ЕМКОСТНОЙ МИКРООБРАБОТАННЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ
CAPACITIVE MICROMACHINED ULTRASONIC TRANSDUCER

Область техники
Настоящее изобретение относится к емкостному микрообработанному ультразвуковому преобразователю, системе для генерирования или обнаружения ультразвуковых волн и к способу изготовления преобразователя.
Предшествующий уровень техники
Емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь (ЕМУП) является по существу плоским конденсатором. Верхний электрод внедрен в мембрану. Высокочастотное напряжение на электродах заставляет мембрану совершать колебания, типично с частотой несколько МГц. Емкостные микрообработанные ультразвуковые преобразователи известны своей высокой эффективностью и высокой выходной мощностью.
Однако зарядка является известным недостатком емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей по предшествующему уровню техники и часто препятствует их практическому применению. Из-за зарядки преобразователь может стать нестабильным и его характеристики могут плавать.
Краткое изложение существа изобретения
Желательно создать усовершенствованный преобразователь и способ решения проблемы зарядки. Решение проблемы зарядки по концепции настоящего изобретения позволит получить емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь, который может применяться в различных областях, благодаря его независимости от конкретного способа применения. Согласно настоящему изобретению решение проблемы зарядки дает диэлектрический слой ONO.
Согласно первому аспекту настоящего изобретения предложен емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь, содержащий кремниевую подложку; полость; первый электрод, расположенный между кремниевой подложкой и полостью, при этом первый электрод расположен под полостью; мембрану, расположенную над полостью и напротив первого электрода; второй электрод, расположенный над полостью и напротив первого электрода; при этом второй электрод расположен в мембране или рядом с ней, при этом первый электрод и второй электрод выполнены с возможностью получать электрическое напряжение; и первый изоляционный слой, расположенный между первым электродом и вторым электродом, при этом первый изоляционный слой содержит диэлектрик.
Сущность настоящего изобретения заключается в предотвращении зарядки. Зарядка возможна, когда используемые диэлектрические слои захватывают заряды. Настоящее изобретение направлено на предотвращение зарядки путем добавления дополнительных слоев.
Согласно настоящему изобретению мембрана емкостного микрообработанного преобразователя активируется напряжением. Обычно используют напряжение повышенной частоты, особенно высокочастотное напряжение плюс смещение постоянным током. Это напряжение подается на множество электродов. Обычно имеется два электрода, но можно использовать и большее количество электродов. Проблема зарядки вызывается носителями зарядов, сходящих с одного электрода. Эти носители зарядов пытаются попасть на другой электрод с противоположным потенциалом. Если заряды покинут свой электрод, характеристики преобразователя могут измениться. Возникнет дрейф характеристик преобразователя. Поэтому сход носителей заряда следует предотвращать, чтобы не допустить зарядки. Согласно настоящему изобретению барьер, препятствующий сходу носителей заряда, расположен так, чтобы разорвать траекторию схода носителей заряда или, по меньшей мере, уменьшить количество сходящих носителей заряда по сравнению с ситуацией, когда барьер отсутствует. Согласно настоящему изобретению заряд размещают, например, между электродами. Далее барьер может состоять из одного барьера или из множества барьеров, преимущественно разнесенных в пространстве.
Емкостной микрообработанный преобразователь содержит полость, которая находится под вакуумом или которая находится под низким давлением. Размеры полости выбирают так, чтобы ультразвуковые колебания приводили к деформации мембраны, расположенной над полостью, и, таким образом, к деформации полости и, следовательно, к изменению величины емкости. Согласно настоящему изобретению имеется электрод, который деформируется так же, как и мембрана. Преимущественно этот электрод расположен рядом с мембраной или внутри мембраны. Деформации электрода из-за ультразвуковых колебаний приводят к изменению напряжения или тока, подаваемых на электрод. Эти изменения можно обнаружить электронной схемой. В этом случае преобразователь работает как приемник. Изменение напряжения или тока, соответственно, также может генерировать деформации в мембране, что приводит к возникновению ультразвуковых колебаний. В этом случае преобразователь работает как излучатель/передатчик.
Согласно настоящему изобретению имеется изоляционный слой, который работает как барьер для предотвращения или уменьшения потока носителей заряда между электродами. Типично изоляционный слой расположен между электродами. Однако изоляционный слой необходимо расположить лишь так, чтобы уменьшить или прекратить поток носителей заряда. Следовательно, согласно настоящему изобретению можно также разместить изоляционный слой таким образом, чтобы он находился не между электродами, если траектория носителей заряда будет заблокирована.
Преобразователь построен на кремниевой подложке и эта кремниевая подложка или подложка "кремний на изоляторе" используется в качестве пластины основания.
2
3
4
Слоями, содержащими оксиды, могут быть слои SiO, нанесенные процессами химического осаждения из паровой [газовой] фазы при пониженном давлении (LPCVD); химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD); или плазмохимического осаждения из паровой [газовой] фазы (PECVD). Слои, содержащие нитрид, могут быть слоями SiN, нанесенными процессами химического осаждения из паровой [газовой] фазы при пониженном давлении (LPCVD); химического осаждения из паровой фазы методом разложения металлоорганических соединений (MOCVD); или плазмохимического осаждения из паровой [газовой] фазы (PECVD).
Согласно второму аспекту настоящего изобретения предлагается система для генерирования или измерения ультразвуковых волн, содержащая преобразователь по одному из пп.1-11 формулы изобретения.
Согласно настоящему изобретению система может использовать преобразователь в качестве приемника или излучателя ультразвуковых волн. Более конкретно, система может использоваться в медицине. Система может содержать средство для обнаружения ультразвуковых колебаний, в частности электронную схему. Электронная схема может содержать источник постоянного напряжения или источник постоянного тока. Изменения в мембране будут обнаружены, согласно первой альтернативе, по изменению тока, а согласно второй альтернативе - по изменению напряжения. Обнаруженные ультразвуковые колебания могут быть визуализированы с помощью персонального компьютера. Персональный компьютер может использоваться для управления процедурой обнаружения. Система может содержать средства для передачи ультразвуковых волн.
Согласно третьему аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления преобразователя, в котором преобразователь изготавливают технологическим процессом КМОП, и при этом преобразователь может быть изготовлен как последующая операция во время процесса КМОП. Согласно настоящему изобретению преобразователь совместим с технологией КМОП и может использоваться как вариант последующей обработки в технологии КМОП для придания процессу КМОП дополнительной функциональности. Согласно настоящему изобретению преобразователь альтернативно может добавляться к КМОП-пластине с использованием процесса перевернутого кристалла или подходящего процесса переноса.
Другие варианты описаны в зависимых пунктах формулы.
Согласно настоящему изобретению предлагается преобразователь, содержащий второй изоляционный слой, расположенный между вторым электродом и полостью, при этом первый изоляционный слой расположен между первым электродом и полостью, при этом второй изоляционный слой содержит диэлектрик.
Согласно настоящему изобретению полезно удерживать носители заряда на их соответствующем электроде. Следовательно, рядом с каждым электродом предлагается разместить барьер, реализованный как слой диэлектрика. Такое расположение в максимальной степени предотвращает возникновение потока носителей заряда. Согласно другому аспекту настоящего изобретения предлагается инкапсулировать электрод слоем диэлектрика. Такая конструкция также предотвращает обход барьеров носителями заряда.
Согласно настоящему изобретению слой оксида расположен в комбинации со слоем нитрида для предотвращения зарядки из-за туннелирования дырок. Туннелирование дырок носителей заряда через нитридный слой возможно, если на нитридный слой подать достаточное смещение, хотя нитридный слой не является электропроводным. Поэтому для предотвращения возникновения потока носителей заряда, вызванного туннелированием дырок через нитридный слой, используется дополнительный оксидный слой.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором первый изоляционный слой содержит первый суб-слой, содержащий оксид. Оксид не является электропроводным. Поэтому оксид можно использовать, например, как диэлектрик для предотвращения схода носителей заряда с электрода.
Согласно другому иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором диэлектриком является слой с повышенной диэлектрической постоянной k, т.е. «higher-k layer», например слой, содержащий нитрид, оксид алюминия или оксид гафния.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, содержащий первый суб-слой, толщина которого составляет по меньшей мере 5 нм.
Согласно настоящему изобретению изоляционный слой сформирован таким образом, чтобы предотвратить эффект туннелирования носителей заряда. Появление эффекта туннелирования можно предотвратить за счет минимальной толщины изоляционного слоя. Эта минимальная толщина изоляционного слоя составляет по меньшей мере 5 нм. Следовательно, изоляционный слой должен иметь минимальную толщину по меньшей мере 5 нм.
Согласно другому иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором изоляционный слой содержит первый суб-слой, содержащий оксид, и второй суб-слой, содержащий нитрид.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором изоляционный слой содержит первый суб-слой, содержащий оксид, второй суб-слой, содержащий нитрид, и третий суб-слой, содержащий оксид.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором изоляционный слой содержит первый суб-слой, содержащий металл, второй суб-слой, содержащий оксид, и третий суб-слой, содержащий нитрид.
Согласно другому иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором второй суб-слой расположен между первым суб-слоем и третьим суб-слоем.
Согласно другому иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором полость является вакуумированной полостью. Вакуум означает не только полный вакуум, но и низкое давление, особенно давление ниже 1 атм.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, в котором второй электрод внедрен в мембрану.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается преобразователь, относящийся по меньшей мере к одному типу, выбранному из группы, содержащей преобразователь сжатого (collapsed) типа, преобразователь предварительно сжатого (pre-collapsed) типа, преобразователь гибкого (flex) типа и комбинацию этих типов. Предпочтительным режимом работы является режим, в котором используется (предварительно) сжатый преобразователь, когда мембрана частично прижата к дну полости. Этот режим работы дает более мощный выходной сигнал и повышенную чувствительность приема. Однако такой режим работы восприимчив к зарядке.
Согласно иллюстративному варианту настоящего изобретения предлагается система, содержащая линейную матрицу или двухмерную матрицу преобразователей по настоящему изобретению.
Сущность настоящего изобретения заключается в предотвращении зарядки преобразователей. Предотвращение зарядки позволяет получить преобразователи со стабильными характеристиками. Зарядка предотвращается или, по меньшей мере, уменьшается за счет установки по меньшей мере одного барьера. Барьер расположен на траектории носителей заряда для прерывания потока носителей заряда, начинающегося на одном электроде и направленного к другому электроду.
Следует отметить, что вышеописанные признаки можно комбинировать. Комбинация вышеописанных признаков может давать синергетические эффекты, даже если такие комбинации явно не описаны в подробностях.
Эти и другие аспекты настоящего изобретения будут более понятны из нижеследующего подробного описания вариантов.
Краткое описание чертежей
Далее следует более подробное описание изобретения со ссылками на приложенные чертежи, на которых:
Фиг. 1 изображает сечение емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя, в соответствии с основными принципами;
Фиг. 2 - сечение, иллюстрирующее ONO-конструкцию емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя;
Фиг. 3 - результаты измерений сигналов разных емкостных микрообработанных ультразвуковых преобразователей;
Фиг. 4 - результаты измерений сигнала емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя, согласно настоящему изобретению.
Подробное описание изобретения
Преобразователь можно изготовить КМОП-совместимым процессом, при котором используется низкая температура. Процесс осуществляют при низкой температуре потому, что совместимость с КМОП требует температуру ниже 400°С. Сначала с помощью вытравливания алюминия или поли/XeF2 формируют вакуумную полость. Затем в процессе плазмохимического осаждения из паровой [газовой] фазы формируют мембрану из нитрида кремния, вставляя в нее алюминий для использования в качестве электрода. Используются слои нитрида, нанесенные процессом плазмохимического осаждения из паровой [газовой] фазы, поскольку они имеют высокую диэлектрическую постоянную ε~7 и хорошие механические свойства (Е~250 МПа).
Управление зарядкой является ключевой проблемой для хорошей и стабильной работы емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя. Зарядка означает захват носителей в диэлектрическом слое и резкое изменение соответствующего электрического поля в слое диэлектрика. В результате свойства емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя меняются (возникает сильное влияние на электрические поля). Это влияет на входное давление, что очень нежелательно.
Преобразователи согласно настоящему изобретению соответствуют всем важным параметрам для таких устройств, например, по центральной частоте (2-20 МГц), по ширине полосы (>100%), по очень высокому выходному ультразвуковому давлению (>3 МПа), по хорошей стабильности (0,2% в течение 40 часов) и по сроку службы (>>100 часов в воде).
Два электрода можно изолировать разными способами. Одним из них является слой, состоящий только из нитрида. Недостатком такого изолирующего слоя является то, что он сильно заряжается, особенно нитридные слои, полученные низкотемпературным процессом, и содержит микроотверстия. Второй способ - это изоляционный слой, содержащий комбинацию оксид-нитрид. Такой слой предотвращает достижение электрическим зарядом нитрида, поскольку он увеличивает барьер для туннелирования дырок, которое является известным источником заряжания нитридных слоев. Кроме того, оксид-нитридные слои закрывают микроотверстия. Другой способ, согласно концепции настоящего изобретения, заключается в конфигурации ONO. Преимуществом конструкции ONO в кратком изложении является тот факт, что в устройстве емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя зарядка будет предотвращаться в достаточной степени. Этот эффект основан на применении слоя оксида с минимальной толщиной 5 нм. Оксид является хорошим изолятором, предотвращающим туннелирование дырок и, следовательно, зарядку нитридного слоя. Важно адекватно подобрать параметры оксида, например толщину. Минимальная толщина оксида необходима для того, чтобы увеличить барьер туннелирования, который типично превышает 5 нм. Другие преимущества слоев, имеющих конструкцию ONO, заключаются в том, что они легко могут быть получены процессом КМОП. Нарушения патентных прав легко обнаруживаются, поскольку конструкция ONO легко может быть идентифицирована. Недостаток такой конструкции ONO заключается в том, что диэлектрическая постоянная уменьшается.
Другой вариант согласно настоящему изобретению - это емкостной микрообработанный преобразователь с диэлектриком типа ON на обоих электродах для изолирования этих электродов друг от друга. Можно также использовать слой, содержащий оксид алюминия или оксид гафния. Оксид алюминия или оксид гафния имеют преимущество, заключающееся в высоком показателе ε. Однако эти материалы пока еще не совместимы с процессом КМОП. Кроме того, один только оксид имеет худший показатель ε и дает плохие свойства мембраны.
На фиг. 1 показан емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь. На чертеже показана общая конструкция преобразователя. Имеется первый слой 101, содержащий нитрид кремния, или просто нитрид. Ширина этого слоя приблизительно составляет 1 мкм. В этот слой внедрен электрод 108, размеры которого рассчитаны на напряжение около 100 В. Имеется второй слой 102, который содержит вакуумную полость 107 и еще один электрод 109. Вакуумная полость выполнена методом травления. Вакуумная полость 107 имеет высоту 0,3 мкм. На электрод 108 и на второй электрод 109 подается напряжение высокой частоты. Электрод 108 соединен с источником высокочастотного напряжения проводом 105, а электрод 109 соединен с источником высокочастотного напряжения проводом 106.
Электроды 108, 109 притягиваются друг к другу благодаря подаче на них высокочастотного напряжения и смещения постоянным током. В результате возникают колебания слоев 101, 102, в которые внедрены эти электроды. Емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь также может использоваться как датчик. Принимаемые волны давления приводят к возникновению колебаний слоев 101, 102, прилегающих к вакуумной полости 107. Эти колебания приводят к изменению емкости между электродом 108 и другим электродом 109. Изменения емкости можно измерить, например, по изменению тока, если на конструкцию подавать постоянное напряжение.
На фиг. 2 показано сечение емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению. На чертеже показан электрод 203 (верхний электрод) и второй электрод 207 (нижний электрод), которые разделены зазором 205, например, вакуумной полостью. Согласно настоящему изобретению имеется два ONO-слоя 204 и 206, первый из которых расположен между электродом 203 и зазором 205, а второй между вторым электродом 207 и зазором 205. Эти ONO-слои создают эффект, благодаря которому не возникает зарядки, поскольку два электрода 203, 207 полностью изолированы друг от друга. ONO-слои 204, 206 содержат три суб-слоя, из которых два оксидных слуб-слоя толщиной, например, 40 нм, и один нитридный суб-слой толщиной, например, 150 нм. Типично нитридный суб-слой расположен между двумя оксидными суб-слоями. Зазор 205 выполнен травлением, например, 250 нм алюминия и 40 нм молибдена, что в результате дает зазор суммарной толщиной 290 нм. Второй нижний электрод 107 содержит суб-слой алюминия, например, толщиной 140 нм, и суб-слой молибдена толщиной 40 нм. Под вторым электродом 207 типично имеется нитридный слой 210 толщиной 100 нм. Под нитридным слоем 210 имеется оксидный слой 208 SiO2, сформированный термическим оксидированием, высотой 1000 нм. Под термооксидным слоем 208 находится кремниевая подложка 209 толщиной 670 мкм, например стандартная пластина для 6-дюймового монитора. Кремниевая подложка 209 используется как пластина основания. Электрод 203 содержит суб-слой алюминия толщиной 250 нм, и суб-слой молибдена толщиной 40 нм. Над электродом 203 имеется оксид-нитридный слой 202, в котором оксидный суб-слой имеет толщину 20 нм, а нитридный суб-слой имеет толщину 200 нм. Над этим оксид-нитридным слоем 202 расположен нитридный слой 201 толщиной 600 нм.
На фиг. 3 показано изменение сигнала во времени. Кривая 301 соответствует емкостному микрообработанному ультразвуковому преобразователю согласно настоящему изобретению. Кривая 302 соответствует емкостному микрообработанному ультразвуковому преобразователю по прототипу. Результаты 302 измерений изменяются во времени из-за изменения характеристик, вызванных зарядкой. Сигнал со временем ослабевает, и возможность использования емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя уменьшается. Наоборот, кривая 301 не изменяется во времени, поэтому возможность использования емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя по настоящему изобретения со временем не ограничивается.
На фиг. 4 показаны результаты 401 измерений емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению в увеличенном масштабе по сравнению с кривой 301 на фиг. 3. Следует понимать, что на фиг.4 показаны типичные колебания, а не непрерывный тренд кривой 401. Очевидно, что зарядка предотвращена.
2
Следует отметить, что настоящее изобретение может применяться в медицинских ультразвуковых преобразователях (традиционных, изогнутых или матричных преобразователях, в катетерах), в бортовых ультразвуковых датчиках присутствия, в датчиках давления, в ультразвуковых датчиках СОдля капнографии или в системах контроля воздуха для зданий, в датчиках уровня жидкости и качества жидкости и в датчиках отпечатков пальцев.
Следует отметить, что термин "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает наличия множества элементов или этапов. Кроме того, элементы, описанные для разных вариантов, можно комбинировать.
Следует отметить, что ссылочные позиции в формуле изобретения не следует толковать как ограничивающие объем формулы.
Хотя настоящее изобретения было показано на чертежах и подробно описано, такие чертежи и описание должны считаться иллюстративными, а не ограничительными. Настоящее изобретение не ограничено раскрытыми вариантами.
Специалистам понятно, что на основании описания, чертежей и формулы изобретения могут быть созданы и другие варианты.
ПОЗИЦИИ НА ЧЕРТЕЖАХ
101 - слой, содержащий нитрид кремния
102 - слой, содержащий вакуумную полость
103 - кремниевая подложка
104 - источник высокочастотного напряжения
105 - провод для подачи высокочастотного напряжения
106 - провод для подачи высокочастотного напряжения
107 - вакуумная полость
108 - электрод
109 - электрод
201 - слой, содержащий нитрид
202 - слой, содержащий оксид и нитрид
203 - верхний электрод
204 - слой, содержащий суб-слой оксида, суб-слой нитрида и дополнительный суб-слой оксида
205 - зазор
206 - слой, содержащий суб-слой оксида, суб-слой нитрида и дополнительный суб-слой оксида
207 - нижний электрод
208 - слой, содержащий термооксид
209 - кремниевая подложка
210 - слой, содержащий нитрид
301 - результаты измерений
302 - результаты измерений
401 - результаты измерений