超聲換能器及其分割方法和分割器件的方法
【專利摘要】本發明提供了一種電容式微機械加工的超聲換能器(CMUT)及其分割方法。分割CMUT可以包括：在器件晶片的限定多個超聲換能器結構的區域中形成第一溝槽，器件晶片包括多個超聲換能器結構；通過接合供應電到多個超聲換能器的電極墊晶片和器件晶片來形成具有多個超聲換能器的超聲換能器晶片；以及通過切割在第一溝槽上的多個超聲換能器結構和在第一溝槽下面的電極墊晶片，將超聲換能器晶片切割成塊以形成多個超聲換能器。
【專利說明】超聲換能器及其分割方法和分割器件的方法
【技術領域】
[0001]按照示例性實施方式的器件和方法涉及電容式微機械加工的超聲換能器及其分割(Singulate)方法。
【背景技術】
[0002]微機械加工的超聲換能器(MUT)可將電信號轉變成超聲波信號或反之亦然。MUT可以根據轉變的方法而分為壓電微機械加工的超聲換能器(PMUT)、電容式微機械加工的超聲換能器(CMUT)或磁性微機械加工的超聲換能器(MMUT)。
[0003]MUT在與包括驅動電路的專用集成電路(ASIC)結合時形成微機械加工的超聲換能器模塊。其上形成有多個MUT的微機械加工的超聲換能器晶片可以利用機械方法，例如通過利用旋轉鋸條而被分成多個MUT。
[0004]當利用機械方法分割MUT時，MUT的邊緣會被損壞。具體地，由于在每個MUT的上層中包括腔，所以當MUT的上層被鋸開時在上層中會發生振動，從而導致切割區擴大。因此，在切割區周圍的電極墊會被損壞，由此降低MUT的分割產量。
【發明內容】
[0005]—個或多個不例性實施方式提供了電容式微機械加工的超聲換能器(CMUT)的分割方法，其中在切割區域中預先形成溝槽。
[0006]根據不例性實施方式的方面，提供了一種電容式微機械加工的超聲換能器，其包括:器件襯底；在器件襯底上的支撐單元，包括多個腔；在支撐單元上的膜，覆蓋多個腔；在膜上的上部電極；以及在器件襯底的下表面上的電極墊襯底，其中第一突起單元在器件襯底的側面突出，第二突起單元在與第一突起單元相同的側面從電極墊襯底突出。
[0007]第一突起單元可以在CMUT的側面方向上在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內突出。
[0008]第一突起單元可以形成在與支撐單元、膜和上電極相應的位置。
[0009]第二突起單元可以在CMUT的側面方向上在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內突出。
[0010]第一和第二突起單元可以在電容式微機械加工的超聲換能器的側面方向上突出基本相同的長度。
[0011]根據示例性實施方式的方面，提供了一種電容式微機械加工的超聲換能器的分割方法，該方法包括:在器件晶片的區域中形成第一溝槽，器件晶片包括在其上的多個超聲換能器結構；通過接合電極墊晶片和器件晶片而形成具有多個超聲換能器的超聲換能器晶片；以及通過在第一溝槽處切割多個超聲換能器結構和在第一溝槽下面的電極墊晶片，將超聲換能器晶片切割成塊以分割多個超聲換能器的每個。
[0012]形成第一溝槽可以包括使用干蝕刻方法在器件晶片中形成通孔。
[0013]使用鋸條可以執行超聲換能器晶片的切割成塊，其中第一溝槽的寬度大于鋸條的切割寬度。
[0014]在器件晶片中可以形成限定超聲換能器結構的多個元件的第二溝槽，其中形成第一溝槽與形成第二溝槽同時執行。
[0015]第一溝槽的寬度可以大于第二溝槽的寬度。
[0016]該方法可以還包括:在電極墊晶片與器件晶片接合之前，在電極墊晶片中與第一溝槽相應地形成第三溝槽。
[0017]第三溝槽可以具有大于鋸條的切割寬度的寬度。
[0018]第三溝槽可以具有與第一溝槽基本相同的寬度。
[0019]接合電極墊晶片與器件晶片可以包括將第一溝槽與第三溝槽對準。
[0020]形成第三溝槽可以包括形成第三溝槽以具有在電極墊晶片的厚度的大約1/2至大約3/4的范圍內的深度。
[0021]根據示例性實施方式的方面，提供了一種分割器件的方法，該方法包括:形成包括多個器件襯底和至少一個上部溝槽的上部結構；形成包括多個電極墊襯底和至少一個下部溝槽的下部結構；接合上部結構與下部結構以形成器件陣列；以及在至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽處將器件陣列切割成塊以分割器件陣列中的每個器件。將器件陣列切割成塊可以形成在器件襯底的側面突出的第一突起單元以及在與第一突起單元相同的側面從電極墊襯底突出的第二突起單元。
[0022]至少一個下部溝槽的位置可以相應于至少一個上部溝槽的位置。
[0023]至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽可以使用干蝕刻工藝形成。
[0024]可以形成用于將器件的元件分開的至少一個元件溝槽。
[0025]至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽可以圍繞器件陣列中的器件的邊界。
[0026]器件可以是電容式微機械加工的超聲換能器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027]從以下結合附圖對示例性實施方式的方面的描述，上述和/或其他方面將變得明顯并且更易于理解，在附圖中:
[0028]圖1為根據示例性實施方式的電容式微機械加工的超聲換能器的結構的示意截面圖；
[0029]圖2A至圖2E為示出根據示例性實施方式的電容式微機械加工的超聲換能器的分割方法的截面圖；
[0030]圖3為示出通過利用鋸床切割成塊而形成的微機械加工的超聲換能器芯片的上部形狀的照片圖像；以及
[0031]圖4為示出通過使用根據示例性實施方式的分割方法而形成的微機械加工的超聲換能器的上部形狀的照片圖像。
【具體實施方式】
[0032]現在將更充分地描述示例性實施方式，在附圖中示出示例性實施方式的示例。在附圖中，為了清楚可以夸大層和區域的厚度。應當理解，以下描述的示例性實施方式僅僅是示例，因此可以變型成許多不同的形式。當一層或區域被稱為在另一元件“上”或“上方”時，它可以直接在另一層或區域上，或者也可以存在居間層。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件，因此將省略對它們的描述。
[0033]應當注意，這些圖旨在示出在某些示例性實施方式中使用的方法、結構和/或材料的一般特性并對下文所提供的書面描述進行補充。然而，這些附圖沒有按比例繪制，可能沒有精確地反映任意給出的示例性實施方式的精確結構特性或性能特性，并且不應被解釋為限定或限制各種示例性實施方式所包括的數值或者性能的范圍。例如，為了清晰，可以縮小或夸大分子、層、區域和/或結構元件的相對厚度和位置。在不同的附圖中使用的相似或相同的附圖標記旨在表明相似或相同的元件或特征的存在。
[0034]圖1為通過利用根據示例性實施方式的分割方法而被切割成塊的電容式微機械加工的超聲換能器(CMUT)10的結構的示意截面圖。
[0035]參考圖1，CMUT100可包括多個元件El至E3，元件El至E3的每個可包括至少一個腔122。在此，元件El至E3可以通過溝槽T而彼此分開，溝槽T是用于防止元件El至E3之間的串音和電信號連接的元件分隔線。
[0036]CMUT100可包括器件襯底110、在器件襯底110上的超聲換能器結構、和提供在器件襯底110下面的電極墊襯底150。超聲換能器結構可包括提供在器件襯底110上的支撐單元120、膜130和上電極140。器件襯底110可起下電極的作用。器件襯底110可以由例如具有聞慘雜的雜質的低電阻娃襯底等形成。
[0037]上部絕緣層112可以形成在器件襯底110的上表面上。上部絕緣層112可包括例如硅氧化物，但是不限于此。可以被用作元件分隔線的溝槽T形成在器件襯底110中。溝槽T可具有限定元件El至E3的邊界的矩形形狀。
[0038]支撐單元120可包括多個腔122并且可以形成在上部絕緣層112上。支撐單元120可包括例如硅氧化物，但是不限于此。膜130可以形成在支撐單元120上并且覆蓋腔122。膜130可以由例如硅形成，但是不限于此。
[0039]上電極140可以形成在膜130上。電極墊襯底150可以形成在器件襯底110下面。通過電極墊襯底150可以將電供應到作為下電極的器件襯底110。電極墊襯底150可以是例如硅襯底，但是不限于此。器件襯底110和電極墊襯底150可以通過設置在其間的接合層160而彼此結合。每個接合層160可以形成為與每個元件區相應。接合層160可以由在其間形成共晶接合(eutectic bonding)的兩種金屬形成。例如,接合層160可以是Au-Sn接合層等。
[0040]與接合層160相應的通孔171可以形成在電極墊襯底150中。通孔171可以填充有通路金屬172。通路金屬172可以電連接到接合層160。接觸通路金屬172的電極墊180可以形成在電極墊襯底150的下表面上。供應到電極墊180的電可以通過通路金屬172和接合層160被傳輸到器件襯底110。上電極140可以是公共電極。通過形成在電極墊襯底150和器件襯底110中的附加通路金屬(未示出)，可以將電供應到上電極140。
[0041]電極墊襯底150可以是硅襯底。當電極墊襯底150由導電的硅襯底形成時，將接合層160、通路金屬172和電極墊180與電極墊襯底150絕緣的絕緣膜(未示出)可進一步形成在電極墊襯底150上。
[0042]CMUT100可以通過將以晶片級制造的結構切割成塊而獲得。CMUT100也可被稱為CMUT芯片100。CMUT100可具有大致矩形形狀，并且可具有形成在已切割成塊的CMUT100的至少一側的表面上的兩個突起單元Pl和P2。突起單元Pl和P2可從CMUT100的側面突出。第一突起Pl可以形成在器件襯底110的上部上。形成第一突起單元Pl的區域可以是上部絕緣層112、支撐單元120、膜130和上電極140形成在其上的區域。
[0043]第二突起單元P2可以形成在電極墊襯底150的上部上。第一突起單元Pl的第一突起距離dl可以在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內，第二突起單元P2的第二突起距離d2可以在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內。第二突起單元P2可以形成為具有在電極墊襯底150的高度的大約1/4至大約1/2的范圍內的長度。第一突起距離dl和第二突起距離d2可以基本相同。
[0044]在圖1中，為了方便起見，三個元件El至E3被包括在CMUT100中，但是當前示例性實施方式不限于此。CMUT100可包括mXn陣列的元件。例如，CMUT100可包括以16X 16陣列設置的256個元件。
[0045]圖1示出CMUT作為示例。然而，根據示例性實施方式切割成塊的CMUT可具有不同于圖1的結構的各種結構。
[0046]圖2A至圖2E為示出根據示例性實施方式的CMUT的分割方法的截面圖。相同的附圖標記被用來表示與圖1的元件基本相同的元件，將不再重復對其的詳細說明。
[0047]圖2A是示出器件晶片的制備的截面圖。器件晶片包括多個器件襯底110。在下文中，由多個器件襯底110形成的結構被稱為器件晶片110。
[0048]限定單個CMUT100的區域的第一溝槽Tl形成在器件晶片110中。多個元件El和E2形成在每個CMUT區域中。第二溝槽T2可以形成在每個CMUT區域中并且可以被用作將元件El和E2分開的元件分隔線。當形成第二溝槽T2時，第一溝槽Tl可以同時形成。第一溝槽Tl和第二溝槽T2可以利用干蝕刻方法穿過器件晶片110而形成。第一溝槽Tl可具有第一寬度W1，該第一寬帶Wl大于第二溝槽T2的第二寬度W2。第一溝槽Tl的第一寬度Wl可以大于鋸條190 (參考圖2D)的切割寬度W4 (參考圖2D)，該鋸條190被用于在切割工藝中切割器件晶片110，這將在后文描述。例如，當鋸條190的切割寬度W4是40 μ m時，第一寬度Wl可以在大約60 μ m至大約100 μ m的范圍內。
[0049]上部絕緣層112、支撐單元120、膜130和上電極140可以順序地形成在器件晶片110 上。
[0050]第一溝槽Tl可以形成為適合于在將多個CMUT100切割成塊的工藝中鋸條通過的線。第一溝槽Tl可具有矩形形狀并且圍繞單個CMUT100。
[0051]第一接合層161可以形成在器件晶片110的下表面上。例如，第一接合層161可以形成為在器件晶片I1的下表面上與每個元件相應。第一接合層161可以形成為彼此電隔離。第一接合層161可以通過在器件晶片110的下表面上形成金屬層之后圖案化金屬層而形成。第一接合層161可以是Ti/Au層。鈦(Ti)層可以被稱為粘合層。
[0052]器件晶片110可以形成為具有在大約20 μ m至大約25 μ m范圍內的厚度，在器件晶片110上包括腔122的器件結構可具有大致I μ m的厚度。
[0053]第一溝槽Tl和第二溝槽T2可以利用在半導體工藝中通常使用的干蝕刻工藝來形成。
[0054]圖2B是示出制備電極墊晶片的工藝的截面圖。電極墊晶片可包括多個電極墊襯底150。在下文中，由多個電極墊襯底150形成的結構被稱為電極墊晶片150。
[0055]與每個CMUT區域相應的通孔171可以形成在電極墊晶片150中，通孔171可以填充有通路金屬172。與第一接合層161相應的第二接合層162可以形成在電極墊晶片150的上表面上。第二接合層162可以由與第一接合層161的Au層形成共晶接合的材料例如Sn層形成。在示例性實施方式中，第二接合層162可以由Ti/Ni/Au/Sn/Au層形成。最上面的Au層可以形成為防止Sn層氧化。第二接合層162可以通過在電極墊晶片150上沉積電極材料之后的圖案化工藝來形成。電極墊180可以形成在電極墊晶片150的下表面上。
[0056]當電極墊晶片150由硅形成時，可進一步形成防止通路金屬172、第二接合層162和電極墊180接觸電極墊晶片150的絕緣層(未示出)，以防止在元件區域之間起電。絕緣層可以由硅氧化物等形成。
[0057]可限定每個CMUT區域的第三溝槽T3可以形成在電極墊晶片150中。第三溝槽T3可以形成在電極墊晶片150中在與第一溝槽Tl相應的位置處。第三溝槽T3可以通過利用干蝕刻工藝形成。第三溝槽T3可具有在電極墊晶片150的厚度的大約1/2至大約3/4的范圍內的深度。第三溝槽T3的寬度W3可以形成為與第一溝槽Tl的第一寬度Wl基本相同。
[0058]參考圖2C，器件晶片110和電極墊晶片150可以被接合。器件晶片110可以與電極墊晶片150對準，使得器件晶片110的第一接合層161接觸電極墊晶片150的第二接合層162。在這一點上，第一溝槽Tl與第三溝槽T3對準。然后，當大于280°C的溫度被施加到第一接合層161和第二接合層162時，可以在第一接合層161和第二接合層162之間形成共晶金屬，從而器件晶片110和電極墊晶片150可以被彼此接合。接合層160是第一接合層161和第二接合層162共晶接合的所得產物。其中器件晶片110與電極墊晶片150結合的結構可包括多個超聲換能器，被稱為超聲換能器晶片。
[0059]參考圖2D，超聲換能器之間的邊界區可以通過使用鋸床的鋸條190來切割。邊界區可以是通過將第一溝槽Tl與第三溝槽T3對準而形成的直線。當CMUT100通過使用鋸床在器件晶片110上沿著第一溝槽Tl被鋸開時，在器件晶片110上的器件結構可以通過鋸條190在第一溝槽Tl處被容易地切開。電極墊晶片150于是在第三溝槽T3處可被切割。
[0060]參考圖2E，可以獲得已切割成塊的CMUT100。CMUT100可被稱為CMUT芯片100。CMUT100可具有大致矩形形狀，每個切割的側表面可包括兩個突起單元Pl和P2。第一突起單元Pl可以形成在器件晶片110上方并且在CMUT100的側面突出。
[0061]第二突起單元P2可以形成在電極墊襯底150的上部上并且在CMUT100的側面突出。第一突起單元Pl的第一突起距離dl可以在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內，第二突起單元P2的第二突起距離d2可以在大約10 μ m至大約30 μ m的范圍內。在一個示例性實施方式中，第一突起距離dl和第二突起距離d2可以基本相同。
[0062]根據所描述的分割方法，在CMUT芯片100的分割工藝中，由于器件結構具有小的厚度，所以在第一溝槽Tl上的器件結構被容易地切開，并且由于電極墊晶片150在第三溝槽T3處具有小的厚度，所以電極墊晶片150被容易地切開。
[0063]因此，減小了對于CMUT芯片100的邊緣區域的損壞，從而降低了產品失效率。
[0064]圖3為示出通過利用鋸床切割成塊而形成的微機械加工的超聲換能器芯片的上部形狀的圖像。圖4為示出通過使用根據示例性實施方式的分割方法而形成的微機械加工的超聲換能器的上部形狀的圖像。
[0065]參考圖3，在鋸切工藝期間，CMUT芯片的邊緣會被損壞，并且已經被切割的表面會非常粗糙。
[0066]參考圖4，根據示例性實施方式的分割方法而切割的CMUT芯片的邊緣可以是清潔的，并且沒有被損壞。
[0067]根據以上描述的分割方法，在CMUT芯片100的分割工藝中，由于器件結構具有小的厚度，所以在第一溝槽Tl上的器件結構被容易地切開，并且由于電極墊晶片150在第三溝槽T3處具有小的厚度，所以電極墊晶片150被容易地切開。
[0068]因此，可以減小對于CMUT芯片的邊緣的損壞，從而降低了關于分割工藝的產品失效率。
[0069]應當理解，在此描述的示例性實施方式應當僅以描述的意義理解，而不為限制的目的。對于每個實施方式中的特征或方面的描述應該通常被認為是可適用于其他實施方式中的其他類似特征或方面。
[0070]雖然已經參考附圖描述了示例性實施方式的一個或多個實施方式，然而本領域的普通技術人員將理解，在不背離由權利要求所限定的示例性實施方式的精神和范圍的情況下，可以作出形式和細節上的不同變化。
[0071]本申請要求于2013年8月26日向韓國專利局提交的韓國專利申請N0.10-2013-0101286的優先權，其全部內容通過引用結合在此。
【權利要求】
1.一種電容式微機械加工的超聲換能器,包括: 器件襯底； 在所述器件襯底上的支撐單元，包括多個腔； 在所述支撐單元上的膜，覆蓋所述多個腔； 在所述膜上的上部電極；以及 在所述器件襯底的下表面上的電極墊襯底， 其中第一突起單元從所述器件襯底的側面突出，第二突起單元在與所述第一突起單元相同的側面從所述電極墊襯底突出。
2.如權利要求1所述的電容式微機械加工的超聲換能器，其中所述第一突起單元在所述電容式微機械加工的超聲換能器的側面方向上在1ym至30μπ?的范圍內突出。
3.如權利要求1所述的電容式微機械加工的超聲換能器，其中所述第一突起單元形成在與所述支撐單元、所述膜和所述上電極相應的位置。
4.如權利要求1所述的電容式微機械加工的超聲換能器，其中所述第二突起單元在所述電容式微機械加工的超聲換能器的側面方向上在1ym至30μπ?的范圍內突出。
5.如權利要求1所述的電容式微機械加工的超聲換能器，其中所述第一和第二突起單元在所述電容式微機械加工的超聲換能器的所述側面方向上突出基本相同的長度。
6.—種電容式微機械加工的超聲換能器的分割方法,所述方法包括: 在器件晶片的區域中形成第一溝槽，所述器件晶片包括在其上的多個超聲換能器結構； 通過接合電極墊晶片和所述器件晶片而形成具有多個超聲換能器的超聲換能器晶片；以及 通過在所述第一溝槽處切割所述多個超聲換能器結構和在所述第一溝槽下面的所述電極墊晶片，將所述超聲換能器晶片切割成塊以分割所述多個超聲換能器的每個。
7.如權利要求6所述的方法，其中形成所述第一溝槽包括使用干蝕刻方法在所述器件晶片中形成通孔。
8.如權利要求6所述的方法，其中使用鋸條執行所述超聲換能器晶片的切割成塊，其中所述第一溝槽的寬度大于所述鋸條的切割寬度。
9.如權利要求6所述的方法，還包括:在所述器件晶片中形成限定與所述多個超聲換能器結構的每個相應的多個元件的第二溝槽，其中形成所述第一溝槽與形成所述第二溝槽同時執行。
10.如權利要求9所述的方法，其中所述第一溝槽的寬度大于所述第二溝槽的寬度。
11.如權利要求6所述的方法，還包括:在所述電極墊晶片與所述器件晶片接合之前，在所述電極墊晶片中與所述第一溝槽相應地形成第三溝槽。
12.如權利要求11所述的方法，其中所述第三溝槽具有大于所述鋸條的切割寬度的寬度。
13.如權利要求12所述的方法，其中所述第三溝槽具有與所述第一溝槽基本相同的寬度。
14.如權利要求12所述的方法，其中接合所述電極墊晶片與所述器件晶片包括將所述第一溝槽與所述第三溝槽對準。
15.如權利要求11所述的方法，其中形成所述第三溝槽包括形成所述第三溝槽以具有在所述電極墊晶片的厚度的1/2至3/4的范圍內的深度。
16.—種分割器件的方法,包括: 形成包括多個器件襯底和至少一個上部溝槽的上部結構； 形成包括多個電極墊襯底和至少一個下部溝槽的下部結構； 接合所述上部結構與所述下部結構以形成器件陣列；以及 在所述至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽處將所述器件陣列切割成塊以分割所述器件陣列中的每個器件。
17.如權利要求16所述的方法，其中將所述器件陣列切割成塊形成在所述器件襯底的側面突出的第一突起單元以及在與所述第一突起單元相同的側面從所述電極墊襯底突出的第二突起單元。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述至少一個下部溝槽的位置相應于所述至少一個上部溝槽的位置。
19.如權利要求16所述的方法，其中所述至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽使用干蝕刻工藝形成。
20.如權利要求16所述的方法，還包括: 形成用于將器件的元件分開的至少一個元件溝槽。
21.如權利要求16所述的方法，其中所述至少一個上部溝槽和至少一個下部溝槽圍繞所述器件陣列中的器件的邊界。
22.如權利要求16所述的方法，其中所述器件是電容式微機械加工的超聲換能器。
【文檔編號】B81B7/00GK104415902SQ201410379432
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年8月4日 優先權日:2013年8月26日
【發明者】鄭秉吉, 洪碩佑 申請人:三星電子株式會社