CN109092650B - 一种高机电耦合系数cmut及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高机电耦合系数CMUT及其制备方法，该CMUT针对常规CMUT中等面积支柱区域电容大于等面积空腔区域电容而导致寄生电容大、机电耦合系数小的问题，通过上电极绝缘层厚度的方波形设计使得位于支柱区域上侧的上电极之间的电极连线和上电极焊盘高于位于空腔区域上侧的上电极，并采用相对介电常数小的绝缘材料为支柱材料，相对介电常数大的绝缘材料为下电极绝缘材料，且使支柱与下电极绝缘层的厚度满足一定的比例关系，从而可有效增大支柱区域上下电极之间的等效电极距离，减小该区域寄生电容，提高CMUT机电耦合系数。

Description

一种高机电耦合系数CMUT及其制备方法

技术领域

本发明涉及MEMS超声换能器技术，特别涉及一种高机电耦合系数CMUT及其制备方法。

背景技术

电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer，CMUT)是采用微加工技术制备的微型超声换能器，用于超声波的发射和接收，是实现基于超声检测技术的各种工程应用的核心元器件，是超声检测技术的重要研究方向。由于相对于基于PZT压电材料的传统超声换能器，CMUT具有体积小、与流体阻抗匹配性好、带宽宽(分数带宽高达175％)、工作温度范围宽(最高工作温度可达500℃)、可批量化制造、易于制备二维阵列以及易于与电路集成等优点，因而迅速成为研究热点。佐治亚理工学院J.Knigh等人制备了不同尺寸的CMUT芯片,并研究了其在液体中应用时的阻抗、频率及带宽等特性。美国通用电气公司D.M.Mills等人开发了谐振频率为3MHz-13MHz的一维CMUT线阵，利用该线阵对肌肉组织进行成像实验，成像分辨率优于传统的压电超声换能器。经过近二十年的发展，CMUT已广泛应用人体组织成像、水下超声以及超声治疗等方面的实验研究，其可行性以及相比于传统压电超声换能器在带宽、二维阵列加工以及与ICs集成方面的优势得到很好验证，随着设计、制备及封装等技术的不断进步，CMUT将逐渐取代传统压电超声换能器，走向商业化应用。

CMUT是一种采用静电激励、电容检测的微型超声换能器，其性能极易受到寄生电容的影响。寄生电容主要来源于支柱区域上下电极间的电容以及焊盘处电极连线引起的电容。寄生电容越大，CMUT机电耦合系数越小，对检测电路要求越高，电路设计越复杂。如何有效减小CMUT寄生电容，提高机电耦合系数是CMUT研究中需要解决的重要问题之一。针对这些问题，香港理工大学C.-H.Cheng等人分别设计了曲面下电极以及曲面薄膜以减小寄生电容、提高机电耦合系数。中北大学薛晨阳等人采用图形化底部电极以及将振动薄膜与上电极金属层完全隔离的方法来减小寄生电容。还有部分研究者通过在基底上设置贯穿整个基底的通孔电极的方法来减小电极引线引起的寄生电容。虽然上述方法可起到减小寄生电容、提高机电耦合系数的作用，但其制备工艺复杂，工艺可行性差，很难保证阵列中单元芯片结构和性能的一致性，反而会影响器件整体性能，因此，目前的CMUT无法在保证工艺简单、可行的条件下有效减小寄生电容，提高机电耦合系数。

发明内容

为解决上述技术难题，本发明提出一种高机电耦合系数CMUT及其制备方法，本发明的高机电耦合系数CMUT能够减小寄生电容、提高机电耦合系数，并且本发明高机电耦合系数CMUT的制备工艺相对现有技术来说比较简单。

本发明采用的技术方案如下：

一种高机电耦合系数CMUT，包括振动薄膜、空腔、支柱、下电极绝缘层、下电极和上电极，空腔沿支柱高度方向贯穿支柱，振动薄膜、支柱和下电极自上而下依次设置并一道将空腔密封，下电极上表面在空腔对应的区域设置下电极绝缘层；

支柱采用绝缘材料，支柱的高度d_p、支柱的相对介电常数ε_rp、下电极绝缘层的高度d_i和下电极绝缘层的相对介电常数ε_ri满足以下关系：

振动薄膜的上表面设置有上电极绝缘层，支柱正上方对应的上电极绝缘层的厚度大于空腔正上方对应的上电极绝缘层的厚度；上电极绝缘层的上表面在空腔对应的区域设置有上电极，相邻两个上电极之间通过电极连线连接，电极连线的大部分设置于上电极绝缘层的上表面与支柱对应的区域，上电极焊盘设置在上电极绝缘层的上表面与支柱对应的区域；

当振动薄膜绝缘时，空腔正上方对应的上电极绝缘层的厚度最小值可为零；

当振动薄膜导电时，空腔正上方对应的上电极绝缘层的厚度最小值应保证振动薄膜与上电极之间具有足够的电绝缘性；或者，当振动薄膜导电时，振动薄膜也可同时用作上电极，振动薄膜和上电极采用一体化设计，振动薄膜上表面不设置上电极绝缘层和上电极。

优选的，上电极的形状与空腔的形状一致，上电极的中心与空腔的中心重合；上电极的横向尺寸小于等于空腔的横向尺寸，且上电极的横向尺寸大于等于空腔横向尺寸的一半。

优选的，支柱正上方对应的上电极绝缘层的宽度不小于对应区域支柱的宽度。

优选的，当振动薄膜的上表面设置有上电极绝缘层时，空腔正上方对应的上电极绝缘层的形状与空腔形状相同，且大小相同。

优选的，下电极绝缘层的形状和空腔的形状相同；下电极绝缘层的横向尺寸小于空腔的横向尺寸；下电极绝缘层的中心与空腔的中心重合；下电极绝缘层的外边缘与空腔的内侧面之间具有间隙。

一种上述的高机电耦合系数CMUT的制备方法，所述高机电耦合系数CMUT的振动薄膜的上表面设置有上电极绝缘层，支柱正上方对应的上电极绝缘层的厚度大于空腔正上方对应的上电极绝缘层的厚度，包括如下步骤：

(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层，未被氧化的单晶硅形成下电极；

(2)对二氧化硅层进行光刻，图形化空腔形状；再刻蚀二氧化硅层，刻蚀停止于单晶硅表面，此时形成支柱；

(3)再在单晶硅表面及支柱表面沉积碳化硅层，通过沉积时间控制碳化硅层厚度；

(4)光刻碳化硅层，图形化碳化硅层形状，刻蚀位于支柱表面的碳化硅层，此时形成下电极绝缘层；另取顶层硅为高阻的SOI片，清洗备用；

(5)将SOI片顶层硅和支柱表面进行活化处理，采用低温熔融键合技术将SOI片顶层硅与支柱表面进行键合，此时将空腔密封；

(6)采用化学机械抛光的方法去除80％的SOI片基底硅，而后再用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅表面；光刻埋层二氧化硅，定义上电极绝缘层形状，刻蚀埋层二氧化硅，通过刻蚀时间调节被刻蚀二氧化硅绝缘层厚度，此时形成上电极绝缘层和振动薄膜；

(7)在振动薄膜和上电极绝缘层表面溅射金属电极层，光刻，定义电极、电极连线及焊盘形状，刻蚀形成上电极、电极连线及上电极焊盘。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

由于常规CMUT结构中，支柱材料相对介电常数是空腔内真空相对介电常数的近4倍以上，例如，常用的SiO₂材料相对介电常数为3.8，因此，等面积的支柱区域和空腔区域，支柱区域上下电极间电容为空腔区域电容的4倍以上；而本发明的高机电耦合系数CMUT采用高介电常数绝缘层以及低介电常数支柱，当支柱高度d_p与下电极绝缘层高度d_i满足公式

函数关系时，则可使得等面积空腔区域上下电极间电容大于或等于等面积支柱区域上下电极间电容，最终可有效降低支柱区域寄生电容，提高机电耦合系数；

其次，在上述基础上，振动薄膜的整个上表面设置有上电极绝缘层，支柱正上方对应的上电极绝缘层的厚度大于空腔正上方对应的上电极绝缘层的厚度；即本发明高机电耦合系数CMUT的支柱区域上侧电极绝缘层厚度较大，空腔区域上侧电极绝缘层厚度较小，如此，上电极与电极连线和焊盘处于不同高度，上电极连线和焊盘表面高于上电极表面，因而可增大支柱区域上下电极间的距离，进一步减小支柱区域的寄生电容，提高机电耦合系数；因此解决了现有技术中的以下问题：CMUT中位于空腔区域上侧的上电极和位于支柱区域上侧的电极连线及焊盘位于同一高度，且厚度相等，即空腔区域上下电极间距离等于支柱区域上下电极间距离，支柱区域寄生电容较大。

相比于现有技术中的曲面电极、图形化底部电极等用于减小寄生电容的CMUT结构设计，本发明的高机电耦合系数CMUT制备工艺简单、工艺可靠性高，结构及性能一致性好；由本发明的高机电耦合系数CMUT的有益效果可知，本发明制备方法所制备高机电耦合系数CMUT的寄生电容较小，提高了CMUT的机电耦合系数。

附图说明

图1为本发明高机电耦合系数CMUT的结构示意图(纵向剖视图)；

图2为本发明图1所示实施例的高机电耦合系数CMUT的俯视结构示意图；

图3为本发明高机电耦合系数CMUT第一种变化结构示意图(纵向剖视图)；

图4为本发明高机电耦合系数CMUT第二种变化结构示意图(纵向剖视图)；

图5为本发明高机电耦合系数CMUT的制备工艺流程图。

图中的标号如下表所示：

1	上电极	2	振动薄膜
				3	空腔	4	支柱
5	下电极绝缘层	6	下电极
				7	电极连线	8	上电极焊盘
9	上电极绝缘层	10	二氧化硅层
				11	碳化硅层	12	SOI片

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1和图2所示，本发明高机电耦合系数CMUT包括振动薄膜2、空腔3、支柱4、下电极绝缘层5、下电极6和上电极1，下电极6采用低阻导电材料，空腔3沿支柱4高度方向贯穿支柱4，振动薄膜2、支柱4和下电极6自上而下依次设置并一道将空腔3密封，下电极6上表面在空腔3对应的区域设置下电极绝缘层5；

下电极绝缘层5的形状和空腔3的形状相同；下电极绝缘层5的横向尺寸小于空腔3的横向尺寸；下电极绝缘层5的中心与空腔3的中心重合；下电极绝缘层5的外边缘与空腔3的内侧面之间具有间隙；

支柱4采用绝缘材料，支柱4的相对介电常数应远小于下电极绝缘层5的相对介电常数，支柱4的高度d_p、支柱4的相对介电常数ε_rp、下电极绝缘层5的高度d_i和下电极绝缘层5的相对介电常数ε_ri满足以下关系：

振动薄膜2的尺寸应按照所需要的谐振频率、带宽等参数进行设计；振动薄膜2的上表面设置有上电极绝缘层9，上电极绝缘层9位于支柱4上侧的部分，形状与支柱4形状一致，宽度尺寸不小于对应区域支柱4的宽度，厚度尺寸应尽量大；上电极绝缘层9位于空腔3上侧部分的形状与空腔3的形状一致，且该部分的上电极绝缘层9的横向尺寸等于空腔3的横向尺寸，上电极绝缘层9的厚度尺寸应在保证良好绝缘性能的条件下尽量小；并且支柱4正上方对应的上电极绝缘层9的厚度大于空腔3正上方对应的上电极绝缘层9的厚度；上电极绝缘层9材料为绝缘材料，相对介电常数应尽量小，以增大支柱区域等效电极距离，减小寄生电容；

上电极1设置于上电极绝缘层9上表面与空腔3对应的区域，上电极1的形状与空腔3的形状一致，上电极1的中心与空腔3的中心重合；上电极1的横向尺寸小于等于空腔3的横向尺寸，且上电极1的横向大于等于空腔3横向尺寸的一半；

相邻两个上电极之间通过电极连线7连接，电极连线7的大部分设置于上电极绝缘层9的上表面与支柱4对应的区域，电极连线7的宽度设计应在保证充分导电性能的前提下尽量小，以减小电极连线7的覆盖面积；上电极焊盘8设置在上电极绝缘层9的上表面与支柱4对应的区域；电极连线7的上表面及上电极焊盘8的上表面与上电极1上表面之间的高度差为上电极绝缘层9位于支柱上侧部分与位于空腔3上侧部分的厚度差，电极连线7的厚度以及上电极焊盘8的厚度与上电极1厚度相等；也即上电极1与电极间连线7和上电极焊盘8不在同一水平高度，呈方波形状。

图3所示为本发明高机电耦合系数CMUT的第一种变化结构，第一种变化结构与图1所示结构的不同之处在于：振动薄膜2绝缘，振动薄膜2的上表面仅在支柱4正上方对应的区域设置有上电极绝缘层9，在空腔3上侧振动薄膜2表面不设置上电极绝缘层9，图3所示CMUT结构的其它部分与图1所示CMUT结构相同。

图4所示为本发明高机电耦合系数CMUT的第二种变化结构，第二种变化结构与图1所示结构的不同之处在于：振动薄膜2为低阻导电材料，即振动薄膜2能够导电并用作上电极1，此时振动薄膜2和上电极1采用一体化设计，第二种变化结构无需设计上电极绝缘层9以及上电极1，图4所示CMUT结构的其它部分与图1所示CMUT结构相同。

参照图5，本发明给出了高机电耦合系数CMUT的制备方法，本发明主要给出了如图1所示CMUT的制备过程，如图3和图4所示CMUT的制备过程与图1所示CMUT的制备过程类似，本领域技术人员根据本发明提供的制备过程可设计图3和图4所示CMUT的制备过程。本发明的高机电耦合系数CMUT的制备方法，包括如下步骤：

(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层10，未被氧化的单晶硅形成下电极6；

(2)对二氧化硅层10进行光刻，图形化空腔形状；再刻蚀二氧化硅层10，刻蚀停止于单晶硅表面，此时形成支柱4；

(3)再在单晶硅表面及支柱4表面沉积碳化硅层11，通过沉积时间控制碳化硅层厚度；

(4)光刻碳化硅层11，图形化碳化硅绝缘层形状，刻蚀位于支柱4表面的碳化硅绝缘层，此时形成下电极绝缘层5；另取顶层硅为高阻的SOI片，清洗备用；

(5)将SOI片顶层硅和支柱4表面进行活化处理，采用低温熔融键合技术将SOI片顶层硅与支柱4表面进行键合，此时将空腔3密封；

(6)采用化学机械抛光的方法去除80％的SOI片基底硅，而后再用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅表面；光刻埋层二氧化硅，定义上电极绝缘层形状，刻蚀埋层二氧化硅，通过刻蚀时间调节被刻蚀二氧化硅绝缘层厚度，此时形成上电极绝缘层9和振动薄膜2；

(7)在振动薄膜2和上电极绝缘层9表面溅射金属电极层，光刻，定义电极、电极连线及焊盘形状，刻蚀形成上电极1、电极连线7及上电极焊盘8。

综上，本发明针对常规CMUT中等面积支柱区域电容大于等面积空腔区域电容而导致寄生电容大、机电耦合系数小的问题，通过上电极绝缘层厚度的方波形设计使得位于支柱区域上侧的电极连线和上电极焊盘高于位于空腔区域上侧的上电极，并采用相对介电常数小的绝缘材料为支柱材料，相对介电常数大的绝缘材料为下电极绝缘材料，且使支柱与下电极绝缘层的厚度满足一定的比例关系，从而可有效增大支柱区域上下电极之间的等效电极距离，减小该区域寄生电容，提高CMUT机电耦合系数。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，包括振动薄膜(2)、空腔(3)、支柱(4)、下电极绝缘层(5)、下电极(6)和上电极(1)，空腔(3)沿支柱(4)高度方向贯穿支柱(4)，振动薄膜(2)、支柱(4)和下电极(6)自上而下依次设置并一道将空腔(3)密封，下电极(6)上表面在空腔(3)对应的区域设置下电极绝缘层(5)；

支柱(4)采用绝缘材料，支柱(4)的高度d_p、支柱(4)的相对介电常数ε_rp、下电极绝缘层(5)的高度d_i和下电极绝缘层(5)的相对介电常数ε_ri满足以下关系：

振动薄膜(2)的上表面设置有上电极绝缘层(9)，支柱(4)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度大于空腔(3)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度；上电极绝缘层(9)的上表面在空腔(3)对应的区域设置有上电极(1)，相邻两个上电极之间通过电极连线(7)连接，电极连线(7)的大部分设置于上电极绝缘层(9)的上表面与支柱(4)对应的区域，上电极焊盘(8)设置在上电极绝缘层(9)的上表面与支柱(4)对应的区域。

2.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，上电极(1)的形状与空腔(3)的形状一致，上电极(1)的中心与空腔(3)的中心重合；上电极(1)的横向尺寸小于等于空腔(3)的横向尺寸，且上电极(1)的横向尺寸大于等于空腔(3)横向尺寸的一半。

3.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，支柱(4)正上方对应的上电极绝缘层(9)的宽度不小于对应区域支柱(4)的宽度。

4.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，空腔(3)正上方对应的上电极绝缘层(9)的形状与空腔(3)形状相同，且大小相同。

5.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，当振动薄膜(2)绝缘时，空腔(3)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度最小值可为零。

6.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，当振动薄膜(2)导电时，空腔(3)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度最小值应保证振动薄膜(2)与上电极(1)之间具有足够的电绝缘性；或者，当振动薄膜(2)导电时，振动薄膜(2)同时用作上电极，振动薄膜(2)和上电极(1)采用一体化设计，振动薄膜(2)上表面不设置上电极绝缘层(9)和上电极(1)。

7.根据权利要求1所述的一种高机电耦合系数CMUT，其特征在于，下电极绝缘层(5)的形状和空腔(3)的形状相同；下电极绝缘层(5)的横向尺寸小于空腔(3)的横向尺寸；下电极绝缘层(5)的中心与空腔(3)的中心重合；下电极绝缘层(5)的外边缘与空腔(3)的内侧面之间具有间隙。

8.一种制备权利要求1所述的高机电耦合系数CMUT的方法，其特征在于，振动薄膜(2)的上表面设置有上电极绝缘层(9)，支柱(4)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度大于空腔(3)正上方对应的上电极绝缘层(9)的厚度；

包括如下步骤：

(1)取一低阻单晶硅片，采用氧化技术或化学气相沉积技术在单晶硅片表面生成二氧化硅层(10)，未被氧化的单晶硅形成下电极(6)；

(2)对二氧化硅层(10)进行光刻，图形化空腔形状；再刻蚀二氧化硅层(10)，刻蚀停止于单晶硅表面，此时形成支柱(4)；

(3)再在单晶硅表面及支柱(4)表面沉积碳化硅层(11)，通过沉积时间控制碳化硅层厚度；

(4)光刻碳化硅层(11)，图形化碳化硅层形状，刻蚀位于支柱(4)表面的碳化硅层，此时形成下电极绝缘层(5)；另取顶层硅为高阻的SOI片，清洗备用；

(5)将SOI片顶层硅和支柱(4)表面进行活化处理，采用低温熔融键合技术将SOI片顶层硅与支柱(4)表面进行键合，此时将空腔(3)密封；

(6)采用化学机械抛光的方法去除80％的SOI片基底硅，而后再用缓冲刻蚀液去除剩余20％的基底硅，刻蚀停止于SOI片埋层二氧化硅表面；光刻埋层二氧化硅，定义上电极绝缘层形状，刻蚀埋层二氧化硅，通过刻蚀时间调节被刻蚀二氧化硅绝缘层厚度，此时形成上电极绝缘层(9)和振动薄膜(2)；

(7)在振动薄膜(2)和上电极绝缘层(9)表面溅射金属电极层，光刻，定义电极、电极连线及焊盘形状，刻蚀形成上电极(1)、电极连线(7)及上电极焊盘(8)。

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