CN102247164B - 一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法，包括：（1）在基底上制备氮化硅层；（2）对氮化硅层进行光刻处理，并刻蚀孔洞：首先对氮化硅层进行光刻处理；接着配合使用曝光保护层以及紫外线曝光仪将光刻胶曝光，并使用显影液洗去多余的光刻胶；最后使用RIE刻蚀氮化硅层，在氮化硅层上形成孔洞；（3）将经上述处理的器件置于由HF、HNO3和HAC以体积比为1:4:3所组成的溶液中，并加以磁子搅拌进行腐蚀，即可获得聚焦球面探头元件。本发明制备的高频声学自聚焦球面探头，表面光滑、质量可靠，能够减少声学自聚焦器件生产过程中影响探头质量的人为因素，极大程度的解决了质量的统一度，满足大规模生产的需要。

Description

一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法

技术领域

本发明属于超声扫描显微成像设备制备领域，具体涉及一种高频(GHz)声学自聚焦球面探头的制备方法。

背景技术

近年来，超声波扫描显微镜(C-SAM)已被成功地应用在电子工业、医学活检以及声学治疗领域，尤其是封装技术研究及实验室之中。由于超音波具有不用拆除组件外部封装之非破坏性检测能力，故C-SAM可以有效的检出电子元器件构装中因水汽或热能所造成的破坏如：脱层、气孔及裂缝等。超声波在行经介质时，若遇到不同密度或弹性系数之物质时，即会产生反射回波。而此种反射回波强度会因材料密度不同而有所差异，C-SAM即利用此特性来检出材料内部的缺陷并依所接收之讯号变化将之成像。因此，只要被检测的IC的上表面或内部芯片构装材料的接口有脱层、气孔、裂缝等缺陷时，即可由C-SAM影像得知缺陷的相对位置，传统的超声波扫描显微镜由于使用两个上下对齐的探头测量透射率而只能测量薄体样品。如果使用单探头并测量反射率便可以很好的解决这个问题。在医学检测上，C-SAM可以在不损伤人体健康组织的情况下进行医学检测。在超声断层图像装置中的自聚焦探头，探头的声能逐渐会聚到较小的区域，形成较窄的声束，以获得较高的横向分辨率，使超声诊断仪的图像更为清晰。在医学治疗方面，高能超声技术有在肿瘤治疗上安全、可对深部肿瘤加热的特点，而受到格外青睐。

作为超声波扫描显微镜和高能超声装置的核心部件，声学自聚焦元器件-球面透镜的质量，直接影响到显微镜的成像效果和超声治疗仪的成效。在低频(100-120MHz)声学透镜方面，一些课题组报道使用蓝宝石或者多晶硅配合机械打磨成平板阵列或者球状透镜的方法实现聚焦。而现有的绝大多数工作频率在高频(GHz)的声学聚焦元器件，是基于蓝宝石材料或者多晶硅的机械打磨形成的半球形或者圆柱体型探头。但是这些方法的主要缺点：1)由于表面的不平整会产生探头内部的回声，从而大大降低了探头的聚焦功能。2)在手工操作决定了质量的参差不齐和不适合大规模的生产应用。而使用高质量的单晶硅作为探头部分材料，有如下几大优势：1)单晶硅与现有材料(多晶硅，石英，蓝宝石)相比，具有较高的声波速度和更低的衰减比。2)单晶硅的价格更为低廉(与蓝宝石相比)，更容易获得。3)成熟的单晶硅光刻和蚀刻技术使人们有可能在批处理过程中制造质量统一的优质探头，从而可以大规模生产，进一步降低成本。4)单晶硅的探头发热量更低，进一步减少高能超声治疗仪的能量损失。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法，利用化学腐蚀方式，减少声学自聚焦器件生产过程中影响探头质量的人为因素，极大程度的解决了质量的统一度和大规模生产的需要，从而提高效率，降低成本，实现大规模生产。

实现本发明的目的所采用的技术方案如下：

首先，在单晶硅基底上制备氮化硅层。以高质量的单晶硅片为基底，使用化学气相沉积仪(LPCVD)在硅片表面生长出一层氮化硅(SiN)层。

其次，根据探头设计的几何尺寸以及相对位置，使用在半导体工业中大量使用已经成熟的光刻技术，配合活性离子腐蚀技术(RIE)在氮化硅层打开若干“窗口”。

然后，将整个硅片置于氢氟酸(HF)，硝酸(HNO3)以及醋酸(HAC)的混合溶液中浸泡，由于氮化硅层并不与酸性溶液发生反应，而酸性溶液却可以透过前一步在氮化硅层上打开的“窗口”与氮化硅层下的硅质基底发生各向等性的腐蚀反应，通过调节溶液各种酸的混合比例，可以控制反应速度并获得最光滑的腐蚀表面，从而得到声学显微镜中最重要的聚焦探头元件。

本方明的方法制备的高频声学自聚焦球面探头，表面光滑、质量可靠，能够减少声学自聚焦器件生产过程中影响探头质量的人为因素，降低了生产成本，极大程度的解决了质量的统一度，能满足大规模生产的需要。

附图说明

图1为在高质量硅片上生长一定厚度的氮化硅。

图2使用光刻技术对氮化硅层进行处理。

图3使用离子腐蚀技术对氧化硅层进行腐蚀。

图4在酸性混合溶液中将声学探头刻蚀大致完成，并使用磷酸将氮化硅保护层除去。

图5通过硅片的切割得到最终的声学聚焦透镜。

图6该方法腐蚀出来的声学聚焦透镜的电子显微镜图片(剖面图)。

图7声学聚焦透镜的电子显微镜照片。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本实施例的一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法，包括如下具体步骤：

1.在基底上制备氮化硅层

如图1，以高质量硅片(单晶取向(100))为基础，在硅片上生长一定厚的氮化硅(SiN)层(厚度可以根据需要调整，如1-5微米，本实施例中优选1微米)。本步骤中制备氮化硅层方法可以有多种，如化学气相沉积法，离子束增强沉积法，磁控反应溅射法等，本实施例优选用化学气相沉积法。

2.对氮化硅层进行光刻处理，在氮化硅层打开若干“窗口”

如图2，首先对氮化硅层进行光刻处理：预先设计好透镜所需要的尺寸以及位置的曝光保护层，使用光刻胶(如AZ 3310)在SiN层表面用甩胶机均匀涂覆，接着配合使用曝光保护层以及紫外线曝光仪(可以选用德国Karl-Sussi公司的MJB-3曝光仪)用光刻胶公司手册推荐的标准程序将光刻胶曝光，使用显影液(如AZ 400K)洗去多余的光刻胶。

如图3，使用RIE(美国Kurt J.Lesker公司)工艺将不需要的SiN刻蚀除去，1微米的氮化硅层大约需要20分钟，可在氮化硅层形成多个孔洞，即打开若干“窗口”。

3.将经上述处理的硅片放置于由HF(49％)、HNO3(70％)以及HAC(98％)以体积比为1∶4∶3所组成的溶液中，并加以磁子搅拌(200转/分)，腐蚀速度为1～2微米每分钟。调节腐蚀时间，可以得到直径为600微米以内的声学聚焦透镜的球面探头，如图4。

将硅片置于90摄氏度的磷酸中20分钟，去除SiN的保护层。如图5，通过线切割机床，根据球面探头分布，将硅片切割成单个的声学聚焦透镜。

Claims (5)

1.一种高频声学自聚焦球面探头的制备方法，包括如下具体步骤：

（1）在基底上制备氮化硅层；

（2）对氮化硅层进行光刻处理，并刻蚀孔洞，具体为：

首先，对所述氮化硅层进行光刻处理，接着，使用曝光保护层以及紫外线曝光仪将光刻胶曝光，并使用显影液洗去多余的光刻胶；最后，利用RIE工艺刻蚀氮化硅层，在氮化硅层上形成孔洞；

（3）将经上述处理的器件置于由HF、HNO₃和HAC以体积比为1:4:3所组成的溶液中，并加以磁子搅拌，进行腐蚀，形成球面探头元件；

（4）将经腐蚀处理后的球面探头元件置于磷酸中，去除氮化硅保护层，从而形成高频声学自聚焦球面探头。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤（1）中氮化硅（SiN）层厚度为1-5微米。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述制备氮化硅层通过化学气相沉积法、离子束增强沉积法或磁控反应溅射法实现。

4.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述球面探头直径在600微米以内。

5.利用上述权利要求1-4之一所述的方法制备的高频声学自聚焦球面探头。

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