微型机加工的超声换能器与此换能器的制造方法.pdf

本发明针对用于微型机加工超声换能器(MUT)的改进的结构及此结构的制造方法。在一种实施形式中，基片上的MUT包括形成于基片内而在MUT之下一个位置的声腔。此腔充填的声衰减材料吸收基片中的声波和减少寄生电容。在另一实施形式中，此腔形成于多个MUT之下且充填声衰减材料。在又一实施形式中，声衰减材料基本上密封在介电层上的多个MUT。在再一实施形式中，基片中形成有至少一个单片式半导体电路，它可与MUT可操作地耦合以进行信号处理和/或控制操作。

1.  微型机加工超声换能器阵列，此阵列包括：
基片，它具有上表面和相对的下表面以及在此两表面之间的厚度；
腔或凹槽，它形成于此基片中，从此基片中的下表面到中间位置朝上突入基片之内，腔内显著地充填有预定声衰减性质的材料；
至少一个微型机加工的超声换能器(MUT)，它由上述基片的上表面支承且位于此腔或凹槽之上。

2.  权利要求1所述的阵列，其中此MUT还包括一个电容式的微型机加工的超声换能器(cMUT)或者压电式的微型机加工的超声换能器(pMUT)。

3.  权利要求1所述的阵列，其中还包括设于此基片与至少一个MUT之间的介电层。

4.  权利要求1所述的阵列，其中所述材料还包括弹性体材料。

5.  权利要求1所述的阵列，其中所述材料还包括环氧树脂材料。

6.  权利要求5所述的阵列，其中所述环氧树脂材料包括带填料的环氧树脂材料。

7.  权利要求1所述的阵列，其中还包括抵靠上述下表面的衬垫。

8.  微型机加工超声换能器阵列，此阵列包括：
至少一个形成在基本上完全除去的基片上的微型机加工超声换能器(MUT)；以及
基本上密封此至少一个MUT且具有预定声性质的声材料。

9.  制造的微型机加工超声换能器阵列的方法，此方法包括：
在基片表面上形成至少一个微型机加工超声换能器(MUT)；
除去此基片一部分形成在此至少一个MUT之下的腔或凹槽；以及
在此腔或凹槽内设置超声衰减材料。

10.  制造微型机加工超声换能器阵列的方法，此方法包括：
在基片材料上形成至少一个微型机加工超声换能器(MUT)；
在基本上密封此至少一个MUT的上述基片上淀积声衰减材料；以及
从此声衰减材料与MUT上除去至少是大部分基片材料。

微型机加工的超声换能器与此换能器的制造方法
技术领域
本发明一般涉及应用超声换能器通过超声显像提供有关身体内部诊断信息的超声诊断系统，具体涉及这种系统中所用的微型机加工的超声换能器。
发明背景
超声诊断显像系统广泛用于进行超声成像与测量。例如心脏病学家、放射学家与产科医生应用超声诊断显像系统分别检查心脏、各种腹部器官或成长中的胎儿。一般这些系统通过将超声探头抵靠病人的皮肤，起动位于此探头内的超声换能器使超声能透过皮肤进入病人体内，来获取显像信息。响应超声能的透射入体内，从人体的内部结构发出超声回声。此返回的回声通过探头中的换能器变换为电信号，并由将此诊断系统耦联到探头的电缆传送给诊断系统。
超声诊断探头中一般所用的声换能器包括由压电材料通过采用许多精细的制造步骤形成的单个压电元件的阵列。在一种共用的方法中，是将单块的压电材料结合到提供声衰减的衬垫上来形成压电换能器阵列。然后将此单块材料通过切割或截断沿横向形成此阵列的各矩形件。用各种金属化步骤在此单个元件上形成电接触垫，以让导线与阵列的单个压电元件连接。上述导线此时可由多种电连方法包括软焊、点焊连接到接触垫上，或通过粘合剂将导线粘合到接触垫上。
尽管上述方法一般足以形成具有多达几百个元件的声换能器阵列，但具有较小元件尺寸的换能器元件的较大阵列则不易用此方法形成。结果，用于制造硅微电子器件的各种技术已被用来形成超声换能器元件。因为这些技术一般能重复地制造具有复杂细节的小型构件。
可以用半导体制造方法形成的一种器件的例子是微型机加工的超声换能器(MUT)。此MUT与传统的压电超声换能器相比有许多显著的优点。例如MUT的结构在优化参数方面与传统的压电器件通常可以得到的相比能提供更大的灵活性。此外，这种MUT能够用多种半导体制造方法方便地形成于半导体基片上，这样就有利于形成较大数量的换能器，然后将它们集成大的换能器阵列。此外，在制造过程中，于阵列的MUT与阵列外的电子器件之间可方便地形成互连。MUT可以利用电容操作而称之为cMUT，如美国专利No.5894452所示。或者可以用压电材料来制造MUT，这一般记作为pMUT，如美国专利No.6049158所述。因此，在超声系统中，作为传统的压电超声换能器的替换，MUT日益受到重视。
图1是现有技术的MUT 1的局部横剖图。MUT 1具有矩形、圆形的平面形式，或可以具有其他规则形状的平面形式，MUT 1一般包括与贴靠硅基片5的下表面3相分开的上表面2。或者可以于MUT 1之下的基片5上形成介电层4。当将时变激励电压(未图示)施加到MUT 1上时，则因MUT 1的机电性质而于上表面2中形成振动偏转。因此，响应所加的时变电压，形成了从上表面2向外辐射的声波6。MUT 1的机电性质类似地可让MUT 1对碰撞到上表面2上的声波7所造成的偏转作出响应。
上述现有技术器件的缺点之一是，由MUT 1所发展的超声能的一部分可以向后投射到下面的基片5上而不是朝外辐射到声波6内，这就造成了MUT 1的辐射能的部分损耗。此外，当将超声能耦合到下面的基片5中时，会产生各种有害的影响，简述如下。
参看图2，它示明了现有技术的MUT阵列10的局部横剖图。阵列10包括许多形成在硅基片5上的MUT换能器1。各个换能器1通过基片5上形成的许多电连接与时变电压源耦连。为使图示清晰，电压源与电连接没有示出。声波21可以通过背面3导引入基片5中。声波21于基片5内传播，于基片5的下表面18处向内反射以形成指向基片5的上表面19地反射波23。结果在基片5内于上表面19和下表面18之间产生许多反射波23。各反射波23中存在的能量的一部分也可能通过表面18离开基片5而形成许多漏泄波25。从阵列10的一端24的向内反射27还可以导致进一步的反射波27与漏泄波26。
在基片5中传播的声波23与27，如上所述，允许超声能在基片5上的多个MUT换能器1之间交叉耦合通过这些个MUT 1之间产生有害的“串音”，以及其他有害的干扰效应。此外，基片5中波的内反射不利地影响了接收角或阵列10的指向性。
各种现有技术的器件都包括有妨碍波在基片中传播的元件。例如有一种现有技术的器件采用了在MUT 1之间朝下延伸到基片5内的许多沟槽，从而中断了波在基片5内的传播。另一种现有技术的器件采用了类似的向下突出的沟槽，并以声吸收材料充填此沟槽，以便至少是部分地吸收反射波23中的能量。其他的现有技术器件则通过控制此阵列的另外的几何细节使横向波的传播最少化。尽管这些现有技术的器件一般地减少了基片中有害的横向波传播，但由于减少可以独立变化的设计参数的个数而一般限制了MUT中固有的设计灵活性。再有，附加的制造步骤显著地增加了使用MUT的阵列的制造成本。
与图1和2所示现有技术器件相关的另一个缺点是，在一或多个MUT 1与下面的基片5之间有可能形成较大的寄生电容。由于MUT 1是一般由兆赫范围的频率激励的机电器件，在MUT 1与基片5之间寄生电容的形成通过产生通常会降低MUT灵敏度的附加的电容负载而将进一步损害MUT 1的性能。
因此需要有能显著减少声波在下面的基片中传播的微型机加工的超声换能器结构的生产技术。此外还需要有能减少耦合到MUT与下面基片间寄生电容的微型机加工的超声换能器结构的生产技术。
发明内容
本发明是针对微型机加工超声换能器(MUT)所用的改进的结构以及制造这种改进结构的方法。在本发明的一个方面，MUT是形成于基片上而在此基片内在MUT下的一个位置上形成了声腔。声腔中充填以声衰减材料以吸收传播到基片内的声波和减少寄生电容对MUT工作的影响。在本发明的另一方面，此声腔则形成在组成阵列的许多MUT之下。上述声腔与声衰减材料通过阻止声波于基片中传播而显著地减少了MUT之间的交叉耦合。在本发明的再一方面，由许多MUT毗连一介电层，而这些MUT则基本上被声衰减材料封装。在本发明的又一方面，在基片内形成有至少一个可操作地与MUT耦联的单片半导体电路，此电路位于基片的未蚀刻部分。在本发明的另一方面，此至少一个单片半导体电路形成于基片中且位于声腔上的薄基片层内。在本发明的再一方面，多个MUT接附于一层半导体材料的一侧，而在这一侧的相对侧上则形成了介电层。在此半导体材料中形成的至少一个单片式半导体电路则可操作地耦合到MUT之上。
图1是现有技术MUT换能器的局部横剖图；
图2是现有技术MUT换能器的局部横剖图；
图3是本发明一实施形式的MUT换能器组件的局部横剖图；
图4是本发明另一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图；
图5是阐明本发明另一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的MUT换能器的局部横剖图；
图6是阐明本发明另一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的MUT换能器的局部横剖图；
图7是阐明本发明再一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的MUT换能器的局部横剖图；
图8是阐明本发明再一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的MUT换能器的局部横剖图；
图9是本发明另一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图；
图10是阐明本发明再一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的此MUT换能器的局部横剖图；
图11是阐明本发明再一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的此MUT换能器的局部横剖图；
图12是阐明本发明再一实施形式的MUT换能器制造方法中步骤的此MUT换能器的局部横剖图；
图13是本发明又一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图；
图14是本发明又一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图；
图15是本发明又一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图；和
图16是本发明又一实施形式的MUT换能器阵列的局部横剖图。
本发明一般是针对这样一种超声诊断系统，这种系统采用微型机加工超声换能器(MUT)，通过超声显像来提供有关人体内部的诊断信息。在以下的说明以及于图3～16中列述了本发明某几个实施形式的许多具体细节以帮助全面了解这些实施方式。但内行人应知，本发明可以在缺少下述几个细节的条件下实施。还应知道以下实施形式中所述的MUT可以包括任何机电器件，只要这些器件可以形成在被时变电压激励时能发射声波的半导体基片上，同时在为声波激发时能产生时变电信号。因此，这种MUT可以包括电容式微型机加工的超声换能器(cMUT)、压电式微型机加工的超声换能器(pMUT)或是其他的微型机加工的超声装置。此外，在以下的说明中，应知有关各实施形式的附图不应视作为告知了任何具体的或相对的物理尺寸，而如果指出了各种实施形式的具体相对尺寸，除非后附权利要求书作了明白的陈述外，这些尺寸不应视作为具有限制意义。
图3是本发明一实施形式的MUT换能器阵列30的局部横剖图。此MUT换能器阵列30包括形成于基片34上的MUT 32。该阵列30能接收超声波并产生一输出电信号，并且响应输入电信号而产生超声波。此输入与输出信号通过位于基片34内的许多互连线与超声系统(未图示)交换。为使图示清晰，这些互连部分未示明于图3中。MUT 32可以通过应用一系列周知的半导体制造步骤而形成于基片34上。例如可以用光刻方法使基片表面图案化，再通过各种材料淀积工艺于基片34上相继添加材料层来形成MUT 32。通过应用各种蚀刻工艺除去所淀积材料的选择部分可以进一步形成MUT 32的结构特征。必要时可在使MUT32与下面的基片34电绝缘的上表面35上形成一介电层。或者，可将此介电层直接加入到MUT 32内。
继续参考图3，阵列30还包括形成于基片34内的腔36。腔36从上腔表面37延伸，朝下到一个下基片表面39。腔36还包括一对从上腔表面37下垂到下基片表面39的侧壁38。此上腔表面37与前述上表面35被一分隔层31分开，此分隔层很薄足以防止声波显著地传播到基片34的其他部分。腔36可由具有较高声衰减系数的声衰减材料充填，从而在MUT 32下提供声一个阻尼区。腔36的尺寸与材料33的特性相结合，生成可与阵列30的整体声学设计相匹配的声阻抗。例如腔36的深度“d”可以大到足以让从MUT 32通过表面35传送的波衰减到可相对忽视的水平，这是由于材料33会耗损到足以耦散这些波中存在的声能。因此，材料33可以包括弹性材料，例如室温硫化(RTV)弹性体材料，或是其中分散有所选择密度的固体金属、陶瓷或聚合物填料颗粒的各种环氧树脂基质。再有，这种环氧树脂基质可填充弹性体料粒或充气的“微型气囊”以取得所需的声学性质。阵列30可以设于一个声衬垫(未图示)上，用以支承阵列30和提供进一步的声衰减。
图4是本发明另一实施形式的MUT换能器阵列40的局部横剖图。此MTU换能器阵列40包括按预定图案在基片34上形成的许多MUT 32以形成阵列40。这批MUT 32之下形成的腔36从上腔表面37向下延伸到下基片表面39。腔36的尺寸为在此腔以选定的声衰减材料33充填后产生预定的声阻抗。
图5～8是阐明制造本发明另一实施形式的MUT阵列的方法中步骤的局部横剖图。参考图5，通过一系列周知的半导体制造步骤在基片34上形成MUT 32，这些步骤中可以包括在基片34的上表面51上形成介电层50。介电层50可以包括二氧化硅或氮化硅，当然也可以采用包括氮氧化硅在内的其他介电材料。二氧化硅或氮化硅的层53淀积于下表面52之上。用标准的光刻工艺使层53图案化，在层53中形成可通到基片34的背面52的入口。
现来参看图6，这时可蚀刻基片34形成从下表面52延伸到上腔表面37的腔36，如图7所示。介电层50也可用作蚀刻过程中的蚀刻阻挡层，当然也可采用其他的蚀刻阻挡装置，如选择掺杂的基片34。可以在蚀刻浴中用多种各向同性或各向异性的溶液来蚀刻基片34以形成腔36。基片34的材料性质与蚀刻浴的组成一般共同起作用以确定腔36的形状。例如当基片34是具有<111>晶体取向的单晶硅时，则由氢氟酸与硝酸组成的蚀刻液将形成具有以约45°向内延伸的侧壁38的腔36。另一方面，由氢氧化钾蚀刻液蚀刻的<100>单晶材料将形成以约54.7°向内延伸的侧壁。在基片34中结合其他蚀刻液，利用其他的结晶构型可以获得腔36的其他内部形状，而这些都应视之为在本发明的范围之内。类似地，可以采用不同于湿蚀刻的其他方法来形成腔36。例如也可以采用干蚀刻法，包括等离子体蚀刻、离子束研磨以及反应离子蚀刻。
下面参看图8，腔36可充填声材料33，这种材料可以是上面指出的任何一种材料。材料33可以通过直接注入到腔36内而淀积于声腔36内。当然也可有其他方法，例如可将材料33喷射到腔36内。在施加了材料33后，可将层53剥除而露出表面52。层53可以用多种剥离方法剥离，包括湿化学剥离或等离子体剥离法。在此阵列之下可设置声衬垫以进一步增强声衰减。
上述各实施形式有利地在此一个或多个MUT器件下设置了用声材料充填而能显著抑制声波在基片中传播的声腔。此外，这种衰减材料一般具有与基片材料颇为不同的声阻抗，允许此MUT更有效地传送与接收超声信号。再有，通过将此基本上不导电的衰减材料定位于一个或多个MUT之下，便减小了有害于MUT性能的寄生电容耦合效应。
图9是本发明另一实施例的MUT换能器阵列60的局部横剖图。阵列60包括多个接附到介电层50上的MUT 32。这些个MUT 32再置入将其基本上封装并在位置64处邻靠介电层50的声衰减材料62中。此材料62还基本填充了相邻MUT 32间的空隙66，以进一步减弱交叉耦合的影响。声衰减材料62在层50下延伸一段距离“d”，以确保传播到材料62内的波基本上被衰减。声衰减材料62可以包括弹性体材料如室温硫化(RTV)弹性体材料，或是其中分散有选择了密度的固体金属、陶瓷或聚合物填料颗粒的各种环氧树脂基质。再者，这种环氧树脂基质可充填弹性体料粒或充气的“微型气囊”以获取所需的声学性质。
继续参看图9，上述介电层50是一种薄的结构，允许阵列60中各MUT 32所产生的声波向外发射，同时相应地允许MUT 32接收所反射的声波7。因此，层6可以包括薄的二氧化硅层或氮化硅层，当然还存在有可供选择的其他材料层。
图10～12是说明用于制造本发明另一实施例的MUT阵列的方法中步骤的局部剖面图。参看图10，在基片34上形成介电层50，在基片34上类似地形成了许多MUT 32，介电层50位于MUT 32与基片34之间。或者，基片34可以包括一种硅-绝缘体(SOI)基片，该基片包括与MUT 32相分开且位于此基片34内的一层介电材料，以使MUT 32直接位于硅的表面上。在此多个MUT 32上形成有将其基本封装的声衰减材料，如图11所示。
参看图12，其中将基片34基本除去而显露出上部介电表面64。若此基片34是SOI基片，则将基片34减薄以暴露绝缘层。在任一情形下，可用适当的溶液由湿蚀刻来除去基片34。当然也还有其他可供选用的方法。例如可采用湿法旋转蚀刻来除去基片34。在此蚀刻过程，介电层50可用作蚀刻阻挡层。也可通过对基片34进行反向研磨使表面64显露。
除了在上面指出的与其他实施形式相联系的优点外，前述实施形式还提供了能有利地将整个MUT封装的无束缚的声腔，得以使相邻MUT间的空隙由声衰减材料充填而进一步减小交叉耦合影响。
图13是本发明另一实施形式的MUT换能器阵列70的局部横剖图。此MUT换能器阵列70包括依预定图案形成于基片34上的许多MUT 32。在这些MUT 32与基片34之间插设有介电层50以提供电绝缘。在这批MUT 32之下形成一衰减腔36，该腔36从上腔表面37朝下延伸到下基片表面39。腔36中可充填以声衰减材料33来为阵列70产生所选择的声性质。阵列70还包括至少一个半导体电路72，电路72单片地形成于基片34中邻近衰减腔36的一侧。电路72可以包括单一的半导体器件如场效应晶体管(FET)或类似器件以驱动MUT。或者，电路72可以包括更加充分集成的器件。例如电路72可以包括单片形成的电路，它们至少是部分地执行接收机的功能，为阵列70进行聚束处理或其他的“前端”处理。此外，电路72还可以包括为阵列70进行控制操作的电路。半导体电路72可以与这些MUT 32和此阵列之外的其他电路通过在基片上形成的互连元件(未图示)互连。MUT换能器阵列70可以位于支承它的声衬垫(未图示)上而获得进一步的声衰减。
图14是本发明的另一实施例的MUT换能器阵列80的局部剖面图。此MUT换能器阵列80包括许多形成在基片34上的MUT 32。在这些MUT 32与基片34上之间插设有介电层50。在这些MUT 32之下形成一衰减腔36，它从上腔表面37朝下延伸到下基片表面39。腔36中可充填声衰减材料33而为阵列80产生选择的声性质。阵列80还包括至少一个半导体电路82，它以单片形式式在一分隔层31中形成在衰减腔36的上方并与这些MUT邻近的位置。与上述实施例相同，电路82可包括单一的半导体器件，或者电路82可以包括更加充分集成的器件。半导体电路82可以通过基片上形成的互连元件(未图示)与这些MUT 32以及此阵列外的其他电路互连。或者，在这些MUT 32大致下方的一个位置处于分隔层31中形成至少一个电路82，同时经由从这些MUT 32延伸到此至少一个电路82的路径(未图示)形成与MUT 32的互连元件(未示出)。此MUT换能器阵列80可位于支承它的声衬垫(未图示)上而进一步增强声衰减。
图15是本发明另一实施形式的MUT换能器阵列90的局部横剖图。阵列90包括许多MUT 32，它们嵌设于基本上将其封装的声衰减材料62中。由半导体材料组成的层94插设于介电层96和这批MUT 32之间。介电层96可以由薄层的二氧化硅或氮化硅组成，当然还有其他供选择的料层。阵列90还包括至少一个半导体电路92，它以单片电路形式形成于该层94中，邻近这批MUT 32的一个位置。与结合本发明的其他实施形式详述的相同，电路92可以包括单一的器件，或可以包括更加充分集成的器件，其中包括至少能部分地执行接收机功能，进行聚束处理或进行其他作业的电路。上述半导体电路92可以由此基片上形成的导电元件(未图示)与这些MUT 32以及此阵列外的其他电路连接。或者，可在这批MUT 32大致下方的位置处在层94中形成至少一个电路92并经由从这些MUT32延伸到至少一个电路92的路径(未示出)形成具有MUT32的互连元件(未图示)。
图15中阵列90的制造一般可按图10～12所示进行。在硅基片34(如图10所示)上形成介电层96。或者可用硅-绝缘体(SOI)基片来提供基片32与介电层96。在任一情形下，半导体电路92都是形成在层94中所希望的位置处。MUT 32然后可以形成于层94中，而包括MUT的阵列90的一个表面则可由声衰减材料62覆盖。然后可以通过反向研磨、蚀刻或其他类似方法除去基片34以产生出图15所示的阵列90。
图16是本发明的又另一实施形式的MUT换能器阵列100的局部横剖图。阵列100类似于图15所示的实施例，同时除去了介电层96而且层94至少有一部分被除去或未被形成。由于层96与94被除去，在大大减弱了由于层96与94所致的声衰减而提高了MUT 32的接收与发射能力。此外，层94可以保留下或形成为绝缘区(未图示)用以在MUT32邻近或它们之间形成附加的电路92。
除本发明其他实施形式中出现的优点外，上述各实施形式还包括以单片形式形成于基片中的至少一个邻近MUT的位置处的半导体电路。此半导体电路有利于，让MUT的至少一部分信号处理和/或控制电路来形成于普通的基片上，结果，通过减少了硬件的需求而显著地降低了成本同时节省了制造费用。
上面描述的本发明的图示实施形式并非是唯一的形式或是把本发明限于所公开的精确形式。尽管出于解释目的在上面说明了本发明的具体实施形式及其例子，但熟悉有关技术的人当可认识到本发明范围内可能的等效变更形式。例如如上所述在MUT之后形成的腔一般充填声材料，而此已充填的腔或是减薄了的基片层则一般是衬以具有根据特殊应用要求而选定了(衰减与阻抗特性的层或衬块形式的)的声背衬材料的。上述的腔与衬垫中之任一或两个可以是充分形式的，这对于低频应用中或是在将声波发送到空气时是很理想的。这种腔与背衬材料可以是具有很强的衰减(损耗)性质或是反射或匹配特性，视具体应用而定。再有，上述各实施形式可结合来提供其他的实施形式。因此，本发明不限于所公开的内容，相反，本发明的范围完全是由后附的权利要求书决定。