き、この層は、下方に延びて窒化シリコン層２２と接触し、アモルファスシリコンアイランド３６の各々を取り囲む。この段階に続いて、次に図３．５の窒化シリコン層に穴３７を形成するためにマスキング及びエッチングが行われ、また、アモルファスシリコン材料を除去するためにエッチングされて窒化シリコン支持体３８によって支持された薄膜２６を有するセル２４を形成する。これに図３．６の薄膜の穴又は開口部３７を密封するための薄い窒化シリコン層３９の塗布が続く。密封されたセル２４が真空排気されるように、層３９は真空条件下で塗布される。次に、下層のシリコンウェーハ１４を露出するために窒化シリコンを通って開口部をエッチングし、その後金属フィルム２７を堆積することにより、各振動子素子１２の薄膜のための上部接点が形成される。これは図３．７に示されている。図３．７はまた、アセンブリの底部にドライフィルムフォトレジスト４１を塗布する段階と、それに続いて、ウェーハ１４への接続をもたらす金属接点２８のエッチング及び堆積の段階を示す。フォトレジストが除去されて、ポリシリコン２１上に接点２９が形成される。最後に図３．８において、アセンブリは、適切な半田バンプ３３又は他の集積回路接続技術によって１つの処理チップ３２に装着することができ、一体構造を形成する。上部金属電極２６は、ウェーハを通じて地電位に接続され、上部ポリシリコン層１９は、バイアを通じて励起電圧に接続される。印加電圧によって薄膜は振動する。
【０００８】
図４は、薄膜５１がその縁部を酸化シリコン５３によってウェーハ５２の上方に支持される本発明の別の実施形態を示し、該酸化シリコンは、下部壁としてウェーハ、及び、上部壁として薄膜５４を有するセル５４の壁を形成する。バイア５６は、絶縁酸化物層５６を含む。金属フィルム５７（第１の電極）は、セル５４の上部電極を形成し、ウェーハの底部まで酸化物層５６上をバイアの下方に延びる。接点５９は、第２の電極を形成する上面へのウェーハを通る電気接続を形成する。作動電圧は、金属フィルム及びウェーハを通じて振動子セル電極に印加される。
すなわち、セル又は素子電極に印加された作動電圧が支持ウェーハ及びバイアを通じて振動子の底部から印加されるミクロ機械加工超音波振動子アレーが説明された。
【０００９】
本発明の特定実施形態の以上の記述は、例証及び説明の目的で呈示されたものである。それらは、網羅的であったり又は本発明を開示された正確な形態に制限するつもりはなく、上述の開示事項の観点から、多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。本発明の原理及びその実用的な用途を最も良く説明して、それにより、他の同業者が本発明と意図する特定の使用に適する様々な変更を有する様々な実施形態とを最も良く利用できるようにするために、本実施形態が選ばれて説明された。本発明の範囲は特許請求範囲及びその同等事項によって規定されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明を具体化するｃＭＵＴアレーの一部分の概略全体図である。
【図２】 １つの素子とウェーハ貫通バイア接続を有する第２の素子の一部とを示す、ｃＭＵＴアレーの拡大部分の断面図である。
【図３．１】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．２】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．３】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．４】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．５】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．６】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．７】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図３．８】 図２の振動子アレーを形成する段階を示す図３．１から図３．８のうちの１つである。
【図４】 本発明の別の実施形態を示す断面図である。

Claims (5)

  1. ウェーハの一方の表面上に形成され、薄膜（２６、５４）とその薄膜に重なる金属層を備えた第１の電極（２７、５７）とを有する振動子セル（１３）を含む、複数のｃＭＵＴ（容量性ミクロ機械加工超音波振動子）素子（１２）と、
    前記第１の電極（２７、５７）から薄膜（２６、５４）を挟んで間隔を空けて置かれた第２の電極（２１、５２）と、
    前記ウェーハの反対側の表面から前記電極の一方（２１、５７）に接続するために前記ウェーハを通って延びる通路（１６、５５）と、
    前記ウェーハを通って電極の他方（２７、５２）に接続する手段と、
    を含むことを特徴とする超音波振動子アレー(１１）。
  2. 基板（１４）と、
    前記基板の表面に形成された各々が薄膜（２６、５４）を備える複数のセル（１３）であって、前記基板が前記セル薄膜を励起する電極（２７、５７）と薄膜から間隔を空けて置かれた別の電極（２１、５２）とを有し、それにより前記電極間で電圧を印加できるようにした複数のセルと、
    を含み、
    前記基板を通って前記電極の一方（２７、５２）に電気接続が行われ、前記基板を通って延びる通路に形成された導電体を通って前記他方の電極（２１、５７）に電気接続が行われる、
    ことを特徴とする超音波振動子素子。
  3. 前記電極の一方（５２）は、前記基板の上面であることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子素子。
  4. 前記電極の一方は、ポリシリコン層であり、
    前記通路を通る前記電気接続は、ポリシリコンである、
    ことを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子素子。
  5. 前記通路を通る前記電気接続は、金属性であることを特徴とする請求項２に記載の超音波振動子素子。
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