TW202000137A - 互補式金屬氧化物半導體感測器上超音波換能器的壓力口 - Google Patents

互補式金屬氧化物半導體感測器上超音波換能器的壓力口 Download PDF

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Abstract

本發明描述具有壓力口的微機械加工超音波換能器。微機械加工超音波換能器可包含可撓的膜，其經裝配以在腔部上振動。在一些情況中，該腔部可藉由膜本身所密封。壓力口可提供對於腔部的進出，且因此該腔部壓力的控制。在一些實施例中，提出一種包括一陣列的微機械加工超音波換能器之超音波裝置，具有用於至少一些超音波換能器的壓力口。壓力口可使用以控制跨於該陣列的壓力。

Description

互補式金屬氧化物半導體感測器上超音波換能器的壓力口
本申請案係關於微機械加工(micromachined)超音波換能器。 ［相關申請案之交互參照］
本申請案主張於西元2018年5月3日所提出、且其標題為“互補式金屬氧化物半導體感測器上超音波換能器的壓力口”之美國專利申請案序號第62/666,556號的裨益，該件美國專利申請案係整體以參照方式而納入本文。
本申請案主張於西元2018年7月10日所提出、且其標題為“互補式金屬氧化物半導體感測器上超音波換能器的壓力口”之美國專利申請案序號第62/696,305號的裨益，該件美國專利申請案係整體以參照方式而納入本文。
一些微機械加工超音波換能器包括懸置在基板之上的可撓的膜。腔部位在於該基板的部分與膜之間，俾使該基板、腔部、與膜之組合形成可變的電容器。若經致動時，該膜可產生超音波訊號。響應於收到超音波訊號，該膜可振動，造成輸出電氣訊號。
本申請案描述用於微機械加工超音波換能器的壓力口。
本申請案的態樣提出一種微機械加工超音波換能器(MUT, micromachined ultrasonic transducer)，其包含一個壓力口(port)。該種MUT可包括密封腔部，例如：分別由膜與基板而在頂側與底側密封。該壓力口可代表對於密封腔部的進出孔。該壓力口可在該MUT之製造期間作用以控制在密封腔部內的壓力。一旦該腔部或多個腔部的壓力係設定為如所期望，該壓力口可被密封。
用於MUT的壓力口之納入可提供種種的裨益。壓力口可允許對於MUT之密封腔部的壓力之控制。一些超音波裝置係包含諸多個MUT，諸如：數百個、數千個、或數十萬個MUT。這些超音波裝置的操作可在具有跨於這些MUT區域之實質相等或均勻的壓力之準確度與動態範圍方面得益(例如：藉由使得阻尼為最小化)。因此，針對於超音波裝置之個別的MUT或次群組的MUT而提供壓力口可利於達成跨於感測區域之更均勻的壓力。這些壓力口可允許在包含多個MUT之感測區域上的腔部壓力之均等化。壓力口可使用在製造期間，且在這些腔部於壓力方面為均等化之後而密封。
超音波換能器壓力口之種種的特徵可根據本申請案的態樣而選擇。根據一些態樣，各個超音波換能器可具有一個或多個個別的壓力口。根據替代的觀點，壓力口可由二個或多個超音波換能器所共用。根據本申請案的態樣，超音波換能器的陣列可包括個別的壓力口，其係相對於該陣列以彼此相同的角度定向。根據替代的觀點，超音波換能器的陣列可包括個別的壓力口，其中，這些壓力口的二者或多者係相對於該陣列以不同的角度定向。用於超音波換能器的陣列所提供的壓力口之數目可為小於、等於或大於超音波換能器之數目。進一步的變化係可能。
上述的態樣與實施例、以及另外的態樣與實施例係進而描述於下文。此等態樣及/或實施例係可個別、一起、或以二者或多者的組合而使用，因為本申請案並未受限於此。
根據本申請案的一個態樣，提供壓力口以用於超音波換能器的陣列。在一些實施例中，超音波換能器包括由互連通道連接彼此的密封腔部，且複數個壓力口由該超音波換能器的陣列所共用。圖1係非限制的實例，且為微機械加工超音波換能器的陣列之透視圖，該微機械加工超音波換能器的陣列包含用於進出微機械加工超音波換能器的腔部之壓力口。超音波裝置100包含一陣列的九個MUT 102，其由膜104、絕緣層106與腔部108所形成。壓力口110係設置，且通道112係互連這些腔部108。在一些實施例中，絕緣層106可為互補式金屬氧化物半導體(CMOS, complementary metal-oxide-semiconductor)晶圓的部分，且腔部108可形成在該CMOS晶圓的絕緣層106之中。
壓力口110可具有任何適合的位置。在圖示之非限制的實例中，其位在該陣列的周邊，且在此非限制的實例中在該陣列的周邊之二個相對側邊上。當這些壓力口係配置在該陣列的周邊，如圖所示，在該陣列內部之腔部的腔部壓力之控制仍可達成，因為可為空氣通道的通道112之存在。然而，替代的組態係可能的。舉例來說，如在其他實施例所示，壓力口可針對於個別的腔部而提供。替代而言，可提供較圖示者為少的壓力口，且提供額外的通道112以允許跨於該陣列的腔部壓力之控制。
可指明壓力口110的種種特徵，包括：定位與尺寸。在圖示之非限制的實例中，壓力口110定位在該陣列之二個相對側上。在此非限制的實例中，二個壓力口定位在對分在既定列的超音波換能器之一條線上。然而，壓力口之替代的定位係可能。壓力口可具有任何適合的尺度且可用任何適合的方式來形成。在一些實施例中，壓力口係充分小而不會具有在超音波換能器的性能上之負面影響。此外，壓力口可為充分小以允許一旦腔部108的壓力設定到期望值而被密封。舉例來說，壓力口可具有直徑在大約0.1微米與20微米之間，包括在此範圍內的任何值或值範圍。壓力口可用任何適合的方式來密封，諸如：用金屬材料。舉例來說，鋁可經濺鍍以密封這些壓力口。
壓力口可在MUT之製造期間產生及使用。在一些實施例中，密封腔部可使用一種晶圓接合技術而形成。晶圓接合技術可能不適用以達成跨於晶圓或陣列的MUT之均勻的腔部壓力。此外，用於晶圓接合所存在的化學物可能不相等地佔據或維持在陣列的MUT之某些腔部中。在這些腔部為密封(例如：藉由晶圓接合)之後，壓力口可打開。密封腔部的壓力可接著透過晶圓之暴露到期望的控制壓力而等化，或成實質相等。此外，期望的化學物(例如：氬)可透過壓力口而引入到腔部。隨後，壓力口可密封。
因此，本發明人已經理解的是，複數個MUT之密封腔部的壓力及/或化學含量之控制可透過壓力口之使用而改善。相比使用於形成密封腔部之晶圓接合處理，壓力口可提供在此等參數上之更大的控制。
圖2說明圖1之超音波裝置100的腔部層之俯視圖。如圖所示，九個腔部包括在內，且由通道112所互連。再者，通道112可為空氣通道，允許在鄰接的腔部中之壓力設定在均勻位準。通道112可針對此目的而具有任何適合尺度，諸如為在0.1微米與20微米之間，包括在該範圍內的任何值或值範圍。
圖1與2的超音波裝置係非限制的實例。圖示的微機械加工超音波換能器之數目、形狀、尺度、與定位均為可變。舉例來說，圖2說明圓形的腔部，但其他的形狀係可能，諸如：多邊形、方形、或任何其他適合的形狀。圖示的壓力口之定位與數目亦可針對於特定應用而選擇。
圖3說明圖1之裝置的腔部層之透視圖，其包括腔部與通道。在此圖中，超音波裝置100的膜層係省略。腔部108、通道112、與壓力口110的部分可例如藉由蝕刻而形成。隨後，膜104可藉由產生膜層而形成以將腔部108密封。壓力口110的垂直部分可接著通過膜104而蝕刻以形成超音波裝置100。
如先前所述，關於超音波換能器的陣列所提供之壓力口的數目與定位可為不同於圖1所示者。根據本申請案的一個態樣，超音波換能器的陣列包含具有個別的壓力口之腔部的陣列。圖4說明一個實例，其代表對於圖1的替代者且具有具有個別的壓力口之超音波換能器的陣列。超音波換能器400包括腔部108、膜104與絕緣層106。在此非限制性的實施例中，針對於各個腔部108提供壓力口。此外，這些腔部並未由通道112所互連。另外，在此非限制性的實例中，可看出的是，這些壓力口均以相對於腔部的共同角度而定向，且並非均為配置在腔部陣列的周邊。
圖5係圖4之結構的腔部層之示意俯視圖。如圖所示，腔部108包括壓力口110，其包括和腔部在同平面的一部分與垂直於腔部的一部分(由在和腔部在同平面的部分之端部處的圓圈所代表)二者。
圖6說明圖4之腔部層，包括腔部108與壓力口110。在此視圖中，說明了和腔部在同平面之壓力口的部分。未顯示垂直於腔部108而朝上延伸之壓力口的部分，由於該部分延伸通過膜104，膜104並非為圖6的部分。腔部108與和腔部108同平面之壓力口110的部分可用任何適合方式所形成。舉例來說，用於蝕刻絕緣層106之任何適合的技術可使用以形成腔部108及壓力口110的同平面部分。圖4之超音波裝置400可藉由形成膜104並且蝕刻壓力口110的垂直部分而由圖6之結構所形成。
如先前所述，種種組態的壓力口可和超音波換能器的陣列一起使用。圖1與4說明二個非限制的實例。圖7說明再一個替代者。在圖7之非限制的實例中，提供二個壓力口用於各個腔部。每個腔部提供超過一個壓力口可使得較容易從腔部移除不合意的元件，諸如：水或其他的元件。每個腔部具有超過一個口亦可利於達成針對於腔部之期望的壓力。在超音波裝置700，壓力口由通道、或延伸部所代表且具有在末端的開口702。可看出的是，壓力口110以相關於高度方向(elevation direction)的一個角度Ɵ而定向。該角度可在5度與40度之間，或任何其他適合的數目。亦在圖7所示為金屬線704與706。金屬線704走向為朝方位角方向，而金屬線706走向為朝高度方向。金屬線704與706可代表用於提供往返這些超音波換能器的訊號之導電線跡。在一些實施例中，令所有壓力口終止在朝僅有方位角或高度方向而定向之金屬線上可為較佳，且因此使這些壓力口以角度Ɵ而轉向係可利於該種組態。舉例來說，如圖所示，在圖7之中的所有壓力口終止在朝方位角方向而定向之金屬線。這些金屬線的金屬可密封這些壓力口的末端。舉例來說，濺鍍鋁以形成金屬線可密封這些壓力口。
圖8說明一種替代陣列的超音波換能器與壓力口，每個超音波換能器包含二個壓力口。圖示的超音波換能器800和圖7者不同在於，用於相鄰的腔部之壓力口彼此為方位不同。在此實例中，當針對於既定腔部之壓力口係沿著方位角方向定向時，針對於其緊鄰腔部之壓力口係沿著海拔方向定向，且反之亦然。
圖9說明一種替代陣列的超音波換能器與壓力口，其中，壓力口在這些超音波換能器之間為共用。超音波裝置900包括腔部108、金屬線904與906、通道110以及進出孔902。壓力口可代表通道110與進出孔902之組合。這些進出孔可垂直延伸，例如：垂直於腔部108，如在圖9所示為開口902。通道110可互連相鄰的腔部108，如圖所示。在此實例，相同數目個壓力口與腔部係設置，且這些壓力口可進出於該陣列的內部而不是配置在該陣列的周邊。
圖10可使用在圖9的裝置中之一種型式的壓力口之橫截面圖10。該壓力口包括具有寬度X1 而由902所代表的垂直部分、以及具有寬度X2 之同平面部分或通道。X1 的值可選擇以便為充分小而不負面影響超音波換能器的操作，而且為充分小以允許容易裝填。在一些實施例中，X1 可假定為相關於壓力口與進出孔尺度而在本文先前所述的任何值，諸如：在0.1微米與20微米之間。X2 的值可同樣假定為任何的上述值。在圖示的實例中，X1 係小於X2 。
在一些實施例中，膜104可由具有不同材料組成之一或多層所形成。膜104可由矽絕緣體(SOI, silicon on insulator)晶圓所形成。該SOI晶圓可包含數層，其包括而不受限於埋入氧化物(BOX, buried oxide)層104a、單晶層104b與熱氧化物層104c。該SOI晶圓可更包括處置晶圓，其係在晶圓接合之後而藉由諸如化學機械拋光(CMP, chemical-mechanical polishing)之任何適合的技術所移除。BOX層104a可為任何適合的厚度，諸如為在0.5與2微米厚之間或任何其他適合的值。單晶層104b可為單晶Si或任何適合的單晶材料。單晶層104b亦可為致能這些MUT之操作的任何適合厚度，包括為在4與10微米厚之間。熱氧化物層104c可為任何適合厚度，包括為在100與300 nm厚之間。
圖11係一種MUT 1100之非限制的實例之橫截面圖，MUT 1100具有腔部108與壓力口110。如圖所示，壓力口可經密封，且因此圖示的裝置可代表在腔部壓力已經設定到期望值之後的裝置的狀態。就該點而言，壓力口可用密封墊1102來密封以提供隨時間變化在密封腔部內實質固定壓力。
如同MUT 1100之一種MUT的製造方法係由圖12之方法1200所描述。首先，在動作1202，諸如而不限於腔部108、壓力口110及/或通道112之特徵係形成在絕緣層106。腔部108、壓力口110及/或通道112可用包括反應離子蝕刻(RIE, reactive ion etching)、深度反應離子蝕刻(DRIE, deep reactive ion etching)、離子研磨、電漿蝕刻、或任何其他適合的方法之任何適合的蝕刻處理而形成。絕緣層106可為較大的CMOS晶圓之部分，俾使這些腔部電氣耦合到該CMOS晶圓之其他元件。
在動作1204，具有特徵的絕緣層106係可為晶圓接合到膜晶圓，其可為先前所論述型式的SOI晶圓。晶圓接合方法可為一種低溫的晶圓接合方法。晶圓接合方法亦可包括後處理的退火步驟。在退火期間，吸除材料係可存在以有助於控制在腔部108之內的壓力。舉例來說，吸除材料可能包括Ti、TiN、SrO、及/或Zr-Al。在動作1206，膜晶圓之處置晶圓可磨光，允許在腔部108之上的膜104為撓曲。處置晶圓可用包括化學機械拋光之任何適合方式來磨光。
在動作1208，諸如開口902的開口係形成以將壓力口110打開，允許腔部108的壓力為均等化。開口可使用諸如RIE及/或DRIE之任何適合的蝕刻處理來形成。在一些實施例中，RIE首先使用以蝕刻通過BOX層104a。接著，DRIE使用以蝕刻單晶層104b，且RIE再次使用以蝕刻通過熱氧化物層104c。由於壓力口110在真空下打開，來自晶圓接合及/或退火處理之任何的除氣材料係在動作1208的期間散逸，且腔部108的壓力均等化為真空室的壓力。
在動作1210，壓力口110係密封，使得腔部108可維持在適合的壓力以供操作。壓力口110可藉由任何適合材料、或由諸如而不限於濺鍍處理之任何適合的處理所密封。壓力口110可由多種材料所形成的多層結構而密封。實例的材料係包括以任何適合組合之Al、Cu、Al/Cu合金、與TiN。
在本文所述的微機械加工超音波換能器可為種種型式者。在一些實施例中，其可為電容式微機械加工超音波換能器(CMUT, capacitive micromachined ultrasonic transducer)。在這些情況中，其可藉由晶圓黏接或犧牲釋放(sacrificial release)方法所形成。在一些實施例中，微機械加工超音波換能器係壓電微機械加工超音波換能器(PMUT, piezoelectric micromachined ultrasonic transducer)。
種種型式的超音波裝置係可實施本文所述型式之具有壓力口的MUT。在一些實施例中，一種手持式超音波探測器可包括一種在晶片上的超音波(ultrasound-on-a-chip)，其包含具有壓力口的MUT。在一些實施例中，一種超音波貼片(patch)可實施該種技術。一種丸片(pill)亦可利用該種技術。因此，本申請案的態樣提供該種超音波裝置以包括具有壓力口的MUT。
因此已經描述此申請案之技術的數個態樣與實施例，要理解的是，種種的變更、修改、與改良係將對於一般技藝人士而言為易於思及。這些變更、修改、與改良係意圖為在此申請案所述的技術之精神與範疇內。因此要瞭解的是，前述的實施例僅作為舉例而提出，且在隨附的申請專利範圍與其等效者之範疇內，創新的實施例可用不同於特定描述者的其他方式而實行。
如所描述，一些態樣可實施為一種或多種方法。實行作為該(等)方法的部分者之動作可為以任何適合方式而排序。是以，實施例可構成，其中，動作可為以不同於圖示者的順序而實行，其可包括同時實行一些動作，即使在圖示的實施例中顯示為依序的動作。
如在本文所界定及使用之所有定義應瞭解以支配關於字典的定義、在以參照方式所納入本文之文獻中的定義、及/或界定術語的一般意義。
如在說明書與申請專利範圍之本文所使用的片語“及/或”應瞭解以意指所結合的元件(即：其為連結存在於一些情形而分離存在於其他情形的元件)之“任一者或二者”。
如在說明書與申請專利範圍之本文所使用，關於一系列的一個或多個元件之片語“至少一者”應瞭解以意指選擇自該系列的元件中之任一個或多個元件，但無須包括明確列出在該系列的元件內之各個與每個元件的至少一者且不排除在該系列的元件中之元件的任何組合。
如在本文所使用，在一個數值環境中所使用的術語“在…之間(between)”統括性質，除非是另為指明。舉例來說，“在A與B之間”包括A與B，除非是另為指明。
術語“大約(approximately)”與“約(about)”可使用以意指在一些實施例中為於目標值的±20%之內，在一些實施例中為於一個目標值的±10%之內，在一些實施例中為於目標值的±5%之內，而在一些實施例中為於目標值的±2%之內。術語“大約”與“約”可包括該目標值。
100‧‧‧超音波裝置 102‧‧‧微機械加工超音波換能器(MUT) 104‧‧‧膜 104a‧‧‧埋入氧化物(BOX)層 104b‧‧‧單晶層 104c‧‧‧熱氧化物層 106‧‧‧絕緣層 108‧‧‧腔部 110‧‧‧壓力口 112‧‧‧通道 400‧‧‧超音波換能器 700‧‧‧超音波裝置 702‧‧‧開口 704、706‧‧‧金屬線 800‧‧‧超音波換能器 802‧‧‧進出孔(開口) 804、806‧‧‧金屬線 900‧‧‧超音波裝置 902‧‧‧進出孔(開口) 904、906‧‧‧金屬線 1100‧‧‧微機械加工超音波換能器(MUT) 1102‧‧‧密封墊 1200‧‧‧方法 1202-1210‧‧‧動作
本申請案的種種態樣與實施例將參考以下圖式來描述。應為理解的是，這些圖式無須依比例來繪製。出現在多個圖式中的項目在其所出現的所有圖式為由相同元件符號來指出。 圖1係微機械加工超音波換能器的陣列之透視圖，該陣列的微機械加工超音波換能器包含壓力口，用以進出微機械加工超音波換能器的腔部。 圖2係圖1之結構的腔部層之示意俯視圖。 圖3說明圖1之裝置的一層，其包括腔部與通道。 圖4說明對於圖1的替代者，其具有帶有個別壓力口之超音波換能器的陣列。 圖5係圖4之結構的腔部層之示意俯視圖。 圖6說明圖4之腔部層，其包括腔部與壓力口的部分。 圖7說明另一種陣列的超音波換能器與壓力口，其包含每個超音波換能器為二個壓力口。 圖8說明另一種陣列的超音波換能器與壓力口，其包含每個超音波換能器為二個壓力口。 圖9說明另一種陣列的超音波換能器與壓力口，其中，壓力口係在這些超音波換能器之間為共用。 圖10係可使用在圖9之裝置中的一種型式的壓力口之橫截面圖。 圖11係一種具有壓力口的微機械加工超音波換能器之非限制的實例之橫截面圖。 圖12係用於形成根據一些實施例之一種具有壓力口的超音波換能器之製造方法的流程圖。
100‧‧‧超音波裝置
102‧‧‧微機械加工超音波換能器(MUT)
104‧‧‧膜
106‧‧‧絕緣層
108‧‧‧腔部
110‧‧‧壓力口
112‧‧‧通道

Claims (20)

  1. 一種超音波裝置，其包含： 超音波換能器，其包含基板與膜，其中該基板與該膜係定位為具有在其間的密封腔部；及 進出孔，其穿過該膜且經裝配以提供對於該密封腔部的進出。
  2. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該基板與包含積體電路的積體電路基板接合。
  3. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該基板包含積體電路。
  4. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該進出孔在一個端部處為密封。
  5. 如請求項4所述之超音波裝置，其中該進出孔在該一個端部處用金屬所密封。
  6. 如請求項4所述之超音波裝置，其中該進出孔實質為無實心材料。
  7. 如請求項4所述之超音波裝置，其中該進出孔包含空隙。
  8. 如請求項7所述之超音波裝置，其中該空隙以氣體填充。
  9. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該進出孔實質垂直於該密封腔部的長軸而突出。
  10. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該進出孔包含轉彎。
  11. 如請求項10所述之超音波裝置，其中該進出孔包含90度的轉彎。
  12. 如請求項1所述之超音波裝置，其中該進出孔包含彎曲。
  13. 一種微機械加工超音波換能器，其包含： 密封腔部；及 壓力口，其裝配以控制該密封腔部的壓力。
  14. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該壓力口包含在平面內部分與實質垂直部分。
  15. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該實質垂直部分係較該在平面內部分為薄。
  16. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該壓力口為互相連接包括該密封腔部的二個腔部之通道的部分者。
  17. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該壓力口包含90度的彎曲。
  18. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該壓力口由金屬所密封。
  19. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該微機械加工超音波換能器包含電容式微機械加工超音波換能器與壓電微機械加工超音波換能器之至少一者。
  20. 如請求項13所述之微機械加工超音波換能器，其中該微機械加工超音波換能器配置在手持式超音波探測器。
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