单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构及制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种超声换能器，具体是一种单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构及制备方法。

背景技术

超声波具有方向性好、声波集中、水中传播距离远、穿透能力强等特点。作为信息传递的的重要载体可以应用于医学成像、无损检测、测距和流量测量等领域。电容式超声换能器（CMUT）产生于20世纪90年代，MEMS技术的快速发展促使了CMUT的产生和快速发展，基于MEMS技术的超声换能器具有可靠性好、体积小、高密度阵元集成、宽频带、灵敏度高、易于批量生产等特点，是一种具有广泛应用前景的超声换能器，如今在医学成像上的应用潜力已经得到了广泛重视。本发明基于以上背景提出了一种单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构及制备方法。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术中提到的问题，而提供一种单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构及制备方法。

一种单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构，包括自上而下叠层设置的振膜层、环状支撑壁层和衬底层。振膜层形成有若干个呈阵列排布的振膜，振膜层和衬底层之间的环状支撑壁层上形成有若干个呈阵列排布的空腔，空腔与振膜相互对应；每个空腔顶部的振膜上均布设置有若干通孔，每个空腔底部的衬底层上均布设置有若干延伸孔，并且顶部的若干通孔与底部的若干延伸孔上下一一对应；振膜层的顶面及底面、通孔的孔壁、衬底层的顶面、延伸孔的孔壁及孔底上均形成有绝缘层；振膜层顶面的绝缘层上设置有上电极层，衬底层的底面上设置有下电极层，延伸孔孔底的绝缘层上设置有金属层。

作为优选的技术方案，上电极层的边缘处向外延设形成有焊点。

作为优选的技术方案，振膜层和衬底层的材料为硅，环状支撑壁层、绝缘层的材料为二氧化硅，上电极层、下电极层、焊点的材料为铝。

作为优选的技术方案，振膜层的厚度为2um，环状支撑壁层的厚度为1um，衬底层的厚度为300um。

进一步地，本发明还提供了上述单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构的制备方法，具体包括如下步骤：

1）选用SOI晶圆片作为备片，SOI晶圆片自上而下依次为：device层、oxide层和handle层；其中，device层作为振膜层所在层、oxide层作为环状支撑壁层所在层、handle层作为衬底层所在层；

2）在SOI晶圆片的device层上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜，采用离子束刻蚀技术对device层、oxide层和handle层的无掩膜区域进行刻蚀，最终在device层上形成通孔、在handle层上形成延伸孔；

3）通过device层上的通孔采用HF干法刻蚀技术对oxide层进行刻蚀，最终在oxide层释放形成若干个空腔， oxide层剩余部分形成环状支撑壁层，空腔顶部的device层形成振膜层，空腔底部的handle层形成衬底层；

4）在device层的顶面及底面、通孔的孔壁、handle层的顶面、延伸孔的孔壁及孔底上均沉积形成绝缘层；

5）在device层顶面的绝缘层上溅射金属铝形成上电极层及焊点，通过延伸孔在孔底的绝缘层上溅射的金属铝形成金属层；

6）在handle层的底面上溅射金属铝形成下电极层；

7）将SOI晶圆片进行划片，最终得到所述的单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构。

作为优选的技术方案，步骤1）中，SOI晶圆片采用四寸晶圆片，device层的厚度为2um、oxide层的厚度为1um、handle层的厚度为300um。

作为优选的技术方案，步骤4）中，绝缘层采用二氧化硅。

作为优选的技术方案，步骤6）中，溅射金属铝形成下电极层后，再进行高温退火处理。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1）本发明电容式超声换能器其上下电极间距小，振膜薄，很大程度上提高了传感器的灵敏度；

2）本发明电容式超声换能器整体尺寸小，便于后续的封装和使用；

3）本发明电容式超声换能器制备方法简单，整体工艺流程少，制造成本低，便于后续的批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明电容式超声换能器的俯视图（未封装）。

图2为图1中的单个振膜A的放大俯视图（未封装）。

图3为图2中的单个振膜A的B-B剖视图（未封装）。

图4为本发明电容式超声换能器的制造工艺流程图。

图中：1-振膜层、2-环状支撑壁层、3-衬底层、4-空腔、5-通孔、6-延伸孔、7-绝缘层、8-上电极层、9-焊点、10-下电极层、11- device层、12- oxide层、13-handle层、14-金属层、A-振膜。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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例，都属于本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或数量或位置。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1至图3所示，一种单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构，包括自上而下叠层设置的振膜层1、环状支撑壁层2和衬底层3；振膜层1的厚度为2um，环状支撑壁层2的厚度为1um，衬底层3的厚度为300um；振膜层1和衬底层3的材料为硅，环状支撑壁层2的材料为二氧化硅。

振膜层1形成有若干个呈阵列排布的振膜A，振膜层1和衬底层3之间的环状支撑壁层2上形成有若干个呈阵列排布的空腔4，空腔4与振膜A相互对应，即单个空腔4具体是指振膜层1的底面、环状支撑壁层2的内圈以及衬底层3的顶面之间合围形成空腔4；每个空腔4顶部的振膜A上均布设置有若干贯穿振膜层1且与空腔4连通的通孔5，每个空腔4底部的衬底层3上均布设置有若干延伸孔6，并且顶部的若干通孔5与底部的若干延伸孔6上下一一对应。

振膜层1的顶面及底面、通孔5的孔壁、衬底层3的顶面、通延伸孔6的孔壁及孔底上均形成有绝缘层7，绝缘层7的材料为二氧化硅。

振膜层1顶面的绝缘层7上设置有上电极层8，上电极层8与振膜层1同大，上电极层8的边缘处向外延设形成有焊点9。

衬底层3的底面上设置有下电极层10，下电极层10与衬底层3同大；上电极层8、下电极层10、焊点9的材料为铝。

延伸孔6孔底的绝缘层7上设置有金属层14，金属层14的材料为铝。

上述单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构的制备方法，具体包括如下步骤：

1）选用SOI晶圆片作为备片，SOI晶圆片采用四寸晶圆片，SOI晶圆片自上而下依次为：device层11、oxide层12和handle层13，device层11的厚度为2um、oxide层12的厚度为1um、handle层13的厚度为300um；其中，device层11作为振膜层1所在层、oxide层12作为环状支撑壁层2所在层、handle层13作为衬底层3所在层，如图4中的a所示；

2）在SOI晶圆片的device层11上璇涂一层光刻胶，利用光刻技术将掩膜版图形转移到光刻胶上，以光刻胶图形做掩膜，采用离子束刻蚀技术对device层11、oxide层12和handle层13的无掩膜区域进行刻蚀，最终在device层11上形成振膜A及通孔5、在handle层13上形成通延伸孔6，如图4中的b所示；

3）通过device层11上的通孔5采用HF干法刻蚀技术对oxide层12进行刻蚀，最终在oxide层12释放形成若干呈阵列排布的空腔4， oxide层12剩余部分形成环状支撑壁层2，空腔4顶部的device层11形成振膜层1，空腔4底部的handle层13形成衬底层3，如图4中的c所示；

4）在device层11的顶面及底面、通孔5的孔壁、handle层13的顶面、通延伸孔6的孔壁及孔底上均沉积形成绝缘层7，如图4中的d所示；绝缘层7能够很好的避免制备的空腔4上下电极塌陷，绝缘层7的沉积采用等离子体增强化学气相淀积；

5）在device层11顶面的绝缘层7上溅射金属铝形成上电极层8及焊点9，同时handle层13上的延伸孔6孔底也溅射金属铝形成有金属层14，如图4中的e所示；

6）在handle层13的底面上溅射金属铝形成下电极层10，如图4中的f所示，再进行高温退火处理，高温退火能够减弱handle层13硅半导体与金属铝间的肖特基势垒，从而提高传感器的灵敏度；

7）将SOI晶圆片进行划片，最终得到所述的单晶硅振膜的MEMS电容式声传感器结构。

本实施例中所述的基于MEMS工艺技术制备的电容式超声换能器，其振膜选用薄器件层SOI晶圆片可实现高灵敏度的要求，也保证了振膜厚度对于塌陷电压、灵敏度以及固有频率的影响，同时兼顾了工艺实现的可能性，其具有结构尺寸小，工艺流程简单，灵敏度高等优点。