(57)【要約】  圧電微小加工超音波振動子は、基板及び該基板上に形成された第一誘電体薄膜を備える。側壁を有する開口部は、基板及び第一誘電体薄膜で形成される。底部電極は、開口部に亘っている第一誘電体薄膜上に形成される。圧電素子は、底部電極上に形成される。第二誘電体薄膜は、圧電素子を囲んでいる。共形絶縁膜は、開口部の側壁上に形成される。共形導電膜は、底部電極と接触して、そして、開口部の側壁に形成され、開口キャビティは開口部中に維持される。頂部電極は、圧電素子に接触するように形成されている。
2008535643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板を通って形成される開口部と、
前記開口部に亘っている前記基板上に形成される底部電極と、
前記底部電極上に形成される圧電素子と、
前記底部電極と接触して前記開口部の側壁上に形成される共形導電膜と、を備え、
前記開口部中に開口キャビティが保持される、圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２】
前記共形導電膜を内在する前記開口部の側壁上に形成される共形絶縁膜を更に備える、請求項１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項３】
前記底部電極を内在する前記基板上に形成される第一誘電体薄膜を備える、請求項１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４】
前記圧電素子を囲んでいる第二誘電体薄膜を更に備え、
前記圧電素子の上端は前記第二誘電体薄膜で覆われている、請求項３に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項５】
前記圧電素子と接触する頂部電極を更に備える、請求項１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項６】
前記圧電素子は、円形形状である、請求項１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項７】
前記圧電素子は、正方形、矩形、又は、他の多角形状である、請求項１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項８】
基板と、
前記基板上に形成される第一誘電体薄膜と、
前記基板及び前記第一誘電体薄膜を通って形成される側壁を有する開口部と、
前記開口部に亘っている前記第一誘電体薄膜上に形成された底部電極と、
前記底部電極上に形成される圧電素子と、
前記圧電素子を囲んでいる第二誘電体薄膜と、
前記開口部の側壁上に形成された前記共形絶縁膜と、
前記底部電極と接触して前記開口部の側壁上に形成される共形導電膜と、
前記圧電素子と接触して形成される頂部電極と、
を備え、
前記圧電素子の上端が前記第二誘電体薄膜で覆われており、
前記開口部中に開口キャビティが保持される、圧電微小加工超音波振動子。
【請求項９】
基板と、
前記基板を通って形成される複数の側壁を有する複数の開口部と、
前記基板上に形成された相隔たる複数の底部電極と、
前記複数の底部電極の各々上に形成される相隔たる複数の圧電素子と、
前記複数の開口部の各々の前記複数の側壁上に形成される共形導電膜と、
を備え、
前記複数の底部電極の各々は、前記複数の開口部のうちの１つに亘り、
各共形導電膜は、前記複数の底部電極の一つ以上と接触して、
前記複数の開口部の各々中に複数の開口キャビティが保持される、圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１０】
前記共形導電膜を内在する前記複数の開口部の各々の前記複数の側壁上に形成される共形絶縁膜を更に備える、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１１】
前記底部電極を内在する前記基板上に形成される第一誘電体薄膜を更に備える、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１２】
前記複数の圧電素子は、円形形状である、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１３】
前記複数の圧電素子は、正方形、矩形、又は、他の多角形状である、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１４】
前記複数の圧電素子は、一次元又は二次元のアレイを形成する、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１５】
前記複数の圧電素子間に形成される第二誘電体薄膜を更に備える、請求項１１に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１６】
前記第二誘電体薄膜は、前記複数の圧電素子の上端に配置されている、請求項１５に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１７】
前記基板上に形成される接地パッドを更に備える、請求項１５に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１８】
前記複数の圧電素子及び前記接地パッドと接触する頂部電極を更に備える、請求項１７に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項１９】
前記頂部電極及び前記共形導電膜は、金属膜を備える、請求項１８に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２０】
前記基板は、シリコンウエハを備える、請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２１】
前記シリコンウエハは、シリコン・オン・インシュレータウエハである、請求項２０に記載の圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２２】
請求項９に記載の圧電微小加工超音波振動子に取り付けられる半導体装置を備え、
前記共形導電膜は、前記半導体装置に電気的に接続している、
垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２３】
前記開口キャビティに対向する前記半導体装置の表面上に形成される高分子膜を更に備える、請求項２２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２４】
前記半導体装置は、相補的な金属酸化物半導体チップである、請求項２２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２５】
前記超音波振動子及び前記半導体装置との間に接着材層を更に備える、請求項２２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２６】
前記超音波振動子を前記半導体装置に電気的に接続している前記接着材層中に形成される複数の金属接触部を更に備える、請求項２５に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２７】
前記超音波振動子及び前記半導体装置との間に複数のソルダーバンプを更に備える、請求項２２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項２８】
基板を提供すること、
前記基板上に底部電極層を形成すること、
前記底部電極層上に圧電性物質の層を形成すること、
複数の相隔たる底部電極及び相隔たる圧電素子を前記基板上に形成するために、前記底部電極層及び前記圧電性物質の層をパターン化すること、
前記底部電極を露出させる前記複数の底部電極の各々の下に前記基板を通る複数の側壁を有する開口部を形成すること、
前記複数の側壁上に前記底部電極と接触する共形導電膜を形成すること、を含む、圧電性超音波振動子を形成する方法。
【請求項２９】
前記共形導電膜を形成する前に前記共形絶縁膜を前記複数の側壁上に形成することを更に含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記複数の相隔たる底部電極を形成する前に前記第一誘電体薄膜を前記基板上に形成することを更に含む請求項２８に記載の方法。
【請求項３１】
前記複数の圧電素子との間に第二誘電体薄膜を形成することを更に含む請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板上に接地パッドを形成することを更に含む請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記圧電素子及び前記接地パッドと接触する頂部電極を形成することを更に含む請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記頂部電極及び前記共形導電膜は、金属膜を含む請求項３３に記載の方法。
【請求項３５】
前記基板は、シリコンウエハを備える請求項２８に記載の方法。
【請求項３６】
前記シリコンウエハは、シリコン・オン・インシュレータウエハである請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記超音波振動子に半導体装置を取り付けることを更に含み、
前記共形導電膜が前記半導体装置と電気的接触している請求項２８に記載の方法。
【請求項３８】
前記複数の側壁を有する開口部を対向する半導体装置の表面上に高分子膜を形成することを更に含む請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
前記高分子膜は、前記超音波振動子及び前記半導体装置との間に接着材層を形成する請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記高分子膜中に金属接触部を形成することを更に含んでいる請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記超音波振動子及び前記半導体装置との間にソルダーバンプを形成することを更に含む請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
基板と、
前記基板を通して形成される側壁を有する複数の開口部と、
前記基板上に形成される第一誘電体層と、
前記第一誘電体層上に形成される相隔たる複数の底部電極と、
前記底部電極の各々上に形成される、相隔たる複数の圧電素子と、
前記複数の開口部の各々の前記側壁上に形成される複数の共形絶縁膜と、
前記複数の共形絶縁膜の各々上に形成される複数の共形導電膜と、
前記基板上に形成される接地パッドと、
前記複数の圧電素子間に形成される第二誘電体薄膜と、
前記圧電素子及び前記接地パッドと接触する頂部電極と、
前記超音波振動子に取り付けられる半導体装置と、
を備え、
前記相隔たる複数の底部電極の各々は、前記複数の開口部のうちの１つに亘って、
前記複数の共形導電膜の各々は、前記複数の底部電極の一つ以上と接触して、開口キャビティは前記複数の開口部の各々中に保持され、
前記共形導電膜は、前記半導体装置に電気的に接続している、
垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４３】
前記第１の絶縁体を通して、そして、前記基板の一部を通して形成される、相隔たる複数のビアを更に備える、請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４４】
前記底部電極及び前記共形導電膜との間に電気接触を提供する、前記相隔たる複数のビア中に金属化層を更に備える、請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４５】
前記開口キャビティに対向する半導体装置の表面上に形成される高分子膜を更に備える、請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４６】
前記半導体装置は、相補的な金属酸化物半導体チップである請求項４５に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４７】
前記基板は、シリコンウエハを備える請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４８】
前記シリコンウエハは、シリコン・オン・インシュレータウエハである請求項４７に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項４９】
前記超音波振動子及び前記半導体装置との間に接着材層を更に備える請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項５０】
前記半導体装置に前記超音波振動子を電気的に接続している前記接着材層中に形成される金属接触部を更に備える請求項４９に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項５１】
前記超音波振動子及び前記半導体装置の間に複数のソルダーバンプを更に備える請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項５２】
前記複数の圧電素子の各々は、独立して操作可能であり、
全ての圧電素子は同時に作動可能であるか、又は、前記複数の圧電素子のサブセットはアレイ中の圧電素子においてより大きく独立して作動されるサブセットを形成するために電気的に接続可能とされる、請求項４２に記載の垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子。
【請求項５３】
基板を提供すること、
前記基板上に第一誘電体層を形成すること、
前記第一誘電体層上に底部電極層を形成すること、
前記底部電極層上に圧電性物質の層を形成すること、
複数の相隔たる底部電極及び相隔たる圧電素子を前記基板上に形成するために前記底部電極層及び圧電性物質の層をパターン化すること、
前記基板上に接地パッドを形成すること、
前記複数の圧電素子間に第二誘電体層を形成すること、
前記圧電素子及び前記接地パッドに接触する頂部電極を形成すること、
前記相隔たる底部電極及び圧電素子の各々の下で前記基板を通る側壁を有する開口部を形成すること、
前記開口部の側壁上に共形絶縁層を形成すること、
前記共形絶縁層上で前記複数の底部電極の各々と接触する共形導電層を形成すること、
前記共形導電層を通して前記超音波振動子に半導体装置を取り付けること、を含む、垂直に統合化圧電性微小加工された超音波振動子装置を形成する方法。
【請求項５４】
前記基板は、シリコンウエハを備える請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記複数の開口部は、前記底部電極を露出する前記第一誘電体層を通しても形成される請求項５４に記載の方法。
【請求項５６】
前記シリコンウエハは、シリコン・オン・インシュレータウエハである請求項５４に記載の方法。
【請求項５７】
前記第一誘電体層を通して、そして、前記シリコン・オン・インシュレータウエハの一部を通して相隔たる複数のビアを形成することを更に含む請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記底部電極に電気接触を提供している前記複数の相隔たるビアの各々の中に金属層を形成することを更に含む請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記複数の開口部は、前記相隔たる複数のビア中の金属層を露出させて、前記共形導電膜は、前記相隔たる複数のビアの金属層と電気的接触するように、堆積される、請求項５８に記載の方法。
【請求項６０】
前記複数の側壁を有する複数の開口部に対向する前記半導体装置の表面上に前記高分子膜を形成することを更に含む請求項５３に記載の方法。
【請求項６１】
前記高分子膜は、前記超音波振動子及び前記半導体装置の間に接着材層を形成する請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
前記高分子膜に金属接触部を形成することを更に含んでいる請求項６０に記載の方法。
【請求項６３】
前記超音波振動子及び前記半導体装置との間にソルダーバンプを形成することを更に含む請求項５３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子（トランスデューサ）に関し、特に、圧電微小加工超音波振動子、に関する。
【背景技術】
【０００２】
超音波振動子は、生体内医療画像診断と同様に、非侵入型の診断に特に有益である。従来の超音波振動子は、一次元又は二次元のアレイに配置される複数の個々のエレメントを形成するために、角切りにされ又はレーザー切断されている振動子材料を有して、例えばジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）又はＰＺＴ−ポリマー複合体から典型的に製造される。音響レンズ、マッチング層、支持層及び電気相互接続部（例えば可撓ケーブル、金属ピン／導線）は、トランスデューサアセンブリ又はプローブを形成するために、各トランスデューサエレメントに典型的に取り付けられる。そして、プローブは、配線ハーネス又はケーブルを使用する制御回路に接続される。ここで、ケーブルは、個々の独立した素子からの信号を駆動又は受信するための個々の導線を含む。超音波振動子技術における進行中の研究の重要な目的は、ケーブル接続によるトランスデューサ・サイズ、動力消費及び信号損失を減少させると共に、制御回路を有する振動子の性能及び可積分性を増加させることである。これらの要因は、特に三次元超音波撮像のために必要な二次元アレイにとって重要である。
【０００３】
これまでよりも小さいトランスデューサの製造は、マイクロマシーニング技術によって容易になる。容量性超音波振動子（ｃＭＵＴｓ）及び圧電性超音波振動子（ｐＭＵＴｓ）の、２種類の微小加工された超音波振動子（ＭＵＴｓ）が存在している。ｃＭＵＴｓは、２つの対向電極を介して懸垂表面の微小加工された膜に静電的に作用させることによって作動する。音響圧力は、膜を振動させることによって発生し、そして、受信信号は、音響エネルギーの反射に比例して膜が屈折されたときに、測定される。ｐＭＵＴｓは、交流電圧の印加によって圧電物質に超音波エネルギーを生成するか又は発信する。このエネルギーにより、圧電物質は交互に拡大又は縮小されて、これにより、膜を撓曲又は振動させる。受信した超音波エネルギーは、バルク微小加工された膜の振動により、圧電層中に電荷を生成する。
【０００４】
ｐＭＵＴｓがより高いエネルギー変換機構、圧電層を有するので、ｐＭＵＴｓは通常、ｃＭＵＴｓよりも高い超音波出力容量を有する。このように、ｐＭＵＴｓは、ｃＭＵＴｓと比較して、より多くの超音波エネルギーを送信して、より小さい素子のサイズに対してより高い感度を有する。ｐＭＵＴアレイ中の素子もより高いキャパシタンス（約１００−１０００ｐＦ）を有するので、素子のインピーダンスはより低く、そして、ケーブル接続及び電子機器に対するインピーダンス不整合は、１ｐＦのオーダーでのキャパシタンスを有するｃＭＵＴ素子に対してよりも問題にはならない。
【０００５】
ｃＭＵＴｓは、適当な超音波が生じるように、適当な直流及び交流電圧信号を電極に印加することによって稼動されうる。この直流電圧は、基板表面の近くに膜を静電的に引っ張って、このことにより誘電空隙を減らすことを必要とし、そして、交流電圧は、音響エネルギーを生じるために膜を振動させる。同様に、直流電圧によって電気的に一方にバイアスされるときに、ｃＭＵＴの膜は、反射された超音波エネルギーを捕えることによって超音波信号を受信して、そのエネルギーを、電圧信号を生成する電気的にバイアスされた膜の動きに変えるために用いられうる。ｐＭＵＴｓの他の利点は、交流信号に加えて、動作のために大きい（＞１００Ｖ）直流バイアス電圧を必要としないということである。伝送のための圧電気振動を起動させるために、より小さい交流電圧（＜５０Ｖ）が印加され、そして、受信信号は、受信された超音波エネルギー単独によって（印加電圧を必要とせずに）発生する。ｃＭＵＴｓの利点の１つは、動作におけるより高い周波数範囲を提供する、ｐＭＵＴｓ（概して＜５０％）よりも高いバンド幅（＞１００％）を有することである。これは、異なる周波数範囲を必要とする本体における異なる部分の撮像解像度を最適化するために有益である。
【０００６】
ＭＵＴｓの主要な効果は、小型化ができて、制御回路と直接統合できるということである。貫通ウエハビア接続を有するｃＭＵＴｓは、シリコンウエハ中のビアをエッチングして、絶縁領域に対して熱二酸化シリコンでそして電気接点に対してポリシリコンでウエハをコーティングして、そして、ウエハの頂面上にｃＭＵＴ膜素子を構築することによって、作製されうる。金属パッド及びソルダーバンプは、ｃＭＵＴチップを半導体装置回路にはんだ付けするために、ウエハの底面に堆積される。この種の装置の不利な点の１つは、金属と比較して比較的高い抵抗率のポリシリコンが、ビア中の導電材料として使われるということである。受信モード中のｃＭＵＴｓで発生する信号強度は非常に低い（約数ｍＶ以下）ため、信号対雑音比は、ｃＭＵＴの動作中に問題を含むことがありえる。また、ｃＭＵＴ素子の低いキャパシタンスは、高いインピーダンスを生じ、従って、信号損失及びノイズの増大に関与する、電子機器及びケーブル接続でのインピーダンス不整合はより大きくなる。貫通ウエハビア中での高い抵抗は、高い素子インピーダンスの問題を更に悪化させる。加えて、駆動信号を伝送のためのｃＭＵＴｓに印加するときに、ビア中での著しい抵抗によって作動中により多くの動力消費及び熱生成がもたらされる。
【０００７】
ポリシリコン貫通ウエハ相互接続部を有するｃＭＵＴ装置の他の不利な点は、熱二酸化シリコン絶縁体及びポリシリコン導体を形成する処理温度である。これらのステップのための処理温度は、比較的高く（６００−１０００℃）、装置の残部に対して熱量の問題を生じさせる。これらの処理温度のため、ｃＭＵＴ素子は、貫通ウエハビアの形成後に形成されなければならず、そして、このシーケンスは、ウエハを貫通するエッチングされた穴を有する基板上に表面のマイクロ機械加工を実行しようとするときに、困難な処理問題を生じさせる。
【０００８】
貫通ウエハ相互接続部が形成されたＭＵＴｓは、制御回路と結合されてもよく、それによって、振動子装置を形成する。そして、この装置は、超音波プローブを形成するための外部配線を具備しているハウジングアセンブリに更に組み立てられうる。制御回路を有するＭＵＴｓの集積化は、超音波プローブにおいて必要なケーブル接続を著しく減少しうる。超音波プローブは、様々な音響レンズ材料、マッチング層、支持層及び非マッチング層を具備することもできる。ハウジングアセンブリは、外部の超音波撮像のための超音波プローブ又は生体内撮像のためのカテーテルプローブを形成しうる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来において、従来型のセラミック超音波振動子を電気制御回路に取り付けることは、各トランスデューサエレメントを制御回路に接続するための多くの独立した導線の使用を必要とした。大型のトランスデューサアレイ、特に何百又はより多くの素子を有する二次元アレイの場合、大型のワイヤリング・ハーネスが、必要であった。大型のワイヤリング・ハーネスは、超音波プローブのコスト及び寸法を跳ね上がらせて、そして、プローブをユーザによって操作することを困難にして、カテーテル用途に対して非実用的になる。このように、特に生体内使用に対して超音波プローブのコスト及び寸法を減らすことが、要望されている。
【００１０】
超音波プローブの寸法を減らす一つの方法は、制御回路を集積回路アセンブリ上に形成すること、そして、トランスデューサを集積回路に直接取り付けることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
超音波振動子技術において、小型化され、スペース効率的で、低い運転出力の超音波振動子に対するニーズが存在する。更に、この技術において、より高い信号／雑音比、より高い帯域幅、及び、電子機器及びケーブル配線とのより良好なインピーダンス整合を有するより小さい超音波振動子に対するニーズが存在する。更に、この技術において、相互素子クロストーク及び不必要な残響を減らすために超音波エネルギーをより急速に低減する超音波振動子に対するニーズが存在する。さらにまた、この技術において、より幅広い範囲の周波数に亘ってより高い動力伝達装置に対して最適化される超音波振動子に対するニーズが存在する。加えて、この技術において、空気に支持された（エアバックド）キャビティを有する超音波振動子、及び、空気に支持されたキャビティを有する超音波振動子を備える装置を形成する手順に対するニーズが存在する。また、この技術において、統合され微小加工された超音波振動子の装置を低温域で形成する手順に対するニーズも、存在する。
【００１２】
これらのそして他のニーズは、基板を備える圧電微小加工超音波振動子を提供する本発明の実施の形態によって満たされる。開口部は、基板を通して形成される。底部電極は、開口部に跨って基板上に形成される。圧電素子は、底部電極上に形成される。共形（コンフォーマルな）導電膜は、底部電極に接触して、開口部の側壁上に形成されている。開口キャビティは、開口部中に保持される。
【００１３】
これらのそして他のニーズは、基板及び基板上に形成される第一誘電体薄膜を備える圧電微小加工超音波振動子を提供する本発明の実施の形態によって更に満たされる。側壁を有する開口部は、基板及び第一誘電体薄膜を通って形成される。底部電極は、開口部に跨っている第一誘電体薄膜上に形成される。圧電素子は、底部電極上に形成される。第二誘電体薄膜は、圧電素子を囲み、ここで、圧電素子の上端は、第二誘電体薄膜で覆われている。共形絶縁膜は、開口部の側壁上に形成される。共形導電膜は、底部電極と接触して、そして、開口部の側壁上に形成される。ここで、開口キャビティは開口部中に保持される。頂部電極は、圧電素子に接触して形成されている。
【００１４】
これらのそして他のニーズは、基板を備える圧電微小加工超音波振動子を提供する本発明の実施の形態によって更に満たされる。側壁を有する複数の開口部は、基板を通って形成される。相隔たる底部電極は、基板上に形成される。ここで、互いに相隔たる底部電極は、開口部のうちの１つに跨っている。相隔たる圧電素子は、各々の底部電極上に形成される。共形導電膜は、各々の側壁上に形成される。各共形導電膜は、一つ以上の底部電極と接触し、ここで、開口キャビティは、各々の開口部中に保持される。
【００１５】
これらのそして他のニーズは、基板を提供することを含む圧電性超音波振動子を形成する方法を提供する本発明の実施の形態によって更に満たされる。底部電極層は、基板上に形成され、そして、圧電性物質の層は、底部電極層上に形成される。底部電極層及び圧電性物質の層は、複数の相隔たる底部電極及び相隔たる圧電素子を基板上に形成するために、パターン化される。側壁を有する開口部は、底部電極を露出させる複数の底部電極の各々の下で、基板を通って形成される。共形導電膜は、側壁上に、そして、底部電極と接触して形成される。
【００１６】
これらのそして他のニーズは、基板及び基板を通って形成される側壁を有する複数の開口部を備える垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子装置を提供する本発明の実施の形態によって更に満たされる。第一誘電体層は、基板上に形成される。相隔たる底部電極は、第一誘電体層上に形成される。各相隔たる底部電極は、複数の開口部のうちの１つに跨っている。相隔たる圧電素子は、各々の底部電極上に形成される。共形絶縁膜は、複数の開口部の各々の側壁上に形成される。共形導電膜は、各々の共形絶縁膜上に形成される。各共形導電膜は、一つ以上の底部電極と接触し、そして、開口キャビティは、各々の開口部中に保持される。接地パッドは、基板上に形成される。第二誘電体薄膜は、圧電素子間に形成される。頂部電極は、圧電素子及び接地パッドに接触して形成されている。半導体装置は、超音波振動子に取り付けられ、そして、共形導電膜は、半導体装置に電気的に接続している。
【００１７】
加えて、これら及び他のニーズは、基板を提供すること、そして、基板上に第一誘電体層を形成することを含む垂直的に統合された圧電性超音波振動子装置を形成する方法を提供する本発明の実施の形態によって満たされる。底部電極層は、第一誘電体層上に形成され、圧電性材料の層は、底部電極層上に形成される。底部電極層及び圧電性物質の層は、複数の相隔たる底部電極及び相隔たる圧電素子を基板上に形成するためにパターン化される。接地パッドは、基板上に形成される。第二誘電体層は、圧電素子間に形成される。頂部電極は、圧電素子及び接地パッドに接触して形成されている。側壁を有する開口部は、各々の相隔たる別々の底部電極及び圧電素子の下で基板を通って形成される。共形絶縁層は、開口部の側壁上に形成される。共形導電層は、共形絶縁層上に接触し、そして、各々の底部電極上に形成される。半導体装置は、共形導電層を通して超音波振動子に取り付けられる。
【００１８】
本発明は、改良されたより小さい微小加工超音波振動子、そして、より高い帯域幅、より高い信号対雑音比、良好なインピーダンス整合を有して、より少ないエネルギーでの作動を必要とする振動子アレイ、の必要性について述べる。本発明は、より高い超音波出力を供給して、より小さい素子サイズに対して受信される超音波エネルギーにより感度の良い微小加工超音波振動子の必要性について更に述べる。さらにまた、本発明は、疑似超音波エネルギーをより急速に減らす超音波振動子の必要性について述べる。加えて、本発明は、統合され微小加工された超音波振動子装置を低温域で形成する手順の必要性について述べる。
【００１９】
本発明の前述の、そして他の、特徴、態様及び効果は、添付図面を参照しながら、本発明の以下の詳細な説明において明らかになる。
【００２０】
図１−図８は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【００２１】
図９は、高分子膜が開口キャビティに対向する半導体装置の表面上に形成される本発明の実施の形態を示す。
【００２２】
図１０は、めっきした金属接続部を介して前記振動子が半導体装置に接続している本発明の実施の形態を示す。
【００２３】
図１１及び図１２は、圧電素子間に形成される誘電体薄膜が圧電素子の上端に配置されている本発明の実施の形態を示す。
【００２４】
図１３−図１５は、前記圧電素子がシリコン・オン・インシュレータ基板上に形成される圧電微小加工超音波振動子装置を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、添付図面において例示されるｐＭＵＴ装置の形成に関連して記載されている。しかしながら、これは、請求される本発明が図面において例示される特定の装置の形成に限定されないため、例示的なものである。
【００２６】
本発明の特定の実施の形態に従って垂直的に統合されたｐＭＵＴ装置を形成する方法が、記載されている。図１Ａにて図示したように、基板１２を備えるｐＭＵＴ装置構造１０が提供される。本発明における特定の実施の形態によれば、基板１２は、シリコンウエハである。第一誘電体薄膜１４は、基板１２上に形成される。本発明の特定の実施の形態において、第一誘電体薄膜１４は、シリコン酸化物又は窒化ケイ素を含む。底部電極層１６は、第一誘電体薄膜１４上を覆って形成される。本発明の特定の実施の形態によれば、底部電極層１６は、金属又は導電性の金属酸化物を含みうる。圧電性物質の層１８は、底部電極層の上方にその後形成される。
【００２７】
本発明において用いられうる圧電材料は、ＺｎＯ、ＡｌＮ、ＬｉＮｂＯ４、鉛アンチモン・スズ酸塩、鉛マグネシウムタンタル、鉛ニッケル・タンタル酸塩、チタン酸塩、タングステン、ジルコン酸塩又はニオブ酸塩を含む、セラミックス、又は、ジルコニウム酸チタン酸鉛（Ｐｂ（ＺｒＸＴｉ１−Ｘ）Ｏ３（ＰＺＴ））、ランタンジルコニウム酸チタン酸鉛（ＰＬＺＴ）、鉛ニオブ・ジルコン酸塩チタン酸塩（ＰＮＺＴ）、ＢａＴｉＯ３、ＳｒＴｉＯ３、鉛マグネシウム・ニオブ酸塩、鉛ニッケル・ニオブ酸塩、鉛マンガン・ニオブ酸塩、鉛亜鉛ニオブ酸塩、チタン酸鉛を含む、鉛、バリウム、ビスマス又はストロンチウムのニオブ酸塩、を含む。ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリフッ化ビニリデン−トリフルオロエチレン（ＰＶＤＦ−ＴｒＦＥ）又はポリフッ化ビニリデン−四フッ化エチレン（ＰＶＤＦ−ＴＦＥ）といった圧電性高分子材料も、使用されうる。本発明の特定の実施の形態によれば、圧電性物質の層は、ＰＺＴである。
【００２８】
圧電性物質１８は、スパッタリングといった物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）、又は、ゾルゲルをスピンコーティングすることによって、ｐＭＵＴ装置構造１０上に堆積されうる。本発明の特定の実施の形態において、塩基性酢酸鉛、ジルコニウム酢酸塩及びチタン・アセチルアセトネートを含んでいる有機溶液は、ｐＭＵＴ装置構造１０上で回転され、そして、アセテートフィルムは熱分解されて、ＰＺＴ層１８を形成するためにアニールされる。
【００２９】
本発明の特定の実施の形態において、相隔たるビア２７は、図１Ｂにて図示したように、その後形成される相隔たる底部電極間の電気接続のため、そして、ウエハ相互接続によるパスを提供するために、底部電極層１６の堆積の前に、第一誘電体薄膜１４を通して基板１２の前面１３からのエッチングによって、形成される。
【００３０】
図２にて図示したように、ｐＭＵＴ装置構造１０は、圧電素子２２及び底部電極２０のアレイを形成するために圧電性物質の層１８及び底部電極層１６をエッチングすることによって、その後パターン化される。圧電素子２２のアレイは、本発明の特定の実施の形態に従って、従来のフォトリソグラフィの技術（例えばフォトレジスト堆積、選択露光、現像、化学又は反応イオンエッチング及びその後の露光した圧電及び電極材料の除去）によって形成されうる。本発明の特定の実施の形態において、異方性エッチング（例えばプラズマ・エッチング）は、第一誘電体薄膜２７の上側表面を露出させる開口部２６を供給するために実行される。本発明の他の実施の形態において、金属リフトオフプロセスは、圧電性物質の堆積前に底部電極をパターン化するために用いる。別々の圧電素子２２を形成するためのエッチング間に、ｐＭＵＴ装置構造１０の周縁上の圧電素子のうちの１つは、接地パッド２４を形成する底部電極２０から圧電性物質１８を取り除くために、更にエッチングされる。本発明の特定の実施の形態において、１つの接地パッド２４のみがｐＭＵＴ装置１０毎に必要とされる。本発明の他の実施の形態において、複数の接地パッドは、余剰な電気的接続のために提供される。
【００３１】
圧電素子２２間において音響上のそして電気的な離隔を提供する第二誘電体薄膜２８は、ｐＭＵＴ装置構造１０上に開口部２６を充填して形成される。図３にて図示したように、第二誘電体薄膜２８は、その上側表面２９が圧電素子２２の上側表面２３と実質的に平面になるように、平坦化される。第二誘電体薄膜２８は、例えばエッチング又はフォトリソグラフィによって、接地パッド２４の上方から取り除かれて、開口部３０を形成する。第二誘電体薄膜２８は、ポリマーでありえる。本発明の特定の実施の形態において、第二誘電体薄膜２８は、ポリイミド、パリレン、ポリ・ジメチル・シロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリ四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ）又はポリ・ベンゾシクロブテン（ＢＣＢ）である。第二誘電体薄膜２８としてポリマーを使用することで、素子間に高分子膜を有しないバルクのセラミックアレイと比較して、圧電振動子アレイの素子間クロストークが低減される。１つの圧電素子２２からの振動が隣接する圧電素子２２に影響を及ぼさないように、ポリマー絶縁体２８は素子２２間における音響エネルギーを減らす。低い相互素子クロストークは、ポリマー誘電体薄膜を使用することによって、２次元のｐＭＵＴアレイ中において実証される。圧電素子間においてポリマー絶縁体の無いＰＺＴセラミック２次元アレイに対してより高い−２０ｄＢのクロストークに比して、−５０ｄＢ程度の低さのクロストークが、測定された。
【００３２】
図４にて図示したように、頂部電極３２は、圧電素子２２、第二誘電体薄膜２８及び接地電極２４を覆って形成される。本発明の特定の実施の形態によれば、頂部電極３２は、金属を含む。本発明の特定の実施の形態によれば、頂部電極３２は、各圧電素子２２を接地パッド２４に接続する。
【００３３】
図５に示すように、ｐＭＵＴ装置構造１１の裏面は、底部電極２４及び圧電素子２２を備える圧電性膜３５を形成している底部電極２５の底面を露出させる貫通ウエハビア３４を形成するために、選択的にエッチングされる。本発明の特定の実施の形態によれば、基板１２及び第一誘電体薄膜１４を通る異方性エッチングは、貫通ウエハビア３４を形成するためにシリコンウエハ１２及び第一誘電体薄膜１４のための上記のフォトリソグラフィのパターニング技術及び適当な化学エッチング液を使用して実行される。本発明の特定の実施の形態によれば、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）反応器を使用する、フォトリソグラフィ処理及び深い反応イオンエッチング（ＤＲＩＥ）は、ビア中に垂直な側壁３７を有する貫通ウエハビア３４を形成している基板１２及び第一誘電体薄膜１４をエッチングするために用いられる。ＤＲＩＥプロセスの効果は、異方性化学エッチングと比較してより高い密度アレイが形成され、そして、多様な幾何学的な素子形状が形成されうるということである。
【００３４】
ＤＲＩＥプロセスを用いて貫通ウエハビア３４が形成されるｐＭＵＴ構造に対して、幾何学的な素子形状の実質的な自由が与えられる。異方性化学エッチングがシリコンの結晶面に従うので、この方法によって形成される素子は、正方形及び矩形に限定される。ＤＲＩＥによって形成される素子は、円形、正方形、矩形、又は、他のポリゴン形状でありうる。円形形状の素子は、単一の共鳴周波数でより強い超音波応答を提供する。しかしながら、より高い帯域幅を必要とする用途に対して、正方形、矩形、又は、多角形（例えば、六角形、八角形）に形成された素子は、異なる幾何学的な方向における異なる寸法のため、周波数応答において複数の倍音（オーバートーン）を提供する。これらの倍音は、単位面積当たりの感度を僅かに減少させるが、装置の周波数範囲又は帯域幅を増加させる。帯域幅は、円形形状を有するｐＭＵＴ素子に対して測定されて、１５−２０％のみの帯域幅であることがわかったが、正方形の素子は、５０−８０％の範囲の測定された帯域幅を提供した。しかしながら、円形の素子は、正方形の素子よりも単位面積当たりで２０−３０％高い感度を有していた。
【００３５】
加えて、正方形、矩形、又は、多角形に形成された素子は、基板によって全ての面上で又は、支持されていない端部を超えてＤＲＩＥエッチングを延長することによっていくつかの面のみで支持されうる。例えば、正方形の素子は、基板によって４つの端部上で支持されうるし、又は、２つの端部のみで支持されて他の２つの端部で把持されていなくてもよい。このようにして、圧電性膜は、より大きい振動振幅のためにより可撓性に作製される。円形の素子は、通常、全周囲の回りで支持される。大きいアスペクト比（１０：１以上）を有する長方形素子は、形成することができ、一次元のｐＭＵＴアレイに対して一般に好ましいが、より小さいアスペクト比（例えば正方形又は略正方形、六角形、八角形、円形等の１：１に近い）を有する素子は、二次元のｐＭＵＴアレイに対して典型的に形成される。
【００３６】
図６に留意すると、共形絶縁膜３６は、貫通ウエハビア３４の側壁３７を含むｐＭＵＴ装置構造１１の裏面上に堆積される。底部電極の底面２５を覆っている共形絶縁膜３６の部分は、例えばエッチングによって、その後除去される。共形絶縁膜３６は、（例えば蒸着したポリマー、酸化物又は窒化物材料といった）従来の絶縁体を含みうる。共形絶縁膜３６は、（例えばＰＶＤ又はＣＶＤといった）低温域蒸着処理によって堆積される。底部電極の底面２５を露出させることで、複数の貫通ウエハビア３４の電気的離隔を危うくすること無く、圧電性膜３５の底部電極２４への電気的接続が可能となる。
【００３７】
その後、共形導電膜４２は、ｐＭＵＴ装置構造１１の裏面上に形成される。図７Ａにて図示したように、個々の貫通ウエハビア３４が互いから、そして、接地接触２４から電気的に絶縁されるように、共形導電膜４２はその後パターン化される。本発明の特定の実施の形態によれば、共形導電膜４２は金属を含む。共形導電膜４２は、貫通ウエハビア３４の貫通ウエハ相互接続４２を形成するために、従来のフォトリソグラフィの技術によってパターン化されうる。本発明の他の実施の形態において、複数の貫通ウエハ相互接続４２は、同時に扱われうる素子のより大きなサブセットを形成するために、電気的に接続されうる。これらのより大きな素子サブセットは、グランドビア３３から電気的に絶縁される。例えば、一次元アレイは、二次元アレイの素子の列を接続することによって形成されうる。
【００３８】
底部電極１６、頂部電極３２及び共形導電膜４２としての用途のための適切な金属は、Ｃｒ／Ａｕ、Ｔｉ／Ａｕ、Ｔｉ／Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｉｎ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、Ｉｎ２Ｏ３：ＳｎＯ２（ＩＴＯ）及び（Ｌａ、Ｓｒ）ＣｏＯ３（ＬＳＣＯ）を含む。好適な底部電極層１４、頂部電極３２及び共形導電膜４２のための金属を堆積させる技術には、ＣＶＤ、ＰＶＤ、電気めっき、無電解めっき及び電子ビーム蒸着技術が含まれる。本発明の特定の実施の形態によれば、底部電極層１６は、Ｔｉ／Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２又はＬＳＣＯを含む。本発明の特定の実施の形態によれば、共形導電膜４２は、ＣＶＤ  Ｃｕ、電気メッキされたＣｕ又は無電解めっきされたＮｉ又はＡｕを含む。
【００３９】
本発明の他の実施の形態において、図７Ｂに示すように、基板１２のみが、エッチングが相隔たるビア１７を露出させる第一誘電体層１４で停止される貫通ウエハビア３４を形成するエッチングを行われる。相隔たるビア１７は、第一誘電体薄膜１４を通って基板１２の正面側１３からエッチングによって以前に形成された。共形絶縁膜３６がエッチングされるときに、相隔たるビア１７は、再び露出されて、相隔たる底部電極２０及びその後形成された相互接続４２との間に電気的接続を提供する。
【００４０】
図８に留意すると、ｐＭＵＴ装置構造１０は、垂直的に統合されたｐＭＵＴ装置６０を形成するために、半導体装置４４に接続している。本発明の特定の実施の形態において、この接続は、共形導電層４２を半導体装置４４上の半田パッド４８に接続しているソルダーバンプ４６を介してなされる。パターン化された貫通ウエハ相互接続４２は、圧電性膜３５から半導体装置４４への直接の電気的接続を提供する。ｐＭＵＴ装置構造１０への半導体装置４４の取り付けは、空気に支持されたキャビティ５０をつくる。空気に支持されたキャビティ５０は、最適な音響性能を提供する。空気に支持されたキャビティ５０は、表面微小加工ＭＵＴｓと比較して、音響リークを最小にして圧電性膜３５をより大きな振動を可能にする。表面微小加工された膜からの振動エネルギーは、このように超音波伝送出力及び受信感度を制限している膜の下に直接存在しているバルクシリコン基板中で消散されることができる。本発明における空気に支持されたキャビティ５０は、振動膜３５がバルク基板１２の直接上に又は上方に存在していないため、このエネルギーの散逸を低減又は除去する。
【００４１】
半導体装置４４は、例えば、フリップチップ・パッケージ・アセンブリ、トランジスタ、コンデンサ、マイクロプロセッサ、ランダムアクセスメモリ等といった様々な電子装置を含む公知技術の任意の半導体装置であってもよい。そして、一般に、半導体装置は、半導体を備える任意の電気装置を言う。本発明の特定の実施の形態において、半導体装置４４は、ＣＭＯＳチップである。
【００４２】
各圧電素子２２が隣接する圧電素子２２から電気的に絶縁されるので、個々の素子はトランスデューサ転送モードで個々に駆動されうる。加えて、受信信号は、半導体装置４４によってそれぞれに各圧電性膜３５から測定されうる。
【００４３】
貫通ウエハ相互接続４２の形成の効果は、電気的接続が相互接続４２によって直接提供されるため、個々の導線、可撓ケーブル等が膜３５及び半導体装置４４の間に電気伝送及び受信信号を運ぶことを必要としないということである。これにより、導線の数及び超音波プローブをコントロールユニットに接続するために必要なケーブル接続のサイズが低減される。さらにまた、従来のケーブル又は配線ハーネス（メートルオーダーの長さ）と比較して、貫通ウエハ相互接続４２（１００μｍから２、３ｍｍのオーダー）のより短い物理的長さによって、トランスデューサ受信信号の損失を最小化して伝送のために振動子を駆動するために必要な出力を低下させる、より低い抵抗でそしてより短い信号経路での接続を提供する。
【００４４】
金属の相互接続４２及び電極２０、３２の使用は、ポリシリコン相互接続を使用している装置及び電極よりも、高い電気伝導率及び高いＳＮ比を有する圧電素子を提供する。加えて、共形絶縁層３６及び共形導体４２を堆積させる低温処理の使用によって、装置処理の熱量が低減され、従って、熱への過剰な露出における損傷の影響が制限される。これにより、基板の貫通ウエハビアホール３４にエッチングする前にｐＭＵＴ素子２２を形成して、従って、全体の処理を単純化することも可能となる。
【００４５】
本発明の特定の実施の形態において、図９に示すように、高分子膜５２は、半導体装置４５の表面上に、又は、空気に支持されたキャビティ５０の底辺に形成される。高分子膜５２は、圧電性膜３５から反射される音響エネルギーを減らす。ｐＭＵＴ装置構造１０が半導体素子基板４４に直接取り付けられるときに、音響エネルギーが半導体素子基板４４から反射されて圧電性膜３５の方へ向かうため、ｐＭＵＴのいくらかの残響が観察される。残響は、ｐＭＵＴ信号のノイズを引き起こし、超音波画質を減少しうる。また、音響エネルギーは、回路にノイズを導入して、半導体装置の作動に影響を及ぼしうる。高分子減衰層５２がなければ、振動子膜３５中での共鳴又は残響が生じる共振空洞条件が生成される。半導体装置４４の頂部上に、又は、空気に支持されたキャビティ５０の底辺で高分子膜５２を提供することによって、ｐＭＵＴ装置構造１０から反映される音響エネルギーが、高分子膜５２によって減らされる。高分子膜５２は、低い音響インピーダンスを有し、従って高い音響インピーダンスを有する半導体装置の裸のシリコン表面よりも少ない超音波エネルギーを反射する。本発明の特定の実施の形態において、高分子膜５２は、半導体装置４４にｐＭＵＴ装置構造１０の取付けのための接着剤としても機能しうる。本発明の特定の実施の形態において、高分子膜５２は、エポキシを含む。
【００４６】
本発明の特定の実施の形態において、圧電素子２２の厚さは、約０．５μｍから約１００μｍの範囲でありうる。本発明の特定の実施の形態において、圧電素子２２の厚さは、約１μｍから１０μｍの範囲でありうる。圧電素子２２の幅又は直径は、約１５μｍから約１０００μｍの中心間距離を有して、約１０μｍから約５００μｍの範囲でありうる。本発明の特定の実施の形態において、圧電素子２２の幅又は直径は、１から２０ＭＨｚの範囲での超音波動作に対して約７５μｍから４５０μｍへの中心間距離を有して、約５０μｍから約３００μｍの範囲でありうる。本発明の他の実施の形態において、５０μｍ未満のより小さい素子は、２０ＭＨｚよりも高い振動数動作に対してパターン化されうる。この場合、複数の素子は、依然として高い動作周波数を維持すると共に、より高い超音波エネルギー出力を提供するために、一緒に電気的に接続されうる。
【００４７】
本発明の特定の実施の形態において、第一誘電体薄膜１４の厚みは、約１０ｎｍから約１０のμｍの範囲に亘りうる。本発明の特定の実施の形態において、共形絶縁膜３６の厚みは、約１０ｎｍから約１０μｍの範囲に亘りうる。底部電極２０、頂部電極３２及び共形導電層４２の厚みは、約２０ｎｍから約２５μｍの範囲に亘りうる。本発明の特定の実施の形態において、開口キャビティ５０の深さは、約１００μｍから数ｍｍの範囲に亘りうる。
【００４８】
本発明の特定の実施の形態において、図１０にて図示したように、ｐＭＵＴ装置構造１０は、半導体装置４４上のエポキシ層５６において形成される金属コンタクト５４を介して半導体装置４４に接続される。エポキシ層５６また、音響エネルギー減衰器として機能することに加え、半導体装置４４にｐＭＵＴ装置構造１０を取り付けるための接着材としても機能する。エポキシ層５６は、フォトリソグラフィ及び／又はエッチング技術を使用してパターン化されうるし、そして、金属接続部は、電気めっき、スパッタリング、電子ビーム蒸着、ＣＶＤ又は他の堆積方法によって堆積されうる。
【００４９】
図１１にて図示したように、第二誘電体薄膜２８は、本発明の特定の実施の形態の圧電素子の上端部５８に配置されている。ｐＭＵＴ装置構造８０は、その後、前述されたように、裏面エッチングを含む処理がされ、図１２にて図示したように、垂直的に統合された圧電微小加工超音波振動子装置９０を形成するために半導体装置４４に接続される。パターン化された圧電層５８の上端部上の第二誘電体薄膜２８は、圧電素子２２に接続する２つの電極３２、２０において改良された電気隔離を提供する。この実施の形態は、頂部電極３２に底部電極２０とのショートを引き起こしうる、ポリマー絶縁体２８と圧電層２２の縁部との間のギャップが不利に引き起こされうる任意のフォトリソグラフィのミスアライメントの説明に役立つ。この実施の形態は、他の実施の形態において必要でありうる任意の平坦化プロセスの必要性をも除去する。更にこの実施の形態は、パターン化された圧電層２２のサイズ及び形状と異なるサイズ又は形状の頂部電極３２を形成する方法を提供する。（圧電性素子の厚さのオーダーでの）十分な厚さであれば、圧電層２２よりも非常に低い誘電率を有するポリマー絶縁体２８は、絶縁体を横断するだけに主として低下させるためにｐＭＵＴ９０装置に印加する電圧を引き起こし、このように、絶縁体で覆われている圧電層５８の部分を電気的に絶縁する。印加電圧に対する圧電素子２２の有効な形状は、絶縁体で覆われていない圧電層２２の部分だけである。例えば、全体の圧電性の幾何学的な領域の５０％だけを電気的に作動させることが要求される場合、ポリマー絶縁体２８は、残っている５０％の圧電性領域を物理的に覆って電気的に絶縁することができ、そして、この領域が作動するのを防止する。また、互いに嵌合された構造といった複合電極パターンが要求される場合、ポリマー絶縁体２８は互いに嵌合された構造を提供するためにパターン化されうる。これは、頂部電極３２が全てのｐＭＵＴアレイ９０を横切る連続的な接地電極である、特定の実施の形態にとって重要である。同様な処理が、ポリマー絶縁体２８をパターン化することによって電気的な作動領域を形成することで提供され、従って、作動面積は、パターン化されている底部電極２０及び圧電性膜１６よりも、圧電性膜１６を含む頂部電極の形状であると考えられる。
【００５０】
本発明の特定の実施の形態は、基板としてシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板を使用する。図１３に示すように、基板１２（例えばシリコンウエハ）は、基板１２の上に形成される埋設された二酸化シリコン層６４上を覆う薄いシリコン層６２を備えている。第一誘電体薄膜１４はシリコン層６２上を覆って形成され、そして、底部電極層１６は、第一誘電体薄膜上を覆って形成される。圧電性物質の層１８は、ＳＯＩ ｐＭＵＴ装置構造１００を提供するために底部電極層１６上を覆って形成される。ＳＯＩ基板を使用することの利点は、シリコン基板エッチストップ層として酸化埋込み型を使用しているＤＲＩＥエッチングをより良好に制御できることを含む。これにより、アレイ中の個々の素子の共鳴周波数のより良好な制御及び均一性のための、ｐＭＵＴ膜３５厚さのより良好な制御も提供される。この膜厚が、ＳＯＩ基板６２の薄いシリコン層の厚みによって規定されるからである。本発明の特定の実施の形態によれば、薄いシリコン層６２は、約２００ｎｍから５０μｍの厚さを有し、そして、埋込酸化物層６４は、約２００ｎｍから１μｍの厚さを有する。本発明の他の実施の形態において、薄いシリコン層６２は、約２μｍから２０μｍの厚さを有し、そして、埋込酸化物層６４は、約５００ｎｍから１μｍの厚さを有する。
【００５１】
圧電性物質の層１８、底部電極層１６、第一誘電体薄膜１４、シリコン層６２及び埋設されたシリコン酸化層６４は、別々の圧電素子２２及び接地パッド２４を提供するために、そして、基板１２の表面１３を露出させるために、その後エッチングされる。圧電性物質の層１８及び底部電極の層１６は、開口部６８によって離隔されるｐＭＵＴ素子形状３２を形成するためにエッチングを行われる。第１の絶縁体１４、薄いシリコン６２及び埋設された酸化物の層６４は、基板１２を露出させる相隔たるビア６９を形成するために、更にエッチングを行われる。図１４にて図示したように、導電膜６６は、その後形成される底部電極２０及び貫通ウエハ相互接続との間に電気的接続を提供するために、相隔たるビア６９中に置かれる。ｐＭＵＴ装置構造１００のパターン構成は、前述したように、従来のフォトリソグラフィの及びエッチング技術を使用してされうる。本発明の特定の実施の形態において、導電膜６６は、底部電極２０、頂部電極３２及び共形導電層４２に関して上述した金属のいずれかでありえる。
【００５２】
ｐＭＵＴ装置の他の実施の形態に関して上述したように、ＳＯＩ ｐＭＵＴ装置構造１００は、図１５にて図示したように、第二誘電体薄膜２８、頂部電極３２、貫通ウエハビア３４、共形絶縁層３６及び、共形導電膜４２を形成するために、更に処理される。導電膜６６及び共形導電膜４２間の電気接触によって、貫通ウエハ相互接続を提供する。ＳＯＩ ｐＭＵＴ装置構造１００は、図１５に示すように、例えばソルダーバンプ４６によって半導体装置４４に接続している。そして、垂直的に統合されたｐＭＵＴ装置１１０を形成する。他の実施の形態において、半導体装置４４は、前述したように、ｐＭＵＴ装置を半導体装置に取り付ける半導体装置の表面上に堆積されるエポキシ層中に形成される金属コンタクトを介して、共形導電膜４２に電気的に接続されうる。
【００５３】
本発明によって形成されるｐＭＵＴｓの用途は、リアルタイムでの、三次元心臓内又は血管内の撮像、最小限の侵入型又はロボット手術のための撮像、カテーテルに基づく撮像、携帯用の超音波探針及びミニチュア・ハイドロフォンを含む。本発明の特定の実施の形態において、ｐＭＵＴｓは、約１−２０ＭＨｚの周波数範囲の作業に対して最適化される。
【００５４】
ここでの開示において示される実施の形態は、例示目的のためである。これらは、請求項の範囲を制限するために解釈されてはならない。この技術の当業者に明らかであるように、ここでの開示は本願明細書において特に例示されない多種多様な実施の形態を含む。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】図１は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図２】図２は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図４】図４は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図６】図６は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図７】図７は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図８】図８は、本発明の一実施の形態によるソルダーバンプを介して圧電微小加工超音波振動子を半導体装置に取り付ける圧電微小加工超音波振動子装置の形成を示す。
【図９】図９は、高分子膜が開口キャビティに対向する半導体装置の表面上に形成される本発明の実施の形態を示す。
【図１０】図１０は、めっきした金属接続部を介して前記振動子が半導体装置に接続している本発明の実施の形態を示す。
【図１１】図１１は、圧電素子間に形成される誘電体薄膜が圧電素子の上端に配置されている本発明の実施の形態を示す。
【図１２】図１２は、圧電素子間に形成される誘電体薄膜が圧電素子の上端に配置されている本発明の実施の形態を示す。
【図１３】図１３は、前記圧電素子がシリコン・オン・インシュレータ基板上に形成される圧電微小加工超音波振動子装置を示す。
【図１４】図１４は、前記圧電素子がシリコン・オン・インシュレータ基板上に形成される圧電微小加工超音波振動子装置を示す。
【図１５】図１５は、前記圧電素子がシリコン・オン・インシュレータ基板上に形成される圧電微小加工超音波振動子装置を示す。
【符号の説明】
【００５６】
１０  ｐＭＵＴ装置構造
１１  ｐＭＵＴ装置構造
１２  基板
１４  第一誘電体薄膜
１６  底部電極層
１７  ビア
１８  圧電性物質の層
２０  底部電極
２２  圧電素子
２４  接地電極
２６  開口部
２７  第一誘電体薄膜
２８  第二誘電体薄膜
３０  開口部
３２  頂部電極
３４  貫通ウエハビア
【図１Ａ】
2008535643.tif 000003
【図１Ｂ】
2008535643.tif 000004
【図２】
2008535643.tif 000005
【図３】
2008535643.tif 000006
【図４】
2008535643.tif 000007
【図５】
2008535643.tif 000008
【図６】
2008535643.tif 000009
【図７Ａ】
2008535643.tif 000010
【図７Ｂ】
2008535643.tif 000011
【図８】
2008535643.tif 000012
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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