TW202209718A - 壓電微機械超聲波換能器及其製作方法 - Google Patents

Abstract

一種壓電微機械超聲波換能器，包括基板、膜層和犧牲層。基板具有穿透基板的空腔。膜設置在空腔上，並包括第一壓電層、底部電極、頂部電極和第二壓電層。第一壓電層設置在空腔上且包括錨定部，其中第一壓電層的錨定部直接接觸基板。頂部電極和底部電極設置在第一壓電層上。第二壓電層設置在底部電極和頂部電極之間。犧牲層設置在基板和第一壓電層之間，並且犧牲層的垂直投影不重疊於設置在空腔正上方的膜層的部分的垂直投影。

Description

壓電微機械超聲波換能器及其製作方法

本揭露係關於一種微機電系統（Micro Electro Mechanical System, MEMS）的技術領域，特別是關於一種壓電微機械超聲波換能器（PMUT）及其製作方法。

在過去的幾十年裡，微機械超聲波換能器(Micro Machined Transducer, MUTs)受到了廣泛的研究，並成為各種消費電子產品的重要組成，例如是指紋感測器、鄰近(proximity)感測器和手勢感測器中的組成部件。一般來說，MUTs可以被分為兩大類，例如是電容式微機械超聲波換能器(CMUTs)和壓電式微機械超聲波換能器(PMUTs)。對於典型的壓電式微機械超聲波換能器而言，壓電式微機械超聲波換能器包括由彈性材料、電極和壓電材料所構成的膜層，此膜層會被設置在作為聲波諧振器的空腔上，以提升壓電式微機械超聲波換能器的聲學性能。在壓電式微機械超聲波換能器運作的過程中，經由膜層的振動而產生的超聲波會從壓電式微機械超聲波換能器而被傳遞至目標物，然後壓電式微機械超聲波換能器可以偵測超聲波撞擊目標物後而產生的反射聲波。

通常，壓電式微機械超聲波換能器會在膜層的彎曲共振頻率下運作，此彎曲共振頻率可透過選擇正確的材料、膜的尺寸和厚度來決定。因此，單個壓電式微機械超聲波換能器的共振頻率的良好匹配是正常運作的必要條件。對於習知的PMUT，為了調控膜層的彎曲共振頻率，設置在空腔上的膜層通常會包括具有所需彈性的彈性層，且此彈性層會被設置於膜層的底部，而膜層的電極和壓電層則通常會被設置在彈性層上。然而，由於膜層中的壓電層的品質好壞對於其下方層（例如彈性層）的表面紋理非常敏感，因此在彈性層的材料以及其製程存在著諸多的限制。因此，即便可以將膜層製作為包括彈性層的結構，但仍難以自由地調控PMUT的共振頻率。

因此，需要提供一種改進的PMUT及其製作方法，以解決習知PMUT中所面臨的問題。

有鑑於此，有必要提供一種改良的PMUT及其製作方法，其能夠任意地調控PMUT的膜層的彈性。

根據本揭露的一實施例，一種PMUT包括基板、膜層和犧牲層。基板具有穿透基板的空腔。膜層設置在空腔上方並且包括第一壓電層、底部電極、頂部電極及第二壓電層。第一壓電層設置在空腔上方並且包括錨定部，其中第一壓電層的錨定部與基板直接接觸。底部電極設置在第一壓電層上方。頂部電極設置在底部電極上方。第二壓電層設置在底部電極和頂部電極之間。犧牲層設置在基板和第一壓電層之間，其中犧牲層的垂直投影不重疊於設置在空腔正上方的膜層的部分垂直投影。

根據本揭露的另一實施例，揭露了一種製作PMUT的方法，包括以下步驟。首先，提供基板，並且在基板上形成犧牲層，其中犧牲層包括暴露基板的至少一孔洞。然後，在至少一孔洞中和犧牲層上形成壓電層。之後，形成穿透基板的空腔，以暴露出犧牲層的部分。之後，使用壓電層作為蝕刻停止結構，以去除犧牲層從空腔暴露出的部分。

根據本揭露的實施例，彈性層不會被設置在基板和膜層之間，而是會被設置在膜層的上部。因此，膜層中的壓電層的結晶度不再會受到彈性層的影響，因而得以自由地調控PMUT中膜層的彈性。

本揭露提供了數個不同的實施例，可用於實現本揭露的不同特徵。為簡化說明起見，本揭露也同時描述了特定構件與設置的範例。提供這些實施例的目的僅在於示意，而非予以任何限制。舉例而言，下文中針對「第一特徵形成在第二特徵上或上方」的敘述，其可以是指「第一特徵與第二特徵直接接觸」，也可以是指「第一特徵與第二特徵間另存在有其他特徵」，致使第一特徵與第二特徵並不直接接觸。此外，本揭露中的各種實施例可能使用重複的參考符號和/或文字註記。使用這些重複的參考符號與註記是為了使敘述更簡潔和明確，而非用以指示不同的實施例及/或配置之間的關聯性。

另外，針對本揭露中所提及的空間相關的敘述詞彙，例如：「在...之下」，「低」，「下」，「上方」，「之上」，「下」，「頂」，「底」和類似詞彙時，為便於敘述，其用法均在於描述圖式中一個元件或特徵與另一個（或多個）元件或特徵的相對關係。除了圖式中所顯示的擺向外，這些空間相關詞彙也用來描述半導體裝置在使用中以及操作時的可能擺向。隨著半導體裝置的擺向的不同（旋轉90度或其它方位），用以描述其擺向的空間相關敘述亦應透過類似的方式予以解釋。

雖然本揭露使用第一、第二、第三等等用詞，以敘述種種元件、部件、區域、層、及/或區塊(section)，但應了解此等元件、部件、區域、層、及/或區塊不應被此等用詞所限制。此等用詞僅是用以區分某一元件、部件、區域、層、及/或區塊與另一個元件、部件、區域、層、及/或區塊，其本身並不意含及代表該元件有任何之前的序數，也不代表某一元件與另一元件的排列順序、或是製造方法上的順序。因此，在不背離本揭露之具體實施例之範疇下，下列所討論之第一元件、部件、區域、層、或區塊亦可以第二元件、部件、區域、層、或區塊之詞稱之。

本揭露中所提及的「約」或「實質上」之用語通常表示在一給定值或範圍的20%之內，較佳是10%之內，且更佳是5%之內，或3%之內，或2%之內，或1%之內，或0.5%之內。應注意的是，說明書中所提供的數值範圍、數量、數值及百分比係為大約的數量，亦即在沒有特定說明「約」或「實質上」的情況下，仍可隱含「約」或「實質上」之含義。

下文中所描述之步驟/流程中的特定步驟或是方塊層次係為例示。根據設計上的偏好，下文中所描述之步驟/流程中的特定步驟或是方塊層次可以被重新排列。進一步而言，部分方塊可以被整併或是刪除。又，下文的方法請求項係以簡單順序列出上述不同方塊的對應元件，且此方法請求項不應被限定為必須按照上述的特定步驟或是方塊層次。

雖然下文係藉由具體實施例以描述本揭露的發明，然而本揭露的發明原理係由本案的深申請專利範圍所界定，因此亦可被應用至未被具體描述於說明書中的實施例。此外，為了不致使本發明之精神晦澀難懂，特定的細節不會被記載於說明書中，該些未被記載的細節係屬於所屬技術領域中具有通常知識者的知識範圍。

第1圖是根據本揭露的一實施例所繪示的壓電微機械超聲波換能器（PMUT）的俯視示意圖。參照第1圖，壓電微機械超聲波換能器(PMUT)100至少包括基板102、穿過基板102而形成的空腔120、沿空腔120的開口設置的蝕刻停止結構（未繪示出）、被設置在空腔120上的膜層（未繪示出）（例如多層結構）、被設置在膜層上並和空腔120分離的彈性層142。根據本揭露的一實施例，沿著空腔120的開口所設置的蝕刻停止結構可以是從膜層的底表面突出的環形結構，使得膜層可以被附著至基板102。蝕刻停止結構的形狀不限於此，蝕刻停止結構亦可以是沿著空腔120的開口而設置的多邊形或弧形。設置在相對側的第一接觸墊114和第二接觸墊116可以分別電耦合至膜層的電極。此外，爲了避免第一接觸墊114和第二接觸墊116之間產生不必要的寄生電容，第一接觸墊114和第二接觸墊116的尺寸可盡可能的縮小，但不限於此。根據本揭露的一實施例，第一接觸墊114和第二接觸墊116可以被設置在膜層106的同一側或任何位置，只要第一接觸墊114和第二接觸墊116可以電耦合至膜層的電極。額外的導電跡線(未示出)可以被設置在基板102上，並且電耦合至第一接觸墊114和第二接觸墊116，以便將電訊號傳輸到膜層中或從膜層中傳輸出來。在PMUT 100的操作過程中，當聲波對於膜層施加聲壓或者電訊號被施加到膜層時，膜層可以產生振動。藉由使用蝕刻停止結構，可以精確地限定空腔120上方的膜層的尺寸和位置，而不論膜層下方的空腔120的尺寸和位置。因此，可以有效地增加各PUMT 100的共振頻率的均勻性。

第2圖是根據揭露一實施例沿著第1圖的切線A-A’所繪示的的剖面示意圖。參考第2圖，蝕刻停止結構可以是錨定到基板102並與空腔120直接接觸的第一壓電層132的一部分，其可以被稱作第一壓電層132的「錨定部」。在基板102的頂面102A上的空腔120的開口O可以視為被第一壓電層132所密封。基板102可以是半導體基板，例如塊矽基板，但不限於此。基板102可以是單晶矽、多晶矽、非晶矽、玻璃、陶瓷材料或其他合適的材料。根據本揭露的一實施例，基板102可以是SOI基板。犧牲層124可以設置在基板102和第一壓電層132之間，並且犧牲層124的成分可以不同於基板102和第一壓電層132的成分。根據本揭露的一實施例，在基板102之組成係包括半導體材料，例如矽，的情況下，犧牲層124可以例如是氧化矽(SiO_x )或二氧化矽(SiO₂ )的介電層。此外，根據本揭露的另一實施例，可以省略大部分的犧牲層124，以增加第一壓電層132和基板102之間的接觸區域。膜層106，例如是包括底部電極134、第二壓電層136和頂部電極138的多層結構，可以被設置在第一壓電層132上。膜層106的部分可以被設置在空腔120的上方，且空腔120包括靠近膜層106的邊緣120e。根據本揭露的一實施例，犧牲層124的垂直投影可以不重疊於設置在空腔120正上方的膜層106的垂直投影。PMUT 100的底部電極134和頂部電極138可以分別電耦合至第一接觸墊114和第二接觸墊116。選擇性的鈍化層140可以進一步被設置在膜層106上，且其組成可以是介電層。具有所需彈性(elasticity)的彈性層可以被設置在選擇性的鈍化層140上，使得當聲波或電訊號施加到PMUT 100時，膜層106可以在特定頻率振動。應當注意，由於彈性層142的彈性高於彈性層142下其他層別的彈性，因此膜層106的機械行爲主要由彈性層142主導。

爲了使本技術領域中具有通常知識者能夠據以實現本揭露的發明，下文進一步描述製作壓電微機械超聲波換能器的方法。此外，由於壓電微機械超聲波換能器可以透過標準的CMOS製程製作，因此在壓電微機械超聲波換能器的同一基底上也可以透過相同的CMOS製程製作相關的電子元件，如場效電晶體、放大器和積體電路。

第3圖是根據本揭露一實施例在基板上形成犧牲層後的剖面示意圖。第7圖是根據本揭露一實施例所繪示的製作壓電微機械超聲波換能器的方法流程圖。參考第3圖，在方法200的步驟202中，提供基板102，根據不同的需求，基板102可以選擇自半導體基板或絕緣基板。根據本揭露的一實施例，基板102可以是單晶矽基板。然後，在步驟204中，在基板102的頂面102A上沉積犧牲層124。犧牲層124中可以有至少兩個孔洞126，使得基板102的部分可以從孔洞126的底部暴露出。因爲可透過光微影製程而精確定義孔洞126的位置，所以可以精確地控制兩個孔洞126之間的距離。應當注意的是，在後續製程中，一些層會被沉積在犧牲層124上，而爲了增加這些層的電性表現或結晶度，犧牲層124的側壁126S和基板102的頂面102A之間的角度θ1應當被設定在

-

的範圍內，例如

、

、

或

，但不限於此。

第4圖是在基板上形成膜層後的剖面示意圖。在步驟206中，第一壓電層132可以被沉積在基板102上，並填充至犧牲層124的孔洞126中。第一壓電層132可以由絕緣材料製成，例如氮化鋁(AlN)、摻鈧氮化鋁(ScAlN)、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride, PVDF)、鈮酸錳鉛-鈦酸鉛(lead mangnesium niobate-lead titanate, PMN-PT)，但不限於此。根據本揭露的一實施例，第一壓電層132也可以用作後續沉積在第一壓電層132上的某一層的晶種層。此外，第一壓電層132的表面紋理可能會影響沉積在其上的一些層的結晶度。之後，底部電極134、第二壓電層136、頂部電極138和鈍化層140可以依序沉積在第一壓電層132上。底部電極134和頂部電極138可以是由鉬(Mo)、鈦(Ti)、鋁(Al)或鉑(Pt)所組成的相同或不同的材料，但不限於此。第二壓電層136可以由氮化鋁(AlN)、摻雜鈧的氮化鋁(ScAlN)、鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、鈮酸鉛-鈦酸鉛(PMN-PT)組成，但不限於此。鈍化層140可以是由絕緣材料製成的選擇性層，例如SiO₂ 、SiON或AlN，但不限於此。此外，第二壓電層136的材料可以和第一壓電層132的材料相同。此外，多個凹槽可以被形成在鈍化層140的表面上，並且各凹槽可以在鈍化層140的側壁140S和鈍化層140的頂面140A之間具有

-

的角度θ2。可以在膜層106中形成孔洞，以分別暴露出底部電極134和頂部電極138，然後可以將接觸墊，即第一接觸墊114和第二接觸墊116填充到各孔洞中。如此，第一接觸墊114可以電耦合至底部電極134，而第二接觸墊116可以電耦合至頂部電極138。

第5圖是在膜層上形成彈性層後的剖面示意圖。參考第5圖，具有所需彈性的層可以被沉積在膜層106上，然後被圖案化，以形成與第一接觸墊114和第二接觸墊116分離的彈性層142。彈性層142可以由具有合適彈性的材料組成，例如結晶矽(c-Si)、非晶矽(a-Si)、富矽氮化物(SiN_x )、碳化矽(SiC)、鉬(Mo)、鈦(Ti)、鋁(Al)或鉑(Pt)，但不限於此。由於彈性層142不會被設置在第二壓電層136下方，因此第二壓電層136的結晶度不再會受到彈性層142的表面紋理的影響。

第6圖是根據本揭露的一實施例形成穿透基板的空腔後的剖面示意圖。參考第6圖，在步驟208中，透過蝕刻基板102的背面，以形成穿透基板102的空腔120。因此，犧牲層124的部分底面可以自空腔120被暴露出。空腔120在基板102的前側可具有開口O，此開口O係由鄰近於膜層106的空腔120的邊緣120e所定義出，並且開口O所定義出的長度可小於由第一壓電層132的錨定部所定義出的距離D。由於用於定義PMUT中的膜層的位置的距離D主要係由第一壓電層132的錨定部來決定，所以即使開口O的位置或尺寸有些許的偏移，PMUT的膜層的位置和尺寸也不會改變。

之後，在步驟210中，藉由利用第一壓電層132作爲蝕刻停止結構，施行蝕刻製程，以去除從空腔120暴露出的犧牲層124。當犧牲層124的組成為氧化矽時，蝕刻劑可以是氣態氫氟酸(Vapor HF, VHF)。在去除從空腔120暴露出的犧牲層124的過程中，由於犧牲層124對於第一壓電層132的蝕刻選擇比大於10，所以可以僅去除與蝕刻劑直接接觸的犧牲層124。此外，由於第一壓電層132的錨定部可阻止蝕刻劑到達犧牲層124的剩餘部分，因此可以避免犧牲層的剩餘部分在蝕刻過程中被去除。結果，可以獲得如第2圖所示的結構。

根據本揭露的實施例，彈性層不會被設置在基板和膜層之間，而是被設置在膜層的頂面上。因此，膜層中的壓電層的結晶度不再會被彈性層的表面紋理影響，因而得以自由調控PMUT的膜層的整體彈性。 以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

100:壓電微機械超聲波換能器(PMUT) 102:基板 102A:頂面 102B:底面 106:膜層 114:第一接觸墊 116:第二接觸墊 120:空腔 120e:邊緣 124:犧牲層 126:孔洞 126S:側壁 132:第一壓電層 134:底部電極 136:第二壓電層 138:頂部電極 140:鈍化層 140A:頂面 140S:側壁 142:彈性層 200:方法 202:步驟 204:步驟 206:步驟 208:步驟 210:步驟 D:距離 O:開口 θ1:角度 θ2:角度

為了使下文更容易被理解，在閱讀本揭露時可同時參考圖式及其詳細文字說明。透過本文中之具體實施例並參考相對應的圖式，俾以詳細解說本揭露之具體實施例，並用以闡述本揭露之具體實施例之作用原理。此外，為了清楚起見，圖式中的各特徵可能未按照實際的比例繪製，因此某些圖式中的部分特徵的尺寸可能被刻意放大或縮小。 第1圖是根據本揭露的一實施例所繪示的壓電微機械超聲波換能器（PMUT）的俯視示意圖。 第2圖是根據本揭露的一實施例沿著第1圖的切線A-A’所繪示的剖面示意圖。 第3圖是根據本揭露的一實施例所繪示的在基板上形成犧牲層後的剖面示意圖。 第4圖是在基板上形成膜層之後的剖面示意圖。 第5圖是在膜層上形成彈性層之後的剖面示意圖。 第6圖是根據本揭露的一實施例所繪示的在形成穿透基板的空腔之後的剖面示意圖。 第7圖是根據本揭露的一實施例所繪示的製作PMUT的方法的流程圖。

100:壓電微機械超聲波換能器(PMUT)

102:基板

102A:頂面

102B:底面

106:膜層

114:第一接觸墊

116:第二接觸墊

120:空腔

120e:邊緣

124:犧牲層

126:孔洞

126S:側壁

132:第一壓電層

134:底部電極

136:第二壓電層

138:頂部電極

140:鈍化層

142:彈性層

D:距離

O:開口

Claims (18)

1. 一種壓電微機械超聲波換能器，包括： 一基板，包括穿透該基板的一空腔； 一膜層，設置在該空腔上，該膜層包括： 一第一壓電層，設置在該空腔上，該第一壓電層包括一錨定部，其中該第一壓電層的該錨定部直接接觸該基板； 一底部電極，設置在該第一壓電層上； 一頂部電極，設置在該底部電極上；以及 一第二壓電層，設置在該底部電極和該頂部電極之間；以及 一犧牲層，設置在該基板和該第一壓電層之間，其中該犧牲層的垂直投影不重疊設置在該空腔正上方的該膜層的部分垂直投影。
2. 如請求項1所述的壓電微機械超聲波換能器，其中該空腔的一開口鄰近該膜層。
3. 如請求項1所述的壓電微機械超聲波換能器，其中，直接接觸該基板的該第一壓電層的該錨定部是沿著該空腔的一開口而設置，該錨定部包括環形、多邊形或弧形結構。
4. 如請求項1所述的壓電微機械超聲波換能器，進一步包括一界面，該界面位於該犧牲層的一端和該第一壓電層之間，其中該界面和該基板的頂面之間的角度爲

   

   -

   

   。
5. 如請求項1所述的壓電微機械超聲波換能器，其中當使用氣體氫氟酸作爲蝕刻劑時，該犧牲層對該第一壓電層的蝕刻選擇比大於10。
6. 如請求項5所述的壓電微機械超聲波換能器，其中該第一壓電層的材料與該第二壓電層的材料相同。
7. 如請求項6所述的壓電微機械超聲波換能器，其中該第一壓電層直接接觸該底部電極。
8. 如請求項5所述的壓電微機械超聲波換能器，進一步包括一彈性層，該彈性層設置在該膜層上。
9. 如請求項8所述的壓電微機械超聲波換能器，還包括至少一接觸墊，該至少一接觸墊設置在該犧牲層上且分離於該彈性層。
10. 如請求項8所述的壓電微機械超聲波換能器，還包括一鈍化層，該鈍化層設置在該膜層和該彈性層之間。
11. 一種製作壓電微機械超聲波換能器的方法，包括： 提供一基板； 形成一犧牲層於該基板上，其中該犧牲層包括暴露出該基板的至少一孔洞； 形成一壓電層於該至少一個孔洞中和該犧牲層上； 形成穿透該基板的一空腔，以暴露該犧牲層的一部分；以及 使用該壓電層作爲蝕刻停止結構，去除從該空腔暴露出的該犧牲層的該部分。
12. 如請求項11所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，其中該至少一個孔洞的側壁和該基板的頂面之間的角度爲

    

    -

    

    。
13. 如請求項11所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，其中該壓電層包括直接接觸該基板的一錨定部。
14. 如請求項11所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，進一步包括： 在形成穿透該基板的該空腔的步驟之前，在該壓電層和該犧牲層上形成複數個層，其中該些層包括： 一底部電極； 一頂部電極，設置於該底部電極上；以及 另一壓電層，設置於該底部電極和該頂部電極之間。
15. 如請求項14所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，進一步包括在該些層上形成一彈性層。
16. 如請求項15所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，進一步包括形成至少一接觸墊，該至少一接觸墊設置在該些層上並電耦合至該頂部電極或該底部電極的其中之一者，其中該彈性層分離於該至少一接觸墊。
17. 如請求項11所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，其中，當完成去除從該空腔暴露出的該犧牲層的該部分的步驟時，該犧牲層的其他部分保留在該基板上。
18. 如請求項11所述的製作壓電微機械超聲波換能器的方法，其中在去除從該空腔暴露出的該犧牲層的該部分的步驟的過程中，該犧牲層對該壓電層的蝕刻選擇比大於10。

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