Transductores ultrasónicos micromecanizados y procedimiento de fabricación.

Un procedimiento de fabricación de un transductor ultrasónico microfabricado que comprende las etapas de:

utilizar una oblea de silicio en aislante (SOI), comprendiendo dicha oblea de SOI una oblea (21) de soportede silicio, una capa (22) de óxido y una membrana (14) de dicho transductor ultrasónico microfabricado;utilizar una oblea portadora (11) de silicio, estando dispuesta dicha oblea portadora (11) de silicio como unelectrodo inferior de dicho transductor ultrasónico microfabricado;

formar una película aislante (24) de grosor predeterminado sobre dicha oblea portadora (11) de silicio,determinando el grosor de dicha película aislante (24) una altura de las cavidades de dicho transductorultrasónico microfabricado; caracterizado porque, utiliza fotolitografía para formar una máscara conaberturas en dicha película aislante (24), en el que dichas aberturas definen una forma de dicha cavidad;atacar químicamente dichas ventanas para formar dicha cavidad

unir mediante oblea dicha película aislante (24) entre dicha oblea portadora (11) de silicio y dichamembrana (14) para formar células; y

retirar dicha oblea (21) de soporte de silicio, y dicha capa (22) de óxido dejando dicha membrana soportadasobre dicha película aislante (24).

Transductores ultrasónicos micromecanizados y procedimiento de fabricación Breve descripción de la invención La presente invención versa, en general, acerca de transductores ultrasónicos micromecanizados (MUT) y, más en particular, acerca de un procedimiento de fabricación de transductores ultrasónicos micromecanizados utilizando tecnología de unión de obleas y acerca de los MUT resultantes.

Antecedentes de la invención Los transductores ultrasónicos han sido utilizados en un número de aplicaciones de detección, tales como en una evaluación no destructiva de formación de imágenes médicas, de medición del gas y un número de aplicaciones de generación de ultrasonidos, tales como terapia médica, limpieza industrial, etc. Una clase de tales transductores es el transductor electrostático. Los transductores electrostáticos han sido utilizados durante mucho tiempo para recibir y generar ondas acústicas. Se han utilizado conjuntos de transductores electrostáticos de gran área para una formación de imágenes acústicas. El transductor electrostático emplea membranas resilientes con una inercia muy pequeña que forman una placa de un soporte de transductores electrostáticos por encima de una segunda placa. Cuando las distancias son pequeñas, los transductores pueden ejercer fuerzas muy grandes. El momentum llevado a aproximadamente la mitad de una longitud de onda de las moléculas de aire puede poner a la membrana en movimiento y viceversa. El accionamiento y la detección electrostáticos permiten la realización y el control de tales membranas. De forma alternativa, se pueden accionar las membranas utilizando transductores piezoeléctricos y magnéticos.

Los transductores ultrasónicos capacitivos microfabricados (cMUT) de banda ancha pueden incluir múltiples elementos que incluyen membranas de tamaño y forma idénticos o distintos soportadas sobre un sustrato de silicio por paredes de un material aislante que junto con la membrana y el sustrato definen células. Las paredes están formadas al micromecanizar una capa de material aislante tal como óxido de silicio, nitruro de silicio, etc. El sustrato puede ser vidrio u otro material de sustrato. El transductor capacitivo está formado por una capa conductora o la membrana y el medio conductor, tal como una capa bien aplicada al sustrato o bien el sustrato que tenga regiones conductoras. En otros tipos de transductores ultrasónicos de banda ancha en los que se accionan las membranas mediante transductores piezoeléctricos (pMUT) las paredes de la célula no necesitan estar fabricadas de material aislante.

La fabricación de transductores ultrasónicos capacitivos micromecanizados ha sido descrita en muchas publicaciones y patentes. Por ejemplo, las patentes U.S. nos 5.619.476; 5.870.351 y 5.894.452, describen la fabricación de transductores ultrasónicos de tipo capacitivo o electrostático en los que las membranas están soportadas sobre un sustrato tal como silicio por soportes aislantes tales como nitruro de silicio, óxido de silicio o poliamida. Los soportes se acoplan a los bordes de cada membrana para formar una o más células. Una tensión aplicada entre el sustrato y la película conductora sobre la superficie de las membranas provoca que las membranas vibren y emitan sonido o, de forma alternativa, las ondas sonoras recibidas provocan que las membranas vibren y proporcionen un cambio en la capacitancia. Las membranas puede ser selladas para proporcionar la operación de los transductores sumergidos en líquidos. En general, los transductores incluyen una pluralidad de células de tamaños y/o formas idénticos o distintos. En algunas aplicaciones, los elementos transductores de múltiples células están dispuestos en conjuntos con la excitación eléctrica de los elementos controlados para proporcionar patrones deseados de haces. Se puede emplear la misma tecnología para fabricar pMUT y mMUT.

En general, las membranas en los cMUT de la técnica anterior son crecidas o depositadas sobre una película aislante y la película aislante es atacada químicamente de forma selectiva a través de aberturas en la membrana para proporcionar cavidades subyacentes. Se ponen en peligro las propiedades de membrana que dependen de los parámetros procedimentales y la predictibilidad, la reproducibilidad y la uniformidad de las membranas. Además, la formación de membranas con cavidades subyacentes requiere etapas complejas de procesamiento. Además, es difícil generar estructuras complejas de cavidades de membrana que utilizan tecnología convencional de fabricación de MUT de la técnica anterior.

El documento US-A-6004 832 da a conocer un procedimiento de fabricación de un transductor ultrasónico microfabricado según la porción de delimitación previa de la Reivindicación 1.

El documento WO 00/02028 A1 da a conocer una unión por fusión de una estructura de soporte y de una oblea en la fabricación de componentes de silicio.

Según la invención se proporciona un procedimiento de fabricación de un transductor ultrasónico microfabricado como se reivindica en la Reivindicación 1.

La invención proporciona, además, un transductor ultrasónico como se reivindica en la Reivindicación 7.

Breve descripción de los dibujos Se comprenderán más claramente lo anterior y otros objetos de la invención a partir de la siguiente descripción cuando sea leída junto con los dibujos adjuntos en los que:

las Figuras 1.1 a 1.9 ilustran las etapas de formación de un cMUT según una realización de la presente invención; la Figura 2 es una vista en corte transversal que ilustra una realización alternativa de la oblea procesada de la Figura 1.3; las Figuras 3.1 a 3.7 ilustran las etapas de formación de un cMUT según otra realización de la presente invención;

las Figuras 4.1 a 4.3 ilustran las etapas de formación de un cMUT según una realización adicional más de la presente invención; las Figuras 5.1 a 5.6 ilustra las etapas de formación de un cMUT que incluye una membrana que tiene porciones de distintos grosores según otra realización más de la presente invención; la Figura 6 ilustra un cMUT según una realización adicional de la invención;

la Figura 7 ilustra un cMUT según otra realización de la presente invención; la Figura 8 ilustra las frecuencias resonantes primera y segunda en el aire como una función de la masa adicional sobre la membrana de la Figura 7; la Figura 9 ilustra la relación de las frecuencias primera y segunda de resonancia de la Figura 8; la Figura 10 ilustra un cMUT según otra realización más de la presente invención;

la Figura 11 ilustra un pMUT fabricado según otra realización de la presente invención; las Figuras 12 y 13 ilustra mMUT fabricados según otra realización de la presente invención; la Figura 14 ilustra de forma esquemática la formación de una capa delgada que sirve de membrana para una unión por fusión según la presente invención; y las Figura 15.1 – 15.4 ilustra las etapas de formación de otra membrana para una unión por fusión según la presente invención.

Descripción de una o más realizaciones preferentes Se describe en primer lugar la fabricación de cMUT que tienen membranas de silicio formadas mediante unión por fusión de obleas de silicio en óxido a la pared de la célula de óxido de silicio seguido de una descripción de uso de la misma tecnología para formar pMUT y mMUT. Esto es seguido de una descripción del uso del mismo procedimiento de unión por fusión para fabricar otros tipos de membranas que tienen características seleccionadas.

Con referencia a las Figuras 1.9 y 3.6, los cMUT según la presente invención incluyen células en una oblea 11 de soporte con una pluralidad de células 12 que tienen paredes 13 de óxido y membranas 14 de silicio formadas mediante unión por fusión del silicio de una oblea de silicio en óxido a las paredes de óxido. Los electrodos conductores comprenden la oblea 11 y las capas 16 de conducción (Figura 1.9) . En la Figura 3.7, en la que las partes similares están representadas por los mismos números de referencia, los electrodos comprenden la región implantada 17 y las capas conductoras 16.

Las etapas de formación de cMUT según la Figura 1.9 emplean unión por fusión de obleas al vacío se ilustran y se describen con referencia a las Figuras 1.1 a 1.9. El procedimiento comienza con dos obleas. La primera oblea 11 es una oblea de silicio de alta calidad que es denominada oblea portadora (Figura 1.1) . Esta oblea constituirá el 40 electrodo inferior de los cMUT. Puede ser una oblea de baja resistividad que la convierta en una placa posterior conductora o puede ser una oblea de alta resistividad y dopada de forma selectiva para definir un electrodo posterior... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de fabricación de un transductor ultrasónico microfabricado que comprende las etapas de:

utilizar una oblea de silicio en aislante (SOI) , comprendiendo dicha oblea de SOI una oblea (21) de soporte de silicio, una capa (22) de óxido y una membrana (14) de dicho transductor ultrasónico microfabricado;

utilizar una oblea portadora (11) de silicio, estando dispuesta dicha oblea portadora (11) de silicio como un electrodo inferior de dicho transductor ultrasónico microfabricado; formar una película aislante (24) de grosor predeterminado sobre dicha oblea portadora (11) de silicio, determinando el grosor de dicha película aislante (24) una altura de las cavidades de dicho transductor ultrasónico microfabricado; caracterizado porque, utiliza fotolitografía para formar una máscara con aberturas en dicha película aislante (24) , en el que dichas aberturas definen una forma de dicha cavidad; atacar químicamente dichas ventanas para formar dicha cavidad unir mediante oblea dicha película aislante (24) entre dicha oblea portadora (11) de silicio y dicha membrana (14) para formar células; y retirar dicha oblea (21) de soporte de silicio, y dicha capa (22) de óxido dejando dicha membrana soportada sobre dicha película aislante (24) .

2. Un procedimiento según la reivindicación 1, en el que dicha oblea portadora (11) de silicio puede ser una oblea de resistividad baja que la convierta en una placa posterior conductora o puede ser una oblea de resistividad alta y dopada de forma selectiva para definir un electrodo posterior modelado.

3. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha membrana (14) es silicio o nitruro de silicio, o dicha

membrana puede estar formada al depositar o hacer crecer epitaxialmente una película de material que comprende Six, Nx o Sil sobre dicha oblea portadora.

4. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha película aislante (24) es una película de óxido formada sobre dicho sustrato de silicio o dicha membrana (14) .

5. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha membrana (14) tiene áreas de distinto grosor.

6. El procedimiento de la reivindicación 1, en el que dicha oblea 21 de soporte de silicio es atacada químicamente para configurar una pared inferior de dicha cavidad.

7. Un transductor ultrasónico obtenible mediante el procedimiento de la reivindicación 1, que comprende un cuerpo de silicio que tiene una superficie que forma una pared de una cavidad, en el que dicha profundidad

de dicha cavidad se determina mediante el grosor de una capa (24) de óxido sobre dicho cuerpo (11) de silicio y una anchura de dicha cavidad se determina por medio de una máscara de decapado fotolitográfico; una capa (24) de óxido de silicio configurada para definir las paredes laterales de dichas cavidades; y una membrana de silicio fusionada al vacío al cuerpo de silicio, y mantenida separada del mismo, mediante dichas paredes de óxido de silicio para definir células al vacío con dicho cuerpo de silicio.

8. Un transductor ultrasónico como en la reivindicación 7, en el que dicha membrana (14) de silicio en cada una de dichas células tiene áreas de distinto grosor.

9. Un transductor ultrasónico de la reivindicación 8, en el que dicho cuerpo de silicio está configurado con regiones de distinta altura en cada una de dichas células.

10. Un transductor ultrasónico como en la reivindicación 9, en el que dicha membrana (14) de silicio en cada una

de dichas células tiene una región de distintos grosores y en el que dicho cuerpo (11) de silicio está configurado con regiones de distinta altura en cada una de dichas células.

11. Un transductor ultrasónico como en las reivindicaciones 7, 8, 9 o 10, en el que la membrana (14) es la capa de silicio de una oblea de silicio sobre aislante.