具有穿透基板通孔(tsv)的电容式微加工超声换能器(cmut)器件的制作方法
【技术领域】
[0001] 所公开的实施方式涉及电容式微加工超声换能器（CMUT)器件及其制造方法。
【背景技术】
[0002] CMUT器件在医疗应用中变得逐渐普及。例如，CMUT器件已经用于改进医疗超声成 像探测（probe)。此外，CMUT器件已经用于提供高强度聚焦超声以用于医疗疗法。传统的 CMUT器件通常被直接制造在硅衬底上（例如，在硅晶片上）。例如，传统的CMUT器件经常 使用微机电系统（MEMS)加工技术来制造，其中脱模层被蚀刻掉，留下自支撑（柔性）隔膜。 隔膜的顶部被金属化以提供顶（电极）板，并且隔膜接着被用作换能器来发送和接收超声 信号。
[0003] 传统的CMUT器件利用接合焊盘来提供与器件中的每个CMUT元件的顶板的电接 触，诸如用于包括以CMUT阵列排列的多个CMUT元件的CMUT器件的多个接合焊盘。由于接 合线被提高在接合焊盘上方，因此接合焊盘被定位成远离CMUT阵列中的CMUT元件以有助 于封装。这种限制不仅由于需要相互连接的引导线路（routingline)而增大了CMUT器件 的管芯尺寸（diesize)，还使得封装工艺复杂化。管芯尺寸的增加和封装工艺的复杂化这两 者增加了封装的CMUT管芯的成本。
【发明内容】
[0004] 公开的实施方式描述了传统的利用接合焊盘来连接到每个CMUT单元的顶板的 CMUT器件问题的解决方案，其被认为极大地约束了包括CMUT元件的二维（2D)CMUT阵列的 CMUT器件的设计并且增加了它的大小，并且还使它们的性能降低。将接合焊盘连接到传统 的大的2DCMUT阵列的每个CMUT元件涉及在CMUT管芯的顶部上广泛的使用金属互联迹线， 这从而增加了管芯尺寸并且降低了CMUT性能。对于包含大量CMUT元件的CMUT阵列来说 (例如，> 10x10阵列的CMUT元件），使用金属互联迹线来提供与每个元件的接触对于内部 元件而言通常变得过于复杂，并且需要替换的连接方案。一个这样的连接方案为使用穿透 衬底连接。
[0005] 公开的实施方式包括具有穿透衬底通孔（TSV)的CMUT器件，该CMUT器件允许底 部器件（管芯）接触从而穿透管芯与CMUT单元或包括多个CMUT单元的CMUT元件的顶板 (顶部电极）进行连接，以有助于制造2DCMUT阵列。对于具有多个CMUT元件的CMUT器 件，顶部电极针对每个CMUT元件而被分隔，从而允许使用针对每个元件的单个TSV而对相 应元件进行单独寻址，并且对于器件上的所有CMUT元件通常存在电气共用（electrically common)底部电极（例如，Si衬底的固体片）。在其它实施方式中，CMUT器件可以具有用于 所有CMUT元件的电共用顶部电极和用于每个元件的单独底部电极，以允许相应元件的单 独寻址。
【附图说明】
[0006] 图1A是描绘根据示例性实施方式的作为具有单个CMUT单元的CMUT元件而被示 出的示例性CMUT器件的顶视图。
[0007] 图1B是描绘沿着所示的切割线A-A'的图1A中所示的示例性CMUT器件/元件/ 单元的截面图。
[0008] 图2A-图2H是示出根据示例性实施方式的针对用于形成CMUT器件的示例性方法 的工艺进展的截面图。
[0009] 图3是描绘根据示例性实施方式的包括多个CMUT元件的示例性CMUT器件的顶视 图，每个CMUT元件包括图1A和图1B中所示的多个CMUT单元。
【具体实施方式】
[0010] 电容式微加工超声换能器（CMUT)传感器单元实体是CMUT传感器单元。多个CMUT 传感器单元可以被并联连接（例如，具有电共用的可移动隔膜120b)以形成CMUT元件。 CMUT元件可以具有任意数量（> 1)的CMUT单元。通常，元件中的CMUT单元越多，元件响 应于给定刺激（stimulus)而可以产生的超声输出压力越大。CMUT阵列（器件/管芯）可 以具有任意数量的CMUT元件。相应CMUT元件的电极中的一个（例如，顶部电极）可以与 其他CMUT元件的其他电极（例如，顶部电极）电隔离，以允许每个CMUT元件被独立地连接 以可单独寻址。如此处所描述的，使得CMUT元件中的每个CMUT单元的可移动隔膜120b电 共用允许通过单个TSV对CMUT元件中的所有单元进行寻址。
[0011] 图1A示出根据示例性实施方式的被示出为具有单个CMUT单元100a的CMUT元件 的示例性CMUT器件100。切割线A-A'被提供为图1B所示的和以下描述的其它图2A-图 2H的截面图。CMUT单元100a包括穿透衬底通孔（TSV) 111和具有顶部102和底部103的 单晶材料（例如，在单晶硅衬底上的体单晶硅或硅外延层）的第一衬底101。
[0012] 如图1B所示，顶部102包括在其上的图案化（patterned)介电层，该图案化介电 层包括厚介电区106和薄介电区107。TSV111伸出第一衬底101的整个厚度到隔膜层102 的顶表面。TSV111与第一衬底101和隔膜层120由介电衬垫（dielectricliner) 131电 隔离。尽管介电衬垫131被示出为沿着TSV111的整个长度，介电衬垫131被示出为包括 在厚介电区106的侧壁上，然而在热形成的介电衬垫131 (例如，氧化硅）的情况下，与沉积 介电衬垫131相反，介电衬垫131将不生长在厚介电区106的侧壁上，并且从而不在厚介 电区106的侧壁上。TSV111包括TSV填充材料113,在一个【具体实施方式】中诸如Cu。TSV 111还被示出为包括可选的突出TSV末端（tip) 111a，其从第一衬底101的底部103突出 (protrude)〇
[0013] 被示出为绝缘体上硅（SOI)衬底115的第二衬底隔膜层120 (在图2A中描绘）被 接合到第一衬底101的厚介电区106并且在第一衬底101的薄介电区107的上方，以在所示 的MEMS腔114上方提供可移动隔膜120b。接合可以包括真空接合，诸如真空恪化（vacuum fusion)接合。图案化顶部金属层（例如，AlCu层）161在TSV111的顶部的上方并且在可 移动隔膜120b的顶部的上方，所述图案化的顶部金属层161包括将TSV111耦合到可移动 隔膜120b的金属层部分。介电钝化层168被示出为在CMUT单元100a的顶部的上方。
[0014] 第一衬底101可以包括单晶硅，或在单晶硅上的外延硅。第一衬底101通常具有小 于或等于（彡）0. 1Q-cm的电阻率，并且可以是p型掺杂或n型掺杂。CMUT单元100a被示 出为包括在第一衬底101的底部103上的图案化金属层167,图案化金属层167在CMUT单 元ll〇a的底部103上提供第一电极接触以实现固定电极。如上所述，在包括多个CMUT元 件（每个CMUT元件包括多个CMUT单元100a)的CMUT器件的情况下，由图案化金属层167 提供的固定电极接触是用于CMUT器件上的所有CMUT元件的共用底部固定电极（例如，第 一衬底101的固体片，诸如Si片）。
[0015] TSV111提供到可移动隔膜120b的底部连接，其提供用于CMUT器件100的CMUT 单元l〇〇a的顶板。如上所述，对于具有多个CMUT元件的CMUT器件，顶部电极可以针对每 个CMUT元件而被分隔，这允许使用每个元件的相应TSV111而对相应元件进行单独寻址 (addressing)。因此CMUT器件100不需要顶部接触或接合焊盘。
[0016] 需要注意的是CMUT器件的厚度和尺寸可以被调整以适应于特定应用。例如，以 180kHz操作的气载超声应用的通常的示例性尺寸是具有1. 12mm直径的可移动隔膜120b的 CMUT单元、1. 32mm板宽度的图案化顶部金属层161 (在CMUT单元100a侧面上的顶部金属 层161的100ym板重叠），以及14ym厚度的可移动隔膜120b。
[0017] 图2A-图2H