本发明涉及用于制造微加工电容式超声传感器或称CMUT(电容式微加工超声 传感器)和相关的CMUT装置的表面微机械工艺，该工艺能以简单、可靠且便宜的 方式制造具有均匀且基本无孔的结构薄膜、以极高的频率且效率和灵敏度很高地工 作的CMUT，且其电触点位于CMUT的背部，相对于常规的工艺该工艺需要的光 刻掩模的数量减少。

上世纪下半叶开发了许多能够从周围装置和人体获得信息的回波描记术系 统，它们基于超声频率下的弹性波的使用。

目前，这些系统的性能极限由能够生成并检测超声波的装置决定。由于微电 子和数字信号处理的巨大的发展，频带和灵敏度以及这些系统的成本基本由一般称 为超声传感器(UT)的专用装置决定。

大部分UT由压电陶瓷制成。当超声用于从固体材料获得信息时，使用单独的 压电陶瓷是足够的，因为其声阻抗与固体的声阻抗的数量级相同。另一方面，在大 部分应用中，需要在流体中生成并接收，因此压电陶瓷是不足的，因为在它和流体 以及人体的组织之间存在很大的阻抗失配。

为了提高UT的性能，开发了两种技术：匹配适当的声阻抗层以及复合陶瓷。 关于第一种技术，通过厚度等于波长的四分之一的一层或多层适当的材料将低的声 阻抗耦合到陶瓷的高得多的阻抗上；关于第二种技术，试图通过形成由这种活性材 料和具有较低的声阻抗的惰性材料(一般是环氧树脂)制成的复合物来降低压电陶 瓷的声阻抗。现在同时使用这两种技术，极大地增加了这些装置的复杂性因此增加 了成本并降低了可靠性。同样，现在的多元件压电传感器关于几何形状方面具有很 大的限制，因为单个元件的尺寸必须是波长数量级(毫米的分数)，并且对于布线也 有很大限制，因为元件的数量很大，在阵列多元件传感器的情况下元件数量多达几 千。

为了解决这些问题，开发了静电效应，对于制造超声传感器这是对压电效应 的有效的可选方式。由一般在金属板(也称为后板或“背板”)上展开的金属化薄膜 (聚酯薄膜)制成的静电超声传感器从1950年以后已被用于在空气中发射超声，而 用这种装置在水中发射的第一次尝试是在1972年。这些装置基于施加在膜上的静 电吸引力，在将交替的电压施加到膜与背板之间时膜因此而弯曲地振动；在接收期 间，当膜被设置成由入射于其上的声波来振动中时，由膜移动引起的电容量调制用 于检测该波。

这些装置的谐振频率由膜的拉应力、其侧面尺寸和厚度以及背板的表面粗糙 度控制。一般对于空气中的发射，当背板表面是通过车削或铣削机械加工获得的时， 谐振频率的数量级是几百KHz。

为了增加谐振频率并控制它的值，开发了采用适当掺杂以使其导电的硅背板 的传感器，该硅背板的表面呈现出通过微加工(即，通过掩模和化学蚀刻)获得的具 有截头棱锥形状的测微孔的精细结构。以这种类型的称为“体微加工超声传感器” 的传感器，得到了用于在水中发射的约1MHz的最大频率和约80％的带宽。然而， 这些装置的特性强烈地取决于施加到膜上的不易控制的拉力。

最近开发了新一代的微加工硅电容式超声传感器，它们被称为“表面微加工 超声传感器”或者称为电容式微加工超声传感器(CMUT)。例如，X.Jin，I.Ladabaum， F.L.Degertekin，S.Calmes以及B.T.Khuri-Yakub在“Fabrication and characterization of surface micromachined capacitive ultrasonic immersion transducers” 中J.Microelectromech.Syst，第8(1)卷，第100-114页，1998年9月；X.Jin，I. Ladabaum和B.T.Khuri-Yakub在“The microfabrication of capacitive ultrasonic Transducers”Journal of Microelectromechanical Systems，第7卷第3册，第295-302 页，1998年9月；I.Ladabaum，X.Jin，H.T.Soh，A.Atalar和B.T.Khuri-Yakub 在“Surface micromachined capacitive ultrasonic transducers”IEEE Trans.Ultrason. Ferroelect.Freq.Contr，第45卷，第678-690页，1998年5月；I.Ladabaum等人 的美国专利第US 5,870,351号；I.Ladabaum等人的美国专利第US 5,894,452号； 以及R.A.Noble，R.J.Bozeat，T.J.Robertson，D.R.Billson和D.A.Hutchins在 “Novel silicon nitride micromachined wide bandwidth ultrasonic transducers”IEEE Ultrasonics Symposium国际标准图书编号：0-7803-4095-7，1998年中，均描述了 CMUT和通过硅微加工技术制造的相关的工艺。

这些传感器由通过表面微加工获得的并联电连接以便同相驱动的静电微单元 的二维阵列形成。为了获得能够在1-15MHz范围内工作的传感器，一般在很多用 于非破坏性测试和医学诊断的回波描记术应用中，每一个单元的微膜横向尺寸的数 量级是10微米；此外，为了具有足够的灵敏度，制造多元件传感器的一般元件所 需的单元的数量约是几千。

用于制造CMUT传感器的工艺基于硅微加工的使用。为了制造CMUT传感器 的基础结构，即每一个都具有在固定电极(下电极)上展开的金属化膜的微单元的阵 列，一般使用六次薄膜沉积和六个光刻步骤。

装置生长在硅衬底的氧化表面上。微单元的下电极通过沉积在硅衬底的氧化 层上的金属层的光刻蚀刻来获得。由此获得的电极通过一般用PECVD技术沉积的 一薄层氮化硅来保护。

为了获得微单元结构，在氮化硅层上通过蒸镀来沉积牺牲层(例如，铬)。通过 新的光刻步骤，牺牲层被蚀刻成形成一组圆形的岛，它将限定各单个微单元的膜下 的空腔。然后将氮化硅层沉积在衬底的整个表面上以便覆盖牺牲材料的圆形岛的表 面。该层将构成各单个微单元的膜。

事实上，这些膜是通过穿过小孔起作用的牺牲层的湿法蚀刻来释放的，小孔 是通过利用反应离子的干法蚀刻或RIE(反应离子蚀刻)蚀刻穿过该膜(换言之穿过 覆盖牺牲材料的岛的氮化硅层)形成的。

图1示出通过扫描电子显微镜或SEM获得的悬浮在空腔之上的氮化硅膜的一 截面的图像。应注意相对于厚度长度极长的空腔的典型的形状。

该技术的关键步骤是穿过微膜形成排空牺牲材料的空腔所必需的孔的不可缺 少的闭合。这些孔的闭合即使在功能的观点上(声波的发射和接收)是不必要的，但 在实际应用中却是不可缺少的，用于防止空腔被液体和湿气填充而造成性能明显衰 退。

为此，随后沉积使得孔闭合而不过度地穿入膜的有效部分下的厚度的氮化硅。 然后将沉积在膜上的氮化物层去除以免改变膜厚，膜厚是强烈影响装置性能的参 数。

为了完成装置，沉积一层铝，它随后通过光刻来蚀刻，以形成微膜的上电极 和相关的电互连。最后，将一薄层氮化硅沉积在装置上以使其钝化并使其与外部环 境绝缘。

图2示出通过光学显微镜获得的完成的装置的一部分的图像。因为氮化物是 透明的，所以可发现其上悬浮膜的微空腔1、闭合的排空孔2、半径小于膜的半径 的电极3以及最后的电互连4。

然而，通过微加工制造CMUT传感器的常规的工艺存在某些限制。

首先，在膜表面上形成的去除牺牲材料所必须的孔干扰膜的均匀度。

此外，在释放膜后完成填充并密封孔很难。具体来说，这一步骤在用于制造 CMUT的整个过程中无疑是关键的，并且它通常被确定为装置的失败操作的可能 的原因。单单至少在与传播环境接触的结构膜上的消除孔就会产生明显的优点。

此外，同样如文献中所公开的，构成结构膜的氮化硅本质上多孔。关于所使 用的沉积方法研究了迄今为止在CMUT的技术工艺中使用的氮化物的孔隙率。事 实上，PECVD技术尽管提供其它优点(低温沉积和连续改变膜的机械特性的可能性) 但可产生了多孔的氮化物膜。通过增加氮化物厚度(由此降低膜的孔隙率)来解决该 问题的尝试是不令人满意的，因为它以不可接受的方式改变了膜的电-声特性。

然而，用于制造CMUT传感器的常规的工艺一般采用七个光刻掩模。如此大 量的掩模因而需要很长的时间来加工硅晶片。此外，在对准中引入误差的可能性同 样高。

最后，目前的技术提供存在于有效装置的同一面上的传感器连接焊盘。尽管 从简化的观点上这是最好的解决方案，但对于封装问题却不是如此。事实上，在这 种情况下的最好的方案提供存在于装置背部的触点。在这一点上，已有文献描述了 采用位于装置背面上的连接焊盘的CMUT装置，但为此目的的技术，已有技术用 于制造横穿过整个硅晶片的槽且使所得孔的内表面相关地金属化。

因此本发明的目的是提供一种用于制造微加工的电容式超声传感器的表面微 机械工艺，该工艺能以简单、可靠且便宜的方式来制造具有均匀且基本无孔的结构 膜、以极高的频率且效率和灵敏度很高地工作的CMUT，且其电触点位于CMUT 的背部。

因此本发明的另一个目的是提供相对于常规的制造工艺需要的光刻掩模的数 量减小的一种工艺。

用于制造一个或多个微加工的电容式超声传感器的表面微机械工艺是本发明 的特定的主题，微加工的电容式超声传感器中的每一个包括一个或多个静电微单 元，每一个静电微单元包括悬浮在导电衬底上方的导电弹性材料的膜，其特征在于 它包括以下步骤：

A.具有半成品，该半成品包括具有由第一层弹性材料覆盖的面的硅晶片；

B.在第一弹性材料层上和硅衬底的外部形成至少一个微单元的导电衬底，使 得它通过空腔来与第一弹性材料层分隔；以及

C.与所述至少一个微单元对应，从与由第一弹性材料层覆盖的面相对的面开 始挖开硅晶片，以露出第一弹性材料层的表面，由此，与所述至少一个微单元对应， 第一弹性材料层至少部分地集成到所述至少一个微单元的膜上。

较佳地根据本发明，覆盖硅晶片的所述面的第一层的材料包括氮化硅。

还根据本发明，覆盖硅晶片的所述面的第一层的氮化硅通过低压化学气相沉 积或称LPCVD沉积来获得。

仍根据本发明，硅晶片还包括在覆盖所述表面的第一弹性材料层之上的第一 金属层，由此导电弹性材料膜包括覆盖硅晶片的面的第一弹性材料层的至少一部分 和能够用作所述至少一个微单元的前电极的第一金属层的至少对应的一部分。

此外，根据本发明，步骤B还可包括：

B.1在覆盖硅晶片的所述面的第一弹性材料层上形成第一金属层，

由此导电弹性材料膜包括覆盖硅晶片的面的第一弹性材料层的至少一部分和 能够用作所述至少一个微单元的前电极的第一金属层的至少对应的一部分。

还根据本发明，第一金属层可通过蒸镀来形成。

仍根据本发明，第一金属层可包括金。

此外根据本发明，步骤B可包括：

B.2在第一金属层之上形成牺牲层；

B.3对于所述至少一个微单元，在牺牲层内限定对应的牺牲岛；

B.4在牺牲岛之上形成所述一个或多个微加工的电容式超声传感器的一层背 板；

B.5对应于牺牲岛在背板内形成至少一个孔；

B.6去除牺牲岛，由此形成所述至少一个微单元的空腔；

B.7形成密封共形层，用于通过至少一个从密封共形层获得的对应的密封盖来 密封所述至少一个孔。

还根据本发明，在步骤B.2中，牺牲层可通过蒸镀来形成。

仍根据本发明，牺牲层可包括铬。

此外根据本发明，步骤B.3中限定的牺牲岛可具有基本上圆形的形状。

还根据本发明，步骤B.3可通过光刻然后选择性蚀刻所述牺牲层来限定牺牲 岛，选择性蚀刻较佳的是湿法蚀刻。

仍根据本发明，在步骤B.4中，背板层可包括通过等离子体增强化学气相沉 积或称PECVD沉积来形成的氮化硅。

此外根据本发明，背板层可具有不小于400nm的厚度。

还根据本发明，在步骤B.5中，所述至少一个孔可通过光刻然后选择性蚀刻 所述背板层来形成。

仍根据本发明，在步骤B.6中，牺牲岛可通过选择性蚀刻来去除。

还根据本发明，在步骤B.7中，密封共形层可包括通过PECVD沉积形成的氮 化硅。

此外根据本发明，该工艺可包括在步骤B.4后和步骤B.7之前的以下步骤：

B.8对于所述至少一个微单元，在背板层之上形成对应的背金属电极。

还根据本发明，在步骤B.8中，背金属电极可通过形成第二共形金属层来形 成，第二共形金属层在之后通过光刻然后选择性蚀刻所述共形金属层来限定。

仍根据本发明，背金属电极可包括铝和钛的合金。

此外根据本发明，可在步骤B.5前实现步骤B.8。

还根据本发明，该工艺可包括就在步骤B.8后的以下步骤：

B.9用共形保护介电膜覆盖背金属电极。

仍根据本发明，共形保护介电膜可包括通过PECVD沉积形成的氮化硅。

此外根据本发明，在步骤B.5中，可形成一个或多个孔隙以露出对应于接触 所述至少一个微单元的前电极的一个或多个焊盘的区域。

还根据本发明，在步骤B.5中，所述一个或多个孔隙可通过光刻然后选择性 蚀刻来形成。

还根据本发明，该工艺还可包括在步骤B.7之后的以下步骤：

B.10形成用于露出对应于接触所述至少一个微单元的前电极一个或多个焊盘 的区域的一个或多个第一孔隙，以及用于露出对应于接触所述至少一个微单元的背 电极的一个或多个焊盘的区域的一个或多个第二孔隙。

此外，根据本发明，在步骤B.10中，所述一个或多个第一孔隙可通过光刻然 后选择性蚀刻来形成。

还根据本发明，该工艺还可包括在步骤B.10之后的以下步骤：

B.11焊接接触前电极的所述一个或多个焊盘中的至少一个上的以及接触背电 极的所述一个或多个焊盘中的至少一个上的各自的金属触点。

仍根据本发明，步骤C可包括硅晶片的各向异性蚀刻，该蚀刻较佳地在氢氧 化钾(KOH)中进行。

此外根据本发明，该工艺还可包括在步骤B后的以下步骤：

D.覆盖用较佳的是热固性树脂制成的保护层来覆盖所述至少一个微单元的导 电衬底。

还根据本发明，硅晶片与由第一弹性材料层覆盖的面相对的所述面可由第二 层弹性材料覆盖，且该工艺还可包括在步骤C之前的以下步骤：

E.与所述至少一个微单元对应在所述第二弹性材料层内形成的相应窗口。

仍根据本发明，第二层弹性材料可以与第一弹性材料层是相同的弹性材料。

此外，根据本发明，在步骤E中，窗口可通过光刻和选择性蚀刻第二弹性材 料层来形成。

还根据本发明，至少部分地集成到所述至少一个微单元的的所述膜上的第一 弹性材料层的厚度是1μm。

仍根据本发明，硅晶片可具有(100)类型的晶体学平面的晶向。

此外根据本发明，硅晶片可至少具有由光学抛光的第一弹性材料层覆盖的面。

本发明的另一个主题是微加工的电容式超声传感器，它包括一个或多个静电 微单元，每一个微单元包括悬浮在导电衬底上方的导电弹性材料的膜，其特征在于 它根据上述的表面微机械制造工艺来形成。

现在将根据较佳的实施例通过具体地参考附图作为说明而不是限制地描述本 发明，附图中：

图1示出根据现有技术的第一CMUT传感器的一部分的截面的SEM图像；

图2示出根据现有技术的第二CMUT传感器的一部分的SME俯视图像；

图3a-3c分别示意性地示出根据现有技术的第三CMUT传感器的截面，通过 根据本发明的工艺的较佳实施例获得的中间半成品的截面以及根据本发明的 CMUT传感器的较佳的实施例的截面；

图4-19示意性地示出根据本发明用于制造CMUT传感器的表面微机械工艺的 较佳的实施例的各步骤。

在以下的描述中相同的附图标记在图中用于指示相同的元件。

发明者开发了一种用于制造CMUT传感器的创新的工艺，它通过从背部而不 是如迄今为止按常规进行的从前部加工该装置。具体地，图3示意性地示出常规工 艺和根据本发明的工艺之间的不同。

如图3a所示，前面描述的用于微加工超声CMUT传感器的经典的技术在于通 过沉积和随后的蚀刻工艺来在硅晶片5上生长形成CMUT传感器的静电微单元的 二维阵列6。最后沉积的层是氮化硅层7，它将构成传感器振动膜，即，将与环境 接触的表面，而硅衬底5将构成该CMUT传感器的背部，用作机械支承件。

代替它，如图3b所示根据本发明的微制造工艺利用商用的硅衬底8，该硅衬 底8在至少一个面较佳的是两个面上由用低压化学气相沉积技术或称LPCVD沉积 法沉积的氮化硅的上层9和下层9’覆盖。根据本发明的工艺的特性是将覆盖衬底 8的两个最优质的氮化硅层9或9’中的一层用作传感器的发射膜。结果，仍通过 随后的沉积和蚀刻工艺，在来自上述的两层(即，在图3b中，上层9)的将用作传感 器微单元的发射膜的氮化硅层上生长形成CMUT传感器的微单元阵列6。换言之， 微单元阵列6在传感器的后部形成，且步骤的顺序相对于经典的技术是颠倒的。如 图3c所示，为了使氮化物膜和其中必须发射声辐射的环境的之间能接触，最后向 下挖硅衬底8直到露出用作传感器发射膜的氮化硅层9的正表面。

根据本发明的制造工艺的较佳实施例的步骤以下将参考图4-19来详细说明。

如图4所示，微加工工艺将上面和下面两个面都被各自的LPCVD氮化硅层9 和9’覆盖的硅晶片8用作开始的半成品10。半成品10可由厚度较佳的是约380μm、 在两个面上光学抛光然后由具有将形成的CMUT膜的期望的厚度(例如，1μm)的 LPCVD氮化硅的上层9和下层9’覆盖的硅晶片8获得。硅晶片8的晶体学平面 的晶向较佳的是(100)类型。

图5示出工艺的第一步包括在LPCVD氮化硅下层9’中形成窗口，该窗口的 面积等于要形成的传感器的面积。具体地说，窗口将包含构成CMUT传感器的元 件的一个或多个微单元二维阵列。与必须在晶片8的相对的面(上面)上形成的微单 元二维阵列适当对准的窗口11将构成硅衬底8的最后的各向异性蚀刻通过它进行 的通路，正如以下详细描述的。

一旦窗口11形成，晶片8的另一个面(上面)上进行下一个加工步骤。

具体地说，如图6所示，工艺包括较佳地通过蒸镀形成的位于氮化硅上层9 上的一层12的步骤，层12较佳的是金。金层12集成了将在整个晶片8上形成的 微单元的前电极(即与发射膜接触的层)。

然后，如图7所示，工艺包括较佳地仍通过蒸镀形成位于金层11上的铬的牺 牲层13的步骤。

如图8所示，工艺包括其中牺牲岛的图案较佳地通过光刻然后铬的湿法蚀刻 来在铬层中限定的步骤，以形成为每一个微单元形成直径较佳的是几十微米圆柱形 凸起14，在下一个操作步骤中它将构成对应的微单元的空腔。

图9示出加工然后将包括形成传感器背板所必需的厚度较佳的不小于400nm 的PECVD氮化硅层15的沉积。

如图10所示，下一步包括形成较佳的是铝和钛合金的金属层16的共形覆盖， 然后会对该层进行光刻限定，如图11所示，用于为每一个微单元形成背电极17(即， 与微单元空腔的底部接触的电极)，背电极17与之前由金层12形成的对应的前电 极分隔的距离等于铬牺牲岛14的厚度和背板氮化硅层15的厚度的和。

如图12所示，工艺然后包括用较佳的仍是以等离子体增强化学气相沉积技术 或称PECVD沉积法共形沉积在整个晶片表面上的氮化硅的保护介电膜18覆盖背 电极17的步骤。

工艺在此时需要通过去除牺牲岛14的铬来排空传感器微单元。结果，如图13 所示，进行较佳地通过光刻和蚀刻形成进入介电层18和氮化硅层15与铬牺牲岛 14对应的孔19的步骤。较佳地，这种孔19具有几微米的尺寸。此外，在这一步 骤中还通过形成适当的孔隙20限定了用于形成接触前电极金层12的焊盘的区域。

如图14所示，然后进行蚀刻铬的步骤，该步骤去除牺牲岛14并创建了微单 元空腔21。

然后，如图15所示，较佳地通过PECVD氮化硅的进一步的共形沉积来气密 密封由此获得的空腔21，该氮化硅的厚度足以形成用于封闭空腔21的盖22’，其 中该最后一层PECVD氮化硅由附图标记22指示。

图16示意性示出用于较佳地通过光刻和蚀刻最后的氮化硅层22形成孔隙20 和23的步骤，这是敞开分别接触前电极12和背电极17的焊盘所必需的。

图17示出下一步包括较佳地通过在氢氧化钾(KOH)中的湿法蚀刻来进行晶片 8的硅的各向异性蚀刻，用于去除与窗口11对应的所有的硅，其与开始半成品10 的背面上形成的空腔21对应。

如图18所示，然后进行分别在焊盘20和23上焊接传感器输出金属触点24 和25的步骤，它们相对于如此形成的CMUT传感器位于后部。

最后，如图19所示，整个装置背向由用作保护和机械支承件的热固化树脂层 26覆盖。具体地说，图19示出悬浮在空腔21之上的结合到开始半成品10的氮化 硅层9的振动膜27：与常规的CMUT传感器的膜不同，该膜没有破裂和/或孔。

由根据本发明的采用两个晶片表面和晶片体微加工技术的工艺提供的优点是 众多的。

首先，可将以LPCVD技术生长的基本没有任何孔隙并相对于通过PECVD技 术获得的氮化硅具有更好的机械特性的结构氮化硅用于振动膜。

此外，构成传感器单元的膜较佳的是平面的，没有任何可能损害其长时间机 械稳定性的破裂和孔。

而且，可自由地减小形成背板的氮化硅层15的厚度，同时随之减小前电极12 和背电极17之间的距离，能够形成以极高的频率工作的灵敏度和可靠性高的 CMUT传感器。

此外，用于与控制电子接口的焊接24和25的形成在传感器背部进行，由此 解决了常规的传感器的封装问题。具体地说，根据本发明的工艺不需要利用非常复 杂的封装技术，并且它使得制造的CMUT传感器和对应的(较佳地是柔性)印刷电 路之间的电连接能够通过所谓的倒装法接合技术来形成，其中传感器安装在各个印 刷电路上且焊盘朝向后者。

最后，根据本发明的工艺包括的光刻加工步骤的数量少于常规的工艺，仅有 五次光刻和五次薄膜沉积，由此使得所需的掩模的数量有利地减少。

以上描述了较佳的实施例并建议了本发明的某些修改，但应理解本领域的 技术人员可在不背离由以下权利要求限定的相关的保护范围的情况下进行其 它的改变和修改。