CN111559734A - 一种多频cmut器件的制造方法及多频cmut器件 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种多频CMUT器件的制造方法及多频CMUT器件，包括选用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制作硅基层；在所述硅基层的上表面设置绝缘层；在所述绝缘层的上表面沉积非晶硅制备牺牲层并定义CMUT单元；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；在所述CMUT单元上沉积振动薄膜；在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；利用光刻蚀工艺围绕所述圆形主体形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁；深腐蚀操作至硅基层，以便沉积底电极；沉积电极及器件之间的连接导线，同时在所述振动薄膜的上表面沉积顶电极。

Description

一种多频CMUT器件的制造方法及多频CMUT器件
技术领域
本申请涉及超声传感器制造技术领域，具体而言，涉及一种多频CMUT器件的制造方法及多频CMUT器件。
背景技术
超声探头在超声成像中，起着关键作用；超声传感器则是超声探头的关键部件，早期的超声传感器，一般采用锆钛酸铅陶瓷(PZT)，随着技术的发展，电容性微机械加工超声传感器(CMUT)由于有频带宽、易于集成电路集成、容易加工等优点，有取而代之的优势。CMUT的本征频率可以决定成像的精度，通常提升CMUT本征频率的方法有减小薄膜半径、增加薄膜厚度、改变薄膜材料等方法。但调整薄膜半径、增加薄膜厚度、改变薄膜材料等方法需要调整至少两层设计版图的布局，生产流程更为复杂。所以需要提供一种方案以便于在只改变一层设计版图布局的情况下的情况下更加方便地提升CMUT的本征频率。
发明内容
本申请的目的在于提供一种多频CMUT器件的制造方法及多频CMUT器件，用以实现在只改变一层设计版图布局的情况下更加方便地提升CMUT的本征频率的技术效果。
第一方面，本申请实施例提供了一种多频CMUT器件的制造方法，包括
步骤S1:选用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制作硅基层；
步骤S2:在所述硅基层的上表面设置绝缘层；
步骤S3：在所述绝缘层的上表面沉积非晶硅制备牺牲层并定义CMUT单元；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；
步骤S4：在所述CMUT单元上沉积振动薄膜；
步骤S5：在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；
步骤S6：在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；
步骤S7：利用光刻蚀工艺围绕所述圆形主体形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁，并执行减薄操作以恢复振动薄膜厚度；
步骤S8：深腐蚀操作至所述硅基层，以便沉积底电极；
步骤S9：沉积电极及器件之间的连接导线，同时在所述振动薄膜的上表面沉积顶电极。
进一步地，所述释放通道包括与L型沟道和腐蚀孔开设部；所述L型沟道的第一端与所述牺牲层连通；所述L型沟道的第二端与所述腐蚀孔开设部连通；所述腐蚀孔开设部用于开设腐蚀孔。
进一步地，所述L型沟道的厚度与所述圆形主体的厚度保持一致。
进一步地，所述腐蚀孔开设部的形状为正方形。
进一步地，所述步骤S6密封所述腐蚀孔时所用的材料为氮化硅。
进一步地，所述振动薄膜为低残余应力氮化硅薄膜。
进一步地，所述制造方法还包括：根据CMUT器件本征频率的要求增加所述支撑壁的宽度。
第二方面，本申请实施例提供了一种多频CMUT器件，包括硅基层、绝缘层、空腔、振动薄膜、顶电极和支撑壁；所述绝缘层设置在所述硅基层的上表面；所述空腔为圆形；所述振动薄膜的形状与所述空腔的形状相匹配且所述空腔设置在所述振动薄膜和所述绝缘层之间；所述支撑壁围绕所述空腔的边缘设置；所述顶电极设置在所述振动薄膜的上表面。
本申请能够实现的有益效果是：传统的采用牺牲层释放办法制造CMUT器件的过程中，通常不会考虑支撑壁的厚度，但是支撑壁的厚度对CMUT器件的本征频率存在着较大的影响，本申请对CMUT器件制造过程中的版图进行了改进，围绕牺牲层形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁，提升了CMUT器件的本征频率，同时需要改变CMUT器件的本征频率时只需要改变版图中支撑壁的宽度，不需要对其他设计版图的布局进行修改，降低了制造难度，减少了制造成本。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本申请实施例提供的一种多频CMUT器件的制造方法流程示意图；
图2为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第一层掩膜结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第二层掩膜结构示意图；
图4为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第三层掩膜结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种多频CMUT器件的剖面结构示意图。
图标：10-多频CMUT器件；100-硅基层；200-绝缘层；300-空腔；400-振动薄膜；500-顶电极；600-支撑壁；700-第一层掩膜；710-圆形主体；720-L型沟道；730-腐蚀孔开设部；800-第二层掩膜；900-第三层掩膜。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
请参看图1、图2、图3和图4，图1为本申请实施例提供的一种多频CMUT器件的制造方法流程示意图；图2为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第一层掩膜结构示意图；图3为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第二层掩膜结构示意图；图4为本申请实施例提供的一种制作多频CMUT器件时的第三层掩膜结构示意图。
经申请人研究发现，通常提升CMUT本征频率的方法有减小薄膜半径、增加薄膜厚度、改变薄膜材料等方法。但是，减小薄膜半径、增加薄膜厚度、改变薄膜材料等方法需要调整设计版图的布局，生产过程更为复杂，所以需要提供一种方案以便于在只改变一层设计版图布局的情况下更加方便地提升CMUT的本征频率，具体生产步骤如下所述。
步骤S1:选用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制作硅基层；
在生产之前可以选用高浓度掺杂的硅晶圆(硅的纯度为99.999％)制作硅基层100，硅基层100的形状可以制作成圆形或者方形。
步骤S2:在所述硅基层的上表面设置绝缘层；
在制作完硅基层100后就继续在硅基层100上沉积绝缘层200，绝缘层200的材料可以选用氮化硅(Si3N4)，沉积时可以使用低压力化学气相沉积法(Low Pressure ChemicalVapor Deposition，LPCVD)。
步骤S3：在所述绝缘层的上表面沉积非晶硅制备牺牲层并定义CMUT单元；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；
在硅基层100上沉积绝缘层200以后就可以使用如图2所示的第一层掩膜700在绝缘层200上沉积非晶硅制备牺牲层，同时定义CMUT单元。使用第一层掩膜700制备的牺牲层包括圆形主体710和与该圆形主体710连接的多个释放通道。制备牺牲层是同样可以使用LPCVD法进行沉积。
在一种实施方式中，释放通道包括与L型沟道720和腐蚀孔开设部730；L型沟道720的第一端与圆形主体710连通；L型沟道720的第二端与腐蚀孔开设部730连通；腐蚀孔开设部730用于开设腐蚀孔。为了提高牺牲层释放的效率，L型沟道720的厚度与所述圆形主体710的厚度保持一致；同时为了方便开始腐蚀孔，腐蚀孔开设部730设置为正方形。但是需要说明的是腐蚀孔开设部730的形状并不局限于正方形，也可以设为圆形、三角形以及其他类型的多边形。
步骤S4：在所述CMUT单元上沉积振动薄膜；
在定义完毕CMUT单元后，就可以在CMUT单元上沉积振动薄膜400，振动薄膜400可以选用低残余应力氮化硅薄膜。
需要说明的是，振动薄膜400也可以需用二氧化硅薄膜、硅薄膜等。
步骤S5：在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；
在开设腐蚀孔时可以使用如图3所示的第二层掩膜800，在第二层掩膜800上开设有与腐蚀孔开设部730的形状和位置相对应的开口，该开口比腐蚀孔开设部730小且位于腐蚀孔开设部730中心区域。第二层掩膜800布置好后就可以在开口处使用氢氧化钾开设腐蚀孔，将牺牲层释放掉，形成空腔。
步骤S6：在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；
当牺牲层全部释放完毕后，就可以使用密封材料对腐蚀孔进行密封处理。密封时可以通过LPCVD法将氮化硅沉积在腐蚀孔中。
步骤S7：利用光刻蚀工艺围绕所述圆形主体形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁，并执行减薄操作以恢复振动薄膜厚度；
在腐蚀孔密封完成后，就利用光刻蚀工艺围绕牺牲层的圆形主体710所形成的的空腔蚀刻预设宽度的支撑壁600。支撑壁600的宽度对应成品器件的支撑壁600厚度。具体地，可以使用如图4所示的第三层掩膜900制备支撑壁600，同时可以根据使用过程中对多频CMUT器件10本征频率的要求对第三层掩膜900进行修改，提高支撑壁600的宽度，从而提升CMUT器件的本征频率。制造具备不同本征频率的多种CMUT器件。制造时只需要改变支撑壁600的宽度，无需对设计版图全部进行修改，可以更加方便地进行制造。第三层掩膜900还设置了用于保护腐蚀孔的图形，可以更好地对腐蚀孔进行密封。
步骤S8：深腐蚀操作至硅基层，以便沉积底电极；
当支撑壁600制备完毕后，就可以继续深腐蚀操作至硅基层，沉积底电极，底电极的形状可以设置为圆形、矩形等。顶电极500的材料也可以使用铝或者金等金属。
步骤S9：沉积电极及器件之间的连接导线，同时在所述振动薄膜的上表面沉积顶电极。
底电极沉积完毕以后就可以沉积电极及器件之间的连接导线，然后继续在振动薄膜400上沉积顶电极500，顶电极500可以设置在振动薄膜400的中心区域，形状可以设置为圆形、矩形等。顶电极500的材料也可以使用铝或者金等金属。
请参看图5，图5为本申请实施例提供的一种多频CMUT器件的剖面结构示意图。
本申请实施例还提供了一种多频CMUT器件10，该多频CMUT器件10包括硅基层100、绝缘层200、空腔300、振动薄膜400、顶电极500和支撑壁600；绝缘层200设置在硅基层100的上表面；空腔300为圆形；振动薄膜400的形状与空腔300的形状相匹配且空腔300设置在振动薄膜400和绝缘层200之间；支撑壁600围绕空腔300的边缘设置；顶电极500设置在振动薄膜400的上表面。该种类型的多频CMUT器件10需要提升本征频率时，只需要增加支撑壁600的厚度即可，无需对原设计版图全部进行修改。
综上所述，本申请实施例提供一种多频CMUT器件的制造方法及多频CMUT器件，包括步骤S1:选用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制作硅基层；步骤S2:在所述硅基层的上表面设置绝缘层；步骤S3：在所述绝缘层的上表面沉积非晶硅制备牺牲层并定义CMUT单元；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；步骤S4：在所述CMUT单元上沉积振动薄膜；步骤S5：在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；步骤S6：在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；步骤S7：利用光刻蚀工艺围绕所述圆形主体形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁，并执行减薄操作以恢复振动薄膜厚度；步骤S8：深腐蚀操作至所述硅基层，以便沉积底电极；步骤S9：沉积电极及器件之间的连接导线，同时在所述振动薄膜的上表面沉积顶电极。通过上述方式，可以在只改变一层设计版图布局的情况下更加方便地提升CMUT的本征频率，制造过程更加方便，也降低了生产成本。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种多频CMUT器件的制造方法，其特征在于，包括：
步骤S1:选用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制作硅基层；
步骤S2:在所述硅基层的上表面设置绝缘层；
步骤S3：在所述绝缘层的上表面沉积非晶硅制备牺牲层并定义CMUT单元；所述牺牲层包括圆形主体和与所述圆形主体连接的多个释放通道；
步骤S4：在所述CMUT单元上沉积振动薄膜；
步骤S5：在各个所述释放通道的开孔位置开设腐蚀孔，对牺牲层进行释放，形成空腔；
步骤S6：在所述牺牲层释放完毕后密封所述腐蚀孔；
步骤S7：利用光刻蚀工艺围绕所述圆形主体形成的空腔刻蚀预设宽度的支撑壁，并执行减薄操作以恢复振动薄膜厚度；
步骤S8：深腐蚀操作至所述硅基层，以便沉积底电极；
步骤S9：沉积电极及器件之间的连接导线，同时在所述振动薄膜的上表面沉积顶电极。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述释放通道包括与L型沟道和腐蚀孔开设部；所述L型沟道的第一端与所述牺牲层连通；所述L型沟道的第二端与所述腐蚀孔开设部连通；所述腐蚀孔开设部用于开设腐蚀孔。
3.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述L型沟道的厚度与所述圆形主体的厚度保持一致。
4.根据权利要求2所述的制造方法，其特征在于，所述腐蚀孔开设部的形状为正方形。
5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤S6密封所述腐蚀孔时所用的材料为氮化硅。
6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述振动薄膜为低残余应力氮化硅薄膜。
7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法还包括：根据CMUT器件本征频率的要求增加所述支撑壁的宽度。
8.一种多频CMUT器件，其特征在于，包括硅基层、绝缘层、空腔、振动薄膜、顶电极和支撑壁；所述绝缘层设置在所述硅基层的上表面；所述空腔为圆形；所述振动薄膜的形状与所述空腔的形状相匹配且所述空腔设置在所述振动薄膜和所述绝缘层之间；所述支撑壁围绕所述空腔的边缘设置；所述顶电极设置在所述振动薄膜的上表面。
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