DE102007007178A1

DE102007007178A1 - Kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducer und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102007007178A1
Application number: DE102007007178A
Authority: DE
Inventors: Wei-Cheng Tian; Ching-Yeu Wei; Rayette A. Fisher; Stanley Chienwu Cupertino Chu; Lowell Scott Smith; Robert G. Wodnicki; David M. Mills; Hyon-Jin Fremont Kwon
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2007-02-09
Publication date: 2007-08-30
Also published as: CN101018428A; FR2897051A1; US20070180916A1; TW200738027A; JP2007215177A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle geschaffen. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Trägersubstrates (10), wobei das Trägersubstrat (10) Glas enthält. Der Schritt des Bereitstellens des Glassubstrats kann das Ausbilden von Durchkontaktierungen (171) in dem Glassubstrat enthalten. Ferner enthält das Verfahren das Bereitstellen einer Membran (14) in der Weise, dass das Trägersubstrat (10) und/oder die Membran (14) Tragstützen (12) aufweisen, wobei die Tragstützen (12) zum Festlegen der Tiefe eines Hohlraums eingerichtet sind. Das Verfahren enthält weiterhin das Bonden der Membran an das Trägersubstrat unter Verwendung der Tragstützen, wobei das Trägersubstrat, die Membran und die Tragstützen (12) einen akustischen Hohlraum bilden.

Description

Hintergrund
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet der diagnostischen Bildgebung und konkreter auf kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducer bzw. Capacitive Micromachined Ultrasound Transducers (cMUTs) und Verfahren zur Herstellung derselben.
Transducer sind Vorrichtungen, die Einganssignale einer Form in Ausgangssignale einer anderen Form umwandeln. Die üblicherweise verwendete Transducer umfassen Lichtsensoren, Wärmesensoren und akustische Sensoren. Ein Beispiel für einen akustischen Sensor ist ein Ultraschallwandler, der in der medizinischen Bildgebung, der zerstörungsfreien Prüfung und anderen Anwendungen zum Einsatz kommen kann.
Eine Form eines Ultraschalltransducers ist gegenwärtig ein kapazitiver mikrobearbeiteter Ultraschalltransducer (cMUT). Eine cMUT-Zelle enthält im Wesentlichen ein Substrat, eine Grundelektrode, die mit dem Substrat verbunden sein kann, eine mittels Tragstützen über dem Substrat aufgehängte Membran und eine Metallisierungsschicht, die als eine obere bzw. Topelektrode dient. Die Grundelektrode, die Membran und die Topelektrode legen die vertikalen Ausdehnungen des Hohlraums fest, während die Tragstützen die seitlichen Ausdehnungen des Hohlraums festlegen. Typischerweise enthält das in einer cMUT-Zelle verwendete Substrat hoch leitfähiges Material, wie z.B. stark dotiertes Silizium. Dies führt zu höheren Werten der parasitären Kapazität und der Leckströme in einer cMUT-Zelle. Außerdem erfordern die heutigen Substrate, wie z.B. Silizium, eine Hochtemperaturverarbeitung, die ihrerseits zu mehr Verarbeitungsschritten führt. Wenn in einer cMUT-Zelle z.B, ein Siliziumsubstrat verwendet wird, werden die Membran und die Tragstützen, die typischerweise auf dem Substrat gewachsene Oxide sind, unter Anwendung des Direktbondens bzw. Fusion Bonding miteinander verbunden, das bei Temperaturen über 900°C durchgeführt wird. Wenn ein Unterschied in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTEs) der verschiedenen Schichten der cMUT-Zelle besteht, neigt eine Verarbeitung bei so hohen Temperaturen dazu, ein Verziehen des Substrates und eine Filmabhösung zu bewirken, die die Ausbeute an diesen Elementen verringern können. Zusätzlich zu der geringen Elementausbeute ändert die an der Grenzfläche der einzelnen Schichten erzeugte thermische Beanspruchung die Randbedingungen der Membran und macht die Auslegung der Membran (z.B. Resonanzfrequenz und Kollapsspannung) unvorhersagbar. Einige Verfahren, wie z.B. Hochtemperaturwärmebehandlung, werden angewandt werden müssen, um die oben erwähnten, durch hohe Temperaturen erzeugten Wirkungen zu verringern, aber diese Verfahren erfordern zusätzliche Schritte. Um zur Prozessintegration Flexibilität bei der Auslegung zu haben und die Kosten der Herstellungsprozesses zu reduzieren, kann es daher wünschenswert sein, eine cMUT-Zelle zu haben, die bei niedrigeren Temperaturen mit einer geringeren Anzahl von Schritten hergestellt werden kann.
Weiterhin kann es wünschenswert sein, die Empfindlichkeit und Leistungsfähigkeit des cMUT durch eine Verringerung der parasitären Kapazität und eine Verringerung des Leckstroms während des Betriebs als Sender und als Empfänger zu verbessern.
Kurze Beschreibung
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Vorgehensweise wird ein Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltranducerzelle geschaffen. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Trägersubstrats, wobei das Trägersubstrat Glas aufweist. Weiterhin enthält das Verfahren die Schaffung einer Membran in der Weise, dass das Trägersubstrat und/oder die Membran Tragstützen aufweist, wobei die Tragstützen zum Festlegen einer Hohlraumtiefe eingerichtet sind. Das Verfahren enthält weiterhin ein Bonden der Membran an das Trägersubstrat unter Verwendung der Tragstützen, wobei das Trägersubstrat, die Membran und die Tragstützen einen akustischen Hohlraum bilden.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Vorgehensweise enthält ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle das Bereitstellen eines Trägersubstrats mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei das Trägersubstrat Glas enthält. Das Verfahren enthält weiterhin das Ausbilden einer Durchkontaktierung in dem Trägersubstrat, wobei sich die Durchkontaktierung von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats erstreckt. Weiterhin enthält das Verfahren das Verbinden einer Membran mit dem Trägersubstrat, um einen akustischen Hohlraum zu bilden, wobei die Tiefe des akustischen Hohlraums durch Tragstützen festgelegt wird und das Trägersubstrat oder die Membran die Tragstützen enthält.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Vorgehensweise enthält ein Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven mikrobearbeiteten Ultralschalltransducerarrays die Schaffung eines Glassubstrats mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche in mehre re Bereiche unterteilt ist. Das Verfahren enthält weiterhin ein Ausbilden von Durchkontaktierungen in dem Glassubstrat, wobei sich die Durchkontaktierungen von der ersten Oberfläche des Glassubstrats zu der zweiten Oberfläche des Glassubstrats erstrecken. Weiterhin enthält des Verfahren das Aufbringen einer Grundelektrode auf jeden der Bereiche der ersten Oberfläche des Glassubstrats und ein Verbinden mehrerer Membranen mit dem Glassubstrat in der Weise, dass jede Membran mit einem Bereich des Glassubstrats verbunden ist, um einen akustischen Hohlraum zu bilden, wobei eine Tiefe des akustischen Hohlraums durch Tragstützen festgelegt wird, die innerhalb des Glassubstrats oder der Membran angeordnet sind. Weiterhin enthält das Verfahren das Aufbringen von Kontaktflächen auf der ersten Oberfläche des Glassubstrats in der Weise, dass die Kontaktflächen auf den Bereichen des Glassubstrats gebildet werden, die der akustische Hohlraum nicht verwendet, wobei jede Kontaktfläche mit einer zugehörigen Durchkontaktierung in elektrischer Verbindung steht.
Gemäß einem weiten Aspekt der Erfindung enthält eine kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducerzelle ein Glassubstrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche und eine an die erste Oberfläche des Glassubstrats gebondete Membran, wobei die erste Oberfläche des Glassubstrats oder die Membran einen Hohlraum bildet.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung enthält ein System ein Transducerarray mit mehreren kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzellen, wobei jede Zelle ein Glassubstrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, eine auf die erste Oberfläche des Glassubstrats gebondete Membran, wobei die erste Oberfläche des Glassubstrats oder die Membran Tragstützen aufweist und das Glassubstrat, die Membran und die Tragstützen einen Hohlraum bilden, eine in dem Hohlraum angeordnete und mit der ersten Oberfläche der Glaselektrode verbundene elektrisch isolierende Schicht und eine in dem Hohlraum angeordnete Grundelektrode aufweist.
Zeichnungen
Diese und weitere Merkmale, Aspekte und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser verstanden, wenn die folgende detaillierte Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen gelesen wird, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente in den Zeichnungen bezeichnen:
1 zeigt ein schematisches Flussdiagramm, das an einem beispielhaften Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle gemäß bestimmten Ausführungsbespielen der vorliegenden Vorgehensweise beteiligten Schritte darstellt,
2 zeigt eine Draufsicht auf ein beispielhaftes kapazitives mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray, das die Lage der Kontaktflächen und Vakuumhohlräume gemäß bestimmtem Ausführungsbeispielen der vorliegenden Vorgehensweise darstellt,
3 zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht des kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerarrays aus 2, das entlang der Schnittlinie 3-3 geschnitten ist,
4 zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht, die das kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducerarray aus 3 mit Topelektroden und einer Metall- oder dielektrischen Schicht darstellt, die zum Abdichten der Vakuumholräume darauf angeordnet ist, die 5–9 zeigen schematische Flussdiagramme, die Schritte darstellen, die an der Herstellung der kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Vorgehensweise beteiligt sind,
die 10–12 zeigen schematische Flussdiagramme, die Schritte darstellen, die an beispielhaften Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen in dem Trägersubstrat für die kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducerzelle gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Vorgehensweise beteiligt sind,
13 zeigt eine Draufsicht auf ein beispielhaftes kapazitives mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray, das ein Trägersubstrat mit Grundelektroden und Durchkontaktierungen verwendet, wobei die Durchkontaktierungen mit Kontaktflächen gekoppelt sind, die gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Vorgehensweise auf einer Oberfläche des Trägersubstrats angeordnet sind,
14 zeigt eine Draufsicht, die ein beispielhaftes kapazitives mikrobearbeitetes Ultraschalltransducerarray nach dem Ätzen der elektrischen Isolierung gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Vorgehensweise darstellt,
15 zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht des Arrays aus 14, und
16 zeigt im Querschnitt eine Seitenansicht des Arrays aus 15, das weiterhin Topelektroden gemäß bestimmten Ausführungsformen der vorliegenden Vorgehensweise verwendet.
Detaillierte Beschreibung
Auf zahlreichen Gebieten, wie z.B. in der medizinischen Bildgebung und der zerstörungsfreien Prüfung kann es wünschenswert sein, Ultraschalltransducer zu verwenden, die die Erzeugung diagnostischer Bilder von hoher Qualität ermöglichen. Diagnostische Bilder von hoher Qualität können durch eine Steigerung der Empfindlichkeit und Leistungsfähigkeit der kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducer (cMUTs) durch eine Verringerung der parasitären Kapazität und eine Verringerung des Leckstrom während des Betriebs als Sender und Empfänger erreicht werden.
Nun 1 zugewandt: Es ist ein schematisches Flussdiagramm dargestellt, das an einem Verfahren zur Herstellung einer cMUT-Zelle beteiligte Schritte zeigt. Wie ein Fachmann erkennt dienen die Zeichnungen nur darstellenden Zwecken und sind. nicht maßstabsgetreu gezeichnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beginnt das Verfahren mit dem Bereitstellen eines Trägersubstrats 10. Wie unten im Einzelnen beschrieben kann das Substrat 10 in bestimmten Ausführungsformen (nicht gezeigte) Durchkontaktierungen aufweisen, um zwischen den beiden Seiten des Substrats 10 eine elektrische Kommunikation zu ermöglichen. Das Trägersubstrat 10 kann Glas enthalten. In einigen Ausführungsformen kann das Glas ein natriumreiches Glas enthalten. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das natriumreiche Material ein Borsilikatglas enthalten. Das natriumreiche Glas kann auf ein anderes Substrat aufgebracht sein, das natriumreich sein kann oder nicht. Das natriumreiche Glas kann durch Sputtern oder Spinning des natriumreichen Glases auf ein Substrat, wie z.B. ein Glassubstrat, ein Keramiksubstrat, ein Plastiksubstrat, ein Polymersubstrat oder ein Halbleitersubstrat, wie z.B. ein Siliziumsubstrat, gebildet werden. Das Glassubstrat kann natriumreich sein oder nicht. Das Halbleitersubstrat kann entweder intrinsisch oder hochresistiv sein.
Wie man erkannt zeigt ein Glassubstrat eine geringere elektrische Leitfähigkeit verglichen mit Halbleitersubstraten, wie z.B. Silizium, die gewöhnlich als Trägersubstrate in cMUT-Zellen verwendet werden. Demnach verursacht das Glassubstrat verglichen mit seinen Halbleitergegenstücken eine relativ geringere parasitäre Kapazität. Bei konventionellen, ein Halbleitersubstrat verwendenden cMUTs kann ein Teil der elektrostatischen oder akustischen Energie für den Betrieb des cMUT in der parasitären Kapazität verloren gehen und nicht effizient für die cMUTs genutzt werden. Wenn dagegen ein Glassubstrat verwendet wird, werden niedrige Werte der parasitären Kapazität erreicht, und diese können die Leistungsfähigkeit und Robustheit der Vorrichtung durch Beseitigung möglicher Leckpfade erhöhen.
Das Trägersubstrat 10 kann Tragstützen 12 aufweisen. Weiterhin kann eine Membran oder ein Diaphragma 14 an den Tragstützen 12 angeordnet und mit diesen verbunden sein. Alternativ kann die Membran 14 Tragstützen 12 enthalten, wie es in dem Ausführungsbeispiel in 5 dargestellt ist. Die Tragstützen können zur Bildung eines Hohlraums 11 mit einer Hohlraumtiefe 13 eingerichtet sein. Die Tragstützen 12 legen auch die seitlichen Ausdehnungen des Hohlraums 11 fest. Allgemein liegt die Höhe der Tragstützen 12 in der Größenordnung von Zehntelmikrometern bis zu einigen zehn Mikrometern. Die Tragstützen 12 können z.B. durch Wegätzen eines Bereichs des Trägersubstrats 10 hergestellt werden. Alternativ können die Tragstützen 12 durch Aufbringen und/oder Strukturieren eines (nicht gezeigten) Films auf der Membran 14 gebildet werden. Wie unten im Einzelnen beschrieben können die Tragstützen 12 ein Material enthalten, das ein Bonden zwischen der Membran 14 und dem Trägersubstrat 10 fördern kann. In einigen Ausführungsformen können die Tragstützen 12 das Material des Trägersubstrats 10 oder der Membran 14 enthalten. In anderen Ausführungsformen können die Tragstützen 12 aus einem Material, wie z.B. Metall, Metalllegierungen, Glas, Plastik, Polymeren und Halbleitermaterialien hergestellt sein, ohne auf diese beschränkt zu sein. Die Halbleitermaterialien können Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Einkristallsilizium, Epitaxiesilizium oder polykristallines Silizium enthalten.
Weiterhin kann in Ausführungsformen, in denen die Tragstützen 12 in dem Trägersubstrat 10 ausgebildet sind, eine Oxidschicht auf die Topoberfläche der Tragstützen 12 aufgebracht werden, so dass die Membran mit dem Oxid verbunden wird und sich nicht in einem direkten Kontakt mit dem Trägersubstrat 10 befindet. Wie im Einzelnen unter Bezug auf 5 beschrieben kann dagegen in Ausführungsformen, in denen die Membran 14 die Tragstützen 12 enthält, die Membran direkt mit dem Trägersubstrat 10 verbunden werden. In beiden Ausführungsformen bilden das Trägersubstrat 10, die Tragstützen 12 und die Membran 14 einen akustischen Hohlraum 11. Weiterhin kann die Membran 14 in Abhängigkeit von den zur Herstellung der cMUT-Zelle angewandten Mikrobearbeitungsverfahren unter Verwendung der Materialien, wie z.B. Siliziumnitrid, Siliziumoxid, Einkristallsilizium, Epitaxiesilizium, polykristallinem Silizium und anderen Halbleitermaterialien, ohne eine Beschränkung auf diese Materialien herstellt werden. Die Dicke der Membran 14 kann z.B. etwa in dem Bereich von 0,1–10 Mikrometer liegen. Die Membran 14 kann ein Halbleitermaterial, wie z.B. Silizium enthalten. In einigen Ausführungsbeispielen kann die Membran 14 ein stark dotiertes Einkristallsilizium, polykristallines Silizium oder Epi-Silizium enthalten. In diesen Ausführungsformen kann die Membran 14 auf einen Siliziumwafer aufgebracht werden.
Weiterhin kann der Schritt der Schaffung der Membran 14 auch ein Wachsen oder Aufbringen einer elektrisch isolierenden Schicht 16 auf die Membran 14 enthalten. Wie dargestellt ist die elektrisch isolierende Schicht 16 innerhalb des akustischen Hohlraums 11 angeordnet, wenn die Membran 14 mit dem Trägersubstrat 10 verbunden ist. In diesen Ausführungsformen ist die Tiefe des akustischen Hohlraums 11 zwischen den Oberflächen der elektrisch isolierenden Schicht 16 und der Oberfläche der innerhalb des Hohlraums 11 angeordneten Grundelektrode 22 festgelegt. Die elektrisch isolierende Schicht kann zur elektrischen Isolierung zwischen der Grundelektrode 22 und der Membran 14 gewachsen und/oder strukturiert gebildet worden sein. In diesen Ausführungsbeispielen kann die elektrisch isolierende Schicht 16 elektrisch nicht leitende Materialien, wie z.B. Siliziumnitrid oder ein Oxid, wie z.B. ein Hochtemperaturoxid, ein durch chemische Niederdruck-Gasphasenabscheidung abgeschiedenes Oxid, ein durch plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD) abgeschiedenes Oxid oder ein thermisch gewachsenes Oxid enthalten. Die dielektrische Schicht kann gefolgt von Polieren und/oder Lithographie auf die Membran 14 aufgebracht werden.
Wie ein Fachmann erkennt kann die Membran 14 bei der Herstellung der cMUT-Zelle mit einem vorgefertigten SOI (Silizium auf einem Isolator bzw. Silicon on Isolator)-Wafer 15 integriert ausgebildet sein, der ein Silizimsubstrat (Membran 14), eine vergrabene Oxidschicht (Buried Oxide bzw. BOX) 18 und einen Silizium-Handhabungswafer bzw. -Handlewafer 20 enthält. In der dargestellten Ausführungsform kann die Membran 14 mit einer vergrabenen Oxid (BOX)-Schicht 18 verbunden sein, bevor sie an das Glassubstrat 10 gebondet wird. Die vergrabene Oxid (BOX)-Schicht 18 kann ihrerseits mit einem Handhabungswafer 20 verbunden sein, um einen SOI-Wafer 15 zu bilden. Wie erkannt wird kann anstelle des SOI-Wafers 15 ein (nicht gezeigter) stark dotierter Siliziumwafer mit der Membran 14 integriert ausgebildet sein. In ähnlicher Weise können in den dargestellten Ausführungsbeispielen der 1, 5, 6, 7, 8 und 9 die SOI-Wafer und die stark dotierten Silizium-Wafer austauschbar verwendet werden.
Wie dargestellt kann weiterhin eine Grundelektrode 22 auf dem Trägersubstrat 10 angeordnet sein, so dass die Grundelektrode 22 innerhalb des Hohlraums 11 angeordnet ist. In diesem Ausführungsbeispiel begrenzen die Grundelektrode 22 und die Membran 14 den akustischen Hohlraum. Die Grundelektrode 22 kann ein elektrisch leitfähiges Material, wie z.B. Aluminium oder ein elektrisch leitfähiges Polymer enthalten. Weiterhin kann die Dicke der Grundelektrode z.B. näherungsweise in einem Bereich von etwa Zehntelmikrometern bis zu wenigen Mikrometern liegen.
Außerdem kann eine dielektrische Schicht 24 die Grundelektrode 22 umgeben, so dass die Grundelektrode 22 nicht mit den umliegenden Tragstützen 12 oder der elektrisch isolierenden Schicht 16 in Berührung kommen kann. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann die dielektrische Schicht, wie z.B. die dielektrische Schicht 24, in einem alternativen Ausführungsbeispiel nur auf dem oberen Bereich der Grundelektrode 22 anordnet sein, die der Membran gegenüberliegt, und nicht die Seitenbereiche der Grundelektrode 22 bedecken. Die dielektrische Schicht 24 kann z.B. Siliziumoxid oder Siliziumnitrid enthalten. In einigen Ausführungsformen kann die Metallisierung zum Aufbringen der Grundelektrode 22 vor dem Aufbringen der dielektrischen Schicht 24 durchgeführt werden. Während die dargestellten Ausführungsbeispiele der 1, 5, 6, 7 und 8 cMUT-Zellen zeigen, die sowohl eine Isolationsschicht, wie z.B. die isolierenden Schichten 16, 42, 58, 70, 84, als auch eine dielektrische Schicht, wie z.B. die dielektrischen Schichten 24, 50, 64, 76, 92, verwenden, sollte erkannt werden, dass in bestimmten Ausführungsformen auch nur eine dieser Schichten verwendet werden kann, um eine elektrische Isolierung zwischen der Grundelektrode und der Membran zu bewirken.
Anschließend wird der SOI-Wafer 15, der die Membran 14, die vergrabene Oxidschicht 18 und den Handhabungswafer 20 enthält, mit dem Trägersubstrat 10 verbunden. Die Membran 14 kann durch Anwendung von Niedertemperatur-Bondtechniken, wie z.B. anodischem Bonden, Solder Bonding, chemischem Bonden, wie z.B. Very Slight Etch (VSE), oder Kombinationen derselben mit dem Trägersubstrat 10 oder den Tragstützen 12 verbunden werden. Die Bondtemperatur kann bei solchen Niedertemperatur-Bondtechniken in einem Bereich von etwa 25°C bis etwa 600°C liegen. Wie man erkennt entstehen bei so niedrigen Temperaturen geringere Eigenspannungen in dem System, die anderenfalls bei hohen Temperaturen in Folge von Unterschieden der Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Komponenten in dem System, wie z.B. der Membran 14, dem Trägersubstrat 10 oder den Tragstützen 12, auftreten können. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Glas beträgt etwa 3,9 ppm/°C, und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Silizium, das gewöhnlich das in der Membran 14 verwendete Material ist, beträgt etwa 3,3 ppm/°C. Daher sind die Wärmeausdehnungskoeffizenten der zwei Komponenten bei niedrigen Temperaturen, wie z.B. unter etwa 600°C, kompatibel. Auch ermöglicht die Niedertemperaturverarbeitung die Integration von Sensoren, die cMUT-Zellen aufweisen, mit anderer ergänzender Metalloxidhalbleiter (CMOS)-Elektronik.
Bei niedrigen Temperaturen bewirkt das Bonden auch keine Beschränkung im Hinblick auf Metallisierungsschritte. Das ist anders als beim Direktbonden, bei dem die Metallisierungsschritte für die cMUT-Zelle zum Aufbringen z.B. von Elektroden nicht vor dem Direktbonden des Trägersubstrats 10 und des SOI-Wafers 15 durchgeführt werden können. Demgegenüber können die zwei Schritte beim Niedertemperaturbonden unabhängig voneinander durchgeführt werden. Demnach können die Elektroden entweder vor oder nach der Bildung des akustischen Hohlraums 11 durch Bonden des Trägersubstrats 10 und des SOI-Wafers 15 gebildet werden.
Wie oben erwähnt kann das Trägersubstrat 10 ein natriumreiches Glas enthalten. Bei Niedertemperatur-Bondtechniken, wie z.B. anodischem Bonden, wird typischerweise über dem Glassubstrat/SOI-Wafer-Verbund ein Potential angelegt, um ein elektrisches Feld zu erzeugen, das die Natriumionen in dem Glas von der Grenzfläche des Glassubstrat/SOI-Wafer-Verbunds wegtreibt, wodurch an der Grenzfläche von Glassubstrat 10 und SOI-Wafer 15 eine Natrimverarmungszone gebildet wird. In Folge der Wanderung der Natriumionen in die Richtung des Glassubstrats 10 wird die Verarmungszone reich an Sauerstoffmolekülen, die von den wandernden Natriumionen zurückgelassen werden.
Diese Sauerstoffmoleküle von dem Glas diffundieren in das Silizium des SOI-Wafers 15, um durch Bildung einer Schicht aus amorphem Siliziumdioxid eine permanente kovalente Bindung mit Silizium des SOI-Wafers 15 herzustellen. Wie man erkennt sind die kovalenten Bindungen extrem fest. Für das anodische Bonden kann entweder das Trägersubstrat 10 oder der SOI-Wafer 15 auf der positiven Polarität gehalten werden, und die andere Komponente des Verbunds aus Glassubstrat und SOI-Wafer 15 kann auf der negativen Polarität gehalten werden. In einer beispielhaften Ausführungsform, bei der an das Glassubstrat 10 die negative Polarität angelegt wird, kann eine Spannung in einem Bereich von etwa 500 Volt bis etwa 1500 Volt bei Atmosphärendruck angelegt werden, um ein anodisches Bonden mit einer Bondtemperatur von etwa 300°C bis etwa 450°C zu erreichen. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das anodische Bonden bei 400°C durch Anlegen einer Spannung von etwa 1000 Volt durchgeführt werden. Die Bindungsstärke kann in Abhängigkeit von den Bondparametern, wie z.B. den Polaritäten der Bondkomponenten, dem Bonddruck, der Bondtemperatur, der Bondzeit und dergleichen variieren.
Vorteilhafterweise ist beim anodischen Bonden und anderen oben genannten Niedertemperatur-Bondverfahren die Toleranz hinsichtlich der Ebenheit der Oberfläche größer als beim Direktbonden. Daher können diese Niedertemperatur-Bondverfahren kein Glätten oder Polieren der Oberfläche vor dem Bonden erfordern, wodurch die Anzahl der Schritte und die Kosten des Herstellungsverfahrens verringert werden. Die Toleranz hinsichtlich der Oberflächenebenheit für das Niedertemperaturbonden kann in der Größenordnung von etwa einigen zehn bis zu einigen hundert Nanometer liegen.
In bestimmten Ausführungsformen kann die Bildung der anodischen Bindung durch eine Veränderung der Farbe des Bondbereiches verifiziert werden. Z.B. kann das Auftreten einer schwarzen Farbe in den gebondeten Bereichen die Bildung einer anodischen Bindung anzeigen.
Weitere Niedertemparatur-Bondtechniken, wie z.B. Solder-Bonding, chemisches Bonden, eutektisches Bonden, Thermokompressionsbonden, Glas Frit-Bonden und/oder Polymerbonden können verwendet werden, um das Trägersubstrat 10 an den SOI-Wafer 15 zu bonden. Alternativ können das Trägersubstrat 10 und der SOI-Wafer 15 unter Verwendung einer Zwischenschicht, wie z.B. einer Metallschicht, einer Legierungsschicht oder einer Polymerschicht gebondet werden. Solche Zwischenschichten können bei Temperaturen in einem Bereich von etwa 25°C bis etwa 600°C eine Bindung sowohl mit dem Trägersubstrat 10 als auch dem SOI-Wafer 15 eingehen. In einem Ausführungsbeispiel kann die Zwischenschicht bei einer Temperatur von weniger als etwa 550° Celsius eine Bindung mit dem Trägersubstrat 10 und dem SOI-Wafer 15 ausbilden. Wie unten im Einzelnen beschrieben wird kann das Zwischenschichtmaterial in einer beispielhaften Ausführungsform in den Tragstützen 12 verwendet werden. In dieser Ausführungsform können die Trägstützen 12 auf das Trägersubstrat 10 oder die Membran 14 aufgebracht sein und, beim Bonden eine Bindung mit der jeweils anderen Komponente eingehen, wodurch die zwei Komponenten zur Bildung eines akustischen Hohlraums 11 verbunden werden.
Wie man erkennt enthält das Thermokompressionsbonden das Verbinden von zwei Oberflächen durch das Schmelzen einer Schicht eines Metalls auf jeder Oberfläche. Das Thermokompressionsbonden kann als Metall Gold verwenden. Weiterhin kann mit der Schicht des Metalls auch eine geeignete Adhäsionsschicht verwendet werden. Das Thermokompressionsbonden erfordert das Aufbringen eines Drucks auf eine Oberfläche bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 300°C bis etwa 400°C. In Folge der niedrigen Temperaturen (≈ 300°C) und der moderaten Drücke (10⁶ Pascal) ist das Verfahren ohne weiteres mit anderen Verfahrensschritten, wie z.B. einer Metallisierung vereinbar. Vorteilhafterweise bietet das Thermokompressionsbonden ein relativ geringes Ausgasen zum Abdichten der evakuierten Hohlräume 11.
In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das Glas Frit-Bonden bei einer Temperatur in einem Bereich von etwa 400°C bis etwa 650°C und einem Druck von etwa 10⁵ Pascal angewandt werden. Typischerweise wird zwischen den zu bondenden Komponenten eine Glasschicht aufgebracht. Die Glasschicht kann z.B. zwischen den Tragstützen und der Membran 14 oder dem Trägersubstrat 10 angebracht werden. Die Glasschicht kann als eine Vorform, ein Spin-on, ein Siebdruck, ein Sputterfilm oder der gleichen aufgebracht werden. Ferner kann die Glasschicht zum Festlegen der Bondflächen strukturiert werden. Das Glas Frit-Bonden kann z.B. im Vakuum durchgeführt werden, um abgedichtete evakuierte Hohlräume zu erzeugen. Wie unten im Einzelnen beschrieben kann der zusätzliche Schritt des Evakuierens des Hohlraums nach dem Bonden des Trägersubstrats 10 und der Membran 14 durch die Ausführung des Bondvorgangs im Vakuum vermieden werden, wodurch sich die Anzahl der zu dem Verfahren gehörenden Schritte reduziert.
Alternativ kann zur Bildung des Hohlraums 11 das Solder Bonding angewandt werden. Das Solder Bonding-Verfahren arbeitet mit einem Wiederaufschmelzen von Metallen mit einem niedrigen Schmelzpunkt zur Bildung einer Dichtung. Das Solderbonding kann ein oder mehrere Metalle, wie z.B. Gold, Zinn, Kupfer, Blei oder Indium verwenden. Die Metalle oder Metalllegierungen können durch verschiedene Dünnfilmabscheidetechniken aufgebracht werden. Die Vorgehensweise unterscheidet sich vom Thermokompressionsbonden in der Weise, dass die metallische Zwischenschicht für das Solder Bonding geschmolzen werden muss. Vorteilhafterweise ist das Solder Bonding gegenüber Partikeln und Oberflächenrauhigkeiten tolerant.
In anderen Ausführungsformen kann der Hohlraum 11 durch Bonden der jeweiligen Oberflächen unter Verwendung chemischen oder adhesiven Bondens gebildet werden. Wie man erkennt können verschiedene Haftmittel, wie z.B. Epoxide, Silikone, Fotoresiste oder Polyimide zur Bildung der adhäsiven Bindungen verwendet werden. Bei dieser Bondtechnik kann eine In Situ-Ausrichtung angewandt werden. Das Haftmittel kann durch Beschichtungstechniken, wie z.B. Spinning oder Sprühen aufgebracht werden. Weiterhin kann das adhäsive Bonden in Abhängigkeit von dem verwendeten Haftmittel und dem aufgebrachten Druck bei einer Temperatur zwischen Raumtemperatur und etwa 400°C durchgeführt werden. Das adhäsive Bonden ist gegenüber Partikeln und Oberflächenrauhigkeiten tolerant.
Weiterhin kann das eutektische Bonden angewandt werden, um durch Bonden der Tragstützen 12 mit dem Trägersubstrat 10 oder der Membran 14 den Hohlraum 11 zu bilden. Wie man erkennt entspricht die eutektische Temperatur eines Zweimaterialsystems der Zusammensetzung der zwei Materialien mit dem niedrigsten Schmelzpunkt. Beim eutektischen Bonden werden die zwei Materialien des eutektischen Systems getrennt auf die zwei Einzelteile aufgebracht, die zur Bildung des akustischen Hohlraums 11 gebondet werden sollen. Im Anschluss an das Beschichten werden die Elemente erhitzt und in Berührung gebracht, wodurch an der Grenzfläche eine Diffusion auftritt und Legierungen zum Erzeugen einer Bindung gebildet werden. Wie man erkennt hat die Legierung in eutektischer Zusammensetzung an der Grenzfläche einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Materialien an jeder Seite von ihr, wodurch das Schmelzen auf eine dünne Schicht begrenzt wird. In einigen Ausführungsformen können die eutektischen Materialien eine eutektische Gold-Zinn-Zusammensetzung mit einem Schmelzpunkt von etwa 363°C oder eine eutektische Blei-Zinn-Zusammensetzung mit einem Schmelzpunkt von etwa 183°C enthalten.
Weiterhin kann für eine luftdichte oder Vakuum abgedichtete Bindung eine Kraft aufgebracht werden. In einigen Ausführungsformen kann die Kraft aufgebracht werden, um die Oberflächenrauhigkeit oder -unebenheit der Membran 14, des Trägersubstrats 10 oder der Tragstützen 12 auszugleichen. Der Vakuum abgedichtete Hohlraum, wie er unten unter Bezug auf 2 beschrieben wird, kann durch In Situ-Abdichten des Hohlraums während der chemischen Gasphasenabscheidung einer dielektrischen Schicht oder einer Metallschicht im Vakuum gebildet werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Schritt der Va kuumlochabdichtung als In Situ-Vakuumabdichtung optional sein und durchgeführt werden, wenn ein Niedertemperaturbonden in einem Vakuum angewandt wird.
Um die Bindungsstärke zu erhöhen, können weiterhin das Trägersubstrat 10, die Tragstützen 12 und/oder die Membran 14 vor dem Schritt des Bondens Oberflächenbehandlungen unterzogen werden, um Unreinheiten von den Oberflächen zu entfernen, um das Bonden der Komponenten zu verbessern. In einer Ausführungsform kann die Oberflächenbehandlung Sputtern oder Ätzen enthalten. Die Oberflächen der Tragstützen können z.B. vor dem Bonden durch Plasmaätzen behandelt werden.
Obwohl es nicht dargestellt ist, können der Handhabungswafer 20 und die BOX-Schicht 18 im Anschluss an die Bildung des Niedertemperaturbonding zum Bonden des SOI-Wafers 15 an das Trägersubstrat 10 entfernt werden. Der Handhabungswafer 20 kann durch Anwendung von Verfahren, wie z.B. mechanischem Polieren oder Schleifen gefolgt von Nassätzen mit Chemikalien, wie z.B. Tetramethylammoniumhydroxid (TMAH), Kaliumhydroxid (KOH) und Ethylendiaminpyrocatechol (EDP) ohne eine Beschränkung auf diese entfernt werden. Auf die Entfernung des Handhabungswafers 20 folgend kann die BOX-Oxidschicht 18 durch gepufferte Flusssäure (BHF) entfernt werden. Dem kann ein Abdichten des Hohlraums in einem Vakuum und ein Aufbringen der Topelektrode folgen.
In einem Array von cMUT-Zellen, wie z.B. der in 1 dargestellten cMUT-Zelle, wird im Anschluss an das Entfernen des Handhabungswafers 20 und der BOX-Schicht 18 die Membran 14 strukturiert, um die cMUT-Zellen gegeneinander elektrisch zu isolieren und Vakuumdichtungslöcher 30 zu bilden. 3 stellt eine Querschnittsansicht des cMUT-Arrays aus 2 dar, die entlang der Linie 3-3 aufgenommen ist, wobei das Array mehrere cMUT-Zellen aufweist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Orte der Grundelektroden 22 und der Vakuumlöcher 30 bezogen auf die cMUT-Zellen dargestellt. Die Grundelektroden 22 sind im Wesentlichen wie in 13 gezeigt strukturiert. Obwohl es nicht dargestellt ist, befinden sich ind die Grundelektroden 22 in der Anordnung, die unter Bezug auf 13 genauer beschrieben wird.
Anschließend kann wie in 4 dargestellt eine dielektrische Schicht 32 in den Vakuumlöchern 30 aufgebracht werden, um die Löcher abzudichten. Die dielektrische Schicht 32 kann in Form einer Schicht aufgebracht werden, die zum Bedecken der Vakuumlöcher 30 strukturiert sein kann. In einer Ausführungsform kann zum Strukturieren der dielektrischen Schicht 32 die Fotolithographie verwendet werden. Anschließend wird zum Aufbringen einer Topelektrode 34 eine Metallisierung vorgenommen. Die Topelektrode 34 kann durch Aufbringen einer Metallschicht und anschließendes Strukturieren der Schicht zum Festhalten des Metalls an den dargestellten Stellen gebildet werden. Alternativ können die Vakuumlöcher 30 in einer Ausführungsform durch Verwenden des gleichen Materials wie das Material für die Topelektrodenschicht 34 abgedichtet werden. In dieser Ausführungsform können das Abdichten der Vakuumlöcher 30 und das Aufbringen und Strukturieren der Topelektrodenschicht 34 gleichzeitig ausgeführt werden, um den Vorgang weiter zu vereinfachen.
5 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel des Verfahrens zum Herstellen eines cMUT, wie es in 1 dargestellt ist, dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel werden ein Trägersubstrat 36 und eine Membran 38 bereitgestellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Tragstützen 40 zu Beginn nicht mit dem Trägersubstrat 36 verbunden, sondern in die Membran 38 einbezogen. Es ist auch eine elektrisch isolierende Schicht 42 mit der Membran 38 verbunden. Weiterhin können eine BOX-Schicht 44 und ein Handhabungswafer 46 mit der Membran 38 des SOI-Wafers verbunden sein. Auf das Trägersubstrat 36 kann unter Durchführung einer Metallisierung und Strukturierung eine Grundelektrode 48 aufgebracht werden. Anschließend kann auf die Grundelektrode 48 eine Isolationsschicht 50 aufgebracht werden. Die Isolationsschicht kann eine elektrisch nicht leitfähige Schicht sein und ein dielektrisches Material oder ein Oxid enthalten.
6 zeigt noch ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem das Trägersubstrat 52 mit Tragstützen 54 bereitgestellt wird. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Membran 56 auf einer Seite mit einer elektrisch isolierenden Schicht 58 und auf der anderen Seite mit einem Handhabungswafer 60 verbunden. Weil der SOI-Wafer allgemein teuer ist, ist die vorliegende Ausführungsform verglichen mit den in den 1 und 5 dargestellten Ausführungsformen relativ kostengünstig. Weiterhin wird in dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Grundelektrode 62 auf das Trägersubstrat 52 aufgebracht.
7 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel zu dem in 6 dargestellten Verfahren dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Trägersubstrat 66 bereitgestellt. Weiterhin enthält in dieser Ausführungsform die Membran 68 die Tragstützen 71, und es wird die elektrisch isolierende Schicht 70 geschaffen. Wie in 6 ist die Membran 68 in der dargestellten Ausführungsform ohne eine dazwischen angeordnete BOX-Schicht direkt mit dem Handhabungswafer 72 verbunden. Weiterhin sind auf dem Trägersubstrat 66 eine Grundelektrode 74 und eine isolierende Schicht, wie z.B. eine dielektrische Schicht 76, angeordnet.
Die 8 und 9 stellen Ausführungsbeispiele dar, bei denen die Tragstützen aus dem Bondmaterial gebildet werden können. In diesen Ausführungsformen können die Tragstützen verwendet werden, um die Bindung zwischen dem Trägersubstrat und der Membran zu bilden. Es können z.B. das Kompressionsbonden, Solder Bonding oder Very Slight Etch (VSE) angewandt werden, um die zwei Komponenten der cMUT-Zelle zu bonden. Wie bei den Ausführungsbeispielen aus den 1–7 kann die Tiefe des Hohlraums in diesen Ausführungsformen durch die Höhe der Tragstützen festgelegt werden. Weiterhin können die Tragstützen z.B. unter Anwendung des Plasmaätzens oberflächenbehandelt sein, bevor das Trägersubstrat und die Membran gebondet werden.
In einigen Ausführungsformen werden die zwei Oberflächen, Tragstützen und die Membran z.B. durch Waferbondingeinrichtungen zusammengebracht, um das Bonden der Grenzfläche einzuleiten. Bei diesen Ausführungsbeispielen kann typischerweise an einer Stelle der Bondgrenzfläche eine spontane Bindung entstehen und sich auf der Grenzfläche ausbreiten. In bestimmten Ausführungsformen kann eine chemische Reaktion, wie z.B. eine zu chemischen Bindungen führende Polymerisation zwischen den Materialien der Tragstützen und denen der Membran und des Trägersubstrats stattfinden, wenn die anfängliche Bindung beginnt, sich auszubreiten.
In dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 78 Tragstützen 80 auf. Die Tragstützen 80 können ein oder mehrere Metalle, eine Metalllegierung und/oder Glasfritten enthalten. Ferner kann ein SOI-Wafer 81 mit einer Membran 82, einer BOX-Schicht 86 und einem Handhabungswafer 88 bereitgestellt werden. Die Membran 82 kann mit einer elektrisch isolierenden Schicht 84 verbunden werden. Weiterhin kann eine Grundelektrode 90 mit einer auf derselben angeordneten dielektrischen Schicht 92 mit dem Trägersubstrat 78 verbunden werden.
9 stellt eine alternative Ausführungsform des in 8 dargestellten Verfahrens dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 94 Tragstützen 96 auf. Die Tragstützen 96 können den Tragstützen 80 (8) ähnlich sein. Weiterhin kann ein SOI-Wafer 97 mit einer Membran 98, einer BOX-Schicht 102 und einem Handhabungswafer 104 mit den Tragstützen verbunden werden. Die Membran 98 weist weiterhin eine elektrisch isolierende Schicht 100 auf. Die cMUT-Zelle enthält ferner eine Grundelektrode 106, die auf dem Trägersubstrat 94 angeordnet ist.
Wie oben erwähnt kann das Trägersubstrat in bestimmten Ausführungsformen eine oder mehrere Durchkontaktierungen aufweisen, um die auf den gegenüberliegenden Seiten des Trägersubstrats angeordneten Komponenten elektrisch zu verbinden. Die Durchkontaktierungen können sich durch die Dicke des Glassubstrats hindurch erstrecken. Wie Fachleute erkennen sind die Durchkontaktierungen elektrisch leitfähige Strukturen, die verschiedene leitfähige oder metallisierte Schichten miteinander verbinden, die ansonsten durch eine oder mehrere isolierende Schichten getrennt sind. Auf diese Weise können elektrische Signale zwischen verschiedenen Schichten oder Leitern in einer Mehrschichtstruktur übertragen werden. In einigen Ausführungsformen können die Durchkontaktierungen dazu eingerichtet sein, eine elektrische Kommunikation zwischen der Membran und einer elektrischen Schaltung zu ermöglichen, die auf der Oberfläche des Substrats angeordnet und mit derselben verbunden ist, die der Oberfläche gegenüberliegt, die den akustischen Hohlraum bildet. Das bedeutet, dass die Durchkontaktierungen zum elektrischen Verbinden der cMUT-Zelle mit der gegenüberliegenden Seite des Trägersubstrats verwendet werden können. Die gegenüberliegende Seite des Trägersubstrats kann ihrerseits unter Anwendung von Packagingtechniken, wie z.B. Lötkontakthügeln an einen elektronischen Schaltkreis gebondet werden. In bestimmten Ausführungsformen können die Durchkontaktierungen vor der Herstellung des cMUT auf dem Substrat an dem Substrat ausgebildet werden. Die Verwendung von Durchkontaktierungen in einem Glassubstrat kann verschiedene lithographische Schritte, tiefes reaktives Ionenätzen oder andere Hochtemperaturverfahren entfallen lassen, die ansonsten zur Herstellung von cMUTs mit siliziumbasiertem Substrat verwendet würden, wodurch das Verfahren kostengünstiger wird.
Die 10–12 stellen alternative Ausführungsbeispiele des Verfahrens zur Herstellung von Durchkontaktierungen in dem Trägersubstrat, wie z.B. dem Trägersubstrat 10, 36, 52, 66, 78 oder 94 dar. Die Durchkontaktierungen können unterschiedliche Querschnitte aufweisen, z.B. können die Durchkontaktierungen einen kreisförmigen Querschnitt, einen elliptischen Querschnitt oder eine beliebige andere geometrische Form aufweisen. Weiterhin können die Durchkontaktierungen unterschiedliche Formen aufweisen. Zum Beispiel können die Durchkontaktierungen zylindrisch oder konisch sein. Auch die Ausrichtung der Durchkontaktierungen bezogen auf die Trägersubstratoberfläche kann variieren. Zum Beispiel können die Durchkontaktierungen zu der Oberfläche des Trägersubstrats rechtwinklig sein. Alternativ können die Durchkontaktierungen bezogen auf die Oberfläche des Trägersubstrats schräg sein. Die Durchkontaktierungen können z.B. an einer Oberfläche konvergieren und an der anderen divergieren, d.h. die Durchkontaktierungen können so angeordnet sein, dass sie eine Fan-Out-Anordnung von Bauelementen ermöglichen.
In dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel wird ein Trägersubstrat 108 zur Ausbildung von Durchkontaktierungen bereitgestellt. Das Trägersubstrat 108 kann ein intrinsischer oder ein niederohmiger Siliziumwafer sein. Zum Erstellen der Ätzmaske 110 und zum Festlegen des Durchmessers der Durchkontaktierung wird eine Lithographie vorgenommen. Die Ätzmaske 110 kann ein dielektrisches Material, wie z.B. ein Oxid oder ein Nitrid, ein elastisches Material, wie z.B. ein Fotoresist, und/oder ein Metall enthalten. Anschließend können die Durchkontaktierungen 112 durch Anwendung von Verfahren, wie z.B. Sandstrahlen, Ultraschallbohren, Laserbohren oder andere Mikrobearbeitung mikromaschinell bearbeitet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Mikrobearbeitung unter Anwendung von Nassätzen, elektrochemischem Ätzen oder Trockenätzen vorgenommen werden. In bestimmten Ausführungsformen kann das Nassätzen KOH, EDP und/oder TMAH anwenden.
Nach der Bildung der Durchkontaktierungen 112 wird die Ätzmaske 110 entfernt. Als nächstes kann durch das Vornehmen einer thermischen Oxidation an den Durchkontaktierungen 112 zur Bildung einer Oxidschicht 109 eine elektrische Isolierung geschaffen werden. Als nächstes wird ein Handhabungswafer 114 mit dem Trägersubstrat 108 verbunden. Der Handhabungswafer 114 kann eine darauf angeordnete Mehrschichtstruktur 115 aufweisen. Die Mehrschichtstruktur 115 kann eine zwischen zwei Schichten eines Fotoresists 116 angeordnete Metallschicht 118 enthalten. Die Struktur 118 kann als eine Keimschicht zum galvanischen Abscheiden eines Metalls in der Durchkontaktierung 112 dienen. Als nächstes wird das strukturierte Trägersubstrat 108 als Fotomaske verwendet, um die Mehrschichtstruktur 115 mit ultraviolettem Licht (UV) zu bestrahlen. Im Anschluss an die Bestrahlung wird die belichtete Schicht des Fotoresists von der Struktur 115 abgewaschen. Anschließend wird eine galvanische Metallabscheidung durchgeführt, um in der Durchkontaktierung 112 eine leitfähige Metallschicht 120 abzuscheiden. Die leitfähige Metallschicht 120 kann Kupfer, Nickel oder andere Me talle enthalten, die galvanisch abgeschieden werden können. Alternativ kann ein geschmolzenes Lot, wie z.B. Antimon oder ein beliebiges anderes leitfähiges-Material auch als Verbindung in der Durchkontaktierung 108 verwendet werden.
Der Handhabungswafer wird unter Anwendung von Lösungsmitteln oder Entwicklern entfernt, und auf beiden Seiten des Trägersubstrats 108 wird unter Anwendung von Ätzmitteln oder Lösungsmitteln ein chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgeführt. Anschließend werden Metallnassätzen und eine Lithographie durchgeführt, um die Kontakflächen 122 und 124 für die Elektronik auf beiden Seiten der Durchkontaktierung 108 zu schaffen. Anschließend kann unter Anwendung der oben beschriebenen Verfahren auf einer Seite des Trägersubstrats 108 ein cMUT hergestellt werden. Und durch elektronisches Packaging, wie z.B. Flip-Chip oder Chip-on-Board, kann mit der anderen Seite des Trägersubstrats 108 eine Verbindung hergestellt werden.
11 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen 132 in dem Trägersubstrat 126 dar. Das Trägersubstrat 126 kann ein Glaswafer sein. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Trägersubstrats 126 und einer Ätzmaske 128. Die Ätzmaske 128 wird unter Anwendung der Fotolithographie strukturiert. Anschließend wird in dem Trägersubstrat 126 unter Anwendung des unter Bezug auf 10 beschriebenen Verfahrens eine Durchkontaktierung 132 gebildet. Es sollte beachtet werden, dass die Maske 128 entweder auf beiden Seiten des Substrats 126 angeordnet sein kann oder nur auf einer Seite des Substrats 126 angeordnet sein kann, wie es dargestellt ist. Anschließend wird die strukturierte Fotomaske 128 entfernt. Als nächstes wird auf die Innenwände der Durchkontaktierung 132 und auf die Oberfläche des Trägersubstrats 126 eine Keimschicht 130 aufge bracht. Die Keimschicht 130 kann Chrom, Gold, Nickel, Kupfer oder andere leitfähige Materialien enthalten. Die Keimschicht 130 kann unter Anwendung des Sputterns aufgebracht werden.
Im Anschluss an das Aufbringen der Keimschicht 130 wird das Trägersubstrat 126 auf einem Substrathandhabungswafer 142 angeordnet. Der Handhabungswafer 142 kann eine Mehrschichtstruktur 143 enthalten. Die Mehrschichtstruktur 143 enthält eine metallische Keimschicht 146, die zwischen zwei Fotoresistschichten 144 angeordnet ist. Als nächstes wird eine der Fotoresistschichten 144 durch Fotolithographie weggeätzt, wie es oben erörtert worden ist. Als nächstes wird eine leitfähige Metallschicht 134 galvanisch abgeschieden, um die Durchkontaktierung 132 zu füllen.
Nachdem die Durchkontaktierung 132 mit der leitfähigen Metallschicht 134 gefüllt worden ist, wird der Handhabungswafer 142 entfernt, und beide Oberflächen des Trägersubstrats 126 werden auf ihre Oberflächenrauhigkeit durch CMP behandelt. Anschließend werden eine Lithographie und Nassätzen durchgeführt, um die Kontaktflächen auf den beiden Seiten zu bilden. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann zur Bildung der Kontaktflächen 138 und 140 eine zweite Maske verwendet werden.
12 zeigt noch ein weiteres alternatives Ausführungsbeispiel für das Verfahren zur Herstellung von Durchkontaktierungen in einem Glasträgersubstrat, wie z.B. dem Trägersubstrat 148. Wie bei den Ausführungsformen aus den 10 und 11 wird in 12 durch Anwendung einer Ätzmaske 150 in dem Trägersubstrat 148 eine Durchkontaktierung 156 gebildet. Anschließend wird ein Handhabungswafer 152, der eine darauf angeordnete Fotoresistschicht 154 aufweist, mit dem strukturierten Trägersubstrat 148 verbunden. Als Nächstes wird zur Verschaltung an den Wänden der Durchkontaktierung 156 zum Bei spiel durch Sputtern eine Schicht 158 aus leitfähigem Material aufgebracht. Die Schicht 158 aus leitfähigem Material kann Chrom, Aluminium, Gold, Nickel, Kupfer oder Kombinationen derselben enthalten. Anschließend kann eine Galvanisierung vorgenommen werden, um die Dicke der Schicht 158 zu vergrößern und die Durchkontaktierung 156 mit dem nicht leitfähigen Material 160, wie z.B. Polyimid, zu füllen. Die beim Galvanisieren verwendeten Metalle können Wolfram, Molybdän, Aluminium, Chrom, Nickel und/oder Kupfer enthalten.
Alternativ können nicht leitfähige Polymere, wie z.B. Polyimide und Parylen zum Füllen der Durchkontaktierung 156 verwendet werden. Die leitfähigen Polymere können durch Anwenden von Abscheidetechniken, wie z.B. Spinning oder chemischer Gasphasenabscheidung in der Durchkontaktierung aufgebracht werden. Weiterhin können die leitfähigen Polymere nach dem Auffüllen der Durchkontaktierung 156 ausgehärtet werden.
Anschließend kann das nichtleitfähige Material 160 geätzt oder poliert werden, um die Schicht 158 freizulegen. Weiterhin kann eine Metallisierung durchgeführt werden, um den freigelegten Bereich 159 der Schicht 158 des leitfähigen Materials zu bedecken, und der Handhabungswafer 152 kann entfernt werden, und auf derselben Seite des Trägersubstrats 148 kann ein cMUT hergestellt werden.
Die 13–16 stellen ein Verfahren zur Herstellung einer cMUT-Zelle auf einem Trägersubstrat dar, das durch eines der in den 10–12 dargestellten Verfahren gebildet worden ist. Das Trägersubstrat weist Durchkontaktierungen und Kontaktflächen auf. 13 stellt eine Draufsicht auf ein Trägersubstrat 170 mit mehreren Grundelektroden 172 und mehreren Kontaktflächen 174 dar, die darauf angeordnet sind. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Grundelektrode durch eine Metallisierung gebildet werden, der eine Lithographie folgt. Die Kontaktflächen 174 können den Kontaktflächen 122 oder 124 aus 10, 138 oder 140 aus 11 oder 162 aus 12 ähnlich sein. Anschließend kann unter Anwendung der oben im Bezug auf die 1–9 beschriebenen Techniken eine cMUT-Zelle auf dem Trägersubstrat 170 hergestellt werden. In bestimmten Ausführungsformen kann der Schritt der Vakuumabdichtung unter Verwendung des chemischen Gasphasenabscheidungsprozesses entfallen. Stattdessen kann das Vakuum in dem akustischen Hohlraum durch Bonden des Hohlraums in einer Vakuumumgebung erzeugt werden.
Weiterhin kann danach ein Glasfilm auf den Trägerwafer 170 aufgebracht werden. Der Glasfilm kann auf das Trägersubstrat 170 gesputtert oder durch Spin-Deposition aufgebracht werden und kann dazu verwendet werden, die Hohlraumtiefe des akustischen Hohlraums festzulegen. Der Glasfilm kann auch zum Bonden des Trägersubstrats an die Membran verwendet werden. Alternativ kann die Membran geätzt werden, um die Tragstützen zu bilden und die Hohlraumtiefe festzulegen. Wie in den 14 und 15 dargestellt werden das Trägersubstrat 170 und die Membran 176 nach dem Festlegen der Hohlraumtiefe unter Anwendung der oben unter Bezug auf die 1–9 erörterten Bondtechniken gebondet. Das Bonden kann im Vakuum durchgeführt werden. Das Substrat 170 weist Durchkontaktierungen 171 auf, die mit leitfähigen Materialien 173 gefüllt werden und an den beiden Oberflächen des Trägersubstrats 170 Kontaktflächen 175 bilden.
Anschließend kann die Membran 176 strukturiert werden, um die Topelektrode in Bereichen wie z.B. 180 zu öffnen, um Kontaktstellen 178 auf dem Trägersubstrat 170 freizulegen. Zwischen den auf dem Trägersubstrat 170 angeordneten Elementen des cMUT-Arrays kann auch eine elektrische Isolierung geschaf fen werden. Die elektrische Isolierung kann durch Entfernen eines Abschnitts der Membran 176 hergestellt werden.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel enthält die cMUT-Zelle weiterhin eine elektrisch isolierende Schicht 184, die auf der Membran 176 angebracht sein kann. Obwohl es nicht dargestellt ist, kann auf die Membran 176 ein leitfähiges Material aufgebracht werden, um die Topelektrode zu bilden. Die Metallisierung für die Topelektrode kann sich auch in den Bereichen ablagern, aus denen die Membran 176 entfernt worden ist. Das bedeutet, dass die Metallisierung auch an den Öffnungen 180 auftreten kann, wodurch elektrische Verbindungen zwischen der Topelektrode und den Kontaktflächen 178 gebildet werden. Anschließend kann zum Strukturieren der Topelektrode eine Lithographie durchgeführt werden.
16 stellt ein alternatives Ausführungsbeispiel des in 15 dargestellten cMUT-Arrays dar. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Trägersubstrat 188 Tragstützen 190 auf. Das Trägersubstrat 188 weist auch Durchkontaktierungen 192 auf, die mit leitfähigen Materialien gefüllt sind, wie es oben unter Bezug auf die 10–12 erwähnt worden ist. Die Durchkontaktierungen 192 weisen ferner Kontaktflächen 196 und 198 auf, die an den beiden gegenüberliegenden Oberflächen des Trägersubstrats 188 ausgebildet sind. Die Kontaktflächen können dazu eingerichtet sein, als Grundelektroden für den cMUT verwendet zu werden. Auf dem Trägersubstrat 188 können z.B. durch eine Metallisierung mit einer darauffolgenden Lithographie weitere Grundelektroden 200 gebildet werden. Weiterhin kann der cMUT eine Membran 202 mit einer darauf angeordneten, elektrisch isolierenden Schicht 204 enthalten, wobei jede elektrisch isolierende Schicht 204 einer Grundelektrode 198 oder 200 zugeordnet ist. Der cMUT kann ferner Topelektroden 206 aufweisen. Die Topelektroden 206 können unter Anwen dung der oben unter Bezug auf 15 beschriebenen Verfahren gebildet werden. Wie oben erwähnt können während des Vorgangs des Aufbringens der Topelektroden 206 elektrische Verbindungen 208 gebildet werden. Weiterhin kann der cMUT elektrische Isolierungen 210 aufweisen, die durch Entfernen eines Bereiches der Membran 202 nahe bei den Tragstützen und entfernt von den Top- und Grundelektroden 206 und 198 gebildet werden.
Die vorliegende Vorgehensweise ist im Hinblick auf cMUT-Elemente erörtert worden. Es sollte jedoch erkannt werden, dass ähnliche Vorgehensweisen auch für andere Halbleiterelemente, wie z.B. membranbasierte Elemente, angewandt werden können. Die Durchkontaktierungen der vorliegenden Technik können z.B. auch in mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) verwendet werden. Weiterhin können MEMS oder cMUT an den Kontaktflächen hergestellt werden, und elektronische Schaltkreise können unter Anwendung von Flip-Chip oder anderen Packagingtechniken unter diesem Substrat angebracht werden.
Es wird ein Verfahren zum Herstellen einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle geschaffen. Das Verfahren enthält das Bereitstellen eines Trägersubstrates 10, wobei das Trägersubstrat 10 Glas enthält. Der Schritt des Bereitstellens des Glassubstrats kann das Ausbilden von Durchkontaktierungen 171 in dem Glassubstrat enthalten. Ferner enthält das Verfahren das Bereitstellen einer Membran 14 in der Weise, dass das Trägersubstrat 10 und/oder die Membran 14 Tragstützen 12 aufweisen, wobei die Tragstützen 12 zum Festlegen der Tiefe eines Hohlraums eingerichtet sind. Das Verfahren enthält weiterhin das Bonden der Membran an das Trägersubstrat unter Verwendung der Tragstützen, wobei das Trägersubstrat, die Membran und die Tragstützen 12 einen akustischen Hohlraum bilden.
Obwohl nur bestimmte Merkmale der Erfindung dargestellt und beschrieben worden sind, werden Fachleuten zahlreiche Abwandlungen und Änderungen einfallen. Es muss daher erkannt werden, dass es beabsichtigt ist, dass die beigefügten Ansprüche alle diejenigen Abwandlungen und Änderungen abdecken, die unter den wahren Geist der Erfindung fallen.

10: Trägersubstrat
11: Hohlraum
12: Tragstütze
13: Höhe der Tragstützen
14: Membran
15: SOI-Wafer
16: Isolierende Schicht
18: Vergrabene Oxidschicht
20: Handhabungswafer
22: Grundelektrode
24: Dielektrische Schicht
28: Kontaktfläche
30: Vakuumloch
32: Dielektrische Schicht
34: Topelektrode
36: Trägersubstrat
38: Membran
40: Tragstütze
42: Isolierende Schicht
44: Vergrabene Oxidschicht
46: Handhabungswafer
48: Grundelektrode
50: Dielektrische Schicht
52: Trägersubstrat
54: Tragstütze
56: Membran
58: Isolierende Schicht
60: Handhabungswafer
62: Grundelektrode
64: Dielektrische Schicht
66: Trägersubstrat
68: Membran
70: Isolierende Schicht
71: Tragstütze
72: Handhabungswafer
74: Grundelektrode
76: Dielektrische Schicht
78: Trägersubstrat
80: Tragstütze
81: SOI-Wafer
82: Membran
84: Isolierende Schicht
86: Vergrabene Oxidschicht
88: Handhabungswafer
90: Grundelektrode
92: Dielektrische Schicht
94: Trägersubstrat
96: Tragstütze
97: SOI-Wafer
98: Membran
100: Isolierende Schicht
102: Vergrabene Oxidschicht
104: Handhabungswafer
106: Grundelektrode
108: Trägersubstrat
110: Maske
112: Kanal
114: Handhabungswafer
116: Fotoresistschicht
118: Keimschicht
120: Leitfähige Metallschicht
122: Kontaktfläche für die Zelle
124: Kontaktfläche für einen elektronischen Schaltkreis
126: Trägersubstrat
128: Maske
130: Keimschicht
132: Kanal
134: Leitfähige Metallschicht
136: Oberfläche des metallisierten Bereiches
138: Kontaktfläche für die Zelle
140: Kontaktfläche für einen elektronischen Schaltkreis
142: Handhabungswafer
143: Mehrschichtstruktur
144: Fotoresistschicht
146: Nickel-Chrom-Schicht
148: Trägersubstrat
150: Maske
152: Handhabungswafer
154: Fotoresistschicht
156: Kanal
158: Keimschicht
160: Leitfähiges Material
162: Kontaktfläche für einen elektronische Schaltkreis
164: Trägersubstrat mit Durchkontaktierung
166: Kontaktfläche für die Zelle
168: Membran
170: Elektronischer Schaltkreis
171: Durchkontaktierung
172: Grundelektrode
173: Leitfähiges Material
174: Kontaktfläche
175: Kontaktfläche
176: Tragstütze
178: Leitfähiges Material
180: Kontaktfläche
182: Elektrische Isolierung
184: Membran
188: Trägersubstrat
190: Tragstütze
192: Durchkontaktierung
194: Leitfähiges Material in der Durchkontaktierung
196: Kontaktfläche
198: Grundelektrode
200: Grundelektrode
202: Membran
204: Oxidschicht
206: Topelektrode
208: Elektrische Verbindung
210: Elektrische Isolierung

Claims

Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle, das enthält: Bereitstellen eines Trägersubstrats (10), wobei das Trägersubstrat (10) Glas enthält; Bereitstellen einer Membran (14) in der Weise, dass das Trägersubstrat (10) und/oder die Membran (14) Tragstützen (12) aufweisen, wobei die Tragstützen (12) dazu eingerichtet sind, die Tiefe eines Hohlraums festzulegen; und Bonden der Membran (14) an das Trägersubstrat (10) unter Verwendung der Tragstütze (12), wobei das Trägersubstrat (10), die Membran (14) und die Tragstützen (12) einen akustischen Hohlraum bilden.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das Glas ein natriumreiches Glas enthält.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem das Glas ein Borsilikatglas enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Trägersubstrats (10) weiterhin die Schaffung einer Grundelektrode (22) auf dem Trägersubstrat (10) in der Weise enthält, dass der akustische Hohlraum durch die Grundelektrode (22) und die Membran (14) begrenzt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bondens anodisches Bonden, ein Solder Bonding, chemisches Bonden oder Kombinationen derselben enthält.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt des Bereitstellens des Trägersubstrats (10) weiterhin das Bilden einer Durchkontaktierung (171) in dem Substrat (10) enthält.
Verfahren zur Herstellung einer kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerzelle, das enthält: Bereitstellen eines Trägersubstrats (108) mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei das Trägersubstrat Glas enthält; Bilden einer Durchkontaktierung (112) in dem Trägersubstrat (108), wobei sich die Durchkontaktierung (112) von der ersten Oberfläche zu der zweiten Oberfläche des Trägersubstrats (108) erstreckt; und Verbinden einer Membran (184) mit dem Trägersubstrat (108), um einen akustischen Hohlraum zu bilden, wobei eine Tiefe des akustischen Hohlraums durch Tragstützen (176) festgelegt wird und das Trägersubstrat (108) und/oder die Membran (184) die Tragstützen (176) aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines kapazitiven mikrobearbeiteten Ultraschalltransducerarrays, wobei das Verfahren enthält: Bereitstellen eines Glassubstrats mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche in mehrere Bereiche unterteilt ist; Bilden von Durchkontaktierungen (192) in dem Glassubstrat, wobei sich die Durchkontaktierungen von der ersten Oberfläche des Glassubstrats zu der zweiten Oberfläche des Glassubstrats erstrecken; Aufbringen einer Grundelektrode (198) auf jeden der Bereiche der ersten Oberfläche des Glassubstrats; Verbinden mehrerer Membranen (202) mit dem Glassubstrat in der Weise, dass jede Membran (202) mit einem Bereich des Glassubstrats verbunden wird, um einen akustischen Hohlraum zu bilden, wobei eine Tiefe des akustischen Hohlraums durch Tragstützen (190) festgelegt wird, die in dem Glassubstrat oder der Membran (202) angeordnet sind; und Aufbringen von Kontaktflächen (28) auf der ersten Oberfläche des Glassubstrats in der Weise, dass die Kontaktflächen (28) auf den Bereichen des Glassubstrats gebildet werden, die der akustische Hohlraum nicht verwendet, wobei jede Kontaktfläche (28) mit einer zugehörigen Durchkontaktierung in einer elektrischen Verbindung steht.
Verfahren nach Anspruch 8, bei dem das Verbinden anodisches Bonden, Solder Bonding, chemisches Bonden oder Kombinationen derselben enthält.
Kapazitive mikrobearbeitete Ultraschalltransducerzelle, die aufweist: ein Glassubstrat mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche und eine auf die erste Oberfläche des Glassubstrats gebondete Membran, wobei die erste Oberfläche des Glassubstrats oder die Membran einen Hohlraum bildet.