CN114950926A - 一种压电微机械超声换能器阵列及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压电微机械超声换能器阵列，包括衬底层、支撑层和结构层，其中结构层由上电极、压电层、下电极构成，部分刻蚀后与支撑层形成一组振动薄膜，衬底层部分刻蚀后形成与振动薄膜相对应的一组空腔结构，构成由PMUT振元组成的阵列，所述PMUT振元包括振动薄膜和与其对应的空腔结构；任一所述PMUT振元的空腔结构与至少一个相邻PMUT振元的空腔结构通过沟道进行连接。本发明的带沟道的压电微机械超声换能器阵列，将衬底层上原本独立的空腔结构通过沟道进行连接，以避免或降低在衬底层刻蚀过程中footing效应对结构的影响，改善振元一致性，提升器件性能，适合于高频PMUT阵列的设计和制造。
Description
技术领域
本发明属于超声换能器技术领域，涉及一种微机械超声换能器(MUT)，具体涉及一种压电微机械超声换能器阵列及其制造方法。
背景技术
超声换能器发射和接收超声波，是一种将电磁能转化为机械能(声能)的装置，通常由压电陶瓷或其它磁致伸缩材料制成。超声换能器的应用十分广泛，广泛应用于工业、农业、交通运输、生活、医疗及军事等领域，用于超声波加工、超声波清洗、超声波探测、检测、监测、遥测、遥控以及医学成像等。
MEMS(微电子机械，Micro-Electro-Mechanical System)技术的发展使得微机械超声换能器(MUT，Micromachined ultrasound transducer)应运而生。MUT利用微薄膜的弯曲振动发射和接收超声波，根据驱动原理的不同，MUT可以分为两大类：电容式微机械超声换能器CMUT(CMUT，Capacitive micromachined ultrasound transducer)和压电式微机械超声换能器PMUT(PMUT，Piezoelectric micromachined ultrasound transducer)。
传统的超声换能器包括单振子和多振子两种，多振子超声换能器即超声换能器阵列。PMUT阵列是基于压电能量转换机理的一种超声换能器，一般包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层上方的结构层通常由压电层、上电极、下电极构成，刻蚀后的结构层和支撑层组成振动薄膜，衬底层部分刻蚀后在支撑层下方形成与所述振动薄膜相对应的空腔结构，所述的振动薄膜与其相对应的空腔结构构成一个PMUT振元。
PMUT振元的空腔结构通常采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术进行加工成型，而目前常用的DRIE是使用刻蚀和钝化交替进行，最终实现硅的各向异性刻蚀。不同频率的PMUT振元尺寸通常在几十至上千微米，而对于振元尺寸在几十到上百微米的高频PMUT而言，高深宽比的衬底硅在使用DRIE设备刻蚀时容易出现footing效应，footing效应会造成PMUT空腔结构变形，与设计出现较大差别，同时还会表现出振元间一致性较差的问题。目前一般通过减少过刻蚀时间、降低衬底材料电阻率、刻蚀停止层布置金属层以及从设备上做出调整等方法来减小footing效应的影响。PMUT阵列的频率越高，PMUT空腔尺寸就越小，footing效应的影响就越大，越难以制造。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电微机械超声换能器(PMUT)阵列及其制造方法，以解决高频压电微机械超声换能器阵列存在的空腔结构变形，振元一致性较差的技术问题，以改善振元一致性，提升器件性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层一侧的结构层由上电极、压电层、下电极构成，结构层部分刻蚀后与支撑层形成一组振动薄膜，支撑层另一侧的衬底层部分刻蚀后形成与所述振动薄膜相对应的一组空腔结构，构成由PMUT振元组成的阵列，所述PMUT振元包括振动薄膜和与其对应的空腔结构；任一所述PMUT振元的空腔结构与至少一个相邻PMUT振元的空腔结构通过沟道进行连接。
根据本发明的压电微机械超声换能器阵列，可称为一种带沟道的压电微机械超声换能器阵列，将PMUT衬底层上原本独立的空腔结构通过沟道进行连接，使原本独立的空腔结构扩展形成一个整体空腔，相当于增大了空腔结构在footing效应中的等效孔径，从而可以使衬底硅，特别是高深宽比的衬底硅在使用DRIE工艺加工时，避免或降低在衬底层刻(硅)蚀过程中footing效应对结构的影响，同时降低了对设备的要求。沟道结构尤其适合于频率为几兆至几十兆赫兹的高频PMUT阵列的设计和制造。
优选地，所述压电微机械超声换能器阵列的振元尺寸通常小于等于150微米，更优选小于等于100微米。
进一步地，所述的PMUT振元为圆形，或正方形，或长方形或其他多边形。
优选地，所述的沟道宽度为空腔尺寸的10-80％，更优选20-50％。通常在数微米至数十微米之间。
优选地，所述的沟道深度与空腔结构的深度相同。
优选地，所述的支撑层包括机械层和刻蚀阻挡层。其中刻蚀阻挡层主要用作DRIE工艺刻蚀空腔结构的停止层，以避免由于DRIE刻蚀不均匀造成的振动薄膜不一致的问题。
作为具体实施方式之一，所述的压电微机械超声换能器阵列为PMUT振元的二维矩阵(m行n列PMUT振元)，任一PMUT振元组成的列，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，或者将该列振元分组，各组PMUT振元的空腔结构分别使用直线型沟道连接。另一种方式是，任一PMUT振元组成的行，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该行的直线型沟道进行连接，或者将该行振元分组，各组PMUT振元的空腔结构分别使用直线型沟道连接。
作为具体实施方式之一，所述的压电微机械超声换能器阵列为PMUT振元的一维线阵(m个PMUT振元排成一列)，所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该线阵的直线型沟道进行连接，或者将该列振元分组分别使用直线型沟道连接。
具体实施本发明时，所述PMUT超声换能器阵列的振元还可以呈圆形排列、环状排列、正多边形排，或任意的多边形排列、甚至不规则排列，通过将相邻的一个或多个振元通过沟道进行连接，以改善其DRIE刻蚀效果。
本发明还涉及所述的压电微机械超声换能器阵列的制造方法，包括如下步骤：
(a)准备SOI材料；
(b)SOI材料依次沉积下电极、压电层和上电极；
(c)通过刻蚀工艺对下电极、压电层和上电极进行图形化；
(d)使用深反应离子刻蚀(DRIE)刻蚀衬底硅，通过刻蚀工艺去除部分衬底层材料形成空腔结构和沟道。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明通过将PMUT(压电微机械超声换能器)衬底层上原本独立的空腔结构通过沟道进行连接，从而可有效促进衬底硅高深宽比结构在使用DRIE工艺加工时刻蚀气体和钝化气体从空腔内排出，避免或降低在衬底层刻(硅)蚀过程中footing效应对结构的影响，进而提升器件性能以及改善振元一致性。
附图说明
图1为常规压电微机械超声换能器阵列示意图；
图2为DRIE工艺中footing效应示意图；
图3为PMUT振元尺寸与频率关系的示意图；
图4为本发明的压电微机械超声换能器阵列示意图；
图5为带沟道微机械超声换能器振元结构示意图；
图6为带沟道压电微机械超声换能器阵列背面示意图；
图7为分组沟道连接的压电微机械超声换能器阵列背面示意图；
图8为本发明的带沟道压电微机械超声换能器阵列制备方法的工艺流程图；
图9为带沟道的空腔结构刻蚀后的照片；
图10为不带沟道的空腔结构刻蚀后的照片；
图11为带沟道的PMUT阵列在水中的回波信号图；
图12为带沟道的PMUT阵列在水中的回波信号图；
图中：1-上电极、2-压电层、3-下电极、4-机械层、5-刻蚀阻挡层、6-衬底层、7-空腔、8-沟道。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，以下所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制，则是由权利要求书来确定。
PMUT阵列是基于压电能量转换机理的一种超声换能器，一个典型的PMUT阵列如图1所示，包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层一侧的结构层经刻蚀后形成振动薄膜，支撑层另一侧的衬底层刻蚀后形成对应的空腔结构，所述的振动薄膜及与其对应的空腔结构构成一个基本结构单元，即PMUT振元，PMUT振元的不同分布或排列可组成各种形式的PMUT阵列。
PMUT器件中，空腔结构通常采用深反应离子刻蚀(DRIE)技术进行加工成型。不同频率的PMUT振元尺寸(空腔尺寸)通常在几十至上千微米，而对于振元尺寸在几十到上百微米的高频PMUT而言，高深宽比的衬底硅在使用DRIE设备刻蚀时容易出现footing效应。由于DRIE刻蚀速率不均匀，通常需要过刻蚀以保证整个晶圆上的结构被刻蚀完成。如图2所示，对于小孔径空腔结构而言，在每次刻蚀循环过程中，部分带电离子团未能离开空腔，并在刻蚀阻挡层聚集，由于在过刻蚀过程中同性电荷的排斥作用，导致空腔底部的侧壁被刻蚀，从而出现小孔径结构在DRIE刻蚀过程中常出现的footing效应。footing效应会造成PMUT空腔结构变形，与设计出现较大差别，同时还会表现出振元间一致性较差的问题。
通常PMUT振元尺寸与频率的关系如图3，PMUT阵列的频率越高，PMUT空腔尺寸就越小，就越难以制造。
根据本发明的一种压电微机械超声换能器阵列，是一种带沟道的压电微机械超声换能器阵列，将PMUT衬底层上原本独立的空腔结构通过沟道进行连接，从而可有效促进衬底硅在高深宽比结构条件下使用DRIE工艺加工时刻蚀气体和钝化气体从空腔内排出，避免或降低在衬底层(硅)刻蚀过程中footing效应对结构的影响。
PMUT阵列的一个典型的实例是二维矩形阵列，由m行n列分布的PMUT振元组成。如图4，所述PMUT阵列包括衬底层、支撑层和结构层，支撑层包括机械层和刻蚀阻挡层，其中支撑层上方的结构层由上电极、压电层、下电极构成，部分刻蚀后结构层与支撑层构成振动薄膜，支撑层下方的衬底层部分刻蚀后形成与所述振动薄膜相对应的一组空腔结构，形成由PMUT振元组成的阵列。作为基本结构单元的PMUT振元，包括所述的振动薄膜与其相对应的空腔结构；如图5所示，根据本发明，所述的PMUT阵列中的任一PMUT振元，其支撑层与其上方的上电极、压电层、下电极组成振动薄膜，振动薄膜对应下方衬底层上刻蚀形成的空腔结构，所述的空腔结构通过沟道与相邻PMUT振元进行连接。
PMUT振元沟道连接的一个具体实施方式是，PMUT阵列中任一PMUT振元组成的列，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，其阵列的衬底层一侧如图6所示。对于较大尺寸的PMUT阵列，或者将该列振元分组，分别使用直线型沟道连接，其阵列的衬底层一侧如图7所示。
相同地，沟道连接的另一个具体实施方式是，PMUT阵列中任一PMUT振元组成的行，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该行的直线型沟道进行连接，或者将该行振元分组分别使用直线型沟道连接。
类似地，对于PMUT振元的一维线阵(m个PMUT振元排成一列)，所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该线阵的直线型沟道进行连接，或者将该列振元分组分别使用直线型沟道连接。
沟道连接的再一个具体实施方式，所述PMUT超声换能器阵列的振元呈圆形或环状排列，圆形或环状分布的振元可以通过同心的圆周或圆弧状沟道将多个振元进行连接。
所述压电微机械超声换能器阵列，沟道连接方式并不限于上述列举的具体方式，根据PMUT阵元的不同排列方式，包括非对称的任意多边形排列、甚至不规则排列等，在考虑设计和加工的便利性的前提下，凡能够改变空腔结构原本的独立性，使DRIE工艺加工时刻蚀气体和钝化气体能够从空腔内排出的方式均可以采用，除非沟道本身对振元的影响已超过footing效应对结构的影响。
对于带沟道的压电微机械超声换能器阵列，为了避免或减少沟道本身对振元一致性的影响，设计和制造时可以尽量使振元具有相同或对称的沟道结构。
本发明尤其适合于频率为几兆至几十兆赫兹的高频PMUT阵列的设计和制造。其振元尺寸通常不大于150微米，尤其是振元尺寸不大于100微米的PMUT阵列。所述的沟道宽度通常在数微米至数十微米之间，为空腔尺寸的10-80％。
优选地，所述的沟道深度与空腔结构的深度相同。
所述的压电微机械超声换能器阵列的制备方法，其工艺流程如图8所示，包括如下步骤：
(a)准备SOI材料；
(b)SOI材料依次沉积下电极、压电层和上电极材料；
(c)通过刻蚀等工艺对下电极、压电层和上电极进行图形化；
(d)使用深反应离子刻蚀(DRIE)等设备刻蚀衬底硅，通过刻蚀工艺去除部分衬底材料形成空腔结构和沟道。
步骤(a)中，SOI材料顶层硅为该超声换能器机械层和刻蚀阻挡层，机械层通常为单晶硅，埋氧层为刻蚀阻挡层，通常为二氧化硅；衬底硅为该超声换能器衬底层，通常为单晶硅。
步骤(b)中，下电极和上电极材料通常为Au、Pt、Mo、Al等金属材料，压电层为PZT、AlN、ZnO等压电材料。
步骤(c)中，首先使用光刻技术，将上电极所需图形转移到晶圆上，再使用干法或湿法对上电极进行刻蚀，从而形成所需要的上电极图形；接下来，采用类似的方式分别加工出所需的压电层和下电极图形。根据刻蚀材料的不同，所使用的干法刻蚀通常为IBE、RIE、ICP等，湿法刻蚀则根据待刻蚀材料的不同，通常选用不同的化学溶液。
步骤(d)中，在光刻得到所需的图形后，使用DRIE设备刻蚀出所需的空腔结构和沟道。
实施例1
PMUT阵列为二维矩形阵列，由3行3列分布的PMUT振元组成。其中PMUT振元空腔直径为80微米，沟道宽度25um。采用相同的DRIE工艺参数对带沟道和不带沟道的空腔结构进行刻蚀，如图9为带沟道的空腔结构刻蚀后的照片，刻蚀边沿光滑，与设计较为接近，且一致性较好；图10所示为不带沟道的空腔结构刻蚀后的照片，其刻蚀形状存在较大变形以及在边沿出现较多毛刺，与设计出现较大偏差。
实施例2
PMUT阵列为二维矩形阵列，由6行6列分布的PMUT振元组成。每一PMUT振元组成的列，其6个PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，其中PMUT振元空腔直径为80微米，沟道宽度16um。
实施例3
PMUT阵列为二维矩形阵列，由6行6列分布的PMUT振元组成。每一PMUT振元组成的列，其6个PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，其中PMUT振元空腔直径为50微米，沟道宽度25um。
实施例4
PMUT阵列为一维线形阵列，由排成1列的10个PMUT振元组成。每个PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，其中PMUT振元空腔直径为60微米，沟道宽度24um。
实施例5
采用相同的工艺制造4×4(16)带沟道和不带沟道的PMUT振元阵列，过程中采用相同的DRIE工艺参数对带沟道和不带沟道的空腔结构进行刻蚀，其中振元(空腔结构)直径120um，带沟道PMUT阵列的振元阵列的每一列由40um宽的沟道连接。图11所示为带沟道的PMUT阵列在水中的回波信号图，图12所示为不带沟道的PMUT阵列在水中的回波信号图。在加工工艺条件以及测试条件完全相同的情况下，带沟道的PMUT阵列中心频率为5.35MHz，回波信号峰峰值28.4mV；不带沟道PMUT阵列中心频率5.8MHz，回波信号峰峰值9.1mV，显然，相较于常规不带沟道的PMUT阵列，带沟道的PMUT阵列在中心频率下降不多的情况下，PMUT收发灵敏度相差超过3倍。常规不带沟道的PMUT阵列在DRIE刻蚀时由于footing效应造成振元背面空腔不再是设计的规整的圆形，同时存在较大随机性，从而导致PMUT性能下降。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和修饰，这些改进和修饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，包括衬底层、支撑层和结构层，其中支撑层一侧的结构层由上电极、压电层、下电极构成，结构层部分刻蚀后与支撑层形成一组振动薄膜，支撑层另一侧的衬底层部分刻蚀后形成与所述振动薄膜相对应的一组空腔结构，构成由PMUT振元组成的阵列，所述PMUT振元包括振动薄膜和与其对应的空腔结构；任一所述PMUT振元的空腔结构与至少一个相邻PMUT振元的空腔结构通过沟道进行连接。
2.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述压电微机械超声换能器阵列的振元尺寸小于等于150微米。
3.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的PMUT振元为圆形，或正方形，或长方形，或其他多边形。
4.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的沟道宽度为空腔尺寸的10-80％。
5.根据权利要求4所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的沟道宽度为空腔尺寸的20-50％。
6.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的沟道深度与空腔结构的深度相同。
7.根据权利要求1所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的支撑层包括机械层和刻蚀阻挡层。
8.根据权利要求1-7任一所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的压电微机械超声换能器阵列为PMUT振元的二维矩阵，任一PMUT振元组成的列，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该列的直线型沟道进行连接，或者将该列振元分组，各分组的PMUT振元的空腔结构分别使用直线型沟道连接；或者，任一PMUT振元组成的行，其所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该行的直线型沟道进行连接，或者将该行振元分组，各分组的PMUT振元的空腔结构分别使用直线型沟道连接。
9.根据权利要求1-7任一所述的压电微机械超声换能器阵列，其特征在于，所述的压电微机械超声换能器阵列为PMUT振元的一维线阵，所有PMUT振元的空腔结构由贯穿该线阵的直线型沟道进行连接，或者将该线阵振元分组分别使用直线型沟道连接。
10.权利要求1至9任一所述的压电微机械超声换能器阵列的制造方法，包括如下步骤：
(a)准备SOI材料；
(b)SOI材料依次沉积下电极、压电层和上电极；
(c)通过刻蚀工艺对下电极、压电层和上电极进行图形化；
(d)使用深反应离子刻蚀工艺刻蚀衬底硅，去除部分衬底材料形成空腔结构和沟道。
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