IT202000004777A1 - Trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico - Google Patents
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Description
TRASDUTTORE ULTRASONICO MICROLAVORATO PIEZOELETTRICO
Sfondo della presente invenzione
Campo della invenzione
La presente invenzione si riferisce al campo dei sistemi microelettromeccanici (Micro Electro Mechanical Systems, "MEMS"). In particolare, la presente invenzione si riferisce ad un trasduttore ultrasonico microlavorato piezoelettrico (Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, di seguito denominato "PMUT").
Panoramica della tecnica correlata
Un dispositivo MEMS comprende componenti meccanici, elettrici e / o elettronici miniaturizzati integrati in uno stesso substrato di materiale semiconduttore, ad esempio silicio, mediante tecniche di microlavorazione (ad esempio litografia, deposizione, incisione, deposizione, crescita).
Un dispositivo trasduttore ultrasonico microlavorato (Micromachined Ultrasonic Transducer device, di seguito denominato "dispositivo MUT") ? un tipo di dispositivo MEMS atto a trasmettere / ricevere onde ultrasoniche. Tra i dispositivi MUT noti, sono noti i dispositivi MUT piezoelettrici (di seguito denominati ?dispositivi PMUT?). Un dispositivo PMUT ? un dispositivo MUT il cui funzionamento ? basato sul moto di flessione di uno o pi? elementi a membrana meccanicamente accoppiati ad un sottile elemento piezoelettrico.
Quando il dispositivo PMUT funziona come un trasmettitore, l' elemento a membrana si flette e oscilla attorno a una posizione di equilibrio sotto l'azione dell'elemento piezoelettrico quando un segnale elettrico alternato viene applicato a quest'ultimo. Le oscillazioni dell'elemento a membrana provocano quindi la generazione di onde ultrasoniche.
Quando il dispositivo PMUT funziona come ricevitore, onde ultrasoniche che colpiscono l'elemento a membrana causano una oscillazione della membrana intorno alla propria posizione di equilibrio. Le oscillazioni dell'elemento a membrana agiscono sull'elemento piezoelettrico, che genera di conseguenza un corrispondente segnale elettrico alternato.
Durante la generazione e la ricezione di onde ultrasoniche (vale a dire, sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funzioni come un trasmettitore sia nel caso in cui il dispositivo PMUT funzioni come ricevitore), l'elemento a membrana oscilla attorno alla sua posizione di equilibrio ad una corrispondente frequenza di risonanza.
Al fine di essere libero di oscillare attorno alla propria posizione di equilibrio, l'elemento (o gli elementi) a membrana ? / sono sospeso/i (ad esempio, a sbalzo) rispetto al substrato semiconduttore del dispositivo PMUT.
A questo scopo, durante la fabbricazione di un dispositivo PMUT, ? noto formare porzioni di ancoraggio atte a collegare meccanicamente l'elemento (o gli elementi) a membrana del dispositivo PMUT al suo substrato semiconduttore.
La frequenza di risonanza di un dispositivo PMUT ? definita, in fase di progettazione, in base a parametri quali dimensioni e materiali dell'elemento a membrana. Dato un materiale specifico, lo spessore degli elementi a membrana ? uno dei parametri pi? importanti che definiscono la frequenza di risonanza.
Il brevetto statunitense US6913941 descrive un metodo per creare una struttura MEMS. Secondo detto metodo, viene fornito un substrato avente uno strato sacrificale disposto su di esso e avente uno strato di silicio disposto sopra lo strato sacrificale. Viene creata una prima trincea che si estende attraverso lo strato di silicio e lo strato sacrificale, e che separa lo strato sacrificale in una prima regione racchiusa dalla prima trincea e in una seconda regione esterna alla prima trincea. Un primo materiale ? depositato nella prima trincea in modo tale che il primo materiale riempia la prima trincea ad una profondit? almeno pari allo spessore dello strato sacrificale. Una seconda trincea viene creata all'esterno della prima trincea, che si estende attraverso almeno lo strato di silicio ed espone almeno una porzione della seconda regione dello strato sacrificale. La seconda regione dello strato sacrificale viene messa in contatto, tramite la seconda trincea, con una soluzione di attacco chimico atta ad incidere lo strato sacrificale, detta soluzione di attacco essendo selettiva rispetto al primo materiale.
Sommario della presente invenzione
La Richiedente ha riscontrato che le soluzioni note per la fabbricazione di dispositivi MEMS, come i dispositivi PMUT, non sono particolarmente efficienti.
I dispositivi PMUT fabbricati secondo le soluzioni note sono influenzati negativamente da una ridotta precisione nel controllo dello spessore della membrana. Utilizzando metodi di fabbricazione noti, lo spessore della membrana non pu? essere controllato con una precisione sufficiente, causando una diffusione non trascurabile della frequenza di risonanza tra i dispositivi PMUT ottenuti da uno stesso wafer di materiale semiconduttore.
Alla luce di quanto sopra, la Richiedente ha ideato una soluzione per migliorare il processo di produzione di un dispositivo PMUT.
Un aspetto della presente invenzione riguarda un metodo per fabbricare un dispositivo PMUT comprendente un elemento piezoelettrico situato in corrispondenza di un elemento a membrana. Il metodo comprende fornire un substrato di silicio su isolante comprendente un primo strato di silicio, uno strato di ossido e un secondo strato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il primo strato di silicio ? impilato sullo strato di ossido lungo una prima direzione, e lo strato di ossido ? impilato sul secondo strato di silicio lungo detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre rimuovere porzioni laterali esposte di detto primo strato di silicio e corrispondenti porzioni dello strato di ossido per esporre porzioni di una prima superficie del secondo strato di silicio precedentemente coperte da detto strato di ossido, e definire una porzione centrale comprendente le porzioni rimanenti del primo strato di silicio e dello strato di ossido.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende ulteriormente formare porzioni di ancoraggio per detto elemento a membrana in corrispondenza delle porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre formare detto elemento piezoelettrico sopra detta porzione centrale lungo detta prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre rimuovere selettivamente detto secondo strato e rimuovere detta porzione rimanente dell'ossido da sotto la porzione rimanente del primo strato di silicio per definire detto elemento a membrana.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto elemento a membrana comprende la porzione rimanente del primo strato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo spessore del primo strato di silicio lungo la prima direzione corrisponde a uno spessore dell'elemento a membrana lungo la prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, lo spessore del primo strato di silicio lungo la prima direzione ? inferiore a uno spessore dell'elemento a membrana lungo la prima direzione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre, prima di formare detto elemento piezoelettrico, crescere silicio su detta porzione rimanente del primo strato di silicio fino a che lo spessore della porzione rimanente del primo strato di silicio raggiunge detto spessore dell'elemento a membrana.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto crescere silicio su detta porzione rimanente del primo strato di silicio comprende crescere silicio usando una tecnica epitassiale.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto formare le porzioni di ancoraggio comprende crescere silicio su dette porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto crescere silicio su dette porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio comprende crescere silicio usando una tecnica epitassiale.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre eseguire una procedura di levigazione diretta ad ottenere una superficie superiore sostanzialmente piatta in silicio monocristallino dal silicio monocristallino cresciuto, detta procedura di levigazione essendo eseguita utilizzando almeno uno tra:
- una tecnica di lucidatura chimica meccanica, e
- una tecnica di ricottura ad idrogeno ad alta temperatura.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il metodo comprende inoltre, dopo avere formato detto elemento piezoelettrico e prima di rimuovere detta porzione rimanente dell'ossido, rimuovere selettivamente la porzione rimanente del primo strato di silicio fino a raggiungere detta porzione rimanente dell'ossido.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, detto primo strato di silicio, detto secondo strato di silicio e dette porzioni di ancoraggio sono realizzati in silicio monocristallino.
Un altro aspetto della presente invenzione riguarda un dispositivo PMUT. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende un substrato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione,il dispositivo PMUT comprende un elemento a membrana atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende porzioni di ancoraggio per fissare detto elemento a membrana al substrato di silicio.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT comprende un elemento piezoelettrico su detti elementi a membrana configurato in modo da:
-fare s? che l'elemento a membrana oscilli quando segnali elettrici vengono applicati all'elemento piezoelettrico, e
- generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l' elemento a membrana e le porzioni di ancoraggio sono realizzate in silicio monocristallino.
Un altro aspetto della presente invenzione si riferisce ad un sistema elettronico comprendente almeno uno o pi? dispositivi PMUT.
Breve descrizione dei disegni
Queste e altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione appariranno pi? chiaramente leggendo la seguente descrizione dettagliata di una forma di realizzazione esemplificativa della stessa, fornita puramente mediante esempio non limitativo, da leggersi facendo riferimento ai disegni allegati. A questo proposito, ? inteso specificamente che i disegni non sono necessariamente in scala (con alcuni dettagli di essi che sono esagerati e/o semplificati) e che, salvo dove indicato altrimenti, sono solo utilizzati per illustrare in maniera concettuale le strutture e procedure descritte. In particolare:
La Figura 1 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT secondo una forma di realizzazione della presente invenzione;
Le Figure 2A - 2K illustrano fasi principali di un metodo per fabbricare il dispositivo PMUT di Figura 1 secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione;
Le Figure 3A - 3F illustrano fasi principali di un metodo per fabbricare il dispositivo PMUT di Figura 1 secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione, e
La Figura 4 illustra in termini di blocchi semplificati un sistema elettronico comprendente almeno un dispositivo PMUT di Figura 1.
Descrizione dettagliata
La Figura 1 illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un dispositivo PMUT, identificato globalmente con il riferimento 100, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione.
Nel seguito della presente descrizione, la terminologia relativa alle direzioni (come ad esempio alto, basso, superiore, inferiore, laterale, centrale, longitudinale, trasversale, verticale) verr? utilizzata solo per descrivere il dispositivo PMUT 100 in relazione all'orientamento specifico illustrato nelle figure, e non per descrivere un possibile orientamento specifico che il dispositivo PMUT 100 avr? durante il suo funzionamento.
A questo proposito, un sistema direzionale di riferimento ? mostrato, comprendente tre direzioni ortogonali X, Y, Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), una forma esagonale (o sostanzialmente esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un substrato semiconduttore 110 che integra gli altri componenti del dispositivo PMUT 100 stesso. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato semiconduttore 110 ? un substrato di silicio monocristallino, di seguito semplicemente denominato substrato di silicio 110. Il substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 illustrato nella Figura 1 ha una superficie operativa anteriore 112 e una superficie operativa posteriore 114 opposta (lungo la direzione X). La superficie operativa anteriore 112 e la superficie operativa posteriore 114 si estendono parallelamente alle direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il substrato di silicio 110 comprende una nicchia 120 che si estende dalla superficie operativa posteriore 114 verso la superficie operativa anteriore 112 lungo la direzione X (ma senza raggiungere la superficie operativa anteriore 112).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la nicchia 120 definisce nel substrato di silicio 110 uno spazio cavo delimitato da pareti laterali 122 che si estendono sostanzialmente lungo la direzione X. Considerazioni analoghe si applicano nel caso in cui le pareti laterali 122 sono inclinate rispetto alla direzione X.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un elemento a membrana 125 atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 presenta una superficie superiore 128 e una superficie inferiore 130, che si estendono lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z). Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), una forma esagonale (o sostanzialmente esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125 corrisponde a una superficie superiore dello spazio cavo definito dalla nicchia 120.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, la superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125 ? a filo con la superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ? realizzato con lo stesso materiale del substrato di silicio 110, cio? silicio, in particolare silicio monocristallino.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ha uno spessore (lungo la direzione X) compreso tra 1 e 2,5 ?m, preferibilmente tra 1,5 e 2 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento a membrana 125 ? collegato (cio? fissato) al substrato di silicio 110 mediante porzioni di ancoraggio 135 realizzate con lo stesso materiale del substrato di silicio 110, cio? silicio, in particolare silicio monocristallino. Le porzioni di ancoraggio 135 sono situate in porzioni del substrato di silicio 110 all'intersezione tra le pareti laterali 122 della nicchia 120 e la superficie inferiore 130 dell'elemento a membrana 125.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, un foro di sfiato 140 ? previsto in una porzione centrale dell'elemento a membrana 125 per consentire all'aria di scaricarsi quando l'elemento a membrana 125 sta oscillando.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il dispositivo PMUT 100 comprende un elemento piezoelettrico 150 situato sulla superficie superiore 128 dell'elemento a membrana 125. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ha una forma circolare (o sostanzialmente circolare) (lungo un piano parallelo alle direzioni Y e Z) e circonda il foro di sfiato 140. Secondo altre forme di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ha forme diverse, come una forma quadrata (o sostanzialmente quadrata), una forma rettangolare (o sostanzialmente rettangolare), una forma triangolare (o sostanzialmente triangolare), una forma esagonale (o sostanzialmente esagonale), o una forma ottagonale (o sostanzialmente ottagonale).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 comprende uno strato di materiale piezoelettrico 155, ad esempio comprendente nitruro di alluminio, tra un primo strato 160 e un secondo strato 162 realizzato in materiale conduttivo, come il molibdeno. Il primo strato 160 e il secondo strato 162 formano elettrodi dell'elemento piezoelettrico 150 attraverso il quale:
- segnali elettrici possono essere applicati per provocare oscillazioni dell'elemento a membrana 125 (quando il dispositivo PMUT 100 funziona come un trasmettitore), e
- segnali elettrici possono essere generati in risposta ad oscillazioni dell'elemento a membrana 125 (quando il dispositivo PMUT 100 funziona come ricevitore).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'elemento piezoelettrico 150 ? coperto da uno strato di passivazione 170, ad esempio comprendente nitruro di alluminio.
Per accedere al dispositivo PMUT 100 allo scopo di applicare i segnali elettrici di ingresso ad esso e per leggere i segnali elettrici da esso, secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, viene fornito un elemento di contatto 180 per contattare elettricamente il primo strato 160 di materiale conduttivo, ed ? previsto un elemento di contatto 182 per contattare elettricamente il secondo strato 162 di materiale conduttivo. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, gli elementi di contatto 180, 182 sono realizzati in un materiale altamente conduttivo, come oro, alluminio, o rame-alluminio.
Le Figure 2A - 2 K illustrano le fasi principali di un metodo per fabbricare il dispositivo PMUT 100 di Figura 1 secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura 2A, il processo di fabbricazione secondo la questa forma di realizzazione della presente invenzione inizia fornendo come substrato di partenza un substrato silicio su isolante (Silicon-On-Substrate) 200 comprendente strati impilati uno sopra l'altro lungo la direzione X. Partendo dall'alto e procedendo poi lungo la direzione X verso il fondo, il substrato silicio-su-isolante 200 comprende uno strato attivo - nel seguito denominato strato dispositivo 202 -, uno strato di ossido sepolto - nel seguito denominato strato box 204 - uno strato di supporto - nel seguito denominato strato handle 206 - e uno strato di ossido posteriore 208. Lo strato di dispositivo 202 e lo strato handle 206 sono realizzati in silicio monocristallino, mentre lo strato box 204 e lo strato di ossido posteriore 208 sono realizzati in biossido di silicio elettricamente isolante.
Secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione, lo spessore dello strato dispositivo 202 lungo la direzione X ? scelto in modo tale da corrispondere (ad esempio per essere sostanzialmente uguale) allo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 (si veda la Figura 1), come ad esempio 1,5 ?m.
Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, lo strato box 204 ha uno spessore lungo la direzione X inferiore allo spessore dello strato di dispositivo 202, come ad esempio 0,5 ?m.
Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, lo spessore dello strato handle 206 lungo la direzione X pu? variare da 1000 a 400 ?m, preferibilmente 725 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2B, la fase successiva del processo di fabbricazione comprende la deposizione di uno strato di ossido 210 sulla superficie esposta dello strato di dispositivo 202, ad esempio mediante una deposizione da vapore chimico a bassa pressione (Low Pressure chemical Vapor Deposition, "LP CVD", che utilizza ortosilicato tetraetile come precursore) o tramite una tecnica di ossidazione termica.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2C, la fase successiva del processo di fabbricazione comprende la rimozione di porzioni laterali dello strato di ossido 210, dello strato di dispositivo 202 e dello strato box 204 attraverso incisione ad umido o a secco (in base allo spessore di ossido impiegato) in modo tale da lasciare una porzione centrale 212 dello strato di dispositivo 202 (tra parti corrispondenti dello strato di ossido 210 e lo strato box 204), esponendo lateralmente parti dello strato handle sottostante 206.
Come sar? meglio compreso nel seguito, detta porzione centrale 212 dello strato dispositivo 202 che non ? stata rimossa former? l' elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 finito (vedere la Figura 1).
La seguente fase del processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, che ? illustrata nella Figura 2D, prevede la crescita di silicio attraverso un processo di crescita epitassiale dalle porzioni laterali esposte dello strato handle 206 e dallo strato di ossido 210 che copre la porzione centrale 212 dello strato dispositivo 202. In questo modo, porzioni di silicio monocristallino 214 sono formate sopra le porzioni laterali esposte dello strato handle 206, e uno strato policristallino 216 ? formato sopra lo strato di ossido 210 che copre la porzione centrale 212 dello strato di dispositivo 202.
Come verr? meglio compreso in seguito, una parte delle porzioni di silicio monocristallino 214 former? le porzioni di ancoraggio 135 che connettono l'elemento a membrana 125 al substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 finito (vedere Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2E, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede l'esecuzione di una procedura di incisione e planarizzazione volta a rimuovere completamente lo strato policristallino 216 per esporre lo strato di ossido sottostante 210 e per rimuovere porzioni superiori delle porzioni di silicio monocristallino 214. Ad esempio, la planarizzazione pu? essere eseguita utilizzando una tecnica di lucidatura chimico meccanica (Chemical Mechanical Polishing, "CMP").
La seguente fase del processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, che ? illustrata nella Figura 2F, prevede la rimozione dello strato di ossido esposto 210, ad esempio mediante una procedura di incisione, al fine di ottenere una superficie superiore sostanzialmente piatta in silicio monocristallino, identificata in figura con il riferimento 220.
Come verr? meglio compreso in seguito, parti laterali della superficie 220 corrisponderanno alla superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 finito, mentre una parte centrale della superficie 220 corrisponder? alla superficie superiore 128 dell'elemento a membrana a sbalzo 125 (vedere Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2G, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede di depositare sulla superficie 220 un primo strato di materiale conduttivo 230, ad esempio molibdeno, depositando sul primo strato di materiale conduttivo 200 uno strato di materiale piezoelettrico 232, ad esempio comprendente nitruro di alluminio, e depositare quindi sullo strato di materiale piezoelettrico 232 un secondo strato di materiale conduttivo 234, ad esempio molibdeno.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata in Figura 2H, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede di rimuovere (ad esempio, tramite incisione) porzioni sagomate della pila di strati 230, 232, 234 fino a scoprire aree della superficie sottostante 220, in modo da definire l'elemento piezoelettrico 150 (vedere la Figura 1). Come gi? descritto con riferimento alla Figura 1, l' elemento piezoelettrico risultante 150 comprende uno strato di materiale piezoelettrico 155 - ottenuto dallo strato 232 - tra due strati in materiale conduttivo 161, 162 - ottenuti dagli strati 230 e 234, rispettivamente - che formano gli elettrodi dell'elemento piezoelettrico 150.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, questa fase prevede inoltre di ricoprire l'elemento piezoelettrico 150 con uno strato di passivazione 170, ad esempio comprendente nitruro di alluminio (vedere la Figura 1), e rimuovere lo strato di ossido posteriore 208, in modo da esporre una superficie inferiore 238 dello strato handle 206.
Senza fornire dettagli non rilevanti per la comprensione della presente invenzione, e ben noti agli esperti nella tecnica, un elemento di contatto 180 ? formato per contattare elettricamente il primo strato 160 di materiale conduttivo, e un elemento di contatto 182 ? formato per contattare elettricamente il secondo strato 162 di materiale conduttivo. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, gli elementi di contatto 180, 182 sono realizzati in un materiale altamente conduttivo, quali oro, alluminio o alluminio-rame.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2I, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede di creare nella porzione centrale 212 dello strato dispositivo 202 un'apertura 240 fino ad esporre lo strato box 204 sottostante. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, l'apertura 240 ? ottenuta applicando una maschera di trincea e quindi eseguendo una procedura di incisione a secco con silicio.
Come si comprender? meglio in seguito, l'apertura 240 definir? il foro di sfiato 140 previsto in una porzione centrale dell'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 finito (vedere la Figura 1).
La seguente fase del processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, che ? illustrata nella Figura 2J, prevede di eseguire un'operazione di fresatura (grinding) posteriore diretta a rimuovere porzioni dello strato handle 206 dalla superficie inferiore 238 per portare lo spessore dello strato handle 206 stesso lungo la direzione X ad un valore desiderato, come ad esempio compreso tra 300 e 400 ?m, ad esempio 350 ?m. Una volta che lo strato handle 206 ha raggiunto lo spessore desiderato, la superficie inferiore esposta dello strato handle 206 corrisponde alla superficie operativa posteriore 114 del substrato semiconduttore 110 del dispositivo PMUT 100 completato (vedere la Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 2K, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede la generazione della nicchia 120 (vedere la Figura 1) dalla superficie operativa posteriore 114 lungo la direzione X attraverso una procedura di incisione a secco con silicio.
Una volta che la porzione rimanente dello strato box 204 ? stata rimossa, per esempio con l'applicazione di acido fluoridrico, il dispositivo PMUT 100 ? ottenuto (vedere Figura 1).
Secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 2A-2K, l'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 finito ? stato formato usando una porzione centrale 212 dello strato dispositivo 202 di silicio monocristallino, che ? connesso al substrato di silicio 100 del dispositivo PMUT 100 finito mediante porzioni di ancoraggio 135 ottenute da porzioni di silicio monocristallino 214 cresciute epitassialmente sopra porzioni esposte laterali dello strato handle 206.
Il dispositivo PMUT 100 ottenuto con il processo di fabbricazione illustrato nelle Figure 2A-2K presenta i seguenti vantaggi .
Sia l'elemento a membrana 125 sia le porzioni di ancoraggio 135 sono formati nello stesso materiale, cio? silicio monocristallino.
Poich? le porzioni di ancoraggio 135 sono state formate attraverso un processo di crescita omoepitassiale, in cui silicio monocristallino delle porzioni di ancoraggio 135 ? cresciuto da porzioni di silicio monocristallino dello strato handle 206, il substrato di silicio non ? soggetto a sollecitazioni meccaniche, migliorando cos? le propriet? meccaniche ed elettriche del dispositivo PMUT 100. Diversamente, soluzioni note prevedono la formazione di porzioni di ancoraggio mediante deposizione di uno strato di biossido di silicio seguito da incisione selettiva o mediante deposizione di polisilicio in trincee realizzate nel substrato, causando sollecitazioni non trascurabili sul substrato semiconduttore durante la formazione delle porzioni di ancoraggio (e quindi influenzando negativamente l'affidabilit? e l'efficienza del dispositivo stesso).
Inoltre, poich? il processo di fabbricazione illustrato nelle Figure 2A-2K ? iniziato da un substrato 200 di silicio su isolante avente uno strato dispositivo 202 con uno spessore lungo la direzione X che gi? corrisponde allo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125, lo spessore dell'elemento a membrana 125 risultante nel dispositivo PMUT 100 completo ? molto preciso e meno soggetto a disallineamenti di processo. Di conseguenza, la frequenza di risonanza del dispositivo PMUT 100 ? pi? precisa.
Altri vantaggi della presente soluzione prevedono che il processo di fabbricazione proposto non richiede una operazione di rifilatura (trimming) alla sua fine, e non richiede un wafer sort elettrico doppio (essendo ancora possibile effettuare rifilature in linea sulla membrana finita e / o passivazione del dispositivo).
Le Figure 3A - 3F illustrano alcune delle fasi principali di un metodo per fabbricare il dispositivo PMUT 100 di Figura 1 in accordo con una seconda forma di realizzazione della presente invenzione.
Facendo riferimento alla Figura 3A, il processo di fabbricazione secondo questa forma di realizzazione della presente invenzione inizia fornendo come substrato di partenza un substrato 300 di silicio su isolante comprendente, procedendo lungo la direzione X dall'alto verso il basso, uno strato dispositivo 302 di silicio monocristallino, uno strato box 304 di biossido di silicio, uno strato handle 306 e uno strato di ossido posteriore 308 di biossido di silicio.
A differenza della precedente forma di realizzazione dell'invenzione (corrispondente alle Figure 2A-2K), secondo questa forma di realizzazione dell'invenzione lo spessore dello strato dispositivo 302 lungo la direzione X ? inferiore allo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 (vedere la Figura 1). Ad esempio, lo spessore dello strato dispositivo 302 pu? essere minore di 1,5 ?m.
Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, lo strato box 304 ha uno spessore lungo la direzione X inferiore allo spessore dello strato dispositivo 302, ad esempio minore di 0,5 ?m.
Secondo una forma di realizzazione esemplificativa della presente invenzione, lo spessore dello strato handle 306 lungo la direzione X pu? variare da 1000 a 400 ?m, preferibilmente tra 650 e 750 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 3B, la fase successiva del processo di fabbricazione comprende la crescita di uno strato di ossido 310 sulla superficie esposta dello strato dispositivo 302, ad esempio mediante un processo di ossidazione o deposizione chimica a vapore a bassa pressione.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 3C, la fase successiva del processo di fabbricazione comprende la rimozione di porzioni laterali dello strato di ossido 310, dello strato dispositivo 302, e dello strato box 304 mediante incisione a umido o a secco in modo tale da lasciare una porzione centrale 312 dello strato dispositivo 302 (tra corrispondenti porzioni dello strato di ossido 310 e lo strato box 304), esponendo lateralmente porzioni dello strato handle 306 sottostante.
A differenza della precedente forma di realizzazione dell'invenzione (corrispondente alle Figure 2A-2K), la porzione centrale 312 dello strato di dispositivo 302 che non ? stata rimossa non pu? essere utilizzata direttamente per formare l'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 completato (vedere la Figura 1), poich? ha uno spessore diverso (cio? inferiore) rispetto allo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125.
La fase successiva del processo di fabbricazione secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, che ? illustrata in Figura 3D, prevede la crescita di silicio attraverso un processo selettivo di crescita epitassiale dalle porzioni laterali esposte dello strato di impugnatura 306. Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il processo selettivo di crescita epitassiale ? configurato in modo tale da far crescere silicio solo dalle porzioni esposte laterali dello strato handle 306, impedendo qualsiasi crescita di silicio al di sopra dello strato di ossido 310. Ad esempio, il processo selettivo di crescita epitassiale pu? sfruttare il silano o il diclorosilano come precursore del silicio e l'acido cloridrico come agente selettivo (secondo i metodi noti riportati in letteratura). In questo modo, porzioni di silicio monocristallino 314 sono formate solo al di sopra delle porzioni esposte laterali dello strato handle 306.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il processo di crescita epitassiale selettiva continua fino a quando le porzioni di silicio monocristallino 314 cresciute sono sostanzialmente a filo con lo strato di ossido 310.
Poich? una piccola porzione dello strato di ossido 310 viene inevitabilmente rimossa durante il processo di crescita epitassiale selettiva a seconda della temperatura di processo e della pressione parziale dei gas, lo strato di ossido 310 dovrebbe essere generato con uno spessore sufficientemente grande per evitare che venga completamente rimosso durante questa fase. Ad esempio, per un processo selettivo di crescita epitassiale che utilizza un intervallo di temperatura di 800 - 1100 ?C, lo spessore dello strato di ossido 310 dovrebbe essere preferibilmente impostato nell'intervallo di 0,1 - 1 ?m.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 3E, la fase successiva del processo di fabbricazione comprende la rimozione dello strato di ossido 310 per esporre la porzione centrale 312 dello strato dispositivo 302, e quindi la crescita di silicio monocristallino attraverso un processo di crescita epitassiale sulle porzioni di silicio monocristallino 314 e la porzione centrale monocristallina 312 ora esposta. Il processo di crescita epitassiale viene eseguito fino a quando lo spessore (lungo la direzione X) della porzione centrale monocristallina 312 raggiunge lo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 completato (vedere la Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione illustrata nella Figura 3F, la fase successiva del processo di fabbricazione prevede l'esecuzione di una procedura di levigatura diretta ad ottenere una superficie superiore sostanzialmente piatta in silicio monocristallino - identificata nella figura con riferimento 320 - dal silicio monocristallino cresciuto. Secondo una forma di realizzazione esemplificativa dell'invenzione, detta procedura di levigazione viene eseguita usando una tecnica di lucidatura chimico meccanica (CMP) e/o una tecnica di ricottura ("annealing") ad idrogeno ad alta temperatura.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione , la porzione centrale monocristallina (ispessita) 312 former? l'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 finito (vedere la Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, parti delle porzioni di silicio monocristallino (ispessito) 314 formeranno le porzioni di ancoraggio 135 che collegano l'elemento a membrana 125 al substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 finito (vedere la Figura 1).
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, le parti laterali della superficie 320 corrisponderanno alla superficie operativa anteriore 112 del substrato di silicio 110 del dispositivo PMUT 100 finito, mentre una parte centrale della superficie 320 corrisponder? alla superficie superiore 128 della dell'elemento a membrana 125 a sbalzo (vedere la Figura 1).
D'ora in poi, il processo di fabbricazione proceder? allo stesso modo della forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 2A - 2K, e pertanto non saranno forniti dettagli per motivi di concisione.
In breve, si formano l'elemento piezoelettrico 150 e gli elementi di contatto 180, 182. Quindi, viene aperta un'apertura per la definizione del foro di sfiato 140, e viene eseguita un'operazione di fresatura posteriore per rimuovere porzioni dello strato handle 306. A questo punto, la nicchia 120 viene generata, la parte rimanente dello strato box 304 viene rimossa, e il dispositivo PMUT 100 ? ottenuto (vedere la Figura 1).
Secondo la forma di realizzazione dell'invenzione illustrata nelle Figure 3 A-3F, l'elemento a membrana 125 del dispositivo PMUT 100 finito ? stato formato facendo crescere in maniera epitassiale silicio monocristallino su una porzione centrale 312 dello strato dispositivo 302 di silicio monocristallino, con l'elemento a membrana che ? connesso al substrato di silicio 100 del dispositivo PMUT 100 finito mediante porzioni di ancoraggio 135 ottenute da porzioni di silicio monocristallino 314 cresciute epitassialmente sopra porzioni laterali esposte dello strato handle 306.
Il dispositivo PMUT 100 ottenuto con il processo di fabbricazione illustrato nelle Figure 3A- 3F presenta i seguenti vantaggi.
Sia l'elemento a membrana 125 sia le porzioni di ancoraggio 135 sono formati con lo stesso materiale, cio? silicio monocristallino.
Poich? le porzioni di ancoraggio 135 sono state formate attraverso un processo di crescita omoepitassiale, in cui silicio monocristallino delle porzioni di ancoraggio 135 viene cresciuto da porzioni di silicio monocristallino dello strato handle 306, il substrato di silicio non ? soggetto a sollecitazioni meccaniche, migliorando cos? le propriet? meccaniche ed elettriche del dispositivo PMUT 100.
Inoltre, il processo di fabbricazione illustrato nelle Figure 3A- 3F ? iniziato da un substrato 300 di silicio su isolante avente uno strato dispositivo 302 con uno spessore lungo la direzione X inferiore allo spessore desiderato dell'elemento a membrana 125 e lo spessore dell'elemento a membrana 125 risultante nel dispositivo PMUT 100 completato viene raggiunto attraverso crescita epitassiale. Pertanto, possibili deviazioni dovute a discrepanze di processo sono fortemente ridotte, in quanto relative solo alla (relativamente piccola) porzione cresciuta epitassialmente dell'elemento a membrana. Di conseguenza, anche in questo caso, la frequenza di risonanza del dispositivo PMUT 100 ? pi? precisa.
La Figura 4 illustra in termini di blocchi semplificati un sistema elettronico 400 (o una sua porzione) comprendente almeno un dispositivo PMUT 100 fabbricato secondo le forme di realizzazione dell'invenzione sopra descritte.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 ? adattato per essere utilizzato in dispositivi elettronici come ad esempio assistenti digitali personali, computer, tablet e smartphone.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere, in aggiunta al dispositivo PMUT 100, un controllore 405, come ad esempio uno o pi? microprocessori e / o uno o pi? microcontrollori.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere, in aggiunta al dispositivo PMUT 100, un dispositivo di input / output 410 (come ad esempio una tastiera e / o un touch screen e / o un display visivo) per generare / ricevere messaggi / comandi / dati, e / o per ricevere / inviare segnali digitali e / o analogici.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere, in aggiunta al dispositivo PMUT 100, un'interfaccia wireless 415 per scambiare messaggi con una rete di comunicazione wireless (non mostrata), ad esempio attraverso segnali a radiofrequenza. Esempi di interfacce wireless 415 possono comprendere antenne e ricetrasmettitori wireless.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere, in aggiunta al dispositivo PMUT 100, un dispositivo di memorizzazione 420, come ad esempio un dispositivo di memoria volatile e / o non volatile.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere, in aggiunta al dispositivo PMUT 100, un dispositivo di alimentazione, ad esempio una batteria 425, per fornire energia elettrica al sistema elettronico 400.
Secondo una forma di realizzazione della presente invenzione, il sistema elettronico 400 pu? comprendere uno o pi? canali di comunicazione (bus) per consentire lo scambio di dati tra il dispositivo PMUT 100 e il controller 405, e / o il dispositivo di input / output 410, e / o l'interfaccia wireless 415 , e / o il dispositivo di memorizzazione 420, e / o la batteria 425, quando sono presenti.
Naturalmente, al fine di soddisfare requisiti locali e specifici, una persona esperta del settore pu? applicare all'invenzione sopra descritta diverse modifiche e alterazioni logiche e / o fisiche. Pi? specificamente, sebbene la presente invenzione sia stata descritta con un certo grado di particolarit? con riferimento alle sue forme di realizzazione preferite, si dovrebbe comprendere che sono possibili varie omissioni, sostituzioni e modifiche nella forma e nei dettagli, nonch? altre forme di realizzazione. In particolare, diverse forme di realizzazione dell'invenzione possono anche essere messe in pratica senza i dettagli specifici indicati nella descrizione precedente per fornire una comprensione pi? approfondita di essa; al contrario, funzioni ben note potrebbero essere state omesse o semplificate per non appesantire la descrizione con dettagli non necessari. Inoltre, si intende espressamente che elementi specifici e / o fasi del metodo descritti in relazione a qualsiasi forma di realizzazione descritta dell'invenzione possono essere incorporati in qualsiasi altra forma di realizzazione.
Claims (12)
- RIVENDICAZIONI 1. Un metodo per fabbricare un dispositivo PMUT (100) comprendente un elemento piezoelettrico (150) situato in corrispondenza di un elemento a membrana (125), il metodo comprendendo: - fornire un substrato di silicio su isolante (200; 300) comprendente un primo strato di silicio (202; 302), uno strato di ossido (204; 304) e un secondo strato di silicio (206, 306), il primo strato di silicio essendo impilato sullo strato di ossido lungo una prima direzione (X), e lo strato di ossido essendo impilato sul secondo strato di silicio lungo detta prima direzione; - rimuovere porzioni laterali esposte di detto primo strato di silicio e corrispondenti porzioni dello strato di ossido per esporre porzioni di una prima superficie del secondo strato di silicio precedentemente coperte da detto strato di ossido, e definire una porzione centrale (212; 312) comprendente le porzioni rimanenti del primo strato di silicio e dello strato di ossido; - formare porzioni di ancoraggio (135) per detto elemento a membrana in corrispondenza delle porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio; - formare detto elemento piezoelettrico (150) sopra detta porzione centrale lungo detta prima direzione ; - rimuovere selettivamente detto secondo strato e rimuovere detta porzione rimanente dell'ossido da sotto la porzione rimanente del primo strato di silicio, per definire detto elemento a membrana, detto elemento a membrana comprendendo la porzione rimanente del primo strato di silicio.
- 2. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui lo spessore del primo strato di silicio (202) lungo la prima direzione (X) corrisponde a uno spessore dell'elemento a membrana (125) lungo la prima direzione.
- 3. Il metodo secondo la rivendicazione 1, in cui lo spessore del primo strato di silicio (302) lungo la prima direzione (X) ? inferiore a uno spessore dell'elemento a membrana (125) lungo la prima direzione, il metodo comprendendo inoltre: - prima di formare detto elemento piezoelettrico (150), crescere silicio su detta porzione rimanente (312) del primo strato di silicio fino a che lo spessore della porzione rimanente del primo strato di silicio raggiunge detto spessore dell'elemento a membrana.
- 4. Il metodo secondo la rivendicazione 3, in cui detto crescere silicio su detta porzione rimanente (312) del primo strato di silicio comprende crescere silicio usando una tecnica epitassiale.
- 5. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto formare le porzioni di ancoraggio (135) comprende crescere silicio (214; 314) su dette porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio.
- 6. Il metodo secondo la rivendicazione 5, in cui detto crescere silicio (214; 314) su dette porzioni esposte della prima superficie del secondo strato di silicio (306) comprende crescere silicio usando una tecnica epitassiale.
- 7. Il metodo di rivendicazione 5 o rivendicazione 6, comprendendo inoltre eseguire una procedura di levigazione diretta ad ottenere una superficie superiore sostanzialmente piatta in silicio monocristallino dal silicio monocristallino cresciuto, detta procedura di levigazione essendo eseguita utilizzando almeno uno tra: - una tecnica di lucidatura chimica meccanica, e - una tecnica di ricottura ad idrogeno ad alta temperatura.
- 8. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, comprendente inoltre, dopo avere formato detto elemento piezoelettrico (150) e prima di rimuovere detta porzione rimanente dell'ossido, rimuovere selettivamente la porzione rimanente del primo strato di silicio fino a raggiungere detta porzione rimanente dell'ossido.
- 9. Il metodo di una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo strato di silicio, detto secondo strato di silicio e dette porzioni di ancoraggio sono realizzati in silicio monocristallino.
- 10. Un dispositivo PMUT (100) comprendente : - un substrato di silicio (110); -un elemento a membrana (125) atto a generare e ricevere onde ultrasoniche oscillando, attorno ad una posizione di equilibrio, ad una corrispondente frequenza di risonanza; - porzioni di ancoraggio (135) per fissare detto elemento a membrana al substrato di silicio (110), e - un elemento piezoelettrico (150) su detti elementi a membrana configurato in modo da: -fare s? che l'elemento a membrana oscilli quando segnali elettrici vengono applicati all'elemento piezoelettrico, e - generare segnali elettrici in risposta alle oscillazioni dell'elemento a membrana, in cui: - l' elemento a membrana e le porzioni di ancoraggio sono realizzate in silicio monocristallino.
- 11. Il dispositivo PMUT (100) secondo la rivendicazione 10, in cui detto dispositivo PMUT ? fabbricato secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.
- 12. Un sistema elettronico (400) comprendente uno o pi? dispositivi PMUT secondo la rivendicazione 10 o 11.
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