微机械构件、声换能器设备和用于制造微机械构件的方法

技术领域

本发明涉及一种用于声换能器设备的微机械构件、一种声换能器设备和一种用于制造用于声换能器设备的微机械构件的方法。微机械构件也可以构型为用作空间分辨的材料探测器、用作光学镜或用作干涉仪。

背景技术

超声换能器可以构造为微电子机械系统(MEMS)。这种类型的、借助压电效应发出并探测超声波的设备，被称为压电微机械超声换能器(Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer，PMUT)。由WO2016/106153Al已知示例性的具有低应力敏感性的PMUT。

PMUT的突出之处在于紧凑的构造以及高分辨率。压电元件产生膜片和周围的液体的振动，由此发出超声波。借助压电元件来探测经反射的超声波。基于半导体制造工艺，可以在芯片上特别容易且成本有利地将多个单个的PMUT组合成阵列。通过使用这种类型的PMUT的阵列，可以由此对环境进行制图(kartographiert)。因此，MEMS-PMUT尤其适合用于成像方法，例如在医疗技术方面。

在图1中示出超声波头7的示例性构造，其中，构造有具有多个PMUT单元3的阵列。通过压电层2激励薄的膜片1进行振动，所述振动传递到凝胶8上。给每个单个的PMUT单元3供应电信号，该电信号由操控芯片或专用集成电路(英语：application-specificintegrated circuit，ASIC)芯片5提供。

在一种经典方案中，典型地将两个芯片4、5组合。在第一MEMS芯片4上提供具有PMUT单元3的阵列。第二ASIC芯片5在MEMS芯片4旁边布置在共同的衬底上。

通过键合线6建立MEMS芯片4与ASIC芯片5之间的多个电连接，所述键合线分别放置在两个芯片4、5的边缘上。

在该布置中，在阵列中，可以仅在MEMS芯片4的边缘上实现通过键合线6进行的电连接。MEMS芯片4的边缘的长度与MEMS芯片4的直径成比例，而MEMS芯片4上可能的PMUT3的数量与该MEMS芯片的面积、即直径的平方成比例。由此，尤其对于大的阵列来说，MEMS芯片4的接通变得困难。

另外，对于经典的引线键合技术，ASIC芯片5必须尽可能布置在MEMS芯片4旁边。由于两个芯片4、5的平行布置，超声波头7变得比其出于技术原因所必需的更大。

附加地，必须保护键合线6，其中，同时应尽可能不受干扰地发出PMUT3的超声波信号。为此，需要复杂的构造。在这种类型的布置中，定义的凝胶工艺变得困难，其中，凝胶8施加在膜片1上。

在图2所示的替代方案中，在完成的ASIC晶圆上通过附加步骤在ASIC芯片上制造MEMS-PMUT3。借助适合的措施在ASIC芯片与PMUT3之间建立直接的电连接。因此，一方面可以制造非常大的PMUT阵列，一方面可以实现较成本有利且较小的构造方案。

在该方案中，如果PMUT单元应布置在ASIC芯片上，则在PMUT单元3的制造工艺方面产生限制。例如，典型的ASIC晶圆不允许在较长的时间内被加热到高于400℃。因此，制造成本有利且高效性的PMUT是困难的。尤其是，在此难以制造具有高压电系数的压电层。

此外，如果应在PMUT与ASIC之间建立电接通，则必须匹配ASIC制造工艺。这降低系统的灵活性。如果提供优点的新的ASIC工艺进入市场，则在可以使用该工艺之前，必须首先匹配该工艺。

此外，ASIC芯片和MEMS芯片必须具有相同尺寸。如果所述芯片中的一个芯片默认较大，则较小类型的尺寸必须相应匹配，由此产生附加成本。

发明内容

本发明提供具有独立权利要求的特征的一种用于声换能器设备的微机械构件、一种声换能器设备和一种用于制造用于声换能器设备的微机械构件的方法。

优选的实施方式是相应从属权利要求的主题。

因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于声换能器设备的微机械构件。该微机械构件包括衬底、膜片、至少一个压电元件和至少一个电接通连接。膜片以可振动的方式构型并与衬底连接。至少一个压电元件布置在膜片与衬底之间并与膜片连接。至少一个压电元件构造用于产生和/或探测膜片的在超声波范围中的振动。至少一个电接通连接(Kontaktverbindung)与至少一个压电元件电连接。微机械构件能够以倒装芯片技术与操控电路如此连接，使得至少一个压电元件能够通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。术语“能够连接”在此应如此理解：存在至少一种状态，在该状态中压电元件通过电接通连接与操控电路电连接。

因此，根据第二方面，本发明涉及一种具有根据本发明的微机械构件的声换能器设备。此外，该声换能器设备包括操控电路。微机械构件以倒装芯片技术与操控电路连接。微机械构件的至少一个压电元件通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。

根据第三方面，本发明涉及一种用于制造微机械构件的方法。提供衬底。构造与该衬底连接的可振动的膜片。提供至少一个压电元件，该至少一个压电元件布置在膜片与衬底之间并与膜片连接。该至少一个压电元件构造用于产生和/或探测膜片的在超声波范围中的振动。构造至少一个电接通连接，该至少一个电接通连接与至少一个压电元件电连接。微机械构件能够以倒装芯片技术与操控电路如此连接，使得至少一个压电元件能够通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。术语“能够连接”在此应如此理解：存在至少一种状态，在该状态中压电元件通过电接通连接与操控电路电连接。

本发明的优点

根据本发明，压电元件、即PMUT元件通过电接通连接与借助倒装芯片技术装配的操控电路耦合。由此消除对用于接通压电元件的单独键合线的需要。由此能够特别容易且成本有利地执行接通。

通过使用倒装芯片技术，压电元件与操控电路之间的可能的电连接的数量与直径的平方成比例。由此，阵列中的压电元件(PMUT)的数量原则上可以选择得任意大。

电接通连接通过布置在压电元件的下方而能够容易且可靠地被保护。

通过布置在膜片的背侧(即膜片的朝向衬底定向的侧)上，也特别好地保护压电元件。

此外，可以实现微机械构件的简单构造，因为在构造中压电元件与操控电路之间的键合线不暴露并且不需要被保护。

通过微机械构件与操控电路的竖直的、堆叠的布置，能够实现横向上特别小的构造。

微机械构件也可以构型为用作空间分辨的材料探测器、用作光学镜或者用作干涉仪。

声换能器设备的借助倒装芯片装配的制造同样能够特别容易且成本有利地执行。

此外，用于微机械构件和操控电路的制造工艺完全彼此分离，这不仅涉及单个元件的尺寸、还涉及工艺控制。这例如允许在特别高的温度的情况下制造压电元件，因此，可以制造具有特别高的压电系数的压电元件。

“操控电路”可以理解为如下电路：该电路构造用于操控至少一个压电元件，以便由此引起膜片的振动。附加地或者替代地，“操控电路”也可以理解为如下电路：该电路被至少一个压电元件操控，即该电路接收测量信号。至少一个压电元件将膜片的振动转换为电测量信号，并且将所述电测量信号通过至少一个电接通连接传递给操控电路。操控电路用作分析处理电路，即可以对接收到的测量信号进行分析处理。在使用压电元件阵列时，可以例如根据多个压电元件的接收到的测量信号对环境进行制图。

“电接通连接”应理解为如下连接：通过该连接能够发送电信号，例如从操控电路发送到至少一个压电元件的操控信号，或者从至少一个压电元件发送到操控电路的测量信号。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，操控电路是ASIC芯片。ASIC芯片可以包括存储器以及计算装置、例如微处理器，并且可以构造用于进一步分析处理从至少一个压电元件接收的测量信号。ASIC芯片也可以通过相应的操控信号来操控至少一个压电元件，以便激励膜片进行振动。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接包括通孔(Durchkontaktierung)(英语：“through silicon via”，硅通孔，TSV)，该通孔延伸穿过衬底。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，衬底借助键合连接与膜片和/或至少一个压电元件连接。由此，膜片和衬底可以首先彼此独立地制造，并且随后借助键合方法连接。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，键合连接包括铝和锗中的至少一个。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，围绕至少一个键合连接在衬底中构造有环绕的绝缘沟槽。由此将键合连接电绝缘，该键合连接是电接通连接的一部分，该电接通连接将至少一个压电元件与操控电路连接。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，在衬底的表面上在绝缘沟槽的区域中构造有电绝缘的材料。由此改进电绝缘。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接包括至少一个焊球。尤其是，可以为每个压电元件设置自己的电接通连接，该电接通连接具有相应的焊球。通过每个焊球，操控电路可以由此将恰好一个压电元件接通。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个电接通连接附加地或者替代地包括在衬底的背离膜片的侧上的至少一个第一印制导线。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个压电元件中的至少一个压电元件通过第二印制导线与至少一个键合连接电连接。

尤其是，每个压电元件可以通过第二印制导线与至少一个键合连接电连接。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，电接通连接从压电元件经由第二印制导线延伸到构成通孔的键合连接，并且进一步经由第一印制导线延伸到焊球。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，第二印制导线的材料包括铝。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，至少一个压电元件通过完全环绕的键合框架包围。该键合框架将衬底和膜片连接。由此保护压电元件不受环境影响。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，衬底是经掺杂的硅衬底。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，膜片至少部分地由硅构成。膜片的厚度优选小于30微米。膜片可以在部分区域中实施得更厚，或者在部分区域中配备有一个或者多个附加层。优选地，膜片层完全封闭地实施。

根据微机械构件的一种优选的扩展方案，在衬底中在面向膜片的侧上设置有凹槽。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，在载体衬底的表面上构造蚀刻停止层，用以构造与衬底连接的可振动的膜片。此外，在蚀刻停止层上构造膜片层。至少部分地移除载体衬底，其中，该移除至少部分地通过使用蚀刻方法进行。由此可以制造薄且均匀的膜片。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，仅部分地移除载体衬底和蚀刻停止层。载体衬底和蚀刻停止层在边缘区域中结构化。由此可以例如简化随后的凝胶工艺。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，膜片借助键合连接与衬底连接。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，对于键合方法，在膜片侧上使用包括铝的层。在衬底侧上使用包括锗的层。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，围绕至少一个键合连接在衬底中构造环绕的绝缘沟槽。

根据用于制造微机械构件的方法的一种优选的扩展方案，在衬底的表面上在绝缘沟槽的区域中构造电绝缘的材料。

此外，本发明涉及一种用于制造声换能器设备的方法。为此，根据上述方法制造的微机械构件借助倒装芯片技术与操控电路连接，使得微机械构件的至少一个压电元件通过至少一个电接通连接与操控电路电连接。

附图说明

附图示出：

图1示出根据现有技术的声换能器设备；

图2示出根据现有技术的另外的声换能器设备；

图3示出根据发明的一种实施方式的声换能器设备；

图4示出根据发明的另一种实施方式的声换能器设备；

图5至19示出在根据本发明的一种实施方式的用于制造微机械构件的方法中中间产品的示意性图示；

图20示出根据发明的一种实施方式的微机械构件。

在所有附图中，相同的或者说功能相同的元件和设备设有同样的附图标记。方法步骤的编号是为了清楚起见，通常不应该隐含确定的时间顺序。尤其是，也可以同时执行多个方法步骤。

具体实施方式

图3示出具有微机械构件100的声换能器设备200。微机械构件100包括优选由经掺杂的硅构造衬底20，以及与该衬底20连接的可振动的膜片45。

膜片45优选由硅构成，并且优选比30毫米薄。膜片45可以在部分区域中实施得更厚，或者在部分区域中配备有一个或者多个附加层。优选地，膜片45完全封闭地实施。

在膜片45的上方构造有凝胶8。压电元件47布置在膜片45与衬底20之间并与膜片45连接。压电元件47形成阵列，并构造用于产生和/或探测膜片45的在超声波范围中的振动。在衬底20中设置有通孔23，所述通孔与压电元件47连接。

微机械构件100借助倒装芯片方法在连接区域11中与ASIC芯片12连接，该ASIC芯片用作操控电路。操控电路12可以通过通孔23操控压电元件47，以及可以接收压电元件47的测量信号。

图4示出另外的声换能器设备300。在此，载体衬底43和蚀刻停止层44在边缘区域中结构化或结构化成边缘区域，使得从侧面边缘来将凝胶8封闭在内。膜片45的悬挂通过键合区域60来实现。

在图5至21中示出用于制造微机械构件100的制造方法的方法步骤。

如图5所示，首先提供衬底20，该衬底优选由经掺杂的硅构成。可选地，将垫片层40施加并结构化到衬底20的第一侧(前侧)上。

如图6所示，在衬底20的第一侧上施加并结构化键合层的第一部件41。键合层的第一部件41优选至少部分地由锗构成。

如图7所示，可选地将空腔42蚀刻到衬底20的第一侧中。空腔42的蚀刻可以优选地且特别成本有利地连同键合层的第一部件41的蚀刻一起进行。

如图8所示，蚀刻停止层44和膜片层45构造在载体衬底43(即第二衬底)的第一侧上，该第一侧在完成状态下面向衬底20。载体衬底43和蚀刻停止层44在此是可选的。然而，通过使用载体衬底43和蚀刻停止层44，可以产生非常薄且均匀的膜片45。

氧化物层、氮化物层和氮化氧化物层中的至少一个可以用作蚀刻停止层44。

膜片层45可以优选由硅构成。优选地，膜片层45的厚度在1.5与30微米之间。

如图9所示，在膜片层45的在完成状态下面向衬底20的侧(背侧)上施加绝缘层46。

如图10所示，压电元件47施加在绝缘层46上。在此，本发明不限于确定数量的压电元件47。优选地，施加多个阵列状布置的压电元件47。

压电元件47分别由下电极、真正的压电材料和上电极构成。优选地，压电材料包括锆钛酸铅(Blei-Zirkonat-Titanat，PZT)和/或铌酸钾钠(Kalium-Natrium-Niobat，KNN)。

可选地，为了更好地生长，可以在下电极与PZT层之间使用另外的层(例如LaNiO

如图11所示，进一步在绝缘层46上施加并结构化键合层的第二部件48。优选地，键合层的第二部件48的材料包括铝。

此外，进一步在绝缘层46上施加并结构化印制导线(可导电的层)49。借助该印制导线49，建立下文描述的各个键合面与压电元件47的电极之间的电连接。

优选地，可导电的层49的材料包括铝。优选地，相同的层用作键合层的第二部件48并且用作键合面与电极之间的印制导线49。

如图12所示，具有位于其上的层的载体衬底43键合到具有位于其上的层的衬底20上。在此，产生衬底20与膜片45之间的键合连接(键合面)21或衬底20与压电元件47之间的键合连接(键合面)25。衬底20与膜片45之间的键合连接21形成键合框架，该键合框架优选完全包围并由此保护压电元件47。

优选地，使用共晶键合方法。尤其是，优选使用包含铝锗的键合方法。

优选地，使用如下键合方法：该键合方法的最大温度为400至470℃。

可选地，从第二侧(背侧)来减薄衬底20。特别优选地，为此将衬底20减薄到20至450微米的厚度。

如图13所示，对于在40与450微米之间的衬底厚度，优选施加至少部分绝缘的辅助层51，该辅助层在环绕各个键合连接的区域中具有非常窄的进入孔52或者缝隙。

如图14所示，从衬底20的第二侧(背侧)将环绕各个键合连接的绝缘沟槽50开槽到第一衬底中，使得形成通孔23。对于衬底20的在20至100微米之间的厚度，优选蚀刻非常窄的沟槽，该沟槽在开口区域中比8微米窄。

此外，借助具有大的侧向的过蚀刻的开槽工艺，在结构化的环绕的区域下方产生贯通且连贯的沟槽。

如图15所示，将绝缘层53施加且结构化到辅助层51上。先前在第一衬底中设立的绝缘沟槽50通过该绝缘层53来封闭。

优选地，绝缘层53是氧化层。优选地，绝缘沟槽50仅在背侧上封闭，在衬底20本身中在绝缘沟槽50中保留封闭的空穴。

如图16所示，可选地，将一个或者多个印制导线(导电层)54沉积并结构化。

如图17所示，附加地可以将绝缘层56沉积并结构化。

如图18所示，将焊球55或者能焊接的层或者焊接凸起沉积在印制导线54上。

印制导线49、键合连接25、通孔23、印制导线54和焊球55形成电接通连接。

如图19所示，从第一侧(前侧)来减薄载体衬底43。

在一种在技术上特别简单的变型中，首先进行机械的背面减薄，然后进行等离子体蚀刻工艺或者湿式蚀刻工艺，该等离子体蚀刻工艺或者湿式蚀刻工艺在蚀刻停止层44上停止。

如图20所示，蚀刻停止层44可以可选地随后同样被移除。因此，可以非常容易地实现膜片45的非常准确地定义的厚度，尽管去除量(Abtrag)高。

图20示出在完成状态中的微机械结构元件100。

也可以仅部分地移除并至少在边缘区域中结构化载体衬底43和蚀刻停止层44，例如以便获得如图4所示的结构。因此，仅将部分区域减薄或者以不同的程度将区域减薄。由此可以构造边缘区域，以便实现更好的可凝胶性和/或产生更高的机械稳健性。

从这里起，可以进行微机械构件100的标准再加工。将衬底20分离，并且通过倒装芯片工艺将芯片焊接到操控电路、例如ASIC上。

在图20中示出的通孔23(衬底冲孔(Substratstempel))优选不用于承载可运动的膜片45。仅这样选择剖面线，使得更好地示出接触冲孔的作用原理。优选地，膜片45的悬挂基本上通过在图4中示出的键合区域60来实现，所述键合区域没有通过绝缘沟槽与衬底分开。因此，可以实现非常稳健的悬挂。在该布置中，具有环绕的绝缘沟槽50的键合区域25优选布置在膜片45的活跃区域之外。

本发明不限于所描述的实施例。因此，可以进一步在衬底20的第一侧(前侧)上沉积并结构化另外的绝缘层。该另外的绝缘层可以尤其设置在绝缘沟槽50所处在的区域中。因此，该绝缘层可以在制造绝缘沟槽时用作开槽停止层。然后，蚀刻气体不可以推进到布置有压电元件47的空穴中并损伤所述压电元件。