Емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, и способ его изготовления - RU2618731C2
Код документа: RU2618731C2
Чертежи
Описание
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к способу изготовления емкостного преобразователя, полученного микрообработкой, в частности емкостного ультразвукового преобразователя, полученного микрообработкой (CMUT), для передачи и/или приема ультразвуковых волн. Настоящее изобретение дополнительно относится к емкостному преобразователю, полученному микрообработкой, в частности емкостному ультразвуковому преобразователю, полученному микрообработкой (CMUT), для передачи и/или приема ультразвука.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
В основе любой ультразвуковой системы (формирования изображения) лежит преобразователь, который преобразует электрическую энергию в акустическую энергию и обратно. Традиционно, эти преобразователи выполнены из пьезоэлектрических кристаллов, размещенных в виде линейных (1-D) массивов преобразователей, и работающих на частотах до 10 МГц. Однако тенденция к использованию матричных (2-D) массивов преобразователей и к миниатюризации для встраивания ультразвуковых функциональных возможностей (формирования изображения) в катетеры и направляющие провода, привела к развитию так называемых емкостных ультразвуковых преобразователей, полученных микрообработкой (CMUT). CMUT содержит мембрану (или диафрагму), полость под мембраной и электроды, образующие конденсатор. Для приема ультразвуковых волн, ультразвуковые волны вынуждают мембрану двигаться или колебаться, и изменение емкости между электродами можно регистрировать. Таким образом, ультразвуковые волны преобразуются в соответствующий электрический сигнал. Напротив, электрический сигнал, подаваемый на электрод, вынуждает мембрану двигаться или колебаться и, таким образом, передавать ультразвуковые волны.
Однако зарядка является известным недостатком емкостного ультразвукового преобразователя, полученного микрообработкой. В WO 2010/032156 A2 описан емкостной ультразвуковой преобразователь, полученный микрообработкой с особой слоистой структурой, которая решает проблему зарядки. Первый изоляционный слой, содержащий диэлектрик, размещен между первым электродом и вторым электродом. Дополнительно, второй изоляционный слой, содержащий диэлектрик, может размещаться между вторым электродом и полостью. В частности, так называемый диэлектрический слой ONO (оксид-нитрид-оксид) дает решение проблемы зарядки.
В WO 2010/032156 A2, первый диэлектрический изоляционный слой и второй диэлектрический изоляционный слой электрически изолируют первый электрод и второй электрод. Такие диэлектрические изоляционные слои определяют в достаточной степени, общие эксплуатационные показатели устройства CMUT. В идеальном случае, диэлектрические изоляционные слои очень тонки или имеют высокую диэлектрическую проницаемость и высокое напряжение пробоя. Однако диэлектрический слой ONO имеет свои ограничения и может осаждаться только на относительно толстые слои (например, около 250 нм с использованием PECVD) и низкую диэлектрическую проницаемость, поскольку диэлектрическая проницаемость нитрид составляет примерно от 5 до 7. Таким образом, эксплуатационные показатели CMUT ограничиваются минимальной толщиной диэлектрического слоя ONO, напряжением электрического пробоя и его диэлектрической проницаемостью. Конкретная проблема такого устройства CMUT может состоять в том, что рабочее напряжение является довольно высоким, и выходное давление является сравнительно низким. Поэтому существует необходимость в дополнительном усовершенствовании такого CMUT.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного емкостного преобразователя, полученного микрообработкой (в частности, CMUT), в частности, с улучшенными эксплуатационными показателями (например, снижением рабочего напряжения и/или увеличением выходного давления) и/или более простого в изготовлении. Еще одной задачей настоящего изобретения является обеспечение усовершенствованного способа изготовления такого емкостного преобразователя, полученного микрообработкой (в частности, CMUT).
В первом аспекте настоящего изобретения, представлен способ изготовления емкостного преобразователя, полученного микрообработкой, в частности CMUT, причем способ содержит: осаждение первого электродного слоя на подложку, осаждение первой диэлектрической пленки на первый электродный слой, осаждение жертвенного слоя на первую диэлектрическую пленку, причем жертвенный слой выполнен с возможностью удаления для формирования полости преобразователя, осаждение второй диэлектрической пленки на жертвенный слой, осаждение второго электродного слоя на вторую диэлектрическую пленку, причем первая диэлектрическая пленка и/или вторая диэлектрическая пленка содержит первый слой, содержащий оксид, второй слой, содержащий материал с высокой k, и третий слой, содержащий оксид, причем этапы осаждения осуществляются посредством атомно-слоевого осаждения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения, представлен емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, в частности CMUT, изготовленный способом настоящего изобретения.
В дополнительном аспекте настоящего изобретения, представлен емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, в частности CMUT, содержащий: первый электродный слой на подложке, первую диэлектрическую пленку на первом электродном слое, полость, сформированную поверх первой диэлектрической пленки, вторую диэлектрическую пленку, покрывающую полость, и второй электродный слой на второй диэлектрической пленке, причем первая диэлектрическая пленка и/или вторая диэлектрическая пленка содержит первый слой, содержащий оксид, второй слой, содержащий материал с высокой k, и третий слой, содержащий оксид.
Основной принцип изобретения состоит в использовании диэлектрического изоляционного слоя, содержащего оксидный слой (O), слой с высокой k и другой оксидный слой (O). Другими словами, слой с высокой k располагается между двумя слоями оксида (в частности, оксида кремния). Это так называемый ламинат. Высокая k означает высокую диэлектрическую проницаемость (например, 8 или более). Диэлектрическая проницаемость обычно сокращенно обозначается буквой k (или также εr). По сравнению с диэлектрическим изоляционным слоем ONO, эксплуатационные показатели преобразователя можно значительно улучшить (например, повысить выходное давление при более низком рабочем напряжении) таким образом. Таким образом, замена диэлектрического изоляционного слоя ONO материалом с высокой k, осажденного методом атомно-слоевого осаждения (ALD), дает значительное повышение эксплуатационных показателей CMUT в отношении рабочего напряжения и выходного давления. Дополнительно, можно добиться аналогичных эксплуатационных показателей в отношении стабильности устройства (в частности, постоянства выхода во времени), по сравнению с диэлектрическим изоляционным слоем ONO. Другими словами, ламинат не хранит электрических зарядов, которые приводят к дрейфу ультразвукового выхода.
Настоящее изобретение использует атомно-слоевое осаждение (ALD) для способа изготовления. Метод ALD дает преимущества и возможности преодолеть современные ограничения обработки и, соответственно, ограничения эксплуатационных показателей CMUT. Предусмотрен способ изготовления, позволяющий осаждать все функциональные слои CMUT (AL-ALD CMUT) в одной единственной последовательности обработки, в частности, в управляемых условиях, не подвергая подложку воздействиям окружающей среды, что, в общем случае, необходимо в ходе традиционной обработки. Функциональные слои CMUT, в частности, представляют собой первый электродный слой (обеспечивающий первый электрод), первую диэлектрическую пленку (обеспечивающую электрическую изоляцию), жертвенный слой (образующий полость), вторую диэлектрическую пленку (обеспечивающую электрическую изоляцию) и вторую электродную пленку (обеспечивающую второй электрод). Этот процесс также называется процессом всеслоевого ALD (AL-ALD) CMUT. Таким образом, получается пластина со стопкой осажденных слоев (или пленок). Поскольку пластина не покидает аппарат ALD при наращивании стопки слоев, можно добиться очень чистых границ раздела материалов. Дополнительно, улучшения эксплуатационных показателей можно добиться регулировкой и тонкой настройкой, например свойств механического напряжения и зарядки, отдельных слоев и границ раздела.
Атомно-слоевое осаждение это метод осаждения тонких пленок, который базируется на последовательном использовании газофазного химического процесса. В большинстве реакций ALD используется два химиката, обычно именуемых "прекурсорами". Эти прекурсоры реагируют с поверхностью по очереди в последовательном режиме. Тонкая пленка осаждается в результате неоднократной обработки прекурсорами ростовой поверхности. ALD является самоограничивающейся (т.е. количество тонкого материала, осажденного в каждом цикле реакции постоянно), последовательной химической обработкой поверхности, в которой конформные тонкие пленки материалов осаждаются на подложки переменных составов. Слои, осажденные методом ALD, в общем случае, аморфны. Слои, осажденные методом ALD, в общем случае имеют высокое качество, не содержат проколов и могут осаждаться при низких температурах. Вследствие низкой температуры процесса ALD совместимо с КМОП. В частности, используя ALD (например, инструмент ALD) можно осаждать очень тонкие слои (например, значительно менее 100 нм) и не содержащие проколов. Более тонкий диэлектрический изоляционный слой дает увеличенное выходное давление при более низком рабочем напряжении и повышенную приемную чувствительность. Дело в том, что мембрана притягивается электрической силой между электродами в направлении дна полости. Тонкая диэлектрическая пленка или материал, имеющий высокую диэлектрическую проницаемость (также именуемый материалом высокого эпсилон или материалом с высокой k), значительно увеличивает эту электрическую силу, которая генерирует повышенную выходную мощность или увеличивает приемную чувствительность (на основании закона обратных квадратов Кулона). Это, в частности, справедливо для CMUT, действующего в режиме схлопывания (т.е. мембрана частично касается дна полости в ходе эксплуатации, например, посредством подачи напряжения смещения между электродами), но, в общем случае, также для CMUT в режиме без схлопывания.
Предпочтительные варианты осуществления изобретения заданы в зависимых пунктах формулы изобретения. Следует понимать, что заявленный CMUT имеет предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам осуществления заявленного способа, заданные в зависимых пунктах формулы изобретения. Таким же образом, следует понимать, что заявленный способ имеет предпочтительные варианты осуществления, аналогичные и/или идентичные предпочтительным вариантам осуществления заявленного способа, заданные в зависимых пунктах формулы изобретения.
Согласно варианту осуществления, материалом с высокой k является оксид алюминия (Al2O3) и/или оксид гафния (HfO2). Оксид алюминия (k или εr от 7 до 9, в частности, около 8 или 9) или оксид гафния (k или εr от 12 до 27, в частности около 14 или 20) имеет высокую диэлектрическую проницаемость. В одном примере, таким образом, можно обеспечить ламинат (перемежающиеся слои) оксида - оксида алюминия - оксида (сокращенно обозначенного OAO). В другом примере, таким образом, можно обеспечить ламинат (перемежающиеся слои) оксида - оксида гафния - оксида (сокращенно обозначенного OHO).
В другом варианте осуществления, второй слой содержит первый подслой, содержащий оксид алюминия, второй подслой, содержащий оксид гафния, и третий подслой, содержащий оксид алюминия. Таким образом, можно обеспечить ламинат (перемежающиеся слои) оксида - оксида алюминия - оксида гафния - оксид алюминия - оксида (сокращенно обозначенного OAHAO). Оксид алюминия (также именуемый глиноземом) имеет высокую диэлектрическую проницаемость в сочетании с высоким напряжением электрического пробоя. Оксид гафния имеет еще более высокую диэлектрическую проницаемость, но низкое напряжение пробоя. Поэтому диэлектрический изоляционный слой OAHAO объединяет в себе низкое механическое напряжение, высокую диэлектрическую проницаемость и высокое напряжение пробоя.
В другом варианте осуществления, второй слой имеет толщину менее 100 нм. Таким образом, можно обеспечить очень тонкий слой с высокой k, в частности с использованием ALD.
В дополнительном варианте осуществления, способ дополнительно содержит формирование рисунка в, по меньшей мере, одном(й) из осажденных слоев и пленок. В частности, в большинстве или всех из осажденных слоях и пленках можно сформировать рисунок. Таким образом, способ изготовления может использовать формирование рисунка по нисходящей технологии. Формирование рисунка по нисходящей технологии снабжает CMUT характерной пирамидальной структурой, в частности ступенчатой пирамидальной структурой. Это типичное поперечное сечение можно идентифицировать способами анализа с использованием, например, поперечного сечения FIB или SEM (растрового электронного микроскопа). Формирование рисунка означает приведение структуры (например, стопки осажденных слоев) к рисунку. Это можно осуществлять, например, с использованием (фото) литографии, где экспонируется фоточувствительный материал. Инструмент экспозиции называется степпером. Фоточувствительный слой, именуемый резистом, проявляется. Рисунок можно вытравливать в слое. Процесс травления может быть "жидкостным" или "сухим" процессом.
Согласно разновидности этого варианта осуществления, формирование рисунка содержит этап формирования рисунка во втором электродном слое. Таким образом, можно задавать поперечный размер второго электрода. Например, во втором электродном слое можно сформировать рисунок так, чтобы он был меньше, чем первый электродный слой. Таким образом, осуществляется формирование рисунка по нисходящей технологии (например, с использованием первой маски травления). Таким образом, обеспечивается характерная пирамидальная структура, в частности ступенчатая пирамидальная структура.
В другой разновидности этого варианта осуществления, формирование рисунка содержит этап формирования рисунка в жертвенном слое и/или в первом электродном слое. Формируя рисунок в жертвенном слое, можно задавать поперечный размер полости. Таким образом, дополнительно осуществляется формирование рисунка по нисходящей технологии (например, с использованием второй маски травления). Формирование рисунка в жертвенном слое может осуществляться на этапе, отдельном от этапа формирования рисунка во втором электродном слое. Альтернативно, формирование рисунка в жертвенном слое и формирование рисунка во втором электродном слое может осуществляться на общем этапе. Формируя рисунок в первом электродном слое, можно задавать поперечный размер первого электрода. Таким образом, дополнительно осуществляется формирование рисунка по нисходящей технологии (например, с использованием третьей маски травления). Формирование рисунка в первом электродном слое может осуществляться на этапе, отдельном от этапа формирования рисунка во втором электродном слое и/или этапа формирования рисунка в жертвенном слое. Альтернативно, формирование рисунка в первом электродном слое и формирование рисунка в жертвенном слое может осуществляться на общем этапе. Это также можно осуществлять на общем этапе с формированием рисунка во втором электродном слое.
В другом варианте осуществления или его разновидности, в большинстве или всех осажденных слоях и пленках формируют рисунок. В частности, в большинстве или во всех из слоев и пленок, осажденных методом ALD, формируется рисунок после осаждения методом ALD. В частности, во всех функциональных слоях CMUT формируется рисунок. В частности, в первом электродном слое, первой диэлектрической пленке, жертвенном слое, второй диэлектрической пленке и втором электродном слое формируется рисунок. Это формирование рисунка может содержать множественные этапы, например первый этап формирования рисунка в самом(ых) верхнем(их) слое(ях) и второй этап формирования рисунка в самом(ых) нижнем(их) слое(ях). На каждом этапе в слоях можно формировать рисунок, чтобы они имели разные поперечные размеры (в направлении, параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев). Таким образом, можно создавать (ступенчатую) пирамидальную структуру. Альтернативно, формирование рисунка может осуществляться на одном этапе, в котором в слоях формируется рисунок, чтобы иметь одинаковый поперечный размер.
В другом варианте осуществления, способ дополнительно содержит осаждение диэлектрического слоя, покрывающего осажденные слои и пленки. Этот этап осаждения, в частности, можно осуществлять с использованием атомно-слоевого осаждения. Диэлектрический слой, в частности, может покрывать верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок с, по существу, одинаковым покрытием. Это обеспечивает очень хорошее ступенчатое покрытие, в частности методом атомно-слоевого осаждения.
В другом варианте осуществления, способ дополнительно содержит удаление жертвенного слоя посредством обеспечения ямки травления и травления жертвенного слоя для формирования полости. Таким образом, полость CMUT обеспечивается (например, с использованием четвертой маски травления) простым образом.
В другом варианте осуществления, первая диэлектрическая пленка и/или вторая диэлектрическая пленка содержит остатки процесса, например остатки углерода или хлора. Эти остатки могут быть остатками прекурсора(ов) используемого(ых) в процессе ALD. Это свидетельствует о том, что CMUT изготовлен с использованием атомно-слоевого осаждения. Остатки можно обнаруживать, например, с использованием XPS (рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии) или других способов характеризации, например SIMS (масс-спектроскопии вторичных ионов).
В другом варианте осуществления, первый электродный слой и/или второй электродный слой содержит неметаллический проводящий материал. Таким образом, метод атомно-слоевого осаждения может давать уникальную возможность осаждать все функциональные слои CMUT в ходе одной единственной последовательности обработки. Неметаллическим проводящим материалом может быть, например, полупроводник.
Согласно разновидности этого варианта осуществления, неметаллическим проводящим материалом является, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, содержащей TiN (нитрид титана), TaN (нитрид тантала), TaCN, IrO2 (оксид иридия), ITO (оксид индия-олова), LaNiO3 и SrRuO3 (рутенат стронция). Эти материалы пригодны для атомно-слоевого осаждения. В разновидности этой разновидности, неметаллическим проводящим материалом является TiN (нитрид титана). Нитрид титана особенно пригоден, в частности, для атомно-слоевого осаждения. Например, нитрид титана имеет низкое электрическое сопротивление (например, по сравнению с поликремнием) и/или допускает осаждение очень тонким слоем (например, по сравнению с поликремнием).
В альтернативном варианте осуществления, первый электродный слой и/или второй электродный слой содержит металлический проводящий материал. В частности, металлический проводящий материал может содержать, по меньшей мере, один материал, выбранный из группы, содержащей Ni (никель), медь (Cu), W (вольфрам), Pt (платину), Ir (иридий) и Al (алюминий). Например, металл может быть их сплавом.
В другом варианте осуществления в, по меньшей мере, один снабженный(ая) рисунком слой и/или пленка заканчивается внезапно или разрывно на своих сторонах. Другими словами, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя, по существу, ортогональны друг другу. Это свидетельствует о том, что CMUT изготовлен с использованием формирования рисунка. В идеале, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя ортогональны (90°) или располагаются под прямым углом друг другу. Однако, в действительности слой имеет некоторый наклон вследствие неидеальности процесса формирования рисунка (в частности, травления), или наклон можно применять умышленно. Кроме того, скорости травления различных материалов не равны. Таким образом, при формировании рисунка (в частности, травления) в стопке слоев с разными свойствами, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя на его конце не будут образовывать в точности прямой угол. Можно создавать, например, нависающую структуру. Таким образом, под, по существу, ортогональным можно понимать угол от 70° до 110° (90°±20°) или от 80° до 100° (90°±10°) или от 85° до 95° (90°±5°).
В другом варианте осуществления, CMUT дополнительно содержит диэлектрический слой, покрывающий осажденные слои и пленки. В частности, диэлектрический слой покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок с, по существу, одинаковым покрытием. Это свидетельствует о том, что CMUT обеспечивает очень хорошее ступенчатое покрытие, в частности с использованием атомно-слоевого осаждения. В частности, вертикальные участки диэлектрического слоя могут проходить, по существу, ортогонально осажденным слоям и/или пленкам. Как объяснено выше, под, по существу, ортогональным можно понимать угол от 70° до 110° (90°±20°) или от 80° до 100° (90°±10°) или от 85° до 95° (90°±5°).
В другом варианте осуществления, во втором электродном слое формируется рисунок так, чтобы он был меньше, чем первый электродный слой. Это свидетельствует о том, что CMUT изготовлен с использованием формирования рисунка по нисходящей технологии. Таким образом, обеспечивается характерная пирамидальная структура, в частности ступенчатая пирамидальная структура.
В другом варианте осуществления, CMUT дополнительно содержит по меньшей мере, одну проводящую перемычку, проходящую от первого электродного слоя и/или второго электродного слоя в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев. Таким образом, проводящая перемычка ортогональна или располагается под прямым углом к осажденным слоям. Таким образом, первый электрод, второй электрод, или оба, можно снабжать электрическим соединением. Например, проводящая перемычка может быть электрически подключена к ASIC под CMUT.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Эти и другие аспекты изобретения явствуют из и будут пояснены со ссылкой на вариант(ы) осуществления описанные ниже. В нижеследующих чертежах
фиг. 1a-j демонстрируют способ изготовления CMUT согласно первому варианту осуществления;
фиг. 1j демонстрирует схематический вид в разрезе CMUT согласно первому варианту осуществления;
фиг. 2a-j демонстрируют способ изготовления CMUT согласно второму варианту осуществления;
фиг. 2j демонстрирует вид в разрезе CMUT согласно второму варианту осуществления;
фиг. 3a-h демонстрируют способ изготовления CMUT согласно третьему варианту осуществления;
фиг. 3h демонстрирует схематический вид в разрезе CMUT согласно третьему варианту осуществления;
фиг. 4 демонстрирует график зависимости диэлектрической проницаемостью (эпсилон) от относительного акустического выходного давления CMUT; и
фиг. 5 демонстрирует иллюстративный график зависимости электрического поля в диэлектрике от тока, текущего через диэлектрик.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ФИГ. 1a-j демонстрируют способ изготовления CMUT 100 согласно первому варианту осуществления. В частности, фиг. 1b-j демонстрируют схематическую последовательность операций процесса, сверху вниз после осаждения всех функциональных слоев CMUT в одной последовательности обработки (см. фиг. 1a) с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD).
Способ начинается с последовательности обработки использования ALD (см. фиг. 1a). Сначала первый электродный слой 10 осаждается на подложке (не показана) или диэлектрическом слое 11. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1a, диэлектрический слой 11 обеспечивается или осаждается между подложкой и первым электродным слоем 10. Диэлектрический слой 11 в этом случае является первым слоем на подложке. В этом случае, диэлектрический слой может быть выполнен, например, из оксида (кремния) или нитрида (кремния), в частности, при обработке на ASIC, где этап планаризации часто используется для создания гладкой поверхности. Однако диэлектрический слой 11 также можно исключить. Затем первая диэлектрическая пленка 20 осаждается на первый электродный слой 10, и жертвенный слой 30 осаждается на первую диэлектрическую пленку 20. Жертвенный слой 30 выполнен с возможностью удаления для формирования полости преобразователя в дальнейшем. Затем вторая диэлектрическая пленка 40 осаждается на жертвенный слой 30. Затем второй электродный слой 50 осаждается на вторую диэлектрическую пленку 40. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 1a, дополнительный диэлектрический слой 51 осаждается на второй электродный слой 50. Диэлектрический слой 51 покрывает или защищает второй электродный слой 40, в частности, когда осуществляется жертвенное травление для удаления жертвенного слоя 30. Однако диэлектрический слой 51 также можно исключить. Каждый из этих вышеописанных этапов осаждения осуществляется методом атомно-слоевого осаждения (ALD). Таким образом, обеспечивается стопка перемежающихся слоев диэлектрического материала и проводящего материала (см. фиг. 1a). Таким образом, все функциональные слои CMUT (AL-ALD CMUT) осаждаются в одной единственной последовательности обработки, т.е. за один проход в аппарате ALD, при этом пластина не покидает аппарат, но может иметь место несколько этапов (обработки или осаждения). Таким образом, различные материалы можно укладывать поверх друг друга в одной последовательности обработки, но в этой последовательности обработки материалы один за другим осаждаются на различных этапах (обработки или осаждения). Этот процесс или последовательность обработки также называется процессом всеслоевого ALD (AL-ALD) CMUT.
Способ дополнительно содержит формирование рисунка в, по меньшей мере, одном(й) из осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50, 51. Пример такого формирования рисунка будет объяснен со ссылкой на фиг. 1b-d. Способ изготовления использует формирование рисунка по нисходящей технологии. Формирование рисунка по нисходящей технологии снабжает CMUT характерной пирамидальной структурой, в частности ступенчатой пирамидальной структурой (типичное поперечное сечение которого можно идентифицировать, например, способами анализа с использованием поперечного сечения FIB или SEM). По меньшей мере, один снабженный(ая) рисунком слой и/или пленка заканчивается внезапно или разрывно на своих сторонах. Другими словами, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя, по существу, ортогональны друг другу. Это свидетельствует о том, что CMUT изготовлен с использованием формирования рисунка. В идеале, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя ортогональны (90°) друг другу. Однако в действительности слой имеет некоторый наклон вследствие неидеальности процесса формирования рисунка (в частности, травления), или наклон можно применять умышленно. Кроме того, скорости травления различных материалов не равны. Таким образом, при формировании рисунка (в частности, травления) в стопке слоев с разными свойствами, верхняя поверхность и боковая поверхность слоя на его конце не будут образовывать в точности прямой угол. Можно создавать, например, нависающую структуру. Таким образом, под, по существу, ортогональным можно понимать угол от 70° до 110° (90°±20°) или от 80° до 100° (90°±10°) или от 85° до 95° (90°±5°).
В этом первом варианте осуществления, как можно видеть на фиг. 1b, формирование рисунка содержит первый этап формирования рисунка во втором электродном слое 50. Это осуществляется с использованием первой маски травления (обозначенной как "маска 1"). Таким образом, задается поперечный размер (в направлении, параллельном верхним поверхностям слоев или верхней поверхности подложки) или длина второго электрода 50. В этом примере, на первом этапе формирования рисунка во второй диэлектрической пленке 40 также формируется рисунок (а также в дополнительном диэлектрическом слое 51 на втором электродном слое 50). Как можно видеть, во втором электродном слое 50 формируется рисунок так, чтобы он был меньше, чем первый электродный слой 10. Например, во втором электродном слое 50 можно формировать рисунок в форме кольцевого электрода. Это полезно для акустических эксплуатационных показателей. Формирование рисунка дополнительно содержит второй (отдельный) этап формирования рисунка в жертвенном слое 30, как указано на фиг. 1c. Это осуществляется с использованием второй маски травления (обозначенной как "маска 2"). Таким образом, можно задавать поперечный размер (в направлении, параллельном верхним поверхностям слоев или верхней поверхности подложки) или длину полости CMUT. Кроме того, как показано на фиг. 1d, формирование рисунка содержит третий (отдельный) этап формирования рисунка в первом электродном слое 10. Это осуществляется с использованием третьей маски травления (обозначенной как "маска 3"). Таким образом, задается поперечный размер (в направлении, параллельном верхним поверхностям слоев или верхней поверхности подложки) или длина первого электрода 10. В этом примере, на третьем этапе формирования рисунка в первой диэлектрической пленке 20 также формируют рисунок. В этом примере не формируют рисунок только в диэлектрическом слое 11 на подложке. Таким образом, в большинстве осажденных слоев и пленок (за исключением диэлектрического слоя 11) теперь сформирован рисунок. На этом этап формирования рисунка после осаждения методом ALD заканчивается. Теперь во всех осажденных функциональных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50, 51 CMUT сформирован рисунок.
На следующем этапе, согласно фиг. 1e, способ содержит осаждение диэлектрического слоя 60, покрывающего осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50, 51. Этот этап осаждения, опять же, можно осуществлять с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD). Альтернативно, можно использовать другой метод, например PECVD. Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50, 51 с, по существу, одинаковым покрытием (например, толщина горизонтального участка диэлектрического слоя 60 и толщина вертикального участка диэлектрического слоя 60 по существу, одинаковы). Таким образом, обеспечивается очень хорошее ступенчатое покрытие. Другими словами, вертикальные участки диэлектрического слоя 60 и горизонтальные участки диэлектрического слоя 60 имеют примерно одинаковое покрытие или одинаковую толщину (см. фиг. 1e). Вертикальные участки (в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев или верхней поверхности подложки) диэлектрического слоя 60 проходят, по существу, ортогонально осажденным слоям и пленкам 10, 20, 30, 40, 50, 51. В идеале, вертикальные участки диэлектрического слоя 60 ортогональны (90°) или располагаются под прямым углом к осажденным слоям и/или пленкам. Однако, в действительности, диэлектрический слой 60 имеет некоторый наклон. Поэтому вертикальные участки диэлектрического слоя 60 не будут располагаться в точности под прямым углом. Таким образом, под, по существу, ортогональным можно понимать угол от 70° до 110° (90°±20°) или от 80° до 100° (90°±10°) или от 85° до 95° (90°±5°).
Затем способ содержит удаление жертвенного слоя 30 посредством обеспечения ямки 32 травления (см. фиг. 1f), в частности, множественных ямок травления (например, трех или более), и травления жертвенного слоя 30 для формирования полости 35 (см. фиг. 1g). Обеспечение ямки 32 травления осуществляется с использованием четвертой маски травления (обозначенной как "маска 4"). Ямка 32 травления обеспечивается в диэлектрическом слое 60. Высота (в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев или верхней поверхности подложки) полости задается толщиной удаленного жертвенного слоя 30. Затем, согласно фиг. 1h, можно обеспечить дополнительный слой 70, в частности дополнительный диэлектрический слой, покрывающий диэлектрический слой 60. Дополнительный слой 70 закрывает или запечатывает ямки 32 травления.
Дополнительно, способ содержит обеспечение, по меньшей мере, одной проводящей перемычки 15, 55, проходящей от первого электродного слоя 10 и второго электродного слоя 50, соответственно, в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев (или верхней поверхности подложки). Таким образом, проводящая перемычка 15, 55 ортогональна или располагается под прямым углом к осажденным слоям. В этом примере, это осуществляется посредством обеспечения ямки 62 травления и наполнения ямки 62 травления проводящим материалом для формирования проводящей перемычки 15, 55. В данном случае, обеспечивается первая ямка 62 травления, ведущая к первому электродному слою 10 (через дополнительный слой 70, диэлектрический слой 60 и первую диэлектрическую пленку 20). Обеспечивается вторая ямка 62 травления, ведущая ко второму электродному слою 50 (через диэлектрический слой 60 и дополнительный слой 70). Первая ямка 62 травления заполняется проводящим материалом для формирования перемычки 15 от первого электродного слоя 10. Вторая ямка 62 травления заполняется проводящим материалом для формирования перемычки 55 от второго электродного слоя50. Дополнительно, обеспечивается проводящий участок 16, 56 для обеспечения внешнего электрического соединения (например, с ASIC и/или источником питания, например, для подключения к напряжению смещения, или соединения с кабельными или проводными связями), соответственно, от перемычки 15, 55. Таким образом, первый электрод 10 и второй электрод 50 снабжаются электрическим соединением (например, с ASIC под CMUT). Также следует понимать, что можно обеспечивать только первую ямку травления или вторую ямку травления. Например, проводящая перемычка 15 от первого электрода 10 также можно формировать в подложке.
Фиг. 1j демонстрирует схематический вид в разрезе CMUT 100 согласно первому варианту осуществления. CMUT 100, показанный на фиг. 1j, изготовлен, в частности, с использованием способа, описанного выше со ссылкой на фиг. 1. CMUT 100 содержит первый (нижний) электродный слой 10 на подложке (не показана), первую диэлектрическую пленку 20 на первом электродном слое 10, полость 35, сформированную поверх первой диэлектрической пленки 20, вторую диэлектрическую пленку 40, покрывающую полость 35, и второй (верхний) электродный слой 50 на второй диэлектрической пленке 40. В необязательном порядке, CMUT 100 может содержать диэлектрический слой 11 и диэлектрический слой 51. В большинстве осажденных слоев и пленок сформирован рисунок. В этом варианте осуществления, во всех осажденных функциональных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50 CMUT сформирован рисунок. Таким образом, в каждом (ой) из осажденных функциональных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 CMUT сформирован рисунок. Во втором электродном слое 50 сформирован рисунок так, чтобы он был меньше, чем первый электродный слой 10 (например, сформирован рисунок в форме кольцевого электрода), что полезно для акустических эксплуатационных показателей. Во втором электродном слое 50 сформирован рисунок так, чтобы он был меньше полости 35. В полости 35 сформирован рисунок так, чтобы она была меньше, чем первый электродный слой 10. Таким образом, обеспечивается характерная (ступенчатая) пирамидальная структура. CMUT 100 дополнительно содержит диэлектрический слой 60, покрывающий осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50. Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 с, по существу, одинаковым(ой) покрытием или толщиной, как объяснено выше. Вертикальные участки диэлектрического слоя 60 проходят, по существу, ортогонально осажденным слоям 10, 20, 30, 40, 50. CMUT 100 дополнительно содержит дополнительный слой 70, покрывающий диэлектрический слой 60. В частности, дополнительный слой 70 гораздо толще по сравнению с другими слоями или пленками, например, более чем в 2 раза или более, или более чем в 5 раз или более (например, толщина слоя 40 составляет около 200 нм, тогда как толщина слоя 70 составляет около 1 мкм). Кроме того, CMUT содержит проводящую перемычку 15, проходящую от первого электродного слоя 10 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев (в вертикальном направлении на фиг. 1j). Кроме того, CMUT 100 содержит проводящую перемычку 55, проходящую от второго электродного слоя 50 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев (в вертикальном направлении на фиг. 1j). CMUT 100 дополнительно содержит проводящий участок 16, 56 для обеспечения внешнего электрического соединения (например, с ASIC и/или источником питания, например, для подключения к напряжению смещения, или соединения с кабельными или проводными связями) от перемычки 15, 55, соответственно. Перемычка 15, 55 проходит в вертикальном направлении (ортогональном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), и проводящий участок 56 проходит в горизонтальном направлении (параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки).
Фиг. 2a-j демонстрируют способ изготовления CMUT согласно второму варианту осуществления. В этом варианте осуществления, подложка 1 содержит встроенную в нее ASIC 2 и проводящую перемычку 15 в подложке. Альтернативно, ASIC 2 также может быть присоединена к подложке 1. Способ начинается с осаждения первого электродного слоя 10 на подложку 1. Затем первая диэлектрическая пленка 20 осаждается на первый электродный слой 10, и жертвенный слой 30 осаждается на первую диэлектрическую пленку 20. Жертвенный слой 30 выполнен с возможностью удаления для формирования полости преобразователя в дальнейшем. Затем вторая диэлектрическая пленка 40 осаждается на жертвенный слой 30. Затем второй электродный слой 50 осаждается на вторую диэлектрическую пленку 40. Каждый из этих этапов осаждения осуществляется методом атомно-слоевого осаждения (ALD). Таким образом, обеспечивается стопка перемежающихся слоев диэлектрического материала и проводящего материала (см. фиг. 2b). Таким образом, все функциональные слои CMUT (AL-ALD CMUT) осаждаются в одной единственной последовательности обработки.
Способ дополнительно содержит формирование рисунка во всех осажденных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50, в частности на всех осажденных функциональных слоях 10, 20, 30, 40, 50 CMUT. В этом варианте осуществления, формирование рисунка содержит первый этап формирования рисунка во втором электродном слое 50 (см. фиг. 2c) и второй (отдельный) этап формирования рисунка в жертвенном слое 30 и первом электродном слое 10, а также на первой диэлектрической пленке 20 и второй диэлектрической пленке 40 (см. фиг. 2d). Таким образом, в этом варианте осуществления, в жертвенном слое 30 и первом электродном слое 10 формируют рисунок на общем этапе. Первый этап формирования рисунка во втором электродном слое 50 осуществляется с использованием первой маски травления (маски 1). Второй этап формирования рисунка может осуществляться с использованием второй маски травления (маски 2). Как можно видеть, во втором электродном слое 50 формируют рисунок так, чтобы он был меньше, чем первый электродный слой 10 (например, в форме кольцевого электрода). На этом этап формирования рисунка заканчивается.
На следующем этапе, согласно фиг. 2e, способ содержит осаждение диэлектрического слоя 60, покрывающего осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50. Этот этап осаждения, опять же, осуществляется с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD). Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 с, по существу, одинаковым(ой) покрытием или толщиной, как объяснено выше. Таким образом, обеспечивается очень хорошее ступенчатое покрытие. Другими словами, вертикальные участки диэлектрического слоя 60 и горизонтальные участки диэлектрического слоя 60 имеют примерно одинаковое покрытие или одинаковую толщину (см. фиг. 2e). Вертикальные участки диэлектрического слоя 60 проходят, по существу, ортогонально осажденным слоям 10, 20, 30, 40, 50.
Затем способ содержит удаление жертвенного слоя 30 посредством обеспечения ямки 32 травления (см. фиг. 2f) и травления жертвенного слоя 30 для формирования полости 35 (см. фиг. 2g). Ямка 32 травления обеспечивается в диэлектрическом слое 60 и второй диэлектрической изоляционной пленке 40. Ямку 32 травления можно обеспечивать с использованием третьей маски травления (маски 3). Затем, согласно фиг. 2h, можно обеспечить дополнительный слой 70, в частности дополнительный диэлектрический слой, покрывающий диэлектрический слой 60. Дополнительный слой 70 закрывает или запечатывает ямку 32 травления.
Дополнительно, способ содержит обеспечение проводящей перемычки 55, проходящей от второго электродного слоя 50 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев. Таким образом, проводящая перемычка 55 ортогональна или располагается под прямым углом к осажденным слоям. В этом примере, это осуществляется посредством обеспечения ямки 62 травления (см. фиг. 2i) и наполнения ямки 62 травления проводящим материалом для формирования проводящей перемычки 55 (см. фиг. 2j). Обеспечение ямки 62 травления может осуществляться с использованием четвертой маски травления (маски 4). Проводящая перемычка 15 к первому электроду 10 формируется в подложке 1. Дополнительно, обеспечивается проводящий участок 56 для обеспечения внешнего электрического соединения от перемычки 55. Это может осуществляться путем осаждения проводящего слоя на дополнительный слой 70 с последующим формированием рисунка в проводящем слое. Это может осуществляться с использованием пятой маски травления (маски 5).
Фиг. 2j демонстрирует вид в разрезе CMUT 100 согласно второму варианту осуществления. CMUT 100, показанный на фиг. 2j, изготовлен, в частности, с использованием способа, описанного выше со ссылкой на фиг. 2. CMUT 100 содержит первый электродный слой 10 на подложке 1, первую диэлектрическую пленку 20 на первом электродном слое 10, полость 35, сформированную поверх первой диэлектрической пленки 20, вторую диэлектрическую пленку 40, покрывающую полость 35, и второй электродный слой 50 на второй диэлектрической пленке 40. В необязательном порядке, CMUT 100 может содержать диэлектрический слой 11 на подложке и диэлектрический слой 51 на втором электродном слое 50, как объяснено со ссылкой на первый вариант осуществления. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 2j, во всех осажденных функциональных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50 CMUT формируют рисунок. Во втором электродном слое 50 формируют рисунок так, чтобы быть меньше или иметь меньший поперечный размер (в направлении, параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), например, меньший диаметр в случае круглой формы, чем первый электродный слой 10 и полость 35. Таким образом, обеспечивается характерная (ступенчатая) пирамидальная структура. CMUT 100 дополнительно содержит диэлектрический слой 60, покрывающий осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50. Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 с, по существу, одинаковым покрытием, как объяснено выше. Вертикальные участки диэлектрического слоя 60 проходят, по существу, ортогонально осажденным слоям 10, 20, 30, 40, 50. CMUT 100 дополнительно содержит дополнительный слой 70, покрывающий диэлектрический слой 60. В частности, дополнительный слой 70 гораздо толще по сравнению с другими слоями или пленками, например, более чем в 2 раза или более, или более чем в 5 раз или более (например, толщина слоя 40 составляет около 200 нм, тогда как толщина слоя 70 составляет около 1 мкм). Следует отметить, что на фиг. 2j дополнительный слой 70 указан только схематически, и что он, вместо этого, может повторять форму слоя 60, аналогично дополнительному слою 70, проиллюстрированному со ссылкой на фиг. 1j. Кроме того, CMUT содержит проводящую перемычку 55, проходящую от второго электродного слоя 50 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев (в вертикальном направлении на фиг. 2j). CMUT 100 дополнительно содержит проводящий участок 56 для обеспечения внешнего электрического соединения от перемычки 55 (например, с ASIC и/или источником питания, например, для подключения к напряжению смещения, или соединения с кабельными или проводными связями). Кроме того, CMUT 100 содержит проводящую перемычку 15 от первого электрода 10. Проводящая перемычка 15 формируется в подложке 1. Перемычка 15, 55 проходит в вертикальном направлении (ортогональном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), и проводящий участок 56 проходит в горизонтальном направлении (параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки).
Фиг. 3a-h демонстрируют способ изготовления CMUT согласно третьему варианту осуществления. Способ третьего варианта осуществления, представленного на фиг. 3a-h, аналогичен способу второго варианта осуществления, представленного на фиг. 2a-j. Однако, по сравнению со вторым вариантом осуществления, этап, указанный на фиг. 2c, отдельного формирования рисунка во втором электродном слое 50, исключен. Поэтому в третьем варианте осуществления используется меньше масок травления.
Кроме того, в этом третьем варианте осуществления, подложка 1 содержит встроенную в нее ASIC 2 и проводящую перемычку 15 в подложке 1. Способ начинается с осаждения первого электродного слоя 10 на подложку 1. Затем первая диэлектрическая пленка 20 осаждается на первый электродный слой 10, и жертвенный слой 30 осаждается на первую диэлектрическую пленку 20. Жертвенный слой 30 выполнен с возможностью удаления для формирования полости преобразователя в дальнейшем. Затем вторая диэлектрическая пленка 40 осаждается на жертвенный слой 30. Затем второй электродный слой 50 осаждается на вторую диэлектрическую пленку 40. Каждый из этих этапов осаждения осуществляется методом атомно-слоевого осаждения (ALD). Таким образом, обеспечивается стопка перемежающихся слоев диэлектрического материала и проводящего материала (см. фиг. 3a). Таким образом, все функциональные слои CMUT (AL-ALD CMUT) осаждаются в одной единственной последовательности обработки.
Способ дополнительно содержит формирование рисунка в всех осажденных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50, в частности на всех осажденных функциональных слоях 10, 20, 30, 40, 50 CMUT. В этом варианте осуществления, формирование рисунка содержит общий этап формирования рисунка во втором электродном слое 50, жертвенном слое 30 и первом электродном слое 10 (см. фиг. 3b). Таким образом, в этом варианте осуществления во всех осажденных слоях (второй электродный слой 50, второй диэлектрический изоляционный слой 40, жертвенный слой 30, первый диэлектрический изоляционный слой 20 и первый электродный слой 10) формируют рисунок на общем этапе. Как можно видеть, все осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50 имеют одинаковый поперечный размер (в направлении, параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), например диаметр, в случае круглой формы. Общий этап формирования рисунка может осуществляться с использованием первой маски травления (маски 1). На этом этап формирования рисунка заканчивается.
На следующем этапе, согласно фиг. 3c, способ содержит осаждение диэлектрического слоя 60, покрывающего осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50. Этот этап осаждения, опять же, осуществляется с использованием атомно-слоевого осаждения (ALD). Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 с, по существу, одинаковым покрытием. Таким образом, обеспечивается очень хорошее ступенчатое покрытие. Другими словами, вертикальные участки диэлектрического слоя 60 и горизонтальные участки диэлектрического слоя 60 имеют примерно одинаковое покрытие или одинаковую толщину (см. фиг. 3c).
Затем способ содержит удаление жертвенного слоя 30 посредством обеспечения ямки 32 травления (см. фиг. 3d) и травления жертвенного слоя 30 для формирования полости 35 (см. фиг. 3e). Ямка 32 травления обеспечивается в диэлектрическом слое 60 и второй диэлектрической изоляционной пленке 40. Как указано на фиг. 3d и фиг. 3e, ямка 32 травления, предпочтительно, обеспечена не во втором электродном слое 50, а где-то рядом с ним. Как указано пунктирными линиями на фиг. 3d и фиг. 3e, ямка 32 травления проходит от диэлектрического слоя 60, через второй электродный слой 50, ко второй диэлектрической пленке 40. Ямку 32 травления можно обеспечивать с использованием второй маски травления (маски 2). Затем, согласно фиг. 3f, можно обеспечить дополнительный слой 70, в частности дополнительный диэлектрический слой, покрывающий диэлектрический слой 60. Дополнительный слой 70 закрывает или запечатывает ямку 32 травления.
Дополнительно, способ содержит обеспечение проводящей перемычки 55, проходящей от второго электродного слоя 50 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев. Таким образом, проводящая перемычка 55 ортогональна или располагается под прямым углом к осажденным слоям. В этом примере, это осуществляется посредством обеспечения ямки 62 травления (см. фиг. 3g) и наполнения ямки 62 травления проводящим материалом для формирования проводящей перемычки 55 (см. фиг. 3h). Обеспечение ямки 62 травления может осуществляться с использованием третьей маски травления (маски 3). Проводящая перемычка 15 к первому электроду 10 формируется в подложке 1. Дополнительно, обеспечивается проводящий участок 56 для обеспечения внешнего электрического соединения от перемычки 55. Это может осуществляться путем осаждения проводящего слоя на дополнительный слой 70 с последующим формированием рисунка в проводящем слое. Это может осуществляться с использованием четвертой маски травления (маски 4).
Фиг. 3h демонстрирует схематический вид в разрезе CMUT 100 согласно третьему варианту осуществления. CMUT 100, показанный на фиг. 3h, изготовлен, в частности, с использованием способа, описанного выше со ссылкой на фиг. 3. CMUT 100 содержит первый электродный слой 10 на подложке 1, первую диэлектрическую пленку 20 на первом электродном слое 10, полость 35, сформированную поверх первой диэлектрической пленки 20, вторую диэлектрическую пленку 30, покрывающую полость 35, и второй электродный слой 50 на второй диэлектрической пленке 40. В необязательном порядке, CMUT 100 может содержать диэлектрический слой 11 на подложке и диэлектрический слой 51 на втором электродном слое 50, как объяснено со ссылкой на первый вариант осуществления. Согласно варианту осуществления, показанному на фиг. 3h, во всех осажденных функциональных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50 CMUT формируют рисунок на общем этапе. Таким образом, во всех осажденных слоях и пленках 10, 20, 30, 40, 50 сформирован рисунок, чтобы иметь одинаковый поперечный размер (в направлении, параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), например диаметр, в случае круглой формы. Таким образом, в этом варианте осуществления не обеспечивается характерной (ступенчатой) пирамидальной структуры. CMUT 100 дополнительно содержит диэлектрический слой 60, покрывающий осажденные слои и пленки 10, 20, 30, 40, 50. Диэлектрический слой 60 покрывает верхние поверхности и боковые поверхности осажденных слоев и пленок 10, 20, 30, 40, 50 с, по существу, одинаковым покрытием, как объяснено выше. Вертикальные участки диэлектрического слоя 60 проходят, по существу, ортогонально осажденным слоям 10, 20, 30, 40, 50. CMUT 100 дополнительно содержит дополнительный слой 70, покрывающий диэлектрический слой 60. В частности, дополнительный слой 70 гораздо толще по сравнению с другими слоями или пленками, например, более чем в 2 раза или более, или более чем в 5 раз или более (например, толщина слоя 40 составляет около 200 нм, тогда как толщина слоя 70 составляет около 1 мкм). Следует отметить, что на фиг. 3h, дополнительный слой 70 указан только схематически, и что он, вместо этого, может повторять форму слоя 60, аналогично дополнительному слою 70, проиллюстрированному со ссылкой на фиг. 1j. Кроме того, CMUT содержит проводящую перемычку 55, проходящую от второго электродного слоя 50 в направлении, ортогональном верхним поверхностям слоев (в вертикальном направлении на фиг. 3h). CMUT 100 дополнительно содержит проводящий участок 56 для обеспечения внешнего электрического соединения от перемычки 55 (например, с ASIC и/или источником питания, например, для подключения к напряжению смещения, или соединения с кабельными или проводными связями). Кроме того, CMUT 100 содержит проводящую перемычку 15 от первого электрода 10. Проводящая перемычка 15 формируется в подложке 1. Перемычка 15, 55 проходит в вертикальном направлении (ортогональном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки), и проводящий участок проходит в горизонтальном направлении (параллельном верхней(им) поверхности(ям) слоев или подложки).
В любом из представленных вариантов осуществления, каждая из первой диэлектрической пленки 20 и второй диэлектрической пленки 40 содержит первый слой, содержащий оксид, второй слой, содержащий материал с высокой k, и третий слой, содержащий оксид. Таким образом, диэлектрический изоляционный слой 20, 40 содержит оксидный слой (O), слой с высокой k и другой оксидный слой (O). Другими словами, слой с высокой k располагается между двумя слоями оксида (в частности, оксида кремния). В частности, материалом с высокой k может быть оксид алюминия (Al2O3) и/или оксид гафния (HfO2). Например, можно обеспечить ламинат (перемежающиеся слои) оксида - оксида алюминия - оксида (сокращенно обозначенный OAO). В другом примере, второй слой содержит первый подслой, содержащий оксид алюминия, второй подслой, содержащий оксид гафния, и третий подслой, содержащий оксид алюминия. Таким образом, можно обеспечить ламинат (перемежающиеся слои) оксида – оксида алюминия - оксида гафния - оксида алюминия - оксида (сокращенно обозначенный OAHAO).
Диэлектрическая проницаемость осажденного слоя в общем случае зависит от плотности материала и, таким образом, настроек осаждения или обработки, например, температуры обработки (температуру, при которой формируется слой). Оксид алюминия имеет диэлектрическую проницаемость (k или εr) от 7 до 9, в зависимости от настроек осаждения или обработки. Например, диэлектрическая проницаемость оксида алюминия может быть равна 7,5 (например, при осаждении при низкой температуре около 265°C), или 8 (например, при осаждении при высокой температуре около 350°C) или 9. Оксид гафния имеет диэлектрическую проницаемость (k или εr) от 12 до 27, в зависимости от настроек осаждения или обработки. Например, диэлектрическая проницаемость оксида гафния может быть равна 14, или 20, или 25. Диэлектрическая проницаемость ламината из оксида алюминия - оксида гафния - оксида алюминия может быть равна, например, 10.
Предпочтительно, в каждом из представленных вариантов осуществления, каждый из первого электродного слоя 10 и второго электродного слоя 50 содержит неметаллический проводящий материал (например, полупроводник). Например, неметаллическим проводящим материалом может быть, по меньшей мере, один (или в точности один) материал, выбранный из группы, содержащей TiN (нитрид титана), TaN (нитрид тантала), TaCN, IrO2 (оксид иридия), ITO (оксид индия-олова), LaNiO3 и SrRuO3 (рутенат стронция). Эти материалы пригодны для атомно-слоевого осаждения. В частности, неметаллическим проводящим материалом может быть нитрид титана (TiN). Нитрид титана (TiN) имеет электропроводность примерно от 30 до 70 мкОмсм, что позволяет считать его хорошим проводником. Кроме того, можно использовать поликремний (имеющий электропроводность порядка 500 мкОмсм). Следует понимать, что материалом электродного слоя также может быть любой другой проводящий материал, например металл, в частности, содержащий, по меньшей мере, один (или в точности один) материал, выбранный из группы, содержащей Ni (никель), медь (Cu), W (вольфрам), Pt (платину), Ir (иридий) и Al (алюминий). Например, металл может быть их сплавом. Например, алюминий имеет электропроводность порядка 3 мкОмсм. В любом случае, проводящий материал электрода, металлический и неметаллический, должен быть пригоден для осаждения методом ALD (например, в аппарате ALD).
Диэлектрический слой 60 и/или дополнительный слой 70 может, например, представлять собой или содержать оксид (в частности, оксид кремния), нитрид (в частности, нитрид кремния), или их комбинацию. Например, диэлектрический слой 60 может представлять собой или содержать комбинацию оксида (кремния) и нитрида (кремния). Например, дополнительный слой 70 может представлять собой или содержать нитрид (кремния). Однако следует понимать, что можно использовать любой другой пригодный диэлектрический материал. Диэлектрический слой 60 можно осаждать, например, методом ALD или PECVD. В частности, дополнительный слой 70 можно осаждать методом PECVD, вследствие его большей толщины. В частности, жертвенный слой 30 выполнен из другого материала (имеющего другие свойства травления), чем диэлектрические изоляционные слои 20, 40. Таким образом, жертвенный слой можно удалять избирательно.
Фиг. 4 демонстрирует график зависимости диэлектрической проницаемостью (эпсилон) от относительного акустического выходного давления CMUT. Фиг. 4 базируется на моделировании. Все размеры (ширина щели, толщина диэлектрика и т.д.) предполагаются постоянными. Закрашенный кружок указывает оксид гафния (HfO2) осажденный методом ALD (в данном случае с эпсилон 14). Незакрашенный кружок указывает ONO. Ромбик указывает оксид алюминия (Al2O3), осажденный методом ALD (в данном случае с эпсилон 8). Как можно видеть, материалы с высокой k почти удваивают выходное давление (например, примерно на 70% для Al2O3), при условии, что можно подавать напряжение смещения.
Фиг. 5 демонстрирует иллюстративный график зависимости электрического поля в диэлектрике от тока, текущего через диэлектрик. Графики зависимости поля от тока показаны для каждого из ONO и оксида алюминия Al2O3при высокой температуре. Как можно видеть на фиг. 8, для одного и того же значения поля, оксид алюминия Al2O3 (при высокой температуре) имеет меньший ток утечки, по сравнению с ONO. Кроме того, для оксида алюминия Al2O3(при высокой температуре) можно подавать, по меньшей мере, такое же напряжение смещения, как для ONO.
Показано, что обеспечение диэлектрических слоев с высокой k и стопок слоев, изготовленных с использованием метода атомно-слоевого осаждения (ALD), значительно повышает эксплуатационные показатели CMUT (например, посредством снижения рабочего напряжения и/или увеличения (акустического) выходного давления). В частности, посредством обеспечения неметаллических электродов (например, TiN), вместо металлических электродов, метод ALD дает уникальную возможность осаждать все функциональные слои CMUT в ходе одного единственного этапа процесса. Таким образом, диэлектрические стопки с более высокой эффективной диэлектрической проницаемостью обеспечивают улучшение эксплуатационных показателей, которое следует объединять с аналогичным или более низким дрейфом CMUT вследствие захвата заряда в диэлектрических слоях. Процесс всеслоевого ALD (AL-ALD) CMUT очень полезен, поскольку предоставляет возможности дополнительно улучшить эксплуатационные показатели CMUT путем настройки свойств отдельных слоев и их границ раздела. Метод AL-ALD с формированием рисунка по нисходящей технологии гарантирует высокое качество границ раздела различных диэлектриков и требует меньшего вмешательства оператора.
В CMUT можно обнаруживать, был ли слой осажден методом ALD, в одном примере, если он осажденный методом ALD, то первая диэлектрическая пленка 20 и/или вторая диэлектрическая пленка 40 содержит остатки процесса, например, остатки углерода или хлора. Остатки можно обнаруживать, например, с использованием XPS (рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии) или других способов характеризации, например SIMS (масс-спектроскопии вторичных ионов). В другом примере, второй слой диэлектрического изоляционного слоя 20, 40 имеет толщину менее 100 нм. Такой очень тонкий слой с высокой k можно обеспечить (только) с использованием ALD.
В описанном здесь способе (AL-ALD), сначала почти вся стопка слоев осаждается и затем в ней формируется рисунок (и, наконец, осаждается диэлектрический слой, который также запечатывает полость). Таким образом, для CMUT, изготовленного этим способом, в поперечном сечении CMUT в области вблизи мембраны все диэлектрические слои или большинство из них удалены или отсутствуют. Однако для CMUT, изготовленного другим способом (не ALD), например, с использованием напыления, в поперечном сечении CMUT в области вблизи мембраны присутствуют все диэлектрические слои или большинство из них, которые образуют CMUT.
Слой (в частности, Al2O3 и/или HfO2), осажденный методом ALD, может демонстрировать один или более из следующих признаков:
(1) Ступенчатое покрытие ALD осажденным Al2O3 является очень хорошим и очень конформным, например в отличие от напыленного Al2O3. Это можно обнаружить, например, в (поперечном сечении) SEM.
(2) ALD-оксиды позволяют лучше управлять эффектами зарядки, и токи утечки гораздо ниже (поскольку они не содержат проколов), что демонстрирует емкостной - напряжение - измерение (CV-кривая).
(3) Состав Al2O3 отличается (например, по сравнению с напыленным Al2O3) и это можно обнаруживать с помощью RBS и/или XPS.
(4) Типичные остатки процесса, например, углерод (который нельзя найти, например, в напыленном Al2O3), обнаруживаемые с помощью XPS или SIMS.
Исключительно в порядке примера, SIMS (масс-спектроскопию вторичных ионов) можно использовать для обнаружения различий между напыленным оксидом алюминия и оксидом алюминия, осажденным методом ALD. Например, в процессе напыления используется аргон, и некоторые остатки обнаруживаются в напыленном слое (например, несколько процентов). Это легко обнаруживать с помощью SIMS (масс-спектроскопии вторичных ионов).
Функциональные возможности оксидного слоя (O) в диэлектрическом изоляционном слое OAO сильно отличаются, по сравнению с оксидным слоем (O) в диэлектрическом изоляционном слое ONO. Оксидный слой (O) в диэлектрическом изоляционном слое ONO находится там по электрическим причинам. В отсутствие оксидного слоя (O), существовала бы значительная электрическая зарядка устройства CMUT, заметно снижающая эксплуатационные показатели. На практике, минимальная толщина единичного O-слоя (осажденного методом PECVD) составляет около 50 нм. Оксидный слой (O) в диэлектрическом изоляционном слое ONO находится там по причинам обработки. Было установлено, что в отсутствие оксидного слоя (т.е. при наличии только слоя оксида алюминия), слой подвергается очень большому механическому напряжению, приводящему к предельной деформации мембраны и выводу устройства CMUT из строя. Однако использование диэлектрического изоляционного слоя OAO обеспечивает низкий уровень механического напряжения. Оксидный слой может быть тонким. Дополнительно, диэлектрический изоляционный слой OAO обладает повышенными электрическими свойствами по сравнению со слоем только оксида алюминия.
Емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, описан как CMUT, улучшающий ультразвук. Однако следует понимать, что емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, также можно использовать в других областях применения, например, в качестве датчика давления или преобразователя давления.
Емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, в частности CMUT, может содержать единичную ячейку или быть ею, в частности ячейкой CMUT. Однако следует понимать, что емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, в частности CMUT, также может содержать множество или массив ячеек, в частности ячеек CMUT. Емкостной преобразователь, полученный микрообработкой, в частности CMUT, и/или его слои может иметь круглую форму. Однако можно использовать и другие формы, например, квадратную или шестиугольную форму.
Хотя изобретение проиллюстрировано и подробно описано в чертежах и вышеприведенное описание, такие иллюстрация и описание следует рассматривать в порядке иллюстрации или примера, но не ограничения; изобретение не ограничивается раскрытыми вариантами осуществления. Специалисты в данной области техники могут понять и осуществить при практической реализации заявленного изобретения другие разновидности раскрытых вариантов осуществления, изучив чертежи, раскрытие и зависимые пункты формулы изобретения.
В формуле изобретения, слово "содержащий" не исключает наличия других элементов или этапов, у употребление их наименований в единственном числе не исключает наличия их множества. Единичный элемент или другой блок может выполнять функции нескольких элементов, упомянутых в формуле изобретения. Лишь тот факт, что определенные меры упомянуты во взаимно различных зависимых пунктах, не говорит о том, что нельзя выгодно использовать комбинацию этих мер.
Никакие ссылочные позиции в нижеследующей формуле изобретения не следует рассматривать в порядке ограничения ее объема.
Реферат
Использование: для изготовления емкостного преобразователя, полученного микрообработкой, в частности CMUT. Сущность изобретения заключается в том, что способ содержит этапы, на которых осаждают первый электродный слой на подложку, осаждают первую диэлектрическую пленку на первый электродный слой, осаждают жертвенный слой на первую диэлектрическую пленку, причем жертвенный слой выполнен с возможностью удаления для формирования полости преобразователя, осаждают вторую диэлектрическую пленку на жертвенный слой и осаждают второй электродный слой на вторую диэлектрическую пленку, причем первая диэлектрическая пленка и/или вторая диэлектрическая пленка содержит первый слой, содержащий оксид, второй слой, содержащий материал с высокой k, и третий слой, содержащий оксид, причем этапы осаждения осуществляются посредством атомно-слоевого осаждения. Технический результат: обеспечение возможности создания емкостного преобразователя с улучшенными эксплуатационными показателями. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.
