1随后被 去除。随后，CMUT晶片能够切成（单片化）多个CMUT装置芯片，每个包括一个或更多CMUT 元件，如一个示例性CMUT装置（CMUT阵列）包括多个CMUT元件，如CMUT元件中的每个包括 图IA和图IB中所示的多个CMUT单元100a，其具有电气共用可移动膜120b(顶部电极）。 CMUT装置/芯片能够被朝上接合，如接合在控制芯片上。
[0041] 图2G示出CMUT装置280,其包括具有在隔离区域131 (如沟槽）中的可选固态介 电填充物246的CMUT单元280a。用于固态介电填充物246的示例材料能够包括苯并环丁 烯（BCB)、聚苯并恶唑（PBO)、聚酰亚胺，或者模塑料材料（如环氧树脂），能够将隔离区域 131两端的击穿电压提高到超过3V/ym的沟槽宽度。
[0042] 图3示出根据一个示例实施例的示例CMUT装置（芯片）300,其包括多个CMUT元 件301-306,其中每个电容性MEMS元件包括在图IA和图IB中示为耦合在一起的CMUT单元 IOOa-IOOd的四个电容性MEMS感测单元100a。虽然所示的CMUT装置300具有6个CMUT 元件301-306,其中，每个CMUT元件包括4个CMUT单元100a-100d，但是所公开的CMUT装 置能够具有任意数量的CMUT元件，每个具有任意数量的CMUT单元。CMUT元件301-306能 够彼此电气隔离以允许每个CMUT元件被差分地驱动/感测以改善共模信号或消除制造非 对称性。
[0043] 所公开的CMUT装置的优点包括整个工艺使用仅4掩膜级。其他优点包括得到更小 的芯片尺寸而不需要常规的接合焊盘，常规的接合焊盘降低性能、增加芯片尺寸并且要求 引线接合到CMUT装置的顶侧上的超声传输表面（移动膜120b)的耦合件。所公开的CMUT 装置还简化封装操作，使得容易耦合到传递媒质，这降低封装费用。所公开的CMUT装置还 有助于控制芯片上堆叠CMUT芯片的选择，因为两个电极从CMUT装置的底侧接触。
[0044] 所公开的实施例能够用来形成半导体芯片，其可以集成到各种装配流以形成各种 不同装置和相关产品。本领域技术人员将理解，在所要求保护的本发明的范围内，可以对所 描述的实施例进行修改，以及许多其他实施例是可能的。
【主权项】
1. 一种电容式微机械超声换能器装置，即CMUT装置，其包括： 具有至少一个CMUT单元的至少一个CMUT元件，所述CMUT单元包括： 单晶材料的第一衬底，所述单晶材料具有小于〇. 1欧姆-厘米的电阻率，所述第一衬 底具有包括在其上的图形化介电层的顶侧，所述图形化介电层包括厚介电区域和薄介电区 域，并且所述第一衬底具有延伸所述第一衬底的整个厚度的贯穿衬底通孔即TSV，其中所述 TSV由所述单晶材料形成，其中所述TSV通过隔离区域与所述单晶材料的周围区域电气隔 离，并且所述TSV位于所述第一衬底的顶侧衬底接触区域下方； 膜层，所述膜层接合到所述厚介电区域并且在所述薄介电区域上方，以在微机电系统 腔体即MEMS腔体上提供可移动膜，和 顶侧金属层，所述顶侧金属层在所述顶侧衬底接触区域上方并且在所述可移动膜上 方，所述顶侧金属层包括将所述顶侧衬底接触区域耦合到所述可移动膜的部分。2. 根据权利要求1所述的装置，进一步包括在所述隔离区域中的固态介电填充物。3. 根据权利要求1所述的CMUT装置，进一步包括所述第一衬底的所述底侧表面上的图 形化金属层，所述图形化金属层包括接触所述TSV的底侧的第一图形化层部分和接触所述 TSV外侧的所述第一衬底的所述底侧的第二图形化层部分，其中所述第一衬底为所述CMUT 单元提供第三电极，从而能够3维即3D电容式感测所述CMUT装置。4. 根据权利要求1所述的装置，其中所述单晶材料包括单晶硅。5. 根据权利要求1所述的装置，其中所述CMUT装置包括多个所述CMUT元件，其中所述 多个CMUT元件中的每个包括多个所述CMUT单元，其中所述多个CMUT元件中的每个内的所 有所述可移动膜被连接在一起，以便通过接触所述TSV，所述多个CMUT元件的每个中的所 述可移动膜全部都可寻址。6. 根据权利要求1所述的装置，进一步包括至少一个介电钝化层，所述介电钝化层在 所述CMUT装置的顶部上，包括在所述顶侧金属层上方。7. 根据权利要求1所述的装置，其中所述膜层是接合到所述厚介电区域的真空熔化 物。8. -种形成电容式微机械超声换能器装置即CMUT装置的方法，所述CMUT装置包括具 有至少一个CMUT单元的至少一个CMUT元件，所述方法包括： 形成图形化介电层，所述图形化介电层包括第一衬底的顶侧上的厚介电区域和薄介 电区域，所述薄介电区域包括所述第一衬底的顶面上的顶侧衬底接触区域上方的薄介电区 域，其中所述第一衬底包括单晶材料，并且其中所述单晶材料具有小于〇. 1欧姆厘米的电 阻率； 将第二衬底接合到所述厚介电区域以提供至少一个密封的微机电系统腔体即MEMS腔 体； 使所述第二衬底变薄以降低所述第二衬底的厚度，从而提供膜层； 刻蚀所述膜层以在所述MEMS腔体上方形成可移动膜并去除所述顶侧衬底接触区域上 方的所述膜层； 去除来自所述顶侧衬底接触区域上方的所述薄介电区域； 在所述顶侧衬底接触区域上方以及在所述可移动膜上方形成顶侧金属层，所述顶侧金 属层包括将所述顶侧衬底接触区域耦合到所述可移动膜的迹线部分，以及 从所述第一衬底的底侧表面，刻蚀以打开所述单晶材料周围的隔离沟槽，从而至少在 所述顶侧衬底接触区域下方形成所述单晶材料的贯穿衬底通孔插塞即TSV插塞，所述TSV 插塞与所述单晶材料的周围区域电气隔离。9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述形成所述图形化介电层包括高压氧化生长工 艺，即HiPOx生长工艺。10. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述第一衬底的所述底侧表面上形成 图形化金属层，所述图形化金属层包括接触所述TSV的底侧的第一图形化层部分和接触所 述TSV外侧的所述第一衬底的所述底侧的第二图形化层部分。11. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括利用固态介电材料填充所述隔离沟槽。12. 根据权利要求8所述的方法，其中所述单晶材料包括单晶硅。13. 根据权利要求8所述的方法，其中所述CMUT装置包括多个所述CMUT元件，其中所 述多个所述CMUT元件中的每个包括多个所述CMUT单元，其中所述多个所述CMUT元件的每 个中的所有所述可移动膜被连接在一起，以便通过接触所述TSV，所述多个所述CMUT元件 的每个中的所述可移动膜全都可寻址。14. 根据权利要求8所述的方法，进一步包括在所述CMUT装置的顶部上沉积至少一个 介电钝化层，包括在所述顶侧金属层上方。15. 根据权利要求8所述的方法，其中，所述接合包括真空熔化接合。16. 根据权利要求8所述的方法，其中所述接合所述第二衬底包括接合绝缘体上半导 体衬底即SOI衬底的所述膜层，所述SOI衬底具有手柄和所述手柄和所述膜层之间的掩埋 介电层，并且所述使所述第二衬底变薄包括去除所述手柄然后去除所述掩埋介电层。17. -种形成电容式微机械超声换能器装置即CMUT装置的方法，所述CMUT装置包括具 有至少一个CMUT单元的至少一个CMUT元件，所述方法包括： 形成图形化介电层，所述图形化介电层包括第一衬底的顶侧上的厚介电区域和薄介 电区域，所述薄介电区域包括所述第一衬底的顶面上的顶侧衬底接触区域上方的薄介电区 域，其中所述第一衬底包括单晶材料，并且其中所述单晶材料具有小于〇. 1欧姆-厘米的电 阻率； 将绝缘体上半导体衬底即SOI衬底的膜层真空熔化接合到所述厚介电区域以提供至 少一个密封的微机电系统腔体即MEMS腔体，所述SOI衬底具有掩埋介电层和与所述膜层相 对的手柄； 去除所述SOI衬底的所述手柄； 刻蚀所述膜层以在所述MEMS腔体上方形成可移动膜并去除所述顶侧衬底接触区域上 方的所述膜层； 去除来自所述顶侧衬底接触区域上方的所述薄介电区域； 在所述顶侧衬底接触区域上方和所述可移动膜上方形成顶侧金属层，所述顶侧金属层 包括将所述顶侧衬底接触区域耦合到所述可移动膜的迹线部分，以及 从所述第一衬底的底侧表面，刻蚀以打开所述单晶材料周围的隔离沟槽，从而至少在 所述顶侧衬底接触区域下方形成所述单晶材料的贯穿衬底通孔插塞即TSV插塞，所述TSV 插塞与所述单晶材料的周围区域电气隔离。18. 根据权利要求17所述的方法，其中所述单晶材料包括单晶硅。
【专利摘要】一种电容式微机械超声换能器(CMUT)装置100包括至少一个CMUT单元100a，其包括：单晶材料的第一衬底101，第一衬底101具有包括在其上的图形化介电层的顶侧，图形化介电层包括厚介电区域106和薄介电区域107；和延伸第一衬底的整个厚度的贯穿衬底通孔(TSV)111。TSV由单晶材料形成、并且由单晶材料中的隔离区域131电气隔离，而且位于第一衬底的顶侧接触区域102a下方。膜层120b接合到厚介电区域并且在薄介电区域上方，以在微机电系统(MEMS)腔体114上方提供可移动膜。金属层161在顶侧衬底接触区域上方并且在可移动膜上方，其包括顶侧衬底接触区域到可移动膜的耦合件。
【IPC分类】B06B1/02
【公开号】CN105073280
【申请号】CN201480009849
【发明人】P·B·约翰逊, I·O·伍感特
【申请人】德克萨斯仪器股份有限公司
【公开日】2015年11月18日
【申请日】2014年2月27日
【公告号】US20140239768, WO2014134296A1