一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法技术

本发明专利技术涉及电子科学与技术的技术领域，更具体地，涉及一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，将高浓度掺杂的硅晶圆作为基底，使用表面微加工技术和电镀工艺，依次在基底上制备绝缘层、空腔、振动薄膜、凸纹结构的圆环，全覆盖于振动薄膜的顶电极、底电极极板及导线，完成全电极凸纹结构CMUT器件的制备。本发明专利技术制备的全电极凸纹结构CMUT器件，在塌陷工作模式下能有效提升输出声压从而达到增加超声波发射功率的效果；该制备方法技术成熟，适合大批量制造。该发明专利技术可用于生物医学检测、工业无损探伤等使用超声检测领域中超声换能器的加工制造，并将推进基于CMUT器件的超声探头技术的发展与应用，具备广阔的市场应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法
本专利技术涉及电子科学与技术的
，更具体地，涉及一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法。
技术介绍
在生物医学成像中，既需要有较高的图像分辨率，也对成像的实时性有较高要求。此外，还要求设备辐射小，以减少对生物组织的损害。超声波是一种机械振动波，可以在空气、液体、固体以及生物组织内传播，与X光、CT、核磁检测技术相比，没有电离辐射性，更适合用于生物组织的成像。超声波检测技术是基于回波原理实现的，成像速度快且图像分辨率可达几十微米的数量级，足以满足生物医学检测的需求。所以，超声波检测技术已经成为生物医学成像领域内的主流技术。超声波检测技术除在生物医学成像中广泛使用之外，在工业无损检测行业中也普遍应用。超声换能器是超声检测技术的关键部件，实现了电能量和超声能量之间相互的转化。在目前所使用的超声换能器中，压电式超声换能器被广泛使用，常见的压电材料为压电陶瓷。传统的压电式超声换能器声阻抗高，导致制造超声探头工艺复杂，而且带宽较小。此外，压电材料也无法和电路集成，不适合制造高集成度的超声探头。使用微机电系统（MEMS）工艺加工制造的电容式微机械超声换能器（CMUT），其声阻抗较低且可以调节，因此制造超声探头的时候不需要添加阻抗匹配层，不仅减少了探头制造的难度，也提升了带宽。CMUT器件制造工艺与CMOS集成电路的工艺相兼容，且使用光刻蚀技术，因此CMUT适合于制造高集成度、大规模阵列的超声探头，可以满足临床医学领域中对信息获取日益增长的需求。鉴于以上优点，CMUT已被视为下一代超声换能器。但是相比压电陶瓷超声换能器，现有CMUT的输出声压仍比较小。超声波在人体组织内传输的衰减系数较大，经过长距离的传输，信号的幅度会明显减弱。超声检测技术是基于超声探头所接收的反射回波实现目标的定位。较小的输出声压，使得微弱的回波信号容易受到外界噪声的干扰，降低了回波信号的信噪比，从而影响成像的品质。所以，提升CMTU的输出声压，是目前CMUT技术发展亟待解决的问题之一。目前提升CMUT输出声压的途径可以分为两类，一类为修改CMUT的工作模式，使其工作在塌陷模式下；另一类为修改CMUT的振动薄膜的结构。专利技术人提出了一种综合以上两类途径的具有全电极凸纹结构的CUMT器件的制备方法。
技术实现思路
本专利技术为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，实现了CMUT可与电路集成，易于制造大规模阵列，适合大批量生产的优点。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，所述的制备方法包括以下步骤：步骤1：使用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底制备基底层；步骤2：在步骤1中基底上沉积制备绝缘层；步骤3：在步骤2中的绝缘层上沉积多晶硅薄膜制备牺牲层，并去除多余的多晶硅薄膜层；步骤4：在步骤3制备的CMUT单元上沉积振动薄膜；步骤5：进一步去除步骤3中保留的多晶硅薄膜层形成封闭的空腔；步骤6：沉积用于制备CMUT单元顶电极和底电极极板的导电层；步骤7：在振动薄膜顶部的导电层上制备凸纹圆环；步骤8：使用光刻蚀工艺定义导电层制备全覆盖于振动薄膜的顶电极、底电极极板及导线，并去除多余导电层；完成全电极凸纹结构CMUT器件的制备。优选地，所述步骤7具体包括以下步骤：步骤71：在振动薄膜顶部的导电层上使用正光阻并结合光刻蚀工艺定义所述凸纹圆环的尺寸；步骤72：在步骤71定义凸纹圆环的尺寸区域使用电镀工艺制备凸纹圆环。所述步骤71中凸纹圆环的高度及宽度由所述正光阻经显影后的高度和宽度决定，所述凸纹圆环的高度为0.5~6μm，宽度为0.5~3μm；所述步骤72中凸纹圆环为金属镍或其他高密度的金属。优选地，所述步骤4中振动薄膜为低残余应力氮化硅薄膜，厚度为0.3~2μm；步骤4还包括与所述振动薄膜一体沉积的支撑层。优选地，所述的步骤5具体包括以下步骤：步骤51：使用干法刻蚀工艺在保留的多晶硅薄膜层上方的刻蚀通道上刻蚀腐蚀孔，再使用湿法刻蚀工艺通过腐蚀孔去除保留的多晶硅薄膜层，形成空腔；步骤52：使用等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）沉积氮化硅层，填充步骤51中的腐蚀孔；步骤53：使用干法蚀刻工艺，蚀刻步骤52中填充腐蚀孔后的氮化硅层，将振动薄膜厚度减至所述步骤4的薄膜厚度。优选地，所述步骤51中湿法刻蚀工艺的刻蚀剂为氢氧化钾溶液。优选地，所述步骤2中的绝缘层为使用低压力化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积的单层氮化硅一种材料或者使用干式氧化工艺及低压力化学气相沉积（LPCVD）工艺沉积的二氧化硅与氮化硅两种材料的复合层构成。优选地，所述步骤6具体包括以下步骤：步骤61：使用干法蚀刻工艺，去掉基底一端的覆盖层，暴露出基底；步骤62：使用电子束蒸镀(E-beamevaporation)工艺在步骤61的单元上沉积导电层。优选地，所述步骤62中的导电层为铬、金复合结构。所述的全电极凸纹结构CMUT器件工作在塌陷模式时，所述振动薄膜的中心部分在静电力作用下发生塌陷，贴合在基底上的绝缘层表面，形成塌陷薄膜部分；未塌陷部分的薄膜为CMUT器件工作时的振动薄膜部分。凸纹结构位于振动薄膜部分上方。与现有技术相比，有益效果是：（1）本专利技术使用表面微加工技术，和现有的CMUT制备工艺相兼容，实现了CMUT可与电路集成，易于制造大规模阵列，适合大批量生产的优点；（2）本专利技术使用表面微加工技术实现了凸纹结构CMUT器件的制备。使用了镍或者其他高密度的金属作为凸纹圆环的材料；较大密度材料的凸纹圆环，可以有效减少圆环尺寸对振动薄膜的影响；（3）使用了正光阻及光刻蚀技术，可以精确控制凸纹圆环的尺寸；结合电镀工艺制备凸纹圆环，电镀工艺适合制备高度较大的圆环；而使用传统电子束蒸镀(E-beamevaporation)、热蒸镀（Thermalevaporation）、磁控溅射（Sputtering）等金属薄膜沉积工艺沉积高度超过1μm的金属层，不仅耗时久，而且费用也很昂贵；（4）制备全覆盖于振动薄膜的顶电极结构，全覆盖顶电极保证凸纹结构下方结构（薄膜和顶电极）的密度均匀性，提高了将振动薄膜部分的振动中心调节至凸纹结构位置的准确性；（5）相比现有CMUT器件，工作在塌陷模式下的具有全电极凸纹结构CMUT，可以明显提升有效输出声压；该专利技术解决了现有CMUT输出声压较低的问题，将推进基于CMUT的超声探头技术的发展与应用。附图说明图1是本专利技术塌陷工作状态结构示意图。图2(a)~(m)是本专利技术制备工艺流程图。具体实施方式附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。如图2(m)所示，本专利技术提供的制备方法制备一种全电极凸纹结构CMUT器件包括依次设置的凸纹结构、顶电极61、振动薄膜1、空腔2、绝缘层4和基底5，还包括支撑空腔2的支撑层3；在基底5的顶面一端设置有底电极极板62；所述的支撑层3内设置有空腔2，空腔2设置在振动薄膜1与绝缘层4之间；在所述振动薄膜1的顶部设置有全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：步骤1：使用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底（5）制备基底层；步骤2：在步骤1中基底（5）上沉积制备绝缘层（4）；步骤3：在步骤2中的绝缘层（4）上沉积多晶硅薄膜制备牺牲层（81），并去除多余的多晶硅薄膜层，定义CMUT单元；步骤4：在步骤3制备的CMUT单元上沉积振动薄膜（1）；步骤5：去除步骤3中保留的多晶硅薄膜层（8）形成封闭的空腔（2）；步骤6：沉积用于制备CMUT单元顶电极（61）和底电极极板（62）的导电层（6）；步骤7：在振动薄膜（1）顶部的导电层（6）上制备凸纹圆环（7）；步骤8：使用光刻蚀工艺定义导电层（6），制备全覆盖于振动薄膜（1）的顶电极（61）、底电极极板（62）及导线，并去除多余导电层（6）；完成全电极凸纹结构CMUT器件的制备。

【技术特征摘要】
1.一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，所述的制备方法包括以下步骤：步骤1：使用高浓度掺杂的硅晶圆作为基底（5）制备基底层；步骤2：在步骤1中基底（5）上沉积制备绝缘层（4）；步骤3：在步骤2中的绝缘层（4）上沉积多晶硅薄膜制备牺牲层（81），并去除多余的多晶硅薄膜层，定义CMUT单元；步骤4：在步骤3制备的CMUT单元上沉积振动薄膜（1）；步骤5：去除步骤3中保留的多晶硅薄膜层（8）形成封闭的空腔（2）；步骤6：沉积用于制备CMUT单元顶电极（61）和底电极极板（62）的导电层（6）；步骤7：在振动薄膜（1）顶部的导电层（6）上制备凸纹圆环（7）；步骤8：使用光刻蚀工艺定义导电层（6），制备全覆盖于振动薄膜（1）的顶电极（61）、底电极极板（62）及导线，并去除多余导电层（6）；完成全电极凸纹结构CMUT器件的制备。2.根据权利要求1所述的一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，所述步骤7具体包括以下步骤：步骤71：在振动薄膜（1）顶部的导电层（6）上使用正光阻并结合光刻蚀工艺定义所述凸纹圆环（7）的尺寸；步骤72：在步骤71定义凸纹圆环（7）的尺寸区域使用电镀工艺制备凸纹圆环（7）。3.根据权利要求2所述的一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，所述步骤71中凸纹圆环（7）的高度及宽度由所述正光阻经显影后的高度和宽度决定，所述凸纹圆环（7）的高度为0.5~6μm，宽度为0.5~3μm；所述步骤72中凸纹圆环（7）为金属镍。4.根据权利要求1所述的一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，所述步骤4中振动薄膜（1）为低残余应力氮化硅薄膜，厚度为0.3~2μm；步骤4包括有与所述振动薄膜（1）一体沉积的支撑层（3）。5.根据权利要求1所述的一种全电极凸纹结构CMUT器件的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：余远昱，
申请(专利权)人：岭南师范学院，
类型：发明
国别省市：广东,44