TWI797475B - 電容式換能裝置及其製造方法 - Google Patents

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Abstract

一種電容式換能裝置，包括基板、變化層、下電極、振盪元件、上電極以及多個封孔結構。變化層配置於基板。下電極配置於變化層。下電極的結構形狀依據變化層而變化。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並分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔，其中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。在使用電容式換能裝置時，變化層的頂面非平面。

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結構中，使用平坦底部電極。因此，當進行操作施加電壓時，僅部分面積被視為有效電容，故將使得電容式微機械換能器無法被有效的利用而達到最佳的靈敏度。
本發明提供一種電容式換能裝置及其製造方法，可增加有效電容值以提高靈敏度。
本發明提供一種電容式換能裝置，包括基板、變化層、下電極、振盪元件、上電極以及多個封孔結構。變化層配置於基板。下電極配置於變化層。下電極的結構形狀依據變化層而變化。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並分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔，其中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，在使用電容式換能裝置時，變化層的頂面非平面。
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、變化層、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；以及配置多個封孔結構至多個穿孔，多個封孔結構分別沿第一方向延伸穿過多個穿孔，其中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，在使用電容式換能裝置時，變化層的頂面非平面。
基於上述，在本發明的電容式換能裝置及其製造方法中，配置變化層以形成非平坦結構，進而讓配置於變化層的下電極依據變化層改變結構形狀。因此，相較於習之技術作法，本發明的電容式換能裝置的空腔中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件在振盪時更貼合於變化層的結構形狀，進而讓下電極與上電極的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
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1A及圖1B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。請參考圖1A及圖1B。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、變化層120、下電極130、振盪元件140、上電極150以及多個封孔結構160。
在本實施例中，基板110例如為矽基板。變化層120配置於基板110，變化層120例如是矽的氮化物（Silicon nitride, SiNx ）。下電極130配置於變化層120，下電極130的結構形狀依據變化層120而變化，而變化層120的頂面S為非平面。下電極130的材料例如為鈦或鋁。詳細而言，在本實施例中，變化層120的頂面S具有梯度結構A，例如是凹槽，如圖1A所顯示。
振盪元件140包括振盪部142、連接部146以及多個穿孔H，振盪部142藉由連接部146連接於下電極130以形成空腔C。上電極150配置於振盪部142。振盪部142位於上電極150與下電極130之間。振盪元件140使用的材料類似於變化層120，例如是矽的氮化物。上電極150使用的材料類似於下電極130，例如為鈦或鋁。多個封孔結構160配置於振盪元件140並分別沿第一方向D1延伸穿過多個穿孔H，其中第一方向D1垂直於基板110的延伸方向，且第二方向D2垂直於第一方向D1。
值得一提的是，在使用電容式換能裝置100時，變化層120的頂面S非平面。因此，振盪元件140在振盪時可更貼合於變化層120的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積，如圖1B所顯示。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
圖2A至圖2H依序為圖1A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。請先參考圖2A。在製造電容式換能裝置100的步驟中，首先，配置變化層120於基板110上。變化層120例如是以微影光刻製程（Photo Engraving Process, PEP）形成於基板110表面。在此步驟中，變化層120具有梯度結構A。
請參考圖2B。接著，在上述步驟之後，配置下電極130於變化層120上。形成下電極130的方式類似於變化層120，例如是以微影光刻製程形成於變化層120表面。由於變化層120具有梯度結構A，下電極130也從而產生出梯度結構A。
請參考圖2C。接著，在上述步驟之後，配置犧牲層10至下電極130。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。
請參考圖2D。接著，在上述步驟之後，配置振盪元件140至下電極130並覆蓋犧牲層10。振盪元件140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140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140例如是以微影光刻製程形成於犧牲層10及下電極130的表面，本發明亦不限於此。
請參考圖2E。接著，在上述步驟之後，配置上電極150至振盪元件140。上電極150與犧牲層10呈置中配置，且在平行於第二方向（見如圖1A）的平面上所佔面積略小於犧牲層10。振盪部142位於上電極150與下電極130之間。上電極150例如是以微影光刻製程形成於振盪元件140表面，且上電極150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。
請參考圖2F。接著，在上述步驟之後，在振盪元件140上形成多個穿孔H並移除犧牲層10（見如圖2C）以形成空腔C。具體而言，在此步驟中，對振盪元件140進行蝕刻製程（etching）以在犧牲層10（見如圖2C）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142藉由連接部144連接於下電極130。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142以及連接部144。
請參考圖2H。接著，在上述步驟之後，配置多個封孔結構160於振盪元件140。這些封孔結構160分別沿第一方向D1延伸穿過對應的多個穿孔H。封孔結構160的材料例如是氧化銦錫（Indium tin oxide, ITO）或二氧化矽（Silicon dioxide, SiO2 ），但本發明並不限於此。因此，相較於習之技術作法，本實施例的空腔C中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件140在振盪時更貼合於變化層120的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
圖3A及圖3B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。圖3A所顯示的電容式換能裝置100A類似於圖1A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，變化層120A的頂面S1為朝基板110凹下的曲面。因此，振盪元件140在振盪時可更貼合於變化層120A的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積，如圖3B所顯示。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
圖4A至圖4H依序為圖3A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。請依序參考圖4A至圖4H。在製造電容式換能裝置100A的步驟中，依序地，配置頂面S1為凹面的變化層120A於基板110上。配置下電極130於變化層120A上。配置犧牲層10至下電極130。配置振盪元件140至下電極130並覆蓋犧牲層10。配置上電極150至振盪元件140。在振盪元件140上形成多個穿孔H並移除犧牲層10以形成空腔C。最後，配置多個封孔結構160於振盪元件140。
其中，上述的製作方式可參考圖2A至圖2H的製作方式，在此不再贅述。因此，相較於習之技術作法，本實施例的空腔C中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件140在振盪時更貼合於變化層120A的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
圖5A及圖5B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。圖5A所顯示的電容式換能裝置100B類似於圖1A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，變化層120B為平坦式電容式微機械超聲換能器，意即下電極為平坦狀的電容式微機械超聲換能器。在施加電壓至變化層120B時，變化層120B的頂面S2朝基板110彎曲（即下凹）。
詳細而言，變化層120B的結構類似於傳統的電容式換能裝置結構，且變化層120B包括了鍍膜層122。鍍膜層122的材料例如是矽的氮化物，用以平坦化變化層120B的頂面S2。
舉例而言，變化層120B的平坦式電容式換能裝置結構例如是以直流電壓驅動，進而讓變化層120B的平坦式電容式換能裝置中振盪膜彎曲而在鍍膜層122頂面S2產生凹面。另一方面，對下電極130施加交流電壓，且對上電極150則採用直流電壓，則將使得電容式換能裝置100B時序性地執行工作。因此，變化層120B中的振盪元件在振盪時可使頂面S2變形為凹向下的凹面。如此一來，振盪元件140在振盪時可更貼合於變化層120B的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積，可增加有效電容值以提高靈敏度，如圖5B所顯示。
圖6A至圖6H依序為圖5A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。請依序參考圖6A至圖6H。在製造電容式換能裝置100B的步驟中，依序地，配置平坦式電容式微機械超聲換能器於基板110上以作為變化層120B。配置下電極130於變化層120B上。配置犧牲層10至下電極130。配置振盪元件140至下電極130並覆蓋犧牲層10。配置上電極150至振盪元件140。在振盪元件140上形成多個穿孔H並移除犧牲層10以形成空腔C。最後，配置多個封孔結構160於振盪元件140。
其中，上述的製作方式可參考圖2A至圖2H的製作方式，在此不再贅述。因此，相較於習之技術作法，本實施例的空腔C中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件140在振盪時更貼合於變化層120B的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
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1A、圖2A至圖2H以及圖7。在本實施例中，首先，執行步驟S200，依序提供基板110、變化層120、下電極130以及犧牲層10，如圖2A至圖2C所顯示。接著，在上述步驟之後，執行步驟S201，依序配置振盪元件140以及上電極150至下電極130並覆蓋犧牲層10，如圖2D及圖2E所顯示。接著，在上述步驟之後，執行步驟S202，在振盪元件140上形成多個穿孔H並移除犧牲層10以形成空腔C，如圖2F及圖2G所顯示。最後，在上述步驟之後，執行步驟S203，配置多個封孔結構160至多個穿孔H，如圖1A及圖2H所顯示。其中，多個封孔結構160分別沿第一方向D1延伸穿過多個穿孔H，第一方向D1垂直於基板110的延伸方向，且第二方向D2垂直於第一方向D1。在使用電容式換能裝置100時，變化層120的頂面S非平面。因此，相較於習之技術作法，本實施例的空腔C中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件140在振盪時更貼合於變化層120B的結構形狀，進而讓下電極130與上電極150的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
綜上所述，在本發明的電容式換能裝置及其製造方法中，配置變化層以形成非平坦結構，進而讓配置於變化層的下電極依據變化層改變結構形狀。因此，相較於習之技術作法，本發明的電容式換能裝置的空腔中央處具有較多振盪空間，故可使振盪元件在振盪時更貼合於變化層的結構形狀，進而讓下電極與上電極的結構形狀適配而增加電容改變面積。如此一來，可增加有效電容值以提高靈敏度。
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。
100,100A,100B:電容式換能裝置 110:基板 120,120A,120B:變化層 130:下電極 140:振盪元件 142:振盪部 144:連接部 150:上電極 160:封孔結構 A:梯度結構 C:空腔 D1:第一方向 D2:第二方向 S,S1,S2:頂面 S200~S203:步驟
圖1A及圖1B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。 圖2A至圖2H依序為圖1A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。 圖3A及圖3B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。 圖4A至圖4H依序為圖3A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。 圖5A及圖5B分別為本發明一實施例的電容式換能裝置在操作前後的剖面示意圖。 圖6A至圖6H依序為圖5A的電容式換能裝置製程的剖面示意圖。 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:變化層
130:下電極
140:振盪元件
142:振盪部
144:連接部
150:上電極
160:封孔結構
A:梯度結構
C:空腔
D1:第一方向
D2:第二方向
S:頂面

Claims (4)

  1. 一種電容式換能裝置，包括：基板；變化層，配置於所述基板；下電極，配置於所述變化層，所述下電極的結構形狀依據所述變化層而變化；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；多個封孔結構，配置於所述振盪元件並分別沿第一方向延伸穿過所述多個穿孔，其中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，在使用所述電容式換能裝置時，所述變化層中位於所述振盪部在所述第一方向的正投影上的頂面為非平面，且所述變化層符合下列條件之一：(a)所述變化層的所述頂面具有平坦底部的凹槽結構；以及(b)所述變化層為平坦式電容式微機械超聲換能器，且在施加電壓時，所述變化層的頂面朝所述基板彎曲。
  2. 如請求項1所述的電容式換能裝置，其中當所述變化層為平坦式電容式微機械超聲換能器時，所述變化層還包括鍍膜層。
  3. 一種電容式換能裝置的製造方法，包括： 依序提供基板、變化層、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；以及配置多個封孔結構至所述多個穿孔，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，其中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，在使用所述電容式換能裝置時，所述變化層中位於所述振盪部在所述第一方向的正投影上的頂面為非平面，且所述變化層符合下列條件之一：(a)所述變化層的所述頂面具有平坦底部的凹槽結構；以及(b)所述變化層為平坦式電容式微機械超聲換能器，且在施加電壓時，所述變化層的頂面朝所述基板彎曲。
  4. 如請求項3所述的電容式換能裝置，其中所述變化層還包括鍍膜層。
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