CN114505213B

CN114505213B - 一种cmut芯片及其加工方法、cmut

Info

Publication number: CN114505213B
Application number: CN202210064836.2A
Authority: CN
Inventors: 宋金龙; 郑欣怡; 周六辉
Original assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Current assignee: China North Industries Group Corp No 214 Research Institute Suzhou R&D Center
Priority date: 2022-01-20
Filing date: 2022-01-20
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2042-01-20
Also published as: CN114505213A

Abstract

本发明公开了一种CMUT芯片及其加工方法、CMUT，CMUT芯片包括上电极焊盘、下电极焊盘、振动薄膜、支撑元件、腔体、氧化层和衬底，上电极焊盘和下电极焊盘均分布在振动薄膜的表面上；在振动薄膜上形成有隔离槽，将振动薄膜分隔成两部分，两部分中较大的部分作为上电极，较小的部分作为下电极引出端，使得下电极引出端与振动薄膜的其他部分电学隔离，在隔离槽内填充有多晶硅，保证了振动薄膜对腔体的密封性。由于上电极和下电极均为低电阻率硅，与传统结构相比，避免了振动薄膜厚度产生的等效距离，有效地减小了上电极和下电极之间的距离，增大了振动薄膜受到的静电力，可以有效地提高CMUT的发送电压响应。

Description

一种CMUT芯片及其加工方法、CMUT

技术领域

本发明涉及微机电技术领域，具体地涉及一种CMUT芯片及其加工方法，以及具有该CMUT芯片或具有通过所述加工方法加工而成的CMUT芯片的CMUT。

背景技术

电容式微机械超声换能器(Capacitive Micromachined UltrasonicTransducer, CMUT)是一种可以实现声电转换的器件，由若干个相同的阵元组成，典型的CMUT结构如图1所示，主要由上电极1’、振动薄膜5’、腔体6’以及衬底7’组成，上电极1’是金属材料，分布在振动薄膜5’上，在上电极1’与振动薄膜5’之间有一层氧化层4’，衬底7’是一层低电阻率硅，该衬底7’的底部设有下电极8’。当CMUT上、下电极的电压差为V时，振动薄膜受到的静电力为：

（1）

式中，

为真空介电常数(8.854×10^-12F/m)；A为传感器上、下极板正对有效面积；

，为CMUT上、下极板之间的有效距离；

为振动薄膜的厚度，

为硅的相对介电常数，

为真空腔体的高度，

为氧化层的厚度，

为氧化层的相对介电常数。

假设CMUT受一个幅值为V _AC、频率为f的交流激励电压信号的作用，则理想情况下CMUT的发射功率为：

（2）

式中，

为振动薄膜在电压V _AC作用下的振动幅值。

从公式(2)可以看出，对于变极距型CMUT，其发射功率与上、下极板间有效距离平方的倒数成正比。因此，减小上、下极板间的有效距离可以有效地提高CMUT的发射能力。

中国申请专利《一种复合微机械电容式超声换能器》，申请号CN201620866657.0，公开了CMUT低频结构包括第一电极和振动薄膜的支撑体，二者通过绝缘层隔离，第一电极为硼重掺杂衬底，高频结构包括振动薄膜层和设置在振动薄膜表面的第二电极，高频腔体支撑墙与振动薄膜层形成高频腔体。

中国申请专利《收发性能平衡的微机电超声换能器面阵探头及制备方法》，申请号CN201710009233.1，公开了CMUT面阵探头包括硅衬底、氧化层、振动薄膜、隔离层、隔离槽和上电极。隔离槽贯穿隔离层和振动薄膜，隔离层的上表面上正对每个空腔的中心位置处设有上电极。

中国申请专利《一种超宽频带MEMS换能器》，申请号CN201710217878.4，公开了CMUT阵元上设置有至少两组大小不同的振动微元，每个CMUT阵元均包括由下到上依次设置的基座层、绝缘层和振动薄膜层，振动薄膜层上设置有多个图形化的上电极，基座层上与多个上电极对应位置设置有空腔，每一个上电极及与其对应的振动薄膜层、绝缘层、空腔、基座层、下电极和基座构与一个振动微元，不同组的振动微元交错设置在CMUT阵元上。

中国申请专利《一种全员极凸纹结构CMUT器件的制备方法》，申请号CN201810515043.1，公开了CMUT将高浓度掺杂的硅晶圆作为基底，使用表面微加工技术和电镀工艺依次在基底上制备绝缘层、空腔、振动薄膜、凸纹结构的圆环，全覆盖于振动薄膜的顶电极、底电极极板及导线。

上述申请专利所提出的CMUT中的上电极加工在振动薄膜的表面，下电极在振动薄膜的另一侧，振动薄膜的厚度增加了上、下电极之间的有效距离，由上述公式可知，不利于提高CMUT的发射能力，振动薄膜的厚度越大，CMUT的发射能力受到的影响越大。因此，有必要开发设计一种新的CMUT以解决上述技术问题。

发明内容

针对上述存在的技术问题，本发明目的是提供一种CMUT芯片及其加工方法、CMUT，通过将低电阻率硅作为上电极和下电极，减小上、下极之间的有效距离，有效地提高CMUT的发送电压响应。

本发明的技术方案是：

本发明其中一个目的在于提供一种CMUT芯片，包括上电极焊盘、下电极焊盘、振动薄膜、支撑元件、腔体、氧化层和衬底，所述上电极焊盘和下电极焊盘均分布在所述振动薄膜的表面上；

在所述振动薄膜上形成有隔离槽，在所述隔离槽内填充有多晶硅，所述多晶硅将所述振动薄膜分隔成电学隔离的两部分，其中所述两部分中较大的部分作为所述上电极，较小的部分作为下电极引出端，所述下电极焊盘对应设于所述下电极引出端的上方；

所述支撑元件设于所述振动薄膜与所述氧化层之间，所述氧化层设于所述衬底的上方，在所述支撑元件上开设有多个相连通的腔体，在每个所述腔体内对应分布有一个所述下电极，相邻的下电极之间通过下电极互连线相互连接；

所述振动薄膜、所述下电极和下电极互连线均采用低电阻率硅加工而成。

优选地，多个所述腔体呈阵列排布，多个所述腔体中的一个腔体作为共用电极的腔体，其余的腔体作为敏感单元的腔体。

优选地，所述上电极、下电极、下电极互连线和振动薄膜均采用电阻率小于或等于0.01Ω.cm的硅加工而成。

本发明还有一个目的在于提供上述的电容式微机械超声波换能器芯片的加工方法，包括以下步骤：

干法刻蚀第一SOI晶圆的器件层，定位敏感单元的腔体、下电极引出端；

干法刻蚀第一SOI晶圆的器件层到氧化层，将下电极、下电极互连线、下电极引出端与第一SOI晶圆的器件层的其余部分电学隔离；

干法刻蚀第二SOI晶圆的器件层到氧化层得到隔离槽；

在所述隔离槽中填充多晶硅；

将第一SOI晶圆的器件层和第二SOI晶圆的器件层进行硅硅键合；

去除第二SOI晶圆的衬底层和氧化层，将第二SOI晶圆的器件层转移到第一SOI晶圆上作为振动薄膜；

在所述振动薄膜表面沉积一层金属；

将所述金属用剥离工艺图形化，得到上电极焊盘和下电极焊盘，并进行退火处理，使得金属与硅形成欧姆接触。

优选地，其中干法刻蚀第一SOI晶圆的器件层，定义敏感单元的腔体、下电极引出端的步骤中，刻蚀的深度为设计的CMUT的上电极与下电极之间的距离。

本发明还有一个目的在于提供一种CMUT，包括上述任一项的CMUT芯片或由上述任一项所述的加工方法加工而成的CMUT芯片。

与现有技术相比，本发明的优点是：

本发明的CMUT芯片，由于上电极和下电极均为低电阻率硅，与传统结构相比，避免了振动薄膜厚度产生的等效距离，有效地减小了上电极和下电极之间的距离，增大了振动薄膜受到的静电力，可以有效地提高CMUT的发送电压响应。

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为背景技术中的常规的电容式微机械超声波换能器芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例的电容式微机械超声波换能器芯片的结构示意图；

图3为背景技术中的常规结构的电容式微机械超声波换能器芯片的有限元仿真验证结果图；

图4为本发明实施例的电容式微机械超声波换能器芯片的有限元仿真验证结果图；

图5-至图12为本发明实施例的电容式微机械超声波换能器芯片的工艺实现流程结构图。

其中：1、上电极焊盘；2、氧化层；3、振动薄膜；4、腔体；5、下电极；51、下电极引出端；6、下电极焊盘；7、多晶硅；71、隔离槽；8、下电极互连线；9、衬底；10、第一SOI晶圆；101、第一衬底层；102、第一器件层；103、第一氧化层；11、第二SOI晶圆；111、第二衬底层；112、第二器件层；113、第二氧化层；12、金属。

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。

实施例：

参见图2至图12，本发明实施例的一种电容式微机械超声波换能器芯片，包括衬底9、振动薄膜3、上电极、下电极5、上电极焊盘1和下电极焊盘6。其中上电极焊盘1和下电极焊盘6均分布在振动薄膜3的表面上，如图2所示，上电极焊盘1和下电极焊盘6分别分布在振动薄膜3的上表面的右端前后两侧。在振动薄膜3上对应下电极焊盘6的下方为下电极引出端51，为了实现下电极引出端51与振动薄膜3的其他部分的电学隔离，在振动薄膜3上位于下电极引出端51的四周形成有隔离槽71，在隔离槽71内填充有多晶硅7，多晶硅7将振动薄膜3分隔成两部分，从而使得下电极引出端51与振动薄膜3的其他部分也即上电极电学隔离，两部分中较大的部分作为上电极，较小的部分作为下电极引出端51。也就是说振动薄膜3有两个作用，一是作为可动元件在静电力作用下将电信号转化为声信号，二是作为电容式微机械超声波换能器芯片的敏感单元的共用上电极。在振动薄膜3的下表面与衬底9的上表面之间由上而下还设有支撑元件和氧化层2，在支撑元件上开设有多个相连通的腔体4，在每个腔体4内对应分布有一个下电极5，相邻的下电极5之间通过下电极互连线8相互连接，也就是说下电极5设于氧化层2上，氧化层2设于衬底9上。多个腔体4呈阵列排布，其中一个腔体4作为共用下电极的腔体，其余腔体4作为敏感单元的腔体。如图2所示，腔体4呈三行三列的矩阵排布，也就是说腔体4的数量为九个，其中八个腔体4可作为敏感单元，八个敏感单元的腔体4内均一一对应设有一个下电极5，相邻的下电极5之间通过下电极互连线8实现相互连接，也就是说，下电极5的数量为九个，其中一个下电极5作为共用下电极，从而构成一个具有八个敏感单元的器件。需要说明的是，腔体4的数量或者说敏感单元的数量在实际设计中会远大于八，为了便于说明结构特点仅以八个为例进行说明，腔体4的排布方式也可以不为阵列排布，比如还可以为两行之间交错紧密排布。振动薄膜3、下电极5和下电极互连线8均采用低电阻率的硅加工而成。相比背景技术中也即图1中的传统CMUT结构而言，本发明实施例的CMUT芯片，由于上电极和下电极5均为低电阻率硅，避免了振动薄膜厚度产生的等效距离，由背景技术中公式（2）可以得知，本发明的CMUT芯片结构可以有效提高相同静电力情况下CMUT的发射能力。

根据本发明的一些优选实施例，上电极、下电极5、下电极互连线8、振动薄膜3均采用电阻率小于或等于0.01Ω.cm的低电阻率的硅材料加工而成。由于上电极、下电极5、振动薄膜3均为低电阻率的硅，可视为良导体。由此可知，本发明实施例的CMUT的两极板间的距离为振动薄膜3的下表面到下电极5的上表面之间的距离。

参见图5至图12，为了便于描述和区分，将第一SOI（Silicon-on-Insulator）晶圆10的器件层描述为第一器件层102，将第一SOI晶圆10的氧化层描述为第一氧化层103，将第一SOI晶圆10的衬底层描述为第一衬底层101，将第二SOI晶圆11的器件层描述为第二器件层112，将第二SOI晶圆11的氧化层描述为第二氧化层113，将第二SOI晶圆11的衬底层描述为第二衬底层111。

本发明实施例还提供了一种用于上述实施例的电容式微机械超声波换能器芯片的加工方法，包括以下步骤：

参见图5，干法刻蚀第一SOI晶圆10的器件层也即第一器件层102，定位敏感单元的腔体4、下电极引出端51；该步骤中，刻蚀的深度为设计的CMUT的上电极与下电极5之间的距离也即上述实施例中振动薄膜3的下表面至下电极5的上表面之间的距离。

参见图6，干法刻蚀第一SOI晶圆10的器件层到氧化层也即第一氧化层103，将下电极5、下电极互连线8、下电极引出端51与第一SOI晶圆10的器件层也即第一器件层102的其余部分也即上电极之间电学隔离；

参见图7，干法刻蚀第二SOI晶圆11的器件层也即第二器件层112到氧化层也即第二氧化层113得到隔离槽71；该步骤中，隔离槽71的设置将下电极5引出所需要的振动薄膜3部分与其它区域隔离，也就是使得作为下电极引出端51的部分与作为上电极的部分电学隔离。

参见图8，在隔离槽71中填充多晶硅7；该步骤中多晶硅7填充，起到电学隔离的作用同时也保证了振动薄膜3的密封性，保证腔体4内真空的作用。

参见图9，将第一SOI晶圆10的器件层也即第一器件层102和第二SOI晶圆11的器件层也即第二器件层112进行硅硅键合；

参见图10，去除第二SOI晶圆11的衬底层也即第二衬底层111和氧化层也即第二氧化层113，将第二SOI晶圆11的器件层也即第二器件层112转移到第一SOI晶圆10上作为振动薄膜3；

参见图11，在振动薄膜3表面沉积一层金属12；

参见图12，将金属12用剥离工艺图形化，得到上电极焊盘1和下电极焊盘6，并进行退火处理，使得金属12与硅形成欧姆接触。在该步骤中，剥离工艺和退火处理的具体工艺参数不做特别限定，为现有技术中常规的剥离工艺和退火处理的工艺。

根据本发明的一些实施例，在将所述金属12用剥离工艺图形化，得到上电极焊盘1和下电极焊盘6，并进行退火处理，使得金属12与硅形成欧姆接触的步骤之后，还包括划片得到电容式微机械超声换能器阵列或单个阵元。如图12所示，在振动薄膜3的上端左侧的是上电极焊盘1，在振动薄膜3的上端右侧的是下电极焊盘6。需要说明的是，上电极焊盘1和下电极焊盘6的位置不局限于上述描述，还可以为其他位置，本领域技术人员可以根据具体情况进行改变设计。

采用本发明实施例的加工方法得到的CMUT芯片，相比传统结构和工艺制备的CMUT芯片，由于上电极和下电极5均是低电阻率硅，有效地减小了上电极和下电极5之间的距离，增大了振动薄膜受到的静电力，可以有效地提高CMUT的发送电压响应。为了使得提高的发送电压响应越明显，可以适当增加振动薄膜的厚度。

参见图3和图4，为验证本发明提出新型结构的电容式微机械超声换能器（CMUT）的可行性，对传统芯片结构和本发明芯片结构的CMUT进行了有限元仿真验证。直流偏置电压、交流激励电压和频率相同时，传统结构和本发明结构的表面中心点处的声压分别如图3和图4所示，传统芯片结构的CMUT的敏感单元发射的声压约为3kPa，本发明提出的新型芯片结构的CMUT的敏感单元的发射声压约为20kPa，为传统结构的6.7倍。因此，可以看出，本发明提出的新型芯片结构的CMUT可以有效地提高CMUT的发射能力。

本发明实施例还提供了一种CMUT，包括上述实施例的CMUT芯片或由上述实施例中的加工方法加工而成的CMUT芯片。

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

1.一种CMUT芯片的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

干法刻蚀第一SOI晶圆的器件层到氧化层，将下电极、下电极互连线、下电极引出端与第一SOI晶圆器件层的其余部分电学隔离；

干法刻蚀第二SOI晶圆的器件层到氧化层得到隔离槽；

在所述隔离槽中填充多晶硅；

在所述振动薄膜表面沉积一层金属；

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，其中干法刻蚀第一SOI晶圆的器件层，定义敏感单元的腔体、下电极引出端的步骤中，刻蚀的深度为设计的CMUT的上电极与下电极之间的距离。

3.一种CMUT芯片，包括上电极焊盘、下电极焊盘、振动薄膜、支撑元件、腔体、氧化层和衬底，其特征在于，所述的CMUT芯片由权利要求1或2所述的加工方法加工而成；

所述上电极焊盘和下电极焊盘均分布在所述振动薄膜的表面上；

4.根据权利要求3所述的CMUT芯片，其特征在于，多个所述腔体呈阵列排布，多个所述腔体中的一个腔体作为共用电极的腔体，其余的腔体作为敏感单元的腔体。

5.根据权利要求3所述的CMUT芯片，其特征在于，所述上电极、下电极、下电极互连线和振动薄膜均采用电阻率小于或等于0.01Ω.cm的硅加工而成。

6.一种CMUT，其特征在于，包括权利要求1或2所述的加工方法加工而成的CMUT芯片或根据权利要求3-5任一项所述的CMUT芯片。