传感元件的隔离方法和装置制造方法及图纸

一种装置，它包括设置在具有半导体表面的衬底（４）内或衬底（４）上的传感器（２，３９，４０）阵列和用于将每个传感器与其相邻传感器相隔离的装置（２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８或４０）。在所述传感器是超声换能器元件的情况下，以相邻换能器元件之间的沟槽形式提供声隔离，以降低声串扰。可以用声衰减材料充填所述沟槽。在相邻换能器元件之间以半导体结的形式提供电隔离，以降低电串扰。在一个实例中，通过在相邻换能器元件之间的区域内进行离子注入来形成背对背ｐｎ结。这些类型的隔离可以单独采用，也可一起采用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术一般涉及传感器阵列(例如光、热、压力、超声等传感器阵列)。具体地说，本专利技术涉及微机械加工的超声换能器(MUT)。MUT的一种具体应用是在医学诊断超声成像系统中。另一具体实例是用于材料例如铸件、锻件或管材的非破坏性鉴定(NDE)。
技术介绍
传统的超声成像换能器通过压电效应产生声能，在所述压电效应中利用接入的压电陶瓷材料将电能转换为声能。将前向，即在被扫描患者方向上传输的声能通过一个或多个声匹配层耦合到患者身上。但在离开被扫描患者的方向上传输的声能通常在位于换能器阵列后部的声衬垫材料中被吸收或散射。这就妨碍了声能从换能器后面的结构或界面上反射并返回到压电材料中，于是降低了从患者体内反射所获得的声像的质量。已知有各种组成可用作声衬垫材料。例如，声衬垫材料可以由在诸如橡胶、环氧树脂或塑料等衰减软材料中的金属颗粒(例如钨)的组合构成。其它声衬垫材料组成也可使用。用于医学诊断成像的超声换能器具有宽的带宽并对低电平的超声信号具有高灵敏度，这些特性能够产生声高质量的图像。满足这些条件并通常用来制造超声换能器的压电材料包括锆钛酸铅(PZT)陶瓷和聚偏1，1-二氟乙烯。但PZT换能器需要陶瓷制造工艺，它不同于制造超声系统其它零件，例如半导体组件所用的加工技术。最好超声换能器能用制造半导体组件的相同工艺来制造。最近半导体工艺已用来制造一种超声换能器，称为微机械加工超声换能器(MUT)，可以是容性的(cMUT)或压电性的(pMUT)。cMUT是极小的膜片状器件，具有将接收的超声信号的声振动转换成已调制电容量的电极。为进行传输，对电容电荷进行调制，使器件的膜片振动，从而发送声波。pMUT也类似，不同的是膜片是双晶的，由压电材料和惰性材料(如氮化硅或硅)构成。MUT的一个优点是它们可以用半导体制造工艺制造，例如统称为”微机械加工”的各种微制造工艺。如美国专利No.6,359,367中所述微机械加工是利用以下设备的组合或子集的显微结构的形成方法(A)图案形成工具(一般是光刻技术，例如投影-对准器或晶片分档器)；(B)淀积工具，例如PVD(物理汽相淀积)、CVD(化学汽相淀积)、LPCVD(低压化学汽相淀积)、PECVD(等离子体化学汽相淀积))；(C)蚀刻工具，例如湿法化学蚀刻、等离子体蚀刻、离子磨削、溅射蚀刻或激光蚀刻。微机械加工通常在硅、玻璃、蓝宝石或陶瓷等制作的衬底或晶片上进行。这种衬底或晶片通常非常平和光滑，并且具有英寸数量级的横向尺寸。它们通常的加工方式是以盒的形式成批地从一个加工工具运行到另一加工工具。每个衬底最好能(但不是必需的)包含产品的许多复制件。有两种通用类型的微机械加工1)整体微机械加工，其中对晶片或衬底的大部分厚度进行蚀刻，以及2)表面微机械加工，其中蚀刻一般限于表面，特别是限于表面上的薄淀积层。本文所用的微机械加工定义包括使用传统或已知的可微机械加工的材料，包括硅、蓝宝石、所有类型的玻璃材料、聚合物(例如聚酰亚胺)、多晶硅、氮化硅、氧氮化硅、薄膜金属(例如铝合金，铜合金和钨)、旋涂玻璃、可注入或已扩散的掺杂剂以及生长的薄膜(例如氧化硅和氮化硅)。本文采用相同的微机械加工定义。用这些微机械加工工艺得到的系统通常称为”微机械加工的机电系统(MEMS)”。利用电容微机械加工超声换能器产生的声能并不依赖压电材料来产生超声能量。相反，cMUT单元的基本结构是以小间隙悬浮在导电电极之上的导电薄膜或膜片结构。当电压加到膜片和电极之间时，库仑力将膜片吸引到电极上。如果所加电压随时间改变，则膜片的位置也会随时间改变，在膜片移动位置时，产生声能，所述声能从器件表面辐射。当声能主要在前向或患者方向产生时，一部分声能将传播到cMUT的支撑结构中。这种结构通常是重掺杂硅晶片，也就是半导体的晶片。通常利用每个换能器元件有多个膜片来构成cMUT器件。用于医学成像、非破坏性鉴定或其它成像装置的完整的换能器探头包括多个换能器元件，它们排列成一行或多行，形成阵列，每个元件包括其电极相互电连接在一起的多个cMUT单元。阵列的每个元件需要独立工作，与相邻的元件无关。由于换能器元件阵列设置在共用衬底上，因此存在着相邻元件之间有电和机械干扰的问题。因此需要在MUT(cMUT和pMUT)的换能器元件之间提供隔离。
技术实现思路
本专利技术针对包括设置在衬底上或衬底中的传感器阵列和用于使每个传感元件与其相邻元件隔离的装置的器件。在半导体晶片的情况下，半导体表面通常是半导体晶片的一个面，但也可以是绝缘衬底上的半导体薄膜。本专利技术还针对这种器件的制造方法。根据一些公开的实施例，在相邻传感元件之间提供声隔离，以降低声串扰。根据其它公开的实施例，在相邻传感元件之间提供电隔离，以降低电串扰。这些类型的隔离在传感器件中可以单独采用或一起采用。传感器可以是光学、热或压力传感器，或超声换能器。本专利技术的一个方面是一种传感器件，它包括排列在衬底正面的多个传感元件，每个传感元件都与衬底材料相接触；以及排列在衬底材料中的多个阻挡体，以减小任何传感元件之间一种形式的能量耦合，每个阻挡体对于落到其上所述形式的能量的传播构成障碍。本专利技术的另一方面是制造传感器件的方法，它包括以下步骤(a)在衬底上或衬底中微机械加工传感元件阵列；(b)在衬底材料中形成多个阻挡体以减小任何传感元件之间一种形式能量的耦合，每个阻挡体对于落到其上所述形式的能量传播构成障碍。本专利技术的再一个方面是一种超声换能器，它包括排列在衬底正面的多个换能器元件，每个换能器元件包括各自的超声换能器单元组，这些单元电连接在一起且声耦合到衬底上；以及在衬底材料中的多个沟槽，沟槽位于换能器元件之间的区域内，且沟槽阻碍声波能量在其中传播。本专利技术的再另一方面是一种传感器件，它包括排列在衬底正面的多个传感元件，每个传感元件都与衬底材料相接触；以及在衬底材料中的多个掺杂剂注入区，掺杂剂注入区位于传感元件之间的区域内，且这些区阻碍电流在其中流动。本专利技术的还有一个方面是制造传感器件的方法，它包括以下步骤(a)在衬底的一侧微机械加工传感元件阵列；(b)将衬底的这一侧或另一侧固定到第一支撑结构上；(c)在未固定到支撑结构的那侧衬底材料中形成多个沟槽，所述沟槽位于传感元件之间的区域内。以下公开本专利技术的其它方面并对其提出权利要求。附图说明图1是示意图，示出典型的cMUT单元的截面图。图2是示意图，示出图1所示的cMUT单元的立体图。图3是示意图，示出cMUT器件和由声衬垫材料层支持的关联电连接的侧视图。图4是示意图，示出在衬底和声衬垫材料上将各cMUT单元分成电连接在一起的组的立体图。图5是示意图，示出经过微机械加工以形成一行间隔的换能器元件的衬底的立体图，每个元件包括多个电连接的cMUT单元。图6是示意图，示出按照本专利技术的各实施例，可在图1的微机械加工衬底中形成的两种不同类型的声隔离沟槽。图7是示意图，示出按照本专利技术的各实施例，可在图1的微机械加工衬底中形成的四种不同类型的声隔离沟槽。图8是示意图，示出按照本专利技术另一实施例，在微机械加工衬底的背面形成声隔离沟槽。图9和图10是示意图，分别示出按照本专利技术的其它实施例设置在半导体衬底上的cMUT元件，其中对衬底作了掺杂，以便在换能器元件之间提供电隔离。图11是示意图，示出按照本专利技术的又一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种传感器件，它包括：　　　　多个传感元件（２，３９，４０），它们排列在衬底的正面，每个所述传感元件与所述衬底材料相接触；以及　　　　多个阻挡体（２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８或４６），它们排列在所述衬底的所述材料中，以降低任何所述传感元件之间的能量形式的耦合，每个阻挡体对于落到其上的所述能量形式的传播构成障碍。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：RS莱万多夫斯基，LS史密斯，CE鲍姆加特纳，DM米尔斯，DG维尔德斯，RA菲舍尔，GC索戈伊安，
申请(专利权)人：通用电气公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]