專利名稱：超聲薄膜換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明通常涉及超聲診斷系統(tǒng)，其采用超聲換能器通過超聲成像來提供有關(guān)身體內(nèi)部的診斷信息，更具體地，本發(fā)明涉及用于這種系統(tǒng)中的超聲薄膜換能器。
超聲診斷成像系統(tǒng)被廣泛地用來進行超聲成像和測量。例如，心臟科醫(yī)生、放射科醫(yī)生以及產(chǎn)科醫(yī)生分別采用超聲成像系統(tǒng)來檢查心臟、各種腹部器官、或顯現(xiàn)胎兒。通常，利用這些系統(tǒng)，借助于將超聲換能器陣列置于病人的皮膚上，并激勵位于陣列中的一個或多個元件將超聲能量通過皮膚傳輸?shù)讲∪梭w內(nèi)，來獲得成像信息。響應(yīng)于超聲能量向身體的傳輸，超聲回聲從身體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)出。返回的聲學回聲被陣列中的一個或多個元件轉(zhuǎn)換成電信號，由將診斷系統(tǒng)耦合到換能器陣列的電纜傳送到診斷系統(tǒng)。
軟件和數(shù)字技術(shù)的最新進展已經(jīng)使得能夠開發(fā)靈活性和數(shù)據(jù)處理速率增強的超聲成像系統(tǒng)。因此，診斷探針中的超聲換能器元件的數(shù)目也不斷地增多，使得能開發(fā)產(chǎn)生高橫向分辨率的相對寬孔徑的診斷探針。
通常用于超聲診斷探針的聲學換能器，一般包含單獨的壓電元件陣列，這些壓電元件借助于執(zhí)行大量精細的制造步驟而由結(jié)晶壓電材料形成。例如，借助于將單塊壓電材料接合到聲阻抗比較低且聲衰減高的吸聲背襯(acoustic backing)部件，已經(jīng)制作了現(xiàn)有技術(shù)的聲換能器陣列。然后，借助于將此材料切割或劃片形成陣列的精細矩形元件而橫向細分此材料。用各種金屬化工藝將電接觸焊盤淀積在單獨的元件上，以便使導(dǎo)電體能夠耦合到陣列的單獨元件。通常，用包括焊接、點焊的各種電連接方法，或借助于將導(dǎo)體接合到接觸焊盤，來將導(dǎo)電體耦合到接觸焊盤。
雖然上述的制造步驟一般適合于形成具有直至幾百個元件的聲換能器陣列，但用上述技術(shù)不容易制作具有更小尺寸的元件組成的更大的陣列。因此，硅微電子器件制造中所用的各種方法已經(jīng)被用來在半導(dǎo)體襯底上生產(chǎn)超聲換能器元件，因為這些技術(shù)使得能夠重復(fù)地制造具有復(fù)雜細節(jié)的小型結(jié)構(gòu)。結(jié)果，可以容易地大量制造比使用上述方法可得到的小得多的換能器元件。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微制作(micro-formed)的薄膜超聲換能器陣列1的局部剖面圖。此陣列1包括位于硅襯底3的上表面12上的多個微制作薄膜元件2。元件2通常包括與和襯底3鄰接的下表面7分開的上表面4。各個元件通過形成在襯底3中的多個電互連被耦合到隨時間變化的電壓源。為了清楚起見，未示出到達各個元件的電壓源和電互連。當隨時間變化的激發(fā)電壓被施加到各個元件時，源于元件的電機械性質(zhì)而在上表面4中產(chǎn)生振動偏移。因此，響應(yīng)于所施加的隨時間變化電壓，就產(chǎn)生從上表面4向外輻射的聲波5。元件的電機械性質(zhì)同樣使元件響應(yīng)于聲波6撞擊在上表面4上產(chǎn)生的偏移。
上述現(xiàn)有技術(shù)陣列1的一個缺點是，元件2產(chǎn)生的一部分超聲能量可能被向回投射到下方的襯底3中，而不是以聲波5被向外輻射。因而引起元件2的輻射能量的部分損失。而且，當超聲能量被耦合到下方襯底3中時，超聲能量以聲波8的形式傳播進入襯底3中，聲波8可能在襯底3的下表面11處被內(nèi)部反射，從而形成向著襯底3上表面12方向的反射波9。多個反射波9然后可以在上表面12與下表面11之間的襯底3中傳播。存在于各個反射波9中的一部分能量也可以通過表面11離開襯底3，從而形成多個泄漏波10。由于波9可以被陣列1中的其它元件2接收，故襯底3中聲波9的傳播還使超聲能量能夠在元件2之間被交叉耦合，從而產(chǎn)生元件2之間不希望有的“串擾”信號，以及其它不希望有的干擾效應(yīng)。而且，波在襯底3中的內(nèi)部反射可能對陣列1的接受角，即方向性有不利的影響。
各種現(xiàn)有技術(shù)器件包括了阻止波在襯底中傳播的元件。例如，一種現(xiàn)有技術(shù)器件采用了在元件2之間向下延伸到襯底3中的多個溝槽，來中斷波在襯底3中的傳播。相似的現(xiàn)有技術(shù)器件采用了填充有聲衰減材料的向下突出的溝槽，以便至少部分地吸收反射波9的能量。雖然這些現(xiàn)有技術(shù)器件降低了襯底中不希望有的橫向波傳播，但通常也限制了由于減少了可以獨立變化的設(shè)計參數(shù)的數(shù)目帶來的微制作元件2的固有優(yōu)點。而且，額外的制造步驟明顯地提高了微制作的換能器陣列的制造成本。
與圖1所示現(xiàn)有技術(shù)陣列1相關(guān)的另一個缺點是，陣列1通常被暴露于各種物質(zhì)，包括水、消毒劑、連接膠。由于元件2被微制作在襯底3上，故各種小的凹陷可能存在于陣列1上，而這些物質(zhì)可以積聚在其中。例如，多個凹陷13可以形成在元件2之間，由于通常無法適當?shù)厍逑搓嚵?的小凹陷13，使污染物可能不斷積累。此外，暴露于這些物質(zhì)的表面可能容易受到由于這種暴露而導(dǎo)致的侵蝕或腐蝕。
現(xiàn)有技術(shù)陣列1的另一缺點是，陣列1缺乏硬覆蓋表面來保護陣列1。因此，陣列1通常容易受物理沖擊產(chǎn)生的損傷，因為陣列1承受的沖擊可以損傷單獨的元件2，以及包含電互連或其它器件的下方襯底3。
因此，在本領(lǐng)域中需要能夠產(chǎn)生明顯降低聲波在下方襯底中的傳播的微制作的超聲陣列。此外，在本領(lǐng)域中需要抵抗來自各種物質(zhì)的污染和損傷、且容易清洗的微制作的超聲陣列。而且，本領(lǐng)域還需要能夠抵抗來自通常遇到的物理沖擊損傷的微制作超聲陣列。
本發(fā)明的目的是用于微制作的薄膜超聲換能器陣列的改進結(jié)構(gòu)，以及用來制造此改進結(jié)構(gòu)的方法。在本發(fā)明的一個方面，微制作的薄膜換能器陣列包括具有一層壓電材料的平坦部件和設(shè)置在平坦部件表面上且耦合到壓電材料層的多個間隔的電極，以便將電場施加到此層，以及固定地連接到該多個電極的吸聲背襯部件。在另一個方面，微制作的薄膜換能器陣列包括具有一層壓電材料和鄰接的半導(dǎo)體材料層的平坦部件，半導(dǎo)體材料層具有多個形成在半導(dǎo)體層中、且耦合到壓電材料層的單片形成的有源電路，多個間隔的電極設(shè)置在平坦部件表面上且耦合到有源電路，以便將電場施加到壓電層，以及固定地連接到多個電極的吸聲背襯部件。在又一個方面，微制作的薄膜換能器陣列包括具有一層壓電材料的平坦部件，設(shè)置在平坦部件表面上用來將電場施加到壓電層的多個間隔的電極、以及具有鄰接的半導(dǎo)體材料層的吸聲背襯部件，此半導(dǎo)體材料層具有多個單片形成的有源電路，此有源電路耦合到電極，并被固定地連接到選定位置處的電極。
圖1是根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部平面圖。
圖3是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖4b是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部剖面圖。
圖7是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖8是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖9是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖10是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖11是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖12是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖13是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖14是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖15是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
圖16是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案用來形成微制作的薄膜換能器的方法中一個步驟的局部剖面圖。
本發(fā)明通常涉及超聲診斷系統(tǒng)，這種超聲診斷系統(tǒng)使用超聲微制作的薄膜換能器通過超聲成像來提供有關(guān)身體內(nèi)部的診斷信息。在下文描述以及圖2-16中給出了本發(fā)明一些實施方案的許多具體細節(jié)，以便提供對這些實施方案的透徹理解。但本技術(shù)領(lǐng)域熟練人員可以理解的是，本發(fā)明可以無需下列描述所述的一些細節(jié)而加以實施。而且，在下列描述中要理解的是，有關(guān)各個實施方案的附圖沒有給出任何具體或相對的物理尺度。而且要理解的是，如果提到有關(guān)各個實施方案的具體或相對尺度，則除非權(quán)利要求另有說明，都不認為是限制性的。
圖2是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的微制作的薄膜換能器的局部平面圖。換能器20包括具有上側(cè)22和相對的下側(cè)23的平坦部件21。此平坦部件21是包括至少一層壓電材料(未示出)的層狀結(jié)構(gòu)。下面將更詳細地討論平坦部件21的結(jié)構(gòu)。多個間隔的第一電極24和第二電極25被固定地附著到平坦部件21的下側(cè)23，并進一步被電耦合到壓電材料。雖然第一電極24和第二電極25被示為間隔大致相等的間距，但要理解的是，第一電極24和第二電極25的間距可以跨越平坦部件21的下側(cè)23以變化的間距而定位。第一電極24和第二電極25被進一步耦合到能夠?qū)㈦S時間變化的激發(fā)電壓施加在第一電極24與第二電極25之間的超聲系統(tǒng)26，致使產(chǎn)生隨時間變化的電場29。包括在平坦部件21中的壓電材料被接入電極，以便沿通常橫貫第一電極24和第二電極25取向的橫向方向呈現(xiàn)振動運動(k33模式)，致使壓電材料響應(yīng)于施加的激發(fā)電壓而呈現(xiàn)沿電場29方向的隨時間變化的橫向應(yīng)變。如下面將更詳細地所述那樣，由于第一電極24和第二電極25在位置上相對于下方結(jié)構(gòu)被固定，故平坦部件21呈現(xiàn)出，在沿大致垂直于平坦部件21的表面22的方向延伸的電極24和25之間的薄膜部分27中的彎曲位移，從而使聲波從表面22向外輻射。因此，在反射的聲信號在薄膜部分27上留下印記時出現(xiàn)的薄膜部分27的位移，使壓電材料沿平行于表面22的方向應(yīng)變，從而產(chǎn)生隨時間變化的信號，此信號可以被超聲系統(tǒng)26處理。
仍然參照圖2，平坦部件21還包括從下側(cè)23至少部分地延伸到部件21中(典型地為完全穿過部件)的隔層28，以便將換能器20與陣列中其它臨近的換能器去除電耦合和聲耦合。
圖3是薄膜換能器20沿圖2所示剖面線3-3的局部剖面圖。平坦部件21包括連續(xù)的上層260，上層260包含諸如氮化硅、氧化鋁、氧化鎂、或化學汽相淀積(CVD)的金剛石之類的硬的化學抗蝕劑材料。壓電層280被置于臨近上層260，并可以由任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr或Ni、或這些元素的任何組合的陶瓷鈦酸鉛(PT)或鈦酸鋯酸鉛(PZT)組成。層280也可以由任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr或Ni、或這些元素的任何組合的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3組成。層280還可以由下列化合物中的任意組成Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3；Pb(Sc1/2Nb1/2)O3-PbTiO3；Pb(Zn1/3Nb2/3)1-x-y(Mn1/2Nb1/2)xTiyO3，其中，(0≤x≤1)，(0≤y≤1)，Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3；PbY1/2Nb1/2O3-PbTiO3；任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr或Ni、或這些元素的任何組合的PbZn1/3Nb2/3O3-PbTiO3，Sr3TaGa3Si2O14；K(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；Na(Sr1-xBax)2Nb5O15，其中(0≤x≤1)；BaTiO3；(K1-xNax)NbO3，其中(0≤x≤1)；(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3；(Bi，Na)TiO3；Bi7Ti4NbO21；(K1-xNax)NbO3-(Bi，Na，K，Pb，Ba)TiO3，其中(0≤x≤1)；a(BixNa1-x)TiO3-b(KNb3-c)1/2(Bi2O3-Sc2O3)，其中(0≤x≤1)，且(a+b+c＝1)；(BaaSrbCac)TixZr1-xO3，其中(0≤x≤1)，且(a+b+c＝1)；(BaaSrbLac)Bi4Ti4O15，其中(a+b+c＝1)；Bi4Ti3O12；LiNbO3；La3Ga5.5Nb0.5O14；La3Ga5SiO14；La3Ga5.5Ta0.5O14；AlN；ZnO或可任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr、Ni或這些元素任何組合的鈦酸鋯酸鉛(PZT)織構(gòu)膜，可任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr、Ni或這些元素任何組合的鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)織構(gòu)膜，可任選地摻有La、Mn、Fe、Sb、Sr、Ni或這些元素任何組合的鈮酸鉛鋅-鈦酸鉛(PZN-PT)織構(gòu)膜，單晶PMN-PT，單晶PZN-PT，聚氟乙烯聚合物(PVDF)或其它適當?shù)奶鎿Q壓電材料。
仍然參照圖3，薄的抗反應(yīng)層262可以被插入在壓電層280與上層260之間，以便在形成平坦部件21的過程中將壓電層280與上層260化學上隔離?？狗磻?yīng)層262可以由TiO2、ZrO2、MgO、Al2O3、HfO2、ZrTiO4、LaAlO3、或這些化合物的任何組合組成，雖然也可以采用其它的化合物。仍然參照圖3，籽晶層可以插入在壓電層280與抗反應(yīng)層262之間。籽晶層可以包含高度織構(gòu)的MgO、AlN、LaAlO3、PbZrxTi1-xO3、Pt(111)或Pt(100)、Pt(111)/Ti、La1-xSrxCoO3。第一電極24和第二電極25由導(dǎo)電材料組成，此導(dǎo)電材料可以包括Ti或Ti1-xWx(0≤x≤1)合金界面層以及鋁、摻有硅的鋁、或摻有銅、金、鉑的鋁的導(dǎo)電層，雖然也可以采用其它的導(dǎo)電材料。第一電極24和第二電極25從壓電層280向下延伸，以便連接多個淀積在吸聲背襯部件200上的導(dǎo)電接觸焊盤220。接觸焊盤220可以由金、鉑、鋁、或其它導(dǎo)電材料組成，并可以包括相似的界面層。借助于將第一電極24和第二電極25壓力接合或焊接到焊盤220，第一電極24和第二電極25被固定地接合到接觸焊盤220，以便形成第一電極24與焊盤220之間以及第二電極25與焊盤220之間比較牢固的機械連接?；蛘撸瑢?dǎo)電的或不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂化合物或其它的粘合劑可以被用來將第一電極24和第二電極25接合到焊盤220。接觸焊盤220被進一步電耦合到穿過吸聲背襯部件200延伸的多個導(dǎo)電部件240，以便提供將各個第一電極24和第二電極25耦合到超聲系統(tǒng)26(如圖2所示)的連續(xù)導(dǎo)電路徑。吸聲背襯部件200可以由聲衰減相對高和適當選擇的低聲阻抗的任意適當材料組成，其還為平坦部件21、第一電極24、以及第二電極25提供比較牢固的結(jié)構(gòu)支持。適當材料的例子包括各種環(huán)氧樹脂或分散有固體金屬、陶瓷、或聚合物顆粒的環(huán)氧樹脂基質(zhì)。
圖4是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器30的局部剖面圖。平坦部件21包括由硬的化學抗蝕材料組成的上層260，其可以包括與前述相同的任何材料，以及其它的替換材料。壓電層280也可以類似地由上述材料組成。中間層32插入在上層260與壓電層280之間，以便將層280與上層260間隔開。將上層260與壓電層28O分離，有利地提高了壓電層280中彎曲應(yīng)力的均勻性，從而改善了器件的耦合系數(shù)。中間層32通常是比上層260或壓電層280更易于彎曲的層，且可以由例如二氧化硅或氮氧化硅組成，雖然也可以采用其它的材料?？狗磻?yīng)層262可以任選地淀積在鄰接于層32的壓電層280的表面上?？狗磻?yīng)層262可以由與前述相同的任何材料、以及其它替換材料組成。
圖4a是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器34的局部剖面圖。平坦部件21包括由硬的化學抗蝕材料組成的上層260，其可以包括與前述相同的任何材料以及其它的替換材料。壓電層280也可以類似地由上述材料以及其它的替換材料組成。薄膜換能器34還包括位于上層260與壓電層280之間的阻擋層264。阻擋層264通常抑制在形成平坦部件21的過程中，壓電層280與用于上層260的某些材料的化學相互作用。例如，在形成平坦部件21的過程中，可能出現(xiàn)不希望有的化合物，其中包含上層260的材料包括CVD金剛石等材料。因此，阻擋層264可以由氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、或氮化鋁、或這些化合物的組合組成?？狗磻?yīng)層262可以任選地插入在壓電層280與阻擋層264之間，以便進一步抑制壓電層280與阻擋層264之間的化學相互作用。抗反應(yīng)層262可以由與前述相同的任何材料以及其它替換材料組成。
圖4b是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器36的局部剖面圖。平坦部件21包括上層260，它可以包括與前述相同的任何材料和其它的替換材料，以及壓電層280，它也可以類似地由上述材料以及其它的替換材料組成。如上面更充分地所述，中間層32可以被置于上層260與壓電層280之間鄰近壓電層280的位置處，以便提高換能器36的聲耦合系數(shù)。如前所述，抗反應(yīng)層262可以任選地插入在中間層32與壓電層280之間，以便進一步抑制壓電層280與相鄰層之間的化學相互作用。而且，換能器36還可以包括位于上層260與中間層32之間的阻擋層264，以便將上層262與中間層32化學隔離。圖5是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器40的局部剖面圖。如前述實施方案那樣，平坦部件21包括硬的化學抗蝕劑上層260。壓電層280也可以由上述材料組成。中間層42被插入在上層260與壓電層280之間，以便隔開層280與上層260。中間層42由延伸在壓電層280與上層260之間的多個間隔元件44構(gòu)成，以便將上層260與壓電層280分離，以便提高換能器40的耦合系數(shù)。例如，間隔元件44可以由借助于將SiO2層淀積在上層260、隨后去除一部分淀積層而形成柱狀結(jié)構(gòu)所形成的柱狀結(jié)構(gòu)組成。
本發(fā)明的上述各個實施方案使吸聲背襯部件能夠被置于陣列后面，從而有利地降低了通過換能器背表面的超聲能量損失，因此使換能器能夠產(chǎn)生更高的靈敏度。而且，由于背襯結(jié)構(gòu)的存在，陣列中換能器之間的交叉耦合被降低了，從而能夠形成較不易受到“串擾”和其它形式干擾影響的陣列。
上述實施方案還有其它的優(yōu)點。例如，由于換能器位于由一般有彈性的材料組成的吸聲背襯部件上，故換能器能夠吸收物理沖擊而不受損傷，這是由于前述實施方案不具有現(xiàn)有技術(shù)器件中存在的硬的易碎下方襯底。上述實施方案還提供了基本上覆蓋換能器的非多孔化學上惰性且均勻的平坦部件，從而防止了諸如消毒劑或連接膠之類的污染物遷移到換能器的結(jié)構(gòu)中。
圖6是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器50的局部剖面圖。襯底52被置于吸聲背襯部件200上，它包括單片形成在襯底52中的多個有源電路54，以及諸如電容器、電阻器、或電感器之類的無源功能元件。在半導(dǎo)體襯底52中或半導(dǎo)體襯底52上實現(xiàn)這些無源功能元件。這些無源功能元件也可以在單獨的襯底上處理，其通過引線接合或倒裝芯片安裝到半導(dǎo)體襯底52上。具有無源功能元件的單獨襯底可以是具有集成電容器、電感器、或電阻器以及互連的Si襯底或陶瓷襯底。此襯底還可以是具有諸如電容器、電感器、或電阻器的集成無源功能元件的疊層型襯底。襯底52還包括將第一電極24和第二電極25電耦合到有源和無源電路的多個接觸焊盤220。有源和無源電路提供伸出到襯底52中的多個導(dǎo)電通孔56，進一步電耦合到多個導(dǎo)電部件240，從而在部件240與有源和無源電路之間形成互連。有源電路54可以包含控制換能器50工作的諸如場效應(yīng)晶體管(FET)、或金屬氧化物場效應(yīng)晶體管(MOSFET)的簡單半導(dǎo)體器件，或者，電路54可以是至少執(zhí)行超聲系統(tǒng)26(如圖2所示)的部分信號處理功能的更高度集成的電路。例如，有源和無源電路可以包括至少部分地執(zhí)行陣列波束形成操作的電路。而且，有源和無源電路可以執(zhí)行其它的功能，例如執(zhí)行復(fù)用操作，或涉及換能器50的信號發(fā)射或接收的其它“前端”操作。
圖7是根據(jù)本發(fā)明另一實施方案的薄膜換能器60的局部剖面圖。平坦部件21包括上層260、壓電層280、以及插入在上層260與壓電層280之間的半導(dǎo)體襯底層62。襯底層62還包括單片地形成在襯底層62中的多個有源電路64。如在前述實施方案中那樣，電路64可以包含F(xiàn)ET或MOSFET，以便控制換能器60的工作，或者，電路64可以包括可以執(zhí)行超聲系統(tǒng)26(如圖2所示)的至少一部分信號處理功能的更高度集成的有源和無源器件。有源電路64通過延伸穿過形成在襯底層62上的絕緣層65的通孔66而耦合到壓電層280。有源電路64還通過延伸穿過絕緣層65的通孔68耦合到第一電極24和第二電極25。絕緣層65可以由諸如形成在半導(dǎo)體襯底層62表面上的二氧化硅層的適當?shù)慕^緣材料構(gòu)成。
上述各個實施方案有利地使多個有源半導(dǎo)體電路能夠被集成到換能器的結(jié)構(gòu)中。這些電路可以執(zhí)行各種預(yù)先的信號處理功能，從而減緩整個信號處理要求的至少一部分的超聲系統(tǒng)。
圖8-16是根據(jù)本發(fā)明一個實施方案的用來形成微制作的薄膜換能器的方法中各個步驟的局部剖面圖。首先參照圖8，上層260被淀積或形成在下方硅襯底72上，并可以由適當?shù)膭傂院偷兔芏炔牧辖M成。例如，上層260可以由用低壓化學汽相淀積(LPCVD)方法淀積在硅襯底72上的氮化硅膜組成。或者，上層260可以由用化學汽相淀積(CVD)方法淀積的金剛石材料組成。
現(xiàn)在參照圖9，中間層32可以任選地被淀積在上層260上。在所公開的實施方案中，中間層32由二氧化硅或氮氧化硅組成，其可以用LPCVD工藝、或用本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知的其它工藝形成在上層260上。此外，抗反應(yīng)層262可以用各種已知的工藝任選地形成在中間層32上。例如，當層262由二氧化鈦組成時，借助于將二氧化鈦濺射到層32上，可以淀積層262?；蛘撸梢詫⑩仦R射到層32上，并對其進行熱氧化，以便形成抗反應(yīng)層262。其它的材料和淀積工藝也可以用來形成層262。
現(xiàn)在來參照圖10，壓電層280被涂敷到中間層32和抗反應(yīng)層262。在一個方面，層280可以由用溶膠-凝膠工藝淀積在層32上的PZT或者施主或摻雜受主的PZT組成。溶膠-凝膠工藝是生產(chǎn)摻雜或不摻雜的PZT、特別是薄層形式的眾所周知的方法，且其優(yōu)點在于高純度的薄層PZT能夠被制作成具有高的表面平滑度。諸如濺射或化學汽相淀積(CVD)之類的其它眾所周知的方法，也可以被用來涂敷壓電層280。壓電層280也可以由有利地呈現(xiàn)近乎單晶結(jié)構(gòu)的摻雜或不摻雜PZT的織構(gòu)薄膜組成。而且，也可以采用織構(gòu)化的摻雜或不摻雜鈮酸鉛鎂-鈦酸鉛(PMN-PT)、或織構(gòu)化的摻雜或不摻雜鈮酸鉛鋅-鈦酸鉛(PZN-PT)，它們有利地呈現(xiàn)更高的耦合系數(shù)，并在中等電場強度下能夠產(chǎn)生比用PZT可得到的大一個數(shù)量級的誘導(dǎo)應(yīng)變。如本技術(shù)領(lǐng)域眾所周知那樣，在形成壓電層28之后，可以將此層接入電極，以便建立所希望的k33極化性質(zhì)。為了生長織構(gòu)膜，可以用溶膠-凝膠工藝或濺射或化學汽相淀積(CVD)方法來淀積籽晶層。籽晶層可以包含高度織構(gòu)化的MgO、AlN、LaAlO3、PbZrxTi1-zO3、Pt(111)或Pt(100)、Pt(111)/Ti、La1-xSrxCoO3。
現(xiàn)在參照圖11，可以借助于涂敷光致抗蝕劑材料(未示出)并用光刻方法曝光光致抗蝕劑材料，在壓電層280中形成分隔28。對曝光的光致抗蝕劑進行顯影導(dǎo)致圖形化結(jié)構(gòu)(也未示出)，其使腐蝕劑能夠腐蝕分隔28?？梢杂脕砀g層280的腐蝕劑可以包括乙酸-硝酸溶液或乙酸-硝酸-氫氟酸溶液，雖然還存在著其它的替換。在腐蝕工藝之后，可以用眾所周知的工藝從壓電層280剝離光致抗蝕劑，以便產(chǎn)生圖11所示的分隔28?；蛘撸梢杂闷渌母g溶液或方法來形成延伸到壓電層280以外的分隔28。
圖12示出了位于壓電層280上的多個第一金屬結(jié)構(gòu)74，它們各具有插入在第一金屬結(jié)構(gòu)74與壓電層280之間的界面層76。第一金屬結(jié)構(gòu)74由導(dǎo)電材料組成，其可以包括金、鋁、或鉑，雖然也可以采用其它適當?shù)牟牧?。界面?6也類似地由導(dǎo)電材料組成，可以包括鉻、鎳鉻合金、鈦、或Ti1-xWx(0≤x≤1)，其有助于將第一金屬結(jié)構(gòu)74接合到層280?？梢岳媒饘賹?4和界面層76的淀積，將多個第一金屬結(jié)構(gòu)74和界面層76形成在壓電層280的表面上。例如，可以采用蒸發(fā)、濺射、或CVD金屬淀積方法。利用光致抗蝕劑的淀積、顯影光致抗蝕劑以形成圖形、以及隨后用濕法腐蝕或干法腐蝕過程對金屬進行腐蝕，來進行金屬層的圖形化。
或者，借助于對光致抗蝕劑層(未示出)進行圖形化、并顯影光致抗蝕劑以形成開口(也未示出)來將各種材料淀積到層280上，能夠得到層74和76的圖形化?？梢杂帽娝苤姆椒▉淼矸e層74和76。例如，可以采用真空淀積、濺射、或CVD。
現(xiàn)在參照圖13，多個第二金屬結(jié)構(gòu)75淀積到第一金屬結(jié)構(gòu)74和界面層76上。第二金屬結(jié)構(gòu)75可以由導(dǎo)電材料組成，其可以包括金、鉑、Ti/Au或Ti/Pt合金的，雖然可以采用其它的導(dǎo)電材料?？梢杂谜舭l(fā)、濺射、或CVD方法來涂敷第二金屬結(jié)構(gòu)75。利用光致抗蝕劑的淀積、顯影光致抗蝕劑以形成圖形、以及隨后用濕法腐蝕或干法腐蝕過程對金屬進行腐蝕，來進行金屬層的圖形化。
現(xiàn)在參照圖14和15，如圖14所示，覆蓋層77可以淀積在第二金屬結(jié)構(gòu)75上，以便形成多個第一電極24和第二電極25。覆蓋層77可以由包括金、鉑、Ti/Au合金或Ti/Pt合金的導(dǎo)電材料組成，雖然也可以采用其它的導(dǎo)電材料。如圖15所示，得到的結(jié)構(gòu)則可以被提供給吸聲背襯部件200。然后，可以用各種眾所周知的方法，將第一電極24和第二電極25電耦合和機械耦合到部件200上的接觸焊盤220。例如，借助于將電極24和25焊接到焊盤220，第一電極24和第二電極25可以接合到接觸焊盤220?；蛘?，導(dǎo)電的或不導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂化合物或其它的粘合劑也可以被用來將第一電極24和第二電極25接合到焊盤220。也可以采用壓力接合方法，由此將諸如銦的金屬薄層置于各個電極24和25與接觸焊盤220之間，隨之施加機械力以形成電極24和25與焊盤220之間的機械和電接合。
如圖16所示，在將第一電極24和第二電極25接合到焊盤220之后，可以去除襯底72。借助于背面研磨襯底72直至上層260的表面80被暴露，可以去除襯底72。背面研磨操作基本上去除了所有的襯底材料，致使留下平坦部件21以及多個第一電極24和第二電極25。也可以用其它的眾所周知方法來去除襯底72。例如，借助于對材料進行腐蝕以暴露表面80，可以去除襯底72?；蛘撸部梢圆捎帽趁嫜心ズ透g的組合。
上述實施方案公開了制造微制作薄膜換能器的方法的各個步驟。利用眾所周知且比較廉價的半導(dǎo)體制造方法和設(shè)備，可以有利地實現(xiàn)所公開的各個步驟。而且，公開步驟中所示的結(jié)構(gòu)可以由外部晶片制造廠家常規(guī)地生產(chǎn)，這可以使成本進一步降低。
本發(fā)明所示實施方案的上述描述不被認為是完全的或?qū)⒈景l(fā)明限制為所公開的準確形式。雖然前面為了說明的目的描述了本發(fā)明的各種具體的實施方案和例子，但本技術(shù)領(lǐng)域數(shù)量人員可以理解的是，可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)進行各種等效的變型。而且，上述的各種實施方案可以被組合采提供進一步的實施方案。因此，本發(fā)明不受此公開的限制，本發(fā)明的范圍完全由下列權(quán)利要求確定。
權(quán)利要求
1.一種微制作的超聲薄膜換能器，包含其中形成有一層壓電材料280的平坦部件21；設(shè)置在平坦部件21表面上、且耦合到壓電材料層280的多個間隔開的電極24、25，用來將電場29施加到此層以便彎曲平坦部件21的所選部分27；以及固定地連接到多個電極24、25的吸聲背襯部件200。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的換能器，其中，平坦部件21還包含壓電層280所支承的上層260。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的換能器，其中，平坦部件21還包含插入在上層260與壓電層280之間的中間層32。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的換能器，其中，平坦部件21還包含插入在上層260與壓電層280之間的抗反應(yīng)層262。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的換能器，其中，多個間隔開的電極24、25還包含基本上平行且延伸跨過表面的多個延長的電極。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的換能器，其中，吸聲背襯部件200還包含固定地連接到電極24、25的多個接觸焊盤220。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的換能器，其中，吸聲背襯部件200還包含耦合到穿過吸聲背襯部件200延伸的接觸焊盤220的多個導(dǎo)電部件。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的換能器，其中，平坦部件21還包含其中單片地形成有多個有源電路54的薄硅層，每個有源電路耦合到電極和壓電層280。
9.一種微制作的超聲薄膜換能器60，包含具有一層壓電材料280和鄰接的半導(dǎo)體材料層62的平坦部件21，此半導(dǎo)體材料層62具有單片地形成在其中、并耦合到壓電材料層280的多個有源電路64；設(shè)置在平坦部件21表面上、且耦合到有源電路64的多個間隔開的電極24、25，用來將電場施加到壓電層280以便彎曲平坦部件21的所選部分；以及固定地連接到多個電極的吸聲背襯部件。
10.一種制造微制作的超聲薄膜換能器的方法，包含在半導(dǎo)體襯底72上形成一層介質(zhì)材料260；將一層壓電材料280設(shè)置在介質(zhì)層260上；在壓電材料層280上形成多個間隔開的電極24、25；將吸聲背襯部件200連接到多個電極24、25；以及去除半導(dǎo)體襯底72。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于微制作的薄膜超聲換能器的結(jié)構(gòu)，以及制造此結(jié)構(gòu)的方法。在一個實施方案中，換能器包括具有壓電材料的平坦部件，和設(shè)置在平坦部件上且耦合到壓電材料的間隔開的電極，用來將電場施加到此層，以及連接到電極的吸聲背襯部件。在另一實施方案中，換能器包括具有鄰接半導(dǎo)體材料的壓電材料的平坦部件，此半導(dǎo)體材料具有單片地形成在層中且耦合到壓電材料的有源電路。在另一個實施方案中，換能器包括具有壓電材料的平坦部件，以及具有單片形成的有源電路的半導(dǎo)體材料鄰接層的吸聲背襯部件，此有源電路被耦合到電極。
文檔編號G01N29/24GK1649678SQ03809931
公開日2005年8月3日 申請日期2003年4月28日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月1日
發(fā)明者J·D·弗拉塞, M·K·克里, G·施米茨 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司