李玉平，何常德，張娟婷，張 慧，宋金龍，薛晨陽

(1.中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051;2.中北大學(xué) 電子測試技術(shù)國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

0 引 言

目前，基于壓電材料的壓電效應(yīng)所制備的壓電式超聲傳感器是應(yīng)用較為廣泛的聲電轉(zhuǎn)換元件，但近年來其地位已逐步被電容式超聲器所取代［1］。相比于傳統(tǒng)的壓電式超聲傳感器，電容式微型超聲傳感器具有聲阻抗低、尺寸小、頻帶寬、易于制作陣列等特點(diǎn)［2，3］，被認(rèn)為是下一代超聲傳感器的發(fā)展方向，受到各國研究人員的關(guān)注。

盡管硅微機(jī)械加工技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用到電容式微傳聲器的制備過程中，但采用硅微機(jī)械加工技術(shù)制備的電容式微超聲傳感器(CMUT)在空腔形成和薄膜尺寸方面都有很大限制，導(dǎo)致傳感器靈敏度低、頻率范圍窄［4］。近幾年，利用晶片鍵合方法來制造傳感器的工藝流程逐漸見諸報道［5～9］，采用該方法制造傳感器避免了薄膜釋放困難的問題，提高了傳感器的成品率。但是當(dāng)傳感器的振動薄膜較薄時，采用傳統(tǒng)的晶片鍵合工藝往往存在鍵合后SOI 的埋氧層和背襯底在去除時不易控制的問題，為了進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)并改進(jìn)現(xiàn)有的工藝條件，從而提高傳感器的各項(xiàng)性能參數(shù)，本文引入了一種新的基于C-SOI 工藝加工方法。

1 CMUT 陣列設(shè)計(jì)與加工

1.1 陣列設(shè)計(jì)

MEMS 電容超聲傳感器常由多個如圖1(a)所示的敏感單元并聯(lián)構(gòu)成一維線陣或者二維面陣實(shí)現(xiàn)超聲成像。單個敏感單元主要由上下電極、振動薄膜、真空腔、絕緣層和硅基底五部分構(gòu)成。

圖1 CMUT 結(jié)構(gòu)圖Fig 1 Structure diagram of CMUT

在進(jìn)行CMUT 陣列設(shè)計(jì)時首先要考慮陣元的間距d，較大的陣元間距能夠提高陣列的分辨率，但陣元間距過大，掃描時就會在時空間出現(xiàn)不希望有的柵瓣。當(dāng)陣元中心間距不大于λ/2 時，不會產(chǎn)生柵瓣［10，11］。增加陣元數(shù)目不僅會減小主瓣寬度，同時能抑制旁瓣幅值，但會造成系統(tǒng)過復(fù)雜、成本過高，16 陣元是最佳選擇［12］。利用MEMS 技術(shù)將CMUT 集成到一個硅片上組成一個16 陣元的一維線陣，每個陣元包含2×25 個敏感單元，如圖1(b)所示。

1.2 工藝流程

C-SOI 工藝即鍵合前在支撐襯底或埋氧層中預(yù)先加工出密封的腔體。因?yàn)樵撉惑w在SOI 最終鍵合前完成，所以，在去除犧牲層時不受限制，并且器件層與襯底間的距離不受掩埋層的厚度限制。相比于傳統(tǒng)的CMUT 制造方法，該工藝不僅大大縮短了工藝流程，而且為設(shè)計(jì)更小和更靈敏的傳感器提供了更大自由度。

采用C-SOI 工藝制作CMUT 的具體流程如圖2 所示:

1)基片(N 型6 in 硅片)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)RCA 清洗，背面刻蝕對版標(biāo)記。

2)正反兩面表面熱氧化形成0.7 μm 的氧化層。正面光刻，然后采用RIE 等離子刻蝕機(jī)進(jìn)行干法刻蝕，刻蝕深度要求為正面氧化硅刻蝕0.6 μm 左右，保留0.1 μm 左右作為絕緣層。

圖2 C-SOI 工藝關(guān)鍵加工步驟Fig 2 Major fabrication steps of C-SOI technology

刻蝕形貌與厚度測試圖如圖3(a)所示。由圖可知，光刻圖形邊界良好。腔體直徑數(shù)值測試為142 μm，最終絕緣層厚度在0.98 μm 左右，均符合設(shè)計(jì)要求。

3)在芯片正面鍵合一層2 μm 厚的硅形成振動薄膜，鍵合后的效果圖如圖3(b)所示。

4)將鍵合片放到BOE 溶液中漂2～3 s，腐蝕掉背面氧化層。

5)采用電子束蒸發(fā)的方式蒸發(fā)0.25 μm 的金屬Al，使用剝離的方法形成上、下電極及金屬焊盤。Al 層深度測試為0.25 μm，與設(shè)計(jì)值一致，且正面電極剝離后表面圖形完整，無損壞、脫落、氧化現(xiàn)象，如圖3(c)，(d)所示。

通過對加工過程中微傳感器的振動腔體，金屬電極等結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行測試，得到所加工的傳感器尺寸與設(shè)計(jì)的尺寸基本一致，且刻蝕的空腔高度均勻，鍵合效果良好，滿足設(shè)計(jì)要求，證明了工藝流程的可行性。

2 性能測試

圖3 C-SOI 關(guān)鍵工藝步驟測試Fig 3 Test of steps of C-SOI key technique

由于所設(shè)計(jì)的傳感器腔體為真空，因此，需要考慮環(huán)境壓強(qiáng)對薄膜位移的影響。利用ANSYS 有限元仿真得到環(huán)境壓強(qiáng)下(標(biāo)準(zhǔn)大氣壓1.013×105Pa)薄膜的最大位移為0.179 μm，利用激光顯微鏡LEXT 測得實(shí)際環(huán)境壓強(qiáng)下薄膜的最大位移為0.102 μm，分別如圖4(a)，(b)所示。二者的最大位移均發(fā)生在薄膜的中心處，但數(shù)值上有一定的偏差，這是由于在仿真過程中沒有考慮薄膜的殘余應(yīng)力的影響。

圖4 環(huán)境壓強(qiáng)下薄膜最大位移Fig 4 The maximum displacement of membrane under ambient pressure

利用Polytec 掃頻測試得到的頻響曲線如圖5 所示。通過測試數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，隨著直流偏置的增加，薄膜的振動位移增大，但是諧振峰發(fā)生了偏移，諧振頻率呈現(xiàn)減小的趨勢，因此，在選取工作電壓時要考慮直流偏置電壓的降頻影響。在諧振頻率處，薄膜位移最大，說明在此處發(fā)生了共振效應(yīng)，此時CMUT 的發(fā)射功率最大，信號最強(qiáng)。

圖5 不同直流偏置電壓下CMUT 的頻率響應(yīng)曲線Fig 5 Frequency response curve of CMUT under different DC bias voltage

3 一致性測試

由于所設(shè)計(jì)的一維CMUT 線性陣列由多個敏感單元組成，若單元的振動不一致，不僅會影響器件的發(fā)射性能，而且會使其接收模式失效，因此，有必要測試單元的一致性。

諧振頻率的一致性不僅反映了器件尺寸的一致性，而且反映了各個單元振動情況的一致性。隨機(jī)選取陣列中的兩個陣元分別命名為a 和b，利用Polytec 對陣元中各個敏感單元進(jìn)行單點(diǎn)掃頻測試，測得各個單元在直流偏置20 V，交流幅值0.2 V 時的諧振頻率如圖6 所示。陣元a 中各敏感單元的諧振頻率的平均值為1.93 MHz，標(biāo)準(zhǔn)偏差為30.13 kHz，各敏感單元的諧振頻率相差不大，說明器件尺寸一致，振動良好;對比陣元a 和陣元b，可知兩陣元諧振頻率的平均值有一定的偏差，但仍滿足一致性要求。

靜態(tài)電容的測試為后續(xù)電路的設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)，通過靜態(tài)電容一致性的測量檢驗(yàn)CMUT 是否具備制造大陣列的可能。通過LCR 精密測試儀4284A 對所設(shè)計(jì)的一維線陣中16 個陣元的靜態(tài)電容值進(jìn)行測試，結(jié)果如表1 所示。由表可知，靜態(tài)電容的平均值為108.1 pF，標(biāo)準(zhǔn)差為1.06 pF，陣列中各陣元的靜態(tài)電容值具有較好的一致性。固有頻率和靜態(tài)電容均具有較好的一致性說明以C-SOI 工藝加工的CMUT 器件滿足設(shè)計(jì)要求且適宜加工大陣列，這種加工技術(shù)使得加工成像陣列成為可能。

圖6 諧振頻率一致性測試Fig 6 Test on uniformity of resonant frequency

表1 靜態(tài)電容一致性測試Tab 1 Test on uniformity of static capacitance

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了基于C-SOI 工藝的MEMS 電容式超聲傳感器一維線性陣列，確定了傳感器陣列的結(jié)構(gòu)尺寸，介紹了工藝流程，通過激光顯微鏡LEXT，LCR 精密測試儀4284A 和polytech MSA—400 等儀器對所加工傳感器性能進(jìn)行了測試分析，測試結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)和加工的可靠性?；贑-SOI工藝制備的傳感器陣列不僅具有良好的一致性，而且為設(shè)計(jì)更小和更靈敏的傳感器提供了更大自由度。

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