CN113560158B - 压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法，所述压电微机械超声换能器采用三维结构设计，能显著降低芯片尺寸，同时减少因为金属布线引起的寄生电阻，电容相关的功耗，延迟，不均匀性，对提高产品性能、降低成本、改善良率等具有显著效益，能实现芯片小型化、高密度集成。本发明的压电微机械超声换能器的制造工艺流程与半导体主流工艺与设备兼容，垂直方向连线与现有芯片BGA封装工艺兼容，具有广泛的适应性。
Description
技术领域
本发明涉及压电微机械超声换能器（PMUT：Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducers ） 3D （3 dimensional三维）新结构，并且涉及用于制造3D PMUT的新型半导体微机械加工技术。同时，作为PMUT的直接应用，本发明涉及用于医学成像，指纹识别，触屏或手势识别的电子传感器阵列及相关显示器，其中都需要使用高性能，高分辨率的PMUT。
背景技术
超声诊断仪，通过其超声探头，向人体发射超声波，并利用其在人体器官、组织的传播过程中，由于声的反射、折射、衍射而产生的各种信息，将其接收、放大和进行信息处理，形成图像或血流多普勒，最终在显示器上显示。一台医用彩色超声诊断仪主要包括: 探头、主机、控制面板、显示器及其他附件。
在人类社会进入大医疗时代，医学超声应用得到快速发展。从医学成像，如胎儿B超，到肝脏，肾脏扫描，超声扫描已遍及全世界。与其他成像技术相比，超声成像技术具有对患者无创无痛苦、实时性好、安全、价格低廉等优点，在预防、诊断、治疗疾病患者中有很高的使用率，广泛应用于消化科、妇科、产科、泌尿 科、胸科、小器官、儿科、心脏科、急诊等多种检临床检查， 且逐渐与其他临床科室结合，发展出消化科(超声内镜)、心 外科(血管内超声)等检查应用，目前超声已是不可或缺的检查方法。
超声技术与产品正在快速进入人们的日常生活。智能手机是其中一个重要的应用。手机指纹识别不仅快捷，方便，也大大地提高了用户安全性。由于超声传感器具有宽视场，即使安装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量，因此手机设计可以省略手机前面的光学接近传感器，方便实现手机全屏设计。
汽车中装了超声测距传感器后，能保持驾驶与倒车，停车安全距离，十分方便。进而广之，MEMS超声波传感器已进入无人机及机器人等应用领域。在这类应用中，微型超声波传感器可以精确地追踪目标，形成阵列空间雷达，实时监测人体移动，位置和动作变化，与VR/AR无缝连接。
超声波传感器在工业控制中也有广泛应用。例如，探测飞机机翼表面的形状改变，检测是否有结冰，从而影响飞行安全。超声波传感器安装在飞机发动机上，可以实时探测发动机引擎是否有裂纹，及时发现问题，进行维修，替换。
传统超声探头是用压电陶瓷晶体机械切割、排列、金属互连布线的方法实现的。如图2所示。首先取一块压电陶瓷晶体，固定在支撑衬底上，沿X， Y 方向进行机械切割。这种加工方式成品率低，容易造成机械损伤，成本难以管控，难以很难做到大规模生产。更重要的是，机械加工精度低，最小成品晶体的尺寸受到限制，达不到高分辨率医学成像对PMUT日益缩小尺寸的要求。
用压电陶瓷晶体机械切割，排列，金属互连布线的方法制作超声探头亦远远满足不了现代超声应用的要求。基于CMOS 工艺的 MEMS （微机电系统）技术开始受到重视，被视为超声传感器的发展方向。半导体MEMS 超声传感器得益于CMOS工艺的高精度，高成品率，是最有希望实现高分辨率医学超声阵列传感器的技术。
PMUT薄膜压电超声换能器最常用材料有AlN (氮化铝) 和 PZT （锆钛酸铅，Pb(ZrTi)O3, 简写PZT）。这些材料及其工艺制程与标准CMOS 工艺相比，还有相当程度的差异。例如PZT 材料，必须有特殊的，与CMOS工艺不同的，淀积设备，腐蚀与清洗设备，需要相当程度的投资。同时，PZT 材料会对CMOS 工艺产生金属污染，影响CMOS 产品的性能与可靠性。因此，全球只有为数很少的PMUT 工艺生产线。在CMOS 工艺基础上添加PMUT 工艺，做出高性能，低成本的超声换能器还需要器件结构，工艺流程，系统设计上的不断创造，更新。AlN (氮化铝)压电材料与PZT类似，也需要特殊机器设备，有额外的投资需求。
一个典型的PMUT压电超声换能器结构100如图1所示，包括：
衬底材料160，一般可以是硅材料或二氧化硅材料，二氧化硅通常也会淀积在硅衬底上。
空腔120，一般是在衬底材料上腐蚀形成的空腔体，保留空间给PMUT 可以上下作机械振动，发射，或接受超声波。
机械层130， 作为PMUT 可振动薄膜的机械支撑，保证PMUT 工作寿命。机械层130材质（厚度，比重，杨氏模量等参数）也会影响PMUT 振动频率。
氧化物层132，一般是CMOS 工艺过程中在硅表面产生的二氧化硅层。除了对硅表面有保护作用外，氧化物层132 的厚度也会影响PMUT 振动频率。
压电层三明治堆叠结构中包含压电材料层115，被分别安置在所述压电层115下面和上面的相关联的电极层，下部电极112和上部电极114。
压电材料层115最常用的材料是PZT 锆钛酸铅（（Pb(ZrTi)O3, 简写PZT）和氮化铝(AlN)。
下部电极112和上部电极114，通常是铂金Pt 材料或铂金与钛金属的多层结构。下部电极112和上部电极114在压电材料中产生电场，从而产生材料的膨胀与压缩，进而产生沿着垂直方向的机械振动，发射超声波。这就是著名的压电效应。
PMUT 机械振动的频率与压电层三明治堆叠结构中各层材料的材质，机械层130，氧化物层132的材质，所有材料的厚度，空腔120的形状与尺寸有关。所有材料的机械应力对振动频率也有影响。
高分辨率，高集成度的医疗应用PMUT 超声探头，需要10-50MHz兆赫的高频。对PMUT 结构100中，不同结构的尺寸大小与其精度控制要求很高，例如空腔120尺寸的大小，空腔120尺寸变化范围的控制直接影响超声探头的工作频率，工作带宽等关键参数。目前常用的从硅片背面腐蚀，形成空腔120结构的方法，其造成的空腔120结构尺寸的变化可能在5-10微米，甚至更大。根本达不到高频，高分辨率的要求。同时，从硅片背面腐蚀，形成空腔120结构的方法，很难做到同时形成不同的空腔120结构尺寸。这就限制了做单片多频超声探头的可能性，在应用上是一大限制。
与空腔120尺寸的大小，空腔120尺寸变化范围的控制要求类似，PMUT压电超声换能器结构100中的薄膜厚度及其控制也是相当关键。例如压电材料层115，机械层130，下部电极112，上部电极114等，其薄膜厚度及其控制，材料的比重，杨氏模量，甚至材料内部的机械应力，都直接影响超声探头的工作频率，工作带宽，超声输出功率，机电耦合系数等关键参数。
现有 PMUT 阵列技术与产品应用中，不管是用晶体切割的方法，还是用MEMS 半导体 IC 的方法，实现 PMUT 与外围电路与系统的电学连接都面临很大挑战。图2 是一个典型的PMUT阵列芯片的俯视示意图。芯片中心是PMUT 7 X 12二维阵列，芯片周边是压焊块，用以实现与电路封装管脚的电学连接。由于阵列中每个PMUT单元都必须连接到压焊块，实现电学连接的金属布线都有引线宽度，引线间距的设计规则要求，其结果是，大部分的芯片面积实际被用于金属布线。金属布线所占用的芯片面积远远大于 PMUT 阵列所占用的芯片面积，极不经济。同时，较长的金属布线长度，增加了电阻电容的寄生效应，对 PMUT 阵列的工作频率，功耗等均有不良影响。布线长短不齐也会直接影响 PMUT 阵列工作的均匀性。
发明内容
为了解决现有PMUT的上述缺陷，本发明提出一种高密度集成的PMUT，采用创新的3D架构，能够大幅度降低现有PMUT金属布线引起的诸多性能、成本上的不良影响。
本发明具体采用如下技术方案：
本发明实施例提供了一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底、衬底材料、氧化物层、机械层、下层金属层、压电材料层和上层金属层，所述衬底材料布置有至少一空腔、至少一第一层金属布线、至少一第二层金属布线，所述至少一第一层金属布线连接所述硅衬底正面，所述至少一第二层金属布线位于所述第一层金属布线上方，所述至少一第一层金属布线通过至少一金属引线孔与所述至少一第二层金属布线垂直互连；所述硅衬底布置有实现所述至少一第一层金属布线与所述硅衬底背面垂直互连的至少一硅正反面穿孔TSV；所述超声换能器布置有实现所述上层金属层与所述至少一第二层金属布线垂直互连的至少一上层金属链接孔ZTM，或实现所述下层金属层与所述至少一第二层金属布线垂直互连的至少一下层金属链接孔ZBM。
本发明实施例还提供了一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底、衬底材料、氧化物层、机械层、下层金属层、压电材料层和上层金属层，所述衬底材料上布置有两个空腔、两个第一层金属布线、两个第二层金属布线，所述两个第一层金属布线分别连接所述硅衬底正面，所述两个第二层金属布线位于所述两个第一层金属布线上方，所述两个第一层金属布线分别通过两个金属引线孔与位于其上方的所述两个第二层金属布线垂直互连；所述硅衬底布置有分别实现所述两个第一层金属布线与所述硅衬底背面垂直互连的两个硅正反面穿孔TSV；所述超声换能器还布置有实现所述上层金属层与所述两个第二层金属布线中其中一个第二层金属布线垂直互连的上层金属链接孔ZTM，以及实现所述下层金属层与所述两个第二层金属布线中另一个第二层金属布线垂直互连的下层金属链接孔ZBM。
优选地，所述机械层采用与所述硅衬底相同的材料。
本发明实施例还提供一种压电微机械超声换能器阵列芯片，其特征在于包括多个所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，所述压电微机械超声换能器通过所述至少一上层金属链接孔ZTM或所述至少一下层金属链接孔ZBM将其上层金属层或下层金属层垂直连接到其第二层金属布线，继而通过所述至少一金属引线孔垂直连接到所述至少一第一层金属布线，再通过所述至少一硅正反面穿孔TSV引到硅芯片背面接到印刷电路板。
本发明实施例还提供一种压电微机械超声换能器阵列芯片，其特征在于包括多个所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，所述压电微机械超声换能器分别通过所述上层金属链接孔ZTM将所述上层金属层垂直连接到所述其中一个第二层金属布线、通过所述下层金属链接孔ZBM将所述下层金属层垂直连接到所述另一个第二层金属布线，继而分别通过所述两个金属引线孔垂直连接到相应的第一层金属布线，再分别通过所述两个硅正反面穿孔TSV引到硅芯片背面接到印刷电路板。
本发明实施例还提供了所述压电微机械超声换能器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、准备第一硅片，在表面生长二氧化硅，淀积金属层，光刻腐蚀出第一层金属布线，铝压焊块，去胶清洗；
步骤2、低温淀积衬底材料，光刻腐蚀、金属淀积填充形成第一、第二层金属布线之间的金属引线孔；
步骤3、淀积金属层，光刻腐蚀出第二层金属布线，去胶清洗；
步骤4、低温淀积衬底材料，化学机械抛光形成平整的衬底材料表面；
步骤5、光刻腐蚀出空腔，去胶清洗；
步骤6、准备第二硅片，在表面生长二氧化硅，低温淀积衬底材料，并与所述第一硅片完成键合；
步骤7、对第二硅片背面进行研磨、化学液体腐蚀、化学机械抛光减薄厚度；
步骤8、金属淀积出下层金属层；
步骤9、压电材料淀积出压电材料层；
步骤10、顶层金属淀积、光刻腐蚀形成上层金属层；
步骤11、光刻腐蚀、金属淀积填充形成金属链接孔；
步骤12、金属光刻腐蚀形成所需布线；
步骤13、硅衬底正反面光刻腐蚀穿通，金属淀积出硅正反面穿孔TSV。
优选地，所述步骤6中，采用二氧化硅 Fusion Bond 技术对二氧化硅表面进行等离子处理后，将晶圆衬底材料面对面对准，加压加热、褪火，完成键合。
优选地，所述下层金属层采用下层钛金属、上层铂金材料的多层结构，钛金属层、铂金材料层厚度分别是20纳米和100纳米，钛金属层采用溅射方法形成，铂金材料层采用大电流高温电子枪在真空中蒸发形成。
优选地，所述金属引线孔、金属链接孔采用金属钛/氮化钛溅射、热衬底金属铝淀积形成。
优选地，所述步骤5中，先光刻形成空腔Cavity图形，再采用等离子化学气相腐蚀衬底材料，形成空腔，所述空腔深度2微米。
优选地，所述第二硅片减薄后的厚度为2-3微米。
有益效果：
现有2D 平面 PMUT 阵列设计与工艺中，金属布线所占用的芯片面积远远大于PMUT 阵列本身所占用的芯片面积，极不经济。同时，较长的布线长度，对 PMUT 的工作频率、功耗、散热等重要指标均有不良影响，布线长短不齐也会直接影响 PMUT 阵列工作的均匀性。本发明所提出的三维 PMUT 结构设计与工艺流程，利用垂直空间的布线连接可以显著减小布线长度。本发明所提出的三维 PMUT 结构设计与工艺流程，能显著降低芯片尺寸，同时减少因为金属布线引起的寄生电阻，电容相关的功耗，延迟，不均匀性，对提高产品性能、降低成本、改善良率等具有显著效益，能实现芯片小型化、高密度集成。
附图说明
图 1为现有PMUT 2D 结构示意图；
图 2为本发明实施例一的PMUT结构示意图；
图3为本发明实施例二的PMUT结构示意图；
图4为本发明实施例三的PMUT结构示意图；
图5为现有PMUT阵列芯片结构示意图；
图6为本发明实施例五的PMUT阵列芯片结构示意图；
图7-图14分别为本发明实施例六步骤1-8对应的示意图；
图15为本发明实施例六步骤9-11对应的示意图；
图16为本发明实施例六步骤12对应的示意图；
图17-19为本发明实施例六步骤13对应的示意图；
图20为本发明实施例六步骤14对应的示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明技术方案进一步详细描述。
实施例一
如图2所示，本实施例提供一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，自下而上包括硅衬底161、衬底材料160、氧化物层132、机械层130、下层金属层112、压电材料层115和上层金属层114。衬底材料160布置有空腔120、第一层金属布线201、第二层金属布线202。其中，第一层金属布线201连接硅衬底161正面。第二层金属布线202位于第一层金属布线201上方。第一层金属布线201通过金属引线孔212与第二层金属布线202垂直互连。硅衬底161布置有贯穿整个硅衬底161的硅正反面穿孔TSV 162，硅正反面穿孔TSV 162实现第一层金属布线201与硅衬底161背面垂直互连。超声换能器还布置有贯穿压电材料层115、上层金属层114、机械层130、氧化物层132进入衬底材料160与第二层金属布线202连接的上层金属链接孔ZTM 163-1，上层金属链接孔ZTM 163-1实现上层金属层114与第二层金属布线202垂直互连。因为上层金属链接孔ZTM 163-1经过高度不同的 PMUT 顶层金属TM，压电材料PZT，再垂直连接，其剖面形状近似Z字型，故称Z型孔。Z型孔可以实现超过两个结点的电学连接，例如，上层金属链接孔ZTM 163-1实现上层金属层114与第二层金属布线202垂直互连的同时，可以连接其它邻近PMUT的上层金属。
实施例二
如图3所示，本实施例提供一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，与实施例一结构相似，不同之处在于本实施例中利用下层金属链接孔ZBM 163-2实现下层金属层112与第二层金属布线202垂直互连。下层金属链接孔ZBM 163-2的剖面形状也近似Z字型，也为Z型孔。
实施例三
如图4所示，本实施例提供一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，采用双单元结构，自下而上包括：硅衬底161、衬底材料160、氧化物层132、机械层130、下层金属层112、压电材料层115和上层金属层114。衬底材料160布置有两个空腔120、两个第一层金属布线201、两个第二层金属布线202，两个空腔120、两个第一层金属布线201、两个第二层金属布线202分别处于同一水平高度，出自两个PMUT单元两个第一层金属布线201分别连接硅衬底161正面，两个第二层金属布线202分别位于两个第一层金属布线201上方，两个第一层金属布线（201）分别通过两个金属引线孔212与位于其上方的第二层金属布线202垂直互连。硅衬底161布置有贯穿整个硅衬底161的两个硅正反面穿孔TSV 162，分别实现两个第一层金属布线201与硅衬底161背面垂直互连。超声换能器还布置有上层金属链接孔ZTM 163-1和下层金属链接孔ZBM 163-2，两个金属链接孔贯穿压电材料层115、上层金属层114、机械层130、氧化物层132进入衬底材料160分别与两个第二层金属布线202连接，其中，上层金属链接孔ZTM 163-1实现与其连接的第二层金属布线202与上层金属层114垂直互连，下层金属链接孔ZBM 163-2实现与其连接的第二层金属布线202与下层金属层112垂直互连。
实施例一-三的压电微机械超声换能器，采用第一、二层金属布线的布线设计，提供了双层金属布线密度，显著增加了 PMUT阵列的互连性，可以实现多个PMUT单元的并联，串联，为PMUT 阵列设计提供了很多灵活性，同时大大减小金属布线的长度与占用面积，从而显著减小芯片面积。
实施例一-三的压电微机械超能换能器，通过垂直走向的金属链接孔将压电层三明治堆叠结构中的金属电极垂直互连到第二层金属布线，再通过垂直走向的金属引线孔垂直互连到第一层金属布线，然后通过硅正反面穿孔TSV互连到硅芯片背面。采用上述垂直布线设计，可以把平面 PMUT 中的压焊块及金属引线大部分省略，由垂直方向引向硅片背面，实现了金属连线由 2D（二维）平面布线向 3D（三维）的过渡，可以显著减小芯片以及封装体积。
实施例四
本实施例提供一种压电微机械超声换能器阵列芯片，包括多个实施例一、二所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器。压电微机械超声换能器通过其上层金属链接孔ZTM 163-1或下层金属链接孔ZBM 163-2 将其上层金属层114或下层金属层112垂直连接到其第二层金属布线202，继而通过其金属引线孔212垂直连接到其第一层金属布线201，再通过其硅正反面穿孔TSV 162 引到硅芯片背面接到印刷电路板，通过合理布线，可实现多个压电微机械超声换能器的串、并联。
实施例五
本实施例提供一种压电微机械超声换能器阵列芯片，包括多个实施例三所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，压电微机械超声换能器分别通过所述上层金属链接孔ZTM 163-1将所述上层金属层114垂直连接到相应的第二层金属布线202、通过所述下层金属链接孔ZBM 163-2将所述下层金属层112垂直连接到相应的第二层金属布线202，继而分别通过所述两个金属引线孔212垂直连接到相应的第一层金属布线201，再分别通过所述两个硅正反面穿孔TSV 162引到硅芯片背面接到印刷电路板，通过合理布线，可实现多个压电微机械超声换能器的串、并联。
如图5、6所示，针对单元尺寸60 X 60 微米，“7 X 12阵列”的PMUT芯片布局布线进行模拟，与采用2D PMUT 结构相比，采用本发明 3D 结构的PMUT在下列主要产品参数都有大幅度提升：芯片面积减少400%，功耗降低 20%，阵列均匀性提升30%，成本降低25%。
实施例六
如图7-20所示，本实施例提供一种压电微机械超声换能器的制造方法，包括如下步骤：
步骤1、如图7，准备第一硅片，在表面生长100纳米左右的二氧化硅，淀积钛/氮化钛/铝之金属叠层（简称铝层），光刻腐蚀出第一层金属布线，铝压焊块，然后去除光刻胶，清洗。
步骤2、如图8，低温淀积二氧化硅，光刻形成铝层之间的链接孔 Via， 等离子干法腐蚀形成Via孔，去胶，清洗，再进行金属钛/氮化钛溅射，热衬底金属铝淀积填满 Via 互连孔，形成第一、第二层金属布线之间的金属引线孔。
步骤3、如图9，淀积铝层，光刻、等离子化学气相腐蚀出第二层金属布线，去胶清洗。
步骤4、如图10，低温淀积二氧化硅（等离子增强化学气相淀积，PECVD），温度在250—300度，SiO2 厚度在 3 微米左右，然后化学机械抛光形成平整的二氧化硅表面。
步骤5、如图11，光刻腐蚀二氧化硅空腔：涂敷光刻胶，光刻形成空腔体 Cavity 图形，等离子化学气相腐蚀SiO2，形成空腔，深度在 2 微米左右，然后去胶，清洗。
本实施例提出的形成空腔120结构的方法，完全不同于常规的从硅片背面腐蚀形成空腔120结构的方法。利用本实施例方法，空腔120 的尺寸可以做到5微米，甚至更小，空腔120 的尺寸大小的控制精度可以做到+/- 0.25微米。
步骤6、如图12，准备第二硅片，在表面生长100纳米左右的二氧化硅。
步骤7、如图13，低温淀积二氧化硅，并与所述第一硅片完成键合。具体方法是采用业界成熟的二氧化硅 Fusion Bond 技术，对SiO2表面进行等离子处理后，将晶圆SiO2面对面，对准，加压加热，褪火，完成键合。
步骤8、如图14，完成键合后，对第二片硅片背面进行研磨，将厚度减薄到小于100微米。然后进行化学液体腐蚀，进一步减薄硅片到5—6微米，最后进行化学机械抛光CMP（Chemical Mechanical Polishing），剩余硅片厚度在 2-3 微米。
业界在机械层130结构部分，常用的材料是氧化硅，氮化硅，多晶硅，或者是其多层薄膜组合。所有这些材料都不是单晶材料，换言之，由于分子结构的杂序形态，这些材料的机械性能参数，以及薄膜中的机械应力，都会受到工艺制作条件的影响，可控性与制造重复性都存在问题。本实施例提出的硅片键合与减薄的方法，把硅单晶体引入机械层，由于是高质量，高强度的单晶体，机械层的机械参数重复性最佳，内部机械应力也降到最低，均匀性，制造重复性好。
步骤9-11如图15所示。
步骤9、PMUT下层金属层淀积：采用钛金属 Ti 与铂金 Pt 的多层结构，厚度分别是20纳米和100纳米。钛金属Ti增加了金属层与硅及氧化硅的粘附性，铂金 Pt则是最好的导电层之一，可提高压电效率。Ti 金属用溅射方法形成，而铂金 Pt则采用大电流高温电子枪，在真空中蒸发形成。
步骤10、压电材料淀积：压电材料可以是PZT或者是AlN 等其它压电材料。PZT淀积通过溅射方法形成，PZT （锆钛酸铅，Pb(ZrTi)O3,简写PZT），是事先按特殊的原子比例混合准备好的固体靶材。在高真空下，高电压产生的等离子体将 PZT 靶材溅射，淀积到硅片表面。溅射同时，硅衬底施加一定温度让PZT再结晶，形成所需要的压电晶体。PZT 淀积的厚度在1 微米左右。AlN 材料也是由溅射方法形成，溅射时工作温度可以更低（小于400度，甚至更低），对后续工艺集成中减少温度对既有金属的影响更有利。
步骤11、PZT顶层金属淀积：也采用铂金 Pt，其厚度在100纳米，0.1微米。
步骤12、如图16，顶层金属光刻，腐蚀：顶层金属铂金 Pt，必须根据整体产品设计形成一定的形状与布线连接。铂金 Pt是惰性金属，比较难用液体腐蚀的方法成形，本实施例采用等离子干法气相腐蚀方法的方法刻蚀顶层金属，形成上层金属层。
步骤13、光刻腐蚀、金属淀积填充形成上、下层金属链接孔；
因金属链接孔采用Z型孔，首先进行PZT刻蚀，仅腐蚀PZT，如图17区域13， PZT 刻蚀采用国际先进的氯化氢氟化氢等离子干法气相腐蚀方法，该方法不仅腐蚀均匀性好，腐蚀后 PZT 材料的边缘整齐，并有一定的斜坡，方便后续工艺步骤。AlN 材料的刻蚀可以用磷酸，或者对应的等离子干法腐蚀，工艺过程需要相对调整。然后腐蚀PZT与底层金属，如图17区域14，该步骤同时进行 PZT 和下层金属的刻蚀，采用等离子干法气相腐蚀。如图18，再光刻腐蚀Z型孔垂直孔洞Zia，3D 垂直方向电学连接的关键结构之一，就是形成Z型孔垂直孔洞Zia，其作用是把PMUT 的上层金属层、下层金属层在垂直方向连接到第二层金属布线202，再通过金属引线孔201，连接到电路的其它部分，或连接到背面 TSV 压焊块，接至外部电路。 形成Zia光刻孔后，继续腐蚀机械层、二氧化硅层，停止在第二层金属布线202，去胶，清洗。如图19，接着采用Ti/TiN/Al 淀积，其中Ti/TiN 采用溅射方法形成，铝采用热衬底淀积方法，以提高铝金属填充，进入Zia 孔洞。最后金属光刻腐蚀形成所需布线；
步骤14、如图20，硅衬底正反面光刻腐蚀穿通，金属淀积出硅正反面穿孔TSV。具体方法是：
（a）正面涂胶保护，烘干，硬化。
（b）背面进行 TSV 工艺 （目前业界已有成熟的工艺与设备做 TSV 流程，不在此赘述）
（c）本发明已在 PMUT 3D 结构中预备了结构，第一层金属布线201，做TSV腐蚀的停止层 （etch stop landing pad）。
至此，实现了本发明PMUT三维架构的所有工艺制程，通过金属链接孔垂直方向连接，经过两次金属布线增加布线效率，将金属互连从晶圆正面引到背面，显著降低了金属布线所占芯片面积，大幅度减小了芯片尺寸。
本实施例的压电微机械超声换能器的制造工艺流程与半导体主流工艺与设备兼容，垂直方向连线与现有芯片BGA（Ball Grid Array）封装工艺兼容，具有广泛的适应性。
Claims (11)
1.一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底（161）、衬底材料（160）、氧化物层（132）、机械层（130）、下层金属层（112）、压电材料层（115）和上层金属层（114），所述机械层（130）通过具有所述氧化物层（132）的硅片与具有所述衬底材料（160）且所述衬底材料（160）布置有至少一空腔（120）的硅片进行键合后对具有所述氧化物层（132）的硅片进行硅片背面减薄形成；所述衬底材料（160）还布置有至少一第一层金属布线（201）、至少一第二层金属布线（202），所述至少一第一层金属布线（201）连接所述硅衬底（161）正面，所述至少一第二层金属布线（202）位于所述至少一第一层金属布线（201）上方，所述至少一第一层金属布线（201）通过至少一金属引线孔（212）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连；所述硅衬底（161）布置有实现所述至少一第一层金属布线（201）与所述硅衬底（161）背面垂直互连的至少一硅正反面穿孔TSV（162）；所述超声换能器布置有实现所述上层金属层（114）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连的至少一上层金属链接孔ZTM（163-1），或实现所述下层金属层（112）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连的至少一下层金属链接孔ZBM（163-2）。
2.一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底（161）、衬底材料（160）、氧化物层（132）、机械层（130）、下层金属层（112）、压电材料层（115）和上层金属层（114），所述机械层（130）通过具有所述氧化物层（132）的硅片与具有所述衬底材料（160）且所述衬底材料（160）布置有两个空腔（120）的硅片进行键合后对具有所述氧化物层（132）的硅片进行硅片背面减薄形成；所述衬底材料（160）还布置有两个第一层金属布线（201）、两个第二层金属布线（202），所述两个第一层金属布线（201）分别连接所述硅衬底（161）正面，所述两个第二层金属布线（202）位于所述两个第一层金属布线（201）上方，所述两个第一层金属布线（201）分别通过两个金属引线孔（212）与位于其上方的所述两个第二层金属布线（202）垂直互连；所述硅衬底（161）布置有分别实现所述两个第一层金属布线（201）与所述硅衬底（161）背面垂直互连的两个硅正反面穿孔TSV；所述超声换能器布置有实现所述上层金属层（114）与所述两个第二层金属布线（202）中其中一个第二层金属布线（202）垂直互连的上层金属链接孔ZTM（163-1），以及实现所述下层金属层（112）与所述两个第二层金属布线（202）中另一个第二层金属布线（202）垂直互连的下层金属链接孔ZBM（163-2）。
3.如权利要求1或2所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于所述机械层（130）采用与所述硅衬底（161）相同的材料。
4.一种压电微机械超声换能器阵列芯片，其特征在于包括多个权利要求1所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，所述压电微机械超声换能器通过所述至少一上层金属链接孔ZTM（163-1）或所述至少一下层金属链接孔ZBM（163-2）将其上层金属层（114）或下层金属层（112）垂直连接到所述至少一第二层金属布线（202），继而通过所述至少一金属引线孔（212）垂直连接到所述至少一第一层金属布线（201），再通过所述至少一硅正反面穿孔TSV（162）引到硅芯片背面接到印刷电路板。
5.一种压电微机械超声换能器阵列芯片，其特征在于包括多个权利要求2所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，所述压电微机械超声换能器分别通过所述上层金属链接孔ZTM（163-1）将所述上层金属层（114）垂直连接到所述其中一个第二层金属布线（202）、通过所述下层金属链接孔ZBM（163-2）将所述下层金属层（112）垂直连接到所述另一个第二层金属布线（202），继而分别通过所述两个金属引线孔（212）垂直连接到相应的第一层金属布线（201），再分别通过所述两个硅正反面穿孔TSV引到硅芯片背面接到印刷电路板。
6.权利要求1或2所述压电微机械超声换能器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1、准备第一硅片，在表面生长二氧化硅，淀积金属层，光刻腐蚀出第一层金属布线，铝压焊块，去胶清洗；
步骤2、低温淀积衬底材料，光刻腐蚀、金属淀积填充形成第一、第二层金属布线之间的金属引线孔；
步骤3、淀积金属层，光刻腐蚀出第二层金属布线，去胶清洗；
步骤4、低温淀积衬底材料，化学机械抛光形成平整的衬底材料表面；
步骤5、光刻腐蚀出空腔，去胶清洗；
步骤6、准备第二硅片，在表面生长二氧化硅，低温淀积衬底材料，并与所述第一硅片完成键合；
步骤7、对第二硅片背面进行研磨、化学液体腐蚀、化学机械抛光减薄厚度；
步骤8、金属淀积出下层金属层；
步骤9、压电材料淀积出压电材料层；
步骤10、顶层金属淀积、光刻腐蚀形成上层金属层；
步骤11、光刻腐蚀、金属淀积填充形成金属链接孔；
步骤12、金属光刻腐蚀形成所需布线；
步骤13、硅衬底正反面光刻腐蚀穿通，金属淀积出硅正反面穿孔TSV。
7.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述步骤6中，采用二氧化硅 FusionBond 技术对二氧化硅表面进行等离子处理后，将晶圆衬底材料面对面对准，加压加热、退火，完成键合。
8.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述下层金属层采用下层钛金属、上层铂金材料的多层结构，钛金属层、铂金材料层厚度分别是20纳米和100纳米，钛金属层采用溅射方法形成，铂金材料层采用大电流高温电子枪在真空中蒸发形成。
9.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述金属引线孔、金属链接孔采用金属钛/氮化钛溅射、热衬底金属铝淀积形成。
10.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述步骤5中，先光刻形成空腔图形，再采用等离子化学气相腐蚀衬底材料，形成空腔，所述空腔深度2微米。
11.如权利要求6所述的制造方法，其特征在于所述第二硅片减薄后的厚度为2-3微米。
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