一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法与流程

本发明涉及电子科学与技术的技术领域，更具体地，涉及一种全电极凸纹结构cmut器件的制备方法。

背景技术

在生物医学成像中，既需要有较高的图像分辨率，也对成像的实时性有较高要求。此外，还要求设备辐射小，以减少对生物组织的损害。超声波是一种机械振动波，可以在空气、液体、固体以及生物组织内传播，与x光、ct、核磁检测技术相比，没有电离辐射性，更适合用于生物组织的成像。超声波检测技术是基于回波原理实现的，成像速度快且图像分辨率可达几十微米的数量级，足以满足生物医学检测的需求。所以，超声波检测技术已经成为生物医学成像领域内的主流技术。超声波检测技术除在生物医学成像中广泛使用之外，在工业无损检测行业中也普遍应用。

超声换能器是超声检测技术的关键部件，实现了电能量和超声能量之间相互的转化。在目前所使用的超声换能器中，压电式超声换能器被广泛使用，常见的压电材料为压电陶瓷。传统的压电式超声换能器声阻抗高，导致制造超声探头工艺复杂，而且带宽较小。此外，压电材料也无法和电路集成，不适合制造高集成度的超声探头。使用微机电系统（mems）工艺加工制造的电容式微机械超声换能器（cmut），其声阻抗较低且可以调节，因此制造超声探头的时候不需要添加阻抗匹配层，不仅减少了探头制造的难度，也提升了带宽。cmut器件制造工艺与cmos集成电路的工艺相兼容，且使用光刻蚀技术，因此cmut适合于制造高集成度、大规模阵列的超声探头，可以满足临床医学领域中对信息获取日益增长的需求。鉴于以上优点，cmut已被视为下一代超声换能器。

但是相比压电陶瓷超声换能器，现有cmut的输出声压仍比较小。超声波在人体组织内传输的衰减系数较大，经过长距离的传输，信号的幅度会明显减弱。超声检测技术是基于超声探头所接收的反射回波实现目标的定位。较小的输出声压，使得微弱的回波信号容易受到外界噪声的干扰，降低了回波信号的信噪比，从而影响成像的品质。所以，提升cmtu的输出声压，是目前cmut技术发展亟待解决的问题之一。

目前提升cmut输出声压的途径可以分为两类，一类为修改cmut的工作模式，使其工作在塌陷模式下；另一类为修改cmut的振动薄膜的结构。发明人提出了一种综合以上两类途径的具有全电极凸纹结构的cumt器件的制备方法。

技术实现要素：

本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种全电极凸纹结构cmut器件的制备方法，实现了cmut可与电路集成，易于制造大规模阵列，适合大批量生产的优点。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种全电极凸纹结构cmut器件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：

步骤1：使用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制备基底层；

步骤2：在步骤1中基底上沉积制备绝缘层；

步骤3：在步骤2中的绝缘层上沉积多晶硅薄膜制备牺牲层，并去除多余的多晶硅薄膜层；

步骤4：在步骤3制备的cmut单元上沉积振动薄膜；

步骤5：进一步去除步骤3中保留的多晶硅薄膜层形成封闭的空腔；

步骤6：沉积用于制备cmut单元顶电极和底电极极板的导电层；

步骤7：在振动薄膜顶部的导电层上制备凸纹圆环；

步骤8：使用光刻蚀工艺定义导电层制备全覆盖于振动薄膜的顶电极、底电极极板及导线，并去除多余导电层；完成全电极凸纹结构cmut器件的制备。

优选地，所述步骤7具体包括以下步骤：

步骤71：在振动薄膜顶部的导电层上使用正光阻并结合光刻蚀工艺定义所述凸纹圆环的尺寸；

步骤72：在步骤71定义凸纹圆环的尺寸区域使用电镀工艺制备凸纹圆环。

所述步骤71中凸纹圆环的高度及宽度由所述正光阻经显影后的高度和宽度决定，所述凸纹圆环的高度为0.5~6μm，宽度为0.5~3μm；所述步骤72中凸纹圆环为金属镍或其他高密度的金属。

优选地，所述步骤4中振动薄膜为低残余应力氮化硅薄膜，厚度为0.3~2μm；步骤4还包括与所述振动薄膜一体沉积的支撑层。

优选地，所述的步骤5具体包括以下步骤：

步骤51：使用干法刻蚀工艺在保留的多晶硅薄膜层上方的刻蚀通道上刻蚀腐蚀孔，再使用湿法刻蚀工艺通过腐蚀孔去除保留的多晶硅薄膜层，形成空腔；

步骤52：使用等离子体增强化学气相沉积法（pecvd）沉积氮化硅层，填充步骤51中的腐蚀孔；

步骤53：使用干法蚀刻工艺，蚀刻步骤52中填充腐蚀孔后的氮化硅层，将振动薄膜厚度减至所述步骤4的薄膜厚度。

优选地，所述步骤51中湿法刻蚀工艺的刻蚀剂为氢氧化钾溶液。

优选地，所述步骤2中的绝缘层为使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺沉积的单层氮化硅一种材料或者使用干式氧化工艺及低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺沉积的二氧化硅与氮化硅两种材料的复合层构成。

优选地，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤61：使用干法蚀刻工艺，去掉基底一端的覆盖层，暴露出基底；

步骤62：使用电子束蒸镀(e-beamevaporation)工艺在步骤61的单元上沉积导电层。

优选地，所述步骤62中的导电层为铬、金复合结构。

所述的全电极凸纹结构cmut器件工作在塌陷模式时，所述振动薄膜的中心部分在静电力作用下发生塌陷，贴合在基底上的绝缘层表面，形成塌陷薄膜部分；未塌陷部分的薄膜为cmut器件工作时的振动薄膜部分。凸纹结构位于振动薄膜部分上方。

与现有技术相比，有益效果是：

（1）本发明使用表面微加工技术，和现有的cmut制备工艺相兼容，实现了cmut可与电路集成，易于制造大规模阵列，适合大批量生产的优点；

（2）本发明使用表面微加工技术实现了凸纹结构cmut器件的制备。使用了镍或者其他高密度的金属作为凸纹圆环的材料；较大密度材料的凸纹圆环，可以有效减少圆环尺寸对振动薄膜的影响；

（3）使用了正光阻及光刻蚀技术，可以精确控制凸纹圆环的尺寸；结合电镀工艺制备凸纹圆环，电镀工艺适合制备高度较大的圆环；而使用传统电子束蒸镀(e-beamevaporation)、热蒸镀（thermalevaporation）、磁控溅射（sputtering）等金属薄膜沉积工艺沉积高度超过1μm的金属层，不仅耗时久，而且费用也很昂贵；

（4）制备全覆盖于振动薄膜的顶电极结构，全覆盖顶电极保证凸纹结构下方结构（薄膜和顶电极）的密度均匀性，提高了将振动薄膜部分的振动中心调节至凸纹结构位置的准确性；

（5）相比现有cmut器件，工作在塌陷模式下的具有全电极凸纹结构cmut，可以明显提升有效输出声压；该发明解决了现有cmut输出声压较低的问题，将推进基于cmut的超声探头技术的发展与应用。

附图说明

图1是本发明塌陷工作状态结构示意图。

图2(a)~(m)是本发明制备工艺流程图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

如图2(m)所示，本发明提供的制备方法制备一种全电极凸纹结构cmut器件包括依次设置的凸纹结构、顶电极61、振动薄膜1、空腔2、绝缘层4和基底5，还包括支撑空腔2的支撑层3；在基底5的顶面一端设置有底电极极板62；所述的支撑层3内设置有空腔2，空腔2设置在振动薄膜1与绝缘层4之间；在所述振动薄膜1的顶部设置有全覆盖振动薄膜1的顶电极61；顶电极61的顶面还设置有凸纹结构；所述的凸纹结构为凸纹圆环7，其中心与所述的振动薄膜1以及空腔2的中心位于同一竖直线上，所述凸纹圆环7的底端连接于顶电极61的顶面。如图1所示，为所述全电极凸纹结构cmut器件工作在塌陷模式的结构示意图，当工作在塌陷模式时，所述振动薄膜1的中心部分在静电力作用下产生塌陷，贴合在基底上的绝缘层4表面，成为塌陷薄膜部分11；未塌陷部分的振动薄膜1是cmut器件工作时的振动薄膜部分12。通过调节工作中直流偏置电压，将振动薄膜部分12的振动中心移动到凸纹圆环7的位置，从而达到增大输出声压的效果。

一种全电极凸纹结构cmut器件的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：使用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底5制备基底层；使用高浓度掺杂的硅晶圆（导电率：0.1-1ohm-cm，厚度525μm）作为基底5，上述基底5还可以作为cmut单元的公共底电极；

步骤2：在步骤1中基底5上沉积制备绝缘层4；所述步骤2中的绝缘层4为使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺沉积的单层氮化硅一种材料或者使用干式氧化工艺及低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺沉积的二氧化硅与氮化硅两种材料的复合层构成；本实施例为二氧化硅与氮化硅两种材料的复合绝缘层；

步骤3：使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺在步骤2中制备的绝缘层4上沉积多晶硅薄膜层作为牺牲层81，并去除多余的多晶硅薄膜层；多晶硅薄膜层的厚度决定了cmut器件空腔2的厚度；

步骤4：在步骤3的cmut单元上沉积振动薄膜1；使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺在所述步骤3的单元上沉积低残余应力的氮化硅薄膜层，所述步骤4中振动薄膜1厚度为0.3~2μm；步骤4还包括与所述振动薄膜1一体沉积的支撑层3；

步骤5：进一步去除步骤3中保留的多晶硅薄膜层8形成封闭的空腔2；

步骤6：沉积用于制备cmut单元顶电极61和底电极极板62的导电层6；

步骤7：在振动薄膜1顶部的导电层6上制备凸纹圆环7；

步骤8：使用光刻蚀工艺定义导电层6制备全覆盖于振动薄膜1的顶电极61、底电极极板62及导线，并去除多余导电层；完成全电极凸纹结构cmut器件的制备。所述的底电极可以由高浓度掺杂的基底5实现，也可以在绝缘层4靠近基底层5的一端使用金属层实现，本实施中底电极极板62为覆盖于基底5一端的金和铬的复合金属的导电层6。

更近一步地，所述的步骤5具体包括以下步骤：

步骤51：使用干法刻蚀工艺在保留的多晶硅薄膜层8上方的刻蚀通道上刻蚀腐蚀孔9，再使用湿法刻蚀工艺，氢氧化钾溶液通过腐蚀孔9去除保留的多晶硅薄膜层8，形成空腔2；

步骤52：使用等离子体增强化学气相沉积法（pecvd）沉积氮化硅层，填充步骤51中的腐蚀孔9；

步骤53：使用干法蚀刻工艺，蚀刻步骤52中填充腐蚀孔9后的氮化硅层，将振动薄膜厚度减至所述步骤4的薄膜厚度。

更近一步地，所述步骤6具体包括以下步骤：

步骤61：使用干法蚀刻工艺，去掉基底5一端的覆盖层，暴露出基底5；

步骤62：使用电子束蒸镀(e-beamevaporation)工艺在步骤61的单元上沉积铬、金复合结构的导电层6。

更近一步地，所述步骤7具体包括以下步骤：

步骤71：在振动薄膜1顶部的导电层6上使用正光阻并结合光刻蚀工艺定义所述凸纹圆环7的尺寸；所述凸纹圆环7的高度及宽度由所述正光阻经显影后的高度和宽度决定，所述凸纹圆环7的高度为0.5~6μm，宽度为0.5~3μm；

步骤72：在步骤71定义凸纹圆环7的尺寸区域使用电镀工艺制备凸纹圆环7，所述凸纹圆环7为金属镍或其他高密度的金属，本实施例为金属镍。

本实施例中，如图2(a)~(m)所示，具体的实施步骤如下：

步骤1：如图2(a)，使用高浓度掺杂的硅晶圆（导电率：0.1-1ohm-cm，厚度525μm）作为基底5；

步骤2：对步骤1中硅晶圆基底5清洗后，将其放入氧化炉管中，使用干式氧化工艺在硅晶圆基底上沉积厚度为150nm的二氧化硅41；之后，使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺在上述的二氧化硅41上沉积150nm的氮化硅42，如图2(b)，至此，制备了由二氧化硅41和氮化硅42复合而成的绝缘层4；

步骤3：先使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺在步骤2中制备的绝缘层4上沉积300nm多晶硅薄膜层作为牺牲层81，多晶硅薄膜层的厚度决定了cmut器件空腔2的厚度，如图2(c)所示；然后使用光刻蚀工艺定义各cmut单元的形状，包括腔体2和刻蚀通道等。本实施例中cmut单元为圆形，半径为20μm，刻蚀通道的宽度为2μm，长度为12μm。再使用干法刻蚀技术，将cmut单元之外的多晶硅薄膜层蚀刻掉，保留下的区域即为cmut单元轮廓，如图2(d)所示，保留的多晶硅薄膜层8即为后续步骤的空腔2，在该步骤之后，需要将残余光阻去除；

步骤4：使用低压力化学气相沉积（lpcvd）工艺在所述步骤3的cmut单元上沉积低残余应力的氮化硅薄膜层。其中沉积的氮化硅薄膜层位于保留的多晶硅薄膜层8顶面的部分作为cmut单元的振动薄膜1，位于保留的多晶硅薄膜层8两侧的部分作为器件的支撑层3，用于支撑所述的空腔2；所述的支撑层3与所述的振动薄膜1是一体沉积，如图2(e)所示。所述的振动薄膜1的厚度为0.3~2μm，本实施例中振动薄膜1的厚度为700nm；

步骤5：具体包括以下步骤：

步骤51：首先使用光刻蚀技术，在cmut单元步骤4中的氮化硅覆盖的刻蚀通道上定义腐蚀孔区域，腐蚀孔9的直径为2μm；之后使用干法刻蚀技术，将腐蚀孔9区域内的氮化硅层蚀刻掉，使得腐蚀孔9直通到保留的多晶硅薄膜层8，如图2(f)所示。此工艺完成后需要去除残余的光阻；

步骤52：将上述刻蚀腐蚀孔后的整片硅晶圆浸入氢氧化钾溶液中，在常温下进行湿法蚀刻保留的多晶硅薄膜层8，多晶硅经过腐蚀通道从腐蚀孔9中被彻底去除掉，从而在氮化硅的振动薄膜1之下形成了空腔2，空腔2的高度由保留的多晶硅薄膜层8的高度决定，在本实施例中是300nm，如图2(g)所示；使用等离子体增强化学的气相沉积法（pecvd）沉积厚度为1.2μm的氮化硅，将腐蚀孔填充，从而形成了封闭的空腔2，如图2(h)所示；因为等离子体增强化学的气相沉积法（pecvd）炉管内气压很低，可认为空腔2是真空封闭的；

步骤53：步骤52中填充腐蚀孔9之后使得cmut器件的氮化硅振动薄膜加厚，故需要将薄膜的厚度减薄至700nm。使用干法刻蚀工艺将步骤52中沉积在薄膜上的1.2μm的氮化硅层去除掉，减薄后的cmut单元如图2(i)所示。完成该步骤工艺后，需要去除残留光阻；

步骤6：具体包括以下步骤：

步骤61：使用光刻蚀技术定义了cmut器件底电极极板62的区域后，再使用干法蚀刻工艺将cmut器件阵元旁的底电极极板区域的上方的绝缘层4及氮化硅层去除，暴露出基底5，即将绝缘层4的氮化硅41，二氧化硅42，以及步骤4所沉积氮化硅全部蚀刻掉，暴露出掺杂硅的基底5。经过此工艺后，实现了底电极极板区域的高浓度掺杂硅基底的暴露，如图2(j)所示。在该步骤后，需要清除残余光阻；

步骤62：使用电子束蒸镀(e-beamevaporation)工艺，在步骤61后包括cmut单元在内的硅晶圆上沉积20nm铬和180nm金形成复合金属层，作为导电层6，如图2(k)所示。铬作为金与氮化硅，硅基底的粘附层，金作为导电层6。此导电层6用于制备cmut单元的顶电极61和底电极极板62；

步骤7：具体包括以下步骤：

步骤71：使用正光阻并结合光刻蚀工艺在步骤62中的导电层6上定义凸纹圆环7。首先使用光蚀刻技术，使用正光阻在导电层6上定义凸纹圆环7的区域，每个cmut单元上都有一同心的凸纹圆环7；经过曝光、显影步骤后，凸纹圆环7区域的导电层6暴露出来，其余区域则被光阻覆盖，圆环的宽度为2μm，内径为12μm，外径为14μm，光阻的厚度为2μm。凸纹圆环7的宽度由经显影后的正光阻区域宽度决定，凸纹圆环7的最大高度则由光阻的厚度决定，即本实施例中的凸纹圆环7的宽度为2μm，内径为12μm，外径为14μm；

步骤72：使用瓦特镍（硫酸镍、氯化镍和硼酸）方法进行电镀。电镀阳极为纯镍板，阴极为待镀镍环的cmut单元。选择合适的电镀条件（浓度、电流、温度和时间等），可以实现镍圆环高度的准确控制。本实施例中使用瓦特镍电镀配方（硫酸镍、氯化镍和硼酸，参考比例为niso4.6-7h2o:nicl2.6h2o:h3bo3:h2o=676:114:96:2400(g)），溶液温度设定在50℃，dc电流为80ma，电镀时间为50s。电镀镍厚度为2μm，故镍圆环的高度就是2μm，如图2(l)所示。完成电镀后，使用丙酮清除硅晶圆上的光阻，即完成凸纹圆环7的加工流程。步骤62中的复合金属的导电层6作为电镀镍的基底面，提高凸纹圆环7的电镀结合力；

步骤8：使用光蚀刻工艺，定义cmut器件的电极（全覆盖顶电极、底电极极板）和cmut单元间导线，上述的顶电极61区域为全覆盖于振动薄膜1的全电极结构，底电极极板62设置在基底5的一端；将包含cmut单元的硅晶圆浸入金蚀刻剂内，将非电极和导线区域的金去除；再将硅晶圆浸入铬蚀刻剂内，将非电极和导线区域的铬去除，如图2(m)所示，此步骤完成后，需要去除残余光阻。复合金属的顶电极61覆盖了振动薄膜1的全部区域，形成全电极结构。使用步骤62中的电子束蒸镀(e-beamevaporation)工艺可制备密度均匀导电层6，得到位于振动薄膜1上的密度分布均匀的顶电极61，密度均匀的顶电极61提升了振动薄膜的振动稳定性，也易于通过调节直流偏置电压将振动薄膜部分的振动中心移动至凸纹圆环处；

对上述1-8步骤完成的全电极凸纹结构cmut器件，使用晶圆切割机，对硅晶圆上的cmut阵列进行分割划片。然后使用环氧树脂将切割后的cmut阵列固定在印刷电路板（pcb）之上。通过打线机用铝线将与顶电极61相连的公共顶电极，底电极极板62和pcb板上对应的电极相连。完成所有电极的导线连接之后，再使用环氧树脂保护连接的铝线。

当cmut器件工作在塌陷模式下，薄膜中心部分贴合到基底绝缘层之上。在特定的电压范围内，凸纹结构位于未塌陷的圆环形薄膜振动中心附近，从而能够增大输出声压。有限元仿真表明，该凸纹结构能将工作在塌陷模式下的cmut最大输出声压提升约88.1%^[1]（[1]yu,y.,pun,s.h.,mak,p.u.,cheng,c.h.,wang,j.,mak,p.i.,andvai,m.i,designofacollapse-modecmutwithanembossedmembraneforimprovingoutputpressure,ieeetransactionsonultrasonics,ferroelectrics,andfrequencycontrol,2016,63(6):854-863）。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。