一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法技术

本发明专利技术公开了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个敏感单元的至少一个CMUT阵元，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底电路，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。该加工方法适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，可以加工出工作频率MHz以上，性能一致性高的硅基超薄柔性二维CMUT阵列。

【技术实现步骤摘要】
一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法
本专利技术涉及MEMS技术的一种换能器加工方法，具体地涉及一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法。
技术介绍
电容式微机械超声波换能器(CapacitiveMicro-machinedUltrasonictransducer，CMUT)与传统基于锆钛酸铅(PZT)压电陶瓷超声换能器相比具有带宽宽、灵敏度高、噪声低、阻抗匹配性好、加工工艺与IC工艺兼容、易于加工二维面阵等优点，在医学成像、无损检测、流量测量等领域具有良好的应用前景。CMUT二维阵列由M×N个阵元排列组合而成，每个阵元四周都有隔离槽，防止阵元之间相互干扰，图1所示为一个4×4阵元的CMUT二维阵列。每个阵元10由若干个敏感单元组成，每个阵元10四周都有隔离槽11，敏感单元既可以成行成列整齐排列，也可以错落紧密排列。图2所示为CMUT敏感单元的剖视图，每个敏感单元主要由上电极21、振动薄膜22、真空腔23、衬底24和下电极25构成，一般在金属电极和振动薄膜22之间以及真空腔23底部要做一层二氧化硅薄膜26作为绝缘层，通常用较低电阻率的硅作为衬底24。在制作二维阵列时为了将上电极21的信号传输到背面需要用到TSV技术，包括穿透基板通孔(TSV)27，上电极21通过金属引线28连接下电极25。一般下电极硅衬底24的厚度在百微米量级以上，例如公告号为CN109261477A公开的一种具有刻蚀孔及分块式上电极的微机电压电超声波换能器，因此一般的CMUT阵列不具有柔性。此外，用柔性有机材料加工的CMUT工作频率比较低，一般在MHz以下，作为B超凸形探头时成像分辨率低。当硅片的厚度小于50微米时，硅片就可以弯曲、扭转、卷起，更柔韧、更稳定。因此，用超薄硅片制作的传感器既具有硅基传感器的性能又具有柔性传感器的柔性，是制造薄膜电子设备的理想选择。但是由于硅的脆性比较大，当硅的厚度只有几十微米时，硅晶圆在加工及运输的过程中很容易破碎。专利技术专利申请《具有穿透基板通孔(TSV)的电容式微加工超声换能器(CMUT)器件》（申请号CN201480010856.5）提出了一种用金属TSV加工CMUT二维阵列的加方法，虽然在加工过程中减薄了衬底层的厚度，但是晶圆的厚度仍然达到150微米左右，其柔性仍然比较差。专利技术专利申请《柔性电容式加工超声换能器及其制备方法》(申请号：201510907459.4)提出了一种柔性化电容式微加工超声换器加工方法，用柔性化单层PVC膜和PVC/Cu叠加膜作为CMUT的振动薄膜。这种加工方法一方面工艺过程复杂、加工的器件一致性不如硅基CMUT，另一方面器件的工作频率很难达到MHz以上，难以应用于医疗成像。专利技术专利《基于柔性衬底的可调节焦距的电容微机械超声换能器阵列》(申请号：201811203737.8)先加工出若干个CMUT阵元，然后将多个CMUT阵元均匀排布并固定在柔性衬底上。这种加工方法并不属于严格意义上的柔性阵列，而且得到的CMUT阵列性能与CMUT阵元的安装精度有关，对于大阵列的加工效率低下、成本高。综上，当前加工的CMUT阵列可分为以下三种：1）以硅为基底，工作频率可以达到MHz以上，但是不具有柔性能力；2）以柔性材料为基底，具有柔性功能，但是工作频率难以达到MHz以上；3）将若干个CMUT阵元拼接到柔性衬底上，兼具了较高的工作频率和柔性能力，但是拼接的精度有限而且效率低下，失去了MEMS传感器适于大批量生产的优势。本专利技术因此而来。
技术实现思路
针对上述存在的技术问题，本专利技术目的是：提供了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器及加工方法，该加工方法可以适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，可以加工出厚度均匀、性能一致性高的硅基超薄柔性CMUT，并且工作频率高（MHz以上）。本专利技术的技术方案是：一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个CMUT敏感单元的至少一个CMUT阵元，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底电路上，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1~10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层和第二SOI片的器件层的总厚度小于50μm。本专利技术还公开了一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，包括以下步骤：S01：刻蚀第二SOI片的器件层的一部分以形成腔体，在腔体底部生成一层氧化层；S02：在第二SOI片的器件层的上方设置有第一SOI片，所述第一SOI片的器件层与第二SOI片的器件层硅硅键合；S03：依次去除第一SOI片的衬底层和埋氧层；S04：蚀刻嵌入式通孔穿透所述第一SOI片的器件层、穿透所述第二SOI片的氧化层和器件层，并且嵌入式通孔从所述第一SOI片的器件层顶部延伸至所述第二SOI片的器件层底部；S05：在嵌入式通孔的侧壁生长一层氧化层；S06：在所述第一SOI片的器件层表面沉积一层金属金作为上电极，嵌入式通孔侧壁表面的金属作为金属引线，所述金属引线将上电极的信号引到嵌入式通孔的底面；S07：在所述第一SOI片的器件层表面临时固定氧化硅片；S08：依次去除第二SOI片的衬底层和埋氧层；S09：在第二SOI片的器件层表面形成图形化金属层，其包括接触所述嵌入式通孔侧壁的金属引线部分；S10：将得到的CMUT阵元固定在柔性衬底电路上；S11：去除氧化硅片，得到电容式微机械超声波换能器。优选的技术方案中，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1~10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。优选的技术方案中，所述步骤S03具体包括：将第二SOI片的衬底层用石蜡粘到抛光头上，然后用CMP将第一SOI片的衬底层的厚度减薄至一定厚度(100μm左右)，最后用KOH或TMAH溶液湿法腐蚀去除剩余的衬底层，再用干法刻蚀去除第一SOI片的埋氧层。优选的技术方案中，所述步骤S07中所述第一SOI片的器件层表通过临时键合胶与氧化硅片键合。优选的技术方案中，所述步骤S08-S09之间还包括：在第二SOI片的器件层表面生长一层氧化物层；对第二SOI片的器件层表面的氧化物层进行选择性刻蚀，得到露出一部分器件层表面的空腔和露出嵌入式通孔的空腔。与现有技术相比，本专利技术的优点是：本专利技术的加工方法可以适于大批量生产，加工精度高，效率高，成本低，，可以加工出工作频率高（MHz以上），性能一致性高的硅基超薄柔性二维CMUT阵列。该加工方法在其中一片SOI晶圆的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个敏感单元的至少一个CMUT阵元，其特征在于，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。/n

【技术特征摘要】
1.一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，包括具有至少一个敏感单元的至少一个CMUT阵元，其特征在于，所述至少一个CMUT阵元设置于柔性衬底，所述敏感单元由第一SOI片和第二SOI片键合而成，所述第一SOI片的器件层作为振动薄膜，所述第二SOI片的器件层作为衬底，在第一SOI片的衬底层和埋氧层去除后，将其临时键合到氧化硅片上，再去除第二SOI片的衬底层和埋氧层，然后将第二SOI片固定在柔性衬底电路上，最后去除氧化硅片。


2.根据权利要求1所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，其特征在于，所述第一SOI片的器件层的电阻率为1~10Ω·cm，所述第二SOI片的器件层的电阻率为0.001Ω·cm。


3.根据权利要求1所述的超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器，其特征在于，所述第一SOI片的器件层和第二SOI片的器件层的总厚度小于50μm。


4.一种超薄柔性硅基电容式微机械超声波换能器的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
S01：刻蚀第二SOI片器件层的一部分以形成腔体，在腔体底部生成一层氧化层；
S02：在第二SOI片器件层的上方设置有第一SOI片，所述第一SOI片的器件层与第二SOI片的器件层硅硅键合；
S03：依次去除第一SOI片的衬底层和埋氧层；
S04：蚀刻嵌入式通孔穿透所述第一SOI片的器件层、穿透所述第二SOI片的氧化层和器件层，并且嵌入式通孔从所述第一SOI片的器件层顶部延伸至所述第二SOI片的器件层底部；
S05：在嵌入式通孔的侧壁生长一层氧化层；
S06：在所述第一SOI片的器件层表面沉积一层金属金作为上电极，...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋金龙，郑欣怡，陈博，凤瑞，商兴莲，周铭，
申请(专利权)人：中国兵器工业集团第二一四研究所苏州研发中心，
类型：发明
国别省市：江苏;32