CN104415902B - 超声换能器及其分割方法和分割器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容式微机械加工的超声换能器(CMUT)及其分割方法。分割CMUT可以包括：在器件晶片的限定多个超声换能器结构的区域中形成第一沟槽，器件晶片包括多个超声换能器结构；通过接合供应电到多个超声换能器的电极垫晶片和器件晶片来形成具有多个超声换能器的超声换能器晶片；以及通过切割在第一沟槽上的多个超声换能器结构和在第一沟槽下面的电极垫晶片，将超声换能器晶片切割成块以形成多个超声换能器。

Description

超声换能器及其分割方法和分割器件的方法

技术领域

按照示例性实施方式的器件和方法涉及电容式微机械加工的超声换能器及其分割(singulate)方法。

背景技术

微机械加工的超声换能器(MUT)可将电信号转变成超声波信号或反之亦然。MUT可以根据转变的方法而分为压电微机械加工的超声换能器(PMUT)、电容式微机械加工的超声换能器(CMUT)或磁性微机械加工的超声换能器(MMUT)。

MUT在与包括驱动电路的专用集成电路(ASIC)结合时形成微机械加工的超声换能器模块。其上形成有多个MUT的微机械加工的超声换能器晶片可以利用机械方法，例如通过利用旋转锯条而被分成多个MUT。

当利用机械方法分割MUT时，MUT的边缘会被损坏。具体地，由于在每个MUT的上层中包括腔，所以当MUT的上层被锯开时在上层中会发生振动，从而导致切割区扩大。因此，在切割区周围的电极垫会被损坏，由此降低MUT的分割产量。

发明内容

一个或多个示例性实施方式提供了电容式微机械加工的超声换能器(CMUT)的分割方法，其中在切割区域中预先形成沟槽。

根据示例性实施方式的方面，提供了一种电容式微机械加工的超声换能器，其包括：器件衬底；在器件衬底上的支撑单元，包括多个腔；在支撑单元上的膜，覆盖多个腔；在膜上的上部电极；以及在器件衬底的下表面上的电极垫衬底，其中第一突起单元在器件衬底的侧面突出，第二突起单元在与第一突起单元相同的侧面从电极垫衬底突出。

第一突起单元可以在CMUT的侧面方向上在大约10μm至大约30μm的范围内突出。

第一突起单元可以形成在与支撑单元、膜和上电极相应的位置。

第二突起单元可以在CMUT的侧面方向上在大约10μm至大约30μm的范围内突出。

第一和第二突起单元可以在电容式微机械加工的超声换能器的侧面方向上突出基本相同的长度。

根据示例性实施方式的方面，提供了一种电容式微机械加工的超声换能器的分割方法，该方法包括：在器件晶片的区域中形成第一沟槽，器件晶片包括在其上的多个超声换能器结构；通过接合电极垫晶片和器件晶片而形成具有多个超声换能器的超声换能器晶片；以及通过在第一沟槽处切割多个超声换能器结构和在第一沟槽下面的电极垫晶片，将超声换能器晶片切割成块以分割多个超声换能器的每个。

形成第一沟槽可以包括使用干蚀刻方法在器件晶片中形成通孔。

使用锯条可以执行超声换能器晶片的切割成块，其中第一沟槽的宽度大于锯条的切割宽度。

在器件晶片中可以形成限定超声换能器结构的多个元件的第二沟槽，其中形成第一沟槽与形成第二沟槽同时执行。

第一沟槽的宽度可以大于第二沟槽的宽度。

该方法可以还包括：在电极垫晶片与器件晶片接合之前，在电极垫晶片中与第一沟槽相应地形成第三沟槽。

第三沟槽可以具有大于锯条的切割宽度的宽度。

第三沟槽可以具有与第一沟槽基本相同的宽度。

接合电极垫晶片与器件晶片可以包括将第一沟槽与第三沟槽对准。

形成第三沟槽可以包括形成第三沟槽以具有在电极垫晶片的厚度的大约1/2至大约3/4的范围内的深度。

根据示例性实施方式的方面，提供了一种分割器件的方法，该方法包括：形成包括多个器件衬底和至少一个上部沟槽的上部结构；形成包括多个电极垫衬底和至少一个下部沟槽的下部结构；接合上部结构与下部结构以形成器件阵列；以及在至少一个上部沟槽和至少一个下部沟槽处将器件阵列切割成块以分割器件阵列中的每个器件。将器件阵列切割成块可以形成在器件衬底的侧面突出的第一突起单元以及在与第一突起单元相同的侧面从电极垫衬底突出的第二突起单元。

至少一个下部沟槽的位置可以相应于至少一个上部沟槽的位置。

至少一个上部沟槽和至少一个下部沟槽可以使用干蚀刻工艺形成。

可以形成用于将器件的元件分开的至少一个元件沟槽。

至少一个上部沟槽和至少一个下部沟槽可以围绕器件阵列中的器件的边界。

器件可以是电容式微机械加工的超声换能器。

附图说明

从以下结合附图对示例性实施方式的方面的描述，上述和/或其他方面将变得明显并且更易于理解，在附图中：

图1为根据示例性实施方式的电容式微机械加工的超声换能器的结构的示意截面图；

图2A至图2E为示出根据示例性实施方式的电容式微机械加工的超声换能器的分割方法的截面图；

图3为示出通过利用锯床切割成块而形成的微机械加工的超声换能器芯片的上部形状的照片图像；以及

图4为示出通过使用根据示例性实施方式的分割方法而形成的微机械加工的超声换能器的上部形状的照片图像。

具体实施方式

现在将更充分地描述示例性实施方式，在附图中示出示例性实施方式的示例。在附图中，为了清楚可以夸大层和区域的厚度。应当理解，以下描述的示例性实施方式仅仅是示例，因此可以变型成许多不同的形式。当一层或区域被称为在另一元件“上”或“上方”时，它可以直接在另一层或区域上，或者也可以存在居间层。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件，因此将省略对它们的描述。

应当注意，这些图旨在示出在某些示例性实施方式中使用的方法、结构和/或材料的一般特性并对下文所提供的书面描述进行补充。然而，这些附图没有按比例绘制，可能没有精确地反映任意给出的示例性实施方式的精确结构特性或性能特性，并且不应被解释为限定或限制各种示例性实施方式所包括的数值或者性能的范围。例如，为了清晰，可以缩小或夸大分子、层、区域和/或结构元件的相对厚度和位置。在不同的附图中使用的相似或相同的附图标记旨在表明相似或相同的元件或特征的存在。

图1为通过利用根据示例性实施方式的分割方法而被切割成块的电容式微机械加工的超声换能器(CMUT)100的结构的示意截面图。

参考图1，CMUT100可包括多个元件E1至E3，元件E1至E3的每个可包括至少一个腔122。在此，元件E1至E3可以通过沟槽T而彼此分开，沟槽T是用于防止元件E1至E3之间的串音和电信号连接的元件分隔线。

CMUT100可包括器件衬底110、在器件衬底110上的超声换能器结构、和提供在器件衬底110下面的电极垫衬底150。超声换能器结构可包括提供在器件衬底110上的支撑单元120、膜130和上电极140。器件衬底110可起下电极的作用。器件衬底110可以由例如具有高掺杂的杂质的低电阻硅衬底等形成。

上部绝缘层112可以形成在器件衬底110的上表面上。上部绝缘层112可包括例如硅氧化物，但是不限于此。可以被用作元件分隔线的沟槽T形成在器件衬底110中。沟槽T可具有限定元件E1至E3的边界的矩形形状。

支撑单元120可包括多个腔122并且可以形成在上部绝缘层112上。支撑单元120可包括例如硅氧化物，但是不限于此。膜130可以形成在支撑单元120上并且覆盖腔122。膜130可以由例如硅形成，但是不限于此。

上电极140可以形成在膜130上。电极垫衬底150可以形成在器件衬底110下面。通过电极垫衬底150可以将电供应到作为下电极的器件衬底110。电极垫衬底150可以是例如硅衬底，但是不限于此。器件衬底110和电极垫衬底150可以通过设置在其间的接合层160而彼此结合。每个接合层160可以形成为与每个元件区相应。接合层160可以由在其间形成共晶接合(eutectic bonding)的两种金属形成。例如，接合层160可以是Au-Sn接合层等。

与接合层160相应的通孔171可以形成在电极垫衬底150中。通孔171可以填充有通路金属172。通路金属172可以电连接到接合层160。接触通路金属172的电极垫180可以形成在电极垫衬底150的下表面上。供应到电极垫180的电可以通过通路金属172和接合层160被传输到器件衬底110。上电极140可以是公共电极。通过形成在电极垫衬底150和器件衬底110中的附加通路金属(未示出)，可以将电供应到上电极140。

电极垫衬底150可以是硅衬底。当电极垫衬底150由导电的硅衬底形成时，将接合层160、通路金属172和电极垫180与电极垫衬底150绝缘的绝缘膜(未示出)可进一步形成在电极垫衬底150上。

CMUT100可以通过将以晶片级制造的结构切割成块而获得。CMUT100也可被称为CMUT芯片100。CMUT100可具有大致矩形形状，并且可具有形成在已切割成块的CMUT100的至少一侧的表面上的两个突起单元P1和P2。突起单元P1和P2可从CMUT100的侧面突出。第一突起P1可以形成在器件衬底110的上部上。形成第一突起单元P1的区域可以是上部绝缘层112、支撑单元120、膜130和上电极140形成在其上的区域。

第二突起单元P2可以形成在电极垫衬底150的上部上。第一突起单元P1的第一突起距离d1可以在大约10μm至大约30μm的范围内，第二突起单元P2的第二突起距离d2可以在大约10μm至大约30μm的范围内。第二突起单元P2可以形成为具有在电极垫衬底150的高度的大约1/4至大约1/2的范围内的长度。第一突起距离d1和第二突起距离d2可以基本相同。

在图1中，为了方便起见，三个元件E1至E3被包括在CMUT100中，但是当前示例性实施方式不限于此。CMUT100可包括m×n阵列的元件。例如，CMUT100可包括以16×16阵列设置的256个元件。

图1示出CMUT作为示例。然而，根据示例性实施方式切割成块的CMUT可具有不同于图1的结构的各种结构。

图2A至图2E为示出根据示例性实施方式的CMUT的分割方法的截面图。相同的附图标记被用来表示与图1的元件基本相同的元件，将不再重复对其的详细说明。

图2A是示出器件晶片的制备的截面图。器件晶片包括多个器件衬底110。在下文中，由多个器件衬底110形成的结构被称为器件晶片110。

限定单个CMUT100的区域的第一沟槽T1形成在器件晶片110中。多个元件E1和E2形成在每个CMUT区域中。第二沟槽T2可以形成在每个CMUT区域中并且可以被用作将元件E1和E2分开的元件分隔线。当形成第二沟槽T2时，第一沟槽T1可以同时形成。第一沟槽T1和第二沟槽T2可以利用干蚀刻方法穿过器件晶片110而形成。第一沟槽T1可具有第一宽度W1，该第一宽带W1大于第二沟槽T2的第二宽度W2。第一沟槽T1的第一宽度W1可以大于锯条190(参考图2D)的切割宽度W4(参考图2D)，该锯条190被用于在切割工艺中切割器件晶片110，这将在后文描述。例如，当锯条190的切割宽度W4是40μm时，第一宽度W1可以在大约60μm至大约100μm的范围内。

上部绝缘层112、支撑单元120、膜130和上电极140可以顺序地形成在器件晶片110上。

第一沟槽T1可以形成为适合于在将多个CMUT100切割成块的工艺中锯条通过的线。第一沟槽T1可具有矩形形状并且围绕单个CMUT100。

第一接合层161可以形成在器件晶片110的下表面上。例如，第一接合层161可以形成为在器件晶片110的下表面上与每个元件相应。第一接合层161可以形成为彼此电隔离。第一接合层161可以通过在器件晶片110的下表面上形成金属层之后图案化金属层而形成。第一接合层161可以是Ti/Au层。钛(Ti)层可以被称为粘合层。

器件晶片110可以形成为具有在大约20μm至大约25μm范围内的厚度，在器件晶片110上包括腔122的器件结构可具有大致1μm的厚度。

第一沟槽T1和第二沟槽T2可以利用在半导体工艺中通常使用的干蚀刻工艺来形成。

图2B是示出制备电极垫晶片的工艺的截面图。电极垫晶片可包括多个电极垫衬底150。在下文中，由多个电极垫衬底150形成的结构被称为电极垫晶片150。

与每个CMUT区域相应的通孔171可以形成在电极垫晶片150中，通孔171可以填充有通路金属172。与第一接合层161相应的第二接合层162可以形成在电极垫晶片150的上表面上。第二接合层162可以由与第一接合层161的Au层形成共晶接合的材料例如Sn层形成。在示例性实施方式中，第二接合层162可以由Ti/Ni/Au/Sn/Au层形成。最上面的Au层可以形成为防止Sn层氧化。第二接合层162可以通过在电极垫晶片150上沉积电极材料之后的图案化工艺来形成。电极垫180可以形成在电极垫晶片150的下表面上。

当电极垫晶片150由硅形成时，可进一步形成防止通路金属172、第二接合层162和电极垫180接触电极垫晶片150的绝缘层(未示出)，以防止在元件区域之间起电。绝缘层可以由硅氧化物等形成。

可限定每个CMUT区域的第三沟槽T3可以形成在电极垫晶片150中。第三沟槽T3可以形成在电极垫晶片150中在与第一沟槽T1相应的位置处。第三沟槽T3可以通过利用干蚀刻工艺形成。第三沟槽T3可具有在电极垫晶片150的厚度的大约1/2至大约3/4的范围内的深度。第三沟槽T3的宽度W3可以形成为与第一沟槽T1的第一宽度W1基本相同。

参考图2C，器件晶片110和电极垫晶片150可以被接合。器件晶片110可以与电极垫晶片150对准，使得器件晶片110的第一接合层161接触电极垫晶片150的第二接合层162。在这一点上，第一沟槽T1与第三沟槽T3对准。然后，当大于280℃的温度被施加到第一接合层161和第二接合层162时，可以在第一接合层161和第二接合层162之间形成共晶金属，从而器件晶片110和电极垫晶片150可以被彼此接合。接合层160是第一接合层161和第二接合层162共晶接合的所得产物。其中器件晶片110与电极垫晶片150结合的结构可包括多个超声换能器，被称为超声换能器晶片。

参考图2D，超声换能器之间的边界区可以通过使用锯床的锯条190来切割。边界区可以是通过将第一沟槽T1与第三沟槽T3对准而形成的直线。当CMUT100通过使用锯床在器件晶片110上沿着第一沟槽T1被锯开时，在器件晶片110上的器件结构可以通过锯条190在第一沟槽T1处被容易地切开。电极垫晶片150于是在第三沟槽T3处可被切割。

参考图2E，可以获得已切割成块的CMUT100。CMUT100可被称为CMUT芯片100。CMUT100可具有大致矩形形状，每个切割的侧表面可包括两个突起单元P1和P2。第一突起单元P1可以形成在器件晶片110上方并且在CMUT100的侧面突出。

第二突起单元P2可以形成在电极垫衬底150的上部上并且在CMUT100的侧面突出。第一突起单元P1的第一突起距离d1可以在大约10μm至大约30μm的范围内，第二突起单元P2的第二突起距离d2可以在大约10μm至大约30μm的范围内。在一个示例性实施方式中，第一突起距离d1和第二突起距离d2可以基本相同。

根据所描述的分割方法，在CMUT芯片100的分割工艺中，由于器件结构具有小的厚度，所以在第一沟槽T1上的器件结构被容易地切开，并且由于电极垫晶片150在第三沟槽T3处具有小的厚度，所以电极垫晶片150被容易地切开。

因此，减小了对于CMUT芯片100的边缘区域的损坏，从而降低了产品失效率。

图3为示出通过利用锯床切割成块而形成的微机械加工的超声换能器芯片的上部形状的图像。图4为示出通过使用根据示例性实施方式的分割方法而形成的微机械加工的超声换能器的上部形状的图像。

参考图3，在锯切工艺期间，CMUT芯片的边缘会被损坏，并且已经被切割的表面会非常粗糙。

参考图4，根据示例性实施方式的分割方法而切割的CMUT芯片的边缘可以是清洁的，并且没有被损坏。

根据以上描述的分割方法，在CMUT芯片100的分割工艺中，由于器件结构具有小的厚度，所以在第一沟槽T1上的器件结构被容易地切开，并且由于电极垫晶片150在第三沟槽T3处具有小的厚度，所以电极垫晶片150被容易地切开。

因此，可以减小对于CMUT芯片的边缘的损坏，从而降低了关于分割工艺的产品失效率。

应当理解，在此描述的示例性实施方式应当仅以描述的意义理解，而不为限制的目的。对于每个实施方式中的特征或方面的描述应该通常被认为是可适用于其他实施方式中的其他类似特征或方面。

虽然已经参考附图描述了示例性实施方式的一个或多个实施方式，然而本领域的普通技术人员将理解，在不背离由权利要求所限定的示例性实施方式的精神和范围的情况下，可以作出形式和细节上的不同变化。

本申请要求于2013年8月26日向韩国专利局提交的韩国专利申请No.10-2013-0101286的优先权，其全部内容通过引用结合在此。

Claims (8)

1.一种电容式微机械加工的超声换能器的分割方法，所述方法包括：

在器件晶片的区域中形成第一沟槽，所述器件晶片包括在其上的多个超声换能器结构；

在形成所述第一沟槽之后，通过接合电极垫晶片和所述器件晶片而形成具有多个超声换能器的超声换能器晶片；

在所述器件晶片中形成限定与所述多个超声换能器结构的每个相应的多个元件的第二沟槽，其中形成所述第一沟槽与形成所述第二沟槽同时执行；以及

通过在所述第一沟槽处切割所述多个超声换能器结构和在所述第一沟槽下面的所述电极垫晶片，将所述超声换能器晶片切割成块以分割所述多个超声换能器的每个，从而将所述器件晶片形成为多个器件衬底，将所述电极垫晶片形成为多个电极垫衬底，并形成在所述器件衬底的侧面突出的第一突起单元以及在与所述第一突起单元相同的侧面从所述电极垫衬底突出的第二突起单元，

其中所述第一沟槽的宽度大于所述第二沟槽的宽度。

2.如权利要求1所述的方法，其中形成所述第一沟槽包括使用干蚀刻方法在所述器件晶片中形成通孔。

3.如权利要求1所述的方法，其中使用锯条执行所述超声换能器晶片的切割成块，其中所述第一沟槽的宽度大于所述锯条的切割宽度。

4.如权利要求3所述的方法，还包括：在所述电极垫晶片与所述器件晶片接合之前，在所述电极垫晶片中与所述第一沟槽相应地形成第三沟槽。

5.如权利要求4所述的方法，其中所述第三沟槽具有大于所述锯条的切割宽度的宽度。

6.如权利要求5所述的方法，其中接合所述电极垫晶片与所述器件晶片包括将所述第一沟槽与所述第三沟槽对准。

7.如权利要求4所述的方法，其中形成所述第三沟槽包括形成所述第三沟槽以具有在所述电极垫晶片的厚度的1/2至3/4的范围内的深度。

8.一种电容式微机械加工的超声换能器的分割方法，所述方法包括：

在器件晶片的区域中形成第一沟槽，所述器件晶片包括在其上的多个超声换能器结构；

通过接合电极垫晶片和所述器件晶片而形成具有多个超声换能器的超声换能器晶片；

在接合所述电极垫晶片与所述器件晶片之前，在所述电极垫晶片中与所述第一沟槽相应地形成第三沟槽；以及

通过在所述第一沟槽处切割所述多个超声换能器结构和在所述第一沟槽下面的所述电极垫晶片，将所述超声换能器晶片切割成块以分割所述多个超声换能器的每个，

其中所述第三沟槽具有与所述第一沟槽基本相同的宽度。