[發明專利]電容式微機械超聲換能器及其制造方法

有效

• 申請號: 201980075767.1
• 申請日: 2019-11-15
• 公開（公告）號: CN113316486B
• 公開（公告）日: 2022-10-18
• 發明（設計）人: 多米尼克·格羅斯;西里爾·梅尼埃;尼古拉斯·塞內貢
• 申請（專利權）人: 維蒙股份公司
• 主分類號: B06B1/02
• 分類號: B06B1/02
• 代理公司: 北京路浩知識產權代理有限公司 11002
• 代理人: 崔龍鉉;趙赫

本發明涉及一種電容式微機械超聲換能器，包括下電極、上電極和附接到上電極并位于下電極和上電極之間的膜。錨連接到膜和下電極，使得在下電極和膜之間限定出空腔。一個或多個隔離柱位于空腔內，該隔離柱部分地埋設在膜內并朝著下電極延伸。一種生產電容式微機械超聲換能器的方法，包括在未摻雜硅制成的器件層上形成氧化物生長層，并去除氧化物生長層的部分，以形成延伸超出器件層外表面的錨以及部分地埋設在器件層中的柱孔內并延伸超出器件層的外表面的隔離柱。

相關申請的交叉引用

本申請要求于2018年11月16日提交的申請號為62/768,188的美國臨時申請的權益，該美國臨時申請的全部內容通過引用并入本文。

技術領域

本發明涉及一種原始的晶片鍵合工藝，其針對電荷捕獲現象進行了優化，并且特別適用于在重摻雜的襯底上的制造。

背景技術

電容式微機械超聲換能器(CMUT)是用于超聲醫學成像的傳統壓電換能器的有前途的替代。自1994年產生該技術以來，它一直是學術界專門研究的技術，該技術已接近于準備好用于超聲市場。盡管如此，由于基于CMUT的醫用探頭需要最小7年的日常使用壽命，因此該技術的可靠性仍然是制造商關注的問題。故障的主要來源在電容式微機電系統領域是眾所周知的，并且故障是由于電介質層內部注入了電荷，這最終可能導致電介質擊穿、性能下降和器件故障。基本上，CMUT換能器由兩個電極制成，一個電極固定在襯底上，而另一個電極是可移動的并懸掛在真空腔上方。為了避免在操作期間發生任何的短路危險，這兩個電極通過一層薄的介電材料即絕緣層絕緣。由于兩個電極之間的空間很小，并且操作所需的電場很高，電荷載流子從一個電極遷移到另一電極，并通常保持被困在絕緣層內部。這導致操作發生巨大變化，性能急劇下降，并經常導致器件的永久性損壞。由于充電現象非常復雜并導致嚴重的功能故障，因此許多開發CMUT換能器(更普遍的是MEM)的團體已經在努力避免或至少減小這種雜散效應的影響。

多年來，一些學術和工業團體已經提出、發表了許多解決電荷捕獲的解決方案并申請了專利。文獻中找到的最常見的解決方案之一是基于絕緣層的圖案化，其方式是由隔離柱代替。通過這種設計，由于兩個電極之間的接觸表面受到隔離柱的表面的限制，因此減小了電荷捕獲[1]-[7]。

例如，圖1A示出了具有平坦絕緣層12的經典的CMUT 10設計，圖1B示出了具有嵌入式隔離柱22的修改的CMUT 20設計。圖1B中的CMUT 20的一大優點是非常易于設置。然而，這涉及器件的電容的減小，因為真空的介電常數比絕緣層(考慮由二氧化硅制成的絕緣層)的介電常數至少弱4倍。此外，這種設計減少了電極之間注入的電荷量，但沒有減小充電機制本身：電荷仍在隔離柱內部遷移(甚至更容易遷移，因為必須稍微增加電場以補償靜電的損失)。由于這些原因，該解決方案有時與頂部或底部電極的圖案化相結合，使得隔離柱上方或下方沒有電極。這減少了隔離柱內部的電應力，從而減少了電荷遷移。日立公司已針對他們的犧牲層釋放工藝為該解決方案申請了專利[4]，如圖2A和圖2B所示的CMUT 30、40，其中隔離柱32、42懸掛在膜的下方，而不是鋪在空腔底部。

該解決方案是特別安全的，因為隔離柱內部的電應力被極大地減小了。然而，它要求圖案化至少一個電極，這并不總是容易的，并且對于基于熔融鍵合的工藝而言是不可能的。北卡羅來納州立大學[7]和阿爾伯塔大學[6]的團隊也提出了同樣的方法。實際上，將機械功能與靜電功能分開是很好的方法，然而就CMUT單元的基本結構而言，也是很難設置的。例如，如圖3的示意圖中所示，Kolo技術有限公司(Kolo Technologies，Inc)的國際專利公開WO 2006/123301描述了遵循該思想的特定CMUT 50設計。

根據該設計，用于超聲發射的膜52剛性非常大，并且放置在用作彈簧的較小膜54上，以允許活塞式的位移。如果機械間隙h_m小于電氣間隙h_e，則可以完全去除電極之間的絕緣層。因此，電荷捕獲問題被抑制了。這種設計的復雜性是其主要問題，因為它會導致更高的成本和更低的制造產量。此外，還需要對這種不尋常結構的機械性能有深刻的理解。