具有導電過孔的晶片鍵合的cmut陣列的製作方法

2023-04-25 23:09:56

專利名稱：具有導電過孔的晶片鍵合的cmut陣列的製作方法
技術領域：
本發明涉及電容式微加工超聲傳感器(CMUT)陣列，尤其涉及一種適用於小型成像系統的陣列。本發明還延伸為一種製造這種陣列的方法。
背景技術：
常用的超聲系統是基於使用壓電元件的。為了提供元件陣列，壓電材料被粘合到印刷電路板上然後切分成單個的元件。通過扇出結構間接地形成到集成電路的連接，扇出結構具有可能降低信號質量的缺點。需要重視的是這種結構難於按比例縮減，這對於需要大大地縮短元件之間的距離的高頻應用是必須的。CMUT技術是2D超聲陣列的有希望的候選者，2D超聲陣列可以被用於在高頻率下使用小型儀器產生3D影像。一個單一 CMUT傳感器元件採用具有一個第一剛性(底部)電極和一個由薄膜形成的第二(頂部)電極的電容器的形式，薄膜在用作接收器時彎曲以響應來自超聲波的壓力。因此，CMUT本質上是作為一個電容麥克風。在典型的結構中，主動聲學部分和CMUT電容的上電極為金屬鍍層的氮化矽薄膜，而重摻雜矽襯底形成底電極。在使用中，直流偏壓被施加在頂電極和底電極之間，由於靜電引力底電極將薄膜拉向襯底的方向。如果施加交流電壓在此被偏置的薄膜上，將得到諧波的薄膜的運動，如果被偏置的CMUT膜處於衝擊的超聲波壓力場，薄膜的運動將產生交流檢測電流。如其名字所示，CMUT是使用微加工技術製造的，這是眾所周知的技術，包括如刻蝕矽和矽基的晶片和帶有不同表層的矽晶片的工藝，以產生想要得到的機械結構， 矽基的晶片例如氧化埋層矽晶片。"Surface Micromachined Capacitive Ultrasonic Transducers，，(表面微力口工的電容式超聲傳感器)，Ladabaum等，IEETransactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control, Vol45,No 3,1998 年 5 月，描述了一種早期的技術。文中，CMUT從一個單一的矽晶片形成。在晶片上形成氧化層然後沉積氮化層。然後由等離子刻蝕在氮化層形成孔隙，然後使用進入孔隙的氫氟酸去除氧化區域以形成傳感器的空腔。然後通過沉積另一層氮化物封閉空隙，然後在氮化物上加上導電的金屬層形成接地面薄膜。一個重大的進步是引入了晶片鍵合，通過把多個矽晶片鍵合在一起以形成需要的結構(參見"Fabricating Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers with Wafer-Bonding Technology」(用晶片鍵合技術製造電容式微加工超聲傳感器)，Huang等， JMEMS，12 O) ,128(2003))。這允許用於微加工的結構的各種各樣的新構型。這篇文章表明晶片鍵合引起機械性能的提高，通過晶片鍵合製作的高質量的薄膜優於那些由表面微加工可以得到的。例如，空腔的形狀與薄膜的形狀無關，空腔的深寬比不受刻蝕工藝的限制；在器件的設計上限制較少；薄膜可以由單晶體製作，因此具有較少的內部缺陷和較低的機械損失；以及更高的均勻性，應力可控制性和工藝的可重複性是可能的。「Fabrication and characterization of CMUTs realized by waferbonding"(用晶片鍵合實現的CMUT的製造和特性描述)，K Midtb0, A R0nnekleiv和D T Wang, 2006 IEE Ultrasonics Symposium，描述了一種適合的鍵合技術(熔融鍵合)，還描述了一個使用了用堆疊的或分層的結構而形成的CMUTs的完整的超聲傳感器器件，在這種結構中，上層由CMUT陣列結構形成，其下(以CMUT為上端，以探測器表面為最上端)提供了處理層，比如放大器、模數轉換器、復用級。最後，在堆疊的底部，提供了環氧樹脂或類似材料的襯墊層，這為結構提供了聲音衰減。這樣一個層是必要的，因為不然的話在器件內傳播和反射的波會提供被傳感器檢測到的錯誤信號，因此顯著地降低性能。CMUT技術的目的是使超聲傳感器小型化，達到以至於能夠創造出為了成像目的能被放到人體內的成像器件。特別地，基於導管的靜脈超聲成像系統已經被提議用於在動脈內檢測斑塊，以區分斑塊是易損的還是穩定的。(參見「klf-biased charge sampling amplifier in 90 nm CMOS for medical ultrasound imaging，，(用於醫療超聲成像的90nm CMOS工藝的自偏壓電荷取樣放大器)，L R Cenkeramaddi，，T Singh和T Ytterdal, GLS VLSI' 07，，2007 年，3 月，11-13 日)。為了提供具有有用的解析度的成像器件並且為了對約為90°的所需錐角成像，需要大約1000個或更多的傳感器元件在一個必須約為1立方毫米的器件裡。如上所述，通常的結構是元件的堆疊，以CMUT陣列在上端，其下是處理電子器件。為了提供所需解析度，該器件應該在20到50MHZ下操作，更好地達到約100MHZ。這樣的頻率表明CMUT陣列在厚度上應該只有20 μ m左右。面臨的一個特別的問題是在單個的傳感器元件之間提供必要的電連接，元件包括陣列和下層中的必須處理輸出信號的相關聯的電子器件。由於在CMUT陣列的上表面有任何暴露的攜帶信號的導體都是非常不可取的事實，問題進一步地複雜。此表面形成器件的外部，並且將在使用中接觸身體組織和體液。因此，為了安全和防止信號幹擾的原因，整個表面應該處於地面電位。不得不在CMUT薄膜結構上提供額外的絕緣層來絕緣攜帶信號的導體是不大可取的，因為這樣既會增加製造的複雜度還可能會降低性能。但是增加一層來確保生物相容性是必要的。US 2008/0048211說明了(在其現有技術的論述中)一種使用微加工和晶片鍵合形成的CMUT結構。其中，矽層形成器件的襯底，其上的氧化層中形成CMUT空腔。空腔由氧化矽形成的薄膜層封閉。空腔下面的導電的體矽層形成背電極，其中形成溝槽以提供元件之間的電隔離。這被稱為「溝槽隔離」結構。但是，儘管這是一個有效的技術，但溝槽會削弱結構。如"Wafer-Bonded 2_D CMUT Arrays Incorporating Through—Wafer Trench-Isolated Interconnects with a Supporting Frame，，(帶有支撐結構的集成穿透晶片的隔離絕緣的互聯的晶片鍵合的2-D CMUT陣列)，Xuefeng Zhuang等，IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Vol 56，No 1， 2009年1月1日，所論述的，已經開展了關於使用通孔作為溝槽隔離的替代的工作。在此， 一種導電材料，通常是摻雜的多晶矽，被用來填充穿過元件下面的襯底的過孔(通道)。在將這種方法應用到晶片鍵合的CMUT陣列時有一個特別的問題；過孔的形成步驟可能導致後續的鍵合步驟的問題，以及可能對晶片產生不希望有的應力。該文章得出結論「迄今為止，沒有成功的通孔製造技術被證明與製作CMUT的晶片的鍵合技術兼容」。然而，它提出了一種改進的基於溝槽隔離的構造技術。US 2008/0048211(上面引用的)也說明了穿透晶片的過孔的使用限於表面微加工的CMUT結構。在其中描述的發明再用到了溝槽隔離結構但是過孔(必須是電絕緣的) 是通過薄膜自身形成的。

發明內容
從第一方面考慮，本發明提供了一種包括橫跨襯底分布的多個CMUT元件的晶片鍵合的CMUT陣列，每個元件包括一個空腔和一個形成在襯底內的信號電極，和一個封閉空腔並形成接地電極的導電薄膜，其中單個元件的薄膜形成橫跨陣列的表面的完整的接地面，其中通過導電過孔提供了到信號電極的電連接，導電過孔由此懸垂穿過襯底從信號電極到襯底的後部。因此，已知的溝槽隔離結構的缺點可以用本發明克服。特別地，剔除隔離溝槽去除了現有技術的晶片鍵合設計中的弱點的起因，因此根據本發明的陣列可以顯著地更為堅固。而且，本發明的陣列具有與晶片鍵合結構相關的所有優點。在本發明的論述中，關於元件的方向使用了和現有技術描述中相同的規範。因此， 薄膜形成一個「上」或「前」表面，從該表面發出和/或在該表面接收及檢測超聲波。器件的反面是「底」或者「後」或者「背」面。因此導電過孔從信號(或「熱」)電極向下通過到器件的後部，在那裡提供有控制和/或信號處理電子器件。術語「晶片鍵合」在本技術領域中具有其如上所述的普通的含義。因此，CMUT陣列的結構由多個鍵合到一起的晶片形成。因此，通過本發明，提供了一種晶片鍵合(例如熔融鍵合)的CMUT陣列結構，其不需溝槽過孔，並且具有擺脫了攜帶信號電壓的導體的前表面，由此，陣列自身的前表面可以被完全保持在地面電位。為了提供最緊湊的結構，更好地，每個過孔直接從單個的信號電極向下懸垂(例如，遠離器件的接地面表面)。然而，可能把多個的傳感器結合成一組，比如，四個(或者更好地，更多個的)來形成實際上為一個元件的器件。那些單個傳感器的電極可以通過導體連接，這些導體可以處於電極的同一層並且可以與此集成地形成。因此，多個電極可以形成一個相連的導電錶面，此導電錶面可以被連接到單個導電過孔。優選地，在空腔內提供有電極。這是與常見的現有技術形成對照的，現有技術中， 在形成空腔的單獨的結構的下方提供電極層。例如，在常見的微加工的結構中，氧化層形成在電極結構之上。由於電極結構通常由具有顯著的表面粗糙度的多晶矽形成，這導致氧化層也不平整。這樣的不平整的表面是不合適晶片鍵合的，雖然這在表面微加工的器件中可以被容忍。發明者通過在空腔內形成電極確認了這個問題，空腔可以在形成襯底的晶片內形成，因此薄膜結構可以被鍵合到襯底晶片，而不是生長的氧化層上。對於鍵合這是固有地更合適的表面，由於它可以被化學拋光以呈現一個非常光滑的表面。儘管對微加工本發明的結構可以採用各種方法，但優選的方法是由矽或者矽基的晶片產生襯底。在一些實施例中可使用氧化埋層矽晶片，因為其具有在製造過程中有用的氧化層。導電過孔和空腔結構可以在單一晶片上形成，或者過孔在一個晶片上形成而空腔結構和信號電極在另一個晶片上形成。在後一種情況下，氧化層可在這兩個晶片之間形成絕緣層。最方便地，過孔可以通過至少在晶片的矽器件層刻蝕孔並在其中填入導電材料而形成。但是，為了使過孔絕緣，通常首先在孔內產生氧化層。孔可能一端不通，在這種情況下，晶片在孔末端(可被用作把手)之下的部分被去除之後，過孔將從穿過襯底的底部到信號電極提供電通訊。在每個元件中，每個單個的傳感器的空腔優選地通過部分刻蝕摻雜矽到預定的深度來形成。這個深度(比如50-70nm，優選地，60nm)可以是這樣，以使摻雜矽的一部分殘留在空腔的底部，可被用來形成信號電極。因此，陣列可包括多個的信號電極(或者幾組這樣的電極)，信號電極包括由刻蝕進入摻雜矽內的通道所隔離的摻雜矽的區域。可選地，可以形成更深的空腔，可以由沉積在空腔內的多晶矽形成信號電極。優選地，多晶矽摻磷。空腔間隙可以通過刻蝕形成空腔的底部的多晶矽到上面列舉的所需高度來調整。因為此結構是晶片鍵合的，薄膜是用另一個，通常是矽基的，晶片形成。此處的實施例中，薄膜由被氮化矽，可選地還有氧化矽，包覆的矽晶片形成，此矽晶片鍵合到形成空腔結構的晶片上。然後通過至少在傳感器元件之上的區域向下刻蝕至單一層的氮化矽層， 或者如果合適，氧化矽層，形成薄膜。如上面指出的，元件通過橫跨單個元件的表面形成於薄膜上面的接地電極層被完善(可以把這看作形成單一的導電的接地面薄膜表面)。為了環繞器件的邊緣形成豎立的構件，形成薄膜的晶片的一部分被完整地留下。更優選地，為了提供到薄膜自身的聲電連接，在此邊緣提供接地電極。因為這些電極處於地面電位，上述關於暴露的信號電極的問題不會出現。優選地，薄膜通過在其上提供一個金屬層/膜，被制為導電的。這可包括鋁、鈦或者鎢，通過，例如，濺射工藝，形成。如果需要，可以額外地提供上述的導電過孔來提供到CMUT的第三個電連接。這可被用於從射頻電壓中隔離直流偏壓。還可以使用一個額外的電極來電調節CMUT的共振頻率和耦合因數，釋放存儲於 CMUT陣列的單獨的電極的能量也可以被用於產生傳輸脈衝，並且因此從接收信號隔離傳輸信號。本發明還可以延伸為一種產生以上概述的傳感器陣列類型的方法。因此從另外一個方面來看，本發明提供了一種製造包括多個橫跨襯底分布的CMUT元件的CMUT陣列的方法，方法包括在矽襯底內，形成每個元件的空腔和單一信號電極和提供到電極的電連接的導電過孔，導電過孔被布置從元件懸垂；以及提供導電薄膜以封閉每個空腔並形成接地電極，由此橫跨CMUT陣列的表面形成的完整的接地面；其中導電薄膜由鍵合到襯底上的矽晶片形成。如此，形成了具有通孔的晶片鍵合的CMUT陣列。如上所述，薄膜提供了橫跨元件表面的完整的接地面(即，它在使用中被連接到地面電位，薄膜的表面處於此公共電位)。 通過在其上提供的觸點，優選地在器件的邊緣，可提供到薄膜的電連接。優選地，空腔和過孔在襯底中形成，襯底包括單一(第一)矽晶片，薄膜以上面描述的方式形成在另一(第二)晶片中。在此方法中，優選地，過孔在空腔之前形成；因此，可提供第一矽片並在其中刻蝕孔，此孔將在整體結構中形成過孔。接著，可在第一矽片內形成空腔。通過在其表面形成氧化層可使空腔和孔絕緣。導電材料，如多晶矽，可被用來形成孔內的導體和空腔內的電極； 這可以同時進行來形成相連的導電部分(即，過孔和連接電極(多個))。如上面所提到的，電極優選地在空腔內形成，最優選地延伸以形成空腔的底部，而不是在形成空腔的層之下。因此，優選地，該方法包括在襯底內形成空腔，之後在其中形成電極(儘管如上所指出的，在一個實施例中，空腔可被向下刻蝕至其後用於形成電極的矽)。優選地，在和形成薄膜的晶片鍵合之前，拋光襯底的上表面。如上所論述的，導電薄膜可包括單獨的矽片，優選地，其包覆有氮化層。優選地它在過孔完成之前電極形成之後鍵合到襯底。優選地，形成過孔的孔不被刻蝕到正好穿透矽晶片，在這種情況下，優選地，過孔因此通過去除襯底背面的一部分以暴露孔內的導體而完成。通過該方法的優選特徵，儘可能晚地開始鍵合步驟以避免對薄膜的應力。最優選地，鍵合步驟發生在過孔形成之後，並在薄膜將被鍵合到的襯底的表面拋光之後。然後以已知的方式通過在第二矽晶片上刻蝕掉材料以留下薄膜層來形成薄膜。然後可提供導電的接地面，正如可提供必要的電觸點。本發明的實施例將隨後描述，優選地該方法進一步地包括它適當的特徵。在CMUT陣列的空腔內形成電極的概念也被認為是有創造性的，因此從進一步的方面看，提供了一種CMUT陣列，包括其中形成的空腔的襯底，包含電極的空腔，和布置於空腔上以封閉空腔的導電薄膜。優選地，還提供了從電極懸垂穿過襯底以提供信號連接的過孔，薄膜形成公共電極。優選地，該陣列包括本發明的其他方面的優選特徵。從更進一步的方面來考慮，本發明提供了一種製造CMUT陣列的方法，包括在第一矽基晶片中形成導電過孔的陣列和空腔結構陣列；提供另一矽晶片並由此形成導電薄膜；其中每個矽晶片都被微加工以形成它們各自的結構並被鍵合到一起以形成陣列，以使薄膜延伸橫跨空腔，在每個空腔內提供單一信號電極，而且每個過孔提供了到形成在空腔結構中的信號電極的電連接。在可替換的方法中，襯底可由多個矽晶片形成。一個晶片可用於形成空腔，另一個用於形成過孔。優選地，在薄膜晶片鍵合之前把這些晶片鍵合到一起。因此，從另一方面考慮，提供了一種構造CMUT陣列的方法，包括提供了 第一矽晶片並在其中形成導電過孔陣列；第二矽晶片並在其中形成空腔結構的陣列；和第三矽晶片並由此形成導電薄膜；其中每個晶片都被微加工以形成它們各自的結構並鍵合到一起以形成陣列，以使薄膜延伸橫跨空腔，在每個空腔內提供單一信號電極，而且每個過孔提供了到形成在空腔結構中的信號電極的電連接。在這種方法中，最優選的是，空腔結構和晶片和通孔陣列晶片由矽晶片形成並且薄膜優選地由氮化物包覆的晶片形成。通常，過孔結構首先通過刻蝕多個穿過各自的晶片的器件層的孔產生，然後形成空腔結構的(第二)晶片可以倒轉的構型被放置在第一晶片上面，以使兩個晶片的器件層鄰接。然而，優選的是，在此之前，在第一晶片的器件層上提供氧化層。在兩個晶片鍵合後， 矽的「把手」層可以從第二矽片上被去除。
優選地，一旦做完這個，可摻雜第二晶片的矽器件層並在其中刻蝕空腔結構。優選地，這可以形成大量隔離的區域。最優選地，該工藝進一步包括刻蝕掉每個隔離結構的一部分以提供一個在其下面具有部分的形成信號電極的摻雜矽的空腔。通常，為了提供這樣深度的空腔，大約60nm的摻雜矽將被刻蝕。優選地下一步驟包含將第三(薄膜形成)晶片放置於結構的上面，這樣氮化矽層位於之前描述的空腔的上方。這樣通過從晶片上刻蝕掉矽以留下形成薄膜的基礎的氮化層來形成薄膜是可能的。雖然應當刻蝕掉傳感器陣列的上方的矽，環繞器件邊緣的部分陣列可以被留在原處，以提供豎立構件。薄膜可以如上述地被完成。在工藝中的某個時刻，去除第一晶片的把手矽層。優選地這在第三(薄膜)晶片被應用之後進行，因為這給結構提供了顯著的機械強度。這樣把導電材料填入孔中以形成過孔是可能的。因此，可以看到提供了一種用於形成其前表面上擺脫了不接地的電導體的CMUT 陣列的非常方便的方法。儘管在晶片鍵合的結構的背景中已經描述了本發明，相信在這裡描述的創造性的概念可適用於非晶片鍵合的結構。因此從更進一步的方面來看，本發明提供了一種CMUT陣列，包括橫跨襯底分布的多個CMUT元件，每個元件包括襯底內形成的空腔和單一信號電極，和封閉空腔並形成接地電極的導電薄膜，其中單個元件的薄膜形成橫跨陣列的表面的完整的接地面，其中用導電過孔提供了到信號電極的電連接，該過孔由此懸垂穿過襯底從信號電極到襯底背部。最優選地，如上所述地在空腔內形成電極。如之前所論述的，本發明的CMUT陣列是意圖用作集成超聲傳感器部件的一部分， 此部件包括布置於CMUT陣列層下面的信號處理層。在這樣的結構中，優選地，來自每個傳感器的電信號彼此並行地通過器件(且被並行處理)，經過比如模數轉換器、放大器等的不同階段，至少直到它們到達信號處理器的階段，在那裡它們可以被復用。通常，如本技術領域中眾所周知的，一個提供衰減的吸聲襯墊層在器件的背面被提供。然而，本發明人發現，如果在CMUT陣列和處理結構之間提供另一個聲音衰減層， 器件的聲學特性可以改善。對這個層來說，特別優選的是直接提供於CMUT陣列鄰近處，由此通過這另一個聲學層提供了到信號處理電路的電連接。相信這個布置本身代表了進一步的發明並且因此，從進一步的方面考慮，本發明提供了一種集成CMUT結構，此結構包括CMUT陣列、信號處理電路和第一聲學層，其中信號處理電路被提供於CMUT層和第一聲學層之間，其中在CMUT陣列和信號處理結構之間提供了另一聲學層。優選地，如上所述，第二聲學層被提供在直接鄰接CMUT陣列層處。該發明還延伸為一種產生這種陣列的方法。這裡描述的另一個發明涉及用於CMUT器件的吸聲襯墊層，比如上面論述的那個。 如上所指出的，在CMUT器件中提供了吸聲襯墊層。這確保了任何從傳感器傳播進入襯墊的聲音信號在襯墊中被吸收，這樣它不會以在傳感器接收的信號(在接收時)或者從傳感器傳送的信號(在傳送時)中給出錯誤的回音的方式來激發傳感器。如果它不被吸收，也會以這樣的方式被降低，以使它不幹擾傳感器那時被設定接收或者傳送的信號。在多數情況下這意味著波的傳輸方向被改變。考慮以如此小的部件生產這些器件的需要，很多情況下傳感器的下面可用空間很少，這樣難以容納一個具有高傳播損耗的足夠厚的材料層來確保沒有信號被反射回傳感
ο解決這個問題常用辦法是提供一個散射波的不規則的底表面結構，但是它們也會佔用一些空間，不是解決這個問題最好的辦法。在US7231181中，提議了一種襯墊層，在該層內，形狀規則的、四分之一波長深度的凹槽形成在底或上表面。這導致形成有效的衍射柵。一半的通過該層傳送的波從襯墊層的底表面反射，一半從凹槽部分反射，結果是這些波變成彼此相位相差180度，並且經受相消幹涉。其原理在後面相關圖39詳述。雖然這種方法是有效的，但它固定地調整到一個特定的波長，因此它的有效性受到一點限制。根據本發明，提供一個用於超聲傳感器的吸聲襯墊層，該層被布置以散射多個不同頻率的超聲波，其中襯墊層包括多個相互獨立起作用的散射結構，這樣每個都在一個給定的頻率上在反射波的反射係數上產生一個零。此處使用的術語「吸聲襯墊層」意思為為了抑制超聲波，例如阻止體波傳播，或者至少減弱它們而提供的一個層。因此，使用本發明，提供了一個襯墊層，它可以壓縮體積，同時還可以散射一部分頻率的超聲波。通常，布置散射結構以使對從由於使用其它的傳播遲延而增加的傳播長度的任何可能類型的總區域的一半反射的信號增加了 ^ii的傳播長度。(該層底部深度h的凹部將導致反射波具有比從該層底部反射出的波的路徑短池的傳播路徑，如果h是四分之一波長， 行進較短路徑的波將與那些行進了較長路徑的波相消幹涉)。傳播延遲中的這一平衡將較佳地既被在整個結構上全局保持，也被用於結構中每一處較小區域的局部保持。一種能夠實現這個的結構包括不同尺寸的刻蝕方塊，其中每個尺寸的方塊就像在棋盤上一樣被安排，並且，比如說對於第i個棋盤，黑色的棋盤方格被向下刻蝕到一定高度比。為了用上面描述的平衡的方式容納三個高度，棋盤上方塊的大小可按比例調節以使它們之間在尺寸上存在至少為2的線性因子O的整數冪)。因此，四個較小圖案的方塊可以被放在第二大方塊之一的裡面，以此類推。通過選擇高度差，大的方塊將優選地在較低的頻率上產生相消。因此本發明提供了一種系統的方法以使後表面將波散射為具有明顯改變的傳播方向的波，通常給出返回傳感器的長的傳播路徑。因此如果它們可能返回到傳感器，將只在很小的程度上影響傳感器的成像。它還可以在襯墊中將波轉換成橫波，通常在襯墊材料中橫波具有比進來的縱波更高的傳播損耗，因此也減少了波能量以明顯的強度到達傳感器的機率。這種結構佔空間小，因為它在襯墊材料的底部的總厚度約為一個波長。棋盤布置是使散射結構用於本發明的多個方法之一。使用具有和凹槽寬度相同的凹槽間距的平行凹槽也是可能的。幾個凹槽結構可以在彼此頂部疊放，以使它們可以同時起作用，並且以上面描述的方式平衡。對具有不同深度或許還具有不同寬度的凹槽使用不同方向也是可能的，凹槽被設計以使它們在所需頻率上起作用。三個凹槽結構可以具有內部相差為45度和90度的凹槽方向。另一種方法是提供多套方向相同，具有不同的深度和寬度的周期性的凹槽，它們疊放在彼此之上。這樣做使得一個給定點上的總深度來自於所
12有疊放的凹槽結構的總和。這種情況下，在不同凹槽結構的周期之間應該有整數的關係，來實現局部平衡原理。另一個可能的結構具有兩個三角形的基本圖案，兩個三角形一起形成正方形或者矩形。與此結合形成平衡的深度圖案的結構可能是如果正方形或者矩形被兩個可能的對角線中另外一個分成三角形而得到的結構。為了包含更多的圖案，可以用矩形重複相同的結構，其平面上的尺寸被按比例地放大或縮小2的因數。在上面的論述中，考慮了表面結構形狀的邊緣是尖銳的情況。但是，具有更平緩的邊緣的結構也可以工作，並可能更容易地通過鑄造來製造。聲學層可以由任何適合的材料形成，例如環氧樹脂和適合澆鑄的鎢。儘管本發明主要是設想為襯墊層，在本發明的其它方面，所述類型的層可被提供於超聲傳感器的結構(特別是CMUT)中的其它位置。例如，在CMUT陣列和它相連的信號處理及控制電路之間提供一個襯墊層可以是必須的。本發明的結構可以被用於任一或者全部的這樣的襯墊層。實際上，一個在CMUT陣列和相連的信號處理及控制電路之間具有第一衰減層的集成超聲傳感器裝置的供給提供了本發明進一步的方面。本發明的結構也可以適用於其它需要吸收或者減弱聲波或超聲波的領域。本發明對任何類型的使用吸聲襯墊層的超聲傳感器都是有用的，但它對CMUT結構尤其有用。因此，從另外一個方面考慮，本發明提供了一種包括如上面描述的聲學層的 CMUT器件。本發明還擴展為一種製造吸聲襯墊層的方法，方法包含形成這樣的結構，比如通過澆鑄、微加工(包括刻蝕、光刻)等等，並擴展為一種製造包含這樣的層的CMUT器件的方法。如上面所指出的，在CMUT器件中供給包含聲音衰減材料的襯墊層是眾所周知的。 在上面也提到，發明人發現如果在CMUT層和信號處理結構之間提供另一個衰減層可以改善聲學特性，特別是如果其被提供直接鄰近CMUT層。然而，在所描述的陣列類型中的這種衰減層的應用中，固有的是必須提供穿過它的電連接(此領域中被稱為「過孔」)，從上面的CMUT層到下面的信號處理結構，這是進一步的發明的主題。發明人認識到用於製造這種過孔的公知技術將導致過硬的結構以致不能最佳地起到衰減層的作用。例如，可以通過刻蝕掉半導體晶片留下一系列被空隙包圍的導體(「柱」)產生過孔，這些空隙接著用衰減材料填充。但是，已知的刻蝕技術，比如深反應離子刻蝕(DRIE)，對於厚度為100微米的衰減層給柱的直徑確定了 10微米的下限。如果該柱被放置以，比如在兩個橫向方向都為25微米的間距，在垂直擠壓的方面，該柱將主宰薄板的硬度，因而顯著地減小層的衰減特性。根據本發明，提供了一種用於超聲傳感器的聲音衰減結構，衰減結構包括聲音衰減材料層，此層具有上表面和下表面和多個導電體，該導電體從上表面穿過聲音衰減材料層到下表面，其中每個導體在從它們接觸上表面的位置橫向偏移的位置處接觸衰減結構的下表面。因此，通過本發明，導體(過孔)不形成從上表面到下表面的直接的垂直路徑(像圓柱)，因此對這種結構提供了顯著地更小的垂直的硬度。可以通過使用被布置以顯著的角度相對上表面和下表面的大體上直的導體(即不垂直)提供本發明，換句話講，導體傾斜地延伸。但是，這種結構不易於構造而且不能提供最佳的聲學特性。因此優選的是，導體不是直的而是沿著帶彎的路徑。導體特別優選的布置是彎曲的。因此，導體可具有從上表面延伸進入聲音衰減層的第一部分，由此偏移並從下表面延伸進入聲音衰減層的第二部分，和從第一部分到第二部分的在聲音衰減層內延伸的第三部分。儘管其它形式是可能的，衰減層通常是大體平坦的形式，上表面和下表面大體上平行。對導體的第一部分和第二部分來說，最方便的是大體上垂直於上表面和下表面，即如果上表面和下表面被作為水平參照，它們大體是垂直的。另外，優選地第三部分大體上平行於上表面和下表面(即水平的)。這使第三部分在構造衰減結構的過程中能作為水平層被沉積。優選地，導體的垂直部分，如上面所描述的，通過刻蝕掉半導體(比如矽)晶片以留下柱而形成。最優選地，衰減層由多層，最簡單地，由兩個厚度為最終厚度的一半的層形成。這提供了進一步的優勢，柱的直徑可以減小到厚度的一半，比如5微米，與之相比上面的例子中為10微米。兩個層然後被這樣連接在一起，以使每個部分的柱的位置相偏移。例如，如果柱形成了在第一層中的格子的角，第二層上的那些柱將位於在第二層中的相同的格子的中心。 在上面的例子中，25微米的格子間隔是合適的。這種布置被看作是進一步的創造性概念，因此，從進一步的方面來考慮它提供了一種用於超聲傳感器的聲音衰減結構，衰減層包括至少兩個鄰近的衰減層狀部分，每個都有導電體穿過，其中一個層狀部分的導電體的每一個都通過置於兩層之間交界處的橫嚮導體連接到另一個層狀部分的導電體。可以使用一層(優選地，薄的)各向異性的導電膠連接兩個層。這種膠具有相當低的導電球的密度，當兩個導電錶面在粘合工藝中被壓在一起時，在兩個表面之間提供傳導性，但是不會在膠水層橫向地提供導電性。值得注意的是如果需要也可以使用更多的層。因此，可以一起使用具有兩套水平傳導部分的三個層，等等。在這種布置中，只有鄰近層狀部分的柱需要互相偏移。實際上， 本發明可以被進一步地考慮作為用於超聲傳感器的聲音衰減結構，其中過孔穿過衰減層形成，過孔沿著其中帶彎的路徑並且優選地包括垂直於過孔的其餘部分的方向的部分。一種構造每一層的方便的方法是使用氧化埋層(buried oxide layer)矽晶片，矽晶片帶有在器件層產生的柱，優選地，柱從氧化埋層的表面延伸。於是晶片的背面在工藝中被用作把手。然後可以用聲音衰減材料環繞柱，比如包含鎢的顆粒的環氧樹脂，然後可以在兩個晶片被鍵合在一起之前，在一個晶片的環氧樹脂表面產生水平導電部分，這樣水平導電部分在兩套偏移的柱之間形成電連接。然後去除把手層之一以使一套柱連接到超聲傳感器結構，例如CMUT陣列，中的其它組件上成為可能。一旦做完這個，去除殘留的把手層是可能的，由此暴露另一套柱，此套柱用於連接到，比如信號處理層以形成超聲傳感器結構。因此，本發明的聲音衰減層是意圖用作集成超聲傳感器部件的一部分，此傳感器部件包括布置於CMUT陣列層之下的信號處理層。在這種結構中，來自每個傳感器的電信號優選地垂直地互相併行地通過器件(並且並行處理)，經過比如模數轉換器、放大器等的不同階段，至少直到它們到達信號處理器的階段，在那裡它們可以被復用。通常，如本技術領域中眾所周知的，提供衰減的吸聲襯墊層在器件的背面被提供。如果其中需要導電過孔，也可以根據本發明來形成該層。儘管本發明已經在CMUT器件的背景中被描述，它對於其它超聲傳感器也適用。實際上，它可以用於其它需要類似的聲音衰減結構的領域。本發明還擴展為製造聲音衰減層的相應的方法，因此，從更進一步的方面考慮，本發明提供了一種構造用於超聲傳感器的聲音衰減結構的方法，包括在第一和第二晶片上形成多個被空隙環繞的導電柱，用聲音衰減材料環繞導電柱，提供與晶片中的一個的表面上的柱相連的導電路徑，以及將晶片鍵合到一起，以使一個晶片上的每個柱從另一晶片上的柱橫向偏移，以使第一晶片上的每個柱通過導電路徑之一連接到第二晶片的一個柱。本發明還擴展為一種包括如之前描述的包含這種聲音衰減層的傳感器的超聲成像系統(優選地侵入式的)，以及擴展為一種使用根據本發明的傳感器的成像方法。在實際系統中，來自這種傳感器的信號，優選地是被復用的，通過信號引線傳輸到處理系統到圖像顯示器件。還提供了控制電路以控制波束，等等，如超聲領域裡普遍知道的。可以以機器人藥丸的形式生產本發明的CMUT陣列，即以被病人吞咽的獨立形式。因此，從進一步的方面考慮，本發明提供了一種包括根據本發明的任何一個其它方面的 CMUT陣列的可吞咽的超聲傳感器。機器人藥丸優選地包括電源並且優選地提供有密封的外殼以防止陣列遭受體液(胃酸等)。它可以包括數據記錄系統，比如處理器和存儲單元，但是在特別優選的形式中，它包括發送器(例如無線電發送器)來發送圖像到外部接收器。上面論述的每個發明還擴展為一種包括如之前描述的的傳感器的超聲成像系統 (優選地侵入式的)，以及擴展為一種使用根據本發明的傳感器的成像方法。在實際系統中，來自這種傳感器來的信號，的優選地是被復用的，通過信號引線傳輸到處理系統到圖像顯示器件。還提供了控制電路以控制波束，等等。如超聲領域裡普遍知道的。現在關於附圖，將僅以舉例的方式說明本發明的實施例。


圖1為包含本發明的一個實施例的CMUT陣列的超聲傳感器部件的整體示意圖；圖2為在構造陣列中使用的三個矽片的橫截面示意圖；圖3為第一矽片的截面示意圖，說明了其中孔的形成；圖4為對應於圖3視圖，顯示了進一步工藝步驟的結果；圖5為對應於圖4的截面示意圖，顯示了第二矽片添加到結構；圖6和圖7為對應於圖5的截面示意圖，顯示了進一步連續工藝步驟的結果；圖8為對應於圖7的截面示意圖，顯示了第三矽片添加到結構；圖9和圖10為對應於圖8的截面示意圖，顯示了進一步工藝步驟的結果；圖12A為穿過CMUT陣列的部分截面圖，圖12A為對應於圖12A的部分平面圖，說明了使用的截面線；圖13A和1 對應於圖12A和12B，但使用了不同的截面線；圖14為根據本發明的另一個實施例的CMUT陣列的橫截面圖；圖15和圖16為圖14的陣列的視圖，圖14對應於圖12B和圖13B，顯示了圖17和圖18中使用的橫截面線；
圖17和圖18為圖15的陣列分別沿著圖15和圖16的A-A線和B-B線的截面圖；圖19和圖20對應於圖15和圖16，但顯示了簡化的結構；圖21顯示了用於製造圖14的實施例的矽片的橫截面示意圖；圖22(a)和(b)到圖35(a)和(b)和圖37(a)和(b)為沿著圖19和圖20定義的 A-A線和B-B線的橫截面圖，顯示了製造根據圖14的實施例的陣列中的連續步驟；圖36和圖38為對應於圖14的示意圖，顯示了製造根據圖14的實施例的陣列中的最終階段；圖39為現有技術的襯墊層的示意圖；圖40為根據本發明的一個實施例的襯墊層的底部的輪廓圖(以平面圖)圖41為說明了來自於圖40的襯墊層的反射損耗隨頻率變化的圖；圖42為用於根據又一個實施例的衰減層的結構中的氧化埋層晶片的截面示意圖，此實施例中矽被刻蝕以留下導電柱；圖43為圖42的晶片的視圖，其中衰減材料層已經被添加來環繞柱；圖44為形成於圖43的晶片的上表面的導電路徑的平面示意圖；和圖45是完整的實施例的截面示意圖。
具體實施例方式關於圖1，說明了一個超聲傳感器部件。它適用於侵入式的超聲過程，即它可以用在超聲「照像機」上，此超聲「照像機」能被安置在用於插入血管等的導管或者針頭的末端。 需要這樣的器件能夠掃描大範圍的視野因此必須在陣列中提供大量的元件。本實施例可以用於成像一個90度角的圓錐體，因此在一個約1立方毫米的部件中提供了大約1000個元件。部件1由幾個獨立形成的層形成，這些層形成堆疊。在頂部(如顯示的)是CMUT 層2，包括傳感器元件3的陣列。這些元件中的每一個實際上包括四個單獨的傳感器3a_3d， 這將在下面描述。(在其它實施例中這個數字可能不同，多數情況下更高)為了提供必須的解析度，該實施例在20-50MHZ的頻率上工作；該層是20微米厚的微加工的矽結構。它的構造將在下面詳細論述。其餘的層置於CMUT層2之下。通常，這些層包括與CMUT元件相配的多個元件，這樣，來自或者到達每個CMUT的信號路徑在該結構中是平行的和垂直的(如圖示)。CMUT層2之下是聲學層4，聲學層4起提供傳感器與器件的其餘部分的聲音隔離的作用。由於器件的頂層幾乎是純矽，提供該層以阻止表面波的傳播。表面波是橫跨傳感器的表面傳播的波。如果允許表面波傳播，那麼它們將破壞器件的工作，至少在一定的角度範圍內。(在現有技術的器件中，提供隔離溝槽來減少波的傳播，但是在本實施例中沒有使用這些。)聲學層2由環氧樹脂和鎢珠形成，厚度為100微米。下一層是高壓傳送層5。它給每個傳感器提供了必需的驅動電壓以使它們發出超聲波。這一層提供+/-10到15的電壓範圍內的驅動電壓(在現有背景下這些是「高壓」)。 它還使傳輸脈衝能被導向到預期的方向上，這是通過在預定的頻率上激發每個不同的元件來實現的，正如超聲傳感器領域中普遍知道的那樣。還可以控制這層以使傳送時只使用一部分陣列。
在所描述的實施例中，同樣的元件被用於傳送和接收，然而，在其它實施例中(未圖示)，提供分開的傳送和接收元件。接收層6接收來自傳感器的信號並在它們被傳送到信號處理和通信層7之前預處理它們。特別是，層6包括被布置以把來自每個傳感器的輸出轉換為數字形式的模數轉換器。然後層7處理並復用數位訊號以使它們可以通過小量的導體傳輸到顯示器件。因此， 它具有對應於每個CMUT元件的輸入，但有數量小的多的輸出來從器件提供圖象信號。因此，在本實施例中，和CMUT元件被用於接收和傳送兩種模式一樣，接收和傳送的電路在一個統一的結構中被提供。但是，在較簡單的實施例(未圖示)中，傳送器可以被放在獨立於接收器的晶片上，並沒有必要和接收器以及波束形成器的堆疊一起對齊。最終層8是另一個的聲音衰減層，其阻止體波傳播。這樣的層在常規的基於壓電材料的傳感器中是常見的。但是，本設計中使用兩個聲學層0和8)是獨創的。在常規的壓電式超聲器件中，傳感器部分厚得多，在兩個衰減層之間沒有矽夾層，因此在結構的底部的單獨的衰減層(即層8)足夠衰減表面波。但是，當它和傳感器之間有矽層時，如所描述的實施例中的，發現它沒有效果。該器件的一個重要的特點是沒有到達或者穿過器件前部(如圖所示的頂部)的不接地的電連接，只經過CMUT元件的後部(如圖所示的底部)提供帶電的連接，這將在下面詳細描述。這能使器件的前部接地並因此沒有攜帶「帶電」的信號的導體暴露在器件的外部。這有安全性的考慮，其中高驅動電壓被包含並在攜帶信號的導體的電絕緣中提出問題。關於其餘的圖，現在將描述製造器件的CMUT層2的工藝。應該注意的是，儘管圖2 顯示了形成CMUT傳感器元件陣列的矽晶片，圖12A到1 顯示了(部分)完整的陣列，為了清晰的原因，圖2到11僅說明了四個傳感器3a-3d的單個CMUT元件的形成。圖僅僅是示意圖，沒有按比例。另外，為了使細節能被看清楚，相對於圖2和圖12A-13B，圖3-11在水平方向上略微有點縮短。CMUT層2由三個獨立的矽晶片9、10和11形成，如圖2所示。第一晶片9是有氧化(SiO2)層12以及氧化層上面的IOOnm的氮化(Si3N4)層13包覆的矽晶片。這將被用於構造CMUT薄膜。第二和第三層10、11是正規的氧化埋層矽晶片，即它們各自具有被夾於它們中間的氧化層14、15。(氧化層通常用於減少集成電路表面上相鄰電路之間的電容。)晶片10具有8微米的器件層21和0. 3微米的氧化埋層14 ；對於晶片11，這些厚度分別是10 微米和2微米。把手層23和17 (還有晶片11的層22，它也是一個把手)明顯地較厚，儘管這些尺寸不是關鍵的。如將要描述的，這些晶片中的每個的大部分將在微加工工藝中被刻蝕掉。在完整的CMUT陣列中，底部的晶片11形成主要的矽結構，其上具有傳感器元件， 其內形成了形成電連接的過孔。中間層10形成CMUT空腔結構，頂層9用於產生薄膜。晶片以其通常方式被顯示——以形成電路的晶片10和11的器件層——在上部。注意在後面的工藝中，中間晶片10將被反轉。第一個微加工階段顯示於圖3。顯示了晶片11，其經歷了氧化工藝以環繞其側面提供氧化層15'。在那之後，向下刻蝕一個直徑4微米的孔18穿過頂部的矽層16並穿過氧化層15。這個孔最後將被用於形成導電過孔。通過反應離子刻蝕(RIE)(氧化層15')， 通過深反應離子刻蝕(DRIE)(矽層16，)刻蝕新產生的氧化層15'的頂部部分並穿過矽層16，使用HF刻蝕完成穿過氧化層15的孔。在這個工藝中，光刻膠19被應用於上表面以形成掩模，不過頂部氧化層15'在DRIE工藝中起部分的掩模作用。如果底部的矽層17有點被刻蝕是不重要的，因為這在後面將被去除掉。另外，在氧化層15'形成圖像配準標記Rl和R2，以在接下來的鍵合工藝中用於使此晶片和的其它晶片上相應的標記對準。儘管在接下來的論述中沒有進一步的討論，對於每個晶片，這些標記作為第一處理步驟的一部分被刻蝕以使鍵合工藝中晶片的對準變得容易。重要的是晶片的晶向匹配好以得到好的鍵合。接下來，控制何處發生刻蝕的光刻膠被去除，而且1微米的氧化層20被應用於孔18的內部——參見圖4。這為過孔形成絕緣層。在下一階段，使用了中間晶片10。如從圖5可見的，它被反轉(相對於圖2中的視圖)並放置於底部晶片11的上面。為了形成可靠的鍵合，以常規方式，晶片的表面被清潔及親水化處理、對準、壓在一起，然後被加熱。下一步(見圖6)是從晶片10上刻蝕頂層23(如現在所顯示的)，頂層23對結構起「把手」的作用。(它僅有的作用是為殘留的很薄的氧化層和矽層提供支持)。一旦做完這個，氧化層被去除，使用POCI3摻雜矽層21，以在表面上給它高濃度的磷。這在表面上留下被稱為磷玻璃的殘留物，它應該被去除，因此進行後續步驟刻蝕掉磷玻璃；生長薄的氧化層；長時間地高溫處理晶片以允許磷擴散進入器件層從而得到IO16/ cm3到1019/cm3量級的磷的濃度；刻蝕掉氧化層；生長新的厚度為500nm的氧化層。接下來，光刻膠掩模25被施加到氧化層14，並且使用反應離子刻蝕(RIE)和深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕通道沈進入氧化層14和摻雜矽層21。這些通道形成單個傳感器元件3a-3d的輪廓。接下來，(參見圖7)，光刻膠25和氧化層22—起被去除。然後，施加一層新的光刻膠(來界定新的刻蝕區域)，結構上部分的中心部分27 (見圖6，7)被向下刻蝕60nm來形成將位於CMUT空腔內的部分。必須以非常受控制的方式刻蝕這部分。這是知道了取決於氧化層的厚度矽以不同的速度氧化，並且知道了需要形成氧化物的矽是從氧化的表面獲得的，來進行的。於是工藝如下均勻地氧化整個表面(500nm)；用光刻膠保護將要豎立的表面；在要凹進去的區域刻蝕掉氧化層；去除光刻膠；再次氧化合適的時間；去除所有的氧化層。這樣留下如圖7所示的結構。現在轉到圖8，在清潔、親水化處理之後，第三也是最後的晶片9被放在結構的上面，然後使用圖像配準標記Rl，R2等，對準晶片，鍵合到一起。這晶片的氮化層沈的下部將形成封閉CMUT空腔的薄膜的一部分。既然在結構的頂部有提供機械強度的堅固的晶片9，可能通過首先用RIE來去除氧化層以去除矽的底部「把手」層17。然後使用四甲基氫氧化銨TMAH刻蝕掉層15。另外， 部分氧化層和在孔18的底部形成的氧化物由RIE刻蝕掉以形成如圖9所示的結構，其中， 孔18的底部是打開的。下一階段是通過在孔18中填入導電材料來形成過孔。如圖10所示——首先，一層多晶矽(無定形態的多晶矽)30被提供以勾勒出孔。然後這被重摻雜，然後更多的多晶矽31被用來填充孔18。然後去除殘留在結構底部的過量的多晶矽，並且通過濺射施加鋁觸點32。施加另一個的鋁觸點33以提供到矽主體的連接。轉向圖11，下一步驟是TMAH刻蝕掉CMUT元件上的矽層22 (和它的覆蓋層)下至氮化層28。注意層22的外部區域被保留以提供環繞結構的上面部分的豎立構件，以允許測試時方便拿取。儘管本描述顯示了單個元件，如後面的圖所示，在所有CMUT陣列上方的矽層22被刻蝕，豎立構件被保留環繞整個器件。在本發明的另一個實施例中，一個底部的衰減層8為陣列結構提供把手強度，因此豎立構件不是必須的。接下來，IOOnm的導電膜，例如鋁或者鈦或者鎢或者它們的混合的膜39被沉積，然後使用等離子體增強氣相沉積，在其上部形成一層150nm的氮化矽34。這樣產生CMUT的薄膜，氮化層對薄膜提供強度，並保護導電膜，導電膜進而提供導電的「電容極板」。最後，孔被刻蝕到器件的邊緣並填入金觸點35以提供接地。鋁膜形成公用的接地面，因此環繞整個陣列的邊緣只需要少數這樣的電極。因此，在完整的CMUT中，包含鋁的薄膜(39等)形成電容元件的一個(接地的)極板，摻雜矽層21的部分36形成帶電/信號極板。這兩個極板互相平行且由空腔38分開。 到接地薄膜的電連接經過觸點35而到帶電極板36的連接經過過孔32，過孔32向下延伸穿過在其正下方的矽層。如上面提到的，完整的實施例包括大概1000個元件，每個元件包括四個單個的傳感器3a-3d，如圖12A-i;3B所示。圖12B和1 最清楚地顯示了元件3的布局，每一個元件包括四個單個的傳感器3a-3d。圖12A和13A顯示了相鄰的元件和它們各自的過孔31關於彼此是如何布置的。注意，每個四個傳感器的元件只有一個過孔，四個傳感器每個的信號電極連接在一起。這可以在圖12B和圖13B中最好地看到。每個傳感器的中心部分，如前面所描述的，被向下刻蝕60nm以形成CMUT中空腔的底部，另外形成0. 85微米的連接電路的窄「線」。圖12A和13A中可以看到的殘留的空隙40是圖像配準標記。現在關於附圖14-38描述本發明的進一步的實施例，以及其製作方法。該實施例在整體結構上與上面描述的實施例相似，但是空腔形成在和過孔相同的矽晶片上。圖14顯示了實施例的橫截面，此實施例顯示了具有統一的接地的頂電極106和到背面的電過孔連接111 (「過孔」)的真空密封的CMUT空腔或單元102的陣列，背面提供電觸點108。主體矽襯底具有獨立的電觸點109。CMUT單元上的薄膜堆疊包括LPCVD的氮化矽 (103)、氧化娃 104、金屬層 105 禾口 PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition, 等離子體增強化學氣相沉積)的氮化矽層106。金觸點110被沉積以提供用於到薄膜堆疊的金屬層105的電連接，金屬層105構成頂電極。CMUT陣列包括幾千個元件，那裡每個元件包括四個環形的CMUT單元102，部分 CMUT陣列顯示於圖14。圖15和16顯示了在薄膜堆疊的熔融鍵合前兩個CMUT元件的頂視略圖。體矽晶片201的表面構成用於氮化矽103到矽201的熔融鍵合的區域，這將在下面全面論述。圖15和16中每個元件的一個單元中的小環211說明了圖1中的電過孔連接111 的位置。摻雜的多晶矽213形成底電極和CMUT單元之間的互連線，該互連線將四個CMUT 單元電連接到一起以形成一個元件。多晶矽表面213界定了空腔的底部。氧化矽212的溝槽在元件之間提供了隔離並界定了底電極區域的直徑和圓形薄膜的直徑。提供了帶有橫截面線的圖15和16，橫截面線定義了後面兩圖中使用的截面視圖。 圖15顯示了用於圖17中穿過一個元件的橫截面A-A』。類似的，圖16中的B-B』顯示了用於圖18中對角地穿過的一個元件的橫截面。如從圖17和18可以看到的，在其上部帶有氧化矽304的LPCVD (Low PressureChemical Vapour D印osition，低壓化學氣相沉積)的氮化矽303由此被熔融鍵合到體矽表面301。懸在真空密封的CMUT單元302上方的薄膜堆疊被一個薄的金屬層305和一個 PECVD的氮化矽層306完成。摻雜的多晶矽313構成了底電極和到部件背面的電過孔連接。 氧化矽312使過孔連接之間隔離並界定了底電極區域的直徑和圓形薄膜的直徑。現在關於圖19到38，逐步地描述製造該實施例的工藝。圖19和20對應於圖15 和16，但為了清楚，顯示了組成每個元件401的單元400之間的簡化的(單路徑)互連，後面的圖對應於此布置並顯示了由這些圖定義的橫截面A-A(左到右)和B-B (對角)。和前面一樣，每個元件的一個單元中的小環402顯示了電過孔連接的頂部。灰點區域403是摻雜的多晶矽底電極，在CMUT單元之間具有把四個CMUT單元電連接到一個元件的互連線404。多晶矽表面界定了空腔的底部。環繞區域405表示氧化矽的溝槽。這些溝槽使元件間隔離並界定了底電極區域的直徑和圓形薄膜的直徑。外部區域406顯示了裸矽晶片。這是用於熔融鍵合到形成薄膜的晶片的鍵合表面。圖21顯示了該工藝中使用的晶片。在左邊顯示了標準的矽晶片407，CMUT元件和過孔連接將在其內形成。在右邊顯示了標準的矽晶片408，其周圍有氧化矽薄層。低壓化學氣相沉積(LPCVD)的氮化矽410被沉積在頂部以形成最外層。這個晶片將被熔融鍵合到裸娃晶片上。在接下來的圖中，左側的「(a)」部分顯示了圖15的橫截面A_A，右側的「(b) 」圖顯示了圖16的橫截面B-B。將通過僅使用該數字一起描述兩個圖，因此，「圖22」指圖22(a) 和 22 (b)。工藝步驟從標準矽晶片開始。圖22顯示了晶片407被溼法氧化以在圖形化光刻膠412之前提供氧化矽層411。圖形化光刻膠之後，通過RIE刻蝕氧化矽411，結果顯示於圖23，其中矽的上表面的部分413被暴露。留下的氧化層將在後面被用作用於界定元件區域的氧化物掩模，參見圖沈。圖M顯示了用於定義過孔連接的位置415的第二個光刻膠掩模 414。然後在位置415，如圖25所示，通過深反應離子刻蝕(DRIE)刻蝕20um深的孔進入晶片。過孔的直徑約4 μ m。下一階段是去除光刻膠414，通過RIE界定元件417的區域，參見圖沈。晶片被溼法氧化一厚氧化矽418，參見圖27。這提供了一個用作使過孔之間相互隔離的絕緣層。此外，氧化矽將在元件之間構成隔離溝槽並界定底電極的直徑和薄膜的直徑(參見下圖31)。過孔用磷摻雜的多晶矽419填充(圖觀)。這形成了穿過過孔的導體420，導體420 和將形成元件信號電極的材料相連。如圖四所示，下一步驟是去除及化學機械拋光(CMP) 晶片的上部分，其定義了電極421。通過光刻膠422圖形化晶片，通過RIE刻蝕大約60nm的多晶矽調整空腔間隙 423 (圖30)。然後通過使用BuHF刻蝕掉200-300nm的氧化矽產生隔離溝槽424 (圖31)。 這完成了單元的下部的形成，因此圖21的右側顯示的晶片然後可以被熔融鍵合到上部以封閉單元，如圖32所示。當做完那個，使用四甲基氫氧化銨(TMAH)減薄底部晶片的背面(所示的下部)，並使用RIE來暴露過孔420的底部426(圖33)。氧化一層熱氧化層以使底部矽表面絕緣(圖34)，在氧化層上提供有開口用來形成到過孔的觸點和用來隔離觸點與矽晶片。然後鋁被濺射、圖形化和燒結以形成到多晶矽過孔420和底電極的背面觸點428、429(圖35)。現在轉到圖36，可以看到頂部矽晶片的頂部表面的氮化矽層410和氧化層矽409 被圖形化並通過RIE刻蝕。在陣列區域上方，頂部矽晶片408自身通過TMAH被刻蝕掉，刻蝕停止於氧化矽。因此，頂部晶片的下表面的氧化矽和氮化矽，兩者都構成薄膜堆疊的一部分，最終被暴露。如圖37所示，一個薄的均勻的金屬層430被濺射在氧化矽409之上，它在 TMAH刻蝕頂部矽的過程中作為刻蝕停止層。此薄膜堆疊金屬層通常可包括單層的鋁、鈦或鎢或者甚至是兩個或更多的單層金屬的複合。薄膜堆疊最終通過一層等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)的絕緣的、均勻的鈍化層431完成，該鈍化層通常是沉積在金屬層430上部的氮化矽。最後的階段(圖38)是在晶片的邊緣將PECVD的鈍化層向薄膜堆疊金屬打開。沉積金432用於電接觸薄膜堆疊金屬，見圖38。我們現在討論襯墊層8 (見圖1)。當該實施例在20-50MHZ的超聲頻率下操作時， 為了提供必需的解析度，層2是一個20微米厚的微加工的矽結構。如上面所論述的，在CMUT層2的下面是一個起提供傳感器和器件的其餘部分的聲學隔離作用的聲學層4。由於器件的頂層幾乎是純矽，提供此層以阻止表面波的傳播。表面波是橫跨傳感器表面傳播的波。如果允許表面波傳播，則它們將破壞器件的工作，至少在一定的角度範圍內。(在現有技術的器件中，提供隔離溝槽來減少波的傳播，但是在本實施例中沒有使用這些。)聲學層4由環氧樹脂形成，厚度為100微米。現在詳細討論最終層，它是另一個阻止體波的傳播的聲音衰減層8。這樣的層在常規的基於壓電材料的傳感器中是常見的。但是，本設計中使用兩個聲學層0和8)是獨創的。在常規的壓電式超聲器件中，傳感器部分厚的多，而且在兩個衰減層之間沒有矽夾層， 因此在結構的底部的單獨的衰減層(即層8)足夠衰減表面波和體波。但是，當它和傳感器之間有矽層時，如所描述的實施例中的，發現它特別是對表面波是無效的。圖39的現有技術的襯墊層相當於圖1的層8。它的底部的自由表面具有「皺紋」 的表面，此表面包括規則的深度為一(特定的)波長的四分之一的矩形凹槽。顯示了一個平面縱波向皺紋表面傳播。凹槽具有和凹槽間距相等的寬度，d，凹槽高度為h。在虛線上，凹槽底部的正上方，作為初步的近似，沿著該虛線將有統一振幅的反射波，但是在帶有和沒有凹槽的區域之間具有2h2 π/λ的相位差。這裡λ是波長。在4h =λ的頻率，相位差為π，並且鏡面反射的振幅為零，鏡面反射是本來將從平面的底部表面反射的波。反而，波被轉換為在傳播方向上具有+/_2πΛ2(1)的倍數的k-矢量的縱波和橫波。但是，這種變換隻在相當窄的頻帶上是有效的。現在將描述的本發明的實施例能夠覆蓋更大的頻帶，並且使用了有效地增加幾個具有不同有效高度h的這樣的散射周期的結構。為了使幾個這樣的散射結構獨立工作以致它們中的每一個都在其設計的頻率上在鏡面反射係數中產生一個零，有必要布置它們以使對從由於使用其它傳播遲延而增加的傳播長度的任何可能類型的總區域的一半反射的信號增加2、的傳播長度。在傳播遲延上的這個平衡應該較佳地既被在整個結構上全局保持，也被用於結構中每一處較小區域的局部保持。圖40中說明的實施例是能實現這個的這種結構的一個例子。它包括不同尺寸的刻蝕方塊，每個尺寸的方塊被像在棋盤上一樣被安排。該圖是交織的棋盤圖案的一部分的等高線圖。沿軸的尺度在1到1. 5mm的範圍內，高度單位為微米。為了採用一般的情況(不限制於圖40的實施例)，假設對第i個棋盤，黑色的棋盤方塊被向下刻蝕到一定的高度h。為了以上面描述的平衡的方式容納三個高度，我們必須按比例調節棋盤上方塊的大小以使它們之間在尺寸上存在至少為2的線性因子O的整數冪)。四個較小圖案的方塊應該被放在第二大方塊之一的裡面，以此類推。通過選擇高度差，大的方塊將在較低的頻率上產生相消。圖示的實施例使用帶有三個交織的棋盤的這樣的結構。在圖40中，顯示了稍多於四乘四的較大的方塊(最大周期為二乘二)。圖41中顯示了對於本實施例得到的鏡面反射係數關於頻率的圖。選擇高度以在 15. 2MHZ、24. 7MHZ、和36. IMHZ上產生反射相消。46MHZ頻率的相消起因於對於15. 2MHZ結構的1.5 λ的遲延差。因此在該頻率上它沒有如它本該達到的局部平衡。在替換的實施例中，在尺度上被按比例調節此結構中的一個棋盤圖案以使上述的兩個規則的因子被破壞。在這種情況下，在宏觀尺度上需要的平衡仍然被保持，因此圖41 的結果幾乎沒有改變。但是仔細地觀察較小面積的反射中發生了什麼，將表明效率降低了。在另一個實施例中(未圖示)，幾個凹槽在彼此的頂部疊放以使它們可以同時起作用，並且如上面描述的那樣平衡。對具有不同深度和不同寬度的凹槽使用不同的方向，凹槽被設計以使它們在所需頻率上起作用。三個凹槽結構可能具有內部偏差為45度和90度的凹槽方向。另一個實施例(未圖示)具有兩個三角形的基本圖案，兩個三角形一起形成正方形或者矩形。與此結合形成平衡的深度圖案的結構可能是如果正方形或矩形被兩個可能的對角線中另外一個分成三角形而得到的結構。為了包含更多的圖案，可以用矩形重複相同的結構，其平面上的尺寸被按比例地放大或者縮小2的因數。如上面所論述的，在CMUT層2的下面(見圖1)是聲音衰減層4，它起提供傳感器和器件的其餘部分的聲音隔離作用。現在關於其餘的圖，進一步詳細描述衰減層4的製造工藝。先轉到圖42，該工藝以兩個相似的氧化埋層矽晶片509、510開始，矽晶片帶有厚度為陽微米的器件層511和厚度為IOOnm的氧化層512。在這些晶片上，我們在背面514 (沒有器件層的面)上定義對準標記513，然後在兩個晶片正面用光刻膠圖形化器件層511，並使用深反應離子刻蝕，DRIE，刻蝕此層，以形成具有5微米直徑的矽柱515，矽柱515為矩形圖案，在兩個方向都為25微米的間距。如可以看到的那樣，刻蝕一直穿過器件層11，停止於氧化層512。下一步驟是摻雜晶片509和510以及高溫處理以使柱材料得到高導電性。如可以從圖43看到的，下一階段是將液體環氧樹脂和鎢粉的混合物516小心地在晶片的頂部鋪開(帶有柱的面指向上)以使柱515被這種材料環繞。在真空下合適地高溫處理晶片509，510以允許環氧樹脂易於流動並脫氣。它還允許鎢粉沉到環氧樹脂層的底部，接近矽表面，然後硬化。在環氧樹脂固化後，打磨並仔細地拋光晶片509、510上具有環氧樹脂的表面直到柱515的頂表面被釋放。然後，如可以從圖44的平面圖中看到的，在一個晶片上使用金屬沉積(溼潤加工或濺射)、光刻膠圖形化和刻蝕來製造導電體金屬線17。使用晶片背面的對準標記13使兩個晶片9、10的環氧樹脂層對準，以使一個晶片裡的柱位於另一晶片上的四個柱的中心。一旦它們被正確地對準，使用各向異性的導電膠將晶片粘合到一起。現在一個晶片上的金屬線517將在兩個晶片的導電柱15之間形成電接觸，如圖45所示。(注意該圖顯示了在襯墊層514等被去除之後的完整的衰減層4，參見下文。)然後下一步是使用合適的刻蝕，刻蝕掉兩個襯墊層514(曾用作把手)中的一個向下至氧化層512。通過氧化層512柱所在的區域將是可見的，因為氧化層薄(IOOnm)。然後以光刻膠圖形化氧化層，並至少在柱上方刻蝕掉氧化層，可選地，在整個表面上。然後在表面形成金屬膜(未圖示)，使用刻蝕和光刻膠來圖形化金屬膜而使觸點適合於連接到CMUT 晶片2的底表面。(可替代地，它可以是已經連接到CMUT晶片的一個或更多的電子晶片的底表面)。再次使用各向異性的導電膠以連接衰減層4和CMUT層2。完成這些，然後可以通過CMUT層2的反面的把手層(未圖示)拿取此組合的結構。 這允許如上面描述的，刻蝕掉第二晶片510的保留的把手層514以及準備用於連接到其它電子晶片(特別地層5)的表面，連接使用各向異性導電膠。
2權利要求
1.一種包括多個橫跨襯底分布的CMUT元件的晶片鍵合的CMUT陣列，每個元件包括空腔和形成在所述襯底內的信號電極，以及封閉所述空腔並形成接地電極的導電薄膜，其中單個元件的薄膜形成橫跨所述陣列的表面的完整的接地面，並且其中通過導電過孔提供了到所述信號電極的電連接，所述導電過孔由此懸垂穿過所述襯底而從所述信號電極到所述襯底的後部。
2.如權利要求1所述的CMUT陣列，所述陣列具有擺脫了攜帶信號電壓的導體的前表面，由此所述陣列的前表面自身可以被完全保持在地面電位。
3.如權利要求1或2所述的CMUT陣列，其中所述襯底由一個或多個矽或矽基晶片形成。
4.如權利要求3所述的CMUT陣列，其中所述晶片是氧化埋層矽晶片。
5.如權利要求3或4所述的CMUT陣列，其中所述導電過孔和空腔結構在單一晶片上形成。
6.如權利要求3或4所述的CMUT陣列，其中所述導電過孔在第一晶片中形成，所述空腔結構和信號電極在第二晶片中形成。
7.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中所述過孔包括至少穿過晶片的矽器件層的刻蝕孔，並且在其中具有絕緣的氧化層和導電材料。
8.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中所述信號電極包括摻雜矽。
9.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中所述信號電極在所述各自的空腔內形成。
10.如權利要求1到7中的任何一個所述的CMUT陣列，其中所述信號電極包括多晶矽。
11.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中在摻雜矽中將每個單個傳感器的所述空腔刻蝕到預定的深度。
12.如權利要求3到8中的任何一個所述的CMUT陣列，其中通過切入摻雜矽層的通道使一個元件的信號電極與另一個元件的信號電極隔離。
13.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中使用另一個矽基晶片形成與所述襯底分開的薄膜。
14.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中所述薄膜包括氮化矽層。
15.如權利要求14所述的CMUT陣列，其中所述薄膜還包括金屬膜層。
16.如前面任何一個權利要求所述的CMUT陣列，其中所述元件以相關聯元件的組來提供，所述相關聯元件共享到一個過孔的共同連接。
17.—種製造具有多個橫跨襯底分布的CMUT元件的CMUT陣列的方法，所述方法包括 在矽襯底內，形成每個元件的空腔和信號電極，以及提供到所述電極的電連接的導電過孔，所述導電過孔被布置為從所述元件垂懸；和提供導電薄膜以封閉每個空腔並形成接地電極，由此橫跨所述CMUT陣列的表面形成完整的接地面；其中所述導電薄膜由鍵合到所述襯底的矽晶片形成。
18.如權利要求17所述的方法，其中所述空腔和導電過孔在第一矽基晶片內形成，所述薄膜由第二矽基晶片形成。
19.如權利要求17或18所述的方法，其中所述電極在所述空腔內形成。
20.如權利要求17到19中的任何一個所述的方法，其中通過在所述空腔內沉積多晶矽而形成所述電極。
21.如權利要求20所述的方法，還包括刻蝕所述多晶矽來調整所述空腔。
22.如權利要求18到21中的任何一個所述的方法，其中所述第一晶片直接鍵合到所述第一晶片。
23.如權利要求17到22中的任何一個所述的方法，其中通過在形成於所述襯底內的孔中沉積多晶矽而形成所述過孔。
24.如權利要求17到23中的任何一個所述的方法，其中形成所述薄膜以提供橫跨所述元件的表面的完整的接地面。
25.如權利要求17到M中的任何一個所述的方法，其中形成完全穿過器件的襯底的信號電極連接。
26.如權利要求17到25中的任何一個所述的方法，包括刻蝕多個穿過所述第一晶片的器件層的孔的步驟。
27.如權利要求17到沈中的任何一個所述的方法，包括在所述襯底之上放置形成薄膜的晶片，以使氮化矽層位於所述空腔的上方。
28.如權利要求27所述的方法，還包括從所述晶片刻蝕掉矽以留下所述氮化層。
29.如權利要求觀所述的方法，還包括在所述氮化層上提供金屬塗層以形成接地電極。
30.一種集成CMUT結構，包括CMUT陣列、信號處理電路和第一聲學層，其中所述信號處理電路被提供於CMUT層和所述第一聲學層之間，其中另一個聲學層被提供於所述CMUT陣列和所述信號處理結構之間。
31.如權利要求30所述的集成CMUT結構，其中提供了直接鄰近所述CMUT陣列層的所述第二聲學層。
32.一種用於超聲傳感器中的吸聲襯墊層，布置所述層以散射多個不同頻率的超聲波， 其中所述層包括多個相互獨立地起作用的散射結構，以使每個散射結構在給定的頻率下在鏡面波反射係數中產生一個零。
33.如權利要求32所述的吸聲襯墊層，其中布置所述散射結構以使它們對從由於使用其它傳播遲延而增加的傳播長度的任何可能類型的總區域的一半反射來的信號增加2比的傳播長度。
34.如權利要求32或33所述的聲學層，其中所述散射結構包括不同尺寸的刻蝕方塊。
35.如權利要求34所述的聲學層，其中如以棋盤樣式來安排每個尺寸的所述方塊，對於第i個棋盤，對應於棋盤上的一種顏色的所述方塊被刻蝕到一定的高度比。
36.如權利要求35所述的聲學層，其中所述棋盤中方塊的尺寸可以按比例調節，以使在它們之間在尺寸上存在至少為2的線性因子。
37.如權利要求32或33所述的吸聲襯墊層，其中所述結構包括在彼此頂部疊放的平行凹槽。
38.如權利要求37所述的吸聲襯墊層，其中單獨的結構的凹槽具有內部相差為45度和 /或90度的凹槽方向。
39.如權利要求32或33所述的吸聲襯墊層，其中所述結構包括多套方向相同、具有不同深度和寬度的周期性的凹槽，所述凹槽疊放在彼此之上，以使在一個給定點上的總深度是從所有疊放的凹槽結構的總和得出來的。
40.如權利要求39所述的吸聲襯墊層，其中在不同的凹槽結構的周期之間具有整數關係。
41.如權利要求32或33所述的吸聲襯墊層，其中所述結構包括兩個三角形的圖案，所述兩個三角形一起形成正方形或矩形。
42.如前面任何一個權利要求所述的聲學層，由環氧樹脂和鎢形成。
43.如權利要求32到42中任何一個所述的聲學層，其中所述結構包括表面中的凹部， 所述凹部的深度是它們減弱的波的波長的四分之一。
44.一種超聲傳感器，包括CMUT陣列、信號處理層和如權利要求32到43中的任何一個所述的襯墊層。
45.如權利要求44所述的超聲傳感器，還包括所述CMUT陣列和所述信號處理層之間的聲學層。
46.一種用於超聲傳感器中的聲音衰減結構，所述衰減結構包括聲音衰減材料層，所述聲音衰減材料層具有上表面、下表面和從所述上表面穿過所述聲音衰減材料層延伸到所述下表面的多個電導體，其中所述導體均在從它們接觸所述上表面的位置處橫向偏移的位置處接觸所述衰減結構的下表面。
47.如權利要求46所述的聲音衰減結構，其中所述導體沿著在其中帶彎的路徑。
48.如權利要求46或47所述的聲音衰減結構，其中所述導體是曲柄狀的。
49.如權利要求46到48中的任何一個所述的聲音衰減結構，其中所述導體具有從所述上表面延伸進入所述聲音衰減層的第一部分，由此偏移並從所述下表面延伸進入所述聲音衰減層的第二部分，和在所述聲音衰減層內延伸的從所述第一部分到所述第二部分的第三部分。
50.如權利要求49所述的聲音衰減結構，其中所述聲音衰減層包括至少兩個層狀部分，並且所述導體的第三部分被置於所述兩個層狀部分之間的分界處。
51.一種用於超聲傳感器鐘的聲音衰減結構，所述衰減層包括至少兩個鄰近的衰減層狀部分，每個層狀部分均有電導體穿過，其中一個層狀部分的電導體均通過置於所述層狀部分之間的分界處的橫嚮導體連接到在另一個層狀部分中的電連接器。
52.如權利要求50或51所述的聲音衰減結構，其中使用各向異性的導電膠連接所述層狀部分。
53.如權利要求46到52中的任何一個所述的聲音衰減結構，其中所述衰減層包括環氧樹脂和/或鎢顆粒。
54.一種構造用於超聲傳感器中的聲音衰減結構的方法，包括在第一和第二晶片上形成多個被空隙環繞的導電柱，用聲音衰減材料環繞所述導電柱，提供與所述晶片中的一個的表面上的柱電連接的導電路徑，以及將所述晶片鍵合到一起以使得一個晶片的柱均與另一個晶片的柱橫向偏移並使得所述第一晶片的每個柱通過所述導電路徑之一連接到所述第二晶片的一個柱。
55.如權利要求M所述的方法，其中所述晶片是矽晶片。
56.如權利要求55所述的方法，其中所述晶片是氧化埋層矽晶片。
57. 一種CMUT器件，包括根據權利要求46到53中的任何一個所述的聲音衰減結構或者根據權利要求M到56中的任何一個所述地被構造。
全文摘要
一種包括多個橫跨襯底分布的CMUT元件的晶片鍵合的CMUT陣列，每個元件包括一個空腔和一個形成在所述襯底內的信號電極，和一個封閉所述空腔並形成接地電極的導電薄膜，其中所述單個元件的薄膜形成橫跨所述陣列的表面的完整的接地面，並且其中通過導電過孔提供了到所述信號電極的電連接，所述導電過孔由此懸垂穿過所述襯底從所述信號電極到所述襯底的後部。
文檔編號B06B1/00GK102427890SQ201080022598
公開日2012年4月25日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者喬恩·杜-漢森, 卡馬爾·恰帕金, 吉爾·尤裡·延森, 埃裡克·尤特訥·波普, 戴格·索爾斯坦·望, 西格麗德·伯格, 謝爾·阿恩·英厄布裡格森, 謝爾斯蒂·米德伯, 阿恩·羅內克萊夫 申請人:Ntnu技術轉讓公司