压电式微机械超声换能器制造技术

本公开的实施例涉及压电式机械换能器。提供了一种用于制造包括位于膜元件处的压电元件的PMUT器件的方法。方法包括接收绝缘体上硅基底，具有第一硅层、氧化物层和第二硅层。通过移除第一硅层的暴露侧部分和氧化物层的对应的部分来暴露第二硅层的第一表面的部分，并且限定包括第一硅层和氧化物层的剩余部分的中心部分。用于膜元件的锚定部分在第二硅层的第一表面的暴露部分处形成。压电元件在中心部分的上方形成，并且膜元件通过选择性地移除第二层并且从第一硅层的剩余部分下方移除氧化物的剩余部分来限定。的剩余部分来限定。的剩余部分来限定。

【技术实现步骤摘要】
压电式微机械超声换能器


[0001]本公开涉及微机电系统(下文称为“MEMS”)的领域。特别地，本公开涉及一种压电式微机械超声换能器(下文称为“PMUT”)。

技术介绍

[0002]MEMS器件包括借助微机械技术(例如，光刻、沉积、蚀刻、沉积、生长)在相同半导体材料基底(例如硅)中集成小型化机械、电气和/或电子部件。
[0003]微机械超声换能器器件(下文称为“MUT器件”)是一种适于发射/接收超声波的MEMS器件。在已知的MUT器件之间，压电MUT器件(以下称为“PMUT器件”)是已知的。PMUT器件是一种MUT器件，其操作基于与薄压电元件机械耦合的一个或多个薄膜元件的弯曲运动。
[0004]当PMUT器件作为发射器操作时，在对压电元件施加AC电信号时，膜元件在压电元件的作用下在平衡位置周围弯曲和振荡。因此，膜元件的振荡会导致超声波的生成。
[0005]当PMUT器件作为接收器操作时，超声波撞击膜元件会导致膜在其平衡位置周围振荡。膜元件的振荡作用在压电元件上，压电元件相应地生成AC电信号。
[0006]在超声波的生成和接收期间(即，在PMUT器件作为发射器操作的情况下以及PMUT器件作为接收器操作的情况下)，膜元件以对应的共振频率在其平衡位置周围振荡。
[0007]为了在其平衡位置周围自由振荡，(一个或多个)膜元件相对于PMUT器件的半导体基底悬置(例如，悬臂式)。
[0008]为此目的，在PMUT器件的制造期间，已知形成锚定部分，该锚定部分适用于将PMUT器件的(一个或多个)膜元件机械地连接到其半导体基底。
[0009]在设计阶段，PMUT器件的共振频率是基于诸如膜元件的大小和材料的参数确定的。给定具体的材料的情况下，(一个或多个)膜元件的厚度是定义共振频率的最重要参数之一。
[0010]美国专利No.6,913,941公开了一种用于创建MEMS结构的方法。根据所述方法，提供了一种基底，具有布置在其上的牺牲层和布置在牺牲层之上的硅层。第一沟槽被创建，其延伸穿过二氧化硅层和牺牲层，并且第一沟槽将牺牲层分隔成由第一沟槽包围的第一区域以及在第一沟槽外部的第二区域。将第一材料沉积到第一沟槽中，使得第一材料填充第一沟槽的深度至少等于牺牲层的厚度。在第一沟槽的外部形成第二沟槽，第二沟槽至少延伸穿过硅层并且暴露牺牲层的第二区域的至少部分。牺牲层的第二区域通过第二沟槽与适用于蚀刻牺牲层的化学蚀刻溶液接触，蚀刻溶液对第一材料具有选择性。

技术实现思路

[0011]申请人已经发现用于制造MEMS器件(诸如PMUT器件)的已知解决方案不是特别有效。
[0012]根据已知解决方案制造的PMUT器件受到膜厚度控制精度降低的负面影响。使用已知的制造方法，不可以以足够的精度控制膜的厚度，从而导致从相同半导体材料晶片获得
的PMUT器件之间的谐振频率的不可忽略的扩展。
[0013]如上所述，申请人设计了一种用于改善制造PMUT器件的工艺的解决方案。
[0014]本公开的一方面涉及一种用于制造PMUT器件的方法，该PMUT器件包括位于膜元件处的压电元件。该方法包括提供绝缘体上硅基底，绝缘体上硅基底包括第一硅层、氧化物层和第二硅层。
[0015]根据本公开的实施例，第一硅层沿着第一方向在氧化物层上堆叠，并且氧化物层沿着所述第一方向在第二硅层上堆叠。
[0016]根据本公开的实施例，方法进一步包括移除所述第一硅层的暴露侧部分以及氧化物层的对应的部分，以暴露先前由所述氧化物层覆盖的第二硅层的第一表面的部分，以及限定包括第一硅层和氧化物层的剩余部分的中心部分。
[0017]根据本公开的实施例，方法进一步包括在第二硅层的第一表面的暴露部分处形成用于所述膜元件的锚定部分。
[0018]根据本公开的实施例，方法进一步包括沿着所述第一方向在所述中心部分上方形成所述压电元件。
[0019]根据本公开的实施例，方法进一步包括选择性地移除所述第二层，以及从第一硅层的剩余部分下方移除所述氧化物的剩余部分，以限定所述膜元件。
[0020]根据本公开的实施例，所述膜元件包括第一硅层的剩余部分。
[0021]根据本公开的实施例，第一硅层沿着第一方向的厚度对应于膜元件沿着第一方向的厚度。
[0022]根据本公开的实施例，第一硅层沿着第一方向的厚度小于膜元件沿着第一方向的厚度。
[0023]根据本公开的实施例，方法进一步包括在形成所述压电元件之前，在第一硅层的所述剩余部分上生长硅，直到第一硅层的剩余部分的厚度达到所述膜元件的所述厚度为止。
[0024]根据本公开的实施例，在第一硅层的所述剩余部分上的所述生长硅包括使用外延技术生长硅。
[0025]根据本公开的实施例，所述形成锚定部分包括：在第二硅层的第一表面的所述暴露部分上生长硅。
[0026]根据本公开的实施例，在第二硅层的第一表面的所述暴露部分上的所述生长硅包括使用外延技术生长硅。
[0027]根据本公开的实施例，方法进一步包括执行平滑过程，旨在从生长的单晶硅获得由单晶硅制成的基本平坦的顶表面，所述平滑过程使用以下至少一项来执行：
[0028]化学机械抛光技术，以及
[0029]高温氢退火技术。
[0030]根据本公开的实施例，方法进一步包括，在形成所述压电元件之后并且在移除所述氧化物的剩余部分之前，选择性地移除第一硅层的剩余部分，直到到达氧化物的所述剩余部分为止。
[0031]根据本公开的实施例，所述第一硅层、所述第二硅层和所述锚定部分由单晶硅制成。
[0032]本公开的另一方面涉及PMUT器件。
[0033]根据本公开的实施例，PMUT器件包括硅基底。
[0034]根据本公开的实施例，PMUT器件包括膜元件，适用于通过以对应的共振频率在平衡位置周围振荡来生成和接收超声波。
[0035]根据本公开的实施例，PMUT器件包括用于将所述膜元件固定到硅基底的锚定部分。
[0036]根据本公开的实施例，PMUT器件包括位于所述膜元件上的压电元件，被配置为：
[0037]当电信号被施加至压电元件时，使膜元件振荡，以及
[0038]响应于膜元件的振荡生成电信号。
[0039]根据本公开的实施例，膜元件和锚定部分由单晶硅制成。
[0040]本公开的另一方面涉及包括至少一个或多个PMUT器件的电子系统。
附图说明
[0041]通过阅读以下仅通过非限制性示例提供的对其实施例进行的详细描述(将结合附图阅读)，将更好地理解根据本公开的解决方案的这些和其他特征及优点。在这方面，明确指出是，附图不必按比例绘制(其一些细节可以被放大和/或简化)，并且除非另有说明，否则它们仅用于概念性地说明所描述的结构和过程。特别地：
[0042]图1示意性地示出了根据本公开的实施例的PMUT器件的横截面图；
[0043]图2A至图2K示出了根据本公开的第本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于制造压电式微机械超声换能器PMUT器件的方法，所述PMUT器件具有位于膜元件处的压电元件，所述方法包括：接收绝缘体上硅基底，所述绝缘体上硅基底包括：第一硅层、氧化物层和第二硅层，所述第一硅层沿着第一方向堆叠在所述氧化物层上，并且所述氧化物层沿着所述第一方向堆叠在所述第二硅层上；通过移除所述第一硅层的暴露侧部分以及所述氧化物层的对应的部分，暴露先前由所述氧化物层覆盖的所述第二硅层的第一表面的部分，以及限定包括所述第一硅层的剩余部分和所述氧化物层的剩余部分的中心部分；在所述第二硅层的所述第一表面的所述暴露部分处形成用于所述膜元件的锚定部分；沿着所述第一方向在所述中心部分之上形成所述压电元件；以及通过选择性地移除所述第二层、并且从所述第一硅层的所述剩余部分下方移除所述氧化物的所述剩余部分来限定所述膜元件，所述膜元件包括所述第一硅层的所述剩余部分。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅层沿着所述第一方向的厚度对应于所述膜元件沿着所述第一方向的厚度。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一硅层沿着所述第一方向的厚度小于所述膜元件沿着所述第一方向的厚度，所述方法进一步包括：在形成所述压电元件之前，在所述第一硅层的所述剩余部分上生长硅，直到所述第一硅层的所述剩余部分的厚度达到所述膜元件的所述厚度为止。4.根据权利要求3所述的方法，其中所述在所述第一硅层的所述剩余部分上生长硅包括使用外延技术生长硅。5.根据权利要求1所述的方法，其中所述形成所述锚定部分包括在所述第二硅层的所述第一表面的所述暴露部分上生长硅。6.根据权利要求5所述的方法，其中所述在所述第二硅层的所述第一表面的所述暴露部分上生长硅包括使用外延技术生长硅。7.根据权利要求5所述的方法，进一步包括执行平滑过程，以从所生长的硅获得由单晶硅制成的基本平坦的顶表面。8.根据权利要求7所述的方法，其中所述平滑过程包括以下至少一项：化学机械抛光技术，以及高温氢退火技术。9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括，在形成所述压电元件之后、并且在移除所述氧化物的所述剩余部分之前，选择性地移除所述第一硅层的所述剩余...

【专利技术属性】
技术研发人员：F，
申请(专利权)人：意法半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：