CN111889341B - 一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个敏感单元的至少一个CMUT阵元，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底电路，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。该加工方法适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，可以加工出工作频率MHz以上，性能一致性高的硅基超薄柔性二维CMUT阵列。

Description

一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法

技术领域

本发明涉及MEMS技术的一种换能器加工方法，具体地涉及一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法。

背景技术

电容式微机械超声波换能器(Capacitive Micro-machined Ultrasonictransducer，CMUT)与传统基于锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷超声换能器相比具有带宽宽、灵敏度高、噪声低、阻抗匹配性好、加工工艺与IC工艺兼容、易于加工二维面阵等优点，在医学成像、无损检测、流量测量等领域具有良好的应用前景。

CMUT二维阵列由M×N个阵元排列组合而成，每个阵元四周都有隔离槽，防止阵元之间相互干扰，图1所示为一个4×4阵元的CMUT二维阵列。每个阵元10由若干个敏感单元组成，每个阵元10四周都有隔离槽11，敏感单元既可以成行成列整齐排列，也可以错落紧密排列。图2所示为CMUT敏感单元的剖视图，每个敏感单元主要由上电极21、振动薄膜22、真空腔23、衬底24和下电极25构成，一般在金属电极和振动薄膜22之间以及真空腔23底部要做一层二氧化硅薄膜26作为绝缘层，通常用较低电阻率的硅作为衬底24。在制作二维阵列时为了将上电极21的信号传输到背面需要用到TSV技术，包括穿透基板通孔(TSV)27，上电极21通过金属引线28连接下电极25。一般下电极硅衬底24的厚度在百微米量级以上，例如公告号为CN 109261477 A公开的一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，因此一般的CMUT阵列不具有柔性。此外，用柔性有机材料加工的CMUT工作频率比较低，一般在MHz以下，作为B超凸形探头时成像分辨率低。

当硅片的厚度小于50微米时，硅片就可以弯曲、扭转、卷起，更柔韧、更稳定。因此，用超薄硅片制作的传感器既具有硅基传感器的性能又具有柔性传感器的柔性，是制造薄膜电子设备的理想选择。但是由于硅的脆性比较大，当硅的厚度只有几十微米时，硅晶圆在加工及运输的过程中很容易破碎。

发明专利申请《具有穿透基板通孔(TSV)的电容式微加工超声换能器(CMUT)器件》（申请号CN201480010856.5）提出了一种用金属TSV加工CMUT二维阵列的加方法，虽然在加工过程中减薄了衬底层的厚度，但是晶圆的厚度仍然达到150微米左右，其柔性仍然比较差。

发明专利申请《柔性电容式加工超声换能器及其制备方法》(申请号：201510907459.4)提出了一种柔性化电容式微加工超声换器加工方法，用柔性化单层PVC膜和PVC/Cu叠加膜作为CMUT的振动薄膜。这种加工方法一方面工艺过程复杂、加工的器件一致性不如硅基CMUT，另一方面器件的工作频率很难达到MHz以上，难以应用于医疗成像。

发明专利《基于柔性衬底的可调节焦距的电容微机械超声换能器阵列》(申请号：201811203737.8)先加工出若干个CMUT阵元，然后将多个CMUT阵元均匀排布并固定在柔性衬底上。这种加工方法并不属于严格意义上的柔性阵列，而且得到的CMUT阵列性能与CMUT阵元的安装精度有关，对于大阵列的加工效率低下、成本高。

综上，当前加工的CMUT阵列可分为以下三种：1）以硅为基底，工作频率可以达到MHz以上，但是不具有柔性能力；

2）以柔性材料为基底，具有柔性功能，但是工作频率难以达到MHz以上；

3）将若干个CMUT阵元拼接到柔性衬底上，兼具了较高的工作频率和柔性能力，但是拼接的精度有限而且效率低下，失去了MEMS传感器适于大批量生产的优势。本发明因此而来。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是：提供了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法，该加工方法可以适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，可以加工出厚度均匀、性能一致性高的硅基超薄柔性CMUT，并且工作频率高（MHz以上）。

本发明的技术方案是：

一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个CMUT敏感单元的至少一个CMUT阵元，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底电路上，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。

优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1~10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。

优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层和第二SOI片的器件层的总厚度小于50μm。

本发明还公开了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，包括以下步骤：

S01：刻蚀第二SOI片的器件层的一部分以形成腔体，在腔体底部生成一层氧化层；

S02：在第二SOI片的器件层的上方设置有第一SOI片，所述第一SOI片的器件层与第二SOI片的器件层硅硅键合；

S03：依次去除第一SOI片的衬底层和埋氧层；

S04：蚀刻嵌入式通孔穿透所述第一SOI片的器件层、穿透所述第二SOI片的氧化层和器件层，并且嵌入式通孔从所述第一SOI片的器件层顶部延伸至所述第二SOI片的器件层底部；

S05：在嵌入式通孔的侧壁生长一层氧化层；

S06：在所述第一SOI片的器件层表面沉积一层金属金作为上电极，嵌入式通孔侧壁表面的金属作为金属引线，所述金属引线将上电极的信号引到嵌入式通孔的底面；

S07：在所述第一SOI片的器件层表面临时固定氧化硅片；

S08：依次去除第二SOI片的衬底层和埋氧层；

S09：在第二SOI片的器件层表面形成图形化金属层，其包括接触所述嵌入式通孔侧壁的金属引线部分；

S10：将得到的CMUT阵元固定在柔性衬底电路上；

S11：去除氧化硅片，得到电容式微机械超声波换能器。

优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1~10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。

优选的技术方案中，所述步骤S03具体包括：

将第二SOI片的衬底层用石蜡粘到抛光头上，然后用CMP将第一SOI片的衬底层的厚度减薄至一定厚度(100μm左右)，最后用KOH或TMAH溶液湿法腐蚀去除剩余的衬底层，再用干法刻蚀去除第一SOI片的埋氧层。

优选的技术方案中，所述步骤S07中所述第一SOI片的器件层表通过临时键合胶与氧化硅片键合。

优选的技术方案中，所述步骤S08-S09之间还包括：

在第二SOI片的器件层表面生长一层氧化物层；

对第二SOI片的器件层表面的氧化物层进行选择性刻蚀，得到露出一部分器件层表面的空腔和露出嵌入式通孔的空腔。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的加工方法可以适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，，可以加工出工作频率高（MHz以上），性能一致性高的硅基超薄柔性二维CMUT阵列。该加工方法在其中一片SOI晶圆的衬底层和埋氧层都去除之后，需要先将其临时键合到一个氧化硅晶圆上再去除另一片SOI晶圆的衬底层和埋氧层，然后将晶圆固到一个柔性电路上再去除临时键合片，可以解决硅晶圆在加工及运输的过程中很容易破碎的技术问题。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1是CMUT二维阵列俯视图；

图2是现有CMUT敏感单元剖视图；

图3为本发明的SOI晶圆B的结构示意图；

图4为本发明步骤2刻蚀腔体处理后的结构示意图；

图5为本发明步骤3氧化处理后的结构示意图；

图6为本发明步骤4硅硅键合处理后的结构示意图；

图7为本发明步骤5减薄处理后的结构示意图；

图8为本发明步骤6刻孔处理后的结构示意图；

图9为本发明步骤7氧化处理后的结构示意图；

图10为本发明步骤8沉积金属金及图形化处理后的结构示意图；

图11为本发明步骤9键合处理后的结构示意图；

图12为本发明步骤10减薄处理后的结构示意图；

图13为本发明步骤11生长氧化层处理后的结构示意图；

图14为本发明步骤12刻蚀氧化层处理后的结构示意图；

图15为本发明步骤13生长金属金并图形化处理后的结构示意图；

图16为本发明CMUT阵列固定到柔性电路后的结构示意图；

图17为本发明最终的柔性CMUT阵列的结构示意图。

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明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

本发明提出了一种基于临时键合的硅基超薄柔性CMUT二维阵列的加工方法。本发明提出的加工方法需要用到SOI晶圆（SOI片）A和B，其中SOI晶圆A器件层的电阻率为1~10Ω·cm，SOI晶圆B器件层的电阻率为0.001Ω·cm，SOI晶圆A的器件层作为CMUT的振动薄膜，SOI晶圆B的器件层作为CMUT的衬底。由于SOI晶圆器件层的厚度可以做到50μm以下甚至几个微米，因此，利用双SOI晶圆的器件层可以加工出厚度均匀、性能一致性高的硅基超薄柔性CMUT二维阵列。

本发明利用了两片SOI晶圆，两片SOI晶圆器件层的总厚度不超过50微米，因此，加工得到的CMUT二维阵列具有较好的柔性。由于本发明中用到器件层厚度为数十微米的SOI晶圆器件层，在加工过程中，在其中一片SOI晶圆的衬底层和埋氧层都去除之后，先将其临时键合到一个氧化硅晶圆上再去除另一片SOI晶圆的衬底层和埋氧层，然后将晶圆固到一个柔性电路上再去除临时键合片。可以解决硅晶圆在加工及运输的过程中很容易破碎的技术问题。

下面仅以与TSV相连接的一个敏感单元为例进行说明。具体的加工方法包括以下步骤：

步骤1备片。一片氧化硅晶圆（氧化硅片）、两片SOI晶圆A和B，SOI晶圆A器件层的电阻率为1~10Ω·cm，SOI晶圆B器件层的电阻率为0.001Ω·cm，SOI晶圆B如图3所示，包括衬底层201、埋氧层202和器件层203。两片SOI晶圆晶器件层的厚度为几微米到几十微米。

步骤2刻蚀腔体。用干法刻蚀设备刻蚀B晶圆的器件层203的一部分形成腔体204，处理后的结构如图4所示。

步骤3氧化。将B晶圆在氧化扩散炉中进行氧化，在腔体204的底部生成一层氧化层205，由于在氧化扩散炉中，器件层203的表面也会生成一层氧化层206，衬底层201的表面生成一层氧化层207，处理后的结构如图5所示。

步骤4硅硅键合。将SOI晶圆A放置于B晶圆上方，并使得A晶圆的器件层103和B晶圆的器件层203相对，将两片SOI晶圆的器件层用夹具进行面对面键合对准，然后用键合机进行预键合，最后将预键合片在氧化扩散炉中进行高温退火完成硅硅键合，处理后的结构如图6所示。

步骤5减薄。将键合片中B晶圆的衬底层201用石蜡粘到抛光头上，然后用CMP将A晶圆衬底层101的厚度减薄到约一百微米，最后用KOH或TMAH溶液湿法腐蚀去除剩余的衬底层101，再用干法刻蚀去除A晶圆的埋氧层102，处理后的结构如图7所示。

步骤6刻孔。光刻图形化之后，依次干法刻蚀A晶圆表面的器件层103、B晶圆器件层表面的氧化层206、器件层203，处理后的结构如图8所示。蚀刻嵌入式通孔208穿透A晶圆的器件层103、穿透B晶圆器件层表面的氧化层206、及器件层203，并且嵌入式通孔208从A晶圆表面的器件层103顶部延伸至B晶圆器件层203底部。

步骤7氧化。键合片在氧化扩散炉中进行氧化，在刻蚀孔208的侧壁生长一层氧化层209作为金属与SOI晶圆器件层之间的绝缘隔离层，同时A晶圆的器件层103的表面也被生长一层氧化层104，处理后的结构如图9所示。

步骤8沉积金属金及图形化。在A晶圆器件层表面的氧化层104表面用磁控溅射或蒸发的方法沉积一层金属，在A晶圆的氧化层104表面沉积的金属作为上电极105，在嵌入式通孔208侧壁表面的金属作为金属引线106，金属引线106将上电极105的信号引到嵌入式通孔208的底面金属107，处理后的结构如图10所示。

步骤9键合。用临时键合胶300将A晶圆与氧化硅晶圆400键合，处理后的结构如图11所示。

步骤10减薄。去除B晶圆的衬底层201和埋氧层202，处理的方法可以与步骤5减薄的方法相同，处理后的结构如图12所示。

步骤11生长氧化层。在B晶圆的器件层203表面用PECVD生长一层氧化层210，例如二氧化硅等，作为金属与B晶圆器件层之间的绝缘隔离层，处理后的结构如图13所示。

步骤12刻蚀氧化层。对B晶圆器件层表面的氧化层210进行选择性干法刻蚀，得到露出一部分器件层表面的空腔211和露出嵌入式通孔的空腔212，以便下一步生长的金属能与CMUT的衬底层以及孔中的金属相连接，处理后的结构如图14所示。

步骤13生长金属金并图形化。在B晶圆器件层表面用磁控溅射的方法先沉积一层Ti(或Cr)再沉积一层金，光刻图案之后用干法选择性刻蚀金属得到CMUT的上电极焊盘213及下电极焊盘214，处理后的结构如图15所示。

步骤14划片。通过上述步骤可以得到多个阵元，组成CMUT阵列，将CMUT阵列作为一个整体从晶圆中划片取出，在划片时需要把临时键合片也划透。

步骤15将多个CMUT阵元排布得到CMUT阵列，用导电胶固定到柔性衬底电路500上，处理后的结构如图16所示。柔性衬底电路由柔性材料制成，包括一些接口等，一方面使CMUT阵列具备了柔性能力，另一方面可以为提供CMUT阵列提供供电接口和信号输出接口。

步骤16去除临时键合胶300及氧化硅片400，得到最终的柔性CMUT阵列，处理后的结构如图17所示。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (8)

1.一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个敏感单元的至少一个CMUT阵元，其特征在于，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。

2.根据权利要求1所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，其特征在于，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1～10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。

3.根据权利要求1所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，其特征在于，所述第一SOI片的器件层和第二SOI片的器件层的总厚度小于50μm。

4.一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S01：刻蚀第二SOI片器件层的一部分以形成腔体，在腔体底部生成一层氧化层；

S02：在第二SOI片器件层的上方设置有第一SOI片，所述第一SOI片的器件层与第二SOI片的器件层硅硅键合；

S03：依次去除第一SOI片的衬底层和埋氧层；

S04：蚀刻嵌入式通孔穿透所述第一SOI片的器件层、穿透所述第二SOI片的氧化层和器件层，并且嵌入式通孔从所述第一SOI片的器件层顶部延伸至所述第二SOI片的器件层底部；

S05：在嵌入式通孔的侧壁生长一层氧化层；

S06：在所述第一SOI片的器件层表面沉积一层金属金作为上电极，嵌入式通孔侧壁表面的金属作为金属引线，所述金属引线将上电极的信号引到嵌入式通孔的底面；

S07：在所述第一SOI片的器件层表面固定氧化硅片；

S08：依次去除第二SOI片的衬底层和埋氧层；

S09：在第二SOI片的器件层表面形成图形化金属层，其包括接触所述嵌入式通孔侧壁的金属引线部分；

S10：将得到的CMUT阵元用导电胶固定在柔性衬底电路上；

S11：去除氧化硅片，得到电容式微机械超声波换能器。

5.根据权利要求4所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1～10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。

6.根据权利要求4所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，所述步骤S03具体包括：

将第二SOI片的衬底层用石蜡粘到抛光头上，然后用化学机械抛光将第一SOI片的衬底层的厚度减薄至一定厚度，最后用KOH或TMAH溶液湿法腐蚀去除剩余的衬底层，再用干法刻蚀去除第一SOI片的埋氧层。

7.根据权利要求4所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，所述步骤S07中所述第一SOI片的器件层表通过临时键合胶与氧化硅片键合。

8.根据权利要求4所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，所述步骤S08-S09之间还包括：

在第二SOI片的器件层表面生长一层氧化物层；

对第二SOI片的器件层表面的氧化物层进行选择性刻蚀，得到露出一部分器件层表面的空腔和露出嵌入式通孔的空腔。

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