具有應力層的預塌陷電容式微加工換能器單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種預塌陷電容式微加工換能器單元(10)，所述單元(10)包括基底(12)和覆蓋總膜區(qū)域(A總)的膜(14)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間，所述膜包括孔(15)和圍繞所述孔(15)的邊緣部分(14a)。所述單元(10)還包括所述膜(14)上的應力層(17)，所述應力層(17)相對于膜(14)具有預定應力值，所述應力層(17)適于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供彎曲力矩，以使得所述膜(14)的所述邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12)。本發(fā)明還涉及制造所述預塌陷電容式微加工換能器單元(10)的方法。
【專利說明】具有應力層的預塌陷電容式微加工換能器單元
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種預塌陷電容式微加工換能器單元，特別地涉及一種電容式微加工超聲換能器(capacitive micro-machined ultrasound transducer) (cMUT)單兀或一種電容式微加工壓力傳感器單元，以及制造所述換能器單元的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，已開發(fā)出微加工超聲換能器(MUT)。微加工超聲換能器已以兩種設(shè)計方法進行制造，一種利用具有壓電性能的半導體層(PMUT)，而另一種利用形成電容器(所謂的電容式微加工超聲換能器(cMUT))的膜(或隔膜)和具有電極的基底(或電極板)。
[0003]cMUT單元包括膜下方的腔室。為了接收超聲波，超聲波引起膜移動或振動，并且電極之間的電容的振動可被檢測。因此，超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｏ喾吹?，施加至電極的電信號引起膜移動或振動，并且從而發(fā)射超聲波。
[0004]初始地，cMUT單元生產(chǎn)成以已知為“未塌陷”模式操作。常規(guī)的“未塌陷” cMUT單元本質(zhì)上為非線性裝置，其中效率高度取決于電極之間施加的偏置電壓。
[0005]為解決這個問題，最近已開發(fā)出所謂的“預塌陷” cMUT單元。在預塌陷cMUT單元中，膜的一部分永久性地塌陷或固定至腔室的底部(或基底)。在一定的偏置電壓之上，預塌陷cMUT的效率基本上與偏置電壓無關(guān)，這使得cMUT單元更具線性。
[0006]在預塌陷cMUT單元中，膜可利用不同的方法塌陷，例如，利用電塌陷或機械塌陷。
[0007]電塌陷例如可利用偏置電壓實現(xiàn)。W02009/037655A2公開了一種生產(chǎn)cMUT的方法，所述方法包括:提供幾乎完整的cMUT，其中所述幾乎完整的cMUT限定一個或多個cMUT元件，所述cMUT元件包括:(i)基底層，(ii)電極板，(iii)膜層，和(iv)電極環(huán)；限定穿過每個cMUT元件的膜層的至少一個孔；施加橫跨一個或多個cMUT元件的膜層和基底層的偏置電壓以使膜層相對于基底層塌陷；以及通過施加封裝層而使塌陷膜層相對于基底層固定并密封。
[0008]機械塌陷例如可利用環(huán)境空氣壓力實現(xiàn)。W02010/097729A1公開了一種cMUT單元，該cMUT單元包括基底、附接至基底的第一電極、以與第一電極間隔開的關(guān)系形成的可移動膜、附接至膜的第二電極和保持構(gòu)件；該保持構(gòu)件在膜處于預塌陷狀態(tài)時遮蓋可移動膜，這在不存在偏置電壓的情況下作用以將膜保持在其預塌陷狀態(tài)。在一個實例中，保持構(gòu)件鑄造(cast)于cMUT換能器單元上方，同時膜通過對該膜施加(大氣)壓力被帶入至預塌陷狀態(tài)。
[0009]如W02010/097729A1中所公開的預塌陷cMUT單元已成功地制造為具有較大直徑膜的低頻cMUT單元。塌陷壓力是低的并且cMUT單元通過環(huán)境空氣壓力塌陷(即，膜接觸腔室的底部)。然而，關(guān)于高頻cMUT單元，不能施加如W02010/097729A1所公開的保持構(gòu)件，因為塌陷壓力非常大并且可容易地超出例如5巴或甚至10巴。在這種情況下，如W02010/097729A1中所公開的保持層的強度不足以將膜保持到位。因此，如W02010/097729A1中所公開的cMUT單元的問題為，其本質(zhì)上為“大膜”解決方案，但是對具有小膜直徑的高頻cMUT單元不起作用。
[0010]存在改善此類預塌陷電容式微加工換能器單元(特別是高頻)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目標是提供一種改善的預塌陷電容式微加工換能器單元和制造該換能器單元的方法，特別是針對高頻預塌陷電容式微加工換能器單元。
[0012]在本發(fā)明的第一方面，提出一種預塌陷電容式微加工換能器單元，其包括基底、覆蓋總膜區(qū)域的膜，其中腔室形成于膜和基底之間，膜包括孔和圍繞該孔的邊緣部分。所述單元還包括在膜上的應力層的至少一部分，應力層相對于膜具有預定應力值，應力層適于在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩以使得膜的邊緣部分塌陷至基底。
[0013]在本發(fā)明的另一方面，提出了一種預塌陷電容式微加工換能器單元，其包括基底、膜和形成于膜和基底之間的腔室，膜包括孔和圍繞孔的邊緣部分，膜的邊緣部分塌陷至基底。所述單元還包括形成在膜上的應力層的至少一部分，應力層相對于膜具有預定應力或應力值。
[0014]在本發(fā)明的又一方面，提出了一種制造預塌陷電容式微加工換能器單元的方法，所述方法包括以下步驟:提供基底，提供覆蓋總膜區(qū)域的膜，其中腔室形成于膜和基底之間。該方法還包括以下步驟:在膜上提供應力層，應力層相對于膜具有預定應力值；在膜中提供孔以使得膜包括圍繞孔的邊緣部分，應力層適于在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩以使得膜的邊緣部分塌陷至基底。
[0015]本發(fā)明的基本思想是提供一種簡約解決方案，以用于提供一種預塌陷電容式微加工換能器單元，特別地高頻預塌陷電容式微加工換能器單元。相對于膜具有特定應力或應力值的應力層(或成品單元中的應力層的至少一部分)存在或形成于膜上。應力層適于或構(gòu)造成在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩(或膜的偏轉(zhuǎn))，以使得膜的邊緣部分塌陷至基底。換句話說，彎曲力矩充分大以使基底的邊緣部分塌陷至基底。應力層用于將膜的邊緣部分帶至基底(或腔室的底部)。換句話說，應力層引起彎曲力矩，該彎曲力矩迫使膜塌陷(特別地，彎曲力矩足夠大以使膜彎曲至基底或腔室的底部)。應力層因此迫使膜塌陷。特別地，偏轉(zhuǎn)的幅度或無約束偏轉(zhuǎn)(即，在不存在基底的情況下)應超出腔室的高度(或間隙距離)，以使得膜塌陷至基底。特別地，如果應力層布置在膜的背離基底的側(cè)面上，那么應力值應為負的，因而是壓縮應力或壓縮力。在這種情況下，應力層具有預定量的壓縮應力。或者，如果應力層布置在膜的面向基底的側(cè)面上，那么應力值應為正的，因而是拉伸應力。在這種情況下，應力層具有預定量的拉伸應力。
[0016]額外應力層被施加或引入所述單元(形成于膜上)，額外應力層具有(有意地產(chǎn)生的)特定應力值或水平并且優(yōu)選是特定位置，以迫使膜塌陷。另外，應力層的位置可有助于在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩(或在朝向基底的方向上產(chǎn)生膜的位移)。應力層的應力值以及可能地還有其位置可選擇成使得在膜中提供孔時膜的邊緣部分塌陷至基底。應力層可臨時存在(例如，僅在制造過程中)或永久性地存在(例如，在制造的成品單元中)。
[0017]本發(fā)明的優(yōu)選實施例限定于從屬權(quán)利要求中。應理解，所要求保護的制造方法具有與所要求保護的單元和從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實施例類似的和/或等同的優(yōu)選實施例。
[0018]在一個實施例中，應力層延伸超過總膜區(qū)域。如此，應力層的位置在膜上在朝向基底的方向上提供了彎曲力矩。例如，在圓形單元和膜的情況下，總膜區(qū)域可由膜(或腔室)的直徑限定。在該情況下，應力層的外半徑可大于總膜區(qū)域的半徑。
[0019]在另一個實施例中，應力層包括孔。如此，可容易地在膜中(特別地在總膜區(qū)域的中心)提供孔。應力層中的孔也可特別地處于總膜區(qū)域的中心。優(yōu)選地，應力層中的孔的中心和膜中的孔的中心對齊。
[0020]在本實施例的變型中，應力層的孔大于膜的孔。如此，應力層的位置有助于在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩，特別是在結(jié)合先前實施例使用時。應力層的這種孔對膜的偏轉(zhuǎn)外形具有有益效果?？椎某叽缈蓛?yōu)化以實現(xiàn)最大效果。例如，在圓形單元和膜的情況下，應力層的內(nèi)半徑(或邊緣部分的邊緣)可大于膜的孔的半徑。
[0021]在又一個實施例中，應力層由金屬或金屬合金制成。這些材料已表現(xiàn)出以容易方式提供所需的應力值。
[0022]在又一個實施例中，應力層由從包括鎢(W)、鈦鎢(TiW)、鑰(Mo)和鑰鉻(MoCr)的組選擇的至少一種材料制成。這些材料已表現(xiàn)出以有利的方式提供所需的應力值，因為它們提供了高熔點。利用這些金屬(合金)，應力值可調(diào)節(jié)至所需值。
[0023]更進一步，在一個實施例中，膜的塌陷壓力大于I巴。在本實施例的變型中，膜的塌陷壓力大于5巴。在本實施例的另一變型中，膜的塌陷壓力大于10巴。具有大于I巴(或5巴或甚至10巴)的塌陷壓力的膜不會通過環(huán)境壓力塌陷，而是需要應力層來提供塌陷。
[0024]在另一個實施例中，膜的直徑小于150 μ m，特別地小于100 μ m。如此，提供了高頻預塌陷電容式微加工換能器單元。中心頻率可例如大于8MHz，特別地大于10MHz。
[0025]在又一個實施例中，所述單元還包括布置在膜的孔中的塞子，塞子僅位于由膜覆蓋的總膜區(qū)域的子區(qū)域中。
[0026]在又一個實施例中，所述單元還包括布置在膜和/或塞子上的覆蓋層。如此，可實現(xiàn)所述單元厚度或膜厚度與所述單元的特定共振頻率的匹配(從而提供聲學性能控制)或與操作范圍的匹配。另外，覆蓋層可提供化學鈍化。
[0027]在另一個實施例中，所述單元還包括基底之上或之中的第一電極和/或膜之上或之中的第二電極。如此，可以容易的方式提供電容式單元。
[0028]在又一個實施例中，第二電極為環(huán)形電極。在另一個實施例中，腔室為環(huán)形腔室。在這些實施例的任一者中，所述單元可為圓形單元。圓形狀是一種有利的單元形狀，因為該形狀提供了可用空間的相當良好的填充和/或非常少的較高階振動模式，特別是與對于發(fā)射的能量所需的模式對抗或產(chǎn)生掩蓋所需的接收信號的非所需信號的振動模式。
[0029]在又一個實施例中，所述方法還包括移除應力層。如此，提供了一種具有改善的熱特性的單元，特別地與溫度更少地相關(guān)(例如，如果應力層由金屬制成)。特別地，可移除整個應力層，或可移除應力層的主要部分(例如，僅留下應力層的一些殘余物)。
[0030]在另一個實施例中，當在膜上提供額外的層時提供應力層。如此，可以容易的方式提供應力值。
[0031]在一個實施例中，所述單元為電容式微加工超聲換能器(cMUT)單元以用于發(fā)射和/或接收超聲波。在替代實施例中，所述單元為用于測量壓力的電容式微加工壓力換能器(或傳感器)單元。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]本發(fā)明的這些和其他方面參考下文所描述的實施例將是顯而易見的并進行闡述。在附圖中:
[0033]圖1根據(jù)第一實施例示出了預塌陷電容式微加工換能器單元的橫截面示意圖，
[0034]圖2根據(jù)第二實施例示出了預塌陷電容式微加工換能器單元的橫截面示意圖，
[0035]圖3a至3i各自示出了制造根據(jù)第一實施例或第二實施例的塌陷電容式微加工換能器單元的方法的不同制造步驟，
[0036]圖3f和3g各自示出了制造根據(jù)第二實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元的方法的制造步驟，和
[0037]圖4示出了根據(jù)一個實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元的一組掩模的頂視圖。
【具體實施方式】
[0038]可示出，塌陷壓力Pc (即，靜態(tài)空氣或水壓力，膜通過靜態(tài)空氣或水壓力恰好接觸基底或腔室的底部)等于
[0039]P =其中D = ^^^:/.........................^.................er4 512(1-t+廣) —
[0040]其中g(shù)為腔室的高度(也稱為間隙)，r為膜的半徑，t為膜的厚度，E為楊氏模量并且V為泊松比。
[0041]如根據(jù)上式可見，塌陷壓力刻度分為Pc~Ι/r4，其中r為膜的半徑。膜的較小直徑意味著更高的塌陷壓力。對于許多實際超聲裝置，例如IOMHz超聲探針，塌陷壓力容易地超出5巴或甚至10巴。這點對高頻單元，例如在約8MHz或以上的中心頻率，是特別真實的。在這種情況下，如例如W02010/097729所公開的保持構(gòu)件或?qū)訉o法保持塌陷模式。
[0042]圖1示出了根據(jù)第一實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元10的橫截面示意圖，并且圖2示出了根據(jù)第二實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元10的橫截面示意圖。本文所述的單元10可特別地為高頻預塌陷電容式微加工換能器單元，例如具有小于150 μ m、特別地小于100 μ m的膜直徑和/或大于8MHz、特別地大于IOMHz的中心頻率。僅作為實例，具有約IOMHz的頻率的換能器單元具有約60 μ m的膜直徑。然而，將理解的是，本文所描述的單元也可施加較低的頻率。
[0043]圖1或圖2的單元10包括基底12。基底12可例如由硅制成，但不限于此?；?2可例如載有ASIC，ASIC電連接至單元10并從而提供外部電連接。
[0044]單元10還包括覆蓋總膜區(qū)域(在基底之中或平行于基底的平面中)的可移動的或柔性的膜14(或隔膜) 。腔室20形成于膜14和基底12之間。膜14包括孔15和圍繞孔15的(內(nèi)部)邊緣部分14a。(內(nèi)部)邊緣部分15形成臺階或突出部或脊部。換句話說，邊緣部分14a的上表面高于膜14的上表面(或其電極)。膜14的孔15位于總膜區(qū)域A,6的中心或中心區(qū)域。邊緣部分14a塌陷至基底12，從而提供預塌陷單元。換句話說，邊緣部分14a (或膜14)接觸基底12 (或腔室20的底部)。
[0045]圖1中所示的第一實施例或圖2中所示的第二實施例的單元10還包括形成于基底12之上或之中的第一電極16和形成于(或嵌于)膜14中的第二電極18。換句話說，基底12包括位于其中或其上的第一電極，并且膜14包括位于其中的第二電極18。特別地，第一電極16可視為基底12的一部分，并且第二電極18可視為膜14的一部分。如此，提供了一種電容式單元。單元10可特別地為電容式微加工超聲換能器單元以用于發(fā)射和/或接收超聲波。為了接收超聲波，超聲波引起膜14(和其電極18)移動或振動，并且第一電極16和第二電極18之間的電容的振動可被檢測。因此，超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳碾娦盘枴Ｏ喾吹?，施加至電極16、電極18的電信號引起膜14(和其電極18)移動或振動，并且從而發(fā)射超聲波。或者，所述單元也可為任何其它合適的電容式微加工換能器單元，諸如，例如用于測量壓力的電容式微加工壓力換能器(或傳感器)單元。
[0046]在本文所描述的實施例中，膜14包括多個(例如，兩個)層，特別地電絕緣層或介電層(例如，ONO層)，該多個層具有嵌入其中或其之間的第二電極18。僅作為實例，每個ONO層可各自具有約0.25 μ m的厚度，但不限于此。另外，僅作為實例，膜14的直徑可介于25 μ m和150 μ m之間，特別地50 μ m和150 μ m之間或40 μ m和90 μ m之間或60 μ m和90 μ m之間。此外,僅作為實例,腔室的高度(間隙高度)可介于0.25μηι和0.5μηι之間。然而，將理解的是，可使用任何其他合適的膜(例如，單層膜)或尺寸。另外，在本文所描述的實施例中，第二(頂部)電極18為環(huán)形電極(或環(huán)狀電極)，該電極在其中心或中間具有孔。然而，將理解的是，可使用任何其他合適的第二電極。
[0047]相比于圖2的第二實施例，圖1的第一實施例的單元10還包括(永久性地)形成于膜上的應力層17，應力層17相對于膜14具有預定應力或應力值(特別地為非零)。應力層適于在膜14上在朝向基底12的方向上(圖1中向下)提供彎曲力矩(或力)(并從而提供膜14的偏轉(zhuǎn))，以使得膜14的邊緣部分14a塌陷至基底12。彎曲力矩足夠大以使邊緣部分14a塌陷至基底12。在圖1的第一實施例中，應力層17永久性地存在，從而存在于制造的成品單元中。因此，在這個實施例中，應力層17也為可移動的或柔性的，以能夠與膜14 一起移動或振動。
[0048]在圖1的第一實施例中，應力層17的位置也有助于在膜上在朝向基底12的方向上提供彎曲力矩(或偏轉(zhuǎn))。如圖1中可見，應力層17延伸超過總膜區(qū)域A總。應力層17還包括孔19。應力層17中的孔19處于總膜區(qū)域的中心或中心區(qū)域，并且與膜14中的孔15對齊。然而，應力層17的孔19大于膜14的孔15。
[0049]關(guān)于應力層材料的選擇，在沉積時，例如由于化學組成、沉積溫度和環(huán)境溫度之間的熱收縮或兩者的組合，許多材料可具有固有應力。在材料層沉積時，沉積條件可確定應力值。例如，應力層可通過濺射進行沉積(例如，用于金屬應力層的沉積)。在這種情況下，例如，濺射期間的氣體壓力可確定應力值。
[0050]應力層17可特別地由金屬或金屬合金制成，特別地由從包括鎢(W)、鈦鎢(TiW)、鑰(Mo)和鑰鉻(MoCr)的組選擇的至少一種材料制成。這些材料已呈現(xiàn)出以有利的方式提供所需的應力值，因為它們提供了高熔點。利用這些金屬(合金)，應力值可調(diào)節(jié)至所需值。在另一個實例中，應力層17可由壓縮氮化物和蝕刻停止層(優(yōu)選地金屬)的組合制成。或者，應力層17也可由非金屬材料制成。例如，應力層17可由Si3N4 (硅氮化物)制成，特別地在“應力條件”下沉積。
[0051]例如，應力層17 (例如，由Si3N4制成)可通過等離子體增強化學氣相沉積來沉積。作為實例，如果硅氮化物沉積于等離子體增強化學沉積系統(tǒng)中，并且如果調(diào)整該系統(tǒng)的操作參數(shù)(諸如，例如壓力、溫度、等離子體電源、RF設(shè)置或兩種元素的氣流速率)，那么Si對N的比率可變化(例如，從嚴格的3:4比率變化)。這可例如用于誘導應力層中的固有應力。
[0052]在圖1的實施例中，應力層17布置在膜14的背離基底的側(cè)面上(在圖1中膜的頂部上)。因此，為了提供塌陷狀態(tài)，應力值應為負的，因而是壓縮應力。換句話說，圖1的應力層17具有預定量的壓縮應力。然而，將理解的是，應力層或者也可布置在膜的面向基底的側(cè)面上。于是，為了提供塌陷狀態(tài)，應力值應為正的，因而是拉伸應力。在這種情況下，應力層具有預定量的拉伸應力。
[0053]應力值也取決于幾何形狀，特別是膜的厚度t、膜的直徑(或半徑)，和/或腔室20的高度h2(l(或也稱為間隙值g)，因而所需的偏轉(zhuǎn)的量。應力值特別地選擇，以使得偏轉(zhuǎn)的幅度超出腔室20的(最大)高度h2(l使得膜14塌陷至基底12。僅作為實例，應力值可約為100兆帕斯卡(Mpa)的數(shù)倍。上文所引用的金屬可例如調(diào)節(jié)至最多l(xiāng)OOOMpa。特別地，膜14(和其電極18)的塌陷壓力Pc(參見上式)可大于I巴，或5巴，或甚至10巴。
[0054]膜14(包括其電極18)的層、覆蓋層40和此外圖1的實施例中的應力層17移動或振動。這些層確定膜或振動元件的總體剛度。總體剛度連同膜直徑和間隙高度h2(l是換能器的性能的重要因素(例如，共振頻率和電氣(塌陷)電壓)。
[0055]相比于圖1的第一實施例，圖2的第二實施例的所述單元在制造的成品單元10中并不包括應力層。然而，將理解的是，這種應力層可臨時存在，因而僅存在于制造過程中并且不存在于最終廣品中。
[0056]圖2的第二實施例是優(yōu)選的實施例。這將在下文中進行解釋。在金屬用作應力層17時，應力值由于熱膨脹系數(shù)的差異也與溫度相關(guān)。如果應力層17將保持在成品單元10或最終產(chǎn)品中，那么將導致所述單元(特別地cMUT)的與溫度相關(guān)的特性，這可引起例如塌陷電壓的熱漂移。為此，應力層17在圖2的優(yōu)選第二實施例中移除。如果為了聲學原因而需要額外的金屬層(以改善膜的聲學阻抗)，那么其必須添加為覆蓋整個膜的最后層?，F(xiàn)在，熱漂移預期小很多(其在理論上將精確為零，因為無力矩)。
[0057]在另一個實施例(未示出)中，僅應力層17的一部分(或殘余物)可存在于成品單元10或最終產(chǎn)品中。在這種情況下，應力層17在制造過程中被移除合理的量，但是應力層17的殘余物，特別地在所述單元的中心，是存在的(或至少可能是可見的)。
[0058]圖1中所示的第一實施例或圖2中所示的第二實施例的單元10還包括布置在膜14的孔15中的塞子30。塞子30僅位于由膜14覆蓋的總膜區(qū)域A總的子區(qū)域中?？偰^(qū)域A總由膜14(或腔室20)的直徑2*R14限定。塞子30接觸或被固定至基底12。塞子30是靜止的(非可移動的)。塞子30的高度和/或?qū)挾瓤纱_定塞子的強度。僅作為實例，可能需要約I μ m的最小高度。塞子30可特別地由氮化物制成。在另一個實例中，塞子30由二氧化硅或氮化物和二氧化硅的組合制成。然而，任何其他合適的材料是可能的。
[0059]在圖1的第一實施例或圖2的第二實施例中，塞子30具有“蘑菇狀”形狀。因此，塞子30包括布置在(且接觸或固定于)基底12上的莖部30a和布置在(且接觸或固定于)膜的邊緣部分14a上的頭部30b。子區(qū)域(塞子30位于其中)小于由環(huán)形(或環(huán)狀)第二電極18的孔所限定的區(qū)域。換句話說，塞子(在子區(qū)域A + 中)處于第二電極18的電極環(huán)的孔內(nèi)部。這是因為塞子30為靜止的(非可移動的)并且第二電極18應位于膜14的可移動區(qū)域中。如果第二電極18位于非可移動區(qū)域(例如，塞子30位于其中的子區(qū)域八〒)中，那么這將有損所述單元的換能性能。因此，如此，第二電極18位于膜14的可移動區(qū)域中并且不位于非可移動區(qū)域中，使得所述單元的良好換能性能得以保持。
[0060]塞子30位于或僅覆蓋總膜區(qū)域的子區(qū)域，并且因此其并非位于或覆蓋整個總膜區(qū)域(且可能延伸超過總膜區(qū)域)的保持層。與塞子30相反，這種保持層有些類似于彈簧，因為其將把膜保持至表面，但是如果您在向上方向上(遠離基底)在膜上施加足夠強的力(例如，拉)，那么膜仍將移動。該過程將為可逆的。人們可想象，例如在環(huán)境壓力(I巴)下，這種保持層將足夠強以保持膜，但在真空中，膜可被釋放。與之相反，塞子30真實地將膜固定(或釘牢)至基底表面。釋放膜的唯一方式將是破壞塞子30。
[0061]如果在圖2的第二實施例的情況下，如上文所解釋，應力層17臨時地存在(僅制造過程中)，那么塞子30可包括通過移除應力層17而形成的凹部。該凹部是塞子30 (特別地由氮化物制成)中的通過移除應力層17而產(chǎn)生的具有一種懸垂結(jié)構(gòu)的形式的特征圖案。
[0062]圖1中所示的第一實施例或圖2中所示的第二實施例的單元10還包括布置在膜14(或應力層17)上和塞子30上的覆蓋層40。覆蓋層40也為可移動的或柔性的，以能夠與膜14 一起移動或振動。然而，將理解的是，這樣的覆蓋層是任選的。在cMUT單元的情況下，覆蓋層40提供了單元10，或更具體地所述單元的或膜的厚度，與所述單元的特定共振頻率的匹配。在壓力傳感器單元的情況下，覆蓋層40提供了與操作范圍的匹配。還任選地，可施加額外的層或涂層，諸如，例如聚對二甲苯C或聲學透鏡材料(例如，硅)的涂層。
[0063]圖4示出了根據(jù)一個實施例，特別地上文所解釋的第一實施例或第二實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元10的一組(蝕刻)掩模(或包括(蝕刻)掩模或刻線布局的多個層)的頂視圖。如圖4中可見，單元10為圓形單元。于是膜14為環(huán)形膜。因此，總膜區(qū)域A自為圓形區(qū)域并且由膜14的(外)直徑2*R14限定(或限制)。最大直徑2*1?3(|的塞子30(圖4中未示出)將布置在膜14的孔15 (具有直徑2*R15)中，塞子30僅位于總膜區(qū)域A,6的子區(qū)域嶼(圖4中由虛線表示)中。任選地，如圖4所示，除了中心孔15之外，一些蝕刻孔50(圖4中三個蝕刻孔50)可存在于膜14的邊沿。
[0064]在圖4中，環(huán)形第二電極18的所述孔具有2*R18的直徑，或也稱為第二電極18的內(nèi)徑。在圖4中所示的實例中，第二電極18的外徑延伸超過總膜區(qū)域換句話說，在該實例中，第二電極18的外徑大于膜14的外徑。然而，將理解的是，第二電極18的外徑可小于膜14的外徑(或在總膜區(qū)域<6內(nèi))，如例如圖1或圖2的實施例中所示。
[0065]在圖4中，在中間單元10周圍示出多個(四個)額外的單元。這些單元可形成單元或換能器元件的陣列。中間單元10 (或其電極)通過電連接件60電連接至其他單元。
[0066]在圓形單元的情況下，現(xiàn)返回參考圖1或圖2，第二電極18為環(huán)形電極。于是腔室20為環(huán)形腔室。在這種圓形單元的情況下，那么應力層17也為環(huán)形層。在這種情況下，如圖1中可見，應力層17的外半徑R?？纱笥谀?4或總膜區(qū)域A,6的半徑R14。因此，如之前所述，應力層17可延伸超過總膜區(qū)域或者，應力層17的外半徑R。在理論上也可小于半徑R14,只要提供必需的彎曲力矩。另外，在這種情況下，如圖1中可見，應力層17的內(nèi)半徑Ri可大于膜14的孔15的半徑R15。因此，如之前所述，應力層17的孔19 (具有直徑2*?)可大于膜14的孔15 (具有直徑2*R15)。
[0067]在這種圓形單元的情況下，于是塞子30是圓形塞子30。塞子30小于環(huán)形第二電極18的所述孔(具有直徑2*R18)。換句話說，如圖1或圖2中可見，圓形塞子的半徑R3tl小于環(huán)形第二電極18的所述孔的半徑R18 (或第二電極18的內(nèi)半徑R18)。因此，如之前所述，子區(qū)域(塞子30位于其中)小于由環(huán)形第二電極18的所述孔限定的區(qū)域。為圓形單元的所述單元的形狀是有利的。然而，將理解的是，任何其他合適的單元形狀是可能的。
[0068]圖3a至圖3i各自示出了制造根據(jù)第一實施例或第二實施例的塌陷電容式微加工換能器單元10的方法的不同制造步驟。結(jié)合圖1、圖2和圖4做出的解釋也適用于圖3中所示的方法，反之亦然。[0069]在圖3a中所示的初始步驟中，首先提供基底12，其中第一電極16存在于基底之中或之上。然后，將膜14(覆蓋總膜區(qū)域A,6)提供于基底12上。如上文所述，膜14包括具有嵌入其中或之間的第二電極18的兩個層(例如，ONO層或ON層或O層或N層或其組合)。如圖3a中可見，在該實例中，具有厚度h2(l的犧牲層21提供于基底12上。在移除犧牲層21 (例如，干蝕刻或濕蝕刻)時，犧牲層12將用于形成腔室20。膜14提供于犧牲層21上。然而,將理解的是,可使用提供腔室20的任何其他合適方式。
[0070]在另一個步驟中，如圖3b所示，應力層17提供或形成(例如，貼敷或沉積)于膜14上，應力層17相對于膜14具有預定應力值，如上文結(jié)合第一實施例所解釋。圖3b中所示的應力層17具有良好限定的內(nèi)半徑Ri和外半徑R。。優(yōu)選地，應力層17的外徑2*R。超出膜14的直徑2*R14?；蛘?應力層17的外徑2*R。在理論上也可小于直徑2*R14。目標是誘導彎曲力矩，該彎曲力矩足夠大以便一旦釋放膜14就使膜14彎曲至基底12或腔室20的底部。
[0071]然后，參考圖3c，膜14通過在膜14中提供(例如，蝕刻)孔15而釋放。在利用犧牲層21的實例的情況下，膜14通過提供孔15和通過執(zhí)行犧牲層21的犧牲蝕刻而釋放。在提供孔15之后，膜14于是包括圍繞孔15的邊緣部分14a。膜14的邊緣部分14a然后塌陷至基底12 (或腔室20的底部)。更具體地，當在膜14中提供孔15之時或之后，膜14的邊緣部分14a塌陷至基底12。這是由于這一事實:應力層17在膜14上在朝向基底12的方向上提供了彎曲力矩，如上文所述。膜14現(xiàn)在接觸基底12 (或腔室20的底部)。
[0072]在該實例中，具有高度h2(l的腔室20通過移除(例如，蝕刻)犧牲層21而形成于膜14和基底12之間。在本文中，這在當在膜14中提供孔15時的步驟中或當提供孔15時的步驟之后的步驟中進行。特別地，在第一蝕刻步驟中，可在膜14中提供孔15，并且在后續(xù)蝕刻步驟中，可移除犧牲層21。因此，孔15也起作用為蝕刻孔。任選地，額外蝕刻孔可存在于膜的邊沿，諸如，例如圖4中的蝕刻孔50。
[0073]圖3d和圖3e中示出的步驟用于提供布置在膜14的孔15中的塞子30，如上文所解釋。塞子30僅位于總膜區(qū)域A自的子區(qū)域中。首先，參考圖3d，將額外層29 (例如，由氮化物制成)提供于至少總膜區(qū)域A,6 (全部的總膜區(qū)域A,6)中的膜14上。在圖3d中，額外層29延伸超過總膜區(qū)域A自。額外層29將腔室20從其周圍密封并且將膜14永久性地固定至基底12 (腔室20的底部)。此外，蝕刻孔50可由額外層29封閉?，F(xiàn)在，所述單元不受外部污染。
[0074]為了提供塞子，參考圖3e，移除額外層29，位于子區(qū)域中的層部分除外。如此，提供了塞子30 (例如，由氮化物制成)。因此，額外層29被圖案化而且僅存在于子區(qū)域
中，子區(qū)域At處于膜14的中心。特別地，塞子30的高度可為額外層29 (例如，由氮化物制成)的高度。膜14現(xiàn)在通過塞子30永久性地固定至基底12 (或腔室20的底部)。
[0075]僅作為具體實例，如果額外層29 (或塞子層)由氮化物制成，那么額外層29的沉積典型地處于300°C至400°C。因此，應力為處于所述溫度(并且非室溫)下的應力值。在這種具體實例中，鎢作為應力層材料是個良好的選擇。
[0076]到此為止，根據(jù)圖1中所示的第一實施例和圖2中所示的第二實施例的所述單元的制造是等同的。現(xiàn)在，將描述圖2的第二實施例的其他制造步驟。圖3f和圖3g各自示出了制造根據(jù)第二實施例的預塌陷電容式微加工換能器單元的方法的制造步驟。所述方法包括移除應力層17的步驟，如圖3f所示。這例如可通過針對膜14 (例如，ONO層)進行選擇性蝕刻來執(zhí)行。膜14無法向后翻轉(zhuǎn)，因為它通過塞子30 (例如，由氮化物制成)永久性地固定至基底12或腔室20的底部。在圖3f中，移除整個應力層17。然而，將理解的是，也可僅移除應力層的主要部分(例如，僅留下應力層的一些殘余物)。僅作為實例，濕蝕刻工藝(各向同性)可移除全部的應力層(例如，由金屬制成)。作為另一個實例，干蝕刻工藝(定向或各向異性)可僅移除應力層的主要部分并留下殘余物(特別是塞子30的凹部中的殘余物)。
[0077]任選地，參照圖3g，覆蓋層40可提供或布置于膜14和塞子30 (例如，利用N沉積)上。這樣的覆蓋層40提供了單元10，或更具體地所述單元的或膜的厚度與所述單元的特定共振頻率的匹配。
[0078]還任選地，可執(zhí)行多個額外處理步驟。僅作為實例，可提供單元10至電源(例如，用于偏置和射頻的供電)的電連接和單元陣列的不同單元之間的電連接。僅作為實例，可從接合焊盤(bondpad)移除一些層(例如，氮化物層)以產(chǎn)生對電極的傳導路徑。此外，作為另一個實例，可施加用于電絕緣的保護層或涂層(例如，聚對二甲苯C)。
[0079]從技術(shù)上看，本發(fā)明的預塌陷電容式微加工換能器單元(特別地，cMUT)可在原理上以與傳統(tǒng)“未塌陷”電容式微加工換能器單元(特別地，cMUT)(其例如在W02010/032156中詳細地描述，該專利以引用的方式并入本文)相同或類似的方式制造。這具有例如CMOS兼容性的優(yōu)點，以使得cMUT可結(jié)合ASIC，特別是所謂的微波束成形器(micro beamformer)。
[0080]本發(fā)明還可基于下述實施例進行描述:
[0081]在一個實施例中，所述單元或cMUT單元包括具有嵌入的環(huán)形電極的膜。堆疊涉及用于電極的鋁、用于膜的ONO和氮化物，如例如W02010/032156中詳細地描述。
[0082]在另一個實施例中，臨時圖案化的應力層的沉積隨后是犧牲蝕刻。在釋放膜時，應力層引起迫使膜塌陷的彎曲力矩。
[0083]在另一個實施例中，氮化物層用于將膜永久性地固定至腔室的底部:所述單元或cMUT單元現(xiàn)為預塌陷的。該氮化物層被圖案化并且很大部分被移除，從而僅留下氮化物的中心塞子或鉚釘。
[0084]在又一個實施例中，臨時圖案化的應力層完全地移除(優(yōu)選的實施例)。[0085]在另一個實施例中，預塌陷單元或cMUT單元由成品氮化物層完成?，F(xiàn)在，膜厚度匹配所需特性，諸如共振頻率。
[0086]本發(fā)明可適用于任何cMUT應用，特別是涉及超聲的那些，但原則上也適用于任何其他預塌陷電容式微加工換能器，諸如，例如壓力傳感器或壓力換能器。在應用至壓力傳感器的情況下，以靈敏度為代價改善了線性。
[0087]電容式微加工壓力傳感器或換能器測量電極之間的電容值。對于間隔開距離d并具有面積A的兩個平坦電極，電容值C為C = e*A/d?Ι/d。為簡單起見,本式省略了電極之間的介電絕緣層的存在。
[0088]在一個實例中，壓力傳感器通過電子手段可為電子震蕩器電路的一部分，振蕩器頻率f為f = 1/(R*C)?d，其中R為一些外部電阻器的電阻。在這種情況下，壓力傳感器輸出為電子電路的頻率并且為距離d的直線距離。應注意，該頻率與膜的機械共振頻率無關(guān)。因此，隨著壓力增加，兩個板朝向彼此移動，電容值增加并且頻率下降。壓力P引起膜向下移動h量，h量可寫為h = P*r4/(64D)，其中r為膜的半徑，并且D為常數(shù)?，F(xiàn)在，電極之間的距離d為d = g - h，因為間隙g已經(jīng)減少h量，或f?(g_h)/R。因此，壓力與頻率為近似線性的，直至膜塌陷。然而，實際上，電極或膜的形狀不是平坦的。膜進行彎曲，從而發(fā)生電極距離的變化。因此如果電極很小，以必須測量小電容值的代價來獲得最佳線性。在實踐中，與膜半徑相比具有50%半徑的電極已為相當線性的。
[0089]在本文中，已描述了測量電容值的一個實例。然而，將理解的是，電容值也可以任何其他合適的方式進行測量。
[0090]雖然本發(fā)明已在附圖和前述說明書中詳細地說明和描述，但是該說明和描述應視為說明性或示例性的并且非限制性的；本發(fā)明不限于所公開的實施例。本領(lǐng)域的技術(shù)人員在實踐所要求保護的發(fā)明過程中根據(jù)對附圖、公開內(nèi)容和所附權(quán)利要求書的研究可理解并實現(xiàn)所公開實施例的其他變型。
[0091]在權(quán)利要求書中，詞語“包括”并不排除其他元件或步驟，并且不定冠詞“一個”或“一種”并不排除復數(shù)。單個元件或其他單元可實現(xiàn)權(quán)利要求書中所記載的一些項目的功能。某些措施在相互不同的從屬權(quán)利要求中記載，這一事實并不表示這些措施的組合不能有利地使用。
[0092]權(quán)利要求書中的任何附圖標記不應解釋為限制范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種預塌陷電容式微加工換能器單元(10)，包括: -基底(12)， -膜(14)，所述膜(14)覆蓋總膜區(qū)域(A,6)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間，所述膜包括孔(15)和圍繞所述孔(15)的邊緣部分(14a)， -在所述膜(14)上的應力層(17)的至少一部分，所述應力層(17)相對于所述膜(14)具有預定應力值，所述應力層(17)適于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供彎曲力矩，以使得所述膜(14)的所述邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，所述應力層(17)延伸超過所述總膜區(qū)域(Ag)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述應力層(17)包括孔(19)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的單元，其中所述應力層(17)的所述孔(19)大于所述膜(14)的所述孔(15)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述應力層(17)由金屬或金屬合金制成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述應力層(17)由從包括鎢(W)、鈦鎢(TiW)、鑰(Mo)和鑰鉻(MoCr)的組中選擇的至少一種材料制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述膜(14)的塌陷壓力(Pc)大于I巴，特別地大于5巴或10巴。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述膜(14)的直徑小于150μπι。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括布置在所述膜(14)的所述孔(15)中的塞子(30)，所述塞子(30)僅位于由所述膜(14)覆蓋的所述總膜區(qū)域(Α,6)的子區(qū)域(Α〒)中。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括布置在所述膜(14)和/或所述塞子(30)上的覆蓋層(40)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括在所述基底(12)之上或之中的第一電極(16)和/或在所述膜(14)之上或之中的第二電極(18)。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述單元為用于發(fā)射和/或接收超聲波的電容式微加工超聲換能器(cMUT)單元。
13.—種制造預塌陷電容式微加工換能器單元(10)的方法，所述方法包括如下步驟: -提供基底(12)， -提供覆蓋總膜區(qū)域(A,6)的膜(14)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間， -在所述膜(14)上提供應力層(17)，所述應力層(17)相對于所述膜(14)具有預定應力值， -在所述膜(14)中提供孔(15)，以使得所述膜(14)包括圍繞所述孔(15)的邊緣部分(14a), 所述應力層(17)適于在所述膜(14)上在朝向所述基底(12)的方向上提供彎曲力矩，以使得所述膜(14)的所述邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中當提供在所述膜(14)中的所述孔(15)時，所述膜(14)的所述邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12)。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括移除所述應力層(17)。
【文檔編號】B06B1/02GK103917304SQ201280053001
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年10月26日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月28日
【發(fā)明者】P·迪克森, R·德克爾, V·A·亨內(nèi)肯, A·萊韋斯泰因, B·馬賽利斯, J·D·弗雷澤 申請人:皇家飛利浦有限公司