CN106315506A - 制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺 - Google Patents

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张培玉
李妍
敖天勇
高尚
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    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
    • B81C3/00—Assembling of devices or systems from individually processed components
    • B81C3/001—Bonding of two components
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy

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Abstract

本发明公开了一种本发明涉及微加工工艺和相关的复合微机械电容式超声换能器，提供了一种复合微机械电容式超声换能器（复合CMUT）的加工制备方法。利用此方法使CMUT单元中高频和低频结构较易在单一CMUT单元实现。CMUT的高频结构和低频结构分别在不同的硅片上实现，通过硅片键合将高频和低频结构组合，实现了复合CMUT单元。该工艺采用的是双SOI硅片键合，工艺步骤少、掩膜板少（仅需三个）、工艺简单、可靠、可批量生产，加工成本相比较低、器件灵敏度高、性能一致性好、成品率高。

Description

制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺
技术领域
本发明涉及微机电***（MEMS）和生物医学工程技术领域，尤其涉及制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺。
背景技术
目前，在超声成像应用中，传感器阵列是成像设备中起决定主要的关键部件，其质量是成像质量的决定性因素。所以，迫切需求有可靠、有效、一致性好、灵敏度高、低成本并能成批生产的制造方法。
用于加工超声传感器及其阵列的当前技术总体上包括用于加工压电微机械超声传感器（pMUT）的技术和电容式微机械超声换能器（CMUT）及其阵列的技术。pMUT的加工技术主要涉及微加工薄膜工艺和压电叠层微加工工艺。电容式微机械超声换能器（CMUT）及其阵列的当前技术，其总体涉及牺牲层释放工艺或者晶片键合技术。文献“CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers: Fabrication Technology”,A. S. Ergun 等,IEEE Transactions on Ultrasonic Ferroelectrics and Frequency Control, 52(12),2005 对涉及当前加工CMUT方法进行了概述。
由于传统加工方法的局限，小于超声波波长的微结构很难获得或加工成本极其昂贵。微机械加工技术的出现和发展，小于超声波波长的微结构可以很容易地实现。对于实现满足多频需求的结构，CMUT具有很大的优势。因为采用压电材料的传感器是通过改变压电材料的厚度来获得不同的频率, 所以，在同一微传感器很难通过微加工技术去实现不厚度的压电层。而且，在医学应用中，压电超声传感器必须有不同厚度的匹配层。这使得压电超声传感器更难以应用。而采用电容式的超声传感器，可以改变平面尺寸，而保持厚度一致就可获得不同的频率。因此，通过微加工可以容易实现传感器的多频组合结构。这也是本项目所提出的结构能容易实现的基础。另外，对于传统的PZT材料，当应用环境温度高于居里点，大约350̊C时，其压电特性会逐渐消失，从而传感器性能变差，直至失效。而CMUT在应用环境温度达到500̊C时，仍能正常工作。
目前，对于CMUT的加工来讲，采用牺牲层释放工艺和过多的表面淀积等工艺，无论是薄膜的质量还是真空腔体的质量参数不稳定，易造成产品性能不稳定，使传感器的灵敏度降低。中国的发明专利，专利号为CN200680006795.0的专利公开了一种制造微加工电容式超声传感器的表面微机械工艺，此申请公开的CMUT的基础结构，需要使用六次薄膜淀积和六个光刻步骤。而过多的掩膜板和工艺步骤会使对正误差增大，极大地影响传感器的结构，最终导致传感器性能大为降低，使成品率降低。
发明内容
本发明的目的是提供制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺，使加工过程中光刻次数减少，工艺步骤简单、制造出的传感器灵敏度高、性能一致性好。
本发明采用的技术方案为：
制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺，包括以下步骤：
步骤一、在第一SOI硅片获得CMUT的低频结构：采用衬底为硼重参杂为第一电极（6）的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成CMUT低频腔体和振动薄膜的支撑体（4），所述支撑体（4）与第一电极（6）由二氧化硅绝缘层（5）隔离；
步骤二、在第二SOI硅片获得CMUT的高频结构：采用衬底不参杂的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成高频腔体和高频腔体支撑墙（3）；
步骤三、将上述步骤一和步骤二制成的两个SOI 硅片相对放置后进行键合，形成低频真空腔体；
步骤四、对键合后的硅片进行减薄处理，去除上硅片的衬底层（8）形成振动薄膜（1）；
步骤五、通过金属溅射和刻蚀形成第二电极（7），制造出复合微机械电容式超声换能器。
所述的步骤四中的减薄处理采用CMP化学减薄方法。
所述的步骤2中的高频腔体支撑墙（3）由器件层形成。
本发明通过在不同的硅片上分别获得CMUT的高频结构和低频结构，使得复合CMUT结构得以实现；并采用双SOI硅片，CMUT的振动弹性膜的平面度达到纳米量级，同时，CMUT的真空腔体的底部平面度同样可以达到纳米量级，增加CMUT的频宽，能有效地提高传感器的灵敏度；本发明提供了一种光刻少，仅需三个掩膜板，工艺步骤少而简单，提高了产品性能稳定性和一致性；由于该技术是基于以批量生产和小型化为特征的微加工技术，所以，该技术的实现将会出现低价格和易携带的、像智能手机一样的超声医学设备低频部分是由衬底为重度硼掺杂的SOI为基体加工而成的。
附图说明
图1为本发明所述在第一SOI硅片获得CMUT的低频结构的结构示意图；
图2为本发明所述在第二SOI硅片获得CMUT的高频结构的结构示意图；
图3为本发明所述制造出复合微机械电容式超声换能器的结构示意图；
图4为本发明的流程图。
具体实施方式
如图1、2、3和4所示，本发明包括包括以下步骤：
步骤一、在第一SOI硅片获得CMUT的低频结构：采用衬底为硼重参杂为第一电极（6）的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成CMUT低频腔体参数和振动薄膜的支撑体（4），所述支撑体（4）与第一电极（6）由二氧化硅绝缘层（5）隔离；
步骤二、在第二SOI硅片获得CMUT的高频结构：采用衬底不参杂的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成高频腔体参数和高频腔体支撑墙（3）；所述的步骤二中的高频腔体支撑墙（3）由器件层形成。
步骤三、将上述步骤一和步骤二制成的两个SOI 硅片相对放置后进行键合，形成低频真空腔体；
步骤四、对键合后的硅片进行减薄处理，去除上硅片的衬底层（8）形成振动薄膜（1）；所述的步骤四中的减薄处理采用CMP化学减薄方法。
步骤五、通过金属溅射和刻蚀形成第二电极（7）。制造出复合微机械电容式超声换能器
本发明首先在第一SOI硅片上获得CMUT的高频结构，在第二SOI硅片上获得CMUT的低频结构；然后，采用双SOI硅片，CMUT的振动弹性膜的平面度达到纳米量级，同时，CMUT的真空腔体的底部平面度同样可以达到纳米量级。由于本发明CMUT的高频结构和低频结构分别在不同的硅片上实现，并通过硅片键合将高频和低频结构组合，实现了复合CMUT单元。
本发明中对于低频部分，固有特性决定其结构尺寸较大，而高频部分则相反，其结构尺寸较小，而其具体的尺寸参数则可以根据需要进行设置。据此，可以在弹性膜的底部建构高频部分的支持结构。这样，就可以把高频部分和低频部分组合在一个真空腔体内，即把高频部分和低频部分加工在一个CMUT单元内，而不增加CMUT单元的结构尺寸。在应用低频部分的场合时，高频部分不影响低频部分发挥作用；在应用高频部分的场合，振动膜在低频部分的塌陷电压下，高频支撑结构域底部电极接触，从而形成高频结构，满足高频应用场合。

Claims (3)

1.制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺，其特征在于：包括以下步骤：
步骤一、在第一SOI硅片获得CMUT的低频结构：采用衬底为硼重参杂为第一电极（6）的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成CMUT低频腔体和振动薄膜的支撑体（4），所述支撑体（4）与第一电极（6）由二氧化硅绝缘层（5）隔离；
步骤二、在第二SOI硅片获得CMUT的高频结构：采用衬底不参杂的SOI硅片经过图形转换光刻蚀器件层形成高频腔体和高频腔体支撑墙（3）；
步骤三、将上述步骤一和步骤二制成的两个SOI 硅片相对放置后进行键合，形成低频真空腔体；
步骤四、对键合后的硅片进行减薄处理，去除上硅片的衬底层（8）形成振动薄膜（1）；
步骤五、通过金属溅射和刻蚀形成第二电极（7），制造出复合微机械电容式超声换能器。
2.根据权利要求1所述的制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺，其特征在于：所述的步骤四中的减薄处理采用CMP化学减薄方法。
3.根据权利要求2所述的制造复合微机械电容式超声换能器的微加工工艺，其特征在于：所述的步骤2中的高频腔体支撑墙（3）由器件层形成。
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