微機電裝置的製造方法

2024-01-24 00:47:15

專利名稱：微機電裝置的製造方法
技術領域：
本申請涉及微電子製造，尤其涉及諸如具有用於能量轉換的可移動機械部件 的微加工超聲換能器(MUT)之類的微機電裝置的製造方法。
背景技術：
微機電系統(MEMS)是通過微製造技術在共用襯底(一般是矽襯底)上的機械元 件、傳感器、執行器和電子裝置的集成。MEMS希望將基於矽的微電子與微加工 技術結合起來，使實現在一個晶片上的完整系統成為可能。利用發展良好且高效的 半導體製造技術製造微傳感器和微執行器的前景是關於MEMS的有力的主題。
MEMS裝置一般具有集成在一起的兩個主要組件。第一組件是利用通常的集 成電路(IC)工藝(例如，CMOS、雙極或BICOMS工藝)製造的電子器件，而第二組 件是利用兼容的微加工工藝製造的微機械部件。微加工指的是利用選擇性加手段 (沉積、接合、注入等)和減手段(化學蝕刻、等離子體蝕刻、雷射燒蝕、離子銑削) 製造顯微結構的製造工藝。當與圖案化手段結合時，可用的加手段和減手段使微加工成為形成令人興奮的新的微器件的強大的方法。
MEMS裝置的一個例子是微加工超聲換能器(MUT)。超聲換能器執行一系列
的能量轉換以實現其換能器的功能。在其接收模式中，在放置了換能器的介質中傳 播的超聲波的聲能被轉換成換能器中的可移動部件(通常是振動膜)的機械能。然後 可移動部件的運動被轉換成可檢測的電磁(通常是電)信號。在其發射器模式中，發 生反向的能量轉換過程。
已經開發了用於發射和接收超聲波的各種類型的超聲換能器。超聲換能器可 在各種介質中工作，包括液體、固體和氣體。這些換能器通常用於診斷和治療的醫 學成像、生物化學成像、材料的非破壞性檢測、聲納、通信、貼近式傳感器、氣流 測量、現場過程監視、聲學顯微鏡、水下傳感和成像以及許多其它方面。除分立的 超聲換能器外，還開發了包含多個換能器的超聲換能器陣列。例如，開發了用於成 像應用的二維陣列超聲換能器。
與廣泛使用的壓電(PZT)超聲換能器相比，MUT在裝置製造方法、帶寬和工 作溫度方面具有優勢。例如，製造常規的PZT換能器陣列包括切割和連接各個的 壓電元件。該工藝充滿了困難和高花費，更不用說由這些元件造成的對發射/接收 電子裝置的大的輸入阻抗失配問題。在比較中，在製造MUT中使用的微加工技術 更加勝任製造這種陣列。在性能方面，MUT證明了可與PZT換能器的動態性能相 比較的動態性能。由於這些原因，MUT正在成為壓電(PZT)超聲換能器的引人注目 的替換對象。
在幾種類型的MUT中，廣泛使用電容式微加工超聲換能器(cMUT)，它採用 靜電換能器。還採用利用壓電換能器(pMUT)和磁換能器(mMUT)的其它MUT。


圖1示出了具有多個單元的現有技術cMUT的基本結構的橫截面圖。示出了 四個單元。cMUT構造在襯底10上，並具有平行板電容器，該平行板電容器由剛 性底電極12和位於柔性膜16上或其中並用於在相鄰介質中發射或接收聲波的頂電 極14組成。每一個單元中的柔性膜16由絕緣壁或柱18支承。實際上，cMUT由 很多並聯連接的單元形成。將DC偏壓施加在電極12和14之間，以使膜16偏轉 到用於cMUT工作的最優位置，通常以使靈敏度和帶寬最大化為目標。在發射期 間，將AC信號施加到換能器。頂電極和底電極之間的交替的靜電力激勵膜16， 以便將聲能傳遞到cMUT周圍的介質(未示出)中。在接收期間，發射過來的聲波振 動膜16，因此改變了兩電極之間的電容。電子電路檢測該電容變化。或者可利用 壓電換能器(pMUT)和磁換能器(mMUT)激勵膜並檢測膜的位移。已經開發了用於製造圖1所示的cMUT的製造方法。在美國專利第6,632,178 號和6， 958， 255號中公開了示例性方法。
在現有技術的結構和方法的cMUT中存在缺點。這些缺點中的很多涉及這樣 的事實，即cMUT元件由很多單獨的單元形成，並且cMUT膜在其邊緣上夾緊或 固定。以下列出了缺點的例子。
(1) 由於夾緊邊緣，膜的平均位移小。結果裝置的發射和接收性能都差。
(2) 由夾緊區域(例如邊緣)和壁或柱佔用的表面面積不活動，因此降低了裝置的 填充因數和總效率。
(3) 錨固區域引入寄生電容，這降低了裝置的靈敏度。
(4) cMUT元件的表面內的錨固圖案可導致超聲波幹涉，這限制了裝置帶寬。
(5) 膜的不一致的位移可擾亂超聲波圖案。例如，不一致的位移可影響從換能 器表面發射的超聲束圖案並還導致通過換能器表面的聲交叉耦合。
(6) 由於工藝偏差同一 cMUT元件中的各個單元的諧振頻率可能互不相同。這 導致工作期間同一 cMUT元件中不同單元之間膜運動的相位差。結果，cMUT元 件的平均位移的和將顯著劣化。該問題劣化了裝置的性能，尤其是在cMUT在高 品質因數(Q-因數)條件下工作時，例如在空氣中。
(7) 聲能可通過支承壁耦合到換能器襯底並導致諸如cMUT元件之間的聲交叉 耦合之類的不希望的效果。通過引入具有期望聲音特性的材料降低穿過襯底的交叉 耦合的工作需要佔用元件之間額外的空間。
以上的問題也存在於現有技術的pMUT和mMUT中因為它們具有與如圖1所 示cMUT相似的結構。
在美國專利第7,030,536號中公開了用於製造具有構造在襯底上的柔性的 (compliant)支承結構以支承膜的cMUT裝置的另一種製造方法。與圖1中所示的常 規的cMUT結構相比，美國專利第7,030,536號中公開的結構利用柔性支承結構來 代替常規的絕緣壁18,用於固定膜16的周邊端。因為相對複雜的柔性支承結構代 替了圖1中的簡單且窄的絕緣壁18以成為支承周邊，所以製造由根據該設計的這 些周邊支承結構佔據的不活動的區域存在更高的挑戰。該專利還建議在柔性支承結 構上製造補充電極以減小由柔性支承結構佔據的不活動的面積。然而，沒有跡象表 明這一設計可解決以上發現的問題，甚至根本不管它是否起作用。
一般而言，上述的MUT屬於具有用於能量轉換的可移動機械部件的一種類型 的MEMS裝置。這一可移動部件的製造及其與MEMS製造的其它方面的集成提出了挑戰。由於這些諸如MUT之類的MEMS裝置的重要性，期望在性能、功能性 和可製造性方面改進技術。

發明內容
本申請公開了一種用於各種應用的具有可移動機械部件以轉換能量的微機 電裝置的製造方法。該方法形成具有襯底晶片、中間彈性層和頂板層的多層結 構。在襯底晶片的頂部或中間彈性層的底部形成空腔。在中間彈性層的頂部或頂 板層的底部上形成連接器。將襯底晶片、中間彈性層和頂板以該順序接合起來。在 接合這些層之後，連接器從中間彈性層直立以在頂板層和中間彈性層之間限定換能 空間。連接器在水平方向上離開空腔的側壁足夠的長度以限定錨固在側壁處的懸 臂。懸臂和空腔允許連接器的垂直位移，連接器以類似於活塞的運動移動頂部晶片， 以改變換能空間。
在一個實施例中，中間彈性層錨固在空腔的兩個相對側壁處以覆蓋空腔。中 間彈性層上的連接器位於空氣上，並離開兩個相對側壁以形成可視為頭對頭雙 懸臂的橋。在更有效的構造中，由中間彈性層形成區域或平面彈簧(二維"懸 臂")，而不是類似於梁的一位懸臂。
該方法利用晶片接合技術、表面微加工犧牲層技術來實現與半導體製造工 藝的多功能且高水平的集成。可利用該方法製造具有用於轉換能量的可移動機 械部件的寬範圍的微機電裝置。這些裝置包括但不限於諸如電容式微加工超聲 換能器(cMUT)、壓電微加工超聲換能器(pMUT)和磁微加工超聲換能器(mMUT)之 類的微加工超聲換能器(MUT)。這些方法尤其適用於製造獨特的"嵌入式彈簧" 設計的微機電裝置，獨特的"嵌入式彈簧"設計是由共同申請人在同一日期提 交的本文確認的幾篇專利申請的主題。
根據本發明的製造方法的第一實施例，利用以下步驟製造微機電裝置(1) 提供襯底晶片、中間彈性層和頂板層；(2)在襯底晶片的前側面上或中間彈性層 的底側面上形成至少一個空腔，其中每一個空腔具有至少一個含有頂面的側壁；(3) 在中間彈性層的頂側面或頂板層的底側面上形成至少一個期望高度的連接器；(4) 在頂板層上形成或實現換能構件；以及(5)接合襯底晶片、中間彈性層和頂板層使 得所述頂板層的底側面面向中間彈性層的頂側面而中間彈性層的底側面面向襯底 的前側面。
在接合後，連接器從中間彈性層直立以在頂板層和側壁的頂面之間限定換能空間，並且連接器在水平方向上離開空腔的側壁足夠的長度，以限定錨固在側壁處 並具有在連接器處的施力端的懸臂。懸臂和空腔允許連接器的垂直位移，以便以類 似於活塞的運動基本垂直地移動頂板層，以改變換能空間並激活換能構件。
形成空腔或連接器的步驟可利用各種技術來完成，諸如通過根據期望的圖 案直接去除或添加材料、通過引入隨後去除犧牲層或這兩種技術的結合。
接合襯底晶片、中間彈性層和頂板的步驟可以各種組合和順序來完成，只 要最後的結構具有底部的襯底晶片、中間的中間彈性層和頂部的頂板即可。例 如，將中間彈性層首先放置在襯底晶片的頂部以覆蓋第一空腔；然後在中間彈 性層與襯底晶片接合後在中間彈性層的頂側面上形成連接器；以及在具有形成 於其上的連接器的中間彈性層與襯底晶片接合後將頂板層放置在連接器上。或 者，首先在頂板的底側面上形成連接器，然後將中間彈性層放置在連接器上， 最後將頂板和中間彈性層放置在襯底晶片的頂部以覆蓋第一空腔。
可在微機電裝置中形成換能構件以通過頂板的垂直移動或換能空間的改 變來實現能量轉換。在微加工超聲換能器的情況下，超聲換能構件可在頂板、 中間彈性層和襯底晶片的至少一個上形成。例如，對於電容式微加工超聲換能 器(cMUT)，在頂板之中或之上構造頂電極，並在中間彈性層或襯底晶片之中或 之上構造底電極。在一個具體的實施例中，襯底晶片是導電的並用作內置底電 極。
一般而言，中間彈性層期望的是彈性薄膜而頂板比中間彈性層剛硬得多。 層接合、形成空腔和形成連接器的具體的步驟可利用各種技術及其很多組 合來完成。例如，利用絕緣體上的矽(SOI)的晶片接合技術可用於接合將各層 接合在一起，並在與蝕刻和微加工技術結合使用時還用於將薄層從一個晶片轉 移到另一個。也可在諸方法中結合其它技術使用犧牲層技術。
該方法一般用於在同一晶片上形成多個裝置元件。每一個裝置元件自身可 具有多個連接器和懸臂。根據本發明的一個方面，利用同一晶片形成多個懸臂 和多個連接器。該連接器設置在晶片上的不同位置。可用各種分布圖案實現特 殊或優化的效果。
根據這些方法的一個方面，至少穿過頂板形成分隔溝槽以將多個微機電元 件互相分隔。每一個元件具有至少一個懸臂，更佳的是具有至少一個橋形雙懸 臂或平面彈簧。
這些方法的其它方面涉及多個微機電元件的互連、元件之間的溝槽密封以及元件的電接口焊盤上的寄生電容的減小。在一個示例性實施例中，每一個元 件電連接到元件間的連接錨。連接錨期望的是分隔的並且不受懸臂和頂板的運 動影響。在一個實施例中，多個元件排列成具有其間最小間隔的陣列，每一個 元件電連接到位於由至少兩個相鄰元件共用的拐角或邊緣的元件間的連接錨。 各種互連方案可用於不同的元件尋址目的。可在接合襯底晶片、中間彈性層和 頂板之前或之後利用密封材料進行元件之間的密封。
根據本發明的一個方面，襯底晶片是導電晶片，該方法還包括在將襯底晶 片接合到頂板之前進行的以下的步驟，以通過增加互連焊盤下的絕緣體的厚度 來減小互連焊盤的寄生電容(l)在襯底晶片上形成絕緣空腔，其中圖案化空 腔具有期望的總厚度並位於適於形成用於所製造的微機電裝置的附近的微機電元 件的互連焊盤的位置；(2)用介電材料填充絕緣空腔以形成厚度與圖案化空腔的總 厚度相同的嵌入式絕緣體；以及(3)在嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
根據本發明的另一個方面，在將襯底晶片接合到頂板之前進行的以下的步 驟，以通過增加互連焊盤下的絕緣體的厚度來減小互連焊盤的寄生電容(1) 在襯底晶片上形成圖案化空腔，其中圖案化空腔具有插入了襯底的未去除的本體材 料的實線的窄通道，並且圖案化空腔具有期望的總厚度並位於適於形成用於所製造
的微機電裝置的附近的微機電元件的互連焊盤的位置；(2)將圖案化空腔中的未去
除的本體材料的實線氧化以形成厚度與圖案化空腔的總厚度相同的嵌入式絕緣體； 以及(3)在嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
可類似地將以上方法應用到頂板而不是襯底晶片，根據該減小互連焊盤的寄 生電容的替換的方法，圖案化空腔形成於頂板上，以便以類似於在襯底晶片上形 成厚的嵌入式絕緣體的方式在頂板中形成厚的嵌入式絕緣體。
根據第二種實施例的製造方法，利用以下步驟製造微機電裝置(l)提供具有 前側面和背側面的襯底晶片；(2)在襯底晶片的前側面上沉積第一犧牲層；(3)圖案 化第一犧牲層以形成第一臨時空腔；(4)在第一犧牲層上沉積第一薄膜材料以填充 第一臨時空腔並進一步形成覆蓋第一犧牲層的頂面的膜層，其中膜層具有用於通向 下面的第一犧牲層的至少一個孔；(5)在膜層的頂部沉積第二犧牲層；(6)圖案化第 二犧牲層以形成第二臨時空腔；(7)沉積第二薄膜材料以至少填充第二臨時空腔；(8) 去除第一犧牲層和第二犧牲層以在襯底晶片的頂部形成第一空腔並在膜層的頂部 形成第二空腔；以及(9)將頂板放置在膜層上。
以上的工藝得到了類似於通過方法的第一實施例形成的結構。該結構具有錨固在側壁上的懸臂，以允許膜層上的連接器的垂直位移，膜層等價於方法的 第一實施例的中間彈性層。該結構還在頂板和側壁的頂面之間具有換能空間， 由此連接器的垂直位移以類似於活塞的運動基本垂直地移動頂板，從而改變換 能空間。還可結合根據本發明的製造方法的第二實施例來應用方法的其它方 面，諸如形成多空腔、多連接器、多懸臂、多元件、溝槽分隔、溝槽密封和減 小寄生電容的。
從以下參考附圖詳細描述的幾個實施例將更清楚上述和其它的特徵和優點。
附圖描述
圖1示出具有多個單元的現有技術cMUT的基本結構的橫截面圖。
圖2A是示出一個完整的cMUT元件和相鄰的cMUT元件一些部分的橫截面圖。
圖2B是完整的cMUT元件的所選的cMUT部分的放大圖。
圖3.1-3.9示出利用晶片接合技術的製造方法的例子。
圖4.1-4.9示出利用晶片接合技術的製造方法的第二例子。
圖5.1-5.9示出利用晶片接合技術的製造方法的第三例子。
圖6.1-6.12示出利用犧牲技術的製造方法的例子。
圖7.1-7.11示出將晶片接合技術和犧牲技術結合的示例性製造方法。
圖8.1-8.3示出利用晶片接合技術分隔cMUT元件的底電極的工藝步驟。
圖9.1-9.2示出將薄導電層用作底電極的分隔cMUT元件的底電極的工藝步驟。
圖IOA和10B示出換能元件和連接深蝕之間的電連接的例子。 圖IIA和IIB示出換能元件之間的互連的例子。
圖12.1-12.4示出用於在製造微機電裝置的主要製造工藝後用於製造連接或互 連的工藝的例子。
圖13.1-13.12示出在正常的裝置製造工藝中結合溝槽密封工藝的製造方法的 例子。
圖14.1-14.6示出在正常的裝置工藝後結合溝槽密封工藝的製造方法的例子。
圖15.1-15.4示出具有包括在附圖中的通孔的相同的工藝。
圖16.1-16.4示出利用具有期望性質的材料密封溝槽的另一種方法。圖17.1-17.4示出利用晶片接合技術將期望的膜從處理晶片轉移到cMUT的方法。
圖18.1-18.2示出在cMUT元件之間溝槽中具有柱的cMUT結構及密封這一溝 槽的工藝。
圖19.1-19.6示出通過在圖案化空腔中形成厚的絕緣體來減小互連焊盤的寄生 電容的方法的例子。
圖20.1-20.4示出通過在圖案化空腔中形成厚的絕緣體來減小互連焊盤的寄生 電容的方法的另一個例子。
圖21示出以自對準懸臂為特徵的cMUT結構的橫截面圖。
圖22.1-22.16包括圖22.14A-22.14D和圖22.5a-22.5b示出用於製造具有自對 準特徵部的cMUT結構的晶片接合工藝。
圖23.1-23.7示出用於製造具有自對準特徵部的cMUT結構的表面微加工工藝。
詳細描述
將結合附圖詳細描述本發明的諸如電容式微加工超聲換能器(cMUT)之類的微 機電裝置的製造方法，在所有附圖中類似的部件用類似的標號或字母來標記。本發 明的製造方法特別適用於製造本文中確認的由共同申請人在相同的日期提交的幾 篇其他專利申請中公開的新穎的MUT設計。
下面參考特定的實施例描述本發明。在很多情況下，由本文中確認的幾篇其 它專利申請中公開的新穎的MUT結構用於說明本發明的方法。然而，應該意識到 本發明的方法不限於製造幾篇專利申請中公開的類型的MUT。本發明的方法可用 於製造具有用於轉換能量的可移動機械部件的各種微機電裝置。本領域的技術人員 將清楚，可在不背離本發明的較寬的範圍的情況下進行各種修改並且可採用其它實 施方式。因此，對特定實施例的這些或其它改變應由本發明覆蓋。本領域的技術人 員將意識到可單獨或聯合地使用結合實施例公開的各種特徵。
為了說明本發明的方法，首先示出本文確認的幾篇專利申請中公開的新穎的 cMUT結構的基本設計。
注意，在本說明書中在廣義上使用術語"換能器"和"換能構件"，不僅包 括進行執行和感覺功能的裝置還包括進行執行功能或感覺功能的裝置。還應注意， 在本說明書中在廣義上使用術語"懸臂"以描述具有錨固端、彈性部分的結構，該彈性部分從錨固端延伸至施力端(exerting end)以激活或移動該彈性部分。因此懸 臂不一定指字面上的一維梁形懸臂，還包括具有諸如橋或橫梁之類的沿不同方向延 伸的多梁的類似的結構，最確切地還包括區域或平面彈簧(二維"懸臂")，其中錨 固端是作為其區域或部分的閉合周界的延伸線，彈性部分是延伸區域而施力端可以 是單個點、小的區域或延伸的線(閉合端、開口端或分段)。此外，詞"圓形的"和 "環形的"僅在最廣泛的意義下表示形狀具有圈的形式、接近圈的彎曲的形狀或一 般類似於環狀的布置，而不表示特定的圓形或任何其它形狀，也不表示圈或環是完 全完整的或不斷開的。
圖2A是cMUT結構的橫截面圖，示出完整的cMUT元件200和每側一個的 相鄰的cMUT元件200A和200B的部分。cMUT結構構造在襯底晶片201上，並 也具有中間彈性層220和頂板240。襯底晶片201、中間彈性層220和頂板層240 以下面的方式從底部排列到頂部頂板層240的底側面面向中間彈性層220的頂側 面且中間彈性層220的底側面面向襯底晶片201的前側面。cMUT元件200、 200A 和200B由穿過頂板240和中間彈性層220形成的分隔溝槽215分隔。
頂板240通過多個板彈簧連接器230、 230a和230b連接到中間彈性層220。 在某些實施例中，多個連接器230分布在裝置元件區上。可根據應用的需要設計連 接器的分布。眾多的分布配置對於本發明都是可能的。
圖2B是所選擇的cMUT部分210的放大圖，它是完整的cMUT元件200的 一部分。所選擇的cMUT部分210是完整的cMUT元件200(和其它cMUT元件200A 和200B)的基本單元。所選的cMUT部分210的結構提供了理解完整的cMUT元 件200的基礎。
如圖2B所示，所選擇的cMUT部分210包括以從頂部至底部穿過該結構的想 象的垂直線(未示出)為中心的兩個半部分。cMUT元件的基本結構構造在襯底201 上，襯底具有支承特徵部(在下文中稱為"側壁錨")203，它具有在兩個相對的側 上的兩個側壁，分別作為空腔202和202a的邊界。支承特徵部(側壁錨)203可以是 作為形成空腔202和202a的結果形成的襯底201的集成部分，但也可以是附加到 分離襯底上的附加的結構。襯底201可以由諸如矽和多晶矽之類的非導電材料或導 電材料製成。在側壁錨203是分隔結構的構造中，側壁錨203的導電率可與襯底 201的導電率相同或不同。例如，襯底201可由非導電材料製成而側壁錨203是諸 如金屬、矽或多晶矽之類的導電材料。
cMUT結構部分210還具有這些部件中間彈性層220，它較佳的是彈性膜；位於中間彈性層220上的底電極225;位於中間彈性層220頂部的連接器230和 230a;位於連接器230上的絕緣層235;通過介於其間的絕緣層235連接到連接;器 230和230a的頂板240;及頂電極250。
取決於如何從cMUT元件200或從cMUT元件200的何處取得cMUT部分 210，第二空腔202a可屬於不同的和分隔的空腔，或僅僅是與空腔202相同的圓形 或延伸空腔的另一部分。類似地，取決於如何從cMUT元件200或從cMUT元件 200的何處取得cMUT部分210，第二連接器230a可以是不同的或分隔的連接器 的一部分，或僅僅是與連接器230相同的圓形或延伸連接器的另一部分。
頂板240的底側面面向中間彈性層220的頂側面，而中間彈性層220的底側 面面向襯底晶片的前側面，從而連接器230從中間彈性層220直立以在頂板240 下限定換能空間260。換能空間260 —般限定在頂板層240和側壁錨203的頂面之 間，但在圖2B所示的構造中可用的換能空間260的實際高度由絕緣層235的厚度、 底電極225的厚度以及中間彈性層220的厚度減小。應注意在某些實施例中可將頂 板層240和側壁錨203的頂面之間的整個高度用於換能空間260。
連接器230和230a位於中間彈性層220上並且各自具有基本相同的連接器高 度。連接器230和230a各自在水平方向上離開側壁錨203的各側壁足夠的長度。 這限定了各自錨固在側壁錨203的各側面上、具有背對背的雙懸臂構造的兩個懸 臂。這些懸臂可通過各自的連接器(230或230a)在放置連接器(230或230a)的施力 端(例如，左側懸臂上的222)處激發。懸臂和各自的空腔202和202a實現連接器 230和230a的垂直位移，這使頂板240以類似於活塞的運動基本垂直地運動，由 此改變了換能空間260。當cMUT結構210的兩個半部分以相同的相位運動時，進 一步保證了垂直的類似於活塞的運動。
在所示的具體的例子中，側壁錨203的頂面由中間彈性層220覆蓋，彈性層 進而由底電極225覆蓋。此外，頂板240和連接器230不直接相互連接，而由其間 的絕緣層235介於其間。因此頂板240和側壁錨203的頂表面之間的換能空間260 由中間彈性層220、底電極225和絕緣層235部分地佔據。應注意，覆蓋側壁錨203 的頂面的中間彈性層220、底電極225和絕緣層235的部分是可選的。在任何情況 下，為了實現預期的能量轉換，如果結構中包括額外的層，則換能空間260不應完 全由這些額外的層佔據。
圖2C是不同選擇的cMUT部分211的放大圖，它是完整的cMUT元件200 的另一部分。與圖2B中所示的所選擇的cMUT部分210相比，所選的cMUT部分211從偏移的位置取得。所選擇的cMUT部分211構造在襯底201上，它具有以兩 個相反側面上的兩個支承特徵部(下文中稱為"側壁錨203和203a")作為邊界的空 腔202。 cMUT結構部分211還具有這些組件中間彈性層220、位於中間彈性層 220上的底電極225、位於中間彈性層220頂上的連接器230、位於連接器230上 的絕緣層235、通過介入的絕緣層235連接到連接器230的頂板240和頂電極250。
連接器230(也在圖2中示出)位於中間彈性層上，並在水平方向上離開兩個側 壁錨203和側壁錨203m的側壁。側壁錨203和側壁錨203m之間的中間彈性層220 限定了在側壁錨203和側壁錨203m處錨固的雙懸臂。雙懸臂在位置222處頭對頭 地連接，在位置222處放置連接器230以形成橋。
頂板240位於連接器230上，連接器230將頂板240與中間彈性層220分隔 以在頂板下限定換能空間260。雙懸臂和空腔202實現連接器230的垂直位移，這 基本垂直地移動頂板240，因此改變換能空間並激活用於能量轉換的換能器的換能 構件。
新穎的cMUT結構基本去除了將cMUT元件分為單元並需要在每一個cMUT 單元的周界支承並夾緊膜的單元絕緣壁的常規的概念。圖1所示的常規的cMUT 設計一包括美國專利第7,030,536號中公開的具有柔性絕緣壁的cMUT設計，那些 設計都需要在每一個cMUT單元的周界處的單元絕緣壁(例如，圖1中的單元絕緣 壁18或美國專利第7,030,536號中公開的柔性單元絕緣壁)以限定cMUT單元並支 承膜的周界。在由絕緣壁限定的周界內，底電極直接沉積在襯底上(圖l)或沉積在 與單元絕緣壁分隔的單個底座的頂部(美國專利第7,030,536號)(即，柔性支承結 構)。
以圖2A-2C所示的cMUT設計，cMUT元件不再需要分為單元因此不需要絕 緣壁來限定單元周界。頂板層240和頂電極250由彈性結構(所示實施例中的多個 懸臂)通過基於需要自由布置和分布的多個連接器來支承，因此將頂板240的整個 負載有效分布在多個彈簧(懸臂)上。這解決了現有技術設計中固有的單元受限制的 問題。中間彈性層220和底電極225由也可基於需要分布在整個襯底晶片201上的 多個側壁錨203支承，而不限於外圍區域。
以此設計，可形成具有很大的活動區域的cMUT元件。cMUT元件的工作頻 率不僅可由用於頂板240的材料的選擇來調節而且可由多個懸臂的構造一包括各 個懸臂的彈性強度和cMUT元件的區域中懸臂分布密度情況一來調節。活動面積 可顯著大於關於常規的cMUT結構可能達到的活動面積。襯底晶片201上形成的整個頂板240可以是可移動的，而沒有任何夾緊或固定的區域。如果期望的話，多
個cMUT元件可通過形成穿過頂板240的分隔溝槽215來形成。在某些構造中， 抑制溝槽也可切穿中間彈性層220。然而，原則上，具有很大的活動面積的整個 cMUT結構可用作單個cMUT元件。
此外，以圖2A和圖2B中的cMUT結構設計，可將頂板240分隔成相同或不 同尺寸和形狀的多個較小的頂板。每一個較小的頂板可作為單個cMUT元件來尋 址，或者可將多個較小的頂板結合起來並作為單個cMUT元件來尋址。
此外，與常規cMUT中在其邊緣(或柱)處夾緊的柔性膜不同，可將圖2A和圖 2B中示出的頂板240設計成柔性或剛性的。以剛性頂板，可包括任何數量的分隔 的較小的頂板240的cMUT的整個表面可移動。
正如在本文確認的幾篇其它專利申請中詳細公開的，側壁203及其對應的連 接器230可自由分布在襯底晶片201上。相應地形成的懸臂可以是相同尺寸和相同 的彈性強度或各種不同的期望的尺寸和彈性強度。懸臂也可均勻地或根據期望的圖 案分布在襯底晶片201上以達到某些特殊的效果。圖2A和2B所示的cMUT結構 的獨特的設計具有解決現有技術cMUT設計遇到的很多問題的可能性。
正如下文所述，以上的新穎的cMUT結構可利用本發明的方法來製造。
製造工藝取決於每一層的材料選擇。例如，矽、玻璃、石英或藍寶石可用作 襯底。可選擇矽、多晶矽、氮化矽、氧化物、LTO、 SiC、金剛石、聚對二甲苯、 PMMA、 PDMS、聚合物、金屬或其它工藝兼容材料作為用於中間彈性層和頂板的 材料。氧化物和氮化矽、SiC、 PDMS或聚對二甲苯可用作介電材料。以用於選擇 的各種材料，可選擇不同的薄膜沉積和晶片接合技術(例如，矽熔融接合、陽極接 合、共晶接合、熱壓和玻璃料接合)用於製造本發明的cMUT。
下面說明用於製造上述cMUT的製造工藝的例子。步驟的變體、組合及順序 的變化是可能的，而不背離本發明的精神。即使對於給定的例子，也有選擇不同的 材料和處理方法來實現每一步驟的自由。
I.用於製造微機電裝置的基本元件的製造方法
根據本發明的一個方面，按照本發明用於製造微機電裝置的方法可包括以下 步驟
(1) 在襯底晶片的前側面上形成至少一個空腔，其中每一個空腔具有含有頂面 的至少一個側壁；
(2) 在中間彈性層的頂側面或頂板層的底側面上形成至少一個期望高度的連接器；以及
(3)接合襯底晶片、中間彈性層和頂板使得頂板的底側面面向中間彈性層的頂 側面而中間彈性層的底側面面向襯底的前側面。
接合後，可獲得諸如圖2A和2B所示的諸如電容式微加工超聲換能器(cMUT) 之類的微機電結構。由此製造的結構具有用於轉換能量的可移動機械部件，即由懸 臂垂直移動的頂板。
應意識到，以上的步驟可按任何順序發生並且它們物理上互相兼容以實現最 後的結構。此外，接合襯底晶片、中間彈性層和頂板的步驟不意味著這三層必需在 一個步驟中同時接合。它也不意味著這三層在沒有任何介入的材料的情況下互相直 接接觸地接合在一起，還不表示這三層必需恰好以該特定的順序接合。接合的任何 組合和順序都在本文的描述的含義內，只要在最後的結構中，頂板的底側面面向中 間彈性層的頂側面，且中間彈性層的底側面面向襯底晶片的前側面，使得所述的期 望的結構是可能的。
正如以下將要說明的，形成空腔和連接器的步驟可利用各種技術來實現，諸 如根據期望的圖案直接去除或添加材料，通過引入並隨後去除犧牲層，或這兩種技 術的組合。
此外，應意識到以下描述的很多步驟是可選的，包括但不限於在說明書中明 確指定為可選的哪些步驟。
(l)利用晶片接合技術的製造
圖3.1-3.9示出利用晶片接合技術的製造方法的例子。以下描述製造方法的步 驟。在例子中，可將中間彈性層稱為膜層。
工藝以用作襯底晶片301的導電矽晶片開始。導電襯底晶片301可適用於用 作換能器的底電極。
在步驟1中(圖3.1)，利用矽化物襯底圖案化和蝕刻技術來在襯底晶片301上 形成空腔302。每一個空腔由至少一個側壁303限定。空腔302和側壁303限定膜 層的圖案(在本說明書中一般可將其稱為中間彈性層)。
在步驟2中(圖3.2)，絕緣體上的矽(SOI)晶片380與襯底晶片301接合。SOI 晶片380包括厚的支承層382和和攜帶將成為膜層的薄層320的氧化物層384。厚 的支承層382向薄層320提供支承用於在工藝期間的處理。如果接合在真空室中進 行，則在該步驟中空腔是真空密封的。
在步驟3中(圖3.3)，將接合的晶片在高溫下退火，然後通過蝕刻去除支承層382和氧化物層384,以在側壁303和空腔302的頂側留下膜層320。如果需要的 話，可在該步驟中在選擇的膜區中進行矽摻雜。
在步驟4中(圖3.4)，利用熱氧化生長和圖案化在膜層320的頂部形成連接器 330。較佳的是，取代單獨地形成分立的連接器330，所有的連接器330在一個步 驟中通過形成圖案化熱氧化物層來形成。氧化物層限定了連接器330的高度，連接 器330進而部分限定了膜層320上的換能空間的尺寸。應注意，圖3.4和該組中的 其它的圖是橫截面圖。連接器330在表面的俯視圖中可以是任何形狀。連接器330 可以是單獨的紐扣狀物，但也可以是長的線段，或連續的類似於環的形狀。
在步驟5中(圖3.5)，將另一個SOI晶片385在真空下接合在連接器330上並 高溫退火。SOI晶片385具有支承層386和攜帶將成為頂板層340的層的氧化物層 387。 SOI晶片385還可攜帶可選的薄的絕緣層335。可選的薄絕緣層335可生長 在某層的頂部的SOI晶片385上，該層在SOI晶片385接合到膜層320上之前作 為頂板層340的前身。或者，可選的薄絕緣層335可在最初的晶片(未示出)上生長 然後接合到膜層335上。
在步驟6中(圖3.6)，通過蝕刻去除支承層386和氧化物層387以形成頂板層 340。或者，在步驟5中使用最初的晶片以攜帶薄絕緣層335，則將最初的晶片研 磨並拋光至期望的厚度以形成頂板層340。
在可選的步驟中(圖3.6A)，將頂板層340蝕刻至所示的期望的形狀或結構。 此外，如果需要的話可在該步驟中可用期望的材料以期望的密度摻雜頂板層340。 可進行矽和氧化物蝕刻以蝕刻穿過頂板層340和絕緣層335的通孔以從頂部到達底 電極(通孔未示出)。或者，達到底電極的互連可利用由共同申請人在同一日期提交 的本文確認的幾篇專利申請中公開的穿過晶片的互連技術來形成。
在步驟7中(圖3.7)，沉積並圖案化金屬層以形成頂電極355。
在可選的步驟中(圖3.7A)，將頂板層340圖案化以形成孔342，以使頂板層 340成為空心結構。如果需要的話，空心結構(頂板層340)中的孔342可用具有期 望性質的材料再次填充或密封。
在步驟8中(圖3.8)，穿過頂板層340形成分隔溝槽345以分隔cMUT元件。
在步驟9中(圖3.9)，如果需要的話形成無源層346。
圖4.1-4.9示出利用晶片接合技術的製造方法的另一個例子。該工藝以用作襯 底晶片401的導電矽襯底開始。可採用導電襯底晶片401用作換能器的底電極。 在準備步驟中(圖4.1A)，在襯底晶片401上形成凹槽404以在將形成的膜層和運動制動器之間限定問隙。運動制動器將設置用於CMUT表面板的位移的上限。
在步驟1中(圖4.1B)，利用矽蝕刻圖案化襯底晶片401以形成由側壁403限定 的空腔402。還在空腔402中形成比側壁403短的柱405。
在步驟2至步驟8中(圖4.2-4.8)，進行幾乎與圖3.2-3.8所述的工藝流程相同 的工藝流程以製造具有運動制動器405的cMUT結構。
在圖4.2-4.8中所示的工藝流程還說明了對圖3.2-3.8所示的工藝流程的幾個變 化。在步驟5和步驟6中(圖4.5-4.6)，示出SOI晶片485不具有頂板層440上的氧 化層，結果頂板層440位於連接器430上而沒有類似於圖3.5-3.6中的335的介入 的氧化物層。
短於側壁403的柱405是以上工藝的附加特徵。柱405形成於空腔402中以 用作運動制動器。應意識到，柱405也可利用本文所述的其它製造工藝來形成。此 外，儘管柱405可利用單獨的工藝來形成，但它們較佳地通過適當設計的圖案化與 形成空腔402和側壁403的同時形成。各種化學或機械方法可用於該構造。
此外，如圖4.8中完成的cMUT結構所示，連接器430中的每一個都在對應 的柱405的正上方形成。該特殊的構造對於用作運動制動器的柱405具有優化的效 果，因為連接器430所在的位置最有可能作出最大垂直位移。
除矽熔融接合外，其它的晶片接合技術(例如，陽極接合、共晶接合、熱壓和 玻璃料接合)可用於在本發明中以類似的方式構造諸如cMUT之類的微機電結構。 不同的材料和適當的接合技術可用於構造每一層。例如，在利用共晶接合或陽極接 合的工藝中，玻璃或藍寶石以及矽可用作襯底材料。取代利用SOI晶片中的矽層 來形成膜層和板層，可在載體晶片(例如，矽晶片、玻璃晶片或藍寶石晶片)上生長 或沉積具有期望性質的薄膜層或多薄膜層(例如，氮化矽、LTO、金剛石、SiC、聚
醯亞胺、PMMA、 PDMS和聚合物)。可將具有期望的一個或多個薄膜層的載體晶 片接合到具有期望的結構的其它的晶片上以形成微機電結構的膜層和頂板。因為上 述的工藝一般需要較低的工藝溫度，所以它們有益於稍後不期望高溫的工藝步驟 (例如，換能器和集成電路的集成)。
圖5.1-5.9示出利用晶片接合技術的製造方法的另一個例子。該方法是圖 3.1-3.9和圖4.1-4.8的方法的稍有變化的方法。例如，在該方法的實施例中，連接 器形成於頂板的底側面上，膜層位於連接器上，然後將頂板和膜層放置在襯底晶片 的頂部以覆蓋形成於襯底晶片上的空腔。以下參考圖5.1-5.9示出該方法的步驟。
在步驟1中(圖5.1)，該工藝以SOI晶片580開始。SOI晶片580具有將在後面的工藝步驟中成為cMUT的頂板層540的期望的矽層。氧化物層531生長在矽 頂板層540上。或者，該工藝也可以最初的晶片(未示出)開始，將其研磨並拋光至 與後面的步驟中的cMUT頂板層相同的期望的厚度。
在步驟2中(圖5.2)，將氧化物層531圖案化以形成板-膜連接器530。可選地， 生長另一薄氧化物層535作為絕緣層，並且也可按照需要將其圖案化。
在步驟3中(圖5.3)，將SOI晶片580與另一 SOI晶片590接合，SOI晶片590 具有支承層592和薄氧化物層594並攜帶期望的膜層520。
在步驟4中(圖5.4)，去除SOI晶片590的厚支承層592和薄氧化物層594以 留下通過連接器530與頂板層540接合的膜層520。
在步驟5中(圖5.5A-E)，可採用各種選擇的工藝。圖5.5A中示出了第一選擇， 其中將具有由側壁503A限定的空腔502A的最初晶片501A通過膜層520和連接 器530接合到SOI晶片580。這完成了基本的cMUT結構，該結構類似於利用本文 所述的其它方法製造的結構。
步驟5的第二選擇在圖5.5B中示出。矽熔融接合用於接合具有形成於其中的 穿過晶片的互連506和圖案化空腔502B的襯底晶片501B。根據該選擇所得的 cMUT結構類似於圖5.5A中的結構，但具有構造在內部的穿過晶片的互連506， 穿過晶片的互連506可提供如由共同申請人在同一日期提交的本文確認的幾篇專
利申請中詳細描述的 一些另外的優點。
步驟5的第三選擇在圖5.5C(C—1和C—2)中示出。如圖5.5C—l所示，在膜層 520上沉積並圖案化適當的金屬層511(或其它的粘附層)。在圖5.5C—2中，將具有 穿過晶片的互連506及由圖案化側壁503C限定的圖案化空腔502C的襯底晶片 501C通過金屬層5U接合到cMUT結構的上部。金屬層511的圖案可較佳地匹配 側壁503C的圖案。
步驟5的第四選擇在圖5.5D中示出，其中cMUT結構的上部接合到具有由金 屬材料形成的圖案化側壁503D的晶片501D上。還可將金屬材料圖案化以覆蓋用 作cMUT結構的電極512的部分的區域。例如，電極512可用作如由共同申請人 提交的本文中確認的幾篇專利申請中公開的具有兩個層疊的電容器的cMUT結構 中的第三電極。具有諸如側壁503D和底電極512之類的圖案化特徵的金屬材料層 可以是具有期望的電路的PCB板上的結構。在該設計中，襯底晶片501D自身可 以不導電並由諸如玻璃、藍寶石或具有絕緣層的矽之類的材料製成。
步驟5的第五選擇在圖5.5E中示出，其中cMUT結構的上部接合到具有集成電路(IC)513的襯底晶片501E上，以實現cMUT換能器之間的集成。
在以上的步驟5後，可按照與圖3.6-3.9中的步驟6至步驟9相同的步驟完成 製造。
或者，在該工藝中，分隔裝置元件的深溝槽可在這些頂層接合到襯底晶片501 之前從底部至頂部穿過膜層520和頂板層540來形成，而不是在頂層接合到襯底晶 片501之後從頂部至底部形成。這將在後面的關於用於密封溝槽的技術的部分中進 一步描述。
(2)利用犧牲技術的製造
取代通過從晶片直接去除材料形成空腔，襯底晶片上的空腔和中間彈性層上 的空腔(限定換能空間)中的任一個或兩者可利用犧牲技術來形成。連接器也可利用 犧牲技術通過填充形成於隨後被去除的犧牲層上的臨時空腔來形成。
利用犧牲技術製造微機電裝置的示例性方法包括以下步驟
(1) 提供具有前側面和背側面的襯底晶片；
(2) 在襯底晶片的前側面上沉積第一犧牲層；
(3) 圖案化第一犧牲層以形成第一臨時空腔；
(4) 在第一犧牲層上沉積第一薄膜材料以填充第一臨時空腔並進一步形成覆蓋 第一犧牲層的頂面的膜層，可選地，膜層具有用於通向下面的第一犧牲層的至少一 個孔；
(5) 在膜層的頂部沉積第二犧牲層；
(6) 圖案化第二犧牲層以形成第二臨時空腔；
(7) 沉積第二薄膜材料以至少填充第二臨時空腔；
(8) 去除第一犧牲層和第二犧牲層以在襯底晶片的頂部形成第一空腔並在膜層 的頂部形成第二空腔；以及
(9) 將頂板設置在膜層上以從頂板和側壁的頂面之間的第二空腔限定換能空間。
在所得的結構中，第一空腔由具有頂面的至少一個側壁限定。側壁由沉積在 第一臨時空腔中的第一薄膜材料製成。第二空腔由膜層頂部上的至少一個連接器限 定。連接器由沉積在第二臨時空腔中的第二薄膜材料製成。類似於利用本文所述其 它方法製造的微機電結構，在此處製造的所得的結構中，連接器從膜層直立並在水 平方向上離開第一空腔的側壁足夠的距離以限定錨固在側壁上的懸臂，以允許連接 器的垂直位移，由此連接器的垂直位移以類似於活塞的運動基本垂直地移動頂板，從而改變換能空間。
圖6.1-6.12示出利用犧牲技術的製造方法的例子。該工藝基於表面微加工。以 下示出該方法的步驟。
在步驟1中(圖6.1)，工藝以導電矽晶片601開始。沉積並圖案化第一犧牲層 661(例如，氧化物、SOG、金屬、聚醯亞胺、聚合物或光刻膠層)。第一犧牲層661 的圖案將部分限定將形成的膜層的形狀。在選擇的區域662，將犧牲層661減薄至 期望的厚度以在後面的步驟中用作犧牲蝕刻和密封通道。
在步驟2中(圖6.2)，沉積第一薄膜材料(例如，氮化矽、多晶矽、氧化物、矽、 聚醯亞胺和聚合物)以形成膜層620。薄膜材料還填充了空隙621以成為在後面的 步驟中限定懸臂的側壁603。
在步驟3中(圖6.3)，可選地，通過蝕刻在膜層622上形成多個蝕刻孔622， 以連接膜層620下的第一犧牲層661和將形成於膜層620上的第二犧牲層。
在步驟4中(圖6.4)，在膜層620的頂部沉積第二犧牲層611。
在步驟5中(圖6.5)，將第二犧牲層611圖案化以具有開口 613，來限定將在 下一步驟中形成的膜-板連接器。膜層620上的圖案化的第二犧牲層611在去除後 還限定了換能空間。應意識到，步驟4和步驟5可像一個步驟那樣同時進行，尤其 是在第一犧牲層66I和第二犧牲層611是相同材料或不同材料但具有兼容的去除特 性時。
在步驟6中(圖6.6)，沉積第二薄膜材料(例如，氮化矽或氧化物)以填充開口 613以形成連接器630。薄膜沉積還選擇地形成了絕緣層635。
在步驟7中(圖6.7)，穿過絕緣層635和在步驟2中沉積的薄膜材料蝕刻通孔 641,以進入在步驟1(圖6.1)的第一犧牲圖案化中形成的犧牲蝕刻燭煤662。或者， 可在所選的位置穿過絕緣層635蝕刻通孔以直接進入犧牲層661。
在步驟8中(圖6.8)，通過蝕刻去除第一犧牲層661和第二犧牲層611。
在步驟9中(圖6.9)，在去除犧牲層661和611後，進行另一個薄膜沉積以密 封通孔641。在該步驟中，可進行另外的蝕刻以將絕緣層635減薄至適當的厚度，
可將頂電極(將在下一步中沉積)令人滿意地布置在那裡。
在步驟10中(圖6.10)，在期望的位置沉積金屬層以形成頂電極625。在該步 驟中，如果需要的話，可蝕刻另外的通孔以接入底電極。
在步驟11中(圖6.11)，在頂電極625的頂部沉積期望厚度的另一種薄膜材料 (例如，氮化矽、LTO、金剛石、聚醯亞胺、聚合物、PDMS或PMMA)以形成頂板層640。
在步驟12中(圖6.12)，在cMUT元件之間形成深溝以分隔元件。這也打開了 進入換能器的引線接合焊盤(未示出)的通道。
應意識到，在以上的工藝中，除在連接器630的頂部形成絕緣層635外或取 代在連接器630的頂部形成絕緣層635，可在膜層620的頂部形成絕緣層。這兩個 絕緣層是可選的。
還應意識到，在以上的工藝中，取代形成蝕刻通道641，可使用多孔膜來提供 用於蝕刻犧牲層的蝕刻通道。例如，在步驟6中(圖6.6)，取代沉積絕緣層635，可 沉積多孔膜來填充開口 613以形成連接器630。可通過穿過多孔膜的微孔的蝕刻去 除犧牲層661。在犧牲層蝕刻後，可進行薄膜沉積以密封微孔。
(3)利用晶片接合技術和犧牲層技術的結合的製造
也可結合上述方法的兩種類型的實施例。例如，襯底上的空腔的形成可利用 犧牲技術來完成，而連接器的形成和其它步驟可利用熱氧化生長和晶片接合技術來 完成。相反，後者可利用犧牲技術來完成，而前者利用直接的材料去除和晶片接合 技術。
圖7.1-7.11示出了結合了晶片接合技術和犧牲技術的示例性製造方法。該工藝 以導電矽晶片開始，可將該導電矽晶片實現為換能器的底電極。
在步驟1中(圖7.1)，用矽蝕刻圖案化襯底晶片701，以形成空腔702和側壁 703，它們一起限定了膜圖案和用於將形成的懸臂的錨。
在步驟2中(圖7.2)，將圖案化襯底晶片701與具有厚的支承層782、絕緣層 784和期望的膜層720的SOI晶片780接合。這可在真空下進行。在晶片接合過程 中，SOI晶片780的膜層720面向圖案化矽襯底晶片701。如果接合在真空室中進 行，則空腔是真空密封的。將接合的晶片在高溫下退火。
在步驟3中(圖7.3)，去除厚的支承層782和絕緣層784兩者以留下膜層720。 如果期望的話，可在選擇的區域中高摻雜膜層720。
在步驟4中(圖7.4)，將犧牲層711沉積在膜層720上，並將其圖案化以限定 開口713，開口 713將限定待形成的連接器。圖案化犧牲層711還限定了將在膜層 720和連接器上形成的換能空間。
在步驟5中(圖7.5)，沉積薄膜材料(例如，氮化矽或氧化物)以填充開口 713。 開口 713中填充的材料將成為連接器730。所沉積的薄膜材料還可形成絕緣層735。
在步驟6中(圖7.6)，可蝕刻通孔714以進入犧牲層711。在步驟7中(圖7.7)，然後去除犧牲層711。
在步驟8中(圖7.8)，在蝕刻犧牲層711後，進行薄膜沉積以密封通孔741。 可進行深蝕以將絕緣層735減薄至期望的厚度，可將頂電極適當地布置在那裡。
在步驟9中(圖7.9)，在期望的位置沉積金屬層以形成頂電極725。在該步驟 中，如果需要的話，可蝕刻通孔以進入底電極(通孔未示出)。
在步驟10中(圖7.10)，在頂電極725的頂上沉積期望厚度的另一種薄膜材料 (例如，氮化矽、LTO、金剛石、聚醯亞胺、聚合物、PDMS或PMMA)以形成頂板 層740。
在步驟11中(圖7.11)，在cMUT元件之間形成溝槽745以分隔元件。這也打 開了進入換能器的引線接合焊盤(未示出)的通道。
在該工藝中，如果選擇其它的襯底和膜材料則可採用其它的晶片接合方法(例 如，共晶接合、陽極接合)。
對於具有多個元件的cMUT，如果需要的話可採用額外的工藝步驟來製成用 於不同元件的分隔的底電極。
圖8.1-8.3示出利用晶片接合技術來分隔cMUT元件的底電極的工藝步驟。這 些步驟在上述的其它步驟之前進行以準備襯底晶片。如圖8.1所示，在最初晶片 801b上生長絕緣層801a。如圖8.2所示，將另一個最初晶片801c接合到經氧化的 最初晶片801b上。然後將接合的晶片研磨並拋光至期望的厚度。如圖8.3所示， 在導電矽層801c上蝕刻溝槽809以將矽電分隔成將作為cMUT元件的底電極的圖 案化區域。提供經接合和處理的晶片作為襯底晶片801。然後以結合的襯底晶片801 為開始進行如本文所述的裝置製造步驟以製造cMUT結構。
圖9.1-9.2示出將薄導電層用為底電極的分隔cMUT元件的底電極的工藝步 驟。這些步驟可在上述的其它步驟前進行以準備襯底晶片。在圖9.1中，首先將絕 緣層901a沉積在矽晶片901b上。在圖9.2中，將具有期望的厚度的薄導電層901c 沉積在絕緣層卯la上。然後將導電層901c圖案化以按元件的需要形成底電極，來 形成襯底晶片卯l。然後以襯底晶片卯l為開始進行如本文所述的裝置製造步驟以 製造cMUT結構。
以上的工藝也可與由共同申請人在同一日期提交的本文確認的幾篇其它專利 申請中公開的穿過晶片的互連技術結合。
儘管利用cMUT結構示出了上述的製造方法，但該方法可用於製造具有用於 轉換能量的可移動機械部件的各種微機電裝置。不管採用方法的哪一個實施例，所得的裝置結構的特徵在於頂板在連接器位置的垂直位移移動。換能構件可在微機電 裝置中形成或實現。例如，可將導電層引入到頂板中以用作CMUT結構中的頂電 極，或者導電頂板由於其固有的導電性可實現為頂電極。可採用基於不同的能量轉 換方案的各種換能構件，但根據本發明的換能構件一般通過頂板的垂直移動在或頂
板和中間彈性層(在cMUT結構的背景中示出的膜層)之間限定的換能空間的變化
來實現能量轉換。
對於cMUT結構，必需具有頂電極和底電極。前者可在頂板之中或之上形成 或實現，而後者可在中間彈性層或襯底晶片之中或之上形成。對於諸如pMUT和 mMUT之類的不需要形成電容器的一對電極的其它類型的微機電裝置，適當的換 能構件可位於可移動的頂板或可移動的中間彈性層之中或之上。
II.連接和互連的設計和製造
諸如換能器之類的微機電裝置需要電連接以執行其功能。例如，換能器的可 移動表面(諸如，本文所示的頂板)可能需要電連接到固定的焊盤(例如，引線接合焊 盤)以與外部接口。在某些換能器設計中cMUT中的元件之間的頂電極可能需要電 互連在一起，尤其是對於2D陣列。對於連接結構有很多可能的設計，但連接到可 移動部件的連接一般應柔軟(或柔性)並足夠導電，使得它們對裝置性能具有最小的 影響。
以下描述了根據本發明的換能器連接設計的幾個例子。
在第一類型的構造中，在用於製造裝置(例如，cMUT)的同一工藝步驟中以適 當的掩模設計形成連接或互連。
圖IOA和IOB示出換能器元件和連接錨之間的連接的例子。圖IOA是換能器 元件1010和錨固的連接焊盤1015之間的連接1000的俯視圖。圖10B是圖10A所 示的同一結構的橫截面圖。如圖所示，接近換能器元件1010的區域可用於構造用 作接口的錨固的連接焊盤1015。錨固的連接焊盤1015由下面的支承錨1021支承 並連接到下面的支承錨1021(圖IOB)。錨固的連接焊盤1015和支承錨較佳地被分 隔並且不受換能元件的懸臂和可移動頂板層1040的運動的影響。
換能元件1010和錨固的連接焊盤1015均構造在相同的襯底晶片1001上，並 與同一多層製造工藝兼容，儘管對兩部分的圖案化不同以具有不同的內部結構。在 所示的例子中，在換能元件1010和錨固的連接焊盤1015之間的連接1000通過圖 案化導電層1055形成於頂板1040上。為了使連接1000柔軟並有彈性，將連接1000 的導電路徑做得很薄或以鋸齒形纏繞。不僅在晶片表面尺寸上(如圖IOA的俯視圖所示)還在晶片深度尺寸上(如圖10B中的橫截面視圖所示)形成薄的連接1000的導
電路徑。例如，連接1000僅包括頂層(導電層1055和頂板層1040)的一部分而包括 襯底1001的一部分。
圖IIA和IIB示出換能元件之間的互連的例子。圖IIA是通過錨固的連接焊 盤1112、 1114、 1116和1118互連的四個換能元件1102、 1104、 1106和1108的俯 視圖。圖IIB是同一結構的橫截面圖。儘管圖IOA所示的基本的元件錨固連接可 用於其中的互連，但圖IIA和1IB中的設計具有不同的排列以實現更緊湊的尺寸 和較好的互連效率。如圖所示，錨固的連接焊盤1112、 1114、 1116和1118位於由 四個分別的換能元件1102、 1104、 1106和1108共用的共用拐角處。每一個換能器 元件通過各自的細連接線1222、 1224、 1226或1228連接到各自的錨固連接焊盤， 這些連接線較佳地在表面尺寸(水平)和晶片深度(垂直)尺寸上很細。取決於錨固的 連接焊盤1112、 1114、 1116和1118怎樣彼此電連接，可單獨或共同尋址四個換能 器元件1102、 1104、 1106和1108。另外的錨固連接焊盤1113、 1115、 1117和1119 也包括在所選的拐角處，並可用於將所示的各換能器元件進一步連接到未示出的其 它換能器元件。
以上的連接和互連方案的一個優點是不需要引入額外的工藝步驟來製作連接 和互連結構。可作為用於製作換能器元件自身的製造工藝的一部分來製造所有的連 接和互連結構。然而，如果期望的話，可引入額外的工藝步驟以減薄在連接或互連 圖案所處區域的頂板層1140以連接結構更加柔性。
在第二類型的構造中，在完成cMUT工藝後形成連接或互連。圖12.1-12.4示 出在用於製作諸如本文所述的cMUT結構之類的微機電裝置的主要製造工藝後制 造連接和互連的例子。
工藝以基本上完成的示例性cMUT結構1200開始。在步驟1中(圖12.1)，在 cMUT結構1200的頂部上沉積犧牲材料1290(例如，光刻膠、聚醯亞胺、聚合物、 PDMS和聚對二甲苯)以填充cMUT元件之間的溝槽或cMUT元件和錨固的連接焊 盤之間的溝槽。在步驟2中(圖12.2)，深蝕犧牲材料1290以暴露cMUT的頂電極 1255。在步驟3中(圖12.3)，沉積並圖案化金屬層1256以形成期望的連接或互連。 在步驟4中(圖12.4)，選擇地去除犧牲材料1290。
或者，具有期望性質(諸如聲學、機械或電)的材料可用於填充溝槽並保持在溝 槽中。填充的材料不被去除並成為最後的換能器結構的補充部分以基於其性質提供 期望的效果。III.用於密封裝置元件之間的溝槽的技術
在某些應用中需要密封CMUT元件之間的溝槽。例如，密封結構可有助於防 止介質或溼氣洩漏入溝槽。可將密封結構設計成使元件之間的耦合最小化。密封結 構還可提供元件之間的電連接。可在裝置製造期間或之後密封溝槽。
圖13.1-13.12示出在正常的裝置製造過程中結合溝槽密封的製造方法的例子。
在以下步驟中描述該工藝。
步驟1至步驟4(圖13.1-13.4)與圖5.1-5.4中描述的步驟1至4相同。簡言之， 在步驟1中(圖13.1)，工藝以SOI晶片1380開始。SOI晶片1380具有將在後面的 工藝步驟中成為cMUT的頂板層的期望的矽層1340。氧化物層1331生長在矽層 1340上。在步驟2中(圖13.2)，將氧化物層1331圖案化以形成板-膜連接器1330。 選擇地，生長另一薄氧化物層1335作為絕緣層，並且如果需要的話，也可將其圖 案化。在步驟3中(圖13.3)，將SOI晶片1380與另一 SOI晶片1390接合，SOI晶 片1390具有支承層1392和攜帶期望的膜層1320的薄氧化物層1394。在步驟4中 (圖13.4)，去除SOI晶片1390的厚支承層1392和薄氧化物層1394以留下以連接 器1330與頂板層1340接合的膜層1320。如果需要的話，可在膜層1320的選擇的 區域中進行矽摻雜。
在步驟5中(圖13.5)，穿過膜層1320、絕緣層1335和頂板層1340形成溝槽 1345以分隔cMUT元件。用於形成溝槽1345的蝕刻在SOI晶片1380的氧化物層 1381處停止。
在步驟6中(圖13.6)，可選地將膜層1320圖案化以限定用於接觸膜層1320和 襯底晶片1301的接觸位置1321。
在步驟7中(圖13.7)，將具有圖案化空腔1302和側壁1303的矽襯底晶片1301 在接觸位置1321接合到膜層1320。在該步驟中可用各種接合技術來接合其它類型 的襯底晶片。
在步驟8中(圖13.8)，深蝕SOI晶片1380至氧化物層1381以形成包括頂板層 1340和氧化物層1381的頂板晶片。如果需要的話可將頂板晶片圖案化。在此階段， 溝槽1345可由氧化物層1381來密封。
在步驟9中(圖13.9)，將氧化物層1381圖案化，以為在下一步驟中將頂板層 1340與頂電極接觸作準備。如果需要的話，可通過適當的蝕刻工藝來減薄剩餘的 氧化物層1381。
在步驟10中(圖13.10)，將金屬層沉積在頂板層1340和圖案化氧化物層1381上以形成頂電極1355。
圖14.1-14.16示出在正常的裝置製造工藝後結合溝槽密封工藝的製造方法的 例子。該工藝採用犧牲蝕刻技術。在以下的步驟中描述了該工藝。
在步驟1中(圖14.1)，提供完成的cMUT晶片M00。溝槽1445分隔兩個cMUT元件。
在步驟2中(圖14.2)，將犧牲層1490(例如，光刻膠、聚醯亞胺、聚合物、PDMS、 LTO、 TEOS或SOG)塗在完成的cMUT晶片1400的頂部。犧牲層1490可填充或 部分填充溝槽1445。
在步驟3中(圖14.3)，利用平板印刷均勻地或選擇地減薄犧牲層1490直到頂 電極1455的至少一部分暴露。犧牲材料1491留在溝槽1445中。如果需要非均勻 減薄則可採用掩模。
在步驟4中(圖14.4)，將具有期望的性質的另一金屬層1492沉積在頂電極1455 和留在溝槽1445中的犧牲材料1491上。如果需要每一個cMUT元件的頂電極1455 單獨尋址，則可使用介電材料(例如，聚醯亞胺、聚合物、PDMS、 LTO、氮化矽、 Teflon或Pyrelene)代替金屬層1492。可將金屬層1492圖案化成期望的形狀。也可 在用於犧牲層蝕刻的金屬層1492上形成通孔(圖14.1-14.6中未示出，但圖15.1-15.4 中示出)。
在步驟5中(圖14.5)，利用犧牲層蝕刻來去除剩餘的犧牲材料1491。
在步驟6中(圖14.6)，塗或滴下另一介電層1493(例如，聚醯亞胺、聚合物、 LTO、氮化矽、Teflon、 Pyrelene、 SOG、 PDMS、光刻膠、環氧樹脂或蠟)以密封 金屬層1492上的通孔。如果需要的話，可將介電層1493圖案化成期望的形狀，或 從cMUT的頂面去除介電層1493。
圖15.1-15.4示出與上面相同的工藝，但示出具有包含在圖中的通孔1595的裝 置結構的較大的部分。為了易於在後面的工藝步驟中密封，通孔1595可位於換能 器元件的活動區域的外部。
圖15.1示出cMUT結構1500，它與示出整個裝置結構的較大的部分的圖 14.1-14.6中的cMUT換能器相同。
圖15.2示出在工藝的步驟4(圖14.4)中的cMUT換能器1500的狀態。用剩餘 的犧牲材料1591填充溝槽1545。沉積具有期望性質(金屬或其它介電膜)的層1592， 以覆蓋溝槽1545。圖15.2還示出通過圖案化形成的通孔1595以進入犧牲材料1591。
圖15.3示出在通過犧牲層蝕刻去除犧牲材料1591後的狀態。圖15.4示出通孔1595已用適當的材料1593密封。
可採用溝槽密封方法的其它變體。圖16.1-16.4示出用具有期望性質的材料密 封溝槽的另一種方法。
在步驟1中(圖16.1)，將具有期望性質的材料(例如，聚醯亞胺、聚合物、PMMA、 PDMS、SOG或環氧樹脂)的層1690旋塗或噴塗在頂電極1635上以覆蓋溝槽1645。 例如，可期望對於矽表面乾燥並具有高粘性的材料。也可利用薄的聚醯亞胺帶(例 如，各種Kapton帶)、Teflon帶或Parafilm(蠟)貝佔在cMUT的頂面上以覆蓋溝槽1645 來完成該步驟。
在步驟2中(圖16.2)，利用適當的蝕刻方法(例如，02等離子蝕刻)將層1690 減薄至期望的厚度。也可將層1690圖案化成期望的形狀，例如留下暴露的頂電極。 剩餘的圖案化層1691繼續覆蓋溝槽1645。
在步驟3中(圖16.3)，將金屬層1692沉積在剩餘的圖案化層1691和暴露的頂 電極1655上。可將金屬層1692進一步圖案化。
在步驟4中(圖16.4)，如果需要的話，塗上並圖案化另一個介電層1693(例如， 聚醯亞胺、聚合物、PMMA、 PDMS、 SOG、環氧樹脂、LTO、氮化矽、Teflon或 Pyrdcnc) 0
應意識到，除以上使用的沉積、塗、噴塗方法外，還可利用晶片接合技術來
轉移期望材料的膜。
圖17.1-17.4示出利用晶片接合技術來將期望的膜從處理晶片轉移到cMUT的
方法。在步驟1中(圖17.1)，將期望的膜1791(例如，金屬膜、聚醯亞胺、聚合物、
LTO、氮化矽、Teflon、 Pyrdene、 SOG、光刻膠或環氧樹脂)塗在適當的處理晶片
1709(例如，矽或玻璃)上。在步驟2中(圖16.2)，用適當的接合技術(例如，共晶接
合、熱壓接合、陽極接合或諸如環氧樹脂之類的粘合層)來將攜帶期望的膜1791的
處理晶片1709接合或粘合在cMUT 1700上。在步驟3中(圖16.3)，去除處理晶片
1709，將膜1791留在cMUT 1700上。如果需要的話，還可將膜1791圖案化至期
望的形狀。在步驟4中(圖16.4)，如果需要的話，可沉積並圖案化另一個膜。
可將另外的特徵部引入溝槽區以進一步改進性能或實現某些特殊的效果。圖 18.1-18.2示出具有構造在cMUT元件之間的溝槽中的柱的cMUT結構。該圖還示 出密封這一溝槽的過程。
圖18.1示出具有構造在分隔兩相鄰cMUT元件的溝槽1845中的柱1846的 cMUT結構1800的橫截面。添加柱1846以減小cMUT元件之間的交叉耦合。將柱1846錨固在襯底晶片1801上。可將溝槽1845內的柱1846的性質設計成最大限 度減小cMUT元件之間的交叉耦合。可在cMUT工藝中製造柱1846而不需要任何 額外的製造步驟。
圖18.2示出密封溝槽1845的層1892。層1892還可覆蓋頂電極1855和柱1846。 可採用上述密封cMUT元件之間的溝槽的相同的方法來密封溝槽1845。
應意識到，可通過在包括某一層的每一個製造步驟適當設計的圖案化在製造 cMUT裝置的同時製造柱1846。例如，可在形成側壁1803的同一步驟中製造柱錨 1847。為此，可用各種化學或機械方法。
IV.減小電接口焊盤上的寄生電容
諸如所述的cMUT之類的微機電裝置可能需要通過接合引線或探針互連到外 部。為此，可能需要電接口焊盤(例如，引線接合焊盤或探針焊盤)。接口焊盤通常 引入某些不期望的寄生參數(例如，寄生電容或電感)。為了改進換能器性能，需要 將寄生參數最小化。
一種減小寄生電容的方法是增加絕緣層(例如，諸如氧化物或氮化矽之類的介 電層)的厚度。通常絕緣層的厚度受到由適當的工藝生長或沉積的介電層的厚度的 限制。
根據本發明的一個方面，公開了通過增加互連焊盤下的絕緣體的厚度來減小 互連焊盤的寄生電容的方法。該方法使得襯底上的絕緣層的厚度由蝕刻深度而不是 膜沉積的厚度限定，因此可製造絕緣體厚度顯著大於利用膜沉積技術可能獲得的厚度。
該方法的一個實施例包括在將襯底晶片接合到頂板之前進行的以下的步驟
(1) 在襯底晶片上形成絕緣空腔，其中圖案化空腔具有期望的總厚度並位於適 於形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的微機電元件的互連焊盤的位置。
(2) 用介電材料填充絕緣空腔以形成厚度與圖案化空腔的總厚度相同的嵌入式 絕緣體；以及
(3) 在嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
該方法的另一個實施例採用不同的工藝來實現類似的效果。具體地，取代如 上所述形成平(無特徵)的絕緣空腔，在襯底晶片上形成圖案化空腔。在一個實施例 中，圖案化空腔具有插入了襯底的未去除的本體材料的實線的窄通道。圖案化空腔 具有期望的總厚度並位於適於形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的微機電元 件的互連焊盤的位置。在形成圖案化空腔後，將圖案化空腔中的未去除的本體材料的實線氧化以形成厚度與圖案化空腔的總厚度相同的嵌入式絕緣體。然後在嵌入式 絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
在本發明的另一個方面中，可利用以上的方法將嵌入式絕緣體形成於裝置結 構的頂板中，而不是襯底晶片中。
圖19.1-19.6示出通過在圖案化空腔中形成厚的絕緣體來減小互連焊盤的寄生
電容的方法的例子。可在cMUT製造前完成期望位置處的厚的絕緣層。該方法具 有以下描述的步驟。
在步驟1中(圖19.1)，在襯底晶片1901的期望的位置處蝕刻圖案化空腔1971。 在所示的例子中，圖案化空腔1971具有插入了未去除的襯底晶片材料1973的細線 的空通道1972。
可在形成厚度的絕緣體之後在同一襯底晶片l卯l上形成cMUT結構。圖案化 空腔1971具有期望的總厚度並位於適於形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的 微機電元件的互連焊盤的位置。
在步驟2中(圖19.2)，圖案化空腔或被氧化或用期望的材料(例如，玻璃料、 或SOG)填充以形成厚的絕緣體1974。
在步驟3中(圖19.3)，如果需要的話平坦化表面。
在步驟4中(圖19.4)，形成由側壁l卯3限定的空腔1902。這些將用於諸如 cMUT結構之類的微機電裝置的構造。該裝置製造可利用任何方法，包括本文所述 的方法。
在步驟5中(圖19.5)，形成或引入膜層1920到空腔1902和側壁1903上。
在步驟6中(圖19.6)，完成用於該裝置(所示cMUT)的製造工藝以作出該裝置。 圖19.6示出在襯底晶片1901上製造的與厚絕緣體1974相鄰的cMUT元件1905。 還可在裝置製造過程中增加厚的絕緣體1974自身以成為完整的連接錨1906，連接 錨1906可用於通過連接1907連接到cMUT元件1905，圖10A和10B中示出了連 接1907的一個例子。
圖20.1-20.4示出通過在圖案化空腔中形成厚的絕緣體來減小互連焊盤的寄生 電容的方法的另一個例子。與圖19.1-1.6所示的例子不同，在該例子中，可在cMUT 製造後在期望的位置完成厚絕緣層。該方法具有下述的步驟。
在步驟1中(圖20.1)，提供基本上完成的cMUT結構2000。如圖20.1所示， cMUT製造工藝已經完成到在頂板層2040上形成表面層的步驟。
在步驟2中(圖20.2)，在頂板層2040上形成圖案化空腔2071 。圖案化空腔2071具有插入了頂板層2040的未去除本體材料2073的實線的窄通道2072，而圖案化 空腔2071具有期望的總厚度並位於適於形成用於連接附近的微機電元件(例如， cMUT2005)的互連焊盤的位置。如果需要的話，可向襯底晶片2001內蝕刻圖案化 空腔2071。
在步驟3中(圖20.3)，氧化圖案化空腔2071或用期望的材料(例如，玻璃料或 SOG)填充圖案化空腔2071以形成厚的絕緣體2074。
在步驟4中(圖20.4)，將金屬層沉積在cMUT元件2005的頂部以形成頂電極 2055。沉積並圖案化相同的金屬層以在厚絕緣體2074的頂部形成接觸層2056。
圖19.1-19.6和圖20.1-20.4中示出的示例性厚絕緣體構造用於具有嵌入式懸臂 的cMUT。然而，形成厚絕緣層或厚絕緣體的這些方法可與需要錨固連接的任何其 它微機電裝置的製造工藝一起應用。
如以上的例子所示，本發明的用於減小寄生電容的方法的獨特的方面是在襯 底晶片或頂板上的絕緣層的厚度由蝕刻深度而不是膜沉積厚度限定，因此克服了由 膜厚度施加的固有的限制。
V.製造具有附加特徵部的微機電裝置的製造方法
構想了在微機電裝置的基本元件上的附加特徵部，並可利用下述方法來製造。 圖21示出了特徵是自對準懸臂的cMUT結構的橫截面圖。為了更清楚起見， 圖21省略了包含在各個分別的層和絕緣層中的諸如頂電極和底電極之類的某些可 選部件。(正如本文所討論的，儘管cMUT結構需要一對電極以形成電容器，但這 些電極不必嵌入在各個分別的層中。)
圖21的cMUT結構2111類似於圖2C所示的cMUT部分211。 cMUT結構 2111構造在襯底2101上，並具有中間彈性層2120和頂板2140。空腔2102限定在 襯底2101和中間彈性層2120之間。空腔2102以兩個相對側面上的兩個側壁錨2103 和2103m為邊界。連接器2130直立於中間彈性層2120的頂上，並連接到頂板2140。 連接器2130在水平方向上離開兩個側壁錨2103和側壁錨2103m的側壁。側壁錨 2103和側壁錨2103m之間的中間彈性層2120限定了在側壁錨2103和側壁錨 2103m處錨固的雙懸臂。雙懸臂在放置連接器2130的位置處頭對頭地連接，以形 成橋。頂板2140位於連接器2130上，連接器2130將頂板2140與中間彈性層2120 分隔以在頂板2140下限定換能空間。雙懸臂和空腔2102實現連接器2130的垂直 位移，這基本垂直地移動頂板2140，因此改變換能空間並激活用於能量轉換的換 能器的換能構件。在圖2A-2C所示的cMUT結構中，採用具有基本均勻厚度的中間彈性層220， 結果所形成的懸臂的梁的長度由對應的板-彈簧連接器230的位置220相對於各自 的側壁錨203或203m的邊緣位置來確定。梁長度和對應的懸臂彈性強度的精確控 制通過中間彈性層上的板-彈簧連接器的位置相對於各自的側壁錨的位置的精確控 制來實現。因為在板-彈簧連接器的製造方法的某些實施例中，在不同的平板印刷 步驟中限定側壁錨和空腔，實現這種精確控制可能有困難。這些不同的步驟中的任 何對準差錯可使懸臂長度離開其預期值。
與圖2A-2C所示的cMUT結構不同，cMUT結構2111的特徵是自對準懸臂。 為了實現這一點，採用厚的中間彈性層2120。懸臂長度U和U由彈性膜層2120 的各自的較薄的部分2124a和2124b限定。在所示的例子中，兩較薄的部分2124a 和224b被由彈性膜層2120形成的橋中間的較厚的部分2122分隔。在本文所示的 橋構造中，較厚的部分2122用作懸臂分割器。在其它構造中，較厚的部分2122 可以是僅在一側形成懸臂的末端的懸臂終端。兩個錨固的較厚的部分2122a和 222b分別在兩個側壁錨2103和2103m的頂部，在某些實施例中，兩個錨固的較 厚的部分2122a和2122b形成兩個側壁錨2103和2103m的至少一部分，甚至形成 整個側壁錨2103和2103m。
板-彈簧連接器2130位於較厚的部分2122上。在該構造中，懸臂長度La由在 較厚的部分2122的邊緣2106和較厚的部分2122a的邊緣2104之間的距離限定。 類似地限定懸臂長度Lb。因此可由平板印刷掩模預定懸臂長度La和U。連接器2130 相對於中間彈性層2120(確切地說是較厚的部分2122)的任何未對準或中間彈性層 2120(確切地說是其較厚的部分2122a和2122b)相對於側壁錨2103或2103m的未 對準將對懸臂長度及相應的懸臂的彈性強度具有最小的影響。在cMUT結構2111 中的懸臂長度La和Lb及相應的懸臂的彈性強度因此幾乎不或不依賴於各個製造步 驟中的差異。
在圖21所示的橫截面圖的背景下給出了以上的描述。應意識到，在三維視圖 中，懸臂可以不是類似於梁的結構，而是如本文限定的區域或平面懸臂。例如，較 薄的部件2124a和2124b可各自是延伸的帶形或環形(輪環)形狀。
圖22.1-22.16包括圖22.14A-22.14D和圖22.5a-22.5b示出用於製造具有自對 準特徵部的cMUT結構的晶片接合工藝。該工藝還可加入諸如溝槽密封之類的其 它特徵。以下描述工藝的步驟。
在步驟1中(圖22.1)，工藝以攜帶將成為最終的cMUT結構的頂板層2240的矽層2240的SOI晶片2280開始。在頂板2240的底部上生長氧化物層2281和氮
化物層2282。或者，該步驟可以最初的晶片開始，可將最初的晶片研磨並拋光至
在後面的步驟中用於頂板層的期望的厚度。
在步驟2中(圖22.2)，根據cMUT設計圖案化氧化物層2281和氮化物層2282
以暴露頂板層2240的某些區域。
在步驟3中(圖22.3)，將頂板層2240的暴露區域氧化至期望的厚度。 在步驟4中(圖22.4)，去除氮化物層和氧化物層，以在頂板層2240的底表面
上形成凹槽2241。
在步驟5中(圖22.5)，在頂板層2240的凹槽2241上形成圖案化特徵部2231。 這些圖案化特徵部2231將成為最後的cMUT結構中的板-彈簧連接器2230的一部 分。形成這一圖案化特徵部2231的一種方式是生長氧化物層。在此步驟中，可選 擇地執行各種附加步驟。在描述主要的步驟之後參考圖22.5a-22.5b描述這些附加 的步驟。
在步驟6中(圖22.6)，在頂板層2240的凹槽2241上生長另一氧化物層2232。 該可選的氧化物層2232可支承圖案化特徵部2231的根部並有助於使它們牢固地作 為最後的cMUT結構的板-彈簧連接器2230的一部分。
在步驟7中(圖22.7)，將攜帶矽層2221的另一 SOI晶片2285結合到板-彈簧 連接器2230。矽層22221將成為最後的cMUT結構中的中間彈性層2220以形成嵌 入式彈簧(懸臂)。為了這個目的，矽層2221應具有適當的厚度。
在步驟8中(圖22.8)，深蝕SOI晶片2285以去除載體層和氧化物層，以留下 將成為中間彈性層2220的矽層2221。如果需要的話，可在該步驟中在矽層2221 的選擇的區域中進行矽摻雜。
在步驟9中(圖22.9)，在矽層2221上形成並圖案化氧化物層2286和氮化物層 2287，使得能夠到達矽層2221的選擇的區域2288。
在步驟10中(圖22.10)，將矽層2221的可到達區域2288氧化至期望的厚度。
在步驟11中(圖22.11)，在選擇的位置處去除氧化物層和氮化物層，在矽層 2221的區域2213的頂部上留下其餘的氧化物和氮化物。區域2213將成為最後的 cMUT結構中的側壁錨2203。矽層2221的其它未覆蓋的區域現在被暴露用於下一步驟。
在步驟12中(圖22.12)，將矽層2221的暴露的區域氧化至期望的厚度。 在步驟13中(圖22.13)，去除區域2213上的氧化物和氮化物層和在步驟12中形成的新氧化層，以形成具有將成為側壁錨2203和懸臂分割器2222的較厚的部分 特徵部的中間彈性層2220。在該步驟(步驟13)後，有幾種可用的選擇。以下參考 圖22.14A描述第一選擇，而一些其它的選擇在後面參考圖22.14B、22.14C和22.14C
來描述。
在步驟14中(圖22.14)，結合具有期望的厚度的最初的晶片2201。該層成為 用於最後的cMUT結構的襯底2201。此步驟後，完成製造的過程類似於本說明書 中描述的某些其它示例性製造方法中的最後步驟。以下簡要地描述一個例子。
在步驟15中(圖22.15)，深蝕頂部SOI晶片2280以去除載體層和氧化物層以 形成頂板2240。
在步驟16中(圖22.16)，如果需要的話，沉積並圖案化金屬層2250以形成互 連。在各cMUT元件之間形成溝槽2215以分隔各個cMUT元件。
幾種其它的選擇可用於以上的步驟14。在步驟14的第二選擇中(圖22.14B)， 取代接合最初的晶片，將具有形成於其中的穿過晶片的互連2260的經處理的^l片 2291熔融接合到中間彈性層2220。經處理的晶片2291和中間彈性層2220限定空 腔圖案，該空腔圖案對應於形成懸臂的區域的形狀。還可用其它的晶片接合技術(例 如，共晶接合、熱壓接合和陽極接合)來完成該步驟。
在步驟14的第三選擇中(圖22.14C)，將具有期望的金屬圖案或具有期望的電 路的PCB板的晶片2292接合到中間彈性層2220。晶片2292可由諸如玻璃、藍寶 石或矽之類的材料製成。
在步驟14的第四選擇中(圖22.14D)，將具有構造於其中的集成電路2294(IC) 的矽晶片2293接合到中間彈性層2220。
在以上的步驟5中，可選擇地進行幾種附加步驟。參考圖22.5a-22.5b描述這 些附加步驟。在圖22.5a中，穿過頂板2240形成溝槽2216以在頂板2240上分隔 cMUT元件區。可執行該步驟代替上述的步驟16。在圖22.5b中，如果需要的話， 在溝槽2216中形成並處理薄膜材料2217。在這些額外的步驟之後，工藝繼續進行 到上述的步驟6。
圖23.1-23.7示出用於製造具有自對準特徵部的cMUT結構的表面微加工工 藝。該工藝還可加入諸如溝槽密封之類的其它特徵部。以下描述該工藝的步驟。
在步驟1中(圖23.1),工藝以襯底晶片2301開始。在襯底晶片2301上沉積並 圖案化犧牲層2371。
在步驟2中(圖23.2)，在犧牲層2371上形成適當材料的層2329。層2329的材料還填充了犧牲層2371的圖案。層2329將成為最後的cMUT結構的中間彈性 層2320。
在步驟3中(圖23.3)，利用表面微加工技術將層2329圖案化以形成具有特徵
部的中間彈性層，特徵部中的某些將成懸臂分割器2322。
在步驟4中(圖23.4)，將另一犧牲層2372沉積在中間彈性層2320上。
在步驟5中(圖23.5)，將頂板層2340設置在犧牲層2372上。
在步驟6中(圖23.6)，去除犧牲層2371和2372以形成空腔2302和2360。空
腔2302在襯底2301的頂部以為cMUT結構中的懸臂提供位移空間。空腔2360在
中間彈性層的頂部以用作cMUT結構的換能空間。如果需要的話可在該步驟中密
封空腔。
在步驟7中(圖23.7)，如果期望的話可在頂板2340上沉積並圖案化金屬層 2350。可形成溝槽以在該步驟中分隔cMUT元件。
用於以上圖22.1-22.16和圖23.1-23.7中所示的製造方法的每一步驟中的材料 選擇和工藝方法選擇類似於本文中結合其它的微機電結構的製造方法所描述的材 料選擇和工藝方法選擇。此外，儘管在上述的工藝中cMUT用於說明的目的，但 該方法不限於此。微機電結構也可僅利用每一工藝的一部分來製造，或利用圖 22.1-22.16和圖23.1-23.7中所示的工藝的不同的步驟順序來製造。此外，取代利用 SOI晶片，具有嵌入式彈簧的的微機電結構的中間彈性層可由具有高摻雜層的矽層 或具有pn結層的矽層來製作。可隨後利用選擇的矽蝕刻來形成中間彈性層上的懸 臂區域。
結合附圖和示例性實施例詳細描述了微機電裝置的製造方法。本發明的方
法提供了一種用於製造具有用於轉換能量的可移動機械部件的各種微機電裝 置的具有潛在優點的製造方法，該方法尤其適合於製造電容式微加工超聲換能
器(cMUT)，但也可用於製造具有用於轉換能量的可移動的機械部件的其它的微
機電裝置。
具體地，根據本發明的製造方法可用於製造和封裝在名為 "MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS "代理機構案號為 03004.03以及名為"MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS"代理 機構案號為03004.04的國際專利申請(PCT)中公開的新穎MUT，這些專利申請 都由共同的申請人在同一日期提交，這些專利申請通過引用整體結合與此。
在以上的說明中，參考其特定的實施例描述了本發明公開的內容，但本領域的技術人員將意識到本發明公開的內容不限於此。上述發明內容中的各個特 徵和方面可單獨或結合地使用。此外，本發明內容可在除本文描述以外的很多 種環境和應用中使用，而不背離說明書的較寬的精神和範圍。我們要求專利保 護落入所附權利要求的範圍和精神內的各種修改和變化。因此，應將說明書和 附圖視為說明性的而不是限制性的。應意識到如本文所使用的術語"包括"、 "包含"和"具有"明確地確定為開放式技術術語。
權利要求
1.一種用於製造具有用於轉換能量的可移動機械部件的微機電裝置的方法，所述方法包括以下步驟提供襯底晶片、中間彈性層和頂板層；在襯底晶片的前側面上或所述中間彈性層的底側面上形成至少一個空腔，其中每一個空腔具有至少一個側壁；在中間彈性層的頂側面或頂板層的底側面上形成至少一個期望高度的連接器；在所述頂板層上形成或實現換能構件；以及接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層，使得所述頂板層的底側面面向所述中間彈性層的頂側面而所述中間彈性層的底側面面向所述襯底晶片的前側面，由此所述連接器從所述中間彈性層直立以在所述頂板層和所述中間彈性層之間限定換能空間，並且所述連接器在水平方向上離開所述側壁足夠的長度以限定錨固在所述側壁處並具有在所述連接器處的施力端的懸臂，其中所述懸臂和所述空腔允許所述連接器的垂直位移，以便以類似於活塞的運動基本垂直地移動頂板層，以改變換能空間並激活換能構件。
2. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述空腔由至少兩個側壁來 限定，而所述連接器位於所述兩個側壁之間，並在水平方向上離開所述兩個側 壁中的每一個足夠的長度以限定具有頭對頭連接的兩個側壁的橋。
3. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，形成至少一個空腔的所述步 驟包括在所述襯底晶片的前側面上形成第一空腔和第二空腔，其中所述第一空腔 和所述第二空腔在所述側壁的相對的側面上以共用所述側壁； 而形成至少一個連接器的所述步驟包括形成相同期望高度的第一連接器和第二連接器，其中所述第一連接器和所 述第二連接器位於所述側壁的相對側面上，並且每一個連接器都在水平方向離 開側壁足夠的長度以限定在側壁處背對背連接的兩懸臂。
4. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層的所述步驟包括將所述中間彈性層設置在所述襯底晶片的頂部以覆蓋所述第一空腔；形成連接器的所述步驟包括在所述中間彈性層與所述襯底晶片接合後在所述中間彈性層的頂側面上形成所述連接器；以及接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層的所述步驟還包括在具 有形成於其上的所述連接器的所述中間彈性層與所述襯底晶片接合後將頂板層設置在所述連接器上。
5. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，形成連接器的所述步驟包括 在所述頂板層的底側面上形成所述連接器，而接合所述襯底晶片、所述中間彈 性層和所述頂板層的所述步驟包括將所述中間彈性層設置在所述連接器上；以及將所述頂板層和所述中間彈性層設置在襯底晶片的頂部以覆蓋所述第一空腔。
6. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，形成或實現所述換能構件的 所述步驟包括在所述頂板層上沉積金屬層。
7. 如權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述微機電裝置是電容式微 加工超聲換能器(cMUT)，在所述頂板層上形成或實現所述換能構件的所述步驟包括在所述頂板層上形成或實現頂電極，並且所述方法還包括在所述中間彈性層或所述襯底晶片之中或之上形成或實現底電極。
8. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，形成或實現所述頂電極的所 述步驟通過將導電材料用於所述頂板層來完成。
9. 如權利要求7所述的方法，其特徵在於，形成或實現所述底電極的所 述步驟通過將導電材料用於所述襯底晶片來完成。
10. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述中間彈性層是彈性薄膜 而所述頂板層比所述中間彈性層B lj硬得多。
11. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層的所述步驟還包括以下步驟將具有攜帶一薄層的支承層的SOI晶片接合到所述襯底晶片的前側面；以及通過化學或機械方法去除所述支承層，在所述襯底晶片的頂部留下所述薄 層作為所述中間彈性層。
12. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述連接器在所述頂板層的底側面上形成，並且接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層的所述 步驟還包括以下步驟將具有攜帶一薄層的支承層的SOI晶片接合到具有形成於其中的所述連接 器的所述頂板層的底側面；以及通過化學或機械方法去除所述支承層，在所述頂板層的底側面上留下所述 薄層作為中間彈性層。
13.如權利要求l所述的方法，其特徵在於，接合所述襯底晶片、所述中 間彈性層和所述頂板層的所述步驟包括以下步驟將具有支承層和所述頂板層的SOI晶片與所述中間彈性層和所述襯底晶片 進行接合；以及通過化學或機械方法去除所述支承層，留下仍與所述中間彈性層和所述襯 底晶片接合的所述頂板層。
14. 如權利要求13所述的方法，其特徵在於，還包括 在將所述SOI晶片與所述中間彈性層和所述襯底晶片進行接合之前，在所述頂板層的底側面上形成絕緣層，其中在去除所述支承層後所述頂板層和所述 絕緣層兩者都保持與所述中間彈性層和所述襯底晶片接合。
15. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，接合所述襯底晶片、所述中 間彈性層和所述頂板層的所述步驟還包括以下步驟將最初晶片與所述中間彈性層和所述襯底晶片進行接合；以及 利用化學或機械方法減薄所述最初晶片，留下具有期望厚度的所述最初層 作為所述頂板層。
16. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，還包括在將所述頂板層與所述中間彈性層和所述襯底晶片接合後，將所述頂板層 圖案化成期望的形狀或構造。
17. 如權利要求16所述的方法，其特徵在於，圖案化所述頂板層的所述 步驟包括在所述頂板層中形成多個孔以在所述頂板層中形成期望的空心水平。
18. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，在所述襯底晶片上形成至少 一個空腔的所述步驟包括在所述襯底晶片上形成多個空腔，而形成至少一個連 接器的所述步驟包括形成多個連接器，其中所述連接器設置在所述中間彈性層 上的不同位置處。
19. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，還包括在將所述襯底晶片與所述中間彈性層和所述頂板層接合前的以下步驟 在所述襯底晶片的頂部引入絕緣層； 在所述絕緣層上引入導電層；以及圖案化所述導電層以形成互相電絕緣的多個部分，每一個所述部分都對應 於單獨的微機電元件，每一個元件具有至少一個懸臂。
20. 如權利要求18所述的方法，其特徵在於，還包括形成至少穿過所述 頂板的分隔溝槽以將多個微機電元件互相分隔，每一個所述元件具有至少一個 懸臂。
21. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，每一個所述元件都電連接 到所述連接錨。
22. 如權利要求21所述的方法，其特徵在於，所述連接錨是分隔的並且不受所述懸臂和所述頂板層的運動影響。
23. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，所述多個元件排列成具有 其間最小間隔的陣列，每一個所述元件電連接到位於由至少兩個相鄰元件共用 的拐角或邊緣的元件間的連接錨。
24. 如權利要求23所述的方法，其特徵在於，還包括以下步驟在形成分隔溝槽之前，引入在所述頂板層的頂部的導電層，其中所述隨後 形成的分隔溝槽穿過所述導電層到達所述空腔； 利用填充材料填充空腔；以及在所述溝槽上沉積金屬層，以電連接所述溝槽的兩側面上的兩元件。
25. 如權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述填充材料是可隨後去 除的犧牲材料。
26. 如權利要求24所述的方法，其特徵在於，所述填充材料是具有期望 性質的材料並保留在所述空腔中。
27. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，還包括在分隔溝槽上引入 覆蓋層以密封所述分隔溝槽。
28. 如權利要求27所述的方法，其特徵在於，還包括將金屬層沉積在所 述覆蓋層上以互連相鄰的元件，使得可結合地尋址所述互連的相鄰元件。
29. 如權利要求20所述的方法，其特徵在於，還包括附加步驟 從所述頂板層的頂部形成犧牲材料以填充分隔溝槽；在所述頂板層的頂部沉積第一密封層以密封所述分隔溝槽，所述密封層具有進入所述犧牲材料的通孔； 去除所述犧牲材料；以及 沉積第二密封層以閉合所述通孔。
30. 如權利要求29所述的方法，其特徵在於，所述第一密封層是金屬層 以互連相鄰的元件，使得可結合地尋址所述互連的相鄰元件。
31. 如權利要求29所述的方法，其特徵在於，在接合所述襯底晶片、所 述中間彈性層和所述頂板層之後執行所述附加步驟。
32. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於在所述襯底晶片上形成至少一個空腔的所述步驟包括在所述襯底晶片上 形成多個空腔；形成至少一個連接器的所述步驟包括在所述頂板層的底側面上形成多個 連接器，當所述頂板層接合到所述中間彈性層時所述連接器設置在所述中間彈 性層上的不同位置；以及接合所述襯底晶片、所述中間彈性層和所述頂板層的所述步驟包括以下步驟將第一 SOI晶片接合到所述頂板層的底側面，其中所述第一 SOI晶片 具有支承所述中間彈性層的第一支承層；去除在所述第一SOI晶片中的所述支承層，但留下與所述頂板層接合 的所述中間彈性層；以及將具有所形成的空腔的所述襯底晶片接合到在所述頂板層相對的側 面上的所述中間彈性層。
33. 如權利要求32所述的方法，其特徵在於，還包括以下步驟 在接合所述襯底晶片之前，形成穿過所述中間彈性層和所述頂板的至少一部分的分隔溝槽以將多個微機電元件互相分隔，每一個元件具有至少一個連接 器以形成一個懸臂。
34. 如權利要求33所述的方法，其特徵在於，提供所述頂板層作為具有 第二支承層、絕緣體層和頂板層的第二SOI晶片的一部分，所述方法還包括以 下步驟在將所述第一 SOI晶片接合到由所述第二 SOI晶片攜帶的所述頂板層的底 側面後，去除第二SOI晶片中的第二支承層；以及在形成分隔溝槽後，部分去除所述絕緣層並在所述分隔溝槽的末端上留下所述絕緣體層的一部分以從所述末端密封所述溝槽。
35. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述襯底晶片是導電晶片， 所述方法還包括以下的步驟，以通過增加在互連焊盤下的絕緣體的厚度來減小 所述互連焊盤的寄生電容，所述步驟在將所述襯底晶片接合到所述頂板層之前 進行在襯底晶片上形成絕緣空腔，所述絕緣空腔具有期望的總厚度並位於適於 形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的微機電元件的互連焊盤的位置；用介電材料填充所述絕緣空腔以形成厚度與所述圖案化空腔的總厚度相同的 嵌入式絕緣體；以及在所述嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
36. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述襯底晶片是導電晶片， 所述方法還包括在將所述襯底晶片接合到所述頂板層之前進行的以下的步驟， 以通過增加互連焊盤下的絕緣體的厚度來減小所述互連焊盤的寄生電容在所述襯底晶片上形成圖案化空腔，所述圖案化空腔包括插入了所述襯底的 未去除的本體材料的實線的窄通道，並且所述圖案化空腔具有期望的總厚度並位於 適於形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的微機電元件的互連焊盤的位置；將所述圖案化空腔中的未去除的本體材料的實線氧化以形成厚度與所述圖案 化空腔的總厚度相同的嵌入式絕緣體；以及在所述嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
37. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，所述襯底晶片是導電晶片， 所述方法還包括以下的步驟，以通過增加在互連焊盤下的絕緣體的厚度來減小 所述互連焊盤的寄生電容，所述步驟在將所述襯底晶片接合到所述頂板層之後 執行在所述頂板層上形成圖案化空腔，所述圖案化空腔包括插入了所述頂板層的 未去除的本體材料的實線的窄通道，並且所述圖案化空腔具有期望的總厚度並位於 適於形成用於擬被製造的微機電裝置的附近的微機電元件的互連焊盤的位置；將所述圖案化空腔中的未去除的本體材料的實線氧化以形成厚度與所述圖案 化空腔的總厚度相同的嵌入式絕緣體；以及在所述嵌入式絕緣體的頂部形成電互連焊盤。
38. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，還包括在所述空腔中形成柱， 其中所述柱比所述側壁短，並在將所述中間彈性層布置在所述空腔上之後離開所述中間彈性層期望的距離。
39. 如權利要求38所述的方法，其特徵在於，利用化學或機械方法同時形成所述空腔、所述側壁和所述柱。
40. 如權利要求38所述的方法，其特徵在於，所述連接器在所述柱的正 上方的位置處形成。
41. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，在所述襯底晶片的前側面上 形成第一空腔的步驟包括通過從所述襯底晶片去除本體材料來形成第一空腔。
42. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，在所述襯底晶片的前側面上 形成至少一個空腔的步驟包括以下步驟在所述襯底晶片的前側面上沉積犧牲層； 圖案化所述第一犧牲層以形成第一臨時空腔； 在所述第一犧牲層上沉積薄膜材料以填充所述第一臨時空腔； 去除所述第一犧牲層以形成所述第一空腔。
43. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，形成至少一個空腔的所述步 驟包括在所述中間彈性層的底側面上形成至少一個空腔。
44. 如權利要求43所述的方法，其特徵在於，所述中間彈性層是矽層， 所述至少一個空腔和所述至少一個側壁均由所述中間彈性層形成。
45. 如權利要求l所述的方法，其特徵在於，還包括以下步驟 在所述中間彈性層上形成圖案使得所述中間彈性層包括第一厚度的第一區、第二厚度的第二區以及第三厚度的第三區，所述第二區在所述第一區和所 述第三區之間，所述第二厚度基本上小於所述第一厚度或所述第三厚度，其中 當與所述襯底和所述頂板層接合時，所述第一區形成所述側壁的至少一部分， 所述第二區和所述第三區在空腔上，而所述連接器在所述第三區中。
46. 如權利要求45所述的方法，其特徵在於，在所述中間彈性層上形成 圖案的所述步驟包括在所述中間彈性層上形成圖案化氧化物或氮化物層，所述氧化物或氮化物 層覆蓋所述中間彈性層的所述第一區和第三區但使所述第二區保持未覆蓋； 氧化所述中間彈性層的所述第二區以形成第一氧化層； 去除所述第三區上的氧化物和氮化物層和所述第二區中的所述第一氧化層；氧化所述中間彈性層的所述第二區和所述第三區以形成第二氧化層；以及去除所述第一區上的氧化物或氮化物層和所述第二區和所述第三區中的 所述第二氧化層。
47. —種用於製造諸如電容式微加工超聲換能器(cMUT)之類的微機電裝置的方法，所述電容式微加工超聲換能器具有用於轉換能量可移動機械部件，所述方法包括以下步驟提供具有前側面和背側面的襯底晶片；在所述襯底晶片的前側面上沉積第一犧牲層； 圖案化所述第一犧牲層以形成第一臨時空腔；在所述第一犧牲層上沉積第一薄膜材料以填充所述第一臨時空腔並進一步形 成覆蓋所述第一犧牲層的頂面的膜層；去除所述第一犧牲層以在所述襯底晶片的頂部形成第一空腔，其中所述第一空腔由至少一個具有頂面的側壁限定，所述側壁由沉積在所述第一臨時空腔中的第 一薄膜材料製成；在所述膜層的頂側面上或頂板層的底側面上形成期望高度的至少一個連接 器；以及將所述頂板層設置在所述連接器上以在所述頂板層和所述膜層之間限定換能 空間，其中，所述連接器從所述膜層直立並在水平方向上離開所述第一空腔的側壁足夠的長度以限定錨固在所述側壁上的懸臂，以允許所述連接器的垂直位 移，並由此所述連接器的垂直位移以類似於活塞的運動基本垂直地移動頂板， 從而改變換能空間。
48. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，形成至少一個連接器的所 述步驟包括以下步驟在所述膜層的頂部沉積第二犧牲層；圖案化所述第二犧牲層以形成第二臨時空腔；沉積第二薄膜材料以至少填充所述第二臨時空腔；去除所述第二犧牲層以在所述膜層的頂部形成第二空腔，其中，所述第二空 腔由所述膜層頂部上的至少一個連接器限定，所述連接器由沉積在所述第二臨 時空腔中的所述第二薄膜材料製成。
49. 如權利要求48所述的方法，其特徵在於，同時進行去除所述第一犧 牲層的所述步驟和去除所述第二犧牲層的所述步驟。
50. 如權利要求48所述的方法，其特徵在於，在所述第二犧牲層上沉積第二薄膜材料的所述步驟包括在所述第二犧牲層的頂部沉積絕緣層。
51. 如權利要求48所述的方法，其特徵在於，沉積第二薄膜材料的所述 步驟還包括在所述第二犧牲層上沉積第二薄膜層，所述第二薄膜層具有用於進 入下面的所述第二犧牲層的至少一個孔。
52. 如權利要求51所述的方法，其特徵在於，沉積所述第二薄膜的所述步驟還包括沉積多孔薄膜。
53. 如權利要求51所述的方法，其特徵在於，通過在沉積所述第二薄膜 後蝕刻所述第二薄膜來形成所述至少一個孔。
54. 如權利要求51所述的方法，其特徵在於，所述第二薄膜層是絕緣層。
55. 如權利要求51所述的方法，其特徵在於，還包括在所述第二薄膜層 的頂部上沉積薄膜金屬層的所述步驟。
56. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，所述微機電裝置是微加工 超聲換能器(MUT)，還包括以下步驟在所述頂板層、所述膜層和所述襯底晶片中的至少一個上形成超聲換能構 件，其中所述換能構件通過所述頂板的垂直移動或所述換能空間的改變來實現 能量轉換。
57. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，形成所述超聲換能構件的 步驟包括以下步驟-在所述頂板層之中或之上形成或實現頂電極；以及 在所述襯底晶片之中或之上形成或實現底電極。
58. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，所述膜層具有用於進入所 述下面的第一犧牲層的至少一個孔。
59. 如權利要求58所述的方法，其特徵在於，所述膜層中的至少一個孔 通過在沉積所述膜層後蝕刻所述膜層來形成。
60. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，還包括以下步驟 在所述膜層的頂部沉積絕緣層。
61. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，所述襯底晶片是導電晶片。
62. 如權利要求47所述的方法，其特徵在於，還包括 在所述沉積的第一薄膜材料上形成第一厚度的第一區、第二厚度的第二區以及第三厚度的第三區，所述第二區在所述第一區和所述第三區之間，所述第 二厚度基本上小於所述第一厚度或所述第三厚度，所述第一區在所述第一臨時工腔上，所述第二區和所述第三區在所述第一犧牲層上,
全文摘要
公開了一種用於製造微機電裝置(諸如cMUT)的方法。該方法利用晶片接合技術或犧牲技術將襯底、中間彈性層和頂板結合起來。空腔在襯底的頂部或中間彈性層的底部形成。連接器在中間彈性層的頂部或頂板層的底部上形成。在接合三層之後連接器在頂板層和中間彈性層之間限定換能空間。連接器在水平方向上離開側壁以限定錨固在側壁處的懸臂。懸臂和空腔允許連接器的垂直位移，連接器以類似於活塞的運動移動頂部晶片，以改變換能空間。可在同一襯底上形成多個裝置。
文檔編號H01L21/00GK101578686SQ200680022644
公開日2009年11月11日 申請日期2006年5月18日 優先權日2005年5月18日
發明者黃勇力 申請人:科隆科技公司