压电超声换能器及工艺的制作方法

文档序号:11159624
压电超声换能器及工艺的制造方法与工艺

本公开要求在2014年7月8日提交的题为“压电超声换能器及工艺(PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS)”的美国临时专利申请号62/022,140(代理人案号QUALP264PUS/145636P1)、题为“压电超声换能器及工艺(PIEZOELECTRIC ULTRASONIC TRANSDUCER AND PROCESS)”的美国实用专利申请14/569,256,以及在2013年12月12日提交的标题为“微机械超声换能器和显示器(MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY)”的临时专利申请号61/915,361,的优先权,以上申请通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及压电换能器并且涉及用于制造压电换能器的技术,并且更具体地说,涉及适合在用于生物识别感测、成像和触控或手势识别的电子传感器阵列或交互式显示器中使用的压电超声换能器。



背景技术:

薄膜压电超声换能器对于包含生物识别传感器例如指纹传感器、手势检测、麦克风和扬声器、超声波成像以及化学传感器的众多应用是有吸引力的理想候选者。所述换能器通常包含悬置在空腔上面的压电堆叠。所述压电堆叠可包含压电材料层和在所述压电层的每个侧面上的经图案化或未经图案化电极层。

图1为压电超声换能器的正视图。如图1所示,已知配置压电超声换能器100,使得其包含被安置在机械层130上面的压电层堆叠110和例如可在绝缘体上硅(SOI)晶片中形成的空腔120。压电层堆叠110包含压电层115,其具有被分别安置在所述压电层115下面和上面的相关联下部电极112和上部电极114。所述空腔120可在半导体衬底160例如硅晶片(或在一些实施方案中,例如绝缘体上硅(SOI)晶片)中形成。所述机械层130可由所述SOI晶片的有源硅层形成。

本公开的部分涉及微机械超声换能器,其方面已在2013年12月12日提交的并题为“微机械超声换能器和显示器(MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY)”的美国临时专利申请号61/915,361中,以及与本申请同时提交的代理人案号为QUALP228US/141202并题为“微机械超声换能器和显示器(MICROMECHANICAL ULTRASONIC TRANSDUCERS AND DISPLAY)”的美国专利申请中描述,上述专利申请被转让给本发明的受让人并且由此通过引用将其全部内容并入到本申请中以用于所有目的。



技术实现要素:

本公开的系统、方法及装置各自具有若干创新方面,其中没有单个方面单独负责本文所揭示的合乎需要的属性。

在本公开中描述的主题的一个创新方面涉及包含被安置在衬底上的多层堆叠的压电微机械超声换能器(PMUT)。所述多层堆叠包含被安置在所述衬底上面的锚定结构、被安置在所述锚定结构上面的压电层堆叠和被安置成接近于所述压电层堆叠的机械层。所述压电层堆叠被安置在空腔上面。所述机械层密封所述空腔,并且连同所述压电层堆叠受所述锚定结构支撑并在所述空腔上面形成膜片,所述膜片被配置成在所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和振动中的一或两者。在一些实例中,所述机械层的厚度可为使得所述多层堆叠的中性轴线相对于所述压电层堆叠的中性轴线向所述机械层位移以允许平面外弯曲模式。在一些实例中,所述机械层可基本上比所述压电层堆叠更厚。在一些实例中,所述中性轴线可穿过所述机械层。

在一些实例中,所述空腔可通过穿过至少一个释放孔去除牺牲材料而形成,所述机械层可在去除所述牺牲材料之后形成,并且形成所述机械层可通过密封所述至少一个释放孔而密封所述空腔。

在一些实例中,所述压电层堆叠可包含压电层、被安置在所述压电层下面的下部电极以及被安置在所述压电层上面的上部电极。

在一些实例中,所述机械层可包含所述机械层局部变薄的凹部。

在一些实例中,所述机械层可被安置在所述压电堆叠的与所述衬底相对的侧面上面。

在一些实例中,所述机械层可被安置在所述压电堆叠的面向所述衬底的侧面下面。

在一些实例中,所述PMUT可另外包含被安置在所述压电层堆叠上面的声耦合介质,其中,所述PMUT被配置成接收或发射通过所述耦合介质的超声波信号。

根据一些实施方案,PMUT包含被安置在衬底上的多层堆叠。所述多层堆叠包含被安置在所述衬底上面的锚定结构、被安置在所述锚定结构上面的压电层堆叠和被安置成接近于所述压电层堆叠的机械层,所述机械层包含所述机械层局部变薄的凹部。所述压电层堆叠被安置在空腔上面,并且所述机械层连同所述压电层堆叠受所述锚定结构支撑并在所述空腔上面形成膜片,所述膜片被配置成当所述PMUT接收或发射超声波信号时,进行挠曲运动和振动中的一或两者。

在一些实例中,所述空腔可通过穿过至少一个释放孔去除牺牲材料而形成,所述机械层可在去除所述牺牲材料之后形成,并且形成所述机械层可通过密封所述至少一个释放孔而密封所述空腔。

根据一些实施方案,制成PMUT的方法包含在衬底上面形成锚定结构,所述锚定结构被安置成接近于牺牲材料的区,在所述锚定结构上面形成压电层堆叠,去除所述牺牲材料以便形成在所述压电层堆叠下面的空腔以及接近于所述压电层堆叠安置机械层,其中,所述压电层堆叠和所述机械层形成多层堆叠的一部分,所述机械层密封所述空腔,并且连同所述压电层堆叠受所述锚定结构支撑并在所述空腔上面形成膜片,所述膜片被配置成当所述PMUT接收或发射超声波信号时,进行挠曲运动和振动中的一或两者。

在一些实例中,去除所述牺牲材料可形成在所述压电层堆叠下面的空腔。

在一些实例中,去除所述牺牲材料可包含穿过至少一个释放孔去除所述牺牲材料以及所述机械层密封所述至少一个释放孔。

在一些实例中,所述锚定结构可被安置在下层中,所述下层平行于所述压电堆叠层并且包含所述牺牲材料的区。

在一些实例中,所述机械层的厚度可为使得所述多层堆叠的中性轴线相对于所述压电层堆叠的中性轴线位移并向所述机械层位移以允许平面外弯曲模式。在一些实例中,所述机械层基本上比所述压电层堆叠更厚。在一些实例中,所述中性轴线可穿过所述机械层。

根据一些实施方案,设备包含PMUT传感器阵列和声耦合介质。至少一个PMUT包含被安置在衬底上面的多层堆叠。所述多层堆叠包含被安置在所述衬底上面的锚定结构、被安置在所述锚定结构和空腔上面的压电层堆叠以及被安置成接近于所述压电层堆叠的机械层,所述机械层密封所述空腔。所述声耦合介质被安置在所述压电层堆叠上面以及所述PMUT被配置成接收或发射通过所述耦合介质的超声波信号。

附图说明

本说明书中所描述的所述主题的一或多个实施方案的细节阐述于本公开和附图中。通过审核本公开,其它特征、方面和优点将变得显而易见。需要指出,本公开的附图和其它图示的相对尺寸可不按比例绘制。在本公开中所示出和描述的大小、厚度、布置、材料等仅借助于实例做出并且不应理解为限制。各个附图中的相似附图标号及名称指示相似元件。

图1是压电超声换能器的正视图。

图2A-2D示出根据本发明所公开的技术配置的PMUT堆叠的实施方案的实例。

图3示出PMUT的实例实施方案。

图4A和4B示出用于制造PMUT的工艺流程的实例。

图5A示出具有机械层的PMUT的另一实施方案的横截面说明性视图。

图5B示出具有机械层的PMUT堆叠的又一实施方案的横截面说明性视图。

图5C示出具有顶部机械层和形成于所述衬底中的声学端口的PMUT的横截面说明性视图。

图6A示出根据一些实施方案的PMUT阵列的平面视图。

图6B-6E示出在各种构形中的PMUT阵列的说明性横截面正视图。

图7A-7F示出用于PMUT的各种锚定结构构形的横截面正视图。

图8A-8H示出PMUT和锚定结构的各种几何构形的顶视图。

图9示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图10A-10C示出用于将电子电路系统与如上所述的PMUT进行集成的工艺流程。

图11A-11C示出PMUT超声波传感器阵列的各种构形的横截面图。

图12示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图13A和13B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图14A和14B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图15A和15B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图16A和16B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图17A和17B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

图18示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。

具体实施方式

以下描述针对出于描述本公开的创新方面的目的的某些实施方案。然而,本领域的技术人员将容易认识到,可以许多不同方式应用本文中的教示。所描述实施方案可在包含超声波传感器的任何装置、设备或系统中实现。更具体地说,在此考虑了所描述的实施方案可包含于例如(但不限于)以下各项的各种电子装置中或与所述电子装置相关联:移动电话、具多媒体因特网功能的蜂窝式电话、移动电视接收器、无线装置、智能电话、装置、个人数据助理(PDA)、无线电子邮件接收器、手持式或便携式计算机、上网本、笔记本计算机、智慧本、平板计算机、打印机、复印机、扫描器、传真装置、全球定位系统(GPS)接收器/导航器、相机、数字媒体播放器(例如MP3播放器)、摄录影机、游戏控制台、腕表、时钟、计算器、电视监视器、平板显示器、电子阅读装置(例如,电子阅读器)、移动保健装置、计算机监视器、自动显示器(包含里程表及速度计显示器等)、驾驶舱控制件和/或显示器、摄像机视野显示器(例如,车辆中的后视摄像头的显示器)、电子照片、电子广告牌或标牌、投影仪、建筑结构、微波炉、冰箱、立体声系统、盒式录音机或播放器、DVD播放器、CD播放器、VCR、收音机、便携式存储器芯片、洗涤器、干燥器、洗涤器/干燥器、停车计时器、封装(例如,在包含微机电系统(MEMS)应用的机电系统(EMS)应用以及非EMS应用中)、美学结构(例如,关于一件珠宝或服装的图像的显示)以及各种EMS装置。本文中的教示还可用于例如(但不限于)以下应用中:电子开关装置、射频滤波器、传感器、加速计、陀螺仪、运动感测装置、磁力计、用于消费型电子装置的惯性组件、消费型电子产品的零件、变容器、液晶装置、电泳装置、驱动方案、制造工艺和电子测试装备。因此,所述教示并不旨在限于仅在附图中所描绘的实施方案,而是具有对本领域的技术人员而言将是显而易见的广泛适用性。

本公开的系统、方法和装置各自具有若干创新方面,其中没有单个方面单独负责本文所公开的合乎需要的属性。在本公开中描述的所述主题的一个创新方面可以在压电机械超声换能器(PMUT)中实施,所述PMUT被配置为多层堆叠,其包含被安置在空腔上面的压电层堆叠和机械层。所述空腔可在所述多层堆叠的下层中形成,在所述空腔上面形成所述压电层堆叠。机械层被安置成接近于所述压电层堆叠。所述机械层可密封所述空腔,并且可连同所述压电层堆叠受锚定结构支持并在所述空腔上面形成膜片。所述膜片可被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和振动中的一或多者。所述锚定结构可被安置在所述衬底上面的平行于所述压电层堆叠的下层中并且包含一或多个区域的牺牲材料。所述牺牲材料可被牺牲地去除以在所述压电层堆叠下面形成一或多个空腔。

在一些实施方案中,所述机械层的厚度使得所述多层堆叠的中性轴线相对于所述压电层堆叠的中性轴线位移并向所述机械层位移,以允许平面外弯曲模式。因此,所述PMUT堆叠的中性轴线可为在与所述衬底相对的方向上从所述压电层去除的距离。更具体地,所述中性轴线可在所述压电层堆叠和所述空腔上面的平面中穿过所述机械层并且大致平行于所述压电层堆叠。在一些实施方案中,所述PMUT堆叠的中性轴线可为在朝向所述衬底的方向上从所述压电层去除的距离。更具体地,所述中性轴线可在所述压电层堆叠下面的平面中穿过所述机械层并且大致平行于所述压电层堆叠。

在本公开中描述的所述主题的一个创新方面可以在包含压电微机械超声换能器(PMUT)元件的一或二维阵列或超声波指纹传感器阵列的设备中实施,所述压电微机械超声换能器(PMUT)元件可以被放置在显示器的背板下面、旁侧、与其一起、在其上或在其上面。

在一些实施方案中,所述PMUT阵列可被配置成在对应于多个频率范围的模式中运行。例如,在一些实施方案中,所述PMUT阵列可被配置成在对应于低频范围(例如,50kHz至200kHz)的低频模式中或在对应于高频范围(例如,1MHz至25MHz)的高频模式中运行。当在所述高频模式中运行时,设备能够以相对较高的分辨率成像。因此,所述设备能够从物体,例如被放在所述显示器或传感器阵列的表面上的手指检测触摸、指纹、触笔和生物识别信息。此高频模式可在本文中被称作指纹传感器模式、触摸模式或触笔模式。

当在低频模式中运行时,所述设备能够发出比当所述设备在所述高频模式中运行时能够相对更大程度穿透到空气中的声波。此些较低频率声波可穿过多种覆盖层发射,所述多种覆盖层包含盖玻璃、触控屏、显示阵列、背光或被定位在超声波发射器和显示器或传感器表面之间的其它层。在一些实施方案中,端口可穿过所述覆盖层中的一或多个打开以优化从所述PMUT阵列到空气中的声耦合。所述较低频率声波可穿过在所述显示器或传感器表面上面的空气发射、从接近所述表面的一或多个物体反射、穿过空气发射并穿过所述覆盖层回传,并且由超声波接收器检测。因此,当在所述低频模式中运行时,所述设备能够在手势检测模式中运行,其中,可检测接近所述显示器的自由空间手势。

另选地或除此以外,在一些实施方案中,所述PMUT阵列可被配置成在对应于在低频范围和高频范围之间的频率范围(例如,约200kHz至约1MHz)的中频模式中运行。当在所述中频模式中运行时,所述设备能够提供触摸传感器功能,尽管某种程度上比高频模式的分辨率更低。

所述PMUT阵列为可寻址的,以用于波阵面波束成形、波束转向、接收面波束成形和/或返回信号的选择性读出。例如,传感器像素的个别列、行、传感器像素和/或组可单独寻址。控制系统可控制发射器阵列以产生特定形状的波阵面,例如平面、环形或圆柱形波阵面。所述控制系统可控制所述发射器阵列的量值和/或相位以在所期望的位置产生相长或相消干涉。例如,所述控制系统可控制所述发射器阵列的所述幅度和/或相位以在已检测到触摸或手势的一或多个位置产生相长干涉。

在一些实施方案中,PMUT装置可与薄膜晶体管(TFT)电路系统在同一衬底上共同制造,在一些实例中,所述衬底可为玻璃或塑料衬底。所述TFT衬底可包含行和列寻址电子器件、多路复用器、局部放大级和控制电路系统。在一些实施方案中,包含驱动器级和感测级的接口电路可被用于激励PMUT装置并且检测来自同一装置的响应。在其它实施方案中,第一PMUT装置可充当声波或超声波发射器以及第二PMUT装置可充当声波或超声波接收器。在一些构形中,不同的PMUT装置能够低频和高频运行(例如,用于手势和用于指纹检测)。在其它构形中,同一PMUT装置可被用于低频和高频运行。在一些实施方案中,所述PMUT可使用硅晶片制成,所述硅晶片具有在所述硅晶片中制成的有源硅电路。所述有源硅电路可包含起所述PMUT或PMUT阵列的作用的电子器件。

图2A-2D示出根据本发明所公开的技术配置的PMUT堆叠的实施方案的实例。在所示的实施方案中,PMUT 200A包含被安置在压电层堆叠210上面的机械层230。所述压电层堆叠210包含压电层215,其具有被分别安置在所述压电层115下面和上面的相关联下部电极212和上部电极214。机械层230被安置在所述压电堆叠的与所述衬底相对的侧面上面。

所述机械层230被安置在所述压电层堆叠210的与空腔220相对的侧面上面,并且,连同所述压电层堆叠210可形成在所述空腔220上面的鼓状膜片。所述膜片可被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和/或振动。在图2A所示的实施方案中,所述压电层堆叠210在所述空腔220和所述机械层230之间,而在图1所示的构形中,PMUT 100的机械层130在所述压电层堆叠110和所述空腔120之间。在一些实施方案中,所述机械层230可基本上比所述压电层堆叠更厚。

所述机械层230可由电绝缘材料制成并且可向微制造工艺的结束沉积,即在形成和图案化所述压电层堆叠210和所述压电层堆叠210被安置在其上面的所述空腔220之后。所述机械层230可被配置成具有尺寸和机械特性,使得所述PMUT堆叠的中性轴线250为在所述压电层堆叠210上面的距离。更具体地,所述中性轴线250被安置在包含所述压电层堆叠210上面的所述机械层230的平面中。可观察到,所述机械层230接近于所述压电层堆叠210的与所述空腔220相对并且与所述衬底260相对的侧面。在一些实施方案中,所述中性轴线250可在朝向所述机械层230的方向上距所述压电层堆叠210的中性轴线一定距离穿过所述压电层堆叠210,被安置在基本上平行于所述压电层堆叠210的平面中。

对于包含压电层的许多多层微观结构装置来说,所述多层堆叠的中性轴线距所述压电层的中性轴线有一定距离是优选的。例如,本发明所公开的PMUT的所述机械层230致使所述多层堆叠的所述中性轴线250距所述压电层210的中性轴线一定距离。所述距离可通过各种层的厚度和它们的弹性特性确定,所述弹性特性继而可通过所述换能器的谐振频率和品质因数要求确定。在一些实施方案中,所述中性轴线250可距所述压电层210的中性轴线一定距离并朝向所述机械层230位移,但所述中性轴线250可仍然驻留在所述压电层内或所述压电堆叠内。例如,所述机械层230的厚度可为允许所述多层堆叠的平面外弯曲模式的厚度。在一些实施方案中,所述机械层230可被配置成允许所述多层堆叠主要以平面外模式,例如活塞模式或基本模式激励。所述平面外模式可以致使所述多层堆叠的部分(可在本文中被称作“释放部分”)的位移接近所述空腔220,例如,在环形、正方形或矩形PMUT的中心。在一些实施方案中,所述中性轴线250的位移准许换能器在d31或e31模式中运行,其中,在转换区域中的所述膜片的所述多层堆叠的所述中性轴线可从在所述堆叠中的有源压电材料的中性轴线偏移。

如将在下文更详细地描述,所述机械层230可被配置成提供密封空腔220的包封层。另外,所述机械层230可充当所述压电层堆叠210的电极的钝化层。通过明智选择所述机械层230的材料属性、厚度和内应力,可改进某些换能器参数。例如,谐振频率、静态和动态偏转、声压输出以及可从各种层中的残余应力产生的膜片形状(弓曲)可通过以适当方式配置所述机械层230来调整。

在一些实施方案中,所述机械层230可被配置成提供平面化以用于声耦合层的附接、用于在换能器制造之后构建电路系统,和/或被配置成提供绝缘层以在所述机械层230的顶部上形成另外的路由层以用于关于所述压电层堆叠210的电容性去耦。

在一些实施方案中,所述机械层230可包含减小所述PMUT堆叠的一部分的总厚度的凹部。所述凹部的大小和几何形状和凹部特征可被设计成用于影响换能器参数,例如谐振频率、静态和动态偏转、声压输出、机械品质因数(Q)和膜片形状(弓曲)。图2B示出PMUT结构的剖视图,其具有在所述机械层230的上部中形成的凹部232,所述机械层在此处局部变薄。在如图所示的实施方案中,所述凹部232在PMUT 200B的所述机械层230的中心区中形成。

可观察到所述中性轴线250向下朝向接近于凹部232的空腔220移动。所述凹部232可包含基本上轴对称的特征,例如部分地在圆形PMUT隔膜中接近隔膜中心形成的圆或环,或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中,所述凹部232可包含在所述机械层230中接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中,凹部232可包含特征,例如接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围形成的窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中,一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中,所述凹部或凹进特征可通过部分或基本上穿过所述机械层230、在下面的压电层堆叠210上停止的蚀刻形成。在一些实施方案中,所述凹部232和/或其特征可例如基于蚀刻时间在所述机械层230中形成。在一些实施方案中,所述机械层230可包含两个或两个以上的沉积层,其中的一层可充当蚀刻终止层或障壁层以允许在制造期间确切限定所述凹部和凹进特征。

图2C示出根据本发明所公开的技术配置的PMUT堆叠的实施方案的另一实例。在所示的实施方案中,PMUT 200C的所述机械层230被安置在所述空腔220上面和所述压电层堆叠210下面。因此,所述机械层230被安置在所述压电层堆叠210的面向所述空腔220和所述衬底260的侧面下面。连同所述压电层堆叠210,所述机械层230可在所述空腔220上面形成鼓状膜片或隔膜,所述鼓状膜片或隔膜被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和/或振动。在一些实施方案中,所述机械层230可基本上比所述压电层堆叠更厚。

如将在下文更详细地描述,所述机械层230可被配置成提供密封空腔220的包封层。通过明智选择所述机械层230的材料属性、厚度和内应力,可改进某些换能器参数。例如,谐振频率、静态和动态偏转、声压输出以及可从各种层中的残余应力产生的膜片形状(弓曲)可通过以适当方式配置所述机械层230来调整。

在一些实施方案中,所述机械层230可包含减小所述PMUT堆叠的一部分的总厚度的凹部。所述凹部的大小和几何形状和凹部特征可被设计成用于影响换能器参数,例如谐振频率、静态和动态偏转、声压输出、机械品质因数(Q)和膜片形状(弓曲)。图2D示出PMUT结构的剖视图,其具有在所述机械层230的下部中形成的凹部232,所述机械层230在此处局部变薄。在如图所示的实施方案中,所述凹部232在PMUT 200D的所述机械层230的中心区中形成。

所述凹部232可包含基本上轴对称的特征,例如在接近所述隔膜中心的圆形PMUT隔膜中部分形成的圆或环,或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中,所述凹部232可包含在接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心的所述机械层230中形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中,凹部232可包含特征,例如接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围形成的窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中,一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中,所述凹部或凹进特征可通过在所述机械层230和压电层堆叠210的沉积之前部分穿过下面的牺牲层(未示出)的蚀刻形成。在一些实施方案中,所述凹部232和/或其特征可基于蚀刻时间通过部分蚀刻到所述下面的牺牲层中而形成。在一些实施方案中,所述牺牲层可包含两个或两个以上沉积层的堆叠,其中的一者可允许所述牺牲层的局部升高部分在所述机械层230和压电层堆叠210的沉积之前形成,并且所述机械层230和压电层堆叠210中的一者可充当蚀刻终止层或障壁层以允许在制造期间精确限定所述凹部和凹进特征。在一些实施方案中,所述机械层230的上表面可在形成所述压电层堆叠210之前被平面化。例如,机械层230可通过化学机械抛光(CMP)(也被称作化学机械平面化)被平面化。

本发明所公开的技术的更好理解可通过接着参考图3获得。图3示出PMUT的实例实施方案。所示的PMUT 300包含被安置在空腔320i上面的压电层堆叠310。如下文中更详细描述的,所述空腔320i可通过穿过一或多个释放孔320o去除在锚定结构370内形成的牺牲层而形成。所述锚定结构370可被沉积在衬底360上,如下文更详细地描述。为了可扩展性,这些结构使用在IC、MEMS和LCD行业中共同的工艺制成是优选的。

在所示的实施方案中,所述压电层堆叠310包含被安置在下部电极312和上部电极314之间的压电层315。机械层330被安置在所述压电层堆叠310的与空腔320i相对的侧面上面,并且,可连同所述压电层堆叠310在所述空腔320i上面形成鼓状膜片或隔膜,所述鼓状膜片或隔膜被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和/或振动。在一些实施方案中,所述机械层330可被配置以便提供所述中性轴线350被基本上安置在所述压电层堆叠310的外面(上面)。有利的是,所述机械层330可充当密封一或多个释放孔320o并将所述空腔320i与外部液体和气体隔开,同时也为所述PMUT 300提供另外的结构支撑的包封层,如图3的剖面B-B所示。

图4A和4B示出用于制造PMUT的工艺流程的实例。在所示的实例中,在步骤S401,锚定结构470的第一层部分472被沉积到衬底360上。所述第一层部分472也可被称作氧化物缓冲层。在一些实施方案中,所述氧化物缓冲层472可为厚度在约至约的范围内的二氧化硅(SiO2)层。例如,在实施方案中,所述氧化物缓冲层472的厚度约为所述衬底360可为玻璃衬底、硅晶片或其它合适的衬底材料。

在所示的实例中,在步骤S402,牺牲区425i和425o可通过首先将牺牲材料的牺牲层425沉积到所述氧化物缓冲层472上而形成,所述牺牲材料可包含非晶硅(a-Si)、多晶硅(多晶Si)或a-Si和多晶Si的组合。另选地,可使用其它牺牲层材料,例如钼(Mo)、钨(W)、聚乙烯碳酸盐(PEC)、聚丙烯碳酸盐(PPC)或聚降冰片烯(PNB)。步骤S402还可包含图案化和蚀刻所述牺牲层425以形成所述牺牲区425i和425o。内牺牲区425i可被安置在对应于图3的空腔320i的位置,而外牺牲区425o可被安置在对应于所述释放孔320o的位置。牺牲层材料的一或多个释放通道或释放通孔(未示出)可连接所述外牺牲区425o和所述内牺牲区425i。在一些实施方案中,在所述PMUT中形成下面的空腔可能不需要使用PEC、PPC或PNB、释放通道或释放通孔,因为这些牺牲材料可被热分解以产生气态副产品,例如可穿过稍微可穿透的覆盖层扩散的二氧化碳(CO2)、单原子或二原子氢或单原子或二原子氧。在一些实施方案中,所述牺牲层425具有在约至的范围内的厚度。例如,在实施方案中,所述牺牲层425的厚度约为

在所示的实例中,在步骤S403,所述锚定结构470的锚定部分474被沉积到所述氧化物缓冲层472上,以便包含所述牺牲区425i和425o。在一些实施方案中,所述锚定部分474可为厚度在约至约的范围内的SiO2层。例如,在实施方案中,所述锚定部分474的厚度约为在沉积之后,所述锚定部分474任选地可进行化学机械平面化(CMP)以平面化所述沉积层的上部部分。另选地或除此以外,所述锚定部分474可通过化学、等离子体或其它材料去除方法变薄。

在所示的实例中,在步骤S404,压电层堆叠410在锚定结构470上形成。更具体地,在一些实施方案中,一系列沉积工艺可被执行,其使得:氮化铝(AlN)、二氧化硅(SiO2)或其它合适的耐蚀刻层的第一层(或“障壁层”)411被沉积到所述锚定结构470和牺牲区425i和425o上;钼(Mo)、铂(Pt)或其它合适的导电材料的下部电极层412被沉积到所述障壁层411上;压电层415,例如AlN、氧化锌(ZnO)、铅锆酸盐钛酸盐(PZT)或其它合适的压电材料被沉积到所述下部电极层412上;以及Mo、Pt或其它合适的导电层的上部电极层414被沉积到所述压电层415上。在一些实施方案中,所述障壁层411的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述障壁层411的厚度约为在一些实施方案中,所述下部电极层412的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述下部电极层412的厚度约为在一些实施方案中,所述压电层415的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述有源压电层415的厚度约为在一些实施方案中,所述上部电极层414的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述上部电极层414的厚度约为在一些实施方案中,所述第一层或障壁层411可充当后续下部电极和/或压电层沉积的晶种层。

在步骤S404之后,一系列图案化和形成操作可被执行,以便在所期望的几何构形中选择性暴露被包含在所述压电层堆叠410中的各种层。在所示的实例中,在步骤S405,钼的所述上部电极层414可进行图案化和蚀刻以暴露所述压电层415的所选区域。在步骤S406,AlN或其它压电材料的所述压电层415可进行图案化和蚀刻以便暴露下部电极层412的所选区域。在步骤S407,钼的所述下部电极层412可进行图案化和蚀刻以便我们暴露障壁层411的所选区域。

在所示的实例中,在步骤S408,隔离层416可被沉积到所述上部电极层414和在前述步骤S404至S407的掩蔽和蚀刻操作期间所暴露的其它表面上。在一些实施方案中,所述隔离层416可例如为SiO2并具有在约至的范围内的厚度。例如,在实施方案中,所述隔离层416的厚度约为步骤S408还可包含图案化和蚀刻所述隔离层416以便暴露上部电极层414、下部电极层412和外牺牲区425o的所选区域。在使用热可分解牺牲材料,例如PEC、PPC或PNB的一些实施方案中,图案化和蚀刻所述隔离层416不必暴露任何外牺牲区425o。

在所示的实例中,在步骤S409,金属互连层418可被沉积到在前述步骤S408的掩蔽和蚀刻操作期间所暴露的表面上。所述互连层418可为例如铝金属并具有在约至的范围内的厚度。例如,在实施方案中,所述互连层418的厚度约为步骤S409还可包含图案化和蚀刻所述互连层418,以便暴露所述隔离层416和所述外牺牲区425o的所选区域。在使用热可分解牺牲材料的实施方案中,图案化和蚀刻所述互连层418不必暴露任何外牺牲区425o。

在所示的实例中,在步骤S410,在步骤S402被沉积以形成内牺牲区425i和外牺牲区425o的所述牺牲材料可被去除,由此形成释放孔420o和空腔420i。从所述内牺牲区425i、所述外牺牲区425o以及在所述外牺牲区425o和内牺牲区425i之间的一或多个连接释放通道去除所述牺牲材料可通过所述释放孔420o发生。例如,所述a-Si/PolySi牺牲层425可通过将所述牺牲材料暴露于蚀刻剂,例如二氟代氙(XeF2)来去除。通过提供释放通道或耦合外牺牲区425o和内牺牲区425i的通孔,所述内牺牲区425i的基本上所有牺牲材料可通过所述一或多个释放孔420o去除。在使用热可分解牺牲材料的一些实施方案中,将所述衬底的温度升高至分解温度(例如,对于PEC约200C,以及对于PNB约425C)任选择性去除所述牺牲材料,其中,在分解期间,气态副产品通过所述覆盖层扩散或通过任何暴露的释放通道或通孔发散。

在所示的实例中,在步骤S411,机械层430可被沉积到在前述步骤409的掩蔽和蚀刻操作期间所暴露的表面上。所述机械层430可包含SiO2、SiON、氮化硅(SiN)、其它电介质材料或电介质材料或层的组合。所述机械层430的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述机械层430的厚度约为步骤S409还可包含图案化和蚀刻所述机械层430以便实现所期望的配置。如图4A-4B所示,所述机械层430可被配置成机械密封(包封)所述释放孔420o。因此,在步骤S411的所述机械层430的沉积可提供在所述密封空腔420i和周围环境之间的相当大程度的隔离。所述机械层430也可充当在所述上部电极层414和其它暴露层上面的钝化层。在使用热可分解牺牲材料的实施方案中,密封可能不需要所述机械层430的沉积或可以以其它方式包封所述下面的空腔420i。

图5A示出具有机械层的PMUT的另一实施方案的横截面说明性视图。在所示的实施方案中,PMUT 500A通过在衬底560,例如硅晶片或玻璃衬底上形成锚定结构570而形成。包含下部电极层512、压电层515和上部电极层514的压电层堆叠510在所述锚定结构570上形成。使用例如牺牲蚀刻剂从所述衬底560去除所述压电层堆叠510的一部分,以选择性去除牺牲层(未示出)并在所述压电层堆叠510和所述衬底560之间形成空腔520。在所述空腔区中的所述牺牲层的部分可通过延伸穿过所述PMUT 500A的所述压电层堆叠510的中心部分的中心释放孔522进入。另选地,如上所述的一或多个释放孔和释放通道可被用于去除牺牲材料以形成所述空腔520。机械层530可被放置在所述压电层堆叠510上或以其它方式被安置在所述压电层堆叠510上。所述机械层530可充当所述释放孔522的密封层。所述机械层530连同所述压电层堆叠510可在所述空腔520上面形成鼓状膜片,所述鼓状膜片被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和/或振动。中性轴线550穿过所述机械层530,所述机械层530被放置在与所述空腔520相对的侧面上的所述压电层堆叠510上面。在一些实施方案中,所述中性轴线550可被安置在基本上平行于所述压电层堆叠510的平面中,在朝向所述机械层530的方向上距所述压电层堆叠510的所述中性轴线的一定距离穿过所述压电层堆叠510。

在一些实施方案中,所述机械层530可通过层压、粘附来施加或以其它方式将所述机械层530粘合到所述压电层堆叠510的暴露上表面。例如,所述机械层530可包含厚的可图案化膜,例如SU8、聚酰亚胺、光敏硅酮介电膜,气旋聚合物膜例如苯并环丁烯或BCB、干燥抗蚀剂膜或光敏材料。另选地,所述机械层530可包含塑料的层合层,例如聚对苯二甲酸伸乙酯(PET)、聚乙烯萘二甲酸酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、硅酮、弹性材料或其它合适材料。所述机械层530可被层合或以其它方式与粘合剂或其它连接层粘合。粘合剂的实例包含硅树脂、聚胺酯、热塑物、弹性粘合剂、热固性粘合剂、可UV固化粘合剂、热固化粘合剂、热熔粘合剂、酚醛树脂、一组分和两组分环氧化物、氰基丙烯酸酯、丙烯酸聚合物、丙烯酸酯、聚酰胺、接触粘合剂和压敏粘合剂(PSA)。所述机械层530可被沉积、涂布、层合、粘附或以其它方式直接或间接粘合到所述压电层堆叠并且可具有大范围的厚度,例如从小于2微米到超过500微米。

图5B示出具有机械层的PMUT堆叠的又一实施方案的横截面说明性视图。在所示的实施方案中,PMUT 500B的所述机械层530包含上部机械层530b,其可被层合或以其它方式被附接到被放置在与所述空腔520和衬底560相对的侧面上的压电层堆叠510上面的沉积下部机械层530a。所述下部机械层530a可包含一或多个沉积层,如上所述。一或多个释放孔522可在所述下部机械层530a中和所述下面的压电层堆叠510中形成,以允许去除牺牲材料以形成所述空腔520。在所示的实施方案中,所述释放孔522可在上部机械层530b附接到下部机械层530a的暴露上表面上之后即刻被密封。因此,所述上部机械层530b可充当所述释放孔522的密封层。根据个别层的厚度和弹性模量,中性轴线550可穿过下部机械层530a或上部机械层530b中的任一者。在接近所述释放孔522的区域中,所述中性轴线550的中心部分可被安置在比所述中性轴线的其余部分更远离所述空腔520的位置。

图5C示出具有顶部机械层和形成于所述衬底中的声学端口的PMUT的横截面说明性视图。声学端口580可在所述压电层堆叠510下面的所述衬底560中形成。所述声学端口580可被配置成提供在所述PMUT 500C和所述衬底560的背面之间的声耦合。所述声学端口580的横截面尺寸可大体上等于、大于或小于在所述压电层堆叠510和所述声学端口580之间的空腔520的尺寸。所述空腔520可在形成所述声学端口580之前或之后通过去除所述空腔区域中的牺牲材料而形成。机械层530可被安置在所述压电层堆叠510上。所述多层堆叠的中性轴线550可在与所述空腔520和所述声学端口580相对的方向上与所述压电堆叠510隔开一定距离穿过所述机械层530。所述声学端口580可允许超声波或声波从所述PMUT 500C发射至所述衬底560外部的区。类似地,所述声学端口580允许所述PMUT 500C从所述衬底560外部的区接收超声波或声波。

图5A-5C示出个别PMUT和PMUT堆叠的实施方案,然而,所述机械层530可超出个别PMUT堆叠延伸并覆盖一或多个相邻PMUT。图6A示出根据一些实施方案的PMUT阵列的平面视图。每个PMUT 600被配置成通过粘合机械层630在共同衬底660上,所述粘合机械层630在上方延伸并在所述PMUT阵列600A中的两个或两个以上PMUT 600之间延伸。机械层630的粘合部分可充当声耦合层。在一种运行模式中,在所述阵列中的所述PMUT 600可被同时致动以从所述机械层630的上表面生成半平面波并发射所述半平面波。在一些实施方案中,所述机械层630在相邻的PMUT之间是连续的。在一些实施方案中,所述机械层630可被图案化、分割、切片、切开、切割或以其它方式形成以与PMUT 600的外围对齐或选择性暴露位于所述机械层630,例如金属粘合垫下面的又一层的部分。尽管图6A所示的实施方案包含圆形PMUT 600的阵列,但是其它形状,例如正方形或矩形PMUT在本公开的预期内。例如,在一些实施方案中,可涵盖六边形的PMUT,由此,就每单位面积的像素数量而言,可获得增大的堆积密度。所述PMUT 600的阵列可被配置为如图6A所示的正方形或矩形阵列。在一些实施方案中,所述阵列可包含PMUT 600的错开行或列,例如三角形或六边形阵列。

图6B-6E示出在各种构形中的PMUT阵列的说明性横截面正视图。PMUT阵列600B包含被安置在衬底660上的PMUT 600的阵列。上部机械层630可被层合、粘合或以其它方式附接到所述PMUT 600的阵列的上表面,例如通过粘合剂层632。每个PMUT 600的挠曲运动和/或振动可弯曲、挠曲、压缩或扩展所述机械层630的部分。在一些实施方案中,在所述PMUT阵列600B中的PMUT 600的同步振动可发起向上并穿过所述机械层630的大致平面的超声波。在一些实施方案中,随着在PMUT 600下面的受控致动,所述机械层630可弯曲和挠曲以通过受控的波阵面发起声波或超声波,所述受控的波阵面可用于发射侧波束成形应用。在一些实施方案中,穿过所述机械层630返回的超声波可致使在PMUT 600下面的挠曲运动和/或振动并且所述挠曲运动和/或振动相应被检测到。在一些实施方案中,所述机械层630可充当声耦合介质。在一些实施方案中,所述机械层630可充当可机械包封或以其它方式密封PMUT 600内的空腔的包封层。所述机械层630可包含例如聚合物或塑料,例如聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸伸乙酯(PET)的层。所述粘合剂层632可包含环氧树脂、UV固化材料、压敏粘合剂(PSA)的薄层,或将所述机械层630耦合至所述PMUT阵列600B中的所述PMUT 600的其它合适的粘合材料。

图6C示出PMUT阵列600C,其被配置成具有覆盖被安置在衬底660上的机械层630和PMUT 600的阵列的盖玻璃、包封壁、按钮盖或压板690的一部分。粘合剂层632和634可将所述机械层630机械连接至所述PMUT 600和所述覆盖压板690。在一些实施方案中,所述机械层630可提供在所述PMUT 600的阵列和所述覆盖压板690之间的声耦合以供在超声波指纹传感器、触摸传感器、超声波触摸板、触笔检测、生物识别感测器或其它超声波装置中使用。声学阻抗匹配层692,例如聚合涂层可被沉积、丝网印刷、喷涂、粘附或以其它方式被安置在所述盖玻璃或压板690的外表面上。所述声匹配层692可充当耐刮擦涂层。所述机械层630的另外描述在上面关于图6B提供。

图6D示出机械层630经由微柱636的阵列被耦合至PMUT 600的阵列的PMUT阵列600D。所述微柱636可提供在PMUT 600和所述覆盖机械层630之间的机械和声耦合。所述微柱636可充当声波波导,从而允许由所述PMUT 600所生成的声波或超声波在相邻PMUT 600之间的一些水平的声隔离的情况下行进穿过所述波导。类似地,所述微柱636可充当可以将超声波导引回到所述PMUT 600的声波波导,所述PMUT 600可充当超声波发射器或超声波接收器中的任一者。在一些实施方案中,所述微柱636的横截面可基本上为正方形、矩形或环形,与所述PMUT阵列600D中的每个PMUT 600的外围基本上对准,其中,每个微柱636与相邻微柱636间隔空隙。在一些实施方案中,所述微柱636可由光可图案化聚合物,例如光阻或光可成像聚合物层压体(例如,SU-8负性作用光阻层、光敏硅酮电介质膜或气旋聚合物膜)形成。例如,相对厚的负或正光阻层可被施加到在所述衬底660上的PMUT 600的上表面、被干燥、通过合适的光掩模图案化、被显影和烘烤以形成所述微柱636。在一些实施方案中,也被称作干燥抗蚀剂膜的干燥抗蚀剂光可图案化膜可在对准和附接到所述PMUT 600的阵列之前被预图案化。所述干燥抗蚀剂膜可具有在相对惰性的背层,例如醋酸、PC、PI或PET上的光敏材料层。在一些实施方案中,粘合促进剂或粘合剂层632可被放置在所述微柱636和所述下面的PMUT 600之间以提供机械和声耦合。在一些实施方案中,用于所述干燥抗蚀剂膜的所述背层可被去除。另选地,用于所述干燥抗蚀剂膜的所述背层可被保留并充当机械层630。在一或多个PMUT 600上光刻地形成的所述声波波导(例如,微柱636)可提供具有被安置在衬底上或被配置在PMUT阵列中的PMUT的紧密对准和几何形状限定能力的低成本分批工艺。在一些实施方案中,聚合物层压体可被用作在附接盖玻璃或压板之前平面化所述PMUT构形时覆盖与所述PMUT 600相关联的多个释放孔的围罩。

图6E示出具有微柱636的阵列和充当指纹传感器阵列的压板690的PMUT阵列600E。声匹配层692可被安置在盖玻璃或压板690的外表面上。在衬底660上的所述PMUT阵列600E中的PMUT 600可生成超声波664并发射所述超声波664,所述超声波664通过所述微柱636、通过任选机械层630传播并传播到所述压板690中。所述超声波664的一部分可从所述压板690的外表面或声匹配层692反射回来,其幅度部分取决于在所述压板690或声匹配层692和覆盖物体,例如被置于与所述压板690的所述外表面接触的使用者的手指的指纹脊线和谷线之间的声失配。反射波可通过所述声匹配层692和压板690、通过任选机械层630和微柱636行进回来,并且被下面的PMUT 600检测。粘合剂层632和634可用来将所述PMUT阵列600E的各种层机械和声学耦合在一起。

图7A-7F示出PMUT 700的各种锚定结构构形的横截面正视图。图7A示出被放置在衬底760和压电层堆叠710之间的外围锚定结构770,所述压电层堆叠710具有在其上形成的机械层730。所述机械层730连同所述压电层堆叠710可在空腔720上面形成鼓状膜片或隔膜并且可被配置成当所述PMUT接收或发射声波或超声波信号时,进行挠曲运动和/或振动。在所示的实施方案中,机械中性轴线750穿过所述机械层730并在所述压电层堆叠710和空腔720上面。在一些实施方案中,所述中性轴线750可相对于所述压电层堆叠710的所述中性轴线位移,并向被放置在所述压电层堆叠710上面的所述机械层730位移,以允许平面外弯曲模式。

图7B示出被放置在所述压电层堆叠710和所述衬底760之间的中心锚定结构770。图7C示出具有中心释放孔722的所述外围锚定结构770的变型。图7C所示的构形可替代地表示一对悬臂式的PMUT 700。在图7A-7F中的双垂直箭头表示一种运行模式,例如平面外弯曲模式,其中,所述PMUT 700的释放部分可被驱动以振荡或以其它方式在由对应箭头所指示的方向上偏转。图7D示出PMUT 700,其具有被放置在衬底760和所述压电层堆叠710之间的外围锚定结构770、具有被放置在所述压电层堆叠710和所述空腔720之间的机械层730。所述多层堆叠的所述机械中性轴线750可相对于所述压电层堆叠710的所述中性轴线在朝向下面的空腔720和衬底760的方向上位移,以允许一或多个平面外弯曲模式。图7E示出PMUT 700,其具有被放置在所述压电层堆叠710和所述衬底760之间的中心锚定结构770、具有被放置在所述压电层堆叠710和所述空腔720之间的机械层730。类似于图7D中的所述PMUT 700,所述多层堆叠的所述机械中性轴线750可从所述压电层堆叠710的所述中性轴线朝向所述空腔720和所述衬底760位移。图7F示出具有外围锚定结构770的PMUT 700,所述外围锚定结构770具有中心释放孔722。另选地,图7F所示的构形可表示一对悬臂式的PMUT 700。所述机械层730被放置在所述压电层堆叠710和所述空腔720之间。所述多层堆叠的所述机械中性轴线750可从所述压电层堆叠710的中心朝向所述下面的空腔720和衬底760位移。

图8A-8H示出PMUT和锚定结构的各种几何构形的顶视图。具有环形机械层830和锚定结构870的圆形PMUT 800在图8A中示出。具有环形机械层830和中心锚定结构870的圆形PMUT 800在图8B中示出。图8C和8D分别示出具有外围锚定结构870和中心锚定结构870的正方形PMUT 800。图8E和8F分别示出具有外围锚定结构870和定中心的锚定结构870的长矩形PMUT 800。图8G示出具有一对侧面锚定结构870的矩形PMUT 800。图8H示出具有侧面锚定结构870a和870b的一对矩形PMUT 800,其也被称作带式PMUT或PMUT带。在图8A-8H中示出的所述PMUT 800是说明性的,其具有连接电极、衬垫、迹线、蚀刻孔以及为了清楚起见所省略的其它特征。在一些实施方案中,具体地,在具有中心或以其它方式定中心的锚定结构的实施方案中,所述锚定结构可被称为锚定柱或简称为“柱”。在图8A-8H中示出的所述PMUT可被配置成所述机械层的相当大部分被放置在所述压电层堆叠上面,如图2A所示,或所述机械层的相当大部分被放置在所述压电层堆叠下面,如图2C所示。

在本公开中描述的所述PMUT可大体被密封或未被密封。密封的PMUT具有从外部环境密封的相关联空腔的至少一部分。在一些实施方案中,密封的PMUT可具有在所述空腔区内密封的真空。在一些实施方案中,所述密封PMUT可具有气体,例如氩气、氮气或空气,其在所述空腔区内的参考压力低于、高于或大体上等于大气压。密封PMUT的声学性能可超出未密封PMUT的声学性能,因为所述PMUT结构的阻尼可比未密封PMUT的阻尼更高。在一些实施方案中,可利用未密封的PMUT。例如,具有中心锚定或柱结构的PMUT可未被密封或以其它方式被认为是开放式结构。未密封的PMUT可允许液体、气体或其它粘性介质穿过所述空腔区。例如,具有相关联声学端口的PMUT可在所述PMUT的一个侧面或两个侧面上未被密封以允许发射和接收声波或超声波。一或多个声学端口,例如经蚀刻或以其它方式在所述PMUT下面在所述衬底中形成的孔可被包含在上述的PMUT和制造方法的各种实施方案内。在一些实施方案中,未被密封的PMUT或未被密封的PMUT阵列可用覆盖层覆盖,所述覆盖层可充当顶部机械层或所述顶部机械层的补充物,例如在图5B中示出的所述上部机械层530b。所述覆盖层可在与所述一或多个PMUT相关联的一或多个释放孔上面延伸,并用例如粘合剂层附接到所述PMUT膜片以密封所述PMUT空腔并提供与环境气体和液体的隔离。

图9示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。方法900包含用于在衬底上面形成锚定结构的步骤910。所述衬底可包含玻璃衬底,例如玻璃板、面板、子面板或晶片。在一些实施方案中,所述衬底可为塑料或可为柔性的。所述衬底可包含TFT电路系统。另选地,所述衬底可包含半导体衬底,例如具有或没有预制的集成电路系统的硅晶片。所述锚定结构可包含一或多层的沉积电介质材料,例如二氧化硅、氮化硅或氮氧化硅。所述锚定结构可包含硅化物,例如镍硅化物。所述锚定结构可被安置成接近牺牲材料的区,所述牺牲材料被图案化以便允许最终形成一或多个空腔、释放孔、通孔和通道。所述牺牲材料可包含非晶硅(a-Si)、多晶硅(多晶Si)或a-Si和多晶Si的组合。平面化工序,例如CMP或化学薄化可被用于平面化所述锚定结构和所述牺牲层。

在步骤920中,压电层堆叠在所述锚定结构上面形成。所述压电层堆叠可包含压电层,例如AlN、ZnO或PZT,其具有被电耦合到所述压电层的一或多个电极层。所述压电层堆叠可被图案化和蚀刻以形成通孔或释放孔和其它特征。在步骤930中,所述牺牲材料被去除。去除所述牺牲材料可通过释放孔从空腔区去除所述牺牲层来实现。在一些实施方案中,去除所述牺牲材料可通过一或多个释放通孔或孔以及可连接一或多个外部释放孔和所述空腔区的一或多个释放通道蚀刻所述牺牲层来实现。在步骤940中,机械层被安置在所述压电层堆叠上面,使得所得组件的中性轴线位于朝向所述机械层并远离所述衬底的一定距离,以便所述中性轴线穿过所述机械层以及并不穿过所述压电层堆叠。在一些实施方案中,所述机械层可被安置在具有一定厚度的所述压电层堆叠上面,使得所得多层堆叠的所述中性轴线相对于所述压电层堆叠的所述中性轴线位移并朝向所述机械层位移以允许平面外弯曲模式。在一些实施方案中,所述机械层可包含沉积层、一或多层的组合、结合层或在沉积层或层集合上面的结合层。所述机械层可被图案化以形成特征例如顶部凹部,所述机械层在此处局部变薄。如在步骤950中示出并根据所述实施方案,当所述机械层被安置在所述压电层堆叠上面时,一或多个释放孔可被密封。

图10A-10C示出用于将电子电路系统与如上所述的PMUT进行集成的工艺流程。图10A示出“TFT第一”工艺1000a,其中,TFT或其它集成电路系统在步骤1010中在衬底上/中形成,接着在所述衬底上可在所述电路系统顶部上或旁侧形成一或多个PMUT,如在步骤1020中所示。该方法允许第一制造设施在衬底上形成有源电路系统,以及第二制造设施接收具有所述有源电路系统的所述衬底并在所述衬底上形成所述PMUT。图10B示出“TFT最后”工艺1000b,其中,TFT或其它集成电路系统在形成所述PMUT之后在衬底上/中形成,如在步骤1040和1050中所示。平面化步骤以及厚的电介质层可用来提供可形成TFT电路的表面,如上所述。图10C示出组合或共同制造工艺1000c,其中,PMUT和有源电路系统在衬底上形成,如在步骤1060和1070中所示。该方法可得益于利用形成有源电路系统和PMUT两者的共同层,与PMUT第一或PMUT最后工艺相比,所述组合或共同制造工艺可以减少所需的掩蔽和沉积步骤的总数。例如,用于TFT或基于硅的晶体管的金属互连层可供用于所述PMUT的所述上部或下部电极层。在另一实例中,在用于所述有源电路系统的金属层之间的电介质层可被用于所述PMUT中的区或障壁层或在所述机械层中使用或用于密封。用于金属或电介质层的蚀刻工序可被共同使用以在所述衬底上形成所述有源电路系统和所述PMUT的部分。在另一实例中,用于所述TFT或有源电路系统的钝化层可被用于所述PMUT装置的钝化。在一些实施方案中,所述TFT或有源电路系统可包含行和列寻址电子器件、多路复用器、局部放大级或控制电路系统。在一些实施方案中,包含驱动器级和感测级的接口电路可被用于激励PMUT装置并检测来自同一或另一PMUT装置的响应。在一些实施方案中,所述有源硅电路可包含用于起所述PMUT或PMUT阵列的作用的电子器件。

图11A-11C示出PMUT超声波传感器阵列的各种构形的横截面图。图11A示出具有PMUT作为发射和接收元件的超声波传感器阵列1100A,其可用作例如超声波指纹传感器、超声波触摸垫或超声波成像器。在PMUT传感器阵列衬底1160上的PMUT传感器元件1162可发出超声波并检测所述超声波。如图所示,超声波1164可从PMUT传感器元件1162发射。所述超声波1164可穿过声耦合介质1165和压板1190a向物体1102,例如被放置在所述压板1190a的外表面上的手指或触笔行进。输出超声波1164的一部分可穿过所述压板1190a发射并发射到所述物体1102中,同时第二部分从压板1190a的表面朝向所述传感器元件1162反射回来。反射波的幅度部分取决于所述物体1102的声学特性。所述反射波可通过所述传感器元件1162检测到,可藉此获取所述物体1102的图像。例如,通过间距约为50微米(约500像素每英寸)的传感器阵列,可检测到指纹的脊线和谷线。可提供声耦合介质1165,例如粘合剂、胶、顺应层或其它声耦合材料以改进被安置在所述传感器阵列衬底1160上的所述PMUT传感器元件1162的阵列和所述压板1190a之间的耦合。所述声耦合介质1165可帮助去往和来自所述传感器元件1162的超声波的传送。所述压板1190a可包含例如玻璃、塑料、蓝宝石或其它压板材料的层。声阻抗匹配层(未示出)可被安置在所述压板1190a的外表面上。

图11B示出具有在传感器和显示器衬底1160上共同制造的PMUT传感器元件1162和显示像素1166的超声波传感器和显示器阵列1100B。所述传感器元件1162和显示像素1166可被共置在单元阵列的每个单元中。在一些实施方案中,所述传感器元件1162和所述显示像素1166可在同一单元内并排制成。在一些实施方案中,所述传感器元件1162的部分或全部可在所述显示像素1166上面或下面制成。压板1190b可被放置在所述传感器元件1162和所述显示像素1166上面并且可充当或包含防护透镜或盖玻璃。所述盖玻璃可包含一或多层的材料,例如玻璃、塑料或蓝宝石,并可包含用于电容式触摸屏的供应件。声阻抗匹配层(未示出)可被安置在所述压板1190b的外表面上。超声波1164可从一或多个传感器元件1162发射和接收,以提供物体1102,例如被放在所述盖玻璃1190b上的触笔或手指的成像能力。所述盖玻璃1190b基本上为透明的,以允许来自所述显示像素1166的阵列的可见光可由使用者通过所述盖玻璃1190b观看。使用者任选择触摸所述盖玻璃1190b的一部分,并且该触摸可由所述超声波传感器阵列检测。例如,当使用者触摸所述盖玻璃1190b的所述表面时,可获取生物识别信息,例如指纹信息。可提供声耦合介质1165,例如粘合剂、胶或其它声耦合材料,以改进在所述传感器阵列衬底1160和所述盖玻璃之间的声、光学和机械耦合。在一些实施方案中,所述耦合介质1165可为可充当液晶显示器(LCD)的一部分的液晶材料。在LCD实施方案中,背光源(未示出)可被光学耦合至所述传感器和显示器衬底1160。在一些实施方案中,所述显示像素1166可为具有发光显示像素的非晶形发光二极管(AMOLED)显示器的一部分。在一些实施方案中,所述超声波传感器和显示器阵列1100B可被用于显示目的和用于触摸、触笔或指纹检测。

图11C示出超声波传感器和显示器阵列1100C,其具有被放置在显示器阵列衬底1160b后面的传感器阵列衬底1160a。声耦合介质1165a可被用于将所述传感器阵列衬底1160a声耦合至所述显示器阵列衬底1160b。光学和声耦合介质1165b可被用于将所述传感器阵列衬底1160a和所述显示器阵列衬底1160b光学和声学地耦合至防护透镜或盖玻璃1190c,其也可充当用于检测指纹的压板。声阻抗匹配层(未示出)可被安置在所述压板1190c的外表面上。从一或多个传感器元件1162发射的超声波1164可穿过所述显示器阵列衬底1160b和盖玻璃1190c行进、从所述盖玻璃1190c的外表面反射并朝向所述传感器阵列衬底1160a行进回来,所述反射超声波可在所述传感器阵列衬底1160a处被检测到并获取图像信息。在一些实施方案中,所述超声波传感器和显示器阵列1100C可被用于向使用者提供视觉信息并被用于使用者的触摸、触笔或指纹检测。另选地,PMUT传感器阵列可在所述显示器阵列衬底1160b的背面上形成。另选地,具有PMUT传感器阵列的所述传感器阵列衬底1160a可被附接到所述显示器阵列衬底1160b的所述背面,而所述传感器阵列衬底1160a的所述背面被直接附接到所述显示器阵列衬底1160b的所述背面,例如,通过粘合剂层或粘合材料(未示出)。

如上面结合图4A和4B所述,根据本发明所公开的技术用于形成PMUT堆叠的工艺流程可包含一系列微制造工艺,其包含沉积、图案化、蚀刻和CMP。除在图4A和4B中示出的工艺流程之外,若干替代的工艺流程在本公开的预期内。

图12示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。在所示的实例中,工艺1200并入有硅化物形成工艺,其可以平面化所述锚定结构的顶部和所述牺牲层的顶部。因此,可避免被包含在步骤S403(图4A)中的CMP工序。所述硅化物可形成用于所述PMUT的所述锚定结构的至少一部分,并在去除所述牺牲材料期间充当耐蚀刻层以形成所述PMUT空腔。

工艺1200可通过步骤S401开始。如上文结合图4A所描述,步骤S401可包含将锚定结构470的第一层部分472沉积到衬底360上。

在步骤S1202,牺牲区425i和425o(图4A)通过首先将牺牲材料的牺牲层425沉积到所述氧化物缓冲层472上形成,所述牺牲材料可包含非晶硅(a-Si)、多晶硅(多晶Si)或a-Si和多晶Si的组合。另选地,可使用其它牺牲层材料,例如钼(Mo)或钨(W)。在一些实施方案中,所述牺牲层425的厚度在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述牺牲层425的厚度约为

在步骤S1203,镍层1275可被沉积到所述牺牲层425上。所述镍层1275的厚度可在约至的范围内。例如,在实施方案中,所述镍层1275的厚度约为步骤S1203还可包含图案化和蚀刻所述镍层1275以便在所选的区中暴露所述牺牲层425。

在步骤S1204,考虑硅化物形成工艺,由此,金属层例如镍可被沉积并被图案化在多晶或非晶硅的所述牺牲层425顶部上。所述硅化物可通过将所述金属与所述牺牲层425的硅相互作用而形成。例如,镍硅化物可通过将所述图案化镍层1275与所述牺牲层425的所述硅相互作用而形成。硅化物在所述牺牲层425的部分1276中的形成可通过将所述金属局部扩散到所述牺牲层中、消耗所述沉积金属并且下至下面的缓冲层(例如,在硅衬底上的SiO2或SiN)或下至绝缘衬底(例如玻璃)形成所述硅化物来实现。金属扩散到下面的牺牲层中可以例如通过在预定时间段内升高所述衬底和沉积层的工艺温度至硅化物形成温度来实现。另选地,快速热退火(RTA)工艺可被用于快速升高所述温度以允许金属间扩散和硅化物形成。另选地,合适波长、能量和时间的聚焦激光的施加可被用于局部形成所述硅化物,这在使用其中激光可从衬底的上面或下面施加的透明衬底的情况下可能是特别有吸引力的。

工艺1200的后续步骤可与上文结合图4A和4B所述的步骤S404至S411基本上一致。

图13A和13B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1300提供用于PMUT的三层金属互连,其中,机械层大体上被放置在所述压电层堆叠和所述下面的衬底之间。在第一步骤S1301中,提供衬底360,例如玻璃、塑料或半导体(例如,硅)衬底,在所述衬底上制造所述PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲层可被沉积在所述衬底360上。牺牲材料的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上。所述牺牲层425可被图案化和蚀刻以形成一或多个内牺牲区425i和外牺牲区425o(未示出),其中,蚀刻剂在所述下面的缓冲层或衬底上停止。在步骤S1302中,所述锚定结构470的锚定部分474,例如二氧化硅层可被沉积到所述缓冲层和所述牺牲区425i上,接着通过使用CMP使其变薄以形成大体上平面的表面,同时保留在所述牺牲区425i上面的所述二氧化硅层的小部分474i。在步骤S1303中,可沉积多层堆叠,其包含机械层430、可充当晶种层的压电堆叠410的第一层411、下部电极层412、压电层415和上部电极层414。所述上部电极层可被图案化和蚀刻以形成与所述压电层415电接触的上部电极414a和414b。在步骤S1304中,所述压电层415可被图案化和蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1305中,所述下部电极层412可连同所述位于下面的晶种层411被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止。在步骤S1306中,电介质隔离层416可被沉积、图案化和蚀刻以形成分别暴露所述上部电极层414和下部电极层412的部分的电气通孔416a和416b。

工艺流程1300在图13B中通过金属互连层418在步骤S1307中的沉积、图案化和蚀刻而继续。所述金属互连层418可通过电气通孔416a和416b分别提供至上部电极层414的部分的电气迹线和电触点418a和至下部电极层412的部分的电触点418b。

在步骤S1308中,一或多个凹部422可在所述机械层430中形成。例如,凹部422a可在所述PMUT膜片的外部形成以提供机械隔离或提高灵敏度。凹部422b可在PMUT膜片内部形成以提高灵敏度,例如,通过允许所述PMUT膜片以相对于平面PMUT膜片的更大机械幅度挠曲或振动。所述凹部422可包含基本上轴对称的特征,例如在接近所述隔膜中心的圆形PMUT隔膜中部分形成的圆或环,或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中,所述凹部422可包含在接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心的所述机械层430中形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中,所述凹部422可包含接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围或在所述隔膜的外部形成的特征,例如窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中,一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中,所述凹部或凹进特征可通过局部或大体上穿过所述机械层430蚀刻而形成。在一些实施方案中,所述凹部422和/或其特征可例如基于蚀刻时间在所述机械层430中形成。在一些实施方案中,所述机械层430可包含两个或两个以上的沉积层,其中的一层可充当蚀刻终止层或障壁层以允许在制造期间确切限定所述凹部422和凹进特征。凹部422的形成为任选的,并且相关联的工艺工序可相应地省略。在步骤S1308中用于凹部422a和422b的虚线指示当它们被使用时的位置可在所述压电层堆叠410的蚀刻部分下面形成,例如第一层411、下部电极层412、压电层415、上部电极层414、电介质隔离层416和金属互连层418已被去除的蚀刻部分。

在步骤S1309中,机械层430和其它层的部分可被图案化和蚀刻以提供对牺牲区425i和425o的接近(未示出),这允许在所述牺牲层425中选择性去除暴露的牺牲材料,从而产生一或多个空腔420的形成。释放孔、释放通道和牺牲蚀刻工艺的更多细节可关于上面的图4A-B来发现(为了清楚起见,未在这里示出)。具有热可分解牺牲材料的实施方案可能不需要通过释放孔和释放通道对空腔420的直接接近,如上面关于图4A-B所述。

在步骤S1310中,钝化层432可被沉积在所述互连层418和所述下部电极层412以及上部电极层414的暴露部分上面。任选地,一或多个上部凹部432a可在所述钝化层432中形成。例如,凹部432a可在所述PMUT膜片的外部形成以提供机械隔离或提高灵敏度。凹部432a可在PMUT膜片内部形成以提高灵敏度,例如,通过允许所述PMUT膜片以相对于平面PMUT膜片的更大机械幅度挠曲或振动。所述凹部432a可包含基本上轴对称的特征,例如在接近所述隔膜中心的圆形PMUT隔膜中部分形成的圆或环,或接近圆形隔膜的外围形成的角沟槽或角沟槽的部分。在一些实施方案中,所述凹部432a可包含在接近正方形或矩形PMUT隔膜的中心的所述钝化层432中形成的正方形或矩形特征。在一些实施方案中,所述凹部432a可包含接近正方形、矩形或圆形隔膜的外围或在所述隔膜的外部形成的特征,例如窄矩形、局部沟槽或狭槽。在一些实施方案中,一系列放射状狭槽可与中心或外围凹部特征组合。在一些实施方案中,所述凹部或凹进特征可通过局部或大体上穿过所述钝化层432蚀刻而形成。在一些实施方案中,所述凹部432a和/或其特征可例如基于蚀刻时间在所述钝化层432中形成。在一些实施方案中,所述钝化层432可包含两个或两个以上的沉积层,其中的一者可充当蚀刻终止层或障壁层,以允许在制造期间精确限定所述凹部432a和其它凹进特征。凹部432a的形成为任选的,并且相关联的工艺工序可相应地省略。在步骤S1311中,一或多个接触衬垫开口或通孔434a和434b可穿过所述钝化层432被图案化和蚀刻以提供对下面的金属特征例如粘合垫的接近。

图14A和14B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1400提供利用如上关于图12的步骤S1202-S1204所述的基于硅化物的平面化方法的用于PMUT的三层金属互连,其中,机械层被大体上放置在所述压电层堆叠和所述下面的衬底之间。在步骤S1401中,提供衬底360,在所述衬底360上制造所述PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲区或障壁层可被沉积在所述衬底360上。非晶形或多晶硅的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上,接着沉积金属层,例如镍层1275。所述镍层425可被图案化和蚀刻以暴露一或多个内牺牲区425i和外牺牲区425o(未示出),其中,所述蚀刻剂在所述牺牲层425上停止。在步骤S1402中,所述镍层1275和下面的牺牲层425可在高温环境中反应以局部形成硅化物层1276,例如镍硅化物。所述硅化物层1276的部分可形成所述锚定结构470的锚定部分474。在步骤S1403中,可沉积多层堆叠,所述多层堆叠包含薄障壁层476、机械层430、可充当晶种层的所述压电堆叠410的第一层411、下部电极层412、压电层415和上部电极层414。所述上部电极层414可被图案化和蚀刻以形成与所述压电层415电接触的上部电极414a和414b。在步骤S1404中,所述压电层415可被图案化和蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1405中,所述下部电极层412可连同所述下面的晶种层411被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止。在步骤S1406中,电介质隔离层416可被沉积、图案化和蚀刻以形成分别暴露所述上部电极层414和下部电极层412的部分的电气通孔416a和416b。

工艺流程1400在图14B中通过金属互连层418在步骤S1407中的沉积、图案化和蚀刻而继续。所述金属互连层418可通过电气通孔416a和416b分别提供至上部电极层414的部分的电气迹线和电触点418a和至下部电极层412的部分的电触点418b。在步骤S1408中,一或多个凹部422任选地在机械层430中形成。在图14B中用于凹部422a和422b的虚线指示当它们被使用时的位置可在不直接在所述压电层堆叠410的非蚀刻部分下面的区中形成。在步骤S1409中,所述机械层430和其它层的部分可被图案化和蚀刻(未示出)以提供对牺牲区425i和425o的接近。在所述牺牲层425中选择性去除所暴露的牺牲材料产生一或多个空腔420的形成。释放孔、释放通道和所述牺牲蚀刻工艺的更多细节可关于上面的图4A-B来发现。具有热可分解牺牲材料的实施方案可能不需要通过释放孔和释放通道对空腔420的直接接近,如关于图4A-B所述。在步骤S1410中,钝化层432可被沉积在所述互连层418和所述下部电极层412以及上部电极层414的暴露部分上面。任选地,一或多个上部凹部432a可在所述钝化层432中形成。在步骤S1411中,一或多个接触衬垫开口或通孔434a和434b可穿过所述钝化层432被图案化和蚀刻,以提供对下面的金属特征,例如在金属互连层418中的粘合垫的接近。

图15A和15B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1500利用用于PMUT的两层金属互连,其中,机械层大体上被放置在所述压电层堆叠和所述下面的衬底之间。在第一步骤S1501中,提供衬底360,在所述衬底上制造所述PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲层可被沉积在所述衬底360上。牺牲材料的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上。所述牺牲层425可被图案化和蚀刻以形成一或多个内牺牲区425i和外牺牲区425o(未示出),其中,蚀刻剂在所述下面的缓冲层或衬底上停止。在步骤S1502a中,所述锚定结构470的锚定部分474可被沉积到所述缓冲层以及所述牺牲区上,接着使用CMP使其变薄以形成大体上平面的表面,同时保留在所述牺牲区上面的小部分474i,如在步骤S1502b中所示。在步骤S1504中,多层堆叠可被沉积,所述多层堆叠包含机械层430、可充当晶种层的所述压电堆叠410的第一层411、下部电极层412和压电层415。所述压电层415可被图案化和蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1505中,所述下部电极层412和所述下面的晶种层411可被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止。在步骤S1506中,电介质隔离层416可被沉积、图案化和蚀刻以形成分别暴露所述压电层415和下部电极层412的部分的电气通孔416a和416b。另选地,在所述上部电极层414和所述压电层415的下面的部分之间的电耦合可通过所述电介质隔离层416电容性实现,从而允许激励和检测来自压电层415的挠曲运动和振动的超声波而无需直接电接触,如下面关于步骤S1507所述。在此实施方案中,一或多个电气通孔416a可被省略并且所述电介质隔离层416将不在所述通孔区(未示出)中被蚀刻。

工艺流程1500在图15B中通过金属互连层418在步骤S1507中的沉积、图案化和蚀刻而继续。所述金属互连层418可通过电气通孔416a和416b分别提供至压电层415的部分的电气迹线和电触点418a和至下部电极层412的部分的电触点418b。在关于步骤S1506所述的电容耦合实施方案中,所述金属互连层418可与所述压电层415介电隔离,并且一或多个电气通孔416a被省略。在步骤S1508中,一或多个凹部422可在所述机械层430中形成。在步骤S1508中用于凹部422a和422b的虚线指示当它们被使用时的位置可在所述压电层堆叠410的蚀刻部分下面形成。在步骤S1509中,机械层430和其它层的部分可被图案化和蚀刻以提供对牺牲区425i的接近(未示出),这允许在所述牺牲层425中选择性去除所暴露的牺牲材料,从而产生一或多个空腔420的形成。在具有热可分解牺牲材料的一些实施方案中,可能不需要通过释放孔和释放通道对空腔420的直接接近,如上面关于图4A-B所述。在步骤S1510中,钝化层432可被沉积在所述互连层418和所述下部电极层412以及上部电极层414的暴露部分上面。任选地,一或多个上部凹部432a可在所述钝化层432中形成。在步骤S1511中,一或多个接触衬垫开口或通孔434a和434b可穿过所述钝化层432被图案化和蚀刻,以提供对下面的金属特征,例如在金属互连层418中的粘合垫的接近。

图16A和16B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1600利用如上关于图12的步骤S1202-S1204所述的基于硅化物的平面化方法的用于PMUT的两层的金属互连,其中,机械层被大体上放置在所述压电层堆叠和所述下面的衬底之间。在步骤S1601中,提供衬底360,在所述衬底360上制造所述PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲区或障壁层可被沉积在所述衬底360上。非晶形或多晶硅的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上,接着沉积金属层,例如镍层1275。所述镍层425可被图案化和蚀刻以暴露一或多个内牺牲区425i和外牺牲区425o(未示出),其中,所述蚀刻剂在所述牺牲层425上停止。在步骤S1602a中,所述镍层1275和下面的牺牲层425可在高温环境中反应以局部形成硅化物层1276,例如镍硅化物。所述硅化物层1276的部分可形成所述锚定结构470的锚定部分474。在步骤S1602b中,可沉积薄障壁层476。所述薄障壁层476的部分476i可驻留在所述牺牲区425i和425o上面。在步骤S1604中,可沉积多层堆叠,所述多层堆叠包含机械层430、可充当晶种层的所述压电堆叠410的第一层411、下部电极层412和压电层415。所述压电层415可被图案化和蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1605中,所述下部电极层412和所述下面的晶种层411可被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止。在步骤S1606中,电介质隔离层416可被沉积、图案化和蚀刻以形成分别暴露所述压电层415和下部电极层412的部分的电气通孔416a和416b。另选地,在所述上部电极层414和所述压电层415的下面的部分之间的电耦合可通过所述电介质隔离层416电容性实现,从而允许激励和检测来自压电层415的挠曲运动和振动的超声波而无需直接电接触,如下面关于步骤S1607所述。在此实施方案中,一或多个电气通孔416a可被省略并且所述电介质隔离层416将不在所述通孔区(未示出)中被蚀刻。

工艺流程1600在图16B中通过金属互连层418在步骤S1607中的沉积、图案化和蚀刻而继续。所述金属互连层418可通过电气通孔416a和416b分别提供至压电层415的部分的电气迹线和电触点418a和至下部电极层412的部分的电触点418b。在关于步骤S1606所述的电容耦合实施方案中,所述金属互连层418可与所述压电层415介电隔离,并且一或多个电气通孔416a被省略。在步骤S1608中,一或多个凹部422可在所述机械层430中形成。在步骤S1608中用于凹部422a和422b的虚线指示当它们被使用时的位置可在所述压电层堆叠410的蚀刻部分下面形成。在步骤S1609中,机械层430和其它层的部分可被图案化和蚀刻以提供对牺牲区425i的接近(未示出),这允许在所述牺牲层425中选择性去除所暴露的牺牲材料,从而产生一或多个空腔420的形成。在具有热可分解牺牲材料的一些实施方案中,可能不需要通过释放孔和释放通道对空腔420的直接接近,如上面关于图4A-B所述。在步骤S1610中,钝化层432可被沉积在所述互连层418和所述下部电极层412以及上部电极层414的暴露部分上面。任选地,一或多个上部凹部432a可在所述钝化层432中形成。在步骤S1611中,一或多个接触衬垫开口或通孔434a和434b可穿过所述钝化层432被图案化和蚀刻,以提供对下面的金属特征,例如在金属互连层418中的粘合垫的接近。

图17A和17B示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1700提供用于PMUT的三层金属互连,其中,机械层大体上被放置在所述压电层堆叠和所述下面的衬底之间,从而提供未被密封的PMUT,所述未被密封的PMUT随后可用层合或粘合的上部机械层(未在这里示出,但是在上面关于图6A-6E描述)密封。在第一步骤S1701中,提供衬底360,在所述衬底上制造所述PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲层可被沉积在所述衬底360上。牺牲材料的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上。所述牺牲层425可被图案化和蚀刻以形成一或多个内牺牲区425i,其中,蚀刻剂在所述下面的缓冲层或衬底上停止。在步骤S1702中,所述锚定结构470的锚定部分474,例如二氧化硅层可被沉积到所述缓冲层和所述牺牲区上,接着通过使用CMP使其变薄以形成大体上平面的表面,同时保留在所述牺牲区425i上面的所述二氧化硅层的小部分474i。在步骤S1703中,可沉积多层堆叠,所述多层堆叠包含机械层430、可充当晶种层的所述压电堆叠410的第一层411、下部电极层412、压电层415和上部电极层414。所述上部电极层可被图案化和蚀刻以形成与所述压电层415电接触的上部电极414a。在步骤S1704中,所述压电层415可被图案化和蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1705中,所述下部电极层412可连同所述下面的晶种层411被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止。在步骤S1706中,电介质隔离层416可被沉积、图案化和蚀刻以形成分别暴露所述上部电极层414和下部电极层412的部分的电气通孔416a和416b。

工艺流程1700在图17B中通过金属互连层418在步骤S1707中的沉积、图案化和蚀刻而继续。所述金属互连层418可通过电气通孔416a和416b分别提供至上部电极层414的部分的电气迹线和电触点418a和至下部电极层412的部分的电触点418b。在步骤S1708中,可在机械层430中形成一或多个凹部422。在步骤S1708中用于凹部422a和422b的虚线指示当它们被使用时的位置可在所述压电层堆叠410的蚀刻部分下面形成。在步骤S1709中,钝化层432可被沉积在所述互连层418和所述下部电极层412以及上部电极层414的暴露部分上面。任选地,一或多个上部凹部432a可在所述钝化层432中形成。在步骤S1710中,机械层430和其它层,例如电介质隔离层416的部分可被图案化和蚀刻以提供对牺牲区425i的接近,这允许选择性去除在所述牺牲层425中的暴露牺牲材料,从而产生一或多个空腔420的形成。而且,在步骤S1710中,一或多个接触衬垫开口或通孔434a和434b可穿过所述钝化层432被图案化和蚀刻,以提供对下面的金属特征例如结合垫的接近。在步骤S1711中,在牺牲区425i中的牺牲层425的暴露部分可被选择性蚀刻,在所述锚定部分474的暴露表面、第一层部分472以及衬底360上停止,并且产生一或多个空腔420的形成。在一些实施方案中,上部机械层630(未示出)可被层合或以其它方式粘合于所述PMUT的所述上表面,例如关于图6B所述。在一些实施方案中,上部机械层630可被耦合至微柱636的阵列(未示出),例如关于图6D所述。

图18示出用于制造PMUT的工艺流程的另一实例。工艺流程1800提供用于PMUT的两层金属互连,其中,机械层大体上被放置在压电层堆叠和下面的衬底之间,从而提供未被密封的PMUT,所述未被密封的PMUT随后可用层合或粘合的上部机械层(未在这里示出,而是在上面关于图6A-6E描述)密封。在第一步骤S1801中,提供衬底360,在所述衬底上制造PMUT。第一层部分472,例如氧化物缓冲层可被沉积在所述衬底360上。牺牲材料的牺牲层425可被沉积在所述缓冲层上。所述牺牲层425可被图案化和蚀刻以形成一或多个内牺牲区425i,其中,蚀刻剂在下面的缓冲层或衬底上停止。而且,在步骤S1801中,所述锚定结构470的锚定部分474,例如二氧化硅层可被沉积到所述缓冲层和所述牺牲区上,接着通过使用CMP使其变薄以形成大体上平面的表面,同时保留在牺牲区425i上面的二氧化硅层的小部分474i。在步骤S1802中,可沉积多层堆叠,所述多层堆叠包含机械层430、可充当晶种层的压电堆叠410的第一层411、下部电极层412、压电层415和上部电极层414。上部电极层414可被图案化和蚀刻以形成与所述压电层415电接触的上部电极414a。而且,在步骤S1802中,所述压电层415可被蚀刻,在所述下部电极层412上停止。在步骤S1803中,所述下部电极层412可连同下面的晶种层411一起被图案化和蚀刻,在所述机械层430上停止,以分别暴露所述上部电极层414的部分435a和下部电极层412的部分435b,以允许后续线接合或包含另外的互连层(未示出)。在步骤S1804中,机械层430和任何下面的层的部分可被图案化和蚀刻以形成一或多个释放孔430a并提供对牺牲区425i的接近。在步骤S1805中,在牺牲区425i中的牺牲层425的暴露部分可被选择性蚀刻,从而导致形成一或多个空腔420。在一些实施方案中,上部机械层630(未示出)可被层合或以其它方式粘合于PMUT的上表面,如关于图6B所述。在一些实施方案中,上部机械层630可被耦合至微柱636的阵列(未示出),如关于图6D所述。

因此,已公开具有被安置在压电层堆叠上面或下面、提供对下面空腔的密封的机械层的PMUT以及用于制造此PMUT的技术。应了解,可考虑许多替代构形和制造技术。

如本文所使用,提及一列项目“中的至少一个”的短语是指那些项目的任何组合,包含单个成员。作为实例,“a、b或c中的至少一者”意在涵盖:a、b、c、a-b、a-c、b-c及a-b-c。

结合本文中揭示的实施方案描述的各种说明性逻辑、逻辑块、模块、电路及算法过程可实现为电子硬件、计算机软件或两者的组合。硬件与软件的互换性已大体在功能性方面加以描述,且在上文所描述的各种说明性组件、块、模块、电路及过程中加以说明。此类功能在硬件还是软件中实现取决于特定应用及强加于整个系统的设计约束。

结合本文中所揭示的方面描述的用以实现各种说明性逻辑、逻辑块、模块和电路的硬件和数据处理设备可通过以下各者来实现或执行:通用单芯片或多芯片处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或其它可编程逻辑器件、分立门或晶体管逻辑、分立硬件组件,或经设计以执行本文中所描述的功能的任何组合。通用处理器可以是微处理器或任何常规处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可实现为计算装置的组合,例如DSP与微处理器、多个微处理器、结合DSP核心的一或多个微处理器的组合,或任何其它此类配置。在一些实施方案中,特定过程及方法可由特定针对给定功能的电路执行。

在一或多个方面中,可以硬件、数字电子电路、计算机软件、固件(包含本说明书中所揭示的结构及其结构等效物)或以其任何组合来实现所描述的功能。本说明书中所描述的主题的实施方案也可实现为一或多个计算机程序,即,计算机程序指令的一或多个模块,所述计算机程序指令编码于计算机存储媒体上以供由数据处理设备执行或以控制数据处理设备的运行。

如果在软件中实现,则所述功能可作为一或多个指令或编码而存储于计算机可读媒体(例如,非暂时性媒体)上或经由所述计算机可读媒体传送。本文中所揭示的方法或算法的过程可以在可以驻留于计算机可读媒体上的处理器可执行软件模块中实现。计算机可读媒体包含计算机存储媒体及通信媒体两者,所述通信媒体包含可经启用以将计算机程序从一处传送到另一处的任何媒体。存储媒体可以是可通过计算机访问的任何可供使用的媒体。以实例说明而非限制,非暂时性媒体可包含RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储装置、磁盘存储装置或其它磁性存储装置,或可用于以指令或数据结构形式存储所要程序代码且可由计算机存取的任何其它媒体。而且,可将任何连接适当地称为计算机可读媒体。如本文所使用的磁盘和光盘包含压缩光盘(CD)、激光光盘、光学光盘、数字多功能光盘(DVD)、软盘和蓝光光盘,其中磁盘通常是以磁性方式再现数据,而光盘是用激光以光学方式再现数据。上述各者的组合也应包含在计算机可读媒体的范围内。另外,方法或算法的运行可作为代码及指令中的任一者或任何组合或集合而驻留在可并入到计算机程序产品中的机器可读媒体及计算机可读媒体上。

对于本领域的技术人员而言,本公开中所描述的实施方案的各种修改可为显而易见的,并且在不脱离本公开的精神或范围的情况下,本文中所定义的一般原理可适用于其它实施方案。因此,权力要求书并不旨在限于本文中所示的实施方案,而应符合与本公开、本文所揭示的原理及新颖特征相一致的最广泛范围。另外,本领域的技术人员将易于了解,术语“上部”和“下部”、“顶部”和“底部”、“前面”和“后面”以及“在上面”、“覆盖”、“在…上”和“下伏”有时为了易于描述各图而使用,并且指示与在适当取向页面上的图的取向对应的相对位置,且可能并不反映所实施装置的正确取向。

在本说明书中在单独实施方案的上下文中描述的某些特征也可以在单个实施方案中组合实现。相反地,在单个实施方案的上下文中描述的各种特征还可分开来在多个实施方案中实现或以任何合适的子组合来实现。此外,尽管上文可能将特征描述为以某些组合起作用且甚至最初按此主张,但在一些情况下,可将来自所主张的组合的一或多个特征从所述组合中删除,且所主张的组合可针对子组合或子组合的变化。

相似地,虽然在附图中按特定次序描绘操作,但此不应被理解为要求按所示的特定次序或按循序次序执行此类操作,或执行所有所说明的操作,以实现所要结果。另外,附图可能以流程图形式示意性地描绘一个以上实例过程。然而,可将未描绘的其它操作并入于经示意性说明的实例过程中。例如,可在所说明的操作中的任一者之前、之后、同时地或之间执行一或多个另外操作。在某些情况下,多任务处理及并行处理可能是有利的。此外,不应将上文所描述的实施方案中的各种系统组件的分离理解为所有实施方案中需要此分离,且应理解所描述程序组件及系统一般可一同整合在单个软件产品中或封装至多个软件产品中。另外,其它实施方案在所附权利要求书的范围内。在一些情况下,权利要求书中所叙述的动作可以不同次序来执行且仍实现所要结果。

再多了解一些
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