压电微机械超声换能器及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地涉及一种压电微机械超声换能器及其制作方法。

背景技术

如图1所示，当前的压电微机械超声换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasound Transducer，PMUT)大多包括衬底10、支撑层20、薄膜支撑层40和压电薄膜30等，其中薄膜支撑层为机械层、或弹性层或先于支撑层上生长的薄层等结构等具有一定结构强度的膜层用以支承压电薄膜，此种结构的PMUT在制作流程中，先于衬底10上沉积牺牲层和支撑层20，之后蚀刻掉牺牲层，形成具有纳米级的贯通孔的支撑层20，再于贯通孔上方设置薄膜支撑层40，需要经过多步沉积及设置机械层的步骤，制作方法复杂且成本高昂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电微机械超声换能器及其制作方法。

本发明提供一种压电微机械超声换能器，包括：

衬底；

支撑层，其设置于所述衬底上，形成有至少一个开口朝向所述衬底的空腔，所述空腔侧壁、所述空腔顶壁与所述衬底围设形成真空密闭腔；

压电薄膜，其设置于所述支撑层上，且至少位于所述空腔上方，并直接受所述空腔顶壁支承。

作为本发明的进一步改进，所述支撑层材料为硅。

作为本发明的进一步改进，所述支撑层形成有多个开口朝向所述衬底的空腔。

作为本发明的进一步改进，多个所述空腔形状及尺寸一致，均匀间隔分布。

作为本发明的进一步改进，所述空腔平面形状为圆形。

作为本发明的进一步改进，所述空腔内径尺寸范围为10～100μm。

作为本发明的进一步改进，所述支撑层于所述压电薄膜外侧设有焊垫。

本发明还提供一种压电微机械超声换能器制作方法，包括步骤：

提供一基板，将所述基板设置于临时载体上；

减薄所述基板形成支撑层；

于所述支撑层表面向下蚀刻出至少一空腔，且至少于所述空腔底部保留部分所述支撑层不进行蚀刻；

提供一衬底，将所述支撑层倒装设置于所述衬底上；

剥离所述临时载体，于所述支撑层表面设置压电薄膜。

作为本发明的进一步改进，所述基板为硅基板。

作为本发明的进一步改进，“于所述支撑层表面向下蚀刻出至少一空腔”具体包括：

于所述支撑层表面向下蚀刻出多个空腔。

作为本发明的进一步改进，多个所述空腔形状及尺寸一致，均匀间隔分布。

作为本发明的进一步改进，所述空腔形状为顶面呈弧面的圆柱体。

作为本发明的进一步改进，所述空腔内径尺寸范围为10～100μm。

作为本发明的进一步改进，还包括步骤：

在所述支撑层表面位于所述压电薄膜周侧的区域设置焊垫。

本发明的有益效果是：本发明中的PMUT在支撑层上设置有微米级的空腔，空腔可以直接通过蚀刻形成，保留部分支撑层不蚀刻形成空腔顶壁直接起到支承压电薄膜的作用，省略常规PMUT结构中的沉积形成的薄膜支撑层等结构，能够显著降低PMUT的制造成本。

附图说明

图1是现有技术中的压电微机械超声换能器结构示意图。

图2是本发明实施例一中的压电微机械超声换能器的结构示意图。

图3是本发明实施例一中的压电微机械超声换能器支撑层的平面示意图。

图4是本发明实施例二中的压电微机械超声换能器的结构示意图。

图5是本发明实施例二中的压电微机械超声换能器支撑层的平面示意图。

图6是本发明实施例三中的压电微机械超声换能器的结构示意图。

图7是本发明实施例三中的压电微机械超声换能器支撑层的平面示意图。

图8是本发明一实施方式中的压电微机械超声换能器制作方法的流程示意图。

图9至图13是本发明一实施方式中的压电微机械超声换能器制作方法的各步骤示意图。

具体实施方式

为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请具体实施方式及相应的附图对本申请技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施方式仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本申请中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本申请保护的范围。

下面详细描述本发明的实施方式，实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

为方便说明，本文使用表示空间相对位置的术语来进行描述，例如“上”、“下”、“后”、“前”等，用来描述附图中所示的一个单元或者特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的装置翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“上方”的单元将位于其他单元或特征“下方”或“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括下方和上方这两种空间方位。

本发明提供一种压电微机械超声换能器，包括：衬底1、支撑层2和压电薄膜3。

衬底1为可以为玻璃衬底、干膜、硅晶片或其他合适的具有一定结构强度衬底材料。

支撑层2设置于衬底1上，形成有至少一个开口朝向衬底1的空腔21，空腔侧壁211、空腔顶壁212与衬底1围设形成真空密闭腔。

压电薄膜3设置于支撑层2上，且至少位于空腔21上方，并直接受空腔顶壁212支承。压电薄膜3包括压电层和设于压电层上下的电极层等，其被配置为接收或发射声波或超声波信号时，进行挠曲运动和/或振动。

具体的，支撑层2材料为硅，通过在其内蚀刻形成一个不贯通空腔21，一方面与衬底1配合形成密闭腔，另一方面保留部分支撑层2不蚀刻形成空腔顶壁212直接用于支承压电薄膜3，不同于常规PMUT结构中在具有贯通孔的支撑结构上形成机械支撑层或弹性层等用以支承压电薄膜3，本发明中的PMUT结构通过直接在硅基板2a上部分蚀刻直接形成空腔21和用以支承的部分，可以省略常规PMUT沉积牺牲层和沉积机械支撑层或弹性层等等步骤，能够显著降低PMUT的制造成本。另外，由于支撑层2直接在硅基板2a上制作形成，所以可以直接通过晶圆级基板2a进行封装制造，能够大幅提高工艺生产效率。

于本发明其他实施方式中，支撑层2也可采用二氧化硅等硅化物材料。

支撑层2和衬底1之间可通过粘合层固定，粘合层一方面可以实现粘接作用，另一方面可以起到加强密封性的作用，粘合层可以为高分子粘接材料，例如硅胶、环氧树脂、苯并环丁烯等聚合物材料。

进一步的，所述空腔21平面形状为圆形，整体呈圆柱形的空腔21结构更易在蚀刻工艺中形成均匀的尺寸结构。

空腔21内径尺寸范围为10～100μm，相比于常规PMUT结构中的纳米级空腔21，本发明中所形成的微米级空腔21可以降低对制造精度的要求，更便于通过蚀刻直接形成，易于在工业生产中实现。

于本发明其他实施方式中，空腔21结构也可根据PMUT的结构需要，将空腔21结构调整为正方体、长方体结构及多边形体结构等。

进一步的，在本发明中，空腔21的数量可以为一个或多个，当空腔21数量为多个时，多个空腔21形状及尺寸一致，均匀间隔分布。

具体的，如图2和图3所示，在实施例一中，支撑层2内设置有一个空腔21，空腔21平面形状呈圆形，设置单个空腔21可使设于其上的压电薄膜3获得最大的振动面积，具有更高的振动频率。

如图4和图5所示，在实施例二中，支撑层2内设置有4个空腔21，空腔21平面形状呈圆形，支撑层2在平面上形状大体呈正方形，沿其横向和竖向两条中轴线，支撑层2均匀分为四个区域，每个区域内设置有一个空腔21，压电薄膜3完全覆盖4个空腔21。

如图6和图7所示，在实施例三中，支撑层2内设置有16个空腔21，空腔21平面形状呈圆形，支撑层2在平面上形状大体呈正方形，空腔21排列构成4×4的正方形阵列均匀分布在支撑层2上，压电薄膜3完全覆盖16个空腔21。

当随着所设置的空腔21数量增多，空腔21整体体积减小，设于其上的压电薄膜3所能获得的振动面积减小、振动频率降低，但能够获得更密集的振动信号，从而可已通过调整空腔21的数量满足PMUT对输出不同振动信号的要求。并且，由于本发明中的空腔21为微米级，制作精度要求较低，更易在支撑层上通过蚀刻形成空腔阵列。

在本发明的一些实施方式中，支撑层2于压电薄膜3外侧还设有焊垫22，焊垫22与压电薄膜3内的电极电耦合，焊垫22作为压电薄膜3与外部电路连接的输入和输出端，用以与外接电路连接。

如图8所示，本发明还提供一种压电微机械超声换能器制作方法，包括步骤：

S1：如图9所示，提供一基板2a，将基板2a设置于临时载体4上。

具体的，基板2a为晶圆级硅基板2a。

临时载体4为诸如玻璃，硅，复合聚合物等低成本，具有一定刚性和带临时解键合层或蚀刻阻挡层的板型牺牲基材，以用于结构支撑。临时载体4也可以是带加强框架的有单面临时粘合层的高温膜。通过粘合层将基板2a临设贴合于临时载体4上，用以仅需后续工艺步骤。

S2：如图10所示，减薄基板2a形成支撑层2。

通过采用诸如磨削、研磨、化学机械抛光、干式抛光、电化学腐蚀、湿法腐蚀、等离子辅助化学腐蚀等常规芯片减薄工艺将硅基板2a减薄至支撑层2所需的厚度。

S3：如图11所示，于支撑层2表面向下蚀刻出至少一空腔21，且至少于空腔21底部保留部分支撑层不进行蚀刻。

从而，可以直接在支撑层2上形成空腔21的同时，保留部分支撑层2直接起到用以支承压电薄膜3的作用，省略常规工艺方法中在支撑层2上额外沉积生长机械支撑层或弹性层等的步骤。

进一步的，所述空腔21平面形状为圆形，整体呈圆柱形的空腔21结构更易在蚀刻工艺中形成均匀的尺寸结构。

空腔21内径尺寸范围为10～100μm。

进一步的，可以根据对输出振动信号的不同要求，于支撑层2上蚀刻形成一个空腔21或多个空腔21，当蚀刻多个空腔21时，多个空腔21之间形状及尺寸一致，且均匀间隔分布。

S4：如图12所示，提供一衬底1，将支撑层2倒装设置于衬底1上。

具体的，可以通过高分子粘接材料将支撑层2粘结固定于衬底1上。

S5：如图13所示，剥离临时载体4，于支撑层2表面设置压电薄膜3，进行切割获得单颗压电微机械超声换能器。

进一步的，在本发明一些实施方式中，还包括步骤：

在支撑层2表面位于压电薄膜3周侧的区域设置焊垫22，所述焊垫22与压电薄膜3之间电耦合。

综上所述，本发明中的PMUT在支撑层上设置有微米级的空腔，空腔可以直接通过蚀刻形成，保留部分支撑层不蚀刻形成空腔顶壁直接起到支承压电薄膜的作用，省略常规PMUT结构中的沉积形成的薄膜支撑层等结构，能够显著降低PMUT的制造成本。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。