CN115968272A - 用于减少mut阵列中的串扰的沟槽 - Google Patents

用于减少mut阵列中的串扰的沟槽 Download PDF

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Abstract

描述了具有沟槽的微机械超声换能器(MUT)阵列，从而减少MUT之间的串扰以便减轻超声图像中不期望的伪影，并且描述了其制造方法。

Description

用于减少MUT阵列中的串扰的沟槽
交叉引用
本申请的主题与2020年9月11日提交的国际专利申请号PCT/US2020/050374的主题相关，其全部内容通过引用并入本文。
背景技术
微机械超声换能器(MUT)在许多领域提供了巨大的潜力，包括但不限于医学成像、空气耦合成像、距离监测、指纹监测、无损缺陷监测以及诊断。在许多此类应用中，存在不止一个MUT协同工作。例如，对于较高端的医学超声成像，见到具有1024、2048或4096个MUT的系统是合理的。
发明内容
为了正确操作，MUT被设计成向其所附接到的声介质中发射能量。以图1A中MUT阵列作为通用化示例。在这样的情况下，MUT由可移动膜片101a、101b、101c表示，这些可移动膜片101a、101b、101c由腔体120a、120b和120c形成在衬底100之中或之上。膜片101a、101b、101c在界面110处声耦合到半无限声介质200。声介质200可以是任何物质，或者多种物质；常见的介质包括空气、水、组织、电解凝胶、金属、用作身体匹配层的硅橡胶等。
在操作期间，膜片101a-101c被激发运动，主要在z方向上运动。激发通常通过压电效应(对于压电式MUT(pMUT))或电容效应(对于电容式MUT(cMUT))产生。在这两种情况下，膜片运动都会产生压力波，该压力波会发射到声介质200中。然而，膜片运动还会在声介质200之外产生不需要的波。最常见的不需要的波是在衬底100内传播并穿过衬底100的弹性压缩波，以及沿着衬底100与声介质200之间的界面110以及附接到衬底100的其他界面传播的界面波。
辐射到声介质200外部的所有能量都是不需要的。它不仅浪费功率，而且还会干扰MUT发挥功能。例如，在医学成像中，弹性压缩波将会从其他表面反弹，并在由来自声介质200的反射能量形成的医学相关图像上产生诸如静态图像之类的伪影。作为另一个示例，沿界面110传播的界面波将会在医学成像中产生串扰，从而产生聚光灯效应(spot-lightingeffect)和不需要的重影图像。
在图1B中示出了MUT阵列210的通用化示例。MUT阵列210包括衬底100和多个MUT101。多个MUT 101贴附到衬底的表面。如图1A中所示，每个MUT包括可移动膜片。在一些实施方式中，每个MUT 101是pMUT。在一些实施方式中，每个MUT 101是cMUT。MUT 101可以布置成沿正交方向布置的二维阵列210。即，MUT 101形成为具有N列和M行MUT 101的二维M×N阵列210。列数(N)和行数(M)可以相同或不同。在一些情况下，阵列210可以是弯曲的，例如，以便提供所要成像的物体的更宽角度。在一些情况下，阵列可以提供不同的封装，诸如六角形封装，而不是图1B中显示的标准方形封装。在一些情况下，阵列可以是不对称的，例如，如美国专利号10,656,007中所描述的，其全部内容通过引用并入本文。
本公开提供了一种新颖的解决方案来解决MUT阵列中的压缩波和界面波以及它们产生的串扰的问题。图2提供了由耦合到水声介质200的硅衬底100形成的MUT阵列中的这样的串扰的示例。对角波纹220代表行进的压力波。两条虚线230代表水声介质的声速(大约1480m/s)。这些线230下方的波纹和高振幅数据240通常代表良好的声学数据。两条虚线230上方的数据250代表各种形式的串扰。
对图2中的数据进行空间和时间傅里叶变换得到图3中的f-k图。在图3中，我们可以看到用虚线300圈出的串扰声能分布在2000至6000m/s附近。硅中的纵向声速约为8800m/s，而瑞利波和剪切波的界面波速介于5000与5500m/s之间。这表明串扰能量可能是由于界面波和体波的组合造成的。
使用与用于产生图2和图3中描绘的输出的MUT阵列类似的MUT阵列，用于对幻影进行成像产生类似于图4的结果。两个伪影清晰可见：(1)“聚光灯”效应420，其中图像的中心部分比边缘更亮，以及(2)高反射目标的“重影”图像430在图像的边缘很明显。
这样的串扰能量的伪影是不期望的。我们在此公开了用于破坏压缩波和界面波并显著减少MUT之间的串扰的通用技术。
在一个方面，本文公开了一种MUT阵列，其包括衬底和多个MUT。多个MUT贴附到衬底的表面。每个MUT包括可移动膜片。衬底包括沟槽，该沟槽至少部分地围绕多个MUT中的一个或多个MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT是pMUT。在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT是cMUT。
在一些实施方式中，沟槽从衬底的表面延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。在一些实施方式中，沟槽延伸衬底的整个厚度。
在一些实施方式中，沟槽从衬底的表面下方延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
在一些实施方式中，沟槽从相对表面110向上延伸穿过衬底，达衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
在一些实施方式中，沟槽具有介于1μm与40μm之间的恒定宽度。在一些实施方式中，沟槽具有介于1μm与40μm之间的可变宽度。
在一些实施方式中，沟槽距膜片的周边具有介于1μm与40μm之间的恒定距离。在一些实施方式中，沟槽距膜片的周边具有介于1μm与40μm之间的可变距离。
在一些实施方式中，沟槽围绕膜片的周边的至少50％、60％、70％、80％或90％。在一些实施方式中，沟槽围绕膜片的整个周边。
在一些实施方式中，沟槽至少部分地围绕多个MUT中至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，沟槽至少部分地围绕多个MUT中的每个MUT的膜片的周边。
在一些实施方式中，沟槽至少部分地填充有声衰减材料。
在一些实施方式中，多个MUT被布置成多列和多行。在一些实施方式中，沟槽沿着MUT的行延伸。在一些实施方式中，每行MUT具有沿其延伸的沟槽。在一些实施方式中，沟槽沿MUT的列延伸。在一些实施方式中，每列MUT具有沿其延伸的沟槽。在一些实施方式中，每行MUT具有沿其延伸的第一沟槽，并且每列MUT具有沿其延伸的第二沟槽。
在一些实施方式中，沟槽至少部分地围绕多个MUT中的单个MUT的膜片的周边。
在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT至少部分地被沟槽包围。
在一些实施方式中，MUT阵列还包括至少第二沟槽，该第二沟槽至少部分地围绕多个MUT中的一个或多个MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，第二沟槽至少部分地围绕多个MUT中的单个MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT至少部分地被第一沟槽和第二沟槽包围。
在一些实施方式中，沟槽安置在相邻的一对MUT之间。
在一些实施方式中，衬底包括至少部分地围绕多个MUT中的一个或多个MUT的膜片的周边的多个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每一MUT一个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每对相邻MUT一个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每一MUT少于一个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每对相邻MUT少于一个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每一MUT不止一个沟槽。在一些实施方式中，衬底包括多个MUT中的每对相邻MUT不止一个沟槽。
在一些实施方式中，MUT阵列被配置用于医学成像。
在另一方面，本文公开了一种制造MUT阵列的方法。
援引并入
本说明书中提到的所有出版物、专利和专利申请都以引用的方式并入本文，其程度就如同每个单独的出版物、专利或专利申请被具体地和单独地指示为以引用方式并入一样。
附图说明
通过参考对说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会获得对本主题的特征和优点的更好的理解，在附图中：
图1A是示出根据实施方式，附接到声介质200的通用化MUT阵列(101a-101c)的截面的示意图。
图1B示出了根据实施方式的MUT阵列210的俯视图。
图1C是根据实施方式的成像设备105的框图。
图1D示出了根据实施方式的MUT的俯视图。
图1E示出了根据实施方式，沿着图1D中的方向4-4截取的MUT的截面图。
图2是示出根据实施方式，具有128个元件的MUT阵列在跨度约22mm的方位方向上的运动幅度的示图。致动了中心的两个MUT，并且监测其他126个MUT的响应。灰度级表示正(朝向白色)或负(朝向黑色)膜片偏转。从图中消除了两个发射元件，以便可以看到串扰波纹。虚线230近似表示成像锥，其由速度为1480m/s的波所定义。
图3是示出根据实施方式，来自图2的数据在空间和时间上的傅里叶变换(也称为f-k图)的示图，表示空间域和频域中的数据。幅度相对于傅里叶数据的最大幅度以dB为单位绘制，其中白色数据具有较高幅度黑色蓝色数据。在2和4MHz以及0.5和1.5μs之间圈出的数据300是不期望的串扰。
图4是根据实施方式，用与图2和图3的MUT阵列类似的MUT阵列拍摄的超声图像。“聚光灯(spotlight)”效应由两个箭头420突出显示，而“重影”伪影被圈出430。
图5A和图5B是示出根据实施方式，具有膜片侧串扰沟槽103的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。
图6A和图6B是示出根据实施方式，具有埋入式串扰沟槽104的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。
图7A和图7B是示出根据实施方式，具有腔体侧串扰沟槽105的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。
图8A和图8B是示出根据实施方式，具有膜片侧103和腔体侧105串扰沟槽的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。
图9A至图9D是根据实施方式，具有埋入式腔体的电容式MUT的截面图，该腔体具有(a)膜片侧串扰沟槽103、(b)埋入式串扰沟槽104、(c)腔体侧串扰沟槽105，以及(d)腔体侧105和膜片侧103串扰沟槽。
图10是示出根据实施方式，对于多个衬底厚度的串扰沟槽103的仿真衰减对比沟槽深度的示图。y轴是与被致动元件相邻的元件的最大速度除以被致动元件的最大速度，以dB为单位。
图11A和图11B示出了根据实施方式，(b)具有串扰沟槽(在150μm硅衬底中75μm深)和(a)不具有串扰沟槽的MUT阵列的f-k和图像的比较。
图12A和图12B示出了根据实施方式，在各种间距和宽度下相应地对于50μm和25μm深的腔体侧沟槽在3.50MHz、3dB偏移下的方位响应。
具体实施方式
在某些实施方式中，本文描述了微机械超声换能器(MUT)阵列。
在一个方面，本文公开了一种MUT阵列，该MUT阵列包括衬底和多个MUT。多个MUT贴附到衬底的表面。每个MUT包括可移动膜片。衬底包括沟槽，该沟槽至少部分地围绕多个MUT中的一个或多个MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT是pMUT。在一些实施方式中，多个MUT中的每个MUT是cMUT。
在一些实施方式中，沟槽从衬底的表面延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。在一些实施方式中，沟槽延伸衬底的整个厚度。
在一些实施方式中，沟槽从衬底的相对表面延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
在一些实施方式中，沟槽从衬底的表面下方延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
在一些实施方式中，沟槽具有介于1μm与40μm之间的恒定宽度。
在一些实施方式中，沟槽具有介于1μm与40μm之间的可变宽度。
在一些实施方式中，沟槽距膜片的周边具有介于1μm与40μm之间的恒定距离。在一些实施方式中，沟槽距膜片的周边具有介于1μm与40μm之间的可变距离。
在一些实施方式中，沟槽围绕膜片的周边的至少50％、70％或90％。在一些实施方式中，沟槽围绕膜片的整个周边。
在一些实施方式中，沟槽至少部分地围绕多个MUT中的至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的MUT的膜片的周边。在一些实施方式中，沟槽至少部分地围绕多个MUT中的每个MUT的膜片的周边。
在一些实施方式中，沟槽至少部分地填充有声衰减材料。
在一些实施方式中，MUT阵列被配置用于医学成像。
在某些实施方式中，本文还描述了制造微机械超声换能器(MUT)阵列的方法。
某些定义
除非另有定义，否则本文使用的所有技术术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。如本说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用，除非上下文另外明确指出。除非另有说明，否则本文中对“或”的任何引用旨在涵盖“和/或”。
MUT
本公开可用于利用微机械超声换能器(MUT)技术的成像设备的情境，包括压电式微机械超声换能器(pMUT)或电容式微机械超声换能器(cMUT)技术。
图1C是成像设备105的框图，该成像设备105具有由控制器109控制的可选择性地改变的信道106、108，并且具有根据本文描述的原理在计算设备110上执行的成像计算。成像设备105可用于生成人体或动物身体的内部组织、骨骼、血流或器官的图像。因此，成像设备105向身体中发射信号并且接收来自被成像的身体部位的反射信号。这样的成像设备可以包括pMUT或cMUT，它们可以被称为收发器或成像器，其可以基于光声效应或超声效应。成像设备105还可用于对其他物体进行成像。例如，成像设备105可以用于医学成像；管道中的流量测量、扬声器和麦克风阵列；碎石术；用于治疗的局部组织加热；以及高强度聚焦超声(HIFU)手术。
除了伴随人类患者使用之外，成像设备105还可以用于获得动物的内脏器官的图像。此外，除了对内脏器官进行成像之外，成像设备105还可以如在多普勒模式成像中那样用于确定动脉和静脉中血流的方向和速度，并且还可以用于测量组织硬度。
成像设备105可用于执行不同类型的成像。例如，成像设备105可以用于执行一维成像(也称为A型扫描)、二维成像(也称为B型扫描)、三维成像(也称为C型扫描)，以及多普勒成像。成像设备105可以在程序控制下切换到不同的成像模式以及接受电子配置。
为了促进这样的成像，成像设备105包括pMUT或cMUT换能器210的阵列，每个换能器210包括换能器元件(即，MUT)101的阵列。MUT 101进行操作以1)生成穿过所要成像的身体或其他物质的压力波以及2)接收从身体或其他物质内的物体反射的波。在一些示例中，成像设备105可被配置成同时发射和接收超声波形。例如，某些MUT 101可以向正在成像的目标物体发送压力波，而其他MUT 101接收从目标物体反射的压力波并响应于接收到的波而产生电荷。
图1D示出了示例性MUT 400(在该示例中为pMUT)的俯视图。图1E示出了根据本公开的实施方式，沿着线4-4截取的图1D中的MUT 400的截面图。MUT 400可以基本上类似于本文描述的MUT 101。如图所示，MUT可以包括：膜层406，其从衬底402悬垂并安置在腔体404上方；底部电极(O)408，其安置在膜层(或简称为膜)406上；压电层410，其安置在底部电极(O)408上；以及顶部电极(X)412，其安置在压电层410上。
MUT，无论是cMUT还是pMUT，都可以利用各种半导体晶片制造操作高效地形成在衬底上。半导体晶片可能有6英寸、8英寸和12英寸尺寸，并且能够容纳数百个换能器阵列。这些半导体晶片作为硅衬底开始，在其上执行各种处理步骤。这样的操作的一个示例是形成SiO2层，也称为绝缘氧化物。执行各种其他步骤，诸如添加金属层以用作互连和键合焊盘等，以允许连接到其他电子器件。机器操作的又一示例是在衬底中刻蚀腔体(例如，图1E中的腔体404)。
为了显著减少串扰，根据本公开，在晶片制造工艺期间，在衬底100内形成大致包围每个MUT 101的沟槽103。其示例在图5A和图5B中描绘。图5A示出了示例性示意图，其示出具有膜片侧串扰沟槽103的通用化MUT阵列(101a-101c)。图5B示出了图5A中的MUT阵列沿着线A-A’截取的截面图。MUT阵列可以基本上类似于图1A-图1C中描绘的阵列，但增添了一个或多个沟槽103。MUT阵列210包括衬底100和多个MUT 101a-101c。多个MUT 101a-101c贴附到衬底100的表面。每个MUT 101a-101c包括可移动膜片。衬底100包括至少部分地围绕多个MUT101a-101c的膜片周边的沟槽103。沟槽103在衬底100与串扰沟槽103内的任何材料之间引入阻抗失配。这样的阻抗失配通过衰减、反射和散射来破坏串扰波。
串扰沟槽103的位置将会影响由沟槽提供的衰减量。来自图3的速度数据表明，界面110处的界面波在串扰能量中占一定比例。诸如瑞利波(Rayleigh wave)之类界面波通常会影响界面区域和界面一定距离内的材料，以行波波长为特征。在这样的情况下，与不靠近界面110的埋入式串扰沟槽104(诸如图6A和图6B中所描绘的那些串扰沟槽)相比，附接到衬底100的表面并与界面110相交的沟槽103将会是最佳的。
图7A和图7B是示出具有腔体侧串扰沟槽105的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。在一些实施方式中，衬底100包括至少部分地围绕多个MUT的腔体120a-120c周边的腔体侧沟槽105。沟槽105在衬底100与串扰沟槽105内的任何材料之间引入阻抗失配。这样的阻抗失配通过衰减、反射和散射来破坏串扰波。腔体侧沟槽105通过增加弹性波路径长度而有效地降低串扰速度。
图8A和图8B是示出具有膜片侧103和腔体侧105串扰沟槽的通用化MUT阵列(101a-101c)的(a)布局和(b)截面图的示例性示意图。在一些实施方式中，衬底100包括膜片侧沟槽103和腔体侧沟槽105。在至少一些情况下，膜片侧沟槽103和腔体侧沟槽105的组合可以比单独的任一沟槽类型更好地减少串扰效应(例如，通过降低速度和/或降低串扰效应的幅度)。
在一些实施方式中，衬底100包括膜片侧沟槽103、埋入式沟槽104和腔体侧沟槽105。
图9A至图9D是具有埋入式腔体的电容式MUT的截面图，该腔体具有(a)膜片侧串扰沟槽103、(b)埋入式串扰沟槽104、(c)腔体侧串扰沟槽105，以及(d)腔体侧105和膜片侧103串扰沟槽。MUT阵列210包括衬底100和多个MUT 101a-101c。多个MUT101a-101c贴附到衬底100的表面。每个MUT 101a-101c包括通过埋入式腔体130a、130b和130c形成在衬底100之中或之上的可移动膜片。衬底100包括至少部分地围绕多个MUT的膜片101a-101c周边的沟槽103、104和/或105。沟槽103、104和/或105在衬底100与串扰沟槽103、104和/或105内的任何材料之间引入阻抗失配。这样的阻抗失配通过衰减、反射和散射来破坏串扰波。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105经由深反应离子刻蚀(deep reactive ionetching，DRIE)、等离子体刻蚀、湿法刻蚀或其他刻蚀技术形成，这对于本领域普通技术人员基于这里的教导来说是显而易见的。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105距膜片或腔体的周边具有介于1μm与40μm之间(例如，介于10μm与40μm之间)的恒定距离。备选地或组合地，在一些实施方式中，沟槽103、104或105距膜片或腔体的周边具有介于1μm与40μm之间(例如，介于10μm与40μm之间)的可变距离。沟槽103、104或105距膜片或腔体的周边的距离可以如所需要的那样近(例如，原子级接近)或远。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105围绕膜片或腔体的周边的至少50％、70％或90％。在一些实施方式中，沟槽103、104或105围绕膜片或腔体的整个周边。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105至少部分地围绕多个MUT中至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的MUT的膜片或腔体的周边。在一些实施方式中，沟槽103、104或105至少部分地围绕多个MUT中的每个MUT的膜片或腔体的周边。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105至少部分地围绕位于MUT的第一横向侧的膜片或腔体的周边。可选地，第二沟槽103、104或105至少部分地围绕位于MUT的第二横向侧的膜片或腔体的周边。在一些实施方式中，MUT在其全部两个横向侧具有沟槽103、104或105。在一些实施方式中，沟槽103、104或105对称地安置在膜片或腔体的周边的周围。在一些实施方式中，沟槽103、104或105不对称地安置在膜片或腔体的周边的周围。在一些实施方式中，MUT在其单个横向侧具有沟槽103、104或105。
如图10中所示，串扰沟槽103、104或105的深度将会影响衰减。图10是示出对于多个衬底厚度(75μm或150μm)的串扰沟槽103的仿真衰减对比沟槽深度(范围为0-55μm)的示图。y轴是与被致动元件相邻的元件的最大速度除以被致动元件的最大速度，以dB为单位。在这样的情况下，仿真示出较深的串扰沟槽103比浅沟槽更有效。这是因为界面波和纵波都具有垂直空间范围。具有较大深度的沟槽导致较大比例的串扰波被沟槽破坏。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105从衬底的表面(膜片侧或腔体侧)延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。在一些实施方式中，沟槽延伸衬底的整个厚度(例如，100％)。在一些实施方式中，沟槽从衬底的表面(膜片侧或腔体侧)延伸至衬底厚度的约1％。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105从衬底的表面(膜片侧或腔体侧)下方延伸至衬底厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
最后，沟槽横向宽度也将会影响串扰沟槽103、104或105的衰减特性，特别是如果沟槽填充有高衰减材料。更大横向尺寸和/或更多数目的沟槽产生更好的串扰衰减。在最常见的MUT阵列中，串扰沟槽103和104的横向宽度将会受到MUT的封装密度的限制。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于1μm与40μm之间的恒定宽度。在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于1μm与100μm之间的恒定宽度。在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于5μm与10μm之间的恒定宽度。沟槽103、104或105的宽度可以如所需要的那样薄(例如，原子级薄)或大。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于1μm与40μm之间的可变宽度。在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于1μm与100μm之间的可变宽度。在一些实施方式中，沟槽103、104或105具有介于5μm与10μm之间的可变宽度。沟槽103、104或105的宽度可以如所需要的那样薄(例如，原子级薄)或大。
在一些实施方式中，沟槽103、104或105至少部分地填充有声衰减材料。备选地或组合地，在一些实施方式中，沟槽103、104或105至少部分地填充有声衰减材料。
在一些实施方式中，每一MUT有一个沟槽103、104或105。在一些实施方式中，每对相邻MUT有一个沟槽103、104或105。在一些实施方式中，沟槽103、104或105可以作为一个连续的沟槽在MUT之间相交和延伸。在一些实施方式中，每对MUT有少于一个沟槽103、104或105。在一些实施方式中，每一MUT有不止一个沟槽103、104或105。
在一些实施方式中，每一MUT有不止一个沟槽103、104或105。例如，每一MUT在MUT的第一横向侧具有第一近端沟槽并且在MUT的第二横向侧具有第二近端沟槽，使得每对相邻MUT在它们之间具有至少两个沟槽。第一MUT的第一横向侧的近端沟槽和第二MUT的第二横向侧的近端沟槽可以安置在第一MUT与第二MUT之间的衬底中。在一些实施方式中，可以在近端沟槽之间安置中央沟槽，从而在相邻的第一MUT和第二MUT之间总共有至少三个沟槽。在一些实施方式中，近端沟槽和中央沟槽形成在衬底的同一表面(膜片侧或腔体侧)中。在一些实施方式中，近端沟槽和中央沟槽形成在衬底的不同表面中。例如，如图8B和图9D中所示，近端沟槽103可以形成在膜片侧，而中央沟槽105可以形成在腔体侧。在至少一些情况下，近端膜片侧沟槽103和中央腔体侧沟槽105的组合可以比单独的任一沟槽类型更好地减少串扰效应(例如，通过降低速度和/或降低串扰效应的幅度)。
在一些实施方式中，MUT阵列的所有沟槽103、104或105具有相同的尺寸。在一些实施方式中，沟槽103、104或105中的一个或多个具有不同的尺寸。例如，图8B和图9D中所示的中央沟槽105可以比近端沟槽103更宽。
在一些实施方式中，每一MUT有一个沟槽103、104或105，其包围MUT的至少80％。备选地或组合地，沿着每行MUT有一个沟槽103、104或105。备选地或组合地，沿着每列MUT有一个沟槽103、104或105。备选地或组合地，沿着每行MUT有一个沟槽103、104或105，并且沿着每列MUT有一个沟槽103、104或105。备选地或组合地，在每个MUT周围有多个沟槽103、104或105。
此类沟槽的效能已在具有150μm衬底的硅MUT阵列中得到证明。图11A示出了没有串扰沟槽的MUT阵列101a-101c的f-k和图像。图11B示出了具有串扰沟槽103(在150μm硅衬底中75μm深)的MUT阵列101a-101c的f-k和图像。如图11A和图11B所示，串扰沟槽103有效地减少了串扰能量并移除了与串扰相关联的“聚光灯”420和重影430伪影。
具有沟槽的pMUT的制造方法
现在描述具有沟槽的pMUT(诸如图5A至图8B所示的pMUT)的示例性制造方法。
(a)首先，提供衬底(例如，衬底402或100)，通常是单晶硅。
(b)如果需要，可以在衬底中图案化和刻蚀埋入式串扰沟槽104以生成“操作(handle)”晶片。可以对另一硅“器件(device)”晶片进行热氧化，并且继而将其熔融键合到“操作晶片”以在它们之间形成埋入式沟槽104(例如，如图6A和图6B中所示)。“器件”晶片可以被研磨和抛光成期望的膜片厚度。
(c)继而可以在衬底上沉积绝缘层。绝缘层通常是某种形式的SiO2，大约0.1μm至3μm厚。它通常经由热氧化、PECVD沉积或其他技术沉积。
(d)继而可以沉积第一金属层408(也称为M1或金属1)。通常，这是粘附到衬底、防止压电体扩散、帮助压电体结构化沉积/生长并且导电的薄膜的组合。SRO(SrRuO3)可用于结构化薄膜生长，其在Pt之上用于扩散屏障和导电，在Ti之上作为粘合层(用于Pt到SiO2)。通常，这些层很薄，小于200nm，一些膜为10至40nm。应力、制造和成本问题通常会将这样的堆叠限制为小于1μm。导体(Pt)通常比结构化层(SRO)和粘合层(Ti)更厚。仅举几例而言，SRO之外的其他常见的结构化层包括(La0.5Sr0.5)CoO3、(La0.5Sr0.5)MnO3、LaNiO3、RuO2、IrO2、BaPbO3。可以用其他导电材料，诸如Cu、Cr、Ni、Ag、Al、Mo、W和NiCr等来代替Pt。这些其他材料通常具有诸如扩散屏障差、脆性或粘附性差等缺点，而Pt是最常用的导体。粘合层Ti可以替换为任何常见的粘合层，诸如TiW、TiN、Cr、Ni、Cr等。
(e)继而可以沉积压电材料410。合适的压电材料的一些常见示例包括：PZT、KNN、PZT-N、PMN-Pt、AlN、Sc-AlN、ZnO、PVDF和LiNiO3。压电层的厚度可以在100nm与5μm之间变化，或者可能更大幅变化。
(f)继而可以沉积第二金属层412(也称为M2或金属2)。该第二金属层412可以类似于第一金属层408并且可以用于类似的目的。对于M2，可以使用与M1相同的堆叠，但反过来：Ti用于粘附在Pt之上，以防止在结构的SRO之上的扩散。
(g)继而可以图案化和刻蚀第二金属层或M2 412，停止于压电层上。在此可以通过许多方式进行刻蚀，例如，经由RIE(反应离子刻蚀)、离子减薄仪、湿法化学刻蚀、各向同性气体刻蚀等。在图案化和刻蚀之后，可以经由湿法刻蚀和/或干法刻蚀剥离用于图案化M2的光致抗蚀剂。在本文描述的用于制造cMUT和pMUT的许多实施方式中，可以使用任何数目的刻蚀方式，并且通常在大多数图案和刻蚀步骤之后剥离光致抗蚀剂。
(h)继而可以类似地图案化和刻蚀压电层，在第一金属层或M1408处停止。通常，使用湿法、RIE和/或离子减薄仪刻蚀。
(i)继而可以类似地图案化和刻蚀第一金属层或M1 408，停止于介电绝缘层上。
(j)如果需要，可以添加以下一项或全部两项：
(1)H2屏障。H2扩散到压电层中可能会限制其寿命。为了防止这样的情况，可以使用H2屏障。可以使用40nm的ALD(原子层沉积)氧化铝(Al2O3)来实现这一点。其他合适的材料可以包括SiC、类金刚石碳等。
(2)再分布层(RDL)。该层可以提供M1和M2之间的连接性以及其他连接(例如，引线键合、凸点键合等)。可以通过首先添加电介质(诸如氧化物)，在电介质中刻蚀通孔，沉积导体(通常是Al)以及最后对导体进行图案化来形成RDL。此外，可能会添加钝化层(通常是氧化物+氮化物)以防止物理划痕、意外短路和/或湿度浸入。
(k)可以图案化和刻蚀膜片侧沟槽103(例如，如图5A、图5B、图8A和图8B中所示)。可以经由RIE或湿法刻蚀来刻蚀介电层。衬底100通常是硅，并且通常可以经由DRIE(深反应离子刻蚀)进行刻蚀。
(l)经常使用绝缘体上硅(SOI)衬底。在这样的情况下，在膜片101正下方存在隐埋绝缘体层或隐埋氧化物(BOX)层。继而，膜片由“器件”层(BOX上方的层)和BOX层下方的“操作”层组成。器件层中的腔体可停止在BOX上并且可从操作层刻蚀掉。在这样的情况下，沟槽刻蚀可包括两个额外的步骤：(1)在经由DRIE刻蚀器件层之后刻蚀BOX(通常经由干法RIE刻蚀，或者在一些情况下，经由湿法刻蚀)，以及(2)经由DRIE刻蚀操作层至期望的深度。大多数SOI晶片是硅，这意味着器件层和操作层通常将会是单晶硅。在这样的情况下，绝缘体BOX通常是热生长的二氧化硅，称为“隐埋氧化物”，这就是术语“BOX”的由来。通常可以使用具有单晶硅操作层和具有氧化物BOX的器件层的硅SOI晶片。器件层可以是5μm，但通常在100nm与100μm之间变化，而操作层厚度通常在100μm与1000μm之间变化。BOX通常介于100nm与5μm之间，但在许多情况下可以使用1μm。
(m)如果需要，可以经由研磨对晶片或操作层的背面进行减薄，以及在此时可选地进行抛光。在许多实施方式中，操作层从500μm减薄至300μm厚。常见的厚度通常在50μm与1000μm之间变化。
(n)可以图案化和刻蚀腔体侧沟槽105(例如，如图7A至图8B中所示)。衬底100的背面通常可以经由DRIE(深反应离子刻蚀)来刻蚀。
(o)可以在晶片或操作层的背面图案化腔体，并且可以刻蚀腔体。通常，晶片/操作层由硅组成，并且刻蚀是通过DRIE完成的。刻蚀可以定时。腔体可以与腔体侧沟槽105同时被刻蚀。刻蚀可以选择性地停止在BOX上。可以经由其他技术来刻蚀腔体，诸如经由KOH、TMAH、HNA和RIE。在光致抗蚀剂剥离之后可以认为晶片已完成。
基于本文的教导，本领域的普通技术人员将会理解，可以使用其他工艺来实现类似的最终结果。
具有沟槽的cMUT的制造方法
现在描述具有沟槽的cMUT(诸如图9A至图9D所示的cMUT)的示例性制造方法。
(a)首先，提供衬底(例如，衬底402或100)，通常是单晶硅。
(b)继而可以热氧化衬底。
(c)可以在氧化物中对腔体130a、130b、130c进行图案化和刻蚀以生成“操作”晶片。这通常通过氧化物的等离子体刻蚀或湿法刻蚀(例如，HF)来实现。
(d)如果需要，可以在“操作”晶片的氧化物中图案化和刻蚀埋入式串扰沟槽104。这通常通过氧化物的等离子体刻蚀或湿法刻蚀(例如，HF)来实现。
(e)继而可以将硅“器件”晶片熔融键合到经图案化的氧化物“操作”晶片。如果需要，可以图案化和刻蚀“器件”晶片(例如，经由DRIE)以在熔融键合之前对应于“操作”晶片中的埋入式沟槽104，使得“操作”晶片和“器件”晶片的熔融键合形成埋入式沟槽104(例如，如图9B中所示)。
(f)可以将“器件”晶片研磨和抛光至期望的膜片厚度。
(g)可以将膜片侧沟槽103图案化和刻蚀(例如，如图9A和图9D中所示)到经研磨和抛光的晶片的膜片侧中。
(h)可以将腔体侧沟槽105图案化和刻蚀(例如，如图9C和图9D中所示)到经研磨和抛光的晶片的腔体侧中。
基于本文的教导，本领域的普通技术人员将会理解，可以使用其他工艺来实现类似的最终结果。
示例
以下说明性示例代表在此描述的软件应用、系统和方法的实施方式，并且不意味着以任何方式加以限制。
示例1–腔体侧沟槽方位响应
测试pMUT晶片被制造成具有可变的沟槽深度(在75μm厚的pMUT上为25μm、37.5μm和50μm)和距腔体间距(10μm、15μm、20μm和25μm)，以及沟槽的宽度(5μm和10μm)。测量了pMUT在各个频率下的方位响应。图12A和图12B相应地示出了在各种间距和宽度下，50μm和25μm深的腔体侧沟槽在3.50MHz、3dB偏移下的方位响应。命名约定“XX-YYW”是这样的：XX＝间距，并且YY＝宽度。因此，20-05W是距腔体20μm且宽度为5μm的沟槽。如图12A中所示，50μm深的腔体侧沟槽的聚光灯角度看起来随着沟槽间距的增加而进一步向外推出。如图12B中所示，25μm深的腔体侧沟槽的聚光灯角度与沟槽间距没有线性相关性，但总体趋势是增加间距会导致聚光灯角度更窄。串扰下降发生在3.5MHz下，特别是在20-10W(20μm间距、10μm宽度)中、在25μm深度、约+/-28度处。
尽管已经在本文中示出和描述了本发明的优选实施方式，但是对于本领域技术人员而言容易理解的是，这样的实施方式仅以示例的方式提供。在不脱离本发明的情况下，本领域技术人员现在将想到许多变化、改变和替换。应当理解，可以采用本文所述的本发明的实施方式的各种替代方案来实施本发明。

Claims (34)

1.一种微机械超声换能器(MUT)阵列，包括：衬底和多个MUT；
所述多个MUT贴附到所述衬底的表面，每个MUT包括可移动膜片；
所述衬底包括至少部分地围绕所述多个MUT中的一个或多个MUT的所述膜片的周边的沟槽。
2.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述多个MUT中的每个MUT是pMUT。
3.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述多个MUT中的每个MUT是cMUT。
4.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽从所述衬底的所述表面延伸至所述衬底的厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
5.根据权利要求4所述的MUT阵列，其中所述沟槽延伸所述衬底的整个厚度。
6.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽从所述衬底的相对表面延伸至所述衬底的厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
7.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽从所述衬底的所述表面下方延伸至所述衬底的厚度的至少10％、至少50％或至少90％。
8.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽具有介于1μm与40μm之间的恒定宽度。
9.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽具有介于1μm与40μm之间的可变宽度。
10.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽距所述膜片的所述周边具有介于1μm与40μm之间的恒定距离。
11.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽距所述膜片的所述周边具有介于1μm与40μm之间的可变距离。
12.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽围绕所述膜片的所述周边的至少50％、60％、70％、80％或90％。
13.根据权利要求12所述的MUT阵列，其中所述沟槽围绕所述膜片的整个周边。
14.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽至少部分地围绕所述多个MUT中至少10％、至少20％、至少30％、至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％或至少90％的所述MUT的所述膜片的周边。
15.根据权利要求14所述的MUT阵列，其中所述沟槽至少部分地围绕所述多个MUT中的每个MUT的所述膜片的周边。
16.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽至少部分地填充有声衰减材料。
17.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述多个MUT被布置成多列和多行。
18.根据权利要求17所述的MUT阵列，其中所述沟槽沿着MUT的行延伸。
19.根据权利要求17所述的MUT阵列，其中每行MUT具有沿其延伸的沟槽。
20.根据权利要求17所述的MUT阵列，其中所述沟槽沿着MUT的列延伸。
21.根据权利要求17所述的MUT阵列，其中每列MUT具有沿其延伸的沟槽。
22.根据权利要求17所述的MUT阵列，其中每行MUT具有沿其延伸的第一沟槽，并且每列MUT具有沿其延伸的第二沟槽。
23.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽至少部分地围绕所述多个MUT中的单个MUT的所述膜片的周边。
24.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述多个MUT中的每个MUT至少部分地被沟槽包围。
25.根据权利要求1所述的MUT阵列，还包括至少部分地围绕所述多个MUT中的一个或多个MUT的所述膜片的所述周边的至少第二沟槽。
26.根据权利要求25所述的MUT阵列，其中所述第二沟槽至少部分地围绕所述多个MUT中的单个MUT的所述膜片的所述周边。
27.根据权利要求25所述的MUT阵列，其中所述多个MUT中的每个MUT至少部分地被第一沟槽和第二沟槽包围。
28.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述沟槽安置在相邻的一对MUT之间。
29.根据权利要求1所述的MUT阵列，其中所述衬底包括至少部分地围绕所述多个MUT中的一个或多个MUT的所述膜片的所述周边的多个沟槽。
30.根据权利要求29所述的MUT阵列，其中所述衬底包括所述多个MUT中每一MUT一个沟槽。
31.根据权利要求29所述的MUT阵列，其中所述衬底包括所述多个MUT中每对相邻MUT一个沟槽。
32.根据权利要求29所述的MUT阵列，其中所述衬底包括所述多个MUT中每一MUT少于一个沟槽。
33.根据权利要求29所述的MUT阵列，其中所述衬底包括所述多个MUT中每对相邻MUT少于一个沟槽。
34.根据权利要求1所述的MUT阵列，其被配置用于医学成像。
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