CN101883309A - 电容性机电变换器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电容性机电变换器及其制造方法。电容性机电变换器包括：多个空腔，用于使所述空腔彼此连接的连通部分，以及夹着每一空腔的两个电极。所述空腔被从外部密封，并且所述连通部分的至少一部分被闭合，以使所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

Description

电容性机电变换器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种电容性机电变换器(transducer)以及制造该电容性机电变换器的方法。

背景技术

传统上，已经使用超声波变换器作为超声波医疗诊断设备的超声波探针。超声波变换器是一种用于将电信号转换成超声波振动或相反转换的装置。在超声波医疗诊断设备中，输入的电信号被转换为待发射到生物体中的超声波，并且生物体中反射的超声波被接收以便转换为电信号。作为一种超声波变换器，存在电容性机电变换器。电容性机电变换器包括被维持在近似抽真空条件下的空间或所谓的空腔，并且该空腔夹在两个电极之间。所述电极之一被布置在薄膜或所谓的膜片(membrane)上，并且被可移动地支撑。

在超声波发射操作时，将依照超声波的电信号施加在这两个电极之间。此时，膜片和设置在其上的电极由于作用在这两个电极之间的静电引力而产生超声波振动。另一方面，在超声波接收操作时，膜片及其上的电极由于来自外部的超声波振动而振动。此时，这两个电极之间的距离根据该振动而改变，使得这两个电极之间的电容改变。该电容性改变被检测作为电信号。在美国专利申请No.2008/089179A1和美国专利No.5,982,709中公开了电容性机电变换器的技术。

一种制造电容性机电变换器的方法包括：以空腔形式在基板上形成牺牲层的步骤，在该牺牲层上形成膜片层的步骤，以及蚀刻该牺牲层以形成所述空腔的步骤。在蚀刻所述牺牲层的步骤之前，预先在膜片层中形成蚀刻孔，以从外部供应蚀刻液。此外，在蚀刻所述牺牲层的步骤之后在近似真空气氛中使所述蚀刻孔闭合，以将该空腔从外部密封。

在如上所述的电容性机电变换器中，空腔中的真空度影响超声波的发射输出特性以及接收灵敏度特性。通常，当空腔中的真空度降低并且气体或液体侵入空腔中时，阻尼效应作用在膜片上。因此，发射输出特性和接收灵敏度特性变化。因而，在这样的电容性机电变换器中，为了装置特性的稳定性，维持空腔中的真空度是重要的。即使空腔结构由于某种原因被损坏，也将空腔中的真空度的降低抑制在最小范围内。然而，在如上所述的电容性机电变换器中，相邻的空腔通过为蚀刻牺牲层而形成的蚀刻剂流动路径或者连通的部分而彼此连通。因此，当部分空腔中的膜片或真空密封部分被损坏时，互相连通的所有空腔的真空密封状况容易受影响。

发明内容

根据本发明的一个方面，提供了一种制造电容性机电变换器的方法，其包括：在基板上形成牺牲层，所述牺牲层用于形成多个空腔以及空腔之间的连通部分；在所述牺牲层上形成膜片层；在形成所述空腔的至少一部分壁中形成用于将所述牺牲层的一部分暴露于外部的蚀刻孔；通过所述蚀刻孔蚀刻所述牺牲层，以形成所述空腔以及用于将所述空腔彼此连通的所述连通部分；使所述蚀刻孔闭合以将所述空腔从外部密封；以及使所述连通部分的至少一部分闭合以中断所述空腔之间的通过所述连通部分的连通。

根据下面的参考附图对示例性实施例的描述，本发明的其他的特征将变得清楚。

附图说明

图1A是示出了根据本发明的电容性机电变换器的实施例的平面图。

图1B是图1A的A-A’横截面图。

图2A至2K是示出了根据本发明制造电容性机电变换器的制造方法的实施例的视图。

图3是示出了所述电容性机电变换器的实施例的一部分的放大平面图。

具体实施方式

下面将描述根据本发明的电容性机电变换器及其制造方法的实施例。在本发明的电容性机电变换器及其制造方法中，用于将空腔彼此连通以在蚀刻时引导蚀刻液或蚀刻气体的连通部分的至少一部分被闭合，并且空腔之间的连通被中断。

基于这样的概念，根据本发明的电容性机电变换器的制造方法的基本实施例包括：第一步骤，在基板上形成牺牲层，所述牺牲层用于形成多个空腔以及用于将所述空腔彼此连通的连通部分，所述基板上形成有例如下电极；第二步骤，在所述牺牲层上形成膜片层；以及第三步骤，在形成所述空腔的至少一部分壁中形成用于将所述牺牲层的一部分暴露于外部的蚀刻孔。该部分位于例如与所述空腔对应的空腔牺牲层上或者与所述连通部分对应的连通部分牺牲层上的膜片层、基板、或下电极等等中。该制造方法还包括：第四步骤，利用蚀刻液等通过蚀刻孔蚀刻该牺牲层，以形成所述空腔和用于使所述空腔彼此连通的连通部分；第五步骤，使蚀刻孔闭合以将所述空腔从外部密封；以及第六步骤，使所述连通部分的至少一部分闭合以中断所述空腔之间的通过所述连通部分的连通。

如在下面描述的实施例中所描述的，当在连通部分牺牲层上的膜片层中形成蚀刻孔时，第五步骤以及第六步骤可以同时执行。在下面描述的实施例中，在连通部分牺牲层的交叉部分上的膜片层中形成蚀刻孔，然而连通部分牺牲层的配置以及蚀刻孔的数目、配置和位置并不限于该实施例中所描述的这些。

在本发明中，蚀刻孔具有用于使牺牲层与蚀刻剂接触的流动路径的功能。因此，蚀刻孔可以在包围空腔牺牲层的至少一部分壁中形成。具体地，可以在空腔牺牲层上的膜片层、连通部分牺牲层上的膜片层、或基板等等中，形成用于将牺牲层的一部分暴露于外部的蚀刻孔。

连通部分牺牲层可以被配置为例如将两个空腔牺牲层彼此连接。蚀刻孔可以是单个，然而当形成多个蚀刻孔时可以增加蚀刻速率。在连通部分牺牲层上的膜片层中形成蚀刻孔是有益的。其理由是，空腔膜片层不经受蚀刻，由此装置的特性可以容易地具有目标值。此外，在这种情况下，如上所述的，第五步骤和第六步骤可以同时执行。特别地，在这种情况下，可以使电极之间形成的牺牲层的蚀刻速率相对快且稳定。因此，可以改善装置的产率。

作为一种通过闭合连通部分的至少一部分来使空腔之间的连通中断的方法，存在这样一种方法：利用材料(密封件)填充在连通部分的至少一部分中形成的且暴露于外部的孔。典型地，该孔是蚀刻孔，然而它可以是与蚀刻孔分开形成的孔。此外，存在一种通过使连通部分的互相面对的面彼此接合来中断空腔之间的连通的方法。例如，可以通过利用外部压力接合连通部分的互相面对的上面和下面来使连通部分闭合。该方法包括下面的例子。使连通部分的要被闭合的互相面对的面之间的间隙窄，以使得可以利用外部压力使这些面彼此接合。出于此目的，与该部分对应的牺牲层的部分被形成为这样一种形状，并蚀刻该牺牲层。

还可以降低连通部分的要被闭合的部分处的膜片层的厚度，并利用外部压力使此处的面彼此接合。此外，存在一种利用压力使膜片层与基板和侧壁接触以使连通部分的一部分闭合，并利用树脂使闭合的部分硬化的方法。还可以使用树脂形成膜片层，并将连通部分的要被闭合的部分处的膜片层和基板热熔化以使连通部分闭合。

基于以上所述的概念，本发明的电容性机电变换器的基本实施例包括多个空腔、用于使空腔彼此连通的连通部分、以及夹着所述空腔的两个电极，并且所述多个空腔被从外部密封。此外，连通部分的至少一部分被闭合，并且连接到所述连通部分的空腔之间的连通被中断。所述的两个电极是如下面描述的上和下电极。适当数目的、其间的连通被中断的空腔构成下面描述的元件，并且该电容性机电变换器包括多个元件。

将参考附图描述本发明的实施例。在图1A和1B所示的配置中，基板101可以是单晶硅基板、玻璃基板、或具有贯通配线的玻璃基板等等。当基板是诸如单晶硅基板的半导体基板时，基板还可以作为下电极。在图1A和1B所示的配置中，使用具有贯通配线的玻璃基板。因此，基板101包括玻璃基板102以及贯通线(via wire)103和104。图1B中所示的下电极105是电容性机电变换器中的一对面对的电极中的电极。下电极105连接到贯通线103，并且被引向基板101的底面侧。电极106连接到贯通线104，并且被引向基板101的底面侧。空腔107是形成在下电极105和膜片109之间的并且被维持在近似抽真空条件下的空间。连通部分108是从空腔107延伸的空间。

连通部分108作为用于在下面描述的机电转换装置的制造工艺中在蚀刻时使空腔彼此连通的部分。连通部分108的功能是将蚀刻液引导并供应到所述空腔。膜片109是面对下电极105布置的膜，空腔107插入二者之间。膜片109下的空间如上所述是在近似抽真空条件下，使得膜片109可以被可移动地支撑。上电极110形成在膜片109上，并被与膜片109一起可移动地支撑。所述多个空腔107和膜片109上设置的多个上电极110彼此互相电连接，并连接到在开口部分112中形成的电极114。电极114电连接到电极106。

蚀刻孔111是在膜片109中形成的开口部分，并作为要用于机电转换装置的制造工艺中的蚀刻液的供应路径。密封件113设置在连通部分108中，并将空腔107从外部空间密封，以将它维持在近似抽真空条件下。同时，密封件113将空腔107之间的通过连通部分108的连通闭合。下面将描述蚀刻孔111和密封件113的细节。上电极110可以由从Al、Cr、Ti、Au、Pt、Cu、Ag、W、Mo、Ta和Ni中选择的金属以及从AlSi、AlCu、AlTi、MoW和AlCr中选择的合金中的至少一个形成。此外，上电极110在膜片109的顶面、底面以及内部中的至少一个中形成。在膜片由导体或半导体形成的情况下，膜片本身也可以作为上电极。

在电容性机电变换器的该实施例中，多组下电极105和贯通电极103彼此电绝缘。包括设置在彼此互相电绝缘的下电极105上的多个空腔107的部分被称作元件。在超声波发射操作模式中，可以分别在不同元件中在下电极105和上电极110之间施加不同波形的电信号。因此，可以通过每一元件执行以独立的超声波波形的发射操作。

在超声波接收操作模式中，可以通过每一元件检测如上所述的由于超声波振动而引起的电容的变化。因此，可以通过每一元件执行以独立的超声波波形的接收操作。图1A和1B示出了其中两个元件设置在一个方向中的布置的配置。然而，可以以不同的方式布置元件，即，以不同数目、一维或二维布置等等来布置元件。如上所述，每一元件可以包括多个空腔107。在该实施例中，每一元件包括九个空腔107。这九个空腔107之间的相互连通被中断。

将参考图2A至2K和图3描述本实施例的机电转换装置的制造方法以及连通部分108、蚀刻孔111和密封件113的结构。图2A至2K示出该制造方法的工艺。在图2A至2K中，由相同的附图标记表示图1A和1B中相同的部分。图2A至2G是横截面图，而图2H至2K是平面图。

在本实施例的制造方法中，最初制备图2A中所示的基板101。如图2B和2H中所述，形成下电极105。下电极105如下形成。通过真空蒸发或溅射形成金属层。之后通过光刻形成具有与下电极105相同形状的抗蚀剂。通过蚀刻去除金属层的不必要的部分，以形成下电极105。下电极105可以具有任何形状，并且电连接至贯通电极103。同时，形成连接到贯通线104的电极106。

然后，如图2C和2I中所示，形成空腔牺牲层201和连通部分牺牲层202。在后来的牺牲层蚀刻步骤中，空腔牺牲层201被去除以形成空腔107。空腔107的形状由空腔牺牲层201的形状决定。空腔牺牲层201通过连通部分牺牲层202彼此互相连接。连通部分牺牲层202作为牺牲层蚀刻步骤中的蚀刻液供应路径。然后，如图2D中所示，形成膜片(膜片层)109。膜片109不仅可移动地支撑上电极110，而且使上电极110与下电极105电绝缘。例如，膜片109可以通过CVD(化学气相淀积)方法由硅氮化物或硅氧化物形成。

如图2E和2J中所示，在膜片109中形成蚀刻孔111和开口部分112。在连通部分牺牲层202中形成蚀刻孔111，以将用于蚀刻牺牲层的蚀刻液供应到连通部分牺牲层202和空腔牺牲层201。可以在连通部分牺牲层202或空腔牺牲层201中形成至少一个蚀刻孔111。在如图2J所示形成多个蚀刻孔111时，可以缩短牺牲层蚀刻步骤的蚀刻时间。通过去除电极106上形成的膜片109形成开口部分112。通过开口部分112，可以将电极106电连接到要在后来的步骤中形成的上电极110。

蚀刻孔111和开口部分112可以在同一步骤中形成。在该方法中，在通过光刻形成抗蚀剂之后，例如通过蚀刻形成蚀刻孔111和开口部分112。在膜片109由硅氮化物或硅氧化物形成的情况下，通过利用等离子体的干法蚀刻形成蚀刻孔111和开口部分112是有利的。

如图2F中所示，通过蚀刻去除空腔牺牲层201以形成空腔107。在该刻蚀工艺期间，也可以将连通部分牺牲层202去除。蚀刻牺牲层的方法根据空腔牺牲层201的材料而变化。例如，当空腔牺牲层201由铬形成时，可以使用利用次生硝酸铈铵(ammonium secondarycerium nitrate)的湿法蚀刻。在这种情况下，例如，当下电极105由钛形成并且膜片109由硅氮化物形成时，可以采用空腔牺牲层201相对于下电极105和膜片109的蚀刻选择性。也可以采用电解蚀刻作为蚀刻方法。

最后，如图2G和2K中所示，形成上电极110、电极114和密封件113。上电极110和密封件113可以由例如铝形成。在这种情况下，在通过真空蒸发或溅射形成铝层并形成具有与上电极110、电极114和密封件113相同形状的抗蚀剂之后，通过蚀刻将金属层的不必要的部分去除。上电极110彼此电连接，并通过开口部分112中形成的电极114连接到电极106。因此，上电极110通过贯通电极104被电引向基板101的底面侧。

将参考图3描述该实施例中的蚀刻孔111和密封件113的配置。在图3中，省略了上电极110。此外，空腔牺牲层201有时称为具有相同形状的空腔107。类似地，连通部分牺牲层202有时称为连通部分108。在该实施例中，连通部分牺牲层202从蚀刻孔111在四个方向延伸，并且每一连通部分牺牲层202连接到空腔牺牲层201。因此，在蚀刻牺牲层的步骤期间，蚀刻从蚀刻孔111同时在四个方向进行，并且空腔牺牲层201被蚀刻。

此外，蚀刻孔111的宽度(在图3中由字母“a”标出)大于连通部分牺牲层202的宽度(在图3中由字母b标出)。也即，宽度“a”比宽度b大2c。密封件113的宽度(在图3中由字母d标出)大于蚀刻孔111的宽度(在图3中由字母a标出)。也即，宽度d比宽度a大2e。这里，从蚀刻孔111开始在四个方向延伸的连通部分108之间的连通被中断。当在近似抽真空气氛下形成密封件113时，可以以独立的方式将每一空腔107密封在近似抽真空条件下。这里，可以同时执行将所述多个空腔107从外部密封的步骤以及将空腔107之间的通过连通部分108的连通中断的步骤。

在该实施例中，可以通过将用于使空腔彼此连通的连通部分108闭合来使空腔彼此独立。在蚀刻步骤中，形成对多个空腔共用的蚀刻孔，以有效地执行蚀刻并形成空腔。然而，所完成的空腔彼此不连通。因此，即使任何空腔被损坏，也不影响其他的空腔。例如，即使单元中的膜片被破坏，其他空腔也不与大气连通。

尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。下面的权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释，以包括所有这些修改以及等效的结构和功能。

本申请要求2009年5月8日提交的日本专利申请No.2009-113105的优先权，特此通过引用将其全文合并在此。

Claims (9)

1.一种制造电容性机电变换器的方法，所述方法包括：

在基板上形成牺牲层，所述牺牲层用于形成多个空腔以及所述空腔之间的连通部分；

在所述牺牲层上形成膜片层；

在形成所述空腔的至少一部分壁中形成蚀刻孔，所述蚀刻孔用于将所述牺牲层的一部分暴露于外部；

通过所述蚀刻孔蚀刻所述牺牲层，以形成所述空腔以及用于使所述空腔彼此连通的所述连通部分；

将所述蚀刻孔闭合，以将所述空腔从外部密封；以及

将所述连通部分的至少一部分闭合，以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻孔形成在用于形成所述连通部分的牺牲层上的膜片层中，并且将所述蚀刻孔闭合和将所述连通部分的所述部分闭合是同时进行的。

3.如权利要求1所述的方法，其中在将所述部分闭合中，用材料填充在所述连通部分的至少另一部分中形成的并且暴露于外部的孔，以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

4.如权利要求1所述的方法，其中在将所述部分闭合中，使所述连通部分的至少另一部分中的互相面对的面彼此接合，以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

5.一种电容性机电变换器，包括：

多个空腔；

连通部分，被配置用于将所述空腔彼此连接；以及

两个电极，被配置用于夹着每一空腔，

其中，所述空腔被从外部密封，并且所述连通部分的至少一部分被闭合，以使所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

6.一种电容性机电变换器，包括：

基板上的牺牲层，用于形成多个空腔和所述空腔之间的连通部分，所述连通部分使所述空腔彼此连通以及使所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断；

膜片层，位于所述牺牲层上；以及

在形成所述空腔的至少一部分壁中的蚀刻孔，所述蚀刻孔用于将所述牺牲层的一部分暴露于外部；

其中，所述蚀刻孔被闭合以将所述空腔从外部密封；以及

所述连通部分的至少一部分被闭合以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

7.如权利要求6所述的变换器，其中所述蚀刻孔形成在用于形成所述连通部分的牺牲层上的膜片层中，并且将所述蚀刻孔闭合和将所述连通部分的所述部分闭合是同时进行的。

8.如权利要求6所述的变换器，其中在将所述部分闭合中，用材料填充在所述连通部分的至少另一部分中形成的并且暴露于外部的孔，以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

9.如权利要求6所述的变换器，其中，使所述连通部分的至少另一部分中的互相面对的面彼此接合，以将所述空腔之间的通过所述连通部分的连通中断。

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