[发明专利]用于形成压电超声换能器的方法和相关的设备

说明书

联邦资助研究或开发

本发明根据美国国立卫生研究院(NIH)授予的合同No.R33EB00566在美国政府的支持下完成。美国政府对本发明享有某些权利。

发明背景

技术领域

本发明的方面涉及超声换能器，并且更具体而言，涉及形成限定空气背衬腔的压电微加工超声换能器的方法以及相关的设备。

背景技术

一些微加工超声换能器(MUT)可被构造为例如在转让给本公开的受让人三角形研究学会（Research Triangle Institute）的美国专利No.7,449,821中所公开的压电微加工超声换能器(pMUT)，该专利全文以引用方式并入本文中。

诸如如在美国专利No.7,449,821中所公开的限定空气背衬腔的pMUT装置的pMUT装置的形成可涉及在换能器装置的第一电极（即，底部电极）和（多个）保形金属层之间形成导电连接，其中第一电极设置在pMUT装置的空气背衬腔内，（多个）保形金属层施加到空气背衬腔以用于提供例如到集成电路(“IC”)或柔性电缆的后续连接。就这一点而言，一些现有技术方法涉及例如在与第一/底部电极直接接触的pMUT的空气背衬腔内沉积保形金属层（参见例如美国专利No.7,449,821的图7A）。在另一实例中，保形金属层沉积在形成于介电薄膜中的通孔中，该介电薄膜形成为暴露第一/底部电极（参见例如美国专利No.7,449,821的图7B）。在涉及绝缘体上硅(SOI)基板的又一实例中，保形金属层沉积在延伸到紧邻的换能器装置的通孔中（参见例如美国专利No.7,449,821的图14和图15）。然而，由于例如第一/底部电极和/或介电薄膜相对薄并且从而提供不足的蚀刻停止层，根据这些示例性现有技术方法（即，通过蚀刻）形成这样的通孔可能是困难的。

在其它现有技术方法中，装置基板可保持与pMUT装置接合以提供用于控制pMUT装置的谐振频率的固定厚度的构件。在这些情况下，通过掺杂硅层（参见例如也转让给三角形研究学会（Research Triangle Institute）的WO2008/054395A1的图7，其中并且WO 2008/054395A1也以引用方式全文并入本文中）或者通过插塞（参见例如美国专利No.7,449,821的图14）形成在第一电极和保形金属层之间的导电连接，其中插塞沉积在从晶片的正面蚀刻到与压电(PZT)元件相邻的硅层中的通孔中。然而，这样的导电连接在某些情况下可能实现不太理想的导体（即，掺杂硅），该导体将第一/底部电极连接到沉积在通孔中的保形金属层。更具体地讲，掺杂硅层在高电场强度下可表现出适当的传导性，但其传导性可能不太理想地为非线性的并且由于掺杂硅层中类似二极管的性能而在低电场强度下明显地降低。在其它情况下，这样的导电连接可涉及在第一/底部电极与在通孔的拐角（即，通孔的侧壁与通孔的底部或端壁相交处）附近和/或沿通孔的侧壁沉积在通孔中的保形金属层之间的接触。在这样的情况中，由于通孔的侧壁和/或拐角可能是粗糙的或不完全蚀刻的，可能难以将保形金属层连接到延伸到第一/底部电极的金属，因此可能导致在第一/底部电极和保形金属层之间的差的或不一致的导电接合。

一些现有技术方法的另一方面是在第一电极和保形金属层之间形成导电连接的元件可在pMUT装置的侧边缘中的一个周围形成（参见例如美国专利No.7,449,821的图15）。在这样的情况中，例如，由于在第二通孔的侧壁/端壁边缘周围的应力集中，启动的pMUT装置的机械弯曲可引发或加速在第二通孔内的导电连接元件和保形导电层之间的接合的疲劳。这样的疲劳可能导致两者间的导电接合的失效并且将因此在pMUT装置的第一/底部电极和IC、柔性电缆或与之接合的再分布基板之间形成开路状态。此外，在pMUT装置的膜的侧边缘周围设置不同的材料（即，金属）以提供电连接能改变膜弯曲的边界条件并因此影响pMUT装置的频率和/或振动模式（即，基本或谐波模式），从而不利地影响由pMUT装置产生的声信号。

因此，在超声换能器领域中特别是对于具有空气背衬腔的压电微加工超声换能器（“pMUT”）来说，需要用于在换能器装置的第一电极（即，底部电极）和（多个）保形金属层之间形成导电连接的改进的方法，其中第一电极设置在pMUT装置的空气背衬腔内，（多个）保形金属层施加到空气背衬腔以用于提供例如到集成电路(“IC”)或柔性电缆的后续连接。

发明内容