压电微机械超声波换能器及其制作方法与流程

压电微机械超声波换能器及其制作方法
【技术领域】
1.本发明关于一种微机电系统(micro electro mechanical system,mems)的技术领域，特别是关于一种压电微机械超声波换能器(pmut)及其制作方法。


背景技术：

2.在过去的几十年里，微机械超声波换能器(micro machined transducer,muts)受到了广泛的研究，并成为各种消费电子产品的重要组成，例如是指纹传感器、邻近(proximity)传感器和手势传感器中的组成部件。一般来说，muts可以被分为两大类，例如是电容式微机械超声波换能器(cmuts)和压电式微机械超声波换能器(pmuts)。对于典型的压电式微机械超声波换能器而言，压电式微机械超声波换能器包括由弹性材料、电极和压电材料所构成的膜层，此膜层会被设置在作为声波谐振器的空腔上，以提升压电式微机械超声波换能器的声学性能。在压电式微机械超声波换能器运作的过程中，经由膜层的振动而产生的超声波会从压电式微机械超声波换能器而被传递至目标物，然后压电式微机械超声波换能器可以侦测超声波撞击目标物后而产生的反射声波。
3.通常，压电式微机械超声波换能器会在膜层的弯曲共振频率下运作，此弯曲共振频率可透过选择正确的材料、膜的尺寸和厚度来决定。因此，单个压电式微机械超声波换能器的共振频率的良好匹配是正常运作的必要条件。对于习知的pmut，为了调控膜层的弯曲共振频率，设置在空腔上的膜层通常会包括具有所需弹性的弹性层，且此弹性层会被设置于膜层的底部，而膜层的电极和压电层则通常会被设置在弹性层上。然而，由于膜层中的压电层的质量好坏对于其下方层(例如弹性层)的表面纹理非常敏感，因此在弹性层的材料以及其制程存在着诸多的限制。因此，即便可以将膜层制作为包括弹性层的结构，但仍难以自由地调控pmut的共振频率。
4.因此，需要提供一种改进的pmut及其制作方法，以解决习知pmut中所面临的问题。


技术实现要素：

5.有鉴于此，有必要提供一种改良的pmut及其制作方法，其能够任意地调控pmut的膜层的弹性。
6.根据本发明的一实施例，一种pmut包括基板、膜层和牺牲层。基板具有穿透基板的空腔。膜层设置在空腔上方并且包括第一压电层、底部电极、顶部电极及第二压电层。第一压电层设置在空腔上方并且包括锚定部，其中第一压电层的锚定部与基板直接接触。底部电极设置在第一压电层上方。顶部电极设置在底部电极上方。第二压电层设置在底部电极和顶部电极之间。牺牲层设置在基板和第一压电层之间，其中牺牲层的垂直投影不重叠于设置在空腔正上方的膜层的部分垂直投影。
7.根据本发明的另一实施例，揭露了一种制作pmut的方法，包括以下步骤。首先，提供基板，并且在基板上形成牺牲层，其中牺牲层包括暴露基板的至少一孔洞。然后，在至少一孔洞中和牺牲层上形成压电层。之后，形成穿透基板的空腔，以暴露出牺牲层的部分。之
后，使用压电层作为蚀刻停止结构，以去除牺牲层从空腔暴露出的部分。
8.根据本发明的实施例，弹性层不会被设置在基板和膜层之间，而是会被设置在膜层的上部。因此，膜层中的压电层的结晶度不再会受到弹性层的影响，因而得以自由地调控pmut中膜层的弹性。
【附图说明】
9.为了使下文更容易被理解，在阅读本发明时可同时参考图式及其详细文字说明。透过本文中的具体实施例并参考相对应的图式，俾以详细解说本发明的具体实施例，并用以阐述本发明的具体实施例的作用原理。此外，为了清楚起见，图式中的各特征可能未按照实际的比例绘制，因此某些图式中的部分特征的尺寸可能被刻意放大或缩小。图1是根据本发明的一实施例所绘示的压电微机械超声波换能器(pmut)的俯视示意图。图2是根据本发明的一实施例沿着图1的切线a-a’所绘示的剖面示意图。图3是根据本发明的一实施例所绘示的在基板上形成牺牲层后的剖面示意图。图4是在基板上形成膜层之后的剖面示意图。图5是在膜层上形成弹性层之后的剖面示意图。图6是根据本发明的一实施例所绘示的在形成穿透基板的空腔之后的剖面示意图。图7是根据本发明的一实施例所绘示的制作pmut的方法的流程图。
【具体实施方式】
10.本发明提供了数个不同的实施例，可用于实现本发明的不同特征。为简化说明起见，本发明也同时描述了特定构件与设置的范例。提供这些实施例的目的仅在于示意，而非予以任何限制。举例而言，下文中针对「第一特征形成在第二特征上或上方」的叙述，其可以是指「第一特征与第二特征直接接触」，也可以是指「第一特征与第二特征间另存在有其他特征」，致使第一特征与第二特征并不直接接触。此外，本发明中的各种实施例可能使用重复的参考符号和/或文字注记。使用这些重复的参考符号与注记是为了使叙述更简洁和明确，而非用以指示不同的实施例及/或配置之间的关联性。
11.另外，针对本发明中所提及的空间相关的叙述词汇，例如：「在...之下」，「低」，「下」，「上方」，「之上」，「下」，「顶」，「底」和类似词汇时，为便于叙述，其用法均在于描述图式中一个组件或特征与另一个(或多个)组件或特征的相对关系。除了图式中所显示的摆向外，这些空间相关词汇也用来描述半导体装置在使用中以及操作时的可能摆向。随着半导体装置的摆向的不同(旋转90度或其它方位)，用以描述其摆向的空间相关叙述亦应透过类似的方式予以解释。
12.虽然本发明使用第一、第二、第三等等用词，以叙述种种组件、部件、区域、层、及/或区块(section)，但应了解此等组件、部件、区域、层、及/或区块不应被此等用词所限制。此等用词仅是用以区分某一组件、部件、区域、层、及/或区块与另一个组件、部件、区域、层、及/或区块，其本身并不意含及代表该组件有任何之前的序数，也不代表某一组件与另一组件的排列顺序、或是制造方法上的顺序。因此，在不背离本发明之具体实施例的范畴下，下列所讨论的第一组件、部件、区域、层、或区块亦可以第二组件、部件、区域、层、或区块之词
称之。
13.本发明中所提及的「约」或「实质上」之用语通常表示在一给定值或范围的20％之内，较佳是10％之内，且更佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。应注意的是，说明书中所提供的数值范围、数量、数值及百分比为大约的数量，亦即在没有特定说明「约」或「实质上」的情况下，仍可隐含「约」或「实质上」的含义。
14.下文中所描述的步骤/流程中的特定步骤或是方块层次为例示。根据设计上的偏好，下文中所描述的步骤/流程中的特定步骤或是方块层次可以被重新排列。进一步而言，部分方块可以被整并或是删除。又，下文的方法权利要求以简单顺序列出上述不同方块的对应组件，且此方法权利要求不应被限定为必须按照上述的特定步骤或是方块层次。
15.虽然下文藉由具体实施例以描述本发明的发明，然而本发明的发明原理由本案的深申请专利范围所界定，因此亦可被应用至未被具体描述于说明书中的实施例。此外，为了不致使本发明的精神晦涩难懂，特定的细节不会被记载于说明书中，该些未被记载的细节属于所属技术领域中具有通常知识者的知识范围。
16.图1是根据本发明的一实施例所绘示的压电微机械超声波换能器(pmut)的俯视示意图。参照图1，压电微机械超声波换能器(pmut)100至少包括基板102、穿过基板102而形成的空腔120、沿空腔120的开口设置的蚀刻停止结构(未绘示出)、被设置在空腔120上的膜层(未绘示出)(例如多层结构)、被设置在膜层上并和空腔120分离的弹性层142。根据本发明的一实施例，沿着空腔120的开口所设置的蚀刻停止结构可以是从膜层的底表面突出的环形结构，使得膜层可以被附着至基板102。蚀刻停止结构的形状不限于此，蚀刻停止结构亦可以是沿着空腔120的开口而设置的多边形或弧形。设置在相对侧的第一接触垫114和第二接触垫116可以分别电耦合至膜层的电极。此外，为了避免第一接触垫114和第二接触垫116之间产生不必要的寄生电容，第一接触垫114和第二接触垫116的尺寸可尽可能的缩小，但不限于此。根据本发明的一实施例，第一接触垫114和第二接触垫116可以被设置在膜层106的同一侧或任何位置，只要第一接触垫114和第二接触垫116可以电耦合至膜层的电极。额外的导电迹线(未示出)可以被设置在基板102上，并且电耦合至第一接触垫114和第二接触垫116，以便将电信号传输到膜层中或从膜层中传输出来。在pmut 100的操作过程中，当声波对于膜层施加声压或者电信号被施加到膜层时，膜层可以产生振动。藉由使用蚀刻停止结构，可以精确地限定空腔120上方的膜层的尺寸和位置，而不论膜层下方的空腔120的尺寸和位置。因此，可以有效地增加各pumt 100的共振频率的均匀性。
17.图2是根据揭露一实施例沿着图1的切线a-a’所绘示的的剖面示意图。参考图2，蚀刻停止结构可以是锚定到基板102并与空腔120直接接触的第一压电层132的一部分，其可以被称作第一压电层132的「锚定部」。在基板102的顶面102a上的空腔120的开口o可以视为被第一压电层132所密封。基板102可以是半导体基板，例如块硅基板，但不限于此。基板102可以是单晶硅、多晶硅、非晶硅、玻璃、陶瓷材料或其他合适的材料。根据本发明的一实施例，基板102可以是soi基板。牺牲层124可以设置在基板102和第一压电层132之间，并且牺牲层124的成分可以不同于基板102和第一压电层132的成分。根据本发明的一实施例，在基板102之组成包括半导体材料，例如硅，的情况下，牺牲层124可以例如是氧化硅(sio
x
)或二氧化硅(sio2)的介电层。此外，根据本发明的另一实施例，可以省略大部分的牺牲层124，以增加第一压电层132和基板102之间的接触区域。膜层106，例如是包括底部电极134、第二压
电层136和顶部电极138的多层结构，可以被设置在第一压电层132上。膜层106的部分可以被设置在空腔120的上方，且空腔120包括靠近膜层106的边缘120e。根据本发明的一实施例，牺牲层124的垂直投影可以不重叠于设置在空腔120正上方的膜层106的垂直投影。pmut 100的底部电极134和顶部电极138可以分别电耦合至第一接触垫114和第二接触垫116。选择性的钝化层140可以进一步被设置在膜层106上，且其组成可以是介电层。具有所需弹性(elasticity)的弹性层可以被设置在选择性的钝化层140上，使得当声波或电信号施加到pmut 100时，膜层106可以在特定频率振动。应当注意，由于弹性层142的弹性高于弹性层142下其他层别的弹性，因此膜层106的机械行为主要由弹性层142主导。
18.为了使本技术领域中具有通常知识者能够据以实现本发明的发明，下文进一步描述制作压电微机械超声波换能器的方法。此外，由于压电微机械超声波换能器可以透过标准的cmos制程制作，因此在压电微机械超声波换能器的同一基底上也可以透过相同的cmos制程制作相关的电子组件，如场效晶体管、放大器和集成电路。
19.图3是根据本发明一实施例在基板上形成牺牲层后的剖面示意图。图7是根据本发明一实施例所绘示的制作压电微机械超声波换能器的方法流程图。参考图3，在方法200的步骤202中，提供基板102，根据不同的需求，基板102可以选择自半导体基板或绝缘基板。根据本发明的一实施例，基板102可以是单晶硅基板。然后，在步骤204中，在基板102的顶面102a上沉积牺牲层124。牺牲层124中可以有至少两个孔洞126，使得基板102的部分可以从孔洞126的底部暴露出。因为可透过光微影制程而精确定义孔洞126的位置，所以可以精确地控制两个孔洞126之间的距离。应当注意的是，在后续制程中，一些层会被沉积在牺牲层124上，而为了增加这些层的电性表现或结晶度，牺牲层124的侧壁126s和基板102的顶面102a之间的角度θ1应当被设定在10
°-
40
°
的范围内，例如10
°
、20
°
、30
°
或40
°
，但不限于此。
20.图4是在基板上形成膜层后的剖面示意图。在步骤206中，第一压电层132可以被沉积在基板102上，并填充至牺牲层124的孔洞126中。第一压电层132可以由绝缘材料制成，例如氮化铝(aln)、掺钪氮化铝(scaln)、锆钛酸铅(pzt)、氧化锌(zno)、聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,pvdf)、铌酸锰铅-钛酸铅(lead mangnesium niobate-lead titanate,pmn-pt)，但不限于此。根据本发明的一实施例，第一压电层132也可以用作后续沉积在第一压电层132上的某一层的晶种层。此外，第一压电层132的表面纹理可能会影响沉积在其上的一些层的结晶度。之后，底部电极134、第二压电层136、顶部电极138和钝化层140可以依序沉积在第一压电层132上。底部电极134和顶部电极138可以是由钼(mo)、钛(ti)、铝(al)或铂(pt)所组成的相同或不同的材料，但不限于此。第二压电层136可以由氮化铝(aln)、掺杂钪的氮化铝(scaln)、锆钛酸铅(pzt)、氧化锌(zno)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、铌酸铅-钛酸铅(pmn-pt)组成，但不限于此。钝化层140可以是由绝缘材料制成的选择性层，例如sio2、sion或aln，但不限于此。此外，第二压电层136的材料可以和第一压电层132的材料相同。此外，多个凹槽可以被形成在钝化层140的表面上，并且各凹槽可以在钝化层140的侧壁140s和钝化层140的顶面140a之间具有5
°-
35
°
的角度θ2。可以在膜层106中形成孔洞，以分别暴露出底部电极134和顶部电极138，然后可以将接触垫，即第一接触垫114和第二接触垫116填充到各孔洞中。如此，第一接触垫114可以电耦合至底部电极134，而第二接触垫116可以电耦合至顶部电极138。
21.图5是在膜层上形成弹性层后的剖面示意图。参考图5，具有所需弹性的层可以被
沉积在膜层106上，然后被图案化，以形成与第一接触垫114和第二接触垫116分离的弹性层142。弹性层142可以由具有合适弹性的材料组成，例如结晶硅(c-si)、非晶硅(a-si)、富硅氮化物(sin
x
)、碳化硅(sic)、钼(mo)、钛(ti)、铝(al)或铂(pt)，但不限于此。由于弹性层142不会被设置在第二压电层136下方，因此第二压电层136的结晶度不再会受到弹性层142的表面纹理的影响。
22.图6是根据本发明的一实施例形成穿透基板的空腔后的剖面示意图。参考图6，在步骤208中，透过蚀刻基板102的背面，以形成穿透基板102的空腔120。因此，牺牲层124的部分底面可以自空腔120被暴露出。空腔120在基板102的前侧可具有开口o，此开口o由邻近于膜层106的空腔120的边缘120e所定义出，并且开口o所定义出的长度可小于由第一压电层132的锚定部所定义出的距离d。由于用于定义pmut中的膜层的位置的距离d主要由第一压电层132的锚定部来决定，所以即使开口o的位置或尺寸有些许的偏移，pmut的膜层的位置和尺寸也不会改变。
23.之后，在步骤210中，藉由利用第一压电层132作为蚀刻停止结构，施行蚀刻制程，以去除从空腔120暴露出的牺牲层124。当牺牲层124的组成为氧化硅时，蚀刻剂可以是气态氢氟酸(vapor hf,vhf)。在去除从空腔120暴露出的牺牲层124的过程中，由于牺牲层124对于第一压电层132的蚀刻选择比大于10，所以可以仅去除与蚀刻剂直接接触的牺牲层124。此外，由于第一压电层132的锚定部可阻止蚀刻剂到达牺牲层124的剩余部分，因此可以避免牺牲层的剩余部分在蚀刻过程中被去除。结果，可以获得如图2所示的结构。
24.根据本发明的实施例，弹性层不会被设置在基板和膜层之间，而是被设置在膜层的顶面上。因此，膜层中的压电层的结晶度不再会被弹性层的表面纹理影响，因而得以自由调控pmut的膜层的整体弹性。以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。【符号说明】
25.100
…
压电微机械超声波换能器(pmut)102
…
基板102a
…
顶面102b
…
底面106
…
膜层114
…
第一接触垫116
…
第二接触垫120
…
空腔120e
…
边缘124
…
牺牲层126
…
孔洞126s
…
侧壁132
…
第一压电层134
…
底部电极136
…
第二压电层
138
…
顶部电极140
…
钝化层140a
…
顶面140s
…
侧壁142
…
弹性层200
…
方法202
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步骤204
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步骤206
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步骤208
…
步骤210
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步骤d
…
距离o
…
开口θ1
…
角度θ2
…
角度