压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法技术

本发明专利技术公开一种压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法，所述压电微机械超声换能器采用三维结构设计，能显著降低芯片尺寸，同时减少因为金属布线引起的寄生电阻，电容相关的功耗，延迟，不均匀性，对提高产品性能、降低成本、改善良率等具有显著效益，能实现芯片小型化、高密度集成。本发明专利技术的压电微机械超声换能器的制造工艺流程与半导体主流工艺与设备兼容，垂直方向连线与现有芯片BGA封装工艺兼容，具有广泛的适应性。具有广泛的适应性。具有广泛的适应性。

【技术实现步骤摘要】
压电微机械超声换能器、阵列芯片及制造方法


[0001]本专利技术涉及压电微机械超声换能器（PMUT：Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers ） 3D （3 dimensional三维）新结构，并且涉及用于制造3D PMUT的新型半导体微机械加工技术。同时，作为PMUT的直接应用，本专利技术涉及用于医学成像，指纹识别，触屏或手势识别的电子传感器阵列及相关显示器，其中都需要使用高性能，高分辨率的PMUT。

技术介绍

[0002]超声诊断仪，通过其超声探头，向人体发射超声波，并利用其在人体器官、组织的传播过程中，由于声的反射、折射、衍射而产生的各种信息，将其接收、放大和进行信息处理，形成图像或血流多普勒，最终在显示器上显示。一台医用彩色超声诊断仪主要包括: 探头、主机、控制面板、显示器及其他附件。
[0003]在人类社会进入大医疗时代，医学超声应用得到快速发展。从医学成像，如胎儿B超，到肝脏，肾脏扫描，超声扫描已遍及全世界。与其他成像技术相比，超声成像技术具有对患者无创无痛苦、实时性好、安全、价格低廉等优点，在预防、诊断、治疗疾病患者中有很高的使用率，广泛应用于消化科、妇科、产科、泌尿 科、胸科、小器官、儿科、心脏科、急诊等多种检临床检查， 且逐渐与其他临床科室结合，发展出消化科(超声内镜)、心 外科(血管内超声)等检查应用，目前超声已是不可或缺的检查方法。
[0004]超声技术与产品正在快速进入人们的日常生活。智能手机是其中一个重要的应用。手机指纹识别不仅快捷，方便，也大大地提高了用户安全性。由于超声传感器具有宽视场，即使安装在手机的顶部或底部仍能够实现精确的距离测量，因此手机设计可以省略手机前面的光学接近传感器，方便实现手机全屏设计。
[0005]汽车中装了超声测距传感器后，能保持驾驶与倒车，停车安全距离，十分方便。进而广之，MEMS超声波传感器已进入无人机及机器人等应用领域。在这类应用中，微型超声波传感器可以精确地追踪目标，形成阵列空间雷达，实时监测人体移动，位置和动作变化，与VR/AR无缝连接。
[0006]超声波传感器在工业控制中也有广泛应用。例如，探测飞机机翼表面的形状改变，检测是否有结冰，从而影响飞行安全。超声波传感器安装在飞机发动机上，可以实时探测发动机引擎是否有裂纹，及时发现问题，进行维修，替换。
[0007]传统超声探头是用压电陶瓷晶体机械切割、排列、金属互连布线的方法实现的。如图2所示。首先取一块压电陶瓷晶体，固定在支撑衬底上，沿X， Y 方向进行机械切割。这种加工方式成品率低，容易造成机械损伤，成本难以管控，难以很难做到大规模生产。更重要的是，机械加工精度低，最小成品晶体的尺寸受到限制，达不到高分辨率医学成像对PMUT日益缩小尺寸的要求。
[0008]用压电陶瓷晶体机械切割，排列，金属互连布线的方法制作超声探头亦远远满足不了现代超声应用的要求。基于CMOS 工艺的 MEMS （微机电系统）技术开始受到重视，被视
为超声传感器的发展方向。半导体MEMS 超声传感器得益于CMOS工艺的高精度，高成品率，是最有希望实现高分辨率医学超声阵列传感器的技术。
[0009]PMUT薄膜压电超声换能器最常用材料有AlN (氮化铝) 和 PZT （锆钛酸铅，Pb(ZrTi)O3, 简写PZT）。这些材料及其工艺制程与标准CMOS 工艺相比，还有相当程度的差异。例如PZT 材料，必须有特殊的，与CMOS工艺不同的，淀积设备，腐蚀与清洗设备，需要相当程度的投资。同时，PZT 材料会对CMOS 工艺产生金属污染，影响CMOS 产品的性能与可靠性。因此，全球只有为数很少的PMUT 工艺生产线。在CMOS 工艺基础上添加PMUT 工艺，做出高性能，低成本的超声换能器还需要器件结构，工艺流程，系统设计上的不断创造，更新。AlN (氮化铝)压电材料与PZT类似，也需要特殊机器设备，有额外的投资需求。
[0010]一个典型的PMUT压电超声换能器结构100如图1所示，包括：衬底材料160，一般可以是硅材料或二氧化硅材料，二氧化硅通常也会淀积在硅衬底上。
[0011]空腔120，一般是在衬底材料上腐蚀形成的空腔体，保留空间给PMUT 可以上下作机械振动，发射，或接受超声波。
[0012]机械层130， 作为PMUT 可振动薄膜的机械支撑，保证PMUT 工作寿命。机械层130材质（厚度，比重，杨氏模量等参数）也会影响PMUT 振动频率。
[0013]氧化物层132，一般是CMOS 工艺过程中在硅表面产生的二氧化硅层。除了对硅表面有保护作用外，氧化物层132 的厚度也会影响PMUT 振动频率。
[0014]压电层三明治堆叠结构中包含压电材料层115，被分别安置在所述压电层115下面和上面的相关联的电极层，下部电极112和上部电极114。
[0015]压电材料层115最常用的材料是PZT 锆钛酸铅（（Pb(ZrTi)O3, 简写PZT）和氮化铝(AlN)。
[0016]下部电极112和上部电极114，通常是铂金Pt 材料或铂金与钛金属的多层结构。下部电极112和上部电极114在压电材料中产生电场，从而产生材料的膨胀与压缩，进而产生沿着垂直方向的机械振动，发射超声波。这就是著名的压电效应。
[0017]PMUT 机械振动的频率与压电层三明治堆叠结构中各层材料的材质，机械层130，氧化物层132的材质，所有材料的厚度，空腔120的形状与尺寸有关。所有材料的机械应力对振动频率也有影响。
[0018]高分辨率，高集成度的医疗应用PMUT 超声探头，需要10
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50MHz兆赫的高频。对PMUT 结构100中，不同结构的尺寸大小与其精度控制要求很高，例如空腔120尺寸的大小，空腔120尺寸变化范围的控制直接影响超声探头的工作频率，工作带宽等关键参数。目前常用的从硅片背面腐蚀，形成空腔120结构的方法，其造成的空腔120结构尺寸的变化可能在5
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10微米，甚至更大。根本达不到高频，高分辨率的要求。同时，从硅片背面腐蚀，形成空腔120结构的方法，很难做到同时形成不同的空腔120结构尺寸。这就限制了做单片多频超声探头的可能性，在应用上是一大限制。
[0019]与空腔120尺寸的大小，空腔120尺寸变化范围的控制要求类似，PMUT压电超声换能器结构100中的薄膜厚度及其控制也是相当关键。例如压电材料层115，机械层130，下部电极112，上部电极114等，其薄膜厚度及其控制，材料的比重，杨氏模量，甚至材料内部的机械应力，都直接影响超声探头的工作频率，工作带宽，超声输出功率，机电耦合系数等关键
参数。
[0020]现有 PMUT 阵列技术与产品应用中，不管是用晶体切割的方法，还是用MEMS 半导体 IC 的方法，实现 PMUT 与外围电路与系统的电学连接都面临很大挑战。图2 是一个典型的PMUT阵列芯片的俯视示意图。芯片中心是PMUT 7 X 本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底（161）、衬底材料（160）、氧化物层（132）、机械层（130）、下层金属层（112）、压电材料层（115）和上层金属层（114），所述衬底材料（160）布置有至少一空腔（120）、至少一第一层金属布线（201）、至少一第二层金属布线（202），所述至少一第一层金属布线（201）连接所述硅衬底（161）正面，所述至少一第二层金属布线（202）位于所述至少一第一层金属布线（201）上方，所述至少一第一层金属布线（201）通过至少一金属引线孔（212）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连；所述硅衬底（161）布置有实现所述至少一第一层金属布线（201）与所述硅衬底（161）背面垂直互连的至少一硅正反面穿孔TSV（162）；所述超声换能器布置有实现所述上层金属层（114）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连的至少一上层金属链接孔ZTM（163
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1），或实现所述下层金属层（112）与所述至少一第二层金属布线（202）垂直互连的至少一下层金属链接孔ZBM（163
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2）。2.一种适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于自下而上包括：硅衬底（161）、衬底材料（160）、氧化物层（132）、机械层（130）、下层金属层（112）、压电材料层（115）和上层金属层（114），所述衬底材料（160）布置有两个空腔（120）、两个第一层金属布线（201）、两个第二层金属布线（202），所述两个第一层金属布线（201）分别连接所述硅衬底（161）正面，所述两个第二层金属布线（202）位于所述两个第一层金属布线（201）上方，所述两个第一层金属布线（201）分别通过两个金属引线孔（212）与位于其上方的所述两个第二层金属布线（202）垂直互连；所述硅衬底（161）布置有分别实现所述两个第一层金属布线（201）与所述硅衬底（161）背面垂直互连的两个硅正反面穿孔TSV；所述超声换能器布置有实现所述上层金属层（114）与所述两个第二层金属布线（202）中其中一个第二层金属布线（202）垂直互连的上层金属链接孔ZTM（163
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1），以及实现所述下层金属层（112）与所述两个第二层金属布线（202）中另一个第二层金属布线（202）垂直互连的下层金属链接孔ZBM（163
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2）。3.如权利要求1或2所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，其特征在于所述机械层（130）采用与所述硅衬底（161）相同的材料。4.一种压电微机械超声换能器阵列芯片，其特征在于包括多个权利要求1所述的适合高密度集成的压电微机械超声换能器，所述压电微机械超声换能器通过所述至少一上层金属链接孔ZTM（163
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1）或所述至少一下层金属链接孔ZBM（163
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【专利技术属性】
技术研发人员：李晖，尹峰，
申请(专利权)人：南京声息芯影科技有限公司，
类型：发明
国别省市：