JP6297131B2 - ウェハスケールトランスデューサコーティング及び方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して血管内超音波（intravascular ultrasound；ＩＶＵＳ）撮像に関し、特に、ＩＶＵＳ撮像用のＩＶＵＳカテーテル内で使用される複数の超音波トランスデューサのウェハレベルコーティングに関する。

血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像は、人体内の例えば動脈などの血管を調べて、治療の必要性を決定し、介入（インターベンション）をガイドし、且つ／或いはその有効性を評価するための診断ツールとして、介入心臓学で幅広く使用されている。ＩＶＵＳ撮像システムは、超音波エコーを使用して、関心ある血管の断面画像を形成する。典型的に、ＩＶＵＳ撮像は、ＩＶＵＳカテーテル上のトランスデューサを使用し、それが超音波信号（波）を放射することと、反射された超音波信号を受けることとの双方を行う。放射された超音波信号（しばしば、超音波パルスとして参照される）は、大抵の組織及び血液を容易に通り抜けるが、組織構造（例えば、血管壁の様々な層など）、赤血球、及びその他の関心フィーチャにより生じるインピーダンス不連続にて部分的に反射される。患者インタフェースモジュールによってＩＶＵＳカテーテルに接続されるものであるＩＶＵＳ撮像システムは、受け取った超音波信号（しばしば、超音波エコーとして参照される）を処理して、ＩＶＵＳカテーテルが位置するところの血管の断面画像を作成する。

ＩＶＵＳ撮像用の１つの好ましいタイプの超音波トランスデューサは、圧電マイクロマシン（微細加工）超音波トランスデューサ（piezoelectric micromachined ultrasound transducer；ＰＭＵＴ）であり、これは、典型的にシリコンウェハ基板上で大きいバッチにて製造される微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスである。ＭＥＭＳ製造技術を用いて、単一のシリコンウェハ上に何千個ものＰＭＵＴが作り出される。典型的に、ＰＭＵＴは、微細加工されたシリコン基板上に圧電ポリマーを堆積することによって形成され得る。シリコン基板はまた、トランスデューサへの電気的なインタフェースを提供するために使用される電子回路を含み得る。他の例では、ＰＭＵＴに結合される電子回路は、ＰＭＵＴデバイスの近傍に置かれて電気リードによって接続される別個の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に含められることもある。ある取付け長さの電気ケーブルを備えた、（同一基板に含められるか別個の隣接ＡＳＩＣ上に置かれるかの何れかで）それに関連する電子回路を有するＰＭＵＴ ＭＥＭＳデバイスは、長い尻尾状の電気ケーブルに結合された幾らか球根状のトランスデューサアセンブリからなるその構成に基づいて、タッドポール（オタマジャクシ）アセンブリと呼ばれている。現在、ＰＭＵＴタッドポールアセンブリは、正面電極及びその他の電気接続を流体（例えば、生理食塩水又は血液）との接触から絶縁するために、パリレンでコーティング（被覆）されている。これは不便である。というのは、多数のタッドポールアセンブリをパリレンチャンバに導入し、そして、取り付けられた電気ケーブルを、コーティングされることから保護することが面倒なためである。

故に、タッドポール段階でトランスデューサアセンブリ上に保護層をコーティングする従来のウェハ製造技術及び方法は、それらの意図した目的に関して概して十分であるものの、全ての観点で完全に満足のいくものとはなっていない。

血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像は、人体の内部の医学的状態を評価するのに使用されている。ＩＶＵＳカテーテルは、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサＰＭＵＴを含み得る。超音波トランスデューサは、その動作の一部として、当該トランスデューサに電気信号を与えるのに使用される電極を有する。トランスデューサを流体から保護し、電気信号を例えば血液又は生理食塩水などの周囲媒体から絶縁するために、後のタッドポールアセンブリ段階ではなく、ウェハ製造プロセス中に、保護コーティングがトランスデューサの前面側に形成され得る。この保護コーティングは、化学気相成長プロセスを用いて堆積されるパリレン材料を含み得る。

本開示は、血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像で使用される超音波トランスデューサの様々な実施形態を提供する。例示的な超音波トランスデューサは、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサであり、ウェハ基板（典型的に、シリコンウェハ）上に製造される。この例示的なトランスデューサは、第１の面と該第１の面とは反対側の第２の面とを有する基板を含む。基板の第１の面上にトランスデューサメンブレンが配置されている。トランスデューサメンブレンは圧電層を含んでいる。基板の第２の面の上には配置されずに、トランスデューサメンブレンの上に共形に保護層が配置されている。基板の第２の面に、基板を実質的に貫いて延在し、トランスデューサメンブレンにアライメントされ、且つトランスデューサメンブレンの裏面側で終端する井戸が配置されている。

例示的な超音波トランスデューサは、第１の面と該第１の面とは反対側の第２の面とを有する基板を含む。基板内に井戸が配置されている。該井戸は、裏当て材で充填されている。基板の第１の面上にトランスデューサメンブレンが配置されている。トランスデューサメンブレンは圧電層を含んでいる。トランスデューサメンブレンの上に第１の導電層が配置されている。トランスデューサメンブレンの下に第２の導電層が配置されている。第１の導電層上に第１のボンドパッドが配置されている。第２の導電層上に第２のボンドパッドが配置されている。トランスデューサメンブレンの上と第１及び第２の導電層の上とに保護層が配置されている。保護層は、第１及び第２のボンドパッドを露出させるリセス（凹部）を含んでいる。基板の第２の面に、基板を実質的に貫いて延在し、トランスデューサメンブレンにアライメントされ、且つトランスデューサメンブレンの裏面側で終端する井戸が配置されている。

本開示は更に、小型超音波トランスデューサを製造する方法を提供する。当該方法は、複数の小型超音波トランスデューサが形成されたウェハを受け取ることを含む。小型超音波トランスデューサは各々、圧電材料を含むトランスデューサメンブレンと、各々がトランスデューサメンブレンに電気的に結合された第１のボンドパッド及び第２のボンドパッドとを含む。ウェハの前面側から、上記複数の小型超音波トランスデューサを覆って保護層が共形に堆積される。第１のエッチングプロセスが実行されて、前面側からウェハ内に延在する複数の第１のトレンチが形成される。第１のトレンチは、保護層を貫いて基板内に深くエッチングされ、第１のトレンチは、隣接し合う小型超音波トランスデューサ間に配置される。第２のエッチングプロセスが実行されて、第１及び第２のボンドパッドの上に置かれた保護層の部分が除去され、それにより第１及び第２のボンドパッドが露出される。

以上の概要説明及び以下の詳細説明はどちらも、性質的に例示的で説明的なものであり、本開示の範囲を限定することなしに本開示の理解を提供することを意図したものである。その点において、本開示の更なる態様、特徴及び利点が、以下の詳細な説明から当業者に明らかになるであろう。

本開示の態様は、添付の図面とともに読むときに以下の詳細な説明から非常によく理解される。強調しておくことには、産業界における標準的な習慣に従って、様々な機構を縮尺通りには描いていない。実際、様々な機構の寸法が、説明の明瞭さのために、恣意的に拡大されたり縮小されたりしていることがある。また、本開示は、様々な例において参照番号及び／又は参照文字を繰り返すことがある。この繰り返しは、単純さ及び明瞭さを目的としたものであり、説明される様々な実施形態及び／又は構成に間の関係をそれ自体にて述べるものではない。
本開示の様々な態様に従った血管内超音波（ＩＶＵＳ）撮像システムの模式図である。 本開示の様々な態様に従った複数のトランスデューサを含むウェハの一部の図形的な上面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従った様々な製造段階のうちの１つにおける超音波トランスデューサの図形的な側断面図である。 本開示の様々な態様に従ったトランスデューサ上の保護層のウェハレベルコーティングを実行する方法のフローチャートである。

本開示の原理の理解を促進させる目的で、以下、図面に例示される実施形態を参照するとともに、特定の言葉を用いてそれを説明することとする。とはいうものの、理解されることには、開示の範囲に対する限定は意図されていない。本開示が関係する当業者に普通に浮かぶような、記載される装置、システム及び方法への如何なる改変及び更なる変更、並びに本開示の原理の如何なる更なる応用も、十分に企図されて本開示の範囲内に含まれる。例えば、本開示は、心臓血管の撮像に関して記述される超音波撮像システムを提供しているが、理解されるように、それらの記述は、この用途に限定されることを意図したものではない。一部の実施形態において、超音波撮像システムは血管内撮像システムを含んでいる。この撮像システムは、小さい空洞内での撮像を必要とする如何なる用途にも等しく十分に適したものである。特に、完全に企図されることには、１つの実施形態に関して記述される特徴、コンポーネント及び／又はステップが、本開示の他の実施形態に関して記述される特徴、コンポーネント及び／又はステップと組み合わされ得る。しかしながら、簡潔さのため、それらの組み合わせの数多の繰り返しを別途に記述することはしない。

固体式及び回転式という２種類のＩＶＵＳカテーテルが、今日一般的に使用されている。例示的な固体式ＩＶＵＳカテーテルは、当該カテーテルの外周にわたって分布されて電子回路に接続された複数（典型的に、６４個）のトランスデューサのアレイを使用する。該回路は、超音波信号を送って反射された超音波信号を受けるトランスデューサを、アレイから選択する。一連の送信−受信トランスデューサ対を通じてステップを踏むことにより、固体式カテーテルは、可動部分なしで、機械的に走査されるトランスデューサ素子の効果を合成することができる。回転する機械要素が存在しないので、最小限の血管外傷のリスクで、血液及び血管組織と直に接触させてトランスデューサアレイを配置することができるとともに、単純な電気ケーブル及び標準的な脱着可能な電気コネクタを用いて、固体式スキャナを直接的に撮像システムに配線することができる。

例示的な回転式ＩＶＵＳカテーテルは、関心血管に挿入されるシースの内側でスピンする柔軟性のあるドライブシャフトの先端に置かれた単一の超音波トランスデューサを含む。このトランスデューサは典型的に、超音波信号がカテーテルの軸に対して概して垂直に伝播するような向きにされる。典型的な回転式ＩＶＵＳカテーテルでは、流体で充たされた（例えば、生理食塩水で充たされた）シースが、超音波信号がトランスデューサから組織内に自由に伝播して戻ってくることを可能にしながら、スピンするトランスデューサ及びフレキシブルドライブシャフトから血管組織を保護する。ドライブシャフトが回転（例えば、毎秒３０回転）しているときに、トランスデューサが、周期的に高電圧パルスで励起されて、短い超音波バーストを放射する。超音波信号は、トランスデューサから、流体充填シース及びシース壁を貫いて、ドライブシャフトの回転軸に対して概して垂直な方向に放射される。次いで、同じトランスデューサが、様々な組織構造から反射されて戻って来る超音波信号をリッスンし、そして、撮像システムが、トランスデューサの単一回転の間に行われるこれら超音波パルス／エコー収集シーケンスの数百ものシーケンスから、血管断面の２次元画像を組み立てる。

図１は、本開示の様々な態様に従ったＩＶＵＳ撮像システム１００の模式図である。ＩＶＵＳ撮像システム１００は、患者インタフェースモジュール（ＰＩＭ）１０４を介してＩＶＵＳ制御システム１０６に結合されたＩＶＵＳカテーテル１０２を含んでいる。制御システム１０６は、例えばＩＶＵＳシステム１００によって生成される画像などのＩＶＵＳ画像を表示するモニタ１０８に結合されている。

一部の実施形態において、ＩＶＵＳカテーテル１０２は、Ｖｏｌｃａｎｏ社から入手可能なＲｅｖｏｌｕｔｉｏｎ（登録商標）回転式ＩＶＵＳ撮像カテーテル、及び／又は米国特許第５，２４３，９８８号及び米国特許第５，５４６，９４８号（これら双方の全体をここに援用する）に開示されている回転式ＩＶＵＳカテーテルと同様とし得るものである回転式ＩＶＵＳカテーテルである。カテーテル１０２は、血管（図示せず）の内腔への挿入用に形状を決められて構成された、細長くてフレキシブルなカテーテルシース１１０（近位端部分１１４及び遠位端部分１１６を有する）を含んでいる。カテーテル１０２の縦軸ＬＡが、近位端部分１１４と遠位端部分１１６との間に延在している。カテーテル１０２はフレキシブルであり、それ故に、使用中に血管の湾曲に適応することができる。これに関し、図１に示した湾曲した構成は、例示目的でのものであり、他の実施形態においてカテーテル１０２が湾曲し得る様子をいかようにも限定しない。一般に、カテーテル１０２は、使用時に如何なる所望の直線状又は弓形の形状をも呈するように構成され得る。

回転する撮像コア１１２が、シース１１０内を延在している。撮像コア１１２は、シース１１０の近位端部分１１４の中に配置された近位端部分１１８と、シース１１０の遠位端部分１１６の中に配置された遠位端部分１２０とを有している。シース１１０の遠位端部分１１６及び撮像コア１１２の遠位端部分１２０は、ＩＶＵＳ撮像システム１００の稼働中に関心血管に挿入される。カテーテル１０２（例えば、具体的には関心血管である患者に挿入されることができる部分）の使用可能な長さは、如何なる好適長さともすることができ、用途に応じて様々であり得る。シース１１０の近位端部分１１４及び撮像コア１１２の近位端部分１１８は、インタフェースモジュール１０４に接続される。近位端部分１１４、１１８は、患者インタフェースモジュール１０４に取り外し可能に接続されるカテーテルハブ１２４と合致される。カテーテルハブ１２４は、カテーテル１０２と患者インタフェースモジュール１０４との間の電気的及び機械的な結合を提供する回転インタフェースを支援及び支持する。

撮像コア１１２の遠位端部分１２０は、トランスデューサアセンブリ１２２を含んでいる。撮像コア１１２は、血管の画像を取得するために（モータ又はその他の回転装置の何れかの使用により）回転されるように構成される。トランスデューサアセンブリ１２２は、血管、特に、血管内の狭窄を可視化するのに好適な如何なるタイプのものともし得る。図示した実施形態において、トランスデューサアセンブリ１２２は、圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）と、例えば特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの付随回路とを含む。ＩＶＵＳカテーテルで使用される例示的なＰＭＵＴは、米国特許第６，６４１，５４０号（その全体をここに援用する）に開示されているものなどのポリマー圧電膜（メンブレン）を含み得る。ＰＭＵＴトランスデューサは、半径方向において最適な分解能のための帯域幅の１００％超と、最適な方位角方向及び仰角方向の分解能のための球状フォーカスされるアパチャとを提供することができる。トランスデューサアセンブリ１２２はまた、ＰＭＵＴトランスデューサ及び付随回路をその中に持つ筐体を含むことができ、該筐体は、ＰＭＵＴによって生成される超音波信号がそれを通って進行し得る開口を有する。他の例では、トランスデューサアセンブリ１２２は、容量性（capacitive）マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＣＭＵＴ）を含む。

図２は、ウェハ１５０の一部の簡略化した図形的な上面図である。ウェハ１５０は、例えばシリコン基板といった基板の上に形成された複数の圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ２００を収容している。トランスデューサ２００は、複数の横方向の行に配列されている。各トランスデューサ２００が、それぞれのトレンチ３００によって部分的に囲まれ又は取り囲まれている。ＰＭＵＴ２００は、２０１３年１２月１３日に出願された“Layout and Method of Singulating Miniature Ultrasonic Transducers”なるタイトルの米国特許出願第１３／１０５，９０２号（その全体をここに援用する）にもっと詳細に記載されている。本開示の様々な態様によれば、ウェハスケールプロセスにて、ウェハ１５０の前面（フロント表面）上に保護膜又は保護層がコーティングされ得る。このウェハレベルコーティングプロセスを、以下、図３−１０を参照して説明する。

より詳細には、図３−１０は、ウェハ１５０の一部の図形的で断片的な側断面図である。図３−１０は各々、本開示の様々な態様に従った製造の異なる一段階に対応している。図３−１０は、本開示の発明概念をより十分に理解できるように、明瞭さのために簡略化されている。また、同じ製造プロセスが超音波トランスデューサ２００の全てに対して実行されるので、以下の説明は、単純さ及び明瞭さの目的で、トランスデューサ２００のうちのほんの数個（例えば、図３−９に示される３つのトランスデューサ２００）に注目することとする。

ＰＭＵＴ２００は、図１のＩＶＵＳ撮像システム１００に（例えば、ＩＶＵＳカテーテル１０２に含まれたトランスデューサアセンブリ１２２に）含められ得る。トランスデューサ２００は、血管内撮像によく適するよう、小さいサイズを有し、且つ高い分解能を提供する。一部の実施形態において、ＰＭＵＴ２００は、およそ５００ミクロンのサイズを有し、約２０ＭＨｚと８０ＭＨｚとの間の周波数域で動作することができ、そして、１０ｍｍに至る侵入深さを提供しながら５０ミクロンよりも良好な分解能を提供し得る。また、トランスデューサ２００の圧電膜は好ましくは、フォーカスされるアパチャを作り出すために、実質的に球状の窪みを形成するように撓まされる。超音波ビームが名目上、球状の撓みの曲率中心に集束され、焦点ゾーン内の超音波ビーム幅が最小化され、故に、高分解能の超音波像が提供される。以下、超音波トランスデューサ２００及びその製造の様々な態様を更に詳細に説明する。

図示した実施形態において、超音波トランスデューサ２００は圧電マイクロマシン超音波トランスデューサ（ＰＭＵＴ）である。他の実施形態において、トランスデューサ２００は、他のタイプのトランスデューサを含んでいてもよい。更なる機構が超音波トランスデューサ２００に追加されることができ、後述される機構の一部は、超音波トランスデューサ２００の更なる実施形態では、置換あるいは排除されることができる。

図３に示すように、トランスデューサ２００は基板２１０を含んでいる。基板２１０は、表面２１２と、表面２１２とは反対側の表面２１４とを有している。表面２１２は、前面（フロント表面）又は前面側としても参照することがあり、表面２１４は、裏面又は裏面側としても参照することがある。図示した実施形態において、基板２１０はシリコン基板である。基板２１０は、他の実施形態において、ＰＭＵＴトランスデューサ２００の設計要求に応じて、他の好適材料からなってもよい。

基板２１０の初期厚さ２２０は、表面２１２と表面２１４との間で測定される。一部の実施形態において、初期厚さ２２０は、約２００ミクロン（μｍ）から約６００μｍまでの範囲内である。

基板２１０の表面２１２を覆って誘電体層２３０が形成される。誘電体層２３０は、例えば熱酸化、化学気相成長（ＣＶＤ）、物理気相成長（ＰＶＤ）、原子層成長（ＡＬＤ）、又はこれらの組み合わせなどの、技術的に知られた好適手法によって形成され得る。誘電体層２３０は、例えば二酸化シリコン、窒化シリコン、又は酸窒化シリコンといった、酸化物材料及び／又は窒化物材料を含み得る。誘電体層２３０は、上に形成されるべき層のための支持表面を提供する。誘電体層２３０はまた、僅かに導電性であり得る（シリコンの場合）下に位置する基板からの電気絶縁を提供する。

誘電体層２３０を覆って導電層２４０が形成される。導電層２４０は、例えば蒸着、スパッタリング、電気めっきなどの好適な堆積プロセスによって形成され得る。図示した実施形態において、導電層２４０は、１つ以上の金属コンポーネントのスタックからなる。例えば、その金属スタックは、チタン、タングステン、クロム、金、及び／又はアルミニウムのコンポーネントを含み得る。導電層２４０は、例えば、フォトリソグラフィと、導電層２４０の不所望部分を除去するために使用されるリフトオフ又はエッチング、などの技術を用いてパターニングされる。単純さのため、図３は、パターニングされた後の導電層２４０のみを示している。

誘電体層２３０及び導電層２４０を覆って圧電膜２５０が形成される。様々な実施形態において、圧電膜２５０は、例えばポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）若しくはその共重合体、三フッ化エチレンを有するＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、又は四フッ化エチレンを有するＰ（ＶＤＦ−ＴＦＥ）などの、圧電材料を含み得る。他の例では、例えばＰ（ＶＤＦ−ＣＴＦＥ）又はＰ（ＶＤＦ−ＣＦＥ）などのポリマーが使用されてもよい。図示した実施形態において、圧電膜２５０に使用される圧電材料はＰ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）を含む。

圧電膜２５０は、例えば図３に示した形状といった、所望の形状を達成するようにパターニングされる。このパターニングプロセスで、圧電膜２５０の不所望の部分が除去される。結果として、誘電体層２３０及び導電層２４０の部分ぶぶんが露出される。本実施形態において、圧電膜２５０は、頂部電極用の堆積物が形成されることを可能にする面取り部を形成するようにエッチングされている。面取り部は、図３の断面図に示される台形側壁として現れ得る。また、理解されるように、圧電膜２５０が導電層２４０にいっそう張り付きやすいように、一部の実施形態において、圧電膜２５０と導電層２４０との間に密着促進層（ここでは図示せず）が形成されてもよい。

技術的に知られた好適な堆積プロセスを用いて、圧電膜２５０を覆って導電層２７０（すなわち、頂部電極）が形成される。図示した実施形態において、導電層２７０は、１つ以上の金属コンポーネントのスタックからなる。例えば、その金属スタックは、チタン、タングステン、クロム、金、及び／又はアルミニウムのコンポーネントを含み得る。導電層２７０は、例えば、フォトリソグラフィと、導電層２４０の不所望部分を除去するために使用されるリフトオフ又はエッチング、などの技術を用いてパターニングされる。単純さのため、図３は、パターニングされた後の導電層２７０のみを示している。導電層２４０及び２７０並びに圧電層２５０は集合的に、トランスデューサ膜（メンブレン）を構成し得る。他の例では、トランスデューサメンブレンはまた、導電層２４０及び２７０並びに圧電層２５０の直下に置かれた誘電体層の部分をも含み得る。

その後、ボンドパッド２８０−２８１（導電コンタクト又はパッドメタルとしても参照する）が形成される。ボンドパッド２８０は、導電層２４０上に形成されて、それに電気的に結合され、ボンドパッド２８１は、導電層２７０上に形成されて、それに電気的に結合される。ボンドパッド２８０−２８１は、導電層２４０及び２７０を覆って金属の層を堆積し、その後、この金属の層をリソグラフィプロセスでパターニングすることによって形成され得る。その結果、ボンドパッド２８０−２８１が形成される。ボンドパッド２８０−２８１は、トランスデューサ２００の電極としての役割を果たし得る。これらの電極（すなわち、ボンドパッド２８０−２８１）を介して、トランスデューサ２００と例えば電子回路などの外部装置（ここでは図示せず）との間の電気接続が構築され得る。該電子回路は、特には超音波域の音波である音波を生成するようにトランスデューサメンブレンを励起することができる。

次いで図４を参照するに、ウェハ１５０の裏面側２１４が材料２８５で覆われる。材料２８５は、後のプロセスで容易に除去されることが可能なテープ又はその他の種類の犠牲材料を含み得る。その後、ウェハ１５０の全体を覆って保護層２９０がコンフォーマル（共形）にコーティングされる。図４ではウェハ１５０の一部のみが示されているので、保護層２９０は、ウェハの前面側２１２を覆って及び裏面側２１４を覆ってコーティングされるように示されている（すなわち、ウェハ１５０とその上にコーティングされた保護層２９０との外側縁はここでは示されていない）が、理解されるように、保護層２９０のコーティングはウェハレベルで行われる。

保護層２９０は２つの目的を果たす。第１に、これは、例えば血液又は生理食塩水などの流体に対する電気絶縁を提供する。第２に、これは、トランスデューサ２００のメンブレンと、典型的には生理食塩水又は血液である周囲媒体との間の音響インピーダンス整合を提供する。故に、ここでの保護層２９０は、電気絶縁性であり且つトランスデューサメンブレンの音響インピーダンスと周囲媒体（生理食塩水）の音響インピーダンスとの中間の音響インピーダンスを示す材料を含む。一部の実施形態において、保護層２９０は、化学気相成長されたポリ（ｐ−キシリレン）ポリマー（以下、その商品名で、パリレンと称する）を含む。

コンフォーマルコーティングが意味することは、保護層２９０が、それが到達し得る全ての表面上に同等又は均一な厚さでコーティングされるということである。換言すれば、保護層２９０は、ウェハ１５０の前面側２１２及び裏面側２１４の上に配された様々なコンポーネントの断面プロファイル又は輪郭に従うことになる。裏面側２１４は平坦（且つ材料２８５は平坦）であるので、裏面側２１４で材料２８５上に形成された保護層２９０の部分もまた平坦であり、すなわち、平坦な表面を有する。しかしながら、ウェハ１５０の前面側２１２に形成されたＰＭＵＴトランスデューサ２００は基板２１０の前面と共平面ではないので、保護層２９０は、例えばボンドパッド２８０−２８１、導電層２４０及び２７０、並びに圧電膜２５０といった、ＰＭＵＴトランスデューサ２００のコンポーネントの起伏に従う。理解されるように、ここでの図面においては、単純さの理由で、保護層２９０のコンフォーマルコーティング性が正確には図示されていないことがある。

保護層２９０は、全体を通して均一である厚さ２９５を有する。一部の実施形態において、保護層２９０は、例えばおよそ２ミクロンから５ミクロンなど、電気絶縁を提供するのにちょうど十分なだけの厚さ２９５を有する。他の実施形態において、保護層２９０は、電気絶縁と音響マッチングとの双方を提供するように選定された厚さ２９５を有し、その場合、厚さ２９５は、トランスデューサ中心周波数での音響波長のおよそ１／４（例えば４０ＭＨｚの中心周波数を持つトランスデューサに対しておよそ１３ミクロンなど）とし得る。

次いで図５を参照するに、ウェハ１５０の裏面側２１４の材料２８５（図４にて見て取れる）が、その上に形成された保護層２９０とともに除去されている。基板２１０内に複数のトレンチ３００をエッチングするよう、第１のエッチングプロセスが前面２１２から行われる。トレンチ３００は、例えばディープ（深堀）反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスなどのドライエッチングプロセスによって形成され得る。トレンチ３００の各々が、例えば図２の上面図に示したように、複数のトランスデューサのうちのそれぞれの１つを部分的に囲み又は取り囲む。図５の断面図には、トレンチ３００Ａ−３００Ｂのみが示されている。理解されるように、トレンチ３００Ａ及び３００Ｂは、図５の断面図では２つのトレンチとして見えているとしても、実際には、複数のトランスデューサ２００のうちの１つを囲む単一の連続したトレンチの部分同士である。本実施形態において、トレンチ３００は、約８０μｍから約１００μｍまでの範囲内にあるトレンチ深さ３１０を有する。当然ながら、深さ３１０は、他の実施形態では異なる値を有し得る。

理解されるように、トレンチ３００がエッチングされる前に、エッチングされるべきでない保護層２９０の部分を覆うように、前面側２１２にフォトマスクが設けられ得る。このフォトマスクは、隣接するＰＭＵＴトランスデューサ２００の間に配置された開口を含んでおり、トレンチ３００がエッチングされるのはそれらの開口を通してである。単純さの理由で、ここではフォトマスクは図示されていない。

次いで図６を参照するに、別のエッチングプロセスが実行され、ボンドパッド２８０−２８１の上に位置する保護層２９０の部分を除去することによって、ボンドパッド２８０−２８１が露出される。保護層２９０のこれらの部分の除去は、ボンドパッド２８０−２８１の各々の上にリセス（凹部）又は開口３０５を形成する。この場合も、このエッチングプロセスが実行される前に、先ず、別のフォトマスクがウェハの前面側２１２に設けられる。このフォトマスクは、ボンドパッド２８０−２８１と上下でアライメントされた開口を含む。このフォトマスクは、その下に置かれた保護層２９０がエッチングされることを防止しながら、このフォトマスクの開口によって露出された保護層の部分がエッチングプロセスによって除去されることを可能にする。このエッチングプロセスが完了した後、ボンドパッド２８０−２８１が露出され、ワイヤボンディングの準備が整う。

理解されるように、図４−６は、リセス３０５が形成される前にトレンチ３００が形成されることを示しているが、この具体的な順序は重要でない。換言すれば、他の実施形態において、トレンチ３００が形成される前にリセス３０５が形成されてもよい。

ここでは開口（例えば、トレンチ３００及びリセス３０５）を導入するのにエッチングが用いられるので、ここでの保護層２９０の側縁（例えば、トレンチ３００又はリセス３０８の側壁）は、その開口を形成するのに用いられる特定のエッチングプロセスの特徴を呈することになる。それらの特徴は、採用され得る様々なエッチング方法で異なるものであり、ここでの開口が例えば機械的なソーイングプロセスによって形成されるとした場合とも異なる。

次いで図７を参照するに、基板２１０内に裏面側２１４から複数の開口３５０が形成される。各開口３５０が、複数のトランスデューサ２００のうちの１つのメンブレンの下に（すなわち、上下でアライメントされて）形成される。開口３５０はまた、井戸（ウェル）、空所（ボイド）、又は凹部（リセス）としても参照され得る。開口３５０は、図示した実施形態において、誘電体層２３０に至るまで形成されている。換言すれば、誘電体層２３０の一部が開口３５０によって裏面側２１４に露出される。しかしながら、理解されるように、他の実施形態において、開口３５０は上方に誘電体層２３０を貫き進んで、導電層２４０（すなわち、底部電極）で停止してもよい。一部の実施形態において、開口３５０は、例えばディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスといった、エッチングプロセスによって形成される。各開口３５０が１つのトランスデューサ２００のアパチャに対応する。

理解されるように、本実施形態は、裏面側２１４から開口３５０を形成する前に前面側２１２からトレンチ３００を形成することを含んでいるが、他の実施形態において、これらのプロセスは逆にされてもよい。換言すれば、他の実施形態において、トレンチ３００よりも前に開口３５０が形成されてもよい。

次いで図８を参照するに、開口３５０が裏当て材３７０で充填される。固体の裏当てを形成するように裏当て材３７０が硬化される前に、裏当て材が液体のままである間に、フォーカスされるトランスデューサアパチャを作り出すために、球状のお椀形状の湾曲を形成するよう、メンブレンが撓まされ得る。単純さのため、撓みプロセスは図８に描写されていない。裏当て材３７０が硬化されると、開口３５０を充填した裏当て材３７０がメンブレン撓みを保持し、この裏当て材３７０はまた、圧電膜２５０の背後から裏当て材３７０内に現れる音波を弱めるように作用する。より詳細には、裏当て材３７０は、誘電体層２３０の底面（すなわち、裏面側表面）（又は、誘電体層２３０が開口３５０内で除去されている実施形態では導電層２４０の裏面）と物理的に接触する。故に、裏当て材３７０の１つの機能は、トランスデューサメンブレン３６０を、その形状（例えば、弓形の形状）が維持されるように適所に係止する助けとなることである。裏当て材３７０はまた、トランスデューサメンブレン３６０によって生成されて裏当て材３７０内に伝播する音波を吸収することが可能な音響減衰材料を含む。このような音波（又は音響エネルギー）は、例えば超音波トランスデューサ２００が図１のトランスデューサアセンブリ１２２に含められるときに、トランスデューサアセンブリの境界面及び構造から反射される波を含む。

開口３５０の上に配置された層（すなわち、トランスデューサメンブレン）はまた、凹面を形成するように撓まされる。別の言い方をすれば、開口３５０によって露出された誘電体層２３０の部分、及び誘電体層２３０の該部分の上に配置されたトランスデューサメンブレンの部分は、裏面側２１４に向かって湾曲される。故に、弓形形状のトランスデューサメンブレン３６０が形成される。単純さのため、弓形形状のトランスデューサメンブレンは図５の全てのトランスデューサ２００については図示されていないが、理解されるように、各トランスデューサ２００が、図９に示すトランスデューサ２００のような（又は、それと同様な）形状にされ得る。トランスデューサメンブレンの形を整えることの更なる詳細は、２０１２年１２月２１日に出願された“Method and Apparatus For Shaping Transducer Membrane”なるタイトルの米国仮特許出願第６１／７４５，３４４号（代理人整理番号４４７４４．１０９４）に開示されており、その全体をここに援用する。

次いで図１０を参照するに、基板２１０の厚さを薄くするように、裏面側２１４から薄化プロセス４００が実行される。一部の実施形態において、研削、研磨、若しくはエッチングのプロセス、又はこれらの組み合わせを用いて、基板２１０（及び、適用可能な場合の実施形態において、裏当て材３７０）の一部が裏面側２１４から除去される。薄化プロセス４００は、基板２１０が所望の厚さ４１０に到達するまで行われる。厚さ４１０は、トレンチ３００の深さ３１０（図５に示される）よりも大きくない。一部の実施形態において、薄化プロセス４００が行われた後の基板２１０の厚さ４１０は、例えば約７５μｍなど、約８０μｍより小さい。

本開示の様々な態様に従った保護層２９０のコンフォーマルなウェハレベルコーティングは、利点を提供する。しかしながら、理解されるように、異なる実施形態は異なる利点を提供することがあり、必ずしも全ての利点がここで説明されるわけではなく、また、如何なる特定の利点も全ての実施形態には要求されない。１つの利点は、ウェハレベルコーティングは、実行がより容易であるとともに、より少ない時間を要することである。伝統的なＰＭＵＴトランスデューサ製造プロセスにおいては、トランスデューサが個片化されて個々のタッドポールアセンブリが形成された後に、保護コーティング（例えば、パリレンコーティング）が塗布される。これは不便である。というのは、多数のタッドポールアセンブリをパリレン（又は同様の）コーティングチャンバに導入し、そして、取り付けられたクワッドケーブルを、コーティングされることから保護することは、面倒であるとともに時間がかかるためである。比較して、ここで説明されたウェハレベルコーティングは、個片化が行われる前に、ウェハレベルで行われて、１つの単純な工程で何千個ものトランスデューサを同時にコーティングする。

別の１つの利点は、ここに記載されたエッチングプロセスは、保護コーティングが剥離する可能性を低減することである。従来のコーティング方法によれば、トランスデューサアセンブリの裏面を含めて、トランスデューサアセンブリの全ての表面に保護材料が塗布される。これは問題を生じさせる。というのは、トランスデューサの裏に進行する音がトランスデューサの裏面側を覆う保護層で跳ね返ることになるからである。この問題を軽減するために、先ず、トランスデューサの裏面側に接着マスキング材が塗布され、そして、前面及び裏面での保護層のコーティング後に、例えばかみそりの刃などの切断装置を用いて接着マスキング材をその上に形成された保護層とともに削ぎ落とすという、特定の取り組みが採用されてきた。これは、つらいプロセスである。さらに、保護層に広く使用される材料（パリレン）は、それ自体に対して優れた密着性を有するが、その他の材料にはそれほどでない。保護層が裏面側にわたって切除されることは、保護層の切断エッジをもたらすが、これは、特に応力がそれに印加される場合に、剥離しがちなものである。例えば、切断プロセスそれ自体が応力をもたらすことがあり、それにより、保護層が削ぎ落とされるプロセスが思わずして開始されてしまい得る。対照的に、ここでの保護層のエッジは、例えば反応性イオンエッチングなどのエッチングプロセスによって画成され得る。このドライエッチングプロセスは、分子スケールで起こり、最小限の応力のみを保護層にもたらし、それにより、保護層が剥離する可能性を低減する。

別の１つの利点は、ここでのエッチングプロセスは、保護コーティングが剥離する可能性を低減することである。従来のコーティング方法によれば、トランスデューサアセンブリの裏面を含めて、トランスデューサアセンブリの全ての表面に保護材料が塗布される。これは問題を生じさせる。というのは、トランスデューサの裏に進行する音がトランスデューサの裏面側を覆う保護層で跳ね返ることになるからである。この問題を解決するために、先ず、トランスデューサの裏面側に接着材が形成され、そして、前面及び裏面での保護層のコーティング後に、例えばかみそりの刃などの切断装置を用いて接着マスキング材をその上に形成された保護層とともに削ぎ落とすという、特定の取り組みが採用されてきた。これは、つらいプロセスである。さらに、保護層に広く使用される材料（パリレン）は、それ自体に対しては良好な密着性を有するが、その他の材料にはそれほどでない。保護層が裏面側にわたって切除されることは、保護層の切断エッジをもたらし得るが、これは、特に応力がそれに印加される場合に、剥離しがちなものである。例えば、切断プロセスそれ自体が応力をもたらすことがあり、それにより、保護層が削ぎ落とされるプロセスが思わずして開始されてしまい得る。比較して、ここでの保護層のエッジは、例えば反応性イオンエッチングなどのエッチングプロセスによって画成され得る。このドライエッチングプロセスは、分子スケールで起こり、最小限の応力のみを保護層にもたらし、それにより、保護層が剥離する可能性を低減する。

保護層２９０のウェハレベル塗布の別の１つの利点は、それが、下に位置する層のエッジを封入して、後のトランスデューサの製造及び組立の段階中に、それら下に位置する層の剥離を防止する助けとなることである。例えば、導電層２４０及び２７０のエッジは、それらが周囲の層に強く接着されていない場合に剥離を被ることがある。同様に、圧電膜２５０も剥離を被ることがある。剥離は、後のトランスデューサ製造の段階中に、熱処理、メンブレン撓み、又はデバイス取扱いに起因して遭遇する応力によって開始され得る。下に位置する層のエッジを封入する本発明に従った保護層２９０の存在は、それらの層の剥離を防止することを助けることになる。

図１１は、小型の超音波トランスデューサを製造する方法５００のフローチャートである。方法５００は、複数の小型超音波トランスデューサが形成されたウェハを受け取る工程５１０を含んでいる。小型超音波トランスデューサは各々、圧電材料を含んだトランスデューサメンブレンと、各々がトランスデューサメンブレンに電気的に結合された第１のボンドパッド及び第２のボンドパッドとを含む。一部の実施形態において、圧電材料は、ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）ポリマー、Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）と呼ばれる三フッ化エチレンとの二フッ化ビニリデンの共重合体、又はＰ（ＶＤＦ−ＴＦＥ）と呼ばれる四フッ化エチレンとの二フッ化ビニリデンの共重合体を含む。

方法５００は、ウェハの前面側から上記複数の小型超音波トランスデューサを覆って保護層をコンフォーマルに堆積する工程５２０を含んでいる。一部の実施形態において、保護層はパリレン材料を含む。一部の実施形態において、保護層は化学気相成長プロセスで堆積される。

方法５００は、第１のエッチングプロセスを実行して、前面側からウェハ内に延在する複数の第１のトレンチを形成する工程５３０を含んでおり、第１のトレンチは、保護層を貫通して基板内に深くエッチングされ、第１のトレンチは、隣接し合う小型超音波トランスデューサ間に配置される。一部の実施形態において、第１のエッチングプロセスはディープ反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを含む。

方法５００は、第２のエッチングプロセスを実行して、第１及び第２のボンドパッドの上に置かれた保護層の部分を除去し、それにより第１及び第２のボンドパッドを露出させる工程５４０を含んでいる。

理解されるように、トランスデューサの製造を完了するために、工程５１０−５４０の前、間、又は後に更なる製造工程が行われ得る。例えば、方法５００は、保護層をコンフォーマルに堆積する工程５２０の前に、ウェハの裏面側を覆う工程を含み得る。一部の実施形態において、方法５００は更に、以下の工程：ウェハの裏面側から複数の第２のトレンチをエッチングする工程であり、第２のトレンチが各々、複数のトランスデューサメンブレンのうちのそれぞれの１つとアライメントされる工程；第２のトレンチの各々を例えばエポキシなどの裏当て材で充填し、エポキシ硬化に先立ってトランスデューサメンブレンを撓ませる工程；及びウェハを裏面側から薄化する工程；を含み得る。その他の製造工程も実行され得るが、単純さの理由で、それらの更なる製造工程をここで説明することはしない。

当業者が認識するように、上述の装置、システム、及び方法は、様々に変更されることができる。従って、当業者が理解するように、本開示によって包含される実施形態は、上述の特定の例示実施形態に限定されない。これに関し、例示的な実施形態が図示されて説明されているが、幅広い範囲の変更、変形、及び代用が、以上の開示にて企図される。理解されるように、そのようなバリエーションは、以上のものに対して、本開示の範囲を逸脱することなく為され得るものである。従って、添付の請求項は、本開示と一致するやり方で広く解釈されることが適切である。

Claims (8)

1. 複数の小型超音波トランスデューサを製造する方法であって、
   複数の小型超音波トランスデューサが形成されたウェハを受け取り、前記小型超音波トランスデューサは各々、
   圧電材料を含むトランスデューサメンブレンと、
   各々が前記トランスデューサメンブレンに電気的に結合された第１のボンドパッド及び第２のボンドパッドと
   を含み、
   前記ウェハの前面側から前記複数の小型超音波トランスデューサを覆って保護層を共形に堆積し、
   その後、第１のエッチングプロセスを実行して、前記前面側から前記ウェハ内に延在する複数の第１のトレンチを形成し、前記第１のトレンチは、前記保護層を貫いてエッチングされ、前記第１のトレンチは、隣接し合う小型超音波トランスデューサ間に配置され、且つ
   第２のエッチングプロセスを実行して、前記第１及び第２のボンドパッドの上に置かれた前記保護層の部分を除去し、それにより前記第１及び第２のボンドパッドを露出させる、
   ことを有する方法。
2. 前記ウェハの裏面側から複数の第２のトレンチをエッチングし、前記第２のトレンチは各々、前記トランスデューサメンブレンのうちのそれぞれの１つとアライメントされ、
   前記第２のトレンチの各々を裏当て材で充填し、且つ
   前記裏面側から前記ウェハを薄化する、
   ことを更に有する請求項１に記載の方法。
3. 前記第２のトレンチを充填することは、前記第２のトレンチをエポキシで充填することを有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記保護層を共形に堆積することは、前記保護層としてパリレン材料を堆積することを有する、請求項１に記載の方法。
5. 前記保護層を共形に堆積することは、化学気相成長プロセスを有する、請求項１に記載の方法。
6. 前記第１のエッチングプロセスは、ディープ反応性イオンエッチングプロセスを有する、請求項１に記載の方法。
7. 前記保護層を共形に堆積することの前に、前記ウェハの裏面側を覆うこと、を更に有する請求項１に記載の方法。
8. 前記圧電材料は、ポリ二フッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリ（二フッ化ビニリデン−三フッ化エチレン）（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ）、又はポリ（二フッ化ビニリデン−四フッ化エチレン）（Ｐ（ＶＤＦ−ＴＦＥ））を含む、請求項１に記載の方法。

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