CN104701452A - 电容式微加工超声换能器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了电容式微加工超声换能器及其制造方法。该电容式微加工超声换能器包括：器件基板，包括第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽限制对应于多个元件的多个第一部分，第二沟槽限制与多个第一部分分离的第二部分；支撑单元，提供在器件基板上用于限制对应于多个元件的每个的多个空腔；膜，提供在支撑单元上以覆盖多个空腔；上电极，提供在膜上并经由穿过膜和支撑单元的通孔电连接到第二沟槽中的第二部分；以及贯穿硅通路(TSV)基板，提供在器件基板的下表面上并包括连接到多个第一部分的多个第一通路金属和连接到第二部分的第二通路金属。

Description

电容式微加工超声换能器及其制造方法
技术领域
示范性实施方式涉及一种电容式微加工超声换能器及其制造方法。
背景技术
微加工超声换能器(MUT)用于将电信号转换成超声波信号或将超声波信号转换成电信号。MUT可以被分为压电式微加工超声换能器(PUMT)、电容式微加工超声换能器(CMUT)和磁式微加工超声换能器(MMUT)。
常规CMUT通过使用形成在低阻晶片中的通孔(through via)而提供电到上电极。在形成通孔的工艺中，通孔孔(through via hole)的角落没有被光致抗蚀剂完全地涂覆，因而，通孔会接触低阻晶片并被短路。此外，填充通孔的光致抗蚀剂会由于热膨胀而胀大。此外，需要用于形成通孔的掩模工艺。
发明内容
示范性实施方式提供用于经由低阻晶片供应电流到上电极的超声换能器，而在低阻晶片中不形成通孔。
示范性实施方式还提供一种制造电容式微加工超声换能器的方法。
根据示范性实施方式的方面，提供一种电容式微加工超声换能器，包括：器件基板，包括第一沟槽和第二沟槽，第一沟槽限制对应于多个元件的多个第一部分，第二沟槽限制与多个第一部分分离的第二部分；支撑单元，提供在器件基板上用于限制对应于多个元件的每个的多个空腔；膜，提供在支撑单元上以覆盖多个空腔；上电极，提供在膜上并经由穿过膜和支撑单元的通孔电连接到第二沟槽中的第二部分；以及贯穿硅通路(TSV)基板，提供在器件基板的下表面上，TSV基板包括连接到多个第一部分的多个第一通路金属和连接到第二部分的第二通路金属。
第一沟槽可以是栅格形状的。
器件基板可以包括低阻硅基板。
器件基板可以具有从约10μm至约50μm的厚度。
第一沟槽和第二沟槽可以具有相同的第一宽度。
第一宽度可以是从约1μm至约10μm。
第一沟槽和第二沟槽可以用绝缘材料填充。
电容式微加工超声换能器还可以包括提供在多个第一部分和多个第一通路金属之间的第一接合金属以及提供在第二部分和第二通路金属之间的第二接合金属。
电容式微加工超声换能器还可以包括提供在器件基板和支撑单元之间的绝缘层，通孔贯穿绝缘层使得第二部分接触上电极。
电容式微加工超声换能器还可以包括提供在膜和支撑单元之间的绝缘层，通孔贯穿绝缘层使得第二部分接触上电极。
根据示范性实施方式的另一个方面，提供一种制造电容式微加工超声换能器的方法，该方法包括：在器件基板的上表面上或在绝缘体上硅(SOI)基板的第一硅层上形成支撑单元，支撑单元包括用于限制多个空腔的绝缘层；将SOI基板接合在器件基板的上表面上以在SOI基板和器件基板之间形成多个空腔；形成第一沟槽和第二沟槽到器件基板的与器件基板的上表面相反的下表面中，该第一沟槽用于使对应于多个元件的多个第一部分绝缘，该第二沟槽限制与多个第一部分分离的第二部分；在器件基板的下表面上接合贯穿硅通路(TSV)基板，该TSV基板包括配置为连接到多个第一部分的多个第一通路金属和配置为连接到器件基板中的第二部分的第二通路金属；除去SOI基板的埋藏氧化物层和在掩埋的氧化物层上的第二硅层以在支撑单元上留下第一硅层；形成贯穿第一硅层和支撑单元的通孔以暴露第二部分；以及在第一硅层上形成上电极使得上电极通过通孔接触第二部分。
将SOI基板接合在器件基板的上表面上可以包括使用硅直接结合(SDB)方法接合器件基板和SOI基板。
形成第一沟槽和第二沟槽可以包括减薄器件基板至从约10μm至约50μm的厚度。
形成第一沟槽和第二沟槽可以包括形成第一沟槽和第二沟槽以具有相同的第一宽度。
附图说明
从以下结合附图对示范性实施方式的描述，这些和/或其他的方面将变得明显并更易于理解，附图中：
图1是根据示范性实施方式的电容式微加工超声换能器的结构的底视图；
图2是沿图1的线II-II'截取的截面图；和
图3A至3I是根据示范性实施方式制造电容式微加工超声换能器的方法的截面图。
具体实施方式
现在，在下文将参照附图更全面地描述示范性实施方式，示范性实施方式的元件在附图中示出。然而，示范性实施方式可以以许多不同的形式实施，而不应被解释为限于这里阐述的示范性实施方式。而是，提供这些示范性实施方式使得本公开将透彻和完整，并将本示范性实施方式的范围充分传达给本领域普通技术人员。在附图中，为了清晰，层和区域的厚度被夸大。还将理解，当一层被称为在另一个层或基板“上”时，它可以直接在另一个层或基板上，或者还可以存在插入的层。不同的附图中的相同的附图标记表示相同的元件，因此将省略它们的描述。
图1是根据示范性实施方式的电容式微加工超声换能器100的结构的底视图。图2是沿图1的线II-II'截取的截面图。
图1是器件基板140的底视图。参照图1，电容式微加工超声换能器100包括多个元件E。例如，电容式微加工超声换能器100可以包括布置成16×16矩阵的元件E。在图1中，为了方便起见，示出四个元件E。电容式微加工超声换能器100还可以被称为电容式微加工超声换能器芯片。
作为绝缘沟槽的第一沟槽T1形成在元件E周围以防止元件E之间的串扰。第一沟槽T1可以是栅格形状的。第一接合金属M1分别形成在元件E中。
第二沟槽T2形成在元件E的一侧。第二接合金属M2形成为连接到由第二沟槽T2围绕的第二部分(图2的142)。第二沟槽T2可以形成为连接到第一沟槽T1，如图1所示。
参照图2，电容式微加工超声换能器100可以包括贯穿硅通路(TSV)基板110和接合在TSV基板110上的器件基板140。TSV基板110和器件基板140可以通过共晶接合(eutectic bonding)而彼此结合。
TSV基板110由硅基板形成并包括多个通孔112。在电容式微加工超声换能器100中，形成用于顶电极的通孔114和对应于相应的元件E的通孔112。绝缘层111形成在通孔112和114的表面以及TSV基板110的表面上。通孔112用第一通路金属116填充。通孔114用第二通路金属117填充。
在器件基板140中，形成第二沟槽T2以及限制多个元件E的栅格形状的第一沟槽T1。器件基板140包括由第一沟槽T1围绕的第一部分141和由第二沟槽T2围绕的第二部分142。
器件基板140可以由具有几十μm的厚度的导电材料形成。器件基板140的厚度可以从约10μm至约50μm。器件基板140可以由掺杂高密度杂质的低阻硅形成。
器件基板140的第一部分141和第二部分142是导电区域。器件基板140的第一部分141可以用作下电极。
第一沟槽T1和第二沟槽T2可以用绝缘材料145填充。绝缘材料145可以由硅氧化物形成。
器件基板140可以包括在器件基板140的上表面上的绝缘层144以及形成空腔C的支撑单元154和覆盖支撑单元154中的空腔C的膜153。上电极160可以形成在膜153上。膜153可以由硅形成。支撑单元154可以由绝缘体形成并且也可以被称为第一绝缘层。支撑单元154可以例如包括氧化物和氮化物并可以由例如硅氧化物形成。
上电极160可以由金(Au)、铜(Cu)、锡(Sn)、银(Ag)、铝(Al)、铂(Pt)、钛(Ti)、镍(Ni)、铬(Cr)或其混合物形成。
绝缘层144可以包括例如氧化物和氮化物并可以由例如硅氮化物形成。
在图2中，示出一个空腔C形成在一个元件E中。然而，示范性实施方式不限于此，例如，形成为5×5阵列的多个空腔C可以形成在一个元件E中。
暴露器件基板140的由第二沟槽T2围绕的第二部分142的通孔146贯穿膜153、支撑单元154和绝缘层144形成。上电极160通过通孔146电连接到器件基板140的第二部分142。
绝缘层147形成在器件基板140下面。暴露器件基板140的第一部分141的第一孔H1和暴露器件基板140的第二部分142的第二孔H2形成在绝缘层147中。第一孔H1形成在与第一通路金属116的位置相对应的位置，第二孔H2形成在与第二通路金属117的位置相对应的位置。
第一接合金属M1形成在第一孔H1中以连接TSV基板110到第一部分141，第二接合金属M2形成在第二孔H2中以连接TSV基板110到第二部分142。第一接合金属M1形成为连接到通孔112中的第一通路金属116，第二接合金属M2形成为连接到通孔114中的第二通路金属117。第一接合金属M1和第二接合金属M2通过形成在器件基板140和TSV基板110之间的被共晶接合的对应部分中的共晶接合金属形成。
第一电极垫P1和第二电极垫P2形成在TSV基板110下面并分别连接到第一通路金属116和第二通路金属117。接地电压可以施加到第二电极垫P2，驱动信号电压可以施加到第一电极垫P1。
施加到第一电极垫P1的驱动信号电压通过第一通路金属116和第一接合金属M1提供到作为下电极的第一部分141。
施加到第二电极垫P2的接地电压通过第二通路金属117、第二接合金属M2和第二部分142提供到上电极160。
在下文，将描述根据示范性实施方式制造电容式微加工超声换能器的方法。
图3A至3I是根据示范性实施方式制造电容式微加工超声换能器的方法的截面图。图3A至3I是沿图1的线II-II'截取的截面图。
参照图3A，在第一晶片150上形成第一绝缘层154之后，第一绝缘层154被图案化以形成开口154a。第一晶片150可以是绝缘体上硅(SOI)晶片。第一晶片150可以包括顺序地堆叠的第一硅层151、掩埋氧化物层152和第二硅层153。对应于图2的膜153的第二硅层153可以形成至约的厚度。
第一绝缘层154可以通过氧化第一晶片150而由硅氧化物形成。图案化的第一绝缘层154对应于图2的支撑单元154。开口154a的深度可以由第一绝缘层154的厚度确定。第一绝缘层154的厚度可以是约。
参照图3B，第二绝缘层144形成在器件晶片140上。第一晶片150被接合在器件晶片140上使得第一绝缘层154和第二绝缘层144彼此面对。器件晶片140可以由低阻硅形成。第二绝缘层144可以由通过热氧化器件晶片140形成的硅氧化物而形成。
参照图3C，第一晶片150和器件晶片140可以通过使用硅直接结合(SDB)工艺而晶片至晶片接合。第一晶片150和器件晶片140被接合以形成空腔C作为密封空间。
器件晶片140被减薄以形成具有从约10μm至约50μm的厚度的器件晶片140a。为了减薄器件晶片140，在对器件晶片140进行机械研磨之后，可以进行化学机械抛光(CMP)工艺。通过减薄器件晶片140，沟槽可以容易地形成在器件晶片140a中。
参照图3D，第一沟槽T1和第二沟槽T2形成在器件晶片140a中。第一沟槽T1形成为围绕器件基板140a的第一部分141从而分离每个芯片的多个元件E。第一沟槽T1可以是栅格形状的，如图1所示。第二沟槽T2形成为围绕器件晶片140a的连接到上电极(图2的160)的第二部分142。
第一沟槽T1和第二沟槽T2可以贯穿器件晶片140a形成。第一沟槽T1和第二沟槽T2可以具有相同的宽度。由于第一沟槽T1和第二沟槽T2具有相同的宽度，所以第一沟槽T1和第二沟槽T2可以通过使用相同的掩模形成。在常规技术中，由于分离元件E的沟槽(对应于第一沟槽T1)的宽度不同于上电极连接通路的宽度，所以分离元件E的沟槽的蚀刻时间不同于上电极连接通路的蚀刻时间，因而，沟槽和上电极连接通路使用单独的蚀刻工艺形成。另一方面，根据示范性实施方式，第一沟槽T1和第二沟槽T2可以同时形成。
第一沟槽T1和第二沟槽T2可以具有从约1μm至约10μm的宽度。如果第一沟槽T1和第二沟槽T2的宽度小于1μm，则高宽比大，因此会难以进行蚀刻。如果第一沟槽T1和第二沟槽T2的宽度大于10μm，则电容式微加工超声换能器100的频率特性会恶化。
接下来，器件晶片140a被热氧化以用硅氧化物145填充第一沟槽T1和第二沟槽T2。此外，第三绝缘层147形成在器件晶片140a的下表面上。第一沟槽T1和第二沟槽T2可以不被硅氧化物145完全地填充。
第三绝缘层147被图案化以形成暴露第一部分141的第一孔H1和暴露由第二沟槽T2围绕的第二部分142的第二孔H2。第一部分141是对应于一个元件E的区域。
参照图3E，在第三绝缘层147上沉积金属层之后，金属层被图案化以分别在第一孔H1和第二孔H2上形成第一接合垫147a和第二接合垫147b。第一接合垫147a和第二接合垫147b可以由可用于共晶接合的材料形成。例如，第一接合垫147a和第二接合垫147b可以由用于Au-Sn共晶接合的Au和/或Sn形成。
参照图3F，提供TSV晶片110。第一通孔112和第二通孔114形成在TSV晶片110中。第一通孔112和第二通孔114可以形成至几十μm的宽度。第一通孔112形成为对应于第一部分141，第二通孔114形成为对应于第二部分142。
第四绝缘层111形成在TSV晶片110上。第四绝缘层111可以通过氧化TSV晶片110而形成。第四绝缘层111可以形成在第一通孔112和第二通孔114的表面以及TSV晶片110的上下表面上。第一通孔112和第二通孔114用金属填充以形成第一通路金属116和第二通路金属117。
在TSV晶片110上形成金属层之后，金属层被图案化以形成第三接合垫118a和第四接合垫118b。第三接合垫118a形成在第一通路金属116上以对应于第一接合垫147a，第四接合垫118b形成在第二通路金属117上以对应于第二接合垫147b。
第三接合垫118a和第四接合垫118b可以由共晶的接合金属形成。例如，第三接合垫118a和第四接合垫118b可以由用于Au-Sn共晶接合的Au和/或Sn形成。
参照图3G，TSV晶片110和器件晶片140a被晶片级接合。例如，TSV晶片110和器件晶片140a被共晶地接合。共晶接合可以通过例如Au/Sn接合进行。此时，第一接合垫147a和第三接合垫118a彼此结合以形成第一接合金属M1，第二接合垫147b和第四接合垫118b彼此结合以形成第二接合金属M2。
第一电极垫P1和第二电极垫P2形成在TSV晶片110的下表面上并分别连接到第一通路金属116和第二通路金属117。
参照图3H，第一晶片150的第一硅层151和掩埋氧化物层152被顺序地除去。第一硅层151可以通过进行机械研磨而减薄使得第一硅层151具有几十μm的厚度，并可以通过干蚀刻除去。掩埋氧化物层152可以通过湿蚀刻除去。
参照图3I，通孔146形成在第二硅层153、第一绝缘层154和第二绝缘层144中以暴露第二部分142。上电极160形成在第二硅层153上。上电极160电连接到第二部分142。
通过上述工艺制造的结构被划片为芯片的单元以产生多个电容式微加工超声换能器芯片100。
在根据示范性实施方式制造电容式微加工超声换能器的方法中，由于在用于使元件绝缘的另一个沟槽形成在器件晶片中时形成用于上电极的沟槽，所以工艺被简化。此外，示范性实施方式可以防止通路金属和元件的下电极在器件基板中进行的背面通路工艺中被短接。
根据示范性实施方式的电容式微加工超声换能器具有简单的结构，因为低阻的器件基板用作用于上电极的电路径。
虽然已经参照附图描述了一个或多个示范性实施方式，但是本领域普通技术人员将理解，可以在其中进行形式和细节上的许多变化而不背离示范性实施方式的精神和范围，示范性实施方式的范围由权利要求书限定。
本申请要求于2013年12月4日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2013-0150162的优先权，其公开内容通过引用整体结合于此。

Claims (18)

1.一种电容式微加工超声换能器，包括：
器件基板，包括第一沟槽和第二沟槽，所述第一沟槽限制对应于多个元件的多个第一部分，所述第二沟槽限制与所述多个第一部分分离的第二部分；
支撑单元，提供在所述器件基板上用于限制对应于所述多个元件的每个的多个空腔；
膜，提供在所述支撑单元上以覆盖所述多个空腔；
上电极，提供在所述膜上并经由穿过所述膜和所述支撑单元的通孔而电连接到所述第二沟槽中的所述第二部分；以及
贯穿硅通路基板，提供在所述器件基板的下表面上，所述贯穿硅通路基板包括连接到所述多个第一部分的多个第一通路金属和连接到所述第二部分的第二通路金属。
2.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述第一沟槽是栅格形状的。
3.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述器件基板包括低阻硅基板。
4.如权利要求3所述的电容式微加工超声换能器，其中所述器件基板具有从10μm至50μm的厚度。
5.如权利要求4所述的电容式微加工超声换能器，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽具有相同的第一宽度。
6.如权利要求5所述的电容式微加工超声换能器，其中所述第一宽度为从1μm至10μm。
7.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，其中所述第一沟槽和所述第二沟槽用绝缘材料填充。
8.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，还包括：
多个第一接合金属，提供在所述多个第一部分和所述多个第一通路金属之间；和
第二接合金属，提供在所述第二部分和所述第二通路金属之间。
9.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，还包括提供在所述器件基板和所述支撑单元之间的绝缘层，所述通孔贯穿所述绝缘层使得所述第二部分接触所述上电极。
10.如权利要求1所述的电容式微加工超声换能器，还包括提供在所述膜和所述支撑单元之间的绝缘层，所述通孔贯穿所述绝缘层使得所述第二部分接触所述上电极。
11.一种制造电容式微加工超声换能器的方法，该方法包括：
在器件基板的上表面上或在绝缘体上硅基板的第一硅层上形成支撑单元，所述支撑单元包括用于限制多个空腔的绝缘层；
将所述绝缘体上硅基板接合在所述器件基板的上表面上以在所述绝缘体上硅基板和所述器件基板之间形成所述多个空腔；
形成第一沟槽和第二沟槽到所述器件基板的与所述器件基板的上表面相反的下表面中，所述第一沟槽用于使对应于多个元件的多个第一部分绝缘，所述第二沟槽限制与所述多个第一部分分离的第二部分；
在所述器件基板的下表面上接合贯穿硅通路基板，所述贯穿硅通路基板包括配置为连接到所述多个第一部分的多个第一通路金属和配置为连接到所述器件基板中的所述第二部分的第二通路金属；
除去所述绝缘体上硅基板的掩埋氧化物层和在所述掩埋氧化物层上的第二硅层以在所述支撑单元上留下所述第一硅层；
形成贯穿所述第一硅层和所述支撑单元的通孔以暴露所述第二部分；以及
在所述第一硅层上形成上电极使得所述上电极通过所述通孔接触所述第二部分。
12.如权利要求11所述的方法，其中将所述绝缘体上硅基板接合在所述器件基板的上表面上包括使用硅直接结合方法接合所述器件基板和所述绝缘体上硅基板。
13.如权利要求11所述的方法，其中所述器件基板包括低阻硅。
14.如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一沟槽和所述第二沟槽包括减薄所述器件基板至从10μm至50μm的厚度。
15.如权利要求11所述的方法，其中形成所述第一沟槽和所述第二沟槽包括形成第一沟槽和第二沟槽以具有相同的第一宽度。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述第一宽度为从1μm至10μm。
17.如权利要求11所述的方法，还包括用绝缘材料填充所述第一沟槽和所述第二沟槽。
18.如权利要求11所述的方法，其中将所述贯穿硅通路基板接合在所述器件基板的所述下表面上包括：
在所述器件基板的下表面上形成第二绝缘层；
在所第二绝缘层中形成对应于所述多个第一部分的多个第一孔和对应于所述第二部分的第二孔；
在所述器件基板的所述下表面上形成第一接合垫以覆盖所述第一孔，以及在所述器件基板的所述下表面上形成第二接合垫以覆盖所述第二孔；
在所述贯穿硅通路基板的第一通路金属上形成第三接合垫以及在所述贯穿硅通路基板的第二通路金属上形成第四接合垫；以及
通过使所述第一接合垫和所述第二接合垫分别接触到所述第三接合垫和所述第四接合垫而在所述器件基板和所述贯穿硅通路基板之间进行共晶接合。
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