一种射频压电微机械超声换能器及其制备方法

本申请涉及压电微机械超声换能器的，特别是涉及一种射频压电微机械超声换能器及其制备方法。

背景技术：

1、随着超声成像技术的快速发展，在医疗方面应用广泛。医用超声设备的重要器件是超声换能器(ultrasonic transducer，ut)，可以用来发射又可以用来接收超声波的换能元件。

2、近年来，压电微机械超声换能器(piezoelectric micro-machined ultrasonictransducers，pmut)作为一种新型的mems器件逐渐受到人们的关注。pmut技术可通过压电材料的压电效应使压电薄膜振动，从而可以自发吸收超声波信号，具有发射效率高、灵敏度高、内阻小、无需高电压驱动等优点。此外，pmut具有器件结构简单、高度兼容标准的mems制造工艺、制造成本低、灵敏度高、信噪比高等优势，适合大规模应用。但是目前的pmut通常形成于成本较高的绝缘体上硅(silicon-on-insulator,soi)基底上，不仅制作成本高，还会存在信号线性度低、插入损耗高、低信号完整性差和信号失真度高等问题。

技术实现思路

1、本申请提供了一种射频压电微机械超声换能器及其制备方法，采用高阻值硅作为衬底，并且还增加了富缺陷氧化层和富缺陷层，提升了衬底结构的电阻率，并使得pmut有优异的射频性能，从而解决了pmut器件存在的制作成本高、信号线性度低、插入损耗高、低信号完整性差和信号失真度高等问题。

2、第一方面，本申请提供了一种射频压电微机械超声换能器的制备方法，包括：

3、提供硅衬底，在硅衬底上依次形成压电材料层和底部金属层，获得压电材料晶圆；

4、提供高阻硅衬底，在高阻硅衬底上依次形成富缺陷层、富缺陷氧化层和底部金属层，获得富缺陷层晶圆；

5、将压电材料晶圆和富缺陷层晶圆进行晶圆键合处理，形成射频压电微机械超声换能器，所述射频压电微机械超声换能器中的富缺陷层和富缺陷氧化层用于捕获射频压电微机械超声换能器中的游离寄生电荷，以使射频压电微机械超声换能器具有射频性能。

6、可选地，将压电材料晶圆和所述富缺陷层晶圆进行晶圆键合处理，形成射频压电微机械超声换能器，包括：

7、将压电材料晶圆和所述富缺陷层晶圆进行金属－金属直接晶圆键合处理，获得射频氧化物富缺陷层上金属mdol衬底结构；

8、根据射频mdol衬底结构形成射频压电微机械超声换能器。

9、可选地，将压电材料晶圆和富缺陷层晶圆进行金属－金属直接晶圆键合处理，获得射频mdol衬底结构，包括：

10、将压电材料晶圆的底部金属层和富缺陷层晶圆的底部金属层进行晶圆键合，以获得底部电极；

11、通过机械减薄方法、干法刻蚀方法或湿法刻蚀方法将硅衬底去除，获得射频mdol衬底结构。

12、可选地，根据射频mdol衬底结构形成射频压电微机械超声换能器，包括：

13、将射频mdol衬底结构中的顶部金属层和压电材料层进行刻蚀处理，形成台面结构；

14、将高阻硅衬底进行刻蚀处理，形成空腔的高阻硅衬底，以获得射频压电微机械超声换能器。

15、可选地，射频mdol衬底结构中的顶部金属层的获得过程，包括：

16、在硅衬底上形成压电材料层之前，形成顶部金属层，以获得顶部电极。

17、第二方面，本申请提供了一种射频压电微机械超声换能器，射频压电微机械超声换能器包括：

18、由下到上依次层叠的高阻硅衬底、富缺陷层、富缺陷氧化层、底部金属层、压电材料层和顶部金属层，所述高阻硅衬底为具有空腔的高阻硅衬底，所述富缺陷层和富缺陷氧化层用于捕获射频压电微机械超声换能器中的游离寄生电荷，以使射频压电微机械超声换能器具有射频性能。

19、可选地，高阻硅衬底通过刻蚀处理形成空腔。

20、可选地，压电材料层和顶部金属层通过刻蚀处理形成台面结构。

21、可选地，刻蚀处理至少包括以下方法中的一种：湿法刻蚀方法、干法刻蚀方法或者干法刻蚀方法与湿法刻蚀方法相结合的方法。

22、可选地，压电材料层为交替堆叠的多层压电材料结构。

23、由此可见，本申请具有如下有益效果：

24、本申请提供了一种射频压电微机械超声换能器的制备方法，由于高阻值硅衬底上具有富缺陷氧化层，可以起到soi晶圆中绝缘层的作用，因此可以采用高阻值硅替换原先soi基底作为射频压电微机械超声换能器的衬底，可以极大地简化了射频压电微机械超声换能器的制造流程，降低了制造成本；并且通过金属－金属直接晶圆键合的方式将硅衬底外延形成的压电材料晶圆转移到具有富缺陷氧化层的高阻值硅衬底上，富缺陷氧化层和富缺陷层均起到了捕获整个器件中游离寄生电荷的作用，提升了整个射频氧化物富缺陷层上金属(metal-on-defective oxide layer，mdol)衬底结构的电阻率，并使得射频压电微机械超声换能器有优异的射频性能，从而解决了pmut存在的信号线性度低、插入损耗高、低信号完整性差和信号失真度高等问题。

技术特征：

1.一种射频压电微机械超声换能器的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述压电材料晶圆和所述富缺陷层晶圆进行晶圆键合处理，形成射频压电微机械超声换能器，包括：

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述将所述压电材料晶圆和所述富缺陷层晶圆进行金属－金属直接晶圆键合处理，获得射频mdol衬底结构，包括：

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述射频mdol衬底结构形成射频压电微机械超声换能器，包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述射频mdol衬底结构中的顶部金属层的获得过程，包括：

6.一种射频压电微机械超声换能器，其特征在于，所述射频压电微机械超声换能器包括：

7.根据权利要求6所述的射频压电微机械超声换能器，其特征在于，所述高阻硅衬底通过刻蚀处理形成所述空腔。

8.根据权利要求6所述的射频压电微机械超声换能器，其特征在于，所述压电材料层和所述顶部金属层通过刻蚀处理形成台面结构。

9.根据权利要求7或8所述的射频压电微机械超声换能器，其特征在于，所述刻蚀处理至少包括以下方法中的一种：湿法刻蚀方法、干法刻蚀方法或者所述干法刻蚀方法与所述湿法刻蚀方法相结合的方法。

10.根据权利要求6所述的射频压电微机械超声换能器，其特征在于，所述压电材料层为交替堆叠的多层压电材料结构。

技术总结
本申请公开了一种射频压电微机械超声换能器及其制备方法，在上述方法中，采用高阻值硅替换原先SOI基底作为射频压电微机械超声换能器的衬底，可以极大地简化了射频压电微机械超声换能器的制造流程，降低了制造成本；并且通过金属－金属直接晶圆键合的方式将硅衬底外延形成的压电材料晶圆转移到具有富缺陷氧化层的高阻值硅衬底上，富缺陷氧化层和富缺陷层均起到了捕获整个器件中游离寄生电荷的作用，提升了整个射频MDOL衬底结构的电阻率，并使得射频压电微机械超声换能器有优异的射频性能，从而解决了PMUT存在的信号线性度低、插入损耗高、低信号完整性差和信号失真度高等问题。

技术研发人员：张雨康,何文,张巍,程令刚,李睿,广旸
受保护的技术使用者：首都医科大学附属北京天坛医院
技术研发日：
技术公布日：2024/5/10