CN103130178B - 电容式微加工超声换能器制造方法及被检体信息获取装置 - Google Patents

Abstract

提供一种电容式微加工超声换能器制造方法及被检体信息获取装置。在该方法中，在换能器中提供的腔体通过连通部分与换能器的外部连通的情况下，在单个加热步骤中通过热处理来接合第一绝缘层和振动膜并且通过热氧化来形成第二绝缘层。

Description

电容式微加工超声换能器制造方法及被检体信息获取装置

技术领域

本公开涉及可以在超声探测器和其它应用中使用的电容式微加工超声换能器，并且还涉及用于制造该电容式微加工超声换能器的方法。

背景技术

超声诊断近来已经被看作用于疾病的早期检测的技术。在这种诊断领域中，在研究中的有前景的超声发送和接收技术之一是取代压电元件的电容式微加工超声换能器（CMUT）。CMUT是小而轻的器件，并且是通过快速进步的微加工技术制造的。它们具有与人体相似的声学阻抗，并因此比已知的压电设备提供更好的声学阻抗匹配。它们在很多其它方面（例如液体中的宽频带）中也是有利的。

PCT日本翻译专利公布No.2006-516368公开了一种用于制造CMUT的方法，该方法涉及使用通过接合或其它合适的手段而在硅基板上形成的单晶硅振动膜。更具体地说，通过热氧化在硅基板上形成氧化物膜，部分地移除所得热氧化物膜，然后接合热氧化物膜的剩余部分和一片单晶硅。该片单晶硅用作振动膜，其中通过部分地移除热氧化物膜而形成的空间作为腔体。

上述专利公布提及其中公开的制造方法可包括第二热氧化步骤。在移除热氧化物膜以暴露硅基板的一部分并且由此形成腔体之后，硅基板的暴露表面被再次热氧化并由此涂敷有绝缘氧化物膜。

发明内容

本发明的各方面提供具有改进的器件特性一致性的CMUT以及用于制造这样的CMUT的方法。

在根据在此公开的一方面的制造方法中，在CMUT中提供的腔体通过连通部分与CMUT的外部连通的情况下，在单个加热步骤中通过热处理来接合第一绝缘层和振动膜并且通过热氧化来形成第二绝缘层。

结果，提供了具有改进的器件特性一致性的CMUT以及用于制造这样的CMUT的方法。

根据参照附图对示例性实施例的以下描述，本公开的其它特征将变得清楚。

附图说明

图1A至图1F示出根据实施例1的CMUT的制造处理。

图2A至图2C是图1D所示的CMUT的平面图和截面图。

图3示出根据实施例1的另一CMUT的截面。

图4A和图4B是根据实施例1的另一CMUT的平面图。

图5是根据实施例2配置的第一绝缘层的平面图。

图6A至图6C示出根据实施例2的CMUT的制造处理。

图7A至图7G示出作为示例1的在此稍后描述的CMUT的制造处理。

图8A至图8B示出被配置为获得被检体信息的装置（下文中又称为分析器）的构成。这些分析器包含CMUT作为必要组件并且在此稍后描述为示例2。

图9A至图9D示出CMUT的已知制造处理。

具体实施方式

虽然PCT日本翻译专利公布No.2006-516368中描述的用于制造CMUT的方法导致热氧化物膜与单晶硅之间的不良接合，这是因为第二加热步骤导致在接合界面中形成热氧化物膜的突起，尽管这在该公布中被未提及。以下参照图9A至图9D描述该情况。

首先，如图9A所示，硅（Si）基板402被热氧化（第一加热步骤），由此制备具有硅氧化物膜404的基体400。然后，如图9B所示，通过蚀刻来部分地移除硅氧化物膜404，并且部分地暴露Si基板402，由此形成腔体406。暴露于腔体406的Si基板402的表面被热氧化（第二加热步骤），由此在Si基板402的暴露表面上形成充当绝缘体的硅氧化物膜408。在该第二加热步骤期间，硅氧化物还在硅氧化物膜404的暴露底部上累积，这是因为这些部分靠近腔体406并且大量氧气提供于此。结果，在硅氧化物膜404的顶部上形成突起410，如图9C所示。这些突起410阻止振动膜412成为密切接触，如图9D所示。

虽然可以通过从界面去除突起410来确保良好的接合，但这可能使得连同突起410一起硅氧化物膜404被部分地去除。这影响了硅氧化物膜404的均匀性，并且使得在施加电压时生成的在腔体406中的电场强度分布不均匀。这种不均匀的电场强度分布导致所得的CMUT器件的变化的介电击穿电压，并由此影响它们的可靠性。

鉴于此，本发明的实施例提供用于制造具有改进的器件特性均匀性的CMUT的方法。

以下描述根据本公开的一方面的用于制造CMUT的方法的一些实施例。

实施例1

图1A至图1F示出根据该实施例的CMUT的制造处理。

首先，如图1A所示，硅基板102涂敷有由硅氧化物或相似材料制成的第一绝缘层104，由此制备基体100。可以通过热氧化、化学气相沉积（CVD）或其它合适的技术来形成第一绝缘层104。热氧化可以确保所得的第一绝缘层104的特性，诸如厚度可控性、均匀性、膜密度以及对于硅基板102的粘接等。

然后，如图1B所示，通过以下方式来部分地移除第一绝缘层104并且部分地暴露硅基板102：第一绝缘层104应具有允许其支撑振动膜的图案并且应形成稍后充当腔体108的空间。也可以在该步骤期间形成连通通道106，其稍后将充当允许腔体108与外部连通的连通部分的组件。

稍后将充当腔体108的空间的高度决定电容并因此应精确地受控。部分移除第一绝缘层104所使用的技术因此应是高度可控的。一个示例是使用基于氢氟酸（如缓冲的氢氟酸）的蚀刻剂的湿法蚀刻，并且这可以在第一绝缘层104由硅氧化物制成时使用。使用缓冲的氢氟酸或其它基于氢氟酸的蚀刻剂的湿法蚀刻（确保硅氧化物与硅之间的选择比几乎无限大）允许通过硅氧化物层的厚度来确定腔体108的高度。还可以使用反应离子蚀刻（RIE）和其它干法蚀刻技术，只要确保足够的可控制性即可。

也可以通过使用掩模层来获得图案化的第一绝缘层104，以使得可以形成具有预定图案的第一绝缘层104。在此情况下，在硅基板102上形成掩模层，形成第一绝缘层104，然后移除掩模层，图1A所示的步骤不是必需的。

然后，如图1C所示，振动膜206和第一绝缘层104被接合。振动膜206可以由具有高杨氏模量的轻型材料（如单晶硅或硅氮化物）制成。例如，绝缘体上硅（SOI）基板的有源层中包含的硅可以用于此目的。

熔合和其它直接接合技术确保接合处的足够强度。例如，可以通过把振动膜206覆盖在第一绝缘层104上并然后加热它们来接合它们。

然后，如图1D所示，穿过振动膜206形成连通孔112，以允许腔体108与换能器的外部连通。这建立腔体108通过其对CMUT的外部开放的连通部分（连通通道106和连通孔112）。虽然在该实施例中穿过振动膜206来形成连通孔112，但替代地可以穿过硅基板102来形成连通孔112。此外，虽然在该实施例中首先接合振动膜206和第一绝缘层104并然后形成连通孔112，但也允许首先形成穿过振动膜206的连通孔112并然后接合振动膜206和第一绝缘层104。

图2A是图1D所示的CMUT的平面图，图2B和图2C是分别沿着线IIB-IIB和IIC-IIC取得的图2A所示的CMUT的截面图。从图2C可见，腔体108通过连通部分（连通通道106和连通孔112）与CMUT的外部连通。

然后，通过连通部分（连通通道106和连通孔112）以气体形式引入用于第二绝缘层114的材料，以暴露于腔体108的硅基板102的表面应被涂覆的方式在包含该气体的气氛中形成第二绝缘层114，如图1E所示。可以通过热氧化、CVD或其它合适的技术来形成第二绝缘层114。通过热氧化来形成第二绝缘层114包括：通过连通部分引入氧气，随后在含氧气氛中加热，并因此确保在所得绝缘层中包含硅氧化物。CVD允许第二绝缘层114由诸如硅氮化物等的材料来形成。在硅氮化物的情况下，作为硅源引入的气体可以是SiH₄、SiH₂Cl₂等，作为氮源引入的气体可以是N₂、NH₃等。

当振动膜206由硅制成并且选取热氧化时或当选取CVD时，在暴露于腔体108的振动膜206的表面上形成另一第二绝缘层115。以此方式在硅基板102和振动膜206上形成两个第二绝缘层114和115来涂敷它们的暴露于腔体108的表面可以导致硅基板102与振动膜206之间的改进的绝缘性。

此后，可以阻挡在腔体108与换能器的外部之间的连通；这允许在液体中或在相似条件下使用换能器。例如，允许形成被配置为密封连通孔112的阻挡层116，如图1F所示。阻挡层116在被使用的情况下可以通过CVD或其它合适的技术从诸如硅氮化物等的材料而被形成。除了阻挡连通之外，阻挡层116也可以用于修改振动膜206的机械属性，这是由于振动膜206的厚度、压力属性以及其它有关的物理属性可被适当地调整。还允许仅形成阻挡层116以仅覆盖连通孔112，如图3所示。

当振动膜206由硅制成时，也可以通过在一个热氧化步骤中与第二绝缘层114的形成并行地在振动膜206上形成绝缘层以密封连通孔112来封闭连通孔112。在此情况下，热氧化的温度、时间和其它条件以及连通孔112的尺寸被选择为使得在封闭连通孔112之前确保第二绝缘层114达到足够的厚度。

在第一绝缘层104上放置振动膜206之后，允许在一个加热步骤中通过热处理来接合振动膜206和第一绝缘层104并且通过热氧化来形成第二绝缘层114。这样做的可能方式如下：第一绝缘层104和振动层206的叠层在1050°C在含氮气氛中被加热达到3小时，并且在1050°C在含氧气氛中被加热达到额外1小时。以此方式在一个加热步骤中完成热接合和热氧化可以通过较少的操作数量来产生简化的CMUT制造处理。

在一个加热步骤中完成热接合和热氧化也可以产生所得的CMUT的较小的热滞后。通常，具有较小滞后的器件是高度稳定的。在一个加热步骤中完成热接合和热氧化因此意味着改进CMUT的制造产率。

重要地，在用于同时热接合和热氧化的该加热步骤期间连通部分应该是开通的，以使得腔体108可以与CMUT的外部连通。

如图4A所示，可以在振动膜206的位于腔体108之上的部分中形成连通孔112。该布置消除了形成连通通道106的需要，这是因为腔体108充当连通通道106。在此情况下，仅连通孔112被看作连通部分。

此外，如图4B所示，允许形成与多个连通通道106连接的多个腔体108。该布置产生需要比在腔体108被隔离开时必要的数量更少数量的连通孔112。

以此方式，该制造方法使得可以制造具有高度均匀器件特性的CMUT。

实施例2

图5是根据该实施例配置的图案化的第一绝缘层104的平面图。该实施例与实施例1的差别在于，在该实施例中，不形成连通孔，并且连通部分仅包括在第一绝缘层104的图案化期间形成的连通通道106。每个连通通道106从CMUT的一个侧面通过一些腔体108延伸到另一侧面，允许腔体108与CMUT的外部连通。

图6A至图6C示出根据该实施例的CMUT的制造处理。

首先，如图6A所示，在硅基板102上形成图案化的第一绝缘层104。以如下方式对第一绝缘层104进行图案化：该图案将稍后提供确保腔体108与CMUT的外部之间的连通的连通通道106。用于以此方式图案化第一绝缘层104的可能方法是：通过热氧化、CVD或其它合适的技术然后通过蚀刻来形成第一绝缘层104。在另一可能方法中，使用预先制备的掩模层来形成第一绝缘层104，然后移除掩模层。

然后，如图6B所示，接合振动膜206和第一绝缘层104。

穿过这样形成的连通部分（连通通道106），以气体形式引入用于第二绝缘层114的材料。以如下方式在包含该气体的气氛中形成第二绝缘层114：暴露于腔体108的表面应被涂敷，如图6C所示。第二绝缘层114可以通过热氧化、CVD或其它合适的技术而被形成。

此后，可以阻挡在腔体108与换能器的外部之间的连通，以使得可以在液体中或在相似条件下使用换能器。

以此方式，该制造方法使得可以制造具有高度均匀器件特性的CMUT。

此外，根据该实施例的制造方法（其中不形成连通孔并且连通部分仅包括在图案化第一绝缘层104期间形成的连通通道106）包括比根据实施例1更少数量的操作并且更简单。

如在实施例1中那样穿过振动膜206形成作为连通部分的组件的连通孔可能导致对振动膜206的毁坏。对振动膜206的毁坏可能影响所得CMUT的特性。

然而，根据该实施例的方法，根据该方法可以在振动膜206中不制作连通孔的情况下形成连通部分，针对与形成连通部分相关联的对振动膜206的毁坏给出风险的减少。

示例1

以下参照图7A至图7G描述本公开的一方面的示例1。

首先，如图7A所示，在硅基板102上形成硅氧化物膜104，由此制备基体100。硅基板102具有300μm的厚度，其电阻较低（具体电阻≤0.02Ω·cm），以使得其可以用作下电极。该硅基板102在1100°C被热氧化，由此形成具有200nm厚度的硅氧化物膜104。通过该操作，硅基板102的与硅氧化物膜104相反的表面也涂敷有硅氧化物膜110。

然后，在硅氧化物膜104上形成抗蚀剂图案。该抗蚀剂图案将稍后提供腔体108和允许腔体108与换能器的外部连通的连通通道106。然后通过用缓冲的氢氟酸进行蚀刻来部分地移除硅氧化物膜104，并且以蚀刻掉与腔体108和连通通道106对应的部分的方式来部分地暴露硅基板102。在移除该抗蚀剂图案之后，硅氧化物膜104如图7B所示那样图案化，其中硅氧化物膜110覆盖有抗蚀剂从而不被蚀刻。

分离地，如图7C所示，另一硅基板202涂敷有硅氧化物层204，然后涂敷有硅膜206，由此制备了SOI基体200。硅基板202是725-μm厚的操控层，硅氧化物层204是400nm厚的隐埋氧化物（BOX）层，以及硅膜206是1-μm厚的有源层。

然后，如图7D所示，SOI基体200的硅膜206接合到基体100的硅氧化物膜104，硅氧化物膜104在其上形成有腔体108和连通通道106。更具体地说，以硫酸、过氧化氢、盐酸和超纯水来彻底地清洗基体100和SOI基体200，以使得它们的表面应是亲水的，并且在1000°C加热通过在一个上简单地放置另一个而获得的叠层达到4小时。在完成在1000°C的该热接合步骤之后，需要移除硅操控层202和硅氧化物BOX层204，以使得SOI基体200的硅膜206可以用作振动膜。

第一步骤是通过背磨（backgrinding）来将硅操控层202制得薄到50μm。然后在硅氧化物BOX层204作为蚀刻停止层并且硅氧化物膜110作为用于硅基板102的蚀刻掩模层的情况下、通过用羟化四甲铵(tetramethylammoniumhydroxide)的溶液进行蚀刻来移除硅操控层202的其余部分。随后，通过用缓冲的氢氟酸进行蚀刻来移除硅氧化物BOX层204。在用于通过蚀刻来移除硅氧化物BOX层204的该操作期间，硅有源层206充当蚀刻停止层。该操作还将硅氧化物膜110蚀刻掉。

稍后将充当振动膜的硅有源层206以此方式被暴露出来。然后，如图7E所示，以腔体108可以与换能器的外部连通的方式来形成连通孔112。连通孔112是通过使用光致抗蚀剂进行图案化并且随后通过用四氟甲烷气体的RIE形成的6-μm直径孔并且贯穿到连通通道106。

在移除光致抗蚀剂的不必要部分之后，整个结构被清洗，放置到热氧化炉中，并且在1000°C在氧气气氛中热氧化达到2小时。结果，硅基板102的暴露于腔体108的表面被涂敷有具有50nm厚度的热氧化物膜114，如图7F所示。通过该操作，硅膜206的暴露内表面也涂敷有相似厚度的硅氧化物层115。

然后，如图7G所示，通过等离子体CVD在硅膜206上形成具有700nm厚度的硅氮化物膜116，以密封连通孔112并且将腔体108与换能器外部隔离。

示例2

在以上示例中描述的CMUT可以应用于被配置为通过声学波获得被检体信息的装置（下文中称为声学波分析器）。声学波分析器使用CMUT从被检体接收声学波，并且把由CMUT生成的电信号转换为指示被检体的光吸收系数和其它光学属性、被检体中的声学阻抗的分布等的各项信息。

图8A示出通过光声效应来操作的分析器的构成。光源2010生成光脉冲，这些光脉冲行进通过由透镜、镜面、光纤和其它组件组成的光学构件2012并且照射被检体2014。被检体2014中存在的光吸收材料2016吸收光脉冲的能量，并且发射表现为声学波的光声波2018。包括CMUT2020和外壳2022的探测器接收光声波2018，将它们变换为电信号，并且将信号发送到信号处理器2024。在包括模数（A/D）转换、放大等的由信号处理器2024进行的处理之后，电信号发送到数据处理器2026。数据处理器2026处理信号并且以图像数据的形式收集关于被检体的各项信息（指示光吸收系数和其它光学属性的信息）。在该示例中，信号处理器2024和数据处理器2026一起操作为处理单元。显示单元2028根据由数据处理器2026提供的图像数据创建图像，并且显示图像。

图8B示出通过反射的声学波来分析被检体的分析器（例如超声诊断系统）的构成。

包括CMUT2120和外壳2122的探测器将声学波发射到被检体2114中，声学波的一部分被反射材料2116反射。探测器转而接收反射的声学波2118（反射波），将它们变换为电信号，并且将信号发送到信号处理器2124。在包括A/D转换、放大等的由信号处理器2124进行的处理之后，电信号被发送到数据处理器2126。数据处理器2126处理信号并且以图像数据的形式收集关于被检体的各项信息（指示被检体中的声学阻抗的分布的信息）。在该示例中，信号处理器2124和数据处理器2126一起操作为处理单元。显示单元2128根据由数据处理器2126提供的图像数据创建图像，并且显示图像。

对于图8A和图8B中所示的分析器，探测器可以是机械设备的扫描单元或可由用户（医生、技术员等）在被检体上或上方手动移动的手持扫描器。在如图8B所示利用反射波的情况下，分析器可以包括充当声学波的发射器和反射波的接收器的两个分离组件，而不包括探测器。

虽然已经参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围要被赋予最宽泛的解释，从而包括所有这样的修改以及等效结构和功能。

Claims (9)

1.一种用于制造电容式微加工超声换能器的方法，所述电容式微加工超声换能器具有振动膜、基板和振动膜支撑构件，所述振动膜支撑构件被配置为支撑振动膜以在所述基板与所述振动膜之间形成腔体，所述方法包括以下步骤：

在所述基板的任一面上形成第一绝缘层，所述第一绝缘层被图案化以充当所述振动膜支撑构件；

把所述振动膜覆盖在被图案化的第一绝缘层上；

在把所述振动膜覆盖在被图案化的第一绝缘层上之后，通过热处理来接合所述第一绝缘层和所述振动膜；

其特征在于还包括：

在把所述振动膜覆盖在被图案化的第一绝缘层上之后，通过以下操作来在所述基板或所述振动膜的暴露于所述腔体的表面上形成第二绝缘层：通过允许所述腔体与所述电容式微加工超声换能器的外部连通的连通部分将气体引入所述腔体中并且在包含所述气体的气氛中的后续热氧化，其中，

在所述腔体通过所述连通部分与所述电容式微加工超声换能器的外部连通的情况下，在单个加热步骤中通过热处理来接合所述第一绝缘层和所述振动膜并且通过热氧化来形成所述第二绝缘层。

2.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，其中，

所述被图案化的第一绝缘层同被配置为充当所述连通部分的组件的连通通道一起形成。

3.如权利要求2所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，其中，

所述连通部分仅包括所述连通通道。

4.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，还包括以下步骤：

向所述基板或所述振动膜提供被配置为充当所述连通部分的组件的连通孔。

5.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，还包括以下步骤：

在形成所述第二绝缘层之后形成被配置为阻止所述腔体与所述电容式微加工超声换能器的外部连通的阻挡层。

6.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，其中，

所述基板是含硅基板，所述第二绝缘层包含通过所述含硅基板的热氧化而形成的含硅氧化物层。

7.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，其中，

所述振动膜是含硅膜，所述第二绝缘层包含通过所述含硅膜的热氧化而形成的含硅氧化物层。

8.如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法，其中，

通过在含氧气氛中的热氧化在所述基板的任一面上形成所述第一绝缘层并且在所述第一绝缘层上的后续蚀刻来形成所述被图案化的第一绝缘层。

9.一种被配置为获得被检体信息的装置，其特征在于包括：

通过如权利要求1所述的用于制造电容式微加工超声换能器的方法制造的电容式微加工超声换能器，以及

处理单元，被配置为使用从所述电容式微加工超声换能器输出的电信号来获得被检体信息，其中，

所述电容式微加工超声换能器从所述被检体接收声学波，并且把所述声学波转换为所述电信号。