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Hintergrund
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Die vorliegende Erfindung betrifft kapazitive Membran-Ultraschalltransducer (CMUTs = Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers). Insbesondere werden Elektrodenstrukturen für CMUTs geschaffen.
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Ein typischer 1D oder 2D Ultraschalltransducer enthält hunderte oder sogar tausende von separaten Transducerelementen. Für einen CMUT können eine Mehrzahl (beispielsweise zehn, hundert oder tausende) von Zellen zusammen verwendet werden, um ein einzelnes Element zu bilden.
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Eine Zelle eines CMUT hat typischerweise einen Hohlraum (Vakuumzwischenraum), der durch eine Membran abgedeckt ist. Eine Elektrode ist auf oder innerhalb der Membran positioniert, und eine andere an der Basis des Hohlraums. Die Elektroden sind zu dem Hohlraum hin freigelegt, oder können separat von dem Hohlraum durch einen elektrischen Isolator ausgebildet sein. Um Schallenergie zu erzeugen werden eine DC-Vorspannung und ein elektrisch variierendes Signal an die Elektroden angelegt, wodurch die Membran veranlasst wird sich zu biegen. Um elektrische Energie zu erzeugen erzeugt die akustisch induzierte Verbiegung der Membran ein elektrisches Differentialsignal (Differenzsignal) zwischen den zwei Elektroden.
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Sehr große elektrische Felder treten auf über den Vakuumleerräumen für den CMUT, um Sendedrücke zu erzeugen, die mit denen eines piezoelektrischen Transducers vergleichbar sind. Beispielsweise sind 1,2–1,3 Billionen Volt pro Meter erforderlich, um 1,5 Megapascal Ausgangsdrücke bei 10 MHz zu erreichen. Wenn die Isolatoren diesen hohen elektrischen Feldern ausgesetzt werden, können sie ihre isolierenden Eigenschaften verlieren und beginnen Leckströme zuzulassen. Elektronen, die in den Isolator hinein wandern und gefangen werden, oder die von einer Isolatoroberfläche ausgesendet werden und den gegenüberliegenden Isolator treffen, können das elektrische Feld in dem Hohlraum ändern. Das geänderte elektrische Feld kann mit der Zeit die akustische Performance des CMUT verschlechtern.
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Versuche die Ladeverschlechterung mit der Zeit zu verhindern haben sich auf CMUTs konzentriert, bei denen ein oder beide Isolatoren teilweise oder vollständig entfernt werden oder nicht vorhanden sind. Die leitenden Elektroden sind zu dem Hohlraum freigelegt. Solange das angelegte elektrische Feld unterhalb des Schwellenwerts der Feldemission für die freigelegten leitenden Oberflächen ist, erfahren diese CMUT Strukturen eine geringere Ladeverschlechterung mit der Zeit, als isolierte CMUTs. Die elektrische Asymmetrie kann jedoch die Verwendung in bipolaren Anwendungen einschränken. Es kann ein vermehrtes Kurzschließen geben zwischen der oberen und der unteren Elektrode, wodurch die Vorrichtungsausbeute reduziert und Sicherheitsbedenken für den Patienten entstehen.
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Igal Ladabaum et al., IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Ausgabe 45, Nr. 3, Mai 1998, Seiten 678–690 offenbart ein theoretisches Modell für MUTCs zur Verifizierung von luftgekoppelten und wassergekoppelten Ultraschallübertragungen.
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Joshua Knight et al.; IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Ausgabe 51, Nr. 10, Oktober 2004, Seiten 1324–1333 offenbart einen Ultraschalltransducer, bei dem eine obere Elektrode aus zwei Schichten gebildet ist, wobei die Schicht, die eine Isolationsschicht kontaktiert, aus Aluminium ist, und die Schicht, die von der Isolationsschicht abgewandt ist, aus Chrom gebildet ist.
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Arif Sanl Ergun et al.; IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control, Ausgabe 52, Nr. 12, Dezember 2005, Seiten 2242–2258 offenbart Herstellungstechniken für MUTs.
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Xuefeng Zhuang et al.; Sensors and Actuators A 138 (2007), Seiten 221–229 beschreibt ein Verfahren zum Bereitstellen einer elektrischen Verbindung zu einem zweidimensionalen CMUT-Array.
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Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Ultraschalltransducers und eines Verfahrens zu seiner Herstellung, wobei eine Ladeverschlechterung mit der Zeit aufgrund von einer Elektronenleckage reduziert und ein parasitärer Serienwiderstand in dem Transducer begrenzt wird.
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Kurze Zusammenfassung
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Die im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele umfassen Verfahren, Transducer und Systeme zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und Schallenergie und zum Bilden von Transducern. Eine oder mehrere Elektroden enthalten mehrere Schichten eines leitfähigen Materials oder Halbleitermaterials. Die Schichten können benachbart zu einem Isolator oder einem Hohlraum in einer Anordnung positioniert sein, um den elektrischen Energieverlust zu reduzieren. Beispielsweise ist eine leitfähige Schicht mit wenig Austrittsarbeit (im Folgenden auch bezeichnet als Arbeitsfunktion) und wenig Widerstandsfähigkeit von einem Isolator beabstandet durch eine leitfähige Schicht mit mehr Arbeitsfunktion und mehr Widerstandsfähigkeit. Auf Grund des Typs von Material, das verwendet wird, und dem relativen Ort, können unterschiedliche Schichten des Elektrodenmaterials eine geringere Verschlechterung der elektrischen Eigenschaft mit der Zeit schaffen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Membran-Ultraschalltransducer geschaffen zur Umwandlung zwischen elektrischer und Schallenergie gemäß Anspruch 1.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Verfahren geschaffen zum Bilden eines kapazitiven Membran-Ultraschalltransducers gemäß Anspruch 10.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein kapazitiver Membran-Ultraschalltransducer geschaffen zur Umwandlung zwischen elektrischer und akustischer Energie gemäß Anspruch 12.
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Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden Ansprüche definiert, und nichts in diesem Abschnitt soll als Einschränkung dieser Ansprüche angesehen werden. Weitere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden im Folgenden in Verbindung mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel diskutiert. Die Aspekte oder andere Merkmale, die hier oder im Folgenden diskutiert werden, können später unabhängig oder in Kombination beansprucht werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Komponenten und die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu, sondern betonen dass, was zur Verdeutlichung der Prinzipien der Erfindung erforderlich ist. Darüber hinaus werden in den Figuren gleiche Bezugszeichen für entsprechende Teile in den unterschiedlichen Ansichten verwendet.
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1 zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer CMUT Zelle mit geschichteten Elektroden;
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bilden eines CMUT mit Mehrschicht-Elektroden; und
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3A–D zeigen alternative Ausführungsbeispiels der CMUT Zelle mit geschichteten Elektroden.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen und der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsbeispiele.
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Eine CMUT Struktur hat mindestens einen Mehrschicht-Leiter. Der Mehrschicht-Leiter kann von einem abgedichteten Hohlraum durch einen isolierenden Film getrennt sein. Eine derartige Struktur kann entweder bipolar sein, wobei der obere und der untere Leiter isoliert sind, oder unipolar, bei dem nur ein einzelner isolierter Leiter vorgesehen ist. Die Verschlechterung der Ladeeigenschaft in isolierten CMUTs kann verhindert oder reduziert werden, indem die chemischen und elektrischen Eigenschaften der Elektroden und der Elektroden-Isolator Schnittstellen variiert wird. Beispielsweise werden unterschiedliche Elektrodenmaterialien verwendet, um eine hohe Arbeitsfunktion, geringe Widerstandsfähigkeit, geringe chemische Reaktivität und eine Fähigkeit zu schaffen gut an eine Vielzahl anderer Materialien angepasst zu werden. Da es für einen einzelnen Typ von Material ungewöhnlich ist all diese Eigenschaften gleichzeitzeitig aufzuweisen, werden Elektroden von zwei oder mehreren leitfähigen Schichten oder Halbleiterschichten geschaffen. Jede Schicht hat einen Nebensatz der gewünschten Gesamteigenschaften. Für die Schicht in direktem Kontakt mit dem Isolator in der Hochfeldregion des CMUT wird ein Material mit hoher Arbeitsfunktion verwendet, um zu verhindern, dass Elektronen thermisch oder quantenmechanisch in den Isolator injiziert werden und eine Verschlechterung der Ladeeigenschaft mit sich bringen. Für die zweite Schicht wird ein Material mit geringer Widerstandsfähigkeit gewählt, um den parasitären Elementserienwiderstand zu begrenzen. Eine dritte Schicht kann oder kann nicht hinzugefügt werden zur Adhäsion oder um als Diffusionsbarriere zu dienen.
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Die Mehrschicht-Elektroden-CMUT-Struktur ist in der Lage höhere Ausgangsdrücke zuverlässiger zu erzeugen, ohne dass es erforderlich ist, einen oder beide Isolatoren zu entfernen. Zusätzlich kann die Vorspannung, die an die Zellen angelegt wird, wiederholt invertiert, entfernt oder anderweitig geändert werden, ohne dass Ladungen in den Isolationsfilmen gebildet werden. Dies kann zu einer verbesserten Kontrastauflösungsbildgebungsfähigkeit in dynamischen Vorspannungsbildgebungsschemen führen, da derartige Schemen oft eine oder mehrere Zellen erfordern, die periodisch deaktiviert werden durch Entfernen der angelegten Vorspannung.
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Damit die Null-Vorspannungsabschnitte wirklich inaktiv sind und keine Schallenergie zu Seitenkeulen („side lobes”) beitragen, sind die Isolatoren frei von eingeschlossener Ladung.
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1 zeigt einen Membranultraschalltransducer zum Umwandeln zwischen elektrischer Energie und akustischer Energie (Schallenergie). Der Membranultraschalltransducer ist ein kapazitiver Membranultraschalltransducer (CMUT = Capacitive Membrane Ultrasonic Transducer) gemäß einem Ausführungsbeispiel. Eine Membran wird oft verwendet, um flexible Planken oder andere flexible Strukturen einzubringen, ebenso wie Membrane einer Trommel zum Wandeln zwischen elektrischer Energie und akustischer Energie. Der Membranultraschalltransducer enthält ein Substrat 12, eine Membran 14, die über einem Hohlraum 16 angeordnet ist, eine Elektrode 18 benachbart zu der Membran 14, eine Bodenelektrode 20, einen Isolator 28 und eine Abdeckschicht 26. Andere jetzt bekannte oder später entwickelte CMUT Strukturen können vorgesehen werden. Zusätzliche, andere oder weniger Komponenten können vorgesehen werden.
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Eine in 1 gezeigte Zelle weist eine Bipolarestruktur auf. Wenn das elektrische Potential zwischen den Elektroden 18, 20 umgekehrt wird, wird die gleiche Struktur geschaffen relativ zu den Elektroden 18, 20. Es liegt Struktursymmetrie vor. Die Elektroden 18, 20 sind durch Isolatoren (Membran 14 und Isolator 28) und den Hohlraum 16 voneinander getrennt ausgebildet. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen hat die Zelle eine unipolare Struktur. Beispielsweise ist kein Isolator 28 vorgesehen. Die Bodenelektrode 20 ist zu dem Hohlraum 16 freigelegt, während die Membran 14 die andere Elektrode 18 von dem Hohlraum 16 isoliert. Gemäß einem anderen Beispiel ist die Membran 14 dotiert oder als oberste Elektrode 18 gebildet, ohne einen weiteren Isolator oder eine Elektrode 18 ist auf einer gegenüberliegenden Seite der Membran 14, wobei die Elektrode 18 zu dem Hohlraum 16 freigelegt ist.
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Unterschiedliche Zellen können durch eine Elektrodenverbindung miteinander verbunden sein, wie beispielsweise in der
US 6 271 620 B1 und
US 6 571 445 B2 offenbart, auf deren Offenbarung hiermit Bezug genommen wird. Die Elektroden
18,
20 und entsprechende Schichten
22,
24 sind mit Zwischenverbindungen zu einer oder zu mehreren anderen Zellenelektroden verbunden. Die Zwischenverbindung kann auf einer gleichen Schicht oder einer zusätzlichen Schicht auf den Elektroden
18,
20 sein.
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Die CMUT Zelle enthält das Substrat 12. Das Substrat 12 ist ein Halbleiter, beispielsweise Silizium, Silizium mit Schichten eines zusätzlichen Materials, Gallium Arsenid oder ein anderes jetzt bekanntes oder später entwickeltes Mikroherstellungsmaterial. Das Substrat 12 ist als Rechteck oder anders geformte Platte größenmäßig ausgebildet, ausreichend zur Schaffung einer gewünschten Anzahl von Transducerelementen. Beispielsweise wird eine lineare schmale Platte (oder Scheibe) geschaffen für eine eindimensionale Transduceranordnung (Transducer Array), und eine breite Platte (Schreibe) wird geschaffen für eine mehrdimensionale Transduceranordnung (Transducer Array). Obwohl ein zusätzliches Substrat 12 verwendet werden kann für einen Signalleitungsplan, für Anschlüsse zum Drahtbonden oder für andere Strukturen, wird der Bereich des Substrats 12 so klein wie möglich gehalten.
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Die Membran 14 ist ein Halbleiter oder ein anderes Material, das auf dem Substrat getragen wird. Beispielsweise ist die Membran 14 als eine Schicht aus einem plasmaunterstützem CVD Siliziumnitrid gebildet, aber andere jetzt bekannte oder später entwickelte Materialien können verwendet werden. Die Membran 14 wird gebildet durch Mustern, Ätzen und Verwendung einer Opferschicht, beispielsweise Aluminium oder Niedertemperaturoxid oder Glas. Durch Entfernen der Opferschicht wird der Hohlraum 16, der zu jeder Membran 14 gehört, gebildet. Eine Durchgangskontaktierung mit einem zugehörigen Ätzen, Fotoresistprozess oder anderen Prozessen wird verwendet, um die Opferschicht oder Bereiche der Schicht zu entfernen, die nach dem Muster übrig bleiben, um den Hohlraum 16 zu bilden. Der Hohlraum 16 kann abgedichtet werden oder mit einer Öffnung bleiben. Beispielsweise wird eine zusätzliche Schicht von Material aufgebracht, um gemäß einem Ausführungsbeispiel die Durchgangskontaktierung zu füllen, aber die Durchgangskontaktierung kann gemäß anderen Ausführungsbeispielen ungefüllt bleiben. Der Hohlraum 16 bildet eine Aushöhlung, die die Membran 14 von dem Substrat 12 trennt.
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Wie in 1 gezeigt ist die Membran 14 auf einer obersten Oberfläche des Substrats 12. Die oberste Oberfläche, wie sie hier verwendet wird, enthält eine Membranschicht, die auf der obersten Oberfläche freigelegt ist, wobei die Membran 14 und zusätzliche Schichten, die über den Membranen aufgebracht sind, auf der obersten Oberfläche oder anderen allgemeinen Platzierungen der Membran 14 freigelegt sind, um die Schallenergie von der obersten Oberfläche zu empfangen. Gemäß alternativen Ausführungsbeispielen ist die Membran 14 von der obersten Oberfläche beabstandet, beispielsweise durch Schichten von anderen Hohlräumen und zugehörigen Membranen.
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Die Membran 14 liefert eine Isolationsschicht, die die Elektrode 18 von dem Hohlraum 16 trennt. Irgendein elektrisch isolierendes Material kann verwendet werden, beispielsweise Siliziumnitrid. Andere Isolationsschichten können vorgesehen werden, beispielsweise als eine Schicht, die von der Membran 14 vollständig oder teilweise trennt. Die Membran 14 oder eine andere Isolationsschicht trennen die Elektrode 18 von dem Hohlraum 16. Für eine unipolare Struktur wird die oberste Elektrode 18 zu dem Hohlraum 16 freigelegt ohne dazwischenliegende Isolation. Nur ein Bereich oder die gesamte Membran 14 liefern die Isolationsschicht.
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Für die untere Elektrode 20 wird die Isolationsschicht 28 aufgebracht oder über der Elektrode 20 gebildet. Irgendein elektrisch isolierendes Material kann verwendet werden, beispielweise Siliziumnitrid. Die Isolationsschicht 28 ist auf einer Seite des Hohlraums 16, die der Membran 14 gegenüberliegt. Die Isolationsschicht 28 trennt die Elektrode 28 von dem Hohlraum 16. Für eine unipolare Struktur wird die Bodenelektrode 20 zu dem Hohlraum 16 freigelegt ohne dazwischenliegende Isolation.
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Die Elektroden 18, 20 sind dünne Abscheidungen aus Metall, aber andere Leiter oder Halbleiter können verwendet werden, beispielsweise Indiumoxid oder leitende Polymere. Irgendein Sputtern, Dotieren, Nieder- oder Hochtemperaturabscheiden, Wafer Bonding oder andere Prozesse können verwendet werden, um die Elektroden 18, 20 zu bilden. Beispielsweise werden die Elektroden 20 innerhalb des Hohlraums 18 abgeschieden, geätzt, gemustert oder anderweitig gebildet, bevor eine Opferschicht für den Hohlraum 16 und eine Schicht für das Bilden der Membrane 14 aufgebracht werden. Gemäß einem anderen Beispiel werden die Elektroden 18 gemustert, abgeschieden und geätzt oder anderweitig gebildet, nach dem Bilden der Membrane und vor oder nach dem Entfernen der Opferschicht, um die Hohlräume 16 zu bilden. Jede Elektrode 18, 20 gehört zu dem Hohlraum 16 und der Membran 14.
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Die Elektroden 18, 20 sind auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 16 ausgebildet. Beispielsweise ist die Elektrode 18 eine metallisierte Schicht, die Zellen für ein gesamtes CMUT Element abdeckt. Alternativ verbinden die Leiter oder elektrischen Bahnen jede der separaten obersten Elektroden 18 auf einen einzelnen Signal- oder Massepfad. Elektroden von unterschiedlichen Elementen können als eine konstante Referenz miteinander verbunden werden, beispielsweise als eine Verbindung mit Masse. Einige Elektroden 18, 20 werden getrennt oder elektrisch isoliert von Elektroden 18, 20 von anderen Elementen 24. Mindestens eine Elektrode jeder Membran 14 für ein gegebenes Element 24 wird getrennt von einer Elektrode des anderen Elements 24 gehalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel arbeiten die obersten Elektroden 18 als Masseelektroden und können einem oder mehreren Elementen gemeinsam sein, aber gemäß anderen Ausführungsbeispielen arbeitet die untere Elektrode 20 als Masseelektrode.
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Eine oder beide der Elektroden 18, 20 werden als Stapel oder als Anordnung von zwei oder mehreren unterschiedlichen leitenden Filmen oder Halbleiterfilmen gebildet. 1 zeigt beide Elektroden 18, 20, die zwei Kontaktschichten 22, 24 aufweisen. Zusätzliche Schichten können vorgesehen werden, beispielsweise eine Klebeschicht zwischen den Schichten 22, 24 oder zwischen der Schicht 22, die von dem Isolator 28, 14 beabstandet ist, und einem anderen Material. Ein „Kontaktieren” liefert einen elektrischen Kontakt, beispielsweise zwei Leiter in direktem physikalischen Kontakt oder anderem elektrischen Kontakt. Die Schichten 22, 24 in der Elektrode 18, 20 sind in ohmschem Kontakt miteinander. Die Schichten 22, 24 sind vollständig überlappt, um parasitäre Effekte zu reduzieren, können jedoch nicht vollständig überlappt sein. Ein teilweises Überlappen oder eine vertikale Separierung voneinander durch einen Isolator kann stattdessen vorgesehen werden. Eine dritte Schicht zwischen den zwei leitenden Schichten 22, 24 kann nicht leitend sein. Diese dritte Schicht kann als Haftschicht (Klebeschicht), eine Diffusionsbarriere oder als ein mechanischer Separator dienen, die vertikal die zwei leitenden Schichten 22, 24 innerhalb einer freihängenden Membran 14 positionieren, in einer Art und Weise, dass Filmspannung oder andere Materialeigenschaften in geeigneter Weise verteilt werden. In dem Fall eines mechanischen Separators kann die dritte Schicht ein Isolator sein oder sogar Teil der Membran 14.
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Die Schichten 22, 24 sind separate Materialien. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine Legierung oder eine vermischte Elektrodenstruktur aus unterschiedlichen Materialien vorgesehen werden. Beispielsweise können die leitenden Schichten 22, 24 teilweise nahe ihrer Schnittstelle miteinander legiert sein (also es kann eine Übergangsregion zwischen den zwei Leitern geben, die eine Legierung aus beiden bildet). Die gewünschte Trennung der elektrischen Eigenschaften wird geschaffen durch Abstufung der Menge von einem Material relativ zu dem anderen Material als Funktion der Tiefe. Die Abstufung liefert unterschiedliche Schichten.
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Eine Schicht 24 kontaktiert die Isolationsschicht 28, 14. Die Schicht 24 kontaktiert überwiegend die Isolationsschicht 28, 14 in denjenigen Regionen, wo die Isolationsschicht 28, 14 benachbart zu einem Hohlraum 16 mit hohen elektrischen Feldern ist. Die Schicht 24 kann gebondet werden, verbunden werden, angehaftet, angeklebt oder anderweitig in Position gegen die Isolationsschicht 28, 14 gehalten werden.
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Die Schicht 24 trennt die andere Schicht 22 von der Isolationsschicht 28, 14 in der Hochfeldregion des CMUT. Beispielweise ist nur die Schicht 24 direkt benachbart zu der Isolationsschicht 28, 14 und die andere Schicht 22 oder Schichten sind vollständig, überwiegend oder fast frei von Kontakt mit der Isolationsschicht 28, 14 in der Hochfeldregion.
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Ein oder mehrere Kontakte oder Durchverbindungen können gemäß anderen Ausführungsbeispielen vorgesehen werden. Beispielsweise kann eine Leiterschicht 22 mit geringer Arbeitsfunktion Bereiche des Isolators 28, 14 in einem Bereich berühren, wo der Isolator 28, 14 nicht länger benachbart zu dem Vakuumhohlraum 16 ist, oder die gegenüberliegende Elektrode 18, 20 unterbrochen worden ist. In Regionen mit nur einer einzelnen Elektrode 18, 20 benachbart zu dem Hohlraum 16 ist das elektrische Feld klein genug, dass eine Ladungsverschlechterung kein Problem ist. In Regionen mit gegenüberliegenden Elektroden, aber keinem Hohlraum 16, ist das elektrische Feld hoch, aber eingeschlossene Ladung beeinträchtigt nicht die Schallleistungsfähigkeit (akustische Leistungsfähigkeit) des Transducers.
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In Regionen des CMUT mit zwei Elektroden 18, 20 auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 16, ist der benachbarte Isolator 28, 14 vornehmlich in Kontakt mit der Leiterschicht 24 hoher Arbeitsfunktion und nicht mit der anderen Schicht 22. Dies kann verhindern, dass ein Laden die akustische Leistungsfähigkeit des Transducers verschlechtert. Nichts desto trotz ist es für das Metall mit geringer Arbeitsfunktion zulässig, dass es den Isolator 28, 14 berührt über einem begrenzten Bereich (beispielsweise < 10%) dieser Hochfeldüberlappungsregion. In einer derartigen Fall wird 10% der Vorrichtung ernsthaft geladen, während 90% unbeeinflusst bleibt, was eine relativ geringe Gesamtverschlechterung der akustischen Leistungsfähigkeit zur Folge hat.
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Die 3A–D zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele der CMUT Zelle mit unterschiedlichen Niveaus oder Typen von Kontakt und Separation. 3A zeigt die Schicht 22, die den Isolator 14 in der Hochfeldregion über Gräben oder Löcher in der Schicht 24 kontaktiert. 3B zeigt die Schichten 22, 24 nicht vollständig überlappend außerhalb der höheren Feldregion in dem Hohlraum 16. 3C zeigt die Schicht 22, die schmäler als die Schicht 24 ist. 3D zeigt eine Separation zwischen Bereichen (den meisten) der Schichten 22, 24. Andere Anordnungen von Überlappung, Separation und/oder Kontakt können vorgesehen werden.
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Die Schichten 22, 24 können unterschiedlich dick sein. Beispielsweise hat die Schicht 24 benachbart zu dem Isolator 14 oder dem Hohlraum 16 eine Dicke gleich oder kleiner als die Dicke der anderen Schicht 22. Irgendeine Dicke kann vorgesehen werden, beispielsweise weniger als 2 Mikrometer. In einem Ausführungsbeispiel haben alle vier Leiter der Schichten 22, 24 in den zwei Elektroden 18, 20 unterschiedliche Dicken. Damit der CMUT bipolar ist, ist es notwendig, dass die leitenden Schichten 22, 24 auf gegenüberliegenden Seiten des Hohlraums 16 eine angepasste Dicke haben. Die Schichten 22, 24 können die gleiche Dicke aufweisen zwischen den Elektroden 18, 20 und/oder innerhalb einer Elektrode 18, 20. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist jede Schicht 22, 24 kleiner als 0,5 Mikrometer. Größere oder kleinere Dicken der Schichten 22, 24 können verwendet werden.
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Die Schicht 24 benachbart zu dem Isolator 28, 14 hat eine größere Arbeitsfunktion und/oder eine größere Widerstandsfähigkeit als die Schicht 22, die von dem Isolator 28, 14 beabstandet ist. Beispielsweise hat die Schicht 24 eine Arbeitsfunktion größer als oder gleich 4,5 eV, und die Schicht 22 hat eine Widerstandsfähigkeit gleich oder kleiner als 3 e–8 Ohm-cm. Die Differenz in der Arbeitsfunktion und/oder Widerstandsfähigkeit zwischen den Schichten 22, 24 kann eine gewünschte Vermeidung oder Begrenzung der Verschlechterung der elektrischen Eigenschaft bereitstellen. Die höhere Arbeitsfunktion benachbart zu der Isolationsschicht 28, 14 verhindert oder begrenzt die Elektronenwanderung. Die geringere Widerstandsfähigkeit der Schicht 22, die von der Isolationsschicht 28, 14 beabstandet ist, kann den parasitären Serienwiderstand begrenzen. Die Schichten 22, 24 können designed sein, um andere Charakteristiken zu liefern, beispielweise eine geringere chemische Reaktivität, geringere Restspannung und/oder die Fähigkeit auf oder an anderen Schichten zu haften. Die Fähigkeit zu haften kann eine Delaminierung verhindern. Gemäß einem Ausführungsbeispiel hat die Schicht 24 eine nominale Spannung größer als 400 Megapascal Zugkraft, und die andere Schicht 22 hat eine nominale Spannung kleiner oder gleich zu der der Schicht 24.
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Die Materialien, die verwendet werden, um die Schichten 22, 24 zu bilden, liefern die gewünschten Charakteristiken. Beispielsweise enthält die Schicht 24 benachbart zu der Isolationsschicht 28, 14 Wolfram, eine Wolfram Legierung, Chrom, Nickel, Kobalt, Beryllium, Gold, Platin oder Palladium. Legierungen oder andere Materialien, die ein oder mehrere dieser Materialien als Komponenten haben, können verwendet werden. Unterschiedliche Materialien können verwendet werden. Gemäß einem anderen Beispiel ist die Schicht 22, die von der Isolationsschicht 28, 14 beabstandet ist, aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung, Polysilizium oder Kupfer. Legierungen oder andere Materialien, die ein oder mehrere dieser Materialien als Komponenten aufweisen, können verwendet werden. Unterschiedliche Materialien können verwendet werden.
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Gemäß einer Konfiguration kann eine unipolare CMUT Struktur ohne Mehrschichtelektroden 18, 20 bereitgestellt werden. Beispielsweise ist eine obere AlCu (Aluminium-Kupfer) Elektrode 0,25 μm dick. Ein oberer Siliziumnitridisolator ist 0,8 μm dick. Ein Vakuumhohlraum ist 0,1 μm dick. Es gibt keinen unteren Isolator. Eine untere freigelegte TiW (Titanium-Wolfram-Legierung) Elektrode ist 0,25 μm dick. Die Verschlechterung der Ladeeigenschaften dieser unipolaren Struktur kann bei einer „guten” elektrischen Feldpolarität gering sein, jedoch eine Polaritätsverschlechterung erleiden, wo das freigelegt Metall Elektronen in den Vakuumleerraum auszusenden. Eine Verschlechterung der Ladeeigenschaften ist die Folge, wenn diese Elektronen auf hohe Energien durch das elektrische Feld beschleunigt werden und in den gegenüberliegenden Isolator krachen. Wenn die Vorspannung eine sich ändernde Polarität hat oder sich in Antwort auf ein bipolares alternierendes Signal ändert, kann die unipolare Struktur Ladeverschlechterungseffekten unterworfen werden.
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Eine bipolare CMUT Struktur kann Einzelschichtelektroden haben. Beispielsweise ist eine obere AlCu (Aluminium-Kupfer) Elektrode 0,5 μm dick. Ein oberer PECVD-Siliziumnitrid Isolator ist 0,45 μm dick. Der Volumenhohlraum ist 0,1 μm dick. Der untere PECVD-Siliziumnitrid Isolator ist 0,45 μm dick. Eine untere AlCu (Aluminium-Kupfer) Elektrode ist 0,25 μm dick. Zum Demonstrieren der Verschlechterung der Ladeeigenschaft wird die Größe eines angelegten elektrischen Feldes rampenartig nach oben von Null bis 2 GV/m, über eine acht Stunden Zeitperiode geändert. Die Polarität des angelegten Felds wird alle zwei Sekunden umgekehrt, wodurch eine sich ändernde Feldbedingung in dem Hohlraum erzeugt wird. Diese bipolare Struktur kann unter einer signifikanten Verschlechterung der Ladeeigenschaft bei beiden Polaritäten leiden. Die Ladeverschlechterung kann verbessert werden durch Auswählen von unterschiedlichen Elektrodenmaterialien, jedoch können derartige Materialien zu Widerstandsfähig sein, erhöhte Zugspannungen haben und/oder Probleme haben mit einer Delaminierung während der Herstellung.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann eine bipolare CMUT Struktur Mehrschichtelektroden haben. Eine obere Elektrode enthält eine Schicht, die von einem Isolator aus AlCu mit 0,25 μm Dicke und einer Schicht benachbart zu dem Isolator aus W mit 0,25 μm Dicke beabstandet sein. Der obere Isolator ist PECVD Siliziumnitrid mit 0,45 μm Dicke. Der Vakuumhohlraum ist 0,1 μm dick. Der untere Isolator ist ein unterer PECVD Siliziumnitridisolator mit 0,45 μm Dicke. Die untere Elektrode enthält eine Schicht benachbart zu dem unteren Isolator aus W mit 0,25 μm Dicke und eine Schicht, die von dem unteren Isolator der unteren AlCu Elektrode mit 0,25 μm Dicke beabstandet ist. Keine oder geringe Ladeverschlechterung kann geschaffen werden in Antwort auf die gleiche Spannung.
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Der CMUT mit mehrgeschichteten Elektroden kann verwendet werden für irgendeine gewünschte Therapie oder Bildgebungsanwendung. Beispielsweise dient der CMUT zum integrierten Strahlformen, was eine Verwendung als mehrdimensionales Array (beispielsweise 2D Array) erlaubt. Das volumetrische Bildgeben mit einem kleinen Transducer kann erfolgen, beispielweise für die Brustbildgebung. Gemäß einem anderen Beispiel wird eine eindimensionale Anordnung gebildet mit dem CMUT. Der Transducer kann die zeitinvariante akustische Empfindlichkeit über seinen Betriebslebenszyklus aufrecht erhalten.
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Jede jetzt bekannte oder später entwickelte Technik kann verwendet werden zum Bilden des CMUT, der Membrane 14, der Elektroden 18, 20 und des Substrats 12. Eine CMOS oder bipolare Verarbeitung wird gemäß einem Ausführungsbeispiel verwendet. Unter Verwendung eines Spin-Abscheidens, einer Sputterabscheidung, einer Dampfabscheidung oder andere Formen von Abscheidung, Wafer Bonden, Ätzen, Mustern, Lapping, Verdampfen, Anreißen, Photolithographiemustern oder andere jetzt bekannte oder später entwickelte Techniken, werden verschiedene Schichten, die Struktur und Materialien des CMUT gebildet. Halbleiter-, Isolations- und Leiterschichten werden als Teil von oder auf dem Substrat 12 gebildet.
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2 zeigt ein Flussdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Bilden eines kapazitiven Membranultraschalltransducers. Weitere, andere oder weniger Schritte können vorgesehen werden. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen werden die Schritte in unterschiedlicher Reihenfolge vorgesehen. 2 zeigt das Bilden einer bipolaren Struktur, aber unipolare Strukturen können gebildet werden durch unterschiedliches Positionieren von Elektroden und/oder Nicht-Ausbilden einer Isolationsschicht. Beide Elektroden sind mehrgeschichtet, aber eine der Elektroden kann eine einzelne Schicht aufweisen.
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In Schritt 42 wird eine untere Mehrschichtelektrode innerhalb oder auf einem Halleitersubstrat gebildet. Unter Verwendung von CMOS, bipolaren oder anderen Mikroherstellungstechniken, wird eine Elektrode mit mehreren Schichten gebildet. Die Schichten werden aufgebracht, geätzt, gemustert, gedreht, gelappt und/oder anderweitig für jede Zelle gebildet. Mindestens zwei unterschiedliche Leiter oder Halbleiter werden geschichtet. Das Substrat ist gemäß einem Ausführungsbeispiel dotiert, um eine der Schichten bereitzustellen. Alternativ werden unterschiedliche Metallschichten oder andere Leiter auf oder in dem Substrat gestapelt.
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Die Schichten werden gebildet, um unterschiedliche Eigenschaften zum Minimieren einer Ladeverschlechterung und zum Optimieren der Elektrodenleitungsfähigkeit zu schaffen. Beispielsweise ist eine Bodenschicht ein Leiter mit geringerer Widerstandsfähigkeit als ein Leiter der obersten Schicht. Die oberste Schicht trennt die Bodenschicht von der Isolationsschicht und/oder dem Hohlraum. Die oberste Schicht hat eine höhere Arbeitsfunktion als die Bodenschicht.
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In Schritt 44 wird ein unterer Isolator gebildet. Der untere Isolator ist aus Siliziumnitrid, kann jedoch aus einem anderen Material sein. Unter Verwendung einer CMOS, bipolar oder anderen Mikroherstellungstechnik, wird die untere Isolationsschicht gebildet. Beispielsweise wird Siliziumnitrid abgeschieden, geätzt, gemustert, aufgesponnen (spunned), überlappt und/oder anderweitig über der obersten Schicht der unteren Mehrschichtelektrode gebildet. In alternativen Ausführungsbeispielen wird eine untere Isolationsschicht bereitgestellt.
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In Schritt 46 wird eine flexible Struktur über einem Hohlraum gebildet. Die flexible Struktur ist eine Membran, ein Balken (Auslegerbalken), ein Pfosten oder eine andere Struktur. Der Hohlraum kann gebildet werden als Teil der Schritte zum Bilden der flexiblen Struktur. Irgendein jetzt bekannter oder später entwickelter CMOS, Bipolar- oder Mikroherstellungsprozess kann verwendet werden zum Bilden der Membran und des Hohlraums. Beispielsweise wird eine Opferschicht oben auf der unteren Isolationsschicht abgeschieden. Die Opferschicht wird dann gemustert, um Opfermaterial an den Orten der gewünschten Hohlräume übrig zu lassen. Silizium, Siliziumnitrid oder ein anderes Halbleitermaterial wird dann über der Opferschicht aufgebracht, auf irgendwelchen freigelegten elektrischen Zwischenverbindungen und auf irgendwelchen freigelegten Oberflächen des ursprünglichen Substrats. Unter Verwendung einer Durchgangskontaktierung (Vias) oder anderer Strukturen, wird die Opferschicht entfernt, was das Ausbilden der Membran und des Hohlraums zur Folge hat.
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In Schritt 48 wird eine obere Elektrode auf einer gegenüberliegenden Seite des Hohlraums von der unteren Elektrode gebildet. Die obere Elektrode wird benachbart zu der flexiblen Struktur gebildet, beispielsweise oben, unten oder in einer Membran. Irgendein jetzt bekannter oder später entwickelter CMOS, Bipolar- oder Mikroherstellungsprozess kann verwendet werden zum Bilden der oberen Elektrode. Mindestens zwei unterschiedliche Leiter werden geschichtet benachbart zu einer Isolationsschicht. Eine der Schichten trennt die andere Schicht von der flexiblen Struktur oder einer anderen Isolationsschicht. Die flexible Struktur ist auch eine Isolationsschicht, aber eine separate Isolationsschicht kann vorgesehen werden. Die Isolation trennt die Schichten der oberen Elektrode von dem Hohlraum. Die Schicht unmittelbar benachbart zu der flexiblen Struktur hat eine größere Arbeitsfunktion und eine größere Widerstandswiderstandsfähig, als die Schicht, die von der flexiblen Struktur beabstandet ist.
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Andere Verarbeitungen können vorgesehen werden. Beispielsweise werden eine oder werden mehrere Schichten aus Polymer oder einem anderen Isolator 26 über der obersten Fläche des Substarts und der unteren Elektrode gebildet. Irgendwelche verschiedenen jetzt bekannte oder später entwickelte Polymere oder Isolatoren können verwendet werden, beispielsweise Polymere, die verwendet werden zum Bilden von akustischen Anpassungsschichten mit oder ohne akustischem Füller. Die Polymerschicht dient als ein Isolator sowie als eine akustische Anpassungsschicht. Das Polymer wird aufgebracht unter Verwendung eines Photoresists, eines Lithographiespinnings, CVD oder anderer Technik, um dünne Schichten zu bilden. Als eine Altnative zu Polymer kann ein Halbleiterisolator oder ein anderes elektrisch isolierendes Material verwendet werden.
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Ein anderer Prozess enthält das Bilden elektrischer Zwischenverbindungen zwischen Zellen und/oder Elementen eines Transducer Arrays. Unter Verwendung von irgendwelchen verschiedenen Routing- oder elektrischen Verbindungstechniken (beispielsweise Bilden von Metallbahnen, Durchgangskontaktierungen oder Dotierung), werden die Elektroden, die zu den Membranen gehören, oder Elemente miteinander verbunden. Flip-chip Bonding, Drahtbonding, eine flexible Schaltungsverbindung oder eine andere Verbindung verbindet die Elemente mit Empfänger- und Senderelektroniken. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Empfängerelektroniken integriert miteinander innerhalb des gleichen Substrats ausgebildet. Alternativ können die Empfängerelektroniken benachbart zu dem Substart oder von dem Substrat beabstandet positioniert sein. Beispielsweise sind die Empfängerelektroniken integriert innerhalb eines separaten Substrats und an einen Boden oder eine Seite des Substrats, das für den CMUT verwendet wird, gebondet. Elektrische Verbindungen zwischen den zwei Substraten werden dann vorgesehen unter Verwendung eines Randleiters, Leitern zwischen dem CMUT Substrat, Leitern innerhalb der Polymerschichten über dem CMUT Substrat, Drahtbonds, Flexschaltungen oder Kombinationen davon. Als eine Alternative zum Verbinden mit den Empfängerelektroniken, werden die Leiter, die oben beschrieben wurden, mit einem Kabel für eine Fernverbindung mit den Elektroniken verbunden. Irgendeine von verschiedenen Techniken, die oben beschrieben wurde, kann verwendet werden, entweder für eine gemeinsame oder Masseelektrodenkonfiguration oder für elementbasierte Signalelektrodenkonfigurationen.
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Eine zusätzliche Abschirmung kann eingearbeitet oder in einige oder in alle Schichten, wie hier diskutiert, integriert werden. Beispielsweise wird ein separater Metallfilm elektrisch mit Masse verbunden, oder ihm wird erlaubt zu schwimmen („float”), als ein EMI Schild innerhalb des Substrats 12 unterhalb der Bodenelektrode 20.
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Obwohl die Erfindung unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsbeispiele im Vorangegangenen beschrieben wurde, soll verstanden werden, dass viele Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. Es ist beabsichtigt, dass die vorangegangene detaillierte Beschreibung beispielhaft ist und nicht einschränken, und es soll verstanden werden, dass die folgenden Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente, den Bereich dieser Erfindung definieren sollen.
