MEMS壓電超聲換能器CMUT&PMUT以及生產(chǎn)工藝

1、聲波與超聲波

聲波：物體振動時激勵著它周圍的空氣質(zhì)點振動，由于空氣具有可壓縮性，在質(zhì)點的相互作用下，振動物體四周的空氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播，從而形成聲波。聲波傳播方式不是物質(zhì)的移動，而是能量的傳播。也就是說質(zhì)點并不隨聲波向前擴散，而僅在其原來的平衡位置附近振動，靠質(zhì)點之間的相互作用影響到鄰近的質(zhì)點振動，因此，振動得以向四周傳播，形成波動。

縱波：質(zhì)點振動方向平行于傳播方向的波，稱為縱波。

橫波：質(zhì)點振動方向垂直于波傳播方向的波，稱為橫波。

聲波在空氣中傳播時只能發(fā)生壓縮與膨脹，空氣質(zhì)點的振動方向與聲波的傳播方向是一致的，所以空氣中的聲波是縱波。聲波在液體中傳播一般也為縱波，但在固體中傳播則既有縱波又有橫波。

超聲波：頻率超過人類耳朵可以聽到的最高閾值（20kHz）的聲波。人類的聽覺頻率范圍一般在20Hz到20kHz之間，低于20Hz的聲波叫做次聲波（Infrasound），聲波的頻率范圍一般認(rèn)為在15Hz到1THz之間（這個T和硬盤的T是一樣的，10的12次方）。1GHz以上的一般叫做Hypersound，也稱作“微波聲”或者“量子聲”，主要是聲波更多呈現(xiàn)粒子特性，波的特性不明顯。所以波粒二象性不只存在于光波領(lǐng)域，聲波領(lǐng)域同樣存在。

2、超聲波的產(chǎn)生

超聲換能器（ultrasonic transducer，UT）是即可以用來發(fā)射又可以用來接收超聲波的換能原件。工作在發(fā)射模式，電勢能通過靜電力或者逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為換能器的振動從而產(chǎn)生輻射聲壓；工作在接收模式，聲壓作用在換能器表面使其振動，換能器再將振動轉(zhuǎn)換成電壓。

從不同工作原理與加工方式的角度來進(jìn)行分類，可以將超聲換能器分為壓電陶瓷超聲換能器(Piezoelectric-ceramic ultrasonic transducers, PUT)、電容式微機械超聲換能器（Capacitive micro-machined ultrasonic transducers, CMUT）、壓電微機械超聲換能器（Piezoelectric Micro-machined ultrasonic transducers, PMUT）圖1分別為PUT、CMUT、PMUT三種換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。不同工作原理與加工方式的超聲換能器在尺寸大小、工作頻率、工作帶寬等方向分別有不同的特性，這也在一定程度上影響不同類型超聲換能器在高頻工作頻段上的應(yīng)用

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圖1 PUT、CMUT與PMUT三種換能器結(jié)構(gòu)示意圖

3、CMUT電容式微機械超聲換能器

CMUT首先由M.I.Haller提出。CMUT 換能器是由多層結(jié)構(gòu)和多層材料構(gòu)成。CMUT電容單元結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，從上到下依次為金屬鋁上電極氧化硅電氣隔離層、絕緣體上硅(silicon on insulator，SOI)晶圓頂層硅制成的振動膜、在氧化硅上蝕刻的真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁底電極。在外界大氣壓強的作用下，薄膜向下凹陷。CMUT 在工作狀態(tài)下需要在上下電極之間施加直流偏置電壓，通過提高薄膜應(yīng)力來提高靈敏度。

圖2 CMUT 換能器單元結(jié)構(gòu)

發(fā)射狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，通過交流電壓和直流偏置電壓的疊加，使薄膜隨著交流信號產(chǎn)生簡諧振動，發(fā)生電能向機械能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲波;

圖3 超聲發(fā)射原理圖

接收狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，振動薄膜在受到超聲波的聲壓作用而發(fā)生振動，引起電容值的改變，通過檢測電容變化從而實現(xiàn)對超聲波的檢測，實現(xiàn)機械能向電能的轉(zhuǎn)換。

圖4 超聲接收原理圖

3.1 CMUT 換能器制備工藝過程

根據(jù)確定的 CMUT 參數(shù)，對換能器進(jìn)行制備。

1)準(zhǔn)備氧化層厚度為 500nm 的氧化片(低阻硅) 和器件層厚度為 2μm的 SOI 晶圓，器件層的2μm 薄膜將作為換能器單元的振動薄膜；如圖5

圖5 備片,氧化片和 SOI

2) 通過反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion-etching，ＲIE)，在氧化硅氧化層表面刻蝕 300 nm 的空腔，用作 CMUT 換能器的真空腔隙；如圖6

圖6 RIE 刻蝕空腔

3)在真空環(huán)境下對刻蝕有空腔的氧化片和 SOI 晶圓器件層進(jìn)行硅—硅鍵合，隨即在高溫退火爐中進(jìn)行退火處理，使得晶圓間的范德華力作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鍵作用；如圖7

圖7 硅 -硅鍵合

4)將鍵合片的埋氧層以上部分去除，用 BOE 漂洗掉頂層和底層的氧化硅，為背面金屬附著做準(zhǔn)備；如圖8

圖8減薄、BOE 漂洗氧化層

5)利用等離子增強化學(xué)氣相淀積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)在振膜上表面生長 200 nm 的氧化硅作為振膜與上電極金屬的電氣隔離；如圖9

圖9 PECVD 沉積氧化硅

6)通過磁控濺射儀器在正反面濺射500nm 的金屬鋁，并對上表面金屬通過磷酸腐蝕進(jìn)行圖形化，最后在真空退火爐中進(jìn)行退火處理，用于修復(fù)晶格損傷并形成良好的歐姆接觸；如圖10

圖10 做金屬上下電極,退火

完成以上工藝后得到的芯片如下圖11

圖11 CMUT芯片效果圖

4 PMUT 換能器制備工藝過程

MEMS 壓電式超聲換能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）基于壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是可以由單個器件完成聲壓的測量以及聲壓信號或聲能量輸出的超聲換能器。

典型 PMUT 為懸膜式結(jié)構(gòu)，由頂部電極、壓電薄膜、 底部電極和硅襯底構(gòu)成。絕緣層（通常為二氧化硅）一方面作為反面刻蝕的停止 層起到釋放單元的作用，一方面又作為底部電極和基底（通常為硅）之間絕緣層 起到減小寄生電容的作用。頂部電極、壓電薄膜、底部電極與絕緣層共同組成懸膜結(jié)構(gòu)，由附著層黏附在硅支撐層上。如圖12所示

圖12 PMUT超聲換能器結(jié)構(gòu)與其器件圖 (a)和pMUT用質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)來描述(b)。

當(dāng)壓電式超聲換能器所處聲場環(huán)境中，換能器中壓電材料結(jié)構(gòu)的兩端由于受到聲場聲壓力作用而產(chǎn)生電荷，通過測量電路獲取換能器受聲場作用而產(chǎn)生的電荷情況，即可通過二者關(guān)系獲取所在聲場聲強；在壓電式超聲換能器的壓電材料結(jié)構(gòu)上按照一定規(guī)律施加交變電場，通過逆壓電效應(yīng)則可使壓電材料發(fā)生相應(yīng)的交替機械形變，帶動換能器發(fā)生機械振動，進(jìn)而產(chǎn)生聲場向外輻射聲能量。

圖13 PMUT 振動模式

MEMS 微納器件加工工藝包括磁控濺射、光刻、刻蝕（干法刻蝕/濕法刻蝕）、剝離、背部工藝以及清洗等工藝步驟，以完成 PMUT 器件的各功能層形成及圖形化。Design and Fabrication of a Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer Array Based on Ceramic PZT 文獻(xiàn)中描述了一種 pMUT制造的工藝流程如圖14所示。

首先用SU-8光刻膠將初始厚度為660μm的PZT- 5h陶瓷片與硅片粘合圖14（b）；然后，將結(jié)合的PZT層研磨拋光至100μm圖14（c）；在拋光后的PZT表面濺射100 nm的金層作為底電極圖14（d）；之后，在SOI晶圓上旋轉(zhuǎn)涂覆一層薄薄的PermiNex。然后將SOI晶片粘合在拋光后的PZT晶片上 圖14（e）；為了避免PermiNex層出現(xiàn)空隙，實現(xiàn)牢固的粘接，需要對粘接過程進(jìn)行良好的控制。粘合后，PZT層從硅/SU-8側(cè)進(jìn)一步拋光，首先去除硅和SU-8，然后通過化學(xué)機械拋光減薄至5μm圖14（f）；其次，采用4.5% HNO3 /4.5%BOE/91% H2O濕法蝕刻,在PZT層上形成通向底部電極的通孔圖14（g）;然后通過濺射和升空形成頂部電極層圖14（h）;在那之后，空腔區(qū)域和背面的光刻區(qū)域雙面對齊14（i）；進(jìn)行背面的硅被DRIE蝕刻，直到埋藏的氧化層暴露出來14（j）；最后，埋藏的氧化層被水蒸氣HF除去，形成pMUT的薄膜14（k）。

審核編輯：劉清