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CN101558552A - 具有绝缘延伸部的微机电换能器 - Google Patents

具有绝缘延伸部的微机电换能器 Download PDF

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CN101558552A
CN101558552A CNA2006800210836A CN200680021083A CN101558552A CN 101558552 A CN101558552 A CN 101558552A CN A2006800210836 A CNA2006800210836 A CN A2006800210836A CN 200680021083 A CN200680021083 A CN 200680021083A CN 101558552 A CN101558552 A CN 101558552A
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conductive layer
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Abstract

公开了一种具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器(诸如cMUT)。两个电极在其间限定换能间隙。绝缘体具有一般设置在两电极之间的绝缘支承以及延伸至两电极中的至少一个中的绝缘延伸部，以在不增加换能间隙的情况下增加有效的绝缘。还公开了一种用于制造微机电换能器的方法。该方法可用于常规的基于膜的cMUT和具有移动刚性顶板的嵌入式弹簧的cMUT。

Description

具有绝缘延伸部的微机电换能器
本申请要求以下美国临时申请的优先权：2005年6月17日提交的第60/692,038号；2005年8月3日提交的第60/705,606号；2006年4月4日提交的第60/744242号，这些专利申请的内容通过引用整体结合于此。
本申请还通过引用结合了以下申请的全部内容：
2006年5月18日提交的名为METHODS FOR FABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES的国际申请(PCT)第PCT/IB2006/051567号；
2006年5月18日提交的名为MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS的国际申请(PCT)第PCT/IB2006/051568号；
2006年5月18日提交的名为MICRO-ELECTRO-MECHANICALTRANSDUCERS的国际申请(PCT)第PCT/IB2006/051569号。
技术领域
本申请涉及具有用于能量转换的可移动机械部件的微机电装置，尤其涉及诸如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微加工超声换能器(MUT)。
背景技术
微机电换能器通常共用公共特征部，它包括用于能量转换的可移动机械部件。这种微机电换能器的一个例子是微加工的超声换能器(MUT)。超声换能器执行一系列的能量转换以实现其换能器的功能。在其接收模式中，在放置了换能器的介质中传播的超声波的声能转换成换能器中的可移动部件(通常是振动膜)的机械能。然后可移动部件的运动转换成可检测的电磁(通常是电)信号。在其发射器模式中，发生反向的能量转换过程。
已经开发了用于发射和接收超声波的各种类型的超声换能器。超声换能器可在各种介质中工作，包括液体、固体和气体。这些换能器通常用于诊断和治疗的医学成像、生物化学成像、材料的非破坏性检测、声纳、通信、贴近式传感器、气流测量、现场过程监视、声学显微镜、水下传感和成像以及其它。除分立的超声换能器外，还开发了包含多个换能器的超声换能器阵列。例如，开发了用于成像应用的二维阵列超声换能器。
与广泛使用的压电(PZT)超声换能器相比，MUT在器件制造方法、带宽和工作温度方面具有优势。例如，制造常规的PZT换能器阵列包括切割并连接各个的压电元件。该过程充满了困难和高花费，更不用说由这些元件造成的对发射/接收电子装置的大的输入阻抗失配问题。在比较中，在制造MUT中使用的微加工技术更加胜任制造这种阵列。在性能方面，MUT证明了可与PZT换能器的动态性能相比较的动态性能。由于这些原因，MUT正在成为压电(PZT)超声换能器的引人注目的替代的选择对象。
在几种MUT中，广泛使用电容式微加工超声换能器(cMUT)，它采用静电换能器。图1示出了现有技术cMUT的基本结构的横截面图。图1的cMUT构造在衬底11上。每一个cMUT单元具有平行板电容器，它由刚性底电极12和位于用于在相邻介质中发射或接收声波的柔性膜16上或其中的顶电极14组成。每一个单元中柔性膜16由锚18支承。膜16与衬底11和顶电极12间隔开以在其间限定换能空间19。将DC偏压施加在电极12和14之间，以使膜16偏转到用于cMUT工作的最优位置，通常以使灵敏度和带宽最大化为目标。在发射期间，将AC信号施加到换能器。顶电极和底电极之间的交替的静电力激励膜16，以便将声能传递到cMUT周围的介质(未示出)中。在接收期间，发射过来的声波振动膜16，因此改变了两电极之间的电容。电子电路检测该电容变化。
为了适当的工作需要两电极12和14之间的电绝缘。这种绝缘的一种基本的形式由锚18来提供，锚18可由绝缘材料形成，并且同时提供两电极12和14之间的支承。除锚18外，还可将另外的绝缘层(未示出)设置在cMUT 10的两电极12和14之间以防止在换能器工作期间的电短路。一般而言，两cMUT电极12和14的间隔间隙影响cMUT的换能性能，而绝缘层的厚度和锚18的高度以竞争的方式影响cMUT换能器的击穿电压和寄生电容。通常，期望较小的间隔间隙以获得更好的cMUT换能性能，而期望较厚的绝缘层和较高的锚以增加击穿电压并减小寄生电容。因此，cMUT的设计通常在这两个竞争的因素之间折衷，并对cMUT性能折衷。
由于这些MUT装置的重要性，一般期望在性能、功能性和可制造性方面改进技术，并尤其希望优化换能性能、击穿电压和寄生电容减小。
发明内容
本专利申请公开了一种具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个导电层(例如，电极)的微机电换能器(诸如cMUT)。两个导电层在其间限定换能间隙。绝缘体具有一般设置在两导电层之间的绝缘支承以及延伸至两导电层中的至少一层中的绝缘延伸部。绝缘延伸部的使用可在不增加换能间隙的情况下增加有效的绝缘。本专利申请还公开了一种用于制造微机电换能器的方法。本发明的技术可用于常规的基于膜的cMUT和具有移动刚性顶板的嵌入式弹簧的cMUT。
在一个实施例中，主导电层(绝缘延伸部延伸进入的导电层)比绝缘延伸部厚使得绝缘延伸部包含在所述导电层中。导电层可包括基底导电层和补充导电层，补充导电层的导电率显著高于基底导电层的导电率。这两层可在具有不同掺杂水平的一个硅晶片上形成。在一个实施例中，基底导电层是硅层而补充导电层是金属层。
在一个实施例中，绝缘延伸部延伸至导电层内的深度是换能间隙的至少25％，因此在不增加换能间隙的情况下显著增加了有效绝缘。
绝缘支承和绝缘延伸部可由相同的绝缘材料或不同绝缘材料的任意组合形成。绝缘支承可被分隔或连接到绝缘延伸部。
在一个实施例中，绝缘延伸部设置在形成于主导电层中的空腔中。绝缘延伸部可以是完全填充空腔或部分填充空腔并在其中留下部分空隙的固体材料。
绝缘延伸部可包括两个延伸端，第一延伸端延伸至第一导电层内，而第二端延伸至第二导电层内。两延伸端可具有相同或不同的绝缘层材料。
在一个实施例中，绝缘延伸部位于在工作期间两个导电层最可能互相接触或接近互相接触的位置。还可使用部分穿过换能间隙延伸以限制最大换能距离的运动制动器。
根据本发明的微机电换能器可以是电容式微加工超声换能器，其中第一导电层用作底电极，而第二导电层用作可移动顶电极。诸如硅晶片之类的导电衬底可用作底电极。第二导电层可具有由绝缘支承支承的弹性膜。
根据本发明的第一方面，将绝缘延伸部结合到具有嵌入式弹簧的微机电换能器。所述换能器包括(1)衬底；(2)设置在衬底上的中间弹性层，衬底和中间弹性层在其间限定空腔，空腔以一侧壁为边界，其中中间弹性层从侧壁延伸以覆盖空腔；(3)中间弹性层上的绝缘连接器；(4)设置在绝缘连接器上的顶板，其中绝缘连接器将顶板与中间弹性层分隔，以在顶板下限定换能间隙；以及(5)延伸超过换能间隙的绝缘延伸部。
在一个实施例中，顶板包括导电层和延伸至导电层中的绝缘延伸部。例如，顶板可具有硅/多晶硅层，并且绝缘延伸部延伸至硅/多晶硅层内。对于更有效的电极，顶板还可包括金属层。
在另一个实施例中，中间弹性层包括导电层和延伸至该导电层内的绝缘延伸部。或者，衬底是导电的，且绝缘延伸部延伸至导电衬底内。
具有嵌入式弹簧的微机电换能器可以是具有底电极和顶电极的电容式微加工超声换能器。底电极可以是衬底和/或所述中间弹性层的一部分，而顶电极可以是顶板的一部分。衬底的侧壁可以是导电的，而底电极可包括衬底的侧壁的至少一部分。底电极还可包括沉积在中间弹性层或衬底上的分隔的导电层。
在一个实施例中，顶板比中间弹性层显著刚硬，并且在由绝缘连接器的垂直位移移动时基本不弯曲。通过换能空间移动的顶板的最大垂直位移可由运动制动器限制。
在另一个实施例中，电容式微加工超声换能器(cMUT)包括：(1)包括基本静止的衬底并用作底电极的底层；(2)包括膜并用作顶电极的顶层，该膜适合相对于所述静止衬底振动而引发换能激励，顶层和底层在其间限定换能间隙；以及(3)具有主要部分和绝缘延伸部的绝缘体，主要部分一般设置在底层和顶层之间并支承底层和顶层，而绝缘延伸部延伸到底层和顶层中的至少一层中。
在一个实施例中，底层和顶层中的至少一层具有比绝缘延伸部厚的导电层，使得绝缘延伸部包含在导电层中。
本发明的另一方面涉及用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的方法。该方法包括以下步骤：(1)在第一导电层的主表面上形成凹槽；(2)形成绝缘材料的支承特征部，该支承特征部在第一晶片材料的主表面上从凹槽延伸至自由端；以及(3)将第二导电层设置在支承特征部的自由端上。
第一导电层可包括硅/多晶硅层。形成凹槽的步骤可包括直接蚀刻工艺、差别氧化工艺或其任意组合。形成支承特征部的步骤可包括在凹槽上生长绝缘层以及图案化并蚀刻绝缘层。将第二导电层设置在支承特征部的自由端上的步骤可包括将SOI晶片接合到支承特征部的自由端上以及深蚀SOI晶片以在支承特征部上留下SOI层的期望的部分。设置第二导电层的步骤还可包括在SOI晶片的剩余的层上沉积金属层。剩余在支承特征部上的SOI晶片的期望的部分可包括形成第二导电层的至少一部分的硅/多晶硅层。在一个实施例中，剩余在支承特征部上的SOI层的期望的部分提供适于在适当的换能激励下相对于第一导电层振动的膜层。代替使用SOI晶片，可采用携带诸如氮化物、氧化物、金属、聚对二甲苯、或其它聚合物层之类的功能层以用作期望的膜层的晶片。
在上述方法的一个实施例中，将第二导电层设置在支承特征部的自由端上的步骤包括：(1)在第一导电层和支承特征部上沉积牺牲层；(2)在牺牲层上沉积功能层；以及(3)去除牺牲层以在支承特征部的自由端上留下功能层。设置第二导电层的步骤还包括在功能层上沉积金属层。功能层可包括形成第二导电层的至少一部分的硅/多晶硅层。支承特征部上的功能层可以是适于在适当的换能激励下相对于第一导电层振动的膜层。
用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的另一种方法包括以下步骤：(1)通过去除衬底的材料在衬底的主表面上形成图案化沟槽，其中图案化沟槽包括衬底的未去除材料的细线；(2)氧化图案化沟槽中的衬底的未去除材料的细线，使得图案化沟槽构成绝缘体；(3)图案化并蚀刻硅/多晶硅衬底的主表面，使得沟槽中的绝缘体具有在衬底上直立的顶端；以及(4)将顶部导电层设置在绝缘体的顶端。
用于制造类似的微机电换能器的另一可选的方法包括以下步骤：(1)通过去除衬底的材料在衬底的主表面上形成沟槽；(2)用绝缘材料填充沟槽；(3)图案化并蚀刻硅/多晶硅衬底的主表面，使得沟槽中绝缘材料具有在衬底上直立的顶端；以及(4)将顶部导电层设置在绝缘体的顶端。
该方法还用于将根据本发明的绝缘延伸部结合到具有嵌入式弹簧的微机电换能器中。一种用于制造这种换能器的示例性方法包括以下步骤：(1)提供顶板、中间弹性层和衬底；(2)在可以作为顶板和中间弹性层中的任一个的主层的主表面上形成绝缘材料的支承特征部，其中支承特征部从主表面以下的一点延伸到超过主表面的自由端；以及(3)接合顶板、中间弹性层和衬底，使得顶板和中间弹性层由支承特征部在其自由端处连接，而中间弹性层在相对的侧面上连接到衬底。在所得的换能器中，衬底和中间弹性层在其间限定空腔，该空腔以一侧壁为边界，而中间弹性层从侧壁延伸，以覆盖空腔。
在一个实施例中，主层包括硅/多晶硅层，而形成支承特征部的步骤包括：(1)在硅/多晶硅层的主表面上形成凹槽；以及(2)通过在凹槽上引入绝缘材料形成支承特征部。或者，形成支承特征部的步骤包括以下步骤：(1)通过去除硅/多晶硅材料在硅/多晶硅层上形成图案化沟槽，其中图案化沟槽包括硅/多晶硅层的未去除材料的细线；(2)氧化图案化沟槽中的硅/多晶硅层的未去除材料的细线，使得图案化沟槽包含不导电结构；以及(3)图案化并蚀刻硅/多晶硅层以由沟槽中的不导电结构形成支承特征部。代替使用图案化沟槽，可形成简单的沟槽(不具有诸如未去除材料的细线之类的精细的内部结构)并利用绝缘材料填充。
从以下参考附图详细描述的几个实施例将更清楚上述和其它的特征和优点。
附图说明
图1示出现有技术的cMUT的基本结构的横截面图。
图2示出现有技术的cMUT的放大的部分以说明绝缘锚的高度和两电极之间的间隔之间的关系。
图3示出另一个现有技术cMUT的放大的部分以进一步说明绝缘锚高度和两电极之间的间隔之间的关系。
图4示出根据本发明的静电换能器的放大的部分。
图4a和4b示出图4所示的绝缘延伸部概念的两个变体。
图5-7示出图4所示的绝缘延伸部概念的另外的变体。
图8是利用根据本发明的绝缘延伸部的cMUT结构的横截面图。
图9-14是利用根据本发明的绝缘延伸部的cMUT结构的变体的横截面图。
图15是嵌入式弹簧微机电换能器(ESMUT)的选择的部分的放大图。
图16是完整的ESMUT元件的不同选择的ESMUT部分的放大图。
图17示出利用根据本发明的绝缘延伸部的ESMUT结构。
图18示出利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个ESMUT结构。
图19.1-19.9a示出利用晶片接合技术将本发明的绝缘延伸部结合到常规的基于膜的cMUT的示例性工艺流程图。
图20.1-20.3示出利用氧化工艺在可氧化的层的表面上形成凹槽的示例性过程。
图21.1-21.3示出利用氧化工艺在可氧化的层的表面上形成凹槽的另一个示例性过程。
图22.1-22.5示出利用氧化工艺在衬底上形成具有不同的凹槽深度的凹槽图案的另一示例性过程。
图23.1-23.5示出利用O2注入和氧化工艺在硅衬底上制造期望的凹槽图案的另一个示例性过程。
图24.1-24.5示出利用O2注入和硅的局部氧化(LOCOS)在硅衬底上制造期望的凹槽图案的另一个过程。
图25.1-25.7示出在具有柔性膜表面的常规的cMUT中形成很深的绝缘延伸部的示例性方法。
图26.1-26.7示出通过蚀刻形成深的绝缘延伸部的另一种方法。
图27.1-27.16示出用于制造具有根据本发明的绝缘延伸部的ESMUT的晶片接合过程。
详细描述
将连同附图详细描述本发明的诸如电容式微加工超声换能器(cMUT)之类的微机电换能器，在所有附图中类似的部件用类似的标号或字目来标记。微机电换能器可利用任何合适的方法来制造，尤其是利用本文确认的几篇专利申请中公开的方法。
下面参考特定的实施例描述本发明。在大多数情况下，cMUT结构用于说明本发明。然而应该意识到本发明不限于cMUT。本领域的技术人员将清楚，可在不背离本发明的较宽的范围的情况下进行各种修改并且可采用其它实施例。因此，对特定实施例的这些或其它改变应由本发明覆盖。本领域的技术人员将意识到可单独或联合地使用结合实施例公开的各种特征。
在本文件中，将导电材料定义为电阻率小于1×104Ω-cm的材料。因此在这种情况下硅和多晶硅被视为导电材料。良好的导电材料较佳地具有小于1Ω-cm的电阻率。除非另外说明，否则可交换地使用术语“绝缘材料”和“介电材料”，并将它们定义为电阻率大于1×104Ω-cm的材料。良好的绝缘材料较佳地具有大于1×108Ω-cm的电阻率。绝缘体一般由绝缘材料构成但在特殊的情况下可包括空气和真空。
注意，在本说明书中在广义上使用术语“换能器”和“换能构件”，不仅包括进行执行和感觉功能的装置还包括进行执行功能或感觉功能的装置。还应注意，在本说明书中在广义上使用术语“悬臂”以描述具有锚固端、弹性部分的结构，该弹性部分从锚固端延伸至施力端(exerting end)以激活或移动该弹性部分。因此悬臂不一定指字面上的一维梁形悬臂，还包括具有诸如桥或横梁之类的沿不同方向延伸的多梁的类似的结构，最确切地还包括区域或平面弹簧(二维“悬臂”)，其中锚固端是作为一区域或其部分的闭合周界的延伸线，弹性部分是延伸区域而施力端可以是单个点、小的区域或延伸的线(闭合端、开口端或分段)。
为了说明本发明，首先根据本发明讨论依照现有技术的设计的某些方面。注意，为了更清楚地说明的目的，本文的讨论将按照本发明对现有技术设计发表的后见之明。
为了cMUT的适当工作，需要两电极之间的电绝缘。这种绝缘的一种基本的形式由同时还提供两电极之间的支承的锚提供。
图2示出了现有技术cMUT的放大部分以说明绝缘锚的高度和两电极之间的间隔之间的关系。如图所示，H绝缘体是锚绝缘体28的高度并由电极22和24之间的电极间隔间隙H间隙确定或限制。在图2所示的构造中，绝缘体H绝缘体的高度与电极间隔间隙H间隙的高度相同。
图3示出另一个现有技术cMUT的放大部分，以进一步示出绝缘锚的高度和两电极之间的间隔之间的关系。除锚绝缘体38外，另一个绝缘体层33也设置在cMUT的两电极32和34之间以防止在换能器工作期间两电极32和34之间的电短路。此外，绝缘体H绝缘体的总高度由电极32和34之间的电极间隔间隙H间隙确定或限制。在图3所示的构造中，绝缘体的总高度H绝缘体与电极间隔间隙的高度H间隙相同。
诸如cMUT之类的静电换能器中的两电极的间隔间隙H间隙影响换能器的换能性能。一般而言，较小的间隔间隙H间隙得到较好的换能性能。另一方面，绝缘体的高度H绝缘体影响换能器的击穿电压和寄生电容。通常，期望较厚的绝缘层和较高的锚(即较大的H绝缘体)以增加击穿电压并减小寄生电容。但因为在静电换能器的常规的设计中，H绝缘体本质上由H间隙确定或限制，通常在这两个竞争的因素之间折衷，并对换能器的性能折衷或限制。
构想了本发明以消除以上对诸如cMUT之类的静电换能器的现有技术设计固有的限制。
图4示出根据本发明的静电换能器的放大部分。静电换能器具有以间隔间隙H间隙互相分离的底电极410和顶电极420。底电极410和顶电极420的间隔在其间限定了换能空间。绝缘支承部分430一般设置在底电极410和顶电极420之间。静电换能器还具有延伸到底电极410中的绝缘延伸部440。
以上的设计改变了H绝缘体和H间隙之间的关系。如所示，H绝缘体是绝缘支承部分430的高度和绝缘延伸部440的厚度之和。尽管绝缘支承部分430的高度仍由电极间隔间隙H间隙限制，但绝缘延伸部440的厚度与该限制无关，因此提供了一定的设计自由度，以在不增加电极间隔间隙H间隙的情况下增加总的绝缘体高度H绝缘体。因为附加的绝缘延伸部440不影响两电极410和420之间的间隔，所以可将其自由地设计成具有期望的厚度以实现期望的击穿电压和寄生电容而不破坏装置换能性能。
通过去除绝缘体高度H绝缘体和电极间隔间隙H间隙的关连，可通过优化换能器电极间隔H间隙来改进换能器性能，同时还可在不折衷的情况下优化击穿电压和寄生电容。这种新颖的设计可用于多种静电换能器，并且对于改进高频cMUT的性能尤其重要。
正如本文的制造方法的描述中所示，可以各种方式在电极410中形成绝缘延伸部440。在一个实施例中，首先在电极410中形成空腔，然后将绝缘材料引入空腔以形成绝缘延伸部440。绝缘材料可以是完全填充空腔的固体材料，但也可以是完全填充空腔或者在其中留下部分空隙的部分填充空腔的任何其它绝缘材料。
绝缘延伸部440和绝缘支承部分430可由相同的绝缘材料或不同绝缘材料的任意组合制成。在图4所示的构造中，底电极410比绝缘延伸部440厚，使得绝缘延伸部440包含在底电极410中。然而，绝缘延伸部440可延伸超过底电极410，特别是如果底电极410是包含绝缘延伸部440的较厚的组合层的一部分。
在另一个实施例中，底电极410可包括多个导电层或介电衬底上的一个导电层。例如，底电极410可具有基底导电层和补充导电层。这可以是这种情况：硅衬底用作基底导电层而其导电率显著高于硅衬底的导电率的补充导电层用于形成更有效的电极。补充层的例子包括多晶硅层、金属层或同一硅衬底的连续部分但具有较高的掺杂水平。在这种情况下，绝缘延伸部440可延伸超过补充层并进一步进入硅衬底。
延伸到底电极410中的绝缘延伸部440的厚度可由优化击穿电压、寄生电容和换能性能的设计要求确定。该延伸厚度本质上是除性能考虑因素外原则上不受限制的设计自由。例如，在一个实施例中，绝缘延伸部440的深度是换能间隙的至少25％，以确保明显的改进。
所示的绝缘延伸部440在其横截面尺寸上比绝缘支承部分430宽。这种构造对于优化击穿电压和寄生电容而不具有过大的支承面积可能是较佳的，但不是所需要的。
如图4所示绝缘延伸部440和绝缘支承部分430可直接互相连接(在某些实施例中甚至可以是同一绝缘材料连续的部分)，或如图4a和4b中的两个选择的构造中所示由另一个绝缘层435介于其间。
图5-7示出图4所示的概念的变体。在这些附图中，类似的组件利用类似或相同的附图标记来指示。除图5中的绝缘体具有分别延伸到底电极510和顶电极520的两个绝缘延伸部540和550以外，图5示出类似于图4的静电换能器。类似于图4，底电极510和顶电极520以间隔间隙H间隙互相分离。底电极510和顶电极520的间隔在其间限定换能间隙。绝缘支承部分530一般设置在底电极510和顶电极520之间。如所示，H绝缘体是绝缘支承部分530的高度和绝缘延伸部540和550的厚度之和。对于给定的间隔间隙H间隙，可通过调节绝缘延伸部540的厚度或绝缘延伸部550的厚度或两者的厚度来优化绝缘体H绝缘体的总高度。
除图6中的绝缘延伸部具有略复杂的结构以外，图6示出类似于图4的另一个静电换能器。底电极610中的绝缘延伸部包括第一部分640和第二部分645，它们由不同的绝缘材料制成。如所示，绝缘延伸部的第一部分640被构造成限定某些空隙(由所示的第二部分645占据)。第一部分640与绝缘支承部分630邻接，而绝缘延伸部的第二部分645占据由所构造的第一部分640限定的空隙。在一个实施例中，第二部分645包括空气或密封的真空。
图7示出具有延伸到底电极710和顶电极720的两个绝缘延伸部的类似于图5的另一个静电换能器。然而，图7中的绝缘延伸部各自具有比图5中的相对部分略复杂的结构。底电极710中的绝缘延伸部包括可由不同的绝缘材料形成的第一部分740和第二部分745。类似地，顶电极720中的绝缘延伸部包括第一部分750和第二部分755。如所示，绝缘延伸部的第一部分740和750与绝缘支承部分730邻接，而绝缘延伸部第二部分745和755各自占据由第一部分740和750限定的空隙。在一个实施例中，第二部分745和755各自包括空气或密封的真空。
以上绝缘延伸部的基本设计可体现在如以下参考图8-18将cMUT用作例子示出的多种微机电换能器中。具体地，它可在电容式微加工超声换能器中使用，该换能器包括：(1)含有基本静止的衬底并用作底电极的底层；(2)含有膜或板并用作顶电极的顶层，膜或板适于相对于静止衬底振动而引发换能激励，顶层和底层在其间限定换能间隙；以及(3)具有主要部分和绝缘延伸部的绝缘体，主要部分一般设置在底层和顶层之间并支承底层和顶层，而绝缘延伸部延伸到底层和顶层中的至少一个中。
应意识到尽管为了说明的目的在这些例子中使用某些类型的绝缘延伸部构造，但本发明的一般概念内的任意其它的绝缘延伸部构造(诸如以上参考图4-7描述的)可用于同一或类似的目的。
图8是利用根据本发明的绝缘延伸部的cMUT结构的横截面图。cMUT元件800构造在衬底晶片801上并具有底电极层810和携带顶电极层820的膜层819。绝缘支承(锚)830设置在底电极层810和膜层819(具有顶电极层820)之间以支承固定或夹在绝缘支承(锚)830的顶端的膜层819。膜层819和底电极810限定换能间隙815。膜层819在接收换能激励后通过换能间隙815相对于衬底振动以执行换能功能。
应意识到在图8中，以及本文的其它附图中，不要求底电极层810是与衬底801分离的层。在某些实施例中，衬底801和底电极810可以是用作底电极的单个导电层。在其它的实施例中，衬底801可以是导电的硅衬底而底电极810是同一衬底801的连续的部分但具有较高的掺杂水平。
绝缘延伸部840和842在底电极层810中形成以扩大总绝缘体高度。绝缘延伸部840各自连接到对应的绝缘支承(锚)830，而绝缘延伸部842不连接到绝缘支承(锚)但位于在换能器的工作期间顶电极820和底电极810最可能互相接触或接近互相接触的位置处。这种位置通常但不总是在由两个相对的绝缘点(锚)830限定的每一个cMUT单元的中间附近。绝缘延伸部842作为说明位于两个绝缘延伸部840中间。以上示出的绝缘延伸部的任何设计可用作所示的绝缘延伸部840和842的替代。
图9是利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个cMUT结构的横截面图。除绝缘延伸部940和942延伸超过底电极910进入衬底901外，cMUT结构900类似于图8所示的cMUT结构800。当衬底901自身由导电或不非常绝缘的材料形成时，这种构造是有益的。例如，衬底901可以是在本发明的上下文中视为导电的硅晶片。导电衬底901和底电极层910一起用作底电极的一部分，底电极层910较佳地比衬底901更导电。
图10是利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个cMUT结构的横截面图。除cMUT结构1000还包括绝缘支承(锚)930和绝缘延伸部940和942之间的绝缘层950外，cMUT结构1000类似于图9所示的cMUT结构900。应意识到绝缘层950还可位于膜层919和绝缘支承(锚)930之间。
图11是利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个cMUT结构的横截面图。cMUT结构1100类似于图10所示的cMUT结构1000，以下的差别除外：(1)在cMUT结构1100中将绝缘层1150图案化以仅覆盖绝缘延伸部940和942以上的区域；以及(2)导电衬底1101单独用作底电极而没有另外的导电层。用于导电衬底1101的一种适当的材料是掺杂硅晶片。
图12是利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个cMUT结构的横截面图。除cMUT结构1200还包括设置在绝缘延伸部942上的运动制动器1230外，cMUT结构1200类似于图11所示的cMUT结构1100。如所示，与设置在绝缘支承(锚)930下并连接到绝缘支承(锚)930的绝缘延伸部940不同，绝缘延伸部942设置在操作期间电极最可能互相接触或接近互相接触的每一个cMUT单元的中间附近。(在图12的具体的构造中，底电极包括导电衬底1201，而顶电极920包括由膜层919携带的图案化导电层。)设置在这些位置处的运动制动器1230有助于限制工作期间顶电极920相对于底电极的最大位移，因此防止电极之间的直接短路。
图13是实现根据本发明的绝缘延伸部的类似效果的cMUT结构的横截面图。cMUT结构1300构造在衬底1301上并具有设置在衬底1301上的图案化底电极层1310。绝缘层1350覆盖衬底1301和底电极1310的顶面。图案化底电极层1310限定空隙1340，如果空隙1340包含密封真空或空气，则它们用作绝缘延伸部的至少一部分。在图13所示的具体的例子中，空隙1340部分地以绝缘层1350填充。在这种情况下，空隙1340的剩余的空区域和绝缘层1350填充在空隙1340中的部分一起用作绝缘延伸部。
衬底1301可由绝缘材料、导电材料或由绝缘材料覆盖的导电材料形成。如果衬底1301由导电材料形成，则它还可用作底电极的至少一部分。
图14是实现根据本发明的绝缘延伸部的类似效果的cMUT结构的横截面图。除cMUT结构1400还包括设置在附加的绝缘延伸部1442上的运动制动器1430，而绝缘层1450被图案化并且不覆盖大部分底电极1410以外，cMUT结构1400类似于图13所示的cMUT结构。
除以上如图13-14所示的图案化底电极外，还可图案化顶电极，使得顶电极和底电极在诸如绝缘支承(锚)930所处的位置附近及在工作期间顶电极与底电极最可能互相接触或接近互相接触的位置之类的某些选择的位置不互相重叠。
根据本发明的绝缘延伸部还可用于如本文引用的几篇PCT专利申请中描述的具有嵌入式弹簧的微机电换能器。具体地，绝缘延伸部可用于具有可移动机械部件以转换能量的微机电换能器。一个示例性换能器包括：(1)衬底；(2)设置在衬底上的中间弹性层，衬底和中间弹性层在其间限定一空腔，该空腔以侧壁为边界，其中中间弹性层从侧壁延伸以覆盖空腔；(3)中间弹性层上的绝缘连接器；(4)设置在绝缘连接器上的顶板，绝缘连接器将顶板与中间弹性层分隔以在顶板下限定换能间隙；以及(5)延伸超过换能间隙的绝缘延伸部。
图15是嵌入式弹簧微机电换能器(ESMUT)的选择的部分的放大图。ESMUT部分1500是完整的ESMUT元件(未示出)的一部分。所选的ESMUT部分1500的结构提供了理解如本文引用的几篇PCT专利申请中描述的完整的ESMUT元件的基础。
对于诸如具有高工作频率的ESMUT之类的某些应用，完整的ESMUT元件或装置可仅利用类似于ESMUT部分1500的一个基本的单元。对于其它的应用，较佳的是利用图15和/或图16所示的多个基本单元的组合。
ESMUT部分1500构造在衬底1501上，其上有支承特征部(下文中称为“侧壁锚”)1503，支承特征部1503具有在两个相对的侧面上分别作为空腔1502和1502a的边界的两侧壁。支承特征部(侧壁锚)1503可以是作为形成空腔1502和1502a的结果形成的衬底1501的一体化部分，但也可以是附加到分离的衬底上的附加的结构。在一个实施例中，例如，侧壁锚1503是中间弹性层1520的一部分。衬底1501可以由诸如硅或多晶硅之类的非导电材料或导电材料制成。在侧壁锚1503是分离结构的构造中，侧壁锚1503的导电率可与衬底1501的导电率相同或不同。例如，衬底1501可由非导电材料制成而侧壁锚1503是诸如金属、硅或多晶硅之类的导电材料。
所示的ESMUT结构还具有位于侧壁锚1503的另一侧的第二空腔1502a。取决于如何从ESMUT元件及从ESMUT元件的何处取得ESMUT部分1500，第二空腔1502a可属于不同的和分离的空腔，或仅仅是与空腔1502相同的圆形或延伸空腔的另一部分。所选择的ESMUT部分1500在另一半中还具有第二连接器1530a。此外，取决于如何从ESMUT元件1500及从ESMUT元件1500的何处取得ESMUT部分1500，第二连接器1530a可以是不同的或分离的连接器的一部分，或仅仅是与连接器1530相同的圆形或延伸连接器的另一部分。
ESMUT结构部分1500还具有这些部件：(a)中间弹性层1520，它较佳的是弹性膜；(b)位于中间弹性层1520上的底电极1525，位于中间弹性层1520顶部的连接器1530和1530a；(c)位于连接器1530上的绝缘层1535；(d)通过介于其间的绝缘层1535连接到连接器1530和1530a的顶板1540；以及(e)顶电极1550。
顶板1540的底侧面面向中间弹性层1520的顶侧面，而中间弹性层1520的底侧面面向衬底晶片的前侧面，从而连接器1530从中间弹性层1520直立以在顶板1540下限定换能空间1560。换能空间1560一般限定在顶板层1540与中间弹性层1520的顶面或侧壁锚1503的顶面中较高的一个表面之间。当在顶板层1540与中间弹性层1520的顶面或侧壁锚1503的顶面之间有介入层时，可用的换能空间可能减小。例如，如果将另一层沉积在中间弹性层1520或侧壁锚1503上，则将侧壁锚的顶面限定为沉积在侧壁锚1503上的层的未被覆盖的表面。在图15所示的示例性构造中，可用的换能空间1560的实际高度可能由绝缘层1535、底电极1525和中间弹性层1520的厚度减小。
在某些实施例中可将顶板层1540和侧壁锚1503的顶面之间的整个高度用于换能空间1560。例如，如果其它特征部(例如，运动制动器)用于防止两电极之间的电短路则可去除绝缘层；导电衬底晶片自身可用于实现衬底上的底电极(例如在侧壁锚1503上)，而不需要单独的电极层；而悬臂可利用在与侧壁锚1503的顶面齐平或低于该表面的侧面上连接到侧壁锚1503的中间弹性层的部分形成，而不是利用设置在侧壁锚1503的顶部的连续的中间弹性层形成。
包括侧壁锚1503的衬底1501和中间弹性层1520两者均是导电的。在这种情况下，衬底1501可用作接入导电的中间弹性层1520的导体，而中间弹性层1520可用作底电极。
连接器1530和1530a位于中间弹性层1520上并且各自具有基本相同的连接器高度。连接器1530和1530a各自在水平方向上离开各自的侧壁锚1503的侧壁足够的长度。这限定了各自锚固在侧壁锚1503的各自的侧面上、具有背对背的双悬臂构造的两个悬臂。可通过各自的连接器(1530或1530a)在连接器(1530或1530a)所处位置的施力端(例如，左侧悬臂上的1522)处激发悬臂。悬臂和各自的空腔1502和1502a实现连接器1530和1530a的垂直位移，这使顶板1540以类似于活塞的运动基本垂直地运动，由此改变了换能空间1560。当ESMUT结构1500的两个半部分以相同的相位运动时，进一步保证了垂直的类似于活塞的运动。
在所示的具体的例子中，侧壁锚1503的顶面由中间弹性层1520覆盖，中间弹性层1520进而由底电极1525覆盖。此外，顶板1540和连接器1530不直接相互连接，而由绝缘层1535介于其间。因此换能空间1560由中间弹性层1520、底电极1525和绝缘层1535部分地占据。中间弹性层1520覆盖侧壁锚1503的顶面的部分、底电极1525和绝缘层1535是可选的。在任何情况下，为了实现预期的能量转换，如果结构中包括额外的层，则换能空间1560不应完全由这些额外的层占据。
图16是不同选择的ESMUT部分1600的放大图，它是完整的ESMUT元件(未示出)的另一部分。图15中所示的所选择的ESMUT部分1500和所选的ESMUT部分1600可从同一ESMUT元件的偏离的位置取得。所选择的ESMUT部分1600构造在衬底1601上，它具有以两个相反侧面上的两个侧壁锚1603和1603a作为边界的空腔1602。ESMUT结构部分1600还具有这些组件：中间弹性层1620、位于中间弹性层1620上的底电极1625、位于中间弹性层1620上的连接器1630、位于连接器1630上的绝缘层1635、通过介入的绝缘层1635连接到连接器1630的顶板1640以及顶电极1650。
连接器1630位于中间弹性层1620上，并在水平方向上离开侧壁锚1603和侧壁锚1603a两者的侧壁。侧壁锚1603和侧壁锚1603a之间的中间弹性层1620限定了在侧壁锚1603和侧壁锚1603a处锚固的双悬臂。双悬臂在设置连接器1630以形成桥的位置1622处头对头地连接。
顶板1640位于连接器1630上，连接器1630将顶板1640与中间弹性层1620分隔以在顶板下限定换能空间1660。双悬臂和空腔1602实现连接器1630的垂直位移，它基本垂直地移动顶板1640，因此改变换能空间并激活用于能量转换的换能器的换能构件。
以上的ESMUT设计可用作用于构造各种具有用于转换能量的可移动机械部件的微机电换能器的基本的构造单元。ESMUT结构本质上废除了将cMUT元件分为若干单元并要在每一个cMUT单元的周界支承并夹紧膜的单元绝缘壁的常规的概念。
如以下参考图17-18所示，根据本发明的绝缘延伸部可结合在ESMUT中以进一步改进其性能。
图17示出利用根据本发明的绝缘延伸部的ESMUT结构。ESMUT结构1700基于ESMUT结构1500并共享ESMUT结构1500的大多数组件。ESMUT结构1700具有延伸到顶板1540中的绝缘延伸部1742和1744，以在不增加换能空间1560的情况下提供附加的绝缘。如所示，绝缘延伸部1742与连接器1530和1530a对准并通过可选的绝缘层1535与之连接。连接器1530和1530a由绝缘材料形成并且是图4-7中的绝缘支承部分以及图8-14中的绝缘支承或绝缘锚的等价物。绝缘延伸部1744位于绝缘延伸部1742之间并在包括可选的介入绝缘层1535的顶板1540最可能接触底电极1525或接近接触底电极1525的中间位置附近。
图18示出利用根据本发明的绝缘延伸部的另一个ESMUT结构。ESMUT结构1800基于ESMUT结构1600并共享ESMUT结构1600的大多数组件。ESMUT结构1800具有延伸到顶板1640中的绝缘延伸部1842和1844，以在不增加换能空间1660的情况下提供附加的绝缘。如所示，绝缘延伸部1842与连接器1630对准并通过可选的绝缘层1635与之连接。连接器530由绝缘材料形成并且是图4-7中的绝缘支承部分以及图8-14中的绝缘支承或绝缘锚的等价物。绝缘延伸部1844位于包括可选的介入绝缘层1635的顶板1540最可能接触底电极1625或接近接触底电极1625的位置。
以上实施例中的绝缘延伸部1742、1744、1842和1844允许在不降低换能器的处理性能的情况下使击穿电压最大化并使寄生电容最小化。如果顶板1540/1640的最大位移由诸如运动制动器之类的其它组件限制以避免顶板1540/1640(或诸如1535/1635之类的介入层)和中间弹性层1520/1620(或诸如1525/1625之类的介入层)之间的接触，则绝缘延伸部1744和1844是可选的。当顶板1550或1650是导电层(诸如硅或多晶硅层)或不具有足够绝缘能力的非导电层时，绝缘延伸部的额外的绝缘效果特别有用。应意识到，尽管在本文中为了说明的目的使用了某些类型的绝缘延伸部，但根据本发明的绝缘延伸部的任何构造可用于ESMUT结构。例如，绝缘延伸部可选择地或附加地构造在中间弹性层1520或1620和/或衬底锚1503或1603中。
制造方法：
具有根据本发明的绝缘延伸部的微机电换能器可利用多种方法来制造。根据本发明的一个方面，具有由含有绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的制造方法包括以下步骤：(1)在第一导电层的主表面上形成凹槽；(2)形成绝缘材料的支承特征部，该支承特征部在第一晶片材料的主表面上从凹槽延伸到自由端；以及(3)将第二导电层布置在支承特征部的自由端上。
还描述了用于形成非常深的绝缘延伸部的方法。示例性方法包括以下步骤：(1)通过去除衬底材料在衬底主表面上形成图案化沟槽，其中图案化沟槽包括衬底的未去除材料的细线；(2)在图案化沟槽中将衬底的未去除材料的细线氧化，使得图案化沟槽构成绝缘体；(3)图案化并蚀刻衬底的主表面使得绝缘体具有位于衬底上的顶端；以及(4)将顶部导电层布置在绝缘体的顶端。用于该方法的适当的衬底是诸如硅晶片之类的可氧化的衬底。
或者，方法还可包括以下步骤：(1)通过去除衬底的材料在衬底的主表面上形成沟槽；(2)用绝缘材料填充沟槽；(3)图案化并蚀刻衬底的主表面使得沟槽中的绝缘材料具有位于衬底上的顶端；以及(4)将顶部导电层布置在绝缘体的顶端。用于该方法的适当的衬底是硅晶片。
用于制造根据本发明的ESMUT的示例性方法包括以下步骤：(1)提供顶板、中间弹性层和衬底；(2)在顶板和中间弹性层中的一个的主表面上形成绝缘材料的支承特征部，该支承特征部从主表面以下的一个点延伸到主表面以上的自由端；以及(3)接合顶板、中间弹性层和衬底，使得顶板和中间弹性层在支承特征部的自由端由支承特征部连接，而中间弹性层在相对的侧面连接到衬底。在所得的ESMUT中，衬底和中间弹性层在其间限定空腔，空腔以侧壁为边界，并且中间弹性层从侧壁延伸以覆盖空腔。
以下参考图19-27描述各方法的示例性实施例。可通过增加用于形成绝缘延伸部的几个步骤来将用于形成绝缘延伸部的工艺结合到诸如cMUT工艺之类的微机电换能器的常规制造工艺中。正如以下所示的，在衬底上形成具有期望的图案的期望的凹槽或空腔的步骤的结合是本方法的重要元素。
应意识到所示的各个步骤可按任何顺序发生只要它们在物理上互相兼容以实现最后的结构。很多选择的步骤-包括但不限于本文具体说明的-是可能的。此外，应意识到以下描述的很多步骤是可选的，包括但不限于说明书中以选择的方式具体说明的步骤。
图19.1-19.9a示出利用晶片结合技术将本发明的绝缘延伸部结合到常规的基于膜的cMUT中的工艺流程。以下描述工艺的主要步骤。
在步骤1(图19.1)中，在衬底1901上形成包括凹槽1905和1906的期望的凹槽图案。在所示的例子中，有两种不同深度的凹槽，一个(1905)用于绝缘支承(锚)的绝缘延伸部而另一个(1906)用于在换能器工作期间两电极可能接触的位置处的绝缘延伸部。两种类型的凹槽1905和1906可在同一时间的单一步骤中形成，或者利用两步分别地形成。有很多在衬底上形成期望的凹槽图案的适当的方法。在使用可蚀刻衬底(例如，硅晶片)的情况下，期望的凹槽图案可通过利用适当的蚀刻技术直接蚀刻衬底来形成。
在步骤2(图19.2)中，将绝缘层1931(例如，热氧化物、LTO、氮化物、TEOS和SOG)引入凹槽1905和1906并达到期望的厚度。
在步骤3(19.3)中，将绝缘层1931图案化并蚀刻以形成绝缘支承(锚)1932和运动制动器1934，它们中的每一个都在凹槽1905和1906中直立并延伸到一自由端。
在步骤4(图19.4)中，如果需要的话，生长另一绝缘层1933。
在步骤5(图19.5)中，如果需要的话，将绝缘层1933图案化，在每一个凹槽1905和1906中留下层1935以形成一部分绝缘延伸部。
在步骤6(图19.6)中，具有期望的膜层1919的SOI晶片接合到绝缘支承(锚)1932和运动制动器1934的自由端上。然后将SOI晶片退火并深蚀，以在绝缘支承(锚)1932上留下膜层1919。在该步骤中，如果需要的话，可蚀刻通孔以接入底电极。
代替利用SOI晶片，可采用携带用作期望的膜层1919的诸如氮化物、氧化物、金属、聚对二甲苯、或其它聚合物层之类的功能层的晶片和适当的接合技术，来实现以上的步骤6。
在步骤7(图19.7)中，沉积金属层1920以形成顶电极。该步骤后，如果需要的话，可蚀刻相邻的cMUT元件之间的膜层1919以分隔各个aMUT元件(未示出)。
可采用诸步骤的其它变体。例如，上述步骤6和7中使用的SOI接合技术可由利用牺牲技术的选择的表面微加工工艺取代。以下描述选择的方法，包括步骤6、步骤7、步骤8和9。
在选择的步骤6(图19.6a)中，将牺牲层1939沉积在绝缘支承(锚)1932和运动制动器1934的自由端上。
在选择的步骤7(图19.7a)中，根据需要沉积并图案化膜层1919。
在选择的步骤8(图19.8a)中，如果需要的话，蚀刻通孔(未示出)，然后去除牺牲层1939。之后，用适当的材料密封通孔。
在选择的步骤9(图19.9a)中，沉积金属层1920以形成顶电极。所得的结构类似于图19.7。
在选择适当的工艺步骤和进一步选择用于该步骤中每一层的不同材料的方面存在很多自由。具体地，不同的接合技术(例如，硅熔融接合、共晶接合、阳极接合和热压接合)可应用于该工艺以形成具有不同材料的膜(例如，硅、氮化硅、氧化物、聚合物、蓝宝石、金刚石和SiC)。
诸如利用晶片接合和表面微加工技术之类的类似的工艺可用于制造具有根据本发明的结合于其中的绝缘延伸部的ESMUT。
有很多在衬底上制造期望的凹槽图案的适当的方法。除利用适当的蚀刻工艺直接蚀刻衬底外，还可利用诸如以下参考图20-22描述的差别氧化法之类的其它方法形成期望的凹槽图案。由于具有不同氧化厚度的氧化物消耗不同量的被氧化材料，所以可利用差别氧化在可氧化导电表面上形成图案(例如，凹槽)。这通过利用氮化物层和/或氧化物层作为用于附加的氧化的掩模来实现。氮化物层可基本阻断下部的氧化，而氧化物层可减缓下部的氧化。利用氧化物层或氮化物层作为氧化掩模，可在导电(例如，硅)材料表面上的期望位置处形成具有不同厚度的氧化。
因为氧化工艺消耗被氧化的材料，所以可将其视为与材料的直接蚀刻等价。然而，氧化工艺一般易于控制并具有比直接蚀刻好的准确度。因此，利用氧化法形成凹槽可比用于制造换能器(诸如cMUT)的要求电极表面和衬底上的图案、凹槽和材料分布的高的精确度和均匀性的直接蚀刻工艺更佳。
图20.1-20.3示出用于在衬底上形成凹槽的示例性工艺。该方法特别适用于在诸如硅衬底之类的可氧化衬底上形成凹槽。该工艺还可用于在可氧化的顶板层或中间弹性层上形成凹槽。
在步骤1(图20.1)中，在衬底2001的主表面上生长第一氧化物层2010。将氧化物层2010图案化，并具有衬底未被氧化物覆盖的开口2015。
在步骤2(图20.2)中，在第一氧化物层2010(包括开口2015)上生长第二氧化物层2020。第二氧化物层2020具有在开口2015所处位置进入衬底2001的第一深度2030和在由第一氧化物层2020覆盖的位置进入衬底2001的第二深度。因为第一氧化物层2020减缓氧化过程，所以第一深度2030将大于第二深度。两深度之间的差将是在下一步骤中形成凹槽的基础。
在步骤3(图20.3)中，去除第一氧化物层2010和第二氧化物层2020以形成凹槽2040。
图21.1-21.3示出用于在衬底上形成凹槽的另一个示例性工艺。该方法特别适用于在诸如硅衬底之类的可氧化衬底上形成凹槽。该工艺还可用于在可氧化顶板层或中间弹性层上形成凹槽。
在步骤1(图21.1)中，在衬底2101的主表面上生长第一氧化层2110和氮化物层2120。将氧化物层2110图案化，并且具有衬底未被氧化物覆盖的开口2115。氮化物层2120具有与第一氧化物层2110的开口2115一致的开口。
在步骤2(图21.2)中，在第一氧化物层2110和氮化物层(包括开口2115)上生长第二氧化物层2130。第二氧化物层在开口2015所处的位置进入衬底2001期望的深度。氮化物层2120基本阻止了其它区域中的进一步氧化。第二氧化物层的深度是在下一步中形成凹槽的基础。
在步骤3(图21.3)中，去除氮化物层2120、第一氧化物层2110和第二氧化物层2130以形成凹槽2140。
可重复或组合以上的方法，以形成具有各种深度的更复杂的凹槽图案。图22.1-22.5示出利用氧化工艺在硅衬底上形成期望的凹槽图案的工艺。该方法还可应用于可氧化的其它衬底。以下描述该工艺的主要步骤。
在步骤1(图22.1)中，如果需要的话，在衬底2201上形成并图案化热氧化物层2231，并具有期望的厚度。
在步骤2(图22.2)中，在第一热氧化物层2231的图案上生长另一层热氧化物层2232至期望的厚度。
在步骤3(图22.3)中，将所得的热氧化物层2231和2232进一步图案化成期望的图案，用于在下一步骤中形成期望的凹槽。
在步骤4(图22.4)中，在氧化物图案上形成另一热氧化物层2233至期望的厚度。这将进一步限定将形成的期望的凹槽的不同深度。
在步骤5(图22.5)中，去除剩余的氧化物以在硅衬底2201上形成期望的凹槽图案。凹槽图案包括两种不同深度的凹槽。一种(2205)用于形成绝缘支承(锚)的绝缘延伸部，而另一种(2206)用于在换能器工作期间两电极可能接触的位置处的绝缘延伸部。
图23.1-23.5示出利用O2注入和氧化工艺在硅衬底上制造期望的凹槽图案的另一个工艺。该方法还可应用于可氧化的其它衬底。以下描述工艺的主要步骤。
在步骤1(图23.1)中，利用图案化掩模2309在硅衬底2301上进行图案化(选择性的)O2注入。
在步骤2(图23.2)中，在利用O2注入处理的硅衬底2301上进行热氧化。热氧化形成了在O2注入发生的选择的区域具有较厚的氧化物结构的氧化物层2331。
在步骤3(图23.3)中，图案化氧化物层2331。
在步骤4(图23.4)中，在图案化氧化物层2331上进行进一步的热氧化。
在步骤5(图23.5)中，去除存在的氧化物以在硅衬底2301上形成期望的凹槽图案。凹槽图案包括两种不同深度的凹槽，一种(2305)用于形成绝缘支承(锚)的绝缘延伸部、而另一种(2306)用于在换能器工作期间两电极可能接触的位置处的绝缘延伸部。
图24.1-24.5示出利用O2注入和硅的局部氧化(LOCOS)在硅衬底上制造期望的凹槽图案的另一个工艺。该方法还可应用于可氧化的其它衬底。以下描述工艺的主要步骤。
在步骤1(图24.1)中，利用图案化掩模2409在硅衬底2401上进行图案化(选择性的)O2注入。
在步骤2(图24.2)中，在用O2注入处理的硅衬底2401上沉积图案化氮化物保护层2431。然后在具有图案化氮化物保护层2431的硅衬底2401上进行LOCOS工艺。LOCOS工艺形成具有两种类型的局部氧化区域的氧化物图案，包括在发生O2注入的选择区域中的较厚的氧化物结构2032和在没有发生O2注入的其它未保护区域中的较薄的氧化物结构2304。可用两个单独的具有期望的氧化层厚度的LOCOS工艺代替以上的工艺以分别单独形成两种类型的局部氧化。
在步骤3(图24.3)中，去除氮化物和氧化物以在硅衬底2401上形成期望的凹槽图案。凹槽图案包括两种不同深度的凹槽，一种(2405)用于形成绝缘支承(锚)的绝缘延伸部、而另一种(2406)用于在换能器工作期间两电极可能接触的位置处的绝缘延伸部。
形成非常厚的高绝缘延伸部的方法：
在上述的方法中，通过生长或沉积绝缘材料制造绝缘延伸部。因此绝缘延伸部的厚度由膜沉积或膜生长工艺限制。然而，在某些应用中，可能需要非常厚的绝缘体以防止电击穿。因此，需要不同的工艺来在微机电换能器中制造非常厚的绝缘延伸部。
图25.1-25.7示出在具有柔性膜表面的常规的cMUT中形成非常深的绝缘延伸部的示例性方法。示例性方法通过在衬底上蚀刻期望的图案然后完全氧化该图案来形成深绝缘延伸部。衬底上的图案化区域可由具有良好设计的图案的热氧化物填充。以下描述示例性方法的主要步骤。
在步骤1(图25.1)中，首先在衬底2501上形成期望的凹槽图案2531。凹槽图案2531可通过各种技术来形成，包括直接蚀刻工艺、氧化或LOCOS。该步骤是可选的。
在步骤2(图25.2)中，在衬底2501和凹槽2531的表面上蚀刻期望的硅图案。硅图案具有在包括凹槽图案2531的凹槽上的所选择的位置蚀刻到期望的厚度的多个深的图案化沟槽。每一个图案化沟槽具有空隙，其中衬底2501的原始材料被去除但还具有衬底2501的未去除的原始材料的窄线2537。
在步骤3(图25.3)中，利用热氧化完全氧化具有未去除衬底材料的窄线2532的图案化沟槽，以形成具有可变深度的氧化物层2533。具体地，氧化物层2533具有填充曾经是深的图案化沟槽的空间的深的氧化物部分2532和2534。在该步骤中，如果热氧化物没有完全填充沟槽则可添加填充材料。如果需要的话可抛光氧化物层2533的表面。如果前面没有进行图25.1的步骤1以形成表面高度的期望的变化，则可在该步骤中将对应于图25的凹槽2531的位置处的氧化物蚀刻至期望的高度。
在步骤4(图25.4)中，图案化氧化物层2533，并将氧化物层2533下的衬底2501的选择的部分蚀刻至期望的厚度。该步骤之后，深的氧化物部分2532和2534留在衬底2501中。除直接蚀刻工艺外，氧化或LOCOS工艺可用于在该步骤中蚀刻衬底。
在步骤5(图25.5)中，再次图案化剩余的氧化物，并将下面的衬底蚀刻至期望的厚度以形成深氧化物部分2532和2534的更清楚的结构，它们将成为绝缘支承(锚)和绝缘延伸部。如果需要的话，该步骤后可生长并图案化薄的氧化物层。
在步骤6(图25.6)中，在深氧化物部分2532和2534的自由端上接合SOI晶片。去除SOI晶片的处理晶片(handle wafer)和外层(box layer)以留下膜层2519。如所示，深的氧化物部分2532各自提供衬底2501上的绝缘支承(锚)及延伸到衬底2501内的深的绝缘延伸部，而深的氧化物部分2534各自提供在相邻的绝缘支承(锚)的中间位置延伸到衬底2501内的深的绝缘延伸部。如果期望的话，深的氧化物部分2534还可具有衬底2501以上的部分以形成运动制动器。
在步骤7(图25.7)中，如果需要的话，沉积并图案化金属层2520以形成顶电极。然后如果需要的话，蚀刻膜层以分隔各个cMUT元件。
应意识到，以上说明的工艺仅仅是示例性的。甚至在工艺的每一步骤内很多变化也是可能的。例如，可在最初的四个步骤(步骤1至步骤4)中使用不同的图案，以获得可在步骤5中使用的结构以形成深氧化物部分2532和2534的清楚的结构。这种选择的图案化的一个例子以下参考图25.1a-25.4a示出，图25.1a-25.4a是图25.1-25.4的选择方案。此外，如图19.6a-19.8a中的步骤所示的表面微加工工艺可用于替换图25.6中的步骤以形成具有非常高的绝缘延伸部的cMUT。
与利用膜沉积或膜生长来控制绝缘延伸部的厚度的方法相比，以上的方法通过蚀刻工艺限定绝缘延伸部的厚度。可将绝缘延伸部制造成非常大范围的厚度，实际上是cMUT设计优化可需要的任何厚度。
以上的方法可容易地适用于cMUT设计。例如，可利用相同的方法在ESMUT(如图15-18所示的具有嵌入式弹簧的cMUT)的刚性顶板或中间弹性层上形成类似的绝缘延伸部。为了与该方法协调，主层(其中形成绝缘延伸部的ESMUT的层)可由可被氧化的任何材料(例如，硅、Ge、GaAs或任何其它半导体材料)形成。
图26.1-26.7示出通过蚀刻形成深绝缘延伸部的另一种方法。以下描述这些方法的主要步骤。
在步骤1(图26.1)中，在衬底2601上蚀刻沟槽2631。
在步骤2(图26.2)中，用期望的介电材料2633(例如，玻璃料、LTO、SOG、氮化硅、PSG或这些材料的多层的组合)填充沟槽2631。
在步骤3(图26.3)中，如果需要的话，抛光介电材料2632的表面。
在步骤4(图26.4)中，在填充材料2633上进行图案化和蚀刻以在衬底2601上留下深的绝缘体2632和2634(包括对应的绝缘延伸部)。在该步骤中形成了两种不同高度的不同类型的深绝缘体2632和2634。
在步骤5(图26.5)中，将衬底2601蚀刻至期望的厚度以进一步限定绝缘体2632和2634。每一个绝缘体2632或2634现在具有良好限定的两个部分。第一部分是延伸至衬底2601内的绝缘延伸部，而第二部分是延伸到衬底2601以上的绝缘支承或锚。
在步骤6(图26.6)中，在衬底2601上进行另外的蚀刻以形成围绕绝缘延伸部的外部沟槽2635。
在步骤7(图26.7)中，SOI晶片首先接合到绝缘体2632的自由端，然后从膜2619去除处理晶片(handle wafer)和外氧化物层(box oxide layer)。然后，如果需要的话，沉积并图案化金属层2620以形成顶电极。如果需要的话，可蚀刻膜层2019以分隔cMUT元件。
与图25.1-25.7中的方法相似，以上的方法由蚀刻深度而不是沉积材料的厚度限定绝缘延伸部厚度。该方法因此可形成非常厚的绝缘延伸部，它对于形成高温cMUT或具有很大的击穿电压的cMUT很重要。
诸如玻璃料、SOG、LTO、氮化物、TEOS等很大范围的填充材料可在该方法中用于填充沟槽。沟槽也可用多层材料的组合来填充，它们中的至少一种应是绝缘材料。
图25-26所示的方法都利用晶片接合技术来形成具有绝缘延伸部的cMUT。然而，一旦制造了绝缘延伸部，可利用基于牺牲技术的表面微加工来完成cMUT。
图19-26所示的制造方法是将本发明的绝缘延伸部结合到常规的cMUT(具有柔性膜的cMUT)的例子。然而，该方法可容易地用于其它的cMUT设计。具体地，可利用相同的方法在ESMUT(如本文引用的几篇PCT专利申请中公开的具有嵌入式弹簧的cMUT)的顶板或中间弹性层上形成类似的绝缘延伸部。绝缘延伸部形成于其中的主层可由任何适当的材料形成，但如果主层由诸如硅、Ge、GaAs或其它半导体材料等导电材料形成，则绝缘延伸部尤其有益。
图27.1-27.16示出用于制造具有根据本发明的绝缘延伸部的ESMUT的晶片接合工艺。ESMUT还具有结合在制造工艺中的自对准特征部，但仅仅为了说明的目的包括自对准特征，而绝缘延伸部并不需要。该工艺还可结合诸如沟槽密封之类的其它特征。以下描述该工艺的步骤。
在步骤1(图27.1)中，工艺从携带将成为所得的cMUT结构的顶板层2740的硅层2740的SOI晶片2780开始。在顶板2740的底部生长氧化物层2781和氮化物层2782。或者，该步骤从原始晶片开始，原始晶片可以被研磨并抛光成在稍后的步骤中用于顶板层的期望的厚度。
在步骤2(图27.2)，根据cMUT设计来图案化氧化物层2781和氮化物层2782以暴露顶板层2740的某些区域。
在步骤3(图27.3)中，将顶板层2740的暴露的区域氧化至期望的厚度。
在步骤4(图27.4)中，去除氮化物层和氧化物层以在顶板层2740的底面上形成凹槽2741。凹槽2741将作为接收包括绝缘延伸部和绝缘支承的绝缘体的基础。
在步骤5(图27.5)中，在顶板层2740的凹槽2741上形成绝缘材料的支承特征2731。这些支承特征2731将提供板弹簧连接器2730(是绝缘体)和凹槽内的绝缘延伸部。形成这种支承特征2731的一种方式是生长一氧化物层。
在步骤6(图27.6)中，在顶板层2740的凹槽2741上生长另一层氧化物层2732。可将该可选的氧化物层2732图案化以成为凹槽2741内的绝缘延伸部的附加部分。可选的氧化物层2732可通过防止表面上的漏电来提高绝缘。
在步骤7(图27.7)中，将携带硅层2721的另一SOI晶片2785接合到板弹簧连接器2730。硅层2721将成为最后的ESMUT结构中的中间弹性层2720，以形成嵌入式弹簧(悬臂)。为了这个目的，硅层2721应具有适当的厚度。
在步骤8(图27.8)中，深蚀SOI晶片2785以去除载体层和氧化物层，留下将成为中间弹性层2720的硅层2721。如果需要的话，可在该步骤中在硅层2721的选择的区域进行硅掺杂。
在步骤9(图27.9)中，在硅层2721上形成并图案化氧化物层2786和氮化物层2787，留下可达到的硅层2721的选择的区域2788。
在步骤10(图27.10)中，将硅层2721的可达到的区域2788氧化至期望的厚度。
在步骤11(图27.11)中，在选择的位置去除氧化物层和氮化物层而在硅层2721的区域2713的顶部留下氧化物和氮化物。区域2713将成为最后的ESMUT结构中的侧壁锚2703。现在暴露出硅层2721的其它的未覆盖区域，用于下一步骤。
在步骤12(图27.12)中，将硅层2721的暴露区域氧化至期望的厚度。
在步骤13(图27.13)中，去除区域2713上的氧化物和氮化物及在步骤12中形成的新的氧化物层以形成中间弹性层2720，中间弹性层2720具有将成为2703中的侧壁锚和悬臂分隔件2722的较厚的部分特征。悬臂分隔件2725可同时具有两种功能：(1)用作运动制动器；以及(2)限定关于2703的弹簧的长度。
在步骤14(图27.14)中，接合具有期望厚度的原始晶片2701。该层成为用于最后的ESMUT结构的衬底2701。该步骤后，完成制造的该工艺类似于本说明书中描述的其它示例性制造方法中的某些的最后几个步骤。以下简要描述一个例子。
在步骤15(图27.15)中，深蚀顶部SOI晶片2780以去除载体层和氧化物层以形成顶板2740。
在步骤16(图27.16)中，如果需要的话沉积并图案化金属层2750以形成互连。在ESMUT元件之间形成沟槽2715以分隔各个ESMUT元件。
几种其它的选择可用于以上的步骤14。例子，代替接合原始晶片，具有形成于其中的穿过晶片的互连的加工过的晶片可用于熔融接合到中间弹性层2720。加工过的晶片和中间弹性层2720限定对应于形成悬臂的区域的形状的空腔图案。也可利用其它的晶片接合技术(例如，共晶接合、热压缩接合和阳极接合)来完成该步骤。
或者，具有期望的金属图案的晶片或集成电路(IC)或具有期望的电路的PCB可接合到中间弹性层2720。晶片可由诸如玻璃、蓝宝石或硅之类的材料形成。或者，可将具有构造于其中的集成电路(IC)的硅晶片接合到中间弹性层2720。
取代在顶板2740上形成绝缘延伸部，可进行类似的工艺以在中间弹性层2720上制造绝缘延伸部。
在以上图27.1-27.16中所示的用于制造方法的每一步中的材料选择和工艺方法选择类似于本文所述的与关于其它的微机电结构的制造方法相关联的方法。此外，尽管在上述的工艺中cMUT用于说明的目的，但这些方法不限于此。微机电结构也可仅利用每一个工艺的一部分或图27.1-27.16所示的工艺的不同的步骤顺序来制造。此外，取代利用SOI晶片，具有嵌入式弹簧的微机电结构的中间弹性层可由具有高度掺杂层的硅晶片或硅晶片形成。可利用选择的硅蚀刻顺序地形成中间弹性层上的悬臂区域。
结合附图和示例性实施例详细描述了根据本发明的微机电换能器。换能器可潜在地减少或排除关于现有技术的很多问题。本发明不必利用大量的较小的单元来形成可寻址换能器元件。利用该技术，对于每一个可寻址换能元件必需的是少得多的单元或仅一个单元。本发明的微机电换能器的设计尤其适合于电容式微加工超声换能器(cMUT)的应用，但也可用于具有可移动的机械部件以转换能量的其它的微机械装置。
具体地，根据本发明的微机电换能器可利用2006年5月18日提交的名为“THROUGH-WAFER INTERCONNECTION”的国际专利申请(PCT)第PCT/IB2006/051566号；2006年5月18日提交的，名为“METHODS FORFABRICATING MICRO-ELECTRO-MECHANICAL DEVICES”的国际专利申请(PCT)第PCT/IB2006/051567号；2006年5月18日提交的名为“MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS”的国际专利申请(PCT)第PCT/IB2006/051568号；以及2006年5月18日提交的名为“MICRO-ELECTRO-MECHANICAL TRANSDUCERS”的国际专利申请(PCT)第PCT/IB2006/051569号中公开的制造方法来制造或结合在这些专利申请公开的微机电换能器中。这些专利申请通过引用结合于此。
在以上的说明中，参考其特定的实施例描述了本发明公开的内容，但本领域的技术人员将意识到本发明公开的内容不限于此。上述发明内容中的各个特征和方面可单独或结合地使用。此外，本发明内容可在除本文描述以外的很多种环境和应用中使用，而不背离说明书的较宽的精神和范围。我们要求专利保护落入所附权利要求的范围和精神内的各种修改和变化。因此，应将说明书和附图视为说明性的而不是限制性的。应意识到如本文所使用的术语“包括”、“包含”和“具有”明确地确定为开放式技术术语。

Claims (62)

1.一种静电换能器，包括：
具有顶面的第一导电层；
具有与所述第一层的顶面相对的底面的第二导电层，所述第一导电层和所述第二导电层在其间限定换能间隙；
一般设置在所述第一导电层和所述第二导电层之间的绝缘支承；以及
延伸到所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一个内的绝缘延伸部。
2.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一层包括基底导电层和补充导电层，所述补充导电层的导电率显著高于所述基底导电层的导电率。
3.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一层比所述绝缘延伸部厚，使得所述绝缘延伸部包含于其中。
4.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一层包括硅/多晶硅层。
5.如权利要求4所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部延伸到所述硅/多晶硅层内。
6.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部延伸至所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一层内的深度是所述换能间隙的至少25％。
7.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘支承包括第一绝缘材料，而所述绝缘延伸部包括与所述第一绝缘材料不同的第二绝缘材料。
8.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘支承连接到所述绝缘延伸部。
9.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部的横截面尺寸大于所述绝缘支承的横截面尺寸。
10.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部设置在形成于所述第一导电层和所述第二导电层中的至少一层中的空腔中。
11.如权利要求10所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部包括部分填充所述空腔并在其中留下部分空隙的固体材料。
12.如权利要求10所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部包括部分填充所述空腔并在其中留下部分空隙的固体材料。
13.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部包括延伸至所述第一导电层的第一延伸端及延伸至所述第二导电层的第二延伸端。
14.如权利要求13所述的静电换能器，其特征在于，所述第一延伸端包括第一绝缘材料而所述第二延伸端包括与所述第一绝缘材料不同的第二绝缘材料。
15.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部位于在工作期间所述第一导电层和所述第二导电层最可能互相接触或接近互相接触的位置。
16.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，还包括部分穿过所述换能间隙延伸的运动制动器。
17.如权利要求1所述的静电换能器，其特征在于，所述静电换能器是电容式微加工超声换能器，其中所述第一导电层用作底电极，而所述第二导电层用作可移动顶电极。
18.如权利要求17所述的静电换能器，其特征在于，所述第一导电层包括高度导电的电极层和导电衬底。
19.如权利要求17所述的静电换能器，其特征在于，所述第一导电层位于不导电衬底上。
20.如权利要求17所述的静电换能器，其特征在于，所述第二导电层包括由绝缘支承支承的弹性膜。
21.一种微机电换能器，具有可移动机械部件以转换能量，所述换能器包括：
衬底；
设置在所述衬底上的中间弹性层，所述衬底和所述中间弹性层在其间限定空腔，所述空腔以一侧壁为边界，其中所述中间弹性层从所述侧壁延伸以覆盖所述空腔；
所述中间弹性层上的绝缘连接器；
设置在所述绝缘连接器上的顶板，其中所述绝缘连接器将所述顶板与所述中间弹性层分隔，以在所述顶板下限定换能间隙；以及
延伸超过所述换能间隙的绝缘延伸部。
22.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括导电层和延伸至所述导电层中的绝缘延伸部。
23.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板包括硅/多晶硅层。
24.如权利要求23所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部延伸至所述硅/多晶硅层内。
25.如权利要求23所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板还包括金属层。
26.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述中间弹性层包括导电层和延伸至所述导电层内的绝缘延伸部。
27.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底是导电的，且所述绝缘延伸部延伸至所述衬底内。
28.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部连接到绝缘连接器。
29.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部位于在工作期间所述顶板和所述中间弹性层最可能互相接触或接近互相接触的位置。
30.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部延伸超过所述换能间隙的距离是所述换能间隙的至少25％。
31.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部包括第一绝缘材料，而所述绝缘连接器包括与所述第一绝缘材料不同的第二绝缘材料。
32.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部设置在形成于所述顶板、所述中间弹性层和所述衬底中的至少一个中的空腔中。
33.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述顶板比所述中间弹性层显著刚硬，并且在由所述绝缘连接器的垂直位移移动时基本不弯曲。
34.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，还包括部分穿过所述换能间隙延伸的运动制动器。
35.如权利要求21所述的微机电换能器，其特征在于，所述微机电换能器是具有底电极和顶电极的电容式微加工超声换能器。
36.如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述底电极包括所述衬底和/或所述中间弹性层的至少一部分，而顶电极包括所述顶板的至少一部分。
37.如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述衬底的所述支承特征部是导电的，而所述底电极包括所述衬底的支承特征部的至少一部分。
38.如权利要求35所述的微机电换能器，其特征在于，所述底电极包括沉积在所述中间弹性层上的单独的导电层。
39.一种电容式微加工超声换能器，包括：
包括基本静止的衬底并用作底电极的底层；
包括膜并用作顶电极的顶层，所述膜适合相对于所述静止衬底振动而引发换能激励，所述顶层和所述底层在其间限定换能间隙；以及
具有主要部分和绝缘延伸部的绝缘体，所述主要部分一般设置在所述底层和所述顶层之间并支承所述底层和所述顶层，而所述绝缘延伸部延伸到所述底层和所述顶层中的至少一层中。
40.如权利要求39所述的电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述底层和所述顶层中的至少一层具有比所述绝缘延伸部厚的导电层，使得所述绝缘延伸部包含在所述导电层中。
41.如权利要求39所述的电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述底层和所述顶层中的至少一层包括硅/多晶硅层。
42.如权利要求41所述的电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部延伸至所述硅/多晶硅衬底中。
43.如权利要求39所述的电容式微加工超声换能器，其特征在于，所述绝缘延伸部设置在形成于所述顶层和所述底层中的至少一层中的空腔中。
44.一种用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
在第一导电层的主表面上形成凹槽；
在所述凹槽上形成绝缘材料的支承特征部，所述支承特征部在所述第一导电层上的主表面上从凹槽延伸至自由端；以及
将第二导电层设置在所述支承特征部的自由端上。
45.如权利要求44所述的方法，其特征在于，所述第一导电层包括硅/多晶硅层。
46.如权利要求44所述的方法，其特征在于，形成所述支承特征部的所述步骤包括以下步骤：
在所述凹槽上生长绝缘层；以及
图案化并蚀刻所述绝缘层。
47.如权利要求44所述的方法，其特征在于，将所述第二导电层设置在所述支承特征部的自由端上的所述步骤包括：
将具有功能层的复合结构的晶片接合到所述支承特征部的自由端上；以及
深蚀所述复合结构的晶片以在所述支承特征部上留下功能层。
48.如权利要求47所述的方法，其特征在于，设置所述第二导电层的所述步骤还包括在所述功能层上沉积金属层。
49.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述支承特征部上的功能层包括硅/多晶硅层。
50.如权利要求47所述的方法，其特征在于，所述支承特征部上的功能层是适于在适当的换能激励下相对于第一导电层振动的膜层。
51.如权利要求44所述的方法，其特征在于，将所述第二导电层设置在所述支承特征部的自由端上的所述步骤包括：
在所述第一导电层和所述支承特征部上沉积牺牲层；
在所述牺牲层上沉积功能层；以及
去除所述牺牲层以在所述支承特征部的自由端上留下功能层。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于，设置所述第二导电层的所述步骤还包括在所述功能层上沉积金属层。
53.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述功能层包括硅、多晶硅或氮化物层。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于，所述支承特征部上的功能层是适于在适当的换能激励下相对于第一导电层振动的膜层。
55.如权利要求44所述的方法，其特征在于，在所述第一导电层的主表面上形成凹槽的所述步骤包括：
在所述第一导电层的主表面上生长并图案化第一氧化物层，所述第一氧化物层具有开口，留下未覆盖的所述第一导电层的主表面的对应的部分；
在包括开口的所述第一氧化物层上生长第二氧化物层，使得所述第二氧化物层具有在开口所处位置进入所述第一导电层的第一深度以及在由第一氧化物层覆盖的位置进入所述第一导电层的第二深度，所述第一深度比所述第二深度大；以及
去除所述第一氧化物层和所述第二氧化物层。
56.如权利要求44所述的方法，其特征在于，在第一导电层的主表面上形成凹槽的所述步骤包括：
在所述第一导电层的主表面上生长并图案化第一氧化物层，所述第一氧化物层具有开口，留下未覆盖的所述第一导电层的主表面的对应的部分；
在所述第一氧化物层上生长并图案化氮化物层，所述氮化物层具有与第一氧化物层一致的开口；
在所述第一氧化物层和所述氮化物层的开口上生长第二氧化物层，使得第二氧化物层在开口所处的位置进入所述第一导电层期望的深度；以及
去除所述氮化物层、第一氧化物层和第二氧化物层。
57.一种用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
通过去除衬底的材料在所述衬底的主表面上形成图案化沟槽，其中所述图案化沟槽包括所述衬底的未去除材料的细线；
氧化所述图案化沟槽中的衬底的未去除材料的细线，使得图案化沟槽构成绝缘体；
图案化并蚀刻所述衬底的主表面，使得所述绝缘体具有在所述衬底上直立的顶端；以及
将顶部导电层设置在所述绝缘体的顶端。
58.一种用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
通过去除衬底的材料在所述衬底的主表面上形成沟槽；
用绝缘材料填充所述沟槽；
图案化并蚀刻所述衬底的所述主表面，使得所述沟槽中所述绝缘材料具有在所述衬底上直立的顶端；以及
将顶部导电层设置在所述绝缘体的顶端。
59.一种用于制造具有由含绝缘延伸部的绝缘体分隔的两个电极的微机电换能器的方法，所述方法包括以下步骤：
提供顶板、中间弹性层和衬底；
在所述顶板和所述中间弹性层中的一个的主表面上形成绝缘材料的支承特征部，所述支承特征部从所述主表面以下的一点延伸到所述主表面之上的自由端；以及
接合所述顶板、所述中间弹性层和所述衬底，使得所述顶板和所述中间弹性层由支承特征部在其自由端处连接，而所述中间弹性层在相对的侧面上连接到所述衬底，其中所述衬底和所述中间弹性层在其间限定空腔，所述空腔以一侧壁为边界，所述中间弹性层从所述侧壁延伸，以覆盖所述空腔。
60.如权利要求59所述的方法，其特征在于，所述顶板和所述中间弹性层中的至少一个包括硅/多晶硅层，形成所述支承特征部的所述步骤包括以下步骤：
在所述硅/多晶硅层的主表面上形成凹槽；以及
通过在所述凹槽上引入绝缘材料形成所述支承特征部。
61.如权利要求59所述的方法，其特征在于，所述顶板和所述中间弹性层中的至少一个包括硅/多晶硅层，形成所述支承特征部的所述步骤包括以下步骤：
通过去除硅/多晶硅材料在所述硅/多晶硅层上形成图案化沟槽，其中所述图案化沟槽包括所述硅/多晶硅层的未去除材料的细线；
氧化所述图案化沟槽中的硅/多晶硅层的未去除材料的细线，使得所述图案化沟槽构成绝缘体；以及
图案化并蚀刻所述硅/多晶硅层以由所述沟槽中的绝缘体形成所述支承特征部。
62.如权利要求59所述的方法，其特征在于，所述顶板和所述中间弹性层中的至少一个包括硅/多晶硅层，形成所述支承特征部的所述步骤包括以下步骤：
通过去除硅/多晶硅材料在所述硅/多晶硅层上形成沟槽；
用绝缘材料填充所述沟槽；以及
图案化并蚀刻所述硅/多晶硅衬底，以由所述绝缘材料形成所述支承特征部。
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