基于共晶键合技术的CMUTs结构设计与试验测试

发布时间：2021-10-30 12:10

　　电容式微加工超声换能器（Capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUTs）在超声成像与治疗、3D超声姿态识别等领域具有广泛应用需求。将CMUTs与ICs进行集成是减小寄生电容、提高信噪比的重要途径,然而目前基于熔融键合的CMUTs制备技术需要高温条件（>1000℃）,无法实现与ICs的集成制备。开发基于共晶键合的CMUTs制备工艺是解决上述问题的有效途径。针对该低温工艺,设计了圆形和正六边形空腔CMUTs单元及相应的阵列结构,利用有限元仿真和理论公式分析了CMUTs结构的塌陷电压、谐振频率以及其薄膜在热应力、大气压力条件下的变形。分析结果表明CMUTs塌陷电压及谐振频率在预期范围内,其薄膜在热应力、大气压力作用下不会发生塌陷。对所制备的CMUTs芯片的形貌、结构尺寸、电容以及阻抗频率特性开展试验研究。结果表明芯片形貌、结构参数、电容以及阻抗频率特性与设计预期一致,芯片能正常工作;测试结果验证了CMUTs结构设计与制备工艺的可行性。这些研究对进一步实现CMUTs与ICs的集成设计与制备提供了基础。 

【文章来源】：机械工程学报. 2020,56(13)北大核心EICSCD

【文章页数】：10 页

【部分图文】：

基于共晶键合技术的CMUTs单元剖面结构示意图

图1 基于共晶键合技术的CMUTs单元剖面结构示意图综合考虑工艺和材料性能，确定图1所示CMUTs各部分的材料。其中基底硅片采用n型<111>晶向低阻硅，电阻率小于0.04?·cm，厚度为380μm。支柱和绝缘块采用二氧化硅材料，一方面二氧化硅可以直接在硅材料表面通过氧化工艺生长，具有很好的表面平整性，有利于键合；另一方面二氧化硅材料的绝缘性好，可以用于上下电极间的绝缘；此外，二氧化硅和硅之间具有很好的刻蚀选择性，刻蚀二氧化硅绝缘块时，可以实现刻蚀自停止。CMUTs薄膜由SOI片顶层硅制备而成，其中SOI的顶层硅为<100>晶向、电阻率小于0.01?·cm；埋层二氧化硅厚度为3μm；衬底硅为<100>晶向，厚度为300μm。SOI衬底硅和基底硅晶向的选择，可有效减小湿法腐蚀SOI衬底硅时溶液对基底硅的刻蚀。图1所示CMUTs结构，具有以下优点。

以增大有效电容、减小寄生电容及频率噪声为主要依据，设计CMUTs阵列结构如图3所示。设计单阵元芯片(图3a)和四阵元芯片(图3b)两种芯片类型，每种芯片的外形尺寸相同，以满足等距离划片的工艺要求。划片道宽度设计值为380μm，阵列区最外侧与划片道之间的区域，即边缘键合区(以下简称“边缘区”)的设计值为240μm左右。边缘区上设置电极焊盘和二氧化硅层；其中金属焊盘尺寸为100μm×500μm；二氧化硅层由SOI片的埋层二氧化硅刻蚀而成，用以减小划片时冲洗液、机械力等对内部单元结构的破坏。同时，划片道上单晶硅膜被刻蚀掉，以进一步减小划片时对内部CMUTs单元的损害。图3b所示CMUTs阵列结构的四个阵元之间的单晶硅薄膜被完全刻蚀掉，以实现阵元之间的电隔离。针对CMUTs的每一组单元结构尺寸，分别设计两种阵列结构，也即单阵元和四阵元CMUTs芯片。每种芯片的外形尺寸形同，均为3 660μm×3 660μm。CMUTs阵列的具体设计参数如表2所示。

【参考文献】：
期刊论文
[1]空气耦合式电容微超声换能器的设计与分析[J]. 张慧,赵晓楠,张雯,曾周末.  仪器仪表学报. 2016(10)
[2]一种基于MATLAB的CMUT阵列设计与成像仿真方法[J]. 张慧,何常德,苗静,李玉平,张文栋,薛晨阳.  传感技术学报. 2014(04)
[3]电容式微超声传感器的电极参数优化设计[J]. 张慧,宋光德,靳世久,官志坚,刘娟.  传感技术学报. 2010(07)

硕士论文
[1]基于硅晶圆键合的MEMS电容超声传感器研究[D]. 苗静.中北大学 2013



本文编号：3466709