[發明專利]一種高機電耦合系數CMUT及其制備方法

有效

• 申請號: 201811033960.2
• 申請日: 2018-09-05
• 公開（公告）號: CN109092650B
• 公開（公告）日: 2020-05-22
• 發明（設計）人: 李支康;蔣莊德;徐廷中;李杰;趙一鶴;羅國希;郭帥帥;趙立波
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: B06B1/02
• 分類號: B06B1/02
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

1.一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，包括振動薄膜(2)、空腔(3)、支柱(4)、下電極絕緣層(5)、下電極(6)和上電極(1)，空腔(3)沿支柱(4)高度方向貫穿支柱(4)，振動薄膜(2)、支柱(4)和下電極(6)自上而下依次設置并一道將空腔(3)密封，下電極(6)上表面在空腔(3)對應的區域設置下電極絕緣層(5)；

支柱(4)采用絕緣材料，支柱(4)的高度d_p、支柱(4)的相對介電常數ε_rp、下電極絕緣層(5)的高度d_i和下電極絕緣層(5)的相對介電常數ε_ri滿足以下關系：

振動薄膜(2)的上表面設置有上電極絕緣層(9)，支柱(4)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度大于空腔(3)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度；上電極絕緣層(9)的上表面在空腔(3)對應的區域設置有上電極(1)，相鄰兩個上電極之間通過電極連線(7)連接，電極連線(7)的大部分設置于上電極絕緣層(9)的上表面與支柱(4)對應的區域，上電極焊盤(8)設置在上電極絕緣層(9)的上表面與支柱(4)對應的區域。

2.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，上電極(1)的形狀與空腔(3)的形狀一致，上電極(1)的中心與空腔(3)的中心重合；上電極(1)的橫向尺寸小于等于空腔(3)的橫向尺寸，且上電極(1)的橫向尺寸大于等于空腔(3)橫向尺寸的一半。

3.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，支柱(4)正上方對應的上電極絕緣層(9)的寬度不小于對應區域支柱(4)的寬度。

4.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，空腔(3)正上方對應的上電極絕緣層(9)的形狀與空腔(3)形狀相同，且大小相同。

5.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，當振動薄膜(2)絕緣時，空腔(3)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度最小值可為零。

6.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，當振動薄膜(2)導電時，空腔(3)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度最小值應保證振動薄膜(2)與上電極(1)之間具有足夠的電絕緣性；或者，當振動薄膜(2)導電時，振動薄膜(2)同時用作上電極，振動薄膜(2)和上電極(1)采用一體化設計，振動薄膜(2)上表面不設置上電極絕緣層(9)和上電極(1)。

7.根據權利要求1所述的一種高機電耦合系數CMUT，其特征在于，下電極絕緣層(5)的形狀和空腔(3)的形狀相同；下電極絕緣層(5)的橫向尺寸小于空腔(3)的橫向尺寸；下電極絕緣層(5)的中心與空腔(3)的中心重合；下電極絕緣層(5)的外邊緣與空腔(3)的內側面之間具有間隙。

8.一種制備權利要求1所述的高機電耦合系數CMUT的方法，其特征在于，振動薄膜(2)的上表面設置有上電極絕緣層(9)，支柱(4)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度大于空腔(3)正上方對應的上電極絕緣層(9)的厚度；

包括如下步驟：

(1)取一低阻單晶硅片，采用氧化技術或化學氣相沉積技術在單晶硅片表面生成二氧化硅層(10)，未被氧化的單晶硅形成下電極(6)；

(2)對二氧化硅層(10)進行光刻，圖形化空腔形狀；再刻蝕二氧化硅層(10)，刻蝕停止于單晶硅表面，此時形成支柱(4)；

(3)再在單晶硅表面及支柱(4)表面沉積碳化硅層(11)，通過沉積時間控制碳化硅層厚度；

(4)光刻碳化硅層(11)，圖形化碳化硅層形狀，刻蝕位于支柱(4)表面的碳化硅層，此時形成下電極絕緣層(5)；另取頂層硅為高阻的SOI片，清洗備用；

(5)將SOI片頂層硅和支柱(4)表面進行活化處理，采用低溫熔融鍵合技術將SOI片頂層硅與支柱(4)表面進行鍵合，此時將空腔(3)密封；

(6)采用化學機械拋光的方法去除80％的SOI片基底硅，而后再用緩沖刻蝕液去除剩余20％的基底硅，刻蝕停止于SOI片埋層二氧化硅表面；光刻埋層二氧化硅，定義上電極絕緣層形狀，刻蝕埋層二氧化硅，通過刻蝕時間調節被刻蝕二氧化硅絕緣層厚度，此時形成上電極絕緣層(9)和振動薄膜(2)；

(7)在振動薄膜(2)和上電極絕緣層(9)表面濺射金屬電極層，光刻，定義電極、電極連線及焊盤形狀，刻蝕形成上電極(1)、電極連線(7)及上電極焊盤(8)。