TWI809455B - 懸浮式壓電超音波感測器及其製作方法 - Google Patents

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Abstract

一種懸浮式壓電超音波感測器，包含半導體基板及壓電超音波感測元件。半導體基板包含柱狀設置區、周緣壁、及至少一橋接部，柱狀設置區與周緣壁之間為空腔，空腔圍繞柱狀設置區，橋接部連接柱狀設置區及周緣壁。壓電超音波感測元件設置於柱狀設置區上。透過在半導體基板上設置空腔及橋接部，可透過此方式來調整所需的頻率，進而調整所需聲壓及發射角度，提供較大的製程裕度。

Description

懸浮式壓電超音波感測器及其製作方法
本發明涉及感測領域，尤其涉及一種懸浮式壓電超音波感測器及其製造方法。
超音波感測器近年來已大幅地應用到指紋辨識、掃地機器人等各種產品上，應用面越來越廣泛。隨著某些產品的精細化，通常會搭配半導體晶圓級製程來製作。一般而言，現今的超音波感測器通常透過真空的腔體，用以清楚地分辨入射波、反射波，而達到清楚辨識的功效。
然而，在先前技術上，超音波感測器的真空腔體是封閉於超音波感測器的內部，當超音波感測器製作完成後，腔體體積固定，也伴隨著固定了對應的發射波的諧振頻率。然而，有時超音波感測器的諧振頻率，無法達到所需要的發射角、聲壓，則需要重新設計。除了所費成本不貲外，現今例如應用於超音波感測器所需的尺寸較小，腔體空間也須縮減，整體設計更受到製程裕度的限制。
為了解決先前技術所面臨的問題，在此提供一種懸浮式壓電超音波感測器。懸浮式壓電超音波感測器包含半導體基板及壓電超音波感測元件。半導體基板包含柱狀設置區、周緣壁、及至少一橋接部，柱狀設置區與周緣壁之間為空腔，空腔圍繞柱狀設置區，橋接部連接柱狀設置區及周緣壁。壓電超音波感測元件設置於柱狀設置區上。
在一些實施例中，半導體基板更包含至少一貫孔，貫孔貫穿半導體基板，且與空腔連通。
更詳細地，在一些實施例中，貫孔鄰近於柱狀設置區。
更詳細地，在一些實施例中，半導體基板包含複數個貫孔，貫孔貫穿半導體基板、分佈於柱狀設置區的周圍，且貫孔與空腔連通。
在一些實施例中，半導體基板包含複數個橋接部，各橋接部分別連接於柱狀設置區及周緣壁。
更詳細地，在一些實施例中，橋接部對稱地位於柱狀設置區的周圍。
在一些實施例中，壓電超音波感測元件的寬度小於柱狀設置區。
在一些實施例中，半導體基板的厚度為200至700um。
在一些實施例中，該橋接部的長度小於1000um。
在此，還提供一種懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，該方法包含定義步驟、元件設置步驟、貫孔步驟、及空腔形成步驟。定義步驟是提供半導體基板，半導體基板上定義有柱狀設置區。元件設置步驟是形成壓電超音波感測元件於柱狀設置區。貫孔步驟是在半導體基板上形成貫孔，貫孔貫穿半導體基板。空腔形成步驟是沿著貫孔，移除半導體基板上鄰近於柱狀設置區的區域，使得半導體基板在柱狀設置區的周圍形成空腔，空腔外圍是周緣壁，空腔與貫孔連通，且柱狀設置區與周緣壁之間透過至少一橋接部連接。
在一些實施例中，在貫孔步驟之前更包含基板減薄步驟，基板減薄步驟降低半導體基板的厚度。更詳細地，在一些實施例中，半導體基板的厚度為200至700um。
在一些實施例中，貫孔步驟形成複數個貫孔，貫孔貫穿半導體基板、分佈於柱狀設置區的周圍，且貫孔與空腔連通。
在一些實施例中，空腔形成步驟使半導體基板包含複數個橋接部，各橋接部分別連接於柱狀設置區及周緣壁。
更詳細地，在一些實施例中，橋接部對稱地位於柱狀設置區的周圍。
在一些實施例中，壓電超音波感測元件的寬度小於柱狀設置區。
在一些實施例中，橋接部的長度小於1000um。
如同前述實施例所述，透過在完成壓電超音波感測元件後，進一步在半導體基板上設置空腔，並透過保留的橋接部來連接設置壓電超音波感測元件的柱狀設置區及周緣壁，可透過此方式來調整所需的諧振頻率，進而調整所需聲壓及發射角度，提供較大的製程裕度。
應當理解的是，元件被稱為「連接」或「設置」於另一元件時，可以表示元件是直接位另一元件上，或者可以也存中間元件，透過中間元件連接元件與另一元件。相反地，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，可以理解的是，此時明確定義了不存在中間元件。
另外，術語「第一」、「第二」、「第三」這些術語僅用於將一個元件、部件、區域、或部分與另一個元件、部件、區域、層或部分區分開，而非表示其必然的先後順序。此外，諸如「下」和「上」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，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。此僅表示相對的方位關係，而非絕對的方位關係。
圖1係懸浮式壓電超音波感測器第一實施例的上視圖。圖2係圖1沿A-A線的剖視圖。如圖1及圖2所示，第一實施例的懸浮式壓電超音波感測器1包含半導體基板10及壓電超音波感測元件20。半導體基板10包含柱狀設置區11、周緣壁13、及橋接部15，柱狀設置區11與周緣壁13之間為空腔17，空腔17圍繞柱狀設置區11，橋接部15連接柱狀設置區11及周緣壁13。壓電超音波感測元件20設置於柱狀設置區11上。
更具體地，柱狀設置區11與周緣壁13之間的空腔17可以透過雷射或是蝕刻方式移除部分的半導體基板10來完成，使得柱狀設置區11呈現在空腔17中的孤島狀，進而使得壓電超音波感測元件20呈懸浮狀。更詳細地，壓電超音波感測元件20的寬度小於柱狀設置區11。在第一實施例中，僅有一個橋接部15來連接柱狀設置區11與周緣壁13。如此，即便在壓電超音波感測元件20其內部空腔完成，也可以透過調整橋接部15的長度，來調配所需的諧振頻率。一般而言，橋接部15的長度小於1000um，較佳為300至750um。當橋接部15的長度減少、可以使得諧振頻率增加，進而使得發射角增加。如此，提供了更寬廣的製程裕度。進一步地，也為諧振頻率，被判定為不良品的元件，可以透過二次加工來達成需求，從而提供了微調、修正的方案。
再次參考圖2，半導體基板10更包含至少一貫孔19，貫孔貫穿半導體基板10，且與空腔17連通。更具體地，貫孔19可以由雷射鑽孔技術來完成，鄰近於柱狀設置區11，提供之後移除部分半導體基板10，形成空腔17的路徑。
更詳細地，在一些實施例中，貫孔19的數量可以為多個，該些貫孔19分佈於柱狀設置區11的周圍。
為了達到快速地貫孔19、減少雷射加工的熱損傷，進一步地在貫孔19之前，還可以對於半導體基板10進行減薄，一般而言，減薄是透過蝕刻方式來完成，具有較低廉的成本、以及更快的效率。此外，半導體基板10的厚度，也直接影響了聲壓。半導體基板10的厚度降低，聲壓因而提升，因此，也可以透過控制減薄半導體基板10除了對形成貫孔19提供輔助外，也可以對所需效能進行調整。在此，半導體基板10的厚度為200至700um，較佳為300至600um。
圖3係懸浮式壓電超音波感測器第二實施例的上視圖。圖4係懸浮式壓電超音波感測器第三實施例的上視圖。如圖3及圖4所示，同時參考圖1及圖2，第二實施例與第三實施例的懸浮式壓電超音波感測器1與第一實施例不同之處在於橋接部15的數量。第二實施例具有兩個橋接部15、第三實施例具有四個橋接部15。各橋接部15分別連接於柱狀設置區11及周緣壁13。
更具體地，在第三實施例中，橋接部15更以對稱地位於柱狀設置區11的周圍。在此僅為示例，橋接部15的數量、位置、排列可以依據實際需求來調整。更具體地，所有橋接部15總長度，與諧振頻率及發射角成反比。所需的諧振頻率及發射角，也可以透過調配橋接部15的數量及總長度來調整。
圖5係懸浮式壓電超音波感測器製作方法的流程圖。如圖5所示，同時參考圖1至圖4，懸浮式壓電超音波感測器的製作方法S1包含定義步驟S10、元件設置步驟S20、貫孔步驟S30、及空腔形成步驟S40。定義步驟S10是提供半導體基板10，半導體基板10上定義有柱狀設置區11。元件設置步驟S20是形成壓電超音波感測元件20於柱狀設置區11上。
貫孔步驟S30是在半導體基板10上形成貫孔19，貫孔19貫穿半導體基板10。空腔形成步驟S40是沿著貫孔19，移除半導體基板10上鄰近於柱狀設置區11的區域，使得半導體基板10在柱狀設置區11的周圍形成一空腔17，空腔17外圍是周緣壁13，空腔17與貫孔19連通，且柱狀設置區11與周緣壁13之間透過保留未移除所形成的至少一橋接部15連接。在此，空腔形成步驟S40可以透過雷射，或是蝕刻的方式進行移除半導體材料來完成。
再次參考圖5，進一步地，在貫孔步驟S30之前更包含基板減薄步驟S25，基板減薄步驟S25降低半導體基板10的厚度，透過控制減薄半導體基板10除了對形成貫孔19提供輔助外，也可以對所需效能進行調整。
綜上所述，透過在完成壓電超音波感測元件20後，進一步在半導體基板10上設置空腔17，並透過保留的橋接部15來連接設置壓電超音波感測元件20的柱狀設置區11及周緣壁13，可透過此方式來調整所需的諧振頻率，進而調整所需聲壓及發射角度，提供較大的製程裕度。
雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，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。
1:懸浮式壓電超音波感測器 10:半導體基板 11:柱狀設置區 13:周緣壁 15:橋接部 17:空腔 19:貫孔 20:壓電超音波感測元件 S1:懸浮式壓電超音波感測器的製作方法 S10:定義步驟 S20:元件設置步驟 S25:基板減薄步驟 S30:貫孔步驟 S40:空腔形成步驟
圖1係懸浮式壓電超音波感測器第一實施例的上視圖。 圖2係圖1沿A-A線的剖視圖。 圖3係懸浮式壓電超音波感測器第二實施例的上視圖。 圖4係懸浮式壓電超音波感測器第三實施例的上視圖。 圖5係懸浮式壓電超音波感測器製作方法的流程圖。
1:懸浮式壓電超音波感測器
10:半導體基板
11:柱狀設置區
13:周緣壁
15:橋接部
17:空腔
20:壓電超音波感測元件

Claims (15)

  1. 一種懸浮式壓電超音波感測器，包含：一半導體基板，包含一柱狀設置區、一周緣壁、以及至少一橋接部，該柱狀設置區與該周緣壁之間為一空腔，該空腔圍繞該柱狀設置區，該橋接部連接該柱狀設置區及該周緣壁；以及一壓電超音波感測元件，設置於該柱狀設置區上，其中該壓電超音波感測元件的寬度小於該柱狀設置區。
  2. 如請求項1所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該半導體基板更包含至少一貫孔，該貫孔貫穿該半導體基板，且與該空腔連通。
  3. 如請求項2所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該貫孔鄰近於該柱狀設置區。
  4. 如請求項2所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該半導體基板包含複數個貫孔，該些貫孔貫穿該半導體基板、分佈於該柱狀設置區的周圍，且該些貫孔與該空腔連通。
  5. 如請求項1所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該半導體基板包含複數個橋接部，各該橋接部分別連接於該柱狀設置區及該周緣壁。
  6. 如請求項5所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該等橋接部對稱地位於該柱狀設置區的周圍。
  7. 如請求項1所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該半導體基板的厚度為200至700um。
  8. 如請求項1所述之懸浮式壓電超音波感測器，其中該橋接部的長度小於1000um。
  9. 一種懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，包含：一定義步驟，提供一半導體基板，該半導體基板上定義有一柱狀設置區；一元件設置步驟，形成一壓電超音波感測元件於該柱狀設置區，其中該壓電超音波感測元件的寬度小於該柱狀設置區；一貫孔步驟，在該半導體基板上形成一貫孔，該貫孔貫穿該半導體基板；以及一空腔形成步驟，沿著該貫孔，移除該半導體基板上鄰近於該柱狀設置區的區域，使得該半導體基板在該柱狀設置區的周圍形成一空腔，該空腔外圍是一周緣壁，該空腔與該貫孔連通，且該柱狀設置區與該周緣壁之間透過至少一橋接部連接。
  10. 如請求項9所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，在該貫孔步驟之前更包含一基板減薄步驟，該基板減薄步驟降低該半導體基板的厚度。
  11. 如請求項9或請求項10所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，其中該半導體基板的厚度為200至700um。
  12. 如請求項9所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，其中該貫孔步驟形成複數個貫孔，該等貫孔貫穿該半導體基板、分佈於該柱狀設置區的周圍，且該些貫孔與該空腔連通。
  13. 如請求項9所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，其中該空腔形成步驟使該半導體基板包含複數個橋接部，各該橋接部分別連接於該柱狀設置區及該空腔的該周緣壁。
  14. 如請求項13所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，其中該等橋接部對稱地位於該柱狀設置區的周圍。
  15. 如請求項9所述之懸浮式壓電超音波感測器的製作方法，其中該橋接部的長度小於1000um。
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