CN110570836A - 超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种超声换能器及其制备方法，该超声换能器自下而上依次包括：下电极、基片、第一半导体材料层、第一绝缘层及上电极；基片包括抵靠第一半导体材料层的第二绝缘层及远离第一半导体材料层的第二半导体材料层，基片上设置有空腔，空腔穿过第二绝缘层并伸入第二半导体材料层中；至少一个开口位于上电极周围；开口穿过第一绝缘层和第一半导体材料层，并与空腔连通。由于在上电极周围形成有至少一个开口，且开口通过穿过第一绝缘层和第一半导体材料层与空腔连通，使得空腔与大气连通，膜片振动不再受大气压力的影响，从而使得该换能器的灵敏度更容易控制。
Description
技术领域
本发明涉及超声感测技术领域，尤其涉及一种超声换能器及其制备方法。
背景技术
电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer，CMUT)是由微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical System， MEMS)技术中的微加工工艺制造而成的，可用于发射超声波和接收超声波， 因此在医学成像领域获得了广泛的应用。
CMUT换能器结构如图1所示，是一个平行板电容器，由上极板11、下 极板12、绝缘层13和空腔14构成，上极板11为可动膜片，下极板12固定 不可动。在使用时，上极板11和下极板12之间施加直流偏置电压，当在直 流偏置电压上叠加交流电压时，使上极板11和下极板12之间产生变化的静 电吸引力，推动上极板11膜片振动而发出超声波；当仅施加直流偏置电压时， 上极板11膜片向下弯曲并保持静止不动，入射超声波到达上极板膜片，引起 膜片振动，空腔14间隙发生变化，从而电容发生变化，最终导致电荷的流入 与流出，检测电荷的流入和流出情况，能达到检测入射超声波的目的。
CMUT换能器具有很多优点，如借助气体作为耦合介质，具有非接触式 的特点，适合无法使用水或其他耦合剂的场合，且在气体中传播的声波波长 短，利用该声波成像和测距具有更高的分辨率和精度，同时适合大面积快速 扫查并成像，但也有不足之处，其中的空腔14由真空封闭形成，既受到大气 压的压力，又接受超声波的压力，很难控制其灵敏度。
发明内容
本发明提供一种超声换能器及其制备方法，用以克服上述现有技术中存 在的技术问题，使换能器不受大气压的压力影响，只需承受超声波的压力， 具有容易控制的灵敏度。
本发明提供的一种超声换能器，自下而上依次包括：下电极、基片、第 一半导体材料层、第一绝缘层及上电极；所述基片包括抵靠所述第一半导体 材料层的第二绝缘层及远离所述第一半导体材料层的第二半导体材料层，所 述基片上设置有空腔，所述空腔穿过所述第二绝缘层并伸入所述第二半导体 材料层中；所述开口位于所述上电极周围；至少一个开口穿过所述第一绝缘 层和所述第一半导体材料层，并与所述空腔连通。
可选地，所述第一半导体材料层为SOI衬底的顶层硅。
可选地，所述第二半导体材料层为硅层，所述第二绝缘层为二氧化硅层。
进一步地，当开口为多个时，所述开口均匀分布在所述上电极周围。
本发明提供的一种超声换能器的制备方法，包括：(1)准备第一基片， 所述第一基片包括第二半导体材料层及其表面的第二绝缘层；(2)在所述第 一基片的第一表面刻蚀空腔，所述空腔穿过所述第二绝缘层并伸入所述第二 半导体材料层中；(3)准备第二基片，所述第二基片依次包括背衬底、第三 绝缘层和顶层硅；(4)将所述第二基片的顶层硅与所述第一基片的第一表面 进行键合；(5)去除所述背衬底、第三绝缘层及所述第一基片的第二表面上 的第二绝缘层；(6)在所述顶层硅的暴露表面上形成第一绝缘层；(7)在 所述第一绝缘层上形成上电极；(8)在所述第一基片的第二表面上形成下电 极；(9)在所述上电极周围的所述第一绝缘层上刻蚀开口，所述开口穿过顶 层硅与所述空腔连通。
可选地，所述步骤(2)包括：在所述第一基片的第一表面旋涂光刻胶； 烘干所述光刻胶；利用掩膜板对所述光刻胶进行曝光；显影曝光后的所述光 刻胶，去除部分所述光刻胶形成光刻胶图形；对所述第一基片的第一表面未 覆盖所述光刻胶的部分进行刻蚀，形成所述空腔。
可选地，所述步骤(5)包括：用减薄机磨掉所述第二基片的背衬底；用 TMAH溶液对所述第二基片进行腐蚀，去除残余的所述背衬底；用BOE溶液 腐蚀掉所述第二基片的第三绝缘层及所述第一基片的第二表面上的第二绝缘 层。
可选地，所述步骤(7)包括：在所述第一绝缘层上通过电子束蒸镀方法 溅射第一金属层；光刻所述第一金属层，形成所述上电极及连接所述上电极 的引线。
可选地，所述步骤(8)包括：在所述第一基片的第二表面上通过电子束 蒸镀方法溅射第二金属层，形成所述下电极。
进一步地，所述步骤(9)还包括：在形成所述开口的同时，在相邻的两 个器件之间的所述第一绝缘层上刻蚀隔离槽，所述隔离槽与所述第二绝缘层 连通。
本发明提供的超声换能器为CMUT换能器，该换能器中设置在空腔上方 的第一半导体材料层作为可动膜片，在上电极和下电极之间施加有电压时会 发生弯曲变形，与现有技术不同的是在上电极周围形成有至少一个开口，且 开口通过穿过第一绝缘层和第一半导体材料层与空腔连通，使得空腔不再是 真空密闭的空腔，而是与大气连通、通有空气的空腔，当有超声波作用在该 超声换能器的第一半导体材料层上时，引起该第一半导体材料层的振动，使 第一半导体材料层的振动只受超声波压力的作用，不再受大气压力的影响，从而使得该换能器的灵敏度更容易控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实 施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下 面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在 不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中CMUT换能器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种超声换能器的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种超声换能器制备方法的流程图；
图4a～4i为图3所示的方法中各步骤形成结构的示意图；
图5为图3所示的方法中所使用掩模板的结构示意图。
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，下面将结合本发明实施 例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然， 所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所 有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行 详细说明。
图2为本发明实施例提供的一种超声换能器的示意图，如图2所示，本 实施例中的超声换能器自下而上依次包括：下电极21、基片22、第一半导体 材料层23、第一绝缘层24及上电极26。其中，基片22包括抵靠第一半导体 材料层23的第二绝缘层221及远离第一半导体材料层23的第二半导体材料 层222，基片22上设置有空腔K，空腔K穿过第二绝缘层221并伸入第二半 导体材料层222中。至少一个开口25位于上电极26周围，开口25穿过第一 绝缘层24和第一半导体材料层23，并与空腔K连通。
本发明实施例提供的超声换能器为CMUT换能器，该换能器中设置在空 腔上方的第一半导体材料层作为可动膜片，在上电极和下电极之间施加有电 压时会发生弯曲变形，与现有技术不同的是在上电极周围形成有至少一个开 口，且开口通过穿过第一绝缘层和第一半导体材料层与空腔连通，使得空腔 不再是真空密闭的空腔，而是与大气连通、通有空气的空腔，当有超声波作 用在该超声换能器的第一半导体材料层上时，引起该第一半导体材料层的振 动，使第一半导体材料层的振动只受超声波压力的作用，不再受大气压力的影响，从而使得该换能器的灵敏度更容易控制。
上述实施例提供的超声换能器中，第一半导体材料层23可以是SOI衬底 的顶层硅。SOI的全称是Silicon On Insulator，即绝缘衬底上的硅，该技术是 在顶层硅和背衬底之间引入了一层埋氧化层，该顶层硅具有均匀性好、一致 性好的优点，在顶层硅中形成的器件具有寄生电容小、低功耗等优点。当然， 如本领域技术人员所知，根据所形成超声换能器的性能需求可以选取其它半 导体材料来形成第一半导体材料层。
上述实施例提供的超声换能器中，第二半导体材料层222为硅层，第二 绝缘层221为二氧化硅层。如上所述，基片22包括第二半导体材料层222和 第二绝缘层221。该第二绝缘层221是形成在第二半导体材料层222上的氧 化层。当然，如本领域技术人员所知，根据所形成超声换能器的性能需求可 以选取其它半导体材料来形成第二半导体材料层，其表面氧化层的成分与所 采用的半导体材料有关。
上述实施例提供的超声换能器中，开口25可以有多个，如4个，并可以 均匀分布在上电极26周围。均匀分布的好处是使空腔上方悬空的部分第一半 导体材料层23具有对称的结构，在接收到超声波时，受力均匀。
图3为本发明实施例提供的一种超声换能器制备方法的流程图；图4a～4i 为图3所示的方法中各步骤形成结构的示意图；图5为图3所示的方法中所 使用掩模板的结构示意图。
如图3、图4a～4i及图5所示，该实施例提供的超声换能器的制备方法包 括如下步骤。
步骤301、准备第一基片41，该第一基片包括第二半导体材料层411及 其表面的第二绝缘层412。
如图4a所示，第一基片41的第二半导体材料层411为基材，基材表面 通常形成有一层自然氧化层，即第二绝缘层412。在使用第一基片41前，需 进行清洗，通常使用标准RCA清洗法。此处使用“第二半导体材料层”和“第 二绝缘层”是为了与图2中相同位置的结构名称一致。
步骤302、在第一基片41的第一表面a刻蚀空腔K，该空腔K穿过第二 绝缘层412并伸入第二半导体材料层411中。
如图4b所示，第一基片41具有相对的第一表面a和第二表面b，两个表 面上均形成有第二绝缘层412。通过刻蚀工艺在第一表面a上形成空腔K，空 腔K穿过第二绝缘层412并伸入第二半导体材料层411中。图5所示的掩膜 板的腔体层52用于在刻蚀工艺中控制空腔K的刻蚀位置。
步骤303、准备第二基片42，该第二基片依次包括背衬底421、第三绝 缘层422和顶层硅423。
如图4c所示，第二基片42为SOI衬底，其中的顶层硅423具有均匀性 好，一致性好的优点。在使用第二基片42前，需进行清洗，通常使用标准 RCA清洗法。
步骤304、将第二基片42的顶层硅423与第一基片41的第一表面a进行 键合。
如图4d所示，顶层硅423通过低温键合技术能与第一表面a上的第一绝 缘层412紧密地键合在一起。
步骤305、去除背衬底421、第三绝缘层422及第一基片41的第二表面 b上的第二绝缘层412。
如图4e所示，通过去除背衬底421、第三绝缘层422及第一基片41的第 二表面b上的第二绝缘层412，保留下来的顶层硅423覆盖在空腔K上方， 从而形成了可动膜片。
步骤306、在顶层硅423的暴露表面上形成第一绝缘层43。
如图4f所示，去除了背衬底421和第三绝缘层422的SOI衬底上，顶层 硅423的一个表面暴露出来，在这个暴露表面上可形成第一绝缘层，该第一 绝缘层可以是二氧化硅，可采用化学气相沉积的方法形成在顶层硅423的暴 露表面上。此处使用“第一绝缘层”是为了与图2中相同位置的结构名称一 致。
步骤307、在第一绝缘层43上形成上电极44。
如图4g所示，上电极44形成在第一绝缘层43上。
步骤308、在第一基片41的第二表面b上形成下电极45。
如图4h所示，下电极45形成在第一基片41的第二表面b上。
步骤309、在上电极44周围的第一绝缘层43上刻蚀开口46，该开口46 穿过顶层硅423与该空腔K连通。
如图4i所示，开口46位于上电极44周围，穿过第一绝缘层43和顶层 硅423，直到空腔K，使开口46和空腔K连通。图5所示的掩膜板的开口层 51用于在刻蚀工艺中控制开口46的刻蚀位置。
由本发明实施例提供的超声换能器的制备方法形成的超声换能器为 CMUT换能器，该换能器中设置在空腔上方的顶层硅作为可动膜片，在上电 极和下电极之间施加有电压时会发生弯曲变形，与现有技术不同的是在上电 极周围形成有至少一个开口，且开口通过穿过第一绝缘层和顶层硅与空腔连 通，使得空腔不再是真空密闭的空腔，而是与大气连通、通有空气的空腔， 当有超声波作用在该超声换能器的顶层硅上时，引起该顶层硅的振动，使顶 层硅的振动只受超声波压力的作用，不再受大气压力的影响，从而使得该换 能器的灵敏度更容易控制。
上述实施例中，形成空腔的步骤302包括：在第一基片41的第一表面a 旋涂光刻胶；烘干光刻胶；利用掩膜板5对光刻胶进行曝光；显影曝光后的 光刻胶，去除部分光刻胶形成光刻胶图形；对第一基片41的第一表面a未覆 盖光刻胶的部分进行刻蚀，形成空腔K。该空腔K穿过第一基片41的第二绝 缘层412并伸入第二半导体材料层411中
上述实施例提供的超声换能器的制备方法中，步骤305可以具体包括： 用减薄机磨掉图4d中第二基片42的背衬底421；用TMAH溶液对第二基片 42进行腐蚀，去除残余的背衬底421；用BOE溶液腐蚀掉第二基片42的第 三绝缘层422及第一基片41的第二表面b上的第二绝缘层412。从而形成图 4e所示的结构。其中的TMAH全称为四甲基氢氧化铵，TMAH溶液具有强 碱性，用于腐蚀工艺。BOE溶液(Buffered Oxide Etch)全称为缓冲氧化物刻 蚀溶液，由氢氟酸(49％)与水或氟化铵与水混合而成，也用于腐蚀工艺。
通常情况下，在用TMAH溶液去除残余的背衬底421之后，先对形成的 结构采用标准RCA法清洗，再进行后续的BOE溶液腐蚀。
上述的超声换能器的制备方法中，形成上电极44的步骤307可以包括： 在第一绝缘层43上通过电子束蒸镀方法溅射第一金属层；光刻该第一金属 层，形成上电极44及连接该上电极44的引线。图5所示的掩膜板的金属层 53用于在光刻工艺中控制上电极44及引线的刻蚀位置。
上述的超声换能器的制备方法中，形成下电极45的步骤308可以包括： 在第一基片41的第二表面b上通过电子束蒸镀方法溅射第二金属层，形成下 电极45。下电极45为一体化电极。整个制备过程可以在图4e形成的衬底上 同时形成多个图2所示的超声换能器，各个超声换能器的上电极44独立设置 于器件内，根据需要通过引线形成一定规则的电连接，而下电极45是一整个 金属层，为各个器件共用。
上述实施例提供的超声换能器的制备方法中，形成开口46的步骤309中， 还可以包括：在形成开口46的同时，在相邻的两个器件之间的第一绝缘层 43上刻蚀隔离槽，该隔离槽与第二绝缘层412连通。如上所述，整个制备过 程可以同时形成多个图2所示的超声换能器，其中一些换能器作为一个器件 的组成部分，而另一些换能器作为另一个器件的组成部分，各个器件最终划 分开用于不同的装置中，相邻的两个器件需要划分开，通过在形成开口的同 时，刻蚀相邻两个器件之间的第一绝缘层43，依次将第一绝缘层43和其下 方的顶层硅423去除，使隔离槽的底部到达第一基片41第一表面a上的第二 绝缘层412。从而实现相邻两个器件的划分。隔离槽和开口采用了同一个刻 蚀工艺。图5所示的掩膜板的划片层54用于在刻蚀工艺中控制隔离槽刻蚀位 置。如图5所示，划片层54所要形成的隔离槽包围了9个换能器，从而组成 了一个器件，本发明不限于此，一个器件所包含的换能器个数可根据实际需 要选择。
具体地，该刻蚀工艺可以包括两个步骤，第一步采用普通刻蚀工艺在形 成开口46和隔离槽的位置刻蚀第一绝缘层43，第二步采用深硅刻蚀工艺在 第一步刻蚀的基础上进一步刻蚀第一绝缘层43下方的顶层硅423，去除顶层 硅423后，隔离槽底部到达第二绝缘层412，从而连通第二绝缘层412，开口 46底部到达空腔K，从而连通空腔K。
采用上述各步骤制备超声换能器具体工艺简单、成本低的优点，且制备 出的超声换能器性能优良。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其 限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术 人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或 者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技 术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种超声换能器，其特征在于，自下而上依次包括：下电极、基片、第一半导体材料层、第一绝缘层及上电极；
所述基片包括抵靠所述第一半导体材料层的第二绝缘层及远离所述第一半导体材料层的第二半导体材料层，所述基片上设置有空腔，所述空腔穿过所述第二绝缘层并伸入所述第二半导体材料层中；
至少一个开口位于所述上电极周围；所述开口穿过所述第一绝缘层和所述第一半导体材料层，并与所述空腔连通。
2.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第一半导体材料层为SOI衬底的顶层硅。
3.根据权利要求1所述的超声换能器，其特征在于，所述第二半导体材料层为硅层，所述第二绝缘层为二氧化硅层。
4.根据权利要求1～3任一项所述的超声换能器，其特征在于，当开口为多个时，所述开口均匀分布在所述上电极周围。
5.一种超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)准备第一基片，所述第一基片包括第二半导体材料层及其表面的第二绝缘层；
(2)在所述第一基片的第一表面刻蚀空腔，所述空腔穿过所述第二绝缘层并伸入所述第二半导体材料层中；
(3)准备第二基片，所述第二基片依次包括背衬底、第三绝缘层和顶层硅；
(4)将所述第二基片的顶层硅与所述第一基片的第一表面进行键合；
(5)去除所述背衬底、第三绝缘层及所述第一基片的第二表面上的第二绝缘层；
(6)在所述顶层硅的暴露表面上形成第一绝缘层；
(7)在所述第一绝缘层上形成上电极；
(8)在所述第一基片的第二表面上形成下电极；
(9)在所述上电极周围的所述第一绝缘层上刻蚀开口，所述开口穿过顶层硅与所述空腔连通。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：在所述第一基片的第一表面旋涂光刻胶；烘干所述光刻胶；利用掩膜板对所述光刻胶进行曝光；显影曝光后的所述光刻胶，去除部分所述光刻胶形成光刻胶图形；对所述第一基片的第一表面未覆盖所述光刻胶的部分进行刻蚀，形成所述空腔。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(5)包括：用减薄机磨掉所述第二基片的背衬底；用TMAH溶液对所述第二基片进行腐蚀，去除残余的所述背衬底；用BOE溶液腐蚀掉所述第二基片的第三绝缘层及所述第一基片的第二表面上的第二绝缘层。
8.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(7)包括：在所述第一绝缘层上通过电子束蒸镀方法溅射第一金属层；光刻所述第一金属层，形成所述上电极及连接所述上电极的引线。
9.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤(8)包括：在所述第一基片的第二表面上通过电子束蒸镀方法溅射第二金属层，形成所述下电极。
10.根据权利要求5～9任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(9)还包括：在形成所述开口的同时，在相邻的两个器件之间的所述第一绝缘层上刻蚀隔离槽，所述隔离槽与所述第二绝缘层连通。
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