TWI714516B

TWI714516B - 電容式換能裝置及其製造方法

Info

Publication number: TWI714516B
Application number: TW109122413A
Authority: TW
Inventors: 邱品翔; 黃泰翔; 邱煒茹; 陳政翰; 李文淵
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2020-12-21
Also published as: TW202202439A; CN112850637A; CN112850637B

Abstract

一種電容式換能裝置，包括基板、下電極、振盪元件、上電極以及多個封孔結構。下電極配置於基板。振盪元件包括振盪部、連接部以及多個穿孔。振盪部藉由連接部連接於下電極以形成空腔。上電極配置於振盪部，振盪部位於上電極與下電極之間。多個封孔結構配置於振盪元件。多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔。第一方向垂直於基板的延伸方向，且第二方向垂直於第一方向。其中，基板與下電極在第二方向上重疊於多個穿孔的一部份在第一方向上的高度總和小於基板與下電極在第二方向上未重疊於多個穿孔的另一部份在第一方向上的高度總和。

Description

電容式換能裝置及其製造方法

本發明是有關於一種換能裝置及其製造方法，且特別是有關於一種電容式換能裝置及其製造方法。

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。然而在未來的趨勢中，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，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。

然而，在目前的電容式微機械換能器的製作中，需使用上真空鍍膜技術以及多次的蝕刻製程才能完成。因此，將使得電容式微機械換能器的製造成本較高、設備昂貴。除此之外，目前的製作方式也將會使基板容易產生彎曲，並且有蝕刻後均勻度不佳的問題。

本發明提供一種電容式換能裝置及其製造方法，可簡化製作過程並減少製作成本，同時可避免板面翹曲以獲得良好的測量品質。

本發明提供一種電容式換能裝置，包括基板、下電極、振盪元件、上電極以及多個封孔結構。下電極配置於基板。振盪元件包括振盪部、連接部以及多個穿孔。振盪部藉由連接部連接於下電極以形成空腔。上電極配置於振盪部，振盪部位於上電極與下電極之間。多個封孔結構配置於振盪元件。多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔。第一方向垂直於基板的延伸方向，且第二方向垂直於第一方向。其中，基板與下電極在第二方向上重疊於多個穿孔的一部份在第一方向上的高度總和小於基板與下電極在第二方向上未重疊於多個穿孔的另一部份在第一方向上的高度總和。

本發明另提供一種電容式換能裝置的製造方法，包括下列步驟：依序提供基板、下電極以及犧牲層；依序配置振盪元件以及上電極至下電極並覆蓋犧牲層；在振盪元件上形成多個穿孔並移除犧牲層以形成空腔；移除一部份在第一方向上重疊於多個穿孔的下電極，其中第一方向垂直於基板的延伸方向，第二方向垂直於第一方向；以及提供液態材料至多個穿孔以形成多個封孔結構，其中多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔，且基板與下電極在第二方向上重疊於多個穿孔的一部份在第一方向上的高度總和小於基板與下電極在第二方向上未重疊於多個穿孔的另一部份在第一方向上的高度總和。

基於上述，在本發明的電容式換能裝置中，振盪元件用以作為振盪部，基板與下電極在水平方向上重疊於穿孔的一部份的高度總和小於基板與下電極在水平方向上未重疊於穿孔的另一部份的高度總和。因此，配置於穿孔中的封孔結構可用使用液態材料製作而成。如此一來，可不需對封孔結構進行真空鍍膜及蝕刻製程，進而可簡化整體製作過程並減少製作成本。同時，可避免因鍍膜所產生的板面翹曲以獲得良好的測量品質。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

在附圖中，為了清楚起見，放大了層、膜、面板、區域等的厚度。在整個說明書中，相同的附圖標記表示相同的元件。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”係可為二元件間存在其它元件。

應當理解，儘管術語“第一”、“第二”、“第三”等在本文中可以用於描述各種元件、部件、區域、層及／或部分，但是這些元件、部件、區域、及／或部分不應受這些術語的限制。這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、層或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開。因此，下面討論的“第一元件”、“部件”、“區域”、“層”或“部分”可以被稱為第二元件、部件、區域、層或部分而不脫離本文的教導。

這裡使用的術語僅僅是為了描述特定實施例的目的，而不是限制性的。如本文所使用的，除非內容清楚地指示，否則單數形式“一”、“一個”和“該”旨在包括複數形式，包括“至少一個”。“或”表示“及／或”。如本文所使用的，術語“及／或”包括一個或多個相關所列項目的任何和所有組合。還應當理解，當在本說明書中使用時，術語“包括”及／或“包括”指定所述特徵、區域、整體、步驟、操作、元件的存在及／或部件，但不排除一個或多個其它特徵、區域整體、步驟、操作、元件、部件及／或其組合的存在或添加。

此外，諸如“下”或“底部”和“上”或“頂部”的相對術語可在本文中用於描述一個元件與另一元件的關係，如圖所示。應當理解，相對術語旨在包括除了圖中所示的方位之外的裝置的不同方位。例如，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其他元件的“下”側的元件將被定向在其他元件的“上”側。因此，示例性術語“下”可以包括“下”和“上”的取向，取決於附圖的特定取向。類似地，如果一個附圖中的裝置翻轉，則被描述為在其它元件“下方”或“下方”的元件將被定向為在其它元件“上方”。因此，示例性術語“下面”或“下面”可以包括上方和下方的取向。

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。

本文參考作為理想化實施例的示意圖的截面圖來描述示例性實施例。因此，可以預期到作為例如製造技術及／或公差的結果的圖示的形狀變化。因此，本文所述的實施例不應被解釋為限於如本文所示的區域的特定形狀，而是包括例如由製造導致的形狀偏差。例如，示出或描述為平坦的區域通常可以具有粗糙及／或非線性特徵。此外，所示的銳角可以是圓的。因此，圖中所示的區域本質上是示意性的，並且它們的形狀不是旨在示出區域的精確形狀，並且不是旨在限制權利要求的範圍。

圖1為本發明一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。請參考圖1。本實施例的電容式換能裝置100例如為電容式微機械超聲換能器，可應用於無損檢測、醫學影像、超聲顯微鏡、指紋識別或物聯網等領域，本發明並不限於此。在本實施例中，電容式換能裝置100包括基板110、下電極120、振盪元件130、上電極140以及多個封孔結構150。

圖2A至圖2F依序為圖1的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。請同時參考圖1及圖2A。下電極120配置於基板110。詳細而言，在製造電容式換能裝置100的步驟中，下電極120例如是以微影光刻製程（Photo Engraving Process, PEP）形成於基板110表面。基板110例如為矽基板，而下電極120的材料例如為鈦或鋁，但本發明並不限於此。

請同時參考圖1及圖2B。接著，在上述步驟之後，配置犧牲層10至下電極120。犧牲層10用以在後續步驟中被蝕刻以形成空腔。在本實施例中，犧牲層10在第一方向D1（即垂直基板110延伸方向）上的高度皆相同。犧牲層10例如是以微影光刻製程形成於基板110表面，且犧牲層10例如為銅，但本發明並不限於此。

請同時參考圖1及圖2C。接著，在上述步驟之後，配置振盪元件130至下電極120並覆蓋犧牲層10。振盪元件130的一部份用以作為電容式換能裝置100中的振盪薄膜。舉例而言，在本實施例中，振盪元件130例如是矽的氮化物（Silicon nitride, SiN _x），且其在第一方向D1上的高度皆相同，例如為4500埃，但本發明並不限於此。振盪元件130例如是以微影光刻製程形成於犧牲層10及下電極120的表面，本發明亦不限於此。

請同時參考圖1及圖2D。接著，在上述步驟之後，配置上電極140至振盪元件130。上電極140與犧牲層10呈置中配置，且在平行於水平面的平面上所佔面積略小於犧牲層10。振盪部130位於上電極140與下電極120之間。上電極140例如是以微影光刻製程形成於振盪元件130表面，且上電極140的材料相同於下電極的材料，例如為鈦或鋁，但本發明並不限於此。

請同時參考圖1及圖2E。接著，在上述步驟之後，在振盪元件130上形成多個穿孔H並移除犧牲層10以形成空腔C。具體而言，在此步驟中，對振盪元件130進行蝕刻製程（etching）以在犧牲層10（見如圖2D）的邊緣處形成穿孔H，用以進行後續對犧牲層10的蝕刻製程。振盪部132藉由連接部134連接於下電極120。接著，再對覆蓋於內部的犧牲層10進行蝕刻以形成空腔C，從而形成振盪部132以及連接部134。空腔C在第一方向D1上的高度皆相同，例如為2000埃，但本發明並不限於此。

值得一題的是，在此步驟中，在對犧牲層10進行蝕刻的同時對下電極120進行蝕刻以在下電極120形成凹槽V1。換句話說，在本實施例中，下電極120具有多個凹槽V1，且下電極120的這些凹槽V1在第二方向D2（即第一方向D1的垂直方向）上重疊於對應的穿孔H。又換句話說，基板110與下電極120在第二方向D2上重疊於穿孔H的一部份在第一方向D1上的高度總和H1小於基板110與下電極120在第二方向D2上未重疊於穿孔H的另一部份在第一方向D1上的高度總和H2。意即，下電極120在第一方向D1上重疊穿孔H位置處的厚度較小於下電極120在第一方向D1上非重疊穿孔H位置處的厚度，且平行於空腔C的底部的平面與在第二方向D2上重疊於穿孔H的下電極120的頂面S1非共平面。

請同時參考圖1及圖2F。接著，在上述步驟之後，配置多個封孔結構150於振盪元件130。這些封孔結構150分別沿第一方向D1延伸穿過對應的多個穿孔H。封孔結構150的材料為液態有機材料，例如是SU-8光阻，但本發明並不限於此。封孔結構150的頂面S2為凸面，但本發明亦不限於此。詳細而言，由於下電極120在第一方向D1上重疊穿孔H位置處具有凹槽V1，故當液態材料被提供至穿孔H後，液態材料將不會接觸下電極120的表面，進而可避免液態材料因張力改變而滲入至振盪部132與下電極120之間的空腔C。因此，可對懸浮並充滿於穿孔H處的液態材料進行乾燥化以形成封孔結構150，進而完成製作電容式換能裝置100。如此一來，相較於習之技術作法，本實施例的電容式換能裝置100可不需對封孔結構150進行真空鍍膜及蝕刻製程，進而可簡化整體製作過程並減少製作成本。同時，由於節省了真空鍍膜及蝕刻製程，故可避免板面翹曲以獲得良好的測量品質。

詳細而言，在本實施例中，蝕刻孔的孔徑D與高度H3的比值小於7，其中蝕刻孔的高度H3即為振盪部132的厚度與空腔C的高度的總和。舉例而言，在本實施例中，蝕刻孔的孔徑D為6微米，且蝕刻孔的高度H3為9800埃，故可得蝕刻孔的孔徑D與高度H3的比值約為6.1，而不產生液體滲入空腔C的情形。在另一實施例中，可設計蝕刻孔的孔徑D為6微米，且蝕刻孔的高度H3為1.13微米，故可得蝕刻孔的孔徑D與高度H3的比值約為5.3，而不產生液體滲入空腔C的情形。因此，當蝕刻孔的孔徑D與高度H3的比值小於7時，可有效避免用以形成為封孔結構150的液態材料滲入空腔C。

在另一實施例中，可於下電極120上方額外配置絕緣層，用以保護下電極120。其中，上述下電極120中形成凹槽V1的做法亦可應用於絕緣層中，使得絕緣層上表面形成凹槽，從而使得蝕刻孔的孔徑與高度的比值達到需求範圍之內，故可有效避免用以形成為封孔結構的液態材料滲入空腔，本發明並不限於此。

圖3為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。請參考圖3。本實施例的電容式換能裝置100A類似於圖1所顯示的電容式換能裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，電容式換能裝置100A還包括保護層152，配置以覆蓋上電極140，其中保護部152與多個封孔結構150材料相同。具體而言，在本實施例中，可於配置多個封孔結構150於振盪元件130的步驟中，進一步提供液態材料並覆蓋上電極140以形成保護層152。更進一部地，在本實施例中，液態材料可被提供以覆蓋整體振盪元件130。在本實施例中，保護層152可選用與封孔結構150相同的材料，故可僅一道加工製程完成。如此一來，可簡化配置封孔結構150的難易度。在本實施例中，保護層152覆蓋振盪元件130，且保護層152的頂面S3為平面。如此一來，可進一步將電容式換能裝置100A的頂面平坦化，以利後續加工製程，但本發明並不限於此。

圖4為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。請參考圖4。本實施例的電容式換能裝置100B類似於圖1所顯示的電容式換能裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，可進一步將下電極120A的厚度設計較大。如此一來，可進一步增加下電極120A的凹槽V1深度，進而縮小蝕刻孔的孔徑與高度比值，從而避免在製作封孔結構150時液體材料滲入空腔C。此外，還可進一步薄化基板110的厚度。

圖5為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。請參考圖5。本實施例的電容式換能裝置100C類似於圖1所顯示的電容式換能裝置100。兩者不同之處在於，在本實施例中，下電極120B具有多個挖空處G，而基板110暴露於這些挖空處G，且多個挖空處G在第二方向D2上重疊於多個穿孔H。如此一來，可進一步增加蝕刻孔深度，進而縮小蝕刻孔的孔徑與高度比值，從而避免在製作封孔結構150時液體材料滲入空腔C。

圖6為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。請參考圖6。本實施例的電容式換能裝置100D類似於圖5所顯示的電容式換能裝置100C。兩者不同之處在於，在本實施例中，基板110A具有多個凹槽V2，且基板110A的凹槽V2在第二方向D2上重疊於多個挖空處G。本實施例形成基板110A的凹槽V2的方式可參酌形成下電極的凹槽的方式，於此不再贅述。如此一來，可進一步增加蝕刻孔深度，進而縮小蝕刻孔的孔徑與高度比值，從而避免在製作封孔結構150時液體材料滲入空腔C。此外，還可進一步薄化下電極120B的厚度。

圖7為本發明一實施例的電容式換能裝置的製造方法流程圖。請同時參考圖2A至圖2F以及圖7。在本實施例中，首先，執行步驟S200，依序提供基板110、下電極120以及犧牲層10。接著，在上述步驟之後，執行步驟S201，依序配置振盪元件130以及上電極140至下電極120並覆蓋犧牲層10。接著，在上述步驟之後，執行步驟S202，在振盪元件130上形成多個穿孔H並移除犧牲層10以形成空腔C。接著，在上述步驟之後，執行步驟S203，移除一部份在第一方向D1上重疊於多個穿孔H的下電極120，其中第一方向D1垂直於基板110的延伸方向，第二方向D2垂直於第一方向D1。最後，在上述步驟之後，執行步驟S204，提供液態材料至多個穿孔H以形成多個封孔結構150，其中多個封孔結構150分別沿第一方向D1延伸穿過多個穿孔H，且基板110與下電極120在第二方向D2上重疊於多個穿孔H的一部份在第一方向D1上的高度總和H1小於基板110與下電極120在第二方向D2上未重疊於多個穿孔H2的另一部份在第一方向D1上的高度總和H2。如此一來，可不需對封孔結構150進行真空鍍膜及蝕刻製程，進而可簡化整體製作過程並減少製作成本。同時，可避免因鍍膜所產生的板面翹曲以獲得良好的測量品質。

綜上所述，在本發明的電容式換能裝置中，振盪元件用以作為振盪部，基板與下電極在水平方向上重疊於穿孔的一部份的高度總和小於基板與下電極在水平方向上未重疊於穿孔的另一部份的高度總和。因此，配置於穿孔中的封孔結構可用使用液態材料製作而成。如此一來，可不需對封孔結構進行真空鍍膜及蝕刻製程，進而可簡化整體製作過程並減少製作成本。同時，可避免因鍍膜所產生的板面翹曲以獲得良好的測量品質。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:犧牲層 100,100A,100B,100C,100D:電容式換能裝置 110,110A:基板 120,120A,120B:下電極 130:振盪元件 132:振盪部 134:連接部 140:上電極 150:封孔結構 C:空腔 D:孔徑 D1:第一方向 D2:第二方向 G:挖空處 H1,H2:高度總和 H3:高度 S1,S2,S3:頂面 S200,S201,S202,S203,S204:步驟 V1,V2:凹槽

圖1為本發明一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。圖2A至圖2F依序為圖1的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。圖3為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。圖4為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。圖5為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。圖6為本發明另一實施例的電容式換能裝置的剖面示意圖。圖7為本發明一實施例的電容式換能裝置的製造方法流程圖。

100:電容式換能裝置

110:基板

120:下電極

130:振盪元件

132:振盪部

134:連接部

140:上電極

150:封孔結構

C:空腔

D:孔徑

D1:第一方向

D2:第二方向

H1,H2,H3:高度

S1,S2:頂面

V1:凹槽

Claims

一種電容式換能裝置，包括：基板；下電極，配置於所述基板；振盪元件，包括振盪部、連接部以及多個穿孔，所述振盪部藉由所述連接部連接於所述下電極以形成空腔；上電極，配置於所述振盪部，所述振盪部位於所述上電極與所述下電極之間；以及多個封孔結構，配置於所述振盪元件，所述多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過所述多個穿孔，所述第一方向垂直於所述基板的延伸方向，且第二方向垂直於所述第一方向，其中所述基板與所述下電極在所述第二方向上重疊於所述多個穿孔的一部份在所述第一方向上的高度總和小於所述基板與所述下電極在所述第二方向上未重疊於所述多個穿孔的另一部份在所述第一方向上的高度總和。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中所述下電極具有多個凹槽，且所述下電極的所述多個凹槽在所述第二方向上重疊於所述多個穿孔。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中所述下電極具有多個挖空處，所述基板暴露於所述多個挖空處，且所述多個挖空處在所述第二方向上重疊於所述多個穿孔。
如請求項3所述的電容式換能裝置，其中所述基板具有多個凹槽，且所述基板的所述多個凹槽在所述第二方向上重疊於所述多個挖空處。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中平行於所述空腔的底部的平面與在所述第二方向上重疊於所述多個穿孔的所述下電極或所述基板的頂面非共平面。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中蝕刻孔的孔徑與高度的比值小於7，其中所述蝕刻孔的高度為所述振盪部的厚度與所述空腔的高度的總和。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中所述多個封孔結構的材料為液態有機材料。
如請求項1所述的電容式換能裝置，其中所述多個封孔結構的頂面為凸面。
如請求項1所述的電容式換能裝置，還包括：保護層，配置以覆蓋所述上電極，其中所述保護部與所述多個封孔結構材料相同。
如請求項9所述的電容式換能裝置，其中所述保護層覆蓋所述振盪元件，且所述保護層的頂面為平面。
一種電容式換能裝置的製造方法，包括：依序提供基板、下電極以及犧牲層；依序配置振盪元件以及上電極至所述下電極並覆蓋所述犧牲層；在所述振盪元件上形成多個穿孔並移除所述犧牲層以形成空腔；移除一部份在第一方向上重疊於所述多個穿孔的所述下電極，其中所述第一方向垂直於所述基板的延伸方向，第二方向垂直於所述第一方向；以及提供液態材料至所述多個穿孔以形成多個封孔結構，其中所述多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過所述多個穿孔，且所述基板與所述下電極在所述第二方向上重疊於所述多個穿孔的一部份在所述第一方向上的高度總和小於所述基板與所述下電極在所述第二方向上未重疊於所述多個穿孔的另一部份在所述第一方向上的高度總和。
如請求項11所述的電容式換能裝置的製造方法，還包括：提供所述液態材料並覆蓋所述上電極以形成保護層。
如請求項12所述的電容式換能裝置的製造方法，還包括：提供所述液態材料以覆蓋所述振盪元件。