CN118142831A - 一种集成波导压电微机械超声换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种集成波导压电微机械超声换能器及其制备方法，属于微机械超声换能器技术领域。包括波导段和PMUT芯片，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面；所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。本发明中，所述波导段的存在能够引导声波、集中声波能量，更好地传递声能和实现***小型化，同时提高发射性能。
Description
技术领域
本发明涉及微机械超声换能器技术领域，尤其涉及一种集成波导压电微机械超声换能器及其制备方法。
背景技术
由于微结构具有体积小、单位成本低、灵敏度高、功耗低、动态响应快等宝贵优势，微机电***(MEMS)技术发展迅速，微机械超声换能器(MUT)是克服传统体换能器缺点的潜在解决方案。MUT具有两种转导机制：电容式微机械超声换能器(CMUT)和压电式微机械超声波换能器(PMUT)。相比于CMUT，PMUT不需要极化电压，降低了基于导管的超声应用的电路复杂性，也不需要小的电容间隙，降低了制造复杂性。PMUT的薄膜压电材料大多选择锆钛酸铅(PZT)和氮化铝(AlN)，PZT具有更高的压电常数，但与互补金属氧化物半导体(CMOS)不兼容，且需要高达800℃的制造温度。而AlN是无铅的，沉积温度低(<400℃)，且与适合大规模生产的CMOS制造工艺完全兼容。
MUT在弯曲振动模式(d31)下振动，柔顺薄膜结构使换能器的设计具有灵活性和紧凑性。然而，对于与人体组织直接接触的应用，MUT的精细薄膜结构带来了耐用性问题。一些研究人员尝试使用聚合物层涂覆MUT阵列来解决此问题，但该层增加了MUT成像器和成像表面之间的距离，继而导致衍射、散射和扩展效应，成像对比度和空间分辨率大大降低，也有利用PDMS(聚二甲基硅氧烷)作为硅膜和手指之间良好的声阻抗匹配介质，但该层需要直接暴露在环境中，且受限于脆性振动膜的鲁棒性。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种集成波导压电微机械超声换能器及其制备方法。本发明提出的基于AIN压电材料的波导PMUT能够晶圆级连接到CMOS电路上，能够实现对阵列中的每个MUT单元进行单独寻址的操作。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种集成波导压电微机械超声换能器，包括波导段和PMUT芯片，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面；
所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。
优选地，所述空腔为长方体，所述长方体的底面为正方形，所述正方形的边长为所述集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片边长。
优选地，所述底部电极层和顶部电极层的表面设置通孔开口。
优选地，所述底部电极层和顶部电极层的材质独立地为Pt、Ti、Al或Mo。
优选地，所述绝缘层的材质为二氧化硅。
本发明还提供了上述技术方案所述的集成波导压电微机械超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
在SOI衬底的表面进行沉积，依次形成AlN种子层、底部电极层前体、AlN压电层前体和顶部电极层前体，然后依次对所述顶部电极层前体、AlN压电层前体和底部电极层前体进行图案化，形成所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层；
在所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层的表面进行沉积，形成所述绝缘层；
在所述绝缘层的表面进行沉积，形成所述引线层，得到所述PMUT芯片；
对底硅层进行离子刻蚀形成所述空腔，得到所述集成波导压电微机械超声换能器。
优选地，对所述顶部电极层前体和底部电极层前体进行图案化的方法为基于氟的等离子刻蚀，对所述AlN压电层前体进行图案化的方法为基于氯的等离子刻蚀。
优选地，所述顶部电极层前体图案化后的面积为集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片面积的44.5％。
优选地，形成所述绝缘层前还包括在所述底部电极层和顶部电极层的表面进行离子刻蚀，形成所述通孔开口。
优选地，所述离子刻蚀为深度反应离子蚀刻。
本发明提供了一种集成波导压电微机械超声换能器，包括波导段和PMUT芯片，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面；所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。本发明提出了一种集成波导压电微机械超声换能器，所述波导段的存在能够引导声波、集中声波能量，更好地传递声能和实现***小型化。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明所提出的基于AIN压电材料的集成波导压电微机械超声换能器能够晶圆级连接到CMOS电路上，实现对阵列中的每个MUT芯片单元进行单独寻址的操作，相对于相控阵超声成像所需的复杂信号处理，波导段的存在能够做到逐个像素地读出超声图像，将每个PMUT的脉冲回波信号路径与其相邻的脉冲回波信号路径隔离开来，同时提高了集成波导压电微机械超声换能器的发射性能。
附图说明
图1为本发明集成波导压电微机械超声换能器的制备过程示意图；
图2为本发明实施例1制得的集成波导压电微机械超声换能器在进行超声成像时的截面图；
图3中(a)为对比例的PMUT器件在75ns下的模拟声压图，(b)为对比例的PMUT器件在950ns下的模拟声压图，(c)为实施例1的PMUT器件在75ns下的模拟声压图，(d)为实施例1的PMUT器件在950ns下的模拟声压图；
图1和2中电极层包括底部电极层和顶部电极层。
具体实施方式
本发明提供了一种集成波导压电微机械超声换能器，包括波导段和PMUT芯片，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面；
所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。
在本发明中，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的包括底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面。
在本发明中，所述PMUT芯片包括SOI衬底。在本发明的具体实施例中，所述SOI衬底优选为4英寸的SOI衬底。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述结构硅层表面的AlN种子层。
在本发明中，所述AlN种子层的厚度优选为0.2μm。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述AlN种子层表面的底部电极层。
在本发明中，所述底部电极层的材质独立地优选为Pt、Ti、Al或Mo。
在本发明中，所述底部电极层的厚度优选为0.2μm。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述底部电极层表面的AlN压电层。
在本发明中，所述AlN压电层的厚度优选为1.5μm，所述AlN压电层优选采用002晶体取向。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述AlN压电层表面的顶部电极层。
在本发明中，所述顶部电极层的材质独立地优选为Pt、Ti、Al或Mo。
在本发明中，所述顶部电极层的厚度优选为0.2μm。
在本发明中，所述顶部电极层的面积优选为集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片面积的44.5％(轴向膜片覆盖面积率为44.5％)，尺寸优选为具有67％的边长(相对于释放的膜片)，将所述顶部电极层的尺寸和面积限定到上述范围内是由于：通过有限元分析，在此条件下能够实现与膜片的基本振动模态良好的耦合。
在本发明中，所述底部电极层和顶部电极层的表面优选设置通孔开口，所述通孔开口是为了让引线金属接触到底部电极层和顶部电极层，最终给电压到电极上。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述顶部电极层表面的绝缘层。
在本发明中，所述绝缘层的材质优选为二氧化硅。
在本发明中，所述绝缘层的厚度优选为300nm。
在本发明中，所述PMUT芯片包括层叠在所述绝缘层表面的引线层。
在本发明中，所述引线层优选包括依次层叠的Ti和Au，所述Ti的厚度优选为20μm，所述Au的厚度优选为200μm，所述Ti优选层叠在所述绝缘层的表面。
在本发明中，所述集成波导压电微机械超声换能器包括波导段，所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。
在本发明中，所述空腔优选为长方体，所述长方体的底面优选为正方形，所述正方形的边长优选为所述集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片边长。
本发明还提供了上述技术方案所述的集成波导压电微机械超声换能器的制备方法，包括以下步骤：
在SOI衬底的表面进行沉积，依次形成AlN种子层、底部电极层前体、AlN压电层前体和顶部电极层前体，然后依次对所述顶部电极层前体、AlN压电层前体和底部电极层前体进行图案化，形成所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层；
在所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层的表面进行沉积，形成所述绝缘层
在所述绝缘层的表面进行沉积，形成所述引线层，得到所述PMUT芯片；
对底硅层进行离子刻蚀形成所述空腔，得到所述集成波导压电微机械超声换能器。
本发明在SOI衬底的表面进行沉积，依次形成AlN种子层、底部电极层前体、AlN压电层前体和顶部电极层前体，然后依次对所述顶部电极层前体、AlN压电层前体和底部电极层前体进行图案化，形成底部电极层、AlN压电层和顶部电极层。
在本发明中，所述SOI衬底在使用前优选进行标准RCA清洁，本发明对所述标准RCA清洁的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述沉积优选为溅射沉积，本发明对所述溅射沉积的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，对所述顶部电极层前体和底部电极层前体进行图案化的方法优选为基于氟的等离子刻蚀，对所述AlN压电层前体进行图案化的方法优选为基于氯的等离子刻蚀。
在本发明的具体实施例中，对所述顶部电极层前体进行图案化优选包括以下步骤：
在所述顶部电极层前体的表面旋涂负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体SF6转化为等离子体，对所述顶部电极层前体进行刻蚀。
在本发明中，所述旋涂的厚度优选为1.25μm。
在本发明的具体实施例中，对所述AlN压电层前体进行图案化优选包括以下步骤：
在所述AlN压电层前体的表面旋涂1.25μm厚的负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体Cl2转化为等离子体，对所述AlN压电层前体进行刻蚀。
在本发明的具体实施例中，对所述底部电极层前体进行图案化优选包括以下步骤：
在所述底部电极层前体的表面旋涂负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体SF6转化为等离子体，对所述底部电极层前体进行刻蚀。
在本发明中，所述旋涂的厚度优选为1.25μm。
在本发明中，所述顶部电极层前体图案化后的面积优选为集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片面积的44.5％。
形成所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层后，本发明在所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层的表面进行沉积，形成所述绝缘层。
在本发明中，形成所述绝缘层前优选还包括在所述底部电极层和顶部电极层的表面进行离子刻蚀，形成所述通孔开口。
本发明优选通过等离子体化学气相沉积(PCVD)形成所述绝缘层。
形成绝缘层后，本发明在所述绝缘层的表面进行沉积，形成所述引线层，得到所述PMUT芯片。
本发明优选使用焊盘掩模模板在所述绝缘层的表面沉积并绘制所述引线层。
在本发明中，所述绝缘层中SiO2上的Au-Ge共晶键为PMUT提供了机械锚定和电气接触，PMUT在SOI MEMS晶圆上形成，该晶圆与提供信号处理电子器件的CMOS晶圆结合。
在本发明中，所述PMUT芯片组成的阵列通过导线连接到刚性或柔性PCB上，所制备的阵列中的每个PMUT芯片都有一个专用的接收(Rx)放大器，该放大器在接收阶段连接到底部电极层，每个PMUT芯片的顶部电极层在发射阶段连接到24V发射放大器(Tx)。为了保护Rx放大器免受高压信号的影响，在传输阶段，发射/接收转换开关将每个底部电极层连接到地，图2展示了实施例1所述集成波导压电微机械超声换能器在进行超声成像时的截面图，MEMS晶片和CMOS晶片使用Au-Ge共晶片接合在一起，蚀刻到MEMS晶片的300μm厚高的Si结构层中的波导用于将超声引导向成像目标。
得到所述PMUT芯片后，本发明对所述底硅层进行离子刻蚀形成所述空腔，得到所述集成波导压电微机械超声换能器。
在本发明中，所述离子刻蚀优选为深度反应离子蚀刻(DRIE)，本发明从晶片的背面释放振动层，形成声波导。本发明对所述深度反应离子蚀刻的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
制备集成波导压电微机械超声换能器，包括以下步骤：
步骤1：首先，选择一块4英寸的SOI衬底，并使用标准RCA清洁SOI膜的表面。
该工艺始于图1中(a)，先溅射沉积0.2μm厚的氮化铝(AlN)层作为种子层，通过磁控溅射工艺在种子层上生长厚度为0.2μm的Mo底部电极层前体，将1.5μm AlN(采用002晶体取向)磁控溅射到Mo底部电极极上作为压电层前体，然后将0.2μm Mo磁控溅射到AlN压电层上作为顶电部极层前体。
步骤2：如图1中(b)所示，利用基于氟的等离子体蚀刻对顶部电极层前体进行图案化(具体步骤为：在顶部电极层前体的表面旋涂1.25μm厚的负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体SF6转化为等离子体，对顶部电极层前体进行刻蚀)，AlN压电层前体被图案化(具体步骤为：在AlN压电层前体的表面旋涂1.25μm厚的负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体Cl2转化为等离子体，对AlN压电层前体进行刻蚀)以产生振动边界并使用基于氯的等离子体蚀刻来访问底部电极层(具体步骤为：在底部电极层前体的表面旋涂1.25μm厚的负性光刻胶掩模，在显影液MF-319中显影得到光刻图案，将刻蚀气体SF6转化为等离子体，对底部电极层前体进行刻蚀)，为了提高与振膜基本振动模式的良好耦合，所述顶部电极层设计为具有44.5％的面积振膜覆盖率。
步骤3：如图1中(c)所示，在导电介质中工作时，保护PMUT传感器芯片的上表面电极并防止短路，在其表面沉积300nm的等离子体化学气相沉积(PCVD)SiO2膜作为绝缘层。
步骤4：如图1中(d)所示，通过SiO2的反应离子蚀刻(RIE)来图案化通孔开口。
步骤5：如图1中(e)所示，使用焊盘掩模模板在Mo顶部电极层的表面沉积并绘制金属焊盘(Ti/Au＝20/200μm)，从而完成PMUT芯片制备。在这一步骤，SiO2上的Au-Ge共晶键为PMUT提供了机械锚定和电气接触，PMUT在SOI MEMS晶圆上形成，该晶圆与提供信号处理电子器件的CMOS晶圆结合。
步骤6：如图1中(f)所示，在CMOS-MEMS晶圆键合之后，通过深度反应离子蚀刻(DRIE)，从晶片的背面释放振动层，形成底面边长为108μm、的正方形、高度为300μm的空腔。
对比例
与实施例1相同，区别仅在于不形成空腔。
评估实施例和对比例制得的压电微机械超声换能器在液体中器件的传输模式脉冲响应和性能，利用商业软件COMSOL Multiphysics 5.6，使用有限元分析方法，分别针对有波导(实施例1)和无波导(对比例)的PMUT器件建立了声-压电-力多物理场建模，并进行瞬态分析。图3显示了在1V、20MHz正弦波驱动下，取时间t＝75ns和950ns观察声脉冲距离PMUT表面近(～100μm)和远(～700μm)的模拟声压情况，图3中(a)为对比例的PMUT器件在75ns下的模拟声压图，(b)为对比例的PMUT器件在950ns下的模拟声压图，(c)为实施例1的PMUT器件在75ns下的模拟声压图，(d)为实施例1的PMUT器件在950ns下的模拟声压图，可知，对于无波导的PMUT，从100μm时的4kPa降至700μm时的1.5kPa，峰值压力降低了近2.7倍。相比之下，有波导的PMUT显示，声能在波导段种传播，峰值压力几乎没有变化，从100μm处的140kPa到600μm处的120kPa，声压幅值几乎不变。
综上，本发明所提出的基于AIN压电材料的波导PMUT能够晶圆级连接到CMOS电路上，实现对阵列中的每个MUT芯片进行单独寻址的操作。相对于相控阵超声成像所需的复杂信号处理，波导的存在能够做到逐个像素地读出超声图像，因为波导将每个PMUT芯片的脉冲回波信号路径与其相邻的脉冲回波信号路径隔离开来。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种集成波导压电微机械超声换能器，其特征在于，包括波导段和PMUT芯片，所述PMUT芯片包括由下到上依次层叠的衬底、AlN种子层、底部电极层、AlN压电层、顶部电极层、绝缘层和引线层，所述衬底为SOI衬底，所述SOI衬底包括由下到上依次层叠的底硅层、埋氧层和结构硅层，所述AlN种子层位于所述结构硅层的表面；
所述波导段为空腔，所述空腔为所述底硅层经过离子刻蚀得到，所述空腔的深度等于底硅层的厚度。
2.根据权利要求1所述的集成波导压电微机械超声换能器，其特征在于，所述空腔为长方体，所述长方体的底面为正方形，所述正方形的边长为所述集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片边长。
3.根据权利要求1所述的集成波导压电微机械超声换能器，其特征在于，所述底部电极层和顶部电极层的表面设置通孔开口。
4.根据权利要求1或3所述的集成波导压电微机械超声换能器，其特征在于，所述底部电极层和顶部电极层的材质独立地为Pt、Ti、Al或Mo。
5.根据权利要求1所述的集成波导压电微机械超声换能器，其特征在于，所述绝缘层的材质为二氧化硅。
6.权利要求1～5任一项所述的集成波导压电微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
在SOI衬底的表面进行沉积，依次形成AlN种子层、底部电极层前体、AlN压电层前体和顶部电极层前体，然后依次对所述顶部电极层前体、AlN压电层前体和底部电极层前体进行图案化，形成所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层；
在所述底部电极层、AlN压电层和顶部电极层的表面进行沉积，形成所述绝缘层；
在所述绝缘层的表面进行沉积，形成所述引线层，得到所述PMUT芯片；
对底硅层进行离子刻蚀形成所述空腔，得到所述集成波导压电微机械超声换能器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，对所述顶部电极层前体和底部电极层前体进行图案化的方法为基于氟的等离子刻蚀，对所述AlN压电层前体进行图案化的方法为基于氯的等离子刻蚀。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述顶部电极层前体图案化后的面积为集成波导压电微机械超声换能器的振动膜片面积的44.5％。
9.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，形成所述绝缘层前还包括在所述底部电极层和顶部电极层的表面进行离子刻蚀，形成所述通孔开口。
10.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述离子刻蚀为深度反应离子蚀刻。
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|---|---|---|---|
| CN202410058708.6A CN118142831A (zh) | 2024-01-16 | 2024-01-16 | 一种集成波导压电微机械超声换能器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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| CN118142831A true CN118142831A (zh) | 2024-06-07 |
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Family Applications (1)
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Country Status (1)
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| CN (1) | CN118142831A (zh) |
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2024
- 2024-01-16 CN CN202410058708.6A patent/CN118142831A/zh active Pending
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