用于对高频声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程的制作方法

本公开涉及一种用于在传播介质中对声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程。特别地，本公开涉及用于高强度聚焦超声(hifu)应用的pmut(“压电微机械超声换能器”)超声换能器。

背景技术：

1、众所周知，超声换能器是能够通过转换机电能、声能或光能来在流体(液体或气体)和/或固体传播介质中发射和接收声波(尤其是频率在20khz到100mhz之间的超声波)的器件。

2、特别地，众所周知，mut(“微机械超声换能器”)半导体超声换能器是使用硅体微机械加工和/或表面微机械加工工艺制造的。mut换能器包括能够在声波传输条件和声波接收条件下振动的膜；目前，膜振动操作基于压电效应(压电mut，即pmut)或静电效应(电容mut，即cmut)。

3、发射/接收能量电声转换效率、频率响应增益和带宽是mut的标识参数。它们既取决于mut的典型因素(诸如决定mut的机械阻抗的换能器的几何结构和材料)，也取决于声波传播介质的典型因素(诸如决定其声阻抗的传播介质的密度和传播声音的速度)。

4、已知不同空气超声波应用，诸如距离测量以及物体和环境成像，其基础是脉冲回波的检测，即，声波的传输(例如，超声波脉冲的传输)以及声波在环境中的反射和扩散所生成的超声波回波的接收。超声波回波的空间分布和谐波含量是由传播介质中的密度变化引起的，并且指示其中存在的物体和/或不均匀性。

5、在这种应用中，可用频率还取决于物体的尺寸或其特性；特别地，对于检测具有非常小尺寸(例如，高达30μm)的物体，将使用非常高频的声波，例如，mhz量级。

6、空气超声波应用的另一示例是超声波通信，它涉及通过声学通道传输和接收调制信号。在这种应用中，带宽直接影响测量分辨率(脉冲回波检测)或数据传输/接收(超声波通信)。

7、另一种可能的超声波应用是对患者组织的微创治疗，其中聚焦超声波用于烧蚀组织，组织因高温而被破坏。在这种情况下，高功率超声波聚焦于目标点，以获取高达70℃-80℃的温度升高。

技术实现思路

1、因此，人们希望能够灵活地制造压电微机械超声器件，这种器件可以在空气和水环境中工作，同时具有高检测精度，甚至可以在各种应用领域中以灵活的方式在比所使用的波长更远的距离工作。

2、本公开提供了一种满足所指示的要求的压电微机械超声器件。

3、根据本公开，提供了一种pmut超声换能器及其制造过程，如所附权利要求中所限定的。

4、例如，在至少一个实施例中，一种pmut声换能器可以包括：具有表面的半导体材料的本体；多个第一埋腔，具有环形形状，彼此同心布置，并且从本体的表面延伸一定距离；由本体形成的多个第一膜，每个第一膜在多个第一埋腔中的相应第一埋腔与本体的表面之间延伸；在本体的表面上的多个压电元件，每个压电元件在多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸；其中第一膜具有不同宽度。

技术特征：

1.一种设备，包括：

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个第一膜包括中央膜和外围膜，所述中央膜由所述多个第一膜中的其他第一膜围绕，所述外围膜围绕所述多个第一膜中的所述其他第一膜，并且其中所述多个第一膜中的第一膜的宽度从所述中央膜朝向所述外围膜单调地可变。

3.根据权利要求2所述的设备，其中所述多个第一膜中的第一膜具有从所述中央膜朝向所述外围膜增加的宽度。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一埋腔从所述本体的所述表面延伸第一距离，并且所述pmut声换能器还包括从所述本体的所述表面延伸第二距离的第二埋腔，所述第二距离大于所述第一距离，所述第二埋腔在所述多个第一膜中的至少一个最小宽度膜的下方延伸。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述第二埋腔至少在所述中央膜的下方延伸。

6.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二埋腔具有在500μm到1500μm之间的直径。

7.根据权利要求5所述的设备，其中所述第二距离在10μm到200μm之间。

8.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一膜具有在最小值和最大值之间的可变宽度，所述最小值小于或等于20μm，并且所述最大值大于或等于500μm。

9.根据权利要求1所述的设备，其中所述第一埋膜具有在1μm到100μm之间的厚度。

10.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个压电元件中的压电元件各自包括第一电极和第二电极，所述多个压电元件中的压电元件的第一电极被相互耦合，并且所述多个压电元件中的压电元件的第二电极被相互耦合。

11.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个压电元件中的压电元件各自包括第一电极和第二电极，所述多个压电元件中的压电元件的第二电极被相互解耦。

12.一种方法，包括：

13.根据权利要求12所述的方法，还包括形成第二埋腔，其中所述第一埋腔从所述本体的所述表面延伸第一距离，并且所述第二埋腔在所述多个第一膜中的至少一个第一最小宽度膜的下方、从所述本体的所述表面延伸第二距离，所述第二距离大于所述第一距离。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，在形成所述第二埋腔之后，外延生长半导体材料层；并且执行形成所述多个第一埋腔的步骤。

15.根据权利要求14所述的方法，其中形成所述第二埋腔包括：形成除所述半导体材料以外的材料的第一牺牲区域，所述第一牺牲区域能够由对所述半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖所述第一牺牲区域的第一多孔半导体材料层；通过所述第一多孔半导体材料层去除所述第一牺牲区域；在所述第一半导体材料层上形成多个第二牺牲区域，所述第二牺牲区域是除所述半导体材料以外的材料并且能够由对所述半导体材料无效的蚀刻溶液蚀刻；形成覆盖所述第二牺牲区域的第二多孔半导体材料层；以及通过所述第二多孔半导体材料层去除所述第二牺牲区域。

16.一种设备，包括：

17.根据权利要求16所述的设备，其中所述第一层相对于所述第二层更接近所述本体的所述表面。

18.根据权利要求16所述的设备，其中所述第二圆形埋腔与所述第二圆形埋腔重叠，并且与所述多个环形埋腔中的至少两个环形埋腔重叠。

19.根据权利要求16所述的设备，还包括：

20.根据权利要求16所述的设备，其中所述多个环形膜和所述圆形膜相对于彼此分别具有不同的宽度。

技术总结
本公开的各实施例总体上涉及用于对高频声波进行换能的微电子机械设备及其制造过程。一种PMUT声换能器形成在半导体材料的本体中，该本体具有表面并且容纳第一埋腔，第一埋腔多个具有环形形状，彼此同心布置，并且从本体的表面延伸一定距离。第一埋腔从由本体形成的多个第一膜下方界定，使得每个第一膜在多个第一埋腔中的相应第一埋腔与本体的表面之间延伸。多个压电元件在本体的表面上延伸，每个压电元件在多个第一膜中的相应第一膜的上方延伸。第一膜的宽度不同，该宽度在最小值到最大值之间可变。

技术研发人员：D·朱斯蒂,F·夸利亚,C·L·佩瑞里尼
受保护的技术使用者：意法半导体股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11