CN114947946A - 柔性超声换能器及其制造方法、超声检测装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开一种柔性超声换能器及其制造方法以及一种超声检测装置，所述制造方法包括：提供第一基底，所述第一基底包括第一顶层半导体层；图形化所述第一顶层半导体层，形成贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口，并且在所述第一顶层半导体层表面以及第一开口侧壁表面形成隔离层；提供第二基底，所述第二基底包括第二顶层半导体层；将所述第二顶层半导体层朝向所述第一基底，键合于所述第一基底表面的隔离层表面；去除所述第二衬底层后，在所述第二介质层表面形成压电传感单元，所述第一开口位于所述压电传感单元的正投影区域内；去除所述第一衬底层和所述第一介质层。

Description

柔性超声换能器及其制造方法、超声检测装置

技术领域

本申请涉及压电传感领域，具体涉及一种柔性超声换能器及其制造方法、超声检测装置。

背景技术

超声成像技术由于具有无辐射，实时成像等优点，可以通过超声探头发射和接收超声波实现对被测结构的观察，广泛应用于人体健康检查及其他结构的无损检测。目前的超声换能器探头一般具有特定的几何外形，因此应用范围受到了一定的限制。由于超声波只能在固体或者液体中以较低的损耗传输，因此需要保证探头与被测表面间没有空气间隙。对于柔性被测结构(如人体脏器组织)，采用常规探头进行超声成像时，需要通过涂抹耦合剂和用力按压探头的方式来消除空气间隙，但这种方案可能会引起患者的不适。另外，刚性换能器对异形结构成像具有较大的挑战，特别是被测结构与探头结构具有较大差别时，例如对关节部位的成像。且传统的刚性换能器的结构刚度也使其较难应用于可穿戴设备，如连续颈动脉血流检测传感器等。

柔性可穿戴设备可以较舒适的贴合人体，并能进行长期在线检测，因此受到科研人员的重视。与传统超声传感探头相比，采用柔性超声传感器可能避免或减少对组织的挤压过程，从而提高就医的舒适性，以及采用柔性超声传感器可以有效地贴合人体关节等部位，从而进行有效的超声成像，该种方案可以做到快速和实时的成像，增加了医学成像的手段。

可穿戴传感器一般需要与人体进行贴合，此时需要器件具有一定的结构柔性，可以有效地贴合被测表面，对于提高信号信噪比和无感佩戴具有重要意义。

现有技术中，通常通过在柔性基底上贴合离散化的超声传感单元实现柔性的传感器的制备，制作工艺较为复杂，且无法实现大规模生产。

因此，如何实现柔性产生换能器的大规模生产是目前亟待解决的问题。

发明内容

鉴于此，本申请提供一种柔性超声换能器及其制造方法、超声检测装置，以简化柔性超声换能器的制造难度，实现大规模生产。

本申请提供的一种柔性超声换能器的制造方法，包括：提供第一基底，所述第一基底包括第一衬底层、位于所述第一衬底层表面的第一介质层以及位于所述第一介质层表面的第一顶层半导体层；图形化所述第一顶层半导体层，形成贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口，并且在所述第一顶层半导体层表面以及第一开口侧壁表面形成隔离层；提供第二基底，所述第二基底包括第二衬底层、位于所述第二衬底层表面的第二介质层以及位于所述第二介质层表面的第二顶层半导体层；将所述第二顶层半导体层朝向所述第一基底，键合于所述第一基底表面的隔离层表面；去除所述第二衬底层后，在所述第二介质层表面形成压电传感单元，所述第一开口位于所述压电传感单元的正投影区域内；去除所述第一衬底层和所述第一介质层。

可选的，还包括：在所述第二顶层半导体层表面形成应力层之后，再将所述应力层键合于所述隔离层表面。

可选的，还包括：图形化所述第一顶层半导体层，形成所述第一开口的同时，形成贯穿所述第一顶层半导体层的至少两个第二开口，所述隔离层同时覆盖所述第二开口的侧壁；以及，在形成所述压电传感单元之后，形成贯穿所述第二介质层和所述第二顶层半导体层、并连通至所述第二开口的通孔；在所述通孔及第二开口内填充导电材料，形成垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元电连接。

可选的，所述压电传感单元包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的功能薄膜；

所述制造方法还包括：在形成所述通孔之前，形成至少覆盖所述功能薄膜的钝化层；以及，在所述通孔及开口内填充导电材料，形成金属连接结构的方法包括：形成填充满所述通孔且覆盖所述第二介质层、压电传感单元以及钝化层的导电材料层，对所述导电材料层进行图形化，形成所述垂直互连结构；在所述钝化层上形成电连接所述顶电极的互连引线；所述垂直互连结构包括：第一互连结构和第二互连结构，所述第一互连结构电连接所述底电极，所述第二互连结构电连接所述互连引线；所述钝化层隔离所述底电极和所述第二互连结构，所述钝化层隔离所述顶电极与所述第一互连结构。

可选的，还包括：将所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面固定于柔性电路层表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层电连接。

可选的，将形成有所述压电传感单元的一侧通过黏合胶固定于一基板表面后再去除所述第一衬底层和所述第一介质层，以暴露出所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面，并将该表面固定于所述柔性电路层表面；然后去除所述基板以及所述黏合胶。

可选的，在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元；和/或，所述第一基底和所述第二基底均为SOI晶圆；和/或，所述第一顶层半导体层的厚度小于等于100微米，所述第二顶层半导体层的厚度小于等于100微米。

本申请还提供一种柔性超声换能器，包括：第一顶层半导体层；贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口；覆盖所述第一开口侧壁表面以及所述第一顶层半导体层表面的隔离层；键合于所述隔离层表面的第二顶层半导体层；形成于所述的第二顶层半导体层表面的压电传感单元，所述第一开口位于所述压电传感单元的正投影区域内。

可选的，位于所述隔离层与所述第二顶层半导体层之间的应力层。

可选的，所述应力层的材料包括氧化硅、氮化硅中的至少一种。

可选的，还包括：贯穿所述第一顶层半导体层的第二开口；贯穿所述第二顶层半导体层的通孔，所述通孔与所述第二开口贯通；位于所述通孔以及开口内的垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元电连接。

可选的，还包括：柔性电路层；所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面固定于所述柔性电路层表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层电连接。

可选的，所述压电传感单元包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的功能薄膜；所述柔性超声换能器还包括：至少覆盖所述功能薄膜的钝化层；位于所述钝化层上电连接所述顶电极的互连引线；所述垂直互连结构包括：第一互连结构和第二互连结构，所述第一互连结构电连接所述底电极，所述第二互连结构电连接所述互连引线；所述钝化层隔离所述底电极和所述第二互连结构，所述钝化层隔离所述顶电极与所述第一互连结构。

可选的，在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元。

可选的，各个压电传感单元的底电极之间电连接。

可选的，所述第一顶层半导体层的厚度小于等于100微米，所述第二顶层半导体层的厚度小于等于100微米。

本申请还包括：一种超声检测装置，包括：采用上述任一项所述的制造方法所制造的柔性超声换能器；或者，如上述任一项所述的柔性超声换能器。

本申请上述柔性超声换能器的制造方法，利用三明治结构的两个基底键合，以两个顶层半导体层作为器件基底层，其他层提供机械支撑，以便于形成压电传感单元，在压电传感单元形成后去除提供机械支撑的材料层，形成柔性压电传感阵列。

进一步，通过分别在第一顶层半导体层内形成第二开口，在第二顶层半导体层内形成通孔，由于两个顶层半导体层的厚度均较小，实现的超短穿硅通孔(TSV)的加工，降低了工艺难度，并且还可以通过超短TSV结构实现压电传感单元的电学引脚的重分配，更有利于超声换能器的小型集成化。

上述制造过程，采用晶圆级集成电路制造工艺，采用现有的集成电路制造工艺，制备过程中，对于制备材料、工艺参数等没有特殊要求，易于大规模实现。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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的附图。

图1至图13是本申请一实施例的柔性超声换能器的制造过程的结构示意图。

具体实施方式

如现有技术中所述，在柔性基底上粘接离散的超声换能单元，无法实现大规模的生产，同时换能器的体积较大，各单元之间的互连实现困难。

发明人提出通过集成电路制造工艺以实现超声换能器的大规模制造。常见的硅晶圆厚度一般在0.3-1mm范围，此时硅片一般表现出较强的刚度，当将硅片的厚度减薄至0.1mm以下时就会表现出一定的柔性，如在50um的厚度，硅片可以在保持完整的情况下被弯曲，扭转或卷起。因此基于超薄的硅片可以实现柔性器件的加工。

而目前为了获得超薄硅晶圆，一般采用减薄技术，由于在此过程中硅片非常易碎，同时减薄后的硅片也较难进行后续操作，因此需要对加工工艺进行进一步的设计和优化。

本发明利用晶圆在厚度较薄时的机械柔性设计了一种高频柔性PMUT器件，该器件可以采用集成电路工艺进行大规模加工并且实现较复杂的电互连。

下面结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述各个实施例及其技术特征可以相互组合。

请参考图1至图13，为本发明一实施例的柔性超声换能器的制造过程的结构示意图。

请参考图1，提供第一基底100，所述第一基底100包括第一衬底层101、位于所述第一衬底层101表面的第一介质层102以及位于所述第一介质层102表面的第一顶层半导体层103。

所述第一顶层半导体层103的厚度较低，在缺少所述第一衬底101、第一介质层102的情况下，所述第一顶层半导体层103由于厚度较小，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征。优选的，所述第一顶层半导体层103的厚度小于等于100微米，例如在10μm～100μm范围内。

第一顶层半导体层103该实施例中，所述第一基底100为绝缘体上硅(SOI)晶圆，所述第一衬底层101为硅基底层，所述第一介质层102为埋氧层，所述第一顶层半导体层103为顶层硅层。在其他实施例中，所述第一基底100还可以为其他具有类似三明治结构的半导体材料结构。SOI晶圆的顶层硅层的厚度通常为10μm～100μm，具有柔性特征。

在一些实施例中，可以直接采用现成的SOI晶圆作为所述第一基底100，在另一些实施例中，还可以直接对单晶硅进行埋氧注入，在单晶硅晶圆内形成绝缘层，以形成所述第一基底100。直接采用半导体材料层作为所述第一基底100，与后续的集成电路制造工艺更为兼容。

所述第一顶层半导体层103可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第一顶层半导体层103进行合适的预处理。

在其他实施例中，所述第一衬底层101还可以为其他硬质衬底材料，所述第一介质层102可以为粘附层，所述第一顶层半导体层103为硅层、锗硅层等半导体材料层，通过第一介质层102将所述第一顶层半导体层103粘附于所述第一衬底层101，通过所述第一衬底层101提供机械支撑，以在后续工艺进行过程中提供足够的机械强度。

请参考图2，图形化所述第一顶层半导体层103，形成贯穿所述第一顶层半导体层103的第一开口1031。

通过刻蚀工艺，对所述第一顶层半导体层103进行图形化，所述刻蚀工艺以所述第一介质层102为刻蚀停止层，形成所述第一开口1031，所述第一开口1031底部暴露出所述第一介质层102的表面。

所述第一开口1031用于形成后续工艺中形成的压电传感单元的背腔结构。

该实施例中，进一步的，在图形化所述第一顶层半导体层103，形成所述第一开口1031的同时，形成贯穿所述第一顶层半导体层103的至少两个第二开口1032。所述第二开口1032作为后续形成的垂直互连结构的通孔。该实施例中，在第一开口1031的两侧分别形成一个第二开口1032。在其他实施例中，可以无需形成所述第二开口1033，后续通过其他方式形成垂直互连结构。

请参考图3，在所述第一顶层半导体层103表面以及第一开口1031侧壁表面形成隔离层1032。

该实施例中，由于同时形成有所述第二开口1033，因此，所述隔离层1032同时覆盖所述第二开口1033的侧壁。所述隔离层1032具有电绝缘性质，可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘介质材料中的至少一种。

该实施例中，采用热氧化工艺，对形成有所述第一开口1031、第二开口1033的第一基底100进行热氧化处理，使得所述第一基底100暴露的半导体材料表面均形成氧化层，所述氧化层即为所述隔离层1032。

由于该实施例中，所述第一衬底层101为硅基底层，因此，在所述第一顶层半导体层101的表面以及各开口侧壁表面形成所述隔离层1032之外，还会同时在所述第一衬底层101表面也形成所述隔离层。

在其他实施例中，也可以采用沉积工艺形成所述隔离层1032。此时，形成的隔离层覆盖所述第一顶层半导体层103表面、第一开口1031和第二开口1033的侧壁以及底部表面。所述沉积工艺可以是化学气相沉积工艺、原子层沉积工艺等。

请参考图4，提供第二基底200，所述第二基底200包括第二衬底层201、位于所述第二衬底层201表面的第二介质层202以及位于所述第二介质层202表面的第二顶层半导体层203。

该实施例中，所述第二基底200与图1中第一基底100采用相同的材料，均为SOI晶圆。所述第二衬底层201为硅基底层，所述第二介质层202为埋氧层，所述第二顶层半导体层203为顶层硅层。在其他实施例中，所述第二基底100还可以为其他具有类似三明治结构的半导体材料结构。SOI晶圆的顶层硅层的厚度通常为10μm～100μm，具有柔性特征。在一些实施例中，可以直接采用现成的SOI晶圆作为所述第二基底200，在另一些实施例中，还可以直接对单晶硅进行埋氧注入，在单晶硅晶圆内形成绝缘层，以形成所述第二基底200。直接采用半导体材料层作为所述第二基底200，与后续的集成电路制造工艺更为兼容。

与第一基底100的结构类似的，所述第二顶层半导体层203可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第二顶层半导体层203进行合适的预处理。

在其他实施例中，所述第二衬底层201还可以为其他硬质衬底材料，所述第二介质层202可以为粘附层，所述第二顶层半导体层203为硅层、锗硅层等半导体材料层，通过第二介质层202将所述第二顶层半导体层203粘附于所述第二衬底层201，通过所述第二衬底层201提供机械支撑，以在后续工艺进行过程中提供足够的机械强度。

所述第二顶层半导体层203的厚度较低，在缺少所述第二衬底201、第二介质层202的情况下，所述第二半导体层203由于厚度较小，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征。优选的，所述第二顶层半导体层203的厚度小于等于100μm，例如在10μm～100μm范围内。

随后，将所述第二顶层半导体层203朝向所述第一基底100，键合于所述第一基底100表面的隔离层1032表面。

该实施例中，为了进一步提高器件的稳定性和可靠性，在所述第二顶层半导体层203表面形成应力层之后，再将所述应力层键合于所述隔离层表面。

请参考图5，在所述第二顶层半导体层203表面形成应力层301。

所述应力层301的材料可以采用绝缘介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。所述应力层301主要起到应力缓冲的作用，避免后续工艺中去除第一衬底层101、第二衬底层102后，失去机械支撑结构，第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203由于内部应力作用，形貌发生翘曲等形变问题，影响最终形成的器件的可靠性。

该实施例中，所述应力层301的材料为氧化硅，采用炉管热氧化工艺，同时在所述第二顶层半导体层203、以及所述第二衬底层201的表面均形成所述应力层301。

在其他实施例中，也可以采用沉积工艺，仅在所述第二顶层半导体层203表面形成所述应力层301。

请参考图6，将所述第二顶层半导体层203朝向所述第一顶层半导体层103，将所述第二基底200键合于所述第一基底100上。

通过键合工艺将所述第二基底200键合于所述第一基底100上，根据键合界面的材料，选择合适的键合工艺参数。

该实施例中，键合界面为所述隔离层1032和所述应力层301的接触面，两者材料均为氧化硅，因此采用氧化硅-氧化硅键合工艺。在其他实施例中，未形成所述应力层301，则键合界面为第二顶层半导体层203和隔离层1032的接触面，采用硅-氧化硅的键合工艺。

请参考图7，去除所述第二衬底层201(请参考图6)，在所述第二介质层202表面形成压电传感单元400，所述第一开口1031位于所述压电传感单元201的正投影区域内。

通过干法刻蚀、湿法刻蚀工艺、化学机械研磨等工艺中的一种或几种的结合，去除所述第二衬底层201。该实施例中，以所述第二介质层202为停止层，通过机械减薄和化学抛光的方式，去除所述第二衬底层201及其表面的应力层301，暴露出所述第二介质层202的表面。去除所述第二衬底层201，大大降低了器件的厚度，剩余的第二顶层半导体层203及其表面的第二介质层202，具有柔性特征。

该实施例中，所述压电传感单元400包括底电极401、顶电极403以及位于所述底电极401和所述顶电极402之间的功能薄膜402。所述底电极401、顶电极402的材料，可以采用Pt、Au、Cu等金属导电材料。所述功能薄膜402，可以采用压电传感材料，可以是有机压电薄膜，或者无机压电薄膜；其中无机压电薄膜可以包括：氮化铝(AFN)压电薄膜、氧化锌(No)压电薄膜或锆钛酸铅(PZT)压电薄膜等；所述有机压电薄膜可以包括：聚氟乙烯(PVF)压电薄膜或聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜等。

通过依次在所述第二介质层202表面沉积底电极材料层、功能薄膜材料层以及顶电极材料层之后，对各材料层进行图形化，形成所述压电传感单元400。图7中，仅完成对顶电极403以及功能薄膜层402的图形化，所述底电极401的图形化在图8中进一步示出。

在具体的实施例中，所述第一基底100内可以形成有多个阵列分布的第一开口1031，相应地，在第一开口1031的上方，分别对应形成多个阵列分布的压电传感单元阵列。各个压电传感单元之间都可以相互分离，也可以存在电连接，例如各压电传感单元的底电极之间存在电连接：可以是全部电连接；也可以按照行或列的形式，每一行或每一列的传感单元的底电极之间电连接，行或列之间相互独立。

请参考图8，形成至少覆盖所述功能薄膜402的钝化材料层，并对所述钝化材料层和底电极401进行图形化，形成钝化层500。

该实施例中，所述钝化层500完全覆盖所述顶层电极层403、所述功能薄膜402，以及覆盖部分图形化后的底电极401。所述底电极401的一侧的部分区域未被所述钝化层500覆盖，便于在后续工艺中形成与底电极401之间的电连接。

在其他实施例中，所述钝化层500也可以暴露出所述顶电极403，以便于后续工艺中形成与顶电极403之间的电连接。

所述钝化层500的材料可以为氧化硅、氮化硅等绝缘介电材料。

请参考图9，形成贯穿所述第二介质层202和所述第二顶层半导体层203、并连通至所述第二开口1033的通孔601。

该实施例中，所述通孔601还贯穿所述应力层301，以连通所述第二开口1022。可以在图8所示结构的表面形成图形化掩膜层，所述图形化掩膜层具有开口，以定义所述通孔601待形成的位置和尺寸；然后沿所述开口依次刻蚀所述第二介质层202、所述第二顶层半导体层203和所述应力层301，形成所述通孔601；而后，去除所述图形化掩膜层。

该实施例中，所述通孔601和所述第二开口1033的俯视图形均为圆形，所述通孔601的尺寸大于所述第二开口1033的尺寸，使得所述第二开口1033完全位于所述通孔601的正投影区域内。在其他实施例中，所述通孔601和所述第二开口1033可以部分重叠，只需要相互连通即可。

在其他实施例中，所述通孔601可以为圆柱孔形，所述第二开口1033还可以为长条状，以起到再布线的作用。

在其他实施例中，也可以无需提前形成所述第二开口1033，而直接在刻蚀所述通孔601的过程中，继续向下刻蚀，贯穿所述第一顶层半导体层103。这在一定程度上会增加刻蚀难度。

请参考图10，在所述通孔601(请参考图9)及第二开口1033(请参考图9)内填充导电材料，形成垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元400电连接。

具体的，通过形成填充满所述通孔601且覆盖所述第二介质层202、压电传感单元400以及钝化层500的导电材料层，对所述导电材料层进行图形化，形成所述垂直互连结构。所述导电材料可以为Cu、W、Al等金属材料，还可以是掺杂多晶硅等。

所述垂直互连结构包括：第一互连结构602a和第二互连结构601b，所述第一互连结构602a靠近所述底电极401暴露部分，在形成所述导电材料层时，所述导电材料层同时覆盖所述底电极401的暴露部分，在图形化所述导电材料层时，保留所述底电极401的暴露部分与通孔内的第一互连结构602a之间的电连接。

图10仅为所述第一互连结构602a和第二互连结构601b的一种结构示意，并非对其形貌和位置的限定。

所述垂直互连结构通过填充通孔601和第二开口1033而形成，而所述通孔601和所述第二开口1033分别通过刻蚀第二顶层半导体层203、第一顶层半导体层103而形成，每次刻蚀的深度均较低，与现有技术形成垂直互连结构而进行的深硅刻蚀工艺相比，所述第二开口1033、通孔601的刻蚀深度均交底，可以显著降低刻蚀难度。

进一步的，该实施例中，还对所述钝化层500进一步进行图形化，形成开口501，所述开口501暴露出所述顶电极403的表面，以便在后续工艺中将所述顶电极401电性引出。

在所述第二顶层半导体层203为未掺杂的硅层时，所述第二顶层半导体层203不具备导电性，可以直接在通孔内填充导电材料，形成所述垂直互连结构。

在其他实施例中，为了进一步确保垂直互连结构与第二顶层半导体层203的电学隔离，可以首先在所述通孔601的侧壁表面形成隔离层(图中未示出)或防扩散阻挡层之后，再填充所述导电材料。可以直接通过热氧化工艺，在所述通孔601侧壁表面形成氧化硅作为隔离层。

所述隔离层1032还提供了垂直互连结构与第一顶层半导体层103之间的电学隔离。

请参考图11，在所述钝化层500上形成电连接所述顶电极403的互连引线502。

在形成所述互连引线502之间，可以形成覆盖其他区域的介质材料(图中未示出)，以形成利于沉积引线材料的平坦表面，并限定互连引线材料的沉积位置，随后对所述互连引线材料进行图形化，形成所述互连引线502。其他实施例中，也可以直接进行互连引线材料的沉积以及图形化，形成所述互连引线502。

所述互连引线502一端位于所述顶电极403顶部的开口501(请参考图10)内，连接所述顶电极403，另一端连接所述第二互连结构602b。图11仅为所述互连引线502的一种结构示意，并非对其形貌和位置的限定。

所述互连引线502的材料可以为Cu、W、Al等金属材料，还可以是掺杂多晶硅等。

所述钝化层500隔离所述底电极401和所述第二互连结构602b、互连引线502，所述钝化层500隔离所述顶电极403与所述第一互连结构602a。

通过所述第一互连结构602a和所述第二互连结构602b，实现了对所述压电传感单元400的两个电极层的电性引出。

在其他实施例中，所述钝化层500表面可以低于所述顶电极403表面，暴露出所述顶电极403，在形成所述第二互连结构602b的过程中，可以通过图形化处理，使得第二互连结构602b直接与所述顶电极403接触，形成电连接。

后续，将进一步去除所述第一衬底层101和所述第一介质层102。

请参考图12，将形成有所述压电传感单元400的一侧通过黏合胶701固定于一基板702表面后再去除所述第一衬底层101和所述第一介质层102，以暴露出所述第一顶层半导体层103的背离所述压电传感单元400的一侧表面。

为了在去除所述第一衬底层101和所述第一介质层102的过程中，提供支撑，先将图11所示结构的另一侧表面通过黏合胶701固定于具有足够机械强度的临时的基板702上，通过基板702提供机械支撑，同时起到对所述压电传感单元400所在侧的保护。所述基板702可以是玻璃、塑料板等。所述黏合胶粘合胶701可以为有机黏胶材料，且在后续工艺中易于剥离，例如可以为UV固化胶、热固化胶、蓝胶(blue tape)等。

可以通过干法刻蚀、湿法刻蚀工艺、化学机械研磨等工艺中的一种或几种的结合。该实施例中，以所述第一顶层半导体层103为停止层，通过机械减薄和化学抛光的方式，去除所述第一衬底层101以及所述第一介质层102(请参考图11)，暴露出所述第一衬底层101，以及所述第一互连结构602a、第二互连结构602b。

由此，通过上述实施例，形成了具有柔性基底(即包括第一顶层半导体层103、第二顶层半导体层203)压电传感单元阵列，可用于形成柔性超声换能器。且通过所述第一互连结构602a和第二互连结构602a实现对压电传感单元的电性引出，便于将压电传感单元的传感信号向外传输。

所述柔性超声换能器的制造过程还包括将柔性压电传感阵列固定于柔性电路层上。

请参考图13，将所述第一顶层半导体层103的背离所述压电传感单元400的一侧表面固定于柔性电路层800表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层800层电连接；然后去除所述基板702以及所述黏合胶701。

所述柔性电路层800同样具备柔性特征，使得图13所示结构整体具有柔性特征，在进行传感检测过程中，可以更好地贴合被测物体。所述第一开口1031被所述柔性电路层800封闭，作为所述压电传感单元的背腔。

在一个实施例中，所述柔性电路层800为柔性电路板(FPCB)，可以通过焊接方式，将垂直互连结构，即所述第一互连结构602a、第二互连结构602a与FPCB板上的焊点之间进行焊接，以形成电连接；同时在第一顶层半导体层103与FPCB板之间填充黏胶层，实现两者之间的固定。该实施例中，可以通过FPCB电连接所述第一互连结构602a、所述第二互连结构602a，以将所述压电传感单元400的顶电极403、底电极401电性引出；还可以通过FPCB内引线的分布，实现对压电传感单元400的电学引脚的重分配。所述柔性电路板(FPCB)还可以连接至处理器、控制单元等，以实现对传感信号的处理，以及控制信号的传输等。

在其他实施例中，所述柔性电路层800还可以为柔性CMOS电路层，所述柔性CMOS电路层包括柔性衬底，以及基于所述柔性衬底形成的CMOS电路，所述CMOS电路可以为模拟和/或逻辑电路，例如ASIC电路，直接通过所述第一互连结构602a、第二互连结构602b连接至所述压电传感单元400，通过所述柔性CMOS电路层可以直接向所述压电传感单元400发送控制信号，以及对压电传感单元400产生的传感信号进行运算和处理，可以有效降低超声换能器的体积，更有利于应用于小型的电子设备，例如可穿戴设备等。

在其他实施例中，可以进一步图13结构进行封装，例如在压电传感单元400一侧表面覆盖柔性的保护层，起到保护作用的同时，也能不阻碍超声换能器的柔性形变。在进行超声检测过程中，所述压电传感单元400所在的一侧朝向被检测部位。

上述实施例的超声换能器的制造过程，利用三明治结构的两个基底键合，以两个顶层半导体层作为器件基底层，其他层提供机械支撑，以便于形成压电传感单元，在压电传感单元形成后去除提供机械支撑的材料层，形成柔性压电传感阵列。

进一步，通过分别在第一顶层半导体层内形成第二开口，在第二顶层半导体层内形成通孔，由于两个顶层半导体层的厚度均较小，实现的超短穿硅通孔(TSV)的加工，降低了工艺难度，并且还可以通过超短TSV结构实现压电传感单元的电学引脚的重分配，更有利于超声换能器的小型集成化。

上述制造过程，采用晶圆级集成电路制造工艺，采用现有的集成电路制造工艺，制备过程中，对于制备材料、工艺参数等没有特殊要求，易于大规模实现。

本发明的实施还提供一种柔性超声换能器。

请参考图13，为本发明一实施例的柔性超声换能器的结构示意图。

所述柔性超声换能器包括：第一顶层半导体层103；贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口1031；覆盖所述第一开口1031侧壁表面以及所述第一顶层半导体层103表面的隔离层1032；键合于所述隔离层1032表面的第二顶层半导体层203；形成于所述的第二顶层半导体层203表面的压电传感单元400，所述第一开口1031位于所述压电传感单元400的正投影区域内。

所述第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203较低，具有可卷曲、扭转变形等的柔性特征，优选的，两者厚度均小于100微米，例如在10μm～100μm范围内。所述第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203均可以是SOI晶圆的顶层硅层，通过去除硅基底以及埋氧层后而形成。

所述第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203可以为硅层、锗硅层等半导体材料层。

所述第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203可以为本征材料层或具有较低的掺杂浓度，在此不作限定，本领域技术人员可以根据实际需求，对所述第一顶层半导体层103和第二顶层半导体层203进行合适的预处理。

该实施例中，所述柔性超声换能器还包括：贯穿所述第一顶层半导体层103的第二开口；贯穿所述第二顶层半导体层203的通孔，所述通孔与所述第二开口贯通；位于所述通孔以及开口内的垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元400电连接。所述隔离层1032还覆盖所述第二开口的侧壁，位于所述垂直互连结构侧壁与所述第一顶层半导体层103之间。所述隔离层1032具有电绝缘性质，可以为氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等绝缘介质材料中的至少一种。

所述垂直互连结构采用导电材料，例如Cu、W、Al等金属材料，还可以是掺杂多晶硅等。

该实施例中，所述柔性超声换能器还包括位于所述隔离层1032与所述第二顶层半导体层203之间的应力层301。所述应力层301的材料可以采用绝缘介质材料，例如氧化硅、氮化硅、氮氧化硅等。所述应力层301主要起到应力缓冲的作用，平衡内部应力，避免器件在内部应力作用下发生扭曲等形变。其他实施例中，所述第二顶层半导体层203与所述隔离层1032之间直接键合，无需应力层301。

所述压电传感单元400包括底电极401、顶电极403以及位于所述底电极401和所述顶电极403之间的功能薄膜402。所述底电极401、顶电极402的材料，可以采用Pt、Au、Cu等金属导电材料。所述功能薄膜402，可以采用压电传感材料，可以是有机压电薄膜，或者无机压电薄膜；其中无机压电薄膜可以包括：氮化铝(AFN)压电薄膜、氧化锌(No)压电薄膜或锆钛酸铅(PZT)压电薄膜等；所述有机压电薄膜可以包括：聚氟乙烯(PVF)压电薄膜或聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜等。

所述柔性超声换能器还包括：至少覆盖所述功能薄膜402的钝化层500。该实施例中，所述钝化层500完全覆盖所述顶层电极层403、所述功能薄膜402，以及覆盖部分底电极401。所述底电极401的一侧的部分区域未被所述钝化层500覆盖。所述钝化层500的材料可以为氧化硅、氮化硅等绝缘介电材料。

所述垂直互连结构包括：第一互连结构602a和第二互连结构601b，所述第一互连结构602a靠近所述底电极401暴露部分，与所述底电极401的暴露部分电连接。所述第二互连结构601b，通过互连引线502电连接至所述顶电极403。所述互连引线502一端位于所述顶电极403顶部的开口内，连接所述顶电极403，另一端连接所述第二互连结构602b。所述钝化层500隔离所述底电极401和所述第二互连结构602b，所述钝化层500隔离所述顶电极401与所述第一互连结构602a。

在其他实施例中，所述钝化层500表面可以低于所述顶电极403表面，暴露出所述顶电极403，所述第二互连结构602b直接与所述顶电极403接触，形成电连接。

在一些实施例中，所述第一基底100内可以形成有多个阵列分布的第一开口1031，相应地，在第一开口1031的上方，分别对应形成多个阵列分布的压电传感单元400的阵列。各个压电传感单元400之间都可以相互分离，也可以存在电连接，例如各压电传感单元400的底电极401之间存在电连接：可以是所有压电传感单元之间全部电连接；也可以按照行或列的形式，每一行或每一列的传感单元的底电极之间电连接，行或列之间相互独立。

进一步的，该实施例中，所述超声换能器还可以包括：柔性电路层800；所述第一顶层半导体层103的背离所述压电传感单元400的一侧表面固定于所述柔性电路层800表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层800电连接。所述柔性电路层800同样具备柔性特征，使得图13所示结构整体具有柔性特征，在进行传感检测过程中，可以更好地贴合被测物体。所述第一开口1031被所述柔性电路层800封闭，作为所述压电传感单元的背腔。

在一个实施例中，所述柔性电路层800为柔性电路板(FPCB)，可以通过焊接方式，将垂直互连结构，即所述第一互连结构602a、第二互连结构602a与FPCB板上的焊点之间通过焊接方式形成电连接；同时在第一顶层半导体层103与FPCB板之间填充有黏胶层，实现两者之间的固定。该实施例中，FPCB电连接所述第一互连结构602a、所述第二互连结构602a，以将所述压电传感单元400的顶电极403、底电极401电性引出；还可以通过FPCB内引线的分布，实现对压电传感单元400的电学引脚的重分配。所述柔性电路板(FPCB)还可以连接至处理器、控制单元等，以实现对传感信号的处理，以及控制信号的传输等。

在其他实施例中，所述柔性电路层800还可以为柔性CMOS电路层，所述柔性CMOS电路层包括柔性衬底，以及基于所述柔性衬底形成的CMOS电路，所述CMOS电路可以为模拟和/或逻辑电路，例如ASIC电路，直接通过所述第一互连结构602a、第二互连结构602b连接至所述压电传感单元400，通过所述柔性CMOS电路层可以直接向所述压电传感单元400发送控制信号，以及对压电传感单元400产生的传感信号进行运算和处理，可以有效降低超声换能器的体积，更有利于应用于小型的电子设备，例如可穿戴设备等。

在其他实施例中，图13结构可以进一步被封装，例如在压电传感单元400一侧表面覆盖柔性的保护层，起到保护作用的同时，也能不阻碍超声换能器的柔性形变。在进行超声检测过程中，所述压电传感单元400所在的一侧朝向被检测部位。

本申请的实施例还提供一种超声检测装置，包括：如上述实施例中所述的柔性超声换能器或者由上述任一实施例的柔性超声换能器方法所形成的柔性超声换能器。所述柔性超声换能器具有柔性特征，可以用于超声检测的探头，也可以集成于可穿戴设备内，尤其可以应用于对柔性被测结构的检测。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构或等效流程变换，例如各实施例之间技术特征的相互结合，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (17)

1.一种柔性超声换能器的制造方法，其特征在于，包括：

提供第一基底，所述第一基底包括第一衬底层和形成于所述第一衬底层、位于所述第一衬底层表面的第一介质层以及位于所述第一介质层表面的第一顶层半导体层；

图形化所述第一顶层半导体层，形成贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口，并且在所述第一顶层半导体层表面以及第一开口侧壁表面形成隔离层；

提供第二基底，所述第二基底包括第二衬底层、位于所述第二衬底层表面的第二介质层以及位于所述第二介质层表面的第二顶层半导体层；

将所述第二顶层半导体层朝向所述第一基底，键合于所述第一基底表面的隔离层表面；

去除所述第二衬底层后，在所述第二介质层表面形成压电传感单元，所述第一开口位于所述压电传感单元的正投影区域内；

去除所述第一衬底层和所述第一介质层。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，还包括：在所述第二顶层半导体层表面形成应力层之后，再将所述应力层键合于所述隔离层表面。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，还包括：图形化所述第一顶层半导体层，形成所述第一开口的同时，形成贯穿所述第一顶层半导体层的至少两个第二开口，所述隔离层同时覆盖所述第二开口的侧壁；以及，在形成所述压电传感单元之后，形成贯穿所述第二介质层和所述第二顶层半导体层、并连通至所述第二开口的通孔；在所述通孔及第二开口内填充导电材料，形成垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元电连接。

4.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，所述压电传感单元包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的功能薄膜；

所述制造方法还包括：在形成所述通孔之前，形成至少覆盖所述功能薄膜的钝化层；以及，在所述通孔及开口内填充导电材料，形成金属连接结构的方法包括：形成填充满所述通孔且覆盖所述第二介质层、压电传感单元以及钝化层的导电材料层，对所述导电材料层进行图形化，形成所述垂直互连结构；在所述钝化层上形成电连接所述顶电极的互连引线；

所述垂直互连结构包括：第一互连结构和第二互连结构，所述第一互连结构电连接所述底电极，所述第二互连结构电连接所述互连引线；所述钝化层隔离所述底电极和所述第二互连结构，所述钝化层隔离所述顶电极与所述第一互连结构。

5.根据权利要求3所述的制造方法，其特征在于，还包括：将所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面固定于柔性电路层表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层电连接。

6.根据权利要求5所述的制造方法，其特征在于，将形成有所述压电传感单元的一侧通过黏合胶固定于一基板表面后再去除所述第一衬底层和所述第一介质层，以暴露出所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面，并将该表面固定于所述柔性电路层表面；然后去除所述基板以及所述黏合胶。

7.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元；和/或，所述第一基底和所述第二基底均为SOI晶圆；和/或，所述第一顶层半导体层的厚度小于等于100微米，所述第二顶层半导体层的厚度小于等于100微米。

8.一种柔性超声换能器，其特征在于，包括：

第一顶层半导体层；

贯穿所述第一顶层半导体层的第一开口；

覆盖所述第一开口侧壁表面以及所述第一顶层半导体层表面的隔离层；

键合于所述隔离层表面的第二顶层半导体层；

形成于所述的第二顶层半导体层表面的压电传感单元，所述第一开口位于所述压电传感单元的正投影区域内。

9.根据权利要求8所述的柔性超声换能器，其特征在于，位于所述隔离层与所述第二顶层半导体层之间的应力层。

10.根据权利要求9所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述应力层的材料包括氧化硅、氮化硅中的至少一种。

11.根据权利要求8所述的柔性超声换能器，其特征在于，还包括：

贯穿所述第一顶层半导体层的第二开口；

贯穿所述第二顶层半导体层的通孔，所述通孔与所述第二开口贯通；位于所述通孔以及开口内的垂直互连结构，所述垂直互连结构与所述压电传感单元电连接。

12.根据权利要求11所述的柔性超声换能器，其特征在于，还包括：柔性电路层；所述第一顶层半导体层的背离所述压电传感单元的一侧表面固定于所述柔性电路层表面；且所述垂直互连结构与所述柔性电路层电连接。

13.根据权利要求12所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述压电传感单元包括底电极、顶电极以及位于所述底电极和所述顶电极之间的功能薄膜；所述柔性超声换能器还包括：至少覆盖所述功能薄膜的钝化层；位于所述钝化层上电连接所述顶电极的互连引线；所述垂直互连结构包括：第一互连结构和第二互连结构，所述第一互连结构电连接所述底电极，所述第二互连结构电连接所述互连引线；所述钝化层隔离所述底电极和所述第二互连结构，所述钝化层隔离所述顶电极与所述第一互连结构。

14.根据权利要求8所述的柔性超声换能器，其特征在于，在所述第二介质层表面形成多个阵列分布的所述压电传感单元。

15.根据权利要求14所述的柔性超声换能器，其特征在于，各个压电传感单元的底电极之间电连接。

16.根据权利要求8所述的柔性超声换能器，其特征在于，所述第一顶层半导体层的厚度小于等于100微米，所述第二顶层半导体层的厚度小于等于100微米。

17.一种超声检测装置，其特征在于，包括：采用如权利要求1至7中任一项所述的制造方法所制造的柔性超声换能器；或者，如权利要求8至16中任一项所述的柔性超声换能器。

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