CN105025423B - 一种驻极体电容式超声传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种驻极体电容式超声传感器，包括低阻衬底、驻极体材料层、绝缘层、支撑层、振动薄膜、上电极。其中，在支撑层中形成圆形或其他形状空腔二维阵列，成排、列对齐分布；在振动薄膜上沉积金属作为上电极，该上电极为图形阵列，并且与衬底空腔阵列的图形一一对应分布，彼此连接在一起。本发明利用驻极体材料提供CMUT正常工作时需要的直流电场，实现无需外加直流偏置电压的新型电容式超声传感器结构，具有低功耗、微型化、可靠性高、安全性好等优点。

Description

一种驻极体电容式超声传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及电容式超声传感器领域，更具体地涉及一种驻极体电容式超声传感器及其制作方法。

背景技术

超声传感器在医疗成像、无损检测以及超声显微镜等方面都有广泛的应用。近年来，一种电容式超声传感器逐渐成为超声换能器的主要研究方向之一。电容式超声传感器采用大规模集成电路的制作方法，易于与电子电路集成，适合制造二维面阵结构，可以批量制造，制造成本低。与压电式超声换能器相比，具有更低的机械阻抗，对温度不敏感，因此具有更加广泛的应用范围。微型化、集成化、高分辨、低功耗、安全性高是电容式超声传感器的发展趋势。但是，传统电容式微加工超声传感器(CMUT器件)工作时需要外界提供几十伏的直流偏置电压，大大增加了外围集成电路的复杂度和难度，同时，人体能够耐受的安全电压低于36V，因此传统的CMUT器件存在直流电压过高、危险性较大、功耗较大、驱动电路不易芯片集成等问题，不利于传感器的广泛应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种驻极体电容式超声传感器及其制造方法，从而可以利用事先已注入电荷而被极化的薄膜驻极体材料提供电容式超声传感器正常工作时需要的直流电场。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种驻极体电容式超声传感器，包括驻极体材料层、支撑层、振膜和上电极，所述支撑层位于所述驻极体材料层之上，所述上电极为在所述振膜上沉积导电材料形成的图形阵列，其特征在于，在所述支撑层中形成二维空腔阵列结构，在所述二维空腔阵列结构之上由SOI外延片通过键合技术形成所述振膜。

其中，所述上电极的图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构的图形一一对应分布。

其中，所述驻极体材料层采用有机或无机驻极体材料。

其中，所述二维空腔阵列结构中的空腔和所述上电极图形阵列中的图形均为圆形。

作为本发明的另一个方面，本发明还提供了一种电容式超声传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成无机或有机驻极体层；

步骤2：在所述驻极体层上沉积绝缘层；

步骤3：在所述绝缘层上沉积支撑层；

步骤4：在所述支撑层中形成二维空腔阵列结构；

步骤5：在所述二维空腔阵列结构之上形成振膜；

步骤6：在所述振膜上沉积上电极，其中所述上电极为图形阵列。

其中，所述上电极图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构的图形一一对应分布。

其中，所述步骤4进一步包括：在所述支撑层上涂抹光刻胶，经过曝光、显影之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在所述支撑层中形成所述二维空腔阵列结构，最后去除残留光刻胶。

其中，所述步骤5进一步包括：将带有所述二维空腔阵列结构的衬底与待加工的SOI外延片进行湿法和干法表面活化处理，采用键合技术，将所述SOI外延片倒装键合于所述二维空腔阵列结构之上，形成一个整体结构；键合完成后，将所述SOI外延片的底硅和埋氧层腐蚀掉，只留下顶层硅作为所述振膜。

其中，步骤6中所述在振膜上沉积上电极的步骤包括：在所述振膜上涂抹光刻胶，经曝光、显影后，在所述振膜上形成彼此交联的上电极图形阵列，去除残留光刻胶，形成图形化的所述上电极。

其中，所述上电极图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构中的空腔均为圆形。

基于上述技术方案可知，本发明的驻极体电容式超声传感器及其制造方法具有以下有益效果：利用驻极体材料中存储的极化电荷提供CMUT正常工作时需要的几十伏甚至上百伏的直流偏置电压，实现无需外加直流偏置电压、超低功耗的新型电容式超声传感器结构，简化了外围配制电路，并且实现器件的超低功耗工作，提高了器件的安全性和可靠性，具有更加广阔的应用范围。

附图说明

图1为本发明的电容式超声传感器单元器件的层结构示意图；

图2为本发明的圆形电容式超声传感器单元的二维阵列结构示意图；

图3为本发明SOI硅片的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

驻极体材料是指具有长期储存极化和空间电荷能力的功能电介质材料，包括基于聚合物的有机驻极体和基于SiO₂的无机驻极体。本发明即是利用驻极体材料和硅片键合技术，制备电容式超声传感器。本发明的电容式超声传感器包括低阻衬底，在衬底上沉积驻极体材料，采用电晕法制备驻极体层；采用PECVD或其他工艺在驻极体层上沉积绝缘层；在绝缘层上沉积支撑层，并通过刻蚀或腐蚀工艺在支撑层上形成圆形或其他形状的空腔，并成排、列对齐布置，形成二维阵列结构。将图形化硅衬底与SOI片进行湿法和干法表面活化处理，然后键合；键合完成后，将SOI底硅和埋氧层腐蚀掉，只剩下SOI顶硅作为振膜，之后在振膜上沉积金属作为上电极，上电极为圆形或其他形状的图形阵列，并与衬底空腔的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

由此，本发明的驻极体电容式超声传感器，依顺序包括低阻衬底、驻极体材料、绝缘层、支撑层、在支撑层上形成的二维空腔阵列结构；其中，在二维空腔阵列结构之上形成的振膜是由SOI外延片通过键合技术形成；在振膜上沉积导电材料形成的上电极，该上电极为图形阵列，并且上电极图形阵列中的图形与二维空腔阵列结构的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

其中，驻极体材料可以是有机或无机驻极体材料。二维空腔阵列结构中的空腔为圆形或其他形状，上电极图形阵列中的图形为圆形或其他形状。

本发明中电容式超声传感器的结构中，SOI硅片的顶硅以及图形化金属上电极构成一体结构，其组成的振动薄膜作为本发明中电容式超声传感器的上极板，由于采用了SOI顶硅作为振动薄膜，可以达到很好的厚度均匀性及较小的应力。下电极采用低阻硅衬底作为一体结构，最后刻蚀引出孔，沉积金属作为下电极引出电极，增大了器件的可靠性。

本发明还公开了一种制作电容式超声传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1：选取低阻衬底，在低阻衬底上形成无机或有机驻极体层；

步骤2：在驻极体层上沉积绝缘层；

步骤3：在绝缘层上沉积支撑层；

步骤4：在支撑层中形成二维空腔阵列结构；

步骤5：在二维空腔阵列结构之上形成振膜；

步骤6：在振膜上沉积上电极，该上电极为图形阵列，并且上电极图形阵列中的图形与二维空腔阵列结构的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

其中，步骤4进一步包括：

在支撑层上涂抹一层光刻胶，准备好光刻版，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在支撑层中形成圆形或其他形状的空腔阵列结构，得到二维空腔阵列结构，最后将衬底上残留的光刻胶去除。

步骤5进一步包括：

将带有二维空腔阵列结构的衬底与SOI外延片进行湿法和干法表面活化处理，采用倒装键合技术，将SOI外延片低温直接键合在二维空腔阵列结构之上，形成一个整体结构；键合完成后，将SOI外延片的底硅和埋氧层腐蚀掉，只留下顶层硅作为振膜。

步骤6中在振膜上沉积金属形成上电极的步骤包括：在振膜上涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经曝光、显影、后烘之后，在振膜上形成彼此交联的上电极图形，之后去除残留的光刻胶，形成图形化上电极。

本发明的低温硅片直接键合技术的工作原理为：硅片表面的硅羟基与硅羟基发生共价反应，形成Si-O-Si共价键，完成键合过程。传统的硅片直接键合技术，硅片表面硅羟基较少，因此为了实现好的键合效果，需要在1000℃左右的高温退火。本发明中对硅衬底和SOI片进行湿法和干法表面活化处理，可以使硅衬底和SOI片表面产生更多的硅羟基，有利于键合过程的发生，使得可以在低温下(＜450℃)，实现良好的键合效果。

本发明电容式超声传感器的制作工艺工程中，使用了TMAH腐蚀液，这是一种常用的硅的腐蚀液，反应方程式为：2(CH₃)₄NOH+Si+H₂O→[(CH₃)₄N]₂SiO₃+H₂↑，具有无毒、不易燃、腐蚀表面光滑、均匀性好等优点，在芯片制作中被广泛采用。使用到的BOE溶液也是一种氧化硅缓冲腐蚀液，是由HF(氢氟酸)、NH₄F(氟化铵)与水依不同比例混合而成，具有很强的腐蚀性，能侵蚀玻璃和硅酸盐等物质，在腐蚀时，需要保持一定的加热温度，使之保持一定的腐蚀速率。

作为一个优选实施例，请参阅图1和图2所示，本发明的驻极体电容式超声传感器，包括：

低阻硅衬底15，在硅衬底15上热氧化或PECVD形成氧化硅，采用电晕法制备氧化硅驻极体层14；采用PECVD在驻极体层14上沉积氮化硅层作为绝缘层13；在绝缘层13上沉积氧化硅支撑层12，并通过刻蚀工艺在支撑层12上形成圆形或其他形状的空腔，并成排、列对齐布置，形成二维阵列结构。将图形化硅衬底与SOI片进行湿法和干法表面活化处理，然后低温键合；键合完成后，将SOI底硅和埋氧层腐蚀掉，只剩下SOI顶硅作为振膜11，之后在振膜11上沉积金属作为上电极，上电极为圆形或其他形状的图形阵列，并与衬底空腔的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

本发明的制作电容式超声传感器的制作方法，具体实施步骤如下：

步骤1：选择低阻硅衬底15，清洗干净之后，在低阻硅衬底上采用热氧化或PECVD工艺形成SiO₂驻极体层14；

步骤2：在SiO₂驻极体层14上采用PECVD工艺沉积氮化硅绝缘层13；

步骤3：在氮化硅绝缘层上采用PECVD工艺沉积氧化硅支撑层12；

步骤：4：在氧化硅支撑层12上涂抹一层光刻胶，准备好光刻版，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在硅衬底上形成圆形或其他形状的空腔阵列结构，最后将衬底上残留的光刻胶去除；

步骤5：准备SOI片，清洗干净，做湿法和干法表面活化处理，做好键合准备；该SOI片的结构如图3所示，包括底硅21、埋氧层22和顶硅23；

步骤6：对带有空腔的硅衬底做湿法和干法表面活化处理，然后与步骤3中SOI低温直接键合；

步骤7：用TMAH腐蚀液(四甲基氢氧化铵)腐蚀掉SOI的底硅21，接着用BOE溶液腐蚀掉SOI片的埋氧层22，最后只留下SOI的顶硅23在硅衬底上，作为电容式超声传感器的振膜11；

步骤8：在振膜11上涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经曝光、显影、后烘之后，沉积200nm金属Al，采用剥离工艺在振膜上形成彼此交联的上电极图形10，之后去除残留的光刻胶，形成图形化上电极。最后即得到本发明所述的电容式超声传感器。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种驻极体电容式超声传感器，包括驻极体材料层、绝缘层、支撑层、振膜和上电极，所述绝缘层位于所述驻极体材料层之上，所述支撑层位于所述绝缘层之上，所述上电极为在所述振膜上沉积导电材料形成的图形阵列，其特征在于，在所述支撑层中形成二维空腔阵列结构，在所述二维空腔阵列结构之上由SOI外延片通过键合技术形成所述振膜。

2.根据权利要求1所述的驻极体电容式超声传感器，其特征在于，所述上电极的图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构的图形一一对应分布。

3.根据权利要求1所述的驻极体电容式超声传感器，其特征在于，所述驻极体材料层采用有机或无机驻极体材料。

4.根据权利要求1所述的驻极体电容式超声传感器，其特征在于，所述二维空腔阵列结构中的空腔和所述上电极图形阵列中的图形均为圆形。

5.一种驻极体电容式超声传感器的制作方法，包括以下步骤：

步骤1：在衬底上形成无机或有机驻极体层；

步骤2：在所述驻极体层上沉积绝缘层；

步骤3：在所述绝缘层上沉积支撑层；

步骤4：在所述支撑层中形成二维空腔阵列结构；

步骤5：在所述二维空腔阵列结构之上形成振膜；

步骤6：在所述振膜上沉积上电极，其中所述上电极为图形阵列。

6.根据权利要求5所述的驻极体电容式超声传感器的制作方法，其中所述上电极图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构的图形一一对应分布。

7.根据权利要求5所述的驻极体电容式超声传感器的制作方法，其中所述步骤4进一步包括：在所述支撑层上涂抹光刻胶，经过曝光、显影之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，在所述支撑层中形成所述二维空腔阵列结构，最后去除残留光刻胶。

8.根据权利要求5所述的驻极体电容式超声传感器的制作方法，其中所述步骤5进一步包括：将带有所述二维空腔阵列结构的衬底与待加工的SOI外延片进行湿法和干法表面活化处理，采用键合技术，将所述SOI外延片倒装键合于所述二维空腔阵列结构之上，形成一个整体结构；键合完成后，将所述SOI外延片的底硅和埋氧层腐蚀掉，只留下顶层硅作为所述振膜。

9.根据权利要求5所述的驻极体电容式超声传感器的制作方法，其中步骤6中所述在振膜上沉积上电极的步骤包括：在所述振膜上涂抹光刻胶，经曝光、显影后，在所述振膜上形成彼此交联的上电极图形阵列，去除残留光刻胶，形成图形化的所述上电极。

10.根据权利要求9所述的驻极体电容式超声传感器的制作方法，其中所述上电极图形阵列中的图形与所述二维空腔阵列结构中的空腔均为圆形。