ЯЧЕЙКА ЕМКОСТНОГО МИКРООБРАБОТАННОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО ПРИЖАТОГО ТИПА С ЗАГЛУШКОЙ
PRE-COLLAPSED CAPACITIVE MICRO-MACHINED TRANSDUCER CELL WITH PLUG

ОБЛАСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к ячейке емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа, в частности, ячейке емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (cMUT) или ячейке емкостного микрообработанного датчика давления, и к способу ее изготовления.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В последнее время были разработаны микрообработанные ультразвуковые преобразователи (MUT). Микрообработанные ультразвуковые преобразователи были созданы двух типов конструкции: один использует полупроводниковый слой с пьезоэлектрическими свойствами (pMUT), а другой использует мембрану (или диафрагму) и подложку с электродами (или электродными пластинами), образующими конденсатор, так называемый емкостной микрообработанный ультразвуковой преобразователь (cMUT).
Ячейка cMUT содержит полость под мембраной. При приеме ультразвуковых волн, ультразвуковые волны заставляют мембрану двигаться или вибрировать, и изменение емкости между электродами может быть обнаружено. Тем самым ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Наоборот, электрический сигнал, приложенный к электродам, заставляет мембрану двигаться или вибрировать и тем самым передавать ультразвуковые волны.
Изначально ячейки cMUT изготавливали для работы в так называемом «неприжатом» режиме (от англ. "uncollapsed" mode). Обычная ячейка cMUT «неприжатого» типа представляет собой по существу нелинейное устройство, эффективность которого сильно зависит от электрического напряжения смещения, приложенного между электродами.
Чтобы решить эту проблемы, недавно были разработаны так называемые ячейки cMUT предварительного прижатого типа (от англ. "pre-collapsed"). В ячейке cMUT предварительно прижатого типа часть мембраны постоянно прижата или прикреплена к дну полости (или подложке). Выше некоторого значения электрического напряжения смещения эффективность ячейки cMUT предварительно прижатого типа по существу не зависит от напряжения смещения, что делает ячейку cMUT намного более линейной.
В ячейке cMUT предварительно прижатого типа мембрану можно прижать, используя различные способы, например, используя электрическое или механическое прижатие.
Электрического прижатия можно добиться, например, используя напряжение смещения. В WO 2009/037655 A2 раскрывается способ изготовления cMUT, включающий в себя обеспечение почти готового cMUT, причем почти готовый cMUT образует один или более элементов cMUT, которые включают в себя: (i) слой подложки, (ii) пластинчатый электрод, (iii) слой мембраны и (iv) кольцевой электрод, формирование по меньшей мере одного сквозного отверстия в слое мембраны для каждого элемента cMUT, подачу напряжения смещения на слои мембраны и подложки упомянутых одного или более элементов cMUT таким образом, чтобы прижать слой мембраны к слою подложки, и крепление и уплотнение прижатого слоя мембраны относительно слоя подложки путем наложения покровного слоя.
Механического прижатия можно добиться, например, используя давление окружающего воздуха. В WO 2010/097729 A1 раскрывается ячейка cMUT, содержащая подложку, первый электрод, прикрепленный к подложке, подвижную мембрану, образованную на расстоянии от первого электрода, второй электрод, прикрепленный к мембране, и удерживающий элемент, лежащий поверх подвижной мембраны, когда она находится в состоянии предварительного прижатия, который служит удерживанию мембраны в ее предварительно прижатом состоянии в отсутствие напряжения смещения. В одном примере удерживающий элемент отливают поверх ячейки cMUT, когда мембрана приведена в состояние предварительного прижатия за счет приложения (атмосферного) давления к мембране.
Ячейки cMUT предварительно прижатого типа, описанные в WO 2010/097729 A1, успешно использовались в качестве низкочастотных ячеек cMUT, имеющих мембрану относительно большого диаметра. Давление прижатия было небольшим, и предварительное прижатие ячеек cMUT осуществлялось с помощью давления окружающего воздуха (т.е. мембрана соприкасалась с дном полости). Однако для высокочастотных ячеек cMUT удерживающий элемент, описанный в WO 2010/097729 A1, не может использоваться, так как давление прижатия очень большое и, например, может легко превысить 5 Бар или даже 10 Бар. В этом случае удерживающий слой, описанный в WO 2010/097729 A1, не является достаточно прочным, чтобы удерживать мембрану на месте. Таким образом, проблема описанных в WO 2010/097729 A1 ячеек cMUT заключается в том, что это - по существу решение для «большой мембраны», которое не работает для высокочастотных ячеек cMUT, имеющих мембрану небольшого диаметра.
Имеется потребность в улучшении этой ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа, в частности, для высоких частот.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является создание улучшенной ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа и способа ее изготовления, в частности, высокочастотной ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа.
По первому аспекту настоящего изобретения предлагается ячейка емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа, содержащая подложку, мембрану, покрывающая полную мембранную область, причем между мембраной и подложкой образована полость, мембрана содержит отверстие и краевую часть, окружающую отверстие, причем краевая часть мембраны прижата к подложке, и заглушку, размещенную в отверстии мембраны, причем заглушка расположена только в подобласти полной мембранной области.
По другому аспекту настоящего изобретения предлагается способ изготовления ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа, включающий в себя этапы: обеспечение подложки, обеспечение мембраны, покрывающей полную мембранную область, причем между мембраной и подложкой образована полость, обеспечение отверстия в мембране таким образом, что мембрана содержит краевую часть, окружающую отверстие, прижатие краевой части мембраны к подложке, и обеспечение заглушки, размещенной в отверстии мембраны, причем заглушка расположена только в подобласти полной мембранной области.
Основная идея изобретения заключается в обеспечении элегантного решения по получению ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа, в частности, высокочастотной ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа. В отверстии мембраны предусматривается заглушка, которая расположена только в подобласти полной мембранной области (не на всей полной мембранной области). Например, в случае ячейки и мембраны круглой формы, полная мембранная область может определяться диаметром мембраны (или полости). Заглушка используется для постоянного крепления мембраны к подложке (или дну полости). Заглушка достаточно прочна, чтобы удерживать мембрану постоянно прикрепленной к подложке. Заглушка может быть толще (намного) по сравнению с общей толщиной мембраны, что дает большую свободу при конструировании устройства cMUT.
Заглушка располагается в или покрывает только подобласть полной мембранной области, и поэтому она не является удерживающим слоем, располагающимся на или покрывающим всю полную мембранную область (и, возможно, простирающимся за пределы полной мембранной области). В отличие от заглушки 30, такой удерживающий слой был бы в чем-то подобен пружине, так как он будет удерживать мембрану прижатой к поверхности подложки, но если вы приложите к мембране достаточно большое усилие (например, потянете) в направлении вверх (от подложки), то мембрана будет все же двигаться. Это процесс может быть обратимым. Можно представить, что, например, при атмосферном давлении (1 Бар) такой удерживающий слой будет достаточно прочным, чтобы удерживать мембрану, но в вакууме мембрана могла бы быть высвобождена. В отличие от этого, заглушка действительно прикрепляет (или способна «пригвоздить») мембрану к поверхности подложки. Единственным способом высвободить мембрану было бы разрушить заглушку.
Предпочтительные варианты воплощения изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы изобретения. Должно быть понятно, что заявленный способ изготовления имеет аналогичные и/или идентичные предпочтительные варианты воплощения, как и заявленная ячейка, охарактеризованные в зависимых пунктах формулы изобретения.
В одном варианте воплощения отверстие мембраны расположено в центральной области полной мембранной области. Таким образом может быть обеспечена симметричная ячейка предварительно прижатого типа с однородными характеристиками преобразования.
В другом варианте воплощения заглушка контактирует с подложкой или прикреплена к подложке. Таким образом, заглушка может быть постоянно прикреплена к подложке. В частности, заглушка является стационарной (неподвижной).
В другом варианте воплощения заглушка содержит часть-ножку, размещенную на подложке, и часть-головку, размещенную на краевой части. Эта форма показана как особенно подходящая. Часть-ножка может использоваться для ее постоянного крепления к подложке, а часть-головка может использоваться для ее постоянного крепления к краевой части мембраны. Таким образом, заглушка и краевая часть мембраны могут быть постоянно прикреплены к подложке.
В другом варианте воплощения заглушка содержит выемку, образованную путем удаления напряженного слоя, имеющего заданное значение механического напряжения относительно мембраны. Во время изготовления напряженный слой может помочь прикрепить краевую часть мембраны к подложке, но затем напряженный слой удаляется, тем самым образуя характерную структуру в заглушке в виде выемки. Выемка может, в частности, располагаться в части-головке заглушки.
В другом варианте воплощения заглушка выполнена из нитрида, диоксида кремния или их сочетания. Этот материал удобен в использовании (например, совместим с процессом изготовления cMUT), прочен и дешев и может наносится в промышленном процессе (например, установкой плазмохимического осаждения из газовой фазы (PECVD)).
В еще одном варианте воплощения ячейка дополнительно содержит напряженный слой на мембране, имеющий заданное значение механического напряжения. Напряженный слой может помочь в постоянном креплении краевой части мембраны к подложке. В частности, напряженный слой может обеспечить изгибающий момент на мембране (или отклонение мембраны) в направлении к подложке таким образом, что краевая часть мембраны прижимается к подложке.
В другом варианте воплощения ячейка дополнительно содержит покровный слой, размещенный на мембране и/или заглушке. Таким образом может быть достигнуто соответствие толщины ячейки или мембраны конкретной частоте резонанса ячейки (обеспечение управления акустическими свойствами) или соответствие рабочему диапазону. Также покровный слой может обеспечить химическую пассивацию.
В другом варианте воплощения ячейка дополнительно содержит первый электрод на или в подложке и/или второй электрод на или в мембране. Таким образом легко может быть получена емкостная ячейка.
В другом варианте воплощения второй электрод представляет собой кольцевой электрод. В еще одном варианте воплощения полость является кольцевой полостью. В любом из этих вариантов воплощения ячейка может быть ячейкой круглой формы. Круглая форма является выгодной формой ячейки, так как она обеспечивает особенно хорошее заполнение доступного пространства и/или очень немного колебательных мод высшего порядка, в частности, колебательных мод, которые конкурируют с требуемой модой для передаваемой энергии или создают нежелательные сигналы, которые мешают приему требуемых сигналов.
В другом варианте воплощения подобласть (в которой располагается заглушка) меньше, чем область, образованная отверстием кольцевого второго электрода. Таким образом второй электрод располагается в подвижной области мембраны, а не в неподвижной области, так что поддерживается хорошее качество преобразования ячейки.
В другом варианте воплощения в способе обеспечение заглушки включает в себя наложение дополнительного слоя на мембрану по меньшей мере в полной мембранной области и удаление этого слоя за исключением части слоя, расположенной в подобласти. Таким образом может быть легко обеспечена заглушка.
В другом варианте воплощения способ дополнительно включает в себя обеспечение напряженного слоя на мембране, имеющего заданное значение механического напряжения относительно мембраны. Напряженный слой может помочь в постоянном креплении краевой части мембраны к подложке. В частности, напряженный слой может обеспечить изгибающий момент на мембране в направлении к подложке, так что краевая часть мембраны прижимается к подложке.
В одном варианте воплощения ячейка является ячейкой емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя (cMUT) для передачи и/или приема ультразвуковых волн. В альтернативном варианте воплощения ячейка является ячейкой емкостного микрообработанного преобразователя (или датчика) давления для измерения давления.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения станут очевидны из и разъясняются с помощью описанных далее вариантов воплощения. На нижеследующих чертежах:
Фиг. 1 показывает схематический разрез ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно первому варианту воплощения;
Фиг. 2 показывает схематический разрез ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно второму варианту воплощения;
Фиг. 3а-3i каждая показывает разный этап способа изготовления ячейки емкостного микрообработанного преобразователя прижатого типа согласно первому варианту воплощения или второму варианту воплощения;
Фиг. 3f и 3g каждая показывает производственный этап способа изготовления ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно второму варианту воплощения; и
Фиг. 4 показывает вид сверху группы масок для ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно одному варианту воплощения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
с
Может быть показано, что давление прижатия Р(т.е. статическое давление воздуха или воды, при действии которого мембрана просто соприкасается с подложкой или дном полости) равно:
где g - высота полости (также называемая «зазором»), r - радиус мембраны, t - толщина мембраны, Е - модуль Юнга, ν - коэффициент Пуассона.
с
4
Как можно увидеть из приведенной выше формулы, давление прижатия приблизительно имеет зависимость Р~1/r, где r - радиус мембраны. Меньший диаметр мембраны означает намного более высокое давление прижатия. Для многих используемых на практике ультразвуковых приборов, например, ультразвукового зонда на 10 МГц, давление прижатия легко превышает 5 бар или даже 10 бар. Это особенно справедливо для высокочастотных ячеек, например, при центральных частотах около 8 МГц и выше. В этом случае удерживающий элемент или слой, например, как описанный в WO 2010/097729, не будет способен поддерживать режим прижатия.
На фиг. 1 показан схематический разрез ячейки 10 емкостного микрообработанного емкостного преобразователя предварительного прижатого типа согласно первому варианту воплощения, а на фиг. 2 - схематический разрез ячейки 10 емкостного микрообработанного емкостного преобразователя предварительного прижатого типа согласно второму варианту воплощения. Описываемая здесь ячейка 10 может быть, в частности, высокочастотной ячейкой емкостного микрообработанного емкостного преобразователя предварительного прижатого типа, например, имеющей диаметр мембраны меньше 150 мкм (в частности, меньше 100 мкм) и/или центральную частоту больше 8 МГц, в частности, больше 10 МГц. Лишь в качестве примера, ячейка преобразователя с центральной частотой примерно 10 МГц имеет диаметр мембраны примерно 60 мкм. Однако будет понятно, что описываемая здесь ячейка может также использоваться и при низких частотах.
Ячейка 10 по фиг. 1 или фиг. 2 содержит подложку 12. Подложка 12 может, например, быть выполнена из кремния, но не ограничивается этим. Подложка 12 может, например, нести специализированную интегральную схему (ASIC), которая электрически соединена с ячейкой 10 и обеспечивает внешнее электрическое соединение.
полн
полн
Ячейка 10 дополнительно содержит подвижную или гибкую мембрану 14 (или диафрагму), покрывающую полную мембранную область А (в плоскости подложки или параллельно подложке). Между мембраной 14 и подложкой 12 образована полость 20. Мембрана 14 содержит отверстие 15 и (внутреннюю) краевую часть 14а, окружающую отверстие 15. Эта (внутренняя) краевая часть 14а образует ступень или выступ или гребень. Другими словами, верхняя поверхность краевой части 14а выше, чем верхняя поверхность мембраны 14 (или ее электрода). Отверстие 15 мембраны 14 располагается в центре или центральной области полной мембранной области А. Краевая часть 14а прижата к подложке 12, тем самым давая ячейку предварительно прижатого типа. Другими словами, краевая часть 14а (или мембрана 14) контактирует с подложкой 12 (или дном полости 20).
Ячейка 10 по первому варианту воплощения, показанная на фиг. 1, или второму варианту воплощения, показанная на фиг. 2, дополнительно содержит первый электрод 16, образованный на или в подложке 12, и второй электрод 18, образованный в мембране 14 (или встроенный в нее). Другими словами, подложка 12 содержит в себе или на себе первый электрод 16, а мембрана 14 содержит в себе второй электрод 18. В частности, первый электрод 16 можно рассматривать как часть подложки 12, а второй электрод 18 можно рассматривать как часть мембраны 14. Таким образом получается емкостная ячейка. Ячейка 10 может, в частности, быть ячейкой емкостного микрообработанного ультразвукового преобразователя для передачи и/или приема ультразвуковых волн. При приеме ультразвуковых волн, ультразвуковые волны заставляют мембрану 14 (и ее электрод 18) двигаться или вибрировать, и изменение емкости между первым электродом 16 и вторым электродом 18 может быть обнаружено. Тем самым ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Наоборот, электрический сигнал, приложенный к электродам 16, 18, заставляет мембрану 14 (и ее электрод 18) двигаться или вибрировать и тем самым передавать ультразвуковые волны. Альтернативно, ячейка также может быть ячейкой любого другого подходящего емкостного микрообработанного преобразователя, такой как, например, ячейка емкостного микрообработанного преобразователя (или датчика) давления для измерения давления.
В описываемых здесь вариантах воплощения мембрана 14 содержит множественные слои (например, два), в частности, электроизоляционные слои или диэлектрические слои (например, слои ONO) со встроенным в них или между ними вторым электродом 18. Лишь в качестве примера, каждый слой ONO может иметь толщину примерно 0,25 мкм, но не ограничиваясь этим. Далее, лишь в качестве примера, диаметр мембраны 14 может быть 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, лишь в качестве примера, высота полости (высота зазора) может быть между 0,25 и 0,5 мкм. Однако будет понятно, что можно использовать любую другую подходящую мембрану (например, однослойную мембрану) или любые другие подходящие размеры. Далее, в описанных здесь вариантах воплощения второй (верхний) электрод 18 является кольцевым электродом (или электродом кольцеобразной формы), имеющим отверстие в его центре или середине. Однако будет понятно, что можно использовать любой другой подходящий второй электрод.
В сравнении со вторым вариантом воплощения по фиг. 2, ячейка 10 по первому варианту воплощения фиг. 1 дополнительно содержит (постоянно) напряженный слой 17, образованный на мембране, причем напряженный слой 17 имеет заданное механическое напряжение или значение механического напряжения (в частности, не равное нулю) относительно мембраны 14. Напряженный слой приспособлен обеспечить изгибающий момент (или изгибающее усилие) на мембране 14 (и тем самым отклонение мембраны 14) в направлении к подложке 12 (вниз на фиг. 1) таким образом, что краевая часть 14а мембраны 14 прижимается к подложке 12. Изгибающий момент является достаточно большим, чтобы прижать краевую часть 14а к подложке 12. В первом варианте воплощения по фиг. 1 напряженный слой 17 присутствует постоянно, т.е. он присутствует в изготовленной, готовой ячейке. Таким образом, в этом варианте воплощения напряженный слой 17 также является подвижным или гибким, чтобы он имел возможность двигаться или вибрировать вместе с мембраной 14.
полн
полн
В первом варианте воплощения по фиг. 1 положение напряженного слоя 17 также помогает обеспечить изгибающий момент (или отклонение) на мембране в направлении к подложке 12. Как можно увидеть на фиг. 1, напряженный слой 17 простирается за пределы полной мембранной области А. Напряженный слой 17 дополнительно содержит отверстие 19. Отверстие 19 в напряженном слое 17 располагается в центре или центральной области полной мембранной области А и совмещено с отверстием 15 в мембране 14. Однако отверстие 19 напряженного слоя 17 больше, чем отверстие 15 мембраны 14.
В отношении выбора материала напряженного слоя, во многих материалах при осаждении могут формироваться остаточные напряжения, например, из-за химического состава, термической усадки при переходе от температуры осаждения к температуре окружающей среды, или сочетания этих факторов. Когда осаждают слой материала, условия осаждения могут определить значение механического напряжения. Например, напряженный слой может быть осажден напылением (например, в случае осаждения напряженного слоя металла). В этом случае, например, давление газа во время напыления может определять значение механического напряжения.
3
4
Напряженный слой 17 может, в частности, быть выполнен из металла или металлического сплава, в частности, из по меньшей мере одного материала, выбранного из группы, включающей вольфрам (W), сплав титана и вольфрама (TiW), молибден (Mo) и сплав молибдена и хрома (MoCr). Эти материалы оказались обеспечивающими требуемые значения механического напряжения выгодным образом, так как они имеют высокую точку плавления. Из этих металлов (сплавов) значение механического напряжения может быть настроено на нужное значение. В другом примере напряженный слой 17 может быть выполнен из сочетания сжимающего нитрида и препятствующего травлению слоя (предпочтительно металла). Альтернативно, напряженный слой 17 также может быть выполнен из неметаллического материала. Например, напряженный слой 17 может быть выполнен из SiN (нитрида кремния), в частности, осажденного в «напряженном состоянии».
3
4
Например, напряженный слой 17 (например, выполненный из SiN) может быть осажден с помощью плазмохимического осаждения из газовой фазы. В качестве примера, если в системе плазмохимического осаждения из газовой фазы осаждается нитрид кремния и если регулируются рабочие параметры системы (такие как, например, давление(я), температура(ы), мощность плазмы, настройки радиочастоты (РЧ) или расход(ы) газа для обоих элементов), отношение Si к N может изменяться (например, изменяться относительно точного отношения 3:4). Это может, например, использоваться для наведения остаточного механического напряжения в напряженном слое.
В варианте воплощения по фиг. 1 напряженный слой 17 размещен на обращенной от подложки стороне мембраны 14 (на верху мембраны на фиг. 1). Таким образом, чтобы обеспечить прижатое состояние, значение механического напряжения должно быть отрицательным, т.е. сжимающим напряжением. Другими словами, напряженный слой 17 по фиг. 1 имеет заданную величину напряжения сжатия. Однако будет понятно, что, альтернативно, напряженный слой может также размещаться на стороне мембраны, обращенной к подложке. В этом случае, чтобы обеспечить прижатое состояние, значение механического напряжения должно быть положительным, т.е. растягивающим напряжением. В этом случае напряженный слой имеет заданную величину напряжения растяжения.
20
20
с
Значение механического напряжения также зависит от геометрии, в частности, толщины t мембраны, диаметра (или радиуса) мембраны и/или высоты h полости 20 (или так называемой величины g зазора), т.е. требуемой величины отклонения. Значение механического напряжения, в частности, выбирается таким образом, что амплитуда отклонения превышает (максимальную) высоту h полости 20, так что мембрана 14 прижимается к подложке 12. Лишь в качестве примера, значение механического напряжения может быть по порядку величины в несколько раз больше -100 мега паскалей (МПа). Приведенные выше металлы, например, могут быть «настроены» вплоть до -1000 МПа. В частности, давление прижатия Р (см. формулу выше) мембраны 14 (и ее электрода 18) может быть больше 1 Бар или 5 Бар, или даже 10 Бар.
20
Слои мембраны 14 (включая ее электрод 18), покровный слой 40 и, в варианте воплощения по фиг. 1, также напряженный слой 17 движутся или вибрируют. Эти слои определяют общую жесткость мембраны или вибрирующего элемента. Общая жесткость, вместе с диаметром мембраны и высотой h зазора, является важным фактором для свойств преобразователя (например, частоты резонанса и электрического напряжения (прижатия)).
В сравнении с первым вариантом воплощения по фиг. 1, ячейка по второму варианту воплощения фиг. 2 не содержит напряженного слоя в изготовленной, готовой ячейке 10. Однако будет понятно, что этот напряженный слой может присутствовать временно, т.е. только во время изготовления, а не в конечном изделии.
Второй вариант воплощения по фиг. 2 является предпочтительным вариантом воплощения. Это будет пояснено ниже. Когда металл используется в качестве напряженного слоя 17, значение механического напряжения будет также зависеть от температуры из-за различий в коэффициенте теплового расширения. Если напряженный слой 17 останется в готовой ячейке 10 или конечном изделии, это приведет к зависимым от температуры характеристикам ячейки (в частности, cMUT), что может вызвать тепловое смещение, например, электрического напряжения прижатия. По этой причине напряженный слой 17 удален в предпочтительном втором варианте воплощения по фиг. 2. Если по соображениям акустики требуется дополнительный слой металла(для улучшения акустического импеданса мембраны), он может быть добавлен в качестве последнего слоя, покрывающего всю мембрану. Здесь тепловое смещение ожидается значительно меньшим (в теории оно будет равно нулю, так как отсутствует момент).
В другом варианте воплощения (не показан) только часть напряженного слоя 17 (или его остатки) могут присутствовать в готовой ячейке 10 или конечном изделии. В этом случае напряженный слой 17 удаляется большей частью во время изготовления, но остатки напряженного слоя 17, в частности, в центре ячейки, присутствуют (или по меньшей мере могут быть видны).
под
полн
полн
14
Ячейка 10 по первому варианту воплощения на фиг. 1 или второму варианту воплощения на фиг. 2 дополнительно содержит заглушку 30, размещенную в отверстии 15 мембраны 14. Заглушка 30 располагается только в подобласти А полной мембранной области А, покрываемой мембраной 14. Полная мембранная область Аопределяется 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 определять прочность заглушки. Лишь в качестве примера, может потребоваться минимальная высота порядка 1 мкм. Заглушка 30 может быть, в частности, выполнена из нитрида. В другом примере заглушка 30 выполнена из диоксида кремния, или сочетания нитрида и диоксида кремния. Однако можно использовать любой другой подходящий материал.
под
под
под
В первом варианте воплощения на фиг. 1 или втором варианте воплощения на фиг. 2 заглушка 30 имеет «грибовидную» форму. А именно, заглушка 30 содержит часть-ножку 30а, размещенную на подложке 12 (и контактирующую с ней или прикрепленную к ней), и часть-головку (шляпку) 30b, размещенную на краевой части мембраны (и контактирующую с ней или прикрепленную к ней). Подобласть А (в которой располагается заглушка 30) меньше, чем область, определяемая отверстием кольцевого (или имеющего кольцеобразную форму) второго электрода 18. Другими словами, заглушка 30 (в подобласти А) располагается внутри отверстия электродного кольца второго электрода 18. Это сделано потому, что заглушка 30 является стационарной (неподвижной), а второй электрод 18 должен располагаться в подвижной области мембраны 14. Если второй электрод 18 будет располагаться в неподвижной области (например, подобласти А, где располагается заглушка 30), то это уменьшит качество преобразования ячейки. Таким образом, поэтому второй электрод 18 располагается в подвижной области мембраны 14, а не в неподвижной области, так что поддерживается хорошее качество преобразования ячейки.
Заглушка 30 располагается в или покрывает только подобласть полной мембранной области, и поэтому она не является удерживающим слоем, располагающимся в или покрывающим всю полную мембранную область (и возможно простирающимся за пределы полной мембранной области). В отличие от заглушки 30, такой удерживающий слой был бы в чем-то подобен пружине, так как он удерживал бы мембрану прижатой к поверхности подложки, но если вы приложите к мембране достаточно большое усилие (например, потянете) в направлении вверх (от подложки), то мембрана будет все же двигаться. Это процесс может быть обратимым. Можно представить, что, например, при атмосферном давлении (1 Бар), такой удерживающий слой будет достаточно прочным, чтобы удерживать мембрану, но в вакууме мембрана могла бы быть высвобождена. В отличие от этого, заглушка 30 действительно прикрепляет (или способна «пригвоздить») мембрану к поверхности подложки. Единственным способом высвободить мембрану было бы разрушить заглушку 30.
Если в случае второго варианта воплощения по фиг. 2 напряженный слой 17 присутствует временно (только во время изготовления), как было пояснено выше, то заглушка 30 может содержать выемку, образованную путем удаления напряженного слоя 17. Эта выемка является характерной чертой в заглушке 30 (в частности, выполненной из нитрида) в виде своего рода нависающей структуры, вызванной удалением напряженного слоя 17.
Ячейка 10 по первому варианту воплощения на фиг. 1 или второму варианту воплощения на фиг. 2 дополнительно содержит покровный слой 40, размещенный на мембране 14 (или напряженном слое 17) и на заглушке 30. Покровный слой 40 также является подвижным или гибким, чтобы иметь возможность двигаться или вибрировать вместе с мембраной 14. Однако понятно, что этот покровный слой является необязательным. В случае ячейки cMUT покровный слой 40 обеспечивает соответствие ячейки 10, или, более конкретно, толщины ячейки или мембраны, конкретной частоте резонанса ячейки. В случае ячейки датчика давления покровный слой 40 обеспечивает соответствие рабочему диапазону. Опять же необязательно, могут быть нанесены другие дополнительные слои или покрытия, такие как, например, покрытие из Парилена-С (Parylene-C) или из материала акустической линзы (например, кремния).
полн
14
30
15
под
полн
На фиг. 4 показан вид сверху группы масок (травления) для ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа (или множество слоев, включая маску (травления) или фотошаблон) согласно одному варианту воплощения, в частности, первому варианту воплощения или второму варианту воплощения, описанным выше. Как можно увидеть на фиг. 4, ячейка 10 является ячейкой круглой формы. Мембрана 14 тогда является мембраной кольцевой формы. Поэтому полная мембранная область А является областью круглой формы и определяется (или ограничена) (наружным) диаметром 2×R мембраны 14. Заглушка 30 (не показана на фиг. 4) максимального диаметра 2×R будет размещена в отверстии 15 (имеющем диаметр 2×R) мембраны 14, при этом заглушка 30 располагается только в подобласти А (изображенной штриховой линией на фиг. 4) полной мембранной области А. Необязательно, как показано на фиг. 4, в дополнение к центральному отверстию 15,на ободе мембраны 14 может иметься несколько отверстий 50 для травления (три отверстия 50 для травления на фиг. 4).
18
полн
полн
На фиг. 4 отверстие второго электрода 18 кольцевой формы имеет диаметр 2×R, или так называемый внутренний диаметр второго электрода 18. В примере, показанном на фиг. 4, наружный диаметр второго электрода 18 простирается за пределы полной мембранной области А. Другими словами, в этом примере наружный диаметр второго электрода 18 больше, чем наружный диаметр мембраны 14. Однако будет понятно, что наружный диаметр второго электрода 18 может быть меньше, чем наружный диаметр мембраны 14 (или быть внутри полной мембранной области А), как, например, иллюстрируется в вариантах воплощения по фиг. 1 или фиг. 2.
На фиг. 4 показаны несколько (четыре) дополнительных ячеек вокруг средней ячейки 10. Эти ячейки могут образовать матрицу ячеек или элементов преобразователя. Средняя ячейка 10 (или ее электрод) электрически соединена с другими ячейками посредством электрических соединений 60.
o
14
полн
полн
о
14
i
15
i
15
В случае ячейки круглой формы, сейчас обращаясь снова к фиг. 1 или фиг. 2, второй электрод 18 является кольцевым электродом. Тогда полость 20 является кольцевой полостью. В случае такой ячейки круглой формы, напряженный слой 17 также является кольцевым слоем. В этом случае, как можно увидеть на фиг. 1, наружный радиус R напряженного слоя 17 может быть больше, чем радиус R мембраны 14 или полной мембранной области А. Таким образом, как было описано выше, напряженный слой 17 может простираться за пределы полной мембранной области А. В качестве альтернативы, в теории, наружный радиус R напряженного слоя 17 также может быть меньшим, чем радиус R, при условии обеспечения необходимого изгибающего момента. Также в этом случае, как можно увидеть на фиг. 1, внутренний радиус R напряженного слоя 17 может быть большим, чем радиус R отверстия 15 мембраны 14. Таким образом, как было описано выше, отверстие 19 (имеющее диаметр 2×R) напряженного слоя 17 может быть большим, чем отверстие 15 (имеющее диаметр 2×R) мембраны 14.
18
30
18
18
под
В случае такой ячейки круглой формы заглушка 30 тоже является заглушкой 30 круглой формы. Заглушка 30 меньше, чем отверстие (имеющее диаметр 2×R) в кольцевом втором электроде 18. Другими словами, как можно увидеть на фиг. 1 или фиг. 2, радиус R заглушки 30 круглой формы меньше, чем радиус R отверстия в кольцевом втором электроде 18 (или внутренний радиус R второго электрода 18). Таким образом, как было описано выше, подобласть А (в которой располагается заглушка 30) меньше, чем область, определяемая отверстием кольцевого второго электрода 18. Круглая форма ячейки является выгодной. Однако понятно, что возможна любая другая подходящая форма ячейки.
На каждой из фиг. 3а-3i показан разный производственный этап способа изготовления ячейки 10 емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно первому варианту воплощения или второму варианту воплощения. Пояснения, выполненные в связи с фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 4, также применимы к способу, показанному на фиг. 3, и наоборот.
полн
20
На первоначальном этапе, показанном на фиг. 3а, сначала обеспечивается подложка 12, причем в или на подложке имеется первый электрод 16. Затем обеспечивается мембрана 14 (покрывающая полную мембранную область А) 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 сочетание)со встроенным в них или между ними вторым электродом 18. Как можно увидеть на фиг. 3а, в этом примере на подложке 12 обеспечен временный («жертвенный») слой 21 толщиной h. Этот временный слой 21 используется для образования полости 20, когда временный слой 21 удаляется (например, с помощью сухого или жидкостного травления). Мембрана 14 обеспечивается на временном слое 21. Однако понятно, что можно использовать любой другой подходящий способ обеспечения полости 20.
i
о
о
14
о
14
На следующем этапе, как показано на фиг. 3b, на мембране 14обеспечивается или формируется (например, наносится или осаждается) напряженный слой 17, имеющий заданное значение механического напряжения относительно мембраны 14, как пояснено выше в связи с первым вариантом воплощения. Напряженный слой 17, показанный на фиг. 3b, имеет четко выраженные внутренний радиус R и наружный радиус R. Предпочтительно, наружный диаметр 2×R напряженного слоя 17 превышает диаметр 2×R мембраны 14. В качестве альтернативы, в теории, наружный диаметр 2×R напряженного слоя 17 может быть также меньше, чем диаметр 2×R. Целью здесь состоит в том, чтобы создать изгибающий момент, достаточно большой для изгиба мембраны 14 до подложки 12 или дна полости 20, когда мембрана 14 высвобождается.
Затем, обращаясь к фиг. 3с, мембрану 14 высвобождают путем обеспечения (например, травления) отверстия 15 в мембране 14. В случае этого примера, в котором используется временный слой 21, мембрану 14 высвобождают путем обеспечения временного слоя 21 и осуществления жертвенного травления этого временного слоя 21. После обеспечения отверстия 15 мембрана 14 будет содержать краевую часть 14а, окружающую отверстие 15. Краевая часть 14а мембраны 14 затем прижимается к подложке 12 (или дну полости 20). Более конкретно, краевая часть 14а мембраны 14 прижимается к подложке 12, когда или после того как обеспечено отверстие 15 в мембране 14. Это происходит благодаря тому, что напряженный слой 17 обеспечивает изгибающий момент на мембране 14 в направлении подложки 12, как пояснено выше. Мембрана 14 находится теперь в контакте с подложкой 12 (или дном полости 20).
20
В этом примере полость 20, имеющая высоту h, образована между мембраной 14 и подложкой 12 путем удаления (например, травления) временного слоя 21. Здесь это осуществляется на этапе, когда обеспечивается отверстие 14 в мембране 14, или после этого этапа, когда обеспечивается отверстие 14. В частности, на первом этапе травления может быть обеспечено отверстие 15 в мембране 14, а на следующем этапе травления может быть удален временный слой 21. Отверстие 15 таким образом также выполняет функцию травильного отверстия. Необязательно, на ободе мембраны могут присутствовать дополнительные травильные отверстия, такие как, например, травильные отверстия 50 на фиг. 4.
под
полн
полн
полн
полн
Этапы, показанные на фиг. 3d и фиг. 3е, используются для обеспечения заглушки 30, размещенной в отверстии 15 мембраны 14, как пояснено выше. Заглушка 30 располагается только в подобласти А полной мембранной области А. Сначала, обращаясь к фиг. 3d, на мембране 14 обеспечивают дополнительный слой 29 (например, выполненный из нитрида) по меньшей мере в полной мембранной области А (во всей полной мембранной области А). На фиг. 3d дополнительный слой 29 простирается за пределы полной мембранной области А. Дополнительный слой 29 герметизирует полость 20 от ее окружения и обеспечивает постоянное крепление мембраны 14 к подложке 12 (или дну полости 20). Также отверстия 50 для травления могут быть закрыты дополнительным слоем 29. Теперь ячейка защищена от внешних загрязнений.
под
под
Для обеспечения заглушки, обращаясь к фиг. 3е, дополнительный слой 29 удаляют, за исключением части слоя, расположенной в подобласти А. Таким образом обеспечивается заглушка 30 (например, выполненная из нитрида). Таким образом, дополнительный слой 29 снабжается рисунком (структурируется) и затем присутствует только в подобласти А, которая располагается в центре мембраны 14. В частности, высота заглушки 30 может быть высотой дополнительного слоя 29 (например, выполненного из нитрида). Мембрана 14 теперь постоянно прикреплена к подложке 12 (или дну полости 20) заглушкой 30.
Лишь в качестве частного примера, если дополнительный слой 29 (или слой заглушки) выполнен из нитрида, то осаждение дополнительного слоя 29 происходит при типичной температуре от 300C до 400C. Таким образом, механическое напряжение является значением напряжения при этой температуре (а не при комнатной температуре). В этом частном примере, хорошим выбором в качестве материала напряженного слоя является вольфрам.
До этого момента изготовление ячейки согласно первому варианту воплощения, показанному на фиг. 1, и второму варианту воплощения, показанному на фиг. 2, было идентичным. Далее будут описаны дальнейшие производственные этапы по второму варианту воплощения на фиг. 2. Каждая из фиг. 3f и фиг. 3g показывает производственный этап способа изготовления ячейки емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа согласно второму варианту воплощения. Способ включает в себя этапы удаления напряженного слоя 17, как показано на фиг. 3f. Это, например, может быть осуществлено путем селективного травления относительно мембраны 14 (например, слоев ONO). Мембрана 14 не может вернуться в исходное состояние, так как она постоянно прикреплена к подложке 12 или дну полости 20 заглушкой 30 (например, выполненной из нитрида). На фиг. 3f удаляется полностью весь напряженный слой 17. Однако будет понятно, что можно удалить только значительную часть напряженного слоя (например, оставив только небольшие остатки напряженного слоя). Лишь в качестве примера, процесс жидкостного травления (изотропный) может удалить весь напряженный слой (например, выполненный из металла). В другом примере процесс сухого травления (направленный или анизотропный) может удалить только значительную часть напряженного слоя и оставить остатки (в частности, остатки в выемке заглушки 30).
Необязательно, обращаясь к фиг. 3g, на мембране 14 и заглушке 30 может быть обеспечен или размещен покровный слой 40 (например, используя N-осаждение). Этот покровный слой 40 обеспечивает соответствие ячейки 10 или, более конкретно, толщины ячейки или мембраны, конкретной частоте резонанса ячейки.
Тоже необязательно, может быть выполнен ряд дополнительных этапов обработки. Лишь в качестве примера, могут быть обеспечены электрические соединения ячейки 10 с источником питания (например, для подачи электрического напряжения смещения или РЧ) или электрическое соединение между различными ячейками матрицы ячеек. Лишь в качестве примера, некоторые слои (например, слой нитрида) могут быть удалены с контактных площадок, чтобы создать токопроводящие дорожки к электродам. Дополнительно, в качестве другого примера, может быть нанесен защитный слой или покрытие для электрической изоляции (например, из парилена-С).
С технологической точки зрения, ячейка емкостного микрообработанного преобразователя предварительно прижатого типа (в частности, cMUT) по настоящему изобретению может быть, в принципе, изготовлена таким же или подобным образом, как обычная ячейка емкостного микрообработанного преобразователя «неприжатого типа» (в частности, cMUT), которая, например, описана подробно в WO 2010/032156, который включен сюда по ссылке. Это обладает, например, преимуществом совместимости с КМОП, так что cMUT может комбинироваться с ASIC, в частности, так называемым формирователем микролуча.
Настоящее изобретение может быть дополнительно описано на основе нижеследующих вариантов воплощения.
В одном варианте воплощения ячейка или ячейка cMUT содержит мембрану со встроенными кольцевыми электродами. В пакете слоев задействован алюминий для электродов, ONO и нитрид для мембраны, как, например, подробно описано в WO 2010/032156.
В другом варианте воплощения за осаждением временно структурированного напряженного слоя следует жертвенное травление. Когда мембрана высвобождается, напряженный слой создает изгибающий момент, который вынуждает мембрану прижиматься.
В другом варианте воплощения для постоянного крепления мембраны к дну полости используется слой нитрида: ячейка или ячейка cMUT теперь предварительно прижата. Этот слой нитрида структурируют и его значительную часть удаляют, оставляя только центральную заглушку или «заклепку» из нитрида.
В другом варианте воплощения временно структурированный напряженный слой удаляют полностью (предпочтительный вариант воплощения).
В другом варианте воплощения изготовление ячейки или ячейки cMUT предварительно прижатого типа завершают финальным слоем нитрида. Теперь толщина мембраны соответствует требуемым характеристикам, таким как частота резонанса.
Настоящее изобретение может использоваться в любых областях применения cMUT, особенно в тех, которые используют ультразвук, но в принципе также в любом другом емкостном микрообработанном преобразователе предварительно прижатого типа, таком как, например, датчик давления или преобразователь давления. В случае использования в датчике давления линейность улучшается за счет чувствительности.
Емкостной микрообработанный датчик или преобразователь давления измеряет величину емкости между электродами. Для двух плоских электродов, разделенных расстоянием d и имеющих площадь А, величина емкости С составляет: С=ε×А/d~1/d. Для простоты наличие диэлектрического слоя изоляции между электродами в этой формуле опущено.
4
В одном примере, электронно, датчик давления может быть частью цепи электронного генератора, причем частота f генератора равна f=1/(RC)d, где R - сопротивление некоторого внешнего резистора. В этом случае выходной сигнал датчика давления отражает частоту электронной цепи и отражает линейное расстояние на расстоянии d. Необходимо отметить, что эта частота не имеет ничего общего с частотой механического резонанса мембраны. Так, по мере того как давление увеличивается, две пластины (обкладки) перемещаются друг к другу, величина емкости увеличивается, а частота падает. Давление Р заставляет мембрану перемещаться вниз на величину h, которую можно записать как h=Pr/(64D), где r - радиус мембраны, а D - константа. Теперь расстояние d между электродами равно d=g-h, так как зазор g уменьшился на величину h, или f(g-h)/R. Поэтому давление является приблизительно линейным с частотой до прижатия мембраны. Однако в действительности форма электродом или мембраны не является плоской. Мембрана изгибается, создавая различия в расстояниях над электродом. Поэтому лучшая линейность получается в том случае, если электроды небольшие, за счет необходимости измерения небольшого значения емкости. На практике, электрод, имеющий радиус 50% в сравнении с радиусом мембраны, является уже достаточно линейным.
Здесь был описан один пример измерения величины электрической емкости. Однако понятно, что значение электрической емкости может также измеряться любым другим подходящим образом.
Хотя изобретение было проиллюстрировано и подробно описано на чертежах и в вышеприведенном описании, такие иллюстрация и описание должны рассматриваться как иллюстративные или примерные, а не ограничивающие; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами воплощения. Различные изменения раскрытых вариантов воплощения могут быть поняты и выполнены специалистами в этой области техники при реализации на практике заявленного изобретения, после изучения чертежей, описания и прилагаемой формулы изобретения.
В формуле изобретения термины "содержащий" и "включающий в себя" не исключают наличия других элементов или этапов, а единственное число не исключает наличия множества. Один элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, указанных в формуле изобретения. Тот лишь факт, что определенные признаки указаны во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не означает, что не может с выгодой использоваться комбинация этих признаков.
Любые ссылочные позиции в формуле изобретения не должны рассматриваться в качестве ограничения объема изобретения.