CN105592940B - Cmut装置制造方法、cmut装置和设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种制造电容式微加工超声换能器(CMUT)装置的方法，所述装置包括在基底(110)上的第一电极(112)以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极(122)，所述第一电极和所述膜由通过移除在所述第一电极与所述膜之间的牺牲材料(116)形成的腔(130)而分离开，所述方法包括形成所述第二电极上的膜部分(22)以及从所述膜部分沿所述牺牲材料侧面朝向所述基底沿延伸的另一膜部分(24)，其中，在形成所述腔之前，所述膜部分和所述另一膜部分的各自厚度超过牺牲材料的厚度。也公开了根据该方法制造的CMUT装置以及包括所述CMUT装置的设备。

Description

CMUT装置制造方法、CMUT装置和设备

技术领域

本发明涉及一种制造电容式微加工超声换能器(CMUT)装置的方法，所述电容式微加工超声换能器装置包括在基底上的第一电极以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极，所述第一电极和所述膜由通过去除在所述第一电极与所述膜之间的牺牲材料形成的腔而分离开。

本发明还涉及一种CMUT装置，其包括在基底上的第一电极以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极，所述第一电极和所述膜由腔而分离开。

本发明也涉及一种包括这样的CMUT装置的设备。

背景技术

电容式微加工超声换能器(CMUT)装置正迅速作为在诸如成像设备的感测设备范围中的传感器的默认选择。这是因为CMUT装置能够提供卓越的带宽和声阻抗特性，这使得它们优选于例如压电换能器。

CMUT膜的振动能够通过施加压力(例如，使用超声)来触发，或者能够以电子方式来诱发。常常通过借助诸如专用集成电路(ASIC)的集成电路(IC)与CMUT装置的电连接便于装置的发射和接收模式两者。在接收模式中，膜位置的变化引起电容的变化，这能够以电子方式进行记录。在发射模式中，施加电信号引起膜的振动。

CMUT装置通常利用所施加的偏置电压来操作。CMUT能够以所谓的塌陷模式来操作，其中，所施加的偏置电压被增加到塌陷电压以上，以约束膜并将膜的部分限制为抵靠基底。CMUT装置的操作频率由膜的材料和诸如硬度的物理属性以及腔的尺寸来表征。CMUT装置的偏置电压和施加也影响操作模式。CMUT装置通常被用在用于超声成像应用的设备中以及用在其中CMUT装置被用于检测液体或气体压力的其他应用中。压力引起膜的变形，所述变形被电子地感测为电容的变化。然后，能够导出压力读数。

满足设计规格的CMUT装置的制造是不简单的事情。为了获得具有成本效益的装置，例如期望以现有的制造技术来制造CMUT装置。CMOS是这样的技术中的非限制性范例。例如，US 8309428 B2公开了一种这样的装置的CMOS制造方法。

然而，已经证实难以从以这样技术制造的晶片中获得可接受的CMUT装置的高产量。本申请发明人已经发现，相比于晶片，相当多的所制造的CMUT装置遭受膜翘曲，其使得所述装置是无功能的。例如，如果根据例如US 2013/0069480 A1的教导制造该装置，会发生这一问题。

发明内容

本发明寻求提供一种CMUT装置的制造方法，其改善制造过程的产量。

本发明还寻求提供一种通过该制造过程可获得的晶片。

本发明也寻求提供一种通过该制造过程可获得的CMUT装置。

本发明也寻求提供一种包括这样的CMUT装置的设备。

根据一方面，提供了一种制造电容式微加工超声换能器(CMUT)装置的方法，所述CMUT装置包括在基底上的第一电极和被嵌入在电绝缘膜中的第二电极，所述第一电极和所述膜由通过移除在所述第一电极与所述膜之间的牺牲材料形成的腔而分离开，所述方法包括形成所述第二电极上的膜部分以及从所述膜部分朝向沿所述牺牲材料侧面的所述基底延伸的另一膜部分，其中，在形成所述腔之前，所述膜部分和所述另一膜部分的各自的厚度超过所述牺牲材料的厚度。

本申请的发明人已经出人意料地发现，由这样的制造过程导致的大量无功能的CMUT装置和/或在设计容差之外操作的CMUT装置是由这样的事实引起的：在现有的制造过程中，在释放腔之后，例如，在由诸如也被用于形成膜的电绝缘(电介质)材料的适当的密封材料来密封通向所述腔的通路时，最终确定膜。例如在US 2013/0069480 A1中公开了这样的过程。尽管这样的过程因为腔的密封和膜的完成能够通过单个沉积步骤实现而具有吸引力，但本申请的发明人已经认识到，当密封腔同时膜相对较薄时，这导致相对大量CMUT装置在所完成的晶片上具有变形的膜。已经发现，导致该情况的原因是，这样的密封步骤通常是在例如400℃左右的高温下执行的，其中，第二电极和膜介电材料的热膨胀系数的差异能够引起膜的过度压力，使得膜发生翘曲或弯曲。通过在形成腔之前确保在第二电极上的膜的厚度超过牺牲材料的厚度，能够显著地改善该产量。

应当注意，US 8309428 B2公开了一种CMUT装置的CMOS制造过程，其中，在移除牺牲材料之前，在上部电极上形成保护层。然而，该保护层用于防止电极被污染，并且该记载完全没有提及关于该保护层的厚度以及其在腔形成期间保护膜变形的效果。

在实施例中，另一膜部分的厚度超过所述膜部分的厚度。这进一步改善在腔形成步骤期间膜的鲁棒性，其进一步改善制造过程的产量。

所述膜部分的厚度可以至少五倍或者甚至十倍于牺牲材料的厚度，这是因为，以这些厚度，在腔的形成期间实现了期望的膜的鲁棒性。针对至少十倍于牺牲材料的厚度的膜部分的厚度对于较大的腔是优选的，例如，CMUT装置具有至少100微米的腔直径。

在实施例中，移除牺牲层部分的步骤包括创建通向牺牲层部分的通路，并且其中，所述方法还包括在形成所述腔之后密封所述通路，所述密封的步骤包括在所述膜部分和所述另一膜部分上形成密封部分。这进一步增加膜的厚度以及最终装置的鲁棒性。例如，这对于具有微米级的膜直径、例如具有50微米或更大的膜直径的CMUT装置是特别有利的。

在备选实施例中，所述方法还包括在所述密封的步骤之前在所述膜部分上形成蚀刻停止层，蚀刻来自所述膜部分的密封部分，所述蚀刻的步骤终止于所述蚀刻停止层；并且在所述蚀刻的步骤之后移除蚀刻停止层。

蚀刻停止层可以被尺寸设计(dimensioned)为使得在完成蚀刻的步骤之后，在所述另一膜部分上保留密封部分的环。已经发现，这样的环进一步增强膜，而不显著影响其柔韧性。

在实施例中，至少部分地通过以下步骤形成所述膜：在牺牲材料上形成第一介电材料层；在第一介电材料上形成第二电极；以及在第二电极上形成膜部分，其中，所述膜部分是第二介电材料层。介电材料可以是氮化硅或者任何其他适当的介电材料。

可以提供晶片，所述晶片包括通过根据本发明的实施例的方法获得的多个CMUT装置。这样的晶片受益于这样的事实，即：从晶片重新获得可接受的CMUT装置的更高的产量。

根据另一方面，提供了一种电容式微加工超声换能器(CMUT)装置，其包括在基底上的第一电极以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极，所述第一电极和所述膜由腔而分离开，其中，所述膜包括所述第二电极上的单层膜部分以及从所述单层膜部分朝向沿所述腔侧面的基底延伸的另一膜部分，其中，所述单层膜部分和所述另一膜部分中的每个具有超过所述腔的高度的厚度，所述厚度至少五倍于并且优选十倍于所述腔的高度。这样的装置受益于具有成本效益，这是由于其能够以高产量制造，而与此同时，显示出卓越的带宽和声阻抗特性。

在实施例中，所述另一膜部分的厚度超过了所述单层膜部分的厚度。这进一步改善了CMUT装置的鲁棒性。

在实施例中，CMUT装置还包括在所述另一膜部分上的电绝缘材料的环，其中，所述单层膜部分至少部分地暴露于所述环内部。这增加了膜的强度，而不会显著影响其动态属性。

在实施例中，CMUT装置还包括从所述腔延伸的密封材料的突起。在这一实施例中，所述突起密封所述腔，而不增加第二电极上的膜的总体厚度。

CMUT装置可以通过根据本发明的实施例的方法来获得。

根据另一方面，提供了一种包括根据本发明的实施例的CMUT装置的设备。这样的设备可以例如是超声成像装置或压力感测装置。

附图说明

参考附图，并通过非限制性范例来更为详细地描述本发明的实施例，在附图中：

图1示意性描绘了现有CMUT装置；

图2示意性描绘了图1的现有CMUT装置的膜的不想要的变形；

图3在压力敏感性绘图中示出了图1的现有CMUT装置的压力敏感性；

图4示意性描绘了根据本发明的实施例的用于制造CMUT装置的各种处理步骤；

图5示意性描绘了根据本发明的另一实施例的用于制造CMUT装置的关键处理步骤；

图6示意性描绘了根据本发明的又一实施例的用于制造CMUT装置的关键处理步骤；

图7在压力敏感性绘图中示出了图1的现有CMUT装置的压力敏感性以及根据本发明的实施例的CMUT装置的压力敏感性；

图8示出了现有晶片的部分的光学显微镜图像(顶部窗格)和根据本发明的实施例制造的晶片的部分的光学显微镜图像(底部窗格)；

图9示出了CMUT装置的典型电容压力曲线；

图10示出了根据其晶片位置的现有CMUT装置的塌陷电压特性的绘图；

图11示出了根据其晶片位置的根据本发明的实施例的CMUT装置的塌陷电压特性的绘图；以及

图12示出了根据其晶片位置的根据本发明的实施例的CMUT装置的声学性能的绘图。

具体实施方式

应当理解，附图仅仅是示意性的，并且不是按比例绘制的。还应当理解，相同的参考标记在附图中被用于指示相同或相似的部分。

图1示意性描绘了CMUT装置的典型结构。CMUT装置包括基底10，在腔30内部，第一电极(出于清晰的目的而未示出)被形成在基底10上。由膜20界定腔30，所述膜20包括被嵌入在膜20中的第二电极(出于清晰的目的而未示出)。膜20通常包括在腔30上方的第一部分以及从第一部分22朝向基底10延伸的第二部分24，第二部分24作为腔30的壁。

腔30可以具有直径2R，即，半径R，并且高度为g。第一膜部分22具有厚度t，而第二膜部分24具有厚度w。完整的CMUT装置的典型尺寸为g～0.25μm，t～0.5–4μm，w～t以及R～15-150μm。然而，在释放腔30之前，厚度t(和w)通常小得多，因为如先前解释的，膜20通常是在密封例如释放腔30所经由的通路的同时完成的。应当理解，图1是以简单并且示意性地方式绘制的。例如，应当理解，形成膜20的一个或多个层通常在基底10上延伸，其根据后续附图也将是显而易见的。仅出于清楚的原因，已经在图1中省略了这样延伸的层。

在释放腔30的牺牲蚀刻期间，CMUT装置被暴露于高达400℃的温度。本申请的发明人已经意识到，第二电极材料与膜20的(一种或多种)材料的热膨胀系数之间的差异引起膜20中的压力，其能够导致如图2中所示的膜20的变形。膜20上的压力能够引起第一部分22被推出水平面外距离h，并且第二部分(即，壁段)24被推出垂直面外角度θ。已经发现，该变形是现有CMUT装置制造过程的典型状态下低产量的主要原因，其中，在移除牺牲材料以形成(释放)腔30期间，相对较薄的膜存在于该牺牲材料上。

变形的量可以使用本申请的发明人导出的以下分析表达式来进行建模：

在这一表达式中，S为膜中的压力(以MPa为单位)，并且E为杨氏模量，其具有在50-250GPa的范围中的典型值。由第一部分22的平面外变形造成的第二部分24上的力引起如图2中所示的第二部分24的菱形变形。

分析等式(1)能够被用于将针对第一膜部分22的变形绘图计算作为比率t/w(x轴)和g/t(y轴)的函数。在图3中示出了这样的绘图。这一绘图中的黑点示出了在释放腔30期间具有薄膜20的典型现有CMUT装置的第一膜部分22的典型平面外变形h，即，g/t～1。变形h也与CMUT装置在晶片上的相对位置有关，与被中心定位于晶片上的装置相比，晶片外围处的装置的膜更易于经受这样的变形。例如，这是由被用于膜20的变形的沉积工具引入的晶片位置相关的非均匀性引起的。这将在下文中更为详细地说明。

在一些应用领域中，例如，在低频应用领域中，需要增加腔30的半径R。能够看出，这一问题对于较大的CMUT装置将更严重，即，对于具有较大R的CMUT装置将更严重，因为平面外变形的量h与半径R线性成比例。如能够从本发明的分析表达式中看出的，第一膜部分22的平面外变形的量能够通过减小比率g/t和/或比率t/w来减小。本发明的实施例提供CMUT装置制造方法，其中，这些比率中的至少一个被减小，以便改善CMUT装置制造过程的产量。

图4示意性描绘了CMUT制造方法的实施例。所述方法在步骤(a)中进行提供基底110，基底110可以是任何适当的基底，诸如硅基底、绝缘体上硅基底、硅锗基底、氮化镓基底等。基于硅的基底例如可以被用在CMOS制造过程中。在基底110上形成第一电极112，所述电极可以由例如金属或合金的任何适当的导电材料形成。例如，尤其有利的是，使用在制造技术的选择中容易获得的金属，因为这需要制造流程的最小的重新设计，这从成本角度是具有吸引力的。例如，在CMOS过程中，诸如Al、W、Cu、Ti、TiN等的传导材料以及这些材料的组合可以被用于形成第一电极112。在实施例中，从Al和AlNd合金或Al/Mo层堆叠中选择第一电极112。由于形成这样的电极本身是众所周知的，出于简洁的原因，这将不进一步详细解释。

第一电极112和基底110后续可以任选地由电绝缘材料层114覆盖。在步骤(b)中示出了这种情况。在本申请中，电绝缘层也将被称为介电层。这样的介电层114例如可以被用于将第一电极112与其对电极(counter electrode，见下方)进行电绝缘，以防止在CMUT装置的操作期间在电极之间的短路。另外，介电层114可以被用于在移除牺牲材料以在第一电极112上形成腔期间保护第一电极112和基底110不受损伤。

尽管介电层114被示为覆盖整个基底表面110，提供图案化的介电层114同样是可行的，其中，仅特定部分的基底110连同第一电极112由介电层114覆盖。任何适当的介电材料可以被用于保护第一电极112和基底110。尽管任何适当的介电材料可以被用于介电层114，在实施例中，介电层114是诸如TEOS等的氧化硅。这样，介电层114能够以任何适当的方式形成，例如，使用适当的沉积技术，诸如CVD和PECVD，出于简洁的原因，将不进一步详细解释其形成。

在步骤(c)中，例如通过适当的沉积技术，在介电层114上形成牺牲材料。牺牲材料被图案化，以形成第一部分116，从第一部分116形成腔，并且牺牲材料还可以包括作为通道的第二部分116’，通过该通道移除牺牲材料。

对应于要被形成的腔的如图1中所示的间隙高度g的牺牲材料的第一部分116和第二部分116’的高度通常在100-1000nm的范围内，然而，应当理解，也可以预期该范围之外的值。

在实施例中，第一部分116被沉积为具有作为第二部分116’的一些齿状突起的圆形部分，例如，2-8个这样的突起。在步骤(c’)中示出了这样的牺牲材料部分的顶视图，其中，仅以非限制性范例的方式示出了四个这样的突起。齿状第二部分116’通常被用作要被形成的膜外部的腔通路平台，通过其能够提供通向第一部分116的通路，用于打开或释放腔。应当理解，第一部分116和第二部分116’通常被形成为相同的厚度或高度，使要被形成的膜在齿状第二部分116’之间朝向基底110延伸。在本申请的各个附图中，第二部分116’被示为具有不同的厚度，以便指示这一方面，即，CMUT装置的膜在齿状第二部分116’之间朝向基底110延伸。这不应被解读为第一部分116和第二部分116’实际上具有不同的厚度。

原则上，可以使用任何适当的牺牲材料，尽管出于装置性能原因，优选使用能够在后续蚀刻步骤中被有效地移除的牺牲材料。例如，可以预期诸如Al、Cr和Mo的金属或诸如无晶硅或氧化硅的非金属的使用。诸如Al、无晶硅和氧化硅的材料例如在CMOS过程中是容易获得的，并且在这些材料中，Al尤其能够通过蚀刻被有效地移除。能够以任何方式形成图案化的牺牲材料，例如，使用适当的沉积和图案化技术，并且出于简洁的原因，将不进一步详细解释其形成。

应当理解，第一部分116的直径限定要被形成的CMUT装置的腔的直径。在实施例中，直径被选择在20-500微米的范围内，更优选地在50-300微米的范围内，尽管应当理解，也可以预期更大直径，例如，高达1000微米的直径。

在步骤(d)中，要被形成的膜的第一介电层120被沉积在牺牲材料的第一部分116和第二部分116’以及介电层114的暴露部分上。由于第一介电层120和介电层114均被暴露于蚀刻制程(etch recipe)，以移除牺牲层，第一介电层120和介电层114可以由相同的材料制成，尽管对于第一介电层120和介电层114分别使用不同的材料当然也是合理的。在实施例中，第一介电层120和介电层114中的每个包括诸如TEOS层等的氧化硅层。第一介电层120可以被形成作为层堆叠，例如，氧氮堆叠或氧氮氧堆叠。类似地，介电层114可以被形成作为这样的堆叠。再次重申，任何适当的介电材料可以被用于介电层114和第一介电层120。

接下来，如在步骤(e)中所示，第二电极122被形成在第一介电层120上，使得第二电极122被取向为与第一电极112相对。第二电极122优选由与第一电极112相同的导电材料制成，尽管应当理解，第二电极122和第一电极112备选地可以由不同的材料制成。第二电极122例如可以由任何适当的导电材料制成，诸如Al、W、Cu、Ti、TiN等以及这样的材料的组合。在实施例中，从Al和AlNd合金或Al/Mo层堆叠中选择第二电极112。第二电极122可以使用众所周知的技术来制成，仅出于简洁的原因，不做进一步解释。第一电极112和第二电极122可以被形成为任何适当的厚度，例如，200-700nm的厚度。

在步骤(f)中，要被形成的膜的第二介电层124被形成在第二电极122和第一介电层120上。第二介电层通常包括第二电极上的第一部分22以及如先前解释的从第一部分22沿牺牲材料的第一部分116侧面并在牺牲材料的第二部分116’之间(和上方)朝向基底10延伸的第二部分24。第一部分22具有初始厚度t1，并且第二部分具有初始厚度w1，其中，w1和t1通常是(近似)相等的。出于避免疑问的原因，在图1中，t1对应于t，并且w1对应w。根据本发明的实施例，t1被选择为大于第一部分116的高度，以便减小先前在图1的辅助下描述的比率t/g。在优选实施例中，在4-20的范围中，更优选在5-10的范围中，来选择比率t/g，以便在腔的形成期间提供具有预期的鲁棒性的膜。例如，牺牲部分116的高度g可以在100-700nm的范围内，在0.5-10微米的范围中选择第一部分22的厚度，使第一部分22至少五倍于牺牲部分116厚度。

第二介电层124可以由与第一介电层堆叠120的至少上层相同的材料制成，并且通常可以由任何适当的电绝缘材料制成，例如，氧化硅、氮化硅，并且，当然，第二介电层124由与第一介电层120不同的材料制成同样也是可行的。然而，在这种情况下，应当小心的是，不同材料的各自热膨胀系数是相似或相同的，以避免在牺牲材料被移除以形成腔的温度下在这些层之间的热诱发压力的积聚。如之前所述的，第二介电层124能够以任何适当的方式来形成。

在步骤(g)中，蚀刻停止层126被形成在第二介电层124的第一部分22上，在此之后，形成通过第一介电层120和第二介电层124的通路或通孔128，以提供通向牺牲材料的第二部分116’的通路。在步骤(h)中示出了这种情况。如先前解释的，通路或通孔通常位于膜的周界外的牺牲材料的齿状第二部分116’中的一个上。这样的通路或通孔128的形成本身是已知的，并且出于简洁原因，将不做进一步详细解释。

接下来，在步骤(i)中，使用适当的蚀刻制程，牺牲材料的第一部分116和第二部分116’通过通路或通孔128被移除，以在第一电极112与第二电极122之间形成腔130，所述第二电极122被嵌入在CMUT装置的膜的第一介电层120与第二介电层124之间。针对这样的常规牺牲材料的适当的蚀刻制程本身是已知，并且本领域技术人员使用其公知常识来选择适当的蚀刻制程毫无困难。

在步骤(j)中，后续使用适当的密封材料，例如使用适当的另一介电材料，来密封通路或通孔128，从而在蚀刻停止层126和第二介电层124上产生另一介电材料层132以及在通路或通孔128中产生密封塞132’。在实施例中，另一介电材料层132的最小厚度是腔130的高度g的两倍，以确保对通路或通孔128的有效密封。另一介电材料可以是能够以本身已知的任何方式进行沉积的任何适当的介电材料。在实施例中，另一介电材料是与第二介电层124的材料相同的材料，例如，氧化硅或氮化硅。如在步骤(j)所示，另一介电材料层132的形成将由第二部分24限定的腔的壁部分的厚度增加到w1+w2。为了避免疑问，请注意，w1+w2对应于图1中的w。

为了减小CMUT装置的比率t/w，在步骤(k)中，另一介电材料层132在第一部分22上的部分使用例如各向同性干法蚀刻制程的适当的蚀刻制程来选择性地移除，同时在蚀刻停止层126上停止。对于这一点，显然，蚀刻停止层的材料被选择为使得其对于被用于移除另一介电材料层132的所选部分的蚀刻制程具有高度抵抗力。这样的材料本身是已知的，因此简言之，任何适当的蚀刻停止材料126能够以任何适当方式被选择并被沉积并被图案化。

在步骤(k)中，蚀刻停止层后续被移除，以形成开口134，例如通过蚀刻以产生具有膜的CMUT装置，在该膜中，第一部分22在第二电极122上的厚度为t1，并且沿腔130侧面的第二部分24的厚度为w1+w2，即，由于t1≈w1，因此为t1+w2。由于在移除牺牲材料以形成腔130的阶段g<<t并且t<<w，因此，在腔释放步骤期间获得具有改善的膜鲁棒性的CMUT装置。此外，因为在释放腔130之前形成、例如沉积第二介电层124，由于在第二介电层124的形成期间牺牲材料的存在防止第一介电层120的变形，因此获得了具有改善的平坦特性的膜。

CMUT装置还包括第二部分24上的另一介电材料层132的环136，所述环界定第一部分22。已经发现，这样的边缘或环形结构的存在在腔释放步骤期间进一步改善膜的鲁棒性，所述边缘或环形结构可以被成形为如尖耳，诸如兔耳等。在本申请的上下文中，应当理解，鲁棒性被用于描述膜抵抗如图2中所示的平面外变形“h”的能力。

然而，在备选实施例中，可以从CMUT装置设计中省略这样的环136。在图5中示出了一个这样的实施例，其示出了对于在图4中示出并如上描述的制造方法的选择的备选步骤。图5中的步骤(a)代替图4中的步骤(g)，并且图5中的步骤(b)代替图4中的步骤(k)。图4中示出的其他步骤也形成图5中描绘的过程流中的部分，并且出于简洁的原因，不明确包括在图5中。

在步骤(a)中，蚀刻停止层226被尺寸设计为使得其覆盖第二介电层124的第一部分22和第二部分24。结果，在后续步骤中，特别是在图4的步骤(j)中形成的另一介电材料层132的选择性移除中，CMUT装置导致第二部分24的厚度与第一部分22的厚度相比不(显著)增加，即，在该实施例中为t～w。这是因为在第二介电层124的较宽的面积上移除了所述另一介电材料层132，如根据较大蚀刻停止层226将是显而易见的，其用于保护下面的第二介电层124的较大面积不经受蚀刻制程，以移除另一介电材料层132的选定部分。

相反地，如在图5的步骤(b)中所示，所得到的CMUT装置包括在通路或通孔128中的密封塞132’以及从这一密封塞向上延伸的另一介电材料层132的部分232。密封塞132’与部分232的组合能够相比于被推进到通路或通孔128中的销(pin)，其中，部分232形成销的头部。根据分析等式(1)能够理解，图5(b)中所示的CMUT装置在腔释放步骤期间仍表现出改善的膜鲁棒性，这是因为在移除牺牲材料以形成腔130的阶段处，g<<t。此外，因为在腔130的释放之前形成、例如沉积第二介电层124，获得具有改善的平坦特性的膜，因为在第二介电层124的形成期间牺牲材料的存在防止第二介电层120的变形。

在实施例中，另一介电层132可以由诸如Al密封层的金属密封层来代替。这改善了腔130中的真空，这是因为，相比于诸如氮化硅的介电材料的沉积，金属通常使用高真空沉积技术来沉积，其中诸如氮化硅的介电材料以气相被沉积，并且在真空130中保留较高剩余压力。因此，密封塞132’和部分232可以由适当的金属制成，诸如铝，或者由适当的合金制成，例如基于铝的合金。

在图6中示出了制造CMUT装置的方法的另一实施例，所述CMUT装置在腔130的释放的点处具有比率g/t<<1。图6的起始点是在图4的步骤(a)-(e)之后获得的中间结构，即，如在图4中所示的步骤(a)-(e)也形成图6中所示的制造方法的部分，并且出于简洁的原因，不在图6中明确示出。

在形成第二电极122之后，如在图6的步骤(a)中所示进行所述方法，其中，第二介电层124被形成为第一厚度t1’，其超过在第一电极112与第二电极122之间的牺牲材料的第一部分116的厚度，使得在形成腔130之后，腔间隙的高度充分小于厚度t1’，即，g/t1’<<1。优选地，t1’≥5g。这确保在步骤(b)中腔130的释放期间，即，通过如在图4的步骤(h)和(i)中更为详细描述的通路或通孔128的形成以及牺牲材料的第一部分116和第二部分116’的后续移除，膜仍在腔释放步骤期间显示出改善的膜鲁棒性，这是因为在移除牺牲材料以形成腔130的阶段处，g<<t1’。此外，因为在腔130的释放之前形成、例如沉积第二介电层124，由于在第二介电层124的形成期间牺牲材料的存在防止第二介电层120的变形，因此获得了具有改善的平坦特性的膜。

与图4和图5中所示的方法相比，在第二介电层124上没有形成蚀刻停止层。相反地，通过如借助于图4中的步骤(j)更为详细描述的包括通路或通孔128中的塞132’的另一介电层132的形成，在步骤(c)中通路或通孔128的密封期间，膜的厚度被进一步增加。在实施例中，另一介电层132充分薄于第二介电层124。如上所述，另一介电层132被形成为至少两倍于腔130的高度的厚度，以有效地密封通路或通孔128。这再次产生CMUT装置，其中，如图1所示的t和w近似相等，这是因为第二介电层124和另一介电层132通常是共形地形成的。

在这一点上，应当注意，分别根据图4-6的实施例形成的CMUT装置优选具有相同的最终膜厚度，以确保所述装置表现出相同或相似的声学属性。因此，相比于图6的实施例，在图4和5的实施例中，第二介电层124通常被形成为较大的厚度，这是因为，与图6中所示的实施例相反，密封层或另一介电层132并不添加到腔130上的膜的至少第一部分22的最终厚度。

以上实施例已经被证明能够产生相对较大的CMUT装置，例如，具有50μm或更大的腔半径的CMUT装置，特别是100μm或更大，例如，高达500μm或甚至1000μm，例如，以高产量具有在20-500μm、30-500μm或30-300μm的范围内的腔半径的装置，因为通过在形成腔130之前在第二电极122上的厚第二介电层124的应用已经避免了尤其在晶片的外围处的CMUT膜的过度变形。

在这一点上，应当注意的是，根据本发明的实施例的CMUT装置，其可以是环形的，能够容易地区别于现有装置，在现有装置中，在形成腔130之后形成第二介电层124，例如在US 2013/0069480A1中的情况，特别参见这一现有技术记载中的图4A-F。这是因为，移除牺牲材料以形成腔130将引起在膜的暴露的上表面上形成剩余污染，在US 2013/0069480A1的CMUT装置的情况下，这将引起在第一膜35上存在这样的污染。

相反地，在图4(k)、图5(b)和图6(c)的CMUT装置中，这样的污染存在于第二介电材料层124的暴露部分，使得这样的污染的位置将指示这样的事实，即，膜的第二介电材料层124在移除牺牲材料以形成腔130期间已经存在于第二电极上。换言之，在膜的下部区域中，即在第一介电层120上或在面对腔130并且具有等于腔130的间隙高度g的厚度的膜的区域内，这样的污染的缺失指示根据本发明的制造方法的实施例获得了CMUT装置。

应当注意，即使在膜的各个介电材料是相同材料(例如，氮化硅)时，也能够使用隧道电子显微(TEM)成像来检测这样的污染，这是因为，污染将出现作为在相同材料的后续沉积层之间的清楚描绘。

借助于图7进一步解释图4-图6的实施例的概念，图7同样如图3所示将针对第一膜部分22的变形绘图描绘为比率t/w(x-轴)和g/t(y-轴)的函数。所描绘的变形特性使用分析等式1来建模。现有CMUT装置的变形特性被标记为700。这些特性中的第一改善是通过针对根据图5和图6中描绘的方法制造的CMUT装置的g/t比率的降低来获得的，所述特性被标记为710。这些特性的进一步改善是通过针对根据图4中描绘的方法制造的CMUT装置的g/t比率和t/w比率的降低来获得的，所述特性被标记为720。

图8示出了使用包括在第二电极上不存在厚第二介电层124(上图)以及通过图6中示出的方法获得的在第二电极上存在厚第二介电层124(下图)的多个圆形CMUT装置的晶体的光学显微的图像。上图中的箭头识别现有CMUT装置的膜中的光学环，其指示相当大的膜变形。下图中不存在光学环证实根据实施例的CMUT装置的膜对于这种变形的改善的鲁棒性。

图9描绘了CMUT装置的典型电容-电压(CV)曲线。在跨第一电极112和第二电极122施加增强的偏置电压的情况下，在临界电压处，电力将引起膜朝向第一电极112塌陷。这一电压也被称为塌陷电压。在将电压从塌陷电压降低的情况下，膜将在快速恢复电压处快速恢复到其原始位置。CMUT装置可以在塌陷模式中操作，即，膜处于其塌陷状态下的模式。为此，超过塌陷电压的偏置电压可以永久地被施加到第一电极112和第二电极122。

如图2中所示的膜变形的量对塌陷电压的幅度和CMUT装置的声学属性具有显著影响。因此，跨晶片的CMUT装置的塌陷电压的映射提供对在腔形成期间CMUT装置的压力不敏感的良好指示，这是因为，跨晶片的塌陷电压的分布应当证实在该压力不敏感的情况下的较少变化。

图10描绘了图8的上图中跨晶片的塌陷电压Vc的轮廓绘图，其中，在缺乏足够厚度的第二介电层124的情况下，各自的腔130被形成在跨晶片的CMUT装置中。在晶片的中心处，获得90V左右的Vc的典型值，而在晶片的外围，该电压增加到150V，或更高，即，该晶片表现出跨晶片的CMUT装置的塌陷电压Vc中的变化超过65％。这是对在晶片外围中的如图2所示的膜的平面外变形的明确指示，在所述晶片外围中，需要更高的偏置电压扭转该变形，并且促使膜进入塌陷模式。

图11示出了跨根据本发明的不同实施例制造的两个晶片的塌陷电压Vc的轮廓绘图。上方轮廓绘图示出了根据图6的方法制造的晶片，并且下部轮廓绘图示出了根据图4的方法制造的晶片。显而易见，在晶片的中心处的CMUT装置与在晶片外围处的CMUT装置的塌陷电压Vc之间存在非常小的变化(小于7％变化)。

左窗格图12示出了在根据图6的方法制造的晶片上从位置(-4，0)到(0，+4)中(即，包括晶片中心处的CMUT装置的九个CMUT装置的线性阵列)任意选择的CMUT装置的输出压力的轮廓绘图(左窗格)。输出压力是对声学性能的重要指标。通过将偏置电压从-150V到150V(x-轴)变化并且将脉冲长度从20-140ns(y-轴)变化，由CMUT装置的RF激励生成输出压力。右手窗格将这些装置中的每个装置的输出压力的直方图示出为其在晶片上的位置的函数。对于这一阵列中的所有装置，利用其输出压力小于2％的变化来获得近似相同的轮廓绘图，这指示根据本发明的实施例制造的晶片上的(圆形)CMUT装置的声学性能的卓越的均匀性。

在这一点上，应当注意，尽管在各种实施例中未示出，应当理解，依据根据实施例制造的晶片上的装置的CMUT装置可以包括额外的电路元件，所述电路元件可以被集成到基底110上，或者可以被提供在分开的基底上并且被集成到与来自根据本发明的实施例制造的晶片的CMUT装置中的一个或多个的单一封装。例如，这样的额外的电路可以是IC，例如，ASIC，以控制一个或多个CMUT装置和/或处理由一个或多个CMUT装置生成的信号，例如，如先前解释的控制一个或多个CMUT装置的发射和/或接收模式。

根据本发明的实施例的一个或多个CMUT装置可以有利地被并入到诸如压力感测设备的感测设备中，特别是并入到例如超声成像装置的医学成像装置中，其中，基于CMUT的感测元件的集成能够显著地改善设备的成像分辨率，例如，其改善了研究中的对象的身体(诸如人体的哺乳动物身体)中的小尺寸物体(例如，诸如肿瘤的异常)的可检测性。在实施例中，这样的设备包括以矩阵布置的根据本发明的实施例的多个CMUT装置，其中，每个CMUT装置是独立可寻址的。例如，这样的设备可以包括几百或几千个这样的独立可寻址的CMUT装置。

应当注意，上述实施例图示而非限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不偏离权利要求的范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号中的任何附图标记都不应被解释为限制权利要求。动词“包括”和其词变形化的使用不排除权利要求中列出之外的元件或步骤存在。元件前的词语“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件，以及借助适当编程的计算机来实施。在枚举了若干器件的装置型权利要求中，这些器件中的若干可以被包含在同一硬件项中。尽管在互不相同的从属权利要求中记载了特定措施，但是这并不指示不能有利地使用这些措施的组合。

Claims (16)

1.一种制造电容式微加工超声换能器装置的方法，所述电容式微加工超声换能器装置包括在基底(110)上的第一电极(112)以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极(122)，所述第一电极和所述膜由通过移除所述第一电极与所述膜之间的牺牲材料(116、116’)形成的腔(130)而分离开，所述方法包括形成在所述第二电极上的膜部分(22)以及从所述膜部分沿所述牺牲材料侧面朝向所述基底延伸的另一膜部分(24)，其中，在形成所述腔之前，所述膜部分和所述另一膜部分的各自的厚度超过所述牺牲材料的厚度至少五倍。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述另一膜部分(24)的所述厚度超过所述膜部分(22)的所述厚度。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述膜部分(22)的所述厚度是所述牺牲材料(116、116’)的所述厚度的至少十倍。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其中，移除所述牺牲材料(116、116’)的步骤包括创建通向所述牺牲材料的通路(128)，并且其中，所述方法还包括在形成所述腔(130)之后密封所述通路，所述密封的步骤包括在所述膜部分和所述另一膜部分上形成密封部分(132)。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

在所述密封的步骤之前，在所述膜部分(22)上形成蚀刻停止层(126、226)；

从所述膜部分蚀刻所述密封部分(132)，所述蚀刻的步骤终止于所述蚀刻停止层；并且

在所述蚀刻的步骤之后，移除所述蚀刻停止层。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述蚀刻停止层(126)被尺寸设计为使得在完成所述蚀刻的步骤之后，所述密封部分的环(136)保留在所述另一膜部分(24)上。

7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述膜至少部分通过以下操作来形成：

在所述牺牲材料(116、116’)上形成第一介电材料层(120)；

在所述第一介电材料层上形成所述第二电极(122)；并且

在所述第二电极上形成所述膜部分(22)，其中，所述膜部分形成第二介电材料层(124)的部分。

8.一种电容式微加工超声换能器装置，其包括在基底(110)上的第一电极(112)以及被嵌入在电绝缘膜中的第二电极(122)，所述第一电极和所述膜由腔(130)而分离开，其中，所述膜包括在所述第二电极上的单层膜部分(22)以及从所述单层膜部分沿所述腔侧面朝向所述基底延伸的另一膜部分(24)，其中，所述单层膜部分和所述另一膜部分中的每个具有超过所述腔的高度至少五倍的厚度。

9.根据权利要求8所述的电容式微加工超声换能器装置，其中，所述单层膜部分和所述另一膜部分中的每个具有超过所述腔的所述高度至少十倍的厚度。

10.根据权利要求8或9所述的电容式微加工超声换能器装置，其中，所述另一膜部分(24)的所述厚度超过所述单层膜部分(22)的所述厚度。

11.根据权利要求10所述的电容式微加工超声换能器装置，还包括在所述另一膜部分(24)上的电绝缘材料的环(136)，其中，所述单层膜部分(22)至少部分被暴露在所述环的内部。

12.根据权利要求8或9所述的电容式微加工超声换能器装置，还包括从所述腔(130)延伸的密封材料的突起(232)。

13.根据权利要求12所述的电容式微加工超声换能器装置，其中，所述密封材料为金属，或者所述密封材料为金属合金。

14.根据权利要求13所述的电容式微加工超声换能器装置，其中，所述金属为铝，并且其中，所述金属合金为基于铝的合金。

15.根据权利要求8或9所述的电容式微加工超声换能器装置，其中，所述电容式微加工超声换能器装置是通过根据权利要求1-7中的任一项所述的方法获得的。

16.一种包括根据权利要求8-15中的任一项所述的电容式微加工超声换能器装置的设备。