[发明专利]一种电容式超声传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器领域中的电容式超声传感器，具体是一种基于低温硅片直接键合技术的电容式超声传感器及其制作方法。

背景技术

超声传感器在医疗成像、无损检测以及超声显微镜等方面都有广泛的应用。宽频带、多维高密度、微型化是未来超声换能器发展的主要方向。在过去几十年间，基于压电材料的压电式超声换能器成为主流的超声换能器件，但是近年来，一种电容式超声传感器逐渐成为超声换能器的主要研究方向之一。与传统的压电式超声换能器相比，电容式超声换能器具有以下优点：第一、采用大规模集成电路的制作方法，可以批量制造，制造成本低；第二、与标准IC工艺兼容，传感器驱动电路、前端放大电路以及后续信号处理电路可集成在同一芯片上，减小芯片引脚、寄生电容及噪声信号，实现芯片的整体封装；第三、适合制造二维面阵结构，极大地改善了灵敏度和发射声压；第四、具有更低的机械阻抗，更易实现与空气或液体等周围环境的阻抗匹配；第五、与压电式超声换能器相比，电容式超声换能器对温度更加不敏感，因此具有更加广泛的应用范围。

目前，主要有两种制备电容式超声传感器的技术：表面微加工技术和硅片键合技术。表面加工技术研究较早，已经有很多的研究成果，但是仍然存在很多不足，例如，Mourad N.El-Gamal课题组采用引入腐蚀液移除牺牲层来形成空腔，这种方法制备的空腔阵列以及振膜尺寸不易控制、振膜应力不均匀、不易对刻蚀孔进行填充密封等问题，从而大大影响器件性能。键合技术包括阳极键合、硅片直接键合、以粘合剂为中间介质的键合技术等，可以将振膜与空腔分开制备，之后通过键合形成密闭空腔结构，振膜与空腔的尺寸更容易精确控制，并且采用SOI顶硅作为振动薄膜，具有厚度均匀性好、应力小等优势，并且工艺步骤少，大大增加了器件的可靠性。中北大学何常德课题组中采用阳极键合制备电容式超声传感器，但是阳极键合的过程中，需要高压处理，制备电容式超声传感器容易出现绝缘层击穿，造成振膜塌陷；以粘合剂或金属为中间介质的键合技术，工艺制备不难，但是容易引入粘合剂、金属离子等污染。硅片直接键合技术可以避免阳极键合和以粘合剂为中间介质的键合技术的缺点，但是传统的硅片直接键合技术退火温度较高(约1000℃)，与IC电路集成难度较大，不易实现金属连接。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是为了解决上述现有技术中存在的问题，提供了一种采用湿法和干法表面活化的低温硅片直接键合技术，制备电容式超声传感器，降低了退火温度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种电容式超声传感器，包括：低阻硅衬底13；在低阻硅衬底13上形成的氧化硅层12；于氧化硅层12中形成的二维空腔阵列结构；在二维空腔阵列结构之上形成的振膜11；以及在振膜11上沉积金属铝形成的上电极10，该上电极10为图形阵列，并且上电极10图形阵列中的图形与二维空腔阵列结构的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

上述方案中，所述氧化硅层12是在低阻硅衬底13上通过热氧化生长形成的。

上述方案中，所述二维空腔阵列结构，是通过对氧化硅层12进行光刻、腐蚀或刻蚀工艺，于氧化硅层12中形成的。

上述方案中，所述二维空腔阵列结构中的空腔为圆形或其他形状，所述上电极10图形阵列中的图形为圆形或其他形状。

上述方案中，所述低阻硅衬底13作为下电极。

上述方案中，所述振膜11的形成过程如下：将带有二维空腔阵列结构的硅衬底与SOI外延片进行湿法和干法表面活化处理，采用低温直接键合技术，将SOI外延片倒装键合于二维空腔阵列结构之上，形成一个整体结构；键合完成后，将SOI外延片的底硅和埋氧层腐蚀掉，只留下顶层硅作为振膜11。

为达到上述目的，本发明还提供了一种制作电容式超声传感器的方法，包括：

步骤1：选择低阻硅衬底13，在低阻硅衬底13上形成氧化硅层12；

步骤2：于氧化硅层12中形成二维空腔阵列结构；

步骤3：在二维空腔阵列结构之上形成振膜11；

步骤4：在振膜11上沉积金属铝形成上电极10，该上电极10为图形阵列，并且上电极10图形阵列中的图形与二维空腔阵列结构的图形一一对应分布，彼此连接在一起。

上述方案中，所述步骤2包括：在氧化硅层12上涂抹一层光刻胶，准备好光刻版，经过曝光、显影、后烘之后，通过湿法腐蚀或干法刻蚀，于氧化硅层12中形成圆形或其他形状的空腔阵列结构，得到二维空腔阵列结构，最后将衬底上残留的光刻胶去除。