[发明专利]高频CMUT

说明书

技术领域

本发明涉及一种电容性微加工超声换能器(CMUT)，更具体地说，涉及高频CMUT。

背景技术

电容性微加工超声换能器(CMUT)是基于半导体的超声换能器，其利用电容的变化来将接收到的超声波转换成电信号，并且将交变的电信号转换成所发射的超声波。

图1A-1C示出现有技术CMUT阵列100。所示出的CMUT阵列100具有布置成单个行的三个CMUT元件102，其中每个CMUT元件102具有12个CMUT单元104，它们被布置成三个CMUT单元宽乘四个CMUT单元长的阵列。另外，每对邻近的CMUT元件102具有16μm的最小间距X，而每对邻近的CMUT单元104具有5μm的最小间距Y。

CMUT阵列100还具有以常规方式形成的半导体衬底110，以及接触半导体衬底110的柱状氧化物结构(post oxide structure)112。半导体衬底110具有顶部表面，顶部表面继而具有数个间隔开的CMUT表面区域113。另外，半导体衬底110被重掺杂为具有0.01Ω/cm或以下的电阻。柱状氧化物结构112水平环绕每个CMUT表面区域113，但不覆盖它们。另外，柱状氧化物结构112具有衬底接触开口114，其完全延伸穿过柱状氧化物结构112以暴露半导体衬底110。

如图1A-1C中所示，CMUT阵列100包括数个单元氧化物结构116、对应的数个硅膜120以及对应的数个真空密封腔122。单元氧化物结构116接触半导体衬底110的顶部表面上的CMUT表面区域113。硅膜120接触柱状氧化物结构112的顶部表面，且位于单元氧化物结构116上方并与之间隔开。由柱状氧化物结构112水平环绕的真空密封腔122垂直位于单元氧化物结构116与硅膜120之间。每个硅膜120的厚度大约为2.2μm。

CMUT阵列100还包括数个铝板126(其可以可选地包括铜)。每个铝板126接触并覆盖一组硅膜120的顶部表面，其中铝板126和一组硅膜120是CMUT元件102的一部分。铝板126减小硅膜120的方块电阻，并且提供到铝板126的顶部表面上的键合焊盘区域128的低电阻路径。例如，厚的铝板具有大约180mΩ/平方的方块电阻。

另外，CMUT阵列100包括数个铝键合焊盘130(其可以可选地包括铜)，它们位于衬底接触开口114内，以接触半导体衬底110。另外，CMUT阵列100包括大约厚的钝化层132，其接触柱状氧化物结构112、铝板126和铝键合焊盘130并位于它们上方。钝化层132继而具有：数个键合焊盘开口136，其暴露铝键合焊盘130；以及数个键合焊盘开口138，其暴露铝板126的顶部表面上的键合焊盘区域128。

硅膜120、铝板126的上覆部分以及钝化层132的上覆部分形成数个膜堆叠140，其位于对应的数个真空密封腔122的正上方。膜堆叠140连同真空密封腔122和单元氧化物结构116形成CMUT单元104。另外，CMUT阵列100具有声学阻尼结构142，其接触半导体衬底110的底部表面。

在操作中，将第一偏压置于半导体衬底110上，半导体衬底110充当第一电容器板，且将第二偏压置于硅膜120上，硅膜120充当第二电容器板。因此，电容器板之间的电压跨越真空密封腔122。当用作接收器时，超声波使膜堆叠140振动。该振动改变第一和第二电容器板之间的电容，由此产生随着电容变化而变化的电信号。

当用作发射器时，施加在被偏置的第一和第二电容器板之间的交变电信号使膜堆叠140振动，这继而发射超声波。膜堆叠140振动的速率或频率取决于若干因素，包括真空密封腔12的横向尺寸以及膜堆叠140的刚性。膜堆叠140的刚性继而部分地取决于膜堆叠140的厚度。

除了向外发射超声波之外，超声波还被向后朝着半导体衬底110的底部表面发射。取决于半导体衬底110的厚度以及操作频率，这些后向超声波会在半导体衬底110内谐振，且会干扰得到的图像的质量。声学阻尼结构142吸收半导体衬底110中的超声波并抑制它们。

图2A-2N示出形成CMUT结构的现有技术方法200中的步骤。如图2A中所示，方法200利用常规方式形成的单晶硅晶圆210。硅晶圆210具有多行多列管芯大小的区域，且一个或多个CMUT单元可以同时形成于每个管芯大小的区域中。