TW202408041A - 電容式換能裝置及其的製造方法 - Google Patents
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Abstract
一種電容式換能裝置包括基板、下電極、振盪元件層、上電極、多個封孔結構及保護層。下電極設置於基板上。振盪元件層設置於下電極上且具有多個穿孔。上電極設置於振盪元件層上。多個封孔結構穿過振盪元件層的多個穿孔，以延伸至下電極。位於多個封孔結構之間的部分振盪元件層、多個封孔結構及下電極定義電容式換能裝置的工作空腔。保護層設置於振盪元件層上且覆蓋上電極。封孔結構與保護層形成於不同的多個膜層。此外，上述電容式換能裝置的製造方法也被提出。
Description
本發明是有關於一種換能裝置及其的製造方法，且特別是有關於一種電容式換能裝置及其的製造方法。
在目前超聲換能器的發展中，可分為塊材壓電陶瓷換能器（Bulk Piezoelectric Ceramics Transducer）、電容式微機械換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer, CMUT）以及壓電式微機械超音波感測（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, PMUT），其中又以塊材壓電陶瓷換能器最為主要廣泛使用。在未來的趨勢中，由於微機械超聲換能器通過微機電系統（Microelectromechanical Systems, MEMS）工藝製備，因此與集成電路有較大的工藝兼容性，從而成為微型化超聲系統最佳的實現方案。因此可進一步實現大規模的製備和封裝，可應用在無損檢測、醫學影像、超聲顯微鏡、指紋識別或物聯網等領域。
在目前的電容式微機械換能器的製程中，需形成一層較厚的封孔層，來振盪元件層的穿孔；之後，再蝕刻封孔層，以減薄之。然而，在電容式微機械換能器的中間區域及周邊區域的封孔層的減薄程度不一，導致振盪膜厚及振盪頻率的均勻性不佳。
本發明提供一種電容式換能裝置的製造方法，可製造出性能佳的電容式換能裝置。
本發明提供一種電容式換能裝置，性能佳。
本發明的電容式換能裝置的製造方法，包括下列步驟：依序提供基板、下電極、犧牲層、振盪材料層及上電極；在振盪材料層及上電極上形成光阻層，其中光阻層具有多個開口，多個開口位於上電極外且重疊於振盪材料層；以光阻層為遮罩圖案化振盪材料層，以形成振盪元件層，其中振盪元件層具有分別重疊於光阻層之多個開口的多個穿孔，且光阻層的多個開口及振盪元件層的多個穿孔暴露部分的犧牲層；移除犧牲層，以形成空腔；於光阻層及振盪元件層上形成封孔層，其中封孔層包括第一部及多個第二部，封孔層的第一部設置於光阻層上，且封孔層的多個第二部穿過振盪元件層的多個穿孔而延伸至下電極；以及，移除光阻層及設置於光阻層上的封孔層的第一部。
在本發明的一實施例中，上述的電容式換能裝置的製造方法，更包括：在移除光阻層及設置於光阻層上的封孔層的第一部之後，於振盪元件層上形成保護層，以覆蓋封孔層的多個第二部及上電極。
在本發明的一實施例中，上述的電容式換能裝置的製造方法，更包括：在形成上電極之後及形成光阻層之前，於振盪材料層上形成保護材料層，以覆蓋上電極。
在本發明的一實施例中，以上述的光阻層為遮罩圖案化振盪材料層時，更以光阻層為遮罩圖案化保護材料層，以形成保護層，其中保護層具有多個開口，保護層的多個開口分別重疊於光阻層的多個開口。
在本發明的一實施例中，上述的封孔層的多個第二部更設置於保護層的多個開口中。
本發明的電容式換能裝置，包括基板、下電極、振盪元件層、上電極、多個封孔結構及保護層。下電極設置於基板上。振盪元件層設置於下電極上且具有多個穿孔。上電極設置於振盪元件層上。多個封孔結構穿過振盪元件層的多個穿孔，以延伸至下電極，其中位於多個封孔結構之間的部分振盪元件層、多個封孔結構及下電極定義電容式換能裝置的工作空腔。保護層設置於振盪元件層上且覆蓋上電極。封孔結構與保護層形成於不同的多個膜層。
在本發明的一實施例中，上述的保護層更覆蓋多個封孔結構。
在本發明的一實施例中，上述的保護層具有重疊於振盪元件層之多個穿孔的多個開口，而多個封孔結構分別設置於保護層的多個開口中。
在本發明的一實施例中，上述的保護層具有定義保護層之多個開口的多個側壁，而多個封孔結構的多個頂面與保護層的多個側壁定義多個凹陷。
現將詳細地參考本發明的示範性實施例，示範性實施例的實例說明於附圖中。只要有可能，相同元件符號在圖式和描述中用來表示相同或相似部分。
應當理解，當諸如層、膜、區域或基板的元件被稱為在另一元件“上”或“連接到”另一元件時，其可以直接在另一元件上或與另一元件連接，或者中間元件可以也存在。相反，當元件被稱為“直接在另一元件上”或“直接連接到”另一元件時，不存在中間元件。如本文所使用的，“連接”可以指物理及/或電性連接。再者，“電性連接”或“耦合”可以是二元件間存在其它元件。
本文使用的“約”、“近似”、或“實質上”包括所述值和在本領域普通技術人員確定的特定值的可接受的偏差範圍內的平均值，考慮到所討論的測量和與測量相關的誤差的特定數量（即，測量系統的限制）。例如，“約”可以表示在所述值的一個或多個標準偏差內，或±30％、±20％、±10％、±5％內。再者，本文使用的“約”、“近似”或“實質上”可依光學性質、蝕刻性質或其它性質，來選擇較可接受的偏差範圍或標準偏差，而可不用一個標準偏差適用全部性質。
除非另有定義，本文使用的所有術語（包括技術和科學術語）具有與本發明所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。將進一步理解的是，諸如在通常使用的字典中定義的那些術語應當被解釋為具有與它們在相關技術和本發明的上下文中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化的或過度正式的意義，除非本文中明確地這樣定義。
圖1A至圖1K為本發明一實施例之電容式換能裝置的製造流程的剖面示意圖。
請參照圖1A至圖1D，首先，依序提供基板110、下電極120、犧牲層130、振盪材料層140’及上電極150。下電極120設置於基板110上。犧牲層130設置於下電極120上。振盪材料層140’包覆犧牲層130。上電極150設置於振盪材料層140’上。
在本實施例中，基板110例如是矽基板，下電極120的材料例如是鈦或鋁，犧牲層130的材料例如是銅，振盪材料層140’的材料例如是矽的氮化物（Silicon nitride, SiNx），上電極150的材料例如是鈦或鋁，但本發明不以此為限。
請參照圖1E，接著，在振盪材料層140’及上電極150上形成光阻層160。光阻層160具有多個開口162，多個開口162位於上電極150外且重疊於振盪材料層140’。
請參照圖1E及圖1F，接著，以光阻層160為遮罩圖案化振盪材料層140’，以形成振盪元件層140。振盪元件層140具有分別重疊於光阻層160之多個開口162的多個穿孔142。光阻層160的多個開口162及振盪元件層140的多個穿孔142暴露部分的犧牲層130。
請參照圖1F及圖1G，接著，移除犧牲層130，以形成空腔C1。舉例而言，在本實施例中，可對犧牲層130進行濕式蝕刻工序，蝕刻液可自光阻層160的開口162及振盪元件層140的穿孔142流向犧牲層130，以去除犧牲層130並形成空腔C1。
請參照圖1G及圖1H，接著，對光阻層160進行灰化(Ashing)工序，以微調光阻層160之開口162的形態。詳細而言，光阻層160的側壁162s定義開口162，經上述灰化工序後，光阻層160的側壁162s可較垂直於基板110。
請參照圖1H及圖1I，接著，於光阻層160及振盪元件層140上形成封孔層170。封孔層170包括第一部171及多個第二部172。封孔層170的第一部171設置於光阻層160上。封孔層170的多個第二部172陷入光阻層160的多個開口162及振盪元件層140的穿孔142。封孔層170的多個第二部172更穿過振盪元件層140的多個穿孔142而延伸至下電極120。位於封孔層170的多個第二部172之間的部分振盪元件層140、封孔層170的多個第二部172及下電極120定義電容式換能裝置10(標示於圖1K)的工作空腔C2。
請參照圖1I及圖1J，接著，移除光阻層160及設置於光阻層160上的封孔層170的第一部171。詳細而言，移除光阻層160時，設置於光阻層160上的封孔層170的第一部171會一併被去除而留下做為封孔結構的封孔層170的第二部172。在本實施例中，由於光阻層160經過灰化工序，而定義開口162的光阻層160的側壁162s較垂直於基板110，因此，形成在開口162中的封孔層170的第二部172較不易影響光阻層160的去除。
請參照圖1J及圖1K，接著，於振盪元件層140上形成保護層180，以覆蓋封孔層170的多個第二部172(即，封孔結構)和上電極150。於此，便完成了本實施例的電容式換能裝置10。
值得一提的是，如圖1H至圖1K所示，在形成電容式換能裝置10的過程中，在去除光阻層160時，便一併去除不必須存在的封孔層170的第一部171。因此，無須額外地對封孔層170進行蝕刻製程，以減薄之。並且，在本實施例中，於去除光阻層160及封孔層170的第一部171之後，在振盪元件層140上形成適當膜厚的保護層180，便可完成電容式換能裝置10。也無須對保護層180進行額外的蝕刻製程。藉此，可解決習知技術中須對封孔層進行蝕刻製程而造成之各處膜厚不均的問題，進而改善電容式換能裝置10的振盪膜厚及振盪頻率的均勻性。
請參照圖1K，電容式換能裝置10包括基板110、下電極120、振盪元件層140、上電極150、多個封孔結構(即封孔層170的多個第二部172) 及保護層180。下電極120設置於基板110上。振盪元件層140設置於下電極120上，且具有多個穿孔142。上電極150設置於振盪元件層140上。多個封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)穿過振盪元件層140的多個穿孔142，以延伸至下電極120。位於多個封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)之間的部分振盪元件層140、多個封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)及下電極120定義電容式換能裝置10的工作空腔C2。保護層180設置於振盪元件層140上，且覆蓋上電極150。特別是，封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)與保護層180是形成於不同的多個膜層。
在本實施例中，多個封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)在結構上可彼此分離，而不會直接地連接。在本實施例中，保護層180除了覆蓋上電極150及振盪元件層140之外，還可覆蓋封孔結構(即封孔層170的多個第二部172)，但本發明不以此為限。
在此必須說明的是，下述實施例沿用前述實施例的元件標號與部分內容，其中採用相同的標號來表示相同或近似的元件，並且省略了相同技術內容的說明。關於省略部分的說明可參考前述實施例，下述實施例不再重述。
圖2A至圖2K為本發明另一實施例之電容式換能裝置的製造流程的剖面示意圖。
圖2A至圖2K的電容式換能裝置10A及其製造流程與圖1A至圖1K的電容式換能裝置10及其製造流程類似，兩者的差異在於: 兩者的保護層180及其製程不同。以下主要說明兩者的差異，兩者相同或相似處請參照前述說明。
請參照圖2A至圖2D，首先，依序提供基板110、下電極120、犧牲層130、振盪材料層140’及上電極150。
請參照圖2D及圖2E，與圖1A至圖1K的實施例不同的是，在形成上電極150後，接著，便於振盪材料層140’上形成保護材料層180’，以覆蓋上電極150及振盪材料層140’。
請參照圖2E及圖2F，接著，在保護材料層180’上形成光阻層160。光阻層160具有多個開口162，多個開口162位於上電極150外且重疊於保護材料層180’及振盪材料層140’。
請參照圖2F及圖2G，接著，以光阻層160為遮罩同時圖案化保護材料層180’及振盪材料層140’，以形成振盪元件層140及保護層180。光阻層160的多個開口162重疊於保護層180的多個開口182及振盪元件層140的多個穿孔142。光阻層160的多個開口162、保護層180的多個開口182及振盪元件層140的多個穿孔142暴露部分的犧牲層130。
請參照圖2G及圖2H，接著，移除犧牲層130，以形成空腔C1。舉例而言，在本實施例中，可對犧牲層130進行濕式蝕刻工序，蝕刻液可自光阻層160的多個開口162、保護層180的多個開口182及振盪元件層140的多個穿孔142流向犧牲層130，進而去除犧牲層130並形成空腔C1。請參照圖2H及圖2I，接著，對光阻層160進行灰化(Ashing)工序，以微調光阻層160之開口162的形態。
請參照圖2I及圖2J，接著，於光阻層160上形成封孔層170。封孔層170包括第一部171及多個第二部172。封孔層170的第一部171設置於光阻層160上。封孔層170的多個第二部172陷入保護層180的多個開口182及振盪元件層140的多個穿孔142。封孔層170的多個第二部172穿過保護層180的多個開口182及振盪元件層140的多個穿孔142而延伸至下電極120。位於封孔層170的多個第二部172之間的部分振盪元件層140、封孔層170的多個第二部172及下電極120定義電容式換能裝置10A(標示於圖2K)的工作空腔C2。
請參照圖2J及圖2K，接著，移除光阻層160及設置於光阻層160上的封孔層170的第一部171。於此，便完成了本實施例的電容式換能裝置10A。
請參照圖2K，與前述圖1K之電容式換能裝置10不同的是，封孔層170的多個第二部172除了設置於振盪元件層140的多個穿孔142中，還設置於保護層180的多個開口182中。詳細而言，在本實施例中，保護層180具有定義開口182的側壁182s，而封孔結構(即封孔層170的第二部172)的頂面172a與保護層180的側壁182s可定義出凹陷V，但本發明不以此為限。
10、10A:電容式換能裝置
110:基板
120:下電極
130:犧牲層
140:振盪元件層
140’:振盪材料層
142:穿孔
150:上電極
160:光阻層
162、182:開口
162s、182s:側壁
170:封孔層
171:第一部
172:第二部
172a:頂面
180:保護層
180’:保護材料層
C1:空腔
C2:工作空腔
V:凹陷
圖1A至圖1K為本發明一實施例之電容式換能裝置的製造流程的剖面示意圖。
圖2A至圖2K為本發明另一實施例之電容式換能裝置的製造流程的剖面示意圖。
10:電容式換能裝置
110:基板
120:下電極
140:振盪元件層
142:穿孔
150:上電極
170:封孔層
172:第二部
180:保護層
C2:工作空腔
Claims (9)
- 一種電容式換能裝置的製造方法，包括： 依序提供一基板、一下電極、一犧牲層、一振盪材料層及一上電極； 在該振盪材料層及該上電極上形成一光阻層，其中該光阻層具有多個開口，該些開口位於該上電極外且重疊於該振盪材料層； 以該光阻層為遮罩圖案化該振盪材料層，以形成一振盪元件層，其中該振盪元件層具有分別重疊於該光阻層之該些開口的多個穿孔，且該光阻層的該些開口及該振盪元件層的該些穿孔暴露部分的該犧牲層； 移除該犧牲層，以形成一空腔； 於該光阻層及該振盪元件層上形成一封孔層，其中該封孔層包括一第一部及多個第二部，該封孔層的該第一部設置於該光阻層上，且該封孔層的該些第二部穿過該振盪元件層的該些穿孔而延伸至該下電極；以及 移除該光阻層及設置於該光阻層上的該封孔層的該第一部。
- 如請求項1所述的電容式換能裝置的製造方法，更包括： 在移除該光阻層及設置於該光阻層上的該封孔層的該第一部之後，於該振盪元件層上形成一保護層，以覆蓋該封孔層的該些第二部及該上電極。
- 如請求項1所述的電容式換能裝置的製造方法，更包括： 在形成該上電極之後及形成該光阻層之前，於該振盪材料層上形成一保護材料層，以覆蓋該上電極。
- 如請求項3所述的電容式換能裝置的製造方法，其中以該光阻層為遮罩圖案化該振盪材料層時，更以該光阻層為遮罩圖案化該保護材料層，以形成一保護層，其中該保護層具有多個開口，該保護層的該些開口分別重疊於該光阻層的該些開口。
- 如請求項4所述的電容式換能裝置的製造方法，其中該封孔層的該些第二部更設置於該保護層的該些開口中。
- 一種電容式換能裝置，包括： 一基板； 一下電極，設置於該基板上； 一振盪元件層，設置於該下電極上，且具有多個穿孔； 一上電極，設置於該振盪元件層上； 多個封孔結構，穿過該振盪元件層的該些穿孔，以延伸至該下電極，其中位於該些封孔結構之間的部分振盪元件層、該些封孔結構及該下電極定義該電容式換能裝置的一工作空腔；以及 一保護層，設置於該振盪元件層上，且覆蓋該上電極，其中該些封孔結構與該保護層形成於不同的多個膜層。
- 如請求項6所述的電容式換能裝置，其中該保護層更覆蓋該些封孔結構。
- 如請求項6所述的電容式換能裝置，其中該保護層具有重疊於該振盪元件層之該些穿孔的多個開口，而該些封孔結構分別設置於該保護層的該些開口中。
- 如請求項8所述的電容式換能裝置，其中該保護層具有定義該保護層之該些開口的多個側壁，而該些封孔結構的多個頂面與該保護層的該些側壁定義多個凹陷。
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