JP4531980B2 - 容量性超音波変換器を製造する方法 - Google Patents

Description

【０００１】
本発明は、マイクロメカニカルデバイス、詳細には、変換器、特に超音波変換器に関する。「変換器」という用語は、あるシステムから他のシステムへ、同じ形態または異なる形態で、エネルギーを伝達するあらゆるデバイスを包含するものとする。例えば、音響エネルギー、超音波エネルギー、または加速力を、たわみ可能な膜またはプレートの運動に変換する、音響もしくは超音波変換器、または加速度計は、その規定範囲内にあると見なされ、電気エネルギーを運動に変換するアクチュエータもまたそうである。しかしながら、超音波変換器−検出器および放出装置、特に変換器のアレイは、特に関心のある対象であり、変換器自体の種類を形成するものである。本発明はまた、微細加工技術として記述可能な技術を用いて製造されたデバイス（センサおよびアクチュエータを含む）にも関する。
【０００２】
マイクロメカニカルデバイスの一例として、超音波変換器が挙げられる。共振キャビティ上に、形成された電極を有する膜、および第２の電極が形成される固定された基板を備えている、超音波変換器が存在することが知られている。通常、膜は、基板に適用する半導体材料（二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ポリシリコンなどの）の予め形成された平面シートから形成される。
【０００３】
膜は、入射超音波との接触によってたわむ。膜の運動は、入射超音波を検出するのに使用可能な電極間のキャパシタンスによって異なる。
【０００４】
膜に用いる材料と関連する、比較的高い固有の剛性のために、高いＱ値（高Ｑ）を有するが、半導体膜を有する超音波変換器は十分に動作する。
【０００５】
高Ｑが望ましくない環境がある。例えば、医療用撮像、誘導、位置決め、および構造検査（例えば製品の）の際には、広帯域幅、低Ｑの超音波検出器が必要である。高Ｑ、狭い帯域幅の超音波検出器は、この目的に適していないことがある。
【０００６】
膜としてＰＣＢポリマーシートを基板上に付着させることにより変換器を製造する場合、低Ｑ、広帯域幅の変換器を達成することが可能であると、Ｄ．Ｗ．Ｓｃｈｎｉｄｅｌ およびＤ．Ａ．Ｈｕｔｃｈｉｎｓの論文「Ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃｓ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ ａｎｄ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ」，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ，ｖｏｌ．４２，Ｎｏ．１，１９９５年１月に報告されている。そのような変換器を製造するこの方法は、歩留まりが低く、再現可能な結果が得られない。同様の特性または同じ特性を有する複数の変換器を生産することが困難である。シリコン基板にポリマーシートを接合するのは容易ではない。不十分な接合部分がない均一な接合を得ることは困難である。シリコン基板へのポリマーシートの接合のむらによって、デバイスの性能にばらつきが生じる。さらに、接合プロセスは、シリコンが組み込まれたデバイスを製造する業者に知られているステップではなく、したがって、そのようなデバイスの製造に使用する既存の処理設備を転換するのは容易なことではない。それは、大量生産に関して、繰り返し可能でなく、また制御可能でなく、または適していない。それは、標準ＩＣ製造技術、例えばＣＭＯＳと適合性がない。
【０００７】
第１の態様によれば、本発明は、可動ポリマー部材が取り付けられている基板、および可動ポリマー膜と基板との間に画定された単一のチャンバを備えている超音波検出器装置または超音波放出装置であって、チャンバ領域の可動ポリマー膜および基板がそれぞれ電気コンタクトパッドを有し、電気コンタクトパッド間の相対的な移動が入射超音波を示すか、または超音波を発生させるような構成である超音波検出器装置または超音波放出装置を提供する。
【０００８】
第２の態様によれば、本発明は、それぞれの変換器が半導体基板および可動ポリマー膜を備えており、可動ポリマー膜と基板との間にチャンバが画定されており、チャンバを画定する基板および可動ポリマー膜の領域に結合された電気パッドを有する変換器のアレイを含む。
【０００９】
第３の態様によれば、本発明は、基板に犠牲材料を適用することと、犠牲層および基板の少なくとも一部の上にポリマーコーティングを適用することと、犠牲材料の少なくとも一部を除去し、可動部材を画定するポリマーコーティングの一部を残すこととを含む超音波変換器を製造する方法であって、可動部材が単一のキャビティの一部を画定し、ポリマーが流動状態で適用される方法を提供する。
【００１０】
犠牲材料を除去することによって形成されるスペースを覆う、たわみ性のある平面ポリマー膜を有する、マイクロホンとして使用する変換器を開示するＷＯ９７／１９５７２を検索の結果見出した。この文献では、移動しない厚い剛性の膜および薄い可動膜を用い、チャンバを画定することが全体的に示されている。この文献では、シリコン基板上にＳｉＯ_２絶縁層を用いず（ｐ．２、最後の段落を参照）、その代わりに、異なる絶縁層（例えば、ポリイミド）を用いる。主に、この文献は、より低い、薄い膜が移動できるよう裏面のシリコン中にホールを有する（または、より低い膜が移動できるよう薄くした裏面を有する）変換器に関するものである。電気コンタクトとして金（またはＣｒＡｕ）を用いることが示されている。ＷＯ９７／１９５７２には、ＣＭＯＳなどのＩＣ製造技術に適すると記載されているが、電気コンタクトに金を用いると、特にクリーンルーム内での、望ましくない電気回路または製造装置の汚染の危険性が増大する可能性があると考えられる。この文献では、その文献の図２および図３の変換器は、触覚、接触、または圧力センサなどの全体の作動装置にもまた適しており、図２のセンサ（図３ではない）は、加速度センサとして適していると提案されている。
【００１１】
ＷＯ９７／１９５７２は、超音波変換器または超音波の検出方法、または超音波撮像、伝導される超音波を構造的に用いる構造の超音波テストに関するものではないことを留意されたい。ＷＯ９７／１９５７２では、変換器（超音波または他のもの）のアレイ製造については開示されていない。
【００１２】
実質的に、ポリマーコーティングは、犠牲材料全体に適用することが好ましい。実質的に、犠牲材料全体を除去することが望ましい。可動部材は、たわみ可能および／または変形可能である。可動部材は膜を含んでもよい。
【００１３】
可動部材は、超音波変換器の膜を画定することが好ましい。代替方法として、可動部材は、変位可能なマス（例えば、加速度計のプレート）を画定する。
【００１４】
したがって、材料の実質的に剛性のシートを基板に貼り付けて膜を形成する、Ｓｃｈｎｉｄｅｌ他による論文の手法と比較すると、本発明の膜の材料は、適用状態において高い流動性がある（例えば、液体である）。したがって、ポリマーが適用後に硬化させるため、別の接着剤を必要とせず、部材または膜をそれ自体、基板に付着させることが可能である。ＷＯ９７／１９５７２は、超音波変換器に関するものではない。
【００１５】
したがって、方法は、基板上に犠牲材料層を設けることと、キャビティ／可動部材の形状を画定する際に助けとなるよう犠牲材料を用ることと、ポリマー部材および基板によって画定されるキャビティの形状が確定された後、犠牲材料を除去することとを含む。超音波変換器の製造または変換器のアレイ、または一般の半導体基板（例えば、シリコン）に該方法を用いることができる。
【００１６】
方法は、ポリマー材料が少なくとも一部分硬化した後、キャビティ（またはアレイの場合の複数のキャビティ）内の犠牲材料の一部またはすべてを溶解する、そうでなければ除去することを含む。実質的にポリマー材料が完全に硬化した後、犠牲材料を除去することが好ましい。
【００１７】
したがって、方法は、好ましくはシリコンまたはガリウムヒ素などの半導体材料である基板上に犠牲材料層を適用することと、犠牲材料層を形成し、外形が作られた領域を作ることとを含む。犠牲材料の突起が、基板から離れて広がって生じ、または犠牲材料で充填される基板にくぼみが設けられる。犠牲層部分は、ポリマー材料を適用する前に完全に除去し、ポリマー材料が、部分的に直接基板（例えば、シリコンまたはＳｉＯ_２などの絶縁体で覆われたシリコン）に接触し、ポリマー材料が適用される他の部分では犠牲材料を覆うようにすることが好ましい。犠牲材料のアイランドが生じることもある。
【００１８】
犠牲層は、表面微細加工技術を用いて形成することできる。例えば、エッチング技術（例えば、ウェットまたはドライエッチング）と共にフォトリソグラフィマスク技術、例えば、光、Ｘ線、電子ビーム技術を用いて、あるいは他の適切な直接除去技術、例えばレーザまたは集束イオンビームによって形成することができる。
【００１９】
表面微細加工技術は、半導体デバイス製造／ＩＣ製造でよく知られている。既存の表面微細加工を行うのに用いられる大部分の装置および技術は、超小型電子回路（例えば、ＣＭＯＳ技術）を製造するのに使用するものに基づいている。既存の商用半導体デバイス製造工場内で、標準の微細加工技術および可能な限り多くの一般的な材料を用いて、変換器を製造することが好ましい。提案されたプロセスは、低温プロセス（約４００℃以下）であり、既存の電子工学技術、例えばＣＭＯＳと適合性がある。
【００２０】
表面微細加工によって、より制御可能な方法で、および超音波変換器を製造する他の技術よりも高い歩留まりで、ポリマー膜超音波変換器を製造することが可能である。さらに、それによって、チップ／シリコン（または他の基板）上に変換器（超音波変換器であることもある）のアレイを製造することが可能である。さらに、製造されたポリマー膜超音波変換器（またはアレイ）は、基板に接合されたＰＣＢシートを有する手作業で製造された変換器よりも、半導体デバイスのＣＭＯＳおよびバイポーラの大量生産に適合性がある。質量、厚さ、サイズおよび形状、および剛性を含むポリマー部材の特性を、容易に制御することが可能である。これにより、それに続く変換器の特性を制御することになる。
【００２１】
方法は、基板、キャビティ、および膜の寸法が予め決められれば、以下の追加の段階を含んでもよい。第１に、底部コンタクトパッド材料（例えば、金属）を、基板（例えば、シリコン上のＳｉＯ_２薄層）上に付着させる。次に、底部コンタクトパッドマスクを用いて、変換器（例えば、超音波変換器）の底部コンタクトパッドを画定する領域、およびエッチングプロセス（または他の除去プロセス）を用いて除去されたマスクを取り囲む材料を特定する。底部コンタクトパッド材料は、スパッタリングまたは他の粒子付着方法によって適用される。底部パッドは、コンデンサの１つの電極を形成し、金属でもよい。代替方法としては、底部コンタクトパッド材料を、マスクを通して付着させてもよい。
【００２２】
そのような層が既に存在しない場合には、半導体表面を電気絶縁する前段階を、例えば、シリコン基板用の二酸化ケイ素の層を用いて行う。
【００２３】
第２に、方法はさらに、底部電極上に犠牲層を適用する段階と、キャビティマスクを用いて、変換器のキャビティになる領域を画定する段階と、キャビティマスクによって覆われていない犠牲層から材料を除去する段階とを含む。
【００２４】
第３に、犠牲材料および任意に犠牲材料に隣接して取り囲む基板領域上に、例えばスピンコーティングでポリマー膜を適用し、膜の形状を形成する。次いで、膜材料を硬化する。
【００２５】
第４の段階において、方法は、膜表面（好ましくは、上層表面）に上部コンタクトパッド材料を適用することと、マスクされている領域外の材料を除去して上部コンタクトパッドを画定する唯一の材料を残す前に、上部コンタクトパッドマスクを用いて電極／上部コンタクトパッドの領域を定めることとを含む。上部コンタクトパッド材料を、スパッタリングし、そうでなければ付着し、エッチングによって除去する。代替方法として、上部パッドを、マスクを通して付着する。
【００２６】
最後に、方法は、エッチングホールマスクを用いてエッチングホールを画定することと、材料を除去してエッチングホールを作り、エッチングホールを通って犠牲材料をエッチングできるようにすることとを含む。これにより、センサを定める実質的に空の（底部コンタクトは別として）キャビティが残される。エッチングホールによって、膜のどちらの側の圧力も等しくすることもまた可能である。したがって、エッチングホールは、膜を通って完全に貫通している。
【００２７】
この製造に対する変形形態として、同様の犠牲層および膜層を用いて、キャビティが上部に膜を有する基板表面にくぼみを備えている変換器を、容易に形成することが可能である。これを用いて、基板表面で実質的に平らな変換器を実現してもよい。
【００２８】
製造プロセスは、４つのマスクプロセスである。
【００２９】
ポリマー材料が流動状態である場合には、基板上にポリマー材料を適用し、確実にポリマー材料が所望の形および厚さを有するようにし、ポリマー材料を硬化し、完成した微細加工デバイスの一部として硬化されたポリマー材料を残すことが考えられることを理解されたい。
【００３０】
方法は、同じ基板上に変換器のアレイを製造すること、および／または確実に様々な周波数に応答する変換器にすることを含んでもよい。さらに、方法は、選択された変換器のキャビティを連結して、変換器のアレイの性能を改善すること含む。これは、続く共振キャビティが順序どおり後に形成される絶縁層間への微細加工チャネルによって達成することができる。これは、リソグラフィマスキングおよびエッチングを用いて行うことができる。チャネルのエッジおよびキャビティが形成されるであろう領域が重なるこれらのチャネルの上部に、追加犠牲層を導入する。次いで、キャビティを画定する材料を最後にエッチングする際に、チャネル中の追加犠牲層を自動的に除去する。
【００３１】
方法は、同じ基板に設けられた変換器および信号処理手段を有する集積半導体デバイスを提供することを含んでもよい。信号処理手段は、第１の段階の半導体デバイスおよび微細加工デバイス、または次の段階で製造された変換器において画定されてもよい。低温プロセスを用いて形成されるため、変換器の形成によって信号処理手段の回路が損傷を受けることはない。
【００３２】
ポリマー膜超音波変換器を組み込む集積半導体デバイスの製造は、ＣＭＯＳと適合性のある表面微細加工技術を用いて変換器を製造することによって、大変容易になる。エッチングとスピンコーティングはどちらも、半導体製造において十分に開発された技術であり、したがって、本発明の変換器を製造するように工業プラントを容易に構成することが可能である。スピンコーティングは低温技術であり、回路に損傷を与えることなく、既定の電子回路を含む基板に膜を適用することができる。
【００３３】
プロセッサをセンサに近づけることによって、雑音を低減し、より低い信号を検出することができる。変換器におけるキャパシタンスのごく小さな変化を検出することが望まれるため、集積電子回路を有するのが可能なことは重要である。制御／処理電子回路を有する変換器を集積化することによって、非常に小さな微細加工デバイスが得られる。
【００３４】
ポリマー材料はポリイミドでもよく、ＰＩＱ^ＴＭ（日立から市販の）が好ましい。ポリマー材料が液体として与えられる場合には、基板または犠牲材料にポリマー材料を適用し、基板または犠牲材料表面上に伸ばして、それをコーティングする。コーティングの厚さを制御するのに遠心力を利用して、基板および／または犠牲材料上にポリマー材料をスピンコーティングする。動粘性（液体）状態である材料の物理的特性の知識を利用して、加工状態、例えばスピンコーティングを制御することが可能である。
【００３５】
例えば、構造的な利用において超音波変換器として動作する変換器の帯域幅は、ほぼ数ｋＨｚから数ＭＨｚ、好ましくは１００ｋＨｚ〜１０ＭＨｚ、または１〜８ＭＨｚ、または２〜６ＭＨｚ、または少なくとも３、４または５ＭＨｚである。そのＱ値は、他の半導体膜を用いたデバイスと比較して低い。当然、他の用途での帯域幅は、例えばＨｚからＭＨｚと非常に異なることがある。
【００３６】
本発明の他の態様によれば、半導体基板上に設けられた本発明による超音波変換器を有し、かつ同じ基板上に設けられた信号プロセッサまたは信号変更器を有し、同じデバイス内でプロセッサと変換器を集積化した集積半導体デバイスを提供する。
【００３７】
他の態様によれば、本発明は、アレイとして設けられた複数の超音波ポリマー膜変換器を有する集積半導体デバイスを提供する。
【００３８】
アレイは、同じ半導体基板上で信号処理電子回路または信号調節電子回路に結合されている。
【００３９】
他の態様によれば、本発明は、半導体基板上に画定されたポリマー部材を有する半導体基板を備えている構造であって、そのポリマー部材が流動状態で基板に適用される構造を提供する。
【００４０】
部材は可動または非可動であってもよい。部材は剛性であり、キャビティの一部を画定してもよい。部材は、膜を画定し、またはキャビティを覆い、または基板から広がる層あるいは突起を画定する。
【００４１】
添付の図を参照し、本発明の実施形態を例示によって説明する。
【００４２】
図３は、シリコン基板に付けられた実質的に剛性で平面であるポリマー膜を含む超音波変換器を製造するための従来技術の一構成を示す。膜材料のシートを用いて、その中にくぼみ１４を形成しているシリコン基板材料１２に取り付ける。通常、膜材料のシートはシリコン基板に接着する。材料のシートを適切にシリコン基板に接着するには、例えば、黒い部分１６として図３に概略図で示されている、不十分な接合／全く接合していない部分が生じるという問題がある。これらは、変換器の動作性能に影響を及ぼす。接合の際の不完全性が予測可能ではないために、製造された変換器はそれぞれわずかに動作が異なる。この種の応答の制御を達成することは大変困難である。さらに、不十分な接合部分が多すぎたり、または、くぼみ１４（例えば、その縁端部分）に不十分な接合部分が近すぎる場合には、変換器は、適切には全く動作しない。従来技術のポリマー膜を有する超音波変換器製造では、故障率が高く、歩留まりが低い。
【００４３】
図１は、本発明を用いて製造した新規な超音波変換器の概略図である。シリコン基板２０は、誘電体コーティング２２（この例では、誘電体は二酸化シリコンである）、および誘電体２２上で広がり、膜の隆起領域２８と誘電体／シリコン基板との間のキャビティ２６を定めるポリマー膜２４（この例では、ＰＩＱ^ＴＭから作られた膜である）を有する。通常、キャビティ２６中に空気が与えられ、場合によっては他の内容物が与えられることもある。
【００４４】
隆起領域２８で規定されたポリマー膜は、誘電体／シリコン基板から離れて広がる側壁部３０、および一般に基板と平行に広がる上壁部３２を有する。金属底部コンタクトパッド３４を、キャビティ２６中の誘電体２２上に設け、上部コンタクトパッド３６を、ポリマー膜の隆起領域２８の上に設ける。
【００４５】
変換器の動作原理は、ポリマー膜の隆起領域２８が、入射超音波によってたわむこと、およびたわみによって、上部コンタクトパッド３６が底部コンタクトパッド３４に対して移動するために、上部コンタクトパッド３６と底部コンタクトパッド３４との間のキャパシタンスに、変化が生じることである。そのキャパシタンスの変化を測定し、これを用いて超音波変換器の出力を導き出す。
【００４６】
図１の変換器を製造するために、シリコン表面微細加工技術を用いる。
【００４７】
シリコン基板表面は、自動水洗浄装置を用いて洗浄され、次いで、従来の半導体炉装置内で熱酸化される。厚さ約６０００Å（オングストローム）の二酸化シリコンの絶縁層を形成する。
【００４８】
スパッタリングによって、異なる金属層の組み合わせを付着してサンドイッチ構造を形成し、二酸化シリコン上に底部（固定された）電極を形成する。厚さ約４０００Å（オングストローム）のチタン−タングステン（ＴｉＷ）とアルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）の層を用いる。ＴｉＷを主な底部電極材料として用いる。というのは、ＡｌＳｉを共振キャビティのための犠牲層として用い、底部電極が損傷を受けない状態のままで、この犠牲層を後に除去しなければならないからである。底部電極構造の一部としてのＡｌＳｉ層は、後に行うポリイミドエッチングの際、および保護されていないＴｉＷ材料もまたエッチングする際に、ＴｉＷを保護する役目を果たす。底部コンタクトパッドは、（光による）リソグラフィプロセスおよび従来のフォトレジストマスク、続いて、ＣＦ_４、Ｏ_２（ＴｉＷに対して）およびＢＣｌ_３、Ｃｌ_２、ＣＨＦ_３（ＡｌＳｉに対して）の組み合わせをベースとした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、付着された金属層において画定される。
【００４９】
したがって、底部電気コンタクトパッドは材料層から製造され、パッドの下層の少なくとも一部はエッチング剤によってエッチング可能であるが、キャビティを画定する犠牲材料を除去するのに用いるエッチングプロセスから下の層を保護する層を有する。
【００５０】
犠牲層は、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）を含み、底部金属コンタクトパッドと酸化シリコン表面領域上に導入される。その後、共振キャビティの厚さを決定する厚さまで、アルミニウムシリコン（ＡｌＳｉ）をスパッタリングにより付着する。この厚さは、必要とされるデバイスの超音波性能により異なるが、通常、約２、３マイクロメートル（１０^−６ｍ）でもよい。共振キャビティのサイズおよび形状は、（光による）リソグラフィプロセスおよび従来のフォトレジストマスク、続いて、ＢＣｌ_３、Ｃｌ_２、ＣＨＦ_３をベースとした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、犠牲層において画定される。
【００５１】
次に、ポリマー膜を基板全体の上に形成し、犠牲材料部分を覆い、実質的に犠牲材料の全側面で基板と接触させる。自動装置を用いて液状のポリイミド（日立ＰＩＱ^ＴＭ）を基板上に分与することと、基板を高速で回転させて、変換器に必要な超音波特性により決定される知られている膜の厚さ、通常は１から３μｍ、好ましくは約５μｍ以下の厚さにすることとによってこれが行われる。理想的には、膜は特定の機械的特性（固有の応力）を有し、絶対最小値の欠陥しか有していない非常に均一な膜でなければならない。確実にポリイミドと基板材料との間の接着を良くするために、基板表面の適切な調製および洗浄を、この段階前および先のリソグラフィマスキングおよびエッチング後に行うべきである。次いで、膜を固めるために、熱処理によってポリイミドを「硬化」し、この変換器の用途ではその機械的特性を制御すること、例えば、理想的には低い固有の引張り応力を定めることもまた重要である。これは、従来の半導体炉装置内で約３７０℃で行われる。
【００５２】
次に、たわみ可能な膜に取り付けられる可変コンデンサーの可動プレートを形成する上部電極を導入する。これは、スパッタリングにより、ポリイミド膜上にチタン−タングステン（ＴｉＷ）の金属層を付着することによって行われる。最終的に超音波特性を決定する膜の機械的特性への影響を極力抑えるために、注意深く金属の付着状態を制御しなければならないという点で、このプロセスは重要である。基板のプレベーキングを用いて、付着の際のポリイミド膜からの「ガスの放出」を極力抑える。スパッタリング装置における、圧力、付着温度などのチャンバの状態は制御しなげればならない。約２５０℃以上の温度で付着されたＴｉＷ材料の厚さは、通常、約１０００Åから２０００Åである。上部コンタクトパッドは、（光による）リソグラフィプロセスおよび従来のフォトレジストマスク、続いて、ＣＨ_４、Ｏ_２をベースとした反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、付着された金属層において画定される。
【００５３】
次の段階は、上部金属電極、および犠牲層の下部から上部の膜材料を通るエッチングホールを導入することである。（光による）リソグラフィプロセスおよび従来のフォトレジストマスク、続いて、金属およびポリイミド材料の組み合わせの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を用いて、エッチングホールが画定される。エッチング剤によって犠牲層を除去し、共振キャビティを形成することができるように、エッチングホールは、エッチング剤に十分なアクセスを与えなければならない。しかしながら、膜の質量および剛性は、変換器の超音波特性の一因となるため、膜を通して導入されたホールは、最小限の影響を有するよう構成するべきである。したがって、適度な間隔（１０μｍ）を有する数多くのごく小さなエッチングホール（直径約３μｍ）を用いる。ＲＩＥ段階では、ＣＦ_４、Ｏ_２（ＴｉＷに対して）およびＣＨＦ_３、Ｏ_２（ＰＩＱに対して）の組み合わせを用いる。
【００５４】
最終段階では、適切なエッチング剤材料を用いて、膜の下から犠牲層（ＡｌＳｉ）を除去する。エッチング剤がエッチングホールに浸透し、エッチングホール間の犠牲ＡｌＳｉを横にエッチングし、共振キャビティを完全に空に（または実質的に空に）するのに十分な時間、登録商標の金属エッチング液（ＩＳＯＦＯＲＭ）に基板を浸す。次いで、基板をすすぎ、乾燥させる。
【００５５】
図３に示す従来技術と比較して、膜２４は外形が作られており、シリコン基板の表面から離れて広がっている（それはまた、キャビティが引っ込んでいる場合、基板に対して平らであることもある）ことを理解されたい。さらに、ポリマー膜は液体として適用され、これにより接合が改善される。それは、シリコン基板に予め形成された材料のシートを適用することとは異なる。キャビティを明確に画定する犠牲材料を用いることによって（ポリマー膜と膜に支えを付与するように膜をその上に設ける／硬化する犠牲材料との間での、コンタクトを有することによって）、従来技術（受ける状態によって、ポリマーシートがくぼみ１４中にたるむことがある）よりも、キャビティの形状およびサイズをより良く制御できる。
【００５６】
ＷＯ９７／１９５７２と比較して、本発明によって、支えを提供する基板を用いてアレイを製造することが可能であり、超音波検出器およびアレイを製造することが可能である。
【００５７】
図１の変換器を製造するのに用いる表面微細加工技術もまた、アレイ状態の変換器の共振キャビティを連結するのに用いることができる。
【００５８】
図４および図５は、２つの隣接するチャンバ７０、７２が通路７４によって結合されている構成を示す。図５では、通路７４は、対称な「二重の」チャンバを形成する中央の通路として示されているが、構成は非対称である（例えば、図５のデバイスの２つのチャンバは、２つのチャンバの中心線に対して非対称的に配されている通路によって下部で接続されている）。チャンバは、様々な形または領域または深さ、または形／深さ／領域の任意の組み合わせを有する。
【００５９】
変換器の可動部材を作るのに使用するポリマー材料には、特定の機械的および化学的特性を有することが必要とされるが、ＰＩＱ^ＴＭが唯一適切な材料であるということはないことを理解されたい。膜には、基板／二酸化シリコン誘電体と十分に接合できることが必要とされる。それには、その上にスパッタリングにより付着された金属上部コンタクトパッドを有することが可能なことが必要とされ、スパッタリング作業の際に受ける状態に耐えることが可能なことが必要とされる（例えば、２、３００℃の温度に耐えることが可能なことが必要とされる）。ポリマー材料は、高すぎる固有応力を有するべきではなく、そうでなければ犠牲材料を除去する場合に、入念に画定された形ではない形に変形し、それによって超音波変換器の製造が予測できないことになる。ポリマー材料は、その形を制御するためには、再び硬化した場合にポリマー材料自体を支える必要がある。ポリマー材料には、犠牲材料の除去で用いるエッチング剤の腐食に耐えるのが可能なことが必要とされる。ポリマー材料は、デバイスの電子動作に影響を及ぼす可能性のある不純物をほとんどまたは全く有していない（金などの）電子適合性材料であることが必要である。これに限定するわけではないが、膜を形成するのにはポリイミド材料が最も適していると考えられる。ＣＭＯＳ製造技法の間にフォトレジストに通常用いられている材料は、膜として適しており、また、その技法、およびフォトレジストを適用するために開発された装置を、容易に膜材料の適用に適合させることができる。
【００６０】
説明した実施形態では、ＴｉＷおよびＴｉＷ／ＡｌＳｉを、上部および底部コンタクトパッドに用いることを留意されたい。ＣＭＯＳなどのＩＣ製造技術と適合性がある材料を用いるのが最良であると考えられる。金は汚染物質になる可能性があり、チップに埋め込まれている電子回路の適正な動作を妨げる可能性があるため、適合性のある材料とは見なされない。さらに、それはチップを汚染することに加えて、金は、製造装置を汚染し、次いで装置で続いて製造されたチップを汚染する可能性がある。犠牲材料がＡｌＳｉであるため、底部コンタクトパッドにＡｌＳｉを有しても新しいエレメントは追加されない。
【００６１】
サブチャネルと相互接続された共振キャビティを有する変換器エレメントのアレイを製造することが望ましい。追加の犠牲材料層（好ましくは金属ベース）を用いることが望ましい。例えば、図４に示すアレイを形成するために用いられるように、個別の犠牲層材料を隆起領域にし、次いで、所望の位置に、他の犠牲材料層を適用し、次いでブリッジ用ではない領域の犠牲材料層を除去することによって、元のアレイ間の更なる犠牲材料の「ブリッジ」を作ることができる。
【００６２】
変換器、最も好ましくは超音波変換器は、構造モニター、医療用撮像、誘導、および位置決め装置における用途を有すると考えられる。変換器のアレイは、例えば先に挙げた分野の少なくともいくつかで特別な用途を有する。本発明による変換器（または変換器のアレイ）を組み込んだそのような装置に対する保護が求められている。アクチュエータおよび変位センサもまた考えられる。
【００６３】
様々な変換メカニズムによって、それに続く超音波デバイスのデバイス性能（例えば、Ｑ）が左右されるため、表面微細加工で、デバイス構造パラメーター（例えば、膜の質量、剛性、キャビティのサイズ、およびアレイにおいて互いにキャビティを連結する能力）を制御することによって、これらの様々なメカニズムについての制御が可能になる。
【００６４】
当然、一態様において、本発明は、膜（好ましくは単一の膜）を流動状態で適用し（好ましくは、シリコンなどの基板またはＳｉＯ_２などの基板絶縁体と接触する）犠牲材料によって支持し、次いでその膜を硬化し、犠牲材料を除去する種類の変換器の製造にあることは容易に理解されよう。単一の微細加工されたポリマー膜を有する変換器は、新規かつ有利であると思われる。膜および基板によって画定されたキャビティは、基板表面上で突出している（添付の図で示されるように）。代替方法としては、ホールまたはくぼみを、犠牲材料で（全体的に、または部分的に）充填し、製造中に膜を支持する基板中で形成することが可能である。キャビティという用語は、膜によって覆われた完全に閉じられた領域という意味に制限するものではなく、部分的に閉じられたキャビティ、または膜の「ブリッジ」によって画定されたボイド上のキャビティが含まれる。
【００６５】
また、適用する際に材料が完全に液状である必要はなく、それ自体の重量または重力下で変形し（例えば、スピンコーティングのために）、硬化する（温度または他のプロセスによって）前に、所望の形状をとり、永続的な形状を取るようないずれかの状態でもよいことは当業者であれば容易に理解されよう。
【００６６】
流動状態で適用されたポリマー部材または構造は、必ずしも可動である必要はない。例えばそれはポリマー部材の下の構造を保護し、または様々な測定量（ｍｅａｓｕｒａｎｄ）の通路のための窓を形成する。ポリマー部材または構造は、所望の構造（例えば、それには、１つまたは複数のチャンバまたはチャネルの一部を画定するカバーが含まれる）の一部またはすべてを画定する機械的構造である。
【００６７】
図６には、中に底部コンタクト９６が設けられているくぼみ９４、およびチップと接合されチャンバを覆うポリマーカバーまたは膜９８を有し、上部コンタクト１００がその上に設けられている、シリコンチップまたは基板９２を示す。一般に、膜９８は、チップ９２の表面の平面内にある。
【００６８】
変換器は、約１０μｍ×１０μｍまたは約数１０００μｍ×数１０００μｍ、またはその間のいずれかのサイズである可動膜を有してもよい。アレイは、変換器数個×変換器数個、または変換器１０個×変換器１０個、または変換器１００個×変換器１００個、さらに変換器１０００個×変換器１０００個であるサイズを有してもよい。
【００６９】
示されたパッドは、可動ポリマー膜の全領域にわたって広がるわけではない。
【００７０】
半導体基板（例えばシリコン）は、平らな、平面の裏面を有することが好ましい。
【００７１】
本発明の構成は、ＷＯ９７／１９５７２の構成よりも製造するのに容易であることを理解されたい。
【００７２】
超音波検出器は、空気中の超音波、または構造内の超音波を、浸されていても検出できると考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による超音波変換器の概略図である。
【図２】 図１の変換器の平面図である。
【図３】 従来技術の変換器の概略図である。
【図４】 チャンバの結合を有する変換器の集積アレイの概略図である。
【図５】 図４のラインＶＩＩ−ＶＩＩでの断面図である。
【図６】 チャンバが基板に設けられ、ポリマー膜がくぼみの上に広がる超音波変換器を示す図である。

Claims (15)

1. 可動ポリマー膜（２４）が取り付けられている基板（２０）、および可動ポリマー膜（２４）と基板（２０）との間に画定された単一のチャンバ（２６）を備えている超音波検出器装置または超音波放出装置であって、チャンバ（２６）の領域の可動ポリマー膜（２４）および基板（２０）がそれぞれ電気コンタクトパッド（３４、３６）を有し、電気コンタクトパッド（３４、３６）の間の相対的な移動が入射超音波を示すか、または超音波を発生させるような構成であり、基板（２０）におけるチャンバ（２６）の領域が平らな面である、超音波検出器装置または超音波放出装置。
2. 基板（２０）が半導体である請求項１に記載の装置。
3. ｉ）可動ポリマー膜パッドおよび基板パッドから信号を読み出す、またはｉｉ）可動ポリマー膜上のパッドを駆動する、またはｉ）とｉｉ）の両方を行う電子回路が半導体基板（２０）に設けられている請求項２に記載の装置。
4. 装置に備えられた可動ポリマー膜（２４）が単一の膜である、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. ＩＣ適合金属電極材料を用いることを含む、ＩＣ適合プロセスを用いて製造される請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. パッド（３４、３６）が、金などのＣＭＯＳと適合しない材料を有していない請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. チャンバ（２６）上に広がる厚さ３μｍ以下の可動ポリマー膜（２４）を備えている請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 使用時に、入射超音波に応答して移動するか、または超音波を発生する可動ポリマー膜（２４）が、隆起領域（２８）、および隆起領域（２８）の全体平面内にはない少なくとも１つの側壁部（３０）を有する請求項１から７のいずれか一項に記載の装置。
9. 少なくとも１ＭＨｚの帯域幅（６ｄＢ帯域幅）を有する請求項１から８のいずれか一項に記載の装置。
10. 半導体基板上に設けられた請求項１から９のいずれか一項に記載の装置、および同じ半導体基板上に設けられた信号プロセッサまたは信号変更器を有し、同じデバイス内で信号プロセッサと変換器を集積化した集積半導体デバイス。
11. 超音波変換器を製造する方法であって、
    基板の平らな面の領域に犠牲材料を適用することと、犠牲材料および基板の少なくとも一部の上にポリマーコーティングを適用することと、犠牲材料の少なくとも一部を除去して、可動部材を画定するポリマーコーティングの一部を残すこととを含んでおり、
    可動部材が単一のキャビティの一部を画定し、ポリマーが流動状態で適用され、犠牲材料が可動ポリマー膜の平坦でない形状を画定する助けとなり、可動ポリマー膜の形状が確立された後で、犠牲材料が除去される、超音波変換器を製造する方法。
12. 可動部材を画定するポリマーコーティングが、犠牲材料全体に適用され、キャビティの周りの基板と接触する請求項１１に記載の方法。
13. 厚さ約２μｍ程度またはそれ以下の可動部材が製造されるような厚さに、ポリマーコーティングが適用される請求項１１または１２に記載の方法。
14. 基板が半導体材料である請求項１１から１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 膜の上に上部コンタクトパッド材料を適用することと、マスクを通して上部コンタクトパッド材料をエッチングして、上部コンタクトパッドを画定することとを含む請求項１１から１４のいずれか一項に記載の方法。

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