CN101874287B - 静电换能器及阵列中的贯穿晶片互连 - Google Patents
静电换能器及阵列中的贯穿晶片互连 Download PDFInfo
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Abstract
一种用于制造静电换能器和阵列的方法使用涉及两个切割步骤的技术来使换能器元件的衬底段彼此电分离，其中，第一步骤在衬底中形成摹制开口以产生衬底段的部分分离，以及第二步骤在衬底段被固定之后完成分离以防止在第二步骤完成时衬底段的不稳定。可以通过在部分分离中填充非导电材料或者在支撑衬底上固定换能器阵列来完成衬底段的固定。当衬底是导电性的时，分离的衬底段用作可以被单独编址的分离的底部电极。该方法对于制造1D换能器阵列尤其有用。
Description
相关申请
本申请要求于2007年12月3日提交的、标题为“PACKAGING ANDCONNECTING ELECTROSTATIC TRANSDUCER ARRAYS”的美国临时专利申请号60/992,052的优先权。
本申请还涉及标题为“CMUT PACKAGING FOR ULTRASOUNDSYSTEM”的(律师档案号KO1-0004PCT2)的国际(PCT)专利申请号____；以及标题为“PACKAGING AND CONNECTING ELECTROSTATICTRANSDUCER ARRAYS”的(律师档案号KO1-0018PCT)的国际(PCT)专利申请号；这两个申请都与本申请一起在同一日期提交，这两个PCT申请由此通过引用被全部并入。
本申请还涉及于2006年5月18日提交的、标题为“THROUGH-WAFERINTERCONNECTION”的国际(PCT)专利申请号PCT/IB2006/051566，该PCT申请由此通过引用被全部并入。
背景
本公开涉及制造换能器和换能器阵列并产生换能器和换能器阵列的互连，具体地，涉及制造电容式微机械超声换能器(cMUT)阵列并产生电容式微机械超声换能器(cMUT)阵列的互连。
在合适的衬底上产生换能器阵列的互连是使用换能器阵列的任何应用的关键，尤其是对于具有大量元件的换能器阵列。一个这样的实例是使用超声换能器阵列的超声成像。超声换能器阵列的合适的封装和互连对于获得具有较低成本的期望性能十分重要。
电容式微机械超声换能器(cMUT)是静电致动器/换能器，其广泛用在各种应用中。超声换能器可以在包括液体、固体和气体的多种介质中操作。超声换能器通常用于针对诊断及治疗的医学成像、生化成像、材料的非破坏性评估、声纳、通信、接近传感器、气体流量测量、现场过程监控、声学显微镜、水下感测和成像、以及多种其他实际应用。cMUT的典型结构是具有位于柔性膜上或内的刚性底部电极和可移动顶部电极的平行板电容器，其用于传输/驱动(TX)或者接收/检测(RX)在相邻介质中的声波。可以将直流(DC)偏压施加在电极之间，以将膜偏转到用于cMUT操作的最佳位置，通常目标是最大化灵敏度和带宽。在传输期间，将交流(AC)信号施加到换能器。顶部电极和底部电极之间的交变静电力驱动膜以将声能传输到cMUT周围的介质中。在接收期间，撞击声波使膜振动，从而改变两个电极之间的电容。
顶部电极通常是用于传输和检测声波的cMUT的可移动电极。可移动电极与介质通过界面连接并通常在衬底表面的顶部上，从而被称为顶部电极。底部电极通常是至少部分固定(静止)的并通常位于衬底中的顶部电极的下方。在大多数cMUT应用中，具有多个cMUT元件的cMUT阵列用于执行期望的功能。通常，阵列中的每个cMUT元件从其两个电极中的一个被编址(连接到信号线)，以及另一电极被连接到阵列中的多个cMUT元件或者所有cMUT元件所共享的公共电极。当前，大多数cMUT阵列，尤其是1-D阵列具有公共固定底部电极。阵列中的每个元件分别从其移动顶部电极被编址。使用顶部移动电极作为单独编址的电极的原因仅仅是制造的容易。
然而，因为移动顶部电极用于通过界面连接介质，对于产生到顶部电极的电连接的方法存在一些限制。对于性能、封装和电连接考虑因素，通常希望使cMUT阵列的固定底部电极是热电极(即，单独编址的电极)，以及使顶部电极是公共电极。
已知有处理、封装和产生互连的一些方法来使底部固定电极作为单独编址的电极。一个典型的方法是使用各种方法在衬底上钻孔，以及随后使用导电材料填充孔。这种工序相对复杂并且具有性能限制。此外，在这种方法中，在寄生电容和互连的导电性之间存在折衷。这种折衷影响了器件性能。并且，该方法通常不能产生柔性cMUT阵列。
另一方法是在元件下方切穿衬底以形成单独的底部电极。可以通过蚀刻衬底材料来完成切穿。然而，因为阵列中的每个元件下方的衬底与其相邻元件完全分离或者与衬底的其余部分完全分离，这些方法需要在切穿衬底期间将阵列中的元件支撑或保持在一起的技术。一种典型的技术是将具有其制造衬底的cMUT粘合到另一衬底，该另一衬底提供支撑或保持阵列中的换能器元件来继续制造工序，实现互连和封装。另一技术是在工序期间在元件之间使用填充材料保持换能器元件。该材料通常是绝缘材料并且可以是电介质材料或者多种材料的组合。
主要发展了现有方法用于产生2-D阵列的互连。这些方法相对复杂并且可能对1-D阵列设备并不是有成本效率的。需要有一种用于cMUT阵列尤其是1-D cMUT阵列的更好的互连方法。
概述
所公开的是一种用于制造静电换能器和换能器阵列以及产生静电换能器和换能器阵列的互连的方法。该方法使用涉及两个切割步骤的技术将换能器元件的衬底部分彼此电分离。第一切割步骤在衬底中形成摹制开口，以产生换能器元件的部分分离。在第一切割步骤之后，固定换能器阵列以防止在第二切割步骤完成时换能器元件的不稳定。然后，进行第二切割步骤以完成分离。当衬底是导电性的时，换能器元件的分离的衬底段用作可以被单独编址的分离的底部电极。该方法对于制造1D换能器阵列尤其有用。
本公开的一个方面是一种用于制造包括在衬底上的至少一个换能器元件的换能器的方法。该方法在衬底中形成第一摹制开口。第一摹制开口界定对应于换能器元件的衬底段的部分边界，以便换能器元件通过衬底中的连接部分保持部分地连接到衬底的其余部分。然后，固定换能器，使得即使衬底中的连接部分被移除，换能器元件仍将与衬底保持稳定。随后，该方法移除衬底中的连接部分，使得换能器元件不再直接接触衬底的其余部分。由于导电性衬底，在移除衬底中的连接部分之后换能器元件具有用作可单独地接近的底部电极的衬底段。该方法还可以用于从衬底的其余部分完全分离换能器阵列，以便可以从衬底的其余部分移除换能器阵列。该方法可以用于制造具有带有分离的底部电极的多个换能器元件的静电换能器阵列，并且尤其适合于制造1-D换能器阵列。该方法还可以用于形成贯穿晶片互连，以从背侧接近前侧电极。
在一个实施方式中，连接部分是机械弱连接，并且通过简单地破坏机械弱连接而被移除。在另一实施方式中，通过在衬底中形成第二摹制开口来移除连接部分。第一摹制开口和第二摹制开口被设计成一起互补地界定换能器元件的完整边界，以分离衬底中的换能器元件。第一摹制开口和第二摹制开口都可以从衬底的背侧形成。可以从衬底的一侧首先形成初始摹制开口以在衬底中达到一定深度，以及可以从另一侧形成第一摹制开口和第二摹制开口以接触初始摹制开口来完成换能器元件的分离。
提供本概述以用简化形式介绍概念的选择，以下在详细的描述中将进一步说明这些概念。本概述不是用来识别所主张的主题的关键特征或本质特征，也不是用来在确定所主张的主题的范围时用作帮助。
附图的简要说明
参照附图说明详细的描述。在图中，参考标号的最左边数字表示该参考标号首次出现的图。在不同图中的相同的参考标号的使用表示类似或相同的项。
图1示出了所公开的方法的第一示例性实施方式。
图2-4示出了可以在所公开的方法中实现的摹制开口的多个示例性配置的底视图。
图5示出了所公开的方法的第二示例性实施方式。
图6示出了所公开的方法的第三示例性实施方式。
图7示出了所公开的方法的第四示例性实施方式。
图8-10示出了在图6或图7的方法中制造的多个示例性cMUT的横截面视图。
图11A和图11B示出了示例性cMUT换能器阵列的底视图和横截面视图，示例性cMUT换能器阵列具有用于互连以从底部接近顶部电极的贯穿晶片。
具体实施方式
所公开的是封装和产生对静电换能器阵列尤其是cMUT阵列的互连的方法。所公开的方法尤其适合于封装1D换能器阵列，但是也可以用在其他类型的换能器阵列中。
在本描述中，电介质材料是非导电物质，即绝缘体。适合于本公开的电介质材料的实例包括但不限于PDMS、聚对二甲苯、氮化物膜、氧化物膜、Riston、Kapton、光刻胶、其它聚合物和聚酰亚胺。
用于使用MEMS或半导体制造工艺制造换能器(例如cMUT阵列)的衬底被称为制造衬底。制造衬底通常是硅晶片或玻璃晶片。
用于使用期望的金属模或其他电子部件来封装或装配换能器的衬底称为封装衬底。
本公开中的诸如“蚀刻”和“切割”的术语指的是用于移除材料以形成期望模的任何合适的方法。本公开中的“模”或“摹制开口”可以是沟槽、材料中的大开口、或者整个层或整个晶片的整体变薄。“蚀刻”或“切割”的方法可以包括但不限于干蚀刻、湿蚀刻、切割、研磨/抛光、碾磨和机械破碎。本公开中的“填充材料”或“填充物材料”可以是从外部添加或者在本地形成(例如，通过热氧化)的材料。
原则上，本文中公开的方法可以应用于具有在衬底上构造的多个换能器元件的任何换能器或者传感器阵列。这些方法尤其适合于cMUT阵列。可以使用任何cMUT设计，包括柔性膜cMUT和嵌入式弹簧cMUT(EScMUT)。cMUT具有第一电极和第二电极，第一电极与第二电极彼此分离开一电极间隙，使得在电极之间存在电容。弹簧构件(例如柔性膜或弹簧层)支撑电极中的一个，以使两个电极能够移向彼此或者从彼此移开。在柔性膜cMUT中，弹簧构件是直接支撑电极中的一个的柔性膜。在EScMUT中，弹簧构件是支撑板上的电极的弹簧层，该电极通过弹簧板连接器从弹簧层悬挂。
在本公开中，柔性膜cMUT设计用于说明所公开的方法，但是相同的方法可以用于EScMUT或者任何其他换能器和传感器。
图1示出了所公开的方法的第一示例性实施方式。在多个连续视图中说明了本方法的多个主要步骤。除非另外指出，本说明中的图是横截面视图。在本说明中，过程被描述的顺序不是用来被解释为限制，以及可以按任意顺序组合任意数量的所述过程块来实现该方法或者替代的方法。
在图1.1中所示的步骤一，在衬底110上制造换能器101。由于换能器层120的结构细节对于所公开的制造方法不是必要的，因此它们没有被示出。换能器101可以是具有多个换能器元件的换能器阵列。然而，图1使用单个换能器元件101-1来说明本方法的基本概念。
在图1.2和图1.2B中所示的步骤二，在衬底110中形成第一摹制开口170。所示的第一摹制开口170是从衬底110的底侧(背侧)延伸到顶侧的开口，换能器层120在顶侧形成。图1.2B示出了从衬底110的底侧看的第一摹制开口170的形状或轮廓的视图。如图1.2B所示，第一开口170界定了对应于换能器元件110-1的衬底段110-1的部分边界。换能器元件110-1在衬底段110-1的顶部上构造，并且包含衬底段110-1。衬底段110-1通过衬底段110-1的边界的连接部分(通常被表示为区域111)保持部分地连接到其余的衬底110。
可以使用任何合适的方法形成第一开口170。如果衬底110是半导体型晶片，例如硅晶片，则形成第一开口170的优选方法是蚀刻。可以从衬底的前侧或背侧或者从两侧用一个蚀刻步骤或多个蚀刻步骤完成该蚀刻。第一开口170的形状或轮廓可以具有任何形状并且可以是或者不是统一的，只要第一开口170从衬底110的其余部分部分地分离对应于换能器元件101-1的衬底段110-1。第一开口170的形成可以与cMUT制造结合并且在步骤一(图1.1)中被执行。
在图1.3中所示的步骤三，在第一开口170中填充合适的填充物材料171以固定换能器元件101-1以及其对应的衬底段110-1，使得即使在下一步骤中移除衬底110中的连接部分111，衬底段110-1仍将与衬底110的其余部分稳定地保持在一起。如本文中将要示出的，其他方法可以用于固定换能器元件101-1及其对应的衬底段110-1。一个实例是在本步骤中将包含衬底110的换能器101附到另一衬底。
在图1.4和图1.4B中所示的步骤四，形成第二摹制开口175以移除衬底110中的连接部分111，以便换能器元件101-1不再直接接触衬底110的其余部分。由于使用填充物材料171预固定换能器元件101-1及其衬底段110-1，因此当形成第二摹制开口175时这些部件保持稳定。
在所示实施方式中，第二摹制开口175是具有与第一摹制开口175相当的深度的开口。在本步骤中，如图1.4B中的背侧视图所示，第一开口170和第二开口175一起界定对应的换能器元件101-1的衬底段110-1的完整边界。在本说明中，术语“完整边界”指的是完全包围在衬底的横向(纵向)维度上的衬底段并且还在垂直(纬度)维度上延伸某个深度的边界，但是不一定包括衬底段的任何固有的、已有的或预制的边界。这种固有的、已有的或预制的边界的实例是衬底的上表面和下表面、以及由从衬底的顶侧形成的初始开口界定的预制边界，如本文中所示。
在形成第二摹制开口175之后，衬底元件110-1不再直接接触衬底110的其余部分。衬底元件110-1和衬底110的其余部分之间的唯一接触以及这个阶段是直接接触，例如填充物材料171和换能器层120的材料或部分。在典型的基于晶片的微机械换能器中，衬底110是导电性的，且除了可以在换能器层120中包含的底部电极(未示出)以外，换能器层120大部分与导电衬底110电绝缘。在除了在导电衬底段110-1下方以外换能器层120还包含底部电极的情况下，底部电极与换能器层120的其余部分电绝缘并且可以被认为是导电衬底110-1的一部分。在该实施方式中，如果填充物材料是电介质，则衬底段110-1与衬底110的其余部分以及对应于相同换能器101中的其他换能器元件的衬底段电绝缘。电绝缘导电衬底段110-1因此可以用作换能器元件101-1的分离的底部电极。
与第一摹制开口170一样，可以通过任何合适的方法或者以任何形状制造第二摹制开口175。第二开口175可以是从背侧蚀刻的衬底110中的沟槽。可以从衬底的前侧或者背侧或者从两侧用一个蚀刻步骤或多个蚀刻步骤形成第二开口175。因此，开口170的轮廓可以是或者不是统一的。并且，第二开口175的至少一部分的形成可以与cMUT制造过程结合并且在步骤一(图1.1)中被完成。
在图1.5中所示的步骤五，可选地，用期望材料176填充第二蚀刻开口175。
分离单独换能器元件的衬底段的以上方法的直接使用是产生换能器阵列的互连。分离的衬底段(110-1)用作换能器元件的单独的底部电极以及可以从换能器阵列的底侧直接接近。如本文中将要示出的，相同方法还可以用于产生贯穿晶片互连以接近换能器阵列的顶部电极。
可以在互连的制造之前(如图1所示)或之后制造换能器阵列101的换能器层120。并且，换能器层120的制造还可以与互连的制造结合。
图2-4示出了可以在所公开的方法中实现的摹制开口的多个示例性配置的底侧视图。图2A、图3A和图4A分别是衬底210、310和410中的示例性第一摹制开口270、370和470。图2B、图3B和图4B是衬底中的对应的第二摹制开口275、375和475的示例性配置。在每个实例中，第一摹制开口(270、370和470)和第二摹制开口(275、375和475)一起界定对应于换能器元件的预期的衬底段(210-1、310-和410-1)的边界。
特别地，图4A中的第一模470界定衬底段410-1的几乎完整的边界，并且只留下机械弱部分470a以连接衬底段410-1与衬底410的其余部分。在该实现中，连接部分的移除不需要牢固的第二摹制开口的形成。相反地，如图4B所示，它可以通过简单地破坏图4A中形成的弱部分470a来完成，以便衬底段410-1可以与衬底410的其余部分分离，而无需使用任何常规蚀刻或切割方法。
以下在cMUT阵列的背景中进一步描述了该方法。
图5示出了所公开的方法的第二示例性实施方式。该方法用在制造具有诸如501-0、501-1、501-2、501-3和501-4的多个cMUT元件的2-D cMUT阵列501。示例性方法用于制造用于互连的cMUT元件的单独的底部电极。
在步骤一(图5.1、5.1A和5.1B中所示)，在衬底510上制造cMUT阵列501。cMUT元件501-0被相邻的cMUT元件501-1、501-2、501-3和501-4包围。在该步骤中，图5.1示出了顶视图，而图5.1A和图5.1B分别示出了在AA’方向上的横截面视图以及在BB’方向上的横截面视图。在该步骤中，在AA’和BB’方向上的横截面视图看起来是相似的。cMUT阵列501包括：用于形成cMUT元件的底部电极/衬底段的衬底510、顶部电极520、柔性膜530、膜锚540和腔/换能空间560。在cMUT制造期间从衬底510的顶侧可选地形成初始蚀刻模573(例如沟槽)。在制造cMUT结构之前，可以在衬底510的生产晶片上直接形成初始蚀刻模573，以便在顶部电极520下方和衬底510的顶部部分中嵌入初始蚀刻模573。在所示实施方式中，初始蚀刻模573具有沿越过衬底510的表面的两个垂直的横向方向延伸的两组平行沟槽，以形成网格。网格的十字交叉区域从衬底510的顶侧界定了每个换能器元件的边界。如果需要，可以用期望的材料填充初始刻蚀模573。
在步骤2(图5.2中所示)，从背侧形成第一蚀刻模570(例如沟槽)以达到初始蚀刻模573的底部。在蚀刻之前，可以使衬底510向下变薄。如果在步骤一没有形成初始蚀刻模573，则第一模570应被蚀刻而通过衬底510。可以用任何合适的材料填充第一蚀刻模570。填充物材料可以是添加材料(例如，LTO、氮化物、PDMS、聚酰亚胺、光刻胶、聚合物等)或者(例如使用热氧化)在本地形成。
在本阶段，图5.2示出了cMUT阵列501的底部，而图5.2A和图5.2B分别示出了在AA’和BB’方向上的横截面视图。所示出的第一蚀刻模570只是一个实例。第一蚀刻模570界定对应于每个换能器元件(501-1、501-2、501-3和501-4)的每个衬底段(501-1、501-2、501-3和501-4)的部分边界，使得衬底元件(501-1、501-2、501-3和501-4)通过衬底510中剩余的某些连接部分511保持部分地连接到衬底510。
在图5的所示实施方式中，第一蚀刻模570包括在衬底510的底部表面上沿第一横向方向延伸的沟槽(570)。沟槽(570)形成在相邻cMUT元件之间并延伸到衬底(图5.2中的纸面方向中)中以接触沿相同横向方向延伸的初始蚀刻模573中的两组平行沟槽中的一个的对应的底部。由于初始蚀刻模573具有两组平行沟槽，因此沿另一横向方向延伸的初始蚀刻模573的第二组平行沟槽下方的区域(511)用作连接部分，以仍然将衬底段(501-1、501-2、501-3和501-4)连接到衬底510。
换言之，第一蚀刻模570留下一些沿cMUT元件的边界的未蚀刻区域(511)。在步骤二的制造过程期间，未蚀刻区域511保持cMUT阵列501。如果cMUT阵列501需要与另一衬底合并，则未蚀刻区域511还可以用于保持cMUT阵列501。
在步骤3(图5.3中所示)，从背侧形成第二蚀刻模575(例如沟槽)以达到初始蚀刻模573中的另一组平行沟槽的底部。在蚀刻之前，可以使衬底510向下变薄。在该步骤，图5.3示出了底视图，而图5.3A和图5.3B分别示出了在AA’和沿BB’方向上的横截面视图。
如果在步骤一没有形成可选的初始蚀刻模573，则第二蚀刻模575应被蚀刻而通过衬底。蚀刻的目的是移除在步骤二留下的在cMUT元件的边界上的未蚀刻区域或者连接区域。第二蚀刻模575和第一蚀刻模570一起互补地界定cMUT元件(501-1、501-2、501-3和501-4)的衬底段(501-1、501-2、501-3和501-4)的边界。所述示例性第二蚀刻模575包括沿垂直于第一蚀刻模570中的沟槽的横向方向延伸的一组平行沟槽，以形成对应于初始蚀刻模573形成的网格的网格。网格的十字交叉区域从衬底510的底侧界定换能器元件的边界。
可选地，所制造的cMUT阵列501可以用期望的连接模与衬底(例如PCB、IC芯片等等)结合，如本文中将要示出的。
应指出的是，虽然所示实例示出了蚀刻模的平行沟槽，但是可以使用任何形状，只要第一蚀刻模只界定换能器元件的部分边界，并且第二蚀刻模与第一蚀刻模互补以完成换能器元件的边界。例如，可以使用图2、3和4中所示的第一蚀刻模和互补的第二蚀刻模的任何示例性形状和配置。
所公开的方法对于将衬底分成段作为在1-D换能器阵列中的底部电极尤其有用。以下参照图6和7示出了使分离的衬底段成为在1-D换能器阵列中的底部电极的两个示例性实施方式。
图6示出了所公开的方法的第三示例性实施方式。图6示出了在为各个换能器元件形成分离的衬底段的各个步骤中在衬底610上制造的1-D换能器阵列601的底视图。1-D换能器阵列601具有沿x轴所表示的横向方向并列排列的多个换能器元件。
第一步骤(图6.1中所示)产生第一切割模670。第一切割模670包括沿Y轴所表示的横向方向的沟槽(670)。沟槽(670)位于对应于正在形成的衬底段(例如，610-0、610-1和610-2)的换能器元件之间。第一切割模670界定1-D换能器阵列601的分离的衬底段(例如，610-0、610-1和610-2)的宽度或间距，并且部分地分离对应的换能器元件的衬底段。
第二步骤(图6.2中所示)用合适的材料671填充第一模670。材料671可以被填充或者(例如通过氧化)在本地形成。如果阵列附到支撑物体(例如，PCB、IC芯片、或者任何其他衬底)，则该填充步骤可以是可选的。
第三步骤(图6.3中所示)产生第二切割模675。图6.3示出了在本步骤具有第一切割模670和第二切割模675的衬底610的底视图。第二切割模675的所示实施方式包括沿X轴所表示的横向方向延伸的两个沟槽，该沟槽基本上垂直于第一切割模670中的沟槽。在换能器元件的衬底段(例如，610-0、610-1和610-2)的第一公共侧(图6.3中的顶侧)上形成第二切割模675中的第一沟槽，以及在换能器元件的衬底段(例如，610-0、610-1和610-2)的第二公共侧(图6.3中的底侧)上形成第二切割模675中的第二沟槽。第二切割模675和第一切割模670合并在一起以互补地界定分离的衬底段(例如610-0、610-1和610-2)的边界。如果需要，可以用合适的材料可选地填充第二切割模675。
第一切割模670的形状和尺寸被换能器阵列601的元件尺寸和间距部分地限制。因为第二切割模675的沟槽位于换能器阵列601的边缘上，选择切割模675的形状和尺寸以及形成切割模675的切割方法自由得多。例如，可以在封装换能器阵列之前或者之后通过切割简单地形成第二切割模675。
并且，可以在阵列封装之前或之后通过从衬底610手工破坏换能器阵列601来简单地完成图6.3中所示的第二切割模675。第一切割模670需要被特别设计以便于该过程。在图6.1A中示出了适合于这个目的的示例性第一切割模670a。在换能器元件的衬底段之间和沿着衬底段的公共侧，第一模670a具有切槽(例如沟槽)。对于示例性1-D换能器阵列601，衬底段的公共侧是换能器阵列601的边缘。与第一模670不同，第一模670a界定衬底段的几乎完整的边界，除了维持某些区域未切割以形成机械弱连接部分或结构611a(例如绳索结构)以外。机械弱连接部分或结构611a设计为强到足以在制造过程和封装期间临时保持换能器阵列601，然而弱到足以在从衬底610手工分离换能器阵列601期间被破坏而不必损坏换能器阵列601。
图7示出了所公开的方法的第四示例性实施方式。图7示出了在为各个换能器元件形成分离的衬底段的各个步骤中在衬底710上制造的换能器阵列701的底视图。
第一切割步骤(图7.1中所示)产生第一切割模775以部分地分离换能器元件的衬底段。第一切割模775包括沿X轴所表示的横向方向的沟槽(775)。第二切割模675的所示实施方式包括两个沟槽。在换能器元件的衬底段的第一公共侧(图7.1中的顶侧)上形成第一切割模775中的第一沟槽，以及在换能器元件的衬底段的第二公共侧(图7.1中的底侧)上形成第一切割模775中的第二沟槽。第一切割模775界定1-D换能器阵列701的分离的衬底段(例如，710-0、710-1和710-2)的长度。可以用任何合适的填充材料776可选地填充第一切割模775。材料776可以被填充或者(例如通过氧化)在本地形成。因为第一切割模775的沟槽位于换能器阵列701的边缘上，选择第一切割模775的形状和尺寸以及形成切割模775的切割方法自由得多。例如，可以在封装换能器阵列之前或者之后通过切割简单地形成第一切割模775。
第二切割步骤(图7.2中所示)产生第二切割模770。图7.2示出了在本步骤具有第一切割模775和第二切割模770的衬底710的底视图。沟槽(770)位于对应于衬底段(例如，710-0、710-1和710-2)的换能器元件之间。第二切割模770界定1-D换能器阵列701的分离的衬底段(例如，710-0、710-1和710-2)的宽度。第二切割模770和第一切割模775合并在一起以互补地界定分离的衬底段(例如710-0、710-1和710-2)的边界。如果需要，可以用合适的材料可选地填充第二切割模770。
如图7.2A中所示，第二切割步骤可以具有沟槽模770a，以在期望位置形成机械弱连接部分或结构711a(例如绳索结构)来仍将换能器阵列701连接到衬底710的其余部分，但允许简单的手工破坏。机械弱连接部分或结构711a设计为强到足以在制造过程和封装期间保持阵列701，并且弱到足以在阵列701与衬底710的手工分离期间被破坏。
以下通过参照图8-9示出在换能器元件级的结构细节而进一步示出了图6-7中的示例性实施方式，图8-9是使用所公开的方法制造的各种示例性1-D cMUT阵列的横截面视图。
图8-10示出了在图6或图7的方法中制造的多个示例性cMUT的横截面视图。图8中的cMUT 801具有由阵列中的所有cMUT元件801-0、801-1和801-2共享的公共顶部电极820。每个cMUT元件具有公共顶部电极820、分离的底部电极/衬底段(810-0、810-1或810-2)、柔性膜830、膜锚840、腔/换能空间860以及cMUT元件801-0、801-1和801-2之间的第一摹制开口870。
图9中的cMUT 901对阵列中的cMUT元件901-0、901-1和801-2有分离的顶部电极和底部电极。每个cMUT元件具有分离的顶部电极(920-0、920-1和920-2)、分离的底部电极/衬底段(910-0、910-1和910-2)、柔性膜930、膜锚940、腔/换能空间960以及cMUT元件之间的第一摹制开口970。
将图10中的cMUT 1001用期望的电连接附到附加的衬底或者与附加的衬底合并。每个cMUT元件(1001-0、1001-1和1001-2)具有公共顶部电极1020、分离的底部电极/衬底段(1010-0、1010-1或1010-2)、柔性膜1030、膜锚1040、腔/换能空间1060以及cMUT元件之间的第一摹制开口1070。附加衬底1080可以是PCB、Flex、IC芯片或者其他衬底，以及可以具有期望的互连金属模1085。如本文中所述的，附加衬底1080可以在移除或破坏衬底段1010-0、1010-1和1010-2与衬底1010的其余部分之间的剩余连接(例如机械弱连接)之前用作支撑衬底以临时保持换能器元件1001-0、1001-1和1001-2及其对应的衬底段1010-0、1010-1和1010-2。
在图10中，经由分离的衬底段(1010-0、1010-1或1010-2)从底部衬底1010的底表面接近附加衬底1080的互连1085。然而，还可以从换能器的一侧(例如1-D换能器阵列的一端)接近附加衬底的互连。
所公开的方法还可以适合于产生贯穿晶片互连，以从换能器阵列的底部或一侧接近换能器阵列的顶部电极。这样的接近对于cMUT阵列尤其对于1-D阵列可能是合乎需要的，cMUT阵列具有固定的底部电极作为单独编址的电极。以下描述了这样的应用的一个实例。
图11A和图11B示出了示例性cMUT换能器阵列的底视图和横截面视图，示例性cMUT换能器阵列具有用于从底部接近顶部电极的贯穿互连晶片。cMUT阵列1101是多个cMUT元件例如1101-1和1101-2的1-D阵列。每个cMUT元件具有公共顶部电极1120、分离的底部电极/衬底段(1110-1或1110-2)、柔性膜1130、膜锚1140、腔/换能空间1160、第一摹制开口(沟槽)1170以及第二摹制开口(沟槽)1175。除cMUT元件之外，cMUT阵列1101还具有添加到阵列中的互连元件1101a，以与顶部电极1120电连接，以便可以从阵列的底部接近公共电极1120。互连元件1101a共享也是阵列中的cMUT元件的顶部电极的顶部公共电极1120，并且包括从底部与顶部电极1120电连接的贯穿晶片导体(绝缘衬底段)1110a。类似的设计也可以用于接近各个cMUT元件的顶部电极，其中阵列的cMUT元件具有分离的顶部电极。在本实现中，互连元件1101a只用于接近相邻cMUT元件(例如1101-2)的顶部电极。
贯穿晶片导体(绝缘衬底段)1110a的形成类似于本文中所述的cMUT元件的分离的衬底段(底部电极)的形成。第一摹制开口1170界定对应于互连元件1101a的衬底段1110a的部分边界，使得衬底段1110a通过衬底1110中剩余的连接部分保持部分地连接到衬底1110。第二摹制开口1175移除将衬底段1110a连接到衬底1110的其余部分的连接部分。当移除连接部分时，衬底段1110a不再直接接触衬底1110，并且进一步不再直接接触cMUT元件的衬底段(例如1110-2和1110-1)。由于衬底1110是导电性的，因此衬底段1110a用作与cMUT元件所共享的顶电极1120的互连。这使得能够从衬底的底侧接近cMUT元件的顶部电极。因为互连元件1101a不具有任何内置的换能器功能，其尺寸与cMUT元件的尺寸可能不同。此外，互连元件1101a可以位于沿cMUT阵列1101的边界的任意位置并且优选地接近由互连元件1101a接近的cMUT元件(例如1110-0)。
由于空间限制以及在换能器阵列中可以制造的互连焊盘的总数的限制，上述互连方法对于IVUS和ICE应用中的cMUT阵列非常有用。这样的使用的实例在标题为“CMUT PACKAGING FOR ULTRASOUNDSYSTEM”的国际(PCT)专利申请号____(律师签号KO1-0004PCT2)以及标题为“PACKAGING AND CONNECTING ELECTROSTATICTRANSDUCERARRAYS”的国际(PCT)专利申请号(律师签号KO1-0018PCT)中被公开；这两个申请都与本申请一起在同一日期提交。
应认识到，本文中所述的潜在的益处和优点不应被理解为对所附权利要求的范围的限制或约束。
虽然以结构特征和/或方法行为特有的语言描述了主题，但是应理解，在所附权利要求中所限定的主题不必局限于所述的具体特征或行为。更确切地，具体特征和行为被公开为实现权利要求的示例性形式。
Claims (30)
1.一种用于制造静电换能器的方法，所述方法包括：
在衬底上形成包括至少一个换能器元件的换能器；
在所述衬底中形成第一摹制开口，所述第一摹制开口界定对应于所述换能器元件的衬底段的部分边界，以便所述衬底段通过所述衬底中剩余的连接部分保持部分地连接到所述衬底的其余部分。
固定所述衬底段，使得即使移除所述衬底中的所述连接部分，所述衬底段仍将与所述衬底保持稳定；以及
移除所述衬底中的连接部分，使得所述衬底段不再直接接触所述衬底的其余部分。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述衬底是导电性的，以及在移除所述衬底中的所述连接部分之后，所述衬底段用作与所述衬底的其余部分电分离的所述换能器元件的底部电极以被单独编址。
3.根据权利要求1所述的方法，其中固定所述衬底段的步骤包括：
在所述第一摹制开口中添加或形成填充物材料。
4.根据权利要求1所述的方法，其中固定所述衬底段的步骤包括：
将所述换能器附到支撑衬底。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述支撑衬底是包含将所述换能器连接到外部的导电连接的封装衬底。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，移除所述连接部分的步骤包括：
在所述衬底中形成第二摹制开口，其中所述第一摹制开口和所述第二摹制开口一起界定所述衬底段的完整边界，以从所述衬底的其余部分分离所述衬底段。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述连接部分是机械弱连接，以及移除所述连接部分的步骤包括：
破坏所述机械弱连接。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述换能器在所述衬底的前侧上形成，以及所述第一摹制开口从所述衬底的背侧形成。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括：
从所述衬底的第一侧形成初始摹制开口以在所述衬底中达到一定深度，其中第一摹制开口从所述衬底的第一侧的相对侧形成以接触所述初始摹制开口。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，移除所述衬底中的所述连接部分的步骤包括：
在所述衬底中从所述衬底的所述相对侧形成第二摹制开口以接触所述初始摹制开口，其中所述初始摹制开口、所述第一摹制开口和所述第二摹制开口一起界定所述衬底段的完整边界，以从所述衬底的其余部分分离所述衬底段。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，形成所述初始摹制开口的步骤包括：
在形成所述换能器之前，在所述衬底的所述第一侧上直接形成初始蚀刻模。
12.根据权利要求1所述的方法，其中，所述静电换能器是电容式微机械超声换能器cMUT。
13.一种用于制造换能器阵列的方法，所述方法包括：
在衬底上形成包括至少第一换能器元件和第二换能器元件的换能器阵列；
在所述衬底中形成第一摹制开口，所述第一摹制开口界定对应于所述第一换能器元件的第一衬底段以及对应于所述第二换能器元件的第二衬底段的部分边界，使得所述第一衬底段和所述第二衬底段通过在所述衬底中剩余的相应连接部分保持部分地连接到所述衬底；
固定所述第一衬底段和所述第二衬底段，使得即使移除所述连接部分，所述第一衬底段和所述第二衬底段仍将与所述衬底保持稳定；以及
移除所述连接部分，使得所述第一衬底段和所述第二衬底段不再直接接触所述衬底，以及进一步地在所述衬底中不再彼此直接接触。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述衬底是导电性的，所述第一衬底段用作所述第一换能器元件的底部电极，以及所述第二衬底段用作所述第二换能器元件的底部电极，以及在移除所述衬底中的所述连接部分之后，所述第一换能器元件和所述第二换能器元件的底部电极彼此电分离。
15.根据权利要求13所述的方法，其中固定所述第一衬底段和所述第二衬底段的步骤包括：
在所述第一摹制开口中添加或形成填充物材料。
16.根据权利要求13所述的方法，其中固定所述第一衬底段和所述第二衬底段的步骤包括：
将所述换能器阵列附到支撑衬底。
17.根据权利要求13所述的方法，其中，移除所述连接部分的步骤包括：
在所述衬底中形成第二摹制开口，其中所述第一摹制开口和所述第二摹制开口一起界定所述第一衬底段和所述第二衬底段的完整边界。
18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述连接部分是机械弱连接，以及移除所述连接部分的步骤包括：
破坏所述机械弱连接。
19.根据权利要求13所述的方法，其中，所述换能器阵列在所述衬底的前侧上形成，以及所述第一摹制开口从所述衬底的背侧形成。
20.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一摹制开口包括在所述第一换能器元件和第二换能器元件之间沿第一横向方向的沟槽，以及其中移除所述连接部分的步骤包括：
在所述衬底中形成第二摹制开口，所述第二摹制开口包括所述第一换能器元件和第二换能器元件的公共侧上的第一开口以及所述第一换能器元件和第二换能器元件的相对公共侧上的第二开口，所述第二摹制开口沿基本上垂直于所述第一横向方向的第二横向方向延伸。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述换能器阵列包括在所述第二横向方向上排列的一维阵列，以及所述第一换能器元件和第二换能器元件的公共侧接近所述换能器阵列的边缘，并且所述第一换能器元件和第二换能器元件的相对公共侧接近所述换能器阵列的相对边缘。
22.根据权利要求13所述的方法，其中，所述第一摹制开口包括在所述第一换能器元件和第二换能器元件的公共侧上的第一开口以及在所述第一换能器元件和第二换能器元件的相对公共侧上的第二开口，所述第一开口和所述第二开口沿所述第一横向方向延伸，以及其中移除所述连接部分的步骤包括：
形成第二摹制开口，所述第二摹制开口包括沿基本上垂直于所述第一横向方向的第二横向方向在所述第一换能器元件和第二换能器元件之间的沟槽。
23.根据权利要求13所述的方法，其中，移除所述连接部分从所述衬底的其余部分完全分离所述第一换能器元件和所述第二换能器元件，以便可以从所述衬底的其余部分移除所述换能器阵列。
24.根据权利要求13所述的方法，还包括：
从所述衬底的第一侧形成初始摹制开口以在所述衬底中达到一定深度，其中第一摹制开口从所述衬底的第一侧的相对侧形成以接触所述初始摹制开口。
25.根据权利要求24所述的方法，其中，移除所述衬底中的所述连接部分的步骤包括：
在所述衬底中从所述衬底的所述相对侧形成第二摹制开口以接触所述初始摹制开口，其中所述初始摹制开口、所述第一摹制开口和所述第二摹制开口一起界定所述第一衬底段和所述第二衬底段的完整边界。
26.根据权利要求13所述的方法，其中，所述换能器阵列还包括连接到所述第二换能器元件的顶部电极的互连元件，所述第一摹制开口界定对应于所述互连元件的第三衬底段的部分边界，以便所述第三衬底段通过所述衬底中的相应连接部分保持部分地连接到所述衬底，以及在移除所述相应连接部分之后，所述第三衬底段不再直接接触所述衬底，且进一步地不再直接接触所述第二衬底段。
27.根据权利要求26所述的方法，其中所述衬底是导电性的，以及在移除所述衬底中的所述相应连接部分之后，所述第三衬底段用作连接到所述第二换能器元件的所述顶部电极的互连，以便可以通过所述互连从所述衬底的底侧接近所述第二换能器元件的所述顶部电极。
28.一种用于制造静电换能器阵列的方法，所述方法包括：
在衬底上形成包括多个换能器元件的换能器阵列，每个换能器元件对应于相应的衬底段；
在所述衬底中从所述衬底的一侧形成第一摹制开口，所述第一摹制开口界定衬底段的部分边界，以便所述衬底段每个都通过所述衬底中剩余的相应连接部分保持部分地连接到所述衬底；
固定所述衬底段，使得即使移除所述连接部分，所述衬底段仍将与所述衬底保持稳定；以及
在所述衬底中从所述衬底的所述一侧形成第二摹制开口以移除所述连接部分，使得所述衬底段不再直接接触所述衬底以及进一步地不再彼此直接接触。
29.根据权利要求28所述的方法，其中固定所述衬底段的步骤包括：
在所述第一摹制开口中添加或形成填充物材料。
30.一种用于制造静电换能器阵列的方法，所述方法包括步骤：
在衬底上形成在第一横向方向上并列排列的多个换能器元件的1-D换能器阵列，每个换能器元件对应于相应的衬底段；
在所述衬底中从所述衬底的一侧形成第一摹制开口，所述第一摹制开口界定衬底段的部分边界，以便所述衬底段通过所述衬底中剩余的相应连接部分保持部分地连接到所述衬底；
固定所述衬底段，使得即使移除所述连接部分，所述换能器阵列的所述衬底段仍将稳定地保持在一起；以及
在所述衬底中从所述衬底的所述一侧形成第二摹制开口以移除所述连接部分，其中所述第一摹制开口和所述第二摹制开口中的一个包括多个沟槽，每个沟槽布置在两个相邻的换能器元件之间并沿基本上垂直于第一横向方向的第二横向方向延伸，所述第一摹制开口和所述第二摹制开口中的另一个包括在所述多个换能器元件的公共侧上的第一开口以及在所述多个换能器元件的相对公共侧上的第二开口，以及所述第一摹制开口和所述第二摹制开口一起分离所述衬底段，使得所述衬底段不再直接接触所述衬底，以及进一步地在所述衬底中不再彼此直接接触。
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