CMUT電容式微機(jī)械超聲換能器

CMUT首先由M.I.Haller提出。CMUT 換能器是由多層結(jié)構(gòu)和多層材料構(gòu)成。CMUT電容單元結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，從上到下依次為金屬鋁上電極氧化硅電氣隔離層、絕緣體上硅(silicon on insulator，SOI)晶圓頂層硅制成的振動(dòng)膜、在氧化硅上蝕刻的真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁底電極。在外界大氣壓強(qiáng)的作用下，薄膜向下凹陷。CMUT 在工作狀態(tài)下需要在上下電極之間施加直流偏置電壓，通過提高薄膜應(yīng)力來提高靈敏度。

圖2 CMUT 換能器單元結(jié)構(gòu)

發(fā)射狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，通過交流電壓和直流偏置電壓的疊加，使薄膜隨著交流信號(hào)產(chǎn)生簡諧振動(dòng)，發(fā)生電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲波;

圖3 超聲發(fā)射原理圖

接收狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，振動(dòng)薄膜在受到超聲波的聲壓作用而發(fā)生振動(dòng)，引起電容值的改變，通過檢測電容變化從而實(shí)現(xiàn)對超聲波的檢測，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。

圖4 超聲接收原理圖

3.1 CMUT 換能器制備工藝過程

根據(jù)確定的 CMUT 參數(shù)，對換能器進(jìn)行制備。

1)準(zhǔn)備氧化層厚度為 500nm 的氧化片(低阻硅) 和器件層厚度為 2μm的 SOI 晶圓，器件層的2μm 薄膜將作為換能器單元的振動(dòng)薄膜；如圖5

圖5 備片,氧化片和 SOI

2) 通過反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion-etching，ＲIE)，在氧化硅氧化層表面刻蝕 300 nm 的空腔，用作 CMUT 換能器的真空腔隙；如圖6

圖6 RIE 刻蝕空腔

3)在真空環(huán)境下對刻蝕有空腔的氧化片和 SOI 晶圓器件層進(jìn)行硅—硅鍵合，隨即在高溫退火爐中進(jìn)行退火處理，使得晶圓間的范德華力作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鍵作用；如圖7

圖7 硅 -硅鍵合

4)將鍵合片的埋氧層以上部分去除，用 BOE 漂洗掉頂層和底層的氧化硅，為背面金屬附著做準(zhǔn)備；如圖8

圖8減薄、BOE 漂洗氧化層

5)利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)在振膜上表面生長 200 nm 的氧化硅作為振膜與上電極金屬的電氣隔離；如圖9

圖9 PECVD 沉積氧化硅

6)通過磁控濺射儀器在正反面濺射500nm 的金屬鋁，并對上表面金屬通過磷酸腐蝕進(jìn)行圖形化，最后在真空退火爐中進(jìn)行退火處理，用于修復(fù)晶格損傷并形成良好的歐姆接觸；如圖10

圖10 做金屬上下電極,退火

完成以上工藝后得到的芯片如下圖11

圖11 CMUT芯片效果圖