超声换能器制造方法与流程

1.本公开总体上涉及超声换能器领域，并且更具体地，涉及电容式微机械超声换能器领域，也被称为cmut换能器。


背景技术：

2.通常，cmut换能器包括悬挂在空腔上方的柔性膜、位于空腔与膜相对的一侧的第一电极(被称为下电极)，以及位于空腔与第一电极相对的一侧并牢固地附接到柔性膜的第二电极(被称为上电极)。在操作中，在换能器的下电极和上电极之间施加dc偏置电压。当在换能器的下电极和上电极之间施加叠加到dc偏置电压的适当ac激励电压时，柔性膜在下电极和上电极之间施加的静静电力的作用下开始振动，引起超声波的发射。相反，当换能器接收到超声波时，柔性膜在机械压力变化的作用下开始振动，导致换能器上电极和下电极之间出现叠加到dc偏置电压上的ac电压(由于电极之间的电容变化)。
3.cmut换能器通常耦合到电子控制电路，该电子控制电路被配置为在传输阶段期间在换能器电极之间施加叠加到dc偏置电压的激励电压，以使由换能器传输超声波，并且在接收阶段期间，在换能器电极之间施加dc偏置电压，并在所述电极之间读取在接收到的超声波作用下产生的ac电压。
4.cmut换能器的传输频率通常对应于其谐振频率，谐振频率取决于各种参数，并且尤其是膜和空腔的几何和机械特性。
5.对于某些应用，可能需要能够在同一基底上同时形成旨在不同超声波频率下工作的换能器。


技术实现要素：

6.为了实现这一点，一个实施例提供了一种从同一基底同时制造至少一个具有第一谐振频率的第一cmut换能器和至少一个具有不同于第一频率的第二谐振频率的第二cmut换能器的方法，该方法包括以下步骤：
7.a)对于每个换能器，在基底的上表面侧形成空腔，并形成悬挂在空腔上方的柔性膜；
8.b)形成第一层，该第一层仅在第一换能器的膜的上表面的一部分上延伸，并且不在第二换能器的膜上延伸；以及
9.c)形成第二层，该第二层在第一换能器的膜的整个上表面和第二换能器的膜的整个上表面延伸。
10.根据一个实施例，第一层和第二层是导电层。
11.根据一个实施例，第一层和第二层是金属层。
12.根据一个实施例，第一层和第二层分别是介电层和导电层。
13.根据一个实施例，在步骤a)中，每个空腔形成在先前形成在基底上表面上的第三介电层中。
14.根据一个实施例，膜形成在置于第三层的上表面的第四半导体层中。
15.根据一个实施例，基底是半导体基底。
16.根据一个实施例，由第一换能器中的第一层形成的图案被布置在换能器空腔的中心部分上方。
17.根据一个实施例，在步骤a)中形成的第一换能器和第二换能器的空腔具有相同的深度，以在制造分散体内。
18.一个实施例提供了一种设备，包括在同一基底内部和顶部的至少一个具有第一谐振频率的第一cmut换能器和至少一个具有不同于第一频率的第二谐振频率的第二cmut换能器，其中：
[0019]-每个换能器包括位于基底上表面侧的空腔和悬挂在空腔上方的柔性膜；
[0020]-第一层仅在第一换能器的膜的上表面的一部分上延伸，而不在第二换能器的膜上延伸；以及
[0021]-第二层在第一换能器的膜的整个上表面和第二换能器的膜的整个上表面上延伸。
附图说明
[0022]
将在下面参考附图以说明而非限制的方式给出的具体实施例的描述中详细描述上述特征和优点以及其它特征和优点，其中：
[0023]
图1a、图1b和图1c是示出根据实施例的超声换能器制造方法的示例的连续步骤的截面图；
[0024]
图2a和图2b是显示通过图1a至图1c的方法形成的第一类型和第二类型超声换能器的初始挠度的曲线图；以及
[0025]
图3a和图3b是示出通过图1a至图1c的方法形成的第一类型和第二类型超声换能器的压力频率响应的曲线图。
具体实施方式
[0026]
在各个附图中，由类似的附图标记表示类似的特征。具体地，各种实施例中共同的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以布置相同的结构、尺寸和材料特性。
[0027]
为了清楚起见，仅对理解本文所述实施例有用的步骤和元件进行了详细说明和描述。具体地，没有详细说明所述换能器的各种可能应用，所述实施例与超声换能器的通常应用兼容，尤其是在超声成像设备中。此外，没有详细说明用于控制所述换能器的电路，所述实施例与所有或大多数已知的cmut换能器控制电路兼容。
[0028]
除非另有说明，否则当提及连接在一起的两个元件时，这表示直接连接，除导体外没有任何中间元件，并且当提及耦合在一起的两个元件时，这表示这两个元件可以连接或它们可以通过一个或多个其它元件耦合。
[0029]
在以下公开中，除非另有说明，否则当提及绝对位置限定词时，诸如术语“前”、“后”、“顶”、“底”、“左”、“右”等，或相对位置限定词，诸如术语“上方”、“下方”、“更高”、“更低”等，或方向限定词，诸如“水平”、“垂直”等，参考附图中所示的方向。
[0030]
除非另有规定，否则表述“大约”、“大概”、“基本上”和“大致”表示在10％以内，并且优选在5％以内。
[0031]
图1a、图1b和图1c是示出根据实施例的cmut换能器制造方法的示例的连续步骤的截面图。该方法能够在同一基底101的内部和/或顶部同时形成第一类型(i)的cmut换能器和第二类型(ii)的cmut换能器，能够在不同的相应超声波频率下操作。图1a至图1c仅显示了单个i型换能器(在附图的左侧部分)和单个ii型换能器(在附图的右侧部分)的形成。在实践中，例如，分别与制造分散体中的相同的多个i型换能器和多个ii型换能器可以从同一基底同时形成。
[0032]
图1a示出了在为每个换能器形成在基底101的上表面侧上的空腔103和悬挂在空腔103上方的柔性膜105的步骤结束时获得的结构。
[0033]
基底101例如是掺杂的半导体基底101(例如，由硅制成)，其限定换能器的下电极e1。
[0034]
在该示例中，空腔103形成在例如由氧化硅制成的介电层107中，该介电层107先前形成在基底101的上表面上。层107例如通过其下表面与基底101的上表面直接接触。每个空腔103从介电层107的上表面向基底101的上表面垂直延伸。在所示示例中，空腔103是非贯通的，也就是说，它们不会出现在层107的下表面侧。换句话说，层107的厚度的较低部分在每个空腔103的底部涂覆基底101的上表面。然而，所描述的实施例不限于该特定情况。
[0035]
例如，介电层107最初连续地并跨越遍及基底101的上表面的基本均匀的厚度延伸。作为示例，介电层107可以通过氧化基底101的上部分(例如，根据干氧化方法)来形成，或通过在基底101的上表面上沉积介电材料来形成。
[0036]
空腔103可以通过从其上表面局部蚀刻介电层107而形成。
[0037]
优选地，i型和ii型换能器的空腔103同时形成并具有相同的深度，以在制造分散体内。作为示例，空腔103的深度在从10nm到5μm的范围内，例如，大致500nm。
[0038]
i型和ii型换能器的空腔103可以具有相同的横向尺寸(在制造分散范围内)，或不同的横向尺寸。空腔103的横向尺寸例如在从5到500μm的范围内。
[0039]
在每个换能器中，膜105延伸到空腔103上方，并通过其下表面在空腔103的外围附接到介电层107的上表面。作为示例，膜105的下表面在空腔103的外围与介电层107的上表面直接接触。
[0040]
在形成空腔103之后，膜105可以被放置在介电层107的上表面上。例如，膜105由掺杂或未掺杂的半导体材料(例如，硅)制成。例如，膜105通过其下表面的直接键合或分子键合被附接到介电层107的上表面。优选地，i型和ii型换能器的膜105同时形成和布置并具有相同的厚度，以在制造分散体内。作为示例，膜105可以对应于soi型(绝缘体上的半导体)叠层的半导体层的部分。例如，soi叠层可以通过直接键合或分子键合被附接到介电层107的上表面，并且然后从其与介电层107相对的表面变薄，以仅保留形成膜105的半导体层。例如，膜105的厚度在从10nm到10μm的范围内。
[0041]
图1b示出了在形成第一材料第一层109的步骤结束时获得的结构，该第一层109仅在每个i型换能器的膜的上表面的一部分上延伸，并且其不在ii型换能器的膜上延伸。
[0042]
作为示例，首先在图1a结构的整个上表面以基本均匀的厚度连续沉积层109，并且然后局部去除(例如，通过光刻和蚀刻)，以形成仅在每个i型换能器的膜的一部分上延伸并
且不在ii型换能器的膜上延伸的图案。换句话说，层109在每个ii型换能器的空腔103上方被完全去除，并且仅在每个i型换能器的空腔103表面的一部分上方被去除。在每个i型换能器中，例如，层109通过其下表面在被层109覆盖的膜105的整个部分上与换能器的膜105的上表面直接接触。
[0043]
图1c示出了在图1b的结构的上表面上形成第二材料的第二层111的步骤结束时获得的结构。层111可以由与层109相同的材料或不同的材料制成。层111以基本均匀的厚度在每个换能器的膜105的整个上表面上连续延伸。在i型换能器中，层111例如通过其下表面，一方面与被层109覆盖的膜105部分上的层109的上表面接触，并且另一方面与未被层109覆盖的膜105部分上的膜105上表面接触。在ii型换能器中，层111例如通过其下表面在膜105的基本整个表面上与膜105的上表面接触。
[0044]
层109和层111优选地为导电层，例如金属层。在每个换能器中，层111特别限定了换能器的上接触电极e2。作为示例，层109和层111中的每一个均由来自组中的材料制成，该组材料包括铝、铜、金、钨、钛、镍或这些材料中的一种或多种的合金。作为变体，层109可由介电材料制成，例如，氧化硅或氮化硅。层109和层111可以具有相同的厚度(在制造分散体内)或不同的厚度。例如，层109和111中的每一个具有在从1nm到5μm的范围内的厚度。
[0045]
涂覆换能器膜105的层109和层111会产生机械应力，在换能器没有任何电偏压的情况下，能够导致膜的偏转(图1c中未示出)，以下称为初始挠度。这种机械应力和由此产生的初始挠度尤其取决于材料的厚度、性质，以及层109和105的沉积条件(尤其是沉积温度)。
[0046]
在i型换能器中，由于层109仅位于膜105表面的一部分上，所以层109在叠层涂层膜105中产生不连续性。这导致膜的中性(非机械应力)平面不连续。在不连续性水平上，这会产生额外的机械应力，导致相对于没有这种不连续性的ii型换能器的膜的初始挠度显著增加。
[0047]
这种增加的初始挠度导致换能器的崩溃电压或吸合电压降低，即电极e1和电极e2之间的阈值电压，柔性膜105从该阈值电压通过其下表面与空腔103底部接触。
[0048]
附加层109的另一个作用是增加膜的刚度，并且然后增加换能器的谐振频率。
[0049]
根据所述实施例的一个方面，从将结构层(图1a至图1c示例中的层109)引入到叠层涂层膜105中取得了优势，以获得额外的自由度，使得能够通过共同的方法并从同一基底同时形成能够在不同超声波频率下工作的换能器。
[0050]
具体地，结合图1a至图1c所述的方法能够形成具有比ii型换能器的谐振频率更大的谐振频率的i型换能器，并且在它们各自的电极e1和电极e2之间施加相同的dc偏置电压。
[0051]
优选地，为了增加i型换能器和ii型换能器之间的谐振频率差，结构层109在能够在i型换能器的膜105上产生相对较高机械应力的条件下被沉积。作为示例，层109在相对较高的温度下被沉积，例如，在从100至450℃的范围内。此外，可以在层109或层111的沉积后施加热处理以增加应力。例如，在层109或层111的沉积之后，可以对结构施加相对显著的温度变化，例如从300至800℃范围内的温度变化。更一般地，本领域技术人员将理解如何通过在堆叠层中捕获热膨胀的约束来调整过程以获得期望的谐振频率。
[0052]
布置在i型换能器的膜上的109层的部分的图案有助于限定i型换能器的初始挠度，并间接限定谐振频率。作为示例，在俯视图(未示出)中，保持在每个i型换能器的膜105上方的层109的部分可以具有布置在膜的中心部分上的大致正方形或圆形。作为变体，层
109的部分可以具有布置在膜的外围部分上的环形形状。在另一种变体中，层109的多个单独部分可以被布置在每个i型换能器的膜105的不同区域上方。
[0053]
图2a和图2b分别为示出通过与图1a至图1c相关描述的类型的方法形成的i型换能器和ii型换能器，换能器的膜105沿着膜的横向尺寸(横坐标，单位为μm)的初始挠度(纵坐标，单位为nm)的图。
[0054]
在该示例中已经考虑了具有相同的横向尺寸(在制造分散体内)的膜的i型换能器和ii型换能器，该横向尺寸大约为50μm。在该示例中，i型换能器和ii型换能器之间的唯一区别在于i型换能器的膜105表面的一部分上存在层109，而ii型换能器膜上没有层109。
[0055]
对于i型换能器，可以在膜中心处观察到大约225nm的初始挠度，并且对于ii型换能器，可以观察到大约50nm的初始挠度。
[0056]
图3a和图3b显示了图2a和图2b示例中的i型和ii型换能器的各自频率响应。更具体地，图3a和图3b中的每一个图都表示，对于相应的换能器，在传输阶段期间，根据换能器电极e1和电极e2之间施加的ac激励电压的频率(横坐标，单位为mhz)，如在从换能器中心延伸的输出方向轴上以及在距换能器的远场距离处测得的由换能器发射的相对声压(纵坐标，单位为db)。
[0057]
图3a显示了i型换能器在大约从6至7mhz的中心频率下的宽带响应，以及图3b中ii型换能器在大约从2至3mhz的中心频率下的宽带响应。
[0058]
在所示示例中，对于每个换能器，已针对设置为换能器崩溃电压80％的dc偏置电压模拟了频率响应。应注意的是，在所考虑的示例中，i型换能器的崩溃电压与ii型换能器的崩溃电压具有相同的数量级(两种情况下均大约为135v)。在实践中，当施加到i型换能器上的dc偏置电压和施加到ii型换能器上的dc偏置电压相同时，可以观察到相似的谐振频率偏移。
[0059]
所提供的方法对于多频超声成像设备的形成特别有利，因为它能够在同一芯片上单片地形成能够以不同频率工作的换能器。所形成的换能器能够以相同的dc偏置电压在不同的频率下工作的事实在这种设备中是特别有利的，因为这能够大大简化电子控制电路。优选地，不同换能器共用的dc偏置电压小于具有最小崩溃电压的换能器的崩溃电压，即上述示例中的i型换能器。
[0060]
作为一种变体，本文所述方法可用于在同一基底上形成换能器，该换能器能够以不同频率工作，并且旨在在将基底切割成单个芯片后用于不同设备中(多项目方法)。
[0061]
已经描述了各种实施例和变体。本领域技术人员将理解，这些不同实施例和变体的某些特征可以组合，并且本领域技术人员将想到其它变体。具体地，所描述的实施例不限于本公开中提到的尺寸和材料的示例。
[0062]
此外，所提供的方法可以很容易地适用于从同一基底上同时形成能够在不同频率下工作的多于两种的不同换能器类型。为此，可以特别提供不同类型的换能器中的结构层109的不同图案和/或空腔的横向尺寸。此外，可以提供覆盖换能器膜的附加结构层，以增加可用自由度的数量。优选地，相同类型的所有换能器在制造分散体内是完全相同的。
[0063]
最后，基于上文给出的功能指示，所描述的实施例和变体的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。具体地，通过模拟或常规测试，本领域技术人员有能力定义要应用于i型换能器上的层109或层111的结构图案，以获得所需工作频率。