TWI757845B

TWI757845B - 超音波換能元件及其製造方法

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Publication number: TWI757845B
Application number: TW109128843A
Authority: TW
Inventors: 陳政翰; 黃泰翔; 邱品翔; 邱煒茹; 李文淵
Original assignee: 友達光電股份有限公司
Priority date: 2020-08-24
Filing date: 2020-08-24
Publication date: 2022-03-11
Also published as: TW202208077A

Abstract

超音波換能元件包含基板、第一電極膜、震動膜、蝕刻阻擋膜、密封件、以及第二電極膜。第一電極膜設置於基板上。震動膜設置於第一電極膜上，且與第一電極膜間夾有空腔，震動膜具有第一開孔。蝕刻阻擋膜，以島狀設置於震動膜上，具有第二開孔，第一開孔與第二開孔在第一電極膜上的垂直投影重疊。密封件設置於蝕刻阻擋膜上，並且有部分區域向下延伸填滿第一開孔及第二開孔，並穿過空腔連接至第一電極膜。第二電極膜設置於震動膜上之蝕刻阻擋膜以外之位置，其中第二電極膜與蝕刻阻擋膜為互不接觸的同一膜層。

Description

超音波換能元件及其製造方法

本發明係關於一種超音波換能元件及其製造方法；具體而言，本發明係關於一種容式微機械超聲換能器及其製造方法。

近年來，利用微機電製程(MEMS)的電容式微機械超聲換能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT）成為研究熱潮。與傳統陶瓷壓電換能器和PMUT壓電式微機械超聲換能器相比，由於CMUT 組成結構簡單、設計靈活、製作材料易於加工，並採用先進表面微加工工藝，換能器尺寸僅為幾十毫米，陣元大小僅為幾十至幾百微米，甚至更低，這使得CMUT 具有更高的中心頻率，並有更高的分辨率；利用MEMS 微加工技術能夠製作出微型高密度陣列，可以實現批量化生產；CMUT 還可與前端信號處理電路的一體化集成，從而降低自身噪聲、提高成像清晰度；由於CMUT有較低的機械阻抗，使得透射超聲能量大大增強，機電轉換效率提高，並且CMUT 有了更寬的帶寬和更高的靈敏度；除此之外，CMUT 主要製作材料為矽(Si)、氧化矽(SiO2)和氮化矽(Si3N4)耐高溫材料製成，這也確保CMUT 可在高溫環境中使用。

然而，習知電容式微機械超聲換能器在製造過程中，其震動膜腔體是將犧牲層掏空後，以填孔製程將空腔體封孔，填孔製程時，先以薄膜製程覆蓋SiNx或SiOx，之後黃光將光阻覆蓋留下填孔圖案，再進行蝕刻。然而此方式容易造成震動膜過度蝕刻破膜，或於接近填空側有凹陷，使得耐用性有疑慮。

本發明的目的在於提供一種超音波換能元件，具有較佳的耐用性。

本發明的另一目的在於提供一種超音波換能元件製造方法，可製造具有較佳耐用性的超音波換能元件。

本發明的超音波換能元件包含基板、第一電極膜、震動膜、蝕刻阻擋膜、密封件、以及第二電極膜。第一電極膜設置於基板上。震動膜設置於第一電極膜上，且與第一電極膜間夾有空腔，震動膜具有第一開孔。蝕刻阻擋膜，以島狀設置於震動膜上，具有第二開孔，第一開孔與第二開孔在第一電極膜上的垂直投影重疊。密封件設置於蝕刻阻擋膜上，並且有部分區域向下延伸填滿第一開孔及第二開孔，並穿過空腔連接至第一電極膜。第二電極膜設置於震動膜上之蝕刻阻擋膜以外之位置，其中第二電極膜與蝕刻阻擋膜為互不接觸的同一膜層。

以下通過特定的具體實施例並配合圖式以說明本發明所公開的連接組件的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。然而，以下所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍，在不悖離本發明構思精神的原則下，本領域技術人員可基於不同觀點與應用以其他不同實施例實現本發明。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。

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。

如圖1A所示的實施例，本發明的超音波換能元件900包含基板100、第一電極膜210、震動膜300、蝕刻阻擋膜400、密封件500、以及第二電極膜220。第一電極膜210設置於基板100上。震動膜300設置於第一電極膜210上，且與第一電極膜210間夾有空腔600，震動膜300具有第一開孔310。蝕刻阻擋膜400以島狀設置於震動膜300上，具有第二開孔410，第一開孔310與第二開孔410在第一電極膜210上的垂直投影重疊。在此所述「島狀」指的是相鄰的蝕刻阻擋膜400係各自獨立而互不相連接。密封件500設置於蝕刻阻擋膜400上，並且有部分區域向下延伸填滿第一開孔310及第二開孔410，並穿過空腔600連接至第一電極膜210。第二電極膜220設置於震動膜上300之蝕刻阻擋膜400以外之位置，其中第二電極膜220與蝕刻阻擋膜400為互不接觸的同一膜層。第二電極膜220與蝕刻阻擋膜400之間無電連接。

以不同角度觀之，設置於蝕刻阻擋膜400上的密封件500部分向下延伸，分別經由第二開孔410以及第一開孔310穿過蝕刻阻擋膜400以及震動膜300，通過空腔600，並連接至第一電極膜210。密封件500通過第二開孔410以及第一開孔310的部分，分別與蝕刻阻擋膜400及震動膜300密合。第二電極膜220設置於震動膜上300，且與蝕刻阻擋膜400之間夾有間隙。其中，第二電極膜220與蝕刻阻擋膜400是同一膜層經由圖案化製成形成的無電連接的不同部分。

藉由上述，第一電極膜210以及第二電極膜220之間設有震動膜300以及藉由密封件500達成密封效果的空腔600，因此可通過對第一電極膜210以及第二電極膜220施加偏壓使震動膜300震動。其中，第一開孔310周圍的震動膜300有蝕刻阻擋膜400環繞覆蓋，較不易在蝕刻過程中受到損壞，也較不會在震動中由此處發生破損。因此，本發明超音波換能元件900具有較佳的耐用性。另一方面，在一實施例中，第二電極膜220與蝕刻阻擋膜400是例如氧化銦錫（Indium tin oxide，ITO）等的透光導電材料，可減少開口率下降的狀況，有利於光聲成像應用。

在一實施例中，本發明的超音波換能元件900可以設置成陣列。更具體而言，如圖1B所示的實施例，其中圖1A為圖1B中AA`連線的斷面圖，震動膜300定義有複數個沿平行第一方向810之方向設置的震動區域390（在此實施例中有9個），每一震動區域390沿第一方向810的兩側具有第一開孔310（請參見圖1A）。複數個第二電極膜220分別設置於震動區域390其中之一的上方，並沿平行於第二方向820的方向延伸至相鄰之震動膜300之震動區域390其中之一的上方。其中，空腔600沿平行第一方向810之方向延伸設置，並且與沿平行於第二方向820的方向延伸設置的第二電極膜220，在震動區域390上的垂直投影交叉。

如圖1B所示的實施例，第二電極膜220於空腔600上方之部分，在第一電極膜210（請參見圖1A）上的垂直投影沿第一方向810之長度為第一線寬W ₁，空腔600在第一電極膜210上的垂直投影沿第一方向810之長度為第二線寬W ₂，第一線寬W ₁為第二線寬W ₂的50%~90%。進一步而言，一般將震動時中間部分所產生的電容視為有效電容，第一線寬W ₁不等於第二線寬W ₂可避免產生寄生電容。此外，由於第一線寬W ₁的質量集中在膜的中間，可以得到較好的頻寬。第二電極膜210於空腔600上方以外之部分，在第一電極膜210上的垂直投影沿第一方向810之長度為第三線寬W ₃，第三線寬W ₃為大於1㎛，且小於第一線寬W ₁。換言之，第二電極膜220於空腔600上方之部分具有較寬的線寬，有利於施加電壓時產生較佳的震動效果。

如圖2A及2B所示的不同實施例，其中圖2A為圖2B中BB`連線的斷面圖，震動膜300在第二方向820上垂直於空腔600邊緣處具有段差結構320，超音波換能元件900進一步包含強化膜700設置於段差結構320上且位於第二電極膜220及震動膜300之間。以不同角度觀之，震動膜300平貼於第一電極膜210且沿著平行於第二方向820的方向延伸，到空腔600邊緣處向上離開第一電極膜210後延伸一段距離，再向下貼平第一電極膜210繼續延伸，震動膜300向上離開及向下貼平第一電極膜210的部分即形成段差結構320。藉由在段差結構320上設置強化膜700，可增加第二電極膜220及震動膜300之間的附著性，減少超音波換能元件900在撓曲時第二電極膜220在段差結構320處與震動膜300分離的情況，進而提升超音波換能元件900的可撓性，有利於應用在軟性電子元件。

在一實施例中，強化膜700可以使用例如金、銀、銅、鋁等具有良好延展性的金屬。強化膜700之楊氏系數較佳為70GPa~330GPa。強化膜700在第一電極膜210上的垂直投影的面積為空腔600在第一電極膜210上的垂直投影的面積的1％～25％，減少對開口率的影響。

強化膜700設置設置的位置可根據製造、設計或使用的需求加以變化。如圖3A及3B所示的不同實施例，其中圖3A為圖3B中CC`連線的斷面圖，震動膜300在第二方向820上垂直於空腔600邊緣處具有段差結構320，超音波換能元件900進一步包含強化膜700設置於段差結構320上且位於第二電極膜220上。藉由在段差結構320上的第二電極膜220上設置強化膜700，可對在段差結構320位置的第二電極膜220提供額外的支撐，減少超音波換能元件900在撓曲時第二電極膜220在段差結構320處與震動膜300分離的情況，進而提升超音波換能元件900的可撓性，有利於應用在軟性電子元件。

如圖4所示的實施例流程示意圖，本發明之超音波換能元件製造方法包含例如以下步驟。

步驟1010，在基板上的第一電極膜上沿第一方向設置複數個圖案化犧牲層，每一圖案化犧牲層上定義有複數個震動區域，相鄰之圖案化犧牲層的複數個震動區域在與第一方向垂直的第二方向上對齊。更具體而言，是如圖5A及5B所示，在基板100上沈積第一電極膜210，然後如圖5C所示，設置圖案化犧牲層666。其中，請參考圖1B，所示沿第一方向810設置的空腔600的分布及形狀即為圖5C的圖案化犧牲層666的分布及形狀。此外，震動區域390在第二方向810上對齊。第一電極膜210可以使用鋁、金、銀等導電材料。

步驟1020，在第一電極膜及圖案化犧牲層上設置震動膜。更具體而言，是如圖5D所示，在第一電極膜210上的圖案化犧牲層666表面設置震動膜300。在第一電極膜210上未沈積圖案化犧牲層666的部分，震動膜300直接設置在第一電極膜210表面。

步驟1030，在震動膜上設置第二電極層。更具體而言，是如圖5E所示，在震動膜300上沈積第二電極層222。第二電極層222可以使用氧化銦錫（Indium Tin Oxide，ITO）等透光導電材料。

步驟1040，在震動區域上方的沿第一方向的兩側分別形成穿過震動膜及第二電極層的開孔。更具體而言，是如圖5F所示，分別形成穿過震動膜300及第二電極層222且在第一電極210上的垂直投影重疊的的第一開孔310及第二開孔410。其中，請參考圖1B，開孔是位在震動區域390的沿第一方向810的兩側。

步驟1050，經由開孔蝕刻清除圖案化犧牲層以形成複數個空腔。更具體而言，是使用蝕刻劑通過第一開孔310及第二開孔410蝕刻清除如圖5F所示的圖案化犧牲層666，以形成如圖5G所示的空腔600。

步驟1060，在第二電極層上沈積密封層以填滿開孔，並穿過空腔連接至第一電極膜。更具體而言，是如圖5H所示，在第二電極層222上沈積密封層555以填滿第一開孔310及第二開孔410，並穿過空腔600連接至第一電極膜210。換言之，在此步驟中，藉由沈積密封層555將第一開孔310及第二開孔410填滿，使空腔600達成密封的狀態。

步驟1070，在密封層對應開孔的上方沈積複數個保護層。更具體而言，是如圖5I所示，在密封層555對應第一開孔310及第二開孔410的上方沈積複數個保護層556，且使第一開孔310及第二開孔410的上方以外部分的密封層555暴露。

步驟1080，清除保護層之下以外的密封層以形成複數個密封件。更具體而言，是清除如圖5I所示保護層556之下以外的密封層555，以形成如圖5J所示的密封件500。

步驟1090，清除保護層。更具體而言，是清除如圖5J所示的保護層556，以形成如圖5K所示的密封件500。

步驟1100，對第二電極層進行圖案化製程，以使第二電極層在密封件之間形成複數個沿第二方向設置的第二電極膜。更具體而言，是對如圖5K所示的第二電極層222進行圖案化製程，以使第二電極層220如圖5L所示在密封件500之間形成第二電極膜220。在此步驟中，在密封件500及震動膜300間的第二電極層222形成蝕刻阻擋膜400，蝕刻阻擋膜400與第二電極膜200互不接觸。

在上述步驟1020的第一電極膜及圖案化犧牲層上設置震動膜之後，震動膜在第二方向上垂直圖案化犧牲層的邊緣處具有段差結構。超音波換能元件製造方法進一步包含對應段差結構設置強化膜。更具體而言，如圖6所示的不同實施例流程示意圖，超音波換能元件製造方法進一步包含步驟1025，在第一電極膜及圖案化犧牲層上設置震動膜後以及在震動膜上設置第二電極層前，如圖2A所示在段差結構320上的第二電極膜220及震動膜300之間設置強化膜700。如圖7所示的不同實施例流程示意圖，超音波換能元件製造方法進一步包含步驟1035，在震動膜上設置第二電極層後，如圖3A所示在段差結構320上的第二電極膜220上設置強化膜700。

本發明已由上述相關實施例加以描述，然而上述實施例僅為實施本發明之範例。必需指出的是，已揭露之實施例並未限制本發明之範圍。相反地，包含於申請專利範圍之精神及範圍之修改及均等設置均包含於本發明之範圍內。

100...基板 210...第一電極膜 220...第二電極膜 300...震動膜 310...第一開孔 320...段差結構 390...震動區域 400...蝕刻阻擋膜 410...第二開孔 500...密封件 600...空腔 700...強化膜 810...第一方向 820...第二方向 900...超音波換能元件 1010...步驟 1020...步驟 1030...步驟 1040...步驟 1050...步驟 1060...步驟 1070...步驟 1080...步驟 1090...步驟 1100...步驟 1025...步驟 1035...步驟 W ₁...第一線寬 W ₂...第二線寬 W ₃...第三線寬

圖1A及圖1B為本發明超音波換能元件的實施示意圖。

圖2A及圖2B為本發明超音波換能元件的不同實施示意圖。

圖3A及圖3B為本發明超音波換能元件的不同實施示意圖。

圖4為本發明超音波換能元件製造方法的實施例流程示意圖。

圖5A至5L是本發明超音波換能元件製造方法的實施例步驟示意圖。

圖6為本發明超音波換能元件製造方法的不同實施例流程示意圖。

圖7為本發明超音波換能元件製造方法的不同實施例流程示意圖。

（無）

100...基板 210...第一電極膜 220...第二電極膜 300...震動膜 310...第一開孔 400...蝕刻阻擋膜 410...第二開孔 500...密封件 600...空腔 900...超音波換能元件

Claims

一種超音波換能元件，包含：一基板；一第一電極膜，設置於該基板上；一震動膜，設置於該第一電極膜上，且與該第一電極膜間夾有一空腔，該震動膜具有一第一開孔；一蝕刻阻擋膜，以島狀設置於該震動膜上，具有一第二開孔，該第一開孔與該第二開孔在該第一電極膜上的垂直投影重疊；一密封件，設置於該蝕刻阻擋膜上，並且有部分區域向下延伸填滿該第一開孔及該第二開孔，並穿過該空腔連接至該第一電極膜；一第二電極膜，設置於該震動膜上之該蝕刻阻擋膜以外之位置，其中該第二電極膜與該蝕刻阻擋膜為互不接觸的同一膜層。
如請求項1所述的超音波換能元件，其中：該震動膜定義有複數個沿平行一第一方向之方向設置的震動區域，每一震動區域沿該第一方向的兩側具有該第一開孔；複數個第二電極膜，分別設置於該些震動區域其中之一的上方，並沿平行於一第二方向的方向延伸至相鄰之該震動膜之該些震動區域其中之一的上方。
如請求項1或2所述的超音波換能元件，其中該些第二電極膜與該蝕刻阻擋膜之間無電連接。
如請求項2所述的超音波換能元件，其中該震動膜在該第二方向上垂直於該空腔邊緣處具有段差結構，該超音波換能元件進一步包含一強化膜設置於該段差結構上且位於該些第二電極膜及該震動膜之間。
如請求項2所述的超音波換能元件，其中該震動膜在該第二方向上垂直於該空腔邊緣處具有段差結構，該超音波換能元件進一步包含一強化膜設置於該段差結構上且位於該些第二電極膜上。
如請求項4或5所述的超音波換能元件，其中該強化膜在該第一電極膜上的垂直投影的面積為該空腔在該第一電極膜上的垂直投影的面積的1%~25%。
如請求項4或5所述的超音波換能元件，其中該強化膜之楊氏系數為70GPa~330GPa。
如請求項2所述的超音波換能元件，其中該第二電極膜於該空腔上方之部分，在該第一電極膜上的垂直投影沿該第一方向之長度為一第一線寬，該空腔在該第一電極膜上的垂直投影沿該第一方向之長度為一第二線寬，該第一線寬為該第二線寬的50%~90%。
如請求項8所述的超音波換能元件，其中該第二電極膜於該空腔上方以外之部分，在該第一電極膜上的垂直投影沿該第一方向之長度為一第三線寬，該第三線寬為大於1μm，且小於該第一線寬。
一種超音波換能元件製造方法，包含：在一基板上的一第一電極膜上沿一第一方向設置複數個圖案化犧牲層，每一圖案化犧牲層上定義有複數個震動區域，相鄰之該圖案化犧牲層的複數個震動區域在一與該第一方向垂直的第二方向上對齊；在該第一電極膜及該些圖案化犧牲層上設置一震動膜；在該震動膜上設置一第二電極層；在該些震動區域上方的沿該第一方向的兩側分別形成一穿過該震動膜及該第二電極層的開孔；經由該些開孔蝕刻清除該些圖案化犧牲層以形成複數個空腔；在該第二電極層上沈積一密封層以填滿該些開孔，並穿過該些空腔連接至該第一電極膜；在該密封層對應該些開孔的上方沈積複數個保護層；清除該些保護層之下以外的密封層以形成複數個密封件；清除該些保護層；對該第二電極層進行圖案化製程，以使該第二電極層在該些密封件之間形成複數個沿一第二方向設置的第二電極膜。
如請求項10所述的超音波換能元件製造方法，在對該第二電極層進行圖案化製程的步驟中，在該些密封件及該震動膜間的該第二電極層形成複數個蝕刻阻擋膜，該些蝕刻阻擋膜與該些第二電極膜互不接觸。
如請求項10所述的超音波換能元件製造方法，其中在該第一電極膜及該些圖案化犧牲層上設置該震動膜後，該震動膜在該第二方向上垂直該些圖案化犧牲層的邊緣處具有段差結構，該超音波換能元件製造方法進一步包含在該第一電極膜及該些圖案化犧牲層上設置該震動膜後以及在該震動膜上設置該第二電極層前，在該段差結構上的該些第二電極膜及該震動膜之間設置一強化膜。
如請求項10所述的超音波換能元件製造方法，其中在該第一電極膜及該些圖案化犧牲層上設置該震動膜後，該震動膜在該第二方向上垂直該些圖案化犧牲層的邊緣處具有段差結構，該超音波換能元件製造方法進一步包含在該震動膜上設置該第二電極層後，在該段差結構上的該些第二電極膜上設置一強化膜。