JP4796543B2

JP4796543B2 - 柔軟容量性超音波変換器およびその製作方法

Info

Publication number: JP4796543B2
Application number: JP2007146514A
Authority: JP
Inventors: チャンミンーウェイ; デンチェ−ミン; チウテ−イ; チェンム−ユエ; パンドダ−チェン; タイピン−タ
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2007-02-07
Filing date: 2007-06-01
Publication date: 2011-10-19
Anticipated expiration: 2027-06-01
Also published as: US20080188753A1; TWI339449B; US7721397B2; JP2008193652A; EP1955783A2; EP1955783A3; TW200835004A; CN101242681A

Description

本発明は、超音波変換器に関し、より具体的には、柔軟容量性超音波変換器およびその製作方法に関する。

非浸襲性評価、実時間応答、および携帯性の利点を有するので、超音波感知デバイスは、医療、軍事、および航空宇宙の産業において広く使用されてきた。たとえば、超音波検査システムまたは超音波撮像システムは、超音波周波数の弾性波の使用に基づいて、周囲の手段または人の身体から情報を得ることができる。超音波変換器が、しばしば、超音波感知デバイスの重要な構成要素の１つである。既知の超音波変換器の大部分は、圧電セラミックを使用することによって実現される。圧電変換器は、一般に、固体材料から情報を得るために使用されるが、その理由は、圧電セラミックの音響インピーダンスが、固体材料の音響インピーダンスとほぼ同じ程度の大きさであるからである。しかし、圧電変換器は、圧電セラミックと人の身体の組織などの流体との間の著しいインピーダンス不整合のために、流体から情報を得るには理想的ではない可能性がある。圧電変換器は、一般に、５０ＫＨｚから２００ＫＨｚの周波数帯域において動作することが可能である。さらに、圧電変換器は、一般に、高温プロセスにおいて製作されることが可能であり、電子回路との統合には理想的ではない可能性がある。対照的に、容量性超音波変換器は、標準的な集積回路（「ＩＣ」）プロセスでバッチに製造されることが可能であり、したがってＩＣデバイスと統合可能である。さらに、容量性超音波変換器は、既知の圧電変換器より高い２００ＫＨｚから５ＭＨｚの周波数帯域において動作することができる。したがって、容量性超音波変換器は、徐々に圧電変換器に取って代わるようになった。

図１は、容量性超音波変換器１０の概略的断面図である。図１を参照すると、容量性超音波変換器１０は、第１電極１１、膜１３の上に形成された第２電極１２、第１電極１１の上に形成された絶縁層１４、および支持体側壁１５を含む。空洞１６が、第１電極１１、膜１３、および支持体側壁１５によって画定される。適切なＡＣまたはＤＣ電圧が第１電極１１および第２電極１２に印加されるとき、静電力により膜１３は発振し、音響波を生成する。従来の変換器１０の有効発振領域は、第１電極１１および第２電極１２によって画定される領域である。この場合、有効発振領域は、第２電極１２が第１電極１１より短いので、第２電極１２の長さによって決定することが可能である。さらに、膜１３は一般に、約４００℃から８００℃の範囲の温度において従来の化学蒸着（「ＣＶＤ」）または低圧化学蒸着（「ＬＰＣＶＤ」）のプロセスなどの高温プロセスで製作することが可能である。

図２Ａから２Ｄは、容量性超音波変換器を製作する従来の方法を示す断面図である。図２Ａを参照すると、電極として機能するように不純物を重度にドーピングすることが可能であるシリコン基板２１が提供される。次に、第１窒化物層２２およびアモルファス・シリコン層２３が、シリコン基板２１の上にわたって連続して形成される。第１窒化物層２２は、シリコン基板２１を保護するように機能することが可能である。アモルファス・シリコン層２３は、犠牲層として使用され、その後のプロセスにおいて除去される。

図２Ｂを参照すると、パターン化アモルファス・シリコン層２３'が、アモルファス・シリコン層２３をパターン化およびエッチングすることによって形成され、第１窒化物層２２の一部を曝露させる。次いで、第２窒化物層２４が、パターン化犠牲層たるパターン化アモルファス・シリコン層２３'の上にわたって形成され、曝露部分を充填する。

図２Ｃを参照すると、開口２５を有するパターン化第２窒化物層２４'が、第２窒化物層２４をパターン化およびエッチングすることによって形成され、開口２５を経てパターン化アモルファス・シリコン層２３'の一部を曝露させる。次いで、パターン化アモルファス・シリコン層２３'は、選択エッチングによって除去される。

図２Ｄを参照すると、シリコン酸化物層が、プラグ２６を形成するように、開口２５を経て付着される。それにより室２７が、プラグ２６、パターン化第２窒化物層２４'、および第１窒化物層２２によって画定される。次いで金属層２８が、第２電極として作用するように、パターン化第２窒化物層２４'の上にわたって形成される。

しかし、従来の容量性超音波変換器は、シリコン・ベース基板を使用するために柔軟ではない。しかし、柔軟ではない（非柔軟な）従来の容量性超音波変換器では、適用する物体の表面形状の例が限られてしまう。したがって、柔軟容量性超音波変換器およびその製作方法を有することが望ましい可能性がある。

本発明の例によれば、柔軟層、柔軟層の上の第１導電層、第１導電層の上にあり、柔軟材料を含む支持体フレーム、支持体フレームによって第１導電層から間隔をおいて配置されている支持体フレームの上にわたり、柔軟材料を含む膜、第１導電層、支持体フレーム、および膜によって画定された空洞、ならびに膜の上の第２導電層を備える容量性超音波変換器を提供することが可能である。
また、前記第１導電層が、白金および金の一方を含むことが好適である。
また、前記第２導電層が、アルミニウムを含むことが好適である。
また、前記柔軟層が、ポリマー材料を含むことが好適である。
また、前記支持体フレームが、ポリマー材料を含むことが好適である。
また、前記支持体フレームが、ＳＵ８−２００２を含むことが好適である。
また、前記第１導電層が、容量性超音波変換器の第１電極として作用するように機能し、前記第２導電層が、容量性超音波変換器の第２電極として作用するように機能することが好適である。

本発明のいくつかの例は、容量性超音波変換器を製作する方法を提供することが可能であり、方法は、基板を提供することと、柔軟層を基板の上に形成することと、第１導電層を柔軟層の上に形成することと、パターン化犠牲層を第１導電層の上に形成することと、第１ポリマー層をパターン化犠牲層の上にわたって形成することと、第１ポリマー層をパターン化してパターン化第１ポリマー層を提供することと、開口を経てパターン化犠牲層の一部を曝露させることと、第２導電層をパターン化第１ポリマー層の上に形成することと、第２導電層をパターン化してパターン化第２導電層を提供することと、第２ポリマー層をパターン化第２導電層の上にわたって形成することと、第２ポリマー層をパターン化することと、開口を経てパターン化犠牲層の一部を曝露させることと、開口を経てパターン化犠牲層を除去することとを備える。
また、前記開口を充填するためにパターン化ポリマー層を形成することをさらに備えることが好適である。
また、パターン化犠牲層を前記第１導電層の上に形成することが、フォトレジスト層を前記第１導電層の上に提供することと、前記フォトレジスト層をパターン化して、開口を有するパターン化フォトレジスト層を提供することと、
前記開口を充填するために犠牲層を形成することと、パターン化フォトレジスト層を除去することとを備えることが好適である。
また、犠牲層を形成することが、前記開口を充填するために、金属層をパターン化フォトレジスト層の上に電気メッキすることを備えることが好適である。
また、前記第１ポリマー層および前記第２ポリマー層が、実質的に同じ材料を含むことが好適である。
また、前記第１ポリマー層および前記第２ポリマー層が、ＳＵ８−２００２を含むことが好適である。

本発明の例は、容量性超音波変換器を形成する方法を提供することも可能であり、方法は、柔軟層を基板の上に形成することと、第１導電層を柔軟層の上に形成することと、パターン化金属層を第１導電層の上に形成することと、第１ポリマー層をパターン化金属層および第１導電層の上に形成することと、第１ポリマー層をパターン化してパターン化第１ポリマー層を提供することと、開口を経てパターン化金属層の一部を曝露させることと、パターン化第２導電層をパターン化第１ポリマー層の上に形成することと、パターン化第２ポリマー層をパターン化第２導電層の上に形成し、かつパターン化第１ポリマー層をパターン化金属層の上にわたって形成することと、開口を経てパターン化金属層を除去することとを備える。
また、前記柔軟層を前記基板の上に形成することが、ポリマー層を前記基板の上に形成することを含むことが好適である。
また、前記第１導電層を前記柔軟層の上に形成することが、白金および金の膜の一方を前記柔軟層の上に形成することを含むことが好適である。
また、前記パターン化金属層を前記第１導電層の上に形成することが、フォトレジスト層を前記第１導電層の上に提供することと、前記フォトレジスト層をパターン化して、開口を有するパターン化フォトレジスト層を提供することと、前記開口を充填するために、金属層を形成することと、前記パターン化フォトレジスト層を除去することとを備えることが好適である。
また、前記開口を充填するために、前記パターン化フォトレジスト層の上にわたって金属層を電気メッキすることをさらに備えることが好適である。
また、前記開口を充填するために、前記パターン化フォトレジスト層の上にわたって銅層を電気メッキすることをさらに備えることが好適である。
また、前記パターン化第１ポリマー層および前記パターン化第２ポリマー層が、実質的に同じ材料を含むことが好適である。
また、前記パターン化第１ポリマー層および前記パターン化第２ポリマー層が、ＳＵ８−２００２を含むことが好適である。
また、前記開口を充填するために、パターン化第３ポリマー層を形成することをさらに備えることが好適である。

本発明の追加の特徴および利点が、一部には以下の記述において述べられ、一部には記述から明らかになり、または本発明を実施することによって習得されることが可能である。本発明の特徴および利点は、添付の特許請求の範囲において具体的に指摘される要素および組合せによって実現および達成される。

以上の全般的な記述および以下の詳細な記述の両方とも、単に例示および説明であり、かつ本発明の限定ではないことを理解されたい。

以上の概述ならびに以下の本発明の詳細な記述は、添付の図面と関連して読まれるとき、よりよく理解されるであろう。本発明を示すために、図面において、現在好ましい例が示される。しかし、本発明は、示される正確な構成および手段に限定されるものではないことを理解されたい。

ここで、例が添付の図面において示される本発明の現在の例を詳細に参照する。可能であればいつでも、同じ参照符号が、同じまたは同様の部分を指すために図面にわたって使用される。

図３は、本発明の一例による柔軟容量性超音波変換器３０の概略的断面図である。図３を参照すると、柔軟容量性超音波変換器３０は、柔軟ベース３９、第１電極３１、支持体フレーム３５、膜３８、および第２電極３２を含む。柔軟ベース３９は、容量性超音波変換器３０が物体の表面形状に一致して適用されることを可能にするたとえばポリマー材料または他の適切な材料などの材料で作成されることが可能である。一例では、柔軟ベース３９は、約０．４５マイクロメートル（μｍ）の厚さを有することが可能であり、第１電極３１は、約０．２μｍの厚さを有することが可能であり、第２電極３２は、０．５μｍの厚さを有することが可能である。第１電極３１は、白金（Ｐｔ）または金（Ａｕ）で作成された金属膜を含むことが可能であり、第２電極３２は、アルミニウム（Ａｌ）で作成された金属膜を含むことが可能である。第１電極３１および第２電極３２は、それぞれ容量性超音波変換器３０の正の電極および負の電極として作用することが可能である。支持体フレーム３５および膜３８は、ポリマーで作成されることが可能である。一例では、膜３８は、約２μｍの厚さを有し、支持体フレーム３５は、第１電極３１と膜３８を約２μｍの距離だけ分離する。空洞３６が、第１電極３１、支持体フレーム３５、および膜３８によって画定される。

図４Ａから４Ｊは、本発明の一例による柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。図４Ａを参照すると、基板４０が、柔軟容量性超音波変換器が上に製作されることが可能である支持ベースとして作用するように提供される。基板４０は、約５５０μｍの厚さを有するシリコン基板を含むことが可能である。図３に示された柔軟ベース３９と同様に柔軟ベースとして最終的に作用することが可能である柔軟層４９が、従来のコーティング・プロセスまたは他の適切なプロセスによって基板４０の上に形成される。導電層４１が、従来のスパッタリング・プロセスまたは他の適切なプロセスによって柔軟層４９の上に形成される。容量性超音波変換器の第１電極として最終的に作用する導電層４１は、金膜などの金属膜を含むことが可能である。

図４Ｂを参照すると、パターン化フォトレジスト層４２が、従来のパターン化およびエッチング・プロセスによって柔軟層４９の上に形成され、開口４７を経て柔軟層４９の一部を曝露させる。パターン化フォトレジスト層４２は、たとえばＡＺ４６２０などのポリマー材料を含むことが可能である。開口４７のパターンは、六角形を含むことが可能であるが、これに限定されるものではない。

図４Ｃを参照すると、犠牲金属層４５が、従来の電気メッキプロセスまたは他の適切なプロセスによって開口４７を充填するために形成される。犠牲金属層４５はパターン化フォトレジスト層４２と実質的に同一平面上とすることが可能であり、空洞を画定するようにその後のプロセスにおいて除去される。本発明による一例では、犠牲金属層４５は、銅（Ｃｕ）を含む。

図４Ｄを参照すると、パターン化フォトレジスト層４２は、剥ぎ取られ、第１ポリマー層４６は、犠牲金属層４５の上にわたって形成される。本発明による一例では、第１ポリマー層４６は、たとえばＳＵ８−２００２などのポリマー材料を含む。

図４Ｅを参照すると、図４Ｄに示された第１ポリマー層４６は、次いで、従来のラッピング・プロセスまたは化学機械研磨（ＣＭＰ）プロセスによってラップ仕上げまたは研磨することが可能である。次に、パターン化第１ポリマー層４６−１が、従来のパターン化およびエッチング・プロセスによって形成され、開口４３を経て犠牲金属層４５の一部を曝露させる。パターン化第１ポリマー層４６−１は、その後、支持体フレームおよび容量性超音波変換器の膜の少なくとも一部として作用する。

図４Ｆを参照すると、導電層４４が、スパッタリング、蒸発、またはＰＥＣＶＤプロセスによって、パターン化第１ポリマー層４６−１および犠牲金属層４５の上にわたって形成される。一例では、導電層４４はＡｌを含む。次に、フォトレジスト層４８が、導電層４４の上にわたって形成される。一例では、フォトレジスト層４８は、たとえばＡＺ５２１４Ｅなど、正のフォトレジストを含むことが可能である。

図４Ｇを参照すると、パターン化導電層４４−１が、従来のパターン化およびエッチング・プロセスによって、パターン化第１ポリマー層４６−１の上に形成される。パターン化導電層４４−１は、その後、容量性超音波変換器の第２電極になる。

図４Ｈを参照すると、パターン化第２ポリマー層５１が、第１ポリマー層４６−１およびパターン化導電層４４−１の上にわたって形成される。図４Ｇに示された犠牲金属層４５は、エッチング・プロセスにより開口４３を介して除去される。一例では、犠牲金属層４５は、導電層４１を著しく除去せずに犠牲金属層４５が除去されるようにエッチング選択性であるエッチング剤溶液として塩化第２鉄（ＦｅＣｌ３）を使用する湿潤エッチング・プロセスによって除去される。したがって、空洞５０が、導電層４１およびパターン化第１ポリマー層４６−１によって画定されるが、封止されない。

図４Ｉを参照すると、パターン化層５２が、図４Ｈに示された開口４３を充填するために形成されることが可能である。パターン化層５２は、ポリマー層を含むことが可能である。したがって、空洞５０−１は、導電層４１、パターン化第１ポリマー層４６−１、およびパターン化層５２によって画定および封止される。次に図４Ｊを参照すると、基板４０は、容量性超音波変換器が形成された後に除去される。図４Ａから４Ｊに示された方法は、約１５０℃（摂氏）より低い温度において制御されることが可能である。

当業者なら、広範な本発明の概念から逸脱せずに、上で記述された例に対して変更を行うことができることを理解するであろう。したがって、本発明は、開示された具体的な例に限定されるものではなく、添付の特許請求の範囲によって画定される本発明の精神および範囲内において修正を網羅することを意図することを理解されたい。

さらに、本発明の代表的な例の記述において、本明細書は、本発明の方法および／またはプロセスをステップの特定の配列として示した可能性がある。しかし、方法またはプロセスが本明細書において述べられた特定の順序に依拠しない程度まで、方法またはプロセスは、記述された具体的な配列に限定されるべきではない。当業者なら理解するように、ステップの他の配列が可能であり得る。したがって、本明細書において述べられたステップの特定の順序は、特許請求の範囲に対する限定として解釈されるべきではない。さらに、本発明の方法および／またはプロセスを対象とする特許請求の範囲は、書かれた順序でステップを実施することに限定されるべきではなく、当業者なら、配列は変更されることが可能であり、かつ本発明の精神および範囲内に依然としてあることを容易に理解することができる。

従来の容量性超音波変換器の概略的断面図である。容量性超音波変換器を製作する従来の方法を示す断面図である。容量性超音波変換器を製作する従来の方法を示す断面図である。容量性超音波変換器を製作する従来の方法を示す断面図である。容量性超音波変換器を製作する従来の方法を示す断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器の概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。本発明の例と一貫する柔軟容量性超音波変換器を製作する方法を示す概略的断面図である。

符号の説明

１０容量性超音波変換器
１１第１電極
１２第２電極
１３膜
１４絶縁層
１５支持体側壁
１６空洞
２１シリコン基板
２２第１窒化物層
２３アモルファス・シリコン層
２３' パターン化アモルファス・シリコン層
２３' パターン化犠牲層
２４第２窒化物層
２４' パターン化第２窒化物層
２５開口
２６プラグ
２７室
２８金属層
３０柔軟容量性超音波変換器
３１第１電極
３２第２電極
３５支持体フレーム
３６空洞
３８膜
３９柔軟ベース
４０基板
４１導電層
４２パターン化フォトレジスト層
４３開口
４４導電層
４４−１パターン化導電層
４５犠牲金属層
４６第１ポリマー層
４６−１パターン化第１ポリマー層
４７開口
４８フォトレジスト層
４９柔軟層
５０空洞
５０−１空洞
５１パターン化第２ポリマー層
５２パターン化層

Claims

容量性超音波変換器を製作する方法であって、
基板を提供することと、
柔軟層を前記基板の上に形成することと、
第１導電層を前記柔軟層の上に形成することと、
パターン化犠牲層を前記第１導電層の上に形成することと、
第１ポリマー層を前記パターン化犠牲層の上にわたって形成することと、
前記第１ポリマー層をパターン化してパターン化第１ポリマー層を提供し、開口を経て前記パターン化犠牲層の一部を曝露させることと、
第２導電層を前記パターン化第１ポリマー層の上に形成することと、
前記第２導電層をパターン化して、パターン化第２導電層を提供することと、
第２ポリマー層を前記パターン化第２導電層の上に形成することと、
前記第２ポリマー層をパターン化し、前記開口を経て前記パターン化犠牲層の一部を曝露させることと、
前記開口を経て前記パターン化犠牲層を除去することとを備えることを特徴とする方法。
前記開口を経て前記パターン化犠牲層を除去した後に、前記開口を充填するためにパターン化ポリマー層を形成することをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
パターン化犠牲層を前記第１導電層の上に形成することが、
フォトレジスト層を前記第１導電層の上に提供することと、
前記フォトレジスト層をパターン化して、開口を有するパターン化フォトレジスト層を提供することと、
前記開口を充填するために犠牲層を形成することと、
パターン化フォトレジスト層を除去することとを備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
犠牲層を形成することが、
前記開口を充填するために、金属層をパターン化フォトレジスト層の上に電気メッキすることを備えることを特徴とする請求項３に記載の方法。
前記第１ポリマー層および前記第２ポリマー層が、実質的に同じ材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
前記第１ポリマー層および前記第２ポリマー層が、ＳＵ８−２００２を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
容量性超音波変換器を形成する方法であって、
柔軟層を基板の上に形成することと、
第１導電層を前記柔軟層の上に形成することと、
パターン化金属層を前記第１導電層の上に形成することと、
第１ポリマー層を前記パターン化金属層および前記第１導電層の上に形成することと、
前記第１ポリマー層をパターン化してパターン化第１ポリマー層を提供し、開口を経て前記パターン化金属層の一部を曝露させることと、
パターン化第２導電層を前記パターン化第１ポリマー層の上に形成することと、
パターン化第２ポリマー層を前記パターン化第２導電層の上に形成し、前記パターン化第１ポリマー層を前記パターン化金属層の上にわたって形成することと、
前記開口を経て前記パターン化金属層を除去することとを備えることを特徴とする方法。
前記柔軟層を前記基板の上に形成することが、ポリマー層を前記基板の上に形成することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記第１導電層を前記柔軟層の上に形成することが、白金および金の膜の一方を前記柔軟層の上に形成することを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記パターン化金属層を前記第１導電層の上に形成することが、
フォトレジスト層を前記第１導電層の上に提供することと、
前記フォトレジスト層をパターン化して、開口を有するパターン化フォトレジスト層を提供することと、
前記開口を充填するために、金属層を形成することと、
前記パターン化フォトレジスト層を除去することとを備えることを特徴とする請求項７に記載の方法。
前記開口を充填するために、前記パターン化フォトレジスト層の上にわたって金属層を電気メッキすることをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記開口を充填するために、前記パターン化フォトレジスト層の上にわたって銅層を電気メッキすることをさらに備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
前記パターン化第１ポリマー層および前記パターン化第２ポリマー層が、実質的に同じ材料を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記パターン化第１ポリマー層および前記パターン化第２ポリマー層が、ＳＵ８−２００２を含むことを特徴とする請求項８に記載の方法。
前記開口を経て前記パターン化犠牲層を除去した後に、前記開口を充填するために、パターン化第３ポリマー層を形成することをさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の方法。