CN102933318A - 用于形成压电超声换能器的方法和相关的设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了用于形成金属或其它导电构件的方法，该导电构件从限定空气背衬腔的压电超声换能器(pMUT)设备的空气背衬腔延伸通过邻近pMUT装置的换能器装置设置的基板层并与pMUT装置的第一电极形成导电接合，使得导电构件在第一电极和沉积在pMUT装置的空气背衬腔中的保形导电层之间提供导电接合。也提供了相关的设备。

Description

用于形成压电超声换能器的方法和相关的设备
联邦资助研究或开发
本发明根据美国国立卫生研究院(NIH)授予的合同No.R33EB00566在美国政府的支持下完成。美国政府对本发明享有某些权利。
发明背景
技术领域
本发明的方面涉及超声换能器，并且更具体而言，涉及形成限定空气背衬腔的压电微加工超声换能器的方法以及相关的设备。
背景技术
一些微加工超声换能器(MUT)可被构造为例如在转让给本公开的受让人三角形研究学会（Research Triangle Institute）的美国专利No.7,449,821中所公开的压电微加工超声换能器(pMUT)，该专利全文以引用方式并入本文中。
诸如如在美国专利No.7,449,821中所公开的限定空气背衬腔的pMUT装置的pMUT装置的形成可涉及在换能器装置的第一电极（即，底部电极）和（多个）保形金属层之间形成导电连接，其中第一电极设置在pMUT装置的空气背衬腔内，（多个）保形金属层施加到空气背衬腔以用于提供例如到集成电路(“IC”)或柔性电缆的后续连接。就这一点而言，一些现有技术方法涉及例如在与第一/底部电极直接接触的pMUT的空气背衬腔内沉积保形金属层（参见例如美国专利No.7,449,821的图7A）。在另一实例中，保形金属层沉积在形成于介电薄膜中的通孔中，该介电薄膜形成为暴露第一/底部电极（参见例如美国专利No.7,449,821的图7B）。在涉及绝缘体上硅(SOI)基板的又一实例中，保形金属层沉积在延伸到紧邻的换能器装置的通孔中（参见例如美国专利No.7,449,821的图14和图15）。然而，由于例如第一/底部电极和/或介电薄膜相对薄并且从而提供不足的蚀刻停止层，根据这些示例性现有技术方法（即，通过蚀刻）形成这样的通孔可能是困难的。
在其它现有技术方法中，装置基板可保持与pMUT装置接合以提供用于控制pMUT装置的谐振频率的固定厚度的构件。在这些情况下，通过掺杂硅层（参见例如也转让给三角形研究学会（Research Triangle Institute）的WO2008/054395A1的图7，其中并且WO 2008/054395A1也以引用方式全文并入本文中）或者通过插塞（参见例如美国专利No.7,449,821的图14）形成在第一电极和保形金属层之间的导电连接，其中插塞沉积在从晶片的正面蚀刻到与压电(PZT)元件相邻的硅层中的通孔中。然而，这样的导电连接在某些情况下可能实现不太理想的导体（即，掺杂硅），该导体将第一/底部电极连接到沉积在通孔中的保形金属层。更具体地讲，掺杂硅层在高电场强度下可表现出适当的传导性，但其传导性可能不太理想地为非线性的并且由于掺杂硅层中类似二极管的性能而在低电场强度下明显地降低。在其它情况下，这样的导电连接可涉及在第一/底部电极与在通孔的拐角（即，通孔的侧壁与通孔的底部或端壁相交处）附近和/或沿通孔的侧壁沉积在通孔中的保形金属层之间的接触。在这样的情况中，由于通孔的侧壁和/或拐角可能是粗糙的或不完全蚀刻的，可能难以将保形金属层连接到延伸到第一/底部电极的金属，因此可能导致在第一/底部电极和保形金属层之间的差的或不一致的导电接合。
一些现有技术方法的另一方面是在第一电极和保形金属层之间形成导电连接的元件可在pMUT装置的侧边缘中的一个周围形成（参见例如美国专利No.7,449,821的图15）。在这样的情况中，例如，由于在第二通孔的侧壁/端壁边缘周围的应力集中，启动的pMUT装置的机械弯曲可引发或加速在第二通孔内的导电连接元件和保形导电层之间的接合的疲劳。这样的疲劳可能导致两者间的导电接合的失效并且将因此在pMUT装置的第一/底部电极和IC、柔性电缆或与之接合的再分布基板之间形成开路状态。此外，在pMUT装置的膜的侧边缘周围设置不同的材料（即，金属）以提供电连接能改变膜弯曲的边界条件并因此影响pMUT装置的频率和/或振动模式（即，基本或谐波模式），从而不利地影响由pMUT装置产生的声信号。
因此，在超声换能器领域中特别是对于具有空气背衬腔的压电微加工超声换能器（“pMUT”）来说，需要用于在换能器装置的第一电极（即，底部电极）和（多个）保形金属层之间形成导电连接的改进的方法，其中第一电极设置在pMUT装置的空气背衬腔内，（多个）保形金属层施加到空气背衬腔以用于提供例如到集成电路(“IC”)或柔性电缆的后续连接。
发明内容
以上和其它需求通过本公开的方面来满足，其中一个这样的方面涉及一种形成压电超声换能器设备的方法。这样的方法包括在设置在装置基板上的介电层上形成换能器装置，其中装置基板进一步设置在主基板上。换能器装置包括设置在介电层上的第一电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电材料。然后将载体基板结合到与第一电极相对的换能器装置的第二电极，并移除主基板。然后对装置基板和介电层进行蚀刻以限定延伸到第一电极的第一通孔，并且沉积第一导电材料以基本上填充第一通孔。将支撑构件与装置基板和第一导电材料接合，并且然后从换能器装置移除载体基板。然后对支撑构件进行蚀刻以限定延伸到装置基板和第一导电材料的第二通孔。随后将第二导电材料沉积在限定第二通孔的支撑构件、装置基板和第一导电材料上，使得第二导电材料与第一导电材料形成导电接合。
在一个特定方面，接合支撑构件的步骤还包括将支撑基板结合到装置基板和第一导电材料。然后将绝缘材料沉积在支撑基板上，其中，在蚀刻支撑构件以限定第二通孔之后和沉积第二导电材料之前，绝缘材料延伸进入第二通孔到装置基板。
在另一个特定方面，接合支撑构件的步骤还包括将绝缘材料沉积在装置基板和第一导电材料上。
本公开的再一个方面提供了一种形成压电超声换能器设备的方法。这样的方法包括对沉积在基板上的装置层进行蚀刻以便限定延伸到基板的第一通孔，并且沉积第一导电材料以基本上填充第一通孔。然后至少在第一导电材料上形成换能器装置，其中换能器装置包括沉积在第一导电材料上的第一电极以及沉积在第一电极和第二电极之间的压电材料。然后对基板进行蚀刻以限定延伸到装置层和第一导电材料的第二通孔。将绝缘材料沉积在基板上，其中绝缘材料延伸进入第二通孔到装置层。然后将第二导电材料沉积在限定第二通孔的绝缘材料、装置层和第一导电材料上，使得第二导电材料与第一导电材料形成导电接合。
本公开的又一个方面提供一种包括设置在介电层上的换能器装置的压电超声换能器设备，其中介电层设置在装置基板上。换能器装置包括设置在介电层上的第一电极和设置在第一电极和第二电极之间的压电材料。装置基板和介电层被构造成限定延伸到第一电极的第一通孔。第一导电材料被构造成基本上填充第一通孔。支撑构件与装置基板接合并形成侧壁，侧壁限定延伸到且暴露装置基板和第一导电材料的第二通孔。暴露的装置基板还限定第二通孔端壁，并且第一导电材料相对于第二通孔端壁远离侧壁设置。在某些情况下，第一导电材料相对于第二通孔端壁远离侧壁居中设置。该设备还可包括设置在限定第二通孔的支撑构件、装置基板和第一导电材料上的第二导电材料，其中第二导电材料与第一导电材料形成导电接合。
本公开的方面因而解决了所确定的需求并提供如本文另外详细描述的其它优点。
附图说明
已经如此概括地描述了本公开，现在将参考未必按比例绘制的附图，在附图中：
图1-6示意性地示出了根据本公开的一个方面形成压电微加工超声换能器设备的晶片结合方法；
图7-9示意性地示出了根据本公开的另一个方面形成压电微加工超声换能器设备的氧化物生长方法；以及
图10-15示意性地示出了根据本公开的又一个方面形成压电微加工超声换能器设备的初始导电互连形成方法。
具体实施方式
现在将参照附图在下文中更充分地描述本发明，其中示出了本发明的一些但不是所有方面。实际上，本公开可以许多不同形式体现并且不应该理解为限于本文陈述的方面；相反，提供了这些方面使得本公开将满足适用的法律要求。相同的标号始终指示相同的元件。
本发明的方面大体上涉及用于形成金属或其它导电构件的方法，导电构件从pMUT的空气背衬腔延伸通过邻近pMUT的换能器装置设置的基板（即SOI）层并与第一/底部电极成导电接触，使得导电构件在第一/底部电极和保形金属层之间提供改进的导电接合，保形金属层沉积且限定在pMUT装置的空气背衬腔中。
根据本发明的各个方面，提供了晶片结合方法和氧化物生长方法。这样的方法首先涉及制备一个或多个示例性pMUT装置的特定层。图1中示出了多个pMUT装置150(即pMUT“晶片”)的一个这样的实例。如图所示，晶片结合方法和氧化物生长方法可首先涉及具有在其上形成的绝缘体上硅(SOI)装置基板的主基板151。在其它情况（未示出）下，装置基板152可包含硅。在一些情况下，可将诸如热SiO2(热氧化物)介电层154的介电材料沉积在装置基板152上。然后可将包含例如Ti/Pt材料的第一电极层156（本文中另外称为“底部”电极）沉积在介电层154上。随后将诸如压电(PZT)薄膜的压电材料层158沉积在第一电极层156上，并且压电材料层158和第一电极层156然后被构造成形成换能器装置的覆盖区。然后沉积并处理诸如苯并环丁烯(BCB)材料的层间电介质160以分开换能器装置。在一些方面中，压电材料层158可被构造使得此前沉积的第一电极层156相对于其横向向外延伸。在这样的方面中，还可将随后沉积的BCB材料沉积在第一电极层156上。然后将包含例如Ti/Au材料的第二电极层162（本文中另外称为“顶部”电极）沉积在压电材料层158和层间电介质160上。第一电极层156、压电材料层158和第二电极层162因此配合以形成换能器装置163（参见例如图1和2）。在一些方面中，第二电极层162可包括接地电极，而第一电极层156可包括信号电极。在涉及第一电极层156从压电材料层158横向向外延伸的方面中，还可将BCB材料设置在第一电极层156和第二电极层162之间。通过在第一电极156和第二电极162之间提供隔离/绝缘层，这样的构造（即，（多个）电极从压电材料横向向外延伸）可例如防止在压电材料158边缘的周围的电气短路。
可在压电材料层158中应用的压电材料包括例如：陶瓷，其包括ZnO、AlN、LiNbO4；锡锑酸铅；钽镁酸铅；钽镍酸铅；铅、钡、铋、或锶的钛酸盐、钨酸盐、锆酸盐或铌酸盐，其包括锆钛酸铅(Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT))、锆钛酸铅镧(PLZT)、锆钛酸铅铌(PNZT)、BaTiO3、SrTiO3；铌镁酸铅；铌镍酸铅；铌锰酸铅；铌锌酸铅；钛酸铅。还可使用压电聚合材料，例如聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)或聚偏氟乙烯-四氟乙烯(PVDF-TFE)。
在涉及晶片结合方法的本公开的方面中，如图2所示，使用在随后的处理中可被移除的例如环氧树脂、胶带或其它粘合材料166将载体基板164结合到pMUT晶片150的顶部表面（即，第二电极层162）。如图3所示，然后从装置基板152移除主基板151。本领域技术人员将会理解，可以各种方式移除主基板。例如，如果装置基板152是SOI基板，那么可通过使用例如氢氟酸蚀刻SOI装置基板152的埋氧化物层153来移除主基板151。为了避免蚀刻与第一电极层156接合的热氧化介电层154，可在晶片的侧边缘周围图案化介电层154，使得随后沉积的层间电介质160覆盖介电层154的侧边缘并防止通过暴露于用来移除主基板151的氢氟酸而蚀刻。
如果装置基板152是SOI基板，那么可通过背面磨削移除主基板151，并且然后将装置基板152抛光以移除埋氧化物层153（图2），并保留特定厚度的硅层155（参见例如图3）以用于支撑换能器装置。硅部件155的合适厚度可例如在约2μm和约15μm之间。如果装置基板152是裸硅晶片，那么硅晶片的剩余部分的剩余合适厚度可能在一些情况下难以精确地控制例如至约±0.5μm的厚度偏差。然而，包括裸硅晶片的装置基板152可被背面磨削或经受化学机械抛光(CMP)工艺以在剩余硅晶片中提供尽可能均匀的厚度。在实施SOI装置基板152的一个特定方面中，可首先将主基板151背面磨削至小于约50μm的厚度。然后，在将硅氧化实施为蚀刻停止物的同时，可例如使用硅蚀刻工艺对主基板151的剩余硅部分进行蚀刻。然后可例如通过氢氟酸或RIE（反应离子蚀刻）蚀刻将埋氧化物层153随后移除。然后可相对于其厚度更容易地控制剩余硅层155，以便在晶片150上提供一致的pMUT装置。
此外，如图3所示，然后可例如通过在装置基板152的剩余硅部分中以深反应离子蚀刻(DRIE)工艺蚀刻而形成第一通孔170A。在一个方面，特定第一通孔170A可在剩余装置基板152中形成，以便延伸通过介电（热氧化）层154到换能器装置163的第一/底部电极层156。在相邻的pMUT装置之间可横向地形成隔离通孔170B，这样的隔离通孔170B延伸通过剩余的装置基板152，但不通过介电层154。这样的隔离通孔170B可在一些方面有利于在相邻的pMUT装置的信号（第一/底部）电极之间的电隔离功能。在其它情况下，隔离通孔170B可被形成为延伸通过介电层154到层间电介质160或甚至进入层间电介质160，以便在相邻的pMUT装置之间提供例如声隔离功能。
如图4所示，然后可通过溅射、化学气相沉积和/或电镀工艺用例如铜的第一导电材料172（即，通过沉积金属层或其它导电材料）来填充第一通孔170A。第一导电材料172被构造成基本上充满第一通孔170A并形成与第一/底部电极层156的导电接合。第一导电材料172可因此提供从第一/底部电极层156延伸通过装置基板152的剩余硅部分的导电元件。未被第一导电层172填充的隔离通孔170B可围绕每个pMUT装置提供例如隔离槽，以便防止在pMUT装置之间的导电，并且防止pMUT装置之间的声串扰。在一些方面，隔离通孔170B可保持未填充（即，以容纳空气），或者可填充有聚合材料或其它介电材料(例如，BCB)。在一些情况下，可能有利的是让这样的聚合材料具有相对高的声吸收率。在其它情况下，如果装置基板152的剩余硅部分是相对高电阻的（即，本征硅），或者如果限定第一通孔170A的侧壁在将第一导电材料172沉积在第一通孔170A中之前被例如绝缘聚合物或氧化硅层的绝缘体覆盖，那么相邻pMUT装置之间的电隔离可能不需要另外的隔离通孔170B。
如图5所示，通过使用例如环氧树脂或其它粘合剂层182，可将支撑构件180（即，硅基板）接合（例如结合）到装置基板152的剩余硅部分和第一导电材料172。然后可例如使用蚀刻工艺（即，DRIE）在支撑构件180中形成第二通孔184，其中第二通孔184延伸通过粘合剂层182以暴露装置基板152的剩余硅部分和第一导电材料172(所暴露的装置基板152的剩余硅部分/第一导电材料172从而形成第二通孔184的端壁)。在一些方面，低温粘结材料可适合作为粘合剂层182在用于形成第二通孔184的支撑构件180的蚀刻过程期间防止对pMUT晶片的其它层的不利影响。在其它方面，粘合剂层182可包括例如SU-8的感光环氧树脂，其在粘合剂层182将支撑构件180粘合到装置基板152的剩余硅部分之前被图案化以限定与pMUT装置的覆盖区相对应的横向延伸的开口。这样，在将支撑基板180结合到装置基板152的剩余硅部分之前，可在支撑基板180（和如下文所阐述的沉积在其上的保形绝缘材料185）中对第二通孔184进行蚀刻。当合适地对准时，然后能在第二通孔184周围的区域和因而相应的pMUT装置的覆盖区中将支撑构件180粘合到装置基板152的剩余硅部分。然后可将载体基板164从第二电极层162移除。
如图6所示，然后可在包括限定第二通孔184的支撑构件180的部分（即“侧壁”）的支撑构件180上沉积保形绝缘材料185，保形绝缘材料185在支撑构件的暴露表面周围延伸并延伸进入第二通孔184到装置基板152的剩余硅部分和/或延伸成与粘合剂层182接合，粘合剂层182设置在支撑构件180和装置基板152的剩余硅部分之间。然后可将诸如金属的第二导电材料186沉积在第二通孔184中以便保形于形成第二通孔184的端壁的装置基板152的剩余硅部分和第一导电材料172以及施加到支撑构件180/粘合剂层182的绝缘材料185，装置基板152的剩余硅部分、第一导电材料172和绝缘材料185均限定第二通孔184，其中第二导电材料186的至少一部分从相应的第二通孔184向外延伸。由此沉积的第二导电材料186被构造成直接与延伸通过装置基板152的剩余硅部分的第一导电材料172的部分形成导电接合。还可将包含诸如聚对二甲苯或其它合适聚合物的聚合材料的保形层189沉积在第二电极层162上，以便提供例如装置保护和湿气阻挡功能。
如图6所示，一旦形成，包括在晶片上的pMUT装置可例如使用焊料块或其它合适的导电连接装置而结合到IC、柔性电缆或再分布元件（参见例如图9），以便在从特定pMUT装置的第二通孔184延伸的第二导电材料186和IC、柔性电缆或再分布元件（或其它外部装置）之间提供导电接合。根据本公开的方面的这样的晶片结合方法因此经由第一导电材料172而在沉积在第二通孔184中(即，通孔金属化)的第二导电材料186和第一/底部电极层156之间提供直接导电接合。在特定方面中，在第二通孔184中的第一导电材料172被装置基板152的剩余硅部分围绕（即，远离第二通孔184的侧壁），并且在一些情况下居中地位于第二通孔184内（即，相对于第二通孔端壁居中地设置）。这样的构造可在一些情况下有利于在第一导电材料172和第二导电材料186之间改进的导电接合，因为从第二通孔184的中心可比在其侧壁上或在其拐角中更彻底地移除在第二通孔184内的绝缘材料185的部分。本领域技术人员应当理解，第一导电材料172可被构造为形成“中心插塞”外观的单个“插塞”，或者可被构造为多个更小的“插塞”。后一种构造的一个可能的好处可能是与单个更大的不连续部相比装置基板152的剩余硅部分的谐振特性可较少地受多个更小的不连续部的影响。
作为本公开的另外的方面，第一导电材料172还可被构造成在与pMUT装置的第一/底部电极形成导电接合时相对于pMUT装置居中设置，这与例如在pMUT装置的侧边缘或其第一/底部电极周围设置（并且因此邻近第二通孔的侧壁设置）形成对比。这样的“居中设置”构造可例如有利地减少在第一/底部电极和第一导电材料之间和/或在第一导电材料和第二导电材料之间的疲劳（由于第一导电材料可能相对于第二通孔形成“中心插塞”外观）。这样的“中心插塞”外观还可例如通过有利地减少或消除在pMUT装置的柔性膜的侧边缘周围的声断续性而用于降低振动伪像。
在一些方面中，支撑构件180也可在蚀刻第二通孔184之前相对于图5所示那样减薄。在这样的情况中，在载体基板164仍然接合的情况下，支撑构件180可例如通过背面磨削或CMP而减薄至在约10μm和约150μm之间的厚度，并可允许在支撑构件180中蚀刻更小尺寸的第二通孔184。实施全厚度(~400μm)支撑构件180可导致最小尺寸的第二通孔184，第二通孔184可如图6所示实际上被蚀刻和金属化约50μm，从而产生8:1的纵横比并可能地将相关（多个）pMUT装置的频率响应限制到小于约20MHz。对于更高频率响应的（多个）pMUT装置，可能需要更小的第二通孔和换能器装置。例如，具有约40MHz的频率响应的pMUT装置可能需要大约20μm的pMUT装置覆盖区，这又可能需要厚度不超过约160μm的减薄的支撑构件180，优选地厚度小于约100μm。更高频率响应可以在一些情况下提供提高的分辨率。在涉及减薄的支撑构件180的构造中，可以在载体基板164仍然接合的情况下实现减薄过程之后的处理步骤。
在涉及氧化物生长方法的本公开的方面中，支撑构件可包含相对较厚的氧化物(即，SiO2)层200(即，作为“基板”）。相应地，如图7所示，与每个pMUT装置相关的第一通孔170A首先基本上被第一导电材料172填充。然而，相对于本公开的这些方面，诸如金属的第一导电材料172被选择为经受SiO2生长温度（例如，至少在约250℃和约350℃之间）而不氧化。在一个实例中，第一导电材料172可以是例如通过溅射和/或电镀工艺沉积的金或铂。随后，如图8所示，氧化物层200可例如通过PECVD沉积到在约10μm和约20μm之间的厚度。在一些情况下，氧化物层200可被沉积以便基本上填充隔离通孔170B。然后例如使用深各向异性氧化物蚀刻(AOE)在氧化物层200中蚀刻第二通孔202以实现垂直侧壁。如此前所公开的那样，第二通孔202延伸通过氧化物层200到装置基板152的剩余硅部分和第一导电材料172（即，第二通孔202的端壁）。氧化物层200可因此提供电绝缘（即相比硅支撑构件）的支撑构件。然后可将第二导电材料186直接沉积在氧化物层200上并适当地图案化以隔离pMUT装置。这样的方法可在一些情况下在沉积第二导电材料186之前消除第二通孔202中的附加的保形介电隔离层。在一些方面中，再分布基板204可例如通过结合附接到氧化物层200/第二导电材料186，如图9所示。如果再分布基板204被减薄，那么载体基板164可能必须保持接合，直到该工艺结束。
本公开的又一个方面涉及与导电（即金属）“插塞”的形成有关的方法，该插塞在形成pMUT装置之前延伸通过SOI基板的硅层中的通孔或通过硅基板上的二氧化硅层中的通孔，以便在第一/底部电极层和延伸通过通孔的插塞之间提供直接导电接合。金属到金属的直接接触，例如第一/底部电极层和插塞之间的直接接触可因此相比掺杂硅层有利地提供低电阻导电接合。
如图10所示，第一通孔210例如通过蚀刻而形成在形成于主基板209上的SOI装置基板211的装置硅层（在表面上生长有热SiO2层212）中或硅基板214上的厚SiO2层213中（图11）。在一些情况下，第一通孔210可以深度在约2μm和约15μm之间，并延伸到主基板209或硅基板214，并且可各自具有在约3μm和约10μm之间的直径。第一通孔210可进一步例如用深硅RIE(DRIE)或各向异性氧化物RIE(AOE)而通过蚀刻形成，以提供限定第一通孔210的大致垂直的侧壁。在涉及SOI基板的方面中，可能有利的是在形成第一通孔210之后进行例如热氧化工艺，以便在第一通孔210的侧壁上生长热SiO2以在第一通孔210中提供电绝缘。然后沉积第一导电层215以便用诸如金属的导电材料基本上填充第一通孔210（即通过进行溅射、电子束蒸镀或CVD工艺而形成晶种层，然后进行电镀工艺）。由于换能器装置的其中一个部件为压电材料（例如，在700°C下退火的PZT），高温金属可能是理想的，例如带有Ti粘合层的Pt。这样的材料也可以有利地实施为换能器装置的第一/底部电极层220。一旦沉积了第一导电层215，就可以例如使用CMP来平面化沉积表面，以便从热氧化物层212或厚氧化物层213移除多余的电镀金属，并且提供形成用于后续处理的“插塞”的第一导电层215的抛光的平坦表面。
在平面化之后，如此前公开和图12所示那样形成换能器装置的部件层。更具体地讲，部件层包括第一/底部电极层220，其包含例如通过蒸镀工艺沉积的Ti/Pt材料。然后使用例如旋涂/退火工艺沉积诸如PZT压电薄膜的压电材料层225。作为可选步骤（如例如图12针对实施SOI基板的方面所示出的），可将隔离槽或通孔216蚀刻通过压电材料层225、第一/底部电极层220、热氧化物层212、装置硅层217和埋氧化物层218，以使阵列中的换能器装置/pMUT元件彼此电隔离和声隔离。在一些方面中，压电材料层225可蚀刻或以其它方式被构造使得第一/底部电极层220相对于其横向向外延伸。如图13所示，然后沉积层间电介质230（即使用旋涂工艺沉积的BCB）以在第一/底部电极层220和沉积在层间电介质230/压电材料层225上的第二/顶部电极层235之间提供电隔离。在涉及第一/底部电极层220从压电材料层225横向向外延伸的方面中，也可将BCB材料沉积在第一/底部电极层220上，并且可因此设置在第一/底部电极层220和第二/顶部电极层235之间。通过在第一电极220和第二电极235之间提供隔离/绝缘层，这样的构造（即，（多个）电极从压电材料横向向外延伸）可例如防止在压电材料225边缘的周围的电气短路。在一些情况下，层间电介质30也可在换能器装置/pMUT元件之间提供声衰减功能，特别是在形成隔离槽216的情况中（即，隔离槽中的层间电介质230在换能器装置/pMUT元件之间形成填充聚合物的切缝，类似于其中用锯将压电(PZT)元件切块并用聚合物填充切缝以用于声隔离的标准陶瓷换能器），如此前所公开的那样。第二/顶部电极层235可包含例如在蒸镀工艺中沉积的Ti/Au。第一/底部电极层220可充当换能器装置的信号电极，而第二/顶部电极层充当接地电极。
如图14所示，然后例如通过DRIE（用于基本上垂直的侧壁）对主基板209进行蚀刻以形成第二通孔240。第二通孔240延伸通过主基板209到装置基板211（即至少到埋热氧化物层218），以暴露与第一/底部电极层220电气接合的第一导电层215。然后可将包括第二通孔240的主基板209涂以介电层245（延伸进入第二通孔240到装置基板211）以电隔离限定第二通孔240的主基板209，其中介电层245包含例如聚合物或氧化物，例如聚对二甲苯或TEOSSiO2。然后，可例如通过溅射、CVD和/或电镀工艺将包含例如Ti/Cu的金属的第二导电材料250沉积在介电层245上和第二通孔240上，第二导电材料250与第一导电材料215且因此与第一/底部电极220形成导电接合，并且第二导电材料250以其它方式从第二通孔240向外延伸。
如图14所示，一旦形成，包括在晶片上的pMUT装置可例如使用焊料块、金球凸点、各向异性导电环氧树脂或其它合适的导电连接装置而结合到IC（例如，诸如放大器或多路复用器的控制IC）、中介物（例如，硅或柔性电缆）或如图15所示的再分布元件，以便在从特定pMUT装置的第二通孔240延伸的第二导电材料250和IC、柔性电缆或再分布元件260之间提供导电接合。
在第二导电材料250、第一导电材料215和第一/底部电极220之间的直接导电接合路径因此在pMUT装置和中介物、IC或再分布元件260（或其它外部装置）之间提供改进的导电连接。在一种特定情况下，这样的方面可能对于用于在医学成像中使用的超声换能器装置是有利的。对于这样的装置来说，可将相对较大发射电压的信号（例如，在约10V和约100V之间）施加到相反电极以引起pMUT膜（压电材料层）的振动，以便产生和发送声压到待成像组织中。然后从组织返回声反射，从而由压电材料层引起pMUT膜的振动和小接收电压信号的生成（例如，大约几mV或以下）。在小接收电压信号的情况中，在pMUT装置和中介物、IC或再分布元件260之间改进的导电连接可例如减少信号损失（即，由于通过第二通孔240的非线性导电、高电阻或差的电连接可减少或阻止某些接收电压信号传播到中介物、IC或再分布元件260。对于相对较大的发射电压信号来说，差的导电性可在pMUT装置中引起发热；因此，改进的导电连接可通过减小导电路径中的电阻而减少传播的信号的发热。
在前述描述和附图所提供的教导的启发下，本公开所属领域中的技术人员将会想到本文提出的公开的许多修改和其它方面。例如，本文所公开的示例性方法及其方面参照例如全晶片半导体加工和支撑构件的晶片到晶片结合进行了讨论。然而，本领域技术人员将会知道，这样的方法及其方面也可适用于其它工艺，例如晶粒到晶片或晶粒到晶粒结合工艺，以用于将支撑构件结合到装置基板或用于将支撑构件结合到再分布基板或IC基板。因此，应当理解本公开不限于所公开的具体方面，并且修改和其它方面旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文使用特定的术语，但是它们是在一般和描述的意义上使用的而非用于限制性的目的。

Claims (31)

1.一种形成压电超声换能器设备的方法，所述方法包括：
在设置在装置基板上的介电层上形成换能器装置，所述装置基板进一步设置在主基板上，所述换能器装置包括设置在所述介电层上的第一电极和设置在所述第一电极和第二电极之间的压电材料；
将载体基板结合到与所述第一电极相对的所述换能器装置的所述第二电极；
移除所述主基板；
蚀刻所述装置基板和所述介电层以限定延伸到所述第一电极的第一通孔；
沉积第一导电材料以基本上填充所述第一通孔；
使支撑构件与所述装置基板和所述第一导电材料接合；
将所述载体基板从所述换能器装置上移除；
蚀刻所述支撑构件以限定延伸到所述装置基板和所述第一导电材料的第二通孔；以及
将第二导电材料沉积在限定所述第二通孔的所述支撑构件、所述装置基板和所述第一导电材料上，使得所述第二导电材料与所述第一导电材料形成导电接合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接合支撑构件还包括将支撑基板结合到所述装置基板和所述第一导电材料，并且所述方法还包括将绝缘材料沉积在所述支撑基板上，在蚀刻所述支撑构件以限定所述第二通孔之后和沉积所述第二导电材料之前，所述绝缘材料延伸进入所述第二通孔到所述装置基板。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，蚀刻所述支撑构件以限定所述第二通孔和将所述绝缘材料沉积在所述支撑基板上在将所述支撑构件与所述装置基板接合之前进行。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，接合支撑构件还包括将绝缘材料沉积在所述装置基板和所述第一导电材料上。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括蚀刻所述装置基板以限定延伸到所述介电层的隔离通孔，所述隔离通孔横向设置在相邻的换能器装置之间，以便在所述相邻的换能器装置彼此之间进行电气隔离和声隔离中的至少一种。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，还包括将介电材料沉积在所述隔离通孔内。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电材料被构造使得所述第一电极从其横向向外延伸，并且其中，形成换能器还包括在将所述第二电极沉积在所述压电材料和所述层间介电材料上之前将层间介电材料沉积在所述第一电极上，使得所述层间介电材料的至少一部分设置在所述第一和第二电极之间。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，形成换能器还包括形成换能器使得所述第一电极被构造为信号电极，所述第二电极被构造为接地电极，并且所述第一和第二电极由导电材料构成。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述载体基板结合到所述第二电极还包括用设置在两者间的粘结材料将所述载体基板结合到所述第二电极。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，蚀刻所述支撑构件以限定所述第二通孔还包括蚀刻所述支撑构件使得所述支撑构件形成限定所述第二通孔的侧壁，所述侧壁延伸到且暴露所述装置基板，所述暴露的装置基板进一步限定第二通孔端壁，并且所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁设置。
11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，蚀刻所述支撑构件以限定所述第二通孔还包括蚀刻所述支撑构件使得所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁居中设置。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括在移除所述载体基板之前将所述支撑构件减薄。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，沉积所述第二导电材料还包括将所述第二导电材料沉积在所述支撑构件上使得所述第二导电材料从所述第二通孔向外延伸，所述第二导电材料因此适合与外部装置形成导电接合。
14.一种形成压电超声换能器设备的方法，所述方法包括：
蚀刻设置在基板上的装置层以便限定延伸到所述基板的第一通孔；
沉积第一导电材料以基本上填充所述第一通孔；
至少在所述第一导电材料上形成换能器装置，所述换能器装置包括设置在所述第一导电材料上的第一电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的压电材料；
蚀刻所述基板以限定延伸到所述装置层和所述第一导电材料的第二通孔；
将绝缘材料沉积在所述基板上，所述绝缘材料延伸进入所述第二通孔到所述装置层；以及
将第二导电材料沉积在限定所述第二通孔的所述绝缘材料、所述装置层和所述第一导电材料上，使得所述第二导电材料与所述第一导电材料形成导电接合。
15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括在形成所述换能器装置之前平面化所述装置层和所述第一导电材料。
16.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，还包括蚀刻所述压电材料、所述第一电极和所述装置层以便限定延伸到所述基板的隔离槽，所述隔离槽横向地设置在相邻的换能器装置之间以便在所述相邻的换能器装置彼此之间进行电气隔离和声隔离中的至少一种。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，还包括将层间介电材料沉积在所述隔离槽内。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，蚀刻所述压电材料还包括蚀刻所述压电材料使得所述第一电极从所述压电材料横向向外延伸，并且其中，沉积层间介电材料还包括将层间介电材料沉积在所述隔离槽内，使得所述层间介电材料被沉积在所述第一电极上，并且使得在将所述第二电极沉积在所述压电材料和所述层间介电材料上之后，所述层间介电材料的至少一部分被设置在所述第一和第二电极之间。
19.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，形成换能器还包括形成换能器使得所述第一电极被构造为信号电极，所述第二电极被构造为接地电极，并且所述第一和第二电极由导电材料构成。
20.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，蚀刻所述基板以限定所述第二通孔还包括蚀刻所述基板使得所述基板形成限定所述第二通孔的侧壁，所述侧壁延伸到且暴露所述装置层，所述暴露的装置层进一步限定第二通孔端壁，并且所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁设置。
21.根据权利要求20所述的方法，其特征在于，蚀刻所述基板以限定所述第二通孔还包括蚀刻所述基板使得所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁而居中设置。
22.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，沉积所述第二导电材料还包括将所述第二导电材料沉积在所述绝缘材料上使得所述第二导电材料从所述第二通孔向外延伸，所述第二导电材料因此适合与外部装置形成导电接合。
23.一种压电超声换能器设备，包括：
换能器装置，所述换能器装置设置在设置于装置基板上的介电层上，所述换能器装置包括设置在所述介电层上的第一电极以及设置在所述第一电极和第二电极之间的压电材料，所述装置基板和所述介电层被构造成限定延伸到所述第一电极的第一通孔；
第一导电材料，所述第一导电材料被构造成基本上填充所述第一通孔；以及
支撑构件，所述支撑构件与所述装置基板接合且形成限定第二通孔的侧壁，所述第二通孔延伸到且暴露所述装置基板和所述第一导电材料，所述暴露的装置基板进一步限定第二通孔端壁，并且所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁设置。
24.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述第一导电材料相对于所述第二通孔端壁远离所述侧壁而居中设置。
25.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，还包括第二导电材料，所述第二导电材料设置在限定所述第二通孔的所述支撑构件、所述装置基板和所述第一导电材料上，所述第二导电材料与所述第一导电材料形成导电接合。
26.根据权利要求25所述的设备，其特征在于，所述第二导电材料被构造成从所述第二通孔向外延伸，所述第二导电材料因此适合与外部装置形成导电接合。
27.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，还包括设置在所述支撑基板和所述第二导电材料之间的绝缘材料，所述绝缘材料延伸进入所述第二通孔到所述装置基板。
28.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述支撑构件还包括设置在所述装置基板上的绝缘材料。
29.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述装置基板进一步限定延伸到所述介电层的隔离通孔，所述隔离通孔横向地设置在相邻的换能器装置之间，以便在所述相邻的换能器装置彼此之间进行电气隔离和声隔离中的至少一种。
30.根据权利要求29所述的设备，其特征在于，还包括沉积在所述隔离通孔内的介电材料。
31.根据权利要求23所述的设备，其特征在于，所述压电材料被构造使得所述第一电极从所述压电材料横向向外延伸，并且其中，在将所述第二电极沉积在所述压电材料和所述层间介电材料之前将层间介电材料沉积在所述第一电极上，使得所述层间介电材料的至少一部分被沉积在所述第一和第二电极之间。
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