CN105540528A - Mems电容式超声波传感器及其制备方法 - Google Patents

Mems电容式超声波传感器及其制备方法 Download PDF

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宁瑾
俞育德
魏清泉
刘文文
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Abstract

一种MEMS电容式超声波传感器及其制备方法，该MEMS电容式超声波传感器，包括：一玻璃衬底，该玻璃衬底的中间为下凹的空腔，在该空腔的两侧上分别开有凹槽；一下电极，其制作在玻璃衬底下凹的空腔底部；一顶层硅，其制作在玻璃衬底上，且覆盖在空腔上，该顶层硅13为振动膜；一上电极，其制作在顶层硅的下表面，且位于空腔的上方，与下电极对应；一保护层，其制作在玻璃衬底两侧的凹槽内，且覆盖顶层硅和玻璃衬底，该凹槽内的保护层内还开有一窗口；其中该上引出电极和下引出电极分别与上电极和下电极连接。本发明可减小寄生电容和提高传感器的灵敏度。

Description

MEMS电容式超声波传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域中的电容式超声传感器，具体是一种MEMS电容式超声波传感器及其制备方法。
背景技术
超声传感器在医疗成像、工业以及国防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。与压电式超声换能器相比，电容式超声传感器具有灵敏度高、带宽大、机械阻抗低等优势，并且采用大规模集成电路的制作方法，易于与电子电路集成，制造成本低，因此具有更加广泛的应用范围。常见的CMUT结构，在工作时衬底或振膜用作一体化电极，存在寄生电容较多、基底高阻抗以及隔绝层充电现象等因素，不能充分发挥CMUT的诸多优势。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种MEMS电容式超声波传感器的制备方法，其可减小寄生电容和提高传感器的灵敏度。
本发明提供一种MEMS电容式超声波传感器，包括：
一玻璃衬底，该玻璃衬底的中间为下凹的空腔，在该空腔的两侧上分别开有凹槽；
一下电极，其制作在玻璃衬底下凹的空腔底部；
一顶层硅，其制作在玻璃衬底上，且覆盖在空腔上，该顶层硅13为振动膜；
一上电极，其制作在顶层硅的下表面，且位于空腔的上方，与下电极对应；
一保护层，其制作在玻璃衬底两侧的凹槽内，且覆盖顶层硅和玻璃衬底，该凹槽内的保护层内还开有一窗口；
其中该上引出电极和下引出电极分别与上电极和下电极连接。
本发明还提供一种MEMS电容式超声波传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一玻璃衬底；
步骤2：在玻璃衬底10上的中间向下刻蚀，形成空腔；
步骤3：在空腔内的底部制作下电极；
步骤4：取一SOI片，在其上中间制作上电极；
步骤5：将制作有上电极的SOI片扣置在玻璃衬底的空腔上；
步骤6：将SOI片的埋氧层和底硅去除，只保留SOI片的顶层硅，该顶层硅为振动膜；
步骤7：在顶层硅上空腔的两侧开有凹槽；
步骤8：在顶层硅上和两侧的凹槽内制作保护层；
步骤9：在凹槽内的保护层内制作窗口；
步骤10：在窗口内分别制作下引出电极和上引出电极，该上引出电极和下引出电极分别与上电极和下电极连接。
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1.本发明中电容式超声传感器的结构中，采用图形化上下电极，上电极位于振动膜下方，下电极位于空腔底部，减小了寄生电容，提高了器件的灵敏度，增加了器件的可靠性；
2.本发明利用键合技术制备电容式超声传感器，具有可靠性高、工艺步骤少、制作周期短等优点。
附图说明
为了进一步说明本发明的内容和特点，以下结合附图及实施例对本发明做一详细描述，其中：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明SOI片的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1及图2所示，本发明提供一种MEMS电容式超声波传感器，包括：
一玻璃衬底10，该玻璃衬底10的中间为下凹的空腔10’，在该空腔10’的两侧上分别开有凹槽10a、10b，所述凹槽10a的深度与空腔10’的深度相同，该凹槽10b的深度与上电极12的下表面相同；
一下电极11，其制作在玻璃衬底10下凹的空腔10’底部；
一顶层硅13，其制作在玻璃衬底10上，且覆盖在空腔10’上，该顶层硅13为振动膜，该振动膜的厚度为0.5-10μm；
一上电极12，其制作在顶层硅13的下表面，且位于空腔10’的上方，与下电极11对应；
一保护层14，其制作在玻璃衬底10两侧的凹槽10a、10b内，且覆盖顶层硅13和玻璃衬底10，该凹槽10a、10b内的保护层14内还开有一窗口14a、14b，所述窗口14a、14b的深度与凹槽10a、10b的深度相同，该保护层14的材料为氮化硅；
其中该上引出电极16和下引出电极15分别与上电极12和下电极11连接。
请再参阅图1与图2所示，本发明还提供一种MEMS电容式超声波传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一玻璃衬底10；
步骤2：在玻璃衬底10上的中间向下刻蚀，形成空腔10’；
步骤3：在空腔10’内的底部制作下电极11；
步骤4：取一SOI片，在其上中间制作上电极12；
步骤5：将制作有上电极12的SOI片扣置在玻璃衬底10的空腔10’上；
步骤6：将SOI片的埋氧层和底硅去除，只保留SOI片的顶层硅13，该顶层硅13为振动膜，该振动膜的厚度为0.5-10μm；
步骤7：在顶层硅13上空腔10’的两侧开有凹槽10a、10b，该凹槽10a的深度与空腔10’的深度相同，该凹槽10b的深度与上电极12的下表面相同；
步骤8：在顶层硅13上和两侧的凹槽10a、10b内制作保护层14，该保护层14的材料为氮化硅；
步骤9：在凹槽10a、10b内的保护层14内制作窗口14a、14b，所述窗口14a、14b的深度与凹槽10a、10b的深度相同；
步骤10：在窗口14a、14b内分别制作下引出电极15和上引出电极16，该上引出电极16和下引出电极15分别与上电极12和下电极11连接。
本发明中电容式超声传感器采用玻璃衬底10，在衬底上刻蚀圆柱形空腔10’，在空腔底部沉积金属作为下电极11，以SOI的顶层硅13作为振膜，在顶层硅13下方沉积金属作为上电极12，之后将SOI与玻璃衬底10键合成为一个整体，腐蚀掉埋氧层和底硅之后沉积保护层14，之后刻蚀出电极引出孔，分别引出上下电极。
以下对本发明作进一步描述：
本发明为一种电容式超声传感器，包括：玻璃衬底10；通过对玻璃衬底进行光刻、腐蚀或刻蚀，形成空腔10’，构成二维空腔阵列结构；在空腔底部沉积金属作为下电极11；在二维空腔阵列结构之上的顶层硅13作为振动膜；在振动膜下方的金属上电极12；在振膜上方的保护层14；保护层上刻蚀出电极引出孔；在电极引出孔沉积金属，引出上引出电极16和下引出电极15。
上下电极的形成过程如下：在空腔底部和SOI顶硅上，涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经过曝光、显影、后烘之后，沉积200nm金属Al，采用剥离工艺形成电极图形阵列。
振动膜的形成过程如下：将玻璃衬底与SOI片进行表面处理之后，采用飞秒激光低温键合技术使之成为一个整体，与其它键合工艺存在的高温、高压和强电场的工艺环境相比，飞秒激光低温键合工艺具有常温、常压的特点，而且无任何有机物沾污。之后用TMAH腐蚀液(四甲基氢氧化铵)腐蚀掉SOI的底硅，接着用BOE溶液腐蚀掉SOI片的埋氧层，最后只留下SOI的顶硅在硅衬底上，作为电容式超声传感器的振动薄膜。
引出电极形成过程如下：在振动膜上沉积氮化硅保护层，之后涂抹一层光刻胶，使用掩膜版，经过曝光、显影等步骤后，采用刻蚀或腐蚀工艺，然后沉积金属Al，引出上电极16和下电极15。传统的CMUT结构，在工作时衬底或振膜用作一体化电极，存在寄生电容较多、基底高阻抗以及隔绝层充电现象等问题，本发明采用图形化上下电极，上电极位于振动膜下方，下电极位于空腔底部，减小了寄生电容，提高了器件的灵敏度，增加了器件的可靠性。
本发明提供了一种制作电容式超声传感器的制作方法，具体步骤如下：
步骤1：取玻璃衬底10，清洗干净之后，在衬底上涂抹一层光刻胶，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀等工艺，在玻璃衬底上刻蚀形成空腔阵列结构，并成排、列对齐分布。
步骤2：在带有空腔的玻璃衬底上涂抹光刻胶，使用掩膜版，进行光刻，沉积200nm金属Al，采用剥离工艺得到下电极11；
步骤3：取SOI片，清洗干净之后，在SOI顶层硅13上进行光刻，之后沉积200nm金属Al，采用剥离工艺得到上电极12，并与下电极图形一一对应分布；
步骤4：将带有腔体的玻璃衬底10与SOI进行表面清洗之后，采用飞秒激光低温键合技术，键合成为一个整体；
步骤5：分别用TMAH溶液和HF酸，腐蚀掉SOI片的底硅和埋氧层，只留下SOI顶层硅13，获得电容式超声传感器的振动膜；
步骤6：在顶层硅13上空腔10’的两侧开有凹槽10a、10b，该凹槽10a的深度与空腔10’的深度相同，该凹槽10b的深度与上电极12的下表面相同；
步骤7：在振动膜上沉积300nm氮化硅保护层14；
步骤8：使用掩膜版，经过光刻、刻蚀等工艺之后，在凹槽10a、10b内的保护层14内制作窗口14a、14b，所述窗口14a、14b的深度与凹槽10a、10b的深度相同；
步骤9：在保护层14上涂抹光刻胶，使用掩膜版，经过光刻、金属沉积、剥离等工艺，在窗口14a和14b中沉积金属，形成上引出电极16和下引出电极15。
以上所述，仅是本发明的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，仍属于本发明技术方案范围内，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种MEMS电容式超声波传感器，包括：
一玻璃衬底，该玻璃衬底的中间为下凹的空腔，在该空腔的两侧上分别开有凹槽；
一下电极，其制作在玻璃衬底下凹的空腔底部；
一顶层硅，其制作在玻璃衬底上，且覆盖在空腔上，该顶层硅13为振动膜；
一上电极，其制作在顶层硅的下表面，且位于空腔的上方，与下电极对应；
一保护层，其制作在玻璃衬底两侧的凹槽内，且覆盖顶层硅和玻璃衬底，该凹槽内的保护层内还开有一窗口；
其中该上引出电极和下引出电极分别与上电极和下电极连接。
2.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器，其中一凹槽的深度与空腔的深度相同，另一凹槽的深度与上电极的下表面相同。
3.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器，其中该振动膜的厚度为0.5-10μm。
4.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器，其中所述窗口的深度分别与凹槽的深度相同。
5.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器，其中保护层14的材料为氮化硅。
6.一种MEMS电容式超声波传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：取一玻璃衬底；
步骤2：在玻璃衬底10上的中间向下刻蚀，形成空腔；
步骤3：在空腔内的底部制作下电极；
步骤4：取一SOI片，在其上中间制作上电极；
步骤5：将制作有上电极的SOI片扣置在玻璃衬底的空腔上；
步骤6：将SOI片的埋氧层和底硅去除，只保留SOI片的顶层硅，该顶层硅为振动膜；
步骤7：在顶层硅上空腔的两侧开有凹槽；
步骤8：在顶层硅上和两侧的凹槽内制作保护层；
步骤9：在凹槽内的保护层内制作窗口；
步骤10：在窗口内分别制作下引出电极和上引出电极，该上引出电极和下引出电极分别与上电极和下电极连接。
7.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器的制备方法，其中一凹槽的深度与空腔的深度相同，另一凹槽的深度与上电极的下表面相同。
8.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器的制备方法，其中该振动膜的厚度为0.5-10μm。
9.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器的制备方法，其中所述窗口的深度分别与凹槽的深度相同。
10.根据权利要求1所述的MEMS电容式超声波传感器的制备方法，其中保护层的材料为氮化硅。
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