晶片及其製造方法

2023-04-22 18:34:11

晶片及其製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種被細分並且可分離成多個管芯的晶片(100)。每個管芯(110)包括電容式微機械換能器單元(1)的陣列。每個單元包括：包括第一電極(11)的基底(10)、包括第二電極(14)的膜(13)以及在所述基底(10)與所述膜(13)之間的空腔(12)。所述管芯(110)的至少部分的每個單元(1)包括所述膜(13)上的補償板(15)，每個補償板(15)具有用於影響所述膜(13)的弓度(h)的配置。所述補償板(13)的所述配置在所述晶片(100)上變化。本發明還涉及一種製造這樣的晶片的方法和製造這樣的管芯的方法。
【專利說明】晶片及其製造方法

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種被細分並且可分離成多個管芯的晶片，每個管芯包括電容式微機 械換能器單元的陣列，具體為電容式微機械超聲換能器（CMUT)單元或電容式微機械壓力 傳感器單元的陣列。本發明還涉及一種製造這樣的晶片的方法。本發明還涉及一種製造這 樣的管芯的方法，具體為製造用於形成超聲換能器或壓力傳感器的管芯的方法。

【背景技術】
[0002] 任何超聲（成像）系統的核心是將電能轉換成聲能並且轉換回來的超聲換能器。 傳統上，這些超聲換能器由被布置在線性（1D)換能器陣列中的壓電晶體製成，並且以高達 10MHz的頻率工作。然而，朝向矩陣（2D)換能器陣列的趨勢和朝向將超聲（成像）功能集 成到導管中和導線的小型化的驅使已經引起所謂電容式微機械超聲換能器（CMUT)單元的 發展。CMUT單元包括在單元膜下面的空腔。為了接收超聲波，超聲波引起單元膜移動或振 動，並且能夠檢測電極之間的電容的變化。從而超聲波被轉變為對應的電信號。相反地，應 用到電極的電信號引起單元膜移動或振動，並且從而發射超聲波。
[0003]CMUT單元的膜一般由若干材料或層組成，例如被嵌入在氧化物或氮化矽中的金屬 電極。取決於應力的符號或方向，在這些層中的殘餘應力引起單元膜向上或向下彎曲。因 此，單元膜具有特定量的並且在（向上或向下）方向上的弓度或彎曲度。該弓度或彎曲度引 起單元的電屬性和聲屬性中的移位。例如，其影響崩潰電壓，並且假設偏置電壓恆定，其也 影響中心頻率。已經做出努力來解決該問題。例如，Hyo-SeonYoon等人在"Fabricationof CMUTCellswithGoldCenterMassforHigherOutputPressure，'（10thInternational SymposiumonTherapeuticUltrasound(ISTU2010)AIPConf.Proc. 1359,第 183-188 頁， 2011年）一文中公開了通過對基本CMUT單元結構的修正來提高單個CMUT單元的輸出壓力 的方式，即通過在頂部CMUT板的中心上添加黃金塊。
[0004] 此外，一般具有關於這樣的超聲換能器或CMUT設備的嚴格規範。其製造涉及相當 複雜的過程。一般，首先製造大的晶片，然後將所述晶片分離成多個管芯，每個包括CMUT單 元的陣列。在該方面，當試圖滿足針對超聲換能器或CMUT設備的嚴格規範時，具體的挑戰 是製造中的產量損失。


【發明內容】

[0005] 本發明的目的是提供具有改進和/或更廉價的製造具體為減少的產量損失的晶 片。本發明的又一目的是提供具體為具有減少的產量損失的製造晶片的改進方法和製造管 芯的改進方法。
[0006] 在本發明的第一方面中，提出一種被細分並且可分離成多個管芯的晶片，每個管 芯包括電容式微機械換能器單元的陣列，每個單元包括：包括第一電極的基底、包括第二電 極的膜以及在所述基底與所述膜之間的空腔，其中，所述管芯的至少部分的每個單元包括 所述膜上的補償板，每個補償板具有用於影響所述膜的弓度的配置，其中，所述補償板的所 述配置在晶片上變化。
[0007] 在本發明的又一方面，提出一種製造晶片的方法，所述方法包括：提供被細分並且 可分離成多個管芯的晶片，每個管芯包括電容式微機械換能器單元的陣列，每個單元包括： 包括第一電極的基底、包括第二電極的膜以及在所述基底與所述膜之間的空腔；以及提供 在所述管芯的至少部分的每個單元的膜上的補償板，每個補償板具有用於影響所述膜的弓 度的配置，其中，在所述晶片上使所述補償板的所述配置變化。
[0008] 在本發明的又一方面，提出一種製造管芯的方法，所述管芯包括電容式微機械換 能器單元的陣列，所述方法包括製造所述晶片的所述方法的步驟，並且還包括從所述晶片 中分離所述管芯。
[0009] 本發明的基本思想是在晶片上，具體為在晶片的直徑上使補償板的配置變化。每 個補償板具有用於影響（即，減少或增加）膜的弓度的配置。因此，每個補償板給膜的弓 度提供補償或補償作用。已經發現膜的弓度通常取決於在晶片上的特定位置，具體為膜或 其對應管芯的位置。例如，一個或多個中心管芯具有與一個或多個邊緣管芯相比不同的弓 度。因為電特性和諸如聲輸出壓力和中心頻率的聲特性取決於弓度，並且因此也是非均勻 的，所以相當不想要膜弓度的該非均勻性。因為具有關於換能器，具體為CMUT設備的嚴格 規範，所以非均勻性性轉化為產量損失。本發明通過在晶片上，具體為在其直徑上使補償板 的配置變化解決了該問題。用這種方式在晶片上使補償的量和/或方向變化。用這種方式 大幅減少在晶片上的膜弓度的變化。因此，具有針對在晶片上的膜弓度的變化的補償或補 償作用。因此，減少在製造中的產量損失。應當理解，在本文中的術語直徑具體涉及在其表 面上（在正交於其厚度的平面中）的晶片的最大維度。術語補償板的配置具體能夠涉及補 償板的形狀、尺寸和/或厚度。用這種方式，補償板的形狀、尺寸和/或厚度用於控制補償。 形狀、尺寸和/或厚度確定補償量並且也確定補償的方向（或符號）（向上或向下）。
[0010] 優選地，補償板的配置在晶片上變化，使得單元的膜弓度大體均勻。換言之，將在 晶片上的單元的膜弓度製作地大體均勻或相同。膜弓度不必需要為零，但需要在晶片上大 體均勻。應當理解，目標是使單元的膜弓度完全均勻或相同。然而，在實際中仍然可以具有 膜弓度的一些微小的或可忽略的變化。例如，在多個步驟中，優選在少數步驟（例如，兩個 或三個）中能夠執行變化或補償。因此，在實際中膜弓度的一些變化可以保持，然而，所述 變化是微小的或可忽略的。在晶片上的補償板的配置的變化提供膜弓度的變化的顯著改 進。
[0011] 優選地，每個管芯的單元的補償板的配置大體均勻。換言之，能夠假定一個管芯之 內的單元的膜弓度是（大體）均勻或相同的。歸因於與晶片的總尺寸相比管芯的尺寸小， 該假定是真的。在實際中，仍然可以具有在一個管芯之內的膜弓度的一些變化，然而，歸因 於與晶片的直徑相比管芯的尺寸小，所述變化是微小的或可忽略的。換言之，在管芯之內的 弓度的變化可以是非常小的或可忽略的。如果仍然具有在管芯之內的一些微小變化，則與 在晶片上的變化相比這小得多。優選地，一個管芯之內的單元膜弓度是大體均勻的，並且不 同管芯的弓度是大體均勻的。
[0012] 在從屬權利要求中定義本發明的優選實施例。應當理解，要求保護的製造晶片的 方法或製造管芯的方法具有與要求保護的晶片以及與在從屬權利要求中定義的類似和/ 或相同的優選實施例。
[0013] 在第一實施例中，補償板的形狀在晶片上變化。這提供使補償板的配置變化的特 別容易的方式。在該實施例中，補償板的配置涉及補償板的形狀。例如，形狀能夠在圓形形 狀與環形形狀之間變化，尤其對於圓形形狀的單元或單元膜。圓形形狀和環形形狀的補償 板能夠具有相反的補償作用（例如，圓形形狀能夠使膜向下彎曲，並且環形形狀的補償板 能夠使膜向上彎曲）。
[0014] 在第二實施例中，補償板的尺寸在晶片上變化。這提供使補償板的配置變化的特 別容易的方式。在該實施例中，補償板的配置涉及補償板的尺寸。例如，在製造中，通過使 用具有變化的尺寸和/或形狀的光刻掩膜能夠容易地使補償板的尺寸變化。用這種方式， 需要用於提供補償板的僅僅一個額外的光刻步驟。
[0015] 在該實施例的變型中，每個補償板具有圓形形狀，所述圓形形狀具有板直徑，並且 其中，板直徑在晶片上變化。該（連續）圓形形狀或盤提供使補償板的尺寸變化的特別容 易和/或有效的方式，尤其對於圓形形狀的單元或單元膜。當使板直徑變化（即增加或減 小）時，補償作用被增加。
[0016] 在該實施例的另一變型中，每個補償板具有環形形狀，所述環形形狀具有內部板 直徑，並且其中，內部板直徑在晶片上變化。該環形形狀提供使補償板的尺寸變化的另一特 別容易和/或有效的方式，尤其對於圓形形狀的單元或單元膜。當使內部板直徑變化（即 增加或減小）時，補償作用被增加。
[0017] 在第三實施例中，補償板的厚度在晶片上變化。這提供使補償板的配置變化的特 別有效的方式。在該實施例中，補償板的配置涉及補償板的厚度。例如，在製造中，通過在管 芯的至少部分的每個單元上應用/沉積至少兩個材料層能夠使補償板的厚度有效地變化。 然後需要用於提供補償板的多個額外的沉積步驟，而且能夠實現的補償作用非常好。因此， 在多個步驟，具體地在多個（金屬）沉積步驟中能夠使厚度變化。當增加（金屬）補償板 的厚度時，補償作用被增加。
[0018] 在該實施例的變型中，補償板的至少部分比其他補償板包括更多的層。這提供使 補償板的厚度變化的特別有效和/或容易的方式。例如，在製造中，通過應用/沉積第一層 並且應用/沉積至少第二層，使得補償板的至少部分比其他補償板包括更多的層，從而能 夠使補償板的厚度有效地變化。
[0019] 在另一實施例中，補償板的配置逐步從晶片的第一區域變化到晶片的第二區域。 用這種方式，僅僅需要有限數目的變化或步驟來提供足夠的補償。具體地，第一區域和第二 區域每個包括多個管芯。例如，補償板的配置可以逐步從第一區域變化到第二區域以及從 第二區域變化到第三區域。例如，三個或更少的區域可以足以提供足夠的補償。
[0020] 在另一實施例中，補償板由金屬，具體為鋁製成。金屬使能夠以特別容易的方式提 供補償板。具體地，鋁提供具體地可預測的製造過程。儘管可以優選鋁，但是也可以使用任 何其他材料，只要其很好地控制補償板的應力。
[0021] 在又一實施例中，每個單元包括在補償板上的保護塗層。這提供補償板對其環境 的保護，例如，對腐蝕的保護。該保護塗層或鈍化層能夠是薄的，例如200nm以下或100nm 以下。例如，保護塗層能夠由氮化矽（Si3N4)製成。
[0022] 在另一實施例中，所述方法包括在提供補償板之前確定每個管芯的單元的膜弓度 的步驟。用這種方式，能夠確定在晶片上的膜弓度的變化樣式或分布。然後根據該變化樣 式或分布能夠使補償板的配置變化。具體地，當開始製造晶片時，對於第一晶片能夠執行該 確定步驟僅僅一次。然後對於後續晶片，能夠假定膜弓度的變化是相同的。當然，在製造每 個單個晶片之前，也可能執行該確定步驟。這將以更加耗時的製造為代價來提供更加準確 的補償。例如，確定步驟能夠包括確定在晶片上的補償量是否足夠，以及如果確定在晶片上 的補償量不夠，則調節補償量。例如，通過諸如崩潰電壓的測量的電測量能夠執行晶片上的 補償量是否足夠的確定。
[0023] 在又一實施例中，提供補償板的步驟包括使用具有變化的尺寸和/或形狀的光刻 掩膜。用這種方式在晶片上能夠使補償板的尺寸和/或形狀變化。這提供使補償板的配置 變化的特別容易的方式。需要用於提供補償板的僅僅一個額外的光刻步驟。換言之，經由 光刻，具體地通過在光刻膠中的光刻掩膜的成像和摹制，應用補償板的尺寸和/或形狀。
[0024] 在另一實施例中，提供補償板的步驟包括應用第一層並且應用至少第二層，使得 補償板的至少部分比其他補償板包括更多的層。用這種方式在晶片上能夠使補償板的厚度 變化。這提供使補償板的配置變化的特別有效的方式。換言之，通過在管芯的至少部分的 每個單元上應用/沉積至少兩個材料層能夠使補償板的厚度有效地變化。然後需要用於提 供補償板的多個額外的沉積步驟，而且能夠實現的補償作用非常好。補償板的厚度是沉積 參數。具體地以將單元的膜弓度製作地大體均勻的方式能夠選擇該沉積參數。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025] 參考下文描述的實施例，本發明的這些方面和其他方面將是顯而易見的並且得到 闡明。在下圖中
[0026] 圖1示出了示例性電容式微機械換能器單元，具體為CMUT單元的示意圖；
[0027] 圖2示出了關於CMUT單元的陣列的示例性三維頂視圖；
[0028] 圖3示出了圖2的CMUT單元的橫截面剖面圖；
[0029] 圖4示出了具有補償板的示例性CMUT單元的示意性橫截面；
[0030] 圖4a示出了針對四個不同厚度的補償板，根據補償板的半徑的膜的弓度的示例 性曲線圖；
[0031] 圖5示出了具有CMUT單元的陣列的管芯的示意性橫截面；
[0032] 圖6示出了沒有補償板的配置的變化的在晶片上的崩潰電壓的示例性變化的示 意圖；
[0033] 圖7示出了被細分並且可分離成多個管芯的晶片的示意性橫截面；
[0034] 圖8示出了根據第一實施例的晶片的示意性橫截面；
[0035] 圖8a示出了在膜上的圓形形狀的補償板的示例性頂視圖；
[0036] 圖8b示出了在膜上的環形形狀的補償板的示例性頂視圖；
[0037] 圖9示出了根據第二實施例的晶片的示意性橫截面；
[0038] 圖10示出了根據第三實施例的晶片的示意性橫截面；
[0039] 圖11示出了根據第四實施例的晶片的示意性橫截面；
[0040] 圖12示出了根據第五實施例的晶片的示意性橫截面；
[0041] 圖13示出了根據第六實施例的晶片的示意性橫截面；
[0042] 圖14示出了根據又一實施例的晶片的頂視圖；
[0043] 圖15示出了無補償的邊緣管芯的CV曲線和中心管芯的CV曲線；以及
[0044] 圖16示出了具有補償的邊緣管芯的CV曲線和中心管芯的CV曲線。

【具體實施方式】
[0045] 圖1示出了示例性電容式微機械換能器單元1，具體為CMUT單元的示意圖。單元 1包括（例如由矽酮製成的）基底10,所述基底10包括第一電極11，也稱為底電極。在圖 1中示出的該範例中，第一電極11被嵌入基底或基底基層10。然而，應當理解，所述第一電 極也可以被應用在基底或基底基層的頂部。單元1還包括（例如由氮化矽製成的）膜13， 所述膜13包括第二電極14,也稱為頂電極。在圖1中示出的該範例中，第二電極14被嵌入 膜或膜基層13。然而，應當理解，所述第二電極也可以被應用在膜或膜基層的頂部。單元1 還包括在基底10與膜13之間的空腔12。該空腔12以接近真空的低壓被正常地保持，並且 提供在基底10與膜13之間的空間。在這樣的CMUT單元中，為了接收超聲波，超聲波引起 單元膜13移動或振動，並且能夠檢測電極11、13之間的電容的變化。從而超聲波被轉變為 對應的電信號。相反地，應用於電極11、13的電信號能夠引起單元膜13移動或振動，並且 從而發射超聲波。
[0046] 從技術的角度，原則上以任何傳統方式能夠製造崩潰前的電容式微機械換能器單 元（具體為CMUT)，例如，其在W0 2010/032156A2中被詳細描述，通過引用將其併入本文。
[0047] 儘管已經說明了圖1，並且將對說明書的餘下部分進行了說明，就用於發射和/或 接收超聲波的CMUT單元而言，應當理解，電容式微機械換能器單元也能夠用於另一目的， 例如作為壓力傳感器。在壓力傳感器單元中，膜13經歷引起膜13屈曲或彎曲的壓力。膜 13的位置的變化引起在第一電極11與第二電極14之間的距離的改變，從而改變在他們之 間建立的電容。檢測電容的該改變並且將其轉換成壓力測量改變。應當注意，圖1的繪製 僅僅是示例性的，並且單元1可以包括其他特徵或層或層堆疊，這對於設備的處理和電操 作是必要的。
[0048] 圖2示出了關於CMUT單元1，具體為參考圖1說明的單元的陣列的示例性三維頂 視圖。CMUT單元1的陣列形成矩陣（2D)換能器陣列。在該範例中，每個CMUT單元1具有 圓形形狀，所述圓形形狀具有單元1或其膜13的直徑2rm。圖3示出了圖2的CMUT單元的 橫截面剖面圖。如在圖3中能夠看到的，單元1的膜13具有彎曲度或弓度h。有時弓度h 也被稱為膜的撓度、位移或形變。弓度h-般具有特定的量並且在特定方向，其是向上或向 下的。在圖3的該範例中，弓度h具有約200nm的量和向上的方向。弓度h引起單元1的 電屬性和聲屬性的移位。弓度h影響崩潰電壓（例如高達25%)，並且假定恆定的偏置電 壓，也影響（例如約l-2MHz)中心頻率。
[0049] 為了影響弓度，能夠使用膜或膜基層13上（例如頂部上的）的補償板15。圖4示 出了具有這樣的補償板15的示例性CMUT單元1 (具體地如參考圖1至圖3說明的）的示意 性橫截面。圖4中的箭頭B圖示了該具體CMUT單元1具有圍繞單元或膜的中心（橫）軸 A(正交於膜的表面）的圓對稱性。在圖4中示出的CMUT單元的截面集中於膜13上。也 示出了針對膜13的錨點13a。補償板15被布置在膜或膜基層13上。應當理解，如參考圖 1說明的，當接收和/或發射超聲波時，補償板15也振動或移動。因此，能夠假定補償板15 也是膜13的部分，具體地被布置在膜基層上。在圖4中示出的範例中，補償板15被布置在 空腔12對面的膜或膜基層13的外表面上。
[0050] -般地，膜13中的應力可以引起膜弓度。在一個範例中，溫度改變或熱感應應力 可以是膜弓度（或也稱未撓度）的根本原因。其一般源於組成膜13的材料的設計和特性。 第二（頂）電極14由不同於膜或膜基層自身的材料的導電材料製成。在溫度改變的影響 下，兩種材料以不同速率膨脹或收縮，並且具有不同的膨脹特性。這創造在膜之內的熱感應 應力和動量。該熱感應應力和動量可以觸發膜的移動，從而激發電容改變。通過將補償板 15應用在膜13上，能夠影響膜的弓度或撓度。
[0051] 根據以下能夠對膜13的弓度或撓度h進行建模：
[0052]h=hw+hft,

【權利要求】
1. 一種晶片（100)，其被細分並且能分離成多個管芯，每個管芯（110)包括電容式微機 械換能器單元（1)的陣列，每個單元包括：包括第一電極（11)的基底（10)、包括第二電極 (14)的膜（13)以及在所述基底（10)與所述膜（13)之間的空腔（12)，其中，所述管芯（110) 的至少部分的每個單元（1)包括所述膜（13)上的補償板（15)，每個補償板（15)具有用於 影響所述膜（13)的弓度（h)的配置，其中，所述補償板（13)的所述配置在所述晶片（100) 上變化。
2. 根據權利要求1所述的晶片，其中，所述補償板（15)的所述配置在所述晶片上變化， 使得所述單元（1)的所述膜弓度（h)大體均勻。
3. 根據權利要求1所述的晶片，其中，所述補償板（15)的形狀在所述晶片上變化。
4. 根據權利要求1所述的晶片，其中，每個管芯（110)的所述單元（1)的所述補償板 (13)的所述配置大體均勻。
5. 根據權利要求1所述的晶片，其中，所述補償板（15)的尺寸在所述晶片上變化。
6. 根據權利要求5所述的晶片，其中，每個補償板（15)具有圓形形狀，所述圓形形狀具 有板直徑（d)，並且其中，所述板直徑（d)在所述晶片上變化。
7. 根據權利要求5所述的晶片，其中，每個補償板（15)具有環形形狀，所述環形形狀具 有內板直徑（di)，並且其中，所述內板直徑（di)在所述晶片上變化。
8. 根據權利要求1所述的晶片，其中，所述補償板（15)的厚度（t)在所述晶片上變化。
9. 根據權利要求8所述的晶片，其中，所述補償板（15)的至少部分比其他補償板包括 更多層（15a、15b)。
10. 根據權利要求1所述的晶片，其中，所述補償板（15)的所述配置從所述晶片的第一 區域（R1)到所述晶片的第二區域（R2)逐步變化。
11. 一種製造晶片（100)的方法，所述方法包括： -提供被細分並且能分離成多個管芯（110)的晶片，每個管芯包括電容式微機械換能 器單元⑴的陣列，每個單元包括：包括第一電極（11)的基底（10)、包括第二電極（14)的 膜（13)以及在所述基底（10)與所述膜（13)之間的空腔（12)，並且 -提供在所述管芯（110)的至少部分的每個單元（1)的所述膜（13)上的補償板（15)， 每個補償板（15)具有用於影響所述膜（13)的弓度（h)的配置，其中，所述補償板（15)的 所述配置在所述晶片（100)上變化。
12. 根據權利要求11所述的方法，還包括在提供所述補償板（15)之前確定每個管芯 (110)的所述單元（1)的所述膜弓度的步驟。
13. 根據權利要求11所述的方法，其中，提供所述補償板（15)的所述步驟包括使用具 有變化的尺寸和/或形狀的光刻掩膜的摹制。
14. 根據權利要求11所述的方法，其中，提供所述補償板（15)的所述步驟包括應用第 一層（15a)並且應用至少第二層（15b)，使得所述補償板（15)的至少部分比其他補償板包 括更多的層。
15. -種製造包括電容式微機械換能器單元（1)的陣列的管芯（110)的方法，所述方法 包括根據權利要求11所述的方法的步驟，並且還包括將所述管芯（110)從所述晶片（100) 中分離。
【文檔編號】B06B1/02GK104379268SQ201380028285
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2013年5月30日 優先權日:2012年5月31日
【發明者】P·迪克森 申請人:皇家飛利浦有限公司