一种普遍适用于制备基于PDMS振膜的CMAR的方法与流程

本发明提出一种普遍适用于制备基于聚二甲基硅氧烷（pdms）振膜的电容式微机械声接收器（cmar）的方法，属于微机电系统（mems）加工、柔性高分子薄膜转移、微声学传感器制造以及植入式声学器件制备。

背景技术：

1、现有电容式微机械超声换能器（cmut）在形成密封腔体时，通常依赖晶圆级键合或者牺牲层释放的方式。晶圆键合工艺对表面平整度、温度、键合设备、对位精度和材料匹配要求较高；牺牲层释放的方式尤其当待封装振膜为聚二甲基硅氧烷（pdms）这类柔性高分子薄膜时，传统晶圆键合流程实施难度高、工艺窗口窄、成本较高，不利于快速迭代和普适性制备。

2、目前工艺在硅基 cmut 的制备中，晶圆键合最常用的是硅/二氧化硅直接键合工艺。对于键合表面条件，文献普遍强调直接键合对表面平整度和洁净度要求很高，键合面通常需要经过食人鱼溶液清洗和表面活化，并且表面微粗糙度一般应低于约0.5nm才能实现可靠键合。这一要求通常可以由晶圆清洗和化学机械抛光来满足。在直接键合cmut工艺中，两片晶圆在真空中接触后会立即在高真空环境中，约1100摄氏度下退火，并同时施加3kg/cm2的力，以形成强共价键。

3、现有技术中，通常先在硅基底上通过光刻和刻蚀形成腔体，再沉积绝缘层和下电极，之后通过另一片功能晶圆或膜层载体与之进行键合，从而形成封闭腔体。该思路来源于传统cmut制造工艺，虽然成熟，但在与柔性聚合物振膜结合时存在键合需求与工艺供应不匹配的问题。

4、现有制备工艺的主要缺点包括：

5、1.直接键合设备要求高，制造成本高；

6、2.高温或高应力键合不利于pdms柔性膜层的尺寸稳定与良率控制；

7、3.柔性膜层与刚性基底的直接键合窗口窄，容易出现材料变性、起皱、空洞或密封不均。

技术实现思路

1、本发明拟解决的技术问题，是提供一种普遍适用于制备基于聚二甲基硅氧烷（pdms）振膜的电容式微机械声接收器（cmar）的方法，使得器件能够在不依赖复杂的牺牲层释放和精细的晶圆键合的前提下，仅通过较低温度、较短时间的热压贴合，即完成柔性振膜与带腔体基底的密封组装，并兼容阵列化制造。

2、本发明的目的是提供一种步骤清晰、参数窗口宽、设备依赖度较低的pdms振膜cmar制备方法，重点实现“100摄氏度热压15分钟即可完成贴合密封”，从而显著提高柔性振膜cmar的可制造性。

3、本发明采用“表面活化 + 低温热压贴合”的路线制备pdms振膜cmar。其核心不再是将两片刚性晶圆进行晶圆键合，而是将柔性pdms膜作为可转移的功能层，在较低温度下与带腔体的基底进行热压贴合。

4、下面将本发明制备cmar芯片的方法步骤详述如下：

5、步骤1.提供一片硅基底，优选为<100>硅片。对硅基底依次进行有机清洗、去离子水冲洗和脱水处理，以满足后续光刻及刻蚀要求。

6、步骤2.在所述硅基底表面旋涂正性光刻胶，优选转速约3000rpm，并在约120摄氏度条件下进行预烘2分钟左右。

7、步骤3. 随后利用掩模版或直写曝光方式定义腔体以及下电极焊盘区域后显影。

8、步骤4. 对暴露出的硅区域进行深反应离子刻蚀（drie），优选采用博世深反应离子刻蚀工艺（bosch）艺，形成深度为10μm–50μm。刻蚀完成后去除残余光刻胶。

9、步骤5.在完成刻蚀的硅基底表面沉积绝缘层，优选为等离子体增强化学气相沉积（pecvd）沉积的二氧化硅，厚度为100nm–1000nm。该绝缘层用于隔离电极并改善器件可靠性。同时下电极焊盘区域被掩膜覆盖，掩膜可以选为硅基，金属等材料。此掩膜可通过制备或者定制购买获得，可多次使用，只用于遮挡下电极焊盘区域。

10、步骤6.在完成pecvd沉积的二氧化硅后，去除掉步骤5中的掩膜。由于掩膜体积较大，直接拿掉即可。

11、步骤7.通过掩膜，在预定区域形成下电极焊盘。优选采用溅射、蒸发和/或图形化工艺沉积金属层，作为下电极焊盘部分，金属厚度可为50nm–300nm；金属材料可为au、cr和au、ti和au、pt或其他导电金属。掩膜可以选为硅基，金属等材料。此掩膜可通过制备或者定制购买获得，可多次使用，用于遮挡除下电极焊盘以外的区域。

12、步骤8. 在完成下电极焊盘处的金属层沉积后，去除掉步骤7中的掩膜。由于掩膜体积较大，直接拿掉即可。在完成这一步后即可获得带腔基底。

13、步骤9.提供临时载体基底，所述载体基底可为硅片、玻璃片或表面带有释放层的平整基片。对载体基底依次进行有机清洗、去离子水冲洗和脱水处理，以满足后续薄膜沉积要求。

14、步骤10.在该载体基底上制备pdms薄膜得到临时载体基底与pdms复合层或者在该载体基底上制备释放层和pdms薄膜，简称为复合层。释放层可以为聚乙烯醇类水溶性薄层或其他可通过湿法刻蚀选择性去除或者易溶于水的材料。pdms优选采用道康宁/陶氏pdms商品化两组分体系(sylgard184)，将基胶与固化剂按质量比10:1混合、脱泡后旋涂于载体基底表面，通过调节转速、时间和黏度使pdms薄膜厚达到5μm–30μm。随后进行预固化或完全固化，使pdms薄膜具备可转移的力学完整性。将此复合层与步骤8中得到的带腔基底进行氧等离子体的活化，此为在真空环境中将氧等离子体以较低功率刻蚀pdms和带腔基底的表面。复合层和带腔基底火化后进行粗略对位，使面积相同的复合层完全覆盖带腔基底区域。

15、步骤11.在粗略对位后，将在热压机中对复合层与步骤8中的带腔基底进行热压贴合。优选条件为：温度约100摄氏度，保持时间约15分钟，并施加能够实现面接触密封的压力在0.01mpa–0.2mpa之间。该步骤为本发明的关键步骤，其作用是利用复合层与带腔基底之间的贴合完成腔体封装，而不需要采用传统晶圆键合。

16、步骤12.热压后冷却至室温，复合层临时载体基底和pdms的，通过干法刻蚀除去复合层中的临时载体基底。复合层临时载体基底、释放层和pdms的，通过湿法刻蚀除去复合层中释放层进而使临时载体基底脱落。将临时载体基底移除后，pdms振膜将密封带腔基底并悬空的状态保留在带腔基底上形成原始cmar。

17、步骤13.为所述原始cmar沉积顶部电极，在通过掩膜的作用下，优选通过溅射形成氧化铟锡（ito）薄层，也可采用au、pt、cr/au、石墨烯、银纳米线或导电聚合物薄层。上电极厚度优选为20nm–100nm。此掩膜可通过制备或者定制购买获得，可多次使用，用于遮挡略大于下电极焊盘处的区域。

18、步骤14. 在完成顶部金属层的沉积后，去除掉步骤13中的掩膜。由于掩膜体积较大，直接拿掉即可。

19、步骤15.根据需要进一步完成切割、引线连接、通过印刷电路板（pcb）封装以及测试，从而获得基于pdms振膜的cmar芯片或阵列器件。

20、在上述的方法中，载体基底可为硅、玻璃、金属平板或带释放涂层的聚合物平板；

21、在上述的方法中，pdms成膜方式可为旋涂、刮涂、流延、模压或预制膜转移；

22、在上述的方法中，热压温度可在80摄氏度–200摄氏度范围内调整，时间可在5分钟–30分钟的范围内进行调整，只要能够形成可靠贴合；

23、在上述的方法中，绝缘层和电极材料可根据应用场景替换。根据器件的刚性或者柔性、材料是否需要透射特定波长的电磁波、器件在体内或者体外使用、材料的生物相容性、材料需要的介电常数、材料需要的击穿电压、材料的市场价格、器件的封装要求来决定；

24、在上述的方法中，去除临时载体基底方式既可采用机械剥离，也可采用湿法或干法去除中间释放层。

25、上述方法对具体材料并不严格限定。只要满足“带腔体下部结构 + 载体辅助pdms成膜 + 低温热压贴合形成封闭腔体”这一核心工艺逻辑，均属于本发明的保护范围。该方法可用于单个cmar单元，也可用于阵列cmar。

26、本发明的创新点在于：

27、1. 在临时载体上预先制备pdms柔性薄膜，再与带腔体基底进行贴合；

28、2. 在通过氧等离子体活化后，采用100摄氏度热压15分钟的低温短时工艺完成密封，而非采用传统晶圆键合；

29、3. 将pdms膜、上电极和下部腔体结构解耦制备，提高工艺兼容性；

30、4. 通过载体辅助和后续去载体步骤形成跨腔体的自由pdms振膜；

31、5. 该方法既适用于单器件，也适用于阵列器件，具有普适性和可扩展性。

32、本发明的优点及有益效果在于：

33、1.与传统晶圆键合相比，本发明不依赖严格的双晶圆键合条件，工艺更简单、设备要求更低、成本更可控。

34、2.与针对刚性膜层的工艺相比，本发明更适合pdms等柔性高分子薄膜，能够减少膜层损伤、起皱和应力失配问题。

35、3.本发明特别适用于研发阶段的快速迭代和小批量试制，同时保留向阵列化和规模化制造扩展的可能性。

36、4.相较传统晶圆键合，本发明更适用于实验室和中试线环境，可显著降低柔性cmar开发门槛。