CN113800465B - 一种电容式微机械超声换能器的工艺制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电容式超声换能器工艺制造方法，包括：在基板上表面涂覆牺牲层全涂层；在牺牲层全涂层上表面涂覆掩蔽层全涂层并进行图案化，形成掩蔽层；将基板浸入显影剂中蚀刻牺牲层全涂层和掩蔽层暴露区域；将基板浸入有机溶剂中去除所有掩蔽层，形成牺牲层图案，牺牲层包括位于中部的空腔、十字形交叉牺牲通道以及四个牺牲通道孔；在牺牲层上表面涂覆具有绝缘性能的振膜层全涂层并进行图案化，形成振膜层；在所述振膜层上表面涂覆剥离层全涂层并进行图案化，形成剥离层；在剥离层上表面蒸发金属层全涂层；制作上电极；释放牺牲层形成空腔；形成密封层，得到电容式微机械超声换能器完整振元。本发明同时提供采用上述方法制备的振元。

Description

一种电容式微机械超声换能器的工艺制造方法

技术领域

本发明涉及MEMS技术的一种换能器加工方法，具体涉及到一种电容式微机械超声换能器的工艺制造方法。

背景技术

超声成像是世界上应用最广泛的医学成像方式，压电材料是超声换能器行业的主导材料，近一个世纪前，这种基本的换能器机理也在不断发展。在超声成像系统中，换能器与介质之间适当的声阻抗匹配是至关重要的，因为这种阻抗匹配对系统的效率有着深远的影响。对于当前的压电系统，通常存在高声阻抗失配，大多数成像换能器表现出有限的带宽。

与传统压电式超声换能器相比，作为一种新兴的替代品，电容式微机械超声换能器具有带宽更宽、灵敏度高、噪声低、阻抗匹配性好等优点。电容式微机械超声换能器在固定电极和悬浮金属层之间有一个密封腔。制造成本和灵敏度是当前电容式微机械超声换能器的限制因素，取决于制造设备，尤其是所用材料。对于电容式微机械超声换能器的广泛使用，需要使用廉价的材料来维持或改善现有的灵敏度，从而大大降低制造成本。SU8胶可以廉价地用于制造电容式微机械超声换能器。电容式微机械超声换能器的固有频率通常由振膜层半径、振膜层厚度、振膜层材料等决定。但改变振膜层半径需改变掩模版尺寸，改变振膜层材料生产流程更为复杂。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明提供一种电容式微机械超声换能器的工艺制造方法，通过改变振膜层厚度改变电容式微机械超声换能器的固有频率，使用相对简单的设备，并且减少了制造步骤，这种新的制造工艺有可能增加电容式微机械超声换能器在超声波市场的使用。技术方案如下：

一种电容式超声换能器工艺制造方法，包括：

步骤S1：选用硅片作为底部电极和基板；

步骤S2：在所述基板上表面涂覆牺牲层全涂层；

步骤S3：在所述牺牲层全涂层上表面涂覆掩蔽层全涂层并进行图案化，形成掩蔽层；

步骤S4：将经过步骤S3处理后的基板浸入显影剂中蚀刻牺牲层全涂层和掩蔽层暴露区域；

步骤S5：将经过步骤S4处理后的基板浸入有机溶剂中去除所有掩蔽层，形成牺牲层图案，所述牺牲层包括位于中部的空腔、十字形交叉牺牲通道以及四个牺牲通道孔；

步骤S6：在所述牺牲层上表面涂覆具有绝缘性能的振膜层全涂层并进行图案化，形成振膜层；

步骤S7：在所述振膜层上表面涂覆剥离层全涂层并进行图案化，形成剥离层；

步骤S8：在所述剥离层上表面蒸发金属层全涂层；

步骤S9:将经过步骤S8处理的基板浸入溶剂中剥离振元剥离层和部分金属层全涂层，形成金属层图案，从而形成上电极；

步骤S10：将经过步骤S9处理的基板浸入腐蚀剂中，腐蚀剂通过牺牲通道孔进入牺牲通道，从而逐渐释放牺牲层形成空腔；

步骤S11:在所述牺牲层释放完毕后密封牺牲通道孔，形成密封层，得到电容式微机械超声换能器完整振元。

进一步地，牺牲层全涂层、掩蔽层全涂层、振膜层全涂层、剥离层全涂层均采用旋涂法，从而使得牺牲层空腔、十字形交叉牺牲通道以及四个牺牲通道孔厚度一致。

进一步地，牺牲层空腔为圆形空腔，牺牲层牺牲通道孔为三角形。

进一步地，掩蔽层采用光刻工艺，将正性光刻胶S1813曝光显影后形成图案；

进一步地，剥离层采用光刻工艺，将正性光刻胶AZP4620曝光显影后形成图案。

进一步地，振膜层采用光刻工艺，将负性光刻胶SU8胶曝光显影后形成图案；剥离层采用剥离工艺，剥离层上表面的金属层与剥离层一起剥离。

在剥离层上表面蒸发金属层全涂层时，采用蒸发定向沉积工艺。

本发明同时提供一种采用上述方法制作的电容式微机械超声换能器振元，其特征在于，包括作为底电极的硅片基板、位于中部的空腔、牺牲通道、牺牲通道孔、振膜层、上电极、密封层、薄膜支撑壁；所述空腔与牺牲通道相连通，所述牺牲通道为从空腔向外延伸的十字形交叉状，在牺牲通道的每个端部各设置一个牺牲通道孔；所述振膜层同时作为绝缘层；所述空腔位于硅片基板与振膜层之间；所述支撑壁环绕在空腔四周；在每个牺牲通道孔内填充有密封层；所述上电极位于振膜层的上表面与密封层之间。

进一步地，牺牲层空腔为圆形空腔，牺牲层牺牲通道孔为三角形。

进一步地，所述的振膜层的材质为SU8胶。

本发明与传统的采用牺牲层释放办法制造电容式微机械超声换能器的过程相比，在不改变振膜层半径和振膜层材料的基础上，只改变振膜层厚度，从而改变电容式微机械超声换能器固有频率。振膜层厚度对电容式微机械超声换能器固有频率有较大影响，增加振膜层厚度，提升了电容式微机械超声换能器固有频率。不改变振膜层半径则不需改变掩模版尺寸，不改变振膜层材料使用SU8胶降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明介绍本发明的制造流程，下面将对本发明实施例的附图做相应介绍。

图1为本发明实施例制造方法的流程示意图；

图2为本发明步骤S1剖面结构示意图。

图3为本发明步骤S2剖面结构示意图。

图4为本发明步骤S3剖面结构示意图。

图5为本发明步骤S3光刻掩模版结构示意图。

图6为本发明步骤S4剖面结构示意图。

图7为本发明步骤S5剖面结构示意图。

图8为本发明步骤S6剖面结构示意图。

图9为本发明步骤S6光刻掩模版结构示意图。

图10为本发明步骤S7剖面结构示意图。

图11为本发明步骤S7光刻掩模版结构示意图。

图12为本发明步骤S8剖面结构示意图。

图13为本发明步骤S9剖面结构示意图。

图14为本发明步骤S10剖面结构示意图。

图15为本发明步骤S11剖面结构示意图。

附图标记说明：

21-硅片基板 31-牺牲层全涂层

32-牺牲层 33-掩蔽层

41-牺牲通道孔 42-牺牲通道

43-空腔 51-振膜层

61-剥离层 71-电极连接线

72-电极图案 81-金属层全涂层

82-上电极 91-密封层

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体加工工艺并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供的电容式微机械超声换能器采用SU8胶制造，SU8胶制造成振膜层，由于SU8胶独特的介电和热性能以及低密度、光致图案性、光学透明性和机械灵活性，可作为我们应用的结构材料。通常提升电容式微机械超声换能器固有频率的方法有减小振膜层半径、增加振膜层厚度、改变振膜层材料等方法。但是，减小振膜层半径，改变振膜层材料会增加额外制造费用。在不改变掩模版尺寸的条件下，可以通过适当增加振膜层厚度提升电容式微机械超声换能器固有频率。

图1为一种电容式微机械超声换能器的工艺制造流程示意图，如图所示具体生产步骤如下所述。

步骤S1：选用一个清洁硅片作为底部电极和基板21；

在生产之前选用高浓度掺杂且清洁的硅晶圆(硅的纯度为99.999％)制造硅片。剖面结构示意图如图2所示。

步骤S2：在所述基板21上表面旋涂牺牲层全涂层31；

我们将浓缩版胶旋涂到基板21上，在150℃ 3分钟加热后获得牺牲层全涂层31。剖面结构示意图如图3所示。

牺牲层全涂层31使用Omnicoat胶，该胶增加振膜层51与基板21附着力。

步骤S3：在所述牺牲层全涂层31上表面旋涂掩蔽层全涂层并进行图案化，形成掩蔽层33；

制备一层正性光刻胶使用紫外光制备图案，以创建掩蔽层33图案，用以选择性地去除下面的牺牲层全涂层31。剖面结构示意图如图4所示。

正性光刻胶使用S1813胶，遮光部位曝光显影后留下图案，图案化后形成圆形空腔43、十字形交叉牺牲通道42和四个三角形牺牲通道孔41。光刻掩模版结构示意图如图5所示。

步骤S4：将所述振元浸入显影剂中蚀刻牺牲层全涂层31和掩蔽层33暴露区域；

浸入碱性MF319显影剂中，同时蚀刻掩蔽层33和牺牲层全涂层31的暴露区域；通过在去离子水溶液中冲洗样品停止蚀刻。剖面结构示意图如图6所示。

步骤S5：将所述振元在丙酮中去除所有掩蔽层33，形成牺牲层32图案，所述牺牲层32包括圆形空腔43、十字形交叉牺牲通道42及四个三角形牺牲通道孔41；剖面结构示意图如图7所示。

步骤S6：在所述牺牲层32上表面旋涂振膜层全涂层并进行图案化，形成振膜层51；

在所述振元上以2000RPM旋转一层SU8胶以获得振膜层全涂层。在紫外线照射之前，在95℃下进行3分钟的短暂预烘焙。在紫外光下对电容式微机械超声换能器进行图案化，并对样品进行曝光后烘烤和显影。SU8胶同时兼具绝缘层作用，所以不需另加绝缘层。由于SU8胶的高介电强度，因此振膜层51用作顶部电极的机械支撑和绝缘层以避免任何短路。剖面结构示意图如图8所示。

SU8胶为负性光刻胶，掩模工艺制造与正性光刻胶相反。无遮光部位曝光显影后留下图案，图案化后形成四个三角形牺牲通道孔41。光刻掩模版结构示意图如图9所示。

步骤S7：在所述振膜层51上表面旋涂剥离层全涂层并进行图案化，形成剥离层61；

剥离层61使用AZP4620正性光刻胶，剖面结构示意图如图10所示。

AZP4620正性光刻胶遮光部位曝光显影后留下图案，图案为圆形72和十字形电极连接线71，光刻掩模版结构示意图如图11所示。

步骤S8：在所述剥离层61上表面蒸发金属层全涂层81；

金属层全涂层81使用选择铬是因为它对SU8胶具有优异的附着力和低电阻，同时采用蒸发工艺，金属蒸发优于溅射，因为其定向沉积，简化了剥离过程。剖面结构示意图如图12所示。

步骤S9:将所述振元浸入溶剂中剥离振元剥离层61和部分金属层全涂层81，形成金属层图案，从而形成上电极82；

剥离层61曝光显影后，除上电极区域外其他区域都都涂满剥离层61。金属层全涂层81蒸发后，上电极82区域铬直接接触SU8胶，其他区域铬蒸发在剥离层61上。浸入MIF显影液后，剥离层61与剥离层61上蒸发的铬一同剥离。剖面结构示意图如图13所示。

步骤S10：将所述振元浸入腐蚀剂中，腐蚀剂通过牺牲通道孔41进入牺牲通道42，从而逐渐释放牺牲层32形成圆形空腔43；

将振元浸入腐蚀剂中。该腐蚀剂穿透牺牲通道42并逐渐去除牺牲层32。牺牲层32完全去除后将振元浸入去离子水中以置换陷于圆形空腔43内的腐蚀剂。最后，将样品浸入异丙醇中以代替水。剖面结构示意图如图14所示。

步骤S11:在所述牺牲层32释放完毕后密封牺牲通道孔41，形成密封层91，得到电容式微机械超声换能器完整振元。

密封层91使用Parylene-C材料，Parylene-C材料具有生物相容性、光学透明性、低杨氏模量和接近零的吸水系数。为了使振元防水，振元在一个低压室中密封，在振元内形成一个密封的真空腔，提供优良的电绝缘。剖面结构示意图如图15所示。

综上所述，本发明制造电容式微机械超声换能器过程的具体实施方式如上所述，任何关于本领域的技术人员，依然可在理解熟悉本发明精神和原理范围内作出修改，改进等应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种电容式超声换能器工艺制造方法，包括：

步骤S1：选用硅片作为底部电极和基板；

步骤S2：在所述基板上表面涂覆牺牲层全涂层；牺牲层全涂层使用Omnicoat胶；

步骤S3：在所述牺牲层全涂层上表面涂覆掩蔽层全涂层并进行图案化，形成掩蔽层，方法为：使用S1813胶制备一层正性光刻胶使用紫外光制备图案，以创建掩蔽层图案，用以选择性地去除牺牲层全涂层，图案化后形成牺牲层圆形空腔、十字形交叉牺牲通道和四个三角形牺牲通道孔；

步骤S4：将经过步骤S3处理后的基板浸入显影剂中蚀刻牺牲层全涂层和掩蔽层暴露区域；

步骤S5：将经过步骤S4处理后的基板浸入有机溶剂中去除所有掩蔽层，形成牺牲层图案，所述牺牲层包括位于中部的牺牲层圆形空腔、十字形交叉牺牲通道以及四个牺牲通道孔；

步骤S6：在所述牺牲层上表面涂覆具有绝缘性能的振膜层全涂层并进行图案化，形成振膜层；振膜层采用光刻工艺，将负性光刻胶SU8胶曝光显影后形成图案；

步骤S7：在所述振膜层上表面涂覆剥离层全涂层并进行图案化，形成剥离层，剥离层使用AZP4620正性光刻胶；

步骤S8：在所述剥离层上表面蒸发金属层全涂层，金属层全涂层使用铬；

步骤S9：将经过步骤S8处理的基板浸入溶剂中剥离振元剥离层和部分金属层全涂层，形成金属层图案，从而形成上电极；

步骤S10：将经过步骤S9处理的基板浸入腐蚀剂中，腐蚀剂通过牺牲通道孔进入牺牲通道，从而逐渐释放牺牲层形成牺牲层圆形空腔；

步骤S11：在所述牺牲层释放完毕后密封牺牲通道孔，形成密封层，得到电容式微机械超声换能器完整振元，密封层使用Parylene-C材料；

牺牲层全涂层、掩蔽层全涂层、振膜层全涂层、剥离层全涂层均采用旋涂法，从而使得牺牲层圆形空腔、十字形交叉牺牲通道以及四个牺牲通道孔厚度一致；

所制备的电容式微机械超声换能器振元，包括作为底电极的硅片基板、位于中部的牺牲层圆形空腔、牺牲通道、牺牲通道孔、振膜层、上电极、密封层、薄膜支撑壁；所述牺牲层圆形空腔与牺牲通道相连通，所述牺牲通道为从牺牲层圆形空腔向外延伸的十字形交叉状，在牺牲通道的每个端部各设置一个牺牲通道孔；所述振膜层同时作为绝缘层；所述牺牲层圆形空腔位于硅片基板与振膜层之间；所述薄膜支撑壁环绕在牺牲层圆形空腔四周；在每个牺牲通道孔内填充有密封层；所述上电极位于振膜层的上表面与密封层之间；所述的振膜层的材质为SU8胶。

2.根据权利要求1所述的工艺制造方法，其特征在于，在剥离层上表面蒸发金属层全涂层时，采用蒸发定向沉积工艺。