ПРЕДВАРИТЕЛЬНО СЖАТАЯ ЯЧЕЙКА ЕМКОСТНОГО МИКРООБРАБОТАННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ С НАПРЯЖЕННЫМ СЛОЕМ
PRE-COMPRESSED CELL OF CAPACITANCE MICRO-PROCESSED CONVERTER WITH STRESSED LAYER

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Изобретение относится к предварительно сжатой ячейке емкостного микрообработанного преобразователя, в частности к ячейке емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (cMUT) или к ячейке емкостного микрообработанного датчика давления и к способу ее изготовления.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Недавно были разработаны микрообработанные ультразвуковые преобразователи (MUT). Микрообработанные ультразвуковые преобразователи были изготовлены двумя подходами к проектированию, в одном с использованием полупроводникового слоя с пьезоэлектрическими свойствами (pMUT) и в другом - с использованием мембраны (или диафрагмы) и подложки с электродами (или электродными пластинами), образующими конденсатор, так называемый емкостный микрообработанный ультразвуковой преобразователь (cMUT).
Ячейка cMUT содержит полость под мембраной. Для приема ультразвуковых волн ультразвуковые волны заставляют мембрану перемещаться или колебаться, и может быть обнаружено изменение емкости между электродами. Тем самым ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Наоборот, электрический сигнал, подаваемый на электроды, заставляет мембрану перемещаться или колебаться и тем самым передавать ультразвуковые волны.
Первоначально ячейки cMUT были изготовлены для работы в так называемом "несжатом" режиме. Традиционная "несжатая" ячейка cMUT по существу является нелинейным устройством, где эффективность сильно зависит от напряжения смещения, прикладываемого между электродами.
Для того чтобы решить эту проблему, недавно были разработаны так называемые "предварительно сжатые" ячейки cMUT. В предварительно сжатой ячейке cMUT часть мембраны постоянно сжата или прикреплена к дну полости (или подложки). Выше определенного напряжения смещения эффективность предварительно сжатой ячейки cMUT по существу не зависит от напряжения смещения, что делает ячейку cMUT значительно более линейной.
В предварительно сжатой ячейке cMUT мембрана может быть сжата, используя различные способы, например используя электрическое или механическое сжатие.
Электрическое сжатие может, например, быть достигнуто, используя напряжение смещения. WO 2009/037655 A2 раскрывает способ изготовления cMUT, содержащий этапы, на которых обеспечивают практически завершенный cMUT, причем практически завершенный cMUT образует один или более элементов cMUT, которые включают: (i) слой подложки, (ii) электродную пластину, (iii) слой мембраны и (iv) кольцо электрода, образуют по меньшей мере одно отверстие в слое мембраны для каждого элемента cMUT, прикладывают напряжение смещения через мембрану и слои подложки одного или более элементов cMUT так, чтобы сжимать слой мембраны относительно слоя подложки, и закрепляют и уплотняют сжатый слой мембраны относительно слоя подложки путем нанесения слоя оболочки.
Механическое сжатие может, например, быть достигнуто, используя давление окружающего воздуха. WO 2010/097729 A1 раскрывает ячейку cMUT, содержащую подложку, первый электрод, прикрепленный к подложке, подвижную мембрану, образованную в разнесенном отношении к первому электроду, второй электрод, прикрепленный к мембране, и удерживающий элемент, перекрывающий подвижную мембрану, когда мембрана находится в предварительно сжатом состоянии, который действует так, чтобы удерживать мембрану в ее предварительно сжатом состоянии при отсутствии напряжения смещения. В одном примере удерживающий элемент покрывает ячейку преобразователя cMUT, пока мембрана приводится к предварительно сжатому состоянию путем приложения (атмосферного) давления к мембране.
Предварительно сжатые ячейки cMUT, которые раскрыты в WO 2010/097729 A1, были успешно изготовлены в виде низкочастотных ячеек cMUT, имеющих мембрану относительного большого диаметра. Давление сжатия было низким, и ячейки cMUT были предварительно сжаты под давлением окружающего воздуха (т.е. мембрана касается дна полости). Однако для высокочастотных ячеек cMUT удерживающий элемент, который раскрыт в WO 2010/097729 A1, не может быть применен, так как давление сжатия очень большое и может легко превышать, например, 5 бар или даже 10 бар. В этом случае удерживающий слой, который раскрыт в WO 2010/097729 A1, не является достаточно сильным, чтобы удерживать мембрану на месте. Таким образом, проблема с ячейками cMUT, которые раскрыты в WO 2010/097729 A1, заключается в том, что она является по существу решением с "большой мембраной", но не работает для высокочастотных ячеек cMUT, имеющих небольшой диаметр мембраны.
Существует необходимость улучшения такой предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя, в частности для высоких частот.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованной предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя и способа ее изготовления, в частности для высокочастотной предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя.
В первом аспекте настоящего изобретения представлена предварительно сжатая ячейка емкостного микрообработанного преобразователя, которая содержит подложку, мембрану, покрывающую суммарную площадь мембраны, причем между мембраной и подложкой образована полость, причем мембрана содержит отверстие и краевой участок, окружающий отверстие. Ячейка дополнительно содержит по меньшей мере часть напряженного слоя на мембране, причем напряженный слой имеет заданное значение напряжения относительно мембраны, напряженный слой выполнен с возможностью обеспечения изгибающего момента на мембране в направлении к подложке так, что краевой участок мембраны прижата к подложке.
В другом аспекте настоящего изобретения представлена предварительно сжатая ячейка емкостного микрообработанного преобразователя, которая содержит подложку, мембрану и полость, образованную между мембраной и подложкой, причем мембрана содержит отверстие и краевой участок, окружающий отверстие, причем краевой участок мембраны прижимается к подложке. Ячейка дополнительно содержит по меньшей мере часть напряженного слоя, образованного на мембране, причем напряженный слой имеет заданное напряжение или значение напряжения относительно мембраны.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения представлен способ изготовления предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя, причем способ содержит этапы, на которых обеспечивают подложку, обеспечивают мембрану, покрывающую суммарную площадь мембраны, причем между мембраной и подложкой образуют полость. Способ дополнительно содержит этапы, на которых обеспечивают напряженный слой на мембране, причем напряженный слой имеет заданное значение напряжения относительно мембраны, обеспечивают отверстие в мембране так, что мембрана содержит краевой участок, окружающий отверстие, напряженный слой выполнен с возможностью обеспечения изгибающего момента на мембране в направлении к подложке так, что краевой участок мембраны прижимается к подложке.
Основная идея изобретения заключается в обеспечении простого решения для обеспечения предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя, в частности высокочастотной предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя. Напряженный слой (или по меньшей мере его часть в конечной ячейке), имеющий определенное напряжение или значение напряжения относительно мембраны, присутствует или образован на мембране. Напряженный слой приспособлен для или выполнен с возможностью обеспечения изгибающего момента на мембране (или прогиба мембраны) в направлении к подложке так, что краевой участок мембраны прижимается к подложке. Другими словами, изгибающий момент достаточно большой, чтобы прижимать краевой участок к подложке. Напряженный слой используется для подведения краевого участка мембраны к подложке (или ко дну полости). Другими словами, напряженный слой вызывает изгибающий момент, который заставляет мембрану сжиматься (в частности изгибающий момент достаточно большой, чтобы сгибать мембрану к подложке или ко дну полости). В связи с этим напряженный слой заставляет мембрану сжиматься. В частности амплитуда прогиба, или неограниченный прогиб (т.е. при отсутствии подложки), должна превышать высоту полости (или расстояние зазора) так, что мембрана прижимается к подложке. В частности если напряженный слой расположен на стороне мембраны, обращенной от подложки, значение напряжения должно быть отрицательным, а значит, сжимающим напряжением или сжимающей силой. В этом случае напряженный слой имеет заданную величину сжимающего напряжения. Альтернативно, если напряженный слой расположен на стороне мембраны, обращенной к подложке, значение напряжения должно быть положительным, а значит растягивающим напряжением. В этом случае напряженный слой имеет заданную величину растягивающего напряжения.
В ячейке (образованной на мембране) наносится или вводится дополнительный напряженный слой, имеющий (намеренно созданное) определенное значение или уровень напряжения и предпочтительно определенное положение, чтобы заставлять мембрану сжиматься. Также положение напряженного слоя может помогать обеспечивать изгибающий момент на мембране в направлении к подложке (или создавать смещение мембраны в направлении к подложке). Значение напряжения и возможно также положение напряженного слоя могут быть выбраны так, что краевой участок мембраны прижимается к подложке, когда обеспечено отверстие в мембране. Напряженный слой может присутствовать временно (например, только во время изготовления) или присутствовать постоянно (например, в изготавливаемой конечной ячейке).
Предпочтительные варианты выполнения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что предложенный способ изготовления имеет подобные и/или идентичные предпочтительные варианты выполнения, что и предложенная ячейка, и которые определены в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном варианте выполнения напряженный слой продолжается за пределы суммарной площади мембраны. Таким образом, положение напряженного слоя обеспечивает изгибающий момент на мембране в направлении к подложке. Например, в случае ячейки и мембраны круглой формы суммарная площадь мембраны может быть определена диаметром мембраны (или полости). В таком случае внешний радиус напряженного слоя может быть больше, чем радиус суммарной площади мембраны.
В другом варианте выполнения напряженный слой содержит отверстие. Таким образом, отверстие в мембране может быть легко обеспечено (в частности в центре суммарной площади мембраны). Отверстие в напряженном слое может в частности находиться также в центре суммарной площади мембраны. Предпочтительно центр отверстия в напряженном слое и центр отверстия в мембране выровнены.
В качестве варианта этого варианта выполнения отверстие напряженного слоя больше, чем отверстие мембраны. Таким образом, положение напряженного слоя помогает обеспечивать изгибающий момент на мембране в направлении к подложке, в частности при использовании в совокупности с предыдущим вариантом выполнения. Такое отверстие напряженного слоя оказывает благоприятное влияние на профиль прогиба мембраны. Размер отверстия может быть оптимизирован так, чтобы достигать наибольшего эффекта. Например, в случае ячейки и мембраны круглой формы, внутренний радиус напряженного слоя (или край краевого участка) может быть больше, чем радиус отверстия мембраны.
В дополнительном варианте выполнения напряженный слой изготовлен из металла или металлического сплава. Эти материалы представлены для обеспечения требуемых значений напряжения простым образом.
В дополнительном варианте выполнения напряженный слой изготовлен из по меньшей мере одного материала, выбранного из группы, содержащей вольфрам (W), титановольфрамовый сплав (TiW), молибден (Mo) и молибден-хромовый сплав (MoCr). Эти материалы представлены для обеспечения требуемых значений напряжения предпочтительным образом, так как они обеспечивают высокую точку плавления. Из этих металлов (сплавов) значение напряжения может быть отрегулировано до необходимого значения.
Более того, в варианте выполнения давление сжатия мембраны больше 1 бара. В качестве варианта этого варианта выполнения давление сжатия мембраны больше 5 бар. В другом варианте этого варианта выполнения давление сжатия мембраны больше 10 бар. Мембрана, имеющая давление сжатия больше 1 бара (или 5 бар, или даже 10 бар) не сжимается под давлением окружающей среды, но напряженный слой необходим для обеспечения сжатия.
В другом варианте выполнения диаметр мембраны меньше 150 мкм, в частности меньше 100 мкм. Таким образом, обеспечена высокочастотная предварительно сжатая ячейка емкостного микрообработанного преобразователя. Центральная частота может, например, быть выше 8 МГц, в частности выше 10 МГц.
В дополнительном варианте выполнения ячейка дополнительно содержит заглушку, расположенную в отверстии мембраны, причем заглушка расположена только в подобласти суммарной площади мембраны, покрытой мембраной.
В дополнительном варианте выполнения ячейка дополнительно содержит покрывающий слой, расположенный на мембране и/или заглушке. Таким образом, может быть достигнуто соответствие толщины ячейки или мембраны определенной частоте резонанса ячейки (таким образом обеспечивая управление акустическим свойством) или рабочему диапазону. Также покрывающий слой может обеспечивать химическую пассивацию.
В другом варианте выполнения ячейка дополнительно содержит первый электрод на или в подложке и/или второй электрод на или в мембране. Таким образом, емкостная ячейка может быть обеспечена простым образом.
В дополнительном варианте выполнения второй электрод является кольцеобразным электродом. В другом варианте выполнения полость представляет собой кольцеобразную полость. В любом из этих вариантов выполнения ячейка может быть ячейкой круглой формы. Круглая форма является предпочтительной формой ячейки, так как она обеспечивает достаточно хорошее заполнение доступного пространства и/или очень мало типов колебаний более высокого порядка, в частности типов колебаний, которые конкурируют с требуемым типом для передаваемой энергии или создают нежелательное сигналы, которые делают неясными требуемые принимаемые сигналы.
В дополнительном варианте выполнения способ дополнительно содержит этап, на котором удаляют напряженный слой. Таким образом, обеспечивают ячейку, имеющую усовершенствованные термические характеристики, в частности являющуюся менее температурно-зависимой (например, если напряженный слой изготовлен из металла). В частности весь напряженный слой может быть удален или существенная часть напряженного слоя может быть удалена (например, оставляя только некоторые остатки напряженного слоя).
В другом варианте выполнения значение напряжения обеспечено, когда дополнительный слой обеспечен на мембране. Таким образом, значение напряжения может быть обеспечено простым образом.
В одном варианте выполнения ячейка представляет собой ячейку емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (cMUT) для передачи и/или приема ультразвуковых волн. В альтернативном варианте выполнения ячейка представляет собой ячейку емкостного микрообработанного преобразователя (или датчика) давления для измерения давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения будут ясны из и объяснены со ссылкой на вариант(ы) выполнения, описанный(е) далее. На следующих чертежах:
Фиг. 1 показывает схематическое поперечное сечение предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно первому варианту выполнения,
Фиг. 2 показывает схематическое поперечное сечение предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно второму варианту выполнения,
каждая из Фиг. 3a-3e показывает другой этап изготовления способа изготовления сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно первому варианту выполнения или второму варианту выполнения,
каждая из Фиг. 3f и 3g показывает этап изготовления способа изготовления предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно второму варианту выполнения,
Фиг. 4 показывает вид сверху набора масок для предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно варианту выполнения.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
c
Может быть показано, что давление сжатия P (т.е. статическое давление воздуха или воды, под которым мембрана только касается подложки или дна полости) равно:
, при этом
где g является высотой полости (также называемой зазором), r является радиусом мембраны, t является толщиной мембраны, E является модулем Юнга и ν является коэффициентом Пуассона.
c
4
Как может быть видно из вышеприведенной формулы, давление сжатия изменяется пропорционально как P~1/r, где r является радиусом мембраны. Меньший диаметр мембраны подразумевает гораздо более высокое давление сжатия. Для многих практических ультразвуковых устройств, например, для 10 МГц ультразвукового зонда, давление сжатия легко превышает 5 бар или даже 10 бар. Это в частности справедливо для высокочастотных ячеек, например, при центральных частотах около 8 МГц и выше. В таком случае удерживающий элемент или слой, который, например, раскрыт в WO 2010/097729, будет не в состоянии поддерживать сжатый режим.
Фиг. 1 показывает схематическое поперечное сечение предварительно сжатой ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя согласно первому варианту выполнения, и Фиг. 2 показывает схематическое поперечное сечение предварительно сжатой ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя согласно второму варианту выполнения. Ячейка 10, описанная здесь, может в частности быть высокочастотной предварительно сжатой ячейкой емкостного микрообработанного преобразователя, например, имеющей диаметр мембраны меньше 150 мкм (в частности меньше 100 мкм) и/или центральную частоту выше 8 МГц, в частности выше 10 МГц. Просто в качестве примера, ячейка преобразователя, имеющая частоту около 10 МГц, имеет диаметр мембраны около 60 мкм. Однако будет понятно, что ячейка, описанная здесь, также может применяться к более низким частотам.
Ячейка 10 на Фиг. 1 или Фиг. 2 содержит подложку 12. Подложка 12 может, например, быть изготовлена из кремния, но не ограничивается этим. Подложка 12 может, например, нести ASIC, которая электрически соединена с ячейкой 10 и обеспечивает внешнее электрическое соединение.
total
total
Ячейка 10 дополнительно содержит подвижную или гибкую мембрану 14 (или диафрагму), покрывающую суммарную площадь A мембраны (в одной плоскости с или параллельно подложке). Между мембраной 14 и подложкой 12 образована полость 20. Мембрана 14 содержит отверстие 15 и (внутренний) краевой участок 14a, окружающий отверстие 15. Внутренний краевой участок 15 образует ступень или выступ или гребень. Другими словами, верхняя поверхность краевого участка 14a выше, чем верхняя поверхность мембраны 14 (или ее электрода). Отверстие 15 мембраны 14 расположено в центре или в центральной области суммарной площади A мембраны. Краевой участок 14a прижимается к подложке 12, таким образом обеспечивая предварительно сжатую ячейку. Другими словами, краевой участок 14a (или мембрана 14) находится в контакте с подложкой 12 (или дном полости 20).
Ячейка 10 первого варианта выполнения, показанного на Фиг. 1, или второго варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, дополнительно содержит первый электрод 16, образованный на или в подложке 12, и второй электрод 18, образованный в (или встроенный в) мембране 14. Другими словами, подложка 12 содержит первый электрод в ней или на ней, и мембрана 14 содержит второй электрод 18 в ней. В частности первый электрод 16 можно рассматривать как часть подложки 12, и второй электрод 18 можно рассматривать как часть мембраны 14. Таким образом обеспечена емкостная ячейка. Ячейка 10 может в частности быть ячейкой емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя для передачи и/или приема ультразвуковых волн. Для приема ультразвуковых волн ультразвуковые волны заставляют мембрану 14 (и ее электрод 18) перемещаться или колебаться, и может быть обнаружено изменение емкости между первым электродом 16 и вторым электродом 18. Тем самым ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Наоборот, электрический сигнал, подаваемый на электроды 16, 18 заставляет мембрану 14 (и ее электрод 18) перемещаться или колебаться и тем самым передавать ультразвуковые волны. Альтернативно, ячейка также может быть любой другой подходящей ячейкой емкостного микрообработанного преобразователя, такой как, например, ячейка емкостного микрообработанного преобразователя (или датчика) давления для измерения давления.
В вариантах выполнения, описанных здесь, мембрана 14 содержит множество (например, два) слоев, в частности электрически изолирующих слоев или диэлектрических слоев (например, ONO-слои), имеющих второй электрод 18, встроенный в них или между ними. Просто в качестве примера, каждый ONO-слой может иметь толщину около 0,25 мкм, но не ограничивается этим. Дополнительно, просто в качестве примера, диаметр мембраны 14 может иметь значение между 25 и 150 мкм, в частности между 50 и 150 мкм, или между 40 и 90 мкм, или между 60 и 90 мкм. Также просто в качестве примера, высота полости (высота зазора) может иметь значение между 0,25 и 0,5 мкм. Однако будет понятно, что может использоваться любая другая подходящая мембрана (например, однослойная мембрана) или размеры. Дополнительно в вариантах выполнения, описанных здесь, второй (верхний) электрод 18 является кольцеобразным электродом (или электродом кольцевой формы), имеющим отверстие в его центре или в середине. Однако будет понятно, что может быть использован любой другой подходящий второй электрод.
По сравнению со вторым вариантом выполнения на Фиг. 2 ячейка 10 первого варианта выполнения на Фиг. 1 дополнительно содержит (постоянно) напряженный слой 17, образованный на мембране, причем напряженный слой 17 имеет заданное напряжение или значение напряжения (в частности не нулевое) относительно мембраны 14. Напряженный слой выполнен с возможностью обеспечения изгибающего момента (или усилия) на мембране 14 (и, таким образом, прогиба мембраны 14) в направлении к подложке 12 (вниз на Фиг. 1) так, что краевой участок 14a мембраны 14 прижимается к подложке 12. Изгибающий момент достаточно большой, чтобы прижимать краевой участок 14a к подложке 12. В первом варианте выполнения на Фиг. 1 напряженный слой 17 присутствует постоянно, а значит, присутствует в изготавливаемой конечной ячейке. Таким образом, в этом варианте выполнения напряженный слой 17 также является подвижным или гибким для того, чтобы иметь возможность перемещаться или колебаться вместе с мембраной 14.
total
total
В первом варианте выполнения на Фиг. 1 положение напряженного слоя 17 также помогает обеспечивать изгибающий момент (или прогиб) на мембране в направлении к подложке 12. Как может быть видно на Фиг. 1, напряженный слой 17 продолжается за пределы суммарной площади A мембраны. Напряженный слой 17 дополнительно содержит отверстие 19. Отверстие 19 в напряженном слое 17 находится в центре или в центральной области суммарной площади A мембраны и выровнено с отверстием 15 в мембране 14. Однако отверстие 19 напряженного слоя 17 больше, чем отверстие 15 мембраны 14.
Для выбора материала напряженного слоя многие материалы могут иметь внутреннее напряжение при осаждении, например, из-за химического состава, термической усадки между температурой осаждения и температурой окружающей среды или их совокупности. Когда слой материала осаждается, условия осаждения могут определять значение напряжения. Например, напряженный слой может быть осажден путем напыления (например, для осаждения металлического напряженного слоя). В таком случае, например, давление газа во время напыления может определять значение напряжения.
3
4
Напряженный слой 17 может в частности быть изготовлен из металла или металлического сплава, в частности из по меньшей мере одного материала, выбранного из группы, содержащей вольфрам (W), сплав титана и вольфрама (TiW), молибден (Mo) и молибден-хромовый сплав (MoCr). Эти материалы представлены для обеспечения требуемых значений напряжения предпочтительным образом, так как они обеспечивают высокую точку плавления. Из этих металлов (сплавов) значение напряжения может быть отрегулировано до необходимого значения. В другом примере напряженный слой 17 может быть изготовлен из совокупности сжимающего нитрида и слоя остановки травления (предпочтительно металла). Альтернативно, напряженный слой 17 также может быть изготовлен из неметаллического материала. Например, напряженный слой 17 может быть изготовлен из SiN (нитрида кремния), в частности осаждаемого в "условиях напряжения".
3
4
Например, напряженный слой 17 (например, изготовленный из SiN) может быть осажден путем плазменно-химического осаждения из паровой фазы. В качестве примера, если нитрид кремния осаждается в системе плазменно-химического осаждения из паровой фазы, и если рабочие параметры системы (такие как, например, давление(я), температура(ы), мощность плазмы, настройки RF или скорость(и) потока газа для обоих элементов) регулируются, соотношение Si к N может быть изменено (например, отклоняться от точного соотношения 3:4). Это может, например, использоваться, чтобы вызывать внутреннее напряжение в напряженном слое.
В варианте выполнения на Фиг. 1 напряженный слой 17 расположен на стороне мембраны 14, обращенной от подложки (сверху мембраны на Фиг. 1). Таким образом, для того, чтобы обеспечивать сжатое состояние, значение напряжения должно быть отрицательным, а значит, сжимающим напряжением. Другими словами, напряженный слой 17 на Фиг. 1 имеет заданную величину сжимающего напряжения. Однако будет понятно, что, альтернативно, напряженный слой также может быть расположен на стороне мембраны, обращенной к подложке. Кроме того, для того, чтобы обеспечивать сжатое состояние, значение напряжения должно быть положительным, а значит, растягивающим напряжением. В этом случае напряженный слой имеет заданную величину растягивающего напряжения.
20
20
c
Значение напряжения также зависит от геометрии, в частности толщины t мембраны, диаметра (или радиуса) мембраны и/или высоты h полости 20 (или также называемой величиной g зазора), а значит, необходимой величины прогиба. Значение напряжения в частности выбирается так, что амплитуда прогиба превышает (максимальную) высоту h полости 20 так, что мембрана 14 прижимается к подложке 12. Просто в качестве примера, значение напряжения может в несколько раз превышать 100 мегапаскалей (МПа). Металлы, приведенные выше, могут, например, быть применены до 1000 МПа. В частности давление P сжатия (смотри формулу выше) мембраны 14 (и ее электрода 18) может быть больше 1 бара или 5 бар или даже 10 бар.
20
Слои мембраны 14 (включая ее электрод 18), покрывающий слой 40 и в варианте выполнения на Фиг. 1 также напряженный слой 17 перемещаются или колеблются. Эти слои определяют общую жесткость мембраны или колебательного элемента. Общая жесткость вместе с диаметром мембраны и высотой h зазора является важным фактором для свойств преобразователя (например, частоты резонанса и электрического напряжения (сжатия)).
По сравнению с первым вариантом выполнения на Фиг. 1 ячейка второго варианта выполнения на Фиг. 2 не содержит напряженный слой в изготавливаемой конечной ячейке 10. Однако будет понятно, что такой напряженный слой может временно присутствовать, то есть, только во время изготовления и не в конечном изделии.
Второй вариант выполнения на Фиг. 2 является предпочтительным вариантом выполнения. Это будет объяснено далее. Когда металл используется в качестве напряженного слоя 17, значение напряжения будет также температурно-зависимым из-за разницы в коэффициенте теплового расширения. Если напряженный слой 17 будет оставаться в конечной ячейке 10 или в конечном изделии, результатом будут температурно-зависимые характеристики ячейки (в частности cMUT), которые могут вызывать тепловой дрейф, например, напряжения сжатия. По этой причине напряженный слой 17 удаляется в предпочтительном втором варианте выполнения на Фиг. 2. Если по акустическим причинам требуется дополнительный металлический слой (для улучшения акустического сопротивления мембраны), он должен быть добавлен, так как последний слой покрывает всю мембрану. Теперь тепловой дрейф, как ожидается, будет гораздо меньше (в теории он будет точно равен нулю, так как отсутствует момент).
В другом варианте выполнения (не показан) только часть (или остатки) напряженного слоя 17 может присутствовать в конечной ячейке 10 или конечном изделии. В этом случае напряженный слой 17 удаляется в значительной степени во время изготовления, но остатки напряженного слоя 17, в частности в центре ячейки, присутствуют (или по меньшей мере, вероятнее всего, будут видны).
sub
total
total
14
Ячейка 10 первого варианта выполнения, показанного на Фиг. 1, или второго варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, дополнительно содержит заглушку 30, расположенную в отверстии 15 мембраны 14. Заглушка 30 расположена только в подобласти А суммарной площади Амембраны, покрытой мембраной 14. Суммарная площадь А мембраны определена диаметром 2*R мембраны 14 (или полости 20). Заглушка 30 контактирует с или прикреплена к подложке 12. Заглушка 30 является стационарной (неподвижной). Высота и/или ширина заглушки 30 может(ут) определять прочность заглушки. Просто в качестве примера, может быть необходима минимальная высота порядка 1 мкм. Заглушка 30 может в частности быть изготовлена из нитрида. В другом примере заглушка 30 изготовлена из диоксида кремния или совокупности нитрида и диоксида кремния. Однако любой другой подходящий материал является возможным.
sub
sub
sub
В первом варианте выполнения на Фиг. 1 или во втором варианте выполнения на Фиг. 2 заглушка 30 имеет "грибообразную" форму. Таким образом, заглушка 30 содержит стволовой участок 30a, расположенный на (и в контакте с или прикрепленный к) подложке 12, и головной участок 30b, расположенный на (и в контакте с или прикрепленный к) краевом участке 14a мембраны. Подобласть А (в которой расположена заглушка 30) меньше, чем область, образованная отверстием кольцеобразного (или кольцевой формы) второго электрода 18. Другими словами, заглушка 30 (в подобласти А) находится внутри отверстия кольца электрода второго электрода 18. Причина состоит в том, что заглушка 30 является стационарной (неподвижной), и второй электрод 18 должен быть расположен в подвижной области мембраны 14. Если второй электрод 18 был расположен в неподвижной области (например, в подобласти A, где расположена заглушка 30), это будет занижать характеристики преобразования ячейки. Таким образом, в этом случае второй электрод 18 расположен в подвижной области мембраны 14, а не в неподвижной области так, что сохраняется хорошая характеристика преобразования ячейки.
Заглушка 30 расположена в или покрывает только подобласть суммарной площади мембраны и в связи с этим не является удерживающим слоем, располагаемым в или покрывающим всю суммарную площадь мембраны (и по возможности продолжающимся за пределы суммарной площади мембраны). В противоположность заглушке 30 такой удерживающий слой будет в некоторой степени подобен пружине, так как он будет удерживать мембрану у поверхности, но если к мембране прикладывается достаточно большое усилие (например, тянущее) в направлении вверх (от подложки), мембрана будет по-прежнему перемещаться. Это процесс будет обратимым. Можно себе представить, что, например, при давлении (1 бар) окружающей среды такой удерживающий слой будет достаточно сильным, чтобы удерживать мембрану, но в вакууме мембрана может быть освобождена. В противоположность этому заглушка 30 фактически крепит (или приковывает) мембрану к поверхности подложки. Единственным способом освободить мембрану будет сломать заглушку 30.
Если в случае второго варианта выполнения на Фиг. 2 напряженный слой 17 присутствует временно (только во время изготовления), как объяснено выше, заглушка 30 может содержать выемку, образованную удалением напряженного слоя 17. Это выемка представляет собой характерный рисунок в заглушке 30 (в частности, изготовленной из нитрида) в форме своего рода конструкции выступа, получаемый удалением напряженного слоя 17.
Ячейка 10 первого варианта выполнения, показанного на Фиг. 1, или второго варианта выполнения, показанного на Фиг. 2, дополнительно содержит покрывающий слой 40, расположенный на мембране 14 (или на напряженном слое 17) и на вставке 30. Покрывающий слой 40 также является подвижным или гибким для того, чтобы иметь возможность перемещаться или колебаться вместе с мембраной 14. Однако будет понятно, что такой покрывающий слой является возможным. В случае ячейки cMUT покрывающий слой 40 обеспечивает совпадение ячейка 10 или, конкретнее, толщины ячейки или мембраны с определенной частотой резонанса ячейки. В случае ячейки датчика давления покрывающий слой 40 обеспечивает совпадение с рабочим диапазоном. Дополнительно возможно, могут быть нанесены дополнительные слои или покрытия, такие как, например, покрытие из парилена-С или материала акустической линзы (например, кремния).
total
14
30
15
sub
total
Фиг. 4 показывает вид сверху набора масок (для травления) для предварительно сжатой ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя (или несколько слоев, включающих маску (для травления) или слой сетки) согласно варианту выполнения, в частности первому варианту выполнения или второму варианту выполнения, раскрытых выше. Как может быть видно на Фиг. 4, ячейка 10 является ячейкой круглой формы. Мембрана 14 в таком случае является кольцеобразной мембраной. В связи с этим суммарная площадь A мембраны представляет собой площадь круглой формы и определена (или ограничена) (наружным) диаметром 2*R мембраны 14. Заглушка 30 (не показана на Фиг. 4) максимального диаметра 2*R будет расположена в отверстии 15 (имеющем диаметр 2*R) мембраны 14, причем заглушка 30 расположена только в подобласти А (обозначенной пунктирной линией на Фиг. 4) суммарной площади А мембраны. Возможно, как показано на Фиг. 4, в дополнение к центральному отверстию 15 могут присутствовать несколько отверстий 50 травления (три отверстия 50 травления на Фиг. 4) на ободе мембраны 14.
18
total
total
На Фиг. 4 отверстие кольцеобразного второго электрода 18 имеет диаметр 2*R или также называемый внутренний диаметр второго электрода 18. В примере, показанном на Фиг. 4, наружный диаметр второго электрода 18 продолжается за пределы суммарной площади A мембраны. Другими словами, в этом примере наружный диаметр второго электрода 18 больше, чем внешний диаметр мембраны 14. Однако будет понятно, что наружный диаметр второго электрода 18 может быть меньше, чем наружный диаметр мембраны 14 (или находиться в пределах суммарной площади Амембраны), как, например, проиллюстрировано в вариантах выполнения на Фиг. 1 или Фиг. 2.
На Фиг. 4 несколько (четыре) дополнительных ячеек обозначены вокруг средней ячейки 10. Ячейки могут образовывать группу ячеек или элементов преобразователя. Средняя ячейка 10 (или ее электрод) электрически соединена с другими ячейками посредством электрических соединений 60.
o
14
total
total
o
14
i
15
i
15
В случае ячейки круглой формы на Фиг. 1 или Фиг. 2, второй электрод 18 является кольцеобразным электродом. Полость 20 в таком случае является кольцеобразной полостью. В случае такой ячейки круглой формы напряженный слой 17 в таком случае также является кольцеобразным слоем. В этом случае, как может быть видно на Фиг. 1, наружный радиус R напряженного слоя 17 может быть больше, чем радиус R мембраны 14 или суммарной площади A мембраны. Таким образом, как описано выше, напряженный слой 17 может продолжаться за пределы суммарной площади А мембраны. Альтернативно, в теории, наружный радиус R напряженного слоя 17 также может быть меньше, чем радиус R, при условии, что обеспечен необходимый изгибающий момент. Дополнительно в этом случае, как может быть видно на Фиг. 1, внутренний радиус R напряженного слоя 17 может быть больше, чем радиус R отверстия 15 мембраны 14. Таким образом, как описано выше, отверстие 19 (имеющее диаметр 2*R) напряженного слоя 17 может быть больше, чем отверстие 15 (имеющее диаметр 2*R) мембраны 14.
18
30
18
18
sub
В случае такой ячейки круглой формы заглушка 30 в таком случае является заглушкой 30 круглой формы. Заглушка 30 меньше, чем отверстие (имеющее диаметр 2*R) в кольцеобразном втором электроде 18. Другими словами, как может быть видно на Фиг. 1 или на Фиг. 2, радиус R заглушки 30 круглой формы меньше, чем радиус R отверстия в кольцеобразном втором электроде 18 (или внутренний радиус R второго электрода 18). Таким образом, как описано выше, подобласть A (в которой расположена заглушка 30) меньше, чем область, образованная отверстием кольцеобразного второго электрода 18. Форма ячейки, являющейся ячейкой круглой формы, является предпочтительной. Однако будет понятно, что любая другая подходящая форма ячейки является возможной.
Каждая из Фиг. 3a-3i показывает другой этап изготовления способа изготовления сжатой ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя согласно первому варианту выполнения или второму варианту выполнения. Объяснения, выполненные в связи с Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 4, также применяются для способа, показанного на Фиг. 3, и наоборот.
total
20
На первоначальном этапе, показанном на Фиг. 3a, сначала обеспечивают подложку 12, причем первый электрод 16 присутствует в или на подложке. Далее, обеспечивают мембрану 14 (покрывающую суммарную площадь А мембраны) на подложке 12. Как описано выше, мембрана 14 содержит два слоя (например, ONO-слои или ON-слои или O-слои или N-слои или их совокупность), имеющие второй электрод 18, встроенный в них или между ними. Как может быть видно на Фиг. 3a, в этом примере на подложке 12 обеспечивают жертвенный слой 21 толщиной h. Жертвенный слой 21 будет использоваться для образования полости 20, когда жертвенный слой 21 удаляют (например, путем сухого или влажного травления). Обеспечивают мембрану 14 на жертвенном слое 21. Однако будет понятно, что может использоваться любой другой подходящий способ обеспечения полости 20.
i
o
o
14
o
14
На следующем этапе, как показано на Фиг. 3b, обеспечивают или образуют (например, путем нанесения или осаждения) напряженный слой 17 на мембране 14, причем напряженный слой 17 имеет заданное значение напряжения относительно мембраны 14, как объяснено выше применительно к первому варианту выполнения. Напряженный слой 17, показанный на Фиг. 3b, имеет четко определенный внутренний радиус R и наружный радиус R. Предпочтительно наружный диаметр 2*R напряженного слоя 17 превышает диаметр 2*R мембраны 14. Альтернативно, в теории, наружный диаметр 2*R напряженного слоя 17 также может быть меньше, чем диаметр 2*R. Цель заключается в том, чтобы вызывать изгибающий момент, достаточно большой, чтобы сгибать мембрану 14 к подложке 12 или ко дну полости 20, как только мембрана 14 освобождается.
Далее, на Фиг. 3c мембрану 14 освобождают путем обеспечения (например, травлением) отверстия 15 в мембране 14. В случае этого примера, используя жертвенный слой 21, мембрану 14 освобождают путем обеспечения отверстия 15 и путем выполнения жертвенного травления жертвенного слоя 21. После того, как обеспечивают отверстие 15, мембрана 14 содержит краевой участок 14a, окружающий отверстие 15. Краевой участок 14a мембраны 14 далее прижимается к подложке 12 (или ко дну полости 20). Конкретнее, краевой участок 14a мембраны 14 прижимается к подложке 12 при или после того, как обеспечивают отверстие 15 в мембране 14. Это связано с тем, что напряженный слой 17 обеспечивает изгибающий момент на мембране 14 в направлении к подложке 12, как объяснено выше. Далее мембрана 14 находится в контакте с подложкой 12 (или дном полости 20).
20
В этом примере полость 20, имеющая высоту h, образуют между мембраной 14 и подложкой 12 путем удаления (например, травлением) жертвенного слоя 21. Здесь это выполняется на этапе, когда обеспечивают отверстие 14 в мембране 14, или после этапа, когда обеспечивают отверстие 14. В частности, на первом этапе травления может быть обеспечено отверстие 15 в мембране 14, и на последующем этапе травления может быть удален жертвенный слой 21. Таким образом, отверстие 15 функционирует также в качестве отверстия травления. Возможно, дополнительные отверстия травления могут присутствовать на ободе мембраны, как например, отверстия 50 травления на Фиг. 4.
sub
total
total
total
total
Этапы, показанные на Фиг. 3d и Фиг. 3e, используются для обеспечения заглушки 30, расположенной в отверстии 15 мембраны 14, как объяснено выше. Заглушка 30 располагают только в подобласти A суммарной площади A мембраны. Сначала на Фиг. 3d обеспечивают дополнительный слой 29 (например, изготовленный из нитрида) на мембране 14 в по меньшей мере суммарной площади A мембраны (во всей суммарной площади А мембраны). На Фиг. 3d дополнительный слой 29 продолжается за пределы суммарной площади A мембраны. Дополнительный слой 29 уплотняет полость 20 от ее окружения и постоянно крепит мембрану 14 к подложке 12 (или ко дну полости 20). Также отверстия 50 травления могут быть закрыты дополнительным слоем 29. Далее ячейка представляет собой предохранитель от внешнего загрязнения.
sub
sub
Для обеспечения заглушки на Фиг. 3e удаляют дополнительный слой 29 за исключением участка слоя, расположенного в подобласти А. Таким образом, обеспечивают заглушку 30 (например, изготовленную из нитрида). Таким образом, структурируют дополнительный слой 29, и далее он присутствует только в подобласти A, которая находится в центре мембраны 14. В частности высота заглушки 30 может быть высотой дополнительного слоя 29 (например, изготовленного из нитрида). Теперь мембрана 14 постоянно прикреплена к подложке 12 (или ко дну полости 20) подложкой 30.
Просто в качестве конкретного примера, если дополнительный слой 29 (или слой заглушки) изготовлен из нитрида, осаждение дополнительного слоя 29 осуществляется обычно при 300°C-400°C. Таким образом, напряжение представляет собой значение напряжения при указанной температуре (а не при комнатной температуре). В таком конкретном примере вольфрам в качестве материала напряженного слоя в таком случае является хорошим выбором.
До этого момента изготовление ячейки согласно первому варианту выполнения, показанному на Фиг. 1, и второму варианту выполнения, показанному на Фиг. 2, было идентичным. Далее будут описаны дополнительные этапы изготовления второго варианта выполнения на Фиг. 2. Каждая из Фиг. 3f и 3g показывает этап изготовления способа изготовления предварительно сжатой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя согласно второму варианту выполнения. Способ содержит этап, на котором удаляют напряженный слой 17, как показано на Фиг. 3f. Это может, например, быть выполнено селективным травлением относительно мембраны 14 (например, ONO-слоев). Мембрана 14 не может возвращаться обратно, так как она постоянна прикреплена к подложке 12 или ко дну полости 20 вставкой 30 (например, изготовленной из нитрида). На Фиг. 3f удаляют весь напряженный слой 17. Однако будет понятно, что также только существенная часть напряженного слоя может быть удалена (например, оставляя только некоторые остатки напряженного слоя). Просто в качестве примера, способом (изотропным) влажного травления можно удалять весь напряженный слой (например, изготовленный из металла). В качестве другого примера, способом (направленным или анизотропным) сухого травления можно удалять только существенную часть напряженного слоя и оставлять остатки (в частности остатки в выемке заглушки 30).
Возможно, на Фиг. 3g, покрывающий слой 40 может быть обеспечен или расположен на мембране 14 и на заглушке 30 (например, используя N-осаждение). Такой покрывающий слой 40 обеспечивает совпадение ячейки 10 или, конкретнее, толщины ячейки или мембраны с определенной частотой резонанса ячейки.
Дополнительно возможно, может быть выполнено несколько дополнительных этапов обработки. Просто в качестве примера, может быть обеспечено электрические соединения ячейки 10 с источником питания (например, для электропитания Bias и RF) или электрическое соединение между различными ячейками из группы ячеек. Просто в качестве примера, некоторые слои (например, слой нитрида) могут быть удалены из контактных площадок, чтобы создавать проводящие дорожки к электродам. В дополнение, в качестве другого примера, может быть нанесен защитный слой или покрытие для электрической изоляции (например, паралин-C).
С технологической точки зрения, предварительно сжатая ячейка емкостного микрообработанного преобразователя (в частности cMUT) настоящего изобретения может в принципе быть изготовлена тем же или подобным способом, что и традиционная "несжатая" ячейка емкостного микрообработанного преобразователя (в частности cMUT), которая, например, описана подробно в WO 2010/032156, которая включена сюда путем ссылки. Это, например, имеет преимущество CMOS-совместимости так, что cMUT может быть объединен с ASIC, в частности с так называемым формирователем микропучка.
Настоящее изобретение может быть дополнительно описано, основываясь на следующих вариантах выполнения:
В одном варианте выполнения ячейка или ячейка cMUT содержит мембрану со встроенными кольцеобразными электродами. Укладка включает алюминий для электродов, ONO и нитрид для мембраны, как например, описано подробно в WO 2010/032156.
В другом варианте выполнения за осаждением временно структурированного напряженного слоя следует жертвенное травление. Когда мембрана освобождается, напряженный слой вызывает изгибающий момент, который заставляет мембраны сжиматься.
В другом варианте выполнения слой нитрида используется для постоянного крепления мембраны ко дну полости: далее ячейка или ячейка cMUT предварительно сжимается. Этот слой нитрида структурируется, и значительная часть удаляется, оставляя только центральную заглушку или заклепку из нитрида.
В дополнительном варианте выполнения временно структурированный напряженный слой удаляется полностью (предпочтительный вариант выполнения).
В другом варианте выполнения предварительно сжатая ячейка или ячейка cMUT окончательно обрабатывается конечным слоем нитрида. Далее толщина мембраны соответствует требуемым характеристикам, например, частоте резонанса.
Настоящее изобретение применимо в любом применении cMUT, в особенности связанным с ультразвуковом, но в принципе также к любой другой предварительно сжатой ячейке емкостного микрообработанного преобразователя, такой как, например, датчик давления или преобразователь давления. В случае применения к датчику давления линейность улучшается за счет чувствительности.
Емкостный микрообработанный датчик давления или преобразователь измеряет значение емкости между электродами. Для двух плоских электродов, отделенных на расстоянии d и имеющих площадь A, значением емкости С является С=∈*A/d)~1/d. Для простоты наличие диэлектрического слоя изоляции между электродами опускается в этой формуле.
4
В одном примере электронным образом датчик давления может быть частью схемы электронного осциллятора, причем частотой осциллятора f является f=1/(R*C)~d, где R является сопротивлением некоторого внешнего резистора. В этом случае выходным сигналом датчика давления является частота электронной схемы и линейное расстояние на расстоянии d. Следует отметить, что эта частота не имеет ничего общего с частотой механического резонанса мембраны. Таким образом, так как давление увеличивается, эти две пластины перемещаются по направлению друг к другу, значение емкости увеличивается и частота снижается. Давление P заставляет мембрану перемещаться вниз на величину h, которая может быть записана в виде h=P*R/(64*D), где R является радиусом мембраны, и D является константой. Далее, расстоянием d между электродами является d=g-h, так как зазор g уменьшился на величину h, или f~(g-h)/R. В связи с этим давление является приблизительно линейным относительно частоты до тех пор, пока мембрана не сжимается. Однако, в действительности, форма электродов или мембраны не является плоской. Мембрана изгибается, давая изменение расстояний над электродом. В связи с этим наилучшая линейность получается, если электроды являются небольшими, за счет необходимости измерения небольшого значения емкости. На практике, электрод, имеющий половину радиуса по сравнению с радиусом мембраны, является уже достаточно линейным.
Здесь был описан один пример измерения значения электрической емкости. Однако будет понятно, что значение электрической емкости также может быть измерено любым другим подходящим образом.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и описано подробно на чертежах и в вышеупомянутом описании, такая иллюстрация и описание должны рассматриваться иллюстративными или примерными и не ограничивающими; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами выполнения. Другие варианты раскрытых вариантов выполнения могут быть поняты и осуществлены специалистами в области техники при осуществлении предложенного изобретения на практике из изучения чертежей, раскрытия и приложенной формулы изобретения.
В формуле изобретения слово "содержащий" не исключает другие элементы или этапы. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, перечисленных в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что определенные признаки перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что совокупность этих признаков не может быть использована с выгодой.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться как ограничивающие объем охраны.