专利篇：MEMS超声换能器件及其制造工艺

楼市 2024-11-09 21:11 重庆

# 《MEMS超声换能器装置及其制造工艺》总结

**专利号**：US 2024/0075499 A1 **公布日期**：2024年3月7日 **发明人**：Francesco FONCELLINO **申请人**：意法半导体股份有限公司（STMicroelectronics S.r.l.）

## 一、技术领域

本发明涉及一种微机电系统（MEMS）超声换能器（MUT）装置、其制造工艺及控制方法，属于超声传感器技术领域。

## 二、背景技术

1. **现有超声传感器技术** - 接近传感器可由飞行时间传感器提供，如使用MEMS技术制造的超声换能器。已知的MEMS超声换能器利用压电技术发射和检测声波，其膜片通过压电效应振动产生或检测声波，共振频率取决于换能器元件的几何形状和材料等因素。

2. **现有技术的局限性** - 已知解决方案中，超声换能器发射和检测声波的频率不依赖于发射方向，无法对期望对象进行选择性测量。在存在多个对象时，只能检测到距离最近的对象，限制了传感器的应用范围。

## 三、发明内容

### （一）MEMS超声换能器装置结构 1. **半导体主体与MUT元件** - 装置集成在包含半导体材料（如硅）的半导体主体中，具有相对的第一和第二主面。MUT元件包括从第二主面朝向第一主面延伸的调制腔，以及位于调制腔和第一主面之间的膜体。膜体包含中央部分和一个或多个极端部分，中央部分定义至少一个 transduction膜体，极端部分定义调制膜体。

2. **调制膜与压电调制结构** - 调制膜体具有第一厚度，悬于调制腔上，其第一厚度沿第一轴（如Z轴）测量，例如在5μm到50μm之间，通常在10μm到20μm之间且基本均匀。调制膜体上有压电调制结构，与调制膜体共同形成调制膜，压电调制结构包含一个或多个压电元件，可使调制膜以第一振动频率振动。

3. **Transduction腔与膜体、压电结构** - 至少一个transduction腔延伸到膜体的中央部分，transduction膜体悬于其上，具有小于第一厚度的第二厚度，沿第一轴测量，例如在500nm到81μm之间，特别是11μm到21μm之间且基本均匀。transduction膜体上有压电transduction结构，与transduction膜体共同形成transduction膜，压电transduction结构可使transduction膜以高于第一振动频率的第二振动频率振动，以发射和/或接收声波，声波频率取决于第一和第二振动频率。

4. **结构变化形式** - transduction腔可为埋入式或暴露式，可与调制腔相邻或相对。压电transduction结构可与transduction腔在轴向上重叠，压电调制结构与transduction腔在轴向上错开，二者在垂直于第一轴方向上并排排列。MUT元件可具有沿中心轴（平行或重合于第一轴）的轴对称性，调制膜体和transduction膜体可同心同轴，调制膜体相对于中心轴在径向上位于transduction膜体外部。中央部分可定义多个并排的transduction膜体，对应多个transduction腔和压电transduction结构。

### （二）制造工艺 1. **形成transduction腔（以埋入式为例）** - 在半导体材料（如单晶硅）晶圆上，通过光刻形成具有特定开口的第一掩模，利用各向异性化学蚀刻形成相互连通的沟槽，限定硅柱结构。去除第一掩模后，在还原环境中进行外延生长，形成外延层封闭沟槽。然后进行退火，使硅原子迁移，形成transduction腔和位于其上方的transduction膜体（由外延生长和迁移的硅原子形成的单晶硅封闭层构成）。

2. **形成压电结构** - 在半导体主体的第一主面上形成压电元件，包括沉积绝缘层（如热生长氧化硅层和介电层叠加），在绝缘层上依次形成底部电极（如钛或铂）、薄膜压电区域（如PZT）和顶部电极（如TiW），并通过相应的接触线实现电连接，同时可沉积介电层和钝化层，形成压电调制结构和压电transduction结构，使压电transduction结构与transduction腔在轴向上重叠，压电调制结构错开。

3. **形成调制腔** - 对半导体主体的第二主面进行处理，通过已知的氧化物图案化技术，利用第二掩模（对于先形成压电结构再形成调制腔的情况）进行第一次深蚀刻，形成调制腔，其深度定义了调制膜体的第一厚度。对于暴露式transduction腔的情况，在形成调制腔后，还需在调制腔底部表面形成第三掩模，进行第二次深蚀刻以形成transduction腔，其深度定义了transduction膜体的第二厚度。最后进行包括打开接触和晶圆切割等最终制造步骤，得到MEMS超声换能器装置。

### （三）控制方法 1. **控制步骤** - 在发射模式下，通过电控制压电调制结构使调制膜以第一振动频率振动，同时电控制压电transduction结构使transduction膜以第二振动频率振动，从而产生声波。在接收模式下，当声波撞击transduction膜时，通过压电transduction结构检测transduction膜以第二振动频率的振动。

2. **时间间隔控制** - 电控制压电transduction结构在发射模式下产生声波以及在接收模式下检测振动，可在一个或多个时间间隔内进行，此时调制膜相对于其静止位置沿第一轴线性移动，可确保在调制膜线性运动期间进行操作，提高测量准确性。

## 四、附图说明

1. **图1 - 3**：展示了已知超声换能器的操作、结构及检测类型，用于对比说明本发明的改进之处。

2. **图4 - 7**：分别为MEMS超声换能器装置的不同实施例的截面图，展示了调制腔、transduction腔、膜体、压电结构等部件的不同布局和连接关系。

3. **图8**：为压电元件结构的示例图，包括绝缘层、电极、压电区域等层叠结构及电连接方式。

4. **图9A - 9F**：为MEMS超声换能器装置的不同实施例的顶视图，展示了各部件在平面上的形状（如圆形、多边形等）及相对位置关系。

5. **图10A - 10B和图11A - 11B**：分别为图6和图7中MUT装置在不同操作状态下的截面图，用于说明调制膜运动对声波频率的调制原理（多普勒效应）。

6. **图12**：为调制膜位移随时间变化的图，显示其振动为正弦型，可据此确定线性运动时间间隔用于控制操作。

7. **图13A - 13D和图14A - 14D**：分别为图4和图5中MUT装置制造过程的步骤截面图，详细展示了从晶圆处理到形成各部件的工艺流程。

8. **图15**：展示了MUT装置的视场（FOV）及在其中对不同倾斜角度对象的选择性测量原理。

## 五、具体实施方式

1. **MEMS超声换能器装置实施例（以图4为例）** - 装置集成在硅半导体主体中，有单个MUT元件（也可多个）。MUT元件的调制腔从半导体主体第二主面延伸但未达第一主面，膜体在调制腔和第一主面之间，其中央部分的transduction膜体较薄，极端部分的调制膜体较厚。压电调制结构在调制膜体上，压电transduction结构在transduction膜体上且与transduction腔重叠，二者在垂直于Z轴方向并排。在发射模式下，对压电结构施加不同频率的交流电驱动电压，使调制膜和transduction膜分别以不同频率振动，产生频率调制的声波，其频率取决于二者振动频率及发射方向（通过多普勒效应），可实现对不同倾斜角度对象的选择性测量。在接收模式下，声波撞击transduction膜产生振动，压电transduction结构检测振动产生电信号。

2. **制造工艺实施例（以图4装置制造为例）** - 首先在晶圆上形成transduction腔，采用光刻和蚀刻工艺形成沟槽和硅柱结构，外延生长和退火形成腔和膜体。然后在第一主面形成压电结构，包括沉积绝缘层和电极、压电材料层等。最后从第二主面蚀刻形成调制腔，完成后进行最终处理得到装置。

3. **控制方法实施例** - 例如在发射模式下，对图4装置的压电调制结构施加10kHz的第一驱动电压，对压电transduction结构施加5MHz的第二驱动电压，使调制膜和transduction膜振动产生声波，且在调制膜位移线性变化的时间间隔内进行操作，接收模式类似，根据检测到的振动电信号获取相关信息。

## 六、创新点与优势

1. **频率调制功能**：通过独特的膜体和压电结构设计，实现了声波频率的调制，使生成的声波能更好地适应传播介质和检测对象的特性，提升了装置性能和应用范围。2. **选择性测量能力**：能够根据发射方向调制声波频率，从而可对预定倾斜角度的对象进行选择性测量，区分视场内不同位置的多个对象，克服了现有技术只能检测最近对象的局限。3. **结构灵活多样**：提供了多种结构变化形式，如不同类型的transduction腔、膜体和压电结构的布局等，可根据具体需求进行设计和应用。4. **制造工艺可行**：详细阐述了制造工艺步骤，与结构设计相适配，能够实现该装置的高效制造，且工艺步骤具有一定的灵活性和可扩展性。

## 七、潜在应用领域

1. **距离测量与检测**：在工业自动化、机器人技术等领域，可用于精确测量物体距离和位置，实现对环境的感知和导航。2. **成像系统**：如医疗超声成像，通过频率调制和选择性测量，提高成像分辨率和准确性，更清晰地显示组织和器官结构。3. **安防监控**：用于检测入侵物体或人员的位置和运动方向，增强安防系统的监测能力。4. **汽车电子**：在汽车的自动驾驶辅助系统中，辅助车辆感知周围环境，提高行车安全性。

## 八、未来研究方向

1. **优化结构设计**：进一步研究膜体、压电结构和腔的形状、尺寸及布局，提高频率调制精度和效率，减小器件尺寸，提升集成度。2. **改进制造工艺**：探索更先进的微加工技术，降低成本，提高制造精度和重复性，实现大规模生产。3. **拓展功能应用**：结合其他传感器技术（如压力、温度传感器），实现多功能一体化，拓宽在复杂环境中的应用。4. **增强性能稳定性**：研究材料特性和长期稳定性，确保在不同工作条件下（如温度、湿度变化）器件性能的可靠性。

MEMS超声换能器在医疗领域应用不少~

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