[发明专利]基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器，其特征在于：主要由SOI片结构和氧化片结构对接键合而成；

SOI片结构包括圆形的SOI片， SOI片自上而下依次为器件层、埋氧层和衬底层，器件层的顶面设置有氧化硅绝缘层，氧化硅绝缘层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层；SOI片结构上设置有上电极引线孔、下电极引线孔和波导槽，波导槽从衬底层的底面中心处向上延设并截止于器件层处；上电极引线孔和下电极引线孔对称的设置在波导槽的两侧，上电极引线孔和下电极引线孔均是从衬底层的底面向上延设并依次贯穿过衬底层、埋氧层、器件层和氧化硅绝缘层后截止于金属Cr层；SOI片结构上设置有圆环形凹槽和下电极引线过渡孔，圆环形凹槽的外径与波导槽的直径相同，圆环形凹槽从金属Au层的顶面中心处向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后截止于氧化硅绝缘层处，位于圆环形凹槽内的金属Au层顶面设置有SiO₂绝缘层；下电极引线过渡孔设置于圆环形凹槽的一侧，下电极引线过渡孔的直径与下电极引线孔的直径相同，下电极引线过渡孔从金属Au层的顶面向下延设并依次贯穿过金属Au层和金属Cr层后与下电极引线孔对接连通；

氧化片结构包括圆形的双面氧化片，双面氧化片自上而下依次是顶层氧化层、体硅层和底层氧化层，双面氧化片的直径与SOI片的直径相同，双面氧化片的顶层氧化层上设置有圆形凹槽和下电极引线槽，圆形凹槽位于其中心位置处，下电极引线槽位于圆形凹槽一侧的位置处，圆形凹槽的直径与SOI片结构中圆环形凹槽的外径相同，下电极引线槽的直径与下电极引线孔的直径相同；顶层氧化层的顶面设置有金属Cr层，金属Cr层的顶面设置有金属Au层，圆形凹槽的槽底以及下电极引线槽的槽底均设置有直径略小于槽直径的圆形金属Cr层，圆形金属Cr层的顶层设置有与其直径相同的圆形金属Au层；

SOI片结构和氧化片结构对齐后以各自结构上的金属Au层作为键合面对接进行共晶键合即可；其中，波导槽形成硅波导管；位于波导槽与圆环形凹槽之间的器件层及氧化硅绝缘层部分形成硅振动薄膜；圆环形凹槽与圆形凹槽对接合围形成密封真空电容腔；位于圆环形凹槽内的金属Au层及金属Cr层部分形成金属上电极，位于圆形凹槽内的圆形金属Au层及圆形金属Cr层形成金属下电极，并且金属上电极的SiO₂绝缘层与金属下电极之间留有空隙，金属上电极的直径为密封真空电容腔直径的一半；下电极引线槽内的圆形金属Au层及圆形金属Cr层形成下电极引线pad点，下电极引线槽与下电极引线过渡孔及下电极引线孔对接形成完整的下电极引线孔。

2.根据权利要求1所述的基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器，其特征在于：硅波导管的管壁厚度大于30μm，密封真空电容腔的高度为0.2μm、直径为70-80μm，金属上、下电极的厚度均为220nm，金属上电极的SiO₂绝缘层与金属下电极之间的间距为200nm。

3.如权利要求1所述的基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1）取SOI片，在SOI片的器件层沉积氧化硅绝缘层，在氧化硅绝缘层上依次溅射Cr和Au以形成金属Cr层和金属Au层，然后进行图形化处理以形成圆环形凹槽、下电极引线过渡孔以及键合区域，其中圆环形凹槽内的金属Cr层和金属Au层形成金属上电极；

2）在SOI片的圆环形凹槽内的金属Au层沉积SiO₂绝缘层；

3）取双面氧化片，在顶层氧化层上刻蚀形成圆形凹槽和下电极引线槽；

4）在顶层氧化层上依次溅射Cr和Au以形成金属Cr层和金属Au层，然后进行图形化处理，使位于圆形凹槽和下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层的直径略小于应对的槽直径，同时形成键合区域，其中，圆形凹槽内的金属Cr层和金属Au层形成金属下电极，下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层形成下电极引线pad点；

5）将步骤 2）和步骤 4）所得到的器件以金属Au层作为键合面进行共晶键合，SOI片上的圆环形凹槽与双面氧化片上的圆形凹槽对接形成真空密封电容腔；

6）对步骤 5）得到的器件在SOI片的衬底层面进行光刻，刻蚀掉部分衬底层和部分埋氧层，形成部分上电极引线孔、部分下电极引线孔、硅波导管以及硅振动薄膜；

7）对步骤 6）得到的器件中的部分上电极引线孔和部分下电极引线孔继续进行刻蚀，刻蚀掉部分上电极引线孔底部的器件层和氧化硅绝缘层并露出金属Cr层，从而形成完整的上电极引线孔，刻蚀掉部分下电极引线孔底部的器件层和氧化硅绝缘层后与下电极引线过渡孔及下电极引线槽连通并露出下电极引线槽内的金属Cr层和金属Au层，从而形成完整的下电极引线孔；

8）对步骤7）得到的器件进行划片、压焊、引线；

9）对步骤8）得到的器件进行Parylene-C沉积密封后，即得到了所述的基于硅波导管共晶键合技术的电容式微机械超声换能器。