电容式超声换能器的制备方法及电容式超声换能器与流程

本发明涉及超声换能器技术领域，特别涉及一种电容式超声换能器的制备方法及电容式超声换能器。

背景技术：

超声成像是指利用超声波束对目标物体进行探测，并对接收到的回波或透射波信号进行检测、存储等处理步骤后，根据不同的成像方式获得目标距离、轮廓以及内部结构等信息，最终以图像的方式将上述信息显示出来。超声换能器是超声成像的关键部件之一，作为一种换能装置，超声换能器的主要功能有：在发射阶段，换能器在激励信号作用下将输入的电能转换为机械能传递出去，实现超声波的发射；在接收阶段，换能器将声波转换为电信号，实现超声波的接收。

电容式微机械超声换能器(cmut)是近年来发展最为快速的一种超声波换能器，其具有结构简单、尺寸小，设计灵活，灵敏度高等优点。

技术实现要素：

本发明公开了一种电容式超声换能器的制备方法及电容式超声换能器，具体提供以下技术方案：

一种电容式超声换能器的制备方法，包括：

在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层的致密性小于所述第二牺牲层的致密性；

在所述第二牺牲层上形成振膜层，并在所述振膜层中形成过孔；

通过所述过孔对所述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀以形成空腔结构。

上述电容式超声换能器的制备方法中，在衬底基板上依次形成了第一牺牲层和第二牺牲层两层牺牲层，由于第一牺牲层(底层牺牲层)的致密性较小，即较疏松，腐蚀液在其内部流动扩散快、接触面积大，可迅速完成对该层(第一牺牲层)的腐蚀；并且，随着腐蚀液对第一牺牲层的腐蚀速度加快，腐蚀液与第二牺牲层(上层牺牲层)接触面积也逐步变大，可以对第二牺牲层进行大面积腐蚀，从而进一步提高第二牺牲层的腐蚀效率。另外，由于第二牺牲层(上层牺牲层)致密性较大，即较致密，可以使得在该膜层上形成的振膜层平整致密，进而可以保证电容式超声换能器的良率。综上所述，上述制备方法，可以在保证电容式超声换能器的制备良率的前提下，大大减小形成电容式超声换能器的空腔结构的时间，从而提高电容式超声换能器的制备效率。

可选的，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层的材料相同。

可选的，所述在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，具体包括：

通过第一次等离子体化学气相沉积工艺形成第一层sio2；

通过第二次等离子体化学气相沉积工艺在所述第一层sio2上形成第二层sio2，所述第二次等离子体化学气相沉积工艺相比于所述第一次等离子体化学气相沉积工艺的反应压强低、和/或射频功率高、和/或sih4气体流量高。

可选的，所述在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，具体包括：

采用金属有机化合物化学气相沉积工艺形成第一层zno；

采用磁控溅射工艺在所述第一层zno上形成第二层zno。

可选的，所述第一牺牲层的厚度大于所述第二牺牲层的厚度。

可选的，所述第一牺牲层与所述第二牺牲层的厚度之比为1.5～4。

可选的，所述第一牺牲层和所述第二牺牲层在衬底基板上的投影重合。

可选的，所述衬底基板包括玻璃衬底。

可选的，所述通过所述过孔对所述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀以形成空腔结构之后，还包括：

填充所述振膜层的所述过孔；

在所述振膜层上形成顶电极；所述顶电极在衬底基板上的投影位于所述空腔结构在衬底基板上的投影内，且与所述过孔在衬底基板上的投影没有交叠。

可选的，所述在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层之前，还包括：

在衬底基板上形成底电极；

在所述底电极上形成腐蚀停止层。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电容式超声换能器的制备方法流程图；

图2为本发明实施例提供的一种电容式超声换能器在制备形成振膜层后的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种电容式超声换能器的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种电容式超声换能器的制备方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：

步骤101，在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，所述第一牺牲层的致密性小于所述第二牺牲层的致密性；

步骤102，在所述第二牺牲层上形成振膜层，并在所述振膜层中形成过孔；

步骤103，通过所述过孔对所述第一牺牲层和第二牺牲层进行刻蚀以形成空腔结构。

上述制备方法具体可以为电容式微机械超声换能器(cmut)的制备方法，该制备方法中，如图2所示，在衬底基板1上依次形成了第一牺牲层21和第二牺牲层22两层牺牲层，由于第一牺牲层(底层牺牲层)21的致密性较小，即较疏松，腐蚀液在其内部流动扩散快、接触面积大，可迅速完成对该层(第一牺牲层21)的腐蚀；并且，随着腐蚀液对第一牺牲层21的腐蚀速度加快，腐蚀液与第二牺牲层(上层牺牲层)22接触面积也逐步变大，可以对第二牺牲层22进行大面积腐蚀，从而进一步提高第二牺牲层22的腐蚀效率。另外，由于第二牺牲层(上层牺牲层)22的致密性较大，即较致密，可以使得在该膜层上形成的振膜层3平整致密，进而可以保证电容式超声换能器的良率。综上所述，上述制备方法，可以在保证电容式超声换能器的制备良率的前提下，大大减小形成电容式超声换能器的空腔结构的时间，从而提高电容式超声换能器的制备效率。

具体的，膜层的致密性可用刻蚀速度来表示，腐蚀速率越低，薄膜越致密，即致密性越大；反之，越疏松，致密性越小。具体的，第一牺牲层的刻蚀速度可以是第二牺牲层刻蚀速度的2倍以上。

另外，膜层的致密性，具体表现为膜层中的孔隙率与孔径尺寸，孔隙率越小、孔径越小，则膜层致密性越好；反之，则膜层致密性越差。

具体的，本申请中，第一牺牲层的致密性小于第二牺牲层的致密性，第一牺牲层的孔隙率和孔径尺寸均较大，在原子力显微镜下具有较明显的孔洞结构，孔洞直径可以为大于100nm；第二牺牲层的孔隙率和孔径尺寸均较小，表面没有明显的孔洞结构，而是显示为许多尺寸相近的颗粒，均匀、致密地分布在膜面上，没有明显的缺陷。

一种具体的实施方式，如图2所示，第一牺牲层21和第二牺牲层22的材料相同。

具体地，第一牺牲层21和第二牺牲层22的材料可以选择氧化硅(sio2)或者氧化锌(zno)。

具体的，如图2和图3所示，步骤103中，具体可以采用湿法刻蚀工艺对所述第一牺牲层21和第二牺牲层22进行刻蚀以形成空腔结构20。

具体的，第一牺牲层21和第二牺牲层22的材料为sio2时，可以采用缓冲氧化物刻蚀液(boe，bufferedoxideetch)进行湿法刻蚀。第一牺牲层21和第二牺牲层22的材料为zno时，可以采用nh4cl水溶液进行湿法刻蚀。

一种具体的实施例中，步骤101，在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，具体可以包括：

通过第一次等离子体化学气相沉积工艺(pecvd)形成第一层sio2；

通过第二次等离子体化学气相沉积工艺在所述第一层sio2上形成第二层sio2，所述第二次等离子体化学气相沉积工艺相比于所述第一次等离子体化学气相沉积工艺的反应压强低、和/或射频功率高、和/或sih4气体流量高。

具体的，在等离子体化学气相沉积工艺(pecvd)中，降低反应压强、或者提升射频功率、或者提高sih4气体流量，均可以使得形成的sio2膜层致密性提高；进而，本申请实施例中，第一次等离子体化学气相沉积工艺(pecvd)时，可以设置为反应压强比较高、射频功率较低、sih4气体流量较低，此时，沉积形成的第一层sio2较疏松，致密性较小；而在第二次等离子体化学气相沉积工艺时，可以执行降低反应压强、提升射频功率、提高sih4气体流量中的一项或几项调整，以使得形成的第二层sio2的膜层较致密。

另一种具体的实施例中，步骤101，在衬底基板上依次形成第一牺牲层和第二牺牲层，具体可以包括：

采用金属有机化合物化学气相沉积工艺(mocvd)形成第一层zno；通过该工艺步骤获得的第一层zno膜层疏松性较好，致密性较差；

采用磁控溅射工艺(sputter)在所述第一层zno上沉积第二层zno。通过该工艺步骤获得的第二层zno致密性较好。

当然，本发明实施例中，第一牺牲层和第二牺牲层的材料和制备过程并不限于上述实施例，也可以通过其他材料或工艺流程来获得致密性不同的两层牺牲层。例如，还可以通过两次pecvd工艺分别形成两层sinx膜层，其中，第一次pecvd工艺中反应温度低于200℃，获得的第一层sinx膜层疏松性较好，第二次pecvd工艺中反应温度高于250℃，获得的第二层sinx膜层致密性较好。

一种具体的实施方式，如图2所示，所述第一牺牲层21的厚度大于所述第二牺牲层22的厚度。

具体的，第一牺牲层21的致密性小，刻蚀速度较快，将第一牺牲层21厚度设置为大于第二牺牲层22的厚度有利于降低刻蚀工艺时间，提高制备效率；但是，为了保证在第二牺牲层22上形成的振膜层3的平整致密性，第二牺牲层22的厚度也不能太薄。

具体的，第一牺牲层21与第二牺牲层22的厚度之比可以为1.5～4：1。

以中心频率为3.5mhz的电容式微机械超声换能器的制备过程为例，第一牺牲层21和第二牺牲层22的厚度之和可以为140nm左右，其中，第一牺牲层21厚度可以占两层厚度之和的80％，约为112nm，第二牺牲层22厚度可以占两层厚度之和的20％，约为28nm。

一种具体的实施方式，如图2和图3所示，所述第一牺牲层21在衬底基板1上的投影与所述第二牺牲层22在衬底基板1上的投影重合，这样，可以保证振膜层3完全形成在第二牺牲层22上，平整致密；并且，在第一牺牲层21刻蚀完成后，第二牺牲层22的底面可以与刻蚀液完全接触，从而可以加快第二牺牲层22的刻蚀速度，而且刻蚀形成的空腔结构20形状规则，边缘平整。另外，第一牺牲层21和第二牺牲层22的图形重合，则第一牺牲层21和第二牺牲层22的沉积过程可以共用一个掩膜板，可以有效节省成本。

一种具体的实施方式，所述衬底基板1包括玻璃衬底。

现有的cmut大多使用硅晶圆衬底(6寸大小，直径为150mm)，价格偏贵且尺寸较小，不利于量产；本发明实施例中，使用大尺寸的高温玻璃作为沉积膜层的衬底，有利于量产。

具体的，如图2和图3所示，在步骤101之前，即在衬底基板1上依次形成第一牺牲层21和第二牺牲层22之前，还包括以下步骤：

在衬底基板1上形成底电极4；

在底电极4上形成腐蚀停止层(绝缘层)5。

具体的，如图2和图3所示，在步骤103之后，即在通过所述过孔30对所述第一牺牲层21和第二牺牲层22进行刻蚀以形成空腔结构20之后，还包括以下步骤：

通过填充材料6填充所述振膜层3的所述过孔30；

在所述振膜层3上形成顶电极7。具体的，所述顶电极7在衬底基板1上的投影位于所述空腔结构20在衬底基板1上的投影内。

进一步地，如图3所示，制备完顶电极7之后，还可以包括以下步骤：在所述顶电极7上制备钝化层8。

具体的，本发明实施例提供的电容式超声换能器的制备方法大致可以包括以下流程：在衬底基板上沉积底电极→制备腐蚀停止层(绝缘层)→沉积牺牲层→形成振膜层并开设过孔→利用过孔刻蚀牺牲层以形成空腔→密封腐蚀孔→制作顶电极→沉积钝化层。

具体的，本申请实施例的制备方法中，还可以包括其它步骤，例如，如图3所示，在制备顶电极7之前在腐蚀停止层(绝缘层)5和振膜层3上开窗，以用于制备底电极4的引出线，这些步骤均可以采用常规工艺制作完成，在此不一一赘述。

具体的，如图3所示，底电极4与顶电极7之间形成电容结构，顶电极7位于振膜层3上，在声波作用下，顶电极7可随着振膜层3振动变形，导致电容结构上的电量变化，从而实现机械能到电能的转换。反之，也可以通过激励信号作用将输入的电能转换为机械能传递出去。

具体的，如图2和图3所示，振膜层3中设有多个过孔30以用于刻蚀牺牲层，所述顶电极7在衬底基板1上的投影与所述多个过孔30在衬底基板1上的投影没有交叠。这样，可以保证在振膜层3上形成的顶电极7平整致密，进而保证电容式超声换能器的良率。

具体的，如图2和图3所示，顶电极7的投影位于空腔结构20投影的中心区域，所述多个过孔30的投影可以围绕所述顶电极7的投影设置，且均匀分布。

另外，本发明实施例还提供一种电容式超声换能器，具体的，该电容式超声换能器采用如上述任一项所述的制备方法制备而成。

具体的，本发明实施例提供的电容式超声换能器(cmut)，可以在保证产品良率的前提下，大大减小形成cmut的空腔结构的时间，从而提高cmut的制备效率。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。