專利名稱：硅微壓電超聲換能器的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于超聲成像領域，具體的說，本實用新型涉及一種用于 超聲成像系統的壓電超聲換能器。
背景技術：
超聲成像系統被廣泛應用于醫學診斷、工業檢測等領域。例如醫學中 對心臟、腹部器官以及胎兒的檢查。工業上對鋼管、焊縫等的無損檢測。 超聲成像是通過超聲換探頭向目標物發射超聲信號，接收目標物不同位置 的反射信號，分析和處理目標物反射信號的特性，獲取超聲成像信息。超聲成像所使用的探頭一般為多個聲學換能器組成的換能器陣列，如 壓電超聲換能器陣列。 一般的制作方法是將壓電片切割成一定尺寸的陣 元，按照一定的間距排列粘在一定材料的背襯上，壓電片的上下表面分別 引出導線進行信號的傳輸。這種傳統的超聲換能器陣列制作方法，雖然能 夠制作出多個陣元的超聲換能器陣列，但是無法形成具有幾百至幾萬個微 小尺寸陣元的大型聲學換能器陣列。隨著用硅微加工技術的發展，可以在 半導體基片上制作出陣元小，數量多，體積小的大型聲學換能器陣列，而 且它具有易于優化設計，易于互連，易于重復制造的優點。現有的硅微壓電超聲換能器如圖1所示，其結構主要由上電極l，壓電層2，下電極3，支撐層4及空心硅基底5組成。其中上電極l,壓電層 2和下電極3構成換能器單元。該換能單元與支撐層4構成薄膜換能器的 振動膜。該振動膜位于空心的硅杯結構上，該硅杯結構是將硅片進行體刻 蝕后形成。當有時變電壓信號加在上電極1和下電極3時，由于壓電層2 的壓電效應，使得振動膜發生形變振動，并向外輻射出聲波。當外界有聲 波作用到振動膜上時，振動膜上的換能單元會將振動膜的形變和振動相應 的轉換成電信號。如美國專利No.6548937就是采用這種結構，其缺點是， 薄膜換能器的振動膜下方的硅杯空腔是由各項異性的體硅刻蝕工藝形成， 硅杯空腔的側壁會形成一定的傾斜角，這使得底部的體刻蝕掩膜窗口比上 部振動膜的尺寸大。利用這種技術制作的陣列，其陣元間距受底部體刻蝕 窗口尺寸限制，無法形成元件密排的陣列。發明內容因此，本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供一種能夠形成 元件密排陣列的硅微壓電超聲換能器及其制作方法。為實現上述發明目的，本實用新型提供的硅微壓電超聲換能器包括，具有硅杯結構的硅基片100,位于該硅基片100上的支撐層103以及位于 支撐層103上的n個壓電換能單元；其特征在于，所述硅基片100的硅杯 結構上部具有選擇性摻雜層，該選擇性摻雜層上具有n個與所述壓電換能 單元相對應的通孔；所述n至少為2。上述技術方案中，所述支撐層103可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、 多晶硅薄膜、硅薄膜或以上薄膜組成的復合膜。上述技術方案中，所述通孔可以是圓形或矩形。上述技術方案中，所述壓電換能單元由下電極107，壓電薄膜108和 上電才及109組成。為實現上述發明目的，本實用新型提供的硅微壓電超聲換能器制作方 法包括如下步驟1) 選擇一硅基片100,從該硅基片ioo的上表面ioi對其進行選擇性 摻雜，形成一個連續的摻雜區域105和n個非摻雜區域106;2) 在所述硅基片100的上表面101上制備支撐層103;3) 在所述支撐層103上制備n個壓電換能單元，該n個壓電換能單 元的位置與所述n個非摻雜區域106的位置相對應；4) 從硅基片ioo的下表面102開始對硅基片ioo進行硅體刻蝕，形 成硅杯結構并繼續刻蝕非摻雜區域106形成n個通孔；所述n至少為2。上述技術方案中，所述步驟1)中，所述選擇性摻雜可以采用濃硼擴 散或注入摻雜，也可采用濃磷擴散或注入摻雜。上述技術方案中，所述步驟l)包括如下子步驟11) 在硅基片100的上表面101制成掩膜110;12) 在掩膜iio的覆蓋區域之外，從上表面ioi對硅基片100進行摻
雜，形成所述的摻雜區域105和N個非摻雜區域106。 上述技術方案中，所述步驟ll)包括如下子步驟111) 硅基片IOO經過高溫氧化工藝生長一層高溫二氧化硅；112) 在硅基片IOO的上表面101上對該層高溫二氧化硅進行光刻；113) 最后利用氫氟酸腐蝕高溫二氧化硅制成掩膜110。與現有技術相比，本實用新型能夠達到以下技術效果本實用新型可以用常規的體硅刻蝕工藝實現密排陣元的薄膜壓電換能器陣列，該陣列的陣元間距不受陣元間側墻厚度及傾角的限制，可根據陣列設計需要任意調整。


圖1是現有的硅微壓電換能器陣列的示意圖 圖2是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的示意圖 圖3是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖4是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖5是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖6是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的非摻雜區域 形狀為圓形的示意圖圖7是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的非摻雜區域 形狀為方形的示意圖圖8是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖9是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖10是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖圖11是本實用新型的一個實施方案的硅微超聲換能器的一個制作步 驟示意圖具體實施方式
下面將給出本實用新型的一些實施方案的許多具體細節，便于對這些 實施方案的透徹理解。 實施例1圖2為本實用新型的硅微壓電超聲換能器的一個實施例結構示意圖。 本實用新型是在體硅刻蝕形成的硅杯上部形成選擇性重摻雜擴散硅層 120，該選擇性重摻雜擴散硅層120由非摻雜區域106及摻雜區域105組 成。在非摻雜區域106，硅將被完全刻蝕，形成換能器振動膜正下方的空 腔結構，在摻雜區域105,硅不被腐蝕，形成換能器振動膜周邊的支撐墻。 整個振動膜由支撐層103、下電極107、壓電層108和上電極109組成。 所述支撐層103位于選擇性重摻雜擴散硅層120上。下電極107位于支撐 層103之上，且該下電極107位于非^參雜區域106被腐蝕而形成的空腔的 正上方。壓電層108位于下電極107之上。上電極109位于壓電層108之 上。圖3 ~圖9示出了該實例的基本制備流程。如圖3所示，首先選取一 個硅基片100，該硅基片IOO可以為n型或者p+型硅片。硅基片100具有 一個上表面101和一個下表面102,在一個實施例中，該硅基片100的厚 度為400微米，但是可以理解，本領域的技術人員可根據所需要的傳聲器 芯片尺寸而選擇不同厚度的硅基片100。硅基片IOO經過高溫氧化工藝生 長一層高溫二氧化硅，示例性地，該高溫二氧化硅的厚度為l微米；在硅 基片IOO的上表面101上對該層高溫二氧化硅光刻后利用氬氟酸腐蝕高溫 二氧化硅制成掩膜110。在掩膜110的覆蓋區域之外，從上表面101對硅 基片IOO進行摻雜，以形成一個連續的摻雜區域105。在這里，對硅基片 100的摻雜可以采用濃硼擴散或注入摻雜，也可采用濃磷擴散或注入摻雜。需要說明的是非摻雜區域106的形狀可以是矩形的，也可以是圓的， 也可以是任意幾何形狀，并不限于本實例所介紹的范圍，本領域的技術人 員可以根據需要選取不同形狀的振動膜，并且采取相應的制備方法。本實 施例中，單個非摻雜區域106 (即通孔)的面積可為&1112至lcm2。圖6 和圖7分別給出了圓形和方形兩種非摻雜區域106的示意圖。本實用新型的薄膜壓電換能器的振動膜支撐側墻即為摻雜區域105,
如圖2所示，本實施例中，其厚度d可在O.Oljum至lcm之間選擇，高度 h可在0.5nm至IOO微米之間選擇，但本領域的技術人員也可根據實際需 要作出其它選擇。由圖5所示，腐蝕去掉掩膜110。由圖6所示，首先制備支撐層103， 該支撐層103可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或 以上薄膜組成的復合膜，可以理解，該層膜結構主要用于對壓電薄膜的支 撐和輔助振動，本領域的技術人員可以根據需要和工藝條件選擇不同的材 料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄膜。所述支撐層的厚度為0.01nm 500拜。仍由圖6所示，在硅片背面102制備體硅刻蝕掩膜層104，并形成體 刻蝕窗口。該體硅刻蝕掩膜層可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅 薄膜或以上薄膜組成的復合膜，也可以是抗腐蝕的有機薄膜，可以理解， 該層膜結構主要用于對阻擋腐蝕液對硅片的腐蝕，本領域的技術人員可以 根據需要和工藝條件選擇不同的材料的薄膜，而非僅限于上述幾種薄膜。由圖7所示在支撐層103上面制備下電極107,該下電極107采用鋁 (Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用由以 上金屬材料構成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構成的復合薄膜制作。所 述下電極107的位置位于非摻雜區域106正上方的支撐層103之上。由圖8所示在下電極107上面制備一層或幾層壓電薄膜108，該壓電 薄膜的厚度為0.01pm~ 300^im ,可以為單層薄膜，也可由多層薄膜組成。 該壓電薄膜可以是氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(A1N)、鋯鈦酸鉛(PZT)壓電 薄膜或單晶、聚氟乙烯聚合物(PVDF)壓電薄膜或單晶、或其它適當的 替換壓電材料，本領域的技術人員也可根據實際需要作出選擇。如圖9所示在壓電薄膜108上制備上電極109:上電極109可以采 用鋁(Al)膜、鉻(Cr)膜、金(Au)膜或鉑金(Pt)膜制作，也可采用 由以上金屬材料構成的合金薄膜，或由以上金屬薄膜構成的復合薄膜制 作。如圖2所示，從硅基片IOO的下表面102開始對硅基片IOO用氫氧化 鉀進行硅體刻蝕，當氫氧化鉀腐蝕到選擇性重摻雜擴散硅層120時，非摻 雜區域106的硅的腐蝕速度遠高于其周圍的摻雜區域105,此時，支撐層 103下方的非摻雜區域106的硅被完全腐蝕，在支撐層103下方形成空心 區域，實現薄膜壓電換能器的振動膜結構。有摻雜的區域105成為薄膜換 能器的支撐側墻，因此本實用新型可以通過調整有摻雜區域105的尺寸實現任意陣元間距的薄膜壓電換能器的陣列。最后所應說明的是，以上實施例僅用以說明本實用新型的技術方案而 非限制。盡管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通技 術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不 脫離本實用新型技術方案的精神和范圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求范圍當中。
權利要求1. 一種硅微壓電超聲換能器，包括具有硅杯結構的硅基片(100)，位于該硅基片(100)上的支撐層(103)以及位于支撐層(103)上的N個壓電換能單元；其特征在于，所述硅基片(100)的硅杯結構上部具有選擇性摻雜層，該選擇性摻雜層上具有N個與所述壓電換能單元相對應的通孔；所述N至少為2。
2. 按權利要求1所述的硅微壓電超聲換能器，其特征在于，所述支撐 層(103)可以是氮化硅薄膜、二氧化硅薄膜、多晶硅薄膜、硅薄膜或以 上薄膜組成的復合膜。
3. 按權利要求1所述的硅微壓電超聲換能器，其特征在于，所述通孔 可以是圓形或矩形。
4. 按權利要求1所述的硅微壓電超聲換能器，其特征在于，所述壓電 換能單元由下電極(107)，壓電薄膜(108)和上電極(109)組成。
專利摘要本實用新型提供一種硅微壓電超聲換能器，包括具有硅杯結構的硅基片，位于該硅基片上的支撐層以及位于支撐層上的N個壓電換能單元；其特征在于，所述硅基片的硅杯結構上部具有選擇性摻雜層，該選擇性摻雜層上具有N個與所述壓電換能單元相對應的通孔。與現有技術相比，本實用新型能否達到以下技術效果本實用新型可以用常規的體硅刻蝕工藝實現密排陣元的薄膜壓電換能器陣列，該陣列的陣元間距不受陣元間側墻厚度及傾角的限制，可根據陣列設計需要任意調整。
文檔編號B06B1/06GK201079775SQ20072016989
公開日2008年7月2日 申請日期2007年7月25日 優先權日2007年7月25日
發明者喬東海, 郝震宏 申請人:中國科學院聲學研究所