CN1618530A - 以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种以压印技术来制作微电容式超声波换能器的方法，其主要利用一表面具有特定图案的母模压印于可塑性材料中，于该可塑性材料上形成微电容式超声波换能器所需的激振腔体。此压印技术除了可使超声波换能器易于大量制造，并降低成本外，并可精确地控制微电容式超声波换能器中激振腔体的几何尺寸，使电极间的距离缩小至微/纳米尺寸，进而大大提升超声波换能器的灵敏度。本发明的方法彻底改变现有技术制造微电容式超声波换能器的制作步骤，不但可以减少其程序，还可解决现有技术制作参数控制不易，容易造成激振腔体内部污染等问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种超声波换能器的制作方法，特别是有关一种微电容式超声波换能器的制作方法。
背景技术
超声波检测技术自第二次世界大战开始发展，早期用于国防军事用途，直到1950年代后期才开始大量应用于医学检测方面。而在所有超声波检测技术中，超声波换能器(Ultrasonic Transducer)扮演极为重要的角色，过去几十年来，产、官、学、研各界均已投入大量的研究与发展，相关技术亦已日趋成熟，而其中的主流研究方向则一直是压电式超声波换能器。
所谓压电效应有两种：正压电效应(direct piezoelectric effect)及逆压电效应(converse piezoelectric effect)。当压电体受到电场作用时，电偶极矩会被拉长，压电体会沿电场方向伸长，此即将电能转换为机械能。反之，对压电体施加压力，则体内的电偶极矩会随材质的压缩而变短，此时压电体内为了抵抗此种趋势，将产生电压以保持原状态。利用此特点，压电式超声波换能器可将电压信号转换为音波信号发射出去，亦可将接收到的音波信号转换成微电压信号，因此能做为超声波检测的探头(probe)。常见的压电体的材料有陶瓷类，如钛酸钡(BaTiO3)、钛酸铅锆(PZT)等，还有单晶类，如石英、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐等。惟此类压电式超声波换能器的成本过高，且组件特性方面，压电材料的晶格振荡易导致频宽与音压相对降低，尤有甚者，当其应用于非接触检测时，因压电材料与空气的声音阻抗差异过大，极易造成不匹配的状况发生，造成音波信号于接触接口产生大量反射的情况而降低检测效率。此外，由于分辨率与频宽的限制，其更难以应用于纳米等级的精密检测技术上。
有鉴于此，微电容式超声波换能器遂成为近年来各界积极发展研究的主题，亦已发表了数项相关的专利，例如美国US6,426,582、US6,004,832以及US6,295,247等等。微电容式超声波换能器的构造主要如图1所示，基板11上有数个支撑座12，支撑座12上方为一振荡薄膜13，而振荡薄膜13上方则是上电极层14。其中基板11掺有杂质而具有导电性，其与上电极层14构成一电容式结构，而由基板11、支撑座12与振荡薄膜13所包围构成的中空激振腔体15，则提供振荡薄膜13振荡时其薄膜上下振动所需的振幅空间。此种微电容式超声波换能器具有下列的优点：(1)频宽可以加大。(2)容易形成具有高频的阵列(array)。(3)可将前段的电路整合于同一硅晶圆片上。(4)可大量生产降低成本。微电容式超声波换能器的特点为该中空激振腔体与振荡薄膜的设计，而此激振腔体与振荡薄膜的各项几何特征，例如振荡薄膜的半径与厚度、电极间的垂直距离等均攸关整个微电容式超声波换能器的效能与表现，因此制作工艺中所有参数的设定莫不希望能将所有的尺寸控制于稳定且一致的规格。目前微电容式超声波换能器的制作方式如图2A至图2C所示，首先，于一基板21上依序形成一支撑氧化层22、一振荡薄膜层23与一导电层24，再以蚀刻微影方式形成贯穿振荡薄膜层23与导电层24的数个孔洞25，最后透过该孔洞25对支撑氧化层22进行蚀刻。利用蚀刻液对支撑氧化层22和振荡薄膜层23两种不同材料的蚀刻选择性不同的特性，可针对支撑氧化层22加以蚀刻，而不大会蚀刻振荡薄膜层23。因此经由时间的控制，最后可于支撑氧化层22上形成以孔洞25的位置为中心而向外扩张呈圆柱状的激振腔体221，如图所示，一完整的微电容式超声波换能器的结构遂可完成。依此制作方式，难控制激振腔体221的形状且难以检验，其完全需仰赖经验法则，对于制作上的变异，例如蚀刻液浓度的变化等均容易造成激振腔体221尺寸的变化，进而影响整个组件的特性。
此外，孔洞25系作为蚀刻液的流入与蚀刻副产品(by product)流出的通道，然以此方式易造成激振腔体221的污染且清洗不易，而所残留的物质更将影响组件的特性。
发明内容
本发明的主要目的是提供一种以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其利用一具有特定图案的母模压印形成微电容式超声波换能器所须的激振腔体，以达到大量生产、均匀控制并减低成本的功效。
本发明的次要目的是提供一种以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，藉由精密加工母模的方式，精确控制微电容式超声波换能器中激振腔体的几何尺寸，使电极间的距离尽可能缩小，以达到提高超声波换能器灵敏度的功效。
本发明的又一目的是提供一种以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，可避免现有技术必须利用孔洞作为被蚀刻物排出与蚀刻物流入的通道的制作方法，以达到提高腔体洁净度的功效。
为达上述的目的，本发明一种以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其步骤系包括：
(a)提供一基板，该基板可导电。
(b)于该基板上形成一支座薄膜层；
(c)提供一母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的表面。
(d)加压于该母模，使其具有阵列图案的表面压入该支座薄膜层，则该母模表面上的该阵列图案可转移至该支座薄膜层。
(e)将该母模移除，则该支座薄膜层上形成有特定排列的数个凹槽。
(f)提供一聚合物薄膜层。
(g)于该聚合物薄膜层上形成阵列状排列的数个上电极板，而相邻两上电极板之间有一导电连线将其连结。
(h)将该聚合物薄膜层的下表面黏着于该支座薄膜层的上方，薄膜层该数个凹槽遂形成数个封闭腔体，其中该封闭腔体的上方为该聚合物薄膜层，而该聚合物薄膜层上方则为数个上电极板，且该数个上电极板分别一一对应于该数个封闭腔体。
上面各步骤所用材料均爲標準半導体工艺所使用的材料，例如基板材料爲硅晶片等；支座薄膜层材料例如是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等可塑性聚合物材料；聚合物薄膜层材料可與支座薄膜层相同，即可使用PMMA等；金屬层可爲鋁、銅或是鋁銅合金等。
此外，为达上述的目的，本发明一种以压印技术制作微电容式超声波换能器的方法还具有一较佳实施例，其步骤包括：
(a’)提供一基板，该基板可导电。
(b’)于该基板上形成一支座薄膜层。
(c’)提供一圆柱状母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的外表面。
(d’)利用一驱动装置驱动该圆柱状母模加压滚过该支座薄膜层，该阵列图案即可转移至该支座薄膜层，于该支座薄膜层上形成特定排列的薄膜层凹槽。
(e’)提供一聚合物薄膜层。
(f’)于该聚合物薄膜层上形成阵列状排列的数个上电极板，而相邻两上电极板之间有一导电连线将其连结。
(g’)将该聚合物薄膜层的下表面黏着于该支座薄膜层的上方，该薄膜层数个凹槽遂形成数个封闭腔体，其中该封闭腔体的上方为该聚合物薄膜层，而聚合物薄膜层上方则为数个上电极板，且该数个上电极板分别一一对应于该数个封闭腔体。
本发明的上述与其它目的、特征及优点，通过配合下列说明及附图，将获得更好的理解。
附图说明
图1为微电容式超声波换能器基本构造的示意图；
图2A至图2C为现有技术中微电容式超声波换能器的制作方法的示意图；
图3A至图3E为将压印微影技术应用于半导体工艺上的示意图；
图4A至图4G为本发明利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法的第一较佳实施例示意图；
图4H为本发明所制成的微电容式超声波换能器的上视图；
图5A至图5G为本发明利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法的第二较佳实施例示意图。
附图标记说明：11基板；12支撑座；13振荡薄膜；14上电极层；15激振腔体；21基板；22支撑氧化层；221激振腔体；23振荡薄膜层；24导电层；25孔洞；31基板；32绝缘层；33可塑性材料薄膜；331较薄区块；34母模；41基板；42支座薄膜层；421薄膜层凹槽；422封闭腔体；43聚合物薄膜层；44导电层；441上电极板；442导电连线；51母模；511母模表面；512阵列图案；61基板；62支座薄膜层；621薄膜层凹槽；622封闭腔体；63聚合物薄膜层；64导电层；641上电极板；642导电连线；71圆柱状母模；711圆柱状母模表面；712阵列图案。
具体实施方式
以下将举出较佳实施例以详细说明本发明一种中央刻槽式圆柱状平凸透镜聚光装置的详细手段、运作方式、功效以及本发明的其它技术特征。
纳米压印微影技术于1995年与1996年由美国普林斯顿大学电机系的周郁教授所属研究团队发表的两篇研究论文揭开其研究序幕。纳米压印微影不像传统的微影方法，它本身不使用任何具能量的能束。因此，纳米压印微影的分辨率并不会受光波在阻剂中绕射、散射、干涉，以及来自基板的回向散射的效应所限制，其属于物理制作，而不属于化学工艺。事实上，压印微影技术早在1970年代后期便已出现，其相关的研究也如雨后春笋般出现，而相关的专利申请业已日益增加，例如美国专利US4,035,226，US5,259,926、US5,772,905、US6,375,870等等。
图3A至图3E是将压印微影技术应用于半导体制作上的示意图。首先，于一基板31上依序形成一绝缘层32与一可塑性材料薄膜33，并以适当的方法使该可塑性材料薄膜33处于可塑形状态。接着使用一表面具有凹凸图案的母模34，将其施压于可塑性材料薄膜33上，可使母模34表面的图案转移至可塑性材料薄膜33上。而于压印过程中，母模34表面的凸出部分不接触到绝缘层32，其凸出部分可于可塑性材料薄膜33上形成一较薄区块331。将母模34移除，则可塑性材料薄膜33上即形成具有高低相对应于该母模图案的图案。接着，以蚀刻方式将较薄区块331移除，使较薄区块331下方的部分绝缘层321露出，最后再将露出的部分绝缘层321以及位于绝缘层32上方的可塑性材料薄膜33移除，则绝缘层32上便可形成相对应于该母模图案的屏蔽(mask)，其可提供后续半导体制作之用，例如离子布置等。
明显地，利用压印微影技术于半导体制作中将可以省下多道制作步骤，尤其是母模的应用更可加快生产流程，并省下昂贵的光罩制作维护费用。此外，母模对于排序整齐的阵列图案尤有其高度实用性，因此若能将压印微影技术用于微电容式超声波换能器的制作上，势必为产业界带来极大的创新。其系具有下列的优点：
(1)可以大量生产。
(2)成本低廉。
(3)使用高分子材料作为振荡薄膜与激振腔体的主体，其选择性很多，甚至可以选择生物兼容(Bio-compatible)的材质使得微电容式超声波换能器更有利于生物医学上的应用。
(4)腔体的高度可以缩小，且整体的均匀度可以加以良好控制，以提高换能器的灵敏度。
(5)制作激振腔体的高分子材料可以使得传统利用硅基材造成的莱姆波(Lamb wave)效应获得控制和改善。
(6)传统制程中激振腔体与振荡薄膜必须为不同材质，其热膨胀系数不同的结果，容易造成超声波换能器特性改变，影响其稳定度。本发明的方法中，激振腔体与振荡薄膜系可使用相同的材料以解决此现有技术中不可避免的问题。
(7)以压印方法制成的微电容式超声波换能器的激振腔体高度可控制至微/纳米尺寸，将可使换能器性能提高并更具其应用效益。
图4A至图4G为本发明的一较佳实施例示意图，其首先提供一基板41，该基板41掺有杂质而具有导电能力，此基板41作为微电容式超声波换能器的下电极板，较佳者，还可于该基板上表面或下表面形成数个导电片板，以强化作为微电容式超声波换能器的下电极板，而该数个导电片板彼此之间有一导电连线将其连结。接着，于该基板41上形成一支座薄膜层42，为配合压印技术的制成，其材料为可塑性高分子材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，而为了提升微电容式超声波换能器的灵敏度，此支座薄膜层42的厚度越薄越好，其用来作为微电容式超声波换能器的激振腔体的外壁。接着使用一母模51，该母模51的一表面511上形成有特定凹凸排列的一阵列图案512。利用一驱动装置加压该母模51，使其具有阵列图案512的表面511压入支座薄膜层42上，由于支座薄膜层42的材料为可塑性材料，因此母模51表面上的阵列图案512可转移至支座薄膜层42上。接着将母模51自支座薄膜层42上移除，则支座薄膜层42上便可形成特定排列的数个薄膜层凹槽421。在加压母模51的过程中，其表面的凸出部分将不接触到基板41表面，换言之，母模表面凸出部分所形成的薄膜层凹槽421的底部将不接触到基板41表面，其仍然留有一厚度较薄的支座薄膜，最后再以蚀刻方式将该较薄的支座薄膜去除，使薄膜层凹槽421的底部露出基板41。其好处是可避免母模与基板的接触造成彼此的刮伤或损伤。而其压印的方式可为热压印、激光辅助压印、纳米压印或其它各种可造成压印效果的压印技术。
接着，于另一平台提供一聚合物薄膜层43，并于该聚合物薄膜层43上方形成特定阵列排列的数个上电极板441，用来作为微电容式超声波换能器中所需的上电极板，而所有上电极板441之间均分别有一导电连线将其连接。最后将聚合物薄膜层43黏着于支座薄膜层42之上，如此一来，所有的薄膜层凹槽421遂分别形成一封闭腔体422。其中聚合物薄膜层43与支座薄膜层42可使用相同的材料，如此可避免热膨胀系数不同造成超声波换能器特性改变，进而影响其稳定度的问题。封闭腔体422上方为聚合物薄膜层43，而聚合物薄膜层43上方则为上电极板441，每个上电极板441分别对应一个封闭腔体422。如图4H所示的本发明所完成的微电容式超声波换能器的上视图，上电极板441大约落在相对于封闭腔体422中央区域的位置，其截面积大小约略为封闭腔体422截面积的60％～70％，且相邻两上电极板441之间均分别有导电连线442将其连接。
此外，上述的数个上电极板441的形成方法可利用传统半导体显影、曝光、蚀刻的步骤制成，其步骤包括：
(1)于聚合物薄膜层43上方形成一导电层44，再于导电层44上方涂布一光刻胶层。所述光刻胶材料为本领域常用之材料。
(2)利用曝光显影工艺，使该光刻胶层形成具有特定排列图案的光刻胶屏蔽。
(3)蚀刻导电层44，则导电层上方有该光刻胶屏蔽的区域将不被蚀刻，其遂可而形成上电极板441。所述蚀刻方法为本领域常用之方法。
此一方法尤其应用在导电层44为金属、多晶硅等固体薄膜层时。若导电层亦为可塑性材料，则上电极板441的制作方式亦可使用压印技术，其步骤为：
(1’)于聚合物薄膜层43上方形成一导电层44。
(2’)提供第二母模，其表面形成有特定凹凸排列的第二阵列图案。
(3’)加压于第二母模，其具有第二阵列图案的表面压入导电层44，如此可将第二母模表面上的第二阵列图案转移至导电层44上。
(4’)移除该第二母模，则导电层44上便可形成有特定排列的数个上电极板441。
导电层高分子可塑性材料是比较特殊的形式，它利用金或银的微粒子悬浮于适当的高分子溶液上，请见美国第5756197号专利，其中有详细的说明。
图5A至图5G为本发明的又一较佳实施例示意图，首先提供一基板61，该基板61掺有杂质而具有导电能力，此基板61作为微电容式超声波换能器的下电极板，较佳者，还可于该基板上表面或下表面形成数个导电片板，以强化作为微电容式超声波换能器的下电极板，而该数个导电片板彼此之间有一导电连线将其连结。接着，于该基板61上形成一支座薄膜层62，为配合压印技术的制成，其材料为可塑性高分子材料，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，此一支座薄膜层62作为微电容式超声波换能器的激振腔体的外壁。接着提供一圆柱状母模71，该母模的外表面711上则形成有特定凹凸排列的一阵列图案712，利用一驱动装置使圆柱状母模71加压滚过支座薄膜层62，则其外表面上的阵列图案712即可转移至支座薄膜层62上，并直接于支座薄膜层62上形成特定排列的数个薄膜层凹槽621。同样地，在加压圆柱状母模71的过程中，其表面的凸出部分将不接触到基板61表面，换言之，母模表面的凸出部分所形成的薄膜层凹槽621的底部将不接触到基板51的表面，其仍然留有一厚度较薄的支座薄膜，之后再以蚀刻方式将该较薄的支座薄膜去除，使薄膜层凹槽521的底部露出基板51。
接着，于另一平台提供一聚合物薄膜层63，并于该聚合物薄膜层63上方形成特定阵列排列的数个上电极板641，其用来作为微电容式超声波换能器中所需的上电极板，而所有上电极板641之间均分别有一导电连线将其连接。最后将聚合物薄膜层63黏着于支座薄膜层62之上，如此一来，所有的薄膜层凹槽621遂分别形成一封闭腔体622。封闭腔体622上方为聚合物薄膜层63，而聚合物薄膜层63上方则为上电极板641，每个上电极板641分别对应一个封闭腔体622。其中，上电极板641大约落在相对于封闭腔体622中央区域的位置，其截面积大小约略为封闭腔体622截面积的60％～70％，且相邻两上电极板641之间均分别有一导电连线642将其连接。
此外，该数个上电极板641的形成可如前述第一较佳实施例所述的方法，若导电层64的材料为金属、多晶硅等固体薄膜时，其可利用传统半导体显影、曝光、蚀刻的步骤加以制成。而若导电层64的材料为可塑性材料时，可使用压印方法制成，而压印的方法可为第一较佳实施例所述的一般母模压印方法，或利用本实施例中利用圆柱状滚筒母模的方法加以制作，其还可利用热压印、激光辅助压印、纳米压印或其它各种可造成压印效果的压印技术。
此外，无论第一较佳实施例亦或是第二较佳实施例，其上电极板的制作，均可在聚合物薄膜层黏合于支座薄膜层后再加以进行。换言之，其制作步骤为于基板上形成一支座薄膜层，再利用压印技术于该支座薄膜层上形成数个凹槽，接着将聚合物薄膜层黏合于该支座薄膜层上方，则该数个凹槽便可形成微电容式超声波换能器所需的数个封闭腔体，最后再于聚合物薄膜层上方形成相对应于各个封闭腔体的上电极板。
总之，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，不能以其限定本发明所实施的范围。凡依本发明权利要求所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内。
Claims (10)
1、一种利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其步骤包括：
(a)提供可导电的一基板；
(b)于该基板上形成一支座薄膜层；
(c)利用压印方式于该支座薄膜层上形成阵列状排列的数个凹槽；
(d)提供一聚合物薄膜层，具有一上表面与一下表面；
(e)于该聚合物薄膜层的上表面形成阵列状排列的数个上电极，而相邻两该上电极之间有导电连线将其连结；
(f)将该聚合物薄膜层的下表面黏合于该支座薄膜层上方，使电极与薄膜层凹槽相对应形成数个封闭腔体，组成微电容式超声波换能器。
2、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(a)之后还包括有一步骤(a1)：
(a1)于该基板上方形成特定排列的数个下电极板，且相邻两下电极板之间有导电连线连结。
3、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(c)的该薄膜层数个凹槽的形成步骤包括：
(I)提供一母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的表面；
(II)利用一驱动装置加压于该母模，使其具有该阵列图案的表面压入该支座薄膜层，则该母模表面上的该阵列图案转移至该支座薄膜层，而加压过程中，该母模表面的凸出部分不接触该基板，其可于该基板上方相对于该母模表面凸出部分的区域形成较薄支座薄膜层；
(III)将该母模移除，则该支座薄膜层上形成有特定排列的数个凹槽。
4、如权利要求3所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(III)之后还具有一步骤(IV)：
(IV)以蚀刻方式将该较薄支座薄膜层去除，使该薄膜层凹槽的底部导通至该基板。
5、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(c)的该薄膜层数个凹槽的形成步骤包括：
(I’)提供一圆柱状母模，该母模具有形成特定凹凸排列的阵列图案的外表面；
(II’)利用一驱动装置以驱动该圆柱状母模加压滚过该支座薄膜层，该外表面上的该阵列图案即可转移至该支座薄膜层，其可于该支座薄膜层上形成特定排列的数个薄膜层凹槽，而加压过程中，该母模表面的凸出部分不接触至该基板，可于该基板上方相对于该母模表面凸出部分的区域形成一较薄支座薄膜层。
6、如权利要求5所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(II’)之后还具有一步骤(III’)：
(III’)以蚀刻方式将该较薄支座薄膜层去除，使该薄膜层凹槽的底部导通至该基板。
7、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(c)中的该压印方式可为热压印、光辅助压印与纳米压印等压印技术其中之一。
8、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中步骤(e)中数个上电极的形成方法为：
(1)于该聚合物薄膜层上方形成一金属层，再于该金属层上方涂布光刻胶层；
(2)利用曝光显影工艺，使该光刻胶层形成具有特定阵列排列图案的光刻胶屏蔽；
(3)蚀刻该金属层，金属层上方有光刻胶屏蔽的区域不被蚀刻，以形成数个上电极。
9、如权利要求1所述的利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其中在步骤(e)中数个上电极的形成方法可为：
(1’)于该聚合物薄膜层上方形成一导电层，该导电层为高分子材料；
(2’)以压印方式使该导电层形成阵列状排列的数个上电极；
其中该压印方式为热压印、光辅助压印与纳米压印等压印技术其中之一。
10、一种利用压印技术制作微电容式超声波换能器的方法，其步骤包括：
(a)提供可导电的一基板；
(b)于该基板上形成一支座薄膜层；
(c)利用压印方式于该支座薄膜层上形成阵列状排列的数个薄膜层凹槽；
(d)将聚合物薄膜层黏合于该支座薄膜层上方，则该薄膜层数个凹槽遂形成微电容式超声波换能器所需的数个封闭腔体，其中该封闭腔体的顶面为该聚合物薄膜层；
(e)于该聚合物薄膜层上形成阵列状排列的数个上电极，而相邻两两该上电极之间有一导电连线将其连结，且该数个上电极分别一一对应于该数个封闭腔体。
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