CN116020726A - 用于对高频声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程 - Google Patents
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Abstract
本公开的各实施例总体上涉及用于对高频声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程。一种PMUT声换能器形成在半导体材料的本体中，该本体具有表面并且容纳第一埋腔，第一埋腔多个具有环形形状，彼此同心布置，并且从本体的表面延伸一定距离。第一埋腔从由本体形成的多个第一膜下方界定，使得每个第一膜在多个第一埋腔中的相应第一埋腔与本体的表面之间延伸。多个压电元件在本体的表面上延伸，每个压电元件在多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸。第一膜的宽度不同，该宽度在最小值到最大值之间可变。
Description
技术领域
本公开涉及一种用于在传播介质中对声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程。特别地，本公开涉及用于高强度聚焦超声(HIFU)应用的PMUT(“压电微机械超声换能器”)超声换能器。
背景技术
众所周知，超声换能器是能够通过转换机电能、声能或光能来在流体(液体或气体)和/或固体传播介质中发射和接收声波(尤其是频率在20kHz到100MHz之间的超声波)的器件。
特别地，众所周知，MUT(“微机械超声换能器”)半导体超声换能器是使用硅体微机械加工和/或表面微机械加工工艺制造的。MUT换能器包括能够在声波传输条件和声波接收条件下振动的膜；目前，膜振动操作基于压电效应(压电MUT，即PMUT)或静电效应(电容MUT，即CMUT)。
发射/接收能量电声转换效率、频率响应增益和带宽是MUT的标识参数。它们既取决于MUT的典型因素(诸如决定MUT的机械阻抗的换能器的几何结构和材料)，也取决于声波传播介质的典型因素(诸如决定其声阻抗的传播介质的密度和传播声音的速度)。
已知不同空气超声波应用，诸如距离测量以及物体和环境成像，其基础是脉冲回波的检测，即，声波的传输(例如，超声波脉冲的传输)以及声波在环境中的反射和扩散所生成的超声波回波的接收。超声波回波的空间分布和谐波含量是由传播介质中的密度变化引起的，并且指示其中存在的物体和/或不均匀性。
在这种应用中，可用频率还取决于物体的尺寸或其特性；特别地，对于检测具有非常小尺寸(例如，高达30μm)的物体，将使用非常高频的声波，例如，MHz量级。
空气超声波应用的另一示例是超声波通信，它涉及通过声学通道传输和接收调制信号。在这种应用中，带宽直接影响测量分辨率(脉冲回波检测)或数据传输/接收(超声波通信)。
另一种可能的超声波应用是对患者组织的微创治疗，其中聚焦超声波用于烧蚀组织，组织因高温而被破坏。在这种情况下，高功率超声波聚焦于目标点，以获取高达70℃-80℃的温度升高。
发明内容
因此，人们希望能够灵活地制造压电微机械超声器件，这种器件可以在空气和水环境中工作，同时具有高检测精度，甚至可以在各种应用领域中以灵活的方式在比所使用的波长更远的距离工作。
本公开提供了一种满足所指示的要求的压电微机械超声器件。
根据本公开，提供了一种PMUT超声换能器及其制造过程，如所附权利要求中所限定的。
例如，在至少一个实施例中，一种PMUT声换能器可以包括：具有表面的半导体材料的本体；多个第一埋腔，具有环形形状，彼此同心布置，并且从本体的表面延伸一定距离；由本体形成的多个第一膜，每个第一膜在多个第一埋腔中的相应第一埋腔与本体的表面之间延伸；在本体的表面上的多个压电元件，每个压电元件在多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸；其中第一膜具有不同宽度。
附图说明
为了更好地理解本公开，现仅以非限制性示例的方式参考附图描述本公开的一些实施例，在附图中：
图1是部分中断的环形形状的PMUT声换能器的俯视图；
图2是示出谐振趋势与图1的换能器的环形结构的内径的函数关系的图；
图3是示出谐振趋势与图1的换能器的环形结构的腔体宽度的函数关系的图；
图4是根据一个实施例的PMUT声换能器的一部分的俯视图；
图5示出了图4的细节；
图6是图4的声换能器的一半的放大比例的横截面；
图7是图4的声换能器的环形元件的细节的横截面；
图8是图4的声换能器的俯视图；
图9是电偏置配置的图4的声换能器的透视截面；
图10A-图10C是根据一个实施例的在图4的声换能器的后续制造步骤中通过半导体材料的晶片的横截面；以及
图11A-图11H是根据另一实施例的在图4的声换能器的后续制造步骤中通过半导体材料的晶片的横截面。
具体实施方式
在Victor Far-Guoo Tsemg、Sarah S.Bedair撰写的文章“Phased ArrayFocusing for Acoustic Wireless Power Transfer”(IEEE TRANSACTIONS ONULTRASONIC FERROELECTRICS,AND FREQUENCY CONTROL,VOL.65,NO.1,January 2018)中，需要强调的是，当距离超过换能器的尺寸数倍时，通过声波的无线功率传输(WPT)可以比感应耦合实现更高效率。本文件说明了超声波相控元件阵列在接收器上具有高功率集中度，并且允许提高功率传输效率。
Benjamin E.Eovino、Yue Liang和Liwei Lin撰写的文章“CONCENTRIC PMUTARRAYS FOR FOCUSED ULTRASOUND AND HIGH INTENSITY APPLICATIONS”(MEMS 2019,Seoul,Korea,27-31January 2019,978-1-7181-1610-5/19,IEEE)描述了由具有同心环形状的压电微机械超声换能器(PMUT)阵列形成的PMUT器件，并且演示了这种配置如何允许制造能够生成极高声学强度和高聚焦强度的小型器件。
以下描述涉及所示的布置；因此，诸如“上方”、“下方”、“顶部”、“底部”、“右侧”、“左侧”等表达与附图相关，并且不应以限制性的方式来表示。
本公开源于发明人对具有同心环结构的PMUT超声换能器进行的研究。
为此，参考图1，图1示出了形成在半导体材料(此处为单晶硅)的本体2中的测试结构1。
本体2具有表面2A，该表面2A上设置有环形形状的压电元件3，并且容纳腔4，腔4同样为环形并且在压电元件3的下方。
腔4具有内径D_int和宽度w_c；压电元件3具有宽度w_r，宽度w_r小于腔3的宽度w_c。
实际上，本体2限定膜5，膜5覆盖腔4并且承载压电元件3。
在发明人的研究中，已经注意到，图1的测试结构1的谐振频率在一级近似中基本上独立于腔4的内径D_int，并且主要取决于腔3的宽度w_c。
这些数据如图2和图3所示。
特别地，图2示出了在腔4具有恒定的宽度w_c(此处等于167μm)并且腔3具有不同内径D_int的测试结构中腔4的内径D_int的谐振频率的实质恒定性。
相反，图3示出，在内径D_int恒定(此处等于300μm)并且腔3具有不同宽度w_c的测试结构中谐振频率强烈依赖于腔3的宽度w_c。
发明人的研究还强调，在表面(靠近本体2的表面2A)上测量的声压在很大程度上取决于腔4的宽度w_c，并且在较小程度上取决于内径D_int。
考虑到上述情况，本公开包括一种能够发射和检测多频声波的声波换能器，如下文参考图4-图9所述。
图4-图9示出了具有同心环的PMUT型声换能器10。
具体地，声换能器10包括半导体材料(诸如硅)的本体11，本体11具有单晶硅结构，本体11具有表面12A。
本体11容纳多个同心埋腔12A-12H；其中布置在中央位置的同心埋腔12A(以下也称为中央埋腔12A)为圆形形状，并且其他同心埋腔12B-12H具有环形形状。
同心埋腔12A-12H(当不需要区分时，通常称为同心埋腔12)所具有的宽度w1-w8在径向方向上增加，此处从中央埋腔12A开始，其中w1表示中央埋腔12A的半径。同心埋腔12B-12H(可以称为外围腔)与中央埋腔12A(可以称为中央腔)在径向方向上向外隔开。
根据一个实施例，同心埋腔12A-12H的宽度w1-w8被选择，以使得其具有线性降低的谐振频率(参见图3)。
例如，w1＝106μm；w2＝159μm；w3＝162μm；w4＝166μm；w5＝171μm；w6＝176μm；w7＝181μm，w8＝187μm。
一般来说，第一腔的宽度wi(例如，w1、w2、w3、w4、w5、w6、w7、w8等)可以在最小值20μm到最大值500μm之间变化。
同心埋腔12以均匀的方式相互间隔，例如2μm-20μm。
同心埋腔12的所具有的深度也为2μm-20μm，尤其是4μm。
同心埋腔12彼此共面，并且从本体11的表面11A延伸一小段距离。例如，同心埋腔12的顶面与本体11的表面11A之间的距离d1(图6)在1μm到100μm之间，特别是4μm。
同心埋腔12A-12H在本体11内部从相应薄膜13A-13H的下方界定；因此，每个薄膜13A-13H在相应同心埋腔12A-12H与本体11的表面11A之间延伸。
多个压电元件15A-15H在本体11的表面11A上延伸。压电元件15A-15H(当不需要区分时，通常称为压电元件15)分别在相应薄膜13A-13H上延伸(特别参见图5的放大详图，示出了同心埋腔12A-12C、相应薄膜13A-13C和相应压电元件15A-15C)。
压电元件15A-15H具有类似于相应同心埋腔12A-12H的圆形/环形形状，并且因此，在所示实施例中，包括圆形形状和中央位置的压电元件15-a(也称为中央压电元件15A)、以及多个压电元件15B-15H，压电元件15B-15H具有环形形状并且彼此同心布置并且与中央压电元件15A同心布置。
实际上，每个压电元件15A-15H与相应同心埋腔12A-12G形成换能器单元，用40A-40H表示。
特别地，如图6和图7所示，每个压电元件15包括由底部电极17、压电层18和顶部电极19形成的层叠，并且通过绝缘层20与本体11电绝缘。
钝化层21可以向上和横向地覆盖层堆叠17-19。例如，如图7所示，图7示出了底部电极17和顶部电极19的电连接的细节，保护层21可以由相互叠加的双层(第一保护层21A和第二保护层21B)形成。
压电层18可以例如由PZT(Pb、Zr、TiO3)或其他压电材料形成，即，能够将电能变换为振动机械能或反之亦然的材料。
绝缘层20可以是正硅酸乙酯(TEOS)；底部电极17是导电材料，例如钛(Ti)或铂(Pt)；顶部电极是导电材料，例如TiW；保护层21A和21B是绝缘材料。例如，第一保护层21A可以是氧化硅，第二保护层21B可以是通过CVD(化学气相沉积)沉积的氮化硅。
深埋腔25在同心埋腔12中的某个的下方延伸，并且而准确地说，在宽度较小的同心埋腔12的下方延伸，原因如下所述。在所示的实施例中，深埋腔25在中央埋腔12A、以及与其相邻的两个同心埋腔12B、12C的下方延伸。
因此，在所示的实施例中，深埋腔25居中布置并且具有圆形形状；例如，其可以具有550μm的半径R(直径为1100μm)。
通常，第二埋腔25的直径为500μm到1500μm，深度为100μm到200μm。
此外，深埋腔25的顶面从本体11的表面11A延伸距离d2，距离d2为10μm到200μm，例如140μm。
深埋腔25的深度为例如2μm-20μm，特别是4μm；在所考虑的示例中，在底部界定厚度d2为140μm的厚膜35。
如图6和图7所示，每个压电元件15的底部电极17和顶部电极19连接到相应导电轨道23、24(也称为底部导电轨道23和顶部导电轨道24)，例如，导电轨道23、24形成在与相应电极17、19相同的材料层中。
导电轨道23、24可以分开，例如如图8所示。这里，在每个压电元件15的导电轨道23和24的第一部分(来自相应电极17、19)中，导电轨道23，24被叠加，因此只有顶部导电轨道24可见。
特别地，在导电轨道23、24的第一部分中，靠近电极17、19，压电元件15A-15C(以及压电元件15-15G，不可见)的导电轨道23和24延伸通过压电元件15中的中断，这些中断分别更为外部。
备选地，如图8所示，所有压电元件15的底部电极17可以彼此连接(例如，接地)，并且所有压电元件15的顶部电极19可以彼此连接。在这种情况下，压电元件15B-15H的环可以是完整的，没有中断，并且可以以例如由电压发生器28提供的公共偏置电压V偏置，例如在外部并且通过电压应用垫29耦合到顶部导电轨道24。
在这两种情况下，导电轨道23、24连接到电子器件30(图8)。
电子器件30以已知方式(未示出)包括被配置为生成偏置电压的电源单元和被配置为控制换能步骤(声波发射和/或声波检测)的控制单元。
电子器件30可以与声换能器10一起集成到本体11中，也可以集成在单独的模具中并且通过衬垫耦合到导电轨道23、24，如图9中示意性地所示。
在使用中，以已知方式，向压电元件15A-15B施加可变电压(例如，交流电压)会导致相应薄膜13A-13H的应变和振动的生成以及声波在声波换能器10所在的介质中的发射(声波发生器工作模式)。
相反，在薄膜13A-13H的静止状态下(存在DC偏压或无外加电压，取决于压电层18的材料)，声波撞击薄膜13A-17H会导致后者振动并且从而在相关压电元件15A-15H中产生可变应力；因此，这些元件生成电子器件30可用于检测所接收的声波的参数的对应电信号(声波接收器工作模式)。
由于同心埋腔12A-12G的宽度不同，声波换能器10能够快速从声波发射器工作模式切换到声波检测器工作模式。
事实上，如上所述，由于薄膜13A-13H的宽度不同，每个换能器单元40A-40H具有不同谐振频率。
例如，在上述宽度w1-w8和薄膜13A-13H尺寸的情况下，对于硅膜，通过实验检测到下表I中所示的谐振频率值：
表1
由于薄膜13A-13H及其相邻布置的谐振频率不同，声换能器10的谐振频率在最小频率值(最大宽度腔的谐振频率，此处为同心埋腔12H)到最大频率值(最小宽度腔的谐振频率，此处为第一腔12A)之间，并且因此是宽带的。
由于暂时忽略了厚膜35的影响，因此，相对于单个换能器单元40A-40G，声换能器10的品质因数Q降低，并且因此容易迅速抑制振荡。
例如，当声换能器10用作测距仪时，这是有利的。
事实上，在这种情况下，声换能器10可以被控制为在第一步中在发电机工作模式下工作，并且生成高频声波，而在第二步中在接收器工作模式下，并且检测发射声波的回波。
为此，在第一步中，薄膜13A-13H被相应压电元件15A-15H引起振动，但由于系统的高频带，它们会迅速衰减，并且迅速静止，以便能够在检测条件下运行。
以这种方式，声换能器10可以非常快速地执行距离测量操作，而无需在两个操作步骤之间等待很长时间。因此，它能够在短距离内运行。
根据另一实施例，换能器单元40A-40G可以被个体地和/或在所选择的组中进行控制，仅对(多个)所选择的换能器单元40A-40G施加控制电压。这在某些应用中可以有用，例如用于聚焦声束以在大脑中消融肿瘤。
如上所述，在声换能器10中，深埋腔25允许放大高频发射的声波。
事实上，根据下式，PMUT声换能器发出的声功率受到取决于波频率和传播介质的阻尼的影响：
p(x，t)＝Pe-αXcos(ωt-kx) (1)
其中：
p是发射的声功率；
x是距发射平面的距离；
t是时间；
P是发射波的幅度；
α[Np/m，其中Np是纳皮尔数]是幅度衰减系数，取决于发射波的频率和传播介质；
ω是角频率；以及
k是波数(波长的倒数)。
例如，在频率为1MHz时，系数α在水中的值为0.0022，在空气中的值为12。
因此，一般来说，高频发射的波比低频发射的波衰减更大。此外，如果声换能器12以MHz量级的频率工作，并且传播介质为空气，则衰减相当高。
深埋腔25消除了这个问题。事实上，膜发出的波的声压取决于膜厚度和半径之比的平方、以及膜的刚度(杨氏模量和膜13、25的材料的密度，这里是单晶硅)。通过设计厚膜35，使其在较窄膜13A-13D的工作场中具有谐振频率(并且在空气中衰减最大)，可放大由较窄膜13A-13D发出的声波。
例如，对于厚度为140μm(图6中的距离d2)并且直径2R为1.1mm的厚膜35，厚膜35的谐振频率为1.1MHz，并且因此其作用是放大以类似频率运行的膜13A-13C/D的振荡。
实际上，厚膜35与被致动的上覆薄膜13A-13H一起谐振。由于厚膜35的直径较大，后者会发生较大的变形，在所考虑的示例中，这在1.1MHz的谐振频率附近产生极高的声压。由于该频率位于声波传播被空气(或声换能器浸入其中并且在高频下具有强衰减的其他介质)强烈衰减的频带内，因此膜35有助于使声换能器10即使在这种操作条件下也能工作。
声换能器10可以如图10A-图10C所示形成。
在图10A中，半导体材料(诸如单晶硅)的晶片50已经经过第一处理步骤，以形成深埋腔25。
例如，深埋腔25可以用EP1577656(对应于US 8173513)中描述的过程来形成，根据该过程，从初始硅晶片开始，形成多个相邻和连通的沟槽，其由硅柱分隔；然后在氧化环境中执行外延生长，这导致沟道的顶部闭合，并且导致柱的硅原子的迁移，从而形成埋腔25。
然后，如图10B所示，通过使用上述相同的工艺，在埋腔25上生长的外延层56中形成同心埋腔12(图10B中仅示出了一些)。
因此，也形成了薄膜13A-13G(图10B中仅示出了一些)和厚膜35。
由此获取的晶片(如51所示)由基板52形成(意在在切割晶片50之后形成本体11)，该基板52具有例如712μm的深度和表面51A。
随后，如图10C所示，通过沉积和限定各层，压电元件15A-15G(仅示出了一些)形成在基板52的表面52A上。
在切割晶片51之后，获取多个声换能器10(图4-图9)。
根据图11A-图11H所示的另一实施例，膜13A-13G和35为多孔硅。
具体地，参考图11A，晶片150包括半导体材料(这里是硅(例如，单晶))的衬底151和深牺牲区域152，深牺牲区域152热生长或沉积在衬底151上。例如，深牺牲区域151可以是氧化硅、BPSG(硼磷硅玻璃)或氮化硅。
在图11B中，多孔硅的第一结构层153沉积在衬底151上并且覆盖深牺牲区域152。例如，第一结构层151可以通过LPCVD(低压化学气相沉积)工艺在600℃下在550mtorr的压力下从纯硅烷气体中沉积。第一多孔硅层153可以具有100nm到150nm的厚度。
以本领域技术人员已知的方式，第一结构层153的多孔硅的特征在于存在微孔，微孔使其能够渗透液体，特别是腐蚀剂，例如，在氧化硅、HF(氢氟酸)的深牺牲区域152的情况下。
然后，如图11C所示，通过HF蚀刻通过第一结构层153去除深牺牲区域152。由于这种蚀刻允许去除氧化硅，但不去除硅，因此在蚀刻结束时，在晶片150中形成深腔25。
在图11D中，第二结构层155(同样是多孔硅)沉积在第一结构层153上。第二结构层155可以使用上面针对第一结构层151所示的相同参数来沉积。
第一结构层153和第二结构层155一起形成中间结构层156，中间结构层156厚度约等于深埋腔25与同心埋腔12A-12H之间的距离。
在图11E中，在中间结构层156的表面上产生了与要形成的同心埋腔12A-12H相对应的多个表面牺牲区域160(仅示出了一些)。例如，表面牺牲区域16可以是热生长或沉积的氧化硅。
在图11F中，多孔硅的第三结构层161沉积在中间结构层156上，并且覆盖表面牺牲区域160。第三结构层161可以使用上面针对第一结构层153所示的相同参数来沉积，并且可以具有约4μm的厚度，在任何情况下，该厚度对应于薄膜13A-13H的期望厚度。
第三结构层156和中间结构层156共同形成最终结构层162，最终结构层162的厚度等于距离d2(图6)。
然后，如图11G所示，通过HF蚀刻通过第三结构层161去除表面牺牲区域160，以形成同心埋腔12A-12G。
在图11H中，通过沉积和限定各层，形成了压电元件15A-15G(仅示出了一些)。
在切割晶片151之后，获取多个声换能器10(图4-图9)。
本文中描述的声换能器10和制造过程具有很多优点。
事实上，如上文所述，形成具有薄膜13A-13G的换能器单元40A-40H并且薄膜13A-13G彼此同心并且具有可变尺寸，从而可以获取具有高检测精度和快速响应的多频声换能器。
由于深埋腔25的存在，声换能器10能够发射能够远距离检测的高功率声波，并且即使在诸如空气和高频等具有高衰减的介质中工作时也具有高灵敏度。有利的是，这种放大是通过利用本体11的位于薄膜13A-13G的下方的部分来实现的，并且因此不需要另外的空间来形成厚膜35。这有助于保持声换能器10的尺寸较小。
通过同时操作若干换能器单元40A-40H，可以发射和检测具有快速减振功能的宽带声信号。
声换能器10也可以使用通常的半导体技术工艺步骤制造，并且因此成本降低。
它还具有较小的外形尺寸，从而可以用于便携式设备。
最后，很明显，可以对声换能器和本文中描述和说明的制造过程进行修改和变更，而不会因此偏离本公开的范围，如所附权利要求中所限定的。
例如，同心埋腔12A-12G的数目可以不同。
它们所具有的尺寸也可以以不同于所示的方式变化。特别地，根据不同实施例，腔可以具有从中央开始减小的尺寸。在这种情况下，深埋腔25可以具有环形形状，并且在第一最外层腔的下方延伸。
或者，同心埋腔12可以具有成组的可变宽度，使得每组的埋腔具有相同宽度，并且每组布置在第一组较大尺寸腔与第二组较小尺寸腔之间。
备选地，第一腔12的尺寸顺序可以不是单调的，并且因此并不总是增加(或减少，取决于观察方向)。
具有深埋腔25的同心埋腔12的数目可以不同，具体取决于期望谐振频率。
中央埋腔25也可以具有环形形状。
图11A-图11H的具有多孔硅的实施例可以不包括第二结构层155的形成，这也取决于第一结构层151的厚度和厚膜35的期望厚度。
PMUT声换能器(10)可以概括为包括具有表面(11A)的半导体材料的本体(11)；多个第一埋腔(12A-12H)，其具有环形形状，彼此同心布置，并且从本体(11)的表面(11A)延伸一定距离；由本体(11)形成的多个第一膜(13A-13H)，每个第一膜(13A-13H)在多个第一埋腔中的相应第一埋腔(12A-12H)与本体(11)的表面(11A)之间延伸；在本体的表面上的多个压电元件(15A-15H)，每个压电元件在多个第一膜中的相应第一膜(13A-13H)的上方延伸；其中第一膜(13A-13H)具有不同宽度(w1-w8)。
多个第一膜(13A-13H)可以包括中央膜(13A)和外围膜(13H)，中央膜由多个第一膜(13A-13H)中的其他第一膜(13B-13H)围绕，外围膜(13H)围绕多个第一膜中的其他第一膜，并且其中多个第一膜中的第一膜(13A-13H)所具有的宽度(w1-w8)从中央膜(13A)朝向外围膜(13H)单调地可变。
多个第一膜中的第一膜(13A-13H)所具有的宽度(w1-w8)可以从中央膜(13A)朝向外围膜(13H)增加。
第一埋腔(12A-12H)从本体(11)的表面(11A)延伸第一距离(d1)，并且PMUT声换能器(10)还包括从本体的表面延伸第二距离(d2)的第二埋腔(25)，第二距离大于第一距离(d1)，第二埋腔(25)在多个第一膜(13A-13H)中的至少一个最小宽度膜(13A)的下方延伸。
第二埋腔(25)可以在至少中央膜(13A)的下方延伸。
第二埋腔(25)可以具有在500μm到1500μm之间的直径。
第二距离(d2)可以在10μm到200μm之间。
第一膜可以具有在最小值到最大值之间的可变宽度，最小值(w1)小于或等于20μm，并且最大值(w8)大于或等于500μm。
第一埋膜(13A-13H)可以具有在1μm到100μm之间的厚度(d1)。
多个压电元件中的相应压电元件(15A-15H)每个可以包括第一电极和第二电极(17、19)，多个压电元件中的压电元件(15A-15H)的第一电极(17)相互耦合，并且多个压电元件中的压电元件的第二电极(19)相互耦合。
多个压电元件中的相应压电元件(15A-15H)每个可以包括第一电极(17)和第二电极(19)，多个压电元件中的压电元件(15A-15H)的第二电极(19)相互解耦。
一种PMUT声换能器(10)的制造过程可以概括为包括在半导体材料的晶片(50；150)中形成多个第一埋腔(12A-12H)，第一埋腔彼此同心布置，并且从第一晶片(50；150)的表面(52A)延伸一定距离，第一埋腔(12A-12H)限定多个第一膜(13A-13H)，每个第一膜在多个第一埋腔中的相应第一埋腔(12A-12-H)与本体(50；150)的表面(52A)之间延伸；以及在本体(50；150)的表面(52A)上形成多个压电元件(15A-15H)，每个压电元件延伸到多个第一膜中的相应第一膜(13A-13H)的上方；其中第一膜(13A-13H)具有不同宽度(w1-w8)。
该方法还可以包括形成第二埋腔(25)，其中第一埋腔(12A-12H)从本体(50；150)的表面(52A)延伸第一距离(d1)，并且第二埋腔(25)在多个第一膜(13A-13H)中的至少一个第一最小宽度膜(13A)的下方从本体的表面延伸第二距离(d2)，第二距离大于第一距离(d1)。
在形成第二埋腔(25)之后，可以外延生长半导体材料层(56；155)；并且可以执行形成多个第一埋腔(12A-12H)的步骤。
形成第二埋腔(25)可以包括形成除半导体材料以外的材料的第一牺牲区域(152)，第一牺牲区域(152)能够由对半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖第一牺牲区域(152)的第一多孔半导体材料层(153)；通过第一多孔半导体材料层去除第一牺牲区域(153)；在第一半导体材料层(155)上形成多个第二牺牲区域(160)，第二牺牲区域(160)是除半导体材料以外的材料，并且能够由对半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖第二牺牲区域(160)的第二多孔半导体材料层(161)；以及通过第二多孔半导体材料层去除第二牺牲区域。
上述各种实施例可以组合以提供另外的实施例。如有必要，可以修改实施例的各个方面，以利用各种专利、申请和出版物的概念来提供另外的实施例。
根据上述详细描述，可以对实施例进行这些和其他变化。一般来说，在所附权利要求中，所使用的术语不应当被解释为将权利要求限于说明书和权利要求中公开的具体实施例，而应当被理解为包括所有可能的实施例以及这样的权利要求有权享有的全部等同物范围。因此，权利要求不受本公开的限制。
Claims (20)
1.一种设备，包括：
压电微机械超声换能器PMUT声换能器，包括：
半导体材料的本体，具有表面；
多个第一埋腔，具有环形形状，彼此同心布置，并且从所述本体的所述表面延伸一定距离；
由所述本体形成的多个第一膜，每个第一膜在所述多个第一埋腔中的相应第一埋腔与所述本体的所述表面之间延伸；
在所述本体的所述表面上的多个压电元件，每个压电元件在所述多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸；
其中所述第一膜具有不同宽度。
2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个第一膜包括中央膜和外围膜，所述中央膜由所述多个第一膜中的其他第一膜围绕，所述外围膜围绕所述多个第一膜中的所述其他第一膜，并且其中所述多个第一膜中的第一膜的宽度从所述中央膜朝向所述外围膜单调地可变。
3.根据权利要求2所述的设备，其中所述多个第一膜中的第一膜具有从所述中央膜朝向所述外围膜增加的宽度。
4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一埋腔从所述本体的所述表面延伸第一距离，并且所述PMUT声换能器还包括从所述本体的所述表面延伸第二距离的第二埋腔，所述第二距离大于所述第一距离，所述第二埋腔在所述多个第一膜中的至少一个最小宽度膜的下方延伸。
5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二埋腔至少在所述中央膜的下方延伸。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二埋腔具有在500μm到1500μm之间的直径。
7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二距离在10μm到200μm之间。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一膜具有在最小值和最大值之间的可变宽度，所述最小值小于或等于20μm，并且所述最大值大于或等于500μm。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一埋膜具有在1μm到100μm之间的厚度。
10.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个压电元件中的压电元件各自包括第一电极和第二电极，所述多个压电元件中的压电元件的第一电极被相互耦合，并且所述多个压电元件中的压电元件的第二电极被相互耦合。
11.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个压电元件中的压电元件各自包括第一电极和第二电极，所述多个压电元件中的压电元件的第二电极被相互解耦。
12.一种方法，包括：
形成压电微机械超声换能器PMUT声换能器，包括：
在半导体材料的晶片中形成多个第一埋腔，所述第一埋腔彼此同心布置，并且从第一晶片的表面延伸一定距离，
所述第一埋腔限定多个第一膜，所述多个第一膜各自在所述多个第一埋腔中的相应第一埋腔与本体的表面之间延伸；以及
在所述本体的所述表面上形成多个压电元件，每个压电元件在所述多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸；
其中所述第一膜具有不同宽度。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括形成第二埋腔，其中所述第一埋腔从所述本体的所述表面延伸第一距离，并且所述第二埋腔在所述多个第一膜中的至少一个第一最小宽度膜的下方、从所述本体的所述表面延伸第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，在形成所述第二埋腔之后，外延生长半导体材料层；并且执行形成所述多个第一埋腔的步骤。
15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第二埋腔包括：形成除所述半导体材料以外的材料的第一牺牲区域，所述第一牺牲区域能够由对所述半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖所述第一牺牲区域的第一多孔半导体材料层；通过所述第一多孔半导体材料层去除所述第一牺牲区域；在所述第一半导体材料层上形成多个第二牺牲区域，所述第二牺牲区域是除所述半导体材料以外的材料并且能够由对所述半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖所述第二牺牲区域的第二多孔半导体材料层；以及通过所述第二多孔半导体材料层去除所述第二牺牲区域。
16.一种设备，包括：
半导体材料的本体，具有表面；
在所述半导体材料的所述本体中的多个环形埋腔，所述多个环形埋腔中的每个环形埋腔彼此同心，并且所述多个环形埋腔位于所述本体内的第一层；
在所述本体的所述表面上的多个环形压电元件，所述多个环形压电元件中的每个环形压电元件与所述多个环形埋腔中的对应环形埋腔重叠；
圆形压电元件，在所述本体的所述表面上并且由所述多个环形压电元件围绕；
在所述半导体材料的所述本体中的第一圆形埋腔，所述第一圆形埋腔与所述圆形压电元件重叠，并且所述第一圆形埋腔位于所述本体内的所述第一层；以及
在所述半导体材料的所述本体中的第二圆形埋腔，所述第二圆形埋腔与所述第一圆形埋腔和所述多个环形埋腔中的至少一个环形埋腔重叠，并且所述第二圆形埋腔位于所述本体内与所述第一层不同的第二层。
17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一层相对于所述第二层更接近所述本体的所述表面。
18.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二圆形埋腔与所述第二圆形埋腔重叠，并且与所述多个环形埋腔中的至少两个环形埋腔重叠。
19.根据权利要求16所述的设备，还包括：
在所述本体的所述表面与所述多个环形埋腔中的对应环形埋腔之间的多个环形膜；以及
在所述第一圆形埋腔与所述圆形压电元件之间的圆形膜。
20.根据权利要求16所述的设备，其中所述多个环形膜和所述圆形膜相对于彼此分别具有不同的宽度。
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