CN101352710A - 薄膜压电超声换能器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种薄膜压电超声换能器，包括具有硅杯结构的硅基片，位于该硅基片上的支撑层以及位于支撑层上的N个压电换能单元；其特征在于，所述硅基片的硅杯结构上部具有选择性掺杂层，该选择性掺杂层上具有N个与所述压电换能单元相对应的通孔。与现有技术相比，本发明能否达到以下技术效果：本发明可以用常规的体硅刻蚀工艺实现密排阵元的薄膜压电换能器阵列，该阵列的阵元间距不受阵元间侧墙厚度及倾角的限制，可根据阵列设计需要任意调整。
Description
技术领域
本发明属于超声成像领域，具体的说，本发明涉及一种用于超声成像系统的压电超声换能器。
背景技术
超声成像系统被广泛应用于医学诊断、工业检测等领域。例如医学中对心脏、腹部器官以及胎儿的检查。工业上对钢管、焊缝等的无损检测。超声成像是通过超声换探头向目标物发射超声信号，接收目标物不同位置的反射信号，分析和处理目标物反射信号的特性，获取超声成像信息。
超声成像所使用的探头一般为多个声学换能器组成的换能器阵列，如压电超声换能器阵列。一般的制作方法是将压电片切割成一定尺寸的阵元，按照一定的间距排列粘在一定材料的背衬上，压电片的上下表面分别引出导线进行信号的传输。这种传统的超声换能器阵列制作方法，虽然能够制作出多个阵元的超声换能器阵列，但是无法形成具有几百至几万个微小尺寸阵元的大型声学换能器阵列。随着用硅微加工技术的发展，可以在半导体基片上制作出阵元小，数量多，体积小的大型声学换能器阵列，而且它具有易于优化设计，易于互连，易于重复制造的优点。
现有的薄膜压电超声换能器如图1所示，其结构主要由上电极1，压电层2，下电极3，支撑层4及空心硅基底5组成。其中上电极1，压电层2和下电极3构成换能器单元。该换能单元与支撑层4构成薄膜换能器的振动膜。该振动膜位于空心的硅杯结构上，该硅杯结构是将硅片进行体刻蚀后形成。当有时变电压信号加在上电极1和下电极3时，由于压电层2的压电效应，使得振动膜发生形变振动，并向外辐射出声波。当外界有声波作用到振动膜上时，振动膜上的换能单元会将振动膜的形变和振动相应的转换成电信号。如美国专利No.6548937就是采用这种结构，其缺点是，薄膜换能器的振动膜下方的硅杯空腔是由各项异性的体硅刻蚀工艺形成，硅杯空腔的侧壁会形成一定的倾斜角，这使得底部的体刻蚀掩膜窗口比上部振动膜的尺寸大。利用这种技术制作的阵列，其阵元间距受底部体刻蚀窗口尺寸限制，无法形成元件密排的阵列。
发明内容
因此，本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种能够形成元件密排阵列的薄膜压电超声换能器及其制作方法。
为实现上述发明目的，本发明提供的薄膜压电超声换能器包括，具有硅杯结构的硅基片100，位于该硅基片100上的支撑层103以及位于支撑层103上的N个压电换能单元；其特征在于，所述硅基片100的硅杯结构上部具有选择性掺杂层，该选择性掺杂层上具有N个与所述压电换能单元相对应的通孔；所述N至少为2。
上述技术方案中，所述支撑层103可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。
上述技术方案中，所述通孔可以是圆形或矩形。
上述技术方案中，所述压电换能单元由下电极107，压电薄膜108和上电极109组成。
为实现上述发明目的，本发明提供的薄膜压电超声换能器制作方法包括如下步骤：
1)选择一硅基片100，从该硅基片100的上表面101对其进行选择性掺杂，形成一个连续的掺杂区域105和N个非掺杂区域106；
2)在所述硅基片100的上表面101上制备支撑层103；
3)在所述支撑层103上制备N个压电换能单元，该N个压电换能单元的位置与所述N个非掺杂区域106的位置相对应；
4)从硅基片100的下表面102开始对硅基片100进行硅体刻蚀，形成硅杯结构并继续刻蚀非掺杂区域106形成N个通孔；所述N至少为2。
上述技术方案中，所述步骤1)中，所述选择性掺杂可以采用浓硼扩散或注入掺杂，也可采用浓磷扩散或注入掺杂。
上述技术方案中，所述步骤1)包括如下子步骤：
11)在硅基片100的上表面101制成掩膜110；
12)在掩膜110的覆盖区域之外，从上表面101对硅基片100进行掺杂，形成所述的掺杂区域105和N个非掺杂区域106。
上述技术方案中，所述步骤11)包括如下子步骤：
111)硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅；
112)在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅进行光刻；
113)最后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜110。
与现有技术相比，本发明能够达到以下技术效果：
本发明可以用常规的体硅刻蚀工艺实现密排阵元的薄膜压电换能器阵列，该阵列的阵元间距不受阵元间侧墙厚度及倾角的限制，可根据阵列设计需要任意调整。
附图说明
图1是现有的硅微压电换能器阵列的示意图
图2是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的示意图
图3是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图4是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图5是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图6是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的非掺杂区域形状为圆形的示意图
图7是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的非掺杂区域形状为方形的示意图
图8是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图9是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图10是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
图11是本发明的一个实施方案的硅微超声换能器的一个制作步骤示意图
具体实施方式
下面将给出本发明的一些实施方案的许多具体细节，便于对这些实施方案的透彻理解。
实施例1
图2为本发明的薄膜压电超声换能器的一个实施例结构示意图。本发明是在体硅刻蚀形成的硅杯上部形成选择性重掺杂扩散硅层120，该选择性重掺杂扩散硅层120由非掺杂区域106及掺杂区域105组成。在非掺杂区域106，硅将被完全刻蚀，形成换能器振动膜正下方的空腔结构，在掺杂区域105，硅不被腐蚀，形成换能器振动膜周边的支撑墙。整个振动膜由支撑层103、下电极107、压电层108和上电极109组成。所述支撑层103位于选择性重掺杂扩散硅层120上。下电极107位于支撑层103之上，且该下电极107位于非掺杂区域106被腐蚀而形成的空腔的正上方。压电层108位于下电极107之上。上电极109位于压电层108之上。
图3～图9示出了该实例的基本制备流程。如图3所示，首先选取一个硅基片100，该硅基片100可以为n型或者p+型硅片。硅基片100具有一个上表面101和一个下表面102，在一个实施例中，该硅基片100的厚度为400微米，但是可以理解，本领域的技术人员可根据所需要的传声器芯片尺寸而选择不同厚度的硅基片100。硅基片100经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅，示例性地，该高温二氧化硅的厚度为1微米；在硅基片100的上表面101上对该层高温二氧化硅光刻后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜110。在掩膜110的覆盖区域之外，从上表面101对硅基片100进行掺杂，以形成一个连续的掺杂区域105。在这里，对硅基片100的掺杂可以采用浓硼扩散或注入掺杂，也可采用浓磷扩散或注入掺杂。
需要说明的是非掺杂区域106的形状可以是矩形的，也可以是圆的，也可以是任意几何形状，并不限于本实例所介绍的范围，本领域的技术人员可以根据需要选取不同形状的振动膜，并且采取相应的制备方法。本实施例中，单个非掺杂区域106(即通孔)的面积可为1μm2至1cm2。图6和图7分别给出了圆形和方形两种非掺杂区域106的示意图。
本发明的薄膜压电换能器的振动膜支撑侧墙即为掺杂区域105，如图2所示，本实施例中，其厚度d可在0.01μm至1cm之间选择，高度h可在0.5um至100微米之间选择，但本领域的技术人员也可根据实际需要作出其它选择。
由图5所示，腐蚀去掉掩膜110。由图6所示，首先制备支撑层103，该支撑层103可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，可以理解，该层膜结构主要用于对压电薄膜的支撑和辅助振动，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。所述支撑层的厚度为0.01um～500um。
仍由图6所示，在硅片背面102制备体硅刻蚀掩膜层104，并形成体刻蚀窗口。该体硅刻蚀掩膜层可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜，也可以是抗腐蚀的有机薄膜，可以理解，该层膜结构主要用于对阻挡腐蚀液对硅片的腐蚀，本领域的技术人员可以根据需要和工艺条件选择不同的材料的薄膜，而非仅限于上述几种薄膜。
由图7所示在支撑层103上面制备下电极107，该下电极107采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。所述下电极107的位置位于非掺杂区域106正上方的支撑层103之上。
由图8所示在下电极107上面制备一层或几层压电薄膜108，该压电薄膜的厚度为0.01um～300um，可以为单层薄膜，也可由多层薄膜组成。该压电薄膜可以是氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)、锆钛酸铅(PZT)压电薄膜或单晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)压电薄膜或单晶、或其它适当的替换压电材料，本领域的技术人员也可根据实际需要作出选择。
如图9所示：在压电薄膜108上制备上电极109：上电极109可以采用铝(Al)膜、铬(Cr)膜、金(Au)膜或铂金(Pt)膜制作，也可采用由以上金属材料构成的合金薄膜，或由以上金属薄膜构成的复合薄膜制作。
如图2所示，从硅基片100的下表面102开始对硅基片100用氢氧化钾进行硅体刻蚀，当氢氧化钾腐蚀到选择性重掺杂扩散硅层120时，非掺杂区域106的硅的腐蚀速度远高于其周围的掺杂区域105，此时，支撑层103下方的非掺杂区域106的硅被完全腐蚀，在支撑层103下方形成空心区域，实现薄膜压电换能器的振动膜结构。有掺杂的区域105成为薄膜换能器的支撑侧墙，因此本发明可以通过调整有掺杂区域105的尺寸实现任意阵元间距的薄膜压电换能器的阵列。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (8)
1.一种薄膜压电超声换能器，包括具有硅杯结构的硅基片(100)，位于该硅基片(100)上的支撑层(103)以及位于支撑层(103)上的N个压电换能单元；其特征在于，所述硅基片(100)的硅杯结构上部具有选择性掺杂层，该选择性掺杂层上具有N个与所述压电换能单元相对应的通孔；所述N至少为2。
2.按权利要求1所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述支撑层(103)可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜组成的复合膜。
3.按权利要求1所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述通孔可以是圆形或矩形。
4.按权利要求1所述的薄膜压电超声换能器，其特征在于，所述压电换能单元由下电极(107)，压电薄膜(108)和上电极(109)组成。
5.一种薄膜压电超声换能器制作方法，包括如下步骤：
1)选择一硅基片(100)，从该硅基片(100)的上表面(101)对其进行选择性掺杂，形成一个连续的掺杂区域105和N个非掺杂区域106；
2)在所述硅基片(100)的上表面(101)上制备支撑层(103)；
3)在所述支撑层(103)上制备N个压电换能单元，该N个压电换能单元的位置与所述N个非掺杂区域(106)的位置相对应；
4)从硅基片(100)的下表面(102)开始对硅基片(100)进行硅体刻蚀，形成硅杯结构并继续刻蚀非掺杂区域(106)形成N个通孔；所述N至少为2。
6.按权利要求5所述的薄膜压电超声换能器制作方法，其特征在于，所述步骤1)中，所述选择性掺杂可以采用浓硼扩散或注入掺杂，也可采用浓磷扩散或注入掺杂。
7.按权利要求5或6所述的薄膜压电超声换能器制作方法，其特征在于，所述步骤1)包括如下子步骤：
11)在硅基片(100)的上表面(101)制成掩膜(110)；
12)在掩膜(110)的覆盖区域之外，从上表面(101)对硅基片(100)进行掺杂，形成所述的掺杂区域(105)和N个非掺杂区域(106)。
8.按权利要求7所述的薄膜压电超声换能器制作方法，其特征在于，所述步骤11)包括如下子步骤：
111)硅基片(100)经过高温氧化工艺生长一层高温二氧化硅；
112)在硅基片(100)的上表面(101)上对该层高温二氧化硅进行光刻；
113)最后利用氢氟酸腐蚀高温二氧化硅制成掩膜(110)。
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