TWI507683B - 流體感測器及其製造方法 - Google Patents

Description

流體感測器及其製造方法

本發明是有關於一種流體感測器及其製造方法，且特別是有關於一種利用操作頻率較高的雙模態薄膜體聲波共振器(Dual-mode film bulk acoustic resonator，FBAR)來製作高靈敏度流體感測器及其製造方法。

隨著半導體製程技術的進步，習知感測器元件已由表面聲波(Surface Wave Acoustic，SAW)共振器提昇至薄膜體聲波(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)共振器。雙模態薄膜體聲波共振器(Dual-mode film bulk acoustic resonator,FBAR)主要是由上下電極與一壓電層所組成，其係利用體彈性波在固體內傳播，而可減少能量損失及提高品質因數。其中，體型加工是雙模態薄膜體聲波共振器之其中一種方式，而體型加工的方式為從背部蝕刻留下結構層，藉以利用空氣來作為反射層，而減少損耗。

然而，傳統之薄膜體聲波共振器結構並無法直接用以檢測流體，因而無法利用薄膜體聲波共振器的高靈敏特性來製造高靈敏度的流體感測器。

因此本發明之一方面係在於提供一種流體感測器及其製造方法，藉以利用雙模態薄膜體聲波共振器(FBAR)結構來檢測流體，以提高感測靈敏度。

根據本發明之實施例，本發明之流體感測器包含：基板、第一電極層、壓電層、第二電極層、接合金屬層及流體檢測金屬層。基板具有一空腔，用以容納一待測流體，第一電極層是形成於該基板的一側，壓電層是形成於該基板的該側，其中該壓電層是至少部分覆蓋於該第一電極層上，且該壓電層的C軸與該基板之間具有一傾斜角度，其小於90度。第二電極層是形成於該壓電層上，接合金屬層是形成於該空腔內，並位於該第一電極層上，流體檢測金屬層是形成於該接合金屬層上。

又，根據本發明之實施例，本發明之流體感測器的製造方法包含如下步驟：提供一基板；形成一第一電極層於該基板的一側；蝕刻該基板，以形成一空腔；形成一壓電層於該基板的該側，其中該壓電層是至少部分覆蓋於該第一電極層上，並暴露出該第一電極層，且該壓電層的C軸與該基板之間具有一傾斜角度，其小於90度；形成一第二電極層於該壓電層上；形成一接合金屬層於該空腔內，並位於該第一電極層上；以及形成一流體檢測金屬層於該接合金屬層上。

在本發明之一實施例中，該傾斜角度是小於70度。

在本發明之一實施例中，該流體感測器，更包含二保護層，形成於該基板的相對兩側，並暴露出該空腔及該流體檢測金屬層。

在本發明之一實施例中，該接合金屬層的材料為鉻。

在本發明之一實施例中，該流體檢測金屬層的材料為金、鎳或奈米金。

在本發明之一實施例中，該壓電層的材料為氮化鋁、氧化鋅或硫化哂。

在本發明之一實施例中，該第一電極層及/或該第二電極層的材料為鋁、金、鉬或鉑。

在本發明之一實施例中，該製造方法更包含如下步驟：對該流體檢測金屬層的表面進行一電漿清洗步驟。

因此，本發明的流體感測器及其製造方法可使用FBAR結構來檢測流體，因而大幅地提升流體感測靈敏度。且流體感測器的空腔可直接用以作為檢測槽皿，而提高流體檢測的便利性與準確性。再者，流體感測器的壓電層的C軸與該基板之間可具有一傾斜角度，用以感測振盪能量的水平分量變化。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，本說明書將特舉出一系列實施例來加以說明。但值得注意的是，此些實施例只係用以說明本發明之實施方式，而非用以限定本發明。

請參照圖1，其繪示依照本發明之一實施例之流體感測器的剖面示意圖。本實施例的流體感測器100可用以檢測一待測流體101，例如硫酸溶液或其他任意流體。此流體感測器100可包含基板110、第一電極層120、壓電層130、第二電極層140、接合金屬層150、流體檢測金屬層160及二保護層170。基板110具有一空腔111，用以容納此待測流體101。第一電極層120是形成於基板110的一側，壓電層130亦形成於基板110的該側上，其中壓電層130是至少部分覆蓋於第一電極層120上，並暴露出第一電極層120，第二電極層140亦形成於基板110的該側，且形成於壓電層130上。接合金屬層150是形成於基板110的空腔111內，並位於第一電極層120上，流體檢測金屬層160亦形成於基板110的空腔111內，並形成於接合金屬層150上。保護層170是形成於基板110的相對兩側，並暴露出空腔111及流體檢測金屬層160。

如圖1所示，本實施例的基板110例如為一矽基板，基板110的空腔111是凹設於基板110內，並暴露出流體檢測金屬層160，用以容納此待測流體101，以方便進行待測流體101的檢測，而提高流體檢測的準確性。第一電極層120的材料可例如為鋁、金、鉬或鉑等金屬材料，在本實施例中，此第一電極層120之材料可為鉑。壓電層130是由壓電材料所製成，例如氮化鋁、氧化鋅或硫化哂等，在本實施例中，壓電層130之材料可為氧化鋅。壓電層130的C軸與基板110之間具有一傾斜角度θ，此傾斜角度θ是至少小於90度，較佳是小於70度，以增加感測靈敏度。

如圖1所示，本實施例的第二電極層140的材料可例如為鋁、金、鉬或鉑等金屬材料，在本實施例中，此第二電極層140之材料可為鉬。接合金屬層150是形成於空腔111所暴露出的第一電極層120表面上，用以提高流體檢測金屬層160與第一電極層120之間的接合強度，使得流體檢測金屬層160可穩固地接合於第一電極層120上。在本實施例中，接合金屬層150的材料例如為鉻。流體檢測金屬層160是由一親水性金屬材料所製成，例如金、鎳或奈米金，用以檢測待測流體101。在本實施例中，流體檢測金屬層160的材料例如為金。保護層170的材料例如為氮化矽(SiNx)，用以保護以及在製程中支撐基板110。

請參照圖2A至圖2I，其繪示依照本發明之一實施例之流體感測器的製程示意圖。在本實施例之流體感測器100的製造方法中，如圖2A所示，首先，提供基板110。較佳地，此基板110係預先經過一清洗處理步驟，以清洗基板110的表面。接著，如圖2B所示，分別形成保護層170於基板110的相對兩側表面上。在本實施例中，保護層170之形成方法可為低壓化學氣相沉積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition，LPCVD)法，以形成例如氮化矽層。接著，如圖2C所示，圖案化基板110之另一側表面上的保護層170，以形成一蝕刻窗口。在本實施例中，此圖案化方法例如為乾式蝕刻法中之反應性離子蝕刻製程。接著，如圖2D所示，形成第一電極層120(例如鉑)於基板110之該側表面上的保護層170上，並暴露出部分保護層170，其中第一電極層120之形成方法係為直流濺鍍法(DC sputter)。接著，如圖2E所示，蝕刻基板110，以形成空腔111。在本實施例中，可利用具有蝕刻窗口的保護層170來作為遮罩，以蝕刻此蝕刻窗口所暴露出的基板110表面，而形成空腔111，並同時暴露出該側表面上的保護層170。其中，基板110的蝕刻方法可為濕式或乾式蝕刻法。此時，可利用微影製程來形成一厚光阻層102於第一電極層120上。

接著，如圖2F所示，形成壓電層(例如氧化鋅)130於第一電極層120上，此壓電層130之形成方法係為射頻濺鍍法(RF sputter)。接著，如圖2G所示，移除厚光阻層102，以暴露出部分第一電極層120表面。此時，例如，可蝕刻部分壓電層130，以形成傾斜側壁131於壓電層130上。接著，如圖2H所示，形成第二電極層140(例如鉬)於壓電層130上，其中第二電極層140之形成方法為直流濺鍍法(DC sputter)。接著，如圖2I所示，蝕刻空腔111內所暴露出的保護層170，以暴露出第一電極層120。接著，依序形成接合金屬層150及流體檢測金屬層160於空腔111內所暴露出之第一電極層120上，以完成如圖1之具有雙模態薄膜體聲波共振器(FBAR)結構的流體感測器100。在一實施例中，較佳可對流體檢測金屬層160的表面進行電漿清洗步驟(例如氧電漿清洗)，以提升流體檢測金屬層160的表面親水性，確保流體檢測的準確性。

當使用本實施例之流體感測器100來檢測此待測流體101時，此流體感測器100的空腔111開口可朝上，以作為一檢測槽皿，用以供待測流體101滴入以及容置，即可直接檢測此待測流體101，因而大幅提升流體的檢測便利性。且由於流體感測器100是利用操作頻率較高之雙模態薄膜體聲波共振器(FBAR)結構來檢測，因而亦可大幅地改善感測靈敏度。當待測流體101在流體感測器100的空腔111內進行檢測時，由於待測流體101參數的變化會造成壓電層130之導電率的改變，進一步會改變壓電層130表面聲波波速，而造成一連接於流體感測器100之振盪器電路(未繪示)所輸出的相對振盪頻率隨之改變。其中，聲波波速的改變會受到待測流體101之物理參數影響，例如流體質量、黏度、導電度等。

在本實施例中，波速改變量與薄膜導電率之關係式可表示為：

其中，△v為前後波速差、v₀ 為原始波速、k² 為機電耦合係數、σ為感測前薄膜導電度、σ_m 為感測後薄膜導電度。

再者，本實施例之流體感測器100的壓電層130的C軸與基板110之間可具有一傾斜角度，因此，當壓電層130振盪時，除了在壓電層130之垂直方向上的振盪能量之外，在壓電層130的水平方向亦會發生振盪能量的水平分量變化，藉此可增加待測流體101的檢測分析依據，而可提升流體感測器100對於待測流體101的感測靈敏度。

由上述本發明的實施例可知，本發明之流體感測器可具有操作頻率較高的雙模態薄膜體聲波共振器(FBAR)結構，並可用以檢測流體，因而可大幅地提升流體感測靈敏度。且由於流體感測器的結構設計，流體感測器的空腔可直接用以作為檢測槽皿，以感測待測流體，而提高流體檢測的便利性與準確性。再者，相較於一般FBAR結構，本發明之流體感測器的壓電層更具有傾斜側壁設計，用以感測振盪能量的水平分量變化，因而可進一步提升流體感測器的感測靈敏度。

綜上所述，雖然本發明已用較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

101．．．待測流體

102．．．厚光阻層

100．．．流體感測器

110．．．基板

111．．．空腔

120．．．第一電極層

130．．．壓電層

140．．．第二電極層

150．．．接合金屬層

160．．．流體檢測金屬層

170．．．保護層

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、優點與實施例能更明顯易懂，所附圖式之詳細說明如下：

圖1繪示依照本發明之一實施例之流體感測器的剖面示意圖。

圖2A至圖2I繪示依照本發明之一實施例之流體感測器的製程示意圖。

101．．．待測流體

100．．．流體感測器

110．．．基板

111．．．空腔

120．．．第一電極層

130．．．壓電層

140．．．第二電極層

150．．．接合金屬層

160．．．流體檢測金屬層

170．．．保護層

Claims (8)

1. 一種流體感測器，包含：一基板，具有一空腔，用以容納一待測流體；一第一電極層，形成於該基板的一側；一壓電層，形成於該基板的該側，其中該壓電層是至少部分覆蓋於該第一電極層上，且該壓電層的C軸與該基板之間具有一傾斜角度，其小於70度；一第二電極層，形成於該壓電層上；一接合金屬層，形成於該空腔內，並位於該第一電極層上；以及一流體檢測金屬層，形成於該接合金屬層上。
2. 如申請專利範圍第1項所述之流體感測器，更包含：二保護層，形成於該基板的相對兩側，並暴露出該空腔及該流體檢測金屬層。
3. 如申請專利範圍第1項所述之流體感測器，其中該接合金屬層的材料為鉻。
4. 如申請專利範圍第1項所述之流體感測器，其中該流體檢測金屬層的材料為金、鎳或奈米金。
5. 如申請專利範圍第1項所述之流體感測器，其中該壓電層的材料為氮化鋁、氧化鋅或硫化哂。
6. 如申請專利範圍第1項所述之流體感測器，其中該第一電極層及/或該第二電極層的材料為鋁、金、鉬或鉑。
7. 一種流體感測器的製造方法，包含如下步驟：提供一基板；形成一第一電極層於該基板的一側；蝕刻該基板，以形成一空腔；形成一壓電層於該基板的該側，其中該壓電層是至少部分覆蓋於該第一電極層上，並暴露出該第一電極層，且該壓電層C軸與該基板之間具有一傾斜角度，其小於70度；形成一第二電極層於該壓電層上；形成一接合金屬層於該空腔內，並位於該第一電極層上；以及形成一流體檢測金屬層於該接合金屬層上。
8. 如申請專利範圍第7項所述之方法，更包含如下步驟：對該流體檢測金屬層的表面進行一電漿清洗步驟。