JP5961697B2 - プラグを備える事前圧壊された容量マイクロマシン・トランスデューサセル - Google Patents

Description

本発明は、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル、特に容量マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）セル又は容量マイクロマシン圧力センサセル、及びこれを製造する方法に関する。

近年、マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＭＵＴ）が開発された。マイクロマシン超音波トランスデューサは、２つの設計手法において製造された。１つは、圧電性の特性を持つ半導体層を用いるものであり（ｐＭＵＴ）、もう１つは、メンブレン（又は、隔膜）と、コンデンサを形成する電極（又は、電極板）を備える基板とを用いる、いわゆる容量マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）である。

ｃＭＵＴセルは、メンブレンの下にキャビティを有する。超音波を受信するとき、超音波は、メンブレンが移動する又は振動することをもたらす。電極間の静電容量における変動が検出されることができる。これにより、超音波は、対応する電気信号に変換される。逆に、電極に印加される電気信号は、メンブレンが移動する又は振動することをもたらす。これにより、超音波が送信される。

最初に、ｃＭＵＴセルは、「非圧壊」モードとして知られるモードで作動するよう生成された。従来の「非圧壊」ｃＭＵＴセルは、基本的に非線形デバイスである。ここで、効率は、電極間に印加されるバイアス電圧に強く依存する。

この問題を解決するため、いわゆる「事前圧壊された」ｃＭＵＴセルが最近開発された。事前圧壊ｃＭＵＴセルにおいて、メンブレンの部分は、キャビティの底部（又は、基板）に永久に圧壊されるか、又は固定される。特定のバイアス電圧を超えると、事前圧壊ｃＭＵＴセルの効率は実質的にバイアス電圧から独立する。これは、このｃＭＵＴセルをかなりより線形なものにする。

事前圧壊ｃＭＵＴセルにおいて、メンブレンは、異なる方法を用いて、例えば電気的又は機械的圧壊を用いて圧壊されることができる。

電気的圧壊は例えば、バイアス電圧を用いて実現されることができる。第ＷＯ２００９／０３７６５５Ａ２号は、ｃＭＵＴの生成方法を開示し、この方法は、ほとんど完了されたｃＭＵＴを提供するステップであって、このほとんど完了されたｃＭＵＴが、（ｉ）基板層、（ｉｉ）電極板、（ｉｉｉ）メンブレン層及び（ｉｖ）電極リングを含む１つ又は複数のｃＭＵＴ要素を規定する、ステップと、ｃＭＵＴ要素ごとにメンブレン層を通る少なくとも１つの穴を規定するステップと、基板層に対してメンブレン層を圧壊させるよう、１つ又は複数のｃＭＵＴ要素のメンブレン及び基板層にわたりバイアス電圧を印加するステップと、ケース層を適用することにより、基板層に対して圧壊されたメンブレン層を固定及び封止するステップとを有する。

機械的な圧壊は例えば、環境空気圧力を用いて実現されることができる。第ＷＯ２０１０／０９７７２９Ａ１号は、基板、基板に取り付けられる第１の電極、第１の電極に対して離間関係において形成される可動メンブレン、このメンブレンに取り付けられる第２の電極及び保持部材を有するｃＭＵＴセルを開示する。この保持部材は、メンブレンが事前圧壊状態にあるとき、可動メンブレンと重複し、バイアス電圧がない場合その事前圧壊状態にメンブレンを保持するよう機能する。１つの例において、メンブレンへの（大気）圧力の適用によりメンブレンが事前圧壊状態にされる間、保持部材は、ｃＭＵＴトランスデューサセルにわたりキャスト（cast）される。

第ＷＯ２０１０／０９７７２９Ａ１号にて開示されるように、事前圧壊ｃＭＵＴセルは、相対的に大きな直径のメンブレンを持つ低周波数ｃＭＵＴセルとして、うまく製造された。圧壊圧力は低く、ｃＭＵＴセルは、環境空気圧力により事前圧壊される（即ち、メンブレンが、キャビティの底部に触れる）。しかしながら、高周波数ｃＭＵＴセルに関しては、第ＷＯ２０１０／０９７７２９Ａ１号に開示される保持部材は、適用されることができない。なぜなら、圧壊圧力が非常に大きく、例えば５Ｂａｒ又は１０Ｂａｒさえ容易に超える可能性があるからである。この場合、第ＷＯ２０１０／０９７７２９Ａ１号にて開示される保持層は、メンブレンを適所に保持するほど十分強くはない。従って、第ＷＯ２０１０／０９７７２９Ａ１号にて開示されるｃＭＵＴセルに伴う問題は、それが基本的に「大きなメンブレン」ソリューションであるものの、小さなメンブレン直径を持つ高周波数ｃＭＵＴセルに関して機能しない点にある。

特に高周波数に関して、斯かる事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを改良する必要性が存在する。

本発明の目的は、特に高周波事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサに関して、改良された事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル及びこれを製造する方法を提供することである。

本発明の第１の側面において、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルが、基板と、総メンブレン領域を覆うメンブレンであって、キャビティが、上記メンブレン及び上記基板の間に形成され、上記メンブレンは、穴及び上記穴を囲むエッジ部分を含み、上記メンブレンのエッジ部分が、上記基板に対して圧壊される、メンブレンと、上記メンブレンの穴において配置されるプラグであって、上記総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ配置される、プラグとを有する。

本発明の更なる側面において、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法が、基板を提供するステップと、総メンブレン領域を覆うメンブレンを提供するステップであって、キャビティが上記メンブレン及び上記基板の間に形成される、ステップと、上記メンブレンにおいて穴を提供するステップであって、上記メンブレンが、上記穴を囲むエッジ部分を有する、ステップと、上記基板に対して上記メンブレンのエッジ部分を圧壊させるステップと、上記メンブレンの穴に配置されるプラグを提供するステップであって、上記プラグが、上記総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ配置される、ステップとを有する。

本発明の基本的なアイデアは、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル、特に高周波事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを提供する簡潔なソリューションを提供することである。プラグが、メンブレンの穴に提供される。このプラグは、総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ（総メンブレン領域の全てにおいてでない）配置される。例えば、円形形状のセル及びメンブレンの場合、総メンブレン領域は、メンブレン（又は、キャビティ）の直径により規定されることができる。プラグは、基板（又は、キャビティの底部）に対して永久にメンブレンを固定するために用いられる。プラグは、メンブレンが基板に対して永久に固定されることを保つのに十分強い。プラグは、全体のメンブレン厚と比較して（かなり）より厚くなることができる。これは、ＣＭＵＴデバイスに関するより多くの設計の自由を与える。

プラグは、総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ配置されるか、又はこの領域のみを覆う。従って、保持層は、総メンブレン領域の全てに配置されるのではなく、又はこの全てを覆うものでもない（及び可能性として総メンブレン領域を越えて延在することはある）。プラグ３０とは異なり、斯かる保持層は、幾分ばねに類似する。なぜなら、それが、メンブレンを表面に保つからである。しかし、十分強い力がメンブレン上で上方に（基板から離れる向きに）適用される（例えば、引かれる）場合、メンブレンは移動する。この処理は、可逆的である。例えば環境圧力（１Ｂａｒ）において、斯かる保持層は、メンブレンを保持するのに十分強いが、真空では、メンブレンが解放されることが想像されることができる。これとは反対に、プラグは、基板表面に本当にメンブレンを固定する（又は、釘打つ）。メンブレンを解放する唯一の態様は、プラグを破壊することである。

本発明の好ましい実施形態は、従属項において規定される。請求項に記載の製造方法が、請求項に記載のセル及び従属項に記載されるセルと類似する及び／又は同一の好ましい実施形態を持つ点を理解されたい。

ある実施形態では、メンブレンの穴は、総メンブレン領域の中心領域に配置される。こうして、一様な変換特性を持つ対称形の事前圧壊セルが提供されることができる。

別の実施形態では、プラグは、基板に接触する又はこれに固定される。こうして、プラグは、基板に永久に取り付けられることができる。特に、プラグは、静止している（移動不能である）。

更なる実施形態において、プラグは、基板に配置されるステム部と、エッジ部分に配置されるヘッド部分とを有する。この形状が特に適切であることが示された。ステム部は、基板に対して永久に取り付けられるために用いられることができ、ヘッド部分は、メンブレンのエッジ部分に対して永久に取り付けられるために用いられることができる。従って、プラグ及びメンブレンのエッジ部分は、基板に対して永久に取り付けられることができる。

更なる実施形態において、プラグは、メンブレンに対する所定の応力値を持つ応力層を除去することにより形成されるリセスを有する。製造の間、応力層は、メンブレンのエッジ部分を基板に固定するのに役立つことができる。しかし、応力層は、除去される。これにより、プラグにおける特性パターンが、リセスの形にある。リセスは特に、プラグのヘッド部分にあることができる。

更なる実施形態において、プラグは、窒化物、二酸化ケイ素又はこれらの組み合わせから作られる。この物質は、使いやすくて（例えばｃＭＵＴ処理に対して互換性を持ち）、強くて安価であり、工業処理（例えばＰＥＣＶＤツール）において適用されることができる。

更に別の実施形態において、セルは更に、メンブレン上に応力層を有する。この応力層が所定の応力値を持つ。応力層は、メンブレンのエッジ部分を基板に永久に固定するのに役立つことができる。特に、応力層は、基板に向かう方向においてメンブレン上の曲げモーメント（又は、メンブレンの屈折）を提供することができる。その結果、メンブレンのエッジ部分が基板に対して圧壊される。

更なる実施形態において、セルは更に、メンブレン及び／又はプラグ上に配置されるカバー層を有する。こうして、セルの特定の共鳴周波数又は動作範囲に対するセル又はメンブレン厚のマッチングが、実現されることができる（これは音響特性制御を提供する）。また、カバー層は、化学パシベーションを提供することができる。

別の実施形態では、セルは更に、基板上に又はこの中にある第１の電極、及び／又はメンブレン上に又はこの中にある第２の電極を有する。こうして、容量セルが、簡単な態様において提供されることができる。

更なる実施形態において、第２の電極は、環状の電極である。別の実施形態では、キャビティは、環状のキャビティである。これらの実施形態のいずれかにおいて、セルは、円形形状のセルとすることができる。円形形状は、有利なセル形状である。なぜなら、それが、利用可能な空間のかなり良好なフィリングを提供し、及び／又は高次振動モード、特に、送信されるエネルギーに対する所望のモードと競合する、又は、所望の受信信号を不明確にする望ましくない信号を生成する振動モードをほとんど提供しないからである。

更なる実施形態において、（プラグが配置される）サブエリアは、環状の第２の電極の穴により規定される領域より小さい。こうして、第２の電極は、メンブレンの可動領域に配置され、移動不能な領域には配置されない。その結果、セルの良好な変換性能が維持される。

別の実施形態では、この方法におけるプラグを提供するステップが、少なくとも総メンブレン領域におけるメンブレン上に追加的な層を適用し、サブエリアに配置される層の部分を除いてこの層を除去するステップを有する。こうして、プラグは、簡単な態様において提供されることができる。

更なる実施形態において、この方法は更に、メンブレン上に応力層を提供するステップを含む。応力層は、メンブレンに対する所定の応力値を持つ。応力層は、メンブレンのエッジ部分を基板に永久に固定するのを助けることができる。特に、応力層は基板に向かう方向においてメンブレン上の曲げモーメントを提供することができる。その結果、メンブレンのエッジ部分が、基板に対して圧壊される。

ある実施形態では、セルは、超音波を送信及び／又は受信するための容量性マイクロマシン超音波トランスデューサ（ｃＭＵＴ）セルである。代替的な実施形態において、セルは、圧力を測定する容量性マイクロマシン圧力トランスデューサ（又は、センサ）セルである。

第１の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルの概略的な断面を示す図である。 第２の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルの概略的な断面を示す図である。 第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の異なる製造ステップを示す図である。 第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の異なる製造ステップを示す図である。 第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の異なる製造ステップを示す図である。 第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の異なる製造ステップを示す図である。 第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の異なる製造ステップを示す図である。 第２の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の製造ステップを示す図である。 第２の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の製造ステップを示す図である。 ある実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルに関するマスクのセットの上部表示を示す図である。

本発明のこれらの及び他の態様が、以下に説明される実施形態より明らとなり、これらの実施形態を参照して説明されることになる。

圧壊圧力Ｐｃ（即ち、メンブレンがちょうど基板又はキャビティの底部に触れる静的な空気圧又は水圧）は

に等しいことが示されることができる。ここで、ｇは、キャビティの高さ（ギャップとも呼ばれる）であり、ｒは、メンブレンの半径であり、ｔは、メンブレン厚であり、Ｅは、ヤング率であり、ｖは、ポアソン（Poison）比である。

上記の式から分かるように、圧壊圧力は、

としてスケール化されることができる。ここで、ｒは、メンブレンの半径である。メンブレンのより小さな直径は、かなりより高い圧壊圧力を意味する。多くの実用的な超音波デバイスに対して、例えば、１０ＭＨｚの超音波プローブに対して、圧壊圧力は、５Ｂａｒ又は１０Ｂａｒを容易に超える。これは特に、高周波セルに関して、例えば中央周波数が約８ＭＨｚ以上である場合に当てはまる。斯かる場合、例えば第ＷＯ２０１０／０９７７２９号に開示されるような保持部材又は層は、圧壊モードを維持することができない。

図１は、第１の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル１０の概略的な断面を示し、図２は、第２の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル１０の概略的な断面を示す。本書に説明されるセル１０は、特に、事前圧壊高周波容量マイクロマシン・トランスデューサセルとすることができ、例えば、１５０μｍ未満（特に１００μｍ未満）のメンブレン直径及び／又は８ＭＨｚ以上、例えば１０ＭＨｚ以上の中心周波数を持つセルとすることができる。例えば、約１０ＭＨｚの周波数を持つトランスデューサセルは、約６０μｍのメンブレン直径を持つ。しかしながら、本書に説明されるセルが、より低い周波数に対して適用されることもできる点を理解されたい。

図１又は図２のセル１０は、基板１２を有する。基板１２は、例えばシリコンで作られることができるが、これに限定されるものではない。基板１２は例えば、セル１０に電気的に接続され、外側の電気接続を提供するＡＳＩＣを搬送することができる。

セル１０は更に、（基板における平面において又はこれに平行に）総メンブレン領域Atotalを覆う可動又は柔軟なメンブレン１４（又は、隔膜）を有する。キャビティ２０は、メンブレン１４及び基板１２の間に形成される。メンブレン１４は、穴１５及び穴１５を囲む（内側）エッジ部分１４ａを有する。（内側）エッジ部分１５は、ステップ又は棚又は隆起を形成する。言い換えると、エッジ部分１４ａの上部表面は、メンブレン１４（又は、その電極）の上部表面より高い。メンブレン１４の穴１５は、総メンブレン領域Atotalの中心又は中心領域に配置される。エッジ部分１４ａは、基板１２に対して圧壊され、こうして、事前圧壊セルが提供される。言い換えると、エッジ部分１４ａ（又は、メンブレン１４）は、基板１２（又は、キャビティ２０の底部）と接触する。

図１に示される第１の実施形態又は図２に示される第２の実施形態のセル１０は更に、基板１２上に又はこの中において形成される第１の電極１６と、メンブレン１４において（又はこの中に埋め込まれて）形成される第２の電極１８とを有する。言い換えると、基板１２は、その中に又はその上に第１の電極を有し、メンブレン１４は、そこに第２の電極１８を有する。特に、第１の電極１６は、基板１２の部分であるよう表示され、第２の電極１８は、メンブレン１４の部分であるよう表示されることができる。こうして、容量セルが提供される。セル１０は特に、超音波の送信及び／又は受信に関する容量マイクロマシン超音波トランスデューサとすることができる。超音波の受信に関して、超音波は、メンブレン１４（及びその電極１８）が移動する又は振動することをもたらし、第１の電極１６及び第２の電極１８の間の静電容量における変動が検出されることができる。これにより、超音波は、対応する電気信号へと変換される。逆に、電極１６、１８に印加される電気信号は、メンブレン１４（及びその電極１８）が移動する又は振動することをもたらし、これにより、超音波が送信される。代替的に、セルは、他の任意の適切な容量マイクロマシン・トランスデューサセルとすることができる。例えば、圧力を測定する容量マイクロマシン圧力トランスデューサ（又は、センサ）セルとすることもできる。

本書において説明される実施形態において、メンブレン１４は、複数の（例えば２つの）層を有する。これは、特に電気絶縁層又は誘電層（例えばＯＮＯ−層）であり、そこに又はその間に埋め込まれる第２の電極を持つ。例えば、各ＯＮＯ層は、各約０．２５μｍの厚みを持つことができるが、これに限定されるものではない。更に、例えば、メンブレン１４の直径は、２５〜１５０μｍの間、特に５０〜１５０μｍの間、又は４０〜９０μｍの間、又は６０〜９０μｍの間とすることができる。また、例えば、キャビティの高さ（ギャップ高さ）は、０．２５〜０．５μｍの間とすることができる。しかしながら、他の任意の適切なメンブレン（例えば単一層メンブレン）又は寸法が用いられることができる点を理解されたい。更に、本書において説明される実施形態において、第２の（上部）電極１８は、環状電極（又は、環状形状電極）である。これは、その中心又は中央において穴を持つ。しかしながら、他の任意の適切な第２の電極が用いられることができる点を理解されたい。

図２の第２の実施形態と比較すると、図１の第１の実施形態のセル１０は更に、メンブレン上に形成される（永久的な）応力層１７を有する。この応力層１７は、メンブレン１４に対する所定の（特に、非ゼロの）応力又は応力値を持つ。応力層は、基板１２に向かう（図１において下向き）方向においてメンブレン１４上の曲げモーメント（又は、力）（及び従ってメンブレン１４の屈折）を提供するよう構成される。その結果、メンブレン１４のエッジ部分１４ａが、基板１２に対して圧壊される。曲げモーメントは、基板１２に対してエッジ部分１４ａを圧壊させるよう十分に大きい。図１の第１の実施形態において、応力層１７は、永久に存在し、従って製造される最終的なセルにおいて存在する。従って、本実施形態において、メンブレン１４と共に移動する又は振動することが可能であるよう、応力層１７も、移動可能であり、又は柔軟である。

図１の第１の実施形態において、応力層１７の位置は、基板１２に向かう方向においてメンブレン上で曲げモーメント（又は、屈折）を提供するのにも役立つ。図１から分かるように、応力層１７は、総メンブレン領域Atotalを越えて延在する。応力層１７は更に、穴１９を有する。応力層１７における穴１９は、総メンブレン領域Atotalの中央又は中央領域にあり、メンブレン１４における穴１５と整列配置される。しかしながら、応力層１７の穴１９は、メンブレン１４の穴１５より大きい。

応力層物質の選択に関して、多くの物質が、堆積されるとき組み込み応力を持つ可能性がある。これは例えば、化学組成、堆積温度と環境温度との間の熱収縮、又はこの両方の組合せが原因である。物質層が堆積されるとき、堆積状態は、応力値を決定することができる。例えば、応力層は、（例えば金属応力層の堆積に関して）スパッタリングにより堆積されることができる。斯かる場合、例えばスパッタリングの間のガス圧は、応力値を決定することができる。

応力層１７は、特に金属又は金属合金で、特にタングステン（Ｗ）、チタン−タングステン（ＴｉＷ）、モリブデン（Ｍｏ）及びモリブデン−クロム（ＭｏＣｒ）を有するグループから選択される少なくとも１つの物質で作られることができる。これらの物質は、所望の応力値を有利な態様で提供することが示された。なぜなら、それらが高い融点を提供するからである。これらの金属（合金）から、応力値は、必要とされる値へとチューニングされることができる。別の例において、応力層１７は、圧縮窒化物及びエッチストップ層（好ましくは金属）の組合せから作られることができる。代替的に、応力層１７は、非金属材料から作られることもできる。例えば、応力層１７は、特に「応力条件」下で堆積されるＳｉ３Ｎ４（窒化ケイ素）から作られることができる。

例えば、応力層１７（例えばＳｉ３Ｎ４から作られる）は、プラズマ強化型化学蒸着により堆積されることができる。例として、窒化ケイ素が、プラズマ強化型化学蒸着システムにおいて堆積される場合、及びシステムの動作パラメタ（例えば両方の要素に関する圧力、温度、プラズマパワー、ＲＦ設定又はガス・フローレート）が調整される場合、Ｎに対するＳｉの比は変化されることができる（例えば、正確な３：４の比から変化する）。これは例えば、応力層において組み込み応力を誘導するために用いられることができる。

図１の実施形態において、応力層１７は、（図１におけるメンブレンの上部で）基板から離れて面するメンブレン１４の側に配置される。従って、圧壊状態を提供するため、応力値は、負の、従って圧縮応力であるべきである。言い換えると、図１の応力層１７は、所定量の圧縮応力を持つ。しかしながら、代替的に、応力層が、基板に面するメンブレンの側に配置されることもできる点を理解されたい。すると、圧壊状態を提供するため、応力値は、正の、従って引張応力であるべきである。この場合、応力層は、所定量の引張応力を持つ。

応力値は、ジオメトリ、特にメンブレンの厚みｔ、メンブレンの直径（又は、半径）及び／又はキャビティ２０の高さｈ_２０（又は、ギャップ値ｇとも呼ばれる）に依存する。こうして、ある量の屈折が必要とされる。屈折の振幅がキャビティ２０の（最大の）高さｈ_２０を超えるよう、応力値は特に選択される。その結果、メンブレン１４が基板１２に対して圧壊される。例えば、応力値は、−１００メガパスカル（ＭＰａ）の２、３倍のオーダーとすることができる。前述の金属は例えば、−１０００ＭＰａまでチューニングされることができる。特に、メンブレン１４（及びその電極１８）の圧壊圧力Ｐｃ（上記式を参照）は、１Ｂａｒ、又は５Ｂａｒ、又は１０Ｂａｒより大きくなることができる。

メンブレン１４の層（その電極１８を含む）、カバー層４０、及び図１の実施形態では応力層１７が、移動又は振動する。これらの層は、メンブレン又は振動要素の全体の剛性を決定する。全体の剛性は、メンブレン直径及びギャップ高さｈ_２０と共に、トランスデューサの特性（例えば共鳴周波数及び電気（圧壊）電圧）に関する重要な要素である。

図１の第１の実施形態と比較して、図２の第２の実施形態のセルは、製造される最終的なセル１０において、応力層を有しない。しかしながら、斯かる応力層が一時的に存在することができ、従って製造の間にのみ存在し、最終製品において存在しない点を理解されたい。

図２の第２の実施形態は、好ましい実施形態である。これは、以下に説明される。金属が応力層１７として用いられるとき、応力値は、熱拡張係数における差が原因で温度依存となる。応力層１７が最終的なセル１０又は最終製品において残る場合、（特にｃＭＵＴ）セルの温度依存特性が生じ、これは、例えば圧壊電圧の熱ドリフトをもたらす場合がある。このために、応力層１７は、図２の好ましい第２の実施形態において除去される。（メンブレンの音響インピーダンスを改善するために）音響的な理由に関して追加的な金属層が必要とされる場合、それは全体のメンブレンを覆う最後の層として加えられなければならない。ここで、熱ドリフトは、かなり少ないと予想される（理論上は、モーメントがないので、それは正確にゼロである）。

別の実施形態（図示省略）において、応力層１７の部分（又はこの残り）だけが、最終的なセル１０又は最終製品において存在することができる。この場合、応力層１７は、製造の間、かなりの量除去される。しかし、応力層１７の残りは、特にセルの中央において存在する（又は、少なくとも可視である）。

図１に示される第１の実施形態又は図２に示される第２の実施形態のセル１０は更に、メンブレン１４の穴１５に配置されるプラグ３０を有する。プラグ３０は、メンブレン１４により覆われる総メンブレン領域AtotalのサブエリアAsubにおいてのみ配置される。総メンブレン領域Atotalは、メンブレン１４（又は、キャビティ２０）の直径２＊Ｒ_１４により規定される。プラグ３０は、基板１２に接触する、又はこれに固定される。プラグ３０は、静止している（移動不能である）。プラグ３０の高さ及び／又は幅は、プラグの強度を決定することができる。例えば、１μｍのオーダーの最小高さが必要とされることができる。プラグ３０は、特に窒化物から作られることができる。別の例において、プラグ３０は、二酸化ケイ素又は窒化物及び二酸化ケイ素の組合せから作られる。しかしながら、他の任意の適切な物質が、可能である。

図１の第１の実施形態又は図２の第２の実施形態において、プラグ３０は、「キノコのような」形状を持つ。従って、プラグ３０は、基板１２に配置される（及びこれと接触して又はこれに固定される）ステム部３０ａと、メンブレンのエッジ部分１４ａに配置される（及びこれと接触して又はこれに固定される）ヘッド部分３０ｂとを有する。サブエリアAsub（ここにプラグ３０が配置される）は、環状の（又は、環状形状の）第２の電極１８の穴により規定される領域より小さい。言い換えると、（サブエリアAsubにおける）プラグ３０は、第２の電極１８の電極リングの穴の内部にある。これは、プラグ３０が静止しており（移動不能であり）、第２の電極１８は、メンブレン１４の可動領域に配置されるべきだからである。第２の電極１８が移動不能な領域（例えばプラグ３０が配置されるサブエリアAsub）に配置される場合、これは、セルの変換性能を損なわせる。従って、こうして、第２の電極１８は、メンブレン１４の可動領域に配置され、移動不能な領域には配置されない。その結果、セルの良好な変換性能が維持される。

プラグ３０は、総メンブレン領域のサブエリアにのみ配置されるか、この領域のみを覆う。従って、総メンブレン領域の全てに配置される、又はこの領域の全てを覆う（及び可能であれば総メンブレン領域を越えて延在する）のは保持層ではない。プラグ３０とは異なり、斯かる保持層が、幾分ばねに類似する。なぜなら、それが表面に対してメンブレンを保つからである。しかし、（基板から離れて）上方へ強い十分な力（例えば、引く）がメンブレンに印加される場合、メンブレンはまだ移動する。この処理は、可逆的である。例えば、環境圧力（１Ｂａｒ）において、斯かる保持層が、メンブレンを保持するのに十分強いが、真空では、メンブレンが解放されることは想像できるであろう。これとは逆に、プラグ３０は、基板表面にメンブレンを本当に固定する（又は、釘で留める）。メンブレンを解放する唯一の態様は、プラグ３０を破壊することである。

図２の第２の実施形態の場合において、上述したように応力層１７が（製造の間だけ）一時的に存在する場合、プラグ３０は、応力層１７を除去することにより形成されるリセスを有することができる。このリセスは、応力層１７の除去によりもたらされる、ある種類のオーバーハング構造の形のプラグ３０（特に窒化物から作られる）における特徴的なパターンである。

図１に示される第１の実施形態又は図２に示される第２の実施形態のセル１０は更に、メンブレン１４（又は、応力層１７）上に及びプラグ３０上に配置されるカバー層４０を有する。メンブレン１４と共に移動する又は振動することが可能であるよう、カバー層４０も、移動可能又は柔軟である。しかしながら、斯かるカバー層がオプションである点を理解されたい。ｃＭＵＴセルの場合、カバー層４０は、セルの特定の共鳴周波数へのセル１０の整合、又はより詳細には、セル又はメンブレンの厚みの整合を提供する。圧力センサセルの場合、カバー層４０は、動作範囲に対する整合を提供する。更にオプションで、例えばパリレン−Ｃの又は音響レンズ物質（例えばシリコン）の被覆といった追加的な層又は被覆が適用されることができる。

図４は、ある実施形態による、特に上述された第１の実施形態又は第２の実施形態による、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサに関する（エッチング）マスクのセット（又は（エッチング）マスク若しくはレチクルレイアウトを含む複数の層）の上部表示を示す。図４から分かるように、セル１０は、円形形状のセルである。メンブレン１４は、環状のメンブレンである。従って、総メンブレン領域Atotalは、円形形状の領域であり、メンブレン１４の（外側の）直径２＊Ｒ_１４により、規定される（又は制限される）。最大直径２＊Ｒ_３０のプラグ３０（図４において図示省略）は、メンブレン１４の穴１５（直径２＊Ｒ_１５を持つ）に配置される。このプラグ３０は、総メンブレン領域AtotalのサブエリアAsub（図４において破線のラインにより示される）においてのみ配置される。オプションで、図４に示されるように、中央穴１５に加えて、複数のエッチング穴５０（図４には３つのエッチング穴５０がある）が、メンブレン１４の端に存在することができる。

図４において、環状の第２の電極１８の穴は、２＊Ｒ_１８の直径を持つか、又は、第２の電極１８の内径と呼ばれる。図４に示される例において、第２の電極１８の外径は、総メンブレン領域Atotalを越えて延在する。言い換えると、この例において、第２の電極１８の外径は、メンブレン１４の外径より大きい。しかしながら、例えば、図１又は図２の実施形態に示されるように、第２の電極１８の外径が、メンブレン１４の外径より小さくなる（又は、総メンブレン領域Atotalに含まれる）ことができる点を理解されたい。

図４において、複数の（４つの）追加的なセルが、中間のセル１０の周りに示される。セルは、セル又はトランスデューサ要素のアレイを形成することができる。中間のセル１０（又は、その電極）は、電気接続６０により他のセルに電気的に接続される。

円形形状のセルの場合、図１又は図２に戻って参照すると、第２の電極１８は、環状の電極である。キャビティ２０は、環状のキャビティである。斯かる円形形状のセルの場合、再度、応力層１７は、環状の層である。この場合、図１から分かるように、応力層１７の外側半径Ｒ_Ｏは、メンブレン１４の半径Ｒ_１４又は総メンブレン領域Atotalより大きくなることができる。従って、前述のように、応力層１７は、総メンブレン領域Atotalを越えて延在することができる。代替的に、理論上、必要な曲げモーメントが提供される限り、応力層１７の外側半径Ｒ_Ｏは、半径Ｒ_１４より小さくなることもできる。更にこの場合、図１から分かるように、応力層１７の内側半径Ｒ_ｉは、メンブレン１４の穴１５の半径Ｒ_１５より大きくなることができる。従って、前述のように、応力層１７の穴１９（直径２＊Ｒ_ｉを持つ）は、メンブレン１４の穴１５（直径２＊Ｒ_１５を持つ）より大きくなることができる。

斯かる円形形状のセルの場合、プラグ３０は、円形形状のプラグ３０である。プラグ３０は、環状の第２の電極１８における穴（直径２＊Ｒ_１８を持つ）より小さい。言い換えると、図１又は図２から分かるように、円形形状のプラグ３０の半径Ｒ_３０は、環状の第２の電極１８における穴の半径Ｒ_１８（又は、第２の電極１８の内側半径Ｒ_１８）より小さい。従って、前述したように、（プラグ３０が配置される）サブエリアAsubが、環状の第２の電極１８の穴により規定される領域より小さい。セルの形状は、円形形状のセルであることが有利である。しかしながら、他の任意の適切なセル形状が可能である点を理解されたい。

図３ａ〜図３ｉはそれぞれ、第１の実施形態又は第２の実施形態による圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル１０を製造する方法の異なる製造ステップを示す。図１、図２及び図４に関連してなされる説明は、図３に示される方法にも適用され、逆もまた同じである。

図３ａに示される初期ステップにおいて、最初に、基板１２は提供される。ここで、第１の電極１６は、基板において又はこの上に存在する。すると、（総メンブレン領域Atotalを覆う）メンブレン１４が、基板１２上に提供される。上述したように、メンブレン１４は、２つの層（例えばＯＮＯ−層又はＯＮ−層又はＯ−層又はＮ−層又はこれらの組み合わせ）を有し、この中に又はこの間に第２の電極１８が埋め込まれる。図３ａから分かるように、この例において、厚みｈ_２０の犠牲層２１が、基板１２上に提供される。犠牲層２１が除去される（例えばドライエッチング又はウェットエッチングされる）とき、犠牲層２１は、キャビティ２０を形成するために用いられる。メンブレン１４は、犠牲層２１上に提供される。しかしながら、キャビティ２０を提供する他の任意の適切な態様が用いられることができる点を理解されたい。

更なるステップにおいて、図３ｂに示されるように、応力層１７は、メンブレン１４上に提供又は形成される（例えば印加又は堆積される）。応力層１７は、第１の実施形態に関連して前述したように、メンブレン１４に対する所定の応力値を持つ。図３ｂに示される応力層１７は、上手に規定された内側半径Ｒ_ｉ及び外側半径Ｒ_Ｏを持つ。好ましくは、応力層１７の外径２＊Ｒ_Ｏは、メンブレン１４の直径２＊Ｒ_１４を超える。代替的に、理論上、応力層１７の外径２＊Ｒ_Ｏは、直径２＊Ｒ_１４より小さくもすることができる。目的は、一旦メンブレン１４が解放されれば、基板１２又はキャビティ２０の底部へとメンブレン１４を曲げるよう十分大きい曲げモーメントを誘導することである。

すると、図３ｃを参照して、メンブレン１４は、メンブレン１４における穴１５を提供する（例えばエッチングする）ことにより解放される。犠牲層２１を用いるこの例の場合、メンブレン１４は、穴１５を提供することにより、及び犠牲層２１の犠牲エッチングを実行することにより解放される。穴１５を提供した後、メンブレン１４は、穴１５を囲むエッジ部分１４ａを有する。メンブレン１４のエッジ部分１４ａは、基板１２（又は、キャビティ２０の底部）に対して圧壊する。より詳細には、メンブレン１４のエッジ部分１４ａは、メンブレン１４において穴１５が提供されるとき、又はこの後に、基板１２に対して圧壊する。これは、前述したように、応力層１７が、基板１２に向かう方向においてメンブレン１４上で曲げモーメントを提供するという事実が原因である。メンブレン１４は、基板１２（又は、キャビティ２０の底部）と接触する。

この例において、高さｈ_２０を持つキャビティ２０が、犠牲層２１を除去する（例えばエッチングする）ことにより、メンブレン１４及び基板１２の間に形成される。ここで、これは、メンブレン１４において穴１４が提供されるステップにおいて、又は穴１４が提供されるステップに続いて実現される。特に、第１のエッチングステップにおいて、メンブレン１４における穴１５が提供されることができ、及び後続のエッチングステップにおいて、犠牲層２１が除去されることができる。穴１５は、従ってエッチング穴としても機能する。オプションで、例えば図４におけるエッチング穴５０といった追加的なエッチング穴は、メンブレンの端に存在することができる。

図３ｄ及び図３ｅに示されるステップは、前述したように、メンブレン１４の穴１５に配置されるプラグ３０を提供するために用いられる。プラグ３０は、総メンブレン領域AtotalのサブエリアAsubにおいてのみ配置される。第１に、図３ｄを参照して、追加的な層２９（例えば窒化物から作られる）は、（総メンブレン領域Atotalの全てにおける）少なくとも総メンブレン領域Atotalにおいてメンブレン１４上に提供される。図３ｄにおいて、追加的な層２９は、総メンブレン領域Atotalを越えて延在する。追加的な層２９は、その周囲からキャビティ２０を封止し、基板１２（又は、キャビティ２０の底部）に対して、永久にメンブレン１４を固定する。また、エッチング穴５０は、追加的な層２９により閉じられることができる。この時点で、セルは、外部汚染から守られる。

プラグを提供するため、図３ｅを参照して、追加的な層２９は、サブエリアAsubに配置される層部分を除いて除去される。こうして、プラグ３０（例えば窒化物から作られる）が提供される。従って、追加的な層２９は、パターン化され、及びサブエリアAsubにおいてのみ存在する。これは、メンブレン１４の中心にある。特に、プラグ３０の高さは、追加的な層２９（例えば窒化物から作られる）の高さとすることができる。メンブレン１４は、プラグ３０により基板１２（又は、キャビティ２０の底部）に対して、永久に固定される。

特定の例として、追加的な層２９（又は、プラグ層）が窒化物から作られる場合、追加的な層２９の堆積は、通常３００℃から４００℃にある。こうして、応力は、（室温でではなく）その温度での応力値である。斯かる特定の例において、応力層物質としてはタングステンが、良好な選択である。

このポイントまで、図１に示される第１の実施形態及び図２に示される第２の実施形態によるセルの製造は、同一である。以下、図２の第２の実施形態の更なる製造ステップが説明される。図３ｆ及び図３ｇはそれぞれ、第２の実施形態による事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法の製造ステップを示す。図３ｆに示されるように、この方法は、応力層１７を除去するステップを有する。これは例えば、メンブレン１４（例えばＯＮＯ層）に対する、選択的なエッチングにより実行されることができる。メンブレン１４は、プラグ３０（例えば窒化物から作られる）により基板１２又はキャビティ２０の底部に対して永久に固定されるので、裏返ることができない。図３ｆにおいて、全体の応力層１７が除去される。しかしながら、（例えば、応力層のいくつかだけを残して）応力層の実質的な部分だけが除去されることもできる点を理解されたい。例えば、ウェットエッチング処理（等方性）が、応力層（例えば金属から作られる）の全てを除去することができる。別の例として、ドライエッチング処理（指向性又は異方性）が、応力層の実質的な部分だけを除去することができ、残り（特にプラグ３０のリセスにおける残り）をそのままにすることができる。

オプションで、図３ｇを参照して、カバー層４０は、（例えば、Ｎ−堆積を用いて）メンブレン１４及びプラグ３０上に提供されることができ、又はこの上に配置されることができる。斯かるカバー層４０は、セルの特定の共鳴周波数に対して、セル１０を、又はより詳細にはセル又はメンブレンの厚みを整合させることを提供する。

更にオプションで、複数の追加的な処理ステップが実行されることができる。例えば、セル１０の電源への電気接続（例えばバイアス及びＲＦの電力供給のため）又はセルのアレイの異なるセル間の電気接続が提供されることができる。例えば、いくつかの層（例えば窒化層）は、電極に対する導電経路を作るため、ボンドパッドから除去されることができる。更に、別の例として、電気絶縁（例えばパリレン−Ｃ）に関する保護層又は被覆が適用されることができる。

技術的な観点から、本発明の事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサ・セル（特にｃＭＵＴ）は原則として、従来の「非圧壊」容量マイクロマシン・トランスデューサ・セル（特にｃＭＵＴ）と同じ又は類似する態様で製造されることができる。これは例えば、第ＷＯ２０１０／０３２１５６号において詳細に説明され、これは、本書において参照により含まれる。これは例えば、ＣＭＯＳ互換性の利点を持つ。その結果、ｃＭＵＴは、特にいわゆるマイクロビーム形成器といったＡＳＩＣと結合されることができる。

本発明は更に、以下の実施形態に基づき説明されることができる。

ある実施形態では、セル又はｃＭＵＴセルは、埋め込まれた環状電極を持つメンブレンを有する。例えば第ＷＯ２０１０／０３２１５６号において詳細に説明されるように、スタックは、電極に関するアルミニウム、メンブレンに関するＯＮＯ及び窒化物を含む。

別の実施形態では、一時的なパターン化された応力層の堆積が、犠牲層のエッチングにより追従される。メンブレンが解放されるとき、応力層は、メンブレンを圧壊させる曲げモーメントを生じさせる。

別の実施形態では、窒化層が、キャビティの底部に対してメンブレンを永久に固定するために用いられる。ここで、セル又はｃＭＵＴセルは、事前圧壊される。この窒化層は、パターン化され、窒化物の中央プラグ又はリベットのみを残して、かなりの割合が除去される。

更なる実施形態において、一時的なパターン化された応力層は、完全に除去される（好ましい実施形態）。

別の実施形態では、事前圧壊セル又はｃＭＵＴセルは、最終的な窒化層により仕上げられる。ここで、メンブレン厚は、例えば共鳴周波数といった所望の特性と整合される。

本発明は、任意のｃＭＵＴ用途において適用可能であり、特に、超音波用途を含むが、原理上は、例えば圧力センサ又は圧力トランスデューサといった他の任意の事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサに適用可能である。圧力センサに適用する場合、線形性は、感度を犠牲にして改良される。

容量マイクロマシン圧力センサ又はトランスデューサは、電極間の容量値を測定する。距離ｄにより隔てられ面積Ａを持つ２つのフラット電極に対して、容量値Ｃは、

である。簡単化のため、電極間の誘電絶縁層の存在は、この式において省略される。

１つの例において、電子的に、圧力センサは、電子発振回路の部分でありえる。ここで、発振器周波数ｆは、

であり、Ｒは、いくつかの外部レジスタの抵抗である。この場合、圧力センサ出力は、電子回路の周波数であり、距離ｄにおける線形距離である。この周波数が、メンブレンの機械的な共鳴周波数と何ら関係がない点に留意されたい。こうして圧力が増加されるので、２つのプレートは、互いの方へ進み、容量値は、増加し、周波数は下がる。圧力Ｐは、

として表されるこができるｈの量によりメンブレンが下方に移動することをもたらす。ここで、ｒは、メンブレンの半径であり、Ｄは、定数である。以下、電極の間の距離ｄは、

である。なぜなら、ギャップｇは、量ｈにより減少されるか、又は

となるからである。従って、圧力は、メンブレンの圧壊まで、周波数と共におよそ線形である。しかしながら、実際は、電極又はメンブレンの形状は、フラットでない。メンブレンは曲がる。これは、電極にわたる距離における変動を与える。最良の線形性は従って、電極が小さい場合、小さな容量値を測定しなければならないことを犠牲にして、得られる。実際には、メンブレン半径と比較して５０％の半径を持つ電極が、すでに非常に線形である。

ここで、電気容量値を測定する１つの例が説明された。しかしながら、電気容量値が、他の任意の適切な態様で測定されることもできる点を理解されたい。

本発明が図面及び前述の説明において詳細に図示され及び説明されたが、斯かる図示及び説明は、説明的又は例示的であると考えられ、本発明を限定するものではない。本発明は、開示された実施形態に限定されるものではない。図面、開示及び添付された請求項の研究から、開示された実施形態に対する他の変形が、請求項に記載の本発明を実施する当業者により理解され、実行されることができる。

請求項において、単語「有する」は他の要素又はステップを除外するものではなく、不定冠詞「ａ」又は「ａｎ」は複数性を除外するものではない。単一の要素又は他のユニットが、請求項に記載される複数のアイテムの機能を満たすことができる。特定の手段が相互に異なる従属項に記載されるという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを意味するものではない。

請求項における任意の参照符号は、発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (14)

1. 事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルであって、
   基板と、
   メンブレンであって、キャビティが、前記メンブレン及び前記基板の間に形成され、前記メンブレンは、穴及び前記穴を囲むエッジ部分を含み、前記メンブレンのエッジ部分が、前記基板に対して圧壊される、メンブレンと、
   前記メンブレンの穴において配置されるプラグであって、総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ配置される、プラグとを有する、事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルにおいて、前記プラグは前記基板に接触するか又は固定される事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセル。
2. 前記メンブレンの穴が、前記総メンブレン領域の中心領域に配置される、請求項１に記載のセル。
3. 前記プラグが、前記基板に配置されるステム部と、前記エッジ部分に配置されるヘッド部分とを有する、請求項１に記載のセル。
4. 前記プラグが、前記メンブレンに対する所定の応力値を持つ応力層を除去することにより形成されるリセスを有する、請求項１に記載のセル。
5. 前記メンブレン上に応力層を更に有し、前記応力層が、所定の応力値を持つ、請求項１に記載のセル。
6. 前記プラグは、窒化物、二酸化ケイ素又はこれらの組み合わせから作られる、請求項１に記載のセル。
7. 前記メンブレン及び／又は前記プラグに配置されるカバー層を更に有する、請求項１に記載のセル。
8. 前記基板上に又はこの中にある第１の電極と、前記メンブレン上に又はこの中にある第２の電極とを更に有する、請求項１に記載のセル。
9. 前記第２の電極が、環状の電極である、請求項８に記載のセル。
10. 前記キャビティが、環状のキャビティである、請求項１に記載のセル。
11. 前記セルが、超音波の送信及び／又は受信に関する、容量マイクロマシン超音波トランスデューサセルである、請求項１に記載のセル。
12. 事前圧壊容量マイクロマシン・トランスデューサセルを製造する方法において、
    基板を提供するステップと、
    総メンブレン領域を覆うメンブレンを提供するステップであって、キャビティが前記メンブレン及び前記基板の間に形成される、ステップと、
    前記メンブレンにおいて穴を提供するステップであって、前記メンブレンが、前記穴を囲むエッジ部分を有する、ステップと、
    前記基板に対して前記メンブレンのエッジ部分を圧壊させるステップと、
    前記メンブレンの穴に配置されるプラグを提供するステップであって、前記プラグが、前記総メンブレン領域のサブエリアにおいてのみ配置され、前記基板に接触するか又は固定される、ステップとを有する、方法。
13. 前記プラグを提供するステップが、少なくとも前記総メンブレン領域における前記メンブレンに追加的な層を適用し、前記サブエリアに配置される前記層の部分を除いて前記層を除去するステップを有する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記メンブレン上に応力層を提供するステップを更に有し、前記応力層が、前記メンブレンに対する所定の応力値を持つ、請求項１２に記載の方法。

Images