TWI829456B - 壓電微機械超聲波換能器及其壓電微機械超聲波換能器陣列 - Google Patents

Abstract

一種壓電微機械超聲波換能器，包含矽基板、第一保護層、支撐柱、壓電複合膜以及第二保護層。第一保護層開設有空腔。支撐柱位於空腔中，空腔中非支撐柱的區域彼此連通。第一保護層的壁面與支撐柱間的最短距離為第一距離。壓電複合膜的垂直投影與空腔至少部分重疊，且壓電複合膜的底部的一部份對應於支撐柱，壓電複合膜至少開設二連通孔，二連通孔貫穿壓電複合膜且與空腔連通。第二保護層位於壓電複合膜的表面，且填滿二連通孔而封閉空腔。二連通孔之間的距離大於兩倍第一距離，且支撐柱的高度與第一距離比為1/70至1/200，支撐柱的寬度為3至10um。

Description

壓電微機械超聲波換能器及其壓電微機械超聲波換能器 陣列

本發明涉及感測領域，尤其涉及一種壓電微機械超聲波換能器及壓電微機械超聲波換能器陣列。

壓電微機械超聲波換能器是前常見的感測元件，其透過內部開設的空腔，並透過收真空介質，壓電微機械超聲波換能器產生的入射信號能區隔入射波及反射波。

然而，當元件的厚度、尺寸變小，受到真空的影響比例則越來越明顯。壓電元件，尤其是陣列排列的狀態，在抽取真空得過程時，容易受到真空的吸引，而發生形變。更甚者，可能形變更加嚴重，而產生塌陷、或是壓電元件與其他元件相互沾黏的現象。這會導致整體的壓電微機械超聲波換能器運作異常。

為了解決上述的問題，在一些實施例中，提供一種壓電微機械超聲波換能器。壓電微機械超聲波換能器包含矽基板、第一保護層、支撐柱、壓電複合膜、以及第二保護層。第一保護層設置於矽基板上，且開設有空腔。支撐柱位於空腔中，在空腔中非支撐柱的區域彼此連通。第一 保護層的壁面與支撐柱之間的最短距離為第一距離。壓電複合膜設置於第一保護層上，壓電複合膜的垂直投影與空腔至少部分重疊，且壓電複合膜的底部的一部份對應於支撐柱，壓電複合膜至少開設二連通孔，二連通孔貫穿壓電複合膜且與空腔連通。第二保護層位於壓電複合膜的表面，且填滿二連通孔，而封閉空腔。二連通孔之間的距離大於兩倍第一距離，且支撐柱的高度與第一距離之比為1/70至1/200，支撐柱的寬度為3至10um。

在一些實施例中，壓電微機械超聲波換能器，更包含第二支撐柱，第二支撐柱位於空腔中，在空腔中非支撐柱及第二支撐柱的區域彼此連通。

在一些實施例中，第一距離小於等於150um。

在一些實施例中，支撐柱為非晶矽。

在一些實施例中，支撐柱為四乙氧基矽烷(TEOS)。

在一些實施例中，壓電複合膜包含依序堆疊於第一保護層的第一壓電層、第一電極層、第二壓電層及第二電極層。壓電複合膜更開設有第一開口及第二開口以分別曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層。

更詳細地，在一些實施例中，第二保護層更開設有第一開槽及第二開槽，第一開槽及第二開槽分別與第一開口、第二開口連通，而曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層。在第一開槽、第二開槽、第一開口及第二開口中，更填入金屬層。

進一步地，在一些實施例中，在曝露出之部分的第一電極層及部分的第二電極層上與金屬層之間，更設置有鋁銅合金層。

更詳細地，在一些實施例中，矽基板及第一保護層開設有第一連通開槽及第二連通開槽，第一連通開槽及第二連通開槽分別與第一開口、第二開口連通，而曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層，在第一連通開槽、第二連通開槽、第一開口及第二開口中，更填入一金屬層。

在一些實施例中，第一壓電層及第二壓電層為氮化鋁(AlN)。

在一些實施例中，第一電極層及第二電極層為鉬(Mo)。

在一些實施例中，第一保護層及第二保護層為四乙氧基矽烷(TEOS)。

在一些實施例中，提供一種壓電微機械超聲波換能器陣列，其包含矽基板以及複數個壓電微機械超聲波換能元件。壓電微機械超聲波換能元件設置於矽基板上，且以陣列排列，各壓電微機械超聲波換能元件包含第一保護層、壓電複合膜以及第二保護層。

第一保護層設置於矽基板上，且開設有空腔，各壓電微機械超聲波換能元件的該空腔彼此連通。壓電複合膜設置於第一保護層上。壓電複合膜的垂直投影與該空腔至少部分重疊，壓電複合膜至少開設二連通孔，二連通孔貫穿該壓電複合膜且與空腔連通。壓電微機械超聲波換能元件中至少一個包含一支撐柱，支撐柱位於空腔中，壓電複合膜的底部的一部份對應於支撐柱。空腔中非支撐柱的區域彼此連通，第一保護層的一壁面與支撐柱之間的最短距離為第一距離，其中二連通孔之間的距離大於兩倍第一距離，且支撐柱的高度與第一距離之比為1/70至1/200，支撐柱的寬度為3至10um。

在一些實施例中，壓電微機械超聲波換能器陣列更包含一第二支撐柱，第二支撐柱位於空腔中，在空腔中非支撐柱及第二支撐柱的區域彼此連通。

在一些實施例中，壓電複合膜包含依序堆疊於該第一保護層的第一壓電層、第一電極層、第二壓電層及第二電極層。壓電複合膜更該設有第一開口及第二開口以分別曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層。

更詳細地，在一些實施例中，第二保護層更開設有一第一開槽及一第二開槽，第一開槽及第二開槽分別與第一開口、第二開口連通，而曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層。在第一開槽、第二開槽、第一開口及第二開口中，更填入金屬層。

更詳細地，在一些實施例中，矽基板及第一保護層開設有第一連通開槽及第二連通開槽。第一連通開槽及第二連通開槽分別與第一開口、第二開口連通，而曝露出部分的第一電極層及部分的第二電極層，在第一連通開槽、第二連通開槽、第一開口及第二開口中，更填入金屬層。

在一些實施例中，第一距離小於等於150um。

在一些實施例中，支撐柱為非晶矽或支撐柱為四乙氧基矽烷。

前述實施例中，透過在空腔中設置支撐柱，提供了部分的剛性，能避免在製作時，壓電複合膜受到空腔的真空吸引而產生形變或塌陷，進而提升了製作良率。能維持壓電微機械超聲波換能器的功能。

1:壓電微機械超聲波換能器

1’:壓電微機械超聲波換能元件

10:矽基板

11A:第一連通開槽

11B:第二連通開槽

20:第一保護層

21:空腔

30:支撐柱

40:壓電複合膜

40A:第一開口

40B:第二開口

41:第一壓電層

42:第一電極層

43:第二壓電層

44:第二電極層

45:連通孔

50:第二保護層

50A:第一開槽

50B:第二開槽

60:金屬層

62:鋁銅合金層

100:壓電微機械超聲波換能器陣列

D1:第一距離

H:支撐柱的高度

圖1係壓電微機械超聲波換能器陣列的俯視圖。

圖2係壓電微機械超聲波換能器第一實施例的剖面圖。

圖3係壓電微機械超聲波換能器第二實施例的剖面圖。

圖4係壓電微機械超聲波換能器第三實施例的剖面圖。

圖5係壓電微機械超聲波換能器第四實施例的剖面圖。

圖6係壓電微機械超聲波換能器陣列的俯視圖。

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，或者也可以存在中間元件，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係壓電微機械超聲波換能器陣列的俯視圖。圖2係壓電微機械超聲波換能器第一實施例的剖面。圖2為圖1中A-A’線的一實施例的 剖面圖。如圖1及圖2所示，壓電微機械超聲波換能器陣列100包含複數個壓電微機械超聲波換能器1。壓電微機械超聲波換能器1可以以二維陣列排列，並透過串接來達到較高的壓電轉換效率。複數個壓電微機械超聲波換能器1可以是在一個矽基板10共同製作出的複數個壓電微機械超聲波換能元件1’。也可以是單獨製作出在進行排列的複數個壓電微機械超聲波換能器1。

如圖2所示，在一些實施例中，壓電微機械超聲波換能器1包含矽基板10、第一保護層20、支撐柱30、壓電複合膜40、以及第二保護層50。第一保護層20設置於矽基板10上，且開設有空腔21。支撐柱30位於空腔21中，壓電複合膜40設置於第一保護層20上，壓電複合膜40的垂直投影與空腔21至少部分重疊，且壓電複合膜40的底部的一部份對應於支撐柱30，換言之，壓電複合膜40的底部的一部份透過第一保護層20間接接觸於支撐柱30，且壓電複合膜40的底部的一部份與支撐柱30的垂直投影重疊。壓電複合膜40至少開設二連通孔45，二連通孔45貫穿壓電複合膜40且與空腔21連通。須說明的是，由於剖面無法完整呈現立體態樣，在空腔21中非支撐柱30區域是彼此連通，也就是，空腔21呈現環繞支撐柱30的態樣。

更詳細地，在製作過程中，第一保護層20可以為四乙氧基矽烷(TEOS)，其內部原有非晶矽(amorphous silicon)，連通孔45做為蝕刻氣體的通入孔，透過控制通入蝕刻氣體的濃度、通入時間，控制蝕刻去除非晶矽(amorphous silicon)。而經過蝕刻殘留的非晶矽(amorphous silicon)，則做為支撐柱30。

在此，第一保護層20的壁面與支撐柱30之間的最短距離為第一距離D1。二連通孔45之間的距離大於兩倍第一距離D1，且支撐柱30的高度H與第一距離D1之比(H/D1)為1/70至1/200，支撐柱30的寬度為3至10um。第二保護層50位於壓電複合膜40的表面，且填滿二連通孔45，而封閉空腔21。更詳細地，第一距離D1小於等於150um，較佳地。第一距離為70um至120um。第一距離D1的大小及支撐柱30的寬度，在於使空腔21介質的影響最小化，並維持整體的結構。

藉由在空腔21中提供支撐柱30，能維持在製作過程，對空腔21抽真空時，能避免壓電複合膜40的形變，甚至塌陷而使得壓電複合膜40與第一保護層20產生沾黏，而避免造成壓電微機械超聲波換能器1的功能受損，進而提升了製作良率。進一步地，在整體壓電微機械超聲波換能器1的體積縮減下，還可以達到增加壓電微機械超聲波換能器1聲壓的效果。

再次參見圖2，在一些實施例中，壓電複合膜40包含依序堆疊於第一保護層20的第一壓電層41、第一電極層42、第二壓電層43及第二電極層44。壓電複合膜40更開設有第一開口40A及第二開口40B以分別曝露出部分的第一電極層42及部分的第二電極層44，以利於電性導通。更詳細地，在一些實施例中，第二保護層50更開設有第一開槽50A及第二開槽50B，第一開槽50A及第二開槽50B分別與第一開口40A、第二開口40B連通，而曝露出部分的第一電極層42及部分的第二電極層44。在第一開槽50A、第二開槽50B、第一開口40A及第二開口40B中，更填入金屬層60， 而做為與母板電性連接的銲墊。第一開槽50A與第一開口40A、第二開槽50B與第二開口40B可以透過鑽孔來共同完成。

更詳細地，在一些實施例中，第一壓電層41及第二壓電層43為氮化鋁(AlN)、第一電極層42及第二電極層44為鉬(Mo)，在曝露出之部分的第一電極層42及部分的第二電極層44上與金屬層60之間，更設置有鋁銅合金層62，來增進金屬層60的附著性。

圖3係壓電微機械超聲波換能器第二實施例的剖面圖。圖4係壓電微機械超聲波換能器第三實施例的剖面圖。如圖3及圖4所示，並同時參見圖2，與圖2不同的是，支撐柱30也是四乙氧基矽烷(TEOS)，可以設置有一個(如圖4)或多個(如圖3)支撐柱30於空腔21中。在此，是在成長多晶矽前，先布設四乙氧基矽烷(TEOS)的圖案，而多晶矽是成長於圖案間的空隙中。通入蝕刻氣體時，僅須確保多晶矽已完全被去除，在製程控制上更加簡單。同樣地，空腔21中非支撐柱30區域彼此連通。

圖5係壓電微機械超聲波換能器第四實施例的剖面圖。同時參考圖2至圖4。第四實施例不同之處在於，壓電複合膜40開設有第一開口40A及第二開口40B的位置，在於底部。矽基板10及第一保護層20開設有第一連通開槽11A及第二連通開槽11B。第一連通開槽11A及第二連通開槽11B分別與第一開口40A、第二開口40B連通，而曝露出部分的第一電極層42及部分的第二電極層44。在此，第一連通開槽11A與第一開口40A、第二連通開槽11B與第二開口40B，可以透過蝕雷射切割，或是乾蝕刻的方式，截去矽基板10、第一保護層20、壓電複合膜40的一部分來 完成。在第一連通開槽11A、第二連通開槽11B、第一開口40A及第二開口40B中，更填入金屬層60來做為銲墊。

圖6係壓電微機械超聲波換能器陣列的俯視圖。為了清楚呈現，省略了第二保護層50及金屬層60等元件。同時，可以參照圖1至圖5，壓電微機械超聲波換能器陣列100可以包含多個壓電微機械超聲波換能元件1’。各該壓電微機械超聲波換能元件1’可以包含第一保護層20及壓電複合膜40。第一保護層20設置於矽基板10上，且開設有空腔21，壓電微機械超聲波換能元件1’的空腔21彼此連通。

壓電微機械超聲波換能元件1’中至少一個包含支撐柱30，支撐柱30位於空腔21中，壓電複合膜40的底部的一部份對應於支撐柱30，該些壓電微機械超聲波換能元件1’的空腔21在非該支撐柱30的區域彼此連通，其餘部份的技術特徵與先前單一壓電微機械超聲波換能器1相似，在此不在贅述。進一步地，在一些實施例中，在中間部分的壓電微機械超聲波換能元件1’也可以不設置連通孔45，透過蝕刻的方式直接使得每一個壓電微機械超聲波換能元件1’的空腔21彼此連通，未被蝕刻的部分，做為整個空腔21的支撐柱30。

綜上所述，藉由在空腔21中提供具有寬度限制的支撐柱30，能維持在製作過程，對於空腔21抽真空時，能避免壓電複合膜40的形變，甚至塌陷，進而提升了製作良率。還可以達到增加壓電微機械超聲波換能器1聲壓的效果。

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:壓電微機械超聲波換能器

10:矽基板

20:第一保護層

21:空腔

30:支撐柱

40:壓電複合膜

40A:第一開口

40B:第二開口

41:第一壓電層

42:第一電極層

43:第二壓電層

44:第二電極層

45:連通孔

50:第二保護層

50A:第一開槽

50B:第二開槽

60:金屬層

62:鋁銅合金層

D1:第一距離

H:支撐柱的高度

Claims (19)

1. 一種壓電微機械超聲波換能器，包含：一矽基板；一第一保護層，設置於該矽基板上，且開設有一空腔；一支撐柱，位於該空腔中，其中該第一保護層的一壁面與該支撐柱之間的最短距離為一第一距離，其中在該空腔中非該支撐柱的區域彼此連通；一壓電複合膜，設置於該第一保護層上，該壓電複合膜的垂直投影與該空腔至少部分重疊，且該壓電複合膜的底部的一部份對應於該支撐柱，該壓電複合膜至少開設二連通孔，該二連通孔貫穿該壓電複合膜且與該空腔連通；以及一第二保護層，位於該壓電複合膜的一表面，且填滿該二連通孔，而封閉該空腔，其中該二連通孔之間的距離大於兩倍該第一距離，且該支撐柱的高度與該第一距離之比為1/70至1/200，該支撐柱的寬度為3至10um。
2. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，更包含一第二支撐柱，該第二支撐柱位於該空腔中，其中在該空腔中非該支撐柱及該第二支撐柱的區域彼此連通。
3. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該第一距離小於等於150um。
4. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該支撐柱為非晶矽。
5. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該支撐柱為四乙氧基矽烷(TEOS)。
6. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該壓電複合膜包含依序堆疊於該第一保護層的一第一壓電層、一第一電極層、一第二壓電層及一第二電極層，該壓電複合膜更開設有一第一開口及一第二開口以分別曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層。
7. 如請求項6所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該第二保護層更開設有一第一開槽及一第二開槽，該第一開槽及該第二開槽分別與該第一開口及該第二開口連通，而曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層，在該第一開槽、該第二開槽、該第一開口及該第二開口中，更填入一金屬層。
8. 如請求項7所述之壓電微機械超聲波換能器，其中在曝露出之部分的該第一電極層及部分的該第二電極層上與該金屬層之間，更設置有一鋁銅合金層。
9. 如請求項6所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該矽基板及該第一保護層開設有一第一連通開槽及一第二連通開槽，該第一連通開槽及該第二連通開槽分別與該第一開口、該第二開口連通，而曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層，在該第一連通開槽、該第二連通開槽、該第一開口及該第二開口中，更填入一金屬層。
10. 如請求項6所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該第一壓電層及該第二壓電層為氮化鋁(AlN)。
11. 如請求項6所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該第一電極層及該第二電極層為鉬(Mo)。
12. 如請求項1所述之壓電微機械超聲波換能器，其中該第一保護層及該第二保護層為四乙氧基矽烷(TEOS)。
13. 一種壓電微機械超聲波換能器陣列，包含：一矽基板；以及複數個壓電微機械超聲波換能元件，該等壓電微機械超聲波換能元件設置於該矽基板上，且以陣列排列，各該壓電微機械超聲波換能元件包含：一第一保護層，設置於該矽基板上，且開設有一空腔，各該壓電微機械超聲波換能元件的該空腔彼此連通；一壓電複合膜，設置於該第一保護層上，該壓電複合膜的垂直投影與該空腔至少部分重疊，該壓電複合膜至少開設二連通孔，該二連通孔貫穿該壓電複合膜且與該空腔連通；以及一第二保護層，位於該壓電複合膜的一表面，且填滿該二連通孔，而封閉該空腔，其中該等壓電微機械超聲波換能元件中至少一個包含一支撐柱，該支撐柱位於該空腔中，該壓電複合膜的底部的一部份對應於該支撐柱，其中在該空腔中非該支撐柱的區域彼此連通，該第一保護層的一壁面與該支撐柱之間的最短距離為一第一距離，其中該二連通孔之間的距離大於兩倍該第一距離，且該支撐柱的高度與該第一距離之比為1/70至1/200，該支撐柱的寬度為3至10um。
14. 如請求項13所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，更包含一第二支撐柱，該第二支撐柱位於該空腔中，其中在該空腔中非該支撐柱及該第二支撐柱的區域彼此連通。
15. 如請求項13所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，其中該壓電複合膜包含依序堆疊於該第一保護層的一第一壓電層、一第一電極層、一第二壓電層及一第二電極層，該壓電複合膜更該設有一第一開口及一第二開口以分別曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層。
16. 如請求項15所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，其中該第二保護層更開設有一第一開槽及一第二開槽，該第一開槽及該第二開槽分別與該第一開口、該第二開口連通，而曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層，在該第一開槽、該第二開槽、該第一開口及該第二開口中，更填入一金屬層。
17. 如請求項15所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，該矽基板及該第一保護層開設有一第一連通開槽及一第二連通開槽，該第一連通開槽及該第二連通開槽分別與該第一開口、該第二開口連通，而曝露出部分的該第一電極層及部分的該第二電極層，該第一連通開槽、該第二連通開槽、該第一開口及該第二開口中，填入一金屬層。
18. 如請求項13所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，其中該第一距離小於等於150um。
19. 如請求項13所述之壓電微機械超聲波換能器陣列，其中該支撐柱為非晶矽或該支撐柱為四乙氧基矽烷(TEOS)。

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