JP4142040B2 - 高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は一種の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法であり、特に製作費用を削減することが出来る高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法である。
超音波感知システムはいまよく使われる設備であり、構成する主な部品は超音波エネルギー転換器である。超音波エネルギー転換器の「超小型化」はいま全世界で積極的に開発しようとしているポイントのひとつである。それは「超小型化」がいい反響、ポータブルと広い応用範囲などのメリットがあるから。超音波システムは非侵襲性(Noninvasive)、即時的、ポータブルと経済の価値が多いとの長所があり、臨床医学、軍事上及び航空宇宙学の面での応用はますます広くなっている。例えば医学用の超音波画像システムはこのようなものである。
感知センサーのデザインと製作の品質は映像の良さに大きな影響を及ぼすため、この部分の仕事も超音波画像システムの技術の中心になる。今よく使われる材質は圧電材料であり、これは圧電材料の陶磁器の表面では抵抗の数量と固体とは一緒なためである。ただし、テスト物質は液体とかガスとなると抵抗の差が大きすぎるので今までよく使われる圧電材料は使えなくなって、新しい材質と技術を探さなくてはいけない。図２９は公知である昔の圧電センサーの断面図で、センサーには背部ゴム層３０で基板とする。それに発射の能率を上げるため、圧電材料層32と材質層36に間に相性層34を作る。大きい商売の利益と技術突破の要因で超音波感知システムもだんだん圧電式からマイクロコンデンサー式のエネルギー転換器に移り、もっと応用の面と特性もアップになる。
コンデンサー超音波エネルギー転換器は従来の圧電式の商品と比べると一番大きな差は超音波の転換効率がよいから。このわけで超音波のエネルギー転換器は周波数の幅が大きく、感度がよく、解像度強いと動態範囲も大きい、更に空気中でも使えるなどの長所がある。空気中で使用すると普通のコンデンサーの周波数の幅が200KHz-5KHzに対して圧電式の商品がただ50-200KHzである。周波数帯域の大きな差が自然に使い道を限定し、商品の応用できる範囲も縮まる。また、圧電式の商品の製造プロセスは高温の環境で生産するので電子式の回路とはうまく整合しない。この欠点も全体的な発展に悪い影響を与える。
コンデンサー超音波センサーの構造は平行板の機械コンデンサーに似る。それは一つ固定電極と振動的な薄膜電極で交流電圧信号を加えて薄膜を動かし超音波の振動を発生させて検査する。
1998年、Jinらは面型微加工技術で空気中と水中で使えるコンデンサー超音波センサーを作り出した。高不純物添加で表面がいい導電率もつシリコンウエーハを基材とし、まずLow Pressure-Chemical Vapor Deposition System(LPCVD)の方法により、800℃の環境で第一層の窒化物を沈積して底部の電極を保護する。それからアモルファスシリコンを犠牲層とし、ドライエッチング（dry etching）により六角形島状物を蝕刻して、それから第二層の窒化物をまた沈積して薄膜及び薄膜を支える六角のフレームも一緒に形成する。それからドライエッチングで第二層の窒化物を穴あけして75≡C以下の環境で穴を経由しpotassium hydroxideをつかってアモルファスシリコンを取り除きセンサーの室を形成する。最後は堆積した酸化ケイ素で穴を埋め、アルミでめっきしウットエッチングによりセンサー上部の電極パターンを完成する。
2002年、Cianciらは薄膜のテンションがセンサー装置に悪い影響を低減するため、低温製造技術と焼きなましの手段を発明した。それによりコンデンサー式超音波センサーを作る。具体的な方法はまずポリイミド（Polyimide）が犠牲層としてReactive Ion Etching(RIE)の方法でPolyimideをエッチングし六角形島状物を作り出す。次は六角のフレームが犠牲層の高さに達するまでに低温で一酸化ケイ素を蒸発めっきし、その六角のフレームが薄膜を支える。
それからelectron cyclotron resonance plasma-enhanced chemical vapor deposition(PECVD)の方法で380℃の環境の下に窒化珪素を沈積して薄膜のフレームとして作る。最後は510℃で十時間まで焼きなましし薄膜のプレッシャを消して軽いテンションのいい結果をさせる。センサーの上部の電極はフォトリソグラフィ工程で完成し、下部の電極はシリコンウエーハの裏にスパッタリングでつける。
但し、前の製造工程において、加工の温度と残留テンションが高すぎ、製造工程が複雑すぎ、コストが高いなどの問題も沢山ある。よって、これに関わる加工工程にあわせて前の問題を解決しなければなりません。例えば、焼きなましのやり方で残留テンションを下げて振動膜の変形と破壊などの問題を消す。ところで、今までの技術はよくSILICON BASEの材料を使って振動室を作るため、Lamb Waveの不良反応が起きる。且つ振動室と薄膜も異なる材質で作られるので熱膨張率は違い、超音波エネルギー転換器が不安定になる。
本発明の主な目的は一種の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法を提供する。また、高分子材料は安さ、簡単に加工でき、大型化できるなどのメリットがあるからこれらの特性をつかって生産コストを安くすると製作の過程も簡易にさせる目的が遂行できる。その効果を出すため、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法は以下の段階を含める、
（a） 基板を提供し、
（b） 基板の上に材料を塗って第一導体を作り、
（c） 基板に一層の犠牲層を塗り第一導体を包み、
（d） 犠牲層をエッチングし第一導体と接触する室を作り、
（e） 第一高分子基材料を基板に塗って完全に室を含め、
（f） 第一高分子基材料の上で第二導体部を作り出し、
（g） 第一高分子基材料の上で室に達する通穴を開ける、また
（h) この穴をつかって室をエッチングして室をはっきりと取り除く。
（a） 基板を提供し、
（b） 基板の上に材料を塗って第一導体を作り、
（c） 基板に一層の犠牲層を塗り第一導体を包み、
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（e） 第一高分子基材料を基板に塗って完全に室を含め、
（f） 第一高分子基材料の上で第二導体部を作り出し、
（g） 第一高分子基材料の上で室に達する通穴を開ける、また
（h) この穴をつかって室をエッチングして室をはっきりと取り除く。
もっといい方法は段階（b）でまた次のやり方を使ってする（b1）基板の上で完璧に第一導体部を塗る。
もっといい方法は段階（b1）でまた次のやり方を使ってする（b2） 第一導体部をエッチングし必要な部分だけ残す。
もっといい方法は高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法に下の段階を含める（i)第二高分子基材料で完全に第二導体部を包む。
もっといい方法は高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法に下の段階を含める（i)第二高分子基材料で完全に第二導体部を包み通穴まで埋める。
もっといい方法は第一導体部が金属で作る。
もっといい方法は第一導体部の作れる金属がスパッタリングで基板につける。
もっといい方法は第二導体部が金属で作る。
もっといい方法はf)段階で第二導体部の作れる金属がスパッタリングで第一高分子基材料につける。
もっといい方法は犠牲層も金属で作る。
もっといい方法は第一高分子基材料が微科学会社(MCC)から出産されたSU-8フォト-レジスト剤を使う。
もっといい方法は段階（b1）でまた次のやり方を使ってする（b2） 第一導体部をエッチングし必要な部分だけ残す。
もっといい方法は高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法に下の段階を含める（i)第二高分子基材料で完全に第二導体部を包む。
もっといい方法は高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法に下の段階を含める（i)第二高分子基材料で完全に第二導体部を包み通穴まで埋める。
もっといい方法は第一導体部が金属で作る。
もっといい方法は第一導体部の作れる金属がスパッタリングで基板につける。
もっといい方法は第二導体部が金属で作る。
もっといい方法はf)段階で第二導体部の作れる金属がスパッタリングで第一高分子基材料につける。
もっといい方法は犠牲層も金属で作る。
もっといい方法は第一高分子基材料が微科学会社(MCC)から出産されたSU-8フォト-レジスト剤を使う。
請求項１の発明は、一種の高分子基コンデンサー超音波転換器の製造方法は以下のステップのように、
(a) 基板を提供し、
(b) 基板の上に材料を塗って第一導体を作り、
(c) 第一高分子基材料で基板を塗り、第一導体を包み、
(d) 第一高分子基材料をエッチングし開放エリアを作り、
(e) 開放エリアで犠牲層を作り、
(f) 犠牲層を第二高分子基材料で塗り、全部の犠牲層を包み、
(g) 第二高分子基材料で犠牲層に達する通穴を開け、
(h) 第二高分子基材料で第二導体部を作り、
(I) 第三高分子基材料で第二導体部を包む、また
(j) 通穴で室をエッチングし完全に取り除くことを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法において、第一導体、第二導体部と犠牲層などがみんな金属であることを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法としている。
(a) 基板を提供し、
(b) 基板の上に材料を塗って第一導体を作り、
(c) 第一高分子基材料で基板を塗り、第一導体を包み、
(d) 第一高分子基材料をエッチングし開放エリアを作り、
(e) 開放エリアで犠牲層を作り、
(f) 犠牲層を第二高分子基材料で塗り、全部の犠牲層を包み、
(g) 第二高分子基材料で犠牲層に達する通穴を開け、
(h) 第二高分子基材料で第二導体部を作り、
(I) 第三高分子基材料で第二導体部を包む、また
(j) 通穴で室をエッチングし完全に取り除くことを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法としている。
請求項２の発明は、請求項１記載の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法において、第一導体、第二導体部と犠牲層などがみんな金属であることを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法としている。
本発明の主な目的は一種の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法を提供する。また、高分子材料は安く、簡単に加工でき、大型化できるなどのメリットがあるからこれらの特性をつかって生産コストを安くすると製作の過程も簡易にさせる目的が遂行できる。
図１から図９までは高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法フローチャートでこれも第一実施例と表す。
図１で基板10を提供し基板10の上に導体部12をおく。
図２で導体部12はエッチングされ、必要な形に作られる。
次は図３のように犠牲層14が基板10に塗られて第一導体部12を包む。
次に図４のように犠牲層14をエッチングし第一導体部12に連結する室16だけ残す。
図５に示すのは基板10に高分子基材料18をぬり、室16を完全に包むのである。
図６に示すのは高分子基材料18でもう一つ導体部20を形成するのである。
図７に示すのは高分子基材料18で室16に達する通穴22を開け、本実施例の中では二つの通穴を開けるが、実際はひとつでも複数の穴でも開けるとは自由である。つぎに図８に示すのは通穴22を経由し室16をウエットエッチングにより全部の室を取り除くのである。
この段階まで本発明の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器は大体完成になる。もちろん、図９のように導体部12と20がほこりと水分と錆びを防ぐためにまたもう一つ高分子基材料24で導体部20を完全につつみ、通穴22まで埋めることができる。
図２で導体部12はエッチングされ、必要な形に作られる。
次は図３のように犠牲層14が基板10に塗られて第一導体部12を包む。
次に図４のように犠牲層14をエッチングし第一導体部12に連結する室16だけ残す。
図５に示すのは基板10に高分子基材料18をぬり、室16を完全に包むのである。
図６に示すのは高分子基材料18でもう一つ導体部20を形成するのである。
図７に示すのは高分子基材料18で室16に達する通穴22を開け、本実施例の中では二つの通穴を開けるが、実際はひとつでも複数の穴でも開けるとは自由である。つぎに図８に示すのは通穴22を経由し室16をウエットエッチングにより全部の室を取り除くのである。
この段階まで本発明の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器は大体完成になる。もちろん、図９のように導体部12と20がほこりと水分と錆びを防ぐためにまたもう一つ高分子基材料24で導体部20を完全につつみ、通穴22まで埋めることができる。
図１０から図１６までは本発明の第二実施例であり、本発明高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法のフローチャートである。
図１０に示すように基板10を提供し基板10の上に導体部12を置く。
図１１に示すように導体部12で室16を作る。
次に図１２のように導体部12で高分子基材料18を塗り、完全に室16を包む。
それから図１３示すように高分子基材料18でもう一つ導体部20を作る。
図１４に示すように高分子基材料18の上で室16までの通穴22をあける。
本実施例は二つ通穴を開け、もちろん一つ或いは複数の穴を開けるのも自由である。次に図１５に示すのは通孔22で室16をウットエッチングし室16を全部取り除くのである。
また、前述第一実施例のように導体部12と20はほこりと水分と錆びを防ぐため、さらに高分子基材料26でしっかり導体部20を包むことができる。図１６に示すのは適切な高分子基材料２６の選択により該高分子基材料26で導体部20を塗ると高分子基材料26の横の粘着力は垂直の重力より強いので高分子基材料26が垂れない。よって通穴22は埋まらない。
図１１に示すように導体部12で室16を作る。
次に図１２のように導体部12で高分子基材料18を塗り、完全に室16を包む。
それから図１３示すように高分子基材料18でもう一つ導体部20を作る。
図１４に示すように高分子基材料18の上で室16までの通穴22をあける。
本実施例は二つ通穴を開け、もちろん一つ或いは複数の穴を開けるのも自由である。次に図１５に示すのは通孔22で室16をウットエッチングし室16を全部取り除くのである。
また、前述第一実施例のように導体部12と20はほこりと水分と錆びを防ぐため、さらに高分子基材料26でしっかり導体部20を包むことができる。図１６に示すのは適切な高分子基材料２６の選択により該高分子基材料26で導体部20を塗ると高分子基材料26の横の粘着力は垂直の重力より強いので高分子基材料26が垂れない。よって通穴22は埋まらない。
図１７から図２８まで示すのは高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法のフローチャートであり、本発明の第三実施例を表す。本実施例ではいろいろな室の隙の厚みが異なる高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器を作り出すのである。
図１７に示すのは基板40を提供し、基板の上に導体部42を作るのである。
図１８に示すのは導体部42を高分子基材料44で塗り完全に導体部42を包むのである。
図１９に示すのは高分子基材料44をエッチングし、開放エリア46aと46bを形成するのである。
また図２０に示すように、開放エリア46aと46bで犠牲層48a、48bを形成するのである。
図２１に示すようにフォト-レジスト50ですべての分子基材料44と犠牲層48a、48bをぬりつつむ。
フォト-レジスト50をとり、図２２に示すようにただ犠牲層48a、48bの上にある部分のフォト-レジスト50を残す。
図２３に示すのは犠牲層48bを厚くし続けるのである。
それから図２４のように全部のフォト-レジスト50を取り除き、高分子基材料44で犠牲層48a、48bをぬ り完全に犠牲層48a、48bを包むのである。
図２５に示すのは高分子基材料44において、それぞれ犠牲層48aと犠牲層48bに到達する通穴52a、52bを設けるのである。
図２６に示すように高分子基材料44において、犠牲層48a、48bに相応する導体部54aと導体部54bを形成する。
次は図２７に示すように高分子基材料44で導体部54a、54bを包む。
最後は図２８に示すように通穴52aと52bを経って犠牲層48a、48bをエッチングし、完全に犠牲層48a、48bを取り除く。
以上の段階が終わって、室の隙の厚み（発射素子と受信素子として）が異なる高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器を得ることができる。
図１８に示すのは導体部42を高分子基材料44で塗り完全に導体部42を包むのである。
図１９に示すのは高分子基材料44をエッチングし、開放エリア46aと46bを形成するのである。
また図２０に示すように、開放エリア46aと46bで犠牲層48a、48bを形成するのである。
図２１に示すようにフォト-レジスト50ですべての分子基材料44と犠牲層48a、48bをぬりつつむ。
フォト-レジスト50をとり、図２２に示すようにただ犠牲層48a、48bの上にある部分のフォト-レジスト50を残す。
図２３に示すのは犠牲層48bを厚くし続けるのである。
それから図２４のように全部のフォト-レジスト50を取り除き、高分子基材料44で犠牲層48a、48bをぬ り完全に犠牲層48a、48bを包むのである。
図２５に示すのは高分子基材料44において、それぞれ犠牲層48aと犠牲層48bに到達する通穴52a、52bを設けるのである。
図２６に示すように高分子基材料44において、犠牲層48a、48bに相応する導体部54aと導体部54bを形成する。
次は図２７に示すように高分子基材料44で導体部54a、54bを包む。
最後は図２８に示すように通穴52aと52bを経って犠牲層48a、48bをエッチングし、完全に犠牲層48a、48bを取り除く。
以上の段階が終わって、室の隙の厚み（発射素子と受信素子として）が異なる高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器を得ることができる。
本発明の中で基板はシリコンウエーハであり、導体部は基板と高分子基材料において、スパッタリングの技術で構成される。また、該犠牲層も金属、例えば銅で作られる。且つ該高分子基材料も微化学会社(MCC)が生産するSU-8フォト-レジスト剤を使用することもできる。
前述の説明から分かるように、本発明の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器は高分子材料の安さと容易に加工し、大型化できるなどのメリット且つ高分子の低温加工技術を用い、従来の技術のコスト高い製造過程と高温で製作することを避けることができるから相性層の加工も優しくする。それにより作り出すエネルギー転換器は高い性能と高い方向性という特性を持ち、感度と動態的な検査範囲を向上する以外、医学画像と非破壊性検査、移動、流量、液面の検査などの領域もよく使えて抜群な競争力を持つ商品となる。
10 基板
12 導体部
14 犠牲層
16 室
18 高分子基材料
20 導体部
22 通穴
24 高分子基材料
26 高分子基材料
30 背部ゴム層
32 圧電材料層
34 相性層
36 材質層
40 基板
42 導体部
44 高分子基材料
46a 開放エリア
46b 開放エリア
48a 犠牲層
48b 犠牲層
50 フォト-レジスト
52a 通穴
52b 通穴
54a 導体部
54b 導体部
12 導体部
14 犠牲層
16 室
18 高分子基材料
20 導体部
22 通穴
24 高分子基材料
26 高分子基材料
30 背部ゴム層
32 圧電材料層
34 相性層
36 材質層
40 基板
42 導体部
44 高分子基材料
46a 開放エリア
46b 開放エリア
48a 犠牲層
48b 犠牲層
50 フォト-レジスト
52a 通穴
52b 通穴
54a 導体部
54b 導体部
Claims (2)
- 一種の高分子基コンデンサー超音波転換器の製造方法は以下のステップのように、
(a) 基板を提供し、
(b) 基板の上に材料を塗って第一導体を作り、
(c) 第一高分子基材料で基板を塗り、第一導体を包み、
(d) 第一高分子基材料をエッチングし開放エリアを作り、
(e) 開放エリアで犠牲層を作り、
(f) 犠牲層を第二高分子基材料で塗り、全部の犠牲層を包み、
(g) 第二高分子基材料で犠牲層に達する通穴を開け、
(h) 第二高分子基材料で第二導体部を作り、
(I) 第三高分子基材料で第二導体部を包む、また
(j) 通穴で室をエッチングし完全に取り除くことを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法。 - 請求項１記載の高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法において、第一導体、第二導体部と犠牲層などがみんな金属であることを特徴とする、高分子基コンデンサー超音波エネルギー転換器の製造方法。
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