CN110217753A - 一种通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高发射功率、低工作电压的通孔式结构超声换能器及其制备方法，通孔式结构超声换能器包括振动薄膜、支柱，绝缘层以及下电极，其中，振动薄膜通过重掺杂形成上电极，其形状尺寸与空腔结构相一致，所述支柱刻蚀有空腔结构，所述空腔结构包括通孔空腔和常规空腔，通孔空腔的存在将传统结构单元中原本独立的常规空腔开通，促使各个单元通过通孔连接，将传统单元原有的周边固支改为四角固支，进而降低刚度，增大静电力作用区域，进而降低工作电压，提高机电耦合系数，增大发射功率以及填充比。

Description

一种通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法
技术领域
本发明属于MEMS技术领域，具体涉及一种高发射功率、低工作电压的通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法。
背景技术
超声技术是现代科技中应用最为广泛的技术之一。由于超声波在媒质中传播时会产生物理、化学、生物等一系列效应，具有穿透力强、集束性好以及信息携带量大等优点，因而其应用遍及工业、临床医学、生物化学、食品、环境等领域。电容式微加工超声换能器(Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers，简称CMUTs)是基于MEMS技术的诸多微纳器件中极具结构和性能优势的器件。由于CMUTs具有机电特性好、品质因子高、灵敏度高、带宽大、噪声低、工作温度范围宽以及易阵列、易集成等优点，广泛的应用于超声成像、无损检测等方面。然而，由于CMUTs在工作时为了获得较大机电耦合系数，需要配备外接电源提供较大直流偏置电压作为工作电压，其工作电压(一般为塌陷电压的90％)高达一百伏甚至几百伏以上，因而无法实现低功耗化以及便携化，且容易引起安全问题。目前，为了降低工作电压，常通过降低CMUTs空腔高度来实现。随着空腔高度的降低，机电耦合系数增大，静电力增加，导致塌陷电压降低，进而降低工作电压。然而，当CMUTs用作超声波发射器时，为了获得较大的超声波强度，需要增加薄膜振幅，增大空腔高度。因此，减小空腔高度虽可以增大机电耦合效率，降低工作电压，但却会降低超声波输出功率。同时，传统的CMUTs方形、圆形结构都是通过独立的单元结构连接在一起的，各个单元又通过上电极引线实现电连接，这就引入了更多的寄生电容，进而降低了机电耦合系数。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法，将原有的独立单元空腔开通，促使各个单元通过通孔连接，进而降低工作电压，提高机电耦合系数，增大发射功率以及填充比。
为达到上述目的，本发明描述了一种通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法，CMUTs单元包括自上而下依次为：振动薄膜、支柱，绝缘层以及单晶硅衬底，其中，所述支柱刻蚀出空腔结构，所述空腔结构包括通孔空腔和常规空腔，所述空腔结构通过直接键合工艺制备，采用振动薄膜密封为真空腔，绝缘层位于空腔之下，衬底之上，对上、下电极起到绝缘保护作用，所述振动薄膜通过硼离子重掺杂形成上电极，且上电极与空腔结构形状及外形尺寸保持一致，所述单晶硅衬底为低阻硅，与背面溅射的金电极共同用作下电极。作为本发明的优选实施案例，所述振动薄膜的厚度为0.5～2μm，所述单晶硅薄膜横向尺寸为10～30μm。
作为本发明的优选实施案例，所述支柱高度为0.08～0.4μm，宽度为3～10μm。
作为本发明的优选实施案例，所述空腔结构高度与支柱高度保持一致，所述通孔空腔区域宽度与支柱间的宽度保持一致，长度为5～15μm。
作为本发明的优选实施案例，所述绝缘层厚度为0.05～0.1μm。
作为本发明的优选实施案例，所述振动薄膜掺杂后的电阻率为低于0.001Ω·cm，且与空腔结构外形尺寸保持一致。
一种通孔电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、选取一个(100)晶面双面抛光硅片作为基底，清洗后背片，形成单晶硅衬底；
步骤2、在单晶硅衬底的上、下表面通过干法热氧化各形成一层厚度为0.08～0.4μm的二氧化硅层；
步骤3、经过涂胶、显影后，对上述二氧化硅层进行干法刻蚀，形成空腔结构和支柱；
步骤4、将步骤3所得的结构进行二次氧化，在空腔底部形成厚度为0.05～0.1μm的绝缘层；
步骤5、选顶层单晶硅层为(100)晶面的SOI片，通过RCA标准清洗工艺清洗后备片；
步骤6、将步骤5所得SOI片顶层硅的键合面和步骤4所得结构的键合面进行等离子活化处理后在真空环境下进行低温直接键合；
步骤7、自上而下将步骤6键合后的结构中SOI片部分的衬底硅通过机械减薄工艺去除80％；
步骤8、通过干法刻蚀去除在步骤7所得结构的剩余20％的衬底硅；
步骤9、将步骤8结构中SOI片的SiO2埋层通过干法刻蚀去除，留下顶层硅膜，构成振动薄膜；
步骤10、通过局部离子注入技术在振动薄膜上重掺杂形成上电极，其中上电极结构和尺寸与空腔结构相似，且掺杂面积小于等于空腔结构面积；
步骤11、漂洗背面SiO2；
步骤12、背面溅射0.4-0.7μm的金电极。
相对于传统方形、圆形独立单元结构的CMUTs，本发明至少具有以下有益技术效果：1)通孔结构的设计，使传统结构原有的周边固支约束变为四角固支约束，进而降低原有结构的刚度，使本发明具备更低的塌陷电压及工作电压；2)通孔结构的设计，在降低刚度的同时，使振动薄膜的振幅增大，超声波发射功率增加；3)通孔结构的设计，使传统结构原有的电极连接线引入的寄生电容转变为可动电容，进而增大了机电耦合系数；4)通孔结构的设计，使传统结构原有支柱处一部分变为空腔，进而增大了整个结构芯片的填充比。
进一步的，支柱层为中空结构，支柱层上开设有若干和支柱层等高的凹槽，凹槽将支柱层分割为若干支柱，中空结构、振动薄膜以及绝缘层形成常规空腔，凹槽、振动薄膜以及绝缘层形成通孔空腔，常规空腔和通孔空腔连通形成空腔结构。
进一步的，上电极形状与空腔结构形状一致，但面积小于或等于空腔结构，能够减小寄生电容。
进一步的，为保证超声换能器的振动频率并降低工作电压，振动薄膜的厚度为0.5μm～2μm，单晶硅薄膜的长度和宽度取值范围均为10μm～30μm，上电极的电阻率低于0.001Ω·cm。
进一步的，支柱通孔空腔区域宽度与支柱间的宽度保持一致，通孔空腔区域长度为5μm～15μm，通孔空腔区域长度和支柱的边长可以任意设置。保证了超声换能器的振动频率并降低工作电压，
进一步的，支柱高度为0.08μm～0.4μm，宽度为3μm～10μm，绝缘层厚度为0.05～0.1μm降低工作电压。
进一步的，电极为金电极。减小寄生电容，增大传感器机电耦合系数。
附图说明
图1为实施例1的通孔CMUTs单元结构纵剖图；
图2为实施例1的通孔CMUTs单元结构的俯视图；
图3为实施例1的通孔CMUTs结构单元半剖示意图；
图4a为实施例1的CMUTs阵列示意图；
图4b为图4a的局部剖面图；
图5a为传统CMUTs结构单元半剖示意图；
图5b为传统CMUTs结构阵列示意图；
图6为实施例2的CMUTs阵列示意图；
图7为图6的局部剖面图；
图8为实施例2的CMUTs结构单元半剖示意图；
图9为实施例2的CMUTs结构单元俯视图；
图10为通孔CMUTs的制备工艺流程图。
附图中：1、振动薄膜，2、支柱层，21、支柱，3、空腔结构，4、绝缘层，5、下电极，11、振动薄膜未掺杂区域，12、上电极，31、常规空腔，32、通孔空腔，51、单晶硅衬底，52、电极，6、二氧化硅层，7、SOI片，71、衬底硅，72、SiO2埋层,73、顶层硅膜，8、凹槽，100、CMUTs单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
实施例1
参照图1至图2，一种通孔电容式微加工超声换能器包括若干CMUTs单元100，CMUTs单元100自上而下依次设置的振动薄膜1、支柱层2、绝缘层4和下电极5，支柱层2包括第一至第四支柱，第一至第四支柱均设置在绝缘层4上端面的四个角点处，当若干CMUTs单元100组合在一起时，同一CMUTs单元100中的支柱21内壁形成空腔，空腔的横截面为正方形，相邻的CMUTs单元之间形成凹槽8。空腔、振动薄膜1以及绝缘层4形成常规空腔31，所述凹槽8、振动薄膜1以及绝缘层4形成通孔空腔32，所述常规空腔31和通孔空腔32连通形成空腔结构3。
参考图2，振动薄膜1包括振动薄膜未掺杂区域11和上电极12，其中上电极12由振动薄膜1进行局部重掺杂形成；参考图3、图4a和图4b所示，通孔CMUTs结构空腔结构3，空腔结构3，包括常规空腔31和通孔空腔32，空腔结构3通过直接键合工艺制备，采用单晶硅振动薄膜1密封为真空腔；参考图5所示，下电极5包括单晶硅衬底51和设置在单晶硅衬底51下部的电极52。
工作时，上电极12与下电极5为直流偏置工作电压的施加点，也为小信号交流激励电压的施加点(0.5V～1V)。当直流偏置工作电压施加后，如图3、图5a和图5b所示，传统CMUTs的常规空腔31产生形变，而通孔CMUTs由于除了设置有常规空腔31外，还设置有通孔空腔32，进而会有更大静电力作用在振动薄膜1上，而该处存在的静电力促使在通孔空腔32处也产生了相应的静电形变，因此通孔CMUTs具有更高的可变电容，进而能够获得相较于同等结构尺寸传统CMUTs更高的机电耦合系数。同时，通孔CMUTs将原有的周边固支结构改变为四角固支结构，降低了传统结构的刚度，进而能够降低传统CMUTs的塌陷电压，从而降低工作电压和功耗；同时，由于静电力的增大，其结构的刚度软化效果增加，会进一步降低结构的塌陷电压，降低功耗。再次，四角固支结构，在降低刚度的基础上，会使通孔CMUTs产生更大的振幅，进而增大超声发射功率。最后，如图2所示，相比常规空腔结构尺寸，通孔CMUTs由于设置有通孔空腔32，因此其悬空比更大，具有更高的结构填充比，更利于增大输出电流。
参照图10，一种通孔CMUTs的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1、选择硅衬底
取n型(100)晶面双面抛光的硅片作为基底，由于用作下电极，其电阻率应小于0.01Ω·cm，采用湿法漂洗，去除表面氧化层后背片，该结构形成单晶硅衬底51；
步骤2、热氧化
在1050℃条件下，采用热氧化工艺，在单晶硅衬底51的上、下表面各形成一层厚度为0.08～0.4μm的致密二氧化硅层6；
步骤3、干法刻蚀：经过涂胶、显影后，采用等离子体刻蚀工艺将步骤2所得结构上表面的二氧化硅层6进行干法刻蚀，形成支柱21和空腔结构3；
步骤4、二次热氧化
再次进行热氧化，在步骤3所得结构中的空腔结构3底部形成一层厚度为0.05～0.1μm的绝缘层4；
步骤5、选取SOI片
选顶层单晶硅薄膜为(100)晶面的SOI片7，SOI片7包括依次设置的衬底硅71、SiO2埋层72和顶层硅膜73，采用RCA标准清洗工艺清洗后备片；
步骤6、活化处理后直接键合
将步骤5所得SOI片7顶层硅的键合面和步骤4所得结构的键合面进行等离子活化处理，并进行亲水处理，随后在真空环境下进行低温直接键合，形成空腔结构3，退火处理后，随炉冷却；
步骤7、化学机械抛光
自上而下将步骤6键合后的结构中SOI片7的部分的衬底硅71通过化学机械抛光工艺(CMP)去除80％厚度；
步骤8、干法刻蚀去除衬底硅
采用干法刻蚀工艺，去除在步骤7所得结构中的SOI片部分剩余20％的衬底硅；
步骤9、干法刻蚀去除SiO2埋层72
采用干法刻蚀工艺将步骤8结构中SOI片的SiO2埋层72通过干法刻蚀去除，留下顶层硅膜73，构成振动薄膜1；
步骤10、重掺杂
采用局部离子注入技术，步骤9所得结构的振动薄膜1上重掺杂形成掺杂区域和未掺杂区域11，将掺杂区域用作上电极12，其中上电极12与常规空腔31的形状和尺寸一致，且掺杂后电阻率为0.01～0.02Ω·cm；
步骤11、漂洗背面SiO2
以上电极12所在面为正面，涂2.4μm的光刻胶以保护正面结构，80℃烘胶50min，以增加胶的耐酸碱性，采用湿法刻蚀工艺，漂洗背面的二氧化硅层6。
步骤12、背铝
背面溅射厚度为0.4～0.7μm的电极52，以防止下电极5的单晶硅衬底51发生自然氧化而影响器件导电性。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，常规空腔31的形状不同，对应的，支柱21的形状也不同，本本实施例中，常规空腔31的横截面为圆形。
参照图6，的CMUTs阵列包括若干阵列布置的CMUTs单元100，相邻的CMUTs单元100紧密连接。参照图7，相邻的CMUTs单元100之间的通孔空腔32形成连通CMUTs单元100的通道；参照图8和图9，支柱21与常规空腔31相接的面为弧形面。
本发明提出一种高发射功率、低工作电压的通孔电容式微加工超声换能器及其制备方法，其主要技术指标为：
谐振频率：5MHz～30MHz；
塌陷电压：5V～20V；
机电耦合系数：大于80％；
工作温度：-20℃～120℃；
填充比：大于70％；
本发明不限于上述具体的实施方式，所述的通孔CMUTs单元数量、阵列结构尺寸和阵列分布形式以及各个结构层的厚度、宽度等尺寸特征都可根据实际的情况作出相应的优化调整，整个优化过程需遵循增加机电耦合系数、降低工作电压等基本原则。
以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或者唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，包括若干阵列布置的通孔CMUTs单元(100)，CMUTs单元(100)包括自上而下依次设置的振动薄膜(1)、支柱层(2)、绝缘层(4)和下电极(5)，其中，支柱层(2)中开设有空腔结构(3)，所述相邻的通孔CMUTs单元(100)的空腔结构(3)相互连通；所述绝缘层(4)位于空腔结构(3)和下电极(5)之间，所述振动薄膜(1)包括上电极(12)，所述下电极(5)包括单晶硅衬底(51)和电极(52)。
2.根据权利要求1所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述支柱层(2)中部开设有空腔，所述支柱层(2)上开设有若干和支柱层(2)等高的凹槽(8)，所述凹槽(8)将支柱层(2)分割为若干支柱(21)，所述空腔、振动薄膜(1)以及绝缘层(4)形成常规空腔(31)，所述凹槽(8)、振动薄膜(1)以及绝缘层(4)形成通孔空腔(32)，所述常规空腔(31)和通孔空腔(32)连通形成空腔结构(3)。
3.根据权利要求2所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述通孔空腔(32)区域长度为5μm～15μm。
4.根据权利要求2所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述支柱(21)高度为0.08μm～0.4μm，宽度为3μm～10μm。
5.根据权利要求1所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述上电极(12)形状与空腔结构(3)形状一致，面积小于或等于空腔结构(3)的面积。
6.根据权利要求1所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述振动薄膜(1)的厚度为0.5μm～2μm，所述振动薄膜(1)的长度和宽度取值范围均为10μm～30μm。
7.根据权利要求1所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述绝缘层(4)厚度为0.05μm～0.1μm。
8.根据权利要求1所述的一种通孔电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述电极(52)为金电极。
9.一种通孔电容式微加工超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、取硅片作为基底，清洗后背片，形成硅片单晶硅衬底(51)；
步骤2、在单晶硅衬底(51)的上、下表面通过干法热氧化各形成一层二氧化硅层(6)；
步骤3、对所述单晶硅衬底(51)上表面的二氧化硅层(6)进行干法刻蚀，形成空腔结构(3)和支柱(21)；
步骤4、将步骤3所得的结构氧化，在空腔结构(3)底部形成绝缘层(4)；
步骤5、将SOI片(7)顶层硅的键合面和步骤4所得结构键合；
步骤6、将步骤6键合后结构中的SOI片(7)部分的衬底硅(71)通过机械减薄工艺去除70％～80％的厚度；
步骤7、通过干法刻蚀去除在步骤7所得结构的剩余的衬底硅(71)；
步骤8、将步骤8结构中SOI片(7)的SiO2埋层(72)去除，留下顶层硅膜(73)，形成振动薄膜(1)；
步骤9、在所述振动薄膜(1)上重掺杂形成上电极(12)，其中上电极(12)的形状与空腔结构(3)一致；
步骤10、以上电极(12)所在面为正面，漂洗步骤9得到的结构背面的二氧化硅层(6)；
步骤11、在步骤10得到的结构背面溅射电极(52)。
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