[发明专利]具有贯穿衬底通孔（TSV）衬底插塞的电容式微机械超声换能器（CMUT）

说明书

技术领域

公开的实施例涉及电容式微机械超声换能器(CMUT)装置及其制造方法。

背景技术

CMUT装置在医学应用中变得日益流行。例如，CMUT装置已经用来改进医学超声成像探针。CMUT装置还用来提供用于药学疗法中的高强度聚焦超声。此外，CMUT装置能够用来生成用于多种应用(包括手势感测和气流监测)的空中超声。通常直接在硅衬底上(即在硅晶片上)生成常规CMUT装置。例如，常常使用微机电系统(MEMS)制造技术制造常规CMUT装置，在该技术中，脱模层被蚀刻出来，留下独立(柔性)膜。通常使膜的顶部金属化以降低顶部(电极)板的电阻，并且膜随后被用作换能器以发送并接收超声信号。

CMUT装置(CMUT芯片或阵列)包括一个或更多CMUT元件，并且每个CMUT元件能够包含多个CMUT单元中的一个。常规CMUT装置利用接合焊盘提供电气触点到阵列中的每个CMUT元件的顶部板，如，多个接合焊盘用于包括布置在CMUT阵列中的多个CMUT元件的CMUT装置。因为接合线被提升到接合焊盘上方，所以接合焊盘远离CMUT阵列中的CMUT元件设置以帮助封装。这种约束不仅由于互连路由线的需要而增加CMUT阵列芯片尺寸，还降低性能并且使封装过程变复杂。增加的芯片尺寸和复杂的封装过程都增加封装CMUT芯片的费用。

发明内容

公开的实施例描述解决CMUT装置问题的方案，在CMUT装置问题中，连接到每个CMUT元件的顶部板的接合焊盘的常规使用被认为是大幅约束设计并增加CMUT装置的尺寸，包括CMUT元件的2维(2D) CMUT阵列。为了将接合焊盘连接到大的2D CMUT阵列(如，大于等于CMUT元件的10×10阵列)的每个CMUT元件，涉及在CMUT芯片的顶侧上大量使用互连迹线，由此增加芯片尺寸并降低CMUT性能。

公开的实施例包括CMUT装置，其具有衬底的单晶材料(如硅)的贯穿衬底通孔(TSV)插塞以允许底侧触点通过具有单晶衬底材料的芯片连接到CMUT元件的顶部板，从而帮助2D CMUT阵列的生产。一个常规TSV工艺流程使用深衬底刻蚀(如博斯刻蚀)形成嵌入通孔，将介电内衬增加到嵌入通孔，钨(W)或铜(Cu)填充嵌入有内衬的TSV通孔，随后使用显示工艺暴露多个TSV。这种TSV结构要求使用多个、耗时、昂贵的工艺步骤，如深Si通孔刻蚀，以形成嵌入通孔，并且在Cu的情况下，需要厚Cu电镀和厚Cu膜的化学机械抛光(CMP)。

公开的方法利用单晶材料(如单晶硅衬底)作为多个TSV的导电材料。因此，用于形成TSV的常规厚Cu电镀和Cu CMP步骤省略。仅保留深衬底(如硅刻蚀、如博斯刻蚀)以形成所公开的TSV，简化CMUT制造工艺。

附图说明

图1A是描述根据一个示例实施例的示为具有单个CMUT单元的CMUT元件的一个示例CMUT装置的俯视图。

图1B是描述图1A中所示的沿着所示剖切线A-A'的示例CMUT装置/元件/单元的截面图。

图2A-2G是示出根据一个示例实施例形成CMUT装置的一个示例方法的处理进程的横截面图。

图3是描述根据一个示例实施例的包括多个CMUT元件的一个示例性CMUT装置的俯视图，其中，每个CMUT元件包括耦合在一起的多个图1A和图1B中所示的CMUT单元。

具体实施方式

电容式微机械超声换能器(CMUT)传感器单元实体是CMUT传感器单元。多个CMUT传感器单元能够并联连接(例如，利用电气上常见的可移动膜120b)以形成CMUT元件。CMUT元件能够具有任意数量(大于等于1)的CMUT单元。通常，元件中的CMUT单元越多，元件响应于给定激励能够生成的超声输出压力越大。CMUT阵列(装置/芯片)能够具有任意数量的CMUT元件。各个CMUT元件的电极中的其中一个电极(如顶部电极)能够彼此电气隔离以允许每个CMUT元件独立连接以便被单独可寻址。如本文所述，针对CMUT元件中的每个CMUT单元，使用电气上常见的可移动膜120b允许每个元件中的所有单元由单个TSV寻址。

图1A示出根据一个示例性实施例、被示为具有单个CMUT单元100a的CMUT元件的一个示例CMUT装置100，其中沿着剖切线A-A'提供下文描述的图1B以及图2A-2G中所示的截面描述。CMUT单元100a包括单晶材料(如，大体积单晶硅或单晶衬底上的硅外延层)的第一衬底101，其具有顶侧102和底侧103。