[发明专利]预塌陷的电容微机械超声传感器的制造及其应用

说明书

技术领域

本公开总体涉及声成像领域，例如光声成像、超声成像等。更具体地，本公开的示例实施例涉及用于制造高端传感器阵列的新的和有用的方法，该传感器例如是可以有利地应用于声成像应用中的传感器阵列。本公开的示例实施例还涉及基于于此公开的有利的制造方法的电容微机械超声传感器(cMUT)，该传感器提供改进的一致性和可靠性。

背景技术

在声成像应用中，高端二维超声(US)传感器阵列使得能够进行主动的束操纵/聚焦并提供/支持实时三维成像应用。此外，该传感器阵列的质量是总的声成像产品性能的关键并且通常是产品区别中的决定性因素。为达此目的，特别需要进行可靠、有效、低成本的US传感器阵列制造的方法。

用于加工US传感器阵列的当前技术总体涉及以下之一：(i)用于制作压电微机械超声传感器(pMUT)的技术，其总体涉及薄膜工艺和压电叠层技术的应用，和(ii)用于制作电容微机械超声传感器(cMUT)的技术，其总体涉及牺牲释放工艺，其中通过在承载基底上沉积牺牲层在膜下产生腔。

在pMUT加工中，提供压电陶瓷键合层、复合的和简单的聚合物匹配层。金刚石锯可用于切割单个元件。通过前表面上的用于至元件的通常的、歪曲的迹线的导电层可以实现互连。替代地，能够使用平版印刷技术制造pMUT，由此避免了对金刚石锯的需要。通常，信号通过同轴电缆等从pMUT传输至辅助系统。单晶加工能够提供/支持改进的性能，但是其成本可能不完全可行。

用于制造cMUT的当前方法可以涉及牺牲刻蚀工艺，由此在氮化硅膜下产生真空腔。对于涉及当前cMUT处理方法的概述，参见“CapacitiveMicromachined Ultrasonic Transducers：Fabrication Technology”，A.S.Ergun等，IEEE Transactions on Ultrasonics，Ferroelectrics，and Frequency Control，Vol.52，(12)，December 2005。还公开了用于加工cMUT的晶片键合技术。

图1中描绘了示例性常规一维cMUT元件10的示意性横截面(现有技术)。如其中描述的，典型的cMUT元件(未塌陷的(un-collapsed))包括(从底部向上)硅基底上的底电极12b、绝缘层14b、膜14a、顶电极12a、以及氧化物钝化层18。典型地，膜14a和绝缘层14b配置成在其间限定真空腔16，例如圆柱腔。

偏置电压的应用引起电荷，该电荷将膜和基底拉得更靠近一起。然而，如果膜/基底太靠近一起，可以发生塌陷。在cMUT阵列的典型制造中，穿过膜层刻蚀小的孔(经常在低于100nm的量级)和通道，以制造描绘的结构，然而，已经公开了较大的刻蚀通道(在2-5微米的量级)。可以需要相对昂贵和复杂的设备/技术以在膜中形成孔的图案用于牺牲刻蚀，例如高分辨率电子束平版印刷术。

常规cMUT(未塌陷的)具有固有的缺陷，包括非线性行为、窄的操作范围、低电容、以及对加工变异性的高敏感性。另外，需要相对高的偏置电压。需要注意，对于未塌陷cMUT，膜上的力与电荷的平方成比例。从而，增大力减小了分开，这依次增大了电容，并且(由电压偏置)增大了电荷。结果，当正反馈克服膜的刚度时，膜最后将塌陷，此塌陷的结果是形成塌陷的cMUT。

已经研究了塌陷的cMUT。例如，形成了塌陷的cMUT，其中，通过施加DC偏置电压，使膜塌陷至腔的底部。塌陷的cMUT能够提供改进的性能。然而，特定于塌陷的cMUT的问题还没有得到充分解决和/或处理，例如加工相关的问题、与阵列一致性相关的问题、以及总的可靠性。例如，引起膜塌陷所需的相对地高的电压招致显著的复杂化，例如对充电的增加的cMUT灵敏度。该相对地高的电压还可以消极地影响关联的电子器件，例如芯片。

从而，对用于制作塌陷的cMUT的有效和可靠的加工方法的需求继续存在，该塌陷的cMUT在一致和成本效益的基础上呈现出期望的运行性质。如本领域技术人员从以下公开的内容将能够明白的，于此公开的有利的方法满足此未解决的需求并支持塌陷的cMUT的商业制造，并具有与其相关联的伴随益处。

发明内容