Устройство ультразвукового преобразователя и способ его изготовления

Устройство ультразвукового преобразователя и способ его изготовления

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к устройству ультразвукового преобразователя, содержащего, по меньшей мере, одну ячейку cMUT для передачи и/или приема ультразвуковых волн, и подложку, на которой установлена, по меньшей мере, одна ячейка cMUT. Настоящее изобретение дополнительно относится к способу изготовления такого устройства ультразвукового преобразователя.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Сердцем любой ультразвуковой (визуализирующей) системы является преобразователь, который преобразует электрическую энергию в акустическую энергию и обратно. Как правило, эти преобразователи изготавливают из пьезоэлектрических кристаллов, расположенных в линейных (1-D) схемах преобразователей, и функционирующих при частотах до 10 МГц. Однако, тенденция к матричному (2-D) выполнению схемы преобразователей и движение к минитюаризации, для встраивания ультразвуковой (визуализирующей) функции в катетеры и однопроводные линии передачи привело к разработке так называемых ячеек емкостных микромеханических преобразователей (cMUT). Эти ячейки cMUT могут быть помещены или изготовлены поверх ASIC (ИС специального назначения), содержащих управляющую электронику и систему обработки сигналов. Это должно привести к значительному снижению стоимости монтажных работ и к минимально возможному форм-фактору.

Ячейка cMUT содержит полость под мембраной ячейки. Для приема ультразвуковых волн, ультразвуковые волны заставляют мембрану ячейки смещаться или вибрировать, и, таким образом, может быть выявлено изменение в емкости между электродами. Таким образом, ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. И наоборот, электрический сигнал, прилагаемый к электродам, заставляет мембрану ячейки смещаться или вибрировать и, таким образом, передавать ультразвуковые волны.

Важный вопрос, связанный с устройствами cMUT, состоит в том, как можно снизить или подавить акустическую связь ультразвуковых волн (или энергию реверберации) с подложкой. Иными словами, важным вопросом является то, как можно минимизировать нежелательные взаимодействия подложки (такие как отражения и боковые перекрестные помехи) или связывание.

Другим вопросом является то, как устройство cMUT соединяется с ASIC. Имеются несколько способов, в частности, три основных способа, как может быть реализовано соединение между устройством cMUT и ASIC. На Фиг. 1a-c показаны три различных решения соединения устройства cMUT с ASIC. Первое решение, показанное на Фиг. 1a состоит в помещении отдельного устройства cMUT (подложки 1 и ячеек cMUT 3) поверх ASIC 4 и в использовании для связей проводных соединений 5. Это первое решение является наиболее гибким и простейшим решением. Однако, это решение привлекательно лишь для линейных схем.

Для двумерных схем большое количество межсоединений между каждым из устройств cMUT и управляющим электронным оборудованием делает необходимым помещение каждого устройства cMUT непосредственно поверх управляющего электронного оборудования. Вторая решение, таким образом, состоит в обработки ячеек cMUT 3 на этапе последующей обработки, наверху уже обработанной ASIC 4, как показано на Фиг. 1b. Это приводит к получению так называемого «монолитного» устройства (одного кристалла), где ячейки cMUT изготавливают непосредственно поверх ASIC. Такие «монолитные» устройства являются мельчайшими, тончайшими устройствами и обладают наилучшими рабочими характеристиками, с точки зрения дополнительных электрических паразитных элементов. Однако, при таком решении, для минимизации нежелательных взаимодействий подложки (таких как отражения и поперечные перекрестные помехи), для подложки под ячейкой могут потребоваться значительные модификации подложки cMUT. Эти модификации, в худшем случае, могут оказаться невозможными на подложке КМОП (комплементарный металл-оксидный полупроводник) или, в лучшем случае, очень сложными для воплощения, поскольку это может потребовать наличия этапов обработки и/или материалов, которые будут несовместимы с доступными или возможными технологиями в цеху кремниевого литья, где изготавливают комбинацию устройства cMUT и ASIC. Могут быть допущены компромиссы, которые приводят к почти оптимальным рабочим характеристикам. Другой проблемой, связанной с этим вторым решением в виде монолитной интеграции, является то, что процесс изготовления ASIC и процесс изготовления cMUT тесно связаны между собой, и что в таком случае будет сложно осуществить замену, например, на следующий функциональный узел КМОП.

Третьим, альтернативным решением является использование технологии межслойных переходных отверстий в пластине полупроводникового материала для электрического соединения ячеек cMUT 3 на передней стороне подложки 1 с контактами на обратной стороне подложки 1, таким образом, чтобы подложка или устройство могли бы быть «смонтированы методом перевернутого кристалла» (например, путем припаивания) на ASIC 4 (см. Фиг. 1c). Это приводит к получению так называемого «гибридного» устройства (два кристалла), которое содержит устройство cMUT и ASIC.

В одном примере ячейки cMUT изготавливают вместе с подложкой или в подложке, с использованием, таким образом, той же технологии, что и для подложки. Такое устройство cMUT, например, раскрыто в US 2009/0122651 Al. Однако такое устройство и/или способ его изготовления должны быть дополнительно усовершенствованы.

РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного устройства ультразвукового преобразователя и/или способа его изготовления, в частности, с улучшенными рабочими характеристиками и/или усовершенствованным способом изготовления.

Согласно первой особенности настоящего изобретения представлено устройство ультразвукового преобразователя, содержащее, по меньшей мере, одну ячейку cMUT для передачи и/или приема ультразвуковых волн, причем ячейка cMUT содержит мембрану ячейки и полость под мембраной ячейки. Устройство дополнительно содержит подложку, имеющую первую сторону и вторую сторону, причем, по меньшей мере, одна ячейка cMUT установлена на первой стороне подложки. Подложка содержит слой основания подложки и множество смежных канавок, простирающихся в слой основания подложки, в направлении, перпендикулярном сторонам подложки, причем каждый из разделителей образован между смежными канавками. Подложка дополнительно содержит соединительную полость, которая соединяет канавки, и которая простирается в направлении, параллельном сторонам подложки, причем канавки и соединительная полость вместе образуют полость подложки в подложке. Подложка дополнительно содержит мембрану подложки, покрывающую полость подложки. Полость подложки расположена в области подложки под ячейкой cMUT.

Согласно дополнительной особенности настоящего изобретения представлен способ изготовления устройства ультразвукового преобразователя, причем способ содержит обеспечение подложки, имеющей первую сторону и вторую сторону и имеющей слой основания подложки, и формирование множества смежных канавок, простирающихся в слой основания подложки в направлении, перпендикулярном сторонам подложки, причем каждый из разделителей формируют между смежными канавками. Способ дополнительно содержит формирование соединительной полости, которая соединяет канавки и которая простирается в направлении, параллельном сторонам подложки, причем канавки и соединительная полость вместе образуют полость подложки в подложке. Способ дополнительно содержит установку мембраны подложки, покрывающей полость подложки, и установку, по меньшей мере, одной ячейки cMUT на первой стороне подложки. Полость подложки расположена в области подложки под ячейкой cMUT.

Основная идея этих особенностей изобретения состоит в обеспечении «плавающей» мембраны или слоя мембраны в подложке под ячейкой cMUT. «Плавающая» мембрана подложки покрывает или установлена на полости подложки, имеющей специфическую форму. Полость подложки сформирована в подложке или в слое основания подложки (не между подложкой и ASIC, например). Полость подложки имеет канавки, простирающиеся в направлении, перпендикулярном сторонам подложки (например, в вертикальном направлении) и соединительной полости, которая соединяет канавки и простирается в направлении, параллельном сторонам подложки (например, в горизонтальном или в поперечном направлении). Канавка обычно относится к полости, которая имеет глубину большую, чем ее ширина. Соединительная полость может, в частности, представлять собой «подтравленную» часть. Разделитель (изготовленный из материала слоя основания подложки) сформирован между каждыми двумя смежными канавками. Разделители между канавками могут простираться в полость подложки (в направлении, перпендикулярном сторонам подложки). Например, разделители бывают подвешены к слою основания подложки (только) на кромке или на стороне канавок или полости подложки. Таким образом, подложка становится сплющенной, но в то же время она еще обеспечивает достаточную механическую целостность или опору.

Мембрана подложки неизбежно будет всегда немного смещаться, при передаче или приеме ячейкой cMUT ультразвуковых волн. Мембрана подложки может быть тонкой (для снижения эффекта отражения ультразвуковых волн) и/или иметь большую массу (вследствие чего она будет смещаться лишь не намного). Полость подложки (и ее «плавающая» мембрана) расположена в области подложки под ячейкой cMUT. Иными словами, полость подложки расположена в области подложки, где (или под этим местом) ячейка cMUT установлена или изготовлена. Таким образом, акустическая связь ультразвуковых волн с подложкой снижается, и, таким образом, рабочие характеристики устройства улучшаются.

В одном примере этого решения ячейки cMUT изготавливают согласно отдельной, специализированной технологии, оптимизированной по производительности, и затем закрепляют на подложке. Обеспечение «плавающей» или «свободностоящей» мембраны под ячейкой cMUT возможно, в частности, в случае «гибридного» устройства (без активного устройства).

Предпочтительные варианты воплощения изобретения определены в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный способ имеет варианты воплощения, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам воплощения, заявленным для устройства и определенным в зависимых пунктах формулы изобретения.

В одном варианте воплощения полость подложки расположена, по меньшей мере, во всей области подложки под мембраной ячейки cMUT. Это дополнительно снижает акустическую связь ультразвуковых волн с подложкой.

В другом варианте воплощения полость подложки обладает давлением ниже атмосферного давления. Это дополнительно снижает акустическую связь ультразвуковых волн с подложкой. В разновидности этого варианта воплощения полость подложки обладает давлением 10 мбар или менее.

В другом варианте воплощения, мембрана подложки содержит неконформно осажденный слой, установленный поверх полости подложки. В частности, слой может представлять собой оксидный (например, оксид кремния слой) слой или нитридный слой. Слой (например, осажденный путем PECVD (осаждение плазмохимическим осаждением из паровой фазы)) осаждается с плохой конформностью или без какой-либо конформности, вследствие чего полость подложки (например, канавки или соединительной полости) может быть легко покрыта или герметизирована (например, после осаждения нескольких микронов). Оксидный слой (например, осажденный путем PECVD) является особо пригодным, поскольку он осаждается с очень плохой конформностью или вообще без таковой. Однако, в качестве альтернативы, также может быть использован нитридный слой (например, осажденный путем PECVD).

В дополнительном варианте воплощения мембрана подложки содержит высокоплотный слой, изготовленный из высокоплотного материала. Это дополнительно снижает акустическую связь ультразвуковых волн с подложкой. Этот вариант воплощения также может быть воплощен в виде независимого аспекта.

В разновидности этого варианта воплощения высокоплотный слой имеет массу, которая является достаточной для обеспечения силы инерции, которая по существу противодействует силе акустического давления, генерируемой ячейкой cMUT в ходе передачи ультразвуковых волн. Масса может быть выбрана, например, путем обеспечения, для конкретного высокоплотного материала, подходящей толщины слоя.

В другом варианте воплощения мембрана ячейки содержит высокоплотный слой, изготовленный из высокоплотного материала. Иными словами, высокоплотный слой устанавливают на ячейке cMUT, в частности, на внешней стороне ячейки cMUT. Это улучшает акустические свойства, в частности, связывание звуковых волн с текучими или флюидоподобными веществами (например, с телом или с водой).

В варианте высокоплотный материал представляет собой или содержит вольфрам, золото или платину. Вольфрам является особо подходящим высокоплотным материалом, также с точки зрения обработки. Однако также может быть использовано золото и/или платина. Высокоплотный слой может представлять собой высокоплотный слой мембраны подложки и/или высокоплотный слой мембраны ячейки.

В другом варианте высокоплотный слой содержит множество смежных канавок, простирающихся в высокоплотный слой в направлении, перпендикулярном сторонам подложки. Это ослабляет напряжение в высокоплотном слое и/или снижает акустическую связь, в частности, поперечную акустическую связь. Высокоплотный слой может представлять собой высокоплотный слой мембраны подложки и/или высокоплотный слой мембраны ячейки. Способ формирования этих смежных канавок, в частности, может быть тем же, что и способ формирования канавок полости подложки. Таким образом, может быть легко обеспечено изготовление, с менее отличающимися необходимыми технологиями.

В дополнительном варианте воплощения соединительную полость формируют в слое основания подложки. Таким образом, полость подложки формируется или локализуется в одном слое, - в слое основания подложки.

В альтернативном варианте воплощения подложка дополнительно содержит скрытый слой, расположенном на слое основания подложки, в котором соединительная полость сформирована в скрытом слое. Таким образом, полость подложки формируется или локализуется в два отдельных слоя. Это может облегчить изготовление. В частности, в ходе изготовления скрытый слой может быть частично удален (например, путем травления), с образованием соединительной полости. Остатки скрытого слоя могут присутствовать на сторонах соединительной полости.

В другом варианте воплощения, ячейка cMUT дополнительно содержит верхний электрод в качестве части мембраны ячейки и нижний электрод, используемый в сочетании с верхним электродом. Это обеспечивает основной вариант воплощения ячейки cMUT. Для приема ультразвуковых волн, ультразвуковые волны заставляют мембрану ячейки смещаться или вибрировать, и может быть выявлено изменение емкости между верхним электродом и нижним электродом. Таким образом, ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. И наоборот, для передачи ультразвуковых волн, электрический сигнал, прилагаемый к верхнему электроду и нижнему электроду, заставляет мембрану ячейки смещаться или вибрировать и, таким образом, передавать ультразвуковые волны.

В другом варианте воплощения устройство дополнительно содержит множество ячеек cMUT, каждая из которых установлена на подложке, причем полость подложки расположена в каждой области подложки под ячейкой cMUT. В частности, ячейки cMUT могут быть установлены в виде матрицы. Таким образом, акустическая связь матрицы ячеек cMUT с подложкой может быть снижена.

В другом варианте воплощения множество смежных канавок сформированы с использованием анизотропного травления. Это обеспечивает легкий способ изготовления.

В дополнительном варианте воплощения соединительная полость сформирована с использованием изотропного травления. Этот вариант воплощения, в частности, может быть использован применительно к предыдущему варианту воплощения. В этом случае травление может измяться от анизотропного травления к анизотропному травлению.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения, предложена ячейка cMUT для передачи и/или приема ультразвуковых волн, причем ячейка cMUT содержит мембрану ячейки, полость под мембраной ячейки, верхний электрод как часть мембраны ячейки и нижний электрод, используемый в сочетании с верхним электродом, причем мембрана ячейки дополнительно содержит высокоплотный слой, изготовленный из высокоплотного материала.

Основная идея этого аспекта изобретения состоит в обеспечении высокоплотного слоя на, или в качестве части мембраны ячейки, для улучшения акустических свойств ячейки cMUT. Высокоплотный слой может быть настроен для улучшения акустических свойств. В частности, связывание звуковых волн с текучими или флюидоподобными веществами (например, с телом или с водой) может быть усилено или настроено. Высокоплотный слой, в частности, представляет собой слой, дополнительный к слою верхнего электрода. Таким образом, высокоплотный слой не (обязательно) действует как верхний электрод, но, в частности, представляет собой дополнительный слой на внешней стороне ячейки cMUT.

Следует понимать, что ячейка cMUT имеет аналогичные и/или сходные предпочтительные варианты воплощения в качестве заявленного устройства ультразвукового преобразователя и как заданное в зависимые пункты формулы изобретения.

Например, в одном варианте воплощения высокоплотный материал представляет собой или содержит вольфрам, золото или платину. Вольфрам является особо подходящим высокоплотным материалом, также с точки зрения обработки. Однако, также может быть использовано золото и/или платина.

В другом варианте воплощения высокоплотный слой содержит множество смежных канавок, простирающихся в высокоплотный слой. Это ослабляет напряжение в высокоплотном слое.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Эти и другие особенности изобретения станут ясными и освещены со ссылкой на варианты воплощения, описанные ниже. На следующих чертежах:

Фиг. 1a-c показывают три различных решения для устройства cMUT, соединенного с ASIC;

Фиг. 2 показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно первому варианту воплощения;

Фиг. 2a представляет собой схематичный поперечный разрез примерной ячейки cMUT;

Фиг. 2b показывает схематичный поперечный разрез ячейки cMUT согласно варианту воплощения;

Фиг. 2c показывает схематичный поперечный разрез ячейки cMUT согласно другому варианту воплощения;

Фиг. 3a-e каждый показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя первого варианта воплощения Фиг. 2 на другой стадии изготовления;

Фиг. 4 показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно второму варианту воплощения;

Фиг. 5 показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно третьему варианту воплощения;

Фиг. 6a-j каждый показывает поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно второму варианту воплощения Фиг. 4 или третьему варианту воплощения Фиг. 5 на другом этапе изготовления;

Фиг. 7a-d каждый показывает поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно четвертому варианту воплощения на другом этапе изготовления;

Фиг. 8a-c каждый показывает поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно пятому варианту воплощения на другом этапе изготовления; и

Фиг. 9 показывает поперечный разрез и вид сверху части подложки устройства ультразвукового преобразователя согласно варианту воплощения.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Фиг. 2 показывает схематичный поперечный разрез устройства 100 ультразвукового преобразователя (или сборки) согласно первому варианту воплощения. Устройство 100 ультразвукового преобразователя содержит ячейка 30 cMUT для передачи и/или приема ультразвуковые волны. Таким образом, устройство 100 представляет собой устройство cMUT. Ячейка 30 cMUT содержит мембрану ячейки (гибкую или съемную) и полость под мембраной ячейки.

Фиг. 2a показывает схематичный поперечный разрез примерной ячейки cMUT. Ячейка 30 cMUT содержит мембрану 30a ячейки и полость 30b (в частности, одиночную полость) под мембраной 30a ячейки. Ячейка 30 cMUT дополнительно содержит верхний электрод 30c как часть мембраны 30a ячейки, а нижний электрод 30d используется в сочетании с верхним электродом 30c. Для приема ультразвуковых волн, ультразвуковые волны заставляют мембрану 30a ячейки смещаться или вибрировать, и, таким образом, может быть выявлено изменение емкости между верхним электродом 30c и нижним электродом 30d. Таким образом, ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. И наоборот, для передачи ультразвуковых волн, электрический сигнал, подаваемый на верхний электрод 30c и нижний электрод 30d, заставляет мембрану 30a ячейки смещаться или вибрировать и, таким образом, передавать ультразвуковые волны.

В варианте воплощения согласно Фиг. 2a мембрана 30a ячейки содержит слой 30e основания мембраны ячейки. Верхний электрод 30c прикреплен или установлен на слое 30e основания мембраны ячейки. Однако следует понимать, что верхний электрод 30c также может быть встроен в слой 30e основания мембраны ячейки (например, показанный на Фиг. 2b или Фиг. 2c). Ячейка 30 cMUT дополнительно содержит опору 30f мембраны ячейки, на которой установлена мембрана 30a ячейки. Полость 30b образована в опоре 30f мембраны ячейки. Опора 30f мембраны ячейки установлена на нижнем электроде 30d.

Следует понимать, что ячейка cMUT согласно Фиг. 2a является лишь примерной, базовой ячейкой cMUT. Ячейка 30 cMUT устройства 100 ультразвукового преобразователя согласно настоящему изобретению может содержать любой подходящий тип ячейки cMUT.

Фиг. 2b показывает схематичный поперечный разрез ячейки 30 cMUT согласно варианту воплощения. Ячейка 30 cMUT для передачи и/или приема ультразвуковых волн содержит мембрану 30a ячейки, полость 30b под мембраной 30a ячейки, верхний электрод 30c как часть мембраны 30a ячейки и нижний электрод 30d, используемый в сочетании с верхним электродом 30c. Разъяснения Фиг. 2a также применимы к данному варианту воплощения. Дополнительно, мембрана 30a ячейки содержит высокоплотный слой 32, изготовленный из высокоплотного материала. Высокоплотный слой 32 расположен на внешней стороне ячейки 30 cMUT, в частности, на внешней стороне в направлении, соответствующем общему направлению, куда передаются ультразвуковые волны (указанные стрелкой). Этот высокоплотный слой 32 улучшает акустические свойства, в частности, связь звуковых волн с текучими или флюидоподобными веществами (например, телом или водой). Является предпочтительным, чтобы высокоплотный материал представлял собой или содержал вольфрам. Однако следует понимать, что можно использовать и любой другой подходящий высокоплотный материал, такой как, например, платина или золото.

Фиг. 2c показывает схематичный поперечный разрез ячейки 30 cMUT согласно другому варианту воплощения. Вариант воплощения согласно Фиг. 2c основан на варианте воплощения по Фиг. 2b. Дополнительно, высокоплотный слой 32 содержит множество смежных канавок 32a, простирающихся в высокоплотный слой 32. Канавки 32a простираются в направлении, соответствующем или противоположном общему направлению, в котором передаются ультразвуковые волны (или в направлении, перпендикулярном сторонам нижележащей подложки). Иными словами, высокоплотный слой 32 является структурированным. Эти канавки 32a ослабляют напряжение в высокоплотном слое 32.

Со ссылкой на Фиг. 2, устройство 100 ультразвукового преобразователя дополнительно содержит подложку 10, имеющую первую сторону 10a или поверхность (в данном случае, верхняя сторона или поверхность) и вторую сторону 10b или поверхность (в данном случае, нижнюю сторону или поверхность). Ячейку 30 cMUT устанавливают или изготавливают на первой 10a стороне подложки. Первая (верхняя) сторона 10a (или первая поверхность) обращена к ячейке 30 cMUT, а вторая (нижняя) сторона 10b (или вторая поверхность) обращена от ячейки 30 cMUT. Как видно из Фиг. 2, подложка 10 содержит слой 12 основания подложки. Если слой 12 основания подложки изготовлен из проводящего материала (например, кремния), слой 12 подложки может содержать непроводящий слой 15a, 15b (например, изготовленный из оксида или оксидированного материала слоя основания подложки) на каждой стороне, как указано на Фиг. 2. Подложка 10 дополнительно содержит множество смежных канавок 17a, простирающихся в слой 12 основания подложки в направлении, перпендикулярном сторонам подложки 10a, 10b (вертикально, на Фиг. 2). Таким образом, каждый из разделителей 12a (изготовленные из материала слоя основания подложки) образован между смежными канавками 17a. Разделители 12a остаются подвешенными к слою основания подложки 12 на кромке или стороне канавок 17a (невидимых на поперечном разрезе на Фиг. 2). Подложка 10 дополнительно содержит соединительную полость 17b, которая соединяет канавки 17a и которая простирается в направлении, параллельном сторонам подложки 10a, 10b (горизонтальном или поперечном на Фиг. 2). Канавки 17a и соединительная полость 17b вместе образуют полость 17 подложки в подложке 10. Разделители 12a простираются в полость 17 подложки (в направлении, перпендикулярном сторонам подложки 10a, 10b). Подложка 10 дополнительно содержит мембрану подложки 23, покрывающую полость 17 подложки. Таким образом, «плавающая» мембрана обеспечена в подложке 10 (или в слое основания подложки 12) под ячейкой 30 cMUT. Мембрана 23 может содержать одиночный слой мембраны. В качестве альтернативы, мембрана 23 может содержать несколько слоев мембраны. В варианте воплощения согласно Фиг. 2 в качестве примера проиллюстрированы два слоя мембраны 23a, 23b. Однако следует понимать, что мембрана 23 может содержать любое подходящее количество слоев мембраны.

Полость 17 подложки расположена в области A₃₀ подложки 10 (или слоя основания подложки 12) под ячейкой 30 cMUT. Иными словами, это область подложки 10, расположенная вертикально под ячейкой 30 cMUTa. В частности, полость 17 подложки расположена, по меньшей мере, во всей области A₃₀ подложки под мембраной 30a ячейки cMUT. Как видно из варианта воплощения Фиг. 2, полость подложки расположена в области A₁₇ подложки 10, которая даже простирается за (или более) область A₃₀ подложки, где расположена мембрана 30a ячейки 30 cMUT.

В варианте воплощения согласно Фиг. 2 соединительная полость 17b образована или расположена в слое основания подложки 12. Таким образом, полость 17 подложки в основном расположена в слое основания подложки 12. Поэтому в данном варианте воплощения полость 17 подложки образована или расположена в одиночном слое. В варианте воплощения согласно Фиг. 2 полость 17 подложки полностью закрыта или герметизирована. Полость 17 подложки может, например, иметь давление ниже атмосферного давления, например, 10 мбар или менее и/или 3 мбар и более (в частности, от 3 мбар до 10 мбар). Мембрана 23 подложки может, например, содержать слой мембраны (например, оксидный слой) 23a, расположенный поверх полости 17 подложки (или канавок 17a), как проиллюстрировано на Фиг. 2. За счет обеспечения неконформно осажденного слоя, такого как оксидный слой, полость 17 подложки (или канавок 17) может быть легко покрыта или герметизирована. Однако следует понимать, что может быть использован и любой другой подходящий материал для такого слоя мембраны (например, нитрид).

Каждая из Фиг. 3a-e показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно первому варианту воплощения по Фиг. 2, на другом этапе изготовления. Способ изготовления устройства ультразвукового преобразователя содержит первый этап обеспечения подложки, имеющей первую сторону и вторую сторону и имеющей слой 12 основания подложки (см. Фиг. 3a). Впоследствии формируют множество смежных канавок 17a, которые простираются в слой 12 основания подложки в направлении, перпендикулярном сторонам подложки (см. Фиг. 3b). Таким образом, каждый из разделителей 12a образован между смежными канавками 17a. Например, множество смежных канавок 17a может быть образовано, с использованием анизотропного травления (например, анизотропного травления RIE, - реактивного ионного травления). В этом варианте воплощения канавки 17a формируют или травят с первой 10a стороны подложки.

Способ дополнительно содержит формирование соединительной полости 17b, которая соединяет канавки 17a, и которая простирается в направлении, параллельном сторонам подложки (см. Фиг. 3c). В этом варианте воплощения соединительную полость 17b также формируют в слое основания подложки 12, где были сформирована канавки 17a. Канавки 17a и соединительная полость 17b вместе образуют полость 17 подложки, в которую простираются разделители 12a. Полость 17 подложки в основном расположена в слое основания подложки 12. Например, соединительная полость 17b может быть сформирована, с использованием изотропного травления (например, изотропного травления RIE). В частности, травление может быть изменено с анизотропного травления (например, RIE) на изотропное травление (например, за счет исключения цикла пассивации в процессе травления). Таким образом, канавки 17a «подтравливают», оставляя разделители 12a подвешенными к кромке полости подложки 17. Таким образом, соединительная полость 17b представляет собой «подтравленный» участок.

Способ дополнительно содержит установление мембраны подложки 23, покрывающей полость 17 подложки. В этом варианте воплощения первый неконформно осажденный слой 23a (мембраны 23), такой как оксидный слой, установлен поверх или на полости подложки 17 или канавок 17a (см. Фиг. 3d). Таким образом, канавки 17a являются закрытыми, вследствие чего может быть получена плоская поверхность, допускающая дополнительную плоскостную обработку. Опционально может быть нанесен один или более дополнительных слоев 23b (мембраны 23). Дополнительный слой 23b может представлять собой, например, высокоплотный слой, как будет разъяснено более подробно со ссылкой на Фиг. 4.

В качестве примера, Фиг. 9 показывает поперечный разрез (левый рисунок) и вид сверху (правый рисунок) части подложки 10 устройства 100 ультразвукового преобразователя согласно варианту воплощения, в частности, вариант воплощения согласно Фиг. 2 и Фиг. 3. На поперечном разрезе (левый рисунок согласно Фиг. 9) наверху показан слой 12 основания подложки (или слой 15a) с неконформно осажденным слоем 23a, таким как оксидный слой. В слое основания подложки 12 (или в слое 15a) образована канавка 17a. Как видно на поперечном разрезе (левый рисунок согласно Фиг. 9), канавка 17a содержит суженный участок у ее верхней части, который простирается в неконформно осажденный слой 23a (например, оксидный слой). Выше этого суженного участка неконформно осажденный слой 23a (например, оксидный слой) герметизирует канавку 17a или полость подложки.

На последующем и конечном этапе способа ячейку 30 cMUT устанавливают или изготавливают на первой 10a стороне подложки (см. Фиг. 3e). Полость 17 подложки расположена в области A₃₀ подложки 10 под ячейкой 30 cMUT. Иными словами, ячейку 30 cMUT устанавливают или изготавливают на первой 10a стороне подложки в области A₃₀, где расположена полость 17 подложки (или вертикально выше полости подложки 17).

Фиг. 4 показывает схематичный поперечный разрез устройства 100 ультразвукового преобразователя согласно второму варианту воплощения. Поскольку второй вариант воплощения согласно Фиг. 4 основан на первом варианте воплощения по Фиг. 2, те же разъяснения, что и для предыдущих Фигур, также применимы для этого второго варианта воплощения согласно Фиг. 4. Во втором варианте воплощения согласно Фиг. 4 мембрана 23 дополнительно содержит высокоплотный слой 25, изготовленный из высокоплотного материала. В этом варианте воплощения высокоплотный слой 25 установлен на неконформно осажденном слое 23a (например, оксидном слое). Является предпочтительным, чтобы высокоплотный материал представлял собой или содержал вольфрам. Однако, следует понимать, что может быть использован и любой другой подходящий высокоплотный материал, такой как, например, платина или золото. Высокоплотный слой 25 или мембрана 23 имеет массу (например, за счет обеспечения подходящей толщины), достаточную или достаточно крупную для обеспечения силы инерции, которая по существу противодействует силе акустического давления, генерируемой ячейкой 30 cMUT в ходе передачи ультразвуковых волн. Кроме того, толщина высокоплотного слоя 25 или мембраны 23 является достаточной или достаточно малой, чтобы не вызывать нежелательного отражения ультразвуковых волн. Высокоплотный слой 25 опционально содержит множество смежных канавок 25a, простирающихся в высокоплотный слой 25 в направлении, перпендикулярном сторонам подложки 10a, 10b. Это ослабляет напряжение в высокоплотном слое 25 и снижает (поперечную) акустическую связь. Канавки 25a устанавливают в области A₂₅ вне области A₃₀ подложки 10 (или таким образом, чтобы они не пересекались с ней) непосредственно под ячейкой 30 cMUT. Однако, следует понимать, что канавки 25a также могут быть расположены в любой другой области, такой как, например, область A₃₀ под ячейкой 30 cMUT. Как указано на Фиг. 4, дополнительный слой 27 (например, изготовленный из оксида) может быть опционально установлен на высокоплотном слое 25, в частности, покрывающем канавки 25a. Следует понимать, что такая ячейка 30 cMUT согласно Фиг. 4 может представлять собой любой подходящий тип ячейки cMUT, в частности, ячейку cMUT согласно Фиг. 2a, Фиг. 2b, или Фиг. 2c, как было разъяснено выше.

Фиг. 5 показывает схематичный поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно третьему варианту воплощения. Поскольку третий вариант воплощения согласно Фиг. 5 создан на основе второго варианта воплощения согласно Фиг. 4, то же разъяснение, что и для предыдущих Фиг. 2-4, также применимо для этого третьего варианта воплощения согласно Фиг. 5. По сравнению с предыдущими вариантами воплощения, устройство 100 содержит множество ячеек 30 cMUT, каждая из которых смонтирована с подложкой 10. Таким образом, ячейки 30 cMUT могут быть установлены в виде матрицы. Полость 17 подложки расположена в каждой области A30 подложки под ячейкой 30 cMUT. На Фиг. 5 для простоты показаны только две ячейки 30 cMUT. Однако, следует понимать, что может быть использовано любое подходящее количество ячеек cMUT. Также, на Фиг. 5, ячейка 30 cMUT представляет собой ячейку cMUT согласно варианту воплощения по Фиг. 2c, описанному выше. Таким образом, структурированный высокоплотный слой 32 установлен на ячейке 30 cMUT. Это улучшает акустические свойства. Однако следует понимать, что может быть использован любой другой тип подходящей ячейки cMUT.

На Фиг. 5 показано «гибридное» устройство (два кристалла), которое содержит устройство 100 ультразвукового преобразователя и ASIC 40. Подложка 10 или устройство 100 ультразвукового преобразователя (cMUT устройство) монтируют «методом перевернутого кристалла» на ASIC 40. На Фиг. 5 использовано электрическое соединение в форме столбиковых выводов из припоя 39, для установки устройства 100 ультразвукового преобразователя на ASIC 40. Подложка 10 дополнительно содержит сквозную полупроводниковую перемычку 50, для обеспечения электрического соединения первой 10a стороны подложки со второй 10b стороной подложки. Таким образом, ячейка (ячейки) 30 cMUT на первой 10a стороне подложки могут быть электрически соединены со второй 10b стороной подложки. В частности, сквозная полупроводниковая перемычка 50 содержит проводящий слой 22, который обеспечивает электрическое соединение через подложку 10.

Каждая из Фиг. 6a-j показывает поперечный разрез устройства ультразвукового преобразователя согласно второму варианту воплощения по Фиг. 4 или третий вариант воплощения по Фиг. 5 на другом этапе изготовления. Со ссылкой на Фиг. 6a, на первую сторону 10a полупроводниковой перемычки наносят резист 21, а затем формируют или подвергают травлению множество смежных канавок 17a (например, с использованием глубокого реактивного ионного травления) от первой 10a стороны подложки в слой 12 основания подложки. Каждый из разделителей 12a формируют между смежными канавками 17a. Лишь в кач